(57)【要約】  本発明は、生物活性ガラス被覆物、特に、Ｔｉ６Ａｌ４Ｖ合金及びクロム・コバルト合金用の生物活性ガラス被覆物に関する。このガラス被覆物の熱膨張係数はその合金の熱膨張係数にマッチされている。こうした被覆物は特に医療用プロステーシスに用いられる。【特許請求の範囲】
【請求項１】
３５〜５３モル％のSiO2、２〜１１モル％のNa2O、２モル％以上のCaO、２モル％以上のMgO、２モル％以上のK2O、０〜１５モル％ZnO、０〜３モル％のP2O5、及び０〜２モルの％B2O3を含み、かつ、SiO2、P2O5及びB2O3を合わせたモル％が４０〜５４モル%であることを特徴とするストロンチウムフリー生物活性ガラス
【請求項２】
４５〜５０モル％のSiO2を含む請求項１に記載の生物活性ガラス。
【請求項３】
８〜３５モル％のCaOを含む請求項１又は２に記載の生物活性ガラス。
【請求項４】
５〜１８モル％のMgOを含む請求項１〜３のいずれか一項に記載の生物活性ガラス。
【請求項５】
３〜１１モル％のK2Oを含む請求項１〜４のいずれか一項に記載の生物活性ガラス。
【請求項６】
１〜３モル％のP2O5を含む請求項１〜５のいずれか一項に記載の生物活性ガラス。
【請求項７】
１〜５モル％のZnOを含む請求項１〜６のいずれか一項に記載の生物活性ガラス。
【請求項８】
１〜５モル％のLi2Oを含む請求項１〜７のいずれか一項に記載の生物活性ガラス。
【請求項９】
０〜１０%のCaF2を含む請求項１〜８のいずれか一項に記載の生物活性ガラス。
【請求項１０】
Na2OとK2Oとを合わせたモル％が１５モル％未満であり、そして、前記生物活性ガラスの熱膨張係数が８.８×１０-6Ｋ-1〜１２×１０-6Ｋ-1である請求項１〜９のいずれか一項に記載の生物活性ガラス。
【請求項１１】
前記ガラスが、５０モル％未満のSiO2、２モル％以上のMgO又は１モル％以上のZnOを含み、かつ、１.９〜２.４のネットワーク連結性を有する請求項１０に記載の生物活性ガラス。
【請求項１２】
４５〜５０モル％のSiO2、１〜２モル％のP2O5、１５〜３５モル％のCaO、３〜７モル％のNa2O、３〜７モル％のK2O、２〜４%のZnO、５〜１８モル％のMgO、及び、０〜１０モル％のCaF2を含む請求項１〜７、９〜１１のいずれか一項に記載の生物活性ガラス。
【請求項１３】
４９〜５０モル％のSiO2、１〜１.５モル％のP2O5、１７〜３３モル％のCaO、３.３〜６.６モル％のNa2O、３.３〜６.６モル％のK2O、２〜４モル％のZnO、７〜１７モル％のMgO、及び、０〜６モル％のCaF2を含む請求項１２に記載の生物活性ガラス。
【請求項１４】
４９.４６モル％のSiO2、１.０７モル％のP2O5及び３モル％のZnOを含む請求項１３に記載の生物活性ガラス。
【請求項１５】
Na2OとK2Oとを合わせたモル％が３０モル％未満であり、かつ、前記ガラスの熱膨張係数が１１×１０-6Ｋ-1〜１４×１０-6Ｋ-1である請求項１〜９のいずれか一項に記載の生物活性ガラス。
【請求項１６】
前記ガラスが、５２モル％未満のSiO2、２モル％以上のMgO、及び、１モル％以上のZnOを含み、かつ、１.８〜２.５のネットワーク連結性を有する請求項１５に記載の生物活性ガラス。
【請求項１７】
４５〜５０モル％のSiO2、１〜３モル％のP2O5、０〜２モル％のB2O3、８〜２５モル％のCaO、７〜１１モル％のNa2O、７〜１１モル％のK2O、２〜１２%のZnO、８〜１２モル％のMgO、及び、０〜５モル％のCaF2を含む請求項１〜７、９〜１１に記載の生物活性ガラス。
【請求項１８】
３５〜５３モル％のSiO2、２〜１１モル％のＮａ2Ｏ、２モル％以上のCaO、２モル％以上のMgO、２モル％以上のK2O、０〜１５モル％のZnO、０〜２モル％のB2O3及び０〜９モル％のP2O5を含むことを特徴とするストロンチウムフリー生物活性ガラス。
【請求項１９】
それぞれ８〜１０モル％のP2O5、CaO、Na2O、K2O、ZnO及びMgOを含む請求項１８に記載の生物活性ガラス。
【請求項２０】
Ｔｉ６Ａｌ４Ｖ又はクロム・コバルト合金を含む表面を被覆するために用いられる請求項１〜１９のいずれか一項に記載の生物活性ガラス。
【請求項２１】
Ｔｉ６Ａｌ４Ｖ合金を含む表面を被覆するために用いられる請求項１０〜１４のいずれか一項に記載の生物活性ガラス。
【請求項２２】
クロム・コバルト合金を含む表面を被覆するために用いられる請求項１５〜１９のいずれか一項に記載の生物活性ガラス。
【請求項２３】
Ｔｉ６Ａｌ４Ｖ又はクロム・コバルト合金を含むプロステーシスの表面を被覆するために用いられる請求項２０〜２２のいずれか一項に記載の生物活性ガラス。
【請求項２４】
請求項１〜２３のいずれか一項に記載の生物活性ガラスを含むことを特徴とするガラス被覆物。
【請求項２５】
前記ガラス被覆物が二層被覆物であり、そして、前記二層被覆物を構成する二層のうち１以上の層が請求項１〜２３のいずれか一項に記載の生物活性ガラスを含む請求項２４に記載のガラス被覆物。
【請求項２６】
請求項２４又は２５に記載のガラス被覆物、又は、請求項１〜２３のいずれか一項に記載の生物活性ガラスを含む被覆物によって被覆された、Ｔｉ６Ａｌ４Ｖ又はクロム・コバルト合金を含むプロステーシス。
【請求項２７】
前記プロステーシスが、Ｔｉ６Ａｌ４Ｖを含み、そして、前記被覆物が請求項１０〜１４のいずれか一項に記載の生物活性ガラスを含む請求項２６に記載のプロステーシス。
【請求項２８】
前記プロステーシスが、クロム・コバルト合金を含み、そして、前記被覆物が請求項１５〜１９のいずれか一項に記載の生物活性ガラスを含む請求項２４に記載のプロステーシス。
【請求項２９】
平均粒度が１００μｍ未満であり、かつ、９０℃以上の処理温度ウィンドウを有する、請求項１〜２３のいずれか一項に記載の生物活性ガラスを含むガラス粉末。
【請求項３０】
前記粉末の平均粒度が５０μm未満である請求項２９に記載のガラス粉末。
【請求項３１】
請求項２９又は３０に記載の前記ガラス粉末を被覆しようとする基材に適用して、焼結することを含む、Ｔｉ６Ａｌ４Ｖ又はクロム・コバルト合金を含む基材上にガラス被覆物を製造する方法。
【請求項３２】
前記ガラス粉末を６００〜１０００℃の温度で焼結する請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】
前記ガラス粉末をガラス転移温度より５０℃以上高く、かつ、結晶化開始温度未満の温度で焼結する請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
前記ガラス粉末をガラス転移温度より１００℃以上高い温度で焼結する請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】
Ｔｉ６Ａｌ４Ｖを含む表面上に前記ガラス粉末を沈着し、１〜６０℃ｍｉｎ-1の速度で６００〜９６０℃の焼結温度まで加熱する請求項３２〜３４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３６】
クロム・コバルト合金を含む表面上に前記ガラス粉末を沈着し、６００〜７６０℃の焼結温度に加熱する請求項３２〜３４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３７】
ガラス粒子の懸濁液中の浸漬被覆、フレーム溶射、プラズマ溶射、又は、電気泳動析出によって、被覆しようとする前記基材に前記ガラス粉末を適用する請求項３２〜３６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３８】
被覆しようとする前記表面に酸化コバルト（ＩＩ）及び／または酸化コバルト（ＩＩＩ）を適用する工程をさらに含み、かつ、前記被覆物を７３０℃以上の温度で焼結する請求項３２〜３６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３９】
