(57)【要約】硬化性被覆スラリーを調製すること、前記スラリーの被覆物を少なくとも基板表面の一区画に被着すること、及び前記スラリーを硬化させること、の工程を含む、基板への化学結合セラミック被覆物の被着のための表面被覆法。本発明によれば、硬化性被覆スラリーを調製する工程は、アルミン酸カルシウム粉末を水および少なくとも１つの減水剤と、０．１から０．９の範囲内の水対セメント比が達成されるように混合することを含む。本発明はさらに、アルミン酸カルシウム水和物の結合材相を含む生体適合性表面被覆物及びそのような生体適合性表面被覆物で被覆した装置に関する。
2005523380.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
硬化性被覆スラリーを調製すること、
前記スラリーの被覆物を少なくとも基板表面の一区画に被着すること、及び
前記スラリーを硬化させること、
の工程を含み、硬化性被覆スラリーを調製する工程が、アルミン酸カルシウム粉末を水及び少なくとも１つの減水剤と、０．１から０．９の範囲内の水対セメント比が達成されるように混合することを含むことを特徴とする、基板への化学結合セラミック被覆物の被着のための表面被覆法。
【請求項２】
硬化性被覆スラリーを調製する工程が、式ＡＢＯ３［式中、Ｏは酸素であり、Ａ及びＢは金属である］に従ったペロブスカイト型構造の三元酸化物、又はそのような三元酸化物の任意の混合物を添加することを含む、請求項１に記載の表面被覆法。
【請求項３】
前記三元酸化物がチタン酸カルシウムであることを特徴とする、請求項２に記載の表面被覆法。
【請求項４】
硬化性被覆スラリーを調製する工程が、１又はそれ以上の生体適合性材料の粒子又は粉末を添加することを含むことを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載の表面被覆法。
【請求項５】
前記生体適合性材料が炭酸カルシウムであることを特徴とする、請求項４に記載の表面被覆法。
【請求項６】
前記生体適合性材料がリン酸カルシウム、好ましくはオルトリン酸のカルシウム塩であることを特徴とする、請求項４に記載の表面被覆法。
【請求項７】
前記生体適合性材料がアパタイトであることを特徴とする、請求項４に記載の表面被覆法。
【請求項８】
前記アパタイトが、フッ素リン灰石又はカーボネートアパタイトを含む群から選択されることを特徴とする、請求項７に記載の表面被覆法。
【請求項９】
前記アパタイトがハイドロキシアパタイトであることを特徴とする、請求項７に記載の表面被覆法。
【請求項１０】
硬化性被覆スラリーを調製する工程が、硬化工程を促進する又は遅延させる成分の添加を含むことを特徴とする、請求項１から９のいずれかに記載の表面被覆法。
【請求項１１】
前記基板表面を、スラリーの被着の前にＲａ０．１から１０．０μｍの範囲内の表面粗さに前処理する工程を特徴とする、請求項１から１０のいずれかに記載の表面被覆法。
【請求項１２】
前記前処理を、硬質粒子での乾式ブラスト加工によって実施することを特徴とする、請求項１１に記載の表面被覆法。
【請求項１３】
前記前処理を、硬質粒子での湿式ブラスト加工によって実施することを特徴とする、請求項１１に記載の表面被覆法。
【請求項１４】
アルミン酸カルシウムフラグメントを基板表面に包埋する工程を特徴とする、請求項１から１０のいずれかに記載の表面被覆法。
【請求項１５】
前記包埋を、アルミン酸カルシウムフラグメント又は粉末で表面をブラストすることによって実施することを特徴とする、請求項１４に記載の表面被覆法。
【請求項１６】
硬化工程を促進するための促進剤で前記基板表面を前処理する工程を特徴とする、請求項１から１５のいずれかに記載の表面被覆法。
【請求項１７】
前記スラリーを適用する工程が、溶射、スピンコーティング又は浸漬によって実施されることを特徴とする、請求項１から１６のいずれかに記載の表面被覆法。
【請求項１８】
硬化の工程を、水中で又は少なくとも９０％の相対湿度の環境で実施することを特徴とする、請求項１から１７のいずれかに記載の表面被覆法。
【請求項１９】
硬化の工程が、温度を１０℃から２００℃の範囲内、好ましくは２０℃から７０℃の範囲内に制御することを含むことを特徴とする、請求項１から１８のいずれかに記載の表面被覆法。
【請求項２０】
被着した被覆物がおよそ０．１から２００μｍの厚みを有すること、好ましくは２０μｍ未満であることを特徴とする、請求項１から１９のいずれかに記載の表面被覆法。
【請求項２１】
基板を形成すること、及び
請求項１から２０のいずれかに記載の表面被覆法を用いて前記基板表面の少なくとも一区画を覆う生体適合性表面被覆物を被着すること、
の工程を特徴とする、表面被覆生体適合性装置を生産する方法。
【請求項２２】
被覆物中の結合材相が実質的にアルミン酸カルシウム水和物を含むことを特徴とする、生体適合性表面被覆物。
【請求項２３】
式ＡＢＯ３［式中、Ｏは酸素であり、Ａ及びＢは金属である］によって表わされるペロブスカイト型構造の三元酸化物、又はその任意の混合物をさらに含むことを特徴とする、請求項２２に記載の生体適合性表面被覆物。
【請求項２４】
前記三元酸化物がチタン酸カルシウムであることを特徴とする、請求項２３に記載の生体適合性表面被覆物。
【請求項２５】
１又はそれ以上の生体適合性材料の粒子又はフラグメントをさらに含むことを特徴とする、請求項２２から２４のいずれかに記載の生体適合性表面被覆物。
