JP2006223847A - 被覆医学装置、及び該装置を作製する方法と該装置を用いる方法 - Google Patents

Abstract

【課題】移植片の寿命を延長するのに有効な程度まで、磨耗片の離脱を最小限に抑制し、又は微小亀裂が生成し、及び／又はその大きさが増大するのを防ぐことができる表面を有する医学装置を提供すること。
【解決手段】表面を有する構造部材を備え、その表面の少なくとも一部は、少なくとも約２５μｍの厚みのナノ組織材料によって被覆され、このナノ組織材料は、セラミック、セラミック複合材料、セラミック／金属複合材料、又はこれらの少なくとも１つを含む組合せを含んでいる。この移植片は、理由の１つとして、改良された耐磨耗性と耐剥離性によって、寿命が延長され、関節式継手又は柔軟性ヒンジ継手を部分的又は完全に置換するのに有益である。
【選択図】図３

Description

［関連出願の相互参照］
本出願は、２００５年１月７日に出願された米国仮特許出願第６０／６４２，４４９号の利得を主張し、この仮特許出願は、その全体を参照することによって、ここに含まれるものとする。

［連邦政府の資金提供を受けた研究に関する記載］
米国政府は、米国科学財団助成第ＤＭＩ−０３１９３２５号に従って、本発明に一部の権利を有する。

［発明の分野］
本開示は、一般的に、被膜に関し、さらに詳細には、医学装置の表面に堆積される被膜に関する。

医学装置を外科的に移植することによって、病変、損傷、又は欠落した骨格の解剖学的な要素、例えば、関節式骨継手や関連する骨構造を構造的に補うことができる。一部の装置は、数十年継続して使用できるが、殆どの装置は、１０年〜１５年以内に機能しなくなる。これは、一部の高齢患者にとっては受入れられるが、若い患者やより元気な高齢患者が置換外科手術をますます受けていることから明らかなように、さらに長い寿命が必要とされる。

医学装置の寿命は、その負荷支持表面が受ける磨耗と裂傷の量に大きく依存している。これらの面間の相互作用による局部的な応力は、小さい粒状の破片を生成し、これらの破片が、移植片を包囲する滑液を遮断し、かつ汚染するものである。これに応じて、人体の免疫系は、これらの粒子を分解するために、酵素を分泌することになる。しかし、これらの酵素は、多くの場合、隣接する骨細胞を破壊し、又は骨溶解を生じさせ、その結果、移植片の機械的な緩み及び破損をもたらすことになる。さらに、負荷支持表面の隆起は、対向する負荷支持表面を引っかくことがあり、これによって、微小亀裂の生成、最終的に、移植片の壊滅的な破損をもたらす。従って、移植片の負荷支持表面の磨耗率を最小限に抑制することが重要である。

従って、当該技術分野において、意図した目的に対する適性とは別に、改良された表面を有する移植装置が、必要とされている。これらの装置が、移植片の寿命を延長するのに有効な程度まで、磨耗片の離脱を最小限に抑制し、又は微小亀裂が生成し、及び／又はその大きさが増大するのを防ぐことができれば、特に有利である。

本発明の第１態様による医学装置は、表面を有する構造部材を備え、該表面の少なくとも一部は、少なくとも約２５ミクロンメートルの厚みのナノ組織材料によって被覆され、該ナノ組織材料は、セラミック、セラミック複合材料、セラミック／金属複合材料、又はこれらの少なくとも１つを含む組合せを備えている。

他の実施形態において、この医学装置は、第１表面を有する第１構造部材と第２表面を有する第２構造部材とを備え、該第１及び第２表面の片方又は両方の少なくとも一部が、少なくとも約２５ミクロンメートルの厚みのナノ組織材料によって被覆されている。

本発明の第２態様による方法は、表面を有する構造部材を備える医学装置を外科的に移植する段階を含み、該表面の少なくとも一部は、少なくとも約２５マイクロメートルの厚みのナノ組織材料によって被覆され、該ナノ組織材料は、セラミック、セラミック複合材料、セラミック／金属複合材料、又はこれらの少なくとも１つを含む組合せを含んでいる。

本発明の第３態様による医学装置を作製する方法は、医学装置の少なくとも１つの表面の少なくとも一部を少なくとも約２５マイクロメートルの厚みを有するナノ組織材料の膜によって被覆する段階を含んでいる。

前述の特徴及び他の特徴は、以下の図面と詳細な説明によって、裏付けられることになる。

以下、図面を参照して、例示的実施形態について、説明する。

寿命が延長される医学装置、及びそれらの装置を作製する方法とそれらの装置を用いる方法について、説明する。これらの医学装置として、一般的に、外科的に移植され得る装置が挙げられる。このような移植片は、一般的に、低摩擦かつ耐磨耗性のナノ組織材料の厚膜によって少なくとも部分的に被覆された表面を有する構造部材を備えている。ナノ組織材料は、大きな粒子径を有する材料と比較して、優れた性質、例えば、改良された耐剥離性と耐摩耗性とを有することができる。耐剥離性の改良は、ナノ組織材料の増大した硬度と超微細粒子径に起因している。超微細粒子径は、破損と材料剥離の機構を改善するもの、と考えられる。

ここで用いられる用語「第１」、「第２」などは、どのような順番又は重要度をも示すものではなく、むしろ、１つの要素を他の要素から識別するのに用いられ、用語「その（the）要素」及び「ある（a又はan）要素」は、該要素の数量の制限を示すものではなく、むしろ、少なくとも１つの該要素が存在することを示している。さらに、ここに開示される全ての範囲は、上下限点を含み、また、独立して組合せ可能である。

医学装置は、関節式継手又は柔軟性継手の一部（すなわち、部分的な置換）を備えていてもよい。代替的に、医学装置は、関節式継手又は柔軟性継手の完全な一体物（すなわち、完全な置換）であってもよい。関節式継手の例として、膝、腰、肘、足首、脊椎、肩、手首などの関節と部分的又は完全に置換されるのに用いられる関節式継手が挙げられる。柔軟性ヒンジ継手の例として、手指、足指などの関節と部分的又は完全に置換されるのに用いられるシラスティク（Silastic）（登録商標）関節又はＭＰ関節が挙げられる。

