JP4339606B2 - 多孔性金属足場 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は移植可能な医学的装置に関し、さらに詳細には、移植可能な医学的装置、特に整形外科用移植片に用いられる多孔性足場、そのような足場を形成する方法、およびそのような医学的装置を作製する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
整形外科用移植片は、通常、種々の変形性疾患、例えば、変形性関節症によって人体の骨構造が悪化したときに用いられる。近年、種々の移植可能な整形外科用装置が開発されている。一般的には、悪化した骨構造はその骨構造が模擬され、その機能を果たすような整形外科用移植片に置き換えられる。
【０００３】
整形外科用移植片は、生物学的環境において安定であり、かつごくわずかな変形を伴うだけで物理的応力に耐える材料によって構成されている。このような材料は、強度、耐食性、生物学的適合性、および良好な耐摩耗性を有している必要がある。また、移植片は、体内において繰り返し物理的応力が長期にわたって付加される種々の相互作用部分を有している。
【０００４】
永久的に設置される移植片が破断すると、苦痛を伴い、運動の範囲が制限されるので、その移植片の取替えが必要になる。従って、特に、骨と移植片の界面および移植片の種々の部分間の接続は破断に対する耐性を有している必要がある。このような破断に対する耐性は、整形外科用の移植片の場合、特に重要である。その理由は、整形外科用の移植片を設置するための医学的手術は大掛かりでかつ困難な場合が多く、設置された移植片の取替えは極めて望ましくないからである。
【０００５】
移植片の有効寿命に対する要望は、平均余命の向上と共にますます強まっている。移植片の強度と寿命はその大部分が骨と移植片の界面に依存している。骨と移植片間を接続する種々の方法は、従来から知られている。例えば、臀部の関節部は、ボール／ソケット関節、具体的には、丸みのある大腿骨ヘッドと骨盤内に配置されるカップ状ソケット（臼蓋カップ）を備えている。丸みのある大腿骨ヘッドの表面と臼蓋カップの表面は、ヒトが歩行するとき、常に擦り合わさっている。この擦り合せにより、臼蓋カップと大腿骨ヘッドを支える骨に応力が加えられることになる。この大腿骨ヘッドまたは臼蓋カップを移植片に置き換える場合、移植片の破損を防ぐために、移植片の支持面は上記の応力に対して十分な耐性を有している必要がある。
【０００６】
図１は、臼蓋カップ人工的補助組立体（移植片）１０と大腿骨人工補助物２０を備える典型的な臀部置換システムを示している。通常、臼蓋カップ移植片１０は、骨界面シェル１１とソケット支持挿入物１２を備えている。大腿骨人工補助物２０は、大腿骨ステム２１と、臼蓋カップ移植片１０のソケット挿入物１２内で移動可能なボール２２として具体化されている大腿骨ヘッドを備えている。大腿骨ボール２２の表面は、通常臼蓋カップ１０のソケット挿入物１２の表面に対して低摩擦接触するために研磨されている。ステム部２１は大腿部に挿入され、骨接触面２６を有しているとよい。
【０００７】
ソケット挿入物１２は通常、プラスチック材料、例えば、ポリエチレンまたは超高分子量ポリエチレン（ＵＨＭＷＰＥ）から作られるが、関節に作用する圧力と摩滅に耐えるのに十分な強度と耐磨耗性を有する限り、どのような生物学的適合性を有する材料であってもよい。ソケット挿入物１２は、典型的には一連の固定溝または切込みによってシェル１１に保持されている。一方、シェル１１とソケット挿入物１２からなる臼蓋カップ移植片１０は、一連の固定溝、ピンまたはネジ２９によって患者の骨盤に取り付けられている。あるいは、患者の状態によって、臼蓋カップ移植片１０は、固定ピンを用いずに、患者の臼蓋の窪み内に適当な嵌込み工具によって打ち込むことにより圧入してもよい。この方法によれば、骨セメントを用いる必要がない。シェル１１は典型的にはチタンまたはコバルトークロム合金からなり、骨接触面１６を有している。
【０００８】
使用時において、骨接触面１６および２６は、著しく大きい横方向および軸方向における応力に耐える必要がある。移植片の有効寿命に対する要求が強まるにつれて、これらの骨接触面がこのような応力に耐えることが特に重要になってきている。従来技術においても、この問題に対するいくつかの提案がなされている。
【０００９】
シェル１１とソケット挿入物１２を備える臼蓋カップ移植片１０を臼蓋の窪み内に骨セメントで固定するか、または臼蓋カップ移植片１０を超高分子量ポリエチレンからなる単一体として作製し、骨セメントを用いて臼蓋の窪み内に留置する方法が知られている。また、整形外科用移植片の寿命を改善する他の方法として、骨組織の内成長を促進する多孔性骨接触面を設け、人体の骨を移植片に結合させる方法が挙げられる。多孔性骨接触層の空孔内への骨の内成長によって、骨部の代替物である移植片に対して骨格接合することができる。骨内成長は、移植片の横方向および軸方向における強度を向上させるだけではなく、移植片の生物学的適合性を改善し、さらに疾患骨の生化学的な変化をも促進するとも言われている。この提案を具体化するには、移植片の骨接触面上に多孔性層を形成する方法を開発することが重要である。
【００１０】
多孔性骨接触面を有する整形外科用移植片は、この２０年間にわたって広く研究されている。骨の内成長の促進は骨接触面の気孔の特性、例えば、気孔径および気孔体積と関連していることがすでに知られている。例えば、多孔性層の気孔径が１０μｍよりも小さい場合、骨の内成長はまったく生じることがなく、多孔性層の気孔径が１００μｍよりも大きくなると、骨の内成長が促進されることが知られている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
強度と寿命の観点から、通常、移植片は生物学的適合性を有する金属、例えば、チタンまたはコバルトークロム合金から作られている。この場合、高多孔率を有する多孔性金属骨接触面を有する金属整形外科用移植片をいかに作製するかが１つの課題である。また、他の課題としては、多孔性層と下地の中実の基板、例えば、図１に示す臼蓋カップ移植片１０の表面１６（またはシェル１１の本体）をいかに一体的に結合するかがある。
【００１２】
多孔性骨接触面を有する整形外科用移植片およびそのような移植片を作製する方法に関するいくつかの特許が知られている。米国特許第５，２８２，８６１号は、７０％ないし８０％の気孔体積を有する骨移植片用のオープンセル型チタン構造を記載している。‘８６１特許のオープンセル型チタン構造は、炭素骨格上にチタンを化学蒸着することによって形成されている。得られた構造は炭素芯とチタン外面を有している。
【００１３】
米国特許第６，０８７，５５３号は、整形外科用移植片に適したチタン／ポリエチレン複合体を記載している。この複合体は、５０％ないし９０％の気孔体積を有している。‘５５３特許の複合体から作製される移植片は組立ユニット式でもなく、金属によって裏打ちされてもいない。
【００１４】
高い気孔体積を有する金属を作製する方法は一般的に知られている。米国特許第５，９７６，４５４号は、電池の電極に用いられるニッケル発泡体を作製するプロセスを記載している。発泡体の多孔率は９０％よりも大きい。しかし、この方法は、タンタルまたはチタンのような移植片の作製に通常用いられる生物学的適合性を有する金属の発泡体の作製には多くの点で適していない。
【００１５】
米国特許第５，９２６，６８５号は、多孔性表面層と移植片間の接着性を向上させる有機粘結剤を用いて、多孔性外面を有する移植片を形成する方法を記載している。粘結剤と多孔性層を形成するための金属粒子を混合し、その混合物を金属移植片の中実の表面と接触させている。次いで、焼結によって、粒子（多孔性層の前駆体）間を互いに結合させ、かつそれらの粒子を移植片の中実の表面に結合させている。しかし、‘６８５特許は多孔性層の前駆体として金属発泡体の作製については記載していない。また、’６８５特許は多孔性層の多孔率についても記載していない。
