用于钛合金基底的涂层的制作方法
【专利说明】
【背景技术】
[0001]由于DLC的硬度、耐磨性、低沉积温度(低于150°C )、生物相容性和摩擦特性(摩擦系数低于0.1)的独特组合，DLC理想地适合于各种领域的应用，包括摩损学、防腐和医疗设备。然而，在DLC作为硬涂层的应用中，与DLC的沉积相关联的高残余应力导致在高局部负载下的较差粘附强度、脆性断裂和脱层。参考图1A，例如，示出了沉积于钛-铝-铌(Ti6A17Nb)基底102上的非梯度DLC涂层106的截面的二次电镜(“SEM”)图像。如图1中所示，非梯度DLC涂层106表现出对于它下方的变形的较差耐受性(“蛋壳效应”)，并且由于它的脆性和低断裂伸长率，产生了裂缝108。层107为用于增强沉积于钛-铝-铌(Ti6A17Nb)基底102上的非梯度DLC涂层106周围的传导性的铂涂层。图1B示出了对比度经调节的图1A中所示SEM图像，该图像更好地示出了 DLC涂层中的裂缝。裂缝108损害DLC涂层106的完整性并且由于产生硬的磨损碎片而导致经DLC涂覆的Ti6A17Nb基底102(例如，脱层的假体)破坏。因此，需要更耐用的经涂覆金属基假体，这些假体能够表现出对于弹性和塑性变形二者的高耐受性，并且因此防止损害涂层和经涂覆假体的完整性的裂缝的形成。
【发明内容】
[0002]在一个方面，本发明提供一种外科植入物。在一个实施例中，外科植入物包括金属基底。在一个实施例中，存在邻近金属基底设置的钽夹层。在一个实施例中，钽夹层包含α -钽和非晶态钽。在一个实施例中，外科植入物包括至少一个邻近钽夹层设置的DLC层。在一个实施例中，钽夹层在金属基底侧和DLC侧之间具有相位梯度。在一个实施例中，钽夹层在金属基底侧和DLC侧之间具有从β-钽到α-钽的相位梯度。在一个实施例中，钽夹层的非晶态钽具有从金属基底侧向DLC侧增加的结晶度梯度。在一个实施例中，DLC层具有硬度值和弹性模量值。在一个实施例中，DLC层的硬度值具有远离钽侧增加的梯度。在一个实施例中，DLC层的弹性模量值具有远离钽侧增加的梯度。
[0003]在一些实施例中，外科植入物的金属基底独立地包含钛、钛基合金、钴基合金或钢。在一些实施例中，外科植入物的钽夹层具有范围为Inm至2 μπι的厚度。
[0004]在一些实施例中，钽夹层独立地还包含元素或化合物，其中该元素或化合物促进α-钽的生长。在一些此类实施例中，元素独立地包括钛、铌、钨、及其组合。在其它此类实施例中，化合物独立地包括钛化合物、铌化合物、钨化合物、及其组合。
[0005]在一些实施例中，外科植入物的钽夹层还包含钽化合物纳米粒子。在一些实施例中，外科植入物的钽夹层为碳化钽和钽的纳米复合材料。在一些实施例中，外科植入物具有DLC层，该DLC层具有从12GPa增大到22GPa的硬度值梯度。在一些实施例中，外科植入物具有DLC层，该DLC层具有从120GPa增大到220GPa的弹性模量值梯度。在一些实施例中，外科植入物具有至少一个DLC层，该DLC层包括多个交替子层。在一个实施例中，多个交替子层包括DLC子层和掺杂DLC子层。在一个实施例中，掺杂DLC子层掺杂有金属。在一个实施例中，掺杂金属的DLC子层掺杂有钛。
[0006]在另一方面，本发明提供一种用于制造根据本发明的示例性外科植入物的方法。在一个实施例中，该方法包括将金属基底插入真空系统中。在一个实施例中，该方法包括通过范围为约-200伏特至约-2000伏特的RF自偏压下的Ar+轰击来清洁金属基底。在一个实施例中，通过-600伏特的RF自偏压下的Ar+轰击来清洁金属基底。
[0007]在一个实施例中，该方法包括在向基底施加电偏压的同时沉积钽夹层。在一个实施例中，偏压为RF自偏压。在一个实施例中，施加的RF自偏压的范围为-50伏特至-600伏特。在一个实施例中，施加的RF自偏压以预先确定的增量改变。在一个实施例中，施加的RF自偏压以范围为5伏特步阶至50伏特步阶的阶梯式增量改变。
[0008]在一个实施例中，该方法包括沉积DLC层。在一个实施例中，通过在第二指定RF自偏压下将烃引入到基底来沉积DLC层。在一个实施例中，通过在第二 RF自偏压下引入烃来沉积DLC层，该第二 RF自偏压以阶梯式增量从-50伏特变化到-600伏特。在一个实施例中，施加的第二 RF自偏压以范围为5伏特步阶至50伏特步阶的阶梯式增量改变。在一个实施例中，通过引入具有范围为92g/mol至120g/mol的分子量的烃来沉积DLC层。在一个实施例中，通过引入烃来沉积DLC层，该烃独立地选自由以下项组成的组:甲苯、二甲苯、三甲基苯、及其组合。
