(57)【要約】植込み用の生体物質の作製方法は、物質の表面の少なくとも一部に加速中性ビームを照射することを含む。【選択図】図９
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
植込み用の生体物質の作製方法であって、
減圧チャンバを設ける工程と、
前記減圧チャンバ内に第１の加速中性ビームを形成する工程と、
前記減圧チャンバ内に生体物質を保持するホルダを設ける工程と、
前記減圧チャンバ内の前記ホルダに前記生体物質を配置する工程と、
前記生体物質の表面の少なくとも第１の部分に前記第１の加速中性ビームを照射する工程と、を含み、前記生体物質の特性が変化する方法。
【請求項２】
前記特性の変更は、
前記表面の前記少なくとも第１の部分の湿潤性上昇と、
前記表面の前記少なくとも第１の部分の親水性上昇と、
前記表面の前記少なくとも第１の部分の化学反応変更と、
表面の前記少なくとも第１の部分の荷電状態変更と、
から成る群から選択される変更を備える請求項１の方法。
【請求項３】
前記生体物質を生体細胞にさらす工程をさらに含み、前記生体細胞が、
前記表面の前記少なくとも第１の部分への接着向上と、
前記表面の前記少なくとも第１の部分での増殖向上と、
前記表面の前記少なくとも第１の部分内または下での貫入向上と、
前記表面の前記少なくとも第１の部分上または下での形成向上と、
から成る群から選択される挙動を現す請求項１の方法。
【請求項４】
前記生物組織が、
筋骨格系組織と、
結合組織と、
骨組織と、
腱組織と、
靱帯組織と、
軟骨組織と、
上皮組織と、
内皮組織と、
から成る群から選択される組織を備える請求項１の方法。
【請求項５】
前記生体物質が細胞組織または脱細胞化組織を含む請求項１の方法。
【請求項６】
前記生体物質が哺乳動物組織または鳥類組織を含む請求項１の方法。
【請求項７】
前記第１の加速中性ビームが第１の加速ガスクラスタイオンビームから得られる請求項１の方法。
【請求項８】
前記第１のガスクラスタイオンビームが、
アルゴンと、
ネオンと、
キセノンと、
窒素と、
炭素と、
酸素と、
から成る群から選択される原子を備えるガスクラスタイオンを備える請求項７の方法。
【請求項９】
前記減圧チャンバ内に第２の加速クラスタイオンビームを形成する工程と、
前記生体物質の表面の少なくとも第２の部分に前記第２の加速中性ビームを照射する工程と、をさらに含む請求項１の方法。
【請求項１０】
前記第１のガス加速中性ビームが第１のガスクラスタイオン成分と第１のガスクラスタイオンビーム加速電位とを有する加速ガスクラスタイオンビームから得られ、
前記第２の加速中性ビームが第２のガスクラスタイオン成分と第２のガスクラスタイオンビーム加速電位とを有するガスクラスタイオンビームから得られ、
前記表面の前記少なくとも第１の部分の照射が第１の加速中性ビーム線量での照射を含み、前記表面の前記少なくとも第２の部分の照射が第２の加速中性ビーム線量での照射を含む請求項１の方法。
【請求項１１】
前記生物組織を生体細胞にさらすことをさらに備え、前記表面の少なくとも第３の部分が照射されず、前記少なくとも第１の部分にさらされた前記生体細胞が前記少なくとも第３の部分にさらされた前記生体細胞と比較して異なる挙動を現し、前記挙動が、
表面接着と、
細胞増殖と、
細胞表面貫入と、
組織形成と、
から成る群から選択される特性を備える請求項１の方法。
【請求項１２】
組織の外科移植方法であって、
ドナーからの移植組織を移植する工程と、
前記移植組織の少なくとも第１の部分に加速中性ビームを照射する工程と、
前記移植組織をレシピエントに外科的に移植する工程と、
を含む方法。
【請求項１３】
レシピエントが哺乳動物であり、前記移植組織が同種移植、自家移植片、または異種移植片である請求項１２の方法。
【請求項１４】
前記移植組織が靱帯組織、腱組織、または骨組織である請求項１２の方法。
【請求項１５】
前記照射の前に前記移植組織を凍結乾燥することをさらに含む請求項１２の方法。
【請求項１６】
前記凍結乾燥および前記照射後、かつ前記外科移植の前に、前記移植組織を再建することをさらに含む請求項１５の方法。
【請求項１７】
前記外科移植が、原位置再建または播種のために前記レシピエントからの流体または細胞に前記少なくとも第２の部分を接触させる請求項１６の方法。
【請求項１８】
前記照射の前に前記移植組織の少なくとも第２の部分を少なくとも部分的に脱細胞することをさらに含み、前記第１の部分が前記第２の部分の少なくとも一部を含む請求項１２の方法。
【請求項１９】
播種用細胞を回収する工程と、
前記外科移植の前に、前記少なくとも第１の部分の少なくとも第３の部分に回収細胞を播種する工程と、
をさらに含む請求項１２の方法。
【請求項２０】
前記回収細胞が前記レシピエントから回収される請求項１９の方法。
【請求項２１】
外科移植の前に、
成長因子と、
サイトカインと、
分化因子と、
脱塩骨粉と、
幹細胞と、
から成る群から選択される成分を備える組成物に前記移植組織をさらす工程をさらに含む請求項１２の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、通常哺乳動物への植込みを目的とした生体物質、特に、湿潤性を変更するおよび／または変更される生体物質の能力を向上させるビーム技術を使用して、１）表面への細胞接着用のホストとして機能する、２）表面上または材料内の細胞増殖を促進する、３）表面を貫通する細胞貫入を促進する、および／または４）その後の新たな組織形成を促進する方法に関する。好適なビームは、加速ガスクラスタイオンビームから得られるガスクラスタイオンビームおよび／または中性ビームである。
【背景技術】
【０００２】
ガスクラスタイオンビーム（ＧＣＩＢ）照射は、表面のナノスケールの改質のために使用されてきた。同時係属共同所有米国特許出願１２／２１０，０１８号「ガスクラスタイオンビーム技術の適用により医療装置の表面の湿潤性特徴を変更する方法およびシステム、およびそれにより作製される医療装置」では、ＧＣＩＢが非生体物質表面の親水性特性を変更することを立証している。ＧＣＩＢ処理は半導体素子および薄膜の作製に関して十分に文書化されている。しかしながら、筋骨格系の組織（たとえば、骨、靱帯、腱、回旋腱板、軟骨など）を含む生体物質の表面の改質や、主要な哺乳動物および鳥類の臓器系内の上皮組織および内皮組織などのその他の結合組織の改質の可能な用途はまだ知られていない。細胞接着用のホスト構造として機能する能力に関してＧＣＩＢ処理が靱帯表面に及ぼす物理的改質は今のところ未知である。線維芽細胞や骨芽細胞などの足場依存性細胞が、良好に接着、成長、または分化する親水性表面から恩恵を得て、荷電表面を好むことは通常既知である。親水性に関しては、液滴接触角度が湿潤性の基準として使用することができ、接触角度の測定値が下がるほど、通常はより親水性の高い表面を示唆する。親水性を高めるため、あるいは非生物表面の電荷を変更するため、コーティングのサンドブラスティング、酸エッチング、プラズマ噴射、ＣＯ２レーザ平滑化、および機械、超音波、プラズマ、化学清掃技術などの様々な形の清掃を含む多数の方法が今までに使用されている。その他のアプローチには、界面活性剤の追加や、異なる湿潤性特徴を有する膜やコーティングの塗布などがある。表面親水性の向上、表面荷電状態または表面化学反応の変更、あるいはその他の機構を通じて細胞接着を向上させるＧＣＩＢまたは中性ビーム照射により、生体物質の表面を処理することはまだ実証されていない。
【０００３】
従来のエネルギーイオン、加速荷電原子または分子のビームは、半導体装置の接合を形成する、スパッタリングの表面を変質させる、薄膜の特性を変更するために広く利用されている。従来のイオンと異なり、ガスクラスタイオンは、標準的な温度および圧力下ではガス状の（一般的には、たとえば酸素、窒素、またはアルゴンなどの不活性ガスだが、ガスクラスタイオンを生成する任意の凝縮性ガスが使用可能である）材料の多数の（標準的な分布は数百〜数千、平均値は数千）弱く結合した原子または分子のクラスタから形成され、各クラスタは１つまたはそれ以上の電荷を共有し、大きな電位差（約３ｋＶ〜約７０ｋＶまたはそれ以上）により共に加速されて高い総エネルギーを得る。ガスクラスタイオンの形成および加速後、それらの電荷状態は変更させることができる、あるいは変更する（さらには中性化する）ことができ、また、より小さなクラスタイオンおよび／またはより小さな中性化クラスタに断片化される高電圧を通じて予め加速されていることから比較的高い総エネルギーを保持する傾向がある。ガスクラスタイオンビームは、清掃、エッチング、平滑化、膜成長などのために非生体物質の表面処理に利用されている。ガスクラスタイオンビームは、大部分の固体材料表面での平滑化作用が十分に既知であり、ダイヤモンド、シリコン、金属などの材料の平滑化に利用されている。各ガスクラスタイオンには多数の原子または分子が存在し、それらが弱く結合しているため、衝突表面に及ぼす作用は従来の（モノマーまたは分子）イオンの作用とは異なり非常に浅い。クラスタは衝撃時に分裂して、各原子または分子は加速クラスタの総エネルギーと比較してわずか数ｅＶのエネルギーしか担持しない。ガスクラスタイオン衝突部位での瞬間的温度および圧力が非常に高くなる可能性があり、様々な表面化学反応、エッチング、その他の作用が生じる場合がある。表面化学作用はたとえば、表面結合にＧＣＩＢまたは中性ビーム照射を照射する（それによって表面荷電状態を変更する）、および／またはガスクラスタイオンからの反応性原子または分子を表面に導入する（酸素、窒素、炭素などの反応性原子または分子を備えるガスクラスタイオンを使用することによって）変更させることができる。しかしながら、これらの作用は非常に表層的で、衝突部位下に最大数十オングストロームほどしか到達しないため、表面衝突部位下深くに位置する材料には重大な損傷は発生しない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
したがって、本発明の目的は、ガスクラスタイオンビーム照射または加速中性ビーム照射の形状でのガスクラスタイオンビーム技術の適用によって、生体物質表面の湿潤性を上昇させる、および／または化学作用または荷電状態を変更する、および／または表面のその他の物理的特徴を変更する方法を提供する。
【０００５】
本発明の別の目的は、ガスクラスタイオンビーム照射および／または加速中性ビーム照射の形状でのガスクラスタイオンビーム技術の適用によって、新たな細胞成長の接着、増殖、移行などのために、および任意で、骨、線維性結合組織、上皮、内皮などの組織への分化に至る新たな細胞の刺激のために生体物質の表面を作製する方法を提供することである。
【０００６】
本発明の別の目的は、ガスクラスタイオンビーム照射および／または加速中性ビーム照射の形状でのガスクラスタイオンビーム技術の適用によって、生体物質表面の一部の湿潤性を上昇させる、および／または制御されたパターンで新たな細胞成長の接着、増殖、移行などのために生体物質の表面を作製する方法を提供することである。
【０００７】
本発明のさらに別の目的は、ガスクラスタイオンビーム照射および／または加速中性ビーム照射の形状でのガスクラスタイオンビーム技術の適用によって、親水性の上昇した表面または表面部分を有する、および／または細胞貫入能力の向上した表面を有する、および／または新たな細胞接着、成長、分化のための、および任意で、骨、線維性結合組織、上皮、内皮などの組織への分化に至る新たな細胞の刺激のためのホストとして機能する外科的に植込み可能な生体物質を提供することである。
【０００８】
本発明の別の目的は、外科的植込みおよび／または移植片のための生体物質と、特定の細胞材料を組み込んだ生体物質移植片の作製および外科的植込みのための、および任意で、骨、線維性結合組織、上皮、内皮などの組織に分化するように特定の細胞物質を刺激するための方法とを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の上述の目的ならびに追加およびその他の目的と利点は、後述の本発明によって達成される。
【００１０】
