JP5894296B2 - 構造物化された表面を有する基材及びその製造方法、及びその濡れ性の決定方法 - Google Patents

Description

本発明は、構造物化された表面を有する基材及び、構造物化された表面を有する基材の製造方法及び、その基材の濡れ性の決定方法に関する。本発明による方法は、特定の基材内にユーザにより定義された表面特性を生成するために用いることが出来、埋め込み物（インプラント）が例として挙げられる。本発明の方法により、例えば歯科の埋め込み物又は内部人工器官などの埋め込み物が、顎の骨の埋め込み位置で特に良好な内殖を示ことが出来たり、先端の骨を生成させたりすることが出来る。

近年、埋め込み物の表面荒さが、埋め込み物表面の親水性や疎水性に加えて、埋め込み物の一体化の上で最も重要な部分の一つであることが徐々に判明してきている。荒さは親水性及び疎水性によって増加し得る。従来から、チタニウムのＳＬＡ（サンドブラスト酸エッチング）された表面は、滑らかに機械加工された形態よりも良好な内殖過程を示すことが知られている。ＴＰＳ（チタニウムプラズマスプレイ）された表面を有する、粗くＳＬＡされた表面は、良好な一体化治療過程を示している。

粗い表面の存在は、滑らかな表面と比較して表面領域において常に増大するように関連している。例えば、ＳＬＡ及びＴＰＳされた表面は、滑らかな表面に比して、２−２０倍大きな表面領域を有することが出来、特に動物や人間の内殖において、積極的な効果を発揮している。

荒い表面の欠点は、埋め込み物を再建する際に、除去の問題があることである。従来製造されてきた埋め込み物においては、該対象物の外方に面した表面は、一般的に不規則な構造を有しており、これが特に埋め込み物などの対象物を使用する際に、内殖挙動に悪影響をもたらし、良い影響は与えない。加えてチタニウム粒子がＴＰＳされた表面から剥がれて組織に入ってしまうことがある。

加えて、ＳＬＡ法が使用され更にＴＰＳ法も使用されて製造された埋め込み物の再生能力が、それは改良すべき必要性があるのであるが、表面特性の点において、統計的にばらつきを示すことである。従って、埋め込み物を基準化する目的で、基準化された材料に依存する方法パラメータを、最大限の正確さで監視する必要がある。

発明者の側でその表面特性に考察がなされ、微小構造で埋め込み物に任意の構造をなすことが出来ることが判明した。上述した二つのＳＬＡ及びＴＰＳ表面について、表面特性が改善されることが、リバースエンジニアリングにより発明者により判明し、改良された表面は低い潜在的なリスクで製造することができる。

また、発明者は、こうした粗い埋め込み物表面は、湿式化学法及び／又は親水性の有機分子で機能付与することで、後述するようにハイパー親水性とすることが出来ることを発見した。

しかし、そうした超親水性表面の製造には一般的に高温の酸と対応するプラズマチャンバーの使用が必要である。従来、これらの超親水性表面に関しては、発明者によりゼロ値（θ_Ｖ／θ_Ｒ＝０°／０°）での観測に基づいた、前進接触角（θ_Ｖ）と後退接触角（θ_Ｒ）の形で超純水で測定した動的接触角がある。実際には、接触角は虚数領域で有る。

本発明は、従って、望むなら、第２のより小さなマイクロ構造物及び／又はナノ構造物が重ねられた微少構造化された表面を有する基材に関するものであり、所望のハイパー親水性表面特性を有る基材の製造方法にも関する。

本発明により、この種の通常の微少構造物は、多様な方法で製造することが出来る。これらは、高エネルギー放射により粉体や対象にそれぞれ作用させる構造物構築方法と同じような構造物除去方法も含む。

細孔の大きによる構造／粗さに関する、Mayｓ（２００７）の“細孔の大きさに関する新たな分類、Studies in Surface Science and Catalysis（表面化学及び触媒の研究）、１６０，５７−６２” による情報によると、構造／粗さは以下のように分類される：
ナノ構造物：０．１−１００ｎｍ
マイクロ構造物：０．１−１００μｍ
ミリ構造物：０．１−１００ｍｍ

その観点からは、０．１−０．９９の範囲は、“サブマイクロ構造物”と呼ぶことが出来る。

本発明によると、レーザによる除去は、基材や下の層に大きなダメージを与えること無く基材から個々の層を除去するための構造物除去方法として、大いに選択的に使用することが出来る。構造物は、表面領域上又は表面領域から点又は線状に除去することが出来る。

本発明によると、以下のものは、埋め込み物のような三次元対象物の製造のための構造物構築又は層構築方法として、挙げることが出来る：ラピッドプロトタイピング、ラッピドツーリング、ラピッドマニファクチャリング、レーザ焼結、レーザマイクロ焼結及びＥＢＭである。

本発明によると、レーザマイクロ焼結は、マイクロ構造物を製造する更なる方法として使用することが出来る。その点で、高品質のセラミック粉の処理も可能となる。

方法の基礎的な必要条件は、一般的には製品の幾何学的なデータが３次元で存在することで有り、層データとして処理することが可能なことである。本発明によると、構成要素の既存のＣＡＤデータから、該データを、例えばＳＴＬフォーマットなどのデータフォーマットに変換し、素材表面を、上記した方法により所望の形で構築したり、粉体から構築された形状の素材を制作したりすることが出来る。

ラピッドプロトタイピング方法などを含む公知の装置は、三次元データモデルから幾何学的な情報を提供するために使用される、ＳＴＬインターフェース等をそれぞれ有している。

こうして発明者は、規則的／周期的に繰り返されるマイクロ構造物を有する表面を、高エネルギー放射により一つ以上のパターンが形成された素材の表面により形成することが出来る方法を開発した。該パターンはＳＴＬデータセットに変換された周期的関数により描くことが出来る。そこでは、金属粉又はセラミック粉のような微粒子材料を使用する構造物の構築方法か、構造物の除去方法が使用される。構造物の構築方法の場合、素材上に存在する粉には、高エネルギー放射が複数ステップにわたり作用され、該素材上にパターンが生成される。

