JPH11506807A

JPH11506807A - チタンおよびその合金製心臓弁における血栓形成能を低下する方法

Info

Publication number: JPH11506807A
Application number: JP9501505A
Authority: JP
Inventors: ディアネイリー，ジョフリー; ランクフォード，ジェイムズ・ジュニア
Original assignee: サウスウエスト・リサーチ・インスティチュート
Priority date: 1995-06-07
Filing date: 1996-06-06
Publication date: 1999-06-15
Also published as: WO1996040308A1; US5605714A; EP0833672A1

Abstract

(57)【要約】本発明は、チタン系要素の血栓形成能を低下するために、該要素をダイアモンド状カーボンにより被覆する方法を提供する。好ましい形態では、チタン系要素は、心臓弁である。本発明によれば、要素を真空槽内に配置し、約６００〜６５０℃（１１１２〜１２０２°Ｆ）に加熱する。その後、要素上に珪素を堆積し、同時に、エネルギーイオンビームにより衝撃して、金属珪化物結合層を形成する。次いで、要素を、少なくとも１００℃（２１２°Ｆ）以下、好ましくは８０℃（１７６°Ｆ）以下に冷却し、ダイアモンド状カーボン前駆体を、金属珪化物結合層上に凝縮する。同時に、前駆体をエネルギーイオンにより衝撃して、ダイアモンド状カーボンの被覆を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】チタンおよびその合金製心臓弁における血栓形成能を低下する方法発明の属する技術分野本発明は、チタンおよびその合金から製造された心臓弁および他の医療用インプラントの血栓形成能を低下する方法に関する。発明の背景チタンは、ヒト用インプラントを製造するための一般的な金属となってきている。ＦＤＡ（米国連邦食品医薬品局）は、チタンおよびその合金の多く（チタン系材料）は生体適合性であると見なしている。チタン系材料は、容易に機械加工でき、過度に脆くはなく、ほとんどの医療用インプラントの製造に充分な耐久性を有している。残念なことに、チタン系材料は、血栓形成を促進する傾向をも有している。この傾向は望ましくなく、特に循環器系で使用するインプラントにとっては望ましくない。循環器系で用いられる医療用インプラントの一例は、心臓弁である。そこで、チタンおよびその合金の血栓形成能を低下する方法が、強く望まれている。発明の概要本発明は、チタン系要素の血栓形成能を低下するために、該要素を無定型ダイアモンド状カーボンにより被覆する方法を提供する。好ましい形態では、チタン系要素は、心臓弁である。本発明によれば、要素を真空槽内に配置し、約６００〜６５０℃（１１１２〜１２０２°Ｆ）に加熱する。その後、要素上に珪素を堆積し、同時に、エネルギーイオンビームにより衝撃して、金属珪化物結合層を形成する。次いで、要素を、少なくとも１００℃（２１２°Ｆ）以下、好ましくは８０℃（１７６°Ｆ）以下に冷却し、ダイアモンド状カーボン前駆体を、金属珪化物結合層上に凝縮する。同時に、前駆体をエネルギーイオン、好ましくは窒素イオンにより衝撃して、ダイアモンド状カーボンの被覆を形成する。発明の詳細な説明無定形カーボンまたは「ダイアモンド状カーボン」（ＤＬＣ）は、チタンよりも血栓形成能が低い生体適合性被覆材料である。医療用インプラントにＤＬＣを用いる場合の主な問題は、基材とＤＬＣ被覆との間に形成される結合の強度である。本発明は、チタン系要素の血栓形成能を低下させるために、要素、特に循環器系で用いられる要素を、緊密に結合したＤＬＣ膜により被覆する方法を提供する。