医学装置が関節の完全な置換体に用いられる実施形態において、医学装置は、一般的に、表面（以下、「第１表面」と呼ぶ）を有する構造部材（以下、「第１構造部材」と呼ぶ）と、第２表面を有する第２構造部材とを備え、これらの表面の片方又は両方の少なくとも一部が、低摩擦かつ耐磨耗性のナノ組織材料の厚膜によって被覆されている。医学装置の具体的な形式によるが、第１及び第２表面は、旋回自在に係合可能であるとよい。

説明の便宜上、図１及び図２は、それぞれ、例示的な人工股関節移植片と人工膝関節移植片とを示している。人工股関節移植片１０は、第１構造部材として、大腿骨頭１４を備え、第２構造部材として、寛骨臼ソケット１２を備えている。寛骨臼ソケット１２は、第２表面として、凹状開口１６を有している。この例では、被膜１８は、第１表面にのみ配置されている。同様に、膝関節移植片２０は、第１構造部材として、大腿顆２２を備え、第２構造部材として、頸骨皿２４を備えている。この実施形態では、両方の構造部材の表面に、ナノ組織の厚い被膜２６と２８が配置されている。例示的実施形態において、股関節移植片１０及び膝関節移植片２０の場合におけるように、第１及び第２表面は、負荷支持表面である。

第１及び／又は第２構造部材を形成するのに用いられ得る材料として、合金、セラミック、ポリマー、及び軟骨が挙げられる。比較的腐食性の環境であることに加え、多くの金属腐食生成物のわずかの濃度に対しても人体の耐性が低いことを考慮し、ここでの検討から、多くの金属を除外する。必要な機械的強度と生体適合性とを有する金属の候補の内、３１６Ｌのようなステンレス鋼合金、クロム−コバルト−モリブデン合金、Ｔｉ６Ａｌ４Ｖのようなチタン合金、ジルコニウム合金、およびこれらの少なくとも１つを含む組合せが、構造部材として用いられるのに適していることが分かっている。セラミックの具体例として、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、ジルコニア（ＺｒＯ２）、クロミア（Ｃｒ２Ｏ３）などが挙げられる。ポリマーの具体例として、超高分子量ポリエチレン（ＵＨＭＷＰＥ）、高架橋ポリエチレン（ＸＬＰＥ）などが挙げられる。繊維及び／又は粒子強化ポリマーが用いられてもよい。

医学装置が２つの構造部材を備える場合、第１及び第２構造部材が同一種類の材料から形成されることは重要ではない。しかし、厚膜を堆積する場合、ナノ組織材料が合金構造材料に被覆されることが望ましい。従って、例示的実施形態において、第１構造部材は、ナノ組織材料が表面に被覆され得るような合金構造部材である。また、図２に示されるように、表面の両方をナノ組織材料の厚膜によって被覆することも可能である。

一実施形態において、表面の片方又は両方の少なくとも一部に被覆されるナノ組織材料は、セラミック材料である。適切なセラミック組成物として、Ａｌ２Ｏ３、Ｃｒ２Ｏ３、ＺｒＯ２などのような硬質相金属酸化物；Ｃｒ３Ｃ２、ＷＣ、ＴｉＣ、ＺｒＣ、Ｂ４Ｃなどのような金属炭化物；ダイヤモンド；立方晶ＢＮ、ＴｉＮ、ＺｒＮ、ＨｆＮ、Ｓｉ３Ｎ４、ＡｌＮなどのような金属窒化物；ＴｉＢ２、ＺｒＢ２、ＬａＢ、ＬａＢ６、Ｗ２Ｂ２などのような金属硼化物；及び、これらの組成物の少なくとも１つを含む組合せが挙げられる。硬質相金属酸化物、炭化物、窒化物、及び硼化物の磨耗特性は、ヒドロキシアパタイトや他の燐酸塩基材料のような生体機能模倣材料よりも優れ、従って、好ましい。他の実施形態において、ナノ組織材料は、セラミック複合組成物である。このセラミック複合組成物は、その複合材料の全体積を基準にして、少なくとも５１体積パーセント（vol％）の前述の適切なセラミック組成物と、比較的軟質で低融点の組成物からなる結合相を含んでいる。セラミック複材料用の適切なセラミック粘結相として、ＳｉＯ２、ＣｅＯ２、Ｙ２Ｏ３、ＴｉＯ２、及びこれらのセラミック結合相組成物の少なくとも１つを含む組合せが挙げられる。他の実施形態において、ナノ組織材料は、セラミック／金属複合材料（サーメット）である。適切なサーメットとして、ＷＣ／Ｃｏ、ＴｉＣ／Ｎｉ、ＴｉＣ／Ｆｅ、Ｎｉ（Ｃｒ）／Ｃｒ３Ｃ２、ＷＣ／ＣｏＣｒ、及びこれらの少なくとも１つを含む組合せが挙げられる。このサーメットは、ＴｉＣ、ＶＣ、ＴａＣ、及びＨｆＣのような粒子成長抑止剤、又はＣｒ、Ｎｉ、Ｂ、及びＢＮのような他の添加物をさらに含んでもよい。さらに他の実施形態において、ナノ組織材料は、前述のセラミック、セラミック複合材料、又はサーメットの少なくとも１つを含む組合せである。

ナノ組織材料の平均最長粒子径は、約１ｎｍ（ナノメートル）から約１０００ｎｍの範囲内にある。一実施形態において、ナノ組織材料の平均最長粒子径は、約５００ｎｍ以下である。他の実施形態において、ナノ組織材料の平均最長粒子径は、約４００ｎｍ以下である。他の実施形態において、ナノ組織材料の平均最長粒子径は、約２５０ｎｍ以下である。さらに他の実施形態において、ナノ組織材料の平均最長粒子径は、約２００ｎｍ以下である。さらに他の実施形態において、ナノ組織材料の平均最長粒子径は、約１００ｎｍ以下である。さらに他の実施形態において、ナノ組織材料の平均最長粒子径は、約１０ｎｍ以上である。さらに他の実施形態において、ナノ組織材料の平均最長粒子径は、約２５ｎｍ以上である。

