本發(fā)明涉及一種通過交替的陰極和陽極極化處理可生物降解的種植體的表面的方法以及相應(yīng)的種植體。

種植體的作用在于支持或者替代人體功能，并且以不同的形式在醫(yī)學(xué)技術(shù)中獲得應(yīng)用。除了用于固定組織的種植體，血管內(nèi)種植體，假牙種植體，關(guān)節(jié)種植體以外，用于處理骨損傷的種植體，例如螺絲釘，釘子，板，或者用于替代骨頭的種植體也得到運用。

背景技術(shù)：

現(xiàn)今，用于骨頭的種植體大多數(shù)由鈦制成。雖然與其他可長期使用的種植體相比，由鈦制成的種植體具有不錯的與人體的相容性（生物相容性），人們一直在嘗試?yán)^續(xù)改進這種相容性。經(jīng)常在種植體表面進行鍍層，用來改善生物相容性。

在種植體表面鍍層的缺點在于，就算是很少的鍍層也會改變種植體的幾何結(jié)構(gòu)。此外，鍍層的牢固性也不是最理想的。

DE 195 04 386 C2公布了一種在金屬種植體表面制造梯度鍍層的方法，所述鍍層由磷酸鈣相和金屬氧化物相，所述種植體優(yōu)選由鈦制成。在由金屬種植體構(gòu)成的基質(zhì)電極以及一背電極形成的電化過程中，微酸至中性的含有鈣離子以及磷酸的水溶液作為電解液，由種植體構(gòu)成的基質(zhì)電極交替極化為陽極以及陰極。通過在種植體表面形成一牢固的磷酸鈣層，可以使骨頭很好地長在種植體上。

DE 100 29 520 A1描述了在種植體表面鍍層從而改善骨整合。種植體在一電解池中，在含有鈣離子，磷酸離子，以及含有膠原質(zhì)的電解液中被極化。在該過程中，種植體表面形成一礦物化的膠原質(zhì)層。

一般來說，種植體，尤其是心血管以及骨科種植體只需要暫時在體內(nèi)保留。由不可降解材料制成的種植體必須通過進一步的手術(shù)去除。因此，可生物降解材料在種植體中得到運用。生物降解指的是，材料在身體自身介質(zhì)中被逐漸降解。能對可生物降解的材料在降解過程中的控制是有利的。

然而，可生物降解的種植體的降解至少不應(yīng)該完全被阻止，因為最終希望的是，在一定的時間以后，種植體能在體內(nèi)被溶解。更多的是應(yīng)該對降解的速度進行控制，從而根據(jù)需要，可以使種植體的降解被延遲。

為了改善抗腐蝕性，如使用在永久性種植體中，可以在種植體上鍍上抗腐蝕層。

具有代表性的是DE 103 57 281 A1.該專利申請公布了由鎂材料制成的可降解的容器支架，該支架表面具有延緩降解的鍍層。其中沒有鍍層的含有混合氧化物層的種植體表面被轉(zhuǎn)換成混合氟化物層?？梢酝ㄟ^浸入含有或不含有電解質(zhì)的含氟的介質(zhì)中完成鍍層。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的任務(wù)是，提供另一種對可生物降解種植體表面進行處理的方法，通過該方法可以使種植體降解的速度適應(yīng)不同的需要。

該任務(wù)的解決方法是權(quán)利要求1中的處理可生物降解種植體表面的方法。

本發(fā)明的通過電化反應(yīng)處理可生物降解的種植體的表面的方法包括以下步驟:

a)提供一種由可生物降解的鎂合金制成的種植體，

b)將上述種植體放入pH值在9至13之間的電解液中，

c)對種植體表面進行電化處理，其中該種植體作為工作電極，并同時存在一背電極，其中，所述工作電極交替極化為陰極和陽極，其中，陰極極化時的電流密度調(diào)節(jié)為-0.1至-75mA/cm²，陽極極化時的電流密度調(diào)節(jié)為0.1至25mA/cm²。

通過本發(fā)明的方法形成一氫化鎂層，該氫化鎂層由種植體表面往種植體生長。氫離子從電解液中陰極沉積出，并種植在種植體表面。

形成的金屬氫化物層可以說是從種植體表面長入種植體內(nèi)。所以，本發(fā)明的方法具有的優(yōu)點是，種植體沒有幾何結(jié)構(gòu)方面的變化，因為金屬氫化物層是向種植體內(nèi)部生長。

