(57)【要約】  本発明は、金属製またはセラミックス製インプラントの弾性率、曲げ弾性率および孔構造を調節する方法および装置に関し、１実施態様として、固体インプラント構造（４４）に組み込まれる金属、セラミックス又はそれらの混合物粒子から成るグリーンテープを開示する。開口部（３２）は、固体インプラント構造（４４）の所望の孔構造を形成するためにグリーンテープ（３４）の特定の領域に刻まれる。この孔構造は、固体インプラント構造（４４）のに所望の弾性率、曲げ強度および多孔性を付与するだけでなく、骨成長を促進する。グリーンテープ（３４）は１方向に積層され、所望の孔構造を付与され、金属またはセラミックス粒子の層は溶融結合され、固体インプラント構造（４４）が形成される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属およびセラミックスの少なくとも１種の粒子から成り、固体インプラント中に挿入するためのグリーンテープを供給するグリーンテープ供給工程と、固体インプラントにおける所望の孔構造を形成するために上記グリーンテープの選択された場所を切断して開口部を設ける切断工程と、開口部を設けたグリーンテープを一方向に積層し所望の孔構造を得る積層工程と、複数層から成るグリーンテープの積層体を所望の孔構造を保持して溶融結合させる溶融工程とから成るインプラントの製造方法。
【請求項２】
グリーンテープが金属粒子から成る請求項１に記載の製造方法。
【請求項３】
金属粒子が、鉄、アルミニウム、銅、亜鉛、タングステン、チタン、タンタル、ステンレススチール、コバルト又はこれらの組合せの粉末である請求項２に記載の製造方法。
【請求項４】
グリーンテープがセラミックス粒子から成る請求項１に記載の製造方法。
【請求項５】
セラミックス粒子がヒドロキシアパタイト、第三リン酸カルシウム、チタニア、ジルコニア、イットリア、アルミナ、マグネシア、カルシア、スピネル、クロミア、ペロブスカイト、炭化ケイ素、窒化ケイ素、炭化チタン、炭化ホウ素、シリカまたはこれらの組合せの粉末である請求項４に記載の製造方法。
【請求項６】
グリーンテープ供給工程が、更に、金属またはセラミックス粒子と水性または非水溶媒と混合して混合物を形成する混合工程を有する請求項１に記載の製造方法。
【請求項７】
水性または非水溶媒が、水、メタノール、アセトン、エタノール、イソプロピルアルコール、ブタノール、トルエン、キシレン、ヘキサノール、メチルエチルケトン、ヘキサン又はこれらの混合物である請求項６に記載の製造方法。
【請求項８】
グリーンテープ供給工程が、更に、分散剤を添加する工程を有する請求項６に記載の製造方法。
【請求項９】
分散剤の添加量が、混合物の重量に対し０．００１〜１０％である請求項８に記載の製造方法。
【請求項１０】
混合物が更に可塑剤を有する請求項６に記載の製造方法。
【請求項１１】
混合物が更にバインダーを有する請求項６に記載の製造方法。
【請求項１２】
グリーンテープ供給工程が、更に、基材上にスリップ（粘度液）を広げる工程を有する請求項１に記載の製造方法。
【請求項１３】
グリーンテープ中に開口部を形成する切断工程が、レーザーカッティング、エッチング、機械カッティング及び焼成の少なくとも１種を含む請求項１に記載の製造方法。
【請求項１４】
開口部のアスペクト比が０．００１〜１０００である請求項１に記載の製造方法。
【請求項１５】
開口部のアスペクト比が２０〜５００である請求項１に記載の製造方法。
【請求項１６】
開口部の口径が０．１〜６００μｍである請求項１に記載の製造方法。
【請求項１７】
インプラントの孔密度が内部よりも外部の方が大きい請求項１に記載の製造方法。
【請求項１８】
インプラントの孔密度が外部よりも内部の方が大きい請求項１に記載の製造方法。
【請求項１９】
切断工程が、細長い開口部となるように切断する工程を含む請求項１に記載の製造方法。
【請求項２０】
細長い開口部となるように切断する工程が、所望の異方性を有する方向に細長い開口部となるように切断する工程を含む請求項１９に記載の製造方法。
【請求項２１】
開口部がグリーンテープにランダムに切断形成されている請求項１に記載の製造方法。
【請求項２２】
開口部がグリーンテープに規定のパターンで切断形成されている請求項１に記載の製造方法。
【請求項２３】
孔構造が少なくとも内部連結された複数孔と閉構造をとる複数孔とから成る請求項１に記載の製造方法。
【請求項２４】
孔構造の孔が、孔構造中への骨成長を促進するような大きさである請求項１に記載の製造方法。
【請求項２５】
孔構造が、孔密度、孔配向、孔間隔および孔の空間的位置の少なくとも１つによって特徴付けられ、孔構造が、固体移植体構造の半径方向、長さ方向、幅方向および高さ方向の少なくとも１つに沿って変更することが出来る請求項１に記載の製造方法。
【請求項２６】
グリーンテープの積層体が、２つの近接する層における１つの層の孔の配列と他の層の孔の配列とが整合していない構成を有する請求項１に記載の製造方法。
【請求項２７】
溶融工程が、更に、グリーンテープの積層体を圧縮して積層体構造を形成する請求項１に記載の製造方法。
【請求項２８】
