專利名稱：用于接合兩段或更多段外科植入件的方法
用于接合兩段或更多段外科植入件的方法
優(yōu)先權(quán)要求
本發(fā)明要求2010年9月20日提交的標(biāo)題為“用于接合兩段或更多段外科植入件的方法”的美國臨時(shí)申請(qǐng)序列號(hào)61/384，537的優(yōu)先權(quán)，其全部公開內(nèi)容都通過引用的方式包含于此。技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明主要涉及一種 用于使兩段或更多段外科植入件相互接合的方法。更具體地說，本發(fā)明涉及一種由通過冶金焊接而相互連接的幾個(gè)構(gòu)件形成的多部件植入件(mult1-part implant)(例如,髓內(nèi)釘、螺釘或接骨板)。
背景技術(shù)：
用于例如近端股骨的骨折的穩(wěn)定的髓內(nèi)釘，有時(shí)使用鈦合金。然而，鈦合金的強(qiáng)度是有限的并且不考慮小直徑的髓內(nèi)釘，特別是不考慮髓內(nèi)釘?shù)妮^小直徑的近端部分。為了克服該缺陷，曾經(jīng)使用高強(qiáng)度材料構(gòu)造髓內(nèi)釘。特別地，本裝置旨在彼此機(jī)械連接的兩個(gè)本體部分。然而，由于隨著時(shí)間的流逝機(jī)械連接弱化，因此該裝置通常在骨內(nèi)失去保持力。此夕卜，兩個(gè)本體部分相對(duì)于彼此的摩擦運(yùn)動(dòng)致使電偶腐蝕。
因此，在本裝置中，需要額外的強(qiáng)度以確保植入件可以抗衡高動(dòng)態(tài)載荷以及本體中經(jīng)歷的載荷循環(huán)，從而避免摩擦腐蝕。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種接合兩段或更多段骨植入件的方法，并且所述方法包括步驟:將多個(gè)金屬間化合物材料的薄層布置在第一段骨植入件和第二段骨植入件之間；以及將機(jī)械載荷施加至多個(gè)層。在隨后的步驟中，通過將外部活化能量施加到所述層而使所述層點(diǎn)火，點(diǎn)火使多個(gè)層加熱到反應(yīng)溫度并且致使所述段在冷卻后粘附到彼此上。
在特定的實(shí)施方式中，金屬間化合物材料的多個(gè)薄層構(gòu)造為具有負(fù)混合熱(negative heat of mixing)。
在特定的實(shí)施方式中，使多個(gè)層點(diǎn)火的步驟可以觸發(fā)放熱自蔓延相互擴(kuò)散反應(yīng)(exothermic self-propagating interdiffusion reaction)。
在特定的實(shí)施方式中，金屬間化合物材料選自包括鈦/鋁、鎳/鋁、鈦/硅、鋯/鋁、鈦/氮和三硅化五鈦的組。優(yōu)選地，多個(gè)層中的交替層包括從選定組中選擇的不同的金屬間化合物材料。
在另一個(gè)實(shí)施方式中，骨植入件包括的層在500與5000之間。
在還一個(gè)實(shí)施方式中，每個(gè)薄層都具有至少15nm的厚度,優(yōu)選地至少20nm的厚度。
在另一個(gè)實(shí)施方式中，每個(gè)薄層都具有至多50nm的厚度,優(yōu)選地至多40nm的厚度。
在又一個(gè)實(shí)施方式中，第一層與第二層通過間隔層分開。此構(gòu)造防止了單個(gè)薄層的相互混合。此構(gòu)造還確保了在室溫下的更好的材料分離并且使在點(diǎn)火過程中釋放的生成焓最大化。
在又一個(gè)實(shí)施方式中，機(jī)械載荷至少是70MP并且優(yōu)選地至少是100MP。該載荷對(duì)于基于待接合的第一段與第二段的彈性與粗糙度建立足夠的接觸區(qū)域是有用的。在沒有足夠載荷的情況下，僅可以發(fā)生少量的接合并且僅具有弱的機(jī)械特性。
在還一個(gè)實(shí)施方式中，負(fù)混合熱至少是15kJ/mol,優(yōu)選至少是36kj/mol。
在另一個(gè)實(shí)施方式中，反應(yīng)溫度在800°C以上，優(yōu)選地在1200°C以上。
在又一個(gè)實(shí)施方式 中，第一段和第二段包括選自包括鈦、鈦合金、不銹鋼、鈷合金、玻璃金屬、鎂合金和陶瓷/金屬復(fù)合材料的組中的基底材料。
在又一個(gè)實(shí)施方式中，該方法還包括涂覆焊料以使第一段與第二段相互接合的步驟。
在另一個(gè)實(shí)施方式中，焊料是鋁、金錫、銀銦或金鉻。
在還一個(gè)實(shí)施方式中，第一段通過機(jī)械鎖定進(jìn)一步接合到第二段。
在又一個(gè)實(shí)施方式中,外科植入件是骨板與髓內(nèi)釘中的一個(gè)。
在另一個(gè)實(shí)施方式中，將多個(gè)薄層作為涂層涂覆在第一段與第二段的至少一個(gè)上。
