[go: up one dir, main page]

ES2363331T3 - PROTESTIC DEVICES THAT USE OXIDIZED ZIRCONY CONTACT SURFACES. - Google Patents

PROTESTIC DEVICES THAT USE OXIDIZED ZIRCONY CONTACT SURFACES. Download PDF

Info

Publication number
ES2363331T3
ES2363331T3 ES02737265T ES02737265T ES2363331T3 ES 2363331 T3 ES2363331 T3 ES 2363331T3 ES 02737265 T ES02737265 T ES 02737265T ES 02737265 T ES02737265 T ES 02737265T ES 2363331 T3 ES2363331 T3 ES 2363331T3
Authority
ES
Spain
Prior art keywords
zirconium
prosthesis
support surface
black
oxidized
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
ES02737265T
Other languages
Spanish (es)
Inventor
Gordon Hunter
Ajit Mishra
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Smith and Nephew Inc
Original Assignee
Smith and Nephew Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Smith and Nephew Inc filed Critical Smith and Nephew Inc
Application granted granted Critical
Publication of ES2363331T3 publication Critical patent/ES2363331T3/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

Links

Landscapes

  • Prostheses (AREA)
  • Materials For Medical Uses (AREA)

Abstract

Una prótesis de articulación, que comprende: un cuerpo de prótesis formado de zirconio o aleación de zirconio que comprende una porción de implante para insertar en el tejido corporal del paciente, una superficie de soporte; y una superficie de contra-soporte formada por zirconio o aleación de zirconio y adaptada para cooperar con la superficie de soporte, donde la superficie de soporte y la superficie de contra-soporte tienen un recubrimiento delgado de zirconio oxidado azul-negro o negro.A joint prosthesis, comprising: a prosthetic body formed of zirconium or zirconium alloy comprising an implant portion for inserting into the patient's body tissue, a support surface; and a counter-support surface formed by zirconium or zirconium alloy and adapted to cooperate with the support surface, where the support surface and the counter-support surface have a thin blue-black or black oxidized zirconium coating.

Description

Campo de la invención Field of the Invention

Esta invención se enmarca en general en el campo de los dispositivos protésicos, y más específicamente en el campo de los dispositivos protésicos que tienen superficies operativas hechas de zirconio oxidado. This invention is generally framed in the field of prosthetic devices, and more specifically in the field of prosthetic devices that have operating surfaces made of oxidized zirconium.

Antecedentes de la invención Background of the invention

Esta invención se refiere a implantes metálicos ortopédicos con superficies de soporte de cargas recubiertas con un recubrimiento de zirconio oxidado delgado, denso, de baja fricción y gran resistencia al desgaste. Los dispositivos de la presente invención poseen dos o más superficies de zirconio oxidado en las que las superficies de zirconio oxidado están en contacto una con la otra de un modo articulado (es decir, soporte de cargas). Debido a que estos recubrimientos de elevada dureza son resistentes al desgaste por rozamiento y frotamiento, son particularmente útiles en las porciones articuladas de estas prótesis. Típicamente tales prótesis con superficies articuladas se han construido con materiales de diferentes durezas. Al tener una superficie que “cede”, tales dispositivos de la técnica anterior eventualmente consiguen un ajuste óptimo, es decir, una tolerancia ajustada, de modo que se minimiza el desgaste por frotamiento, rozamiento, así como otros fenómenos erosivos, dando como resultado dispositivos protésicos más duraderos. Un ejemplo de estos dispositivos de las primeras generaciones es la cabeza femoral de una prótesis de cadera-vástago que se acopla con una superficie en una copa acetabular que frecuentemente está hecha de un material más blando, como polietileno de peso molecular ultra-alto. Sin embargo, el uso de superficies de contacto de dureza variable tiene desventajas que se evitan debido a las propiedades únicas de la presente invención. La superficie más blanda es, por naturaleza, sacrificial; eventualmente fallará, consiguiéndose como contrapartida un aumento global en la vida útil de la prótesis. Adicionalmente, el desgaste por rozamiento de la superficie más blanda da como resultado unos desechos que pueden tener efectos nocivos sobre la salud del paciente. La invención descrita en el presente documento es un tipo particular de prótesis de cerámicasobre-cerámica; su composición única consigue las ventajas tradicionales de los sistemas cerámica-sobre-cerámica, al mismo tiempo que evita su mayor desventaja. This invention relates to orthopedic metal implants with load bearing surfaces coated with a thin, dense, low friction oxidized zirconium coating and high wear resistance. The devices of the present invention have two or more oxidized zirconium surfaces in which the oxidized zirconium surfaces are in contact with each other in an articulated manner (i.e., load bearing). Because these high hardness coatings are resistant to friction and rubbing wear, they are particularly useful in the articulated portions of these prostheses. Typically such prostheses with articulated surfaces have been constructed with materials of different hardnesses. By having a "yielding" surface, such prior art devices eventually achieve an optimum fit, that is, an adjusted tolerance, so that wear due to rubbing, friction, as well as other erosive phenomena is minimized, resulting in devices more durable prosthetics. An example of these first-generation devices is the femoral head of a hip-stem prosthesis that engages with a surface in an acetabular cup that is often made of a softer material, such as ultra-high molecular weight polyethylene. However, the use of contact surfaces of varying hardness has disadvantages that are avoided due to the unique properties of the present invention. The softest surface is, by nature, sacrificial; eventually it will fail, achieving as a counterpart a global increase in the life of the prosthesis. Additionally, friction wear on the softer surface results in debris that may have harmful effects on the patient's health. The invention described herein is a particular type of ceramic-ceramic prosthesis; Its unique composition achieves the traditional advantages of ceramic-over-ceramic systems, while avoiding its greatest disadvantage.

Aunque se han realizado esfuerzos para fabricar dispositivos protésicos con superficies de contacto del mismo material, estos esfuerzas han tenido un éxito limitado en la solución de las deficiencias de la técnica anterior. Al aprovechar las características únicas del zirconio oxidado azul-negro o negro, la presente invención divulga un dispositivo protésico que tiene superficies de contacto del mismo material, evitando así la necesidad de una superficie sacrificial o que "cede", a la vez que se mantiene el desgaste en un mínimo. La tecnología básica en la que se basa la mejora descrita en el presente documento se describe en la patente US 5,037,438 de Davidson. US 5,258,022 describe una prótesis no-articulada en forma de prótesis de válvula de corazón hecha de zirconio o de zirconio con aleaciones. La prótesis comprende un cuerpo de válvula y un componente de control de flujo. Estos dos componentes comprenden un recubrimiento delgado de óxido de zirconio azul negro o negro sobre las superficies que van a estar sujetas al desgaste por rozamiento cuando la válvula está en uso. Although efforts have been made to manufacture prosthetic devices with contact surfaces of the same material, these efforts have had limited success in solving the shortcomings of the prior art. By taking advantage of the unique characteristics of blue-black or black oxidized zirconium, the present invention discloses a prosthetic device that has contact surfaces of the same material, thus avoiding the need for a sacrificial or "yielding" surface, while maintaining wear to a minimum. The basic technology on which the improvement described herein is based is described in US Patent 5,037,438 to Davidson. US 5,258,022 describes a non-articulated prosthesis in the form of a heart valve prosthesis made of zirconium or zirconium with alloys. The prosthesis comprises a valve body and a flow control component. These two components comprise a thin coating of black or black blue zirconium oxide on the surfaces that will be subject to friction wear when the valve is in use.

La invención también se refiere a implantes médicos que tienen superficies de contacto de zirconio oxidado y que también tienen recubrimientos de zirconio oxidado en las superficies no articuladas de un implante ortopédico donde estas últimas superficies de zirconio oxidado proporcionan una barrera entre la prótesis metálica y el tejido del cuerpo, evitando así la liberación de iones metálicos y la corrosión del implante. Adicionalmente, este proceso de oxidación y el aumento asociado en el contenido superficial de oxígeno y en la dureza aumenta la resistencia el sustrato metálico y mejora las propiedades de resistencia a la fatiga del implante. The invention also relates to medical implants that have oxidized zirconium contact surfaces and also have oxidized zirconium coatings on the non-articulated surfaces of an orthopedic implant where these latter oxidized zirconium surfaces provide a barrier between the metal prosthesis and the tissue of the body, thus preventing the release of metal ions and corrosion of the implant. Additionally, this oxidation process and the associated increase in surface oxygen content and hardness increases the strength of the metal substrate and improves the fatigue resistance properties of the implant.

