腔支撑装置及其制造及使用方法
阅读：372发布：2022-03-24
专利汇可以提供腔支撑装置及其制造及使用方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了医疗装置，特别是腔 支撑 装置，其包含 生物 相容性 纳米 结构陶瓷 材料，所述材料设置成紧邻腔表面放置，并且平均粒度为约1纳米至约1000纳米，破坏应变至少约为1％，截面硬度大于或等于约350kg/平方毫米。还公开了所述腔支撑装置的生产及使用方法。，下面是腔支撑装置及其制造及使用方法专利的具体信息内容。
1、一种腔支撑装置，其包含：生物相容性纳米结构陶瓷材料，所述材 料被设置成在邻近腔表面放置，并且具有约1纳米至约1000纳米的平 均粒度、至少约1％的破坏应变以及大于或等于约350kg/平方毫米的截 面硬度。
2、权利要求1的腔支撑装置，其中所述生物相容性纳米结构陶瓷材料 是置于所述腔支撑装置的结构构件或者组织粘附材料或金属层的表面 上的膜。
3、权利要求2的腔支撑装置，所述结构构件包括金属、合金、聚合物、 生物支架或包含上述至少一种的组合。
4、权利要求1的腔支撑装置，其中所述生物相容性纳米结构陶瓷材料 与组织粘附材料或金属层置于所述腔支撑装置的结构构件的相反表面 上。
5、权利要求1的腔支撑装置，其中所述生物相容性纳米结构陶瓷材料 与组织粘附材料置于所述腔支撑装置的结构构件表面上的不同部分。
6、权利要求1的腔支撑装置，其中所述生物相容性纳米结构陶瓷材料 和阴极置于所述腔支撑装置的结构构件第一表面的不同部分上，并且其 还包含置于与所述第一表面相反的该结构构件第二表面之下的带正电 生物活性剂以及置于所述生物活性剂之下的阳极，以使得所述生物活性 剂穿过该陶瓷材料。
7、权利要求1的腔支撑装置，其中所述生物相容性纳米结构陶瓷材料 是独立支撑的整体构件。
8、权利要求1的腔支撑装置，其还包含生物活性剂。
9、权利要求8的腔支撑装置，其中所述生物活性剂置于所述生物相容 性纳米结构陶瓷材料的孔中、在所述生物相容性纳米结构陶瓷材料之 上、在所述生物相容性纳米结构陶瓷材料之下、结构构件上所述生物相 容性纳米结构陶瓷材料的对侧、或者包含上述至少一种的组合。
10、权利要求1的腔支撑装置，其中所述生物相容性纳米结构陶瓷材料 具有大于或等于约1微米的厚度。
11、权利要求1的腔支撑装置，其中所述生物相容性纳米结构陶瓷材料 具有大于或等于所述生物相容性纳米结构陶瓷材料理论密度的约90％ 的密度。
12、权利要求1的腔支撑装置，其中所述生物相容性纳米结构陶瓷材料 具有大于或等于所述生物相容性纳米结构陶瓷材料总体积的约10％的 孔隙率。
13、权利要求1的腔支撑装置，其中所述生物相容性纳米结构陶瓷材料 内的孔的平均最长尺寸小于或等于约1微米。
14、一种腔支撑装置，其包含：
结构构件，其包括金属、合金、聚合物、生物支架或包含上述至少一种 的组合，所述结构构件具有腔表面；和
至少部分涂覆在腔表面上的包含生物相容性纳米结构陶瓷材料的膜，所 述膜具有大于或等于约1微米的厚度、约1纳米至约1000纳米的平均 粒度、至少约1％的破坏应变以及大于或等于约350kg/平方毫米的截面 硬度。
15、权利要求14的腔支撑装置，其中所述生物相容性纳米结构陶瓷材 料具有大于或等于所述生物相容性纳米结构陶瓷材料理论密度的约 90％的密度。
16、权利要求14的腔支撑装置，其中所述生物相容性纳米结构陶瓷材 料具有大于或等于所述生物相容性纳米结构陶瓷材料总体积的约10％ 的孔隙率。
17、权利要求14的腔支撑装置，其中所述生物相容性纳米结构陶瓷材 料内的孔的平均最长尺寸小于或等于约1微米。
18、一种方法，包括通过手术植入腔支撑装置，所述装置包含生物相容 性纳米结构陶瓷材料，其具有约1纳米至约1000纳米的平均粒度、至 少约1％的破坏应变以及大于或等于约350kg/平方毫米的截面硬度。
19、权利要求18的方法，其中手术植入所述腔支撑装置包括将所述腔 支撑装置植入血管、脑、尿道、尿道、胆、气管、臂、胃肠道或食道的 腔。
20、权利要求18的方法，其中所述生物相容性纳米结构陶瓷材料具有 大于或等于所述生物相容性纳米结构陶瓷材料理论密度的约90％的密 度。
21、权利要求18的方法，其中所述生物相容性纳米结构陶瓷材料具有 大于或等于所述生物相容性纳米结构陶瓷材料总体积的约10％的孔隙 率。
22、权利要求18的方法，其中所述生物相容性纳米结构陶瓷材料内的 孔的平均最长尺寸小于或等于约1微米。
23、一种制造腔支撑装置的方法，其包括将生物相容性纳米颗粒陶瓷粉 末固结成独立支撑的整体生物相容性陶瓷纳米结构陶瓷材料，其具有约 1纳米至约1000纳米的平均粒度、至少约1％的破坏应变以及大于或等 于约350kg/平方毫米的截面硬度。
24、权利要求23的方法，其还包括对所述独立支撑的整体生物相容性 陶瓷纳米结构陶瓷材料进行成形。
25、权利要求23的方法，其还包括将生物活性剂置于所述独立支撑的 整体生物相容陶瓷纳米结构陶瓷材料之上、所述独立支撑的整体生物相 容陶瓷纳米结构陶瓷材料的孔中或者包含上述至少一种的组合。
26、权利要求23的方法，其还包括对所述独立支撑的整体生物相容陶 瓷纳米结构陶瓷材料进行退火、研磨或抛光。
27、一种制造腔支撑装置的方法，其包括：在该腔支撑装置的结构构件 表面的至少一部分上布置生物相容性纳米结构陶瓷材料的涂层，所述材 料具有约1纳米至约1000纳米的平均粒度、至少约1％的破坏应变以及 大于或等于约350kg/平方毫米的截面硬度。
28、权利要求27的方法，其还包括将所述生物活性剂直接布置于所述 生物相容性纳米结构陶瓷材料的涂层上、所述生物相容性纳米结构陶瓷 材料的涂层与所述结构构件之间、所述生物相容性纳米结构陶瓷材料的 涂层的孔中、在所述结构构件上所述生物相容陶瓷纳米结构陶瓷材料涂 层的相反侧或者包含上述至少一种的组合。
29、权利要求27的方法，其中布置所述生物相容陶瓷纳米结构陶瓷材 料的涂层包括：热喷涂、化学气相沉积、物理气相沉积、溅射法、离子 电镀法、阴极电弧沉积、原子层外延、分子束外延、粉末烧结、电泳、 电镀、注塑，或者包含上述至少一种的组合。
30、权利要求27的方法，其还包括对所述生物相容性纳米结构陶瓷材 料的涂层进行退火、研磨或抛光。
31、权利要求27的方法，其还包括将组织粘附材料布置于该结构构件 上所述生物相容性纳米结构陶瓷材料涂层附近的表面。
32、权利要求27的方法，其还包括：将阳极布置于该结构构件上所述 生物相容性纳米结构陶瓷材料涂层附近的表面上；将生物活性剂布置于 所述结构构件上所述生物相容性纳米结构陶瓷材料涂层的相反侧；以及 将阴极布置于所述生物活性剂之下。
技术领域
本发明总体上涉及医疗装置，更具体地，涉及包含生物相容纳米尺 度陶瓷组合物的腔支撑装置。
背景技术
外科手术植入医疗装置可在结构上补偿患病、受损、或丧失的肌骨 胳组分、血管系统组分、器官等。尽管一些医疗装置可维持几十年，但 有很多在早得多的时间就失效了，这一部分是因为生物相容性问题。作 为机体对所识别异物的免疫应答的一部分，许多植入医疗装置发生了称 为纤维包裹的生物污损(biofouling)过程，其中局部细胞包围该植入 物并且将该植入物与身体基本隔开。纤维包裹及其他生物污损过程对于 旨在与机体相互作用的装置来说是有问题的。例如，整形外科植入物的 骨整合可被阻碍或者甚至阻止，药物递送装置或生物传感器可能失效， 装有支架的动脉或其它这样的腔中可能发生再狭窄。
为了提高其使用寿命和有效性，已经使用具有使组织-装置界面处生 物污损最小化的表面特性的材料来设计或制造医疗装置。例如，由于在 其表面形成相对惰性的氧化层，不锈钢经常用作植入物材料。或者，可 在植入物的表面上沉积涂层组合物(例如羟基磷灰石或聚合物)，以屏 蔽其内部植入物材料的某些不期望的或对生物有害的特性。在其它情况 下，可在植入物的表面上沉积可局部递送(即，递送至植入物周围区域) 的生物活性剂，以使得身体对所述植入物存在和/或植入过程中由所述 植入物引起的任何损伤的应答最小化。
发明概述
本文公开了腔支撑装置。在一个实施方案中，所述腔支撑装置包括 生物相容性纳米结构陶瓷材料，该材料设置成邻近腔表面放置，并具有 约1纳米至约1000纳米的平均粒度、至少为约1％的破坏应变(strain to failure)以及大于或等于约350kg/mm2的截面硬度。
在另一实施方案中，所述腔支撑装置包含：结构构件，其包含金属、 合金、聚合物、生物支架或者包含以上至少一种的组合，该结构构件具 有腔表面；以及包含至少部分涂覆到一部分腔表面上的生物相容性纳米 结构陶瓷材料的膜，所述膜具有约1纳米至约1000纳米的平均粒度、 至少为约1％的破坏应变以及大于或等于约350kg/mm2的截面硬度。
一种方法包括通过手术植入腔支撑装置，所述装置包含生物相容性 纳米结构陶瓷材料，并且具有约1纳米至约1000纳米的平均粒度、至 少为约1％的破坏应变以及大于或等于约350kg/mm2的截面硬度。
一种制造腔支撑装置的方法包括将生物相容性纳米颗粒陶瓷粉固 结成独立支撑的整体生物相容性陶瓷纳米结构陶瓷材料，所述材料具有 约1纳米至约1000纳米的平均粒度、至少为约1％的破坏应变以及大于 或等于约350kg/mm2的截面硬度。
另一种制造所述腔支撑装置的方法包括在该腔支撑装置之结构构 件的至少一部分表面上布置生物相容性纳米结构陶瓷材料的涂层，其具 有约1纳米至约1000纳米的平均粒度，至少约1％的破坏应变，和大于 或等于约350kg/mm2的截面硬度。
通过下列附图和详细说明举例说明上述特征及其他特征。
为了提高其使用寿命和有效性，已经使用具有使组织-装置界面处生 物污损最小化的表面特性的材料来设计或制造医疗装置。例如，由于在 其表面形成相对惰性的氧化层，不锈钢经常用作植入物材料。或者，可 在植入物的表面上沉积涂层组合物(例如羟基磷灰石或聚合物)，以屏 蔽其内部植入物材料的某些不期望的或对生物有害的特性。在其它情况 下，可在植入物的表面上沉积可局部递送(即，递送至植入物周围区域) 的生物活性剂，以使得身体对所述植入物存在和/或植入过程中由所述 植入物引起的任何损伤的应答最小化。
发明概述
本文公开了腔支撑装置。在一个实施方案中，所述腔支撑装置包括 生物相容性纳米结构陶瓷材料，该材料设置成邻近腔表面放置，并具有 约1纳米至约1000纳米的平均粒度、至少为约1％的破坏应变(strain to failure)以及大于或等于约350kg/mm2的截面硬度。
在另一实施方案中，所述腔支撑装置包含：结构构件，其包含金属、 合金、聚合物、生物支架或者包含以上至少一种的组合，该结构构件具 有腔表面；以及包含至少部分涂覆到一部分腔表面上的生物相容性纳米 结构陶瓷材料的膜，所述膜具有约1纳米至约1000纳米的平均粒度、 至少为约1％的破坏应变以及大于或等于约350kg/mm2的截面硬度。
一种方法包括通过手术植入腔支撑装置，所述装置包含生物相容性 纳米结构陶瓷材料，并且具有约1纳米至约1000纳米的平均粒度、至 少为约1％的破坏应变以及大于或等于约350kg/mm2的截面硬度。
一种制造腔支撑装置的方法包括将生物相容性纳米颗粒陶瓷粉固 结成独立支撑的整体生物相容性陶瓷纳米结构陶瓷材料，所述材料具有 约1纳米至约1000纳米的平均粒度、至少为约1％的破坏应变以及大于 或等于约350kg/mm2的截面硬度。
另一种制造所述腔支撑装置的方法包括在该腔支撑装置之结构构 件的至少一部分表面上布置生物相容性纳米结构陶瓷材料的涂层，其具 有约1纳米至约1000纳米的平均粒度，至少约1％的破坏应变，和大于 或等于约350kg/mm2的截面硬度。
通过下列附图和详细说明举例说明上述特征及其他特征。
附图说明
现在参考附图，它们是示例性实施方案，并且其中对相似的元件相 似地进行编号：
图1用示意图举例说明医疗装置的横截面，所述医疗装置具有致密、 独立支撑的整体生物相容性纳米结构陶瓷构件；
图2用示意图举例说明医疗装置的横截面，所述医疗装置具有多孔、 独立支撑的整体生物相容性纳米结构陶瓷构件；
图3用示意图举例说明医疗装置的横截面，所述医疗装置中结构构 件的表面上布置有致密的生物相容性纳米结构陶瓷涂层；
图4用示意图举例说明医疗装置的横截面，所述医疗装置中结构构 件的表面上布置有多孔的生物相容性纳米结构陶瓷涂层；
图5(a)和(b)用示意图举例说明医疗装置的横截面，所述医疗 装置具有组织粘附材料以及布置于所述医疗装置之结构构件上的生物 相容性纳米结构陶瓷涂层；
图6用示意图举例说明医疗装置的横截面，所述医疗装置的组织粘 附材料或金属层上布置有生物相容性纳米结构陶瓷涂层；和
图7用示意图举例说明医疗装置的横截面，在该医疗装置的结构构 件中的相对表面上布置有生物相容性纳米结构陶瓷涂层以及组织粘附 材料或金属层。
发明详述
本文描述了医疗装置以及制造和使用所述装置的方法。所述医疗装 置是可通过手术植入的装置，并且一般包含生物相容性纳米结构陶瓷材 料。纳米结构材料与具有较大粒度的材料相比可具有更优越的性质，包 括改进的韧度、硬度、耐磨性和/或延展性。在一个有利的特征中，本 文公开的医疗装置发生尽可能小的生物污损，或者不发生生物污损，因 此显示出和现有的医疗装置相比改善的生物相容性。
本文所使用的“生物相容性”指材料在置于与身体接触时不引起身 体对它的攻击或排斥。本文所使用的“纳米结构”一般指具有约1纳米 (nm)至约1000nm平均粒度的材料。在一个实施方案中，该生物相 容性纳米结构陶瓷材料的平均粒度小于或等于约500nm。在另一个实施 方案中，该生物相容性纳米结构陶瓷材料的平均粒度小于或等于约 250nm。在又一个实施方案中，该生物相容性纳米结构陶瓷材料的平均 粒度小于或等于约100nm。在又一个实施方案中，该生物相容性纳米结 构陶瓷材料的平均粒度大于或等于约10nm。在又一个实施方案中，该 生物相容性纳米结构陶瓷材料的平均粒度大于或等于约25nm。
现在参考图1至图4，其中显示了示例性医疗装置的横截面，一般 以附图标记10来表示。一般以附图标记12表示的纳米结构陶瓷材料可 采取独立支撑的整体构件的形式，如图1和2所示。或者，如图3和4 所示，纳米结构陶瓷材料12可以是涂覆在医疗装置10的结构构件14 表面上的片层。另外，纳米结构陶瓷材料12可以是非常致密的(即， 基于纳米结构陶瓷材料12的理论密度，大于或等于约90％密度)，如 图1和3所示；或者，纳米结构陶瓷材料12可以是多孔的(基于纳米 结构陶瓷材料12的总体积，大于或等于约10％的孔隙率)，如图2和4 所示。纳米结构陶瓷材料12的具体形式和/或其密度/孔隙率可由所使用 的医疗装置10的具体类型来决定，如在下文更详细的论述。
用于医疗装置10中使用的合适的陶瓷组合物包括但不局限于硬质 相(hard phase)氧化物例如Al2O3、Cr2O3、ZrO2、TiO2、SiO2.Y2O3、 CeO2等等；金属碳化物例如Cr3C2、WC、TiC、ZrC、B4C等等；金刚 石；金属氮化物例如立方BN、TiN、ZrN、HfN、Si3N4、AlN等等；金属 硼化物例如TiB2、ZrB2、LaB、LaB6、W2B2、AlB2等等；以及包含上述 组合物中至少一种的组合。硬质相的金属氧化物、金属碳化物、金属氮 化物和金属硼化物的耐用特征优于仿生材料例如羟基及其他基于磷酸 盐的材料。
在一个实施方案中，生物相容性纳米结构陶瓷材料12是复合材料， 其包含至少51体积(vol)％的纳米结构陶瓷组合物(基于所述复合材 料的总体积)，以及包含相对软和低熔点陶瓷材料的纳米结构粘结相组 合物。该粘结相的浓度可以是例如约0重量(wt)％至约50重量％(基 于该复合材料的总重量)。用于该复合材料合适的陶瓷粘结相组合物包 括但不局限于SiO2、CeO2、Y2O3、TiO2，以及包含上述陶瓷粘结相组 合物中至少一种的组合。
