JP2002512090A

JP2002512090A - 骨インプラント

Info

Publication number: JP2002512090A
Application number: JP2000544374A
Authority: JP
Inventors: アレンレヴェルピーター; ロルフェハウレットキャメロン
Original assignee: University College London
Current assignee: University College London
Priority date: 1998-04-17
Filing date: 1999-04-16
Publication date: 2002-04-23
Also published as: EP1071483B1; GB9808189D0; EP1071483A1; DE69901023D1; ATE214293T1; AU3614099A; DK1071483T3; WO1999053971A1; ES2174603T3; DE69901023T2; AU757889B2; PT1071483E

Abstract

(57)【要約】生活性材料を含む骨インプラントで、該生活性材料内には、IIA族、IVA族、VIIA族及び遷移元素からなる周期表の族の１種又はそれ以上のイオンが付与されており、前記生活性材料は前記骨インプラントの骨の成長を促進できる材料である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】（発明の属する技術分野）本発明は、骨の成長性を向上させた骨インプラント、および当該性質を向上さ
せるための骨インプラントの処理方法に関する。

【０００２】（発明の背景）整形再形成手術、特に関節交換手術における主な問題は、整形インプラントを
骨格に永久的に固定する必要があることに関わっている。一般に、骨は整形イン
プラントの方へ向けて成長するが、インプラントと物理的及び化学的に結合する
までにはいたらない。

【０００３】整形インプラントを骨格に固定するための数種の方法が知られている。一般に
知られている１つめの方法は、「セメント」を使用してインプラントの表面積を
増加させることにより、該インプラントと骨との相互結合を高める方法である。
この目的のために、アクリル系セメントが一般的に使用される。しかしながら、
長期間経つとセメントが劣化し、その結果、骨インプラントが骨格から離脱する
という問題を生ずる。

【０００４】整形インプラントを骨格に固定するための別の公知の方法は、インプラント表
面を球状又は多孔性となるように設計して、骨がインプラントに向かって成長す
るときに、インプラントと内部成長中の骨格組織（例えば骨）との間で適合する
ように干渉させる方法である。

【０００５】骨格内へ整形インプラントを固定するための第三の方法は、例えばヒドロキシ
アパタイトの如き生活性材料をコーティングしたインプラントを使用する方法で
ある。生活性材料は移植片上での骨成長を促進させることができる材料であり、
例えばフルオロアパタイト；燐酸三カルシウム；ガラスイオノマー；バイオガラ
ス(Bioglass)やＡＷガラスセラミック等の生活性ガラス；及びヒドロキシアパタ
イト（ＨＡ）などが挙げられる。もっかのところ、ＨＡコーティングを有する整
形インプラントが、他の公知の固定技術よりも、インプラントと骨格との融合に
有効である。

【０００６】整形インプラントが長期にわたって成功するか否かは、整形インプラントが骨
格に固定されているか否かに大きく依存するため、固定を改良するための他の技
術が数多く検討されている。

【０００７】これまでに発表された研究^1,2,3は、未コーティング構造体（これらの一部は
整形インプラントとしての使用に適する）の表面化学性を例えばマグネシウム（
Ｍｇ⁺⁺）の如きカチオンの付与により改変して、未コーティング構造体と人骨か
ら誘導された細胞との付着力を高めるかどうかということを、インビトロで研究
したものである。これらのこれまでの研究におけるセラミックまたは金属構造体
中へのカチオンの付与は、イオンビーム注入（埋没）（ion beam implantatio
n （embedding））により達成される。イオンビーム注入は、セラミックス又は
金属の表面性質に影響を与えることなく、これらの表面原子層中へカチオンを付
与できるようにする。これらの研究は複合的な成功となった。

【０００８】従って、骨の成長性を向上させた骨インプラント、およびそのような骨インプ
ラントの製造方法を開発する要望が依然として存在する。

【０００９】（発明の要旨）本発明は、生活性材料を含む表層を有する骨インプラントであって、該生活性
材料には、IIA族、IVA族、VIIA族及び遷移元素からなる周期表の族の１種もしく
はそれ以上のイオンが付与されており、該生活性材料は骨インプラントの中まで
及び／又は骨インプラント上まで骨が成長することを促進でき、該イオンが骨の
成長性を向上させるような骨インプラントを提供する。

