JP4695265B2 - 骨または組織構造用のインプラント上に配置される層、およびかかるインプラント - Google Patents

Description

【０００１】
技術分野
本発明は、骨または組織構造用のインプラント上に配置することができ、かつ保持を増強する目的のためにインプラントの本体と構造との間の境界または障壁を構成するように意図され、かつこの文脈で実質的な厚さを有する層に関する。本発明はまた、かかる層を持つインプラント、およびインプラント上に前記層を生成するための方法にも関する。
【０００２】
先行技術
インプラントに関連して、様々な意図および目的のためにチタンをベースとする材料の上に多孔性表面および酸化物層を配置することは、すでによく知られている。目的によって、数オングストロームより上に広がる非常に幅広い範囲の酸化物の厚さを使用することが提案されてきた。純粋に一般的に様々な刊行物、例えば、「Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｒｅｓａｒｃｈ，第２７巻、８９５〜９００（１９９３年）」にＤｕｎｎらによって発表された論文「硫酸ゲンタマイシン・アタッチメントおよび陽極酸化ＴＩ−６Ａｌ−４Ｖ整形外科材料からの放出」、および「Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｒｅｓｅｒｃｈ、第２９巻、６５〜７２（１９９５年）」におけるイシザワ・ヒトシおよび荻野マコトによる論文「ＣａおよびＰを含む陽極酸化チタン膜の形成および特性」を参照することができる。純粋に一般的に米国特許第４，３３０，８９１号および第５，３５４，３９０号明細書、ならびに欧州特許出願９５１０２３８１．１（６７６１７９）を参照することもできる。
【０００３】
骨および組織構造、例えば顎骨におけるインプラントの一体化の過程を改善できるインプラントの生産を目的とする研究開発には、かなりの資源が費やされている。
【０００４】
発明の概要
本発明は、この文脈で使用される酸化物層構造が、インプラントの埋入および一体化の過程を改善するために決定的な影響を持ち得るという認識に基づいている。先行技術では、酸化物層構造の実際の築盛の集合的な理解が無く、少なくとも状況によっては、非常に厚い酸化物層を使用できることが必要であった。本発明の目的は第一にこの問題を解決することである。
【０００５】
骨および組織構造におけるインプラントの適用に関連して、適正な耐食性を確立し、かつ例えばフッ化水素（ＨＦ）の使用に関連して脆性の発生を回避することが重要である。また、酸化物層は、骨または等価物に装着されたインプラントの機械的応力集中、例えばエッチ表面に関連して発生し得る残留内部応力を除去するか、または大部分を打ち消すことができることも重要である。さらなる要求および要件は、骨または組織におけるインプラントの一体化の過程が改善されることである。本発明はこの問題も解決する。
【０００６】
インプラントに関連して、幾つかの場合（つまり１つの実施形態では）、骨成長開始および骨成長刺激剤および物質、例えばＴＧＦ−β上科に属するものを使用することができる。技術的に簡単かつ経済的に有利な方法で、薬剤または物質をインプラントに施用できることが重要である。本発明は、新規の酸化物層構造、長期および最適骨成長状況で使用できる適切な補給所、および骨または等価物におけるインプラントの一体化機能を通して、この問題およびプロセスも解決する。
【０００７】
厚い酸化物層（例えば５〜２０μｍの厚さ）を生成するときは、技術的に信頼でき、かつ経済的に有利な方法を提供できることが重要である。本発明はまた、当該種類の酸化物層の生成の条件を満足する方法をも提案する。この方法は、使用する電解液成分および／または電圧が決定的な重要性を持つことができるという認識に基づく。
【０００８】
解決法
主として本発明による層を特徴付けるものとみなすことのできる特徴は、層が実質的な多孔性を層に与えるチャンネル網を持つように設計されること、およびチャンネル網が構造の方を向いた口を持つように設計され、構造の方を向いた層の表面における口のそれぞれの断面領域が、前記表面から見て層内に下の方まで伸びるチャンネルのそれぞれの長さより実質的に小さいことである。
