JP2013545883A

JP2013545883A - 金属処理

Info

Publication number: JP2013545883A
Application number: JP2013513751A
Authority: JP
Inventors: ジェームズティモシーショウクロス; アンドリューデレクターナー; ディヴィッドリチャードルイス
Original assignee: アクセンタスメディカルリミテッド
Priority date: 2010-06-11
Filing date: 2011-05-25
Publication date: 2013-12-26
Also published as: EP2580377A2; WO2011154715A2; AU2011263550A1; US8888983B2; AU2011263550B2; CA2800380C; CA2800380A1; CN103732802A; KR20130109094A; CN103732802B; US20130075267A1; KR101829204B1; GB201009772D0; WO2011154715A3

Abstract

【課題】金属製インプラントの処理方法を提供する。
【解決手段】電解質と接触した表面（１１、１２）に陽極酸化処理を施した後、陽極酸化処理を施した表面に短時間に亘って反転電圧を加えることによって金属製インプラントを処理する。最初の陽極酸化処理工程中に表面が不動態化するのに対し、続いて行われる陽極酸化処理工程中、不動態化した表面層にピットが形成される。表面の粗部分（１５）、詳細には金属粉体のプラズマ溶射によって形成した部分を、陽極酸化処理プロセスの少なくとも部分中、水密カバー（２０）でシールする。洗浄後、殺菌性金属イオンをインプラントの表面に吸収する。これにより、インプラントに殺菌性を提供する。カバー（２０）を使用することにより、殺菌性金属イオンを幾何学的に更に均等に分配できる。
【選択図】図２

Description

本発明は、金属製物体に殺菌性を提供するための処理方法に関する。本発明は、詳細には、物体を外科手術手技で埋め込んだときに感染症の危険を減少する、処理を施した金属製物体に関するが、これに限定されない。

手術では、軟質組織又は硬質組織のいずれかの身体組織に金属製インプラントを挿入する。例えば、骨の癌治療を行う場合、癌に罹患した骨組織を除去し、除去した骨の部分に代わって金属製人工補装具インプラントを使用する。インプラントは、関節（例えば股関節）の骨の部分置換又は全置換にも使用され、歯科手術及び顎顔面手術等の他の分野でも使用される。以上の（及び他の）用途で使用されるインプラントは、チタニウム金属又はチタニウム合金製であってもよい。チタニウム金属又はチタニウム合金は生体親和性であり、比較的強く且つ比較的軽量である。こうした材料は研磨された光る表面を有し、又はチタニウム粉体をプラズマ溶射することによって形成された多孔質粗表面を有する。こうした多孔質粗表面には、骨とインプラントとの結合を促進するという利点があり、望ましい。

金属製インプラントの表面に感染症が導入される、又は感染症が生じる危険がある。感染症の危険を抑えるようにインプラントを処理するための一つの方法が、ＷＯ２００９／０４４２０３に記載されている。これには、イオン吸収性材料を含むピットが形成された硬質の酸化物層を形成するように、代表的には最大１００Ｖでインプラントに陽極酸化処理を施す工程が含まれる。ピットには、次いで、銀イオンが吸収される。このプロセスは良好な結果をもたらすけれども、表面の部分に多孔質粗仕上げが施してあるインプラントにこのプロセスを適用する上で問題があった。多孔質粗仕上げは、例えば、金属粉体のプラズマ溶射、蒸着、又は線維状金属又は焼結金属によるコーティングによって行われる。

ＷＯ２００９／０４４２０３

一つの問題点は、陽極酸化処理電流が、主として、多孔質粗仕上げが施された領域を通って流れ、そのため局所的加熱が生じるということである。これは、プラズマ溶射したコーティングの付着性にも悪影響を及ぼす。

従って、本発明は、第１の態様において、殺菌剤を溶出可能な形態で表面に組み込むため、表面の一部分に粗金属仕上げを施した金属製インプラントの処理方法において、
（ａ）粗金属仕上げを施した表面の部分を水密カバーで包囲する工程と、
（ｂ）金属製物体を陽極酸化処理電解質と接触し、金属製物体に陽極酸化処理電圧を加え、金属製物体上に陽極酸化処理を施した一体の表面層を形成することによって金属を不動態化する工程と、
（ｃ）次いで、水密カバーを取り外し、この工程（ｃ）の前後いずれかで、
（ｄ）陽極酸化処理を施した金属製物体を殺菌剤を含む溶液と接触し、殺菌剤を表面層に組み込む工程とを含む、方法を提供する。
本発明は、チタニウムやチタニウム合金等の金属、又はニオブ、タンタル、又はジルコニウム等の他のバルブ金属又はその合金で形成された金属製インプラント、及びこのような金属及びその合金でめっきした又はコーティングした金属製インプラントに適用できる。この目的の一つの標準的合金は、チタニウム９０％、アルミニウム４％、及びバナジウム４％の合金（英国標準７２５２）である。
代表的には、工程（ｃ）及び（ｄ）の実施前に、インプラントに以下の工程を加える、即ち、
（ｅ）工程（ｂ）で形成された一体の表面層を通してピットを形成するため、陽極酸化処理電圧を加え続ける工程と、
（ｆ）次いで、電解質又は溶液と接触した状態で電気化学的還元又は化学的還元を行うことによって表面層に含水金属酸化物又は燐酸塩を形成する工程と、
（ｇ）工程（ｆ）で発生した陽極酸化処理を施した金属製物体を工程（ｆ）の電解質又は溶液から除去し、又は分離する工程とを加え、洗浄する。