【請求項２６】
前記生体適合性材料が炭酸カルシウムであることを特徴とする、請求項２５に記載の生体適合性表面被覆物。
【請求項２７】
前記生体適合性材料がリン酸カルシウム、好ましくはオルトリン酸のカルシウム塩であることを特徴とする、請求項２５に記載の生体適合性表面被覆物。
【請求項２８】
前記生体適合性材料がアパタイトであることを特徴とする、請求項２５に記載の生体適合性表面被覆物。
【請求項２９】
前記アパタイトが、フッ素リン灰石又はカーボネートアパタイトを含む群から選択されることを特徴とする、請求項２８に記載の生体適合性表面被覆物。
【請求項３０】
前記アパタイトがハイドロキシアパタイトであることを特徴とする、請求項２８に記載の生体適合性表面被覆物。
【請求項３１】
およそ０．１から２００μｍ、好ましくは２０μｍ未満の厚みを有することを特徴とする、請求項２２から３０のいずれかに記載の生体適合性表面被覆物。
【請求項３２】
請求項１から２０のいずれかに記載の表面被覆法を用いて被着することを特徴とする、請求項２２から３０のいずれかに記載の生体適合性表面被覆物。
【請求項３３】
前記表面被覆物が、請求項２２から３２のいずれかに記載の生体適合性表面被覆物であることを特徴とする、基板及びその基板表面の少なくとも一区画を覆う表面被覆物を含む、表面被覆装置。
【請求項３４】
前記基板が、金属、セラミック又はポリマー材料、あるいはそれらの任意の組合せで作られていることを特徴とする、請求項３３に記載の表面被覆装置。
【請求項３５】
前記基板が、チタン又はその合金、ステンレス鋼又はＣｏＣｒ合金、あるいはそれらの任意の組合せで作られていることを特徴とする、請求項３４に記載の表面被覆装置。
【請求項３６】
医療装置であることを特徴とする、請求項３３から３５のいずれかに記載の表面被覆装置。
【請求項３７】
移植のための医療装置であることを特徴とする、請求項３３から３５のいずれかに記載の表面被覆装置。
【請求項３８】
人工整形外科装置であることを特徴とする、請求項３６に記載の表面被覆装置。
【請求項３９】
脊椎インプラントであることを特徴とする、請求項３６に記載の表面被覆装置。
【請求項４０】
関節インプラントであることを特徴とする、請求項３６に記載の表面被覆装置。
【請求項４１】
接着要素であることを特徴とする、請求項３６に記載の表面被覆装置。
【請求項４２】
骨釘であることを特徴とする、請求項３６に記載の表面被覆装置。
【請求項４３】
骨ねじであることを特徴とする、請求項３６に記載の表面被覆装置。
【請求項４４】
骨補強板であることを特徴とする、請求項３６に記載の表面被覆装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セラミック被覆物の被着（ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）のための方法、生体適合性表面被覆物及び前記生体適合性表面被覆物で被覆した装置、特に高度の生体適合性を有するセラミック被覆物の被着のための方法、及びそのような生体適合性セラミック層で被覆された基板を含む、移植のための医療装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
表面被覆手法
極めて多様な材料を薄膜又は被覆物として被着することができる。本発明は、特にセラミック被覆物に焦点を当てる。セラミック被覆物はしばしば、硬度、摩擦、耐食性、及び生体適合性のような特性のために使用される。
【０００３】
被覆物のセラミックを被着するための最も確立された手法は、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、化学気相成長法）、ＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、物理気相成長法）、電解析出、溶射被着法（ｔｈｅｒｍａｌ  ｓｐｒａｙ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）である。さらに、各々の被着手法の中に数多くのサブグループが存在する。
【０００４】
ＣＶＤは、基板の表面とその表面上を流れる気体との間で起こる化学反応が基板上に表面皮膜を生成する、高温の工程（典型的には８００℃から１０００℃）である。この手法は主として、超硬合金などの耐熱性基板への金属炭化物、金属窒化物又は金属酸化物の被着のために使用される。被着した皮膜の厚みはナノメートルからマイクロメートルの範囲でありうる。
【０００５】
ＰＶＤは物理的工程、最も多くはプラズマ手法に基づき、ＣＶＤよりも低温で、典型的には基板表面で３００℃から５００℃で使用されうる。ＣＶＤと異なって、ＰＶＤは照準線（ｌｉｎｅ  ｏｆ  ｓｉｇｈｔ）工程であり、これはコーナー付近、チューブの内側等には皮膜を被着できないことを意味する。ＰＶＤは、純粋な金属及び多くの化合物の被着のために使用しうる。ＰＶＤ法は一般に、鋼、アルミニウム、さらにはプラスチック材料などの温度感受性基板への被着のために使用される。被覆物の厚みは、ＣＶＤ工程についての程度と同程度の範囲である。
【０００６】