前記酸化コバルト（ＩＩ）及び／又は酸化コバルト（ＩＩＩ）を前記生物活性ガラス粉末の０．２〜３．０重量％の総量で適用する請求項３８に記載の方法。
【請求項４０】
本明細書の実施例及び／又は図面に記載したガラス、被覆物、プロステーシス、ガラス粉末、又は、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生物活性ガラス被覆物（bioactive glass coating）に関する。特に、本発明は、Ｔｉ６Ａｌ４Ｖ合金及びクロム・コバルト合金用の生物活性ガラス被覆物に関する。このガラス被覆物の熱膨張係数はその合金の熱膨張係数にマッチされている。こうした被覆物は特に医療用プロステーシス（プロテーゼ）に用いられる。
【背景技術】
【０００２】
生物活性物質（biologically active material）は、生きている組織（living tissue）に移植されると、その物質とそれを取り囲んだ組織との間に界面結合（interfacial bond）を形成するものである。より具体的に、生物活性ガラス（bioactive glass）は生物活性ガラスと生きている組織（例えば、骨）との間の強力な結合を形成する生物学的活性を誘導するように設計された表面反応性ガラス−セラミック（surface-reactive glass-ceramics）である。生物活性ガラスの生物活性は、生理学的状態（条件）下にガラスの表面に対する一連の複雑な生理化学的反応の結果であり、それにより、炭酸ハイドロキシアパタイト（carbonated hydroxyapatite；ＨＣＡ）相の沈殿及び結晶化が起こる。
【０００３】
ガラス表面上でのＨＣＡの形成速度（rate of development）は生物活性のインビトロ・インデックスを提供する。このインデックスの使用は、硬い組織との結合を得るためにはＨＣＡの最小形成速度が必要であることを示す知見に基づく。生物活性は、体内の関連する移植部位に見られる液体組成物を模倣する非生物学的溶液を用いて効果的に調べることができる。検査は、人工体液（Simulated Body Fluid；ＳＢＦ）（Kokubo T, J. Biomed. Mater. Res. 1990; 24; 721-735参照）、及び、トリス（Ｔｒｉｓ）緩衝液のような様々な溶液を用いて行われてきた。ＳＢＦがヒトの血漿とほぼ同じイオン濃度を有する緩衝液であるに対して、トリス緩衝液は簡単な有機緩衝液である。ＳＢＲに露出されたガラスに対するＨＣＡ層の沈着は既知の生物活性テストである。
【０００４】
生きていいる組織（硬い組織及び軟質の結合組織を含む。）と相互作用する生物活性ガラスの能力に基づいて、これは様々な医療的用途を有し得る。この一つが、整形外科用インプラント（orthopaedic implant）を含めた医療プロステーシス（prosthesis）用の被覆物を提供することである。
【０００５】
金属プロステーシス（チタン、Ｔｉ６Ａｌ４Ｖ及びクロム・コバルト合金のような金属合金又は金属からなる。）は広く使われている。これらは非毒性、及び、優れた機械的な特性を有しているが、生物的な活性は有しない。この種を利用すると、移植箇所に密集した繊維性組織（dense fibrous tissue）が形成され、それにより、移植が失敗に終わってしまう。現在、大部分のインプラント（例えば、股関節及び膝関節置換術に用いられるプロステーシス）の固定（fixation）は、アクリル性骨セメント（acrylic bone cement）の使用によって改善された。しかしながら、こうしたセメントの使用により隣接した骨が毀損される場合がある。股関節置換の約２０％ではセメントを使用しない固定（cementless fixation）が行われるが、そのときにプロステーシス上のプラズマ溶射ハイドロキシアパタイト被覆を用いるケースが最も多い。セメントを使用しない固定に伴う主な問題は、骨がハイドロキシアパタイト被覆物に成長するのに相当時間がかかることである。
【０００６】
医療プロステーシスの固定を改善するためのもう一つの選択肢は、プロステーシス材料に上手く付着して、周辺組織との界面結合の形成を促すことができる生物活性被覆物を備えたプロステーシスを提供することである。こうしたプロステーシス用被覆物を提供するために生物活性ガラスが提案されていた。生物活性ガラスの生物活性が高ければ高いほど、周辺組織と生物活性ガラス（つまり、プロステーシス）との結合が速く形成される。
【０００７】
プロステーシスは、セラミック、プラスチック、又は、金属で形成され得るが、その大部分はＴｉ６Ａｌ４Ｖ合金又はクロム・コバルト合金で構成される。先行技術文献（特許）によれば、金属プロステーシスを溶融ガラスに浸すことで（その金属プロステーシスを）ガラスで被覆することができる（米国特許第４，２３４，９７２号）。しかしながら、この工程は、ガラスの熱膨張係数（ＴＥＣ）を金属合金にマッチさせることの重要性を軽視したものである。ガラス被覆物のＴＥＣとプロステーシス材料のＴＥＣ間に大差が存在すれば、被覆過程における熱膨張の差異によって熱ストレスが生じ、それにより、被覆物の剥離及びクラッキング（cracking）が生じてしまう。その結果、被覆物が切り取られて細かくなるか（chip）、破片になるか（fragment）、又は、分離される（separate）。したがって、ＴＥＣマッチングをなくしては、プロステーシス−被覆物の接合面（界面）は信頼性に欠けることになる。
【０００８】
こうした研究もまた、金属合金の酸化及び相変化（phase change）を軽視していた。チタン及びその合金において、過度な酸化によって厚いＴｉＯ2層が形成されるが、その層は壊れやすく、その被覆物がＴｉＯ2に結合されたとしても、このＴｉＯ2層は破壊されてしまう（spoil away）。チタン及びチタン合金（例えば、Ｔｉ６Ａｌ４Ｖ）の酸化は、α-β相転移（alpha to beta phase transition）に相応して高温（＞９６０℃）で脆化（embrittlement）をもたらす。
【０００９】
米国特許第４，６１３，５１６号には、金属基材にガラスを結合させるときのＴＥＣマッチング（matching）の重要性が記載されている。このガラスは酸化コバルト（ＩＩＩ）、酸化コバルト（ＩＩ），酸化ニッケル、又は、酸化マンガンと混合して金属基材に適用される。これらのガラスの生物活性は測定されない。焼結（sintering）を促すために加えられたＢ2Ｏ3はガラスのネットワーク連結性（network connectivity；ＮＣ）を増加させ、ガラスの分解及び生物活性を減少させる。また、酸化ニッケルのような酸化物をガラスに含ませること（米国特許第４，６１３，５１６号に記載された量）によって、細胞毒性を有するこの種の体内放出を有意に引き起こす。
【００１０】
Ｔｉ６Ａｌ４Ｖ合金上に生物活性ガラス被覆物を形成する別の試みによれば、ＴＥＣマッチされ、かつ十分に焼結された優れた界面接着性（interfacial adhesion）を有する被覆物が形成されるが、これらの特性と、一般に認められる定義に基づく十分な生物活性を兼備した被覆物はなかなか得られない。実際、ハイドロキシアパタイト粒子及び市販用Ｂｉｏｇｌａｓｓ（登録商標）粒子をガラス被覆物の表面に加えて生物活性を改善していた。文献［Gomez-Vega et al. J. Biomed. Mater. Res. 46: 549-559 (1999) and Gomez-Vega et al Biomaterials 21(2):105-111 (2000)］参照。
【００１１】