【０００９】
好適な実施形態では、チャンネル網は、前記表面から見て層の少なくとも大部分を通って、インプラントの本体への遷移部内にまで伸びる隣接チャンネル分枝を備える。層は、最初からインプラント上に存在し、層の体積を増加する目的のために高い粗面度値（例えば０．４〜５μｍ）を有する、波状または不均一な表面上に確立することができる。チャンネル網はまた、層の深さ方向とは異なる方向（またはインプラントの半径方向）に伸びるチャンネル分枝を持つこともできる。層は、従前に提案された酸化物層構造に対してかなりの耐食性を与える厚さを持つ。１つの実施形態では、チャンネル網は骨または組織構造の方を向いた口構成を配置することもでき、チャンネル網から前記口を介しての骨成長物質の放出増加が可能になる。層には、添付の特許請求の範囲による平均厚さを与えることができる。チャンネル網の口の表面面積の大きさ、層内のチャンネルまたは細孔の総容積、表面の粗面度、および空隙率に関する好適な値は、同様に添付の特許請求の範囲で示す。
【００１０】
本発明によるインプラントは主として、インプラントに存在する各層が、実質的な多孔性を層に与えるチャンネル網を持つように設計されること、およびチャンネル網が構造の方を向いた口を持つように設計され、構造の方を向いた層の表面における口のそれぞれの断面領域が、前記表面から見て層内に下の方まで伸びるチャンネルのそれぞれの長さより実質的に小さいことによって特徴付けられるとみなすことができる。
【００１１】
１つの実施形態では、インプラントは、骨、例えば象牙質に適用するためのスクリュー・インプラントから構成することができる。さらなる実施形態では、酸化物層は、施用される骨成長開始または骨成長刺激剤または物質の補給所を形成することができる。薬剤または物質は、濃度拡散によって補給所から骨または組織構造へ移動することができ、それは、骨または遷移構造の方を向いたチャンネル網の口構成によって最適化することができる。好適な実施形態では、層は酸化チタン層から成り、もしくはそれを含む。
【００１２】
本発明による方法は、当該インプラント材の陽極酸化から出発する。この方法は主として、この方法で使用される電解液の組成に希無機酸、希有機酸、および／または少量のフッ化水素酸または過酸化水素を加えること、およびエネルギ源を少なくとも１５０ボルトの電圧値で作動するように選択することによって特徴付けられる。したがって、例えば２００〜４００ボルトの範囲の電圧値を使用することができる。
【００１３】
好適な実施形態では、インプラントの同一表面面積内で異なるチャンネルまたは細孔のサイズを形成するために、同一インプラントに対して電圧は時々変化する。さらなる実施形態では、使用する電解液の組成および／または電圧の選択と共に、電解液中のインプラントの位置を変えることによって、異なる空隙率または細孔またはチャンネルの特性を得ることができる。酸化物の厚さもまた、前記パラメータによって変化させることができる。
【００１４】
利点
上で提案したものによって、改善されたインプラント埋入プロセスが得られ、提案した酸化物層の厚さの提案範囲の上限を使用することにより、本発明はこの技術分野で従来受け入れられてきた観念に逆らい、こうしてこの分野に新しい道を開く。骨成長開始および骨成長刺激物質の使用に関連する濃度拡散は、提案するチャンネル組織の構造によってかなり促進することができる。明記した特性を持つ仕上げ酸化物層を持つインプラントは市販することができ、新規の方法は、経済的に有利な層の生成およびインプラント生産の条件を満たす。
【００１５】
図面の簡単な説明
本発明による層、インプラント、および方法の現在提案する実施形態について、以下で添付の図面を参照しながら説明する。
図１はインプラント本体上に生成された酸化チタン層の例証的実施形態であって、インプラント本体の比較的平坦な表面から始まる酸化物層の縦断面図である。
図２は波状表面または高い粗面度を持つ表面上の酸化物層の位置の例を示す縦断面図である。
