生体活性材料
本発明は、インプラントとしての使用または骨を修復するための代替骨としての使用に適した生体活性材料及び生体活性材料の製造方法に関する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インプラントとしての使用または骨を修復するための代用骨としての使用に適した材料及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
骨格異常、または大腿骨頸部骨折、脊椎固定及び歯の損失などの負傷の修復は、一般的な治療である。例えば米国内のみで一年間に５００，０００を超える人口股関節移植、２５０，０００を超える脊椎固定手術、及び５００，０００を超える歯科インプラント手術が実施されている。
【０００３】
チタン及びその合金は、それらの高い硬度及び優れた生体適合性のため、人工関節、骨折固定器具及び歯科インプラントなどの医療インプラントにおいて広く使用されている。医療及び歯科インプラントにおいて一般的に使用されているその他の材料は、コバルト・クロム、研磨ジルコニウム、オキシニウム（酸化ジルコニウム）及びステンレス鋼を含む。しかしながら、チタン及びこれらのその他材料は、骨と化学的に結合する能力に乏しく、その結果、骨溶解、続いてこれらの材料を含むインプラントの緩みがしばしば起こる。
【０００４】
整形外科用インプラントの性能は、インプラントと骨または骨セメントとの間に形成される界面の品質に影響され得る。インプラントと骨（またはセメント）との界面の発達は、インプラントの表面積、電荷、トポグラフィー、化学的性質及び汚染を含む多くの因子に依存する。インプラントと骨との界面とは、移植されたときに骨に接触または隣接して配置されるインプラントの表面である。
【０００５】
インプラントと骨との一体化を強化するためにインプラントと骨との界面トポグラフィーを修正するためのさまざまな方法が知られている。これらの方法は、インプラントと骨との界面表面のプラズマ溶射及び電気化学陽極酸化処理を含む。プラズマ溶射及び電気化学陽極酸化処理に付随する問題は、インプラントに対する乏しい付着力を示し、長期間の移植の間に分解、剥離または亀裂が生じる疲労強度の低いインプラントと骨との界面の形成を含む。
【０００６】
整形外科用インプラントへの組織内部成長を向上させるために一般的に使用される方法は、グリットブラストまたはサンドブラストとも称されるインプラント表面の研磨粒子ブラストである。この方法は、インプラント表面上に研磨粒子をブラストすることによってミクロン規模の表面構造を与える。このような粗面化された表面は、細胞接着を促進し、その結果インプラントと骨との物理的結合を向上させることが示されている。さらに、粗面化された表面の領域の拡大は、インプラントと骨との物理的結合を向上させるインプラントと骨との界面により多くの細胞が接着することができることを意味する。このような修飾されたインプラントと骨との界面を有するインプラントは、低品質の骨においても優れた骨統合特性を示す。
【０００７】
しかしながら、研磨粒子ブラスト方法は、インプラントの表面上の金属成分を損傷することによって表面トポグラフィーに著しい変化を発生させ得る。研磨粒子ブラスト方法はまた、インプラントの表面に組み込まれた研磨粒子の存在のために、表面化学の不均一性を引き起こし得る。研磨粒子の存在は、インプランとの表面を汚染し、インプランと骨との界面の品質に悪影響を及ぼす。さらに、研磨粒子はインプランとの表面から脱離する可能性があり、骨、インプラント及び移植箇所の磨耗の増加につながる。
【０００８】
さらに、一定の割合のインプラントの表面から脱離する組み込まれた研磨粒子は、局所的微動、移植箇所に対するインプラントの移動、及びインプランとの表面における組織内部成長の中断を引き起こす。グリットブラストを施されたインプラントの最大４０％の表面積が、インプラントと骨との界面の問題、インプラントの生体適合性の低下、及びインプラント近くの領域の炎症を引き起こし得る研磨粒子で汚染され得る。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、研磨粒子が組み込まれた表面によって引き起こされる汚染が減少したかまたは存在しない拡大されたインプラントと骨との界面層を有するインプラントを提供することである。インプラントと骨との界面は、移植されたときに骨と接するまたは隣接して配置されるインプラントの表面である。本発明の目的はさらに、骨伝導性及び骨誘導性が向上した生体活性、多孔質及びナノ構造の表面層を有するインプラントを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
従って、本発明の第１側面によると、金属または金属合金基板と、基板の表面上に形成された一次層と、を備えたインプラントに適した材料を提供する。驚くべきことに、本発明による基板の表面積より大きな表面積を有する一次層は、骨が表面上に形成されることを（非常に）促進することがわかった。その結果、骨形成が増加してインプラント上に確実に固定され、移植手術からの回復速度及びインプラントが固定される全体的な成功率の両方に関して移植の成功率が上昇する。
【００１１】
使用する際には、インプラントの一次層の表面は骨または骨セメントに接する。その結果、一次層、またはより厳密には一次層の表面は、インプラントと骨との界面を提供する。一次層の表面積の増加は、より大きな表面積が周囲の細胞／セメントに提示されるため、材料つまりインプラントとの一体化が向上することを意味する。
【００１２】
本発明の第２側面は、第１側面の材料を形成する方法を提供し、当該方法は、金属または金属合金基板を提供する段階と、一次層によって被覆される基板の表面積より大きな表面積を有する一次層を基板の表面上に形成する段階と、を含む。
【００１３】
好ましくは、基板は遷移金属、遷移金属合金または遷移金属酸化物、例えばチタン、ＴｉＡｌＮｂまたは酸化チタンを含む。チタン及びその合金は、その高い硬度および優れた生体適合性のために、整形外科用インプラントに理想的に適している。基板は、任意でコバルト・クロム、研磨ジルコニウム、オキシニウム（酸化ジルコニウム）、ステンレス鋼、タンタルまたはこれらの任意の組み合わせを含んでよい。本発明による基板は、いかなる金属または金属合金、または金属酸化物、またはこれらの組み合わせも含んでよいが、チタンを含むと適切である。
【００１４】
好ましくは、金属基板上に一次層を形成する段階は基板の表面を物理的に変化させる段階を含む。基板の表面を物理的に変化させる段階は、基板の表面を粗面化し、その結果表面積が増加する。一次層または粗い層は、細胞接着、ひいてはインプラントの骨または移植箇所へ物理的結合を促進する。一次層が提示する粗面化された表面は、一次層によって被覆される基板の表面積より著しく大きな表面積を提供する。
【００１５】
一次層を形成するために基板の表面を物理的に変化させる段階は、例えば機械加工、サンドブラストまたはグリットブラスト、またはこれらの任意の組み合わせを含んでよい。好ましくは、物理的に変化させる段階は、基板の表面にアルミナなどの研磨粒子でグリットブラストを施す段階を含む。その結果形成される一次層は、細胞接着が可能な表面積を増加させる粗い不均一な突起、凹部、くぼみ及び溝表面性状を提示する。
【００１６】
また、基板を物理的に変化させる段階は、例えば金属ビーズの被膜を基板の表面に接着するようなマクロまたはミクロ物理的表面処理を含んでよい。ビーズは、基板の表面上に３Ｄ多孔質形状を形成して、被膜によって被覆される基板の表面よりも大きな表面積を有する一次層を提供する。好ましくは、一次層は、基板の表面上に焼結された２層または２層のビーズ層を含む。好ましくは、ビーズはチタンビーズであり、平均直径３２８μｍを有する。
【００１７】
変形または追加として、被膜はスポンジまたはフォーム状の金属繊維及び／またはワイヤのネットワークを含んでよい。また、基板自体が、基板の表面を物理的処理する必要のない多孔質またはスポンジ状であることができる。好ましくは、フォームまたはスポンジ状構造は、直径１５から５０μｍ、細孔径数百ミクロンから約１ｍｍを有する焼結ビーズからなる。
【００１８】