圧縮圧力が１〜１５００００ポンド／インチ２である請求項２７に記載の製造方法。
【請求項２９】
溶融工程が、更に、積層体中の有機物質を除去するために積層体を焼成する工程を含む請求項２７に記載の製造方法。
【請求項３０】
溶融工程が、更に、積層体を焼結する工程を含む請求項２７に記載の製造方法。
【請求項３１】
焼結が１００〜２３００℃で行われる請求項３０に記載の製造方法。
【請求項３２】
更に、孔構造に有効薬剤を浸透させる工程を含み、当該有効薬剤が、骨成長因子、骨形態形成たんぱく質、ヒドロキシアパタイト、硫酸カルシウム、第三リン酸カルシウム、骨誘導素材および化合物、コラーゲン繊維、血球、骨セメント、骨芽細胞、抗生物質、抗菌剤、抗炎症剤、抗がん剤、および、鎮痛剤から成る群より選択される請求項１に記載の製造方法。
【請求項３３】
金属およびセラミックスの少なくとも１種の粒子から成り、固体インプラント中に挿入するためのグリーンテープを供給するグリーンテープ供給工程と、固体インプラントにおける所望の孔構造を形成するために上記グリーンテープの選択された場所を切断して開口部を設ける切断工程と、開口部を設けたグリーンテープを一方向に積層し所望の孔構造を得る積層工程と、複数層から成るグリーンテープの積層体を所望の孔構造を保持して溶融結合させる溶融工程とから成る製造方法によって製造されるインプラント。
【請求項３４】
グリーンテープ中に開口部を形成する切断工程が、レーザーカッティング、エッチング、機械カッティング及び焼成の少なくとも１種を含む請求項３３に記載のインプラント。
【請求項３５】
切断工程が、細長い開口部となるように切断する工程を含む請求項３３に記載のインプラント。
【請求項３６】
細長い開口部となるように切断する工程が、所望の異方性を有する方向に細長い開口部となるように切断する工程を含む請求項３５に記載のインプラント。
【請求項３７】
孔構造が、少なくとも内部連結された複数孔と閉構造をとる複数孔とから成る請求項３３に記載のインプラント。
【請求項３８】
孔構造の孔が、孔構造中への骨成長を促進するような大きさである請求項３３に記載のインプラント。
【請求項３９】
孔構造が、孔密度、孔配向、孔間隔および孔の空間的位置の少なくとも１つによって特徴付けられ、孔構造が、固体移植体構造の半径方向、長さ方向、幅方向および高さ方向の少なくとも１つに沿って変更することが出来る請求項３３に記載のインプラント。
【請求項４０】
溶融工程が、更に、グリーンテープの積層体を圧縮して積層体構造を形成する請求項３３に記載のインプラント。
【請求項４１】
溶融工程が、更に、積層体中の有機物質を除去するために積層体を焼成する工程を含む請求項３３に記載のインプラント。
【請求項４２】
溶融工程が、更に、積層体を焼結する工程を含む請求項３３に記載のインプラント。
【請求項４３】
更に、孔構造に有効薬剤を浸透させる工程を含む請求項３３に記載のインプラント。
【請求項４４】
互いに溶融接着されている複数の層から成る固体インプラント体から構成されるインプラントであって、当該層は金属およびセラミックスの少なくとも１種の粒子を互いに溶融させて形成され、当該層は固体インプラントにおける所望の孔構造が切断形成されており、当該孔構造が固体インプラントとしての弾性率、曲げ強度および孔隙率の少なくとも１つの所望の性状を有するように設計されていることを特徴とするインプラント。
【請求項４５】
開口部が細長い形状である請求項４４に記載のインプラント。
【請求項４６】
細長い開口部が異方性を有する請求項４４に記載のインプラント。
【請求項４７】
孔構造が、少なくとも内部連結された複数孔と閉構造をとる複数孔とから成る請求項４４に記載のインプラント。
【請求項４８】
孔構造の孔が、孔構造中への骨成長を促進するような大きさである請求項４４に記載のインプラント。
【請求項４９】
孔構造が、孔密度、孔配向、孔間隔および孔の空間的位置の少なくとも１つによって特徴付けられ、孔構造が、固体移植体構造の半径方向、長さ方向、幅方向および高さ方向の少なくとも１つに沿って変更することが出来る請求項４５に記載のインプラント。
【請求項５０】
孔構造に有効薬剤が浸透している請求項４４に記載のインプラント。
【請求項５１】
前記複数の層の構成が、全て金属層、全てセラミックス層、金属層とセラミックス層との組合せ、異なる種類のセラミックス層の組合せ、異なる種類の金属層の組合せ、異なる種類のセラミックス層、および、これらの組合せから成る群より選択される請求項４４に記載のインプラント。
【請求項５２】
前記複数の層が異なる孔構造を有する層から成る請求項４４に記載のインプラント。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、２００５年１１月１８日付で出願された米国仮特許出願６０／７３８２０２号の優先権に基づく出願（発明の名称：多孔性耐力セラミックス又は金属インプラント）である。本発明は、医療用インプラントに関し、詳しくは、人間および動物に使用する多孔性耐力インプラントに関する。
【背景技術】
【０００２】
