JP5172703B2 - 拡散硬化技術の応用 - Google Patents

Description

本出願は、２００６年１月１８日に出願された米国仮特許出願６０／７５９８４３号の優先権を主張している。米国暫定特許出願６０／７５９８４３号は、その全体が本明細書にて公開されたものとして全てを参照することにより本明細書に組み込まれる。

本発明は、他の金属表面に接触する金属表面を有するデバイスに関連する。望ましい実施形態において、本発明は、ハード‐オン‐ハード医療用インプラントに関連する。望ましくは、本発明は、金属又は金属合金、及び非浸炭表面に対する浸炭表面連接を有する医療用インプラントに関連する。

医療用インプラント材料、特に整形外科用のインプラント材料は、高強度、耐食性及び組織適合性を兼ね備えなければならない。インプラントの移植者が比較的若い場合、患者の生涯にわたってインプラントが機能することが望ましいため、インプラントの寿命は、特に最も重要である。ある金属合金は、必要とする機械的強度及び生体適合性を有するため、これらは、人工装具の製造の理想的な対象である。これらの合金は、３１６Ｌステンレス鋼、クロム・コバルト・モリブデン合金（ＣｏＣｒ）、チタン合金、及び耐荷重性及び非耐荷重性人工装具の製造に最も適した材料であることが判明している最新のジルコニウム合金を含む。

従来の股関節インプラントにおいて、ＣｏＣｒ合金大腿骨頭はポリエチレンに対して連接する。それぞれの連接部品の相対硬度のため、このタイプのインプラントは、当技術分野においてハード‐オン‐ソフトインプラントとしてしばしば言及される。つまり、ＣｏＣｒ合金は、連接対の硬部品であり、ポリエチレンは軟部品に対応する。インプラントの寿命の間において、ポリエチレンの磨耗は、硬部品のそれを上回る。ポリエチレン磨耗くずは、同様に、骨溶解及びインプラントの緩みを引き起こしうる。従来技術において、この磨耗を減らすために、多大な努力が費やされてきた。１つの方法として、ポリエチレンの磨耗特性を改善するために、例えば架橋結合により、ポリエチレンの特性を変化させてきた。他の方法として、大腿骨頭の特性を変化させてきた。このような方法の１つは、Ｄａｖｉｄｓｏｎ（特許文献１）によって教示されてきた。Ｄａｖｉｄｓｏｎは、ポリエチレンの磨耗を減らすために、酸化ジルコニウム表面の使用を推奨している。このような方法は、ポリエチレンの磨耗を十分に減らす結果に導くが、さらに耐磨耗性のインプラントに対する高い需要が存在している。この需要は、関節置換術の後に通常の生活に戻ることを望む若い及び活動的な患者から生まれている。これらの若い及び活動的な患者の他の要求は、その関節安定性である。通常、大きな身体構造上の関節は、小さな関節よりも安定している。ポリエチレンは、その低い強度のため、あるサイズを超えて作られることが出来ず、それ故に、若い及び活動的な患者に対して、その使用を制限する。これは、ハード‐オン‐ハード金属インプラントの参入を招く。

現在は、主に２つのタイプの商用として使用可能なハード‐オン‐ハード股関節インプラントが存在する。これらは、金属‐オン‐金属（金属合金‐オン‐金属合金を含む）及びセラミック‐オン‐セラミックである。現在、標準的な金属‐オン‐金属インプラントの材料は、高炭素ＣｏＣｒ合金である。金属‐オン‐金属インプラントに関する主要な懸念は、関節からの金属イオンの放出であり、これにより人体の生理機能に未知の影響を及ぼすことである。金属‐オン‐金属インプラントの利点は、これらを大きなサイズで使用することが出来ることである。大きなサイズのインプラントは、より広範な動作を許容し、より安定性のある関節を提供することが出来る。骨の保護が求められる場合に、金属‐オン‐金属インプラントは、表面を新しくするタイプの応用に有用であるとみられている。このような大きな関節において、従来の又は架橋結合ポリエチレンは、望ましくなく、金属‐オン‐金属は、使用可能なものとして選択の余地がないものとなりうる。この大きなサイズは、ポリエチレンライナーを薄くすることを必要とする。薄いライナーは、機械的に強いものでなく、クリープを起こし又は磨耗及び骨溶解及び最終的にはインプラントの故障の増加を引き起こしうる。一般的に、ハード‐オン‐ハードインプラントの分類は、十分に広くすることが出来る。これは、金属又はセラミック又はこれらいずれかの組み合わせから作られる互いに連接される部品を含むことが出来る。本願明細書における開示では、ハードの表現は、金属及び／又はセラミックに関し言及する。従って、“ハード‐オン‐ハード”は、金属‐オン‐金属、金属‐オン‐セラミック、及びセラミック‐オン‐セラミックとすることが出来る。前述の文脈において、“金属”は、純金属及び金属合金の両方を含む。

一般にハード‐オン‐ハード関節に使用する他のものは、セラミック‐オン‐セラミックである。現在、セラミック‐オン‐セラミックインプラントの標準的な材料は、アルミナである。放出された金属イオンは、通常は、これらのインプラントには影響しない。しかしながら、セラミックの限られた靱性及び脆性な特性のため、これらインプラントを大きなサイズに形成することは困難である。セラミック部品は、有限な破損の可能性を有し、これにより、この破損は、潜在的な関節故障及び関節の破損に関連する合併症につながる。

金属イオンの放出を減らし及び金属とセラミック部品の組み合わせによる破損リスクを最小化することが従来技術の大半の目的とされてきた。Ｆｉｓｈｅｒら（特許文献２）及びＫｈａｎｄｋａｒら（特許文献３）は、金属‐オン‐セラミック連接を有するインプラントの使用を教示している。Ｆｉｓｈｅｒらは、金属部品とセラミック部品の間の硬度の差を少なくとも４０００Ｍｐａとすることを教示している。Ｋｈａｎｄｋａｒらは、金属部品に対する連接用として、特にシリコン窒化物セラミック部品の使用を教示している。どちらの場合においても、その目的は、合わせ対の磨耗を軽減することである。しかしながら、どちらの場合においても、セラミックの破損リスクは、未だ十分なものではない。どちらの場合においても、セラミック部品の強度は、形成可能な間接のサイズに影響を及ぼす。どちらの場合においても、セラミック表面は金属表面と合わせることに注意すべきである。以下詳細に記述するように、本発明の目的は、どちらの部品の表面も実際は金属である場合に、合わせ対の磨耗を軽減することである。他の方法において、Ｌｉｐｐｉｎｃｏｔｔ及びＭｅｄｌｅｙ（特許文献４）は、合わせる股関節部品の幾何学的な制限の応用を教示している。特許文献４では、合わせる部品の半径の差異が、５０マイクロメートル未満であるような部品の使用を開示している。この半径の小さな差異は、厚い流動性フィルムの形成を促進し、これ故に、合わせる金属部品の磨耗を軽減しうる。この方法の欠点は、このような厳しい精度で部品を生成するために、複雑な製造調整が要求されることである。

ハード‐オン‐ハード金属対の低い磨耗特性に関連するこの問題は、医療用インプラント分野に固有のものではなく、例えば自動車用及び航空宇宙用部品を含むような、他の分野にもまた存在している。他の軸受用途にも、改善された対が有効である。

特に、互いに連接する接触表面の場合、２つの接触表面のうち1つの表面への異なる処理を通して、磨耗軽減に関する十分な改善を実現することが出来るため、本発明の発明者は、このような要求の厳しい製造方法は、必要ではないことを発見した。
米国特許第５０３７４３８号明細書 米国特許出願公開第２００５／００３３４４２号明細書 米国特許第６８８１２２９号明細書 米国特許第６０５９８３０号明細書 米国特許第２９８７３５２号明細書 米国特許第５３０８４１２号明細書 米国特許第５１５２７９４号明細書 米国特許第６４４７５５０号明細書 米国特許第６５８５７７２号明細書 係属中の米国特許出願第１０／９４２４６４号明細書 米国特許出願公開第２００５／０２４１７３６号明細書

本発明は、例えばＣｏＣｒのような金属又は金属合金基板、及び非拡散硬化表面又は反対の表面とは異なる拡散硬化種を有する拡散硬化表面と接触する例えばプラズマ浸炭表面のような拡散硬化表面を有する医療用インプラント、及びそれを製造する方法を対象にする。

