(57)【要約】  窒化ケイ素および／または他のセラミック材料の摩耗性能を改善するための方法、特に、該窒化ケイ素および／または他のセラミック材料を生体医学インプラントの製造における使用により適したものにするための方法。【選択図】図１Ａ
2021521080.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
オキシ窒化ケイ素材料であって、前記オキシ窒化ケイ素材料が、改善された摩耗性能を有し、前記オキシ窒化ケイ素材料が、
窒化ケイ素材料ブロックを形成することと、
前記窒化ケイ素材料ブロックを酸化させることと、を含む、プロセスによって調製される、オキシ窒化ケイ素材料。
【請求項２】
前記窒化ケイ素材料ブロックを形成することが、
ケイ素、酸素、および窒素を含み、酸化イットリウムおよび酸化アルミニウムのうちの少なくとも１つをさらに含むスラリーを調製することと、
前記スラリーを粉砕することと、
前記スラリーを乾燥させて、乾燥したスラリーを得ることと、を含む、請求項１に記載のプロセスの生成物。
【請求項３】
前記オキシ窒化ケイ素材料が、第１の結晶相と、第１の非晶相と、を含む、請求項１に記載のプロセスの生成物。
【請求項４】
前記窒化ケイ素材料ブロックを酸化させることが、水熱酸化を使用して実行される、請求項１に記載のプロセスの生成物。
【請求項５】
前記水熱酸化が、蒸気オートクレーブ内で実行される、請求項４に記載のプロセスの生成物。
【請求項６】
前記水熱酸化が、約１気圧〜約２５０気圧の範囲の圧力で行われる、請求項４または５に記載のプロセスの生成物。
【請求項７】
前記水熱酸化が、約２気圧の圧力で行われる、請求項４〜６のいずれか一項に記載のプロセスの生成物。
【請求項８】
前記水熱酸化が、約１００℃〜約１５０℃の範囲の温度で行われる、請求項４〜７のいずれか一項に記載のプロセスの生成物。
【請求項９】
前記水熱酸化が、約１２０℃〜約１３５℃の範囲の温度で行われる、請求項４〜８のいずれか一項に記載のプロセスの生成物。
【請求項１０】
前記水熱酸化が、約１３２℃の温度で行われる、請求項４〜９のいずれか一項に記載のプロセスの生成物。
【請求項１１】
前記水熱酸化が、約５０〜約２００時間の範囲の持続時間で行われる、請求項４〜１０のいずれか一項に記載のプロセスの生成物。
【請求項１２】
前記水熱酸化が、約７０〜約１５０時間の範囲の持続時間で行われる、請求項４〜１１のいずれか一項に記載のプロセスの生成物。
【請求項１３】
前記水熱酸化が、約７２時間の持続時間で行われる、請求項４〜１２のいずれか一項に記載のプロセスの生成物。
【請求項１４】
前記窒化ケイ素材料ブロックが、人工関節の関節接合構成要素である、請求項１〜１３のいずれか一項に記載のプロセスの生成物。
【請求項１５】
前記関節接合構成要素が、大腿骨頭である、請求項１４に記載のプロセスの生成物。
【請求項１６】
前記改善された摩耗性能が、前記人工関節の寿命を、１５年超増大させる、請求項１４または１５に記載のプロセスの生成物。
【請求項１７】
前記窒化ケイ素材料が、前記関節接合構成要素の対向面を酸化から保護する表面化学を有する、請求項１４〜１６のいずれか一項に記載のプロセスの生成物。
【請求項１８】
前記対向面が、寛骨臼ポリエチレンカップである、請求項１７に記載のプロセスの生成物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１８年４月１０日に出願された米国仮出願第６２／６５５，４５７号に対する優先権を主張し、その内容は、参照により本明細書に完全に組み込まれる。
【０００２】
本開示は、概して、改善されたポリエチレン摩耗性能を有するオキシ窒化ケイ素材料の生成方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
人工股関節全置換術（ＴＨＡ）、人工膝関節全置換術（ＴＫＡ）、または人工肩関節全置換術（ＴＳＡ）を含む整形外科再建手術は、様々な末期変性変形性関節症状態の治療のための実証された処置である。これらの療法は、天然の生体関節接合組織を非生物的な生体材料に置き換えることを伴う。典型的なＴＨＡ人工関節デバイスとしては、固定式ポリエチレンカウンターフェース（それぞれ、ＭｏＰまたはＣｏＰ）に対して関節接合する移動式金属またはセラミックヘッドが挙げられる。他の変更例としては、セラミック・オン・セラミック（ＣｏＣ）デバイスが挙げられる。これらの人工関節の寿命は妥当であるが（すなわち、１０〜１５年）、これらの破損は、一般に、過度のポリエチレン摩耗、セラミック摩耗、または無菌性弛み、骨溶解、および／または骨髄炎をもたらす構成要素の損傷に関連する。その後、摩耗した構成要素を交換するために再置換手術（外科医と病院の両方にとって不要で高価な二次的処置）が必要となり、患者の合併症が付加されることで歩行機能の悪化をもたらすことが多い。したがって、人工関節に使用できる摩耗性能を高めた材料が必要とされている。
【０００４】
本開示の様々な態様が構想され、開発されたのは、とりわけこれらの観察を念頭に置いている。
【発明の概要】
【０００５】
本開示の一態様は、オキシ窒化ケイ素材料を包含し、ここで、オキシ窒化ケイ素材料は、改善された摩耗性能を有する。オキシ窒化ケイ素材料は、窒化ケイ素材料ブロックを形成し、窒化ケイ素材料ブロックを酸化させることを含むプロセスによって調製される。
【０００６】
本発明の他の態様および特徴は、一部は明らかであり、一部は以下で指摘される。
【０００７】
本特許または出願ファイルは、着色された少なくとも１つの図面を含む。本特許または特許出願公開のカラー図面付きコピーは、要望および必要な料金の支払いに応じて、事務所により提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１Ａ】図１Ａおよび図１Ｂは、Ｓｉ３Ｎ４セラミックスの表面化学に関する概略図を表示しており、（図１Ａ）は水熱酸化前、および（図１Ｂ）は水熱酸化後である。水熱酸化表面におけるアミン濃度の低減およびシラノールおよびケイ素（ＳｉＯ２）結合の濃度の増加に留意されたい。
【図１Ｂ】同上。
【図２Ａ】図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃ、図２Ｄ、図２Ｅ、図２Ｆ、図２Ｇ、および図２Ｈは、水熱酸化プロセスへの曝露０時間後（図２Ａおよび図２Ｅ）、２４時間後（図２Ｂおよび図２Ｆ）、４８時間後（図２Ｃおよび図２Ｇ）、ならびに７２時間後（図２Ｄおよび図２Ｈ）の水熱処理窒化ケイ素表面のＸ線光電子分光法（ＸＰＳ）結果を示すグラフを表示する。図２Ｅ、図２Ｆ、図２Ｇ、および図２Ｈは、Ｏ１ｓバンドのデコンボリューションを示す。図２Ｅ、図２Ｆ、図２Ｇ、および図２Ｈは、Ｓｉ２Ｐバンドのデコンボリューションを示す。
【図２Ｂ】同上。
【図２Ｃ】同上。
【図２Ｄ】同上。
【図２Ｅ】同上。
【図２Ｆ】同上。
【図２Ｇ】同上。
【図２Ｈ】同上。
【図３Ａ】図３Ａおよび図３Ｂは、ＸＰＳデータの統計的分析および有意性を示すグラフを表示する。
【図３Ｂ】同上。
【図４Ａ】図４Ａおよび図４Ｂは、処理がセラミック表面内の細孔または空隙を埋めることを実証している、７２時間の水熱処理前（すなわち、元の状態の、図４Ａ）および７２時間の水熱処理後（すなわち、酸化した、図４Ｂ）の研磨したＳｉ３Ｎ４表面の微細構造写真を表示する。
【図４Ｂ】同上。
【図５】図５は、ＭＣ２（登録商標）Ｓｉ３Ｎ４をＢＩＯＬＯＸ（登録商標）デルタ（ＺＴＡ）と比較した標準股関節シミュレータ研究によるポリエチレン摩耗結果を例示するグラフを表示する。
【図６Ａ】図６Ａおよび図６Ｂは、非摩耗性ゾーン（ＮＷＺ）および主摩耗性ゾーン（ＭＷＺ）の両方についてＳｉ３Ｎ４またはＺＴＡ大腿骨頭のいずれかに対して関節接合するビタミンＥドープ型ポリエチレンライナーの結晶化度および酸化のラマン分光測定値を示すグラフを表示しており、（図６Ａ）は、摺動面において、ｚ＝０μｍの深さであり、および（図６Ｂ）は、ｚ＝２００μｍの深さである。
【図６Ｂ】同上。
【図７】図７は、酸性ゲル中の時間の関数としての、焼結したままの（研磨した）Ｓｉ３Ｎ４試料周囲のｐＨの室温での発展の代表的な画像を表示する。Ｓｉ３Ｎ４の緩衝能力は、周囲の酸性ゲルのより広いゾーンにおいてｐＨを徐々に上昇させる。かき乱されていないゲルの平均ｐＨは、４．５である。
【図８Ａ】図８Ａは、ＵＨＭＷＰＥ／セラミックカップルに使用されるオートクレーブにおける静的接触試験の概略図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、ＵＨＭＷＰＥ／セラミックカップルに使用されるオートクレーブにおける摩擦スイング試験を例示する。
【図８Ｃ】図８Ｃは、ＵＨＭＷＰＥ／セラミックカップルに使用される股関節シミュレータ摩耗試験を例示する。
【図９Ａ】図９Ａは、受け取ったままのＡｌ２Ｏ３（ＢＩＯＬＯＸ（登録商標）フォルテ）中のＡｌ２ｐについての、ＸＰＳスペクトルおよびそれらのサブバンドへのデコンボリューションを示す。
【図９Ｂ】図９Ｂは、受け取ったままのＺＴＡ（ＢＩＯＬＯＸ（登録商標）デルタ）中のＡｌ２ｐについての、ＸＰＳスペクトルおよびそれらのサブバンドへのデコンボリューションを示す。
【図９Ｃ】図９Ｃは、受け取ったままのＳｉ３Ｎ４（ＭＣ２（登録商標））中のＳｉ２ｐについての、ＸＰＳスペクトルおよびそれらのサブバンドへのデコンボリューションを示す。
【図９Ｄ】図９Ｄは、１２１℃のオートクレーブでの２４時間の断熱曝露後のＡｌ２Ｏ３（ＢＩＯＬＯＸ（登録商標）フォルテ）中のＡｌ２ｐについての、ＸＰＳスペクトルおよびそれらのサブバンドへのデコンボリューションを示す。
【図９Ｅ】図９Ｅは、１２１℃のオートクレーブでの２４時間の断熱曝露後のＺＴＡ（ＢＩＯＬＯＸ（登録商標）デルタ）中のＡｌ２ｐについての、ＸＰＳスペクトルおよびそれらのサブバンドへのデコンボリューションを示す。
【図９Ｆ】図９Ｆは、１２１℃のオートクレーブでの２４時間の断熱曝露後のＳｉ３Ｎ４（ＭＣ２（登録商標））中のＳｉ２ｐについての、ＸＰＳスペクトルおよびそれらのサブバンドへのデコンボリューションを示す。