本願で使用されるように、「ＧＣＩＢ」、「ガスクラスタイオンビーム」、「ガスクラスタイオン」という用語は、イオン化ビームおよびイオンだけでなく、加速後に電荷状態の全部または一部が変更される（中性化を含む）加速ビームおよびイオンを包含することを目的とする。「ＧＣＩＢ」および「ガスクラスタイオンビーム」という用語は、未クラスタ化粒子も含むにせよ、加速ガスクラスタイオンを備えるすべてのビームを包含することを目的とする。本願で使用されるように、「中性ビーム」という用語は、加速ガスクラスタイオンビームから得られる中性ガスクラスタおよび／または中性モノマーのビームを意味することを目的とし、加速はガスクラスタイオンビームの加速から生じる。本願で使用されるように、「モノマー」という用語は単独の原子または単独の分子のいずれも等しく指す。「原子」、「分子」、「モノマー」という用語は互換可能に使用することができ、当該ガスの特徴となる適切なモノマー（クラスタの成分、クラスタイオンの成分、または原子または分子）すべてを指す。たとえば、アルゴンなどの一原子ガスを原子、分子、またはモノマーに関して言及することができ、それらの用語はそれぞれ単独の原子を意味する。同様に、窒素のような二原子ガスの場合、原子、分子、またはモノマーに関して言及することができ、それらの用語はそれぞれ二原子分子を意味する。さらに、ＣＯ２のような分子ガスを原子、分子、またはモノマーに関して言及することができ、それらの用語はそれぞれ三つの原子分子などを意味する。これらの決まりは、ガス状の一原子、二原子、または分子のいずれであるかに関係なくガスおよびガスクラスタまたはガスクラスタイオンを単純に外接する際に使用される。
【００１１】
イオンは、その電荷が電界および磁界による操作を助けるために多数のプロセスで長い間採用されてきた。このため、処理が非常に柔軟になる。しかしながら、用途によっては、どのイオン（ＧＣＩＢ中のガスクラスタイオンを含む）にも固有の電荷が処理表面に望ましくない作用を及ぼす場合がある。ＧＣＩＢは、単独のまたは小さな複数電荷を有するガスクラスタイオンが従来のイオン（単独の原子、分子、または分子断片）に比べてずっと大きな質量流の移送と制御を可能にするという点で、従来のイオンビームを越える明確な利点を備える（クラスタは数百または数千の分子から成ることがある）。特に、絶縁性材料の場合、イオンを使用して処理される表面は蓄積電荷の急な放出、および材料の電界誘発ストレスの生成（これも蓄積電荷から生じる）から生じる電荷誘発損傷を受けることが多い。このような良くあるケースでは、ＧＣＩＢは質量当たりの電荷が比較的低いために有益であるが、場合によってはターゲット荷電問題を排除できないことがある。さらに、中〜高電流強度のイオンビームは、大きな空間電荷の誘発する、長距離に渡って集束されるビームの移送を阻む傾向にあるビームの脱焦を受ける場合がある。ここでも、従来のイオンビームに比べて質量当たりの電荷が低いために、ＧＣＩＢは利点を有するが、空間電荷移送問題を完全に排除できていない。
【００１２】
中性分子または原子ビームの使用は表面処理用途や無空間電荷ビーム移送では有効であるが、エネルギーが通常原子または分子当たり約数ミリ電子ボルトであるために処理能力が限られるノズルジェットの場合を除き、中性分子または原子の強力なビームを生成するのは容易でも経済的でもないという事実から、別の需要または機会の例が生じる。多数の用途、たとえば清掃、エッチング、平滑化、蒸着、非晶質化を簡易化する、あるいは表面化学作用を生成するために表面または浅表面下の結合を解くことが望ましい場合など、よりエネルギーの大きな中性粒子が有益または必要であろう。このような場合、粒子当たり約１ｅＶ〜最大数千ｅＶからのエネルギーが有効である場合が多い。加速荷電ＧＣＩＢをまず形成し、次にビームの少なくとも一部を中性化し、あるいは中性化の準備をし、荷電部分と未荷電部分とを分離することによって、上記の中性ビームを形成する方法および装置を本文書で説明する。中性ビームは中性ガスクラスタ、中性モノマー、またはその組み合わせから成ることができる。ＧＣＩＢ処理は多数の用途で首尾よく採用されてきたが、特に薬剤溶出医療装置を形成するための薬剤コーティング処理に関連する、ＧＣＩＢまたはその他の現状の方法および装置では十分に満たされていない新たなおよび既存の用途が存在し、そこでは加速中性ビームが優れた成果をもたらし得る。たとえば、良くある状況で、ＧＣＩＢは、最初はやや粗い表面を原子レベルで劇的に平滑化できるが、最終的に達成可能な平滑化は所望の平滑化に達しないことが多く、状況によっては、ＧＣＩＢ処理が中程度に平滑な表面をさらに平滑化するのではなく粗くすることがある。
【００１３】
加速ガスクラスタイオンが完全に分離されて中性化されると、結果として生じる中性モノマーは、加速した時点における最初のガスクラスタイオンを備えたモノマーの数Ｎ１で最初の加速ガスクラスタイオンの総エネルギーを割ったものにほぼ等しいエネルギーを有する。このように分離された中性モノマーは、ガスクラスタイオンの最初の加速エネルギーと加速時のガスクラスタのサイズとに応じて、約１ｅＶ〜数十、さらには数千ｅＶものエネルギーを有する。
【００１４】
ガスクラスタイオンビームは、既知の技術によりワークピースを照射する目的で生成および送信される。照射用のＧＣＩＢの経路に対象を保持し、対象を操作して対象の複数の部分を照射するための様々な種類のホルダが当該技術において既知である。中性ビームは、本願に教示する技術によりワークピースを照射する目的で生成および送信される。
【００１５】
本発明は、様々な種類の表面および浅表面下材料処理に採用することができ、多数の用途で従来のＧＣＩＢ処理よりも優れた性能を発揮できる、加速ガスクラスタイオンビーム加速中性ガスクラスタおよび／または好ましくはモノマービームから得られる高ビーム純度方法およびシステムを採用することができる。これは、約１ｅＶ〜数千ｅＶもの範囲のエネルギーを有する粒子を備えた、十分に集束および加速された強力な中性モノマービームを提供することができる。このエネルギー範囲では、強力な中性ビームを形成する簡易で比較的安価な装置はこれまで非実用的であった。
【００１６】
これらの加速中性ビームは、まず従来の加速ＧＣＩＢを形成し、次に、ビームに不純物を導入しない方法および動作条件によって部分的にまたはほぼ全部を分離してから、ビームの残りの荷電部分を中性部分と分離することによって生成され、結果として生じる加速中性ビームがワークピース処理用に使用される。ガスクラスタイオンの分離の程度に応じて、生成される中性ビームは中性ガスモノマーとガスクラスタの混合物とすることができる、あるいは、すべてまたはほぼすべてが中性ガスモノマーから成ることができる。加速中性ビームは完全に分離された中性モノマービームであることが好ましい。
【００１７】
本発明の方法および装置によって生成可能な中性ビームの利点は、ＧＣＩＢを含むすべてのイオン化ビームで一般的に生じるようなビーム移送電荷による電気絶縁性材料表面の帯電により材料に損傷を与えずに該材料を処理するために使用できることである。たとえば、半導体およびその他の電子的用途では、イオンが酸化物、窒化物などの薄誘電膜の損傷または破壊的帯電に寄与することが多い。中性ビームを使用することで、イオンビームが表面またはその他の電荷作用による望ましくない副作用を引き起こす場合のあるその他の用途において、ポリマー、誘電性および／またはその他の電気絶縁性または高電気抵抗材料、コーティング、膜のビーム処理を成功させることができる。たとえば、（制限なく）抗腐食コーティング処理や有機膜の照射架橋および／またはポリマー化などである。別の例では、中性ビームの誘発するポリマーまたはその他の誘電材料の改質（たとえば、殺菌、平滑化、表面生体適合性の向上、付着の向上、および／または薬剤の溶出速度の制御）を通じて、上記材料を植込み用医療装置および／またはその他の医療／手術用途で使用可能することができる。他の例は、上記ビームがたとえば粗度、平滑性、親水性、生体適合性などの表面特徴を向上させるのに使用することができる、ガラス、ポリマー、およびセラミック生体培養実験機器および／または環境サンプリング表面の中性ビーム処理である。
【００１８】
加速中性ビームを本発明の方法および装置によって形成することのできる本特許のＧＣＩＢはイオンを備えるため、従来のイオンビーム技術を用いて所望のエネルギーまで容易に加速され、容易に集束される。その後の荷電イオンと中性粒子との解離および分離後、中性ビーム粒子は集束軌道を維持する傾向があり、良好な作用を保ち、長距離を移送させることができる。
【００１９】
ジェット内の中性ガスクラスタは、電子衝突によってイオン化されると、加熱および／または励起される。この結果、イオン化ガスクラスタからモノマーが気化し、加速後、ビームラインを下っていく。また、イオン化装置、アクセラレータ、ビームライン領域でのガスクラスタイオンと背景ガス分子との衝突もガスクラスタイオンを加熱および気化する結果、加速後にガスクラスタイオからモノマーをさらに発生させる場合がある。これらのモノマー発生機構がＧＣＩＢを形成したものと同じガスの背景ガス分子（および／またはその他のガスクラスタ）と電子との衝撃および／または衝突で誘発されるとき、モノマー発生の際に生じる分離プロセスによって、ビームは汚染されない。
【００２０】
ビームを汚染せずにＧＣＩＢ内のガスクラスタイオンを分離する（あるいはモノマーの発生を誘発する）ために採用可能な機構は他にもある。これらの機構のうちいくつかも、中性ガスクラスタビーム内の中性ガスクラスタを分離するのに採用することができる。一つの機構は、赤外線またはその他のレーザエネルギーを使用するクラスタ−イオンビームのレーザ照射である。レーザ照射ＧＣＩＢ内のガスクラスタイオンのレーザ誘発加熱はガスクラスタイオンを励起および／または加熱させ、ビームからさらにモノマーを発生させる。もう一つの機構は、輻射熱エネルギーフォトンがビームのガスクラスタイオンに衝突するように加熱管にビームを通過させることである。管内の輻射熱エネルギーによるガスクラスタイオン誘発加熱の結果、ガスクラスタイオンが励起および／または加熱されて、ビームからさらにモノマーを発生させる。別の機構では、ＧＣＩＢの形成に使用されるソースガス（またはその他の非汚染ガス）と同一のガスまたは混合物のガスジェットにガスクラスタイオンビームを交差させることによって、ガスジェット内のガスのモノマーとイオンビーム内のガスクラスタとが衝突して、ビームのガスクラスタイオンを励起および／または加熱させ、励起されたガスクラスタイオンからさらにモノマーを発生させる。最初のイオン化中の電子衝突、および／またはビーム内の（他のクラスタイオンまたはＧＣＩＢを形成するのに使用されるのと同一のガスの背景ガス分子との）衝突、および／またはレーザまたは熱放射、および／またはＧＣＩＢ分離および／または断片化を生じさせる非汚染ガスの横断ジェット衝突に完全に依存することによって、他の材料との衝突によるビーム汚染が回避される。
【００２１】
ノズルからの中性ガスクラスタジェットが、電子がクラスタをイオン化するように方向付けられるイオン化領域を移動していく間、クラスタは非イオン化状態を保つ、あるいは一つまたはそれ以上の電荷（入射電子によるクラスタからの電子の放射）の荷電状態ｑを得ることができる。イオン化装置動作状態は、ガスクラスタが特定の荷電状態をとる可能性に影響し、イオン化装置の状態が強力であるほど、より高い荷電状態が達成される可能性が高くなる。高イオン化効率につながる強力なイオン化装置状態は、より高い電子束および／またはより高い（限界内）電子エネルギーをもたらすことができる。いったんガスクラスタがイオン化されると、一般的には、イオン化装置から抽出され、ビームへと集束され、電界を下ることによって加速される。ガスクラスタイオンの加速量は加速電界の大きさを制御することによって容易に制御される。通常、一般的な市販のＧＣＩＢ処理ツールは調節可能な加速電位ＶＡｃｃ、たとえば約１ｋＶ〜７０ｋＶ（しかしこの範囲に限定されず、最大２００ｋＶまたはそれ以上のＶＡｃｃが実現可能である）を有する電界によってガスクラスタイオンを加速させる。よって、単独に荷電されたガスクラスタイオンは、１〜７０ｋｅＶ（より大きいＶＡｃｃが使用される場合はそれ以上）の範囲のエネルギーを達成し、複数で荷電された（たとえば、制限なく、荷電状態ｑ＝３電子電荷）ガスクラスタイオンは３〜２１０ｋｅＶ（ＶＡｃｃがより大きい場合はそれ以上）−のエネルギーを達成する。他のガスクラスタイオン荷電状態および加速電位の場合、クラスタ当たりの加速エネルギーはｑＶＡｃｃｅＶである。所与のイオン化効率を有する所与のイオン化装置から、ガスクラスタイオンはゼロ（未イオン化）〜６などのさらに高い値（またはイオン化装置効率がより高い場合はそれ以上）まで分布された荷電状態を有し、荷電状態分布の最も起こりやすい平均値もイオン化装置効率（電子束および／またはエネルギー）の上昇と共に増加する。イオン化装置効率が高い場合も、イオン化装置で形成されるガスクラスタイオンの数が増える。多くの場合、高効率でイオン化装置を動作する際にＧＣＩＢ処理量が増大する結果、ＧＣＩＢ電流が増加する。このような動作のマイナス面は、中サイズのガスクラスタイオンで生じ得る複数の荷電状態がイオンによる孔および／または粗境界面の形成を引き起こし、これらの作用が処理の目的にとって逆効果に働く場合が多いことである。よって、多数のＧＣＩＢ表面処理法では、イオン化装置動作パラメータの選択は単にビーム電流を最大化するよりも多くの考慮事項を含む傾向がある。プロセスによっては、「圧力セル」（米国特許第７，０６０，９８９号、Ｓｗｅｎｓｏｎらを参照）を採用して、高圧「圧力セル」内でのガス衝突によるビームエネルギーを穏やかにすることによって許容可能なビーム処理性能を得つつ、高イオン化効率でイオン化装置を動作させる。本発明の技術は高圧「圧力セル」の使用を回避する。
