專利名稱：具有金剛石承重和接合面的人工關(guān)節(jié)部件的制作方法
I.發(fā)明背景A.發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明的各種實施例涉及多種成分和形狀的超硬表面和部件、制作這些超硬表面和部件的方法，以及制品，其中包括這些超硬表面和部件。這些制品包括醫(yī)療器材，如人工關(guān)節(jié)和其它器材。更具體地，本發(fā)明一些優(yōu)選的實施例涉及金剛石和多晶金剛石的支承表面以及包括金剛石和多晶金剛石支承表面的人工關(guān)節(jié)。本發(fā)明一些優(yōu)選的實施例利用多晶金剛石緊密件(“PDC”)提供人工關(guān)節(jié)的高強度、低摩擦、長時間耐磨和生物相容的支承表面。經(jīng)受磨損以及需要強度和持久性的任何支承表面，包括人工關(guān)節(jié)領(lǐng)域以外的支承表面，將從本發(fā)明的實施例中受益。
B.相關(guān)工藝的描述這一部分將討論與人工關(guān)節(jié)支承表面有關(guān)的工藝。人工關(guān)節(jié)置換在關(guān)節(jié)炎或變形關(guān)節(jié)的治療中已經(jīng)是被廣泛接受的成功醫(yī)療方法。每年都要進行許多的關(guān)節(jié)置換手術(shù)。人工髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)置換在這些手術(shù)中占有絕大多數(shù)，但是也能治療很多其它的關(guān)節(jié)，包括肩、肘、腕、踝和temparomandibular關(guān)節(jié)，但不限于此。另外，其它的關(guān)節(jié)，例如脊椎骨的椎間盤關(guān)節(jié)，通常不用人工關(guān)節(jié)置換，但如果在功能設(shè)計上有足夠耐用的材料可以使用，那么也應(yīng)采用這種治療來治愈患病狀態(tài)。
理想的全人工關(guān)節(jié)假體應(yīng)具有以下的特征靈活性、持久性和相容性。靈活性一種理想的全關(guān)節(jié)假體應(yīng)恢復(fù)正常的運動范圍，完成正常天然關(guān)節(jié)所有可能的動作，而不增加脫位的風(fēng)險。持久性關(guān)節(jié)的機械部分在執(zhí)行功能時不應(yīng)損壞或斷裂，植入物與受體骨骼的固定應(yīng)在受體生命持續(xù)期內(nèi)保持嚴(yán)格的完整性，而不需要對活動的強度或承重的大小作出超出對天然關(guān)節(jié)要求的限制。相容性假體材料和磨損后的產(chǎn)物應(yīng)該生物相容，而不應(yīng)該在受體內(nèi)出現(xiàn)有毒的、發(fā)炎的、免疫的或其它有害的反應(yīng)。目前，可以得到的設(shè)備在一個或多個明顯方面不能完全滿足這些標(biāo)準(zhǔn)。本發(fā)明的目的是根據(jù)滿足這些標(biāo)準(zhǔn)改進先前工藝。
一般地，存在兩種類型的人工關(guān)節(jié)接合的關(guān)節(jié)和柔性鉸鏈關(guān)節(jié)。接合的關(guān)節(jié)包括髖、膝、踝和其它關(guān)節(jié)。柔性鉸鏈關(guān)節(jié)包括硅橡膠和掌-指關(guān)節(jié)。過去，接合的關(guān)節(jié)通常包括與塑性表面(超高分子量聚乙烯)配對的硬表面(金屬或陶瓷)。其它關(guān)節(jié)還包括硬對硬的接合(金屬對金屬以及陶瓷對陶瓷)。接合的關(guān)節(jié)有過無數(shù)的設(shè)計，包括對球在窩中的設(shè)計的很多變化，例如髖和肩關(guān)節(jié)，以及對鉸鏈設(shè)計的很多變化，例如膝、肘或掌-指關(guān)節(jié)。在每種情況下，所設(shè)計的假體應(yīng)最大程度地恢復(fù)所影響關(guān)節(jié)的運動功能范圍和力學(xué)穩(wěn)定性。
作為先前工藝發(fā)現(xiàn)的問題的詳細(xì)例子，我們將對髖關(guān)節(jié)進行評述。髖關(guān)節(jié)包括凸球形的球(股骨頭)和凹的窩(關(guān)節(jié)窩)的接合。髖關(guān)節(jié)置換包括用新的關(guān)節(jié)支承表面置換受損的接合面。在髖臼一側(cè)，將半球形的杯放入病人受損的或磨壞的窩內(nèi)，并通過某些方法固定到病人的骨骼上。在股骨頭一側(cè)，假體置換包括與假體髖臼杯配合并接合的球形的球。球形的球可以是與病人自己的股骨頭匹配的表面更新件(稱之為“表面置換”)?；蛘吒Ｒ姷氖?，它包括連接在柄上的球，柄插入股骨管道中，將假體固定在病人股骨上。球和窩作為配對一起工作，工作方式與原有的髖關(guān)節(jié)相似，恢復(fù)部分范圍的直線和旋轉(zhuǎn)運動。
另外，可以僅是表面置換或提供一套球和柄，而不進行相應(yīng)的窩的半關(guān)節(jié)成形過程(下面描述)。對于全髖關(guān)節(jié)置換，最常用的裝置包括具有高密度超高分子量聚乙烯(UHMWPE)表面的金屬關(guān)節(jié)頭，但也可使用陶瓷(氧化鋁、部分穩(wěn)定氧化鋯)頭，與它們的金屬配對件相比既有優(yōu)點也有缺點。在世界其它地方的常規(guī)醫(yī)療方案中也使用金屬與金屬以及陶瓷與陶瓷的接合，而在美國僅是在研究基礎(chǔ)內(nèi)使用。
僅有一半髖關(guān)節(jié)的置換稱為半關(guān)節(jié)成形術(shù)。這一手術(shù)僅在關(guān)節(jié)的一個接合部分受損時使用，如股骨頭的缺血性壞死，或者是無法修復(fù)的髖關(guān)節(jié)破碎。受損部分用人工關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)換，所設(shè)計的人工關(guān)節(jié)與關(guān)節(jié)剩余的天然生物部分一起工作。這種手術(shù)與全關(guān)節(jié)置換有些不同，不同之處在于人造部分必須與解剖片段的輪廓匹配，并且必須能保持天然片段的功能。這包括具有足夠光滑的表面，將對天然接合面的磨損減小到最低程度，以及優(yōu)化表面材料的性能和輪廓，以保證關(guān)節(jié)流體流入關(guān)節(jié)腔內(nèi)。對于將磨擦減小到最低程度并保持生物接合面的營養(yǎng)和功能，滑液的流入非常關(guān)鍵。
人工關(guān)節(jié)植入物必須牢固地固定在受體的骨骼上，以完成恰當(dāng)?shù)墓δ?。上述固定的實現(xiàn)可以通過使用粘結(jié)劑完成固定，通常包括聚甲基丙烯酸酯粘結(jié)劑；或者通過生物固定技術(shù)，包括直接將骨質(zhì)結(jié)合到金屬或陶瓷固定表面上以及骨長入植入物表面的多孔表面；或者通過植入物與宿主骨間的機械壓配合。對于假體結(jié)構(gòu)的長期成功使用，保持和維護這種牢固固定是關(guān)鍵的。
當(dāng)相對于前面對理想人工關(guān)節(jié)提出的標(biāo)準(zhǔn)來評價先前技術(shù)時，我們發(fā)現(xiàn)與聚乙烯杯接合的金屬球不能產(chǎn)生最佳的結(jié)果。由于受植入物材料性能對植入物設(shè)計提出的形狀限制以及解剖學(xué)上的限制，人工髖關(guān)節(jié)與正常的天然配對關(guān)節(jié)相比，運動的安全范圍減小。聚乙烯支承在用過5到20年后會磨損嚴(yán)重，決定的因素有病人年齡、體重和活動水平。這種正常磨損產(chǎn)生的顆粒碎屑常常引起包圍和固定植入物的骨骼的發(fā)炎，產(chǎn)生對骨的嚴(yán)重侵蝕。這稱為“骨質(zhì)溶解”，這被證明是導(dǎo)致失敗和隨后的人工關(guān)節(jié)置換的最普遍原因。
正常的金屬與超高分子量聚乙烯(UHMWPE)人工關(guān)節(jié)的接合產(chǎn)生無數(shù)的亞微米級的聚乙烯磨屑。正是這種磨擦產(chǎn)生的碎屑的積累以及免疫系統(tǒng)對它的反應(yīng)造成發(fā)炎反應(yīng)，產(chǎn)生骨質(zhì)溶解。也是這種UHMWPE的連續(xù)磨損的積累效應(yīng)造成機械關(guān)節(jié)的磨壞和支承的失效。病人越年輕，活動量越大，植入物的預(yù)計功能期越短。這樣，那些需要植入物有最長持久性的病人，由于他們年輕，通常具有最短的持久性。
骨質(zhì)溶解能引起關(guān)鍵的植入物-骨固定的松散，導(dǎo)致植入物周圍骨斷裂機率的增大。部件的損壞和/或與植入物松散和/或假體周圍骨斷裂有關(guān)的假體周圍宿主骨的骨質(zhì)溶解，需要較大的外科手術(shù)取出失效的植入物，對損壞的骨重新整形，并用新的人工關(guān)節(jié)替換失效的人工關(guān)節(jié)。這種修復(fù)外科手術(shù)通常比最初的植入物的外科手術(shù)更加復(fù)雜，與初次人工關(guān)節(jié)置換相比增大了手術(shù)并發(fā)癥的可能性并且增大了植入物失效的機率。以后的失效需要更復(fù)雜的外科手術(shù)，更加增大了各個時期內(nèi)手術(shù)并發(fā)癥和早期植入物失效的機率。
為了降低脫位的風(fēng)險，人工髖關(guān)節(jié)的受體必須嚴(yán)格限制他們正常活動的運動范圍，對正常天然關(guān)節(jié)可能做到的很多日常動作加以限制。由于支承磨損和/或磨損碎屑引起的骨質(zhì)溶解的問題導(dǎo)致植入物的失效，因此為了降低支承磨損速率，與正常天然關(guān)節(jié)的日常活動相比，他們也必須限制他們的活動強度和活動的持續(xù)時間。
在努力降低脫位的風(fēng)險中，在受體的解剖學(xué)允許使用較大部件時嘗試使用較大直徑的支承。表面置換在這種方法的范圍內(nèi)，該方法使用大支承覆蓋病人自己殘留的股骨頭，并與較薄的UHMWPE髖臼部件接合。使用較大直徑支承在一定程度上增大了關(guān)節(jié)運動的安全范圍。但不幸的是，在金屬/UHMWPE支承對中，增大支承直徑導(dǎo)致碎屑產(chǎn)生的速率增大以及與此相關(guān)問題出現(xiàn)的可能性增大。在置換中，薄的UHMWPE特別容易出現(xiàn)快速磨損、骨質(zhì)溶解和失效。
先前工藝包括很多對通常的金屬球和聚乙烯杯接合的改良，以減少運動限制、磨損和與碎屑相關(guān)的骨質(zhì)溶解等問題。
在人工關(guān)節(jié)中，與先前工藝的金屬相比，陶瓷支承有一些優(yōu)點。陶瓷支承與金屬相比增大了潤濕性，得到更好的邊界層潤滑，并且陶瓷支承能抵抗關(guān)節(jié)正常磨損過程中在金屬頭中產(chǎn)生的磨損引起的劃痕。這兩個因素都有利于降低磨損和碎屑產(chǎn)生的速率，并且在實驗室和臨床研究中用陶瓷與UHMWPE配對都觀察到這一點。
不幸的是，陶瓷支承具有結(jié)構(gòu)脆性。這限制了在修復(fù)中所能安全使用的尺寸和頸長度，也限制了外科醫(yī)生在外科手術(shù)過程中完成最佳力學(xué)重建所能選擇的范圍。這種固有的材料脆性還能導(dǎo)致沖擊作用下植入物的突然斷裂，產(chǎn)生突發(fā)的和經(jīng)常性的植入物災(zāi)難性失效。陶瓷支承也受到與金屬-聚乙烯配對相似的形狀設(shè)計的限制，并且如果受體違反了對運動范圍的限制也很容易脫位。陶瓷材料性能的局限性使得不能制造表面置換支承。
最近，注意力轉(zhuǎn)到UHMWPE，研究提高這些支承件的壽命。大多數(shù)早期的努力是改變制造技術(shù)，例如髖和膝系統(tǒng)中的熱壓部件，以及修改材料結(jié)構(gòu)，例如加入碳纖維和使用熱等靜壓工藝增大結(jié)晶度，但在臨床或在玻璃性能方面的改善還沒有證明，而且實際上，常常表現(xiàn)出較差的耐磨特性。其它技術(shù)在有限的測量范圍內(nèi)提高了功能，例如注射成形部件。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)常見的用于制備UHMWPE移植部件的消毒技術(shù)對于材料的性質(zhì)及這種材料的耐磨特性具有非常不可預(yù)見的影響，在很多情況下造成加速磨損和過早失效。這個現(xiàn)象的研究，包括在聚乙烯鏈中化學(xué)交聯(lián)的產(chǎn)生，以及聚合物內(nèi)永久自由基的產(chǎn)生，已經(jīng)得出了消除此過程有害影響的進一步發(fā)明，同時可能利用實際提高聚乙烯耐磨性的潛在優(yōu)勢。這些最近的發(fā)展，在實驗室模擬研究中得出了令人鼓舞的結(jié)果，但對功能的改善尚未在大范圍的長期的臨床研究中得到證明。如果這些新的聚乙烯技術(shù)對功能的改善確實被證明，金屬與陶瓷配對支承的固有問題仍對長期的持久性有反作用。與金屬、陶瓷和金剛石鍵相比，UHMWPE(有機聚乙烯鍵)的拉伸、壓縮和剪切極限強度低。金剛石的耐磨性超過所有的其它材料。下面的表對比了多晶金剛石緊密件與一些其它材料的性能，這些材料可用于制造支承表面。表1金剛石與其它材料的對比
為了完全避免聚乙烯的潛在問題，也有研究者轉(zhuǎn)向研究陶瓷與陶瓷以及金屬與金屬的接觸表面。陶瓷與陶瓷的接合已經(jīng)證明能改善耐磨性并具有優(yōu)秀的生物相容性。但是，從陶瓷頭與聚乙烯一起使用看，陶瓷在材料性能方面具有內(nèi)在的局限，即脆性和斷裂。另外，當(dāng)具有足夠硬度(如另一種陶瓷碎片)的第三者磨擦顆粒進入關(guān)節(jié)時，就容易發(fā)展成災(zāi)難性的加速磨損。最終，陶瓷的材料性能局限性對材料提出了最小厚度的要求，從而不能應(yīng)用于要求得到有效范圍運動的較大支承的應(yīng)用或者像表面置換之類的應(yīng)用。
金屬與金屬的支承已經(jīng)證明能改善耐磨性。它們的材料性能使它們適于應(yīng)用于較大支承和表面置換，并有效滿足對增大運動的安全范圍和降低脫位風(fēng)險的要求。但是，所關(guān)心的仍是金屬-金屬支承對的磨損碎屑的特性。雖然與聚乙烯相比體積磨損相當(dāng)?shù)?，但顆粒尺寸非常細(xì)小，為40-100埃的數(shù)量級，因此與UHMWPE相比顆粒的總數(shù)量相當(dāng)大。這些磨擦顆粒包括鈷鉻鉬合金，具有非常大的表面積，將產(chǎn)生已經(jīng)證明是有毒的金屬離子的明顯釋放，具有長期致癌性的潛在可能性。這仍在長期臨床研究中，以證明這個問題的實際風(fēng)險性，但是已經(jīng)產(chǎn)生了與此相關(guān)的重要問題。如同陶瓷與陶瓷的接合，金屬與金屬的支承也容易受到第三者磨擦顆粒的加速磨損。
因此，先前工藝的失效和普遍的缺陷清楚地表明需要改善人工關(guān)節(jié)。本發(fā)明的各個實施例通過提供非常耐用的和高強度的人工關(guān)節(jié)解決先前工藝遺留的很多缺點，本發(fā)明的人工關(guān)節(jié)具有低摩擦系數(shù)，生物相容性，磨損很少或不磨損，并且在使用過程中不產(chǎn)生明顯數(shù)量的顆粒的特征。
III.發(fā)明概述本發(fā)明一些實施例的一個目的是提供一種人工關(guān)節(jié)植入物的部件，它具有增大的耐磨性和減小的摩擦系數(shù)，因此具有置換關(guān)節(jié)的最長壽命。本發(fā)明一些實施例的特征是使用各種類型的金剛石和超硬材料制作關(guān)節(jié)的支承表面，超硬材料包括具有非常高的耐磨性和非常低的摩擦系數(shù)的金剛石。為了達到本發(fā)明的目的，超硬材料是努氏硬度(Knoop hardness)至少為4000的材料。這包括金剛石(天然金剛石或人造金剛石)、立方氮化硼和密排六方(wurzitic)氮化硼。因此其優(yōu)點是在使用者的生存期內(nèi)關(guān)節(jié)不易磨壞，并且僅產(chǎn)生很少量的良性的磨擦顆粒。
本發(fā)明一些實施例的一個目的是提供一種人工關(guān)節(jié)，它在使用或磨擦過程中不產(chǎn)生明顯數(shù)量的碎屑或摩擦顆粒。本發(fā)明一些實施例的特征是多晶金剛石緊密件或其它超硬材料形成關(guān)節(jié)中的至少一個接合表面，得到低摩擦和耐長時間磨損的關(guān)節(jié)，在使用過程中產(chǎn)生很少或不產(chǎn)生碎屑或顆粒。因此本發(fā)明這些實施例的重要優(yōu)點在于減小了骨質(zhì)溶解的風(fēng)險。
本發(fā)明一些優(yōu)選實施例的另一個目的是使用人類已知的最硬的材料，即金剛石、立方氮化硼及其它超硬材料，使人工關(guān)節(jié)具有目前人類已知的最高的耐磨性。本發(fā)明一些優(yōu)選實施例的特征是使用多晶金剛石緊密件(“PDC”)作支承表面。為了達到這一目的，多晶金剛石緊密件包括固定在基體材料上的人造金剛石。多晶金剛石非常硬，拋光后在任何已知材料中具有最低的摩擦系數(shù)。因此本發(fā)明的優(yōu)點在于關(guān)節(jié)的壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過受體的壽命。多晶金剛石緊密件可以用不同方法制造，包括在壓機中高壓和高溫?zé)Y(jié)、化學(xué)氣相沉積、物理氣相沉積等等。
本發(fā)明一些實施例的另一個目的是提供一種關(guān)節(jié)部件，它完全生物相容。本發(fā)明一些實施例中使用的最優(yōu)選的材料是多晶金剛石緊密件，它有極高的生物相容性，僅產(chǎn)生最小的或可以忽略的免疫反應(yīng)或人體的其它攻擊。其優(yōu)點在于與先前的關(guān)節(jié)相比，本發(fā)明的關(guān)節(jié)對人體系統(tǒng)基本沒有破壞。
本發(fā)明一些實施例的另一個目的是提供一種關(guān)節(jié)空間內(nèi)的改進形狀，以便最佳地利用超硬材料，包括多晶金剛石緊密件。改進的形狀是用于限制應(yīng)力，包括殘余應(yīng)力和在使用過程中產(chǎn)生的應(yīng)力。由于所用材料具有非常硬和高強度的性質(zhì)，因此能優(yōu)化整個關(guān)節(jié)，應(yīng)用于特殊的假體應(yīng)用，而不是用新材料簡單復(fù)制已有的人工關(guān)節(jié)。
本發(fā)明一些實施例的另一個目的是提供一種具有改進的球和杯結(jié)構(gòu)的人工關(guān)節(jié)。本發(fā)明的人工髖關(guān)節(jié)由非常少的部件按非常簡單的設(shè)計制成，因此容易制造，可靠性高。球和杯的設(shè)計是在人體關(guān)節(jié)正常運動范圍內(nèi)使接合最大化，同時提供極高的耐磨性和使用壽命。
本發(fā)明一些實施例的另一個目的是提供一種球和杯類型的人工關(guān)節(jié)，它可以在沒有單獨外殼的情況下使用。本發(fā)明一些實施例提供的關(guān)節(jié)杯能固定在病人骨骼上而不需要單獨的外殼。
本發(fā)明一些實施例的另一個目的是提供一種人工關(guān)節(jié)，它綜合使用多晶金剛石緊密件支承表面和其它材料的配對支承表面。在本發(fā)明一些實施例中，配對支承表面是寬范圍材料中的任一種，包括先前工藝的UHMWPE，或者在半關(guān)節(jié)成形手術(shù)的情況下甚至是病人天然的軟骨。
本發(fā)明一些實施例的另一個目的是提供具有超硬支承表面的模塊化的人工關(guān)節(jié)組件。本發(fā)明一些實施例提供的模塊化人工關(guān)節(jié)組件能在外科手術(shù)時選擇和組裝，使人工關(guān)節(jié)系統(tǒng)的尺寸和角度取向與病人的天然關(guān)節(jié)非常接近?？梢蕴峁┖线m的超硬支承表面，例如多晶金剛石緊密件。
本發(fā)明一些實施例的另一個目的是提供在半關(guān)節(jié)成形手術(shù)中使用的假體支承表面。優(yōu)選的人工關(guān)節(jié)的接合表面支承材料如多晶金剛石的性質(zhì)應(yīng)允許在半關(guān)節(jié)成形手術(shù)中作為支承材料與天然軟骨接合。
本發(fā)明一些實施例的另一個目的是提供天然關(guān)節(jié)的置換襯墊或蓋。在本發(fā)明的一些實施例中，股骨頭或其它天然接合面被重修表面或使用本發(fā)明的襯墊重新更換，以實現(xiàn)骨的保留。
本發(fā)明一些實施例的另一個目的是提供多晶金剛石緊密件用作支承表面，在多晶金剛石緊密件的金剛石骨板與基體之間具有改善的緊固強度。在本發(fā)明的不同實施例中，為達到上述改善的緊固強度，基體上具有形貌特征。
本發(fā)明一些實施例的一個目的是提供能夠制造球形的、部分球形的和弓形的多晶金剛石緊密件的基體結(jié)構(gòu)。這里提供了多種達到此目的的基體結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明一些實施例的一個目的是提供非平面的多晶金剛石緊密件支承表面。本發(fā)明的不同實施例提供新型的非平面的支承表面并且優(yōu)選地由多晶金剛石緊密件制成。
本發(fā)明一些實施例的一個目的是提供制造非平面多晶金剛石緊密件支承表面的方法。所涉及的各種方法用于材料準(zhǔn)備和多晶金剛石緊密件的制造，生產(chǎn)非平面多晶金剛石緊密件支承表面，包括凹的和凸的球形支承表面，但不限于此。
本發(fā)明一些實施例的一個目的是提供粗成形的非平面多晶金剛石緊密件支承表面的方法。所涉及的新型加工技術(shù)能達到這種成形。
本發(fā)明一些實施例的一個目的是提供精拋光的非平面多晶金剛石緊密件支承表面的方法。所涉及的新型拋光技術(shù)能將多晶金剛石緊密件精拋光，達到低的摩擦系數(shù)。
本發(fā)明一些實施例的另一個目的是提供具有增強潤濕性的關(guān)節(jié)。使用金剛石支承表面達到這一目的。
上述本發(fā)明的目的、特征和優(yōu)點僅僅是例證和解釋，以使讀者開始意識到單獨使用本發(fā)明或者與其它技術(shù)結(jié)合所增添的優(yōu)勢。對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員，在閱讀說明書和權(quán)利要求書以及查看附圖后，將更清楚本發(fā)明其它的目的、特征和優(yōu)點。
IV.附圖的簡要說明