ナノ組織材料の厚膜は、どのような既知の堆積方法、例えば、溶射、化学蒸着、物理蒸着、スパッタリング、イオンメッキ、陰極アーク蒸着、原子層エピタキシー、分子ビームエピタキシー、粉体焼結、電気泳動、電気メッキ、射出成形などによって、表面に被覆されてもよい。例示的実施形態において、例えば、粉体供給材料を用いる溶射及び溶液前駆体プラズマ溶射を含む溶射技術が用いられる。溶射技術は、溶融又は半溶融状態にある材料の堆積によって、被膜が基板上に成膜される被覆プロセスを含んでいる。溶射は、爆発ガン、プラズマガン、又は高速酸素燃料（ＨＶＯＦ）ガンによって、なされるとよい。セラミックとセラミック複合材料の被膜の場合、プラズマ溶射がより好ましく、サーメット含有膜の堆積には、ＨＶＯＦがより好ましい。

ＨＶＯＦ溶射プロセスでは、噴霧乾燥プロセスによって溶射可能な供給材料を再構成するための出発材料として、ナノメートルサイズの粒子が、用いられるのが望ましい。基板は、任意選択的に、サンドブラストによって脱脂及び粗面化を行なうことによって、前処理されるとよい。ここで用いられる「基板」という用語は、ナノ組織材料の厚膜によって被覆される移植片の構造部材の表面を指している。高速炎は、燃料（例えば、プロピレン）と酸素との混合物の燃焼によって、生成される。エンタルピーと温度は、異なる燃料、異なる燃料／酸素比、及び／又は異なる全燃料／酸素流量を用いることによって、調整可能である。炎の性質は、酸素に対する燃料の比率によって、調整されるとよい。このようにして、酸素過剰、中性、又は燃料過剰な炎が生成され得ることになる。供給材料は、例えば、同軸粉体口を介して、制御された送給率で炎内に送給され、溶融され、次いで、目標とする基板に衝突し、堆積物／膜を形成する。膜厚は、被覆の回数によって、制御されるとよい。得られた膜は、任意選択的に、焼鈍工程によって、熱処理される。

プラズマ溶射プロセスでは、ナノメートルサイズの粒子が、噴霧乾燥プロセスを介して噴霧可能な供給材料を再構成するための出発材料として、用いられるとよい。基板は、任意選択的に、サンドブラストによって脱脂及び粗面化を行なうことによって、前処理されるとよい。プラズマアークは、ガスをイオン化する熱源であり、これによって、被膜材料を溶融させ、それを加工品に飛散させる。適切なガスとして、アルゴン、窒素、水素などが挙げられる。変更可能なプラズマ設定値として、電流、電圧、作動ガス、及び流量が挙げられる。他のプロセスパラメータとして、ノズル高さ、粉体送給率、及びガンの移動が挙げられる。当業者であれば、必要以上の実験を行なわなくても、最適な条件がパラメータの各々に対して見出されるだろう。膜厚は、被覆の回数に基づいて、制御されるとよい。得られた膜は、任意選択的に、焼鈍工程によって、熱処理される。

ＨＶＯＦ及びプラズマ溶射を含む溶射技術のための供給材料の前処理として、個々のナノ粒子と絶縁材料を含むミクロンメートルサイズの凝集体を生成するとよい。これらの凝集体は、好ましくは、凝集されたナノ粒子を含む実質的に球形のミクロンメートルサイズの顆粒である。個々のナノ粒子は、微細なサイズと低質量を有しているので、直接的に溶射するのは、容易ではない。ミクロンメートルサイズの顆粒を形成するようにナノ粒子を凝集することによって、適切な供給材料を生成することができる。供給材料の生成は、（例えば、超音波によって）、ナノ粒子を液体媒体内に分散する段階と、結合剤を加えて溶液を生成する段階と、溶液を噴霧乾燥し、凝集粒子を得る段階と、凝集粒子を加熱し、有機結合剤を除去し、粉体の緻密化を促進する段階とを含むとよい。

有機基液体媒体の場合、結合剤として、適切な有機溶媒に溶解された約５重量％〜約１５重量％、好ましくは、約１０重量％のパラフィンが挙げられる。適切な有機溶媒として、例えば、ヘキサン、ペンタン、トルエンなど、及びこれらの溶媒の１つ以上を含む組合せが挙げられる。水溶液媒体の場合、結合剤として、脱イオン水内に形成される、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）、他の水溶性ポリマー、又はこれらのポリマーの１つ以上を含む組合せのエマルションが挙げられる。結合剤は、全溶液の約０．５重量％〜約５重量％、好ましくは、全水溶液の約１重量％〜約１０重量％含まれるとよい。一実施形態において、結合剤はＣＭＣである。

溶液前駆体プラズマ溶射プロセスによって、数百μｍ、さらに数ｍｍ厚みに及ぶ厚膜を作製することができる。このような厚膜を堆積するために、溶液前駆体がプラズマトーチ内に送給されるとよい。

この前駆体プラズマ溶射プロセスは、本出願人に譲渡された米国特許第６，４４７，８４８号に、さらに詳細に記載されている。この特許は、その全体を参照することによって、ここに含まれるものとする。前駆体溶液から厚膜を形成する溶射プロセスには、具体的には、３つの段階、すなわち、（１）前駆体溶液を準備する段階と、（２）溶液送達システムを用いて、前駆体溶液を送達する段階と、（３）前駆体溶液を発熱反応によって固体材料に変換させる段階とが含まれる。溶液送達システムは、溶液を容器から液体噴射ノズルに送るのに用いられ、この噴射ノズルが、炎の芯を貫通するのに十分な大きさと速度を有する液滴を生成するものである。液体の流量と噴射は、制御可能である。溶液の送達は、典型的には、溶液をチャンバー内に噴霧するか、目標とする基板上に噴霧するか、又は基板に向かう炎内に噴霧する段階を含んでいる。基板は、任意選択的に、加熱されてもよい。得られた膜は、任意選択的に、焼鈍手順によって、熱処理されるとよい。

前駆体溶液は、溶媒又は溶媒の組合せに溶解された少なくとも一種の前駆体塩から生成されている。例示的な塩として、制限はされないが、アルカリ金属、アルカリ土類金属、遷移金属、希土類金属など、及びこれらの金属の１つ以上を含む組合せを含むカルボン酸塩、酢酸塩、硝酸塩、塩化物、アルコキシド塩、ブトオキシド塩など、及びこれらの塩の１つ以上を含む組合せが挙げられる。前駆体は、例えば、テトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）、テトラメトキシシラン（ＴＭＯＳ）など、及びこれらのシランの１つ以上を含む組合せのような無機シランの形態であってもよい。上記の塩が溶解され得る例示的な溶媒として、制限はされないが、水、アルコール、アセトン、メチルエチルケトン、及びこれらの溶媒の１つ以上を含む組合せが挙げられる。これらの試薬は、最終的な化合物の所望の化学量論組成に従って計量され、液体媒体に添加、及び混合される。前駆体溶液は、固体成分を溶解し、その溶液を均質化するために、加熱及び攪拌されるとよい。

