(57)【要約】本発明は、陽極酸化によって得られる、酸化チタン中に添加成分を含む骨伝導性／骨誘導性のチタン／チタン合金インプラントに関する。前記インプラントは、酸化チタン中にカルシウム、リン又は硫黄のような添加成分を含む。本発明は、前記インプラントの製造プロセスにも関する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
陽極酸化によって得られ、酸化チタン中に添加成分を含む骨伝導性／骨誘導性のチタン／チタン合金インプラントであって、
前記添加成分は、カルシウム、リン又は硫黄から成る群から選択され、また、前記インプラントは、骨伝導性／骨誘導性の酸化物層の断面を呈し、前記インプラントは上位多孔層と下位緻密バリア層の二重層構造を有することを特徴とする骨伝導性／骨誘導性のチタン／チタン合金インプラント。
【請求項２】
前記多孔上位層が、複数の浅いクレーターを含む開放構造を呈する請求項１に記載のインプラント。
【請求項３】
前記上位層が、約１０００ｎｍ未満、好ましくは１００〜５００ｎｍの厚さを有する請求項１又は２に記載のインプラント。
【請求項４】
前記下位バリア層が、約３００ｎｍ〜２０００ｎｍ、好ましくは６００〜１５００ｎｍの範囲の厚さを有する請求項１〜３のいずれか１項に記載のインプラント。
【請求項５】
添加成分を含有する前記骨伝導性／骨誘導性の二重層構造の酸化物の厚さが、３００〜３０００ｎｍ、好ましくは８００〜１５００ｎｍである請求項１〜４のいずれか１項に記載のインプラント。
【請求項６】
前記下位バリア層が、前記上位多孔層よりも少ない前記添加成分を含む請求項１〜５のいずれか１項に記載のインプラント。
【請求項７】
前記下位バリア層が、細孔／クレーター又はチャネルを含まない請求項１〜６のいずれか１項に記載のインプラント。
【請求項８】
前記上位多孔層が、約１１％より大きく約３０％より小さい多孔度、好ましくは約１５％の多孔度を呈する請求項１〜７のいずれか１項に記載のインプラント。
【請求項９】
前記酸化チタンの結晶構造が、無定形、及び／又は無定形及びアナターゼ、及び／又は無定形及びアナターゼ及びルチルである請求項１〜８のいずれか１項に記載のインプラント。
【請求項１０】
チタン／チタン合金インプラント上に形成される前記陽極酸化物層に取り込まれる前記添加成分の相対濃度が、添加成分を含有する前記酸化物層の厚さと共に増加する請求項１〜９のいずれか１項に記載のインプラント。
【請求項１１】
前記インプラントの酸化物層中の前記添加成分の相対濃度が、１％〜５０％、好ましくは１％〜２５％である請求項１〜１０のいずれか１項に記載のインプラント。
【請求項１２】
電気化学酸化法を用いて、酸化チタンの成分として添加化合物を含む骨伝導性／骨誘導性のチタン／チタン合金インプラントを製造するプロセスであって、前記添加化合物はカルシウム、リン又は硫黄から成る群から選択され、
ｃ）前記添加成分のうちの少なくとも１種類を含有する電解液中でチタン／チタン合金インプラントの陽極電気化学酸化を提供するステップと、
ｄ）上位多孔層と下位緻密バリア層の二重層構造を呈する前記チタン／チタン合金インプラント上に酸化物層を生成するように、勾配（ｄＶ／ｄｔ）の陽極形成過渡電圧を制御するステップとを含むプロセス。
【請求項１３】
勾配（ｄＶ／ｄｔ）の前記陽極形成過渡電圧を制御するステップと、ｄＶ／ｄｔが０．２〜０．４、好ましくは約０．３である時に前記酸化プロセスを中断するステップとをさらに含む請求項１２に記載のプロセス。
【請求項１４】
電気化学酸化法、マイクロアーク酸化を用いて、酸化チタンの成分として添加化合物を含む骨伝導性／骨誘導性のチタン／チタン合金インプラントを製造するプロセスであって、添加化合物はカルシウム、リン又は硫黄から成る群から選択され、
ａ）勾配ｄＶ／ｄｔの陽極形成過渡電圧、酸化物成長定数（α，ｎｍ／Ｖ）、電流効率（ｎｍ・ｃｍ2／Ｃ）、陽極酸化物形成速度（ｎｍ／ｓｅｃ）を制御するステップと、
ｂ）破壊現象の強度及び範囲、ならびに破壊電圧を制御するステップと、
ｃ）コロイド堆積メカニズムによる上位多孔層と下位バリア酸化物層の二重層構造へのカルシウム、リン又は硫黄のいずれかの取り込みを制御するステップと、
ｄ）陽極酸化プロセスの相異なる段階中、チタン／チタン合金陽極上のマイクロアーク現象の初回発現から勾配ｄＶ／ｄｔ≒０．３の陽極形成過渡近傍電圧まで陽極処理時間を厳密に制限して、人体での長期機能負荷のために前記カルシウム含有酸化物の機械的性質の強化を制御するステップと、
ｅ）酸化中に該プロセスの前記マイクロアーク現象の初回発現を検出するステップと、
ｆ）勾配ｄＶ／ｄｔが約０．３である陽極形成過渡近傍電圧により該プロセスを維持するステップとを含むプロセス。
【請求項１５】
電流密度（ｍＡ／ｃｍ2）が、３０〜４０００ｍＡ／ｃｍ2、好ましくは６０〜２０００ｍＡ／ｃｍ2の範囲である請求項１２〜１４のいずれか１項に記載のプロセス。
【請求項１６】
前記陽極形成電圧が、３０〜５００Ｖ、好ましくは２５０〜５００Ｖの範囲である請求項１２〜１５のいずれか１項に記載のプロセス。
【請求項１７】
前記プロセス中の温度が、１０〜１００℃、好ましくは１０〜５０℃の範囲である請求項１２〜１６のいずれか１項に記載のプロセス。
【請求項１８】
酸化チタンの成分としてカルシウムを含む骨伝導性／骨誘導性のチタン／チタン合金インプラントを製造するプロセスであって、前記チタン／チタン合金インプラントは、（ａ）少なくとも１種類のカルシウム含有電解液及び（ｂ）エチレンジアミン四酢酸中で電気化学的に陽極酸化されてカルシウム含有インプラントを生成するプロセス。
【請求項１９】
前記陽極処理プロセスで使用される前記カルシウム含有電解液が、酢酸カルシウム、炭酸カルシウム、塩化カルシウム、クエン酸カルシウム、グリセロリン酸カルシウム、水酸化カルシウム、乳酸カルシウム、硝酸カルシウム、及び硫酸カルシウムから成る群から選択される請求項１８に記載のプロセス。