[0009]在一些实施例中，用于制造根据本发明的外科植入物的方法包括在第三RF自偏压下将乙炔气氛引入到基底的步骤。在一个实施例中，施加的第三RF自偏压以第二阶梯式增量从-50伏特变化到-600伏特。在一个实施例中，第二阶梯式增量的范围为5伏特步阶至50伏特步阶。
[0010]在另一个实施例中，一种用于制造根据本发明的外科植入物的方法包括以下步骤:(a)将金属基底插入真空系统中；(b)通过针对基底的范围为约-200伏特至约-2000伏特的RF自偏压，优选-600伏特的RF自偏压下的Ar轰击来清洁金属基底；(c)通过在钽沉积期间对基底施加电偏压，包括RF自偏压，来沉积钽夹层，所述RF自偏压的范围为-50伏特至-600伏特；(d)通过在RF自偏压下引入乙炔气氛持续第一时间段来沉积DLC层，其中RF自偏压以阶梯式增量从-50伏特变化到-600伏特；(e)在第一时间段之后，将有机钛源引入乙炔气氛中，持续第二时间段；以及(f)重复步骤(d)和(e)多至一百次。在一个实施例中，阶梯式增量的范围为5伏特步阶至50伏特步阶。
【附图说明】
[0011 ] 上文的概述以及下文的外科植入物及其制造方法的实施例的【具体实施方式】在结合示例性实施例的附图阅读时将更好地理解。然而应当理解，本发明不限于所示的精确布置方式和工具。
[0012]在图中:
[0013]图1A是沉积在TiA16Nb7上的非梯度钽和DLC润滑涂层的扫描电镜(SEM)图像；
[0014]图1B是沉积在TiA16Nb7上的非梯度钽和DLC润滑涂层的扫描电镜(SEM)图像；
[0015]图2是根据本发明的示例性实施例的经涂覆外科植入物的示意性剖视图；
[0016]图3是沉积在根据本发明的示例性实施例的外科植入物上的梯度DLC润滑涂层的示意性剖视图；
[0017]图4是具有包括交替DLC层和金属掺杂DLC层的涂层的外科植入物的示意性剖视图。
[0018]图5是根据本发明的示例性实施例的外科植入物的示意性剖视图，该外科植入物具有钽夹层，该钽夹层包含分散在钽中的纳米复合碳化钽和钽。
[0019]图6A是示出根据本发明的示例性实施例的经DLC涂覆的颈椎间盘假体的顶部透视图的图像。
[0020]图6B是示出图6A中所示的颈椎间盘假体的顶部透视图的另一图像。
【具体实施方式】
[0021]详细参考附图，其中相同的参考标号在全文中表示相同的元件，在图2-图6中示出了根据本发明的示例性实施例的通常标有参考标号100的经涂覆的外科植入物的示意性剖视图。
[0022]本发明整体涉及假体矫形植入物，具体地涉及诸如用于与膝盖、髋部、肩部、肘部、脚趾、手指、腕部、踝部和椎间盘替换件一起使用的关节部件。更具体地，本发明涉及一种制备具有金属基底、钽夹层和DLC层的非模块化假体关节部件的方法。
[0023]在一个方面，本发明提供一种具有涂覆有至少一个包含DLC的层的金属基底的外科植入物。如图2中所示，在一个实施例中，外科植入物100包括具有涂层的金属基底102，该涂层包括邻近金属基底102设置的钽夹层104。在一个实施例中，外科植入物100包括金属基底100和包含α -钽的钽夹层104。在一个实施例中，外科植入物100包括金属基底102和包含非晶态钽的钽夹层104。在一个实施例中，外科植入物100包括金属基底102和包含α -钽和非晶态钽的钽夹层104。在一个实施例中，外科植入物100包括金属基底102和至少一个邻近钽夹层104设置的DLC层106。在一个实施例中，钽夹层在金属基底侧和DLC侧之间具有相位梯度。在一个实施例中，外科植入物100包括金属基底102和包含非晶态钽的钽夹层104，该非晶态钽具有结晶度梯度。在一个实施例中，外科植入物100包括金属基底102和包含非晶态钽的钽夹层104，该非晶态钽具有从金属基底102侧向DLC层106侧增加的结晶度梯度。在一个实施例中，外科植入物100包括具有从β-钽到α-钽的相位梯度的钽夹层104。
[0024]在一个实施例中，外科植入物100包括金属基底102、钽夹层104和DLC层106，该DLC层106具有硬度值和弹性模量值。在一个实施例中，外科植入物100包括金属基底102、钽夹层104和DLC层106，该DLC层106具有硬度值和弹性模量值，其中硬度值具有远离钽夹层104侧增加的梯度。在一个实施例中，外科植入物100包括金属基底102、钽夹层104和DLC层106，该DLC层106具有硬度值和弹性模量值，其中弹性模量值