JP2005515018A

JP2005515018A - 人体の骨および／または組織に適用することができる装置、および前記装置の方法および使用

Info

Publication number: JP2005515018A
Application number: JP2003561457A
Authority: JP
Inventors: マッツアンデルソン，; ミカエルエリクソン，
Original assignee: ノベルバイオケアーアーベー（パブル）
Priority date: 2001-12-28
Filing date: 2002-12-19
Publication date: 2005-05-26
Also published as: SE0104446L; CA2470729A1; AU2002360037B2; WO2003061511A1; SE0104446D0; SE520731C2; BR0215368A; EP1460961A1; US20050123879A1

Abstract

装置、例えばインプラントの形態の装置は、少なくとも一つの表面または一つの部分（例えば外側部分）を介して、人体の骨／組織に適用するように構成されている。骨の成長を刺激する薬剤（ＨＡの形態の）が装置と関連して用いられる。装置、表面、または部分は、チタン粉末の形態の圧縮された骨適合性および／または組織適合性の粉末材を含むかあるいはそれから構成される。チタン粉末は骨成長刺激剤（これも粉末形態）と混合され、複合材料は衝撃締め固めによって二つの粉末で形成される。本発明はまた、当該装置に関連する方法および使用にも関する。新規の種類のＨＡの使用は、とりわけ装置の製造中にＨＡ層が緩むという欠点を解消することを可能にする。

Description

本発明は、とりわけ、少なくとも一つの表面または一つの部分を介して、人体の骨／組織、例えば顎骨に適用するように構成された装置に関する。該装置は、表面または部分に、骨の成長を刺激する薬剤を備え、それはＨＡ（ヒドロキシアパタイト）とすることができる。加えて、少なくとも一つの表面を支持する部品、または部分は、圧縮された骨適合性および／または組織適合性の粉末材、好ましくはチタン粉末を含むかあるいはそれから構成される。本発明はまた、例えばインプラントとすることができる、当該装置を作製するための方法にも関する。本発明はさらに、装置の作製に関連する使用にも関する。

例えば焼結法によって高密度に締め固められた、例えばチタン粉末から作られる歯冠を作製することはすでに知られている。これに関連して、とりわけ本特許出願と同一出願人のＰＣＴ出願ＷＯ００／１５１３７を参照することができる。インプラントに関連して、例えばＨＡの形で骨成長刺激剤を使用することもすでに知られている。特許文献、とりわけ、同一出願人によって取得された特許および申請された特許出願を参照することができる。先行技術では、当該インプラントまたは類似物の外側にＨＡを層状に塗布することが提案されている。基礎にある発想は、骨または組織に露出される表面層がインプラントまたは類似物の取込みを促進するというものである。

公知の構成および方法に関連して、例えばインプラントまたは類似物の後処理中に、ＨＡ層が所定の位置に維持されることを確実にすることに対する問題がある。したがって、層が緩む問題に対する解決策が求められている。本発明の主な目的は、中でも特にこの問題を解決することである。本発明の概念によると、チタン（Ｔｉ）とヒドロキシアパタイト（ＨＡ）との間で複合材料が形成され、そこでＨＡはチタンバルクまたはチタン体に混合された粒子または破片として存在する。バルク複合体を形成することによって、ＨＡの層が緩むという上述の問題無しに、ＨＡを当該構成要素のその後の加工のための原材料として使用することができる。基礎にある発想は一般的に、表面層中のＨＡ粒子またはＨＡ破片が骨および／または組織に露出され、それによってチタンインプラントの取込みを促進するというものである。

微粒状ＨＡ粉末と混合されたチタン粉末の通常の無圧焼結で、これらは反応し、新しい相を形成する。このようにして焼結した試料を熱に曝すと、膨潤が発生することがある。感知できるほどの反応を生じることなく、これらの材料を焼結させることができるように意図された方法が利用可能であるが、これらの方法は、例えばＨＩＰ（熱間静水圧圧縮成形）またはＳＰＳ（放電プラズマ焼結）などであり、比較的複雑かつ高価である。したがって、これらの焼結法の代替法が求められている。本発明はまた、これらの問題を解決する目的も持つ。

