JP2008504104A - 生物医学的インプラント用多孔性コーティング - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な方法で整形外科用インプラントに塗布できる微視的に粗い外側コーティングを備えた医療装置を提供する。
【解決手段】医療インプラントは、インプラントを動物の組織に結合するのに役立つ微視的に粗い外側コーティングを有する。そのコーティングは、物理蒸着法によってインプラントに塗布される。コーティングは、好ましくは、概して斜方の被覆剤、または、低エネルギーの被覆剤、を介して塗布される。いくつかの実施の形態では、コーティングは孔を有する。孔は、薬剤を含むことができ、薬剤はある時間に亘って拡散することができる。コーティングは、インプラントを腐食から保護するために、部分的に無孔性であってよい。コーティングは、動物の組織に容易に結合できる外側の多孔性層を有していてよい。
【選択図】図６

Description

開示の内容

〔関連出願に対するクロス−リファレンス〕
本出願は、２００４年６月２８日に出願された米国仮特許出願第６０／５８３，４１６号に基づく優先権を主張し、上記米国仮特許出願の開示内容は、その全体が、任意のおよびすべての目的で、参照することによって本明細書に組み込まれる。

〔技術分野〕
本発明は、医療装置に関する。

〔背景〕
人工膝関節および人工股関節のような整形外科用インプラントは、毎年、数百万人の生活の質を改善するために特に重要である。人々が年を取るにつれて、そのようなインプラントの必要性が増え続けるであろう。それらの装置の重要な特性は、どの位良好に体の骨および組織がそれらの装置に結合できるかということである。

インプラントの骨への付着を促進するための当該分野で知られた一つの方法は、ハイドロキシアパタイトをインプラントの表面にプラズマ溶射法を用いて塗布するものである。ハイドロキシアパタイトは、骨が付着する天然材料である。しかし、この方法は、高価であり、ハイドロキシアパタイトは、脆く、インプラントの滑らかな表面に接着させるのが困難である。

開放多孔性構造が、植え込まれた材料への天然組織の付着を促進できることも知られている。タンタルは、そのような適用に選択されることが多く、その理由は、タンタルが耐腐食性および生体適合性が非常に高いからである。多孔性タンタルは、整形外科用装置の要素として用いることができ、または、整形外科用装置全体が多孔性タンタルで作られることがある。これは、米国特許第５，２８２，８６１号、同第５，６６９，９０９号、同第５，９８４，９６７号、同第６，６４５，２０６号、同第６，６１３，０９１号、および、同第６，３７５，６５５号、の主題である。多孔性タンタルは、タンタル粉末を適切な条件の下で焼結することによって作られることが、当該分野では知られている。ガラス質炭素基質（vitreous carbon matrix）をタンタルで満たすために化学蒸着法を用いるなどの、多孔性タンタルを製造する別の方法も、知られている。

しかし、タンタルは、比較的柔らかく延性の金属であり、全体が多孔性タンタルで作られたインプラントは、例えば、股関節または膝関節の高い圧力が加えられる部分に用いるためには十分に強くないであろう。機械的な強度を必要とする適用では、コバルト、クロム、ニッケル、および、チタン、を含む合金、ならびに、ステンレス鋼のようなその他の材料、が用いられることが多い。そのような場合、天然組織の結合を援助するために多孔性の表面層を生み出すことが望ましい。多孔性タンタル層をそのような材料に付着させるには、いくつかの段階が必要である。これは、米国特許第６，０６３，４４２号の主題であり、この米国特許は、多孔性材料を基板に固定して、多孔性材料および基板を結合するために化学蒸着法を用いる方法を記載している。しかし、この方法のコストに加えて、９２５℃程度の高さの処理温度が必要とされる。このような高い温度は、多くの合金の機械的な特性を変える可能性がある。さらに、多孔性材料の層を、整形外科用装置に用いられている複雑な形状に固定することは、困難である。

最近、約１００ナノメートル（ｎｍ）の寸法の小さい表面特徴部が骨細胞の金属への付着を促進できることが見出された（「ナノ隆起で強化されたインプラント（Nanobumps Enhance Implants）」、アール・アンド・ディー・マガジン（R&D Magazine）、２００４年１月、４６頁）。数十ナノメートルから数百ナノメートルまでの寸法の表面特徴部は、天然の骨のきめによく似ていて、組織の成長を促進するのに必要なたんぱくの寸法と同等でもある。これらの特徴部の正確な形状は、それらの特徴部の有用性にとって特に重要ということはなく、特徴部は規則的なまたは不規則な形状であってよいことが確信されている。

したがって、必要とされているものは、簡単な方法で整形外科用インプラントに直接塗布できる数十ナノメートルから数百ナノメートル程度の表面粗さを有するコーティングである。

〔概要〕
本発明は、簡単な方法で整形外科用インプラントに塗布（applied）できる微視的に粗い外側コーティングを有する医療装置を指向している。

本発明に基づく医療装置は、インプラントと、物理蒸着法によってインプラントに塗布される生物医学的に適合性の微視的に粗いコーティングと、を含むことができる。

そのコーティングは、インプラントと動物の組織との間の結合層として役立つように構成されている。コーティングは、好ましくは、１０ｎｍと１０００ｎｍとの間の寸法を備えた表面特徴部を有する。これらの特徴部は、寸法が異なっていてよい。コーティングは、タンタル、窒化チタン、チタン、モリブデン、クロム、および、ジルコニウム、からなる群のうちの一つを含んでいてよい。好ましくは、コーティングは、０．１μｍと１０μｍとの間の厚みを有している。好ましい実施の形態では、コーティングは孔を有している。薬剤が孔内に存在していてもよい。

本発明に基づく医療装置は、第２のコーティングを有することができる。第２のコーティングは、インプラントに直接塗布することができ、微視的に粗い、好ましくは多孔性のコーティングが、第２のコーティングの上に塗布されてよい。必要な場合には、第２のコーティングは、インプラントを腐食から保護し、無孔性である。

