JP5340150B2 - 多孔質の外層を有するインプラントおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、多孔質の外層を有するインプラント、特に歯科用インプラント、およびさらにその製造方法に関する。

インプラントとは体内に埋め込まれる人工材料と理解することができ、それは、暫時のインプラントとしてではなく、一般に永久的に又は少なくとも長期間、体内に留置されるものとする。そのとき、形成外科用インプラント、医療用インプラント、および機能性インプラントに区別されることが多い。形成外科用インプラントは、形成外科で、例えば、破壊された身体部分の代わりとして、又は既存の身体部分を増大するものとしても使用される。機能性インプラントとは、一般に、とりわけ動物の監視に役立つものと理解され、例えば、その皮下に特殊なチップが埋め込まれる。医療用インプラントは、身体機能を補助する又は代替する役割を有する。それらは、機能によって、インプラントプロテーゼとも称される。歯科では、インプラントは、人工歯、ブリッジ、又は歯列のための取付固定装置として使用される。

歯科用インプラントは顎骨に嵌め込まれる異物である。それは、義歯の支持体として使用できるため、人工歯根と称することもできる。一般に、歯科用インプラントは、スクリューねじで顎骨にねじ込まれるか、又は単に差し込まれる。それらは一般に３〜６ヶ月内で周囲の骨と結合して強固で耐荷重性の非常に大きい一体化した支持体を形成する。このとき、インプラントのミクロ形態学的な表面形状が重要な役割を果たす。それは、後で骨又は組織と接触することが意図されている位置で、平均５μ〜１００μの荒さを有する。

マクロ形態学的な形状（インプラントの形状）は、特に外科的操作性に影響を及ぼし、実際に存在する取付状況の他に患者の骨の状態にも依存することが多い。

歯科用インプラントの場合、顎骨から突出する支柱の形状は、歯科技工的操作性の質に影響を及ぼす。歯科インプラントは、通常、実証されたチタン又はチタン合金、および、例えば、酸化ジルコニウムのようなセラミックス材料からなる。残念ながら、セラミックス製のインプラントはこれまでまだチタンと質的に同様に骨と結合していない。この材料に関する経験は、実際にチタンの代替物と見なされるには、まだ十分ではない。ここでもまだ待たなければならない。

骨細胞は直接チタンに付着して成長でき、一般にアレルギーが起こらないため、インプラントは、今日、ほとんど全部チタンから製造されている。それは、チタンが、特に組織親和性の高い酸化チタン層を形成するためである。骨の外側には、一般に、研磨された貴金属又は平滑なセラミックスが使用されるが、この理由は、それらは表面気孔率が小さいため、細菌汚染が起こる傾向が小さく、一般に適合性があるからである。

スクリューは術後直ぐにそれ自体で安定であるため、近年、表面が粗面化されているスクリュー型が定着している。その他に、シリンダー型、歯根型、ブレード型インプラント又はプレート型インプラントもある。これらは、特別な骨の状態のとき、スクリューよりも優れていることがある。

インプラント上に多孔質チタンコーティングを形成する方法として、現在、以下の方法が知られている。

非特許文献１に、歯科インプラントを製造するために純粋なチタン芯体の表面に直径４２０〜５００μｍの粗い球状のチタン粉末を焼結させることが記載されており、その温度は１，４００℃まで調整される。球状の粒子を表面に焼結させるとき、球の充填によって対応する全気孔率が得られると共に、粒子の幾何学的形態から特殊な気孔形状が得られる。全気孔率は、ここでは一般に４０体積％未満である。１００μｍより大きい平均気孔径はある条件でしか可能ではなく、この理由は、それに必要な粗い粉末は非常に高い焼結温度以外ではほとんど焼結できないからである。