１つの実施形態において、デバイスは、第一接触表面を有する第一部分と、第二接触表面を有する第二部分と、を含み、第一部分及び第二部分は、金属又は金属合金から形成され、及び第一及び第二接触表面は互いに接触し、及び以下の（ａ）及び（ｂ）の条件の一つを満足し、（ａ）前記第一及び第二接触表面の一方が、拡散硬化種を用いて拡散硬化された拡散硬化金属表面を含み、及び、前記第一及び第二接触表面の他方は、拡散硬化されていない金属表面である；（ｂ）前記第一及び第二接触表面の両方が、拡散硬化金属表面を含み、前記第一接触表面は、少なくとも一つの第一拡散硬化種を用いて拡散硬化され、及び、前記第二接触表面は、少なくとも一つの第二拡散硬化種を用いて拡散硬化され、及び、前記第一拡散硬化種は、前記第二拡散硬化種と異なる；前記拡散硬化種は、炭素、窒素、酸素、ホウ素、及びこれらのいずからの組み合わせから構成される群から選択される。他の実施形態において、デバイスは、医療用インプラントである。ある実施形態において、前記第一部分を含む金属又は金属合金は、前記第二部分を含む金属又は金属合金と異なる。本デバイスのある実施形態において、金属又は金属合金は、ＣｏＣｒである。本デバイスのある実施形態において、前記接触表面の一方又は両方は、プラズマ硬化表面を含む。本デバイスのある実施形態において、プラズマ硬化表面は、プラズマ浸炭表面、プラズマ窒化表面、プラズマ酸化表面、プラズマホウ化表面、及びこれらのいずれかの組み合わせから構成される群から選択される。本デバイスが医療用インプラントである、ある実施形態において、医療用インプラントは、股関節インプラントである。ある股関節インプラントの実施形態において、前記第一部分及び第二部分の一方は、大腿骨頭を含む大腿骨部品であり、前記大腿骨頭は、接触表面を含み、及び前記第一部分及び第二部分の他方は、寛骨臼部品であり、前記寛骨臼部品は、内部表面を含み、前記内部表面は、接触表面を含む。ある股関節インプラントの実施形態において、前記接触表面の一方又は両方は、プラズマ硬化表面を含む。ある股関節インプラントの実施形態において、前記プラズマ硬化表面は、プラズマ浸炭表面、プラズマ窒化表面、プラズマ酸化表面、プラズマホウ化表面、及びこれらのいずれかの組み合わせから構成される群から選択される。ある医療用インプラントの実施形態において、医療用インプラントは、膝インプラントである。ある膝インプラントの実施形態において、前記第一部分及び第二部分の一方は、少なくとも一つの顆部を含む大腿骨部品であり、前記少なくとも一つの顆部は、接触表面を含み、及び前記第一部分及び第二部分の他方は、脛骨部品であり、前記脛骨部品は、接触表面を含む。ある膝インプラントの実施形態において、前記接触表面の一方又は両方は、プラズマ硬化表面を含む。ある膝インプラントの実施形態において、前記プラズマ硬化表面は、プラズマ浸炭表面、プラズマ窒化表面、プラズマ酸化表面、プラズマホウ化表面、及びこれらのいずれかの組み合わせから構成される群から選択される。ある医療用インプラントの実施形態において、医療用インプラントは、肩インプラント、肘インプラント、指インプラント、脊椎インプラント、及び顎関節インプラントから構成される群から選択される。本デバイスのある実施形態において、前記第一接触表面と前記第二接触表面とは、互いに連接する。本デバイスのある実施形態において、デバイスは、前記第一及び第二接触表面の一方又は両方の上に堆積セラミックコーティングをさらに含む。堆積セラミックコーティングを含む本デバイスのある実施形態において、前記堆積セラミックコーティングは、セラミック酸化物、セラミック窒化物、セラミック炭化物、セラミックホウ化物、及びこれらのいずれかの組み合わせから構成される群から選択される。本デバイスのある実施形態において、デバイスは、前記第一及び第二接触表面の一方又は両方の上にダイヤモンド又はダイヤモンド状炭素コーティングをさらに含む。本デバイスのある実施形態において、前記第一及び第二接触表面の両方は、拡散硬化金属表面を含み、及び前記第一接触表面は、拡散浸炭され及び拡散酸化され、及び前記第二接触表面は、拡散浸炭される。本デバイスのある実施形態において、前記条件（ｂ）が適用され、及び前記第一接触表面に対する前記拡散硬化種は、炭素、窒素、ホウ素、及びこれらのいずれかの組み合わせから構成される群から選択され、及び前記第二接触表面に対する前記拡散硬化種は、炭素、窒素、酸素、ホウ素、及びこれらのいずれかの組み合わせから構成される群から選択され、前記接触表面の一方は、拡散硬化種として前記他方の接触表面には存在しない拡散硬化種を用いて拡散硬化されるという条件が与えられている。本デバイスのある実施形態において、前記拡散硬化種は、炭素、窒素、酸素、及びこれらのいずれかの組み合わせから構成される群から選択される。本デバイスのある実施形態において、デバイスは、自動車又は航空宇宙デバイスである。

他の実施形態において、デバイスの製造方法は、金属又は金属合金からデバイスを形成する段階であって、前記デバイスは、第一接触表面を有する第一部分及び第二接触表面を有する第二部分を含み、前記第一及び第二接触表面は、互いに接触する、デバイスを形成する段階と、拡散硬化によって、前記デバイス上に拡散硬化金属表面を形成する段階であって、前記拡散硬化段階は、炭素、窒素、酸素、ホウ素、及びこれらのいずれかの組み合わせから構成される群から選択された拡散硬化種を用いて実行され、前記拡散硬化段階は、（ａ）前記第一及び第二接触表面のいずれか一方のみの上に拡散硬化金属表面を形成するための拡散硬化段階；又は、（ｂ）前記第一及び第二接触表面の両方の上に拡散硬化金属表面を形成するための拡散硬化段階であって、前記第一接触表面は、少なくとも一つの第一拡散硬化種を用いて拡散硬化され、及び前記第二接触表面は、少なくとも一つの第二拡散硬化種を用いて拡散硬化され、及び前記第一拡散硬化種は、前記第二拡散硬化種と異なる拡散硬化段階；に従って実行される拡散硬化段階とを含む。ある実施形態において、デバイスを形成する段階は、医療用インプラントを形成することを含む。ある実施形態において、金属又は金属合金から、第一部分及び第二部分を含むデバイスを形成する段階は、異なる金属又は金属合金から前記第一部分及び前記第二部分を形成することを含む。ある実施形態において、金属又は金属合金は、ＣｏＣｒである。ある実施形態において、前記拡散硬化段階は、プラズマ硬化を含む。医療用インプラントが形成されたある実施形態において、前記医療用インプラントの形成段階は、股関節インプラントを形成することを含む。股関節インプラントが形成されたある実施形態において、前記第一部分及び前記第二部分の一方は、寛骨臼部品であり、及び前記第一部分及び前記第二部分の他方は、大腿骨部品である。医療用インプラントが形成されたある実施形態において、前記形成段階は、膝インプラントを形成することを含む。膝インプラントが形成されたある実施形態において、前記第一部分及び前記第二部分の一方は、脛骨部品であり、及び前記第一部分及び前記第二部分の他方は、大腿骨部品である。医療用インプラントが形成されたある実施形態において、前記医療用インプラントの形成段階は、肩インプラント、肘インプラント、指インプラント、脊椎インプラント、及び顎関節インプラントから構成される群から選択された医療用インプラントを形成することを含む。ある実施形態において、本方法は、前記第一及び第二接触表面の一方又は両方の上にセラミックコーティングを堆積する段階をさらに含む。ある実施形態において、本方法は、前記第一及び第二接触表面の一方又は両方の上にダイヤモンド又はダイヤモンド状炭素コーティングを堆積する段階をさらに含む。ある実施形態において、前記第一及び第二接触表面の両方の上に拡散硬化金属表面を形成するための拡散硬化段階は、前記第一接触表面上に拡散浸炭及び拡散酸化表面を形成すること、及び前記第二接触表面上に拡散浸炭表面を形成することを含む。前記段階（ｂ）が適用されたある実施形態において、前記第一接触表面のための前記拡散硬化段階は、炭素、窒素、ホウ素、及びこれらのいずれかの組み合わせから構成される群から選択された拡散硬化種を用いて実行され、及び、前記第二接触表面に対する前記拡散硬化段階は、炭素、窒素、酸素、ホウ素、及びこれらのいずれかの組み合わせから構成される群から選択された拡散硬化種を用いて実行され、前記接触表面の一方は、拡散硬化種として他方の接触表面には存在しない拡散硬化種を用いて拡散硬化されるという条件が与えられている。ある実施形態において、拡散硬化金属表面を形成するための前記拡散硬化段階は、炭素、窒素、酸素、及びこれらのいずれかの組み合わせから構成される群から選択された拡散硬化種を用いて実行される。

