多孔结构及其制造方法与流程

对相关申请的交叉引用

本申请要求2012年2月20日提交的美国临时申请no.61/600,963的权益。这一在先申请的公开内容全文经此引用并入本文。

发明领域

本公开大体上涉及通过快速制造技术和/或增材制造技术制成的多孔结构及其制造方法，更特别涉及改进多孔结构的表面性质。

背景

某些医疗植入物和矫形植入物需要用于承重的强度和促进骨/组织长入的多孔性。例如，许多矫形植入物包括提供支架结构以促进愈合过程中的骨长入的多孔段和旨在使患者更快可走动的承重段。快速制造技术（rmt），特别是直接金属制造（dmf）或直接金属激光烧结（dmls），和固体自由形式制造（solidfree-formfabrication）（sff）已用于制造医疗植入物中或医疗植入物的部件中使用的金属泡沫。这些技术也被称作增材制造技术。一般而言，rmt方法能由3-dcad模型构建结构，包括棋盘格/三角形固体和光滑固体。例如，dmf技术由粉末一次一层地制造三维结构，通过用能源如激光或电子束照射该粉末层来使该粉末固化。通过施加以光栅扫描方式导向粉末层的所选部分的能源，使粉末熔结、熔融或烧结。在熔结一个粉末层中的图案后，分配另一粉末层，并重复该过程，在层之间进行熔结，直至所需结构完成。

图1是以50x放大率获取的通过rmt构建的示例性多孔金属结构的扫描电子显微镜（sem）图像。可以看出，通过快速制造技术构建的这种多孔金属骨骼长入结构包含被半熔结或部分熔结到该结构上的球形金属微粒或珠粒覆盖的完全熔融的支柱。这是因为当激光射到粉末时，其产生熔池（meltpool），在此粉末熔化成液体形式并粘结到相邻区域上。但是，在熔池的最外缘，一些粉末粒子没有完全熔化成液体形式。因此，在冷却后，该多孔结构的表面常常含有仅部分附着到该结构上的残留粉末粒子。

当该多孔结构用在医疗植入物中时，这些半熔结的微粒具有增加在活体内供细胞附着和随后的骨长入用的多孔结构表面积的益处。但是，如果这些粒子粘结得太松散，它们会在植入或使用过程中脱落（例如由于骨与多孔结构之间的微动）并迁移到关节间隙中，有可能充当第三体粒子并增加植入物支承面的磨损。由于这些结构的多孔性——其中无法触及内部支柱或表面，用于精修表面并除去附着的粉末粒子的典型的制造后工艺，如机械加工或抛光不适用于多孔结构。此外，这些制造后工艺造成污染问题，因为此类工艺中所用的机油和试剂如未充分除去就可能不利地影响骨长入。

致力于解决这些微粒的已知的制造后工艺包括通过化学蚀刻除去微粒，如美国申请公开no.2006/0147332中所公开的工艺，或使它们熔化到多孔结构的主体中，如stamp等人（jmastersci:mater.med(2009)20:1839-48）公开的工艺。尽管这些方法确保微粒在使用过程中不脱落和危害患者，但它们也由于降低了多孔结构的用于细胞附着的表面积和粗糙部（asperities）而降低了这些微粒提供的益处。

考虑到上述情况，仍然需要为了某些益处，如细胞附着和初始固定在不显著降低多孔结构的表面积、粗糙部和/或摩擦的情况下改进微粒的附着强度的有效方法。

公开概述

根据本发明的一个方面，提供了包括下列步骤的方法：用热处理法处理通过快速制造技术形成的多孔结构以提高附着到所述多孔结构上的许多微粒与所述多孔结构之间的粘结强度而不显著降低多孔结构的表面积。

在一个实施方案中，该热处理提供大于1并小于5的平均微粒直径/孔颈直径（neckdiameter）比。

在一个实施方案中，该热处理选自高真空炉处理、电阻热处理、辐射热处理、电子束扫描、激光束扫描及其组合。

在一个实施方案中，该热处理以所选时间和温度进行。

在另一实施方案中，该方法进一步包括选择所述热处理的时间和温度的步骤，其中所述选择旨在改进所述许多微粒与所述多孔结构之间的粘结，同时至少基本保持所述多孔结构的所需粗糙度和摩擦。