さらに、非特許文献２に記載されているように、マイクロ波を用いて焼結することにより、１つの製造工程でチタン試料中に段階的に変化する表面気孔率と共に緻密な芯体を作り出すことができる。そのとき、外部領域では３０〜１００μｍの気孔サイズが得られ、このため最大気孔率は２７体積％になる。非特許文献２には、さらに、従来の通常のコーティング方法の欠点が指摘されている。多孔質コーティングと芯体の間の境界面の幾何学的形態のためプラズマ溶射時に一般に応力集中が起こり、それによって耐久強度が著しく低下する。さらに、コーティング時に発生する、芯体とコーティングとの安定な結合に必要な高い温度によって、微細構造が損傷し、そのため不都合な耐久強度の低下も起こる。

マクロ孔質コーティングを形成する従来の通常の方法として、インプラント芯体上にチタン粉末をプラズマ溶射することが記載されている（非特許文献３）。それによって段階的に変化する気孔率を作り出すことも可能である。そのとき、マクロ孔の直径は１５０μｍ又はそれをかろうじて越えるくらいになる。プラズマ溶射を補助として用いて、一般に、２５体積％までの全気孔率を達成することができ、プロセスパラメータを最適化したとき、最大３５体積％までの全気孔率を達成することもできる。

整形外科用インプラントを製造するための別の代替は、ＰＵフォームにチタンスラリーを注ぎ（Ｕｍｇｉｅｓｓｅｎ）、乾燥させ、スラリーからＰＵフォームとバインダーを加熱除去し、続いて焼結することによって製造される多孔質チタンを提供することである（非特許文献４）。

さらに、ズルツァー社（Ｆａ．Ｓｕｌｚｅｒ）から、造孔剤（Ｐｌａｔｚｈａｌｔｅｒ）としてポリマーを用いて気孔を作り出すスラリーコーティングが知られている。このコーティングは、ＣＳＴｉコーティング（ＣＳＴｉ＝海綿状構造チタン）の名称で知られている（非特許文献５）。このＣＳＴｉコーティングは、歯科用インプラントにも塗布され、５７体積％の平均気孔率と６９〜６６２μｍの気孔サイズを有する。

一般に、単に骨が外側の気孔に入って結合することが意図された多孔質コーティングには小さい気孔、特に１００μｍ未満の気孔で十分であると考えられている。インプラントには骨が十分に侵入しなければならない、即ち、血管も一緒に侵入しなければならないが、このようなインプラントには、通常、少なくとも３００μｍの気孔サイズが必要である。従って、肉眼で見える大きいインプラントでは、数１００μｍの範囲の気孔径が提案される。

