專利名稱：在陶瓷體上制備骨整合表面的方法
在陶瓷體上制備骨整合表面的方法本發(fā)明涉及權利要求I的在陶瓷體上制備骨整合表面(osteointegrativesurface)的方法以及權利要求16的所述主體。本發(fā)明進一步涉及權利要求18的主體作為植入物的用途，特別是牙植入物。植入物，例如牙植入物，為本領域熟知。它們通常由以下材料組成所述材料為生物相容的，并且另外具有低彈性模量和高強度。除了其生物相容性和其機械性能以外，植入物的骨整合特性通常至關重要。術語“骨整合”指明在活骨與承載植入物的表面之間的直接結構和功能連接。良好的骨整合意指在通過將其旋擰到骨中達到初步穩(wěn)定之后，植入物在短的愈合時間內(nèi)安全地骨化，以致得到植入物與骨之間的永久性結合。目前使用的牙植入物通常由金屬例如鈦或陶瓷例如氧化鋯基陶瓷制成，因為這些 材料具有生物相容性和有利的機械性能。或者對于以上所提及的材料，已進一步提示，作為由這樣的材料制成的植入物，使用非常類似于天然骨組織的材料應與現(xiàn)有的骨組織更加充分整合并提高植入物周圍的新骨生長。就這一點而言，已經(jīng)考慮使用羥基磷灰石，其與天然存在的磷灰石非常相似。不管由燒結的羥基磷灰石形成的植入物的生物活性，然而這樣植入物的機械性能已證明是不夠的。例如，僅由羥基磷灰石形成的牙植入物在植入頜骨之后容易產(chǎn)生裂紋和斷裂?；谶@些觀察結果，EP-A-0864332建議一種方法，通過該方法，按結晶羥基磷灰石的重量計至少約90%的涂層使用等離子體噴涂施用于金屬植入物上?；蛘撸琔S-B-5934287公開了一種方法，通過該方法，由材料包括羥基磷灰石形成的顆粒提供于由鈦或鈦合金形成的主體構件的處理部分的表面，以致每一個所述顆粒具有嵌入所述處理部分表面中的部分和自所述處理部分表面凸起的部分。然而，根據(jù)這些方法提供具有羥基磷灰石的金屬植入物的表面具有以下的缺點即當將植入物植入到骨中并使其受到生理負荷時，羥基磷灰石往往被磨損。關于金屬植入物的骨整合性能的技術發(fā)展因此已經(jīng)使具有生物活性材料的表面涂層變差，并且主要集中在消減過程，象例如由EP-A-0388576公開的那樣。而且關于陶瓷材料的表面處理，添加劑處理已經(jīng)證明是有問題的 W0-A-2005/027771涉及用于制備牙科裝置的方法，其中分散體施用于具有第一孔隙率
的基體上，所述分散體在燒結具有第二孔隙率的陶瓷層時形成。EP-A-0870478涉及具有高強度材料比如氧化鋯的核心的牙保留元件，所述核心涂有其可被化學和/或機械處理的陶瓷材料。然而，同樣在W0-A-2005/027771和EP-A-0870478中公開的復合結構具有以下缺
點即陶瓷涂層容易被磨損。用于提供給陶瓷植入物的表面結構的進一步的替代技術在DE-A-102006062712中得到描述，其涉及一種方法，其中在通過向所謂的綠色體和/或褐色體的表面施用邊緣銳利的粒子進行燒結之前，增大表面粗糙度。從而優(yōu)選的是綠色體和/或褐色體涂有粘合齊U，用于固定顆粒。根據(jù)在DE-A-102006062712中所描述技術的另一個實施方案，顆粒與粘合劑混合并施用于綠色體和/或褐色體上。DE-A-102006062712因此教導了施用于植入物體表面的單一顆粒，其導致顆粒形狀凸起。如以上所提及的那樣，根據(jù)DE-A-1020060621712，必需的是這些顆粒為邊緣銳利的。為了防止植入物受損，DE-A-1020060621712教導了在沒有施加壓力(“無壓力(drucklos) ”)下顆粒分別在綠色體和/或褐色體上“滴流”。如在DE-A-1020060621712中說明性顯示的那樣，因此得到在基體與所施用的顆粒之間具有界面的主體。然而DE-A-1020060621712的方法實施相對復雜。特別是對于沒有施加壓力下滴流的顆粒，它們往往自它們被施用的表面脫落。而且，由于滴流的顆粒往往在表面形貌的谷而不是在峰上積聚這樣的事實，難以得到顆粒的均勻分布。對于金屬植入物，在陶瓷植入物上提供骨整合表面的發(fā)展因此已經(jīng)使添加劑處理變差，并且已經(jīng)主要集中在消減過程，象例如由EP-B-1450722和EP-A-1982670建議的那 樣