多くの要因が被覆組成物の成功に影響する。金属又は金属合金を成功裏に被覆するためには、被覆物は合金のα-β相転移温度未満の温度で適用されなければならず、７５０℃以下の温度で適用されて、その表面において合金の酸化を阻害できるのが好ましい。また、合金にＴＥＣマッチされ、結晶形成開始温度（crystallisation temperature onset；Tc onset）を下回る温度で適用され、かつ、完全密度（full density）まで焼結されるが好ましい。
【００１２】
出願人は、更なる別の重要な要因を見出した。生物活性を有するためには、ガラス被覆物は２．０ネットワーク連結性（ＮＣ）の値に相当する圧倒的なＱ2ケイ酸塩構造を有しなければならない。ネットワーク連結性（ＮＣ）はそのガラス構造におけるネットワーク形成元素あたり平均架橋結合数を表す。ＮＣによって粘性、晶析速度（crystallisation rate）、及び、分解能（degradability）のようなガラス特性が決められる。シリカ系ガラスの場合、ＮＣ２．０では無限のモル質量（infinite molar mass）の線状ケイ酸塩鎖が存在すると考えられる。ＮＣが２．０を下回ると、モール質量及びケイ酸塩鎖長が急速に減少される。ＮＣが２．０を上回ると、ガラスは３次元ネットワークとなる。ＳｉＯ2は生物活性ガラスの非結晶質（無晶形）のネットワークを形成し、そして、ガラスにおけるＳｉＯ2のモル％を含んだ組成要因（compositional factor）はそのネットワーク連結性（ＮＣ）に影響を及ぼす。
【００１３】
焼結処理には適しているがネットワーク連結性の重要性を実現できないガラスは、主に多量のシリカ成分を使用した結果として、最適な生物活性を示さない。文献［Brink et al, J. Biomed Mater. Res. 37 (1997) 114-121; Brink, J. Biomed. Mater. Res 36 (1997) 109-117 and US 6,054,400］参照。
【００１４】
したがって、ガラスが生物活性を有するためには、低ＮＣの高度に崩壊したガラス（highly disrupted glass）でなければならない。しかしながら、より崩壊したガラスネットワークであるほど、そのガラスはより容易に結晶化されて、焼結適合性が減少される。結晶化は避けなければならないが、その理由は次のとおりである：
１）ガラスは同等な結晶性組成物よりも高エネルギー状態であるので、結晶構造の同等な組成に比べてガラスのほうが常に反応性が高く、よって、生物活性も高い
２）結晶化は、固体状態の焼結工程よりも容易に起こる粘性流焼結（viscous flow sintering）を妨げる
３）高度に崩壊したガラスは優先的に不均一な結晶核形成過程（ここで、結晶化はガラス粒子表面上で始まる。）を経る。
【００１５】
その結果、より軽度に崩壊したネットワークを使用することで結晶化を防止するように設計されたガラス組成物は、より高度のネットワーク連結性とともに減少された生物活性を有するものとなる。同様に、高度に崩壊したネットワークを有するガラス組成物（ネットワーク連結性が低い。）は、結晶化されやすく、その結晶化に基づいて生物活性が減少される。
【００１６】
以上の理由から、好適な被覆組成物を提供するのに必要とされる条件すべてを満たすガラス組成物はほとんど存在しない。したがって、Ｔｉ６Ａｌ４Ｖ合金及びクロム・コバルト合金用の被覆物（具体的に、ＴＥＣマッチングが得られ、結晶化、クラック形成、剥離といった望まれない効果を回避でき、かつ、ガラスが生物活性を有する。）を提供するのに適したガラス組成物に対するニーズは依然として存在する。したがって、本発明の目的の一つは、合金のＴＥＣとマッチするＴＥＣを有し、７５０℃以下の温度で焼結され（それにより、結晶化を防止できる。）、かつ、約２．０程度のＮＣ値を有する（それにより、生物活性を保つ。）ガラスを製造することである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】米国特許第４，６１３，５１６号
【特許文献２】米国特許第４，２３４，９７２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
出願人は、この明細書に記載したような多成分ガラス組成物を見出した。この組成物は、被覆物に適した物理的な特性を有するだけでなく、生物活性を有する。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
したがって、本発明の第１の特徴によれば、３５〜５３モル％のSiO2、２〜１１モル％のNa2O、２モル％以上のCaO、２モル％以上のMgO、２モル％以上のK2O、０〜１５モル％ZnO、０〜３モル％のP2O5、及び０〜２モルの％B2O3を含み、SiO2、P2O5及びB2O3を合わせたモル％が４０〜５４モル%であるストロンチウムフリー（strontium-free）生物活性ガラスを提供する。
【００２０】
本発明の第１の特徴に係る生物活性ガラスは、４５〜５０モル％のSiO2を含むのが好ましい。好ましくは、生物活性ガラスは８〜３５モル％のＣａＯを含む。好ましくは、生物活性ガラスは３〜１１モル％のＫ2Ｏを含む。好ましくは、生物活性ガラスは１〜３モル％のＰ2Ｏ5を含む。好ましくは、生物活性ガラスは１〜１５モル％（より好ましくは、１〜１２モル％）のＺｎＯを含む。好ましくは、生物活性ガラスは、１〜５モル％のＬｉ2Ｏを含む。好ましくは、生物活性ガラスは、０〜１０％のＣａＦ2を含む。
【００２１】
多成分ガラス組成物を使用することによって、ガラス構造を混乱させて、その結晶化を妨げることができる。それにより、本発明のガラスが焼結に適したものとなる。ガラスは、ガラス転移温度（Tg）と結晶化開始温度（Tc onset）間の温度差と定義されるプロセッシングウィンドウ（processing window）を有する。ガラス転移温度（Tg）と外挿結晶化開始温度（Tc onset）間の温度差が大きければ大きいほど、プロセッシングウィンドウは大きい。焼結に適したガラス組成物は９０℃を越えるプロセッシングウィンドウを有するのが好ましい。本発明のガラスは、１５０℃以上のプロセッシングウィンドウを有するのが好ましい。Tc onsetの外挿値（extrapolated value）についてはこの明細書に定義されているが、それは加熱速度（heating rate）が減少すればＴｃも減少し、焼結過程において、加熱速度は事実上0Kmin-1であるからである。
【００２２】
また、多成分ガラス組成物を調整すること（tailoring）で、被覆しようとする合金のＴＥＣ（熱膨張係数）にマッチしたＴＥＣを有するガラスの製造が可能となる。例えば、マグネシウムイオン、任意に亜鉛イオンを含ませるとガラスのＴＥＣが変わる。一般的にはＴＥＣを増加させるが、ＣａＯの代わりに使われたときにはＴＥＣを減少させる。
【００２３】
好ましくは、生物活性ガラスは５〜１８モル％のＭｇＯを含む。ＭｇＯを加えると、ネットワーク連結性が若干増加される。少量（small proportion）のＭｇがケイ酸塩ガラスネットワークに入り、結晶化を阻害するとともに、粘性流焼結を促進する。また、Ｍｇはガラス転移温度（Tg）と結晶化開始温度（Tc onset）間のプロセッシングウィンドウを広げる（open up）。
【００２４】
好ましくは、本発明のガラスは１．８〜２．５、よりこのましくは、１．９〜２．４のネットワーク連結性を有する。こうした範囲のネットワーク連結性は、ガラスの生物活性を確保する点から好まく、主にガラス組成物中ＳｉＯ2及びＰ2Ｏ5のモル％を調整すること（balancing）によって得ることができる。
【００２５】