在另一个实施方案中，所述生物相容性纳米结构陶瓷材料12是纳 米结构陶瓷组合物与纳米结构金属组合物的复合材料，即“金属陶瓷 (cermet)”。金属组合物的浓度可以是例如约0重量(wt)％至约50 重量％(基于该复合材料的总重量)。合适的金属陶瓷包括但不局限于 WC/Co、TiC/Ni、TiC/Fe、Ni(Cr)/Cr3C2、WC/CoCr以及包含前述至少 一种的组合。金属陶瓷还可包含晶粒生长抑制剂例如TiC、VC、TaC 和HfC，或其它添加剂例如Cr、Ni、B和BN。
在又一个实施方案中，生物相容性纳米结构陶瓷材料12可以是包 含上述陶瓷、陶瓷复合材料或金属陶瓷中至少一种的组合。
对于其中生物相容性纳米结构陶瓷材料12是涂层的实施方案而言， 基底(即结构构件14)可以由金属、合金、聚合物、生物支架或包含前 述至少一种的组合所构成。基底的厚度可以根据所述医疗装置的应用而 变化。例如，基底的厚度可以选择成保证具有充分的柔性或延展性，以 促进该涂层的附着。相对腐蚀性的环境以及身体对甚至极低浓度的多种 金属腐蚀产物的低容忍度，这二者的结合将许多金属排除在外。在具有 所要求的机械强度和生物相容性的候选金属中，不锈钢合金(例如316 L型)、铬-钴-钼合金、钛合金(例如Ti6Al4V)、锆合金、形状记忆镍- 钛合金、超弹性镍钛合金以及包含上述合金中至少一种的组合已被证实 适于用作结构构件14。这些材料可以成形成医疗装置所需的形式，这通 过例如浇铸、切削(machining)、锻造、挤出、拉拔(片和线)、深拉 以及快速或直接制造法例如SLS(stereo laser sintering，立体激光烧 结)、FMD(fused metal deposition，熔融金属沉积)、DMLS(direct metal laser sintering，直接金属激光烧结)。制造后加工可包括常规切削例如 铣削、车削(lathing)和磨削；以及非常规切削例如EDM线和sinker、 激光切割、化学切削、水喷射、激光、等离子、电弧和摩擦焊接；光化 学加工例如蚀刻；物理或化学气相淀积；以及复合粘接方法。
用于形成结构组件14的聚合物可以是可生物降解的、非生物降解 的，或其组合。另外，也可使用纤维和/或颗粒增强聚合物。合适的非 生物降解聚合物的非限制性实例包括聚异丁烯共聚物以及苯乙烯-异丁 烯-苯乙烯嵌段共聚物，例如苯乙烯-异丁烯-苯乙烯三嵌段共聚物 (SIBS)；聚乙烯吡咯烷酮包括交联聚乙烯吡咯烷酮；聚乙烯醇；乙烯 单体的共聚物例如EVA；聚乙烯醚；聚乙烯芳烃；聚氧乙烯；聚酯例如 聚对苯二甲酸乙二醇酯；聚酰胺；聚丙烯酰胺；聚醚例如聚醚砜；聚烯 烃例如聚丙烯、聚乙烯、高度交联聚乙烯以及高或超高分子量的聚乙烯； 聚氨酯；聚碳酸酯；硅酮；硅氧烷聚合物；纤维素聚合物例如醋酸纤维 素；以及包含上述聚合物中至少一种的组合。
合适的可生物降解聚合物的非限制性实例包括聚羧酸；聚酸酐例如 马来酐聚合物；聚原酸酯；聚氨基酸；聚氧乙烯；聚磷腈；聚乳酸、聚 乙醇酸以及其共聚物和混合物例如聚(L-乳酸)(PLLA)、聚(D，L，-丙交 酯)、聚(乳酸-共-乙醇酸)以及50/50重量比(DL-丙交酯-共-乙交酯)； 聚环己酮；聚延胡索酸酯丙酯；聚缩酚酸肽(polydepsipeptide)；聚己 内酯及其共聚物和混合物例如聚(D，L-丙交酯-共-己内酯)以及聚己内 酯丙烯酸丁酯共聚物；聚羟基丁酸戊酸酯及其混合物；聚碳酸酯例如酪 氨酸来源的聚碳酸酯和芳基化物、聚亚氨碳酸酯和聚三甲基碳酸二甲 酯；氰基丙烯酸酯；磷酸钙；聚糖胺聚糖；大分子例如多糖(包括透明 质酸、纤维素和羟丙基甲基纤维素；明胶；淀粉；葡聚糖和藻酸盐及其 衍生物)、蛋白质和多肽；以及任何前述成分的混合物和共聚物。可生 物降解聚合物还可以是可表面蚀刻的聚合物例如聚羟基丁酸及其共聚 物、聚己内酯、聚酐(晶体和无定形的)以及马来酸酐。
如果医疗装置10的结构构件14超过一个表面包含生物相容性纳米 结构陶瓷材料12涂层，那么每一个结构构件14不一定都由相同类型材 料构成。医疗装置10也不一定仅具有一个布置在结构构件14上的生物 相容性纳米结构陶瓷材料12涂层。例如，一个涂层可以布置在结构元 件14中与组织或机体接触的部分上，而另一涂层可以布置在结构元件 14的非接触部分上。
对于医疗装置10，例如横截面示于图1和2中的那些医疗装置，可 以通过将纳米颗粒陶瓷粉固结成独立支撑的整体部件来形成整体纳米 结构陶瓷材料12。任选地，其它陶瓷和/或金属粉末可以与该第一陶瓷 粉末一起固结以形成整体复合部件。固结可通过在压力下或无压力下烧 结该粉末来实现。具体的烧结工艺包括但不局限于热压、热等静压压制 (hot isostatic pressing，“hiping”)、高温无压烧结等等。或者，所述纳 米颗粒粉末可以挤出或者注塑成期望的形状。可以调节固结参数以获得 期望水平的密度或孔隙率。
在一个实施方案中，所述独立支撑的整体部件可以通过将纳米结构 陶瓷材料12涂层沉积在基底上接着沉积后从涂层中除去基底来形成。 用这样的方式，所述独立支撑的整体部件可以采取基底的特定轮廓，而 不需要单独的成形工艺。涂层的沉积可以通过例如旋涂、浇铸、热喷 涂等等来进行。整体陶瓷材料12的厚度可以根据医疗装置10的预定用 途而变化。例如，厚度可以大于大约1毫米(mm)。合适基底的例子包 括但不局限于金属、聚合物(例如可生物降解的聚合物)和包含以上至 少一种的复合材料。所述基底从涂层的除去可以通过例如使用适当的化 学品溶解所述基底、物理剥离等等来进行。
对医疗装置10例如横截面在图3和4中显示的那些来说，生物相 容性纳米结构陶瓷材料12可以通过任何已知的沉积方法涂敷在结构构 件14的表面上。合适的沉积方法的例子包括但不局限于热喷涂、化学 气相沉积、物理气相沉积、溅射法、离子电镀法、阴极电弧沉积、原子 层外延、分子束外延、粉末烧结、电泳、电镀、注塑等等。热喷涂技术 涉及沉积熔化或半熔化状态的材料，以在基底上形成涂层。热喷涂可以 使用粉末样原料或溶液前体来进行。热喷涂技术的实例包括等离子喷 涂、dc-电弧喷涂、高速氧燃料(HVOF)喷涂、激光热喷涂和电子束喷 雾。对陶瓷和陶瓷复合涂层来说，等离子热喷涂是更有利的，而HVOF 对于含有金属陶瓷的涂层沉积来说是更有利的。
在HVOF喷涂工艺中，期望使用纳米大小的颗粒作为用于重建喷雾 干燥工艺原料的起始材料。此基底可任选地通过脱脂和喷砂粗化来制 备。本文使用的术语“基底”指医疗装置10中将涂覆生物相容性纳米 结构陶瓷材料12的结构构件14，或者这样的成形物品：先在其上沉积 涂层，随后将其除去，以形成生物相容性纳米结构陶瓷材料12的独立 支撑的整体部件。通过燃料(例如丙烯)与氧气混合物的燃烧产生高速 火焰。可通过使用不同的燃料、不同的燃料/氧比例和/或不同的总燃料/ 氧流速来调整焓和温度。可根据燃料与氧的比例调整火焰的性质。因此， 可产生富氧、中等或者富燃料的火焰。以受控的补料速率将原料补充到 火焰中(通过例如同轴的粉末口注入)，熔化并且冲击到靶标基底上以 形成沉积物/膜。可通过涂层通道(coating pass)的数目来控制涂层厚 度。所得涂层任选地通过退火步骤进行热处理。
在等离子喷涂工艺中，可使用纳米大小的颗粒作为用于重建等离子 喷涂干燥工艺原料的起始材料。类似地，此基底可任选地通过脱脂和喷 砂粗化来制备。等离子电弧是使气体离子化的热源，其熔化涂覆材料并 且将它推送到工件上。合适的气体包括氩、氮、氢等等。可以改变的等 离子设置包括电流、电压、工作气体及其流速。其它工艺参数包括靶距、 粉末给料速率和枪运动。本领域普通技术人员根据本公开内容无需过度 的实验即可对每一参数确定最优条件。可根据涂层通道数目来控制涂层 厚度。所得涂层任选地通过退火步骤进行热处理。
可通过形成包含个体纳米颗粒(例如1至1000纳米(nm)大小) 和绝缘材料的微米大小(例如1至1000微米(μm))团聚物而将粉末 原料制备成用于热喷涂技术，包括HVOF和等离子喷涂。由于其尺寸 很小且质量低，个体纳米颗粒可能难以直接用热方法喷涂。团聚纳米颗 粒以形成微米大小的颗粒使得可以形成合适的原料。原料的形成可包括 将纳米颗粒分散(例如通过超声)到液体介质里；加入粘合剂以形成溶 液；将此溶液喷雾干燥以成团聚颗粒；以及将团聚颗粒加热以除去有机 粘合剂并且促进粉末致密化。任选地，需要形成复合原料的材料也可以 与纳米颗粒一起分散在液体介质中。
在基于有机物的液体介质中，所述粘合剂可包含溶于适当有机溶剂 的约5％至约15％重量、优选约10％重量的石蜡。合适的有机溶剂包括 例如己烷、戊烷、甲苯等，以及包含上述溶剂中一种或多种的组合。在 水性液体介质中，粘合剂可包含聚乙烯醇(PVA)、聚乙烯吡咯烷酮 (PVP)、羧甲基纤维素(CMC)、另一种水溶性聚合物或者包含上述聚 合物中一种或多种的组合在去离子水中形成的乳浊液。所述粘合剂可以 水溶液总重的约0.5％至约5％的量存在，优选水溶液总重的约1％至约 10％。在一个实施方案中，所述粘合剂是CMC。
或者，可将前体溶液制备成用于等离子喷涂工艺。可将所述溶液前 体注入到等离子喷枪中，以沉积高达几百微米甚至几毫米厚的厚膜。
在共同转让的美国专利6,447,848中更详细地描述了前体等离子喷 涂工艺，其中这一描述通过参考并入本文。此工艺可包括以下步骤：(1) 制备前体溶液；(2)使用溶液递送系统递送所述前体溶液；和(3)通 过热解反应将所述前体溶液转变成固体材料。所述溶液递送系统用于驱 动所述溶液从储器到液体喷嘴处，其产生大小和速度足以使它们穿入火 焰核心的小滴。液流速率和注射是可控的。溶液的递送通常包括将所述 溶液喷入腔中、喷到靶标基底上，或者喷入对准所述基底的火焰中。所 述基底可以任选地被加热。所得的膜可以任选地用退火程序进行热处 理。
所述前体溶液可以由至少一种溶于溶剂或组合溶剂的前体盐组成。 示例性盐包括但不局限于羧酸盐、醋酸盐、硝酸盐、盐酸盐、醇盐、丁 醇盐等等，以及包含上述盐中一种或多种的组合。所述盐可以与以下金 属组合：碱金属、碱土金属、过渡金属、稀土金属等以及包括上述金属 中一种或多种的组合。前体还可以是无机硅烷的形式，例如四乙氧基硅 烷(TEOS)、四甲氧基硅烷(TMOS)等，以及包含上述硅烷中一种或 多种的组合。可以溶解所述盐的示例性溶剂包括但不局限于水、乙醇、 丙酮、甲基乙基酮，以及包含一种或多种上述溶剂的组合。根据最终化 合物的化学计量要求称量试剂，然后加入液体介质中并混合。可以加热 并搅拌前体溶液，以溶解固体成分并使溶液均匀。
等离子喷涂可以以适于产生生物相容性纳米结构陶瓷材料12涂层 的特定微观结构的方式进行。在一个实施方案中，所述微观结构是高度 致密的生物相容性纳米结构陶瓷材料12，如图1和3所示，一般具有大 于或等于理论密度的约70％的密度。理论密度指X射线密度或根据给 定材料中每种分子的重量和体积计算的密度。特别地，所述生物相容性 纳米结构陶瓷材料12的密度大于或等于理论密度的约95％。更特别地， 所述生物相容性纳米结构陶瓷材料12的密度大于或等于理论密度的约 98％。甚至更特别地，所述生物相容涂层的密度大于或等于理论密度的 约99％。
用于产生致密微观结构的溶液等离子喷涂方法可包括将前体溶液 小滴注入热喷涂火焰里，其中第一部分前体溶液小滴注入到火焰的高温 带里，第二部分前体溶液小滴注入到火焰的低温带里；所所述第一部分 小滴破碎，以形成尺寸变小的小滴，在高温带中将所述尺寸变小的小滴 高温分解以形成高温分解的颗粒；在高温带至少部分熔化所述高温分解 的颗粒；将所述至少部分熔化的高温分解颗粒沉积在基底上；使第二部 分前体溶液小滴中的至少一部分破碎，以形成更小的小滴并从所述更小 的小滴形成非液体材料；并将所述非液体材料沉积在所述基底上。所述 基底可以任选地预热和/或在沉积期间维持在期望的温度。如本领域普 通技术人员容易理解的，术语“第一部分”和“第二部分”不涉及先后 次序，而仅仅用于区分所述两个部分。
在另一个实施方案中，所述微观结构是多孔的生物相容性纳米结构 陶瓷材料12，如图2和4所示，其具有大于或等于所述生物相容性纳米 结构陶瓷材料12体积的约10％的孔隙率。特别地，所述生物相容性纳 米结构陶瓷材料12的孔隙率大于或等于生物相容性纳米结构陶瓷材料 12体积的约15％。更特别地说，所述生物相容性纳米结构陶瓷材料12 的孔隙率大于或等于生物相容性纳米结构陶瓷材料12体积的约20％。 可以通过以下方法控制孔隙率：调整工艺参数(例如生坯形成和烧结温 度)，或者将非永久材料加入涂覆工艺中然后后除去所述非永久材料。
在所述生物相容性纳米结构陶瓷材料12内部，存在的孔隙一般具 有小于或等于约1微米的平均最长尺寸。在一个实施方案中，所述生物 相容性纳米结构陶瓷材料12内孔隙的所述平均最长尺寸小于或等于约 500纳米。在另一个实施方案中，所述生物相容性纳米结构陶瓷材料12 内所述孔隙的平均最长尺寸小于或等于约100纳米。在又一个实施方案 中，所述生物相容性纳米结构陶瓷材料12内所述孔隙的平均最长尺寸 小于或等于约10纳米。
在将所述生物相容性纳米结构陶瓷材料12涂覆在特定的结构构件 14上之前，可以任选地氧化所述14结构构件的表面层。当结构构件14 是金属时，此氧化层可作为防腐蚀层来防止所述金属结构构件14发生 腐蚀和将金属离子释放到血流里。氧化可包括预热、电解阳极化、硝酸 浴钝化等等。
此外，在将所述生物相容性纳米结构陶瓷材料12涂覆在所述基底 (即，结构构件14或可除去的成型物品)上之后，以及在表征和/或使 用医疗装置10之前，可任选地对涂层进行进一步加工，例如摩擦、研 磨和/或抛光以调整摩擦系数和/或表面粗糙度、等离子处理、灭菌等等。 也可如下文更详细描述地，添加额外的层，以向该涂层提供另外的功能 或期望的特征。然而，在一个具体的实施方案中，所述带有涂层的结构 构件14被直接使用，也就是说，不进行研磨或另外的加工。在另一个 具体的实施方案中，依照要求摩擦或抛光沉积涂层，但不进行另外的加 工，例如不水化以增强涂层与基底之间的粘合、不接受另外的涂覆、不 进行固结等等。在这样的实施方案中，免去另外的加工步骤导致更经济 地制造所述医疗装置10。
有利地，本文中描述的沉积工艺可在结构构件14上形成更厚和更 均匀的涂层，其为生物相容性纳米结构陶瓷材料12的形式。此涂层也 更好的粘附于结构构件14，并且可使得在医疗装置在递送至应用部位时 的摩擦最小化。因此，生物相容性纳米结构陶瓷材料12的厚度一般大 于或等于约500纳米。在一个实施方案中，所述生物相容性纳米结构 陶瓷材料12的平均厚度大于或等于约1微米。在另一个实施方案中， 所述生物相容性纳米结构陶瓷材料12的平均厚度大于或等于约10微 米。在又一个实施方案中，所述生物相容性纳米结构陶瓷材料12的厚 度小于或等于约1毫米(mm)。不限于理论地，推测较厚的生物相容性 纳米结构陶瓷材料12(特别地大于或等于约20微米，并且甚至更特别 地大于或等于约50微米)有利地提供了提更高的硬度、更高的抗疲劳 性、提高的延展性和/或在医疗装置10与身体相互作用期间更少的颗粒 脱落(即颗粒碎片)。这可导致植入物的使用寿命显著延长。例如，平 均厚度大于或等于约20微米的涂层预计比平均厚度大于或等于约10微 米的涂层维持得更久。平均厚度大于或等于约50微米的涂层又预计比 平均厚度大于或等于约20微米的涂层维持得更久。因此，在临床情况 中，取决于医疗装置10的用途，医师可能更喜欢使用涂层厚度大于或 等于约50微米的医疗装置，而不是涂层厚度大于或等于约20微米的医 疗装置。
应了解，如果期望医疗装置10的总厚度尽可能小，那么可通过使 用较薄的结构构件14对使用生物相容性纳米结构陶瓷材料12较厚涂层 进行补偿。
所述生物相容性纳米结构陶瓷材料12可具有大于或等于约350千 克/平方毫米(kg/mm2)的截面硬度(即维氏硬度)。在一个实施方案 中，所述生物相容性纳米结构陶瓷材料12的硬度大于或等于约500 kg/mm2。在另一个实施方案中，所述生物相容性纳米结构陶瓷材料12 的硬度大于或等于约750kg/mm2。在又一个实施方案中，所述生物相 容性纳米结构陶瓷材料12的硬度大于或等于约1000kg/mm2。有可能 所述生物相容性纳米结构陶瓷材料12的硬度高达约8000kg/mm2。