EP-B-1450722涉及由氧化鋯陶瓷制成的牙植入物，其在噴砂之后受到使用磷酸、硫酸、鹽酸或其混合物的處理。EP-A-1982670涉及一種方法，其中在用包含氫氟酸的蝕刻溶液蝕刻植入物之前，通過噴砂、研磨和/或注塑成型技術提供給牙植入物的表面粗糙度。鑒于消減技術伴隨材料損失并可能對植入物的機械穩(wěn)定性造成負面影響這一事實，無論如何應期望具有添加劑處理，后者導致植入物具有骨整合表面，具有所述骨整合表面的所述植入物同時具有足以承受生理負荷的機械穩(wěn)定性。目的通過權利要求I的植入物得以解決。優(yōu)選的實施方案在從屬權利要求中給出。本發(fā)明涉及通過使主體的至少一部分表面化學改性，來制備陶瓷體的骨整合表面的方法，所述方法包括以下后續(xù)步驟
通過向基體噴射包含磷酸鈣礦物的顆粒附聚物，在陶瓷基體的表面上沉積磷酸鈣礦物；和
加熱磷酸鈣礦物沉積在其上的基體。本發(fā)明因此涉及添加劑處理。通過該方法，可得到其具有自表面向一定深度延伸的表面區(qū)域的主體，所述表面區(qū)域包含磷酸鈣礦物。在該表面區(qū)域，在至表面的方向上材料的密度逐漸降低。具體地講，將磷酸鈣礦物沉積在其上的基體加熱至所述磷酸鈣礦物整合至所述基體中的溫度。更具體地講，將磷酸鈣礦物沉積在其上的基體加熱至至少1100°C，優(yōu)選地為至少1250°C，更優(yōu)選地為至少1350°C，最優(yōu)選地為約1450°C的溫度。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過加熱至這些溫度，不僅磷酸鈣礦物整合至所述基體中，而且磷酸鈣擴散至氧化鋯晶格中-這取決于擴散的程度-導致主體的陶瓷材料穩(wěn)定并最終導致改善抗老化性能。而且，主體表面的親水性由于鈣滲透進入氧化鋯晶格中而改善。如同以下將要詳細顯示的那樣，以上溫度例如在密集地燒結基體以達到主體的最大物理特性期間達到。根據(jù)進一步優(yōu)選的實施方案，基體與其上沉積的磷酸鈣礦物被加熱至的溫度為至多1500°C。由于磷酸鈣礦物被整合，在較狹窄的含義上，在加熱之后不存在磷酸鈣礦物涂層，并且因此在磷酸鈣礦物與基體之間沒有界面。對于本發(fā)明的方法而言，可使用任何磷酸鈣礦物。根據(jù)一個優(yōu)選的實施方案，磷酸鈣礦物選自羥基磷灰石、氟磷灰石、β (β)_磷酸三鈣和α (α)-磷酸三鈣。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，根據(jù)本發(fā)明方法得到的表面為高度骨整合的。不希望受到理論的束縛，這一方面可通過所使用的磷酸鈣礦物，并且特別是磷酸三鈣比如α (α)-或β (i3)-TCP、羥基磷灰石或氟磷灰石本身為生物活性材料的事實進行解釋。另一方面，由于向陶瓷基體的表面噴射顆粒附聚物這樣的事實形成特定的表面形貌。所述表面形貌包括主體表面區(qū)域中的空洞并提供給主體比粗糙度。除了包含生物活性材料的表面組成，所述表面形貌還有助于所得到主體的高骨整合性能。具體地講，通過載氣流向基體噴射附聚物。這與在DE-A-1020060621712中教導的 滴流形成明顯對比。更具體地講，附聚物在碰撞基體時變形，以致附聚物與基體之間的接觸面積在碰撞期間增大。形成特定的表面形貌可因此通過雪球類比進行解釋