溶射被着法は、ガス炎、電気アーク及びガスプラズマに基づく手法を包含し、それらはすべて極めて高い温度を必要とする。融解帯は、ほぼ１０，０００℃の温度に達することがある。これは、基板と被覆材料との両方の温度特性に必要条件を課す。溶射法は、多くの金属及びセラミック材料の被着のために使用しうる。一般に、被着皮膜はＰＶＤ及びＣＶＤの場合よりも厚く、１００マイクロメートルから数ミリメートルの範囲内である。
【０００７】
セラミック皮膜の被着のための既存手法に関する難点は、工程で必要とされる高い温度である。それ故、上記方法のうちで最も好ましいのは、しばしば、３００℃付近での被着に使用しうるＰＶＤである。もう１つの難点は、前記方法、特にＣＶＤ及びＰＶＤは、気密な真空状態が求められる、高度に進んだ被着装置を必要とすることである。
【０００８】
溶射被着法に関する主たる難点は融解帯の温度である。また被着材料の冷却速度が極めて大きい。数マイクロ秒間の典型的に１０，０００℃から室温までの冷却は、被覆物の微細構造を制御する可能性が非常に限られることを意味する。相−組成物、化学的組成物、有孔性及び表面構造を精密に調節することはできない。
【０００９】
生体適合性材料
バイオセラミックに関しては、ハイドロキシアパタイト又は他のリン酸カルシウムが特に興味深い。ハイドロキシアパタイトは、骨組織がこのセラミックに対して良好に再生するので、骨適合性である。この材料は自然骨と直接結合を形成することができると思われる。これについての１つの理由は、ヒト骨組織の約２／３がハイドロキシアパタイトから成ることであると考えられる。
【００１０】
純粋なバルク材料としては、ハイドロキシアパタイト及び他のリン酸カルシウムは低い力学的性質を有する。ハイドロキシアパタイトは、それ故、しばしば金属基板上の被覆材料として又はより強力なマトリックス中の添加物として使用される（ＷＯ／１１９７９参照）。ハイドロキシアパタイト充填剤を含むポリマーベースの骨セメントは確立された製品である。しかしながら、高温を伴うすべての手法はハイドロキシアパタイトの微細構造を変化させる傾向があり、例えばハイドロキシアパタイト中の水和水が構造から離れる。
【００１１】
様々な溶射手法で被着したハイドロキシアパタイトベースの被覆物を伴う整形外科用成分は、インプラントの比較的大きな群を形成する。また、炭酸カルシウムのサンゴ様材料の生体（又は骨）適合性被覆物を生産する試みもまた為されてきた。しかしながら、これらの材料の限られた力学的性質は、それらの使用に対する制限を課している。
【００１２】
アルミン酸カルシウム
もう１つのバイオセラミックはアルミン酸カルシウムであり、その医療適用は、例えばＳ．Ｆ．Ｈｕｌｂｅｒｔ，Ｆ．Ａ．Ｙｏｕｎｇ，Ｒ．Ｓ．Ｍａｔｈｅｗｓ，Ｊ．Ｊ．Ｋｌａｗｉｔｔｅｒ，Ｃ．Ｄ．Ｔａｌｂｅｒｔにて述べられている。純粋なアルミン酸カルシウムと接触した状態に置いたとき、組織（骨、筋肉、皮下脂肪）は大部分は反応しない、すなわち刺激、炎症又は毒性反応は起こらないことが示されている。
【００１３】
ＳＥ−４６３  ４９３号は、アルミン酸塩及びケイ酸塩を含む化学結合セラミック材料を開示している。この材料は、セラミック体の予備的締固めを含む生産手法を通して実現される。さらに、このセラミック材料は、例えばハイドロキシアパタイト、又はチタン、ジルコニウム、亜鉛及びアルミニウムの酸化物の不活性相を含有しうる。
【００１４】
アルミン酸カルシウムは、歯の充填材料、例えばＤｏｘａ  Ｃｅｒｔｅｘ  ＡＢ社によって生産される製品、Ｄｏｘａｄｅｎｔ(登録商標)として探求されてきた。例えばＰＣＴ／ＳＥ９９／０１７２９号、“Ｓａｔｔ  ａｔｔ  ｆｒａｍｓｔａｌｌａ  ｅｎ  ｋｅｍｉｓｋｔ  ｂｕｎｄｅｎ  ｋｅｒａｍｉｓｋ  ｐｒｏｄｕｋｔ，ｓａｍｔ  ｐｒｏｄｕｋｔ”，１９９９年９月２９日参照。
【００１５】
発明の概要
本発明の目的は、先行技術の欠点を克服する、化学結合セラミック表面被覆物の被着のための新しい方法、生体適合性表面被覆物、及び表面被覆装置を提供することである。これは、請求項１で定義する方法、請求項１８で定義する被覆物、及び請求項２５で定義する装置によって達成される。
【００１６】
前記方法に関する１つの利点は低温工程であることであり、温度感受性基板上にセラミック被覆物を被着するために使用できる。
【００１７】
別の利点は、被覆装置が、特に骨との接触に関して、改善された生体適合性を備えていることである。
【００１８】
さらにもう１つの利点は、被覆物が、やはり低温被着工程のゆえに、ハイドロキシアパタイト及び炭酸カルシウムなどの生体適合性材料のための結合材材料として、それらの微細構造又は化学的組成物を変化させることなく使用しうる、すなわち厳密な生物学的性質が被着後も保持されることである。
【００１９】
さらに、方法の簡便さのゆえに、基板の選択した区画への被覆物の被着が可能である。インプラントも、移植手技の前に迅速且つ簡単に被覆しうる。
【００２０】
本発明の実施形態は、従属する特許請求の範囲において定義される。
【００２１】
実施例についての詳細な説明
本発明は、主として医療装置、例えばインプラント、検査装置、外科用ツール等のための被覆物に関する。一般に求められるバルク特性は、高い強度、弾性、被削性、合金成分の低い漏出率等を含む。表面領域に関する必要条件は、毒性、炎症、拒絶反応又は他の有害な組織反応などの生物学的性質を含む。さらに、表面は、細胞増殖の活性化などの種々の度合の生物活性、又は制御された分解、ならびに活性物質、例えば薬剤、成長因子等のための担体であることを示しうる。
【００２２】