さらに、一次層の物理的形成に続いて、一次層を形成または完成する方法は理想的に、物理的に形成された一次層の化学的処理を含む。物理的に形成された一次層を化学的に処理する段階は、基板を約３０から９０℃のアルカリ性溶液中に浸漬する段階を含む。チタンまたはチタン合金は、アルカリ性溶液と反応してチタン酸アルカリを形成する。従って、完成した一次層の表面は、チタン酸アルカリを含む。典型的に、完成した一次層の表面はまた、酸化チタンを含む。
【００１９】
好ましくは、アルカリ性溶液の温度は５０から７０℃であり、さらに好ましくは５５から６５℃である。
【００２０】
基板またはアルカリ性溶液をより高温に加熱すると、形成される一次層の品質を低下させることが認められている。例えば、基板またはアルカリ性溶液が１５０℃を超えて加熱される場合、ミクロン規模の厚さのチタン酸アルカリの堆積物を有する一次層が形成され得る。チタン酸アルカリ堆積物または層が厚いほど、チタン酸アルカリ層の剥離または亀裂のリスクが高まる。その結果、インプラントを骨に結合させて実際にインプラントと骨との界面を形成するチタン酸アルカリ層は弱く、最終的に骨からインプラントが分離し得る。
【００２１】
好ましくは、基板はアルカリ性溶液中に１から２４時間浸漬される。典型的には、浸漬時間は１から５時間であるが、好ましくは１から３時間である。５時間を越えて、特に２４時間を越えて浸漬するとまた、ミクロン規模の厚さを有する一次層が形成されることが認められている。
【００２２】
チタン酸アルカリ層は、チタン酸アルカリのナノ構造を有する表面を一次層に付与する。ナノ構造またはナノ形状表面は一般的に、ナノメートル範囲内のサイズの粒子または成分を含む表面を意味する。チタン酸アルカリのナノ構造は、１から２０ナノメートル（ｎｍ）の幅を有するチタン酸アルカリの繊維または線維に構造的に類似した離散要素を含む束状形態に類似している。線維は一般的に円柱形状である。
【００２３】
典型的に、線維の長さは２００から３００ｎｍの範囲であり、線維間の距離は５ｎｍから８０ｎｍの範囲である。線維は一般的に次々に重なり合うかまたは積層されてチタン酸アルカリ層または表面を形成する。好ましくは、チタン酸アルカリ層の厚さは１００から５００ナノメートルの範囲にあり、より好ましくは、１００から３００ナノメートルである。
【００２４】
物理的処理段階は、チタン酸アルカリナノ構造の形成に備えて、表面積が増加した一次層を形成する。ナノ構造のチタン酸アルカリ層は、一次層を完成させて一次層の表面積、つまり細胞の接着及び一体化が可能なインプラントと骨との界面の表面積を著しく増加させる。チタン酸アルカリ層はさらに、インプラントと骨との界面にある研磨粒子の存在によって生じる悪影響を覆い隠す。
【００２５】
好ましくは、一次層は、一次層によって被覆される基板の表面積より１０００から５００００倍大きな表面積を有する。さらに好ましくは、一次層は、一次層によって被覆される基板の表面積より４００００から５００００倍大きな表面積を有する。
【００２６】
典型的に、アルカリ性溶液は水酸化物を含む。好ましくは、水酸化物は水酸化ナトリウムである。本発明では、例えば水酸化リチウムまたは水酸化カリウムあるいは任意のその他適当な金属水酸化物など、その他の水酸化物を使用することもできる。この場合、一次層のチタン酸アルカリナノ構造は、チタン酸ナトリウムであり得る。チタン酸ナトリウムは、イオン交換化学によって容易に、チタン酸リチウムまたはチタン酸ストロンチウムなど、異なる用途に適する異なる物理化学または生体適合性特性をもたらすために、他の化合物に変更することができるイオン化合物である。水酸化物溶液の濃度は、好ましくは２から８モルであり、さらに好ましくは３から６モルであり、理想的には４モルである。水酸化物の濃度がより高ければ、ナノ構造の再分解をもたらし得る。
【００２７】
形成される一次層は典型的に、本来親水性である。これは一般的に、一次層を完成させる化学処理段階に起因するものである。材料の親水性の性質は、その表面上に形成する水接触角によって測定される。接触角が小さいほど材料の親水性は高い。好ましくは、一次層の接触角は５°未満であり、さらに好ましくは３°未満である。
【００２８】
好ましくは、一次層は可視光に対して低い反射率を有する。典型的に、一次層は可視光に対して１％から２０％の範囲の反射率を有する。さらに好ましくは、一次層は可視光に対して５％から１５％の反射率を有し、理想的には６％から１０％の範囲である。この反射率の範囲で、一次層は黒色を呈する。
【００２９】
好ましくは、一次層は例えばカルシウムヒドロキシアパタイトなど、ヒドロキシアパタイトを含む。典型的に、ヒドロキシアパタイトは混合された緩衝塩に材料を浸漬することによって一次層中に組み込まれる。
【００３０】
材料は向上したインプラントと骨との一体化のための医療及び歯科インプラントの両方において使用され得る。さらに厳密には、材料は例えば膝関節、股関節及び肩関節プロテーゼ、大腿骨頸部置換、脊椎置換及び修復、頸部骨置換及び修復、顎骨修復、固定及び増生、移植骨固定、及びその他の義肢などを含む骨置換インプラントにおいて使用され得る。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】チタン合金表面の走査型電子顕微鏡写真（ＳＥＭ）である。
【図２】図１のチタン合金表面にアルミナ粒子でグリットブラストを施した後のＳＥＭである。
【図３】チタン合金の多孔質ビーズ化表面のＳＥＭである。
【図４】チタン合金の焼結ビーズフォーム表面のＳＥＭである。
【図５ａ】アルミナ粒子でグリットブラストを施した後のチタン合金表面のＳＥＭである。
【図５ｂ】図５ａのチタン合金表面のサンプルを６０℃の２Ｍ（２モル）水酸化ナトリウム溶液に２時間浸漬した後のＳＥＭである。
【図５ｃ】図５ａのチタン合金表面のサンプルを６０℃の３Ｍ水酸化ナトリウム溶液に２時間浸漬した後のＳＥＭである。
【図５ｄ】図５ａのチタン合金表面のサンプルを６０℃の４Ｍ水酸化ナトリウム溶液に２時間浸漬した後のＳＥＭである。
【図５ｅ】図５ａのチタン合金表面のサンプルを６０℃の６Ｍ水酸化ナトリウム溶液に２時間浸漬した後のＳＥＭである。
【図５ｆ】図５ａのチタン合金表面のサンプルを６０℃の８Ｍ水酸化ナトリウム溶液に２時間浸漬した後のＳＥＭである。
【図５ｇ】図５ａのチタン合金表面のサンプルを６０℃の１０Ｍ水酸化ナトリウム溶液に２時間浸漬した後のＳＥＭである。
【図６ａ】６０℃の４Ｍ水酸化ナトリウム溶液に２時間浸漬したアルミナグリットブラストチタン合金表面のＳＥＭである。
【図６ｂ】６０℃の４Ｍ水酸化ナトリウム溶液に２時間浸漬したチタン多孔質ビーズ化合金表面のＳＥＭである。
【図６ｃ】６０℃の４Ｍ水酸化ナトリウム溶液に２時間浸漬したチタン焼結ビーズフォーム表面のＳＥＭである。
【図７】図６ｂのチタン合金表面の拡大図である。
【図８】図６ｃのチタン合金表面の拡大図である。
【図９】一次層を形成する前の多孔質ビーズ化チタン表面のＳＥＭである。
【図１０】超音波水浴において６０℃の４Ｍ水酸化ナトリウム溶液に２時間浸漬することによって一次層が形成された図９の多孔質ビーズ化チタン表面のＳＥＭである。
【図１１ａ】６０℃の２Ｍ水酸化ナトリウム溶液に１０分間浸漬した図９の多孔質ビーズチタン表面のＳＥＭである。
【図１１ｂ】１から２０ナノメートルの範囲のサイズを有するナノサイズ線維を含むナノ構造の一次層の初期形成をより明確に示す図１１ａの多孔質ビーズチタン表面を拡大したＳＥＭである。
【図１１ｃ】ナノ構造一次層の発達を明確に示す６０℃の２Ｍ水酸化ナトリウム溶液にさらに１５分間浸漬した図１１ａの多孔質ビーズチタン表面のＳＥＭである。
【図１１ｄ】一次層の形成の不規則な性質を明確に示す図１１ａの多孔質ビーズ化チタン表面の異なる部分のＳＥＭである。
【図１２】アルミナ粒子でグリットブラストを施した後に６０℃の４Ｍ水酸化ナトリウム溶液に２時間浸漬した後の市販の純チタン表面のＳＥＭである。
【図１３ａ】アルミナ粒子でグリットブラストを施した後で、水酸化ナトリウムに浸漬する前のＴｉＡｌＮｂ合金の表面の領域を拡大したＳＥＭである。ＳＥＭは形成された一次層の上部表面を分析するために２ｋＶを採用した。
【図１３ｂ】アルミナ粒子でグリットブラストを施した後で、水酸化ナトリウムに浸漬する前のＴｉＡｌＮｂ合金の表面の領域を拡大したＳＥＭである。ＳＥＭは形成された一次層の上部表面を分析するために２ｋＶを採用した。
【図１３ｃ】アルミナ粒子でグリットブラストを施した後で、水酸化ナトリウムに浸漬する前のＴｉＡｌＮｂ合金の表面の領域を拡大したＳＥＭである。ＳＥＭは形成された一次層の上部表面を分析するために２ｋＶを採用した。