図３は酸化物層内に配置されたチャンネル網の口構成の一例を示す外側からの平面図である。
図４はインプラント本体上に生成された酸化物層のチャンネル網を示し、酸化物層が結合されたインプラントが部分的に示されている人体の骨および／または組織構造に適用され、酸化物層内に構造の方を向いた口構成を持つチャンネル網があることを示す線図表現の縦断面図である。
図５はインプラントの陽極酸化のための機器の側面図である。
図６は酸化プロセスに関連して使用される電圧および電流関数を示すグラフである。
図７は様々な酸化チタン層を形成するためのパラメータを示す表である。
【００１６】
実施形態の詳細説明
図１で、参照番号１は、インプラント本体の部品を示す。以下で説明する通り、インプラント本体は酸化機能で処理されており、結果として酸化物層２がその外面上に形成されている。酸化層は、図１に３で示すように最初から比較的平滑な表面構造上に形成することができる。酸化物層２はかなりの厚さＴを持つ。層は、０．５から１０μｍの間の値を取ることができ、この範囲の上限近くの値が好ましい。本発明によると、発明は主として２〜１０μｍの範囲で機能するが、特定の例外的な場合には０．５μｍもの低い値を使用することができる。酸化物層の外面２ａは、０．４〜５μｍの範囲内の粗面度を持たなければならない。以下で説明することに従って、酸化物層２は高い多孔度を持ち、特定の種類のチャンネル網を封入する。
【００１７】
図２は図１のものとは異なる例を示し、そこでは酸化物層２′は、インプラントの生産後に本質的に周知の方法（例えばエッチング）で得られた、インプラント１′上に配置され比較的高い粗面度を有する表面構造３′上に形成されている。図２による実施形態は、図１による場合より比較的高い酸化物層の体積の条件を満たす。
【００１８】
図３は、上述したチャンネル網に通じる口３、４を酸化物層２′′の外側から示す。
【００１９】
図１、図２、および図３には、右下の隅に尺度つまり寸法１０μｍの長さが各図に示されている。
【００２０】
図４に、インプラントが１′′で示され、インプラント上に生成された酸化物層が２′′′で示される。図４では、骨または組織構造が５で象徴的に示される。構造は、例えばインプラントを骨または等価物内にねじ込むことができる顎骨から構成することができる。したがってインプラントはチタン材から構成するか、もしくはそれを含むことができ、それは層２′′′が酸化チタン層から構成されることを意味する。インプラントのねじまたはねじ山は図４には示されていないが、すでに開示されている先行技術および既知のインプラントを参照することができる。対応する顎骨５内のねじも示されていないが、ここで再び先行技術を参照することができる。かなりの厚さＴ′、例えば５〜２５μｍの範囲の厚さを持つように設計された酸化物層２′′′には、矢印６によって象徴的に示されるチャンネル網が設けられる。上記に従って、チャンネル網は口または開口３′、４′を持つ。チャンネル網は、酸化物層の外側７から見て下の方にかつ／または酸化物層内に分枝する。チャンネル網は様々なチャンネル部分、例えば８、９、１０を含む。チャンネル経路は様々なチャンネル部分から成り、層２′′′の外側２ａ′から下の方へ、またはインプラントと酸化物層との間の遷移部の方向に走るチャンネル網を通して確立される。そのような連通チャンネル形成は、図中のチャンネル部分またはチャンネル分枝１２、１３、１４、１５により確立される。本発明によるチャンネルまたは細孔形成の特徴は、各口の表面積または直径Ｄが、それぞれのチャンネル境界または細孔の深さ、例えば細孔の深さＨより実質的に小さいことである。上記に従って、細孔の深さまたはチャンネルの深さはかなり大きくすることができ、例えば前記厚さＴ′と一致させることができる。チャンネルは酸化物層２′′′の深さの方向および／またはこの方向とは異なる方向、もしくはインプラントの半径方向Ｒに伸長することができる。チャンネル分枝またはチャンネル部分は直線および／または曲線とすることができ、曲線チャンネル分枝は図４に１６で示されている。
【００２１】
