JP2019136472A

JP2019136472A - インプラントとその製造方法

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Publication number: JP2019136472A
Application number: JP2018115873A
Authority: JP
Inventors: 雅彦板倉; Masahiko Itakura; 清水　潔; Kiyoshi Shimizu; 潔清水; 孝之宇野; Takayuki Uno; 片山　昌広; Masahiro Katayama; 昌広片山
Original assignee: Daicel Polymer Ltd
Current assignee: Daicel Polymer Ltd
Priority date: 2017-07-07
Filing date: 2018-06-19
Publication date: 2019-08-22
Also published as: US20210145553A1; CN110603012A; EP3649986A1; EP3649986A4; EP3649986B1

Abstract

【課題】生体適合性の良い医療用インプラントを提供する。【解決手段】チタンまたはチタン合金、コバルトクロム合金、タンタルから選ばれる金属からなる、骨または歯を含む生体組織と結合させるために使用するインプラント１０であって、インプラントが、骨または歯を含む生体組織と結合される部分の表層部が多孔構造を有しているものであり、多孔構造が、厚さ方向に形成された、結合面１２側に開口部３１を有する幹孔３２と、幹孔の内壁面から幹孔とは異なる方向に形成された枝孔３３からなる開放孔３０と、厚さ方向に形成された、結合面側に開口部を有していない内部空間４０を有しており、さらに開放孔と内部空間を接続するトンネル接続路５０と開放孔同士を接続するトンネル接続路を有している。【選択図】図１

Description

本発明は、生体組織と結合させるために好適なインプラントとその製造方法に関する。

生体組織と結合させるためのインプラントとして、チタンまたはチタン合金製のインプラントが知られている。
インプラントは骨や歯などの生体組織と結合させて生体内に存在させるため、骨や歯などとの結合性と強度の両方が要求されており、このような観点から、生体組織との結合部位を多孔構造にしたインプラントが知られている（特許文献１〜４、非特許文献１）。

特許文献１は、多孔質インプラント素材の発明であり、連続した骨格により形成される複数の気孔が連通した三次元網目状構造を有する多孔質金属体を使用するものであり、金属粉末と発泡剤を含有する発泡スラリーを成形して、発泡および焼結させて製造することが記載されている（請求項１、段落番号００１３）。
特許文献２は、生体用インプラントの発明であり、生体組織との接合部位である表面部と、表面部の内部に芯部を備えており、前記表面部は空孔が形成された金属製の多孔質焼結体からなることが記載されている（請求項１）。
特許文献３は、インプラントとその製造方法の発明であり、チタン系基材にショットブラスト加工と電解処理を行うことが記載されている（請求項１）。
特許文献４は、生体材料とその作製方法の発明であり、多孔構造の薄板積層体からなる成形体を鋳型として使用して、多孔構造の生体材料を製造することが記載されている（請求項１、段落番号００２５、００２６）。
非特許文献１は、ナノパルスレーザによる骨組織適合型インプラントの創製の技術が記載されている。

特許第５９２００３０号公報特開２００９−２５４５８１号公報特開２０１４−１６１５２０号公報特許第５３２６１６４号公報

ナノパルスレーザによる骨組織適合型インプラントの創製（東北大学大学院工学研究科准教授水谷正義，平成23年度一般研究開発助成AF-2011212）

本発明は、生体組織内にて使用できるインプラントとその製造方法を提供することを課題とする。

本発明は、チタンまたはチタン合金、コバルトクロム合金、タンタルから選ばれる金属からなる、骨または歯を含む生体組織と結合させるために使用するインプラントであって、
前記インプラントが、骨または歯を含む生体組織と結合される部分の表層部が多孔構造を有しているものであり、
前記多孔構造が、厚さ方向に形成された、前記結合面側に開口部を有する幹孔と、幹孔の内壁面から幹孔とは異なる方向に形成された枝孔からなる開放孔と、
厚さ方向に形成された、前記結合面側に開口部を有していない内部空間を有しており、
さらに前記開放孔と前記内部空間を接続するトンネル接続路と前記開放孔同士を接続するトンネル接続路を有しているものである、インプラントを提供する。

また本発明は、上記発明のインプラントの製造方法であり、
前記インプラントの表層部に多孔構造を形成する工程が、前記表層部を含む面にレーザー光を照射する工程であり、
前記レーザー光を照射する工程が、直線、曲線または直線と曲線の組み合わせになるようにレーザー光を連続照射する工程である、インプラントの製造方法を提供する。

さらに本発明は、上記発明のインプラントの製造方法であり、
前記インプラントの表層部に多孔構造を形成する工程が、前記表層部を含む面にレーザー光を照射する工程であり、
前記レーザー光を照射する工程が、直線、曲線または直線と曲線の組み合わせになるようにレーザー光を照射するとき、レーザー光の照射部分と非照射部分が交互に生じるように照射する工程である、インプラントの製造方法を提供する。

