JP5255640B2 - 内部人工器官構成物 - Google Patents

Description

本発明は、内部人工器官構成物(endoprosthesis component)の形状を予め規定する本体を備えた内部人工器官の構成に関する。埋め込まれた状態にある内部人工器官構成物がヒト組織と接触する面部では、前記本体は外層で被覆されている。この外層は超硬合金(refractory metal)を基にする窒化物、オキシ窒化物または酸化物を備え、更に、外層は銀および/または銅を含有する。本発明は更に、そのような内部人工器官構成物の生産方法に関する。

人の骨格の一部と置き換えるように使用される内部人工器官の構成は、多くの要件を満たさなければならない。骨格内で生じる力を吸収できることを保証するため、内部人工器官の構成は十分に安定しなければならない。更に、埋め込まれた状態で、骨質を含む人体の組織と接触する内部人工器官構成物のこれら要素は、優れた生体適合性を有しなければならない。

ヒト組織と接触するように設計されている内部人工器官構成物の面部が、例えば超硬合金を基とする窒化物、オキシ窒化物または酸化物など硬質材料からなる層により被覆されることは公知である。この種の硬質材料塗装膜は、優れた力学的性質と良好な生体適合性を合わせて有する。

しかし、時には、人体によるそのような内部人工器官構成物の受け入れに関係する問題が生じる。例えば、微生物が内部人工器官構成物の表面に付着すると、これにより人体内への内部人工器官構成物の受け入れを妨げる。内部人工器官構成物の表面上の微生物のリスクが大きくなればなるほど、本体内に内部人工器官構成物を埋め込むのに必要とされる治療がより侵襲的となり、内部人工器官構成物が人体のヒト組織と接触する表面領域がより大きくなる。侵襲的治療法が必要とされ、また内部人工器官が大きな表面領域にわたってヒト組織と接触するようになる手術は、例えば頭部/軸の補綴軸(head/shaft prosthesis shaft)、または大腿骨が人工器官により完全に置き換えられる手術である。

国際特許第03/094,774号により、金属または金属合金からなる埋設物の表面が酸化すること、およびその結果として生じる硬質材料層に銀粒子を設けて抗菌作用を得ることは公知である。硬質材料層が周辺ヒト組織と非常にゆっくりと反応するため、銀粒子は長時間にわたり硬質材料層から放出される。この種の硬質材料塗布膜は従って、良好に長期的に作用する。しかし、埋設物が組み込まれた直後は、多数の微生物が埋設物の周囲に存在する。硬質材料層により放出された多数の銀粒子は非常に小さく、多数の微生物に対して効果的であると言えない。

本発明の目的は、最初に述べた型の内部人工器官構成物と、このような内部人工器官構成物の生産方法を利用可能にし、人体内に内部人工器官構成物を受け入れる機会が微生物により阻害されることをより少なくすることである。この目的は従属項の特徴により達成される。有利な実施形態は、独立項の中で説明されている。本発明に係る内部人工器官構成物は、中間層が外層と人体との間に設けられ、中間層の一部が外部から接近可能である。

若干の用語を最初に説明する。

内部人工器官構成物の形状を予め規定する本体は、少なくとも内部人工器官構成物の表面がヒト組織と接触するように設計される領域において、また追加として表面に適用される塗装膜に関し、内部人工器官構成物の形状と異なる。

内部人工器官構成物の表面全体を、ヒト組織と結合するように設計することは一般的ではない。代わりに、内部人工器官構成物はその表面に例えば、更なる内部人工器官構成物と相互作用するように、また例えば接続を形成するように設計された領域を備えてもよい。本発明の状況では、ヒト組織と接触するように設計された表面全体が外層または中間層により被覆される必要がない。代わりに、これら領域の面部が外層および/または中間層により被覆されるのであれば十分である。

外層は周囲と直接、接触する層として理解される。従って、外層は更なる層により被覆されない。外層は全表面を覆う必要がない；つまり、途切れてもよく、島状にのみ適用されてもよい。

中間層は表面の少なくとも一部が外層で被覆されている。外層が適用されない、または外層が途切れた領域では、中間層自体が周囲と直接に接触する。これにより、中間層は部分的に外部から接近可能である。内部人工器官構成物の表面上は、中間層に外部から接近可能な領域が中間層に外部から接近不能な領域と互い違いにある。中間層は内部人工器官構成物が形成される素材よりも種々の素材からなる。

