新型髖臼組合件、其制備方法及應(yīng)用的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種新型髖臼組合件、其制備方法及應(yīng)用。該髖臼組合件包括陶瓷髖臼和金屬臼杯，所述髖臼與臼杯之間經(jīng)封接層緊密結(jié)合。進(jìn)一步的，所述封接層包括：由金屬或其合金經(jīng)直接封接工藝形成的、或經(jīng)金屬壓力封接工藝形成的、或經(jīng)陶瓷表面改性后由釬料焊接形成的金屬封接層；或者，主要由金屬氧化物和/或非金屬氧化物焊接形成的氧化物封接層。該方法包括：至少采用封接工藝或焊接工藝在髖臼和臼杯之間形成封接層，使髖臼與臼杯緊密結(jié)合。本發(fā)明提供的新型髖臼組合件具有結(jié)合強度高、生物相容性好及物理、化學(xué)穩(wěn)定等特點，且制備工藝簡單，能夠解決現(xiàn)有陶瓷全髖關(guān)節(jié)中大球頭帶來的薄壁陶瓷髖臼易破碎的風(fēng)險，并可擴(kuò)大大球頭的應(yīng)用范圍。
【專利說明】新型髖臼組合件、其制備方法及應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種人工關(guān)節(jié)，特別涉及一種利用封接技術(shù)形成的陶瓷髖白與金屬鈦臼杯的新型組合件，其可應(yīng)用在陶瓷面全髖關(guān)節(jié)中，屬于生物醫(yī)用材料【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]法國和德國20世紀(jì)70年代早期開始在全髖關(guān)節(jié)置換中使用陶瓷對陶瓷(CoC)界面組合。最早的陶瓷型髖白假體為一個單體結(jié)構(gòu)，手術(shù)中以骨水泥或壓配的方式進(jìn)行安放固定。但臨床實踐證明其固定不夠牢固，導(dǎo)致失敗的最主要原因是無菌性松動。從上個世紀(jì)90年代早期開始，CoC假體的設(shè)計上出現(xiàn)了一個重要的變化，就是絕大多數(shù)髖白側(cè)假體均采用了外表面粗糙或是多孔結(jié)構(gòu)的鈦金屬外杯加陶瓷內(nèi)襯的組合形式。臨床使用的結(jié)果證明這種設(shè)計形式的假體生存率良好，患者滿意度高。
[0003]陶瓷對陶瓷面全髖關(guān)節(jié)假體經(jīng)數(shù)十年臨床證明是最為安全有效的假體。是長壽命假體的發(fā)展方向。但是隨著大球頭的發(fā)展，對陶瓷髖白的要求越來越高，陶瓷強度雖然不斷提高，韌性也在不斷增加，因陶瓷本身的脆性，隨著球頭的直徑增加，陶瓷髖白的厚度越來越小，破碎風(fēng)險也就隨之增加，同時大球頭對陶瓷髖白的加工精度要求十分高，才能保證與鈦金屬白杯的緊密相扣，以此增強陶瓷髖白的可靠性，其加工不便，成本高昂，難以推廣應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]鑒于現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明的主要目的在于提供一種新型髖臼組合件，其具有結(jié)構(gòu)簡單，易于加工，可靠性好等特點。
[0005]本發(fā)明的另一目的在于提供制備前述新型髖臼組合件的方法。
`[0006]本發(fā)明的又一目的在于提供前述新型髖臼組合件的用途。
[0007]為實現(xiàn)前述發(fā)明目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案:
[0008]一種新型髖白組合件，包括主要由陶瓷材料組成的髖白和主要由金屬材料組成的臼杯，所述髖白與白杯之間經(jīng)封接層緊密結(jié)合。
