多孔結(jié)構(gòu)及其制造方法
【專利摘要】本公開提供了改進(jìn)通過快速制造技術(shù)形成的多孔結(jié)構(gòu)的性質(zhì)的方法。本公開的實(shí)施方案提高多孔結(jié)構(gòu)表面上的微粒與多孔結(jié)構(gòu)本身之間的粘結(jié)而不顯著降低微粒的表面積。在一個(gè)方面中，本公開的實(shí)施方案在保持或提高該結(jié)構(gòu)與相鄰材料的摩擦的同時(shí)改進(jìn)粘結(jié)。
【專利說明】多孔結(jié)構(gòu)及其制造方法
[0001] 對相關(guān)申請的交叉引用 本申請要求2012年2月20日提交的美國臨時(shí)申請No. 61/600, 963的權(quán)益。這一在 先申請的公開內(nèi)容全文經(jīng)此引用并入本文。 發(fā)明領(lǐng)域
[0002] 本公開大體上涉及通過快速制造技術(shù)和/或增材制造技術(shù)制成的多孔結(jié)構(gòu)及其 制造方法，更特別涉及改進(jìn)多孔結(jié)構(gòu)的表面性質(zhì)。
[0003] 背景 某些醫(yī)療植入物和矯形植入物需要用于承重的強(qiáng)度和促進(jìn)骨/組織長入的多孔性。例 如，許多矯形植入物包括提供支架結(jié)構(gòu)以促進(jìn)愈合過程中的骨長入的多孔段和旨在使患者 更快可走動的承重段?？焖僦圃旒夹g(shù)（RMT)，特別是直接金屬制造（DMF)或直接金屬激光燒 結(jié)（DMLS)，和固體自由形式制造 （solid free-form fabrication) (SFF)已用于制造醫(yī)療 植入物中或醫(yī)療植入物的部件中使用的金屬泡沫。這些技術(shù)也被稱作增材制造技術(shù)。一般 而言，RMT方法能由3-D CAD模型構(gòu)建結(jié)構(gòu)，包括棋盤格/三角形固體和光滑固體。例如， DMF技術(shù)由粉末一次一層地制造三維結(jié)構(gòu)，通過用能源如激光或電子束照射該粉末層來使 該粉末固化。通過施加以光柵掃描方式導(dǎo)向粉末層的所選部分的能源，使粉末熔結(jié)、熔融或 燒結(jié)。在熔結(jié)一個(gè)粉末層中的圖案后，分配另一粉末層，并重復(fù)該過程，在層之間進(jìn)行熔結(jié)， 直至所需結(jié)構(gòu)完成。
[0004] 圖1是以50x放大率獲取的通過RMT構(gòu)建的示例性多孔金屬結(jié)構(gòu)的掃描電子顯微 鏡（SEM)圖像?？梢钥闯?，通過快速制造技術(shù)構(gòu)建的這種多孔金屬骨骼長入結(jié)構(gòu)包含被半熔 結(jié)或部分熔結(jié)到該結(jié)構(gòu)上的球形金屬微?；蛑榱８采w的完全熔融的支柱。這是因?yàn)楫?dāng)激光 射到粉末時(shí)，其產(chǎn)生烙池 （melt pool),在此粉末烙化成液體形式并粘結(jié)到相鄰區(qū)域上。但 是，在熔池的最外緣，一些粉末粒子沒有完全熔化成液體形式。因此，在冷卻后，該多孔結(jié)構(gòu) 的表面常常含有僅部分附著到該結(jié)構(gòu)上的殘留粉末粒子。
[0005] 當(dāng)該多孔結(jié)構(gòu)用在醫(yī)療植入物中時(shí)，這些半熔結(jié)的微粒具有增加在活體內(nèi)供細(xì)胞 附著和隨后的骨長入用的多孔結(jié)構(gòu)表面積的益處。但是，如果這些粒子粘結(jié)得太松散，它們 會在植入或使用過程中脫落(例如由于骨與多孔結(jié)構(gòu)之間的微動）并遷移到關(guān)節(jié)間隙中，有 可能充當(dāng)?shù)谌w粒子并增加植入物支承面的磨損。由于這些結(jié)構(gòu)的多孔性--其中無法觸 及內(nèi)部支柱或表面，用于精修表面并除去附著的粉末粒子的典型的制造后工藝，如機(jī)械加 工或拋光不適用于多孔結(jié)構(gòu)。此外，這些制造后工藝造成污染問題，因?yàn)榇祟惞に囍兴玫?機(jī)油和試劑如未充分除去就可能不利地影響骨長入。
[0006] 致力于解決這些微粒的已知的制造后工藝包括通過化學(xué)蝕刻除去微粒，如美國申 請公開No. 2006/0147332中所公開的工藝，或使它們?nèi)刍蕉嗫捉Y(jié)構(gòu)的主體中，如Stamp 等人（J Master Sci: Mater. Med (2009) 20:1839-48)公開的工藝。盡管這些方法確保 微粒在使用過程中不脫落和危害患者，但它們也由于降低了多孔結(jié)構(gòu)的用于細(xì)胞附著的表 面積和粗糙部（asperities)而降低了這些微粒提供的益處。