適切な前駆体の水溶液反応物を用いて被覆を行うと、好都合である。ナノ組織材料の粉末を作製するのに適した装置として、ｐＨ計器、温度制御装置、加熱板、及び／又は噴霧乾燥機が装備された反応容器が挙げられる。ナノ組織複合材料の合成に適したプロセス工程は、前駆体の前処理、予備複合材料の作製、ナノ組織複合材料の生成、及び表面不動態化を含んでいる。

溶液前駆体プラズマ溶射の一実施形態において、プラズマ溶射は、特定のナノ組織を有する厚膜を生成する方法によって、行なわれるとよい。ナノ組織材料は、高密度、例えば、理論密度の約９５％よりも大きい密度を有しているとよい。

前述した微細組織を生成するのに用いられる溶液プラズマ溶射方法は、前駆体溶液の液滴を溶射炎内に噴射する段階であって、前駆体溶液の液滴の第１部分を溶射炎の熱区域内に噴射し、前駆体溶液の液滴の第２部分を溶射炎の冷区域内に噴射する段階と、第１部分の液滴を微細化し、小サイズの液滴を生成し、これらの小サイズの液滴を加熱し、熱区域内に加熱された粒子を生成する段階と、これらの加熱された粒子を熱区域において少なくとも部分的に溶融する段階と、少なくとも部分的に溶融された加熱粒子を基板に堆積する段階と、前駆体溶液の液滴の第２部分の少なくとも一部を微細化し、小液滴を生成し、これらの小液滴から非液体材料を生成する段階と、この非液体材料を基板に堆積する段階とを含んでいる。基板は、任意選択的に、予熱され、及び／又は堆積中に、所望の温度に保持されるとよい。当業者にとっては容易に理解されるように、「第１部分と第２部分」という用語は、連続する順番を示さず、単に、２つの部分を識別するために用いられている。

ナノ組織材料の厚膜を特定の構造部材に被覆する前に、表面層は、任意選択的に、酸化されてもよい。特に、構造部材が金属であるとき、この酸化された層は、金属構造部材が腐食され、かつ金属イオンを血流内に放出するのを防ぐための腐食バリアとして機能することができる。この酸化処理として、予熱、陽極酸化、硝酸浴内における不動態化などが挙げられる。

さらに、ナノ組織材料の厚膜を構造部材に被覆した後で、移植装置の特徴を特定し、及び／又は実装する前に、任意選択的に、厚膜にさらに他の処理、例えば、摩擦係数及び／又は表面粗さを調整するための薄削り、研削、及び／又は研摩のような処理、及びプラズマ処理、殺菌などの処理を行なうことができる。厚膜に付加的な機能又は所望の特性をもたらすために、付加的な層が追加されてもよい。しかし、具体的な一実施形態において、被覆された構造部材は、そのままで、すなわち、研削又はさらに他の処理を行なわずに、用いられる。さらに他の具体的な実施形態において、堆積されたままの厚膜は、必要に応じて、薄削り又は研磨されるが、さらに他の処理、例えば、被膜と基板との間の結合を高めるための水和処理、さらなる被覆、圧密などの処理は行なわれない。このような実施形態では、付加的な処理工程をなくすことによって、医学装置をさらに経済的に作製することができる。

堆積される厚膜の厚みは、一般的に、約２５μｍ以上である。一実施形態において、厚い被膜の平均厚みは、約５０μｍ以上である。他の実施形態において、厚膜の平均厚みは、約１００μｍ以上である。さらに他の実施形態において、厚膜は、約３ｍｍ以下である。より厚い被膜（特に、約５０μ以上、さらに好ましくは、約１００μｍ以上の被膜）は、支持部材の材料が擦過傷及び磨耗の影響を受けるのを良好に保護し、及び／又は表面間の相互作用間の粒子（特に微粒子の破片）の離脱を少なくするので、有利であるということが明らかである。これによって、著しく寿命が延長される移植片が得られることになる。例えば、約５０μｍ以上の平均厚みを有する被膜は、約２５μｍよりも大きい平均厚みを有する被膜よりも寿命が長いことが、予期される。さらに、約１００μｍ以上の平均厚みを有する被膜は、約５０μｍよりも大きい平均厚みを有する被膜よりも寿命が長いことが、予期される。従って、開業医は、臨床的な設定において、約２５μｍ以上の厚みを有する被膜を備える医学装置よりも、約５０μｍ以上の厚みを有する被膜を備える医学装置を、優先的に用いるだろう。

ナノ組織材料の被膜は、一般的に、理論密度の約８０％以上の密度を有している。一実施形態において、被膜の密度は、理論密度の約８５％以上である。他の実施形態において、被膜の密度は、理論密度の約８５％以上である。他の実施形態において、被膜の密度は、理論密度の約９０％以上である。さらに他の実施形態において、被膜の密度は、理論密度の約９５％以上である。ナノ組織材料内において、そこに存在する細孔は、一般的に、約５０μｍ以下の平均最長寸法を有している。一実施形態において、ナノ組織材料内の細孔の平均最長寸法は、約１０μｍ以下である。他の実施形態において、ナノ組織材料内の細孔の平均最長寸法は、約１μｍ以下である。

ナノ組織材料の被膜は、一般的に、約３５０ｋｇ／ｍｍ２以上の断面硬度（すなわち、ビッカース硬度）を有している。一実施形態において、被膜の硬度は、約５００ｋｇ／ｍｍ２以上である。他の実施形態において、被膜の硬度は、約７５０ｋｇ／ｍｍ２以上である。さらに他の実施形態において、被膜の硬度は、約１０００ｋｇ／ｍｍ２以上である。被膜の硬度は、約８，０００ｋｇ／ｍｍ２にまで増大させることができる。

前述したような医学装置は、当業者に知られているような一般的な目的に従って、用いることができる。例えば、人工移植片は、患者（動物又は人）内に、外科的に移植されるものである。