[0009]進(jìn)一步的，所述封接層包括:
[0010]由金屬或其合金經(jīng)金屬封接工藝形成的金屬封接層，
[0011]由一種以上金屬釬料經(jīng)焊接工藝形成的金屬封接層，
[0012]或者，主要由金屬氧化物和/或非金屬氧化物經(jīng)封接工藝形成的氧化物封接層。
[0013]作為較為優(yōu)選的實施方案之一，所述金屬封接工藝包括直接封接工藝或壓力封接工藝，其中，
[0014]在所述直接封接工藝中，所采用的金屬或其合金為活性金屬或其合金，所述活性金屬或其合金包括Zr、T1、Nb、V、Ta中的任一種或二種以上的合金，且不限于此；
[0015]在所述壓力封接工藝中，所采用的金屬或其合金包括純Au、純Ag中的任一種或兩種的合金，且不限于此。[0016]作為較為優(yōu)選的實施方案之一，所述髖白包括表面改性的陶瓷髖白，其中，表面改性采用的金屬包括Mo、Mo-Mn、T1、Zr、Ta或Nb，且不限于此。
[0017]作為較為優(yōu)選的實施方案之一，所述金屬氧化物包括A1203、CaO、Na2O, Li2O, MgO, SrO, TiO2, ZrO2中的任一種或兩種以上的組合，所述非金屬氧化物包括SiO2，且不限于此。
[0018]作為較為優(yōu)選的實施方案之一，所述氧化物封接層包括:
[0019]Al2O3-CaO 基體，以及
[0020]添加在所述基體內(nèi)的堿金屬氧化物、堿土金屬氧化物、輔助氧化物中的任一種或兩種以上的組合，其中，
[0021 ] 所述堿金屬氧化物包括Na2O或Li2O,所述堿土金屬氧化物包括MgO或SrO，所述輔助氧化物包括Ti02、ZrO2或SiO2,且均不限于此；
[0022]或者，以SiO2為主的熔體。
[0023]作為較為優(yōu)選的實施方案之一，所述氧化物封接層包括:
[0024]以SiO2為主的熔體，以及
[0025]添加在所述熔體內(nèi)的堿金屬氧化物、堿土金屬氧化物、輔助氧化物中的任一種或兩種以上的組合，其中，
[0026]所述堿金屬氧化物包括Na2O或Li2O,所述堿土金屬氧化物包括MgO或SrO，所述輔助氧化物包括TiO2或ZrO2,且均不限于此。
[0027]一種新型髖白組合件的制備方法，包括如下步驟:
[0028](I)提供主要由陶瓷材料組成的髖臼和主要由金屬材料組成的臼杯；
[0029](2)至少采用封接工`藝或焊接工藝在髖白和白杯之間形成封接層，使所述髖臼與臼杯緊密結(jié)合。
[0030]進(jìn)一步的，步驟⑵包括:
[0031]I)對主要由陶瓷材料形成的髖白表面進(jìn)行改性處理，在將改性后的髖白表面與臼杯以金屬釬料焊接，其中，改性處理的工藝包括燒結(jié)金屬粉末法、氣相沉積法或濺射法；
[0032]或者，II)將所述髖曰與曰杯以活性金屬或其合金直接進(jìn)行封接，封接溫度在室溫~1450°C之間，并在空氣、真空、惰性或還原性氣氛中進(jìn)行操作，所述活性金屬或其合金包括Zr、T1、Nb、V、Ta中的任一種或任二種以上的合金；
[0033]或者，III)將所述髖臼與臼杯以純Au和/或純Ag通過壓力封接，壓力為I~ IOOMPa,并在空氣、真空、惰性或還原性氣氛中進(jìn)行操作；
[0034]或者，IV)將所述髖白與白杯經(jīng)氧化物焊接法封接，工藝條件包括:
[0035]a)以Al2O3-CaO為基體，并添加堿金屬氧化物、堿土金屬氧化物和輔助氧化物中的至少一種，封接溫度為500~1600°C，其中，所述堿金屬氧化物包括Na2O或Li2O,所述堿土金屬氧化物包括MgO或SrO，所述輔助氧化物包括Ti02、ZrO2或SiO2,且均不限于此；
[0036]或者，b)選用以SiO2為主的熔體，封接溫度為700~1600°C，并在真空或保護(hù)性氣氛中操作。