【００１６】
本発明は、上述したような問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、骨および／または他の組織と相互作用する多孔性表面、ブロック、層、または高い多孔率、均一な気孔径、および高い強度のような種々の望ましい特性を有する他の多孔性構造を備えた移植可能な医学的装置、特に整形外科用移植片を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明の種々の態様は上記の要求を満足させるものである。一態様によれば、本発明は、移植可能な医学的装置に用いられる多孔性金属足場であって、金属ハニカム（蜂の巣）状壁によって画成された気孔を有する多孔性網目構造を備え、金属ハニカム状壁は少なくとも１層の金属粒子によって被覆され、金属粒子は金属ハニカム状壁と結合していることを特徴とする多孔性金属足場を提供するものである。好ましくは、多孔性金属足場の金属ハニカム状壁は、多孔性金属足場の連続的な内部骨格を構成しているとよい。多孔性金属足場の気孔の径は、上記の少なくとも１層の金属粒子に対して１層以上の金属粒子をさらに結合させることによって調整されているとよい。また、多孔性金属足場の気孔の径は、金属粒子の径を変化させることによって調整されていてもよい。
【００１８】
好ましくは、金属ハニカム状壁および金属粒子間の結合は、金属ハニカム状壁に金属粒子を焼結することによって達成するとよい。また、好ましくは、金属ハニカム状壁は中空の芯部を部分的に有しているとよい。金属ハニカム状壁の中空の芯部は、開口を有する外側ハニカム状壁によって包囲されているとよい。
【００１９】
多孔性金属足場の気孔の径は、１００μｍから１０００μｍの範囲内にあるとよい。気孔の体積は５０％から９０％の範囲内にあるとよい。また、多孔性金属足場は、０．５ｍｍから５ｍｍの厚みを有する形状に形成されているとよい。
【００２０】
好ましくは、多孔性金属足場は中実の金属基板に結合されているとよい。また、好ましくは、多孔性金属足場は中実の金属基板に直接的に結合されているとよい。多孔性金属足場は、中実の金属基板に焼結によって結合されていてもよい。多孔性金属足場は、約１００μｍよりも大きい径を有する複数の気孔を有しているとよい。金属粒子は４０μｍから約８０μｍの範囲内の径を含んでいるとよい。好ましくは、金属粒子を構成する金属は、チタン、チタン合金、コバルトークロム合金、ニオブ、およびタンタルからなる群から選択されるとよい。また、好ましくは、金属ハニカム状壁を構成する金属はチタン、チタン合金、コバルトークロム合金、ニオブ、およびタンタルからなる群から選択されるとよい。金属基板は整形外科用移植片の一部であるとよい。
【００２１】
他の態様によれば、本発明は移植可能な医学的装置に用いられる多孔性足場を形成する方法において、ａ）所定の厚みと約５００μｍから約２０００μｍの範囲内の気孔径を有するポリマー発泡体を準備するステップと、ｂ）ポリマー発泡体上に生物学的適合性を有する金属の薄膜を低温アーク蒸着法によって形成するステップと、ｃ）ポリマー発泡体と金属薄膜を不活性雰囲気内においてポリマー発泡体の分解温度よりも高い温度に加熱して、ポリマー発泡体を分解し、グリーン（未焼結）金属発泡体を作製するステップと、を含んでいる方法を提供している。
【００２２】
好ましくは、本発明のこの態様による方法は、グリーン（未焼結）金属発泡体に粘結剤の溶液を塗布し、所定の粒子径を有する金属粉末を塗布し、発泡体を焼結することによって、グリーン（未焼結）金属発泡体の厚みを増し、所定の気孔径を有する最終的金属発泡体を作製するステップをさらに含んでいるとよい。最終的金属発泡体が所定の気孔径を得るまで、発泡体の厚みを増すステップを繰り返すとよい。
【００２３】
ポリマー発泡体の所定の厚みは、好ましくは、約０．５ｍｍから約１０ｍｍの範囲内、さらに好ましくは、約１ｍｍから約５ｍｍの範囲内、もっとも好ましくは、約１ｍｍから約２ｍｍの範囲内にあるとよい。好ましいポリマー発泡体はポリウレタン発泡体である。好ましくは、ポリマー発泡体は約９００μｍから約１１００μｍの範囲内の気孔径を有しているとよい。
【００２４】
好ましくは、金属薄膜は約１μｍから約５０μｍの範囲内の厚みを有しているとよい。さらに好ましくは、ポリマー発泡体は第１側面と第２側面を有し、第１側面における金属薄膜の厚みは約３５μｍであり、第２側面における金属薄膜の厚みは約１０μｍであるとよい。
【００２５】
好ましくは、粘結剤の溶液はメチルセルロースの水溶液であるとよい。また、好ましくは、金属ハニカム状壁を肥厚するのに用いられる金属粒子の所定の粒子径は約２０μｍから約１００μｍの範囲内、さらに好ましくは、約４０μｍから約８０μｍの範囲内にあるとよい。
【００２６】
好ましくは、最終的金属発泡体の所定の気孔径は約１００μｍから約１０００μｍの範囲内、さらに好ましくは、約３００μｍから約５００μｍの範囲内にあるとよい。
【００２７】
本発明はまた、この態様によって製作される中間的金属発泡体のみならず、グリーン（未焼結）金属発泡体および最終的金属発泡体を提供している。好ましくは、このような方法によって作製された最終的金属発泡体は、約１００μｍから約１０００μｍの範囲内、さらに好ましくは、約３００μｍから約５００μｍの範囲内にある所定の気孔径を有し、および／または約５０％から約９０％の範囲内、さらに好ましくは、約６０％から約８０％の範囲内にある気孔体積を有しているとよい。好ましくは、最終的金属発泡体はチタンまたはチタン合金から作られているとよい。
【００２８】
本発明のこの態様の方法によって作製された最終的金属発泡体は、中実の金属基板に取り付けられているとよい。このような最終的金属発泡体は移植可能な装置内に含まれているとよい。好ましい移植可能な医学的装置として、整形外科用移植片が挙げられる。さらに具体的な装置の一例として、臼蓋カップ移植片が挙げられる。
【００２９】
本発明の方法によって形成される金属薄膜の生物学的適合性を有する金属は、チタン、チタン合金、コバルトークロム合金、ニオブ、またはタンタルであるとよい。また、最終的金属発泡体および／または整形外科用移植片の中実の基板もチタン、チタン合金、コバルトークロム合金、ニオブ、またはタンタルからつくられているとよい。好ましくは、最終的金属発泡体および基板はチタンまたはチタン合金から作製されているとよい。
【００３０】
さらに他の態様によれば、本発明は移植可能な医学的装置に用いられる多孔性足場を形成する方法において、ａ）生物学的適合性を有する金属からなる第１金属発泡体を準備するステップと、ｂ）第１金属発泡体に粘結剤の溶液のミスト（霧状液滴）を噴射するステップであって、ミストは約２０μｍから約８０μｍの範囲内の平均液滴径を有するようなステップと、ｃ）金属発泡体に複数の金属粒子を塗布するステップと、ｄ）第１金属発泡体に金属粒子を結合させるステップとを含み、第１金属発泡体の気孔径よりも小さい気孔径を有する第２金属発泡体を作製する方法を提供している。
【００３１】
必要に応じて、ステップ（ｂ）、（ｃ）、および（ｄ）を繰り返すとよい。好ましくは、ミストは超音波源によって生成されるとよい。好ましくは、平均液滴径は約３０μｍから約４０μｍの範囲内にあるとよい。好ましくは、粘結剤の溶液はメチルセルロースの水溶液であるとよい。好ましくは、第１金属発泡体を構成する金属および／または金属粒子の金属は、チタン、チタン合金、コバルトークロム合金、ニオブ、またはタンタルであるとよい。
【００３２】
