具有增加的表面粗糙度的多孔表层和与其结合的植入物的制作方法
【专利摘要】本发明公开了具有增加的表面粗糙度的多孔表层和与其结合的植入物。可通过向多孔泡沫结构的经机械加工或预先经机械加工的组织接口表面提供金属性粉末，获得用于提供具有粗糙度增加的组织接口表层的系统和方法。金属性粉末可具有相应的大小和特性，以使多孔结构可在组织接口机械加工表面具有增加的粗糙度，同时抑制多孔金属性泡沫结构中的开口小孔的闭塞。
【专利说明】具有增加的表面粗糙度的多孔表层和与其结合的植入物
[0001]本申请是以下申请的分案申请:申请日2009年10月23日，申请号200980153743.X，发明名称“具有增加的表面粗糙度的多孔表层和与其结合的植入物”。
[0002]相关申请的交互参考
[0003]本申请要求2008年10月29日提交的、美国临时申请号61/109，395的权利。这篇先前的申请的公开内容通过全文参考结合于本文。
【技术领域】
[0004]本发明一般涉及具有增加的粗糙度的表层，且更具体地涉及用于增加多孔结构的组织哨合(tissue-engaging)外表面的粗糙度而不改变所述结构的孔径(pore size)和孔隙度的方法，以及涉及将增加粗糙度的表面的整合入所述多孔结构的医用植入物。
【背景技术】
[0005]特别是在医学领域中，植入物、装置或其它器具的表面可显著影响功能。例如，已作尝试通过提高植入物的粗糙度改善骨植入物稳定性。也已作其它尝试通过在植入物中提供骨长入(bone ingrowth)的小孔改善骨植入物稳定性。
[0006]一种在接触骨的植入物(如，整形外科植入物)中实现骨长入方法包括将金属性珠表面烧结在基底上。在植入物中实现骨长入的其它方法包括采用由钛构建的网状泡沫多孔涂层(其结合放电机械加工的(EDM)表面处理)、具有轴向沟槽的EDM表面、具有交叉影线(cross hatching)的EDM表面或光蚀刻表面。泡沫金属植入物已经显示达到比烧结的珠植入物更大的骨内生性(ingrowth)。参见，Urban, Robert Μ.等对新泡沫金属多孔涂层的生物机理和组织学应答，两种测量骨长入的测量方法的比较(Biomechanical andHistological Response to a Novel Foam Metal Porous Coating with Comparison ofTwo Methods for Measu ring Bone Ingrowth) ”,整形外科的研究学会第54期年会学报,第1854 页，2008 年 3 月 2-5 日。
[0007]然而，产生多孔金属泡沫向内成长结构(如，由将细微金属粉末粒子施用于多孔结构的所有表面创造的结构)可需要第二个机械加工步骤，以得到机械加工的金属泡沫结构的想要的形状和尺寸(如，公差(tolerances))。这样的机械加工可引起机械加工表面(如，组织-啮合的外表面)上的粗糙度丢失。可采用有纹理的模具在烧结过程中将压力-烧结粒子烧结至基底上，而不牺牲用于多孔珠-涂布的植入物的纹理，以维持或复原粗糙度。或者，采用放电机械加工(“EDM”)，造成交叉影线图(cross hatch pattern),并且当植入时，在涂层和骨中的凹槽之间造成缝隙，可维持或复原金属性泡沫的粗糙度。因此已经证明在维持结构的孔径和孔隙度的同时，这些机制在增加多孔金属泡沫长入结构的机械加工的组织-啮合的外表面的粗糙度中是不令人满意的。
[0008]因此，存在着一种改良的方法的需求，以提供具有避免以上讨论的缺点的改良的骨长入特性的多孔金属泡沫结构。
【发明内容】
[0009]本发明的实施方案涉及增加多孔结构的经机械加工的组织接口外表面的表面粗糙度而不改变多孔结构的孔径或孔隙度。