[0037]作為較為優(yōu)選的實施方案之一，步驟b)包括:
[0038]選用以SiO2為主的熔體，并加入堿金屬氧化物、堿土金屬氧化物、輔助氧化物中的至少一種，封接溫度為700~1600°C，并在真空或保護(hù)性氣氛中操作，其中，
[0039]所述堿金屬氧化物包括Na2O或Li2O,所述堿土金屬氧化物包括MgO或SrO，所述輔助氧化物包括TiO2或ZrO2,且均不限于此。
[0040]如前所述的新型髖白組合件在制備人工髖關(guān)節(jié)中的應(yīng)用。
[0041]一種人工髖關(guān)節(jié)，包含以上任一項所述的新型髖白組合件。
[0042]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明至少具有如下優(yōu)點:
[0043]I)提供了一種陶瓷髖臼與金屬臼杯緊密結(jié)合的新技術(shù)，其基于陶瓷與金屬封接技術(shù)，利用熔體或金屬擴(kuò)散的封接作用將陶瓷髖臼和金屬臼杯結(jié)合，從而制成一種新型髖臼組合件，該技術(shù)可使陶瓷髖白加工精度要求降低，又能與金屬杯緊密結(jié)合，以保證陶瓷髖臼的強度的穩(wěn)定性和可靠性，增強了陶瓷髖白的使用可靠性，同時，還可使陶瓷髖白的厚度大大降低，從而減少因陶瓷彈性模量遠(yuǎn)大于骨組織帶來的應(yīng)力，使大球頭適應(yīng)于更廣泛的患者。
[0044]2)該新型髖白組合件具有高強度，能夠承受人體運動的負(fù)載和疲勞，并在體內(nèi)有好的生物相容性和物理、化學(xué)穩(wěn)定性，可以在體內(nèi)長期保持高的強度，不會因人體的高負(fù)荷和高強度運動使陶瓷髖白破壞，且即使大的撞擊可能使陶瓷髖白產(chǎn)生裂紋，但因陶瓷髖臼與金屬杯之間有相當(dāng)高的結(jié)合強度，不會由此導(dǎo)致整個陶瓷髖白的碎裂，陶瓷也不會從金屬杯上脫落，從而保證假體正常運行，不致使整個假體失效，同時還可依然保持陶瓷對陶瓷髖臼面的良好摩擦性能。
【具體實施方式】
[0045]作為本發(fā)明的一個方面，提供了一種新型髖白組合件，其系由陶瓷全髖關(guān)節(jié)中陶瓷髖白與金屬白杯利用封接技術(shù)形成的新型組合件，其中，陶瓷髖白和金屬白杯因封接層緊密結(jié)合，并具有如下特征:結(jié)合強度高，能夠承受人體運動的負(fù)載和疲勞；并在體內(nèi)有好的生物相容性和物理、化學(xué)穩(wěn)定性，在體內(nèi)長期保持高的強度；不會因人體的高負(fù)荷和高強度運動使陶瓷髖白破壞，即使大的撞擊可能使陶瓷髖白產(chǎn)生裂紋，但不會因陶瓷髖白碎裂使假體失效。陶瓷碎片不會從金屬杯上脫落，從而保證了陶瓷髖白的持續(xù)運行。
[0046]進(jìn)一步的，對于前述的封接層，其系由與陶瓷和金屬均能結(jié)合的熔體或金屬離子擴(kuò)散材料形成，其與陶瓷和金屬結(jié)合時均呈現(xiàn)出很高的強度。
`[0047]相應(yīng)的，作為本發(fā)明的另一個方面，其提供了一種制備前述新型髖白組合件的工藝，在該工藝中，涉及到的封接技術(shù)及選用的熔體可以主要有以下三類:釬料焊接、金屬或合金直接封接、氧化物熔體焊接。
[0048]對于前述的封接方法，如下提供了一些較為優(yōu)選的實施方案，但本領(lǐng)域技術(shù)人員顯然亦可依據(jù)本發(fā)明的啟示，想到其它改進(jìn)工藝或條件:
[0049](一 )表面改性后釬料焊接
[0050]首先采用燒結(jié)金屬粉末法、氣相沉積、濺射等工藝對陶瓷表面進(jìn)行改性處理，可用于表面改性的金屬有Mo、Mo-Mn, T1、Zr、Ta、Nb等，接下來，采用真空、還原氣氛或惰性氣氛下將改性后的陶瓷和金屬鈦白杯之間加入金屬釬料，在一定溫度下進(jìn)行焊接，其中焊接溫度為 500 ~1450。。。