圖1是那些通常安裝在人體髖部中的先前工藝人工髖關(guān)節(jié)的側(cè)剖視圖；圖2A是根據(jù)本發(fā)明原理制作的人工髖關(guān)節(jié)的一個實施例的放大側(cè)剖視圖；圖2B-2G表示本發(fā)明人工髖關(guān)節(jié)的不同實施例；圖2H-2J表示本發(fā)明的各種髖臼；圖2K表示本發(fā)明的整體人工髖關(guān)節(jié)；圖2L-2N表示本發(fā)明人工髖關(guān)節(jié)的股骨部件；圖2O、2S、2T和2U表示本發(fā)明使用偏置得到可調(diào)節(jié)幾何形狀的人工髖關(guān)節(jié)；圖2P表示在半關(guān)節(jié)成形術(shù)過程中使用的本發(fā)明人工股骨頭組件；圖2Q表示本發(fā)明的人工髖關(guān)節(jié)，其中股骨部件是一件襯墊(liner)，用于更換天然股骨頭表面；圖2R表示半關(guān)節(jié)成形術(shù)過程，其中股骨部件是一件襯墊，用于更換天然股骨頭表面；圖2V是表示本發(fā)明的肩關(guān)節(jié)；圖2W表示本發(fā)明的肘關(guān)節(jié)；圖2X表示本發(fā)明的人工腕關(guān)節(jié)；圖2Y表示本發(fā)明的thrombomandibular關(guān)節(jié)；圖2Z表示本發(fā)明的椎間盤假體；圖2AA表示本發(fā)明的拇指或其它手指關(guān)節(jié)假體；圖2AB和2AC表示本發(fā)明的整體人工膝關(guān)節(jié)；圖2AD和2AE表示本發(fā)明單一部分的人工膝關(guān)節(jié)；圖2AF和2AG表示本發(fā)明人工膝關(guān)節(jié)的可滑動旋轉(zhuǎn)平臺；圖3A-3U表示本發(fā)明某些實施例所述的基體表面的形貌特征；圖4A表示金剛石原料與基體燒結(jié)制作多晶金剛石緊密件之前金剛石原料及鄰近的金屬合金基體；圖4B表示燒結(jié)的多晶金剛石緊密件，其中表示出了金剛石骨板、基體、及金剛石骨板與基體之間的過渡區(qū)；圖4BB表示燒結(jié)的多晶金剛石緊密件，其中從基體金屬到金剛石骨板是連續(xù)梯度過渡；圖4C表示在用CVD或PVD工藝在基體上形成金剛石之前的基體；圖4D表示用CVD或PVD工藝制作的金剛石緊密件；圖5A和5B表示用于制作球形或部分球形多晶金剛石緊密件的兩層基體；圖5C-5G表示用于制作具有連續(xù)和節(jié)段式支承表面的球形或部分球形多晶金剛石緊密件的另一種基體結(jié)構(gòu)；圖6A表示用于制作凸球形多晶金剛石緊密件的組件；圖6B和6C表示用于制作凹球形多晶金剛石緊密件的基體；圖7表示燒結(jié)之前用于填裝金剛石原料的裝置；
圖7A表示燒結(jié)之前從金剛石原料中脫除粘結(jié)劑的加熱周期；圖8和8A表示燒結(jié)之前用于減少金剛石原料中的空隙的預(yù)壓制組件；圖8B表示用于燒結(jié)金剛石的高溫/高壓六面頂壓制及傳遞壓力的加壓立方體的頂錘排列；圖9表示凸球形部件的EDM粗加工；圖10表示凹球形部件的EDM粗加工；圖11表示凸球形部件的研磨和拋光；圖12表示凹球形部件的研磨和拋光。
V.優(yōu)選實施例的詳細(xì)描述下面參考附圖描述本發(fā)明，并以人工髖關(guān)節(jié)為例討論本發(fā)明的各種要素。應(yīng)該理解的是，本發(fā)明的結(jié)構(gòu)和原理不僅能應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)的接合面，也能應(yīng)用于其它接合面，以及超硬材料和超硬部件的制作、成形和加工，使用超硬接合面和超硬部件的器械的制作、成形和加工。在設(shè)計人工關(guān)節(jié)和其它支承表面領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該理解的是，本發(fā)明的各個實施例及其原理還可應(yīng)用于除了這里列舉的例子以外的關(guān)節(jié)、支承表面和器械。
A.先前工藝的一個例子參看圖1，其中表示了一個已經(jīng)裝在病人體內(nèi)的先前工藝的人工髖關(guān)節(jié)101。人工髖關(guān)節(jié)101包括金屬或陶瓷球102，通過頸103連接到體104和柄105上。有多種方法可將柄105固定在股骨108的恰當(dāng)位置，包括使用粘合劑、靜壓配合、螺紋機構(gòu)和生物固定。
杯形髖臼106可用任何一種公知的技術(shù)錨固在骨盆107中，例如粘合、壓配合、使用螺絲、使用帶花紋的、突起的或螺紋的外表層、使用生物固定機構(gòu)或者綜合使用生物和機械固定。球102定位時使它的球形凸起承重表面110鄰近髖臼106凹下的承重表面112，從而使關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)，模擬天然髖關(guān)節(jié)的運動。如圖1所示，在髖臼106內(nèi)有一塊高分子量聚合物111a，以減小球102與臼106之間的摩擦，從而延長關(guān)節(jié)101的壽命。球102的外表面一般是指球的承重區(qū)或表面，因為此區(qū)域與髖臼106的承重表面112對接，使關(guān)節(jié)接合并旋轉(zhuǎn)。
這種人工關(guān)節(jié)的缺點已在上面作了描述。
B.本發(fā)明的支承接合面及相關(guān)結(jié)構(gòu)圖2A示出本發(fā)明的一個實施例。圖2A表示人工關(guān)節(jié)201及其各個組成部件。圖示的關(guān)節(jié)201包括球202或股骨頭、頸203、部分視圖中的體204和柄204a及臼205或關(guān)節(jié)杯。柄204插在股骨108的插孔中，優(yōu)選的是用骨水泥232或其它適當(dāng)?shù)墓潭ㄏ到y(tǒng)將其固定在股骨108中?？梢杂萌鐖D2I所示的一個鎖環(huán)將球保持在臼中。
根據(jù)本發(fā)明的原理，臼205和/或球202由耐用金屬制成。下面描述這類適用的材料。優(yōu)選的球和臼的組合，如圖所示，包括多晶金剛石緊密件的截平球202。多晶金剛石緊密件具有許多燒結(jié)在基體材料230中的多晶金剛石骨板207。臼205同樣是多晶金剛石緊密件，具有基體材料231，上面燒結(jié)有許多多晶金剛石骨板206。在這種組合中，球的支承或接合面209及臼的支承或接合面208是球形的并且在杯表面的范圍內(nèi)在三維方向上相互間能移動、滾動和滑動。優(yōu)選的，在人工關(guān)節(jié)中，為達到最大的支撐、強度和活動性，杯具有半球形承重和接合面(約180°)。
如同下面的更詳細(xì)描述，杯和球優(yōu)選地使用多晶金剛石緊密件形成接合面。在多晶金剛石緊密件中，金剛石骨板206和207是通過化學(xué)鍵結(jié)合和機械固定而固定在它們各自的基體230和231中，在制作過程中優(yōu)選使用高溫和高壓形成燒結(jié)的多晶金剛石(參見圖4A-D及相關(guān)文字)。金剛石骨板與基體之間的化學(xué)鍵結(jié)合是在燒結(jié)過程中通過未滿的sp3碳鍵與未滿的金屬鍵結(jié)合建立的。機械固定是通過基體與金剛石骨板的形狀、基體與金剛石骨板物理性質(zhì)的差異以及基體與金剛石骨板之間的梯度界面形成的。用得到的燒結(jié)多晶金剛石緊密件制作人工關(guān)節(jié)，非常堅硬、摩擦小、耐用、耐沖擊、生物相容以及壽命長。
金剛石骨板206和207優(yōu)選拋光成非常光滑像鏡面一樣，以達到非常低的摩擦系數(shù)。由于金剛石非常堅硬并且摩擦系數(shù)非常小，因此金剛石接觸表面間的磨擦幾乎可以忽略，關(guān)節(jié)的壽命非常長。而且由于堅硬，高的斷裂韌性以及通過拋光多晶金剛石緊密件達到的低摩擦系數(shù)，關(guān)節(jié)能承受非常大的沖擊而不損壞。多晶金剛石還具有高表面能的優(yōu)點，從而非常容易潤濕和潤滑，以降低磨擦速率和延長壽命。
雖然圖2A所示的人工髖關(guān)節(jié)同時使用了多晶金剛石緊密件股骨頭和多晶金剛石緊密件關(guān)節(jié)杯，但也可以使用這里描述的其它結(jié)構(gòu)中的本發(fā)明結(jié)構(gòu)。在一些關(guān)節(jié)中，下面材料中的任何一種都可以用于制作支承表面多晶金剛石、單晶金剛石、天然金剛石、物理氣相沉積金剛石、化學(xué)氣相沉積金剛石、金剛石類的碳、黑金剛石、立方氮化硼、六方氮化硼或者上述材料的組合、聚合物如超高分子量聚乙烯(UHMWPE)、交聯(lián)UHMWPE、聚醚醚酮、聚合物復(fù)合材料、聚氨酯、鈷、鉻、鈦、釩、不銹鋼、鈮、鋁、鎳、鉿、硅、鎢、鉬、鋁、鋯、鎳鈦合金(nitinol)、鈷鉻合金、鈷鉻鉬合金、鈷鉻鎢合金、碳化鎢、碳化鈦、碳化鉭、碳化鋯、碳化鉿、Ti6/4、碳化硅、碳化鉻、碳化釩、氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯、氧化鎂穩(wěn)定的氧化鋯、氧化鋯增韌的氧化鋁、鈦鉬鉿合金、包括一種或多種上述金屬的合金、陶瓷、石英、石榴石、藍(lán)寶石、這些材料的組合、這些材料與其它材料的組合，以及其它材料也可以用作支承表面。
但是，本發(fā)明優(yōu)選的制作球和杯耐磨表面的材料是燒結(jié)多晶金剛石緊密件，因為它有很高的性能。在目前已知的材料中，金剛石具有最高的硬度和最低的摩擦系數(shù)。優(yōu)選的燒結(jié)多晶金剛石緊密件具有化學(xué)和生物惰性，不被所有溶劑滲透，并在已知的任何材料中具有室溫下的最高熱導(dǎo)率。但是，也可以在制作活動關(guān)節(jié)時，用從上述列出的材料中選取材料制作其中一個支承表面或同時制作兩個支承表面，但選取的材料不是金剛石。
圖2B表示的人工髖關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)與圖2所示的相似，但有一些重要的差別。股骨頭202是多晶金剛石緊密件，它包括金剛石骨板207和基體230，金剛石骨板207通過機械和化學(xué)鍵結(jié)合固定在基體230中。但是，圖中的杯205是一種適當(dāng)?shù)呐鋵χС胁牧隙皇墙饎偸前?。?05的材料可以是上面提到的那些材料中的任何一種，作為適當(dāng)?shù)呐鋵χС胁牧?，如超硬材料、耐蝕金屬、陶瓷或聚合物材料。但是承重表面208必須是生物相容的和耐用的，并具有低的摩擦系數(shù)。
圖2C表示本發(fā)明的另一個實施例，其中杯205是如上所述的多晶金剛石緊密件。但是，球202不是多晶金剛石緊密件并且也不包括金剛石骨板。球202是任何一種前面所述的配對支承材料，但應(yīng)當(dāng)具有耐用的支承表面209，并且具有假體應(yīng)用的生物相容性以及低的摩擦系數(shù)。
圖2D表示本發(fā)明的另一個實施例，其中球202是適當(dāng)?shù)呐鋵Σ牧隙皇墙饎偸?，?05是沒有基體的純質(zhì)的多晶金剛石。這提供了適當(dāng)?shù)闹С斜砻?08，并避免了身體對杯基體材料的接受性或與杯基體材料反應(yīng)的問題。
圖2E表示本發(fā)明的另一個實施例，其中杯205是任何一種適當(dāng)?shù)呐鋵χС胁牧?，如那些上面提到的，?02是純質(zhì)的多晶金剛石。
圖2F表示本發(fā)明的另一個實施例，其中球202和杯205都是由純質(zhì)的多晶金剛石制成。這將完全避免任何身體對基體金屬接受性的問題，因為不存在任何金屬。純質(zhì)的多晶金剛石部件可按照后面所述的方法制作。
圖2G表示本發(fā)明的另一個實施例，其中杯205是由連續(xù)的或純質(zhì)的多晶金剛石(與固定在基體上的金剛石骨板相對)制成，并形成一個多孔區(qū)233，其中包括微孔、空腔、開口或通孔234。孔234可以使骨長入杯205中，從而利用骨結(jié)合作為固定機構(gòu)固定杯，或者聯(lián)合使用骨結(jié)合和其它固定機構(gòu)如壓配合?？?34是通過燒結(jié)之前在杯外層區(qū)域的金剛石原料中加入一些小珠或微球形成的。對于最佳的骨生長，孔的尺寸在125到300微米的范圍內(nèi)。一般的，希望孔的直徑為50到500微米。用于形成孔的小珠或微球包括六方氮化硼、立方氮化硼、鈷鉻合金、鎳及其它?？刹捎没瘜W(xué)或機械的方法將小珠或微球從多晶金剛石緊密件中去除，從而留下多孔表面適于生物固定。根據(jù)在形成杯的小孔時使用的小珠或微球，或者其它在關(guān)節(jié)制作過程使用的材料，必須在假體植入病人體內(nèi)之前從杯或假體組件中濾出有毒物質(zhì)。也可用同樣的方法制成多孔基體。圖示的球202也是純質(zhì)的多晶金剛石，但球中沒有小孔，因此不需要使骨長入球中。在本發(fā)明的另外的實施例中，任何的多晶金剛石緊密件也可制成小孔，用于生物固定。
圖2H表示本發(fā)明的關(guān)節(jié)杯組件。該組件包括外殼220和杯221。杯221優(yōu)選的是燒結(jié)多晶金剛石緊密件，包括基體222和金剛石層223。外殼220可以用不同的固定機構(gòu)固定在病人骨骼224上，如螺絲220a、螺栓和螺母的組合220b、銷釘220c或外殼220上的螺紋220d。粘結(jié)和壓配合也可用于將外殼固定到骨骼上。外殼也可以包括有紋路的、與骨配合的表面或者適當(dāng)?shù)耐繉?例如羥基磷灰石)，以促進骨長入，參見這里的其它描述。為了達到近似天然關(guān)節(jié)形狀，根據(jù)外科手術(shù)中所需的角度方向和偏置將關(guān)節(jié)杯固定在外殼中，如圖2H和2I所示，或者通過其它的方法。
圖2I表示本發(fā)明受約束關(guān)節(jié)杯的組件。此組件可以包括圖2H所示的杯、外殼和固定機構(gòu)。另外，組件包括保持環(huán)225。保持環(huán)225優(yōu)選的是環(huán)形的多晶金剛石緊密件，具有基體層226和金剛石骨板227。保持環(huán)225可以包括多個孔228，通過它用緊固件229將環(huán)225固定在外殼220上。環(huán)225將杯221保持在外殼中，并可防止球從杯中脫出。
圖2J表示本發(fā)明另一個關(guān)節(jié)杯組件。該組件包括多晶金剛石緊密件的杯239，其中包括燒結(jié)在基體241上的金剛石骨板240。在髖骨側(cè)面的杯上有特殊設(shè)計的骨配合表面242。為了幫助將杯239固定在髖骨上，骨配合表面可以包括多種結(jié)構(gòu)。骨配合表面242可以包括小孔，以促進骨在上面生長并長入其中。形成這些小孔可以使用鈦等離子噴涂或擴散結(jié)合小珠或網(wǎng)格、化學(xué)浸出、激光加工或者其它方法。骨配合表面242也可涂有磷灰石涂層，如羥基磷灰石，以促進骨骼生長。羥基磷灰石涂層薄并且結(jié)晶程度很高。在人體中緊靠磷灰石生成蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，開始骨的生長。骨配合表面242還可以包括小珠或其它的表面粗糙，例如在骨生長的表面做棱。表面粗糙使骨緊靠著表面生長，從而達到骨質(zhì)的結(jié)合。另外，骨配合表面242可以是多孔的金屬網(wǎng)，如醫(yī)療技術(shù)中公知，以促進骨生長。合適的金屬網(wǎng)是擴散結(jié)合在一起的多層鈦網(wǎng)，接著與人工杯的金屬擴散結(jié)合在一起。
在這種結(jié)構(gòu)中，在外科手術(shù)時可用壓配合、楔配合或者其它機械的或摩擦配合將人工關(guān)節(jié)固定在人體骨骼中。壓配合是通過在骨骼中開一個比植入假體略小的插孔實現(xiàn)的，接著將假體用力壓入插孔中并利用摩擦保持在其中，用于即時固定。另外，如同前面已經(jīng)討論的，可以用螺栓、螺絲、鉚釘或銷釘將人工關(guān)節(jié)固定在骨骼上。也可以使用適當(dāng)?shù)恼辰Y(jié)劑或骨水泥將人工關(guān)節(jié)固定在骨骼上。但是，遠(yuǎn)期的固定是通過骨長入骨配合表面242實現(xiàn)的或增強的。骨長入后將關(guān)節(jié)在使用過程中的微小移動減小到最低程度，從而為病人提供更加耐用的系統(tǒng)。當(dāng)使用磷灰石涂層時，骨的生長將直接錨固假體表面。
圖2K表示本發(fā)明的人工髖關(guān)節(jié)。它包括杯組件231和球組件232。球組件232包括柄232a，柄232a可以包括帶溝槽或棱的部分232b以及包括帶紋路或涂層的部分232c。球組件232還包括球232d，通過頸232e連接在柄232a上。球優(yōu)選地提供承重和接合面，其中至少一部分由多晶金剛石構(gòu)成，并且如果需要的話球可以是純質(zhì)的多晶金剛石。杯組件231包括外殼231a，通過機械緊固件231b、粘結(jié)或者壓配合的方法將其固定在骨骼上。外殼231a可以包括帶紋路的表面或者其外表面上的強化骨生長的涂層231c。關(guān)節(jié)杯231d裝在外殼中。關(guān)節(jié)杯231d如圖所示包括基體231e和多晶金剛石承重和接合面231f，用于提供與球232d的接合。
參看圖2L，表示了本發(fā)明人工髖關(guān)節(jié)的股骨部分。它包括連成整體的柄和體288，柄部分可以包括棱或溝槽289用于固定在骨骼上，體部分可以包括骨配合表面290。骨配合表面290可以是具有微小紋路或小孔的表面區(qū)域，具有棱、金屬網(wǎng)、肩突或其它適當(dāng)結(jié)構(gòu)的區(qū)域，如羥基磷灰石或其它磷灰石的涂層，或者任何其它能促進骨生長或骨固定的表面或特征。微小紋路、多孔表面、棱或肩突都是為了達到與人體骨骼的摩擦配合，從而使骨在其附近生長。對于多孔表面，為了將假體固定在骨骼上，希望在骨骼與表面之間易于形成骨質(zhì)結(jié)合。通過將小金屬珠、球或微球(例如金屬球或商用的純鈦或含90％鈦、6％鋁和4％釩的鈦合金)放在人工關(guān)節(jié)外表面能得到多孔表面。柄和體288包括安裝孔291，用于將股骨頭292安裝在上面。股骨頭292是多晶金剛石緊密件，包括基體和多晶金剛石支承表面。股骨頭292上的基體突起293是為了將股骨頭安裝到安裝孔中，例如通過焊接或機械固定。
參看圖2M，表示了在標(biāo)準(zhǔn)人工髖關(guān)節(jié)組件中使用的本發(fā)明實施例的例子。該組件包括拉長的柄253，它具有拉長的和圓滑的末端254，用于插入到股骨頭的中心骨髓腔中。在柄253的近端是增大的體254。凹下的插孔、插座或凹坑255在柄近端附近的增大的體中。插孔的方向偏離柄的縱軸。插孔255的結(jié)構(gòu)可夾住人工關(guān)節(jié)的相應(yīng)部分。如圖所示，為了與關(guān)節(jié)的頸256之間產(chǎn)生牢固和永久的錐形壓配合，插孔有橢圓形錐端。另外，插孔可以是螺紋的或具有其它能固定關(guān)節(jié)的其它部件形狀。頭與頸之間的固定可以通過單獨的自鎖錐端或通過其它適當(dāng)?shù)姆椒?，例如焊?包括惰性焊接)。
為了插入插孔255中，提供了頸256。頸256有用于固定柄的近端部分257、中間體部分258和用于固定股骨頭的末端部分259。近端部分257，如圖所示，有凸起的橢圓錐端，用于與柄253上的插孔255進行壓配合。如果插孔255有另外的固定機構(gòu)，如螺紋，頸256的近端部分257包括互補的固定結(jié)構(gòu)。如圖所示，為了與股骨頭261中的插孔、插座或凹坑260進行壓配合，頸256的末端259是截頭圓錐形。股骨頭261優(yōu)選的是多晶金剛石緊密件。頸的中間體部分258是圓柱形的或者其它形狀，其長度有多種規(guī)格。股骨頭261包括支承表面262，根據(jù)本發(fā)明的原理，是多晶金剛石的表面。
圖示的組件包括柄、柄插孔、頸和股骨頭，這對于制作標(biāo)準(zhǔn)的人工關(guān)節(jié)柄和股骨頭以適合大范圍的病人是有用的。這可通過提供具有不同長度和偏置角度的頸實現(xiàn)。使用具有適當(dāng)長度和偏置角度的頸可以使股骨頭相對于柄的取向達到所需的位置，從而近似天然股骨頭的位置。通常，頸近端或凸出的錐端相對于頸中間部分縱軸的偏置角度是可以變化的，從而提供適合更多病人的產(chǎn)品。由于人工關(guān)節(jié)的頸部包括小的偏置角度，實際上在人工關(guān)節(jié)中得到兩個不同幾何形狀。由于人工關(guān)節(jié)可達到任意的角度形狀，如果取下頸并按相差180度相位角重新安裝，就得到鏡像關(guān)系的形狀。
在圖2M中，示出了另一個頸和股骨頭組件263。在本發(fā)明的這個實施例中，多晶金剛石緊密件人工股骨頭264與從上面伸出的頸265固定在一起。頸265包括凸出的連接部分266，如圖所示具有橢圓形錐端，與柄253的插孔255壓配合。人工關(guān)節(jié)制造商提供的整體頭和頸部件263有不同的股骨頭直徑、不同的頸長度和不同的頸偏置角度，使外科醫(yī)生在手術(shù)中得到很好的適合病人的尺寸和形狀。人工關(guān)節(jié)各部件彼此之間的錐形配合可以用不同種類的錐形，如橢圓形、圓形及其它。
參看圖2N，表示本發(fā)明另一個實施例。在這個本發(fā)明的實施例中，提供了人工髖關(guān)節(jié)組件265。組件265包括用于插入股骨中心骨髓腔的柄266。柄266包括位于近端的螺紋267，用于固定體部分268。柄266的螺紋267可以與從體268的插孔270中插入的螺母269配合，從而將柄266固定在上面。體268包括第二插孔271，其軸線的取向與體的縱軸之間偏移一個角度。第二插孔271包括內(nèi)螺紋，與頸273的螺紋體連接端272配合。頸273的體連接端272與頸的中間部分274的取向相差一個偏置角度。頸273還包括與股骨頭276連接的股骨頭連接端275，例如通過股骨頭上的螺紋孔277連接。優(yōu)選的股骨頭，如圖所示，是多晶金剛石緊密件。柄266和體268可以包括適當(dāng)?shù)墓桥浜媳砻?，例如羥基磷灰石、多孔表面、高摩擦表面、絲網(wǎng)或者其它有助于將人工關(guān)節(jié)固定在骨中的特征。
圖2O表示本發(fā)明橢圓形錐端實現(xiàn)前、后偏置的俯視圖。第一人工關(guān)節(jié)組件278b中有插孔278a。第二人工關(guān)節(jié)組件278c有與插孔278a對應(yīng)的橢圓形錐端的突出278d。第二人工關(guān)節(jié)組件278c通過橢圓形錐端與第二人工關(guān)節(jié)278b連接。通過278e所示的安裝結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)中間位和前/后偏置。第二人工關(guān)節(jié)組件繞錐形突出278d的縱軸旋轉(zhuǎn)可以實現(xiàn)從后偏置278g變到前偏置278f。能實現(xiàn)此過程是因為第二關(guān)節(jié)組件的錐形突出278d從頸278h上伸出。錐形突出278d和頸278h分別有各自的縱軸。錐形突出278d裝在頸278h上時錐形突出278d和頸278h的縱軸之間的角度是除180度以外的角度。當(dāng)錐形突出裝入插孔時，安裝過程要使錐形突出相對于頸的取向角度達到所需的前偏置或后偏置。