在另一实施方案中，该方法进一步包括选择所述热处理的时间和温度的步骤，其中所述选择旨在改进所述许多微粒与所述多孔结构之间的粘结，同时提高所述多孔结构的粗糙度。

在一个实施方案中，所述许多微粒包含选自金属、陶瓷、金属-陶瓷（金属陶瓷）、玻璃、玻璃-陶瓷、聚合物、复合材料及其组合的粉末。在一个实施方案中，该金属材料选自钛、钛合金、锆、锆合金、铌、铌合金、钽、钽合金、镍-铬（例如不锈钢）、钴-铬合金及其组合。

在该多孔结构包含钛合金的一个实施方案中，该钛合金结构的热处理温度为大于大约800℃至大约1200℃。在另一实施方案中，该钛合金结构的热处理温度为大约950℃至大约1150℃。在另一实施方案中，该钛合金结构的热处理温度为大约1000℃至大约1100℃。在另一实施方案中，该钛合金结构的热处理温度为大约1025℃至大约1075℃。在另一实施方案中，该钛合金结构的热处理温度为大约1040℃至大约1060℃。在另一实施方案中，该钛合金结构的热处理温度为大约1050℃。

在一个实施方案中，将该多孔结构热处理大约30分钟至300分钟。在另一实施方案中，将该多孔结构热处理大约60分钟至180分钟。在另一实施方案中，将该多孔结构热处理大约90分钟至150分钟。在再一实施方案中，将该多孔结构热处理大约120分钟。

在一个实施方案中，该热处理在真空或惰性气体炉中在大气压，例如大约1大气压或大约0.21氧分压以下进行。在另一实施方案中，该热处理在真空或惰性气体炉中在低于大约0.02torr的氧分压下进行。在另一实施方案中，该热处理在真空或惰性气体炉中在低于大约10^-4torr的氧分压下进行。在再一实施方案中，该热处理在真空或惰性气体炉中在等于或低于大约10^-5torr的氧分压下进行。

在一个实施方案中，至少基于所述许多微粒的尺寸和所述许多微粒的固态扩散系数决定该热处理的时间和温度。

在一个实施方案中，至少基于多孔结构的所需纵横比决定该热处理的时间和温度。

在一个实施方案中，至少基于多孔结构表面的所需摩擦决定该热处理的时间和温度。

在另一实施方案中，该方法包括形成具有所述处理过的多孔结构的医疗植入物的步骤。在一个实施方案中，该医疗植入物选自矫形植入物、牙植入物和血管植入物。

在一个实施方案中，该选择步骤包括测定处理前的所述多孔结构的摩擦值、测定处理后的所述多孔结构的摩擦值、调节所述处理的时间和温度直至处理前的摩擦值与处理后的摩擦值至少基本相同。

在一个实施方案中，该选择步骤包括测定处理前的所述多孔结构的摩擦值、测定处理后的所述多孔结构的摩擦值、调节所述处理的时间和温度直至处理后的摩擦值高于处理前的所述摩擦值。

在一个实施方案中，所述处理的所选时间和温度使得处理前的摩擦值在处理后的摩擦值的大约0%至小于大约15%内。在另一实施方案中，所述处理的所选时间和温度使得处理前的摩擦值在处理后的摩擦值的大约5%至大约10%内。在另一实施方案中，所述处理的所选时间和温度使得处理前的摩擦值在处理后的摩擦值的大约10%至小于大约15%内。在另一实施方案中，所述处理的所选时间和温度使得处理前的摩擦值在处理后的摩擦值的大约8%至大约12%内。

在一个实施方案中，摩擦值包含所述多孔结构与类似物组件（analoguecomponent）连接时的摩擦系数。

在一个实施方案中，使用如heiner和brown,53^rdors,2007所述的斜面法或使用gilmour等人,worldbiomaterialscongress10(wbm),thesocietyforbiomaterials(sfb)组织的会议,2008中描述的销盘测试装置测量结构的摩擦和/或粗糙度，两者的公开内容都经此引用并入本文。在一个实施方案中，销盘法提供移动开始时以及移动过程中的摩擦值。

