JP2023512010A - 硬質及び軟質の組織に組み込まれるインプラント、ねじ、及び、プレートのための白色の細菌耐性の生体適合性の粘着性のコーティング、並びに、その製造方法 - Google Patents

硬質及び軟質の組織に組み込まれるインプラント、ねじ、及び、プレートのための白色の細菌耐性の生体適合性の粘着性のコーティング、並びに、その製造方法 Download PDF

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Abstract

本発明は、硬質及び軟質の組織に組み込まれ得る要素、特に、様々な酸素含有量を有する金属勾配層から形成される構造を有するインプラント、ねじ又はプレートのための白色の細菌耐性の生体適合性の粘着性のコーティングであって、最も外側の勾配層のバンドギャップが3.1eVよりも大きく、最も外側の勾配層が結晶性であり、勾配層がタンタル及び/又はニオブ及び/又はジルコニウム及び/又はチタンを含むコーティングに関する。【選択図】図1

Description

本発明は、硬質及び軟質の組織に組み込まれ得るインプラント、ねじ及びプレートのための白色の細菌耐性の生体適合性の粘着性のコーティング、関連する製造方法、並びに、そのようなコーティングを有するインプラントに関する。
特に細菌耐性に関する、生体適合性条件に対する、及び、化学耐性に関連する要件を満たすコーティングは、多数記載されている。例として、以下の刊行物、すなわち、R.Thull,Elektrochemische Prufung von(Ti,Nb)ON beschichteten Legierungen,[(Ti,Nb)ONで被覆された合金の電気化学試験],Biomedizinische Technik,Vol.36(9),pages 214 and following,1991;W.W.Plitz,Reib-und Verschleisuntersuchungen von(Ti,Nb)ON Schichten[(Ti,Nb)ON層の摩耗試験及び摩擦試験],Labor Biomechanik,Munich,1994;R.Thull,K.Taubner,E.J.Kahle,biologische und tierexperimentelle Untersuchungen(Ti,Zr)O und(Ti,Nb)ON[生物学的及び動物実験試験(Ti、Zr)O及び(Ti、Nb)ON],Biomedizinische Technik,Vol.37,7-8,1992;R.Thull,K.Taubner,E.J.Kahle,Modell zur immunologischen Prufung von Biomaterialien[生体材料を免疫学的に試験するためのモデル],Biomedizinische Technik,Vol.37,162-169,1992;D.Repenning,Materialempfindlichkeit bei Titanimplantaten[チタンインプラントのケースにおける材料感受性]-part 1,Zahnheilkunde Management ZMK,2010;M.Stelzel et al.,Verhalten verschiedener Titanoberflachen bei oraler Exposition[口腔陳列のケースにおける異なるチタン表面の挙動]-an in vivo study,Philips University,Marburg,Dept.Parodontology 2003;R.Repenning,Oberflachenbeschichtung auf Implantaten,ossare Integration[インプラントの表面コーティング、骨の一体化]53-61,Springer Verlag;Betz,Reuther,5-jahrige klinische Studie enossaler Implantate unter besonderer Berucksichtigung des periimplantaren Gewebes[特に周辺インプラント組織を考慮したエノサルインプラントの5年間の持続的研究],Deutsche Zeitschrift fur Mund-und Kieferchirurgie[German Trade Journal for oral and maxillofacial surgery],1995に言及することができる。
