(57)【要約】  本発明は、空間に三次元で繰り返される制御されたパターン（１）を有する多孔質構造に関し、この多孔質構造は、骨の欠損を充填するための外科のインプラントの製造を可能にする。本発明の多孔質構造は、前記パターンが星形に並んだ３つの羽（２）からなり、２つの羽の間の角度（Ａ）が実質的に１２０°で、各羽が概して長方形の形状を有し、その中心が中空になっていることを特徴とする。このパターンの３つの羽（２）は、その自由端又は先端に好都合にベベルが形成され、各ベベルの基部（５）の幅がその羽の厚さより若干大きい。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
空間に三次元で繰り返される制御されたパターン（１）を有する多孔質構造であって、前記多孔質構造は骨の欠損を充填するための外科のインプラントの製造を可能にし、前記パターン（１）が星形に並んだ３つの羽（２）からなり、２つの羽の間の角度（Ａ）が実質的に１２０°に等しく、各羽が概して長方形の形状を有し、その中心が中空（３）になっていることを特徴とする多孔質構造。
【請求項２】
前記空間に繰り返される制御されたパターン（１）を有する多孔質構造であって、前記パターンの３つの羽（２）の自由端又は先端にベベルが形成されることを特徴とする請求項１に記載の多孔質構造。
【請求項３】
前記空間に繰り返される制御されたパターン（１）を有する多孔質構造であって、前記３つの羽（２）の自由端（４）に作られる各ベベルの基部（５）の幅が、該羽の厚さより若干大きいことを特徴とする請求項２に記載の多孔質構造。
【請求項４】
前記空間に繰り返される制御されたパターン（１）を有する多孔質構造であって、平面図から分かるように、それらの先端（４）に作られたベベルの側面（６）で互いに接する複数のパターンで構成される層を集合させることによって得られることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の多孔質構造。
【請求項５】
前記空間に繰り返される制御されたパターン（１）を有する多孔質構造であって、前記層を連続的に積層することによって得られることを特徴とする請求項４に記載の多孔質構造。
【請求項６】
前記空間に繰り返される制御されたパターン（１）を有する多孔質構造であって、前記パターンの全体的な形状を変えずに前記羽（２）の寸法の一つ及び／又は前記羽の中心に作られた前記中空部（３）の寸法の一つを変更することによってその機械的特性と多孔性が変化することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の多孔質構造。
【請求項７】
前記空間に繰り返される制御されたパターン（１）を有する多孔質構造であって、各羽（２）の高さ及び／又は幅及び／又は厚さが変更可能であることを特徴とする請求項６に記載の多孔質構造。
【請求項８】
前記空間に繰り返される制御されたパターン（１）を有する多孔質構造であって、各中空部（３）の高さ及び／又は幅が変更可能であることを特徴とする請求項６に記載の多孔質構造。
【請求項９】
前記空間に繰り返される制御されたパターン（１）を有する多孔質構造であって、各羽（２）の高さ及び／又は幅及び／又は厚さ及び／又は各中空部（３）の高さ及び／又は幅が変更可能であることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の多孔質構造。
【請求項１０】
前記空間に繰り返される制御されたパターン（１）を有する多孔質構造であって、前記パターンがチタン製であることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の多孔質構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空間に三次元で繰り返される制御されたパターンを有する多孔質構造に関し、この多孔質構造は骨の欠損を充填するための外科のインプラントの製造を可能にする。
【背景技術】
【０００２】
人間又は動物の完全又は部分的に欠損した骨の治療のためにインプラントを使うことが知られており、これらのインプラントは骨の構造を可能な限り模倣した多孔質構造を有するように製造されている。
【０００３】
実際、インプラントの孔は、該インプラントでの骨細胞の増殖を可能にし、骨とインプラントの間の荷重の伝達を確実に向上させることができ、修復又は充填しようとする骨の健康な隣接部にインプラントを強く固定する効果がある。
【０００４】
これにより、結果的に治癒過程が短縮される。
【０００５】
従来のインプラントは、生体適合性があることで知られるチタンで製造されている。
【０００６】
チタン製で多孔質構造のインプラントを製造する方法が多数知られている。
【０００７】
その一例として、第１の方法では、充填又は修復しようとする骨の部分と対応する形状及び構造を有するインプラントが製造されている。
【０００８】