本発明により、より簡単で、安価な代案として、構造物の除去方法を用いることが出来る。所望の構造物を表面材料を除去することで製造するのである。

より的確には、実施例における本発明は、突起や窪みを持った規則的なマイクロ構造物の表面を持った基材を製造する方法に関するものであり、統計的な平均として、突起間の間隔は１．０から１００μｍの範囲で有り、突起や窪みの輪郭の高さは、統計的な平均（粗さＲａ値）として、１−から８０μｍの範囲である。この方法は、以下のステップからなる。
ａ）素材上に易焼結性材料粉の混合粉、または易焼結性材料粉を用意するステップ；
ｂ）素材の表面に金属粉の層を配置するステップ；及び、
ｃ）該材料粉の層に高エネルギー放射を、ＳＴＬデータセットに変換された周期的関数から表すことの出来るパターンで作用させて、該材料粉を該素材表面の少なくとも一部上で焼結させ、該パターンの少なくとも部分的な領域を生成するステップ。
この方法では、素材は、易焼結性材料粉から焼結法により生成された固形材料又は層状の材料から製造することが出来る。

もし必要なら、素材を軸方向または水平方向に移動又は変位させて、ステップｂ）からｃ）を連続的に繰り返して、パターンの最初の部分的な領域に隣接する、該パターンの更なる部分的な領域を焼結させることが出来る。

実施例では、表面が所望のパターンで完全に覆われるまで、ステップｂ）からｃ）を連続的に繰り返す方法も含まれる。

上記したように、レーザ焼結又はＥＢＭによりパターンを構築する方法に加えて、レーザ融蝕により所望のマイクロ構造物を製造することも可能である。本発明は、マイクロ構造物を有する基材の製造方法にも関わり、該方法は、以下のステップからなる。
ａ）素材を用意するステップ；
ｂ）該素材上に少なくとも部分的に高エネルギー放射を、ＳＴＬデータセットに変換された周期的関数から表すことの出来るパターンで作用させ、該素材を、該素材の少なくとも一部の領域上に前記パターンの少なくとも部分的な領域を形成する形で融蝕させるステップ。

構築又は除去により形成された規則的にマイクロ構造物化された表面を持った、得られた素材は、ＳＴＬデータセットに変換された周期的関数及び／又はナノ構造物を生成するためのウエットケミカル処理を用いて第２の規則的なマイクロ構造物を生成する処理の対象とすることができる。

もし、必要なら、素材を軸方向及び水平方向に移動させることが出来、ｂ）を複数回繰り返し行って、基材表面が少なくとも部分的な領域で所望のマイクロ構造物のパターンを持った形にすることが出来る。

本発明は、ハイパー親水性表面が不規則に又は少なくとも部分的に規則的にマイクロ構造化された基材に関するものでもある。

素材の材料は、金属、合金、セラミック材料（例えば、酸化ジルコニウム）、ガラス及びポリマー（ＰＥＥＫ，ポリエーテルエーテルケトン）及びこれらの組み合わせのグループから選択することが出来る。

その点に関しては、素材の材料は、特に埋め込み物として使用する際は、金属、合金及びこれらとセラミック材料との組み合わせのグループから選択された材料であることが望ましい。好ましくは、使用された埋め込み物の材料は、純チタン又は金属チタン合金、クロム／ニッケル／アルミニウム／バナジウム／コバルト合金（例えば、ＴｉＡｌＶ４，ＴｉＡｌＦｅ２．５）、高品質鋼（例えば、Ｖ２Ａ、Ｖ４Ａ、クロム・ニッケル ３１６Ｌ）などの金属材料又は、ハイドロキシルアパタイト、酸化ジルコニウム、酸化アルミニウムなどの、それらとセラミック材料との組み合わせ（そこでは金属は、セラミック材料との複合材料として存在しているが）などから構成される。しかし、ＰＥＥＫ等のポリマーを含む非金属材料も、他の材料と組み合わせること無く単独で使用することも出来る。

本発明によると、こうして得られたマイクロ構造物表面は、例えば硫酸クロムなどによるウエットケミカル処理により、更に親水性化することが出来、水の濡れによる接触角は古典的な測定法や評価法ではもはや測定出来ないか、ゼロとなる。しかし、発明者によって開発された新しい方法では、虚数で規定することが出来る。

こうした処理は、例えば、マイクロ構造物化された埋め込み物の表面を酸化剤で処理するなどの方法で、実行することが出来る。それは、好適に脱脂された埋め込み物を２００℃以上の温度の熱いクロム硫酸（chromo-sulphuric acid）中で熱ショックを与える-好ましくは、クロム硫酸は１．４g/cm³よりも大きな濃度である−即ち、埋め込み物はクロム硫酸に当該温度で数秒間、浸漬されることで加熱され、その温度で１０から90分まで、好ましくは60分まで、特には30分までの間放置される。そして、その後、取り出し直後に、埋め込み物を雰囲気温度にまで1分以内に、好ましくは、数秒以内に冷却する。これは、埋め込み物を、１５℃から２５℃の温度の濃硫酸に浸漬して急冷することで、効果的に達成することが出来る。酸や、もしあれば、埋め込み物にとって異質な、例えばクロムイオンなどの金属イオンの残渣を除去するために（もしあれば）、金属埋め込み物の表面は、蒸留水で複数回（15回まで）、洗浄される。もし、この後で、クロムイオンが埋め込み物の表面からなお検出される場合には、埋め込み物を錯化剤の溶液で、金属イオンが検出されなくなるまで処理する。発明者は、錯化剤としてＥＤＴＡを用いたとき、溶液が茶色がかったすみれ色となることを驚きを持って発見した。すみれ色は、クロムが試料より溶け出した際の色である。従って発明者は、ｐＨ７で１０％のＥＤＴＡ（１−３ｘ）で、必要なら沸騰したＥＤＴＡ溶液で試料を、クロムイオンによる着色が無くなるまで、洗浄することを提案する。

本発明によるこの方法により、ハイパー親水性を有する表面を持った埋め込み物を得ることが可能となり、それは、ＥＰ２１２１０５８による方法で、さらに加工するために用いることが出来る。

ここで発明者は、従来技術で知られている教示と比較して驚くべき結果を与えたテストを行った。埋め込み物の親水性及びウルトラ親水性表面を保持するためのウエットパッケージのコストが増大していることから、本発明によるウルトラ親水性金属の埋め込み物の場合、０．５ Ｍ／ｌよりも塩分濃度が比較的高いレベルでさえ、ぬれ性を損なうこと無く驚くほど貯蔵可能な埋め込み物で、無液体パッケージ方法が考えられた。その点で、塩類溶液が蒸発のために残っているハイパー親水性表面が、濡れ性の喪失に関連して、安定していることが判明した。蒸発は、保護ガズの下、また大気中で、行うことが出来るが、簡単のために後者を標準とする。