これらの工程により、陽極酸化処理を施した表面のイオン吸収性を満足のいくものにする。ピット形成工程（ｅ）中に加えられた電圧は、不動態化工程（ｂ）中に加えられた最大電圧よりも低い。ピット形成工程は、不動態化工程中に使用されたのと同じ電解質を使用してもよい。

陽極酸化処理工程（ｂ）中、加えられた最大電圧で不動態酸化物薄膜の厚さが決まる。その後に加えられる比較的低い電圧は薄膜の厚さに影響を及ぼさない。最大電圧は、２０００Ｖ程度の高圧であってもよいが、代表的には、３０Ｖ乃至１５０Ｖであり、例えば１００Ｖである。陽極酸化処理工程（ｂ）中の電圧は、時間に従って線型に最大制限電圧値まで上昇する電圧として加えられてもよく、又は別の態様では、最大限度まで段階的に上昇する電圧として加えられてもよい。

ピット形成工程（ｅ）中に加えられる電圧の値は比較的低くてもよい。驚くべきことに、これにはピット形成の速度及び程度の両方を増大する効果がある。好ましくは、工程（ｅ）中に加えられた電圧の値は、１５Ｖ乃至８０Ｖであり、例えば２５Ｖ、３０Ｖ、又は７５Ｖである。望ましくは、２０Ｖ乃至６０Ｖであり、例えば２５Ｖ又は３０Ｖである。

陽極酸化処理工程（ｂ）中、電流が高い場合には、局所的加熱効果を小さくするため、ゆっくりと攪拌するのが望ましい。これは、単一のアイテム、及び処理が同時に行われる一群のユニットに亘ってプロセスの均等性を改善する上で有効である。好ましくは、工程（ｅ）中、微細なピットを形成する場合、金属製インプラントの表面に対する電解質の移動又は循環を抑え、又はなくす。

電解質は酸であってもよいしアルカリであってもよい。例えば、電解質は、水等の溶媒に溶解した、濃度が０．０１Ｍ乃至５．０Ｍ、代表的には０．１Ｍ乃至３．０Ｍ、特に２．０Ｍの燐酸であってもよい。硫酸、燐酸塩溶液、又は酢酸等の他の電解質を使用してもよい。好ましくは、酸電解質のｐＨは、０．５＜ｐＨ＜２．０の範囲内に維持しなければならず、更に理想的には、０．７５＜ｐＨ＜１．７５の範囲内に維持しなければならない。アルカリ電解質を使用する場合には、ｐＨは、好ましくは、９よりも大きく、更に代表的には、ｐＨは、１０乃至１４の範囲内にある。アルカリ電解質は、Ｎａ₃ＰＯ₄等の燐酸塩であってもよいし、水酸化ナトリウム即ちＮａＯＨであってもよい。

金属製インプラントの幾何学的表面積は、従来の手段によって決定できる。しかしながら、これには、金属の顕微鏡的表面特徴又は表面粗さは斟酌されておらず、微細な顕微鏡的表面積は、陽極酸化処理工程中にどれ程多くの電流を通すのかを決定し制御する上で重要なファクタである。顕微鏡的表面積は、例えば、金属製インプラントを電解質に浸漬し、二重層容量を計測し、これを較正標準と比較することによって決定できる。顕微鏡的面積の幾何学的面積に対する比は、表面粗さファクタとして周知である。研磨面の表面粗さファクタは、代表的には、２よりも小さい。これに対し、チタニウムをプラズマ溶射することによって荒らした表面の表面粗さファクタは１００程度であり、従って、表面のこの部分に遥かに大きい電流が流れる。「粗金属仕上げ」という用語は、表面の当該部分の表面粗さファクタが少なくとも５、代表的には少なくとも２０乃至４０であり、２００程度と高くてもよく、最大５００又はそれ以上であるということを意味する。

水密カバーは、金属製インプラント処理方法で使用された陽極酸化処理電解質等の溶液との接触を阻止するように設計されている。陽極酸化処理工程中、粗金属仕上げを施した表面の部分を電解質から保護することによって、非常に高い電流によって生じる問題点をなくす。水密カバーは、粗表面に亘って拡げられた、塗料、グリース、又はワックス又は熱硬化性樹脂又は紫外線硬化性従来等の材料を含み、次いで、例えば熱処理によって容易に除去できる。別の態様では、水密カバーは、金属製インプラントの表面上に縁部に沿ってシールされた、ポリイミド、シリコーン、又はポリエチレン等の不透過性材料製のシート、テープ、又はスリーブで形成されている。別の例では、水密カバーは、表面の粗部分を包囲し、金属製インプラントの表面上に縁部に亘ってシールされるように構成された一つ又はそれ以上の剛性の本体によって提供されてもよい。

