KR20140075736A - 코팅된 임플란트 및 관련 방법 - Google Patents

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KR20140075736A
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브라이언 제이. 맥켄타이어
라마샤미 락쉬미나레이야난
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아메디카 코포레이션
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Abstract

관절 보철물의 성능을 개선하기 위한 방법, 장치 및 시스템. 일부 실시예는 제1 관절면을 포함하는 제1 컴포넌트, 및 제1 관절면과 관절 연결하도록 구성된 제2 관절면을 포함하는 제2 컴포넌트를 포함할 수 있다. 제1 및 제2 컴포넌트 중 하나 또는 둘 다는 실리콘 질화물 세라믹 재료를 포함할 수 있다. 제1 및 제2 관절면 중 하나 또는 둘 다는 제1 관절 계면의 경도를 증가시키는 것, 제1 및 제2 관절면 사이의 마찰 계수를 줄이는 것, 제1 및 제2 관절면 사이의 마모의 효과를 감소시키는 것, 및 사용 동안 제1 및 제2 관절면 사이의 관절 운동으로부터 초래되는 관내보철물에 의해 생성되는 가청 잡음의 세기를 감소시키는 것 중 적어도 하나를 성취하도록 구성되는 코팅을 포함할 수 있다.

Description

코팅된 임플란트 및 관련 방법{COATED IMPLANTS AND RELATED METHODS}
본 출원은 2011년 9월 15일자 미국 가특허 출원 제61/535,179호(발명의 명칭 "COATED IMPLANTS AND RELATED METHODS")의 35 U.S.C. §119(e) 하의 이익을 주장하며, 그 출원은 전체가 참조에 의해 본 명세서에 편입되는 것이다.
본 발명은 일반적으로는 이식가능한 보철물에 관한 것이고, 배타적인 것은 아니지만, 더 구체적으로는, 코팅된 관절 계면을 갖는 재료로부터 형성된 이식가능한 관절 뼈 보철물에 관한 것이다.
본 명세서에 쓰인 개시는 한정적인 것은 아니고 빠짐없이 나타내는 것이 아닌 예시적 실시예를 설명하고 있다. 다음의 도면에 묘사되어 있는 특정의 그러한 예시적 실시예를 참조한다.
도 1은 본 발명의 실시예와 일치하는 환자의 대퇴골(femur) 및 절구(acetabulum)에 부착되는 설치된 위치에 있는 예시적 둔부 보철물(prosthesis)의 횡단면 예시도;
도 2는 본 발명의 실시예와 일치하는 예시적 둔부 보철물의 분해 예시도;
도 3은 세라믹 임플란트 상에 코팅을 형성하기 위한 방법의 일 구현의 흐름도.
실시예들은 도면을 참조하여 가장 잘 이해될 수 있으며, 유사한 부분은 곳곳에서 유사한 숫자로 지정된다. 일반적으로 본 명세서의 도면에서 설명 및 예시되는 바와 같이 본 발명의 컴포넌트는 광범위한 여러 다른 구성으로 배열 및 설계될 수 있음을 쉽게 이해할 것이다. 그리하여, 본 장치의 실시예의 이하의 더 상세한 설명은 본 발명의 범위를 한정하려는 의도가 아니라, 단지 본 발명의 가능한 실시예를 표현하는 것이다. 일부 경우에 있어서, 주지의 구조, 재료 또는 동작은 상세하게 도시 또는 설명되지 않는다.
이식가능한 관절 뼈 보철물 및/또는 임플란트는 관용적으로는 메탈-온-폴리에틸렌 또는 세라믹-온-폴리에틸렌 관절 계면을 갖도록 설계될 수 있다. 예컨대, 고관절 보철물은, 폴리에틸렌 재료로 형성된 내부 계면을 갖고 환자의 자연 절구 내에 착석 및/또는 부착되는 절구 컵, 및 절구 컵 내에 착석하도록 구성된 볼-형상의 대퇴골두를 갖고 환자의 대퇴골 뼈의 절제된 상단 내에 착석 및/또는 부착되고 메탈 또는 세라믹으로 형성된 대퇴골 컴포넌트를 포함할 수 있다. 폴리에틸렌 내부 계면의 폴리에틸렌 재료는 절구 컵과 대퇴골 컴포넌트 사이의 매끄러운 관절 운동을 수용하도록 설계될 수 있다. 그렇지만, 시간의 흐름에 따라 폴리에틸렌 계면 마모와 연관된 폴리머-기반 찌꺼기의 발생 및 축적에 기인하여 미숙 보철물 부전이 일어날 수 있다.
세라믹-온-세라믹 관절 계면을 포함하는 관절 뼈 보철물 및/또는 임플란트는 폴리에틸렌 계면과 연관된 문제 일부를 줄일 수 있다. 특정 이점을 제공하기는 하지만, 세라믹-온-세라믹 보철물은 관절 계면에서의 상대적으로 더 높은 마찰 계수에 기인하여 관절 운동 때 원치않는 가청 잡음(예컨대, "끽끽 소리")을 낼 수 있다. 더욱, 특정 세라믹 재료의 본질에 기인하여, 세라믹-온-세라믹 보철물은 또한 사용이 늘어나면 관절 계면에서의 원치않는 마모를 나타내보일 수 있다.