蒸発後、細かな巨視的には見えない「乾燥層」がこうして処理された表面に形成された。本発明によるこの層は、ウルトラ親水性及びハイパー親水性をも安定させ、保護する。一般的に、本発明によると、ウルトラ親水性表面に不活性な量及び濃度で、埋め込み物の表面を蒸発後の乾燥層で覆うに十分な、単一塩又は多様な塩の溶液からなる中性塩溶液を使用することが出来る。蒸発は、埋め込み物が中性塩溶液中にある時、又は埋め込み物が該溶液から取り出された際に行うことが出来、こうして埋め込み物は、薄い該溶液の層でのみ覆われる。対応する考察は、ここで述べたハイパー親水性の埋め込み物にも適用することが出来る。

本発明は、従って、上記した基材の製造ステップ以外の方法も含むものであり、得られた表面が保護され、安定化され、表面又は塩を帯びた乾燥層に相互影響することの無い塩や有機溶剤のような不揮発性物質の溶液を用いた長期保存が可能な、追加ステップも含む。これにより、経年又は殺菌方法（例えば、ガンマ線殺菌）による劣化に関連して、基材の表面は保護される。

本発明は、突起や窪みを有する、マイクロ構造物が形成されたハイパー親水性の表面を持った基材にも関する。統計的な平均で、突起間の間隔は、１から１００μｍの範囲で有り、統計的な平均で、突起と窪みの輪郭高さは（Ｒａ値）は、１から８０μｍの範囲で有る。そして、二つの動的接触角(θ_Ｖ及びθ_Ｒ)の少なくとも一つは、ハイパー親水性の範囲である、
、特に
となっている。

本発明は、更に、第１の突起と窪みを有する第１のマイクロ構造物に、第２の突起と窪みを有する第２のマイクロ構造物が重ねられた、前述した基材を含む。第２の突起と窪みの間隔は、統計的な平均で、０．１から１０μｍの範囲に有り、第２の突起と窪みの統計的な平均の高さ（Ｒａ値）は、０．１から１０μｍの範囲である。

好ましくは、第２の突起の間隔は、統計的な平均で、０．１から５μｍの範囲に有り、第２の突起の高さは、０．１から５μｍの範囲である。

第１の突起及び窪みを有するマイクロ構造物又は、第２の突起及び窪みを有するマイクロ構造物には、例えば後述する酸エッチング等のウエットケミカル処理で製造されたナノ構造物を重ねることが出来る。

もし表面が、通常の第１の構造物を有しており、第１の突起の間隔や高さが前述した限度内にあると都合がよい。第１の構造物は、好ましくはその素材表面に高エネルギー放射がＳＴＬデータセットに変換された周期的関数から表されるパターンで作用することにより製造されている。該周期的関数は、好ましくは以下のものから選択される三角基本関数A_R(x)又はその導関数である。

第１の構造物に重ねられる任意的な第２のマイクロ構造物は、好ましくはその素材表面に高エネルギー放射がＳＴＬデータセットに変換された周期的関数から表されるパターンで作用することにより製造されている。該周期的関数は、好ましくは上に規定した三角基本関数A_R(x)である。他の変数でマイクロ構造物の「波長」や「振幅」をより小さく変えることができる。

本発明の発明者の側の発展は、粗さ（Ｒａ値）の形状測定上の算術平均値が、重要なパラメータとして、表面の形態についての情報を与えてくれるという認識に基づくものである。

その目的のために、発明者の側で考慮した結果、峰と谷の領域が等しくなるように、基材の表面に参照線を引いたことである。この場合、Ｒａは、上方及び下方に向いた輪郭高さの絶対偏差の算術平均として、μｍで規定される。以下の単純化された式がＲａ値を表す。

輪郭参照線に関する輪郭高さ（ｙ軸上の正負方向の高さ）の絶対値を、ｚとする。Ｌは、ｘ軸に沿った定義された測定長（窓）である。理想的な条件においては、表面輪郭は、参照線（ゼロの線）（図２Ａ参照）からの偏差における極値±ｚを持った通常の正弦波振動に対応する。Ｒａ値の他に、第２の局所的なパラメータも、最大輪郭高さＲｙ（＝最も高い輪郭の峰と最も深い輪郭の谷の合計）としてμｍで規定される。最後に同一のＲａ値を持った表面が、同一の表面輪郭を持つとは限らないことを認識すべきである。

更なる粗さのパラメータは、無次元の微視的な粗さ係数ｒ_ｍであり：
ここで、Ａ‘は、計算された幾何学的な表面領域Ａに対する、計測された増加表面領域を示す。微視的な粗さ係数ｒは、一般的にはレーザ走査型顕微鏡（ＬＳＭ）を用いて計測され、粗さが増大したことによる表面領域の微視的な増大に関する情報を与える。

セルの生成過程では、セルの生体材料の表面上ではシャープエッジを持たない通常の構造が望ましいことが分かっている。また、例えばＴＰＳ表面に生じることのある、細首状の細孔を有する表面では、埋め込み物の緩みが生じ得ることが分かっている。従って、こうした細孔の無い表面を提供することが目的である。

ＳＴＬデータセットに変換された周期的関数から表されるパターン内に基材表面の構築を行うことは、例えば粗さ（Ｒａ値）、周期性を有する値、微視的な粗さ係数ｒ_Ｍ、突起間の間隔又は最大輪郭高さＲｙなどのような与えられたパラメータに変化を与え得る、基材の特性に影響を与える。本発明によれば、基材及び基材の製造方法は、１−２５０μｍの範囲で、粗さパラメータＲａを持ち又は、持つように生成することが望ましい。好ましくは、１から８０μｍの間であり、特に好ましくは２と３０μｍの間である。本発明によれば、基材及び基材の製造方法は、１から１００μｍの範囲で周期ｎ(l/2)を持つか又は、持つように生成することが望ましく、好ましくは１０と６０μｍの間で有り、特に好ましくは２−３０μｍの間である。本発明によれば、基材及び基材の製造方法は、２と５０の範囲の微視的な粗さ係数ｒ_Ｍを持つか又は、持つように生成することが望ましい。本発明によれば、基材及び基材の製造方法は、統計的な平均で、１から１００μｍの範囲の突起間の間隔を持つか、持つように生成することが望ましい。本発明によれば、基材及び基材の製造方法は、２から５００μｍの範囲の最大輪郭高さＲｙを持つか、持つように生成することが望ましい。