本発明はまた、この態様の方法によって作製された第２金属発泡体を提供している。好ましくは、第２金属発泡体の気孔径は約１００μｍから約１０００μｍの範囲内、さらに好ましくは、約３００μｍから約５００μｍの範囲内にあるとよい。
【００３３】
さらに他の態様によれば、本発明は移植可能な医学的装置に用いられる多孔性足場を形成する方法において、ａ）所定の厚みおよび第１気孔径を有するポリマー発泡体を準備するステップと、ｂ）ポリマー発泡体に生物学的適合性を有する金属からなる網目構造金属薄膜を低温アーク蒸着法によって形成するステップと、ｃ）ポリマー発泡体を不活性雰囲気内において分解し、グリーン（未焼結）金属発泡体を形成するステップと、ｄ）グリーン（未焼結）金属発泡体を予備焼結するステップと、ｅ）予備焼結された金属発泡体を粘結剤の存在下において金属粒子と接触させるステップと、ｆ）金属粒子を予備焼結された金属発泡体に結合させるステップとを含み、第２気孔径を有する気孔を有する多孔性足場を得る方法を提供している。
【００３４】
好ましくは、ポリマー発泡体の所定の厚みは約０．５ｍｍから約２ｍｍの範囲内にあるとよい。好ましくは、第１気孔径は約９００μｍから約１１００μｍの範囲内にあるとよい。また、好ましくは、第２気孔径は約３００μｍから約５００μｍの範囲内にあるとよい。
【００３５】
好ましい不活性雰囲気はアルゴン雰囲気である。好ましくは、金属粒子および予備焼結された発泡体は、焼結によって結合されているとよい。多孔性金属足場を構成する好ましい金属は、チタン、チタン合金、コバルトークロム合金、ニオブ、またはタンタルである。また、好ましい金属粒子の金属は、チタン、チタン合金、コバルトークロム合金、ニオブ、またはタンタルである。
【００３６】
さらに他の態様によれば、本発明は整形外科用移植片の多孔性足場の安定性を改善する方法において、ａ）整形外科移植片用の前駆体を設けるステップであって、前駆体は本体と該本体に取り付けられる離間部材からなり、離間部材は本体から離間された壁部材と該壁部材を本体に接続するスペーサ要素からなり、スペーサ要素、本体、および壁部材は凹部を形成するようなステップと、ｂ）多孔性足場を本体に取付けるステップであって、多孔性足場は所定の気孔径を有し、第１部分および第２部分を備え、足場の第２部分は凹部内に延出しているようなステップと、ｃ）多孔性足場の第２部分を含む凹部に多孔性足場の気孔径よりも小さい粒子径を有する金属粒子を充填し、多孔性足場の第２部分の気孔を金属粒子によって充填するステップと、ｄ）移植片前駆体、金属粒子、および充填された第２部分を含む取り付けられた多孔性足場を焼結し、充填された凹部を含む離間部材を実質的に中実の金属ブロックに変換し、同時に足場の充填された第２部分を実質的に中実の金属ブロックの実質的に中実の一部に変換し、実質的に中実の一部によって多孔性足場の第１部分を少なくとも部分的に支持するステップと、を含む方法を提供している。
【００３７】
本発明のこの態様による方法は、充填された離間部材を有する前駆体を焼結前に振動処理するステップをさらに備えているとよい。本発明はまた、この態様による方法によって作製される整形外科用移植片を提供している。
【００３８】
さらに他の態様によれば、本発明は、臼蓋カップ状移植片の多孔性足場の安定性を改善する方法において、ａ）上面を有する本体とリムを備える未仕上臼蓋カップシェルを設けるステップであって、リムは横方向突起と未仕上臼蓋カップシェルの本体から離間した壁からなり、横方向突起、本体、および壁は凹部を形成するようなステップと、ｂ）多孔性足場を本体の上面に取り付けるステップであって、多孔性足場は所定の気孔径を有し、第１部分および第２部分を備え、足場の第２部分は環状凹部内に延出するようなステップと、ｃ）多孔性足場の第２部分を含む凹部に多孔性足場の気孔径よりも小さい粒子径を有する金属粒子を充填し、多孔性足場の第２部分の気孔に金属粒子を充填するステップと、ｄ）金属粒子を横方向突起、壁、および多孔性足場の第２部分に結合し、リムを実質的に中実の金属ブロックに変換し、同時に足場の充填された第２部分を実質的に中実のブロックの実質的中実の一部に変換し、実質的に中実の部分によって多孔性足場の第１部分を少なくとも部分的に支持するステップとを含む方法を提供している。
【００３９】
本発明のこの態様による方法は、実質的に中実のブロックを所定の形状に機械加工するステップをさらに含んでいるとよい。本発明はまた、この態様による方法によって作製された臼蓋カップシェルを備える臼蓋カップ移植片を提供している。
【００４０】
本発明の主題およびその種々の利点は、添付の図面に基づく以下の詳細な説明によってさらに明らかになるであろう。
【００４１】
【発明の実施の形態】
一実施例において、本発明は医学的装置用途、特に整形外科用移植片に適用される多孔性足場を提供している。好ましい一例において、本発明の多孔性足場は高強度のオープンセル型金属性発泡体であり、その気孔径は約１００μｍよりも大きく、好ましくは、約１００μｍから約１０００μｍの範囲、さらに好ましくは、約３００μｍから約５００μｍの範囲内にある。また、本発明の多孔性足場は、気孔の体積が大きい点に特徴があり、約５０％から約９０％の範囲、さらに好ましくは、約６０％から約８０％の範囲の気孔体積を有している。本発明の多孔性足場は多孔性の表面を有し、多孔性足場が整形外科用移植片に用いられる場合、この多孔性表面が骨と接触することになる。好ましくは、多孔性足場はチタン、チタン合金、コバルトークロム合金、タンタル、またはニオブのような生物学的適合性を有する金属から形成されるとよい。最も好ましい金属はチタンまたはチタン合金である。好適なチタン合金として、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金が挙げられる。足場は、ブロック状、層状、組織内方成長促進表面、または他の望ましい形態または形状であるとよい。
【００４２】
多孔性足場Ｐは、基板Ｓに取り付けられているとよい（図２を参照）。好ましくは、基板Ｓは中実の金属基板であるとよい。好ましくは、基板Ｓと多孔性足場Ｐとは、互いに一体化しているとよい。図２は多孔性層Ｐ₁として具体化されている足場Ｐを示している。なお、図２に示す足場Ｐと基板Ｓの形状は単なる例示に過ぎず、本発明を制限するものではない。多孔性層Ｐ₁の厚みｄは、好ましくは、約０．５ｍｍから約１０ｍｍの範囲内、さらに好ましくは、約１ｍｍから約５ｍｍの範囲内、最も好ましくは、約１ｍｍから約２ｍｍの範囲内にあるとよい。中実の基板Ｓの厚みは任意に選択することができる。好ましくは、多孔性層Ｐ₁は表面粗さの大きい多孔性表面Ａを有しているとよい。基板Ｓおよび多孔性層Ｐ₁間に、例えば、層Ｐ₁と基板Ｓを接合させる目的で、中間層を存在させてもよい。
【００４３】
好ましくは、基板Ｓと多孔性層Ｐ₁は同一金属または同一金属を含む合金から形成されているとよい。好ましい金属は、チタン、チタン合金、コバルトークロム合金、タンタル、またはニオブなどの生物学的適合性を有する金属であり、最も好ましい金属はチタンまたはチタン合金である。好ましいチタン合金の例として、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金が挙げられる。
【００４４】
多孔性足場Ｐは、整形外科用移植片のような医学的装置に特に有用である。この場合、多孔性足場Ｐは単独であっても基板Ｓに取付けられていてもよい。ところで、整形外科の用途に好適な多孔性の骨接触界面（または組織内成長面）を有するチタン移植片を作製する場合、多くの重要な技術的課題がある。整形外科用移植片に好適な多孔性層は、高い気孔体積を確保する以外に、粗い表面、良好な気孔の規則性、および下地として中実の基板が用いられる場合にはその基板との一体結合性を有している必要がある。しかし、従来、これらの望ましい性質を兼ね備えたチタン多孔性層は得られていない。