【請求項２０】
前記陽極酸化が、アルカリ性ｐＨ値で実施される請求項１８〜１９のいずれか１項に記載のプロセス。
【請求項２１】
前記陽極酸化プロセスで使用される混合物が、ホウ酸、マレイン酸、マロン酸、シュウ酸及びコハク酸から成る群から選択される弱酸電解質も含む請求項１８〜２０のいずれか１項に記載のプロセス。
【請求項２２】
前記陽極酸化プロセスで使用される混合物が、リン含有化合物も含む請求項１８〜２１のいずれか１項に記載のプロセス。
【請求項２３】
請求項１２〜２２のいずれか１項に記載のプロセスによって得られるカルシウム含有チタン／チタン合金インプラント。
【請求項２４】
酸化チタンの成分としてリンを含む骨伝導性／骨誘導性のチタン／チタン合金インプラントを製造するプロセスであって、前記チタン／チタン合金インプラントは、少なくとも１種類のリン含有電解液中で電気化学的に陽極酸化されてリン含有インプラントを生成するプロセス。
【請求項２５】
前記陽極処理プロセスで使用される前記リン含有電解液が、リン酸、グリセロリン酸、リン酸ナトリウム、ピロリン酸ナトリウム、ホスフィン酸ナトリウム、リン酸アンモニウム、リン酸カリウムから成る群から選択される請求項２４に記載のプロセス。
【請求項２６】
請求項１２〜１７又は２４〜２５のいずれか１項に記載のプロセスによって得られるリン含有チタン／チタン合金インプラント。
【請求項２７】
酸化チタンの成分として硫黄を含む骨伝導性／骨誘導性のチタン／チタン合金インプラントを製造するプロセスであって、前記チタン／チタン合金インプラントは、少なくとも１種類の硫黄含有電解液中で電気化学的に陽極酸化されて硫黄含有インプラントを生成するプロセス。
【請求項２８】
前記陽極処理プロセスで使用される前記硫黄含有電解液は、硫酸、硫酸カリウム、硫酸ナトリウム、チオ硫酸ナトリウム、ヒドロ亜硫酸ナトリウム及びピロ亜硫酸ナトリウムから成る群から選択される請求項２７に記載のプロセス。
【請求項２９】
請求項１２〜１７又は２７〜２８のいずれか１項に記載のプロセスによって得られる硫黄含有チタン／チタン合金インプラント。
【請求項３０】
陽極酸化によって得られ、酸化チタン中に添加成分を含むチタン／チタン合金インプラントであって、前記添加成分は、カルシウム、リン又は硫黄から成る群から選択され、前記インプラントは上位多孔層と下位緻密バリア層を含む酸化物層断面を呈するチタン／チタン合金インプラント。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、骨固定性チタン／チタン合金インプラントの表面酸化物化学修飾に基づく、カルシウム含有、リン含有及び／又は硫黄含有の骨伝導性（osteoconductive）／骨誘導性（osteoinductive）のチタン／チタン合金インプラントに関する。本発明は、前記インプラントの製造プロセスにも関する。
【背景技術】
【０００２】
チタン金属は、これまでのところ、長期臨床実績において最も効果を挙げているオッセオインテグレーテッド（osseointegrated）インプラントである（Adell R. 他, 1990）。しかし、チタンインプラント上の自然酸化薄膜の生体適合性は優れているにもかかわらず（Kasemo B. 他, 1986及びJohansson C.B. 1991）、自然酸化チタンはめったに骨組織（しばしば、不活性セラミック生体材料と定義される）への直接化学結合を形成しないことが一般的に知られている（Li J. 他, 1998）。チタンインプラントの生体適合性を改善するために、プラズマ溶射、単純浸漬／ソーキング法、イオンビーム注入による堆積など、様々な表面加工技術が使用されている。表面の化学的性質の変化に基づく臨床インプラントの発達は、金属インプラント上にハイドロキシアパタイト、リン酸カルシウム化合物、バイオガラス及びバイオセラミックなどの各種の生体活性材料を被覆した、いわゆる「生体活性インプラント」と結びついている（Hench 他, 1990）。しかし、例えば、上記コーティング材の剥離（面内及び界面破壊）や、生体内分解など、長期生物学的安定性の弱さを、多数の研究が報告している（Albrektsson T., 1998及びGottlander M., 1994）。多くの表面修飾法の中でも、陽極酸化は、チタンインプラントの表面酸化物の酸化物厚さ、化学組成、表面形態、結晶度、表面粗度変化及び誘電率などの多因子性の生体適合性を強化する上で、価値のあるプロセスである（Sul 他 2000a及び2001b）。厚い酸化物層の機械的性質として、平均最大応力が３３ＭＰａを記録した（Hala J. 他 2000）。Michiaki 他(1989)とSeishiro(1989)は、Ｈ2ＳＯ4＋Ｈ3ＰＯ4混合電解質系において作製された、厚さ数μｍ〜数十μｍ、孔径数μｍを有する厚めの酸化物層を報告した。走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で測定した厚めの酸化物層の断面構造は、細孔チャネル(pore channel)及び連結チャネル分岐(connected channel branch)のネットワーク構造を有することを特徴としていた。
【０００３】
米国特許第5,478,237号は、カルシウムとリンの両方を含有する陽極酸化物皮膜を開示しており、さらなる水熱処理によってハイドロキシアパタイトなどのリン酸カルシウム化合物を含む皮膜を提している。
【０００４】
国際公開第98/51231号は、約１０〜２００μｍの、表面酸化物の結晶度と粗度を高めた修飾酸化チタン層を開示している。
【０００５】
米国特許第5,354,390号は、陽極酸化とそれに続く熱処理を使った酸化物層形成プロセスを開示している。