ヒト組織の語は、広く理解すべきである。それは、内部人工器官が接触するであろう人体の全ての要素、例えば骨をも包含する。

超硬合金は第４、第５および第６の側基(side group)からなる高い融点を有するベースメタルである。これらは、第４側基からなるチタン、ジルコニウムおよびハフニウムを、第５側基からなるバナジウム、ニオビウムおよびタンタラムを、第６側基からなるクロミウム、モリブデンおよびタングステンを含有する。特に内部人工器官構成物の塗装に適する超硬合金は、チタン、ジルコニウム、ニオビウムおよびタンタラムである。超硬合金を基とする窒化物、オキシ窒化物または酸化物は、超硬合金のイオンが反応性ガスとして酸素および/または窒素と共に発生する化合物と理解される。これら化合物は高硬度により識別される；従って、これにより得られる層はまた、硬質材料層として引用される。

外層は追加的に銀および/または銅を含有するのであれば、窒化物、オキシ窒化物または酸化物の組合せは超硬合金のイオンと反応性ガスのみならず、銀および/または銅イオンをも含有する。銀および/または銅イオンは得られる塗装膜と一体になっている。外層は含有された銀および/または銅を通じて、長期間にわたる抗菌作用を有する。抗菌作用には、硬度や高い耐摩耗性など優れた力学的性質が組合わされる。

外層と人体の間に部分的に外部から接近可能である中間層を設けることにより、内部人工器官構成物の表面は硬質材料塗装膜の長期間にわたる抗菌作用だけでなく、他の効果を奏することも可能である。このように例えば、中間層は短期間に大量の抗菌物質を放出するように設計されてもよい。大量放出は手術直後の感染に対して作用する。

内部人工器官構成物の形状を予め規定する本体は、金属または金属合金から構成されてもよい。特に適する金属は、チタンおよびチタン合金である。外層の語はまた、複数の適用例が実施される中で生み出された層を包含する。複数の適用例が実施される中での層の適用例は、特に一の適用例が実施される中で生み出された層がまた薄くなる場合において、考慮される。

中間層は銀、銅および/または金からなる層であってもよい。中間層は全面を被覆することが好ましい。中間層は、ヒト組織と接触するとき外層の硬質材料よりも非常に早く腐食する。よって、大量の抗菌粒子が放出される。

中間層が外部から接近可能な領域において、外層は途切れている。この途切れ部はほんの数μｍの直径を有してもよく、またはより大きくてもよい。微小の途切れ部がほんの数μｍの最小直径を有する場合には、これは多孔質の外層として言及される。ｍｍ範囲での直径を有する微小な途切れ部は例えば、外部からより大きな表面領域を超えて中間層への接近を可能にする。特に、外層は前記途切れ部が少なくとも表面の２０％、好ましくは少なくとも４０％、より好ましくは少なくとも６０％の割合を占めるように設計されてもよい。

抗菌作用は、外層が明確な先端部を有する微細構造またはナノ構造を備えるのであれば強化される。表面構造の明確な先端部は、表面が１つの端部から始まって全方向に、表面方向に対して４５°以上の角度を付けて落ち込む構造として理解される。滑らかな表面と比較して導電性先端部は周囲に強い電界を発生させ、その電界は微生物に悪影響を与える。

本発明は更に、そのような内部人工器官構成物を生産する方法に関する。内部人工器官構成物を生産するため、内部人工器官構成物の形状を予め規定する本体が最初に形成し準備される。ヒト組織と接触するように意図された本体の面部には、この時点では未だ外層で被覆されていないがしかし、簡素化のため中間層として言及する塗装膜が設けられる。特別な要件は、中間層の表面構造に求められない。従って、表面は滑らかで、マクロ構造で、微細構造またはナノ構造である。

更に、目標物が準備され、この目標物から塗装膜を形成する素材が遅れて放出される。単一の目標物を利用可能にすることが可能であり、この目標物は超硬合金と、銀および/または銅の両方を備えている。しかし、複数の目標物を利用可能にすることもでき、この場合には、第１の目標物は超硬合金を有し、第２の目標物が銀および/または銅を有する。

超硬合金のイオンと銀および/または銅のイオンは１以上の目標物から放出される。イオンを放出するため例えば、電気アークが電極と目標物との間で生じ、この電気アークが多くのエネルギーを目標物に供給しイオンを放出する。十分なエネルギーを局所的に目標物に供給する他の可能な方法は、目標物にレーザ光線を照射することによりなされる。代案として、高価なものではあるがエネルギーを電子線により供給してもよい。

