JP2009195723A - 架橋ポリエチレンの表面に接触する酸化ジルコニウム表面を用いた人工装具 - Google Patents

Abstract

【課題】低摩擦の、耐摩耗性および耐クリープ性の、人工装具用関節，界面支持面を提供する。
【解決手段】酸化ジルコニウムで被覆された表面を有するジルコニウム又はジルコニウムベース合金の要素を備える整形インプラント、又は架橋ポリエチレンの表面に接触する耐摩耗表面を備える。そのようなインプラントは、人工関節，膝関節，肘等において特に有役であり他のインプラント装置においてもまた有益である低摩擦，高耐摩耗性の被膜が提供できる。
【選択図】図１

Description

発明の背景
この発明は、２００１年７月１８日出願の米国出願第０９／９０８,５２０号の優先権
を主張する。

この発明は、酸化ジルコニウムの薄く、高密度で、低摩擦で、高耐摩耗性で均一な厚さの被膜で被覆された負荷支持面を有する金属インプラントに関する。この発明はまた、一般的に、負荷支持の耐摩耗表面を有する金属インプラントに関する。この発明において、負荷支持酸化ジルコニウム表面又は耐摩耗表面は、架橋ポリエチレン（ＸＬＰＥ）の対向支持面に接触する。ＸＬＰＥは、人工装具に使用される他の従来のポリマー材料に比べて優れた摩耗特性を有する。酸化ジルコニウムは、ＸＬＰＥと関節でつながる人工装具に使用されるときに特に有利な熱伝導特性を有する。ＸＬＰＥのそれらとの組合せにおける酸化ジルコニウムと耐摩耗表面の新しい利点は、対向支持面としてＸＬＰＥの優れた特性を強調させる相乗作用に帰着し、優れた人工装具をもたらす。

歴史的に、関節面を有する人工装具は、接触面が硬度の異なる材料で構成された。１つの「降伏」面を有することによって、そのような従来技術の装具は、結局、最適嵌合、つまり、きびしい公差の嵌合を形成し、それによって擦傷や摩損や他の浸蝕現象が最小化され、結果として長寿命の人工装具となる。これらの初期世代の装具の実例は、超高分子量ポリエチレンのような柔らかい材料で作られることの多い寛骨臼カップの対向支持面に係合する股関節ステム人工装具の大腿部ヘッドである。しかしながら、異なる硬度の接触面を用いても、完全な解決にはならない。柔らかい表面は、本来捨て身的であり、それは結局誤りであることがわかる。その主な利点は、人工装具の有効寿命の総合的な増加を実現することである。さらに、柔らかい表面をすりへらすことは、患者の健康に有害な影響を与える切りくずを生じる。

ここに述べる本発明は、特別なタイプのセラミック・オン・ポリマー（ceramic-on-polymer）の人工装具である。その新しい構成物の特性は、セラミック・オン・ポリマーのシステムの従来の利点を与え、かつ、それらの多くの欠点を回避する。

この発明は、軟質表面に対して関節でつながる硬質表面を有する人工装具において一般的に内在する多くの欠点を克服する。ここに説明する改良の基となる基本技術は、ダビッドソンの米国特許第５,０３７,４３８号と、１９９９年１１月２４日出願の共有するハンターの同時係属出願第０９／３８１,２１７号に記載され、その両者は引用によりここに
完全に組込まれる。

医療用インプラント装置が長寿命であることは、インプラントが患者の全寿命にわたって機能することが望まれるので、最も重要なことである。患者が若く、外科的な修正回数が最小限に留められるか好ましくは零である場合には、これは特にあてはまる。この目的に対して、整形インプラントの材料は、高強度と、耐腐食性と組織適合性とを合わせ持つことが好ましい。股関節インプラントのような負荷支持インプラントの寿命を左右する変数の１つは、関節面の摩耗速度と、金属イオン放出の長期作用である。一般の股関節人工装具は、ステムと、大腿部ヘッドと、大腿部ヘッドが関節でつながる寛骨臼カップとからなる。関節面の一方又は両方の摩耗によって、摩耗粒子レベルが増大し、大腿部ヘッドと、それに関節でつながるカップとの間に「遊び」が生じる。摩耗くずは組織反応が骨の再吸収につながらないように作用するので、結局、その関節は交換しなければならない。

人工股関節の寛骨臼カップ表面と大腿部ヘッド表面の摩耗速度は、多くの要因に依存し、その要因は、大腿部ヘッドと寛骨臼カップを構成する材料の相対硬度と表面仕上げ、カップとヘッドの材料間の摩擦係数、印加される負荷と関節表面に生じる応力を含む。股関節インプラントの製造に現在用いられている最も一般的な材料の組合せは、有機ポリマー又は、例えば超高分子量ポリエチレン（ＵＨＭＷＰＥ）を含む有機ポリマーの複合材料で裏打ちされた寛骨臼カップに対して関節でつながる、コバルト，チタニウム又はジルコニウム合金の大腿部ヘッドと、有機ポリマー又は複合材料で裏打ちされるか、研磨アルミナで作られた寛骨臼カップに結合する研磨アルミナの大腿部ヘッドからなる。