【０００６】
国際公開第00/72775号は、リン酸カルシウム化合物を含むコーティングを開示している。国際公開第00/72777号と国際公開第00/72776号によれば、チタン上の酸化物層表面は、約２０％のチタン、約５５％の酸素及び２０％の炭素を含んでおり、層の残りは酸化チタンから成る。使用する電解液は、無機及び有機酸、例えばＨ2ＳＯ4＋Ｈ3ＰＯ4混合電解質系である。これらの文書に開示された酸化チタン層の断面は、チャネル、チャネルの延長及び連結チャネル分岐のネットワーク構造を呈する非常に厚い層を示している。しかし、チャネルの目的は、主に、骨形成刺激剤投与を可能にすることである。
【０００７】
さらに速やかで、さらに強力なオッセオインテグレーション（osseointegration）のために改善された表面の性質を示す酸化物層を有するチタン／チタン合金インプラントが望まれている。
【発明の開示】
【０００８】
本発明の目的は、骨伝導性／骨誘導性の酸化物の性質を有するチタン／チタン合金インプラントを製造し、骨固定性チタン／チタン合金インプラントの臨床実績における、より速やかな、かつ、より強力なオッセオインテグレーションと、人体における長期機能的負荷に対する臨床成果の改善をもたらすことである。
【０００９】
この目的は、陽極酸化によって得られる骨伝導性／骨誘導性のチタン／チタン合金インプラントを提供することによって解決された。該インプラントは酸化チタン中に添加成分（additional element）を含み、前記添加成分はカルシウム、リン又は硫黄から成る群から選択され、該インプラントは上位多孔層（upper porous layer）と下位緻密バリア（lower compact barrier）の二重層構造から成るカルシウム取り込み骨伝導性／骨誘導性の酸化物層の断面を呈する。前記多孔上位層（porous upper layer）は、複数の浅いクレーターを含む開放構造を呈する。
【００１０】
本発明の一態様は、電気化学酸化法を用いて、酸化チタンの成分として添加化合物（additional compound）を含む骨伝導性／骨誘導性のチタン／チタン合金インプラントを製造するプロセスを提供する。前記添加化合物はカルシウム、リン又は硫黄から成る群から選択される。本プロセスは、
ａ）前記添加成分（additional components）のうちの少なくとも１種類を含有する電解液中でチタン／チタン合金インプラントの陽極電気化学酸化を提供するステップと、
ｂ）上位多孔層と下位緻密バリア層（lower compact barrier layer）の二重層構造を呈する前記チタン／チタン合金インプラント上に酸化物層を生成するように、勾配（ｄＶ／ｄｔ）の陽極形成過渡電圧（anodic forming voltage transient）を制御するステップとを含む。
【００１１】
本発明の別の態様は、本発明によるインプラントを製造する方法を提供する。前記添加成分はカルシウム、リン又は硫黄から成る群から選択される。本方法は、
ａ）２〜０．３ｄＶ／ｄｔの勾配（ｄＶ／ｄｔ）の陽極形成過渡電圧、酸化物成長定数（α、ｎｍ／Ｖ）、電流効率（ｎｍ・ｃｍ2／Ｃ）、陽極酸化物形成速度（ｎｍ／秒）を制御するステップと、
ｂ）破壊現象の強度及び範囲、ならびに破壊電圧を制御するステップと、
ｃ）カルシウム、リン又は硫黄のいずれかの、コロイド堆積メカニズムによる上位多孔層と下位バリア酸化物層（lower barrier oxide layer）の二重層構造への取り込みを制御するステップと、
ｄ）陽極プロセスの相異なる段階中に、チタン／チタン合金陽極上のマイクロアーク現象の初回発現から勾配ｄＶ／ｄｔ≒０．３の陽極形成過渡近傍電圧（near anodic forming voltage transient）まで陽極処理時間を厳密に制限して、人体での長期機能負荷のために添加成分を含有する前記酸化物の機械的性質の強化を制御するステップと、
ｅ）酸化中に前記プロセスの前記マイクロアーク現象の初回発現を検出するステップと、
ｆ）勾配ｄＶ／ｄｔが約０．３である陽極形成過渡近傍電圧によって前記プロセスを維持するステップとを含む。
【００１２】
本発明の別の態様は、酸化チタンの成分としてカルシウムを含む骨伝導性／骨誘導性のチタン／チタン合金インプラントを製造するプロセスを提供する。前記チタン／チタン合金インプラントは、（ａ）少なくとも１種類のカルシウム含有電解液及び（ｂ）ＥＤＴＡ（エチレンジアミン四酢酸）中で電気化学的に陽極酸化されてカルシウム含有インプラントを生成する。
【００１３】
本発明のさらに別の態様は、酸化チタンの成分としてリンを含む骨伝導性／骨誘導性のチタン／チタン合金インプラントを製造するプロセスを提供する。前記チタン／チタン合金インプラントは、少なくとも１種類のリン含有電解液中で電気化学的に陽極酸化されてリン含有インプラントを生成する。
【００１４】
本発明のもう１つの態様は、酸化チタンの成分として硫黄を含む骨伝導性／骨誘導性のチタン／チタン合金インプラントを製造するプロセスを提供する。前記チタン／チタン合金インプラントは、少なくとも１種類の硫黄含有電解液中で電気化学的に陽極酸化されて硫黄含有インプラントを生成する。
【００１５】
本発明によるプロセスによって製造される酸化物は、優れた機械的強度を示し、酸化物皮膜と小食細胞や多核巨細胞などの炎症細胞が内在する酸化物粒子との剥離を示さない。
【００１６】
本発明のインプラントは、本発明によるプロセスを使用することによって、動物試験で証明されるような、骨と酸化チタンの修飾された表面の化学的性質との強力な結合反応による、一層強固で、一層速やかなオッセオインテグレーションを利用し、その結果、オッセオインテグレートされたチタンインプラントの臨床実績として、著しく有効な治療法を促進する。さらに、本発明のインプラント表面は、機械的強度が強化され、骨内インプラントの臨床的な緩みを生じるインプラント上の被覆リン酸カルシウム及びハイドロキシアパタイトの生物学的剥離／再吸収などの欠点を克服する。