この開示を、以下の非制限的な実施例によって、さらに説明する。

これらの実施例において、いくつかの技術を用いて、生成物の解明を行なった。各生成物の相は、粉末Ｘ線回折（ＸＲＤ）によって、識別した。表面及び断面の微細組織は、ＪＥＯＬ（日本電子）製電子顕微鏡（モデルＪＳＭ−８４０Ａ）を用いる走査電子顕微検査（ＳＥＭ）によって、評価した。平坦部の被膜の平均表面粗さは、０．０１μｍの精度を有するミツトヨ製表面粗さ試験機（ＳＪ−２０１Ｐ）によって、評価した。被膜の結晶組織と粒子径は、透過電子顕微鏡検査（ＴＥＭ）によって、観察した。被膜の断面硬度は、ビッカース硬さ試験器（モデルＭ−４００−Ｇ２）を用いて、３００ｇ、１ｋｇ、及び２ｋｇの荷重下で測定した。被膜の靭性は、圧痕によって生じた亀裂長さから、ＫＩＣ＝０．０１６（Ｅ／Ｈ）１／２（Ｐ／Ｃ３／２）の式（但し、Ｅ：ヤング率、Ｈ：断面硬度、Ｐ：負荷、及びＣ：亀裂距離の半分）に基づいて、パルムクビスト（Palmqvist) 技法によって、決定した。

被膜の摩擦係数は、「ピン−オン−ディスク装置による磨耗試験のための標準試験方法」という表題のＡＳＴＭ規格Ｇ９９−９５Ａに基づいて、磨耗データから評価した。ピン−オン−ディスク機には、０．００１ｍＶの精度を有するデジタルマルチメータが装備されている。このデジタル信号をコンピュータに入力し、データを記録した。ゼロ点移動と他のシステム誤差は、Ｖ摩擦＝Ｖ回転−Ｖ基準の公式に基づいて、推測した。この公式で、Ｖ摩擦は、摩擦力によってロードセルに生じる電圧であり、Ｖ回転は、ディスクを時計方向に回転させて、（ピン（試料）にディスクと接触させるための荷重を垂直に加え）、システムを作動させたときのロードセルの全電圧値であり、Ｖ基準は、ディスクを停止させ、重量を取り外したときのロードセルの電圧値である。Ｖ基準は、摩擦力のないシステムの基準であり、システム誤差を反映する。用いたピン及びディスク、それぞれ、平坦面を有し、かつ３．８１ｍｍ及び３１．７５ｍｍの直径を有するセラミックが被覆された３０４ステンレス鋼合金材である。潤滑剤として、脱イオンされた水に３３体積％（vol%）の牛の血清（ＭＰバイオメディカルズ社）が含まれた溶液を用いた。試験は、室温において、潤滑剤中で４０ニュートン（N）の負荷を加え、ディスクを２４０ｒｐｍで回転させて、行なった。

セラミック被膜の滑り磨耗率は、「ピン−オン−ディスク装置による磨耗試験のための標準試験方法」という表題のＡＳＴＭ規格Ｇ９９−９５Ａに基づいて、求められたものである。「直線状往復磨耗運動を行なう全関節プロセスに用いられるポリマー材料のためのピン−オン−ディスク磨耗試験」という表題のＡＳＴＭ規格Ｆ７３２−９８と比較して、低接触圧の３．５１ＭＰａは、後者の３．５５ＭＰａと同様であり、走行速度の１１１．６ｍｍ／ｓは、後者の５０．８ｍｍ／ｓの２倍である。ピンは、３．８１ｍｍの直径を有する平坦な表面を有し、ディスクの回転速度は２４０ｒｐｍ、軌道半径は０．３５インチ（８．８９ｍｍ）、及び垂直力は４０Ｎである。また、温度は室温とし、及び潤滑剤は３３vol%の牛血清とした。１２〜１６ＭＰａの範囲の高圧下での磨耗評価のために、リング−オン−ディスク試験は、「高純度アルミナに基づく外科用セラミック材料用の移植片」という表題のＩＳＯ６４７４に基づいて、行なわれた。磨耗率は、ピン−オン−ディスク試験における被膜の重量損失と被膜密度によって、計算されたものである。リング−オン−ディスク試験における磨耗体積は、表面形状測定装置を用いて磨耗の軌道深さと幅を測定することによって、計算されたものである。極超電子秤を用いて、重量損失を１０μｇ以内の精度で決定した。解析は、「シミュレータ装置で人工股関節設計の磨耗の量を評価するためのガイド」という表題のＡＳＴＭ規格Ｆ１７１４−９７を用いて、行なわれた。試料への蒸気の凝縮の誤差をなくすために、試料は室温において真空乾燥され、乾燥窒素によって密封されたものである。少なくとも４つの計量データは、データごとに記録されたものである。計量手順は、乾燥窒素環境内で行なわれた。試験室は、相対湿度３５％の除湿器と組合わされた空調装置を用いて、その環境が制御された。

引張結合強さは、「フレーム溶射された被膜の密着又は結合強さのための試験方法」という表題のＡＳＴＭ規格Ｃ６３３−７９（１９９９年に再承認）に基づいて、測定されたものである。せん断結合強さは、「燐酸カルシウム被膜と金属被膜のせん断試験」という表題のＡＳＴＭ規格Ｆ１０４４−９９に基づいて、測定されたものである。機器は、カリフォルニア州のユナイテッド・キャリブレーション（United Calibration）社によって製造される標準的な引張強度試験機（モデルＤＨ−１０）である。各試験片の被覆されていない側は、各結合強さ試験の前に、３０＃のアルミナ粒を用いて、サンドブラストされたものである。これらの試験に用いた接着剤は、１２，０００ｐｓｉの最大引張強度を有する接着剤膜（ＦＭ１０００）である。平均的な結合強さを得るために、６つの試料を試験した。金属片と試験片は、被覆方向と直交する方向に加えられる負荷を保持する特別のホルダーに固定されている。一定の負荷が、較正した高温バネを用いて、被膜とその被膜を試験するのに用いる対向する装置との間に、加えられた。得られた応力は、０．１３８メガパスカル（ＭＰａ）、すなわち、約２０ｐｓｉであった。結合強さ試験は、一定のクロスヘッド速度（試験速度）である０．１２ｃｍ／ｍｉｎで、行なわれた。破断負荷と破断表面は記録された。

