CN109923081A - 用于电外科工具的具有受控热膨胀系数的釉瓷组合物 - Google Patents

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Abstract

一种用于电外科金属切削刀片的釉瓷涂层，该涂层具有与金属切削刀片的热膨胀系数基本接近的热膨胀系数。选择具有相似热膨胀系数的材料获得了带有被改进的绝缘层、具有被显著改善的耐久性或兼顾两者的电外科切削刀片。

Description

用于电外科工具的具有受控热膨胀系数的釉瓷组合物
相关申请的交叉引用
本申请要求2016年11月14日提交的美国临时申请系列号62/421,895、名称为“用于电外科工具的釉质组合物”的优先权，其公开通过引用全文纳入本文。
技术领域
本发明涉及用于涂覆电外科切削刀片的釉瓷(vitreous enamel)组合物，并涉及经涂覆的刀片以及它们的制备方法和应用。
背景技术
某些电外科切削设备采用等离子能来剖解组织及凝结血管并对周围组织产生最小的附带损伤。设计用于电外科应用的切削刀片常常在该切削刀片的部分上采用绝缘层来防止能量分散到该刀片的主体表面上。此外，该绝缘层通常划定了非绝缘切削刃(即暴露的电极)。该切削刃在导入某种模式射频(RF)波形时产生基本上均匀且聚焦的电场，而该电场与组织中细胞接触时形成等离子介导的放电。
采用常规釉瓷绝缘层的切削刀片易于产生缺陷，这些缺陷会对其耐用性和有效的使用寿命产生不利影响。例如，有时切削刀片上的绝缘层在暴露于等离子放电时在例如凹坑和孔隙的缺陷处易于显著熔化或玻璃流动。另外，绝缘层还可在快速加热和冷却循环期间产生裂缝和破碎。所有这些产生结果都是不希望看到的，并且还降低了涂覆有釉瓷的切削刀片的性能。
从前述内容可知，本领域需要的是在电外科切削刀片上的有效釉瓷涂层，其不会出现由于等离子体的使用所导致的不利熔化/流动、裂缝和破碎。本文描述此类釉瓷绝缘层并对其主张权利。
发明内容
形成用于绝缘电外科切削工具的切削刀片的基材可由各种金属制成。另外，金属基材的几何形状可根据手术应用的预期部位或类型而显著变化。用于某些外科手术的电外科切削工具的几何形状的改变和复杂的设计都使得釉瓷绝缘层的涂覆和形成变得相当困难。
由于快速的等离子体介导放电，涂覆有釉瓷的电外科切削刀片的操作环境还涉及到切削刃处局部温度的极端变化。在等离子体放电期间的快速升温后通常在几秒钟内很快速地冷却至约室温。另外，由于具体过程的需要，可能会使电外科切削刀片的热循环变得频繁。这些极端情况包括切削刃处高于800℃的高工作温度和极快的热循环，这会在釉瓷绝缘层上产生残余热应力。在这些极端温度下，含有釉瓷涂层的玻璃会回流，可能使得暴露的切削刃无法使用。在其他情况下，能量循环导致形成金属切削刀片和釉瓷绝缘层的不同材料的膨胀和收缩。作为结果，该循环可导致涂层破裂、破碎或形成其他缺陷，特别是当涂层材料的热膨胀与未涂覆的金属基材的热膨胀不匹配时。
本发明在一个方面中提供了一种制品，其包括：
(a)电外科切削刀片，其包含具有热膨胀系数的金属电极，和
(b)在所述金属电极的至少一部分上的釉瓷涂层，所述釉瓷涂层的热膨胀系数与所述金属电极的热膨胀系数的差异在小于±30％以内。
釉瓷涂层的热膨胀系数(CTE)与未涂覆的金属基材的CTE基本接近。选择具有相似CTE值的材料获得了具有改进绝缘层且在某些实施方式中，显著改善耐久性的电外科切削刀片。在一些实施方式中，釉瓷CTE值和金属基材CTE值彼此间相差在20％、15％或甚至10％以内。在一些实施方式中，釉瓷涂层的CTE值和未涂覆的金属基材的CTE值可为约10×10-6/℃～约12×10-6/℃。在优选的实施方式中，釉瓷CTE低于未涂覆的金属基材的CTE，在这种情况下，釉瓷中形成裂缝可能性较小。在特别优选的实施方式中，釉瓷涂层的CTE略低于金属基材的CTE(例如，低于金属基材的CTE的幅度不超过10％)，以便在使用过程中使釉瓷处于压缩状态并保护其不产生拉伸断裂以及避免所伴随的裂缝或破碎的形成。如果釉瓷涂层CTE大于金属基材CTE，则优选釉瓷涂层CTE大于金属基材CTE的幅度不超过10％。在任何情况下，所选择的釉瓷CTE值和对比金属基材CTE值可根据用于形成切削刀片的金属基材的组成而变化。