[0007] 考慮到上述情況，仍然需要為了某些益處，如細(xì)胞附著和初始固定在不顯著降低 多孔結(jié)構(gòu)的表面積、粗糙部和/或摩擦的情況下改進(jìn)微粒的附著強(qiáng)度的有效方法。
[0008] 公開概述 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了包括下列步驟的方法：用熱處理法處理通過快速制造 技術(shù)形成的多孔結(jié)構(gòu)以提高附著到所述多孔結(jié)構(gòu)上的許多微粒與所述多孔結(jié)構(gòu)之間的粘 結(jié)強(qiáng)度而不顯著降低多孔結(jié)構(gòu)的表面積。
[0009] 在一個(gè)實(shí)施方案中，該熱處理提供大于1并小于5的平均微粒直徑/孔頸直徑 (neck diameter) I：匕。
[0010] 在一個(gè)實(shí)施方案中，該熱處理選自高真空爐處理、電阻熱處理、輻射熱處理、電子 束掃描、激光束掃描及其組合。
[0011] 在一個(gè)實(shí)施方案中，該熱處理以所選時(shí)間和溫度進(jìn)行。
[0012] 在另一實(shí)施方案中，該方法進(jìn)一步包括選擇所述熱處理的時(shí)間和溫度的步驟，其 中所述選擇旨在改進(jìn)所述許多微粒與所述多孔結(jié)構(gòu)之間的粘結(jié)，同時(shí)至少基本保持所述多 孔結(jié)構(gòu)的所需粗糙度和摩擦。
[0013] 在另一實(shí)施方案中，該方法進(jìn)一步包括選擇所述熱處理的時(shí)間和溫度的步驟，其 中所述選擇旨在改進(jìn)所述許多微粒與所述多孔結(jié)構(gòu)之間的粘結(jié)，同時(shí)提高所述多孔結(jié)構(gòu)的 粗糙度。
[0014] 在一個(gè)實(shí)施方案中，所述許多微粒包含選自金屬、陶瓷、金屬-陶瓷(金屬陶瓷)、玻 璃、玻璃 _陶瓷、聚合物、復(fù)合材料及其組合的粉末。在一個(gè)實(shí)施方案中，該金屬材料選自 鈦、鈦合金、鋯、鋯合金、鈮、鈮合金、鉭、鉭合金、鎳-鉻Γ例如不銹鋼)、鈷-鉻合金及其組合。
[0015] 在該多孔結(jié)構(gòu)包含鈦合金的一個(gè)實(shí)施方案中，該鈦合金結(jié)構(gòu)的熱處理溫度為大于 大約800°C至大約1200°C。在另一實(shí)施方案中，該鈦合金結(jié)構(gòu)的熱處理溫度為大約950°C 至大約1150°C。在另一實(shí)施方案中，該鈦合金結(jié)構(gòu)的熱處理溫度為大約1000°C至大約 1100°C。在另一實(shí)施方案中，該鈦合金結(jié)構(gòu)的熱處理溫度為大約1025°C至大約1075°C。在 另一實(shí)施方案中，該鈦合金結(jié)構(gòu)的熱處理溫度為大約1040°C至大約1060°C。在另一實(shí)施方 案中，該鈦合金結(jié)構(gòu)的熱處理溫度為大約1050°C。
[0016] 在一個(gè)實(shí)施方案中，將該多孔結(jié)構(gòu)熱處理大約30分鐘至300分鐘。在另一實(shí)施方 案中，將該多孔結(jié)構(gòu)熱處理大約60分鐘至180分鐘。在另一實(shí)施方案中，將該多孔結(jié)構(gòu)熱 處理大約90分鐘至150分鐘。在再一實(shí)施方案中，將該多孔結(jié)構(gòu)熱處理大約120分鐘。
[0017] 在一個(gè)實(shí)施方案中，該熱處理在真空或惰性氣體爐中在大氣壓，例如大約1大氣 壓或大約0. 21氧分壓以下進(jìn)行。在另一實(shí)施方案中，該熱處理在真空或惰性氣體爐中在低 于大約0.02 torr的氧分壓下進(jìn)行。在另一實(shí)施方案中，該熱處理在真空或惰性氣體爐中 在低于大約ΚΓ4 torr的氧分壓下進(jìn)行。在再一實(shí)施方案中，該熱處理在真空或惰性氣體爐 中在等于或低于大約ΚΓ5 torr的氧分壓下進(jìn)行。
[0018] 在一個(gè)實(shí)施方案中，至少基于所述許多微粒的尺寸和所述許多微粒的固態(tài)擴(kuò)散系 數(shù)決定該熱處理的時(shí)間和溫度。
[0019] 在一個(gè)實(shí)施方案中，至少基于多孔結(jié)構(gòu)的所需縱橫比決定該熱處理的時(shí)間和溫 度。
[0020] 在一個(gè)實(shí)施方案中，至少基于多孔結(jié)構(gòu)表面的所需摩擦決定該熱處理的時(shí)間和溫 度。
[0021] 在另一實(shí)施方案中，該方法包括形成具有所述處理過的多孔結(jié)構(gòu)的醫(yī)療植入物的 步驟。在一個(gè)實(shí)施方案中，該醫(yī)療植入物選自矯形植入物、牙植入物和血管植入物。