【００２２】
本発明では、高効率でイオン化装置を動作させることのマイナス面が発生しない。事実、このような動作が好ましいことがある。イオン化装置が高効率で動作するとき、イオン化装置によって生成されるガスクラスタイオンは幅広い荷電状態をとりうる。結果として、イオン化装置と加速電極間の抽出領域、およびビームの下流で、ガスクラスタイオンは幅広い速度を有する。このため、ビーム内のガスクラスタイオン間の衝突頻度が増し、通常は最も大きなガスクラスタイオンが高割合で断片化する。このような断片化はビーム内のクラスタサイズを再分配させ、小さなクラスタサイズの方に偏向させる。これらのクラスタ断片は新たなサイズ（Ｎ）に比例してエネルギーを保持するため、最初の非断片化ガスクラスタイオンの加速度をほぼ保持しつつエネルギーは小さくなる。衝突後の速度保持に伴うエネルギーの変化は実験で実証されている（たとえば、Ｔｏｙｏｄａ，Ｎ．らの「クラスタサイズは残留ガスとの衝突後におけるガスクラスタイオンのエネルギーおよび速度分布に依存する」、Ｎｕｃｌ．Ｉｎｓｔｒ．＆Ｍｅｔｈ．ｉｎ  Ｐｈｙｓ．Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ｂ  ２５７（２００７）、６６２〜６６５ページで報告されている）。さらに、断片化はクラスタ断片内の電荷も再配分させる。一部の非荷電断片が生じやすく、複数の荷電ガスクラスタイオンがいくつかの荷電ガスクラスタイオンと場合によってはいくつかの未荷電断片とに断片化されることがある。発明者の理解するところでは、イオン化装置の集束場と抽出領域の設計は、小さなガスクラスタイオンおよびモノマーイオンの集束を推進し、ビーム抽出領域および下流ビームにおける大きなガスクラスタイオンとの衝突の可能性を高めることによってガスクラスタイオンの分離および／または断片化に貢献する。
【００２３】
本発明の１実施形態では、イオン化装置、加速領域、ビームラインの背景ガス圧は任意で、良好なＧＣＩＢ送信のために通常利用される高圧を有するように構成することができる。この結果、ガスクラスタイオンから（最初のガスクラスタイオン化事象から生じる加熱および／または励起が招くよりも）さらにモノマーを発生させることができる。圧力は、ガスクラスタイオンが背景ガス分子との複数の衝突を受けなければならないイオン化装置とワークピース間の十分に短い平均自由行程および十分に長い飛行行程を有するように構成することができる。
【００２４】
Ｎ個のモノマーを含み、荷電状態ｑを有し、ＶＡｃｃボルトの電位低下を通じて加速された均一ガスクラスタイオンの場合、クラスタはモノマー当たり約ｑＶＡｃｃ／Ｎ１ｅＶのエネルギーを有する。ただしＮ１は加速時のクラスタイオン中のモノマーの数である。最も小さなガスクラスタイオンを除けば、イオンとクラスタソースガスと同一のガスの背景ガスモノマーとの衝突の結果、ガスクラスタイオンに約ｑＶＡｃｃ／Ｎ１ｅＶが追加して蒸着される。このエネルギーは全ガスクラスタイオンエネルギー（ｑＶＡｃｃ）と比べて相当小さく、通常はクラスタを励起または加熱させ、クラスタからモノマーをさらに発生させる。このような大きなクラスタと背景ガスとの衝突は滅多にクラスタを断片化せず、クラスタを加熱および／または励起して、気化または類似の機構によってモノマーを発生させると考えられる。励起源から生じたモノマーかガスクラスタイオンからのモノマーかにかかわらず、発生したモノマーはほぼ同一の粒子当たりのエネルギーｑＶＡｃｃ／Ｎ１ｅＶを有し、モノマーが発生したガスクラスタイオンとほぼ同じ速度と軌道を保持する。このようなモノマーの発生がガスクラスタイオンから生じるとき、最初のイオン化事象、衝突、または輻射加熱によるどの励起または加熱から生じたかにかかわらず、大きな残留ガスクラスタイオンと共に電荷が残る可能性が高い。よって、一連のモノマー発生後、大きなガスクラスタイオンは、場合によっては小さな残留ガスクラスタイオンと共に移動するモノマー群（断片化も生じている場合は数個の場合もある）まで還元させることができる。最初のビーム軌道に沿った共に移動するモノマーはすべて最初のガスクラスタイオンとほぼ同じ速度を有し、それぞれが約ｑＶＡｃｃ／Ｎ１ｅＶのエネルギーを有する。小さなガスクラスタイオンの場合、背景ガスモノマーとの衝突エネルギーは小さなガスクラスタを完全に激しく分離させる可能性が高く、このような場合、結果として生じるモノマーがビームと共に移動し続けるのか，あるいはビームから放射されるのかは不確実である。
【００２５】
ＧＣＩＢがワークピースに到達する前に、ビーム中の残りの荷電粒子（ガスクラスタイオン、特に小中サイズのガスクラスタイオンといくらかの荷電モノマーだが、残りの任意の大きなガスクラスタイオンも含む）はビームの中性部分から分離されて、ワークピース処理用に中性ビームだけが残る。
【００２６】
通常動作時、処理ターゲットに送達されるフル（荷電および中性）ビームのエネルギーに対する中性ビームのエネルギーの比は約５０％〜９５％であるため、本発明の方法および装置によって、フル加速荷電ビームの運動エネルギーの大部分を中性ビームのエネルギーに変換することができる。
【００２７】
ガスクラスタイオンの分離とそれによる高中性モノマービームエネルギーの生成は、１）より高い加速電圧で動作することによって推進される。このため、任意の所与のクラスタサイズでのｑＶＡｃｃ／Ｎが増大する。また、２）高イオン化装置効率で動作することによって推進される。これによりｑを増大することによって任意の所与のクラスタサイズのｑＶＡｃｃ／Ｎが増大し、クラスタ間の荷電状態の差により、抽出領域におけるクラスタ−イオン衝突時のクラスタ−イオンが増大する。３）高イオン化装置、加速領域、またはビームライン圧力で動作する、あるいはビームを横断するガスジェットで、またはより長いビーム行程で動作することによって推進される。これらはすべて所与のサイズのガスクラスタイオンの場合の背景ガス衝突の可能性を高める。４）ガスクラスタイオンからのモノマーの発生を直接促進するレーザ照射またはビームの輻射加熱で動作することによって推進される。５）より高いノズルガス流で動作することによって推進される。この結果、クラスタ化および場合によっては未クラスタ化ガスのＧＣＩＢ軌道への輸送が推進されて衝突が増し、モノマーをより発生させる。
【００２８】
中性ビームの測定は、ガスクラスタイオンビームの場合簡便である電流測定によって実行することができない。中性ビームパワーセンサは、ワークピースに中性ビームを照射する際に線量測定を簡易化するために使用される。中性ビームセンサはビーム（または任意で、ビームの既知のサンプル）を捕捉する熱センサである。センサの温度上昇速度はセンサのエネルギービーム照射から生じるエネルギー束に関連する。熱測定は、センサに入射するエネルギーの熱再放射が原因のエラーを避けるためにセンサの限られた範囲の温度内で実行しなければならない。ＧＣＩＢプロセスの場合、ビームパワー（ワット）はビーム電流（アンペア）×ビーム加速電圧ＶＡｃｃに等しい。ＧＣＩＢがある期間（秒）ワークピースを照射すると、ワークピースが受け取るエネルギー（ジュール）はビームパワーと照射時間の積である。拡張領域を処理する際のこのようなビームの処理作用は、領域（たとえば、ｃｍ２）全体に分散される。イオンビームの場合、照射イオン／ｃｍ２に関して処理量を明示することが従来から好都合であった。その場合、イオンは加速時に平均荷電状態ｑを有し、各イオンがｑＶＡｃｃｅＶ（ｅＶは約１．６×１０−１９ジュール）のエネルギーを担持するようにＶＡｃｃボルトの電位差を通じて加速されていることが既知である、あるいは推定される。よって、ＶＡｃｃによって加速されイオン／ｃｍ２で明示される平均荷電状態ｑの場合のイオンビームの線量は、ジュール／ｃｍ２で表される容易に算出可能なエネルギー量に相当する。本発明で利用されるような加速ＧＣＩＢから得られる加速中性ビームの場合、加速時のｑの値とＶＡｃｃの値は、（後で形成され分離される）ビームの荷電部分と未荷電部分の両方で同一である。ＧＣＩＢの二つ（中性および荷電）部分のパワーは各ビーム部分の質量に比例して分割される。よって、本発明で採用されるような加速中性ビームの場合、等しい面積が等しい時間照射されるとき、中性ビームによって蓄積されるエネルギー量（ジュール／ｃｍ２）は必然的にフルＧＣＩＢによって蓄積されるエネルギー量よりも小さい。熱センサを使用してフルＧＣＩＢＰＧのパワーと中性ビームＰＮのパワー（通常はフルＧＣＩＢの約５０％〜９５％であると考えられる）とを測定することによって、中性ビーム処理線量測定に使用される補償を算出することができる。ＰＮがＰＧのとき、相殺係数ｋは１／ａである。よって、ワークピースがＧＣＩＢから得られる中性ビームを用いて処理される場合、時間はＤイオン／ｃｍ２の量を達成するのに必要なフルＧＣＩＢ（荷電部分と中性ビーム部分を含む）の処理時間よりもｋ倍長く設定され、その場合、中性ビームとフルＧＣＩＢの両方によってワークピースに蓄積されるエネルギー量は同一である（ただし、二つのビームの粒子サイズの差異による処理作用の量的差異が原因で、結果は異なるかもしれない）。本願で使用されるように、このようにして相殺される中性ビーム処理線量は、Ｄイオン／ｃｍ２の量と等価のエネルギー／ｃｍ２を有すると説明されることがある。
【００２９】
線量測定用の熱パワーセンサと組み合わせてガスクラスタイオンビームから得られる中性ビームを使用することは、多くの場合、ガスクラスタイオンと中性ガスクラスタおよび／または中性モノマーの混合物を不可避で含み、ビーム電流測定を用いて線量測定のために従来測定されるフルガスクラスタイオンビームあるいは捕捉または分流部分と比べて有利である。利点をいくつか次に述べる。
【００３０】
１）線量測定は、ビームの総パワーが測定されるため、線量測定に熱センサを使用する中性ビームでより正確に行うことができる。線量測定に従来のビーム電流測定を採用するＧＣＩＢでは、線量測定にビームのイオン化部分の寄与のみが測定され採用される。ＧＣＩＢ装置の動作条件の分毎および環境毎の偏向によって、ＧＣＩＢの中性モノマーおよび中性クラスタの部分が変動する場合がある。これらの変動は結果的に工程の変動を招き、線量測定がビーム電流の測定によって行われる際に制御性が低下する可能性がある。
【００３１】
２）中性ビームを使用し、高絶縁材料および荷電作用によって損傷され得るその他の材料を含む任意の材料を、ターゲット中性電子源を設ける必要なく処理することができ、ワークピースがイオン化ビームによって運ばれた電荷により帯電するのを防止することができる。従来のＧＣＩＢを採用すると、電荷を低減するターゲット中性化が滅多に完全とならず、中性電子源自体、ワークピース加熱や、電子源での気化またはスパッタリングからの汚染などの問題を持ち込む場合が多い。中性ビームはワークピースに電荷を移送しないので、このような問題が軽減される。
【００３２】
３）エネルギーモノマーイオンを中性ビームから分離する大開口高強度の磁石などの追加の装置が必要とされない。従来のＧＣＩＢの場合、エネルギーモノマーイオン（およびその他の小さなクラスタイオン）がワークピースに運ばれて貫入し深い損傷をもたらすリスクが大きく、粒子とビームとを分離するために高価な磁気フィルタが常に必要とされる。本発明の中性ビーム装置の場合、すべてのイオンをビームから分離して中性ビームを生成するために、全モノマーイオンが元から除去される。
【００３３】
本発明は生体物質の表面または表面の一部の処理にガスクラスタイオンビーム（ＧＣＩＢ）技術を適用して、表面の親水性または湿潤度などの表面特性を変更する、および／または新たな細胞成長および／または骨、靱帯、腱、回旋腱板、軟骨などの筋骨格系組織を含む生体物質への接着のためのホストとして機能する表面または表面の一部の適合性を向上させる。ＧＣＩＢまたは加速ＧＣＩＢから得られる加速中性ビームのいずれかを表面の処理に採用することができる。マスキング技術の使用、表面へのＧＣＩＢまたは中性ビームの入射制御、またはＧＣＩＢまたは中性ビーム処理の空間範囲を制御するその他の手段を通じて、表面特徴は所望の変更領域とその他の未変更領域を有する制御パターンで変更することができる。よって、（外科的に植え込まれたときの）細胞は生体物質に対して、手術を成功させるのに不適な領域に接着させることなく所望領域に容易に接着させることができる。
【００３４】
発明者は筋骨格系、たとえば、骨および靱帯（天然状態および脱細胞化状態の両方）などの筋骨格系組織の組織表面をＧＣＩＢおよび中性ビーム技術により処理して、特定の種類のＧＣＩＢまたは中性ビーム処理が生体物質表面の親水性を上昇させ、表面の新たな細胞成長および接着への適合性を向上させることを発見した。本文書に挙げる例は構造組織であるが、本発明は構造組織に限定されない。