【００１７】
発明の詳細な説明
以下、添付図面によって、本発明をさらに詳細に説明する。
【００１８】
マイクロアーク陽極酸化（ＭＡＯ）プロセス
本発明は、添加成分（添加物：単純カルシウム、リン、又は硫黄化合物）をチタン酸化物表面層に電気化学的に取り込んだ骨伝導性／骨誘導性のチタン／チタン合金インプラントを製造する。
【００１９】
図１に示すように、本発明によるＭＡＯプロセスを、電解液３中にチタン陽極１と白金陰極２を備えた装置を使って実施した。ＤＣ電源４をコンピューターに接続し、０．５秒毎に電流と電圧を記録した。温度は、温度計６を使って測定し、冷却システム５を用いて所望の温度を維持した。電磁攪拌板８上の電磁攪拌棒７を用いて電解液を攪拌した。プロセス中、勾配ｄＶ／ｄｔの異なる識別可能な３つの段階（ゾーン）の間、経時的に陽極酸化物形成電圧を増加させる（図２）。すなわち、ゾーン１では、電圧が線形に増加し、ゾーン２及び３は、それぞれ、過渡勾配ｄＶ／ｄｔ≧０．３及びｄＶ／ｄｔ≦０．３を示す。陽極処理時間を、ＭＡＯ現象の初回発現から、過渡陽極電圧が約０．３である図２のゾーン２と３の境界付近までに厳密に制限することによって、最良の結果が得られることが分かった（下記参照）。これは、プロセスへの影響の大きさの順に示した以下のパラメーター（図３）を制御することによって調整された。電流密度＞電解液濃度＞陽極対陰極表面積比＞電解液温度≧攪拌速度＞チタン／チタン合金電極の化学組成（ＡＳＴＭ１−４級）。
【００２０】
ゾーン１（図２）では、単純な関係式Ｄ＝αＶに従って、酸化物層が陽極電圧と共に線形に成長する。ここで、Ｄは厚さ、αは成長定数、Ｖは電圧である。得られる酸化物層は、ゾーン２及び３で得られる層よりも低い濃度の添加物を含有し（図８のＡＥＳ深度プロファイル中のＬ）、形態構造は、細孔、クレーター及びチャネルネットワークのない緻密な非多孔バリアの構造である。これは、ＳＥＭ及びＴＥＭ顕微鏡写真に鮮明に認められる（それぞれ、図２のａと図４のＬ）。この層の厚さは、通常、２００〜１０００ｎｍである（図４及び８）。
【００２１】
陽極酸化をゾーン２まで継続すると、最も内側のバリア層の最上部に、異なる性質の添加酸化物層を生じる。この外層は、多数の細孔とクレーター（図２、図５のｂ及びｃ、ならびに図４のＵ）と高濃度の添加物（図８のＵ）を有する。さらに、それは、厚さ１００ｎｍ未満の最も内側の層よりも薄く（図４及び８）、ＭＡＯ処理した全被験表面上で、外層は、２層合計の４０％未満であった。
【００２２】
ゾーン１及び２で囲まれた電気化学的酸化プロセスをｄＶ／ｄｔ≒０．３で停止することにより、最適な形態及び機械的性質を有する２重層の酸化物表面を生じ、これは、３種類の添加物全部に当てはまる。しかし、陽極酸化をゾーン３（ｄＶ／ｄｔ＜０．３）まで進めると、得られる酸化物層の形態は、ゾーン２のそれに幾分類似するが、厚さが増し、細孔、クレーター及びチャネルが拡大し、増加する（図２のｄ）。これは、ゾーン３の陽極酸化物層の破壊拡大の結果である。図２の微細クラックで実証されるように、上記の構造は、ゾーン１及び２の構造よりも機械的性質が明らかに劣っている。さらに、動物実験にて、上記の厚い酸化物皮膜は、容易に剥離することが認められており、剥離された酸化物粒子は、マクロファージや多核巨細胞などの炎症細胞に内部移行する可能性がある（図６ａ）。他方、本特許請求の範囲のＭＡＯプロセスによって製造される、Ｃａ、Ｐ、及びＳ添加物を含む酸化物層は、組織に望ましくない酸化物粒子を残さず（図６ｂ）、それらは、実施例で示すように、優れた機械的強度を示す（表２）。
【００２３】
電解質
電気化学セル中の電解質の化学的性質はそれほど重要でない。これは、実施例（表１）でカルシウムについて例示するように、多数のＣａ、Ｐ、及びＳ含有塩を使用して同等の良好な結果が得られることを意味する。溶液中で単一電解質を使用しているが、２種類以上の関連化合物の混合物も使用できる。具体的には、リン及び硫黄化合物とは異なり、１原子の正に荷電したイオン（Ｃａ2+）として酸化物層に取り込まれるカルシウムについては、単純電解質（表１の実施例１〜５）により、ＸＰＳ及びＡＥＳで検出されるように（それぞれ、図７及び８）、１０％未満の相対カルシウム取り込み量を示した。酸化物層中のカルシウム濃度を増加させるため、電解液にキレート化剤ＥＤＴＡ（エチレンジアミン四酢酸）を添加し、ｐＨを７〜１２に調整した（表１の実施例７〜１０）。酸化物層が良好な機械的性質を生じるようにするために、この設備でのＥＤＴＡの使用には、アルカリ性ｐＨが必要である。
【００２４】
カルシウム（Ｃａ）インプラント
本発明によるプロセスによって製造したＣａインプラントの特性を、各種表面分析技術で示した。
【００２５】
ＸＰＳで測定した場合のＣａインプラントの化学組成は、カルシウムが表面の主要添加成分（added consistent）であることを示している（図７のＣａ  ２ｐ）。スペクトルは、それぞれ３５１．４ｅＶと３４７．８ｅＶにＣａ軌道２ｐ1/2と２ｐ3/2からのダブレットピークを示す（Ｃａインプラント）。本Ｃａピーク位置は、ＣａがＣａＴｉＯ3などのチタン酸カルシウム中に存在することを示していると思われる。また、図８に示すように、ＡＥＳ測定は、酸化物層全体のＣａ濃度深度分布を明らかに示しており、カルシウム／カルシウム化合物は、上記プロセスの間（おそらく、コロイド堆積メカニズムによって）酸化チタンに取り込まれることを実証している。相対Ｃａ原子濃度は、０．５〜４８％の範囲である。
【００２６】