본 명세서에 개시된 실시예와 일관하여, 이식가능한 관절 보철물(예컨대, 뼈 보철물)은 경질 및/또는 내마모성 생체적합성 재료로 코팅된, 하나 이상의 관절 계면과 같은, 하나 이상의 표면을 갖는 생체적합성 세라믹으로 형성될 수 있다. 코팅 재료 및/또는 방법은 보철물의 관절 운동 동안 가청 잡음의 세기를 줄이고/줄이거나 원치않는 마모를 줄이도록 선택 및/또는 구성될 수 있다. 부가적으로 또는 대안으로, 코팅 재료 및/또는 방법은 보철물의 관절 계면에서의 마찰 계수를 줄이도록 구성되어, 그로써 사용 동안 그 전반적 동작을 개선할 수 있다. 대안의 실시예에 있어서, 코팅된 관절면 중 하나는 메탈 재료로 이루어질 수 있고, 다른 하나의 코팅된 관절면은 세라믹 재료로 이루어질 수 있다.
일부 실시예 또는 구현에 있어서는, 또한 코팅이 기질의 것과 유사한 속성을 갖게 되도록 그것들을 배합, 조작 및/또는 도포하는 것이 유용할 수 있다. 예컨대, 일부 그러한 실시예 또는 구현에 있어서는, 적어도 대응하는 기질의 것에 가까운 경도 및/또는 탄성률을 갖는 하나 이상의 코팅을 배합, 조작 및/또는 도포하는 것이 바람직할 수 있다.
도 1은 둘 다 각자의 코팅된 관절 계면을 갖는 절구 컵(102) 및 대퇴골 컴포넌트(104)를 포함하는 예시적 고관절 보철물(100)의 횡단면도를 예시하고 있다. 예시된 고관절 보철물(100)은 환자의 대퇴골(106) 및 환자의 골반(110)의 절구 소켓에 부착된 설치된 위치에 있고, 자연 해부학적 볼-앤-소켓 인간 고관절을 보수 또는 교체하도록 구성된다. 본 명세서에서는 예시적 고관절 보철물(100)의 맥락에서 실시예가 논의되고는 있지만, 개시된 실시예는 또한 어떠한 수의 관절 컴포넌트라도 갖는 어떠한 유형의 이식가능한 관절 보철물(예컨대, 무릎, 손가락, 발목 또는 어깨 보철물)로도 구현될 수 있다. 또한, 본 명세서에서 개시된 코팅은 특정 비-관절 보철물에서도 유용할 수 있다고 생각된다. 본 명세서에서 개시된 발명의 다양한 실시예는 또한 물 윤활만 존재시 또는 윤활 없음시 낮은 마찰 베어링 표면이 필요한 공업용 컴포넌트에 가치 있을 수 있다.
고관절 보철물(100)은 환자의 골반(110)의 절구 내에 착석 및/또는 부착된 절구 컵(102)을 포함할 수 있다. 절구 컵(102)은 절구 컵(102) 내에 착석하도록 구성된 볼-형상의 대퇴골두(116)를 포함하는 대퇴골 컴포넌트(104)와 맞닿도록 구성될 수 있고, 그로써 대퇴골 컴포넌트(104)가 절구 컵(102)에 상대적으로 하나 이상의 방향으로 관절 운동할 수 있게 한다. 대퇴골 컴포넌트(104)는 환자의 대퇴골(106)의 상단에 착석 및/또는 부착되도록 구성된 기다란 줄기(114)를 더 포함할 수 있다. 특정 실시예에 있어서, 볼-형상의 대퇴골두(116) 및 기다란 줄기(114)는 일체형 컴포넌트일 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 볼-형상의 대퇴골두(116) 및 기다란 줄기(114)는 예컨대 선택적 분리를 위해 나사식 메커니즘 또는 로킹 메커니즘을 이용하는 선택적 착탈식 컴포넌트일 수 있다.
특정 실시예에 있어서, 절구 컵(102) 및/또는 대퇴골 컴포넌트(104)는 늘어난 서비스 수명 또는 듀티 사이클에 걸친 컴포넌트 관절 운동의 결과로서 극도로-낮은 마모를 나타낼 수 있는 상대적으로 경질 및 고강도 생체적합성 세라믹 재료로 일부 형성될 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 절구 컵(102) 및 대퇴골 컴포넌트(104)는 동일 세라믹 재료로 형성될 수 있다. 절구 컵(102) 및 대퇴골 컴포넌트(104)는 대안으로는 서로 다른 세라믹 재료로 형성될 수 있다. 또 다른 대안으로서, 절구 컵 및 대퇴골 컴포넌트 중 하나는 메탈로 형성될 수 있고, 절구 컵 및 대퇴골 컴포넌트 중 다른 하나는 세라믹 재료로 형성될 수 있다.
일부 실시예에 있어서, 절구 컵(102) 및/또는 대퇴골 컴포넌트(104)는 환자의 골반(110) 및/또는 대퇴골(106)에의 단단한 부착을 위해 상대적으로 다공질 세라믹 뼈 내증식(ingrowth) 표면을 포함할 수 있다. 예컨대, 특정 실시예에 있어서, 절구 컵(102)은 환자의 대퇴골의 절구에 단단하게 부착되도록 구성된 다공성 세라믹 뼈 내증식을 갖는 부분(108)을 포함할 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 절구 컵(102) 및/또는 대퇴골 컴포넌트(104)는 각자 자연 피질 및 해면골 구조를 모방하도록 다공성을 달리하는 제1 및 제2 영역을 포함할 수 있다. 특정 실시예에 있어서, 더 높은 다공성 영역은 환자의 골반(110) 및 대퇴골(106)에 각자 절구 컵(102) 및 대퇴골 컴포넌트(104)의 더 단단하고 안정한 부착을 감안하는 개선된 뼈 내증식을 감안하도록 설계될 수 있다.