本発明のガラスは医療用プロステーシスを被覆するのに用いられる。好ましくは、この医療用プロステーシスは、Ｔｉ６Ａｌ４Ｖ合金又はクロム・コバルト合金を含む。Ｔｉ６Ａｌ４Ｖ合金の熱膨張係数は通常８×１０-6Ｋ-1〜１０．６×１０-6Ｋ-1である。好ましくは、Ｔｉ６Ａｌ４Ｖ合金を含む表面被覆用の生物活性ガラスは８．８×１０-6Ｋ-1〜１２×１０-6Ｋ-1のＴＥＣを有する。この生物活性ガラスのＴＥＣは被覆しようとする合金のＴＥＣより高いのが好ましいが、それはガラスが圧縮されるからである。金属合金の表面から一部の酸化物がガラス被覆物内に溶け込んで、ガラスと金属合金間の界面ではガラスのＴＥＣが若干減少されることもあり得る。
【００２６】
クロム・コバルト合金のＴＥＣは通常１２．５×１０-6Ｋ-1である。クロム・コバルト合金を含む表面被覆用の生物活性ガラスは１１×１０-6Ｋ-1〜１４×１０-6Ｋ-1のＴＥＣ（好ましくは、１２×１０-6Ｋ-1〜１４×１０-6Ｋ-1のＴＥＣ）を有するのが好ましい。前述したように、この生物活性ガラスのＴＥＣは被覆しようとする合金のＴＥＣより高いのが好ましい。こうした好ましいＴＥＣの範囲は任意のクロム・コバルト合金に適したものであり、本発明の生物活性ガラス被覆物は表６に記載したもの以外のクロム・コバルト合金を被覆するのに用いられる。実際、クロム・コバルト合金のＴＥＣは１×１０-6Ｋ-1未満の範囲でそれぞれ異なる。
【００２７】
本発明の第１の特徴に係る第１の実施形態によれば、Ｎａ2Ｏ及びＫ2Ｏのモル％の合計は１５モル％未満であり、生物活性ガラスは８．８×１０-6Ｋ-1〜１２×１０-6Ｋ-1のＴＥＣを有する。このガラス組成物は、特にＴｉ６Ａｌ４Ｖ合金を被覆するのに有用である。好ましくは、ガラス組成物が５０％未満のＳｉＯ2、２モル％以上のＭｇＯ、及び、好ましくは、１モル％以上のＺｎＯを含み、そして、好ましくは、ガラスが１．９〜２．４のネットワーク連結性（より好ましくは、２．１〜２．４のネットワーク連結性）を有する。ＣａＯとＭｇＯを合わせたモル％が４０％を超えないのが好ましく、より好ましくは、３０〜４０％で、最も好ましくは３３．２７〜３９．８７％である。一部の実施例において、ＣａＦは存在しない。ＣａＦが存在する別の実施例では、ＣａＯ、ＭｇＯ、及び、ＣａＦを合わせたモル％が３０〜４０％で、より好ましくは、３３．２７〜３９．８７である。
【００２８】
好ましくは、本発明の第１の特徴の第１の実施形態に係る生物活性ガラスは４５〜５０モル％のＳｉＯ2、１〜２モル％のＰ2Ｏ5、１５〜３５モル％のＣａＯ、３〜７モル％のNa2O、3〜7モル％のK2O、２〜４%のZnO、5〜１８モル％のMgO、及び、０〜１０モル％のCaF2を含む。より好ましくは、この実施形態に係る生物活性ガラスは、49〜50モル％のSiO2 、１〜１．５モル％のP2O5、17〜33モル％のCaO、3.3〜6.6モル％のNa2O、3.3〜6.6モル％のK2O、2〜4モル％のZnO、7〜17モル％のMgO及び0〜6モル％のCaF2を含む。最も好ましくは、この実施形態に係る生物活性ガラスは49.46モル％のSiO2、1.07モル％のP2O5及び3モル％のZnOを含む。
【００２９】
本発明の第１の特徴に基づく第２の実施形態によれば、Na2OとK2Oを合わせたモル％が30モル％未満であり、そして、ガラスは11×１０-6Ｋ-1〜14×１０-6Ｋ-1、好ましくは１２×１０-6Ｋ-1〜１４×１０-6Ｋ-1の熱膨張係数を有する。このガラス組成物は特にクロム・コバルト合金を被覆するのに有用である。好ましくは、この生物活性ガラスは52モル％未満のSiO2、2モル％以上のMgO、又は、１モル％以上のZnOを含み、かつ、１．８〜２．５のネットワーク連結性を有する。好ましくは、このガラスにおけるNa2OとK2Oを合わせたモル％は１５〜１８モル％である。
【００３０】
好ましくは、本発明の第１の特徴に係る第２の実施形態に係る生物活性ガラスは、45〜50モル％のSiO2、１〜3モル％のP2O5、0〜2モル％のB2O3、8〜25モル％のCaO、7〜11モル％のNa2O、7〜11モル％のK2O、2〜12%のZnO、8〜12モル％のMgO、及び、0〜5モル％のCaF2を含む。
【００３１】
好ましくは、本発明の生物活性ガラスは粉末の形態である。この粉末の平均粒度は１００μｍ未満である。好ましくは、このガラス粉末は５０μｍ未満の粒度を有し、より好ましくは、４０μｍ未満の粒度を有し、最も好ましくは１０μｍ未満の粒度を有する。
【００３２】
前述した粒度は、ボールミル粉砕或いはジャイロミル（振動パックミル）を用いた振動粉砕後ふるいにかけるか、又は、１０ｋｇを超える大量のガラスについては、ジェット粉砕後空気分級（事実上、遠心分離）を行うことによって得ることができる。粒度は、レーザ光散乱、又は、コールター・カウンター（好ましくは、レーザ光散乱）によって決定することができる。
【００３３】
一部の実施形態において、本発明のガラスは、実質上前述した実施形態に記載された酸化物成分からなる。
【００３４】
アルミニウムは神経毒であり、かつ、極小量（例えば、１ｐｐｍ未満）でもインビボにおいて骨石灰化（bone mineralisation）の阻害剤である。したがって、本発明のガラスはアルミニウムを含まないのが好ましい。
【００３５】
好ましくは、ガラスは酸化鉄（ＩＩＩ）（例えば、Ｆｅ2Ｏ3）及び酸化第二鉄（例えば、ＦｅＯ）のような鉄系酸化物を含まないのが好ましい。
【００３６】
本発明のガラスは、特に結晶化を起こさずに焼結を促進するように設計されている。したがって、本発明のガラスは焼結後も非結晶質（無定形）を保つ。このために、本発明の組成物は事実上多成分であり、それにより、混合のエントロピーを増加させるとともに、既知の結晶相の化学量論を回避する。ＮＣ値を約２（１．８〜２．５、好ましくは、１．９〜２．４）にするとともに、結晶化を回避できるガラス組成物にすることによって、そのガラスは生物活性を保持しつつも、そのＴＥＣをＴｉ６Ａｌ４Ｖ及びクロム・コバルト合金のＴＥＣにマッチさせることができる。
【００３７】
本発明の第２の特徴は、本発明の第１の特徴に係る生物活性ガラスをＴｉ６Ａｌ４Ｖ又はクロム・コバルト合金を含む表面を被覆するのに使用することである。好ましくは、この第２の特徴は、本発明の第１の特徴に係る生物活性ガラスをＴｉ６Ａｌ４Ｖ合金を含む表面を被覆するのに使用することである。好ましくは、この第２の特徴は、本発明の第１の特徴に係る生物活性ガラスをクロム・コバルト合金を含む表面を被覆するのに使用することである。好ましくは、Ｔｉ６Ａｌ４Ｖ合金又はクロム・コバルト合金を含む表面はプロステーシスの表面である。
【００３８】
本発明の第３の特徴は、本発明の第２の特徴に係る生物活性ガラスを含むガラス被覆物を提供することである。
【００３９】
本発明の生物活性ガラス被覆物（bioactive glass coating）は、本発明の第１又は第２の特徴に係る生物活性ガラスからなる１以上の層を含んでも良い。実施例３及び５に記載するように、単層被覆物を設けても良い。また、二層被覆物を設けても良い。単層又は多層被覆物は本発明の第１又は２の特徴に係る生物活性ガラスを含んでも良い。また、その被覆物は、その１以上の層に本発明の第１又は第２の特徴に係る生物活性ガラスを含み、かつ、１以上の層に本発明の生物活性ガラスを含まない二層又は多層被覆物であっても良い。
【００４０】
二層被覆物は生物活性ガラスからなる二層を含んでも良い。例えば、比較的生物活性に劣り、かつ、より化学的安定性に優れた基層（base layer）、及び、より生物活性に優れ、かつ、比較的化学的安定性に劣る最上層（top layer）を設けても良い。最適な生物活性はオッセオインテグレーション（osseointegration）を促進するために必要とされる。しかしながら、合金は体内で長期間にわたって被覆状態を保持するのが望ましい。この理由から、プロステーシスが被覆状態を保持できるようにより反応性の小さいガラス基層と、最適な生物活性を可能にするより反応性の大きい最上層を設けるのが望ましい。こうした被覆物は、２つのステップからなる工程（例えば、実施例４）によって作製され得る。両方の層は本発明の生物活性ガラスを含んでも良い。また、より反応性の小さいガラス（例えば、既知のガラス）を含む基層と、本発明の生物活性ガラスを含む最上層と、を有する二層を設けても良い。