導入部で示した装置を基本的に特徴付けるとみなすことができる特徴は、粉末材および骨成長刺激剤が、衝撃締め固めおよび適切ならばその後の焼結によって得られる複合材料を形成することである。

発明の概念のさらなる展開において、骨成長刺激剤（ＨＡ）は実際の表面層に完全にまたは部分的に配置することができ、したがって、当該骨および／または組織に露出することができる。同剤は、９０〜１２０μｍの範囲の粒子サイズまたは破片を選択することができる。使用するチタン粉末は、かなりの純度、例えば９９．９９％の純度、および比較的小さい粒子サイズを持つことが好ましい。例として、ＷａｈＣｈａｎｇＨＰ（またはＣＰ）−３２５ＭｅｓｈＴ０８００１４（０１０６０７）の形態のチタン粉末を複合構造に含めることができる。約９０〜９８％、好ましくは約９５％の量のチタン粉末、および２〜１０％、好ましくは約５％の量のＨＡ粉末が、衝撃および可能な焼結によって締め固められた複合材料のための開始材料を形成する。最後に示した百分率の数字は、合計量が１００％となるように選択される。

本発明に係る方法は、骨適合性および／または組織適合性粉末材と、粉末形態の前記刺激剤との混合が第一段階で行なわれるという事実によって基本的に特徴付けられると考えることができる。これに続いて、衝撃締め固めを行なう機械であって、高い衝撃締め固めエネルギで動作することを可能にする特性を有する機械で適用される成形型に属する、一つまたはそれ以上の型穴に混合物が注がれる。これに続いて機械の衝撃装置が起動され、それが成形型に作用してエネルギを粉末混合物に伝達し、それによって装置用のブランクが形成される。最後に、ブランクから装置を作製するために、ブランクは一つまたはそれ以上の処理装置で処理される。前記処理段階では、ブランクは焼結および／または熱処理し、かつ様々な種類の処理、例えば化学的、電気化学的、および／または機械的処理、あるいは機械加工、例えばフライス削り、旋削、ショットピーニング等を受けることができる。機械はそれ自体公知の種類とすることができ、この場合は、約３３５Ｎｍまたはそれ以上の衝撃締め固めエネルギを発生する種類のものである。機械は成形型に対する一回またはそれ以上の衝撃を実行することができ、異なる衝撃に同じ量のエネルギまたは異なる量のエネルギを使用することができる。チタン粒子はかなりの密度、例えば９８％またはそれ以上にまで圧縮される。複合材料中のＨＡ粒子の位置は、混合および成形型の型穴への注ぎ込みにより制御することができる。ブランクが機械加工されて完成装置または仕上げ面または仕上げ部分が得られるときに、所望の量のＨＡ粒子が、当該骨および／または組織に露出する表面に存在する。

本発明に係る使用は、高い衝撃締め固めエネルギを持つ衝撃型の締め固め機械を使用して、粉末材および粉末形態の前記刺激剤を圧縮して複合材料にするという事実によって、基本的に特徴付けられると考えることができる。上に提案したものによって、効率的でありかつ使用の観点から簡素化された装置が得られ、かつ簡素化された方法が得られる。高圧縮複合体は、衝撃締め固め（高速締め固め）を使用して得ることができる。前記種類および密度の複合材料を生成し、焼結が行なわれた後、断面を裁断し、微細構造およびチタンとＨＡとの間の界面を検討することによって、試験を実施した。

この試験で、少量の二つの粉末を分析秤で秤量し、チタン９５．００％およびＨＡ５．００％をビーカで混合した。粉末は乾燥状態で短時間かき混ぜ攪拌することによって混合した。