圖2S、2T和2U表示使用本發(fā)明橢圓形錐端能達到的垂直偏置的側(cè)視圖，其中包括第一人工關(guān)節(jié)組件279a和第二人工關(guān)節(jié)組件279b。第一人工關(guān)節(jié)組件279a具有錐形插孔279c，如上所述，插孔具有縱軸。第二人工關(guān)節(jié)組件279b包括頸279e上的錐形突出279d。錐形突出279d和頸279e分別有各自的縱軸。第二人工關(guān)節(jié)組件279b安裝在第一人工關(guān)節(jié)組件279a的插孔279c中，使插孔279c、錐形突出279d和頸279e的縱軸同軸。這被認(rèn)為是沒有正或負(fù)垂直偏置的中間位，如圖2S所示。圖2T表示裝在插孔279c中的第二人工關(guān)節(jié)組件279b，頸279e的縱軸與插孔279c的縱軸之間有一偏置角度。在這種情況下，第二人工關(guān)節(jié)組件相對于第一人工關(guān)節(jié)組件是正的垂直偏置。圖2U表示裝在插孔279c中的第二人工關(guān)節(jié)組件279b，頸279e的縱軸與插孔279c的縱軸之間有一個與圖2T不同的偏置角度。在這種情況下，第二人工關(guān)節(jié)組件相對于第一人工關(guān)節(jié)組件是負(fù)的垂直偏置。
在某些情況下，僅需要用假體更換人體關(guān)節(jié)的一半，而繼續(xù)使用另一半天然關(guān)節(jié)與新植入的假體配合。這樣的例子是半關(guān)節(jié)成形術(shù)。參看圖2P，表示了本發(fā)明用于半關(guān)節(jié)成形術(shù)的一個實施例，其中表示了人工股骨頭組件243。也包括柄(未示出)，采用上述的各種固定方法固定在股骨中。所提供的頸與柄連接。股骨頭247安裝在頸246上。股骨頭是多晶金剛石緊密件，包括基體248和金剛石骨板249。
根據(jù)半關(guān)節(jié)成形術(shù)，股骨頭組件243裝入病人髖骨251的天然關(guān)節(jié)杯250中，股骨頭247的金剛石骨板249的承重表面與天然關(guān)節(jié)杯250的天然軟骨252之間是關(guān)節(jié)接合。唇緣244a和244b及杯狀缺口245沒有破壞。在有些情況下，為了避免用假體更換天然關(guān)節(jié)杯引起的創(chuàng)傷和愈合，半關(guān)節(jié)成形術(shù)是優(yōu)選的。半關(guān)節(jié)成形術(shù)所用的股骨頭可以是球形的，但優(yōu)選具有輕微的非球面。使用非球面頭促進滑液流入天然關(guān)節(jié)杯，同時起到潤滑和營養(yǎng)的作用。頭的非球面可以在頭的最終機加工、研磨和拋光過程完成，或者在制造過程中通過設(shè)計基體及金剛石原料的裝料和燒結(jié)達到。
參照圖2Q，表示使用本發(fā)明的另一個實施例更換股骨頭表面。如圖所示，病人的股骨頭已經(jīng)用假體更換了表面，也更換了病人的關(guān)節(jié)杯。更換表面能盡可能多地保留病人的天然骨，因為僅僅需要更換接合面和一些相鄰的骨。當(dāng)股骨頭表面更換時，更換的表面與天然關(guān)節(jié)杯或者與人工關(guān)節(jié)杯連接。更換表面的頭可以用任一適當(dāng)?shù)姆椒ü潭ㄔ诠巧?，例如骨水泥、生物固定、多孔表面、機械緊固件和其它方法。當(dāng)使用多孔表面固定時，使用多孔金屬基體，或者頭全部由多晶金剛石制成，多孔骨長入表面。如圖2Q所示，股骨頭的新表面是連續(xù)多晶金剛石，其中有小孔，以促進骨長入并形成生物固定。
在圖2Q中，病人的天然股骨頭2000已經(jīng)被外科醫(yī)生整形到適合于更換的形狀，例如截頭圓錐。人工股骨頭表面2001已經(jīng)放在截頭圓錐連接上。人工股骨頭表面2001是多晶金剛石緊密件，包括燒結(jié)在基體2001b上的金剛石骨板2001a?；w2001b中形成一個插孔2001c，適于插入成形的骨。金剛石骨板2001a作為關(guān)節(jié)和支承表面。
如圖所示，病人的天然髖骨2002已經(jīng)放入了人工關(guān)節(jié)杯2003。杯2003是多晶金剛石緊密件，包括燒結(jié)在基體2003a上的金剛石骨板2003b。金剛石骨板2003b和金剛石骨板2001a連接成關(guān)節(jié)，相互間滑動和滾動配合。如圖所示，杯2003裝在關(guān)節(jié)外殼2008中，外殼2008用緊固件如螺絲2004固定在骨2002上。外殼有內(nèi)部空腔，用于容納關(guān)節(jié)杯，并且用固定部件(未示出)將杯固定在外殼中。
圖2R表示另一個半關(guān)節(jié)成形術(shù)過程。天然股骨頭2000已經(jīng)被外科醫(yī)生整形到可安裝人工股骨頭襯套2005。在這種情況下，圖中的股骨頭襯套是連續(xù)多晶金剛石，其中有適當(dāng)?shù)牟蹇?007，插到整形的骨上。多晶金剛石2005形成承重和接合面，與病人髖骨2002上的天然軟骨2006組成關(guān)節(jié)連接。使用上述結(jié)構(gòu)，能最大程度地保留骨，使病人的創(chuàng)傷最小，得到最大的生物相容性。
圖2V-2Z和2AA-2AG表示本發(fā)明其它人工關(guān)節(jié)的實施例。
圖2V表示本發(fā)明的人工肩關(guān)節(jié)2020。圖中的特殊結(jié)構(gòu)是標(biāo)準(zhǔn)組件的關(guān)節(jié)，但是根據(jù)本發(fā)明也能制造非標(biāo)準(zhǔn)組件關(guān)節(jié)、雙角度、雙極或其它肩關(guān)節(jié)。肩關(guān)節(jié)2020包括肱骨柄2021，肱骨柄2021可以選擇性地包括溝槽或棱2022、涂層或紋路骨配合表面2023及其它特征。如圖所示，肱骨頭2024包括多晶金剛石緊密件，即基體2025和多晶金剛石承重和接合面2026。圖中所示的關(guān)節(jié)窩組件包括多晶金剛石緊密件，其中基體2029支持著多晶金剛石承重和接合面2028。
圖2W表示本發(fā)明未約束的肘關(guān)節(jié)2030。它包括肱骨部分2031、橈骨部分2032和尺骨部分2033。根據(jù)本發(fā)明這些部分可以由多晶金剛石緊密件或其它優(yōu)選的材料制成。如圖所示，肱骨部分2031、橈骨部分2032和尺骨部分2033中的每一種分別包括相應(yīng)的基體2031a、2032a和2033a以及金剛石承重和接合面2031b、2032b和2033c。約束的肘關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)組件的單個部件也可根據(jù)本發(fā)明制造。
圖2X表示本發(fā)明的腕關(guān)節(jié)2035。關(guān)節(jié)2035包括第一關(guān)節(jié)組件2036和第二關(guān)節(jié)組件2037。第一關(guān)節(jié)組件2036包括骨固定部分2036a，用于固定到病人的骨骼上。固定到骨上的固定部分2036a包括基體2036b和由多晶金剛石緊密件構(gòu)成的多晶金剛石承重和接合面2036c。第二關(guān)節(jié)組件2037包括骨固定部分2037a，用于固定到病人的骨骼上。固定到骨上的固定部分2037a包括基體2037b和由多晶金剛石緊密件構(gòu)成的多晶金剛石承重和接合面2037c。
圖2Y表示本發(fā)明的人工thorombomandibular關(guān)節(jié)。它包括岔枝部分2040和下頜部分2041。岔枝部分2040包括固定板2040a，用于固定到骨骼上。岔枝部分2041包括凹半月板，優(yōu)選的是多晶金剛石緊密件，包括基體2040b和多晶金剛石承重和接合面2040c。下頜部分2041包括固定板2041a，優(yōu)選的是多晶金剛石緊密件，包括基體(未示出)和上面的多晶金剛石骨板2041c。
圖2Z表示本發(fā)明椎間盤假體2050。椎間盤假體2050包括頂盤部分2051、底盤部分2052和盤心2053。頂盤部分2051和底盤部分2052優(yōu)選通過鋼索2054a和2054b或其它固定機構(gòu)保持在一起，以防止過分伸長和脫位。頂盤部分2051包括基本上凸的關(guān)節(jié)部分2051b。關(guān)節(jié)部分2051b包括多晶金剛石承重和接合面2051c，它是包括基體2051a的多晶金剛石緊密件制成的。底盤部分2052包括多晶金剛石承重和接合面2052c，它是包括基體2051a的多晶金剛石緊密件制成的。這兩個上凸的關(guān)節(jié)部分形成空腔2055，盤心2052位于其中。盤心2055使關(guān)節(jié)的頂盤和底盤部分相對滑動和滾動。圖中的盤心2053包括頂部凸接合面2053a和底部凸接合面2053b，它們優(yōu)選是多晶金剛石緊密件，包括多晶金剛石和基體2053c。
圖2AA表示在拇指和人體其它部分中的腕掌骨關(guān)節(jié)中使用的人工關(guān)節(jié)。關(guān)節(jié)2060包括第一關(guān)節(jié)組件2061，它包括骨固定部分如釘或銷2061a、基體2061b及形成承重和接合面的多晶金剛石骨板2061c。與第一關(guān)節(jié)組件2061相對的是第二關(guān)節(jié)組件2062。第二關(guān)節(jié)組件2062包括骨固定部分2062a、基體2062b及多晶金剛石骨板2062c，多晶金剛石骨板2062c形成承重和接合面，與2061c形成關(guān)節(jié)連接。
圖2AB和2AC表示用于全膝置換的本發(fā)明人工膝關(guān)節(jié)。關(guān)節(jié)包括脛骨組件2010、股骨組件2011和髕骨組件2012。優(yōu)選的，關(guān)節(jié)的每個承重和接合面由燒結(jié)多晶金剛石或本發(fā)明其它優(yōu)選材料制成。如圖所示，脛骨組件2010包括托盤2013，上面裝有支承和關(guān)節(jié)部分2014。托盤2013可以是基體，上面燒結(jié)有多晶金剛石緊密件作為支承和關(guān)節(jié)部分2014。另外，托盤2013也可以是先前工藝中的一般結(jié)構(gòu)，支承和關(guān)節(jié)部分2014是純質(zhì)的多晶金剛石，多晶金剛石緊密件包括基體和位于基體上的金剛石骨板，或者其它適合的承重和接合面材料。圖示的股骨組件2011包括位于基體2016上的承重和接合面2015，但是也可以是上述脛骨組件2010或其它部分的結(jié)構(gòu)。所提供的髕骨組件2012是多晶金剛石緊密件，包括金剛石骨板2017和基體2018或者上述的其它結(jié)構(gòu)。
圖2AD和2AE分別表示用于單件膝關(guān)節(jié)置換的人工關(guān)節(jié)的側(cè)視圖和主視圖。此關(guān)節(jié)用于治療單件膝關(guān)節(jié)部分的疾病，在此不需要全膝關(guān)節(jié)置換。關(guān)節(jié)2100包括具有多晶金剛石支承表面2102和基體2103的股骨組件2101。脛骨組件2104是一個帶有適當(dāng)形狀插槽或插孔2105的托盤，用于將支承插件2106插入其中。槽2105實現(xiàn)關(guān)節(jié)的前后滑動。支承插件2106包括與槽2105配合的突起2107。支承插件2106還包括基體2108，上面有多晶金剛石支承表面2109。
圖2AF和2AG分別表示本發(fā)明具有可滑動旋轉(zhuǎn)平臺的全膝關(guān)節(jié)2030的主視圖和側(cè)視圖。關(guān)節(jié)2030包括脛骨托盤2031，其中有一插孔2032用于插入旋轉(zhuǎn)平臺2033。旋轉(zhuǎn)平臺2033有突起2034，插入插孔2032中。旋轉(zhuǎn)平臺2033適應(yīng)膝關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)運動，如圖中的箭頭2035a和2035b所示?？苫瑒硬寮?036a和2036b插入旋轉(zhuǎn)平臺2033的適當(dāng)形狀的槽中，并且膝關(guān)節(jié)能前后滑動。可滑動插件2036a和2036b優(yōu)選包括基體2038a和2038b上的金剛石支承表面2037a和2037b。所提供的股骨組件2039也優(yōu)選包括基體2041上的金剛石支承表面2040。
用本發(fā)明實施例制造的上述各種關(guān)節(jié)和其它關(guān)節(jié)(包括踝關(guān)節(jié)、指(趾)間關(guān)節(jié)和其它關(guān)節(jié))可在約束的和不約束的結(jié)構(gòu)中使用。多件關(guān)節(jié)(如膝關(guān)節(jié))可用本發(fā)明單件人工關(guān)節(jié)解決。球和窩關(guān)節(jié)、鉸鏈?zhǔn)疥P(guān)節(jié)、滑動關(guān)節(jié)和其它關(guān)節(jié)可根據(jù)本發(fā)明制造。另外，所有人工關(guān)節(jié)的承重和接合面或它們?nèi)魏蔚牟考帽景l(fā)明的材料或結(jié)構(gòu)制成，或者按照本發(fā)明的方法制造。部分關(guān)節(jié)置換(例如半關(guān)節(jié)成形和單件膝關(guān)節(jié)置換)也可使用本發(fā)明的關(guān)節(jié)組件完成。除在這里圖示和討論的以外，還可根據(jù)本發(fā)明制造任何所需結(jié)構(gòu)的人工關(guān)節(jié)。無論關(guān)節(jié)是標(biāo)準(zhǔn)化的還是非標(biāo)準(zhǔn)化的，或者無論是整體關(guān)節(jié)還是單一關(guān)節(jié)部件或僅是接合面，都可使用本發(fā)明的原理制造。
C.優(yōu)選關(guān)節(jié)的尺寸和形狀在本發(fā)明優(yōu)選的髖關(guān)節(jié)中，球包括至少一部分的凸球體，窩包括至少一部分的凹球體。球和窩的球形部分，優(yōu)選具有相近的半徑，配合在一起時保證所需的公差。硬-硬支承表面的合適公差是本領(lǐng)域熟知人員公知的。在人工髖關(guān)節(jié)中需要杯和球的半徑非常接近，從而使流體流入實現(xiàn)潤滑。為了將接合面的應(yīng)力場減小到最低程度，也需要使用相近半徑的杯和球。在本發(fā)明的一些優(yōu)選實施例中，球和窩的球形部分的基球半徑從不到22mm到60mm以上。在人工關(guān)節(jié)中，除了支撐骨結(jié)構(gòu)外，為了得到最大范圍的運動和力學(xué)強度，需要最大可能地利用病人的解剖形狀。
在本發(fā)明的那些包括在一個接合面上使用金剛石骨板的實施例中，金剛石骨板的厚度通常為幾微米到3000微米或者更大。本發(fā)明某些實施例使用純質(zhì)的多晶金剛石件，例如純質(zhì)的多晶金剛石球或純質(zhì)的多晶金剛石窩。在這些情況下，金剛石骨板的尺寸等于部件的尺寸。
對于使用帶有基體的多晶金剛石緊密件的球和窩關(guān)節(jié)，為了易于制造，在本發(fā)明最優(yōu)選的實施例中多晶金剛石骨板的厚度從不到5微米到2毫米以上。其它金剛石接合面的厚度范圍從不到1微米到100微米以上，或者如上所述使用純質(zhì)的多晶金剛石組件。
球和杯都要接近制造和加工過程允許的球形。這將使球與杯間的接觸面積達到最大，從而分散接觸負(fù)荷并使關(guān)節(jié)壽命達到最大。為了接近天然關(guān)節(jié)的運動范圍，球至少有180度的接合表面在窩中旋轉(zhuǎn)也是優(yōu)選的。
在半關(guān)節(jié)成形中，為了促進滑液流入，為與支承表面配對的軟骨提供潤滑和營養(yǎng)，需要有小的非球面度。
在本發(fā)明的各種實施例中，所設(shè)計的部件支承表面的形狀和尺寸能滿足特殊應(yīng)用需求，并且與上面所述的不同。
E.在優(yōu)選關(guān)節(jié)中金剛石的固定1.金剛石-基體界面的性質(zhì)在先前工藝的人工關(guān)節(jié)中，聚乙烯接合面被粘結(jié)到杯上，或者機械固定到外殼上，如使用口緣、鎖環(huán)或翼片。另外的方法是，聚乙烯接合面在適當(dāng)金屬表面上注塑成形。先前工藝中沒有提供具有本發(fā)明金剛石骨板的接合面、燒結(jié)多晶金剛石緊密件或過渡區(qū)的人工關(guān)節(jié)。
與先前工藝的聚乙烯接合面的粘結(jié)或機械固定相比，在本發(fā)明優(yōu)選實施例中，多晶金剛石緊密件在接合面和基體材料之間具有獨特的化學(xué)鍵結(jié)合和機械夾持。
本發(fā)明一些優(yōu)選人工關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)將多晶金剛石緊密件用于股骨頭和/或關(guān)節(jié)杯中的至少一件。使用基體材料的多晶金剛石緊密件，基體材料與金剛石晶粒間是化學(xué)鍵結(jié)合。這種結(jié)構(gòu)的結(jié)果是在基體與金剛石骨板之間形成非常強的結(jié)合。
PDC的優(yōu)選制造方法將在下面描述。簡單地說，將金剛石晶體彼此之間及與基體之間在高壓和高溫下燒結(jié)在一起。圖4A和4B表示制造多晶金剛石緊密件所涉及的物理和化學(xué)過程。
在圖4A中，在燒結(jié)之前將金剛石原料430(例如金剛石粉或晶體)放在含有金屬的基體410上。在金剛石原料430區(qū)域中，可看出各個金剛石晶體431個體，各個金剛石晶體431之間是初始孔隙432。如果需要的話，在初始孔隙432中放入溶劑觸媒金屬。
基體410是合適的純金屬或合金，或者含有合適金屬或合金作為粘結(jié)相的硬質(zhì)合金，如鈷粘結(jié)的碳化鎢。優(yōu)選的基體是具有高拉伸強度的金屬。在本發(fā)明優(yōu)選的鈷鉻合金基體中，鈷鉻合金作為溶劑觸媒金屬，在燒結(jié)過程中溶解金剛石晶體。
圖中示出了各個金剛石晶體以及金屬基體中與其鄰接的金屬晶粒。金剛石粉與基體材料間的界面420是臨界區(qū)，在這里產(chǎn)生金剛石與基體的結(jié)合。在本發(fā)明的一些實施例中，將與金剛石和基體不同的第三材料邊界層置于界面420。當(dāng)存在這種界面邊界層材料時，可起到幾個作用，包括增強金剛石骨板與基體的結(jié)合以及緩解金剛石-基體界面的殘余應(yīng)力場，但并不局限于此。
一旦金剛石粉或晶體與基體組裝成如圖4A所示的組件，此組件經(jīng)受如后面所述的高壓和高溫處理，使金剛石晶體與金剛石晶體以及與基體之間產(chǎn)生結(jié)合，得到的燒結(jié)多晶金剛石骨板結(jié)合在基體中的結(jié)構(gòu)稱為多晶金剛石緊密件(PDC)。作為這里使用的術(shù)語，復(fù)合片是兩種不同材料的復(fù)合結(jié)構(gòu)，例如金剛石單晶和基體金屬。將立方氮化硼晶體在燒結(jié)過程中取代金剛石晶體得到的相似結(jié)構(gòu)稱為立方氮化硼多晶復(fù)合片(PCBNC)。這里描述的用于制造和加工PDC結(jié)構(gòu)和部件的許多工藝都可以以相似的方式應(yīng)用于PCBNC。在本發(fā)明的一些實施例中，PCBNC可替代PDC。
圖4B表示了將金剛石原料與基體高壓和高溫?zé)Y(jié)后的多晶金剛石緊密件401。在PDC結(jié)構(gòu)中，有一定數(shù)量的基體402、一定數(shù)量的金剛石骨板403和金剛石骨板與基體之間的過渡區(qū)404，過渡區(qū)404含有金剛石晶體和基體材料。圖中示出了基體材料的晶粒405和金剛石燒結(jié)晶粒406。
在臨時檢驗中，圖4B所示的制造的復(fù)合片包括在基體402上結(jié)合的純質(zhì)的金剛石骨板403，其邊界不連續(xù)。但在非常仔細(xì)的檢驗中，能看到金剛石骨板403和基體402之間的過渡區(qū)404。這個區(qū)域代表金剛石骨板與基體之間的梯度界面，其中金剛石含量與金屬含量之比是逐漸過渡的。在過渡區(qū)基體一側(cè)，僅有很小百分含量的金剛石晶體，和高百分含量的基體金屬；在金剛石骨板一側(cè)，有高百分含量的金剛石晶體和低百分含量的基體金屬。由于多晶金剛石與基體金屬的比例在過渡區(qū)是逐漸過渡的，金剛石骨板和基體之間出現(xiàn)梯度界面。
在過渡區(qū)中金剛石晶體和基體金屬混合的位置，金剛石與金屬之間形成化學(xué)鍵結(jié)合。從過渡區(qū)404到金剛石骨板403，金屬含量減少，僅限于溶劑觸媒金屬，填充在燒結(jié)金剛石骨板結(jié)構(gòu)403中像脈絡(luò)一樣三維結(jié)構(gòu)的孔隙或開孔407。在孔隙或開孔407中的溶劑觸媒金屬在燒結(jié)過程中從基體中掃越，或者是在燒結(jié)之前將溶劑觸媒金屬加入到金剛石原料中。
在燒結(jié)過程中，形成三種類型的化學(xué)鍵結(jié)合金剛石與金剛石鍵、金剛石與金屬鍵以及金屬與金屬鍵。在金剛石骨板中，當(dāng)金剛石顆粒部分溶解在溶劑觸媒金屬中并隨后結(jié)合在一起時形成金剛石與金剛石鍵結(jié)合(sp3碳鍵)。在基體和在金剛石骨板中，高壓和高溫?zé)Y(jié)過程形成金屬與金屬鍵結(jié)合。并且在梯度過渡區(qū)，金剛石與溶劑觸媒金屬間形成金剛石與金屬鍵結(jié)合。
上述不同化學(xué)鍵結(jié)合的組合以及金剛石骨板中溶劑觸媒金屬產(chǎn)生的機械夾持，例如在金剛石結(jié)構(gòu)的間隙空間中的溶劑觸媒金屬，在金剛石骨板與基體間形成非常高的結(jié)合強度。金剛石結(jié)構(gòu)中存在間隙空間，這些空間通常填充溶劑觸媒金屬，形成多晶金剛石結(jié)構(gòu)中的脈絡(luò)結(jié)構(gòu)的溶劑觸媒金屬。此結(jié)合結(jié)構(gòu)為金剛石復(fù)合片提供了非常高的斷裂韌性，因為金剛石骨板中的脈絡(luò)結(jié)構(gòu)的金屬起到能量阱作用，阻止金剛石結(jié)構(gòu)中初始裂紋的擴展。過渡區(qū)和金屬脈絡(luò)結(jié)構(gòu)為金剛石復(fù)合片提供了介于金剛石骨板性能和基體材料性能之間的梯度材料性能，并且也提供了非常高的韌性。根據(jù)其特征，過渡區(qū)也可稱為界面、梯度過渡區(qū)、成分梯度區(qū)或者成分梯度。過渡區(qū)將金剛石/基體應(yīng)力分散到整個厚度的區(qū)域上，減小了高應(yīng)力的明顯線性界面。當(dāng)高壓和高溫?zé)Y(jié)過程結(jié)束時由于壓力的差別及金剛石和基體材料的熱膨脹性能差別，隨壓力和溫度的下降產(chǎn)生了殘余應(yīng)力。