在另一個(gè)實(shí)施方式中，箔由多個(gè)層形成并且布置在第一段骨與第二段骨之間。優(yōu)選地，在施加機(jī)械載荷之前將焊料涂覆到箔。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了一種通過根據(jù)本發(fā)明的方法獲得的外科植入件。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，設(shè)置模塊化多件骨植入件配套元件，其中可以根據(jù)病人的需要從配套元件中可獲得的有限數(shù)量的段中通過制造者或在手術(shù)前或在手術(shù)中裝配出配套元件。
根據(jù)本發(fā)明的再一個(gè)方面，配套元件還包括具有多個(gè)薄層金屬間化合物材料的箔，所述金屬間化合物材料具有負(fù)混合熱。在配套元件的一個(gè)特定的實(shí)施方式中，至少兩段中的每個(gè)都由不同的材料制成。


下面將通過實(shí)例的方式并且參照附圖描述本發(fā)明的幾個(gè)實(shí)施方式，在附圖中:
圖1描述了根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施方式的骨固定裝置的局部分解視圖2描述了圖2的骨固定裝置的第二立體圖；以及
圖3描述了根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施方式的骨固定裝置的第一立體圖。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明涉及一種以當(dāng)骨固定裝置的每個(gè)部件相互接觸時(shí)使其保持力增加和/或最大化的方式構(gòu)造多部件骨固定裝置的系統(tǒng)和方法。具體地說，本發(fā)明的示例性實(shí)施方式旨在由經(jīng)由冶金焊接結(jié)合到彼此的不同材料構(gòu)成的幾個(gè)構(gòu)件形成的骨固定裝置(即，髓內(nèi)釘、骨螺釘、接骨板等)。根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施方式，還允許使用者為骨固定裝置的不同部分選擇具有不同特性(例如，剛性、柔性、表面類型等)的材料，以將骨固定裝置的相應(yīng)部分的機(jī)械特性微調(diào)到特 定程序的要求。在一個(gè)示例性實(shí)施方式中，可以在制造過程中、在手術(shù)前或者在所選病例的活體中，使本體部分附接到彼此。例如，內(nèi)科醫(yī)生或者其他使用者可以將骨植入件構(gòu)造為在骨植入件的第一端部上具有增加的強(qiáng)度和在第二端部上具有增加的柔性。此外，根據(jù)本發(fā)明的示例性系統(tǒng)提供了下述可能性:在不考慮昂貴的制造限制的情況下，將骨植入件(即，由不同材料形成的構(gòu)件)的不同構(gòu)件的尺寸變化限定到僅植入件的目標(biāo)部分。例如，通過對(duì)骨植入件的僅要求的部分使用高強(qiáng)度材料，可以減小骨植入件的整體尺寸以便插入。構(gòu)造骨植入件具有標(biāo)準(zhǔn)或非標(biāo)準(zhǔn)形狀提供了以成本有效的方式生產(chǎn)各種各樣的可能構(gòu)造。應(yīng)該指出的是，盡管相對(duì)于特定的構(gòu)件和構(gòu)造描述了本發(fā)明，但是在不偏離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以使用許多形狀的骨固定裝置構(gòu)件。
如在圖1和圖2中描述的骨固定系統(tǒng)100包括如下文中描述的構(gòu)造為相互附接的第一骨板102與第二骨板104。第一骨板102形成為具有基本上長方形橫截面的細(xì)長元件，并且構(gòu)造為布置在骨的細(xì)長部分的上方。然后，應(yīng)該指出的是，第一骨板102可以形成為具有適于第一骨板102將要布置在其上方的骨的特定部分的任何其它形狀。具體地說，第一骨板102可以構(gòu)造為布置在右骨部分和左骨部分中之一上方，并且尺寸可以設(shè)計(jì)為符合特定骨的要求。第一骨板102包括從近側(cè)表面108到遠(yuǎn)側(cè)表面110延伸貫通的多個(gè)第一板孔106，遠(yuǎn)側(cè)表面110構(gòu)造為在手術(shù)構(gòu)造中面向骨。第一骨板的第一端部112包括從近側(cè)表面108向遠(yuǎn)側(cè)延伸到小于第一骨板102的厚度的預(yù)定深度的凹槽114。凹槽114具有基本上長方形的橫截面形狀，并且構(gòu)造為并且定尺寸為容納設(shè)置在第二骨板104上的突出部116。第二骨板104也形成為細(xì)長本體部分，細(xì)長本體部分具有從近側(cè)表面120到遠(yuǎn)側(cè)表面122延伸貫通的多個(gè)第二螺孔118，第二螺孔118沿著第二骨板104的縱軸縱向地對(duì)直。突出部116以基本上垂直于第二骨板104的縱軸的角度從第二骨板104延伸出。突出部116從近側(cè)表面120向遠(yuǎn)側(cè)延伸到小于或等于凹槽114的深度的預(yù)定深度，以使突出部116的遠(yuǎn)側(cè)面124與第二骨板104的細(xì)長部分的遠(yuǎn)側(cè)表面分離。如本領(lǐng)域中的技術(shù)人員將會(huì)理解的是，當(dāng)突出部116就位在凹槽114中時(shí)，該構(gòu)造允許第一骨板102的近側(cè)表面108與第二骨板104的近側(cè)表面120彼此對(duì)直地就位在相同的平面中。
