JP4690386B2 - 金属インプラント - Google Patents

Description

発明の詳細な説明

本発明は、外科的処置に使用するための金属インプラントに関し、及び特に感染症を抑制又は制御するためのそのようなインプラントへの殺生物性材料の導入に関する。

種々の外科的処置は、インプラントの使用を必要とする。例えば、癌性の骨組織は補綴手術で除去され、金属プラントによって置き換えられ得る。そのようなインプラントは、例えば、非常に強く且つ比較的軽いチタン合金からなり得る。耐摩耗性の表面を保証するために、窒化チタンコーティングの供給が提案されている。さらに、そのような金属インプラントを移植するときには感染症を導く危険性があり、及び金属銀を金属インプラント上に電気めっきし得ることが提案されており、該銀は、患者に毒性効果をもたらすこと無く感染症を制御することのできる殺生物性材料である。しかし、そのようなコーティングは、窒化チタン又は銀であっても、体液からの腐食作用のために効果が損なわれ、該コーティングはインプラントから剥離し得、それによって磨耗を増加させ、且つ組織損傷を引き起こし得る。WO 03/089023号明細書は、10Vで陽極酸化することによってインプラントを前処理してリン酸塩層を形成し、及び続いてイオン交換によってこの層に殺生物性銀イオンを組み込む方法を記載している。ここで、有意に改善された層を製造する方法が見出された。

本発明では、外科的処置に使用するためのチタン金属インプラントを処理して、金属基板と一体化し且つ殺生物性材料を組み込んだ表面層を形成する方法が提供され、該方法は50Vよりも大きい電圧で少なくとも30分間インプラントを陽極酸化して表面層を生成し、及び続いてイオン交換を行って表面層に殺生物性金属のイオンを導入することを含む。

殺生物性材料は、好ましくは外科術後少なくとも6週間、好ましくは6ヶ月までの間有効であるべきであり、及びその放出速度は低くされて体細胞における毒性効果を回避すべきである。さらに、殺生物性材料の全量も好ましくは制限され、全ての毒性効果を最小化する。50Vよりも大きい電圧で陽極酸化を行うことは、2つの効果をもたらし：最初に濃密な硬い表面層を生成し、その厚みは主に電圧によって決定され、及び続いて表面に浅い穴を生成し、これらはいくらかより柔らかく且つさらに多孔性の材料で充填される。殺生物性金属イオンの吸収は、主に浅い穴内の材料で行われ、殺生物性材料の全量及びその放出速度は陽極酸化電圧及びその持続時間の大きさを制御することによって制御され、浅い穴の数及びサイズを制御することができる。陽極酸化は、500V又は750Vと同じ高さの電圧で行われ得るが、通常は50V〜150Vで行われる。持続時間は24時間までであってもよいが、好ましくは12時間以下、例えば2時間又は6時間であることが多い。

表面が、表面層の製造の前に高度に磨かれている場合も望ましい。これは、例えば電解研磨によって達成され得る。この有意にさらに高い範囲の電圧で陽極酸化を行うことの一つの利点は、表面の仕上がりに有害な影響を及ぼされないこと；表面が陽極酸化の前に磨かれて光沢がある場合に、続いてそれが高電圧陽極酸化工程の後に光沢のあるままであることである。これは、低電圧陽極酸化の効果と対照的であり、低電圧の場合には表面に乳白色又はくすんだ外観を生成する。

原理上は、種々の範囲の材料が、殺生物性材料として用いられ得る。金、白金及びパラジウムが、潜在的に好適となり得るが高価であり；銀が、塩化物イオンの存在及び塩化銀の低溶解性により、体液に特に溶解しないために好ましい。銅、スズ、アンチモン、鉛、ビスマス及び亜鉛などの他の元素が、表面層に組み込まれるイオンとして用いられ得る。放出速度は、この場合、主に層における金属イオンの吸収の強度によって制御され得る。

チタン金属インプラントという用語は、大部分がチタン、好ましくは少なくとも75質量%がチタンである金属のインプラントを指す。本発明は、純粋なチタン、又はチタン合金からなる補綴インプラントに適用可能である。この目的のための標準的な合金は、チタン90%と共に6%アルミニウム及び4%バナジウム（British standard 7252）である。