【図１０Ａ】図１０Ａは、モノリシックＡｌ２Ｏ３（Ａｌ２ｐ）セラミックヘッドについてのオートクレーブ時間の関数としてのＸＰＳ分析を示す。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、ＺＴＡ（Ａｌ２ｐ）セラミックヘッドについてのオートクレーブ時間の関数としてのＸＰＳ分析を示す。
【図１０Ｃ】図１０Ｃは、Ｓｉ３Ｎ４（Ｏ１ｓ）セラミックヘッドについてのオートクレーブ時間の関数としてのＸＰＳ分析を示す。
【図１０Ｄ】図１０Ｄは、Ｓｉ３Ｎ４（Ｓｉ２ｐ）セラミックヘッドについてのオートクレーブ時間の関数としてのＸＰＳ分析を示す。
【図１１】図１１Ａは、モノリシックＡｌ２Ｏ３におけるスペクトル発展に対するオートクレーブ時間の関数としてのＣＬ分析を示す。    図１１Ｂは、ＺＴＡ複合材料におけるスペクトル発展に対するオートクレーブ時間の関数としてのＣＬ分析を示す。    図１１Ｃは、２つの種類の酸化物ヘッドについての酸素空孔からのＣＬ排出の強度のオートクレーブ時間に対するプロットである。    図１１Ｄは、２つの種類の酸化物ヘッドについてのＸＰＳとＣＬデータとの間の比較を示す。
【図１２Ａ】図１２Ａは、オートクレーブ中で２４時間、酸化物および非酸化物セラミックヘッドに静的連結されたＸ３  ＵＨＭＷＰＥライナーの振動分光によって検出されるときの結晶化度および酸化指数の変動を示す。
【図１２Ｂ】図１２Ｂは、図１２Ａにおける同じライナーのＸＰＳ分析を示す。
【図１３−１】図１３Ａは、１Ｈｚで５×１０５サイクルのＸ３  ＵＨＭＷＰＥライナーに対する摩擦スイング試験前のＺＴＡ大腿骨頭のＸＰＳ（Ａｌ２ｐ）分析を示す。    図１３Ｂは、１Ｈｚで５×１０５サイクルのＸ３  ＵＨＭＷＰＥライナーに対する摩擦スイング試験後のＺＴＡ大腿骨頭のＸＰＳ（Ａｌ２ｐ）分析を示す。
【図１３−２】図１３Ｃは、定量的結合画分が（Ａｌ２ｐ）に与えられることを示す。    図１３Ｄは、定量的結合画分が（Ｏ１ｓおよびＺｒ３ｄ）に与えられることを示す。
【図１４−１】図１４Ａは、１Ｈｚで５×１０５サイクルのＸ３  ＵＨＭＷＰＥライナーに対する摩擦スイング試験前のＳｉ３Ｎ４大腿骨頭のＸＰＳ（Ｎ１ｓ）分析を示す。    図１４Ｂは、１Ｈｚで５×１０５サイクルのＸ３  ＵＨＭＷＰＥライナーに対する摩擦スイング試験後のＳｉ３Ｎ４大腿骨頭のＸＰＳ（Ｎ１ｓ）分析を示す。
【図１４−２】図１４Ｃは、定量的結合画分が（Ｎ１ｓ）に与えられることを示す。    図１４Ｄは、定量的結合画分が（Ｓｉ２ｐおよびＯ１ｓ）に与えられることを示す。
【図１５】図１５Ａは、摩擦スイング試験のサイクル数、ｎｃの関数として、Ｓｉ３Ｎ４およびＺＴＡと連結されたＸ３  ＵＨＭＷＰＥライナーの表面における結晶化度を示す。    図１５Ｂは、摩擦スイング試験のサイクル数、ｎｃの関数として、Ｓｉ３Ｎ４およびＺＴＡと連結されたＸ３  ＵＨＭＷＰＥライナーの表面における酸化を示す。
【図１６Ａ】図１６Ａは、ＺＴＡおよびＳｉ３Ｎ４大腿骨頭と連結されたＸ３  （商標）ＵＨＭＷＰＥライナーの元の状態およびＭＷＺ摩耗面（５×１０５スイングサイクル後）の走査レーザー顕微鏡画像を示す。
【図１６Ｂ】図１６Ｂは、同じライナーのＮＷＺおよびＭＷＺにおけるＸＰＳ分析の結果を示す。
【図１７】図１７Ａは、標準股関節シミュレータ試験で５×１０６サイクルを受けた後、Ｓｉ３Ｎ４およびＺＴＡ大腿骨頭と連結されたビタミンＥドープ型ＵＨＭＷＰＥライナーの表面で観察される結晶化度および酸化の変動を示す。    図１７Ｂは、標準股関節シミュレータ試験で５×１０６サイクルを受けた後、Ｓｉ３Ｎ４およびＺＴＡ大腿骨頭と連結されたビタミンＥドープ型ＵＨＭＷＰＥライナーの２００μｍの深さで観察される結晶化度および酸化の変動を示す。
【図１８Ａ】図１８Ａは、長期的にインビボ曝露されたモノリシックＡｌ２Ｏ３大腿骨頭を示す。
【図１８Ｂ】図１８Ｂは、長期的にインビボ曝露されたモノリシックＡｌ２Ｏ３大腿骨頭のＭＷＺにおける微細構造を示す。
【図１８Ｃ】図１８Ｃは、ＮＷＺにおけるその微細構造を示す。
【図１８Ｄ】図１８Ｄは、元の状態のＡｌ２Ｏ３試料のものと比較して、そのＣＬ酸素空孔排出量を示す。
【図１８Ｅ】図１８Ｅは、そのデコンボリューションされた平均ＸＰＳ（Ａｌ２ｐ）スペクトルを示す。
【図１９Ａ】図１９Ａは、短期的にインビボ曝露されたＺＴＡ複合大腿骨頭を示す。
【図１９Ｂ】図１９Ｂは、短期的にインビボ曝露されたＺＴＡ複合大腿骨頭の微細構造を示す。
【図１９Ｃ】図１９Ｃは、ＮＷＺにおけるその微細構造を示す。
【図１９Ｄ】図１９Ｄは、元の状態のＺＴＡ試料のものと比較して、そのＣＬ酸素空孔排出量を示す。
【図１９Ｅ】図１９Ｅは、そのデコンボリューションされた平均ＸＰＳ（Ａｌ２ｐ）スペクトルを示す。  対応する参照文字は、図面の図の中の対応する要素を示す。図面で使用される見出しは、特許請求の範囲を限定するものではない。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
特定の実施形態が例示および説明されているが、当業者には明白であろうように、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、その様々な修正を行われ得ることは、上述から理解されるべきである。このような変更および修正は、本明細書に添付の特許請求の範囲に定義される本発明の範囲および教示の範囲内にある。
【００１０】
上記の開示全体を通じて適用されるいくつかの定義がここで提示されるようになる。本明細書で使用される場合、「改善された摩耗性能」とは、既存のＴＨＡ人工補綴デバイスを超える材料またはデバイスの寿命の改善を意味する。例えば、「改善された摩耗性能」とは、材料および／またはデバイスが患者に移植された後１０〜１５年以上の寿命を有することを意味する。用語「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、および「有する（ｈａｖｉｎｇ）」は、本開示において互換的に使用される。用語「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、および「有する（ｈａｖｉｎｇ）」は、そのように記載されるものを含むことを意味するが、必ずしもそれに限定されない。
【００１１】
人工関節としての長期的な性能に直接影響を及ぼす生体材料表面の重要な物理化学的特性がある。窒化ケイ素などの非酸化バイオセラミックスは、ポリエチレン摺動対向面を酸化から自然に保護する好ましい表面化学を有し得る。この有利な化学を確立するための重要な概念は、そうでなければ嫌気性の体内環境におけるトリボケミカル負荷中のバイオセラミック表面における酸素活性の制御である。
【００１２】
金属および酸素元素から構成されるセラミック酸化物は、液体／固体界面での相乗効果の高い水素結合のため、水に対して著しい親和性を呈する。アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）の場合、特殊な近表面電子状態は、複数のＨ結合を提供し、これにより、股関節トライボロジーにおける正の現象である完全な湿潤をもたらす。しかしながら、この同じ特殊性は、熱活性化または摩擦活性化環境における表面ヒドロキシル化および脱ヒドロキシル化の複雑なパターンにつながる。ヒドロキシル化および脱ヒドロキシル化は、表面電荷問題を合理化する上で重要な事象であり、摩擦相互作用において重要な役割を果たしているが、その正確な微視的機構は現在知られていない。Ａｌ２Ｏ３結晶構造に水を組み込むことにより、水酸化アルミニウムの形成をもたらす。両性イオン化反応を介したアルミナの溶解は、酸素を遊離させ、アルミナ格子内に酸素空孔を形成する。加水分解生成物としての可溶性Ａｌ種のその後の放出は、ｐＨおよび温度の両方に依存する。逆に、非酸化物セラミックスとその環境との間の水熱相互作用は、主にそれらのカチオン元素の酸化によって駆動される。窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）の場合、表面反応は、ケイ素と窒素との間の共有結合の均等開裂から始まり、ケイ素部位の酸化、および窒素のアンモニアとしての放出に続く。水性環境における摩擦荷重中に、不溶性トライボ生成物（すなわち、水和酸化ケイ素）の層が固体表面に形成する。全体的に、保護膜を形成することによって、これらは摩擦摺動の潤滑剤として機能する。摩擦低減におけるこの水和層の利点は、Ａｌ２Ｏ３の水和層の利点と同様である。しかしながら、ここで類似点が終わってしまう。酸素は（Ａｌ２Ｏ３の場合と同様に）放出されるのではなく、非酸化セラミックの表面（Ｓｉ部位で）に引き寄せられる一方で、窒素は水素と反応して揮発性アンモニアを形成する。さらに、Ｓｉ３Ｎ４の表面に形成される両性シリカ層は、水が対応するアレニウス塩基であるアレニウス酸として作用する。また、Ｓｉ３Ｎ４の表面電荷は環境のｐＨに依存し、その等電点は極めて酸性値（ｐＨ＝１．２〜４）に存在する。逆に、Ａｌ２Ｏ３は、比較的高いアルカリ値（ｐＨ＝８〜８．５）でゼロ電荷の点を有する。Ｓｉ３Ｎ４のＨ２Ｏ−化学吸着表面で発生するシリカ層は、水よりもかなり酸性である（すなわち、その溶解度は、Ａｌ２Ｏ３の約１００倍である）ため、容易に溶解することができるが、酸素は、オルトケイ酸鎖として厳密に結合される。本質的には、セラミックスの表面での水吸着は、酸化物用の溶媒として、および非酸化物用の酸化剤としての役割を果たす。いずれの場合も、これらの水性表面反応の最終生成物は、水和種（すなわち、Ａｌ２Ｏ３およびＳｉ３Ｎ４についてそれぞれ、水酸化アルミニウムおよびオルトケイ酸）である。いずれも潤滑剤として作用し、トライボロジー摺動時の摩擦を低減する。この共通の特性は、酸化物および非酸化物セラミックスの両方を低摩擦人工関節材料として好適なものにするが、これらは、トライボ層を横断する酸素の流れる方向で実質的に異なる。具体的には、酸素はＡｌ２Ｏ３表面から離れる方向に移動し、かつＳｉ３Ｎ４表面に向かって移動する。人工関節の摺動するカウンターパーツがポリエチレンである場合、この違いは重要である。