所述生物相容性纳米结构陶瓷材料12可具有大于或等于约1％的破 坏应变(即延展性)。在一个实施方案中，所述生物相容性纳米结构陶 瓷材料12的破坏应变大于或等于约3％。在另一个实施方案中，所述生 物相容性纳米结构陶瓷材料12的破坏应变大于或等于约5％。在又一个 实施方案中，所述生物相容性纳米结构陶瓷材料12的破坏应变大于或 等于约7％。有可能所述生物相容性纳米结构陶瓷材料12的破坏应变高 达约15％。
在某些实施方案中，医疗装置10可任选地包括″生物活性剂″(未 显示)例如“药物”、“治疗剂”、“药学活性物质”和“生物制剂”。本 领域的这些术语及其他相关的术语在本文中可互换使用，泛指可在患者 体内植入位置局部施用以提供生物学效应的组合物。所述生物学效应可 以是例如对疾病或异常状况的治疗、抑制未来疾病或异常状况的预防措 施、减少机体对医疗装置10存在的反应、减少在植入操作期间医疗装 置10所引起的外伤等等。
在多种实施方案中，该生物活性剂可以直接布置在所述生物相容性 纳米结构陶瓷材料12上、在其孔隙内和/或其下方。在其它一些实施方 案中，该生物活性剂可以分散在陶瓷材料中，这通过该陶瓷材料与该生 物活性剂的共沉积或者通过在沉积前将两者混合来实现。如果所述生物 活性剂被布置在所述生物相容性纳米结构陶瓷材料12下方，那么它可 穿过和/或绕过陶瓷材料12，以实现其治疗效果。生物活性剂浓度可根 据所述医疗装置10的预定用途而变化。
在另一个实施方案中，该生物活性剂可掺入布置在医疗装置10上 的任选的聚合物涂层(未显示)中，或者应用到该任选的聚合物涂层上。 该聚合物涂层的聚合物可以是可生物降解的或者非生物降解的。这些聚 合物可以包括如上所述的那些聚合物，以及聚合物分散系例如聚氨酯分 散系、角鲨烯乳剂或者任何上述聚合物的共聚物或混合物。
在生物活性剂沉积在医疗装置10上的一个实施方案中，它可单独 或与溶剂组合(其中所述治疗剂是至少部分可溶、可分散或乳化的)和 /或与聚合物材料(如溶液、分散系、悬液、晶格等等)组合而作为涂 层应用。所述溶剂可以是含水的或无水的。在沉积到医疗装置10上之 后，可以在有或没有外部加热的条件下使包含生物学活性物质和溶剂的 涂层干燥或固化，以除去溶剂。
所述生物活性剂可以是任何药物活性物质，例如非遗传治疗剂、生 物分子、小分子、细胞、预防剂(例如疫苗)等等。所述生物活性剂可 布置成提供向血流中控制释放，包括长期或持续释放。
举例性非遗传治疗剂包括但不限于抗凝血剂，例如肝素、肝素衍生 物、前列腺素(包括胶束前列腺素E1)、尿激酶和PPack(右旋苯丙氨 酸脯氨酸精氨酸氯甲基酮)；抗增殖剂例如依诺肝素、血管肽素、西罗 莫司(雷帕霉素)、他克莫司、依维莫司、能够阻断平滑肌细胞增殖的 单克隆抗体、水蛭素和乙酰水杨酸；抗炎剂例如地塞米松、罗格列酮、 泼尼松龙、皮质酮、布地奈德、雌激素、雌二醇、柳氮磺吡啶、乙酰水 杨酸、霉酚酸和美沙拉嗪；抗肿瘤/抗增殖/抗有丝分裂剂例如紫杉醇、 epothilone、克拉屈滨、5-氟尿嘧啶、甲氨蝶呤、多柔比星、柔红霉素、 环孢菌素、顺铂、长春碱、长春新碱、epothilones、内皮抑素、曲匹地 尔、卤夫酮和制管张素；抗癌剂例如c-myc癌基因的反义抑制剂；抗微 生物剂例如三氯生、头孢菌素、氨基糖苷、呋喃妥因，银的离子、化合 物或盐；生物膜合成抑制剂，例如非固醇类抗炎剂和螯合剂，例如乙二 胺四乙酸、O，O’-双(2-氨基乙基醚)-乙二醇-N，N，N’，N’-四乙酸及其混合 物；抗生素，例如庆大霉素、利福平、米诺环素和环丙沙星；抗体，包 括嵌合抗体和抗体片段；麻醉剂例如利多卡因、丁哌卡因和罗哌卡因； 一氧化氮；一氧化氮(NO)供体例如lisidomine、吗多明、L-精氨酸、 NO-糖加合物和多聚或寡聚NO加合物；抗凝血剂例如D-Phe-Pro-Arg 氯甲基酮、含RGD肽化合物、肝素、抗凝血酶化合物、血小板受体拮 抗剂、抗凝血酶抗体、抗血小板受体抗体、依诺肝素、水蛭素、华法令 钠、双香豆素、阿司匹林、前列腺素抑制剂、血小板凝聚抑制剂例如西 洛他唑和蜱抗血小板因子；血管细胞生长促进剂例如生长因子、转录活 化剂和翻译促进剂；血管细胞生长抑制剂例如生长因子抑制剂、生长因 子受体拮抗剂、转录抑制剂、翻译抑制剂、复制抑制剂、抑制性抗体、 定向抗生长因子的抗体、包含生长因子和细胞毒剂的双功能分子、包含 抗体和细胞毒剂的双功能分子；降胆固醇剂；血管扩张剂；干扰内源血 管活性机制的药剂；热休克蛋白抑制剂例如格尔德霉素；以及任何包含 以上至少一种的组合。
示例性生物分子包括但不限于肽、多肽和蛋白质；寡核苷酸；核酸 例如双链或单链DNA(包括裸DNA和cDNA)、RNA、反义核酸例如 反义DNA和RNA、小干扰RNA(siRNA)和核酶；基因；碳水化合物； 血管发生因子包括生长因子；细胞周期抑制剂；以及抗术后再狭窄剂。 可将核酸掺入递送系统中，例如载体(包括病毒载体)、质粒或脂质体 中。
蛋白质的非限制性实例包括但不限于单核细胞趋化蛋白(MCP-1) 和骨形态发生蛋白(BMP)，例如BMP-2、BMP-3、BMP-4、BMP-5、 BMP-6(Vgr-1)、BMP-7(OP-1)、BMP-8、BMP-9、BMP-10、BMP-11、 BMP-12、BMP-13、BMP-14、BMP-15。优选的BMP是BMP-2、BMP-3、 BMP-4、BMP-5、BMP-6、和BMP-7中的任何蛋白。这些BMP可单 独或与其它分子一起以同二聚体、异二聚体或其组合的形式提供。作为 替代或补充，可提供能够诱导BMP上游或下游效应的分子。这些分子 包括任何Hedghog蛋白或编码它们的DNA。基因的非限制性实例包括 保护免受细胞死亡的存活基因，例如抗凋亡Bcl-2家族因子和Akt激酶 及其组合。血管发生因子的非限制性实例包括酸性或碱性成纤维细胞生 长因子、血管内皮生长因子、表皮生长因子、转化生长因子α和β、血 小板来源的内皮生长因子、血小板来源的生长因子、肿瘤坏死因子α、 肝细胞生长因子和胰岛素样生长因子。细胞周期抑制剂的非限制实例为 组织蛋白酶D(cathespin D，CD)抑制剂。抗再狭窄剂的非限制实例包 括p15、p16、p18、p19、p21、p27、p53、p57、Rb、nFkB和E2F诱 饵、胸苷激酶(TK)及其组合，以及可用于干扰细胞增殖的其它药剂。
示例性小分子包括但不限于激素、核苷酸、氨基酸、糖和脂类以及 分子量小于100千道尔顿(kD)的化合物。
示例性细胞包括但不限于干细胞、祖细胞、内皮细胞、成体心肌细 胞和平滑肌细胞。细胞可以是人来源的(自体的或同种异体的)或来自 动物来源(异种的)，或者经遗传改造的。
前述任何生物活性剂均可组合，其程度为使得这样的组合物是生物 相容性的。
对于一些应用，期望可以抑制生物污损的医疗装置表面，而同时又 期望相邻的表面提供粘附功能。因此，可对医疗装置基底的不同表面进 行选择性涂覆，以达到所期望的效果。图5(a)举例说明了医疗装置 10的另一个实施方案，其中在结构构件14上形成了不同涂层。如所示 的，在结构构件14中贴近器官的一侧，可将粘附材料15应用到特定区 域，例如结构构件14的边缘，以促进与组织的粘附。在药物递送优选 不被生物污损所阻碍的区域，结构构件14可涂覆纳米结构陶瓷材料12。 可将生物活性剂16(例如药物)布置在含有开口的结构构件14下方， 所述药剂16可穿过所述开口。可通过使生物活性剂16进入纳米结构陶 瓷材料12的孔并穿出而进行释放。此实施方案的一个应用是用于药物 递送的器官透组织贴剂。
合适的粘附材料15包括但不限于粘附性金属、合金、聚合物、生 物支架和包含上述至少一项的组合。可使用市售生物相容粘合剂和胶粘 剂。可施加粘附材料15到结构构件14上，进行或不进行增强组织粘附 的加工后处理均可。这些加工后处理的实例包括但不限于等离子蚀刻、 钝化或其它酸性蚀刻、凹坑、喷砂和其它模制的形变手段。还可用增强 粘附的涂层或有机或生物化学溶液处理所述粘附材料15。
图5(b)举例说明了类似于图5(a)所示的实施方案，其利用离 子电渗进行药物递送。在此实施方案中，粘附材料15被阴极18所取代， 在生物活性剂16之下形成阳极19。可使用不同的金属作为电极，即阴 极18和阳极19，以形成用于药物递送的无源电路。位于结构构件14 下方的储库中的生物活性剂16可溶于水溶液中，以允许其电离成带正 电的阳离子和带负电的阴离子。当直流电通过此溶液时，阳离子朝负极 19移动并穿过所述纳米结构陶瓷材料12的孔到达机体组织。在另一个 实施方案中，阴极18和阳极19可逆转，以使得所述生物活性剂16的 阴离子能够迁移至陶瓷材料12。涉及离子电渗的其它公开内容可见于 Tiwary等″Innovataions in Transdermal Drug Delivery；Formulations and Techniques.″Recent Patents on Drug Delivery&Formulation 2007： I，23-26，其中有关离子电渗的讨论通过引用并入本文。
图6举例说明了医疗装置10的另一个实施方案，其中生物相容性 纳米结构陶瓷材料12被布置在粘附材料15之上。所述陶瓷材料12中 可浸渍有生物活性剂16，其可从陶瓷材料12渗出到邻近组织。或者， 金属层20可作为粘附材料15的替代或补充。纯(未氧化的)贵金属具 有能增强纳米复合材料陶瓷之功能的特殊特性。这些金属可在陶瓷材料 12附近形成抗菌或抗病毒屏障，或提供一些其他金属生物学功能 (metalobiologic function)。贵金属的实例包括但不限于金、银、铂、 钯、铑和包含上述金属中至少一种的组合。一些金属可用于局部、皮肤 或外科手术应用，以及用于长期植入用途。这些金属的实例包括但不限 于铜、锌、镍、钴、铬、钒、锆、钼、锡、硅、铝、铁、其它金属以及 包含上述金属中至少一种的组合。这些金属的有效性随着其纯度的提高 而提高。
图7举例说明了另一个医疗装置10的实施方案，其中类似上文所 述的生物相容性纳米结构陶瓷材料12以及粘附材料15或金属层20布 置于结构构件14的对侧。所述陶瓷材料12可浸渍有生物活性剂16，其 可从所述陶瓷材料12中渗出到邻近组织。
在前述实施方案中，医疗装置10可根据本领域普通技术人员已知 的一般性目的来使用。具体的，所述医疗装置10包括任何可用于至少 部分穿透患者身体的装置。医疗装置10的非限制性实例包括腔支撑装 置(例如支架)、导管、导向线、气球、滤器(例如腔静脉滤器)、皮下 输注装置、生物传感器、支架移植物、血管移植物、疝移植物、腔内铺 装系统、软组织和硬组织植入物例如整形板和棒、关节植入物、牙和颌 植入物、髓内植入物、生物支架、金属合金结扎物、血管通路出入口、 人工心脏外壳、心瓣膜支撑物和支架(用于支撑生物心脏瓣膜)、动脉 瘤栓塞线圈和其它线圈装置、激光心肌血管重建(trans myocardial revascularization，TMR)装置、经皮激光心肌血管重建(percutaneous myocardial revascularization，PMR)装置、皮下针、软组织钳、钉、 螺钉、保持或紧固装置、其它类型的医用针和闭合装置、器官或组织移 植界面，以及与药物递送一起使用的装置。这些医疗装置10可植入或 者以其他方式用于体腔和器官内，例如冠状动脉系统、食道、气管、结 肠、胆管、尿道、前列腺、脑、肺、肝、心、骨骼肌、肾、膀胱、肠、 胃、胰、卵巢、软骨、眼、骨等等。这些医疗装置10的任何接触面均 可包含本文公开的生物相容性纳米结构陶瓷材料12。
在举例性实施方案中，所述医疗装置10是腔支撑装置，例如支架。 如上所述，所述腔支撑装置的生物相容性纳米结构陶瓷材料12可具有 约1nm至约1000nm的平均粒度、至少约1％的破坏应变和大于或等 于约350kg/平方毫米的截面硬度。如果所述腔支撑装置不需要机械形变 或延展，那么所述生物相容性纳米结构陶瓷材料12可以是独立支撑的 整体部件，如图1和2所示。根据在植入后所述腔支撑装置可形变(例 如通过使用气球导管发生形变)的程度，所述腔支撑装置可包含结构构 件14，例如图3和4所示的那些，其上布置了生物相容性纳米结构陶瓷 材料12。所述结构构件14可具有由可形变或有弹性的延展性材料制成 的固体或网状结构。用于构建所述腔支撑装置之结构构件14的示例性 材料包括但不限于不锈钢、形状记忆镍钛合金、非铁金属以及可生物吸 收或可生物降解的聚合物。
应理解，不同的生物相容性纳米结构陶瓷材料12可用在所述腔支 撑装置结构构件14的不同部分。例如，所述腔支撑装置的内部(结构 构件14中的非腔表面)涂层可不同于外部(腔)生物相容性纳米结构 陶瓷材料12涂层。
所述腔支撑装置可植入多种腔内，包括但不限于血管、脑、尿道、 胆、气管、臂、胃肠道和食道的腔。
如果期望所述腔支撑装置也具有药物递送装置的功能(例如用于治 疗疾病例如肾结石、血管狭窄、冠状动脉疾病、股动脉闭塞、髂动脉闭 塞、外周动脉疾病、颈动脉狭窄等等)或者辅助用于器官再生的组织工 程，那么所述腔支撑装置还可包括任选的生物活性剂，其可以与或不与 作为载体的聚合物材料相组合。
在另一个示例性实施方案中，所述医疗装置10是例如钉或钳的紧 固装置。因为紧固装置可发生显著形变，所以它一般包含由可形变的或 有弹性的可延展材料制成的结构构件14，其上布置了所述生物相容性纳 米结构陶瓷材料12。用于构建所述腔支撑装置结构构件14的示例性材 料包括但不限于不锈钢、形状记忆镍钛合金、非铁金属以及可生物吸收 或可生物降解的聚合物。另外，由于所述紧固装置可发生显著形变，所 以所述生物相容性纳米结构陶瓷材料12的涂层可具有提高的破坏应变。 如果期望所述紧固装置帮助预防手术缝合的感染，那么它还可包含任选 的生物活性剂，其可以与或不与作为载体的聚合物材料相组合。
在又一个举例性实施方案中，所述医疗装置10是疝或血管移植物。 类似于腔支撑装置，所述移植物的生物相容性纳米结构陶瓷材料12可 以是独立支撑的整体部件，或者是结构构件14上的涂层(例如编织网 状结构)。用于构建移植物用结构构件14的示例性材料包括所谓的“移 植级”非生物降解聚合物、可生物降解聚合物和生物支架材料。所述移 植物还可包括任选的生物活性剂，用于治疗或预防移植物闭塞、移植物 感染、吻合动脉瘤(血管移植物)、远端栓塞(血管移植物)、下窝脓肿 (疝移植物)等等。
通过下述非限制性实施例进一步举例说明本公开内容。
实施例1：通过空气等离子喷涂形成致密复合氧化物层
使用具有以下组成的喷雾干燥球状粉末复合材料作为原料：13重 量(wt)％TiO2、13wt％Y2O3、10wt％ZrO2、6wt％CeO2，其余均 为Al2O3(可购自Inframat Corp.商品名NANOX S2613)。使用Metco 9MB热喷涂系统(本文提及的所有Metco产品由Sulzer Metco Ltd以 商品供应)将所述原料等离子热喷涂至在热喷涂之前已经用氧化铝颗粒 喷砂处理过的金属基底上。使用氩气和氢气结合GH型喷嘴(Metco) 产生热的高速等离子火焰。粉末补料速率为约1.5至约2.0磅/小时 (lb/hr)，其对应于约50至约120微米(μm)/通道的沉积率。将所述 基底预热至约120摄氏度(℃)，并在喷涂过程中保持此温度，选择小 喷距和低喷枪横向速度。用于致密复合氧化物层的代表性等离子喷涂参 数如下：
等离子气体：
主气体：氩气(100磅/平方英寸(PSI)，80标准立方英尺/小时 (SCFH))
次气体：H2(50PSI)
等离子功率：45.5千瓦(KW)(650安(A)/70伏(V))
喷距：3.5英寸
喷枪速度：
横向速度：500至600毫米/秒(mm/s)
垂直速度：6mm/s
粉末补料速率：1.5-2.0lb/hr
基底温度：
预热：100-120℃
喷涂过程中：120-150℃
所述复合氧化物的多种等离子喷涂涂层具有大于理论密度的约 98％的密度以及大于或等于约50μm的厚度。使用扫描电子显微镜观察 到所述涂层和所述基底之间良好结合的界面。
实施例2：通过空气等离子喷涂形成致密Al2O3层
