(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
製品であって、
前記製品は、生体適合性基材上の、ＴｉもしくはＴｉＯ２を含有する生体適合性ナノ構造または生体適合性ナノアーキテクチャ
を含み、
前記生体適合性ナノ構造または前記生体適合性ナノアーキテクチャの表面の少なくとも一部分は、５ｎｍ〜１００ｎｍの厚さ、または、少なくとも約１、２、３、４、５、６、７、８、９もしくは１０ナノメートル（ｎｍ）の厚さのＴａ２Ｏ５の層により、被覆、コーティングもしくは積層されている、製品。
【請求項２】
請求項１に記載の製品であって、そのＴｉもしくはＴｉＯ２を含有する生体適合性基材の表面上にマイクロスケール構造または複数のマイクロスケール構造をさらに含むか、または有する、製品。
【請求項３】
生物医学的デバイスの骨内ピン、髄内ロッド、髄内釘（ＩＭ釘）またはインターロッキングネイルまたはキュンチャー釘；またはピン、プレートまたはポスト；またはそれらの同等物として製造されるか、あるいはこれらとしての使用のために製造される、請求項１に記載の製品。
【請求項４】
前記ナノ構造またはナノアーキテクチャは、ナノチューブ、ナノピラー、ナノリボン、ナノワイヤ、ナノロッド、ナノファイバーあるいはそれらの組み合わせのうちの任意のものを複数含む、請求項１に記載の製品。
【請求項５】
細胞または複数の細胞をさらに含む、請求項１に記載の製品。
【請求項６】
請求項１に記載の製品または製造物品であって、
前記生体適合性基材は、
（ａ）チタン（Ｔｉ）、酸化チタン、ＴｉＯ２、またはそれらの組み合わせを含む合金；
（ｂ）Ｔｉ、酸化Ｔｉ、またはそれらの組み合わせを含む合金；
（ｃ）金属系成分；
（ｄ）希土類元素;
（ｅ）ステンレス鋼；
（ｆ）Ｓｉまたは酸化Ｓｉ；
（ｇ）炭素またはダイヤモンド；
（ｈ）セラミック；
（ｉ）ポリマー材料またはプラスチック材料；および
（ｊ）それらの組み合わせ
からなる群のメンバーを含む、製品または製造物品。
【請求項７】
化学物質、化合物、小分子、薬剤、活性薬剤、生物学的薬剤、薬物、トレーサをさらに含む、請求項１に記載の製品。
【請求項８】
新たなまたは向上した細胞成長；新たなまたは向上した骨芽細胞；象牙芽細胞、象牙質芽細胞またはセメント芽細胞の成長；新たなまたは向上した骨または軟骨の成長、あるいは、新たなまたは向上したミネラル化マトリクスの形成のためのインビトロ、エキソビボまたはインビボの細胞培養基材または基材であって、
前記培養基材または前記基材の表面は、
請求項１に記載のナノ構造またはナノアーキテクチャを含有する生体適合性基材
を含む、インビトロ、エキソビボもしくはインビボの細胞培養基材または基材。
【請求項９】
新たなまたは向上した細胞成長；新たなまたは向上した骨芽細胞、象牙芽細胞、象牙質芽細胞またはセメント芽細胞の成長；新たなまたは向上した骨または軟骨の成長、新たなまたは向上したミネラル化マトリクスの形成のためのインビトロ、エキソビボもしくはインビボ支持足場であって、
足場表面であって、
請求項１に記載のナノ構造またはナノアーキテクチャを含有する生体適合性基材
を含む、足場表面
を含む、インビトロ、エキソビボまたはインビボ支持足場。
【請求項１０】
前記製品は、デバイスとして製造されるか、またはデバイスとしての使用のために製造される、請求項１に記載の製品。
【請求項１１】
前記製品は、インプラントとして製造されるか、またはインプラントとしての使用のために製造される、請求項１に記載の製品。
【請求項１２】
前記インプラントは、
（ａ）骨または歯インプラント、関節置換、骨インプラント、骨アンレー、骨支持部位、または骨ねじまたは同等のインプラント；あるいは
（ｂ）整形外科用、歯科用、脊椎用、膝用、関節用または同等のインプラント
である、請求項１１に記載の製品。
【請求項１３】
前記関節置換、骨インプラント、骨アンレー、骨支持部位または骨ねじは、
指の関節の修復または置換、手首の修復または置換、肘の修復または置換、肩の修復または置換、脚の修復または置換、腕の修復または置換、腰の修復または置換、膝の修復または置換、足首の修復または置換、足またはつま先の修復または置換、脊髄の椎間板の修復または置換、胸郭の修復または肋骨の置換、頭蓋骨用のメッシュ、パッチまたは置換、ピン、メッシュまたはロッド、あるいはロッド、ねじまたは骨安定化インプラント
の全部または一部であるか、またはこれらの全部または一部のために製作されるか、またはこれらの全部または一部を置換するために製作される、請求項１２に記載の製品。
【請求項１４】
前記５ｎｍ〜１００ｎｍの厚さのＴａ２Ｏ５の層は、前記生体適合性ナノ構造または前記生体適合性ナノアーキテクチャの少なくとも約１％を被覆、コーティングまたは積層している、請求項１に記載の製品。
【請求項１５】
前記生体適合性ナノ構造または前記生体適合性ナノアーキテクチャの約１％〜約９９．５％は、５ｎｍ〜１００ｎｍの厚さのＴａ２Ｏ５の層により、被覆、コーティングまたは積層されている、請求項１に記載の製品。
【請求項１６】
前記ナノピラー、ナノリボン、ナノチューブ、ナノファイバー、ナノロッド、またはナノワイヤまたはそれらの構造の組み合わせは、ナノピラー、ナノリボン、ナノチューブ、ナノファイバー、ナノロッド、またはナノワイヤまたはそれらの構造の組み合わせのアレイとして配置または製作される、請求項４に記載の製品。
【請求項１７】
前記アレイは、垂直配列アレイである、請求項１６に記載の製品。
【請求項１８】
前記ナノピラー、ナノリボン、ナノチューブ、ナノファイバー、ナノロッド、またはナノワイヤまたはそれらの構造の組み合わせのアレイは、約２０〜８００ｎｍの範囲の平均直径を有し、かつ約５０〜２，０００ｎｍの範囲の平均高さを有する、請求項１６に記載の製品。
【請求項１９】
前記細胞または複数の細胞は、
ヒト細胞；幹細胞；軟骨細胞；線維芽細胞；破骨細胞；骨芽細胞；歯牙形成または骨形成に関与している細胞；骨細胞；筋細胞；肝臓細胞；肝実質細胞；内皮細胞；脂肪細胞；線維芽細胞性細胞；クッパー細胞；腎臓細胞；血管細胞；皮膚細胞；歯周細胞；象牙芽細胞；象牙質芽細胞；セメント芽細胞；エナメル芽細胞；歯原性外胚葉性間葉組織；およびそれらの組み合わせ
からなる群から選択される、請求項５に記載の製品。
【請求項２０】
前記細胞または複数の細胞は、前記ナノ構造またはナノアーキテクチャの表面に付着されるか、または、前記ナノ構造またはナノアーキテクチャの表面上で成長している、請求項５に記載の製品。
【請求項２１】
骨、軟骨、または成長および付着された骨構造をさらに含む、請求項１に記載の製品。
【請求項２２】
前記骨または付着された骨構造は、整形外科的な骨、歯科的な骨、脊椎骨、ヒトまたは動物の骨を含む、請求項２１に記載の製品。
【請求項２３】
前記骨または軟骨、または成長および付着された骨構造は、前記Ｔａ２Ｏ５の層上に存在するか、または、前記Ｔａ２Ｏ５の層と接触している、請求項２１に記載の製品。
【請求項２４】
前記金属系成分は、
（ａ）ＺｒＯ２、ＨｆＯ２、ＮｂＯ、Ｎｂ２Ｏ５、ＭｏＯ２、ＭｏＯ３、ＶＯ２、Ｖ２Ｏ５、ＷＯ２、ＷＯ３、それらの合金または酸化物、またはそれらの酸化物；
（ｂ）Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｍｏ、ＶまたはＷの酸化物；
（ｃ）Ａｌ、Ａｇ、Ｃ、Ｆ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｉ、Ｐ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｐｄ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、ＡｕまたはＢｉ；および
（ｄ）それらの組み合わせ
からなる群から選択される、請求項６に記載の製品。
【請求項２５】
金属系成分は、少なくとも約４０重量％以上で含んでいる、請求項６に記載の製品。
【請求項２６】
請求項７に記載の製品であって、
（ａ）前記化学物質、化合物、小分子、薬剤、活性薬剤、生物学的薬剤、薬物、またはトレーサは、ペプチド、タンパク質、ポリペプチド、抗体、核酸、ＤＮＡまたはＲＮＡ、ｍｉＲＮＡ、ｓｉＲＮＡ、遺伝子、ベクター、多糖、脂質、成長因子、サイトカイン、抗生物質、ホルモン、治療用薬物、機能性粒子、磁性粒子、金属粒子、セラミック粒子、ポリマー粒子およびそれらの組み合わせからなる群のメンバーを含み、
（ｂ）前記化学物質、化合物、小分子、薬剤、活性薬剤、生物学的薬剤、薬物、またはトレーサは、ナノチューブまたは中空ナノワイヤまたはナノピラーにおいて貯蔵されているか、またはそれらの内部に貯蔵されているか、または、前記ナノ構造または前記ナノアーキテクチャの空間の間またはそれらの内部に貯蔵されているか、または、前記ナノ構造または前記ナノアーキテクチャ上に付着されており、あるいは、
（ｃ）前記ナノ構造またはナノアーキテクチャは、中空ナノチューブ内部、ナノワイヤ内部、またはナノピラー内部に、または、前記ナノ構造間またはナノアーキテクチャ間に、または、前記ナノ構造上またはナノアーキテクチャ上に、前記化学物質、化合物、小分子、薬剤、活性薬剤、生物学的薬剤、薬物、またはトレーサを貯蔵することにより、複数のナノ貯蔵部を形成する、製品。
【請求項２７】
請求項１に記載の製品であって、
（ａ）前記ナノ構造またはナノアーキテクチャは、部分的に閉塞もしくは狭窄しているか、または誘発可能もしくは作動可能であるか、または部分的なボトルネック状構成の開口をさらに含んでいることにより、誘発可能な放出態様、作動可能な放出態様、制御された放出態様、または低速の放出態様で、化学物質、化合物、小分子、薬剤、活性薬剤、生物学的薬剤、薬物またはトレーサの放出が可能であり、
（ｂ）前記ナノ構造またはナノアーキテクチャは、金属材料または酸化物材料の選択的堆積によって、内部に貯蔵された化学物質、化合物、小分子、活性薬剤、生物学的薬剤、薬物またはトレーサの放出速度を減速するための部分的なボトルネック状構成を誘導するように縮小された、ナノ貯蔵部の入口寸法をさらに含み、あるいは、
（ｃ）前記ナノ構造またはナノアーキテクチャは、磁性酸化物粒子で作製された機能性粒子、または、ナノ貯蔵部空間に貯蔵されている前記生物学的薬剤の放出の加速またはスイッチオン、スイッチオフのための遠隔作動されるＲＦ加熱および温度勾配の作成に利用される金属粒子をさらに含む、製品。
【請求項２８】
前記Ｔａ２Ｏ５の層の最小厚さは、少なくとも約１、２、３、４、５、６、７、８、９または１０ナノメートル（ｎｍ）である、請求項１に記載の製品。
【請求項２９】
前記Ｔａ２Ｏ５の層の最小厚さは、少なくとも約５ナノメートル（ｎｍ）である、請求項１に記載の製品。
【請求項３０】
前記ナノ構造またはナノアーキテクチャは、約１〜１０マイクロメートルの高さを有する、請求項１に記載の製品。
【請求項３１】
前記ナノ構造またはナノアーキテクチャは、約１〜１０マイクロメートルの高さを有するナノチューブを含む、請求項３０に記載の製品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２０１２年２月７日に出願された米国仮出願第６１／５９６，１４３号の米国特許法の下での優先権の利益を主張する。前述の出願は、本明細書で参照によってその全体があらゆる目的のために明示的に組み込まれる。
【０００２】
技術分野
本発明は、一般的に、細胞生物学、薬およびナノテクノロジーに関する。代替的な実施形態において、本発明は、タンタルを含む表面を有するナノチューブなどのナノ構造を含む製品（物品）を提供する。代替的な実施形態において、本発明の製品は、タンタルの表面層を備えているナノ構造（例えば、ナノチューブ、ナノワイヤ、ナノポアなど）を含む。代替的な実施形態において、本発明の製品または製造物品は生体用インプラントであり、本発明のタンタル表面コーティングナノ構造は、バイオアベイラビリティおよび骨形成能の増大がもたらす。代替的な実施形態において、本発明のタンタル表面コーティングナノ構造を含む本発明の製品または製造物品（例えば生体用インプラントは、インビトロ、エキソビボおよびインビボの試験、インプラント、生物医学的デバイスならびに治療薬）に使用される。
【背景技術】
【０００３】
背景