【図１４ａ】図１３ａのＴｉＡｌＮｂ合金の表面の同一領域を６０℃の４Ｍ水酸化ナトリウム溶液に２時間浸漬した後のＳＥＭである。ＳＥＭは完成された一次層の上部構造を分析するために２ｋＶを採用した。
【図１４ｂ】図１３ｂのＴｉＡｌＮｂ合金の表面の同一領域を６０℃の４Ｍ水酸化ナトリウム溶液に２時間浸漬した後のＳＥＭである。ＳＥＭは完成された一次層の上部構造を分析するために２ｋＶを採用した。
【図１４ｃ】図１３ｃのＴｉＡｌＮｂ合金の表面の同一領域を６０℃の４Ｍ水酸化ナトリウム溶液に２時間浸漬した後のＳＥＭである。ＳＥＭは完成した一次層の上部構造を分析するために２ｋＶを採用した。
【図１５ａ】図１４ｂのＴｉＡｌＮｂ合金の表面の同一領域のＳＥＭである。ＳＥＭは完成した一次層の下部構造を分析するために１５ｋＶを採用した。
【図１５ｂ】図１４ｃのＴｉＡｌＮｂ合金の表面の同一領域のＳＥＭである。ＳＥＭは完成した一次層の下部構造を分析するために１５ｋＶを採用した。
【図１６】異なる基板の一次層の表面からの反射率を示すグラフである。
【図１７ａ】本発明による材料のサンプルの水酸化ナトリウムでの処理前の一次層を示す図である。
【図１７ｂ】本発明による材料のサンプルの水酸化安トリウムでの処理後の一次層を示す図である。
【図１８】グリットブラストを施されたチタン断片を標準偏差のエラーバーでＤＮＡ（ＰｉｃｏＧｒｅｅｎ（登録商標））に正規化したｐ−ＮＰＰデータである。このデータは表２からのものである。
【図１９】多孔質ビーズ化チタン断片を標準偏差のエラーバーでＤＮＡ（ＰｉｃｏＧｒｅｅｎ）に正規化したｐ−ＮＰＰデータである。このデータは表３からのものである。
【図２０】研磨されたチタン断片を標準偏差のエラーバーでＤＮＡ（ＰｉｃｏＧｒｅｅｎ）に正規化したｐ−ＮＰＰデータである。このデータは表４からのものである。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
ここで、添付の図面を参照して本発明の実施形態を例示の目的で説明する。
【００３３】
約４０ｍｍ２から１００ｍｍ２の範囲の表面積を有するさまざまなサイズのチタン合金板サンプルを洗浄及び乾燥して、サンプル基板を形成した。調製されたまたはサンプル基板表面は、ほぼ平滑である。これは、超高分解能走査型電子顕微鏡で撮影した基板表面を示す図１から最も明確に見られる。
【００３４】
チタン合金基板上に形成された一次層を観察するために、浸漬光学系を使用した３ｋＶで１．８ｎｍ、１５ｋＶで１ｎｍの規定解像度を有する超高分解能走査型電子顕微鏡ＦＥＩ Ｎｏｖａ ２００ ＮａｎｏＳＥＭを使用した。一次層の図または顕微鏡写真は、ナノスケールの細部を示す。しかしながら、当然その他の適切な方法及び装置を使用して一次層の表面細部を調査してもよい。
【００３５】
調製された基板サンプルの表面は、アルミナグリットブラストとも称される研磨アルミナ粒子でブラストされた。アルミナグリットブラストは、グリットブラストを施す前に、調製された基板の表面積より大きな表面積を有する一次層を形成または部分的に形成している基板の表面を粗面化する。これは、図２及び５ａにおいて最も明確に見られる。一次層は、部分的に一次層が形成された基板を、６０℃の４モル水酸化ナトリウム溶液に２時間浸漬することによって完成した。図５ｂは、ナノスケールのサイズを有するチタン酸ナトリウムの束状構造、繊維または線維の発達を明確に示す完成した一次層の図である。これらの線維の直径または幅は、１から２０ナノメートルの範囲内にある。線維のおよそ８０％が５から１２ナノメートルの範囲の直径を有することが測定された。線維の長さは、２００から３００ナノメートルである。
【００３６】
調製された基板の５サンプルにアルミナグリットブラストをさらに施し、それぞれ濃度３モル、４モル、６モル、８モル及び１０モル、６０℃の水酸化ナトリウム溶液中に２時間浸漬した。図５ｃから５ｇはそれぞれの条件で形成された完成された一次層の図である。図５ｃから５ｇにおいて見られるように、基板を４モルの水酸化ナトリウム溶液に浸漬した場合に、最も良好なエッチング、微細構造またはナノ構造、あるいは最も高い密度の線維構造が観察された。線維構造の密度が高いほど一次層の表面積は大きくなる。より高濃度の水酸化ナトリウムでの処理は、効果が低く、一次層のナノ構造の再溶解につながり、結果として滑らかな表面となり、表面積が低下した。
【００３７】
図６ａから６ｃは、開始基板つまり初期微細構成がそれぞれ異なるような本発明による方法で形成された一次層の図である。図６ａは、研磨アルミナ粒子でブラストを施され、続いて６０℃、濃度４モルの水酸化ナトリウム溶液に２時間浸漬することによって化学的に処理された固体チタン合金基板の表面上に形成された一次層の図である。図６ｂ及び図６ｃは、それぞれ多孔質ビーズチタン基板及びチタンフォーム基板上に形成された一次層の図である。両者は固体チタン合金基板と同じ方法で化学的に処理した。
【００３８】
多孔質ビーズチタン基板及びチタンフォーム基板には、固体チタン合金基板の場合のような物理的処理を施していない。開始基板の表面積が大きいほど形成される一次層の表面積が大きくなることが認められた。図６ａから６ｃにおいて非常に明確に見られるように、最も大きな開始基板表面積を有するチタンフォーム基板の場合に形成された線維が最も微細であり、線維形成密度が最も高く、最も大きな一次層表面積を示した。図９は、一次層が完成する前の段階の多孔質ビーズチタン合金表面の一部分のＳＥＭである。図１１ａから１１ｄは、６０℃の２モル水酸化ナトリウム溶液に浸漬した場合の一次層の経時発達を図示する。
【００３９】
図１３ａから１３ｃは、アルミナ粒子でブラストを施した後で、水酸化ナトリウムに浸漬する前のＴｉＡｌＮｂ合金表面の領域を拡大した（それぞれ２００、５００及び１２００倍拡大）ＳＥＭである。ＳＥＭは、完成した一次層の上部構造を解析するために２ｋＶビームを採用した。図１４ａから１４ｃは、それぞれ６０℃の４モル水酸化ナトリウム溶液に２時間浸漬した後の図１３ａから１３ｃのＴｉＡｌＮｂの表面の同一領域及び同一倍率のＳＥＭである。ＳＥＭは、結果として形成された一次層の上部構造を解析するために２ｋＶビームを採用した。図１５ａ及び１５ｂは、それぞれ図１３ｂ及び１３ｃのＴｉＡｌＮｂ合金の表面の同一領域及び同一倍率のＳＥＭである。ＳＥＭは、形成された一次層の下部構造を解析するために１５ｋＶビームを採用した。
【００４０】
一次層の表面トポグラフィー及びアルミナ含有量を分析するために、水酸化ナトリウム溶液中に基板を浸漬する前後の一次層の表面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で分析した。この方法は、一次層の表面を分析することが可能な異なる電圧で実施することができ、電圧が高いほどビームは深く侵入する。チタン合金は、アルミナよりも大きな平均原子数を有する。ＳＥＭを使用して分析される物質の平均原子数が大きいほど電子の後方散乱が大きくなり、ＳＥＭ画像はより明るくなる。
【００４１】
アルミナは、チタン合金よりも小さな平均原子数を有するため、アルミナを含むチタン合金のＳＥＭ画像はアルミナを含まないチタン合金よりも暗くなる。アルミナグリットブラストを施す前のチタン合金基板を示す図１と、例えばアルミナグリットブラスト後のチタン合金基板を示す図１３ａから１３ｃとを比較すると、一次層を形成している基板の表面にかなりの量のアルミナが組み込まれたことは明確である。図１４ａから１４ｃは、上記のように水酸化ナトリウムでの化学処理によって完成された図１３ａから１３ｃの一次層を表す。形成されたチタン酸ナトリウム層が一次層の上部表面に存在するアルミナ粒子を覆うため、図１４ａから１４ｃに示された一次層のＳＥＭ画像は図１３ａから１３ｃに示された一次層のＳＥＭ画像よりも明るいことがわかる。チタン酸ナトリウムは、アルミナよりも大きな平均原子数を有するため、完成された一次層のＳＥＭ画像は、アルミナグリットブラストによって形成された一次層及び水酸化ナトリウムでの処理前の一次層よりも明るく現れる。
【００４２】
高電圧のＳＥＭ画像は、明らかに暗く、上部表面領域よりもアルミナ含有量の多い一次層の表面の組成を示す。しかしながら、一次層の表面への研磨粒子の混入は骨とインプラントとの間に形成される結合にほとんど影響を与えないため、インプラントと骨との界面を形成して骨と直接接する一次層の上部表面におけるアルミナ粒子を覆うことが重要である。