発明者は、均質な埋め込み物の製造に関するアイデアを発想し、粗さの熟慮を経て、粗さをサインカーブ（正弦波形）として規定した。これは、図２Ａに示すが、表面輪郭は、サインカーブで表される。カーブは波長λ＝３２μｍ、振幅（＝Ｒａ値３．１３ λ／２．５０ μｍ）で表すことが出来る。定義された輪郭関数はパラメータλ及び輪郭高さを変量として、１式に基づいて適用され：
ここで、ｘは、独立変数であり、λは波長、Ｐは輪郭高さである。図２Ａで定義された輪郭関数については、式は：

こうして、全ての所望の表面輪郭は、基本式（１）−（４）により表すことが出来る。

この原理の一般化を、関連する三角基本関数と共に図２Ｂ−Ｄに示す。ここでは、正弦波輪郭の他に、例えば方形波輪郭、三角波輪郭及びノコギリ波輪郭も生成可能で有る。三角関数及び級数で表すことの出来る全ての輪郭は、本発明による方法を用いて生成することが出来る。その数学的なツールで、１−８０μｍの範囲のＲａ値及び２−５０の範囲のr_m値で求められるパラメータをＣＡＤシステムで下書きすることが可能となり、製造に関する決定をすることが出来る。こうしてこうした表面構造物を、選択的な電子ビーム溶解技術（ＳＥＢＭ）、選択的なレーザ溶解技術又は選択的なレーザアシスト製造技術を用いてマイクロメートルの範囲で製造することが出来る。

図３には、二つの正弦波輪郭で表面上の表面粗さが表示されている（座標Ｘ／Ｚ及びＹＺ）。また、立体の二次曲線を持った輪郭の表面を、方形波関数を用いてどのように構築するかを示している。図３Ａは、波長λ／２＝３２μｍ、即ち３２μｍ毎（波頭）の単位セルを示し、方形波輪郭を有し、Ｘ及びＹ座標で、λ／２＝３２μｍ（波底）の同一間隔を有する。両正弦波関数の振幅（Ｚ軸）は、８０μｍ（５λ／４）の同じ値で有り、これはＲａ値と対応している。全体の表面は、１９２×１９２μｍの大きさの単位セル（３λ×３λ）に分割されている。ここでは、単位セルは９個の輪郭を持っている（図３Ａ）。複数の波長を組み合わせることも可能で有り、例えば、Ｘ方向にλ／２＝３２でＹ方向にλ／２＝３２と１６μｍを交互にするなどである（図３Ｂ）。こうして方形波輪郭は同じ単位セル（１９２×１９２μｍ）内に配置することが出来る（図３Ｂ）。方形波輪郭の場合、表面は以下のように計算することが出来る。
ここで、ｘ、ｙ、ｚは特定の座標であり、輪郭が建つベースエリア（ｘｙ）は、控除する必要がある。図３Ａ及びＢに示し、表２（波頂）で計算された領域について、以下の式を適用する。

しかし、波底を含んだ自由領域を計算する必要がある。
（同じ間隔）又は、
（異なる間隔）
ここで、Ｌ_ＥＺは単位区画の長さである。更に、計算に考慮されていなかった表面に関連するパターン及び輪郭を、図３Ｃ及び３Ｄに示した。

表２の計算が示すように、Ｒａ値とｒ_ｍ値を持った表面をこうして極めて簡単に構築することが出来る。表２（図３Ａも参照）の表面Ａ（λ／２＝３２μｍ）は、Ｒａ値が８０μｍで、６．０のｒ_ｍ値を与える。もし、Ｒａ値が３５μｍに落ちると、ｒ_ｍ値は３．２（表面Ｂ）に落ちる。もし、Ｒａ値が８０μｍで波長がλ／２＝８μｍに落ちると、ｒ_ｍ値が２２．６（表面Ｅ）の表面となる。もし、今、Ｒａ値が３５μｍに落ちると、ｒ_ｍ値は１１．３となり、これはまだかなりのものである（表面Ｆ）。

複数の異なる波長を用いると、実質的により高い表面値（表面Ｇ及びＨ）を得ることが出来る（図１Ｂ参照、１２輪郭／単位セル）。表面サイズを増加させる魅力的な方法は、中空円筒又放射状の輪郭を使用することである（図３Ｄ参照）。纏めると、表２は、三角関数的アプローチ及びμｍ範囲でのパラメータで、２−８０μｍ範囲のＲａ値と３．２-２２．６μｍ範囲でのｒ_ｍ値に達することが可能であることを示している。

こうして、選択的な電子ビーム溶解技術（ＳＥＢＭ）、選択的なレーザ溶解技術又はレーザアシスト製造技術（レーザーグラビア、高速生産）のような技術を用いることで、全てのバイオ材料固体の表面を、除去又は構築することで、粉から生成することが出来る。その点で、マイクロ構造物は、１０μｍ以下の解像度でも可能である。本発明は、こうした埋め込み物表面のコンピュータ制御による製造が可能であることを示している。

本発明による方法の利点は、以下のような点である。
・表面の均質性によるよりよい適合性
・２０-４０倍の領域増大による大きな表面領域
・タンパク質や医薬品の表面能力が２０-４０倍増大する
・ウルトラ親水性の増加
・感染症の防止
・中空円筒状輪郭による薬剤の保持性
・コンピュータの補助による製造（レーザ及び電子ビーム技術）

本発明によると、全ての表面構造を三角関数として表すことが出来、従って、オートＣＡＤ装置において３Ｄベクトル図形として直接表し、シミュレートすることが出来る。本発明による表面の輪郭に関しては多様な異なるオプションがあり、一元的に構築された、通常のまた高度に複合化した表面の製造は、数学的に前もって定義され、どのような構成要素のどのような表面にも適用が可能である。