独国特許発明第１９６ ３８ ９２７号明細書 独国特許発明第１９７ ２６ ９６１号明細書 独国特許発明第１０２ ２４ ６７１号明細書 Ｋ．アサオカ、Ｎ．クワヤマ、Ｏ．オクノ、Ｉ．ミウラ、「歯科インプラント用多孔質チタンの機械的特性および生体力学的適合性」、医用材料研究誌、１９号、６９９〜７１３頁（１９８５年）（Ｋ．Ａｓａｏｋａ， Ｎ．Ｋｕｗａｙａｍａ， Ｏ．Ｏｋｕｎｏ， Ｉ．Ｍｉｕｒａ，"Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ａｎｄ ｂｉｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｐｏｒｏｕｓ ｔｉｔａｎｉｕｍ ｆｏｒ ｄｅｎｔａｌ ｉｍｐｌａｎｔｓ"， Ｊ． ｏｆ Ｂｉｏｍｅｄ． Ｍａｔ．Ｒｅｓ．， １９， ６９９−７１３（１９８５）） Ｍ．Ｇ．カッティ、Ｓ．バドゥリ、Ｓ．Ｂ．バドゥリ、「チタン歯科用インプラント中の傾斜的表面気孔率：加工パラメータと微細構造との関係」、材料科学誌：医用材料、１５号、１４、５〜１５０頁（２００４年）（Ｍ．Ｇ．Ｋｕｔｔｙ， Ｓ．Ｂｈａｄｕｒｉ， Ｓ．Ｂ．Ｂｈａｄｕｒｉ，"Ｇｒａｄｉｅｎｔ ｓｕｒｆａｃｅ ｐｏｒｏｓｉｔｙ ｉｎ ｔｉｔａｎｉｕｍ ｄｅｎｔａｌ ｉｍｐｌａｎｔｓ： ｒｅｌａｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｎｄ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ"， Ｊ． Ｍａｔ．Ｓｃｉ．：Ｍａｔ． ｉｎ Ｍｅｄ．， １５， １４、５−１５０（２００４）） Ｙ．Ｚ．ヤン、Ｊ．Ｍ．ティエン、Ｊ．Ｔ．ティエン、Ｚ．Ｑ．チェン、Ｘ．Ｊ．デン、Ｄ．Ｈ．チャン、「プラズマ溶射によるチタンインプラント材料上の段階的に変化する多孔質チタンコーティングの調製」医用材料研究誌、５２（２）、３３３〜３３７頁（２０００年）（Ｙ．Ｚ．Ｙａｎｇ， Ｊ．Ｍ．Ｔｉａｎ， Ｊ．Ｔ．Ｔｉａｎ， Ｚ．Ｑ．Ｃｈｅｎ， Ｘ．Ｊ．Ｄｅｎｇ， Ｄ．Ｈ．Ｚｈａｎｇ，"Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｇｒａｄｅｄ ｐｏｒｏｕｓ ｔｉｔａｎｉｕｍ ｃｏａｔｉｎｇｓ ｏｎ ｔｉｔａｎｉｕｍ ｉｍｐｌａｎｔ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｂｙ ｐｌａｓｍａ ｓｐｒａｙｉｎｇ"， Ｊ． Ｂｉｏｍｅｄ． Ｍａｔ． Ｒｅｓ．， ５２（２），３３３−３３７（２０００）） Ｊ．Ｐ．リー、Ｋ．デ・グルート、「整形外科インプラント用の海綿状構造を有する多孔質チタン」、第１０回チタン世界会議会報、２００３年７月１３〜１８日、ハンブルク、１〜７（Ｊ．Ｐ．Ｌｉ， Ｋ．ｄｅ Ｇｒｏｏｔ．"Ｐｏｒｏｕｓ ｔｉｔａｎｉｕｍ ｗｉｔｈ ｒｅｔｉｃｕｌａｔｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｆｏｒ ｏｒｔｈｏｐｅｄｉｃ ｉｍｐｌａｎｔ"， Ｐｒｏｃ． １０ｔｈ Ｗｏｒｌｄ Ｃｏｎｆ． ｏｎ Ｔｉｔａｎｉｕｍ， １３−１８ Ｊｕｌｙ ２００３， Ｈａｍｂｕｒｇ， １−７） Ｂ．Ｊ．ストーリー、Ｗ．Ｒ．ワグナー、「歯科用インプラント：スクリューかシリンダーか？」、ズルツァー・テクニカル・レビュー、１、３８〜４０（１９９８年）（Ｂ．Ｊ．Ｓｔｏｒｙ， Ｗ．Ｒ．Ｗａｇｎｅｒ，"Ｚａｈｎｉｍｐｌａｎｔａｔｅ：Ｓｃｈｒａｕｂｅ ｏｄｅｒ Ｚｙｌｉｎｄｅｒ？"， Ｓｕｌｚｅｒ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｒｅｖ．， １，３８−４０（１９９８））

本発明の課題は、多孔質の表面を有するインプラントを提供することであり、それは、一方では所定の気孔率を有し、他方では高い機械的耐荷重性を有する。本発明の課題は、特にこの特性を有する歯科用インプラントを提供することである。

本発明の課題は、主請求項による特徴全体を有するインプラントによって、および副請求項による製造方法によって解決される。インプラントおよびその製造の有利な実施形態は、それぞれ関連する従属請求項に見出される。

成形後、芯体の材料が高温で熱負荷に曝されないとき、インプラントの機械的安定性が明らかに向上し得ることが分かった。このような熱負荷によって、一般に、望ましくない材料内部の結晶粒の成長や微細構造の変化が起こり、それによってインプラント全体の機械的特性の低下、特に耐久強度の低下が起こる可能性がある。