欠損またはダメージを受けた骨や組織などの生命体構造の代用として、金属およびセラミックス製のインプラントは広く使用されている。現在の整形外科用インプラント、特に金属の股関節ステムのためのインプラントにおける１つの問題は、金属インプラントとそれを装着する皮質骨との弾性率の大きな差である。より硬い金属は、腰にかかる応力の大部分に耐えられるがために「応力遮蔽」効果が生じる。そのため、骨には応力がかかりにくくなり、非活動性萎縮として知られているように骨がもろくなったり、再吸収されたりする。そして、このような状況は、更に、インプラントと骨との間の界面を弱くしてしまう。これにより、激痛が発生し、痛みを伴いコストがかかる矯正外科手術を必要とするようになる。
【０００３】
インプラントの弾性率と骨の弾性率とを近づけるようにするために、１つの解決策として多孔性の金属が検討されている。多孔性金属は、その孔の無い金属と比較して多孔性構造のために弾性率が大きく低下している。そして、孔数が増加するに伴って、連続的に弾性率が低下する。しかしながら、多孔性金属または他の多孔性材料において好ましくない性状の１つとして、孔数が増加するに伴って強度の低下および脆さの増加が生じる。この強度低下により、多孔性金属が股関節ステムのための耐力インプラントに使用する候補となりにくい。
【０００４】
このような状況から、弾性率は減少しながら耐力部材へ応用した際に必要な強度を保持している様な多孔性金属またはセラミックス耐力インプラントが必要とされる。更に、所望の強度及び柔軟性を達成できる多孔性構造を正確に設計できるようなシステムおよび製造方法が必要とされている。理想的には、適切な孔構造設計により、生体の骨の強度、硬さおよび弾性率によく似たインプラントの設計が可能であるだろう。そのような孔構造は、更に、骨成長を促進したり、骨成長因子や他の薬剤などの有効薬剤をインプラントの周囲に移送するために設計されてもよい。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は上記の実情、すなわち、現状において上記諸問題を解決できるインプラント装置およびその製造方法が未だに得られていないことに鑑みなされたものであり、その目的は、インプラント（移植物）を製造するための装置および方法を提供することである。１つの実施態様としてその方法は、金属およびセラミックス製インプラントの弾性率を生体の骨のそれに極めて近くするように調節できる方法である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の１実施態様において、インプラントを製造する方法および弾性率、曲げ弾性率または金属およびセラミックスの孔構造を調節する方法として、金属、セラミックスまたはそれらの組合せの粒子から成り、固体インプラント中に挿入するためのグリーンテープを供給するグリーンテープ供給工程を含む。そして、固体インプラントにおける所望の孔構造を形成するために上記グリーンテープの選択された場所を切断して開口部を設ける。この孔構造は、所望の弾性率を有する固体インプラントを与えるように設計される。開口部を設けたグリーンテープは一方向に積層されて所望の孔構造を得、金属および／またはセラミックス粒子および層は溶融結合されてインプラント構造を形成する。
【０００７】
好ましい実施態様において、グリーンテープ中に開口部を形成する切断が、レーザーカッティング、エッチング、機械カッティング及び焼成の少なくとも１種を含む。好ましい実施態様において、開口部が細長い開口部である。細長い開口部は、所望の異方性を有する方向に細長い開口部となってもよい。同様に、孔構造が内部ネットワークを有するような内部連結された孔であっても閉構造をとる孔であってもよい。ある実施態様においては、インプラントの孔密度がコア部と外側表面との間で変化しているような構成を有する
【０００８】
セラミックス及び／又は金属粒子を溶融させて固体インプラントを形成するため、本発明の方法は、更に、グリーンテープの積層体を圧縮して積層体構造を形成し、積層体中の有機物質を除去するために積層体を焼成し、積層体を焼結する工程を含んでいてもよい。必要であれば、形成された固体インプラントの孔構造に、骨成長、治療、骨形成、骨一体化、固体インプラント周囲に薬剤浸透などを補助する有効薬剤を浸透させてもよい。
【０００９】
本発明の他の要旨は、複数層を溶融結合させて成る固体インプラントに存する。上記層には、固体インプラントにおける所望の孔構造を形成するために上記層内を切断して開口部を設ける。孔構造は固体インプラントに所望の弾性率を付与するように設計されてもよい。
【００１０】
ある実施態様においては、開口部が細長い開口部である。細長い開口部は、所望の異方性を有する方向に細長い開口部となってもよい。同様に、孔構造が内部ネットワークを有するような内部連結された孔であっても閉構造をとる孔であってもよい。ある実施態様においては、インプラントの孔密度がコア部と外側表面との間で変化しているような構成を有する。必要であれば、形成された固体インプラントの孔構造に、固体インプラント周囲に薬剤浸透などを補助する有効薬剤を浸透させてもよい。
【００１１】