例えば、ラピッドフォトタイピング法及びＲＰ装置について、三角関数からのデータの変換は、表１に示す。

更なるステップでは、骨の成長因子のようなペプチド類を、第２のマイクロ構造物及び／又はナノ構造物が任意的に重ねられた本発明に基づいて固定することが出来、多分埋め込み物上の親水性の相互作用を基本にして、物理吸着又は化学吸着による又は共有結合による接合により固定することが出来る。吸着性の接合も、アミノプロピルトリエトキシシラン（ＡＰＳ）（表１）を表面に共有結合修飾した後、行うことも出来る。それにより、共有結合の、所謂、ジャクスタクラインを持った、走化性に作用する及び／又は生物活性を有する埋め込み物表面を形成することが出来、骨細胞の蓄積、拡散及び分化に繋がる。こうして、５００から１０００μｍの距離であるが、表面から自由になった分子を持った、いわゆる生物活性を有する埋め込み物を提供することが出来、骨芽細胞上の骨形成タンパク質の場合、細胞に走化性を発揮させることが出来る。

好ましくは、親水化された金属表面の適正な添着は、金属埋め込み物の酸化物表面上のペプチドの量が、２００ｎｇ／ｃｍ^２以上、好ましくは、５００ｎｇ／ｃｍ^２以上、より好ましくは、１０００ｎｇ／ｃｍ^２以上の添着を達成するに十分な濃度で、生理学的な緩衝液に加えられたペプチドにより達成される。

一般的に、この添着は、１μｇ/ｍｌ以上、好ましくは２００μｇ/ｍｌ以上の濃度のペプチドの生物学的な緩衝液で行われる。

本発明によると、ペプチドは、埋め込み物の潜在的な拒絶反応を妨害し、及び／又は、埋め込み物の内殖を助長する意味で、埋め込み物の生物的適合性に関して都合のいい生物分子である。

上記したように、ＴＧＦタンパク質の種類からの好ましいタンパク質、特に、骨成長因子”骨形成タンパク質”の種類から、又はＶＥＧＦ又は脈管栄養、又はユビキチンのような血管成長因子の種類からのタンパク質を、ペプチドとして使用することが出来る。”形質転換成長因子”（ＴＧＦ）の表現が、（ｉ）”形質転換成長因子ベータ”（ＴＧＦ−β）の特定のグループ（サブグループ）、及び（ｉｉ）骨形成タンパク質（ＢＭＰ）の特定のグループ（サブグループ）を示すのに使用される。後者は、骨の増大及び骨の修復をシミュレートする骨誘導タンパク質であり、それらが前駆細胞の増殖及び分化を引き起こし、骨芽細胞となるのである。加えてそれらはアルカリフォスファターゼ、ホルモン受容体、１型コラーゲンのような骨型物質、オステオカルシン、オステオポンチン、オステオネクチン、骨シアロタンパク質（ＢＳＰ）及び最終的な石化の生成を助長する。

固定化のためには、そのクラスのタンパク質を単独で、そのクラスのタンパク質の他の部材と組み合わせて、又は他のクラスのタンパク質又は低分子性ホルモンのような生体分子、と共に、又は免疫防御性を高めるために抗生物質と共に使用することが可能である。その点において、これらの更なる分子は、生理学上の保存液で粘着することのできる結合を用いて、表面上に固定化することも可能である。

本発明を、添付した図面により、より詳細に説明する。

図１は、歯科及び整形外科において、広範囲かつうまくいった粗い表面のＲＥＭ画像であり、ＡとＢは、ＳＬＡ表面（サンドブラスト酸エッチング処理）；Ｃ及びＤは、ＴＰＳ表面（チタンプラズマ溶射法）であり、図１Ｃの挿入図は、ＴＰＳ表面の転移した割れの端部である。純チタンのＴＰＳ層とチタン合金（Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ）のベース材の間の溶解ギャップを、矢印が示している。

図２は、表面突起（輪郭）の基本形を示す側面図である。この場合、輪郭の先端の形状は、丸、平ら、尖っていてもよく、λ＝３２μｍ；ｚ＝５０μｍである。

輪郭を示す三角関数式は、図の下に記載されている。粗さのすべての形状は、こうしたフーリエ数列で示すことが出来る。

関連する３Ｄの基本形状は、Ａ、双曲面；Ｂ、立方体様；Ｃ、ピラミッド；Ｄ、非対称ピラミッドである。

図３はユニットセルを示し、それぞれの関連する長方形機能及びいくつかの輪郭（Ａ及びＢ）と配列パターン（Ｃ）の断面が示されている。Ａ……９つの輪郭を有するユニットセル１９２μｍ×１９２μｍ（λｘ及びλｙ＝６４μｍ、ｚ＝Ｒａ＝８０μｍ）（表２，表面Ａ参照），Ｂ……１２の輪郭を有するユニットセル１９２μｍ×１９２μｍ（λｘ＝６４μｍ及びλｙ＝３２μｍ、ｚ＝Ｒａ＝８０μｍ）（表２，表面Ｇ参照），Ｃ……輪郭の配列パターン，Ｄ……異なる表面領域値を持った輪郭，３Ｄ基礎フォームＡ−Ｃ：立方体様

図４は、第１のマイクロ粗さ（λ＝６４μｍ）と第２のマイクロ粗さ（λ＝７．１μｍ）の組み合わせを示す。マクロ粗さの表面領域は、図示した第２のマイクロ粗さによって、２．２５（１．５×１．５）のファクターで増加する。

図５は、超純水でスーパー疎水性の無変更ＴＰＳ表面での、静的（Ａ）及び動的（Ｂ）接触角の測定を示す。

図６は、スーパー疎水性からハイパー疎水性に化学的に”切り替えた”後の表面の動的接触角の測定を示す。

図７は、浸漬の深さに依存する虚数接触角として、図６の定義されていない領域のWilhelmy（ウィルヘルミ）関数の例を示す。

上記したマイクロ構造物を改変することなく、マイクロ構造物の表面は、更にウエットケミカル処理がされ、アミノプロピルトリエトキシシランと反応し、ＢＭＰ−２を吸着した。ＢＭＰ−２の単分子膜層の範囲の計算のために、２０ａｍ^２（１μｇ ＢＭＰ−２ 〜４．６ｃｍ^２）のＢＭＰ−２のフットプリントが、表面の単分子層として使用された。その条件の下、ＢＭＰ−２で測定されたｒ_ｍ値は、ＬＭＳで測定されたｒ_ｍ値とよく一致した。得られた吸着値を、表１に示す。
データフォーマット：