[0051]其中的金屬釬料要求必須滿足生物相容性，力學(xué)相容性和化學(xué)穩(wěn)定性。
[0052]( 二)合金或金屬直接封接:
[0053]I)選用活性金屬及其合金直接進(jìn)行封接。其中的活性金屬及其合金包括:Zr、T1、Nb、V、Ta等金屬及其合金；封接溫度選擇在室溫~1450°C之間；選擇氣氛可以為真空、含惰性或還原性氣氛保護(hù)。
[0054]2)純Au、純Ag等通過壓力擴(kuò)散封接，壓力:1~lOOMPa，真空或H2或保護(hù)氣氛或空氣中完成。
[0055](三)氧化物焊接法
[0056]DAl2O3-CaO為基體添加堿金屬氧化物Na20、Li2O及堿土金屬氧化物MgO、SrO等，也可加入TiO2、ZrO2、SiO2等氧化物調(diào)節(jié)熔體性能。封接溫度:500~1600°C
[0057]2)以SiO2為主的熔體，也可如上添加堿金屬、堿土金屬氧化物和T1、Zr、Mg等氧化物調(diào)節(jié)性能。封接溫度:700~1600°C ;真空或保護(hù)氣氛中完成。
[0058]事實上，概言之，本發(fā)明與一般金屬與陶瓷封接不同點在于:
[0059]I)陶瓷和金屬牢固結(jié)合，增強陶瓷髖臼的強度和使用的穩(wěn)定性，并在體液中保持界面及結(jié)合強度的穩(wěn)定性。
[0060]2)要求結(jié)合體的生物相容性好，化學(xué)穩(wěn)定性佳。
[0061]3)在體液中不易析出有害離子及金屬離子。
[0062]4)陶瓷與金屬結(jié)合在體液中承受人體的負(fù)重及疲勞。
[0063]下面結(jié)合實例對本發(fā)明的方法作進(jìn)一步的說明。這些實施例進(jìn)一步描述和說明了本發(fā)明范圍內(nèi)的實施方案。給出的實施例僅用于說明的目的，對本發(fā)明不構(gòu)成任何限定，在不背離本發(fā)明精神和范圍的條件下可對其進(jìn)行各種改變。
`[0064]實施例1
[0065]將陶瓷髖白進(jìn)行封接前的清洗，接著是表面處理，通過燒結(jié)金屬粉末法，選用Mo-Mn為基礎(chǔ)的配方,在其外表面進(jìn)行表面金屬化處理。
[0066]表面處理后的陶瓷髖白和表面清洗后的就是白杯，中間加入金屬釬料放入真空爐中進(jìn)行焊接，采用的工藝條件是:真空氣氛下，真空壓力小于10Pa，溫度1200°C，保溫30分鐘。降溫后可以得到陶瓷髖臼與金屬臼杯結(jié)合緊密的組合件。
[0067]實施例2
[0068]除下述變化外，其余同實施例1。
[0069]實施例1中的表面處理也可以采用氣相沉積或濺射工藝，如真空蒸發(fā)、真空濺射、離子注入等物理氣相沉積的方法。
[0070]實施例3
[0071]除下述變化外，其余同實施例1。
[0072]實施例1中的表面處理燒結(jié)金屬粉末法，還可以選用的金屬粉末:Mo、T1、Zr、Ta、
Nb等。
[0073]實施例4
[0074]除下述變化外，其余同實施例1。
[0075]實施例1中的金屬釬料焊接工藝條件，可以采用氦氣、氬氣等惰性氣體保護(hù)，或CO、H2等還原氣氛下進(jìn)行；焊接溫度可以為600~1450°C。
[0076]實施例5
[0077]活性金屬的直接封接，同樣首先將陶瓷髖白和金屬白杯進(jìn)行表面的清洗；之間加入活性金屬Ti，在真空爐中，真空IOPa以上，溫度800°C，保溫20分鐘，冷卻后得到封接的組合件。
[0078]實施例6
[0079]除下述變化外，其余同實施例5。
[0080]在實施例5中的活性金屬Ti，還可以選用活性金屬Zr、Nb、V、Ta等或其合金等。 氣氛同樣用惰性或還原氣氛；溫度選擇500~1450°C。