本发明在另一方面中提供了一种釉瓷涂层，该釉瓷涂层通过将铝硼硅酸盐玻璃料涂覆并随后烧制到金属基材上而形成。通常选择玻璃料的组分以获得所需的热膨胀系数。在某些实施方式中，还可选择玻璃料的组分以赋予绝缘层所需的软化温度。至少500℃的软化温度在某些情况下可增强玻璃的耐久性。通过提高软化温度，玻璃可承受更高的温度而不会软化、流动和降低其介电性能。可烧制金属基材及其玻璃料涂层以生成具有介电性质的釉瓷绝缘层。在一些实施方式中，通过由合并玻璃料粉末、粘合剂和溶剂所形成的浆料将涂料递送到金属基材上。而粘合剂和溶剂可在烧尽(burn-out)过程中首先被烧掉，然后涂料在升高的温度下烧制以在金属基材上形成釉瓷绝缘层。
本发明在另一方面中提供了一种釉瓷涂层，其包含由玻璃料所形成的玻璃，所述玻璃料以摩尔百分比计包含如下成分：30～50％SiO2、0.5～15％B2O3、0.5～10％Al2O3、5-30％SrO、5-30％CaO、以及0.5～20％ZnO，其中，所述涂层具有约6×10-6/℃～约16×10-6/℃(更好为约10×10-6/℃～约12×10-6/℃)的根据ASTM E228所测得的热膨胀系数，并被置于用于电外科切削刀片的金属电极上。在另一方面，所述釉瓷涂层可包含陶瓷或结晶相。在无定形玻璃中生成某类的结晶相可提高釉瓷涂层的CTE。某些结晶相，例如锌黄长石可提高釉瓷涂层的整体性能。
本发明在另一方面中还提供了一种方法，其包括：提供釉瓷前体，将所述釉瓷前体施加于具有热膨胀系数且适于用作电外科切削刀片的金属电极的至少一部分上，并烧制所述釉瓷前体以形成釉瓷涂层，该釉瓷涂层的热膨胀系数在所述金属电极热膨胀系数的小于±30％以内。
具有釉瓷绝缘层的电外科切削刀片可连接到电外科生电器上的电源。因此，本发明在另一方面提供了一种方法，其包括：向电外科切削刀片间歇施加射频能以产生等离子体介导放电，从而加热和冷却刀片，其中，所述刀片包含具有热膨胀系数的金属电极，以及在所述金属电极的至少一部分上的釉瓷涂层，所述釉瓷涂层的热膨胀系数在所述金属电极热膨胀系数的小于±30％以内。
本发明的以上概述并非是要描述本发明的每个公开的实施方式或每一实施。下文的说明内容更具体地例举说明性实施方式。在贯穿本申请的一些内容处，通过一系列示例来提供指导，这些示例可以不同组合应用。在每种情况中，所述的列表仅表示代表性的组，并不应被解释为穷举列表。
下文的描述中阐明了本发明的一个或多个实施方式的细节。通过说明书、附图和权利要求书，不难了解本发明的其它特征、目的和优点。
附图说明
在附图中，图1为电外科切削工具的透视图；图2为釉瓷涂覆的电外科切削刀片的正交侧视图；
图3为釉瓷涂覆的电外科切削刀片的刃部的横截面示意图；
图4为电外科切削刀片的显微照片，其显示了一种缺陷形式；
图5为电外科切削刀片的显微照片，其显示了另一种缺陷形式；
图6为电外科切削刀片的显微照片，其显示了另一种缺陷形式；
图7为使用20分钟后的实施例1电外科切削刀片的显微照片；
图8为在电外科切削刀片上形成釉瓷涂层的方法的一种实施方式的示意图。
附图中不同图里的相似附图标记表示相似的元件。图1和图3中的元件并非按比例绘制。
选定的定义
除非另外规定，否则，本文使用的以下术语具有下文所提供的含义。
本文中所用的“一个”、“一种”、“该”、“至少一个(种)”和“一个(种)或多个(种)”能互换使用。因此，例如，包含“一种”添加剂的涂料组合物可以解读为涂料组合物包含“一种或多种”添加剂。
术语“无定形”是指没有晶体结构秩序的固体组成。
术语“热膨胀系数”或“CTE”描述材料的热机械性能及其随温度升高而在尺寸上膨胀的能力。出于本公开的目的，CTE值是根据ASTM E228-17固体材料线性热膨胀标准测试方法以推杆式膨胀仪(a push-rod Dilatometer)测得的。测试加热速率为5℃/分钟，温度范围为室温～约1000℃。本领域普通技术人员应理解：不测试涂覆到金属电极上的釉瓷，而是测试包含釉瓷的烧制玻璃料，并对应于涂覆并烧制后釉瓷的CTE值。
术语“结晶”是指具有高度有序或规整结构、在某些情况下可形成晶格的固体材料。