本発明は、更に、金属およびセラミックス製インプラントの弾性率を生体の骨のそれに極めて近くするように調節できる装置および方法にも関する。本発明の要旨および技術効果は、以下の記載および請求の範囲により更に明らかになり、また、後述の本発明の実施によっても習得できるものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のインプラントを製造するための装置および方法は、金属およびセラミックス製インプラントの弾性率を生体の骨のそれに極めて近くするように調節できる方法である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下の記載および図面に記載される本発明の構成部材は種々の異なる形態への変更・設計が可能であることは明らかであると理解されるべきである。それゆえ、図面に代表される本発明に基づく装置の実施態様の以下の詳細な説明は、特許請求の範囲で規定される本発明の要旨を限定するために記載されたものではなく、単に本発明の実施態様として考えられる代表的な具体例として例示したものである。例示した実施態様は、同種の部材には同じ符号を付与した図面を参照することにより、十分に理解することが出来る。
【００１４】
図１ａに、股関節インプラントの例として本発明の多孔性インプラント１０の１実施態様を示す。ここでは、股関節インプラント１０として具体例を示すが、基本的な概念は、もちろん他の種の耐力または非耐力インプラントにも応用できる。それゆえ、図示されるインプラント１０は、本明細書に開示される装置および方法の技術効果を享受できる他の考え得るインプラント１０の単なる１例である。
【００１５】
股関節を外科手術によって置き換えるのに使用されるインプラント１０はステム１４（脚）に連結する股関節ボール１２を有する。股関節ボール１２は、移植者の骨盤に固定された金属シェル１８に挿入されたライナ１６中に勘合している。他方ステム１４は移植者の大腿骨に挿入されている。股関節ボール１２は代表的には金属またはセラミックスから構成され、ライナ１６は代表的にはポリエチレン、金属またはセラミックスから構成される。
【００１６】
十分な強度を付与するため、ステム１４は代表的には金属で構成される。上述に示したように、金属で構成されることにより、金属の弾性率と皮質骨の弾性率との大きな差異が問題となる。これにより、「応力遮蔽」効果が生じ、骨には比較的応力がかからなくなり、骨がもろくなったり、再吸収されたりする。その結果、インプラント１０と骨との間の界面が弱くなることにより、無菌性弛緩となる。更に、他の問題として、金属製のインプラントはＸ線や放射線を反射するため、インプラント１０の術後のレントゲン写真評価に悪影響を及ぼす。
【００１７】
ステムの弾性率を生体の骨の弾性率に極めて近づけるための改良として、インプラント１０に孔構造２０を入れることにより、ステムの弾性率を変更することが出来る。泡形成材料のランダムな孔構造に似ており、この孔構造２０は、インプラントの弾性率を改良しながらインプラントに要求される強度を十分に維持するように入念に設計される。理想的には、現在の多くのインプラントの特徴である応力遮蔽効果および無菌性弛緩を減少させるであろう。更に、孔２０を適切なサイズにすることにより、孔２０の中への骨成長が促進され、ステム１４と大腿骨との間の結合が改良されるという効果も付与される。ある実施態様では、約０．１〜６００μｍの孔サイズを有する孔２０は骨成長を促進するのに適している。また、ある実施態様では、孔２０の近似的平均直径が約０．１〜６００μｍである。本明細書において、「孔」と「開口部」とはほとんど同じ意味で使用される。ある場合においては、開口部はグリーンテープにおける開口部であり、孔または孔構造は近接するグリーンテープにおける開口部が連結して形成されたことを意味する。
【００１８】
ある実施態様において、インプラント１０に所望の特性を付与するため、孔２０は異なった形状、サイズ、配向を有して形成されてもよい。例えば、孔２０は、細長い開口部が、実質的に単一方向に異方性を有するように配列されている。この孔形状は、ステム１４の横方向２４の弾性率を減少させ、縦方向２２の耐応力量の大部分を保持している。ある実施態様では、縦方向の孔の幅が約０．１〜６００μｍである。また、他の実施態様では、縦方向の孔の長さが約０．１〜６００μｍである。孔２０の密度と長さは、ステム１４のそれぞれの異なる場所における弾性率を変化させるためにインプラント１０の長さ方向に沿って変化させてもよい。例えば、インプラント１０のネック２６部分は、応力遮蔽効果の影響が小さい領域であるため、材料の硬さを残すために少ない数の孔数にしてもよい。
【００１９】
他の実施態様において、細長い孔２０が種々の方向に異方性を有するように配列されていてもよい。例えば、図１ａには、ステムの輪郭と一致するようにステム１４に沿って細長い孔の配向が変化している。この方法は、異なる軸方向に沿ってインプラントの強度および弾性率変化させるために使用でき、インプラントが曲がっている形状や丸い形状の場合に有用である。
【００２０】