自由イオンは反応性ガスと共に、中間層で被覆された本体の面部に向かって導かれ、これにより、外層が形成され、外層を通して前記中間層に接近可能となる。このため、電圧は目標物と本体との間に印加され、本体の方向にイオンを加速する。目標物と本体を備えた反応槽は反応性ガス、例えば酸素または窒素、もしくは酸素と窒素の混合気を含有する。超硬合金のイオンと銀および/または銅のイオンは反応性ガスと反応し、全部で３つの物質を含有する微粒子が形成される。ある実施形態では、ＴｉＡｇＮ微粒子が形成される。本発明に係る外層は、本体表面上で発生する反応の結果により生じる。前記反応は真空下で、好ましくは高真空下で生じる。この種の方法は、プラズマ被覆方法として言及される。本体の表面が事前にサイドブラストにより処理されるのであれば、適用層の改良された保持力を達成することができる。

外層が、中間層が接近可能に維持されるように形成されるのを確保することができる複数の選択肢がある。例えば、微小の途切れ部を有する多孔質の外層は、単一の目標物または複数の目標物に多くのエネルギーを供給することにより生成することができ、イオンだけではなく２０μｍを超える最大直径の破片が目標物から放出される。この破片は全方向に自由に移動し、外層が形成する本体の表面上に衝突する。破片が衝突する位置では、外層を形成している一片がたたき出される。多孔質の外層は、孔を貫通して接近可能な中間層を形成する。

中間層への接近性を確保する他の可能な方法は、温度安定素材からなるマスクを使用し、被覆されるべき本体の面部を被覆する。前記マスクは表面の一部を被覆し、他の部分を開放する。マスクは例えば、メッシュ状のもの、または格子状の形状を有してもよい。外層はこのとき、マスクにより開放されたままの場所で島のように形成される。温度安定素材が除去された後、中間層はマスク形状に従って接近可能である。プラズマ被覆方法の中で生じる状況に耐えるときに、素材は温度が安定していると言及される。温度安定素材は特に、金属であってもよい。

プラズマ被覆方法のパラメータが適切に選択されると、明確な先端部を備えた微細構造またはナノ構造を有する外層が得られる。

中間層が銀、銅および/または金からなる場合は、同じようにプラズマ被覆方法により適用される。代案として、電気化学析出により中間層を本体に適用することができる。

本発明は、有利な実施形態に基づく以下の例により、添付図面を参照しながら詳述する。

複数の内部人工器官構成物を備えた内部人工器官を示す。 本発明に係る内部人工器官構成物を示す。 図２を貫通する断面を拡大し詳細に示す。 本発明の他の実施形態における図３からの視点を示す。 本発明の更なる実施形態における図３からの視点を示す。 本発明のある実施形態における図２に係る内部人工器官構成物の表面を拡大し詳細に示す。

図１に示す内部人工器官は、腰から膝よりも下まで到達する人の骨格の一部を置き換えるように設計されている。球状接合頭部１０は、臼蓋窩と相互作用するように設計された関節面を形成する。球状接合頭部１０は、ねじ込み接続により内部人工器官の頭部１１に接続されている。大腿骨の軸に置き換わる内部人工器官の一部は、３つの内部人工器官構成物１２、１３、１４を備えている。内部人工器官構成物(component)１２、１３、１４は互いに連結されており、ねじ込み接続により頭部１１にも連結されている。膝部１５は軸１６への関節結合を形成し、この軸１６は内部人工器官を頸骨(tibia)に接続するように設計されている。

内部人工器官構成物１２、１３、１４は種々の長さで利用可能であるので、内部人工器官は種々の長さの大腿骨に適用することができる。図２は、内部人工器官構成物１２、１３、１４に対応する内部人工器官構成物１７を拡大図にて示す。内部人工器官構成物１７は、ネジピン１８と波線で示されるネジ穴１９とを備えている。このネジピン１８とネジ穴１９により、内部人工器官構成物１７はその両端部で例えば、内部人工器官構成物１２、１３、１４など同様の内部人工器官構成物に連結することができる。ネジピン１８、ネジ穴１９および隣接端面２０、２１はこのように、他の内部人工器官構成物と相互作用するように設計された内部人工器官構成物１７の表面領域を形成する。一方、内部人工器官構成物１７の側面２２は、埋め込まれた状態でヒト組織と接触するように設計されている。