【００４３】
４モルの水酸化ナトリウムでの処理前後におけるいくつかの基板の反射率も分析した。以下の表１からわかるように、一次層の表面積が大きいほど可視光が反射されにくいことが明らかである。最も大きな表面積を有する一次層を形成したチタンフォーム基板は、可視光の５から１０％しか反射しなかった。完成した一次層はいずれも裸眼で黒色に見える。
【００４４】
【表１】
【００４５】
異なる前処理段階（グリットブラスト、研磨、多孔質ビーズ化）を有するサンプルチタン材料、チタン合金断片を、それぞれ別の種類及び前処理と、並びに化学処理しないものと比較して、アルカリ性溶液での化学処理後の表面上の骨形成活性において比較した。
【００４６】
アルカリ性溶液は、６０℃の４モル水酸化ナトリウム溶液、２時間である（前述の通り）。
【００４７】
チタン合金断片の前処理は、当技術分野で周知のように、表面研磨、グリットブラスト、及び多孔質ビーズ化である。
【００４８】
化学処理後、断片上のいかなる流体もテスト表面上に維持されるように、チタン合金断片を個別のシリコーン管に挿入した。
【００４９】
ヒト間葉幹細胞を適当な媒体において再生及び継代し、一晩培養した。培養後、媒体をβ‐グリセロリン酸塩を含有する骨形成媒体と置き換え、これを１週間に２回交換した。
【００５０】
全ての表面の種類において全時点で、細胞上へのライブ／デッドステイニングを実施した。
【００５１】
望ましい細胞の骨形成活性、ひいては骨形成に対する細胞溶解及びＰ‐ニトロフェノールアルカリ性リン酸塩ｐ‐ＮＰＰアッセイ分析をサンプルに実施した。
【００５２】
アルカリ性溶液処理されたグリットブラスト前処理断片をアルカリ性溶液処理されていないものと比較した結果を表２に示す。
【００５３】
【表２】
【００５４】
【表３】
【００５５】
【表４】
【００５６】
結果は、断片が例えばアルカリ性溶液で化学処理された場合のほうが化学処理されていな場合より骨形成活性が高いことを示している。
【００５７】
当然ながら、一次層は抗菌剤を含むさまざまな生体活性物質を含んでよい。また、当然ながら、インプラントに抗生物付着、細胞発生、触媒、骨形成または電気化学特性を与えるために一次層をさらに処理してよい。
【００５８】
当然ながら、基板は、チタンの代わりに例えばニチノールまたはジルコニウムなどの別の金属または合金を含んでよい。
【００５９】
一次層の表面特性を向上または強化するために、形成される材料にさらなる物理的処理段階が施され得ることが想定される。例えば、一次層の完成において、アルカリを除去するために材料を水またはリン酸緩衝整理食塩水で洗浄することができる。材料を乾燥させた後、３００から６００℃の目標温度まで加熱することができる。目標温度には、１分間に５℃材料の温度を上昇させることによって到達することができる。目標温度に達すると、少なくとも１時間維持することができる。
【００６０】
当然のことながら、本発明はここで説明された実施形態に限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲内において構成及び詳細を変更することができる。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インプラントとしての使用または骨を修復するための代用骨としての使用に適した材料及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
骨格異常、または大腿骨頸部骨折、脊椎固定及び歯の損失などの負傷の修復は、一般的な治療である。例えば米国内のみで一年間に５００，０００を超える人口股関節移植、２５０，０００を超える脊椎固定手術、及び５００，０００を超える歯科インプラント手術が実施されている。
【０００３】
チタン及びその合金は、それらの高い硬度及び優れた生体適合性のため、人工関節、骨折固定器具及び歯科インプラントなどの医療インプラントにおいて広く使用されている。医療及び歯科インプラントにおいて一般的に使用されているその他の材料は、コバルト・クロム、研磨ジルコニウム、オキシニウム（酸化ジルコニウム）及びステンレス鋼を含む。しかしながら、チタン及びこれらのその他材料は、骨と化学的に結合する能力に乏しく、その結果、骨溶解、続いてこれらの材料を含むインプラントの緩みがしばしば起こる。
【０００４】
整形外科用インプラントの性能は、インプラントと骨または骨セメントとの間に形成される界面の品質に影響され得る。インプラントと骨（またはセメント）との界面の発達は、インプラントの表面積、電荷、トポグラフィー、化学的性質及び汚染を含む多くの因子に依存する。インプラントと骨との界面とは、移植されたときに骨に接触または隣接して配置されるインプラントの表面である。
【０００５】
インプラントと骨との一体化を強化するためにインプラントと骨との界面トポグラフィーを修正するためのさまざまな方法が知られている。これらの方法は、インプラントと骨との界面表面のプラズマ溶射及び電気化学陽極酸化処理を含む。プラズマ溶射及び電気化学陽極酸化処理に付随する問題は、インプラントに対する乏しい付着力を示し、長期間の移植の間に分解、剥離または亀裂が生じる疲労強度の低いインプラントと骨との界面の形成を含む。
【０００６】
整形外科用インプラントへの組織内部成長を向上させるために一般的に使用される方法は、グリットブラストまたはサンドブラストとも称されるインプラント表面の研磨粒子ブラストである。この方法は、インプラント表面上に研磨粒子をブラストすることによってミクロン規模の表面構造を与える。このような粗面化された表面は、細胞接着を促進し、その結果インプラントと骨との物理的結合を向上させることが示されている。さらに、粗面化された表面の領域の拡大は、インプラントと骨との物理的結合を向上させるインプラントと骨との界面により多くの細胞が接着することができることを意味する。このような修飾されたインプラントと骨との界面を有するインプラントは、低品質の骨においても優れた骨統合特性を示す。
【０００７】
しかしながら、研磨粒子ブラスト方法は、インプラントの表面上の金属成分を損傷することによって表面トポグラフィーに著しい変化を発生させ得る。研磨粒子ブラスト方法はまた、インプラントの表面に組み込まれた研磨粒子の存在のために、表面化学の不均一性を引き起こし得る。研磨粒子の存在は、インプランとの表面を汚染し、インプランと骨との界面の品質に悪影響を及ぼす。さらに、研磨粒子はインプランとの表面から脱離する可能性があり、骨、インプラント及び移植箇所の磨耗の増加につながる。
【０００８】
さらに、一定の割合のインプラントの表面から脱離する組み込まれた研磨粒子は、局所的微動、移植箇所に対するインプラントの移動、及びインプランとの表面における組織内部成長の中断を引き起こす。グリットブラストを施されたインプラントの最大４０％の表面積が、インプラントと骨との界面の問題、インプラントの生体適合性の低下、及びインプラント近くの領域の炎症を引き起こし得る研磨粒子で汚染され得る。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、研磨粒子が組み込まれた表面によって引き起こされる汚染が減少したかまたは存在しない拡大されたインプラントと骨との界面層を有するインプラントを提供することである。インプラントと骨との界面は、移植されたときに骨と接するまたは隣接して配置されるインプラントの表面である。本発明の目的はさらに、骨伝導性及び骨誘導性が向上した生体活性、多孔質及びナノ構造の表面層を有するインプラントを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
従って、本発明の第１側面によると、金属または金属合金基板と、基板の表面上に形成された一次層と、を備えたインプラントに適した材料を提供する。驚くべきことに、本発明による基板の表面積より大きな表面積を有する一次層は、骨が表面上に形成されることを（非常に）促進することがわかった。その結果、骨形成が増加してインプラント上に確実に固定され、移植手術からの回復速度及びインプラントが固定される全体的な成功率の両方に関して移植の成功率が上昇する。
【００１１】
使用する際には、インプラントの一次層の表面は骨または骨セメントに接する。その結果、一次層、またはより厳密には一次層の表面は、インプラントと骨との界面を提供する。一次層の表面積の増加は、より大きな表面積が周囲の細胞／セメントに提示されるため、材料つまりインプラントとの一体化が向上することを意味する。