La vida útil de los implantes médicos es de una importancia primordial, ya que es deseable que el implante funcione durante toda la vida del paciente. Esto es particularmente cierto si el paciente es joven y el número de revisiones quirúrgicas se debe mantener en el mínimo, y preferiblemente cero. Con este propósito, los materiales de implantes ortopédicos deberían preferiblemente combinar una elevada resistencia, resistencia a la corrosión y compatibilidad con los tejidos corporales. Una de las variables que afecta a la longevidad de los implantes que soportan cargas, como los implantes de articulación de cadera, es la tasa de desgaste de las superficies articuladas y los efectos a largo plazo de liberación de iones metálicos. Una prótesis de articulación de cadera típica incluye un vástago, una cabeza femoral y una copa acetabular contra la que se articula la cabeza femoral. El desgaste de una The lifespan of medical implants is of paramount importance, since it is desirable for the implant to function throughout the patient's life. This is particularly true if the patient is young and the number of surgical reviews should be kept to a minimum, and preferably zero. For this purpose, orthopedic implant materials should preferably combine high strength, corrosion resistance and compatibility with body tissues. One of the variables that affects the longevity of implants that support loads, such as hip joint implants, is the rate of wear of articulated surfaces and the long-term effects of metal ion release. A typical hip joint prosthesis includes a stem, a femoral head and an acetabular cup against which the femoral head is articulated. The wear of a

o ambas superficies de articulación da como resultado un aumento de partículas desgastadas y la aparición de un "juego" entre la cabeza femoral y la copa contra el que se articula. Los desechos del desgaste pueden contribuir a una reacción adversa del tejido que conduzca a la resorción en el hueso, y en última instancia se debe sustituir la articulación. or both articulation surfaces result in an increase of worn particles and the appearance of a "play" between the femoral head and the cup against which it is articulated. Wear debris can contribute to an adverse reaction of the tissue that leads to bone resorption, and ultimately the joint must be replaced.

La tasa de desgaste de las superficies de la copa acetabular y de la cabeza femoral de las caderas artificiales es dependiente de varios factores, que incluyen la dureza relativa y el acabado superficial de los materiales que constituyen la cabeza femoral y la copa acetabular, el coeficiente de fricción entre los materiales de la copa y de la cabeza, la carga aplicada y las tensiones generadas en las superficies de articulación. Las combinaciones de material más comúnmente utilizadas actualmente en la fabricación de implantes de articulación de cadera incluyen cabezas femorales de aleaciones de cobalto, titanio o zirconio que se articulan contra copas acetabulares recubiertas con polímeros o compuestos orgánicos como polímeros, incluyendo, por ejemplo, polietileno de peso molecular ultra-alto (UHMWPE) y cabezas femorales de alúmina pulida en combinación con copas acetabulares recubiertas con un polímero orgánico o un compuesto o alúmina pulida. The wear rate of the surfaces of the acetabular cup and the femoral head of the artificial hips is dependent on several factors, including the relative hardness and surface finish of the materials that constitute the femoral head and the acetabular cup, the coefficient of friction between the cup and head materials, the applied load and the stresses generated on the articulation surfaces. The most commonly used combinations of material in the manufacture of hip joint implants include femoral heads of cobalt, titanium or zirconium alloys that articulate against acetabular cups coated with polymers or organic compounds such as polymers, including, for example, polyethylene of ultra-high molecular weight (UHMWPE) and polished alumina femoral heads in combination with acetabular cups coated with an organic polymer or a polished alumina compound or alumina.

De los factores que influyen en la velocidad de desgaste de un implante de articulación de cadera convencional, los más significativos son el peso del paciente y su nivel de actividad. Adicionalmente, se ha demostrado que el calor generado por la fricción durante el uso normal del implante provoca la deformación y desgaste de la copa de polietileno. Además, hay una correlación entre el momento friccional que transmite la carga de par a la copa y el coeficiente de fricción entre la cabeza femoral y la superficie de la copa acetabular contra la cual se articula la cabeza. El par de la copa se asocia al aflojamiento de la copa. Por tanto, en general, cuanto mayor sea el coeficiente de fricción para una carga dada, mayor será el nivel de par generado. Se ha demostrado que las superficies de soporte cerámicas producen niveles de par friccional significativamente menores. También merece la pena comentar que dos de los tres sistemas de articulación de cadera comúnmente utilizados, según se ha indicado anteriormente, incluyen una cabeza femoral metálica contra un recubrimiento de UHMWPE dentro de la copa acetabular. El UHMWPE, que es un material polimérico, es más susceptible de deformarse cuando es calentado que las aleaciones o metales metálicos comúnmente utilizados debido a su punto de fusión relativamente más bajo, y en consecuencia es más susceptible de desgastarse que las aleaciones o cerámicas. Of the factors that influence the wear rate of a conventional hip joint implant, the most significant are the patient's weight and activity level. Additionally, it has been shown that the heat generated by friction during normal implant use causes deformation and wear of the polyethylene cup. In addition, there is a correlation between the frictional moment that transmits the torque load to the cup and the coefficient of friction between the femoral head and the surface of the acetabular cup against which the head is articulated. The pair of the cup is associated with the loosening of the cup. Therefore, in general, the higher the coefficient of friction for a given load, the higher the level of torque generated. Ceramic support surfaces have been shown to produce significantly lower frictional torque levels. It is also worth commenting that two of the three commonly used hip joint systems, as indicated above, include a metal femoral head against a UHMWPE coating inside the acetabular cup. UHMWPE, which is a polymeric material, is more susceptible to deformation when heated than commonly used metal alloys or metals due to its relatively lower melting point, and consequently is more susceptible to wear than alloys or ceramics.

También se ha descubierto que las prótesis metálicas no son completamente inertes dentro del cuerpo. Los fluidos corporales actúan sobre los metales, provocando que éstos se corroan lentamente debido a un proceso de ionización, liberándose así iones metálicos dentro del cuerpo. La liberación de iones metálicos de la prótesis también está relacionada con la articulación y la velocidad de desgaste de las superficies de soporte de carga, como se podía esperar, cuando una cabeza femoral metálica, por ejemplo, se articula contra un UHMWPE, la lámina pasiva de óxido que se forma sobre la cabeza femoral se quita constantemente. El proceso de repasivación libera de manera constante iones metálicos durante este proceso. Además, la presencia del desgaste de un tercer cuerpo (restos de cemento o hueso) acelera este proceso y partículas metálicas por micro-rozamiento pueden aumentar la fricción. En consecuencia, el recubrimiento UHMWPE dentro de la copa acetabular, contra la cual se articula la cabeza femoral, está sujeto a niveles acelerados de deformación, desgaste y par. It has also been discovered that metal prostheses are not completely inert within the body. Body fluids act on metals, causing them to corrode slowly due to an ionization process, thus releasing metal ions within the body. The release of metal ions from the prosthesis is also related to the articulation and the wear rate of the load bearing surfaces, as expected, when a metal femoral head, for example, articulates against a UHMWPE, the passive sheet of oxide that forms on the femoral head is constantly removed. The repasivation process constantly releases metal ions during this process. In addition, the presence of wear of a third body (cement or bone remains) accelerates this process and micro-friction metal particles can increase friction. Consequently, the UHMWPE coating inside the acetabular cup, against which the femoral head is articulated, is subject to accelerated levels of deformation, wear and torque.

Varios intentos de corregir estos problemas fueron el objeto de una gran parte de los primeros trabajos en esta área. La patente US 4,145,764 de Suzuki divulgaba una prótesis metálica pulverizada con plasma con un agente de unión que, a su vez, es recubierto con un recubrimiento cerámico poroso que permite el crecimiento de espículas de hueso en los poros. Sin embargo, la patente de Suzuki no tiene en cuenta el problema de la fricción o desgaste de las superficies de soporte del implante ortopédico, sino que está confinada al único problema de la biocompatibilidad de la prótesis metálica y resuelve el problema de los cambios dimensionales que se producen cuando se aplica el recubrimiento. La patente US 3,677,795 de Bokros está dirigida a la aplicación de un recubrimiento de carburo sobre un dispositivo protésico metálico. Se dice que este método produce un dispositivo protésico que tiene una “excelente compatibilidad con el tejido corporal y es no-trombogénico”. Sin embargo, Bokros no resuelve los problemas relativos a la fricción, calentamiento, deformación y desgaste de las superficies de soporte del implante ortopédico, o a los cambios inducidos en las propiedades mecánicas del metal subyacente debido a este tratamiento para altas temperaturas. Several attempts to correct these problems were the subject of a large part of the first works in this area. US Patent 4,145,764 of Suzuki disclosed a metal prosthesis sprayed with plasma with a bonding agent which, in turn, is coated with a porous ceramic coating that allows the growth of bone spicules in the pores. However, the Suzuki patent does not take into account the problem of friction or wear of the orthopedic implant support surfaces, but is confined to the sole problem of biocompatibility of the metal prosthesis and solves the problem of dimensional changes that they occur when the coating is applied. US Patent 3,677,795 to Bokros is directed to the application of a carbide coating on a metal prosthetic device. This method is said to produce a prosthetic device that has "excellent compatibility with body tissue and is non-thrombogenic." However, Bokros does not solve the problems related to friction, heating, deformation and wear of the support surfaces of the orthopedic implant, or the induced changes in the mechanical properties of the underlying metal due to this high temperature treatment.