【００４５】
従って、他の実施例として、本発明は多孔性骨接触面、多孔性ブロック、または多孔性層として多孔性足場Ｐを有する整形外科用移植片を提供している。多孔性足場Ｐを有する移植片として、単なる例示にすぎないが、臼蓋カップ移植片、脊椎移植片、大腿／臀部ステム移植片、大腿／頚骨膝関節部、軟質組織取付け具、骨欠陥部充填材、肩移植片、スペーサ、および骨と接触する表面を有する他の医学的装置または移植片などが挙げられる。移植片は多孔性足場Ｐと共に中実の金属基板を備えているとよい。好ましくは、中実基板と多孔性足場はセメントまたは他の結合材を用いずに一体化されるとよい。例えば、臼蓋カップ移植片は、骨と接触する多孔性表面、ブロック、または層として機能する多孔性足場を支える中実のシェルを備えているとよい。多孔性足場は、その足場の気孔内への骨組織の内成長を促進し、移植の後、臼蓋カップ移植片の有効寿命を延長させることができる。また、足場の多孔性表面の粗さは大きい方が好ましい。表面粗さを大きくすることによって、最初の圧入の安定性を促進し、多孔性表面および骨間の摩擦界面を大きくすることができる。
【００４６】
多孔性足場Ｐを有する整形外科用移植片の利点は、その足場を形成する方法によっても左右される。従って、他の実施例として、本発明は医学的装置、特に整形外科用の多孔性足場を形成する方法を提供している。
【００４７】
図３は本発明のプロセスの一般的な手順を示す図である。まず、チタンのような所定の生物学的適合性を有する金属を熱分解性ポリマー発泡体上に低温アーク蒸着（ＬＴＡＶＤまたはＬＴＡＶ堆積）法によって蒸着させる（ステップ１１００）。ＬＴＡＶＤ法は、高電流低電圧アークを用いて導電性金属を電気的に蒸発させる物理的蒸着（ＰＶＤ）法である。金属は高真空下において蒸発し、所定の基板上に高付着性かつ高密度の薄膜として堆積されている。ポリマー発泡体は互いに連結するセル構造、すなわち、オープンセル構造を有するハニカム（蜂の巣）状ポリマーである。ＬＴＡＶ蒸着によって、ポリマー発泡体の全表面上に金属の薄層（薄膜）を形成することができる。従って、蒸着した金属の構造はハニカム状ポリマーの構造に倣い、その結果、金属薄膜はハニカム状ポリマーの蜂の巣状壁の全面に形成されることになる。ＬＴＡＶＤ法の種々のパラメータ、特に蒸着の時間を制御することによって、金属薄膜の厚みを調整することができる。
【００４８】
ポリマー発泡体は低密度かつ高多孔率を有するポリマー材料である。前述したように、ポリマー発泡体は金属多孔性層の型板として機能している。好ましくは、ポリマー発泡体は対象移植片の表面の形状と同じ形状を有しているとよい。ポリマー発泡体は、蒸着が行われる前に、対象移植片の中実の部分を覆うように配置されていてもよい。しかし、さらに好ましくは、対象移植片に取り付けられていないポリマー発泡体に対して、ＬＴＡＶ法による蒸着を行うとよい。好ましくは、ポリマー発泡体は加熱によって分解し、その分解時の残留物ができるだけ少ない材料からなるとよい。例えば、分解時に実質的に残留物を生じない着色ポリウレタンからなる発泡体が好ましい。
【００４９】
所定厚みの金属薄膜を蒸着した後、金属薄膜によって被覆されたポリマー発泡体を不活性雰囲気中において、当該ポリマー発泡体の分解温度よりも高い温度に加熱する（ステップ１２００）。すると、ポリマー発泡体が分解し、ＬＴＡＶＤ法による蒸着によって形成された本質的に金属薄膜からなる「グリーン（未焼結）」金属発泡体が残留する。「グリーン」という用語は、焼結または他の類似の処理によって強化される前の金属発泡体を意味するものである。
【００５０】
次のステップでは、グリーン（未焼結）金属発泡体を予備焼結する（ステップ１３００）。予備焼結後、脆弱な薄い金属薄膜であるグリーン（未焼結）発泡体の金属部分が生長し、その結果、所定の多孔率を有する強固な金属発泡体が得られる（ステップ１４００）。予備焼結による金属部分の成長によって、発泡体のハニカム（蜂の巣）状壁面の厚みが増えるので、この予備焼結による成長をハニカム状壁肥厚ステップと呼ぶこともある。好ましくは、ハニカム状壁肥厚ステップは予備焼結された金属発泡体に一層以上の金属粉末を付着させ、それらの金属粉末を予備焼結された金属発泡体に粉末冶金の技術によって結合するステップをさらに含むとよい。ハニカム状壁肥厚ステップは、ＬＴＡＶＤ、高温ＰＶＤ、または化学蒸着によって予備焼結された金属発泡体にさらに金属を蒸着させるステップを含んでいてもよい。ハニカム状壁肥厚ステップによって、気孔の内面（ハニカム状壁）の厚みが増し、その結果、金属発泡体の気孔径が小さくなる。
【００５１】
一回のハニカム状壁肥厚ステップによって、所定の特性、例えば、強度および気孔径が得られた場合、金属発泡体に最終焼結を行うとよい。しかし、ハニカム状壁の肥厚がさらに必要な場合は、発泡体を再び予備焼結し、ハニカム状壁肥厚ステップを繰り返す。最終的なハニカム状壁肥厚ステップを行った後、所定の厚み、強度、および多孔率を有する金属発泡体を、好ましくは、下地の中実の金属基板と共に最終的に焼結する（ステップ１５００）。
【００５２】
上記のプロセスを、チタン製臼蓋カップ移植片を形成する例に基づいて、さらに詳細に説明する。ただし、本発明によるプロセスはこの例に制限されるものではない。例えば、臼蓋カップ移植片の材料として、チタン以外に他の生物学的適合性を有する金属、例えば、チタン合金、コバルトークロム合金、ニオブ、またはタンタルなどを用いてもよい。また、本プロセスを用いて、臼蓋カップ移植片と異なる他の移植可能な医学的装置を作製することもできる。
【００５３】
移植片を以下の手順によって作製する。まず、所定の厚みおよび対象移植片の骨接触面の形状に対応する形状を有するポリウレタン発泡体にチタンをＬＴＡＶＤ法によって蒸着させる。ポリウレタン発泡体の性質（例えば、多孔率、密度、および厚み）は、それらが最終的な金属多孔層の性質に影響を与えるので、重要因子である。具体的に、ポリウレタン発泡体の厚みは多孔性金属層の厚みを決定するものである。ポリマー発泡体は、好ましくは、約０．５ｍｍから約１０ｍｍの範囲内、さらに好ましくは、約１ｍｍから約５ｍｍの範囲内、最も好ましくは、約１ｍｍから約２ｍｍの範囲内の厚みを有しているとよい。また、ポリウレタン発泡体の多孔率を変化させることによって、グリーン（未焼結）金属発泡体および最終的な多孔性金属層の気孔径と気孔体積を制御することができる。ポリウレタン発泡体は、好ましくは、５００μｍよりも大きい気孔径、さらに好ましくは、約８００μｍから約２０００μｍの範囲内、最も好ましくは、９００μｍから約１１００μｍの範囲内の気孔径を有しているとよい。
【００５４】
前述したように、骨の内成長を促進するには、移植片の多孔性層が、好ましくは、１００μｍよりも大きい気孔径を有しているとよい。しかし、最終的な金属発泡体の気孔径が余りにも大きいと、構造的な強度が不十分となるため、多孔層は脆弱になる。逆に、最終的な金属発泡体の気孔径が余りにも小さいと、骨または他の組織の内成長が遅くなる。以上の観点から、本発明のこの実施例によるプロセスによれば、まず大きな気孔径を有する脆弱なグリーン（未焼結）発泡体を作製し、次いで、ハニカム状壁肥厚ステップにおいて気孔径を小さくする。この手順によって、所定の気孔径とプロセス条件を良好に制御することができる。強度と内成長の適切なバランスは、ポリウレタン発泡体の多孔率とハニカム状壁肥厚条件の組合せを適切に選択することによって達成することができる。
【００５５】