假定本發(fā)明的附聚物在碰撞陶瓷基體時通常變形象雪球，由于附聚物與陶瓷基體之間的接觸面積在碰撞期間增大而實現(xiàn)所沉積材料的良好固定。所沉積的附聚物大體上具有隆凸形狀，具有相對大的底面積并逐漸減小至圓形尖端。通常，附聚物包含粘合劑用于將顆粒粘合在一起。當使用包含粘合劑的附聚物時，可得到附聚物在基體表面上的特別良好固定。在附聚物沉積之后，可在燒結期間除去粘合齊U，如在以下詳細描述的那樣。如以上所解釋的那樣，本發(fā)明允許磷酸鈣礦物整合至基體中。因此不存在單獨顆粒施用于其上的離散界面，如同例如對于可根據(jù)DE-A-1020060621712得到的植入物的情況。因此，往往自界面脫落的涂層問題可通過本發(fā)明得以防止。使用顆粒附聚物而不是離散顆粒，本發(fā)明也允許以非常簡單的方式得到均勻的表面粗糙度。如以上所提及的那樣，對于DE-A-1020060621712的方法不是這種情況。應用以上提及的雪球類比，由DE-A-1020060621712所教導的單獨顆粒的滴流應相當于雪片的滴流，后者也往往積聚在地勢的谷而不是峰上，并且因此未能均勻分散。本發(fā)明的化學改性可在基體的整個表面或在其部分上進行。如果主體用作植入物，更具體地講用作牙植入物，本發(fā)明為特別有用的。如果用作植入物，優(yōu)選地實施所述方法以致化學改性至少在指明嵌入骨中的基體區(qū)域上進行。與由鈦制成的植入物形成對比，其色暗并因此與天然牙齒的顏色不匹配，本發(fā)明的主體為基于陶瓷基體并因此具有其顏色可與天然牙齒顏色密切匹配的優(yōu)勢?；w優(yōu)選地由氧化鋯、氧化鋁和/或氧化鋯與氧化鋁的混合物制成。基體的陶瓷材料通常為氧化釔-和/或二氧化鈰-穩(wěn)定的。也可考慮其它穩(wěn)定劑比如I丐、鎂或鈧。假定對植入物具有相對苛刻的機械要求，由于可通過使用所述材料得到高強度，因此特別優(yōu)選的是陶瓷基體的陶瓷材料為氧化釔-和/或二氧化鈰穩(wěn)定的氧化鋯。
根據(jù)本發(fā)明特別優(yōu)選的實施方案，附聚物進一步包含陶瓷材料的顆粒，特別是基體的陶瓷材料的顆粒。因此，所沉積的材料與基體材料完全相容?；蛘?，可沉積與基體材料相容的任何其它陶瓷材料。在其中附聚物包含除了磷酸鈣礦物以外的陶瓷材料的優(yōu)選實施方案中，磷酸鈣礦物與陶瓷材料的體積比優(yōu)選地在1:100-60:100，更優(yōu)選地在10:100-40:100，最優(yōu)選地在20:100-30:100 的范圍內(nèi)。根據(jù)一個優(yōu)選的實施方案，附聚物具有在20 μπι (微米)-100 μπι (微米)，優(yōu)選地在40 μπι (微米)-70 μπι (微米)范圍內(nèi)的平均直徑，導致表面具有特別高的骨整合性能。磷酸鈣礦物并且特別是羥基磷灰石的晶粒大小可依所得到的要求的表面形貌而進行調(diào)整。如果附聚物進一步包含陶瓷材料的顆粒，磷酸鈣礦物的晶粒大小通常在與陶瓷顆粒的晶粒大小相同的范圍內(nèi)。 當使用等級TZ-3YSB-E (Tosoh Corporation)的氧化錯粉末時，陶瓷顆粒的晶粒大小通常為約30 nm-70 nm,例如為約360A (36 nm)。因此，由附聚物包含的顆粒數(shù)目通常在數(shù)百萬或數(shù)十億的范圍內(nèi)。根據(jù)本發(fā)明形成并包含磷酸鈣礦物的骨整合表面區(qū)域通常自主體的表面延伸至至多500 μ m (微米)的深度，優(yōu)選地為至多100 μ m (微米)，更優(yōu)選地為至多50 μ m(微米)。