変形例の手順では、先ず最初にインプラント全体に陽極酸化処理を加える。これは、４０Ｖよりも低い、更に好ましくは３５Ｖよりも低い、例えば２８Ｖの最大電圧で行われる。これは、電解質を１０℃よりも低い温度に、更に好ましくは５℃よりも低い温度に、もっと好ましくは２℃よりも低い温度に冷却することと関連して行われる。次いで、上文中に説明した手順をインプラントに加え、カバーによって保護されていない部分を１００Ｖ等の比較的高い電圧で陽極酸化処理する。

別の変形例では、５Ｖよりも低い電圧で、例えば０．５Ｖ乃至２．５Ｖで、インプラント全体の表面に又は粗部分だけに初期低電圧陽極酸化処理を施す。これにより非常に薄い酸化物層が形成される（１Ｖで、厚さが０．１４ｎｍに過ぎない）。これにより、酸化物の厚さを実質的に均等にする。別の態様では、化学的酸化剤を使用する化学的プロセスによってこのような薄い酸化物層を形成してもよい。例えば、これには、硝酸に浸漬する工程が含まれる。いずれにせよ、このような薄い酸化物層を形成した後、上文中に説明した手順をインプラントに加え、カバーによって覆われていない部分に１００Ｖ等の高電圧で陽極酸化処理を加える。

表面の粗部分に陽極酸化処理が加えられようと加えられまいと、チタニウム粉体のプラズマ溶射によって形成された粗表面には、銀イオン等の殺菌性材料を吸収するのに充分な或る程度のイオン交換性があるということがわかっている。そのため、カバーを取り外してインプラント全体を銀イオンの水溶液に浸漬すると、銀イオンが全面に亘って吸収される。手術手技でインプラントを埋め込んだ後、陽極酸化処理を施した局所的及びプラズマ溶射チタニウム表面からこのようなイオンが徐々に溶出し、感染症を抑える。

還元工程（ｆ）は、第１の選択肢として、工程（ｂ）及び（ｅ）中に陽極酸化処理を施した金属製物体に負の電圧を加える工程を含む。この際、金属製物体は、陽極酸化処理電解質と接触したままである。これは、好ましくは、溶媒の電解質を電気分解するには不十分な低い電圧を使用する。例えば、チタニウム製の医療用インプラントの場合には、電解質は２．１Ｍの燐酸であり、負の電圧は、Ａｇ／ＡｇＣｌ標準電極に関して−０．２Ｖ乃至−０．７Ｖである。この電圧範囲は、水溶媒の電気分解を生じない。水溶媒の電気分解は、−０．７Ｖよりも低い電圧で生じる。

第２の選択肢として、工程（ｂ）及び（ｅ）中に陽極酸化処理を施した金属製物体を、チタニウム又は代替金属の還元性の可溶性の塩を含む電解質溶液と接触させ、負の電圧を加え、電気化学的還元を行ってもよい。工程（ｆ）の第３の選択肢として、電気化学的還元を行う代りに、金属製物体を化学的還元剤と接触してもよい。

工程（ｂ）及び（ｅ）の陽極酸化処理工程後、表面ピットに収容された溶液は、基材金属の過酸化陽イオン錯体(peroxy cationic complex) を含む。上文中に説明した工程（ｆ）の第１の選択肢におけるように、この錯体を電気化学的に還元し、限られた溶解度を持つ含水金属酸化物にできる。この錯体は、工程（ｆ）の第３の選択肢におけるように、化学的に還元できる。工程（ｆ）の第２の選択肢では、ピットに残るこの錯体を用いずに、過酸化陽イオン錯体、好ましくはピット内で電気化学的に還元して含水チタニアにできるペルオキシチタニルを含む電解質溶液を提供する。

電気化学的還元を行うために外部電源を使用する代りに、鉄や鋼等の腐蝕し易い金属でできた電極に金属製物体を接続することによって、金属製物体を負にしてもよい。腐蝕性金属製電極を金属製物体と同じ電解質に浸漬してもよく、又は塩橋又はイオン選択性膜を通してイオン結合した別の電解質に浸漬してもよい。腐蝕性金属製電極が優先的に腐蝕し、金属製物体の表面のところで電気化学的還元を生じる。

好ましくは、工程（ｇ）において、金属製物体を洗浄し、ここまで実施した工程の後に表面上に残った電解質又は溶液を除去する。洗浄は、水又は任意の適用な溶剤を使用して行われてもよい。次いで、工程（ｄ）において、好ましくは金属イオンの形態の殺菌性材料を含む溶液と接触し、殺菌性材料を金属製物体の表面層に組み込む。