【００４１】
二層被覆物は、プロステーシスからそれを取り囲んだ液体及び／又は組織へイオンが溶け込む現象を防止するために設けても良い。この二層被覆物は、特にクロム・コバルトに対して望ましいが、それは合金の酸化物保護層からガラスへコバルト、ニッケル、クロムの酸化物（これらはガラスから体内へ放出され得る。）が有意に溶け込む可能性があるからである。この理由から、化学的に安定したベース（基層）被覆用ガラス組成物が好ましい。したがって、クロム・コバルト合金に使用できる二層被覆物は、化学的に安定した、より生物活性の小さい基層（base layer）と、本発明の生物活性ガラスを含んだ１以上の最上層（top layer）と、を有するのが好ましい。こうした二層被覆物は、実施例６に記載した二段階反応によって作製され得る。
【００４２】
好ましくは、クロム・コバルト合金の基層被覆物（base coating）は60〜70mol%のSiO2、6〜23mol%のCaO、7〜13mol%のＮａ2Ｏ、3〜11mol%のK2O、0〜5mol%のZnO及び0〜5mol%のMgOを含む。好ましくは、Ｔｉ６Ａｌ４Ｖ合金の基層被覆物は、60〜70mol%のSiO2、2〜3mol%のP2O5、10〜14mol%のCaO、4〜11mol%のNa2O、1〜7mol%のK2O及び6〜11mol%のMgOを含む。
【００４３】
その被覆物は、体内へ挿入されるインプラント／プロステーシスを被覆するために用いられて、Ｔｉ６Ａｌ４Ｖ及びクロム・コバルト合金のようなインプラント材料の優れた機械的な強度と、生物活性ガラスの生体適合性とを組み合わせることができる。生物活性ガラス被覆物は、例えば、エナメル加工、艶出し加工、フレーム溶射、プラズマ溶射、溶融ガラスへの急速な浸漬、ポリマーバインダーを含んだ溶媒へのガラス粒子スラリーの浸漬、又は、電気泳動析出のような方法によって金属インプラントの表面に適用され得る。例えば、金属合金Ｔｉ６Ａｌ４Ｖを含むプロステーシスは、結合層（bond coat layer）の存・不在下でプラズマ溶射によって生物活性ガラスで被覆され得る。
【００４４】
生物活性被覆物はプロステーシス（骨内部成長及びオッセオインテグレーションを支持する。）の表面に対しＨＣＡ層を形成する。これは、インプラントの表面と隣接組織間の界面結合を形成する。このプロステーシスは、骨又は関節（例えば、股、顎、肩、肘又はひざのプロステーシス）を取り替えるために提供され得る。このプロステーシスは、関節置換術に用いられる。生物活性被覆物は股関節形成の大腿部成分（component）のような整形外科用装置、又は、骨折固定装置における骨ねじ（bone screw）或い爪（nail）、又は歯科インプラントを被覆するのに用いられる。
【００４５】
本発明の第４の特徴は、Ｔｉ６Ａｌ４Ｖ又はクロム・コバルト合金を含むプロステーシスを提供することである。このプロステーシスは、本発明の第１又は２の特徴に係る生物活性ガラスを含む被覆物、又は、本発明の第３の特徴に係るガラス被覆物によって被覆されている。このプロステーシスがＴｉ６Ａｌ４Ｖ合金であれば、その被覆物は本発明の第１の特徴の第１の実施形態に係る生物活性ガラスを含むのが好ましい。このプロステーシスがクロム・コバルト合金であれば、その被覆物は本発明の第１の特徴の第２の実施形態に係る生物活性ガラスを含むのが好ましい。このプロステーシスは、例えば、整形外科用装置／インプラント、骨ねじ（bone screw）若しくは爪（nail）又は歯科インプラントであっても良い。
【００４６】
本発明の第５の特徴は、本発明の第１の特徴に係る生物活性ガラスを含むガラス粉末を提供することである。このガラス粉末は、１００μｍ未満の平均粒度を有し、かつ、９０℃以上のプロセッシングウィンドウ（即ち、処理温度ウィンドウ）を示す。このガラス粉末が５０μｍ未満の平均粒度を有するのが好ましく、より好ましくは、４０μｍ未満の平均粒度を有し、最も好ましくは、１０μｍ未満の平均粒度を有する。
【００４７】
本発明の第６の特徴は、Ｔｉ６Ａｌ４Ｖ又はクロム・コバルト合金を含む基材上にガラス被覆物を形成する方法を提供することである。この方法は、被覆しようとする基材に本発明の第１又は２の特徴に係るガラス（好ましくは、本発明の第５の特徴に係るガラス粉末の形態）を適用して焼結することを含む。
【００４８】
好ましくは、ガラス粉末は６００〜１０００℃の温度で焼結される。好ましくは、ガラス粉末は、Tc onset未満であってガラス転移温度（Ｔｇ）より５０℃以上高い温度（好ましくは、Ｔｇより１００℃以上高い温度）で焼結される。
【００４９】
ガラスのプロセッシングウィンドウは、Ｔｇと結晶化開始温度（onset temperature for crystallisation）との差異と定義される。その結晶化開始温度はＤＳＣ（示差走査熱量測定）又はＤＴＡ（示差熱分析）によって決定され得る。ここで、ガラス転移温度は、測定のための疑似二次熱力学的転移（quasi-second order thermodynamic transition）として扱われる（図２参照）。前述のとおり、結晶化開始温度は、ＤＳＣ又はＤＴＡによって決定される。最適な焼結温度は、様々な加熱速度（heating rate）上でＤＳＣを実施し、Tc onsetを０加熱速度（zero heating rate）に外挿することで得ることができる。ＴｇとTc onset推定値（挿入値）との温度差が大きければ大きいほど、プロセッシングウィンドウも大きくなる。一般的に、焼結に適したガラス組成物は９０℃を超えるプロセッシングウィンドウを有する。
【００５０】
本発明の第６の特徴に係る第１の実施形態において、本発明の第５の特徴のガラス粉末は、Ｔｉ６Ａｌ４Ｖを含む表面に蒸着（沈着）被覆され、かつ、１〜６０℃ｍｉｎ-1の速度で６００〜９６０℃の焼結温度（α-β相転移温度未満）に加熱される。
【００５１】
本発明の第６の特徴に係る第２の実施形態において、本発明の第５の特徴のガラス粉末は、クロム・コバルト合金を含む表面に沈着（蒸着）され、かつ、６００〜７６０℃の焼結温度に焼結される。
【００５２】
本発明の第５の特徴のガラス粉末を、ガラス粒子の懸濁液中の浸漬被覆（dip coating）、フレーム溶射、プラズマ溶射、又は、電気泳動析出によって、被覆しようとする基材に適用するのが好ましい。本発明の第６の特徴に係る方法は、被覆しようとする表面に酸化コバルト（ＩＩ）及び／又は酸化コバルト（ＩＩＩ）を適用することをさらに含んでも良い。この被覆物は７３０℃以上の温度で焼結される。酸化コバルト（ＩＩ）及び／又は酸化コバルト（ＩＩＩ）は生物活性ガラス粉末の０．２〜３．０重量％の量で適用されるのが好ましい。
【発明の効果】
【００５３】
本発明の被覆物は、体内へ挿入されるインプラント／プロステーシスなどを被覆するために用いられ、Ｔｉ６Ａｌ４Ｖ及びクロム・コバルト合金のようなインプラント材料の優れた機械的な強度と、生物活性ガラスの生物活性とを上手く組み合わせることができる。
【００５４】
本発明の各特徴の好ましい事項すべては、変更すべきところは変更してその他のすべての特徴に適用される。
【００５５】
本発明については、次の実施例及び図面に基づいて具体的に説明することとする。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】図１は、クロム・コバルト合金上における実施例２２（表５）のガラス組成物を含むベース被覆物のＳＥＭ画像を示す。この合金の組成は表６に記載されている。これによれば、表面にほとんど空隙のない、十分に焼結された被覆物を提供することができる。
【図２】図２は、焼結又はプロセッシングウィンドウを概略的に示す。矢印に示すように、Ｔｇ及びTc onsetは、加熱速度（heating rate）が減少されるにつれて低くなる。