术语“电外科切削工具”或“电外科切削刀片”通常是指采用等离子能剖切组织或凝结血管且对周围组织附带损伤最小的电外科设备。术语“釉”或“釉瓷”描述施加于金属或其他硬质表面且能作为用于电外科切削刀片的介电层或绝缘层的透明、半透明或不透明玻璃样物质。术语“玻璃陶瓷”是指包含无定形相和结晶相的釉瓷组合物。
术语“玻璃料”是指用于制备玻璃或釉瓷的基本材料，其通常为颗粒形式且可完全熔融。
术语“金属基材”是指电外科切削工具的金属电极，其形成切削刀片且提供了可在其上施加釉瓷的基材。
术语“不透明”是指玻璃反射而非折射目标波段(通常但非全部情况下，400～700nm范围内的可见光)中的光。
术语“优选”和“优选地”是指可以在特定条件下产生某些益处的本发明的实施方式。然而，在相同条件或其它条件下，其它实施方式也可以是优选的。此外，一个或多个优选实施方式的描述并不意味着其它实施方式是不可用的，也无意于将其他实施方式排除在本发明公开的范围之外。
使用端点描述的数字范围包括该范围内包含的所有数值(例如，1～5包括1、1.5、2、2.75、3、3.80、4、5等)。此外，范围的公开包括公开了包含在大范围内的所有子范围(例如，1～5公开了1～4、1.5～4.5、1～2等)。
具体实施方式
图1显示了电外科切削设备10的一实施方式。设备10包括绝缘手柄12，该手柄带有手(例如手指)握脊13(如其下部所示)。该部分用于握持于外科医生的手中(图1中未图示)。两个控制按钮14、16以触发电开关(图1中未图示)，它们分别用于选择切削或凝结操作。后部18用于平衡和容纳至少一条电缆19，该电缆的末端可以是常规的电连接器(图1中未图示)以连接射频能电源(图1中未图示)的对接连接器或一根导线或多根导线。图1设备的尺寸被设计为使其能在手中舒适握持，且小到可用于所需的手术。图1设备的工作端包含位于其末端的电外科切削刀片20。电外科切削刀片20包含容纳在中间部或轴杆22中的金属基材或电极21。中间部22提供了绝缘支撑部，该支撑部固定电外科切削刀片20的末端并使该末端延伸到适合的外科视野区和离外科医生手部适当的切削或凝结的距离。电外科切削刀片20的暴露末端包含釉瓷绝缘涂层24。示例性电外科设备的非限制性实施方式公开在美国专利号8,414,572 B2中，其全文通过援引纳入本文。
如图1所示，设备10具有固定装配在中间部22中的单片扁平刀片20。本领域普通技术人员应理解：所公开的电外科设备可具有各种其他刀片形状和刀片结构，包括具有方刃、斜刃、圆柱形、针状、弯曲、可弯曲或可伸缩特征的刀片。所公开的电外科设备可为单极设备，例如，如图1所示的设备，或者具有两个或两个以上电极的双极设备，其可用于某些形式的电外科手术中。
在操作中，使用例如图1设备10的电外科设备对组织进行切削或其他操作(例如，凝结)所涉及的步骤通常包括：使组织与产生等离子体的电极进行接触，并对电极施加电信号，在某些情况下该电信号具有低占空比(duty-cycle)RF波形。该信号沿着电极刃部和组织之间的电极形成等离子体放电，该等离子体进行组织切削或其他操作。
本领域熟知适于产生所需等离子体效应的所施加电信号的实际特性。例如，在一个实施方式中，施加的电信号是频率范围为100KHz～10MHz的RF信号。通常，该能量以脉冲串(bursts of pulse)的形式施加。每个脉冲串通常具有10微秒～1毫秒的持续时间。每个脉冲串中的各个脉冲通常各自具有0.1～10微秒的持续时间，并带有0.1～10微秒的间隔。实际脉冲通常是方波和双相，即正负振幅交替。通常，脉冲之间的间隔必须短于等离子体蒸汽穴的存在期，以便在每个脉冲串期间保持该穴和等离子体状态。在一个实施方式中，以至少一毫秒的持续时间将脉冲串分开。
通过电外科切削刀片将能量递送到该设备的功能刃。图2是电外科切削刀片20一实施方式的正交侧视图。电外科切削刀片20包含金属电极或基材22，其至少一部分涂覆有釉瓷涂层24。当引入射频能时，金属基材22的暴露刃部26能产生基本均匀和增强的电场，该电场在与组织中的细胞接触时形成等离子体介质。釉瓷涂层24用作非导电表面，从而将等离子体介质形成限制到限定的刃部26。