在联系附图阅读时，从下列详述中容易看出其它优点和特征。上文已经相当广泛地略述了本发明的特征和技术优点以便更好地理解下列发明详述。下面描述本发明的另一些特征和优点，它们构成本发明的权利要求书的主题。本领域技术人员应该认识到，所公开的概念和具体实施方案容易用作修改或设计用于实现本发明的相同目的的其它结构的基础。本领域技术人员还应认识到，这样的同等构造不背离如所附权利要求中阐述的本发明的精神和范围。在联系附图考虑时，从下列描述中更好地理解就其组织和操作方法而言都被认为是本发明特有的新颖特征，以及另一些目的和优点。但是，应该明确理解，各图仅用于举例说明和描述并且无意规定本发明的限制。

附图简述

为了更完整理解所公开的方法和装置，应该参考在附图中更详细图解的实施方案，其中：

图1是以50x放大率获取的通过快速制造技术制成的多孔结构的一部分的扫描电子显微镜（sem）图像；

图2是比较包括根据本公开的各方面处理过的示例性多孔结构的各种产品的摩擦系数的图；

图3是示例性的销盘测试设备的照片；

图4显示附着到支柱上和附着到彼此上的松散粒子的低和高放大率图像；

图5显示在800℃下进行1小时的热处理后粒子的外观；

图6显示在1050℃下进行2小时的热处理后粒子的外观；和

图7显示在1200℃下烧结2小时后的粒子的外观。

应该理解的是，附图不一定按比例，有时用图表和在局部视图中图解所公开的实施方案。在某些情况下，可以省略对理解所公开的方法和装置不必要的或使其它细节难理解的细节。但是，应该理解的是，本公开不限于本文中例举的具体实施方案。

详细描述

本公开提供致力于改进微粒与多孔结构的附着强度或粘结而不显著降低多孔结构的表面积或摩擦从而实现合意性质，如对细胞附着和初始固定而言最佳的摩擦或粗糙度的方法。由于较高摩擦而较粗糙的结构更稳定并防止相对于骨头的微动并因此被认为有益于早期稳定性和骨长入。由于熔化粉末粒子以将它们熔结在一起的构建技术，通过rmt构建的多孔结构常常含有松散或部分熔结（半熔结）到多孔结构表面上的残留粉末粒子。这些松散或半熔结的粒子提供某些有益性质，如用于细胞生长的多孔性或表面积；但是，当该多孔结构与类似物植入组件或患者骨骼连接时，如果它们在患者体内脱落，它们是有害的。

根据本公开的一个方面，为了在保持微粒的表面积的同时提高这些粉末粒子或微粒的粘结或附着强度，通过rmt形成的多孔结构经过热处理。使该多孔结构经受具有一定温度和压力的热处理足以提高微粒与多孔结构主体的粘结强度而不显著降低该多孔结构的表面积的一段时间。在该优选实施方案中，热处理包含高真空炉处理。但是，另一些实施方案考虑使用本领域技术人员已知的类似的热技术，如电阻热处理，包括火花等离子体烧结或其它适当的方法，辐射热处理，包括白光辐射，电子束扫描或激光束扫描。

根据本公开的一个方面，控制该热处理以确保微粒没有完全熔化到多孔结构的主体中，否则会降低多孔结构的表面积。在该优选实施方案中，可通过选择保持或提高该多孔结构与类似物组件连接时的表面积、摩擦和/或粗糙部的参数来确定该热处理的适当条件。

测定多孔结构的粗糙部是表征某些益处，如细胞附着和初始固定所需的性质的另一方式。粗糙部是从核心结构上凸起的材料峰。粗糙部的纵横比是指在核心结构（或支柱）上的峰高比粗糙部本身的最大宽度。基于粒度，粗糙部可以是圆形的（例如纵横比接近或小于1）或可以是锐利的（例如纵横比>1）。