金剛石燒結(jié)過程在非常高的壓力和溫度的條件下出現(xiàn)。根據(jù)本發(fā)明者的最佳實驗和理論分析，金剛石燒結(jié)過程通過以下的順序步驟進行。在壓力下，將含有未結(jié)合的金剛石粉或晶體(金剛石原料)和基體原料的腔室加熱到基體金屬410的熔點以上，熔融金屬流入相鄰金剛石晶體406之間的間隙空間407。這個過程是通過壓力梯度填充孔隙以及通過高表面積的金剛石晶體406的表面能或毛細(xì)管作用吸入的。隨著溫度的繼續(xù)升高，金剛石晶體表面的碳原子溶解到初始的熔融金屬中，形成碳溶液。
在適當(dāng)?shù)臏囟群蛪毫ο拢饎偸蔀樘纪禺愋误w中的熱力學(xué)穩(wěn)定晶體。當(dāng)溶液相對于Cd(金剛石碳)變成過飽和時，碳開始從溶液中以金剛石形式結(jié)晶在金剛石晶體的表面，用金剛石-金剛石鍵結(jié)合方式將相鄰的金剛石結(jié)合在一起成為燒結(jié)多晶金剛石結(jié)構(gòu)406。在毛細(xì)管力和壓制驅(qū)動力的作用下，間隙金屬填充在剩余的空隙中，在金剛石骨板中形成脈絡(luò)狀的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)407。由于在多晶金剛石結(jié)構(gòu)形成的金剛石結(jié)晶過程中間隙金屬在形成碳原子溶液和穩(wěn)定這些反應(yīng)原子方面起到重要作用，因此金屬被稱為溶劑觸媒金屬。
圖4BB表示同時具有基體金屬480和金剛石481的多晶金剛石緊密件，但其中在基體金屬到金剛石之間有連續(xù)梯度過渡482。在這樣的復(fù)合片中，梯度過渡區(qū)可以是整個復(fù)合片。
在本發(fā)明的一些實施例中，在燒結(jié)之前將一定量的溶劑觸媒金屬與金剛石混合。當(dāng)形成厚的PCD片，連續(xù)PDC結(jié)構(gòu)時，或者當(dāng)使用金剛石粉中沒有殘余自由空間的多級細(xì)金剛石時，這是必須做的。在每種情況下，通過掃越機制進入的溶劑觸媒金屬不足以充分起到燒結(jié)過程中的溶劑觸媒的作用。金屬的加入可以通過直接加入金屬粉，或者通過在研磨粉碎機中原位產(chǎn)生金屬粉或借助公知的還原沉積在金剛石晶體上的金屬鹽的方法實現(xiàn)。所加入金屬的數(shù)量在小于1％(重量百分?jǐn)?shù))到大于35％之間。所加入的金屬可以是相同的金屬或合金，或者是不同的金屬或合金，根據(jù)它的材料和力學(xué)性能選擇。燒結(jié)之前金剛石原料與溶劑觸媒金屬的比例包括70∶30、85∶15、90∶10、95∶15。金剛石原料中的金屬可以是加入的粉末金屬、通過研磨方法加入的金屬、氣相沉積或化學(xué)還原的金屬粉。
當(dāng)金剛石燒結(jié)在基體上帶有界面邊界層時，基體中沒有溶劑觸媒金屬掃越金剛石骨板并參與燒結(jié)過程。在這種情況下，邊界層材料，如果包括能作為溶劑觸媒金屬的金屬或合金的合適材料，就能作為在金剛石燒結(jié)過程中起觸媒作用的掃越材料。在所需的邊界層材料不能作為溶劑觸媒的其它情況下，如上所述，就需要在金剛石原料中加入適當(dāng)?shù)纳鲜鋈軇┯|媒金屬。接著再進行燒結(jié)過程。在沒有基體金屬來源的情況下，金剛石燒結(jié)過程的溶劑觸媒金屬必須全部由加入的金屬粉提供。邊界材料與基體材料間形成化學(xué)結(jié)合，并與金剛石骨板和/或與金剛石骨板中加入的溶劑觸媒金屬間形成化學(xué)結(jié)合。燒結(jié)和制作過程的其它步驟與傳統(tǒng)溶劑觸媒金屬的燒結(jié)和制作過程相同。
為了在本發(fā)明中簡單和清楚地表述，基體、過渡區(qū)和金剛石骨板作為不同的層進行討論。但是，認(rèn)識到下面這一點是非常重要的，即最終的燒結(jié)體是從基體材料到金剛石骨板的連續(xù)梯度過渡復(fù)合結(jié)構(gòu)，而不具有清楚和明確邊界，因此這里稱為“復(fù)合片”。
除了上述的燒結(jié)過程外，適于作為支承應(yīng)用于全髖關(guān)節(jié)的金剛石部件也可以制作成沒有基體的純質(zhì)的多晶金剛石結(jié)構(gòu)。其制作過程是將金剛石粉與適當(dāng)數(shù)量的上述所加入的溶劑觸媒金屬粉混合在一起放入形狀為最終部件所需形狀的難熔金屬罐中(通常為Ta，Nb，Zr或Mo)，接著進行燒結(jié)過程。但是，在沒有基體金屬來源的情況下，金剛石燒結(jié)過程的溶劑觸媒金屬必須全部由所加入的金屬粉提供。經(jīng)過適當(dāng)加工，得到可以使用的物體，或者與金屬基體結(jié)合作為全關(guān)節(jié)連接使用。
燒結(jié)是得到金剛石骨板與基體材料之間高強度和持久結(jié)合的優(yōu)選方法，但也可以使用其它的方法將金剛石骨板與基體結(jié)合。目前，這些方法通常沒有燒結(jié)過程得到的結(jié)合的強度高和持久。也可以使用這些方法直接在基體上形成將金剛石結(jié)構(gòu)，應(yīng)用于人工關(guān)節(jié)支承。具有或不具有基體的金剛石骨板都可以制造并隨后安裝到人工關(guān)節(jié)上形成支承表面的位置上。安裝過程以任何適當(dāng)?shù)姆椒ㄟM行，包括焊接、銅焊、燒結(jié)、擴散焊接、擴散結(jié)合、惰性焊接、粘結(jié)或使用緊固件，如螺絲、螺栓或鉚釘。在將沒有基體的金剛石骨板固定到其它物體上時，使用以下的方法是最合適的銅焊、擴散焊接/結(jié)合或惰性焊接。
2.制作金剛石支承表面的另一種方法盡管高壓/高溫?zé)Y(jié)是制作金剛石支承表面的優(yōu)選方法，但也可以使用其它生產(chǎn)金剛石的方法。例如，可以使用化學(xué)氣相沉積(CVD)或物理氣相沉積(PVD)工藝。CVD產(chǎn)生金剛石層是通過熱分解有機物分子并在基體上沉積碳基實現(xiàn)的。PVD產(chǎn)生金剛石層是通過電子從源物質(zhì)中激發(fā)出碳基并在基體上沉積，在基體上形成金剛石晶體結(jié)構(gòu)。
與燒結(jié)相比，CVD和PVD工藝有一些優(yōu)點。燒結(jié)是在大型的昂貴的壓機中在高壓(如45-68千巴)和高溫(如1200-1500℃)下進行的。由于高壓介質(zhì)的流動及基體材料可能變形，因此使用燒結(jié)工藝難以達到并保持所需的部件形狀。
相比之下，CVD和PVD是在大氣壓或低于大氣壓下進行的，因此不需要壓力介質(zhì)，基體不發(fā)生變形。
燒結(jié)工藝的另一缺點是難以得到某些形狀的燒結(jié)多晶金剛石緊密件。但是，當(dāng)使用CVD和PVD時，用于碳基沉積的氣相能完全滿足待涂層物體的形狀，容易得到所需的非平面形狀。
燒結(jié)多晶金剛石緊密件另一個潛在的缺點是，由于金剛石和基體間的熱膨脹系數(shù)和彈性模量的差別，加工后的部件有較大的殘余應(yīng)力。雖然殘余應(yīng)力可用于提高部件的強度，但也是缺點。當(dāng)使用CVD和PVD時，殘余應(yīng)力被降低到最低程度，因為CVD和PVD工藝在制作過程中沒有顯著的壓力過渡(例如在高壓和高溫?zé)Y(jié)過程中從68千巴到大氣壓)。
燒結(jié)多晶金剛石緊密件的另一個潛在的缺點是適合于燒結(jié)的基體很少。在先前工藝中，通常所用的基體是碳化鎢。在本發(fā)明中，非平面的部件用其它方法制作。但使用CVD和PVD時，人造金剛石可以沉積在很多基體上，包括鈦、多數(shù)碳化物、硅、鉬及其它。這是因為CVD和PVD涂層過程的壓力和溫度足夠低，以致于金剛石與基體間熱膨脹系數(shù)和彈性模量的差別不象高溫和高壓燒結(jié)過程中的那樣關(guān)鍵。
燒結(jié)多晶金剛石緊密件的另一個困難是隨著制作部件尺寸的增大，壓機壓力也將增大。燒結(jié)金剛石僅能在確定的壓力和溫度下發(fā)生，如上面所述的條件。為了制造大尺寸的燒結(jié)多晶金剛石緊密件，必須增大壓機的壓力(噸位)及工具的尺寸(如模具和頂錘)以達到燒結(jié)金剛石所需的壓力。但是與非常簡單的增大部件尺寸相比，增大壓機的尺寸和壓力難得多。由于生產(chǎn)壓機工具的制造工藝限制，實際上壓機的尺寸有一個尺寸限制。
壓機的工具通常是由碳化鎢硬質(zhì)合金制造的。為了制造工具，在真空爐中燒結(jié)碳化鎢硬質(zhì)合金，然后再在熱等靜壓(HIP)裝置中處理。為了保證均勻的物理性質(zhì)，熱等靜壓處理時需在整個碳化鎢上保持均勻的溫度。這一要求提出了對工具尺寸的限制，制造的工具是在燒結(jié)多晶金剛石緊密件中壓機所使用的。對所制造的工具尺寸的限制也限制了所生產(chǎn)的壓機尺寸。
CVD和PVD制造設(shè)備的尺寸規(guī)模限制很少，從而使它們可以生產(chǎn)出幾乎任何所需尺寸的多晶金剛石緊密件。
CVD和PVD工藝的優(yōu)點還在于，它們能精確控制基體上的金剛石涂層的厚度和均勻性。溫度調(diào)節(jié)在500℃到1000℃的范圍內(nèi)，壓力調(diào)節(jié)在小于1大氣壓的范圍內(nèi)，即可得到所需的金剛石涂層厚度。
CVD和PVD工藝的另一個優(yōu)點在于，可以監(jiān)測制作過程的進行。CVD和PVD反應(yīng)器在部件制作結(jié)束之前能打開，以確定部件上金剛石涂層的厚度和質(zhì)量。從已經(jīng)沉積的金剛石涂層厚度上能計算制作過程的結(jié)束時間。另外，如果涂層達不到所需的質(zhì)量，為了節(jié)約時間和成本可以放棄制作過程。
相比之下，燒結(jié)多晶金剛石緊密件是一個不中斷的批量過程，燒結(jié)進程也不能監(jiān)測。生產(chǎn)過程完全結(jié)束后才能檢測部件。
CVD是在一個稱為反應(yīng)器的裝置中進行?；镜腃VD反應(yīng)器包括四個部分。反應(yīng)器的第一部分是一個或多個氣體入口。氣體入口的選擇是根據(jù)氣體是否在進入反應(yīng)室之前預(yù)混合或者氣體是否在反應(yīng)室中首先混合。反應(yīng)器的第二部分是一個或多個產(chǎn)生熱量的能量源。一個能量源需要加熱反應(yīng)室中的氣體。第二能量源用于均勻加熱基體材料，從而在基體上獲得均勻的金剛石涂層。反應(yīng)器的第三部分是一個用于放置基體的平臺。在CVD過程中基體被涂上金剛石。所用的平臺包括固定平臺、平移平臺、旋轉(zhuǎn)平臺和振動平臺。為了得到所需的金剛石涂層質(zhì)量和均勻性，必須選擇合適的平臺。反應(yīng)器的第四部分是從反應(yīng)室排出廢氣的出口。氣體與基體反應(yīng)后必須盡快從反應(yīng)室中排出，使其不能參與其它反應(yīng)，破壞金剛石涂層的質(zhì)量。
CVD反應(yīng)器是根據(jù)所用的能量源分類的。所選能量源的種類必須能進行金剛石薄膜的沉積。這些CVD反應(yīng)器的類型包括等離子輔助微波，熱絲，電子束，單、雙或多束激光束，電弧和直流放電。這些反應(yīng)器的不同之處在于，它們將熱量傳遞給氣體的方式以及將氣體分解成沉積金剛石所需物質(zhì)的效率。也可以用一個陣列的激光束在高壓腔內(nèi)進行局部加熱?？梢赃x擇一個陣列的光纖用于將光導(dǎo)入腔內(nèi)。
CVD反應(yīng)器工作的基本過程如下將基體放入反應(yīng)器的反應(yīng)室內(nèi)，通過一個或多個入口將反應(yīng)物引入反應(yīng)室。對于金剛石CVD，優(yōu)選的甲烷(CH4)和氫氣(H2)以預(yù)混合的形式輸入反應(yīng)室。除了甲烷外，也可使用其它任何碳中有sp3鍵的含碳?xì)怏w。為了控制金剛石膜的質(zhì)量、沉積溫度、獲得的結(jié)構(gòu)和生長速率，在氣流中還加入其它氣體。這些氣體包括氧氣、二氧化碳、氬氣、鹵素及其它。
優(yōu)選的，反應(yīng)室內(nèi)的壓力保持在100托。優(yōu)選的氣體流過反應(yīng)室的流動速率為甲烷每分鐘10標(biāo)準(zhǔn)立方厘米，氫氣每分鐘100標(biāo)準(zhǔn)立方厘米。優(yōu)選的反應(yīng)室內(nèi)的氣相組成為90-99.5％氫氣和0.5-10％甲烷。
當(dāng)氣體進入反應(yīng)室時，它們被加熱。加熱有很多種方法。在等離子輔助的工藝中，氣體在通過等離子體時被加熱。另外，氣體可以在通過一系列絲時被加熱，例如那些在熱絲反應(yīng)器中的絲。
加熱甲烷和氫氣將使它們分解成不同的自由基。通過復(fù)雜的反應(yīng)，碳沉積在基體和關(guān)節(jié)上形成以sp3鍵結(jié)合的金剛石晶體。反應(yīng)室中的原子氫與達到基體表面上甲基中氫原子反應(yīng)并將之去除，形成分子氫，留下清潔的表面用于進一步沉積自由基。
如果基體表面促進sp2碳鍵的形成，或者如果氣體組成、流動速率、基體溫度或其它變量出現(xiàn)錯誤，石墨而不是金剛石將在基體上生長。
CVD反應(yīng)器和工藝與PVD反應(yīng)器和工藝之間有很多相似之處。PVD反應(yīng)器與CVD反應(yīng)器的不同之處在于它們產(chǎn)生的沉積物種類和沉積物的特性。在PVD反應(yīng)器中，平板源物質(zhì)用作熱源，而不像CVD反應(yīng)器中有單獨的熱源。為了從源物質(zhì)中產(chǎn)生并發(fā)出碳自由基，PVD反應(yīng)器穿過平板源物質(zhì)產(chǎn)生電偏壓。反應(yīng)器用高能離子轟擊源物質(zhì)。當(dāng)高能離子與源物質(zhì)撞擊時，它們使所需的碳自由基從源物質(zhì)中濺射。碳自由基從源物質(zhì)中以放射狀濺射到反應(yīng)室中，接著碳自由基沉積在其經(jīng)過路徑上的物體，包括平臺、反應(yīng)器本身和基體。
參考圖4C，圖中所示的合適材料的基體440有一沉積面441，通過CVD或PVD工藝金剛石將沉積在上面。圖4D表示的基體440和沉積面441已經(jīng)通過CVD和PVD工藝沉積了一定量的金剛石。并且存在一個小的過渡區(qū)443，其中有金剛石和基體。與圖4B相比，可以看出沉積在基體上的CVD或PVD金剛石缺少燒結(jié)多晶金剛石緊密件中的大范圍梯度過渡區(qū)，因為在CVD或PVD工藝中沒有溶劑觸媒金屬掃越到金剛石骨板中。
CVD和PVD工藝進行金剛石沉積能看得到。也有將所有所需表面沉積金剛石的裝置(如振動和旋轉(zhuǎn))。如果使用振動平臺，支承表面將隨平臺上下振動，從而將所有支承表面暴露在自由基源中。
為了使用CVD或PVD工藝將金剛石涂在圓柱體上，可以采用幾種方法。如果等離子輔助微波工藝用于沉積金剛石，為了得到高質(zhì)量和均勻性的金剛石涂層，接受金剛石的物體必須直接處于等離子體中。旋轉(zhuǎn)或平移平臺可用于將支承表面的每個部分暴露在等離子體中進行金剛石涂層。當(dāng)平臺旋轉(zhuǎn)或平移時，支承表面的所有部分直接處于等離子中進行涂層，以得到非常均勻的涂層。
如果使用熱絲CVD工藝，涂層表面需放在靜止平臺上。線或絲(通常是鎢)應(yīng)在整個平臺上具有足夠的強度，使它的覆蓋范圍包括被涂層的支承表面。為了在熱絲正下方得到均勻的金剛石涂層，需選擇絲與支承表面的距離以及絲之間的距離。
用CVD和PVD工藝制作金剛石支承表面，既可以在基體上涂層金剛石，也可以制作沒有支撐物的金剛石，以后安裝使用。用CVD和PVD工藝制作沒有支撐物的金剛石分兩步進行。首先，在合適基體上，如硅、鉬、鎢或其它基體，沉積厚膜金剛石。其次，從基體上取下金剛石膜。
根據(jù)需要，可將金剛石膜切成片段，例如使用Q-轉(zhuǎn)換的YAG激光。盡管金剛石對于YAG激光是透明的，但通常有足夠量的sp2鍵結(jié)合的碳(如石墨中發(fā)現(xiàn)的)能夠進行切割。如果不能，則用碳素墨水在金剛石膜上畫一條線。線應(yīng)足以使切割開始進行，并且一旦開始，切割將慢慢進行下去。
當(dāng)從金剛石膜上切下合適大小的金剛石骨板后，為了作為支承表面使用，可以將其固定在所需的物體上。例如，通過焊接、擴散結(jié)合、粘結(jié)、機械固定或在壓機中高壓和高溫結(jié)合，將金剛石固定在基體上。
盡管在基體上的CVD和PVD金剛石沒有在燒結(jié)多晶金剛石緊密件中的梯度過渡區(qū)，但為了將金屬結(jié)合在金剛石骨板中仍可使用CVD和PVD工藝。如同這里其它的描述，將金屬結(jié)合到金剛石骨板中增強了金剛石骨板與基體的結(jié)合并強化多晶金剛石緊密件。將金剛石結(jié)合到金剛石骨板中得到的金剛石骨板的熱膨脹系數(shù)和壓縮性與純金剛石的不同，因此與純金剛石相比增大了金剛石骨板的斷裂韌性。與金屬相比，金剛石具有低的熱膨脹系數(shù)和低的壓縮性。因此與純金剛石相比，在金剛石骨板中金屬與金剛石共存能使金剛石骨板得到較高的和更像金屬的熱膨脹系數(shù)和平均壓縮性。這樣，金剛石骨板與基體間界面的殘余應(yīng)力減小，金剛石骨板從基體上剝離的可能性很小。
純金剛石晶體也具有低的斷裂韌性。因此，在純金剛石中，當(dāng)形成小裂紋時，整個金剛石部件出現(xiàn)災(zāi)難性的失效。對比之下，金屬具有高的斷裂韌性并且可以存在較大裂紋而不出現(xiàn)災(zāi)難性的失效。結(jié)合有金屬的金剛石骨板比純金剛石具有較高的斷裂韌性。當(dāng)金剛石骨板具有間隙并且間隙被金屬填充時，如果裂紋在金剛石中形成并擴展到含有金屬的間隙中，裂紋將在金屬中停止，從而避免了災(zāi)難性的失效。由于這一特性，間隙中含有金屬的金剛石骨板與純金剛石相比，能承受更高的力和工作負(fù)荷而不出現(xiàn)災(zāi)難性的失效。
當(dāng)金剛石骨板中的金屬含量增大時，金剛石-金剛石結(jié)合趨于減少?？梢岳肅VD和PVD工藝，從而建立過渡區(qū)。但是，對于支承表面優(yōu)選的主要是具有低磨損性能的純多晶金剛石。
一般的CVD和PVD金剛石沒有填充金屬的大的間隙。因此，與燒結(jié)多晶金剛石緊密件相比，多數(shù)PVD和CVD金剛石更脆或具有低的斷裂韌性。CVD和PVD金剛石在金剛石骨板與基體之間表現(xiàn)最大的殘余應(yīng)力。但是，也可能形成其中含有金屬的CVD和PVD金剛石膜，其成分是均勻的或者是功能梯度的。
一種將金屬結(jié)合在CVD或PVD金剛石膜中的方法是使用兩種不同的源物質(zhì)，在CVD或PVD金剛石生產(chǎn)過程中同時在基體上沉積兩種物質(zhì)。無論金剛石是用CVD生產(chǎn)，還是PVD生產(chǎn)，還是將二者結(jié)合應(yīng)用，都可以使用這種方法。
另一種將金屬結(jié)合到CVD金剛石膜中的方法是化學(xué)氣相滲透。這種方法首先制作多孔材料層，接著用化學(xué)氣相滲透填充孔隙。多孔層的厚度約等于所需的均勻?qū)踊蛱荻葘拥暮穸?。為控制最終涂層的成分，需要控制孔隙的大小和分布。氣相滲透過程中沉積首先在多孔層與基體之間的界面開始。隨著沉積的繼續(xù)，物質(zhì)沉積的界面從基體向外移動，將多孔層的孔隙填充。隨著界面向外移動，通過相對加熱器移動樣品或通過相對生長界面移動加熱器保持界面的沉積溫度。樣品外側(cè)與生長界面之間的多孔區(qū)的溫度應(yīng)保持在不促進物質(zhì)(填充孔隙的物質(zhì)或不需要的反應(yīng)產(chǎn)物)沉積的溫度，這一點是非常重要的。這一區(qū)域的沉積將過早地封閉孔隙，阻止?jié)B透和在孔隙內(nèi)沉積所需的物質(zhì)。結(jié)果是得到具有開孔的和差的物理性質(zhì)的基體。
本發(fā)明用于制造支承表面和組件的另一種可行的制造工藝是使用能量束，例如激光能量，將基體中的物質(zhì)蒸發(fā)并將這些物質(zhì)以新的形式沉積在基體上。例如，可以得到或制作含有碳、碳化物或其它所需組成元素的金屬、聚合物或其它基體。將合適的能量，例如激光能量，導(dǎo)入到基體上，使組成元素從基體中移到基體接收能量區(qū)域附近的基體表面上。對基體表面上的濃縮組成元素連續(xù)施加能量能使這些組成元素蒸發(fā)。接著蒸發(fā)的組成元素與另一種元素反應(yīng)，改變蒸發(fā)的組成元素的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)。
接著，蒸發(fā)和反應(yīng)的組成元素(如金剛石)擴散到基體表面中。在具有與蒸發(fā)和反應(yīng)的組成元素相同或不同化學(xué)成分的基體表面上可以得到單獨制造的涂層。另外，已經(jīng)擴散到基體中的一些變化的組成元素可以再次蒸發(fā)和反應(yīng)并沉積在基體上形成涂層。通過這種方法及其變化，可以在基體上形成適當(dāng)?shù)耐繉?，例如金剛石、立方氮化硼、類金剛石碳、B4C、SiC、TiC、TiN、TiB、cCN、Cr3C2、Si3N4。
在其它的制造條件下，可以使用高溫激光、電鍍、濺射、高能激光激發(fā)等離子沉積或其它方法在某一位置沉積金剛石、類金剛石材料、硬材料或超硬材料作為支承表面。
考慮到這里的內(nèi)容，那些本領(lǐng)域的熟知人員能理解到，為了制造金剛石支承表面而使用這里描述的任何一種制造方法在基體上生成高質(zhì)量金剛石并使用它的這些設(shè)備、材料和工藝條件。
F.制作金剛石部分的優(yōu)選結(jié)構(gòu)這一部分提供與制作優(yōu)選的人工髖關(guān)節(jié)及其它相似形狀結(jié)構(gòu)有關(guān)的信息。
1.問題的性質(zhì)在人工關(guān)節(jié)以外的領(lǐng)域中，特別是在巖石鉆削刀具的領(lǐng)域中，已經(jīng)使用多晶金剛石緊密件一段時間了。以往這些刀具都是圓柱形，并在一個端部具有平的金剛石骨板。刀具的金剛石表面比多數(shù)人工關(guān)節(jié)中需要的支承表面小很多。這樣，多晶金剛石刀具的形狀和制作方法不能直接應(yīng)用于人工關(guān)節(jié)。
制作人工髖關(guān)節(jié)的特殊問題是如何生產(chǎn)凹球狀多晶金剛石緊密件關(guān)節(jié)杯和與之配合的凸球狀多晶金剛石緊密件股骨頭。在制作球形多晶金剛石緊密件中，在進行裝料、封裝和壓制/燒結(jié)過程中主要考慮的是對稱性。球形復(fù)合片設(shè)計需要在制作部件過程中徑向施加壓力。在高壓燒結(jié)過程中，參見下面的詳細(xì)描述，為了得到球形形狀，所有位移必須從所制作的球的中心沿徑向進行。為了在高溫/高壓壓制過程中達到這一目的，必須產(chǎn)生等靜壓力場。在制作這種球形部件過程中，如果存在任何的偏移應(yīng)力分量，將導(dǎo)致部件的變形，使生產(chǎn)的部件成為廢品。
下面討論在制作球形多晶金剛石緊密件中必須考慮的特殊問題。