[0022] 在一個(gè)實(shí)施方案中，該選擇步驟包括測定處理前的所述多孔結(jié)構(gòu)的摩擦值、測定 處理后的所述多孔結(jié)構(gòu)的摩擦值、調(diào)節(jié)所述處理的時(shí)間和溫度直至處理前的摩擦值與處理 后的摩擦值至少基本相同。
[0023] 在一個(gè)實(shí)施方案中，該選擇步驟包括測定處理前的所述多孔結(jié)構(gòu)的摩擦值、測定 處理后的所述多孔結(jié)構(gòu)的摩擦值、調(diào)節(jié)所述處理的時(shí)間和溫度直至處理后的摩擦值高于處 理前的所述摩擦值。
[0024] 在一個(gè)實(shí)施方案中，所述處理的所選時(shí)間和溫度使得處理前的摩擦值在處理后的 摩擦值的大約〇%至小于大約15%內(nèi)。在另一實(shí)施方案中，所述處理的所選時(shí)間和溫度使得 處理前的摩擦值在處理后的摩擦值的大約5%至大約10%內(nèi)。在另一實(shí)施方案中，所述處理 的所選時(shí)間和溫度使得處理前的摩擦值在處理后的摩擦值的大約10%至小于大約15%內(nèi)。 在另一實(shí)施方案中，所述處理的所選時(shí)間和溫度使得處理前的摩擦值在處理后的摩擦值的 大約8%至大約12%內(nèi)。
[0025] 在一個(gè)實(shí)施方案中，摩擦值包含所述多孔結(jié)構(gòu)與類似物組件（analogue component)連接時(shí)的摩擦系數(shù)。
[0026] 在一個(gè)實(shí)施方案中，使用如Heiner和Brown, 53ri 0RS，2007所述的斜面法 或使用 Gilmour 等人，World Biomaterials Congress 10 (WBM), the Society for Biomaterials (SFB)組織的會議，2008中描述的銷盤測試裝置測量結(jié)構(gòu)的摩擦和/或粗 糙度，兩者的公開內(nèi)容都經(jīng)此引用并入本文。在一個(gè)實(shí)施方案中，銷盤法提供移動開始時(shí)以 及移動過程中的摩擦值。
[0027] 在聯(lián)系附圖閱讀時(shí)，從下列詳述中容易看出其它優(yōu)點(diǎn)和特征。上文已經(jīng)相當(dāng)廣泛 地略述了本發(fā)明的特征和技術(shù)優(yōu)點(diǎn)以便更好地理解下列發(fā)明詳述。下面描述本發(fā)明的另一 些特征和優(yōu)點(diǎn)，它們構(gòu)成本發(fā)明的權(quán)利要求書的主題。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該認(rèn)識到，所公開 的概念和具體實(shí)施方案容易用作修改或設(shè)計(jì)用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的相同目的的其它結(jié)構(gòu)的基 礎(chǔ)。本領(lǐng)域技術(shù)人員還應(yīng)認(rèn)識到，這樣的同等構(gòu)造不背離如所附權(quán)利要求中闡述的本發(fā)明 的精神和范圍。在聯(lián)系附圖考慮時(shí)，從下列描述中更好地理解就其組織和操作方法而言都 被認(rèn)為是本發(fā)明特有的新穎特征，以及另一些目的和優(yōu)點(diǎn)。但是，應(yīng)該明確理解，各圖僅用 于舉例說明和描述并且無意規(guī)定本發(fā)明的限制。
[0028] 附圖簡述 為了更完整理解所公開的方法和裝置，應(yīng)該參考在附圖中更詳細(xì)圖解的實(shí)施方案，其 中： 圖1是以50X放大率獲取的通過快速制造技術(shù)制成的多孔結(jié)構(gòu)的一部分的掃描電子顯 微鏡（SEM)圖像； 圖2是比較包括根據(jù)本公開的各方面處理過的示例性多孔結(jié)構(gòu)的各種產(chǎn)品的摩擦系 數(shù)的圖；且 圖3是示例性的銷盤測試設(shè)備的照片。
[0029] 應(yīng)該理解的是，附圖不一定按比例，有時(shí)用圖表和在局部視圖中圖解所公開的實(shí) 施方案。在某些情況下，可以省略對理解所公開的方法和裝置不必要的或使其它細(xì)節(jié)難理 解的細(xì)節(jié)。但是，應(yīng)該理解的是，本公開不限于本文中例舉的具體實(shí)施方案。