由于微粒是在rmt过程中未熔化的残留粒子，该微粒包含与多孔结构本身相同的材料。在一个实施方案中，所述许多微粒包含选自金属、陶瓷、金属-陶瓷（金属陶瓷）、玻璃、玻璃-陶瓷、聚合物、复合材料及其组合的粉末。在一个实施方案中，该金属材料选自钛、钛合金、锆、锆合金、铌、铌合金、钽、钽合金、镍-铬（例如不锈钢）、钴-铬合金及其组合。

在本公开的一个具体实施方案中，该多孔结构包含钛合金。该钛合金结构的热处理温度为大于大约800℃至大约1200℃。在另一实施方案中，该钛合金结构的热处理温度为大约950℃至大约1150℃。在另一实施方案中，该钛合金结构的热处理温度为大约1000℃至大约1100℃。在另一实施方案中，该钛合金结构的热处理温度为大约1025℃至大约1075℃。在另一实施方案中，该钛合金结构的热处理温度为大约1040℃至大约1060℃。在该优选实施方案中，该热处理温度为大约1050℃。

该热处理的持续时间可以为优选大约30分钟至大约300分钟，更优选大约60分钟至大约180分钟，和大约90分钟至大约150分钟，最优选大约120分钟。该热处理在真空或惰性气体炉中优选在大气压，例如大约1大气压或大约0.21氧分压以下进行。在另一实施方案中，该热处理在真空或惰性气体炉中在优选低于大约0.02torr，更优选低于大约10^-4torr，最优选等于或低于大约10^-5torr的氧分压下进行。

根据另一方面，持续时间（或处理时间）和温度至少基于该微粒的尺寸和固态扩散系数。尽管无意受理论限制，但本发明人相信，这归因于粒子在支柱上的烧结取决于材料熔点和粒子的尺寸。

可通过本领域技术人员已知的方法测量结构的摩擦和/或粗糙度。一种示例性的方法是如heiner和brown,53rdors,2007描述的斜面法。另一种示例性方法是gilmour等人,wbm,2008中描述的销盘测试装置。在任一方法中，可以使用骨类似物材料或尸体标本。斜面法提供移动开始时但不一定提供移动过程中的摩擦信息。销盘法提供移动开始时和移动过程中的信息。图3是用于实施销盘法的示例性设备的照片。通常，在销盘法中，对由多孔结构制成的销施加44n（0.15mpa）的垂直法向载荷。将销安装到图3中所示的销盘机的上部定位器上。将该机器编程以使基板以大约3.8mm/sec的位移速率在弧形移动路径中旋转所有骨类似物板。以100hz取样垂直和水平载荷，然后用于计算最大动态摩擦系数（切向力除以法向力）。为示例性目的提供这些试验参数并且无意构成限制。可以基于多孔结构和试验目的酌情改变参数和条件。

图2是六种类型的产品的样品的平均摩擦系数的图表。第一种产品是roughcoat珠粒，其是可购得的多孔长入表面。其由烧结在固体基底上的大约250-350微米大小的珠粒构成。测量roughcoat珠粒的三个样品的摩擦系数。参照图2，roughcoat珠粒样品的平均(±std.dev.)系数为大约0.55±0.08。

图2的图表中的第二种产品是通过rmt形成的没有任何处理的多孔结构，标作"rm100%"。测量通过rmt形成的没有任何处理的六个不同多孔结构的摩擦系数。rm100%样品的平均(±std.dev.)系数为大约1.04±0.08。

第三种产品是根据本公开的各方面处理过的通过rmt形成的多孔结构，具体而言样品在1050℃下在真空（<10^-5torr）下热处理大约1小时。这些样品在图2中标作"rm100%+1050c"。测量三个不同rm100%+1050c的摩擦系数。rm100%+1050c样品的平均(±std.dev.)系数为大约1.13±0.04。

如图2所反映，根据本公开的方面的热处理与rm100%样品（其是未经处理的多孔结构）相比提高多孔结构的摩擦系数。摩擦的提高表明这种结构保持所需粗糙部并因此增加多孔结构的益处，例如由于较高摩擦带来的较高稳定性而改进的细胞附着，同时改进微粒与多孔结构之间的粘结强度。