a.模量多數(shù)金剛石復(fù)合片同時包括金剛石骨板和基體。金剛石和基體的材料性能應(yīng)該匹配，但是制造金剛石復(fù)合片的高壓和高溫?zé)Y(jié)過程將導(dǎo)致部件中存在極高的殘余應(yīng)力。例如，對于使用碳化鎢作基體的多晶金剛石緊密件，燒結(jié)金剛石的楊氏模量約為120×106psi，鈷粘結(jié)的碳化鎢的楊氏模量約為90×106psi。模量是指材料應(yīng)力與應(yīng)力關(guān)系曲線的斜率。模量表示材料的剛度。大塊材料的模量是指均勻應(yīng)變與均勻應(yīng)力之比，或者材料單位體積壓下量與所施加的壓力或應(yīng)力之比。
因為金剛石和多數(shù)基體材料具有較高的模量，多晶金剛石緊密件中非常小的應(yīng)力或位移能產(chǎn)生非常大的應(yīng)力。如果應(yīng)力超過金剛石或基體的屈服強度，部件就失效。強度最高的多晶金剛石緊密件不需要無應(yīng)力。在殘余應(yīng)力優(yōu)化分布的多晶金剛石緊密件中，與無應(yīng)力部件相比，產(chǎn)生斷裂需要更多的能量。因此，必須注意基體與金剛石之間模量的差別并應(yīng)用于部件設(shè)計中，使部件具有最高的強度，在使用過程中具有足夠的耐磨性和斷裂韌性。
b.熱膨脹系數(shù)金剛石和基體在溫度變化時它們變形的差別程度也影響它們的力學(xué)性能的匹配。熱膨脹系數(shù)(CTE)是指溫度變化一單位值時單位長度的變化量，或者是材料在加熱時膨脹的傾向，或者是冷卻時的收縮傾向。當(dāng)材料經(jīng)歷相變過程時，不能根據(jù)初始相的CTE進行計算。需要注意的是，當(dāng)使用具有不同CTE和模量的復(fù)合片材料時，它們在相同的應(yīng)力下發(fā)生不同的應(yīng)力。
多晶金剛石的熱膨脹系數(shù)(在上面及下面都記為“CTE”)為每度每英寸材料2-4微英寸(10-6英寸)(μin/in℃)。對比之下，碳化物的熱膨脹系數(shù)為6-8μin/in℃。盡管這些值在數(shù)字上是接近的，但是當(dāng)在基體和金剛石的結(jié)合體上存在幾百度的溫度梯度時高模量的影響將造成非常高的殘余應(yīng)力場。與制作用于人工關(guān)節(jié)的球形部件或其它復(fù)雜形狀的部件相比，在先前工藝中制作具有平金剛石骨板的圓柱形多晶金剛石緊密件時熱膨脹系數(shù)的差別是一個不重要的問題。當(dāng)制作球形多晶金剛石緊密件時，金剛石和基體間CTE的差別能產(chǎn)生高的殘余應(yīng)力，這樣，在高壓/高溫?zé)Y(jié)過程中和燒結(jié)過程后的任何時刻導(dǎo)致金剛石骨板、基體或二者同時破裂和失效。
c.膨脹和畸變應(yīng)力燒結(jié)過程中金剛石和基體的組裝體將產(chǎn)生體積收縮。燒結(jié)過程，在下面詳細(xì)描述，使基體和金剛石組裝體經(jīng)受約40到68千巴壓力的常規(guī)壓制。此壓力將導(dǎo)致基體的體積收縮。金剛石和/或基體也能產(chǎn)生形狀畸變。導(dǎo)致形狀畸變的應(yīng)力稱為畸變應(yīng)力，導(dǎo)致體積變化的應(yīng)力稱為膨脹應(yīng)力。在等靜壓系統(tǒng)中，畸變應(yīng)力的和為0，僅有剩余的膨脹應(yīng)力分量。在設(shè)計和燒結(jié)具有復(fù)雜形狀的多晶金剛石部件時不考慮所有這些應(yīng)力影響溶易導(dǎo)致燒結(jié)過程失敗。
d.金剛石原料自由體積的減少作為金剛石原料的一個物理性質(zhì)，金剛石原料中存在很多自由體積，除非燒結(jié)之前使用的是特殊制備的原料。必須盡可能多地去除金剛石中的自由體積，如果金剛石原料中存在的自由體積過多，則不會產(chǎn)生燒結(jié)。如果壓機使用的頂錘具有足夠的位移，也能在燒結(jié)過程中去除自由體積。在任何減少自由體積或者變形或廢品部件的過程中，重要的是保持金剛石和基體所需的均勻形狀。
e.溶劑觸媒金屬的選擇目前，在高溫和高壓生產(chǎn)人造金剛石時沒有不使用溶劑觸媒金屬的方法。溶劑觸媒金屬需要在人造金剛石中達到所需的晶體結(jié)構(gòu)。溶劑觸媒金屬首先優(yōu)先從金剛石原料晶體的尖接觸點溶解碳，接著碳以金剛石的形式在以金剛石-金剛石鍵結(jié)合的金剛石基體的空隙中重新結(jié)晶，達到95％到97％理論密度的金剛石和5％到3％體積分?jǐn)?shù)的溶劑金屬。這個分布在基體表面上的固體這里稱為多晶金剛石骨板。溶劑觸媒金屬也增強與基體原子化學(xué)鍵的形成。
當(dāng)所制造的多晶金剛石緊密件用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域時，關(guān)鍵是選擇一種生物相容的溶劑金屬。先前工藝用于形成多晶金剛石緊密件的溶劑觸媒金屬不是生物相容的，因此新的溶劑金屬應(yīng)具有令人滿意的性能并且必須是生物相容的。
將溶劑觸媒金屬加入到金剛石原料中的優(yōu)選方法是使溶劑觸媒金屬在高壓和高溫?zé)Y(jié)過程中從含有溶劑觸媒金屬的基體中掃越出來。也可將粉狀溶劑觸媒金屬在燒結(jié)之前加入到金剛石原料中，特別是在需要較厚的金剛石骨板時。研磨的方法也用于在燒結(jié)之前將溶劑觸媒金屬加入金剛石原料中。如果所用的溶劑觸媒金屬太多或太少，得到的部件則缺少所需的力學(xué)性能，因此選擇適于制造特殊部件的溶劑觸媒金屬的數(shù)量和將其加入金剛石原料中的方法是很重要的。
f.金剛石原料的粒度及分布最終金剛石制品的耐磨性與金剛石原料的粒度及粒度分布有直接關(guān)系。金剛石原料的粒度和粒度分布的選擇是根據(jù)制品的壽命要求及其工作環(huán)境。如果使用細(xì)小的金剛石原料晶體并得到高強的金剛石-金剛石鍵結(jié)合的金剛石骨板，就能增強多晶金剛石的耐磨性。
盡管多晶金剛石可以用單一粒度金剛石原料制造，但是使用多粒度的原料能同時提高沖擊強度和耐磨性。混合使用大晶粒尺寸和小晶粒尺寸的金剛石原料制造的部件具有高的沖擊強度和耐磨性，部分原因是大金剛石晶體間的空隙被小金剛石晶體填充。在燒結(jié)過程中，小晶體溶解并析出，將所有金剛石晶體結(jié)合成高強和牢固結(jié)合的復(fù)合片。
g.裝入金剛石原料的方法在裝入前或裝入過程中金剛石原料的污染將導(dǎo)致燒結(jié)過程的失敗。必須非常注意，在燒結(jié)之前保證金剛石原料和任何加入的溶劑觸媒金屬或粘結(jié)劑的清潔度。
為了準(zhǔn)備燒結(jié)，應(yīng)準(zhǔn)備干凈的金剛石原料、基體和容器用于裝料。金剛石原料和基體放在稱為“罐”的難熔金屬容器中，罐將其中的物料與外界的污染隔開。金剛石原料和基體在高壓和高溫?zé)Y(jié)過程中保持在罐中，以形成多晶金剛石緊密件。優(yōu)選的，罐在真空下用高溫的電子束焊接密封。
將足夠的金剛石原料(粉末或顆粒)裝入以滿足高壓和高溫?zé)Y(jié)過程中的線性收縮。將金剛石原料裝入罐中用于燒結(jié)的方法影響最終制品的基本形狀和公差。特別是，整個罐中金剛石原料的堆積密度應(yīng)盡可能均勻，以便得到高質(zhì)量的燒結(jié)多晶金剛石緊密件結(jié)構(gòu)。在裝料過程中，金剛石的搭橋能通過分階段裝入和包裝來避免。
裝料后原料密度的均勻程度影響多晶金剛石緊密件的形狀。干式裝入金剛石原料和裝入混有粘結(jié)劑的金剛石并在隨后過程中將粘結(jié)劑脫除的方法也影響最終多晶金剛石緊密件的特性。為了恰當(dāng)?shù)仡A(yù)壓金剛石用于燒結(jié)，預(yù)壓的壓力應(yīng)在等靜壓的條件下施加。
h.選擇基體材料金剛石的獨特材料性能及其在模量和CTE方面與可能性最大的基體材料的差別使得選擇合適的多晶金剛石基體非常困難。當(dāng)對基體再加以額外的生物相容性限制時，選擇更加困難。多數(shù)生物相容的金屬與人造金剛石的材料性能不匹配。金剛石與基體間材料性能的巨大差別為成功制造具有高強度和持久性的多晶金剛石部件提出了挑戰(zhàn)。甚至每種硬基體與金剛石相比都是軟的?；w和金剛石必須能經(jīng)受燒結(jié)過程中的壓力和溫度，而且必須能在返回到室溫和大氣壓時不出現(xiàn)剝離、裂紋或其它問題。并且，即使在那些相信是生物相容的材料中，權(quán)宜之計也僅能選用符合政府法律規(guī)定的那些材料用于產(chǎn)品中，如人工關(guān)節(jié)。
基體材料的選擇也需要考慮部件的用途、耐沖擊性和強度的要求，以及燒結(jié)過程中需要結(jié)合在金剛石骨板中的溶劑觸媒金屬的數(shù)量。所選擇的基體材料的材料性能必須與所生成的金剛石骨板的性能相匹配。
1.基體形狀本發(fā)明中，優(yōu)選的是制造球形的、半球形的、部分球形的、弓形的及其它復(fù)雜的凹和凸形多晶金剛石緊密件，以后還能切割、機加工及其它加工，用于制作股骨頭、關(guān)節(jié)杯、其它接合面、其它支承表面及其它耐磨表面。制作這些部件需要考慮基體的獨特形狀。特別是，球形的所需最終產(chǎn)品需要在燒結(jié)過程中從所制作球形的中心沿徑向施加力。
并且，重要的是考慮是使用表面光滑的基體還是使用具有形貌特征的表面?；w表面能被制成不同的形貌特征，用化學(xué)結(jié)合或機械夾持將金剛石骨板固定在基體上。使用具有形貌特征的基體為化學(xué)結(jié)合提供了更大的表面積，形貌特征對于機械夾持也能產(chǎn)生更強的和更耐用的部件。
2.優(yōu)選的材料和制造工藝本發(fā)明者已經(jīng)發(fā)明和確定了用于制造優(yōu)選的在人工關(guān)節(jié)中使用的多晶金剛石緊密件的材料和制造工藝。這些材料和方法也能應(yīng)用于假體以外的領(lǐng)域。也可以用下面列舉以外的其它方法和材料制造本發(fā)明的支承表面。
下面描述的步驟，例如選擇基體材料和形狀、選擇金剛石原料、裝料和燒結(jié)的方法，能相互影響，因此盡管下面單獨列出了制造多晶金剛石緊密件過程必須采取的步驟，但沒有一個步驟是與其它步驟完全獨立的，并且所有步驟必須符合標(biāo)準(zhǔn)，以保證制造過程的成功。
a.選擇基體材料為了制造任意的多晶金剛石緊密件，應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)幕w。對于制造用于人工關(guān)節(jié)中的多晶金剛石緊密件，本發(fā)明者優(yōu)選使用在下表中列出的基體。表2生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中的一些基體
所用的CoCr合金優(yōu)選的是CoCrMo或CoCrW。上面的基體僅是一些例子，除此之外，其它材料也適合用作基體，用于制作人工關(guān)節(jié)和其它支承表面。
當(dāng)鈦用作基體時，本發(fā)明者有時優(yōu)選的在鈦基體上放上一片薄的鉭隔片。鉭隔片防止鈦合金與金剛石原料中的鈷合金混合。如果鈦合金與鈷合金混合，在高壓和高溫?zé)Y(jié)過程中將形成有害的低熔點共晶金屬間化合物。鉭隔片同時與鈦合金和鈷合金以及含有鈷溶劑觸媒金屬的多晶金剛石結(jié)合。這樣，使用具有鉭隔片層的鈦基體以及含有鈷溶劑觸媒金屬的金剛石原料制造的多晶金剛石緊密件強度非常高并且容易制作。另外，可以在鈦基體上提供一層α相氧化物涂層(一種氧化層)作為阻擋，防止共晶金屬的生成。
如果使用鈷鉻鉬基體，為了控制燒結(jié)過程中形成碳化鉻(CrC)，優(yōu)選的在裝金剛石原料之前在基體上放一層薄的鎢層或薄的鎢和鈷層。
除了表中列舉的以外，也可以使用其它合適的基體用于制作多晶金剛石緊密件支承表面。并且，在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以制作沒有基體的金剛石支承表面。也可以用任何超硬材料及其它這里給出的支承材料制作支承表面，這種情況下也不需要基體。另外，如果需要使用除多晶金剛石以外的其它類型金剛石或碳，基體的選擇是不同的。例如，如果金剛石支承表面采用化學(xué)氣相沉積或物理氣相沉積制作，就需要使用適合于這些制作環(huán)境和所用成分的基體。
b.確定基體形狀1)一般基體結(jié)構(gòu)所選擇的基體形狀應(yīng)適合于所制造的多晶金剛石緊密件并適合于所用的材料。為了制作如本發(fā)明的一些實施例中優(yōu)選的凹球形關(guān)節(jié)杯或凸球形股骨頭，必須選擇基體形狀以滿足這些部件的生產(chǎn)。為了保證得到恰當(dāng)?shù)慕饎偸破凡⒈苊鈴?fù)合片的變形，燒結(jié)過程中作用在金剛石和基體上的力必須是嚴(yán)格的徑向。因此，在制作關(guān)節(jié)杯、股骨頭或任何其它球形部件時與金剛石原料接觸的基體形狀優(yōu)選的一般是球形。
如前所述，人造金剛石和多數(shù)可用的基體材料的材料特性有很大的差異。特別是，要注意模量和CTE。但是當(dāng)二者組合在一起使用時，有些基體能形成穩(wěn)定的和高強度的球形多晶金剛石緊密件。下面的表中列出了一些優(yōu)選的基體材料的物理性質(zhì)。表3一些優(yōu)選基體的材料性能
單獨使用鈦或鈷鉻合金基體用于制作球形多晶金剛石緊密件可導(dǎo)致金剛石骨板的裂紋或基體與金剛石骨板之間的分離。特別是，結(jié)果表明在高壓和高溫?zé)Y(jié)過程中鈦的主要問題是壓縮性，而鈷鉻合金在燒結(jié)過程中的主要問題是CTE。在本發(fā)明的一些實施例中，為了在制作過程中和制作完成后使尺寸穩(wěn)定，可使用兩層或多層基體。
參看下表，列出了一些可以用于制作球形多晶金剛石緊密件的基體材料組合。表4用于制作凸PCD球的球形基體組合
α相氧化物涂層用于阻止鈦與鈷鉻合金的反應(yīng)。鉭隔片層的厚度為0.002到0.010英寸，最佳的是0.008英寸。
為達到尺寸的穩(wěn)定性，如上所述，在球形部件中使用兩片基體。兩片基體能克服金剛石與基體間CTE和模量的差異。結(jié)果表明，使用具有多層的基體能克服材料以不同速率膨脹和收縮的傾向，如果不這樣做的話將導(dǎo)致金剛石開裂。
使用具有至少兩層明顯不同的基體材料的球形基體能穩(wěn)定部件并防止基體從金剛石骨板上收縮剝離，從而能成功地制造球形多晶金剛石緊密件。
參看圖5A-5F，表示了本發(fā)明用于制作基本球形多晶金剛石緊密件的各種基體結(jié)構(gòu)。圖5A和5B表示兩層基體。
在圖5A中，基體材料的實體第一球501作為基體外殼或外層。第一球501的尺寸應(yīng)保證在第一球501的外表面固定金剛石骨板后球的尺寸近似于最終加工以前部件的尺寸。一旦得到基體的第一球501，則在其中心鉆一個孔502。孔502優(yōu)選的是鏜的、鉆的、切削的、炸的或其它方法形成的，孔502的末端503是半球形。這一點是優(yōu)選的，可以通過使用圓形或球形端頭是所需半徑和曲率的鉆頭或端銑刀達到。
接著，得到基體材料的第二球504。第二球504比第一球501小并且能放入第一球501的孔502中。球501和504的基體材料優(yōu)選從上面的表中選取，也可以是其它適合的材料。第二球504和孔502及其末端503應(yīng)緊配合在一起，不留多余的公差或間隙。
插塞505優(yōu)選使用與第一球501相同的基體材料。插塞505具有第一末端505a和第二末端505b，二者之間是基體材料，填充孔502的除去被孔末端503中第二球504占據(jù)部分之外的其余部分。插塞505優(yōu)選在第一末端505a具有凹的半球形的插孔506，使插塞505能蓋過第二球504的約半個球表面與第二球504緊密接觸。插塞505一般為圓柱形。接著將金剛石原料507裝到這種在一個基體球中包括另一個基體球的基體組件上，然后在高壓和高溫下燒結(jié)得到球形多晶金剛石緊密件。
參考圖5B，表示本發(fā)明用于制造球形多晶金剛石緊密件的另一種基體形狀。選擇合適的基體材料作內(nèi)部的心球550，接著選擇外層基體的第一半球551和外層基體的第二半球552。外層基體第一半球551和第二半球552中的每一個分別有一個半球形插孔551a和552a，其形狀和尺寸能容納內(nèi)部心球550外層的半球表面，從而將內(nèi)部心球550封閉在其中。內(nèi)部心球550及半球551和552的基體材料從上面的表中選取或者選用其它合適的材料。
當(dāng)兩個半球與內(nèi)部心球組裝后，將金剛石原料553裝到半球的外表面，然后在高壓和高溫下燒結(jié)得到球形多晶金剛石緊密件。
盡管圖5A和5B表示兩層的基體，也可以使用多層的基體(3層或更多層)用于制造多晶金剛石緊密件或多晶立方氮化硼復(fù)合片。基體材料、基體形狀、基體表面形貌特征以及具有相同或不同材料的多層基體的選擇至少部分取決于基體的熱機械性能和基體的壓力機械性能。
參考圖5C，表示制作基本球形多晶金剛石緊密件的另一種基體結(jié)構(gòu)?；w520的基本形狀為球形，球的表面包括用于增強金剛石在基體上固定的基體表面形貌?；w在其表面上有多個凹坑521。每個凹坑521有三個不同深度的凹坑521a、521b和521c。圖中所示的凹坑是同心的，每個深度相同，但是它們的深度可以改變，不必同心，并且凹坑的形狀不必是圓。凹坑壁521d、521e和521f平行于凹坑的一根徑向軸線，此徑向軸線垂直于球的理論球極點的切線，但是如果需要的話也可以是其它取向。如圖所示，基體球522的表面除去已經(jīng)提到的凹坑外沒有其它形貌特征，但是可以具有突出、凹陷或其它所需的修改。凹坑521的寬度和深度根據(jù)所制造的多晶金剛石緊密件可以改變。
金剛石原料裝在基體球520的外層，組合后在金剛石穩(wěn)定的壓力區(qū)域燒結(jié)得到球形多晶金剛石緊密件。在基本球形的基體上利用基體表面形貌特征使金剛石骨板與基體間的結(jié)合很強，并且可以使用單層基體制造多晶金剛石緊密件。這是因為利用基體表面的形貌特征達到基體與金剛石骨板之間的夾持作用。
參考圖5D，表示節(jié)段式球形基體?；w有多個表面凹坑524，在基體外表面上等間距分布。圖中所示的凹坑為三個不同深度層。第一層524a具有預(yù)定的深度并且外周邊為五角形。第二層524b是圓形的并具有與五角形預(yù)定深度不同的預(yù)定深度。第三層524c是圓形的并具有與上述二者預(yù)定深度都不同的預(yù)定深度。另外，凹坑可以僅有一個深度，可以都是五角形，或者是混合形狀。凹坑是對基體球機加工形成的。
參考圖5E，表示制作多晶金剛石緊密件的另一個基體結(jié)構(gòu)的剖視圖。圖中所示的是多晶金剛石緊密件525，它是球形的，包括燒結(jié)在基體527上的金剛石骨板526?；w的末端527a的形狀是部分球形，近端527b是圓頂形的。另外，基體527的近端527b可以是部分球形，但是其對應(yīng)球的半徑小于基體末端527a對應(yīng)球的半徑。頂527c和底527d中每一個的形狀都便于從基體部分球體的近端527b過渡到基體部分球體的末端527a。這種基體結(jié)構(gòu)的優(yōu)點在于留下一部分基體露在外面用于鉆孔和固定部件而不干擾多晶金剛石骨板的殘余應(yīng)力場。還有一部分基體沒有在上面燒結(jié)金剛石，使基體在燒結(jié)過程中可以膨脹而不破壞金剛石骨板。但是，基體球超過180°外表面上有金剛石，因此這一部分用作股骨頭或其它接合面。
參考圖5F，表示制作多晶金剛石緊密件的另一個基體結(jié)構(gòu)的剖視圖。圖中所示的是多晶金剛石緊密件528包括金剛石骨板529和基體530?；w具有形貌特征531用于增強金剛石與基體界面的強度。形貌特征包括由凹坑533或通道分隔的矩形突起532?；w末端530a對應(yīng)半徑r的球，基體近端530b對應(yīng)半徑r′的球，其中r＞r′。通常表面修改都在所有金剛石骨板下面。
參考圖5G，表示人工髖關(guān)節(jié)的股骨頭535。股骨頭535包括燒結(jié)在基體536上的金剛石骨板536?；w的結(jié)構(gòu)是具有圓柱形突出的球。頭535制作時使一部分基體從球形的頭中突出形成頸538，可以利用任何公知的連接方法與合適的體連接，例如自鎖圓錐配合、焊接、螺紋或其它連接機構(gòu)。在制作多晶金剛石緊密件535的基體上形成頸538，為多晶金剛石緊密件提供了連接點，而不干擾多晶金剛石緊密件的殘余應(yīng)力場。圖中的頸538是構(gòu)成柄540的整體所需要的部件。
任何一種前面提到的基體結(jié)構(gòu)和基體形貌及它們的變型和派生物可以用于制造多晶金剛石緊密件，用于假體或其它支承或接合面。
在本發(fā)明的不同實施例中，可以使用單層基體。在本發(fā)明的其它實施例中，如上所述，可以使用兩層基體。但是，根據(jù)所用部件的性能，需要使用包括三層、四層或多層的基體。這種多層基體也在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
本發(fā)明制作關(guān)節(jié)杯或其它凹的球、半球或部分球的多晶金剛石緊密件的優(yōu)選形狀與制作凸球形多晶金剛石緊密件的不同。參考圖6A-6C，下面描述制作凹球形多晶金剛石緊密件的優(yōu)選基體形狀和組件(如用于制作關(guān)節(jié)杯)?；w601(和601a和601b)優(yōu)選的是在一個末端有半球形插孔602(和602a和602b)的圓柱形。
兩個基體圓柱601a和601b放在一起使它們的半球形插孔602a和602b互相靠近，在它們中間形成一個球形凹坑604。合適基體材料的球603位于凹坑604中。將金剛石原料605裝在凹坑604中球603的外表面與基體圓柱601a和601b的插孔602a和602b的凹表面之間。組裝后放入難熔金屬罐610中進行燒結(jié)。罐具有第一圓柱610a和610b。兩個圓柱在口緣611處接合。
這個組件燒結(jié)后，為了得到第一杯組件607a和第二杯組件607b，沿中心線606將組件切開或磨開。圓柱602a和602b優(yōu)選的基體材料是CoCrMo(ASTM F-799)和CoCrW(ASTM F-90)，球603優(yōu)選的基體材料是CoCrMo(ASTM F-799)，但也可以使用任何合適的基體材料，包括那些在表中列出的。
雖然上面討論了用兩層基體制作凸和凹球形多晶金剛石緊密件，但也可以在制作球形多晶金剛石緊密件時使用兩層以上材料組成的基體或者單獨一種材料的基體。
2)基體表面形貌根據(jù)應(yīng)用情況，在用于制作多晶金剛石緊密件的基體上包括基體表面形貌特征是有優(yōu)勢的。無論是否使用一片、兩片或多片基體，為了增大金剛石骨板的總表面積以增強基體與金剛石骨板間的接觸并對金剛石骨板產(chǎn)生機械夾持，仍可以修改基體表面或在基體上形成形貌特征。
如果基體形成簡單的平面或非平面圖形，基體上的形貌特征布局用作修改基體表面形貌或輪廓，在基體上形成基體表面形狀或輪廓?；w表面形貌特征包括一個或多個不同類型的形貌特征，例如凸出、凹下或輪廓特征，以增大表面，增強金剛石骨板與基體間的固定，防止裂紋生成，或防止裂紋擴展。