側面２２の領域において、内部人工器官構成物１７の形状を予め規定する本体２３は中間層２４と外層２５とにより被覆されている。中間層２４は銀からなり、側面２２の領域において本体２３を完全に被覆する。中間層２４を被覆する外層２５は、チタン、窒素および銀からプラズマ被覆方法により生産される硬質材料塗装膜である。

図４に示す実施形態において、外層２５は多孔質である。中間層２４は、外層２５にある微小な途切れ部(interruption)を介して周辺組織に除菌作用を及ぼす。

図６は、拡大して示された内部人工器官構成物１７の側面２２の平面図である。中間層２４は個々の島状部においてのみ、外層２５により被覆されている。外層２５は従って、微小の途切れ部を有し、この途切れ部を介して周辺組織は中間層２４に直接接触するようになる。外層２５が中間層２４に適用される領域において、中間層２４は図３に示すように高密度となり、これにより周辺組織と中間層２４との間に直接的な接触がなくなる。

図５において、外層２５は際立つ先端部２６を備えたナノ構造を有する。導電性先端部２６を備えることにより電界が先端部２６の周りに生じ、外層２５の抗菌作用を強化する。中間層は図５の中では示されていない。

１７ 内部人工器官構成物
２２ 側面
２３ 本体
２４ 中間層
２５ 外層
２６ 先端部

Claims (12)

1. 内部人工器官構成物（１７）の形状を予め規定する本体（２３）を備えた内部人工器官構成物において、
   埋め込まれた状態の前記内部人工器官構成物がヒト組織と接触する面部（２２）上で、前記本体（２３）は、超硬合金を基とする窒化物、オキシ窒化物または酸化物からなる外層（２５）で被覆され、
   前記外層（２５）は銀および/または銅を含有し、
   中間層（２４）は前記外層（２５）および本体（２３）の間に配置され、
   前記中間層（２４）の一部が外部から接近可能であるように、前記外層（２５）が途切れ部を有することを特徴とする内部人工器官構成物。
2. 前記中間層（２４）は銀、銅および/または金からなることを特徴とする請求項１に記載の内部人工器官構成物。
3. 前記途切れ部は少なくとも２０％の表面領域の割合を占めることを特徴とする請求項１または２に記載の内部人工器官構成物。
4. 前記外層（２５）は多孔質であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の内部人工器官構成物。
5. 前記外層（２５）は、際立つ先端部（２６）を有する微細構造またはナノ構造を備えたことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の内部人工器官構成物。
6. 内部人工器官構成物の生産方法であって、
   ａ．前記内部人工器官構成物の形状を予め規定する本体（２３）を利用可能にし、ヒト組織と接触するように意図された前記本体（２３）の面部に中間層（２４）が設けられ、
   ｂ．１以上の目標物の形で超硬合金、銀および/または銅を利用可能にし、
   ｃ．前記１以上の目標物から超硬合金のイオンおよび銀および/または銅のイオンを放出し、
   ｄ．反応性ガスと共に、前記中間層（２４）で被覆された前記本体（２３）の面部（２２）にイオンを導き、外層（２５）を形成し、この外層（２５）の途切れ部を介して前記中間層（２４）に接近可能とするステップを備えたことを特徴とする内部人工器官構成物の生産方法。
7. 前記イオンは、電気アークにより前記１以上の目標物から放出されることを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 前記イオンは、レーザ光線により前記１以上の目標物から放出されることを特徴とする請求項６に記載の方法。
9. 前記イオンは、電子線により前記１以上の目標物から放出されることを特徴とする請求項６に記載の方法。
10. ステップａ）で前記本体（２３）が利用可能にされ、前記中間層（２４）が銀、金および/または銅からなることを特徴とする請求項６から８のいずれかに記載の方法。
11. ステップｃ）で、直径２０μｍ以上の破片が前記目標物から追加的に放出され、
    ステップｄ）で、前記破片が前記本体（２３）に向かって導かれることを特徴とする請求項６から９のいずれかに記載の方法。
12. ステップｄ）の前に、塗装された前記本体の面部が温度安定性素材からなるマスクで被覆されることを特徴とする請求項６から１０のいずれかに記載の方法。

Images