本発明によると、表面のマイクロ構造物は三角関数を用いて任意に制作することが出来る。その目的のために、粗さパラメータを、輪郭高さが３５μｍと８０μｍで、表２に示す値の長方形輪郭で使用することが出来る。

表面表面ＡとＧは、図３Ａと３Ｂに示す。個々のセル（ＩＣ）の面積は、３６８６４μｍ^２である。

こうして、本発明による方法を用いて、レーザ−技術を用いた製造だけで、ハイパー親水性を有する定義された表面構造を有する埋め込み物のような基材を製造することが可能となる。もし表面が十分なハイパー親水性を持っていない場合には、化学的な親水化方法を用いて更に親水化することが出来る。こうして埋め込み物をも装着することの出来るこれらの表面構造は、本発明による特別の濡れ特性を発揮し、ハイパー親水性表面として定義される。こうした化学的な親水化方法は、酸エッチングなどのウエットケミカル法を含み、ポリエチレングリコール（ＰＥＧ）、ポリ（2,3-dihydroxypropyl methacrylate）（ＰＤＨＭＡ）又はポリ[２−（メタクリロイルオキシ）エチル ホスホリルコリン]（ＰＭＰＣ）のような高い親水性を有する分子の共有結合又は非共有結合により機能化された表面を構築した。ここで、ＰＤＨＭＡ及びＰＭＰＣは、双イオン性構造を有している。共有結合は、例えば、ＰＤＨＭＡ及びＰＭＰＣのトリエトキシシラン誘導体を介してもたらされる。

従来から知られているように、濡れ性を与える本発明において、０＜θ＜１０°の値の動的接触角を持った親水性表面は、ウルトラ親水性と呼ばれ、θ < 0i to 1.4iラジアンの虚数接触角を有する、本発明による測定可能な接触角を有する表面は、ハイパー親水性と呼ばれる。

表面の親水性特性の通常の測定は、接触角を決定することで行われる。２００年以上前のトーマス ヤングによる接触角θの導入は、ヤングの式の導入による濡れ性を理解する道を開いた。
ここで、g_sv , g_sl 及び g_lv は、液体（ｌ）、固体（ｓ）及び蒸気／気体相（ｖ）の接触における相境界の表面張力を示す。q_oは、例えば静止した状態の滴の平衡接触角である。完全に平滑な表面に適用するヤングの式は、通常、g_lv とq_o だけを測定することが出来るので、解くのが簡単では無い。

ヤングの式は、熱力学的な均衡を保った、理想的な、平滑な、不浸透性の表面についての接触角に適用することが出来る点を考慮しなければならない。反対に、実際の粗い表面の接触角は、理想的な表面でのヤングの接触角からそれらを区別するために、”明白“な特性について、言及しなければならない。

そこからスタートして、約６０年後に、Ludwig Wilhelmy（Ann. Phys., 119, 177-217）は、接触角の測定と引張計を結び付けた、Wilhelmy balance（Wilhelmy法）を見出した。Wilhelmy法による力の測定の場合、試料は超純水に浸漬され、そこから引き上げられ、力が測定される。接触角は、試料を浸漬させ、引き抜く力から、既知のWilhelmyの式を用いて、計算することが出来る。
ここで、Ｆは測定された正味の力であり、式の右辺の第１項のＰは、試料の全周であり、γは、水の表面張力であり、θは動的接触角（前進角θ_Ｖ又は後退角θ_Ｒ）である。第２項のＶは、試料で置き換えられた液体の容積をしめし、ｇは重量加速度、ρは液体の密度を示す。液体中の試料の浮力を示す第２項は、浸漬深さをゼロに外挿することで無視することが出来、Wilhelmyの式を以下のように、単純化することが出来る。

仮に、Ｐが１ｃｍの単位（例えば、板が１０×５×１ｍｍ）であるならば、定数１／(P ・ g)＝Ｋ_q＝１．３９・１０^３Ｎ^−１となり、式は、以下のようになる。

もし、接触角がゼロへ外挿することなく９式で計算されると、それらは“仮想”接触角と言われる。仮想接触角の使用は、このあと図７で示される。

実際的には、完全に平滑な表面での９式の有効性は、以下の二つの禁止接触角により制限される；
最初の場合、疎水性の側では、従来から、物理的な理由により接触角は、q = １１０°Ｃを超えることは無い。二番目の場合、
、親水性の側では、数学的な理由から接触角はゼロ以下にはならない。Cosθ＞１は、定義されない。発明者の側では、古典的な数学の理解による、後者の障害は、接触角を虚数範囲ａｉにまで拡張することで、克服され、こうして埋め込み物の表面特性を評価することが出来る。

測定作業では、発明者は、粗さがＲａ＝３０μｍで、顕微鏡粗さがｒ_ｍ＝２０の、純チタンでコートされたチタン合金（Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ）（所謂、チタンプラズマ法ＴＰＳ）の金属板を使用した。動的接触角θｖ（前進角）及びθ_Ｒ（後退角）は、超純水でWilhelmy法を使用して測定された（張力計 ＤＡＣＴ １１ Dataphysics, Filderstadt, Germany）。浸漬及び抜き取り速度は、１ｍｍ／ｍｉｎ（１７μｍ／ｓ）であり、測定された接触角は浸漬速度とは無関係である。見かけの静的接触角θｓ’（ sitting drop法；超純水３−５μｌ）は、画像的に評価された。虚数接触角は、測定された力の値から発明者により計算された。

確立された“超吸水性（θ＞０ｉ）（”ハイパー吸水性“）−ウエットケミカル処理（酸エッチング）の後の微少粗さ表面上でのヒステリシスの無い状態−は、発明者によりここでは、”逆ロータス効果“との言葉で呼ばれた。この言葉は、”ロータス効果“を示している表面から”所謂“化学的な切替”により生じたハイパー親水性表面の記述にも使用される。こうして、超疎水性表面（図５）は、クロモ硫酸（chromo-sulphuric acid）で処理されて超親水性表面に“切替え”られる。ここで、後者は、まえの分析方法で、水の非常な拡散性を有し
動的接触角は、θ_Ｖ／θ_Ｒ＝０°／０°（図６）である。これらの表面にノルマルヘキサンと鉱油を塗ったところ
それらはスーパー両親媒性にもなった。ハイパー親水性状態から疎水性状態への“逆変換”は、表面が保護されていない場合には、空気中でゆっくりと自然に生じる。