[0030] 詳細(xì)描述 本公開提供致力于改進(jìn)微粒與多孔結(jié)構(gòu)的附著強(qiáng)度或粘結(jié)而不顯著降低多孔結(jié)構(gòu)的 表面積或摩擦從而實(shí)現(xiàn)合意性質(zhì)，如對細(xì)胞附著和初始固定而言最佳的摩擦或粗糙度的方 法。由于較高摩擦而較粗糙的結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定并防止相對于骨頭的微動并因此被認(rèn)為有益于早 期穩(wěn)定性和骨長入。由于熔化粉末粒子以將它們?nèi)劢Y(jié)在一起的構(gòu)建技術(shù)，通過RMT構(gòu)建的 多孔結(jié)構(gòu)常常含有松散或部分熔結(jié)(半熔結(jié))到多孔結(jié)構(gòu)表面上的殘留粉末粒子。這些松散 或半熔結(jié)的粒子提供某些有益性質(zhì)，如用于細(xì)胞生長的多孔性或表面積；但是，當(dāng)該多孔結(jié) 構(gòu)與類似物植入組件或患者骨骼連接時(shí)，如果它們在患者體內(nèi)脫落，它們是有害的。
[0031] 根據(jù)本公開的一個(gè)方面，為了在保持微粒的表面積的同時(shí)提高這些粉末粒子或微 粒的粘結(jié)或附著強(qiáng)度，通過RMT形成的多孔結(jié)構(gòu)經(jīng)過熱處理。使該多孔結(jié)構(gòu)經(jīng)受具有一定 溫度和壓力的熱處理足以提高微粒與多孔結(jié)構(gòu)主體的粘結(jié)強(qiáng)度而不顯著降低該多孔結(jié)構(gòu) 的表面積的一段時(shí)間。在該優(yōu)選實(shí)施方案中，熱處理包含高真空爐處理。但是，另一些實(shí)施 方案考慮使用本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的類似的熱技術(shù)，如電阻熱處理，包括火花等離子體燒 結(jié)或其它適當(dāng)?shù)姆椒?，輻射熱處理，包括白光輻射，電子束掃描或激光束掃描?br> [0032] 根據(jù)本公開的一個(gè)方面，控制該熱處理以確保微粒沒有完全熔化到多孔結(jié)構(gòu)的主 體中，否則會降低多孔結(jié)構(gòu)的表面積。在該優(yōu)選實(shí)施方案中，可通過選擇保持或提高該多 孔結(jié)構(gòu)與類似物組件連接時(shí)的表面積、摩擦和/或粗糙部的參數(shù)來確定該熱處理的適當(dāng)條 件。
[0033] 測定多孔結(jié)構(gòu)的粗糙部是表征某些益處，如細(xì)胞附著和初始固定所需的性質(zhì)的另 一方式。粗糙部是從核心結(jié)構(gòu)上凸起的材料峰。粗糙部的縱橫比是指在核心結(jié)構(gòu)(或支柱） 上的峰高比粗糙部本身的最大寬度?；诹６龋植诓靠梢允菆A形的(例如縱橫比接近或小 于1)或可以是銳利的(例如縱橫比>1)。
[0034] 由于微粒是在RMT過程中未熔化的殘留粒子，該微粒包含與多孔結(jié)構(gòu)本身相同的 材料。在一個(gè)實(shí)施方案中，所述許多微粒包含選自金屬、陶瓷、金屬-陶瓷(金屬陶瓷)、玻璃、 玻璃-陶瓷、聚合物、復(fù)合材料及其組合的粉末。在一個(gè)實(shí)施方案中，該金屬材料選自鈦、鈦 合金、鋯、鋯合金、鈮、鈮合金、鉭、鉭合金、鎳-鉻Γ例如不銹鋼）、鈷-鉻合金及其組合。
[0035] 在本公開的一個(gè)具體實(shí)施方案中，該多孔結(jié)構(gòu)包含鈦合金。該鈦合金結(jié)構(gòu)的熱處 理溫度為大于大約800°C至大約1200°C。在另一實(shí)施方案中，該鈦合金結(jié)構(gòu)的熱處理溫 度為大約950°C至大約1150°C。在另一實(shí)施方案中，該鈦合金結(jié)構(gòu)的熱處理溫度為大約 1000°C至大約1100°C。在另一實(shí)施方案中，該鈦合金結(jié)構(gòu)的熱處理溫度為大約1025°C至大 約1075°C。在另一實(shí)施方案中，該鈦合金結(jié)構(gòu)的熱處理溫度為大約1040°C至大約1060°C。 在該優(yōu)選實(shí)施方案中，該熱處理溫度為大約1050°C。
[0036] 該熱處理的持續(xù)時(shí)間可以為優(yōu)選大約30分鐘至大約300分鐘，更優(yōu)選大約60分 鐘至大約180分鐘，和大約90分鐘至大約150分鐘，最優(yōu)選大約120分鐘。該熱處理在真 空或惰性氣體爐中優(yōu)選在大氣壓，例如大約1大氣壓或大約〇. 21氧分壓以下進(jìn)行。在另一 實(shí)施方案中，該熱處理在真空或惰性氣體爐中在優(yōu)選低于大約〇. 02 torr，更優(yōu)選低于大約 ΚΓ4 torr，最優(yōu)選等于或低于大約ΚΓ5 torr的氧分壓下進(jìn)行。