第１の方法では、最初に、充填又は修復される骨の部分がインプラントと正確に対応するようにワックスでプロトタイプが作られる。
【０００９】
次に、このプロトタイプを耐熱材料内に沈め、耐熱材料内のワックスを溶かすために加熱される。
【００１０】
次に、残った耐熱材料を高温で焼結して型が得られる。次に、この型に溶融チタンを流し込み、最後に、チタンに影響を与えない化学溶剤で型を壊しさえすればよい。
【００１１】
別の方法では、上述の通りに製造された型にチタンのマイクロビーズを入れて、放電合金化プロセスでこれらのマイクロビーズを互いに結合している。
【００１２】
上記従来の方法によって望ましい形状のインプラントを製造できるが、そのインプラントには孔が少ないか又は全く無いという欠点がある。また、何れにしても孔の大きさを定めることができないので、インプラントの多孔率を定めることができない。
【００１３】
改善された方法では、メチルセルロース及びステアリン酸の水溶液とチタン粉末のペーストを使用している。必要とされる部分の構造を形成するために、トレイの底部にペーストを堆積し、多層構造のインプラントが形成される。次に、これを乾燥させ、真空の高温状態で焼結して完成する（Ｂｉｏｍａｔｅｒｉａｌｓ  ２７（２００６）１２２３‐１２３５（非特許文献１））。
【００１４】
類似のプロセスでは、重炭酸アンモニウムと混合したチタン粉末で構成されたペーストが使用されている。この混合物が高圧下で型に詰め込まれる。こうして得られた半完成品をフライス加工などの機械処理によって望ましい形状にする。最後に、これを多孔質構造にするために、この混合物を８０℃に加熱し、これにより重炭酸アンモニウムが溶けて流出し、望ましい孔が形成される。
【００１５】
後者の改良した方法では、混合物を１３００℃の温度で焼結することから、焼結により原子が移動し、チタンの核が互いに結合してインプラントの強度が確保される。
【００１６】
これらの方法で得られたインプラントは確かに多孔質構造であるが、やはり孔の大きさと形状を前もって定めることが困難であり、骨の多孔率に限りなく近い多孔率を有する構造のインプラントを製造することは困難である。
【００１７】
最近開発された方法では、このような観点においてより満足のいく結果が得られている。
【００１８】
第１の例では、電子ビーム又はレーザービームによってチタン粉末を結合させる方法が用いられている。これらの方法は類似しており、違いは使用されるエネルギー源のみであり、一方はエネルギーが電子によって、他方は光子によってもたらされている。これらの方法では、所望の場所で局所的に融合されたチタン粉末の層がトレイの底に堆積される。このため、この部品の構造は実質的に薄片にカットされている。第１の層に相当するチタン粉末が堆積され、電子ビーム又はレーザービームをこの層全体に照射し、得ようとする部品の構造に従ってチタン粉末を結合させる。既に堆積し、処理された既存の層の上に新たな粉末の層が重ねられ、新たな層も必要な場所で結合させる。最終の部品が得られるまで互いに結合した層を重ねるプロセスが繰り返される（電子ビームによるチタン粉末の結合に関してはＡｃｔａ  Ｂｉｏｍａｔｅｒｉａｌｉａ  ４（２００８）１５３６‐１５４４（非特許文献２）、レーザービームによるチタン粉末の結合に関してはＢｉｏｍａｔｅｒｉａｌｓ  ２７（２００６）９５５‐９６３（非特許文献３））。
【００１９】
上述の方法と若干異なるが、ＬＥＮＳ（Ｌａｓｅｒ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｅｄ  Ｎｅｔ  Ｓｈａｐｉｎｇ）と呼ばれる方法では、チタン粉末の層を積層することにより部品を作製することが可能である。このＬＥＮＳ法では、レーザービームが照射される場所に正確にチタン粉末を噴射する羽口にチタン粉末が供給される。次に、製造する部品の構造に従って、直接溶融チタンが噴射される（Ａｃｔａ  Ｂｉｏｍａｔｅｒｉａｌｉａ  ３（２００７）１００７‐１０１８（非特許文献４））。
【００２０】
ＬＥＮＳ処理を用いてインプラントを得る方法は、国際公開特許公報ＷＯ２００８／１４３６６１（特許文献１）に記載されている。
【００２１】
上述の全ての方法において、製造された製品が“開いた状態”になるように、すなわち、骨の特性を可能な限り再現する孔とそれらの孔の間の連結部を溶融した場所の間に有し、溶融していないチタン粉末が最後に除去される。
【００２２】
外科のインプラントの製造を可能にする多孔質構造の一例は、Ｊｏｎａｔｈａｎ  Ｌ．Ｒｏｌｆｅらにより２００５年５月２６日に公開された米国公開特許公報２００５／１１２３９７（特許文献２）に記載されている。この多孔質構造は、チタンなどの材料を積層することによって得られ、これらは連続して堆積され、直前の層と直後の層とが結合される。各層には複数の開口があり、該開口は１つの層から次の層へと垂直方向で互いに一致しているため、最終的には多孔質構造は非常に多数の垂直な柱を有することになる。しかしながら、これらの柱はその構造のために互いに平行であることから、これらの間のつながりが得られない。従って、製造工程に関して言えば、この多孔質構造は一次元のみ、すなわち垂直面内のみに多孔性を有しており、骨組織の融合を最大限に促進するために三次元で多孔性を有している骨の構造の再現には程遠いものである。