图3为釉瓷涂覆的电外科切削刀片30的刃部的横截面示意图。刀片30包括金属电极基材32、釉瓷涂层34和刃部36。由于表面张力以及在涂覆或烧制制备涂层34的玻璃料期间的其他因素，涂层34接近刃部36的厚度通常被减薄。在一些实施方式中，刃部36可在烧制后暴露。如果需要，可采用机械冲击、研磨、电能、酸蚀刻或其他方法来去除刃部36附近的涂层34的一部分或阻止其形成，从而使刃部36附近的区域具有减薄的厚度或者完全没有涂层。如此减薄的厚度或者暴露的刃部使得涂层36的击穿电压局部降低，并当电磁能施加到金属电极32时有助于促进初始等离子体形成和维持邻近刃部36的等离子体。
高温的恶劣操作环境和切削刃的极快热循环都造成了对常规釉瓷涂层的极端环境。常规釉瓷一些实施方式中显现出缺陷。图4显示了一种称为玻璃回流的缺陷。在电外科手术期间所产生的极端热环境可至少造成常规釉瓷流动和部分融化。图4是电外科切削刀片40的一部分的显微照片，其显示了在釉瓷涂层44中所存在的回流缺陷42。
不受理论限制，据信釉瓷和金属基材的热机械性能不相容可促进或会影响常规釉瓷中缺陷的形成。例如，图5是电外科切削刀片50的一部分的显微照片。电外科切削刀片50的常规釉瓷52在切削刀片50的切削刃56处显示出裂缝54。
图6是显示电外科切削刀片上的常规釉质涂层中的缺陷的另一示例的显微照片。图6描述了具有釉瓷涂层62的电外科切削刀片60。电外科切削刀片60的刃部64具有在使用期间所形成的碎片66。据信，热机械性能(如热膨胀系数)的不匹配可能在热循环期间在釉瓷涂层中产生缺陷。由于使用电外科工具期间极端温差下的极快加热和极快冷却，热机械性能不匹配对涂层的不利影响会被放大。
图7描述了用在猪组织上20分钟后的实施例1所述本发明电外科切削刀片70。釉瓷涂层72和刃部74不存在如图5所示裂缝54那样的可见裂缝，也不存在如图6所示碎片66那样的碎片。釉瓷涂层72的热机械性能与用于形成切削刀片70的金属基材的热机械性能类似。在具有类似热机械性能(例如热膨胀系数或CTE)的金属基材上形成釉瓷涂层，可获得耐用的涂层，该涂层更适于承受与用于各种手术目的的等离子体形成有关的极端操作环境。
所公开的电外科切削刀片包含金属电极，该金属电极与电源进行电连接，并提供(或可经改变而提供)裸露的刃部以实现等离子体的形成。适于形成电极的金属的非限制性例子包含钛、钽、钼、钨、不锈钢或其合金。在一些实施方式中，金属电极可由切削或冲压金属基材而成。也可对准备用于特定外科应用中的刀片进行二次处理步骤，如蚀刻、碾磨或抛光。金属电极的尺寸和形状也可变化以适应不同的手术应用。金属电极在一些优选实施方式中具有约6、8或10×10-6/℃～约11、12或16×10-6/℃的CTE值。
釉瓷可包含其CTE值与所选金属电极的CTE值基本接近的任何合适的玻璃组合物或玻璃-陶瓷组合物。玻璃材料或玻璃-陶瓷材料的选择取决于若干因素，这些因素包括但不限于：外科手术的最终用途、刀片设计、等离子体形成期间的预期温度、RF发生器的电源电压、组织的水含量、以及金属基材的接合程度和自然状态。在某些方面，对玻璃组合物或玻璃-陶瓷组合物进行选择以获得接近或优选高于等离子体形成期间所达到温度的软化温度。例如，玻璃组合物或玻璃-陶瓷组合物的软化温度可至少为500℃，至少为600℃或至少为700℃。
在某些方面，釉瓷组合物可以是无定形玻璃。在其他的实施方式中，釉瓷可包含玻璃-陶瓷组合物。玻璃-陶瓷组合物可具有结晶相以及无定形玻璃。烧制和形成时釉瓷的结晶度可有利地提高釉瓷的CTE。获知本公开内容的本领域普通技术人员将认识到：可选择性地设计釉瓷以获得与所需金属基材的CTE值接近的CTE值。结晶相的非限制性例子包括Ca2ZnSi2O7(锌黄长石)或Sr2SiO4。可将其他的化合物(例如成核剂)组合添加到玻璃料中并将其烧制成具有至少部分结晶性的玻璃-陶瓷组合物，其有利地影响釉瓷涂覆的电外科切削刀片的热机械性能。
可通过各种化合物的组合以形成某些类型的玻璃来生成釉瓷。一个实施方式包括形成至少具有SiO2、B2O3、Al2O3化合物的铝硼硅酸盐玻璃。在优选的铝硼硅酸盐玻璃的实施方式中，玻璃料包含一种或多种碱土金属氧化物，因为这些氧化物可以提高铝硼硅酸盐玻璃的CTE。这些碱土金属氧化物较好包含氧化镁(MgO)、氧化钙(CaO)、氧化锶(SrO)和氧化钡(BaO)。较高分子量的碱土金属氧化物倾向于提供较高的CTE值，就此而言可优选BaO。然而，BaO也会与不锈钢基材中的铬反应，产生具有比基材或釉瓷涂层明显更高的CTE的薄中间层，因此，SrO是用于所公开的铝硼硅酸盐玻璃中的特别优选的碱土金属氧化物。