【００１３】
様々な酸化物セラミックスの表面から放出される酸素は、高度なポリエチレンライナーの酸化につながり得る。酸化表面を有する窒化ケイ素（オキシ窒化ケイ素）は、ポリエチレンライナー酸化に対してはるかに低い影響を有する可能性があり、「イオン保護」効果を提供し得る。大腿骨頭における窒化ケイ素セラミックスは、ポリエチレンライナーの酸化を遅延させることができる。したがって、酸化表面を有する窒化ケイ素大腿骨頭を使用することによって、人工関節の最終的な寿命を改善することができる。
【００１４】
（Ｉ）オキシ窒化ケイ素材料
本開示の態様は、改善された摩耗性能または特性を有するオキシ窒化ケイ素材料を包含する。一般に、オキシ窒化ケイ素材料は、窒化ケイ素材料の表面を酸化させることによって形成され得る。
【００１５】
様々な実施形態では、オキシ窒化ケイ素材料は、生体医学インプラントまたは生体医学インプラントの一部を形成し得る。好ましい実施形態では、したがって、いくつかの実施形態では、それらの摩耗特性、水湿潤性、および／または他の所望される特性に対して改善するように処理され得るオキシ窒化ケイ素材料インプラントが提供され得る。
【００１６】
他の実施形態では、オキシ窒化ケイ素材料は、最終的に成形され、機械加工され、ないしは別の方法で適切な形状および／または構成に形成され、上述の完成した生体医学インプラントの１つとして機能する未完成の材料片を含んでもよい。いくつかのこのような実施形態では、未完成の材料片は、それが完了し、移植の準備ができたと見なされる前に、１つ以上の追加の加工工程を必要とし得る。例えば、いくつかの実施形態では、生体医学インプラントは、最終的に完成した生体医学インプラントになるものの部分または一部のみを含んでよい。一実施形態では、生体医学インプラントは、関節接合構成要素である。関節接合構成要素の例は、大腿骨頭、大腿骨か（かは、骨へんに果）、寛骨臼カップ／ライナーなどであり得るが、これらに限定されない。例示的な実施形態では、関節接合構成要素は、大腿骨頭であり得る。
【００１７】
さらに別の代替として、本明細書に開示されるオキシ窒化ケイ素材料は、充填剤として使用されてもよく、ないしは別の方法で、ガラス、金属、セラミックス、ポリマーなどのの他の材料に組み込まれてもよい。例えば、いくつかの実施形態では、本明細書に開示されるセラミック材料のうちの１つ以上は、高分子材料中の充填剤として使用され得る。逆に、本明細書に開示されるセラミック材料は、ポリマー材料、グラス、または金属を組み込むための多孔質マトリックスとして使用され得る。
【００１８】
代替実施形態および実装では、オキシ窒化ケイ素材料の表面化学は、このようなインプラントの摩耗性能特性を改善するために変更されてもよい。いくつかのこのような実施態様では、モノリシックデバイスの表面化学、またはオキシ窒化ケイ素インプラント、オキシ窒化ケイ素コーティングされたインプラント、もしくは他の移植可能な生体医学インプラント上のコーティングの表面の化学は、摩耗性能特性を向上させるように修正されてもよい。表面化学を変更するためのこれらの方法は、本明細書に記載される他の方法の代替として、またはそれに加えて、例えば、インプラントの表面粗さを変更する方法および／または好適なコーティングを生体医学インプラントに適用する方法として用いられ得る。表面化学を変更するためのこれらの方法はまた、以下にさらに記載されるように、いくつかの方法で達成されてもよい。
【００１９】
（ＩＩ）オキシ窒化ケイ素材料の調製方法
本開示の別の態様は、窒化ケイ素材料ブロックを形成することと、窒化ケイ素材料ブロックを酸化させること、とを含む、オキシ窒化ケイ素材料を調製するためのプロセスを包含する。この方法は、摩耗性能が改善されたオキシ窒化ケイ素インプラントを生成し得る。
【００２０】
方法の各ステップを以下に詳述する。
【００２１】
（ａ）窒化ケイ素
一般に、窒化ケイ素は、窒化ケイ素セラミックまたはドープ窒化ケイ素セラミック基材から作製され得る。あるいは、このような実施形態は、異なる材料の基材上に窒化ケイ素またはドープ窒化ケイ素コーティングを含んでもよい。他の実施形態では、インプラントおよびコーティングは、窒化ケイ素材料から構成されてもよい。さらに他の実施形態では、インプラントの１つ以上の部分または領域は、窒化ケイ素材料および／または窒化ケイ素コーティングを含んでよく、他の部分または領域は、他の生体医学材料を含んでよい。
【００２２】
窒化ケイ素セラミックスは、非常に大きな曲げ強度および破壊靭性を有している。いくつかの実施形態では、このようなセラミックスは、約７００メガパスカル（ＭＰａ）を超える曲げ強度を有することが見出されている。実際、いくつかの実施形態では、このようなセラミックスの曲げ強度は、約８００ＭＰａ超、約９００ＭＰａ超、または約１，０００ＭＰａで測定されている。いくつかの実施形態では、窒化ケイ素セラミックスの破壊靭性は、約７メガ−パスカルルートメートル（ＭＰａ・ｍ１／２）を超える。）実際、いくつかの実施形態では、このような材料の破断靭性は、約７〜１０ＭＰａ・ｍ１／２である。
【００２３】
好適な窒化ケイ素材料の例は、例えば、参照により本明細書に組み込まれる、「Ｍｅｔａｌ−Ｃｅｒａｍｉｃ  Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ  Ａｒｔｉｃｕｌａｔｉｏｎ」と題される米国特許第６，８８１，２２９号に記載される。いくつかの実施形態では、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、イットリア（Ｙ２Ｏ３）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、および酸化ストロンチウム（ＳｒＯ）などのドーパントを処理して、窒化ケイ素のドープ組成物を形成することができる。ドープ窒化ケイ素または別の同様のセラミック材料を含む実施形態では、ドーパント量は、最高密度、機械的、および／または抗菌特性を達成するように最適化され得る。さらなる実施形態では、生体適合性セラミックは、約９００ＭＰａを超える曲げ強度、および約９ＭＰａ・ｍ１／２を超える靭性を有し得る。曲げ強度は、米国金属試験学会（ＡＳＴＭ）プロトコル法Ｃ−１１６１に従って標準的な３点曲げ試験片で測定することができ、破壊靭性は、ＡＳＴＭプロトコル法Ｅ３９９に従って片側切り欠き（ｓｉｎｇｌｅ  ｅｄｇｅ  ｎｏｔｃｈｅｄ  ｂｅａｍ）試験片を使用して測定することができる。いくつかの実施形態では、窒化ケイ素の粉末は、単独で、または上述のドーパントのうちの１つ以上と組み合わせて、セラミックインプラントを形成するために使用され得る。
【００２４】
好適な窒化ケイ素材料の他の例は、参照により本明細書に組み込まれる「Ｃｅｒａｍｉｃ−Ｃｅｒａｍｉｃ  Ａｒｔｉｃｕｌａｔｉｏｎ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｉｍｐｌａｎｔｓ」と題された米国特許第７，６６６，２２９号に記載されている。好適な窒化ケイ素材料のさらに他の例は、参照により本明細書に組み込まれる「Ｈｉｐ  Ｐｒｏｓｔｈｅｓｉｓ  ｗｉｔｈ  Ｍｏｎｏｂｌｏｃｋ  Ｃｅｒａｍｉｃ  Ａｃｅｔａｂｕｌａｒ  Ｃｕｐ」と題された米国特許第７，６９５，５２１号に記載されている。
【００２５】
（ｉ）窒化ケイ素材料ブロックの調製方法
一実施形態では、窒化ケイ素材料ブロックを調製することは、スラリーを調製することを含むことができ、スラリーは、ケイ素、酸素、および窒素を含むことができ、さらに、酸化イットリウムおよび酸化アルミニウムのうちの少なくとも１つを含むことができる。
【００２６】
スラリーは、軟質凝集体を分解し、成分混合を容易にするために粉砕され得る。一般に、スラリーは、当業者に知られている技術を使用して粉砕され得る。例示的な実施形態では、スラリーは、ボール粉砕される。加えて、当業者は、粉砕加工に適切な媒体、媒体サイズ、および持続時間を決定することができるであろう。
【００２７】
スラリーは、乾燥したスラリーを得るために乾燥され得、その後、乾燥されたスラリーは、大腿骨頭、関節接合構成要素などの多数の異なる形状に形成され得る。一般に、スラリーは、当業者に知られている技術を使用して乾燥され得る。例示的な実施形態では、スラリーは、噴霧乾燥を使用して乾燥される。
【００２８】
一般に、窒化ケイ素材料ブロックは、生体医学構成要素に適用され得るか、または生体医学インプラントに形成または成形され得る。一例では、窒化ケイ素材料ブロックは、関節接合構成要素に形成または成形され得る。関節接合構成要素の例は、大腿骨頭、大腿骨か（かは、骨へんに果）、寛骨臼カップなどであり得るが、これらに限定されない。例示的な実施形態では、関節接合構成要素は、大腿骨頭であり得る。
【００２９】
他の実施形態では、窒化ケイ素材料ブロックは、限定されないが脊椎ケージ、整形ネジ、プレート、ワイヤー、および他の固定デバイス、脊柱、股関節、膝、肩、足首および指骨内の関節接合デバイス、カテーテル、人工血管およびシャント、顔または他の再建形成外科用のインプラント、中耳インプラント、歯科デバイスなどを含む任意の数および種類の生体医学構成要素に適用され得る。一例では、窒化ケイ素材料ブロックは、ＴＨＡ人工補綴物の大腿骨頭などの人工関節に適用され得る。
【００３０】
窒化ケイ素材料ブロックを生体医学構成要素に適用することは、当業者によって容易に知られている方法によって実行することができる。
【００３１】
窒化ケイ素材料ブロックの形成または成形は、当業者によって容易に知られている方法によって実行することができる。例示的な実施形態では、指向スラリーは、適切な形状を形成するために、単軸圧縮装置または静水圧圧縮装置を使用して圧密化され得る。その後、これらの形状は、従来のコンピュータ数値制御（ＣＮＣ）回転または粉砕機を使用して、焼成前の寸法に機械加工され得る。いくつかの実施形態では、窒化ケイ素材料ブロックは、限定されないが脊椎ケージ、整形ネジ、プレート、ワイヤー、および他の固定デバイス、脊柱、股関節、膝、肩、足首および指骨内の関節接合デバイス、カテーテル、人工血管およびシャント、顔または他の再建形成外科用のインプラント、中耳インプラント、歯科デバイスなどを含む任意の数および種類の生体医学構成要素に形成され得る。一例では、窒化ケイ素材料ブロックは、ＴＨＡ人工補綴物の大腿骨頭などの人工関節に適用され得る。