将有角、融化的粉碎Al2O3粉末(Metco 105SFP)用作原料。使用 Metco 9MB热喷涂系统将所述原料等离子热喷涂至在热喷涂之前已经 使用氧化铝颗粒喷砂处理过的金属基底上。使用氩气和氢气结合GP型 喷嘴(Metco)来产生热的高速等离子火焰。粉末补料速率在约2.0至 约2.5磅/小时(lb/hr)，其对应于约50至约120微米(μm)/通道的沉 积率。将基底预热至约120摄氏度(℃)并在喷涂过程中保持，选择小 喷距和低喷枪横向速度。用于致密Al2O3层的代表性等离子喷涂参数如 下：
等离子气体：
主气体：氩气(100PSI，100SCFH)
次气体：H2(50PSI)
等离子功率：42KW(600A/70V)
喷距：3.5英寸
喷枪速度：
横向速度：1000mm/s
垂直速度：8mm/s
粉末补料速率：2.0-2.5lb/hr
基底温度：
预热：100-120℃
喷涂过程中：120-150℃
多种等离子喷涂的Al2O3涂层具有大于约98％理论密度的密度以及 大于或等于约30μm的厚度。使用扫描电子显微镜观察到所述涂层和所 述基底之间良好结合的界面。
实施例3：通过空气等离子喷涂形成致密复合氧化物层
将总体组成为Cr2O3-5SiO2-3TiO2喷雾干燥复合粉末球(Metco 136F) 用作原料。使用Metco 9MB热喷涂系统将所述原料等离子热喷涂至在 热喷涂之前已经使用氧化铝颗粒喷砂处理过的金属基底上。氩气和氢气 联合GH型喷嘴(Metco)用于产生热的高速等离子火焰。粉末补料速 率为约2.5至约3.0磅/小时(lb/hr)，其对应于约15至约30微米(μm) /通道的沉积率。将所述基底预热至约120摄氏度(℃)并在喷涂过程 中保持，选择小喷距和低喷枪横向速度。使用交叉冷却喷嘴和约40PSI 的空气流来冷却所述基底。用于致密复合氧化物层的代表性等离子喷涂 参数如下：
等离子气体：
主气体：氩气(100PSI，80SCFH)
次气体：H2(50PSI)
等离子功率：42KW(600A/70V)
喷距：2.5英寸
喷枪速度：
横向速度：1000毫米/秒(mm/s)
垂直速度：8mm/s
粉末补料速率：2.5-3.0lb/hr
基底温度：
预热：100-120℃
喷涂过程中：120-150℃
致密复合氧化物层的多种等离子喷涂涂层具有大于理论密度的约 98％的密度以及大于或等于约20μm的厚度。使用扫描电子显微镜观察 到所述涂层和所述基底之间良好结合的界面。
实施例4：通过空气等离子喷涂形成多孔ZrO2-8wt％Y2O3层
将组成为ZrO2-8wt％Y2O3的致密球(Metco 204NS)用作原料。使 用Metco 9MB热喷涂系统将所述原料等离子热喷涂至在热喷涂之前已 经使用氧化铝颗粒喷砂处理过的金属基底上。使用氩气和氢气结合GH 型喷嘴(Metco)来产生热的高速等离子火焰。粉末补料速率为约5.5 至约6.0磅/小时(lb/hr)，其对应于约50至约60微米(μm)/通道的 沉积率。将所述基底预热至约120摄氏度(℃)并在喷涂过程中保持， 选择小喷距和低喷枪横向速度。用于多孔ZrO2-8wt％Y2O3层的代表性 等离子喷涂参数如下：
等离子气体：
主气体：氩气(100PSI，80SCFH)
次气体：H2(50PSI)
等离子功率：39KW(600A/65V)
喷距：2.5英寸
喷枪速度：
横向速度：500毫米/秒(mm/s)
垂直速度：8mm/s
粉末补料速率：5.5-6.0lb/hr
基底温度：
预热：100-120℃
喷涂过程中：120-150℃
多种等离子喷涂的ZrO2-8wt％Y2O3涂层具有约15至约20％的孔隙 率，以及大于或等于约50μm的厚度。涂层的初晶相是四角形，如粉末 X射线衍射所确定的。使用扫描电子显微镜观察到所述涂层和所述基底 之间良好结合的界面。
实施例5：通过溶液等离子喷涂形成多孔Al2O3层
将制备自铝盐的水溶液用作原料。使用装备有储库、流速调节器和 雾化液体喷射器的液体递送系统以恒定流速将溶液递送到等离子热源。 使用Metco 9MB热喷涂系统将所述原料等离子热喷涂至在热喷涂之前 已经使用氧化铝颗粒喷砂处理过的金属基底上。使用氩气和氢气结合 GP型喷嘴(Metco)来产生热的高速等离子火焰。溶液补料速率为约 50至约80毫升/分(ml/min)，其对应于约10至约20微米(μm)/通道 的沉积率。将所述基底预热至约250℃并在喷涂过程中保持，选择小喷 距和低喷枪横向速度。用于多孔Al2O3层的代表性等离子喷涂参数如下：
等离子气体：
主气体：氩气(100PSI，140SCFH)
次气体：H2(50PSI)
等离子功率：39KW(600A/65V)
喷距：2英寸
喷枪速度：
横向速度：1000mm/s
垂直速度：4mm/s
溶液补料速率：50-80毫升/分(ml/min)
基底温度：
预热：＞250℃
喷涂过程中：250-350℃
多种等离子喷涂的Al2O3涂层具有约30至约40％的孔隙率和大于 或等于约10μm的厚度。
实施例6：通过溶液等离子喷涂形成多孔ZrO2-8wt％Y2O3层
使ZrO2-8wt％Y2O3的水溶液作原料。使用装备有储库、流速调节 器和雾化液体喷射器的液体递送系统以恒定流速将溶液递送到等离子 热源。使用Metco 9MB热喷涂系统将所述原料等离子热喷涂至在热喷 涂之前已经使用氧化铝颗粒喷砂处理过的金属基底上。使用氩气和氢气 结合GP型喷嘴(Metco)来产生热的高速等离子火焰。溶液补料速率 为约20至约30毫升/分(ml/min)，其对应于约5至约15微米(μm) /通道的沉积率。将所述基底预热至约250℃并在喷涂过程中保持，选 择小喷距和低喷枪横向速度。用于多孔ZrO2-8wt％Y2O3层的代表性等 离子喷涂参数如下：
等离子气体：
主气体：氩气(100PSI，140SCFH)
次气体：H2(50PSI)
等离子功率：45.5KW(650A/70V)
喷距：2英寸
喷枪速度：
横向速度：1000mm/s
垂直速度：4mm/s
溶液补料速率：20-30毫升/分(ml/min)
基底温度：
预热：＞250℃
喷涂过程中：250-350℃
ZrO2-8wt％Y2O3的多种等离子喷涂涂层具有约18至约22％的孔 隙率和大于或等于约5μm的厚度。涂层的初晶相是四角形的，如粉末 X射线衍射所确定的。
实施例7：通过溶液等离子喷涂形成多孔Al2O3/TiO2层
将制备自铝盐和钛盐的Al2O3-5mol％TiO2水溶液用作原料。使用 装备有储库、流速调节器和雾化液体喷射器的液体递送系统以恒定流速 将溶液递送到等离子热源。使用Metco 9MB热喷涂系统将所述原料等 离子热喷涂至在热喷涂之前已经使用氧化铝颗粒喷砂处理过的金属基 底上。使用氩气和氢气结合GP型喷嘴(Metco)来产生热的高速等离 子火焰。溶液补料速率为约30至约40毫升/分(ml/min)，其对应于约 5至约15微米(μm)/通道的沉积率。将所述基底预热至约250℃并在 喷涂过程中保持，选择小喷距和低喷枪横向速度。用于多孔Al2O3-5mol ％TiO2层的代表性等离子喷涂参数如下：
等离子气体：
主气体：氩气(100PSI，80SCFH)
次气体：H2(50PSI)
等离子功率：45.5KW(650A/70V)
喷距：2英寸
喷枪速度：
横向速度：1000mm/s
垂直速度：4mm/s
溶液补料速率：30-40ml/分
基底温度：
预热：＞250℃
喷涂过程中：250-350℃
多种等离子喷涂的Al2O3/TiO2涂层具有约20至约30％的孔隙率和 大于或等于约10μm的厚度。
实施例8：通过溶液等离子喷涂形成复合氧化物层
将制备自锆盐、铝盐、钛盐和钇盐的6mol％Y2O3、20mol％Al2O3、 5mol％TiO2、其余为ZrO2的水溶液用作原料。使用装备有储库、流 速调节器和雾化液体喷射器的液体递送系统以恒定流速将溶液递送到 等离子热源。使用Metco 9MB热喷涂系统将所述原料等离子热喷涂至 在热喷涂之前已经使用氧化铝颗粒喷砂处理过的金属基底上。使用氩气 和氢气结合GH型喷嘴(Metco)来产生热的高速等离子火焰。溶液补 料速率为约20至约25毫升/分(ml/min)，其对应于约5至约10微米 (μm)/通道的沉积率。将所述基底预热至约250℃并在喷涂过程中保 持，选择小喷距和低喷枪横向速度。用于多孔复合氧化物层的代表性等 离子喷涂参数如下：
等离子气体：
主气体：氩气(100PSI，140SCFH)
次气体：H2(50PSI)
等离子功率：45.5KW(650A/70V)
喷距：2英寸
喷枪速度：
横向速度：1000mm/s
垂直速度：4mm/s
溶液补料速率：20-25ml/min
基底温度：
预热：＞250℃
喷涂过程中：250-450℃
多种等离子喷涂涂层具有约18至约22％的孔隙率和大于或等于约 10μm的厚度。
实施例9：通过浆体等离子喷涂形成TiO2层
将通过细(约10至约20nm)TiO2颗粒与水混合制成的300克/ 升(g/l)TiO2浆体用作原料。使用装备有储库、流速调节器和雾化液体 喷射器的液体递送系统以恒定流速将溶液递送到等离子热源。使用 Metco 9MB热喷涂系统将所述原料等离子热喷涂至在热喷涂之前已经 使用氧化铝颗粒喷砂处理过的金属基底上。使用氩气和氢气结合GP型 喷嘴(Metco)来产生热的高速等离子火焰。溶液补料速率为约30至约 40毫升/分(ml/min)，其对应于约10至约20微米(μm)/通道的沉积 率。将所述基底预热至约150℃并在喷涂过程中保持，选择小喷距和低 喷枪横向速度。用于多孔TiO2层的代表性等离子喷涂参数如下：
等离子气体：
主气体：氩气(100PSI，80SCFH)
次气体：H2(50PSI)
等离子功率：39KW(600A/65V)
喷距：2英寸
喷枪速度：
横向速度：1000mm/s
垂直速度：4mm/s
溶液补料速率：30-40ml/min
基底温度：
预热：＞150℃
喷涂过程中：150-250℃
多种等离子喷涂的TiO2涂层具有约5至约25％的孔隙率和大于或 等于约10μm的厚度。
实施例10：通过空气等离子体喷涂形成致密的整体复合氧化物材料
将总组成为13wt％TiO2、13wt％Y2O3、10wt％ZrO2、6wt％ CeO2、其余为NANOX S2613Al2O3的喷雾干燥粉末球的复合物用作原 料。使用Metco 9MB热喷涂系统将所述原料等离子体热喷涂至在热喷 涂之前已经使用180粒度的氧化铝颗粒喷砂处理过的金属基底上。使用 氩气和氢气结合GH型喷嘴(Metco)来产生热的高速等离子体火焰。 粉末补料速率为约1.5至约2.0磅/小时(lb/hr)，其对应于约50至约120 微米(μm)/通道的沉积率。将所述基底预热至约120摄氏度(℃)并 在喷涂过程中保持，选择小喷距和低喷枪横向速度。用于致密复合氧化 物层的代表性等离子体喷涂参数如下：
等离子气体：
主气体：氩气(100PSI，80SCFH)
次气体：H2(50PSI)
等离子体功率：45.5KW(650A/70V)
喷距：3.5英寸
喷枪速度：
横向速度：500-600mm/s
垂直速度：6mm/s
粉末补料速率：1.5-2.0lb/hr
基底温度：
预热：100-120℃
喷涂过程中：120-150℃
将所述复合氧化物层等离子喷涂到所述金属基底上之后，除去基 底。多种独立支撑的整体复合氧化物部件具有大于或等于约98％的密 度，以及约500μm至约3mm的厚度。
实施例11：通过溶液等离子喷涂形成多孔的整体ZrO2-8wt％Y2O3材 料
用ZrO2-8wt ％Y2O3的水溶液作原料。使用装备有储库、流速调节 器和雾化液体喷射器的液体递送系统以恒定流速将溶液递送到等离子 热源。使用Metco 9MB热喷涂系统将所述原料等离子热喷涂至在热喷 涂之前已经使用氧化铝颗粒喷砂处理过的金属基底上。使用氩气和氢气 结合GP型喷嘴(Metco)来产生热的高速等离子火焰。溶液补料速率 为约20至约30毫升/分(ml/min)，其对应于约5至约15微米(μm) /通道的沉积率。将所述基底预热至约250℃并在喷涂过程中保持，选 择小喷距和低喷枪横向速度。用于多孔ZrO2-8wt％Y2O3层的代表性等 离子喷涂参数如下：
等离子气体：
主气体：氩气(100PSI，140SCFH)
次气体：H2(50PSI)
等离子功率：45.5KW(650A/70V)
喷距：2英寸
喷枪速度：
横向速度：1000mm/s
垂直速度：4mm/s
溶液补料速率：20-30毫升/分(ml/min)
基底温度：
预热：＞250℃
喷涂过程中：250-350℃
将ZrO2-8wt ％Y2O3层等离子喷涂到所述金属基底上之后，除去基 底。多种独立支撑的整体ZrO2-8wt ％Y2O3部件具有大于或等于约18 至约22％的孔隙率和约500μm至约4.0mm的厚度。
实施例12：通过空气等离子喷涂形成梯度复合层
将总体组成为13wt％TiO2、13wt％Y2O3、10wt％ZrO2、6wt％ CeO2、其余为NANOX S2613Al2O3和Fe3O4的多种喷雾干燥粉末球复 合物的混合物用作原料。使得所述复合物的各个样品含有0、25、50和 75wt％Fe3O4。使用Metco 9MB热喷涂系统将所述原料等离子热喷涂 至在热喷涂之前已经使用氧化铝颗粒喷砂处理过的金属基底上。使用氩 气和氢气结合GH型喷嘴(Metco)来产生热的高速等离子火焰。粉末 补料速率为约2.0至约2.5磅/小时(lb/hr)，其对应于约50至约120微 米(μm)/通道的沉积率。通过独立并依次喷涂0、25、50和75wt％Fe3O4 的原料混合物来产生涂层梯度。将所述基底预热至约120摄氏度(℃) 并在喷涂过程中保持，选择小喷距和低喷枪横向速度。用于致密复合氧 化物层的代表性等离子喷涂参数如下：
等离子气体：
主气体：氩气(100PSI，80SCFH)
次气体：H2(50PSI)
等离子功率：45.5KW(650A/70V)
喷距：3.5-4英寸
喷枪速度：
横向速度：500-600mm/s
垂直速度：6mm/s
粉末补料速率：2.0-2.5lb/hr
基底温度：
预热：100-120℃
喷涂过程中：120-150℃
多种具有梯度的复合层具有大于或等于98％的密度。
如本文所使用的，不带有量词的名词不作为数量的限制，而是指存 在至少一个所指的项目。另外，所有范围的端点指包括该端点在内的相 同组分或特性，并可独立组合(例如“约5wt％至约20wt％”包括端 点以及所有约5wt％至约20wt％范围内的中间值)。本说明书内提及 “一个实施方案”、“另一个实施方案”等等是指所述实施方案所描述的 特定要素(例如性质、结构和/或特征)包含在本文所述的至少一个实 施方案中，并且可以存在或不存在于其它实施方案中。另外，应理解， 所述要素可以在多个实施方案以任何合适形式进行组合。除非另有说 明，否则本文使用的科技术语具有与本发明所述技术领域的普通技术人 员通常所理解相同的含义。
尽管本公开内容参考示例性实施方案进行了描述，但本领域技术人员 应理解，在不脱离本公开内容范围的情况下可进行多种改变以及用等同要 素进行取代。另外，根据本公开内容的教导，在不脱离其基本范围的情况 下，可进行许多修饰以适应特定情况或材料。因此，本公开内容意在不仅 限于作为实施本公开的预期最佳实施方式而公开的具体实施方案，而是本 公开内容包括所有落入所附权利要求范围的实施方案。
相关申请的交叉引用
本申请要求2006年8月2日提交的美国临时专利申请60/821,256 的权益，其通过参考整体并入本文。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1、一种腔支撑装置，其包含：纳米结构陶瓷材料，所述材料被设置成 在邻近腔表面放置，并且具有约1纳米至约1000纳米的平均粒度，其 中所述纳米结构陶瓷材料是生物相容性的并且具有大于或等于所述纳 米结构陶瓷材料理论密度的约90％的密度，或者大于或等于所述纳米结 构陶瓷材料总体积的约10％的孔隙率。
2、权利要求1的腔支撑装置，其中所述生物相容性纳米结构陶瓷材料 是置于所述腔支撑装置的结构构件或者组织粘附材料或金属层的表面 上的膜。
3、权利要求2的腔支撑装置，所述结构构件包括金属、合金、聚合物、 生物支架或包含上述至少一种的组合。