図１ｂは、図１ａに示すインプラント１０の断面線２７における断面図を示す。図に示すように、ある実施態様においては、ステム１４の外側表面２８とコア３０との間における孔密度を変化させるように設計されていてもよい。例えば、外側表面２８又はその近傍において孔２０は密に存在し、孔密度がコア３０に向かって放射状に減少し、コア３０において孔２０はほとんど存在しないように設計されていてもよい。応力負荷時に応力の大部分が支持部材の表面において存在するため、外側表面２８の近傍を高い孔密度とすることによりインプラント１０により多くの柔軟性を付与でき、コア３０又はその近傍に強度の大部分を残存させることが出来る。他の応用例としては、中心部の孔密度を高くし、外側表面の孔密度を低くする逆の場合で、この場合の方がより適切な場合があるかもしれない。開口部は、内部領域よりも外側領域の方がインプラントの孔密度が高く成るように切断工程において切断されて設けられてもよい。また、開口部は、外側領域よりも内部領域の方がインプラントの孔密度が高く成るように切断工程において切断されて設けられてもよい。切断工程における切断および積層工程における積層によって形成される開口部は変更でき、最終的なインプラントの構造的な性状の違いが付与されることは、当業者によって評価されるべきことであろう。
【００２１】
ある実施態様において、図１ａ及び図１ｂに示されるインプラント１０は、グリーンメタル又はセラミックステープを種々の方法で積層することによって形成される。それらの方法としては、特に限定されないが、例えば、円状の開口部を有する円板状のシートを垂直方向に積層する方法、細長い開口部を有する細長い（縦長の）シートを縦方向に積層する方法が挙げられる。更に、所定の孔構造を有する積層シートのブロックや塊を形成し、所望の用途に適合するように機械加工する方法もある。
【００２２】
金属またはセラミックステープの積層構造体から精密にテーラーメイドに形成された孔構造を有するインプラント１０を製造する方法のより詳しい説明を図２Ａ〜図２Ｉ及び図５に示す。種々の形状や配向の開口部は、グリーンテープに刻まれることによりインプラント１０中に所望の孔構造を形成する。図２Ａ〜図２Ｉは、グリーンテープに刻まれる種々の開口部のサイズ、配向およびパターンの実施態様を示す図であり、それぞれ異なる孔構造が形成され、異なる用途に使用される。これらのパターンはすべてを網羅したリストではなく、本発明の種々の孔構造の単なる例を示したものである。他の実施態様では、開口部は、所定のパターンに従ってグリーンテープに刻まれる。
【００２３】
例えば、図２Ａの実施態様では、細長い開口部３２がグリーンテープ３４の層に刻まれており、インプラント１０に細長い孔を形成している。カラム３６が開口部３２の間に残っている。このような構造は、細長い開口部３２と関連して方向３８において最終的なインプラントの柔軟性を増加させ、弾性率を変化させた構造となる。しかしながら、カラム３６は方向４０において実質的な支持体としての構造を付与し続ける。
【００２４】
同様に、図２Ｂには、図１ａに示すインプラント１０と同様に、互い違いに刻まれた細長い開口部３２を有する他の実施態様を示す。このような構造は、方向３８において更に柔軟性を増加させながら、方向４０において実質的な負荷に耐える能力を有する。このような互い違いのパターンは、図２Ａのパターンと比較して、方向３８における耐負荷力を改善する。
【００２５】
図２Ｃは、テープ３４がハニカム構造に切断され、開口部３２のネットワーク又は幾何学的セル３２構造を形成している実施態様を示す。ハニカム構造は、その高い剛性と軽量性によって種々の幅広い分野で利用できる。この例では六角形の構造を有しているが、幾何学的セル３２は他の形状（例えば三角形や正方形など）であってもよく、これらはそれぞれ異なる機械的性質を有する。ある実施態様では、ハニカム層３４は、固体層などのより多孔性の低い層との間に挟んで配置されていてもよく、これにより、ハニカム層３４に対して平行な面に剛性を付与することが出来る。
【００２６】
図２Ｄは、テープ３４の開口部が十字交差パターンまたは他の格子パターンに切断されている実施態様を示す。このようなパターンは種々の方向における強度や耐力のキャパシティーを保持したままインプラントの弾性率を改良するのに効果的である。例えば、十字交差パターンが１方向と垂直な方向にカラム３６を含んでいてもよい。このようなカラム３６はカラムに平行な方向の負荷に耐える働きをし、方向３８及び４０における耐負荷力キャパシティーを付与する。カラム３６は、必要であれば異なる角度からの耐負荷力キャパシティーを付与するために、必ずしも互いに垂直になるように設けられていなくてもよい。同様に十字交差パターンまたは他の格子パターンは、２以上の方向に沿ってカラム３６が設けられていてもよい。
【００２７】
図２Ｅ、Ｆ及びＧは、グリーンテープ３４に刻まれた円状開口部３２のパターンの実施態様を示す図である。例えば、円状開口部３２は、図２Ｅに示すように２つの垂直に交わる方向に沿って、また、図２Ｆに示すように回転軸において近接する６０℃の３方向に沿ってマトリックスが配列されていてもよい。これらのパターンを内包したインプラント１０は異なる機械的性能を有する。同様に他の実施態様において、図２Ｇに示すように円状開口部３２は相互連結した構造で形成されてもよい。すなわち、インプラント１０の孔構造は、相互連結した孔の編目構造を含んでいてもよい。以下に詳述するように、インプラント１０の孔構造を通じて、相互連結構造、開口部、孔構造は種々の基質を移動可能とすることが出来る。例えば、インプラント１０の孔構造は、有効薬剤を浸透させ、体内のインプラント１０の周囲に染出させてもよい。