[0010]在一个实施方案中，假体植入物包括机械加工的网状多孔结构。可将包括不对称粒子的粉末布置在多孔结构的经机械加工的组织接口外表面上。在多孔结构中的所述不对称粒子可具有约30%和约70%之间的孔径大小，以至于增加植入物的经机械加工的组织接口外表面的表面粗糙度，而同时基本抑制多孔结构的开口小孔的闭塞和/或基本没有修改多孔结构的孔隙度。在一个实施方案中，多孔结构可为多孔金属体。类似地，在一个实施方案中，粉末可为金属粉末。在其它的实施方案中，多孔结构和粉末可具有非-金属材料。
[0011]在另一个实施方案中，假体植入物包括先前已机械加工的网状多孔结构，在先前已机械加工的网状多孔结构的全部表面上已经施用了一层或更多层额外的粉末层。可将含不对称粒子的粉末布置在多孔结构的先前已经机械加工的组织接口外表面上。在多孔结构中的不对称粒子可具有约30%和约70%之间孔径的大小，以便增加植入物的先前已经机械加工的组织接口外表面的表面粗糙度，而同时基本抑制多孔结构的开口小孔的闭塞和/或基本不修改多孔结构的孔隙度。
[0012]依据另一个实施方案，提供包含施用于固体表面的机械加工的网状多孔构造(porous construct)的假体植入物。可将含不对称粉末粒子的粉末附着于多孔构造的经机械加工的组织接口外表面。粉末的粒度被设定为增加多孔构造的经机械加工的组织接口外表面的表面粗糙度，而同时基本维持多孔构造的小孔开口。
[0013]依据还一个实施方案，提供包含先前已经机械加工的网状多孔构造的假体植入物，在所述构造的全部表面上已施用一层或更多层额外的粉末层并将该构造施用于固体表面。可将包含不对称粉末粒子的粉末附着于多孔构造的先前已经机械加工的组织接口外表面上。不对称粒子的粉末的粒度被设定为增加多孔构造的先前已经机械加工的组织接口外表面的表面粗糙度，而同时基`本维持多孔构造的小孔开口。
[0014]依据又一个实施方案，提供包含机械加工的网状结构和粘合至网状结构的经机械加工的组织接口外表面的粉末的表层。所述粉末包含具有约75微米和约106微米之间大小的不对称钛粒子。
[0015]依据另一个实施方案，提供包含先前已机械加工的网状结构组成的表层，所述先前已经机械加工的网状结构的全部表面上已施用一层或更多层额外的粉末层。可将包含具有约75微米和约106微米之间粒径的不对称钛粒子的粉末粘合至网状结构的经机械加工的组织接口外表面。
[0016]依据另外的又一个实施方案，提供用于增加多孔结构的表面粗糙度的方法。该方法包括将多孔结构机械加工为想要的形状和将包含不对称粉末粒子的粉末粘合至机械加工的多孔结构的经机械加工的组织接口外表面。将粉末粒子的大小设定为增加机械加工的多孔结构的经机械加工的组织接口外表面的粗糙度，而同时防止多孔结构的小孔的闭塞和/或维持多孔结构的孔隙度。在一个实施方案中，多孔结构为多孔金属泡沫和该粉末包含金属性粉末。在另一个实施方案中，多孔结构和粉末具有非-金属性材料。
[0017]依据再一个实施方案，提供用于增加多孔结构的表面粗糙度的方法。该方法包括将多孔结构机械加工为想要的形状和将一层或更多层额外的粉末层施用于多孔结构的全部表面。该方法还包括将包含不对称粉末粒子的粉末粘合至机械加工的多孔结构的先前已经机械加工的组织接口外表面上。所述粉末粒子的大小设定为增加机械加工的多孔结构的先前已经机械加工的组织接口外表面的粗糙度，而同时防止多孔结构的小孔闭塞和/或维持多孔结构的孔隙度。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]将在下文以参考图而详细解释的实施例实施方案的方式描述本发明，其中:
[0019]图1描绘在先技术的烧结金属泡沫预加工件(pre-form)的放大图像。采用以下步骤形成图1中显示的烧结金属泡沫预加工件:1)提供60ppi聚氨酯(PU)泡沫骨架，2)使用粘合剂，将三层细微球形金属粉末(如，球形钛粉末)涂布在所述60ppi聚氨酯(PU)泡沫骨架的全部表面制成“预加工的A”，3)随后从如参考表1于50x放大倍数下描述的“预加工的A”烧尽(burning out) PU骨架,形成绿色金属泡沫,4)随后采用电火花线切割(wireelectrical discharge machining) (WEDM)方法将所述绿色金属泡沫经机械加工为要求的形状，以及，然后5)随后烧结经机械加工的绿色金属泡沫以形成所述在先技术的烧结金属泡沫预加工件；
[0020]图2描绘依据本发明的一个实施方案的改良的烧结金属泡沫预加工件的放大图像。可采用以下步骤形成图2中显示的改良的烧结金属泡沫预加工件:1)提供60ppi聚氨酯(PU)泡沫骨架，2)使用粘合剂，将两层细微球形金属粉末(如，球形Ti粉)涂布在所述60ppi 泡沫骨架的全部表面，3)随后从得到的构造烧尽骨架以形成绿色金属泡沫，4)随后采用电火花线切割(WEDM)方法或类似的方法将所述绿色金属泡沫经机械加工为要求的形状，以形成机械加工的绿色金属泡沫，5)随后将另外一层细微球形金属粉末(如，球形Ti粉)施加于所述机械加工的绿色金属泡沫的全部表面，以形成如参考表1于50x放大倍数下描述的“预加工的B”，以及，然后6)随后烧结预加工的B以形成所述改良的烧结金属泡沫；
[0021]图3描绘依据本发明另一个`实施方案的“粗糙的金属泡沫”的放大图像。可采用以下步形成“粗糙的金属泡沫”:1)提供如上讨论的“预加工的A”，2)采用电火花线切割(WEDM)方法或类似的方法将“预加工的A”机械加工为要求的形状，其中的机械加工步骤形成至少一个经机械加工的组织接口外表面，3)如参考表1于50x放大倍数下描述的，将至少一层不对称金属粉末粒子(如，钛或脱氢Ti (Ti dehydride)粒子)施加于所述至少一个经机械加工的组织接口外表面上，和4)烧结得到的构造，以形成所述“粗糙的金属泡沫”；
[0022]图4是图3的粗糙的金属泡沫的横截面的放大图像，于50x放大倍数下(大图)和85x放大倍数(插入图像)显示具有粗糙的组织接口外表面的粗糙的多孔金属泡沫结构；
[0023]图5分别描绘如参考表2描述的“预加工的A”、“预加工的B”和“粗糙的金属泡沫”的组织接口外表面的地形起伏图(topographical relief map)；
[0024]图6显示参考表4、采用(A)60ppi起始聚氨酯泡沫和(B) 45ppi起始聚氨酯泡沫生产的机械加工和烧结金属泡沫的SEM图像(25X)。
[0025]图7描绘用于制备具有粗糙度增加的组织-啮合的外表面的多孔泡沫结构的方法的一个实施方案。
[0026]图8描绘用于制备具有粗糙度增加的组织-啮合的外表面的多孔泡沫结构而没有影响多孔结构的孔隙度和孔径的方法的另一个实施方案。
[0027]图9描绘具有粗糙的组织接口外表面的髋关节假体的股骨干的实施方案；
[0028]图10描绘具有粗糙的组织接口外表面的髋关节假体的髋臼杯(acetabularshell)的实施方案；
[0029]图11描绘具有粗糙的组织接口外表面的肩关节假体的实施方案；和
[0030]图12描绘具有组织接口外部的膝关节假体的一个实施方案。
【具体实施方式】
[0031]本文公开的实施方案提供在结构的经机械加工的组织接口外表面上具有表面粗糙度增加的多孔结构和制作其的方法。经机械加工的组织接口外表面一般得益于由将粉末施用于多孔结构(如，多孔金属体、多孔泡沫材料)造成的增加的粗糙度。