金属のタンタル（Ｔａ）は、高い耐食性および生体不活性を有し、インビボで生体活性を有し、疑似体液中で生物学的に骨に結合する骨様アパタイト層を形成することが見出されているため、整形外科適用のための最近の重要なバイオマテリアルとなっている。タンタルは、主に、優れた骨一体化性特性を有することが示されているマイクロ多孔性の新たな多孔質の（小柱状の）タンタル材料（１９９７年にＦＤＡによって承認）のおかげで、バイオマテリアル分野で再び関心がもたれるようになってきている。それ以来、多くの研究で、Ｔａの生体適合性、細菌付着性および骨伝導性が、他の一般的なインプラント材料（例えば、ＴｉおよびＣｏＣｒ）のものと比較されている。最近、多孔質Ｔａは、骨形成能に障害を有する高齢の女性患者由来の骨芽細胞の成長および骨生成を刺激することが示された。しかしながら、これまでの有望な結果にもかかわらず、製造コストが比較的高いこと、ならびにモジュール式の全Ｔａインプラントを作製することができないことによって幅広い受容が妨げられてきた。タンタルはまた、１６．６９ｇ／ｃｍ３の密度を有する重金属であり、４．５１ｇ／ｃｍ３の密度を有するＴｉ製のインプラントよりもほぼ４倍重くなる。そのような重いインプラントは整形外科適用に望ましくない。タンタル金属はまた、チタン金属よりもずっと高価である。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
概要
代替的な実施形態において、本発明は、
ナノ構造またはナノアーキテクチャを含む製造品、製品、組成物、製造物品、デバイスまたはインプラントであって、
該ナノ構造または該ナノアーキテクチャは、その表面の一部、実質的に全部、または全部が被覆またはコーティングされ、コーティングまたは外側被覆体または外側層は、全体またはその実質的に全体、または一部に、タンタル（Ｔａ）、ＴａもしくはＴａ合金、酸化ＴａもしくはＴａ２Ｏ５のコーティング、結晶性タンタル（Ｔａ）、または非晶質Ｔａを含み、
必要に応じて、該コーティング、外側被覆体または外側層は、少なくとも約１％、２％、３％、４％、５％、６％、７％、８％、９％、１０％、１１％、１２％、１３％、１４％、１５％、２０％、２５％、３０％、３５％、４０％、４５％、５０％、５５％、６０％、６５％、７０％、７５％、８０％、８５％、９０％、９１％、９２％、９３％、９４％、９５％、９６％、９７％、９８％、９９％、またはそれよりも多くのタンタル（Ｔａ）、Ｔａ合金、ＴａもしくはＴａ合金の酸化物またはＴａ２Ｏ５のコーティング、結晶性タンタル（Ｔａ）、または非晶質Ｔａを含むか、またはこれらで構成され、
必要に応じて、該ナノ構造または該ナノアーキテクチャの少なくとも約１％、２％、３％、４％、５％、６％、７％、８％、９％、１０％、１１％、１２％、１３％、１４％、１５％、２０％、２５％、３０％、３５％、４０％、４５％、５０％、５５％、６０％、６５％、７０％、７５％、８０％、８５％、９０％、９１％、９２％、９３％、９４％、９５％、９６％、９７％、９８％、９９％、もしくはそれよりも多く、または約９９．９％もしくはそれよりも多くまで、または約１％〜９９．５％が、タンタル（Ｔａ）、Ｔａ合金、ＴａもしくはＴａ合金の酸化物またはＴａ２Ｏ５のコーティング、結晶性タンタル（Ｔａ）、または非晶質Ｔａで被覆、コーティングまたは積層され、
必要に応じて、該製品、製造物品、デバイスもしくはインプラント、または該製品、製造物品、デバイスもしくはインプラントの表面、または該製品、製造物品、デバイスもしくはインプラントのコーティングもしくは外側被覆体、外側層もしくは外側表面の少なくとも約１％、２％、３％、４％、５％、６％、７％、８％、９％、１０％、１１％、１２％、１３％、１４％、１５％、２０％、２５％、３０％、３５％、４０％、４５％、５０％、５５％、６０％、６５％、７０％、７５％、８０％、８５％、９０％、９１％、９２％、９３％、９４％、９５％、９６％、９７％、９８％、９９％、もしくはそれよりも多く、または約９９．９％もしくはそれよりも多くまで、または約１％〜９９．５％が、該ナノ構造または該ナノアーキテクチャで被覆、コーティングまたは積層されている、
製造品、製品、組成物、製造物品、デバイスまたはインプラントを提供する。
【０００５】
代替的な実施形態において、本発明の製造品、製品、組成物、製造物品、デバイスまたはインプラントは、表面上に、マイクロスケール構造（単数または複数）をさらに含むか、または有し、必要に応じて、該マイクロスケール構造（単数または複数）の少なくとも約１％、２％、３％、４％、５％、６％、７％、８％、９％、１０％、１１％、１２％、１３％、１４％、１５％、２０％、２５％、３０％、３５％、４０％、４５％、５０％、５５％、６０％、６５％、７０％、７５％、８０％、８５％、９０％、９１％、９２％、９３％、９４％、９５％、９６％、９７％、９８％、９９％、もしくはそれよりも多く、または約９９．９％もしくはそれよりも多くまで、または約１％〜９９．５％が、該ナノ構造または該ナノアーキテクチャで被覆、コーティングまたは積層されている。
【０００６】
代替的な実施形態において、本発明の製造品、製品、組成物、製造物品、デバイスまたはインプラントは、生物医学的デバイスもしくはインプラント、整形外科用、歯科用、脊椎用、膝用、関節用もしくは同等のインプラント、または骨内ピン、髄内ロッド、髄内釘（ＩＭ釘）またはインターロッキングネイルもしくはキュンチャー釘、または骨インプラントもしくは歯インプラント、または関節置換インプラント、またはピン、プレートもしくはポスト、または同等物として製造されるか、またはこれらとしての使用のために製造される。
【０００７】
代替的な実施形態において、該ナノ構造または該ナノアーキテクチャは、ナノチューブ、ナノピラー、ナノリボン、ナノワイヤ、ナノロッドもしくはナノファイバーまたはその同等物、あるいは複数のナノチューブ、ナノリボン、ナノピラー、ナノロッド、ナノファイバーもしくはナノワイヤまたはその同等物、あるいはナノピラー、ナノリボン、ナノチューブ、ナノファイバー、ナノロッドまたはナノワイヤのアレイあるいはそれらの組み合わせの構造を含み、
必要に応じて、該アレイは垂直配列アレイまたは略垂直配列アレイであり、
必要に応じて、該ナノピラー、ナノリボン、ナノチューブ、ナノファイバー、ナノロッドまたはナノワイヤのアレイあるいはそれらの組み合わせの構造は、約２０〜８００ｎｍの範囲の平均直径を有し、約５０〜２，０００ｎｍの範囲の平均高さを有する。
【０００８】
代替的な実施形態において、タンタル（Ｔａ）、Ｔａ合金、ＴａもしくはＴａ合金の酸化物、またはＴａ２Ｏ５、結晶性Ｔａまたは非晶質Ｔａのコーティングまたは外側被覆体または外側層の厚さは、
最大で約０．１ｍｍ（１００マイクロメートル）、０．２、０．３、０．４、０．５、０．６、０．７、０．８、０．９もしくは１．０ｍｍ、または
約０．０１ｍｍ（１０マイクロメートル）、０．０２、０．０３、０．０４、０．０５、０．０６、０．０７、０．０８、０．０９もしくは０．１０ｍｍ未満、または
約１、２、３、４、５、６、７、８、９もしくは１０マイクロメートル未満、または
約０．１マイクロメートル（１００ｎｍ）、０．２、０．３、０．４、０．５、０．６、０．７、０．８、０．９もしくは１．０ｎｍ未満であるか、あるいは
最小厚さが少なくとも約１、２、３、４、５、６、７、８、９もしくは１０ナノメートル（ｎｍ）である。
【０００９】
代替的な実施形態において、本発明の製造品、製品、組成物、製造物品、デバイスまたはインプラントは、
（ａ）細胞（単数または複数）であって、
必要に応じて、該細胞（単数もしくは複数）は、ヒト細胞、または幹細胞、または軟骨細胞、線維芽細胞、破骨細胞もしくは骨芽細胞、または歯牙形成もしくは骨形成に関与している細胞、または骨細胞、筋細胞、肝臓細胞、肝実質細胞、内皮細胞、脂肪細胞、線維芽細胞性細胞、クッパー細胞、腎臓細胞、血管細胞、皮膚細胞、歯周細胞、象牙芽細胞、象牙質芽細胞、セメント芽細胞、エナメル芽細胞もしくは歯原性外胚葉性間葉組織、またはそれらの任意の組合せである、
必要に応じて、該細胞（単数もしくは複数）は、該ナノ構造または該ナノアーキテクチャの表面に付着しているか、または該表面上で成長している、細胞（単数または複数）、および／または
（ｂ）骨もしくは軟骨、あるいは成長し付着させた骨構造であって、必要に応じて、該骨または付着させた骨構造は、全部もしくは一部が整形外科的な骨、歯科的な骨、脊椎骨、ヒトもしくは動物の骨を構成し、必要に応じて、該骨もしくは軟骨、あるいは成長し付着させた骨構造は、Ｔａまたは酸化Ｔａのコーティングの上面もしくは外側表面上に存在している、骨もしくは軟骨、あるいは成長し付着させた骨構造
をさらに備えている。
【００１０】
代替的な実施形態において、コーティング、外側被覆体、外側表面または外側層は物理気相成長法、スパッタリングもしくは蒸着法、またはレーザーアブレーションもしくはプラズマ溶射法、または化学気相成長法、あるいは化学的／電気化学的堆積法によって付加される。
【００１１】
代替的な実施形態において、製品、製造物品、デバイスまたはインプラント、または製品、製造物品、デバイスもしくはインプラントのベースもしくは外側表面もしくは外側層、またはナノ構造もしくはナノアーキテクチャまたはナノ構造もしくはナノアーキテクチャのベースは、
金属、チタン（Ｔｉ）、酸化チタン、ＴｉＯ２、もしくはそれらの組み合わせ、
Ｔｉもしくは酸化Ｔｉを、少なくとも約４０％、４５％、５０％、５５％、６０％、６５％、７０％、７５重量％以上で含有しているか、もしくは含んでおり、必要に応じて合金化元素を含んでいる合金、
金属系成分、ＺｒＯ２、ＨｆＯ２、ＮｂＯもしくはＮｂ２Ｏ５、ＭｏＯ２もしくはＭｏＯ３、ＶＯ２もしくはＶ２Ｏ５、ＷＯ２もしくはＷＯ３、またはそれらの任意の合金もしくは酸化物、またはそれらの酸化物、またはＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｍｏ、ＶもしくはＷの酸化物を、必要に応じて、少なくとも約４０％、４５％、５０％、５５％、６０％、６５％、７０％、７５重量％以上、ここで、必要に応じて、該金属系成分は、複数の金属もしくは元素を含むものであるか、または、Ａｌ、Ａｇ、Ｃ、Ｆ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｉ、Ｐ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、ＡｕもしくはＢｉあるいは希土類元素のうちの１種類またはそれよりも多くまたはそれらの組み合わせを含み、または
ステンレス鋼、Ｓｉ、酸化Ｓｉ、炭素、ダイヤモンド、貴金属、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔもしくはその合金、あるいは複合金属、
ジルコニアもしくはジルコニアまたはその任意の合金もしくは酸化物、
コバルト−クロム合金、
セラミック材料またはポリマー材料またはプラスチック材料、
あるいはそれらの任意の組合せ
を含む。
【００１２】
代替的な実施形態において、ナノ構造、ナノアーキテクチャまたはナノチューブは、陽極酸化されたものであり、
必要に応じて、該ナノ構造、ナノアーキテクチャまたはナノチューブは、Ｔｉ金属またはＴｉ含有合金の表面の陽極酸化によって形成されたナノ構造、ナノアーキテクチャまたはナノチューブの層もしくはアレイであるか、あるいは
非Ｔｉ含有基材、ベース、表面またはインプラント上のＴｉまたはＴｉ含有合金のコーティング厚膜層の陽極酸化によって形成されたナノ構造、ナノアーキテクチャまたはナノチューブの層もしくはアレイ
である。
【００１３】
代替的な実施形態において、本発明の製造品、製品、組成物、製造物品、デバイスまたはインプラントは、化学物質、化合物、小分子、薬剤、活性薬剤、生物学的薬剤、薬物、トレーサをさらに含み、
必要に応じて、該化学物質、化合物、小分子、薬剤、活性薬剤、生物学的薬剤、薬物またはトレーサは、ペプチド、タンパク質、ポリペプチド、抗体、核酸、ＤＮＡもしくはＲＮＡ、ｍｉＲＮＡ、ｓｉＲＮＡ、遺伝子、ベクター、多糖、脂質、成長因子、サイトカイン、抗生物質、ホルモン、治療用薬物、機能性粒子、磁性粒子、金属粒子、セラミック粒子、ポリマー粒子またはそれらの組み合わせを含み、
必要に応じて、該化学物質、化合物、小分子、薬剤、活性薬剤、生物学的薬剤、薬物またはトレーサは、ナノチューブもしくは中空ナノワイヤもしくはナノピラーにおいて、もしくはそれらの内部において、またはナノ構造もしくはナノアーキテクチャの間隔の間、もしくはナノ構造もしくはナノアーキテクチャの内部に貯蔵されているか、あるいはナノ構造もしくはナノアーキテクチャの上面に付着され、