本発明は、更に、マイクロ構造物化された表面をウエットケミカル処理するステップを含んだ、ナノ構造物を製造する処理方法にも関連する。そこでは、疎水性又は弱親水性表面がウルトラ親水性又はハイパー親水性表面でカバーされ、少なくとも二つの動的接触角(q_V 及び q_R)のうちの一つは、
の範囲であり、好ましくは、ハイパー親水性の範囲である、
である。

一つの同じ表面に対する”化学的な切替”の後、連続して生じた二つの異なるロータス効果について、発明者の側での観察で、これら二つの効果の間に繋がりがあることが示されたが、それはまだ明確では無い。疎水性の場合、動的接触角
の粗さの影響は、不均一な濡れにより
（静的方法）に増加することから、明らかであった。
しかし、親水性の側では、接触角がゼロの表面粗さの点に関しては、同様な効果は見いだせなかった。発明者の測定では、cos θ＞１の領域での全ての接触角は、値がゼロの接触角として出力されることが判明した。図６の生データの、発明者による評価では、図６の測定点の１７％が、cos θ＞１の定義されない接触角が与えられることが判明した。その結果を、図６中に、定義された領域を定義されない領域と区別する境界線で示す。発明者は、Wilhelmy測定のデータを、定義されない状態から定義された状態へ持って行く方法を発見した。

（ｉ）表３は、(K_q.F)値に基づいて計算した、ラジアンと度での、古典的及び新しい虚数接触角
を示す。その点において、一連の虚数及び実接触角は、ゼロに関してミラーイメージで挙動している。”逆ロータス効果”は、実接触角で０．１８ラジアン（〜１０°）から、虚数範囲の数で１．４ｉラジアン（〜８０°）、好ましくは０．１８ラジアンから０．３５ラジアン（〜２０°）で伸延している。その点で、動的接触角（例えば、q_A）の一つは古典的で有り、第２（例えばθ_ａｉ,Ｒ）は、虚数である。それは、ハイブリッド接触角ペアと呼ばれる。一方、両動的接触角(θ_ａｉ,V /θ_ａｉ,R)は、虚数である（純虚数接触角ペア）。ラジアン値に180/π掛けると、角度での接触角となる：57.3 x 0.4i [rad] = 22.9i^o。K_q.F > 1.0では、それぞれ虚数接触角は> 0.0i rad及び＞０．０ｉ度となる。それは虚数接触角の最低値として規定される。

これらの発見は、Wilhelmy式の仮想（虚数）領域への拡張をもたらす。

一般的な表現
は、境界条件(K_q.F) < 1の実範囲（上付き文字のａ）での全ての接触角及び、境界条件（K_q.F) > 1の仮想範囲（下付文字のａｉ）での全ての接触角を示す（表３参照）。

式１０を用いることで、cos(180°)の実数システムから始まり、cos(80i°)の虚数システムに至る(K_q.F) = 1.0 から +2.15の範囲の、全ての力の測定に関わる定義された接触角を規定することが可能となる（表３参照）。１８０ｉ°までのより大きな虚数接触角は、発明者の仮定に基づいて、粗い表面上で考えることが出来る。

高い濡れ性のＴＰＳ表面を決定する虚数接触角の使用を、図７に示す。図６の０．１０２ｇの境界線より上の生データの、４５の表示値が選ばれ、それらの力の値(K_q.F; 1.00 から 1.07の範囲で)は、仮想虚数接触角(qai)に変換され、浸漬深さの関数としてプロットされている。曲線の直線部分の、浸漬深さのゼロ位置への外挿は、明らかな虚数前進及び後退角
を与える。こうして確認された虚数接触角は、凝集力、粘着力、幅及び浸漬の、四つの濡れパラメータについての複合関数である。それらは、吸水性を含むこうした濡れパラメータに関する情報を含み、従って、図示したような粗い表面の濡れ特性となる。

こうして発明者の認識に基づいて、こうした親水性表面の特性を決定することが可能となる。今までは、ハイパー親水性表面の場合には、こうした決定は不可能であったが、本発明により、コーティング処理を含んだ引き続く処理の適正を評価することが出来る。

本発明は、基材表面の濡れ特性を決定する方法にも関連しており、それは以下のステップを含む。
ａ．（Ｋ_θ．Ｆ）を確認するためWilhelmy／力の測定を実行する；
ｂ．ステップａ）の結果に基づいて外見上の接触角θ_Ｖ及びθ_Ｒを計算するが、その計算は；
ｉ．（Ｋ_θ．Ｆ）＜ 1の場合、arccos（Ｋ_θ．Ｆ）＝実接触角
ｉｉ．（Ｋ_θ．Ｆ）＞ 1の場合、arccos（Ｋ_θ．Ｆ）＝虚数接触角
ｃ．ステップｂ）で計算された接触角θ_Ｖ及びθ_Ｒに基づいて、基材の濡れ性を決定する。

本発明による方法は、親水性表面からハイパー親水性表面を明瞭に区別することが出来、そうした材料を整理することが出来る。こうして、濡れ性は、疎水性から、親水性、ハイパー親水性、ウルトラ親水性へとその接触角とリンクする形で仕分けることが出来る。

本発明はまた、測定装置、評価装置及び出力装置を含んだ、上記した方法を実行するための装置にも関わるものであり、測定装置はWilhelmy／力測定の力計測用に使用され、評価装置は、測定装置で得られた測定値をアルゴリズムを用いて、虚数前進角（θ_Ｖ）及び後退角（θ_Ｒ）に変換するために使用され、出力装置は、評価装置で得られた接触角を更に処理するために使用される。こうした処理には、接触角を度又はラジアンで示すことも含まれる。

こうして、発明者の認識に基づいて親水性表面の特性を決定することが可能となり、従来はハイパー親水性表面の場合、こうした決定は不可能であり、コーティング処理を含む引き続く処理の適正を評価することが可能となる。

Claims (19)