[0081]實施例7
[0082]同樣地，陶瓷髖白和金屬白杯表面清洗后，加入純銀，采用壓力封接的方法達(dá)到組合的目的，壓力20MPa。
[0083]壓力封接可選用的金屬還有純Au等，壓力可選I~lOOMPa，還可以在空氣或真空或氫氣等還原氣氛下進(jìn)行操作。
[0084]實施例8
[0085]氧化物焊接法，在本實施例中同樣首先進(jìn)行表面清洗，并對金屬白杯熱處理，即在真空或氫氣氛下，高溫處理。調(diào)配以Al2O3-CaO為基體，加入堿金屬氧化物Na20、Li2O組成氧化物焊料，再加入Ti02、ZrO2, SiO2等氧化物以調(diào)節(jié)熔體性能。在高純氧化鋁陶瓷髖臼和處理后的金屬曰杯間加入氧化物焊料，在加熱爐中升溫至1000°C，保溫10分鐘，降溫得到組合件。
[0086]實施例9
[0087]除下述變化外，其余同實施例8。`
[0088]實施例8中調(diào)配氧化物焊料還可以加入堿土金屬氧化物MgO、SrO等，或堿金屬和堿土金屬氧化物混合。封接溫度可以為500~1600°C，時間可以根據(jù)需要相應(yīng)調(diào)節(jié)。
[0089]實施例10
[0090]除下述變化外，其余同實施例8。
[0091]實施例8中的氧化物焊料可以為以Si02為主體加入堿金屬、堿土金屬氧化物組成的熔體，同樣可用Ti02、ZrO2, SiO2等氧化物以調(diào)節(jié)熔體性能。封接溫度在700~1600°C， 要求在真空或保護(hù)氣氛中進(jìn)行。
[0092]以上僅是本發(fā)明的具體應(yīng)用范例，對本發(fā)明的保護(hù)范圍不構(gòu)成任何限制。凡采用等同變換或者等效替換而形成的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明權(quán)利保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種新型髖白組合件，包括主要由陶瓷材料組成的髖白和主要由金屬材料組成的臼杯，其特征在于，所述髖白與白杯之間經(jīng)封接層緊密結(jié)合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型髖白組合件，其特征在于，所述封接層包括: 由金屬或其合金經(jīng)金屬封接工藝形成的金屬封接層， 由一種以上金屬釬料經(jīng)焊接工藝形成的金屬封接層， 或者，主要由金屬氧化物和/或非金屬氧化物經(jīng)封接工藝形成的氧化物封接層。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的新型髖白組合件，其特征在于，所述金屬封接工藝包括直接封接工藝或壓力封接工藝，其中， 在所述直接封接工藝中，所采用的金屬或其合金為活性金屬或其合金，所述活性金屬或其合金包括Zr、T1、Nb、V、Ta中的任一種或二種以上的合金； 在所述壓力封接工藝中，所采用的金屬或其合金包括純Au、純Ag中的任一種或兩種的合金。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的新型髖白組合件，其特征在于，所述髖白包括表面改性的陶瓷髖臼，其中，表面改性采用的金屬包括Mo、Mo-Mn、T1、Zr、Ta或Nb。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的新型髖白組合件，其特征在于，所述金屬氧化物包括A1203、Ca0、Na20、Li20、Mg0、SrO,Ti02、ZrO2中的任一種或兩種以上的組合，所述非金屬氧化物包括Si02。