必要に応じて、該ナノ構造または該ナノアーキテクチャは、該化学物質、化合物、小分子、薬剤、活性薬剤、生物学的薬剤、薬物またはトレーサを、ナノ構造内もしくはナノアーキテクチャ内（ナノワイヤの中、あるいは中空ナノチューブもしくはナノピラーの中など）、またはナノ構造間もしくはナノアーキテクチャ間、または、ナノ構造上もしくはナノアーキテクチャ上に貯蔵することによって複数のナノ貯蔵部を形成し、
必要に応じて、該ナノ構造または該ナノアーキテクチャは、部分的に閉塞もしくは狭窄している開口、または誘発可能もしくは作動可能である開口、または部分的なボトルネック状構成の開口をさらに備えており、誘発可能な放出態様、作動可能な放出態様、制御された放出態様、または低速の放出態様で、該化学物質、化合物、小分子、薬剤、活性薬剤、生物学的薬剤、薬物またはトレーサの放出が可能であり、
必要に応じて、ナノ貯蔵部の入口寸法は、金属または酸化物材料の選択的堆積によって、内部に貯蔵された化学物質、化合物、小分子、薬剤、活性薬剤、生物学的薬剤、薬物またはトレーサの放出速度を減速するための部分的なボトルネック状構成を誘導するように縮小され、
必要に応じて、該機能性粒子は磁性酸化物粒子で作製されたものであり得るか、または金属粒子が、ナノ貯蔵部空間内に貯蔵された生物学的薬剤の放出の加速またはスイッチオン、スイッチオフのための遠隔作動されるＲＦ加熱および温度勾配の作成に利用される。
【００１４】
代替的な実施形態において、本発明は、新たなもしくは向上した細胞成長、新たなもしくは向上した骨芽細胞、象牙芽細胞、象牙質芽細胞もしくはセメント芽細胞の成長、新たなもしくは向上した骨もしくは軟骨の成長、および／または、新たなもしくは向上したミネラル化マトリクスの形成のためのインビトロ、エキソビボまたはインビボ細胞培養基材（単数または複数）であって、該培養基材（単数または複数）の表面が、
（ａ）ナノ構造またはナノアーキテクチャであって、
該ナノ構造または該ナノアーキテクチャは、その表面の一部、実質的に全部、または全部が被覆またはコーティングされ、コーティングまたは外側被覆体または外側層は、全体またはその実質的に全体、または一部に、タンタル（Ｔａ）、Ｔａ合金、酸化ＴａもしくはＴａ２Ｏ５のコーティング、タンタル（Ｔａ）、またはＴａ合金もしくはＴａ合金酸化物を含み、
必要に応じて、該コーティング、外側被覆体または外側層は、少なくとも約１％、２％、３％、４％、５％、６％、７％、８％、９％、１０％、１１％、１２％、１３％、１４％、１５％、２０％、２５％、３０％、３５％、４０％、４５％、５０％、５５％、６０％、６５％、７０％、７５％、８０％、８５％、９０％、９１％、９２％、９３％、９４％、９５％、９６％、９７％、９８％、９９％、またはそれよりも多くのタンタル（Ｔａ）、Ｔａ合金、酸化ＴａもしくはＴａ２Ｏ５のコーティング、結晶性タンタル（Ｔａ）、非晶質Ｔａ、またはＴａ合金もしくはＴａ合金酸化物を含むか、またはこれらで構成され、
必要に応じて、該ナノ構造または該ナノアーキテクチャの少なくとも約１％、２％、３％、４％、５％、６％、７％、８％、９％、１０％、１１％、１２％、１３％、１４％、１５％、２０％、２５％、３０％、３５％、４０％、４５％、５０％、５５％、６０％、６５％、７０％、７５％、８０％、８５％、９０％、９１％、９２％、９３％、９４％、９５％、９６％、９７％、９８％、９９％、もしくはそれよりも多く、または約９９．９％もしくはそれよりも多くまで、または約１％〜９９．５％が、タンタル（Ｔａ）、Ｔａ合金、酸化ＴａもしくはＴａ２Ｏ５のコーティング、結晶性タンタル（Ｔａ）、非晶質Ｔａ、またはＴａ合金もしくはＴａ合金酸化物で被覆、コーティングまたは積層されている、ナノ構造またはナノアーキテクチャ、または
（ｂ）請求項１〜１０のいずれかに記載のナノ構造を含む表面またはナノアーキテクチャを含む表面
を含む、インビトロ、エキソビボまたはインビボ細胞培養基材（単数または複数）を提供する。
【００１５】
代替的な実施形態において、本発明は、新たなもしくは向上した細胞成長、新たなもしくは向上した骨芽細胞、象牙芽細胞、象牙質芽細胞もしくはセメント芽細胞の成長、新たなもしくは向上した骨もしくは軟骨の成長、および／または、新たなもしくは向上したミネラル化マトリクスの形成のためのインビトロ、エキソビボまたはインビボ支持足場であって、
（ａ）ナノ構造またはナノアーキテクチャであって、
該ナノ構造または該ナノアーキテクチャは、その表面の一部、実質的に全部、または全部が被覆またはコーティングされ、コーティングまたは外側被覆体または外側層は、全体またはその実質的に全体、または一部に、タンタル（Ｔａ）、Ｔａ合金、酸化ＴａもしくはＴａ２Ｏ５のコーティング、タンタル（Ｔａ）、またはＴａ合金もしくはＴａ合金酸化物を含み、
必要に応じて、該コーティング、外側被覆体または外側層は、少なくとも約１％、２％、３％、４％、５％、６％、７％、８％、９％、１０％、１１％、１２％、１３％、１４％、１５％、２０％、２５％、３０％、３５％、４０％、４５％、５０％、５５％、６０％、６５％、７０％、７５％、８０％、８５％、９０％、９１％、９２％、９３％、９４％、９５％、９６％、９７％、９８％、９９％、またはそれよりも多くのタンタル（Ｔａ）、Ｔａ合金、酸化ＴａもしくはＴａ２Ｏ５のコーティング、結晶性タンタル（Ｔａ）、非晶質Ｔａ、またはＴａ合金もしくはＴａ合金酸化物を含むか、またはこれらで構成され、
必要に応じて、該ナノ構造または該ナノアーキテクチャの少なくとも約１％、２％、３％、４％、５％、６％、７％、８％、９％、１０％、１１％、１２％、１３％、１４％、１５％、２０％、２５％、３０％、３５％、４０％、４５％、５０％、５５％、６０％、６５％、７０％、７５％、８０％、８５％、９０％、９１％、９２％、９３％、９４％、９５％、９６％、９７％、９８％、９９％、もしくはそれよりも多く、または約９９．９％もしくはそれよりも多くまで、または約１％〜９９．５％が、タンタル（Ｔａ）、Ｔａ合金、酸化ＴａもしくはＴａ２Ｏ５のコーティング、結晶性タンタル（Ｔａ）、非晶質Ｔａ、またはＴａ合金もしくはＴａ合金酸化物で被覆、コーティングまたは積層されている、ナノ構造またはナノアーキテクチャ、または
（ｂ）請求項１〜１１のいずれかに記載のナノ構造を含む表面またはナノアーキテクチャを含む表面
を含む足場表面
を含むインビトロ、エキソビボまたはインビボ支持足場を提供する。
【００１６】
本発明の製品、製造物品、デバイスもしくはインプラント、または本発明のインビトロ、エキソビボもしくはインビボ培養基材（単数もしくは複数）、または本発明のインビトロ、エキソビボまたはインビボ支持足場の代替的な実施形態において、
該製品、製造物品、デバイスもしくはインプラント、または該培養基材（単数もしくは複数）、または該支持足場は、骨インプラントまたは骨アンレーまたは骨支持部位のためのインプラント上に存在しているか、またはこれらの一部であり、必要に応じて、該骨インプラント、アンレーまたは支持体は、
・指の関節の修復もしくは置換、
・手首の修復もしくは置換、
・肘の修復もしくは置換、
・肩の修復もしくは置換、
・脚の修復もしくは置換、
・腕の修復もしくは置換、
・腰の修復もしくは置換、
・膝の修復もしくは置換、
・足首の修復もしくは置換、
・足もしくはつま先の修復もしくは置換、
・脊髄の椎間板の修復もしくは置換、
・胸郭の修復もしくは肋骨の置換、
・頭蓋骨用のメッシュ、パッチもしくは置換、
・ピン、メッシュもしくはロッド、または
・ロッド、ねじ、もしくは骨安定化インプラント
のために製作されるか、またはこれらの全部もしくは一部と置換される。
【００１７】
代替的な実施形態において、本発明は、インビボで
（ａ）ナノ構造またはナノアーキテクチャであって、
該ナノ構造または該ナノアーキテクチャは、その表面の一部、実質的に全部、または全部が被覆またはコーティングされ、コーティングまたは外側被覆体または外側層は、全体またはその実質的に全体、または一部に、タンタル（Ｔａ）、Ｔａ合金、酸化ＴａもしくはＴａ２Ｏ５のコーティング、タンタル（Ｔａ）、またはＴａ合金もしくはＴａ合金酸化物を含み、
必要に応じて、該コーティング、外側被覆体または外側層は、少なくとも約１％、２％、３％、４％、５％、６％、７％、８％、９％、１０％、１１％、１２％、１３％、１４％、１５％、２０％、２５％、３０％、３５％、４０％、４５％、５０％、５５％、６０％、６５％、７０％、７５％、８０％、８５％、９０％、９１％、９２％、９３％、９４％、９５％、９６％、９７％、９８％、９９％、またはそれよりも多くのタンタル（Ｔａ）、Ｔａ合金、酸化ＴａもしくはＴａ２Ｏ５のコーティング、結晶性タンタル（Ｔａ）、非晶質Ｔａ、またはＴａ合金もしくはＴａ合金酸化物を含むか、またはこれらで構成され、
必要に応じて、該ナノ構造または該ナノアーキテクチャの少なくとも約１％、２％、３％、４％、５％、６％、７％、８％、９％、１０％、１１％、１２％、１３％、１４％、１５％、２０％、２５％、３０％、３５％、４０％、４５％、５０％、５５％、６０％、６５％、７０％、７５％、８０％、８５％、９０％、９１％、９２％、９３％、９４％、９５％、９６％、９７％、９８％、９９％、もしくはそれよりも多く、または約９９．９％もしくはそれよりも多くまで、または約１％〜９９．５％が、タンタル（Ｔａ）、Ｔａ合金、酸化ＴａもしくはＴａ２Ｏ５のコーティング、結晶性タンタル（Ｔａ）、非晶質Ｔａ、またはＴａ合金もしくはＴａ合金酸化物で被覆、コーティングまたは積層されている、ナノ構造またはナノアーキテクチャ、
（ｂ）請求項１〜１０のいずれかに記載のナノ構造を含む表面もしくはナノアーキテクチャを含む表面、または
（ｃ）請求項１〜１０のいずれかの製品、製造物品、デバイスもしくはインプラント、あるいは請求項１１のインビトロ、エキソビボもしくはインビボ培養基材（単数もしくは複数）、あるいは請求項１２のインビトロ、エキソビボもしくはインビボ支持足場
を埋め込むことを含む、新たなもしくは向上した細胞成長、新たなもしくは向上した骨芽細胞、象牙芽細胞、象牙質芽細胞もしくはセメント芽細胞の成長、新たなもしくは向上した骨もしくは軟骨の成長、および／または、新たなもしくは向上したミネラル化マトリクスの形成を開始または誘導するための方法を提供する。
【００１８】
代替的な実施形態において、本発明は、二相マスク層の陽極酸化、形成および選択的相除去を使用する骨増強用ナノチューブまたはナノピラー構成の製作方法であって、ジブロックコポリマー層、スピノーダル分解性合金層または二相型合金膜を使用することと、続いて、バイオマテリアルの表面を選択的にエッチングすることによりナノチューブ表面構成またはナノピラー表面構成を得ることとを含む、骨増強用ナノチューブまたはナノピラー構成の製作方法を提供する。
【００１９】
本発明の１つまたはそれよりも多くの実施形態の詳細を添付の図面および下記の説明に示す。本発明の他の特徴、目的および利点は、本説明および図面ならびに特許請求の範囲から自明である。
【００２０】
本明細書において挙げた刊行物、特許、特許出願はすべて、あらゆる目的のために参照によって本明細書に明示的に組み入れられる。
本明細書は、例えば、以下を提供する。
（項目１）
ナノ構造またはナノアーキテクチャを含む製品または製造物品またはデバイスまたはインプラントであって、
該ナノ構造または該ナノアーキテクチャは、その表面の一部、実質的に全部、または全部が被覆またはコーティングされ、コーティングまたは外側被覆体または外側層は、全体、またはその実質的に全体、または一部に、タンタル（Ｔａ）、ＴａもしくはＴａ合金、酸化ＴａもしくはＴａ２Ｏ５のコーティング、結晶性タンタル（Ｔａ）、または非晶質Ｔａが含まれ、
必要に応じて、該コーティング、外側被覆体または外側層は、少なくとも約１％、２％、３％、４％、５％、６％、７％、８％、９％、１０％、１１％、１２％、１３％、１４％、１５％、２０％、２５％、３０％、３５％、４０％、４５％、５０％、５５％、６０％、６５％、７０％、７５％、８０％、８５％、９０％、９１％、９２％、９３％、９４％、９５％、９６％、９７％、９８％、９９％、またはそれよりも多くのタンタル（Ｔａ）、Ｔａ合金、ＴａもしくはＴａ合金の酸化物またはＴａ２Ｏ５のコーティング、結晶性タンタル（Ｔａ）、または非晶質Ｔａを含むか、またはこれらで構成され、