ポリウレタン発泡体の多孔率は、グリーン（未焼結）金属発泡体の気孔径に直接影響を及ぼし、最終的な多孔層の最大気孔径を限定するものである。単なる例示にすぎないが、５８ｐｐｉ（ｐｐｉ：立方インチ当りの気孔の数）の気孔率および１１００μｍの気孔径を有するポリウレタン発泡体に金属粉末を被覆することによって、約６００μｍの気孔径の最終的金属発泡体を得ることができる。同一の処理条件下において、４８ｐｐｉの気孔率および１４００μｍの気孔径を有するポリウレタン発泡体を用いることによって、約９００μｍの気孔径の最終的金属発泡体を得ることができる。
【００５６】
最終的な発泡体の気孔径を制御する他の方法として、グリーン（未焼結）金属発泡体を肥厚させるチタン粉末の散布の回数を変化させてもよい。チタン粉末の粒子径を変化させることによっても同様の効果を得ることができる。ただし、粉末の粒子径が大きすぎると、粒子を金属発泡体の気孔内に含浸させることが困難になる点に留意すべきである。
【００５７】
さらに他の例示として、６００μｍの気孔径を得るには、１１００μｍのポリウレタン発泡体に２層の粉末層を施す必要がある。粉末層の数を３層に増すことによって、最終的な気孔径を略４００μｍまで減少させることができるが、１層の粉末層のみでは最終的な気孔径は約８００μｍである。金属粉末層の厚みと層数は粉末粒子の特性、例えば、粒子径、粒子形状、および粒子径分布などによっても影響される。
【００５８】
また、気孔径に影響を及ぼす副次的な因子として、最初に施すＬＴＡＶＤ皮膜の厚みを変化させることによって、最終的な金属発泡体の気孔径を調整することもできる。単なる例示にすぎないが、１１００μｍの気孔径を有するポリウレタン発泡体にＬＴＡＶＤ法によって２５μｍの厚みのチタン皮膜を施すことによって、６００μｍの気孔径を有する金属発泡体を得ることができる。他のプロセスパラメータを変化させずに、ＬＴＡＶＤ皮膜の厚みを５０μｍまで増すと、最終的な金属発泡体の気孔径は略５５０μｍまで減少させることができる。
【００５９】
図４Ａおよび図４Ｂは、臼蓋カップ状移植片の多孔性層を作製するのに用いられるポリウレタン発泡体シェル１１０を示している。図４Ａに示すように、シェル１１０は、臼蓋カップ状移植片のシェルの形状に対応する形状を有している。ポリウレタン発泡体シェル１１０は、第１側面１１１と第２側面１１２を有している。シェル１１０の好ましい厚みは、１ｍｍから２ｍｍの範囲内の値である。シェル１１０には、ＬＴＡＶＤ法によってチタンが蒸着されている。ＬＴＡＶＤ法によってポリウレタン発泡体にチタンを蒸着するための好ましい条件として、真空度を１０^-4トルよりも低い値に設定し、電流を１３０アンペアに設定する。なお、ＬＴＡＶＤ法の詳細は米国特許第４，３５１，８５５号、４，９７５，２３０号、および５，０１１，６３８号に記載されている。これらの特許はその全文を引例として本明細書に組み込まれている。本発明のプロセスは基本的に従来のＬＴＡＶＤ法を用いている。ＬＴＡＶＤ法に関して、上記の特許にはここに述べた真空度や電流以外にも多くの情報が記載されている。
【００６０】
このＬＴＡＶＤ法によって、チタン被覆ポリウレタンシェル１１０Ａが得られる（図４Ｃ）。蒸着によって、チタン薄膜がポリウレタン発泡体内にも形成されることになる。図５はチタン被覆ポリウレタン発泡体の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真（倍率：２５×、１０００×）を示している。チタン薄膜はハニカム状ポリマーの内外面を覆っている。好ましくは、チタン薄膜の厚みは約１μｍから約５０μｍの範囲内にあるとよい。さらに詳細には、チタン薄膜の厚みは約１０μｍから約３５μｍの範囲内にあるとよい。最も好ましくは、チタン薄膜の厚みはシェル１１０の第１側面１１１において約１０μｍ、第２側面１１２において約３５μｍであるとよい。ＬＴＡＶＤ法において、チタン薄膜の各側面における厚みは、ポリウレタン発泡体シェルの第１側面１１１に蒸着を施した後、シェルを上下に反転して、第２側面１１２に第１側面１１１の蒸着時間よりも長い時間蒸着を施すことによって異ならせることができる。
【００６１】
臼蓋カップ状移植片の未仕上金属シェル２１０は、最終金属発泡体の基板として機能するものである（図６）。未仕上シェル２１０は中実チタンから作られている。未仕上チタンシェル２１０は、上面２１１と下面２１２を有している（図６）。ＬＴＡＶ法による蒸着によって得られたチタン被覆ポリウレタン発泡体シェル１１０Ａは、被覆ポリウレタン発泡シェル１１０の第２側面１１２を未仕上チタンシェル２１０の上面２１１に臨ませて、未仕上シェル２１０の周囲に取り付けられる（図７）。次いで、未仕上シェル２１０と取り付けたシェル１１０Ａの組立体２３０は加熱されて、ポリウレタンを分解している。
【００６２】
図８は加熱のための好ましい組立体の設置を示している。図８に示すように、組立体２３０はアルゴン入口３１２、ガス排気口３１４、および熱電対３１６を備える円筒容器（レトルト）３１０に配置されており、アルゴンでパージされた状態において、円筒容器３１０を炉３３０に入れている。炉３３０は加熱エレメント３３１を備えている。炉３３０内において、組立体２３０はチタンの酸化を防ぐためにアルゴン雰囲気下に保持されている。
【００６３】
炉３３０は、ポリウレタンの分解温度（１７７℃）よりも実質的に高い温度に維持されている。炉内温度は、好ましくは、約１０５０℃から約１１５０℃の範囲内、さらに好ましくは、約１０５５℃から約１０７５℃の範囲内にあるとよい。炉内温度が高いと、組立体２３０は急速に加熱され、シェル１１０Ａのポリウレタンが分解されることになる。
【００６４】
ポリウレタンの分解によって、シェル１１０Ａ内のチタン薄膜内に分解ガスが生じることになる。図７に示すように、シェル１１０Ａの第１側面１１１上のチタン薄膜が分解ガスによって破断し、ガスが離脱する亀裂を形成している。本発明者らは、分解ガスの離脱を制御するのに側面１１１のチタン薄膜の厚みが重要であることを見出した。また、本発明者らは、組立体２３０を急速に加熱することも重要であることを見出した。急速加熱によって、残留物を可能な限り少なくすることができると本発明者らは推察している。
【００６５】
円筒容器３１０内の温度がポリウレタンの分解温度よりも約４００℃高くなった時点で、ポリウレタンの加熱分解サイクルを完了する。ポリウレタンの加熱分解の完了に要する時間は略５分ないし１０分である。そして、円筒容器３１０は炉３３０から取り出され、組立体２３０はアルゴン雰囲気中において室温まで冷却される。
【００６６】
ポリウレタンの加熱分解によって、グリーン（未焼結）チタン発泡体１１０Ｂがシェル２１０の表面に形成される(図９)。図１０Ａはポリウレタン発泡体を除去した後のグリーン（未焼結）チタン発泡体のＳＥＭ写真を示している。グリーン（未焼結）チタン発泡体は、一般的に出発材としてポリウレタン発泡体の気孔と同じかまたはいくらか大きい気孔を有している。典型的には、グリーン（未焼結）チタン発泡体はポリウレタン発泡体の気孔径よりも１％ないし５％、さらに典型的には、約３％ほど大きい気孔径を有している。例えば、シェル１１０のポリウレタン発泡体の気孔径が１０００μｍの場合、グリーン（未焼結）チタン発泡体１１０Ｂの気孔径は１０００から１０５０μｍの範囲内にある。
【００６７】
グリーン（未焼結）チタン発泡体１１０Ｂは脆弱である。このグリーン（未焼結）チタン発泡体を所定の気孔径／気孔体積にまで肥厚させる前に強化する必要があり、そのためには、組立体を従来の実験用炉内において予備焼結する。好ましくは、予備焼結温度は約１２６０℃から約１３７０℃の範囲内の温度、さらに好ましくは、約１３１５℃である。予備焼結の後、グリーン（未焼結）発泡体に次の肥厚処理を施す。図１０Ｂは、予備焼結されたチタン発泡体のＳＥＭ写真を示している。
【００６８】