従来の股関節インプラントの摩耗速度に影響を与える要因の内で、最も重要なものは、患者の体重と活動レベルである。さらに、インプラントの通常の使用における摩擦熱によって、ポリエチレンカップのクリープと摩耗が増加することが示された。さらにまた、トルク負荷をカップに伝達する摩擦モーメントと、大腿部ヘッドとそのヘッドと関節でつながる寛骨臼カップ表面との摩擦係数との間に相関がある。カップのトルクはカップのゆるみと関連してきた。従って、一般的に、与えられた負荷に対する摩擦係数が高い程、発生するトルクのレベルは高くなる。摩擦トルクを十分に低レベルにするセラミック表面が提示された。また、注目すべきことは、上述したように通常使用される３つの股関節システムの２つは、寛骨臼カップ内の超高分子量ポリエチレン（ＵＨＭＷＰＥ）の裏打ちに対して関節でつながる金属大腿部ヘッドを備える。ＵＨＭＷＰＥは重合体材料であり、高温においてはその比較的低い溶融点により通常使用される金属合金セラミックスよりもクリープを受けやすく、従って、合金やセラミックスよりも摩耗し易い。

ＵＨＭＷＰＥのような表面を設けた最初の動機は、それが捨て身的に働くということであった。それはゆっくりと作動しなくなり、そして硬い表面より前に作動しなくなり、装具の有効寿命を全体的に引き延ばす。さらに、ポリエチレンは、硬い表面よりも衝撃を吸収するので、実際の軟骨の作用を模倣すると考えられた。ＵＨＭＷＰＥ表面に対して関節でつながる酸化ジルコニウム表面を使用することによって実現された技術の進歩は、金属要素の表面とＵＨＭＷＰＥとの間の摩耗とゆるみを減らしたが、問題は完全に除去されなかった。そこで、この発明は、技術における他の進歩、つまり、摩耗におけるさらなる改善と、硬い表面に対して関節でつながるポリエチレンを備えた従来技術の人工装具に関連するクリープの問題とを、同時に大きく改善することを示す。

金属人工装具は人体において必ずしも不活性ではないということも見出された。体液は金属に作用し、それをイオン化作用によりゆっくりと腐食させ、それによって金属イオンを体内に放出する。人工装具から放出された金属イオンも関節と負荷支持面の摩耗速度に関連する。それは、予想されるように、金属大腿部ヘッドが、例えば、ＵＨＭＷＰＥと関節でつながるとき、大腿部ヘッド上に形成される不動態の酸化フィルムが常に除去されるからである。その再不動態化作用がその作用中に常に金属イオンを放出する。さらに、第三摩耗物質（セメントや骨のくず）の存在がこの作用を加速し、微細な摩損金属粒子が摩擦を増加する。結果的に、寛骨臼カップ内のＵＨＭＷＰＥの裏打ちは、大腿部ヘッドに対して関節でつながれて、増大したレベルのクリープ，摩耗およびトルクにさらされる。これらの有害な影響を減らすことによって、金属イオン放出の問題が改善される。

これらの問題を解決するための多くの試みが、この分野における初期のほとんどの製品の主題であった。スズキの米国特許第４,１４５,７６４号は、孔の中に骨の針状体を内部成長させる多孔性のセラミック被膜で覆われるように接着剤でプラズマスプレーされた金属人工装具を開示している。しかしながら、スズキの特許は、整形インプラント支持面の摩擦や摩耗の点については触れずに金属人工装具の生物学的適応性についての論点のみに限定し、被膜を施したときに生ずる寸法的変化の点についても説明していない。ボクロス
の米国特許第３,６７７,７９５号は、金属人工装具上に炭化物被膜を施すことを示している。その方法は、「人体組織に対するすぐれた適合性を有し、血液凝固因子（non-thrombogenic）にならない」人工装具を作製するために説明されている。しかしながら、ボクロスは整形インプラントの支持表面の摩擦，発熱，クリープおよび摩耗や、この高温処理により下層金属の機械的性質に生じる変化について述べていない。

従来技術の上記欠点は、米国特許第５,０３７,４３８号にダビッドソンによって部分的に述べられている。'４３８号特許において、ダビッドソンは、有機ポリマー又はポリマ
ーベースの複合材料に対して関節でつながり、その場での酸化によって被覆された青黒色又は黒色酸化ジルコニウムの表面を有するジルコニウム又はジルコニウム含有金属合金の人工装具を開示している。その酸化ジルコニウムの被膜は、関節表面が対向関節面に対して関節でつながり、移動又は回転する関節人工装具の関節面に使用するのに理想的に適した、薄く、高密度で、低摩擦で、耐摩耗性を有し、生物学的適合性を有する表面を備えた人工装具を提供する。従って'４３８特許に開示された酸化ジルコニウム被膜は、大腿部
ヘッド上、又は股関節インプラントの寛骨臼カップの内面、又は膝関節のような他のタイプの人工装具の関節面上に、有効に使用される。特に、'４３８特許の酸化ジルコニウム
被膜は、特殊なタイプの酸化ジルコニウムである。酸化ジルコニウムはそれ自体を多くの形態で示し、その中には白色，ベージュ色および青黒色がある。白色変化は、基体を容易に分離および分裂させる傾向があるので、この出願では特に好まれない。例えば、単純な空気酸化によって形成された従来の酸化ジルコニウム表面は、青黒色又は黒色変化のものではなく、'４３８特許に開示されたものと同等の優れた特性を備えないであろう。これ
らの特性の最重要なものは、表面酸化物の存在から生じる高硬度，低摩擦である。