【００１２】
本発明の第２側面は、第１側面の材料を形成する方法を提供し、当該方法は、金属または金属合金基板を提供する段階と、一次層によって被覆される基板の表面積より大きな表面積を有する一次層を基板の表面上に形成する段階と、を含む。
【００１３】
好ましくは、基板は遷移金属、遷移金属合金または遷移金属酸化物、例えばチタン、ＴｉＡｌＮｂまたは酸化チタンを含む。チタン及びその合金は、その高い硬度および優れた生体適合性のために、整形外科用インプラントに理想的に適している。基板は、任意でコバルト・クロム、研磨ジルコニウム、オキシニウム（酸化ジルコニウム）、ステンレス鋼、タンタルまたはこれらの任意の組み合わせを含んでよい。本発明による基板は、いかなる金属または金属合金、または金属酸化物、またはこれらの組み合わせも含んでよいが、チタンを含むと適切である。
【００１４】
好ましくは、金属基板上に一次層を形成する段階は基板の表面を物理的に変化させる段階を含む。基板の表面を物理的に変化させる段階は、基板の表面を粗面化し、その結果表面積が増加する。一次層または粗い層は、細胞接着、ひいてはインプラントの骨または移植箇所へ物理的結合を促進する。一次層が提示する粗面化された表面は、一次層によって被覆される基板の表面積より著しく大きな表面積を提供する。
【００１５】
一次層を形成するために基板の表面を物理的に変化させる段階は、例えば機械加工、サンドブラストまたはグリットブラスト、またはこれらの任意の組み合わせを含んでよい。好ましくは、物理的に変化させる段階は、基板の表面にアルミナなどの研磨粒子でグリットブラストを施す段階を含む。その結果形成される一次層は、細胞接着が可能な表面積を増加させる粗い不均一な突起、凹部、くぼみ及び溝表面性状を提示する。
【００１６】
また、基板を物理的に変化させる段階は、例えば金属ビーズの被膜を基板の表面に接着するようなマクロまたはミクロ物理的表面処理を含んでよい。ビーズは、基板の表面上に３Ｄ多孔質形状を形成して、被膜によって被覆される基板の表面よりも大きな表面積を有する一次層を提供する。好ましくは、一次層は、基板の表面上に焼結された２層または２層のビーズ層を含む。好ましくは、ビーズはチタンビーズであり、平均直径３２８μｍを有する。
【００１７】
変形または追加として、被膜はスポンジまたはフォーム状の金属繊維及び／またはワイヤのネットワークを含んでよい。また、基板自体が、基板の表面を物理的処理する必要のない多孔質またはスポンジ状であることができる。好ましくは、フォームまたはスポンジ状構造は、直径１５から５０μｍ、細孔径数百ミクロンから約１ｍｍを有する焼結ビーズからなる。
【００１８】
さらに、一次層の物理的形成に続いて、一次層を形成または完成する方法は理想的に、物理的に形成された一次層の化学的処理を含む。物理的に形成された一次層を化学的に処理する段階は、基板を約３０から９０℃のアルカリ性溶液中に浸漬する段階を含む。チタンまたはチタン合金は、アルカリ性溶液と反応してチタン酸アルカリを形成する。従って、完成した一次層の表面は、チタン酸アルカリを含む。典型的に、完成した一次層の表面はまた、酸化チタンを含む。
【００１９】
好ましくは、アルカリ性溶液の温度は５０から７０℃であり、さらに好ましくは５５から６５℃である。
【００２０】
基板またはアルカリ性溶液をより高温に加熱すると、形成される一次層の品質を低下させることが認められている。例えば、基板またはアルカリ性溶液が１５０℃を超えて加熱される場合、ミクロン規模の厚さのチタン酸アルカリの堆積物を有する一次層が形成され得る。チタン酸アルカリ堆積物または層が厚いほど、チタン酸アルカリ層の剥離または亀裂のリスクが高まる。その結果、インプラントを骨に結合させて実際にインプラントと骨との界面を形成するチタン酸アルカリ層は弱く、最終的に骨からインプラントが分離し得る。
【００２１】
好ましくは、基板はアルカリ性溶液中に１から２４時間浸漬される。典型的には、浸漬時間は１から５時間であるが、好ましくは１から３時間である。５時間を越えて、特に２４時間を越えて浸漬するとまた、ミクロン規模の厚さを有する一次層が形成されることが認められている。
【００２２】
チタン酸アルカリ層は、チタン酸アルカリのナノ構造を有する表面を一次層に付与する。ナノ構造またはナノ形状表面は一般的に、ナノメートル範囲内のサイズの粒子または成分を含む表面を意味する。チタン酸アルカリのナノ構造は、１から２０ナノメートル（ｎｍ）の幅を有するチタン酸アルカリの繊維または線維に構造的に類似した離散要素を含む束状形態に類似している。線維は一般的に円柱形状である。
【００２３】
典型的に、線維の長さは２００から３００ｎｍの範囲であり、線維間の距離は５ｎｍから８０ｎｍの範囲である。線維は一般的に次々に重なり合うかまたは積層されてチタン酸アルカリ層または表面を形成する。好ましくは、チタン酸アルカリ層の厚さは１００から５００ナノメートルの範囲にあり、より好ましくは、１００から３００ナノメートルである。
【００２４】
物理的処理段階は、チタン酸アルカリナノ構造の形成に備えて、表面積が増加した一次層を形成する。ナノ構造のチタン酸アルカリ層は、一次層を完成させて一次層の表面積、つまり細胞の接着及び一体化が可能なインプラントと骨との界面の表面積を著しく増加させる。チタン酸アルカリ層はさらに、インプラントと骨との界面にある研磨粒子の存在によって生じる悪影響を覆い隠す。
【００２５】
好ましくは、一次層は、一次層によって被覆される基板の表面積より１０００から５００００倍大きな表面積を有する。さらに好ましくは、一次層は、一次層によって被覆される基板の表面積より４００００から５００００倍大きな表面積を有する。
【００２６】
典型的に、アルカリ性溶液は水酸化物を含む。好ましくは、水酸化物は水酸化ナトリウムである。本発明では、例えば水酸化リチウムまたは水酸化カリウムあるいは任意のその他適当な金属水酸化物など、その他の水酸化物を使用することもできる。この場合、一次層のチタン酸アルカリナノ構造は、チタン酸ナトリウムであり得る。チタン酸ナトリウムは、イオン交換化学によって容易に、チタン酸リチウムまたはチタン酸ストロンチウムなど、異なる用途に適する異なる物理化学または生体適合性特性をもたらすために、他の化合物に変更することができるイオン化合物である。水酸化物溶液の濃度は、好ましくは２から８モルであり、さらに好ましくは３から６モルであり、理想的には４モルである。水酸化物の濃度がより高ければ、ナノ構造の再分解をもたらし得る。
【００２７】
形成される一次層は典型的に、本来親水性である。これは一般的に、一次層を完成させる化学処理段階に起因するものである。材料の親水性の性質は、その表面上に形成する水接触角によって測定される。接触角が小さいほど材料の親水性は高い。好ましくは、一次層の接触角は５°未満であり、さらに好ましくは３°未満である。
【００２８】
好ましくは、一次層は可視光に対して低い反射率を有する。典型的に、一次層は可視光に対して１％から２０％の範囲の反射率を有する。さらに好ましくは、一次層は可視光に対して５％から１５％の反射率を有し、理想的には６％から１０％の範囲である。この反射率の範囲で、一次層は黒色を呈する。
【００２９】
好ましくは、一次層は例えばカルシウムヒドロキシアパタイトなど、ヒドロキシアパタイトを含む。典型的に、ヒドロキシアパタイトは混合された緩衝塩に材料を浸漬することによって一次層中に組み込まれる。
【００３０】
材料は向上したインプラントと骨との一体化のための医療及び歯科インプラントの両方において使用され得る。さらに厳密には、材料は例えば膝関節、股関節及び肩関節プロテーゼ、大腿骨頸部置換、脊椎置換及び修復、頸部骨置換及び修復、顎骨修復、固定及び増生、移植骨固定、及びその他の義肢などを含む骨置換インプラントにおいて使用され得る。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】チタン合金表面の走査型電子顕微鏡写真（ＳＥＭ）である。
【図２】図１のチタン合金表面にアルミナ粒子でグリットブラストを施した後のＳＥＭである。
【図３】チタン合金の多孔質ビーズ化表面のＳＥＭである。
【図４】チタン合金の焼結ビーズフォーム表面のＳＥＭである。
【図５ａ】アルミナ粒子でグリットブラストを施した後のチタン合金表面のＳＥＭである。