本明細書全体を通じて、生体適合性（ｂｉｏｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ）の語は、問題となっている材料又は表面に関するある種の特性を意味するために何度も使用される。しかしながら、生体適合性は、生体組織と接触することになる材料に対して求められる又は望ましい種々の特性についての一般的な用語として使用されることに留意すべきである。さらに、前記材料は正しく使用／調製され、適切な適用において使用されねばならない。
【００２３】
もう１つの頻繁に使用される用語は、材料が骨組織と接触して使用するために特に好都合であることを意味する、骨適合性（ｏｓｓｅｏ−ｃｏｍｐａｔｉｂｌｅ）である。上述したように、一部の骨適合性材料はさらに、自然骨と直接結合を形成することができると思われる。骨適合性であるとみなされる材料の例は、ハイドロキシアパタイト、及び炭酸カルシウムのサンゴ様材料である。
【００２４】
本発明は、被着のための方法、被覆材料、及びその方法に従って被着した表面被覆物を有する製品を包含する。
【００２５】
以下において基板（ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）と称する、被覆すべき材料は、セラミック、金属又はポリマー材料でありうる。本発明の好ましい実施形態では、基板は、チタン、チタン合金、ステンレス鋼又はＣｏＣｒ合金などの、医療用インプラントの分野で受け入れられている金属である。
【００２６】
本発明は、好ましくは、生体組織との接触を意図し、そして特に骨組織との接触に適する、構造又はインプラント上にセラミック被覆物を被着するために使用される。そのような構造又はインプラントの例は、表面被覆整形外科用インプラント、例えば股関節及び膝関節、骨の内固定及び外固定及び骨折の修復のための接着要素（ねじ、釘、プレート）である。
【００２７】
本発明の被覆材料は、単独であるか、又は選択された生体適合性減水剤添加物との結合相として使用されるかのいずれかである、アルミン酸カルシウムである。
【００２８】
被着は主として３工程で実施される。第一に、基板の表面を前処理し、第二に、被覆物を、アルミン酸カルシウム粉末と水溶性溶媒とを含むスラリーとして被着し、第三に、被着したスラリーを硬化させる。アルミン酸カルシウム−水−スラリーは、化学反応である水和作用によって硬化し、それによって基板の表面に結合される。アルミン酸カルシウムの硬化は、２００１年１２月２７日出願の、本発明者らの同時係属中のスウェーデン特許出願ＳＥ−０１０４４４１−１号、“Ｃｅｒａｍｉｃ  ｍａｔｅｒｉａｌ  ａｎｄ  ｐｒｏｃｅｓｓ  ｆｏｒ  ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ”に述べられている。
【００２９】
最適特性を有する被覆物を達成するために、下記の工程を実施する：
−基板表面の前処理
−添加物の添加を含む、スラリーの調製
−基板表面へのスラリーの被着、及び
−スラリーの硬化。
【００３０】
これらの工程の各々をより詳細に示す（図１）。
【００３１】
基板表面の前処理
２工程のサンドブラストで前処理した基板表面は、被覆物と基板表面との間に最適結合をもたらすことが示された。最初のブラスト工程は、好ましくは硬質セラミック粒子で実施し、表面の粗さの値、Ｒａ値が０．１から１０．０μｍの範囲内の表面粗さを生じる。
【００３２】
最も好ましくは、最初のブラストは湿式ブラストとして実施し、それによって生じる表面はブラスト材料を実質的に含まないことを示した。前記基板は生物学的適用において使用されることになるので、これは非常に重要である。
【００３３】
あるいは、一次ブラストは、硬質粒子又はグリットによる摩砕などの、同じ表面粗さを生じるもう１つ別の研磨工程であってもよい。
【００３４】
第二のブラストは、アルミン酸カルシウム粒子をブラスト媒質として用いて実施する。第二のブラストは、好ましくはアルミン酸カルシウムフラグメントが基板表面に包埋されるように実施すべきである。このブラストの目的は、基板への被覆物のより良好な固定を実現すること、及びその後のアルミン酸カルシウムの水和作用のためのシードポイント（ｓｅｅｄ  ｐｏｉｎｔｓ）を提供することである。この工程は、比較的大きい粒子速度を生じる乾式ブラスト又は他の衝撃法（ｉｍｐｉｎｇｅｍｅｎｔ  ｍｅｔｈｏｄ）によって実施しうる。
【００３５】
基板と被覆物との間の結合をさらに増強するために、基板をその後、アルミン酸カルシウムの硬化処理を促進する促進剤成分を含む水溶液で前処理してもよい。そのような促進剤成分は当技術分野においてよく知られている。塩化リチウム（ＬｉＣｌ）は、特に適切な促進剤であることが示されている。塩による前処理の目的は、直接基板表面において制御された方法で水和処理を開始させ、それによって多孔性、クラッキング等を被覆物／基板界面で回避することである。
【００３６】
アルミン酸カルシウム−水−スラリーは、前処理した基板が乾燥する前又は乾燥した後のいずれかにおいて基板表面に適用しうる。
【００３７】
スラリーの調製
上述したように、スラリーは、水ベースの溶媒と、主としてセラミック成分を含有する粉末とを含む。
【００３８】