【００３２】
適切に成形されたライナーまたは構成要素は、次いで、限定されないが、ビスク焼成、焼結、および熱間静水圧化圧を含む一連の熱処理操作を受け得る。
【００３３】
熱処理されたライナーまたは構成要素は、その後、最終サイズおよび表面仕上げを達成するためにダイヤモンド研削および研磨を受けることができる。
【００３４】
（ｂ）酸化方法
窒化ケイ素材料の表面は、熱、水熱、または化学的酸化によって酸化され得る。一般に、本明細書に記載される酸化方法は、材料表面上のＳｉ３Ｎ４のいくつかをＳｉＯ２に変換する。
【００３５】
（ｉ）熱酸化
一般に、窒化ケイ素材料の表面は、熱酸化を使用して酸化され得る。熱酸化プロセスは、当業者に既知の手段を使用して行われ得る。
【００３６】
一般に、熱酸化プロセスは、最高で約１１００℃の温度で行われ得る。好ましい実施形態では、熱酸化プロセスは、約８００〜約１１００℃の範囲の温度で行われ得る。
【００３７】
熱酸化プロセスは、約５時間〜約２０時間の範囲の持続時間にわたって行われ得る。いくつかの実施形態では、熱酸化プロセスは、約５時間、約６時間、約７時間、約８時間、約９時間、約１０時間、約１１時間、約１２時間、約１３時間、約１４時間、約１５時間、約１６時間、約１７時間、約１８時間、約１９時間、または約２０時間行われ得る。
【００３８】
（ｉｉ）水熱酸化
一般に、窒化ケイ素材料の表面は、水熱酸化を使用して酸化され得る。水熱酸化プロセスは、当業者に既知の手段を使用して行われ得る。例示的な実施形態では、水熱酸化は、蒸気オートクレーブ内で実行され得る。Ｓｉ３Ｎ４セラミックスの表面化学に対する水熱酸化プロセスの影響は、図１Ａ（水熱酸化前）および図１Ｂ（水熱酸化後）に例示される。
【００３９】
一般に、水熱酸化プロセスは、約１気圧〜約２５０気圧の範囲の圧力で行われ得る。さらに、実施形態では、水熱酸化プロセスは、約１、約２、約３、約４、約５、約６、約７、約８、約９、約１０、約１５、約２０、約２５、約３０、約３５、約４０、約４５、約５０、約５５、約６０、約６５、約７０、約７５、約８０、約８５、約９０、約９５、約１００、約１０５、約１１０、約１１５、約１２０、約１２５、約１３０、約１３５、約１４０、約１４５、約１５０、約１５５、約１６０、約１６５、約１７０、約１７５、約１８０、約１８５、約１９０、約１９５、約２００、約２０５、約２１０、約２１５、約２２０、約２２５、約２３０、約２３５、約２４０、約２４５、または約２５０気圧の圧力で行われ得る。例示的な実施形態では、水熱酸化プロセスは、約２気圧の圧力で行われ得る。
【００４０】
水熱酸化プロセスは、約５０時間〜約２００時間の範囲の持続時間にわたって行われ得る。いくつかの実施形態では、水熱酸化は、約５０時間、約５５時間、約６０時間、約６５時間、約７０時間、約７５時間、約８０時間、約８５時間、約９０時間、約９５時間、約１００時間、約１０５時間、約１１０時間、約１１５時間、約１２０時間、約１２５時間、約１３０時間、約１３５時間、約１４０時間、約１４５時間、約１５０時間、約１５５  時間、約１６０時間、約１６５時間、約１７０時間、約１７５時間、約１８０時間、約１８５時間、約１９０時間、約１９５時間、または約２００時間行われ得る。例示的な実施形態では、水熱酸化プロセスは、約７０時間〜約１５０時間の範囲の持続時間にわたって行われ得る。
【００４１】
水熱酸化プロセスは、約１００℃〜約１５０℃の範囲の温度で行われ得る。いくつかの実施形態では、水熱酸化は、約１００、約１０５、約１１０、約１１５、約１２０、約１２５、約１３０、約１３５、約１４０、約１４５、または約１５０℃で行われ得る。好ましい実施形態では、水熱酸化は、約１２０℃〜約１３５℃で行われ得る。さらなる実施形態では、水熱酸化は、約１２０、約１２１、約１２２、約１２３、約１２４、約１２５、約１２６、約１２７、約１２８、約１２９、約１３０、約１３１、約１３２、約１３３、約１３４、または約１３５℃で行われ得る。
【００４２】
（ｉｉｉ）化学酸化
一般に、窒化ケイ素材料の表面は、化学酸化を使用して酸化され得る。化学酸化プロセスは、当業者に既知の手段を使用して行われ得る。
【００４３】
化学酸化プロセスは、窒化ケイ素材料を苛性溶液に曝露することによって行われ得る。苛性溶液としては、水酸化ナトリウム、水酸化アンモニウム、水酸化カルシウムなど、およびこれらの組み合わせが挙げられるが、これらに限定されない。
【実施例】
【００４４】
本開示の様々な実施形態を実証するために、以下の実施例が含まれる。以下の実施例に開示される技術は、本発明の実施において良好に機能することが発明者によって発見された技術を表し、したがって、その実施のための好ましいモードを構成すると考えることができることが、当業者によって理解されるべきである。しかしながら、当業者は、本開示に照らして、本発明の趣旨および範囲を逸脱することなく、開示される特定の実施形態において多くの変更を加えることができ、なお、同様または類似の結果を得ることができることを理解すべきである。
【００４５】
実施例１：生体適合性窒化ケイ素セラミック構成要素の調製
α−Ｓｉ３Ｎ４（９０重量％）、酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３、６重量％）、および酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３、４重量％）の原料粉末を水中で混合し、粉砕し、噴霧乾燥させた。次いで、噴霧乾燥粉末を、単軸または静水圧圧縮装置（最大３１０ＭＰａ）を使用して圧密化させ、適切な形状、すなわち、大腿骨頭および機械的試験バーを形成した。その後、これらの構成要素は、従来のコンピュータ数値制御（ＣＮＣ）回転または粉砕機を使用して、焼成前の寸法に機械加工された。次いで、１７００℃までの温度でビスク焼成、焼結、および熱間静水圧プレスを含む一連の熱処理操作を受けた。焼成工程により、炭素質化合物および水を排除し、構成原料を反応させ、セラミックをほぼ最終サイズに高密度化した。その後、ダイヤモンド研削および研磨を行い、構成要素の最終サイズおよび表面仕上げを実現した。
【００４６】
実施例２：生体適合性窒化ケイ素セラミック構成要素の酸化
実施例１からの最終構成要素を、蒸気オートクレーブを使用して、２ａｔｍの気圧および１２１℃の温度で２４時間、４８時間、または７２時間、水熱酸化を受けさせた。
【００４７】
酸化反応の程度を決定するために、水熱酸化プロセスへの曝露０時間後（図２Ａおよび図２Ｅ）、２４時間後（図２Ｂおよび図２Ｆ）、４８時間後（図２Ｃおよび図２Ｇ）、ならびに７２時間後（図２Ｄおよび図２Ｈ）に、酸化構成要素に対してＸ線光電子分光法を行った。さらに、Ｘ線光電子分光法は、Ｏ１ｓおよびＳｉ２Ｐバンドのデコンボリューションを分析した。Ｏ１ｓバンドのデコンボリューションの結果（図２Ｅ、図２Ｆ、図２Ｇ、および図２Ｈ）は、Ｏ−Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合に有利な近表面Ｎ−Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合の低減を実証した。Ｓｉ２Ｐバンドのデコンボリューションの結果（図２Ｅ、図２Ｆ、図２Ｇ、および図２Ｈ）は、Ｎ−Ｓｉ−ＯおよびＯ−Ｓｉ−Ｏ結合に有利な表面Ｎ−Ｓｉ−Ｎ結合の低減を実証した。Ｏ１ｓバンドのデコンボリューション（図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃ、および図２Ｄ）ならびにＳｉ２Ｐバンドのデコンボリューション（図２Ｅ、図２Ｆ、図２Ｇ、および図２Ｈ）は両方ともに、Ｓｉ３Ｎ４表面の酸化の増加を示した。
【００４８】
これらの化学結合の変化に関連する統計的有意性を、図３Ａおよび図３Ｂに示す。Ｏ１ｓバンドは、Ｏ−Ｓｉ−Ｏ結合に有利なＯ−Ｓｉ−Ｎ結合の低減を示す（図３Ａ）。Ｓｉ２Ｐバンドは、Ｏ−Ｓｉ−Ｏ結合に有利なＮ−Ｓｉ−Ｎ結合の低減を示す（図３Ｂ）。これらのデータは、水熱環境への曝露を増加させることによって、Ｓｉ３Ｎ４が混合窒化物酸化物表面から主に酸化物条件にゆっくりと変換されることを示す。これは、図４Ａおよび図４Ｂに提供される微細構造写真によって実証される。これらは、水熱処理の前の元の状態の研磨された試料を示す（図４Ａ）。元の状態の表面は、その水熱酸化処理後にシリカ（すなわち、ＳｉＯ２）ガラスで満たされた周期的なピットおよび欠陥を有する（図４Ｂ）。理論に束縛されるものではないが、この固有の表面化学の操作により、Ｓｉ３Ｎ４は全関節形成術の人工関節における優れた関節接合部材として機能すると考えられる。
【００４９】
実施例３：摩耗試験
実施例１および２に記載されるように調製された大腿骨頭およびＢＩＯＬＯＸデルタ（ジルコニア強化アルミナ）で調製された大腿骨頭を、股関節シミュレータを使用して摩耗試験に供した。具体的には、寛骨臼カップを１２１℃で７２時間、水熱酸化処理した。簡単に説明すると、寛骨臼カップを重み付けし、ウシ血清を含む浴に予浸して、（ＩＳＯ１４２４２／２で推奨されるように）定常レベルの液体吸着を達成した。５０時間浸漬した後、全ての寛骨臼カップを洗浄し、再重み付けした。この手順を、２４時間にわたる寛骨臼カップの増分変化が以前の累積質量変化の１０％未満であるまで繰り返した（ＩＳＯ１４２４２−２の一部として）。
【００５０】