他の実施形態において、医療用インプラントは、第一接触表面を有する第一部分と、第二接触表面を有する第二部分と、を含み、第一部分及び第二部分は、金属又は金属合金から形成され、及び第一及び第二接触表面は互いに接触し、及び以下の（ａ）及び（ｂ）の条件の一つを満足し、（ａ）前記第一及び第二接触表面の一方が、拡散硬化金属表面を含み、及び、前記第一及び第二接触表面の他方は、拡散硬化されていない；（ｂ）前記第一及び第二接触表面の両方が、拡散硬化金属表面を含み、前記第一接触表面は、第一拡散硬化種を用いて拡散硬化され、及び、前記第二接触表面は、第二拡散硬化種を用いて拡散硬化され、及び、前記第一拡散硬化種は、前記第二拡散硬化種と異なる；条件（ａ）及び（ｂ）における前記拡散硬化表面は、拡散浸炭表面及び拡散窒化表面から構成される群から選択される。ある実施形態において、前記第一部分を含む金属又は金属合金は、前記第二部分を含む前記金属又は金属合金と異なる。特定の実施形態において、金属又は金属合金は、ＣｏＣｒである。特定の実施形態において、拡散硬化表面は、プラズマ硬化表面である。ある実施形態において、プラズマ硬化表面は、プラズマ浸炭表面、プラズマ窒化表面及びプラズマ浸炭且つプラズマ窒化表面から構成される群から選択される。ある実施形態において、医療用インプラントは、股関節インプラントである。股関節インプラントの特定の実施形態において、第一部分は、ステム及び大腿骨頭を含む大腿骨部品であり、及び前記大腿骨頭は、前記第一接触表面を含み、前記第二部分は、寛骨臼部品であり、前記寛骨臼部品は、内部表面を含み、及び前記内部表面は、前記第二接触表面を含む。股関節インプラントの特定の実施形態において、拡散硬化表面は、プラズマ硬化表面である。股関節インプラントの特定の実施形態において、プラズマ硬化表面は、プラズマ浸炭表面、プラズマ窒化表面及びプラズマ浸炭且つプラズマ窒化表面から構成される群から選択される。ある実施形態において、医療用インプラントは、膝インプラントである。膝インプラントの特定の実施形態において、第一部分は、少なくとも一つの顆部を含む大腿骨部品であり、前記少なくとも一つの顆部は、前記第一接触表面を含み、及び第二部分は、脛骨部品であり、前記脛骨部品は、前記第二接触表面を含む。膝インプラントの特定の実施形態において、拡散硬化表面は、プラズマ硬化表面である。膝インプラントの特定の実施形態において、プラズマ硬化表面は、プラズマ浸炭表面、プラズマ窒化表面及びプラズマ浸炭且つプラズマ窒化表面から構成される群から選択される。他の実施形態において、医療用インプラントは、肩インプラント、肘インプラント、指インプラント、脊椎インプラント、及び顎関節インプラントから構成される群から選択される。特定の実施形態において、第一接触表面は及び前記第二接触表面は、互いに連接する。ある実施形態において、インプラントは、前記第一及び第二接触表面の一方又は両方の上にセラミックコーティングをさらに含む。ある実施形態において、インプラントは、前記第一及び第二接触表面の一方又は両方の上にダイヤモンド又はダイヤモンド状炭素コーティングをさらに含む。

本発明の他の実施形態において、医療用インプラントは、第一接触表面を有する第一部分と、第二接触表面を有する第二部分と、を含み、第一部分及び第二部分は、金属又は金属合金から形成され、及び第一及び第二接触表面は互いに接触し、及び以下の（ａ）及び（ｂ）の条件の一つを満足する。（ａ）前記第一及び第二接触表面の一方が、拡散酸化表面を含み、及び、前記第一及び第二接触表面の他方は、拡散硬化されていない；（ｂ）前記第一及び第二接触表面の一方が、拡散酸化表面を含み、及び、前記第一及び第二接触表面の他方が、拡散浸炭、拡散窒化、又は拡散浸炭且つ拡散窒化される；。ある実施形態において、第一接触表面及び前記第二接触表面は、互いに連接する。特定の実施形態において、金属又は金属合金は、ＣｏＣｒである。ある実施形態において、医療用インプラントは、股関節インプラントである。ある実施形態において、医療用インプラントは、膝インプラントである。特定の実施形態において、インプラントは、前記第一及び第二接触表面の一方又は両方の上にセラミックコーティングをさらに含む。ある実施形態において、医療用インプラントは、前記第一及び第二接触表面の一方又は両方の上にダイヤモンド又はダイヤモンド状炭素コーティングをさらに含む。

本発明の他の実施形態において、医療用インプラントの製造方法は、金属又は金属合金から医療用インプラントを形成する段階であって、前記医療用インプラントは、第一接触表面を有する第一部分及び第二接触表面を有する第二部分を含み、前記第一及び第二接触表面は、互いに接触する、医療用インプラントを形成する段階と、（ａ）前記第一及び第二接触表面のいずれか一方のみの拡散硬化段階；又は、（ｂ）前記第一及び第二接触表面の両方を拡散硬化する段階であって、前記第一接触表面は、第一拡散硬化種を用いて拡散硬化され、及び前記第二接触表面は、第二拡散硬化種を用いて拡散硬化され、及び前記第一拡散硬化種は、前記第二拡散硬化種と異なる拡散硬化段階；に従って前記医療用インプラントを拡散硬化する段階であって、（ａ）及び（ｂ）における拡散硬化表面は、拡散浸炭表面及び拡散窒化表面から構成される群から選択される拡散硬化段階とを含む。ある実施形態において、第一部分は、前記第二部分と異なる金属又は金属合金を含む。特定の実施形態において、金属又は金属合金は、ＣｏＣｒである。特定の実施形態において、拡散硬化段階は、プラズマ硬化を含む。ある実施形態において、医療用インプラントを形成する段階は、股関節インプラントを形成することを含む。ある実施形態において、形成段階は、膝インプラントを形成することを含む。ある実施形態において、医療用インプラントを形成する段階は、肩インプラント、肘インプラント、指インプラント、脊椎インプラント、及び顎関節インプラントから構成される群から選択された医療用インプラントを形成することを含む。ある実施形態において、本方法は、前記第一及び第二接触表面の一方又は両方の上にセラミックコーティングを堆積する段階をさらに含む。ある実施形態において、本方法は、前記第一及び第二接触表面の一方又は両方の上にダイヤモンド又はダイヤモンド状炭素コーティングを堆積する段階をさらに含む。

本発明の他の実施形態において、医療用インプラントの製造方法は、金属又は金属合金から医療用インプラントを形成する段階であって、前記医療用インプラントは、第一接触表面を有する第一部分及び第二接触表面を有する第二部分を含み、前記第一及び第二接触表面は、互いに接触する、医療用インプラントを形成する段階と、（ａ）前記第一及び第二接触表面のいずれか一方のみを拡散酸化し並びに前記第一及び第二接触表面の他方は拡散硬化しない段階；又は、（ｂ）前記第一及び第二接触表面の一方を拡散酸化し並びに前記第一及び第二接触表面の他方を拡散硬化する段階；に従って前記医療用インプラントを拡散硬化する段階であって、（ｂ）における拡散硬化段階は、拡散浸炭表面及び拡散窒化表面から構成される群から選択される拡散硬化段階とを含む。ある実施形態において、前記第一部分は、前記第二部分と異なる金属又は金属合金を含む。特定の実施形態において、金属又は金属合金は、ＣｏＣｒである。ある実施形態において、拡散硬化表面は、プラズマ硬化表面であり、前記拡散酸化表面は、プラズマ酸化表面であり又は前記拡散硬化表面は、プラズマ硬化表面であり及び前記拡散酸化表面は、プラズマ酸化表面である。ある実施形態において、医療用インプラントを形成する段階は、股関節インプラントを形成することを含む。ある実施形態において、形成段階は、膝インプラントを形成することを含む。ある実施形態において、医療用インプラントを形成する段階は、肩インプラント、肘インプラント、指インプラント、脊椎インプラント、及び顎関節インプラントから構成される群から選択された医療用インプラントを形成することを含む。ある実施形態において、本方法は、前記第一及び第二接触表面の一方又は両方の上にセラミックコーティングを堆積する段階をさらに含む。ある実施形態において、本方法は、前記第一及び第二接触表面の一方又は両方の上にダイヤモンド又はダイヤモンド状炭素コーティングを堆積する段階をさらに含む。

本発明の詳細な記述がより理解されうるために、前述では、かなり大ざっぱに本発明の特徴及び技術的利点を概説した。本発明の付加的な特徴及び利点が、本発明の特許請求の範囲の目的を形成する以下に記述されうる。開示された概念及び具体的な実施例は、本発明と同じ目的を実行するために他の構造を修正又は設計するための基礎として容易に利用されうるということが当業者によって理解されるべきである。また、このような同等な構造は、添付の特許請求の範囲に記載の本発明の精神及び範囲から外れるものではないと当業者によって理解されるべきである。さらなる目的及び利点と共に、構成及び操作方法の両方に応じた、本発明の特徴とされる全く新しい特徴は、添付の図面と共に考察する以下の記述からより理解されるだろう。しかしながら、それぞれの図は、説明図及び記述のみの目的のために提供されるものであって、本発明の制限を定義することを意図するものではないことが明確に理解される。

本発明の更なる完全な理解のために、添付の図と共に以下記述において言及する。

本願明細書にて使用する、“ａ”又は“ａｎ”は、１つ又はそれ以上を意味する。他の指示又は文脈によって明確でない場合、単数形は複数形を含み及び複数形は単数形を含む。

本願明細書にて使用する、多数の医療用インプラント表面に対して言及する“連接（ａｒｔｉｃｕｌａｔｉｎｇ）”の用語は、第一の耐荷重性の方法において互いに接触する表面を意味する。本願明細書にて使用する、多数の医療用インプラント表面に対して言及する“接触（ｃｏｎｔａｃｔｉｎｇ）”の用語は、耐荷重性の接触（連接表面のような）及び非耐荷重性の接触の両方を含めた、インプラントの他の表面に接触するインプラントのいずれの表面を言う。従って、“接触表面”の用語は、“連接表面”の用語よりも広く、及びこれを含む。“接触”の用語は、接触の全ての形を言い、第二の耐荷重性の方法における接触のような、接触の中間形も含む。このような医療用インプラント表面は、接触表面と言われている。他のインプラント表面に対して使用されると言われているインプラント表面の場合、２つの表面は、互いに対して接触表面であるような位置に配置されることを意味すると理解すべきである。医療用インプラントにおける接触表面は、互いに“結合する”と言われている。