「厚いクロミアが被覆されたＴｉ６Ａｌ４Ｖ大腿骨頭」
クロミア供給材料の組成物は、５重量％のＳｉＯ２と３重量％のＴｉＯ２を含み、残部がＣｒ２Ｏ３である。原料である粉末材料の平均粒子径は、Ｃｒ２Ｏ３とＳｉＯ２が約５０ｎｍで、ＴｉＯ２が約３０ｎｍである。最初に、１：２の粉末と水の比率で供給材料の組成物を含むスラリーを準備した。この供給材料の組成物を、入口温度が４４６°Ｆで、出口温度が１０５℃で、回転速度が２５，０００ｒｐｍの１６フィート（４８０センチ）長さの工業用噴霧乾燥機を用いて、噴霧乾燥した。噴霧乾燥した供給材料の組成物を、空気中で１０００℃未満の温度で加熱することによって、部分的に焼結し、これに続いて、水素中において約１０００℃〜１８００℃の温度で加熱し、ナノ粒子を溶射に適したミクロンメートルサイズの粒子に凝集させた。約２０〜５０ｎｍの個々の粒子含む供給材料を、約５〜１００μｍの溶射可能な凝集体に凝集させた。

上記の供給材料を、ＧＭ−ファナック（Fanuc）社製の６軸ロボットと、２軸試料台と、制御コンソールとが装備されたプラズマ溶射システム（メテコ（Metco）９ＭＢ）を用いて、プラズマ溶射した。Ｔｉ６Ａｌ４Ｖ合金基板（大腿骨頭）に生じ得る熱損傷と被膜の微小亀裂を避けるために、特別の空冷ジェットシステムを用いて、溶射処理中に基板温度を低下させた。金属基板部を、３０粒度のアルミナ粒を用いて、サンドブラストした。サンドブラストの後、基板の金属表面の予備酸化を、プラズマ炎による加熱、陽極酸化、又は硝酸への浸漬によって、行なった。サンドブラストされた基板の表面粗さを、ミツトヨ製表面形状測定装置（ＳＪ２０１Ｐ）を用いて、監視した。プラズマ溶射の最適化されたパラメータは、プラズマガス：Ｈ２／Ａｒ、ガス圧：７５ｐｓｉ、ガスの流量：５０ｓｃｆｈ（標準状態で換算した立方フィート／時）、渦流ガスの流量：１０ｓｃｆｈ、アーク電流：６００ａｍｐ、アーク電圧：７０ボルト、ノズル形式：３１０、溶射率：５ポンド／時、溶射距離：２．５インチ、噴流：ＰＳＡ（圧力振動吸着）空気ジェット、空気圧：３５ｐｓｉ、交差部分の長さ：３．５インチ、粉体口：形式ＩＩ、周速：４５０ｓｆｐｍ（フィート／分)、キャリアガスの流量：３０ｓｃｆｈ、及び被膜の厚さ：２００μｍである。被膜厚みは、膜厚計測器（チェック−ライン（Check-Line）（登録商標）２０００）によって、０．１μｍの誤差内で測定した。

セラミック被覆された大腿骨頭を、コンピュータ数値制御（ＣＮＣ）研削／研磨機を用いて、研削及び研摩した。研削には、ビューラ（Buehler）社製ラッピング油又は同様の冷媒を用いた。研削工程は、１）４００粒度のダイヤモンド砥石を用いて、研削する工程、２）１５分間、２５０ｓｆｐｍ（１．２７ｍ／ｓ）で、６μｍダイヤモンド複合材料を用いて、ラッピングする工程、３）１０分間、２５０ｓｆｐｍ（１．２７ｍ／ｓ）で、１μｍダイヤモンド複合材料を用いて、ラッピングする工程、及び４）５分間、４００ｓｆｐｍ（２．０３ｍ／ｓ）で、０．５μｍダイヤモンド複合材料を用いて、ラッピングする工程を含む。研削の後、ＦＤＡ（米国食品医薬品局）規格に基づく約０．０１〜０．０２μｍの平均表面粗さ（Ｒａ）を得るために、精密研磨工程を行なった。

被膜の厚みと微細組織を、走査電子顕微鏡検査と透過電子顕微鏡検査によって、観察した。図３は、最終仕上げ工程の後、被膜厚みが約１００μｍであることを示している。被膜の上面は、図４に示されるように、潤滑剤溜め用の５体積％の微細孔を有している。厚いＣｒ２Ｏ３被膜の粒子径は、図５に示されるように、約５０ｎｍである。被膜の他の組成物（ＴｉＯ２とＳｉＯ２）は、粒子境界に位置する非晶質であり、ＴＥＭ（透過電子顕微鏡）の明視野顕微鏡写真では観察するのが困難である。しかし、この非晶質相は、選択された領域の電子回折と暗視野対比解析によって、識別された。ＰＸＲＤ（粉末Ｘ線回折）では、菱面体晶Ｃｒ２Ｏ３相のみが観察された。

被膜は、９５％よりも大きい密度と、約４０ＭＰａよりも大きい引張結合強さと、１００ＭＰａのせん断結合強さとを示した。被膜は、その被膜を意図的に金属基板の表面まで研削した後でも剥離が生じない程度に、基板と結合していた。Ｃｒ２Ｏ３被膜は、１２５０ｋｇ／ｍｍ２の硬度と、１３．３ＭＰａ／ｍ１／２の破断靭性とを有していた。被膜面の粗さがＲａ＝０．０３〜０．０５μｍである安定範囲内で磨耗が進んでいるとき、摩擦係数は、ｆ＝０．０２５であった。従って、ナノ組織Ｃｒ２Ｏ３は、整形外科移植片に用いられる良好な候補である。

［比較例］
実施例１によって準備したクロミアによって被覆されたＴｉ６Ａｌ４Ｖの大腿骨頭を、市販のＵＨＭＷＰＥ（超高分子量ポリエチレン）とＣｏ−Ｃｒ−Ｍｏ合金の組からなる膝関節及びポリマーとセラミック被覆された金属の組からなる膝関節と、比較した。表１に示されるように、これらの市販の製品を上回る著しい改良が得られた。