好ましくは、インプラントは最初に磨かれ、非常に滑らかな表面を提供する。チタン合金は、酢酸、又は硝酸及びフッ化水素酸の混合物を用いて電解研磨することができる。あるいは、インプラントを、電解ベルト研削法（electrolinishing）と呼ばれ得る陽極不動態化と機械的研磨との組み合わせに付してもよく、この方法は表面の粗さを保護する酸化物を除去し、その際に続いて表面を電気化学的に再び不動態化し、鏡のように滑らかな仕上がりを製造する。種々の電解質が、この目的のために好適であり、硫酸と混合されている硝酸、水酸化ナトリウム、リン酸ナトリウム、又は硝酸ナトリウムと混合されている水酸化ナトリウムが挙げられる。

金属の表面を磨いた後、表面転化が起こり得る。金属酸化物又はリン酸塩の層は、好適な電解質で陽極酸化することによって形成され、上記のように酸化物又はリン酸塩層を金属の表面に構築する。続いて、殺生物性金属イオン、例えばイオンAg⁺又はCu⁺⁺は、塩の水溶液から酸化物又はリン酸塩マトリックスへ吸収され得る。パラジウム、白金又はさらにルテニウムのカチオンは、同様の方法で吸収され得る。必要に応じて、沈殿した銀、白金又はパラジウムを、続いて酸化物又はリン酸塩表面コーティング内で金属に転化することができ、この還元は化学的又は電気化学的又は光によって行われる。

ここで、本発明は、例証のみとしてさらに且つより詳細に記載され、及び添付する図面を参照する。

最新のインプラントは、チタン合金（Ti/Al/V）からなる。インプラントは、まず液相としてのアセトン、及び続いて1Mの水酸化ナトリウム水溶液を用いて超音波的に洗浄され、及び続いて脱イオン水ですすがれる。表面は、最初は薄灰色で光沢がある。続いて、洗浄したインプラントを、攪拌した12%（質量）のリン酸水溶液に浸し、及び100Vの最大電圧及び10mA/cm²の最大電流で2時間陽極酸化して、酸化チタン及びリン酸チタンの表面コーティングを形成する。数分内に、濃密な誘電性の層が表面上に形成され、及び続いて電流を陽極酸化時間の残りの間、安定した低い値で導入する。表面は、光学干渉効果によって異なる着色をされた外観を有し得る硬い表面層を形成する；陽極酸化の最初の段階中に、表面の色は、紫/青から青、緑、黄、橙色、及び続いて最後に赤色に変化する。100Vにおける陽極酸化は、約0.14μm（140nm）の厚みのフィルムを製造する。続いて、陽極酸化されたインプラントを再び脱イオン水ですすぐ。

続いて、インプラントを、攪拌した0.1Mの窒化銀水溶液に浸し、及び2時間放置する。イオン交換の結果として、リン酸チタンコーティングにいくらかのリン酸銀が結果的に存在する。続いて、インプラントを移植する準備をする。体液に曝されている間、リン酸塩層から銀イオンがゆっくりと浸出し、インプラントの直近における全てのバクテリアが殺される。従って、インプラントから生じる感染症は抑制される。

図１を参照すると、チタンインプラント３０の陽極酸化が10Vで2時間行われる場合、電流は、陽極酸化中の最初の数分に渡って低い値で始めるが、続いて電流を再び上げて20μmのマクロ孔及び1μmのミクロ孔を有する多孔性表面層を形成する。これは、含水の酸化チタン及びリン酸チタンからなる約2μmの厚みの多孔性高表面積層３２を製造する。これは、銀イオンの吸収に高度に有効であり、及び約70-100μg/cm²の最初の銀容量を提供し得る；これは毒性水準よりもかなり下であるが、殺生物性効果を提供するには十分に適切である。