本願明細書にて使用する、“インプラント部”は、医療用インプラントのいずれの部分を言う。医療用インプラントのインプラント部は、分離された（取り外された）部分でよく又は統一されたインプラントの分離された部分でよい。

本願明細書にて使用する、“拡散硬化”は、金属若しくは金属合金の表面中に、又は、金属若しくは金属合金のバルク内若しくはバルクに向けて硬化種を拡散することにより、金属又は金属合金を硬化する一般的な技術を意味する。拡散硬化は、通常高い温度で気相、液相又は固層内で拡散硬化種が、金属又は金属合金に接触される“従来の拡散硬化”を含み、及び、金属又は金属合金内への硬化種の拡散を生じるために、プラズマ内における拡散硬化種が、金属又は金属合金に接触される“プラズマ硬化”を含む。本発明における拡散硬化種は、炭素、窒素、ホウ素、及び酸素に制限される。従って、本願明細書における拡散硬化は、浸炭表面、窒化表面、酸化表面、ホウ化表面、又はこれらのいずれかの組み合わせを生じる。本願明細書において、“プラズマ硬化”とは、プラズマ浸炭、プラズマ窒化、プラズマホウ化、プラズマ酸化、またはこれらのいずれかの組み合わせを意味する。“プラズマ硬化表面”とは、プラズマ浸炭表面、プラズマ窒化表面、プラズマホウ化表面、プラズマ酸化表面、又はこれらのいずれかの組み合わせを意味する。

本願明細書にて使用する、“拡散硬化金属表面”は、表面上におけるセラミック層の形成を避ける、又は拡散硬化処理の間に形成されたこのような層を除去するという方法で拡散硬化された金属又は金属合金表面として定義付けられる。“拡散硬化セラミック表面”とは、金属又は金属合金が、表面セラミック層の形成を生じる拡散硬化処理にさらされている場合に生じる結果である。この方法において、拡散硬化表面は、拡散硬化セラミック表面とは異なる。

本願明細書にて使用する、ＣｏＣｒ合金は、広く定義され、少なくとも２０％（ｗ／ｗ）クロム及び少なくとも５０％コバルトを有する合金を含む。残りの要素は、モリブデン、タングステン、鉄、窒素及び炭素とすることが出来る。この組成物の標準的な合金は、ＡＳＴＭ ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ ｓｔａｎｄａｒｄｓ Ｆ７９９、Ｆ１５３７、Ｆ７５及びＦ９０（ＩＳＯ ５８３２−４ から ＩＳＯ ５８３２−８）に記述されている。議論の多くは、ＣｏＣｒ合金に焦点を当てるが、本発明は、制限するものではなく、及びいずれの金属又は金属合金に適用でき、及び医療用インプラントに関連し、金属又は金属合金は、整形外科用に通常使用されているような生体適合性の金属又は金属合金であることが好ましいと理解されるべきである。

本願明細書にて使用する、“浸炭層”は、基板金属又は金属合金及び炭素の固溶体を含む金属又は金属合金の層であると定義される。固溶体を形成するために、基板には、炭素が拡散される。窒化層（窒素が拡散される）、酸化層（酸素が拡散される）、ホウ化層
（ホウ素が拡散される）、並びに浸炭、窒化、酸化、及びホウ化のいずれの組み合わせを用いたコンビネーション層を使用することも本発明の範囲内であることに注意すべきである。本願明細書の記述の多くは、浸炭に焦点を当てるが、しかしながら、本発明は、炭素、窒素、酸素及びホウ素の格子間元素のいずれか、又はこの組み合わせのいずれかを用いた金属硬化を含むと理解されるべきである。従って、浸炭層に加え、酸化層、窒化層、ホウ化層、及びこれらの組み合わせを有してもよい。炭素、窒素、酸素及びホウ素は、いずれも本発明に使用でき、及び本発明に含まれるが、炭素が最も好ましく、ホウ素は最も好ましくない。従って、本発明のある実施形態において、ホウ化層を形成するためのホウ素の使用は除かれる。

若い及び活動的な患者のための、磨耗のより少ないインプラントの必要性が増大している。従来のインプラントは、ポリエチレン及び金属又はセラミック対向面を使用する。これらインプラントの磨耗は、十分に低いが、これらは制限を有する。この制限の１つは、インプラントの大きさである。若い及び活動的な患者のための安定性及びより広範な動作を実現するために、インプラントの大きさを増大する傾向が見られてきた。これにより、金属‐オン‐金属インプラントが生み出されるようになった。標準的な金属‐オン‐金属インプラントは、高炭素ＣｏＣｒ合金から形成される。これらは、十分に低い磨耗速度を提供するが、これらインプラントから放出される金属イオン及びその人間生理学への影響は、未だ問題である。前述したように、この磨耗を減らすことが多くの発明の目的とされてきた。

整形外科応用のための金属及び金属合金の従来の拡散硬化が、当技術分野において知られている。整形外科応用における酸化ジルコニウムのような拡散‐硬化酸化物表面の使用は、最初に、特許文献１においてＤａｖｉｄｓｏｎによって示された。Ｄａｖｉｄｓｏｎによる特許文献１は、酸化ジルコニウム表面を用いたジルコニウム合金プロテーゼを生成する方法を開示している。Ｗａｔｓｏｎによる特許文献５は、酸化ジルコニウム表面を用いたジルコニウムベアリングを生成する方法を開示している。生成された酸化コーティングは、常に均一な厚さではなく、この不均一さにより、ジルコニウム合金と酸化物層の間の結合の完全性及び酸化物層内の結合の完全性が減少する。Ｄａｖｉｄｓｏｎ及びＷａｔｓｏｎはいずれも、ジルコニウム合金の拡散硬化を教示している。一般的な方法において、ジルコニウム合金は、高温空気下において加熱される。空気下における加熱は、基板内の酸素の拡散を引き起こし、これによって表面上にセラミック酸化物を形成する。Ｓｈｅｔｔｙら（特許文献６）による他の方法では、ＣｏＣｒ合金の窒素拡散硬化を教示している。窒素を用いて表面を拡散硬化するために、長時間の間、窒素リッチにした環境（イオンの又は分子の）下においてＣｏＣｒ合金を加熱することをＳｈｅｔｔｙは教示している。Ｄａｖｉｄｓｏｎによる特許文献７は、従来の拡散硬化の概念を、拡散窒化（窒化物形成のために窒素源を使用する）にまで広げている。特許文献５、特許文献１、特許文献６、特許文献７は、それら全てが本願明細書に開示したものとして参照することにより、本願に組み込まれる。

特許文献８、特許文献９及び特許文献１０において、Ｈｕｎｔｅｒらは、均一な厚さの酸化ジルコニウムコーティングを得る方法を記述している。Ｈｕｎｔｅｒは、プレ酸化処理技術の適用する及び基材の微小構造を操作することによって、このことが達成されると教示している。均一な厚さの酸化物層を用いることによって、体液の作用による腐食に対する耐性が増大し、並びに、他の利点ももたらされる。及び、均一な厚さの酸化物層は、生態適合性があり、移植者の寿命にわたって安定である。特許文献８、特許文献９及び特許文献１０は、その全文が参照として本願に組み込まれる。Ｈｕｎｔｅｒらは、均一な酸化物を得る２つの方法を教示している。一つの方法は、プレ酸化段階として、十分な表面粗さを実現することである。この表面粗さは、表面上に接着性の及び均一な酸化物を形成するための、均一な酸素の拡散を可能にする。他の方法では、Ｈｕｎｔｅｒは、精製された微細な粒状化微細構造の使用を教示している。また、本願発明の目的は、基板内への酸素の均一な拡散を可能にし、及びこれにより結果として均一な接着性の酸化物をもたらすことである。しかしながら、Ｄａｖｉｄｓｏｎ、Ｗａｔｓｏｎ、及びＨｕｎｔｅｒの構成は、拡散硬化セラミック表面であったと理解されるべきである。本発明の表面は、以下に説明する拡散硬化金属表面であるという点において異なる。