6.根據(jù)權(quán)利要求2或5所述的新型髖白組合件，其特征在于，所述氧化物封接層包括: Al2O3-CaO基體，以及添加在所述基體內(nèi)的堿金屬氧化物、堿土金屬氧化物、輔助氧化物中的任一種或兩種以上的組合，其中， 所述堿金屬氧化物包括Na2O或Li2O,所述堿土金屬氧化物包括MgO或SrO，所述輔助氧化物包括TiO2、ZrO2或SiO2 ； 或者，以SiO2為主的熔體。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的新型髖白組合件，其特征在于，所述氧化物封接層包括: 以SiO2為主的熔體，以及 添加在所述熔體內(nèi)的堿金屬氧化物、堿土金屬氧化物、輔助氧化物中的任一種或兩種以上的組合，其中， 所述堿金屬氧化物包括Na2O或Li2O,所述堿土金屬氧化物包括MgO或SrO，所述輔助氧化物包括TiO2或ZrO2。
8.一種新型髖白組合件的制備方法，其特征在于，包括如下步驟: (1)提供主要由陶瓷材料組成的髖臼和主要由金屬材料組成的臼杯； (2)至少采用封接工藝或焊接工藝在髖白和白杯之間形成封接層，使所述髖白與臼杯緊密結(jié)合。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述新型髖白組合件的制備方法，其特征在于，步驟(2)包括: I)對主要由陶瓷材料形成的髖白表面進(jìn)行改性處理，在將改性后的髖白表面與白杯以金屬釬料焊接，其中，改性處理的工藝包括燒結(jié)金屬粉末法、氣相沉積法或濺射法； 或者，Ⅱ)將所述髖白與白杯以活性金屬或其合金直接進(jìn)行封接，封接溫度在室溫~1450°C之間，并在空氣、真空、惰性或還原性氣氛中進(jìn)行操作，所述活性金屬或其合金包括Zr、T1、Nb、V、Ta中的任一種或任二種以上的合金；或者，III)將所述髖臼與臼杯以純Au和/或純Ag通過壓力封接，壓力為I~lOOMPa， 并在空氣、真空、惰性或還原性氣氛中進(jìn)行操作；或者，IV)將所述髖白與白杯經(jīng)氧化物焊接法封接，工藝條件包括: a)以Al2O3-CaO為基體，并添加堿金屬氧化物、堿土金屬氧化物和輔助氧化物中的至少一種，封接溫度為500~1600°C，其中，所述堿金屬氧化物包括Na2O或Li2O,所述堿土金屬氧化物包括MgO或SrO，所述輔助氧化物包括Ti02、ZrO2或SiO2,并在真空或保護(hù)性氣氛中操作；或者，b)選用以SiO2為主的熔體，封接溫度為700~1600°C，并在真空或保護(hù)性氣氛中操作。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述新型髖白組合件的制備方法，其特征在于，步驟b)包括: 選用以SiO2為主的熔體，并加入堿金屬氧化物、堿土金屬氧化物、輔助氧化物中的至少一種，封接溫度為700~1600°C，并在真空或保護(hù)性氣氛中操作，其中，所述堿金屬氧化物包括Na2O或Li2O,所述堿土金屬氧化物包括MgO或SrO，所述輔助氧化物包括TiO2或ZrO2。
11.權(quán)利要求1-10中任一項所述的新型髖白組合件在制備人工髖關(guān)節(jié)中的應(yīng)用。
12.—種人工髖關(guān)節(jié)，其特征在于，包含權(quán)利要求1-10中任一項所述的新型髖白組合 件。
【文檔編號】A61L27/02GK103495201SQ201310399706
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2013年9月5日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月5日
【發(fā)明者】曾紹先, 趙宏 申請人:蘇州博恩瑞科生物材料有限公司