本發(fā)明所指的種植體是在體內(nèi)種植的人造材料。因為種植體采用了可生物降解的合金，所以所使用的材料在體內(nèi)自身的介質(zhì)中被逐漸降解。種植體全部或者部分由可生物降解的合金制成。根據(jù)需求，種植體可以滿足不同的目標(biāo)和功能，例如，接口螺釘，螺釘，用于固定骨頭的板和螺釘，儲存藥品的種植體，關(guān)節(jié)假體，容器支架以及下頜和牙齒種植體。這些只是舉例，并不代表全部本發(fā)明可包含的種植體類別。

通過所述氫化物層，種植體的被腐蝕速度被減緩。氫化物層的被腐蝕速度相比沒有氫化物層的材料的被腐蝕速度較低。只要種植體表面具有一封閉的氫化物層，種植體的被腐蝕速度由氫化鎂的腐蝕反應(yīng)決定。一旦該氫化物層通過腐蝕被消耗，種植體的被腐蝕速度是種植體本身可生物降解的鎂合金的被腐蝕速度。在氫化物層通過腐蝕被消耗以后，所述合金通過腐蝕被降解，如為經(jīng)表面處理的種植體。通過氫化物層，種植體具有兩階段腐蝕過程。

優(yōu)選的，本發(fā)明的方法如下進行:

一個由可生物降解的金屬合金，優(yōu)選為可生物降解的鎂合金，制成的種植體，例如一加壓螺釘，穿在鉑絲上。然后，螺釘?shù)谋砻娼朐跈幟仕崴芤褐?，該溶液的濃度?yōu)選為1-10%,啟動1至10秒。之后，樣品在去離子水清洗，優(yōu)選時間5至30秒。

在進一步的處理中，所述螺釘被固定在非金屬樣品架上。鉑絲被抽出。固定在樣品架上是為了防止螺釘滑落?；蛘?，所述螺釘可以插入帶有洞的板中，其中，螺釘?shù)膬啥瞬皇芗s束，用于之后與例如夾鉗連接。

螺釘與夾鉗接觸，用于建立導(dǎo)電連接。所述夾鉗優(yōu)選連接在螺釘?shù)耐獠績啥恕?/p>

如果使用的是很小的種植體，如很小的螺釘或大頭針，不使用夾鉗，因為此時與夾鉗連接不現(xiàn)實。更偏向于使用精巧的金屬網(wǎng)格，螺釘和大頭針放在網(wǎng)格上。通過網(wǎng)格可以建立與種植體的導(dǎo)電連接。使用檸檬酸水溶液啟動以及用水清洗時也偏向使用網(wǎng)格。

然后，將種植體放置入電解液中。所述電解液具有堿性pH值，pH值在9至13之間，優(yōu)選為9至10之間。進一步優(yōu)選，電解液含有0.01M NaOH以及0.2M Na₂SO₄。

氫化鎂層在堿性pH值下形成。當(dāng)pH值小于9時，鎂材料將因為其堿性特征被腐蝕。

之后通過正脈沖對種植體表面進行清洗。在該過程中，種植體作為工作電極。同時存在一個背電極。該背電極優(yōu)選由一抗腐蝕金屬材料制成，如鉑，鉻鎳鋼等等。作為電解池優(yōu)選玻璃容器。

在清洗表面時，優(yōu)選使用15mA/cm²bis 35mA/cm²的正脈沖，脈沖持續(xù)時間為0.1至0.5秒。脈沖的總時間為5至40分鐘。尤其優(yōu)選的是使用25mA/cm²的脈沖，脈沖持續(xù)時間為0.2秒，總時間為20分鐘。

然后，通過多次正負(fù)脈沖交替對種植體進行氫化。本發(fā)明的過程偏向于，所述工作電極多次交替極化為陰極和陽極，極化由陰極極化開始，沉積由陰極極化結(jié)束。

在一優(yōu)選的實施范例中，陰極極化時的電流密度調(diào)節(jié)為-35至-55mA/cm²，陽極極化時的電流密度調(diào)節(jié)為5至25mA/cm²。

優(yōu)選，一陽極極化步驟時的脈沖的電流密度及其總時間比之前進行的陽極極化步驟時的脈沖的電流密度及其總時間低。

本發(fā)明所指的極化步驟是指具有一定電流密度以及持續(xù)時間的正脈沖或負(fù)脈沖的過程。

進一步優(yōu)選，陰極極化時的脈沖持續(xù)時間為0.40至2.5秒，陽極極化時的脈沖持續(xù)時間為0.10至0.50秒。

在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施范例中，陰極極化步驟時脈沖的總時間在5至90分鐘之間，陽極極化步驟時脈沖的總時間在1至20分鐘之間。