在一個(gè)示例性實(shí)施方式中，至少凹槽114的遠(yuǎn)側(cè)壁126涂覆以所選的允許與突出部116活性焊接的多層材料。在另一個(gè)實(shí)施方式中，凹槽114的整個(gè)表面都涂覆以多層材料。突出部116的至少遠(yuǎn)側(cè)壁124也涂覆以相應(yīng)的多層材料。在另一個(gè)實(shí)施方式中，構(gòu)造為在手術(shù)構(gòu)造中接觸凹槽114的突出部的側(cè)壁也可以涂覆以多層材料。在另一個(gè)實(shí)施方式中，僅凹槽114涂覆以多層材料。在又一個(gè)實(shí)施方式中，僅突出部116涂覆以多層材料。在又一個(gè)實(shí)施方式中，凹槽和突出部116均涂覆以多層材料。
層可以由電鍍?cè)诒舜松戏降囊环N或多種材料形成。在一個(gè)實(shí)施方式中，第一層金錫可以鍍?cè)诠枪潭ㄏ到y(tǒng)100的預(yù)定部分上。鎳鋁層可以電鍍?cè)诮疱a層上方并且接著是另一金錫層，以使鎳鋁層嵌入在金錫層內(nèi)。如本領(lǐng)域中的技術(shù)人員將理解的，由于金錫的潤濕特性，因此僅金錫層暴露提供了更強(qiáng)的焊接。在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式中，可以在金錫層與鎳鋁層之間設(shè)有另一個(gè)中間層。如隨后將更加詳細(xì)地描述的，可以經(jīng)由活性焊接或另一種焊接技術(shù)焊接上述層。根據(jù)本發(fā)明的示例性的多層涂料(coating)允許在減小的熱量水平處執(zhí)行焊接，以使骨固定系統(tǒng)100的核心的熱量受限，而骨固定系統(tǒng)100的表面部分提高到可以潤濕金錫的溫度。對(duì)比 之下，傳統(tǒng)的焊接可能要求更顯著的熱量，這可使裝置本體的大部分的溫度升高到可以改變核心的特征的水平，從而以不期望的方式改變基底材料(underlying material)的性能。也就是說，該方法允許骨固定系統(tǒng)100的核心在焊接期間大致保持冷卻，以在焊接過程中保存第一骨板102與第二骨板104的材料特性。
第一骨板102與第二骨板104中的每個(gè)都選定為具有符合特定程序要求的材料特性、幾何結(jié)構(gòu)(例如，形狀、尺寸、厚度等)和表面類型。例如，諸如鈦或鈦合金的聚合物或金屬可以用于施加柔性到第一骨板102與第二骨板104中的一個(gè)。可以使用鉻或另一種金屬施加剛性。在一個(gè)實(shí)施方式中，如本領(lǐng)域中的技術(shù)人員將會(huì)理解的，第一本體部分102可以由鈦形成，并且第二本體部分104可以由鉻形成，以使較寬的第二本體部分104的強(qiáng)度足以承受在植入以后施加在其上的力。在第一示例性實(shí)施方式中，第一骨板102與第二骨板104中的每個(gè)都可以由相同的材料形成。在另一個(gè)示例性實(shí)施方式中，第一骨板102與第二骨板104可以由不同的材料形成。如相對(duì)于本發(fā)明的示例性方法將要更加詳細(xì)描述的，為第一骨板102與第二骨板104選定的材料可以作出一種類型的的焊接，優(yōu)選地為用于使骨板102、104相互連接的焊接。如本領(lǐng)域中的技術(shù)人員可以理解的，還可以為第一骨板102和第二骨板104提供表面處理來粗化其外表面以增強(qiáng)結(jié)合。在又一個(gè)實(shí)施方式中(未示出)，第一骨板102與第二骨板104中的一個(gè)或兩個(gè)可以是多孔的(即，以刺激骨向內(nèi)生長)、非多孔的、涂覆的或非涂覆的。第一骨板102和第二骨板104的表面還可以被預(yù)處理(例如，經(jīng)由濺射波處理等)以增強(qiáng)焊接。
根據(jù)一個(gè)示例性方法，突出部116達(dá)到如圖2中示出的凹槽114中的就位構(gòu)造。然后可以通過使用諸如火花放電的點(diǎn)火技術(shù)執(zhí)行焊接，以導(dǎo)致足以致使突出部116焊接在凹槽114中適當(dāng)位置處的局部的熱產(chǎn)生?？梢栽谥圃爝^程中、在手術(shù)前或手術(shù)中執(zhí)行焊接程序，因此內(nèi)科醫(yī)生可以從包括多個(gè)額外骨板的配套元件中選定第一骨板102和第二骨板104，被選定的骨板具有要求用于特定程序的特性。