殺菌性材料は、銀等の殺菌性金属を含んでいてもよいが、銀に加えて又は銀の代りに、例えば銅、ルテニウム、又はプラチナ等の他の金属を使用してもよい。好ましくは、殺菌性材料（例えば銀等の金属）は、工程（ｄ）の溶液でイオンの形態で提供される。銀の適当な表面濃度は、幾何学的には、２μｇ／ｃｍ²乃至３０μｇ／ｃｍ²の範囲内にあり、更に代表的には、２μｇ／ｃｍ²乃至１５μｇ／ｃｍ²の範囲内にあり、好ましくは、４μｇ／ｃｍ²乃至６μｇ／ｃｍ²である。この濃度は、感染症を抑える上で有効であるが毒性がない。幾つかの場合では、感染症を抑える上で有効であるが毒性がない更に高い濃度で銀を加えるのが望ましいということは理解されよう。

本発明は、第２の態様では、殺菌剤を溶出可能な形態で表面に組み込むため、表面の一部分に粗金属仕上げを施した金属製インプラントの処理方法において、
（ａ１）低い電流密度を提供する陽極酸化処理電解質を選択する工程と、
（ｂ１）金属製物体を陽極酸化処理電解質と接触し、金属製物体に陽極酸化処理電圧を加え、電圧を０．５Ｖ／ｓを越えないゆっくりとした制御された速度で上昇し、陽極酸化処理によって形成された一体の表面層を金属製物体上に形成することによって金属を不動態化する工程と、
（ｄ）陽極酸化処理を施した金属製物体を殺菌剤を含む溶液と接触し、殺菌剤を表面層に組み込む工程とを含む、方法を提供する。

低温の、即ち＜１０℃、更に好ましくは、＜５℃、例えば１℃の２．１Ｍの燐酸、又は低濃度の、即ち＜１Ｍ、更に好ましくは０．４Ｍよりの低濃度の、例えば０．１Ｍの２０℃の燐酸の、又は低温で低濃度の電解質によって、低い陽極酸化処理電流密度を提供してもよい。低温の電解質を使用することにより、拡散係数を低下し、電解質でのＴｉ（ＩＶ）の溶解度を低下し、非効率な副プロセスを低減する。更に、ｐＨがそれ程高くも低くもない電解質を使用することによって、低い陽極酸化処理電流密度が助長される。このような電解質は、酸溶液については、ｐＨが標準よりも高くなければならず、例えばｐＨ０．８５の２．１Ｍの燐酸であり、アルカリ溶液については、ｐＨが標準よりも低くなければならない。これにより、Ｔｉ（ＩＶ）の溶解度を緩和する。更に、電圧は徐々に、例えば、０．０１Ｖ／ｓで、好ましくは０．５Ｖ／ｓで、例えば僅か０．２Ｖ／ｓで、上昇しなければならない。これは、少なくとも部分的には、表面を均衡状態に近付けるための時間を確保する上で有用である。更に電圧の上昇が低速で行われることにより、電流密度が低くなる。これは、酸化物層が低速で成長するためである。（陽極酸化処理が、通常は、２０℃の２．１Ｍの燐酸で、電圧を０．５Ｖ／ｓ乃至５Ｖ／ｓで上昇して行われることと比較されたい。）

本発明のこの第２の態様により、陽極酸化処理が施されるべき多孔質金属コーティングを含む表面全体に、上文中に説明したように、不動態化又は表面ピット形成のいずれかを行うことができる。この方法で陽極酸化処理を行うことにより、インプラントの表面での局所的電力消費を減少する。粗さファクタが１００の粗表面に亘ってイオン吸収陽極酸化処理表面が形成されているため、全体として満足のいくものではないのにも関わらず、形状をベースとして考えた場合に銀濃度が非常に高い。例えば、陽極酸化処理表面上の銀吸着単一層は、約０．３μｇ／ｃｍ²乃至１．０μｇ／ｃｍ²の顕微鏡的濃度を提供する。これは、３０μｇ／ｃｍ²乃至１００μｇ／ｃｍ²の幾何学的付着(geometric loading)と対応する。従って、陽極酸化処理により不動態化したがピット形成が行われていないインプラントの粗部分に銀を過剰付着し、表面の研磨部分の付着を大幅に減少してもよい。

一つの選択肢として、本発明のこの第２の態様では、工程（ｄ）の実施前に、前記インプラントに以下の工程を加える、即ち、
（ｅ）工程（ｂ１）で形成された一体の表面層を通してピットを形成するため、陽極酸化処理電圧を加え続ける工程と、
（ｆ）次いで、電解質又は溶液と接触した状態で電気化学的還元又は化学的還元を行うことによって表面層に含水金属酸化物又は燐酸塩を形成する工程と、
（ｇ）工程（ｆ）で発生した陽極酸化処理を施した金属製物体を工程（ｆ）の電解質又は溶液から除去し、又は分離する工程とを加え、洗浄する、方法が提供される。

これにより、表面の研磨部分に満足の行くように付着がなされるが、場合によっては、インプラントの粗部分の付着が多過ぎる。
従って、殺菌性材料濃度を幾何学的に実質的に均等にするのが望ましい場合には、研磨面及び粗表面を別々に処理するのが好ましく、これは、本発明の第１の態様で特定したカバーを使用して行うことができる。