これらの層は全て、白色表面の審美的基準を満たさないという欠点を有する。本文脈において、「白色」の下では、この場合、それぞれの有機環境において白色として知覚される、僅かに灰色と僅かにピンク色~純白色との間で着色された色領域が理解されるべきである。
特にチタンのコーティングされた歯科用インプラントについては、審美的に白い表面を与えることが望まれている。インプラントのエノサル部分及びアバットメントの両方に同じことが当てはまる。同時に、表面は、前述の生体適合性(ELISA、Thull)の要件、並びに、基材材料から出るイオンに対する、特に病原性嫌気性細菌に対する効果的な腐食保護及び細菌耐性の要件を受ける。特に、局所的に最適に調整された表面は、安全なオッセオインテグレーションを確保する必要がある。
これまでに利用可能なコーティングは、金色(窒化物)から濃青色(セラミックチタン酸化ジルコニウム層)を介して黒色(DLC=ダイヤモンドライクカーボン)までの色外観を有する。既知の白灰色コーティングは、より良好なオステオインテグレーションとして役立つヒドロキシアパタイトコーティング(HAコーティング)によって表わされる。しかしながら、これらのHAコーティングは、組織内で時間的に再吸収される。更に、それらはインプラントのエノサル部分にのみ適用され、経歯肉インプラント部分には適用されない。
電解法によって生成される白色又は白色に類似する二酸化チタンコーティングも知られるようになってきた。しかしながら、二酸化チタンは、上記の細菌耐性の要件を満たさず(M.Stelzel et al.,Verhalten verschiedener Titanoberflachen bei oraler Exposition[口腔陳列のケースにおける異なるチタン表面の挙動]-an in vivo study,Philips Universitat,Marburg,dept.Parodontologie 2003参照)、生体適合性の要件を低い程度までしか満たさない(R.Thull,K.Taubner,E.J.Kahle,biologische und tierexperimentelle Untersuchungen(Ti,Zr)O und(Ti,Nb)ON[生物学的及び動物実験試験(Ti、Zr)O及び(Ti、Nb)ON],Biomedizinische Technik,Vol.37,7-8,1992参照)。インプラント本体をコーティングするための更なる既知の手法は、ゾル-ゲルプロセス及び噴霧プロセスに基づく。プラズマ溶射(APS)、コールドスプレー(CGS)、高速酸素燃料溶射(HVOF)、アーク溶射(AS)、粉末火炎溶射(PFS)、及び最後であるが少なくともワイヤーフレーム溶射は、これらのプロセスの一部である。これらの層の全ては、医療用途にとって十分に粘着性の態様で適用され得ない又は/及び十分な精度でフィリグリーインプラント本体上に適用され得ないという欠点を有する。
現在、白色歯科用インプラントが二酸化ジルコニウムのフルセラミックから提供されている。破壊に対する安定化のために、セラミックが酸化イットリウムでドープされる。セラミックインプラントは、特に、安全なオッセオインテグレーションのためにそれらの表面をトポグラフィ的に最適に調整することができないという欠点、及び、骨折のリスクに起因して手術及び長期安定性(又は1年目の早期損失)に対する特定の増大した課題を引き起こすという欠点を有する。更に、セラミックの組成は、材料技術的に体系的な理由で自由に変えることができず、したがって、材料を生物学的環境に適切に適合させることができない。
上記の説明の背景に対して、本発明の課題は、最新技術の上記の欠点を克服し、表面色に関して審美的基準を満たすとともに、良好な生体適合性、長期安定性、及び、細菌耐性を有するインプラント用のコーティングを提案することである。
この課題は、請求項1の特徴を有するコーティングによって解決される。この課題は、請求項12の特徴を有するコーティングを製造する方法、及び、請求項21の特徴を有するインプラントによって更に解決される。