物理蒸着法は、スパッタリング、カソードアーク蒸着法（cathodic arc deposition）、および、熱蒸着法、からなる群の一つを含む。コーティングは、好ましくは、概して傾方の被覆剤（coating flux）および低エネルギーの被覆剤のうちの一つを介してインプラントに塗布される。コーティングを生物医学的インプラントの表面に堆積させる方法は、
少なくとも一つのスパッタリングターゲットを収容したスパッタコーティングシステム内のガスの背景圧力を維持する段階と、
スパッタリングを起こすためにターゲットに電圧を加える段階と、
インプラントの表面に微視的に粗いコーティングを生み出すために、ある時間に亘ってスパッタリングを行う段階と、
を具備する。

本発明の、上記のおよびその他の、特徴、態様、および、利点、は、以下の説明、添付の特許請求の範囲、および、付随する図面、に関して、より良好に理解されるようになるはずである。

〔説明〕
本発明は、生物医学的インプラントに良好に接着し天然の組織および骨への接着性を改良する微視的に粗い外側コーティングを有する医療装置を指向している。「微視的に粗い」は、数十ナノメートルから数百ナノメートル程度の寸法の、以下に限定されないが、孔、隆起、へこみ、または、それらの組み合わせ、などを含む表面の特徴部を有することを意味する。これらの特徴部は、走査電子顕微鏡を用いて観察できる。

コーティングは、好ましくは、スパッタリング、カソードアーク蒸着法、熱蒸着法、のような物理蒸着法によって配置される。場合によっては、コーティングは、炎症を防ぐため、組織の成長を促進するため、というようなさまざまな目的のために意図された材料を注入されていてもよい。

タンタルは、生物医学的に適合性であり、耐腐食性であり、そのことがタンタルを本出願での微視的に粗いコーティング用の魅力的な材料にしているが、以下に限定されないが、チタン、窒化チタン、モリブデン、ニオブ、クロム、などのその他の材料が用いられてもよい。

物理蒸着法の分野では、低い相同コーティング温度（ケルビン温度で表されたコーティング材料の溶融点に対する基板の温度の比）は、微視的に粗い多孔性コーティングを結果としてもたらすことが多いことがよく知られている。しかし、コーティングの不十分な接着性も、これらのコーティング条件の結果としてもたらされることが多い。それにもかかわらず、出願人らは、適正な条件の下で堆積された粗い多孔性コーティングが、許容できない剥離を伴わずに生物医学的インプラントで用いられる種類の材料に接着できることを、予期せずに見出した。

数多くの実験が、堆積条件およびシステムの幾何学的形状が、結果としてもたらされるコーティングの構造へ及ぼす影響、を調べるために行われてきた。すべての場合で、本明細書では「基板」と呼ばれることもあるインプラント材料が、超音波槽中で温かい水性洗剤によって洗浄された。３．７９Ｌ（１ガロン）の水につき２２６．８０ｇ（０．５ポンド）に希釈されたクレスト２７０クリーナー（Crest 270 Cleaner）（クレスト・ウルトラソニクス・インコーポレイテッド（Crest Ultrasonics, Inc.））が、５５℃の温度で用いられた。この超音波洗剤洗浄は１０分間に亘って行われた。次に、基板は、２分間に亘って、超音波攪拌された水道水中ですすがれ、そして、２分間に亘って、超音波攪拌された脱イオン水中ですすがれた。基板は、次に、窒素で乾燥され、さらに暖かい空気で乾燥された。基板が洗浄された方法は、非常に重要であることが分かった。基板が、アセトンおよびイソプロピルアルコール中で超音波洗浄された場合、残留物が基板表面に見られることがあり、その残留物が不十分な接着性を結果としてもたらす。

従来の洗浄に加えて、コーティングプロセスの一体的な部分として、プラズマ洗浄を用いることが可能である。この場合には、基板をスパッタ洗浄してどのような残留汚染物をも除去するために、最初に高い電圧が基板に加えられてよい。最初の高電圧は、好ましくは、約１００ボルトから約６００ボルトまでの間であり、好ましくは、約２０分間に亘って加えられる。この洗浄は、堆積源を外した状態で行われてよく、または、堆積の最初のステージで実行されてよい。そのような洗浄の時間は、１分未満から数分までであってよい。第２のより低い電圧が、好ましくは、約１時間から約５時間までの時間に亘って、加えられてよい。

参照することによって本明細書に組み込まれる米国特許第６，４９７，８０３号に記載されているような、２つの異なる不平衡円筒形マグネトロンスパッタリングシステムが、コーティングを堆積させるために用いられた。図１および図２は、システム１の構成を示している。システム１は、ターゲット２０を有し、各ターゲットは、３４ｃｍの直径、１０ｃｍの高さを有し、１０ｃｍだけ離れている。システム２は、システム１と同様であるが、システム２は、図１および図２に示された上部のターゲットのみを使用していて、上部のターゲットは、１９ｃｍの直径を有している。好ましくは、Ａｒ、Ｋｒ、または、Ｘｅ、がスパッタリングガスとして用いられ、いくつかの場合には、他の気体と混合されて用いられた。一般的には、ターゲットは、円筒またはプレート２４であってよく、または、当該分野で知られた任意の別の形であってよい。真空ポンプ、電力供給源、気体流量計、圧力測定装置、および、それらの類似物、のような、当業者によく知られたその他の装置は、明瞭にするために、図１および図２では省略されている。

ターゲット２０は、ＤＣ電力またはＡＣ電力で駆動された。好ましくは、当業者によく知られた方式で、２つの独立した電力供給源が、ＤＣ電力の場合に用いられ、両方のターゲットに接続された一つの電力供給源が、ＡＣ電力の場合に用いられる。電圧は、連続して、パルス状に、または、当業者に知られた任意の別の方式で、加えられてよい。好ましくは、電圧は、１時間当り１μｍから５μｍの堆積速度を生み出す。