本発明のインプラントは、表層部の多孔構造の存在により骨または歯を含む生体組織との結合性が良くなる。

（ａ）、（ｂ）は、本発明のインプラント表層部の多孔構造を示す断面図。（ａ）〜（ｃ）は、図１とは異なる本発明のインプラント表層部の多孔構造を示す断面図。本発明のインプラントの製造方法において実施するレーザー光照射工程の十士形態の説明図。本発明のインプラントの製造方法において実施するレーザー光照射工程の説明図。実施例１にてレーザー光照射後の純チタンの板表面のＳＥＭ写真（１２９倍）。実施例２にてレーザー光照射後の純チタンの板表面のＳＥＭ写真（１３７倍）。実施例３にてレーザー光照射後の６４チタンの板表面のＳＥＭ写真（１１０倍）。実施例５にてレーザー光照射後の純チタンの板表面のＳＥＭ写真。実施例７にてレーザー光照射後の純チタンの板表面のＳＥＭ写真。実施例８にてレーザー光照射後の純チタンの板表面のＳＥＭ写真。実施例９にてレーザー光照射後の６４チタンの板表面のＳＥＭ写真。実施例１１にてレーザー光照射後の６４チタンの板表面のＳＥＭ写真。実施例１２にてレーザー光照射後の６４チタンの板表面のＳＥＭ写真。実施例１３にてレーザー光照射後の６４チタンの板表面のＸ線ＣＴスキャン写真であり、（ａ）はレーザー光の走査方向に平行な断面写真、（ｂ）はレーザー光の走査方向に垂直な断面写真。実施例１４にてレーザー光照射後のタンタルの板表面のＳＥＭ写真。実施例１５にてレーザー光照射後のタンタルの板表面のＳＥＭ写真。実施例１６にてレーザー光照射後のタンタルの板表面のＳＥＭ写真。実施例１７にてレーザー光照射後のタンタルの板表面のＳＥＭ写真。実施例１８にてレーザー光照射後のタンタルの板表面のＳＥＭ写真。

＜インプラント＞
本発明のインプラントは、骨または歯を含む生体組織と結合させるために使用するものである。
インプラントとしては、人工股関節（ステム、カップ）、人工膝関節などの人工関節、骨折固定用（プレート、スクリュー）、人工歯根などを挙げることができる。

本発明のインプラントは、チタン（純チタン）、チタン合金、コバルトクロム合金、タンタルから選ばれる金属からなるものである。チタン合金、コバルトクロム合金、は、医療用（歯科用を含む）チタン合金、コバルトクロム合金として使用されているものである。例えば、コバルトクロム合金としては、アイクローム（株式会社アイディエス社製）、プレミアキャストハード（デンケン・ハイデンタル株式会社社製）などを使用することができる。

インプラントは、骨または歯を含む生体組織と接合される部分の表層部が多孔構造を有しているものである。
前記多孔構造は、厚さ方向に形成された、前記接合面側に開口部を有する幹孔と、幹孔の内壁面から幹孔とは異なる方向に形成された枝孔からなる開放孔と、厚さ方向に形成された、前記接合面側に開口部を有していない内部空間を有しており、さらに前記開放孔と前記内部空間を接続するトンネル接続路と前記開放孔同士を接続するトンネル接続路を有しているものである。

インプラントの表層部の多孔構造は、例えば、図１（ａ）、（ｂ）、図２（ａ）〜（ｃ）に示すような多孔構造であり、特許第５８６０１９０号の図４、図５に示す多孔構造と同じものである。
インプラント１０の表層部は、生体組織との結合面１２側に開口部３１のある開放孔３０を有している。
開放孔３０は、厚さ方向に形成された開口部３１を有する幹孔３２と、幹孔３２の内壁面から幹孔３２とは異なる方向に形成された枝孔３３からなる。枝孔３３は、１本または複数本形成されていてもよい。
またインプラント１０の表層部は、生体組織との結合面１２側に開口部のない内部空間４０を有している。内部空間４０は、トンネル接続路５０により開放孔３０と接続されている。
またインプラント１０の表層部は、複数の開放孔３０が一つになった開放空間４５を有していてもよいし、開放空間４５は、開放孔３０と内部空間４０が一つになって形成されたものでもよい。一つの開放空間４５は、一つの開放孔３０よりも内容積の大きなものである。なお、多数の開放孔３０が一つになって溝状の開放空間４５が形成されていてもよい。
また図示していないが、図２（ａ）、（ｂ）に示すような、開放孔３０と内部空間４０がトンネル接続路５０で接続されており、開放孔３０同士がトンネル接続路５０で接続されている。
また図２（ａ）に示すような内部空間４０同士がトンネル接続路５０で接続されていてもよい。