세라믹 온 세라믹을 포함하는 실시예에 있어서, 절구 컵(102) 및 대퇴골 컴포넌트(104)를 형성하는데 사용된 세라믹 재료 또는 재료들은 하나 이상의 높은 굴곡 강도 및 높은 골절 인성 세라믹 재료를 포함할 수 있다. 특정 실시예에 있어서, 세라믹 재료는 상대적으로 높은 경도, 인장 강도, 탄성률, 윤활성 및 골절 인성 속성을 갖는 도핑된 실리콘 질화물(Si3N4)을 포함할 수 있다. 적합한 실리콘 질화물 재료의 예들은, 예컨대, 미국 특허 제6,881,229호에 기재되어 있고, 그 전체는 참조에 의해 본 명세서에 편입되는 것이다. 다른 적합한 세라믹 재료는 지르코니아, 알루미나, 알루미나 및 지르코니아의 조합, 지르코니아 강화 알루미나(ZTA), 및/또는 기타 알루미나-매트릭스 복합체를 포함할 수 있다. 특정 실시예에 있어서, 세라믹 재료의 굴곡 강도는 약 400 메가-파스칼(㎫)(예컨대, 알루미나) 내지 약 1300㎫(예컨대, 지르코니아)의 범위일 수 있다.
특히 실리콘 질화물 세라믹은 엄청난 굴곡 강도 및 골절 인성을 갖는다. 일부 실시예에 있어서, 그러한 세라믹은 약 700㎫보다 더 큰 굴곡 강도를 갖는 것으로 밝혀졌다. 실제로, 일부 실시예에 있어서, 그러한 세라믹의 굴곡 강도는 약 800㎫보다 더 크게, 약 900㎫ 또는 약 1,000㎫보다 더 크게 측정되었다. 일부 실시예에 있어서, 실리콘 질화물 세라믹의 골절 인성은 약 7 메가-파스칼 루트 미터(㎫·m1/2)를 초과한다. 실제로, 일부 실시예에 있어서, 그러한 재료의 골절 인성은 약 7-10㎫·m1/2이다.
일부 실시예에 있어서, 알루미나(Al2O3), 산화 이트륨(Y2O3), 산화 마그네슘 및 스트론튬 산화물과 같은 도판트는 실리콘 질화물의 도핑된 조성을 형성하도록 처리될 수 있다. 도핑된 실리콘 질화물 또는 다른 유사한 세라믹 재료를 포함하는 실시예에 있어서, 생체적합성 세라믹은 약 900㎫보다 큰 굴곡 강도, 및 약 9㎫·m1/2보다 큰 인성을 가질 수 있다. 굴곡 강도는 ASTM(American Society for Testing of Metals) 프로토콜 방법 C-1161에 따른 표준 3-포인트 벤드 시료에서 측정될 수 있고, 골절 인성은 ASTM 프로토콜 방법 E399에 따른 단일 에지 노칭된 빔 시료을 사용하여 측정될 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 실리콘 질화물의 분말은 단독으로든 또는 위에서 언급된 도판트 중 하나 이상과 조합하여서든 세라믹 임플란트를 형성하는데 사용될 수 있다.
적합한 실리콘 질화물 재료의 다른 예는 미국 특허 제7,666,229호 발명의 명칭 "Ceramic-Ceramic Articulation Surface Implants"에 기재되어 있고, 참조에 의해 본 명세서에 편입되는 것이다. 적합한 실리콘 질화물 재료의 또 다른 예는 미국 특허 제7,695,521호(발명의 명칭 "Hip Prosthesis with Monoblock Ceramic Acetabular Cup")에 기재되어 있고, 또한 참조에 의해 본 명세서에 편입되는 것이다.
메탈 온 세라믹을 포함하는 실시예에 있어서, 적합한 메탈은 각종 스테인리스 스틸, 코발트 및 크롬 함유 합금, 티타늄 또는 티타늄 합금을 포함할 수 있다.
그렇지만, 특정 세라믹 보철물은 관절 계면에서의 상대적으로 더 높은 마찰 계수에 기인하여 관절 운동 때 원치않는 가청 잡음(예컨대, "끽끽 소리")을 낼 수 있다. 사용이 늘어나면 관절 계면에서의 마모 및/또는 원치않는 가청 잡음(예컨대, "끽끽 소리")에 관련된 위에서 기재된 효과의 일부를 줄이기 위해, 절구 컵(102) 및/또는 대퇴골 컴포넌트(104)의 관절 계면은 경질 및/또는 내마모성 생체적합성 재료로 코팅될 수 있다. 예컨대, 예시된 바와 같이, 절구 컵(102)은 그 내부 관절 계면에 코팅(112)을 포함할 수 있다. 유사하게, 대퇴골 컴포넌트(104)의 볼-형상의 대퇴골두(116)는 그 외부 관절 계면에 코팅(118)을 포함할 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 절구 컵(102) 및 대퇴골 컴포넌트(104) 둘 다는 코팅된 관절 계면을 포함할 수 있다. 그렇지만, 다른 실시예에 있어서는, 보철물 컴포넌트(102, 104) 중 하나만이 하나 이상의 코팅된 관절 계면을 포함할 수 있다.