金属芯体に多孔質コーティングを塗布するために従来一般に使用されているプラズマ溶射法によって、一般に、骨の侵入を困難にする不均一な気孔分布および／又は比較的小さい気孔（＜１５０μｍ）、および、さらに芯体に不都合な前述の熱負荷が生じる。さらに、プラズマ溶射法では、一般に、５０体積％を越える高い全気孔率を達成できない。

本発明によるインプラントの製造方法は、中実のインプラント芯体と、それに適合し、多孔質のコーティングを有する鞘体が互いに別々に製造され、ようやく続いて、適した結合方法でインプラントに組み立てられることが意図されている。

中実のインプラント芯体として、従来のインプラント芯体を使用することができる。可能なインプラント芯体は、冷間加工されたチタン又は合金（例えば、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ又はＴｉ−６Ａｌ−７Ｎｂなど）からなる。インプラント芯体は、好ましくは慣用のインプラント材料を従来のように機械加工することによって製造される。

本方法の特別な形態では、中実のインプラント芯体に予め、他の構成要素の結合に役立つ穿孔および／又はねじを設ける。

鞘体自体は中実の領域の他に外側の多孔質コーティングも有する。多孔質コーティング自体は、従来のコーティング方法で中実の領域上に塗布することができる。

有利な形態では、多孔質コーティングはいわゆる造孔剤法で塗布される（特許文献１および特許文献２）。そのとき、１００〜２０００μｍの範囲の所定の気孔サイズに調整することができる。さらに、８０体積％までの気孔率が達成される。特に有利には、１００〜５００μｍの気孔サイズと６０〜６５体積％の気孔率を有するコーティングが得られることが分かった。

任意に、さらに、例えば、特許文献３に記載されているように、非焼結状態で多孔質コーティングの加工を実施することができる。このような方法では、焼結前に、多孔質コーティングは骨に圧入（Ｐｒｅｓｓ−Ｆｉｔ−Ｓｉｔｚ）されるある一定の外形、例えば、円錐形に予め形成されなければならない。この方法により多孔質コーティングの表面は、機械加工で開放気孔率が低下することなく、適切な構造に作られる。

本発明の趣旨における鞘体の製造は、例えば、中実の円形材料（Ｒｕｎｄｍａｔｅｒｉａｌ）上に金属粉末と（ＮＨ_４）ＨＣＯ_３の粉末混合物をコールドアイソスタティックプレスすることにより実施できる。本方法は、加圧成形可能な出発粉末が入手可能である限り、全ての慣用のインプラント材料に適している。造孔剤は成形体から除去され、全体が焼結される。そのとき焼結後に、しかし有利には成形体の焼結前に予めニアネットシェイプ加工を実施することができる。後者の場合、有利には、骨の侵入に必要な開放気孔率が維持される。円形材料は、対応する鞘体を作り出すために、少なくとも一方側が軸方向に穴あけされる。

次いで、特殊な結合方法で中実のインプラント芯体と鞘体を接合する。さらに、本発明の枠内で２つの代替が提案されるが、それによって、当業者が検討する本発明のインプラント芯体と鞘体を結合するための他の可能な方法が除外されるものではない。

第１の有利な形態では、中実の芯体は単に鞘体に押し込まれる。そのとき芯体の外径と鞘体の内径は、互いに対応する幾何学的形態に調整されている。押し込むとき、鞘体とインプラント芯体がぴったりと結合し、使用に十分な安定性が得られる。

前述の形態の変形では、中実の芯体はまず液体窒素中で冷却される。鞘体は空気循環炉内で空気中で最高４００℃に加熱される。熱膨張差により鞘体はインプラント芯体の芯体直径と比較して拡大している。芯体を特に容易に少なくとも鞘体の半分まで差し込むことができる。残りは機械的に押し込むことによって鞘体の中に完全に入れることができる。温度調整（鞘体を芯体に焼き嵌めすること）および押し込む時の接触面の塑性変形によって、ここでも十分な安定性に必要な鞘体とインプラント芯体とのぴったりとした結合が得られる。