如果本發(fā)明的主體為牙植入物，表面區(qū)域自表面延伸至10-35 μπι (微米)范圍內(nèi)的深度。因為根據(jù)本發(fā)明，向陶瓷基體噴射附聚物而不是單一顆粒，因此可使用噴砂設備。通過噴砂設備的噴射為特別優(yōu)選的，因為其允許參數(shù)比如打算沉積的材料量、噴射壓力(blasting pressure)、噴射距離和噴射持續(xù)時間適合于相應的需要。特別是,參數(shù)可以一定方式進行選擇以致附聚物的動量足夠高以確保附聚物很好地固定于陶瓷基體的表面上，但是要足夠地低以防止表面損壞。通過調(diào)節(jié)噴射距離并因此調(diào)節(jié)噴射椎體，可特別地控制打算提供的表面形貌的結構。如果需要，噴砂設備可進一步包含用于冷卻的裝置，以防止附聚物在噴嘴的有機部分熔化。通常，陶瓷體通過燒結方法進行制備。各燒結方法為本領域技術人員已知的，并且例如在WO 2005/115268中得到描述，其公開內(nèi)容通過引用結合到本文中。關于燒結，本發(fā)明的方法進一步包含以下后續(xù)步驟
形成綠色基體，該綠色基體包含陶瓷材料的顆粒和粘合劑，
通過自綠色基體除去粘合劑形成褐色基體，和
通過燒結褐色基體形成陶瓷體。因此特別優(yōu)選的是附聚物沉積在綠色基體的表面上。這是由于包含粘合劑的綠色基體通常承受附聚物的動量好于褐色基體這一事實。而且，因為根據(jù)該實施方案，基體與其上所沉積的附聚物在同一步驟進行燒結，因此不形成其可在燒結期間由于材料收縮而出現(xiàn)的裂縫。優(yōu)選地，附聚物基于綠色基體由此形成的陶瓷材料。向該陶瓷材料中加入磷酸鈣礦物，特別是羥基磷灰石。盡管已知羥基磷灰石當在空氣中，于950°C以上的溫度下燒結時，通常分解為磷酸三鈣，燒結方法最近已經(jīng)得到發(fā)展，其中羥基磷灰石的分解被明顯抑制或消除。就這一點而言，例如參照Kim等，Biomaterials 12 (2002),第4113-4121頁，其教導了向氧化鋯-羥基磷灰石復合材料中加入小量的CaF2 (低于5 %體積)。用于燒結氧化鋯-羥基磷灰石復合材料而沒有輕基磷灰石的任何可檢測的分解的另一項技術例如由Ado I fsson等，J. Am.Ceram. Soc.，83 [11] (2000),第2798-2802頁公開，其使用封閉系統(tǒng)并因此減少釋放結構水時形成的空位分數(shù)。此外，Nayak等，J Mater Sci : Mater Med (2008),第2437-2444頁目的在于通過反序(reverse strike)沉淀路線制備含有ZrO2均勻分散體的輕基磷灰石復合材料，和通過無壓燒結達到這些復合材料具有羥基磷灰石最小分解的高燒結密度。另夕卜，Zhang 等，J. Am. Ceram. Soc. , 89 [11] (2006),第 3348-3355 頁公開了制備用于整形外科應用的氧化鋯-羥基磷灰石復合材料的路線，所述路線自分散于含水介質(zhì)中的羥基磷灰石和氧化鋯粉末開始，并且聚丙烯酸和谷氨酸作為分散劑并且無壓燒結由此形成的綠色樣品。Kim等、Adolfsson等、Nayak等和Zhang等的文章的公開內(nèi)容因此通過引用結合到本文中。