[0037] 根據(jù)另一方面，持續(xù)時(shí)間（或處理時(shí)間）和溫度至少基于該微粒的尺寸和固態(tài)擴(kuò)散 系數(shù)。盡管無意受理論限制，但本發(fā)明人相信，這歸因于粒子在支柱上的燒結(jié)取決于材料熔 點(diǎn)和粒子的尺寸。
[0038] 可通過本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的方法測量結(jié)構(gòu)的摩擦和/或粗糙度。一種示例性的 方法是如Heiner和Brown, 53rd 0RS, 2007描述的斜面法。另一種示例性方法是Gilmour 等人，WBM，2008中描述的銷盤測試裝置。在任一方法中，可以使用骨類似物材料或尸體 標(biāo)本。斜面法提供移動開始時(shí)但不一定提供移動過程中的摩擦信息。銷盤法提供移動開始 時(shí)和移動過程中的信息。圖3是用于實(shí)施銷盤法的示例性設(shè)備的照片。通常，在銷盤法中， 對由多孔結(jié)構(gòu)制成的銷施加44 N (0.15 MPa)的垂直法向載荷。將銷安裝到圖3中所示的 銷盤機(jī)的上部定位器上。將該機(jī)器編程以使基板以大約3.8 mm/sec的位移速率在弧形移 動路徑中旋轉(zhuǎn)所有骨類似物板。以100 Hz取樣垂直和水平載荷，然后用于計(jì)算最大動態(tài)摩 擦系數(shù)(切向力除以法向力）。為示例性目的提供這些試驗(yàn)參數(shù)并且無意構(gòu)成限制。可以基 于多孔結(jié)構(gòu)和試驗(yàn)?zāi)康淖们楦淖儏?shù)和條件。
[0039] 圖2是六種類型的產(chǎn)品的樣品的平均摩擦系數(shù)的圖表。第一種產(chǎn)品是R0UGHC0AT 珠粒，其是可購得的多孔長入表面。其由燒結(jié)在固體基底上的大約250-350微米大小的珠 粒構(gòu)成。測量R0UGHC0AT珠粒的三個(gè)樣品的摩擦系數(shù)。參照圖2，R0UGHC0AT珠粒樣品的平 均（±std. dev.)系數(shù)為大約 0· 55±0· 〇8。
[0040] 圖2的圖表中的第二種產(chǎn)品是通過RMT形成的沒有任何處理的多孔結(jié)構(gòu)，標(biāo)作〃RM 100%〃。測量通過RMT形成的沒有任何處理的六個(gè)不同多孔結(jié)構(gòu)的摩擦系數(shù)。RM 100%樣品 的平均（土 stcL dev.)系數(shù)為大約L 04±0· 08。
[0041] 第三種產(chǎn)品是根據(jù)本公開的各方面處理過的通過RMT形成的多孔結(jié)構(gòu)，具體而言 樣品在1050°C下在真空（<1(Γ 5 Torr)下熱處理大約1小時(shí)。這些樣品在圖2中標(biāo)作〃RM 100% + 1050C〃。測量三個(gè)不同RM 100% + 1050C的摩擦系數(shù)。RM 100% + 1050 C樣品的 平均（土std. dev.)系數(shù)為大約1. 13±0· 04。
[0042] 如圖2所反映，根據(jù)本公開的方面的熱處理與RM 100%樣品(其是未經(jīng)處理的多孔 結(jié)構(gòu)）相比提高多孔結(jié)構(gòu)的摩擦系數(shù)。摩擦的提高表明這種結(jié)構(gòu)保持所需粗糙部并因此增 加多孔結(jié)構(gòu)的益處，例如由于較高摩擦帶來的較高穩(wěn)定性而改進(jìn)的細(xì)胞附著，同時(shí)改進(jìn)微 粒與多孔結(jié)構(gòu)之間的粘結(jié)強(qiáng)度。
[0043] 但是，不受控制的熱處理會造成有害作用，如多孔結(jié)構(gòu)的摩擦系數(shù)的降低。參照 圖2,第四種產(chǎn)品是在下列條件中熱處理的通過RMT形成的多孔結(jié)構(gòu)：在真空（<1(Γ5 Torr) 下1200°C 1小時(shí)。這些樣品在圖2中標(biāo)作〃RM 100% + 1200C〃。測量三個(gè)不同RM 100% + 1200C的摩擦系數(shù)。RM 100% + 1200 C產(chǎn)品的平均（土std. dev.)系數(shù)為0· 88±0· 16。與 尚未處理的RM 100%多孔結(jié)構(gòu)和在較低溫度下處理的RM 100% + 1050C多孔結(jié)構(gòu)相比，在 較高溫度下的熱處理實(shí)際降低多孔結(jié)構(gòu)的摩擦系數(shù)。摩擦的降低表明該多孔結(jié)構(gòu)的表面積 或粗糙度已降低。無意受制于理論，但相信，較高溫度使相當(dāng)大量的微粒熔化到多孔結(jié)構(gòu)的 主體中，由此減少粗糙部和表面積和因此摩擦系數(shù)。