前記多孔外層（outer porous layer）は、１１％〜３０％の多孔度、好ましくは約１５％を呈する。一般に、多孔度は、開放細孔の合計面積／合計スキャン面積×１００（％）として定義される。しかし、本発明では、多孔度は、開放細孔の合計面積／合計スキャン面積（３×２０μｍ×２６μｍ）として％単位で定義した。
【００２７】
オッセオインテグレーションは、従来の機械研磨(machine-turned)インプラントに対してよりも本発明によるインプラントに対しての方がかなり速やかで、強力であると判明した（図１０〜１２）。特に、Ｃａインプラントは、骨組織との最も強いインテグレーション、すなわち、除去トルクの２４０％の増大を示した（図１０）。さらに、Ｃａインプラントは優れた骨伝導性も示した。すなわち、ウサギモデルへのインプラント挿入６週間経過後、最も高い鉱化度と最も密接な骨とインプラントの直接接触（図１１）を示し、全インプラントスレッド中の骨金属接触（ＢＭＣ）は２７３％（平均値）増加し（図１２）、内側対外側の骨面積比（内側／外側；％）は１４５％（平均値）増加した（下記の実施例参照）。
【００２８】
リン（Ｐ）インプラント
本発明によるＭＡＯプロセスは、リン含有インプラント製造にも使用できる（図７のＸＰＳ表面分析）。二層酸化物表面の前記多孔外層（図４のＵ、及び図５）は、約１０００ｎｍ未満、好ましくは１００〜５００ｎｍの厚さを有する。前記下位バリア層（lower barrier layer）（図４のＬ）は、約３００ｎｍ〜２０００ｎｍ、好ましくは６００〜１５００ｎｍの厚さを有する。両層の厚さの合計は、３００〜３０００ｎｍの範囲であるのが一般的だが、好ましくは、６００〜１５００ｎｍであるべきである（図８のＡＥＳ深度プロファイルのＴｉ及びＯ）。多孔外層は、１１％〜３０％の多孔度、好ましくは約１５％を呈する。前記インプラントの酸化物層の相対リン濃度は、１％〜３０％、好ましくは３％〜１５％である（図８のＡＥＳ深度プロファイルのＰ）。陽極酸化物層に取り込まれる相対リン濃度／量は、層の厚さと共に増加する。結晶構造は、無定形、及び／又は無定形及びアナターゼ、及び／又は無定形及びアナターゼ及びルチルである（図９のＸＲＤ分析）。
【００２９】
陽極処理プロセスに使用されるリン含有電解質は、単独で、又は混合物として、リン酸、グリセロリン酸塩、リン酸ナトリウム、ピロリン酸ナトリウム、ホスフィン酸ナトリウム、リン酸アンモニウム、及びリン酸カリウムから成る群から選択される。
【００３０】
硫黄（Ｓ）インプラント
上記と全く同様に、本発明によるＭＡＯプロセスは、硫黄含有化合物が酸化チタン表面に取り込まれたインプラントの製造に使用できる。前記多孔外層（図４のＵ、及び図５）の厚さは、１０００ｎｍ未満であるが、１００〜５００ｎｍであるのが好ましく、多孔度は１１〜３０％、好ましくは約１５％とすべきである。下位バリア層（図４のＬ）の厚さは、３００〜２０００ｎｍ、好ましくは６００〜１５００ｎｍである。両層の厚さの合計は、３００〜３０００ｎｍの範囲であるのが一般的で、６００〜１５００ｎｍであるのが好ましい（図８のＳ）。酸化物層の相対硫黄濃度は、１〜３０％、好ましくは３％〜１５％である（図８）。陽極酸化物層に取り込まれる相対硫黄濃度／量は、層の厚さと共に増加する。結晶構造は、無定形、及び／又は無定形及びアナターゼ、及び／又は無定形及びアナターゼ及びルチルである（図９）。
【００３１】
陽極処理プロセスで使用される硫黄含有電解質は、単独で、又は混合物として、硫酸、硫酸カリウム、硫酸ナトリウム、チオ硫酸ナトリウム、ヒドロ亜硫酸ナトリウム、及びピロ亜硫酸ナトリウムから成る群から選択される。
【００３２】
次に、以下の非限定的な実施例によって、本発明をさらに詳細に説明する。
【００３３】
実施例
ＭＡＯプロセスの前に、全サンプルをトリクロロエチレンと無水エタノールで１５分間脱脂し、無水エタノールですすいだ後、オーブンにて５０℃で２４時間乾燥した。電流と電圧を０．５秒間隔で連続記録できるＩＢＭコンピューターに接続したＤＣ電源を使ってプロセスを実施した（図１）。
【００３４】
前記ＭＡＯプロセスは、チタン／チタン合金陽極上でのマイクロアーク現象の初回発現から勾配ｄＶ／ｄｔ≒０．３の陽極形成過渡近傍電圧まで、主要な電気化学パラメーターの特定の組み合わせ、特に、前記電解質の固有の性質及び濃度、印加される電流密度、及び電解液温度に絶対的に依存する。代表的な例として、本発明は、次のように、陽極形成過渡電圧を制御する。電流密度と陽極対陰極表面積比の増加は、陽極形成過渡電圧を増加させ、その結果、勾配ｄＶ／ｄｔ≒０．３の陽極形成過渡電圧に達するのに必要な陽極処理時間が長くなる。一方、電解質濃度、電解液温度及び攪拌速度の増加は、陽極形成過渡電圧を減少させ、その結果、勾配ｄＶ／ｄｔ≒０．３の陽極形成過渡電圧に達するのに必要な陽極処理時間が短くなる。電流密度と陽極対陰極表面積比の減少は、陽極形成過渡電圧を減少させ、その結果、勾配ｄＶ／ｄｔ≒０．３の陽極形成過渡電圧に達するのに必要な陽極処理時間が短くなる。一方、電解質濃度、電解液温度及び攪拌速度の減少は、陽極形成過渡電圧を増加させ、その結果、勾配ｄＶ／ｄｔ≒０．３の陽極形成過渡電圧に達するのに必要な陽極処理時間が長くなる。
【００３５】
そのため、主要な電気化学パラメーター、特に前記電解質の固有の性質及び濃度ならびに付与電流密度の特定の組み合わせの所与の例は、いずれも限定的ではない。しかし、いずれにしても、全陽極処理時間は、約１２０秒を越えなかった。印加ＤＣ電圧は、３０Ｖ〜５００Ｖの範囲であった。電流密度は、６０ｍＡ／ｃｍ2〜４０００ｍＡ／ｃｍ2の範囲であった。温度は、９℃〜１００℃の範囲であった。電解液の攪拌速度は、０ｒｐｍ〜８００ｒｐｍの範囲であった。スクリュータイプのチタン陽極と白金対極の表面積比は、３．５％であった。
【００３６】
実施例１〜１０−ＭＡＯプロセスの電気化学パラメーター