寛骨臼カップを大腿骨頭に連結し、潤滑剤（脱イオン水でバランスを取った２５％の無菌子ウシ血清（Ｓｉｇｍａ  Ａｌｄｒｉｃｈ，Ｓｔ．Ｌｏｕｉｓ，ＭＯ）、０．２％のアジドナトリウム、および２０ｍｍｏｌ／ｄｍ３エチレンジアミン四酢酸（ＥＤＴＡ））を用いて１２ステーション股関節シミュレータ上で試験した。股関節シミュレータで４００，０００サイクルごとに、寛骨臼カップの減量を評価した。各重み付け停止部で、寛骨臼カップを除去し、超音波洗浄器中で４０℃にて、専用洗剤、すなわちＣｌｅａｎ６５を用いて１５分間洗浄した。すすぎ後、脱イオン水を含む超音波洗浄器でさらに１５分間、寛骨臼カップを洗浄した。寛骨臼カップを最初に窒素を使用して乾燥させ、次いで真空（０．１バール）下に４０分間置いて乾燥を完了した。微量天秤を用いて減量を測定した。各寛骨臼カップを３回重み付けし、平均値を計算した。
【００５１】
大腿骨頭と連結された寛骨臼カップについての減量対サイクル数を図５に示す。実施例１および２に記載されるように調製された大腿骨頭（図５でＭＣ２（登録商標）ＡＭＥＤＩＣＡ  Ｓｉ３Ｎ４とラベル付けされた）は、ＺＴＡ  ＢＩＯＬＯＸ（登録商標）デルタ（０．５５ｍｇ／Ｍｃ）の平均質量損失よりも低い平均質量損失（０．４６ｍｇ／Ｍｃ）を有した。
【００５２】
実施例４：静的水熱曝露
実施例１および２に記載されるように調製された大腿骨頭ならびにＢＩＯＬＯＸデルタを、実施例３と同様の様式で股関節シミュレータを使用して摩耗試験に供した。しかしながら、大腿骨頭をＥ１（ビタミンＥ注入ポリエチレン）に対して関節接合させた。
【００５３】
結果は、ライナーの非摩耗ゾーン（ＮＷＺ）および主摩耗ゾーン（ＭＷＺ）の両方についての摺動面（すなわち、ｚ＝０）（図６Ａ）および２００μｍの深さ（図６Ｂ）におけるＥ１の結晶化度および対応する酸化指数の差を示す。Ｓｉ３Ｎ４は、表面におけるライナーの酸化を低減するのに著しく有効であった（すなわち、負の結晶化度および酸化指数）が、ＺＴＡに対して関節接合するライナーについて酸化が増加した。２００μｍの深さでは、Ｓｉ３Ｎ４の結晶化度および酸化指数の変化はゼロに近いままであった。逆に、ＺＴＡに対して関節接合するライナーは、両方のパラメータの顕著な増加を示した。
【００５４】
実施例５：恒常生状態
実施例１で調製した窒化ケイ素セラミックのブロックを研磨し、次いで酸性ゲルに埋め込んだ。高空間分解能で固体表面の局所ｐＨ値を測定およびマッピングできるｐＨ顕微鏡（ＳＣＨＥＭ−１１０；Ｈｏｒｉｂａ，Ｋｙｏｔｏ，Ｊａｐａｎ）。ｐＨマッピング実験を実行する際に、Ｓｉ３Ｎ４試料を、人工唾液、ＫＣｌ、および寒天からなる酸性ゲルに完全に埋め込んだ。ｐＨ撮像センサーは、総感知面積２．５×２．５ｃｍ２の平坦な半導体プレートからなった。センサーの最高空間分解能およびｐＨ感度は、それぞれ１００μｍおよび０．１ｐＨであった。顕微鏡には、電解質内の陽子を検出することができる光アドレス型電位差測定センサーが搭載されていた。センサーの背面から電解質と背面との間に印加されたバイアス電圧で光線を向けた。センサーの背面からの変調照明によって誘導されたＡＣ光電流の特性が、センサー表面の陽子量に依存するため、電流の局所値を測定することにより、ｐＨ値を高精度に決定した。次いで、検出された電流信号をカラースケールに変換し、各画素は画像解析ソフトウェア（Ｉｍａｇｅ  Ｐｒｏ  Ｐｌｕｓ，Ｍｅｄｉａ  Ｃｙｂｅｒｎｅｔｉｃｓ，ＭＤ，ＵＳＡ）を使用してｐＨ画像と相関する。これにより、埋め込まれたＳｉ３Ｎ４試料の周りに視覚的ｐＨマップを生成した。試験片を埋め込んだ後、最長で４５分間の様々な時間間隔でｐＨマップを得た。
【００５５】
ｐＨ顕微鏡を使用することによって、約４５分間にわたって、インプラントの近くの酸性レベルの変化が注目された。
【００５６】
Ｓｉ３Ｎ４表面は、そのわずかな溶解および溶出挙動（すなわち、前述の反応を指す）により局所ｐＨを変化させるのに有効である。主な結果を図７に示す。このグラフィック図は、インプラント周辺のｐＨがその初期酸性値５．５からすぐに上昇し始め、４５分の間隔にわたって約８．５で塩基性状態に達することを示す。ｐＨ変化の程度は、インプラントの表面化学を変化させることによって（すなわち、混合窒化物酸化物から酸化物表面へ）、予め操作され得ると推測される。
【００５７】
実施例６：酸化セラミックおよび非酸化セラミック大腿骨頭対ＵＨＭＷＰＥライナー
２つの種類の酸化物大腿骨頭（Ａｌ２Ｏ３、ＢＩＯＬＯＸ（登録商標）フォルテならびにジルコニア強化アルミナ、ＺＴＡ、ＢＩＯＬＯＸ（登録商標）デルタ、ＣｅｒａｍＴｅｃ，ＧｍｂＨ，Ｐｌｏｃｈｉｎｇｅｎ，Ｇｅｒｍａｎｙ）および１つの種類の非酸化物大腿骨頭（ＭＣ２（登録商標）Ｓｉ３Ｎ４、Ａｍｅｄｉｃａ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｓａｌｔ  Ｌａｋｅ  Ｃｉｔｙ，ＵＴ，ＵＳＡ）を、連続して照射され、アニールされた材料（Ｘ３、Ｓｔｒｙｋｅｒ  Ｏｒｔｈｏｐｅｄｉｃｓ、Ｉｎｃ．，Ｍａｈｗａｈ，Ｎｅｗ  Ｊｅｒｓｅｙ，ＵＳＡ）およびビタミンＥ注入材料（Ｅ１（登録商標），Ｚｉｍｍｅｒ  Ｂｉｏｍｅｔ，Ｗａｒｓａｗ，Ｉｎｄｉａｎａ，ＵＳＡ）を含む２つの最先端の高度に架橋された超高分子ポリエチレンライナー（ＵＨＭＷＰＥ）に対比して試験した。
【００５８】
合計４回の実験を実行した。（ｉ）時間の関数として水蒸気雰囲気における予備水熱試験、（ｉｉ）湿式界面を有するＵＨＭＷＰＥライナーと連結されたセラミックヘッドの静的、無荷重、および短時間の水熱暴露、（ｉｉｉ）潤滑環境における摩擦往復式または「スイング」試験、および（ｉｖ）潤滑剤としてウシ血清を用いた股関節シミュレータ試験。（ｉｉ）、（ｉｉｉ）、および（ｉｖ）における試験手順の概略図は、それぞれ図８Ａ、８Ｂ、および８Ｃに示され、主な試験条件はそれぞれの図の挿入図に示されている。
【００５９】
セラミック／ＵＨＭＷＰＥカップル（上記項目（ｉｉ）；図８Ａ）の静的水熱試験において、サイズおよび形状が等しい６つのＸ３  ＵＨＭＷＰＥライナーは、３つの種類のφ３２ｍｍセラミック大腿骨頭（Ａｌ２Ｏ３、ＺＴＡ、およびＳｉ３Ｎ４）と連結された。ライナーは以前に、平均線量３２ｋＧｙでガンマ線照射されていた。比較のために、６つの同一の凸状ＵＨＭＷＰＥ試料を整合させ、６つの球状（凹状）ＵＨＭＷＰＥ切片に対して試験した。凸状ＵＨＭＷＰＥ試料は、照射しなかった。一定の接触（すなわち、２５Ｎ）を確実にするために軽くクランプし、カップルを加速されたオートクレーブエージング試験に供した。全ての表面を純粋な水に浸してから連結させ、すぐに断熱的な水蒸気圧下で１２１℃でオートクレーブに配置した。エージング時間を２４時間の固定間隔で意図的に短く保ち、全ての試料を同じ実験セッションで同時に実行した。加速エージング試験終了後、試料を乾燥させ、１００℃／時の速度で冷却した。各実験セッション中に材料の種類ごとに２つのカップルを使用して、実験を３回繰り返した。
【００６０】
摩擦スイング試験（上記の項目（ｉｉｉ）、図８Ｂ）は、潤滑環境でＸ３ライナーと連結された２種類のφ２８ｍｍの大腿骨頭（すなわち、ＺＴＡおよびＳｉ３Ｎ４、それぞれｎ＝３）を使用して行った。ＵＨＭＷＰＥライナーを、上述のように予備照射した。摩耗試験装置は、平面往復（またはロッカー運動）股関節シミュレータ内の単一のステーションからなった。シミュレータは減速ギアを備えたステッパーモータで構成されており、＋２０°と−２０°で短時間（約０．２５秒）の休止で１Ｈｚの周波数で±２０のスイングモーションを生み出した。このユニットを、サイクル全体を通して、一定軸方向にかけられる１７００Ｎの荷重の圧縮試験機（６００ＬＸ、Ｉｎｓｔｒｏｎ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｎｏｒｗｏｏｄ，ＭＡ，ＵＳＡ）に配置した。トラニオンおよびライナーを３３の角度で配向し、関連する生理的負荷を再現した。摩耗試験を周囲温度（すなわち、約２５℃）で実行し、試験中に温度を定期的に監視した。試験で使用される潤滑剤の基本組成物は、脱イオン水、２つの塩（すなわち、８ｍｇ／ｍｌのＮａＣｌおよび２．６８ｍｇ／ｍｌのＮａ２ＨＰＯ４・７Ｈ２Ｏ）、および２つのタンパク質（すなわち、１１．１ｍｇ／ｍｌのウシアルブミンおよび５．１ｍｇ／ｍｌのウシγ−グロブリン）からなった。塩基性潤滑剤に約０．２９ｍｇ／ｍｌのＦｅＣｌ３を添加して、関節液中の生理的に適切な濃度のＦｅ３＋イオン（すなわち、約１００ｍｇ／ｌ）を再現した。各試験シーケンスを１Ｈｚで５×１０５サイクルまで実施した。
【００６１】
股関節シミュレータ試験では、１２本のＥ１（登録商標）ＵＨＭＷＰＥライナー（６本はＺＴＡに連結し、６本はＳｉ３Ｎ４大腿骨頭に連結した）を、摩耗試験の前に４週間、子ウシ血清に浸漬させ、ＩＳＯ１４２４２−２に従って流体吸収による体重変化を補償した。図８Ｃに示されるように、摩耗試験を、ＩＳＯ１４２４２−３に従って、反転位置型１２ステーション股関節シミュレータ（Ｓｈｏｒｅ  Ｗｅｓｔｅｒｎ，Ｍｏｎｒｏｖｉａ，Ｌｏｓ  Ａｎｇｅｌｅｓ，ＣＡ）を使用して実行した。関節接合カップルを、２ｋＮのピークおよび１．１Ｈｚの回転周波数を有する正弦荷重に供した。ライナーの減量を化学天秤（Ｓａｒｔｏｒｉｕｓ  ＡＧ，Ｇｏｔｔｉｎｇｅｎ，Ｇｅｒｍａｎｙ）を用いて５０万サイクル（Ｍｃ）間隔で測定した。
【００６２】
比較のために、インビボでポリエチレンライナーに対して関節接合していた２つの回収された大腿骨頭も調査した。１つは、第２世代モノリシックＡｌ２Ｏ３（Ｂｉｏｌｏｘ（登録商標）フォルテ、ＣｅｒａｍＴｅｃ，ＧｍｂＨ，Ｐｌｏｃｈｉｎｇｅｎ，Ｇｅｒｍａｎｙ）であった。これは、ポリエチレンライナーの摩耗により、体内で２６．３年後に回収された。２つ目は、いわゆる第４世代ＺＴＡヘッド（ＢＩＯＬＯＸ（登録商標）デルタ、ＣｅｒａｍＴｅｃ，ＧｍｂＨ，Ｐｌｏｃｈｉｎｇｅｎ，Ｇｅｒｍａｎｙ）であった。これは、Ｘ３（商標）（Ｓｔｒｙｋｅｒ  Ｏｒｔｈｏｐｅｄｉｃｓ，Ｉｎｃ．，Ｍａｈｗａｈ，Ｎｅｗ  Ｊｅｒｓｅｙ，ＵＳＡ）ライナーに対して２０ヶ月間インビボで関節接合し、股関節脱臼により除去された。
【００６３】
実施例７：分析特性評価