Los problemas mencionados de la técnica anterior fueron parcialmente solucionados por Davidson en la patente US 5,037,438. En la patente ‘438, Davidson describe una prótesis de aleación metálica de zirconio o que contiene zirconio recubierta vía una oxidación in-situ con una capa de zirconio oxidado azul-negro o negro. El recubrimiento de zirconio oxidado dota a la prótesis de la invención ‘438 de una superficie biocompatible delgada, densa, de baja fricción y resistente al desgaste adecuada para su uso en superficies de articulación de próstesis de articulaciones donde una superficie o superficie de la articulación pivota, se traslada o rota contra otras superficies de articulación complementarias. El recubrimiento de zirconio oxidado de la patente ‘438 puede, por tanto, utilizarse en las cabezas femorales o superficies internas de copas acetabulares de implantes de articulación de cadera o en las superficies de articulación de otros tipos de prótesis, como las articulaciones de rodilla. Notablemente, el recubrimiento de zirconio oxidado de la patente ‘438 era un tipo específico de zirconio oxidado. El zirconio oxidado presenta muchas formas, entre las cuales está el blanco, beige y azul-negro. La variedad blanca es particularmente desfavorable para la presente invención, ya que tiene a separarse del sustrato y quebrarse fácilmente. Las superficies convencionales de zirconio oxidado formadas, por ejemplo, por la simple oxidación del aire no son de la variedad azul-negro o negro, y no poseerán las propiedades superiores de las mismas que se describen en la patente '438. La más importante de estas propiedades es la elevada dureza y baja fricción, que resultan de la presencia de óxido superficial. The aforementioned problems of the prior art were partially solved by Davidson in US Patent 5,037,438. In the ‘438 patent, Davidson describes a zirconium metal alloy prosthesis or one containing zirconium coated via an in-situ oxidation with a blue-black or black oxidized zirconium layer. The oxidized zirconium coating gives the prosthesis of the invention '438 a thin, dense, low friction and wear-resistant biocompatible surface suitable for use on joint surfaces of joint prostheses where one surface or surface of the joint pivots , moves or rotates against other complementary articulation surfaces. The oxidized zirconium coating of the ‘438 patent can therefore be used on the femoral heads or internal surfaces of acetabular cups of hip joint implants or on the joint surfaces of other types of prostheses, such as knee joints. Notably, the oxidized zirconium coating of the ‘438 patent was a specific type of oxidized zirconium. Oxidized zirconium has many forms, among which is white, beige and blue-black. The white variety is particularly unfavorable for the present invention, since it has to be separated from the substrate and easily broken. Conventional surfaces of oxidized zirconium formed, for example, by simple oxidation of air are not of the blue-black or black variety, and will not possess the superior properties thereof described in the '438 patent. The most important of these properties is the high hardness and low friction, which result from the presence of surface oxide.

Estos recubrimientos de zirconio oxidado azul-negro o negro eran conocidas en la técnica de los rodamientos mecánicos, ya que habían sido descritos por Watson en la patente US 2,987,352. Watson describe un método de oxidación a 371-593 ºC (700-1100 ºF) para producir el recubrimiento específico de zirconio oxidado azul-negro o azul. Una patente posterior de Haygarth (patente US 4,671,824) describe un método alternativo basado en un baño de sal para producir el recubrimiento deseado. El zirconio oxidado azul-negro o negro de la presente invención que posee las propiedades necesarias es principalmente de estructura cristalina monolítica. Esto ha sido These blue-black or black oxidized zirconium coatings were known in the art of mechanical bearings, since they had been described by Watson in US Patent 2,987,352. Watson describes an oxidation method at 371-593 ° C (700-1100 ° F) to produce the specific blue-black or blue oxidized zirconium coating. A subsequent Haygarth patent (US Patent 4,671,824) describes an alternative method based on a salt bath to produce the desired coating. The blue-black or black oxidized zirconium of the present invention that possesses the necessary properties is mainly of monolithic crystalline structure. This has been

5 5

10 10

15 fifteen

20 twenty

25 25

30 30

35 35

40 40

45 Four. Five

50 fifty

55 55

caracterizado por Hunter et al. characterized by Hunter et al.

La patente ‘438 no contemplaba y no describe en ningún sitio el uso de superficies de zirconio oxidado directamente en contacto con otras superficies de zirconio oxidado. Según nuestro conocimiento, no se ha fabricado ningún dispositivo protésico o implante médico de ese tipo. Inicialmente, se creía generalmente que se necesitaba que la dureza de dos superficies de contacto fuese diferente. Así, imperfecciones en las tolerancias entre las superficies desaparecerían al producirse el primer contacto, consiguiéndose un dispositivo de una vida útil larga relativamente libre de problemas de corrosión o desgaste por frotamiento, así como otros problemas erosivos. Aunque se han hecho esfuerzos para desarrollar dispositivos protésicos que tengan superficies de contacto con materiales iguales o muy similares, el éxito en superar los problemas de los dispositivos de la técnica anterior sin incurrir en otras deficiencias ha sido limitado. The ‘438 patent did not contemplate and does not describe anywhere the use of oxidized zirconium surfaces directly in contact with other oxidized zirconium surfaces. To our knowledge, no such prosthetic device or medical implant has been manufactured. Initially, it was generally believed that the hardness of two contact surfaces was required to be different. Thus, imperfections in the tolerances between the surfaces would disappear when the first contact occurred, achieving a device of a long useful life relatively free of corrosion problems or rubbing wear, as well as other erosive problems. Although efforts have been made to develop prosthetic devices having contact surfaces with the same or very similar materials, the success in overcoming the problems of prior art devices without incurring other deficiencies has been limited.

Los inventores de la presente invención han descubierto que las propiedades únicas del zirconio oxidado eliminan la necesidad general de que una de las superficies de contacto sea de una dureza menor para extender la vida útil global del dispositivo. Las características de dureza superior, baja fricción, resistencia al desgaste y características de compatibilidad del zirconio oxidado azul-negro o negro son suficientes por si mismas para ralentizar considerablemente y posiblemente evitar los procesos de degradación por desgaste a los que han estado sujetos los dispositivos protésicos de la técnica anterior. The inventors of the present invention have discovered that the unique properties of oxidized zirconium eliminate the general need for one of the contact surfaces to be of a lower hardness to extend the overall life of the device. The characteristics of superior hardness, low friction, wear resistance and compatibility characteristics of the blue-black or black oxidized zirconium are sufficient in themselves to significantly slow down and possibly avoid the wear degradation processes to which the prosthetic devices have been subjected of the prior art.

Se espera que la eliminación de superficies de una dureza menor tenga también otros efectos beneficiosos. Esto es particularmente cierto en el caso del componente de articulación utilizado más comúnmente, el polietileno; siendo el tipo más común el polietileno de peso molecular ultra alto (UHMWPE). La motivación original para la inclusión de tales superficies fue que serían sacrificiales; fallarían lentamente y fallarían antes que la superficie más dura, permitiendo una extensión global de la vida útil del dispositivo. Adicionalmente, se pensaba que el polietileno absorbía los impactos mejor que las superficies más duras, imitando así el cartílago real. Aunque el avance de la técnica que se consiguió mediante el uso de superficies de zirconio oxidado que articulaban contra superficies UHMWPE fue una disminución de la deformación y debilitamiento de la copa debido al calor generado entre la superficie del componente metálico y el UHMWPE, el problema no se eliminó completamente. Por tanto, la presente invención representa otro avance en la técnica, a saber, la eliminación del problema de la deformación asociado con las prótesis de la técnica anterior que comprenden superficies articuladas de polietileno. It is expected that the removal of surfaces of a lower hardness will also have other beneficial effects. This is particularly true in the case of the most commonly used joint component, polyethylene; the most common type being ultra high molecular weight polyethylene (UHMWPE). The original motivation for the inclusion of such surfaces was that they would be sacrificial; they would fail slowly and fail before the harder surface, allowing a global extension of the device's life. Additionally, it was thought that polyethylene absorbed impacts better than harder surfaces, thus mimicking real cartilage. Although the advance of the technique that was achieved through the use of oxidized zirconium surfaces that articulated against UHMWPE surfaces was a decrease in deformation and weakening of the cup due to the heat generated between the surface of the metal component and the UHMWPE, the problem was not It was completely removed. Therefore, the present invention represents another advance in the art, namely the elimination of the problem of deformation associated with prior art prostheses comprising articulated polyethylene surfaces.

Además, eventualmente se descubrió que el UHMWPE tiene problemas adicionales además del eventual fallo de la prótesis. En algunos pacientes con implantes protésicos se ha observado osteolisis y se creía originalmente que se debía a los restos metálicos. Como resultado, las prótesis de metal-contra-polietileno se sustituyeron por sistemas de cerámica-contra-polietileno, como alúmina-contra-polietileno y zirconia-contrapolietileno. Cuando se sospechaba que los restos de polietileno también contribuían a la osteolisis observada, se introdujeron los primeros sistemas utilizando superficies de contacto del mismo material. El primero de esos dispositivos era del tipo cerámica-contra-cerámica. Por ejemplo, Ceratec produjo un dispositivo alúmina-contraalúmina, mientras que Norton-Desmarquest produjo un sistema zirconia-contra-zirconia. Aunque la cerámica tiene la ventaja de bajas tasas de desgaste y baja fricción, tiene sus propias desventajas, siendo la más importante su tendencia a fracturarse. Más recientemente, se han introducido sistemas metal-contra-metal. Por ejemplo, Sulzer introdujo un dispositivo cobalto/cromo-contra-cobalto/cromo. Aunque se espera que los sistemas metal-contra-metal tengan bajas tasas de desgaste, aún permanecen incógnitas relativas a las características de liberación de iones de tales sistemas y los riesgos para la salud del paciente. In addition, it was eventually discovered that the UHMWPE has additional problems in addition to the eventual failure of the prosthesis. In some patients with prosthetic implants, osteolysis has been observed and was originally believed to be due to metallic remains. As a result, metal-against-polyethylene prostheses were replaced by ceramic-against-polyethylene systems, such as alumina-against-polyethylene and zirconia-counter-polyethylene. When it was suspected that the polyethylene moieties also contributed to the osteolysis observed, the first systems were introduced using contact surfaces of the same material. The first of these devices was the ceramic-anti-ceramic type. For example, Ceratec produced an alumina-counter-alumina device, while Norton-Desmarquest produced a zirconia-counter-zirconia system. Although ceramics have the advantage of low wear rates and low friction, it has its own disadvantages, the most important being its tendency to fracture. More recently, metal-against-metal systems have been introduced. For example, Sulzer introduced a cobalt / chromium-cobalt / chromium device. Although metal-to-metal systems are expected to have low wear rates, they remain unknown regarding the ion release characteristics of such systems and the health risks of the patient.