但是，不受控制的热处理会造成有害作用，如多孔结构的摩擦系数的降低。参照图2，第四种产品是在下列条件中热处理的通过rmt形成的多孔结构：在真空（<10^-5torr）下1200℃1小时。这些样品在图2中标作"rm100%+1200c"。测量三个不同rm100%+1200c的摩擦系数。rm100%+1200c产品的平均(±std.dev.)系数为0.88±0.16。与尚未处理的rm100%多孔结构和在较低温度下处理的rm100%+1050c多孔结构相比，在较高温度下的热处理实际降低多孔结构的摩擦系数。摩擦的降低表明该多孔结构的表面积或粗糙度已降低。无意受制于理论，但相信，较高温度使相当大量的微粒熔化到多孔结构的主体中，由此减少粗糙部和表面积和因此摩擦系数。

为了探究这一假说，使用用于构建多孔rm结构的ti6al4v粉末进行实验以评估松散微粒或珠粒的彼此烧结。图4显示附着到支柱上和附着到彼此上的松散粒子的低和高放大率图像。可以看出，一些粒子仅附着到彼此上（图4c），一些具有未充分形成的粘结（图4b）。图5至7显示在不同温度下热处理时这些松散粒子如何附着到彼此上。图5显示在800℃下进行1小时的热处理。粒子仍保持它们的球形并已在一定程度上增强粒子的粘结。图6显示在1050℃下进行2小时的热处理。此时已出现粒子之间的显著粘结而不损失粒子的球形。另外，在这些微粒的表面上已形成小平面，这进一步提高表面积。图7显示在1200℃下烧结2小时后的粒子的外观。尚未发生微粉末粒子的显著熔化且一些微粒已失去球形并因此显著降低表面积。评估这些粒子的彼此附着的一种方式是测量微粒直径/孔颈直径（pd/nd）比。较高比率表明粘结不足，这可能导致较高的摩擦但也导致粒子脱落。如果比率bd/nd接近1，表明微粒几乎互相熔化到一起。图6中所示的样品的剖面金相学评估显示2.1的平均pd/nd比。

根据本公开的一个方面，进行热处理以使附着到其它粒子或支柱上的微粒的微粒直径/孔颈直径为1.5至5.0。这一比率不仅看起来使粒子保持充分粘结，还保持该结构的表面积和因此摩擦特征。可以通过标准剖面金相学技术评估这一比率。切开rm结构样品，安装，抛光并使用金相显微镜测量。选择至少五个随机的视场以测量微粒直径和孔颈直径。为测量选择25x、50x或100x的放大率。如果粒子的尺寸明显不同，得出粒径的平均数是重要的，然后除以孔颈直径以得出微粒直径/孔颈直径的准确测量值。如果多个粒子彼此附着，计算该组粒子或支柱的粒径/孔颈直径的平均值。

在本发明的一些实施方案中，热处理后的微粒直径/孔颈直径可以为大约1.75至大约4.00。在另一些实施方案中，热处理后的微粒直径/孔颈直径可以为大约1.8至大约3.6。

参照图2，第五和第六种产品是充当标准的市售产品以与根据本公开的各方面处理过的多孔结构比较摩擦系数。第五种产品是zimmer,inc.目前制造的trabecularmetal。trabecularmetal是zimmer,inc.的注册商标。测量trabecularmetal的两个样品的摩擦系数，且样品的平均(±std.dev.)摩擦系数为1.11±0.03。

第六种产品是smithandnephewinc.制造的stiktite。stiktite是smith&nephew,inc.的注册商标。这通常通过烧结不对称钛粉以制造多孔表面来生产。测量stiktite的三个样品的摩擦系数。stiktite样品的平均(±std.dev.)摩擦系数为1.14±0.07。如图2中所示，stiktite和trabecularmetal的摩擦系数类似于rm100%+1050c样品的摩擦系数。