スパッタリングターゲット２０は、堆積を開始する前に、約１０分間に亘って、処理電力および圧力（process power and pressure）で予備調整された。この段階の間、シャッターが基板２２をターゲット２０から隔離した。重要なことには、この予備調整プロセスが、シャッターを加熱し、基板２２の温度を上昇させた。この予備加熱が、基板２２がさらにガス抜きされるようにし、コーティング段階の実際の温度に近づくようにした。基板２２は、堆積の間はいかなる方法でも直接加熱も冷却もされず、基板の時間対温度の履歴は、コーティングプロセスによってすべて決定された。スパッタリングの間、基板の温度は、好ましくは、摂氏１５０度から４５０度までの間に留まる。この温度は、Ｔａ、Ｔｉ、ＴｉＮ、Ｍｏ、Ｃｒ、および、Ｎｂ、などの材料に対する、非常に低い相同温度である。シャッターを開いた後、約１０μｍのコーティングの厚みが結果としてもたらされるように、コーティング時間が調整された。４ｋＷの電力では、Ｔａについてコーティング時間は、２時間１５分であり、２ｋＷの電力では、Ｔａについてコーティング時間は４時間３０分であった。明瞭にするために、これらは、Ｔａについて１０μｍのコーティングの厚みを得る時間／電力の組み合わせである。以下の例のいくつかでは、コーティング時間は、上述されたコーティング時間とは異なる。その場合には、コーティングの厚みも変わる。

〔例１〕
電解研摩されたニッケル・チタン合金基板２２が、図１および図２に示されているように、システム１内の３つの位置に配置された。

位置Ａ：基板２２が、垂直軸を中心に回転する直径１０ｃｍのプレート２４上に保持され、プレートの垂直軸は、陰極の中心線から約７ｃｍだけ離れていた。基板２２の垂直位置は、上側陰極の中心部内とした。最後に、各基板は、当該分野でよく知られた方法で小さな「キッカー（kicker）」によって基板自体の軸を中心にして周期的に回転させられた。

位置Ｂ：基板２２が、チャンバの中心線から約７ｃｍ離れた回転軸から吊り下げられた。基板２２の垂直位置は、上側陰極の中心部内とした。

位置Ｃ：基板２２が、位置Ａのように、垂直軸を中心に回転する直径１０ｃｍのプレート２４上に保持され、プレートの垂直軸は、陰極の中心線から約７ｃｍだけ離れていた。しかし、位置Ｃに配置された基板２２の垂直位置は、上側陰極と下側陰極との間のなかほどのチャンバの中央であった。最後に、各基板が「キッカー」で基板自体の軸を中心にして周期的に回転させられた。

ターゲット２０は、Ｔａで構成され、各ターゲットは、２ｋＷのＤＣ電力で駆動された。−１５０Ｖのバイアスが、コーティングの間、基板２２に加えられた。スパッタリング圧力は、４５３．２９ミリパスカル（３．４ミリトル）で、スパッタリングガスはＫｒであった。コーティング時間は２時間１５分で、結果として、約１０μｍのコーティングの厚みがもたらされた。

３つの位置の基板２２の外観において注目される違いがあった。位置Ａおよび位置Ｂの基板は、光沢がある金属的な外観で、一方、位置Ｃの基板は、鈍く、くすんだ金属的な外観であった。

〔例２〕
チャンバ内での基板の位置がコーティングの外観に及ぼす影響をさらに調査するために、上部のＴａターゲットのみがシステム１で２ｋＷの電力で動作させられた実験が行われた。スパッタリング圧力は、４５３．２９ミリパスカル（３．４ミリトル）で、スパッタリングガスはＫｒであり、コーティング時間は３時間２０分であった。ニッケル・チタン合金基板２２は、図１および図２に示された位置Ｂおよび位置Ｃに配置された。

位置Ｂの基板は、光沢のある金属的な外観であった。位置Ｃの基板は、上部はある程度光沢があったが、底部は黒色であった。黒色の外観は、可視光線の散乱および吸収に起因して、数百ナノメートル程度の微視的特徴部を備えた表面の結果としてもたらされることがよく知られている。

コーティングの接着性は、３Ｍスコッチブランドのテープを用いて試験された。そのテープが、基板２２に押し付けられ、そして、引き離された。位置Ｂの基板からはコーティングがかなり除去されたが、位置Ｃの基板の上部からは一つの小さな箇所のみコーティングが除去され、黒色の外観の下側部分からはコーティングは除去されなかった。

この実験では、位置Ｃの基板は、位置Ｂの基板に比べて、概してより斜方の被覆剤およびより低いエネルギーの被覆剤を受け取った。「斜方の被覆剤（oblique coating flux）」は、堆積する原子の大部分がコーティングされている表面に概して垂直ではない向きで到達することを意味している。上側のターゲットから位置Ｃの基板の表面に到達する原子のいくつかは、背景スパッタリングガスとの衝突によるエネルギーまたは方向性の著しい損失なしに、基板に到達する。これらの原子は、図２に見られるように基板に接近したターゲットの部分から、その大部分が到達し、斜方の被覆剤を生み出す。その他の原子は、背景ガスとの数回の衝突にさらされ、基板の表面に到達する前に、エネルギーおよび方向性を失う。これらの原子は、通常、遠い距離にあるターゲットの部分から到達し、低い平均エネルギーの被覆剤を形成する。

ウエストウッドは、Ｔａ原子が４５３．２９ミリパスカル（３．４ミリトル）のＡｒ中で、Ｔａ原子のエネルギーが背景ガスのエネルギーまで低下するまでに移動する平均距離が、約１５ｃｍから約３０ｃｍまでの間であることを計算した（「ダイオードスパッタリングシステムでの堆積速度の計算（Calculation of deposition rates in diode sputtering systems）」ダブリュ・ディー・ウエストウッド（W. D. Westwood）、真空科学および技術ジャーナル（Journal of Vacuum Science and Technology）第１５巻、第１頁、１９７８年）。（その距離は、Ｋｒ中ではある程度短く、正確な値はＴａ原子の初期エネルギーに応じて変わる。）本発明の円筒形のターゲット２０は、約３４ｃｍの内径を有しているので、ターゲットの平面内（位置Ａおよび位置Ｂ）に配置された基板２２は、高いエネルギーの垂直な入射角の原子をより多く受け取り、ターゲット２０の間（位置Ｃ）に配置された基板は、低いエネルギーのおよび／または斜めの入射角（oblique incidence）の原子をより多く受け取る。

図１および図２に示された円筒形のマグネトロン配置の幾何学的形状は、位置Ｃに配置された基板２２の表面に到達する原子が、比較的斜めの角度（oblique angle）で、または、比較的低いエネルギーを伴って、到達することを確実にしている。図２を参照すると、基板２２が、到達するＴａ原子がほとんどエネルギーを失っていないターゲット２０の近くにある場合には、原子は斜めの角度で到達する。基板２２が、到達する原子の角度がより斜めではないチャンバの中央により近づく場合には、基板はターゲットの表面からより離れていて、到達するＴａ原子は、ガスとの衝突によってより多くのエネルギーを失っている。