次のステップにおいて、チタン発泡体を肥厚および強化して、所定の気孔体積および気孔径を得る。移植片の多孔性層の気孔径は約３００μｍから約５００μｍの範囲内にあるのがより好ましい。一具体例として、ＬＴＡＶＤ法を用いて、ハニカム状チタンを肥厚してもよい。しかし、好ましくは、粉末冶金法を用いて、ハニカム状チタンを肥厚させるとよい。粉末冶金法は、金属粒子に粘着材を添加して中実体に圧粉し、および／または表面（金属表面）に金属粉末を塗布し、次いで、加熱することによって、金属粒子を互いに結合させ、および／または粉末を表面に結合させるプロセスである。
【００６９】
図１１は好ましい粉末冶金法の手順を示している。予備焼結発泡体には、粘結剤の溶液が噴霧される（ステップ１３１０）。粘結剤は、予備焼結発泡体の表面に散布するチタン粉末を一時的に結合させるために用いられる。好ましくは、霧状の（超微細）粘結剤を超音波噴霧ノズルシステムによって発泡体に噴射するとよい。粘結剤の層は予備焼結発泡体の全ての内外面を覆っている。最も好ましい実施例において、ノズルは高周波数（例えば、６５ＫＨｚ）の音波を用いて、粘結剤の溶液を約２０μｍから約８０μｍの範囲内、好ましくは、約３０μｍから４０μｍの範囲内の平均径を有する液滴に微粒化し、それらの液滴を約０．６ｆｐｓから１．２ｆｐｓの範囲内の速度で発泡体に噴射している。粘結剤の液滴の径が小さいので、粘結剤はチタン発泡体の内外の実質的にあらゆる面に到達することになる。また、超音波によって得られる超微細粘結剤を用いているので、気孔間を橋絡することなく、粘結剤を発泡体の内部に至らせることができる。
【００７０】
整形外科用に適したいかなる粘結剤、例えば、（魚から抽出した）膠などを用いることができる。特に好適な粘結剤として、略２５ｃｐｓの粘度を有するメチルセルロースの２％水溶液が挙げられる。メチルセルロースは、粘結剤が焼結中に分解した後、（魚から抽出した）膠よりもチタン発泡体に残留する炭素の量が少ない。
【００７１】
粘結剤を噴霧した後、チタン粉末は粘着剤によって被覆された発泡体に噴霧される（ステップ１３２０）。好ましくは、チタン粉末を発泡体のあらゆる面に至らせるとよい。具体的に、気孔間を橋絡することなく粒子を発泡体内に至らせるために、チタン粉末の径は金属発泡体の気孔径よりも小さくされている。好ましくは、チタン粉末の粒子径は、約２０μｍから約１００μｍの範囲内、さらに好ましくは、約４０μｍから約８０μｍの範囲内にあるとよい。粉末噴霧システムを用いて、粒子が予備焼結発泡体の下層内にまで到達するように粒子の運動量を大きくするとよい。発泡体と接触すると、チタン粉末は粘結剤によって発泡体の表面に結合される。チタン粉末を噴霧した後、余剰の粒子は空気噴射によって除去され（ステップ１３３０）、金属発泡体は焼結される（ステップ１３４０）。ハニカム状壁肥厚前の金属発泡体の気孔よりも小さい気孔を有する肥厚金属発泡体が作製される。一回のチタン粉末の塗布によって所定の気孔径が得られた場合、予備焼結は一回行うだけで十分であり、その予備焼結によって得られた肥厚発泡体が最終的な金属発泡体になる。もし所定の気孔径が得られない場合、所定の気孔径が得られるまで、予備焼結および粘結剤の噴霧／粒子の塗布が繰り返される。
【００７２】
最終的な焼結によって、多孔性層の強度、および多孔性層と下地の中実基板との結合を改善することができる。最終的な焼結によって、金属発泡体と下地の基板は一体化して、単一部品になる。好ましくは、最終的な焼結は高真空下において９℃／分の昇温率で行われるとよい。最終的な焼結の好ましい温度は、約１４２５℃から１５３０℃の範囲内、さらに好ましくは、略１５００℃である。
【００７３】
ハニカム状壁肥厚処理によって、発泡体１１０Ｂは肥厚発泡体１１０Ｃになる（図１２）。前述したように、本発明のプロセスは１つ、２つ、またそれ以上のハニカム状壁肥厚ステップを含んでいる。従って、肥厚発泡体１１０Ｃは最終的金属発泡体であるとは限らず、中間的発泡体である場合もある。図１３は最終的発泡体（移植片の多孔性層）のＳＥＭ写真（倍率：２５×）を示している。最終的な多孔性チタン発泡体は、好ましくは、約５０％から約９０％の範囲内、さらに好ましくは、６０％から８０％の範囲内の気孔体積、および好ましくは、約１００μｍから約１０００μｍの範囲内、さらに好ましくは、約３００μｍから約５００μｍの範囲内の気孔径を有しているとよい。また、必要に応じて、最終的な金属発泡体は生物学的適合性を有する皮膜によって被覆されていてもよい。
【００７４】
次に、本発明の他の実施例よる多孔性金属層を含む臼蓋カップ状移植片とその移植片の好ましい構造、また、多孔性金属層の付着性と安定性を改善したこのような臼蓋カップ状移植片を作製する方法について説明する。
【００７５】
この好適な実施例においては、金属発泡体１１０Ｃに対してすぐに最終焼結を行わず、金属発泡体の安定性を改善するための処理を施している。この場合、図６に示すように、未仕上チタンシェル２１０はリム２１５を有しているとよい。図１４Ａないし図１４Ｃは、リム２１５の構造の詳細を示している。リム２１５は横方向突起２１７と壁２１８を有している（図１４Ａおよび図１４Ｂ）。壁２１８は上面２１８ａを有している（図１４Ｃ）。横方向突起２１７、壁２１８およびシェル２１０の一部によって、凹部２１６が形成されている（図１４Ｃ）。未仕上シェル２１０を前述のような処理を行った後、多孔性発泡体１１０Ｃとシェル２１０とは一体化して、リム２１５を有する単一部品２３０Ａになる（図１５Ａおよび図１５Ｂ）。発泡体１１０Ｃを有する臼蓋カップ状移植片が移植されると、例えば、矢印Ａで示すような大きな力が発泡体に付加されることになる（図１５Ｂ）。このとき、発泡体１１０Ｃが下から支持されていないと、このような力によって発泡体が例えば、矢印Ｂで示すように離脱する可能性がある。そこで、本実施例においては、多孔性金属発泡体１１０Ｃの安定性を改善するために、部品２３０Ａはさらに処理されている。他の移植可能な医学的装置に対しても同様の方法を適用できることはいうまでもない。
【００７６】
図１５Ｃに示すように、発泡体１１０Ｃは区域１１０．１および区域１１０．２を有している。区域１１０．２は壁２１８の上面２１８ａから下方で、凹部２１６内に延出している。部品２１０Ａには粘結剤が噴霧され、次いで、リム２１５は略壁２１８の上面２１８ａの高さまでチタン粉末内に浸漬される。この浸漬によって、凹部２１６にチタン粉末が充填されることになる。チタン粉末の粒子径は、それらの粉末が発泡体１１０Ｃの気孔内に侵入できるように選択される。発泡体１１０Ｃの区域１１０．１の大部分は粉末によって浸漬されない。しかし、区域１１０．２は粉末の充填高さ（上面１１８ａ）よりも下方に位置している。従って、凹部２１６と区域１１０．２の気孔内の両方に粉末が充填されることになる。発泡体１１０Ｃの区域１１００．２の気孔内への粉末の充填を促進させるためには、振動を与えるとよい。
【００７７】
リム２１５に粉末が充填された後、部品２３０Ａを最終的に焼結し、充填リム２１５ａを有する部品２３０Ｂが作製される（図１６Ａおよび図１６Ｂ）。一変更例として、リム２１５の充填は、追加的ハニカム状壁肥厚ステップと組み合わせて行われてもよい。その場合、最終焼結中に、発泡体１１０Ｃはより厚い最終的チタン発泡体１１０Ｄになる（図１６Ａ）。他の変更例として、発泡体１１０Ｃは最終的チタン発泡体であってもよい。
【００７８】
図１６Ｂに示すように、部品２３０Ｂにおいて、元の開口２１６および区域１１０．２は実質的に中実の金属ブロック２１６ａとなり、最終発泡体１１０Ｃまたは１１０Ｄの区域１１０．１は多孔性を維持している。ブロック２１６ａは出発材料である未仕上シェル２１０の表面２１１、横方向突起２１７、および壁２１８と一体化している。ブロック２１６ａは、金属発泡体１１０Ｃまたは１１０Ｄを支持することによって、金属発泡体の安定性を改善している。
【００７９】