如圖3中所描述的，根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施方式的骨固定系統(tǒng)200包括髓內(nèi)釘202，該髓內(nèi)釘202具有相對(duì)于髓內(nèi)釘202的縱軸以預(yù)定角度延伸貫通的骨螺釘204。髓內(nèi)釘?shù)慕鼈?cè)部分206形成有比遠(yuǎn)側(cè)部分208的厚度大的厚度，厚度選擇為允許相應(yīng)地插入到骨骺或干骺端與骨的軸中。近側(cè)部分206由諸如鈷鉻鑰合金的雙金屬材料形成，而遠(yuǎn)側(cè)部分208由鈦鋁鈮合金形成，如本領(lǐng)域中的技術(shù)人員將要理解的，近側(cè)部分206和遠(yuǎn)側(cè)部分208通過安全螺紋設(shè)計(jì)附接到彼此。用于近側(cè)部分206和遠(yuǎn)側(cè)部分208的選定材料允許使用減小直徑的遠(yuǎn)側(cè)部分208同時(shí)保持近側(cè)部分206的剛性。圖2描述了在近側(cè)部分206和遠(yuǎn)側(cè)部分208通過設(shè)置在其間的接頭210焊接到彼此之后的髓內(nèi)釘202。在一個(gè)示例性實(shí)施方式中，接頭210的表面積約為1cm2，必要時(shí)接頭210成角度以確保至少最小要求的表面積。具體地說，如果近側(cè)部分206和遠(yuǎn)側(cè)部分208在接頭210處的直徑不足以承受最小要求的表面積時(shí)，那么接頭210便可以相對(duì)于髓內(nèi)釘202的縱軸成任何角度以增加表面積。如本領(lǐng)域中的技術(shù)人員將會(huì)理解的，使接頭部分210具有預(yù)定表面積確保近側(cè)部分206恰當(dāng)?shù)毓潭ǖ竭h(yuǎn)側(cè)部分208，以便當(dāng)受到高動(dòng)態(tài)機(jī)械應(yīng)力時(shí)不會(huì)損失強(qiáng)度。用于髓內(nèi)釘202的接合技術(shù)不必改變鈷鉻鑰合金和鈦鋁鈮合金構(gòu)件的特性。在示例性實(shí)施方式中，接頭部分210包括多層箔，該多層箔包括布置在近側(cè)部分206的遠(yuǎn)端與具有金錫焊料箔的遠(yuǎn)側(cè)部分208的近端之間的接頭區(qū)域中的1000周期的鎳/鋁子層。應(yīng)該指出的是，盡管本實(shí)施方式的接頭部分210描述為 在沿著髓內(nèi)釘202的長度的特定位置處，但是在不偏離本發(fā)明的范圍的情況下可以選擇任何其它接頭區(qū)域。在一個(gè)實(shí)例中，接頭區(qū)域可以選擇為，使得在植入骨內(nèi)時(shí)受到法向應(yīng)力的情況下，使布置在接頭位置上的機(jī)械載荷最小化。
一旦鎳/鋁子層布置在接頭部分210中，那么預(yù)定壓力便施加到接頭部分210。在一個(gè)實(shí)例中，載荷大于70-100MPa。然后鎳/鋁子層被點(diǎn)火并且焊料不均勻地散布在其上并且致使相互擴(kuò)散到接頭部分201的近端與遠(yuǎn)端中。結(jié)果是接頭部分210足夠地穩(wěn)定以承受在接頭區(qū)域處的預(yù)期的機(jī)械載荷。
在骨固定系統(tǒng)200的第一變型中，髓內(nèi)釘202的近側(cè)部分206由鈷鉻鑰合金制成，并且通過安全螺紋設(shè)計(jì)連接到由鈦鈮鉭鋯形成的遠(yuǎn)側(cè)部分208。近側(cè)部分206與遠(yuǎn)側(cè)部分208可以通過活性焊接焊接在一起。骨螺釘204可以是由鈷鉻鑰形成的伸縮式髖螺釘。骨螺釘204的滑動(dòng)表面可以涂覆以類鉆碳(diamond-like carbon)。如本領(lǐng)域中的技術(shù)人員將要理解的，在將骨螺釘204插入到延伸通過近側(cè)部分206的相應(yīng)的構(gòu)造孔(未示出)以后，經(jīng)由在IOOMPa的接合壓力下的激光脈沖經(jīng)由鈦/鎳多層疊層的點(diǎn)火完成焊接。多層疊層可以具有，例如500疊層組分，單個(gè)層具有約20nm的厚度。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式中，骨板(未示出)由鈦鋁鈮合金形成并且具有適于預(yù)定程序的形狀和尺寸。骨板例如由接合在一起的兩段組成。骨板除了構(gòu)造以外與圖1中示出的類似。具體地說，骨板(未示出)包括具有多個(gè)凹槽的第一段(未示出)和具有多個(gè)突出部的第二段。在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式中，可以設(shè)置具有一個(gè)或多個(gè)凹槽和突出部的單獨(dú)段。凹槽和突出部以接觸部為特征。接觸部的特征在于布置為允許第一段和第二段焊接在一起的多層。如本領(lǐng)域中的技術(shù)人員將會(huì)理解的，多層由200微米厚的鎳/鋁多層形成，其中多層的單個(gè)層的厚度是具有5000周期鎳/鋁的約20nm厚。通過物理氣相沉積(“PVD”)利用具有l(wèi)X10-3mbar的氬氣壓力和lxl08mbar的底部真空的直流濺射電鍍出多層。電鍍完全地涂覆第一段和第二段的暴露表面積以形成接觸部，其中表面積在從Imm2到Icm2的范圍內(nèi)。