本発明は、更に、こうした方法によって製造した金属製インプラントを提供する。
本発明によるインプラントは、多くの医学的用途及び手術の用途で使用できる。こうした用途には、股関節の全交換及び部分的交換、顎顔面手術、外傷、歯列矯正の用途及び整形外科の用途、歯科用インプラント、及び一部に多孔質粗表面を備えた金属製インプラントを提供する任意の他の用途が含まれる。
次に、添付図面を参照して本発明を単なる例として更に詳細に説明する。

図１は、股関節インプラントの側面図である。図２は、断面で示す保護スリーブが設けられた図１のインプラントの側面図である。図３は、断面で示す保護クランプによって保持された図１のインプラントの側面図である。

図１を参照すると、この図には、チタニウム合金製の股関節インプラント１０が示してある。このインプラントは、二つの端部分１１及び１２が研磨してあり、厚さが約０．５ｍｍのプラズマ溶射チタニウム粉体コーティング（ハッチングが付してある）等の多孔質金属コーティングが中央部分１５に設けられている。研磨面の粗度係数が１．５である（静電容量の計測による）のに対し、プラズマ溶射部分の粗度係数は約１００である。

幾つかの実験例では、厚さが０．１ｍｍのプラズマ溶射チタニウムコーティングの場合には、プラズマ溶射面の粗度係数は約２７であり、コーティングの厚さが０．２ｍｍの場合には、粗度係数は８６であり、厚さが０．５ｍｍのプラズマ溶射チタニウムコーティングの場合には、プラズマ溶射面の粗度係数は約１４７であった。図１の股関節インプラント１０に関して観察された粗度係数の数字はこれらの実験と一致する。

インプラント１０の表面に陽極酸化処理を加えることによって、表面に高いイオン交換性能を提供してもよい。インプラント１０への電気的接続を行うことができるようにするため、例えば、端部分１２のテーパ端に処理が施されていなくてもよいということは理解されよう。

実験的に、片側にプラズマ溶射コーティングを施したチタニウムロッドに最大３０Ｖの最大電圧まで０．１５Ｖ／ｓの低い走査速度で陽極酸化処理を施す。これは、２．１Ｍの燐酸電解質を使用して、第１の場合には０℃で、第２の場合には−１５℃で行われる。第１の場合には、１．３４時間に亘って（ピットが形成するまで）行われ、第２の場合には、約０．１７時間（１０分）後に陽極酸化処理を停止した。そのため、不動態化だけが生じた。洗浄後、ロッドを１時間に亘って０．１Ｍの硝酸銀溶液に浸漬した。第１の場合には、銀の結果的幾何学的付着量(resultant geometric loading of silver) は、全面に亘って平均して１７０μｇ／ｃｍ²であり、第２の場合には、ピットの形成がほとんど生じず、粗部分上での銀の結果的幾何学的付着量は４５μｇ／ｃｍ²であった。こうした付着量は、用途によっては、特に粗領域では過剰である。

別の実験として、プラズマ溶射チタニウム面を硝酸銀溶液に２時間に亘って陽極酸化処理を行わずに浸漬した。銀の結果的付着量は様々であり、硝酸銀溶液の濃度（０．０１Ｍ乃至０．１０Ｍで変化した）で或る程度決まるが、各場合において、付着量は４μｇ／ｃｍ²乃至１４μｇ／ｃｍ²であった。これは、受容可能な付着量である。

従って、図１に示すように、プラズマ溶射粗部分１５を水密カバーでマスキングすることによって、インプラントに満足のいく殺菌性を与えることができる。図２に示すように、水密カバー２０は、緩く装着したプラスチック製スリーブ２１で形成されていてもよい。スリーブ２１は熱収縮性端区分２２を有し、次いで、紫外線によって硬化させた狭幅のビード又は樹脂の糸によってこれらの区分をインプラント１０の研磨部分にシールする。ビード又は糸は、幅が０．５ｍｍである。この水密カバー２０を取り付けた後、インプラントを電解質に浸漬し、陽極酸化処理を行うことができる。

変形例として、粗部分１５全体を樹脂でコーティングし、次いで熱や紫外線によってその場で硬化させてもよい。コーティングは、好ましくは、研磨面上に例えば０．５ｍｍ延びている。樹脂は金属を直接的にコーティングし、又は別の態様では、先ず最初に粗部分１５をテープやフィルムでコーティングし、次いで樹脂コーティングを行い、次いで樹脂をその場で硬化させるこれは、硬化させた樹脂をその後に除去する困難性を低下する。

