CN109464225A - 一种氮化硅陶瓷人工髋关节 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种氮化硅陶瓷人工髋关节，其由髋臼杯、髋臼内衬、人工股骨球头和股骨柄组成，涉及人工关节技术领域。所述髋臼杯、髋臼内衬、人工股骨球头和股骨柄均是由氮化硅陶瓷材料制成，使其除了具有生物陶瓷植入物的各项优异性能之外，还具有高硬度、高弯曲强度、高疲劳强度、高断裂韧性、优异的摩擦性能、良好的骨长上与骨长入能力、良好的抗感染能力和良好的显影性，能够改善人工髋关节的磨损和应力遮挡的问题。其中，髋臼杯的外周面和股骨柄柄部的表面具有多孔粗糙结构，通过设置多孔粗糙结构能够增强人工髋关节的生物固定；髋臼内衬的底部边缘形成有延伸部，通过设置延伸部能够防止人工髋关节脱位。

Description

一种氮化硅陶瓷人工髋关节
技术领域
本发明涉及人工关节技术领域，特别是涉及一种氮化硅陶瓷人工髋关节。
背景技术
髋关节是人体重要的负重关节，同时也是负重关节中活动范围最大的关节。不仅可以伸屈(坐下和站起)，内收外展(大腿靠近和远离身体中线)，还可以内外旋转(膝关节向内及向外旋转)。在人们的日常生活中，髋关节扮演着重要的角色，无论是行走站立、还是坐卧休息，时时刻刻都离不开髋关节的参与。
然而，骨性关节炎、股骨头无菌性坏死、创伤性关节炎、先天性髋臼发育不良等疾病会导致髋关节疼痛及其功能的丧失，从而严重影响病患生活。目前，人工髋关节置换手术已成为治疗髋关节疾病的有效手段。但是，本申请的发明人在长期的研发过程中发现，现有的人工髋关节大多是由金属材质制成，在临床应用中存在较大的磨损问题，例如髋臼杯与髋臼内衬之间、髋臼内衬与股骨球头之间、或是股骨球头与股骨柄之间都会存在磨损产生磨屑微粒；这些磨损轻者会导致骨溶解，假体无菌性松动与感染，重则会导致假体失效。另外，由于金属材质与人体原生骨之间材料特性的差异，在临床应用时会发生应力遮挡，应力遮挡的存在会引发骨溶解等一系列问题，缩短假体的使用寿命。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种氮化硅陶瓷人工髋关节，能够改善人工髋关节的磨损和应力遮挡问题、增强人工髋关节的生物固定、防止人工髋关节脱位。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种髋臼杯，所述髋臼杯为半球形，所述半球形的外周面具有多孔粗糙结构，髋臼杯的材料为氮化硅陶瓷。
为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种髋臼内衬，所述髋臼内衬为半球形，所述半球形的底部边缘形成有延伸部，延伸部用于防止股骨球头从髋臼内衬中脱出，髋臼内衬的材料为氮化硅陶瓷。
为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种人工股骨球头，所述股骨球头为球形体，所述球形体具有一容置孔，容置孔用于收容股骨柄的头部，股骨球头的材料为氮化硅陶瓷。
为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种股骨柄，所述股骨柄包括头部和柄部，头部用于***股骨球头的容置孔，柄部用于***股骨的髓腔，柄部的表面具有多孔粗糙结构，股骨柄的材料为氮化硅陶瓷。