典型的には、スパッタリングされた原子は、数電子ボルト（ｅＶ）の平均運動エネルギーを伴って、ターゲットの表面を離れる。ウエストウッドによって記載されたように、背景ガスとの数回の衝突の後、スパッタリングされた原子はその運動エネルギーのほとんどを失う。「低いエネルギー」は、スパッタリングされた原子が約１電子ボルト以下の平均運動エネルギーを有することを意味する。ウエストウッドの計算は、所定のスパッタリング圧力に対するこのような低い平均運動エネルギーを得るために必要なターゲットと基板との間隔を見積もるために用いることができる。さらに、当業者には、蒸着法によって堆積された原子が蒸発源を離れたときに約１電子ボルトより低い平均運動エネルギーを有することが、よく知られている。したがって、蒸着法によるコーティングの場合には、低いエネルギーの被覆剤を生み出すために、チャンバ中でのガスからの散乱は必要ではない。

原子がＰＶＤプロセスで低いエネルギーを伴ってまたは斜めの角度で基板の表面に到達すると、その結果としてもたらされるコーティングは、ほぼ垂直に入射するか、またはより高いエネルギーを伴って到達した原子によって作り上げられたコーティングに比べて、より粗い表面およびより低い密度を有することが、当該分野では広く知られている。上述したように、位置Ｃでのコーティングの黒色の外観は、寸法が数十ナノメートルから数百ナノメートルまでの程度のコーティングの粗さの結果であるであろう。当業者は、本明細書に記載されている粗い多孔性のコーティングが、スパッタリングされた材料および蒸発させられた材料に対するゾーン１コーティング（例えば、ジョン・ソーントン（John Thornton）による「高速厚膜成長（High Rate Thick Film Growth）」、アニュアル・レビュー・オブ・マテリアルズ・サイエンス（Ann. Rev. Mater. Sci.）、１９９７年、２３９頁から２６０頁を参照のこと。）とも呼ばれることがあるコーティングであることに、気付くはずである。そのようなコーティングを生み出す堆積条件は、典型的には、不十分な接着性を導く。驚くべきことに、出願人は、本発明の方法によって作られたそのようなコーティングでの優れた接着性を見出した。

〔例３〕
コーティングの幾何学的形状およびスパッタリング条件の重要性の別の証拠が、図２および図３に例示された、以下の実験で示された。複数のＴａコーティングが、圧力が４５３．２９ミリパスカル（３．４ミリトル）のＫｒ、各ターゲットに対する１ｋＷのＤＣ電力、−５０Ｖのバイアス、および、図２に示された位置Ｃのプレート２４、を用いて、システム１のニッケル・チタン合金基板２２に対して行われた。上述したように、基板２２は、垂直ロッドを中心にして、ならびに、各基板自体の軸を中心にして、回転させられた。この実験での位置の効果を増大させるために、長さ１０ｃｍの基板２２が使用された。この方法によって作られたコーティングは、底部でくすんだ黒色であったが、上部ではわずかにより光沢のある外観を呈していた。対照的に、第２のプレート２４が図３に示されているように、基板の上方に配置されたこと以外は、同じ条件の下でコーティングが基板２２に対して行われた場合には、基板は底部から上部まで均一な黒色であった。

図２に示された取り付けの結果としてもたらされた不均一な外観は、コーティングの構造が、基板２２およびスパッタリングターゲット２０が相対的にどのように配置されているかという詳細に応じて変わることのさらなる証拠である。上述したように、基板２２が図３の位置Ｃ_iに配置されている場合、基板は接近しているターゲット２０の部分から非常に斜めに入射する材料を受け取り、一方、ターゲットのその他の部分から到達するコーティング材料はより長い距離を移動しなければならない。したがって、被覆剤のすべては、斜めに入射して到達するか、かなり長い距離を移動してスパッタリングガスとの衝突によってエネルギーおよび方向性を失った。しかし、基板２２が図３の位置Ｃ_iiに配置されると、基板は全ての方向からある程度あまり斜めではないコーティングを受け取る。しかし、図２に示された構成では、基板２２の底部は、基板２２を保持しているプレート２４によって、底部のターゲットからのより直接的な被覆剤から遮蔽されているが、基板２２の上部は、上部のターゲットから到達するより直接的な被覆剤から同じようには遮蔽されていない。図３に示すように、基板２２の上方にもプレート２４を追加することによって、より直接的な被覆剤が基板表面のすべての点で遮蔽され、コーティング材料は、比較的斜めに入射して到達するか、または背景ガスから散乱されてエネルギーおよび方向性を失った後に到達する。基板２２の上方のプレート２４は対称性を回復し、基板の表面のコーティングは均一に黒色になる。

〔例４〕
チャンバ内で基板２２を配置し動かす別の方法も、上記の方法と同様の結果を生み出すことができ、本発明の範囲内にある。別の実験では、３つのニッケル・チタン合金基板２２が、図４および図５に示すようにシステム１内に配置された。図４は、基板配置の上面図であり、図５は、同じ基板配置の側断面図である。３つの基板はすべて、チャンバ内での基板の位置で固定して保持され、コーティングが行われている間、各々の基板の軸を中心にして回転させられた。最も内側の基板は、陰極の中心線から３ｃｍだけ離れて配置され、中間の基板は、陰極の中心線から７ｃｍだけ離れて配置され、最も外側の基板は、陰極の中心線から１１ｃｍだけ離れて配置された。Ｔａの堆積は、各ターゲットに対する１ｋＷのＤＣ電力、圧力が４５３．２９ミリパスカル（３．４ミリトル）のＫｒ、および、−５０Ｖのバイアスがかけられた基板２２、を用いて、実施された。３つの基板２２はすべて、くすんだ黒色の外観を有し、いずれのコーティングもテープ試験によってどの基板からも除去されなかった。したがって、陰極内で実質的に任意の半径方向の位置に配置され各基板の軸を中心に回転させられたいずれの基板２２も、基板が軸方向で２つのターゲットの間に配置されていれば、申し分のないコーティングを受容することになる。