Ｄａｖｉｄｓｏｎ及びＨｕｎｔｅｒの従来の拡散硬化方法は、格子間元素（Ｃ、Ｎ、Ｏ、及び／又はＢのような）が金属表面内に拡散することを可能にする。これらの要素が、表面内に拡散するにつれて、これは金属表面を飽和させ、及びこれにより結果として表面の硬化をもたらしうる。拡散が、基板内への格子間元素の溶解限度をさらに超えるまで継続された場合、拡散硬化領域とともに、セラミック表面又は化合物の形成をもたらすことが可能である。例として、Ｚｒ合金表面上に酸化物形成をもたらすＤａｖｉｄｓｏｎ及びＨｕｎｔｅｒの方法があげられる。本発明の目的は、拡散硬化金属表面を形成することのみであり、表面上にセラミック層又は化合物を形成するものではない。従来の方法の間にセラミック層または化合物が形成された場合、当技術分野において知られている技術によって除去されることが出来る。拡散方法は、様々な方法によって実行されることが出来ることが、当業者にはよく知られている。当技術分野において知られている従来の拡散硬化方法は、箱詰め浸炭若しくは窒化、塩浴浸炭若しくは窒化、又は拡散種のガス状混合物の使用である。例えば、ＣｏＣｒ合金から形成されるデバイスは、２５０℃から１０００℃の温度範囲における１００％窒素ガスの存在下において長時間加熱される。拡散時間が長くなるにつれ、拡散硬化領域はより厚く形成されうる。標準的な硬化時間は、５時間又はそれ以上とすることが可能である。デバイスは、自然対流式オーブン内に配置されることが可能であり、又はその代わりに抵抗加熱によって加熱されることが可能である。このような長期間の処理の後、表面上に拡散硬化領域が、薄いセラミック層（窒化クロム）と共に形成される。このセラミック層は、制限するものではない炭化ケイ素、アルミナ又はシリカのような粉砕媒体を用いた研磨によって直ちに除去される。本発明の目的は、事実上は拡散硬化され且つ金属である表面を形成することである。当技術分野における拡散硬化のための他の方法は、プラズマ硬化である。この対象としては、固体状、液体状、ガス状、プラズマ状又はこれらの組み合わせのいずれかの拡散種の存在を有することであると、当業者は理解すべきである。例えば、Ｔｉ合金の窒素拡散硬化は、窒素が多い環境下又は窒素ガスプラズマ下において実行されることが出来る。窒素拡散が長時間実行される場合、チタンの表面は窒化される。従来の拡散硬化は、しばしば結果として表面上にセラミックコーティングを生じるが、本発明の目的は、セラミック層が形成されない、又は形成された場合は、機械的に除去される若しくは拡散硬化種が基板内に深く追いやられその結果形成されるセラミック層が消費されるように拡散硬化種の存在しない表面を加熱することによって除去される範囲のみでの飽和を可能にすることである。セラミック層の機械的な除去の例には、炭化ケイ素、アルミナ又はシリカのような研磨媒体を用いた研磨が含まれる。多くのセラミック表面は、酸又は塩基によって除去することは困難であるが、化学的な機械研磨方法を用いることが可能である。化学的な研磨方法は、セラミック表面の除去速度を促進する酸性または塩基性媒体中に懸濁した研磨媒体を用いる。あるいは、従来の拡散硬化方法においてセラミック層の形成は、セラミック層形成を回避するプロセス変数（時間、温度、拡散硬化種の濃度、等）の賢明な制御によって回避してもよい。金属又は金属合金基板の特性、拡散硬化種の特性、及び場合によっては他の要因によって決まる従来の拡散硬化方法の変数を変更することが必要となりうる。ある場合においては、ある条件下で、サンプルを実行し、セラミック層形成の存在及び範囲を決定するためにサンプル上において分析的な試験を行うことが必要となりうる。セラミック層の存在は、従来の断面の金属組織的技術によって決定されることが可能である。表面の化学的組成から決定される及び合金系の拡散種の溶解度に基づくことも可能である。拡散種の溶解度については、同様に、相図から得ることが可能である。セラミック層の存在は、サンプルの容量‐電圧測定を用いて決定することも可能である。セラミック層は、通常絶縁体であるため、金属の表面上のセラミック層は、コンデンサを形成する。あるいは、セラミック層又はその厚さは、深さ分布（ｄｅｐｔｈ ｐｒｏｆｉｌｉｎｇ）及びＸ線光電子分光法（ＸＰＳ）を用いて測定することが可能である。ＸＰＳにおいて、拡散種の原子価状態は、決定されることが可能であり、同様に、セラミック層の厚さを見積もるのに役立つことが可能である。当業者に知られている、他の分析技術、特に表面分析技術が適用できる。この結果、セラミックの形成を排除するために、プロセス変数を変えることが可能である。同様に、機械的、化学的、又は熱処理によってセラミックを除去する場合、セラミック層の除去範囲を決定するために、サンプル上において分析的な試験を行ってもよい。本発明において、Ｄａｖｉｄｓｏｎ、Ｗａｔｓｏｎ、及びＨｕｎｔｅｒの従来の拡散硬化方法を用いて拡散硬化表面が形成される場合、最終生成品は、拡散硬化金属表面であって、拡散硬化セラミック表面ではないことが要求される。

前述したように、拡散硬化金属表面を形成する金属及び金属合金の拡散硬化のための他のメカニズムには、プラズマ内における種といったものによって金属又は金属合金を処理することにより、非‐金属種を組み込み、これらの材料の表面を改良することが含まれる。プラズマは、通常、イオン化気体（原子又は分子）であり、その特異的性質のために、通常、固体、液体、及び気体とは対照的な異なる物質の相であると考えられている。気体原子又は分子のイオン化は、結果として、原子又は分子の部分から分離された少なくとも１つの電子を生じる。結果として生じる自由電荷は、プラズマ導電体を形成し、電磁場に強く反応する。プラズマは、電磁場（例えば、ＲＦ又はマイクロ波プラズマ）又は放電電圧（例えば、グロー放電）によって形成されてもよい。ある場合において、従来の拡散硬化について議論したように、セラミック層形成の回避又はこのような層の除去のいずれかが必要となりうる。これは、従来の拡散硬化について議論した状況と類似している。除去技術は、従来方式で拡散硬化されたサンプルに対するものと同じである。また、従来の拡散硬化と同様に、金属又は金属合金基板の特性、拡散硬化種の特性、及び場合によっては他の要因によって決まるプラズマ硬化方法の変数を変えることが必要となりうる。ある場合において、ある条件下で、サンプルを実行し、セラミック層形成の存在及び範囲を決定するためにサンプル上において分析的な試験を行うことが必要となりうる。

炭素を用いたＣｏＣｒ合金のプラズマ硬化は、Ｂｅｌｌら（特許文献１１）によって既に述べられている。窒素を用いた拡散硬化は、Ｓｈｅｔｔｙら（特許文献６）によって教示されている。特許文献１１は、浸炭方法を述べている。ここではさらに、このような処理が施されたインプラントは、膝又は股関節に使用されることが出来ることが記載されている。特許文献６は、窒化方法を述べている。これらの発明はどちらも、このような硬化インプラントと非硬化インプラントの結合を見込んでいないことに注目すべきである。特許文献１１及び特許文献６は、その全体が本明細書にて公開されたものとして全てを参照することにより本明細書に組み込まれる。

しかしながら、浸炭及び／又は窒化及び／又は酸化及び／又はホウ化による表面硬化は、当技術分野において知られているいずれの及び全ての方法によって行われることが可能である。好ましい実施形態では、前述の従来の拡散硬化又はプラズマ硬化技術が使用される。本発明は、ほとんどの金属デバイス及び特に医療用インプラントの表面、とりわけ、連接表面のような磨耗を免れない医療用インプラント及び金属デバイスの表面の浸炭、窒化、ホウ化、酸化、及びこれらの組み合わせを含む。

通常、本発明の範囲のプラズマ処理は、炭素源、酸素源、窒素源、ホウ素源、又はこれらいずれかの組み合わせの存在下におけるプラズマに金属又は金属合金をさらすことを意味する。炭素源の例にはメタンが含まれ、窒素源の例には窒素ガスが含まれ、酸素源の例には酸素ガス及び空気が含まれる。ホウ素源の例には、非晶質ホウ素、ホウ素酸（Ｂ_２Ｏ_３）、及び三塩化ホウ素（ＢＣｌ_３）が含まれるが、これに制限するものではない。これらは、単に拡散種の源の説明のための例であって、当業者に知られている他のものも適用できる。これらの同じ源は、従来の拡散硬化技術にも使用できる。

１つの例となる、制限しない方法が、医療用インプラントのプラズマ浸炭用に提供される。インプラントは、容器内の表面上に配置され、表面はカソードとして電源及び制御ユニットに接続され、容器の壁は、アノードとして直流源に接続される。インプラントの温度は、インプラントの一部又はダミーサンプルに掘削された直径３ｍｍの穴に挿入された
熱電温度計によって測定された。シール可能な容器がしっかりと封じられた後、回転ポンプが残気（酸素）を除去するために使用され、この結果、容器内部の圧力が低下する。１０Ｐａ（０．１ｍｂａｒ）あるいはそれ以下まで減圧された場合、これら２つの電極間に約４００ボルトから約９００ボルトの電圧をかけることにより、インプラントと容器壁（アノード）の間にグロー放電が導入された。水素の加熱ガスが、同時に容器内に導入された。インプラントの温度が上昇するにつれて、容器内における水素ガスの圧力は、徐々に増加される。外部加熱又は補助加熱は使用せず、インプラントは、グロー放電プラズマのみによって加熱される。あるいは、外部加熱源が使用されてもよい。

他の実施形態において、容器に付属された外部加熱器が使用されてよく、外部加熱と電気的なグロー放電加熱の組み合わせが使用されてもよい。直流電流（ｄｃ）放電、パルスｄｃ放電又は交流電流（ａｃ）放電が使用されてもよい。

インプラントが所定の温度に加熱された後、水素（９８．５％）及びメタン（１．５％）の混合ガスが容器内に導入され、プラズマ処理が開始する。１０時間の処理時間の間、約４００℃から約６００℃の処理温度が使用される。処理段階における操作圧力は、５００Ｐａ（５．０ｍｂａｒ）である。