在活性多層焊接的另一個(gè)示例性實(shí)施方式中，第一骨板段的第一表面和第二骨板段的第二表面可以布置在lxl0_5mbar或更強(qiáng)的真空中。如本領(lǐng)域中的技術(shù)人員將理解的是，在第一表面與第二表面上的氧化部分經(jīng)由以具有600V的射頻自偏壓的氬或氬/氫等離子的射頻濺射約60分鐘而被移除。然后多層系統(tǒng)經(jīng)由磁控濺射(例，在5e-3mbar壓力下的IS氣)電鍍?cè)诘谝槐砻婧偷诙砻嬷械囊粋€(gè)或兩個(gè)上。在一個(gè)不例性實(shí)施方式中，第一層IOnm的鈦可以跟隨以一層I μ m的銅以及最外層的200nm的金。然后可以將第一表面與第二表面從真空室移除。然后可以在第一表面與第二表面中的一個(gè)或兩個(gè)上布置20 μ m厚的金20錫釬焊箔。然后將40 μ m厚的鎳/鋁金屬間化合物箔布置在第一表面與第二表面中的一個(gè)上。在一個(gè)實(shí)施方式中，金屬件化合物箔中的每個(gè)單個(gè)層都可以為約30nm厚。然后第一表面和第二表面達(dá)到接觸構(gòu)造并且將約20MPa的壓力施加接觸構(gòu)造。然后應(yīng)用電火花使金屬間化和物層點(diǎn)火，以使第一表面和第二表面粘結(jié)到一起。
隨后地，通過在約IOOMPa的載荷下將第二段的突出部放置于第一段的凹槽中通過接合具有接觸部的第一段與第二段可以制成模塊化骨板。然后可以將將火花或激光脈沖施加到多個(gè)層，以致使在1640°C的局部絕熱熱量下沿著多層界面的快速的自傳播反應(yīng)(相互擴(kuò)散與鍵焓的釋放)，因此經(jīng)由合金化永久地接合段。因此能夠根據(jù)工廠或直接根據(jù)醫(yī)院的要求制造單個(gè)骨固定板。
根據(jù)本發(fā)明的示例性的附接方法可以使用任何類型的焊接，包括但不限于活性焊接、釬焊(例如真空釬焊等)、激光焊接、電子束焊接、摩擦焊接、爆炸焊接、電流焊接、鉻焊接、弧焊接和 電阻焊接，以使第一骨板102與第二骨板104相互粘附，其中選定的焊接方法涉及骨板102、104和設(shè)置在其上的任何涂層的材料。例如，可以使用釬焊技術(shù)以使第一骨板102與第二骨板104結(jié)合，釬焊加熱涂層到期望的溫度以導(dǎo)致焊接。此外，真空釬焊可以用于使第一骨板102與第二骨板104結(jié)合以提供清潔的、沒有氧氣污染的無焊藥接頭。具體地說，如本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會(huì)理解的，第一骨板102和第二骨板104的幾微米的表面可以通過在真空中加熱而被移除或者在釬焊之前濺射以移除任何氧化層，移除的層的深度選擇為僅移除可能被氧氣穿透的骨板102、104的一部分。本文致力于，在不偏離本發(fā)明的范圍的情況下，可以通過這里公開的任何焊接技術(shù)執(zhí)行氧化層的移除。一旦氧化層被移除，那么釬焊材料便可以電鍍?cè)诘谝还前搴偷诙前宓倪x定部分的上方。在一個(gè)實(shí)施方式中，可以在第一骨板102與第二骨板104之間施加T1-20Zr-20Cu-20Ni釬焊。然后第一骨板102和第二骨板104可以相互抵靠定位在具有l(wèi)e_5或更大真空的壓力為約IOkPa的真空干燥箱中。然后第一骨板102和第二骨板104可以加熱到約1000°C約五分鐘以在其間形成金屬間化合物結(jié)合。在另一個(gè)實(shí)施方式中，用于第一骨板102和第二骨板104的材料可以選擇為較少傾向于氧化以繞過對(duì)移除氧化層的要求。