斜めに入射するコーティング、または、衝突を経て到達する原子のエネルギーを減らすためにターゲットと基板との間の距離を大きくすること、の代替策が、スパッタリングガスの圧力を上げることである。高いスパッタリング圧力が微視的に粗い表面を備えた密度のより低いコーティングを導くことが、当該分野で広く知られている。しかし、出願人は、このアプローチが、あまり望ましくない結果を生む可能性があることを見出した。

スパッタリングは、連続的なガスの流れという条件の下で行われる。つまり、スパッタリングガスは、一定の速度でチャンバ内に運び込まれ、同じ速度でチャンバから除去され、その結果、チャンバ内の圧力が一定となり、チャンバ内の気体が連続的に取り除かれる。この流れは、水蒸気のような、コーティング中にシステムから放出される望ましくない気体を除去するのに必要である。これらの望ましくない気体は、成長するコーティング中に組み込まれてコーティングの特性に影響を及ぼす可能性がある。

拡散ポンプ、ターボ分子ポンプ、および、低温ポンプ、のようなスパッタリングで用いられる高真空ポンプは、ポンプの開口部で耐えることができる圧力に関して、制限されている。したがって、高いスパッタリング圧力を得るために、そのようなポンプを「絞る（throttle）」、または、チャンバの圧力をポンプでの圧力よりも著しく高くする制限をポンプの開口部に配置する、ことが必要であることがよく知られている。そのような「絞り（throttling）」は、チャンバを通って流れるガスの量、すなわち、ガスの処理量、を必然的に減らす。出願人は、驚くべきことに、接着性コーティングは、高いガス処理量および高いポンピング速度を有することに依存し、そのような高いガス処理量および高いポンピング速度は、比較的低いスパッタリング圧力のみで実用的であることを、見出した。出願人の実験結果は、スパッタリング中に、好ましくは、ガス処理量が、約１３３．３２パスカル・リットル／秒（約１トル・リットル／秒）から約１３３３．２２パスカル・リットル／秒（約１０トル・リットル／秒）の間であることを示した。

〔例５〕
ある実験では、内径１９ｃｍおよび長さ１０ｃｍのシステム２の単一のターゲットが、電解研磨されたニッケル・チタン合金基板をスパッタリング圧力４．００パスカル（３０ミリトル）のＡｒ中でＴａでコーティングするために用いられた。この圧力を得るために、真空システムのターボ分子高真空ポンプを絞る必要があった。このコーティング中のＡｒの流量は、８４．００パスカル・リットル／秒（０．６３トル・リットル／秒）であり、２１リットル／秒の絞られたポンピング速度に一致していた。基板は、ターゲットの中心に、ターゲット表面から約９ｃｍ離れて配置された。ターゲットに対するＤＣスパッタリング電力は２００Ｗであった。ウエストウッドの計算に基づけば、Ｔａ原子が４．００パスカル（３０ミリトル）のＡｒ中を熱運動速度に達するまでに移動する平均距離は、Ｔａ原子の初期エネルギーに応じて、１．７ｃｍから３．４ｃｍまでの間である。したがって、これらのコーティング条件は、非常に密度の低い微視的に粗いコーティングを結果としてもたらすに違いない。コーティングされた基板の黒色の外観によって、非常に密度の低い微視的に粗いコーティングがもたらされたことが確認される。しかし、コーティングはとても不十分な接着性を有していた。

〔例６〕
別の実験では、Ｔａコーティングが、図２に示されたシステム１を用いて位置Ｃのニッケル・チタン合金基板２２に行われた。スパッタリングガスは、圧力が４５３．２９ミリパスカル（３．４ミリトル）のＫｒであった。各ターゲットに対する１ｋＷのＤＣ電力が、−５０Ｖの基板のバイアスと共に用いられた。Ｋｒの流量は、１分当たり２８立方センチメートル（標準状態換算）（28 standard cubic centimeters per minute）、または、４８．００パスカル・リットル／秒（０．３６トル・リットル／秒）であった。４５３．２９ミリパスカル（３．４ミリトル）の圧力では、この流量は、プロセスの間の１０４リットル／秒の絞られたポンピング速度に相当する。結果としての黒色のコーティングには、接着テープ試験を用いた場合に、数箇所での接着不足があった。

次に、ポンプの絞りの位置が変更され、Ｋｒの流量が１分当たり２００立方センチメートル（標準状態換算）、または、３３７．３０パスカル・リットル／秒（２．５３トル・リットル／秒）、に増加された。コーティングは、以前と同じ電力、同じ圧力、および、同じバイアスレベルで、位置Ｃの基板２２に行われた。唯一の違いは、このプロセスの間の絞られたポンピング速度が７４４リットル／秒であったことである。この場合、テープ試験を用いたときに、基板からのコーティングの除去はなかった。

上記の結果に基づけば、高いスパッタリング圧力を得るために通常必要である低いガス処理量では、適切な接着性は、結果として得られないことがあることを、出願人は結論する。スパッタリング圧力およびシステムの幾何学的形状は、被覆剤が、大きな入射角で基板の表面に到達するか、スパッタリングされた原子がターゲットから十分に長い距離を移動して原子のエネルギーを十分に減らした後に基板の表面に到達するように、一体で選択されなければならない。

〔例７〕
これらのコーティングの別の材料の表面での有用性、および、コーティングの構造、を試験するために、電解研磨されたステンレス鋼基板２２が、図２に示されたシステム１の位置Ｃに配置された。システム１は、各Ｔａターゲットに対する１ｋＷのスパッタリング電力、基板２２に加えられた−５０Ｖのバイアス、および、３３３．３１パスカル・リットル／秒（２．５トル・リットル／秒）の処理量での４５３．２９ミリパスカル（３．４ミリトル）の圧力、で動作させられた。堆積時間は、２時間１５分であった。

コーティングは黒色であった。コーティングの基板２２への接着性は、テープ試験を用いて評価され、いくつかの試みによっても、コーティングは除去されなかった。さらに、テープは、同様のコーティングされていない基板に比べて、コーティングされた基板２２に対して、より一層頑強に貼り付いた。これは、粗く多孔性の構造が基板の表面に存在することを示している。