【図５ｂ】図５ａのチタン合金表面のサンプルを６０℃の２Ｍ（２モル）水酸化ナトリウム溶液に２時間浸漬した後のＳＥＭである。
【図５ｃ】図５ａのチタン合金表面のサンプルを６０℃の３Ｍ水酸化ナトリウム溶液に２時間浸漬した後のＳＥＭである。
【図５ｄ】図５ａのチタン合金表面のサンプルを６０℃の４Ｍ水酸化ナトリウム溶液に２時間浸漬した後のＳＥＭである。
【図５ｅ】図５ａのチタン合金表面のサンプルを６０℃の６Ｍ水酸化ナトリウム溶液に２時間浸漬した後のＳＥＭである。
【図５ｆ】図５ａのチタン合金表面のサンプルを６０℃の８Ｍ水酸化ナトリウム溶液に２時間浸漬した後のＳＥＭである。
【図５ｇ】図５ａのチタン合金表面のサンプルを６０℃の１０Ｍ水酸化ナトリウム溶液に２時間浸漬した後のＳＥＭである。
【図６ａ】６０℃の４Ｍ水酸化ナトリウム溶液に２時間浸漬したアルミナグリットブラストチタン合金表面のＳＥＭである。
【図６ｂ】６０℃の４Ｍ水酸化ナトリウム溶液に２時間浸漬したチタン多孔質ビーズ化合金表面のＳＥＭである。
【図６ｃ】６０℃の４Ｍ水酸化ナトリウム溶液に２時間浸漬したチタン焼結ビーズフォーム表面のＳＥＭである。
【図７】図６ｂのチタン合金表面の拡大図である。
【図８】図６ｃのチタン合金表面の拡大図である。
【図９】一次層を形成する前の多孔質ビーズ化チタン表面のＳＥＭである。
【図１０】超音波水浴において６０℃の４Ｍ水酸化ナトリウム溶液に２時間浸漬することによって一次層が形成された図９の多孔質ビーズ化チタン表面のＳＥＭである。
【図１１ａ】６０℃の２Ｍ水酸化ナトリウム溶液に１０分間浸漬した図９の多孔質ビーズチタン表面のＳＥＭである。
【図１１ｂ】１から２０ナノメートルの範囲のサイズを有するナノサイズ線維を含むナノ構造の一次層の初期形成をより明確に示す図１１ａの多孔質ビーズチタン表面を拡大したＳＥＭである。
【図１１ｃ】ナノ構造一次層の発達を明確に示す６０℃の２Ｍ水酸化ナトリウム溶液にさらに１５分間浸漬した図１１ａの多孔質ビーズチタン表面のＳＥＭである。
【図１１ｄ】一次層の形成の不規則な性質を明確に示す図１１ａの多孔質ビーズ化チタン表面の異なる部分のＳＥＭである。
【図１２】アルミナ粒子でグリットブラストを施した後に６０℃の４Ｍ水酸化ナトリウム溶液に２時間浸漬した後の市販の純チタン表面のＳＥＭである。
【図１３ａ】アルミナ粒子でグリットブラストを施した後で、水酸化ナトリウムに浸漬する前のＴｉＡｌＮｂ合金の表面の領域を拡大したＳＥＭである。ＳＥＭは形成された一次層の上部表面を分析するために２ｋＶを採用した。
【図１３ｂ】アルミナ粒子でグリットブラストを施した後で、水酸化ナトリウムに浸漬する前のＴｉＡｌＮｂ合金の表面の領域を拡大したＳＥＭである。ＳＥＭは形成された一次層の上部表面を分析するために２ｋＶを採用した。
【図１３ｃ】アルミナ粒子でグリットブラストを施した後で、水酸化ナトリウムに浸漬する前のＴｉＡｌＮｂ合金の表面の領域を拡大したＳＥＭである。ＳＥＭは形成された一次層の上部表面を分析するために２ｋＶを採用した。
【図１４ａ】図１３ａのＴｉＡｌＮｂ合金の表面の同一領域を６０℃の４Ｍ水酸化ナトリウム溶液に２時間浸漬した後のＳＥＭである。ＳＥＭは完成された一次層の上部構造を分析するために２ｋＶを採用した。
【図１４ｂ】図１３ｂのＴｉＡｌＮｂ合金の表面の同一領域を６０℃の４Ｍ水酸化ナトリウム溶液に２時間浸漬した後のＳＥＭである。ＳＥＭは完成された一次層の上部構造を分析するために２ｋＶを採用した。
【図１４ｃ】図１３ｃのＴｉＡｌＮｂ合金の表面の同一領域を６０℃の４Ｍ水酸化ナトリウム溶液に２時間浸漬した後のＳＥＭである。ＳＥＭは完成した一次層の上部構造を分析するために２ｋＶを採用した。
【図１５ａ】図１４ｂのＴｉＡｌＮｂ合金の表面の同一領域のＳＥＭである。ＳＥＭは完成した一次層の下部構造を分析するために１５ｋＶを採用した。
【図１５ｂ】図１４ｃのＴｉＡｌＮｂ合金の表面の同一領域のＳＥＭである。ＳＥＭは完成した一次層の下部構造を分析するために１５ｋＶを採用した。
【図１６】異なる基板の一次層の表面からの反射率を示すグラフである。
【図１７ａ】本発明による材料のサンプルの水酸化ナトリウムでの処理前の一次層を示す図である。
【図１７ｂ】本発明による材料のサンプルの水酸化安トリウムでの処理後の一次層を示す図である。
【図１８】グリットブラストを施されたチタン断片を標準偏差のエラーバーでＤＮＡ（ＰｉｃｏＧｒｅｅｎ（登録商標））に正規化したｐ−ＮＰＰデータである。このデータは表２からのものである。
【図１９】多孔質ビーズ化チタン断片を標準偏差のエラーバーでＤＮＡ（ＰｉｃｏＧｒｅｅｎ）に正規化したｐ−ＮＰＰデータである。このデータは表３からのものである。
【図２０】研磨されたチタン断片を標準偏差のエラーバーでＤＮＡ（ＰｉｃｏＧｒｅｅｎ）に正規化したｐ−ＮＰＰデータである。このデータは表４からのものである。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
ここで、添付の図面を参照して本発明の実施形態を例示の目的で説明する。
【００３３】
約４０ｍｍ２から１００ｍｍ２の範囲の表面積を有するさまざまなサイズのチタン合金板サンプルを洗浄及び乾燥して、サンプル基板を形成した。調製されたまたはサンプル基板表面は、ほぼ平滑である。これは、超高分解能走査型電子顕微鏡で撮影した基板表面を示す図１から最も明確に見られる。
【００３４】
チタン合金基板上に形成された一次層を観察するために、浸漬光学系を使用した３ｋＶで１．８ｎｍ、１５ｋＶで１ｎｍの規定解像度を有する超高分解能走査型電子顕微鏡ＦＥＩ Ｎｏｖａ ２００ ＮａｎｏＳＥＭを使用した。一次層の図または顕微鏡写真は、ナノスケールの細部を示す。しかしながら、当然その他の適切な方法及び装置を使用して一次層の表面細部を調査してもよい。
【００３５】
調製された基板サンプルの表面は、アルミナグリットブラストとも称される研磨アルミナ粒子でブラストされた。アルミナグリットブラストは、グリットブラストを施す前に、調製された基板の表面積より大きな表面積を有する一次層を形成または部分的に形成している基板の表面を粗面化する。これは、図２及び５ａにおいて最も明確に見られる。一次層は、部分的に一次層が形成された基板を、６０℃の４モル水酸化ナトリウム溶液に２時間浸漬することによって完成した。図５ｂは、ナノスケールのサイズを有するチタン酸ナトリウムの束状構造、繊維または線維の発達を明確に示す完成した一次層の図である。これらの線維の直径または幅は、１から２０ナノメートルの範囲内にある。線維のおよそ８０％が５から１２ナノメートルの範囲の直径を有することが測定された。線維の長さは、２００から３００ナノメートルである。
【００３６】
調製された基板の５サンプルにアルミナグリットブラストをさらに施し、それぞれ濃度３モル、４モル、６モル、８モル及び１０モル、６０℃の水酸化ナトリウム溶液中に２時間浸漬した。図５ｃから５ｇはそれぞれの条件で形成された完成された一次層の図である。図５ｃから５ｇにおいて見られるように、基板を４モルの水酸化ナトリウム溶液に浸漬した場合に、最も良好なエッチング、微細構造またはナノ構造、あるいは最も高い密度の線維構造が観察された。線維構造の密度が高いほど一次層の表面積は大きくなる。より高濃度の水酸化ナトリウムでの処理は、効果が低く、一次層のナノ構造の再溶解につながり、結果として滑らかな表面となり、表面積が低下した。
【００３７】
図６ａから６ｃは、開始基板つまり初期微細構成がそれぞれ異なるような本発明による方法で形成された一次層の図である。図６ａは、研磨アルミナ粒子でブラストを施され、続いて６０℃、濃度４モルの水酸化ナトリウム溶液に２時間浸漬することによって化学的に処理された固体チタン合金基板の表面上に形成された一次層の図である。図６ｂ及び図６ｃは、それぞれ多孔質ビーズチタン基板及びチタンフォーム基板上に形成された一次層の図である。両者は固体チタン合金基板と同じ方法で化学的に処理した。
【００３８】
多孔質ビーズチタン基板及びチタンフォーム基板には、固体チタン合金基板の場合のような物理的処理を施していない。開始基板の表面積が大きいほど形成される一次層の表面積が大きくなることが認められた。図６ａから６ｃにおいて非常に明確に見られるように、最も大きな開始基板表面積を有するチタンフォーム基板の場合に形成された線維が最も微細であり、線維形成密度が最も高く、最も大きな一次層表面積を示した。図９は、一次層が完成する前の段階の多孔質ビーズチタン合金表面の一部分のＳＥＭである。図１１ａから１１ｄは、６０℃の２モル水酸化ナトリウム溶液に浸漬した場合の一次層の経時発達を図示する。