実施例６に記載のセラミック大腿骨頭およびＵＨＭＷＰＥ試料の両方の表面上で、水熱エージング、セラミック／ＵＨＭＷＰＥカップルの静的水熱試験、および摩擦スイング試験の前後にＸＰＳ分析を実行した。これらの分析には、単色ＭｇＫα（出力１０ｋＶ、１０ｍＡ）のＸ線源を有する光電子分光計（ＪＰＳ−９０１０ＭＣ；ＪＥＯＬ  Ｌｔｄ．，Ｔｏｋｙｏ，Ｊａｐａｎ）を採用した。試料の表面をプレチャンバ内のＡｒ＋スパッタリングによって洗浄したが、実際の測定は、１０ｅＶの分析器パスエネルギーおよび０．１ｅＶの電圧ステップサイズで約２×１０−７Ｐａで真空チャンバ内で行った。Ｘ線入射角および取出角をそれぞれ３４°および９０°に設定した。元素酸素の画分を、選択された場所（例えば、摩耗ゾーンおよび非摩耗ゾーン）で試験されたＵＨＭＷＰＥライナーの各々上で３つの別個の測定値を平均することによって決定した。セラミック試料とＵＨＭＷＰＥ試料とのＸＰＳ出力間の比較は、股関節カウンターパーツ間の酸素の流れを評価する役割を果たした。Ｃ、Ｏ、Ｓｉ、およびＮの計算に使用される感度係数（ａ％）は、それぞれ４．０７９、１０．９５８、２．３８７、および７．０３９であった。
【００６４】
ＣＬスペクトルを、光学デバイスを備えた電界放射型電子流走査電子顕微鏡（ＦＥＧ−ＳＥＭ、ＳＥ−４３００、Ｈｉｔａｃｈｉ  Ｃｏ．，Ｔｏｋｙｏ，Ｊａｐａｎ）を使用して収集した。５ｋＶの加速度電圧（調査されたセラミックスの化学量論的構造の乱れの閾値を下回る）で電子照射すると、放出されたＣＬ放射を、光ファイバー束を介して高分光分解能モノクロメータに接続された楕円形ミラー（Ｔｒｉａｘ３２０、Ｊｏｂｉｎ−Ｙｖｏｎ／Ｈｏｒｉｂａ  Ｇｒｏｕｐ，Ｔｏｋｙｏ，Ｊａｐａｎ）で収集した。実験全体を通じて１５０ｇ／ｍｍの格子を使用し、液体窒素冷却した１０２４×２５６ピクセルのＣＣＤカメラがＣＬ発光を収集した。得られたスペクトルを、市販ソフトウェア（ＬａｂＳｐｅｃ４．０２、Ｈｏｒｉｂａ／Ｊｏｂｉｎ−Ｙｖｏｎ，Ｋｙｏｔｏ，Ｊａｐａｎ）を用いて分析した。マップごとに１６００測定点の自動収集で５０ｎｍの横方向ステップを使用してマッピングを実行した。ＣＬプローブサイズは、それぞれ、６８×２８０ｎｍの深さおよび面内の大きさであった。
【００６５】
ラマン評価は、電荷結合デバイス（ＣＣＤ）検出器を装備したトリプルモノクロメータ（Ｔ−６４０００、Ｊｏｂｉｎ−Ｉｖｏｎ／Ｈｏｒｉｂａ  Ｇｒｏｕｐ，Ｋｙｏｔｏ，Ｊａｐａｎ）を使用した。市販の計算パッケージ（ＬａｂＳｐｅｃ  ４．２，Ｈｏｒｉｂａ／Ｊｏｂｉｎ−Ｙｖｏｎ，Ｋｙｏｔｏ，Ｊａｐａｎ）を使用して、スペクトルデコンボリューションのための自動フィッティングアルゴリズムを取得した。ラマンプローブの深部空間分解能は、光学回路に共焦点ピンホールφ（１００μｍ）を配置した１００×対物レンズによって約６μｍに制限された。自動サンプルステージを用いて、表面下の異なる深さのラマンスペクトルの正方形マップ（５μｍのステップの正方形メッシュで分割された５０×５０μｍ２）を収集した。各ＵＨＭＷＰＥ試料は、加速エージング試験の前後の３つの別個の場所で特性化された。酸化現象が再結晶化の唯一のトリガーであると仮定して、酸化指数における変動（ΔＯＩ）を、以前に較正された現象論的方程式を用いて計算した。
【００６６】
ＦＴＩＲ分光法（ＦＴ／ＩＲ−４０００シリーズ、Ｊａｓｃｏ，Ｅａｓｔｏｎ，ＭＤ，ＵＳＡ）を用いて、ＵＨＭＷＰＥライナーの断面に沿って酸化を監視した。試験されたライナーの一部を関節接合面に垂直に切断し、マイクロトームデバイスを使用して一連の薄いスライスを得た。分析面積を１００×１００μｍ２に設定した。スペクトルをライナーの遊離表面と平行に１００μｍの間隔で記録した。スペクトルは、常に４ｃｍ−１のスペクトル分解能で伝送モードで収集した。酸化指数ＯＩは、スペクトル間隔１６５０〜１８５０ｃｍ−１に位置するポリエチレンの赤外線吸収バンドによって範囲を定めた面積と、間隔１３３０〜１３９６ｃｍ−１に位置する吸収バンドの面積（すなわち、Ｃ−Ｈ変角振動（ｂｅｎｄｉｎｇ）に関連する放射）との比率として計算された。両方の種類のＵＨＭＷＰＥライナーの限られた数の試料のために、ＦＴＩＲによって得られたＯＩ値を、同じ材料について以前に較正されたアルゴリズムを使用して結晶性変動のラマン評価から得られたものと比較した。ＦＴＩＲとラマンとの比較は、これらの試験手順を使用して以前の所見を確認し、精度±５％以内のＯＩ評価のラマンアルゴリズムを検証した。
【００６７】
統計分析には、対応のないスチューデントのｔ検定を活用した。試料サイズは、各図の挿入図に規定されている。ｐ値＜０．０５は統計的に有意であると見なされ、アスタリスクが付されている。
【００６８】
実施例８：水熱アニーリングによる表面化学変化
予備手順を、水熱曝露による酸化物および非酸化物バイオセラミックスにおいて生じる化学変化を定量的に評価するように設計した。この手順は、ＸＰＳおよびＣＬ分光法によって取得したスペクトルデータの組み合わせを利用した。
【００６９】
図９Ａ、図９Ｂ、および図９Ｃは、受け取ったままのＡｌ２Ｏ３中のＡｌ２ｐ（ＢＩＯＬＯＸ（登録商標）フォルテ）、ＺＴＡ中のＡｌ２ｐ（ＢＩＯＬＯＸ（登録商標）デルタ）、およびＳｉ３Ｎ４中のＳｉ２ｐ（ＭＣ２（登録商標））のそれぞれの平均ＸＰＳスペクトルを示し、図９Ｄ、図９Ｅ、および図９Ｆは、それぞれ、１２１℃でのオートクレーブ中で２４時間の断熱曝露後の同じセラミックスを示す。酸化物スペクトルを、ヒドロキシル化（Ｏ−Ａｌ−Ｏ−Ｈ）結合、非ヒドロキシル化（Ｏ−Ａｌ−Ｏ）結合、および材料表面における結合集団を表すＯ−Ａｌ−ＶＯ結合の３つのＶｏｉｇｔｉａｎサブバンド構成要素にデコンボリューションした。一方で、非酸化物スペクトルは、３つのサブバンドを含み、１つはＮ−Ｓｉ−Ｎに関連しており、２つのさらなるサブバンドは、それぞれバルクＳｉ３Ｎ４格子および表面形成オキシ窒化ケイ素格子に属するＮ−Ｓｉ−ＯおよびＯ−Ｓｉ−Ｏという異なる種類のＳｉ−Ｏ結合からのものである。元の状態の試料と短期的なオートクレーブにかけた試料との間の比較は、実際に、酸化物および非酸化物セラミックスの両方の表面で一般的にどれだけ迅速に化学量論的変化が起こるかを示している。両方の酸化物試料において、Ｏ−Ａｌ−ＶＯ結合の画分は、Ｏ−Ａｌ−ＯおよびＯ−Ａｌ−Ｏ−Ｈ結合の両方を犠牲にして増加し、一方、非酸化物試料において、Ｏ−Ｓｉ−ＯおよびＮ−Ｓｉ−Ｏタイプの結合の両方は、Ｎ−Ｓｉ−Ｎ結合集団を犠牲にして画分増加を受けた。
【００７０】
図１０Ａ〜１０Ｆは、セラミックヘッドの球面上のｎ＝６個の異なるゾーンで実行されるｎ＞６個の測定値を平均することによって、オートクレーブ（１２１℃、１バール）における曝露時間の関数として収集されたＸＰＳ結果を示す。図１０Ａおよび１０Ｂでは、モノリシックアルミナおよびＺＴＡ複合ヘッドのＡｌ２ｐ縁部に関する結果をそれぞれ示す。図９Ａ〜９Ｆに示される同じＶｏｉｇｔｉａｎ関数に適合したＸＰＳスペクトルは、酸化物セラミックスの両方の酸素空孔Ｏ−Ａｌ−ＶＯ部位に有利なＯ−Ａｌ−Ｏ結合の漸進的な低減とともに均質な傾向を明らかにした（ｐ＜０．０５）。データのより細密な検査は、複合ＺＴＡと比較して、モノリシックＡｌ２Ｏ３における欠陥部位のより大きな初期画分を示した。また、ＺＴＡよりもオートクレーブ時間が増加したＡｌ２Ｏ３に多くの欠陥が現れた（図１０Ａおよび１０Ｂを参照されたい）。それでも、このプロセスが異なる速度で発生したものの、酸素は、酸化物ヘッドの両方の種類の表面を徐々に残った。
【００７１】
次いで、酸化物成分上で収集されたＸＰＳデータを、非酸化Ｓｉ３Ｎ４ヘッドについて全く同じ実験条件下で得られた値と比較した。図１０Ｃおよび１０Ｄは、オートクレーブ曝露の関数として、Ｓｉ３Ｎ４についてそれぞれＯ１ｓおよびＳｉ２ｐ縁部で検出されるＸＰＳの傾向を示す。これらの後者のデータセットは、セラミック表面におけるＯ−Ｓｉ−ＯおよびＮ−Ｓｉ−Ｎ部位に有利なＯ−Ｓｉ−ＮおよびＮ−Ｓｉ−Ｎ結合の漸進的な画分減少を明らかにしている（ｐ＜０．０５）。これは、表面窒素が徐々に酸素に置き換わることを示している。
【００７２】
２つの酸化物系セラミックスのＣＬデータを図１１Ａ〜１１Ｄに示す。図１１Ａおよび図１１Ｂは、Ａｌ２Ｏ３およびＺＴＡからそれぞれ作製される大腿骨頭のオートクレーブ時間を増加させる関数として、ＣＬスペクトルのそれらの形態的発展を示す。両方の材料は、３２５〜３３０ｎｍ周辺で増加した光学発光を示し、これは酸素空孔の形成に相応する。図１１Ｃは、調査された全オートクレーブ時間にわたって、Ａｌ２Ｏ３およびＺＴＡからの酸素空孔排出量のＣＬ強度を比較する。図１０Ａ〜１０ＤのＸＰＳデータと一致して、ＣＬ実験は、ＺＴＡ複合材料が、モノリシックＡｌ２Ｏ３と比較して、より低い初期量の酸素空孔を含み、オートクラブ時間とともにその集団を軽度に増加させたことを明らかにした。これらの差は、酸素放出アルミナの面積画分を約１７体積％低減させたジルコニア相の存在に起因する可能性が高い。加えて、Ｃｒ３＋（すなわち、Ａｌ３＋の代わりに意図的に添加されるドーパント）の存在は、Ａｌ３＋と比較して、そのエネルギー水素結合が高いため、脱ヒドロキシル化を遅らせる。ＸＰＳおよびＣＬの両方における電子プローブの幾何学的形状が、同様に浅い（すなわち、ナノメートルの深さ）ため、これら２つの方法による結果が同等であることが示唆されることに留意されたい。図１１Ｄは、Ａｌ２Ｏ３およびＺＴＡヘッドの両方のＣＬ強度を増加させるために、ＸＰＳによる化学量論におけるドリフトにリンクする。これらのプロットは、これらの２つのセラミックスの表面でインビトロで形成される酸素空孔に半定量的データを提供する。
【００７３】
オートクレーブ時間（図示せず）の関数として、Ｓｉ３Ｎ４ヘッドの表面上で同様のＣＬ実験を行った。窒素を置き換える酸素の傾向は、シリカガラスに典型的な酸素過剰部位（すなわち、非架橋酸素孔中心）に属する約６５０ｎｍでのＣＬバンドの強度の増加によって反映された。
【００７４】
図１０Ａ〜１０Ｄおよび１１Ａ〜１１Ｄは、酸化物および非酸化物セラミックスに関する反対のシナリオを明らかにしている。分子水の吸着は、遊離酸素がそれらの表面から流れ去る酸化物セラミックスの溶媒の役割を果たし、一方で、Ｓｉ３Ｎ４に対して酸化剤であり、したがって酸素はその表面に向かって流れる。水分子は、酸化物および非酸化物セラミック表面（すなわち、Ａｌ２Ｏ３系およびＳｉ３Ｎ４セラミックスについて、それぞれアルミノールおよびシラノール）への水素結合時に異なる強度を有する。強力な結合は、シラノールが形成されるときのＨ結合アクセプターから、および界面アルミノールにおけるＨ結合ドナーから生じるが、弱結合は、Ｓｉ３Ｎ４およびＡｌ２Ｏ３の表面におけるＨ結合ドナーおよびアクセプターからそれぞれ生じる。