本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明提供了一种氮化硅陶瓷人工髋关节，其由髋臼杯、髋臼内衬、人工股骨球头和股骨柄组成，其中，髋臼杯的外周面和股骨柄柄部的表面具有多孔粗糙结构，通过设置多孔粗糙结构能够使植入物形成有效的生物固定；髋臼内衬的底部边缘形成有延伸部，通过设置延伸部能够防止股骨球头从髋臼内衬中脱出。髋臼杯、髋臼内衬、人工股骨球头和股骨柄均是由氮化硅陶瓷材料制成，相比现有的氧化铝陶瓷材质、氧化锆陶瓷材质和金属材质，除了具有生物陶瓷的各项优异性能之外，还具有高硬度、高弯曲强度、高疲劳强度、高断裂韧性、优异的摩擦性能、良好的骨长上与骨长入能力、良好的抗感染能力和良好的显影性，能够改善人工髋关节的磨损和应力遮挡问题。
附图说明
图1是人工髋关节各部件的结构示意图；
图2是本申请髋臼杯一实施方式的结构示意图；
图3是本申请人工髋关节一实施方式的结构示意图；
图4是本申请髋臼内衬一实施方式的结构示意图；
图5a是本申请髋臼内衬一实施方式的主视结构示意图；
图5b是本申请髋臼内衬一实施方式的仰视结构示意图
图6是本申请髋臼内衬一实施方式的结构示意图；
图7是本申请人工股骨球头一实施方式的结构示意图；
图8是本申请人工股骨球头一实施方式的剖面结构示意图；
图9是本申请股骨柄一实施方式的结构示意图；
图10是本申请股骨柄一实施方式的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。
本申请所提供的髋臼杯、髋臼内衬、人工股骨球头和股骨柄属于生物医疗技术领域，在结构描述或效果描述中使用了较多解剖术语，这些解剖术语仅用来清楚地说明描述结构特点，并不能对本申请带来限定。
具体地，基本解剖学姿势为：身体直立，两眼平视前方，两足并拢，足尖朝前；上肢垂于躯干两侧，手掌朝向前方(拇指在外侧)；以基本解剖学姿势为基础解释各部位方向，其中，头居上，足在下，近头侧为上端，远头侧为下端；在四肢则常用近端、远端描述部位间的关系，即靠近躯干的根部为近侧(或近端)，而相对距离较远或末端的部位为远侧(或远端)；前和后，靠身体腹面者为前，而靠背面为后；内侧和外侧，以身体的中线为准，距中线近者为内侧，离中线相对远者为外侧，其中，下肢小腿部有胫、腓骨并列，胫骨在内侧，腓骨居外侧，故又可用胫侧和腓侧称之。
以基本解剖学姿势为基础，可将人体设三个典型的互相垂直的轴，其中，矢状轴为前后方向的水平线；冠状(额状)轴为左右方向的水平线；垂直轴为上下方向与水平线互相垂直的垂线。按照轴线可将人体或器官切成不同的切面，矢状面是沿矢状轴方向所做的垂直切面，它是将人体分为左右两部分的纵切面；冠状面是沿冠状轴方向所做的垂直切面，它是将人体分为前后两部的纵切面；水平面或横切面为沿水平线所做的水平横切面，它将人体分为上下两部，与上述两个纵切面相垂直。
请参阅图1，图1是人工髋关节各部件的结构示意图。人工髋关节由多个部件组成，通常医学上将这些植入人体发挥功能的人造产品称为“假体”。人工髋关节主要由三个部分组成：髋臼假体101、股骨球头假体102以及股骨柄假体103，其中髋臼假体101可以由髋臼杯1011和髋臼内衬1012组成。
现有的髋臼杯一般是由金属材质制成，由于金属材质与人体原生骨之间材料特性的差异，在临床应用时会发生应力遮挡现象，应力遮挡的存在会引发骨溶解等一系列问题，缩短假体的使用寿命。在此基础上，本申请提供一种髋臼杯，其是由氮化硅陶瓷材料制成。
具体地，请参阅图2，图2是本申请髋臼杯一实施方式的结构示意图。在本实施方式中，髋臼杯20为半球形，半球形的外周面201具有多孔粗糙结构，髋臼杯20的材料为氮化硅陶瓷。