【００１０】前記イオンは、IIA族、IVB族、VIB族、VIII族、IB族、IIB族、IVA族およびVII
A族からなる周期表の族の１種もしくはそれ以上より選択されることが好ましい
。

【００１１】前記生活性材料はヒドロキシアパタイトを含み、好ましくは前記イオンは骨イ
ンプラントの表層内にイオンビーム注入または陰極電弧沈着により付与されるこ
とが好ましい。

【００１２】生活性材料がコーティングされた金属／金属合金および／または整形インプラ
ント（特にヒドロキシアパタイト）中へ、イオンビーム注入技術によりイオンを
付与することが、整形インプラント上での骨の成長を促進させるかどうかを検討
するために、発明者らはインビボ試験を行った。驚くべきことに、上記コートへ
特定のイオンを添加すると、ヒドロキシアパタイト（ＨＡ）でコーティングされ
た従来の金属合金整形インプラントと比べて、インプラント上での骨の成長が大
幅に向上することを、発明者らは発見した。

【００１３】表層での人骨細胞の成長は、その表層の性質に厳密に依存する。従って、イオ
ンビーム注入（埋没）以外に、骨インプラントの表層にイオンを添加する（例え
ば、陰極電弧沈着または骨インプラントの製造中にそのようなイオンを含むよう
な骨インプラントの表層を組み立てる）方法を使用することが可能であるけれど
も、イオンビーム埋没によれば、表面構造および機械的性質に影響を与えること
なく、表層材料の表面化学性を変えることができるので、イオンビーム埋没が好
ましく用いられる。従って、別の方法を用いて、周期表の選択された族の１種も
しくはそれ以上のイオンが内部に付与された生活性材料を含む骨インプラントの
表層を提供する場合には、表面構造および表面の機械的性質が未改質の生活性材
料の表面特性にできるだけ近づくように注意を払わなくてはならない。骨の成長
を促進するのに充分であるが骨インプラントの表層の機械的特性および表面特性
に影響を与えるほどには大きくないレベルのイオンが、骨インプラントの表層に
存在すべきである。

【００１４】イオンは、骨インプラントの表面原子層内に最大で２００ｎｍの深さまで付与
されることが好ましい。２００ｎｍがイオンの好ましい最大深さであるが、それ
よりも大きい深さ、例えば１０００ｎｍまで、イオンを移植することも可能であ
る。しかしながら、これらの比較的大きい深さにまでイオンを注入すると、これ
らの深さにまでイオンを注入したために起こる温度上昇により、ヒドロキシアパ
タイトの表面および機械的性質が影響を受けるかもしれないという危険性が増加
する。生活性材料の表層へイオンを注入するために用いるイオンビーム注入のエ
ネルギーが大きくなればなる程、より高い温度上昇が起こる。

【００１５】骨インプラントの表層に最大で１５０ｎｍの深さまで、好ましくは約１００ｎ
ｍまでの深さで、イオンを付与することが好ましい。

【００１６】表層１ｃｍ²当たり１×１０¹⁴〜１×１０¹⁶個のレベルで、イオンは存在する
ことが好ましい。このような投与レベルは、約１００ｋＶまでのイオンビーム注
入エネルギーに相当する。

【００１７】骨インプラントの表層に付与されるイオンは、珪素以外の２価カチオンを生成
しうる元素のイオンであることが好ましい。そのようなイオンの例としては鉄の
カチオンが挙げられ、鉄には２価の第一鉄カチオンを生成しうる第一鉄および第
二鉄イオンが含まれる。