所选玻璃组合物可包含其他化合物以赋予或增强某些特征或特性，例如玻璃化转变温度、成核、不透明度、防水性、结晶度、颜色、漫反射特性、CTE和介电特性。例如，玻璃可包含有色颜料(如与本申请同日申请的共同待批申请序列号(代理案卷编号4944.280WO02)中所述)、或者包含减少镜面反射特性并提高漫反射特性的成分(如与本申请同日申请的共同待批申请序列号(代理人案卷编号4944.280WO03)中所述)。可作为玻璃料中成分以形成釉瓷的其他化合物的示例性而非限制性例子可包含：前述的碱土金属氧化物、氧化锌、氧化镁、氧化钠和氧化钾。此类化合物可任选地以从痕量、0.1摩尔％、1摩尔％、2摩尔％、5摩尔％或10摩尔％至高达约5摩尔％、10摩尔％、15摩尔％、20摩尔％、30摩尔％或40摩尔％的摩尔百分比范围包含在玻璃料中。玻璃料优选不含生物不相容的材料，例如铅或其他毒性金属及其氧化物。示例性的玻璃料和玻璃包括例如Elan Technology公司、Ferro公司、Mo-Sci公司和Schott股份公司等供应商提供的那些材料。在优选实施方式中，具有如下化合物和摩尔百分比的玻璃料可适于在电外科切削刀片上形成釉瓷：SiO2 30-50％、B2O3 0.5-15％、Al2O3 0.5-10％、SrO 5-30％、CaO 5-30％和ZnO 0.5-20％。
不受理论束缚，据信所公开釉瓷玻璃料和釉瓷涂层中的组分提供了各种属性。例如，玻璃组合物中各组分的功能可为所得釉质提供或赋予某些特征。Si2O有助于形成玻璃网络。改性剂(如碱金属和碱土金属氧化物)可提高CTE值，并可能降低玻璃化转变温度。Al2O3可改变结晶速率。少量添加剂(如TiO2和ZrO2)可用作成核剂。B2O3可改变结晶的程度和速率，并改善玻璃对金属基材的浸润性。B2O3也可提高釉瓷CTE。高CTE部分结晶***可例如还包含SrO和BaO中的一种或两种。
图8为适合由玻璃料在电外科切削刀片上形成釉瓷涂层的方法80的一实施方式的示意图。玻璃料可另行提供或可在临用前手工配制。玻璃熔融步骤82通常通过在炉中混合并熔融玻璃料组分进行，然后对该熔融物进行淬火84以形成固化的玻璃材料。然后将所得的玻璃材料研磨86至所需的粒度，该粒度将支持在金属基材上涂覆和形成釉瓷。本领域普通技术人员将认识到：粒度可对所得的釉瓷的性质产生影响。在某些实施方式中，颗粒可具有约20μm～约50μm的d90值(即，在此类实施方式中，90体积％的颗粒具有低于约20μm～低于约50μm的平均直径)。在任选的湿涂步骤中，制备浆料88以易于将玻璃粉末的涂料90施加到金属基材上。浆料例如可通过将玻璃颗粒分散在粘合剂和载体中制备。载体可为能保持稳定分散和适合的涂覆粘度的任何合适的溶剂。合适载体的非限制性例子包括矿物油、乙醇、松油醇或其组合。粘合剂在涂覆过程中促进金属基材的润湿和涂覆。合适粘合剂的非限制性例子包括：聚乙烯醇缩丁醛、聚乙烯醇和乙基纤维素。或者，可用干涂法进行涂覆，从而无需形成浆料。不论如何，可采用各种涂覆方式90。非限制性的例子包括：电泳沉积、浸涂、辊涂、喷涂或其他类似的施涂方法。涂覆较好的施加厚度是足以获得如下的釉瓷涂层：经烧制后，该釉瓷涂层在等离子体形成过程中不会不当降解，且优选不会有采用常规釉瓷涂层所发生的那些缺陷。在优选的实施方式中，给金属基材涂以厚度约75μm～约100μm的釉瓷涂层。在湿涂工艺的某些方面中，通过控制浆料的粘度来解决涂层厚度问题。此外，优选以提供裸露或仅薄薄覆盖切削刃的方式施加涂覆。可如图3中所讨论的那样，通过去除一部分釉瓷涂层手工暴露该刃部。具体涂覆方式的选择可取决于各种因素，包括：金属基材、切削刀片的尺寸和几何形状、以及玻璃料的类型等。本领域普通技术人员会匹配具体涂覆方式以在电外科切削刀片上获得所需的釉质厚度。
当采用如图8所示制浆步骤88和湿涂步骤90时，通常在粘合剂烧尽步骤92中去除粘合剂和溶剂。可将电外科切削刀片加热到足以从玻璃粉末中去除任何粘合剂和溶剂的温度和时长。该过程的时长和温度可根据溶剂或粘合剂组成的不同而不同。在一些实施方式中，温度范围可高达约500℃，时长可长达约60分钟。在该过程之后，所余涂层具有生坯强度，并准备好用于玻璃烧制以形成釉瓷。