粉末混合物は、ＫａｒｌｓｋｏｇａのＨｙｄｒｏｐｕｌｓｏｒにおいて、改造切削機「ＨｙｄｒｏｐｕｌｖｅｒＨｙｐ３０−１５」で衝撃締め固めが行なわれた。ＭｏＳ_２で潤滑した鋼の円筒形の１４ｍｍプレスツールに粉末を配置した。１ブロック当たりの粉末の重量は２．０ｇであった。粉末（各ブロック）に対し、各衝撃につき３３５Ｎｍのエネルギで５回の衝撃を連続して与えた。そのようなブロックを五つ生成した。

マイクロメータねじにより、かつ蒸留水中で（真空無しで）アルキメデスの原理により、未焼結体の密度を測定した。どちらの測定でも、未焼結体の密度について同じ結果が得られた。二つの試料（ａ＋ｂ）を得るために、試料を水中で低速切削で二つに裁断した。

次いで、試料の一部を以下に従って真空中（ＮＢＰｐ１０）で熱処理した。

試料は、Ｍｏ−ｄｅｇｅｌのＴｉプレート上のＭｏワイヤに載せる。「焼結体の」密度もまた直接真空無しでアルキメデスの原理を利用して測定し、その後、１００℃で０．５時間試料を加熱室で乾燥した。ＨＡは特定の空隙率を持つが、それは計算に考慮されないので、以下に示す密度は少し高めであるかもしれない。

得られた結果は次の通りである。

結果を精査し、以下の事実が解明された。

未焼結体：チタン粒子は非常に高密度に圧縮されており、ＨＡ粒子をほぼ完全に取り囲んでいた。粒界細孔は見えないか、あるいは非常に小さいものが見えただけであった。チタンマトリックスは基本的に高密度物質のようであった。全ての試験温度および時間条件における熱処理は、微細構造に影響を及ぼし、使用した温度が高ければ高いほど顕著に、チタン粒子をおそらく一緒に成長させた。ＨＡ粒子は、試験した全ての温度で影響されないようであった。しかし、加熱処理された試料のチタンマトリックスとＨＡ粒子との間に細い間隙が観察され、それは温度と共に増加するようであった。５００℃で、間隙はかろうじて見えた（０〜０．１μｍ）。７００℃では、それがＨＡ粒子の周りにあるのが分かり、幅が約０．２μｍであった。９００℃では、間隙はさらに目立ち、幅が約０．４μｍであった。ＨＡ粒子が直径約１００μｍでありかつ表面の不規則性および密嵌したチタンマトリックスによって依然として確実に保持されているという事実に鑑みて、間隙は依然として小さいとみなすことができる。

チタン粉末およびヒドロキシアパタイトの９８％圧縮（非焼結）複合材料が、衝撃締め固めによって生成された。

圧縮効果は試料体全体に観察された。チタンマトリックスがＨＡ粒子を取り囲んでいた。

チタン粒子を相互に結合する目的で、複合体を熱処理した。密度は約９９％に増加した。微細構造は５００℃ですでに変化し、より高い温度でさらに変化する。

ＴｉとＨＡとの間の反応生成物は試料のいずれにも事実上観察されなかったが、高温では物質間に細い間隙が形成された。しかし、この間隙は、ＨＡの粒子サイズに対して小さいとみなされた。

装置、方法、および使用の本願で提示する実施形態について、添付の図面を参照しながら以下で説明する。
図１は、衝撃によって締め固められ、その後熱処理に曝されなかった複合材料の微細構造を様々な拡大図で示す。
図２は、衝撃によって締め固められ、その後５００℃の熱処理に１０時間曝された複合材料の微細構造を、図１の拡大図に対応する様々な拡大図で示す。
図３は、顎骨におけるインプラントを図式的に縦断面図で示す。
図４は、インプラントのねじ山の部分を縦断面図で示す。
図５は、当該装置の作製のためのフローチャートを図式的に縦断面図で示す。