【００２３】
理想的には、前述の後半で説明した方法、例えば、ＬＥＮＳ処理により得られた空間に三次元で繰り返される制御されたパターンを有するチタン製の多孔質構造の外科のインプラントは、約６０％の多孔率を有していなければならず、孔の大きさは約６３０μｍ、孔同士の間の連結部の大きさは１４５μｍが骨の増殖に最適である。
【００２４】
これらの特性に加えて、この種のインプラントは、その用途とその環境に適合する機械抵抗と剛性を有していなければならない。故に、考えられる複数の形状のパターンをコンピュータで解析し、これらの予備的な科学的解析に従って、理論的には菱形十二面体のパターンが最も効率的であるはず、と結論付けられた。
【００２５】
実際、菱形十二面体のパターンに関する数値シミュレーションは非常に決定的なものであった。このパターンは、理論上、その構造において作製が比較的容易であり、孔同士の間に多数の連結部があることによりインプラントの優れた骨の増殖が可能であり、人間の皮質骨のそれに近い機械的特性を有するものとなる。
【００２６】
これらの期待できる理論上の結果に従って、前述した方法の選択的レーザービーム結合を用いて一辺が１０ｍｍの立方体のサンプルを作製し、このサンプルを解析した。
【００２７】
実際に得られた結果は、理論上の結果からかけ離れたものであった。まず、このように作られた菱形十二面体の構造は、実際には菱形十二面体の梁又は枝の結合が不十分であるという意味で非常に不均一であった。これらの梁内に多くの欠損部又は不連続部が電子顕微鏡で容易に観察された。次に、構造の機械的特性は、理論上期待された機械的特性に比べて非常に弱かった。故に、機械的圧縮試験を開始したときから、構造に永久歪みが観察された。負荷を取り除いた後、解析されたサンプルは、変形がどのようなものであっても元の形状を取り戻すことはなかった。換言すれば、どんなに小さくとも、負荷を加えた直後から構造の破壊が始まる。材料は不可逆的な変形を経験し、圧縮されて硬くなる。さらに、記録された機械的な結果によれば、特にヤング率は非常に低く、理論的に計算された値より４０％から６０％低かった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２８】
【特許文献１】国際公開特許公報ＷＯ２００８／１４３６６１
【特許文献２】米国公開特許公報２００５／１１２３９７
【非特許文献】
【００２９】
【非特許文献１】Ｂｉｏｍａｔｅｒｉａｌｓ  ２７（２００６）１２２３‐１２３５
【非特許文献２】Ａｃｔａ  Ｂｉｏｍａｔｅｒｉａｌｉａ  ４（２００８）１５３６‐１５４４
【非特許文献３】Ｂｉｏｍａｔｅｒｉａｌｓ  ２７（２００６）９５５‐９６３
【非特許文献４】Ａｃｔａ  Ｂｉｏｍａｔｅｒｉａｌｉａ  ３（２００７）１００７‐１０１８
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００３０】
このように、菱形十二面体の形状での理想的な数値モデルは完璧ではなかった。このモデルの機械的特性が十分でなかった原因は構造にあった。また、このパターンの構造、とりわけ梁の構造のために、十分な精度でパターンを正確に作ることができなかった。
【００３１】
このような経緯から、製造プロセスに適した構造を有し、同時に菱形十二面体よりも適した機械的特性のある別のパターンを考案した。
【課題を解決するための手段】
【００３２】
したがって、本発明は、空間に三次元で繰り返される制御されたパターンを有する多孔質構造であって、前記多孔質構造は骨の欠損を充填するための外科のインプラントの製造を可能にし、前記パターンが星形に並んだ３つの羽からなり、２つの羽の間の角度が実質的に１２０°に等しく、各羽が概して長方形の形状を有し、その中心が中空になっていることを特徴とする。
【００３３】
前記空間に繰り返される制御されたパターンを有する多孔質構造では、前記パターンの３つの羽の自由端又は先端にベベルが都合よく形成されることを特徴とする。
【００３４】
この構成において、前記パターンの３つの羽の自由端に作られる各ベベルの基部の幅が、該羽の厚さより若干大きいことが好ましい。
【００３５】
前記空間に繰り返される制御されたパターンを有する多孔質構造は、平面図から分かるように、それらの先端に作られたベベルの側面で互いに接する複数のパターンで構成される層を集合させることによって都合よく得られ、前記層の連続的な重ね合わせによって正確に達成される。
【００３６】
更に、前記パターンの全体的な形状を変えずに前記羽の寸法の一つ及び／又は前記羽の中心に作られた前記中空部の寸法の一つを変更することによってその構造の機械的特性と多孔性を変化させることができる。
【００３７】
第１の例として、変更可能な寸法は、羽の高さ及び／又は幅及び／又は厚さである。