インプラントの多孔構造を有している表層部は、表面から開放孔の深さまでの１０〜１０００μmの深さ範囲のものであることが好ましい。
本発明の表層部に多孔質構造を有しているインプラントを骨内部に埋設されるように接続したとき、非特許文献１のP158の左欄に記載されているとおり、まず体液中に過飽和に含まれているリン酸カルシウム類が析出し、同時に骨芽細胞が空間を感知することで活性化し、骨の成分を骨とインプラントの双方の表面上で生産する。最終的に新生骨が骨−インプラント（インプラント表層部の多孔構造部）間を完全に埋め、堅く密な接着状態が得られることになるものと考えられる。
本発明のインプラントの表層部に形成された多孔構造は、図１、図２に示すように複雑な構造になっているため、前記複雑な多孔構造が骨とインプラントの結合力を高めるように作用することが期待される。

＜インプラントの製造方法＞
次に本発明のインプラントの製造方法を説明する。
インプラントの製造時においてインプラントの表層部に多孔構造を形成する工程において、前記表層部を含む面にレーザー光を照射して多孔構造を形成させる。
レーザー光の照射方法としては、
（I）インプラントの生体組織との結合部分となる表面に対して、直線、曲線または直線と曲線の組み合わせになるようにレーザー光を連続的に照射する方法（第１のレーザー光照射方法）と、
（II）インプラントの生体組織との結合部分となる表面に対して、直線、曲線または直線と曲線の組み合わせになるようにレーザー光を照射するとき、レーザー光の照射部分と非照射部分が交互に生じるように照射する方法（第２のレーザー照射方法）のいずれかのレーザー照射方法を使用することができる。

＜第１のレーザー光の照射方法＞
第１のレーザー光の照射方法は公知であり、特許第５７７４２４６号公報、特許第５７０１４１４号公報、特許第５８６０１９０号公報、特許第５８９００５４号公報、特許第５９５９６８９号、特開２０１６−４３４１３号公報、特開２０１６−３６８８４号公報、特開２０１６−４４３３７号公報に記載されたレーザー光の連続照射方法と同様にして実施することができる。

エネルギー密度は１ＭＷ/cm²以上にする必要がある。レーザー光の照射時のエネルギー密度は、レーザー光の出力（Ｗ）と、レーザー光（スポット面積（ｃｍ²）（π・〔スポット径／２〕²）から求められる。レーザー光の照射時のエネルギー密度は、２〜１０００ＭＷ/cm²が好ましく、１０〜８００ＭＷ/cm²がより好ましく、１０〜７００ＭＷ/cm²がさらに好ましい。エネルギー密度は、レーザー光の出力を増減したり、レーザー光のスポット径を大きくしたり小さくしたりすることで、前記範囲内になるように調整することができる。
レーザー光の出力は４〜４０００Ｗが好ましく、５０〜２５００Ｗがより好ましく、１５０〜２０００Ｗがさらに好ましく、１５０〜１０００Ｗがさらに好ましいが、前記範囲内でスポット径と合わせて上記エネルギー密度になるように調整することが好ましい。
ビーム径（スポット径）は、５〜８０μmが好ましいが、前記範囲内でレーザー光の出力と合わせて上記エネルギー密度になるように調整することが好ましい。

レーザー光の照射速度は２，０００〜２０，０００mm／secが好ましく、２，０００〜１８、０００mm／secがより好ましく、３，０００〜１５、０００mm／secがさらに好ましい。
波長は５００〜１１，０００ｎｍが好ましい。
焦点はずし距離は、-５〜+５ｍｍが好ましく、−１〜＋１ｍｍがより好ましく、−０．５〜+０．１ｍｍがさらに好ましい。焦点はずし距離は、設定値を一定にしてレーザー照射しても良いし、焦点はずし距離を変化させながらレーザー照射しても良い。例えば、レーザー照射時に、焦点はずし距離を小さくしたり、大きくしたり、さらに周期的に大きくしたり小さくしたりしても良い。
繰り返し回数（一つの孔を形成するための合計のレーザー光の照射回数）は、１〜５０回が好ましく、５〜３０回がより好ましく、５〜２０回がさらに好ましい。