【００３９】
図１３ａから１３ｃは、アルミナ粒子でブラストを施した後で、水酸化ナトリウムに浸漬する前のＴｉＡｌＮｂ合金表面の領域を拡大した（それぞれ２００、５００及び１２００倍拡大）ＳＥＭである。ＳＥＭは、完成した一次層の上部構造を解析するために２ｋＶビームを採用した。図１４ａから１４ｃは、それぞれ６０℃の４モル水酸化ナトリウム溶液に２時間浸漬した後の図１３ａから１３ｃのＴｉＡｌＮｂの表面の同一領域及び同一倍率のＳＥＭである。ＳＥＭは、結果として形成された一次層の上部構造を解析するために２ｋＶビームを採用した。図１５ａ及び１５ｂは、それぞれ図１３ｂ及び１３ｃのＴｉＡｌＮｂ合金の表面の同一領域及び同一倍率のＳＥＭである。ＳＥＭは、形成された一次層の下部構造を解析するために１５ｋＶビームを採用した。
【００４０】
一次層の表面トポグラフィー及びアルミナ含有量を分析するために、水酸化ナトリウム溶液中に基板を浸漬する前後の一次層の表面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で分析した。この方法は、一次層の表面を分析することが可能な異なる電圧で実施することができ、電圧が高いほどビームは深く侵入する。チタン合金は、アルミナよりも大きな平均原子数を有する。ＳＥＭを使用して分析される物質の平均原子数が大きいほど電子の後方散乱が大きくなり、ＳＥＭ画像はより明るくなる。
【００４１】
アルミナは、チタン合金よりも小さな平均原子数を有するため、アルミナを含むチタン合金のＳＥＭ画像はアルミナを含まないチタン合金よりも暗くなる。アルミナグリットブラストを施す前のチタン合金基板を示す図１と、例えばアルミナグリットブラスト後のチタン合金基板を示す図１３ａから１３ｃとを比較すると、一次層を形成している基板の表面にかなりの量のアルミナが組み込まれたことは明確である。図１４ａから１４ｃは、上記のように水酸化ナトリウムでの化学処理によって完成された図１３ａから１３ｃの一次層を表す。形成されたチタン酸ナトリウム層が一次層の上部表面に存在するアルミナ粒子を覆うため、図１４ａから１４ｃに示された一次層のＳＥＭ画像は図１３ａから１３ｃに示された一次層のＳＥＭ画像よりも明るいことがわかる。チタン酸ナトリウムは、アルミナよりも大きな平均原子数を有するため、完成された一次層のＳＥＭ画像は、アルミナグリットブラストによって形成された一次層及び水酸化ナトリウムでの処理前の一次層よりも明るく現れる。
【００４２】
高電圧のＳＥＭ画像は、明らかに暗く、上部表面領域よりもアルミナ含有量の多い一次層の表面の組成を示す。しかしながら、一次層の表面への研磨粒子の混入は骨とインプラントとの間に形成される結合にほとんど影響を与えないため、インプラントと骨との界面を形成して骨と直接接する一次層の上部表面におけるアルミナ粒子を覆うことが重要である。
【００４３】
４モルの水酸化ナトリウムでの処理前後におけるいくつかの基板の反射率も分析した。以下の表１からわかるように、一次層の表面積が大きいほど可視光が反射されにくいことが明らかである。最も大きな表面積を有する一次層を形成したチタンフォーム基板は、可視光の５から１０％しか反射しなかった。完成した一次層はいずれも裸眼で黒色に見える。
【００４４】
【表１】
【００４５】
異なる前処理段階（グリットブラスト、研磨、多孔質ビーズ化）を有するサンプルチタン材料、チタン合金断片を、それぞれ別の種類及び前処理と、並びに化学処理しないものと比較して、アルカリ性溶液での化学処理後の表面上の骨形成活性において比較した。
【００４６】
アルカリ性溶液は、６０℃の４モル水酸化ナトリウム溶液、２時間である（前述の通り）。
【００４７】
チタン合金断片の前処理は、当技術分野で周知のように、表面研磨、グリットブラスト、及び多孔質ビーズ化である。
【００４８】
化学処理後、断片上のいかなる流体もテスト表面上に維持されるように、チタン合金断片を個別のシリコーン管に挿入した。
【００４９】
ヒト間葉幹細胞を適当な媒体において再生及び継代し、一晩培養した。培養後、媒体をβ‐グリセロリン酸塩を含有する骨形成媒体と置き換え、これを１週間に２回交換した。
【００５０】
全ての表面の種類において全時点で、細胞上へのライブ／デッドステイニングを実施した。
【００５１】
望ましい細胞の骨形成活性、ひいては骨形成に対する細胞溶解及びＰ‐ニトロフェノールアルカリ性リン酸塩ｐ‐ＮＰＰアッセイ分析をサンプルに実施した。
【００５２】
アルカリ性溶液処理されたグリットブラスト前処理断片をアルカリ性溶液処理されていないものと比較した結果を表２に示す。
【００５３】
【表２】
【００５４】
【表３】
【００５５】
【表４】
【００５６】
結果は、断片が例えばアルカリ性溶液で化学処理された場合のほうが化学処理されていな場合より骨形成活性が高いことを示している。
【００５７】
当然ながら、一次層は抗菌剤を含むさまざまな生体活性物質を含んでよい。また、当然ながら、インプラントに抗生物付着、細胞発生、触媒、骨形成または電気化学特性を与えるために一次層をさらに処理してよい。
【００５８】
当然ながら、基板は、チタンの代わりに例えばニチノールまたはジルコニウムなどの別の金属または合金を含んでよい。
【００５９】
一次層の表面特性を向上または強化するために、形成される材料にさらなる物理的処理段階が施され得ることが想定される。例えば、一次層の完成において、アルカリを除去するために材料を水またはリン酸緩衝整理食塩水で洗浄することができる。材料を乾燥させた後、３００から６００℃の目標温度まで加熱することができる。目標温度には、１分間に５℃材料の温度を上昇させることによって到達することができる。目標温度に達すると、少なくとも１時間維持することができる。
【００６０】
当然のことながら、本発明はここで説明された実施形態に限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲内において構成及び詳細を変更することができる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属または金属合金基板と、前記基板の表面上に形成された一次層と、を備えたインプラントに適した材料であって、前記一次層が前記基板の表面積より大きな表面積を有することを特徴とする材料。
【請求項２】
前記金属が、遷移金属であり、特にチタンであることを特徴とする請求項１に記載の材料。
【請求項３】
前記一次層が、チタン酸アルカリ及び／または酸化チタンの堆積物を含むことを特徴とする請求項２に記載の材料。
【請求項４】
前記堆積物の厚さが、１００から５００ナノメートルであることを特徴とする請求項３に記載の材料。
【請求項５】
前記一次層が、２から２０ナノメートルの範囲の幅を有するチタン酸アルカリの離散要素または線維を含むことを特徴とする請求項３または４に記載の材料。
【請求項６】
前記一次層が、可視光に対して１％から２０％の範囲の反射率を有することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の材料。
【請求項７】
前記一次層が、黒色であることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の材料。
【請求項８】
前記一次層が、前記基板の表面積より１０００から５００００倍大きな表面積を有することを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の材料。
【請求項９】
前記一次層が、５°未満の水接触角を有することを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の材料。
【請求項１０】
添付の図面を参照して以上に記載され、添付の図面に示された材料。
【請求項１１】
金属または金属合金基板を提供する段階と、
前記基板の表面より大きな表面積を有する一次層を前記基板の表面上に形成する段階と、
を含むことを特徴とする材料の形成方法。
【請求項１２】