La presente invención de dispositivos protésicos de zirconio oxidado-contra-zirconio oxidado, en la que ambas superficies son de la variedad azul-negro o negro, representa un tipo especial de dispositivo cerámica-contracerámica, que tiene las ventajas de baja tasa de desgaste y baja fricción de los sistemas cerámicos, pero sin el alto riesgo de fractura. Al eliminar el polietileno, el riesgo de osteolisis y otros problemas relacionados con los restos debidos al desgaste del polietileno se eliminan. Finalmente, las desventajas asociadas a la liberación de iones metálicos de los diseños metal-contra-metal, también se eliminan. Las propiedades únicas del zirconio oxidado permiten eliminar o minimizar las desventajas de los sistemas de la técnica anterior sin sacrificar las ventajas de los mismos. The present invention of oxidized anti-zirconium zirconium prosthetic devices, in which both surfaces are of the blue-black or black variety, represents a special type of ceramic-counter-ceramic device, which has the advantages of low wear rate and low friction of ceramic systems, but without the high risk of fracture. By eliminating polyethylene, the risk of osteolysis and other problems related to debris due to polyethylene wear are eliminated. Finally, the disadvantages associated with the release of metal ions from metal-to-metal designs are also eliminated. The unique properties of oxidized zirconium make it possible to eliminate or minimize the disadvantages of prior art systems without sacrificing the advantages thereof.

Existe una necesidad de un implante ortopédico basado en una aleación metálica que tenga superficies de soporte de carga de baja fricción y alta resistencia al desgaste, que se pueda implantar para toda la vida útil del receptor, tenga bajo riesgo de rotura de tipo quebradizo, y bajo riesgo de liberación de iones metálicos. También existe una necesidad de un implante ortopédico basado en una aleación metálica que no sea proclive a la corrosión por la acción de los fluidos corporales, de modo que sea biocompatible y estable a lo largo de la vida del receptor. Estas necesidades se deben satisfacer a la vez que se mantiene una larga vida de servicio, para minimizar la frecuencia y quizá eliminar la necesidad de revisiones quirúrgicas en los pacientes con implante. There is a need for an orthopedic implant based on a metal alloy that has low friction load bearing surfaces and high wear resistance, which can be implanted for the entire life of the recipient, has a low risk of brittle breakage, and Low risk of metal ion release. There is also a need for an orthopedic implant based on a metal alloy that is not prone to corrosion by the action of body fluids, so that it is biocompatible and stable throughout the life of the recipient. These needs must be met while maintaining a long service life, to minimize the frequency and perhaps eliminate the need for surgical check-ups in implant patients.

Compendio de la invención Compendium of the invention

En el presente documento, la expresión “un", "uno" o "una” puede significar uno o más. En las reivindicaciones del presente documento, cuando se utilizan junto con la palabra "comprende", las palabras "un", "uno" o "una" pueden significar uno o más de uno. En el presente documento, “otro” u “otra” puede significar al menos un segundo o más. In this document, the expression "a", "one" or "one" may mean one or more. In the claims of this document, when used together with the word "comprises", the words "a", "one" or "a" may mean one or more than one. In this document, "other" or "other" may mean at least one second or more.

En el presente documento, el término “superficie de contacto” se refiere a cualesquiera dos superficies del dispositivo protésico o implante médico que están en contacto una con otra, ya sea según un modo de soporte de carga (articulado) o sin soporte de carga (no-articulado). Here, the term "contact surface" refers to any two surfaces of the prosthetic device or medical implant that are in contact with each other, either according to a load-bearing (articulated) mode or without a load-bearing support ( non-articulated).

La presente descripción contiene ilustraciones y ejemplos de realizaciones preferidas para practicar la presente invención. Sin embargo, no son ejemplos limitantes. Son posibles otros ejemplos y métodos para practicar la presente invención. The present description contains illustrations and examples of preferred embodiments for practicing the present invention. However, they are not limiting examples. Other examples and methods for practicing the present invention are possible.

En el presente documento, se define “aleación de zirconio” como cualquier aleación metálica que contenga una cantidad de zirconio mayor que cero. Por tanto, una elación en la que el zirconio es un constituyente minoritario es considerada una “aleación de zirconio” en el presente documento. In this document, "zirconium alloy" is defined as any metal alloy containing an amount of zirconium greater than zero. Therefore, an elation in which zirconium is a minor constituent is considered a "zirconium alloy" herein.

La invención proporciona una prótesis de aleación metálica de zirconio o que contiene zirconio recubierta in situ por medio de la oxidación con zirconio oxidado azul-negro o negro. El recubrimiento de zirconio oxidado dota a la prótesis de la invención de una superficie delgada, densa, de baja fricción, resistente al desgaste y biocompatible ideal para su uso en superficies de articulación de prótesis de articulación, donde una superficie o superficies de la articulación pivota, se traslada o rota contra unas superficies de articulación complementarias que también están recubiertas con zirconio oxidado. El recubrimiento de zirconio oxidado puede por tanto utilizarse en las cabezas femorales o las superficies interiores de copas acetabulares de implantes de articulación de cadera, o en las superficies articuladas de otros tipos de prótesis, como articulaciones de rodilla. The invention provides a zirconium metal alloy prosthesis or containing zirconium coated in situ by oxidation with blue-black or black oxidized zirconium. The oxidized zirconium coating provides the prosthesis of the invention with a thin, dense, low friction, wear-resistant and biocompatible surface ideal for use on joint surfaces of joint prostheses, where one surface or surfaces of the joint pivots , moves or rotates against complementary articulation surfaces that are also coated with oxidized zirconium. The oxidized zirconium coating can therefore be used on the femoral heads or the inner surfaces of acetabular cups of hip joint implants, or on the articulated surfaces of other types of prostheses, such as knee joints.

En una realización de la presente invención, hay una prótesis articulada, comprendiendo un cuerpo de prótesis formado de zirconio o aleación de zirconio que comprende una porción de implante para insertar en el tejido corporal del paciente, una superficie de soporte y una superficie de contra-soporte formada de zirconio o aleación de zirconio y adaptada para cooperar con la superficie de soporte, donde la superficie de soporte y la superficie de contra-soporte tienen un recubrimiento de zirconio oxidado azul-negro o negro. Según una realización específica, la prótesis está caracterizada porque el recubrimiento de zirconio oxidado de dicha superficie de soporte o dicha superficie de contra-soporte o ambas tiene un grosor de entre 1 y 20 micras. En otra realización, la prótesis se caracteriza porque el recubrimiento de zirconio oxidado de dicha superficie de soporte o dicha superficie de contra-soporte o ambas tiene un grosor de entre 1 y 5 micras. In one embodiment of the present invention, there is an articulated prosthesis, comprising a prosthetic body formed of zirconium or zirconium alloy comprising an implant portion for inserting into the patient's body tissue, a support surface and a contracting surface. support formed of zirconium or zirconium alloy and adapted to cooperate with the support surface, where the support surface and the counter-support surface have a blue-black or black oxidized zirconium coating. According to a specific embodiment, the prosthesis is characterized in that the oxidized zirconium coating of said support surface or said counter-support surface or both has a thickness of between 1 and 20 microns. In another embodiment, the prosthesis is characterized in that the oxidized zirconium coating of said support surface or said counter-support surface or both has a thickness of between 1 and 5 microns.

Según una realización alternativa, la prótesis está caracterizada porque la porción de implante del cuerpo de prótesis comprende además una estructura superficial irregular adaptada para acomodar tejido en crecimiento sobre una porción del cuerpo de prótesis. Según una realización específica, la prótesis está caracterizada porque la estructura superficial irregular está formada por rebordes de aleación de zirconio o aleación de zirconio unidas a la superficie exterior del cuerpo de prótesis, donde al menos una porción de la superficie de los rebordes está oxidada hasta zirconio oxidado azul-negro o negro. Según otra realización, la prótesis está caracterizada porque la estructura superficial irregular está formada una malla de cable de zirconio o aleación de zirconio conectada a la superficie exterior del cuerpo de prótesis, donde al menos una porción de la superficie de la malla está oxidada hasta zirconio oxidado azul-negro o negro. According to an alternative embodiment, the prosthesis is characterized in that the implant portion of the prosthesis body further comprises an irregular surface structure adapted to accommodate growing tissue on a portion of the prosthesis body. According to a specific embodiment, the prosthesis is characterized in that the irregular surface structure is formed by zirconium alloy or zirconium alloy flanges attached to the outer surface of the prosthesis body, where at least a portion of the surface of the flanges is oxidized until rusty zirconium blue-black or black. According to another embodiment, the prosthesis is characterized in that the irregular surface structure is formed by a zirconium wire mesh or zirconium alloy mesh connected to the outer surface of the prosthetic body, where at least a portion of the mesh surface is oxidized to zirconium. Rusty blue-black or black.