【００３５】
パターン化表面変動を生成するため、ＧＣＩＢまたは中性ビーム処理は、処理を表面の特定領域に限定する、あるいはワークピースの異なる領域に異なる種類のＧＣＩＢまたは中性ビーム処理を施すように、マスクまたはビームライティング技術、またはワークピース表面へのＧＣＩＢまたは中性ビーム照射を制御するその他各種手段を用いて制御することができる。採用されるマスクはワークピースをＧＣＩＢまたは中性ビーム処理から隠す機械的マスクとすることができる。パターン化表面変動の実現は、機械的マスクの使用に限定されない。
【００３６】
本発明の１実施形態は、植込み用の生体物質の作製方法であって、減圧チャンバを設けることと、前記減圧チャンバ内に第１の加速中性ビームを形成することと、前記減圧チャンバ内に生体物質を保持するホルダを設けることと、前記減圧チャンバ内の前記ホルダに前記生体物質を配置することと、前記生体物質の表面の少なくとも第１の部分に前記第１の加速中性ビームを照射することと、を備え、前記生体物質の特性が変化する方法を提供することである。
【００３７】
特性の変化は、前記表面の前記少なくとも第１の部分の湿潤性上昇、前記表面の前記少なくとも第１の部分の親水性上昇、前記表面の前記少なくとも第１の部分の化学反応変更、表面の前記少なくとも第１の部分の荷電状態変更から成る群から選択される変化を備えることができる。該方法は、生体細胞に前記生体物質をさらすことをさらに備えることができ、前記生体細胞は前記表面の前記少なくとも第１の部分への接着向上、前記表面の前記少なくとも第１の部分での増殖向上、前記表面の前記少なくとも第１の部分内または下への貫入向上、前記表面の前記少なくとも第１の部分上または下での形成向上から成る群から選択される挙動を現すことができる。生物組織は、筋骨格系組織、結合組織、骨組織、腱組織、靱帯組織、軟骨組織、上皮組織、内皮組織から成る群から選択される組織を備えることができる。生体物質は細胞組織または脱細胞化組織を備えることができる。生体物質は哺乳動物組織または鳥類組織を備えることができる。第１の加速中性ビームは第１の加速ガスクラスタイオンビームから得ることができる。第１のガスクラスタイオンビームは、アルゴン、ネオン、キセノン、窒素、炭素、酸素から成る群から選択される原子を備えるガスクラスタイオンを備えることができる。
【００３８】
該方法は、減圧チャンバ内に第２の加速クラスタイオンビームを形成することと、前記生体物質の前記表面の少なくとも第２の部分に前記第２の加速中性ビームを照射することとをさらに備えることができる。
【００３９】
第１のガス加速中性ビームは第１のガスクラスタイオン成分と第１のガスクラスタイオンビーム加速電位とを有する加速ガスクラスタイオンビームから得ることができ、第２の加速中性ビームは第２のガスクラスタイオン成分と第２のガスクラスタイオンビーム加速電位とを有するガスクラスタイオンビームから得ることができ、前記表面の前記少なくとも第１の部分の照射は第１の加速中性ビーム線量での照射を備え、前記表面の前記少なくとも第２の部分の照射は第２の加速中性ビーム線量での照射を備えることができる。
【００４０】
該方法は、前記生物組織を生体細胞にさらすことをさらに備えることができ、前記表面の少なくとも第３の部分が照射されず、前記少なくとも第１の部分にさらされた前記生体細胞が前記少なくとも第３の部分にさらされた前記生体細胞と比較して異なる挙動を現し、前記挙動が、表面接着と、細胞増殖と、細胞表面貫入と、組織形成と、から成る群から選択される特性を備えることができる。
【００４１】
本発明の別の実施形態は、組織の外科移植方法であって、ドナーからの移植組織を移植することと、前記移植組織の少なくとも第１の部分に加速中性ビームを照射することと、前記移植組織をレシピエントに外科的に移植することと、を備える方法を提供する。レシピエントは哺乳動物とすることができ、前記移植組織は同種移植、自家移植片、または異種移植片とすることができる。移植組織は靱帯組織、腱組織、または骨組織とすることができる。
【００４２】
該方法は、前記移植組織を前記照射の前に凍結乾燥することをさらに備えることができる。
【００４３】
該方法は、前記凍結乾燥および照射後かつ前記外科移植の前に前記移植組織を再建することをさらに備えることができる。外科移植ステップは、原位置再建または播種のために前記レシピエントからの流体または細胞を前記少なくとも第２の部分に接触させることを含むことができる。該方法は、前記移植組織を前記照射の前に少なくとも第２の部分を少なくとも部分的に脱細胞化させることをさらに備えることができ、前記第１の部分は前記第２の部分の少なくとも一部を備える。該方法は前記外科移植の前に、播種用細胞を回収することと、前記少なくとも第１の部分の少なくとも第３の部分に回収細胞を播種することをさらに備えることができる。回収細胞は前記レシピエントから回収することができる。該方法は外科移植の前に、成長因子、サイトカイン、分化因子、脱塩骨粉、幹細胞から成る群から選択される成分を備える組成物に移植組織をさらすことをさらに備えることができる。
【００４４】
本発明ならびに本発明のその他および追加の目的への理解を深めるため、添付図面および詳細な説明を参照し、その範囲を添付の請求項で指摘する。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明を実行するのに適した、ＧＣＩＢ技術において既知な種類のガスクラスタイオンビーム処理システム１００の概略図である。
【図２】ワークピースホルダを示すガスクラスタイオンビーム処理システムの一部の拡大図である。
【図３】ＧＣＩＢを用いてワークピースを処理する従来技術のＧＣＩＢ処理装置１１００の構成要素を示す概略図である。
【図４】ＧＣＩＢを用いてワークピースを処理する別の従来技術のＧＣＩＢ処理装置１２００の概略図であり、イオンビームの走査とワークピースの操作が採用されている。
【図５】荷電および未荷電ビームを分離する静電偏向板を利用する、本発明の実施形態に係る中性ビーム処理装置１３００の概略図である。
【図６】中性ビーム測定のために熱センサを使用する、本発明の実施形態に係る中性ビーム処理装置１４００の概略図である。
【図７】本発明の実施形態に係る、靱帯組織のＧＣＩＢ照射から生じる液滴接触角度測定値の低下を示すグラフ３００である。
【図８】本発明の実施形態に係る、骨組織のＧＣＩＢ照射から生じる液滴接触角度測定値の低下を示すグラフ４００である。
【図９】本発明の実施形態に係る、骨組織の中性ビーム照射から生じる液滴接触角度測定値の低下を示すグラフ４５０である。
【図１０】対照靱帯サンプルでの細胞成長を示す顕微鏡図５００である。
【図１１】本発明の実施形態により処理された靱帯サンプルでの細胞成長の向上を示す顕微鏡図６００である。
【図１２Ａ−１２Ｃ】未照射対照サンプル、中性ビーム照射サンプル、ＧＣＩＢ照射骨サンプルの走査型電子顕微鏡画像であり、対照サンプルと比較して照射サンプルでの細胞の接着および増殖が向上したことを示す。
【図１３】本発明の改良生体物質の有効な適用の例示の実施形態を示す膝関節の概略図７００である。
【発明を実施するための形態】
【００４６】
以下の説明では、簡潔化のため、上述の図の要素符号が、後述の図で説明なく使用される場合がある。同様に、上述の図に関して説明した要素が、後述の図で要素符号または追加の説明なく使用される場合がある。このような場合、類似の符号を付した要素は類似の要素であり、上述の特徴および機能を有し、本図面に示される要素符号を付していない要素の説明は、上述の図面に示される類似の要素と同一の機能を有する類似の要素を指す。
【００４７】
表面処理用の従来技術において既知な種類の標準的なガスクラスタイオンビーム（ＧＣＩＢ）プロセッサ１００を示す図１を参照する。本文書に記載の具体的構成要素に限定しないが、プロセッサ１００は３つの連通チャンバ、すなわち、ソースチャンバ１０４、イオン化／加速チャンバ１０６、ガスクラスタイオンビームによる処理のためにワークピース１０を位置決めすることのできるワークピースホルダ１５０を含む処理チャンバ１０８に分割される真空容器１０２から成る。
【００４８】
使用時、３つのチャンバは真空ポンプシステム１４６ａ、１４６ｂ、１４６ｃによってそれぞれ適切な動作圧まで排気される。シリンダ１１１に保管された凝縮性ソースガス１１２（たとえば、アルゴンまたはＮ２）はガス測定弁１１３およびガス供給管１１４を通って圧力下で停滞チャンバ１１６へと至り、適切な形状のノズル１１０を介して略低圧真空に放射されて超音波ガスジェット１１８を形成する。ジェット内の拡張から生じる冷却により、ガスジェット１１８の一部がクラスタに凝結され、クラスタは大半が数百〜数千（または数万）の弱く結合した原子または分子から成る。ガススキマ開口１２０は、このような高圧が有害となる下流領域（たとえば、イオン化装置１２２、高電圧電極  １２６、処理チャンバ１０８）の圧力を最小化するように、クラスタジェットに凝結されなかったガス分子とクラスタジェットとを部分的に分離する。適切な凝縮可能ソースガス１１２は、不活性ガス（アルゴンなど）、窒素、二酸化炭素、酸素を含むが必ずしもそれらに限定されない。
【００４９】
ガスクラスタを含む超音波ガスジェット１１８の形成後、クラスタはイオン化装置１２２でイオン化される。イオン化装置１２２は、１つまたはそれ以上の蛍光灯フィラメント１２４から熱電子を生成し、電子を加速および方向付けてガスジェット１１８内のガスクラスタと衝突させる電子衝撃イオン化装置とすることができ、ジェットはイオン化装置１２２を通過する。電子衝撃はクラスタから電子を放射して、クラスタの一部を正イオン化させる。１セットの適切にバイアスをかけられた高電圧電極１２６はイオン化装置１２２からクラスタイオンを抽出してビームを形成し、その後、加速電位（通常は１ｋＶ〜数十ｋＶ）でクラスタイオンを加速し、それらを集束させて最初の軌道１５４を有するＧＣＩＢ１２８を形成する。フィラメント電源１３６はイオン化装置フィラメント１２４を加熱する電圧ＶＦを供給する。アノード電源１３４は、フィラメント１２４から放射される熱電子を加速し、クラスタ含有ガスジェット１１８と衝突させてイオンを生成する電圧ＶＡを供給する。抽出電源１３８は、高電圧電極にバイアスをかけ、イオン化装置１２２のイオン化領域からイオンを抽出し、ＧＣＩＢ１２８を形成する電圧ＶＥを供給する。アクセラレータ電源１４０は、総ＧＣＩＢ加速電位がＶＡｃｃボルト（Ｖ）と等しくなるようにイオン化装置１２２に関して高電圧電極にバイアスをかける電圧ＶＡｃｃを供給する。一つまたはそれ以上のレンズ電源（たとえば、１４２および１４４）を設けて、電圧（たとえばＶＬ１およびＶＬ２）で高電圧電極にバイアスをかけ、ＧＣＩＢ１２８を集束させることができる。
【００５０】
ＧＣＩＢプロセッサ１００によって処理されるワークピース１０は、ＧＣＩＢ１２８の経路に配置されるワークピースホルダ１５０に保持される。クリップまたは締め付け具またはその他の保持具とすることができる任意のリテーナ１２を採用して、ワークピース１０をワークピースホルダ１５０の装着位置に保持することができる。ワークピース１０の均一処理のため、ワークピースホルダ１５０を後述するように設計して、均一処理のために必要となるように適切にワークピース１０を操作する。
【００５１】
図２を参照すると、非平面状、すなわち、球状またはカップ状、円形、不規則、またはその他の非平坦構造（生体物質の中で遭遇する場合がある）である任意のワークピース表面は、ワークピース表面の最適なＧＣＩＢ処理を実現するようにビーム入射に対してある角度範囲内で配向させることができる。このため、処理対象の非平面状表面全部をＧＣＩＢと適切に整合して配向させ、処理最適化および均一性を提供するために完全に連接させることのできるワークピースホルダ１５０を採用する。より具体的には、処理されているワークピース１０が非平面状であるとき、ワークピースホルダ１５０はＧＣＩＢプロセッサ１００の端部に配置される機構１５２によって回転および連接させることができる。連接／回転機構１５２は好ましくは、縦軸１５５（ＧＣＩＢ１２８の最初の軌道１５４と共軸にすることができる）を中心とした装置の３６０度の回転と軸１５５に垂直な軸１５７を中心とした十分な連接を可能にし、ワークピース表面をビーム入射の所望範囲内に維持する。
【００５２】
状況によっては、ワークピース１０のサイズに応じて、走査システムは大きなワークピースを均一に照射することが望ましい。ＧＣＩＢ処理には必ずしも必要ないが、二対の直交する静電走査板１３０および１３２を利用して、拡張処理領域全体にラスタまたはその他の走査パターンを生成することができる。このようなビーム走査が実行されると、走査ジェネレータ１５６は、リード対１５８および１６０をそれぞれ通じて対の走査板１３０および１３２にＸ軸およびＹ軸走査信号電圧を提供する。走査信号電圧は一般的には、ＧＣＩＢ１２８をワークピース１０の表面全体を走査する走査ＧＣＩＢ１４８に変換させる異なる周波数を有する三角波である。