必要に応じて、該ナノ構造または該ナノアーキテクチャの少なくとも約１％、２％、３％、４％、５％、６％、７％、８％、９％、１０％、１１％、１２％、１３％、１４％、１５％、２０％、２５％、３０％、３５％、４０％、４５％、５０％、５５％、６０％、６５％、７０％、７５％、８０％、８５％、９０％、９１％、９２％、９３％、９４％、９５％、９６％、９７％、９８％、９９％、もしくはそれよりも多く、または約９９．９％もしくはそれよりも多くまで、または約１％〜９９．５％が、タンタル（Ｔａ）、Ｔａ合金、ＴａもしくはＴａ合金の酸化物またはＴａ２Ｏ５のコーティング、結晶性タンタル（Ｔａ）、または非晶質Ｔａで被覆、コーティングまたは積層され、
必要に応じて、該製品、製造物品、デバイスもしくはインプラント、または該製品、製造物品、デバイスもしくはインプラントの表面、または該製品、製造物品、デバイスもしくはインプラントのコーティングもしくは外側被覆体、外側層もしくは外側表面の少なくとも約１％、２％、３％、４％、５％、６％、７％、８％、９％、１０％、１１％、１２％、１３％、１４％、１５％、２０％、２５％、３０％、３５％、４０％、４５％、５０％、５５％、６０％、６５％、７０％、７５％、８０％、８５％、９０％、９１％、９２％、９３％、９４％、９５％、９６％、９７％、９８％、９９％、もしくはそれよりも多く、または約９９．９％もしくはそれよりも多くまで、または約１％〜９９．５％が、該ナノ構造または該ナノアーキテクチャで被覆、コーティングまたは積層されている、
製品または製造物品またはデバイスまたはインプラント。
（項目２）
表面上に、マイクロスケール構造（単数または複数）をさらに含むか、または有し、必要に応じて、該マイクロスケール構造（単数または複数）の少なくとも約１％、２％、３％、４％、５％、６％、７％、８％、９％、１０％、１１％、１２％、１３％、１４％、１５％、２０％、２５％、３０％、３５％、４０％、４５％、５０％、５５％、６０％、６５％、７０％、７５％、８０％、８５％、９０％、９１％、９２％、９３％、９４％、９５％、９６％、９７％、９８％、９９％、もしくはそれよりも多く、または約９９．９％もしくはそれよりも多くまで、または約１％〜９９．５％が、該ナノ構造または該ナノアーキテクチャで被覆、コーティングまたは積層されている、項目１に記載の製品、製造物品、デバイスまたはインプラント。
（項目３）
生物医学的デバイスもしくはインプラント、整形外科用、歯科用、脊椎用、膝用、関節用もしくは同等のインプラント、または骨内ピン、髄内ロッド、髄内釘（ＩＭ釘）もしくはインターロッキングネイルもしくはキュンチャー釘、または骨インプラントもしくは歯インプラント、または関節置換インプラント、またはピン、プレートもしくはポスト、または同等物として製造されるか、またはこれらとしての使用のために製造される、項目１に記載の製品、製造物品、デバイスまたはインプラント。
（項目４）
上記ナノ構造またはナノアーキテクチャが、ナノチューブ、ナノピラー、ナノリボン、ナノワイヤ、ナノロッドもしくはナノファイバーまたはそれらの同等物、あるいは複数のナノチューブ、ナノリボン、ナノピラー、ナノロッド、ナノファイバーもしくはナノワイヤまたはそれらの同等物、あるいはナノピラー、ナノリボン、ナノチューブ、ナノファイバー、ナノロッドまたはナノワイヤのアレイ、あるいはそれらの組合せの構造を含み、
必要に応じて、該アレイは、垂直配列アレイまたは略垂直配列アレイであり、
必要に応じて、該ナノピラー、ナノリボン、ナノチューブ、ナノファイバー、ナノロッドまたはナノワイヤのアレイ、あるいはそれらの組合せの構造は、約２０〜８００ｎｍの範囲の平均直径を有し、約５０〜２，０００ｎｍの範囲の平均高さを有する、
項目１に記載の製品、製造物品、デバイスまたはインプラント。
（項目５）
タンタル（Ｔａ）、Ｔａ合金、ＴａもしくはＴａ合金の酸化物、またはＴａ２Ｏ５、結晶性Ｔａ、または非晶質Ｔａのコーティングまたは外側被覆体または外側層の厚さが、
最大で約０．１ｍｍ（１００マイクロメートル）、０．２、０．３、０．４、０．５、０．６、０．７、０．８、０．９もしくは１．０ｍｍ、または
約０．０１ｍｍ（１０マイクロメートル）、０．０２、０．０３、０．０４、０．０５、０．０６、０．０７、０．０８、０．０９もしくは０．１０ｍｍ未満、または
約１、２、３、４、５、６、７、８、９もしくは１０マイクロメートル未満、または
約０．１マイクロメートル（１００ｎｍ）、０．２、０．３、０．４、０．５、０．６、０．７、０．８、０．９もしくは１．０ｎｍ未満であるか、あるいは
最小厚さが、少なくとも約１、２、３、４、５、６、７、８、９もしくは１０ナノメートル（ｎｍ）である、
項目１に記載の製品、製造物品、デバイスまたはインプラント。
（項目６）
（ａ）細胞もしくは複数の細胞であって、
必要に応じて、該細胞（単数もしくは複数）は、ヒト細胞、または幹細胞、または軟骨細胞、線維芽細胞、破骨細胞もしくは骨芽細胞、または歯牙形成もしくは骨形成に関与している細胞、または骨細胞、筋細胞、肝臓細胞、肝実質細胞、内皮細胞、脂肪細胞、線維芽細胞性細胞、クッパー細胞、腎臓細胞、血管細胞、皮膚細胞、歯周細胞、象牙芽細胞、象牙質芽細胞、セメント芽細胞、エナメル芽細胞もしくは歯原性外胚葉性間葉組織、またはそれらの任意の組合せであり、
必要に応じて、該細胞（単数もしくは複数）は、上記ナノ構造またはナノアーキテクチャの表面に付着しているか、または該表面上で成長している、細胞もしくは複数の細胞、および／または
（ｂ）骨もしくは軟骨、あるいは成長し付着させた骨構造であって、必要に応じて、該骨または付着させた骨構造は、全部もしくは一部が、整形外科的な骨、歯科的な骨、脊椎骨、ヒトもしくは動物の骨を構成し、必要に応じて、該骨もしくは軟骨、あるいは成長し付着させた骨構造は、Ｔａまたは酸化Ｔａのコーティングの上面もしくは外側表面上に存在している、骨もしくは軟骨、あるいは成長し付着させた骨構造
をさらに備えている、項目１に記載の製品、製造物品、デバイスまたはインプラント。
（項目７）
上記コーティング、外側被覆体、外側表面または外側層が、物理気相成長法、スパッタリングもしくは蒸着法、またはレーザーアブレーションもしくはプラズマ溶射法、または化学気相成長法、あるいは化学的／電気化学的堆積法によって付加される、項目１に記載の製品、製造物品、デバイスまたはインプラント。
（項目８）
上記製品、製造物品、デバイスもしくはインプラント、または該製品、製造物品、デバイスもしくはインプラントのベースもしくは外側表面もしくは外側層、または上記ナノ構造もしくはナノアーキテクチャまたはナノ構造もしくはナノアーキテクチャのベースが、
金属、チタン（Ｔｉ）、酸化チタン、ＴｉＯ２、もしくはそれらの組合せ、
Ｔｉもしくは酸化Ｔｉを少なくとも約４０％、４５％、５０％、５５％、６０％、６５％、７０％、７５重量％以上で含有しているか、もしくは含んでいる合金であって、必要に応じて合金化元素を含んでいる、合金、
金属系成分、ＺｒＯ２、ＨｆＯ２、ＮｂＯもしくはＮｂ２Ｏ５、ＭｏＯ２もしくはＭｏＯ３、ＶＯ２もしくはＶ２Ｏ５、ＷＯ２もしくはＷＯ３、またはそれらの任意の合金もしくは酸化物、またはそれらの酸化物、またはＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｍｏ、ＶもしくはＷの酸化物を、必要に応じて、少なくとも約４０％、４５％、５０％、５５％、６０％、６５％、７０％、７５重量％以上（ここで、必要に応じて、該金属系成分は、複数の金属もしくは元素を含むものであるか、または、Ａｌ、Ａｇ、Ｃ、Ｆ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｉ、Ｐ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、ＡｕもしくはＢｉまたは希土類元素のうちの１種類またはそれよりも多くあるいはそれらの組み合わせを含む）、または
ステンレス鋼、Ｓｉ、酸化Ｓｉ、炭素、ダイヤモンド、貴金属、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔもしくはそれらの合金、または複合金属、
ジルコニアもしくはジルコニアまたはそれらの任意の合金もしくは酸化物、
コバルト−クロム合金、
セラミック材料またはポリマー材料またはプラスチック材料、
あるいはそれらの任意の組合せ
を含む、項目１に記載の製品、製造物品、デバイスまたはインプラント。
（項目９）
上記ナノ構造、ナノアーキテクチャまたはナノチューブが陽極酸化されたものであり、
必要に応じて、該ナノ構造、ナノアーキテクチャまたはナノチューブは、Ｔｉ金属またはＴｉ含有合金の表面の陽極酸化によって形成されたナノ構造、ナノアーキテクチャまたはナノチューブの層もしくはアレイであるか、あるいは
非Ｔｉ含有基材、ベース、表面またはインプラント上のＴｉまたはＴｉ含有合金のコーティング厚膜層の陽極酸化によって形成されたナノ構造、ナノアーキテクチャまたはナノチューブの層もしくはアレイである、
項目１に記載の製品、製造物品、デバイスまたはインプラント。
（項目１０）
化学物質、化合物、小分子、薬剤、活性薬剤、生物学的薬剤、薬物、トレーサをさらに含み、
必要に応じて、該化学物質、化合物、小分子、薬剤、活性薬剤、生物学的薬剤、薬物またはトレーサは、ペプチド、タンパク質、ポリペプチド、抗体、核酸、ＤＮＡもしくはＲＮＡ、ｍｉＲＮＡ、ｓｉＲＮＡ、遺伝子、ベクター、多糖、脂質、成長因子、サイトカイン、抗生物質、ホルモン、治療用薬物、機能性粒子、磁性粒子、金属粒子、セラミック粒子、ポリマー粒子またはそれらの組み合わせを含み、
必要に応じて、該化学物質、化合物、小分子、薬剤、活性薬剤、生物学的薬剤、薬物またはトレーサは、ナノチューブもしくは中空ナノワイヤもしくはナノピラーにおいて、もしくはそれらの内部に、または該ナノ構造もしくは該ナノアーキテクチャの間隔もしくはそれらの内部に貯蔵されているか、あるいは該ナノ構造もしくは該ナノアーキテクチャの上面に付着され、
必要に応じて、該ナノ構造または該ナノアーキテクチャは、該ナノ構造内または該ナノアーキテクチャ内（ナノワイヤの中、または中空ナノチューブもしくはナノピラーの中など）、または該ナノ構造間もしくは該ナノアーキテクチャ間、または該ナノ構造上もしくは該ナノアーキテクチャ上に、該化学物質、化合物、小分子、薬剤、活性薬剤、生物学的薬剤、薬物またはトレーサを貯蔵することによって、複数のナノ貯蔵部を形成し、
必要に応じて、該ナノ構造または該ナノアーキテクチャは、部分的に閉塞もしくは狭窄している開口、または誘発可能もしくは作動可能である開口、または部分的なボトルネック状構成の開口をさらに備えていることにより、誘発可能な放出態様、作動可能な放出態様、制御された放出態様、または低速の放出態様で、該化学物質、化合物、小分子、薬剤、活性薬剤、生物学的薬剤、薬物またはトレーサの放出が可能であり、
必要に応じて、ナノ貯蔵部の入口寸法は、金属材料または酸化物材料の選択的堆積によって、内部に貯蔵された該化学物質、化合物、小分子、薬剤、活性薬剤、生物学的薬剤、薬物またはトレーサの放出速度を減速するための部分的なボトルネック状構成を誘導するように縮小され、
必要に応じて、該機能性粒子は、磁性酸化物粒子で作製されたものであり得るか、または金属粒子が、ナノ貯蔵部空間に貯蔵されている該生物学的薬剤の放出の加速またはスイッチオン、スイッチオフのための遠隔作動されるＲＦ加熱および温度勾配の作成に利用される、
項目１に記載の製品、製造物品、デバイスまたはインプラント。
（項目１１）
新たなもしくは向上した細胞成長、新たなもしくは向上した骨芽細胞、象牙芽細胞、象牙質芽細胞もしくはセメント芽細胞の成長、新たなもしくは向上した骨もしくは軟骨の成長、および／または、新たなもしくは向上したミネラル化マトリクスの形成のためのインビトロ、エキソビボまたはインビボ細胞培養基材（単数または複数）であって、
該培養基材（単数または複数）の表面が、
（ａ）ナノ構造またはナノアーキテクチャであって、
該ナノ構造または該ナノアーキテクチャは、その表面の一部、実質的に全部、または全部が、被覆またはコーティングされ、コーティングまたは外側被覆体または外側層は、全体またはその実質的に全体、または一部に、タンタル（Ｔａ）、Ｔａ合金、酸化ＴａもしくはＴａ２Ｏ５のコーティング、タンタル（Ｔａ）、またはＴａ合金もしくはＴａ合金酸化物を含み、