En otras realizaciones que pueden comprender también alguna de las características descritas arriba, la prótesis está caracterizada porque la superficie de soporte es parte de un componente femoral que tiene al menos un cóndilo y que además se caracteriza porque la superficie contra-soporte es parte de un componente tibial, estando adaptada la superficie contra-soporte para cooperar con la superficie de soporte. In other embodiments that may also comprise some of the features described above, the prosthesis is characterized in that the support surface is part of a femoral component that has at least one condyle and which is further characterized in that the counter-support surface is part of a tibial component, the counter-support surface being adapted to cooperate with the support surface.

En otras realizaciones que pueden comprender cualquiera de las características descritas anteriormente, la prótesis está caracterizada porque la superficie de contra-soporte es parte de una superficie interior de una copa acetabular, estando adaptada dicha superficie interior para cooperar con la superficie de soporte de la porción de cabeza. In other embodiments that may comprise any of the features described above, the prosthesis is characterized in that the counter-support surface is part of an inner surface of an acetabular cup, said inner surface being adapted to cooperate with the support surface of the portion head

Breve descripción de los dibujos Brief description of the drawings

La FIG. 1 es un diagrama esquemático que muestra una prótesis de articulación de cadera en posición. FIG. 1 is a schematic diagram showing a hip joint prosthesis in position.

La FIG. 2 es un diagrama esquemático que muestra una prótesis de articulación de cadera típica. FIG. 2 is a schematic diagram showing a typical hip joint prosthesis.

La FIG. 3 es un diagrama esquemático de una prótesis de articulación de rodilla en posición. FIG. 3 is a schematic diagram of a knee joint prosthesis in position.

La FIG. 4 es un diagrama esquemático de las partes de una articulación de rodilla típica. FIG. 4 is a schematic diagram of the parts of a typical knee joint.

Descripción detallada de la invención Detailed description of the invention

La presente invención proporciona recubrimientos de baja fricción y resistentes al desgaste para las superficies de articulación de dispositivos protésicos. Específicamente, la invención proporciona un dispositivo protésico en el que las superficies de contacto comprenden zirconio oxidado azul-negro o negro. El zirconio oxidado se presenta en muchas formas, entre las cuales está el blanco, beige y azul-negro. La variedad blanca es particularmente desfavorable para la presente aplicación, ya que tiene a quebrarse y separarse del sustrato fácilmente. Las superficies de zirconio oxidado formadas, por ejemplo, por la simple oxidación al aire no serán de la variedad azul-negra o negra. El zirconio oxidado azul-negro o negro de la presente invención que posee las propiedades necesarias es principalmente de estructura cristalina monolítica y puede incluir zirconios tetragonales. Su microestructura ha sido caracterizada por Hunter et al. Los recubrimientos específicos de zirconio oxidado azul-negro o negro utilizados en el presente documento eran conocidos en la técnica de los rodamientos mecánicos, habiendo sido descritos originalmente por Watson en la patente US 2,987,352. Davidson, en la patente US 5,037,428, describió por primera vez la aplicación de esta forma de zirconio oxidado a dispositivos protésicos, pero no describió ni sugirió su uso para hacer contacto directamente con otras superficies de zirconio oxidado. Ejemplos ilustrativos del uso de zirconio oxidado azul-negro o negro en dispositivos protésicos se muestran en los diagramas esquemáticos, FIGS. 1-4. La descripción siguiente proporciona ejemplos no limitantes de la presente invención. Aunque gran parte de la descripción está centrada en prótesis de cadera y rodilla, se debería entender que la presente invención no está limitada a las mismas y que es aplicable a cualquier dispositivo protésico articulado donde sean útiles características de desgaste mejoradas en superficies que cooperan entre sí. The present invention provides low friction and wear resistant coatings for the articulation surfaces of prosthetic devices. Specifically, the invention provides a prosthetic device in which the contact surfaces comprise blue-black or black oxidized zirconium. Oxidized zirconium comes in many forms, including white, beige and blue-black. The white variety is particularly unfavorable for the present application, since it has to break and separate from the substrate easily. The oxidized zirconium surfaces formed, for example, by simple air oxidation will not be of the blue-black or black variety. The blue-black or black oxidized zirconium of the present invention that possesses the necessary properties is primarily of monolithic crystalline structure and may include tetragonal zirconia. Its microstructure has been characterized by Hunter et al. The specific blue-black or black oxidized zirconium coatings used herein were known in the art of mechanical bearings, having originally been described by Watson in US Patent 2,987,352. Davidson, in US Patent 5,037,428, first described the application of this form of oxidized zirconium to prosthetic devices, but did not describe or suggest its use to make contact directly with other surfaces of oxidized zirconium. Illustrative examples of the use of blue-black or black oxidized zirconium in prosthetic devices are shown in the schematic diagrams, FIGS. 1-4. The following description provides non-limiting examples of the present invention. Although much of the description is centered on hip and knee prostheses, it should be understood that the present invention is not limited thereto and that it is applicable to any articulated prosthetic device where improved wear characteristics are useful on surfaces that cooperate with each other. .

En la FIG. 1 y en la FIG. 2 se muestra un típico montaje de articulación de cadera. El vástago 2 de la articulación de cadera encaja en el fémur, mientra que la cabeza 6 femoral de la prótesis encaja en, y se articula contra, el revestimiento 8 interior de una copa acetabular 10 que a su vez está fijada a la pelvis como se muestra en la FIG. 1. Se puede incorporar un recubrimiento de rebordes metálico poroso o malla de cable para permitir la estabilización del implante mediante el crecimiento del tejido circundante hacia el interior del recubrimiento poroso. Similarmente, dicho recubrimiento se puede aplicar también al componente acetabular. La cabeza 6 femoral puede ser una parte integral del vástago 2 de la articulación de cadera o puede ser un componente separado montado sobre un estrechamiento cónico en el extremo del cuello 4 de la prótesis de la articulación de cadera. Esto permite la fabricación de una prótesis que tiene un vástago y cuello metálicos, pero una cabeza femoral de un material diferente. Este método de construcción es con frecuencia deseable porque el uso de materiales compuestos permite la optimización localizada de varios parámetros, como el peso, resistencia y resistencia al desgaste. Independientemente de los materiales, sin embargo, la cabeza femoral se articula contra la superficie interior de la copa acetabular, provocando así desgaste y, a la larga, esto implicar la sustitución de la prótesis. Este es el caso especialmente cuando la cabeza femoral es de metal y la copa acetabular está revestida con un polímero orgánico o un compuesto del mismo. Aunque estas superficies poliméricas proporcionan superficies buenas, relativamente de baja fricción, y son biocompatibles, son, como se ha explicado anteriormente, sujetas a desgaste y deformación acelerados debido al calor friccional y al par al que están sujetas durante el uso ordinario. En la presente invención, el revestimiento 8 interior y la cabeza 6 femoral están recubiertos con una superficie de zirconio oxidado azul-negro In FIG. 1 and in FIG. 2 shows a typical hip joint assembly. The stem 2 of the hip joint fits into the femur, while the femoral head 6 of the prosthesis fits into, and articulates against, the inner lining 8 of an acetabular cup 10 which in turn is fixed to the pelvis as it is shown in FIG. 1. A coating of porous metal flanges or wire mesh can be incorporated to allow stabilization of the implant by growing the surrounding tissue into the porous coating. Similarly, said coating can also be applied to the acetabular component. The femoral head 6 may be an integral part of the stem 2 of the hip joint or it may be a separate component mounted on a conical narrowing at the end of the neck 4 of the hip joint prosthesis. This allows the fabrication of a prosthesis that has a metal stem and neck, but a femoral head of a different material. This construction method is often desirable because the use of composite materials allows localized optimization of various parameters, such as weight, strength and wear resistance. Regardless of the materials, however, the femoral head articulates against the inner surface of the acetabular cup, thus causing wear and, in the long run, this involves replacing the prosthesis. This is especially the case when the femoral head is made of metal and the acetabular cup is coated with an organic polymer or a compound thereof. Although these polymeric surfaces provide good, relatively low friction surfaces, and are biocompatible, they are, as explained above, subject to accelerated wear and deformation due to frictional heat and the torque to which they are subjected during ordinary use. In the present invention, the inner lining 8 and the femoral head 6 are coated with a blue-black oxidized zirconium surface

o negro. Preferiblemente, los recubrimientos superficiales tienen un grosor de 1-20 μm, pero pueden estar fuera de este rango. Alternativamente pueden tener un grosor de 1-5 μm. La superficie 12 de malla de cable o de reborde metálico puede estar recubierta al menos parcialmente con una superficie de zirconio oxidado azul-negro o negro para promover el crecimiento del tejido o hueso hacia el interior del dispositivo, estabilizando así su posición. or black Preferably, the surface coatings have a thickness of 1-20 μm, but may be outside this range. Alternatively they can have a thickness of 1-5 μm. The wire mesh or metal flange surface 12 may be at least partially coated with a blue-black or black oxidized zirconium surface to promote tissue or bone growth into the device, thereby stabilizing its position.