本实施方式所提供的髋臼杯20是由氮化硅陶瓷材料制成，相比现有的金属材质髋臼杯，除了具有生物陶瓷的各项优异性能之外，还具有高硬度、高弯曲强度、高疲劳强度、高断裂韧性、优异的摩擦性能、良好的骨长上与骨长入能力、良好的抗感染能力和良好的显影性，能够改善人工髋关节的磨损和应力遮挡问题。通过将外周面201设置成多孔粗糙结构，一方面能够增大外周面201的粗糙度，帮助成骨细胞尽快地骨长上；另一方面该多孔粗糙结构与人体原生的骨小梁结构类似，能够诱使成骨细胞骨长入，进而有效地将髋臼杯20与髋臼窝固定连接，形成良好的生物固定。
在一实施方式中，该多孔粗糙结构的平均孔隙率为30％～70％、平均孔径为100～1000微米、平均空隙截距为500～1500微米。
在一实施方式中，髋臼杯20具有一内凹面202，内凹面202用于与髋臼内衬或股骨球头接触以形成关节活动摩擦副。具体地，当髋臼杯20与髋臼内衬直接接触形成固定连接时，髋臼杯20上可以有用于植入固定螺钉用的通孔和/或用于植入过程中工具所用的穹顶通孔，同时还可以有用于与髋臼内衬固定连接的锥度面。当髋臼杯20与股骨球头直接接触形成关节活动摩擦副时，髋臼杯20上无通孔和穹顶通孔。内凹面202为粗糙度值Ra在0.01～1.6微米范围内的光滑面；通过将内凹面202设置为粗糙度极低的光滑面，能够减少髋臼杯20与髋臼内衬或股骨球头之间的磨损，延长假体的使用寿命。
进一步地，请参阅图3，图3是本申请人工髋关节一实施方式的结构示意图，本实施方式提供的髋臼杯301在临床应用时可以不使用髋臼内衬，直接与人工股骨球头302、股骨柄303配合使用。通过这种方式，不仅能够有效减少各部件之间的磨损，还能够简化手术流程，缩短手术时间；同时因不需要使用髋臼内衬，可以使髋臼杯301能够容纳更大尺寸的股骨球头，增大关节的活动度，还能够降低术后关节脱位的风险。
在此基础上，本申请还提供了氮化硅陶瓷材质的髋臼内衬、人工股骨球头和股骨柄，因氮化硅陶瓷材料的良好性能，氮化硅陶瓷材质的髋臼内衬、人工股骨球头和股骨柄均具有良好的性能。
具体地，请参阅图4，图4是本申请髋臼内衬一实施方式的结构示意图。在本实施方式中，髋臼内衬40为半球形，半球形的底部边缘形成有延伸部403，延伸部403用于防止股骨球头从髋臼内衬40中脱出，髋臼内衬40的材料为氮化硅陶瓷。本实施方式所提供的髋臼内衬40具有氮化硅陶瓷的相应性能，具体请参阅上述实施方式的描述，在此不再赘述。
请参阅图4和图5，图5a是本申请髋臼内衬一实施方式的主视结构示意图，图5b是本申请髋臼内衬一实施方式的仰视结构示意图。在一实施方式中，在髋臼内衬的四分之一圆周范围内设置延伸部403；延伸部403向外延伸的长度根据不同个体的型号大小或配合使用的股骨球头型号大小适应性设置。通过设置延伸部403能够防止股骨球头从髋臼内衬40中脱出。
请继续参阅图4，在一实施方式中，髋臼内衬40的外周面401靠近底部边缘处具有一定的锥度形成锥度面4011，该锥度面与髋臼杯内表面边缘处的锥度面相对应耦合，以实现髋臼内衬与髋臼杯的固定连接。髋臼内衬40的外周面401且与底部边缘相邻位置处设置有多个凸起4012，凸起4012用于提高髋臼内衬的旋转稳定性。具体地，如图所示，在与髋臼内衬40相配合使用的髋臼杯1011的对应位置设置多个凹槽10111，凹槽10111的形状与凸起4012相对应设置；在髋臼内衬40与髋臼杯1011组合使用时，通过凸起4012与锥形凹槽10111耦合，能够防止髋臼内衬在髋臼杯内旋转。在其他实施方式中，可以根据配合使用的髋臼杯结构对应设置其他形式的防旋转机构；例如，可以在髋臼内衬上设置凹槽，对应的髋臼杯上设置凸起，凹槽和凸起的形状可以是长方形、梯形等；还可以设置为沿髋臼内衬杯口外周的间隔性沟槽等。本实施方式提供的髋臼内衬可以与金属髋臼杯或陶瓷髋臼杯配合使用。