[0032]一般地，可将具有粗糙度增加的组织接口外表面施用于多孔金属性结构，一种形成的结构，预加工的结构或同样的其它物体的表面。在医用物品的情况下，生物惰性材料，诸如钛、钛合金、钽、钽合金、钴-铬合金、锆、锆合金等可用于多孔结构。然而，可使用其它适宜的金属性和非-金属性材料。这样的非-金属性材料可包括骨导电陶瓷(osteoconductive ceramics)，诸如，例如，磷酸钙(如,α和β磷酸三|丐、轻磷灰石等)。可按任何已知的方式使该材料模压、机械加工或加工成所需的形状。再有，材料可为固体、呈现为泡沫形式(诸如，例如，聚氨酯泡沫)或泡沫，其先前已施用于如由钛、钛合金、钽、钽合金、钴-铬合金、锆、锆 合金或其它适宜的金属性和非-金属性材料组成的固体金属基底上。
[0033]特别地，如上所讨论的，机械加工(如电火花线切割(“WEDM”))可降低最初提供给该结构的表面粗糙度。例如，当结构为将被植入骨的医用物品时，降低的粗糙度可减少任何对骨表面的抓配(scratch-fit)和降低植入物的稳定性。如上所讨论的,可采用具有纹理的模具或采用WEDM以切割进入该结构的凹槽，使粗糙度复原。再有，如本领域已知的，在用可施用于预加工的泡沫结构全部表面的细粉末(如，粒子大小<45 μ m)层进行机械加工后，可复原表面粗糙度。然而，该方法在预加工的泡沫结构的经机械加工的组织接口外表面未达到所需水平的表面粗糙度(参见下表1)，以增加预加工的结构对接口界面(如，骨)的抓配。此外，这样的方法不利于降低预加工的结构的孔隙度，此可导致预加工的结构中小孔的堵塞或闭塞，由此降低骨在多孔结构中向内长入(intergrow)的能力。
[0034]在一些实施方案中，可选择粉末以最佳地增加粗糙度，同时维持小孔开口于表面。在优选的实施方案中，可如下文进一步描述的那样，将粒子大小在约75和106 μ m之间的粗粉末施用于预加工金属泡沫结构的经机械加工的组织接口外表面，以增加所述组织接口外表面的粗糙度，而不改变多孔结构的孔隙度和孔径。然而，所述粗糙粒子可具有其它适宜的大小。在一个实施方案中，多孔结构可具有约40%和约85%之间的孔隙度。在另一个实施方案中，多孔结构可具有约60%和约80%之间的孔隙度。
[0035]在一个实施方案中，采用扫描式电子显微镜(SEM)或2D金相图像技术检测，多孔结构可具有的平均孔径约50 μ m和约1000 μ m之间。在另一个实施方案中，多孔结构可具有的平均孔径约100 μ m和约500 μ m之间。在又一个实施方案中，多孔结构可具有约200 μ m的平均孔径。然而，多孔结构可具有其它孔径。再有，可改变用于制成预加工的金属泡沫的多孔结构(如，聚氨酯泡沫)的孔径以影响最终孔径。
[0036]在优选的实施方案中，粗糙的粉末粒子的大小可为约10%和30%之间的多孔结构的孔径。在另一个实施方案中，粗糙的粉末粒子的大小可为约30%和70%之间的多孔结构的孔径。在又一个实施方案中，粗糙的粉末粒子的大小可为约40%和60%之间的多孔结构的孔径。然而，粗糙的粉末粒子可具有相对于多孔结构的孔径的其它适宜的大小，以致于使得粒子不粘合于多孔结构的经机械加工的组织接口外表面，而易于通过多孔结构的小孔，以抑制(如，防止)多孔结构中小孔的堵塞或闭塞。
[0037]可通过浸溃、喷雾、喷洒、静电方法或任何其它适当的方法施用粉末粒子。在一个实施方案中，可将粘合剂施用于经机械加工的金属泡沫结构的经机械加工的组织接口外表面。然后可将多孔结构浸溃入粗糙的粉末粒子层以用所述粗糙的粉末粒子涂布经机械加工的组织接口外表面。在另一个实施方案中，在已将粘合剂施用于所述表面之后，可将粗糙的粉末粒子喷洒在多孔结构的经机械加工的组织接口外表面上。如上所讨论的，优选粗糙的粉末粒子的大小以使得粒子不粘附于组织接口外表面使其易于通过多孔结构以致于抑制(如，防止)多孔结构中小孔的堵塞或闭塞。在又一个实施方案中，在已将粘合剂施用于所述表面之后，可将粗糙的粉末粒子喷雾于多孔结构的经机械加工的组织接口外表面上。