4、权利要求1的腔支撑装置，其中所述生物相容性纳米结构陶瓷材料 与组织粘附材料或金属层置于所述腔支撑装置的结构构件的相反表面 上。
5、权利要求1的腔支撑装置，其中所述生物相容性纳米结构陶瓷材料 与组织粘附材料置于所述腔支撑装置的结构构件表面上的不同部分。
6、权利要求1的腔支撑装置，其中所述生物相容性纳米结构陶瓷材料 和阴极置于所述腔支撑装置的结构构件第一表面上的不同部分，并且其 还包含置于与所述第一表面相反的该结构构件第二表面之下的带正电 生物活性剂以及置于所述生物活性剂之下的阳极，以使得所述生物活性 剂穿过该陶瓷材料。
7、权利要求1的腔支撑装置，其中所述生物相容性纳米结构陶瓷材料 是独立支撑的整体构件。
8、权利要求1的腔支撑装置，其还包含生物活性剂。
9、权利要求8的腔支撑装置，其中所述生物活性剂置于所述生物相容 性纳米结构陶瓷材料的孔中、在所述生物相容性纳米结构陶瓷材料之 上、在所述生物相容性纳米结构陶瓷材料之下、结构构件上所述生物相 容性纳米结构陶瓷材料的相反侧、或者包含上述至少一种的组合。
10、权利要求1的腔支撑装置，其中所述生物相容性纳米结构陶瓷材料 具有大于或等于约1微米的厚度。
11、权利要求1的腔支撑装置，其中所述生物相容性纳米结构陶瓷材料 具有大于或等于所述生物相容性纳米结构陶瓷材料理论密度的约98％ 的密度。
12、权利要求1的腔支撑装置，其中所述生物相容性纳米结构陶瓷材料 具有大于或等于所述生物相容性纳米结构陶瓷材料总体积的约20％的 孔隙率。
13、权利要求1的腔支撑装置，其中所述生物相容性纳米结构陶瓷材料 内的孔的平均最长尺寸小于或等于约1微米。
14、一种腔支撑装置，其包含：
结构构件，其包括金属、合金、聚合物、生物支架或包含上述至少一种 的组合，所述结构构件具有腔表面；和
至少部分涂覆在腔表面上的包含纳米结构陶瓷材料的膜，其中所述膜是 生物相容性的，并具有大于或等于约1微米的厚度、约1纳米至约1000 纳米的平均粒度、大于或等于所述纳米结构陶瓷材料理论密度的约90％ 的密度或者大于或等于约所述纳米结构陶瓷材料总体积的约10％的孔 隙率。
15、权利要求14的腔支撑装置，其中所述生物相容性纳米结构陶瓷材 料具有大于或等于所述生物相容性纳米结构陶瓷材料理论密度的约 98％的密度。
16、权利要求14的腔支撑装置，其中所述生物相容性纳米结构陶瓷材 料具有大于或等于所述生物相容性纳米结构陶瓷材料总体积的约20％ 的孔隙率。
17、权利要求14的腔支撑装置，其中所述生物相容性纳米结构陶瓷材 料内的孔的平均最长尺寸小于或等于约1微米。
18、一种方法，包括通过手术植入腔支撑装置，所述装置包含约1纳米 至约1000纳米平均粒度的纳米结构陶瓷材料，其中所述纳米结构陶瓷 材料是生物相容性并且具有大于或等于所述纳米结构陶瓷材料理论密 度的约90％的密度，或者大于或等于约所述纳米结构陶瓷材料总体积的 约10％的孔隙率。
19、权利要求18的方法，其中手术植入所述腔支撑装置包括将所述腔 支撑装置植入血管、脑、尿道、尿道、胆、气管、臂、胃肠道或食道的 腔。
20、权利要求18的方法，其中所述生物相容性纳米结构陶瓷材料具有 大于或等于所述生物相容性纳米结构陶瓷材料理论密度的约90％的密 度。
21、权利要求18的方法，其中所述生物相容性纳米结构陶瓷材料具有 大于或等于所述生物相容性纳米结构陶瓷材料总体积的约10％的孔隙 率。
22、权利要求18的方法，其中所述生物相容性纳米结构陶瓷材料内的 孔的平均最长尺寸小于或等于约1微米。
23、一种制造腔支撑装置的方法，其包括将生物相容性纳米颗粒陶瓷粉 末固结成约1纳米至约1000纳米平均粒度的独立支撑的整体陶瓷纳米 结构陶瓷材料，其中所述纳米结构陶瓷材料是生物相容性并且具有大于 或等于所述纳米结构陶瓷材料理论密度的约90％的密度，或者大于或等 于约所述纳米结构陶瓷材料总体积的约10％的孔隙率。
24、权利要求23的方法，其还包括对所述独立支撑的整体生物相容性 陶瓷纳米结构陶瓷材料进行成形。
25、权利要求23的方法，其还包括将生物活性剂置于所述独立支撑的 整体陶瓷纳米结构陶瓷材料之上、所述独立支撑的整体陶瓷纳米结构陶 瓷材料的孔中或者包含上述至少一种的组合。
26、权利要求23的方法，其还包括对所述独立支撑的整体陶瓷纳米结 构陶瓷材料进行退火、研磨或抛光。
27、一种制造腔支撑装置的方法，其包括：在该腔支撑装置的结构构件 表面的至少一部分上布置约1纳米至约1000纳米平均粒度的纳米结构 陶瓷材料的涂层，其中所述纳米结构陶瓷材料是生物相容性并且具有大 于或等于所述纳米结构陶瓷材料理论密度的约90％的密度，或者大于或 等于约所述纳米结构陶瓷材料总体积的约10％的孔隙率。
28、权利要求27的方法，其还包括将所述生物活性剂直接布置于所述 生物相容性纳米结构陶瓷材料的涂层上、所述生物相容性纳米结构陶瓷 材料的涂层与所述结构构件之间、所述生物相容性纳米结构陶瓷材料的 涂层的孔中、在所述结构构件上所述生物相容陶瓷纳米结构陶瓷材料涂 层的相反侧或者包含上述至少一种的组合。
29、权利要求27的方法，其中布置所述生物相容陶瓷纳米结构陶瓷材 料的涂层包括：热喷涂、化学气相沉积、物理气相沉积、溅射法、离子 电镀法、阴极电弧沉积、原子层外延、分子束外延、粉末烧结、电泳、 电镀、注塑，或者包含上述至少一种的组合。
30、权利要求27的方法，其还包括对所述生物相容性纳米结构陶瓷材 料的涂层进行退火、研磨或抛光。
31、权利要求27的方法，其还包括将组织粘附材料布置于该结构构件 上所述生物相容性纳米结构陶瓷材料涂层附近的表面。
32、权利要求27的方法，其还包括：将阳极布置于该结构构件上所述 生物相容性纳米结构陶瓷材料涂层附近的表面上；将生物活性剂布置于 所述结构构件上所述生物相容性纳米结构陶瓷材料涂层的相反侧；以及 将阴极布置于所述生物活性剂之下。
图1用示意图举例说明医疗装置的横截面，所述医疗装置具有致密、 独立支撑的整体生物相容性纳米结构陶瓷构件；
图2用示意图举例说明医疗装置的横截面，所述医疗装置具有多孔、 独立支撑的整体生物相容性纳米结构陶瓷构件；
图3用示意图举例说明医疗装置的横截面，所述医疗装置中结构构 件的表面上布置有致密的生物相容性纳米结构陶瓷涂层；
图4用示意图举例说明医疗装置的横截面，所述医疗装置中结构构 件的表面上布置有多孔的生物相容性纳米结构陶瓷涂层；
图5(a)和(b)用示意图举例说明医疗装置的横截面，所述医疗 装置具有组织粘附材料以及布置于所述医疗装置之结构构件上的生物 相容性纳米结构陶瓷涂层；
图6用示意图举例说明医疗装置的横截面，所述医疗装置的组织粘 附材料或金属层上布置有生物相容性纳米结构陶瓷涂层；和
图7用示意图举例说明医疗装置的横截面，在该医疗装置的结构构 件中的相对表面上布置有生物相容性纳米结构陶瓷涂层以及组织粘附 材料或金属层。
发明详述
本文描述了医疗装置以及制造和使用所述装置的方法。所述医疗装 置是可通过手术植入的装置，并且一般包含生物相容性纳米结构陶瓷材 料。纳米结构材料与具有较大粒度的材料相比可具有更优越的性质，包 括改进的韧度、硬度、耐磨性和/或延展性。在一个有利的特征中，本 文公开的医疗装置发生尽可能小的生物污损，或者不发生生物污损，因 此显示出和现有的医疗装置相比改善的生物相容性。
本文所使用的“生物相容性”指材料在置于与身体接触时不引起身 体对它的攻击或排斥。本文所使用的“纳米结构”一般指具有约1纳米 (nm)至约1000nm平均粒度的材料。在一个实施方案中，该生物相 容性纳米结构陶瓷材料的平均粒度小于或等于约500nm。在另一个实施 方案中，该生物相容性纳米结构陶瓷材料的平均粒度小于或等于约 250nm。在又一个实施方案中，该生物相容性纳米结构陶瓷材料的平均 粒度小于或等于约100nm。在又一个实施方案中，该生物相容性纳米结 构陶瓷材料的平均粒度大于或等于约10nm。在又一个实施方案中，该 生物相容性纳米结构陶瓷材料的平均粒度大于或等于约25nm。
现在参考图1至图4，其中显示了示例性医疗装置的横截面，一般 以附图标记10来表示。一般以附图标记12表示的纳米结构陶瓷材料可 采取独立支撑的整体构件的形式，如图1和2所示。或者，如图3和4 所示，纳米结构陶瓷材料12可以是涂覆在医疗装置10的结构构件14 表面上的片层。另外，纳米结构陶瓷材料12可以是非常致密的(即， 基于纳米结构陶瓷材料12的理论密度，大于或等于约90％密度)，如 图1和3所示；或者，纳米结构陶瓷材料12可以是多孔的(基于纳米 结构陶瓷材料12的总体积，大于或等于约10％的孔隙率)，如图2和4 所示。纳米结构陶瓷材料12的具体形式和/或其密度/孔隙率可由所使用 的医疗装置10的具体类型来决定，如在下文更详细的论述。
用于医疗装置10中使用的合适的陶瓷组合物包括但不局限于硬质 相(hard phase)氧化物例如Al2O3、Cr2O3、ZrO2、TiO2、SiO2.Y2O3、 CeO2等等；金属碳化物例如Cr3C2、WC、TiC、ZrC、B4C等等；金刚 石；金属氮化物例如立方BN、TiN、ZrN、HfN、Si3N4、AlN等等；金属 硼化物例如TiB2、ZrB2、LaB、LaB6、W2B2、AlB2等等；以及包含上述 组合物中至少一种的组合。硬质相的金属氧化物、金属碳化物、金属氮 化物和金属硼化物的耐用特征优于仿生材料例如羟基及其他基于磷酸 盐的材料。
在一个实施方案中，生物相容性纳米结构陶瓷材料12是复合材料， 其包含至少51体积(vol)％的纳米结构陶瓷组合物(基于所述复合材 料的总体积)，以及包含相对软和低熔点陶瓷材料的纳米结构粘结相组 合物。该粘结相的浓度可以是例如约0重量(wt)％至约50重量％(基 于该复合材料的总重量)。用于该复合材料合适的陶瓷粘结相组合物包 括但不局限于SiO2、CeO2、Y2O3、TiO2，以及包含上述陶瓷粘结相组 合物中至少一种的组合。
在另一个实施方案中，所述生物相容性纳米结构陶瓷材料12是纳 米结构陶瓷组合物与纳米结构金属组合物的复合材料，即“金属陶瓷 (cermet)”。金属组合物的浓度可以是例如约0重量(wt)％至约50 重量％(基于该复合材料的总重量)。合适的金属陶瓷包括但不局限于 WC/Co、TiC/Ni、TiC/Fe、Ni(Cr)/Cr3C2、WC/CoCr以及包含前述至少 一种的组合。金属陶瓷还可包含晶粒生长抑制剂例如TiC、VC、TaC 和HfC，或其它添加剂例如Cr、Ni、B和BN。
在又一个实施方案中，生物相容性纳米结构陶瓷材料12可以是包 含上述陶瓷、陶瓷复合材料或金属陶瓷中至少一种的组合。
对于其中生物相容性纳米结构陶瓷材料12是涂层的实施方案而言， 基底(即结构构件14)可以由金属、合金、聚合物、生物支架或包含前 述至少一种的组合所构成。基底的厚度可以根据所述医疗装置的应用而 变化。例如，基底的厚度可以选择成保证具有充分的柔性或延展性，以 促进该涂层的附着。相对腐蚀性的环境以及身体对甚至极低浓度的多种 金属腐蚀产物的低容忍度，这二者的结合将许多金属排除在外。在具有 所要求的机械强度和生物相容性的候选金属中，不锈钢合金(例如316 L型)、铬-钴-钼合金、钛合金(例如Ti6Al4V)、锆合金、形状记忆镍- 钛合金、超弹性镍钛合金以及包含上述合金中至少一种的组合已被证实 适于用作结构构件14。这些材料可以成形成医疗装置所需的形式，这通 过例如浇铸、切削(machining)、锻造、挤出、拉拔(片和线)、深拉 以及快速或直接制造法例如SLS(stereo laser sintering，立体激光烧 结)、FMD(fused metal deposition，熔融金属沉积)、DMLS(direct metal laser sintering，直接金属激光烧结)。制造后加工可包括常规切削例如 铣削、车削(lathing)和磨削；以及非常规切削例如EDM线和sinker、 激光切割、化学切削、水喷射、激光、等离子、电弧和摩擦焊接；光化 学加工例如蚀刻；物理或化学气相淀积；以及复合粘接方法。
用于形成结构组件14的聚合物可以是可生物降解的、非生物降解 的，或其组合。另外，也可使用纤维和/或颗粒增强聚合物。合适的非 生物降解聚合物的非限制性实例包括聚异丁烯共聚物以及苯乙烯-异丁 烯-苯乙烯嵌段共聚物，例如苯乙烯-异丁烯-苯乙烯三嵌段共聚物 (SIBS)；聚乙烯吡咯烷酮包括交联聚乙烯吡咯烷酮；聚乙烯醇；乙烯 单体的共聚物例如EVA；聚乙烯醚；聚乙烯芳烃；聚氧乙烯；聚酯例如 聚对苯二甲酸乙二醇酯；聚酰胺；聚丙烯酰胺；聚醚例如聚醚砜；聚烯 烃例如聚丙烯、聚乙烯、高度交联聚乙烯以及高或超高分子量的聚乙烯； 聚氨酯；聚碳酸酯；硅酮；硅氧烷聚合物；纤维素聚合物例如醋酸纤维 素；以及包含上述聚合物中至少一种的组合。
合适的可生物降解聚合物的非限制性实例包括聚羧酸；聚酸酐例如 马来酐聚合物；聚原酸酯；聚氨基酸；聚氧乙烯；聚磷腈；聚乳酸、聚 乙醇酸以及其共聚物和混合物例如聚(L-乳酸)(PLLA)、聚(D，L，-丙交 酯)、聚(乳酸-共-乙醇酸)以及50/50重量比(DL-丙交酯-共-乙交酯)； 聚环己酮；聚延胡索酸酯丙酯；聚缩酚酸肽(polydepsipeptide)；聚己 内酯及其共聚物和混合物例如聚(D，L-丙交酯-共-己内酯)以及聚己内 酯丙烯酸丁酯共聚物；聚羟基丁酸戊酸酯及其混合物；聚碳酸酯例如酪 氨酸来源的聚碳酸酯和芳基化物、聚亚氨碳酸酯和聚三甲基碳酸二甲 酯；氰基丙烯酸酯；磷酸钙；聚糖胺聚糖；大分子例如多糖(包括透明 质酸、纤维素和羟丙基甲基纤维素；明胶；淀粉；葡聚糖和藻酸盐及其 衍生物)、蛋白质和多肽；以及任何前述成分的混合物和共聚物。可生 物降解聚合物还可以是可表面蚀刻的聚合物例如聚羟基丁酸及其共聚 物、聚己内酯、聚酐(晶体和无定形的)以及马来酸酐。
如果医疗装置10的结构构件14超过一个表面包含生物相容性纳米 结构陶瓷材料12涂层，那么每一个结构构件14不一定都由相同类型材 料构成。医疗装置10也不一定仅具有一个布置在结构构件14上的生物 相容性纳米结构陶瓷材料12涂层。例如，一个涂层可以布置在结构元 件14中与组织或机体接触的部分上，而另一涂层可以布置在结构元件 14的非接触部分上。
对于医疗装置10，例如横截面示于图1和2中的那些医疗装置，可 以通过将纳米颗粒陶瓷粉固结成独立支撑的整体部件来形成整体纳米 结构陶瓷材料12。任选地，其它陶瓷和/或金属粉末可以与该第一陶瓷 粉末一起固结以形成整体复合部件。固结可通过在压力下或无压力下烧 结该粉末来实现。具体的烧结工艺包括但不局限于热压、热等静压压制 (hot isostatic pressing，“hiping”)、高温无压烧结等等。或者，所述纳 米颗粒粉末可以挤出或者注塑成期望的形状。可以调节固结参数以获得 期望水平的密度或孔隙率。
在一个实施方案中，所述独立支撑的整体部件可以通过将纳米结构 陶瓷材料12涂层沉积在基底上接着沉积后从涂层中除去基底来形成。 用这样的方式，所述独立支撑的整体部件可以采取基底的特定轮廓，而 不需要单独的成形工艺。涂层的沉积可以通过例如旋涂、浇铸、热喷 涂等等来进行。整体陶瓷材料12的厚度可以根据医疗装置10的预定用 途而变化。例如，厚度可以大于大约1毫米(mm)。合适基底的例子包 括但不局限于金属、聚合物(例如可生物降解的聚合物)和包含以上至 少一种的复合材料。所述基底从涂层的除去可以通过例如使用适当的化 学品溶解所述基底、物理剥离等等来进行。
对医疗装置10例如横截面在图3和4中显示的那些来说，生物相 容性纳米结构陶瓷材料12可以通过任何已知的沉积方法涂敷在结构构 件14的表面上。合适的沉积方法的例子包括但不局限于热喷涂、化学 气相沉积、物理气相沉积、溅射法、离子电镀法、阴极电弧沉积、原子 层外延、分子束外延、粉末烧结、电泳、电镀、注塑等等。热喷涂技术 涉及沉积熔化或半熔化状态的材料，以在基底上形成涂层。热喷涂可以 使用粉末样原料或溶液前体来进行。热喷涂技术的实例包括等离子喷 涂、dc-电弧喷涂、高速氧燃料(HVOF)喷涂、激光热喷涂和电子束喷 雾。对陶瓷和陶瓷复合涂层来说，等离子热喷涂是更有利的，而HVOF 对于含有金属陶瓷的涂层沉积来说是更有利的。