'４３８の特殊な青黒色又は黒色酸化ジルコニウム被膜は、機械的軸受けの分野で知ら
れ米国特許第２,９８７,３５２で開示された。それは、特殊な青黒色又は青色酸化ジルコニウム被膜を作るための７００〜１１００°Ｆ酸化法を開示している。後でヘイガースに与えられた特許（米国特許第４,６７１,８２４号）は、所望の被膜を作るための交番塩浴法を開示している。必要な特性を有するこの発明の青黒色又は黒色酸化ジルコニウムは、基本的に、単斜晶系の結晶構造である。これは、ハンター等により特徴づけられた（ハンター、ジー他、Mat. Res. Symp. Proc. 1999年、550,337）。

ＵＨＭＷＰＥ要素の比較的短い有効寿命の問題に取り組むために、対向支持表面としてＸＬＰＥを関節人工装具に導入することは、他の無関係な試みであった。ＵＨＭＷＰＥの架橋は、重合鎖間の共有結合を形成し、その共有結合は個々の重合鎖の内部強化により摩耗を阻止する。しかしながら、ＸＬＰＥには問題がないわけではない。ポリエチレンの他の形に対するＸＬＰＥの利点は、対向支持面の粗さが増大し、装具の作動温度が上昇するにつれて減少する。従って、対向支持面は、前述の状態を防止又は改良する特性を有するので、ポリエチレンの従来の形に対してＸＬＰＥの利点を目立たせることになる。それに加えて、摩耗特性の改良は、特に上昇した温度のもとではクリープに対する高い感受性を犠牲にして行われるという逸話的な証拠がある。

ＸＬＰＥの装具は、従来技術が大きく関わってきた他の欠陥を示した。しかし、被暴中に形成される遊離基は、架橋や再結合の他の形による停止反応が生じない場合には、いつまでも存在することができる。さらに、反応した中間体は連続的に形成され消失する。いずれの場合（例えば、被暴，自己老化，又は生体内老化の期間）でも、これらの遊離基種の分子酸素又は他の反応性酸化剤に対する暴露は、それらの酸化に帰着することができる。大量の酸化は、分子量の減少と、耐摩耗性を含む物理特性における付随的な変化とをもたらす。ＸＬＰＥの特性を改良するために多くの試みがなされてきた。これらの試みは、放射線により誘発された架橋ポリエチレンを含む（ハウメディカの米国特許第５,７２８,７４８号、５,６５０,４８５号、５,５４３,４７１号、５,４１４,０４９号および５,４
４９,７４５号；ジョンソン アンド ジョンソンのＥＰ０７３７４８１Ａ１参照；ハミ
ルトン、ジェイ、ヴイ他のScientific Exhibit, 第６４回ＡＡＯＳ会合、１９９７年２月；ハミルトン、ジェイ、ヴイ他のTrans４３回ORS, 782, 1997年；ビオメットの国際特許
出願番号９７／２９７８７参照；オオニシ、エイチ他のRadiat. Phys. Chem., 39(6), 495, 1992年；オオニシ、エイチ他のMat. Sci：Materials in Medicine, 7, 753−63, 1966年、オオニシ、エイチ他のJ. Mat. Sci：Materials in Medicine, 8, 11−18, 1997年；
米国特許第５,８７９,４００号、国際特許出願ＷＯ９８／０１０８５；米国特許第６,１
６５,２２０号；ＥＰ０７２９９８１Ａ１；米国特許第６,０１７,９７５号および米国特
許第６,２２８,９００号参照、ポリエチレンの化学的架橋（ＥＰ０７２２９７３Ａ１参照））。

この発明において、ＸＬＰＥの性能における改良は、ＸＬＰＥ組成物における改良を通じてではなく、むしろ、ＸＬＰＥ要素が関節でつながる対向支持面としての酸化ジルコニウム又は他の耐摩損表面の使用を通じて実現される。この発明の利点は、負の特性の一部を同時に除去することによって、ＸＬＰＥの所望の特性を保護することである。'４３８
特許は、ＸＬＰＥの表面に直接接触する酸化ジルコニウム表面の使用について検討も開示もしていない。発明者らは、酸化ジルコニウムの新しい特性が対向支持面としてのＸＬＰＥの本来の利点を目立たせるということを発見した。青黒色又は黒色酸化ジルコニウムの優れた強度と硬度，低摩擦，耐摩耗性，熱伝導度および生体適合性は、従来技術の人工装具がさらされてきた摩耗を著しく減速させ、可能な限り防止するのに十分である。酸化ジルコニウムの新しい特性は対向支持面としてのＸＬＰＥの性能を改良するように作用するので、明らかでない共同作用が十分に理解される。これらの予期しない利点はまた、他の耐摩耗性表面が使用される場合にも、ある程度まで存在する。