＜第２のレーザー光の照射方法＞
第２のレーザー光の照射方法において、レーザー光の照射部分と非照射部分が交互に生じるように照射するとは、図３に示すように照射する実施形態を含んでいる。
図３は、レーザー光の照射部分101と隣接するレーザー光の照射部分101の間にあるレーザー光の非照射部分102が交互に生じて、全体として点線状に形成されるように照射した状態を示している。
このとき、繰り返して照射して、図３に示すように外観上１本の点線にすることもできる。繰り返し回数は、例えば１〜２０回にすることができる。
複数回照射するときは、レーザー光の照射部分を同じにしてもよいし、レーザー光の照射部分を異ならせる（レーザー光の照射部分をずらす）ことで、金属片全体が粗面化されるようにしてもよい。
レーザー光の照射部分を同じにして複数回照射したときは点線状に照射されるが、レーザー光の照射部分をずらして、即ち、最初はレーザー光の非照射部分であった部分にレーザー光の照射部分が重なるようにずらして照射することを繰り返すと、点線状に照射した場合であっても、最終的には実線状態に照射されることになる。
金属成形体に対して連続的にレーザー光を照射すると、照射面の温度が上昇することから、厚さの小さい成形体ではそりなどの変形が生じるおそれもあるため、冷却するなどの対策が必要になる場合がある。
しかし、図３に示すように点線状にレーザー照射すると、レーザー光の照射部分101とレーザー光の非照射部分102が交互に生じ、レーザー光の非照射部分102では冷却されていることになるため、レーザー光の照射を継続した場合、厚さの小さい成形体でもそりなどの変形が生じ難くなるので好ましい。このとき、上記のようにレーザー光の照射部分を異ならせた（レーザー光の照射部分をずらせた）場合でも、レーザー光の照射時には点線状に照射されているため、同様の効果が得られる。

レーザー光の照射方法は、インプラント110の表面に対して、図４（ａ）に示すように一方向に照射する方法、または図４（ｂ）に示す点線のように双方向から照射する方法を使用することができる。図４（ａ）、図４（ｂ）に示すようにレーザー光を照射するとき、上記したようにレーザー光の照射部分をずらして照射することで実線になるように照射することもできる。
その他、レーザー光の点線照射部分が交差するように照射する方法でもよい。このときの交差角度は特に制限されるものではないが、例えば４５°〜９０°の範囲にすることができ、さらに上記した方法で実線が交差するように照射することもできる。
レーザー光を交差して照射するとき、交互に交差方向に照射してもよいし、一方向のみ複数回照射した後、交差方向に複数回照射することもできる。交差方向に照射するときは、同数を照射してもよいし、異なる数を照射してもよい。
照射後の各点線の間隔ｂ１は、金属成形体の照射対象面積などに応じて調整することができるものであるが、例えば、０．０１〜５ｍｍの範囲にすることができる。

図３に示すレーザー光の照射部分101の長さ（Ｌ１）とレーザー光の非照射部分102の長さ（Ｌ２）は、Ｌ１／Ｌ２＝１／９〜９／１の範囲になるように調整することができる。
レーザー光の照射部分101の長さ（Ｌ１）は、複雑な多孔構造に粗面化するためには０．０５ｍｍ以上であることが好ましく、０．１〜１０ｍｍがより好ましく、０．３〜７ｍｍがさらに好ましい。

第２のレーザー光の照射方法は、
ガルバノミラーとガルバノコントローラーの組み合わせを使用し、レーザー発振器から連続的に発振させたレーザー光をガルバノコントローラーによりパルス化することで、照射部分と非照射部分が交互に生じるようにレーザー光を照射する方法、または
レーザーの駆動電流を直接変換する直接変調方式の変調装置をレーザー電源に接続したファイバーレーザー装置を使用し、照射部分と非照射部分が交互に生じるようにレーザー光を照射する方法を実施することができる。
レーザーの励起には、パルス励起と連続励起の２種類があり、パルス励起によるパルス波レーザーは一般にノーマルパルスと呼ばれる。
連続励起であってもパルス波レーザーを作り出すことが可能であり、ノーマルパルスよりパルス幅（パルスＯＮ時間）を短くして、その分ピークパワーの高いレーザーを発振させるＱスイッチパルス発振方法、ＡＯＭやＬＮ光強度変調機により時間的に光を切り出すことでパルス波レーザーを生成させる外部変調方式、レーザーの駆動電流を直接変調してパルス波レーザーを生成する直接変調方式によりパルス波レーザーを作り出すことができる。
第２のレーザー光の照射方法は、第１のレーザー照射方法で使用した連続波レーザーとは別のものであるが、エネルギー密度、レーザー光の照射速度、レーザー光の出力、波長、ビーム径（スポット径）、焦点はずし距離は、第１のレーザー照射方法と同様に実施する。