粗部分１５を水密カバー２０でマスキングした後、１００Ｖの最大電圧を使用してこの例のインプラント１０の陽極酸化処理を行い、陽極処理硬質皮膜酸化物表面層(hard wearing anodised oxide surface layer) を形成する。この例では、電解質は２０℃の２．１Ｍの燐酸であり、電圧を例えば１Ｖ／ｓで最大値まで増大してもよい。別の態様では、例えば５ｍＡ／ｃｍ２を越えないように電流密度を制限することによって、ターゲット電圧即ち最大電圧に達してもよい。陽極酸化処理電流により、チタニウム金属基材と一体の酸化物層が形成し、即ち表面を不動態化する。電流は、最大電圧に達した後に低いレベルに、例えば１ｍＡ／ｃｍ２よりも下に降下する。この電圧降下は、不動態化が完了したことを示す。陽極酸化処理電圧を維持し、表面にピットを形成する。これらのピットの深さは、代表的には、不動態の硬質外酸化物層（１００Ｖで厚さ０．１４μｍ）を通って基材内に１μｍ乃至３μｍであり、代表的な直径は１μｍ乃至５μｍである。ピットは表面積の約５％乃至２０％を占めるが、好ましくは、１０％よりも小さい。そのため、これらのピットは、硬質表面層の硬質皮膜特性に大きな悪影響を及ぼさない。陽極酸化処理電圧を最大値、即ち１００Ｖに維持した場合、ピットの形成に、代表的には、更に２時間乃至３時間かかるが、例えば不動態化後に電圧を２５Ｖまで低下すると、ピットの形成が更に迅速に行われ、０．５時間も掛からずに完了する。不動態化及びピットの形成を所要のフォーマットに合わせて行った後、インプラント１０に加わる電圧を短時間に亘って反転することにより、負の電流が観測される。２．１Ｍ燐酸水溶液を電解質として使用した場合、反転電圧は、溶剤や水を電気分解せず、還元プロセスを行うことができるように、−０．２Ｖ乃至−０．７Ｖ、例えば約−０．４５Ｖ（Ａｇ／ＡｇＣｌ標準電極に関して計測した）である。この反転電圧期間中、特定のチタニウム種がピット内で電気化学的に還元し、表面積が大きい低溶解度の含水酸化チタニウム種になり、その結果、ピットは、表面積が大きいこの無機媒体によって充填され、インプラントを通る電流が低下し、最終的には、ゼロ又はほぼゼロにまで低下する。反転電圧工程には６０秒乃至１８０秒かかる。

陽極酸化処理を施したインプラント１０の表面を脱イオン水で洗浄し、燐酸残滓及び他の可溶性材料を除去する。次いで、スリーブ２０を取り外し、プラズマを溶射した粗部分１５を露呈する。次に、殺菌剤を含む溶液にインプラント１０を、代表的には、０．５時間乃至２時間に亘って、例えば１時間に亘って浸漬する。殺菌剤は、この例では銀である。溶液は硝酸銀水溶液であり、銀含有量が０．００１Ｍ乃至１０Ｍ、例えば０．０１Ｍ乃至１．０Ｍ、例えば０．１Ｍ程度である。特定の例では、インプラント１０を０．１Ｍの硝酸銀溶液に１時間に亘って浸漬する。銀イオンは表面内に主としてイオン交換によって吸収され、ピット内の材料で最大濃度が得られる。次いでインプラント１０を銀溶液から取り出し、洗浄し、乾燥し、包装し、その後の使用のために滅菌する。この場合、銀の幾何学的濃度は、インプラントの全面に亘り４μｇ／ｃｍ²乃至１４μｇ／ｃｍ²であると考えられる。

変形例では、陽極酸化処理を施したインプラント１０の表面の洗浄後、スリーブ２０を取り外す前に、インプラント１０を０．１Ｍの硝酸銀溶液に１時間に亘って浸漬してもよい。次いでスリーブ２０を取り外す。その後、インプラント１０を０．０２Ｍ等の低濃度の硝酸銀溶液に浸漬する。これは、陽極酸化処理を施した部分１１及び１２の銀濃度に大きな影響を及ぼさないが、プラズマ溶射した粗部分１５の銀濃度を僅かに低くする。別の態様では、銀が過剰に含まれないようにするため、インプラントの粗部分１５を硝酸銀溶液に比較的短い期間に亘って浸漬し、又はｐＨが比較的低い溶液に浸漬する。この方法は、インプラントの粗部分１５に既に陽極酸化処理が施してある場合にも適用できる。別の変形例では、陽極酸化処理を施したインプラント１０の表面の洗浄後、スリーブ２０を取り外し、インプラント１０を０．０２Ｍ等の低濃度の硝酸銀溶液に浸漬する。次いで、端部分１１及び１２を０．１Ｍ等の高濃度の硝酸銀溶液に１時間に亘って浸漬する。端部分１１及び１２を次々に浸漬してもよく、又は別の態様では粗部分１５に再びカバーを施してこれらの端部分１１及び１２を同時に浸漬してもよい。

変形例では、少なくとも或る程度の陽極酸化処理をインプラント１０の全面に施す。一例では、上文中に説明したように陽極酸化処理（不動態化、ピット形成、及び電圧反転）を行った後、スリーブ２０を取り外し、次いでインプラント１０に２５Ｖ乃至３０Ｖのピーク電圧で１０分間に亘って第２陽極酸化処理を施す（不動態化のみと対応する）。これにより粗部分１５を不動態化する。次いで、上文中に説明したように、洗浄後、インプラント１０を硝酸銀溶液に浸漬してもよい。例えば、０．００５Ｍ等の低濃度の溶液に０．２５時間等の短時間に亘って浸漬し、銀の吸着量を低下してもよい。所望であれば、研磨した端部分１１及び１２を、次いで、０．１Ｍ等の比較的高濃度の硝酸銀溶液に浸漬し、これらの端部分１１及び１２の銀付着量を最適にしてもよい。