【図３】図３は、表２のガラス１についてのガラス転移温度（Ｔｇ）及び軟化点（Dilatometric Softening Point；Ｔｓ）を示す。
【発明を実施するための形態】
【００５７】
本発明のガラスを生物活性ガラスという。生物活性ガラスは、生きていいる組織に移植されると、その物質とそれを取り囲んだ生きている組織との間に界面結合を形成できるものである。人工体液（ＳＢＦ）に露出させたガラスの表面における炭酸ハイドロキシアパタイト（hydroxycarbonated apatite；ＨＣＡ）の生成速度（rate of development）は、生物活性のインビト・ロインデックスを提供する。本発明において、例えば次の実施例１に記載した手順に基づいてＳＢＦに露出したときに、結晶性ＨＣＡ層の沈着が起こるのであれば、そのガラスは生物活性ガラスとされる。結晶性ＨＣＡ層の沈着のほうは、例えば、フーリエ変換赤外分光（FTIR）によって測定することができる。生物活性を代表するＨＣＡ層の沈着は、ＳＢＦに露出されてから７日以内に結晶性ＨＣＡ層が沈着されれば（ＦＴＩＲによって測定する。）、起きたものと考えられる。その沈着が３日以内に起こるのが好ましく、２４時間以内に起こるのがより好ましい。また、ＨＣＡ沈着は、Ｘ線回折（X-ray Powder Diffraction；ＸＲＤ）によって検出することができる。
【００５８】
生物活性ガラスの熱膨張係数は、実施例７に記載した方法によって計算した。ネットワーク連結性は、実施例２に記載した方法によって計算した。
【００５９】
当業者に知られたように、ガラス組成物は、その酸化物成分の比率により定義される。本発明の好ましいガラス組成物を次の表２及び３に表した。また、本発明のガラスは、ガラス組成物を構成する酸化物、及び／又は、熱によって分解されて酸化物を形成するその他の化合物（例えば、炭酸塩）から製造され得る。そのガラスは、周知の溶融法（melt technique）に基づいて製造され得る。溶融系ガラス（melt-derived glass）は、適当な炭酸塩または酸化物の粒（grain）を混合し、溶融し、その混合物を１２５０〜１５００℃の温度で均質化（homogenizing）して製造するのが好ましい。その後、その混合物を冷却して（好ましくは、脱イオン水のような適当な液体に溶融混合物を浸漬することによって冷却する。）、ガラスフリット（glass frit）を生成する。このガラスフリットは、乾燥され、粉砕され、かつ、ふるいにかけられて、ガラス粉末を形成できるものである。ふるいにかけることで最大粒度（最も大きい粒子寸法）を有するガラス粉末を得ることができる。例えば、以下の実施例に示すように、最大粒度＜３８ミクロンを有するガラス粉末を製造するために３８ミクロン未満のふるいを用いることができる。
【実施例１】
【００６０】
生物活性の測定
トリス−緩衝液の製造
トリスヒドロキシメチルアミノメタン緩衝液（tris-hydroxy methyl amino methane buffer）を製造するために、USBiomaterials Corporation(SOP-006)の標準製造法に従った。約４００ｍｌの脱イオン水で満たされた目盛付きのフラスコにＴＨＡＭ７．５４５ｇを移した。ＴＨＡＭが溶解されたら、２ＮのＨＣｌ２２．１ｍｌをそのフラスコに加えた。その後、脱イオン水を加えて１０００ｍｌに調整し、３７℃でｐＨ７．２５となるように調整した。
【００６１】
人工体液（ＳＢＦ）の製造
Ｋｏｋｕｂｏ，Ｔ．らの方法（Kokubo, T., et al., J. Biomed. Mater.Res., 1990. 24: p. 721-734）に基づいてＳＢＦを製造した。
【００６２】
脱イオン水に表１の試薬を順次加えて、ＳＢＦ１リットルを製造した。試薬すべてを７００ｍｌの脱イオン水に溶かして、３７℃に加温した。そのｐＨを測定し、ｐＨ７．２５となるようにＨＣｌを加え、そして、脱イオン水を用いてその体積を１０００ｍｌにした。
【００６３】
【表１】
2011507786.tif 000002
【００６４】
生物活性を決定するための粉末分析（powder assay）
トリス−緩衝液又はＳＢＦ５０ｍｌに３８ミクロン未満の粒度を有するガラス粉末を加えて、３７℃で振った。一連の時間間隔にサンプルをとって、既知の誘導結合プラズマ発光分光（例えば、Kokubo 1990）を用いてイオン種の濃度を測定した。
【００６５】
また、ＨＣＡ層の形成に関して、Ｘ線回折及びＦＴＩＲによってガラスの表面をモニターした。ＨＣＡピークの出現（Ｘ線回折パターンにおいて25.9、32.0、32.3、33.2、39.4 and 46.9の２つのシータ値を特徴とする。）はＨＣＡ層の形成を示した。これらの値は、空間格子（lattice）における炭酸塩置換及びＳｒ置換に起因してある程度変動する。ＦＴＩＲスペクトルでは、566及び598ｃｍ-1の波長におけるＰ−Ｏバンドシグナル（bend signal）の出現は、ＨＣＡ層の沈着を示す。
【実施例２】
【００６６】
ネットワーク連結性の計算
ネットワーク連結性（ＮＣ）は、文献［Hill, J. Mater. Sci. Letts., 15, 1122-1125 (1996)］に記載された方法に基づいて計算されるが、燐が別のオルト燐酸塩相として存在し、ガラスネットワークを構成しないとの前提（仮定）の下で計算された。この前提は、ソリッドステートＮＭＲデータを含んでガラスネットワークにおける燐の役割の実験的観察に基づく。
【００６７】
ＮＣは次のとおり計算される。
【００６８】
【数１】
2011507786.tif 000003
【００６９】
ＮＣ計算を行うために、構造的前提（仮定）を設けなければならない。この計算は、ＭｇＯ及びＺｎＯが単にネットワーク変更性酸化物（network modifying oxide）として作用し、中間酸化物（intermediate oxide）として作用しないとの前提の下で行われる。フッ化物を含んだガラスの場合、フッ化物は、最も電荷の大きいカチオンと錯体を形成し、非架橋フッ化物（non-bridging fluoride）を形成しないので、例えばフッ素がＣａＦ2で加えられるとき、それはＮＣに影響を及ぼさない。Ｂ2Ｏ3の場合、これはガラスネットワークにいくつかの役割をするかもしれないが、その役割が明確になっていないためＮＣの計算では無視された。
【実施例３】
【００７０】
Ｔｉ６Ａｌ４Ｖの単層被覆
表２は、特にＴｉ６Ａｌ４Ｖ合金に適したガラス組成物の例を示す。
【００７１】
５〜６ミクロンの平均粒度を有する粒度＜３８ミクロンのガラス組成物１（表２）を、そのガラスと分子量５００００〜１０００００の１％ポリ（メチルメタクリレート）を含有するクロロホルムと混合すること（重量比１：５）で、ＴｉＡｌ６Ｖ合金製股インプラントに被覆した。プロステーシスの大腿骨ステム（femoral stem）を前記クロロホルムガラス懸濁液に浸し、ゆっくりと引き伸ばし、そのクロロホルムを蒸発させた。その後、プロステーシスの温度を２〜６０℃／ｍｉｎ-1で７５０℃（ガラス転移温度である６１４℃より高いが、結晶化開始温度である７９０℃より低い。）まで上昇させた。プロステーシスは、真空下で前記温度にて３０分間放置され、その後、室温に冷却された。
【００７２】
被覆されたプロステーシスは、それが浸された領域上に厚さ５０〜３００ミクロンの光沢のある生物活性ガラス被覆物を有していた。人工体液中に置くと、７日以内にその被覆物にＨＣＡ層が形成された。
【実施例４】
【００７３】
Ｔｉ６Ａｌ４Ｖの二層被覆
Ｔｉ６Ａ１４Ｖ合金用ベース被覆組成物、及び、本発明のガラスを含んだ被覆物層と併せて使えるベース被覆組成物については表４に表した。
【００７４】