別の形態では、芯体と鞘体を互いに締め付けるスクリューが反対側に嵌め込まれるため、前述の鞘体とインプラント芯体の結合はさらに向上する。ねじ込むための細穴を有する突出するインプラント芯体を機械的に後処理し、例えば、サンドブラストで粗面化することができる。それによって、特にこの領域でも細胞の接着を確実にすることができる。

インプラントの安定性に本質的に寄与する中実のインプラント芯体は、本発明の枠内の結合方法では、一般に室温より高温に加熱されないため、有利には、歯科用インプラントの中実の部分で、機械的特性、特に耐久強度の低下に繋がり得る微細構造の変化が起こることが回避される。

本発明による歯科用インプラントの製造方法の一実施形態を示す図である。 本発明による歯科用インプラントの製造方法の別の実施形態を示す図である。

以下で、２つの図面を参照して本発明の対象をより詳細に説明するが、それによって本発明の対象が制限されるものではない。

歯科用インプラントの例を用いて製造方法をより詳細に説明する。歯科用インプラントは顎骨の穿孔に嵌め込まなければならない。固定を向上させるため、インプラントを骨の中にいわゆる圧入することが意図されていてもよく、そのとき骨の穿孔の直径はインプラントの直径よりいくらか小さくなるように選択され、インプラントは幾分円錐形の形状を有する。インプラントと骨組織の固定を向上させるために、多孔質コーティングが全体に施される。それによって永久的な骨内固定が達成される。

図１および図２は、本発明による歯科用インプラントの製造方法の２つの実施形態を示す。これらは、特に、インプラント芯体と鞘体の結合方法の違いで区別される。

図１中、左から右に、鞘体の製造、およびそれとインプラント芯体との結合が示されている。コールドアイソスタティックプレス（工程Ａ）によって、金型３内で中実の円形材料１上に、粉末／造孔剤混合物からなるコーティング２ａが形成される。コーティングは、通常、円形材料の表面全体には実施されない。プレス後、成形体を有利には円形材料の上部分に締め付け、さらに加工することができる（工程Ｂ）。ここで、例えば、コーティングの上部領域で鞘体を円錐形に旋削することが示されている。ニアネットシェイプ加工に続いて、造孔剤の除去と焼結（工程Ｃ）が実施される。

工程Ｄでは、その間に形成された外側の多孔質コーティング（２ｂ）と内側の中実の領域とを有し、閉鎖端を有する（ｅｎｄｓｔａｅｎｄｉｇｅ）鞘体が得られるように、中実の円形材料の片側が中ぐり４される。工程Ｅでは、予め製造された中実のインプラント芯体５を鞘体の中に押し込む。そのとき、インプラント芯体を冷却すると共に鞘体を加熱することが有利である（焼き嵌め、圧入による接合）。図１によれば、中実のインプラント芯体５は、例えば、歯を受け入れるのに適した追加の空洞６を有する。

この実施形態は、いわゆる圧入で骨に固定するのに特に適している。さらに、鞘体の外側の幾何学的形状は一般に少なくとも略円錐形に形成されている。

図２に、本発明による製造方法の別の形態が示されている。多孔質コーティングの第１の製造プロセス工程（工程Ａ）は、まだ前述の方法と同じである。ニアネットシェイプ加工（工程Ｂ）では、一般にコーティングは、両側に中実の円形材料が現れるように、円筒状の外被に旋削される。工程Ｃでは、造孔剤の除去と成形体の焼結が実施される。図１と同様に工程Ｄでは、続いて中実の円形材料が中ぐり４されるが、ここでは貫通している。