別の変形例では、インプラント１０（図２参照）に陽極酸化処理を施すが、この場合、スリーブ２０が所定位置に配置された状態で、端部分１１及び１２に僅か３０Ｖの最大電圧で約半時間に亘って（例えば２０分乃至４０分の時間に亘って）陽極酸化処理を施す。この時間は、陽極酸化処理及びピット形成と対応する。これに続き、電圧反転を行う。次いで、スリーブ２０を取り外し粗部分１５を露呈し、例えば０．１時間（約５分間）の短い期間に亘ってインプラント全体に陽極酸化処理を施す。次いで、陽極酸化処理を施したインプラント１０を洗浄し、上文中に説明したように硝酸銀溶液に浸漬する。

別の変形例では、２．１Ｍの燐酸中でインプラント１０に陽極酸化処理を施すが、この場合、電圧を０．５Ｖ／ｓで上昇することによって、粗部分１５を含む表面全体に最大２８Ｖで陽極酸化処理を施し、表面を不動態化する。次いで、インプラントを電解質から取り出して洗浄し、スリーブ２０等の水密カバー又は紫外線硬化させたマスキング樹脂をインプラント１０に適用し、粗部分１５を覆う。次いで、電圧を１Ｖ／ｓで１００Ｖまで上昇し、インプラント１０の端部分１１及び１２に陽極酸化処理を施す。ピット形成が生じるまで（例えば１時間乃至３時間に亘って）電圧を１００Ｖに維持した後、上文中に説明したように電圧反転を行う。次いで、インプラントを電解質から取り出し、洗浄し、上文中に説明したように硝酸銀溶液に浸漬する前に水密カバーを取り外す。

これらの変形例の幾つかは、最終製品の所望の外観によって決定されるということは理解されよう。これは、約３０Ｖの最大電圧で陽極酸化処理を行うことにより、表面が青色を呈するのに対し、約１００Ｖの最大電圧で陽極酸化処理を行うと、表面が薄い青みがかった紫色即ち藤色を呈する。２５Ｖ乃至２８Ｖで同様の藤色／紫色の外観を得ることができる。従って、粗部分１５に２８Ｖで陽極酸化処理を施し、端部分１１及び１２に１００Ｖで陽極酸化処理を施す上文中に説明したプロセスでは、色はほぼ同じである。インプラントの色及び外観に影響を及ぼすため、別の電解質組成を使用してもよい。

上文中に説明した様々なプロセスは、全て、インプラント１０の粗部分１５を覆うスリーブ２０又はその場で硬化させた樹脂のコーティングを使用して行われる。粗部分１５を覆って電解質からシールするのにこの他の手段を使用してもよいということは理解されよう。次に図３を参照すると、粗部分１５の形状に合わせて形成された上ジョー３１及び下ジョー３２を含むクランプ３０によって保持された状態でインプラント１０を示す。ジョーは、紫外線によって硬化させた樹脂３３及び３４の狭幅のビード又は糸によってインプラント１０の研磨部分にシールされる。ビード又は糸の幅は０．５ｍｍである。

変形例では、クランプ３０は、ジョー３１及び３２に永久的に固定された弾性シール３３及び３４を有し、インプラント１０に結合されるのでなく、これらの弾性シールの弾性によってシールを行う。これにより、封入クランプ３０の装着及び再使用が容易になる。

処理を施したインプラント１０の使用において、体液への露呈中、陽極酸化処理層又は粗部分１５のいずれかの表面から銀種がゆっくりと溶出し、金属製物体の近傍での細菌、酵母、又は真菌等の微生物の成長を阻止する。溶出は、金属製物体の銀と、金属製物体と接触する体液中のナトリウムとのイオン交換によって行われるものと考えられる。局所的酸素レベルによる、含水金属酸化物中の光還元銀のイオン種に対する酸化により銀イオンを放出し、これにより微生物の成長又はバイオフィルムの形成をなくす又は抑制するといって他の機構が生じる場合がある。

本明細書中、殺菌性金属として銀に言及したが、銅、金、プラチナ、パラジウム等の他の殺菌性金属、又はこれらの混合物の単独の又は他の殺菌性金属との組み合わせを適用してもよいということは理解されよう。

上述の任意の処理方法に続き、例えば骨結合を高める燐酸三カルシウム又はヒドロキシアパタイト等の追加のコーティングを部分１５の多孔質の粗い金属表面に設けてもよいということは理解されよう。

本発明の個々の実施例を論じたが、個々の実施例の組み合わせは、特許請求し説明した本発明の範疇に含まれるということは理解されよう。更に、上述のプロセスは、任意の形状及び大きさのインプラントに適用できるということは理解されよう。本発明は、粗部分がインプラントの一端まで延びる場合に適用できる。しかしながら、本発明は、粗部分がインプラントに沿って中間位置にある場合に特に有利である。これは、本発明が、一つのインプラントの陽極酸化処理に必要なプロセス又は幾つかのインプラントを同時に陽極酸化処理するプロセスを大幅に簡略化するためである。