プラズマ加熱処理の間、メタンは、イオン化され、活性化され、及び分離され、炭素イオン及び活性化炭素原子及び中性分子を形成し、その後炭素拡散層を形成するディスクの表面内に拡散する。３００から５００℃の比較的低い温度範囲にてプラズマ処理が実行された場合、炭素原子は、処理において使用される比較的低い温度のために取り得るナノ結晶構造を有する過飽和固溶体を形成するコバルト格子内に主に存在する。得られた層は、高硬度、良好な疲労強度並びに優れた磨耗及び腐食耐性を有する（以下参照）。６００から７００℃の比較的高い温度範囲にてプラズマ処理が実行された場合、炭素原子は、炭化クロムを形成する炭素と部分的に結合されると共に過飽和固溶体を形成するコバルト格子内に部分的に存在する。得られた層は、高硬度、疲労強度及び優れた磨耗耐性を有する。

プラズマ処理が完了した後、グロー放電プラズマは停止され、インプラントは、これらが容器から取り除かれる前に、容器内の室温まで下げられた処理雰囲気中において冷却されてもよい。所望のレベルの窒化を達成するために、処理時間及び温度が変更されてもよい。インプラントの窒化のために、水素及び窒素の混合ガス、又は窒素のみを用い、同じ方法が使用されることが可能である。この場合も先と同様に、所望のレベルの窒化を達成するために、処理時間及び温度が変更されてもよい。最終的に、浸炭及び窒化のどちらに対しても、窒素及び炭素源（例えば、メタン、水素及び窒素の混合物等）の両方を使用することが可能である。あるいは、同じインプラントの部分上において、分離された浸炭及び窒化段階が連続して行われてもよい。

上記に提供した例は、単に説明のためのものにすぎず、網羅的なものではないと理解すべきである。いずれの知られている又はまだ開発されていないプラズマ窒化及び／又は浸炭方法が使用されてもよい。必要なのは、本発明において、金属又は金属合金（好ましくはＣｏＣｒ）表面の十分な程度の浸炭及び／又は窒化が適用されることのみである。本発明のある実施形態においては、少なくとも１マイクロメートルの厚さの浸炭又は窒化層を形成することが優先される。

本発明者は、第一接触表面は、拡散硬化金属表面であり、及び第二接触表面は、１）拡散硬化されていないか、２）第一接触表面において使用されたものと異なる硬化種を用いて拡散硬化されているかのいずれかである場合、医療用インプラントの第一及び第二接触金属表面（特に接触表面が連接表面である場合に）の磨耗性能は、十分に低いことを思いがけず発見した。本発明において、表面が拡散硬化されている場合、これは、拡散硬化金属表面を形成するために拡散硬化されている。磨耗が低い理由は、完全には明らかではない。理論に制約されることを望まないが、接触表面の異なる硬度（異なる表面処理のため）、並びに／又は、第一及び第二接触表面の異なる組成は、有益な効果を生む役割を行いうる。耐荷重性の方法において、非‐浸炭ＣｏＣｒ表面に接触するプラズマ浸炭ＣｏＣｒ表面は、他の非‐プラズマ浸炭ＣｏＣｒ表面に対する非‐プラズマ浸炭ＣｏＣｒ表面及びまた他のプラズマ浸炭ＣｏＣｒ表面に対するプラズマ浸炭ＣｏＣｒ表面と比較し、優れた磨耗特性を示すことが観察されている。

図１は、股関節シミュレーターにおいて試験された鋳放し（ａｓ‐ｃａｓｔ）及びプラズマ浸炭ＣｏＣｒ金属‐オン‐金属対のリニア（ｌｉｎｅａｒ）磨耗を示す。鋳放し金属‐オン‐金属対に対する鋳放し間接のリニア磨耗は、５０万サイクルの終了時点で７マイクロメートルであった。これは、１００万サイクルの終了時点で１０マイクロメートルにまで増加する。それから、これは、定常状態に達し、１０マイクロメートルに安定する。例えば浸炭方法を使用し、合わせ対の一方のみが選択的に硬化された場合、この磨耗速度は、十分に低下させることが可能であることを、本発明者は発見した。図２に示すように、大腿骨頭が浸炭され及び寛骨臼シェルが浸炭されない場合、リニア磨耗は、約３ミクロンであり、２．５Ｍｃｙｃｌｅに至るまで５ミクロンに安定する。従って、結果として、リニア磨耗を約５０％減らす。図１に示すように、両方の対が選択的に硬化された場合、この磨耗は、これらが硬化されなかった場合よりも実際に多くなることを、本発明者は発見した。これは、１００万サイクルの終了時点で２３マイクロメートルに増加し、２５０万サイクルの終了時点で約３５マイクロメートルに達する。対のうち１つの部品を選択的に硬化させることによる、合わせ対の磨耗の減少は、本発明の特定の実施例である。対のうち１つを窒化した場合に同様な結果が得られることを当業者は理解しうる。

本発明の実施形態において、浸炭された基板合金は、鋳放しされることが可能である。図２は、鋳放し部品の浸炭層の金属組織イメージを示す。浸炭層は、約８マイクロメートルの厚さである。本発明の好ましい実施形態として、浸炭部品は、非‐浸炭部品と対になる。非‐浸炭部品は、鋳放しとすることが可能であり、鍛錬バーストックから機械加工される。あるいは、鍛造部品から形成されることが可能である。本発明の特定の実施形態は、合わせる部品の表面硬度／組成特性の違いによる利点を有することに注意すべきである。

あるいは、浸炭された基板合金は、鍛錬バーストックから機械加工される、又は鍛造である。次に、浸炭部品は、非‐浸炭部品と対になる。非‐浸炭部品は、鋳放しとすることが可能であり、鍛錬バーストックから機械加工される。あるいは、鍛造部品から形成されることが可能である。

本発明の実施形態において、浸炭層の厚さは、１から２５マイクロメートルである。図２に示すように、鋳放し部品において、浸炭層は、炭化物基板を含んでよい。鍛錬部品において、浸炭層は、基板合金のプレ浸炭熱処理に基づく微細炭化物を含んでも又は含まなくてもよい。本発明の１つの側面において、浸炭層は、基板合金の約１．２倍の硬さである。

図１の例は、未処理（鋳放し）ＣｏＣｒ表面に対しプラズマ浸炭ＣｏＣｒ表面を使用することにより実現される磨耗性能の予想外の改善を示すが、本発明はそれに制限されるものではない。理論に制約されることを望まないが、この改善は、プラズマ浸炭ＣｏＣｒ表面と未処理（鋳放し）ＣｏＣｒ表面の間における硬度の相違に基づいていると思われる。従って、結合する表面への異なる処理の使用は、いずれのハード‐オン‐ハード対における磨耗性能の改善を生じると思われる。例えば、プラズマ窒化ＣｏＣｒ表面に対して結合するプラズマ浸炭ＣｏＣｒ表面を有する医療用インプラントもまた本発明の範囲に含まれる。２つの異なる拡散種が使用されたならば、結合する表面に異なる硬度が生じうる。他のプラズマ硬化表面（異なる種を用いて硬化された）に対するプラズマ硬化の他の組み合わせもまた、本発明の範囲に含まれる。例えば、プラズマ窒化ＣｏＣｒに対しプラズマ酸化ＣｏＣｒ等を使用してよい。プラズマ硬化に対しては、プラズマ浸炭、プラズマ窒化、及びプラズマ酸化のいずれも有用である。それぞれが、プラズマ硬化表面（他の拡散硬化種の１つを用いて硬化された）に対し使用されることが可能であり、又はあるいは、これらは、未処理ＣｏＣｒ表面に対し使用されることも可能である。最終的に、プラズマ浸炭表面、プラズマ窒化表面、又はプラズマ酸化表面のいずれか１つが、従来の拡散硬化技術を用いて硬化された表面に対し使用されてもよい。この１つの例は、Ｄａｖｉｄｓｏｎ型の拡散硬化表面に対し使用されるプラズマ浸炭表面、プラズマ窒化表面、又はプラズマ酸化表面のいずれかとなり得る。

本発明のある実施形態において、拡散硬化層は、セラミックコーティングの堆積用のプレ処理表面として使用される。これらの実施形態（セラミックコーティングを堆積させる）と、いずれの拡散硬化方法（従来の拡散硬化方法及びプラズマ硬化の両方）の間に形成することが可能であるインサイチュ（ｉｎ‐ｓｉｔｕ）セラミックコーティングとは、こ異なる結果を出すということが重要である。セラミックコーティングは、酸化物、窒化物、炭化物、又はホウ化物であることが可能である。このようなコーティングの例には、アルミニウム酸化物、アルミニウム窒化物、炭化クロム、窒化クロム、炭化チタン、窒化チタン及びチタン炭窒化物が含まれる。このようなコーティングは、制限するものではないが、物理的気相成長法（ＰＶＤ）又は化学気相蒸着（ＣＶＤ）のような、当技術分野において知られている方法によって堆積されることが可能である。次に、医療用インプラント内において、セラミックコーティングされた部品は、拡散硬化又は非拡散硬化部品と結合される。あるいは、この硬いセラミックコーティングは、拡散硬化部品と結合される非拡散硬化部品上において実行される。