図６は、ステンレス鋼基板２２の表面のＴａコーティングの走査電子顕微鏡画像を示している。基板２２は、非常に滑らかで、コーティングによってもたらされた表面の粗さおよび開放構造が、明瞭に見られる。多くの表面特徴部が、１μｍ未満の寸法を有し、この１μｍの寸法は、骨および組織への付着に有効であることが見出された寸法にほかならない。このコーティングのＸ線回折走査は、このコーティングはそのほとんど全体が、体心立方相のＴａで構成されていることを示していた。

〔例８〕
多孔性コーティングのためにＴａ以外の材料を用いる可能性を研究するために、システム１が、図２に示された位置Ｃに配置された、研磨されたステンレス鋼の表面にＴｉＮを堆積させるために用いられた。２つのＴｉターゲット２０が、それぞれ３ｋＷのＤＣ電力で動作させられた。ターゲット２０は、シャッターが閉じられた状態で、１０．５分間に亘って、Ａｒ中で予備調整された。次に、シャッターが開けられて、Ｔｉが、圧力がわずか１８６６．５１ミリパスカル（１４ミリトル）のＡｒ中で、１８６．６５パスカル・リットル／秒（１．４トル・リットル／秒）のガス流量で、堆積された。次に、窒素が、８０．００パスカル・リットル／秒（０．６トル・リットル／秒）の流量で導入され、圧力が２３９９．８０ミリパスカル（１８ミリトル）に増加された。基板は、コーティングの間、−４５ＶのＤＣバイアスが加えられ、コーティングは１．５時間に亘って続けられた。

図７は、結果としてもたらされたＴｉＮコーティングの表面の走査電子顕微鏡画像を示している。このコーティングも黒色の外観を呈し、接着性は優秀であった。このコーティングとＴａコーティングとが類似していることは明らかであり、たくさんの材料が、微視的に粗い多孔性の表面を生み出すための候補であることが立証された。

円筒形のマグネトロンの幾何学的形状が、これまでに記載したように、有効な方法で、斜めに入射するコーティングを可能にしたが、同様の結果が、平坦なターゲットを用いても得られる。平坦なターゲットの場合では、必要な事項は、基板２２を、ターゲットと基板との間の長い距離が得られるように、ターゲットの表面から十分に離れて配置することである。それに代わって、基板２２は、材料が大きな入射角で到達するように、平坦なターゲット５０のわきに配置することができる。この配置が、図８に示されている。もちろん、平坦なターゲットの場合に示された基板の位置は、コーティング材料の使用を効率の悪いものにし、そして、堆積速度を大きく減速し、それは、製造の観点からは望ましくない。それにもかかわらず、図８は、本発明の方法がどのように円筒形のマグネトロン以外の幾何学的形状にも用いることができるかを示している。

〔例９〕
出願人は、初期のコーティング条件が本発明のコーティングの微小構造および結晶相に影響を及ぼす可能性があり、同時に優秀な接着性を維持することを見出した。ある実験では、基板２２が３４ｃｍの直径のターゲット２０を伴った図２に示された構成を用いて、システム１の位置Ｃに装填された。シャッターが閉じられた状態で、２つのＴａターゲット２０が、２ｋＷの電力（各基板に対して１ｋＷ）、４７９．９６ミリパスカル（３．６ミリトル）の圧力のＫｒ、および、３３７．３０パスカル・リットル／秒（２．５３トル・リットル／秒）のＫｒの流量で、動作させられた。５分間経過した後に、そして、シャッターを依然として閉じた状態で、−２００Ｖの電圧が基板をプラズマ洗浄するために基板２２に加えられた。シャッターが、さらに５分間が経過した後に、開けられて、コーティングが、基板２２に依然として−２００Ｖのバイアスが加えられた状態で、開始された。これらの条件が、２分間に亘って維持され、２分間が経過したときに、基板２２に加えられる電圧が−５０Ｖに減らされて、コーティングがこれらの条件の下で１８０分間に亘って堆積された。明らかな剥離はこれらの基板２２の表面に存在しなかった。

初期の５分間のプラズマ洗浄および２分間の−２００Ｖのバイアスを加えたスパッタリングを除いて、上記の例の条件は、図６に示された構造およびｂｃｃ結晶相を生み出した例７で用いられた条件と等しい。図９は、微小構造が初期条件によって変えられたことを示す、結果として得られたコーティングの原子間力顕微鏡画像である。図６および図９の特徴部は、同様であり、両方とも微視的に粗い多孔性のコーティングであるが、精密な分析は、図６の構造が約１００ｎｍから約２００ｎｍの寸法であり、一方、図９の構造が約２倍の寸法であることを示している。さらに、Ｘ線回折パターンが、図９に示されたこのコーティングの結晶相が、いくつかのｂｃｃ結晶相を伴う、主に正方晶であることを示している。

例７、例８、および、例９、は、さまざまな材料およびさまざまなコーティング条件の両方が、出願人が記載した微視的に粗い多孔性の構造を作るために用いることができることを示している。

非常に多孔性のコーティングと優秀な接着性との組み合わせは、非常に驚くべきものである。斜方の被覆剤、熱運動化されたコーティング原子、および、低い相同温度、が、開放柱状コーティング構造および微視的に粗い表面を生み出すことが知られている。しかし、そのようなコーティングは、典型的には、非常に不十分な接着性を有する。出願人は、優秀な接着性を備えたそのような構造を生み出す条件を見出した。

開放多孔性構造は、植え込み可能な医療装置に対しても他の利点を有しているであろう。例えば、コーティングの微小孔（microvoids）は、ある時間に亘って拡散できる薬剤またはその他の材料を組み込むことを可能にする。それらの例として、炎症を防ぐためのスーパーオキシドジスムターゼ、骨および組織の成長を促進するための蛋白、治癒または成長プロセスを援助するその他の材料、などがある。当該分野では、基板表面の薬剤溶出コーティングが、高分子材料を用いて、現在製造されている。多孔性無機コーティングは、薬剤溶出基板が高分子保護被膜なしに製造されるようにするであろう。