코팅된 표면(112, 118)은 원치않는 마모 및/또는 보철물의 관절 운동 동안 가청 잡음의 세기를 줄이도록 선택된 재료를 포함할 수 있다. 특정 실시예에 있어서, 이것은 보철물(102, 104)의 관절 계면에서의 마찰 계수를 줄이도록 구성된 코팅 재료를 선택함으로써 달성될 수 있다. 특정 실시예에 있어서, 코팅된 표면(112, 118)은 다이아몬드-유사 탄소("DLC"), 실리콘 탄화물(SiC), 티타늄 질화물(TiN), 티타늄 이붕소화물(TiB2), 티타늄 탄질화물(TiCN), 티타늄 알루미늄 질화물(TiAlN), 크롬 질화물(CrN), 크롬 탄질화물(CrCN), 티타늄 실리콘 탄질화물(TiSiCN), 및/또는 보철물 컴포넌트(102, 104)의 관절 계면을 코팅하기에 적합한 어떠한 다른 경질, 내마모성 및 윤활성 재료라도 포함할 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 코팅된 표면(112, 118)은, 예컨대, 물리적 기상 증착("PVD") 또는 화학적 기상 증착("CVD") 공정을 포함하는 어떠한 수의 적합한 방법이라도 사용하여 보철물 컴포넌트(102, 104)의 관절 계면에 도포될 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 코팅된 표면(112, 118)은 동일 코팅 재료를 포함할 수 있다. 그렇지만, 다른 실시예에 있어서, 코팅된 표면(112, 118)은 바람직한 관절 특성과 같이 바람직한 상호작용을 제공하도록 구성된 서로 다른 코팅 재료를 포함할 수 있다.
코팅된 표면(112, 118)을 보철물 컴포넌트(102, 104)의 세라믹 관절 계면에 직접 도포하는 것은 코팅된 표면(112, 118)을 세라믹 기질 표면에 양호하게 접착하는 것을 보장할 수 있다. 특정 실시예에 있어서, 이러한 접착은 보철물 컴포넌트(102, 104)의 세라믹 관절 계면과 코팅된 표면(112, 118) 사이의 공유 결합에 기인할 수 있다. 예컨대, 공유 결합은 DLC를 포함하는 코팅 재료에 있어서의 탄소 원자와 실리콘 질화물 세라믹 재료로 이루어진 계면의 표면 상의 실리콘 원자 사이에 형성될 수 있다.
특정 실시예에 있어서, 코팅된 표면(112, 118)을 보철물 컴포넌트(102, 104)의 세라믹 관절 계면에 도포하는 것은 관절 계면의 표면 경도를 증가시킬 수 있다. 예컨대, PVD 공정을 사용하여 도포된 DLC 코팅은 대략 20㎬ 내지 40㎬ 범위의 표면 경도의 결과를 초래할 수 있다. CVD 공정을 사용하여 도포된 SiC 코팅은 대략 27㎬의 표면 경도의 결과를 초래할 수 있다. 코팅된 표면(112, 118)을 도포함으로써 보철물 컴포넌트(102, 104)의 관절 계면의 표면 경도를 증가시키는 것은 관절 계면의 원치않는 마모를 줄일 수 있다.
일부 실시예 또는 구현에 있어서는, 코팅이 기질의 것과 유사한 속성(예컨대, 탄성률 및/또는 경도 값)을 갖게 되도록 그것들을 배합, 조작 및/또는 도포하는 것이 또한 유용할 수 있다. 예시를 위해, 더욱 높은 탄성률(예컨대, 3배 내지 5배 높음)을 갖는 코팅을 기질에 도포하는 것이, 특정 애플리케이션에 대해 그리고 특정 상황에서는, 원치않는 "캔디 코팅" 효과를 초래하고 그로써 유연한 기질이 상대적으로 유연하지 않은 코팅을 지지하는데 어려움을 가질 수 있음이 발견되었다. 그러한 효과는, 특정 조건 및 상황에서는, 원치않는 치핑, 플레이킹, 또는 다른 원치않는 마모 특성의 결과를 초래할 수 있다.
탄성률과 같이 코팅의 특정 속성이 그들 각자의 기질의 것과 더 가깝게 정합하도록 그러한 코팅을 선택, 조작 및/또는 도포하는 것은 이들 원치않는 특성을 감축 또는 제거할 수 있다. 예컨대, DLC 코팅이 실리콘 질화물 기질에 도포되는 실시예에 있어서는, 하나 이상의 탄성률 및/또는 경도 값이 실리콘 질화물의 것과 매우 유사하게 되는 그러한 방식으로 DLC 코팅을 배합, 조작 및/또는 도포하는 것이 바람직할 수 있다. 특정 구현에 있어서는, DLC 코팅을 실리콘 질화물 기질에 도포하기 위해 PVD 공정을 사용하는 것이 CVD 공정을 사용하여 전형적으로 획득될 것보다 더 유사한 속성의 결과를 초래할 수 있음이 발견되었다. 그렇지만, 다른 구현에서는, DLC 코팅의 탄성률 및/또는 다른 물리적 특성은 PVD 공정을 사용하는 것에 부가하여 또는 그 대안으로 적합한 첨가제를 제공함으로써 기질의 것과 정합하도록 수정될 수 있다.
코팅의 탄성률을 수정하는데 사용될 수 있는 첨가제의 예는, 국한되는 것은 아니지만, 실리콘, 탄소, 크롬, 티타늄, 바나듐, 망간, 질소, 산소, 알루미늄 및 탄탈룸을 포함한다. 또한, 첨가제를 중간층, 또는 다중 중간층, 또는 점이 중간층으로서 도포하는 것은 DLC 코팅의 경도 및/또는 탄성률을 조절하는데 효과적일 수 있다.