1. 突起と窪みでマイクロ構造物化されたハイパー親水性表面を有する埋め込み物であり、前記突起間の間隔は、統計的な平均値で、１から１００μｍの範囲であり、前記突起及び窪みの輪郭高さは、統計的な平均値（Ｒａ値）で、１から８０μｍの範囲であり、前記埋め込み物は、２と５０の範囲の微視的な粗さ係数ｒ _Ｍ を持っており、二つの動的接触角（θ_Ｖ及びθ_Ｒ）の内、少なくとも一つは、
   のハイパー親水性領域にある、
   ことを特長とする埋め込み物。
2. 二つの動的接触角（θ _Ｖ 及びθ _Ｒ ）の内、少なくとも一つは、
   のハイパー親水性領域にある、請求項１記載の埋め込み物。
3. 第１の突起及び窪みを有する第１の前記マイクロ構造物には、第２の突起及び窪みを有する第２の前記マイクロ構造物が重ねられており、前記第２の突起間の間隔は、統計的な平均値で、０．１から１０μｍの範囲であり、前記第２の突起及び窪みの輪郭高さは、統計的な平均値（Ｒａ値）で、０．１から１０μｍの範囲である、請求項１又は２記載の埋め込み物。
4. 前記ハイパー親水性表面は、不規則にマイクロ構造物化されているか、又は少なくとも一部の領域が規則的にマイクロ構造物化されている、請求項１乃至３のうち何れか１項記載の埋め込み物。
5. 前記マイクロ構造物化されたハイパー親水性表面は、ナノ構造物が重ねられている、請求項１乃至４のうち何れか１項記載の埋め込み物。
6. 請求項１記載の突起及び窪みを持った規則的にマイクロ構造物化された表面を有する埋め込み物の製造方法であり、該方法は、以下のステップを有する；
   ａ）素材上に易焼結性材料粉の混合粉体、又は易焼結性材料粉の粉体を供給するステップ、
   ｂ）金属粉体の層を、前記素材の表面に配置するステップ、
   ｃ）該材料粉の層に高エネルギー放射を、ＳＴＬデータセットに変換された周期的関数から表すことの出来るパターンで作用させて、該材料粉を該素材表面の少なくとも一部上で焼結させ、該パターンの少なくとも部分的な領域を生成するステップ。
7. 前記素材は、易焼結性材料粉から焼結法により生成された固形材料又は層状の材料から製造されている、請求項６記載の方法。
8. 規則的にマイクロ構造物化された表面を有するｃ）で得られた前記素材は、ＳＴＬデータセットに変換された周期的関数及び／又はナノ構造物を生成するウエットケミカル処理を用いた第２の規則的なマイクロ構造物を生成する処理の対象となる、請求項６又は７記載の方法。
9. 請求項１記載の規則的にマイクロ構造物化された表面を有する埋め込み物の製造方法であって、該製造方法は、以下のステップを有する；
   ａ）素材を用意するステップ；
   ｂ）該素材上に少なくとも部分的に高エネルギー放射を、ＳＴＬデータセットに変換された周期的関数から表すことの出来るパターンで作用させ、該素材を、該素材の少なくとも一部の領域上に前記パターンの少なくとも部分的な領域を形成する形で融蝕させるステップ。
10. 規則的にマイクロ構造物化された表面を持ったｂ）で得られた前記素材は、ＳＴＬデータセットに変換された周期的関数及び／又はナノ構造物を生成するためのウエットケミカル処理を用いて第２の規則的なマイクロ構造物を生成する処理の対象とされる、請求項９記載の方法。
11. ナノ構造物を生成する処理は、マイクロ構造物化された表面のウエットケミカル処理のステップを有し、それは、疎水性又は弱親水性表面をウルトラ親水性又はハイパー親水性表面に変換し、二つの動的接触角（θ_Ｖ及びθ_Ｒ）のうち少なくとも一つは、
    のハイパー親水性領域にある、ことを特徴とする請求項８又は１０記載の方法。
12. 二つの動的接触角（θ _Ｖ 及びθ _Ｒ ）の内、少なくとも一つは、
    のハイパー親水性領域にある、ことを特徴とする請求項11記載の方法。
13. 請求項１１又は１２記載の方法は、更に、
    経時変化又は安定化法によるハイパー親水性の喪失を伴う濡れ性の減少に関連して前記基材の表面を保護するため、得られた前記表面を保護し、安定化し、長期間の保存が可能となるように、塩のような不揮発性物質の溶液、前記表面に作用を及ぼさない有機溶剤、又は、塩を含んだ乾燥した層を用いるステップを有する、請求項１１又は１２記載の方法。
14. 請求項６から１３の内、いずれか１項記載の方法であって、該方法において、ＳＴＬデータセットに変換される周期的関数は、以下に示すグループから選択される三角関数Ａ_Ｒ（ｘ）である。
    及びその導関数
15. 粗さパラメータＲａは、１から８０μｍの範囲である請求項６乃至１４の内、いずれか１項記載の方法。
16. 周期値ｎ（λ／２）は、１から１００μｍの範囲であり、微視的表面粗さｒ_Ｍは、２から５０の範囲である、請求項６乃至１４の内、いずれか１項記載の方法。
17. 基材の表面の濡れ特性を決定する方法で有り、以下のステップを含む方法；
    ａ．（Ｋ_θ・Ｆ）を確認するためにWilhelmy／力の測定を実行するステップ、
    ｂ．ステップａ）の結果に基づいて、外見上の接触角θ_Ｖ及びθ_Ｒを計算するステップ、該計算は、
    i．（Ｋ_θ．Ｆ）＜ 1の場合、arccos（Ｋ_θ．Ｆ）＝実接触角；及び
    ii．（Ｋ_θ．Ｆ）＞ 1の場合、arccos（Ｋ_θ．Ｆ）＝虚数接触角
    ｃ．ステップｂ）で計算された接触角θ_Ｖ及びθ_Ｒに基づいて、基材の濡れ性を決定するステップ。
18. 前記基材は、請求項１乃至５の内、いずれか１項記載の埋め込み物である、請求項１７記載の方法。
19. 請求項１７又は１８記載の方法を実行する装置であって、該装置は、測定装置、評価装置及び出力装置を有し、前記測定装置はWilhelmy／力測定の力計測用であり、前記評価装置は、前記測定装置で得られた測定値をアルゴリズムを用いて、虚数前進角（θ_Ｖ）及び後退角（θ_Ｒ）に変換するものであり、前記出力装置は、前記評価装置で得られた接触角を更に処理するためのものである。