【００１８】骨インプラントの表層に付与されるイオンには、代謝工程で含まれる痕跡量の
カチオンを含むことが好ましい。

【００１９】骨インプラントの表層に付与されるイオンとしては、以下に示すイオンの１種
又はそれ以上を含むことが好ましい。マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、チタン、クロム、マンガン、鉄、
銅、亜鉛、珪素および弗素イオン骨インプラントの表層に付与されるイオンは、IIA族、VIIB族、IIB族、IVA族
およびVIIA族からなる周期表の族の１種もしくはそれ以上の族より選ばれること
が好ましい。

【００２０】より好ましくは、イオンはマグネシウム、マンガン、亜鉛または珪素イオンを
含む。

【００２１】全体的な関節交換、例えば腰交換に用いられる骨インプラントの場合、一般に
、骨インプラントはヒドロキシアパタイトでコーティングされた本体部分を含む
。本体部分が金属または金属合金、例えばコバルト−クロムまたはチタン合金で
形成されることが好ましい。歯科用移植片の場合、本体部分はヒドロキシアパタ
イトコーティングによりコーティングされた金属合金で形成されるピンを含んで
いてもよく、それは歯を交換するために顎に挿入される。

【００２２】しかしながら、本体部分を骨インプラント中で使用することは必ずしも必要で
はない。本発明者らは、例えばヒドロキシアパタイトの如き生活性材料を、構造
本体部分なしで使用して骨の治癒を促進できることも見出した。本発明は、骨イ
ンプラントが実質的に生活性材料（好ましくはヒドロキシアパタイト）を含んで
なり、そして本体部分を含まない骨インプラントも提供する。この場合、骨イン
プラントは粒状形態であることが好ましい。周期表の選択された族のイオンが埋
め込まれた粒状の生活性材料は、破損又は欠損した骨の修復に用いることができ
る。イオンビーム注入された粒状のヒドロキシアパタイト骨インプラント材料を
、骨の破損又は欠損領域中に詰め込むことができる。この材料は優れた骨成長促
進性を有するため、この材料を有効に用いて骨の修復工程を加速することができ
る。

【００２３】本発明は、生活性材料を含む表層を有する骨インプラントを処理して骨インプ
ラント上の骨の成長性を向上させる方法であって、骨インプラントをイオンビー
ム埋没にかけ、それによりIIA族、IVA族、VIIA族及び遷移元素からなる周期表の
族の１種もしくはそれ以上のイオンを該表層内に付与することを含む方法も提供
する。

【００２４】前記イオンは、IIA族、IVB族、VIB族、VIII族、IB族、IIB族、IVA族およびVII
A族からなる周期表の１種もしくはそれ以上から選択されることが好ましい。

【００２５】生活性材料はヒドロキシアパタイトを含んでいることが好ましい。

【００２６】イオンは表層１ｃｍ²当たり１×１０¹⁴〜１×１０¹⁸個のレベルで付与される
ことが好ましい。

【００２７】（発明の詳細な記述）以下、下記のインビボ実験における移植試験を参照することにより、本発明を
さらに詳述する。

【００２８】一側にスロット（２×２×４ｍｍ）を有する円筒状のチタン合金インプラント
（Ｔｉ６Ａ１４Ｖ）（直径４.５×長さ６ｃｍ）のスロットの底部を、プラズマ
−噴霧でＨＡをコーティングした（ＨＡ−Ｔｉ６Ａ１４Ｖ）。同様に作製した円
筒のＨＡ−コーティングされた領域に、金属蒸気真空電弧（ＭＥＶＶＡ）イオン
源を用いて、さらにＭｇ⁺⁺をイオンビーム注入した（Ｍｇ−ＨＡ−Ｔｉ６Ａ１４
Ｖ）（１×１０¹⁷イオン／ｃｍ²Ｍｇ⁺⁺）。一般的な麻酔をかけて、完全な殺菌
条件下で、雌のＮＺ白色ウサギ（ｎ＝６）の下大腿骨の横側に外科的移植を行っ
た。生理食塩水で冷却したダイヤモンドを取り付けたトレフィンと、両脇に挿入
した殺菌円筒（オートクレーブ、１２１℃、１５分間）を用いて、４.５ｍｍ直
径の穴をあけた。ＨＡ−Ｔｉ６Ａ１４Ｖを左側に移植し、Ｍｇ−ＨＡ−Ｔｉ６Ａ
１４Ｖを右側に移植した。蛍光性の骨ラベル（テトラシクリン、カルセインブル
ー、カルセイングリーン、アリザリンレッド）を週間隔で投与し、６週間後に動
物を殺した。回収した大腿骨を樹脂中で処理し、その場でインプラントから粉砕
断片（３０μｍ）を調製した（エキザクト・システム(Exakt System)、ハンブル
グ、ドイツ）。スロット中で各ラベルが到達した最大距離を蛍光顕微鏡によりア
イ−ピースグラティキュールを用いて測定した。結果は骨の内部成長率として表
示される。６週間後に新しい骨により占有された面積は、トルイジンブルーで染
色された部分でクアンチメット(Qantimet)５００（レイカ(Leica)、ケンブリッ
ジ、英国）を用いて測定し、骨形成面積率として表示した。