第２のレーザー光の照射方法においてレーザー光の照射部分と非照射部分が交互に生じるようにレーザー光を照射するときは、デューティ比を調整して照射する。デューティ比は、レーザー光の出力のＯＮ時間とＯＦＦ時間から次式により求められる比である。
デューティ比（％）＝ＯＮ時間／（ＯＮ時間＋ＯＦＦ時間）×１００
デューティ比は、図１に示すＬ１（レーザー光の照射部分の長さ）／Ｌ２（レーザー光の非照射部分の長さ）に対応するものであるから、１０〜９０％の範囲から選択することができる。
デューティ比を調整してレーザー光を照射することで、図１に示すような点線状に照射することができる。デューティ比が大きいと粗面化工程の効率は良くなるが、冷却効果は低くなり、デューティ比が小さいと冷却効果は良くなるが、粗面化効率は悪くなる。目的に応じて、デューティ比を調整する。

レーザー光の照射部分101の長さ（Ｌ１）とレーザー光の非照射部分102の長さ（Ｌ２）は、Ｌ１／Ｌ２＝１／９〜９／１の範囲になるように調整することができる。
レーザー光の照射部分101の長さ（Ｌ１）は、複雑な多孔構造に粗面化するためには０．０５ｍｍ以上であることが好ましく、０．１〜１０ｍｍが好ましく、０．３〜７ｍｍがより好ましい。

第１のレーザー照射方法と第２レーザー照射方法で使用するレーザーは公知のものを使用することができ、例えば、YVO₄レーザー、ファイバーレーザー（シングルモードファイバーレーザー、マルチモードファイバーレーザー）、エキシマレーザー、炭酸ガスレーザー、紫外線レーザー、ＹＡＧレーザー、半導体レーザー、ガラスレーザー、ルビーレーザー、Ｈｅ−Ｎｅレーザー、窒素レーザー、キレートレーザー、色素レーザーを使用することができる。

レーザー光照射して粗面化する工程において、第１のレーザー照射方法または第２レーザー照射方法を実施したときは、上記したエネルギー密度と照射速度を満たすように金属成形体にレーザー光を照射すると、金属成形体の表面は溶融しながら一部が蒸発されることから、複雑な構造の多孔構造（図１、図２）が形成される。

本発明の製造方法でレーザー光を照射するときには、
（ｉ）インプラントのレーザー光の非照射面と、インプラントを構成するチタンまたはチタン合金、コバルトクロム合金、タンタルから選ばれる金属よりも熱伝導率の大きい材料（熱伝導率が100W/m・k以上である材料）からなる基板（例えば、鋼板、銅板、アルミニウム板）と接触させる方法、あるいは
（ii）インプラントのレーザー光の非照射面と、インプラントを構成するチタンまたはチタン合金、コバルトクロム合金、タンタルから選ばれる金属よりも熱伝導率の小さい材料からなる基板（例えばガラス板）と接触させる方法を適用することができる。
（ｉ）の方法は、特開２０１６−７８０９０号公報に記載の方法を適用することができ、（ii）の方法は、特開２０１６−１２４０２４号公報に記載の方法を適用することができる。
（ｉ）の方法は、チタンまたはチタン合金、コバルトクロム合金、タンタルから選ばれる金属からなるインプラントにレーザー光を照射するときに生じる熱を放熱させることで、温度の上昇を抑制することができる。
（ii）の方法は、チタンまたはチタン合金、コバルトクロム合金、タンタルから選ばれる金属からなるインプラントにレーザー光を照射するときに生じる熱の放熱を抑制させることができる。
このため、（ｉ）の方法を実施すると、孔の大きさ、深さおよび形状の変化を抑制することができ、（ii）の方法を実施すると、孔の大きさ、深さおよび形状の変化を促進することができる。
このように（ｉ）の方法と（ii）の方法を使い分けることにより孔の大きさ、深さおよび形状を調整することができる。

本発明の製造方法でレーザー光を照射するときには、空気、酸素、窒素、アルゴン、ヘリウムから選ばれるアシストガスを供給しながら照射することができる。
アシストガスを供給しながらレーザー光を照射することで、孔の深さ、大きさおよび配向性（孔の開口部の向き）の制御を補助することができるほか、炭化物の生成を抑制したり、表面性状を制御したりすることができる。
例えば、アルゴンガスを選択すると表面の酸化を防止することができ、酸素を選択すると表面の酸化を促進することができ、窒素ガスを選択すると酸化を防止し、表面硬度を向上させることができる。

第１のレーザー照射方法または第２レーザー照射方法を実施するとき、下記の要件（ａ）〜要件（ｇ）、または要件（ａ）〜要件（ｈ）を全て調整することで、孔の配向性（孔の開口部の向き）、孔の大きさおよび孔の深さを制御することが好ましい。

（ａ）レーザー光の照射方向および角度
レーザー光の照射方向を特定方向および特定角度に固定することで、形成される孔に配向性を生じさせることができる。
照射角度は、レーザー光の照射面（インプラント表面）に対して４５〜９０度が好ましい。