可以使用激光焊接技術(shù)將由相同材料形成的兩個(gè)骨板構(gòu)件焊接到彼此。例如，骨固定系統(tǒng)(未示出)可以包括構(gòu)造為布置在長骨軸上方的通用的軸部分。然后內(nèi)科醫(yī)生或其它使用者可以選擇頭部，該頭部構(gòu)造為布置在右側(cè)定向或左側(cè)定向的骨的頭部上方。頭部與軸部可以由相同的金屬材料形成并且以IOkPa的壓力緊鄰彼此定位。然后脈沖Nd ；YAG激光旨在平行于骨板的第一部分和第二部分之間的界面以焊接表面區(qū)域。如本領(lǐng)域中的技術(shù)人員將會(huì)理解的，選定的激光源可以選擇為將基本上低的熱應(yīng)力施加到骨板的大塊材料。激光焊接提供了集中的熱源，以允許將焊接集中在頭部與軸之間的接頭區(qū)域上，因此允許在沒有骨固定系統(tǒng)過度加熱的情況下焊接。上述骨固定系統(tǒng)(未示出)還可以使用同樣允許局部焊接的電子束焊接。電子束焊接還提供了較小的束直徑的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)利用金屬間化合物工作時(shí)，電子束焊接僅熔化材料的表面。如本領(lǐng)域中的技術(shù)人員將會(huì)理解的，可以在骨固定系統(tǒng)的第一部分與骨固定系統(tǒng)的第二部分之間未設(shè)置涂層的情況下執(zhí)行激光焊接與電子束焊接。還可以在上述骨固定系統(tǒng)中執(zhí)行摩擦焊接，其中頭部部分與軸部分中的一個(gè)可以相對(duì)于其它旋轉(zhuǎn)，以產(chǎn)生足夠的熱量而致使頭部與軸彼此熔合。即使摩擦焊接在由不同材料形成的構(gòu)件中具有有限的應(yīng)用，也可以使用摩擦焊接使由相同材料形成的兩個(gè)板構(gòu)件結(jié)合。在一個(gè)實(shí)施方式中，可以在板構(gòu)件之間應(yīng)用垂直振動(dòng)(例如，200Hz ;1_，振幅)以產(chǎn)生摩擦焊接。如本領(lǐng)域中的技術(shù)人員將要理解的，還可以使用電流焊接，其中施加具有預(yù)定電荷的電流以致使頭部與軸焊接。
可以使用弧焊接使第一骨板構(gòu)件與第二骨板構(gòu)件結(jié)合，其中放電被用于使板構(gòu)件的接觸表面液化。在限定的情形中，可以使用爆炸焊接，其中骨板中的兩個(gè)或多個(gè)平坦構(gòu)件可以包裝有高速炸藥并且弓I爆炸藥以壓縮并且熔化/塑化兩片的界面層。如本領(lǐng)域中的技術(shù)人員將理解的，還可以使用電阻焊接，其中當(dāng)受到高電流時(shí)，通過骨構(gòu)件材料的電阻產(chǎn)生用于形成焊接的熱量。
在本發(fā)明的另一個(gè)示例性實(shí)施方式中，骨板段構(gòu)造為并且定尺寸為遠(yuǎn)側(cè)半徑/手固定系統(tǒng)可以成型為包括由316L鋼制造的中心段，其中316L鋼的特性提供了用于中和或壓縮原發(fā)性骨折的高穩(wěn)定性。中心段還包括設(shè)置在其上的凹槽并且構(gòu)造為允許通過獨(dú)立箔(free-standing foil)(未示出)將中心段附接到其它側(cè)部段(未示出)。此構(gòu)造允許插入可變化的角螺釘和K線，以穩(wěn)固多發(fā)性骨折和粉碎性骨折中的碎片或重構(gòu)腕關(guān)節(jié)。獨(dú)立箔是多層疊層，例如，2000周期鈦/鎳，每個(gè)都具有40nm與IOOnm的金錫焊料的厚度。作為獨(dú)立箔的特征的對(duì)應(yīng)突出部還可以根據(jù)在手術(shù)之前的CT圖像在醫(yī)院中設(shè)置并且裝配。在接合在乙醇/丙酮混合物上以前中心段和對(duì)應(yīng)的突出部被超聲地清洗，并且在接合過程中以70MPa加載。
在本發(fā)明的另一個(gè) 示例性實(shí)施方式中，骨板(未示出)由兩段或多段形成。每段都具有布置在其上的一個(gè)或多個(gè)接觸表面，以與允許反應(yīng)性并且有助于使兩段或多段接合在一起。例如，在第一段上的第一接觸表面成形為與第二段上的第二接觸表面相符合。如前面更加詳細(xì)地描述的，第一接觸表面與第二接觸表面中的至少一個(gè)具有多層。通過使第一接觸表面與第二接觸表面接觸并且如前所述使多層點(diǎn)火而形成骨板。由于第一接觸表面與第二接觸表面形狀上相互符合，其間的接觸足以確保形成在第一段與第二段之間的結(jié)合很牢固。接觸表面的尺寸將取決于骨板的尺寸，但是，在示例性實(shí)施方式中，至少是1mm2。只要兩個(gè)接觸表面可以相互緊密接觸，接觸表面可以是任何形狀。例如，接觸表面可以是沒有凹槽或突出部的垂直于段的縱軸延伸的直端。在另一個(gè)實(shí)例中，接觸表面可以是成角度為相對(duì)于段的縱軸傾斜的邊緣。在另一個(gè)實(shí)例中，表面可以以一個(gè)或多個(gè)臺(tái)階為特征。表面可以相對(duì)于段的縱軸是直的或成角度的，并且還可以是彎曲的、波浪的或波紋的。還應(yīng)該指出的是，如本領(lǐng)域中的技術(shù)人員將會(huì)理解的，還可以設(shè)想多種其它變形并且其它變形落在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