在HVOF喷涂工艺中，期望使用纳米大小的颗粒作为用于重建喷雾 干燥工艺原料的起始材料。此基底可任选地通过脱脂和喷砂粗化来制 备。本文使用的术语“基底”指医疗装置10中将涂覆生物相容性纳米 结构陶瓷材料12的结构构件14，或者这样的成形物品：先在其上沉积 涂层，随后将其除去，以形成生物相容性纳米结构陶瓷材料12的独立 支撑的整体部件。通过燃料(例如丙烯)与氧气混合物的燃烧产生高速 火焰。可通过使用不同的燃料、不同的燃料/氧比例和/或不同的总燃料/ 氧流速来调整焓和温度。可根据燃料与氧的比例调整火焰的性质。因此， 可产生富氧、中等或者富燃料的火焰。以受控的补料速率将原料补充到 火焰中(通过例如同轴的粉末口注入)，熔化并且冲击到靶标基底上以 形成沉积物/膜。可通过涂层通道(coating pass)的数目来控制涂层厚 度。所得涂层任选地通过退火步骤进行热处理。
在等离子喷涂工艺中，可使用纳米大小的颗粒作为用于重建等离子 喷涂干燥工艺原料的起始材料。类似地，此基底可任选地通过脱脂和喷 砂粗化来制备。等离子电弧是使气体离子化的热源，其熔化涂覆材料并 且将它推送到工件上。合适的气体包括氩、氮、氢等等。可以改变的等 离子设置包括电流、电压、工作气体及其流速。其它工艺参数包括靶距、 粉末给料速率和枪运动。本领域普通技术人员根据本公开内容无需过度 的实验即可对每一参数确定最优条件。可根据涂层通道数目来控制涂层 厚度。所得涂层任选地通过退火步骤进行热处理。
可通过形成包含个体纳米颗粒(例如1至1000纳米(nm)大小) 和绝缘材料的微米大小(例如1至1000微米(μm))团聚物而将粉末 原料制备成用于热喷涂技术，包括HVOF和等离子喷涂。由于其尺寸 很小且质量低，个体纳米颗粒可能难以直接用热方法喷涂。团聚纳米颗 粒以形成微米大小的颗粒使得可以形成合适的原料。原料的形成可包括 将纳米颗粒分散(例如通过超声)到液体介质里；加入粘合剂以形成溶 液；将此溶液喷雾干燥以成团聚颗粒；以及将团聚颗粒加热以除去有机 粘合剂并且促进粉末致密化。任选地，需要形成复合原料的材料也可以 与纳米颗粒一起分散在液体介质中。
在基于有机物的液体介质中，所述粘合剂可包含溶于适当有机溶剂 的约5％至约15％重量、优选约10％重量的石蜡。合适的有机溶剂包括 例如己烷、戊烷、甲苯等，以及包含上述溶剂中一种或多种的组合。在 水性液体介质中，粘合剂可包含聚乙烯醇(PVA)、聚乙烯吡咯烷酮 (PVP)、羧甲基纤维素(CMC)、另一种水溶性聚合物或者包含上述聚 合物中一种或多种的组合在去离子水中形成的乳浊液。所述粘合剂可以 水溶液总重的约0.5％至约5％的量存在，优选水溶液总重的约1％至约 10％。在一个实施方案中，所述粘合剂是CMC。
或者，可将前体溶液制备成用于等离子喷涂工艺。可将所述溶液前 体注入到等离子喷枪中，以沉积高达几百微米甚至几毫米厚的厚膜。
在共同转让的美国专利6,447,848中更详细地描述了前体等离子喷 涂工艺，其中这一描述通过参考并入本文。此工艺可包括以下步骤：(1) 制备前体溶液；(2)使用溶液递送系统递送所述前体溶液；和(3)通 过热解反应将所述前体溶液转变成固体材料。所述溶液递送系统用于驱 动所述溶液从储器到液体喷嘴处，其产生大小和速度足以使它们穿入火 焰核心的小滴。液流速率和注射是可控的。溶液的递送通常包括将所述 溶液喷入腔中、喷到靶标基底上，或者喷入对准所述基底的火焰中。所 述基底可以任选地被加热。所得的膜可以任选地用退火程序进行热处 理。
所述前体溶液可以由至少一种溶于溶剂或组合溶剂的前体盐组成。 示例性盐包括但不局限于羧酸盐、醋酸盐、硝酸盐、盐酸盐、醇盐、丁 醇盐等等，以及包含上述盐中一种或多种的组合。所述盐可以与以下金 属组合：碱金属、碱土金属、过渡金属、稀土金属等以及包括上述金属 中一种或多种的组合。前体还可以是无机硅烷的形式，例如四乙氧基硅 烷(TEOS)、四甲氧基硅烷(TMOS)等，以及包含上述硅烷中一种或 多种的组合。可以溶解所述盐的示例性溶剂包括但不局限于水、乙醇、 丙酮、甲基乙基酮，以及包含一种或多种上述溶剂的组合。根据最终化 合物的化学计量要求称量试剂，然后加入液体介质中并混合。可以加热 并搅拌前体溶液，以溶解固体成分并使溶液均匀。
等离子喷涂可以以适于产生生物相容性纳米结构陶瓷材料12涂层 的特定微观结构的方式进行。在一个实施方案中，所述微观结构是高度 致密的生物相容性纳米结构陶瓷材料12，如图1和3所示，一般具有大 于或等于理论密度的约70％的密度。理论密度指X射线密度或根据给 定材料中每种分子的重量和体积计算的密度。特别地，所述生物相容性 纳米结构陶瓷材料12的密度大于或等于理论密度的约95％。更特别地， 所述生物相容性纳米结构陶瓷材料12的密度大于或等于理论密度的约 98％。甚至更特别地，所述生物相容涂层的密度大于或等于理论密度的 约99％。
用于产生致密微观结构的溶液等离子喷涂方法可包括将前体溶液 小滴注入热喷涂火焰里，其中第一部分前体溶液小滴注入到火焰的高温 带里，第二部分前体溶液小滴注入到火焰的低温带里；所所述第一部分 小滴破碎，以形成尺寸变小的小滴，在高温带中将所述尺寸变小的小滴 高温分解以形成高温分解的颗粒；在高温带至少部分熔化所述高温分解 的颗粒；将所述至少部分熔化的高温分解颗粒沉积在基底上；使第二部 分前体溶液小滴中的至少一部分破碎，以形成更小的小滴并从所述更小 的小滴形成非液体材料；并将所述非液体材料沉积在所述基底上。所述 基底可以任选地预热和/或在沉积期间维持在期望的温度。如本领域普 通技术人员容易理解的，术语“第一部分”和“第二部分”不涉及先后 次序，而仅仅用于区分所述两个部分。
在另一个实施方案中，所述微观结构是多孔的生物相容性纳米结构 陶瓷材料12，如图2和4所示，其具有大于或等于所述生物相容性纳米 结构陶瓷材料12体积的约10％的孔隙率。特别地，所述生物相容性纳 米结构陶瓷材料12的孔隙率大于或等于生物相容性纳米结构陶瓷材料 12体积的约15％。更特别地说，所述生物相容性纳米结构陶瓷材料12 的孔隙率大于或等于生物相容性纳米结构陶瓷材料12体积的约20％。 可以通过以下方法控制孔隙率：调整工艺参数(例如生坯形成和烧结温 度)，或者将非永久材料加入涂覆工艺中然后后除去所述非永久材料。
在所述生物相容性纳米结构陶瓷材料12内部，存在的孔隙一般具 有小于或等于约1微米的平均最长尺寸。在一个实施方案中，所述生物 相容性纳米结构陶瓷材料12内孔隙的所述平均最长尺寸小于或等于约 500纳米。在另一个实施方案中，所述生物相容性纳米结构陶瓷材料12 内所述孔隙的平均最长尺寸小于或等于约100纳米。在又一个实施方案 中，所述生物相容性纳米结构陶瓷材料12内所述孔隙的平均最长尺寸 小于或等于约10纳米。
在将所述生物相容性纳米结构陶瓷材料12涂覆在特定的结构构件 14上之前，可以任选地氧化所述14结构构件的表面层。当结构构件14 是金属时，此氧化层可作为防腐蚀层来防止所述金属结构构件14发生 腐蚀和将金属离子释放到血流里。氧化可包括预热、电解阳极化、硝酸 浴钝化等等。
此外，在将所述生物相容性纳米结构陶瓷材料12涂覆在所述基底 (即，结构构件14或可除去的成型物品)上之后，以及在表征和/或使 用医疗装置10之前，可任选地对涂层进行进一步加工，例如摩擦、研 磨和/或抛光以调整摩擦系数和/或表面粗糙度、等离子处理、灭菌等等。 也可如下文更详细描述地，添加额外的层，以向该涂层提供另外的功能 或期望的特征。然而，在一个具体的实施方案中，所述带有涂层的结构 构件14被直接使用，也就是说，不进行研磨或另外的加工。在另一个 具体的实施方案中，依照要求摩擦或抛光沉积涂层，但不进行另外的加 工，例如不水化以增强涂层与基底之间的粘合、不接受另外的涂覆、不 进行固结等等。在这样的实施方案中，免去另外的加工步骤导致更经济 地制造所述医疗装置10。
有利地，本文中描述的沉积工艺可在结构构件14上形成更厚和更 均匀的涂层，其为生物相容性纳米结构陶瓷材料12的形式。此涂层也 更好的粘附于结构构件14，并且可使得在医疗装置在递送至应用部位时 的摩擦最小化。因此，生物相容性纳米结构陶瓷材料12的厚度一般大 于或等于约500纳米。在一个实施方案中，所述生物相容性纳米结构 陶瓷材料12的平均厚度大于或等于约1微米。在另一个实施方案中， 所述生物相容性纳米结构陶瓷材料12的平均厚度大于或等于约10微 米。在又一个实施方案中，所述生物相容性纳米结构陶瓷材料12的厚 度小于或等于约1毫米(mm)。不限于理论地，推测较厚的生物相容性 纳米结构陶瓷材料12(特别地大于或等于约20微米，并且甚至更特别 地大于或等于约50微米)有利地提供了提更高的硬度、更高的抗疲劳 性、提高的延展性和/或在医疗装置10与身体相互作用期间更少的颗粒 脱落(即颗粒碎片)。这可导致植入物的使用寿命显著延长。例如，平 均厚度大于或等于约20微米的涂层预计比平均厚度大于或等于约10微 米的涂层维持得更久。平均厚度大于或等于约50微米的涂层又预计比 平均厚度大于或等于约20微米的涂层维持得更久。因此，在临床情况 中，取决于医疗装置10的用途，医师可能更喜欢使用涂层厚度大于或 等于约50微米的医疗装置，而不是涂层厚度大于或等于约20微米的医 疗装置。
应了解，如果期望医疗装置10的总厚度尽可能小，那么可通过使 用较薄的结构构件14对使用生物相容性纳米结构陶瓷材料12较厚涂层 进行补偿。
所述生物相容性纳米结构陶瓷材料12可具有大于或等于约350千 克/平方毫米(kg/mm2)的截面硬度(即维氏硬度)。在一个实施方案 中，所述生物相容性纳米结构陶瓷材料12的硬度大于或等于约500 kg/mm2。在另一个实施方案中，所述生物相容性纳米结构陶瓷材料12 的硬度大于或等于约750kg/mm2。在又一个实施方案中，所述生物相 容性纳米结构陶瓷材料12的硬度大于或等于约1000kg/mm2。有可能 所述生物相容性纳米结构陶瓷材料12的硬度高达约8000kg/mm2。
所述生物相容性纳米结构陶瓷材料12可具有大于或等于约1％的破 坏应变(即延展性)。在一个实施方案中，所述生物相容性纳米结构陶 瓷材料12的破坏应变大于或等于约3％。在另一个实施方案中，所述生 物相容性纳米结构陶瓷材料12的破坏应变大于或等于约5％。在又一个 实施方案中，所述生物相容性纳米结构陶瓷材料12的破坏应变大于或 等于约7％。有可能所述生物相容性纳米结构陶瓷材料12的破坏应变高 达约15％。
在某些实施方案中，医疗装置10可任选地包括″生物活性剂″(未 显示)例如“药物”、“治疗剂”、“药学活性物质”和“生物制剂”。本 领域的这些术语及其他相关的术语在本文中可互换使用，泛指可在患者 体内植入位置局部施用以提供生物学效应的组合物。所述生物学效应可 以是例如对疾病或异常状况的治疗、抑制未来疾病或异常状况的预防措 施、减少机体对医疗装置10存在的反应、减少在植入操作期间医疗装 置10所引起的外伤等等。
在多种实施方案中，该生物活性剂可以直接布置在所述生物相容性 纳米结构陶瓷材料12上、在其孔隙内和/或其下方。在其它一些实施方 案中，该生物活性剂可以分散在陶瓷材料中，这通过该陶瓷材料与该生 物活性剂的共沉积或者通过在沉积前将两者混合来实现。如果所述生物 活性剂被布置在所述生物相容性纳米结构陶瓷材料12下方，那么它可 穿过和/或绕过陶瓷材料12，以实现其治疗效果。生物活性剂浓度可根 据所述医疗装置10的预定用途而变化。
在另一个实施方案中，该生物活性剂可掺入布置在医疗装置10上 的任选的聚合物涂层(未显示)中，或者应用到该任选的聚合物涂层上。 该聚合物涂层的聚合物可以是可生物降解的或者非生物降解的。这些聚 合物可以包括如上所述的那些聚合物，以及聚合物分散系例如聚氨酯分 散系、角鲨烯乳剂或者任何上述聚合物的共聚物或混合物。
在生物活性剂沉积在医疗装置10上的一个实施方案中，它可单独 或与溶剂组合(其中所述治疗剂是至少部分可溶、可分散或乳化的)和 /或与聚合物材料(如溶液、分散系、悬液、晶格等等)组合而作为涂 层应用。所述溶剂可以是含水的或无水的。在沉积到医疗装置10上之 后，可以在有或没有外部加热的条件下使包含生物学活性物质和溶剂的 涂层干燥或固化，以除去溶剂。
所述生物活性剂可以是任何药物活性物质，例如非遗传治疗剂、生 物分子、小分子、细胞、预防剂(例如疫苗)等等。所述生物活性剂可 布置成提供向血流中控制释放，包括长期或持续释放。
举例性非遗传治疗剂包括但不限于抗凝血剂，例如肝素、肝素衍生 物、前列腺素(包括胶束前列腺素E1)、尿激酶和PPack(右旋苯丙氨 酸脯氨酸精氨酸氯甲基酮)；抗增殖剂例如依诺肝素、血管肽素、西罗 莫司(雷帕霉素)、他克莫司、依维莫司、能够阻断平滑肌细胞增殖的 单克隆抗体、水蛭素和乙酰水杨酸；抗炎剂例如地塞米松、罗格列酮、 泼尼松龙、皮质酮、布地奈德、雌激素、雌二醇、柳氮磺吡啶、乙酰水 杨酸、霉酚酸和美沙拉嗪；抗肿瘤/抗增殖/抗有丝分裂剂例如紫杉醇、 epothilone、克拉屈滨、5-氟尿嘧啶、甲氨蝶呤、多柔比星、柔红霉素、 环孢菌素、顺铂、长春碱、长春新碱、epothilones、内皮抑素、曲匹地 尔、卤夫酮和制管张素；抗癌剂例如c-myc癌基因的反义抑制剂；抗微 生物剂例如三氯生、头孢菌素、氨基糖苷、呋喃妥因，银的离子、化合 物或盐；生物膜合成抑制剂，例如非固醇类抗炎剂和螯合剂，例如乙二 胺四乙酸、O，O’-双(2-氨基乙基醚)-乙二醇-N，N，N’，N’-四乙酸及其混合 物；抗生素，例如庆大霉素、利福平、米诺环素和环丙沙星；抗体，包 括嵌合抗体和抗体片段；麻醉剂例如利多卡因、丁哌卡因和罗哌卡因； 一氧化氮；一氧化氮(NO)供体例如lisidomine、吗多明、L-精氨酸、 NO-糖加合物和多聚或寡聚NO加合物；抗凝血剂例如D-Phe-Pro-Arg 氯甲基酮、含RGD肽化合物、肝素、抗凝血酶化合物、血小板受体拮 抗剂、抗凝血酶抗体、抗血小板受体抗体、依诺肝素、水蛭素、华法令 钠、双香豆素、阿司匹林、前列腺素抑制剂、血小板凝聚抑制剂例如西 洛他唑和蜱抗血小板因子；血管细胞生长促进剂例如生长因子、转录活 化剂和翻译促进剂；血管细胞生长抑制剂例如生长因子抑制剂、生长因 子受体拮抗剂、转录抑制剂、翻译抑制剂、复制抑制剂、抑制性抗体、 定向抗生长因子的抗体、包含生长因子和细胞毒剂的双功能分子、包含 抗体和细胞毒剂的双功能分子；降胆固醇剂；血管扩张剂；干扰内源血 管活性机制的药剂；热休克蛋白抑制剂例如格尔德霉素；以及任何包含 以上至少一种的组合。
示例性生物分子包括但不限于肽、多肽和蛋白质；寡核苷酸；核酸 例如双链或单链DNA(包括裸DNA和cDNA)、RNA、反义核酸例如 反义DNA和RNA、小干扰RNA(siRNA)和核酶；基因；碳水化合物； 血管发生因子包括生长因子；细胞周期抑制剂；以及抗术后再狭窄剂。 可将核酸掺入递送系统中，例如载体(包括病毒载体)、质粒或脂质体 中。
蛋白质的非限制性实例包括但不限于单核细胞趋化蛋白(MCP-1) 和骨形态发生蛋白(BMP)，例如BMP-2、BMP-3、BMP-4、BMP-5、 BMP-6(Vgr-1)、BMP-7(OP-1)、BMP-8、BMP-9、BMP-10、BMP-11、 BMP-12、BMP-13、BMP-14、BMP-15。优选的BMP是BMP-2、BMP-3、 BMP-4、BMP-5、BMP-6、和BMP-7中的任何蛋白。这些BMP可单 独或与其它分子一起以同二聚体、异二聚体或其组合的形式提供。作为 替代或补充，可提供能够诱导BMP上游或下游效应的分子。这些分子 包括任何Hedghog蛋白或编码它们的DNA。基因的非限制性实例包括 保护免受细胞死亡的存活基因，例如抗凋亡Bcl-2家族因子和Akt激酶 及其组合。血管发生因子的非限制性实例包括酸性或碱性成纤维细胞生 长因子、血管内皮生长因子、表皮生长因子、转化生长因子α和β、血 小板来源的内皮生长因子、血小板来源的生长因子、肿瘤坏死因子α、 肝细胞生长因子和胰岛素样生长因子。细胞周期抑制剂的非限制实例为 组织蛋白酶D(cathespin D，CD)抑制剂。抗再狭窄剂的非限制实例包 括p15、p16、p18、p19、p21、p27、p53、p57、Rb、nFkB和E2F诱 饵、胸苷激酶(TK)及其组合，以及可用于干扰细胞增殖的其它药剂。