本発明は、珪化チタン中間層を形成することにより、チタン系要素の表面とＤＬＣとの間に強い接着を確実に形成する。隣接する金属−珪化物−ＤＬＣの層を効果的に密着させるためには、金属−珪素結合並びに珪素−ＤＬＣ結合に結合界面を供給することが必要である。本発明を制限するものではないが、本発明の方法は、金属中の原子間に存在する結合形式と珪素中に存在する珪素形式との中間の特性を持つ強い原子間結合を形成することにより、このような結果を達成するものと考えられる。（ａ）ＤＬＣは、珪素に対して、他の基材に対するよりもより良好に接着することが知られており、これは、二つの物質の界面に形成された強いＳｉＣ結合に由来すること、および（ｂ）チタンは、珪素と反応させた場合、二珪化物（ＴｉＳi₂）を形成することが知れれているから、中間層を形成するための材料として珪素を選択する。チタン系要素を被覆する方法は、イオンビームを用いた珪素蒸着を使用し、その後、ＤＬＣを蒸着する。表面の汚染物、例えばグリースを除去するために要素を常套の方法で清浄した後、要素を、好ましくは約１０^-5torrより低いベース圧力まで脱気された真空槽内に置く。次に、要素を、イオン、好ましくはアルゴンイオンにより、約１０〜１００ｋｅＶの範囲、好ましくは約１０ｋｅＶのエネルギーで、衝撃する。このイオン衝撃は、残留している吸着された原子を表面から除くのに効果的な手段である。次いで、要素を加熱する。チタン系要素は、その表面上に薄い酸化物層を有している傾向があるので、珪化物中間層を形成するためには、酸化物層を除かなければならない。これは、酸化物層を「分解」（dissolve）するのに十分なほど、チタン系要素を加熱することにより行われる。好ましくは、要素は、その表面に珪素を凝縮させる前に、約６００〜６５０℃（１１１２〜１２０２°Ｆ）に加熱する。要素を加熱した後および加熱温度に保たれている間に、既知の方法により要素表面に珪素を蒸着することができる。好ましい方法は、約１９００°（３４５０ °Ｆ）の好ましい温度に維持された蒸発炉の真上にワークピースを配置し、約１００〜２００ｎｍの好ましい被覆厚さが達成されるまで、炉を約１９００℃（３４５０°Ｆの好ましい温度に維持する。被覆の厚さは、標準的な方法、例えば水晶結晶発振子の振動数変化を用いた方法によりモニタすることができる。好ましくは、要素は同時に、約５００ｅＶ〜１００ｋｅＶ、より好ましくは約１０〜２０ｋｅＶのエネルギー範囲で、イオン、好ましくは窒素イオンのエネルギービームにより、衝撃され、チタン−珪素界面に珪化チタンの層が形成される。本発明のイオン衝撃には窒素が好ましいが、それは、窒素イオンは、実際に基材／被覆または層間に結合するからである。不活性イオン、例えばアルゴンおよび／またはヘリウムイオンは、基材／膜に結合しないであろう。不活性イオンを用いると、発泡および／または弱い被覆を形成することになり得る。証明されてはいないが、ＤＬＣを生成するのに使用するイオンが窒素イオンである場合、強い炭素−窒素結合がＤＬＣ層中に形成されると考えられる。いずれにしても、窒素イオンビームを使用すると、他の種類のイオンを用いて形成したＤＬＣに比べて５〜７倍も耐摩耗性を増し、摩擦が減少したＤＬＣ被覆を得ることができる。窒素イオンが好ましいのであるが、５００〜１００ｅＶ、好ましくは１０〜３０ｋｅＶのエネルギーを有する他のイオン、例えばアルゴン、水素、珪素、メタン、ヘリウムまたはネオンを用いてもよい。イオン対原子の比は、金属−珪素界面で金属珪化物の層を形成するのに十分な値でなければならず、好ましくは１０珪素原子に対して少なくとも１イオンである。その後、要素を、少なくとも約１００℃（２１２°Ｆ）以下、好ましくは約８０℃（１７６°Ｆ）に冷却する。