図２を参照すると、陽極酸化が100Vなどの高い電圧で2時間行われる場合は、上記のように電流は最初低い値で始め、及び続いて定常のままにする。表面は、典型的に約0.14μmの厚みの硬い陽極酸化された酸化物層３４を形成するが、そこには局在するチタン溶解からの加水分解の結果として、酸化チタンで充填されている典型的に直径約5μm及び深さ約0.4μmの穴３６がある。そのような穴３６は、平面図ではおよそ円形であり、及び表面積の15〜20%を占める。表面分析技術により、イオン交換処理後、吸収された銀が表面において酸化/リン酸チタン相と結合されることが確認された；これは低電圧及び高電圧両方の陽極酸化方法で確かである。高電圧で陽極酸化された表面は、硬い層３４の外部表面に少ない程度の銀を吸収し、及び穴３６におけるさらに多孔性の材料内により多くの程度の銀を吸収する；全体的には銀の最初の容量はいくらか少なくなり、典型的には約9μg/cm²である。これは依然として必要とされる殺生物性効果を提供するのに十分である。

従って、100Vで2時間陽極酸化する効果は、その厚みが電圧に依存する（関係は1ボルト当たり約1.4nm）硬く且つ緻密な酸化物層を製造し、このフィルムはフィルムの厚みによって決定される着色された外観を有し、及び表面の微細構造（例えば、磨き仕上げ）を保持する。さらに、表面は穴をあけられ、約0.3μmの深さの該穴は、含水の二酸化チタンで充填され、表面の5分の1よりわずかに少ない部分を覆っている。これは、約9μg/cm²を銀で装填され得る。

表面よりも下の種々の深さにおける表面組成の測定は、上記のように処理されたチタン合金検体における二次中性粒子質量分析を用いて測定した。結果を図３に示し、ここで参照する。表面領域では、約0.14μm（破線で示す）まで下がると、組成は約73%の酸素及び約18%のチタンであり、約6%のリンを有するのが観察される；これは硬い表面層３４に対応する。続いて、約0.4μmまで下がると、チタン濃度が増加し、及び酸素濃度が減少する地帯がある；これは酸化チタンを含有する穴３６がある深さに対応する。さらに深いところでは、組成は明らかにチタン/アルミニウム合金である。

表面上を流れる塩水（約0.7mL cm^-2 時間^-1）への陽極酸化されたインプラントの表面からの銀の損失も測定した。最初の24時間に渡る銀放出の初速度は、約0.1μg cm^-2 時間^-1であり、続いて放出速度は次の24時間で徐々にその約半分の値まで減少し、再び減少する前に、その後の48時間は安定したままである。しかし、この期間の間、浸出する塩水における銀の濃度は、殺生物性であるのに十分であった。

銀の容量は、3つの方法で調節することができる。それは穴の数を変えることによって変えられ得、及びこれは電圧を変えるか、又はリン酸塩電解質に不純物として存在するピッティング剤（例えば塩素又はフッ素イオン）の濃度を変えるかのいずれかによることができる。例えば、そのような1価のイオンの濃度は、選択的アニオン交換処理によって減らすことができる；又はそれらの濃度は、適切な酸を加えることによって増やすことができる。例えば、塩素イオンの濃度は、NaCl又は塩化水素酸をリン酸電解質に加えることによって増加し得、好ましくは塩素イオン濃度は500ppm以下、さらに好ましくは50ppm以下である。それとは別に、穴はより大きな深さ及び直径に成長し得る；これは、より長い期間の陽極酸化を行うことによって達成され得る。
電流密度を変えるのも適切となり得る。

より高い電圧で陽極酸化することにより、硬い酸化物層の厚みを増加させることができ、例えば500Vで約0.7μmとなる。電流の減少によって示されるように一度この層が形成されれば、電圧は変えられ得る。この第二段階中に穴は形成され、且つ徐々にサイズが成長し、及びこれはより低い電圧で行われ得る。

本発明はまた、高電圧陽極酸化方法が細孔内で有効であるため、少なくとも部分的に多孔性チタンからなるインプラントにも適用可能であると理解される。これは、さらに大きな表面積のために、インプラントの単位体積当たりにおける銀の有意により高い装填を導き得る。