前記基板上に前記一次層を形成する段階が、前記基板の表面を物理的に変化させる段階を含むことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記基板の表面を物理的に変化させる段階が、研磨粒子で前記表面をブラストする段階を含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記基板上に一次層を形成する段階が、前記基板の表面を化学的に処理する段階を含むことを特徴とする請求項１１から１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
前記基板の表面を化学的に処理する段階が、前記基板を約３０〜９０℃のアルカリ性溶液に浸漬する段階を含むことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記アルカリ性溶液が、水酸化ナトリウムであることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記アルカリ性溶液が、１から６モルの濃度を有することを特徴とする請求項１５または１６に記載の方法。
【請求項１８】
請求項１１から１７のいずれか一項に記載の方法で形成された材料。
【請求項１９】
請求項１から１０または請求項１８のいずれか一項に記載の材料を含む骨の修復または代替骨としての使用に適したインプラント。
【請求項２０】
前記アルカリ性溶液が、２から４モルの濃度を有することを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項２１】
前記アルカリ性溶液が、水酸化ナトリウムを含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１】
金属または金属合金基板と、前記基板の表面上に形成された一次層と、を備えたインプラントに適した材料であって、前記一次層が前記基板の表面積より大きな表面積を有することを特徴とする材料。
【請求項２】
前記金属が、遷移金属であり、特にチタンであることを特徴とする請求項１に記載の材料。
【請求項３】
前記一次層が、チタン酸アルカリ及び／または酸化チタンの堆積物を含むことを特徴とする請求項２に記載の材料。
【請求項４】
前記堆積物の厚さが、１００から５００ナノメートルであることを特徴とする請求項３に記載の材料。
【請求項５】
前記一次層が、２から２０ナノメートルの範囲の幅を有するチタン酸アルカリの離散要素または線維を含むことを特徴とする請求項３または４に記載の材料。
【請求項６】
前記一次層が、可視光に対して１％から２０％の範囲の反射率を有することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の材料。
【請求項７】
前記一次層が、黒色であることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の材料。
【請求項８】
前記一次層が、前記基板の表面積より１０００から５００００倍大きな表面積を有することを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の材料。
【請求項９】
前記一次層が、５°未満の水接触角を有することを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の材料。
【請求項１０】
添付の図面を参照して以上に記載され、添付の図面に示された材料。
【請求項１１】
金属または金属合金基板を提供する段階と、
前記基板の表面より大きな表面積を有する一次層を前記基板の表面上に形成する段階と、
を含むことを特徴とする材料の形成方法。
【請求項１２】
前記基板上に前記一次層を形成する段階が、前記基板の表面を物理的に変化させる段階を含むことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記基板の表面を物理的に変化させる段階が、研磨粒子で前記表面をブラストする段階を含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記基板上に一次層を形成する段階が、前記基板の表面を化学的に処理する段階を含むことを特徴とする請求項１１から１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
前記基板の表面を化学的に処理する段階が、前記基板を約３０〜９０℃のアルカリ性溶液に浸漬する段階を含むことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記アルカリ性溶液が、水酸化ナトリウムであることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記アルカリ性溶液が、１から６モルの濃度を有することを特徴とする請求項１５または１６に記載の方法。
【請求項１８】
請求項１１から１７のいずれか一項に記載の方法で形成された材料。
【請求項１９】
請求項１から１０または請求項１８のいずれか一項に記載の材料を含む骨の修復または代替骨としての使用に適したインプラント。
【請求項２０】
前記アルカリ性溶液が、２から４モルの濃度を有することを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項２１】
前記アルカリ性溶液が、水酸化ナトリウムを含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５ａ】
【図５ｂ】
【図５ｃ】
【図５ｄ】
【図５ｅ】
【図５ｆ】
【図５ｇ】
【図６ａ】
【図６ｂ】
【図６ｃ】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１ａ】
【図１１ｂ】
【図１１ｃ】
【図１１ｄ】
【図１２】
【図１３ａ】
【図１３ｂ】
【図１３ｃ】
【図１４ａ】
【図１４ｂ】
【図１４ｃ】
【図１５ａ】
【図１５ｂ】
【図１７ａ】
【図１７ｂ】
【図１６】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５ａ】
【図５ｂ】
【図５ｃ】
【図５ｄ】
【図５ｅ】
【図５ｆ】
【図５ｇ】
【図６ａ】
【図６ｂ】
【図６ｃ】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１ａ】
【図１１ｂ】
【図１１ｃ】
【図１１ｄ】
【図１２】
【図１３ａ】
【図１３ｂ】
【図１３ｃ】
【図１４ａ】
【図１４ｂ】
【図１４ｃ】
【図１５ａ】
【図１５ｂ】
【図１７ａ】
【図１７ｂ】
【図１６】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【公表番号】特表２０１０−５３６４５１（Ｐ２０１０−５３６４５１Ａ）
【公表日】平成２２年１２月２日（２０１０．１２．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−５２１４７１（Ｐ２０１０−５２１４７１）
【出願日】平成２０年８月１９日（２００８．８．１９）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＧＢ２００８／００２８１４
【国際公開番号】ＷＯ２００９／０２４７７８
【国際公開日】平成２１年２月２６日（２００９．２．２６）
【出願人】（３９１０１８７８７）スミス アンド ネフュー ピーエルシー (79)
【氏名又は名称原語表記】ＳＭＩＴＨ ＆ ＮＥＰＨＥＷ ＰＵＢＬＩＣ ＬＩＭＩＴＥＤ ＣＯＭＰＡＮＹ
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２２年１２月２日（２０１０．１２．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年８月１９日（２００８．８．１９）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＧＢ２００８／００２８１４
【国際公開番号】ＷＯ２００９／０２４７７８
【国際公開日】平成２１年２月２６日（２００９．２．２６）
【出願人】（３９１０１８７８７）スミス アンド ネフュー ピーエルシー (79)
【氏名又は名称原語表記】ＳＭＩＴＨ ＆ ＮＥＰＨＥＷ ＰＵＢＬＩＣ ＬＩＭＩＴＥＤ ＣＯＭＰＡＮＹ
【Ｆターム（参考）】
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