冷却は、好ましくは、要素を真空槽から取り出さずに行う。その後、ダイアモンド状カーボン（ＤＬＣ）前駆体を蒸着する。好ましい形態では、ＤＬＣ前駆体は、ポリフェニルエーテルである。他の適当な前駆体物質には、低い蒸気圧を有し、室温で安定的に蒸発できる炭素系拡散ポンプ物質が包含される。好ましい拡散ポンプ流体には、ポリフェニルエーテル、ポリジメチルシロキサン、ペンタフェニルトリメチルシロキサン、およびエイコシルナフタレンが包含されるが、必ずしもこれらに限定されない。前駆体は、既知の手段により、蒸発され、要素の表面上に凝縮される。一般に、前駆体は、溜めに入れられ、約１５０〜１７０℃（３０２〜３３８°Ｆ）に加熱され、冷却された要素に向けて送られる。ほぼ同時に、要素を、イオンのエネルギービームにより連続的にまたは間欠的に衝撃する。好ましいイオン源は窒素である。他の適当なイオンには、アルゴン、水素、珪素、メタン、ヘリウムまたはネオンが含まれるが、必ずしもこれらに限定されない。イオンビームは、約５００ｅＶ〜１００ｋｅＶ、好ましくは約１０〜３０ｋｅＶのエネルギーを有する。衝撃のエネルギーは、前駆体膜中の構成分子をイオン化し、かつ水素と他の原子との間の結合を切り、それによって水素を排気されている周囲の真空雰囲気中に放出できるのに十分なレベルでなくてはならない。イオンの到着速度は、前駆体分子の到着速度に関連して制御される。本発明の方法では、最終生成物被覆中の各１００原子当たり約１個のイオンが必要である。しかしながら、イオン対原子の比は、イオン種の量とエネルギーに従って変化する。典型的には、被覆中の各炭素原子について１００ｅＶを加える。当業者なら、イオン化工程において移動の正確な線形エネルギーをどのように達成するかを知ることができる。操作は、ＤＬＣの厚さが１００ｎｍ〜１０μｍになるまで続ける。実施例１厚さ約１μｍのＤＬＣ被覆を、ポリフェニルエーテル前駆体の窒素イオン衝撃により調製する。バナジウムおよびアルミニウムを含むチタン合金製のチタン系心臓弁を、被覆前に、イソプロピルアルコール中で清浄する。イソプロピルアルコールは、あったとしてもごく少量の残渣しか残さないので選ばれる。摩耗試験により、ある環境では、被覆の接着が失われることがあることが分かる。実施例２実施例１と同じ組成のチタン合金製心臓弁を、珪素の結合被覆を用いて処理した。表面の不純物、例えばグリースを除去するために要素を通常の溶媒洗浄に付した後、要素を、１０^-5torrのベース圧力に脱気した真空槽中に置く。次いで、表面から残っている吸着原子のいくらかを除去するために、要素を、約１０ｋｅＶのエネルギーで、窒素イオンにより衝撃する。要素を約６００℃（１１１２°Ｆ）に加熱する。次いで、珪素を、要素の外側表面に蒸着する。ワークピースを、約１９００℃（３４５０°Ｆ）に保持された蒸発炉の真上に、約１００ｎｍの好ましい被覆厚さが得られるまで配置する。被覆の厚さは、標準的な方法、例えば水晶結晶発振子の振動数変化を用いてモニタする。同時に、要素を、約２０ｋｅＶのエネルギーで、１０珪素原子当たり少なくとも１個のイオンのイオン対原子比で、約１５分間窒素イオンのエネルギービームにより衝撃して、金属／珪素界面に金属珪化物の層を形成する。その後、要素を、真空槽から取り出すことなく、約８０℃まで冷却する。ポリフェニルエーテルを少なくとも約１５０℃（３０２°Ｆ）に加熱し、要素表面に凝縮させる。同時に、要素を、約２０ｋｅＶのエネルギーを有する窒素イオンのエネルギービームにより、１００前駆体分子当たり少なくとも１個のイオンのイオン対原子比で衝撃する。この操作は、ＤＬＣの厚さが約１００ｎｍになるまで続ける。血清中６．９ＭＰａの一定圧において、即ち心臓弁がイン・ビボで遭遇するのと等価である環境条件において、長期摩耗試験を行ったところ、約１０００万回の往復摩耗サイクルの後にもＤＬＣの剥離または損失は観察されなかった。