[0044] 為了探究這一假說，使用用于構(gòu)建多孔RM結(jié)構(gòu)的Ti6A14V粉末進(jìn)行實(shí)驗(yàn)以評估松 散微粒或珠粒的彼此燒結(jié)。圖4顯示附著到支柱上和附著到彼此上的松散粒子的低和高 放大率圖像?？梢钥闯?，一些粒子僅附著到彼此上（圖4C)，一些具有未充分形成的粘結(jié)（圖 4B)。圖5至7顯示在不同溫度下熱處理時(shí)這些松散粒子如何附著到彼此上。圖5顯示在 800°C下進(jìn)行1小時(shí)的熱處理。粒子仍保持它們的球形并已在一定程度上增強(qiáng)粒子的粘結(jié)。 圖6顯示在1050°C下進(jìn)行2小時(shí)的熱處理。此時(shí)已出現(xiàn)粒子之間的顯著粘結(jié)而不損失粒 子的球形。另外，在這些微粒的表面上已形成小平面，這進(jìn)一步提高表面積。圖7顯示在 1200°C下燒結(jié)2小時(shí)后的粒子的外觀。尚未發(fā)生微粉末粒子的顯著熔化且一些微粒已失去 球形并因此顯著降低表面積。評估這些粒子的彼此附著的一種方式是測量微粒直徑/孔頸 直徑（PD/ND)比。較高比率表明粘結(jié)不足，這可能導(dǎo)致較高的摩擦但也導(dǎo)致粒子脫落。如 果比率BD/ND接近1，表明微粒幾乎互相熔化到一起。圖6中所示的樣品的剖面金相學(xué)評估 顯示2. 1的平均PD/ND比。
[0045] 根據(jù)本公開的一個(gè)方面，進(jìn)行熱處理以使附著到其它粒子或支柱上的微粒的微粒 直徑/孔頸直徑為1. 5至5. 0。這一比率不僅看起來使粒子保持充分粘結(jié)，還保持該結(jié)構(gòu)的 表面積和因此摩擦特征?？梢酝ㄟ^標(biāo)準(zhǔn)剖面金相學(xué)技術(shù)評估這一比率。切開RM結(jié)構(gòu)樣品， 安裝，拋光并使用金相顯微鏡測量。選擇至少五個(gè)隨機(jī)的視場以測量微粒直徑和孔頸直徑。 為測量選擇25X、50X或100X的放大率。如果粒子的尺寸明顯不同，得出粒徑的平均數(shù)是重 要的，然后除以孔頸直徑以得出微粒直徑/孔頸直徑的準(zhǔn)確測量值。如果多個(gè)粒子彼此附 著，計(jì)算該組粒子或支柱的粒徑/孔頸直徑的平均值。
[0046] 在本發(fā)明的一些實(shí)施方案中，熱處理后的微粒直徑/孔頸直徑可以為大約1. 75至 大約4. 00。在另一些實(shí)施方案中，熱處理后的微粒直徑/孔頸直徑可以為大約1. 8至大約 3. 6〇
[0047] 參照圖2,第五和第六種產(chǎn)品是充當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)的市售產(chǎn)品以與根據(jù)本公開的各方面 處理過的多孔結(jié)構(gòu)比較摩擦系數(shù)。第五種產(chǎn)品是Zimmer，Inc.目前制造的TRABE⑶LAR METAL。TRABECULAR METAL 是 Zimmer, Inc.的注冊商標(biāo)。測量 TRABECULAR METAL 的兩個(gè) 樣品的摩擦系數(shù)，且樣品的平均（±std. dev.)摩擦系數(shù)為1. 11 ±0. 03。
[0048] 第六種產(chǎn)品是 Smith and N印hew Inc.制造的 STIKTITE。STIKTITE 是 Smith & N印hew，Inc.的注冊商標(biāo)。這通常通過燒結(jié)不對稱鈦粉以制造多孔表面來生產(chǎn)。測 量STIKTITE的三個(gè)樣品的摩擦系數(shù)。STIKTITE樣品的平均（土std. dev.)摩擦系數(shù)為 1. 14±0· 07。如圖2中所示，STIKTITE和TRABECULAR METAL的摩擦系數(shù)類似于RM 100% + 1050C樣品的摩擦系數(shù)。
[0049] 本公開的多孔結(jié)構(gòu)提供了用具有類似摩擦系數(shù)的市售STIKTITE和TRABE⑶LAR METAL產(chǎn)品無法獲得的選擇。例如，STIKTITE容易制造并提供良好的摩擦表面，但成品包含 固體基底，不對稱鈦合金粉末燒結(jié)在該固體基底上，這對僅由STIKTITE制造完全多孔結(jié)構(gòu) 帶來挑戰(zhàn)。
[0050] 盡管TRABE⑶LAR METAL可制成獨(dú)立式多孔結(jié)構(gòu)，但這種結(jié)構(gòu)的制造要求只能使用 鉭，這是相當(dāng)昂貴的材料。另外，用于制造這種結(jié)構(gòu)的化學(xué)氣相沉積法不僅冗長，還在環(huán)境 意義上可能有害，因?yàn)槭褂寐葰馍捎糜诔练e的一些試劑。