スラリーの望ましい硬化特性と適切な性質を実現するために、水ベースの溶媒は１又はそれ以上の添加物を含有する。好ましくは、溶媒は、水、ならびに分散特性、減水特性及び湿潤改善特性を有する１又はそれ以上の成分（以下、減水剤と称する）を含有する。望ましい硬化時間を実現するために、溶媒はしばしば、硬化処理を促進する１又はそれ以上の成分（以下、促進剤と称する）も含有する。
【００３９】
コンクリート産業において促進剤としてよく知られている１つの適切な促進剤は、ＬｉＣｌである。適切な硬化速度を達成するために、溶媒は０．０１重量％−１．０重量％、好ましくは０．０５から０．１％を含みうる。溶媒中の促進剤の含量を変えることにより、硬化速度を特定の適用にとって最適であるように調節しうる。
【００４０】
促進剤又は遅延剤として使用しうる他の塩の例は、水酸化リチウム、炭酸リチウム、硫酸リチウム、硝酸リチウム、クエン酸リチウム、水酸化カルシウム、水酸化カリウム、炭酸カリウム、水酸化ナトリウム、炭酸ナトリウム、硫酸ナトリウム及び硫酸である。
【００４１】
一般に、スラリーの被着を溶射によって実施するときには速い硬化が好ましく、浸漬又はスピン被覆法によって被着を行うときは緩やかな硬化が好ましい。
【００４２】
減水剤（ＷＲＡ）の添加は、スラリーの湿潤特性を改善し、それによって基板への接着を高めるために必要である。減水剤の添加はまた、より均一な水和処理を導き、それによって基板−被覆物界面におけるクラッキング、多孔性等が回避される。
【００４３】
そのような減水剤の例は、ＰＥＧ鎖を有するポリカルボン酸ポリマー、及び同じく結合有機鎖を有するポリアクリル酸の水溶液である。減水剤の特定の例は、Ｃｏｎｐａｃ  ３０（Ｐｅｒｓｔｏｒｐ  ＡＢ社）、Ｄｉｓｐｅｘ  Ａ４０（Ｃｉｂａ  ＧｍｂＨ，Ｓｃｈｗｅｉｚ）、Ｇｌｅｎｉｕｍ  １５１（Ｍａｓｔｅｒ  Ｂｕｉｌｄｅｒｓ，Ｉｔａｌｙ）、ＳＳＰ２０（Ｃｅｍｅｎｔａ  ＡＢ，Ｓｗｅｄｅｎ）である。
【００４４】
望ましい効果を達成するために、溶媒は０．０５から５重量％、好ましくは０．１から１％を含有すべきである。好ましくは、生じるスラリーは、適切な粘度を達成するために、０．１から０．９、好ましくは０．１から０．４の範囲内の水対セメント比（ｗ／ｃ）を有するべきである。あるいは、溶媒は純水であってもよく、そして添加物を、水と混合する前又はスラリーにする前に、乾燥状態でセラミック粉末に加えてもよい。
【００４５】
本発明の基本的な形態では、セラミック粉末の混合物はアルミン酸カルシウムだけを含む。この系に関しては、多くの化学量論性が存在する。市販の粉末は主としてＣＡ又はＣＡ２から成り、式中、認められているセメント化学表示法に従って、ＣはＣａＯを表し、ＡはＡｌ２Ｏ３を表す。Ｃ１２Ａ７、ＣＡ６及びＣ３Ａの相はまた、文献においても記述されている。すべての相が本発明に適用できる。十分な品質を備えたそのような粉末は、市販製品、例えばＬａＦａｒｇｅ  Ａｌｕｍｉｎａｔｅｓ社からのＳｅｃａｒ又はＴｅｒｎａｌ  Ｗｈｉｔｅである。
【００４６】
アルミン酸カルシウム水和物に基づく結合相系は独特の性質を有する。他の水結合系、例えばカルシウムのケイ酸塩、炭酸塩及び硫酸塩と比較して、アルミン酸塩は高い耐薬品性、高い強度及び比較的速やかな硬化を特徴とする。
【００４７】
アルミン酸カルシウムセメントの高い強度は、水和水の高い吸収能力によるものであり、この高い吸収力が今度は、低い残留水含量と低い有孔度をもたらす。高い締固めもまた、腐食に対する抵抗性を上昇させる。
【００４８】
一般に、アルミン酸カルシウム粉末を水ベースの溶液と混合すると、アルミン酸カルシウム粒子と水との間の化学反応を通して硬化処理が開始される。より正確には、この硬化処理は水和作用であり、それによってアルミン酸カルシウム水和物を含む新しい結合材相が形成される。その水和物は、液相からの結晶性水和物相の核形成によって形成される。水和物はその後、例えば温度及び添加物に依存する速度で、別の結晶相へと変換される。室温では、最初に形成される水和物相はＣＡＨ１０［式中、Ｈ＝Ｈ２Ｏ］であり、最も安定な相はＣ３ＡＨ６である。
【００４９】
本発明者らの同時係属中のスウェーデン特許出願ＳＥ−０１０４４４１−１号に開示されているように、被覆物はさらに、例えば被覆物中のアルミニウム含量を低減するための、物質を含有しうる。ＳＥ−０１０４４４１−１号において提案されているように、チタン酸カルシウム、Ｃａ／ＴｉＯ３又は他の変種［式中、ペロブスカイト型構造においてＴｉはＺｒ又はＨｆによって、及びＣａはＭｇ、Ｃａ、Ｓｒ又はＢａによって置換されていてもよい］がこの目的には好ましく、その理由は、それらが生物学的に安定であり、前記材料の力学的性質に実質的な影響を及ぼさないからである。実際に、ＳＥ−０１０４４４１−１号に開示されているすべての材料組成物は、本発明における被覆材料として適用できる。
【００５０】
必要に応じて、セラミック粉末は、均一で良好に制御された粒径分布を得るために適切な摩砕処理によって処理される。そのような摩砕処理の１つの種類が下記の実施例に提示されているが、セラミックの技術分野において既知の他の摩砕処理も、望ましい結果が達成される限り使用できる。
【００５１】
より一般的には、本発明に従った方法は、スラリーの形態で基板に適用でき、その後硬化する、アルミン酸カルシウム水和物の結合材相を有する何らかの材料の被覆物を生産するために使用しうる。
【００５２】
基板へのスラリーの被着
スラリーは、溶射被着、ブラシ塗布、スピンコーティング、浸漬等のような数多くの方法で基板上に適用しうる。