더 구체적으로, 일부 실시예 및 구현에 있어서, 코팅의 영(Young)의 탄성률은 그것이 기질의 영의 탄성률의 약 100㎬ 내에 있게 되도록 선택 및/또는 도포될 수 있다. 일부 그러한 실시예에 있어서, 코팅의 영의 탄성률은 기질의 영의 탄성률의 약 50㎬ 내에 있을 수 있다.
일부 실시예 및 구현에 있어서, 코팅의 영의 탄성률은 그것이 기질의 영의 탄성률의 약 10% 내에 있게 되도록 선택 및/또는 도포될 수 있다. 일부 그러한 실시예에 있어서, 코팅의 영의 탄성률은 기질의 영의 탄성률의 약 5% 내에 있을 수 있다.
더 구체적 예로 예시하기 위해, 본 명세서에서 개시된 도핑된 실리콘 질화물 세라믹의 일부 실시예의 영의 탄성률은 약 300㎬ 내지 약 320㎬의 범위에 있을 수 있다. 그러한 실시예에 있어서, 코팅의 영의 탄성률은 약 220 내지 약 400㎬의 범위 내에 있을 수 있다.
CVD 공정을 사용하는 것에 부가하여, 코팅이 도포되기 전에 하나 이상의 전-처리 공정을 적용하는 것이 유용할 수 있다. 예컨대, 일부 구현에 있어서는, 이온 주입 공정이 채용될 수 있다. 그러한 공정에 있어서는, 코팅의 개선된 접착을 위해 망 구조를 제공하도록 기질의 표면에 탄소 이온이 주입될 수 있다. 일부 구현에 있어서, 이러한 전-처리 공정은 고전력 임펄스 마그네트론 스퍼터링(HiPIMS) 공정을 포함할 수 있다.
위에서 논의된 바와 같이, 코팅된 표면(112, 118)은 또한 보철물 컴포넌트(102, 104)의 관절 계면에서의 마찰 계수를 줄일 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 보철물 컴포넌트(102, 104)의 관절 계면에서의 마찰 계수를 줄이는 것은 사용 동안 보철물(100)에 의해 생성되는 가청 잡음의 세기가 더 낮거나 거의 없는 결과를 초래할 수 있다. 예컨대, 특정 실시예에 있어서, 코팅되지 않은 세라믹 관절 계면은 대략 0.1 내지 0.4 범위의 마찰 계수를 가질 수 있는 반면, 코팅된 관절 계면(예컨대, DLC를 사용하여 코팅)은 약 0.01 내지 약 0.1 차수의 마찰 계수를 가질 수 있다. 보철물 컴포넌트(102, 104)의 관절 계면에서의 마찰 계수를 줄이는 것은 또한 컴포넌트(102, 104) 상의 마모를 줄이고/줄이거나 보철물의 체내 수명을 늘릴 수 있다.
도 2는 도 1을 참조하여 위에서 설명된 예시적 둔부 보철물(100)의 분해도를 예시하고 있다. 예시된 바와 같이, 예시적 둔부 보철물(100)은 상대적으로 경질 및 고강도 생체적합성 세라믹 재료로 형성된 절구 컵(102) 및/또는 대퇴골 컴포넌트(104)를 포함할 수 있다. 대퇴골 컴포넌트(104)는 절구 컵(102) 내에 착석하도록 구성된 볼-형상의 대퇴골두(116) 및 볼-형상의 대퇴골두(116)로부터 선택적 착탈식이거나 일체형일 수 있는 기다란 줄기(114)를 포함할 수 있다.
절구 컵(102) 및/또는 대퇴골 컴포넌트(104)의 관절 계면은 DLC 또는 SiC 등과 같은 경질 및/또는 내마모성 생체적합성 재료를 포함하는 코팅(112, 118)을 포함할 수 있다. 위에서 논의된 바와 같이, 코팅(112, 118)의 재료는 관절 계면의 경도를 증가시키고, 2개의 컴포넌트(102, 104) 사이의 마찰 계수를 줄이고, 관절 계면에서의 마모의 효과를 감소시키고, 그리고/또는 사용 동안 보철물(100)에 의해 생성되는 가청 잡음의 세기를 감소시키도록 선택될 수 있다. 더욱, 코팅(112, 118)의 재료는 절구 컵(102) 및/또는 대퇴골 컴포넌트(104)의 재료 상에 퇴적될 때 보철물 컴포넌트(102, 104) 중 하나 또는 둘 다를 형성하는데 사용된 재료와 공유 결합을 형성하는 적합한 재료로부터 선택될 수 있다.
도 3은 코팅된 세라믹 보철물을 형성하기 위한 방법의 일 구현을 도시하는 흐름도이다. 단계(310)에서는, 관내보철물(endoprosthesis)의 제1 컴포넌트가 제공된다. 제1 컴포넌트는 제1 관절면을 갖는다. 단계(320)에서는, 관내보철물의 제2 컴포넌트가 제공된다. 제2 컴포넌트는 제1 관절면과 관절 연결하도록 구성되는 제2 관절면을 갖는다.
단계(330)에서는, 제1 관절면이 이온 주입 공정으로 전-처리된다. 위에서 더 상세하게 설명된 바와 같이, 이온 주입 공정은 제1 관절면에 탄소 이온을 주입하기 위한 공정을 포함할 수 있다. 이온 주입 공정은, 일부 구현에서는, 고전력 임펄스 마그네트론 스퍼터링(HiPIMS) 공정을 포함할 수 있다.
