专利名称：金属处理以形成表面层的制作方法金属处理以形成表面层本发明涉及一种处理金属物体以提供其杀生物性质的方法，以及通过所述方法制备的金属物体。具体地但非排他地，本发明涉及可用于降低身体刺激或感染的经处理的金属物体，例如金属移植物。在众多情况下金属物体与身体接触，例如在外科中，当使用移植物时，这些移植物被插入身体的组织(软组织或硬组织)中。例如，在骨的癌症治疗的情况下，将癌性骨组织除去，并且使用假体金属移植物来代替被除去的骨的那部分。移植物也用于部分或完全代替关节(例如，髋)中的骨，并且也用于其他领域，比如牙科和颂面外科。用于前述(和其他)应用的移植物可由金属钛或钛合金制成。金属钛和钛合金是生物相容的，相对强且相对轻。此外，在首饰的情况下，金属物体与身体接触。然而，金属合金可与汗中的水分反应。不仅对于刺穿身体的首饰，而且如果佩戴者具有敏感的皮肤，对于紧贴皮肤佩戴的首饰，可发生刺激和感染。由此可见，在医疗和首饰领域两者中，使用与身体组织接触的金属面临引起感染或发生感染的风险。在两个领域均已提出，可在金属上电镀金属银。已知银具有杀生物性质，并且银控制感染，而不会对受试者引起毒性作用。然而，由于来自体液的腐蚀和/或移植物表面的钝化，该涂层可能被消弱，使得涂层可与金属分离，这可导致增加的磨耗并且由已分离的含银颗粒引起组织损伤。本发明通过提供具有耐磨损和杀生物性质二者的经阳极化的金属物体寻求克服与现有技术相关的问题，该物体可降低感染的风险。已知，在向电解质中的金属施加电压时使用电化学阳极化处理金属移植物。在该过程期间，在金属的表面中产生凹点。推测在例如基于钛或钛合金的材料的阳极化期间，在表面凹点中产生过氧-钛氧基阳离子，并且这些阳离子保持在表面中的凹点内，除非表面经受搅拌或漂洗。通过施加还原电压(与用于阳极化的正电压相比，为负极性或阴极性)， 过氧-钛氧基阳离子可在凹点内转化为水合二氧化钛Ti (OH) 4，但是，现已发现，使用化学还原剂可进行意想不到的还原。根据本发明的第一方面，提供了一种处理金属物体的方法，以在金属物体上形成与其构成整体的表面层，所述表面层包含杀生物材料，所述方法包括(a)将提供表面层基材的金属物体在含有溶剂的阳极化电解质中浸没，并钝化金属，以在金属物体上形成经阳极化的整体表面层；(b)继续施加电位，以产生通过整体表面并进入基材内的凹点；(c)在步骤(a)和步骤(b)之后，通过用化学还原剂处理金属物体，产生水合金属氧化物；以及(d)使由步骤(C)得到的经阳极化的金属物体与含有杀生物材料的溶液接触，以将所述杀生物材料掺入到表面层内。在一个优选的实施方案中，所述化学还原剂选自以下物质中的一种或多种KBr、 NaI、Ti3+、H3PO3> Fe2+、NaNO2, Na2SO30或者，可将固体形式的可腐蚀性金属(比如Fe或Zn，优选在该电解质中浸没)与经阳极化的工件连接，以作为外部还原剂起作用，代替使用液体试剂；在这种情况下，可腐蚀性金属将通过电连接与金属物体接触，并且将通过电解质与之离子连接。可腐蚀性金属电极优先腐蚀，因此在金属物体的表面处引起电化学还原，而无需使用任何外部电池或电源。化学还原剂可选自以下物质中的一种或多种亚硫酸钠、亚铁盐(氯化物或硫酸盐)、亚硝酸钠、氯化亚锡或硫酸亚锡、氯化亚铬或硫酸亚铬、硫酸亚钒、 胼、硼氢化物，或甚至在合适的条件下，丙酮或甲醛。化学还原剂浓度可在0.001摩尔浓度-5摩尔浓度范围内，更典型为0. 1-1摩尔浓度，特别有用的浓度为0.1摩尔浓度。本发明不局限于所公开的化学还原剂。