在本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施范例中，所有陰極以及陽極脈沖的總時間在20至300分鐘之間，優(yōu)選在120至240分鐘之間，尤其優(yōu)選為195分鐘。

在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施范例中，本發(fā)明的過程由5個交替的極化步驟組成:

1.極化步驟:陰極極化(負(fù)脈沖)

電流密度:-0.1至-75mA/cm²

脈沖持續(xù)時間:0.50至2.5秒

總共時間60分鐘(3.6ks)

2.極化步驟:陽極極化(正脈沖)

電流密度:+0.1至+25mA/cm²

脈沖持續(xù)時間:0.20至0.5秒

總共時間10分鐘(0.6ks)

3.極化步驟:陰極極化(負(fù)脈沖)

電流密度:-0.1至-75mA/cm²

脈沖持續(xù)時間:0.50至2.5秒

總共時間60分鐘(3.6ks)

4.極化步驟:陽極極化(正脈沖)

電流密度:+0.1至+15mA/cm²

脈沖持續(xù)時間:0.20至0.5秒

總共時間5分鐘(0.3ks)

5.極化步驟:陰極極化(負(fù)脈沖)

電流密度:-0.1至-75mA/cm²

脈沖持續(xù)時間:0.50至2.5秒

總共時間60分鐘(3.6ks)

本發(fā)明的優(yōu)勢在于，沉積速度達到5至8nm/h。

本發(fā)明所指的沉積速度是指氫化物層自種植體表面向種植體內(nèi)生長的速度。

在陰極以及陽極交替極化之后，種植體從電解液中被拿出，并用去離子水清洗30至60秒。種植體在熱氣流中被鈍化，優(yōu)選熱氣流的溫度為60℃，鈍化時間為10至100秒。在使用之前，種植體被密封包裝，避免氧化。

通過本發(fā)明的方法在種植體表面上形成一氫化鎂層，該氫化鎂層提高種植體的抗腐蝕性。如果使用高于本發(fā)明中使用的電流，可以在統(tǒng)一時間段里更快的形成氫化物層。但是，這種更快的氫化物的生長往往伴隨著氫化物層不同的侵入厚度，從而導(dǎo)致不均勻的表面以及不均衡的腐蝕程度。在一不厚度不均勻的氫化鎂層中，厚度小的部分相對于厚度大的部分更快地被腐蝕。如果氫化層中的部分區(qū)域被完全腐蝕消耗，而其他部分并沒有，可以導(dǎo)致腐蝕速度不穩(wěn)定地增長，因為在這些區(qū)域，沒有氫化物腐蝕發(fā)生，而是只有對種植體本身材料的腐蝕。種植體不均勻地被降解，并可能喪失其穩(wěn)定性。

上述描述的本發(fā)明的參數(shù)在合適的使用時間內(nèi)能獲得最理想的表面。

氫化物的生長發(fā)生在陰極極化步驟中。脈沖持續(xù)時間的長短對氫化物生長只有間接的影響。除了電化反應(yīng)，脈沖的主要功能在于，將生成的氫氣(H₂)在短間隔內(nèi)均勻地釋放至工作電極。氫氣氣泡在電極上的附著可以減慢或者打斷該處氫化物的生成。因為，在極端情況下，原料（工作電極）以及電解質(zhì)之間沒有接觸。

在脈沖步驟中，在脈沖與脈沖之間都具有簡短的間歇?！坝须姟焙汀皼]電”之間的間歇應(yīng)該足夠長，使得氫氣氣泡能離開工作電極。

尤其方波沖擊電流對本發(fā)明有利，因其能提供足夠的時間使氫氣氣泡離開電極。本發(fā)明所指的方波沖擊電流是具有陡峭上升與下降并且中間有穩(wěn)定階段的電流。脈沖持續(xù)時間不變。在一時間段內(nèi)的脈沖太短太多時，間隔太短，從而導(dǎo)致大量氫氣氣泡附著在工作電極上。

在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施范例中，兩個脈沖之間的間隔至少為0.1秒。

種植體（工作電極）的幾何結(jié)構(gòu)對理想的脈沖持續(xù)時間也有影響。一個平滑均勻的表面有利于氫氣氣泡滑落。這時，脈沖持續(xù)時間可以縮短。具有不均勻表面的樣品，或者螺紋，例如螺釘狀種植體，或者支撐網(wǎng)格作為電極，如在使用很小種植體時，氫氣氣泡需要更多的時間離開電極。