玻璃烧制过程94包括将炉温逐渐升至玻璃烧制温度且持续有限的时间以形成釉瓷，使其熔合于基材，并对最终的涂层进行退火。可任选地，某些实施方式可允许形成结晶相96。烧制通常在高于700℃进行，在某些实施方式中，高于750℃或甚至高于800℃。烧制过程的时长以及涂覆后基材的保温时间可例如随玻璃组成、涂层厚度、金属基材的类型、刀片形状和尺寸以及其他因素的不同而不同。此外，下降的温度(let-down temperature)可不同且可分阶段(staggered)以完成固化、退火和应力释放。在某些实施方式中，将退火温度定为所选釉瓷组合物的Tg值的温度或高于Tg值的温度。所得釉瓷涂覆的电外科切削刀片可例如在外观上与图2所示实施方式的电外科切削刀片非常相似。
与带有常规釉瓷涂层的刀片相比，本公开制得的釉瓷涂覆的电外科切削刀片在性质和特性上可提供更好的耐用性和更长的有效使用寿命。金属基材的CTE值和所公开的电外科切削刀片上的釉瓷的CTE值彼此基本接近。该特征可使得电外科切削刀片的釉瓷中的缺陷得以消除。在一些实施方式中，金属基材CTE值可为约6、8或10×10-6/℃～约11、12或16×10-6/℃。涂层的介电强度可变化，并在优选的实施方式中，采用ASTM D149-09所测得的介电强度可大于约20000、约30000或约40000伏/毫米(约508、约762或约1016伏/密耳)。在一些实施方式中，在高压电外科发生器中设置为手术室中代表性使用20分钟的条件下磨损电外科切削刀片来证明刀片的耐久性。将所测的釉瓷涂覆电外科刀片样品的磨损后宽度与其磨损前所测得的宽度进行比较，以计算刀片宽度减少百分比。在一些实施方式中，刀片宽度减少百分比在约-6％到-11％范围内。
测试方法
热膨胀系数：ASTM E228(利用推杆式膨胀仪的固体材料线性热膨胀的标准测试方法)。推杆式膨胀仪包括由加热装置包围的具有已知热膨胀系数的材料的圆筒。将样品放置于圆筒内部并靠着圆筒端部。将与圆筒材料相同的杆靠住样品放置。杆的另一端与线性可变差动变压器(LVDT)连接，该变压器测量杆端部位置的微小变化。加热容载样品的区域以使样品、周围圆筒和杆膨胀。如果样品膨胀具有与设备不同的热膨胀系数，则杆端部的位移由样品长度以及样品与设备材料之间的热膨胀系数差来确定。通过针对设备膨胀校正相对于温度数据的位移来确定样品的真实热膨胀系数。然后通过以下公式获得样品的热膨胀系数：
其中，L0是样品的原始长度，ΔL是样品的真实位移(膨胀)，ΔT是位移发生的温度差。
介电强度：ASTM D149-09(商业电源频率下固体电绝缘材料的介电击穿电压和介电强度的标准测试方法)。通过制作尺寸为1英寸×1英寸的带有釉瓷涂层的金属试样来制备测试制品，以用于测试。将120度点探针放置于釉瓷涂层的表面上以用作介电强度测试仪的正极端电极，并将负极端电极连接到金属试样上。通过利用100伏特/秒的缓变率和接受高达1mA漏电流的60Hz频率波形来施加高达6000伏特的AC峰间值以测量击穿电压。将击穿电压除以测试中各个釉瓷涂层的厚度，以获得介电强度，并以伏特/毫米或伏特/密耳表示。
耐久性：刀片宽度减小测试。使用高压电外科发生器并设置在模拟最坏情况的使用场景在离体猪组织上磨损电外科刀片以测试耐久性。例如，使用等离子体手动将釉瓷涂覆的电外科刀片施加到猪组织，以模拟手术室中延长(例如，长达20分钟)的代表性使用。测量釉瓷涂覆刀片在磨损前和磨损后的宽度。刀片宽度减少百分比通过以下公式获得：
其中，BW0是磨损前样品的宽度，BW20是磨损20分钟后样品的宽度。刀片宽度减少百分比通常是负值，这是因为刀片宽度在磨损后减小。
实施例
实施例1和2