当業者なら、本発明の思想および範囲を逸脱することなく本発明に多くの改変が行えることを理解するであろう。本明細書に記載した態様は、例示の目的であって、以下の請求の範囲に規定された発明を制限するものと理解してはならない。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項【提出日】１９９７年１月７日【補正内容】請求の範囲２２．ダイアモンド状カーボンによりチタンを含んでなる基材を被覆する方法であって、該基材を、約１０^-5torrたはそれ以下の圧力の真空に暴露し、該基材を、少なくとも約６００〜６５０℃（１１１２〜１２０２°Ｆ）の間に加熱し、該要素上に、珪素の外側層に凝集的に結合したチタン−珪化物の内部結合層を形成するのに十分な量で、珪素を堆積し、珪素の堆積と実質的に同時に、珪素の外側層に凝集的に結合したチタン−珪化物内部結合層を形成するのに十分な第１の時間、第１エネルギーおよび第１イオン密度において、イオンの第１エネルギービームにより、堆積した珪素を衝撃し、該珪素の外側層上にダイアモンド状カーボン前駆体の分子の膜を形成するのに十分な第２温度および第２時間で、該珪素の外側層に該前駆体を凝縮し、ここで、第２温度は、該ダイヤモンド状カーボン前駆体が該基材から蒸発しない程度に十分低く、ダイヤモンド状カーボン前駆体の凝縮と実質的に同時に、該ダイアモンド状カーボンの外側被覆に凝集的に結合した炭化珪素内部層を形成するのに十分な第３の時間で、第２エネルギーおよび第２イオン密度において、イオンの第２エネルギービームにより、該ダイヤモンド状カーボン前駆体を衝撃することを含んでなる方法。２３．該第１および第２のイオンビームは、窒素、アルゴン、水素、珪素、メタン、ヘリウム、ネオンおよびこれらの組み合わせからなる群から選択されるイオンを含んでなる請求項２２に記載の方法。２４．該第２イオンビームは窒素イオンを含んでなる請求項２２に記載の方法。２５．該第１および第２エネルギーは、約１０〜３０ｋｅＶの範囲にある請求項２２に記載の方法。２６．該第１および第２エネルギーは、約１０〜３０ｋｅＶの範囲にある請求項２３に記載の方法。２７．該第１および第２エネルギーは、約１０〜３０ｋｅＶの範囲にある請求項２４に記載の方法。２８．該第２温度は、約１００℃（２１２°Ｆ）に等しいかまたはそれより低い請求項２２に記載の方法。２９．該第２温度は、約１００℃（２１２°Ｆ）に等しいかまたはそれより低い請求項２３に記載の方法。３０．該第２温度は、約１００℃（２１２°Ｆ）に等しいかまたはそれより低い請求項２４に記載の方法。３１．該第２温度は、約１００℃（２１２°Ｆ）に等しいかまたはそれより低い請求項２５に記載の方法。３２．該第２温度は、約１００℃（２１２°Ｆ）に等しいかまたはそれより低い請求項２７に記載の方法。３３．該珪素を、約１００〜２００ｎｍの範囲の厚さで、該基材上に堆積する請求項２２に記載の方法。３４．該珪素を、約１００〜２００ｎｍの範囲の厚さで、該基材上に堆積する請求項２３に記載の方法。３５．該珪素を、約１００〜２００ｎｍの範囲の厚さで、該基材上に堆積する請求項２４に記載の方法。３６．チタンを含む少なくとも１つの基材を有する医療用インプラントとであって、チタン−珪化物を含む第１層を形成する、該チタンに化学的に結合されたシリコン；珪素を含む第２層を形成する、該チタン−珪化物に凝集的に結合したシリコン；炭化珪素を含む第３層を形成する、該珪素に化学的に結合した炭素；ダイヤモンド状カーボンを含む第４層を形成する、該炭化珪素に凝集的に結合した炭素により連続傾斜で被覆したインプラント。３７．該ダイヤモンド状カーボンは、少なくとも約１μの厚さを有する請求項３６に記載の医療用インプラント。