（ｂ）レーザー光の照射速度
レーザー光の照射速度は２，０００〜２０，０００mm／secが好ましく、２，０００〜１８，０００mm／secがより好ましく、３，０００〜１５，０００mm／secがさらに好ましい。

（ｃ）レーザー光を照射するときのエネルギー密度
エネルギー密度は１ＭＷ/cm²以上が好ましい。レーザー光の照射時のエネルギー密度は、レーザー光の出力（Ｗ）と、レーザー光（スポット面積（ｃｍ²）（π・〔スポット径／２〕²）から求められる。レーザー光の照射時のエネルギー密度は、２〜１０００ＭＷ/cm²がより好ましく、１０〜８００ＭＷ/cm²がさらに好ましく、５０〜７００ＭＷ/cm²がさらに好ましく、１００〜５００ＭＷ/cm²がさらに好ましく、１００〜３００ＭＷ/cm²がさらに好ましい。
エネルギー密度が大きくなるほど、孔は深くかつ大きくなる。

（ｄ）レーザー光を照射するときの繰り返し回数
繰り返し回数（一つのラインを形成するための合計のレーザー光の照射回数）は、５〜３０回が好ましく、５〜２０回がより好ましい。同一のレーザー照射条件であれば、繰り返し回数が多いほどラインに沿って形成される孔（溝）が深くかつ大きくなり、繰り返し回数が少ないほどラインに沿って形成される孔（溝）が浅くかつ小さくなる。

（ｅ）レーザー光の焦点はずし距離
焦点はずし距離は、−５〜＋５ｍｍが好ましく、−１〜＋１ｍｍがより好ましく、−０．５〜+０．１ｍｍがさらに好ましい。焦点はずし距離は、設定値を一定にしてレーザー照射しても良いし、焦点はずし距離を変化させながらレーザー照射しても良い。例えば、レーザー照射時に、焦点はずし距離を小さくしたり、大きくしたりするほか、周期的に大きくしたり小さくしたりしても良い。焦点はずし距離がマイナス（−）であると（金属成形体表面の内側に焦点を合わせたとき）、孔は深くかつ大きくなる。孔を深くかつ大きくするときは、焦点はずし距離は−０．５〜−０．０５ｍｍが好ましく、−０．３〜−０．０５ｍｍが好ましい。

（ｆ）レーザー光を照射するときにインプラントを置く基板とインプラントの熱伝導率の関係
上記したようにインプラントを熱伝導率の大きな基板上に置く方法と、熱伝導率の小さな基板上に置く方法を選択することで、孔構造などを調整することができる

（ｇ）レーザー光のライン間隔
レーザー光のライン間隔は、図４（ｂ）のｂ１の間隔である。レーザー光のライン間隔は、０．０１〜３ｍｍが好ましく、０．０１〜１ｍｍがより好ましく、０．０３〜０．５ｍｍがさらに好ましく、０．０３〜０．１ｍｍがさらに好ましい。ライン間隔は、全てのライン間隔が同一であってもよいし、一部または全部のライン間隔が異なっていてもよい。
ライン間隔が狭いと、隣接するラインにも熱的影響が及ぶため、孔は大きくなり、孔の形状は複雑になり、孔の深さは深くなる傾向にあるが、熱的影響が大きくなり過ぎると適切な孔形状が形成されないこともある。
ライン間隔が広いと、孔は小さくなり、孔の形状は複雑にはならず、孔はあまり深くならない傾向にあるが、処理速度を高めることはできる。

（ｈ）デューティ比
デューティ比は１０〜９０％が好ましく、３０〜８０％がより好ましい。

（その他）
レーザー光の出力は４〜４０００Ｗが好ましく、５０〜２０００Ｗがより好ましく、１５０〜１０００Ｗがさらに好ましく、１５０〜５００Ｗがさらに好ましく、１５０〜３００Ｗがさらに好ましい。他のレーザー光の照射条件が同一であれば、出力が大きいほど孔は深くかつ大きくなり、出力が小さいほど孔は浅くかつ小さくなる。
波長は５００〜１１，０００ｎｍが好ましい。

実施例１、２
下記レーザー装置を使用して、純チタンの板（縦３０ｍｍ、横３０ｍｍ、厚み３ｍｍ）に対して、表１に示す条件で２０ｍｍ×６ｍｍの面積に連続照射した。
（レーザー装置）
発振機：IPG-Ybファイバー；YLR−300−SM
ガルバノミラーＳＱＵＩＲＥＥＬ（ＡＲＧＥＳ社製）
集光系：fc=80mm／ｆθ＝100mm
レーザー光を照射後の純チタンの板の表面写真（ＳＥＭ写真）を図５（実施例１）、図６（実施例２）に示す。