基體表面形貌特征或基體表面的修飾有多種有用的功能?；w表面形貌增大基體與金剛石骨板接觸的總基體表面積。與沒有基體表面形貌特征相比，基體與金剛石骨板間接觸面積的增大使金剛石骨板與基體間的化學(xué)鍵結(jié)合總數(shù)量增大，從而得到強度更高的多晶金剛石緊密件。
基體表面形貌特征也能起到基體與金剛石骨板之間的機械夾持作用。基體表面形貌特征既能起到機械夾持作用，也能增強多晶金剛石緊密件的強度。
基體表面形貌特征還可以將多晶金剛石緊密件中的殘余應(yīng)力場分布在更大的表面上以及更多數(shù)量的金剛石和基體材料中。這種金剛石和基體內(nèi)殘余應(yīng)力分布的擴展能保持應(yīng)力低于金剛石骨板/基體界面上裂紋萌生和/或裂紋擴展的臨界應(yīng)力。
基體表面形貌特征增大金剛石與基體間梯度界面或過渡區(qū)的厚度，將殘余應(yīng)力場分布在更長節(jié)段的復(fù)合片結(jié)構(gòu)上并得到強度更高的部件。
基體表面修飾也用于制作具有殘余應(yīng)力場的燒結(jié)多晶金剛石緊密件，與不使用表面形貌特征相比，能提高金剛石層的強度并得到更強的、對損壞有更大抵抗力的多晶金剛石緊密件。這是因為為了破壞金剛石層，就需要首先克服部件中的殘余應(yīng)力，再克服金剛石骨板的強度。
基體表面形貌特征將金剛石骨板的受力重新分布。基體表面形貌特征使通過金剛石層傳遞的力從單個力矢量沿多個力矢量重新傳遞。這種將穿過基體的力重新分布避免了基體材料以高于金剛石骨板的速率發(fā)生形變，因為這種形變的差異能導(dǎo)致金剛石骨板的開裂和失效。
基體表面形貌特征還用于緩和金剛石和基體間的應(yīng)力場強度，得到強度更高的部件。
基體表面形貌特征還用于將殘余應(yīng)力場分布于整個多晶金剛石緊密件結(jié)構(gòu)中，減小單位體積結(jié)構(gòu)內(nèi)的應(yīng)力。
通過在制造過程中將基體壓在金剛石骨板的邊緣上，基體表面形貌特征還用于將金剛石骨板機械夾持在基體上。在冷卻過程中隨著基體徑向散熱，燕尾槽、半球形等形貌特征可以提供作用力壓迫和增強金剛石骨板與基體間的界面。
基體表面形貌特征也可用于達到可以制造的程度。如上所述，金剛石與選擇的基體間存在熱膨脹系數(shù)和模量的差異，這將導(dǎo)致制造過程中金剛石骨板的損壞。對于某些部件，使用基體表面形貌特征得到較高強度的基體與金剛石骨板間的界面，從而使多晶金剛石緊密件能成功制造。但是，如果使用簡單形狀表面的基體制造相同尺寸的相似部件，而不使用特殊的基體表面形貌特征，由于金剛石與基體間熱膨脹系數(shù)和模量的差異，金剛石骨板將開裂或從基體上剝離。
有用的基體表面形貌特征的例子包括波浪線、槽、脊、其它經(jīng)線方向表面特征(任何能以經(jīng)線方向、緯線方向、以所需角度相互交叉、隨機花樣和幾何圖案)、三維花樣、球截形凹坑、球截形凸起、三角凹坑、三角凸起、弓形凹坑、弓形凸起、部分球凹坑、部分球凸起、圓柱形凹坑、圓柱形凸起、矩形凹坑、矩形凸起、n邊多邊形凹坑(n為整數(shù))、n邊多邊形凸起、奶蛋餅圖案的脊、奶蛋餅鐵模圖案的凸起結(jié)構(gòu)、酒窩狀、乳頭狀、突起、加強筋、開孔、構(gòu)槽、截面形狀是圓形、三角形、弓形、方形、多邊形、曲線或其它形狀的槽和脊，以及其它形狀。可以使用機加工、壓制、擠壓、沖壓、注射成形和其它制作工藝得到這些形狀，從而得到所需的基體形貌。盡管為了圖解的目的，圖中基體形貌或其它結(jié)構(gòu)中表示的一些尖角，實際上所有角都有小的半徑過渡，以使部件具有高的持久性。
圖3A-3U表示幾個可能的基體表面修飾。參考圖3A，圖中的股骨頭具有凹和凸的基體表面形貌特征。圖中的股骨頭380具有燒結(jié)在基體383上的金剛石骨板382?；w383的表面形貌包括凹的弓形槽384和凸的弓形脊385，以基體上一個點為中心呈輻射狀。金剛石382覆蓋在基體表面形貌特征上，與簡單圓形的基體相比，金剛石骨板與基體之間的接觸面積增大。
圖3B表示施加在圖3A股骨頭380上的力的重新分布。當(dāng)力F1施加到頭380上時，力F1沿力矢量F2和F3重新分布，如圖所示。因此，盡管金剛石骨板382受到是單一矢量的力，但是這個矢量的力分解成小的力并穿過基體383。力的重新分布減小了金剛石骨板與基體之間形變速率的差異，因此減小了金剛石骨板開裂和損壞的機會。
圖3C表示在人工關(guān)節(jié)的股骨頭上使用基體表面形貌特征。關(guān)節(jié)杯386裝在骨盆骨387中。杯386具有固定在基體389上的多晶金剛石骨板388。股骨頭390包括基體392上的多晶金剛石骨板391。
基體392具有包括槽393的表面形貌特征，當(dāng)關(guān)節(jié)處于病人站立位置時槽的方向基本是垂直的。初始力的矢量F1基本平行于站立位置的槽393。行走時力的作用區(qū)在杯上方的骨骼中。使用基體表面形貌特征，包括病人站立時基本垂直的槽，能達到較寬的力的重新分布。
圖3D表示合適基體材料的凸球350。球350有極軸351和赤道352。球350的表面上有多個表面修飾353。表面修飾的排列是一個偏置結(jié)構(gòu)。表面修飾是直徑從小于0.001英寸到大于0.750英寸的圓柱凹坑，其深度從不到0.001英寸到0.750英寸以上，或者是其它所需尺寸。非常小的表面形貌特征可以使用激光加工。在多數(shù)本發(fā)明的實施例中，基體表面形貌特征覆蓋1％到99％的金剛石骨板下面的基體表面。基體表面形貌特征的深度從部件半徑的1％到部件半徑的50％。離散的基體表面形貌特征的尺寸沿基體表面的切線測量為部件半徑的1％到50％。
圖3E表示使用具有修飾基體表面(例如圖3A所示)的球形基體制作的多晶金剛石緊密件。復(fù)合片360具有燒結(jié)在基體362上的金剛石骨板361。基體362具有表面修飾363，在上面形成金剛石361。表面修飾363附近的基體沿力作用線F1和F2夾持住金剛石，這樣在化學(xué)鍵結(jié)合的多晶金剛石緊密件上增加了機械夾持的優(yōu)點，從而得到強度非常高的部件。
圖3F表示基體378的基體表面凸圓形凸起或乳頭。圖中所示的乳頭或凸起是圓形的或弓形的。圖3G表示基體375的基體表面突出脊377和槽376。圖3H表示基體374具有突出脊273及脊之間的圓形或弓形槽273。這些基體表面結(jié)構(gòu)可以通過在球形表面上機加工截面是圓形的槽獲得。脊377是機加工后槽之間留下的基體材料。
圖3I表示凸球形基體320。沒有特殊基體表面形貌特征時，基體320的形狀是簡單的球形，如圖中所示的圓323?；w320包括在其外表面上的圓形或弓形波浪狀結(jié)構(gòu)，從而形成突出脊322和凹槽321。
圖3J表示凸球形基體324?；w324包括突出的矩形結(jié)構(gòu)325，在基體324表面形成奶蛋餅狀的圖案。在突出結(jié)構(gòu)325之間是縫隙、槽、溝或通道326。
圖3K表示基體327。這種基體可以是簡單的凸球形，如圖中虛線圓328所示，但機加工后形成現(xiàn)在的結(jié)構(gòu)。基體327在其表面上是多邊形329，形成特殊的形貌特征，作為與金剛石骨板間的界面。
圖3L表示基本球形的基體330，它的表面上有多個凹坑331?；w球330的表面334除去凹坑331外是球形。凹坑有圓形的上邊緣335、圓形的底332和所需深度的側(cè)壁333。根據(jù)需要，凹坑邊緣335的最大直徑等于或大于同一凹坑底332的直徑。如果兩個直徑相同，則凹坑是圓柱形。如果邊緣335的直徑大于底333，則凹坑是截頭圓錐形。結(jié)合在如圖3L所示的基體上的金剛石骨板，其厚度應(yīng)完全覆蓋基體的外表面。在這種情況下，金剛石骨板在凹坑上方區(qū)域的厚度比其它區(qū)域的厚。如果使用這種金剛石骨板，那么從外表看，基體表面形貌特征無法辨認(rèn)。另外，金剛石也可僅處于凹坑中，留下凹坑之間的基體暴露著。這種結(jié)構(gòu)將參考圖3Q詳細(xì)討論。
圖3M表示基本為球形的基體336，它的表面上有多個凸起337?；w球336的表面338除去凸起337外是球形的。凸起有圓形的下邊緣339、圓形的上邊緣340和所需高度的側(cè)壁341。凸起的頂342可以是任意所需的形狀，如平的、拱形、部分球形、弓形或其它形狀。根據(jù)需要，下邊緣339和上邊緣340的最大直徑不同。如果兩個直徑相同，側(cè)壁341是直的，則凸起是圓柱形。如果邊緣339的直徑大于邊緣340，凸起是截頭圓錐形。金剛石骨板固定在圖3M的基體上，金剛石骨板完全覆蓋基體表面修飾以及它們之間的區(qū)域。在這種結(jié)構(gòu)中，從外觀看，基體表面修飾無法辨認(rèn)。另外，金剛石可僅固定于基體表面修飾之間的基體上，形成網(wǎng)絡(luò)狀裸露的金剛石以及不連續(xù)區(qū)域的裸露基體材料。
圖3N表示球形多晶金剛石緊密件342，它包括金剛石骨板343和基體344?；w344包括表面形貌修飾。表面修飾包括基體上的燕尾形凹坑345。多晶金剛石形成在燕尾形凹坑中，使金剛石骨板與基體間產(chǎn)生緊密的機械夾持。這種結(jié)構(gòu)可以通過在基體表面上形成沒有燕尾形的凹坑得到。在燒結(jié)過程中，就能形成金剛石骨板與基體間的燕尾形夾持，因為金剛石與基體材料間存在熱膨脹系數(shù)與模量的差別。
圖3O表示部分球形多晶金剛石緊密件345，它包括金剛石骨板346和基體347。金剛石骨板346是連續(xù)的金剛石承重和接合面。基體347表面具有形貌特征，以起到增強金剛石骨板結(jié)合的作用?；w347包括在基體外表面上的半球形或透鏡狀修飾348。圖中的修飾是凹下的部分球形凹坑。在凹坑349中形成多晶金剛石。在燒結(jié)過程中，隨著多晶金剛石緊密件的冷卻，基體趨于徑向膨脹。半球形凹坑表面修飾提供壓縮力并增強金剛石骨板與基體間的界面，達到金剛石骨板與基體間的高強度結(jié)合。這樣，在金剛石骨板與基體間產(chǎn)生機械夾持，這既是金剛石與基體間CTE差別的結(jié)果，也是基體形貌特征的結(jié)果。
圖3P表示部分球形多晶金剛石緊密件320。復(fù)合片320包括金剛石骨板321和基體322?；w322具有表面形貌特征，包括截面為三角形的脊323和槽324。使用這樣的基體形貌特征在金剛石與基體間產(chǎn)生一個過渡界面或過渡區(qū)，如同這里的其它描述。具有基體形貌特征的多晶金剛石緊密件中存在的梯度界面I的深度通常大于基體表面是簡單表面的多晶金剛石緊密件的界面。因此，具有基體形貌特征的多晶金剛石緊密件中的殘余應(yīng)力場分布在復(fù)合片結(jié)構(gòu)中較長的區(qū)域內(nèi)，并且分布的區(qū)域包括更多數(shù)量的金剛石和基體材料。結(jié)果，與不使用基體形貌特征相比，可以得到強度更高和更穩(wěn)定的多晶金剛石緊密件。
圖3Q表示部分球形的多晶金剛石緊密件。復(fù)合片包括具有金剛石插孔、凹坑或缺口351的基體348。在燒結(jié)過程中，在凹坑351中形成多晶金剛石349，形成包括不連續(xù)或節(jié)段區(qū)金剛石的承重和接合面。在金剛石區(qū)349之間，有基體材料350暴露在承重和接合面上。在最終拋光時，與金剛石相比基體材料硬度較低，容易將暴露的基體350磨掉，使承重和接合面的最初接觸和關(guān)節(jié)連接由金剛石349片提供。如果需要，可以將暴露的基體350機加工或拋光，以產(chǎn)生足夠的去除量形成通道，使?jié)櫥黧w流到承重和接合面。
圖3R表示球形的球352，它具有基體353和金剛石骨板354。基體353包括插孔355，用于容納連接機構(gòu)。金剛石骨板354沒有完全覆蓋基體353的整個表面。如圖所示，金剛石骨板354是半球形結(jié)構(gòu)?；w353在其赤道上有一條環(huán)形槽或環(huán)356。金剛石骨板354在環(huán)形槽356中較厚并占據(jù)環(huán)形槽356，以在金剛石骨板354的邊緣產(chǎn)生更強的結(jié)合。
圖3S表示杯357，包括基體358和金剛石骨板承重和接合面359?；w358包括口緣360，將金剛石骨板359夾持在杯357中。盡管口緣360的結(jié)構(gòu)可以在燒結(jié)多晶金剛石緊密件之前在基體358上制作，但口緣360的結(jié)構(gòu)也可在燒結(jié)過程中由基體材料的膨脹形成或增強?？诰墱p小或消除了金剛石骨板359與基體358的徑向界面末端的邊緣效應(yīng)，從而得到更強和更耐用的部件。
圖3T表示基本為球形的基體362，其表面上具有多個截頭金字塔形或多邊形凸起363。基體球362的表面364除去凸起363外基本是球形。凸起有方形或矩形的下周邊365、方形或矩形的上周邊366和所需高度的側(cè)壁367。凸起頂部366可以是不同的，從而在下和上周邊之間形成多個不同的角度。如果兩個周邊尺寸相同并且側(cè)壁367是直的，則凸起是方形的或矩形的。如果上周邊366的尺寸小于下周邊，則凸起為截頭金字塔形。如果上周邊366大于下周邊365，則凸起為倒置的截頭金字塔形。金剛石骨板固定在圖3T的基體上，使金剛石骨板完全覆蓋基體表面修飾及它們之間的區(qū)域。在這種結(jié)構(gòu)中，從外觀看，基體表面修飾無法辨認(rèn)。另外，金剛石可以僅覆蓋基體上基體表面修飾間的區(qū)域，形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的暴露金剛石以及不連續(xù)區(qū)域的暴露基體材料。
圖3U表示基本球形基體368，其表面上具有多個凹坑369。基體球368的表面370除去凹坑369外是球形的。凹坑有方形或矩形的上周邊37、方形或矩形的底372和所需高度的側(cè)壁373。根據(jù)需要，凹坑的最大上周邊371的尺寸與同一凹坑底周邊372的尺寸相同。如果周邊是相同的，則凹坑是方形的或矩形的。如果上周邊371的尺寸大于底周邊352，則凹坑為倒置的截頭金字塔形。金剛石結(jié)合在如圖3U所示的基體上，其厚度完全覆蓋基體的外表面。在這種情況下，金剛石骨板在凹坑上方區(qū)域的厚度比其它區(qū)域的厚。在這種金剛石骨板中，從外觀看，基體表面形貌特征無法辨認(rèn)。另外，金剛石可以僅處于凹坑中，留下凹坑之間的基體暴露著。
盡管描述了凸球形基體中的很多基體表面形貌特征，但這些表面形貌特征可以應(yīng)用到凸球形基體表面，其它非平面基體表面和平面基體表面。也可以使用對圖中所示的基體表面形貌變化和修改的基體表面形貌，以及其它增大部件強度或持久性的表面形貌。
c.金剛石原料的選擇通常使用的金剛石顆粒在不到1微米到100微米以上的范圍內(nèi)。但在本發(fā)明的一些實施例中，使用1納米的金剛石顆粒。對于光滑的支承表面，優(yōu)選的使用較小的金剛石顆粒。一般地，金剛石顆粒尺寸在0.5到2.0微米或0.1到10微米的范圍內(nèi)。下面的表中給出了優(yōu)選的金剛石原料。表3雙峰分布金剛石原料的例子
這個配方混入了一些較小和一些較大的金剛石晶體，在燒結(jié)過程中，小晶體溶解然后再結(jié)晶，形成較大金剛石晶體的點陣結(jié)構(gòu)。碳氮化鈦粉可以選擇性地用于金剛石原料中，以防止燒結(jié)過程中金剛石晶體的過度長大，從而使生產(chǎn)的最終制品具有較小的金剛石晶體。
下面表中給出了另一種金剛石原料的例子。表4三峰分布金剛石原料的例子
可以在任何具有第一尺寸或直徑“x”、第二尺寸0.1x和第三尺寸0.01x的金剛石原料中使用上面金剛石原料的三峰分布。這個金剛石晶體的比例使原料的堆積達到理論密度的約89％，使大多數(shù)間隙填滿并使最終的多晶金剛石緊密件中金剛石骨板達到最致密。
下面表中給出了另一種金剛石原料的例子。表5三峰分布金剛石原料的例子
下面表中給出了另一種金剛石原料的例子。表6三峰分布金剛石原料的例子
下面表中給出了另一種金剛石原料的例子。表7三峰分布金剛石原料的例子
在本發(fā)明的一些實施例中，所用的金剛石原料是最大尺寸約100納米或較小的金剛石粉。在本發(fā)明的一些實施例中，盡管在很多應(yīng)用中存在相當(dāng)多溶劑觸媒金屬在燒結(jié)過程中從基體中掃越，但優(yōu)選的在金剛石原料中包括有益于燒結(jié)過程的溶劑觸媒金屬，d.溶劑金屬的選擇上面已經(jīng)提到過，在燒結(jié)過程中，溶劑金屬將從基體中掃越到金剛石原料，溶解一些金剛石原料，隨后產(chǎn)生再結(jié)晶，形成具有多晶金剛石特征的金剛石-金剛石鍵結(jié)合的點陣網(wǎng)絡(luò)。但是，優(yōu)選的是，僅僅當(dāng)需要補充從基體掃越的溶劑觸媒金屬時，在金剛石原料中包括一些溶劑觸媒金屬。
傳統(tǒng)上，使用鈷、鎳和鐵作為溶劑金屬應(yīng)用在多晶金剛石制造。但是在人工關(guān)節(jié)中，溶劑金屬必須是生物相容的。本發(fā)明者優(yōu)選使用的溶劑金屬如CoCrMo或CoCrW。鉑或其它材料也可作為粘結(jié)相。
重要的不僅是在金剛石原料中加入溶劑金屬，而且包括溶劑金屬的合適比例和與金剛石原料的混合均勻。本發(fā)明者優(yōu)選使用約86％(重量百分?jǐn)?shù))的金剛石原料和15％的溶劑金屬，但可以使用的金剛石原料與溶劑金屬的比例包括5∶95、10∶90、20∶80、30∶70、40∶60、50∶50、60∶40、65∶35、75∶25、80∶20、90∶10、95∶5、97∶3、98∶2、99∶1、99.5∶0.5、99.7∶0.3、99.8∶0.2、99.9∶0.1及其它。
為了將金剛石原料與溶劑觸媒金屬混合，首先將一定數(shù)量的待混合的金剛石和溶劑金屬放在一個混合桶中，例如混合桶是由所需的溶劑觸媒金屬制作的。接著在合適的速度(如200rpm)下用甲醇和研磨球?qū)⒔饎偸腿軇┙饘倩旌虾线m的時間，例如30分鐘。研磨球、混合夾具和混合桶優(yōu)選的是由溶劑觸媒金屬制作的。接著倒出甲醇，將金剛石原料與研磨球分開。接著通過在氫氣爐中在約1000℃下加熱約1小時，將原料干燥并清潔。接著原料準(zhǔn)備好用于裝料和燒結(jié)。另外，原料也可以在保持其清潔的條件下儲存。用于加熱的合適的氫氣爐包括氫氣等離子爐和真空爐。
e.裝入金剛石原料金剛石原料的裝料技術(shù)對于成功制作最終產(chǎn)品非常關(guān)鍵。如上所述，為了生產(chǎn)出不變形的部件，金剛石原料必須以均勻的密度裝入。
參考圖7，表示完成優(yōu)選的裝料技術(shù)的裝置。裝置包括具有縱軸702的旋轉(zhuǎn)棒701，旋轉(zhuǎn)棒能繞其縱軸旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)棒701的末端703與所制造的部件的尺寸和形狀相符。例如，如果所制造的部件是股骨頭或關(guān)節(jié)杯，旋轉(zhuǎn)棒末端703是半球形。
加壓環(huán)704具有孔705，旋轉(zhuǎn)棒701能穿過孔705。模具706或罐中有空腔707，也與所制作的部件的尺寸和形狀相配。
為了裝入金剛石原料，旋轉(zhuǎn)棒放入鉆孔機卡盤中，并與模具的中心點對齊。旋轉(zhuǎn)棒在模具空腔內(nèi)的停止深度用一套螺桿控制并用一個刻度盤指示器監(jiān)測。
模具中裝入已知數(shù)量的金剛石原料。接著旋轉(zhuǎn)棒繞其縱軸旋轉(zhuǎn)，并下降到模具空腔內(nèi)達到預(yù)定的深度。在此工作中，旋轉(zhuǎn)棒接觸金剛石原料并將其重新排列。接著停止旋轉(zhuǎn)棒并固定在此位置處。
接著加壓環(huán)在旋轉(zhuǎn)棒的外側(cè)下降，達到與模具空腔內(nèi)的金剛石原料接觸的位置。與金剛石原料接觸的加壓環(huán)是環(huán)形的。加壓環(huán)上下?lián)v打壓緊金剛石。這種類型的壓制用于將整個空腔內(nèi)的金剛石原料分布成相同的密度，并可以分階段進行以防止橋接現(xiàn)象。使用加壓環(huán)壓緊金剛石使樣品赤道周圍的金剛石密度非常均勻并且與空腔極點區(qū)的密度相同。在這種結(jié)構(gòu)中，金剛石燒結(jié)成真正的球形，并使部件的球形度保持在很小的公差內(nèi)。
另一種可以使金剛石原料密度均勻的方法是使用粘結(jié)劑。在金剛石原料中加入適當(dāng)數(shù)量的粘結(jié)劑，接著在罐中壓制?？梢允褂玫恼辰Y(jié)劑包括聚乙烯基醇縮丁醛、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇縮甲醛、聚氯乙烯-乙酸乙烯酯、聚乙烯、乙基纖維素、松香酸甲酯、石蠟、聚碳酸丙烯和聚甲基丙烯酸乙酯。
在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，粘結(jié)金剛石原料的過程包括四個步驟。第一步，制備粘結(jié)劑溶液。粘結(jié)劑溶液的制備是將約5％到25％的增塑劑加入到聚合物(碳酸丙烯酯)中并將此混合物溶解在溶劑如2-丁酮中，得到重量約為20％的溶液。
可用的增塑劑一般包括非水溶液粘結(jié)劑、乙二醇、鄰苯二甲酸二丁酯、鄰苯二甲酸丁芐酯、鄰苯二甲酸烷基芐基酯、鄰苯二甲酸二辛酯、鄰苯二甲酸二異癸酯、鄰苯二甲酸二異壬酯、鄰苯二甲酸二甲酯、二丙二醇二苯甲酸酯、混合二醇二苯甲酸酯、2-乙基己基二苯基二苯甲酸酯、混合二醇二苯甲酸酯、2-乙基己基二苯基磷酸酯、異癸基二苯基磷酸酯、isodecyldiphenl phosphate、三甲苯基磷酸酯、三丁氧基乙基磷酸酯、己二酸二己酯、偏苯三酸三異辛酯、鄰苯二甲酸二辛酯、環(huán)氧化亞麻子油、環(huán)氧化豆油、檸檬酸乙?；一?、丙烯碳酸酯、各種鄰苯二甲酸酯、硬脂酸丁酯、甘油、聚烷基二醇衍生物、草酸二乙酯、石蠟和三甘醇。也可以使用其它合適的增塑劑。
可用的溶劑包括2-丁酮、二氯甲烷、氯仿、1，2-二氯乙烷、三氯乙烯、乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸乙烯酯、丙烯碳酸酯、乙酸正丙酯、乙腈、二甲基甲酰胺、丙腈、n-methyl-2-pyrrolidene、冰醋酸、二甲基亞砜、丙酮、甲乙酮、環(huán)己酮、oxysolve 80a、caprotactone、丁內(nèi)酯、四氫呋喃、1，4-二氧六環(huán)、環(huán)氧丙烷、乙酸酯溶纖劑(cellosolve acetate)、2-甲氧基乙基醚、苯、苯乙烯、二甲苯、乙醇、甲醇、甲苯、環(huán)己烷、氯代烴類、酯類、酮類、醚類、乙苯和各種烴類。也可以使用其它合適的溶劑。
第二步，將金剛石與粘結(jié)劑溶液混合。金剛石加入到粘結(jié)劑溶液中達到約2-25％粘結(jié)劑溶液(計算百分?jǐn)?shù)時不考慮2-丁酮)。
第三步，將金剛石與粘結(jié)劑溶液的混合物干燥。這一步的完成是通過將金剛石與粘結(jié)劑溶液的混合物放入真空爐中在50℃約24小時，去除所有的溶劑2-丁酮。第四步，將金剛石和溶劑壓制成形。當(dāng)金剛石和粘結(jié)劑從爐中取出時，它呈團塊狀，將其破碎后再用壓機壓制成所需的形狀。將所需形狀的壓制芯桿與粘結(jié)的金剛石接觸，使其形成所需形狀。當(dāng)金剛石和粘結(jié)劑壓制后取出芯桿。壓制后金剛石和粘結(jié)劑的優(yōu)選的最終密度至少為每立方厘米2.6克。