体積磨耗率から変換された線磨耗率で比較すると、Ｃｒ２Ｏ３被膜とＣｒ２Ｏ３被膜の組は、０．６７μｍ／年の線磨耗率を有し、これは、ＵＨＭＷＰＥとＣｏＣｒＭｏの組からなる膝関節の１７０μｍ／年及び最新のＵＨＭＷＰＥとＺｒＯ２の組からなる膝関節の１３０μｍよりも約２００倍低い。この磨耗率は、最も良好な市販のバルクＡｌ２Ｏ３とＡｌ２Ｏ３の組（バイオロックス（Biolox）（登録商標）フォルテ）及びバルクＺｒＯ２とＺｒＯ２の組（ジオロックス（Ziolox）（登録商標）フォルテ）の間である。なお、ＵＨＭＷＰＥとＣｏＣｒＭｏの組のリング−オン−ディスクの比較データは、ＩＳＯ６４７４に基づく方法がセラミックとセラミックの組の磨耗に対してのみ規定されているので、採取していない。

以上、この開示を、例示的実施形態を参照して、説明したが、当業者であれば、この開示の範囲内から逸脱することなく、種々の変更がなされてもよく、この開示における要素が等価物と置き換えられてもよいことが、理解されるだろう。加えて、この開示の本質的な範囲から逸脱することなく、この開示の示唆に対して特別の配置又は特別の材料を適合させる多くの修正形態がなされてもよい。従って、この開示は、それを実施するための最良の形態として開示された具体的な実施形態に制限されず、添付の請求項の範囲内に含まれる全ての実施形態を包含することが意図されている。

人工股関節移植片を示す図である。 人工膝関節移植片を示す図である。 大腿骨頭の負荷支持表面に堆積されたクロミア被膜の厚みを示す走査電子顕微鏡写真である。 大腿骨頭の負荷支持表面に堆積されたクロミア被膜の表面の微細組織を示す走査電子顕微鏡写真である。 大腿骨頭の負荷支持表面に堆積されたクロミア被膜の粒子径を示す透過電子顕微鏡写真である。

符号の説明

１０ 人工股関節移植片
１２ 寛骨臼ソケット
１４ 大腿骨頭
１６ 凹状開口
１８ 被膜
２０ 膝関節移植片
２２ 大腿顆
２４ 頸骨
２６ 被膜
２８ 被膜

Claims (52)