３８．該ダイヤモンド状カーボン中の該カーボンに結合した窒素イオンをさらに含む請求項３６に記載の医療用インプラント。３９．該ダイヤモンド状カーボン中の該カーボンに結合した窒素イオンをさらに含む請求項３７に記載の医療用インプラント。４０．ダイヤモンド状カーボンにより被覆されたチタンを含んでなる固体基材であり、該基材を、約１０^-5torrまたはそれ以下の圧力の真空に暴露し、該基材を、少なくとも約６００〜６５０℃（１１１２〜１２０２°Ｆ）の間に加熱し、該要素上に、珪素の外側層に凝集的に結合したチタン−珪化物の内部結合層を形成するのに十分な量で、珪素を堆積し、珪素の堆積と実質的に同時に、珪素の外側層に凝集的に結合したチタン−珪化物内部結合層を形成するのに十分な第１の時間、第１エネルギーおよび第１イオン密度において、イオンの第１エネルギービームにより、堆積した珪素を衝撃し、該珪素の外側層上にダイアモンド状カーボン前駆体の分子の膜を形成するのに十分な第２温度および第２時間で、該珪素の外側層に該前駆体を凝縮し、ここで、第２温度は、該ダイヤモンド状カーボン前駆体が該基材から蒸発しない程度に十分低く、ダイヤモンド状カーボン前駆体の凝縮と実質的に同時に、該ダイアモンド状カーボンの外側被覆に凝集的に結合した炭化珪素内部層を形成するのに十分な第３の時間で、第２エネルギーおよび第２イオン密度において、イオンの第２エネルギービームにより、該ダイヤモンド状カーボン前駆体を衝撃することを含んでなる方法により製造された固体基材。４１．該ダイヤモンド状カーボン被覆は、少なくとも約１μの厚さを有する請求項４０に記載の基材。４２．第２イオンビームは、窒素イオンを含んでなる請求項４０に記載の基材。４３．第２イオンビームは、窒素イオンを含んでなる請求項４１に記載の基材。４４．該珪素は、約１００〜２００ｎｍの間の厚さで該基材上に堆積される請求項４０に記載の基材。４５．該珪素は、約１００〜２００ｎｍの間の厚さで該基材上に堆積される請求項４１に記載の基材。４６．該珪素は、約１００〜２００ｎｍの間の厚さで該基材上に堆積される請求項４３に記載の基材。

Claims

【特許請求の範囲】２２．ダイアモンド状カーボンによりチタンを含んでなる基材を被覆する方法であって、該基材を、約１０^-5torrまたはそれ以下の圧力の真空に暴露し、該基材を、少なくとも約６００〜６５０℃（１１１２〜１２０２°Ｆ）の間に加熱し、該要素上に、珪素の外側層に凝集的に結合したチタン−珪化物の内部結合層を形成するのに十分な量で、珪素を堆積し、珪素の堆積と実質的に同時に、珪素の外側層に凝集的に結合したチタン−珪化物内部結合層を形成するのに十分な第１の時間、第１エネルギーおよび第１イオン密度において、イオンの第１エネルギービームにより、堆積した珪素を衝撃し、該珪素の外側層上にダイアモンド状カーボン前駆体の分子の膜を形成するのに十分な第２温度および第２時間で、該珪素の外側層に該前駆体を凝縮し、ここで、第２温度は、該ダイヤモンド状カーボン前駆体が該基材から蒸発しない程度に十分低く、ダイヤモンド状カーボン前駆体の凝縮と実質的に同時に、該ダイアモンド状カーボンの外側被覆に凝集的に結合した炭化珪素内部層を形成するのに十分な第３の時間で、第２エネルギーおよび第２イオン密度において、イオンの第２エネルギービームにより、該ダイヤモンド状カーボン前駆体を衝撃することを含んでなる方法。２３．該第１および第２のイオンビームは、窒素、アルゴン、水素、珪素、メタン、ヘリウム、ネオンおよびこれらの組み合わせからなる群から選択されるイオンを含んでなる請求項２２に記載の方法。２４．該第２イオンビームは窒素イオンを含んでなる請求項２２に記載の方法。２５．該第１および第２エネルギーは、約１０〜３０ｋｅＶの範囲にある請求項２２に記載の方法。