优选化学还原剂为酸性电子供体，其可还原过氧-阳离子复合物，同时避免产生不希望的副产物，比如溴。优选化学还原剂不含可使水合二氧化钛增溶的用于Ti (IV)的配位剂，比如氟离子和草酸根阴离子。在一个优选的实施方案中，在步骤(b)之后，将金属物体从电解质溶液中除去，但是当化学还原剂基于例如可在电解质中浸没的可腐蚀性金属(例如金属铁或锌)时，则不必除去物体。预期保留在表面凹点中的电解质溶液含有过氧-阳离子复合物，比如过氧-钛氧基。在从阳极化电解质中除去金属物体时，材料(比如过氧-钛氧基)将携带在金属物体的表面中的凹点内进入还原溶液，该还原溶液将其还原为水合二氧化钛。使用化学还原剂溶液导致产生水合金属氧化物，并且这些氧化物具有高表面积。 高表面积能提高与可用作杀生物材料的材料(比如银)的离子交换。在步骤(b)中，金属物体被阳极化，直至通过所述表面层进入基材金属形成凹点， 并且在步骤(d)中，在所述凹点中优先掺入杀生物材料。阳极化为两阶段过程，其中步骤 (a)包括初始的钝化过程，即，通过生长表面膜制备用于点蚀的表面，随后(b)点蚀本身。 不关心这些凹点的精确性质；但是在任何情况下，步骤(b)使表面改性，从而增强其在步骤 (d)中吸收杀生物材料的能力。在阳极化期间施加的最大电压可决定钝态氧化物膜的厚度。随后施加的较低的电压可不影响膜厚度。在钝化期间，可如下施加电压电压随着时间线性增加至极限值，或者将电压逐步上升至最大限度，或降至较低的随后可施加的值。还预期可使用多次钝化，其中重复施加电压以制备用于点蚀的金属表面。这些不同类型的施加电压均在施加电压的定义内。在前进至步骤(d)之前，优选存在漂洗经阳极化的金属以除去残余的电解质和/ 或化学还原剂的步骤，随后与含有杀生物金属离子的溶液接触，以将杀生物金属离子掺入到金属物体上的表面层内。可通过使用水，更优选软化水或去离子水或任何适当的溶剂进行漂洗。在步骤(a)和步骤(b)的阳极化程序期间，将正电压施加于金属。在步骤(C) 期间，将经阳极化和点蚀的金属材料在化学还原剂形式的还原剂的溶液中浸没，化学还原剂具有将过氧-钛氧基还原为水合二氧化钛的效果。在用于产生凹点的步骤(b)结束后发生化学还原。“凹点”是指能储存杀生物材料的孔或储器。阳极化和随后的步骤的结果是，金属物体具有由经阳极化的层形成的硬外表面，从表面向外生长(其通常可吸附 0. 3-1.0 μ g/cm2 Ag)，并且在整个该层分散的凹点能接受另外的杀生物材料的离子(比如银离子)。与硬的经阳极化的表面相比，接受杀生物材料的包含在凹点内的基质可相对软且多孔，因此结合了较高的银储存能力与较硬的经阳极化的表面的性质。杀生物材料可包含杀生物金属，特别地，杀生物金属为银。预期可改为使用胶体类型杀生物材料，例如在水合二氧化钛表面上吸附的蛋白胶体，其还可向身体的部位中释放营养物质，这可有助于放置移植物的身体的愈合。在阳极化步骤(a)中的正电压可为1-200V(伏)，但是典型地在30V-150V范围内， 在具有适当高击穿电位的电解质(比如硼酸锂)中，或甚至最高达750V或2000V。已认为有用的电压例如为20V、35V或100V，这些在移植物领域特别有用。在具有期望的厚度、硬度和颜色的钝态层生长(步骤(a))后，可能在较低的电位下，在相同或不同的电解质中，凹点可在表面中生长，接着是化学还原步骤，以原位形成水合二氧化钛。优选地，杀生物材料(例如，金属，比如银)以离子形式在溶液中提供。杀生物金属可为银或可包含银，但是除了银以外或者作为银的替代，可使用其他金属。金属物体(比如经处理的移植物)有效用于控制或抑制感染。