En la FIG. 3 y la FIG 4. se muestra in situ una prótesis de articulación de rodilla típica. La articulación de rodilla incluye un componente 20 femoral y un componente 30 tibial. El componente femoral incluye cóndilos 22 que proporcionan la superficie de articulación del componente femoral y espigas 24 para fijar el componente femoral al fémur. El componente 30 tibial incluye una base 32 tibial y una espiga 34 para montar la base tibial sobre la tibia. Una plataforma 36 tibial está montada sobre la parte superior de la base 32 tibial y está dotada de cavidades 38 similares a la forma del cóndilo 22. Las superficies interiores del cóndilo 26 están en contacto con las cavidades 38 de la plataforma tibial, de modo que los cóndilos se articulan dentro de estas cavidades contra la plataforma tibial. Tanto los cóndilos 22 como las cavidades 38 de la plataforma tibial están recubiertos con una superficie de zirconio oxidado azul-negro o negro. Parte o todo el resto del componente 20 femoral y un componente 30 tibial pueden tener un recubrimiento superficial de zirconio oxidado azul-negro o negro. Preferiblemente, los recubrimientos superficiales tienen un grosor de 1-20 μm, pero pueden estar fuera de este rango. Alternativamente, pueden tener un grosor de 1-5 μm. Como en el caso de la articulación de cadera, también se puede aplicar recubrimientos porosos de rebordes o malla de cable a uno de entre los componentes tibial o femoral de la rodilla, o a ambos. Estos recubrimientos porosos de rebordes o malla de cable de la prótesis de rodilla también pueden estar al menos parcialmente recubiertos con una superficie de zirconio oxidado azul-negro o negro para promover el crecimiento de tejido o hueso hacia el interior del dispositivo, estabilizando así su posición. In FIG. 3 and FIG 4. a typical knee joint prosthesis is shown in situ. The knee joint includes a femoral component 20 and a tibial component 30. The femoral component includes condyles 22 that provide the articulation surface of the femoral component and spikes 24 to secure the femoral component to the femur. The tibial component 30 includes a tibial base 32 and a spike 34 for mounting the tibial base on the tibia. A tibial platform 36 is mounted on the upper part of the tibial base 32 and is provided with cavities 38 similar to the shape of the condyle 22. The inner surfaces of the condyle 26 are in contact with the cavities 38 of the tibial platform, so that the condyles articulate within these cavities against the tibial platform. Both the condyles 22 and the cavities 38 of the tibial platform are coated with a blue-black or black oxidized zirconium surface. Part or all of the rest of the femoral component 20 and a tibial component 30 may have a blue-black or black oxidized zirconium surface coating. Preferably, the surface coatings have a thickness of 1-20 μm, but may be outside this range. Alternatively, they can be 1-5 μm thick. As in the case of the hip joint, porous overlays or wire mesh can also be applied to one of the tibial or femoral components of the knee, or both. These porous overlays or cable mesh of the knee prosthesis may also be at least partially coated with a blue-black or black oxidized zirconium surface to promote tissue or bone growth into the device, thus stabilizing their position. .

La invención proporciona implantes ortopédicos recubiertos de zirconio oxidado o prótesis fabricadas de zirconio o aleaciones metálicas que contienen zirconio o un recubrimiento delgado de zirconio o aleación de zirconio sobre los materiales de un implante ortopédico convencional. Para formar recubrimientos de zirconio oxidado que sean continuos y útiles en toda la superficie del sustrato de aleación metálica de la prótesis, la aleación metálica preferiblemente debería contener desde 80% hasta el 100% en peso de zirconio, y más preferiblemente desde el 95% al 100% en peso. Sin embargo, cantidades mucho menores de zirconio pueden producir también un producto aceptable. Por ejemplo, se ha demostrado que una aleación de titanio con un 13% de zirconio, un 13% de niobio (Ti13-13) proporciona una superficie de zirconio aceptable. Se espera que cantidades menores de zirconio también proporcionen un recubrimiento de zirconio oxidado aceptable. Los resultados obtenidos mediante Espectroscopía Fotoelectrónica por Rayos X mostrados en las tablas 1 y 2 para la aleación Ti-13-13 muestran las concentraciones atómicas (normalizadas al 100%) de los elementos individuales y de varios óxidos. Por tanto, como se obtiene un producto aceptable cuando el zirconio y sus óxidos están presentes como constituyentes menores, en la invención un rango de aleaciones más amplio, que incluye aquellas en las que el zirconio es un componente menor, es útil. The invention provides orthopedic implants coated with oxidized zirconium or prostheses made of zirconium or metal alloys containing zirconium or a thin coating of zirconium or zirconium alloy on the materials of a conventional orthopedic implant. To form oxidized zirconium coatings that are continuous and useful over the entire surface of the metal alloy substrate of the prosthesis, the metal alloy should preferably contain from 80% to 100% by weight of zirconium, and more preferably from 95% to 100% by weight. However, much smaller amounts of zirconium can also produce an acceptable product. For example, it has been shown that a titanium alloy with 13% zirconium, 13% niobium (Ti13-13) provides an acceptable zirconium surface. Smaller amounts of zirconium are expected to also provide an acceptable oxidized zirconium coating. The results obtained by X-ray Photoelectronic Spectroscopy shown in Tables 1 and 2 for the Ti-13-13 alloy show the atomic concentrations (100% normalized) of the individual elements and of various oxides. Therefore, as an acceptable product is obtained when zirconium and its oxides are present as minor constituents, in the invention a wider range of alloys, which includes those in which zirconium is a minor component, is useful.

Tabla 1. Concentración atómica de los elementos en la superficie cercana de la superficie oxidada determinada por espectroscopía fotoelectrónica de rayos X. Análisis (XPS). Table 1. Atomic concentration of the elements on the near surface of the oxidized surface determined by X-ray photoelectronic spectroscopy. Analysis (XPS).

Profundidad Å O Ti N Nb Zr C Depth Å O Ti N Nb Zr C

Superficie 36,2 7,4 1,0 0,2 0,1 55,1 50 65,7 29,7 0,0 0,6 0,6 3,4 200 62,1 32,7 0,0 1,5 1,7 2,0 1000 59,8 27,3 0,0 5,6 5,5 1,9 2000 58,4 29,9 0,0 5,6 5,0 1,1 5000 55,4 32,3 0,0 6,0 5,3 1,0 10000 37,2 43,5 0,0 8,3 6,3 4,6 15000 23,5 51,9 0,0 10,0 7,3 7,2 20000 14,0 59,7 0,7 13,1 8,4 4,1 Surface 36.2 7.4 1.0 0.2 0.1 55.1 50 65.7 29.7 0.0 0.6 0.6 3.4 200 62.1 32.7 0.0 1.5 1.7 2.0 1000 59.8 27.3 0.0 5.6 5.5 1.9 2000 58.4 29.9 0.0 5.6 5.0 1.1 5000 55.4 32.3 0.0 6.0 5.3 1.0 10000 37.2 43.5 0.0 8.3 6.3 4.6 15,000 23.5 51.9 0.0 10.0 7.3 7.2 20,000 14.0 59.7 0.7 13.1 8.4 4.1

Tabla 2. Concentraciones de óxidos de Ti, Nb y Zr contenidos en la capa de óxido mixta oxidada superficialmente Ti-13-13 Table 2. Oxide concentrations of Ti, Nb and Zr contained in the superficially oxidized mixed oxide layer Ti-13-13

Profundidad Å TiO2 TiOx TiO Nb2O5 NbOx ZrO2 ZrOx Depth Å TiO2 TiOx TiO Nb2O5 NbOx ZrO2 ZrOx

50 28,7 67,3 0,0 2,0 0,0 2,0 0,0 200 23,6 51,1 16,4 0,0 4,0 4,4 0,6 1000 14,6 36,7 22,1 0,0 15,0 12,0 2,0 2000 13,8 32,1 18,3 0,0 14,0 10,3 1,7 5000 13,6 36,6 22,9 0,0 14,0 9,6 2,4 50 28.7 67.3 0.0 2.0 0.0 2.0 0.0 200 23.6 51.1 16.4 0.0 4.0 4.4 0.6 1000 14.6 36.7 22.1 0.0 15.0 12.0 2.0 2000 13.8 32.1 18.3 0.0 14.0 10.3 1.7 5000 13.6 36.6 22.9 0.0 14.0 9.6 2.4

El oxígeno, niobio y titanio son elementos de aleación comunes en la aleación, frecuentemente también con la presencia de hafnio. Aunque tales aleaciones que contienen zirconio pueden formularse con métodos convencionales conocidos en la metalurgia, existen múltiples aleaciones comercialmente disponibles. Ejemplos ilustrativos de estas aleaciones comerciales incluyen, entre otras, Zircadyne 705, Zircadyne 702, y Zircalloy. Oxygen, niobium and titanium are common alloy elements in the alloy, often also with the presence of hafnium. Although such alloys containing zirconium can be formulated with conventional methods known in metallurgy, there are multiple commercially available alloys. Illustrative examples of these commercial alloys include, among others, Zircadyne 705, Zircadyne 702, and Zircalloy.