【００５３】
強度、延性等に関して最適特性を有する被覆物を実現するために、被覆物はほぼ０．１から２００μｍ、好ましくは３０μｍ未満の厚みを有していなければならない。最適特性は、基本的に欠陥のない被覆物を生産する可能性に関連する。欠陥の大きさは通常約１μｍから数μｍであるので、十分に薄い被覆物においては欠陥が生じうる空隙は存在せず、被覆物の強度はその材料についての理論的限界に近づくことができ、通常は材料のバルク強度と比較して約１００倍高い。
【００５４】
スラリーが被着の間において過度に急速に硬化するのを防ぐために、スラリーを低温に、例えば２から１０℃の範囲内に保持してもよく、その後、下記で詳細に述べるように、硬化の間は適切な温度まで温度を上昇させる。
【００５５】
スラリーの硬化
最適の力学的性質を備えた被覆物を実現するためには、適用したスラリーの硬化を特定の条件下で実施しなければならない。水和処理は水を消費するので、適用したスラリーを乾燥から防ぐことが非常に重要であり、すなわち湿潤な（又は少なくとも湿り気のある）条件において硬化を実施しなければならない。そのため、硬化は、好ましくは少なくとも９０％の湿度、例えば飽和又は過飽和蒸気を有する制御された条件下で、又は水中に浸して実施される。
【００５６】
スラリーの被着層は極めて薄いため、硬化の間にスラリーが基板から落下するのを防ぐように注意しなければならない。
【００５７】
前記材料の硬化は、約１０℃から１００℃の範囲の温度で実施しうる。１００℃を超えると、水和のために必要な水が蒸発して、スラリーが乾燥する。好ましくは、２０℃から７０℃の範囲内で硬化を実施する。より短い硬化時間とより完全な水和を所望する場合は、より高い温度を使用しうる。温度及び湿度の観点から、好ましい硬化条件はオートクレーブによって実現しうる。
【００５８】
本発明の別の実施形態
１つの実施形態では、アルミン酸カルシウム被覆物を他の生体適合性及び／又は骨適合性材料のための結合材相（担体）として使用し、それによって独自の組合せ特性を実現することができる。１又はそれ以上の生体適合性材料の粒子又は粉末を添加することを含む。適切な生体適合性材料は、様々な種類の炭酸カルシウム、リン酸カルシウム（好ましくはオルトリン酸のカルシウム塩）及びアパタイトを含む。
【００５９】
ハイドロキシアパタイト又はフッ素リン灰石又はカーボネートアパタイトなどのアパタイトのフラグメント又は粒子の添加は、特に好ましい。被着処理に関わる温度が低いために、極めて温度感受性であるこれらの材料はアルミン酸カルシウム被覆物によって保持され、そしてそれらの相組成物は保存されうる。
【００６０】
好ましくは、スラリーを調製するときに生体適合性材料の粉末をセラミック粉末混合物に添加し、その後、被覆物を上述したように基板に適用し、硬化させる。
【００６１】
改善された生体適合性を備えるそのようなアルミン酸カルシウム被覆物は、純粋なハイドロキシアパタイト等の被覆物では脆弱すぎるような適用において、骨適合性を有するインプラントを提供しうる。
【００６２】
前記処理及び被覆材料の性質は、低い融点、温度膨張、硬化処理等のおかげで、高温に対して感受性である装置に被覆物を被着することを可能にする。
【実施例】
【００６３】
この非制限的実施例は、本発明に従った表面被覆法の１つの実施形態をより詳細に、そしてこれらの被覆物の力学的性質を説明する。
【００６４】
この実施例では、直径６ｍｍの純粋な医療用グレードのチタン、ＡＳＴＭ  Ｇｒ．２の円筒形の棒を基板として使用した。チタンの棒を、粒径１００から１２０メッシュの酸化アルミニウムグリットを使用して湿式ブラストで前処理した。１ｂａｒ（空気圧）の圧でブラストを実施した。ブラスト後、表面粗さと形態を走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）及び光学的表面形状計測法（ｏｐｔｉｃａｌ  ｐｒｏｆｉｌｏｍｅｔｒｙ、ＯＰ）を用いて特性付けた。表面粗さは、湿式ブラスト後、Ｒａ＝０．６から０．７μｍの範囲内であることを示した。図２参照。
【００６５】
チタンと被覆物との間の結合を改善するために、〜１０ｂａｒ（空気圧）の圧で０から２２μｍのグリット径（９０％）のアルミン酸カルシウム（ＣＡ）粒子を使用して、金属表面の二次ブラストを実施した。生じた表面の形態をＳＥＭ像によって示し、そのＳＥＭ像では、４つの暗い領域がチタン表面上のＣＡに富む領域を示し、明るい領域はより少量のＣＡを含む又はＣＡが存在しない領域を示した。この現象は、チタンと比較してＣＡの原子番号がより小さいことによるものであり、そして、ＣＡブラスト表面の、それぞれ暗い領域と明るい領域のエネルギー分散型分光法（ＥＤＳ）を用いた元素分析によって確認され、ＣＡ粒子は表面に焼き付けられている。
【００６６】
この実施例では市販のＴｅｒｎａｌ  Ｗｈｉｔｅである、被覆物用のＣＡ粉末を、均質で十分に制御された粒径分布を得るために摩砕によって処理した。化学的に不活性な窒化ケイ素摩砕球を用いてイソプロパノール中で粉末を３日間摩砕した。これにより、粒子の９９．６％が２３μｍ未満の直径を有し、粒子の大部分が約８μｍの直径を有する粉末を生じた。
【００６７】
摩砕後、摩砕球を取り除き、イソプロパノールを蒸発させた。その後、乾燥粉末を４００℃で４時間焼成して、残留水と有機混入物を除去した。
【００６８】