当髋臼内衬40与髋臼杯1011通过锥度面4011和相对应的锥度面固定连接时，医生在手术中安放髋臼内衬时容易产生安装偏差，尽管肉眼无法轻易识别，但这微小的安装偏差将极大地影响髋臼内衬的受力状况从而大大降低其使用寿命。基于此，在一实施方式中，髋臼内衬60的外周面601上的锥度面与底部边缘相邻位置处对称设置有至少两个长方体凸起6011，该类凸起6011用于引导髋臼内衬在髋臼杯中的精准安放，具体地，如图6所示，图6是本申请髋臼内衬一实施方式的结构示意图。长方体凸起6011的三个面没有锥度且为互相垂直的面，能够与髋臼杯上对应的矩形凹槽精确耦合。通过设置该类凸起6011，能够引导医生沿着预设的引导槽精准安放陶瓷髋臼内衬，从而保证假体的预期使用寿命。凸起6011也可以是截面为梯形等具有规则形状的凸起。
请继续参阅图4，在一实施方式中，髋臼内衬40的内凹面402用于与股骨球头接触以形成关节活动摩擦副，内凹面402设置为粗糙度极低的光滑面，其中，粗糙度值Ra为0.01～1.6微米，能够减少髋臼内衬40与股骨球头之间的磨损，延长假体的使用寿命。
请参阅图7，图7是本申请人工股骨球头一实施方式的结构示意图。在本实施方式中，股骨球头70为球形体，球形体具有一锥形容置孔701，容置孔701用于收容股骨柄的头部；股骨球头70的材料为氮化硅陶瓷。本实施方式所提供的股骨球头具有氮化硅陶瓷的相应性能，具体请参阅上述实施方式的描述，在此不再赘述。
在一实施方式中，本实施方式所提供的股骨球头70与陶瓷材质的股骨柄可直接连接配合使用。在其他实施方式中，本实施方式所提供的股骨球头70也可以与金属材质的股骨柄连接配合使用；当股骨球头70与金属材质的股骨柄连接配合使用时，容置孔701的内部进一步设置金属袖套，且金属袖套的材质与金属股骨柄的材质相同，例如该金属袖套为钛合金袖套。通过设置金属袖套，能够降低股骨柄与人工股骨头之间的磨损。
在一实施方式中，股骨球头70的外周面702与髋臼杯或髋臼内衬形成关节活动摩擦副，外周面702设置为粗糙度极低的光滑面，其中，粗糙度值Ra为0.01～1.6微米，能够减少髋臼杯或髋臼内衬与股骨球头之间的磨损，延长假体的使用寿命。当股骨球头70直接与髋臼杯形成关节活动摩擦副时，股骨球头70的直径可以做到更大的直径，从而更加仿生，不仅可以改善髋关节的活动度，而且还可以有效地降低术后关节脱位的风险。
请参阅图8，图8是本申请人工股骨球头一实施方式的剖面结构示意图。在本实施方式中，容置孔801为容置盲孔且为锥形孔，球形体靠近容置孔801的预设区域内的球面半径小于其他部分的球面半径，具体效果如图所示。通过将股骨球头进行弧形收缩，能够减少股骨球头与周围软组织的摩擦与干涉，避免引起肌腱炎和慢性髋关节前方疼痛以及股骨沟活动时的疼痛。
请参阅图9，图9是本申请股骨柄一实施方式的结构示意图。在本实施方式中，股骨柄90包括头部901和柄部902，头部901用于***股骨球头的容置孔，柄部902用于***股骨髓腔，柄部902的表面具有多孔粗糙结构，股骨柄90的材料为氮化硅陶瓷。本实施方式所提供的股骨柄90具有氮化硅陶瓷的相应性能，具体请参阅上述实施方式的描述，在此不再赘述。