[0038]再有，粉末可具体其它性质。在一个实施方案中，粗糙的粉末粒子一般可为不对称的，其可对给定的粒子大小提供额外的粗糙度。细微和粗糙的粉末可为多种材料，诸如钛粉末，商业上为纯钛粉(“cpTi”)、氢化钛和脱氢钛。然而粉末可包括其它适宜的金属性材料，诸如钛合金、钴-铬合金、钽、锆和锆合金，以及适宜的非-金属性材料，诸如磷酸钙、羟磷灰石等。
[0039]可通过多种方法施用细微和粗糙的粉末。例如，可首先将粘合剂施用于多孔结构，诸如聚氨酯泡沫。然后，可将粉末层施用于多孔结构。然后，可将多孔结构烧结，这样粉末粘合于结构。在其它的实施方案中，如果需要，可将已经施用了细微和粗糙的粉末粒子的金属泡沫结构附着于某些其它结构(如，植入物基底)。
`[0040]更特别地，在一个实施方案中，可提供聚氨酯泡沫，可将其切成想要的大小。然后可用粘合剂充盈切后的聚氨酯泡沫。然后可将细微粉末，诸如cpTi施用于聚氨酯泡沫的全部表面，以形成起始的金属泡沫结构。在一个实施方案中，如果需要，可将细微粉末与在施用各层粉末之前施用于多孔结构的粘合剂一起施用于一或两层或多层中。在另一个实施方案中，如果需要，可将细微粉末施用于一至四层或多层中。优选地，将细微粉末施用于聚氨酯泡沫的足够的层数中，以形成具有想要的特性(如，孔眼大小、互连孔径、平均孔径、孔隙度、强度)的多孔结构，用于在最终的烧结步骤之后的具体应用(如，当该结构提供骨长入的医学应用)。如在本文使用的，小孔可为在泡沫或多孔结构外部或内部的间隙(interstitial)小孔，撑架(struts)可为限定小孔的结构元件，而腔隙可为由撑架与限定在腔隙外周上的小孔限定的容积。然后，在足以高于聚氨酯的降解温度的温度下将起始金属泡沫加热，以烧尽聚氨酯和形成绿色金属泡沫结构。然后可将绿色金属泡沫结构经机械加工(如WEDM)为想要的形状，如上所述，以形成预加工的金属泡沫结构，可导致降低预加工的金属泡沫结构的经机械加工的组织接口外表面的粗糙度。在一个实施方案中，机械加工或线切割EDM前施用于聚氨酯泡沫的粉末层数刚好足够增加泡沫强度，使之经机械加工绿色金属泡沫结构同时抑制泡沫结构的损坏。[0041]在机械加工绿色金属泡沫结构后，在一个实施方案中，可将额外层的细微粉末施用于预加工的金属泡沫结构的全部表面，以使多孔结构进一步增强和粗糙，在最终的烧结时达成想要的结构强度和孔径(如，为了具体的应用)。再有，如果需要可在一层或更多层施用此处的粉末。
[0042]一旦经机械加工的预加工的金属泡沫结构具有想要的强度和孔径(如，经由施用粉末层，如上讨论的)，可将粘合剂施用于多孔结构的经机械加工的组织接口外表面。在优选的实施方案中，如上所述，可将一层或更多层的粗糙的粉末粒子(如，不对称粒子)施用于预加工的金属泡沫结构的粘合剂-涂布的经机械加工的组织接口外表面，以形成粗糙的预加工件。可通过喷雾、涂刷或喷洒粗糙的粉末至粘合剂-涂布的外表面上，或通过将粘合剂-涂布的外表面浸溃在粗糙的粉末层中，将粗糙的粉末粒子施用于粘合剂-涂布的经机械加工的组织接口外表面。然后，可将粗糙的粉末烧结在粘合剂-涂布的外表面上，以形成粗糙的金属泡沫。在另一个实施方案中，可用粘合剂涂布金属粉末粒子并将所述粒子施用于预加工的金属泡沫结构的经机械加工的组织接口外表面。在一个实施方案中，在将粗糙的粉末烧结在粗糙的预加工的结构的粘合剂-涂布的外表面上之前，可将粗糙的预加工的结构附着于基底。
[0043]在另一个实施方案中，可提供已经机械加工成相应尺寸的多孔钛泡沫预加工件。可将粘合剂层施用于预加工的结构的经机械加工的组织接口外表面，随后加上粗糙的金属粉末(诸如，例如，cpTi或氢化钛)，以形成粗糙的预加工的结构。然后，可将粗糙的预加工的结构经历最终烧结，将粗糙的粉末粘合至预加工件以生产粗糙的金属泡沫结构。