【００２８】
図２Ｈ及び図２Ｉは、楕円形状の様な細長い開口部を所望の異方性方向に配置設計された実施態様を示す。この異方性配置はインプラント１０に、耐力のキャパシティーや柔軟性などの種々の所望の機械的性質を付与する。この異方性は実質的に図２Ｈに示すように実質的に１つの方向であってもよい。一方、図２Ｉに示す態様は開口部３２の異方性がインプラント１０中のある場所を基準として変化させてもよい。この態様はインプラント１０が曲がった構造を有する場合、異なる場所において種々の負荷をかける場合、異なる場所において異なる機械的特性を必要とする場合などに好都合である。
【００２９】
図３は、グリーンテープ層３４ａ及び３４ｂが積層され、異なる方向に孔の配向を含む所望の孔構造を形成するように配置した実施態様を示す。例えば、グリーンテープ層３４ａ及び３４ｂは、細長い開口部３２を、それぞれが垂直になるように異なる方向に有する。これらの層３４ａ及び３４ｂは、開口部３２と対応する構造要素による十字交差編目を形成するように積層されていてもよく、インプラント１０の種々の方向における強度および柔軟性を付与する。実際、これに限定されないが、図２Ａ〜図２Ｉに関連する構成のグリーンテープ層３４は、多くの異なる順番、組合せ、方向に積層され、所望の強度、柔軟性または他の機械的性質が付与される。
【００３０】
図４Ａ〜図４Ｅに、積層されたインプラント構造の種々の実施態様におけるプロフィールを示す。これらの図は、幾つかの単純な態様例を意図して示したものであり、層構成における可能な全ての組合せや配向を網羅したリストではない。実際に、異なる層の多くの順列や組合せが可能でありこれらも本発明の範囲である。
【００３１】
図４Ａは、固体インプラント構造４４が複数の層３４ａ及び３４ｂを含む態様を示した図である。層３４ｂは図２Ａから図２Ｉに示すような開口部３２を有し、他方、層３４ａは、開口部３２を有していたとしてもその数が少ない。例えば、図２Ｃに記載されている様なハニカム層３４ｂ又は他の多孔性層３４ｂは、他の固体または実質的に固体な層３４ａの間に挟まれて積層してもよい。幾つかの多孔性層３４ｂはそれ自身の強度が弱いものであるため、この構成は柔軟性や機械的性質を改良しながら層構造４４に強度を付与する。
【００３２】
図４Ｂは、開口部３２が整列または内部連結しているようにインプラント層構造４４のグリーンテープの層３４が設計されている実施態様を示す図である。この実施態様では、インプラント１０中に通路４６が形成され、孔構造が開放系である。ある態様では、これらの通路４６は、抗感染薬、骨生長因子などの有効薬剤を浸透でき、インプラント１０から滲み出し、生体へ種々の効能を付与する。通路４６は、非多孔性インプラントと比較して弾性率を減少させ、ランダムに配向またはランダムに分散された孔を有する多孔性インプラントと比較して弾性率が増加された様なインプラント１０の機械的性質も変更できる。
【００３３】
図４Ｃは、開口部３２が互いに孤立していて閉系の孔構造を形成している様にグリーンテープの層３４が積層されている実施態様を示す図である。閉系の孔構造を有するインプラント１０は、それぞれの層３４における固体要素４８の間のより強い相互連結により、ある場合において開放系の孔構造を有する場合よりも強度が強い場合がある。
【００３４】
図４Ｄは、本発明のインプラント１０に、必要であればランダムに分散された孔構造を有する１つ以上の層３４が挿入された実施態様を示す図である。以下に更に詳述するが、これらの孔は、グリーンテープ３４を製造するためのスリップ（粘土液）に孔形成剤を混合し、孔形成剤を焼成して除去することによってランダムに分散した孔を形成することが出来る。
【００３５】
図４Ｅは、開口部３２が部分的にそれぞれの層３４に相互侵入した実施態様を示す。それぞれの開口部３２は、近接する層３４に覆われて閉系の孔構造となっている。ある実施態様では、層構造が、２つの近接するグリーンテープの層の一方の層の開口部が他方の層の開口部と一致して配列しないような配置を有する。このような配置は、近接する層の１つの層のみが開口部または孔を有するような構成であってもよい。連続層が、種々の複数層の異なった配置の開口部または孔を付与するように配置または積層されてもよく、これらの配置がインプラントにおける所望の性状や品質を達成できることは当業者には明らかである。
【００３６】