【００５３】
拡張領域全体にわたるビーム走査が所望されないとき、処理は通常、ビーム径によって画定される領域に限定される。ワークピース表面のビーム径は、ワークピースでの所望のビーム径を提供するため、１つまたはそれ以上のレンズ電源（たとえば１４２および１４４で図示）の電圧（ＶＬ１および／またはＶＬ２）を設定することによって設定可能である。図１および２には具体的には図示されていないが、このような従来技術のＧＣＩＢ処理システムは通常、処理にとって重要なＧＣＩＢパラメータ（たとえば、加速電位、ビーム電流、ビーム焦点、ガス流、ワークピースに印加されるビーム線量、ワークピース操作など）を測定および制御するセンサおよび回路を採用し、自動処理および処理方法の管理、選択、制御のための追加の処理装置および自動化も採用することができる。
【００５４】
図１および２は特定の種類の平面上および単純な形状の非平面状ワークピースの保持および操作に適したワークピースホルダとマニピュレータを示すが、従来技術に習熟した人であれば、その他の種類のより簡易なまたは複雑なホルダおよびマニピュレータが既知であることを理解するであろう。たとえば、Ｋｉｒｋｐａｔｒｉｃｋらの米国特許第６，６７６，９８９号は、血管ステントなどの管状または円筒状ワークピースの処理に最適化されるホルダおよびマニピュレータを教示している。生体物質の複数の表面にＧＣＩＢまたは中性ビームを照射するマニピュレータは当業者にとって既知である、および／または単に通常のスキルを用いて容易に構成することができる。本発明の実施形態では、加速ガスクラスタイオンビームから得られる中性ビームが生体物質の処理に採用される。
【００５５】
［加速ＧＣＩＢから得られる加速低エネルギー中性ビーム］
図３は、従来技術のＧＣＩＢ処理装置１１００の概略構造を示す。低圧容器１１０２はノズルチャンバ１１０４、イオン化／加速チャンバ１１０６、処理チャンバ１１０８の三つの流体接続チャンバを有する。三つのチャンバは真空ポンプ１１４６ａ、１１４６ｂ、１１４６ｃによってそれぞれ排気される。ガス保管シリンダ１１１１に保管される圧縮凝縮性ソースガス１１１２（たとえば、アルゴン）はガス測定バルブ１１１３および供給管１１１４を通って停滞チャンバ１１１６へと流れ込む。停滞チャンバ１１１６内の圧力（通常、数気圧）により、放射されたガスはノズル１１１０を介して略低圧の真空に放射され超音波ガスジェット１１１８を形成する。ジェット内の膨張から生じる冷却によって、ガスジェット１１１８の一部はそれぞれが数個から数千個の弱く結合した原子または分子から成るクラスタへと凝結する。ガススキマ開口１１２０は、クラスタジェットに凝結されなかったガス分子とクラスタジェットとを部分的に分離することによってガス流を下流チャンバへと制御するために採用される。下流チャンバ内の過剰な圧力は、ガスクラスタイオンの移送と、ビーム形成および送信のために採用され得る高電圧の管理とを阻害するために有害である。適切な凝縮性ソースガス１１１２はアルゴンおよびその他の凝縮性希ガス、窒素、二酸化炭素、酸素、およびその他多くのガスおよび／またはガス混合物を含むがそれらに限定されない。超音波ガスジェット１１１８内のガスクラスタの形成後、ガスクラスタの少なくとも一部はイオン化装置１１２２でイオン化され、該装置は通常、一つまたはそれ以上の白熱フィラメント１１２４（またはその他の適切な電子源）からの熱放射により電子を生成して、電子を加速および方向付けてガスジェット１１１８内のガスクラスタと衝突させる電子衝撃イオン化装置である。電子とガスクラスタとの衝突によりガスクラスタの一部から電子が放射され、それらのクラスタを正イオン化させる。いくつかのクラスタは放射される二つ以上の電子を有し、複数でイオン化することができる。通常、加速後の電子数とそのエネルギーの制御は、起こり得るイオン化の数と、ガスクラスタの複数イオン化と単独イオン化との割合に影響を及ぼす。サプレッサ電極１１４２および接地電極１１４４はイオン化装置出口開口１１２６からクラスタイオンを抽出し、それらを所望のエネルギー（通常は数百Ｖ〜数十ｋＶの加速電位）まで加速し集束させてＧＣＩＢ１１２８を形成する。ＧＣＩＢ１１２８がイオン化装置出口開口１２６とサプレッサ電極１１４２間を横断する領域を抽出領域と称する。ガスクラスタを含有する超音波ガスジェット１１１８の軸（ノズル１１１０で決定）はＧＣＩＢ１１２８の軸１１５４と略同一である。フィラメント電源１１３６は、イオン化装置フィラメント１１２４を加熱するフィラメント電圧Ｖｆを供給する。アノード電源１１３４は、フィラメント１１２４から放射される熱電子を加速して、熱電子にクラスタ含有ガスジェット１１１８を照射させてクラスタイオンを生成するアノード電圧ＶＡを供給する。抑制電源１１３８はサプレッサ電極１１４２にバイアスをかける抑制電圧Ｖｓ（数百〜数千ボルト）を供給する。アクセラレータ電源１１４０は、ＶＡｃｃに等しい総ＧＣＩＢ加速電位となるように、サプレッサ電極１１４２および接地電極１１４４に対してイオン化装置１１２２にバイアスをかける加速電圧ＶＡｃｃを供給する。サプレッサ電極１１４２はイオン化装置１１２２のイオン化装置出口開口１１２６からイオンを抽出し、不所望の電子が下流からイオン化装置１１２２に入るのを防止し、集束ＧＣＩＢ１１２８を形成する役割を果たす。
【００５６】
ＧＣＩＢ処理によって処理されるワークピース１１６０、（たとえば）医療装置、半導体材料、光学素子、または他のワークピースは、ＧＣＩＢ１１２８の経路に配置されるワークピースホルダ１１６２に保持される。ワークピースホルダは処理チャンバ１１０８に装着されているが、電気絶縁体１１６４によって電気的に絶縁されている。よって、ワークピース１１６０およびワークピースホルダ１１６２に衝突するＧＣＩＢ１１２８は導線１１６８を通って線量プロセッサ１１７０へと流れる。ビームゲート１１７２は、軸１１５４に沿ったワークピース１１６０までのＧＣＩＢ１１２８の送信を制御する。ビームゲート１１７２は通常、（たとえば）電気的、機械的、または電気機械的とすることのできる連結機構１１７４によって制御される開放状態と閉鎖状態を有する。線量プロセッサ１１７０はビームゲート１１７２の開放／閉鎖状態を制御して、ワークピース１１６０およびワークピースホルダ１１６２が受け取るＧＣＩＢの線量を管理する。動作時、線量プロセッサ１１７０はビームゲート１１７２を開放させて、ワークピース１１６０にＧＣＩＢを照射させる。通常、線量プロセッサ１１７０はワークピース１１６０とワークピースホルダ１１６２に到達するＧＣＩＢ電流を統合して、積算ＧＣＩＢ照射線量を算出する。所定の線量で、線量プロセッサ１１７０はビームゲート１１７２を閉鎖して、所定の線量に達した時点で処理を終了する。
【００５７】
図４は、ＧＣＩＢを使用するワークピース処理用の別の従来技術のＧＣＩＢ処理装置１２００の構成要素を示す概略図であり、イオンビームの走査とワークピースの操作が採用されている。ＧＣＩＢ処理装置１２００によって処理されるワークピース１１６０は、ＧＣＩＢ１１２８の経路に配置されるワークピースホルダ１２０２に保持される。ワークピース１１６０の均一処理を達成するため、ワークピースホルダ１２０２は均一の処理に必要とされるようにワークピース１１６０を操作すべく設計される。
【００５８】
非平面状、たとえば、球状またはカップ状、円形、不規則、またはその他の非平坦な構造を有するワークピース表面は、ビーム入射に対してある範囲内の角度で配向させて、ワークピース表面にとって最適のＧＣＩＢ処理を達成することができる。処理の最適化と均一性のため、ワークピースホルダ１２０２は、処理対象の非平面上表面全体がＧＣＩＢ１１２８と適切に整合して配向されるように完全に連接させることができる。より具体的には、処理されるワークピース１１６０が非平面状である場合、ワークピースホルダ１２０２は連接／回転機構１２０４によって回転運動１２１０で回転させ、連接運動１２１２で連接させることができる。連接／回転機構１２０４は縦軸１２０６（ＧＣＩＢ１１２８の軸１１５４と同軸である）を中心とした３６０度の回転と、軸１２０６と垂直な軸１２０８を中心とした十分な連接とを可能にし、ワークピース表面をビーム入射の所望の範囲内に維持する。
【００５９】
特定の状況下では、ワークピース１１６０のサイズに応じて、走査システムは、大きなワークピースに均一な照射を行うことが望ましい。ＧＣＩＢ処理には必要ない場合が多いが、直交した二対の静電走査板１１３０および１１３２が使用されて、拡張処理領域全体にラスタまたはその他の走査パターンを生成する。このようなビーム走査が実行されると、走査ジェネレータ１１５６はリード対１１５９を通じて対の走査板１１３２にＸ軸走査信号電圧を、リード対１１５８を通じて対の走査板１１３０にＹ軸走査信号電圧を供給する。一般的に、走査信号電圧は、ＧＣＩＢ１１２８をワークピース１１６０の表面全体を走査する走査ＧＣＩＢ１１４８に集束させる、異なる周波数の三角波である。走査ビーム画定開口１２１４は走査領域を画定する。走査ビーム画定開口１２１４は導電性であり、低圧容器１１０２の壁に電気的に接続され、支持部材１２２０によって支持される。ワークピースホルダ１２０２は可撓導線１２２２を介して、ワークピース１１６０およびワークピースホルダ１２０２を囲み、画定開口１２１４を流れる全電流を回収するファラデーカップ１２１６に電気的に接続される。ワークピースホルダ１２０２は連接／回転機構１２０４から電気的に隔離され、ファラデーカップ１２１６は絶縁体１２１８によって低圧容器１１０２から電気的に隔離され低圧容器１１０２上に搭載される。したがって、走査ビーム画定開口１２１４を通過する走査ＧＣＩＢ１１４８からの全電流はファラデーカップ１２１６に回収されて、導線１２２４を通って線量プロセッサ１１７０まで流れる。動作時、線量プロセッサ１１７０はビームゲート１１７２を開放して、ワークピース１１６０のＧＣＩＢ照射を開始する。通常、線量プロセッサ１１７０はワークピース１１６０およびワークピースホルダ１２０２とファラデーカップ１２１６に到達するＧＣＩＢ電流を統合し、単位面積当たりの積算ＧＣＩＢ照射線量を算出する。所定の線量で、線量プロセッサ１１７０はビームゲート１１７２を閉鎖して、所定線量が達成された時点で処理を終了する。所定線量の蓄積中、ワークピース１１６０は、所望の表面全体の処理を確保するように連接／回転機構１２０４によって操作することができる。
【００６０】
図５は、本発明の実施形態に係る中性ビーム処理のために採用可能な典型例としての中性ビーム処理装置１３００の概略図である。該装置は、ＧＣＩＢの荷電部分と非荷電部分とを分離する静電偏向板を使用する。ビームラインチャンバ１１０７はイオン化装置、アクセラレータ領域、ワークピース処理領域を封入する。ビームラインチャンバ１１０７は高導電性を有するため、圧力は全体を通じてほぼ一定である。真空ポンプ１１４６ｂはビームラインチャンバ１１０７を排気する。ガスは、ガスジェット１１１８によって運ばれるクラスタ化ガスおよび非クラスタ化ガスの形状で、およびガススキマ開口１１２０を通じて漏れる追加の未クラスタガスの形状でビームラインチャンバ１１０７に流れ込む。圧力センサ１３３０は、ビームラインチャンバ１１０７から電気ケーブル１３３２を介して圧力センサコントローラ１３３４に圧力データを送信し、そこでビームラインチャンバ１１０７内の圧力が測定および表示される。ビームラインチャンバ１１０７内の圧力は、ビームラインチャンバ１１０７へのガス流と真空ポンプ１１４６ｂのポンピング速度とのバランスに依存する。ガススキマ開口１１２０の径、ノズル１１１０を通るソースガス１１１２流、真空ポンプ１１４６ｂのポンピング速度を選択することによって、ビームラインチャンバ１１０７内の圧力は設計とノズル流とによって決定される圧力ＰＢに釣り合う。接地電極１１４４からワークピースホルダ１６２へのビーム飛行行程はたとえば１００ｃｍである。設計および調節によって、ＰＢは約６×１０−５トル（８×１０−３パスカル）とすることができる。よって、圧力とビーム路長の積は約６×１０−３トル−ｃｍ（０．８パスカル−ｃｍ）であり、ビームのガス目標厚は平方センチメートル当たり約１．９４×１０１４のガス分子であり、これはＧＣＩＢ１１２８でガスクラスタイオンを分離するのに有効であると考えられる。ＶＡｃｃはたとえば  ３０ｋＶとすることができ、ＧＣＩＢ１１２８はその電位で加速される。一対の偏向板（１３０２および１３０４）がＧＣＩＢ１１２８の軸１１５４を中心にして配置される。偏向板電源１３０６は導線１３０８を介して正の偏向電圧ＶＤを偏向板１３０２に供給する。偏向板１３０４は導線１３１２によって、電流センサ／ディスプレイ１３１０を通じて電気的に接地させることができる。偏向板電源１３０６は手動で制御可能である。