５〜６ミクロンの平均粒度を有する粒度＜３８ミクロンのガラス組成物１６（表４）を、そのガラスと分子量５００００〜１０００００の１％ポリ（メチルメタクリレート）を含有するクロロホルムと混合すること（重量比１：５）で、ＴｉＡｌ６Ｖ合金製股インプラントに被覆した。プロステーシスの大腿骨ステムを前記クロロホルムガラス懸濁液に浸し、ゆっくりと引き伸ばし、そのクロロホルムを蒸発させた。その後、プロステーシスの温度を６０℃／ｍｉｎ-1で４５０℃まで上昇させ、３０分間放置した。その後、７５０℃に上昇させて、真空下で前記温度にて３０分間放置し、その後、室温に冷却した。
【００７５】
ガラス組成物２（表２）に対して以上の手順を繰り返した。被覆されたプロステーシスは、それが浸された領域上に厚さ５０〜３００ミクロンの光沢のある生物活性ガラス被覆物を有していた。
【実施例５】
【００７６】
クロム・コバルト合金の単層被覆
表３は、特にクロム・コバルト合金を被覆するに適したガラス組成物の例を示す。
【００７７】
５〜６ミクロンの平均粒度を有する粒度＜３８ミクロンのガラス組成物１５（表３）を、そのガラスと分子量５００００〜１０００００の１％ポリ（メチルメタクリレート）を含有するクロロホルムと混合すること（重量比１：５）で、クロム・コバルト合金製股インプラントに被覆した。プロステーシスの大腿骨ステム（femoral stem）を前記クロロホルムガラス懸濁液に浸し、ゆっくりと引き伸ばし、そのクロロホルムを蒸発させた。
【００７８】
その後、プロステーシスの温度を２〜６０℃／ｍｉｎ-1で４５０℃まで上昇させて１０分間放置し、その後、８００℃まで温度を上げて真空下で３０分間放置し、その後、室温に冷却した。
【００７９】
表３の実施例８のガラスから分かるように、35〜53モル％の(好ましくは、45〜50%) SiO2、2〜11モル％のNa2O、2モル％以上のCaO、2モル％以上のMgO、2モル％以上のK2O、0〜15モル％のZnO、0〜2モル％のB2O3及び0〜9モル％のP2O5を有するストロンチウムフリーガラス組成物を製造した。この組成物はそれぞれ8〜10モル％のP2O5、CaO、Na2O、K2O、ZnO及びMgOを含むのが好ましい。
【実施例６】
【００８０】
クロム・コバルト合金の二層被覆
クロム・コバルト合金用ベース被覆組成物、及び、本発明のガラスを含んだ被覆物層と併せて使えるベース被覆組成物については表５に表した。
【００８１】
５〜６ミクロンの平均粒度を有する粒度＜３８ミクロンのガラス組成物２２（表５）を、そのガラスと分子量５００００〜１０００００の１％ポリ（メチルメタクリレート）を含有するクロロホルムと混合すること（重量比１：５）で、ＴｉＡｌ６Ｖ合金製股インプラントに被覆した。プロステーシスの大腿骨ステムを前記クロロホルムガラス懸濁液に浸し、ゆっくりと引き伸ばし、そのクロロホルムを蒸発させた。
【００８２】
その後、プロステーシスの温度を２〜６０℃／ｍｉｎ-1で４５０℃まで上昇させ、１０分間放置した。その後、７５０℃に上昇させて、真空下で前記温度にて３０分間放置し、その後、室温まで冷却した。
【００８３】
ガラス組成物１５（表３）に対して以上の手順を繰り返した（ただし、最終的に８００℃で放置した。）。
【００８４】
被覆されたプロステーシスは、それが浸された領域上に厚さ５０〜３００ミクロンの光沢のある生物活性ガラス被覆物を有していた。ＳＢＦ中に置かれたとき、その被覆物は７日以内にＨＣＡ層を沈着させた（ＦＴＩＲによる検出）。
【実施例７】
【００８５】
熱膨張係数（ＴＥＣ）の推定（estimation）
ＴＥＣ値はＡｐｐｅｎファクタを用いて計算した。文献［Cable, M., Classical Glass Technology (Chapter 1), in Glasses and Amorphous Materials, J. Zarzycki, Editor. 1991, VCH: Weinheim］参照。Ａｐｐｅｎファクタは、以前研究されたケイ酸塩ガラスに基づく実験的パラメータである。このＡｐｐｅｎファクタ計算には、リン酸塩についてのＡｐｐｅｎファクタを考慮にいれない（即ち、無視する）第１の方法（リン酸塩の存在を含まないＡｐｐｅｎファクタ計算法）と、リン酸塩のＡｐｐｅｎファクタを用いる第２の方法がある。第１の方法では、リン酸塩はオルトリン酸塩として存在し、かつ、ケイ酸塩ガラスマトリックス相に分散された第２のナノスケールガラス相として存在するとみなされる。マトリックスケイ酸塩相がＴＥＣを決定するとの仮定（前提）を立てた。計算に当たっては、Ca2+及びNa+イオンはガラス組成物全体に存在する比率でオルトリン酸塩相と電荷平衡をなすと仮定する。その後、（オルトリン酸塩の電荷平衡後）ケイ酸塩相の組成を再計算し、ＴＥＣのＡｐｐｅｎ計算を行う。
【００８６】
ガラス１（表２）の計算を行った。ガラス１のＴＥＣは１０．９×１０-6Ｋ-1であった。第２の計算法によれば、このガラスのＴＥＣは９．６９×１０-6Ｋ-1であった。
【実施例８】
【００８７】
膨張率測定法を用いた熱膨張係数の測定
各ガラスについてＴｓ（dilatometric softening temperature）及びＴＥＣを決定するためにＮｅｔｚｃｈ膨張計を用いて膨張率測定を行った。５℃／ｍｉｎの速度で３０℃〜ガラス転移温度（ＤＳＣ分析により確認されたもの）にて２０ｍｍのキャストバー（cast bar）サンプルを分析した。このＴＥＣ及びＴｓはシステムソフトウェアを用いて各トレース（trace）から決定された。一部のケースでは、ガラスがＴｓ後に非常によく流れることが観察された。
【実施例９】
【００８８】
ガラスの製造
本発明のガラスの例は表２及び３に示されている。これらのガラスは、既知の溶融−急冷製造法（melt-quench production）によって製造した。ガラス１は、次のとおり製造した。本発明に係るその他のガラスの製造には、酸化物／炭酸塩の比率を異ならせる点を除き、同じ製法を用いることができる。
【００８９】
49.49gのシリカ（石英）、2.53gの五酸化リン、54.37gの炭酸カルシウム、5.82gの炭酸ナトリウム、7.60gの炭酸カリウム、4.07gの酸化亜鉛、及び、4.87gの酸化マグネシウムを混合し白金るつぼに入れ、１４４０℃で１．５時間溶融し、脱塩水に加えて、粒状ガラスフリットを得た。そのフリットを乾燥し、振動ミル（vibratory mill）を用いて粉にすることで、粉末を得た。
【実施例１０】
【００９０】
ガラス１に対するＤＳＣ計算
表２に表したガラス１に対して示差走査熱量測定を行った。この分析から、Ｔｇ開始（Tg onset）が６０４℃で、結晶化開始（crystallization onset）が８０８℃であるので、プロセッシング／焼結ウィンドウが２０４℃であることが分かった。ＤＳＣ分析は、Ｓｔａｎｔｏｎ  Ｒｅｄｃｒｏｆｔ  ＤＳＣ１５００装置、場合によっては、Ｓｔａｎｔｏｎ  Ｒｅｄｃｒｏｆｔ  ＤＴＡ／ＴＧＡ１６００を用いて行われた。
【００９１】
場合によっては、Tc onsetを正確に決定するのが難しい（特に、結晶化が遅い場合に）。いずれのケースでも、Tc onsetは７５０℃を上回る。よって、本発明のガラスのプロセッシングウィンドウは>（７５０℃−Ｔｇ）といえる。これを考慮すれば、表２に示したガラスすべては１５２℃を超えるプロセッシングウィンドウを有する。
【００９２】
【表２】
2011507786.tif 000004
【００９３】
【表３】
2011507786.tif 000005
【００９４】
【表４】
2011507786.tif 000006
【００９５】
【表５】
2011507786.tif 000007
【００９６】
【表６】
2011507786.tif 000008
【図１】
2011507786.tif 000009
【図２】
2011507786.tif 000010
【図３】
2011507786.tif 000011
【手続補正書】
【提出日】平成22年8月25日(2010.8.25)