【００７５】
実施例９：セラミック／ポリエチレンカップルに対する静的水熱試験
様々なセラミック大腿骨頭と連結された場合のポリエチレンライナーの結晶化度および酸化に対する酸素運動の影響を、最初にゼロに近い荷重の下で静的水熱活性化試験を用いて調査した。本実施例におけるデータは、Ｘ３高架橋ポリエチレンライナーの結晶化度および酸化の予備的なラマン／ＦＴ−ＩＲ特性評価を検証する。具体的には、本実施例の目的は、ポリエチレン表面のＸＰＳ分析を以前のラマンおよびＦＴＩＲ特性評価に付加することによって、同じブランドの高度ポリエチレンに対する新しい実験を使用して、以前のデータを確認することであった。セラミック表面のＸＰＳ分析も実行したが、それらは実施例８に記載されている水熱試験と明白に異なることはなかった。したがって、図１０Ａ〜１０Ｄは、ＵＨＭＷＰＥライナーに連結されるときのこれらのセラミックスの静的水熱試験の結果を表す。
【００７６】
図１２Ａは、Ｘ３（商標）ポリエチレンライナーの表面における、その元の状態の値に関する結晶化度、Δｃ０、および酸化指数の変動、ΔＯＩ０を示す。セラミック対ポリエチレンカップルと同じ幾何学的構成を有するポリエチレン対ポリエチレンカップル（すなわち、Ｘ３（商標）対Ｘ３（商標））を、陽性対照として使用した。帰無仮説は、試験されたセラミックスの全て（完全に生体不活性である場合）が、オールポリエチレンカップルと同じΔｃ０およびΔＯＩ０の変動を誘導することであった。図１２Ｂは、調査されたカップルの各々について、ポリエチレン表面で収集されたＸＰＳ結果を要約する。
【００７７】
図１２Ａおよび図１２Ｂに提示されたデータが、帰無仮説から明らかに外れていることに留意されたい。酸化物セラミックスを含有するカップルにおいて、表面結晶化度（約５５％）および酸化（約４５％）の有意な増加が観察された。結果は、陽性対照と比較したとき（ポリエチレン対ポリエチレンカップル）に統計的に妥当であったが、２つの酸化物含有カップル間の差は有意ではなかった。Ｓｉ３Ｎ４ヘッドと連結されたライナーは、酸化物セラミックスと連結されたライナーよりも約３０％低い酸化指数の増加を経験し、これらは、対照カップルよりも約１４％高いだけであった。ライナー表面のＸＰＳデータは、振動データと一致していた。これらは、セラミック酸化物ヘッドと連結されたライナーの表面で最高量の酸素を示し（すなわち、オールポリエチレンカップルで検出された量の約２倍）、Ａｌ２Ｏ３またはＺＴＡと連結されたライナー間で統計的に有意な差はなかった。Ｓｉ３Ｎ４に結合されたライナーの表面でＸＰＳによって検出された酸素含有量は、制御カップルの表面で検出された値よりもわずかに高かった（統計学的関連性はない）。試験された全てのライナーの表面に、ＸＰＳによってＮおよびＳｉの痕跡が見出された、これは、ＵＨＭＷＰＥ構成要素の製造中のそれぞれのアニールおよび研磨によるものであると推測された。
【００７８】
全ての試料上の環境荷重が幾何学的および熱力学的に同一であったと仮定すると、酸化物セラミックカップルのポリエチレン酸化の増加（対照と比較して）は、セラミック表面からの酸素排出から生じる。この仮説は、これらのライナーのＸＰＳデータと一致している（図１０Ａおよび図１０Ｂならびに図１２Ｂを参照されたい）。水熱環境で２４時間曝露した後、酸化物セラミックス中のＯ−Ａｌ−Ｖｏ結合の画分の増加（約５０％）は、ポリエチレンライナーの表面で検出された酸素結合の画分増加にほぼ等しい。
【００７９】
ＵＨＭＷＰＥライナーの酸化を防止するためのＳｉ３Ｎ４ヘッドの潜在的な保護作用を定量化するために、水熱試験条件に同一に曝露されたＸ３（商標）ライナーをその後、分光学的に特性化した（ｎ＝３）。この追加の試料は、「遊離」ポリエチレンと呼ばれる。この試料についてのΔｃ０およびΔＯＩ０値は、ポリエチレン対照カップルとポリエチレン対Ｓｉ３Ｎ４カップルとの間であり、２つのカップルに対して統計的に有意な差はなかった。「遊離」試料の表面におけるＸＰＳによって検出された酸素含有量（図１２Ｂ）に関しては、Ｓｉ３Ｎ４と連結されたライナーの表面よりもやや高かったが、この差は統計的には関連しなかった。
【００８０】
要約すると、非酸化物セラミックスは、この特定の静的水熱試験において酸化物セラミックスよりも、ＵＨＭＷＰＥの酸化を遅らせる際に明らかに友好的なカウンターパーツであることが証明された。酸化物セラミックスによる酸素汚染は明確に定量化されていたが、ＵＨＭＷＰＥライナーの劣化対策における非酸化物セラミックスによる任意の保護効果は、より長期的な水熱実験で評価する必要がある。
【００８１】
実施例１０：セラミック／ポリエチレンカップルの摩擦スイング試験
スイング動態下であるが、水熱活性化はそのままにして、カップルの２つの潤滑構成要素間の摩擦相互作用に基づいて、追加の実験セットを考案した。これらの試験の目的は、適度な荷重下で摩擦摺動を使用して、異なる大腿骨頭材料がＵＨＭＷＰＥ（すなわち、Ｘ３（商標））の酸化に及ぼす影響を決定することであった。図１３Ａおよび図１３Ｂは、この摩擦スイング試験の前後のＺＴＡ大腿骨頭からの典型的なＡｌ２ｐのＸＰＳスペクトルを、潤滑条件下で１７００Ｎの荷重でそれぞれ１Ｈｚで５×１０５サイクル示す。この摩擦試験は、酸化物複合材料の表面におけるＸＰＳスペクトルの有意な変化を誘導し、酸素空孔が豊富な環境に向けた非化学量組成におけるドリフトを示した。Ａｌ２ｐスペクトルで観察された変動の定量的プロットを図１３Ｃに示す。このプロットは、Ｏ−Ａｌ−Ｏ結合集団の約２８％の減少が、ほぼ同等のＯ−Ａｌ−ＶＯ結合の増加に有利であることを明らかにしている。Ｏ１ｓ縁部は、一貫して、Ａｌ−Ｏ−Ａｌ−ＶＯに有利なＡｌ−Ｏ−Ａｌ−Ｏ集団の減少を示したが、Ａｌ−Ｏ−Ｈ結合の集団における有意な減少を伴う表面脱ヒドロキシル化を確認した（図１３Ｄ）。一方、ＺＴＡ表面のＺｒ３ｄ縁部（図１３Ｄにも示す）は、Ｚｒ−Ｏ−Ｈの不変画分およびＺｒ−Ｏ−Ｚｒ結合の増加を明らかにした。この観察は、Ａｌ２Ｏ３の表面におけるＯ−Ｈ結合と比較してはるかに強いＯ−Ｈ結合のため、ＺｒＯ２セラミックスにおいて脱ヒドロキシル化がほとんど起こらないという事実と一致していた。一方、その発生は、準安定正方晶（Ｙドープ）ジルコニア格子内の既存の空孔を埋めるトライボ層からの遊離酸素の結果であり、これは、反対にモノクリニック多形体への自発的相変化を誘導する。
【００８２】
図１４Ａおよび１４Ｂは、摩擦スイング試験の前後のＳｉ３Ｎ４大腿骨頭からの典型的なＮ１ｓのＸＰＳスペクトルをそれぞれ表す。これらの場合、長期間の摩擦曝露は、Ｓｉ−Ｎ−Ｓｉ−Ｏ結合のほぼ同等の増加に有利なＳｉ−Ｎ−Ｓｉ−Ｎ結合の約２７％の減少を伴い、それらの表面で劇的な非化学量組成を誘導したが、Ｓｉ−Ｎ−Ｈ結合の集団は変化しないままであった（図１４Ｃを参照されたい）。Ｏ１ｓ縁部でのＸＰＳデータは、Ｎ１ｓ縁部で観察される傾向を確認した。Ｓｉ２ｐ縁部でＮ−Ｓｉ−Ｎ結合の減少も観察された（図１４Ｄを参照されたい）。図１３Ａ〜１３Ｄおよび図１４Ａ〜１４Ｄに提供されるＸＰＳデータは、ＵＨＭＷＰＥライナーに対する摩擦荷重のために、ＺＴＡおよびＳｉ３Ｎ４セラミックスの表面における酸素化学の反対の傾向を実証した。前者の材料は酸素をその表面から放出した（すなわち、Ａｌ−Ｏ−Ａｌ−ＶＯ結合の増加）が、後者は酸素を除去した（すなわち、Ｓｉ−Ｎ−Ｓｉ−Ｏ結合の増加）。
【００８３】
酸素のこの反対の移動がＵＨＭＷＰＥライナーに及ぼす影響を決定するために、振動挙動をスイングサイクルの数ｎｃ関数として監視した。図１５Ａおよび１５Ｂは、ＺＴＡおよび窒化ケイ素（データは、非摩耗ゾーン、ＮＷＺ、および主摩耗ゾーン、ＭＷＺからのデータ）のそれぞれと連結されたライナーのｎｃの関数としての結晶可度および酸化指数の変化を示す。図１５Ａ〜１５Ｂの結果は、摩擦接触が、ライナーが酸化物または非酸化物セラミックヘッドと連結されたかどうかに関係なく、ＮＷＺおよびＭＷＺの両方の位置について表面結晶化度および酸化指数を増加させたことを明らかにしている。しかしながら、ＵＨＭＷＰＥの劣化は、ＺＴＡヘッドと連結されたライナーにおいて有意に大きく、特にＮＷＺにおいて（すなわち、５×１０５サイクル後のΔＯＩ−１．２対０．４）、ＭＷＺにおいて、Ｓｉ３Ｎ４ヘッドと連結されたライナーについての平均ΔＩは、ＮＷＺと同じであった（すなわち、−０．４）が、一方、ＺＴＡと連結されたライナーは、ＮＷＺよりも−０．７低かった。なお、ＭＷＺにおけるΔＯＩ対ｎｃの傾向は、Ｓｉ３Ｎ４に結合したライナーでは飽和傾向にあり、ＺＴＡとＳｉ３Ｎ４セラミックスとの両方と連結されたライナーではＮＷＺは指数的に増加した。したがって、摩擦摩耗によるライナーからの材料除去と、ＵＨＭＷＰＥの表面の結晶化および酸化の速度との間に、ＭＷＺにおける競合効果がある可能性が高い。後者の速度は、前者よりも速いと思われる。したがって、ΔＯＩはｎｃとともに連続的に増加した。これは、材料除去速度が実質的にゼロだったＮＷＺの場合のようである。逆に、摩擦材料損失と比較して、より遅い酸化速度は、ＭＷＺについては、ΔＯＩ対ｎｃの飽和をもたらした。
【００８４】
ＵＨＭＷＰＥの加工マークの除去および重量分析に基づいて、両方の種類のカップルの摩耗率は同様であった（図１６Ａのレーザー顕微鏡検査結果およびそれぞれ−０．９ｍｇの減量値を参照されたい）。図１６Ｂは、ｎｃ＝５×１０５において、ＭＷＺおよびＮＷＺの両方のライナーの表面で収集されたＸＰＳデータの比較を提供する。ＺＴＡヘッドと連結されたライナーのＮＷＺ表面における酸素結合の数は、この実験セットにおいて最も多く（−１５原子％（ａｔ％））、Ｓｉ３Ｎ４ヘッドと連結されたライナーよりも２倍高かった。Ｓｉ３Ｎ４カップルについてのライナー酸化レベルは、ＮＷＺおよびＭＷＺについて明らかに同じであったが、ＺＴＡカップルは、ＭＷＺと比較して、ＮＷＺにおいてより高い酸化を示した（すなわち、−１５対１２．５原子％）。これは、ＺＴＡと連結されたライナーの酸化速度が、対応する材料の除去速度よりも速かったことを示唆している。このレベルの酸化は、確かにＺＴＡカップルにとって優れた現象であり、ＮＷＺにおいて−１．２ほど高いＯＩ値に達した。これらの摩擦スイング試験実験は、ＵＨＭＷＰＥライナー、特にＺＴＡヘッドと連結されたものの酸化が、主に機械的作用ではなく化学反応に起因することを実証した。