ＶＤは、ゼロ電圧からＧＣＩＢ１１２８のイオン化部分１３１６を偏向板１３０４上に完全に偏向させるのに十分な電圧（たとえば数千ボルト）まで調節することができる。ＧＣＩＢ１１２８のイオン化部分１３１６が偏向板１３０４で偏向すると、結果として生じる電流ＩＤは導線１３１２と表示用の電流センサ／ディスプレイ１３１０とを流れる。ＶＤがゼロのとき、ＧＣＩＢ１１２８は偏向されずにワークピース１１６０およびワークピースホルダ１１６２へと移動する。ＧＣＩＢビーム電流ＩＢはワークピース１１６０およびワークピースホルダ１１６２上で回収され、導線１１６８および電流センサ／ディスプレイ１３２０を通って流れ接地する。ＩＢが電流センサ／ディスプレイ１３２０に示される。ビームゲート１１７２はビームゲートコントローラ１��３６によってリンク機構１３３８を介して制御される。ビームゲートコントローラ１３３６は手動で、あるいは電気的または機械的に所定値によって時間を調整され、所定のインターバルでビームゲート１１７２を開放させることができる。使用時、ＶＤはゼロに設定され、ワークピースホルダに衝突するビーム電流ＩＢが測定される。所与のＧＣＩＢプロセス法での過去の経験に基づき、所与のプロセスでの最初の照射時間は、測定された電流ＩＢに基づき決定される。ＶＤは、すべての測定ビーム電流がＩＢからＩＤに移るまで増加され、ＩＤはＶＤの増加と共に増加しない。この時点で、最初のＧＣＩＢ１１２８の分離成分を備える中性ビーム１３１４がワークピースホルダ１１６２を照射する。その後、ビームゲート１１７２は閉鎖されて、ワークピース１１６０が従来のワークピース装填手段（図示せず）によってワークピースホルダ１１６２に配置される。ビームゲート１１７２は所定の最初の放射期間、開放される。照射インターバル後、ワークピースを調査し、測定されたＧＣＩＢビーム電流ＩＢに基づき中性ビーム処理時間を較正するように処理時間を必要に応じて調節することができる。このような較正プロセス後、追加のワークピースは較正被爆期間を用いて処理することができる。
【００６１】
中性ビーム１３１４は、加速ＧＣＩＢ１１２８の最初のエネルギーの反復可能部分を含む。最初のＧＣＩＢ１１２８の残りのイオン化部分１３１６は中性ビーム１３１４から除去され、接地偏向板１３０４によって回収される。中性ビーム１３１４から除去されるイオン化部分１３１６はモノマーイオンと中サイズのガスクラスタイオンを含むガスクラスタイオンとを含むことができる。イオン化プロセス中のクラスタ加熱、ビーム間衝突、背景ガス衝突、その他の原因（すべてがクラスタの侵食を招く）によるモノマー気化機構のため、中性ビームはほぼ中性モノマーから成り、分離された荷電粒子は大半がクラスタイオンである。発明者は、中性ビームの再イオン化と結果として生じるイオンの電荷質量比の測定とを含む適切な測定によってこのことを確認した。
【００６２】
図６は、本発明の実施形態で採用され得るような、たとえば中性ビームの生成の際に使用される中性ビーム処理装置１４００の概略図である。該装置は、中性ビームの測定用に熱センサを使用する。熱センサ１４０２は低伝熱性アタッチメント１４０４を介して、旋回軸１４１２に装着された回転支持アーム１４１０に装着される。アクチュエータ１４０８は可逆性回転運動１４１６を介して、熱センサ１４０２が中性ビーム１３１４またはＧＣＩＢ１１２８を捕捉する位置と熱センサ１４０２がビームを捕捉しない停止位置１４１４との間で熱センサ１４０２を移動させる。熱センサ１４０２が停止位置（１４１４で示す）にあるとき、ＧＣＩＢ１１２８または中性ビーム１３１４はワークピース１１６０および／またはワークピースホルダ１１６２の照射用の経路１４０６に沿ったままである。熱センサコントローラ１４２０は熱センサ１４０２の配置を制御し、熱センサ１４０２によって生成される信号の処理を実行する。熱センサ１４０２は電気ケーブル１４１８を通じて熱センサコントローラ１４２０と連通する。熱センサコントローラ１４２０は電気ケーブル１４２８を通じて線量測定コントローラ１４３２と連通する。ビーム電流測定装置１４２４は、ＧＣＩＢ１１２８がワークピース１１６０および／またはワークピースホルダ１１６２に衝突したときに導線１１６８に流れるビーム電流ＩＢを測定する。ビーム電流測定装置１４２４は電気ケーブル１４２６を介して線量測定コントローラ１４３２にビーム電流測定信号を伝達する。線量測定コントローラ１４３２はリンク機構１４３４を介して送信される制御信号に従い、ビームゲート１１７２の開放および閉鎖状態の設定を制御する。線量測定コントローラ１４３２は電気ケーブル１４４２を介して偏向板電源１４４０を制御し、ゼロ電圧とＧＣＩＢ１１２８のイオン化部分１３１６を偏向板１３０４に完全に偏向させるのに十分な正電圧との間で偏向電圧ＶＤを制御することができる。ＧＣＩＢ１１２８のイオン化部分１３１６が偏向板１３０４に衝突すると、結果として生じる電流ＩＤが電流センサ１４２２によって測定され、電気ケーブル１４３０を介して線量測定コントローラ１４３２に伝達される。動作時、線量測定コントローラ１４３２は熱センサ１４０２を停止位置１４１４に設定し、ビームゲート１１７２を開放し、フルＧＣＩＢ１１２８がワークピースホルダ１１６２および／またはワークピース１１６０に衝突するようにＶＤをゼロに設定する。線量測定コントローラ１４３２はビーム電流測定装置１４２４から送信されるビーム電流ＩＢを記録する。次に、線量測定コントローラ１４３２は、熱センサコントローラ１４２０から中継されるコマンドに従いＧＣＩＢ１１２８を捕捉するように熱センサ１４０２を停止位置１４１４から移動させる。熱センサコントローラ１４２０はセンサの熱容量と、温度が所定の測定温度（たとえば、７０゜Ｃ）に上昇したときの熱センサ１４０２の測定した温度上昇速度とに基づき算出されるＧＣＩＢ１１２８のビームエネルギー束を測定し、算出したビームエネルギー束を線量測定コントローラ１４３２に伝達し、線量測定コントローラ１４３２は熱センサ１４０２によって測定されたビームエネルギー束とビーム電流測定装置１４２４によって測定されたビーム電流の較正を算出する。次に、線量測定コントローラ１４３２は熱センサ１４０２を停止位置１４１４に停止させることによって熱三叉を冷却させ、ＧＣＩＢ１１２８のイオン化部分による電流ＩＤがすべて偏向板１３０４に伝達されるまで、正ＶＤを偏向板１３０２に印加するよう命じる。電流センサ１４２２は対応するＩＤを測定し、それを線量測定コントローラ１４３２に伝える。また、線量測定コントローラは熱センサ１４０２を停止位置１４１４から移動させて、熱センサコントローラ４２０を介して中継されるコマンドに従い中性ビーム１３１４を捕捉する。熱センサコントローラ４２０は予め決定された較正係数と温度が所定の測定温度まで上昇したときの熱センサ１４０２の温度上昇速度とを用いて中性ビーム１３１４のビームエネルギー束を測定し、中性ビームエネルギー束を線量測定コントローラ１４３２に伝達する。線量測定コントローラ１４３２はフルＧＣＩＢ１１２８エネルギー束の熱測定値に対する中性ビーム１３１４エネルギー束の熱測定値の比である中性ビーム部分を算出する。通常動作時、約５０％〜約９５％の中性ビーム部分が達成される。処理開始前に、線量測定コントローラ１４３２は電流ＩＤも測定し、ＩＢとＩＤの最初の値間の電流比を決定する。処理中、最初のＩＢ／ＩＤ比を掛ける同時ＩＤ測定をＩＢの連続測定の代わりに使用して、線量測定コントローラ１４３２による処理の制御中に線量測定のために使用することができる。よって、線量測定コントローラ１４３２は、あたかもフルＧＣＩＢ１１２８の実際のビーム電流測定が利用可能であるかのように、ワークピース処理中のビーム変動を相殺することができる。線量測定コントローラは中性ビーム比を利用して、特定のビーム工程にとって所望の処理時間を算出する。このプロセス中、処理時間は、プロセス中のビーム変動の修正のために較正ＩＤ測定値に基づき調節することができる。
【００６３】
ＧＣＩＢ照射が生物組織の液滴接触角度（親水性の基準）に及ぼす効果を判定する試験を実行した。若いブタの膝を使用して、内側側副靱帯（ＭＣＬ）および外側側副靱帯（ＬＣＬ）と大腿骨幹を回収した。靱帯を他の疎組織から注意深く分離させて、リン酸塩緩衝食塩水（ＰＢＳ）ですすぎ、長さ約１ｃｍ、自然幅約５ｍｍの片に切断した。骨幹は長さ約２ｃｍの円筒状に切断し、幹を長さ方向に下ってさらに半円状の片に切断した。片は鉗子で引き剥がすことによって骨膜を取り除いた後、ＰＢＳですすいだ。骨および靱帯組織サンプル（対照を含む）の両方ともその後の処理は同一とした。組織は一晩ＰＢＳに保管した。次に、組織サンプル（骨と靱帯の両方）をＰＢＳから取り出し、ＧＣＩＢ処理システムの処理チャンバに個々に導入した。処理チャンバは約１００ミリトルの低真空まで排気した（低真空を達成する排気時間は骨サンプルで約３０分、靱帯サンプルで約２分だった）。低真空達成後、サンプルを高真空に導入し、高真空（約６×１０−５トル）にさらした。その後、骨および靱帯組織の両試験サンプルはＧＣＩＢ照射によって高真空下で処理した。対照サンプルは照射しなかったが、同じ真空状態および期間とした。ＧＣＩＢ照射は、３０ｋＶの加速電位で平方センチメートル当たり５×１０１４のアルゴンクラスタの表面線量を照射表面に投与した。照射時間と対応する高真空露出時間とは骨および靱帯組織の両サンプルで約３分２０秒とした。
【００６４】
ＧＣＩＢ照射および／または真空露出後、組織サンプルをバイオセーフティキャビネット内で一晩乾燥させた。
【００６５】
サンプルの湿潤性を液滴形状分析システム（ドイツ、ハンブルグ、Ｋｒｉｉｓｓ  ＧｍｂＨ、型番ＤＳＡ−１０、Ｋｒｉｉｓｓ  ＤＳＡ１版１．８分析ソフトウェア）を用いて調査し、組織サンプル上の水滴に関する表面接触角度を判定した。照射サンプルと照射対照サンプルの両方で骨および靱帯組織に関して同一の測定値が得られた。測定毎に、データは、各表面（照射および未照射対照の靱帯と骨）に３ミクロリットルの脱イオン水の液滴を配置した５秒後に取得された。すべての測定が大気状態下で実行され、各分析が３回繰り返された（各サンプル毎に３回のテスト）。
【００６６】
結果が示すとおり、ＧＣＩＢ照射された靱帯および骨サンプルの接触角度は未照射対照サンプルに比べて低下しているため、親水性は上昇している。
【００６７】
図７は、ＧＣＩＢ照射サンプルおよび未照射対照サンプルの両方に関する靱帯組織サンプルの３回の測定の液滴表面接触角度の試験結果を示すグラフ３００である。靱帯組織上の脱イオン水を使用する液滴接触角度の測定値は、ＧＣＩＢ処理に応答して靱帯組織表面の親水性が上昇していることを示す。液滴接触角度（度）は、未照射対照靱帯の平均５５．５９（標準偏差９．０３）からＧＣＩＢ照射サンプルの３６．０９（標準偏差１０．９３）まで低減した（変化の統計的有意ｐ＜０．００４）。
【００６８】
図８は、ＧＣＩＢ照射サンプルおよび未照射対照サンプルの両方に関して骨組織サンプルの３回の測定における液滴表面接触角度の試験結果を示すグラフ４００である。骨組織上で脱イオン水を使用する液滴接触角度の測定は、ＧＣＩＢ処理に応答して骨組織表面の親水性が上昇したことを示す。液滴接触角度（度）は、未照射対照骨の平均７２．８６（標準偏差１．４７）からＧＣＩＢ照射サンプルの６１．４２（標準偏差１．０６）まで低減した（変化の統計的有意ｐ＜０．０１５）。
【００６９】
３０ｋＶの加速電位で加速されたアルゴンＧＣＩＢから得られる加速中性ビームと３０ｋＶの加速電位で平方センチメートル当たり２．５×１０１７のアルゴン原子の照射線量（３０ｋＶ加速電位を用いる平方センチメートル当たり５×１０１４のアルゴンクラスタイオンの線量と等価のエネルギー量）とを用いて追加実験を行い、加速中性ビームが表面の親水性を高める目的でＧＣＩＢと同様に有効である（対照サンプルと比較）ことが分かった。親水性は組織サンプル上の水滴の表面接触角度を測定することで判定される。中性ビームは、照射する表面に電荷を移送しないため、表面下損傷を引き起こす可能性が低いという追加の特性を備える。
【００７０】
液滴接触角度（度、親水性の基準）を変更するために中性ビーム照射が骨に及ぼす効果を判定する試験を実行した。ウシの大腿骨を使用して骨髄なしの大腿骨幹を回収した。骨幹は鉗子で骨膜を引き剥がすことによって骨膜を除去した後、ＰＢＳですすいだ。骨幹を切断して１０ｍｍ×１０ｍｍ×１ｍｍの片を形成した。該片を清掃し、公開されたＷｏｏｄｓとＧｒａｔｚｎｅｒの従来の方法（Ｗｏｏｄｓ，ＴとＧｒａｔｚｎｅｒ，Ｐ．Ｆ．「脱細胞化骨−前十字靱帯−骨移植片の形成における３つの抽出技術の有効性」、Ｂｉｏｍａｔｅｒｉａｌｓ  ｖ２６，（２００５）、７３３９〜７３４９ページ）によって部分的に脱細胞化した。骨片は一晩ＰＢＳに保管し、凍結乾燥してから、個々に中性ビーム処理システムの処理チャンバに導入した。処理チャンバは約１００ミリトルの低真空まで排気した。低真空達成後、サンプルを高真空（約６×１０−５トル）に導入した。次に、骨の試験サンプルを高真空下で中性ビーム照射によって処理した。対照サンプルは照射しなかったが、同一の真空状態および期間とした。中性ビーム照射では、３０ｋＶ加速電位を用いて平方センチメートル当たり２．５×１０１７のアルゴン原子の表面線量を照射表面に印加した。