可采用液体电解质进行阳极化，该液体电解质优选包含已在溶剂中溶解以制备更稀释的溶液的磷酸，将溶液的PH控制在期望的范围内。电解质可包含水作为溶剂。可使用其他电解质，比如硫酸、磷酸盐溶液或乙酸。还可使用碱性电解质，比如氢氧化钠。优选这些电解质为稀释的形式，例如2. IM Η3Ρ04、0· IM H2SO4。优选，在阳极化步骤期间，至少在当通过所述表面层形成微观凹点(b)期间，压制或抑制在阳极化期间电解质相对于金属物体的表面的移动或循环，但是在钝化阶段(a)期间，当高电流流动时，可期望温和搅动，以便使局部加热效应最小化。这对于单一的物品，以及在同时处理的单元组件之间，在改进工艺均勻性方面是有益的。例如，在凹点生长阶段 (b)期间，应不进行搅拌电解质，和/或可使用装置(比如挡板)或添加剂(比如胶凝剂，来提高电解质的粘度)，以防止或降低电解质移动。已发现，在其中通过经阳极化的表面层进入基材金属形成微观凹点的阳极化步骤(b)的部分期间，当电解质相对于金属物体的表面不移动或循环时，在凹点中形成提高水平的水合金属氧化物(例如，水合二氧化钛)。还已发现，较高水平的杀生物金属可掺入到在这样阳极化的表面上的部位中，而不会在使用所得到的金属物体时引起毒性作用。磷酸的浓度可在0. 01M-5. OM范围内，通常为0. 1M-3. 0M，特别是2. 0M。用于医疗领域的该浓度的一个实例为0. 05-5. 0M,例如，1. 0-3. 0M,而在首饰行业，该浓度为 0. 01M-5. 0M。优选，酸性电解质的pH应保持在0. 5 < pH < 2. 0范围内，更理想地，在0. 75 < pH < 1. 75范围内。如果使用碱性电解质，则优选pH大于9，更典型地pH在10-14范围内。碱性电解质可为磷酸盐，比如Na3PO4。在使用其他阳极化电解质来代替磷酸、硫酸或乙酸的情况下，可需要基于各种因素(比如pH改变或甚至温度)进行调节，以提供期望的效果。可通过常规手段(比如计算机辅助设计(CAD))来确定金属物体的几何学表面积， 或使用标准测量装置，比如卡尺、千分尺和直尺，与被处理物品的几何学模型组合，或者使用更先进的光学方法，比如激光扫描。然而，该测量未考虑金属的微观表面特征或表面粗糙度。该微观表面积是确定和控制在阳极化步骤期间有多少电荷通过的重要的因素，例如，库仑/cm2。微观表面积可例如通过将金属物体(比如矫形术移植物)在电解质中浸没，并测量双层电容，并将其在相同的温度和电解质浓度条件下与校准的标准物相比较来测定。因此每微观表面积的电荷或电流(例如，库仑/cm2或mA/cm2)通常用于控制阳极化过程。微观面积与几何学面积的比率称为表面粗糙度因子，并且可用于将一种面积转化为另一种。 例如，对于粗糙度因子为2，10 μ g/cm2银负载(基于几何学面积)相应于5 μ g/cm2银负载 (基于微观面积)。阳极化可在最大电流密度在0. 1-lOOmA/cm2范围，优选0. l-50mA/cm2或更典型为1-lOmA/cm2，例如，5mA/cm2或附近进行。这决定了钝化所用的时间，S卩，将施加的电位从0升至最大值(例如，100V)的时间，此时电流下降至显著较低的值。或者，施加的电压随着时间线性增大，或者可施加电压步进来控制钝化时间；这进而对随后的凹点生长阶段(b)具有影响。作为概述，通常，用于所述过程的凹点-生长部分的电流密度的初始值典型地在 0. 05-0. 5mA/cm2范围内，而在该阶段结束时电流密度的值典型地在0. 2-5. OmA/cm2范围内。