如果使用揮發(fā)性粘結(jié)劑，在燒結(jié)之前它就從成形的金剛石中揮發(fā)掉了。將成形的金剛石放入爐中，粘結(jié)劑在足夠的時間內(nèi)或者氣化或者熱分解，因此沒有粘結(jié)劑的殘留。金剛石或基體的外界污染造成多晶金剛石緊密件的質(zhì)量降低，因此必須重視保證在加熱循環(huán)中去除污染和粘結(jié)劑。時間和溫度對于粘結(jié)劑的有效熱分解是關(guān)鍵的。對于上述例子的粘結(jié)劑，優(yōu)選的脫除粘結(jié)劑的脫脂過程如下。閱讀下面描述的同時參看圖7是有幫助的。
首先，將成形的金剛石和粘結(jié)劑從室溫加熱到500℃。優(yōu)選的升溫速度為每分鐘2℃，直到500℃。第二，粘結(jié)和成形的金剛石在500℃保溫2小時。第三，再次升高金剛石的溫度。優(yōu)選的，溫度從500℃開始以每分鐘4℃的速度升高到950℃。第四，金剛石在950℃保溫6小時。第五，以每分鐘2℃的速度將金剛石的溫度降低到室溫。
在本發(fā)明的一些實施例中，需要使用合適的工藝將粘結(jié)的金剛石原料成形，例如注射成形。金剛石原料中包括一種或多種尺寸的金剛石晶體、溶劑觸媒金屬和其它控制金剛石再結(jié)晶和溶劑觸媒金屬分布的成分。當(dāng)所需的最終部件形狀是平的、凸圓頂形或圓錐形時，金剛石原料的處理并不難。但是，當(dāng)所需的最終部件形狀具有復(fù)雜的輪廓時，例如這里附圖所示的，使用粉末金剛石原料使多晶金剛石緊密件達到均勻厚度和精確輪廓比較困難。在這些情況下，需要在燒結(jié)前處理金剛石原料。
如果需要在裝入罐中進行燒結(jié)之前處理金剛石原料，而不將粉末金剛石原料裝入罐中，所述的步驟及其變化如下所述。首先，如上所述，將合適的粘結(jié)劑加入到金剛石原料中?？梢赃x擇將粉末狀溶劑觸媒金屬和其它成分也加入到原料中。通常所選的粘結(jié)劑是具有某些特性的聚合物，例如熔點、在不同溶劑的溶解度和CTE。粘結(jié)劑可以包括一種或多種聚合物。根據(jù)需要，粘結(jié)劑還可包括合成橡膠和/或溶劑，以得到所需的粘結(jié)性、流體流動性和注射成形的特性。加入原料中的粘結(jié)劑所占的體積優(yōu)選的等于或略大于輕壓粉末中空隙的測量體積。由于粘結(jié)劑通常包括較高CTE的有機聚合物材料，需要計算注射成形溫度下粘結(jié)劑占據(jù)的體積。粘結(jié)劑和原料應(yīng)充分混合，以保證成分的均勻性。當(dāng)加熱時，粘結(jié)劑和原料在高壓注射成形過程中應(yīng)具有足夠的流動特性。接著將加熱的原料和粘結(jié)劑混合物在壓力作用下注射到所需形狀的模具中。接著在模具中冷卻注射成形的部件直到設(shè)定的溫度，然后打開模具取出部件。根據(jù)所需的最終多晶金剛石緊密件的形狀，一種或多種注射成形的金剛石原料部件可以放在一個罐中進行多晶金剛石緊密件的燒結(jié)。并且，使用這種方法可以在進行燒結(jié)過程之前將金剛石原料注射成形為所需的形狀并儲存一段較長時間，從而簡化制造工藝并達到高生產(chǎn)效率。
根據(jù)需要，從注射成形金剛石原料成形件中脫除粘結(jié)劑。有多種方法可以達到這一目的。例如，通過簡單的真空或氫氣爐處理，從金剛石原料成形件中脫除粘結(jié)劑。以這種方法，在真空或很低壓力的氫氣(還原)氣氛中將成形件升高到所需溫度。接著，粘結(jié)劑將隨溫度的升高而揮發(fā)并從成形件中脫除。然后從爐中取出成形件。當(dāng)使用氫氣時，有助于保持金剛石原料成形件中金剛石晶體的非常清潔和化學(xué)活化的表面。
另一種從成形件中脫除粘結(jié)劑的方法包括使用兩種不同分子量的聚合物(例如聚丙烯)。最初的注射成形完成后，將金剛石原料成形件放入溶劑池中脫除低分子量的聚合物，留下高分子量的聚合物保持金剛石原料成形件的形狀。接著將金剛石原料成形件放入爐中進行真空或很低壓力的氫氣氣氛處理脫除高分子量聚合物。
從金剛石原料成形件中脫除部分或全部粘結(jié)劑是在將成形件放入壓制組件中進行多晶金剛石緊密件燒結(jié)之前完成。可供選擇的是，將包括金剛石原料成形件的壓制組件放入爐中進行真空或很低壓力的氫氣氣氛處理并脫除粘結(jié)劑。
為了在金剛石骨板中得到不同類型的梯度，可以選擇并裝入金剛石原料。這包括界面梯度金剛石骨板、遞增梯度金剛石骨板和連續(xù)梯度金剛石骨板。
如果在基體上裝入單一類型或混合的金剛石原料，如其它地方的描述，溶劑觸媒金屬掃越到金剛石中將在金剛石骨板的梯度過渡區(qū)形成界面梯度。
遞增梯度金剛石骨板的形成是通過在燒結(jié)之前將不同特性(金剛石粒度、金剛石粒度分布、金屬含量等等)的金剛石原料裝入不同層中。例如，選擇基體，并將含有60％(重量百分?jǐn)?shù))溶劑觸媒金屬的第一金剛石原料裝在基體上的第一層中。接著，將含有40％(重量百分?jǐn)?shù))溶劑觸媒金屬的第二金剛石原料裝在第一層上面的第二層中?？梢赃x擇使用額外的金剛石原料層。例如，將含有20％(重量百分?jǐn)?shù))溶劑觸媒金屬的第三金剛石原料裝在第二層上面。
連續(xù)梯度金剛石骨板的形成是通過裝入金剛石原料時使一個或多個金剛石原料特性從金剛石骨板厚度的一側(cè)到另一側(cè)連續(xù)變化。例如，金剛石粒度從靠近基體的較大值(為了在金剛石中形成較大空隙用于溶劑觸媒金屬的進入)變化到金剛石支承表面的較小值，從而得到的部件與基體有強的結(jié)合，但也具有摩擦非常低的支承表面。
不同層的金剛石原料可以是相同或不同的金剛石粒度和粒度分布。不同層的金剛石原料中包含的溶劑觸媒金屬的重量百分?jǐn)?shù)從0到大于80％。在一些實施例中，所裝入的金剛石原料中沒有溶劑觸媒金屬，依靠溶劑觸媒金屬從基體的掃越達到燒結(jié)。使用多個金剛石原料層，金剛石原料層中具有不同的金剛石粒度和粒度分布，或不同重量百分?jǐn)?shù)的溶劑觸媒金屬，或者二者都有，使制造的金剛石骨板在與基體的界面處和在支承表面和接合面處具有不同的物理特性。這使所制造的金剛石復(fù)合片的金剛石骨板與基體的結(jié)合非常牢固，在承重和接合面有非常好的特性，達到低摩擦的關(guān)節(jié)連接、高的耐沖擊性和持久性。
f.減少金剛石原料中的自由體積如上所述，需要在燒結(jié)過程之前去除金剛石原料中的自由體積。本發(fā)明者發(fā)現(xiàn)，當(dāng)生產(chǎn)凸或凹球形部件時這是一個有用的過程。但是，如果使用具有足夠壓頭行程的壓機進行高壓和高溫?zé)Y(jié)，就不需要這一過程。優(yōu)選的，減少金剛石原料中的自由體積，使金剛石原料達到至少95％的理論密度，更優(yōu)選的接近97％的理論密度。
參考圖8和8A，表示用于預(yù)壓制金剛石去除自由體積的組件。在圖中，金剛石原料用于制作一個凸球形多晶金剛石部件。這個組件適合于預(yù)壓制用于制作其它復(fù)雜形狀多晶金剛石緊密件的金剛石原料。
圖中所示的組件包括壓力傳遞介質(zhì)立方體801。立方體由葉蠟石或其它適合于傳遞壓力的材料制成，如合成壓力介質(zhì)，并且承受的壓力來自六面頂壓機的頂錘，從立方體六個面同時加壓。如果這個步驟中使用兩面頂壓機，則使用圓柱形壓力傳遞介質(zhì)，而不是立方體。
立方體801有一個貫通的圓柱形空腔802或通道?？涨?02的中心容納球形難熔金屬罐810，其中裝有預(yù)壓制的金剛石原料806。金剛石原料806與基體在一起。
罐810由兩個等分的半球形罐810a和810b組成，其中一個與另一個重疊形成輕微的口緣812。優(yōu)選的適合于罐的難熔金屬如鎳、鉭、鉬等等。罐是兩個半球，其中一個略大，可以使另一個插入其中，從而完全封住金剛石原料。在較大的罐上有口緣，使較小的罐能很好地與之配合。罐的接縫用合適的密封劑密封，例如干的六方氮化硼或人造耐壓介質(zhì)。密封劑形成一個阻擋，防止傳壓介質(zhì)滲透到罐中。罐的密封也可以用等離子、激光或電子束工藝焊接。
一對形狀合適的圓頂804和807圍繞著含有金剛石原料806的罐810。在圖示的例子中，每個圓頂分別有半球形空腔805和808，用于容納含有球形金剛石原料806的罐810。圓頂和罐及金剛石原料組裝在一起，圓頂包住金剛石原料。一對圓柱形的盤803和809分別裝在圓頂804和807的外側(cè)。所有上述的部件都裝在傳壓介質(zhì)801的孔802中。
整個加熱立方體組件放在壓機中在合適的壓力(例如40-68千巴)以及合適的雖然是短暫的時間下壓制，從而預(yù)壓制金剛石，準(zhǔn)備用于燒結(jié)。這個步驟中不需要熱量。
g.準(zhǔn)備加熱器組件為了將上述組裝和裝入的金剛石原料燒結(jié)成多晶金剛石，同時需要壓力和溫度。當(dāng)部件在壓機中經(jīng)受加壓過程時進行電加熱。先前工藝的加熱器組件用于提供所需的熱量。
將含有裝入和預(yù)壓制金剛石原料的難熔金屬罐放入加熱器組件中。使用鹽頂封閉罐，所用的鹽頂優(yōu)選的是白鹽(NaCl)，預(yù)壓制到至少90-95％理論密度。為了燒結(jié)系統(tǒng)的高壓力和維持所制作部件的形狀穩(wěn)定性，鹽的這個密度是需要的。將鹽頂和罐放入石墨加熱管組件中。優(yōu)選地，將鹽和加熱器組件的石墨元件在真空爐中烘烤，溫度大于100℃，真空度至少23乇，時間約1小時，以去除在裝入加熱器組件之前吸收的水分。其它能用于加熱器組件結(jié)構(gòu)中的材料包括實體或薄片的石墨、無定形碳、熱解碳、難熔金屬和高電阻金屬。
一旦給加熱管通電，它將在高壓/高溫壓制操作過程中產(chǎn)生形成多晶金剛石需要的熱量。
h.準(zhǔn)備壓力組件用于燒結(jié)一旦加熱器組件準(zhǔn)備完，就將其放入壓力組件中，在壓機中在高壓和高溫條件下燒結(jié)。六面頂壓機或兩面頂壓機可用于此，但根據(jù)所用壓機的類型，壓力組件有些不同。壓力組件用于從壓機上接受壓力并將壓力傳遞到金剛石原料，使金剛石的燒結(jié)在等靜壓條件下進行。
如果使用六面頂壓機，則合適壓力傳遞介質(zhì)的立方塊例如葉蠟石將容納加熱器組件。如果使用兩面頂壓機進行燒結(jié)，則使用杯形加壓介質(zhì)。鹽可以作為壓力傳遞介質(zhì)用在立方塊和加熱器組件之間。熱電偶放在立方塊上，在燒結(jié)過程中檢測溫度。內(nèi)部具有加熱器組件的立方塊稱為壓力組件，放在壓機中進行燒結(jié)。
i.將原料燒結(jié)成多晶金剛石將上述包含難熔金屬罐的壓力組件放入合適的壓機中，難熔金屬罐中裝有預(yù)壓制的金剛石原料。本發(fā)明此時優(yōu)選的壓機類型為六面頂壓機(即壓機具有六個頂錘面)，將高壓力沿3個軸從六個不同方向傳遞到壓力組件。另外，使用兩面頂壓機和圓柱形容器也能得到相似的結(jié)果。參考圖8B，表示了六面頂壓機820的六個頂錘，頂錘821、822、823、824、825和826包圍著壓力組件830。
為了準(zhǔn)備燒結(jié)，將整個壓力組件裝入六面頂壓機，初始壓力為40-68千巴。所用的壓力是根據(jù)所制造的產(chǎn)品并且必須根據(jù)經(jīng)驗確定。接著，給壓力組件通電，使壓力組件的溫度優(yōu)選的達到從不到1145℃或1200℃到1500℃以上之間的范圍。優(yōu)選地，在兩個相對的頂錘面之間需要5800瓦特的電源，以產(chǎn)生所需的電流流過加熱器組件，使其產(chǎn)生所需的熱量。一旦達到所需的溫度，壓力組件就在頂錘面上受到約每平方英寸1百萬磅的壓力。壓力組件的構(gòu)件將壓力傳遞到金剛石原料。這些條件優(yōu)選的保持約3-12分鐘，但可以從不到1分鐘到30分鐘以上。多晶金剛石緊密件的燒結(jié)在等靜壓的條件下進行，此時僅允許壓力傳遞部件產(chǎn)生體積變化，而不能有其它變形。一旦燒結(jié)循環(huán)結(jié)束，則進行90秒的冷卻期，接著去除壓力，取出多晶金剛石緊密件進行最終加工。
從壓力組件中取出具有彎曲、復(fù)合或復(fù)雜形狀的燒結(jié)多晶金剛石是簡單的，因為本發(fā)明優(yōu)選實施例中金剛石和其周圍的材料之間存在材料性質(zhì)的差異。一般地，這在本發(fā)明中稱為模具釋放系統(tǒng)。
一個或多個下面的過程用于模具釋放系統(tǒng)中在多晶金剛石緊密件部件和模具之間放一層中間層材料，防止多晶金剛石緊密件與模具表面的粘結(jié)。
使用在合成條件下不與多晶金剛石緊密件粘結(jié)的模具材料。
使用的模具材料，在多晶金剛石緊密件合成循環(huán)的最后階段或結(jié)束，如果是純凹形的多晶金剛石緊密件則收縮后從多晶金剛石緊密件中掉出；或者如果是純凸形的多晶金剛石緊密件則膨脹后從多晶金剛石緊密件中掉出。
成形的模具也同時作為多晶金剛石緊密件合成過程中用到的掃越金屬的來源。
作為一例子，下面討論在制造多晶金剛石緊密件時模具釋放系統(tǒng)的使用，其中通過使用與所需形狀相反的形狀制作半球形杯。模具表面從最終純凹形狀收縮出來，模具表面作為溶劑觸媒金屬的來源用于多晶金剛石緊密件合成過程，并且模具表面與多晶金剛石緊密件間的粘結(jié)性很差。
當(dāng)形成凹半球形杯時，如球和窩關(guān)節(jié)中接合面所用的，使用了兩種不同方法。在第一種方法中，由鈷鉻合金(ASTM F-799)形成的模具用作基體，其周圍放置一層多晶金剛石緊密件原料，這些都裝在外罐中。一個單獨的環(huán)，由像云母或壓制的六方氮化硼(HBN)之類的材料構(gòu)成，位于模具球的半球處，使兩個凹半球形多晶金剛石緊密件部件在合成過程結(jié)束時分離。在多晶金剛石緊密件合成過程中，由于過程固有的溫度升高，鈷鉻合金球尺寸膨脹。這也能為多晶金剛石緊密件合成過程提供溶劑觸媒掃越金屬。
當(dāng)在模具球周圍形成多晶金剛石緊密件殼后，隨著冷卻和壓力降低模具球收縮，模具球與兩個半球形多晶金剛石緊密件杯分離。CoCr球的收縮力超過金剛石與CoCr的粘結(jié)力，得到相當(dāng)徹底的分離并且與分離的球形CoCr球接觸的多晶金剛石杯表面光滑。
作為另一種選擇，可以在多晶金剛石緊密件與模具表面之間使用一層中間層材料。中間層材料應(yīng)當(dāng)能從最終的純凹形多晶金剛石緊密件中收縮出來，使模具與多晶金剛石緊密件分離。
第二種在制作半球形杯時使用的模具釋放方法與第一種方法類似。但是，在第二種方法中，模具是鈷粘結(jié)的碳化鎢球，表面涂覆一薄層六方氮化硼。在多晶金剛石緊密件合成過程中，由于過程固有的溫度升高，碳化鎢球尺寸膨脹。當(dāng)在模具球周圍形成多晶金剛石緊密件殼后，隨著冷卻模具球收縮，模具球與兩個半球表多晶金剛石緊密件杯分離。六方氮化硼防止多晶金剛石緊密件和碳化鎢球之間的粘結(jié)，使二者達到徹底分離。
j.從PCD中去除溶劑觸媒金屬如果需要，可以去除保留在燒結(jié)多晶金剛石間隙中的溶劑觸媒金屬。這種去除的完成是通過化學(xué)浸出的方法，這是本領(lǐng)域公知的。當(dāng)溶劑觸媒金屬從金剛石骨板中的間隙去除后，金剛石骨板在高溫下具有更高的穩(wěn)定性。這是因為沒有觸媒與金剛石反應(yīng)并使之破壞。如果溶劑觸媒材料不是生物相容的，也需要去除金剛石間隙中的溶劑觸媒金屬。
溶劑觸媒金屬從金剛石骨板中浸出后，為了得到比浸出后多晶金剛石強度更高的熱穩(wěn)定的金剛石，需要用另一種金屬或合金替代。如果將人造金剛石或多晶金剛石緊密件焊接到基體或其它表面，例如通過惰性焊接，就需要使用熱穩(wěn)定的金剛石，因為它能抵抗焊接過程產(chǎn)生的熱量。
3.加工方法和設(shè)備一旦多晶金剛石緊密件燒結(jié)完，優(yōu)選的使用機加工工藝制備最終產(chǎn)品。下面所要解釋的優(yōu)選的加工步驟以加工多晶金剛石緊密件為例描述，但它們也可以用于加工任何其它的支承表面或任何其它類型的部件。
在本發(fā)明之前，人造金剛石工業(yè)面臨的問題是金剛石復(fù)合片的平表面和薄刃邊。從球形表面去除大量金剛石或者將這些表面加工到高精度的球形度、尺寸和表面光潔度的方法尚未在先前工藝中開發(fā)出來。
a.拋光超硬圓柱形和平面形狀為了更好理解最優(yōu)選的曲面和球形超硬表面的拋光技術(shù)，下面先描述其它的拋光技術(shù)。
1)研磨在鑄鐵或銅旋轉(zhuǎn)盤上使用金剛石粉濕漿去除較大平面上的物質(zhì)(例如直徑高達70mm)。尺寸約從3mm到70mm的端面涂層的圓柱體也可研磨得到平面。盡管平面度和表面光潔度能達到非常小的公差，但研磨一般較慢，不能對深度和層厚度進行尺寸控制。
2)磨削使用金剛石磨輪成形圓柱形的和平的表面。磨輪通常是樹脂粘結(jié)的，根據(jù)需要的材料去除類型(如外圓無心磨或邊磨)，具有各種不同形狀。多晶金剛石緊密件難以磨削，并且大的多晶金剛石緊密件表面幾乎不可能磨削。因此，為了磨削需要保持一個最小尺寸，磨削通常限制在窄的刃邊或周邊，或者為尺寸定型的端面涂覆PDC的圓柱體或機加工工具開刃。
3)電火花放電磨削(EDG)電火花放電磨削(EDG)能對大直徑(如高達70mm)平面的多晶金剛石緊密件進行粗加工。此技術(shù)通常包括使用正電極的旋轉(zhuǎn)碳輪在負(fù)電極的多晶金剛石緊密件平面上旋轉(zhuǎn)。通過控制變量，如火花頻率、電壓及其它，EDG機的自動控制使多晶金剛石緊密件的物質(zhì)得到恰當(dāng)?shù)碾姼g。與研磨和磨削相比，在去除較多的金剛石方面，EDG通常是更有效的方法。EDG之后，表面必須精研磨或磨削，去除EDG造成的所謂的熱影響區(qū)或重熔層。
4)放電線切割(WEDM)WEDM用于從較大的圓柱體或平板上切割出各種形狀和尺寸的超硬部件。通常，機加工工具的切削刀片和刀頭以及油孔鉆頭的整形刀具是WEDM在PDC加工中最典型的應(yīng)用。
5)拋光將超硬表面拋光到非常高的精度可以用包含金剛石的高速拋光機完成。高速和高摩擦溫度的綜合作用將使這種方法加工的PDC表面拋光，并同時保持高的平面度，從而得到像鏡面一樣的外觀并具有精確的尺寸。
b.加工球形形狀加工球形表面(凹球形或凸球形)比加工平表面或圓柱體的圓形端面問題更大。球體所要加工的總表面積是相同直徑圓柱體圓形端面總表面積的4倍，因此就需要去除4倍的多晶金剛石緊密件物質(zhì)。球形表面的性質(zhì)使傳統(tǒng)加工技術(shù)例如研磨、磨削和其它不能應(yīng)用于此，因為它們適于加工平表面和圓柱表面。球的接觸點是與球的邊緣相切的點接觸，因此單位時間內(nèi)去除的物質(zhì)數(shù)量很少，相應(yīng)地增大了所需的加工時間。并且，用于加工球形物體的加工設(shè)備和工具的設(shè)計和類型必須比用于其它形狀的更加精確并達到更加嚴(yán)格的公差。球形加工設(shè)備也需要對工件的定位和工具的進退有更大的調(diào)整限度。
為了加工球形、圓形或弧形的表面，可以執(zhí)行以下步驟。
1)粗加工優(yōu)選地使用特殊的放電加工設(shè)備首先粗加工出表面的尺寸。參看圖9，表示粗加工多晶金剛石緊密件球903。旋轉(zhuǎn)器902繞其縱軸(圖中的Z軸)連續(xù)旋轉(zhuǎn)。待粗加工的球903固定在旋轉(zhuǎn)器902的軸上。電極901的接觸端901A的形狀與待粗加工的部件相符合。在這種情況下，接觸端901A是部分球形。電極901繞其縱軸(圖中的Y軸)連續(xù)旋轉(zhuǎn)。電極901的縱軸Y相對于旋轉(zhuǎn)器902的縱軸Z的夾角是所需的角度β，根據(jù)需要，調(diào)節(jié)這個角度可使電極901去除球903的整個球表面的物質(zhì)。
這樣，電極901和球903繞不同軸旋轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)軸能達到待加工部件的接近完美的球形運動。因此，這種工藝能得到接近完美的球形部件。這種方法得到的多晶金剛石緊密件的球形表面具有高的球形度和非常嚴(yán)格的公差。
通過控制腐蝕過程電流的大小，可以使熱影響區(qū)的深度和數(shù)量達到最小程度。對于多晶金剛石緊密件，熱影響區(qū)能保持在3到5微米的深度，很容易使用金剛石磨輪和拋光輪通過磨削和拋光去除。
參看圖10，表示粗加工一個凸球形多晶金剛石緊密件1003，如關(guān)節(jié)杯。旋轉(zhuǎn)器1002繞其縱軸(圖中的Z軸)連續(xù)旋轉(zhuǎn)，待粗加工的部件1003固定在旋轉(zhuǎn)器1002的軸上。電級1001的接觸端1001A的形狀與待粗加工的部件相符合。電極1001繞其縱軸(圖中的Y軸)連續(xù)旋轉(zhuǎn)。電極1001的縱軸Y相對于旋轉(zhuǎn)器1002的縱軸Z的夾角是所需的角度β，根據(jù)需要，調(diào)節(jié)這個角度可使電極1001去除杯1003的整個球表面的物質(zhì)。
在本發(fā)明的一些實施例中，為了加工一個部件，也連續(xù)使用多個放電加工電極。在一條裝配線上，可以使用一組放電加工機完成此加工任務(wù)。
2)精磨削和拋光一旦按照上述方法或其它方法將球形表面(凹的或凸的)粗加工后，就進行部件的精磨削和拋光。磨削用于去除多晶金剛石緊密件中放電加工留下的熱影響區(qū)物質(zhì)。使用與圖9和圖10相同的旋轉(zhuǎn)形狀能保持部件的球形度，同時提高其表面的精加工特征。
參看圖11，可以看出旋轉(zhuǎn)器1101使用軸夾持住待加工的部件1103，在這種情況下是凸的球。旋轉(zhuǎn)器1101繞其縱軸(圖中的Z軸)連續(xù)旋轉(zhuǎn)，磨削和拋光輪1102繞其縱軸(圖中的X軸)連續(xù)旋轉(zhuǎn)。運動的部件1103與運動的磨削或拋光輪1102接觸。旋轉(zhuǎn)器1101相對于磨削或拋光輪1102的取向角度β可以調(diào)節(jié)并來回擺動，影響部件(球或窩)在其整個表面上的磨削或拋光并保持球形度。
參看圖12，可以看出旋轉(zhuǎn)器1201使用軸夾持住待加工的部件1203，在這種情況下是凸球形杯。旋轉(zhuǎn)器1201繞其縱軸(圖中的Z軸)連續(xù)旋轉(zhuǎn)，磨削和拋光輪1202繞其縱軸(圖中的X軸)連續(xù)旋轉(zhuǎn)。運動的部件1203與運動的磨削或拋光輪1202接觸。旋轉(zhuǎn)器1201相對于磨削或拋光輪1202的取向角度β可以調(diào)節(jié)并且如果需要可來回擺動，影響部件在其表面的球表部分上的磨削或拋光。
在本發(fā)明優(yōu)選的實施例中，磨削使用的顆粒尺寸，按照標(biāo)準(zhǔn)ANSIB74.16-1971，其范圍從100到150，拋光使用的顆粒尺寸范圍從240到1500，但是顆粒尺寸可以根據(jù)使用者的要求進行選擇。使用者可以根據(jù)顆粒尺寸和被磨削的材料調(diào)節(jié)磨削輪的速度，以達到令人滿意的物質(zhì)去除速度。少量的實驗?zāi)苡糜诖_定磨削輪的速度。