摩砕したＣＡ粉末を、水１００ｇｒ中にＬｉＣｌ  ０．０１ｇｒを含む水と混合した。被覆物の強度を改善し、溶射工程を促進し、及びスラリーの湿潤特性を改善するために、減水剤（Ｐｅｒｓｔｏｒｐ  ＡＢ社からのＣｏｎｐａｃ  ３０）を混合物に添加して、その結果、約０．３の水対セメント比を得た。スラリーを高速回転分散混合機で混合した。
【００６９】
上述したＣＡスラリーを、前処理したチタン金属基板に約１０から３０μｍの厚みになるように溶射し、その後３７℃で７２時間、飽和水蒸気中で硬化させた。
【００７０】
被覆物とチタン表面との間の接着強度は、ねじり強度試験装置で試験した。すべての試料は、溶射したチタン棒を試験装置の内部の金型に鋳込むことによって調製した。試験装置は、レバーアームに接続した、チャックに留め付けたコレットに基づく。レバーアームは、推進ロッド、ひずみゲージセンサー及び位置指示器に接している。
【００７１】
ピストンを用いてレバーアームを緩やかに前方に押すことによって、接着試験を実施した。ピストンの位置とピストンへのレバーの力を記録し、円筒状の棒をねじって緩めるのに必要な力と変形距離を測定した。
【００７２】
図３は、３つの異なる方法で前処理したピンについての被覆物接着を比較している：炭化ケイ素による摩砕  Ｃ、炭化ケイ素乾式ブラスト  Ｂ、及び湿式アルミナブラストとそれに続くＣＡブラスト  Ａ。
【００７３】
図４では、金属基板へのＣＡ被覆物の接着を、減水剤を含むスラリーから調製した被覆物Ｄ、及び減水剤を含まないスラリーから調製した被覆物Ｅについて示している。
【００７４】
図５は、湿式アルミナブラストで前処理したチタン金属Ｇ、及び湿式アルミナブラストとそれに続くＣＡブラストによって前処理したチタン金属Ｆと被覆物との間の接着を比較している。
【００７５】
結論として、基板表面を前処理するための種々の手法、ならびに減水剤の添加が、被覆物と基板表面との間の強力な接着を所望するときに中心的な役割を果たすことは、実施例から明白である。適切に選択した前処理と添加物とにより、セメントのバルク強度と同等の接着値が達成される。
【００７６】
図面を参照しながら本発明を詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】図１は、本発明に従った方法の概略図を示す。
【図２】図２は、ブラスト加工の前処理工程後の基板表面の光学的表面形状計測法（ＯＰ）測定からの像を示す。
【図３】図３は、３つの異なる方法で前処理したピンに関する被覆物接着を比較した図である。
【図４】図４は、減水剤を含むスラリーから調製したＣＡ被覆物と減水剤を含まないスラリーから調製した被覆物との被覆物接着を比較した図である。
【図５】図５は、被覆物と、湿式アルミナブラストによって及び湿式アルミナブラストとそれに続くＣＡブラストによって前処理したチタン金属との間の接着を比較した図である。
【図１】
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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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【手続補正書】
【提出日】平成15年7月28日(2003.7.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
硬化性被覆スラリーを調製すること、
前記スラリーの被覆物を少なくとも基板表面の一区画に被着すること、及び
前記スラリーを硬化させること、
の工程を含み、硬化性被覆スラリーを調製する工程が、アルミン酸カルシウム粉末を水及び少なくとも１つの減水剤と、０．１から０．９の範囲内の水対セメント比が達成されるように混合することを含むことを特徴とする、基板への化学結合セラミック被覆物の被着のための表面被覆法。
【請求項２】
硬化性被覆スラリーを調製する工程が、式ＡＢＯ３［式中、Ｏは酸素であり、Ａ及びＢは金属である］に従ったペロブスカイト型構造の三元酸化物、又はそのような三元酸化物の任意の混合物を添加することを含む、請求項１に記載の表面被覆法。
【請求項３】
前記三元酸化物がチタン酸カルシウムであることを特徴とする、請求項２に記載の表面被覆法。
【請求項４】
硬化性被覆スラリーを調製する工程が、１又はそれ以上の生体適合性材料の粒子又は粉末を添加することを含むことを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載の表面被覆法。
【請求項５】
前記生体適合性材料が炭酸カルシウムであることを特徴とする、請求項４に記載の表面被覆法。
【請求項６】
前記生体適合性材料がリン酸カルシウム、好ましくはオルトリン酸のカルシウム塩であることを特徴とする、請求項４に記載の表面被覆法。
【請求項７】
前記生体適合性材料がアパタイトであることを特徴とする、請求項４に記載の表面被覆法。
【請求項８】
前記アパタイトが、フッ素リン灰石又はカーボネートアパタイトを含む群から選択されることを特徴とする、請求項７に記載の表面被覆法。
【請求項９】
前記アパタイトがハイドロキシアパタイトであることを特徴とする、請求項７に記載の表面被覆法。
【請求項１０】
硬化性被覆スラリーを調製する工程が、硬化工程を促進する又は遅延させる成分の添加を含むことを特徴とする、請求項１から９のいずれかに記載の表面被覆法。