本公开的多孔结构提供了用具有类似摩擦系数的市售stiktite和trabecularmetal产品无法获得的选择。例如，stiktite容易制造并提供良好的摩擦表面，但成品包含固体基底，不对称钛合金粉末烧结在该固体基底上，这对仅由stiktite制造完全多孔结构带来挑战。

尽管trabecularmetal可制成独立式多孔结构，但这种结构的制造要求只能使用钽，这是相当昂贵的材料。另外，用于制造这种结构的化学气相沉积法不仅冗长，还在环境意义上可能有害，因为使用氯气生成用于沉积的一些试剂。

根据本公开的一个方面，低于大约800℃的热处理不足以改进微粒的附着强度，例如充分粘结松散微粒。测定热处理是否足以粘结松散微粒的一个示例性方式涉及通过在含有去离子水的超声浴中搅拌热处理的样品来评估rm结构的粒子脱落。在一个实施方案中，首先在高精度天平上称出要测试的样品。然后在超声浴中将样品浸在去离子水中并施以超声振动本领域技术人员已知的适当时间量，例如4分钟。在施以超声振动后取出样品，用甲醇冲洗，用压缩空气吹干，并优选在真空下干燥至少2小时。在干燥后，将样品再称重以测定试验后重量。使用试验前和试验后的重量差测定归因于粒子脱落的质量损失。

在一个具体实例中，如此制成的样品（无热处理）损失大约6毫克。在真空（<10^-4torr）中在大约800℃下热处理大约1小时的样品损失大约0.3毫克，而在大约1050℃下热处理大约1小时和在大约1200℃下热处理大约1小时的样品损失不到0.02毫克。因此，在大约800℃下的热处理不足以粘结松散的微粒样品，而在更高温度下的热处理改进微粒与多孔结构的附着强度，留住多孔结构上的基本所有微粒。但是，如果不根据本公开的各方面进行该热处理，改进的微粒粘结仍会对如本文论述的处理过的多孔结构造成不合意的效应。

在该优选实施方案中，可针对多孔结构的特定材料优化该热处理。根据一个方面，通过首先测定任何处理前的多孔结构的摩擦值（例如摩擦系数）进行优化。为第一热处理试验选择温度和时间。然后在这种第一轮热处理中用所选条件处理多孔结构。该优化接着测定处理过的多孔结构的摩擦值。如果处理后的摩擦值提高或保持基本相同，所选条件是提高微粒与多孔结构的粘结强度而不显著降低多孔结构的表面积所需的条件。但是，如果处理后的摩擦值降低，则为下一热处理试验选择新的温度和时间。应该降低温度。如果该温度不足以改进微粒的粘结强度，应该提高温度。重复优化步骤并调节温度和时间直至处理后的摩擦值与处理前的摩擦值基本相同或更高。在一个实施方案中，所述处理的所选时间和温度使得处理前的摩擦值在处理后的摩擦值的大约0%至小于大约15%内。在另一实施方案中，所述值在处理后的摩擦值的大约5%至大约10%内。在另一实施方案中，所述值在处理后的摩擦值的大约10%至小于大约15%内。在另一实施方案中，所述值在处理后的摩擦值的大约8%至大约12%内。

根据本公开的各方面处理过的多孔结构可用于形成医疗植入物。在一个实施方案中，该医疗植入物选自矫形植入物、牙植入物和血管植入物。在一个实施方案中，该矫形植入物选自髋、膝盖、肩、肘和脊柱植入物。

尽管已经详细描述了本发明及其优点，应该理解的是，可以在不背离如所附权利要求规定的本发明的精神和范围的情况下对其做出各种变动、取代和替换。此外，本申请的范围无意局限于说明书中所述的工艺、机械、制造、物质组成、手段、方法和步骤的特定实施方案。本领域普通技术人员从本发明的公开中容易认识到，可根据本发明使用目前已有的或稍后将开发出的与本文所述的相应实施方案执行基本相同的功能或实现基本相同的结果的工艺、机械、制造、物质组成、手段、方法或步骤。因此，所附权利要求在其范围内意在包括这样的工艺、机械、制造、物质组成、手段、方法或步骤。