実施例３
下記レーザー装置を使用して、６４チタンの板（縦３０ｍｍ、横３０ｍｍ、厚み１．５ｍｍ）に対して、表１に示す条件で２０ｍｍ×６ｍｍの面積にレーザー光を連続照射した。
（レーザー装置）
発振機：IPG-Ybファイバー；YLR−300−SMAC
ガルバノミラーＳＱＵＩＲＥＥＬ 16（ＡＲＧＥＳ社製）
集光系：fc=80mm／ｆθ＝100mm
レーザー光を照射後の６４チタンの板の表面写真（ＳＥＭ写真）を図７に示す。

純チタン、６４Ｔｉ、鋼板、ガラス板および銅板の熱伝導率（１００℃）の大小関係は、大きい方から順に、銅＞鋼板＞純チタン＞６４Ｔｉ＞ガラスである。
図５（実施例１）、図６（実施例２）、図７（実施例３）を対比すると、骨や歯を含む生体組織は、図６が最も孔内部に侵入し易いように見えるが、より孔構造の複雑な図５、図７の方が、最終的に骨（歯）とインプラントの結合力が高められるとも考えられる。

実施例４〜８
実施例１、２と同じレーザー装置を使用して、純チタンの板（縦６０ｍｍ、横１０ｍｍ、厚み２ｍｍ）に対して、表２に示す条件で縦５ｍｍ×横１０ｍｍの面積にレーザー光を連続照射した。
実施例８は、純チタン板の長さ方向とそれに直交する方向に照射した。前記長さ方向へのライン本数が６３本、前記直交方向へのライン本数が１２５本とし、それぞれ方向への照射を実施した。具体的には、長さ方向にライン間隔０．０８ｍｍで６３本のライン照射を１０回実施した。その後、直交方向にライン間隔０．０８ｍｍで１２５本のライン照射を１０回実施した。
レーザー光を照射後の純チタンの板の表面写真（ＳＥＭ写真）を図８（実施例５）、図９（実施例７）、図１０（実施例８）に示す。

実施例９〜１３
実施例１、２と同じレーザー装置を使用して、６４チタンの板（縦９０ｍｍ、横１０ｍｍ、厚み２ｍｍ）に対して、表３に示す条件で縦５ｍｍ×横１０ｍｍの面積にレーザー光を連続照射した。
レーザー光を照射後の６４チタンの板の表面写真（ＳＥＭ写真）を図１１（実施例９）、図１２（実施例１１）、図１３（実施例１２）に示す。
また実施例１３におけるレーザー光を照射後の６４チタンの板のＸ線ＣＴスキャン写真を図１４（ａ）（レーザー光の走査方向に平行な断面写真）、図１４（ｂ）（レーザー光の走査方向に垂直な断面写真）に示す。Ｘ線ＣＴスキャン写真から求めた孔の最大深さは３８０μmであった。

試験例１
純チタン板（レーザー光を未照射）、実施例４〜６のレーザー光照射後の純チタン板、６４チタン板（レーザー光を未照射）、実施例９〜１１のレーザー光照射後の６４チタン板の組成分析をＳＥＭ−ＥＸＤにより実施した。結果を表４に示す。

実施例１４〜１８
下記レーザー装置を使用して、タンタルの板（縦50ｍｍ、横50ｍｍ、厚み１．５ｍｍ）に対して、表５に示す条件で縦５ｍｍ×横１０ｍｍの面積にレーザー光を連続照射した。アシストガスは使用しなかった。
（レーザー装置）
発振機：IPG-Ybファイバー；YLR−300−AC
ガルバノミラーＳＱＵＩＲＥＥＬ 16（ＡＲＧＥＳ社製）
集光系：fc=80mm／ｆθ＝100mm
レーザー光を照射後のタンタルの板の表面写真（ＳＥＭ写真）を、図１５（実施例１４）、図１６（実施例１５）、図１７（実施例１６）、図１８（実施例１７）、図１９（実施例１８）に示す。

実施例１４〜１８のＳＥＭ写真から、レーザー照射速度と孔構造の関係が確認できる。

本発明のインプラントは、人工股関節（ステム、カップ）、人工膝関節などの人工関節、骨折固定用（プレート、スクリュー）、人工歯根などとして利用することができる。

１０インプラント
１２生体組織との結合面
３０開放孔
３１開口部
３２幹孔
３３枝孔
４０内部空間
４５開放空間４５
５０トンネル接続路
１０１レーザー光の照射部分
１０２レーザー光の非照射部分