用于阳极化(步骤(a)和步骤(b))的电荷的量可在1-10库仑/cm2范围内，例如，2-5库仑/cm2。可在0.5-8小时，更特别是1_6小时，例如，2_4小时的时间期间，通过阳极化电流。本发明还提供了在本说明书所附的权利要求中的一项或多项所指定的处理金属物体的方法。根据本发明的其他方面，提供了可通过上述和下文的方法得到的金属物体。所述金属物体可为移植物、医疗器具或装置或首饰形式。特别是，在医疗器具或装置的情况下，其可包括与身体接触的任何类型的装置或工具，例如起搏器、支架(stent)、缝皮钉(skin staple)、解剖刀、套针、用于骨的针或甚至医疗器具，比如在手术期间使用的解剖刀或组织钳。金属物体具有期望的杀生物性质以抑制和/或控制感染，而不会对与该材料接触的个体(无论动物或人)具有毒性作用。本发明的移植物可用于许多医疗和外科目的，包括全部和部分髋替代物、可用于颂面的移植物、外伤、正齿和矫形术应用、牙齿移植物、用于心血管和普通外科的神经学装置和部件(比如U形钉、钉子和针)。可由本发明的金属物体制成的首饰可包括所有类型的首饰。所述首饰可为常规首饰，比如戒指、项链和手镯，或者所述首饰可为固定在身体中的孔内的类型，例如经皮施用于身体的首饰，即，刺穿身体的首饰，例如，耳环、脐环、通过身体的其他肉体部分(比如唇、 面颊等)嵌入的环。可用于制备本发明的移植物或首饰的金属可为钛或钛合金。用于该目的的一种标准合金为钛90%以及6%铝和4%钒(英国标准725 。或者所述金属可包含铌、钽或锆， 或这些金属的合金。对于移植物或首饰，可期望在通过阳极化产生表面层之前，将材料的表面高度抛光。在移植物的情况下，当移植物与骨接触时，高度抛光的表面降低局部钙化的任何趋势。 已抛光的表面还允许肌肉和组织平滑移动经过表面，使得摩蚀或磨耗最小。可通过已知的技术比如(例如)机械或化学抛光和/或电抛光获得合适的抛光。在开始时可将金属物体抛光，以提供非常光滑的表面。可使用乙酸或硝酸和氢氟酸的混合物将钛合金电-抛光。或者，该材料可经受阳极钝化与机械抛光的组合，这可称为电抛光(electrolinishing)，该过程除去保护表面粗糙度的氧化物，随后表面在该点被电化学再钝化，因此产生平滑如镜的成品。多种电解质适用于该目的，包括与硫酸混合的硝酸、氢氧化钠、磷酸钠、乙酸或与硝酸钠混合的氢氧化钠。也可使用多种技术(比如喷砂或喷丸处理或喷丸硬化)来制备表面(例如，用于随后在杀生物离子负载之后通过等离子喷涂来施用羟基磷灰石，以刺激局部骨附着)。另外，表面可喷涂有钛以提供粗糙的表面。在金属物体的表面抛光或其他处理之后，可如上所述发生表面改性或转化。通过阳极化，接着是化学还原，形成水合金属氧化物材料(可包括一些磷酸盐)。随后在氧化物和/或磷酸盐基质中吸收杀生物金属物种。杀生物金属物种可为离子形式，例如银离子(或 Cu++)，并且这些离子可通过离子交换被吸收在氧化物和/或磷酸盐基质中。钯、钼或甚至钌的阳离子可采用类似的方式被吸收。如果期望，在氧化物或磷酸盐表面涂层内，沉积的银、 钼或钯离子可随后转化为金属，或者沉积的钌离子转化为不溶性RuO2，该反应通过化学方法或电化学或通过光进行。参考附图并参考发明的一个实施方案来进一步描述本发明，其仅通过非限制性实例的方式给出。图1显示银负载作为还原技术的函数的图形。首先可将移植物清洗。清洗过程可如下进行首先用丙酮作为液相(或其他脱脂溶剂)进行超声清洗，接着用新的丙酮(或其他溶剂)漂洗，接着用去离子水或任何其他合适的漂洗溶液漂洗。