단계(340)에서는, 제2 관절면이 또한 이온 주입 공정으로 전-처리된다. 단계(330)에서와 같이, 제2 관절 공정을 위한 이온 주입 공정은 제2 관절면에 탄소 이온을 주입하기 위한 공정을 포함할 수 있다. 일부 구현에서는, 단계(340)는 고전력 임펄스 마그네트론 스퍼터링(HiPIMS) 공정을 포함할 수 있다.
단계(350)에서는, 관내보철물의 제1 관절면에 코팅이 도포될 수 있다. 위에서 더 상세하게 설명된 바와 같이, 코팅은 다이아몬드-유사 탄소("DLC"), 실리콘 탄화물(SiC), 티타늄 질화물(TiN), 티타늄 이붕소화물(TiB2), 티타늄 탄질화물(TiCN), 티타늄 알루미늄 질화물(TiAlN), 크롬 질화물(CrN), 크롬 탄질화물(CrCN), 티타늄 실리콘 탄질화물(TiSiCN), 및/또는 보철물 컴포넌트의 관절 계면을 코팅하기에 적합한 어떠한 다른 경질, 내마모성 및 윤활성 재료라도 포함할 수 있다. 단계(350)에서 코팅을 도포하기 위한 공정은, 예컨대, 물리적 기상 증착("PVD") 또는 화학적 기상 증착("CVD") 공정을 포함할 수 있다. 코팅은 제1 관절 계면의 경도를 증가시키는 것, 제1 및 제2 관절면 사이의 마찰 계수를 줄이는 것, 제1 및 제2 관절면 사이의 마모의 효과를 감소시키는 것, 및 사용 동안 제1 및 제2 관절면 사이의 관절 운동으로부터 초래되는 관내보철물에 의해 생성되는 가청 잡음의 세기를 감소시키는 것 중 적어도 하나를 성취하도록 구성될 수 있다.
코팅은 또한 제1 관절면의 하나 이상의 물리적 특성과 실질적으로 정합하도록 선택 및/또는 도포될 수 있다. 예컨대, 일부 구현에서는, 코팅은 코팅의 영의 탄성률이 제1 관절면의 영의 탄성률의 약 10% 내에 있게 되도록 선택 및/또는 도포될 수 있다. 일부 그러한 실시예에서는, 코팅의 영의 탄성률은 제1 관절면의 영의 탄성률의 약 5% 내에 있을 수 있다. 또 다른 예로서, 코팅은 코팅의 영의 탄성률이 제1 관절면의 영의 탄성률의 약 100㎬ 내에 있게 되도록 선택 및 도포될 수 있다. 일부 그러한 실시예에서는, 코팅은 코팅의 영의 탄성률이 제1 관절면의 영의 탄성률의 약 50㎬ 내에 있게 되도록 선택 및 도포될 수 있다.
단계(360)에서는, 코팅은 또한 관내보철물의 제2 관절면에 도포될 수 있다. 제1 관절면 상의 코팅에서와 같이, 코팅은 다이아몬드-유사 탄소("DLC"), 실리콘 탄화물(SiC), 티타늄 질화물(TiN), 티타늄 이붕소화물(TiB2), 티타늄 탄질화물(TiCN), 티타늄 알루미늄 질화물(TiAlN), 크롬 질화물(CrN), 크롬 탄질화물(CrCN), 티타늄 실리콘 탄질화물(TiSiCN), 및/또는 보철물 컴포넌트의 관절 계면을 코팅하기에 적합한 어떠한 다른 경질, 내마모성 및 윤활성 재료라도 포함할 수 있다. 유사하게, 단계(360)에서 코팅을 도포하기 위한 공정은, 예컨대, 물리적 기상 증착("PVD") 또는 화학적 기상 증착("CVD") 공정을 포함할 수 있다. 코팅은 제2 관절 계면의 경도를 증가시키는 것, 제1 및 제2 관절면 사이의 마찰 계수를 줄이는 것, 제1 및 제2 관절면 사이의 마모의 효과를 감소시키는 것, 및 사용 동안 제1 및 제2 관절면 사이의 관절 운동으로부터 초래되는 관내보철물에 의해 생성되는 가청 잡음의 세기를 감소시키는 것 중 적어도 하나를 성취하도록 구성될 수 있다.
코팅은 또한 제2 관절면의 하나 이상의 물리적 특성과 실질적으로 정합하도록 선택 및/또는 도포될 수 있다. 예컨대, 일부 구현에서는, 코팅은 코팅의 영의 탄성률이 제2 관절면의 영의 탄성률의 약 10% 내에 있게 되도록 선택 및/또는 도포될 수 있다. 일부 그러한 실시예에서는, 코팅의 영의 탄성률은 제2 관절면의 영의 탄성률의 약 5% 내에 있을 수 있다. 또 다른 예로서, 코팅은 코팅의 영의 탄성률이 제2 관절면의 영의 탄성률의 약 100㎬ 내에 있게 되도록 선택 및 도포될 수 있다. 일부 그러한 실시예에서는, 코팅은 코팅의 영의 탄성률이 제2 관절면의 영의 탄성률의 약 50㎬ 내에 있게 되도록 선택 및 도포될 수 있다.
당업자는 본 명세서에서 제시된 기저의 원리로부터 벗어남이 없이 위에서 설명된 실시예의 상세에 변경이 이루어질 수 있음을 이해할 것이다. 예컨대, 다양한 실시예 또는 그 특징의 어떠한 적합한 조합이라도 고려된다.