図５は、金属またはセラミックスの可撓性グリーンテープの製造およびこれらのテープを使用してインプラント１０を製造する製造方法５０の１実施態様を示す。製造方法５０は、これに限定されないが、例えば多数のセラミックス粉末、金属粉末および種々の混合割合におけるこれらの混合物などの幅広い種々の化合物を含むグリーンテープを製造するために使用されていると理解されるべきである。好ましい金属粉末としては、例えば、鉄、アルミニウム、銅、亜鉛、タングステン、チタン、タンタル、ステンレススチール、コバルト及びコバルト−クロムなどのこれらの金属との組合せの粉末が挙げられる。金属粉末は上記の金属とのアロイを含む合金も使用できる。好ましいセラミックス粉末は、例えば、ヒドロキシアパタイト、第三リン酸カルシウム、チタニア、ジルコニア、イットリア、アルミナ、マグネシア、カルシア、スピネル、クロミア、ペロブスカイト（灰チタン石）、炭化ケイ素、窒化ケイ素、炭化チタン、炭化ホウ素、窒化ケイ素、シリカまたはこれらの組合せの粉末が挙げられる。本発明の図５に示す製造方法５０の態様は、図５に示す工程よりも工程が多くても少なくてもよい。すなわち、製造方法５０に１つ以上の工程を追加しても削除してもよい。図５に示す工程は、本発明の製造方法５０に含まれる種々の工程を単純に示したものである。
【００３７】
本発明の製造方法５０の最初の工程は、上記に例示した様なセラミックス及び金属の少なくとも１種の粉末を供給する工程５２を含む。この粉末を水性または非水溶媒と混合して混合物を形成する混合工程５４を含む。ある実施態様では、混合物がペーストである。好ましい溶媒としては、特にこれに限定されないが、水、メタノール、アセトン、エタノール、イソプロピルアルコール、ブタノール、トルエン、キシレン、ヘキサノール、メチルエチルケトン、ヘキサン又はこれらの混合物が挙げられる。ある実施態様では、溶媒の含有量が総容積の約２〜９０％である。他の実施態様では、水の含有量が総容積の約１０〜６０％である。更に、他の実施態様では、水の含有量が総容積の約２０〜２５％である。
【００３８】
ある実施態様においては、所望のより低い粘度の懸濁液を供給するように、分散剤を添加する工程５６を有する。好ましい分散剤としては、例えば、アンモニウムポリメタクリレート（Ｄａｒｖａｎ社製）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、グリセロール、ポリビニルブチラール（ＰＶＢ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）及び当業者に公知の好ましい分散剤が挙げられる。ある場合、分散剤の添加量は混合物の重量に対し約０．００１〜１０％である。必要に応じて、適当な消泡剤を添加する工程５８により非発泡懸濁液を形成させてもよい。好ましい消泡剤としては、例えば、Ｔｒｉｔｏｎ（登録商標）Ｘ−１００が挙げられる。消泡剤の含有量は、例えば、総重量の約０．００１〜１０％である。
【００３９】
均一な混合物が得られた後、その混合物にバインダーや可塑剤を添加してもよい（工程６０）。好ましいバインダーや可塑時としては、例えば、ＰＶＡ、ＰＶＢ、Ｓａｎｔｉｃｉｚｅｒ（登録商標）１６０，ジブチルフタレート（ＤＢＰ）、グリセロール等が挙げられる。ある実施態様では、混合物総量に対するバインダーの含有量が約０．０１〜２５％である。同様に、混合物総量に対する可塑剤の含有量は約０．０１〜２５％である。
【００４０】
図４Ｄ等の様なランダム孔構造を必要とする場合、適切な孔形成剤を混合物に添加してもよい（工程６２）。好ましい孔形成剤としては、これに限定されないが、例えば、微細セルロース、寒天、小麦粉、塩、砂糖、ポリマービーズ、ポリマー粉末、油、粉砕毛髪、紙、木材チップ、カーボン、燃焼灰、ＰＶＡ、ＰＶＢ、グリセロール又は他の当業者に公知の有機物が挙げられる。混合物総量に対するこれらの孔形成剤の含有量は約０．００１〜９０％である。
【００４１】
上記の工程により最終的な均一懸濁物またはスリップ（粘度液）を調製する。この粘度液は基材上に広げられることによって薄いシートを得てフィルムを形成する（工程６４）。好ましい基材としては、例えば、ガラス、プラスチック、木、金属、Ｍｙｌａｒ（登録商標）、紙などが挙げられる。スリップは、ドクターブレード等を使用して手作業で基板上に広げてもよく、また、卓上型、研究用、製造型などのテープ製膜器を使用して自動的に基板上に広げたり、あるいは当業者に公知の他の方法を使用してもよい。ある実施態様では、ウエットな状態のフィルムの厚さが約０．００１〜１００ｍｍの範囲で可変してもよい。また、ある実施態様では、ウエットな状態のフィルムの厚さが約０．０１〜０．１ｍｍの範囲で可変してもよい。ウエットな状態のフィルムは、開放系（＝室温）、温度制御乾燥機または自動テープ製膜器の加熱ゾーンにおいて、約０〜１００℃の温度範囲で乾燥してもよい（工程６４）。
【００４２】
乾燥工程６４の後、フィルムは基材から移動させ、乾燥グリーンテープに切り込んで開口部３２を設ける（切断工程）。これらの開口部３２は種々の切断方法によって設けられ、その方法としては、特にこれに限定されないが、レーザーカッティング、エッチング、機械カッティング、焼成などが挙げられる。例えば、機械カッティングは、ブレード、パンチ、ドリルビット又は他のカッティング装置を使用して手動または自動で行われてもよい。開口部３２は如何なる形状やサイズに切断されていてもよく、同一または混合された形状のパターンで切断されていてもよい。ある実施態様においては、開口部のアスペクト比が約０．００１〜１０００の範囲である。また、他の実施態様では、開口部のアスペクト比が約２０〜５００の範囲である。