所以，脈沖持續(xù)時間可以根據(jù)種植體的幾何結(jié)構(gòu)調(diào)整。當(dāng)電極上有太多的氫氣氣泡時，脈沖時間被延長。

通過這種方法可以使方法參數(shù)適應(yīng)不同的種植體大小以及幾何結(jié)構(gòu)。此外，可以根據(jù)需求調(diào)節(jié)種植體降解的速度。當(dāng)需要快速降解時，脈沖的總時間，即每次陰極極化步驟的時間，被縮短，從而使得生成的氫化物層深入程度降低，生成的厚度降低。相反，脈沖總時間增加時，氫化物層的深入程度以及厚度都增加。

本發(fā)明的另一個實施范例中，所提供的種植體由一可生物降解的鎂合金制成，且鎂的含量至少是50%.尤其優(yōu)選的是以下成分:

-稀土金屬成分，重量百分比為2.5至5%，

-釔,重量百分比為1.5至5%，

-鋯，重量百分比為0.1至2.5%,

-鋅，重量百分比為0.01至0.8%,

-以及無法避免的雜質(zhì)，可能含有的雜質(zhì)的總含量的重量百分比低于1%,鋁的重量百分比小于0.5%,優(yōu)選小于0.1%,

-其余為鎂，與上述各成分總共加起來重量百分比為100%.

優(yōu)選的是，所述種植體全部或者部分由生物可降解的鎂合金制成。

具有優(yōu)勢的是由本發(fā)明的方法制成的含有抗腐蝕鍍層的種植體。

所述種植體的表面含有根據(jù)本發(fā)明的方法生成的外部氫化層，該氫化層具有抗腐蝕性。優(yōu)選為，所述抗腐蝕的氫化物層的厚度至少是10nm,優(yōu)選是至少15nm，尤為優(yōu)選為至少20nm。

本發(fā)明的另一個實施范例中，所提供的種植體由一可生物降解的鎂合金制成，且鎂的含量至少是50%.所述制成種植體的可生物降解的鎂合金含有如下成分:

-稀土金屬成分，重量百分比為2.5至5%，

-釔,重量百分比為1.5至5%，

-鋯，重量百分比為0.1至2.5%,

-鋅，重量百分比為0.01至0.8%,

-以及無法避免的雜質(zhì)，可能含有的雜質(zhì)的總含量的重量百分比低于1%,鋁的重量百分比小于0.5%,優(yōu)選小于0.1%,

-其余為鎂，與上述各成分總共加起來重量百分比為100%.

因其含有很低，幾乎可以忽略的鋁的含量，所述生物可降解的鎂合金適合于使用在人體醫(yī)學(xué)中的種植體，因為鋁是公認(rèn)的對健康有害的物質(zhì)，如有利于癌癥或阿爾茨海默病的形成。

優(yōu)選的是，所述種植體全部或者部分由一生物可降解的鎂合金制成。

本發(fā)明將通過如下實施范例進一步說明。

實施范例:

本發(fā)明過程使用的是由鎂合金ZfW 102PM F制成的圓條。

鎂合金ZfW 102PM F含有稀土金屬（包括釹）重量百分比4.05%,釹的重量百分比為2.35%,釔的重量百分比為1.56%，鋯的重量百分比為0.78%,鋅的重量百分比為0.4%,鋁的重量百分比為0.0032%。其余為鎂，與上述各成分總共加起來重量百分比為100%.

所述圓條是一直徑為6毫米，長度為3厘米的圓柱體。該圓柱體作為工作電極。背電極是一含有鈦核心的鉑電極，直徑為6毫米，長度為7厘米。

作為電解池使用的是500毫升的玻璃燒杯。電解質(zhì)含有0.01M NaOH以及0.2M Na₂SO₄，并且其pH值為9.4。過程在24℃下進行。

對表面進行清洗時使用25mA/cm²正脈沖，脈沖持續(xù)時間為0.20秒，總共時間為20分鐘。

接下來，通過多次交替正負(fù)脈沖轉(zhuǎn)換對圓條進行氫化。本發(fā)明的過程由5個交替的極化步驟組成:

1.極化步驟:陰極極化(負(fù)脈沖)

電流密度:-50mA/cm²

脈沖持續(xù)時間:0.50秒

總共時間60分鐘(3.6ks)