【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】
３５〜５３モル％のSiO2、２〜１１モル％のNa2O、２モル％以上のCaO、２モル％以上のMgO、２モル％以上のK2O、０〜１５モル％ZnO、０〜３モル％のP2O5、及び０〜２モルの％B2O3を含み、かつ、SiO2、P2O5及びB2O3を合わせたモル％が４０〜５４モル%であることを特徴とするストロンチウムフリー生物活性ガラス。
【請求項２】
４５〜５０モル％のSiO2、８〜３５モル％のCaO、５〜１８モル％のMgO、３〜１１モル％のK2O、１〜３モル％のP2O5、及び、１〜５モル％のZnOのうち１以上を含む請求項１に記載の生物活性ガラス。
【請求項３】
１〜５モル％のLi2Oを含む請求項１又は２に記載の生物活性ガラス。
【請求項４】
０〜１０%のCaF2を含む請求項１〜３のいずれか一項に記載の生物活性ガラス。
【請求項５】
Na2OとK2Oとを合わせたモル％が１５モル％未満であり、そして、前記生物活性ガラスの熱膨張係数が８.８×１０-6Ｋ-1〜１２×１０-6Ｋ-1である請求項１〜４のいずれか一項に記載の生物活性ガラス。
【請求項６】
前記ガラスが、５０モル％未満のSiO2、２モル％以上のMgO又は１モル％以上のZnOを含み、かつ、１.９〜２.４のネットワーク連結性を有する請求項５に記載の生物活性ガラス。
【請求項７】
４５〜５０モル％のSiO2、１〜２モル％のP2O5、１５〜３５モル％のCaO、３〜７モル％のNa2O、３〜７モル％のK2O、２〜４%のZnO、５〜１８モル％のMgO、及び、０〜１０モル％のCaF2を含む請求項１、２、４〜６のいずれか一項に記載の生物活性ガラス。
【請求項８】
４９〜５０モル％のSiO2、１〜１.５モル％のP2O5、１７〜３３モル％のCaO、３.３〜６.６モル％のNa2O、３.３〜６.６モル％のK2O、２〜４モル％のZnO、７〜１７モル％のMgO、及び、０〜６モル％のCaF2を含む請求項７に記載の生物活性ガラス。
【請求項９】
４９.４６モル％のSiO2、１.０７モル％のP2O5及び３モル％のZnOを含む請求項８に記載の生物活性ガラス。
【請求項１０】
Na2OとK2Oとを合わせたモル％が３０モル％未満であり、かつ、前記ガラスの熱膨張係数が１１×１０-6Ｋ-1〜１４×１０-6Ｋ-1である請求項１〜４のいずれか一項に記載の生物活性ガラス。
【請求項１１】
前記ガラスが、５２モル％未満のSiO2、２モル％以上のMgO、及び、１モル％以上のZnOを含み、かつ、１.８〜２.５のネットワーク連結性を有する請求項１０に記載の生物活性ガラス。
【請求項１２】
４５〜５０モル％のSiO2、１〜３モル％のP2O5、０〜２モル％のB2O3、８〜２５モル％のCaO、７〜１１モル％のNa2O、７〜１１モル％のK2O、２〜１２%のZnO、８〜１２モル％のMgO、及び、０〜５モル％のCaF2を含む請求項１，２，４〜６に記載の生物活性ガラス。
【請求項１３】
３５〜５３モル％のSiO2、２〜１１モル％のＮａ2Ｏ、２モル％以上のCaO、２モル％以上のMgO、２モル％以上のK2O、０〜１５モル％のZnO、０〜２モル％のB2O3及び０〜９モル％のP2O5を含むことを特徴とするストロンチウムフリー生物活性ガラス。
【請求項１４】
それぞれ８〜１０モル％のP2O5、CaO、Na2O、K2O、ZnO及びMgOを含む請求項１３に記載の生物活性ガラス。
【請求項１５】
Ｔｉ６Ａｌ４Ｖ又はクロム・コバルト合金を含む表面を被覆するために用いられる請求項１〜１４のいずれか一項に記載の生物活性ガラス。
【請求項１６】
Ｔｉ６Ａｌ４Ｖ合金を含む表面を被覆するために用いられる請求項５〜９のいずれか一項に記載の生物活性ガラス。
【請求項１７】
クロム・コバルト合金を含む表面を被覆するために用いられる請求項１０〜１４のいずれか一項に記載の生物活性ガラス。
【請求項１８】
Ｔｉ６Ａｌ４Ｖ又はクロム・コバルト合金を含むプロステーシスの表面を被覆するために用いられる請求項１５〜１７のいずれか一項に記載の生物活性ガラス。
【請求項１９】
請求項１〜１８のいずれか一項に記載の生物活性ガラスを含むことを特徴とするガラス被覆物。
【請求項２０】
前記ガラス被覆物が二層被覆物であり、そして、前記二層被覆物を構成する二層のうち１以上の層が請求項１〜１８のいずれか一項に記載の生物活性ガラスを含む請求項１９に記載のガラス被覆物。
【請求項２１】
請求項１９又は２０に記載のガラス被覆物、又は、請求項１〜１８のいずれか一項に記載の生物活性ガラスを含む被覆物によって被覆された、Ｔｉ６Ａｌ４Ｖ又はクロム・コバルト合金を含むプロステーシス。
【請求項２２】
前記プロステーシスが、Ｔｉ６Ａｌ４Ｖを含み、そして、前記被覆物が請求項５〜９のいずれか一項に記載の生物活性ガラスを含む請求項２１に記載のプロステーシス。
【請求項２３】
前記プロステーシスが、クロム・コバルト合金を含み、そして、前記被覆物が請求項１０〜１４のいずれか一項に記載の生物活性ガラスを含む請求項２１に記載のプロステーシス。
【請求項２４】
平均粒度が１００μｍ未満であり、かつ、９０℃以上の処理温度ウィンドウを有する、請求項１〜１８のいずれか一項に記載の生物活性ガラスを含むガラス粉末。
【請求項２５】
前記粉末の平均粒度が５０μm未満である請求項２４に記載のガラス粉末。
【請求項２６】
請求項２４又は２５に記載の前記ガラス粉末を被覆しようとする基材に適用して、焼結することを含む、Ｔｉ６Ａｌ４Ｖ又はクロム・コバルト合金を含む基材上にガラス被覆物を製造する方法。
【請求項２７】
前記ガラス粉末を６００〜１０００℃の温度で焼結する請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記ガラス粉末をガラス転移温度より５０℃以上高く、かつ、結晶化開始温度未満の温度で焼結する請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記ガラス粉末をガラス転移温度より１００℃以上高い温度で焼結する請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
Ｔｉ６Ａｌ４Ｖを含む表面上に前記ガラス粉末を沈着し、１〜６０℃ｍｉｎ-1の速度で６００〜９６０℃の焼結温度まで加熱する請求項２７〜２９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３１】
クロム・コバルト合金を含む表面上に前記ガラス粉末を沈着し、６００〜７６０℃の焼結温度に加熱する請求項２７〜２９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３２】
ガラス粒子の懸濁液中の浸漬被覆、フレーム溶射、プラズマ溶射、又は、電気泳動析出によって、被覆しようとする前記基材に前記ガラス粉末を適用する請求項２７〜３１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３３】
被覆しようとする前記表面に酸化コバルト（ＩＩ）及び／または酸化コバルト（ＩＩＩ）を適用する工程をさらに含み、かつ、前記被覆物を７３０℃以上の温度で焼結する請求項２７〜３１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３４】
前記酸化コバルト（ＩＩ）及び／又は酸化コバルト（ＩＩＩ）を前記生物活性ガラス粉末の０．２〜３．０重量％の総量で適用する請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】
本明細書の実施例及び／又は図面に記載したガラス、被覆物、プロステーシス、ガラス粉末、又は、方法。
【国際調査報告】
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