본 명세서에서 개시된 어떠한 방법이라도 설명된 방법을 수행하기 위한 하나 이상의 단계 또는 액션을 포함한다. 그 방법 단계 및/또는 액션은 서로 상호교환될 수 있다. 다시 말하면, 실시예의 적절한 동작에 단계 또는 액션의 특정 순서가 요구되지 않는 한, 특정 단계 및/또는 액션의 순서 및/또는 사용은 수정될 수 있다. 부가적으로, 그러한 방법의 다른 구현이 인용된 단계의 각각을 반드시 포함할 필요가 있는 것은 아니다.
본 명세서의 곳곳에서, "하나의 실시예/구현", "일 실시예/구현", 또는 "실시예/구현"이라는 어떠한 언급이라도 그 실시예/구현과 연관하여 설명된 특정 특징, 구조 또는 특성이 적어도 하나의 실시예/구현에 포함됨을 의미한다. 그리하여, 본 명세서의 곳곳에서 인용된 바와 같이, 인용된 문구 또는 그 변형은 반드시 모두 동일 실시예/구현을 언급하는 것은 아니다.
유사하게, 실시예의 위 기재에 있어서는, 개시를 간소화할 목적으로 다양한 특징이 때로는 단일 실시예, 구현, 도면 또는 그 설명에 함께 그룹화되어 있다. 그렇지만, 이러한 개시 방법은 어느 청구항이 그 청구항에서 명시적으로 인용된 것보다 더 많은 특징을 요구한다는 의도를 반영하는 것으로 해석되어서는 아니된다. 그보다는, 진보적 태양은 어떠한 단일의 앞서 개시된 실시예의 모든 특징보다도 더 적은 조합에 놓여 있는 것이다. 본 명세서에서 제시된 기저의 원리로부터 벗어남이 없이 위에서 설명된 실시예 및 구현의 상세에 변경이 이루어질 수 있음은 당업자에게 명백할 것이다.

Claims (22)

  1. 관내보철물(endoprosthesis)로서,
    실리콘 질화물 세라믹 재료를 포함하는 제1 컴포넌트로서 제1 관절면을 포함하는 상기 제1 컴포넌트;
    실리콘 질화물 세라믹 재료를 포함하는 제2 컴포넌트로서 상기 제1 관절면과 관절 연결하도록 구성된 제2 관절면을 포함하는 상기 제2 컴포넌트;
    상기 제1 관절면 상에 위치결정된 제1 코팅으로서, 상기 제1 코팅은 사용 동안 상기 제1 및 제2 관절면 사이의 관절 운동으로부터 초래되는 상기 관내보철물에 의해 생성되는 가청 잡음의 세기를 감소시키도록 구성된 것인, 상기 제1 코팅; 및
    상기 제2 관절면 상에 위치결정된 제2 코팅으로서, 상기 제2 코팅은 사용 동안 상기 제1 및 제2 관절면 사이의 관절 운동으로부터 초래되는 상기 관내보철물에 의해 산출되는 상기 가청 잡음의 세기를 감소시키도록 구성된 것인, 상기 제2 코팅을 포함하는 관내보철물.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 코팅은 다이아몬드-유사 탄소 재료를 포함하고, 상기 제2 코팅은 다이아몬드-유사 탄소 재료를 포함하는 것인 관내보철물.
  3. 제1항에 있어서, 상기 관내보철물은 고관절 보철물을 포함하는 것인 관내보철물.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1 코팅은 상기 제1 관절면의 영의 탄성률의 약 10% 내에 있는 영의 탄성률을 갖고, 상기 제2 코팅은 상기 제2 관절면의 영의 탄성률의 약 10% 내에 있는 영의 탄성률을 갖는 것인 관내보철물.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제1 코팅은 상기 제1 관절면의 영의 탄성률의 약 5% 내에 있는 영의 탄성률을 갖고, 상기 제2 코팅은 상기 제2 관절면의 영의 탄성률의 약 5% 내에 있는 영의 탄성률을 갖는 것인 관내보철물.
  6. 관내보철물로서,
    실리콘 질화물 세라믹 재료를 포함하는 제1 컴포넌트로서 제1 관절면을 포함하는 상기 제1 컴포넌트;
    상기 제1 관절면과 관절 연결하도록 구성된 제2 관절면을 포함하는 제2 컴포넌트; 및
    상기 제1 관절면 상에 위치결정되는 코팅을 포함하되,
    상기 코팅은, 상기 제1 관절 계면의 경도를 증가시키는 것, 상기 제1 및 제2 관절면 사이의 마찰 계수를 줄이는 것, 상기 제1 및 제2 관절면 사이의 마모의 효과를 감소시키는 것, 및 사용 동안 상기 제1 및 제2 관절면 사이의 관절 운동으로부터 초래되는 상기 관내보철물에 의해 생성되는 가청 잡음의 세기를 감소시키는 것 중 적어도 하나를 성취하도록 구성된 것인 관내보철물.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제2 컴포넌트는 실리콘 질화물 세라믹 재료를 포함하는 것인 관내보철물.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제2 관절면 상에 위치결정되는 제2 코팅을 더 포함하되, 상기 제2 코팅은 상기 제2 관절 계면의 경도를 증가시키는 것, 상기 제1 및 제2 관절면 사이의 마찰 계수를 줄이는 것, 상기 제1 및 제2 관절면 사이의 마모의 효과를 감소시키는 것, 및 사용 동안 상기 제1 및 제2 관절면 사이의 관절 운동으로부터 초래되는 상기 관내보철물에 의해 생성되는 가청 잡음의 세기를 감소시키는 것 중 적어도 하나를 성취하도록 구성되는 것인 관내보철물.
  9. 제6항에 있어서, 상기 제2 컴포넌트는 메탈 재료를 포함하는 것인 관내보철물.