実施例１〜５は、単一成分カルシウム電解質系におけるＭＡＯプロセスであり、その電気化学パラメーターを表１に要約する。前記ＭＡＯプロセスは、以下のように開始し、終了した。酢酸カルシウム、乳酸カルシウム、及び硫酸カルシウムについては、ＭＡＯの初回発現は、それぞれ、１０〜１３秒（約２１０〜２３０Ｖの範囲で）、２５〜３０秒（約１８０〜２００Ｖ）、８〜１３秒（約１２０〜１５０Ｖ）、及び１０〜１３秒（約２１０〜２３０Ｖ）で始まった。勾配ｄＶ／ｄｔ≒０．３の陽極形成過渡電圧を維持するための陽極処理時間は、約３０〜１２０秒、好ましくは３０〜６０秒であった。電流密度が６０〜２０００ｍＡ／ｃｍ2の場合、カルシウム／カルシウム化合物が陽極酸化物皮膜に（おそらく、コロイド堆積メカニズムによって）取り込まれた。特に、前記カルシウムインプラントのカルシウム量は、電流密度と共に増加した。
【００３７】
実施例６〜１０は、表１にも要約するように、混合カルシウム電解質系で実施したＭＡＯプロセスについて説明している。図３は、プロセスの制御に使用する以下の主要パラメーターの組み合わせを示す。カルシウム含有電解質の化学的性質及び濃度、印加電流密度、電解液温度、及び攪拌速度。電流密度を６０ｍＡ／ｃｍ2に設定すると、マイクロアーク現象の初回発現を開始するが、これは、約１００Ｖで始まり（図３の８）、１５０Ｖで終了した（図３の４）。対応して、発現はそれぞれ、３００ｍＡ／ｃｍ2では、１３０Ｖで始まり（図３の７）３００Ｖで終了し（図３の３）、１０００ｍＡ／ｃｍ2では、２６０Ｖで始まり（図３の６）４５０Ｖで終了し（図３の２）、２０００ｍＡ／ｃｍ2では、３３０Ｖで始まり（図３の５）４７０Ｖで終了した（図３の１）。いずれの場合も、プロセスは、ｄＶ／ｄｔ≒０．３で終了した。
【００３８】
表１．本発明で適用されるカルシウム電解質系及び電気化学パラメーター
【表１】
2005508862.tif 000003
【００３９】
実施例１１−ＭＡＯプロセスの調節
本発明によるＭＡＯプロセスは、重要パラメーターとして勾配ｄＶ／ｄｔの過渡陽極電圧を用いて、破壊現象の強度／範囲を調節するように設計される。インプラント加工プロセスは、陽極電圧サージ（表２）、陽極表面上の可視電気スパーク、及びガス発生によって特徴づけられる。
【００４０】
表２．陽極電圧サージの例（枠内）
【表２】
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【００４１】
実施例１２−表面Ｃａ、Ｐ、及びＳ酸化物の化学的性質
Ｃａ、Ｐ、及びＳインプラントの表面酸化物の化学的性質をＡＥＳ及びＸＰＳ測定（Sul 他，2001b）によって分析した。高分解能ＸＰＳスペクトル（図７）は、最も外側の表面に、ＣａインプラントではＣａＴｉＯ3などのチタン酸カルシウム、Ｐインプラントではリン酸化酸化チタン（例、Ｔｉ（ＨＰＯ4）2-x、ＴｉＰＯ4など）、及び、Ｓインプラントでは硫酸化酸化チタン（例、ＴｉＳＯ4、Ｔｉ2（ＳＯ4）3など）の存在を示した。さらに、図８のＡＥＳ測定による深度プロファイルは、Ｃａ、Ｐ及びＳが、前記のＭＡＯプロセスによって酸化チタン層全体に取り込まれていることを明瞭に示した。
【００４２】
実施例１３−透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）断面図
ウルトラミクロトームを使って酸化物皮膜を切断すると、図４のＴＥＭ断面図に見られるように、形態構造は、二重構造を示した。上位多孔層（図４のＵ）は、多数のクレーターを特徴としており、下位層（lower layer）（図４のＬ）よりもはるかに薄い。さらに、下位バリア層は、細孔／クレーター、細孔チャネルの延長、チャネルのネットワーク又は連結チャネル分岐を含まなかった。
【００４３】
実施例１４−酸化物の厚さ
酸化物の厚さをＴＥＭとＡＥＳによって測定した。カルシウム含有酸化物層の厚さは、上位多孔層（図４のＵ）＋下位バリア層（図４のＬ）から成っていた。あるカルシウム含有酸化物層の総厚さは、図４のＴＥＭ断面図で測定すると約３００ｎｍであり、Ｕが約１００ｎｍ、Ｌが２００ｎｍであった。図８に示す別の実施例では、Ｃａ、Ｐ、及びＳインプラントの酸化物の厚さは、スクリューインプラントのあるネジ山の頂部、あるネジ山の谷部、及び底部をＡＥＳで測定すると、それぞれ、１２９６±２２５ｎｍ、１２２４±１４４ｎｍ、及び１０８０±３２４ｎｍである。
【００４４】
実施例１５−結晶構造
酸化チタン結晶構造の分析にＰＷ３０２０ゴニオメーターを備えた薄膜Ｘ線回折装置（ＴＦ−ＸＲＤ、Rigaku Co.）を使用した。スキャンした角度は、ステップサイズ０．０４°で、２０°〜８０°とした。Ｃｕ  Ｋα放射（波長１．５４Å）を使ってスペクトルを記録した。前記カルシウムインプラントの結晶構造は、無定形、アナターゼ、ならびにアナターゼ及びルチル構造の混合物を示した（図９）。
【００４５】
実施例１６−表面粗度
表面粗度を、Wennerberg他に記載されているように、共焦点レーザースキャン側面計（TopScan3D（登録商標））で測定した。表面粗度パラメーターＳａ（平均面からの高さの偏り）は、対照インプラントでは０．８３±０．３２μｍ、Ｓインプラントでは１．０４±０．４２μｍ、Ｐインプラントでは０．８２±０．２９μｍ、Ｃａインプラントでは０．８５±０．３２μｍであった。対応するＳｃｘ値（立体方向（spatial direction）の表面凹凸間の平均距離）は、それぞれ、９．７８±１．４０μｍ、１２．０５±３．７４μｍ、１１．１９±２．３３μｍ、９．８３±１．０７μｍであった。
【００４６】
動物試験