必要に応じて、該コーティング、外側被覆体または外側層は、少なくとも約１％、２％、３％、４％、５％、６％、７％、８％、９％、１０％、１１％、１２％、１３％、１４％、１５％、２０％、２５％、３０％、３５％、４０％、４５％、５０％、５５％、６０％、６５％、７０％、７５％、８０％、８５％、９０％、９１％、９２％、９３％、９４％、９５％、９６％、９７％、９８％、９９％、またはそれよりも多くのタンタル（Ｔａ）、Ｔａ合金、酸化ＴａもしくはＴａ２Ｏ５のコーティング、結晶性タンタル（Ｔａ）、非晶質Ｔａ、またはＴａ合金もしくはＴａ合金酸化物を含むか、またはこれらで構成され、
必要に応じて、該ナノ構造または該ナノアーキテクチャの少なくとも約１％、２％、３％、４％、５％、６％、７％、８％、９％、１０％、１１％、１２％、１３％、１４％、１５％、２０％、２５％、３０％、３５％、４０％、４５％、５０％、５５％、６０％、６５％、７０％、７５％、８０％、８５％、９０％、９１％、９２％、９３％、９４％、９５％、９６％、９７％、９８％、９９％、もしくはそれよりも多く、または約９９．９％もしくはそれよりも多くまで、または約１％〜９９．５％が、タンタル（Ｔａ）、Ｔａ合金、酸化ＴａもしくはＴａ２Ｏ５のコーティング、結晶性タンタル（Ｔａ）、非晶質Ｔａ、またはＴａ合金もしくはＴａ合金酸化物で被覆、コーティングまたは積層されている、
ナノ構造またはナノアーキテクチャ、または
（ｂ）項目１〜１０のいずれかに記載のナノ構造を含む表面またはナノアーキテクチャを含む表面
を含む、
インビトロ、エキソビボまたはインビボ細胞培養基材（単数または複数）。
（項目１２）
新たなもしくは向上した細胞成長、新たなもしくは向上した骨芽細胞、象牙芽細胞、象牙質芽細胞もしくはセメント芽細胞の成長、新たなもしくは向上した骨もしくは軟骨の成長、および／または、新たなもしくは向上したミネラル化マトリクスの形成のためのインビトロ、エキソビボまたはインビボ支持足場であって、
（ａ）ナノ構造またはナノアーキテクチャであって、
該ナノ構造または該ナノアーキテクチャは、その表面の一部、実質的に全部、または全部が、被覆またはコーティングされ、コーティングまたは外側被覆体または外側層は、全体またはその実質的に全体、または一部に、タンタル（Ｔａ）、Ｔａ合金、酸化ＴａもしくはＴａ２Ｏ５のコーティング、タンタル（Ｔａ）、またはＴａ合金もしくはＴａ合金酸化物を含み、
必要に応じて、該コーティング、外側被覆体または外側層は、少なくとも約１％、２％、３％、４％、５％、６％、７％、８％、９％、１０％、１１％、１２％、１３％、１４％、１５％、２０％、２５％、３０％、３５％、４０％、４５％、５０％、５５％、６０％、６５％、７０％、７５％、８０％、８５％、９０％、９１％、９２％、９３％、９４％、９５％、９６％、９７％、９８％、９９％、またはそれよりも多くのタンタル（Ｔａ）、Ｔａ合金、酸化ＴａもしくはＴａ２Ｏ５のコーティング、結晶性タンタル（Ｔａ）、非晶質Ｔａ、またはＴａ合金もしくはＴａ合金酸化物を含むか、またはこれらで構成され、
必要に応じて、該ナノ構造または該ナノアーキテクチャの少なくとも約１％、２％、３％、４％、５％、６％、７％、８％、９％、１０％、１１％、１２％、１３％、１４％、１５％、２０％、２５％、３０％、３５％、４０％、４５％、５０％、５５％、６０％、６５％、７０％、７５％、８０％、８５％、９０％、９１％、９２％、９３％、９４％、９５％、９６％、９７％、９８％、９９％、もしくはそれよりも多く、または約９９．９％もしくはそれよりも多くまで、または約１％〜９９．５％が、タンタル（Ｔａ）、Ｔａ合金、酸化ＴａもしくはＴａ２Ｏ５のコーティング、結晶性タンタル（Ｔａ）、非晶質Ｔａ、またはＴａ合金もしくはＴａ合金酸化物で被覆、コーティングまたは積層されている、
ナノ構造またはナノアーキテクチャ、または
（ｂ）項目１〜１１のいずれかに記載のナノ構造を含む表面またはナノアーキテクチャを含む表面
を含む足場表面
を含むインビトロ、エキソビボまたはインビボ支持足場。
（項目１３）
項目１〜１０のいずれかに記載の製品、製造物品、デバイスもしくはインプラント、または項目１１に記載のインビトロ、エキソビボまたはインビボ培養基材（単数または複数）、または項目１２に記載のインビトロ、エキソビボまたはインビボ支持足場であって、
該製品、製造物品、デバイスもしくはインプラント、または該培養基材（単数または複数）、または該支持足場は、骨インプラントまたは骨アンレーまたは骨支持部位のためのインプラント上に存在しているか、またはこれらの一部であり、必要に応じて、該骨インプラント、アンレーまたは支持体は、
・指の関節の修復もしくは置換、
・手首の修復もしくは置換、
・肘の修復もしくは置換、
・肩の修復もしくは置換、
・脚の修復もしくは置換、
・腕の修復もしくは置換、
・腰の修復もしくは置換、
・膝の修復もしくは置換、
・足首の修復もしくは置換、
・足もしくはつま先の修復もしくは置換、
・脊髄の椎間板の修復もしくは置換、
・胸郭の修復もしくは肋骨の置換、
・頭蓋骨用のメッシュ、パッチもしくは置換、
・ピン、メッシュもしくはロッド、または
・ロッド、ねじもしくは骨安定化インプラント
のために製作されるか、またはこれらの全部もしくは一部と置換される、項目１〜１０のいずれかに記載の製品、製造物品、デバイスもしくはインプラント、または項目１１に記載のインビトロ、エキソビボまたはインビボ培養基材（単数または複数）、または項目１２に記載のインビトロ、エキソビボまたはインビボ支持足場。
（項目１４）
インビボで
（ａ）ナノ構造またはナノアーキテクチャであって、
該ナノ構造または該ナノアーキテクチャは、その表面の一部、実質的に全部、または全部が、被覆またはコーティングされ、コーティングまたは外側被覆体または外側層は、全体またはその実質的に全体、または一部に、タンタル（Ｔａ）、Ｔａ合金、酸化ＴａもしくはＴａ２Ｏ５のコーティング、タンタル（Ｔａ）、またはＴａ合金もしくはＴａ合金酸化物を含み、
必要に応じて、該コーティング、外側被覆体または外側層は、少なくとも約１％、２％、３％、４％、５％、６％、７％、８％、９％、１０％、１１％、１２％、１３％、１４％、１５％、２０％、２５％、３０％、３５％、４０％、４５％、５０％、５５％、６０％、６５％、７０％、７５％、８０％、８５％、９０％、９１％、９２％、９３％、９４％、９５％、９６％、９７％、９８％、９９％、またはそれよりも多くのタンタル（Ｔａ）、Ｔａ合金、酸化ＴａもしくはＴａ２Ｏ５のコーティング、結晶性タンタル（Ｔａ）、非晶質Ｔａ、またはＴａ合金もしくはＴａ合金酸化物を含むか、またはこれらで構成され、
必要に応じて、該ナノ構造または該ナノアーキテクチャの少なくとも約１％、２％、３％、４％、５％、６％、７％、８％、９％、１０％、１１％、１２％、１３％、１４％、１５％、２０％、２５％、３０％、３５％、４０％、４５％、５０％、５５％、６０％、６５％、７０％、７５％、８０％、８５％、９０％、９１％、９２％、９３％、９４％、９５％、９６％、９７％、９８％、９９％、もしくはそれよりも多く、または約９９．９％もしくはそれよりも多くまで、または約１％〜９９．５％が、タンタル（Ｔａ）、Ｔａ合金、酸化ＴａもしくはＴａ２Ｏ５のコーティング、結晶性タンタル（Ｔａ）、非晶質Ｔａ、またはＴａ合金もしくはＴａ合金酸化物で被覆、コーティングまたは積層されている、
ナノ構造またはナノアーキテクチャ、
（ｂ）項目１〜１０のいずれかに記載のナノ構造を含む表面もしくはナノアーキテクチャを含む表面、または
（ｃ）項目１〜１０のいずれかに記載の製品、製造物品、デバイスもしくはインプラント、あるいは項目１１に記載のインビトロ、エキソビボもしくはインビボ培養基材（単数もしくは複数）、あるいは項目１２に記載のインビトロ、エキソビボもしくはインビボ支持足場
を埋め込むことを含む、新たなもしくは向上した細胞成長、新たなもしくは向上した骨芽細胞、象牙芽細胞、象牙質芽細胞もしくはセメント芽細胞の成長、新たなもしくは向上した骨もしくは軟骨の成長、および／または、新たなもしくは向上したミネラル化マトリクスの形成を開始または誘導するための方法。
（項目１５）
二相マスク層の陽極酸化、形成および選択的相除去を使用して、骨増強用ナノチューブ構成または骨増強用ナノピラー構成を製作する方法であって、ジブロックコポリマー層、スピノーダル分解性合金層、または二相型合金膜を使用することと、続いて、バイオマテリアルの表面を選択的にエッチングすることによりナノチューブ表面構成またはナノピラー表面構成を生成することとを含む、方法。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
本明細書に示す図面は本発明の実施形態の例示であり、特許請求の範囲に包含される本発明の範囲を制限することを意図したものではない。
【００２２】
種々の図面における同様の参照記号は同様の要素を示す。
【００２３】
【図１】図１（ａ）〜（ｂ）は、チタン基材上に形成され、骨芽細胞の成長および骨の骨一体化を加速させるためのナノチューブ表面上にＴａの薄膜が堆積させられた自己組織化ＴｉＯ２ナノチューブアレイを備えている本発明の例示的なデバイスを模式的に示す。図１（ａ）は、横方向に間隔を有する垂直配位ＴｉＯ２ナノチューブアレイを示し、スパッタリングまたは蒸着法を含むナノチューブ上へのＴａの薄膜コーティングの例示的な堆積方法を示し、Ｔａの薄膜コーティングがコーティングされているか、または該薄膜コーティングを有するナノチューブ（この例では、ナノチューブアレイとして構成されている）を備えている最終製品を示し、この図は、本発明のデバイスが、Ｔａコーティングを（例えば、薄膜コーティングとして）有する任意のナノ構造を備えているものであり得ることを示す。図１（ｂ）は、本発明のデバイスの例示的な使用および本発明の例示的な方法を示し、ここでは、インビボ、インビトロまたはインサイチュで骨芽細胞をＴａコーティングナノ構造に付着させて該構造上で成長させ、この例ではナノチューブはナノチューブアレイとして構成され、一実施形態では、細胞外マトリクスもまたＴａコーティングナノ構造上で成長させられ（または該ナノ構造に適用され）得、Ｔａコーティングナノ構造間の間隔によって、栄養分の流れなどがＴａコーティングナノ構造上で成長している細胞に供給され得る。
【図２】図２は、ナノチューブ基材の２つの走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像を示す。画像は、タンタルコーティング後のナノチューブの幾何形状および構造が保持されていることを示す。各表面での接触角を黄色で示し、タンタルコーティング表面における４°から０°への親水性の増大を示す。スケールバー＝２００ｎｍ。
【図３】図３は、陽極酸化加工されたＴｉＯ２ナノチューブアレイの例示的な構成を示し、（ａ）斜視図の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像、（ｂ）ナノチューブ配列に平行な長手方向の透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）画像、（ｃ）ナノチューブ配列に垂直な方向の断面図のＴＥＭ画像を示す。
【図４】図４（ａ）〜（ｂ）は、本発明の例示的なデバイスを模式的に示す。図４（ａ）は、Ｔａコーティングナノピラー（これはＴａコーティングＴｉＯ２ナノピラーアレイであり得る）を基材（これはチタン基材であり得る）上に備えている本発明の例示的なデバイスを模式的に示す。図４（ｂ）は、ＴａコーティングＴｉＯ２ナノピラーアレイがさらに骨芽細胞を備えている一実施形態を模式的に示し、本発明の例示的なデバイスは、骨芽細胞の成長および骨の骨一体化を加速させ得るものである。Ｔａコーティングナノピラー間の間隔によって、栄養分の流れなどがＴａコーティングナノピラー上で成長している細胞に供給され得る。一実施形態では、この場合、細胞外マトリクスもまたＴａコーティングナノピラー上で成長させられ（または該ナノピラーに適用され）得る。
【図５】図５（ａ）〜（ｂ）は、本発明のデバイスの例示的な作製方法である「ナノスタンピング」を模式的に示す。図５（ａ）は、本発明の例示的なデバイスを作製するためのＴｉベースまたは合金化Ｔｉベースのナノスタンピングを模式的に示し、マスキングポリマー（またはｍａｋｉｎｇ  ｐｏｌｙｍｅｒ）の必要に応じた使用も示す。図５（ｂ）は、Ｔｉナノピラーの化学エッチングまたは反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）と、その後のナノピラーアレイのＴａまたはＴａ２Ｏ６スパッタコーティングとの両方を模式的に示す。