[0044]已经检验有和没有附加粉末层的经机械加工的和烧结的钛泡沫件样品。通过检测所述表面的线性摩擦系数，测定样品的经机械加工的组织接口外表面的纹理。采用整形外 科摩擦和磨损试验机(OrthoPod)检测对强硬的聚氨酯泡沫(用于模拟骨松质)的线性摩擦，将约44N正常的负荷施用于样品，其离开(part against)聚氨酯泡沫，且泡沫以位移率(displacement rate)约3.8mm/sec成弧形旋转运动。所用的线性摩擦测验方法的更多细节可在“Friction Evaluation of Orthopedic Implant Surfaces Using a CommerciallyAvailable Testing Machine,，，Gilmour 等，摘要 #464 World Biomaterials Congress2008中找到，该文献的全部内容通过引用结合于本文并应该被认为是作为附后的附件A的本说明书的一部分。
[0045]表1显示三种类型的烧结的Ti泡沫表面的摩擦结果:(I)自通过涂布三层细微(< 45 μ m)球形Ti粉至60ppi I3U泡沫所有表面上形成的绿色金属泡沫经WEDM机械加工的预加工件，其中在机械加工之前施用所有三层(“预加工件A”)，在图1中阐释；(2)自通过涂布三层细微(< 45 μ m)球形Ti粉至60ppi I3U泡沫所有表面上形成的绿色金属泡沫通过WEDM机械加工的预加工件，其中在机械加工之前施用两层粉末而在机械加工之后施用一层(“预加工件B”)，在图2中阐释；和(3)机械加工之后施用一层粗糙的(75-106μπι)不对称Ti (脱氢钛)粉末至组织接口外表面的预加工件(“粗糙的金属泡沫”)，在图3-4中阐释。如显示的，具有在机械加工之后施用的大的不对称粉末的表面，与其它表面对比具有最高的线性摩擦系数。
[0046]表1:线性摩擦测验(每组η = 3)
【权利要求】
1.一种用于增加多孔结构的表面粗糙度的方法，该方法包括: 将多孔结构机械加工至想要的形状；和 使粉末粘合至机械加工的多孔结构的经机械加工的组织接口外表面，所述粉末包含不对称粉末粒子， 其中粉末粒子被制成适当大小以增加经机械加工多孔结构的机械加工的组织接口外表面的粗糙度，同时防止多孔结构的小孔的闭塞。
2.权利要求1的方法，其中不对称粉末粒子的大小为从约75微米至约106微米。
3.权利要求1的方法，其还包括烧结多孔结构的步骤。
4.权利要求1的方法，其中多孔结构包含松散金属泡沫扩增体。
5.权利要求1的方法，其还包括使多孔结构附着至基底的步骤。
6.权利要求5的方法，其中基底是金属泡沫-涂层的植入物，其选自膝关节植入物、髋关节植入物、肩关节植入物、脊骨植入物、胫骨托、髋白杯、股骨干和干骨领。
7.权利要求 1的方法，其还包括施加一层或更多层的额外的粉末层至多孔结构的全部表面的步骤。
8.权利要求7的方法，其中施加一层或更多层的额外的层的步骤发生在使粉末粘合至经机械加工多孔结构的机械加工的组织接口外表面的步骤之后。
9.权利要求7的方法，其中一层或更多层的额外的层各自包含细微球形粉末。
10.权利要求9的方法，其中细微球形粉末由尺寸小于45微米的粒子组成。
【文档编号】A61F2/38GK103751853SQ201410048576
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2009年10月23日 优先权日:2008年10月29日
【发明者】C.F.阿利, L.J.吉尔穆尔 申请人:史密夫和内修有限公司