１０股関節インプラント
１１、１２端部分
１５中央部分
２０水密カバー
２１スリーブ
２２熱収縮性端区分

Claims

殺菌剤を溶出可能な形態で表面に組み込むように表面の一部分に粗金属仕上げを施した金属製インプラントの処理方法において、
（ａ）前記粗金属仕上げを施した前記表面の前記部分を水密カバーで包囲する工程と、
（ｂ）前記金属製物体を陽極酸化処理電解質と接触し、前記金属製物体に陽極酸化処理電圧を加え、前記金属製物体上に陽極酸化処理による一体の表面層を形成することによって前記金属を不動態化する工程と、
（ｃ）次いで、前記水密カバーを取り外し、この工程（ｃ）の前後いずれかで、
（ｄ）陽極酸化処理を施した前記金属製物体を殺菌剤を含む溶液と接触し、前記殺菌剤を前記表面層に組み込む工程とを含む、方法。
請求項１に記載の方法において、
前記金属製インプラントは、チタニウム又はチタニウム合金、又はニオブ、タンタル、又はジルコニウム、又はこれらの合金で形成されており、又はこうした金属又はこれらの金属の合金でめっきされており、又はコーティングされている、方法。
請求項１又は２に記載の方法において、
工程（ｃ）及び（ｄ）の実施前に、前記インプラントに以下の工程を加える、即ち、
（ｅ）陽極酸化処理電圧を加え続け、前記工程（ｂ）で形成された前記一体の表面層を通してピットを形成する工程と、
（ｆ）次いで、電解質又は溶液と接触した状態で電気化学的還元又は化学的還元を行うことによって前記表面層に含水金属酸化物又は燐酸塩を形成する工程と、
（ｇ）工程（ｆ）で得られた陽極酸化処理を施した金属製物体を工程（ｆ）の電解質又は溶液から取り外し、又は分離する工程とを加える、方法。
請求項３に記載の方法において、
前記ピット形成工程（ｅ）中に加えられた前記電圧は、前記不動態化工程（ｂ）中に加えられた前記最大電圧よりも低い、方法。
請求項１乃至４のうちのいずれか一項に記載の方法において、
前記水密カバーは、前記粗表面に亘って拡げられた材料を含み、次いで、容易に除去できる、方法。
請求項１乃至４のうちのいずれか一項に記載の方法において、
前記水密カバーは、前記金属製インプラントの前記表面上に縁部に沿ってシールされた不透過性材料製のシート又はスリーブで形成されている、方法。
請求項１乃至４のうちのいずれか一項に記載の方法において、
前記水密カバーは、前記表面の前記粗部分を包囲し、前記金属製インプラントの前記表面上に縁部に亘ってシールされるように構成された一つ又はそれ以上の剛性の本体によって提供される、方法。
請求項１乃至７のうちのいずれか一項に記載の方法において、
先ず最初に、前記水密カバーを適用する前に、前記インプラントの前記表面に４０Ｖよりも低い最大電圧で陽極酸化処理を加える、方法。
請求項１乃至７のうちのいずれか一項に記載の方法において、
前記水密カバーを取り外す前記工程（ｃ）を殺菌剤の溶液と接触する前記工程（ｄ）の前に実施し、前記工程（ｃ）の後に、しかし前記工程（ｄ）の前に、インプラントに４０Ｖよりも低い最大電圧で陽極酸化処理を加え、前記粗金属仕上げを施した前記表面の前記部分を不動態化する、方法。
請求項１乃至７のうちのいずれか一項に記載の方法において、
前記表面の前記粗部分に５Ｖ以下の最大電圧で陽極酸化処理を施す、方法。
請求項８又は９に記載の方法において、
前記水密カバーが設けられていない前記インプラントの陽極酸化処理中、前記電解質を１０℃よりも低い温度に冷却する、方法。
請求項８、９、又は１０に記載の方法において、
前記水密カバーが設けられていない前記インプラントの陽極酸化処理中、０．５Ｖ／ｓを越えないゆっくりとした制御された速度で前記電圧を上昇する、方法。
殺菌剤を溶出可能な形態で表面に組み込むように表面の一部分に粗金属仕上げを施した金属製インプラントの処理方法において、
（ａ１）低い電流密度を提供する陽極酸化処理電解質を選択する工程と、
（ｂ１）前記金属製物体を前記陽極酸化処理電解質と接触し、前記金属製物体に陽極酸化処理電圧を加え、前記陽極酸化処理電圧を０．５Ｖ／ｓを越えないゆっくりとした制御された速度で上昇し、陽極酸化処理によって形成された一体の表面層を前記金属製物体上に形成することによって前記金属を不動態化する工程と、
（ｄ）陽極酸化処理を施した前記金属製物体を殺菌剤を含む溶液と接触し、前記殺菌剤を前記表面層に組み込む工程とを含む、方法。