【請求項１１】
前記基板表面を、スラリーの被着の前にＲａ０．１から１０．０μｍの範囲内の表面粗さに前処理する工程を特徴とする、請求項１から１０のいずれかに記載の表面被覆法。
【請求項１２】
前記前処理を、硬質粒子での乾式ブラスト加工によって実施することを特徴とする、請求項１１に記載の表面被覆法。
【請求項１３】
前記前処理を、硬質粒子での湿式ブラスト加工によって実施することを特徴とする、請求項１１に記載の表面被覆法。
【請求項１４】
アルミン酸カルシウムフラグメントを基板表面に包埋する工程を特徴とする、請求項１から１０のいずれかに記載の表面被覆法。
【請求項１５】
前記包埋を、アルミン酸カルシウムフラグメント又は粉末で表面をブラストすることによって実施することを特徴とする、請求項１４に記載の表面被覆法。
【請求項１６】
硬化工程を促進するための促進剤で前記基板表面を前処理する工程を特徴とする、請求項１から１５のいずれかに記載の表面被覆法。
【請求項１７】
前記スラリーを適用する工程が、溶射、スピンコーティング又は浸漬によって実施されることを特徴とする、請求項１から１６のいずれかに記載の表面被覆法。
【請求項１８】
硬化の工程を、水中で又は少なくとも９０％の相対湿度の環境で実施することを特徴とする、請求項１から１７のいずれかに記載の表面被覆法。
【請求項１９】
硬化の工程が、温度を１０℃から２００℃の範囲内、好ましくは２０℃から７０℃の範囲内に制御することを含むことを特徴とする、請求項１から１８のいずれかに記載の表面被覆法。
【請求項２０】
被着した被覆物がおよそ０．１から２００μｍの厚みを有すること、好ましくは２０μｍ未満であることを特徴とする、請求項１から１９のいずれかに記載の表面被覆法。
【請求項２１】
基板を形成すること、及び
請求項１から２０のいずれかに記載の表面被覆法を用いて前記基板表面の少なくとも一区画を覆う生体適合性表面被覆物を被着すること、
の工程を特徴とする、表面被覆生体適合性装置を生産する方法。
【請求項２２】
被覆物中の結合材相が実質的にアルミン酸カルシウム水和物を含む生体適合性表面被覆物であって、式ＡＢＯ３［式中、Ｏは酸素であり、Ａ及びＢは金属である］によって表わされるペロブスカイト型構造の三元酸化物、又はその任意の混合物を含むことを特徴とする、生体適合性表面被覆物。
【請求項２３】
前記三元酸化物がチタン酸カルシウムであることを特徴とする、請求項２２に記載の生体適合性表面被覆物。
【請求項２４】
１又はそれ以上の生体適合性材料の粒子又はフラグメントをさらに含むことを特徴とする、請求項２２から２３のいずれかに記載の生体適合性表面被覆物。
【請求項２５】
前記生体適合性材料が炭酸カルシウムであることを特徴とする、請求項２４に記載の生体適合性表面被覆物。
【請求項２６】
前記生体適合性材料がリン酸カルシウム、好ましくはオルトリン酸のカルシウム塩であることを特徴とする、請求項２４に記載の生体適合性表面被覆物。
【請求項２７】
前記生体適合性材料がアパタイトであることを特徴とする、請求項２４に記載の生体適合性表面被覆物。
【請求項２８】
前記アパタイトが、フッ素リン灰石又はカーボネートアパタイトを含む群から選択されることを特徴とする、請求項２７に記載の生体適合性表面被覆物。
【請求項２９】
前記アパタイトがハイドロキシアパタイトであることを特徴とする、請求項２７に記載の生体適合性表面被覆物。
【請求項３０】
およそ０．１から２００μｍ、好ましくは２０μｍ未満の厚みを有することを特徴とする、請求項２２から２９のいずれかに記載の生体適合性表面被覆物。
【請求項３１】
請求項１から２０のいずれかに記載の表面被覆法を用いて被着することを特徴とする、請求項２２から３０のいずれかに記載の生体適合性表面被覆物。
【請求項３２】
前記表面被覆物が、請求項２２から３１のいずれかに記載の生体適合性表面被覆物であることを特徴とする、基板及びその基板表面の少なくとも一区画を覆う表面被覆物を含む、表面被覆装置。
【請求項３３】
前記基板が、金属、セラミック又はポリマー材料、あるいはそれらの任意の組合せで作られていることを特徴とする、請求項３２に記載の表面被覆装置。
【請求項３４】
前記基板が、チタン又はその合金、ステンレス鋼又はＣｏＣｒ合金、あるいはそれらの任意の組合せで作られていることを特徴とする、請求項３３に記載の表面被覆装置。
【請求項３５】
医療装置であることを特徴とする、請求項３２から３４のいずれかに記載の表面被覆装置。
【請求項３６】
移植のための医療装置であることを特徴とする、請求項３２から３４のいずれかに記載の表面被覆装置。
【請求項３７】
人工整形外科装置であることを特徴とする、請求項３５に記載の表面被覆装置。
【請求項３８】
脊椎インプラントであることを特徴とする、請求項３５に記載の表面被覆装置。
【請求項３９】
関節インプラントであることを特徴とする、請求項３５に記載の表面被覆装置。
【請求項４０】
接着要素であることを特徴とする、請求項３５に記載の表面被覆装置。
【請求項４１】
骨釘であることを特徴とする、請求項３５に記載の表面被覆装置。
【請求項４２】
骨ねじであることを特徴とする、請求項３５に記載の表面被覆装置。
【請求項４３】
骨補強板であることを特徴とする、請求項３５に記載の表面被覆装置。
【国際調査報告】
2005523380.tif 000008
2005523380.tif 000009