そのようなチャンネル・システムが、骨の成長を刺激および／または開始する物質の補給所を構成できることは、理解されるであろう。これは図４に１７で表わされている。こうしてチャンネル内に導入される物質は、濃度拡散によって、図４に矢印１８で表わすように、骨または組織構造内に移動する。相応じて、骨または組織体は、前記拡散に関連してシステム内に入り込むことができる。口には様々な大きさを与えることができ、口構成の固有浸透機能（specific penetration function）により骨成長の条件を形成することができ、構造内のインプラントの一体化度（degree of incorporation）に貢献することは理解されるであろう。１×１０⁷〜１×１０^１０個／ｃｍ²の細孔（チャンネル口）を持つ高い多孔度の酸化物層を形成することができる。直径サイズは０．１〜１０μｍの範囲で選択することができ、酸化物層の１つの同じ表面積に、異なる直径または表面積の細孔またはチャンネル口を持つことができる。図４によるチャンネル網の総容積は、５×１０^-2から１０^-5ｃｍ³の範囲内で選択することができる。
【００２２】
上記による酸化チタン層は、電気化学的プロセスであるいわゆる陽極酸化によって生成することが好ましい。当該層を生成するための原理および手順について、図５および図６を参照しながら説明する。図５に、容器が２０で示される。チタン陽極は２１で示され、多孔性メッシュ陰極は２２で示される。チタン陽極のテフロン絶縁体が２３で示され、陽極はテフロン・カバー２４を貫通して伸長する。磁気撹拌器２５も含まれる。陽極および陰極のための取付部品もそれぞれ２１′および２２′で示される。作成すべきインプラントまたはインプラント部品は、旋削、フライス削り、研磨等によって機械的に加工することが好ましい。当該インプラントまたは部品は、電気化学的プロセスで処理されるチタン表面を含む。当該インプラントまたは部品は、電解液２６から成る容器中の浴に浸漬されるホルダ上に装着される。インプラントの処理されない部分は、液密保護スリーブによってマスクするか、または代替的に、処理しない部分にラッカーを施す。インプラントまたはその前記部品は、ホルダを介して、電解液の表面より上の取付部品２１′と電気的に接触する。電解液中で、前記陰極２２は対向電極として機能する。この対向電極は適切な材料、例えばＰｔ、金、またはグラファイトで作成される。対抗電極は、装置全体が連帯的に電解液浴２６中に固定されるように、ホルダ上に装着することが好ましい。陽極酸化は、インプラント／インプラント部品／複数のインプラント部品と対抗電極との間に電圧を印加し、それにより当該インプラントまたはその部品または複数の部品に正電位を与えることによって得られる。インプラント、インプラント部品／複数のインプラント部品、対抗電極、および電解液は電気化学的電池を構成し、そこでインプラントまたはそのそれぞれの部品は陽極を形成する。インプラント／インプラント部品と対向電極との間の電位差は、インプラントまたはインプラント部品（対向電極）に負（正）電荷の電解イオンの流れを生じさせる。電解液を適切に選択した場合、電池内の電解反応の結果、インプラント上、またはインプラント部品の表面上に酸化物層が形成される。電極反応の結果ガスも形成されるので、電解液は適切な方法で撹拌すべきであり、それは磁気撹拌器２５で行われ、ガスの気泡が電極表面上に残るのを防止する。
【００２３】
酸化チタン層の形成およびその最終特性は、プロセスの多数のパラメータ、例えば電解液の組成および温度、印加する電圧および電流、電極の形状、ならびに処理時間によって影響される。所望の層を形成する方法について、以下でさらに詳しく説明する。プロセス・パラメータが酸化物層の様々な特性にどのように影響するか、ならびに酸化物の厚さおよび多孔性をどのように変化させることができるかについても、例を挙げる。
【００２４】