前記プロセスで製造した前記Ｃａ、Ｐ、及びＳインプラントは、従来の機械旋削インプラントに比較して、はるかに速やかで、強固なオッセオインテグレーションを示した。成熟したニュージーランド白色ウサギの雄雌１０羽（平均１０ヶ月齢）を使用した。３本のインプラントを、各ウサギの各脛骨に、また、１本のインプラントを各大腿骨に挿入した。６週間の治癒期間経過後、生体力学検査と組織形態計測法（histomorphometry）を使って、インプラントへの骨組織反応の評価を実施した。両法は、１９８０年代以来、in vivo動物試験における骨とインプラントとの統合性（オッセオインテグレーション）を証明するための優れた技法として最も広く受け入れられてきている。多重比較を目的として、Tukey検定を使って、除去トルク測定値の統計分析を実施した。組織形態計測結果は、Wilcoxon符号付き順位検定を使って分析した。
【００４７】
実施例１７−生体力学試験（除去トルク）
除去トルク技術において、インプラント取り外しに必要な適用カウンタートルクを測定する。使用した電子装置は、ピーク緩めトルクのトルク分析（Johnansson 他 1998）が可能なものであった。Ｃａインプラントは、除去トルク検査に関して、最も強い骨応答を示した。Ｓ及びＰインプラントも、対照と比較して、有意に強力な骨組織反応を示した。図１０に示すように、全インプラント群間の平均値の多重比較は、被験Ｓインプラントと対照の間に有意差を（ｐ＝０．０２２）、また被験Ｃａインプラントと対照の間に顕著な有意差を（ｐ＝０．０００１）示した。除去トルク測定値の平均ピーク値は、Ｓインプラント（ｎ＝１２）が１６．８Ｎｃｍ（±４．５；レンジ１０〜２５Ｎｃｍ）、Ｐインプラント（ｎ＝１６）が１５．１Ｎｃｍ（±４．３；レンジ９〜２０Ｎｃｍ）、Ｃａインプラントが１９．４Ｎｃｍ（±３．１；レンジ１４〜２４Ｎｃｍ）、対照インプラント（ｎ＝１５）が１２．７Ｎｃｍ（±１．９；レンジ１０〜１５Ｎｃｍ）であった。
【００４８】
実施例１８−組織形態計測
組織形態計測試験は、（ｉ）骨金属接触（ＢＭＣ）定量化及び（ｉｉ）組織再生活性の評価（骨伝導性の概算推定値）に関するものであった（Johansson 他 1998及びSul 他 2001b）。常法として、ＰＣに接続したライツ（Leitz）Microvid装置を備え、顕微鏡の接眼レンズで観察者が直接定量を実施できるライツ（Leitz）Aristoplan光学顕微鏡で、トルイジンブルー染色非脱灰切片（厚さ１０〜３０ｎｍ）を倍率１０Ｘ、ズーム２．５Ｘで組織形態計測して分析した。定量的骨組織態計測に関して、Ｃａインプラントは、最も強い骨応答を示した。平均ＢＭＣ値の増加は、対応する対照群と比較すると、Ｃａインプラントが２７２％、Ｐインプラントが２３２％、Ｓインプラントが１８６％であった。前記Ｃａ、Ｐ、及びＳインプラント（図１１）は、未処理インプラントの機械旋削酸化物表面よりも、はるかに高い骨誘導性を示した。組織検査所見（図１２）が明らかに示したところでは、修飾表面で、特にＣａインプラント表面で、インプラント表面に密着する骨はより均質ではるかに緻密に鉱化しているのに対し、対照表面は染色反応で明らかなように多数の類骨層を示し鉱化が少ないことを立証した。前記インプラント表面に沿った新骨の付着は、対照インプラントに比較して、さらに拡散して広がっていた。これは、前記インプラント、特にＣａインプラントの優れた骨伝導性を表す。
【００４９】
実施例１９−機械的性質の強化
陽極処理インプラントの酸化物層の機械的強度は、臨床応用の有用性と安全性に不可欠な必要条件である。前記ＭＡＯプロセスで作製したカルシウム含有酸化物は、優れた機械的強度を示した。前記酸化物層の引張強度は、６２ＭＰａであることが示され（表３）、これは、SE 9901974-7の３３ＭＰａ及び米国特許5478237Aの３０〜３５ＭＰａの範囲に比較して、ほぼ１００％の増加に相当する。
【００５０】
表３．Ｃａインプラントの引張強度試験
【表３】
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【００５１】
本カルシウムインプラントよりも厚い酸化物層を有する酸化インプラント（図２のゾーン３において、ｄＶ／ｄｔ＜０．３未満で形成され、５μｍより大きい）は、酸化物皮膜の剥離を示し、酸化物磨耗粒子がインプラント表面付近に散乱し（おそらく、より厚い酸化物皮膜の引き裂きによる）、マクロファージ及び多核巨細胞などの炎症細胞によって内在化されていた（図６ａ）。実際、ゾーン３の内又は上で得られた、より厚い酸化物層は、微細クラックなどの劣った機械的性質を示した（図２のｅ）。ゾーン１及び２（図２のａ及びｂ）で形成された２０２±５３ｎｍ、６０８±１２７ｎｍ、及び８０５±１１２ｎｍの厚さの、より薄い酸化物層を有する他の酸化インプラントは、酸化物皮膜の「引き裂き」を示さず、酸化物磨耗粒子は検出できなかった。
【００５２】
しかし、前記ＭＡＯプロセスで作製したカルシウム含有酸化物は、これまで検討されたいずれのインプラントよりも、優れた機械的強度と良好なオッセオインテグレーション特性を示し、剥離や酸化物粒子形成を示さなかった（図６ｂ）。
【００５３】
実施例２０−多孔度の測定
多孔度は、開放細孔の合計面積／合計スキャン面積（３×２０μｍ×２６μｍ）として％単位で定義した。下表に、スクリューインプラントの細孔特性を示す。スキャン面積２０μｍ×２６μｍである無作為に選択した３ヶ所の区域上の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）のネガの画像分析を使って、データを入手した。
【００５４】
表４
【表４】
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【００５５】
1細孔サイズ分布（ＰＳＤ）を開放面積と直径で示す。
2開放細孔の合計面積／合計スキャン面積（３×２０μｍ×２６μｍ）として％単位で定義した多孔度。
3スキャン区域３×２０μｍ×２６μｍでカウントした細孔数。