在一实施方式中，该多孔粗糙结构的平均孔隙率为30％～70％、平均孔径为100～1000微米、平均空隙截距为500～1500微米。该多孔粗糙结构具有良好的骨长上和骨长入能力，能够有效地将股骨柄80与股骨固定连接，形成良好的生物固定。
请继续参阅图9，在一实施方式中，柄部902的前后侧设置有鱼鳞状的第一沟槽9021，柄部902的内侧设置有阶梯状的花纹9022。通过设置第一沟槽9021和阶梯状的花纹9022，能够将股骨柄90所受应力转化为压应力，提高股骨柄90的初期和远期稳定性。柄部902的远端设置有竖条纹状的第二沟槽9023，通过设置第二沟槽9023能够提高股骨柄90的旋转稳定性和轴向稳定性。
请参阅图10，图10是本申请股骨柄一实施方式的结构示意图。在本实施方式中，股骨柄的柄长为83mm至116mm，左右径为29mm至38mm，前后径为13mm至15mm，颈干角为127度，135度两种，颈长为27mm至37mm，偏心距为35mm至53mm。本实施方式中，股骨柄的柄长较短，在手术时可以保留更多骨质，以便将来有可能的翻修手术；还能够减小手术创口，实现微创手术并兼容各种手术入路。
请继续参阅图3，本申请还提供一种人工髋关节，所述人工髋关节包括：髋臼杯、人工股骨球头和股骨柄，其中，髋臼杯、人工股骨球头和股骨柄与上述实施方式中的髋臼杯、人工股骨球头和股骨柄具有相同的技术特征，具体请参照上述实施方式的描述，在此不再赘述。
在一实施方式中，本申请还提供一种制备上述髋臼杯、髋臼内衬、人工股骨球头和股骨柄的方法。具体制备髋臼杯的步骤如下：
步骤一：准备原料粉，将氮化硅陶瓷粉、氧化钇和氧化铝按照预定比例进行充分混合；其中氮化硅陶瓷粉的量占总重量的88％，氧化钇和氧化铝的量占总重量的12％。
步骤二：利用氧化锆磨球在球磨机中将混料好的原料粉进行充分球磨10小时。
步骤三：将球磨好的原料粉通过喷雾造粒机造粒并干燥，具体造粒条件为：造粒气氛为空气，浆料固含量为45％-55％，雾化器转速为每分钟8000转，供料速率为每分钟0.4升，干燥温度为80℃，干燥时间为15小时。
步骤四：将造粒干燥后的原料粉置入模具中进行冷压成型，得到第一坯体；其中，冷压成型的压力为30MPa。
步骤五：将第一坯体进行冷等静压处理得到坯体件。
步骤六：根据髋臼杯的形状要求及相关工艺参数，通过机加工成型，将坯体件处理得到待烧结的半成品。
步骤七：在氮气保护下2200℃温度下烧结150分钟及烧结造孔处理，得到氮化硅陶瓷髋臼杯成品毛坯。
步骤八：再将氮化硅陶瓷髋臼杯成品毛坯进行热等静压处理，具体条件为：时间为15小时，温度为2000℃，压力为200MPa。
步骤九：按照成品髋臼杯的技术要求将氮化硅陶瓷髋臼杯成品毛坯进行造孔后处理、抛光处理、表面酸洗处理以及激光打标和适当的清洗，随后即可获得成品髋臼杯。
同样地，在上述工艺步骤的基础上，适当调整工艺参数可以制得髋臼内衬、人工股骨球头、股骨柄等。
以上方案，本申请所提供的一种氮化硅陶瓷人工髋关节，其由髋臼杯、髋臼内衬、人工股骨球头和股骨柄组成，其中，髋臼杯的外周面和股骨柄柄部的表面具有多孔粗糙结构，通过设置多孔粗糙结构能够使植入物形成有效的生物固定；髋臼内衬的底部边缘形成有延伸部，通过设置延伸部能够防止股骨球头从髋臼内衬中脱出。髋臼杯、髋臼内衬、人工股骨球头和股骨柄均是由氮化硅陶瓷材料制成，相比现有的氧化铝陶瓷材质、氧化锆陶瓷材质和金属材质，除了具有生物陶瓷的各项优异性能之外，还具有高硬度、高弯曲强度、高疲劳强度、高断裂韧性、优异的摩擦性能、良好的骨长上与骨长入能力、良好的抗感染能力和良好的显影性，能够改善人工髋关节的磨损和应力遮挡问题。