2.極化步驟:陽極極化(正脈沖)

電流密度:+20mA/cm²

脈沖持續(xù)時間:0.20秒

總共時間10分鐘(0.6ks)

3.極化步驟:陰極極化(負(fù)脈沖)

電流密度:-50mA/cm²

脈沖持續(xù)時間:0.50秒

總共時間60分鐘(3.6ks)

4.極化步驟:陽極極化(正脈沖)

電流密度:+10mA/cm²

脈沖持續(xù)時間:0.20秒

總共時間5分鐘(0.3ks)

5.極化步驟:陰極極化(負(fù)脈沖)

電流密度:-50mA/cm²

脈沖持續(xù)時間:0.50秒

總共時間60分鐘(3.6ks)

在總共195分鐘以后，層厚達到18nm。

處理的結(jié)果通過倫琴衍射測量（RDA）,二次離子質(zhì)譜法(SIMS)以及確定自然腐蝕電位進行確定。作為對比，使用一個一模一樣的由鎂合金ZfW 102PM F制成的圓條，該圓條不被本發(fā)明的方法處理。

圖式簡單說明

圖1至4中顯示結(jié)果。

圖1顯示通過倫琴衍射測量（RDA）檢測到的氫化物層。

圖2顯示通過二次離子質(zhì)譜法(SIMS)檢測到的氫化物層。

圖3顯示對自然腐蝕電位的確定。

圖4顯示在乳酸林格氏液中的腐蝕速度。

詳細(xì)說明

根據(jù)本發(fā)明實施范例1處理的圓條通過倫琴衍射測量被檢測。圖1顯示了材料中的各相。氫化鎂相(MgH₂)的出現(xiàn)證明了通過本發(fā)明的過程生成的氫化物層。

根據(jù)本發(fā)明實施范例1處理的圓條通過SIMS被檢測。圖2顯示了根據(jù)氫離子在材料中深入的程度而形成的氫化物層證明。

根據(jù)本發(fā)明實施范例1處理過的圓條以及未被處理的圓條的自然腐蝕電位被確定。圖3顯示，處理過的圓條（H-EIR,H電化誘導(dǎo)反應(yīng)）相對于未處理過的圓條具有1680mV正腐蝕電位。

圖4顯示處理過的圓條和根據(jù)本發(fā)明實施范例1處理過的圓條的腐蝕速度。檢測的是在與人體相近的37℃乳酸林格氏液（125–134mmol/l Na⁺,4,0–5,4mmol/l K⁺,0,9–2,0mmol/l Ca²⁺,106–117mmol/l Cl^-,25–31mmol/l乳酸鹽^-）。林格氏液與血漿以及細(xì)胞外液組成成分很相近。結(jié)果顯示，處理過的圓條相對于未處理過的圓條具有較低的腐蝕速度。例如，未經(jīng)處理的圓條，在432小時之后的腐蝕速度為0.415mm/年，在624小時之后的腐蝕速度為0.339mm/年。根據(jù)本發(fā)明實施范例1處理過的圓條在432小時之后的腐蝕速度為0.224mm/年，在624小時之后的腐蝕速度為0.153mm/年（圖4）。

根據(jù)本發(fā)明的方法處理的可生物降解的種植體，因其被延遲的降解速度，在種植入人體以后，相對沒有被處理過的結(jié)構(gòu)成分一樣的種植體，具有更長的壽命。通過本發(fā)明的方法可以使體內(nèi)的種植體的降解速度適應(yīng)其不同的使用目的以及必要的停留時間。如果種植體有必要在體內(nèi)停留較長的時間，并且其本身的材料無法讓其達到所需的停留時間，可以通過本發(fā)明的方法對種植體進行處理提高其抗腐蝕性。提高了的抗腐蝕性還能提高種植體的穩(wěn)定性，因為腐蝕是伴隨著種植體質(zhì)量損失的。當(dāng)種植體在體內(nèi)太快降解時，骨頭在有些情況下沒有足夠的時間長在種植體上并用骨質(zhì)代替種植體。因此，抗腐蝕性的選擇取決于種植體在體內(nèi)的位置以及病人的情況。對于年紀(jì)大的人群，因為其骨質(zhì)增長得比較慢，需要使用具有高度延遲降解速度的可生物降解的種植體。相反的，如果只是需要在骨頭內(nèi)使用較小的種植體，該種植體并未導(dǎo)致很大的機械負(fù)擔(dān)，可以使用具有較薄氫化物層的種植體。