所望の層の特性を達成するために、例えば旋削または研磨することができる機械的に加工した表面から出発することができる。鋳造またはプレス加工されたインプラントまたはインプラント部品も使用することができる。前の生産段階からの不純物を除去するために、表面は適切な方法、例えば有機溶剤中で超音波洗浄によって洗浄される。洗浄されたインプラントまたは洗浄されたインプラント部品は前記容器に固定され、容器は対向電極と一緒にホルダ上に固定される。次いで装置は電解液中に浸漬することができる。その後、２つの電極は電圧源（図示せず）に結合され、電圧が印加され、プロセスが開始される。プロセスは、所望の時間後に、電圧の印加を中断することによって停止される。
【００２５】
電圧は、様々な方法で印加することができる。図６も比較されたい。定電流プロセスでは、電流は一定に維持され、電圧は電池の抵抗によって変化させることができるのに対して、定電位プロセスでは、代わりに電圧が一定に維持され、電流を変化させることができる。所望の層は、定電流および定電位制御の組合せを用いることによって形成することが好ましい。定電流制御は第１段階で使用され、電圧は予め設定された値まで増加される。この電圧に達すると、プロセスは定電位制御に切り替わる。形成された酸化物層の抵抗のために、電流はこの状態で低下する。
【００２６】
図６は、時間に対する電流２７および電圧２８の展開を示す。曲線の厳密な様相は、様々なプロセス・パラメータによって異なり、また酸化物層の形成およびその特性をも反映する。
【００２７】
電解液によって異なるが、特定の電圧までは、比較的薄い酸化物層（＜０．２μｍ）が得られる。酸化物層の厚さは印加電圧にほぼ線形的に依存し、最大電圧に達した後の処理時間には依存しない。これらの層は基本的に閉じており、例外的な状況でのみ部分的に開口した多孔性を有する。大抵の電解液では、臨界電圧は約１００ボルトである。
【００２８】
所望の多孔性酸化物層を達成するために、１５０ボルトを超えるかなり高い電圧、電解液によって異なるが一般的に２００〜４００ボルトを印加する必要がある。これらの電圧では、酸化物の厚さはもはや電圧に線形的に依存せず、代わりに、かなり厚い層を生成することができる。特定の電解液では、これらの電圧における酸化物の厚さは、最大電圧に達した後の処理時間にも依存する。この方法を用いて多孔層を達成するための適切な電解液として、希無機酸（例えば硫酸、リン酸、クロム酸）および／または希有機酸（例えば酢酸、クエン酸）、またはこれらの混合物がある。
【００２９】
硫酸で処理したインプラントは、高密度の開細孔のある表面を持つ。表面の約２０％は、サイズ（直径）が好ましくは０．１〜０．５μｍの範囲の細孔またはチャンネル／チャンネル分枝から成る。層の厚さは２μｍとすることができる。リン酸で処理したインプラントは、同様の細孔の密度を持つ。細孔サイズ分布はかなり異なることができる。図示した事例では、細孔サイズは０．３〜０．５μｍの範囲内で選択することが好ましいが、表面には大きい細孔（最高で１．５μｍまで）もかなりの数存在することができる。この実施形態の酸化物の厚さは５μｍである。
【００３０】
図７による表は、この方法で様々なプロセス・パラメータにより作成された酸化物層の構造を示す。示したパラメータは電解液の組成、電圧（ボルト）、電流（ｍＡ）、時間、細孔径、細孔密度、空隙率、および酸化物の厚さである。
【００３１】
本発明は、例として上述した実施形態に限定されず、特許請求の範囲内および発明の概念内で変形することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 インプラント本体上に生成された酸化チタン層の例証的実施形態であって、インプラント本体の比較的平坦な表面から始まる酸化物層の縦断面図である。
【図２】 波状表面または高い粗面度を持つ表面上の酸化物層の位置の例を示す縦断面図である。
【図３】 酸化物層内に配置されたチャンネル網の口構成の一例を示す外側からの平面図である。
【図４】 インプラント本体上に生成された酸化物層のチャンネル網を示し、酸化物層が結合されたインプラントが部分的に示されている人体の骨および／または組織構造に適用され、酸化物層内に構造の方を向いた口構成を持つチャンネル網があることを示す線図表現の縦断面図である。
【図５】 インプラントの陽極酸化のための機器の側面図である。
【図６】 酸化プロセスに関連して使用される電圧および電流関数を示すグラフである。