[0051] 根據(jù)本公開的一個(gè)方面，低于大約800°C的熱處理不足以改進(jìn)微粒的附著強(qiáng)度，例 如充分粘結(jié)松散微粒。測定熱處理是否足以粘結(jié)松散微粒的一個(gè)示例性方式涉及通過在含 有去離子水的超聲浴中攪拌熱處理的樣品來評估RM結(jié)構(gòu)的粒子脫落。在一個(gè)實(shí)施方案中， 首先在高精度天平上稱出要測試的樣品。然后在超聲浴中將樣品浸在去離子水中并施以超 聲振動本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的適當(dāng)時(shí)間量，例如4分鐘。在施以超聲振動后取出樣品，用甲 醇沖洗，用壓縮空氣吹干，并優(yōu)選在真空下干燥至少2小時(shí)。在干燥后，將樣品再稱重以測 定試驗(yàn)后重量。使用試驗(yàn)前和試驗(yàn)后的重量差測定歸因于粒子脫落的質(zhì)量損失。
[0052] 在一個(gè)具體實(shí)例中，如此制成的樣品(無熱處理）損失大約6毫克。在真空（<1(Γ4 Torr)中在大約800°C下熱處理大約1小時(shí)的樣品損失大約0. 3毫克，而在大約1050°C下熱 處理大約1小時(shí)和在大約1200°C下熱處理大約1小時(shí)的樣品損失不到0. 02毫克。因此， 在大約800°C下的熱處理不足以粘結(jié)松散的微粒樣品，而在更高溫度下的熱處理改進(jìn)微粒 與多孔結(jié)構(gòu)的附著強(qiáng)度，留住多孔結(jié)構(gòu)上的基本所有微粒。但是，如果不根據(jù)本公開的各方 面進(jìn)行該熱處理，改進(jìn)的微粒粘結(jié)仍會對如本文論述的處理過的多孔結(jié)構(gòu)造成不合意的效 應(yīng)。
[0053] 在該優(yōu)選實(shí)施方案中，可針對多孔結(jié)構(gòu)的特定材料優(yōu)化該熱處理。根據(jù)一個(gè)方面， 通過首先測定任何處理前的多孔結(jié)構(gòu)的摩擦值(例如摩擦系數(shù))進(jìn)行優(yōu)化。為第一熱處理試 驗(yàn)選擇溫度和時(shí)間。然后在這種第一輪熱處理中用所選條件處理多孔結(jié)構(gòu)。該優(yōu)化接著測 定處理過的多孔結(jié)構(gòu)的摩擦值。如果處理后的摩擦值提高或保持基本相同，所選條件是提 高微粒與多孔結(jié)構(gòu)的粘結(jié)強(qiáng)度而不顯著降低多孔結(jié)構(gòu)的表面積所需的條件。但是，如果處 理后的摩擦值降低，則為下一熱處理試驗(yàn)選擇新的溫度和時(shí)間。應(yīng)該降低溫度。如果該溫 度不足以改進(jìn)微粒的粘結(jié)強(qiáng)度，應(yīng)該提高溫度。重復(fù)優(yōu)化步驟并調(diào)節(jié)溫度和時(shí)間直至處理 后的摩擦值與處理前的摩擦值基本相同或更高。在一個(gè)實(shí)施方案中，所述處理的所選時(shí)間 和溫度使得處理前的摩擦值在處理后的摩擦值的大約〇%至小于大約15%內(nèi)。在另一實(shí)施 方案中，所述值在處理后的摩擦值的大約5%至大約10%內(nèi)。在另一實(shí)施方案中，所述值在 處理后的摩擦值的大約10%至小于大約15%內(nèi)。在另一實(shí)施方案中，所述值在處理后的摩 擦值的大約8%至大約12%內(nèi)。
[0054] 根據(jù)本公開的各方面處理過的多孔結(jié)構(gòu)可用于形成醫(yī)療植入物。在一個(gè)實(shí)施方案 中，該醫(yī)療植入物選自矯形植入物、牙植入物和血管植入物。在一個(gè)實(shí)施方案中，該矯形植 入物選自髖、膝蓋、肩、肘和脊柱植入物。
[0055] 盡管已經(jīng)詳細(xì)描述了本發(fā)明及其優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)該理解的是，可以在不背離如所附權(quán)利 要求規(guī)定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下對其做出各種變動、取代和替換。此外，本申請的 范圍無意局限于說明書中所述的工藝、機(jī)械、制造、物質(zhì)組成、手段、方法和步驟的特定實(shí)施 方案。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員從本發(fā)明的公開中容易認(rèn)識到，可根據(jù)本發(fā)明使用目前已有的 或稍后將開發(fā)出的與本文所述的相應(yīng)實(shí)施方案執(zhí)行基本相同的功能或?qū)崿F(xiàn)基本相同的結(jié) 果的工藝、機(jī)械、制造、物質(zhì)組成、手段、方法或步驟。因此，所附權(quán)利要求在其范圍內(nèi)意在包 括這樣的工藝、機(jī)械、制造、物質(zhì)組成、手段、方法或步驟。