【００７１】
中性ビーム照射および／または真空露出（対照）後、骨サンプルの湿潤性をテストした。サンプルの湿潤性は骨サンプル上の水滴の表面接触角度を判定することによって調査された。照射サンプルと未照射対照サンプルで同一の測定を行った。測定毎に、表面に３ミクロリットルの脱イオン水の液滴を置いてから５秒後のデータを取得した。大気状態ですべての測定を実行し、各分析は４回繰り返して行った（照射または対照サンプル毎に異なる位置で４回の試験）。
【００７２】
図９は、中性ビーム照射サンプルと未照射対照サンプルの両方で、骨組織サンプルの４回の測定の液滴表面接触角度試験結果を示すグラフ４５０である。骨組織上の脱イオン水を使用する液滴接触角度の測定値は、中性ビーム処理に応答して骨組織表面の親水性が上昇していることを示す。滴接触角度（度）は、未照射対照骨の平均９４．１（標準偏差２．６）から中性ビーム照射サンプルの５９．５（標準偏差１９．９）に低減した（変化の統計的有意ｐ＜０．０３８）。なお、図９のグラフに総括され上述したような中性ビーム実験は、図８のグラフに総括され上述したようなＧＣＩＢ実験と比べて接触角度がより大きく低下した（平均接触角度の低下％はＧＣＩＢ照射の１６％と比較し中性ビーム照射では３７％だった）。生物表面のＧＣＩＢおよび／または中性ビーム処理は表面の親水性を上昇させるため、脱細胞化靱帯のＧＣＩＢ処理が（たとえば）線維芽細胞によってより良好に再細胞化できる表面をもたらすことを実証するための追加実験を行った。ブタ前十字靱帯（ＡＣＬ）片を使用して、公開された移植方法（Ｒｏｓｓ  ＳＭ，  Ｊｏｓｈｉ  Ｒ，およびＦｒａｎｋ  ＣＢ「ウサギの内側側副靱帯および前十字靱帯の移植方法」Ｉｎ  Ｖｉｔｒｏ  Ｃｅｌｌ  Ｄｅｖ  Ｂｉｏ、１９９０；２６：５７９−８４）に従い線維芽細胞を回収した。次に、若いブタの膝から分離した新鮮なＬＣＬおよびＭＣＬを、確立された技法を用いて脱細胞化した（Ｗｏｏｄｓ  Ｔ，Ｇｒａｔｚｅｒ  ＰＦ；「脱細胞化骨−前十字靱帯−骨移植片生体材料の開発における３つの抽出技術の有効性」２００５、２６：７３３９〜７３４９）。
【００７３】
ＧＣＩＢ照射を除き、靱帯組織サンプル（試験サンプルと対照の両方）の以後の処理は同一とした。脱細胞化組織を一晩ＰＢＳに保管した。次に、脱細胞化組織サンプルをＰＢＳから取り出し、ＧＣＩＢ処理システムの処理チャンバに個々に導入した。処理チャンバは約１００ミリトルの低真空まで排気した（低真空を達成する排気時間は靱帯サンプルの場合約２分だった）。低真空達成後、サンプルを高真空に導入し、高真空（約６×１０−５トル）にさらした。次に、脱細胞化靱帯組織の試験サンプルを高真空下でＧＣＩＢ照射によって処理した。対照サンプルには照射しなかったが、同一の真空状態および期間とした。ＧＣＩＢ照射では、３０ｋＶの加速電位で平方センチメートル当たり５×１０１４のアルゴンクラスタの表面線量を照射表面に印加した。照射時間および対応する高真空露出期間は、脱細胞化靱帯組織サンプル（照射および対照）の両方で約３分２０秒とした。
【００７４】
Ｓｉｇｍａ  Ｅ１２７０細胞外基質（ＥＣＭ）に懸濁させた約２×１０５の線維芽細胞を靱帯サンプルの両側に配置し（脱細胞化照射組織に新たな細胞を播種する）、適切な細胞成長培地（ダルベッコの変法イーグル培地（ＤＭＥＭ）＋１０％ウシ胎仔血清（ＦＢＳ）＋１％ペニシリン／ストレプトマイシン  抗生物質（インビトロゲンによって供給））を含む管内に置き、３日ごとに定期的に媒質を変更して１８日間成長させた。その後、靱帯標本はホルマリン内に固定し、組織構造のために処理してヘマトキシリンおよびエオシンで着色した。靱帯の顕微鏡検査の結果、ＧＣＩＢ処理を行わない対照と比較してＧＣＩＢ処理を施した靱帯サンプルで細胞接着および増殖が大きく向上していることが明らかとなった。
【００７５】
図９は、真空露出を含むがＧＣＩＢ照射なしで上述のように処理された脱細胞化ブタ靱帯組織５０４の未照射対照サンプルの表面領域５０２を示す顕微鏡図５００を示す。新たに成長した線維芽細胞の１−〜２−細胞層５０６が下の靱帯組織５０４に接着されているのが見える。
【００７６】
図１０は、真空露出とＧＣＩＢ照射の両者を含み上述のように処理された脱細胞化ブタ靱帯組織６０４のＧＣＩＢ照射サンプルの表面領域６０２を示す顕微鏡図６００を示す。図１０の倍率は図９の倍率と同じである。図１０では、新たに成長した線維芽細胞の３−〜７−細胞層６０６が照射表面で下の靱帯組織６０４に接着されているのが見える。さらに、多数の新たな線維芽細胞（たとえば６０８Ａ、６０８Ｂ、６０８Ｃ）が脱細胞化靱帯組織にずっと深く植え込まれているのが分かる。新たに成長した線維芽細胞はＧＣＩＢ照射表面での増殖に加えて、靱帯に移行し始めている。
【００７７】
これらの結果が示すように、脱細胞化靱帯表面のＧＣＩＢ照射は、外表面での線維芽細胞の接着、成長、または増殖にとってより好適な環境を生成して、表面成長をより活発にし、靱帯内への移行を推進する。細胞の靱帯内への移行は、靱帯組織の外科的植込み技術の分野で重要な前進である。生体物質のＧＣＩＢまたは中性ビーム処理の結果、外科的手順（たとえばＡＣＬ再建）の診療上の成果は格段に向上し得る。これまで、ＡＣＬ再建手術（たとえば）は一つには、移植靱帯または腱組織の身体への融合が比較的不良であるために成功が制限されてきた。ＧＣＩＢまたは中性ビーム処理靱帯または腱はより迅速に融合し、従来のＡＣＬ再建外科技術で達成される利点を越えて、さらに強固に結びついた一体化を形成する。
【００７８】
別の実験では、細胞接着および増殖を促進する骨へのＧＣＩＢおよび中性ビーム照射の効果を判定するため追加の試験を実行した。脱細胞化されたヒトの死体の骨を使用した。片は、従来の公開されたＷｏｏｄｓ  ａｎｄ  Ｇｒａｔｚｎｅｒの方法を使用して清掃し、部分的に脱細胞化した。骨片はＰＢＳに一晩保管した。次に、骨サンプルをＰＢＳから取り出し、凍結乾燥して、１０ｍｍ×６ｍｍ×３ｍｍ片に切断した。サンプルはＧＣＩＢを照射するか、あるいは中性ビームを照射するか、または対照として処理した（照射なしという以外は真空処理を含む同一の処理および取扱ステップ）。照射サンプルは処理システムの処理チャンバに個々に導入した。処理チャンバは約１００ミリトルの低真空まで排気した。低真空の達成後、サンプルは高真空に導入され、高真空（約６×１０−５トル）にさらされた。次に、骨サンプルを中性ビームまたはＧＣＩＢ照射によって高真空下で処理した。対照サンプルは照射しなかったが、同一の真空状態および期間とした。ＧＣＩＢ照射サンプルは、３０ｋＶの加速電位を用いて平方センチメートル当たり５×１０１４のアルゴンクラスタイオンのＧＣＩＢ線量を受け、中性ビーム照射は３０ｋＶの加速電位を用いて平方センチメートル当たり２．５×１０１７のアルゴン原子の表面線量を投与した（中性ビームは３０ｋＶの加速電位を用いて加速されたＧＣＩＢから得られる）。これらの２つの線量は平方センチメートル当たりエネルギー的に等価な線量である。
【００７９】
中性ビームまたはＧＣＩＢ照射および／または真空露出（対照）後、骨サンプルに生体細胞を播種した。
【００８０】
１ｍｌのＤＭＥＭ＋１０％ＦＢＳに懸濁させた約２０００のヒトの骨芽細胞を各骨片の１０ｍｍ×６ｍｍ照射または制御表面に播種して（脱細胞化照射骨に新たな細胞を播種する）、適切な細胞成長培地（ＤＭＥＭ＋１０％ＦＢＳ＋１％ペニシリン／ストレプトマイシン抗生物質（インビトロゲンによって供給）を含有する非組織培養処理皿（Ｂｅｃｔｏｎ  Ｄｉｃｋｅｎｓｏｎ  Ｆａｌｃｏｎ３５１１４７）の窪みに配置した。サンプルを培養し、８日間、細胞を骨サンプル表面に接着および増殖させた。次に、任意の接着細胞を伴う骨片をホルマリン内に固定し、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）撮像を用いる調査の準備に入った。
【００８１】
図１２Ａは、細胞播種後８日の未照射骨対照サンプルの一部のＳＥＭ画像である。画像が示すように、骨芽細胞接着はほとんどなく大半が骨である。目盛りのため、画像の下に１ｍｍ標識バーを付す。
【００８２】
図１２Ｂは、細胞播種後８日の中性ビーム処理骨サンプルの照射表面の一部のＳＥＭ画像である。
【００８３】
図１２Ｃは、細胞播種後８日のＧＣＩＢ処理骨サンプルの照射表面の一部のＳＥＭ画像である。
【００８４】
中性ビーム処理骨サンプル（図１２Ｂ）およびＧＣＩＢ処理骨サンプル（図１２Ｃ）の両方とも、骨表面のほぼすべてが骨芽細胞層で覆われており、未照射対照サンプル（図１２Ａ）と比較して照射サンプルの接着および増殖の向上を示す。
【００８５】
初代培養細胞は試験管内で成長しながら脱分化することは一般的に既知である。様々な成長因子およびマイトジェニック因子を培養に追加して細胞の元の遺伝子型と形態を維持することができる。初代ヒトの骨芽細胞は、２〜４代で、（インビトロゲン）ダルベッコの変法イーグル培地＋１０％ウシ胎仔血清＋１％ペニシリン／ストレプトマイシン抗生物質において発見される以外の追加成長因子またはマイトジェニック因子を含まない組織培養皿で培養した。２〜４代の骨芽細胞を制御状態で、あるいは平方センチメートル当たり５×１０１４のアルゴンクラスタでＧＣＩＢで照射された状態でチタンに播種し、１、７、または１０日間接着および培養させた。この期間に引き続き、ＴＲＩｚｏｌ方法（インビトロゲン）を用いて細胞からＲＮＡを抽出した。ＵＶ−分光分析によるＲＮＡ定量化後、ｉＳｃｒｉｐｔ  ｃＤＮＡ合成キット（Ｂｉｏ−Ｒａｄ）を使用して、等量のＲＮＡ（１マイクログラム）をｃＤＮＡに逆転写した。骨形成およびミネラル化中に含まれることが既知なアルカリフォスファターゼ−肝臓、骨、腎臓（ＡＬＰＬ）や、オステオカルシンという骨プロテインを生成することが既知な骨γカルボキシグルタミン酸（ｇｌａ）プロテイン（ＢＧＬＡＰ）などの、骨形成に含まれることが既知な各種遺伝子の発現分析のために、結果として生じる１００ｐｇのｃＤＮＡにリアルタイムポリメラーゼ連鎖反応（リアルタイムＰＣＲ）を施し、ハウスキーピング遺伝子ＧＡＰＤＨに関して補正した。分析は条件と時点毎に３回、ＴａｑＭａｎ  Ｇｅｎｅ  Ｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎ  Ｍａｓｔｅｒ  Ｍｉｘおよび遺伝子特異プライマ（すべてＡｐｐｌｉｅｄ  Ｂｉｏｓｙｓｔｅｍｓ製）を有するＳｔｅｐＯｎｅシステム上で実行した。制御結果に関する倍数変化はΔΔＣＴ方法によって取得した。我々は、アルゴンＧＣＩＢ処理チタン上で成長した骨芽細胞が未ＧＣＩＢ処理チタンと比較し、１０日間でＡＬＰＬで３．４１倍に増加し、ＢＧＬＡＰで２．６６倍に増大する（変化の統計的有意ｐ＜０．０５）、つまり、骨芽細胞が骨形成に向かって分化途上にあることを実証した。よって、表面のＧＣＩＢ処理のみで、ＧＣＩＢ処理表面上で増殖する細胞分化を誘発する。
【００８６】
３０ｋＶ加速電位で加速されたアルゴンＧＣＩＢから得られる中性ビームと平方センチメートル当たり５×１０１４のアルゴンクラスタのエネルギー当量を有する照射線量とを用いて、追加実験を実行し、加速中性ビームは中性ビーム照射表面（対照サンプルと比較）上の細胞の接着および成長を促進するのに効果的であることを実証した。中性ビームは、照射する表面に電荷を移送せず、よって表面の電荷誘発損傷やその他の劣化を回避する追加の特性を備える。
【００８７】
生体物質の場合、材料の予め選択された部分のみをＧＣＩＢまたは中性ビーム照射によって処理し、他の部分は照射しないことが望ましい場合が多い。このような状況では、ＧＣＩＢまたは中性ビームの断面積を制御する、およびＧＣＩＢまたは中性ビームの走査および／または偏向を制御して照射を所望の領域のみに制限することで、生体物質の選択部のＧＣＩＢまたは中性ビームの被爆を制御することができる。もしくは，  従来のマスキング技術を使用して、照射が望ましくない生体物質の表面領域をマスクし、照射が望ましい表面領域を露出させるように制御することができる。続いて、マスクとマスクを通じて露出される生体物質に拡散または走査ＧＣＩＢまたは中性ビームを照射することができる。ＧＣＩＢまたは中性ビーム照射を生体物質の選択領域に制限する各種方法は当業者にとって既知であり、本発明に含まれると意図される。
【００８８】