鞘体とインプラント芯体との結合工程は第１の場合と同様に実施され、一般に中実のインプラント芯体は、既に、雌ねじ５ａを有する中実のインプラント芯体から、およびそれに適合するスクリュー５ｂからなっている。中実のインプラント芯体は、一方側にスクリューを受け入れるための雌ねじ７を有し、それを補助として用いて中実のインプラント芯体を鞘体に対して締め付ける。ここでも、中実のインプラント芯体は、例えば、歯を受け入れるのに適した追加の空洞６を有する。任意に、空洞６および７は、一方ではインプラント芯体が鞘体と一緒に締め付けられ、歯が例えば唯一の空洞又は雌ねじによって受け入れられるように貫設されていても又は同一に形成されていてもよい。

１ 中実のインプラント芯体
２ａ 粉末と造孔剤の混合物からなるコーティング
２ｂ それから形成された多孔質コーティング
３ 弾性金型
４ 鞘体内の空洞
５、５ａ 中実のインプラント芯体
５ｂ スクリュー
６ インプラントと結合する部分を受け入れるための空洞
７ スクリュー５ｂを受け入れるための雌ねじ

Claims (15)

1. 中実のインプラント芯体と多孔質コーティングを備えるインプラントの製造方法であって、
   ａ．中実のインプラント芯体を提供する工程、
   ｂ．外側の多孔質コーティングと内側の中実の領域を有する鞘体を製造する工程であって、
   −前記外側の多孔質コーティングを得るために、金属粉末と造孔剤の粉末混合物をコールドアイソスタティックプレスで、中実で円形の金属（Ｒｕｎｄｍｅｔａｌｌ）上に塗布し、
   −そのとき得られるまだ焼結されていない物体をニアネットシェイプ加工し、
   −前記造孔剤を除去し、前記物体全体を焼結し、
   −内側の非多孔質領域が残るように、前記円形材料を少なくとも部分的に中ぐりする、工程、
   ｃ．前記中実のインプラント芯体と、前記外側の多孔質コーティングおよび前記内側の中実の領域を有する前記鞘体を互いに適合するように結合させる工程、
   を含む方法。
2. 前記インプラント芯体がチタン又はチタン合金を有する、請求項１に記載の方法。
3. 造孔剤として（ＮＨ_４）ＨＣＯ_３が使用される、請求項１又は２に記載の方法。
4. 平均粒度７５μｍ未満の金属粉末が使用される、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 金属粉末としてチタン又はチタン合金が使用される、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. 円形材料としてチタン又はチタン合金が使用される、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
7. 歯科用インプラントを製造するための、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
8. 中実のインプラント芯体と鞘体との結合が、前記芯体を前記鞘体に圧入することによって実施される、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
9. 中実のインプラント芯体と鞘体との結合が、
   ａ．前記インプラント芯体を冷却する工程、
   ｂ．前記鞘体を加熱する工程、
   ｃ．前記冷却されたインプラント芯体を前記高温の鞘体に挿入する工程、
   によって実施される、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
10. 中実のインプラント芯体と鞘体との結合が、
    ａ．スクリューのための雌ねじを有する中実のインプラント芯体を、前記貫穿された鞘体の一方側から嵌め込む工程、
    ｂ．前記鞘体の他方側からスクリューを嵌め込み、前記インプラント芯体を前記鞘体に対して締め付ける工程、
    によって実施される、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
11. 請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法により製造される、多孔質コーティングを有するインプラントであって、
    中実の材料からなる中実のインプラント芯体（５、５ａ）とその周囲に配置される鞘体を備え、前記鞘体が、内側の非多孔質領域（１）の他に外側の多孔質領域（２）を有する、インプラント。
12. 前記インプラント芯体の中実の材料としてチタン又はチタン合金を有する、請求項１１に記載のインプラント。
13. 前記鞘体の内側の非多孔質領域および外側の多孔質領域の材料としてチタンを有する、請求項１１又は１２に記載のインプラント。
14. 前記鞘体の外側の多孔質領域が、６０〜８０体積％の所定の気孔率と１００〜２０００μｍの平均気孔径を有する、請求項１１〜１３のいずれか一項に記載のインプラント。
15. 前記内側の非多孔質領域の厚さが少なくとも２ｍｍである請求項１１〜１４のいずれか一項に記載のインプラント。

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