然后金属材料可在IM的氢氧化钠含水溶液(或其他碱性清洗剂)中清洗，随后在去离子水中漂洗。随后将所得到的已清洗的金属材料与磷酸的含水溶液接触， 进行阳极化。磷酸的浓度优选在0. 1-5M范围内，更典型为1-3M，例如，2M(或约20%重量溶液)。使用15-150V的电压范围，更典型为50-150V，例如，100V，使移植物阳极化。该范围也可适用于首饰。优选将电压保持，直至实现通过经阳极化的表面层进入基材的凹点或点蚀区的期望生长。优选，监测在阳极化期间通过表面的电流密度。在初始膜生长期间，合适的电流密度限度典型地为约5mA/cm2，将电压升至最大恒定值，以在移植物上产生充分阳极化的表面。可在单步中施加电位至其最大值，或者可逐步施加，例如从30V到80V到100V。或者， 可以0. Ι-lOV/s，优选0. 2-5V/S，理想地，0. 5_2V/s的受控速率，将电位线性增大至其最大值。通常在2-5库仑/cm2移植物的表面积的电荷已通过之后，得到期望程度的阳极化。优选，经过0. 25-6小时，例如，2-4小时的时间，进行阳极化过程。合适的电荷为约3. 5库仑/2cm ο这样阳极化的移植物的表面包括包含二氧化钛的硬表面层，和凹点或点蚀区。认为凹点和/或点蚀区含有二氧化钛并且还可含有可溶性钛化合物。穿过钝态层(在100V 下，其通常为0. 14 μ m)进入基材，凹点的深度通常至高达2-3 μ m,并且直径至高达5 μ m。凹点可占据表面积的约5-20%，但是优选低于10%。然而，根据施加的电压和处理的时间长度，对于凹点，可存在多种深度和直径，例如深度可在1-5 μ m范围内，更典型为1-4 μ m，并且直径可在介于0. 1-20 μ m之间的任何值，更典型为1-10 μ m或1-5 μ m，并且这些范围可横跨移植物的表面而变化。在阳极化期间，将电压施加于放置移植物的电解质溶液。发生金属表面钝化，产生与钛金属基材构成整体的材料。在初始施加电压期间，通常使用限流器控制电位，电位可在 2. 5-lOmA/cm2范围内，但是可使用更高的水平。在限流期间，由电力供应所供应的施加的电位随着氧化物膜厚度的增长而逐步增大。将电压增大至预定的限度，该限度根据金属表面材料所需的性质进行选择。当达到电压限度例如100V时，电流下降返回低水平，例如小于 ImA/cm2，并且该电流水平的下降表明钝化已发生。一旦已发生钝化，保持电压，使得已钝化的金属表面进行表面工程，并且在该步骤期间在表面中形成凹点。可根据表面所需的凹点的覆盖率和尺寸来选择电压水平和用于施加电压所选的时间，因此金属表面能进行精确的表面工程。一旦在金属的表面中形成孔/凹点，金属表面的表面工程还可用于增大杀生物离子在金属中的凹点中的负载。一旦形成凹点，在步骤(b)期间可存在表面工程，这时将随后改变的电压施加于金属或其合金，例如在钛的情况下，为20V、30V或75V，并且该电压改变可导致在一些区域中表面击穿，该区域为在表面中存在缺陷或存在小凹点的局部区域的区域。由于凹点的壁保持电活性的事实，该电压改变可引起在表面中已存在的凹点/缺陷通过直径变宽和变深而生长。在包括钛的移植物的高电压阳极化期间，根据以下方程式，通过在界面用半导体电极氧化水，产生过氧化氢2H20 ^ H202+2H++2e"通过以下反应，过氧化氢可与在凹点处腐蚀通过保护性阳极膜而产生的TiO2+复合，以形成高度可溶性复合物TiO22+(过氧-钛氧基)Ti02++H202 — Ti022++H20二氧化钛复合物保留在金属表面中的凹点内(除非表面经受漂洗或搅拌)。