有利な更なる発展が従属請求項によってもたらされる。
本発明の本質的な理念は、勾配層から幾つかの層でコーティングを構造化することであり、酸素含有量は勾配層間で変化する。好ましくは、要素上に塗布される最も下側の勾配層は、金属接着結合層として形成される。本発明の範囲内で、金属接着結合層は、金属の勾配層として理解され、実質的に酸素を含まない。これにより、要素に対する最適な接着を達成することができる。金属接着結合層上に形成される勾配層は、好ましくは、最も外側の勾配層が完全な化学量論を有する金属酸化物層であるように、要素上に塗布される最も下側の勾配層から最も外側の勾配層まで完全な化学量論へと増大する酸素含有量を有する。
勾配層を介して酸素含有量を徐々に増大させることによって、勾配層間の接着結合が改善される。最も外側の金属酸化物勾配層の完全な化学量論よりも低い酸素含有量を有する金属接着結合層及び勾配層はいずれも、酸素含有量を有する勾配層内の結晶構造の欠陥によって引き起こされる着色を有し、この場合、電子中間状態が生じ、それにより、材料の特徴的な吸収、したがって着色がもたらされる。完全な化学量論を有する最も外側の勾配層は、結晶性であり、着色を引き起こす構造の欠陥を実質的に有さない。これにより、一方では、金属接着結合層から最も外側の金属酸化物勾配層まで徐々に変化する酸素含有量に起因して、優れた接着結合特性を特徴とすると同時に、金属酸化物最外勾配層の存在により白色着色を有するコーティングが生成される。
最も外側の勾配層のバンドギャップは3.1eVより大きいため、最も外側の層は可視域の電磁波を吸収せず、したがって、白く見える。
更に、バンドギャップが3.1eVを超える材料、特にセラミック系は、電気抵抗が高い(R>>1000Ωcm)材料に相当し、イオン交換により生体組織と材料から形成されるインプラントとの間の反応を回避することに寄与する。
コーティングに起因して本発明にしたがって達成される細菌耐性、生体適合性、及び、接着強度は、移植に関連して使用される全ての要素にとって有利である。したがって、本発明に係るコーティングは、インプラント構成要素の全体に関して適用可能である。この時点で、本発明に係るコーティングが、硬質及び軟質の組織に組み込まれ得る要素又はそのような要素、例えばインプラント、アバットメント、及び、外面全体並びにねじ部分を含む内面を含めてねじなどの接続要素の全表面に接続され得る要素及びそれらの表面の全体に適していることが明確に指摘されるべきである。
好ましくは、酸素含有量を有する勾配層のうちの少なくとも1つ、特に少なくとも最も外側の金属酸化物勾配層は、5nm以上の粒径を有する。サブミクロン範囲の粒径を有するナノ結晶構造は、層の破壊靱性の増大に寄与する。粒径の決定は、X線回折法によって行われる。
好ましくは、勾配層は、タンタル及び/又はニオブ及び/又はジルコニウム及び/又はチタンを有する。これらの金属は、高い生化学的安定性を特徴とする。
本発明に係る方法によれば、コーティングの塗布は、好ましくはPVD(物理蒸着)プロセスによって行われる。PVDプロセスは、一般に、医療用インプラント及び器具のコーティングのために使用される。それらの利点は、純粋に金属、酸化物、窒化物、炭化物又はより複雑な組成物であっても、化学化合物を調整するための高い可変性である。
本発明によれば、酸化物、少なくともナノ結晶層は、PVDプロセスによって製造され、この場合、少なくとも最も外側の勾配層のバンドギャップEは3.1eVよりも大きい。層の接着は、最初に金属接着結合層が要素上に塗布され、その後、層の酸素含有量が完全な化学量論、好ましくは500nm未満に調整されるという点で、勾配層によって達成される。勾配層は、バンドギャップの低減又はより長い波長の光の吸収中心としての役割をもたらす電子状態が生じない限り、欠陥がないように調整されることが不可欠である。
PVDプロセスの特定の欠点、すなわち、堆積条件が熱力学的バランスの範囲外であることは、コーティングがT=300℃を超える高温で行われる及び/又は層がその後に酸素雰囲気下で硬化されるという点で排除される。細菌耐性に関する更に特定の請求項は、好ましくは、層の多相調整によって達成される。多相層は、細菌の反発の影響を伴って表面でpzzp(ゼータ電位0の点)が変化する。