本発明の他の実施形態において、拡散硬化部品は、非拡散硬化部品と結合するダイヤモンド又はダイヤモンド状炭素のコーティング（例えば、ナノ結晶のダイヤモンド）用の表面として使用される。あるいは、拡散硬化部品は、拡散硬化部品と結合するダイヤモンド又はダイヤモンド状炭素のコーティングを用いてコーティングされる。同様に、これらの実施形態のコーティングは、従来の拡散硬化方法又はプラズマ硬化方法において形成するセラミックコーティングとは異なり、インサイチュで形成されず、あらかじめ形成された拡散硬化金属表面上にむしろ堆積され又は配置される。

本発明の実施形態において、抗菌性の表面が、浸炭表面上に形成される。これは、浸炭層に銀イオンを浸透させることによって得られる。銀イオンは、イオン注入を用い、又は拡散方法を使用することによって、浸透させることが可能である。次に、浸炭部品に浸透された銀は、非浸炭又はセラミックコーティング浸炭部品と結合する。

また、本発明は、ＣｏＣｒ人工装具デバイスの連接表面上において、低摩擦、耐磨耗性表面を提供する。このような連接表面の説明のための例を、股関節及び膝の人工装具デバイスを図解する図３‐６の概略図に示す。図３‐６は、単に説明のための例を表すのもであって、本発明は、広く様々な人工装具インプラントに適用できると理解されるべきである。他の例には、肩インプラント、肘インプラント、指インプラント、脊椎インプラント、及び顎関節インプラントが含まれる。

標準的な股関節アセンブリを、インサイチュの場合を図３に及びエクスサイチュ（ｅｘ‐ｓｉｔｕ）の場合を図４に示す。図３及び図４に示すように、股関節ステム２を大腿内にはめ込み、一方、人工装具の大腿骨頭６を、同様に、骨盤に取り付けられる寛骨臼カップ１０の内部表面８内にはめ込み及び連接する。多孔質コーティング内への周囲組織の内方成長によるインプラントの安定化を可能にするために、多孔質金属ベッド又はワイヤーメッシュコーティング１２が、組み込まれてもよい。大腿骨頭６は、股関節ステム２の一体部分であり、又は股関節人工装具のネック４の端部における円錐のテーパー上に取り付けられた分離部品であってよい。股関節インプラントの本実施形態において、大腿骨頭は、寛骨臼カップの内部表面に対して連接し、その結果、長期間にわたり磨耗を生じ、人工装具の交換を余儀なくさせうる。この内部表面は、寛骨臼カップ内にはめ込まれるライナー形状とすることが可能であり、又は、寛骨臼部品の一体部分とすることも可能である。本発明の好ましい実施形態において、大腿骨頭６及び寛骨臼カップ１０はどちらも、ＣｏＣｒ合金から形成されるが、大腿骨頭６又は寛骨臼カップ１０の内部表面８のいずれか１つの表面のみが、拡散硬化される。他のＣｏＣｒ表面（非拡散硬化）に対し連接するＣｏＣｒ表面（非拡散硬化）、又は他の拡散硬化ＣｏＣｒ表面に対し連接する拡散硬化ＣｏＣｒ表面と比較し、この連接対は、予想外に低い磨耗速度を示す。他の実施形態において、連接表面はどちらも拡散硬化されており、表面の１つは、他の表面と共通でない拡散種を用いて拡散硬化されているという条件を備えている。例えば、浸炭表面に対し連接する炭窒化表面でよい。好ましい実施形態において、拡散硬化は、プラズマ硬化、好ましくはプラズマ浸炭によって得られるが、従来の拡散硬化及びプラズマ硬化と拡散硬化の組み合わせが適用できる。当技術分野において知られている他の拡散硬化技術もまた適用でき、プラズマ硬化及び拡散硬化の、それぞれ単体または組み合わせのどちらも適用できる。図３及び４の実施形態は、完全股関節形成術を図解する。しかしながら、本発明は、完全股関節形成術だけでなく、制限するものではないが、“Ｂｉｒｍｉｎｇｈａｍ Ｈｉｐ Ｒｅｓｕｒｆａｃｉｎｇ”として商業的に知られているような表面置換関節形成術に適用可能であると理解されるべきである。表面置換関節形成術は、完全股関節インプラントの大きな大腿骨ステムを除去することにより、骨を保護する。

標準的な膝関節人工装具を、インサイチュの場合を図５に及びエクスサイチュの場合を図６に示す。膝関節は、大腿骨部品２０及び脛骨部品３０を含む。大腿骨部品は、大腿骨部品の連接表面を提供する顆部２２、及び大腿に対し大腿骨部品を取り付けるための杭２４を含む。脛骨部品３０は、脛骨上に脛骨基板を取り付けるための杭３４を備えた脛骨ベース３２を含む。脛骨プラットホーム３６は、脛骨ベース３２の上に取り付けられ、顆部２２の形状と同様な溝部３８を備えて供給される。これらの溝部内において、顆部が、脛骨プラットホームに対して連接するように、顆部の底表面２６は、脛骨プラットホームの溝部３８と接触する。股関節の場合、膝の脛骨若しくは大腿骨部品のいずれか、又は両方に対して、多孔質ベッド又はワイヤーメッシュコーティングが適応されることも可能である。本発明の好ましい実施形態において、大腿骨部品２０及び脛骨部品３０はどちらも、ＣｏＣｒ合金から形成されるが、大腿骨部品２０及び脛骨部品３０のいずれか１つのみが、拡散硬化される。この場合も先と同様に、他のＣｏＣｒ表面（非拡散硬化）に対し連接するＣｏＣｒ表面（非拡散硬化）、又は他の拡散硬化ＣｏＣｒ表面に対し連接する拡散硬化ＣｏＣｒ表面と比較し、この連接対は、予想外に低い磨耗速度を示しうる。他の実施形態において、連接表面はどちらも拡散硬化されており、表面の１つは、他の表面と共通でない拡散種を用いて拡散硬化されているという条件を備えている。例えば、浸炭表面に対し連接する炭窒化表面でよい。好ましい実施形態において、拡散硬化は、プラズマ硬化、好ましくはプラズマ浸炭によって得られるが、従来の拡散硬化及びプラズマ硬化と拡散硬化の組み合わせが適用できる。当技術分野において知られている他の拡散硬化技術もまた適用でき、プラズマ硬化及び拡散硬化の、それぞれ単体または組み合わせのどちらも適用できる。

本発明のインプラント及び方法における好ましい基板はＣｏＣｒであるが、いずれの金属又は金属合金基板の使用も本発明の範囲に含まれると理解されるべきである。医療用インプラントの応用に対して、このような金属又は金属合金は、好ましくは生体適合性である。広くは、本発明の範囲は、金属又は金属合金の接触表面を有するインプラントにまで及び、これにおいて、この表面の１つは、拡散硬化されており、他の接触表面は、拡散硬化されていないか又は反対の接触表面に使用されない拡散硬化種を用いて拡散硬化されているかのいずれかである。

本発明の金属対の優れた磨耗特性のため、これは、医療用インプラントの領域外にも応用される。例えば、互いに支えあう金属部品のいずれの応用にも適用できる。制限するものではない例には、自動車及び航空宇宙産業におけるパーツ及び部品（一般的に、及びデバイス）が含まれる。他の商業及び産業部品もまた、本発明に適用可能であり、これに含まれる。対を改善することにより、他の軸受用途にも、改善された対が有効である。磨耗の影響を受けやすい金属ベースの対を含む限り、他の応用も本発明に含まれるものであると当業者に対し明らかにすべきである。

本発明及びその利点を詳細に記述したが、添付の特許請求の範囲によって定義されるように本発明の精神及び範囲から外れることなく、様々な変更、置換及び交代が本発明においてなされることが可能である。さらに、本願の範囲は、明細書に記載したプロセス、機械、製造、物質の組成、手段、方法、及び段階による特定の実施形態に制限されることを意図しない。本願明細書に記載した実施形態に対応するものと実質的に同じ機能を行う又は実質的に同じ結果を達成する現在存在する又は後に開発されるプロセス、機械、製造、物質の組成、手段、方法、又は段階は、本発明に従い使用されうるということを当業者は、本発明の開示から容易に理解しうる。従って、添付の特許請求の範囲は、このようなプロセス、機械、製造物、物質の組成、手段、方法又は段階を範囲に含むことを意図する。

股関節シミュレーターにおいて試験された、鋳放し及びプラズマ浸炭金属‐オン‐金属対のリニア磨耗を示す。 鋳放しＣｏＣｒ合金サンプル上の浸炭層の金属組織イメージを示す。 インサイチュにおける、股関節プロテーゼを描いた概略図である。 エクスサイチュにおける、標準的な股関節プロテーゼを示した概略図である。 インサイチュにおける、標準的な膝関節プロテーゼを描いた概略図である。 エクスサイチュにおける、膝関節プロテーゼを示した概略図である。

符号の説明

２ 股関節ステム
４ ネック
６ 大腿骨頭
８ 内部表面
１０ 寛骨臼カップ
１２ 多孔質金属ベッド又はワイヤーメッシュコーティング
２０ 大腿骨部品
２２ 顆部
２４ 杭
２６ 底表面
３０ 脛骨部品
３２ 脛骨ベース
３４ 杭
３６ 脛骨プラットホーム
３８ 溝部