図１は、衝撃締め固めシリンダの研磨断面を持つ未焼結体Ｔｉ−ＨＡ５の微細構造を示す。八つの異なる従属図ａ〜ｈは、上述に従ってチタンに施与されたＨＡ粒子を様々な拡大度で示す。左側の図ａ〜ｄは明構成のＨＡ粒子の光学画像を示す。図ｅ〜ｈは、チタン中の暗構成のＨＡ粒子を示す。図から分かる通り、チタン粒子は非常に高密度に圧縮され、当該骨または組織に露出される表面の外側を除き、ＨＡ粒子をほぼ完全に取り囲んでいる。ＨＡ粒子は様々なサイズで示され、したがって、例えば図ｄは粒子と周囲のチタンとの間の界面を示す。図から分かる通り、ＨＡ粒子は骨または組織に向かって表面に細孔系を形成すると考えることができる。この構成によって、ＨＡ粒子が緩くなって骨または組織構造に移動すると、チタン体の上にぼろぼろになった外表面が存在すると考えることができる。したがって、これは骨または組織におけるインプラントまたは類似物の確実な取込みの可能性を高める。光学画像は、物質がどのように見えるか（金属マトリックス中の白い粒子）を示すために、カメラで撮影したものである。ＳＥＭ−ＥＤＳ画像は微細構造を示す。ＳＥＭ画像では、ＨＡ粒子は逆に暗い。

図２は、複合材料の微細構造の対応する拡大図を示す。この場合、複合材料は５００℃で１０時間熱処理されている。図１および２の比較のために、結果の上記分析を参照されたい。

図３では、顎骨が１で図式的に示される。外ねじ山４を持ち、それによってインプラントを穴２にねじ込むことができる種類のものであることができるインプラント３を受容するために、それ自体公知の方法で、顎骨に穴または凹部が形成されている。インプラントはそれ自体既知の構成を持つことができ、したがって、ここでは詳細に説明しない。

図４は、図３のインプラント３に配設することができるねじ山構造５の部分を示す。本発明では、実際の外表面５ａ、あるいはむしろ外表面を支持する部品または部分５ｂが、上述した複合材料から作られる。インプラント体全体または骨１または組織に面する外表面または部分を、前記複合材料から作ることができる。