この発明は、酸化ジルコニウム・オン・ＸＬＰＥの人工装具を形成することに関し、従来の人工装具材料・オン・ＵＨＭＷＰＥよりも長い全有効使用寿命を示す特定の種類の酸化ジルコニウム・オン・ポリマーの装具を表す。これは、従来の人工装具材料用酸化ジルコニウムの代用として役立つ利点によるのみならず、ＸＬＰＥが酸化ジルコニウムに対して関節でつながる時に見られるＸＬＰＥの性能の共同的な改良によるものである。この発明は、ジルコニウム又はジルコニウム合金から形成された人工装具に限定されない。人工装具の基体それ自体は複合材料であってもよいが、ジルコニウム又はジルコニウム合金が、酸化ジルコニウム被膜が形成される表面のすぐ近くの基体層に存在することのみを必要とする。

発明の要旨
以下の明細書に用いられる「１つ」は１つ以上を意味する。特許請求の範囲において「備える」に関連して用いられる場合は、「１つ」は１つ以上を意味する。以下に用いられる「他の」は、少なくとも第２又はそれ以上を意味する。

ここで用いられる「耐摩耗表面」は、下層基体より高い硬度を有する材料面として定義される。下層基体材料を引用して用いられる場合には、それは「硬化表面」と同義である。酸化ジルコニウム表面は、耐摩耗表面の一例である。その他はセラミック材料で被覆された基体からなるが、それに限定されない。

ここで用いられる「基材」は、酸化ジルコニウムの層がその上に形成される材料として定義される。それは、同一成分からなり、単一層材料を含むものでもよいし、異成分からなり、多層の合成材料を含むものでもよい。

以下に用いられる用語「接触面」は、負荷支持（関節の）又は非負荷支持（非関節の）様式のいずれかで互いに接触する人工装具又は医療用インプラントのいずれか２つの表面
に該当する。

ここで用いられる「基体層」は、基体材料内ではっきり識別できる化学的な領域又は範囲として定義される。基体層はジルコニウム又はジルコニウム合金から構成されてもよいし、構成されなくてもよい。

ここに用いる「ジルコニウム合金」は、零より多い量のジルコニウムを含むあらゆる金属合金として定義される。従って、ここでは、ジルコニウムが少ない成分である合金は「ジルコニウム合金」とみなされる。

次の説明は、この発明を実施するための好ましい実施態様の実例を含む。しかし、その実施態様は実例を限定していない。この発明の実施においては、他の実例や方法が可能であり、それは、この開示を読めば当業者に明らかである。

この発明の一実施態様において、人工装具は、ジルコニウム又はジルコニウム合金で形成され患者の体の組織に挿入する移植部分と、支持面と、前記支持面と共働するのに適合した対向支持面とを有する人工装具本体を備え、前記支持面が、青黒色又は黒色の酸化ジルコニウムの薄い被膜を有し、対向支持面が架橋ポリエチレンからなる。

ある特定の実施態様において、人工装具は、青黒色又は黒色酸化ジルコニウムが、約１ミクロンから約２０ミクロンの厚さを有することを特徴とする。他の実施態様において、人工装具は、青黒色又は黒色酸化ジルコニウム被膜が、約１ミクロンから約５ミクロンの厚さを有することを特徴とする。

他の実施態様において、人工装具は、人工装具本体の移植部分が、内部成長する組織を人工装具本体の一部に収容するのに適合した不規則表面構造を備えることを特徴とする。

ある特定の実施態様において、人工装具は、不規則表面構造が人工装具本体の外面に取り付けられたジルコニウム又はジルコニウム合金ビーズを備え、ビーズ表面の少なくとも一部が青黒色又は黒色酸化ジルコニウムに酸化されてなることを特徴とする。他の実施態様において、人工装具は、不規則表面構造が人工装具本体の外面に接続されたジルコニウム又はジルコニウム合金のワイヤの網から形成され、網の表面の少なくとも一部が青黒色又は黒色酸化ジルコニウムに酸化されてなることを特徴とする。

上述した特徴のいずれかを備える他の実施態様において、人工装具は、支持面が、少なくとも１つの関節丘を有する大腿部要素であることを特徴とし、対向支持面が脛骨要素の一部であり、対向支持面が支持面と共働するように適合していることを特徴とする。

上述の特徴のいずれかを備えるさらに他の実施態様において、人工装具は、支持面がヘッド部を有する大腿部要素の一部であることを特徴とし、対向支持面が寛骨臼カップの内面の一部であり、前記内面が前記ヘッド部の支持面と共働するように適合していることを特徴とする。

上記特徴のいずれかを備える他の実施態様において、人工装具は、酸化ジルコニウムの表面と架橋ポリエチレンの表面とを備え、酸化ジルコニウムの表面が、架橋ポリエチレンの表面に直接接触する非関節面によって特徴付けられる。