本発明で記載されたプロセスは、植え込み可能な装置が骨および組織に付着するのを援助する植え込み可能な装置の表面を生み出すための簡単で廉価な方法を提供する。タンタルおよび窒化チタンに加えて、使用できるその他のコーティング材料には、チタン、モリブデン、ジルコニウム、クロム、および、その他の生体適合性の元素、がある。さらに、そのようなコーティングの表面層を、コーティングを陽極処理または窒化することによって、あるいは、金属の酸化物または窒化物を直接堆積させることによって、変えることが可能である。

コーティングの性質が厚み全体を通して変化するコーティングを生み出すために条件を変えることも可能である。例えば、コーティングの第１の部分が、十分な密度のコーティングを生み出す条件の下で塗布されてよい。次に、条件が、多孔性の開放構造を生み出す条件に変えられてよい。そのようなコーティングは、最初の高密度の層によって、インプラントに対して腐食に対する保護を提供し、上記の微視的に粗い層によって、骨に対する良好な接着性を提供するであろう。さらに、ある時間に亘って拡散する薬剤が孔内に存在してよい。同様に、無孔性のコーティングが基板を腐食から保護するために塗布されてよい。次に、動物の組織に容易に結合する外側の多孔性層を塗布することができる。

本発明が、本発明の特定の好ましい実施の形態を参照してかなり詳しく記載されたが、その他の実施の形態も可能である。例えば、基板は、第１の材料の層、および、第２の多孔性材料の層、によってコーティングされてよい。別の例では、微視的に粗い特徴部が、孔の代わりに、隆起であってもよい。特徴部は、隆起と孔の組み合わせであってもよい。したがって、添付の特許請求の範囲の真髄および範囲は、本明細書に記載された好ましい実施の形態の記載に限定されてはならない。

特許請求の範囲、要約、および、図面、を含めた明細書に記載されたすべての特徴部、ならびに、開示された任意の方法またはプロセスのすべての段階は、それらの特徴部および／または段階の少なくともいくつかが相互に排他的であるような組み合わせを除いて、任意の組み合わせとして組み合わされてよい。特許請求の範囲、要約、および、図面、を含めた本明細書に開示された各特徴部は、明らかにそうでないと記載されていない限り、同一の、等価な、または、類似の目的で役に立つ代わりの特徴部に置き換えられてもよい。したがって、明らかにそうでないと記載されていない限り、開示された各特徴部は、単に、包括的な一連の等価物または類似の特徴部の一つの例である。

特定の機能を実施するための「手段（means）」または特定の機能を実施するための「段階（step）」を明示的に記載していない特許請求の範囲中の任意の要素は、米国特許法第１１２条に記載されている「手段」または「段階」節として解釈されてはならない。

〔実施の態様〕
この発明の具体的な実施態様は以下の通りである。
（１）生物医学的装置において、
インプラントと、
物理蒸着法によって前記インプラントに塗布された生物医学的に適合性の微視的に粗いコーティングと、
を具備する、装置。
（２）実施態様（１）に記載の装置において、
前記コーティングが、１０ｎｍから１０００ｎｍまでの寸法を有する表面特徴部を有する、装置。
（３）実施態様（１）に記載の装置において、
前記コーティングが、複数の表面特徴部を有し、これらの表面特徴部は、異なる寸法を有する、装置。
（４）実施態様（１）に記載の装置において、
前記コーティングが、タンタル、窒化チタン、チタン、モリブデン、クロム、および、ジルコニウム、からなる群のうち一つを含む、装置。
（５）実施態様（１）に記載の装置において、
前記コーティングが、前記インプラントと天然の骨または組織との間の結合層として役立つように構成されている、装置。
（６）実施態様（１）に記載の装置において、
前記物理蒸着法が、スパッタリング、カソードアーク蒸着法、および、熱蒸着法、からなる群のうち一つを含む、装置。
（７）実施態様（１）に記載の装置において、
前記コーティングが、
概して斜方の被覆剤、または、低エネルギーの被覆剤、のいずれか一つを介して前記インプラントに塗布される、装置。
（８）実施態様（１）に記載の装置において、
前記コーティングが、孔を有する、装置。
（９）実施態様（８）に記載の装置において、
前記孔内の薬剤、
をさらに具備する、装置。
（１０）実施態様（１）に記載の装置において、
前記インプラントに塗布された第２のコーティング、
をさらに具備する、装置。

（１１）実施態様（１０）に記載の装置において、
前記第２のコーティングが、前記インプラントに直接塗布され、
前記微視的に粗いコーティングが、前記第２のコーティングに塗布される、
装置。
（１２）実施態様（１１）に記載の装置において、
前記第２のコーティングが、前記インプラントを腐食から保護する、装置。
（１３）実施態様（１１）に記載の装置において、
前記第２のコーティングが、無孔性である、装置。
（１４）実施態様（１）に記載の装置において、
前記コーティングが、０．１μｍから１０μｍまでの厚みを有する、装置。
（１５）生物医学的インプラントの表面にコーティングを堆積させる方法において、
少なくとも一つのスパッタリングターゲットを収容するスパッタコーティングシステム内のガスの背景圧力を維持する段階と、
スパッタリングを起こすために前記ターゲットに電圧を加える段階と、
前記インプラントの表面に微視的に粗いコーティングを作り出すために、ある時間に亘って、スパッタリングを行う段階と、
を具備する、方法。
（１６）実施態様（１５）に記載の方法において、
前記コーティングが、１０ｎｍから１０００ｎｍまでの寸法を有する表面特徴部を有する、方法。
（１７）実施態様（１５）に記載の方法において、
前記コーティングが、複数の表面特徴部を有し、これらの表面特徴部は、異なる寸法を有する、方法。
（１８）実施態様（１５）に記載の方法において、
前記コーティングが、タンタル、窒化チタン、チタン、モリブデン、クロム、および、ジルコニウム、からなる群のうち一つを含む、方法。
（１９）実施態様（１５）に記載の方法において、
前記コーティングが、前記インプラントと動物の組織との間の結合層として役立つように構成されている、方法。
（２０）実施態様（１５）に記載の方法において、
前記コーティングが、
概して斜方の被覆剤、または、低エネルギーの被覆剤、のいずれか一つを介して前記インプラントに塗布される、方法。