【００２９】（結果および議論）３、４および５週間後では、ＨＡ−Ｔｉ６Ａ１４ＶよりもＭｇ−ＨＡ−Ｔｉ６
Ａ１４Ｖインプラントの方が、骨の内部成長の百分率が顕著に高かった（ｐ＜０
.０５、ステューデントの「ｔ」試験）（図１参照）。１および２週間後では有
意差は見られなかったが、Ｍｇ−ＨＡ−Ｔｉ６Ａ１４Ｖの平均値の方が高かった
。６週間後では、骨形成面積率は、スロット中で、ＨＡ−コーティング単独（５
.８６±３.４６％、ｎ＝５）と比べてＭｇ−ＨＡコーティング（２５.７３±９.
１２％、ｎ＝５）の方が顕著に大きかった（ｐ＜０.０５、ステューデントの「
ｔ」試験）。

【００３０】これらの結果は、従来のＨＡと比べて、ＨＡ−コーティングのＭｇ⁺⁺イオン埋
込みが、Ｔｉ６Ａ１４Ｖ合金インプラントのスロット内への骨の成長を増加させ
ることを示している。

【００３１】本発明の当業者により認識されるように、実験的な移植試験はマグネシウムイ
オン埋込みを用いて行われたが、IIA族、IVA族、VIIA族および遷移元素からなる
周期表の族から選ばれる他のイオンも、従来のＨＡ−コーティングインプラント
と比べて骨形成を増加させるであろう。アルミニウム（これは種々の骨の疾病に
関係する）のような骨の鉱化に有害なイオンは骨形成の促進をもたらさないであ
ろうということは、本発明の当業者により認識されるであろう。骨の鉱化に有害
なアルミニウムおよび他のイオンが本発明の骨形成の増加のためには使用できな
いことを、本発明者らは試験により確認している。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明のインプラントを、ウサギの大腿骨中へ移植した後、６週間後
のインプラントスロット内での骨の内部成長の百分率を、先行技術のインプラン
トと比較して示している。

【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書

【提出日】平成１２年７月１９日（２０００．７．１９）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者キャメロンロルフェハウレットオーストラリア国ニューサウスウェールズ 2072ゴードンマッキントッシュストリート 49 Ｆターム(参考） 4C081 AB04 BA12 CF041 CF112 CF142 EA15