1. 表面を有する構造部材を備える医学装置において、前記表面の少なくとも一部は、少なくとも約２５ミクロンメートルの厚みのナノ組織材料によって被覆され、前記ナノ組織材料は、セラミック、セラミック複合材料、セラミック／金属複合材料、又はこれらの少なくとも１つを含む組合せを備えていることを特徴とする医学装置。
2. 人工移植片であることを特徴とする請求項１に記載の医学装置。
3. 前記人工移植片は、関節式継手又は柔軟性ヒンジ継手の少なくとも一部を備えていることを特徴とする請求項２に記載の医学装置。
4. 前記関節式継手は、膝、腰、肘、足首、脊椎、肩、又は手首の関節の部分的置換又は完全置換に用いられていることを特徴とする請求項３に記載の医学装置。
5. 前記柔軟性ヒンジ継手は、シラスティク関節又はＭＰ関節の部分的置換又は完全置換に用いられていることを特徴とする請求項３に記載の医学装置。
6. 前記構造部材は、合金、セラミック、又はポリマーから形成されていることを特徴とする請求項１に記載の医学装置。
7. 前記合金構造部材は、ステンレス鋼合金、チタン合金、ジルコニウム合金、コバルト−クロム−モリブデン合金、又はこれらの合金の少なくとも１つを含む組合せであることを特徴とする請求項６に記載の医学装置。
8. 前記セラミック構造部材は、アルミナ、ジルコニア、チタニア、クロミア、又はこれらのセラミックの少なくとも１つを含む組合せであることを特徴とする請求項６に記載の医学装置。
9. 前記ポリマー構造部材は、超高分子量ポリエチレンであることを特徴とする請求項６に記載の医学装置。
10. 前記ポリマー構造部材は、繊維、微粒子、又はこれらの少なくとも１つを含む組合せによって補強されていることを特徴とする請求項６に記載の医学装置。
11. 前記表面は、負荷支持表面であることを特徴とする請求項１に記載の医学装置。
12. 前記合金構造部材の前記表面と前記ナノ組織材料との間に配置される酸化された層をさらに備えていることを特徴とする請求項６に記載の医学装置。
13. 前記ナノ組織セラミック材料は、硬質相金属酸化物、金属炭化物、ダイヤモンド、金属窒化物、金属硼化物、又はこれらの少なくとも１つを含む組合せであることを特徴とする請求項１に記載の医学装置。
14. 前記ナノ組織セラミック複合材料は、前記セラミック複合材料の全体積に基づいて、少なくとも５１体積％の硬質相セラミック材料と、結合剤相とを含み、前記結合剤相は、ＳｉＯ２、ＣｅＯ２、Ｙ２Ｏ３、ＴｉＯ２、又はこれらの少なくとも１つを含む組合せを含んでいることを特徴とする請求項１に記載の医学装置。
15. 前記ナノ組織セラミック／金属複合材料は、ＷＣ／Ｃｏ、ＴｉＣ／Ｎｉ、ＴｉＣ／Ｆｅ、Ｎｉ（Ｃｒ）／Ｃｒ３Ｃ２、ＷＣ／ＣｏＣｒ、又はこれらの少なくとも１つを含む組合せを含んでいることを特徴とする請求項１に記載の医学装置。
16. 前記ナノ組織セラミック／金属複合材料は、ＴｉＣ、ＶＣ、ＴａＣ、ＨｆＣ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｂ、ＢＮ、又は前述の少なくとも１つの組合せをさらに含んでいることを特徴とする請求項１５に記載の医学装置。
17. 前記ナノ組織材料は、約５００ナノメートル以下の平均最長粒子径を有していることを特徴とする請求項１に記載の医学装置。
18. 前記ナノ組織材料は、約１００ナノメートル以下の平均最長粒子径を有していることを特徴とする請求項１に記載の医学装置。
19. 前記ナノ組織材料の厚みは、約３ミリメートル以下であることを特徴とする請求項１に記載の医学装置。
20. 第１表面を有する第１構造部材と第２表面を有する第２構造部材を備える医学装置において、前記第１及び第２表面の片方又は両方の少なくとも一部は、少なくとも約２５ミクロンメートルの厚みのナノ組織材料によって被覆されていることを特徴とする医学装置。
21. 前記第１及び第２表面の片方又は両方は、負荷支持表面であることを特徴とする請求項２０に記載の医学装置。
22. 関節式継手又は柔軟性ヒンジ継手であることを特徴とする請求項２０に記載の医学装置。
23. 前記関節式継手は、膝、腰、肘、足首、脊椎、肩、又は手首の関節の部分的置換又は完全置換に用いられていることを特徴とする請求項２２に記載の医学装置。
24. 前記柔軟性ヒンジ継手は、シラスティク関節又はＭＰ関節の部分的置換又は完全置換に用いられていることを特徴とする請求項２２に記載の医学装置。
25. 前記第１及び第２構造部材の片方又は両方は、合金、セラミック、ポリマー、又は軟骨から形成されていることを特徴とする請求項２０に記載の医学装置。
26. 前記合金は、ステンレス鋼合金、チタン合金、ジルコニウム合金、コバルト−クロム−モリブデン合金、又はこれらの合金の少なくとも１つを含む組合せであることを特徴とする請求項２５に記載の医学装置。
27. 前記セラミックは、アルミナ、ジルコニア、チタニア、クロミア、又はこれらのセラミックの少なくとも１つを含む組合せであることを特徴とする請求項２５に記載の医学装置。
28. 前記ポリマーは、超高分子量ポリエチレンであることを特徴とする請求項２５に記載の医学装置。
29. 前記ポリマーは、繊維、微粒子、又はこれらの少なくとも１つを含む組合せによって補強されていることを特徴とする請求項２５に記載の医学装置。
30. 前記第１及び第２表面は、旋回自在に係合可能であることを特徴とする請求項２０に記載の医学装置。
31. 前記ナノ組織材料は、セラミック、セラミック複合材料、セラミック／金属複合材料、又はこれらの少なくとも１つを含む組合せであることを特徴とする請求項２０に記載の医学装置。
32. 前記セラミックは、硬質相金属酸化物、金属炭化物、ダイヤモンド、金属窒化物、金属硼化物、又はこれらの少なくとも１つを含む組合せであることを特徴とする請求項３１に記載の医学装置。
33. 前記セラミック複合材料は、前記セラミック複合材料の全体積に基づいて、少なくとも５１体積％の硬質相セラミック材料と、結合剤相とを含み、前記結合剤相は、ＳｉＯ２、ＣｅＯ２、Ｙ２Ｏ３、ＴｉＯ２、又はこれらの少なくとも１つを含む組合せを含んでいることを特徴とする請求項３１に記載の医学装置。
34. 前記セラミック／金属複合材料は、ＷＣ／Ｃｏ、ＴｉＣ／Ｎｉ、ＴｉＣ／Ｆｅ、Ｎｉ（Ｃｒ）／Ｃｒ３Ｃ２、ＷＣ／ＣｏＣｒ、又はこれらの少なくとも１つを含む組合せを含んでいることを特徴とする請求項３１に記載の医学装置。
35. 前記ナノ組織材料は、約５００ナノメートル以下の平均最長粒子径を有していることを特徴とする請求項２０に記載の医学装置。
36. 前記ナノ組織材料は、約１００ナノメートル以下の平均最長粒子径を有していることを特徴とする請求項２０に記載の医学装置。
37. 前記ナノ組織材料の厚みは、約３ミリメートル以下であることを特徴とする請求項２０に記載の医学装置。
38. 表面を有する構造部材を備える医学装置を外科的に移植する段階を含む方法において、前記表面の少なくとも一部は、少なくとも約２５ミクロンメートルの厚みのナノ組織材料によって被覆され、前記ナノ組織材料は、セラミック、セラミック複合材料、セラミック／金属複合材料、又はこれらの少なくとも１つを含むことを特徴とする方法。
39. 前記医学装置は、関節式継手又は柔軟性ヒンジ継手の少なくとも一部を備えていることを特徴とする請求項３８に記載の方法。
40. 前記関節式継手は、膝、腰、肘、足首、脊椎、肩、又は手首の関節の部分的置換又は完全置換に用いられることを特徴とする請求項３９に記載の方法。
41. 前記柔軟性ヒンジ継手は、シラスティク関節又はＭＰ関節の部分的置換又は完全置換に用いられることを特徴とする請求項３９に記載の方法。
42. 医学装置を作製する方法において、前記医学装置の少なくとも１つの表面を少なくとも約２５ミクロンメートルの厚みを有するナノ組織材料の膜によって被覆する段階を含むことを特徴とする方法。
43. 前記少なくとも１つの表面は、ステンレス鋼合金、チタン合金、ジルコニウム合金、コバルト−クロム−モリブデン合金、又はこれらの合金の少なくとも１つを含む組合せを含む合金から形成されることを特徴とする請求項４２に記載の方法。
44. どのような腐食又は金属イオンの血流内への離脱をも減少させるのに効果的な腐食バリアをもたらすために、被覆の前に、前記合金表面の層を酸化する段階をさらに含む請求項４３に記載の方法。
45. 酸化は、加熱、陽極酸化、不動態化、又はこれらの少なくとも１つを含む組合せを含むことを特徴とする請求項４４に記載の方法。
46. 被覆は、溶射、化学蒸着、物理蒸着、スパッタリング、イオンメッキ、陰極アーク蒸着、原子層エピタキシー、分子ビームエピタキシー、粉末焼結、電気泳動、電気メッキ、射出成形、又はこれらの少なくとも１つを含む組合せを含むことを特徴とする請求項４２に記載の方法。
47. 前記膜を焼鈍する段階をさらに含むことを特徴とする請求項４２に記載の方法。
48. 前記膜を研削する段階をさらに含むことを特徴とする請求項４２に記載の方法。
49. 前記膜を研摩する段階をさらに含むことを特徴とする請求項４２に記載の方法。
50. 前記ナノ組織材料は、約５００ナノメートル以下の平均最長粒子径を有することを特徴とする請求項４２に記載の方法。
51. 前記ナノ組織材料は、セラミック、セラミック複合材料、セラミック／金属複合材料、又はこれらの少なくとも１つを含む組合せであることを特徴とする請求項４２に記載の方法。
52. 前記膜は、約３ミリメートル以下の厚みを有することを特徴とする請求項４２に記載の方法。