【００４３】
開口部３２が形成されるとグリーンテープを積層し（すなわち積層・配向工程６８）、所望の孔構造を形成する。積層されたテープは互いに溶融結合させる工程に賦する。溶融結合工程は、グリーンテープの層を積層する工程を含む。ある実施態様では、溶融結合工程が、グリーンテープの積層体を焼結工程を含む。溶融結合工程が、各層を圧縮して積層体構造を形成する工程７０を含んでもよく、ある態様において、圧縮圧力は約１〜１５００００ＰＳＩである。負荷する圧縮圧力は、使用する材料、孔サイズ、孔密度、積層構造における孔形状、積層構造の最終形状などにより決定される。ある実施態様において、圧縮工程７０は約０〜１００℃の温度で行われる。
【００４４】
圧縮後、テープ中のすべてまたは実質的な部分の有機物質、特に限定されないが、例えば上述の孔形成剤などを除去するために積層構造体を焼成する（工程７２）。ある実施態様では、有機物質除去の焼成温度は約２０〜１０００℃である。焼成工程７２が完了した後、構造体は焼成され、所望の強度を達成する。ある態様ではこれらの焼成や焼結の温度は約１００〜２３００℃である。
【００４５】
焼成が完了すると、使用者は、所望の孔構造を有し耐力が固定されたインプラント構造を有することになる。前述のように、この孔構造は、ある態様においてインプラント中に通路や空洞を形成する。この孔構造、通路構造または空洞構造は、弾性率、曲げ弾性率、インプラント構造の多孔性を調節・調整するのに使用される。
【００４６】
必要であれば、これらの通路構造または空洞構造は、移植体内に送達させるための１つ以上の有効薬剤を浸透させてもよい（工程７６）。その様な有効薬剤は、感染や炎症の防止・減少、骨生長の促進、治療、骨誘導、骨融合、薬剤送達などに使用される。有効薬剤としては、特にこれに限定されないが、骨成長因子、骨形態形成たんぱく質、ヒドロキシアパタイト、第三リン酸カルシウム、骨誘導素材および化合物、コラーゲン繊維、血球、骨セメント、骨芽細胞、抗生物質、抗菌剤、抗炎症剤、抗がん剤、鎮痛剤などが挙げられる。
【実施例】
【００４７】
本発明の製造方法５０を使用して製造されるインプラント構造体の幾つかの例示を以下の実施例に示すが、本発明はこれらに限定されるわけではない。
【００４８】
実施例１：
本発明の第１の実施例として、セラミックアルミナ粉末を水に混合する。セラミックアルミナ粉末の混合量は総体積の約２０〜２５％である。総重量の１％未満の量の分散剤を混合物に添加する。ＰＶＡ及びグリセリンを２：１の比で混合物に混合して最終的なスリップを得る。このスリップを約１０ｍｉｌ（０．０１インチ）の厚さでテープ状に製膜し、乾燥して可撓製テープを得る。レーザーを使用して、テープに図２Ａに示すような通路状の切抜きを行う。
【００４９】
実施例２：
本発明の第２の実施例として、セラミックペロブスカイト粉末をトルエン／エタノール混合溶媒に混合する。セラミックペロブスカイト粉末の混合量は総体積の約４０〜５０％である。総重量の１％未満の量の分散剤を混合物に添加する。ＰＶＡ及びＳａｎｔｉｃｉｚｅｒ（登録商標）１６０を２：１の比で混合物に混合して最終的なスリップを得る。このスリップを約１０ｍｉｌ（０．０１インチ）の厚さでテープ状に製膜し、乾燥して可撓製テープを得る。レーザーを使用して、テープに通路状の切抜きを行う。レーザーで切り抜いたそれぞれのシートを６０℃で約１００００ＰＳＩ未満の圧力下で積み重ね、積層する。次いで、約１２００〜１５００℃でグリーン積層構造体を焼成し、装置中にテイラーメイドに形成された孔構造が組み込まれている焼成物を得る。
【００５０】
本発明は、本発明の要旨から逸脱しない範囲において、他の特定の形態の態様も可能である。上記の実施態様は、単なる例示であって、これらに限定されるものではないと考えるべきである。本発明の要旨は前述の記載よりもむしろ特許請求の範囲で示されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１ａ】弾性率を改良した本発明の多孔性股関節インプラントの１実施態様の斜視図
【図１ｂ】図１ａに示される本発明の多孔性股関節インプラントの１実施態様の断面図
【図２】本発明のインプラントの製造に使用される種々の孔形状およびパターン図（図２Ａ〜２Ｉ）
【図３】本発明のインプラントの製造に使用されるグリーンテープの種々の層の積層方法の１例を示す斜視図
【図４】本発明のインプラントの製造に使用される積層されたインプラント構造を示す模式図（図４Ａ〜４Ｅ）
【図５】本発明のインプラントの製造方法の１実施態様のフローチャート
【符号の説明】
【００５２】
１０：インプラント
１２：股関節ボール
１４：ステム
１６：ライナ
１８：金属シェル
２０：孔
２６：ネック
２８：外側表面
３０：コア
３２：開口部
３４：グリーンテープ層
３６：カラム
４４：層構造
４６：通路
４８：固体要素
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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