【図６】図６（ａ）〜（ｆ）は、本発明のデバイスの例示的な作製方法である「ガイド式エッチング（ｇｕｉｄｅｄ  ｅｔｃｈｉｎｇ）」を模式的に示し、垂直二相分解型コーティングを使用する（例えば、ジブロックコポリマーまたは二相合金膜を使用する）例示的な「ガイド式エッチング」法による平坦または非平坦表面上のナノピラーアレイを示す。図６（ａ）は、（例えば、代替的な実施形態における）骨成長のためのインプラントとしての使用のための（例えば、チタン（Ｔｉ）を含む）出発材料または基材を模式的に示す。図６（ｂ）は、テクスチャー加工材料のコーティング（例えば、共スパッタ積層（ｃｏ−ｓｐｕｔｔｅｒ  ｌａｙｅｒｉｎｇ）、分解性ジブロックコポリマー、スピノーダル分解性合金などによるコーティング）を模式的に示す。図６（ｃ）は、優先的エッチングによって二相のうちの一相を除いた後に残る例示的な「ナノアイランド」マスクコーティング手順を模式的に示す。図６（ｄ）は、本発明の例示的なナノピラーアレイの形成のための、マスキングアイランドによるＴｉまたはＴｉ合金のエッチングを含む例示的なマスクコーティング手順を、模式的に示す。図６（ｅ）は、コーティングの除去を模式的に示す。図６（ｆ）は、より深いナノピラーまたはナノチューブを本発明のデバイス（これは代替的な実施形態においてインプラントであり得る）の表面上に作製するための、さらなるエッチングまたは陽極酸化の必要に応じた工程を、模式的に示す。
【図７】図７（ａ）は、例示的なナノチューブ表面（Ｔｉ、ＴｉＯ２ナノチューブ（ＮＴ）、Ｔａ、およびＴａコーティングナノチューブ（ＮＴ））上で培養したヒト骨芽細胞（Ｈｏｂ細胞）のＭＴＴワーキング溶液の反応生成物の光学濃度（ＯＤ）をインキュベーション時間の関数として示しているＭＴＴ（３−（４，５−ジメチルチアゾール−２−イル）−２，５−ジフェニルテトラゾリウムブロミド）アッセイからのデータをグラフで示す（ｎ＝３）。棒グラフは平均±標準誤差バーを示す。図７（ｂ）は、例示的なナノチューブ表面（Ｔｉ、ＴｉＯ２ナノチューブ（ＮＴ）、Ｔａ、およびＴａコーティングナノチューブ（ＮＴ））上での２４時間のインキュベーション後のＨＯｂ細胞のＳＥＭ顕微鏡写真を示し、両方のＮＴのナノ表面で広範囲にわたる糸状仮足活性を示す（矢印参照）。スケールバー＝５μｍ。
【図８】図８は、インキュベーション時間（単位：日）に対する、ナノチューブ表面（Ｔｉ、ＴｉＯ２ナノチューブ（ＮＴ）、Ｔａ、およびＴａコーティングナノチューブ（ＮＴ））上で培養したヒト骨芽細胞（Ｈｏｂ細胞）のアルカリホスファターゼ（ＡＬＰ）活性からのデータをグラフで示す（ｎ＝３）。グラフの点は平均±標準誤差バーを示す。ＡＮＯＶＡ検定の実施後に統計学的有意（ｐ＜０．００１）に達したｐ値は、グラフ上で（＊）によって表示している。
【図９】図９は、３週間培養したＨＯｂ細胞による骨結節形成を示す。図９（ａ）は、ナノチューブ表面（Ｔｉ、ＴｉＯ２ナノチューブ（ＮＴ）、Ｔａ、およびＴａコーティングナノチューブ（ＮＴ））上で培養したＨＯｂ細胞の２０００倍のＳＥＭ顕微鏡写真を示し、画像は、３週間後のＴａコーティングＮＴ表面上におけるより大きな骨結節形成を示す。スケールバー＝１０μｍ。図９（ｂ）は、表面上のミネラル元素であるカルシウムおよびリンの原子百分率のエネルギー分散型ｘ線（ＥＤＸ）解析からのデータをグラフで示し（ｎ＝５）、棒グラフは平均±標準誤差バーを示す。ＡＮＯＶＡ検定の実施後のｐ値は統計学的有意（ｐ≦０．００１）に達した（（＊）によって表示）。ＰとＣａの量はＴａコーティング表面上で有意に高かった。
【図１０】図１０は、時間の関数としての、表面上のミネラル元素であるリン（図１０（ａ））およびカルシウム（図１０（ｂ））の原子百分率のエネルギー分散型ｘ線（ＥＤＸ）解析であるミネラル化作用速度論（Ｍｉｎｅｒａｌｉｚａｔｉｏｎ  ｋｉｎｅｔｉｃｓ）試験をグラフで示し（ｎ＝５）、線形傾向線が重なり合い、相関係数が表示されている。図１０（ｃ）は、各基材でのリンおよびカルシウムの堆積の対応率（ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ  ｒａｔｅ）（線形傾向線の傾き）を示す表を示す。線グラフは平均±標準誤差バーを示す。ＡＮＯＶＡ検定の実施後のｐ値は、Ｔｉ対Ｔａを除くすべてのサンプル間比較において、統計学的有意（ｐ≦０．００１）に達した。
【図１１】図１１は、ナノチューブ表面（Ｔｉ、ＴｉＯ２ナノチューブ（ＮＴ）、Ｔａ、およびＴａコーティングナノチューブ（ＮＴ））上で１週間、２週間および３週間培養したＨｏｂによるミネラル堆積物についてのアリザリンレッド染色を示す。蛍光画像は、ミネラル堆積物についてのアリザリンレッド染色（明るい赤色）を示す。矢印は骨結節形成を示す。スケールバー＝５０μｍ。マトリクスミネラル化速度論の結果は、１週目、２週目および３週目にアリザリンレッドＳ染色（明るい赤色）によって確認した。ナノチューブ表面は視覚的にはより明るく見え、Ｃａ堆積物の濃度が高いことを示す。
【図１２】図１２は、ＴｉＯ２ナノチューブベースのデバイス（例えば、インプラントなど）を含む例示的な実施形態を模式的に示し、ここで、ナノチューブは、Ｔａコーティングまたは酸化Ｔａ（Ｔａ２Ｏ５）コーティングを、代替的に、垂直配列ナノチューブの孔に貯蔵されている１種類またはそれよりも多くの薬剤（例えば、生物学的薬剤（例えば、低速放出性生物学的薬剤））とともに有するものである。図１２（ａ）は、Ｔｉ基材上にＴａ表面コーティングまたはＴａ２Ｏ５表面コーティングを有するＴｉＯ２ナノチューブを模式的に示す。図１２（ｂ）は、１種類またはそれよりも多くの薬剤（例えば、生物学的薬剤（例えば、ポリペプチド、成長因子、ホルモンまたはステロイド、核酸またはＤＮＡ、コラーゲン、抗生物質、ナノ粒子））などが垂直配列ナノチューブの孔に貯蔵されている（例えば、いわゆる「ナノ貯蔵部」内に貯蔵されている）実施形態を模式的に示す。図１２（ｃ）は、垂直配列ナノチューブの孔の出口における直径縮小構造（例えば、貯蔵されている貯蔵薬剤（例えば、生物学的薬剤）の低速放出または制御放出のためのナノ貯蔵部の入口における直径縮小構造）の使用を含む代替的な実施形態を模式的に示す。
【図１３】図１２は、垂直配列ナノピラー間の間隔に貯蔵されている薬剤（例えば、生物学的薬剤（例えば、低速放出性生物学的薬剤））を備えているＴｉＯ２ナノピラー構成のインプラントを備えている例示的な実施形態を模式的に示す。図１２（ａ）は、Ｔａ表面コーティングまたはＴａ２Ｏ５表面コーティングを有するＴｉＯ２ナノピラーを模式的に示す。図１２（ｂ）は、１種類またはそれよりも多くの薬剤（例えば、生物学的薬剤（例えば、ポリペプチド、成長因子、ホルモンまたはステロイド、核酸またはＤＮＡ、コラーゲン、抗生物質、ナノ粒子など））がナノピラー間の間隔に貯蔵されている実施形態を模式的に示す。図１２（ｃ）は、（例えば、ナノピラー間隔からの貯蔵されている生物学的薬剤の低速放出のための寸法縮小入口を作成するための）直径縮小構造の使用を含む代替的な実施形態を模式的に示す。
【図１４】図１４：上列：２４時間の培養インキュベーション後のＨＯｂ細胞の細胞骨格アクチン（赤色）の免疫蛍光画像の図であり、ＴｉＯ２およびＴａのどちらの表面上での十字形パターンが示されている（黄色の矢印）（スケールバー＝５０μｍ）。下列：２４時間のインキュベーション後のＨＯｂ細胞のＳＥＭ顕微鏡写真の図（スケールバー＝５０μｍ）：図１４（ａ）ＴｉＯ２  ＮＴ、図１４（ｂ）堆積させられた状態のまま（ａｓ−ｄｅｐｏｓｉｔｅｄ）のＴａコーティングＮＴ、図１４（ｃ）金属ＴａコーティングＮＴ、図１４（ｄ）酸化型ＴａコーティングＮＴ、図１４（ｅ）Ｔａ２Ｏ５コーティングＮＴ。
【図１５】図１５は、ナノチューブ（ＮＴ）表面（ＴｉＯ２ＮＴ、堆積させられた状態のままのＴａコーティングＮＴ、金属コーティングＮＴ、酸化型ＴａコーティングＮＴ、Ｔａ２Ｏ５表面コーティングＮＴ）上で培養したＨＯｂ細胞のＭＴＴワーキング溶液の反応生成物の光学濃度（ＯＤ）を示すＭＴＴアッセイデータからのデータを、インキュベーション時間の関数としてグラフで示す（ｎ＝３）。棒グラフは平均±標準誤差バーを示す。ここで、ＭＴＴアッセイは、細胞バイアビリティまたは各表面上の推定生細胞を示す。２１日目において、金属コーティングＮＴ、酸化型ＴａコーティングＮＴおよびＴａ２Ｏ５表面コーティングＮＴで、より大きな「推定生細胞」バイアビリティが示されている。
【図１６】図１６は、ナノチューブ表面（ＴｉＯ２ＮＴ、堆積させられた状態のままのＴａコーティングＮＴ、金属コーティングＮＴ、酸化型ＴａコーティングＮＴ、Ｔａ２Ｏ５表面コーティングＮＴ）上で培養したＨＯｂ細胞のアルカリホスファターゼ（ＡＬＰ）活性（これは、細胞の機能性または骨形成能を反映している）からのデータをインキュベーション時間に対するグラフで示す（ｎ＝３）。グラフの点は平均±標準誤差バーを示す。骨芽細胞の機能性は、金属Ｔａおよび堆積させられた状態のままのＴａよりも酸化型タンタル表面で有利であるように見られる。
【図１７】図１７は、３週間培養したＨＯｂ細胞による骨結節形成アッセイ（またはマトリクスミネラル化、または骨形成）からのデータをグラフで示す。（左のグラフはＰまたはリンについてのものであり、右のグラフはＣａまたはカルシウムについてのものである）表面上のミネラル元素であるカルシウムおよびリンの原子百分率のエネルギー分散型ｘ線（ＥＤＸ）解析（ＴｉＯ２ＮＴ、堆積させられた状態のままのＴａコーティングＮＴ、金属コーティングＮＴ、酸化型ＴａコーティングＮＴ、Ｔａ２Ｏ５表面コーティングＮＴ）（ｎ＝５）。棒グラフは平均±標準誤差バーを示す。ＡＮＯＶＡ検定の実施後のｐ値は統計学的有意（ｐ≦０．００１）に達した（（＊）によって表示）。
【図１８】図１８は、３週間培養したＨＯｂ細胞による骨結節形成の相対的程度を示す２，０００倍のＳＥＭ顕微鏡写真を示す。Ｔａ金属コーティング表面と比べてＴａ２Ｏ５コーティングナノチューブ表面上には、より大きな骨結節形成が明確にある。スケールバー＝１０μｍ。（ａ）ＴｉＯ２  ＮＴ、（ｂ）堆積させられた状態のままのＴａコーティングＮＴ、（ｃ）金属ＴａコーティングＮＴ（真空アニーリング済）、（ｄ）酸化型ＴａコーティングＮＴ（空気中でアニーリング済）、（ｅ）Ｔａ２Ｏ５コーティングＮＴ（直接ＲＦスパッタリング済）。骨のミネラル化は、金属Ｔａおよび堆積させられた状態のままのＴａよりも酸化型タンタル表面で有利であった。
【００２４】
これらの図面は本発明の概念を例示する目的のためのものであり、一定の縮尺ではないことが、理解されるべきである。例えば、要素のうちのいくかの寸法は他の要素よりも拡大されている。
【００２５】
次に、本発明の種々の例示的な実施形態について詳細に言及し、その例を添付の図面に示す。下記の詳細な説明は、本発明の局面および実施形態の特定の細部のより良好な理解を読者に与えるために示したものであり、本発明の範囲に対する限定と解釈されるべきでない。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
詳細な説明
代替的な実施形態において、本発明は、タンタルのコンフォーマルな薄層を備えている製品または製造物品（例えば、インプラント、粒子、球体など）を提供する。代替的な実施形態において、本発明は、ナノトポグラフィ上にタンタルのコンフォーマルな表面層を備えているナノ構造（例えば、ナノチューブ、ナノワイヤ、ナノポアなど）を提供する。代替的な実施形態において、本発明は、ナノトポグラフィ上にタンタルのコンフォーマルな薄層を有するナノ構造（例えば、ナノチューブ、ナノワイヤまたはナノポアのアレイ）を提供する。代替的な実施形態において、本発明の製品または製造物品（例えば、生体用インプラント）および本発明のタンタル表面コーティングナノ構造によってバイオアベイラビリティおよび骨形成能の増大がもたらされる。代替的な実施形態において、本発明の製品または製造物品（例えば、生体用インプラント）と、本発明のタンタル表面コーティングナノ構造とは、インビトロ、エキソビボおよびインビボ試験、インプラント、生物医学的デバイスならびに治療薬に使用される。
【００２７】