在創(chuàng)傷手術(shù)中，通常要求螺釘角度的更大的可變性，以鎖定板固定同時(shí)仍保持機(jī)械穩(wěn)定鎖定。此可變角度鎖定機(jī)構(gòu)可以通過在形成在骨板上的螺釘孔上電鍍多層接觸部而形成。延伸通過骨板的螺釘孔構(gòu)造并且定尺寸為使得在其間建立充足的接觸表面(例如，通過使用陷入半球形骨螺釘孔中的半球形螺釘頭)。骨螺釘孔被涂覆以例如每個(gè)都約20nm厚的500鈦/鎳元素的多層疊層。當(dāng)骨板和骨螺釘被成功地定位在骨中時(shí)，骨螺釘夾緊在骨螺釘孔中以建立約50-100MPa的足夠的接觸壓力。然后多層疊層通過電脈沖點(diǎn)火，以將骨螺釘焊接到骨板?？梢哉蹟喙锹葆敽凸前逡允蛊淠軌驈墓侵幸瞥?br> 根據(jù)本發(fā)明的示例性焊接技術(shù)確保第一骨板102與第二骨板104之間和/或近側(cè)釘部分206與遠(yuǎn)側(cè)釘部分208之間的固定連接，以在植入以后防止構(gòu)件相對(duì)于彼此的任何運(yùn)動(dòng)。傳統(tǒng)裝置在分離板構(gòu)件之間使用機(jī)械連接，該機(jī)械連接通常隨著時(shí)間被磨損以產(chǎn)生可能導(dǎo)致電偶腐蝕的構(gòu)件之間的摩擦。根據(jù)本發(fā)明的焊接技術(shù)消除了構(gòu)件相對(duì)于彼此的摩擦運(yùn)動(dòng)。
根據(jù)本發(fā)明的示例性系統(tǒng)可以制造為配套元件。配套元件可以包括可以在手術(shù)前附接到彼此(例如，在手術(shù)室中)的以符合特定骨固定程序要求的兩段或多段分離的骨板。相對(duì)于這里公開的示例性焊接技術(shù)，配套元件還可以包括指令。
盡管已經(jīng)詳細(xì)地描述了本發(fā)明及其優(yōu)點(diǎn)，但應(yīng)該理解的是，在不偏離由所述權(quán)利要求限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以作出多種改變、替換和修改。此外，本申請(qǐng)的范圍不旨在限于在說明書中描述的過程、機(jī)器、制造、物質(zhì)的組合、手段、方法和步驟的特定實(shí)施方式。如本領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員將會(huì)從本發(fā)明的公開中容易理解到的，可以根據(jù)本發(fā)明利用執(zhí)行基本上相同功能或?qū)崿F(xiàn)與這里描述的相應(yīng)實(shí)施方式基本上相同結(jié)果的目前存在的或?qū)⒃诤髞黹_發(fā)的過程、機(jī)器、制造、物質(zhì)的組合、手段、方法、或步驟。
本領(lǐng)域中的技術(shù)人員將會(huì)理解的是，在不偏離所述權(quán)利要求的廣義范圍的情況下可以對(duì)本發(fā)明作出多種變型和修改。多種變型和修改中的一些已經(jīng)在上面進(jìn)行了討論，并且其它對(duì)于本領(lǐng)域中的技術(shù) 人員將是顯而易見的。
權(quán)利要求
1.一種用于接合兩段或更多段骨植入件的方法，包括以下步驟: 將第一段骨植入件與第二段骨植入件相對(duì)于彼此布置在期望的方位，其中所述方位選擇為符合目標(biāo)骨的要求，其中所述第一段由第一材料形成，所述第二段由第二材料形成，并且； 將所述第一段冶金焊接到所述第二段，以致使所述第一段和所述第二段彼此粘附。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括步驟: 在所述第一段與所述第二段之間布置金屬間化合物材料的多個(gè)薄層；以及 將機(jī)械載荷施加到所述多個(gè)層。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述冶金焊接還包括利用下述焊接之一的步驟:活性焊接、釬焊、激光焊接、電子束焊接、摩擦焊接、爆炸焊接、電流焊接、鉻焊接、電弧焊接和電阻焊接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中所述活性焊接還包括下述步驟:通過將外部活化能量施加到所述多個(gè)層而使所述多個(gè)層點(diǎn)火，所述點(diǎn)火使所述多個(gè)層加熱到反應(yīng)溫度并且致使所述段在冷卻后彼此粘附。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括從所述第一段與所述第二段中之一或兩者的外表面移除氧化層的步驟。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中在制造過程中、在手術(shù)前和在活體中之一執(zhí)行冶金焊接。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述金屬間化合物材料的所述多個(gè)薄層構(gòu)造為具有至少在15kJ/mol與36kJ/mol之間負(fù)混合熱。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中將所述多個(gè)薄層點(diǎn)火觸發(fā)放熱自蔓延相互擴(kuò)散反應(yīng)。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述金屬間化合物材料選自鈦/鋁、鎳/鋁、鈦/硅、鋯/鋁、鈦/氮和三硅化五鈦的組，其中所述多個(gè)層中的交替層包括從所述組中選定的不同的金屬間化合物材料。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中每個(gè)層都具有15nm-20nm的最小厚度以及約40-50nm的最大厚度。