用于制备实施例1和2的釉瓷涂覆的电外科刀片的材料列于表1中。对于实施例1和2，称取表2所列的适当量溶剂、分散剂和玻璃粉末，并将它们混合。将该混合物球磨约2小时以确保适当的分散水平。将粘合剂加入混合物中并球磨约4小时以生成浆料。使用Brookfield DV2T(LV)粘度计和锭子SC4-18/13R测量各浆料的粘度。以0.2rpm将每种浆料的粘度保持在1500cp以上。使用浸渍工艺将各种浆料涂覆在420不锈钢电外科切削刀片上。在施加浆料涂层之后，在约600℃下将涂覆刀片烧尽超过60分钟，随后在高于800℃的温度下烧制超过10分钟。待缓慢逐渐降温至室温后，肉眼检测釉瓷涂覆的电外科刀片，并分析结晶度和CTE。实施例1的釉瓷显示出充分的釉质覆盖，且于25-600℃的温度范围内根据ASTME228测得的CTE值为10.94×10-6/℃。X射线衍射结果表明在热处理后存在Ca2SiO4结晶相。电外科刀片基材于25～500℃的温度范围内测得的CTE值为11.3×10-6/℃。
表1
材料
玻璃1 Ba-Ca-Si-B-Al碱土铝硼硅酸盐玻璃
玻璃2 Sr-Si-Ca-Zn-Al-Ti-B碱土铝硼硅酸盐玻璃
粘合剂 乙基纤维素
溶剂 甲苯/乙醇混合物
分散剂 磷酸三乙酯
表2
制剂
成分 实施例1(wt％) 实施例2(wt％)
玻璃1 58
玻璃2 58
粘合剂 23.8 23.8
溶剂 17 17
分散剂 1.2 1.2
100 100
使用来自美敦力公司(Medtronic)的PEAK AEXTM电外科发生器对实施例1的刀片如下进行猪组织上的磨损试验以评估涂层耐久性：在切削模式7下使用第一涂层刀片20分钟，在凝结模式8下使用第二涂层刀片20分钟。上述图7的显微照片显示了磨损试验后的刀片中的一个刀片。尽管由于快速开关供能导致了热循环，釉瓷涂层没有生成可见的裂缝或碎片。刀片在切削模式磨损下显示了-6.9％的刀片宽度减少百分比以及在凝结模式磨损下显示-6.5％的刀片宽度减少百分比。
实施例2的釉瓷显示了充分的釉质覆盖，且在25～600℃的温度范围内根据ASTME228测得的CTE值为11.7×10-6/℃。X射线衍射结果表明存在结晶BaSiO3和BaAl2Si2O8相。经过20分钟使用后，釉瓷产生了微小可见的裂缝，但其数量远远少于常规釉瓷涂覆的切削刀片的裂缝数量。刀片在切削模式磨损下显示-6.4％的刀片宽度减少百分比以及在凝结模式磨损下显示-8.8％的刀片宽度减少百分比。
比较例1
在比较例1中，对来自美敦力公司的PEAK PLASMABLADETM4.0软组织剥离装置上的半透明黑色无定形釉瓷涂层进行分析，发现其在25～460℃温度范围内测得的CTE为7.9×10-6/℃。该值为下层420不锈钢基材的CTE的69.9％。
实施例3
通过抑制锌黄长石的快速结晶(通过降低玻璃料中的ZnO含量)、改进对结晶的控制(通过增加玻璃料中的Al2O3含量)和改善润湿性和所存在的玻璃相的量(通过增加玻璃料中的B2O3含量)来对与实施例2所用的玻璃相似的玻璃进行改性，以降低玻璃CTE值并使涂层在使用期间处于更大的压缩。使用实施例1和2的方法将玻璃涂覆在电外科刀片上，并对其进行评估以确定其耐磨性。如此改性的釉质玻璃涂层在25～600℃温度范围内测得的CTE值为10.1×10-6/℃，且与实施例2涂层相比抗裂性改善。使用六片刀片样品并对每片刀片进行10分钟的切削模式10测试，然后对每片刀片进行10分钟的凝结模式10测试，这些刀片显示的平均刀片宽度减小值为-10.9％。
实施例4
使用实施例1和2的方法，并通过添加3重量％的来自Ferro公司的F6333黑色颜料来改性实施例2的玻璃。所获得的釉质玻璃涂层具有不透明的光泽外观和不变的CTE、Tg和Ts(软化温度)值。
虽然为了描述优选实施方式的目的在本文中已经对具体实施方式进行了说明和描述，但是本领域普通技术人员应理解为了实现相同目的而预期的多种替代或等价实施方式可用于替代所示和所述具体实施方式，而不偏离本发明的范围。本申请意图覆盖本文所讨论的优选实施方式的各种调整或变化。因此，显然意图使本发明仅受权利要求书及其等同的限定。

Claims (24)

1.一种制品，其包括：
(a)电外科切削刀片，其包含具有热膨胀系数的金属电极，和
(b)在所述金属电极的至少一部分上的釉瓷涂层，所述釉瓷涂层的热膨胀系数在所述金属电极的热膨胀系数的小于±30％以内。
2.一种釉瓷涂层，其包含由玻璃料所形成的玻璃，所述玻璃料以摩尔百分比计包含如下成分：30～50％SiO2、0.5～15％B2O3、0.5～10％Al2O3、5～30％SrO、5～30％CaO、以及0.5～20％ZnO，其中，所述涂层根据ASTM E228所测得的热膨胀系数为约6×10-6/℃～约16×10-6/℃，并被置于用于电外科切削刀片的金属电极上。