示例性小分子包括但不限于激素、核苷酸、氨基酸、糖和脂类以及 分子量小于100千道尔顿(kD)的化合物。
示例性细胞包括但不限于干细胞、祖细胞、内皮细胞、成体心肌细 胞和平滑肌细胞。细胞可以是人来源的(自体的或同种异体的)或来自 动物来源(异种的)，或者经遗传改造的。
前述任何生物活性剂均可组合，其程度为使得这样的组合物是生物 相容性的。
对于一些应用，期望可以抑制生物污损的医疗装置表面，而同时又 期望相邻的表面提供粘附功能。因此，可对医疗装置基底的不同表面进 行选择性涂覆，以达到所期望的效果。图5(a)举例说明了医疗装置 10的另一个实施方案，其中在结构构件14上形成了不同涂层。如所示 的，在结构构件14中贴近器官的一侧，可将粘附材料15应用到特定区 域，例如结构构件14的边缘，以促进与组织的粘附。在药物递送优选 不被生物污损所阻碍的区域，结构构件14可涂覆纳米结构陶瓷材料12。 可将生物活性剂16(例如药物)布置在含有开口的结构构件14下方， 所述药剂16可穿过所述开口。可通过使生物活性剂16进入纳米结构陶 瓷材料12的孔并穿出而进行释放。此实施方案的一个应用是用于药物 递送的器官透组织贴剂。
合适的粘附材料15包括但不限于粘附性金属、合金、聚合物、生 物支架和包含上述至少一项的组合。可使用市售生物相容粘合剂和胶粘 剂。可施加粘附材料15到结构构件14上，进行或不进行增强组织粘附 的加工后处理均可。这些加工后处理的实例包括但不限于等离子蚀刻、 钝化或其它酸性蚀刻、凹坑、喷砂和其它模制的形变手段。还可用增强 粘附的涂层或有机或生物化学溶液处理所述粘附材料15。
图5(b)举例说明了类似于图5(a)所示的实施方案，其利用离 子电渗进行药物递送。在此实施方案中，粘附材料15被阴极18所取代， 在生物活性剂16之下形成阳极19。可使用不同的金属作为电极，即阴 极18和阳极19，以形成用于药物递送的无源电路。位于结构构件14 下方的储库中的生物活性剂16可溶于水溶液中，以允许其电离成带正 电的阳离子和带负电的阴离子。当直流电通过此溶液时，阳离子朝负极 19移动并穿过所述纳米结构陶瓷材料12的孔到达机体组织。在另一个 实施方案中，阴极18和阳极19可逆转，以使得所述生物活性剂16的 阴离子能够迁移至陶瓷材料12。涉及离子电渗的其它公开内容可见于 Tiwary等″Innovataions in Transdermal Drug Delivery；Formulations and Techniques.″Recent Patents on Drug Delivery&Formulation 2007： I，23-26，其中有关离子电渗的讨论通过引用并入本文。
图6举例说明了医疗装置10的另一个实施方案，其中生物相容性 纳米结构陶瓷材料12被布置在粘附材料15之上。所述陶瓷材料12中 可浸渍有生物活性剂16，其可从陶瓷材料12渗出到邻近组织。或者， 金属层20可作为粘附材料15的替代或补充。纯(未氧化的)贵金属具 有能增强纳米复合材料陶瓷之功能的特殊特性。这些金属可在陶瓷材料 12附近形成抗菌或抗病毒屏障，或提供一些其他金属生物学功能 (metalobiologic function)。贵金属的实例包括但不限于金、银、铂、 钯、铑和包含上述金属中至少一种的组合。一些金属可用于局部、皮肤 或外科手术应用，以及用于长期植入用途。这些金属的实例包括但不限 于铜、锌、镍、钴、铬、钒、锆、钼、锡、硅、铝、铁、其它金属以及 包含上述金属中至少一种的组合。这些金属的有效性随着其纯度的提高 而提高。
图7举例说明了另一个医疗装置10的实施方案，其中类似上文所 述的生物相容性纳米结构陶瓷材料12以及粘附材料15或金属层20布 置于结构构件14的对侧。所述陶瓷材料12可浸渍有生物活性剂16，其 可从所述陶瓷材料12中渗出到邻近组织。
在前述实施方案中，医疗装置10可根据本领域普通技术人员已知 的一般性目的来使用。具体的，所述医疗装置10包括任何可用于至少 部分穿透患者身体的装置。医疗装置10的非限制性实例包括腔支撑装 置(例如支架)、导管、导向线、气球、滤器(例如腔静脉滤器)、皮下 输注装置、生物传感器、支架移植物、血管移植物、疝移植物、腔内铺 装系统、软组织和硬组织植入物例如整形板和棒、关节植入物、牙和颌 植入物、髓内植入物、生物支架、金属合金结扎物、血管通路出入口、 人工心脏外壳、心瓣膜支撑物和支架(用于支撑生物心脏瓣膜)、动脉 瘤栓塞线圈和其它线圈装置、激光心肌血管重建(trans myocardial revascularization，TMR)装置、经皮激光心肌血管重建(percutaneous myocardial revascularization，PMR)装置、皮下针、软组织钳、钉、 螺钉、保持或紧固装置、其它类型的医用针和闭合装置、器官或组织移 植界面，以及与药物递送一起使用的装置。这些医疗装置10可植入或 者以其他方式用于体腔和器官内，例如冠状动脉系统、食道、气管、结 肠、胆管、尿道、前列腺、脑、肺、肝、心、骨骼肌、肾、膀胱、肠、 胃、胰、卵巢、软骨、眼、骨等等。这些医疗装置10的任何接触面均 可包含本文公开的生物相容性纳米结构陶瓷材料12。
在举例性实施方案中，所述医疗装置10是腔支撑装置，例如支架。 如上所述，所述腔支撑装置的生物相容性纳米结构陶瓷材料12可具有 约1nm至约1000nm的平均粒度、至少约1％的破坏应变和大于或等 于约350kg/平方毫米的截面硬度。如果所述腔支撑装置不需要机械形变 或延展，那么所述生物相容性纳米结构陶瓷材料12可以是独立支撑的 整体部件，如图1和2所示。根据在植入后所述腔支撑装置可形变(例 如通过使用气球导管发生形变)的程度，所述腔支撑装置可包含结构构 件14，例如图3和4所示的那些，其上布置了生物相容性纳米结构陶瓷 材料12。所述结构构件14可具有由可形变或有弹性的延展性材料制成 的固体或网状结构。用于构建所述腔支撑装置之结构构件14的示例性 材料包括但不限于不锈钢、形状记忆镍钛合金、非铁金属以及可生物吸 收或可生物降解的聚合物。
应理解，不同的生物相容性纳米结构陶瓷材料12可用在所述腔支 撑装置结构构件14的不同部分。例如，所述腔支撑装置的内部(结构 构件14中的非腔表面)涂层可不同于外部(腔)生物相容性纳米结构 陶瓷材料12涂层。
所述腔支撑装置可植入多种腔内，包括但不限于血管、脑、尿道、 胆、气管、臂、胃肠道和食道的腔。
如果期望所述腔支撑装置也具有药物递送装置的功能(例如用于治 疗疾病例如肾结石、血管狭窄、冠状动脉疾病、股动脉闭塞、髂动脉闭 塞、外周动脉疾病、颈动脉狭窄等等)或者辅助用于器官再生的组织工 程，那么所述腔支撑装置还可包括任选的生物活性剂，其可以与或不与 作为载体的聚合物材料相组合。
在另一个示例性实施方案中，所述医疗装置10是例如钉或钳的紧 固装置。因为紧固装置可发生显著形变，所以它一般包含由可形变的或 有弹性的可延展材料制成的结构构件14，其上布置了所述生物相容性纳 米结构陶瓷材料12。用于构建所述腔支撑装置结构构件14的示例性材 料包括但不限于不锈钢、形状记忆镍钛合金、非铁金属以及可生物吸收 或可生物降解的聚合物。另外，由于所述紧固装置可发生显著形变，所 以所述生物相容性纳米结构陶瓷材料12的涂层可具有提高的破坏应变。 如果期望所述紧固装置帮助预防手术缝合的感染，那么它还可包含任选 的生物活性剂，其可以与或不与作为载体的聚合物材料相组合。
在又一个举例性实施方案中，所述医疗装置10是疝或血管移植物。 类似于腔支撑装置，所述移植物的生物相容性纳米结构陶瓷材料12可 以是独立支撑的整体部件，或者是结构构件14上的涂层(例如编织网 状结构)。用于构建移植物用结构构件14的示例性材料包括所谓的“移 植级”非生物降解聚合物、可生物降解聚合物和生物支架材料。所述移 植物还可包括任选的生物活性剂，用于治疗或预防移植物闭塞、移植物 感染、吻合动脉瘤(血管移植物)、远端栓塞(血管移植物)、下窝脓肿 (疝移植物)等等。
通过下述非限制性实施例进一步举例说明本公开内容。
实施例1：通过空气等离子喷涂形成致密复合氧化物层
使用具有以下组成的喷雾干燥球状粉末复合材料作为原料：13重 量(wt)％TiO2、13wt％Y2O3、10wt％ZrO2、6wt％CeO2，其余均 为Al2O3(可购自Inframat Corp.商品名NANOX S2613)。使用Metco 9MB热喷涂系统(本文提及的所有Metco产品由Sulzer Metco Ltd以 商品供应)将所述原料等离子热喷涂至在热喷涂之前已经用氧化铝颗粒 喷砂处理过的金属基底上。使用氩气和氢气结合GH型喷嘴(Metco) 产生热的高速等离子火焰。粉末补料速率为约1.5至约2.0磅/小时 (lb/hr)，其对应于约50至约120微米(μm)/通道的沉积率。将所述 基底预热至约120摄氏度(℃)，并在喷涂过程中保持此温度，选择小 喷距和低喷枪横向速度。用于致密复合氧化物层的代表性等离子喷涂参 数如下：
等离子气体：
主气体：氩气(100磅/平方英寸(PSI)，80标准立方英尺/小时 (SCFH))
次气体：H2(50PSI)
等离子功率：45.5千瓦(KW)(650安(A)/70伏(V))
喷距：3.5英寸
喷枪速度：
横向速度：500至600毫米/秒(mm/s)
垂直速度：6mm/s
粉末补料速率：1.5-2.0lb/hr
基底温度：
预热：100-120℃
喷涂过程中：120-150℃
所述复合氧化物的多种等离子喷涂涂层具有大于理论密度的约 98％的密度以及大于或等于约50μm的厚度。使用扫描电子显微镜观察 到所述涂层和所述基底之间良好结合的界面。
实施例2：通过空气等离子喷涂形成致密Al2O3层
将有角、融化的粉碎Al2O3粉末(Metco 105SFP)用作原料。使用 Metco 9MB热喷涂系统将所述原料等离子热喷涂至在热喷涂之前已经 使用氧化铝颗粒喷砂处理过的金属基底上。使用氩气和氢气结合GP型 喷嘴(Metco)来产生热的高速等离子火焰。粉末补料速率在约2.0至 约2.5磅/小时(lb/hr)，其对应于约50至约120微米(μm)/通道的沉 积率。将基底预热至约120摄氏度(℃)并在喷涂过程中保持，选择小 喷距和低喷枪横向速度。用于致密Al2O3层的代表性等离子喷涂参数如 下：
等离子气体：
主气体：氩气(100PSI，100SCFH)
次气体：H2(50PSI)
等离子功率：42KW(600A/70V)
喷距：3.5英寸
喷枪速度：
横向速度：1000mm/s
垂直速度：8mm/s
粉末补料速率：2.0-2.5lb/hr
基底温度：
预热：100-120℃
喷涂过程中：120-150℃
多种等离子喷涂的Al2O3涂层具有大于约98％理论密度的密度以及 大于或等于约30μm的厚度。使用扫描电子显微镜观察到所述涂层和所 述基底之间良好结合的界面。
实施例3：通过空气等离子喷涂形成致密复合氧化物层
将总体组成为Cr2O3-5SiO2-3TiO2喷雾干燥复合粉末球(Metco 136F) 用作原料。使用Metco 9MB热喷涂系统将所述原料等离子热喷涂至在 热喷涂之前已经使用氧化铝颗粒喷砂处理过的金属基底上。氩气和氢气 联合GH型喷嘴(Metco)用于产生热的高速等离子火焰。粉末补料速 率为约2.5至约3.0磅/小时(lb/hr)，其对应于约15至约30微米(μm) /通道的沉积率。将所述基底预热至约120摄氏度(℃)并在喷涂过程 中保持，选择小喷距和低喷枪横向速度。使用交叉冷却喷嘴和约40PSI 的空气流来冷却所述基底。用于致密复合氧化物层的代表性等离子喷涂 参数如下：
等离子气体：
主气体：氩气(100PSI，80SCFH)
次气体：H2(50PSI)
等离子功率：42KW(600A/70V)
喷距：2.5英寸
喷枪速度：
横向速度：1000毫米/秒(mm/s)
垂直速度：8mm/s
粉末补料速率：2.5-3.0lb/hr
基底温度：
预热：100-120℃
喷涂过程中：120-150℃
致密复合氧化物层的多种等离子喷涂涂层具有大于理论密度的约 98％的密度以及大于或等于约20μm的厚度。使用扫描电子显微镜观察 到所述涂层和所述基底之间良好结合的界面。
实施例4：通过空气等离子喷涂形成多孔ZrO2-8wt％Y2O3层
将组成为ZrO2-8wt％Y2O3的致密球(Metco 204NS)用作原料。使 用Metco 9MB热喷涂系统将所述原料等离子热喷涂至在热喷涂之前已 经使用氧化铝颗粒喷砂处理过的金属基底上。使用氩气和氢气结合GH 型喷嘴(Metco)来产生热的高速等离子火焰。粉末补料速率为约5.5 至约6.0磅/小时(lb/hr)，其对应于约50至约60微米(μm)/通道的 沉积率。将所述基底预热至约120摄氏度(℃)并在喷涂过程中保持， 选择小喷距和低喷枪横向速度。用于多孔ZrO2-8wt％Y2O3层的代表性 等离子喷涂参数如下：
等离子气体：
主气体：氩气(100PSI，80SCFH)
次气体：H2(50PSI)
等离子功率：39KW(600A/65V)
喷距：2.5英寸
喷枪速度：
横向速度：500毫米/秒(mm/s)
垂直速度：8mm/s
粉末补料速率：5.5-6.0lb/hr
基底温度：
预热：100-120℃
喷涂过程中：120-150℃
多种等离子喷涂的ZrO2-8wt％Y2O3涂层具有约15至约20％的孔隙 率，以及大于或等于约50μm的厚度。涂层的初晶相是四角形，如粉末 X射线衍射所确定的。使用扫描电子显微镜观察到所述涂层和所述基底 之间良好结合的界面。
实施例5：通过溶液等离子喷涂形成多孔Al2O3层
将制备自铝盐的水溶液用作原料。使用装备有储库、流速调节器和 雾化液体喷射器的液体递送系统以恒定流速将溶液递送到等离子热源。 使用Metco 9MB热喷涂系统将所述原料等离子热喷涂至在热喷涂之前 已经使用氧化铝颗粒喷砂处理过的金属基底上。使用氩气和氢气结合 GP型喷嘴(Metco)来产生热的高速等离子火焰。溶液补料速率为约 50至约80毫升/分(ml/min)，其对应于约10至约20微米(μm)/通道 的沉积率。将所述基底预热至约250℃并在喷涂过程中保持，选择小喷 距和低喷枪横向速度。用于多孔Al2O3层的代表性等离子喷涂参数如下：
等离子气体：
主气体：氩气(100PSI，140SCFH)
次气体：H2(50PSI)
等离子功率：39KW(600A/65V)
喷距：2英寸
喷枪速度：
横向速度：1000mm/s
垂直速度：4mm/s
溶液补料速率：50-80毫升/分(ml/min)
基底温度：
预热：＞250℃
喷涂过程中：250-350℃
多种等离子喷涂的Al2O3涂层具有约30至约40％的孔隙率和大于 或等于约10μm的厚度。
实施例6：通过溶液等离子喷涂形成多孔ZrO2-8wt％Y2O3层
使ZrO2-8wt％Y2O3的水溶液作原料。使用装备有储库、流速调节 器和雾化液体喷射器的液体递送系统以恒定流速将溶液递送到等离子 热源。使用Metco 9MB热喷涂系统将所述原料等离子热喷涂至在热喷 涂之前已经使用氧化铝颗粒喷砂处理过的金属基底上。使用氩气和氢气 结合GP型喷嘴(Metco)来产生热的高速等离子火焰。溶液补料速率 为约20至约30毫升/分(ml/min)，其对应于约5至约15微米(μm) /通道的沉积率。将所述基底预热至约250℃并在喷涂过程中保持，选 择小喷距和低喷枪横向速度。用于多孔ZrO2-8wt％Y2O3层的代表性等 离子喷涂参数如下：
等离子气体：
主气体：氩气(100PSI，140SCFH)
次气体：H2(50PSI)
等离子功率：45.5KW(650A/70V)
喷距：2英寸
喷枪速度：
横向速度：1000mm/s
垂直速度：4mm/s
溶液补料速率：20-30毫升/分(ml/min)
基底温度：
预热：＞250℃
喷涂过程中：250-350℃