以下、図に基づいてより詳細に説明される典型的な実施形態に基づき、本発明を更なる特徴及び利点に関しても説明する。
この場合、図1は、本発明に係るコーティングを有する要素の概略図を示す。
図1は、硬質及び軟質の組織に組み込まれ得るねじ又はプレートなどのインプラントによって形成される要素20を示す。幾つかの勾配層11,12,13から形成される本発明に係るコーティングが要素上に塗布される。要素20上に形成される最も下側の勾配層11は金属接着接合層である。最も外側の勾配層13は、完全な化学量論を有する金属酸化物を含む白色層である。勾配層11と勾配層13との間には1つ以上の勾配層12が形成され、その酸素含有量は、要素20上に形成される最も下側の勾配層1から最も外側の勾配層13まで完全な化学量論へと増大する。
最も単純なケースでは、二酸化ジルコニウムの白色層が調整される。二酸化ジルコニウムは、インプラント学において完全なセラミック材料として使用される。しかしながら、これまで、二酸化ジルコニウムを強固な粘着性の白色層としてチタンインプラント本体に塗布することはうまくいっていない。本発明に係る実施形態では、最初に、要素20上のジルコニウムの最も下側の勾配層11として金属層が20nmの層厚で堆積され、その表面は、好ましくは粗面化され、好ましい実施形態ではチタンで形成される。以下において、酸素は、PVDの典型的な反応プロセスによって連続的に供給され、また、層は、勾配層12を介して、最も外側の勾配層13に存在する完全な化学量論で最終的に形成される。コーティングの全層厚は、好ましくは5マイクロメートルに調整される。プロセス制御は、堆積が高温で行われるように成されてもよく、そうでなければPVDの典型的な(X線非晶質)層は生成されず、少なくともナノ結晶層が生成される。
第2の実施形態では、最も外側の勾配層13に関して20mol%のNbと80mol%のTaとの混合相が調整され、また、最も下側の金属の勾配層11を発端として中間の勾配層12を経て完全な化学量論が確立される。層は、特に高い生化学的安定性及び負の表面電位を特徴とする。負の表面電位は、カルシウムイオンの安定な吸着及びそれに伴う安全なオステオインテグレーションを引き起こす。
更なる例では、ZrTiの化学量論を有する層が最も外側の勾配層13として使用される。(Ti、Zr)O2-x層は、それらの高い欠陥構造、それらのX線非晶質形態、及び、それらの非正確な組成調整に起因して、高度に生体適合性であり、暗藍色である。本発明に係るコーティングは、3.1eV以上のバンドギャップEを有する外側勾配層13を有し、化学量論的に正確になるように調整される。この勾配層13はナノ結晶性である。最も外側の勾配層13は、その高い負の自由形成エンタルピーに起因して、著しく改善された生化学的安定性を更に有する。そのゼロ電位点はpH6~7である。

Claims (21)

  1. 硬質及び軟質の組織に組み込まれ得る要素(20)、特に、様々な酸素含有量を有する金属勾配層(11,12,13)から形成される構造を有するインプラント、ねじ又はプレートのための白色の細菌耐性の生体適合性の粘着性のコーティングであって、最も外側の勾配層(13)のバンドギャップ(Eg)が3.1eVよりも大きく、前記最も外側の勾配層が結晶性であり、前記勾配層(11,12,13)がタンタル及び/又はニオブ及び/又はジルコニウム及び/又はチタンを含むコーティング。
  2. 前記要素(20)上に塗布される最も下側の勾配層(11)が金属接着結合層であり、前記最も外側の勾配層(13)が完全な化学量論を有する金属酸化物層であり、中間の勾配層(12)は、前記要素上に塗布される前記最も下側の勾配層(11)から前記最も外側の勾配層(13)まで前記完全な化学量論へと増大する酸素含有量を有する、請求項1に記載のコーティング。
  3. 酸素含有量を有する前記勾配層(12,13)のうちの少なくとも1つ、好ましくは少なくとも前記最も外側の勾配層(13)が、5nm以上の粒径を有する、請求項1又は2に記載のコーティング。
  4. 前記勾配層(11,12,13)がアルミニウム及び/又はスズを更に有する、請求項1から3のいずれか一項に記載のコーティング。