3.一种方法，其包括：提供釉瓷前体，将所述釉瓷前体施加于具有热膨胀系数且适于用作电外科切削刀片的金属电极的至少一部分上，并烧制所述釉瓷前体以形成釉瓷涂层，该釉瓷涂层的热膨胀系数在所述金属电极的热膨胀系数的小于±30％以内。
4.一种方法，其包括：向电外科切削刀片间歇施加射频能以产生等离子体介导放电，从而加热和冷却刀片，其中，所述刀片包含具有热膨胀系数的金属电极，以及在所述金属电极的至少一部分上的釉瓷涂层，所述釉瓷涂层的热膨胀系数在所述金属电极的热膨胀系数的小于±30％以内。
5.如权利要求1所述的制品、如权利要求2所述的涂层或者如权利要求3或4所述的方法，其中，根据ASTM D149-09，所述釉瓷的介电强度为至少20000伏/毫米。
6.如权利要求1所述的制品、如权利要求2所述的涂层或者如权利要求3或4所述的方法，其中，根据刀片宽度减小试验，所述电外科切削刀片显示了不低于-12％的刀片宽度减少百分比。
7.如权利要求1所述的制品、如权利要求2所述的涂层或者如权利要求3或4所述的方法，其中，所述釉瓷的软化温度至少为500℃。
8.如权利要求1所述的制品、如权利要求2所述的涂层或者如权利要求3或4所述的方法，其中，所述釉瓷的软化温度至少为700℃。
9.如权利要求1所述的制品、如权利要求2所述的涂层或者如权利要求3或4所述的方法，其中，所述釉瓷是无定形玻璃组合物。
10.如权利要求1所述的制品、如权利要求2所述的涂层或者如权利要求3或4所述的方法，其中，所述釉瓷是具有结晶相的玻璃-陶瓷组合物。
11.如权利要求10所述的制品、涂层或者方法，其中，所述结晶相包含Ca2ZnSi2O7或者Sr2SiO4。
12.如权利要求1所述的制品、如权利要求2所述的涂层或者如权利要求3或4所述的方法，其中，所述釉瓷包含铝硼硅酸盐玻璃。
13.如权利要求1所述的制品或者如权利要求3或4所述的方法，其中，所述釉瓷由包含如下物质的玻璃料形成：SiO2、B2O3、Al2O3，以及可任意选自SrO、BaO、CaO、MgO、ZnO、Na2O、K2O的一种或多种或其组合。
14.如权利要求1所述的制品或者如权利要求3或4所述的方法，其中，所述釉瓷由以摩尔百分比计包含如下成分的玻璃料形成：
15.如权利要求3所述的方法，其中，所述釉瓷前体包含玻璃料和至少一种粘合剂。
16.如权利要求1所述的制品、如权利要求2所述的涂层或者如权利要求3或4所述的方法，其中，所述釉瓷的厚度为约75μm～约100μm。
17.如权利要求1所述的制品或者如权利要求3或4所述的方法，其中，根据ASTM E228，所述釉瓷的热膨胀系数为约6×10-6/℃～约16×10-6/℃。
18.如权利要求1所述的制品、如权利要求2所述的涂层或者如权利要求3或4所述的方法，其中，根据ASTM E228，所述釉瓷的热膨胀系数为约10×10-6/℃～约12×10-6/℃。
19.如权利要求1所述的制品、如权利要求2所述的涂层或者如权利要求3或4所述的方法，其中，所述金属电极是钛、钽、钼、钨、不锈钢或其合金。
20.如权利要求1所述的制品、如权利要求2所述的涂层或者如权利要求3或4所述的方法，其中，根据ASTM E228，所述金属电极的热膨胀系数为约10×10-6/℃～约12×10-6/℃。
21.如权利要求1所述的制品、如权利要求2所述的涂层或者如权利要求3或4所述的方法，其中，所述釉瓷涂层的热膨胀系数在所述金属电极的热膨胀系数的小于±20％之内。
22.如权利要求1所述的制品、如权利要求2所述的涂层或者如权利要求3或4所述的方法，其中，所述釉瓷涂层的热膨胀系数在所述金属电极的热膨胀系数的小于±10％之内。
23.如权利要求1所述的制品、如权利要求2所述的涂层或者如权利要求3或4所述的方法，其中，所述釉瓷涂层的热膨胀系数小于所述金属电极的热膨胀系数。
24.如权利要求1所述的制品，其还包含绝缘手柄，其与所述电外科切削刀片装接且容纳至少一个导体，所述导体能够将所述金属电极与射频能电源相连。
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