代替的な実施形態において、Ｔｉ製インプラント上にタンタルコーティング（Ｔａコーティング）ＴｉＯ２ナノチューブが使用されている製品または製造物品によって、骨形成の改善がもたらされる。タンタルコーティング（Ｔａコーティング）ＴｉＯ２ナノチューブを備えている本発明のＴｉ製インプラントによって、動物（マウス）骨細胞およびヒト骨細胞（ヒト骨芽細胞）の両方について、ＴｉＯ２ナノチューブ単独使用と比べて骨形成の改善がもたらされることが示された。両方の表面には同等レベルの細胞の付着、成長および形態構造が誘導されたと判定された。さらに培養した時点において、Ｔａ表面上において骨機能性がアルカリホスファターゼ活性、骨結節形成、およびマトリクスミネラル堆積の点で向上していた。代替的な実施形態において、本発明のタンタルコーティング（Ｔａコーティング）ＴｉＯ２ナノチューブは、整形外科用および歯科用のインプラントに好都合に適用される。代替的な実施形態において、本発明の製品または製造物品は、生物医学的インプラント（例えば、骨用インプラントもしくは歯用インプラント、または関節置換インプラント、または骨堆積が所望される箇所のピン、プレートもしくはポストなど）である。
【００２８】
代替的な実施形態において、本発明は、一部に、実質的に、または完全にタンタルコーティング（Ｔａコーティング）された表面を備えているナノ構造化製品およびバイオマテリアルと、このようなバイオマテリアルを備えているデバイスとを提供する。本発明の製品およびバイオマテリアルが使用されている代替的な実施形態において、本発明はまた、ヒトおよび動物の体内での骨の効率的な生成のための製作方法を提供する。代替的な実施形態において、ナノ構造化製品およびバイオマテリアルは、骨芽細胞成長および骨のミネラル化の加速を可能にし、さらに、ナノ構造化バイオマテリアル表面のナノ貯蔵部に貯蔵された成長因子および他の化学的材料または生物学的材料の放出が可能となるように製作される。
【００２９】
代替的な実施形態において、本発明は、一部に、実質的に、または完全にタンタルコーティング（Ｔａコーティング）された表面を備えている酸化チタンのナノ構造（例えば、ナノチューブ、ナノワイヤ）などを提供する。本発明のこれらの組成物は、骨成長を向上させるナノ基材を含む。
【００３０】
代替的な実施形態において、本発明は、タンタルよりもずっと軽量の材料であるＴｉおよび／またはＴｉＯ２を組み合わせた方法および構造と、タンタルコーティング（Ｔａコーティング）表面とを提供する。代替的な実施形態において、ＴｉＯ２ナノチューブ幾何形状は、骨の成長および幹細胞の分化を向上させ、本発明は、ＴｉＯ２ナノチューブの利点をＴａ表面の化学的性質と一緒に組み合わせている。
【００３１】
代替的な実施形態において、タンタルの使用量の制限は、インプラントが重くかつ高価になることを最小限にするために不可欠である。したがって、代替的な実施形態において、Ｔａは、金属、セラミックおよび／またはポリマーなどのナノチューブまたはナノ構造を備えているベース構造上の薄いコーティング材料として付加される。したがって、代替的な実施形態において、Ｔａ表面コーティングの厚さは、最大で０．１ｍｍ（１００マイクロメートル）、または０．０１ｍｍ（１０マイクロメートル）未満、または１マイクロメートル未満、または０．１マイクロメートル（１００ｎｍ）未満である。代替的な実施形態において、Ｔａコーティングの最小厚さは少なくとも５ナノメートル（ｎｍ）である。
【００３２】
代替的な実施形態において、Ｔａコーティングは、物理気相成長（スパッタリングもしくは蒸着など）、または化学気相成長、または化学的／電気化学的堆積によって付加される。
【００３３】
代替的な実施形態において、骨誘導性基材材料はＴａ表面コーティングまたは酸化Ｔａ表面コーティングを有するナノチューブおよびナノピラーの表面構成に組み込まれる。本発明の場合のナノ構造化基材は、少なくとも５０重量％がＴｉおよび酸化ＴｉならびにＴｉ含有合金または酸化Ｔｉ含有合金である。
【００３４】
代替的な実施形態において、表面上（例えば、ＴｉまたはＴｉＯ２のナノチューブまたは他のナノ構造上）へのＴａ膜の堆積に加え、Ｔａ金属堆積のための他の望ましい整形外科用、歯科用、脊椎用、膝用または他のインプラント用基材材料（例えば、合金化Ｔｉ（例えば、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金））で作製されたものなどのナノチューブもしくは他のナノ構造など、ならびにＺｒＯ２、ＨｆＯ２、ＮｂＯもしくはＮｂ２Ｏ５、ＭｏＯ２もしくはＭｏＯ３、ＶＯ２もしくはＶ２Ｏ５、ＷＯ２もしくはＷＯ３で作製されたナノチューブもしくは他のナノ構造、またはＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｖ、Ｗ、酸化物のうちの１種類またはそれよりも多くである金属系成分を少なくとも５０重量％含み、残りの金属系成分が種々の他の金属もしくは元素（例えば、Ａｌ、Ａｇ、Ｃ、Ｆ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｉ、Ｐ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｂｉ、および１種類またはそれよりも多くの希土類元素）のうちの１種類またはそれよりも多くから選択される合金酸化物製のナノチューブもしくは他のナノ構造が使用される。他の材料（例えば、ステンレス鋼、Ｓｉ、酸化Ｓｉ、炭素、ダイヤモンド、貴金属（Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔおよびそれらの合金など）、ポリマー材料もしくはプラスチック材料、または複合金属、セラミックもしくはポリマー）もまた、生体用インプラントおよび細胞成長への適用のための、同様の所望の表面構成の作製および使用に利用され得。代替的な実施形態において、少なくとも約５ｎｍの厚さと全表面の少なくとも８０％のコーティングコーティング率とを有するナノ構造化Ｔａまたはナノ構造化酸化Ｔａのコーティングが使用される。
【００３５】
代替的な実施形態において、本発明は、特に、Ｔａ表面コーティングまたは酸化Ｔａ表面コーティングを有する酸化Ｔｉ系のナノチューブ構成またはナノピラー構成を有するナノ構造化表面に基づいた骨誘導性バイオマテリアル基材の材料、製作方法および治療適用を提供する。
【００３６】
代替的な実施形態において、本発明の製品（例えば、デバイス、バイオマテリアルまたはインプラント）は、陽極酸化手法またはナノマスキング型エッチング手法によって製作される。
【００３７】
代替的な実施形態において、本発明の製品（例えば、デバイス、バイオマテリアル、またはインプラント）は、骨芽細胞成長および骨形成の加速を可能にする。代替的な実施形態において、本発明の製品（例えば、デバイス、バイオマテリアル、またはインプラント）は、ナノ構造化バイオマテリアル表面のナノ貯蔵部に貯蔵された成長因子および他の化学的材料または生物学的材料の放出を可能にするナノ貯蔵部を備えている。他の材料（例えば、Ｔｉ合金系酸化物またはＡｌ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｖ、Ｍｏ、Ｗ含有系酸化物、またはステンレス鋼系合金）もまた、基礎基材材料として利用される。加えて、ナノアーキテクチャ上の表面コーティングは、種々の結晶構造の酸化Ｔａと非晶質Ｔａとを含む。ｒ
【００３８】
代替的な実施形態において、本発明の製品は、任意の整形外科的埋め込み部位の骨の修復に（例えば、接触面に既に存在している骨に対して骨一体化を誘導させるための骨インプラント表面コーティングの形態で）利用され得るＴａコーティングナノ構造を有する骨一体化性バイオマテリアルである。
【００３９】
代替的な実施形態において、本発明の製品は、骨芽細胞成長およびミネラル化マトリクス形成の向上のための、後でヒトまたは動物の体内への埋め込むためのインビトロ細胞培養基材として利用され得る骨誘導性Ｔａコーティングナノスケールバイオマテリアルであるか、または該骨誘導性Ｔａコーティングナノスケールバイオマテリアルを含む。本発明の骨誘導性Ｔａコーティングナノスケールバイオマテリアルはまた、骨または軟骨細胞への間葉系幹細胞または胚性幹細胞の分化の向上のためにも利用され得る。
【００４０】
代替的な実施形態において、本発明の製品は、例えばＴａ表面コーティングを備えているバイオマテリアル上に、ナノ貯蔵部構成を備えており。これらのナノ貯蔵部構成は、患者に対するさらなる治療的有用性のための成長因子、抗生物質ならびに他の薬物および生化学物質を貯蔵してゆっくり継続的に送達するためのレザーバとして利用され得る。
【００４１】
代替的な実施形態において、本発明は、種々の製造方法、細胞培養方法、本発明の製品（例えば、本発明の細胞成長／骨成長加速性のバイオマテリアルまたはデバイス）が使用されているインプラントの適用方法を提供する。
【００４２】
代替的な実施形態において、本発明は、Ｔａコーティング酸化チタンナノチューブ、ＺｒＯ２、ＨｆＯ２、ＮｂＯもしくはＮｂ２Ｏ５、ＭｏＯ２もしくはＭｏＯ３、ＶＯ２もしくはＶ２Ｏ５、ＷＯ２もしくはＷＯ３のナノチューブまたはナノワイヤ、代替的な金属および合金を備えている製品（物品）（例えば、バイオマテリアルおよびインプラント）を提供する。代替的な実施形態において、本発明は、これらの組成物についての製作方法、ならびに本発明のこれらの組成物についての適用および方法（例えば、強力に付着させられ、速度論的に加速された骨成長、軟骨成長、歯周細胞成長、器官細胞成長（肝臓、腎臓など）、薬物毒性試験、細胞検出、人工器官などのための生物医学的なインビボ適用およびインビトロ適用）を提供する。代替的な実施形態において、本発明は、本発明の図面に示した具体的な実施形態を提供する。
【００４３】
代替的な実施形態において、本発明は、ＴａもしくはＴａ２Ｏ５の薄膜（その大部分はＴｉもしくはＴｉＯ２で構成されている）、または少なくとも５０重量％がＴｉ含有合金酸化物または酸化Ｔｉで作製された同様の構造、または少なくとも５０重量％がＺｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｖ、Ｗ含有合金酸化物製の同様の構造、またはステンレス鋼製の同様の構造がコーティングされたナノチューブアーキテクチャまたはナノピラーアーキテクチャを備えている骨成長向上性バイオマテリアルを提供し、ここで、ミネラル化マトリクス形成の程度によって示される骨芽細胞の機能性は、ナノチューブ表面構成またはナノピラー表面構成がない同一の材料と比べて、少なくとも１０％、または少なくとも３０％、または少なくとも５０％増大する。
【００４４】
代替的な実施形態において、本発明は、ナノチューブ構造またはナノピラー構造の寸法が本明細書に示した一定の範囲に制御されている骨成長向上性バイオマテリアルを提供する。
【００４５】
代替的な実施形態において、本発明は、骨成長向上性バイオマテリアルを提供し、ナノチューブの内部またはナノピラー間の隙間におけるナノ貯蔵部空間がレザーバとして利用され、患者に対するさらなる治療的有用性のための生物学的薬剤を貯蔵して制御可能に送達する。代替的な実施形態において、ナノ貯蔵部の入口寸法は、貯蔵された生物学的薬剤の放出速度の減速が部分的ボトルネック状構成によって誘導されるように金属材料または酸化物材料の選択的堆積によって縮小されている。該薬剤は、成長因子、コラーゲン、種々のタンパク質／生体分子、遺伝子、ＤＮＡ、抗生物質、ホルモン、治療用薬物、磁性、金属製、セラミック、ポリマーの粒子の機能性粒子を含み得る。該機能性粒子は、磁性酸化物粒子で作製されたものであり得、または、金属粒子が、ナノ貯蔵部空間内に貯蔵された生物学的薬剤の放出の加速またはスイッチオン、スイッチオフのための、遠隔作動されるＲＦ加熱および温度勾配の作成のために使用される。
【００４６】
代替的な実施形態において、本発明は、骨増強用のナノチューブまたはナノピラー構成の製作方法を提供し、それは、二相マスク層の陽極酸化、形成および選択的相除去を使用し、ジブロックコポリマー層、スピノーダル分解性合金層または二相合金膜を使用し、続いて、バイオマテリアルの表面を選択的にエッチングすることによって、ナノチューブ表面構成またはナノピラー表面構成を作成する。
【００４７】