根據(jù)本發(fā)明的需要，可以使用金剛石空心鉆拋光金剛石或超硬的支承表面。金剛石空心鉆包括金剛石金屬基體的空心管，其中也有陶瓷和樹脂(聚合物)。
如果拋光的是金剛石表面，優(yōu)選地，拋光輪的速度是可以調(diào)節(jié)的，以使金剛石表面的溫度升高或熱量積累。這種熱量積累將導(dǎo)致金剛石晶體的拋光，得到非常光滑和鏡面一樣的低摩擦表面。在金剛石的拋光過程中，與通過金剛石顆粒相互磨擦的高溫拋光作用去除亞微尺寸的表面粗糙相比，實際物質(zhì)的去除顯得并不重要。一般需要最小每分鐘6000英尺的表面速度以及很大的壓力才能達到拋光作用。每分鐘4000到10000英尺的表面速度是最佳的范圍。根據(jù)施加在被拋光的金剛石上的壓力，拋光可以在每分鐘500直線英尺到每分鐘20000直線英尺的范圍內(nèi)進行。
為了升高被拋光部件的溫度，從而達到最需要的鏡面一樣的拋光，必須在工件上施加壓力，但是溫度不能超過導(dǎo)致將金剛石拋光輪基體粘結(jié)在一起的樹脂的完全分解溫度，否則樹脂將沉積在金剛石上。過量的熱量也會產(chǎn)生不需要的金剛石表面的損壞。
保持被拋光金剛石表面上冷卻劑的穩(wěn)定流速，保持合適的輪速如每分鐘6000英尺，對金剛石施加足夠的壓力使熱量積累但不造成輪的分解或金剛石的破壞，拋光合適的時間，這些都是重要的，都必須根據(jù)所用的具體設(shè)備和所拋光的具體部件確定和調(diào)節(jié)。一般地，被拋光的金剛石表面的溫度不允許升高到800℃以上，否則將產(chǎn)生金剛石的分解。所需的金剛石表面的最終加工，即拋光，一般出現(xiàn)在650到750℃。
在拋光過程中，重要的是表面精加工達到最低可能達到的摩擦系數(shù)，從而產(chǎn)生低的摩擦力，并使接合面使用時間長。優(yōu)選地，一旦在人工關(guān)節(jié)中形成金剛石或其它超硬表面，接著將表面拋光到Ra值0.3～0.005μm。可以接受的拋光包括Ra值在0.5～0.005μm范圍內(nèi)或更低。關(guān)節(jié)的部件在裝配之前單獨拋光，組裝后成為一個單元。其它拋光多晶金剛石緊密件和其它超硬材料的方法也可用于拋光本發(fā)明關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)連接表面，其目標(biāo)是達到光滑的表面，優(yōu)選的Ra值為0.01～0.005μm。
為了選擇兩個匹配的半人工關(guān)節(jié)用于出售和植入病人體內(nèi)，優(yōu)選的在98.6華氏度(正常人體溫度)精確測量相互配對的支承表面，以配對合適尺寸的半個關(guān)節(jié)。
根據(jù)本發(fā)明上述原理制造的結(jié)構(gòu)將提供更強的和耐用的低摩擦支承表面，應(yīng)用于多種用途包括人工關(guān)節(jié)。
雖然結(jié)合很多具體實施例對本發(fā)明進行了描述和說明，但本領(lǐng)域的熟知人員應(yīng)該意識到，在不偏離如上所述和如權(quán)利要求所限定的本發(fā)明原理的條件下能對本發(fā)明做出變化和修改。在不偏離本發(fā)明的精神或本質(zhì)特征的條件下，本發(fā)明可以以其它具體形式實施。從所有方面考慮，上述的實施例僅作為例證，并不具有限制性。因此，本發(fā)明的范圍由所附的權(quán)利要求指出，而不是上述的描述。所有在與權(quán)利要求等價的意思和范圍內(nèi)的變化都在權(quán)利要求限定的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種人工關(guān)節(jié)部件，包括包括溶劑觸媒金屬的基體；燒結(jié)在所述基體上的金剛石層；在所述基體和所述金剛石層之間的區(qū)域，穿過所述的區(qū)域具有溶劑觸媒金屬含量減少的成分梯度；在所述區(qū)域中的化學(xué)鍵，所述化學(xué)鍵包括在所述金剛石骨板中的金剛石-金剛石鍵、在所述梯度過渡區(qū)域內(nèi)的金剛石-金屬鍵以及在所述溶劑觸媒金屬中的金屬-金屬鍵；所述金剛石層與所述基體之間的機械夾持，用于將所述金剛石層固定在所述基體上；在所述金剛石層中的間隙；存在于所述間隙中的溶劑觸媒金屬；和由所述金剛石層形成的非平面的承重和接合面。
2.如權(quán)利要求1所述的部件，其中在所述金剛石層中的燒結(jié)金剛石具有熱膨脹系數(shù)CTECd，所述基體具有熱膨脹系數(shù)CTEsub，CTECd不等于CTEsub。
3.如權(quán)利要求1所述的部件，其中在所述金剛石層中的燒結(jié)金剛石具有模量MCd，所述基體具有模量Msub，MCd不等于Msub。
4.如權(quán)利要求1所述的部件，還包括殘余應(yīng)力場，用于增強所述金剛石層固定到所述基體上的強度。
5.如權(quán)利要求1所述的部件，還包括在所述基體上的基體表面形貌特征。
6.如權(quán)利要求1所述的部件，其中所述基體包括金屬合金，其中所述金屬合金的至少一種成分選自由鈦、鋁、釩、鉬、鉿、鎳鈦合金、鈷、鉻、鉬、鎢、碳化鎢硬質(zhì)合金、碳化鉻硬質(zhì)合金、熔融碳化硅、鎳、鉭和不銹鋼所組成的組中。
7.如權(quán)利要求1所述的部件，其中金剛石層包括金剛石原料，該原料的金剛石顆粒尺寸在小于約1納米到大于約100微米的范圍內(nèi)。
8.如權(quán)利要求1所述的部件，其中所述金剛石承重和接合面是連續(xù)的金剛石表面。
9.如權(quán)利要求1所述的部件，其中所述金剛石承重和接合面是不連續(xù)的金剛石表面。
10.如權(quán)利要求1所述的部件，其中所述金剛石承重和接合面是節(jié)段式的金剛石表面。
11.如權(quán)利要求1所述的部件，其中在所述基體上存在口緣，以便將所述金剛石層鎖定在所述基體上。
12.如權(quán)利要求1所述的部件，還包括在所述金剛石骨板間隙中的CoCr溶劑觸媒金屬。
13.如權(quán)利要求1所述的部件，還包括在所述金剛石層中的連續(xù)梯度。
14.如權(quán)利要求1所述的部件，還包括在所述金剛石層中的遞增梯度。
15.如權(quán)利要求14所述的部件，其中所述遞增梯度包括在所述金剛石層中的多個片，所述多個片中的第一片具有不同于第二片的特性。
16.如權(quán)利要求15所述的部件，其中所述片的所述不同特性選自由金剛石的粒度、金剛石的粒度分布和溶劑觸媒金屬的含量所組成的組中。
17.如權(quán)利要求1所述的部件，還包括界面梯度。
18.如權(quán)利要求1所述的部件，其中所述金剛石層具有從小于約1微米到大于約3000微米的厚度。
19.一種人工關(guān)節(jié)的部件，包括基體；燒結(jié)在所述基體上的金剛石層；位于所述金剛石層中的間隙；位于所述間隙中的溶劑觸媒金屬；同時包括燒結(jié)金剛石和基體的區(qū)域，所述區(qū)域具有從溶劑觸媒金屬含量到金剛石含量的成分梯度，所述梯度選自由界面梯度、連續(xù)梯度和遞增梯度所組成的組中；在所述部件中的化學(xué)鍵，所述化學(xué)鍵包括所述金剛石層中的金剛石-金剛石鍵、在所述區(qū)域內(nèi)的金剛石-金屬鍵以及在所述溶劑觸媒金屬中的金屬-金屬鍵；所述金剛石層與所述基體之間的機械夾持，用于將所述金剛石層固定在所述基體上；和由所述金剛石層形成的非平面的承重和接合面。
20.如權(quán)利要求19所述的部件，還包括基體材料的口緣，用于將所述金剛石層夾持在鄰近所述基體的位置上。
21.如權(quán)利要求19所述的部件，還包括所述金剛石骨板與所述基體之間的燕尾接合。
22.如權(quán)利要求19所述的部件，還包括所述基體上的口緣，用于將所述基體與所述金剛石骨板鎖定在一起。
23.如權(quán)利要求19所述的部件，其中至少部分所述鍵是sp3碳鍵。
24.如權(quán)利要求19所述的部件，其中所述金剛石骨板包括多個片，所述多個片中的第一片具有與第二片的不同的特性。
25.如權(quán)利要求24所述的部件，其中所述不同特性選自由金剛石的粒度、金剛石的粒度分布和溶劑觸媒金屬的含量所組成的組中。
26.如權(quán)利要求19所述的部件，其中使用CoCr作為溶劑觸媒金屬制作所述金剛石骨板。
27.如權(quán)利要求19所述的部件，還包括在所述區(qū)域中的多個金剛石片。
28.如權(quán)利要求19所述的部件，其中所述金剛石骨板具有非平面金剛石承重和接合面。
29.如權(quán)利要求19所述的部件，其中所述間隙用金屬充滿。
30.如權(quán)利要求19所述的部件，其中所述間隙用溶劑觸媒金屬充滿。
31.如權(quán)利要求19所述的部件，還包括在所述基體中的過渡區(qū)域。
32.一種在人工關(guān)節(jié)中使用的部件，其中的接合面包括承重和接合部分；位于所述承重和接合部分上的超硬材料；和由至少一部分所述超硬材料形成的超硬接合面，所述接合面在關(guān)節(jié)中形成低摩擦的接合，所述超硬接合面形成至少一部分的所述承重和接合面。
33.如權(quán)利要求32所述的部件，其中所述超硬材料選自由金剛石、立方氮化硼和密排六方氮化硼所組成的組中。
34.如權(quán)利要求32所述的部件，其中所述超硬材料的努氏硬度至少為約4000。
35.一種人工關(guān)節(jié)部件，包括關(guān)節(jié)構(gòu)件；關(guān)節(jié)構(gòu)件的承重和接合面；基本為純質(zhì)的多晶金剛石部件，所述純質(zhì)的多晶金剛石部件形成至少一部分的所述承重和接合面；位于所述多晶金剛石部件中的金剛石晶體；在所述多晶金剛石部件中的金剛石晶體之間的化學(xué)鍵；和在所述多晶金剛石部件中的晶態(tài)金剛石結(jié)構(gòu)；其中所述承重和接合面的所述多晶金剛石部分具有用于人工關(guān)節(jié)中的接合部的光滑和耐用的表面。
36.如權(quán)利要求35所述的關(guān)節(jié)部件，還包括在所述基本為純質(zhì)的多晶金剛石部件中的間隙。
37.如權(quán)利要求36所述的關(guān)節(jié)部件，還包括在至少一部分所述間隙中的溶劑觸媒金屬。
38.如權(quán)利要求36所述的關(guān)節(jié)部件，其中從所述間隙中去除任何的溶劑觸媒金屬并用其它材料代替。
39.如權(quán)利要求37所述的關(guān)節(jié)部件，還包括在所述基本為純質(zhì)的多晶金剛石部件中的梯度過渡區(qū)域，所述梯度過渡區(qū)域中金剛石含量與溶劑觸媒金屬含量之比從梯度過渡區(qū)域的一個位置到另一個位置是過渡的。
40.如權(quán)利要求35所述的關(guān)節(jié)部件，其中將所述承重和接合面的所述基本為純質(zhì)的多晶金剛石部件部分拋光到Ra值在約0.5到約0.005微米之間。
41.如權(quán)利要求35所述的關(guān)節(jié)部件，其中所述承重和接合面的所述基本為純質(zhì)的多晶金剛石部件部分是被磨光的。
42.如權(quán)利要求35所述的關(guān)節(jié)部件，其中所述基本為純質(zhì)的多晶金剛石部件包括至少兩種不同尺寸的金剛石晶體。
43.如權(quán)利要求35所述的關(guān)節(jié)部件，還包括用于將所述關(guān)節(jié)構(gòu)件固定到骨骼上的骨固定部分。
44.如權(quán)利要求43所述的關(guān)節(jié)部件，還包括在所述骨固定部分上的骨配合表面。
45.如權(quán)利要求44所述的關(guān)節(jié)部件，其中所述骨配合表面包括選自由金屬網(wǎng)、多孔金屬、多孔金剛石、燒結(jié)金屬小珠和等離子噴涂金屬所組成的組中的結(jié)構(gòu)。
46.如權(quán)利要求44所述的關(guān)節(jié)部件，還包括在所述骨配合表面上的涂層，所述涂層用于促進骨骼生長。
47.如權(quán)利要求46所述的關(guān)節(jié)部件，其中所述涂層是羥基磷灰石。
49.如權(quán)利要求43所述的關(guān)節(jié)部件，其中將所述骨固定部分成形以放入骨骼中形成的插孔中。
50.如權(quán)利要求43所述的關(guān)節(jié)部件，其中將所述骨固定部分成形，通過選自機械緊固件和粘結(jié)劑的緊固裝置固定到骨骼上。
51.如權(quán)利要求35所述的關(guān)節(jié)部件，還包括在所述基本為純質(zhì)的多晶金剛石部件中的孔，所說孔具有可使骨在其中長入的尺寸。
52.如權(quán)利要求35所述的關(guān)節(jié)部件，還包括第二關(guān)節(jié)構(gòu)件；和第二關(guān)節(jié)構(gòu)件的承重和接合面。
53.如權(quán)利要求52所述的關(guān)節(jié)部件，還包括在至少一部分所述第二關(guān)節(jié)構(gòu)件的承重和接合面上的配對支承材料。
54.如權(quán)利要求53所述的關(guān)節(jié)部件，其中所述配對支承材料具有允許多晶金剛石的接合部與之配合的特性。
55.如權(quán)利要求54所述的關(guān)節(jié)部件，其中所述配對支承材料包括從下面的組中選擇的配對支承材料單晶金剛石、天然金剛石、多晶金剛石、CVD金剛石、PVD金剛石、立方氮化硼、密排六方氮化硼、陶瓷、鈷鉻合金、鈦合金、鎳、釩、鉭、鉿、鉬、碳化鎢硬質(zhì)合金、鈮、氧化鋯陶瓷、氧化鋁陶瓷、聚合物、超高分子量聚乙烯、聚醚醚酮、交聯(lián)聚合物和藍(lán)寶石。
56.如權(quán)利要求54所述的關(guān)節(jié)部件，其中所述配對支承材料沒有所述多晶金剛石硬。
57.如權(quán)利要求54所述的關(guān)節(jié)部件，還包括形成至少一部分所述第二關(guān)節(jié)構(gòu)件的多晶金剛石緊密件，所述多晶金剛石緊密件包括基體，所述基體包括金屬；和燒結(jié)在所述基體上的金剛石骨板。
58.如權(quán)利要求57所述的關(guān)節(jié)部件，還包括在所述基體和所述金剛石骨板之間的梯度過渡區(qū)域；在所述金剛石骨板和所述基體之間的化學(xué)鍵；在所述金剛石骨板中的間隙；和位于所述金剛石骨板間隙中的基體金屬。
59.如權(quán)利要求58所述的關(guān)節(jié)部件，還包括在所述金剛石骨板和所述基體間的機械夾持。
60.如權(quán)利要求59所述的關(guān)節(jié)部件，還包括所述基體上的形貌特征，用于加強所述的機械夾持。
61.如權(quán)利要求58所述的關(guān)節(jié)部件，還包括在所述多晶金剛石緊密件中的殘余應(yīng)力場，用于增強所述多晶金剛石緊密件的強度。
62.如權(quán)利要求58所述的關(guān)節(jié)部件，其中所述梯度過渡區(qū)域中同時具有基體金屬和金剛石，并且所述梯度過渡區(qū)域中基體金屬與金剛石的百分含量之比從所述梯度過渡區(qū)域的一側(cè)到另一側(cè)是過渡的，這樣，在所述梯度過渡區(qū)域的靠近所述基體的第一點上，與所述梯度過渡區(qū)域中比所述第一點更靠近所述金剛石骨板的第二點相比，基體金屬與金剛石的百分含量之比更大。
63.如權(quán)利要求57所述的關(guān)節(jié)部件，其中所述多晶金剛石緊密件中的金剛石具有熱膨脹系數(shù)CTECd，所述多晶金剛石緊密件中的所述基體具有熱膨脹系數(shù)CTEsub，CTECd不等于CTEsub。
64.如權(quán)利要求57所述的關(guān)節(jié)部件，其中所述多晶金剛石緊密件中的金剛石具有模量MCd，所述多晶金剛石緊密件中的所述基體具有模量Msub，MCd不等于Msub。
65.一種人工關(guān)節(jié)部件，包括基本為球形且基本為純質(zhì)的多晶金剛石組成件；關(guān)節(jié)構(gòu)件的承重和接合面，所述關(guān)節(jié)構(gòu)件的承重和接合面由所述多晶金剛石組成件的多晶金剛石形成；位于所述多晶金剛石中的金剛石晶體；在所述多晶金剛石中的金剛石晶體之間的化學(xué)鍵；和位于所述多晶金剛石中的晶態(tài)金剛石結(jié)構(gòu)；其中所述承重和接合面的所述多晶金剛石部分具有用于人工關(guān)節(jié)中的接合部的光滑和耐用的表面。
66.如權(quán)利要求65所述的關(guān)節(jié)部件，還包括所述多晶金剛石中的間隙。
67.如權(quán)利要求66所述的關(guān)節(jié)部件，還包括在至少一部分所述間隙中的溶劑觸媒金屬。
68.如權(quán)利要求66所述的關(guān)節(jié)部件，其中從所述間隙中去除任何的溶劑觸媒金屬并用其它材料代替。
69.如權(quán)利要求68所述的關(guān)節(jié)部件，還包括在所述多晶金剛石中的梯度過渡區(qū)域，所述梯度過渡區(qū)域中金剛石含量與溶劑觸媒金屬含量之比從梯度過渡區(qū)域的一個位置到另一個位置是過渡的。
70.如權(quán)利要求65所述的關(guān)節(jié)部件，其中將所述承重和接合面拋光到Ra值在約0.5到約0.005微米之間。
71.如權(quán)利要求65所述的關(guān)節(jié)部件，其中所述承重和接合面的所述多晶金剛石部分是被磨光的。
72.如權(quán)利要求65所述的關(guān)節(jié)部件，其中所述多晶金剛石包括至少兩種不同尺寸的金剛石晶體。
73.一種關(guān)節(jié)，包括第一關(guān)節(jié)部件；第二關(guān)節(jié)部件；包括溶劑觸媒金屬的基體；燒結(jié)在所述基體上的金剛石層；在所述基體和所述金剛石層之間的區(qū)域，穿過所述的區(qū)域具有溶劑觸媒金屬含量減少的成分梯度；在所述區(qū)域中的化學(xué)鍵，所述化學(xué)鍵包括在所述金剛石骨板中的金剛石-金剛石鍵、在所述梯度過渡區(qū)域內(nèi)的金剛石-金屬鍵以及在所述溶劑觸媒金屬中的金屬-金屬鍵；所述金剛石層與所述基體之間的機械夾持，用于將所述金剛石層固定在所述基體上；在所述金剛石層中的間隙；在所述間隙中的溶劑觸媒金屬；和由所述金剛石層形成的非平面的承重和接合面。
74.如權(quán)利要求73所述的關(guān)節(jié)，其中在所述金剛石層中的燒結(jié)金剛石具有熱膨脹系數(shù)CTECd，所述基體具有熱膨脹系數(shù)CTEsub，CTECd不等于CTEsub。
75.如權(quán)利要求73所述的關(guān)節(jié)，其中在所述金剛石層中的燒結(jié)金剛石具有模量MCd，所述基體具有模量Msub，MCd不等于Msub。
76.如權(quán)利要求75所述的關(guān)節(jié)，還包括殘余應(yīng)力場，用于增強所述金剛石層固定到所述基體上的強度。
77.如權(quán)利要求75所述的關(guān)節(jié)，還包括在所述基體上的基體表面形貌特征。
78.如權(quán)利要求75所述的關(guān)節(jié)，其中所述基體包括金屬合金，其中至少一個關(guān)節(jié)的所述金屬合金選自下面的組中鈦、鋁、釩、鉬、鉿、鎳鈦合金、鈷、鉻、鉬、鎢、碳化鎢硬質(zhì)合金、碳化鉻硬質(zhì)合金、熔融碳化硅、鎳、鉭和不銹鋼。
79.如權(quán)利要求75所述的關(guān)節(jié)，其中金剛石層包括金剛石原料，該原料中的金剛石顆粒尺寸在小于約1納米到大于約100微米的范圍內(nèi)。
80.如權(quán)利要求75所述的關(guān)節(jié)，其中所述金剛石承重和接合面是連續(xù)的金剛石表面。
81.如權(quán)利要求75所述的關(guān)節(jié)，其中所述金剛石承重和接合面是不連續(xù)的金剛石表面。
82.如權(quán)利要求75所述的關(guān)節(jié)，其中所述金剛石承重和接合面是節(jié)段式的金剛石表面。
83.如權(quán)利要求75所述的關(guān)節(jié)，其中在所述基體上存在口緣，以便將所述金剛石層鎖定在所述基體上。
84.如權(quán)利要求75所述的關(guān)節(jié)，還包括在所述金剛石骨板間隙中的CoCr溶劑觸媒金屬。
85.如權(quán)利要求75所述的關(guān)節(jié)，還包括在所述金剛石層中的連續(xù)梯度。
86.如權(quán)利要求75所述的關(guān)節(jié)，還包括在所述金剛石層中的遞增梯度。
87.如權(quán)利要求86所述的關(guān)節(jié)，其中所述遞增梯度包括在所述金剛石層中的多個片，所述多個片中的第一片的特性與第二片的不同。
88.如權(quán)利要求87所述的關(guān)節(jié)，其中所述多個片的所述不同特性選自由金剛石的粒度、金剛石的粒度分布和溶劑觸媒金屬的含量所組成的組中。
89.如權(quán)利要求75所述的關(guān)節(jié)，還包括界面梯度。
90.如權(quán)利要求75所述的關(guān)節(jié)，其中所述金剛石層具有從小于約1微米到大于約3000微米的厚度。
91.一種人工關(guān)節(jié)，包括第一關(guān)節(jié)構(gòu)件；所述第一關(guān)節(jié)構(gòu)件的承重和接合部分；所述承重和接合部分的純質(zhì)的多晶金剛石部件；在所述金剛石部件中的間隙；在所述間隙中的溶劑觸媒金屬；在所述金剛石部件中的化學(xué)鍵，所述化學(xué)鍵包括金剛石-金剛石鍵、金剛石-金屬鍵和金屬-金屬鍵；由所述金剛石部件形成的非平面的承重和接合面。
92.如權(quán)利要求91所述的關(guān)節(jié)，其中至少部分所述鍵是sp3碳鍵。
93.如權(quán)利要求91所述的關(guān)節(jié)，其中所述金剛石部件包括多個片，所述多個片中的第一片的特性與第二片的不同。
94.如權(quán)利要求93所述的關(guān)節(jié)，其中所述不同特性選自由金剛石的粒度、金剛石的粒度分布和溶劑觸媒金屬的含量所組成的組中。
95.如權(quán)利要求93所述的關(guān)節(jié)，其中使用CoCr作為溶劑觸媒金屬制作所述金剛石部件。
96.如權(quán)利要求93所述的關(guān)節(jié)，其中所述間隙用金屬充滿。
全文摘要
一種具有金剛石承重和接合面的人工關(guān)節(jié)部件。該部件可以包括基體，其上通過燒結(jié)結(jié)合有金剛石，形成燒結(jié)的多晶金剛石緊密件。
文檔編號A61B17/86GK1416330SQ01806427
公開日2003年5月7日 申請日期2001年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2000年1月30日
發(fā)明者B·J·坡普, J·K·泰勒, R·H·狄克遜, C·F·加迪尼耶, L·M·坡普, D·C·布萊克本, M·A·韋爾, K·M·詹森 申請人:岱密克龍有限公司