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】生活性材料を含む表層を有する骨インプラントであって、該生活性材料中には、IIA族、IVA族、VIIA族及び遷移元素からなる周期表の族
の１種もしくはそれ以上のイオンが付与されており、該生活性材料は該骨インプラント上での骨の成長を促進しうる材料である骨イ
ンプラント。
【請求項２】前記生活性材料がヒドロキシアパタイトを含んでいる請求項
１に記載の骨インプラント。
【請求項３】前記イオンは、前記骨インプラントの該表層内又は該表層上
にイオンビーム注入または陰極電弧沈着により付与されている請求項１または請
求項２に記載の骨インプラント。
【請求項４】前記イオンは、前記骨インプラントの該表面原子層内に最大
２００ｎｍの深さまで付与されている請求項３に記載の骨インプラント。
【請求項５】前記イオンは、前記骨インプラントの表層内に最大で１５０
ｎｍの深さまで付与されている請求項３に記載の骨インプラント。
【請求項６】前記イオンは、前記表層内に約１００ｎｍまでの範囲の深さ
で付与されている請求項５に記載の骨インプラント。
【請求項７】前記イオンは、前記表層１ｃｍ²当たり１×１０¹⁰〜１×１
０¹⁸個のレベルで存在している前記請求項のいずれか１つに記載の骨インプラン
ト。
【請求項８】前記イオンは、IIA族、IVB族、VIB族、VIIB族、VIII族、IB
族、IIB族、IVA族およびVIIA族からなる周期表の族の１種もしくはそれ以上より
選択される前記請求項のいずれか１つに記載の骨インプラント。
【請求項９】前記イオンは、下記：マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、チタン、クロム、マンガン、鉄、
銅、亜鉛、珪素および弗素イオンの１種もしくはそれ以上を含んでいる請求項８に記載の骨インプラント。
【請求項１０】前記骨インプラントの表層内に付与されるイオンは、IIA
族、VIIB族、IIB族、IVA族およびVIIA族からなる周期表の族の１種もしくはそれ
以上である請求項８に記載の骨インプラント。
【請求項１１】前記イオンは、マグネシウム、マンガン、亜鉛または珪素
イオンを含んでいる前記請求項のいずれか１つに記載の骨インプラント。
【請求項１２】生活性材料コーティング材でコーティングされた本体部分
を含んでいる前記請求項のいずれか１つに記載の骨インプラント。
【請求項１３】前記本体部分は、金属または金属合金、好ましくはチタン
合金で形成されている請求項１２に記載の骨インプラント。
【請求項１４】前記骨インプラントは、実質的に生活性材料を含んでいる
請求項１〜１１のいずれかに記載の骨インプラント。
【請求項１５】前記骨インプラントが粒状形態である請求項１０に記載の
骨インプラント。
【請求項１６】生活性材料を含む表層を有する骨インプラントを処理して
該骨インプラントでの骨の成長性を向上させる方法であって、前記骨インプラントをイオンビーム埋没工程にかけ、それによりIIA族、IVA族
、VIIA族及び遷移元素からなる周期表の族の１種もしくはそれ以上のイオンを前
記表層内に付与することを含む方法。
【請求項１７】前記生活性材料がヒドロキシアパタイトを含む請求項１６
に記載の方法。
【請求項１８】前記イオンは、前記表層内に最大で２００ｎｍの深さまで
付与される請求項１６または請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】前記イオンは、前記骨インプラントの表層内に最大で１５
０ｎｍの深さまで付与される請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】前記イオンは、前記表面内に約１００ｎｍまでの深さで付
与される請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】前記イオンは、前記骨インプラントの表層１ｃｍ²当たり
１×１０¹⁰〜１×１０¹⁸個で存在する請求項１５〜２０のいずれかにひとつに記
載の方法。
【請求項２２】前記イオンは、IIA族、IVB族、VIB族、VIIB族、VIII族、I
B族、IIB族、IVA族およびVIIA族からなる周期表の族の１種もしくはそれ以上よ
り選択される請求項１５〜２０のいずれか１つに記載の方法。
【請求項２３】前記イオンが下記：マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、チタン、クロム、マンガン、鉄
、銅、亜鉛、珪素および弗素イオンの１種もしくはそれ以上を含む請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】前記骨インプラントの表層内に付与されるイオンが、IIA
族、VIIB族、IIB族、IVA族およびVIIA族からなる周期表の族の１種もしくはそれ
以上である請求項２２に記載の方法。
【請求項２５】前記イオンがマグネシウム、マンガン、亜鉛または珪素イ
オンを含む請求項２４に記載の方法。