【００３８】
第２の例として、変更可能な寸法は、中空部の高さ及び／又は幅である。
【００３９】
第３の例として、変更可能な寸法は、羽の高さ及び／又は幅及び／又は厚さ、及び／又は中空部の高さ及び／又は幅である。
【００４０】
非常に好ましい方法では、本発明による空間に繰り返される制御されたパターンを有する多孔質構造がチタン製である。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
以下、添付の図面を参照して本発明を詳述する。これらの図面は本発明の例示であり、本発明を限定するものではない。
【図１】図１は、理論上の理想的なパターンを構成する菱形十二面体の正面図、側面図、及び斜視図である。
【図２】図２は、提案した星形のパターンの上面図、側面図、及び正面図である。
【図３】図３は、雪片に似た６つの基本パターンの集合体の上面図である。
【図４】図４は、複数の基本パターンの集合体の上面図、側面図、及び正面図である。
【図５】図５は、図４に示した集合体の三次元の図である。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
図１は、理論上の理想的なパターン、すなわち、菱形十二面体の形状のパターンを示している。この理想的なパターンでは、十二面体の梁又は枝の間に作られた複数の空間が、これを確実に“開いた”状態にし、骨の孔と孔の間の連結部を再現すると考えられる。
【００４３】
しかしながら、実際に当該分野の推奨事項に従って作られた菱形十二面体の構造では、このパターンが思わしくない結果をもたらすことが判明した。特に、製造に関して繊細であることがわかったため、他のパターンを探すことになった。こうして、ほかの製品を検討した結果、図２に詳細を示す最良のものを選択することとなった。
【００４４】
この基本パターン１は、基本的には星形に並んだ３つの羽２で構成され、隣接する２つの羽の間の角度Ａは実質的に１２０°に等しい。
【００４５】
各羽２は、概して長方形の形状を有し、その中心が中空になり、窓又は中空部３を構成している。
【００４６】
この基本パターンの自由端、すなわち先端４には、パターン１の３つの羽２の夫々にベベルが形成されており、２つの突出部を作るため、ベベルの基部５の幅はそれぞれの羽２の厚さよりも若干大きい。
【００４７】
電子ビーム又はレーザービームによる結合プロセスや、トレイの底部にチタン粉末の第１の層の堆積による結合プロセスの既知の技術に従って、基本パターンが得られ、平面の二次元において多数繰り返される。図３に示す６つの基本パターン１の集合体は雪片のように見えなくてはならず、パターンは夫々の異なる先端４に形成されるベベルの側面６で互いに接している。パターン１がそれぞれの先端４で接するようにするため、それらの間に各ベベルの２つの側面６によって作られる角度が６０°に等しくなることは明らかである。
【００４８】
得ようとする部品の形状に従ってチタン粉末の第１の層が完全に結合した後、新たな粉末の層をこの第１の層の上に載せ、基本パターンのあらゆる部分を再現するために必要な場所で結合させながら、第１の層へ第２の層のパターンを結合させ、得ようとする部品の形状に適合させる。
【００４９】
更に、互いに結合させられるこうした層を連続して積層することにより上記の操作が繰り返され、所望の部品が得られる。
【００５０】
基本パターンによって選択される特定の形状には、パターンの全体的な形状を変えることなくパターンの羽及び／又はこのパターンの羽２の製造工程において作られる中空部３の一つ以上の寸法を単純に変化させることによって、孔の大きさと完成品の機械的特性の両方を同時に変更できるというさらなる利点がある。
【００５１】
図５は、最終部品の概要を示し、集合させた後の複数の基本パターンが、主要な３方向のみの繰り返しによって空間を充填することができる構造を作り出している。
【００５２】
出願人が知る限り、３つの羽を持つ星形のパターンは、骨の代替品の製造に最適である。実際、結果として得られる機械的特性は、これまでに文献上で検討されてきた他のパターンの特性と比べて、骨の機械的特性に最も近い。
【００５３】
簡単な例としては、３つの羽を有する星形のパターン１が、次の寸法に適合するよう作られる：
‐各羽２の厚さ：約０．５０〜０．６０ｍｍ；
‐同じパターンの２つの先端４の間の距離：約２．８０ｍｍ；
‐先端４とパターンの主軸又は縦軸７の間の距離：約１．６０ｍｍ；
‐パターンの高さ：約２〜３ｍｍ；
‐各中空部３の高さ：約０．８０〜１．８０ｍｍ；
‐各中空部３の幅：約０．７５〜０．９０ｍｍ；
‐ベベルの基部の幅：約０．６５〜０．７５ｍｍ。
【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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【国際調査報告】
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