インプラントへの電気的接続は、陽極酸化を行うことができるために、例えはインプラント上にスポット溶接されているチタンワイヤーを介して行われる。それとは別に、目に見えない穴をインプラントに穿孔してもよく、及び電気的接続はこの穴におけるねじ込み式接続器によってなされ、密閉剤（例えばシリコーン）は接触領域に近づく電解質を妨げる。接続器の露出した部分は、例えばPTFE絶縁性テープによって陽極酸化から保護することができる。陽極酸化工程の後、接続器は除去され、及び穴は例えば陽極酸化されたチタン又はポリマー製の生体適合性プラグによって充填され得る。

低電圧陽極酸化処理に付されたインプラントの表面の一部の概略した断面図。 本発明の高電圧陽極酸化処理に付されたインプラントの対応する断面図。 二次中性粒子質量分析によって決定された、図２で処理された検体の表面組成プロフィール。

Claims (17)

1. 外科的処置に使用するためのチタン金属インプラントであって、
   該インプラントは、該金属の基板と一体化し且つ殺生物性金属材料を組み込んだ表面層を有し、
   該インプラントは電圧下で陽極酸化されることによって、穴を有する硬い層からなる表面層を生成しており、
   該穴は該硬い層よりも柔らかくより多孔性の材料を含んでおり、
   該硬い層及び該穴はイオン交換によって該殺生物性金属材料のイオンを含んでおり、
   該穴中の該多孔性の材料は該硬い層よりも殺生物性金属材料を多く吸収している、チタン金属インプラント。
2. 前記基板中に前記チタンが少なくとも75質量%で存在する、請求項１記載のチタン金属インプラント。
3. 前記チタンが純粋なチタン又はチタン合金で存在する、請求項２記載のチタン金属インプラント。
4. 酸化物又はリン酸塩のマトリックスが前記金属の基板の表面層に存在し、且つ、殺生物性金属イオンが前記酸化物又はリン酸塩のマトリックスに吸収されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載のチタン金属インプラント。
5. 前記殺生物性金属材料イオンが、銀、金、白金、ルテニウム又はパラジウムの1種から選択される、請求項４記載のチタン金属インプラント。
6. 銅、スズ、アンチモン、鉛、ビスマス及び亜鉛から選択される他の元素が前記表面層に存在する、請求項３に記載のチタン金属インプラント。
7. 前記硬い層が0.14μmの厚みである、請求項１〜６のいずれか１項に記載のチタン金属インプラント。
8. 前記硬い層が、5μmの直径及び0.4μmの深さを有する穴を含む、請求項７記載のチタン金属インプラント。
9. 前記穴が、前記表面層の表面積の15〜20%を占める、請求項１〜８のいずれか1項に記載のチタン金属インプラント。
10. 前記穴が、前記表面層を通って前記インプラントの金属内に伸びている、請求項１〜９のいずれか１項に記載のチタン金属インプラント。
11. 外科的処置に使用するためのチタン金属インプラントを処理する方法であって、
    前記方法が、チタン金属インプラントを陽極酸化して表面層を形成し、その後イオン交換を行って殺生物性金属のイオンを該表面層に組み込むことにより、該金属の基板と一体化し且つ殺生物性材料の組み込まれた表面層を形成するために行うものであり、
    前記方法が、該インプラントを50Vよりも大きい電圧で30分間以上陽極酸化を行って該表面層を生成する工程を有し、且つ、前記陽極酸化の持続時間及び陽極酸化電圧の大きさが、該陽極酸化によって、硬い表面層と、該表面層に表面層よりもいくらか柔らかく且つ多孔性の材料で充填された穴とを生成することが出来る持続時間及び電圧の大きさであることを特徴とする、処理方法。
12. 前記殺生物性金属が銀である、請求項１１記載の方法。
13. 前記陽極酸化工程が、リン酸を含む電解質を用いる、請求項１１又は１２記載の方法。
14. 前記リン酸が、5質量%〜20質量%の濃度である、請求項１３記載の方法。
15. 前記電解質が、500ppm以下の濃度の塩素イオンを含む、請求項１１〜１４のいずれか１項に記載の方法。
16. 前記穴が、前記表面層の表面積の１５〜２０％を占める、請求項１１〜１５のいずれか１項に記載の方法。
17. 前記穴が、前記表面層を通って前記インプラントの金属内に伸びている、請求項１１〜１６のいずれか１項に記載の方法。

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