（２１）実施態様（１５）に記載の方法において、
前記インプラントに塗布された第２のコーティング、
をさらに具備する、方法。
（２２）実施態様（２１）に記載の方法において、
前記第２のコーティングが、前記インプラントに直接塗布される、方法。
（２３）実施態様（２２）に記載の方法において、
前記第２のコーティングが、前記インプラントを腐食から保護する、方法。
（２４）実施態様（２２）に記載の方法において、
前記第２のコーティングが、無孔性である、方法。
（２５）実施態様（１５）に記載の方法において、
前記コーティングが、０．１μｍから１０μｍまでの厚みを有する、方法。
（２６）実施態様（１５）に記載の方法において、
前記コーティングが、
少なくとも一つの多孔性部分と、
少なくとも一つの無孔性部分と、
を含む、方法。
（２７）実施態様（２６）に記載の方法において、
前記多孔性部分が、前記無孔性部分を覆う、方法。
（２８）実施態様（１５）に記載の方法において、
前記コーティングが、孔を有する、方法。
（２９）実施態様（２８）に記載の方法において、
前記孔内の薬剤、
をさらに含む、方法。

基板を取り囲むターゲットの上面図である。 図１の基板を取り囲むターゲットの側断面図である。 基板の上方にプレートが配置された図１の位置Ｃにある基板を取り囲むターゲットの側断面図である。 別の配置の基板を取り囲むターゲットの上面図である。 図４の基板を取り囲むターゲットの側断面図である。 研磨されたステンレス鋼の表面に形成されたＴａコーティングの表面の走査電子顕微鏡画像を示す図である。 本発明に基づいて作られたＴｉＮコーティングの走査電子顕微鏡画像を示す図である。 大きい入射角で平坦なターゲットの横に配置された基板の側面図である。 本発明の別の好ましい実施の形態に基づいて作られ、研磨されたニッケル・チタン合金基板に塗布された、Ｔａコーティングの原子間力顕微鏡画像を示す図である。

Claims (29)

1. 生物医学的装置において、
   インプラントと、
   物理蒸着法によって前記インプラントに塗布された生物医学的に適合性の微視的に粗いコーティングと、
   を具備する、装置。
2. 請求項１に記載の装置において、
   前記コーティングが、１０ｎｍから１０００ｎｍまでの寸法を有する表面特徴部を有する、装置。
3. 請求項１に記載の装置において、
   前記コーティングが、複数の表面特徴部を有し、これらの表面特徴部は、異なる寸法を有する、装置。
4. 請求項１に記載の装置において、
   前記コーティングが、タンタル、窒化チタン、チタン、モリブデン、クロム、および、ジルコニウム、からなる群のうち一つを含む、装置。
5. 請求項１に記載の装置において、
   前記コーティングが、前記インプラントと天然の骨または組織との間の結合層として役立つように構成されている、装置。
6. 請求項１に記載の装置において、
   前記物理蒸着法が、スパッタリング、カソードアーク蒸着法、および、熱蒸着法、からなる群のうち一つを含む、装置。
7. 請求項１に記載の装置において、
   前記コーティングが、概して斜方の被覆剤、または、低エネルギーの被覆剤、のいずれか一つを介して前記インプラントに塗布される、装置。
8. 請求項１に記載の装置において、
   前記コーティングが、孔を有する、装置。
9. 請求項８に記載の装置において、
   前記孔内の薬剤、
   をさらに具備する、装置。
10. 請求項１に記載の装置において、
    前記インプラントに塗布された第２のコーティング、
    をさらに具備する、装置。
11. 請求項１０に記載の装置において、
    前記第２のコーティングが、前記インプラントに直接塗布され、
    前記微視的に粗いコーティングが、前記第２のコーティングに塗布される、
    装置。
12. 請求項１１に記載の装置において、
    前記第２のコーティングが、前記インプラントを腐食から保護する、装置。
13. 請求項１１に記載の装置において、
    前記第２のコーティングが、無孔性である、装置。
14. 請求項１に記載の装置において、
    前記コーティングが、０．１μｍから１０μｍまでの厚みを有する、装置。
15. 生物医学的インプラントの表面にコーティングを堆積させる方法において、
    少なくとも一つのスパッタリングターゲットを収容するスパッタコーティングシステム内のガスの背景圧力を維持する段階と、
    スパッタリングを起こすために前記ターゲットに電圧を加える段階と、
    前記インプラントの表面に微視的に粗いコーティングを作り出すために、ある時間に亘って、スパッタリングを行う段階と、
    を具備する、方法。
16. 請求項１５に記載の方法において、
    前記コーティングが、１０ｎｍから１０００ｎｍまでの寸法を有する表面特徴部を有する、方法。
17. 請求項１５に記載の方法において、
    前記コーティングが、複数の表面特徴部を有し、これらの表面特徴部は、異なる寸法を有する、方法。
18. 請求項１５に記載の方法において、
    前記コーティングが、タンタル、窒化チタン、チタン、モリブデン、クロム、および、ジルコニウム、からなる群のうち一つを含む、方法。
19. 請求項１５に記載の方法において、
    前記コーティングが、前記インプラントと動物の組織との間の結合層として役立つように構成されている、方法。
20. 請求項１５に記載の方法において、
    前記コーティングが、概して斜方の被覆剤、または、低エネルギーの被覆剤、のいずれか一つを介して前記インプラントに塗布される、方法。
21. 請求項１５に記載の方法において、
    前記インプラントに塗布された第２のコーティング、
    をさらに具備する、方法。
22. 請求項２１に記載の方法において、
    前記第２のコーティングが、前記インプラントに直接塗布される、方法。
23. 請求項２２に記載の方法において、
    前記第２のコーティングが、前記インプラントを腐食から保護する、方法。
24. 請求項２２に記載の方法において、
    前記第２のコーティングが、無孔性である、方法。
25. 請求項１５に記載の方法において、
    前記コーティングが、０．１μｍから１０μｍまでの厚みを有する、方法。
26. 請求項１５に記載の方法において、
    前記コーティングが、
    少なくとも一つの多孔性部分と、
    少なくとも一つの無孔性部分と、
    を含む、
    方法。
27. 請求項２６に記載の方法において、
    前記多孔性部分が、前記無孔性部分を覆う、方法。
28. 請求項１５に記載の方法において、
    前記コーティングが、孔を有する、方法。
29. 請求項２８に記載の方法において、
    前記孔内の薬剤、
    をさらに含む、方法。

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