生体物質の特定の第１の選択部は、その選択部に第１のＧＣＩＢまたは中性ビームを照射することによって処理することができる。生体物質の追加の選択部は、ＧＣＩＢまたは中性ビーム照射の１つまたはそれ以上の追加工程を実行することによってさらに処理することができる。追加ＧＣＩＢまたは中性ビーム照射工程は異なるＧＣＩＢまたは中性ビームおよび真空処理条件、たとえば、異なるＧＣＩＢまたは中性ビーム線量、ガスクラスタイオン中の異なる成分ガス、または異なるビーム加速電位（異なるイオンビームエネルギーおよび速度につながる）を採用することができる。追加選択部は第１の選択部と異なる部分にすること、または第１の選択部に部分的または完全に対応させること、あるいは第１の選択部プラス追加部分をすべて含むことができる。このような選択的処理を採用して、再細胞化、および外科的植込みまたは移植後の身体への統合において異なる所望の反応を引き出すことができる。
【００８９】
さらに、所与の生体物質片は単独のＧＣＩＢまたは中性ビーム照射工程によって均一に処理し、その後、手術部位、他の薬物の適用、またはその他の局地的要因などに応じて、外科的植込み工程に対して各種有利な方法で反応することもできる。たとえば、ＡＣＬ置換のために使用される腱は、単独のＧＣＩＢまたは中性ビーム照射工程で均一に処理することができる。外科的に植え込まれるとき、局部的影響のため、骨と接触する部分は骨芽細胞の移行、接着、分化を推進し、骨形成を導いて腱の固定骨への統合を促進する一方、他の種類の細胞は骨と接触していない植え込まれた腱の他の部分に優先的に引き寄せられる。最も重要な点として、滑液被膜部内に見つかる靱帯線維芽細胞を含む線維芽細胞（移植片が置換靱帯として機能する場合）が優先的に引き寄せられ、接着され、移植片に入る。
【００９０】
多血小板血漿（ＰＲＰ）；反発性誘導分子（ＲＧＭａ、ＲＧＭｂ、および／またはＲＧＭｃ）；マクロファージコロニー刺激因子（Ｍ−ＣＳＦ）、顆粒球−マクロファージコロニー刺激因子（ＧＭ−ＣＳＦ）、インターロイキン−１および−９（ＩＬ１、ＩＬ６）、または癌壊死因子α（ＴＮＦα）を含むサイトカイン；ＴＧＦβ−１、ＴＧＦβ−２、ＴＧＦβ−３を含むトランスフォーミング成長因子（ＴＧＦβ上科）、すべての骨形成プロテイン（ＢＭＰ）、アクチビンＡ、成長分化因子（ＧＤＦ）、ノダル；血小板由来成長因子（ＰＤＧＦ−ＡＡ、−ＡＢ＆−ＢＢ）；線維芽細胞成長因子（ＦＧＦ）；インスリン様成長因子（ＩＧＦ）；表皮成長因子（ＥＧＦ）；または血管内皮成長因子（ＶＥＧＦ）などの適切な成長および分化因子の直接塗布によって、あるいはＴＧＦβまたはその科の要素を含有する脱塩骨粉の塗布によって、細胞再成長は所望の組織種類に有利なように分化させることができる。もしくは、たとえば、関節滑液空間で、あるいはレシピエントの大腿骨またはその他の場から抽出された骨髄の軟膜層で発見される脂肪体の間葉幹細胞の濃縮物を原位置で塗布することによって、現場にとって適切な組織へと自然に分化する細胞の移植片内の再成長が促進される。
【００９１】
図１３は、損傷した関節の靱帯置換のために本発明の改良生体物質を有益に適用する例示の実施形態を示す膝関節の概略図７００である。概略図は例示のためであり、必ずしも等縮尺ではない。膝関節の前十字靱帯（ＡＣＬ）の断裂は、損傷を負ったＡＣＬの置換外科移植を必要とすることが多い外傷である。靱帯または腱またはその一部を置換移植片として供することができる。移植片は自家移植、同種移植、または異種移植組織から得ることができる。様々な従来の外科的修復技術がある。改良されたアプローチでは、脱細胞化され、凍結乾燥され、ＧＣＩＢまたは中性ビーム照射された、図１３に示されるような腱または靱帯組織を移植片７１８として使用する。概略図７００は、膝関節のＡＣＬ置換移植片の断面を示す。大腿骨７０２の下端は大腿骨軟骨７０６を有する。脛骨７０４の上端は脛骨軟骨７０８を有する。軟骨７０６および軟骨７０８は膝関節の連接接触表面を形成する。大腿骨７０２および脛骨７０４の陰影領域はそれぞれ、大腿骨７０２および脛骨７０４の分割（単に例示のためであり外科的には切断されていない）表面を表す。便宜上、その部分は置換移植片７１８がある平面を通るように示されている。管７１０および７１２は大腿骨７０２および脛骨７０４にそれぞれ穿孔されて、また骨間で脛骨軟骨７０８と大腿軟骨７０６を貫通する。様々な管構造を採用することができ、管７１０および７１２に示される構造は単に例示を目的とする。明瞭化のため、膝蓋骨は図示せず、関節を包囲し、関節の内表面全体を浸す滑液を保持する滑液被膜も図示しない。本発明の置換移植片７１８は管７１０および７１２内に配置され、固定具７１４および７１６によってそれぞれ大腿骨端と脛骨端に固定される。任意の様々な固定具および固定技術（金属および生分解性ポリマー固定具を含む）を使用することができ、固定具７１４および７１６は単なる例示である。移植片７１８は大腿骨管７１０に挿入および保持される大腿骨挿入部７２２をと、脛骨管に挿入および保持される脛骨挿入部７２０を有する。
【００９２】
１実施形態では、移植片７１８の脱細胞化され、凍結乾燥され、ＧＣＩＢまたは中性ビーム照射された組織は、外科的配置と関節への固定の前に再建されない。関節を浸す滑液（図示せず）は大腿骨挿入部７２２および脛骨挿入部７２０の両方を含む移植片７１８と接触している。膝蓋骨滑液内の（または損傷を負い摘出されたＡＣＬの残りの原線維内に存在する）線維芽細胞は移植片７１８と接触し、移植片７１８に接着して、移植片７１８内で増殖する。これらの線維芽細胞は成長し、適切な靱帯線維芽細胞に分化して、最終的に健康な組織を再建する。移植片７１８の大腿骨挿入部７２２と脛骨挿入部７２０では、移植片が脛骨の管７１２内の骨と接触し、大腿骨挿入部７２０および７２２内の管７１０内の骨が骨芽細胞の血液および前駆体を含む骨組織と接触する。骨芽細胞は移植片７１８の挿入部７２０および７２２の表面に広がり、接着し、増殖し、骨組織に分化して、最終的に移植片７１８の挿入部７２０および７２２の移植片構造を完全に再構築し置換する。
【００９３】
別の実施形態では、移植片７１８の外科的配置前に、挿入部７２０および７２２となる移植片の部分、および／または骨に挿入されない移植片の部分は、多血小板血漿（ＰＲＰ）；反発性誘導分子（ＲＧＭａ、ＲＧＭｂ、および／またはＲＧＭｃ）；マクロファージコロニー刺激因子（Ｍ−ＣＳＦ）、顆粒球−マクロファージコロニー刺激因子（ＧＭ−ＣＳＦ）、インターロイキン−１および−９（ＩＬ１、ＩＬ６）、または癌壊死因子α（ＴＮＦα）などのサイトカイン；ＴＧＦβ−１、ＴＧＦβ−２、ＴＧＦβ−３を含むトランスフォーミング成長因子（ＴＧＦβ上科）、すべての骨形成プロテイン（ＢＭＰ）、アクチビンＡ、成長分化因子（ＧＤＦ）、ノダル；血小板由来成長因子（ＰＤＧＦ−ＡＡ、−ＡＢ＆−ＢＢ）；線維芽細胞増殖因子（ＦＧＦ）；インスリン様成長因子（ＩＧＦ）；表皮成長因子（ＥＧＦ）；または血管内皮成長因子（ＶＥＧＦ）などの適切な成長因子および分化因子の追加によって処理することができる。もしくは、たとえば、関節滑液空間で、あるいはレシピエントの大腿骨またはその他の場から抽出された骨髄の軟膜層で発見される脂肪体の間葉幹細胞の濃縮物を原位置で塗布することによって、現場にとって適切な組織へと自然に分化する細胞の移植片内の再成長が促進され、たとえば、健康な骨の生成を目指して挿入部７２０および７２２内で接着および増殖する細胞の分化を推進する。
【００９４】
さらに別の実施形態では、骨コラーゲンおよびその他の骨の非ミネラル成分を備え、ＴＧＦ−βまたはその科の構成要素を任意で含む脱塩骨粉が管７１０および７１２に挿入され、移植片７１８の挿入部７２２および７２０と接触し、健康な骨の生成を目指して挿入部７２０および７２２内に装着し増殖する細胞の分化を促進する。
【００９５】
別の実施形態では、関節滑液空間、あるいは患者の大腿骨またはその他の場所から抽出される骨髄の軟膜層で見つかる脂肪体の幹細胞が移植片７１８の挿入部７２０および７２２に原位置で塗布されて、健康な骨の生成を目指して挿入部７２０および７２２内に装着し増殖する細胞の分化を促進する。
【００９６】
本発明を骨、靱帯、腱等の特定の材料に関して例示のために説明したが、他の生体物質も本発明の範囲に含まれると理解される。例示の実施形態はＡＣＬ関節修復について説明しているが、その他の幅広い関節および軟組織移植片も本発明から恩恵を受け、本発明に含まれると理解される。本発明の実施形態は新鮮なブタの組織に関して教示しているが、採用される技術はヒトを含む鳥類およびその他の哺乳動物の組織などの他の組織にもルーチンの変更を加えて採用できることは当業者であれば容易に理解できるであろう。発明者は、本発明の方法が、凍結および／または凍結乾燥移植組織ならびに新鮮組織を比較可能な結果と共に有効に採用できることを実験で確認した。
【００９７】
腱および靱帯組織は、当業者にとって十分既知な従来の技術を用いて容易に凍結乾燥される。凍結乾燥組織はいくつかの利点を提供するため、本発明の技術の多数の適用例で好適である。凍結乾燥組織は新鮮組織または凍結組織よりも少なく蒸気を抜くために、工程のイオン照射段階の準備中およびその間にイオンビーム照射ツールの真空システムに少ない荷重を課す。また、凍結乾燥組織は照射後の相当期間、劣化せずに保管することができ、従来の低コストな配送方法で外科的植込みのための遠隔地まで容易に配送または輸送することができる。後で凍結乾燥照射組織は、外科的植込み直前に、外科手順の場所で（たとえば生理的食塩水あるいは体液またはレシピエントまたはその他の適切な流体と共に）再建させることができる。同様に、凍結乾燥照射組織は外科的植込みの直前に外科手順の場所で細胞を播種することができる。再建および細胞播種はレシピエントの身体からの細胞含有体液と共に行い、移植片の適合性を高めることができる。もしくは、凍結乾燥照射組織は、凍結乾燥状態でレシピエントに外科移植され、その後、レシピエントの体液および細胞に接触して、移植部位での移植組織の原位置再建および細胞播種を実行することができる。概して、凍結乾燥照射組織の有効期間は長いため、移植組織の作製および植込みの工程全体に多大な柔軟性と実用性を与える。
【００９８】
本発明の方法を使用して移植される移植片材料は様々な鳥および哺乳動物種（ヒトを含む）から採取することができ、本発明の方法によって作製される移植片材料の外科的植込みは幅広い哺乳動物種（ヒトを含む）に対して行うことができる。このような移植片は、移植組織のドナーおよびレシピエントに応じて同種移植、自家移植片、または異種移植片とすることができる。新たな細胞を組織（脱細胞化組織および／または凍結乾燥組織を含む）上または内に回収、成長、播種させる技術は、当業者にとって既知な技術により有望な移植片レシピエントまたはその他の適切なドナー源からの細胞を採用することができる。例示のブタの靱帯を作製するのに採用される移植および脱細胞化の技術は、腱組織にも適用することができる。したがって、本発明の方法を利用して、ドナー（自己ドナーを含む）または死体からの腱、靱帯、またはその他の組織を取り出し、脱細胞化（所望に応じて）および凍結乾燥（所望に応じて）し、当業者にとって既知な技術により細胞接着および増殖のために、組織または脱細胞化組織に特定の新たな細胞を播種することができる。照射技術の利用によって、新たな細胞の移植片材料への接着および増殖の成功機会が大いに向上し、移植片を無事レシピエントに一体化させ、全体の医療効果の成功可能性を高めることに貢献する。
【００９９】
本文書で使用されるように、「生体物質」という用語は、脱細胞化または天然細胞化状態で、生死、新鮮、凍結、凍結解凍、凍結乾燥、凍結乾燥、再建、イオン照射または未照射状態の、腱、靱帯、骨、軟骨、軟組織、その他の組織を含む材料を制限なく含むすべての生物由来組織材料を包含することを目的とする。本発明は特定の加速電位で形成され、特定の線量で投与されたＧＣＩＢｓまたは中性ビームの印加に関して説明したが、その他の線量および加速電位を採用することができ、このような変動がＧＣＩＢまたは中性ビーム照射の効果の程度を変動させると当業者によって理解される。本発明はアルゴンガスから成るガスクラスタイオンを有するＧＣＩＢまたは中性ビームの印加に関して説明したが、その他の構成ガスおよびガス混合物も有益に採用することができると当業者によって理解される。たとえば、希ガスＮｅ、Ａｒ、Ｘｅ、および有機または無機の、酸素、窒素、二酸化炭素、その他の炭素含有ガス、その他のガスと混合される上記ガスを含むガス混合物を制限なく含むその他のガスなどであり、このような変動はＧＣＩＢまたは中性ビーム照射の効果の程度を変動させる。さらに、本発明は、上述の開示および添付の請求項の精神および範囲内で幅広い追加およびその他の実施形態が可能であると理解すべきである。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１３】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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【国際調査報告】
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