図５には、上述した衝撃型締め固め機が６で示される。機械はそれ自体公知であるので、機械がダイス７を含み、そこに凹部８が設けられ、その中に二つのスタンプ９および１０を延在させることができ、かつそこに弾性型１１を配設することができることに触れる以外、ここでは詳しく説明しない。弾性材料から作られた成形型は、スタンプ９および１０を介して得られる二次元衝撃エネルギを、図式的に示された型穴１２に配置することができる粉末混合物に伝達して、三次元製品、例えば図３に係るインプラント３が得られるように構成される。粉末混合物は図５では１３で示されている。弾性型にはパンチ部材および型穴が設けられる。さらに、粉末混合物に対する均衡機能または均衡作用が生じるように構成されており、その結果、圧縮力、例えばＦ１、Ｆ２が型穴全体および粉末混合物を中心に均等に生じる。本例では、スタンプ９および１０は、それらの間に成形型１１が置かれた状態で、相互に進退するように作動する。成形型の内部パンチ構成は図５に示さない。この原理は、本特許出願と同一出願人が同日に申請したスウェーデン特許出願「Ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ，ｄｅｖｉｃｅ，ｍｅｔｈｏｄ，ｐｒｏｄｕｃｔａｎｄｕｓｅｉｎｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｗｉｔｈａｂｌａｎｋｍａｄｅｐｒｅｆｅｒａｂｌｙｏｆｔｉｔａｎｉｕｍｐｏｗｄｅｒａｎｄｉｎｔｅｎｄｅｄｆｏｒａｄｅｎｔａｌｃｒｏｗｎｏｒｏｔｈｅｒｐｒｏｄｕｃｔｆｏｒｔｈｅｈｕｍａｎｂｏｄｙ（好ましくはチタン粉末から作られ、歯冠または人体用の他の製品用に意図されたブランクに関連する構成、装置、方法、製品、および使用）」に示されている。混合装置１４で、チタン粉末１５およびＨＡ粉末１６は上述に従って一緒に混合される。混合された粉末は成形型１１の型穴１２に入れられ、上述に従って１３で示される。成形型１１は、相互に分離しかつ相互に合わせることができる、上型および下型を含む。次いで、パンチおよび粉末を装備した成形型１１は機械６に移送される。成形型の取付けを可能にするために、機械の例えば一つのスタンプ９が、凹部８から取り外すことができる。機械は、制御パネル１８を持つことができる制御装置１７を備える。機械の運動／衝撃、運動エネルギ、衝撃回数等を制御するために、制御装置によって、制御信号ｉ１が生成される。機械の衝撃装置が作動すると、単数または複数の成形型１１に作用して衝撃エネルギが粉末混合物に伝達され、こうしてブランク／原材料が形成される。機械６での処理または製作の後、原材料１９は一つまたはそれ以上のその後の処理段階２０、２１等に移送される。処理段階２０で、原材料１９は熱処理、焼結等を受けることができる。処理段階で、加熱処理、焼結等を受けた原材料１９’は、化学的または機械的加工、例えば旋削、フライス削り、ショットピーニング、電気化学処理を受けて、酸化物層等を得ることができる。加工された原材料１９’は次いで、実際の構成部品、例えば図３の構成部品３を構成することができる。制御装置１７による機械の制御に関連して、ＨＡ粒子の様々な層および／または位置のうちの少なくとも幾つか、好ましくは大部分が、実際の骨または組織に対面するように意図されたそれらの実際の表面１９’’から外側に露出されるようにＨＡ粒子の様々な層および／または位置を生成するために、制御信号ｉ２を確立することができる。図５には、前記種類の多数の層が２２、２３、および２４で示されている。インプラント３が顎骨に適用される場合（図３参照）、ＨＡ粒子またはＨＡ破片は、その組成によって周囲の骨内に移動する可能性がある。

したがって、本発明では、高い衝撃締め固めエネルギを有する衝撃型締め固め機械を使用して、粉末材および粉末形態の前記刺激剤を圧縮して、人体の骨または骨組織内に嵌めこむことのできる構成部品を形成するかまたはそれに含めることができる複合材料を得る。本発明によって、長期間無視することなく、インプラントまたは類似物の取込みを促進することが可能である。チタン粉末は２０〜５０μｍ（おそらく最大で２００μｍ）の粒子サイズを持つことができる。ＨＡの粒子は円錐形にし、１０〜５００μｍのサイズを持つことができる。１００〜１２００℃の焼結温度を使用することができる。

本発明は上記の実施形態に限定されず、むしろ、請求の範囲および発明概念の範囲内で変形することができる。

衝撃によって締め固められ、その後熱処理に曝されなかった複合材料の微細構造を様々な拡大図で示す。衝撃によって締め固められ、その後５００℃の熱処理に１０時間曝された複合材料の微細構造を、図１の拡大図に対応する様々な拡大図で示す。顎骨におけるインプラントを図式的に縦断面図で示す。インプラントのねじ山の部分を縦断面図で示す。当該装置の作製のためのフローチャートを図式的に縦断面図で示す。