【００８５】
実施例１１：セラミック／ポリエチレンカップルの股関節シミュレータ試験
ＺＴＡまたはＳｉ３Ｎ４ヘッドのいずれかと連結されたビタミンＥドープ型ＵＨＭＷＰＥライナーの結晶化度および酸化を、標準股関節シミュレータ試験で５００万サイクル後に評価した。これは、代替のセラミックベアリング材料としてのＳｉ３Ｎ４の適合性を評価することを目的とした継続的な１，２００万サイクル研究の一部である。抗酸化物質のビタミンＥは、インビトロ実験中にライナー酸化を遅らせる能力を実証しているが、これらの分光試験の目的は、ビタミンＥドープされたＵＨＭＷＰＥライナーを非酸化物セラミックヘッドに連結させることが、ライナー酸化のさらなる遅延に関しても明白な利点をもたらす可能性があるかを判断することであった。
【００８６】
どちらの種類の摩耗カップルも、良好な性能を示した。ＺＴＡおよびＳｉ３Ｎ４カップルの平均ポリエチレンライナー摩耗率は、１００万サイクルごとにそれぞれ０．５５ｍｇおよび０．４６ｍｇであった。図１７Ａおよび図１７Ｂは、ライナー表面および２００μｍの深さのそれぞれの、ＺＴＡおよびＳｉ３Ｎ４カップルの結晶化度、Δｃ、および酸化指数、ΔＯＩ、変動を比較している。摩擦スイング試験と同様に、ＺＴＡと連結されたＵＨＭＷＰＥライナーは、Ｓｉ３Ｎ４と連結されたライナーと比較した場合、結晶化度の量および酸化のレベルの両方において大きな増加を有した。ＵＨＭＷＰＥの微細構造劣化は、ＺＴＡ連結ライナーの深さよりも表面でより顕著であった。逆に、調査された深さのいずれかでＳｉ３Ｎ４と連結されたライナーについては、結晶化は明らかでなかった。これには、ライナーの酸化指数の本質的な変化は伴わなかった（すなわち、ΔＯＩが約０）。実際、Ｓｉ３Ｎ４に対して関節接合されたライナーについては、非晶質化のわずかな増加が見られた（図１７Ａ）。２つの種類のＵＨＭＷＰＥライナー（すなわち、Ｘ３対Ｅ１（登録商標））間の直接的な比較はまだ行われていないが、Ｅ１（登録商標）ライナーが試験サイクルの約１０倍の数を有していたにもかかわらず、Ｅ１（登録商標）ライナーに関連する表面酸化量は、Ｘ３よりも約１桁低かったようである。しかしながら、ＺＴＡヘッドと連結されたＥ１（登録商標）ライナーの酸化指数の増加は、この実施例の明白な結果であった。インビボで約２．５年に運動学的に同等する５００万サイクルでは、ビタミンＥを加えることで、酸化物セラミックスと連結された人工股関節のライナー酸化が完全に排除されるわけではないようである。
【００８７】
実施例１２：回収分析
この実施例は、ヒト患者から回収された酸化物セラミック大腿骨頭における酸素の枯渇に起因する表面非化学量論組成の評価を提供する。これらのインビボ結果は、先の実施例で論じられたインビトロ実験とは対照的である。モノリシックＡｌ２Ｏ３およびＺＴＡヘッドの両方の典型的な例として、２つの回収事例が提示される。逆に、Ｓｉ３Ｎ４は新しい材料であり、全股関節形成術で使用するためにクリアされていないため、回収部はまだ利用可能ではない。
【００８８】
図１８Ａは、インビボで２６．３年間ポリエチレンライナーに対して関節接合しているモノリシックＡｌ２Ｏ３の初期世代からの大腿骨頭の写真を示す。そのＭＷＺ表面およびＮＷＺ表面の走査型電子顕微鏡写真（それぞれ図１８Ｂおよび１８Ｃ）は、生体医学アルミナの初期グレードに典型的な、３〜６μｍの範囲の平均粒度を有する比較的粗い粒状構造を明らかにした。おそらく酸性関節環境における化学エッチングによる粒界がはっきりと見えていたが、ＭＷＺおよびＮＷＺの両方で著しい表面損傷は観察されなかった。この結果は、軟質のポリエチレンカウンターパーツに対する長期の関節接合と一致する。酸素空孔からのカソードルミネッセンス発光（図１８Ｄ）は、元の状態のアルミナヘッドと比較して約２５０％増加し、これらは、ＸＰＳによって検出されたＯ−Ａｌ−ＶＯ結合の約１５３％増加と一致した（Ａｌ２ｐ縁部、図１８Ｅ）。逆に、Ａｌ−Ｏ−ＡｌおよびＯ−Ａｌ−Ｏ−Ｈ結合の数は、それぞれ３４％および２６％減少した。
【００８９】
図１９Ａの写真は、Ｘ３ライナーに対してインビボでわずか２０ヶ月間だけ関節接合するＺＴＡ大腿骨頭の写真である（すなわち、インビトロで試験された同じライナー、図１２、１５、および１６を参照されたい）。その再置換手術に先立ついくつかの脱臼事象により、頭部表面に金属汚染が見られる。走査電子顕微鏡によって、ＭＷＺおよびＮＷＺにおいて撮像された細かい微細構造（図１９Ｂおよび１９Ｃ）は、それぞれ、約１および約０．４μｍの平均サイズをそれぞれ有する、Ａｌ２Ｏ３（濃い色）およびＺｒＯ２（白っぽい）粒からなった。どちらのゾーンも、製造プロセスによる典型的な加工マークが表面に明らかになっているため、ヘッドは基本的に破損していないことを示していた。ＭＷＺおよびＮＷＺは、酸素空孔から同様のＣＬ強度を放出し、いずれも元の状態の構成要素と比較して約４５０％高かった（図１９Ｄ）。ＸＰＳ（Ａｌ２ｐ）は、Ａｌ−Ｏ−Ａｌ結合の原子画分の約１０８％の減少に伴うＯ−Ａｌ−Ｖｏ結合の約２１３％の増加を検出した（図１９Ｅ）。しかしながら、図１８Ａ〜１８Ｅに説明されるモノリシックアルミナヘッドとは異なり、Ｏ−Ａｌ−Ｏ−Ｈの集団は、元の状態のＺＴＡヘッドと比較して約２８８％増加し、これは、より強い水素結合を有するアルミナ格子中のＣｒ３＋ドーパントの存在に関連し得る。
【００９０】
実質的には、ＣＬおよびＸＰＳの両方は、アルミナ系セラミックスから作製された長期および短期の大腿骨頭回収部の両方の表面で著しく高い酸素空孔集団を独立して検出した。さらに、回収部の表面で観察された非化学量論組成は、インビトロ実験中に同じ材料で誘導されたものよりも著しく高かった。これらの回収部の特性評価により、無視できない量の酸素が、それらの表面からトライボ層内に放出されたことが確認された。実際、短期の回収部でも放出酸素量が目立っている。変形性関節症患者における滑液に典型的である酸性水熱環境と、インビトロ実験で適用されるものより強い摩擦力との組み合わせは、その観察された酸素欠乏の顕著な傾向の原因である可能性が高かった。
【００９１】
上記に示され説明される開示は、あくまでも一例である。本技術の多くの特徴および利点が、本開示の構造および機能の詳細とともに、前述の説明に記載されてはいるが、本開示はあくまでも例示的であり、特に、添付の特許請求の範囲で使用される用語の一般的な意味によって示される範囲で、本開示の原理の範囲内の部品の形状、大きさおよび配置に関する事項において、詳細に変更を加えることができる。したがって、上述の実施例は、添付の特許請求の範囲内で修正され得ることが理解されよう。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図２Ｅ】
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【図２Ｆ】
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【図２Ｇ】
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【図２Ｈ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図９Ｄ】
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【図９Ｅ】
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【図９Ｆ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１０Ｄ】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３−１】
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【図１３−２】
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【図１４−１】
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【図１４−２】
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【図１５】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１７】
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【図１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
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【図１８Ｃ】
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【図１８Ｄ】
2021521080.tif 000048
【図１８Ｅ】
2021521080.tif 000049
【図１９Ａ】
2021521080.tif 000050
【図１９Ｂ】
2021521080.tif 000051
【図１９Ｃ】
2021521080.tif 000052
【図１９Ｄ】
2021521080.tif 000053
【図１９Ｅ】
2021521080.tif 000054
【国際調査報告】
2021521080.tif 000055
2021521080.tif 000056