Claims

チタンまたはチタン合金、コバルトクロム合金、タンタルから選ばれる金属からなる、骨または歯を含む生体組織と結合させるために使用するインプラントであって、
前記インプラントが、骨または歯を含む生体組織と結合される部分の表層部が多孔構造を有しているものであり、
前記多孔構造が、厚さ方向に形成された、前記結合面側に開口部を有する幹孔と、幹孔の内壁面から幹孔とは異なる方向に形成された枝孔からなる開放孔と、
厚さ方向に形成された、前記結合面側に開口部を有していない内部空間を有しており、
さらに前記開放孔と前記内部空間を接続するトンネル接続路と前記開放孔同士を接続するトンネル接続路を有しているものである、インプラント。
前記インプラントの多孔構造を有している表層部が、表面から開放孔の深さまでの１０〜１０００μmの深さ範囲のものである請求項１記載のインプラント。
請求項１または２記載のインプラントの製造方法であり、
前記インプラントの表層部に多孔構造を形成する工程が、前記表層部を含む面にレーザー光を照射する工程であり、
前記レーザー光を照射する工程が、直線、曲線または直線と曲線の組み合わせになるようにレーザー光を連続照射する工程である、インプラントの製造方法。
請求項１または２記載のインプラントの製造方法であり、
前記インプラントの表層部に多孔構造を形成する工程が、前記表層部を含む面にレーザー光を照射する工程であり、
前記レーザー光を照射する工程が、直線、曲線または直線と曲線の組み合わせになるようにレーザー光を照射するとき、レーザー光の照射部分と非照射部分が交互に生じるように照射する工程である、インプラントの製造方法。
前記レーザー光を照射する工程が、ガルバノミラーとガルバノコントローラーの組み合わせを使用し、レーザー発振器から連続的に発振させたレーザー光をガルバノコントローラーによりパルス化することで、照射部分と非照射部分が交互に生じるようにレーザー光を照射する工程、またはレーザーの駆動電流を直接変換する直接変調方式の変調装置をレーザー電源に接続したファイバーレーザー装置を使用し、照射部分と非照射部分が交互に生じるようにレーザー光を照射する工程である、請求項４記載の金属成形体の粗面化方法。
さらに前記レーザー光を照射するとき、空気、酸素、窒素、アルゴンから選ばれるアシストガスを供給しながら照射する、請求項３〜５のいずれか１項記載のインプラントの製造方法。
前記レーザー光を照射するとき下記の要件（ａ）〜（ｇ）の全てを調整することで、孔の配向性、孔の大きさおよび孔の深さを制御する、請求項３〜６のいずれか１項記載のインプラントの製造方法。
（ａ）レーザー光の照射方向と角度
（ｂ）レーザー光の照射速度
（ｃ）レーザー光を照射するときのエネルギー密度
（ｄ）レーザー光を照射するときの繰り返し回数
（ｅ）レーザー光の焦点外し距離
（ｆ）レーザー光を照射するときにインプラントを置く基板と前記インプラントの熱伝導率の関係
（ｇ）レーザー光のライン間隔
前記レーザー光を照射するとき、下記の要件（ａ）〜（ｈ）の全てを調整することで、孔の配向性、孔の大きさおよび孔の深さを制御する、請求項５または６記載のインプラントの製造方法。
（ａ）レーザー光の照射方向と角度
（ｂ）レーザー光の照射速度
（ｃ）レーザー光を照射するときのエネルギー密度
（ｄ）レーザー光を照射するときの繰り返し回数
（ｅ）レーザー光の焦点外し距離
（ｆ）レーザー光を照射するときにインプラントを置く基板と前記インプラントの熱伝導率の関係
（ｇ）レーザー光のライン間隔
（ｈ）デューティ比：３０〜８０％
前記（ａ）の照射角度が４５〜９０度、
前記（ｂ）のレーザー光の照射速度が２，０００〜１５，０００ｍｍ／ｓｅｃ、
前記（ｃ）のレーザー光を照射するときのエネルギー密度が２〜１０００ＭＷ／ｃｍ²、
前記（ｄ）の繰り返し回数が１〜４０回、
前記（ｅ）のレーザー光の焦点外し距離が−１〜＋０．５ｍｍ、
前記（ｆ）の熱伝導率の関係がインプラントの熱伝導率＜基板の熱伝導率、
前記（ｇ）のライン間隔が０．０１〜３ｍｍである、請求項７または８記載のインプラントの製造方法。
前記（ａ）の照射角度が４５〜９０度、
前記（ｂ）のレーザー光の照射速度が３，０００〜１５，０００mm／sec、
前記（ｃ）のレーザー光を照射するときのエネルギー密度が１００〜３００ＭＷ／ｃｍ²、
前記（ｄ）の繰り返し回数が５〜２０回、
前記（ｅ）のレーザー光の焦点外し距離が−０．３〜−０．０５ｍｍ、
前記（ｆ）の熱伝導率の関係がインプラントの熱伝導率＜基板の熱伝導率、
前記（ｇ）のライン間隔が０．０３〜０．１ｍｍである、請求項７または８記載のインプラントの製造方法。