通常、必要に応じて、部品２３０Ｂ、特に充填リム２１５ａを機械加工することによって、所定の形状および／または寸法を有する臼蓋カップ状移植片のシェルが得られる。例えば、最終焼結の後、部品２３０Ｂを図１６Ａの矢印Ｃに示すように機械加工するとよい。この機械加工によって、リム２１５とブロック２１６ａの部分を除去し、図１７Ａおよび図１７Ｂに示す部品２３０Ｃを作製する。図１７Ｂに示すように、ブロック２１６ａは実質的に中実の層２１６ｂになる。この層２１６Ｂは横方向突起部２１７ａの上方に位置している。機械加工によって、形成された層２１６ｂは、金属発泡体１１０．１を支持することになる（図１７Ｂ）。横方向突起部２１７ａは、例えば、図１７Ａの矢印Ｄによって示すように、さらに機械加工によって除去してもよい。このように機械加工によって仕上げた部品２３０Ｄ（図１８Ａおよび図１８Ｂ）において、最終的金属発泡体は、実質的に中実層２１６ｂによって支持されるようになっている。
【００８０】
実施例１（臼蓋カップ状移植片の作製）
以下、臼蓋カップ状移植片について説明するが、この例は本発明の範囲を制限するものではない。
【００８１】
Ａ．グリーン（未焼結）発泡体の形成
ポリウレタン（ＰＵ）発泡体（フォーメックス（Ｆｏａｍｅｘ）、９５０μｍ、５８±２ｐｐｉ）のブロックを１．５ｍｍの厚みおよび臼蓋カップのシェルに対応する所定の寸法を有する形状に機械加工する。得られたＰＵ発泡体シェルは、臼蓋カップのシェルの寸法よりもわずかに大きい（−３％）。ＰＵ発泡体シェルにチタンを９３℃でＬＴＡＶＤ法によって蒸着する。ＰＵ発泡体シェルの臼蓋カップシェルに臨む側（内径側）には略５３時間チタンを蒸着し、ＰＵ発泡体シェルの他の側（外径側）には略１５時間チタンを蒸着する。内径側においてチタン皮膜の厚みが略３５μｍに達し、外径側においてチタン皮膜の厚みが略１０μｍに達したときに、蒸着を完了させる。蒸着が完了した後、チタン被覆ＰＵ発泡体シェルは、その内径側を未仕上臼蓋カップシェルに臨ませて、そのカップシェルに取り付けられる。未仕上カップシェルはチタンから作られている。アルゴン入口および熱電対を備える円筒容器に未仕上チタンシェルとチタン被覆ＰＵ発泡体シェルの組立体を配置する。次いで、円筒容器と組立体を４０ｆｔ³／ｈｒの流速のアルゴンが連続的に流れる雰囲気内において１０７１〜１１２１℃に保持されている炉内に配置する。５分ないし１０分後に、円筒容器内の温度はポリウレタンの加熱分解させるのに必要な５５０〜６００℃に達する。円筒容器を炉から取り出して、室温に冷却する。グリーン（未焼結）発泡体の酸化を防ぐために、冷却中、円筒容器内のアルゴン流の雰囲気を維持する。カップシェルの表面上に生成されたグリーン（未焼結）発泡体は、略９８０〜１０００μｍの気孔径を有している。
【００８２】
Ｂ．グリーン（未焼結）発泡体の予備焼結
グリーン（未焼結）チタン発泡体を予備焼結するために、カップシェルを真空オーブンに配置し、オーブンから空気を排気する。真空度が１０^-5トルに達した後、オーブンを略８．３℃／分の昇温率で４２７℃まで加熱する。オーブン温度を略１５分間にわたり４２７℃に維持した後、温度が１３１６±２２℃に達するまで同じ昇温率でオーブンを再び加熱する。オーブン内において、カップシェルを略２時間にわたり１３１６±２２℃に維持し、予備焼結を完了する。次いで、オーブンを室温にまで冷却し、予備焼結発泡体を有するカップシェルを炉から取り出す。
【００８３】
Ｃ．発泡体の肥厚
予備焼結チタン発泡体に粘結剤（メチルセルロースの２％水溶液、２５ｃｐｓ、液滴径：３０〜４０μｍ）の超微細ミスト(霧状液滴)を噴射する。粘結剤の噴霧は、ソノテック超音波噴霧ノズルを用いて行われている。噴霧された粘結剤は発泡体内の全体に分布される。次いで、粘結剤の被覆された発泡体にチタン粉末（Ｔｉ、グレード：ＣＰ２（Ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌｌｙ Ｐｏｒｅ，Ｇｒａｄｅ２）、粒子径：４０〜８０μｍ）を噴霧する。この場合、金属粉末噴霧器によって、チタン粉末をメチルセルロース溶液によって被覆された発泡体の内外に噴霧する。次いで、発泡体を空気乾燥し、その発泡体が取り付けられたカップシェルを前述の手順によって再び予備焼結する。二回目の予備焼結を行った後、粘結剤の溶液を再びカップシェルに噴霧し、チタン粉末を再び発泡体内に噴霧する。その後、カップシェルをチタン粉末（グレード：ＣＰ２、粒子径：４５μｍ以下）で充填した容器を備える振動テーブルに移し、振動テーブルを作動させる。シェルのリムが粉末で充填されるまでカップシェルを容器内に浸漬する。カップシェルを容器から取出し、振動テーブル上に５分間載置する。振動処理の後、リムが粉末で十分に充填されていない場合、カップシェルを再びチタン粉末内に浸漬し、振動処理をさらに２分間繰り返す。このようにして、リムが粉末で十分に充填された後、カップシェルを室温において１２時間空気乾燥する。この状態で、カップシェルは次の最終焼結の準備を完了する。
【００８４】
Ｄ．最終焼結
カップシェルを真空オーブン内に配置する。真空度が１０^-5トルに達した後、オーブンを８．３℃／分の昇温率で４２７℃まで加熱する。カップシェルを略１５分間にわたり４２７℃に保持する。次いで、温度が１３１６±２２℃に達するまで、同じ昇温率でオーブンを加熱し、カップシェルをこの温度で略２時間保持する。オーブン温度を１４９６±９℃まで１０分以内に上昇させ、カップシェルをこの温度で略９０分間保持し、焼結プロセスを完了する。カップシェルを真空下において室温まで冷却し、オーブン内に不活性ガスを充填させる。最終発泡体の気孔径は、略５００〜５２０μｍである。次いで、カップシェルを所定の規定に準じて機械加工する。
【００８５】
実施例２
発泡体を肥厚させる処理以外は、実施例１と同様の手順でカップシェルを処理する。本実施例においては、２回の粉末噴霧処理の代わりに、チタンを１５０−２００μｍの層が堆積するまで（例えば、ＬＴＡＶＤ， ＰＶＤまたはＣＶＤによって）蒸着させることによって発泡体を肥厚させている。
【００８６】
実施例３
気孔径を異ならせる以外は、実施例１と同様の手順でカップシェルを処理する。本実施例において、ポリウレタン発泡体の気孔径は９２４μｍ±８９μｍであり、ＬＴＡＶＤ処理後のグリーン（未焼結）発泡体の気孔径は９６７μｍ±８２μｍであり、最終発泡体の気孔径は６１４μｍ±６７μｍである。
【００８７】
実施例４
粉末噴霧処理と気孔径を異ならせる以外は、実施例１と同様の手順でカップシェルを処理する。本実施例において、粉末噴霧処理は一回のみ行い、ポリウレタン発泡体（クレスト（Ｃｒｅｓｔ）、Ｓ−５０（天然色））の気孔径は６００μｍ±５０μｍであり、ＬＴＡＶＤ処理後のグリーン（未焼結）発泡体の気孔径は６３０μｍ±４５μｍであり、最終発泡体の気孔径は４８０μｍ±４２μｍである。
【００８８】
実施例５
気孔径を測定する手順
１ないし２ｍｍの厚みを有する発泡体のサンプルの皮膜面を走査電子顕微鏡によって撮像する。視野の大きさは略５ｍｍ×５ｍｍである。測定は同一サンプルの異なる１０箇所の視野において行う。１つの視野内のすべての完全な気孔について、気孔を包囲するハニカム状壁面間の距離を測定する。完全な気孔とは、その気孔を包囲するハニカム状壁に欠損がない気孔および完全な原型を保っている気孔を意味している。通常、１つの視野内に２個ないし４個の完全な気孔が存在し、サンプルの全体として（１０箇所の視野において）、２０個ないし４０個の完全な気孔が存在する。測定した気孔の平均値および標準偏差を計算し、μ単位で表示する。
【００８９】
特に但し書きがない場合、「・・・を備える」、「・・・を含む」、「・・・から成る」、「・・・を有する」などの用語は、「・・・を非制限的に備える」という意味であり、それらの用語の目的語として記載されている物または項目に制限されると解釈されるべきではない。また、範囲（ｒａｎｇｅ）が本明細書および／または請求の範囲に記載されている場合、その範囲に関する規定はその範囲の始端点および終端点と共にその範囲内のあらゆるデータ点を包含し、その全体的な範囲のみならず、そこに含まれるデータ点もそれぞれ独立した開示内容および／または請求の対象とみなされるべきである。