Claims

少なくとも一つの表面または一つの部分を介して、人体の骨および／または組織、例えば顎骨に適用するように構成された装置であって、前記装置は、前記表面または部分に、骨の成長を刺激する薬剤、好ましくはＨＡ（ヒドロキシアパタイト）を備え、少なくとも一つの表面を支持する部品、または部分は、圧縮された骨適合性および／または組織適合性の粉末材、好ましくはチタン粉末を含むかあるいはそれから構成される装置において、粉末材および骨成長刺激剤が、衝撃締め固めおよび適切ならば焼結によって得られる複合材料を形成することを特徴とする装置。
骨成長刺激剤／ＨＡが実際の表面層に完全にまたは部分的に配置され、したがって、問題の骨および／または組織に露出することができることを特徴とする請求項1記載の装置。
骨成長刺激剤が９０〜１２０μｍの範囲のサイズを有する粒子破片の形態であることを特徴とする請求項1または２記載の装置。
かなりの純度、好ましくは９９．９９％の純度、および比較的小さい粒子サイズ（ＷａｈＣｈａｎｇＨＰ（またはＣＰ）−３２５ＭｅｓｈＴ０８００１４（０１０６０７））を持つチタン粉末が複合構造のための基材を構成することを特徴とする請求項1、２または３記載の装置。
約９０〜９８％、好ましくは約９５％の量のチタン粉末、および２〜１０％、好ましくは５％の量のＨＡ粉末が、衝撃および可能な焼結によって締め固められた材料のための開始材料を形成することを特徴とする請求項1〜４のいずれか一項記載の装置。
少なくとも一つの表面または一つの部分を介して、人体の骨および／または組織、例えば顎骨に適用するように構成された装置、例えばインプラントを製造する方法であって、前記装置は、前記表面または部分に、骨の成長を刺激する薬剤、好ましくはＨＡ（ヒドロキシアパタイト）を備え、少なくとも一つの表面を支持する部品、または部分は、圧縮された骨適合性および／または組織適合性の粉末材、好ましくはチタン粉末から作られる装置を製造する方法において、以下の工程を特徴とする方法：
ａ）骨適合性および／または組織適合性粉末材と、粉末形態の前記骨成長刺激剤とを一緒に混合する；
ｂ）衝撃締め固めを行なう機械であって、高い衝撃締め固めエネルギで動作する機械で適用される成形型に属する型穴に混合物を注ぐ；
ｃ）機械の衝撃装置を起動させ、それが成形型に作用してエネルギを粉末混合物に伝達し、それによって装置用のブランクを形成する；
ｄ）ブランクから装置を作製するために、ブランクを一つまたはそれ以上の処理装置で処理する。
ブランクが焼結および／または熱処理され、かつ化学的、電気化学的、および／または機械的処理、あるいは機械加工（フライス削り、旋削、ショットピーニング等）を受けることを特徴とする請求項６記載の方法。
工程ａ）において、かなりの純度、例えば９９．９９％の純度、および比較的小さい粒子サイズを持つチタン粉末がＨＡ、例えば焼成されたＨＡと一緒に混合され、ここで前記ＨＡは粉砕されて９０〜１２０μｍの破片にふるい分けられていることを特徴とする請求項６または７記載の方法。
混合物が約９５％のチタン粉末および５％のＨＡ粉末から構成され、粉末は乾燥状態でかき混ぜ攪拌することによって混合されることを特徴とする請求項８記載の方法。
機械は約３３５Ｎｍまたはそれ以上の衝撃締め固めエネルギを発生するようにかつ成形型に対する一回またはそれ以上の衝撃を実行するように制御されることを特徴とする請求項８または９記載の方法。
チタン粒子はかなりの密度、例えば９８％にまで圧縮されること、およびＨＡ粒子の実質的な取り囲みがあることを特徴とする請求項６〜１０のいずれか一項記載の方法。
複合材料中のＨＡ粒子の位置は、混合および成形型の型穴への注ぎ込みにより制御されること、およびＨＡ粒子が骨および／または組織に露出する表面に存在するようにブランクが機械加工されることを特徴とする請求項６〜１１のいずれか一項記載の方法。
圧縮可能な骨適合性および／または組織適合性の粉末材、例えばチタン粉末から作られかつ骨成長刺激剤、好ましくはＨＡを備えた装置の製造における使用において、高い衝撃締め固めエネルギを持つ衝撃型の締め固め機械を使用して、粉末材および粉末形態の前記骨成長刺激剤を圧縮して複合材料にすることを特徴とする使用。