ある特定の実施態様において、非関節人工装具は、骨板，骨ねじ，頭骨板，下顎インプラント，歯科インプラント，内部固定具，外部固定具，空間フレーム，ピン，くぎ，ワイヤおよびステイプルを含むグループから選択される。

正しい位置にある股関節人工装具を示す概略図である。 一般的な股関節人工装具を示す概略図である。 正しい位置にある膝関節人工装具を示す概略図である。 一般的な膝関節部品を示す概略図である。

発明の詳細な説明
この発明は、低摩擦の、耐摩耗性および耐クリープ性の、人工装具用関節，界面支持面を提供する。好ましくは、この発明は、一方の接触面が青黒色又は黒色酸化ジルコニウムから形成され他方の接触面がＸＬＰＥから形成される人工装具を提供する。また、一方の接触面は耐摩耗材料から形成され、他方の接触面はＸＬＰＥから形成される。

酸化ジルコニウムはそれ自体が多様であり、白，ベージュ，および黒色を含む。白色の種類は、基体を容易に分離および分裂させる傾向があるので、この発明では特に好まれない。従来の酸化ジルコニウム表面は、例えば単純な空気酸化によって形成され、青黒色又は黒色変化したものではない。

この発明の青黒色又は黒色酸化ジルコニウムは、必要な特性を有し、基本的に単斜晶系構造であり、正方晶系ジルコニウムを含むことができる。その微細構造は、ハンター等によって特徴付けられた。ここに使用される特定の青黒色又は黒色酸化ジルコニウム被膜は、機械的軸受けの分野で公知であって、米国特許第２,９８７,３５２号でワトソンによって初めて開示された。ダビッドソンは、米国特許第５,０３７,４２８号において、この形の酸化ジルコニウムを人工装具に適用することを、最初に開示した。

酸化ジルコニウム被膜がその上に形成される基材全体が、ジルコニウム又はジルコニウム合金から製造される必要がないということは重要である。酸化ジルコニウム表面を形成するために唯一必要なものは酸化ジルコニウム層の形成前の表面におけるジルコニウム又はジルコニウム合金である。酸化ジルコニウム表面の形成時に、それ以前の表面が第１基体層になる。例えば、複合材料は、この発明の可能な実施態様である。これによって、１つ以上の異なるコアー材料を有する人工装具の強度と重量の利点が実現される。例えば、高い強度を有し軽量で、ジルコニウム又はジルコニウム合金ベニヤ又は外層を有する合成コアー材料が、この発明によって構想される。基材の内部は、全体的な製造における不均質性の程度を変化させ、用途に依存する１つ以上の材料のものでもよい。また、低程度の不均質性が可能である。例えば、表面においてジルコニウム又はジルコニウム合金の濃度が比較的高く、基板の深さが増大するにつれて連続的に減少するジルコニウム含有量を示す基材が、もう一つの可能性である。後者の例では、はっきりと肉眼で見える相境界は基材中に存在しない。これらの例は、単なる例証であり、徹底的なものではないことを意味する。つまり、この開示を読む時に当業者に明らかとなる可能な実施態様の変形は、この発明の一部である。

この発明において有役なＸＬＰＥは、当該技術分野で一般に公知の例である暴露的又は化学的な、いずれかの手段で架橋されたポリエチレンである。ここに開示される接触界面が用途を見出す人工装具の実施例が、概略図、図１〜４に示される。

一般的な股関節アセンブリイが、自然位で図１と２に示されている。股関節ステム（stem）２は大腿骨に嵌入され、人工装具の大腿部ヘッド６は、図１に示すように骨盤に順に固定される寛骨臼の内層８に嵌入されて関節でつながる。多孔性金属ビーズ又は金網被膜
１２が組込まれ、多孔性被覆に周囲の組織が入り込んで生成することにより、インプラントの安定化をはかることができる。同様に、そのような被膜が、また、寛骨臼要素にも適用できる。大腿部ヘッド６は、股関節ステム２の一体部分であってもよいし、股関節人工装具の首部４の端の円錐形テーパの上に搭載された分離要素であってもよい。これによって、異なる材料の大腿部ヘッドをのぞいて金属製のステムおよび首部を有する人工装具を構成することができる。

この構成方法が望ましいことが多いが、それは、複合材料を用いることによって、重量，強度および耐摩耗性のような種々のパラメータを局部的に最適化することができるからである。しかし、材料を無視すると、大腿部ヘッドは、寛骨臼の内面に関節でつながるので、摩耗を引き起こし、長い期間のうちには人工装具の交換が必要となる。これは特に、大腿部ヘッドが金属で、寛骨臼カップが有機ポリマーやその複合材料で裏打ちされている場合である。これらの重合体表面は、良好で、比較的低摩擦面を提供し、生物学的適合性を有するが、これらは、上述したように、通常の使用時にうける摩擦熱やトルクによる摩耗と加速するクリープとにさらされる。

この発明においては、内層８はＸＬＰＥから形成されることが好ましく、大腿部ヘッド６は、青黒色又は黒色酸化ジルコニウムの面で被覆される。好ましくは、その酸化ジルコニウム表面被膜は１〜２０μｍの厚さを有するが、この範囲外であってもよい。それは、また、約１〜５μｍの厚さであってもよい。金網又は金属ビーズ表面１２は、少なくとも一部が青黒色又は黒色酸化ジルコニウムで被覆され、装具の中への組織又は骨の内部成長を促し、それによってその位置を安定化する。