以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (15)

1.一种髋臼杯，其特征在于，所述髋臼杯为半球形，所述半球形的外周面具有多孔粗糙结构，所述髋臼杯的材料为氮化硅陶瓷。
2.根据权利要求1所述的髋臼杯，其特征在于，所述多孔粗糙结构的平均孔隙率为30％～70％、平均孔径为100～1000微米、平均空隙截距为500～1500微米；
所述半球形具有一内凹面，所述内凹面用于与髋臼内衬或股骨球头接触以形成关节活动摩擦副，所述内凹面的粗糙度值Ra为0.01～1.6微米。
3.一种髋臼内衬，其特征在于，所述髋臼内衬为半球形，所述半球形的底部边缘形成有延伸部，所述延伸部用于防止股骨球头从所述髋臼内衬中脱出，所述髋臼内衬的材料为氮化硅陶瓷。
4.根据权利要求3所述的髋臼内衬，其特征在于，所述半球形的外周面且与底部边缘相邻位置处对称设置有至少两个长方体凸起，所述长方体凸起用于引导髋臼内衬在髋臼杯中的精准安放。
5.根据权利要求3所述的髋臼内衬，其特征在于，所述半球形具有一内凹面，所述内凹面用于与股骨球头接触以形成关节活动摩擦副，所述内凹面的粗糙度值Ra为0.01～1.6微米。
6.一种人工股骨球头，其特征在于，所述股骨球头为球形体，所述球形体具有一容置孔，所述容置孔用于收容股骨柄的头部，所述股骨球头的材料为氮化硅陶瓷。
7.根据权利要求6所述的股骨球头，其特征在于，所述球形体靠近所述容置孔的预设区域内的球面半径小于其他部分的球面半径。
8.根据权利要求6所述的股骨球头，其特征在于，所述容置孔为锥形孔，所述锥形孔内部进一步设置金属袖套，所述金属袖套的材质与金属股骨柄的材质相同。
9.根据权利要求6所述的股骨球头，其特征在于，所述球形体的外周面用于与髋臼杯内表面或髋臼内衬内表面形成关节活动摩擦副，所述外周面的粗糙度值Ra为0.01～1.6微米。
10.一种股骨柄，其特征在于，所述股骨柄包括头部和柄部，所述头部用于***股骨球头的容置孔，所述柄部用于***股骨的髓腔，所述柄部的表面具有多孔粗糙结构，所述股骨柄的材料为氮化硅陶瓷。
11.根据权利要求10所述的股骨柄，其特征在于，所述股骨柄的柄长为83mm至116mm，所述股骨柄的左右径为29mm至38mm，所述股骨柄的前后径为13mm至15mm，所述股骨柄的颈干角为127度、135度，所述股骨柄的颈长为27mm至37mm，所述股骨柄的偏心距为35mm至53mm。
12.根据权利要求10所述的股骨柄，其特征在于，所述股骨柄柄部的前后侧设置有鱼鳞状的第一沟槽，所述股骨柄柄部的内侧设置有阶梯状的花纹，所述股骨柄柄部的远端设置有竖条纹状的第二沟槽。
13.根据权利要求10所述的股骨柄，其特征在于，所述多孔粗糙结构的平均孔隙率为30％～70％、平均孔径为100～1000微米、平均空隙截距为500～1500微米。
14.一种人工髋关节，其特征在于，所述人工髋关节包括如权利要求1或2所述的髋臼杯、如权利要求6-9任一项所述的人工股骨球头和如权利要求10-13任一项所述的股骨柄。
15.根据权利要求14所述的人工髋关节，其特征在于，所述人工髋关节还包括如权利要求3-5任一项所述的髋臼内衬。
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