一旦完成钝化和凹点的产生至所需的格式，使金属物体经受用化学还原剂处理，以将过氧-钛氧基转化为Ti (OH) 4 (水合二氧化钛或HTiO)。在阳极化之后，发生化学还原。对于本发明，测试几种化学还原剂来察看它们是否适用于化学还原阶段。为此，将小的已抛光的Ti6A14V合金测试圆盘安装上带螺纹的触点， 并在丙酮中超声清洗。使用7个圆盘，将圆盘在去离子(DI)水中漂洗，在IM NaOH中超声清洗，再次在去离子水中漂洗，随后在20°C下，在2. IM H3PO4中阳极化，以0. 5V/s的速度将电压升高至15V，再启动，并以0. 5V/s的速度将电压升高至100V，将电压在100V下保持10 分钟，随后将电压降至20V，保持20分钟。将样品3、5-8断开，将样品5-8从电解质中除去以浸没在多种还原剂溶液中，将样品3与在电解质中浸没的低碳钢电极连接4分钟(相当于-0.66V AgCl/Ag)，而样品1-2进行电化学诱导的还原步骤，做法是施加-0.45V(AgCl/ Ag)的负电压2分钟。将样品5-8以最小的溶液扰动在KBr、(NH4) 2Fe (SO4)2^NaNO2和Na2SO3 的0. IM还原剂溶液中浸没7分钟。随后将所有的样品除去，在去离子水中漂洗，随后浸没在搅拌的0. IM AgNO3中，进行1小时银负载。通过从样品中提取银并使用ICP-MS分析样品，进行银检定。还原时，根据以下方程式形成水合二氧化钛Ti022++2H20+2e" — Ti (OH) 4可通过向移植物施加反向(负)电压，通过电化学方法进行还原，当使用2. IM磷酸作为电解质时，该负电压优选介于-0. 2至-0. 7V，相对于Ag/AgCl标准参比电极。该电压范围足够低，以避免水溶剂电解。使用可腐蚀性金属(比如铁)的化学还原与电化学还原类似，并且也对移植物施加负电压，但是无需使用外部电池或电源。该银溶液为硝酸盐的含水溶液，银浓度在0. 001-10M范围内，例如，0. 01-1. 0M，例如，0. IM或附近。当随后将来自酸环境的经处理的表面放置在0. IM AgNO3溶液(pH 4) 中时，则能发生离子-交换反应HTiO-H++Ag+ — HTiO-Ag++H+经处理的移植物的银含量可为0. 1-100μ g/cm2,0. 5_40μ g/cm2，或更典型为 2-20yg/cm2。银在开始时主要以离子形式存在，但是由于光还原，可至少部分转化为在水合二氧化钛吸附基质内分散的金属的原子簇。通常， 0. 3-1 μ g/cm2被吸附在硬钝态层上， 其余的储存在填充水合二氧化钛的凹点内。水合二氧化钛为无机离子-交换介质，当与硝酸盐AgNO3溶液接触时，能被阳离子 (比如银阳离子)饱和，这导致增大银的水平。还已知水合二氧化钛为银阳离子光还原至金属物种的催化剂，这可导致一些被吸附的离子银转化为在吸附剂基质内的分散的金属银。如果还原剂溶液为碱性，则HTiO在其上会具有吸附的羟基。结果是，需要AgNO3溶液为微酸性，以避免沉淀(pH < 7)。HTi0-0r+H++Ag+ — HTi0_Ag++H20下表1说明阳极化和银负载数据的概述。给出的每单位面积的值基于微观表面积 (下标m)和几何学表面积(下标g)计算。表 如下处理金属物体以形成整体表面层(a)在阳极化电解质中浸没金属物体，并钝化金属，以在金属物体上形成经阳极化的层；(b)继续施加电位，使表面层改性；(c)随后用化学还原剂处理金属物体，使得形成水合金属氧化物；以及(d)随后使金属物体与含有杀生物材料的溶液接触，使得将杀生物材料掺入到所述表面层中。