ZrO2-8wt％Y2O3的多种等离子喷涂涂层具有约18至约22％的孔 隙率和大于或等于约5μm的厚度。涂层的初晶相是四角形的，如粉末 X射线衍射所确定的。
实施例7：通过溶液等离子喷涂形成多孔Al2O3/TiO2层
将制备自铝盐和钛盐的Al2O3-5mol％TiO2水溶液用作原料。使用 装备有储库、流速调节器和雾化液体喷射器的液体递送系统以恒定流速 将溶液递送到等离子热源。使用Metco 9MB热喷涂系统将所述原料等 离子热喷涂至在热喷涂之前已经使用氧化铝颗粒喷砂处理过的金属基 底上。使用氩气和氢气结合GP型喷嘴(Metco)来产生热的高速等离 子火焰。溶液补料速率为约30至约40毫升/分(ml/min)，其对应于约 5至约15微米(μm)/通道的沉积率。将所述基底预热至约250℃并在 喷涂过程中保持，选择小喷距和低喷枪横向速度。用于多孔Al2O3-5mol ％TiO2层的代表性等离子喷涂参数如下：
等离子气体：
主气体：氩气(100PSI，80SCFH)
次气体：H2(50PSI)
等离子功率：45.5KW(650A/70V)
喷距：2英寸
喷枪速度：
横向速度：1000mm/s
垂直速度：4mm/s
溶液补料速率：30-40ml/分
基底温度：
预热：＞250℃
喷涂过程中：250-350℃
多种等离子喷涂的Al2O3/TiO2涂层具有约20至约30％的孔隙率和 大于或等于约10μm的厚度。
实施例8：通过溶液等离子喷涂形成复合氧化物层
将制备自锆盐、铝盐、钛盐和钇盐的6mol％Y2O3、20mol％Al2O3、 5mol％TiO2、其余为ZrO2的水溶液用作原料。使用装备有储库、流 速调节器和雾化液体喷射器的液体递送系统以恒定流速将溶液递送到 等离子热源。使用Metco 9MB热喷涂系统将所述原料等离子热喷涂至 在热喷涂之前已经使用氧化铝颗粒喷砂处理过的金属基底上。使用氩气 和氢气结合GH型喷嘴(Metco)来产生热的高速等离子火焰。溶液补 料速率为约20至约25毫升/分(ml/min)，其对应于约5至约10微米 (μm)/通道的沉积率。将所述基底预热至约250℃并在喷涂过程中保 持，选择小喷距和低喷枪横向速度。用于多孔复合氧化物层的代表性等 离子喷涂参数如下：
等离子气体：
主气体：氩气(100PSI，140SCFH)
次气体：H2(50PSI)
等离子功率：45.5KW(650A/70V)
喷距：2英寸
喷枪速度：
横向速度：1000mm/s
垂直速度：4mm/s
溶液补料速率：20-25ml/min
基底温度：
预热：＞250℃
喷涂过程中：250-450℃
多种等离子喷涂涂层具有约18至约22％的孔隙率和大于或等于约 10μm的厚度。
实施例9：通过浆体等离子喷涂形成TiO2层
将通过细(约10至约20nm)TiO2颗粒与水混合制成的300克/ 升(g/l)TiO2浆体用作原料。使用装备有储库、流速调节器和雾化液体 喷射器的液体递送系统以恒定流速将溶液递送到等离子热源。使用 Metco 9MB热喷涂系统将所述原料等离子热喷涂至在热喷涂之前已经 使用氧化铝颗粒喷砂处理过的金属基底上。使用氩气和氢气结合GP型 喷嘴(Metco)来产生热的高速等离子火焰。溶液补料速率为约30至约 40毫升/分(ml/min)，其对应于约10至约20微米(μm)/通道的沉积 率。将所述基底预热至约150℃并在喷涂过程中保持，选择小喷距和低 喷枪横向速度。用于多孔TiO2层的代表性等离子喷涂参数如下：
等离子气体：
主气体：氩气(100PSI，80SCFH)
次气体：H2(50PSI)
等离子功率：39KW(600A/65V)
喷距：2英寸
喷枪速度：
横向速度：1000mm/s
垂直速度：4mm/s
溶液补料速率：30-40ml/min
基底温度：
预热：＞150℃
喷涂过程中：150-250℃
多种等离子喷涂的TiO2涂层具有约5至约25％的孔隙率和大于或 等于约10μm的厚度。
实施例10：通过空气等离子体喷涂形成致密的整体复合氧化物材料
将总组成为13wt％TiO2、13wt％Y2O3、10wt％ZrO2、6wt％ CeO2、其余为NANOX S2613Al2O3的喷雾干燥粉末球的复合物用作原 料。使用Metco 9MB热喷涂系统将所述原料等离子体热喷涂至在热喷 涂之前已经使用180粒度的氧化铝颗粒喷砂处理过的金属基底上。使用 氩气和氢气结合GH型喷嘴(Metco)来产生热的高速等离子体火焰。 粉末补料速率为约1.5至约2.0磅/小时(lb/hr)，其对应于约50至约120 微米(μm)/通道的沉积率。将所述基底预热至约120摄氏度(℃)并 在喷涂过程中保持，选择小喷距和低喷枪横向速度。用于致密复合氧化 物层的代表性等离子体喷涂参数如下：
等离子气体：
主气体：氩气(100PSI，80SCFH)
次气体：H2(50PSI)
等离子体功率：45.5KW(650A/70V)
喷距：3.5英寸
喷枪速度：
横向速度：500-600mm/s
垂直速度：6mm/s
粉末补料速率：1.5-2.0lb/hr
基底温度：
预热：100-120℃
喷涂过程中：120-150℃
将所述复合氧化物层等离子喷涂到所述金属基底上之后，除去基 底。多种独立支撑的整体复合氧化物部件具有大于或等于约98％的密 度，以及约500μm至约3mm的厚度。
实施例11：通过溶液等离子喷涂形成多孔的整体ZrO2-8wt％Y2O3材 料
用ZrO2-8wt ％Y2O3的水溶液作原料。使用装备有储库、流速调节 器和雾化液体喷射器的液体递送系统以恒定流速将溶液递送到等离子 热源。使用Metco 9MB热喷涂系统将所述原料等离子热喷涂至在热喷 涂之前已经使用氧化铝颗粒喷砂处理过的金属基底上。使用氩气和氢气 结合GP型喷嘴(Metco)来产生热的高速等离子火焰。溶液补料速率 为约20至约30毫升/分(ml/min)，其对应于约5至约15微米(μm) /通道的沉积率。将所述基底预热至约250℃并在喷涂过程中保持，选 择小喷距和低喷枪横向速度。用于多孔ZrO2-8wt％Y2O3层的代表性等 离子喷涂参数如下：
等离子气体：
主气体：氩气(100PSI，140SCFH)
次气体：H2(50PSI)
等离子功率：45.5KW(650A/70V)
喷距：2英寸
喷枪速度：
横向速度：1000mm/s
垂直速度：4mm/s
溶液补料速率：20-30毫升/分(ml/min)
基底温度：
预热：＞250℃
喷涂过程中：250-350℃
将ZrO2-8wt ％Y2O3层等离子喷涂到所述金属基底上之后，除去基 底。多种独立支撑的整体ZrO2-8wt ％Y2O3部件具有大于或等于约18 至约22％的孔隙率和约500μm至约4.0mm的厚度。
实施例12：通过空气等离子喷涂形成梯度复合层
将总体组成为13wt％TiO2、13wt％Y2O3、10wt％ZrO2、6wt％ CeO2、其余为NANOX S2613Al2O3和Fe3O4的多种喷雾干燥粉末球复 合物的混合物用作原料。使得所述复合物的各个样品含有0、25、50和 75wt％Fe3O4。使用Metco 9MB热喷涂系统将所述原料等离子热喷涂 至在热喷涂之前已经使用氧化铝颗粒喷砂处理过的金属基底上。使用氩 气和氢气结合GH型喷嘴(Metco)来产生热的高速等离子火焰。粉末 补料速率为约2.0至约2.5磅/小时(lb/hr)，其对应于约50至约120微 米(μm)/通道的沉积率。通过独立并依次喷涂0、25、50和75wt％Fe3O4 的原料混合物来产生涂层梯度。将所述基底预热至约120摄氏度(℃) 并在喷涂过程中保持，选择小喷距和低喷枪横向速度。用于致密复合氧 化物层的代表性等离子喷涂参数如下：
等离子气体：
主气体：氩气(100PSI，80SCFH)
次气体：H2(50PSI)
等离子功率：45.5KW(650A/70V)
喷距：3.5-4英寸
喷枪速度：
横向速度：500-600mm/s
垂直速度：6mm/s
粉末补料速率：2.0-2.5lb/hr
基底温度：
预热：100-120℃
喷涂过程中：120-150℃
多种具有梯度的复合层具有大于或等于98％的密度。
如本文所使用的，不带有量词的名词不作为数量的限制，而是指存 在至少一个所指的项目。另外，所有范围的端点指包括该端点在内的相 同组分或特性，并可独立组合(例如“约5wt％至约20wt％”包括端 点以及所有约5wt％至约20wt％范围内的中间值)。本说明书内提及 “一个实施方案”、“另一个实施方案”等等是指所述实施方案所描述的 特定要素(例如性质、结构和/或特征)包含在本文所述的至少一个实 施方案中，并且可以存在或不存在于其它实施方案中。另外，应理解， 所述要素可以在多个实施方案以任何合适形式进行组合。除非另有说 明，否则本文使用的科技术语具有与本发明所述技术领域的普通技术人 员通常所理解相同的含义。
尽管本公开内容参考示例性实施方案进行了描述，但本领域技术人员 应理解，在不脱离本公开内容范围的情况下可进行多种改变以及用等同要 素进行取代。另外，根据本公开内容的教导，在不脱离其基本范围的情况 下，可进行许多修饰以适应特定情况或材料。因此，本公开内容意在不仅 限于作为实施本公开的预期最佳实施方式而公开的具体实施方案，而是本 公开内容包括所有落入所附权利要求范围的实施方案。
相关申请的交叉引用
本申请要求2006年8月2日提交的美国临时专利申请60/821,256 的权益，其通过参考整体并入本文。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1、一种腔支撑装置，其包含：纳米结构陶瓷材料，所述材料被设置成 在邻近腔表面放置，并且具有约1纳米至约1000纳米的平均粒度，其 中所述纳米结构陶瓷材料是生物相容性的并且具有大于或等于所述纳 米结构陶瓷材料理论密度的约90％的密度，或者大于或等于所述纳米结 构陶瓷材料总体积的约10％的孔隙率。
2、权利要求1的腔支撑装置，其中所述生物相容性纳米结构陶瓷材料 是置于所述腔支撑装置的结构构件或者组织粘附材料或金属层的表面 上的膜。
3、权利要求2的腔支撑装置，所述结构构件包括金属、合金、聚合物、 生物支架或包含上述至少一种的组合。
4、权利要求1的腔支撑装置，其中所述生物相容性纳米结构陶瓷材料 与组织粘附材料或金属层置于所述腔支撑装置的结构构件的相反表面 上。
5、权利要求1的腔支撑装置，其中所述生物相容性纳米结构陶瓷材料 与组织粘附材料置于所述腔支撑装置的结构构件表面上的不同部分。
6、权利要求1的腔支撑装置，其中所述生物相容性纳米结构陶瓷材料 和阴极置于所述腔支撑装置的结构构件第一表面上的不同部分，并且其 还包含置于与所述第一表面相反的该结构构件第二表面之下的带正电 生物活性剂以及置于所述生物活性剂之下的阳极，以使得所述生物活性 剂穿过该陶瓷材料。
7、权利要求1的腔支撑装置，其中所述生物相容性纳米结构陶瓷材料 是独立支撑的整体构件。
8、权利要求1的腔支撑装置，其还包含生物活性剂。
9、权利要求8的腔支撑装置，其中所述生物活性剂置于所述生物相容 性纳米结构陶瓷材料的孔中、在所述生物相容性纳米结构陶瓷材料之 上、在所述生物相容性纳米结构陶瓷材料之下、结构构件上所述生物相 容性纳米结构陶瓷材料的相反侧、或者包含上述至少一种的组合。
10、权利要求1的腔支撑装置，其中所述生物相容性纳米结构陶瓷材料 具有大于或等于约1微米的厚度。
11、权利要求1的腔支撑装置，其中所述生物相容性纳米结构陶瓷材料 具有大于或等于所述生物相容性纳米结构陶瓷材料理论密度的约98％ 的密度。
12、权利要求1的腔支撑装置，其中所述生物相容性纳米结构陶瓷材料 具有大于或等于所述生物相容性纳米结构陶瓷材料总体积的约20％的 孔隙率。
13、权利要求1的腔支撑装置，其中所述生物相容性纳米结构陶瓷材料 内的孔的平均最长尺寸小于或等于约1微米。
14、一种腔支撑装置，其包含：
结构构件，其包括金属、合金、聚合物、生物支架或包含上述至少一种 的组合，所述结构构件具有腔表面；和
至少部分涂覆在腔表面上的包含纳米结构陶瓷材料的膜，其中所述膜是 生物相容性的，并具有大于或等于约1微米的厚度、约1纳米至约1000 纳米的平均粒度、大于或等于所述纳米结构陶瓷材料理论密度的约90％ 的密度或者大于或等于约所述纳米结构陶瓷材料总体积的约10％的孔 隙率。
15、权利要求14的腔支撑装置，其中所述生物相容性纳米结构陶瓷材 料具有大于或等于所述生物相容性纳米结构陶瓷材料理论密度的约 98％的密度。
16、权利要求14的腔支撑装置，其中所述生物相容性纳米结构陶瓷材 料具有大于或等于所述生物相容性纳米结构陶瓷材料总体积的约20％ 的孔隙率。
17、权利要求14的腔支撑装置，其中所述生物相容性纳米结构陶瓷材 料内的孔的平均最长尺寸小于或等于约1微米。
18、一种方法，包括通过手术植入腔支撑装置，所述装置包含约1纳米 至约1000纳米平均粒度的纳米结构陶瓷材料，其中所述纳米结构陶瓷 材料是生物相容性并且具有大于或等于所述纳米结构陶瓷材料理论密 度的约90％的密度，或者大于或等于约所述纳米结构陶瓷材料总体积的 约10％的孔隙率。
19、权利要求18的方法，其中手术植入所述腔支撑装置包括将所述腔 支撑装置植入血管、脑、尿道、尿道、胆、气管、臂、胃肠道或食道的 腔。
20、权利要求18的方法，其中所述生物相容性纳米结构陶瓷材料具有 大于或等于所述生物相容性纳米结构陶瓷材料理论密度的约90％的密 度。
21、权利要求18的方法，其中所述生物相容性纳米结构陶瓷材料具有 大于或等于所述生物相容性纳米结构陶瓷材料总体积的约10％的孔隙 率。
22、权利要求18的方法，其中所述生物相容性纳米结构陶瓷材料内的 孔的平均最长尺寸小于或等于约1微米。
23、一种制造腔支撑装置的方法，其包括将生物相容性纳米颗粒陶瓷粉 末固结成约1纳米至约1000纳米平均粒度的独立支撑的整体陶瓷纳米 结构陶瓷材料，其中所述纳米结构陶瓷材料是生物相容性并且具有大于 或等于所述纳米结构陶瓷材料理论密度的约90％的密度，或者大于或等 于约所述纳米结构陶瓷材料总体积的约10％的孔隙率。
24、权利要求23的方法，其还包括对所述独立支撑的整体生物相容性 陶瓷纳米结构陶瓷材料进行成形。
25、权利要求23的方法，其还包括将生物活性剂置于所述独立支撑的 整体陶瓷纳米结构陶瓷材料之上、所述独立支撑的整体陶瓷纳米结构陶 瓷材料的孔中或者包含上述至少一种的组合。
26、权利要求23的方法，其还包括对所述独立支撑的整体陶瓷纳米结 构陶瓷材料进行退火、研磨或抛光。
27、一种制造腔支撑装置的方法，其包括：在该腔支撑装置的结构构件 表面的至少一部分上布置约1纳米至约1000纳米平均粒度的纳米结构 陶瓷材料的涂层，其中所述纳米结构陶瓷材料是生物相容性并且具有大 于或等于所述纳米结构陶瓷材料理论密度的约90％的密度，或者大于或 等于约所述纳米结构陶瓷材料总体积的约10％的孔隙率。
28、权利要求27的方法，其还包括将所述生物活性剂直接布置于所述 生物相容性纳米结构陶瓷材料的涂层上、所述生物相容性纳米结构陶瓷 材料的涂层与所述结构构件之间、所述生物相容性纳米结构陶瓷材料的 涂层的孔中、在所述结构构件上所述生物相容陶瓷纳米结构陶瓷材料涂 层的相反侧或者包含上述至少一种的组合。
29、权利要求27的方法，其中布置所述生物相容陶瓷纳米结构陶瓷材 料的涂层包括：热喷涂、化学气相沉积、物理气相沉积、溅射法、离子 电镀法、阴极电弧沉积、原子层外延、分子束外延、粉末烧结、电泳、 电镀、注塑，或者包含上述至少一种的组合。
30、权利要求27的方法，其还包括对所述生物相容性纳米结构陶瓷材 料的涂层进行退火、研磨或抛光。
31、权利要求27的方法，其还包括将组织粘附材料布置于该结构构件 上所述生物相容性纳米结构陶瓷材料涂层附近的表面。
32、权利要求27的方法，其还包括：将阳极布置于该结构构件上所述 生物相容性纳米结构陶瓷材料涂层附近的表面上；将生物活性剂布置于 所述结构构件上所述生物相容性纳米结构陶瓷材料涂层的相反侧；以及 将阴极布置于所述生物活性剂之下。
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