  10. 제9항에 있어서, 상기 제2 관절면 상에 위치결정되는 제2 코팅을 더 포함하되, 상기 제2 코팅은 상기 제2 관절 계면의 경도를 증가시키는 것, 상기 제1 및 제2 관절면 사이의 마찰 계수를 줄이는 것, 상기 제1 및 제2 관절면 사이의 마모의 효과를 감소시키는 것, 및 사용 동안 상기 제1 및 제2 관절면 사이의 관절 운동으로부터 초래되는 상기 관내보철물에 의해 생성되는 가청 잡음의 세기를 감소시키는 것 중 적어도 하나를 성취하도록 구성되는 것인 관내보철물.
  11. 제6항에 있어서, 상기 코팅은 다이아몬드-유사 탄소, 실리콘 탄화물, 티타늄 질화물, 티타늄 이붕소화물, 티타늄 탄질화물, 티타늄 알루미늄 질화물, 크롬 질화물, 크롬 탄질화물, 및 티타늄 실리콘 탄질화물 중 적어도 하나를 포함하는 것인 관내보철물.
  12. 제6항에 있어서, 상기 코팅은 다이아몬드-유사 탄소를 포함하는 것인 관내보철물.
  13. 제6항에 있어서, 상기 관내보철물은 고관절 보철물을 포함하는 것인 관내보철물.
  14. 제6항에 있어서, 상기 제1 관절면은 약 0.01 내지 약 0.1의 마찰 계수를 갖는 것인 관내보철물.
  15. 관내보철물의 관절면에 코팅을 도포하기 위한 방법으로서, 상기 방법은,
    제1 관절면을 포함하는 제1 컴포넌트로서 상기 관내보철물의 상기 제1 컴포넌트를 제공하는 단계;
    상기 제1 관절면과 관절 연결하도록 구성된 제2 관절면을 포함하는 제2 컴포넌트로서 상기 관내보철물의 상기 제2 컴포넌트를 제공하는 단계; 및
    상기 제1 및 제2 관절면 중 적어도 하나에 코팅을 도포하는 단계를 포함하되,
    상기 제1 컴포넌트 및 상기 제2 컴포넌트 중 적어도 하나는 실리콘 질화물 세라믹 재료를 포함하고, 상기 코팅은 상기 관절 계면 중 적어도 하나의 경도를 증가시키는 것, 상기 제1 및 제2 관절면 사이의 마찰 계수를 줄이는 것, 상기 제1 및 제2 관절면 사이의 마모의 효과를 감소시키는 것, 및 사용 동안 상기 관내보철물에 의해 생성되는 가청 잡음의 세기를 감소시키는 것 중 적어도 하나를 성취하도록 선택되는 것인, 관내보철물의 관절면에 코팅을 도포하기 위한 방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 실리콘 질화물 세라믹 재료는 도핑된 실리콘 질화물 세라믹 재료를 포함하는 것인, 관내보철물의 관절면에 코팅을 도포하기 위한 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 도핑된 실리콘 질화물 세라믹 재료는 이트륨 산화물, 마그네슘 산화물, 스트론튬 산화물, 알루미늄 산화물, 및 그 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 도판트를 포함하는 것인, 관내보철물의 관절면에 코팅을 도포하기 위한 방법.
  18. 제15항에 있어서, 상기 코팅을 도포하는 단계 전에, 이온 주입 공정으로 상기 제1 및 제2 관절면 중 상기 적어도 하나를 전-처리하는 단계를 더 포함하되, 상기 이온 주입 공정은 상기 제1 및 제2 관절면 중 상기 적어도 하나에 탄소 이온을 주입하는 단계를 포함하는 것인, 관내보철물의 관절면에 코팅을 도포하기 위한 방법.
  19. 제18항에 있어서, 상기 이온 주입 공정은 고전력 임펄스 마그네트론 스퍼터링(HiPIMS) 공정을 포함하는 것인, 관내보철물의 관절면에 코팅을 도포하기 위한 방법.
  20. 제15항에 있어서, 상기 제1 및 제2 관절면 중 적어도 하나에 코팅을 도포하는 단계는 물리적 기상 증착 및 화학적 기상 증착 공정 중 적어도 하나를 사용하여 상기 제1 및 제2 관절면 중 적어도 하나에 다이아몬드-유사 탄소, 실리콘 탄화물, 티타늄 질화물, 티타늄 이붕소화물, 티타늄 탄질화물, 티타늄 알루미늄 질화물, 크롬 질화물, 크롬 탄질화물, 및 티타늄 실리콘 탄질화물 재료 중 적어도 하나를 도포하는 단계를 포함하는 것인, 관내보철물의 관절면에 코팅을 도포하기 위한 방법.
  21. 제20항에 있어서, 상기 제1 및 제2 관절면 중 적어도 하나에 코팅을 도포하는 단계는 물리적 기상 증착 공정을 사용하여 상기 제1 및 제2 관절면 중 적어도 하나에 다이아몬드-유사 탄소 재료를 도포하는 단계를 포함하는 것인, 관내보철물의 관절면에 코팅을 도포하기 위한 방법.
  22. 제20항에 있어서, 상기 제1 및 제2 관절면 중 적어도 하나에 코팅을 도포하는 단계는 상기 제1 및 제2 관절면 중 상기 적어도 하나의 마찰 계수를 약 0.1 내지 약 0.4로부터 약 0.01 내지 약 0.1로 줄이는 것인, 관내보철물의 관절면에 코팅을 도포하기 위한 방법.
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