典型的な膝関節人工装具が図３と図４に自然位で示されている。その膝関節は、大腿部要素２０と脛骨要素３０とを備える。大腿部要素は、大腿部要素の関節面を提供する関節丘２２と、大腿部要素を大腿骨に固定するくぎ２４とを備える。脛骨要素３０は脛骨ベース３２と、脛骨ベースを脛骨に搭載するためのくぎ３４とを備える。脛骨プラットフォーム３６は脛骨ベース３２の上に搭載され、関節丘２２の形状に相似の溝３８を備える。関節丘の底面２６は脛骨プラットフォームの溝３８に接触し、関節丘は脛骨プラットフォームに対向し、これらの溝の中で関節を形成する。この発明では、関節丘２２が青黒色又は黒色酸化ジルコニウムの表面で被覆され、脛骨プラットフォーム３６上の溝３８がＸＬＰＥからなる。大腿部要素２０と脛骨要素３０の残りの一部又は全部は、青黒色又は黒色酸化ジルコニウムの表面被膜を備えている。好ましくは、表面被膜は１〜２０μｍの厚さであるが、この範囲外であってもよい。また、それらは約１〜５μｍの厚さであってもよい。股関節の場合のように、多孔性ビーズ又は金網被膜もまた、膝の脛骨又は大腿部要素のいずれか又は両方に適用できる。膝人工装具のこれらの多孔性ビーズ又は金網被膜もまた、青黒色又は黒色酸化ジルコニウムによって少なくとも一部が被覆されて、人工装具内へ組織や骨が内部成長することを促し、それによってその位置を安定化する。

ベースにジルコニウムを含む金属合金は、従来法によって所望の形とサイズに鋳造又は機械加工されて人工装具の基体となる。次に、その基体は、その表面に強固に接着して拡散接合する酸化ジルコニウム被膜を自然に（自然位で）形成させる処理条件にさらされる。その処理条件は、例えば、空気，蒸気又は水による酸化、あるいは塩浴による酸化を含む。これらの処理は、理想的には、人工装具の基体の表面に、通常数ミクロン（１０^-6ｍ）の範囲の厚さを有し、薄くて堅く、高密度で、青黒色又は黒色で、低摩擦耐摩耗性の酸化ジルコニウムのフィルム又は被膜を与える。この被膜の下で、酸化処理からの放出酸素によって、下地基体金属の硬度と強度が増大する。

基材全体が、ジルコニウム又はジルコニウム合金から製造される必要がないということは重要である。酸化ジルコニウム表面を形成するために唯一必要なことは、酸化ジルコニ
ウム層の形成前にジルコニウム又はジルコニウム合金が基材の表面層を構成することである。例えば、複合材料は、この発明の可能な実施態様である。これによって、１つ以上の異なるコアー材料を有する人工装具の強度と重量の利点が実現される。例えば、高い強度を有し軽量で、ジルコニウム又はジルコニウム合金ベニヤ又は外層で囲まれた合成コアー材料が、この発明の可能な実施態様である。１つ以上の基体がその基材からなってもよく、これらの基体はジルコニウム又はジルコニウム合金を含むか、又は含まない適当な材料からなってもよい。また、基材は、ジルコニウム又はジルコニウム合金の濃度が基材の深さによって変化する連続位相からなってもよい。例えば、酸化ジルコニウムの被膜が形成される表面は、ジルコニウム濃度が比較的高く、この濃度がベース材料の中への距離が増大する（つまり、表面から離れる）につれて減少するように形成されてもよい。一般的な実施態様の変形は、開示に照らしてこの発明の範囲内にある。

青黒色又は黒色酸化ジルコニウムの表面被膜を形成する代表的な方法は、以前に、ワトソンの米国特許第２,９８７,３５２号と、ダビッドソンの米国特許第５,０３７,４２８号に開示されており、それは引用することによってその全文がここに組込まれる。１〜５ミクロンの被膜厚さが好ましい。種々の厚さの表面を作製するために有効な条件は、米国特許第５,０３７,４２８号に開示されている。酸化ジルコニウム被膜の均一性を制御する方法は、共有の同時係属出願番号０９／３８１,２１７に開示されており、それは引用する
ことによりその全文がここに組込まれる。

酸素，ニオブおよびチタニウムは、ハフニウムを含むことが多い合金中の共通の合金エレメントである。そのようなジルコニウム含有合金は、治金の分野で公知の従来方法により処理されてもよいが、多くの適当な合金は市販されている。これらの市販の合金の実例としては、特にZircadyne705，Zircadyne702，およびZircalloyを挙げることができる。