２６．該第１および第２エネルギーは、約１０〜３０ｋｅＶの範囲にある請求項２３に記載の方法。２７．該第１および第２エネルギーは、約１０〜３０ｋｅＶの範囲にある請求項２４に記載の方法。２８．該第２温度は、約１００℃（２１２°Ｆ）に等しいかまたはそれより低い請求項２２に記載の方法。２９．該第２温度は、約１００℃（２１２°Ｆ）に等しいかまたはそれより低い請求項２３に記載の方法。３０．該第２温度は、約１００℃（２１２°Ｆ）に等しいかまたはそれより低い請求項２４に記載の方法。３１．該第２温度は、約１００℃（２１２°Ｆ）に等しいかまたはそれより低い請求項２５に記載の方法。３２．該第２温度は、約１００℃（２１２°Ｆ）に等しいかまたはそれより低い請求項２７に記載の方法。３３．該珪素を、約１００〜２００ｎｍの範囲の厚さで、該基材上に堆積する請求項２２に記載の方法。３４．該珪素を、約１００〜２００ｎｍの範囲の厚さで、該基材上に堆積する請求項２３に記載の方法。３５．該珪素を、約１００〜２００ｎｍの範囲の厚さで、該基材上に堆積する請求項２４に記載の方法。３６．チタンを含む少なくとも１つの基材を有する医療用インプラントとであって、チタン−珪化物を含む第１層を形成する、該チタンに化学的に結合されたシリコン；珪素を含む第２層を形成する、該チタン−珪化物に凝集的に結合したシリコン；炭化珪素を含む第３層を形成する、該珪素に化学的に結合した炭素；ダイヤモンド状カーボンを含む第４層を形成する、該炭化珪素に凝集的に結合した炭素により連続傾斜で被覆したインプラント。３７．該ダイヤモンド状カーボンは、少なくとも約１μの厚さを有する請求項３６に記載の医療用インプラント。３８．該ダイヤモンド状カーボン中の該カーボンに結合した窒素イオンをさらに含む請求項３６に記載の医療用インプラント。３９．該ダイヤモンド状カーボン中の該カーボンに結合した窒素イオンをさらに含む請求項３７に記載の医療用インプラント。４０．ダイヤモンド状カーボンにより被覆されたチタンを含んでなる固体基材であり、該基材を、約１０^-5torrまたはそれ以下の圧力の真空に暴露し、該基材を、少なくとも約６００〜６５０℃（１１１２〜１２０２°Ｆ）の間に加熱し、該要素上に、珪素の外側層に凝集的に結合したチタン−珪化物の内部結合層を形成するのに十分な量で、珪素を堆積し、珪素の堆積と実質的に同時に、珪素の外側層に凝集的に結合したチタン−珪化物内部結合層を形成するのに十分な第１の時間、第１エネルギーおよび第１イオン密度において、イオンの第１エネルギービームにより、堆積した珪素を衝撃し、該珪素の外側層上にダイアモンド状カーボン前駆体の分子の膜を形成するのに十分な第２温度および第２時間で、該珪素の外側層に該前駆体を凝縮し、ここで、第２温度は、該ダイヤモンド状カーボン前駆体が該基材から蒸発しない程度に十分低く、ダイヤモンド状カーボン前駆体の凝縮と実質的に同時に、該ダイアモンド状カーボンの外側被覆に凝集的に結合した炭化珪素内部層を形成するのに十分な第３の時間で、第２エネルギーおよび第２イオン密度において、イオンの第２エネルギービームにより、該ダイヤモンド状カーボン前駆体を衝撃することを含んでなる方法により製造された固体基材。４１．該ダイヤモンド状カーボン被覆は、少なくとも約１μの厚さを有する請求項４０に記載の基材。４２．第２イオンビームは、窒素イオンを含んでなる請求項４０に記載の基材。４３．第２イオンビームは、窒素イオンを含んでなる請求項４１に記載の基材。４４．該珪素は、約１００〜２００ｎｍの間の厚さで該基材上に堆積される請求項４０に記載の基材。４５．該珪素は、約１００〜２００ｎｍの間の厚さで該基材上に堆積される請求項４１に記載の基材。４６．該珪素は、約１００〜２００ｎｍの間の厚さで該基材上に堆積される請求項４３に記載の基材。