如以上所提及的那樣，當陶瓷基體和/或附聚物包含氧化釔-和/或二氧化鈰穩(wěn)定的氧化鋯的顆粒時，得到具有特別優(yōu)選的機械性能的主體。例如，使用ISO 13356的氧化釔-穩(wěn)定的氧化鋯。優(yōu)選的氧化釔-穩(wěn)定的氧化鋯的一個具體實例為等級TZ-3YSB-E(Tosoh Corporation)的 Tosoh 氧化錯粉末，該粉末包含 4. 95-5. 35 wt-% Υ203、0· 15-0. 35wt-% Al2O3、至多 O. 02 wt-% SiO2、至多 O. 01 wt-% Fe2O3、至多 O. 04 wt-% Na2O,并包含粘合齊U，其量相應于2. 7-3. 9 Wt-% Ig-Ioss (灼燒減量)，所述百分數(shù)為基于氧化鋯粉末的總重量。根據(jù)一個優(yōu)選的實施方案，所述方法在燒結褐色基體之后進一步包含以下步驟 主體的熱后處理，特別是熱等靜壓(HIP)處理。通常，熱等靜壓包括-在于惰性氣體加壓下處理陶瓷體之后-在空氣中處理主體。根據(jù)另一個方面，本發(fā)明涉及可通過以上描述的方法得到的主體。所述主體包含自主體表面向一定深度延伸的表面區(qū)域。所述表面區(qū)域包含磷酸鈣礦物，特別是羥基磷灰石。優(yōu)選地，至少在指明嵌入骨中的基體區(qū)域形成包含磷酸鈣礦物的表面區(qū)域。就這一點而言，主體優(yōu)選地用作植入物，更優(yōu)選地用作如以上提及的牙植入物。以下給出本發(fā)明方法的一個具體實施例。
實施例實施例I
約5 g以上定義的等級TZ-3YSB-E (Tosoh Corporation)的氧化錯粉末，具有約360 A晶粒大小的微晶已經(jīng)雙動式粉末壓縮工具(Fa. Paul-Otto Weber Maschinen- undApparatebau GmbH;型號20 ;尺寸II，直徑20 mm)，使用具有壓制力為約110 MPa (約34.5 kN)的壓機(Zwick Universalpriifmaschine)進行壓制。從而得到具有密度為約2. 8g/cm3的綠色基體。根據(jù)由 Zhang 等，F(xiàn)abrication of Hydroxyapatite-Zirconia Composites forOrthopedic Applications (制備用于整形外科應用的輕基磷灰石-氧化錯復合材料)，J.Am. Ceram. Soc. , 89 [11] (2006),第3348-3355頁描述的方法，制備包含氧化鋯和羥基磷灰石的顆粒附聚物形成的粒料。將所述粒料加載到噴砂設備(Renfert Basic Quattro)并在約5. 5巴的噴射壓力和在約14 cm的噴射距離下向綠色基體噴射附聚物約2-3秒。包含施加在其上的附聚物的綠色體然后按照以下程序在高溫窯(Mihm-Vogt-Hochtemperaturofen HT)中進行處理
a)以1°C/分鐘的加熱速度加熱至600°C，并在600°C的溫度下保持2小時以得到褐色
體；
b)以5°C/分鐘的加熱速度加熱至1450°C，并在1450°C的溫度下保持2小時以得到完全燒結的(白色)體；
c)以10°C/分鐘的冷卻速度冷卻至1000°C，然后自1000°C自然冷卻至室溫。本發(fā)明通過附圖
得到進一步說明，其中
圖I為以牙植入物形式存在的本發(fā)明主體的透視 圖2顯示圖I的部分X的橫斷面示意 圖3為根據(jù)以上實施例得到的主體橫斷面視圖的表面區(qū)域的SEM圖片，比例在圖片的底部給出相當于10 μπι (微米)；和
圖4為根據(jù)以上實施例得到的主體頂視圖的表面區(qū)域的SEM圖片，比例在圖片的底部給出相當于I (微米)。如圖I中可見的那樣，牙植入物2包含打算嵌入骨中并包含螺紋部分6的骨接觸面4。為了允許牙植入物在植入后具有良好的初步穩(wěn)定性，至少骨接觸面4被提供具有本發(fā)明的表面粗糙度。如在圖2中給出的那樣，表面粗糙度通過包含磷酸鈣礦物的顆粒10的附聚物8形成，所述附聚物8向基體12噴射。當碰撞基體12時，附聚物8變形，因此造成“宏觀粗糙度(macroroughness) ”，其可通過以上提及的雪球類比進行描述。