これらの拡散接合され、低摩擦で、高耐摩耗性の酸化ジルコニウム被膜は、摩耗状態にさらされる整形インプラントの接触面に適用される。そのような表面は、膝関節，ひじや股関節の関節面を含む。股関節の場合、大腿部ヘッドとステムは、通常、金属合金で製作され、寛骨臼カップはセラミックスから製作される。唯一必要なことは、装具の接触面の基材の表面がジルコニウム又はジルコニウムの合金からなり、適当な条件下での表面酸化時に、酸化ジルコニウムの適度の表面濃度が形成されなければならないということである。基材の内部へ延びる基体層は、そのいずれかがジルコニウム又はジルコニウム合金であるか又はそうでない１つ以上の材料から構成されてもよい。

従来のポリエチレンより優れたＸＬＰＥの摩耗の利点は、或る条件のもとでは小さくなる。例えば、対向支持面の粗さが増大するにつれて、ＸＬＰＥはその耐摩耗性において従来のポリエチレンに近づく（例えば、マクケロップ他の「Wear of Gamma−Crosslinked Polyethylene Acetabular Cups Against Roughened Femoral Balls」、Clin. Orthop. 1999年、369、第73〜82頁参照）。従来のポリエチレンより優れたＸＬＰＥの摩耗の利点は、ＸＬＰＥに対して低い粗さで耐摩耗性を有する関節面を用いることにより、高められる。

架橋ポリエチレンは、従来のポリエチレンよりもクリープしやすいという逸話的な証拠がある。従って、医療用インプラントにおいて、従来のＰＥより優れたＸＬＰＥの摩耗特性を得るときに作られる潜在的な交換条件がある。しかしながら、関節支持面は、思いがけなくこの欠点を減じた。クリープは比較的ゆっくりした塑性変形であり、それは材料が融点に近づくような高温において顕著になる（ディー．エー．ブラントとジェイ．シー．ワーナーの「Metallurgy Fundamentals」Goodheart−wilcoxPub. Co., Inc., 第57頁、1999年参照）。熱伝導体である接触面は、熱を通過させて局部的な温度上昇を回避する能力により、ＸＬＰＥより優れた従来のポリエチレンの耐クリープ性の利点を小さくする。いずれかのポリマーの温度が上昇したとき、長期の圧縮・引張負荷に耐える能力が低下し、
従来のポリエチレン又はＸＬＰＥから作られた人工装具は、不首尾に終わりやすい。融点よりも著しく低い温度では、２つのポリマーは、耐クリープ性が互いにきわめて接近する。

酸化ジルコニウムは、それが従来の人工装具材料に対して有する優れた熱伝導度に関して、新しい。それは、優れた表面粗さ特性と、非常に高い熱伝導度とを併用する。このようにして、それは、金属とセラミックスの（ＸＬＰＥに特有の）関連した有役な特性を有し、前者の関連する欠点を排除して後者より性能が優れる。従って、ジルコニア又はアルミナのような全ての耐摩耗性表面は、ＸＬＰＥの減少した摩耗と、耐クリープにおける少なくとも多少の改良との恩恵を享受し、また、酸化ジルコニウムは、著しく減少した摩耗と、著しく減少したクリープ感受性との両方を享受する。

この発明の人工装具は、種々の用途においてデザイン上の利点を示す。重要なことは、ＵＨＭＷＰＥにまさるＸＬＰＥの耐摩耗性特性が十分に得られ、ＸＬＰＥが耐摩耗表面と関節でつながるときにクリープ特性が改良されるということである。これらの改良は、ＸＬＰＥが酸化ジルコニウムと関節でつながるときにさらに高められ、ポリマーの内層を従来の人工装具よりも薄く形成できる。低摩擦と高熱伝動度による酸化ジルコニウム対向支持面の優秀性によって、ポリマー内層をさらに薄くできる。共同性の結果は、従来の人工装具より優れた重量的な利点を有する潜在的に小さい人工装具であり、それは骨の切除をほとんど必要とせず、高い整合性と接触面積とを必要とし、接触押力における減少、運動範囲の増大および脱臼する機会の減少を示す。ポリマー材料の量が少ないことによって、（材料の移行の見込みが低いことから）骨溶解の見込みが低くなるものと期待され、部品の使用寿命が同じか長くなる。人工装具の大きさが小さくなることは、膝関節人工装具より一般的に大きく、それより狭い運動範囲を有する股関節への応用において大きな重要性があるものと期待される。

この発明はまた、膝関節人工装具においても、有用である。膝関節人工装具には、一般的に２つの変形、つまり、可動支持膝関節（ＭＢＫ）と固定支持膝関節（ＦＢＫ）とがある。図３と４を参照すると、ＭＢＫは関節を形成する脛骨要素が脛骨プラットホーム３６に対して可動であるという特徴を有する。これは、脛骨要素３０の上部と底部の両方に摩耗とクリープを生じさせる。これに対して，ＦＢＫにおけるこの界面は固定され、動きは
脛骨の上部と関節丘２２の間においてのみである。結果として、ＭＢＫは大きい運動範囲を有し、ＦＢＫよりも大きい摩耗とクリープを被る。ＸＬＰＥは、耐摩耗表面と関節でつながるとき、ＵＨＭＷＰＥよりも一般的に大きい耐摩耗性と、それに匹敵する耐クリープ性を与える。この特性は、脛骨のトレイ（tray）が酸化ジルコニウムから形成される場合に高められる。これと同じ利点は、ＦＢＫ人工装具においても見られるが、脛骨要素３０と関節丘２２との間の関節界面に限定される。