Las aleaciones de base que contienen aleaciones metálicas se moldean o mecanizan utilizando métodos convencionales para conformar y dar el tamaño deseado para obtener el sustrato de una prótesis. El sustrato sufre entonces unas condiciones que provocan la formación natural (in situ) en su superficie de un recubrimiento zirconio oxidado adherido fuertemente mediante enlaces por difusión. Las condiciones de este proceso incluyen, por ejemplo, la oxidación al aire, vapor o agua o la oxidación en un baño de sal. Estos procesos idealmente proporcionan una capa o recubrimiento de zirconio oxidado delgada, dura, densa, azul-negro o negro, de baja fricción y resistente al desgaste, de un grosor típicamente en el orden de varias micras (10-6 metros) sobre la superficie del sustrato de la prótesis. Bajo este recubrimiento, el oxígeno difundido en el proceso de oxidación aumenta la dureza y resistencia del sustrato metálico subyacente. Base alloys containing metal alloys are molded or machined using conventional methods to shape and give the desired size to obtain the substrate of a prosthesis. The substrate then undergoes conditions that cause the natural formation (in situ) on its surface of an oxidized zirconium coating strongly adhered by diffusion bonds. The conditions of this process include, for example, oxidation to air, steam or water or oxidation in a salt bath. These processes ideally provide a thin, hard, dense, blue-black or black, low-friction and wear-resistant oxidized zirconium layer or coating, typically thick in the order of several microns (10-6 meters) above the surface of the prosthesis substrate. Under this coating, the oxygen diffused in the oxidation process increases the hardness and resistance of the underlying metal substrate.

Métodos representativos para la formación del recubrimiento superficial de zirconio oxidado azul-negro o negro se han descrito con anterioridad en la patente US 5,037,428 de Davidson. Preferiblemente, el grosor del recubrimiento es de 1 a 5 micras. Condiciones útiles para la fabricación de superficies de diferentes grosores se describen en la patente US 5,037,428. Métodos para controlar la uniformidad del recubrimiento de zirconio oxidado se describen en la solicitud de varios titulares pendiente S/N 09/381,217. Representative methods for the formation of the blue-black or black oxidized zirconium surface coating have been previously described in US Patent 5,037,428 to Davidson. Preferably, the thickness of the coating is 1 to 5 microns. Useful conditions for the manufacture of surfaces of different thicknesses are described in US 5,037,428. Methods to control the uniformity of the oxidized zirconium coating are described in the application of several pending holders S / N 09 / 381,217.

Estos recubrimientos de zirconio oxidado fijado por difusión, de baja fricción y alta resistencia al desgaste se aplican a las superficies de contacto de implantes ortopédicos sujetos a condiciones de desgaste. Tales superficies incluyen las superficies de articulación de articulaciones de rodilla, codo y cadera. Como se ha mencionado anteriormente, en el caso de articulaciones de cadera, la cabeza femoral y el vástago se fabrican típicamente de aleaciones metálicas, mientras que la copa acetabular puede fabricarse de cerámica. El único requisito es que la superficie de contacto del dispositivo debe ser de zirconio o aleación de zirconio, de modo que cuando tenga lugar la oxidación superficial bajo las condiciones adecuadas, se formen concentraciones superficiales medibles de zirconio oxidado. These oxidized zirconium coatings fixed by diffusion, low friction and high wear resistance are applied to the contact surfaces of orthopedic implants subject to wear conditions. Such surfaces include the articulation surfaces of knee, elbow and hip joints. As mentioned above, in the case of hip joints, the femoral head and the stem are typically made of metal alloys, while the acetabular cup can be made of ceramic. The only requirement is that the contact surface of the device must be made of zirconium or zirconium alloy, so that when surface oxidation takes place under appropriate conditions, measurable surface concentrations of oxidized zirconium are formed.

La prótesis de la presente invención presenta ventajas en varias aplicaciones. Las prótesis de cadera constituyen un sistema mecánico comparativamente simple, que consiste en una cabeza esférica, una cavidad esférica y un sencillo estrechamiento del vástago. El rango de estados de carga mecánicos en esta configuración es comparativamente bajo. Por tanto, uno puede diseñar la cabeza para que se pueda utilizar un material quebradizo como la cerámica a la vez que se mantiene un riesgo de fractura quebradiza relativamente bajo. Por el contrario, una articulación de rodilla constituye una articulación que tiene un mayor rango de estados de carga mecánica. La articulación de rodilla presenta un riesgo más alto de sufrir “cargas puntuales”, es decir, niveles de tensión altamente localizados. Por tanto, en aplicaciones para rodillas, un material quebradizo sobre otro material quebradizo, como el convencional cerámica-contra-cerámica, presenta un alto riesgo de fractura. Por este motivo, se ha descubierto que es particularmente importante diseñar tales prótesis como sistemas "duro-contra-blando", como cerámica-contrapolietileno. Aunque las prótesis de cerámica-contra-cerámica presentan las ventajas de una baja fricción y bajas tasas de desgaste, sufren la desventaja de un elevado riesgo de fractura quebradiza. Por tanto, tales sistemas de cerámica-contra-cerámica (y de hecho todos los sistemas "duro-contra-blando”, en cierta medida) son problemáticos tanto en prótesis de rodilla como en prótesis de cadera, pero son particularmente poco adecuados para las prótesis de rodilla. Aunque es un sistema cerámica-contra-cerámica, el zirconio oxidado de la presente invención tiene ventajas sobre las mismas; es decir, baja fricción y alta resistencia al desgaste, pero no sufre la principal desventaja de tales sistemas consistente en un alto riesgo de fractura quebradiza. Por tanto, la presente invención puede aplicarse generalmente en diferentes prótesis, permitiendo conseguir las ventajas de la cerámica-contra-cerámica y evitando sus desventajas. Las prótesis de zirconio oxidado-contra-zirconio oxidado de la presente invención tienen aplicabilidad general tanto en las prótesis utilizadas en aplicaciones "duro-contra-duro” como en las aplicaciones tradicionales “duro-contra-blando”. Es adecuada para su uso en una gran variedad de dispositivos protésicos que son sometidos a un amplio rango de estados de carga mecánica. The prosthesis of the present invention has advantages in several applications. Hip prostheses constitute a comparatively simple mechanical system, consisting of a spherical head, a spherical cavity and a simple narrowing of the stem. The range of mechanical load states in this configuration is comparatively low. Therefore, one can design the head so that a brittle material such as ceramic can be used while maintaining a relatively low risk of brittle fracture. In contrast, a knee joint constitutes a joint that has a greater range of mechanical loading states. The knee joint presents a higher risk of suffering "point loads", that is, highly localized stress levels. Therefore, in applications for knees, a brittle material over another brittle material, such as conventional ceramic-counter-ceramic, presents a high risk of fracture. For this reason, it has been found that it is particularly important to design such prostheses as "hard-versus-soft" systems, such as ceramic-counterpolyethylene. Although ceramic-anti-ceramic prostheses have the advantages of low friction and low wear rates, they suffer the disadvantage of a high risk of brittle fracture. Therefore, such ceramic-anti-ceramic systems (and in fact all "hard-against-soft" systems, to some extent) are problematic in both knee prostheses and hip prostheses, but are particularly unsuitable for knee prosthesis Although it is a ceramic-anti-ceramic system, the oxidized zirconium of the present invention has advantages over them, that is, low friction and high wear resistance, but does not suffer the main disadvantage of such systems consisting of a high risk of brittle fracture Therefore, the present invention can generally be applied in different prostheses, allowing to achieve the advantages of ceramic-counter-ceramic and avoiding its disadvantages.The oxidized anti-zirconium zirconium prostheses of the present invention have general applicability in both prostheses used in "hard-against-hard" applications and in traditional "hard-against-bland" applications or". It is suitable for use in a wide variety of prosthetic devices that are subjected to a wide range of mechanical loading states.

Debido a que el recubrimiento de zirconio oxidado está firmemente unido al sustrato de la prótesis de aleación de zirconio, proporciona una barrera entre los fluidos corporales y el metal de aleación de zirconio, evitando así la corrosión de la aleación debido al proceso de ionización y la liberación asociada de iones metálicos. Adicionalmente, la difusión de oxígeno en el sustrato metálico durante la oxidación también aumenta la resistencia del metal. En consecuencia, se puede esperar que una prótesis recubierta de zirconio oxidado tenga una vida útil mayor. Because the oxidized zirconium coating is firmly attached to the zirconium alloy prosthesis substrate, it provides a barrier between the body fluids and the zirconium alloy metal, thus preventing corrosion of the alloy due to the ionization process and the associated release of metal ions. Additionally, the diffusion of oxygen in the metal substrate during oxidation also increases the strength of the metal. Consequently, it is expected that a rusted zirconium coated prosthesis has a longer shelf life.