【權(quán)利要求】
1. 一種方法，其包含步驟：用熱處理法處理通過快速制造技術(shù)形成的多孔結(jié)構(gòu)以提高 附著到所述多孔結(jié)構(gòu)上的許多微粒與所述多孔結(jié)構(gòu)之間的粘結(jié)強(qiáng)度而不顯著降低多孔結(jié) 構(gòu)的表面積。
2. 權(quán)利要求1的方法，其中所述熱處理提供大于1并小于5的平均微粒直徑/孔頸直 徑比。
3. 權(quán)利要求1的方法，其中所述熱處理選自高真空爐處理、電阻熱處理、輻射熱處理、 電子束掃描、激光束掃描及其組合。
4. 權(quán)利要求1的方法，其進(jìn)一步包括選擇所述熱處理的時(shí)間和溫度的步驟，其中所述 選擇旨在改進(jìn)所述許多微粒與所述多孔結(jié)構(gòu)之間的粘結(jié)，同時(shí)至少基本保持所述多孔結(jié)構(gòu) 的所需粗糙度和摩擦。
5. 權(quán)利要求1的方法，其進(jìn)一步包括選擇所述熱處理的時(shí)間和溫度的步驟，其中所述 選擇旨在改進(jìn)所述許多微粒與所述多孔結(jié)構(gòu)之間的粘結(jié)，同時(shí)提高所述多孔結(jié)構(gòu)的粗糙 度。
6. 權(quán)利要求1的方法，其中所述許多微粒包含選自金屬、陶瓷、金屬-陶瓷(金屬陶瓷)、 玻璃、玻璃-陶瓷、聚合物、復(fù)合材料及其組合的粉末。
7. 權(quán)利要求1的方法，其中所述金屬材料選自鈦、鈦合金、锫、锫合金、銀、銀合金、鉭、 鉭合金、鎳-鉻Γ例如不銹鋼)、鈷-鉻合金及其組合。
8. 權(quán)利要求7的方法，其中所述多孔結(jié)構(gòu)包含鈦合金，所述鈦合金結(jié)構(gòu)的熱處理溫度 為大于大約800°C至大約1200°C。
9. 權(quán)利要求1的方法，其中將所述多孔結(jié)構(gòu)熱處理大約30分鐘至300分鐘。
10. 權(quán)利要求1的方法，其中所述熱處理在真空或惰性氣體爐中在大氣壓以下進(jìn)行。
11. 權(quán)利要求1的方法，其中所述熱處理在真空或惰性氣體爐中在低于大約0.02 torr 的氧分壓下進(jìn)行。
12. 權(quán)利要求1的方法，其中至少基于所述許多微粒的尺寸和所述許多微粒的固態(tài)擴(kuò) 散系數(shù)決定所述熱處理的時(shí)間和溫度。
13. 權(quán)利要求1的方法，其中至少基于所述多孔結(jié)構(gòu)的所需縱橫比決定所述熱處理的 時(shí)間和溫度。
14. 權(quán)利要求1的方法，其中至少基于所述多孔結(jié)構(gòu)表面的所需摩擦決定所述熱處理 的時(shí)間和溫度。
15. 權(quán)利要求14的方法，其中所述選擇步驟包括測定處理前的所述多孔結(jié)構(gòu)的摩擦 值、測定處理后的所述多孔結(jié)構(gòu)的摩擦值、調(diào)節(jié)所述處理的時(shí)間和溫度直至處理前的摩擦 值與處理后的摩擦值至少基本相同。
16. 權(quán)利要求14的方法，其中所述選擇步驟包括測定處理前的所述多孔結(jié)構(gòu)的摩擦 值、測定處理后的所述多孔結(jié)構(gòu)的摩擦值、調(diào)節(jié)所述處理的時(shí)間和溫度直至處理后的摩擦 值高于處理前的所述摩擦值。
17. 權(quán)利要求14的方法，其中所述處理的所選時(shí)間和溫度使得處理前的摩擦值在處理 后的摩擦值的大約〇%至小于大約15%內(nèi)。
18. 權(quán)利要求15的方法，其中所述摩擦值包含所述多孔結(jié)構(gòu)與類似物組件連接時(shí)的摩 擦系數(shù)。
19. 權(quán)利要求18的方法，其中使用斜面法或使用所述銷盤測試裝置測量結(jié)構(gòu)的摩擦和 /或粗糙度。
20. 權(quán)利要求20的方法，其中所述銷盤法提供移動開始時(shí)以及移動過程中的摩擦值。
【文檔編號】A61F5/00GK104105510SQ201380009988
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2013年2月20日 優(yōu)先權(quán)日:2012年2月20日
【發(fā)明者】M.L.斯科特, L.甘, V.D.帕沃, S.蔡 申請人:史密夫和內(nèi)修有限公司