【００９０】
本発明を具体的な実施例に基づいて説明したが、それらの実施例は本発明の原理と応用を単に例示するに過ぎない。従って、それらの例示的な実施例に基づいて多くの変更例をなすことが可能であり、また、添付の請求の範囲によって定義される本発明の精神と範囲から逸脱することなく、他の実施例を考案することも可能であると理解されるべきである。
【００９１】
【発明の効果】
本発明は以上のように構成されるので、高い多孔率、均一な気孔径、および高い強度のような種々の望ましい特性を有する多孔性金属足場およびその形成方法、また、そのような多孔性金属足場を有する移植可能な医学的装置、特に整形外科用移植片およびその作製方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】代表的な臀部関節移植片システムを示す斜視図である。
【図２】移植可能な医学的装置に適した本発明の多孔性金属足場の一実施例を説明するための図である。
【図３】本発明の一実施例による多孔性金属足場を作製する方法の一般的な機能ブロック図である。
【図４】図４Ａおよび図４Ｂは、本発明の一実施例による臼蓋カップシェルの形状に対応するポリウレタンシェルの例を示す図である。図４Ｃは、図４Ａおよび図４Ｂに示すポリウレタンシェルにチタンが被覆された状態を示す図である。
【図５】チタン被覆ポリウレタン発泡体の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真（倍率：２５×および１０００×）を示す図である。
【図６】本発明の好適な実施例による臼蓋カップ移植片の未仕上シェルを示す略正面断面図である。
【図７】本発明の好適な実施例による臼蓋カップ移植片の未仕上シェルとチタン被覆ポリマー発泡体の組立体を示す略正面断面図である。
【図８】本発明の好適な実施例によるポリウレタン発泡体を分解する炉内における組立体の設置を示す概略図である。
【図９】本発明の好適な実施例によるグリーン（未焼結）チタン発泡体を有する臼蓋カップ移植片の未仕上シェルを示す概略正面断面図である。
【図１０Ａ】グリーン（未焼結）チタン発泡体の走査電子顕微鏡写真（倍率：２５×および２００×）を示す図である。
【図１０Ｂ】予備焼結チタン発泡体の走査電子顕微鏡写真（倍率：２５×および１０００×）を示す図である。
【図１１】本発明の好適な実施例によるハニカム状壁肥厚プロセスの好適な一例を示す機能ブロック図である。
【図１２】本発明の好適な実施例による肥厚チタン発泡体を有する臼蓋カップ移植片の未仕上シェルを示す略正面断面図である。
【図１３】最終的チタン発泡体のＳＥＭ写真（倍率：２５×）を示す図である。
【図１４】図１４Ａおよび図１４Ｂは、本発明の好適な実施例によるリムを有する臼蓋カップ移植片の未仕上シェルを説明するための図である。図１４Ｃは、図１４Ａおよび図１４Ｂの好適な実施例による臼蓋カップ移植片のリムを示す図である。
【図１５】図１５Ａないし図１５Ｃは、肥厚チタン発泡体を有する臼蓋カップシェルと本発明の好適な実施例による図１４Ａないし図１４Ｃに示す未仕上シェルのリムの充填を説明するための図である。
【図１６】図１６Ａおよび図１６Ｂは、本発明の好適な実施例による図１４Ａないし図１４Ｃおよび図１５Ａないし図１５Ｃに示すシェルのリムの充填をさらに説明するための図である。
【図１７】図１７Ａおよび図１７Ｂは、本発明の好適な実施例による図１４Ａないし図１４Ｃおよび図１５Ａないし図１５Ｃに示すシェルのリムの充填をさらに説明するための図である。
【図１８】図１８Ａおよび図１８Ｂは、本発明の好適な実施例による図１４Ａないし図１４Ｃおよび図１５Ａないし図１５Ｃに示すシェルのリムの充填をさらに説明するための図である。
【符号の説明】
Ｐ 多孔性足場
Ｐ₁ 多孔性層
Ｓ 基板
１１０ ポリウレタン発泡体シェル
１１０Ａ チタン被覆ポリウレタンシェル
１１０Ｂ グリーン（未焼結）チタン発泡体
１１０Ｃ 肥厚チタン発泡体
１１０Ｄ 最終的チタン発泡体
２１０ 未仕上金属シェル
２１５ リム
２１６ 凹部
２１７ 横方向突起
２１８ 壁
１１０．１、１１０．２ 区域
２３０、２３０Ａ、２３０Ｂ、２３０Ｃ、２３０Ｄ 組立体
３１０ 円筒容器
３３０ 炉

Claims (14)

1. 移植可能な医学的装置に用いられる多孔性金属足場において、
   オープンセル構造を備えた生物学的適合性を有する多孔性網目構造を備え、各セルの開口は中空の芯部を囲む金属膜を有するハニカム状壁によって画成され、前記金属膜は生物学的適合性を有する金属粒子の多孔性膜を備え、前記金属粒子は前記金属膜および他の粒子と結合しており、前記金属粒子は組織の内成長のための１００〜１０００μｍの気孔の径を有する各セルを画成するハニカム状壁を覆い、前記金属粒子は４０〜８０μｍの直径を有していることを特徴とする多孔性金属足場。
2. 前記中空の芯部を囲む前記金属膜は、開口を有していることを特徴とする請求項１に記載の多孔性金属足場。
3. 前記金属膜と前記金属粒子を構成する金属は、チタン、チタン合金、コバルトークロム合金、ニオブ、およびタンタルからなる群から選択されていることを特徴とする請求項１に記載の多孔性金属足場。
4. 前記金属足場の最終的な気孔の体積は、５０％から９０％の範囲内にあることを特徴とする請求項１に記載の多孔性金属足場。
5. 前記多孔性網目構造は、０．５ｍｍから５ｍｍの厚みを有していることを特徴とする請求項１に記載の多孔性金属足場。
6. 前記ハニカム状壁は、前記多孔性金属足場の連続的な内部骨格を構成していることを特徴とする請求項１に記載の多孔性金属足場。
7. 前記金属粒子の多孔性膜は、隣接する粒子間に延出するネック部分を備えていることを特徴とする請求項１に記載の多孔性金属足場。
8. 移植可能な医学的装置に用いられる多孔性金属足場において、
   オープンセル構造を備えた生物学的適合性を有する多孔性網目構造を備え、各セルの開口は中空の芯部を囲む金属膜を有するハニカム状壁によって画成され、前記金属膜は生物学的適合性を有する金属粒子の少なくとも１つの多孔性膜を備え、前記金属粒子は前記金属膜および他の粒子と結合しており、前記金属粒子の多孔性膜によって被覆された前記金属膜によって画成された前記多孔性網目構造は、組織の内成長のために１００〜１０００μｍの範囲内にある気孔の径を有し、各セルは直径が４０〜８０μｍの部分を有する結合した粒子の多孔性膜の表面により形成された形状を有していることを特徴とする多孔性金属足場。
9. 前記中空の芯部を囲む金属膜は、開口を有していることを特徴とする請求項８に記載の多孔性金属足場。
10. 前記金属膜と前記金属粒子を構成する金属は、チタン、チタン合金、コバルトークロム合金、ニオブ、およびタンタルからなる群から選択されていることを特徴とする請求項８に記載の多孔性金属足場。
11. 前記金属ハニカム状壁は、５０〜８０μｍの直径を有する部分を備えた粒子によって被覆されていることを特徴とする請求項８に記載の多孔性金属足場。
12. 前記多孔性網目構造は、０．５ｍｍから５ｍｍの厚みを有していることを特徴とする請求項８に記載の多孔性金属足場。
13. 前記ハニカム状壁は、前記多孔性金属足場の連続的な内部骨格を構成していることを特徴とする請求項８に記載の多孔性金属足場。
14. 粒子によって被覆された前記ハニカム状壁の表面は、隣接する粒子間に延出するネック部分を備えていることを特徴とする請求項８に記載の多孔性金属足場。

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