Claims (38)

1. 第一接触表面を有する第一部分と、
   第二接触表面を有する第二部分と、
   を含むデバイスであって、
   前記第一部分及び前記第二部分は、金属又は金属合金から形成され、
   前記第一及び第二接触表面は互いに接触し、
   前記第一及び第二接触表面の両方が、拡散硬化金属表面を含み、前記第一接触表面は、少なくとも一つの第一拡散硬化種を用いて拡散硬化され、及び、前記第二接触表面は、少なくとも一つの第二拡散硬化種を用いて拡散硬化され、及び、前記第一拡散硬化種は、前記第二拡散硬化種と異なり、
   前記拡散硬化種は、炭素、窒素、酸素、ホウ素、及びこれらのいずれかの組み合わせから構成される群から選択されるデバイス。
2. 前記デバイスは、医療用インプラントである請求項１に記載のデバイス。
3. 前記第一部分を含む前記金属又は金属合金は、前記第二部分を含む前記金属又は金属合金とは異なる請求項１又は２に記載のデバイス。
4. 前記金属又は金属合金は、ＣｏＣｒである請求項１又は２に記載のデバイス。
5. 前記接触表面の一方又は両方は、プラズマ硬化表面を含む請求項１又は２に記載のデバイス。
6. 前記プラズマ硬化表面は、プラズマ浸炭表面、プラズマ窒化表面、プラズマ酸化表面、プラズマホウ化表面、及びこれらのいずれかの組み合わせから構成される群から選択される請求項５に記載のデバイス。
7. 前記医療用インプラントは、股関節インプラントである請求項２に記載のデバイス。
8. 前記第一部分及び第二部分の一方は、大腿骨頭を含む大腿骨部品であり、及び前記大腿骨頭は、接触表面を含み、
   及び前記第一部分及び第二部分の他方は、寛骨臼部品であり、前記寛骨臼部品は、内部表面を含み、前記内部表面は、接触表面を含む請求項７に記載のデバイス。
9. 前記接触表面の一方又は両方は、プラズマ硬化表面を含む請求項８に記載のデバイス。
10. 前記プラズマ硬化表面は、プラズマ浸炭表面、プラズマ窒化表面、プラズマ酸化表面、プラズマホウ化表面、及びこれらのいずれかの組み合わせから構成される群から選択される請求項９に記載のデバイス。
11. 前記医療用インプラントは、膝インプラントである請求項２に記載のデバイス。
12. 前記第一部分及び第二部分の一方は、少なくとも一つの顆部を含む大腿骨部品であり、前記少なくとも一つの顆部は、接触表面を含み、
    及び前記第一部分及び第二部分の他方は、脛骨部品であり、前記脛骨部品は、接触表面を含む請求項１１に記載のデバイス。
13. 前記接触表面の一方又は両方は、プラズマ硬化表面を含む請求項１２に記載のデバイス。
14. 前記プラズマ硬化表面は、プラズマ浸炭表面、プラズマ窒化表面、プラズマ酸化表面、プラズマホウ化表面、及びこれらのいずれかの組み合わせから構成される群から選択される請求項１３に記載のデバイス。
15. 前記医療用インプラントは、肩インプラント、肘インプラント、指インプラント、脊椎インプラント、及び顎関節インプラントから構成される群から選択される請求項２に記載のデバイス。
16. 前記第一接触表面及び前記第二接触表面は、互いに連接する請求項１又は２に記載のデバイス。
17. 前記第一及び第二接触表面の一方又は両方の上に堆積セラミックコーティングをさらに含む請求項１又は２に記載のデバイス。
18. 前記堆積セラミックコーティングは、セラミック酸化物、セラミック窒化物、セラミック炭化物、セラミックホウ化物、及びこれらのいずれかの組み合わせから構成される群から選択される請求項１７に記載のデバイス。
19. 前記第一及び第二接触表面の一方又は両方の上にダイヤモンド又はダイヤモンド状炭素コーティングをさらに含む請求項１又は２に記載のデバイス。
20. 前記第一及び第二接触表面の両方は、拡散硬化金属表面を含み、
    及び前記第一接触表面は、拡散浸炭され及び拡散酸化され、
    及び前記第二接触表面は、拡散浸炭された請求項１又は２に記載のデバイス。
21. 前記第一接触表面に対する前記拡散硬化種は、炭素、窒素、ホウ素、及びこれらのいずれかの組み合わせから構成される群から選択され、及び
    前記第二接触表面に対する前記拡散硬化種は、炭素、窒素、酸素、ホウ素、及びこれらのいずれかの組み合わせから構成される群から選択され、
    前記接触表面の一方は、拡散硬化種として前記他方の接触表面には存在しない拡散硬化種を用いて拡散硬化されるという条件が与えられている請求項１又は２に記載のデバイス。
22. 前記拡散硬化種は、炭素、窒素、酸素、及びこれらのいずれかの組み合わせから構成される群から選択される請求項１又は２に記載のデバイス。
23. 前記デバイスは、自動車又は航空宇宙デバイスである請求項１に記載のデバイス。
24. 金属又は金属合金からデバイスを形成する段階であって、前記デバイスは、第一接触表面を有する第一部分及び第二接触表面を有する第二部分を含み、前記第一及び第二接触表面は、互いに接触する、デバイスを形成する段階と、
    拡散硬化によって、前記デバイス上に拡散硬化金属表面を形成する段階であって、前記拡散硬化段階は、炭素、窒素、酸素、ホウ素、及びこれらのいずれかの組み合わせから構成される群から選択された拡散硬化種を用いて実行され、前記拡散硬化段階は、
    前記第一及び第二接触表面の両方の上に拡散硬化金属表面を形成するための拡散硬化段階であって、前記第一接触表面は、少なくとも一つの第一拡散硬化種を用いて拡散硬化され、及び前記第二接触表面は、少なくとも一つの第二拡散硬化種を用いて拡散硬化され、及び前記第一拡散硬化種は、前記第二拡散硬化種と異なる拡散硬化段階；
    に従って実行される拡散硬化段階とを
    含むデバイスの製造方法。
25. 前記デバイスを形成する段階は、医療用インプラントを形成することを含む請求項２４に記載のデバイスの製造方法。
26. 金属又は金属合金から、前記第一部分及び第二部分を含む前記デバイスを形成する段階は、異なる金属又は金属合金から前記第一部分及び前記第二部分を形成することを含む請求項２４又は２５に記載のデバイスの製造方法。
27. 前記金属又は金属合金は、ＣｏＣｒである請求項２４又は２５に記載のデバイスの製造方法。
28. 前記拡散硬化段階は、プラズマ硬化を含む請求項２４又は２５に記載のデバイスの製造方法。
29. 前記医療用インプラントの形成段階は、股関節インプラントを形成することを含む請求項２５に記載のデバイスの製造方法。
30. 前記第一部分及び前記第二部分の一方は、寛骨臼部品であり、及び前記第一部分及び前記第二部分の他方は、大腿骨部品である請求項２９に記載のデバイスの製造方法。
31. 前記形成段階は、膝インプラントを形成することを含む請求項２５に記載のデバイスの製造方法。
32. 前記第一部分及び前記第二部分の一方は、脛骨部品であり、及び前記第一部分及び前記第二部分の他方は、大腿骨部品である請求項３１に記載のデバイスの製造方法。
33. 前記医療用インプラントの形成段階は、肩インプラント、肘インプラント、指インプラント、脊椎インプラント、及び顎関節インプラントから構成される群から選択された医療用インプラントを形成することを含む請求項２５に記載のデバイスの製造方法。
34. 前記第一及び第二接触表面の一方又は両方の上にセラミックコーティングを堆積する段階をさらに含む請求項２４又は２５に記載のデバイスの製造方法。
35. 前記第一及び第二接触表面の一方又は両方の上にダイヤモンド又はダイヤモンド状炭素コーティングを堆積する段階をさらに含む請求項２４又は２５に記載のデバイスの製造方法。
36. 前記第一及び第二接触表面の両方の上に拡散硬化金属表面を形成するための前記拡散硬化段階は、前記第一接触表面上に拡散浸炭及び拡散酸化表面を形成すること、及び前記第二接触表面上に拡散浸炭表面を形成することを含む請求項２４又は２５に記載のデバイスの製造方法。
37. 前記第一接触表面のための前記拡散硬化段階は、炭素、窒素、ホウ素、及びこれらのいずれかの組み合わせから構成される群から選択された拡散硬化種を用いて実行され、及び
    前記第二接触表面に対する前記拡散硬化段階は、炭素、窒素、酸素、ホウ素、及びこれらのいずれかの組み合わせから構成される群から選択された拡散硬化種を用いて実行され、
    前記接触表面の一方は、拡散硬化種として前記他方の接触表面には存在しない拡散硬化種を用いて拡散硬化されるという条件が与えられている、
    請求項２４又は２５に記載のデバイスの製造方法。
38. 拡散硬化金属表面を形成するための前記拡散硬化段階は、炭素、窒素、酸素、及びこれらのいずれかの組み合わせから構成される群から選択された拡散硬化種を用いて実行される請求項２４又は２５に記載のデバイスの製造方法。