【００５６】
本発明は、上記の実施形態及び実施例に限定されると見なされてはならず、添付の特許請求の範囲内で解釈されなければならない。
【００５７】
参考文献
Adell R. 他，Int J Oral Maxillofac Impl 5, 347-359 (1990)
Kasemo B. and Lausmaa J. ，Swedish dental journal, Suppl. 28, 19-36 (1983)
Johansson C.B. 他，Int J. Oral. Maxillofac. Implants 13, 315-321 (1998)
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Sul Y.T. 他，Med. Eng. Phys, 23, 329-346 (2001a)
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Wennerberg A 他, J Biomed Eng;14:412-418 (1992)
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】装置構成の概略図を示す。
【図２】経時的な陽極電圧増大を示す。直線は、勾配の異なる３つの別個のゾーンを示す。ゾーン１は、最大勾配を有し線形である。ゾーン２は、勾配ｄＶ／ｄｔ≧０．３で非線形である。ゾーン３は、ｄＶ／ｄｔ＜０．３で非線形である。３つの電気化学ゾーンにおける酸化物の成長特性を、カルシウム取り込み層の走査電子顕微鏡写真（ＳＥＭ）で例示している。ａ＝ゾーン１で生成されるバリア酸化物皮膜；ｂ及びｃ＝ゾーン２のｄＶ／ｄｔ≧０．３で調製した最適表面；ｅ＝ゾーン３で得られた、クラックが広がった表面。
【図３】ゾーン２単独での電気化学的な酸化物の成長と、本文で説明される各種パラメーターに対する成長の依存性を示す（番号１〜１２）。勾配ｄＶ／ｄｔ＝０．３の範囲を、電流密度と共に各プロットに示す。
【図４】上位多孔層と下位バリア層から成る二重層構造をそれぞれ実証するために、３種類の酸化物層タイプのウルトラミクロトームで切断した断面の透過電子顕微鏡写真（ＴＥＭ）を示す。Ｕ＝細孔／クレーターを有する上位多孔層、Ｌ＝細孔／クレーターのない下位バリア層、Ｉ＝チタン／酸化物界面、Ｔｉ＝インプラントのチタンバルク、Ｄ＝細孔の幅及びＨ＝細孔の高さ。厚さはＬ≫Ｕ、サイズはＤ≫Ｈである。
【図５】Ｃａ、Ｐ、及びＳインプラント表面のＳＥＭ像をそれぞれ示す。
【図６】従来の陽極酸化で製造したインプラント（図６ａ）と本発明によるカルシウム含有インプラント（図６ｂ）の光学顕微鏡による比較を示す。６ａでは、マクロファージ中に内在する酸化物粒子（矢印）を鮮明に見ることができるが、６ｂには、酸化物粒子が存在しない。本発明によるインプラントは、優れた骨伝導性も呈する（骨とインプラントの接触面積がより大きい）。Ｂａｒ＝１００μｍ、Ｉｐ＝インプラント、Ｂ＝骨。
【図７−１】Ｃａ、Ｐ、及びＳインプラントのＣａ  ２ｐ1/2、Ｐ  ２ｐ3/2及びＳ  ２ｐピーク位置での高分解能Ｘ線光電子分光分析（ＸＰＳ）をそれぞれ示す。
【図７−２】Ｃａ、Ｐ、及びＳインプラントのＣａ  ２ｐ1/2、Ｐ  ２ｐ3/2及びＳ  ２ｐピーク位置での高分解能Ｘ線光電子分光分析（ＸＰＳ）をそれぞれ示す。
【図８−１】Ｃａ、Ｐ及びＳインプラントのＣａ、Ｐ、及びＳ濃度深度プロファイルのオージェ電子分光（ＡＥＳ）測定値をそれぞれ示す。Ｕ＝細孔／クレーターを有する上位多孔層、Ｌ＝細孔／クレーターのない下位バリア層。
【図８−２】Ｃａ、Ｐ及びＳインプラントのＣａ、Ｐ、及びＳ濃度深度プロファイルのオージェ電子分光（ＡＥＳ）測定値をそれぞれ示す。Ｕ＝細孔／クレーターを有する上位多孔層、Ｌ＝細孔／クレーターのない下位バリア層。
【図９−１】本発明によるインプラント及び対照インプラントのＸ−線回折（ＸＲＤ）角度測定値をそれぞれ示す。
【図９−２】本発明によるインプラント及び対照インプラントのＸ−線回折（ＸＲＤ）角度測定値をそれぞれ示す。
【図１０】対照インプラントと比較した、本発明によるインプラントのピーク除去トルク測定値の平均値を示す。＊は統計的有意差（ｐ＜０．０５）、＊＊は顕著な統計的有意差（Ｃａインプラント）（ｐ＝０．０００１）を示す。平均値の標準誤差をＢａｒで示す。
【図１１】対照インプラントと比較した、本発明によるインプラントの骨−金属接触（ＢＭＣ）測定値の平均値を示す。＊＊は顕著な統計的有意差（ｐ＜０．００１）を示す。平均値の標準誤差（ＳＥＭ）をＢａｒで表す。
【図１２】対照インプラント（２、３、及び５）と比較した場合の本インプラント（１、４、及び６）の顕著に高い骨伝導性／骨誘導性のを示す光学顕微鏡観測結果を示す。
【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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【図６】
2005508862.tif 000012
【図７−１】
2005508862.tif 000013
【図７−２】
2005508862.tif 000014
【図８−１】
2005508862.tif 000015
【図８−２】
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【図９−１】
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【図９−２】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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