11.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中第一層與第二層通過間隔層分開。
12.根據(jù)權(quán)利 要求2所述的方法，其中所述機(jī)械載荷在70MPa與IOOMPa之間。
13.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中反應(yīng)溫度是800°C以上與1200°C以上中的一個(gè)。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述第一段與所述第二段包括選自包括鈦、鈦合金、不銹鋼、鈷合金、玻璃金屬、鎂合金或陶瓷/金屬復(fù)合材料的組的基底材料。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括涂覆焊料以接合所述第一段與所述第二段的步驟，其中所述焊料是金錫、銀銦和金鉻。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中外科骨植入件是骨板和髓內(nèi)釘中的一個(gè)。
17.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述層作為涂層涂覆在所述第一段與所述第二段中的至少一個(gè)上。
18.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，該方法還包括以下步驟: 由所述多個(gè)層形成箔；將所述箔布置在所述骨的第一段與第二段之間；并且 在施加所述機(jī)械載荷之前將焊料涂覆到所述箔。
19.一種外科植入件,該外科植入件包括: 由第一材料形成的第一植入件段；以及 由第二材料形成的第二植入件段； 其中所述第一植入件段與所述第二植入件段構(gòu)造為冶金焊接到彼此。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的植入件，其中所述第一材料不同與所述第二材料。
21.根據(jù)權(quán)利要求19所述的植入件，還包括布置在所述第一段與所述第二段之間的金屬間化合物材料的多個(gè)薄層。
22.根據(jù)權(quán)利要求19所述的外科植入件，其中所述金屬間化合物材料的所述多個(gè)薄層構(gòu)造為具有負(fù)混合熱，并且其中所述第一段與所述第二段中的至少一個(gè)的至少一部分涂覆以所述多個(gè)薄層的所述金屬間化合物材料。
23.根據(jù)權(quán)利要求19所述的外科植入件，其中所述金屬間化合物材料選自包括鈦/鋁、鎳/鋁、鈦/硅、鋯/鋁、鈦/氮和三硅化五鈦的組。
24.一種用于骨固定的配套元件，該配套元件包括: 由第一材料形成的第一骨植入件段；以及 由第二材料形成的第二骨植入件段； 其中所述第一植入件段與所述第二植入件段構(gòu)造為冶金焊接到彼此。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的配套元件，還包括用于使所述第一骨植入件段與所述第二骨植入件段冶金焊接到彼此的指令。
26.根據(jù)權(quán)利要求24所述的配套元件，其中所述金屬間化合物材料的所述多個(gè)薄層構(gòu)造為具有負(fù)混合熱。
27.根據(jù)權(quán)利要求去24所述的配套元件，其中所述第一骨段與所述第二骨段各自由不同材料形成。
全文摘要
一種用于接合兩段或更多段骨植入件的方法，包括以下步驟將金屬間化合物材料的多個(gè)薄層布置在第一段骨植入件與第二段骨植入件之間；以及將機(jī)械載荷施加到多個(gè)層。在隨后的步驟中，通過將外部活化能量施加到所述多個(gè)層而使所述多個(gè)層點(diǎn)火，點(diǎn)火使多個(gè)層加熱到反應(yīng)溫度并且致使所述段在冷卻后彼此粘附。
文檔編號(hào)A61B17/72GK103108599SQ201180044939
公開日2013年5月15日 申請(qǐng)日期2011年9月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月20日
發(fā)明者西里爾·瓦薩爾, 羅伯特·弗里格, 格茨·托瓦特 申請(qǐng)人:新特斯有限責(zé)任公司