【図７】 様々な酸化チタン層を形成するためのパラメータを示す表である。

Claims (12)

1. 骨または組織構造（５）用のインプラント（１）上に配置することができ、かつ保持力を高める目的のために前記インプラントの本体と前記構造との間に境界または障壁を構成し、かつ実質的な厚さ（Ｔ）を持つ層（２）において、前記層が酸化チタン層から成るか、あるいはそれを含むこと、前記層（２）が実質的な多孔性を前記層に与えるチャンネル網（６）を持つように設計されること、前記チャンネル網（６）が前記構造の方を向いた口（３、４）を持つように設計され、前記構造（５）の方を向いた層の表面（２ａ′）における前記口のそれぞれの断面直径（Ｄ）が、前記表面（２ａ′）から見て層内を下の方まで伸びるチャンネルのそれぞれの長さ（Ｈ）より実質的に小さいこと、各表面が０．１〜１０μｍの範囲の直径の細孔またはチャンネル口を持つこと、および前記層（２）がその外面に０．４〜５μｍの範囲の粗面度を持つことを特徴とするインプラント層。
2. 前記チャンネル網（６）が、前記表面（２ａ′）から層（２′′′）の少なくとも大部分を介して前記層から前記インプラントの本体（１′′）への遷移部（１１）まで伸長する隣接チャンネル分枝（１２、１３、１４、１５）を含むことを特徴とする、請求項１に記載のインプラント層。
3. 前記チャンネル網（６）が、前記層の深さ方向とは異なる方向に伸長するチャンネル分枝（１０）を持つことを特徴とする、請求項１または２に記載のインプラント層。
4. 最初から前記インプラントに存在し、層の体積を増加する目的のために高い粗面度値を持つ、波状または不均一な表面（３′）上に確立されることを特徴とする、請求項１、２、または３に記載のインプラント層。
5. 前記インプラント全体に実質的な耐食性を与える厚さ（Ｔ）を持つことを特徴とする、請求項１ないし４のいずれかに記載のインプラント層。
6. 前記チャンネル網（６）に前記骨または組織構造（５）の方を向いた口構成（３′、４′）が配置され、前記口から前記チャンネルへの増強された骨成長の浸透が可能になることを特徴とする、請求項１ないし５のいずれかに記載のインプラント層。
7. 前記層が０．５〜２０μｍの範囲の平均厚さを持つことを特徴とする、請求項１ないし６のいずれかに記載のインプラント層。
8. 前記層（２）が、細孔の数が１×１０^７〜１×１０^１０個／ｃｍ^２の高い多孔度を持つことを特徴とする、請求項１ないし７のいずれかに記載のインプラント層。
9. 前記インプラントが顎骨に適用するためのスクリュー・インプラントから成ることを特徴とする、請求項１ないし８のいずれかに記載のインプラント層。
10. 前記層が、施用された骨成長開始剤または骨成長刺激剤または骨成長開始物質または骨成長刺激物質（１７）の補給所を形成することを特徴とする、請求項１ないし９のいずれかに記載のインプラント層。
11. 前記薬剤または物質が濃度拡散によって前記補給所から前記骨または組織構造（５）に移動することを特徴とする、請求項１ないし１０のいずれかに記載のインプラント層。
12. 骨または組織構造（５）用のインプラント（１）であって、保持力を高める目的のために前記インプラントの本体（１）と前記構造（５）との間に１つまたはそれ以上の境界を構成し、かつ実質的な厚さを持する１つまたはそれ以上の層（２）を含むインプラント（１）において、前記層が酸化チタン層から成るか、あるいはそれを含むこと、各層が実質的な多孔性を前記層（２）に与えるチャンネル網（６）を持つように設計されること、前記チャンネル網（６）が前記構造の方を向いた口（３、４）を持つように設計され、前記構造（５）の方を向いた層の表面における前記口のそれぞれの断面直径（Ｄ）が、前記表面（２ａ′）から見て層内を下の方まで伸びるチャンネルのそれぞれの長さ（Ｈ）より実質的に小さいこと、各表面が０．１〜１０μｍの範囲の直径の細孔またはチャンネル口を持つこと、および前記層（２）がその外面に０．４〜５μｍの範囲の粗面度を持つことを特徴とするインプラント。

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