El zirconio o aleación de zirconio también se puede utilizar para proporcionar una superficie porosa de rebordes o malla de cable a la que el hueso circundante u otro tejido pueda integrarse para estabilizar la prótesis de zirconio oxidado-contra-zirconio oxidado. Estos recubrimientos porosos se pueden tratar simultáneamente mediante el tratamiento de oxidación de un modo similar a la oxidación de la prótesis de base para la eliminación o reducción de la liberación de iones metálicos. Además, se puede utilizar también el zirconio o aleación de zirconio como una capa superficial aplicada sobre materiales de implante convencionales antes de una oxidación in situ y de la formación del recubrimiento de zirconio oxidado. Zirconium or zirconium alloy can also be used to provide a porous surface of flanges or wire mesh to which the surrounding bone or other tissue can be integrated to stabilize the oxidized anti-zirconium zirconium prosthesis. These porous coatings can be treated simultaneously by the oxidation treatment in a manner similar to the oxidation of the base prosthesis for the removal or reduction of the release of metal ions. In addition, zirconium or zirconium alloy can also be used as a surface layer applied on conventional implant materials before oxidation in situ and formation of the oxidized zirconium coating.

Referencias References

Todas las patentes y publicaciones mencionadas en la descripción son indicativas del nivel de un experto medio en la materia a la que pertenece la invención. All patents and publications mentioned in the description are indicative of the level of an average expert in the field to which the invention belongs.

Patente US 5,037,438 8/1991 Davidson US Patent 5,037,438 8/1991 Davidson

Patente US 4,145,746 3/1979 Suzuki et al. US Patent 4,145,746 3/1979 Suzuki et al.

Patente US 3,677,,795 7/1972 Bokros et al. US Patent 3,677,, 795 7/1972 Bokros et al.

Patente US 2,987,352 2,1958 Watson US Patent 2,987,352 2.1958 Watson

Patente US 4,671,824 6/1987 Haygarth US Patent 4,671,824 6/1987 Haygarth

Solicitud US S/N 09/381,217 presentada 11/1999 Hunter et al. Application US S / N 09 / 381,217 filed 11/1999 Hunter et al.

Hunter, G. et al., Mat. Res. Soc. Symp. Proc. 1999, 550, 337 Hunter, G. et al., Mat. Res. Soc. Symp. Proc. 1999, 550, 337

Claims (8)

REIVINDICACIONES 1. Una prótesis de articulación, que comprende: 1. A joint prosthesis, comprising: un cuerpo de prótesis formado de zirconio o aleación de zirconio que comprende una porción de implante para insertar en el tejido corporal del paciente, una superficie de soporte; y a prosthetic body formed of zirconium or zirconium alloy comprising an implant portion for inserting into the patient's body tissue, a support surface; Y una superficie de contra-soporte formada por zirconio o aleación de zirconio y adaptada para cooperar con la superficie de soporte, a counter-support surface formed by zirconium or zirconium alloy and adapted to cooperate with the support surface, donde la superficie de soporte y la superficie de contra-soporte tienen un recubrimiento delgado de zirconio oxidado azul-negro o negro. where the support surface and the counter-support surface have a thin blue-black or black oxidized zirconium coating.
2. 2.
La prótesis de la reivindicación 1, caracterizada porque el recubrimiento de zirconio oxidado sobre dicha superficie de soporte o dicha superficie de contra-soporte o ambas tiene un grosor de entre 1 a 20 micras. The prosthesis of claim 1, characterized in that the oxidized zirconium coating on said support surface or said counter-support surface or both has a thickness of between 1 to 20 microns.
3. 3.
La prótesis de la reivindicación 1, caracterizada porque el recubrimiento de zirconio oxidado sobre dicha superficie de soporte o dicha superficie de contra-soporte o ambas tiene un grosor de entre 1 a 5 micras. The prosthesis of claim 1, characterized in that the oxidized zirconium coating on said support surface or said counter-support surface or both has a thickness of between 1 to 5 microns.
4. Four.
La prótesis de la reivindicación 1, caracterizada porque la porción de implante del cuerpo de prótesis además comprende una estructura superficial irregular adaptada para acomodar un crecimiento interno de tejido sobre una porción del cuerpo de prótesis. The prosthesis of claim 1, characterized in that the implant portion of the prosthesis body further comprises an irregular surface structure adapted to accommodate an internal growth of tissue over a portion of the prosthesis body.
5. 5.
La prótesis de la reivindicación 4, caracterizada porque la estructura superficial irregular está formada de rebordes de zirconio o aleación de zirconio unidas a la superficie exterior del cuerpo de prótesis, donde al menos una porción de la superficie de los rebordes está oxidada a zirconio oxidado azul-negro o negro. The prosthesis of claim 4, characterized in that the irregular surface structure is formed of zirconium or zirconium alloy flanges attached to the outer surface of the prosthetic body, where at least a portion of the surface of the flanges is oxidized to blue oxidized zirconium -black or black.
6. 6.
La prótesis de la reivindicación 4, caracterizada porque la estructura superficial irregular está formada por una malla de cable de zirconio o aleación de zirconio conectada a la superficie exterior del cuerpo de prótesis, donde al menos una porción de la superficie de la malla está oxidada a zirconio oxidado azul-negro o negro. The prosthesis of claim 4, characterized in that the irregular surface structure is formed by a zirconium wire mesh or zirconium alloy mesh connected to the outer surface of the prosthetic body, where at least a portion of the mesh surface is oxidized to rusty zirconium blue-black or black.
7. 7.
La prótesis de cualquiera de las reivindicaciones 1-6, caracterizada porque la superficie de soporte es parte de un componente femoral que tiene al menos un cóndilo y caracterizada además porque la superficie de contra-soporte es parte de un componente tibial, estando adaptada la superficie de contra-soporte para cooperar con la superficie de soporte. The prosthesis of any of claims 1-6, characterized in that the support surface is part of a femoral component having at least one condyle and further characterized in that the counter-support surface is part of a tibial component, the surface being adapted of counter-support to cooperate with the support surface.
8. 8.
La prótesis de cualquiera de las reivindicaciones 1-6, caracterizada porque la superficie de soporte es parte de un componente femoral que tiene una porción de cabeza y caracterizada además porque la superficie de contra-soporte es parte de una superficie interna de una copa acetabular, estando adaptada dicha superficie interna para cooperar con la superficie de soporte en la porción de cabeza. The prosthesis of any of claims 1-6, characterized in that the support surface is part of a femoral component having a head portion and further characterized in that the counter-support surface is part of an internal surface of an acetabular cup, said internal surface being adapted to cooperate with the support surface in the head portion.
ES02737265T 2001-06-01 2002-05-31 PROTESTIC DEVICES THAT USE OXIDIZED ZIRCONY CONTACT SURFACES. Expired - Lifetime ES2363331T3 (en)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US29527201P 2001-06-01 2001-06-01
US295272P 2001-06-01
US912626 2001-07-24

Publications (1)

Publication Number Publication Date
ES2363331T3 true ES2363331T3 (en) 2011-08-01

Family

ID=44263140

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
ES02737265T Expired - Lifetime ES2363331T3 (en) 2001-06-01 2002-05-31 PROTESTIC DEVICES THAT USE OXIDIZED ZIRCONY CONTACT SURFACES.

Country Status (1)

Country Link
ES (1) ES2363331T3 (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6726725B2 (en) Prosthetic devices employing contacting oxidized zirconium surfaces
ES2227818T3 (en) OXIDATION PROCEDURE OF SURFACE ALLOYS SURFACES AND RESULTING PRODUCT.
US6652586B2 (en) Prosthetic devices employing oxidized zirconium and other abrasion resistant surfaces contacting surfaces of cross-linked polyethylene
US7182784B2 (en) Prosthetic devices employing oxidized zirconium and other abrasion resistant surfaces contacting surfaces of cross-linked polyethylene
Van Noort Titanium: the implant material of today
JP4719416B2 (en) Zirconium and zirconium alloy surface oxidation methods and resulting products
Aherwar et al. Current and future biocompatibility aspects of biomaterials for hip prosthesis.
ES2523433T3 (en) Surface oxidation method of zirconium and zirconium alloys and resulting product
US5152794A (en) Zirconium oxide and nitride coated prothesis for reduced microfretting
US5037438A (en) Zirconium oxide coated prosthesis for wear and corrosion resistance
AU2002316702A1 (en) Prosthetic devices employing oxidized zirconium surfaces contacting surfaces of cross-linked polyethylene
Gotman Biomechanical and tribological aspects of orthopaedic implants
ES2363331T3 (en) PROTESTIC DEVICES THAT USE OXIDIZED ZIRCONY CONTACT SURFACES.
Yao et al. Titanium and cobalt–chromium alloys for hips and knees
JP2005530584A (en) Prosthesis with diffusion hardened surface and bioceramic coating
Oshida Surface engineering and technology for biomedical implants
Rabiei Hip Prostheses
Moghanian et al. Bioinert Ceramics for Biomedical Applications
ES2882580T3 (en) Prosthesis component and procedure for its manufacture
Shukla et al. Bioactive surface coatings and its types
Rabiei Hip prosthesis
Gupta et al. Biomedical Implants: A Comprehensive Review of Selection Criteria and Considerations for Various Implant Materials
Poduval Current concepts review New bearing surfaces and interface options in hip arthroplasty SV Vaidya, M Poduval Department of Orthopaedics, King Edward VII Memorial Hospital, Mumbai