由于本發(fā)明的特定方法，在基體12與所施用的顆粒10之間不存在離散界面，但是存在在表面14的方向上連續(xù)減少的密度梯度。該密度的連續(xù)減少與孔隙率增大一起，導致在表面14的空洞16形成“微觀粗糙度(microroughness) ”。由于所形成的表面區(qū)域的化學組成和所得到的特定表面形貌，牙植入物2的骨接觸面4為高度骨整合性的。在基體與所施用的顆粒之間不形成離散界面的效果自圖3的SEM圖片進一步可見。而且，自所述SEM圖片可見以上所提及的密度梯度，其在表面的方向上連續(xù)減少。可根據(jù)本發(fā)明，通過向基體表面噴射顆粒附聚物得到的特定表面形貌顯示在圖4的SEM圖片中。所述表面形貌包括主體表面區(qū)域中的空洞,并具有有助于主體的骨整合性能的表面粗糙度。
權利要求
1.通過使主體的至少一部分表面化學改性，而在陶瓷體上制備骨整合表面的方法，所述方法包括以下后續(xù)步驟 通過向基體噴射包含磷酸鈣礦物的顆粒附聚物，在陶瓷基體的表面上沉積磷酸鈣礦物，和 加熱磷酸鈣礦物沉積在其上的基體。
2.權利要求I的方法，其中將磷酸鈣礦物沉積在其上的基體加熱至所述磷酸鈣礦物整合至所述基體中的溫度。
3.權利要求I或2的方法，其中將磷酸鈣礦物沉積在其上的基體加熱至至少1100°C，優(yōu)選地為至少1250°C，更優(yōu)選地為至少1350°C，最優(yōu)選地為約1450°C的溫度。
4.前述權利要求中任一項的方法，其中磷酸鈣礦物選自羥基磷灰石、氟磷灰石、β ( β )-磷酸三鈣和α ( α )-磷酸三鈣。
5.前述權利要求中任一項的方法，其中所述附聚物包含用于將顆粒粘合在一起的粘合劑。
6.前述權利要求中任一項的方法，其中所述附聚物通過載氣流向基體噴射。
7.前述權利要求中任一項的方法，其中所述附聚物在碰撞基體時變形，以致附聚物與基體之間的接觸面積在碰撞期間增大。
8.前述權利要求中任一項的方法，其中所述基體由氧化鋯、氧化鋁和/或氧化鋯與氧化鋁的混合物制成。
9.權利要求8的方法，其中所述基體由氧化釔-和/或二氧化鈰-穩(wěn)定的氧化鋯制成。
10.前述權利要求中任一項的方法，其中所述附聚物進一步包含基體的陶瓷材料。
11.前述權利要求中任一項的方法，其中所述附聚物具有在20μ m-100 μπι，優(yōu)選地在40 μπι-70 μ m范圍內(nèi)的平均直徑。
12.前述權利要求中任一項的方法，其中所述附聚物通過噴砂設備向基體噴射。
13.前述權利要求中任一項的方法，其中所述方法進一步包含以下后續(xù)步驟 形成包含陶瓷材料的顆粒和粘合劑的綠色基體， 通過自綠色基體除去粘合劑形成褐色基體，和 通過燒結褐色基體形成陶瓷體。
14.權利要求13的方法，其中所述附聚物沉積在綠色基體的表面上。
15.權利要求13或14的方法，其中在燒結褐色基體之后所述方法進一步包含以下步驟 主體的熱后處理。
16.可通過前述權利要求中任一項的方法得到的主體。
17.權利要求16的主體，其中所述主體的表面至少在指明嵌入骨中的區(qū)域進行化學改性。
18.權利要求16或17的主體，所述主體用作植入物，特別是用作牙植入物。
全文摘要
本發(fā)明涉及通過使主體的至少一部分表面化學改性，而在陶瓷體上制備骨整合表面的方法。所述方法包括以下后續(xù)步驟通過向基體噴射包含磷酸鈣礦物的顆粒附聚物，在陶瓷基體的表面沉積磷酸鈣礦物，和加熱磷酸鈣礦物沉積在其上的基體。
文檔編號A61C8/00GK102821793SQ201180009348
公開日2012年12月12日 申請日期2011年2月10日 優(yōu)先權日2010年2月12日
發(fā)明者M.斯蒂芬 申請人:斯特勞曼控股公司