  5. 前記勾配層(12,13)中の前記金属の濃度は、少なくとも二元酸化物を有する前記勾配層(12,13)が3.1eVよりも大きいバンドギャップ(E)を有するように少なくとも二元酸化物によって調整される、請求項1から4のいずれか一項に記載のコーティング。
  6. 1つ以上の勾配層(11,12,13)が炭素及び/又は窒素及び/又はホウ素及び/又はフッ素を含有する、請求項1から5のいずれか一項に記載のコーティング。
  7. 前記要素上に塗布される前記最も下側の層の勾配層(11)が50nm以下の厚さを有する、請求項1から6のいずれか一項に記載のコーティング。
  8. 還元酸素化学量論量を有する前記勾配層(12)の全厚は、500nm以下、好ましくは200nm以下、更に好ましくは100nm以下、更に好ましくは60nm以下である、請求項1から7のいずれか一項に記載のコーティング。
  9. 前記最も外側の勾配層(13)の厚さが10μm以下である、請求項1から8のいずれか一項に記載のコーティング。
  10. 前記コーティングの全厚は、3μm~7μm、好ましくは4μm~6μm、更に好ましくは4.5μm~5.5μmである、請求項1から9のいずれか一項に記載のコーティング。
  11. 硬質及び軟質の組織に組み込まれ得る要素(20)、特にインプラント、ねじ及びプレートのための白色の細菌耐性の生体適合性の粘着性のコーティング、特に請求項1から10のいずれか一項に記載のコーティングを製造するための方法であって、
    - PVD(物理蒸着)によって前記要素(20)の表面上に第1の勾配層(11)として金属接着結合層を塗布するステップと、
    - タンタル及び/又はニオブ及び/又はジルコニウム及び/又はチタン並びに酸素を含む勾配層(12,13)を、最も外側の勾配層(13)の完全な化学量論に達するまで前記勾配層(12,13)の塗布中に酸素含有量を増大させることによって増大する酸素含有量を有する前記金属接着結合層(11)上に塗布するステップと、
    を含み、
    前記外側の勾配層(13)のバンドギャップ(E)が3.1eVよりも大きい、方法。
  12. 前記勾配層(11,12,13)の前記塗布が300℃以上の温度で行われる、請求項11に記載の方法。
  13. 前記勾配層(11,12,13)が酸素雰囲気下で硬化される、請求項11又は12に記載の方法。
  14. 前記勾配層(11,12,13)が5nm以上の粒径を有するように形成される、請求項11から13のいずれか一項に記載の方法。
  15. 前記勾配層(11,12,13)がタンタル及び/又はニオブ及び/又はジルコニウム及び/又はチタン並びに酸素を含む、請求項11から14のいずれか一項に記載の方法。
  16. 前記勾配層(11,12,13)がアルミニウム及び/又はスズを更に含む、請求項11から15のいずれか一項に記載の方法。
  17. 前記勾配層(11,12,13)の前記塗布は、前記要素(20)上に塗布される最も下側の勾配層(11)が金属接着結合層であり、最も外側の勾配層(13)が完全な化学量論を有する金属酸化物層であるように実行され、中間の勾配層(12)は、前記要素上に塗布される前記最も下側の勾配層(11)から前記最も外側の勾配層(13)まで完全な化学量論へと増大する酸素含有量を有する、請求項11から16のいずれか一項に記載の方法。
  18. 前記勾配層(12,13)中の金属の濃度は、少なくとも二元酸化物を有する前記勾配層(12,13)が3.1eVよりも大きいバンドギャップ(E)を有するように少なくとも二元酸化物によって調整される、請求項11から17のいずれか一項に記載の方法。
  19. 1つ以上の勾配層(11,12,13)が炭素及び/又は窒素及び/又はホウ素及び/又はフッ素を含有する、請求項11から18のいずれか一項に記載の方法。
  20. 好ましくは請求項11から19のいずれか一項に記載の方法を使用して製造される請求項1から10のいずれか一項に記載のコーティングを含むインプラント。
  21. 前記インプラントがエノサル部分及びアバットメントを有する歯科用インプラントによって形成され、前記コーティングが前記歯科用インプラントの前記エノサル部分及び前記アバットメントの両方に塗布される、請求項20に記載のインプラント。
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