ジルコニウム又はジルコニウム合金はまた、周囲の骨や他の組織と一体化して酸化ジルコニウム・オン・酸化ジルコニウムの人工装具を安定化させる多孔性ビーズ又は金網表面を提供するために使用することができる。これらの多孔性被膜は、金属イオンの放出を排除又は低減させるベース人工装具の酸化と同様の酸化処理によって同時に処理できる。さらに、ジルコニウム又はジルコニウム合金もまた、酸化ジルコニウムの被膜が自然酸化で形成される前に、従来のインプラント材料に適用される表面層として使用できる。

この発明をその好ましい実施態様を引用して説明したが、当業者であれば、この開示を読めば、上述又は以下に請求する発明の範囲と精神から離れることなくなすことができる変更や変形を認識することができる。

明細書中で述べたすべての特許および文献は、この発明が関連する技術における当業者のレベルを示す。すべての特許および文献は、各文献が特に、個々に引用によって組込まれるように指示されているかのように、同じ内容を引用することによりここに組込まれる。
米国特許第５,０３７,４３８号 １９９１年８月 ダビッドソン
米国特許第４,１４５,７４６号 １９７９年３月 スズキ他
米国特許第３,６７７,７９５号 １９７２年７月 ボクロス他
米国特許第２,９８７,３５２号 １９５８年２月 ワトソン
米国特許第４,６７１,８２４号 １９８７年６月 ヘイガース
米国特許出願番号０９／３８１,２１７ １９９９年１１月出願 ハンター他
ハンター，ジー他，Mat. Res. Soc. Symp. Proc., １９９９年，５５０,３３７．
マクケロップ他、「Wear of Gamma−Crosslinked Polyethylene Acetabular Cups Against Roughened Femoral Balls」、Clin. Orthop., 1999年、369、第73〜82頁。
ハンター他「Abrasive Wear of Oxidized Zr−2.5Nb, CoCrMo, and Ti−6Al−4V Against Bone Cement」、6^th World Biomaterials Cong. Trans., Society for Biomaterials,
Minneapolis, MN, 2000年，第835頁。

２ 股関節ステム
６ 大腿部ヘッド
８ 内層
１２ 多孔性金属ビーズ
２２ 関節丘
２６ 底面
２０ 大腿部要素
２４ くぎ
３０ 脛骨要素
３２ 脛骨ベース
３４ くぎ
３６ 脛骨プラットフォーム
３８ 溝

Claims (10)

1. ジルコニウム又はジルコニウム合金で形成され患者の体の組織に挿入するための移植部分を備える人工装具本体と、支持面と、前記支持面と共働するように適合した対向支持面とを備え、前記支持面が、青黒色又は黒色の酸化ジルコニウム被膜を有し、対向支持面が架橋ポリエチレンからなる人工装具。
2. 前記青黒色又は黒色の酸化ジルコニウム被膜が、約１ミクロンから約２０ミクロンの厚さを有することを特徴とする請求項１記載の人工装具。
3. 前記青黒色又は黒色の酸化ジルコニウム被膜が、約１ミクロンから約５ミクロンの厚さを有することを特徴とする請求項１記載の人工装具。
4. 人工装具本体の移植部分が、内部成長する組織を人工装具本体の一部に収容するように適合した不規則表面構造を備えることを特徴とする請求項１記載の人工装具。
5. 不規則表面構造が人工装具本体の外面に取り付けられたジルコニウム又はジルコニウム合金ビーズを備え、ビーズ表面の少なくとも一部が酸化されて青黒色又は黒色酸化ジルコニウムになっていることを特徴とする請求項４記載の人工装具。
6. 不規則表面構造が人工装具本体の外面に接続されたジルコニウム又はジルコニウム合金ワイヤの網から形成され、網の表面の少なくとも一部が酸化されて青黒色又は黒色酸化ジルコニウムになっていることを特徴とする請求項４記載の人工装具。
7. 支持面が、少なくとも１つの関節丘を有する大腿部要素の一部であることを特徴とし、さらに、対向支持面が脛骨要素の一部であり、対向支持面が支持面と共働するように適合していることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の人工装具。
8. 支持面が、ヘッド部を有する大腿部要素の一部であることを特徴とし、さらに、対向支持面が寛骨臼カップの内面の一部であり、前記内面が前記ヘッド部上の支持面と共働するように適合していることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の人工装具。
9. 酸化ジルコニウムの表面と架橋ポリエチレンの表面とを備え、酸化ジルコニウムの表面が架橋ポリエチレンの表面に直接接触する非関節面によって特徴付けられる請求項１〜６のいずれか１つに記載の人工装具。
10. 骨板，骨ねじ，頭骨板，下顎インプラント，歯科インプラント，内部固定具，外部固定具，空間フレーム，ピン，くぎ，ワイヤおよびステイプルを含むグループから選択された請求項９記載の非関節人工装具。

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