代替的な実施形態において、本発明は、本発明の骨誘導性のインプラント、デバイスおよびバイオマテリアルの使用を提供し、ここで、該使用は、指、手首、肘、肩、脚、腕、腰、膝、足首、足もしくはつま先、椎間板における骨または軟骨の修復、あるいは胸郭の修復または置換と、任意のロッド、ねじまたは他の骨安定化インプラントとを含む。本発明の組成物および方法は、関節または骨の修復または置換を可能にするとともに、新たな骨マトリクスを成長させるための構造的支持体および化学的環境を提供し、それゆえ、骨粗鬆症などの種々の疾患、または免疫機構によって体の細胞および組織が攻撃されて骨の崩壊もしくは損傷がもたらされる自己免疫疾患によって、引き起こされる損傷骨、感染骨、加齢骨または疾患骨と置換され得る。
【００４８】
代替的な実施形態において、本発明は、本発明の骨一体化性のインプラント、デバイスおよびバイオマテリアルのインビボ使用を提供し、そのバイオマテリアルは、強力な骨一体化を誘導するパッチ骨インプラント片として適用される。
【００４９】
代替的な実施形態において、本発明は、本発明の骨マトリクス誘導性のインプラント、デバイスおよびバイオマテリアルのインビボ使用を提供し、そのバイオマテリアルは、好ましくは患者自身の細胞を使用し、後でヒトまたは動物の体内の骨損傷領域付近に埋め込まれる骨マトリクス生成の向上のための骨芽細胞培養基材のために使用される。
【００５０】
代替的な実施形態において、本発明は、非金属製基材または非Ｔｉ系基材を提供し、その基材の表面は、ＴｉＯ２型のナノチューブまたはナノポアに変換され、Ｔａ薄層がコーティングされている。代替的な実施形態において、ＴｉまたはＴｉＯ２のいずれかの薄膜コーティングが既にナノ多孔質の材料の表面上に適用されるか、または厚膜Ｔｉが堆積させられ、陽極酸化され、ＴｉＯ２ナノチューブ型を作成することにより、望ましい細胞成長または骨成長の加速特性を示す。代替的な実施形態において、本発明は、ＴｉＯ２ナノチューブなどによって生体適合性および細胞成長加速性または骨成長加速性にされている多孔質基材またはパターン形成基材、および種々の製作方法、および生物医学的適用を提供する。
【００５１】
代替的な実施形態において、本発明は、遊離（ｌｏｏｓｅ）粒子、遊離短繊維または遊離フレークに構成されているＴａコーティング生体適合性材料を提供する。代替的な実施形態において、粉末表面は、ナノポアまたはナノチューブアレイナノ構造を含むように加工され、その結果として、遊離粉末が細胞成長または骨成長の加速特性を示し、これは、骨セメントおよび他の組織結合適用に有用である。代替的な実施形態において、遊離粉末、短繊維、フレーク、断片化メッシュスクリーンにおけるＴｉＯ２ナノチューブのための種々の型の製作方法が使用され得る。代替的な実施形態において、種々の適用方法および生物医学的適用（例えば、骨成長、歯科的な骨の成長、歯周組織成長の加速）が使用される。
【００５２】
代替的な実施形態において、本発明は、Ｔｉ、ＴｉＯ２または関連する金属および金属酸化物の膜がコーティングされた弾性コンプライアンスを有する（ｅｌａｓｔｉｃａｌｌｙ  ｃｏｍｐｌｉａｎｔ  ）突出型（ｐｒｏｔｒｕｄｉｎｇ）ナノ構造基材を備えているＴａコーティング生体適合性細胞成長向上性培養基材を提供する。代替的な実施形態において、本発明は、細胞培養特性の向上させる、Ｔｉ、ＴｉＯ２または関連する金属および金属酸化物の膜がコーティングされた弾性コンプライアンスのある突出型ナノ構造基材と、そのような生体適合性と弾性コンプライアンスとがあるナノ構造化細胞培養基材の種々の型の製作方法と、それらのインビトロ細胞培養のための適用またはインビボ治療的適用とを提供する。
【００５３】
代替的な実施形態において、本発明は、スパッタリング、蒸着、レーザーアブレーション、イオンビーム堆積、プラズマ溶射、化学気相成長などを使用するインプラント表面上へのＴａコーティングの形成方法を提供する。
【００５４】
代替的な実施形態において、本発明は、例えば電気めっき、無電極めっき、化学気相成長、物理気相成長、スパッタリングなどによって、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｍｏ、ＶもしくはＷ、またはそれらの酸化物のＴａコーティングされた顆粒または粒子が調製される物品、方法および使用を提供し、それらは、歯科的な骨の修復、骨粗鬆症の治癒のための潜在的適用のためのものである。
【００５５】
代替的な実施形態において、本発明は、Ｔａコーティングナノ構造、材料、種々の幾何形状、および本発明の図に示したような種々の実施形態を提供する。
【００５６】
ＴｉＯ２ナノチューブは、種々の陽極酸化法によって調製され得る。Ｇｏｎｇら，Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ，第１６巻，第１２号，３３３１〜３３３４頁（２００１）、Ｊ．Ｍ．Ｍａｃａｋら，Ａｎｇｅｗ．Ｃｈｅｍ．Ｉｎｔ．Ｅｄ．，第４４巻，７４６３〜７４６５頁（２００５），Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｉｍｉｃａ  Ａｃｔａ  ５０（２００５）３６７９−３６８４（２００５）、およびＡｎｇｅｗ．Ｃｈｅｍ．Ｉｎｔ．Ｅｄ．，第４４巻，２１００−２１０２（２００５）、Ａ．Ｇｈｉｃｏｖら，Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，第７巻，５０５〜５０９頁（２００５）、ならびにＳ．Ｏｈら，Ｂｉｏｍａｔｅｒｉａｌｓ，第２６巻，４９３８〜４９４３頁（２００５）の論文を参照のこと。
【００５７】
代替的な実施形態において、陽極酸化ＴｉＯ２ナノチューブアレイの構造（例えば、ナノチューブの直径、間隔および高さ）は、電気化学的陽極酸化プロセス中に制御可能である。代替的な実施形態において、上記のＧｏｎｇら、Ｏｈら、Ｍａｃａｋら、およびＧｈｉｃｏｖらの論文に報告されているように、電解液の濃度は注意深く選択される。例示的な電解液およびその濃度のいくつかの例は、水中０．５重量％フッ化水素酸（ＨＦ）、１Ｍ硫酸アンモニウム（（ＮＨ４）２ＳＯ４）中０．５重量％フッ化アンモニウム（ＮＨ４Ｆ）、および１Ｍ  Ｎａ２ＳＯ４中１重量％ＮａＦの各溶液である。種々の陽極酸化法のパラメータ（例えば、印加電圧、反応時間、ｐＨおよび浴温度など）も、同様に制御および最適化されなければならない。
【００５８】
代替的な実施形態において、陽極酸化ナノチューブのためのベース材料は、純粋なＴｉであり得るか、またはＴｉに基づいた合金（例えばＴｉ−Ｖ−Ａｌ合金）、または機械的強度と耐久性を増大させた他の固有硬化合金もしくは析出硬化合金であり得る。
【００５９】
代替的な実施形態において、骨芽細胞の骨形成機能性およびミネラル化細胞外マトリクス形成の加速の具体例は、ほとんどが、Ｔａ薄膜コーティングを有するＴｉおよび酸化Ｔｉの基材材料におけるものであるが、他の元素を含有していてもよいがＴｉまたは酸化Ｔｉを少なくとも５０重量％有する他のチタン合金もまた、基礎基材として使用され得る。代替的な実施形態において、他の遷移金属または耐熱金属（例えば、Ａｌ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ、およびそれらの酸化物、またはこれらの金属および酸化物の合金が使用される。
【００６０】
代替的な実施形態では、具体的なナノチューブまたはナノポアのアレイ構造に加工された他の材料（例えば、ステンレス鋼、Ｓｉ、酸化Ｓｉ、炭素、ダイヤモンド、貴金属（Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔおよびそれらの合金など）、ポリマー材料もしくはプラスチック材料、または複合金属、セラミックもしくはポリマーが、（例えば、生体用インプラントおよび骨形成加速の適用のために）利用される。代替的な実施形態では、少なくとも５ｎｍの厚さと全表面の少なくとも８０％のコーティング被覆率とを有するＴａおよび酸化Ｔａの優先的コーティングが使用される。
【００６１】
代替的な実施形態では、陽極酸化された酸化アルミニウムが本発明の基礎基材として利用され、その陽極酸化された酸化アルミニウムは、陽極酸化された酸化チタンと同様の方法によって形成され、高精細な造形のナノ多孔質アレイがもたらされる。代替的な実施形態において、そのような基材は、Ｔａまたは酸化Ｔａが同じ態様でコーティングされ、高度に生体活性がある急速骨形成性基材を提供する。
【００６２】
骨芽細胞成長およびミネラル化マトリクス形成のための重要な要素は、栄養分（例えば、タンパク質、ミネラルイオン、流体など）を体液の流れによって細胞に連続供給することである。代替的な実施形態において（例えば、図１の場合のような隣接しているＴｉＯ２ナノ細管間の隙間（間隔）は、そのような機能を果たし、体液が、成長している細胞の底面を継続的に通過して栄養分を供給することを可能にする。代替的な実施形態において、ナノ細管間の所望の間隔は、図３に陽極酸化加工されたＴｉＯ２ナノチューブの例示的な顕微鏡写真で示すように、おおよそ約２〜１００ｎｍまたは約５〜３０ｎｍの範囲である。例示的な本発明のＴｉＯ２ナノチューブアレイ構造について示した透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）写真である図３（ｂ）および（ｃ）は、ナノチューブ間の間隔の平均が約１５ｎｍであることを示す。
【００６３】
上記のナノチューブアレイ構成では細胞成長の栄養分の連続供給が可能であるが、図４に示すナノピラーアレイ構成でも、細胞成長の栄養分の連続供給の同様の機能が果たされ、そのナノトポグラフィ構造およびナノピラー間の隙間によって強力な細胞付着が可能である。そのようなナノピラー構造は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ、もしくはそれらの合金、またはこれらの金属および合金の薄いコーティングの表面上に、パターン形成マスキング／エッチング、または最初のパターン形成エッチングと続いての陽極酸化との組合せによって形成され得る。次いで、ナノ構造化表面に、陽極酸化ナノチューブアレイの場合のようにＴａまたは酸化Ｔａの薄膜がコーティングされ得る。
【００６４】
Ｔｉ系のインプラントまたは基材は、上面に本発明のナノ構造またはナノアーキテクチャが（例えば、一実施形態では、骨芽細胞のコーティングまたは骨形成向上性のＴａもしくは酸化Ｔａコーティングの前に）形成される例示的な基材材料であるが、他の材料もまた、ベースのインプラントまたは基材として利用することができる。例えば、代替的な実施形態において、陽極酸化によって形成されて局所的な基材表面上にコンフォーマルに形成された垂直配列の構成を有するナノチューブは、約２０〜８００ｎｍの範囲の直径および／または約５０〜２，０００ｎｍの範囲の高さを有するものであり、（例えば、酸化物含有Ｔｉ製の、あるいは少なくとも約５０重量％のＴｉを含有し、必要に応じて１種類もしくはそれよりも多くの合金化元素を含有している他の高融点金属製の）バルク幾何形状の基材材料上に形成され得る。
【００６５】
代替的な実施形態において、ナノ構造またはナノアーキテクチャ（例えばナノチューブ）は、（例えば、スパッタリング、蒸着、レーザーアブレーション、化学気相成長、もしくはプラズマ溶射法、またはそれらの組合せによって配置された、例えば、約０．５〜２０マイクロメートル厚の厚さのＴｉ金属層を有する）厚膜のＴｉ金属またはＴｉ含有合金の表面の陽極酸化によって形成され得る。そのようなＴｉ金属層は、非Ｔｉ含有基材またはインプラント（例えば、ジルコニア系インプラント（一例は、ジルコニアセラミック系膝用インプラントである）またはコバルト−クロム型もしくはステンレス鋼型合金系インプラント、またはポリマー系インプラント（例えば、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）型もしくは超高分子量ポリマー型インプラント（例えば、これは脊椎用インプラントに有用であり得る））の上にコーティングされ得る。代替的な実施形態において、コーティングされたＴｉ層は、次いで陽極酸化されてＴｉＯ２ナノチューブが形成され得、この上面に、骨形成特性の向上ための薄いＴａまたは酸化Ｔａのコーティングが付加され得る。
【００６６】
骨増強用ナノピラー構造を製作する１つの簡便な方法は、一実施形態では、ナノ−インプリント技術を使用することである。図５に示すように、ＰＭＭＡ（ポリメチル−メタクリレート）層などのポリマーマスクレジストのナノスタンピングが、所望の表面（この場合は、Ｔｉまたは関連する金属および合金の表面）上で行なわれ得る。ＰＭＭＡが、最初に薄層（例えば、約２０〜１００ｎｍ厚の層）にスピンコーティングされ、次いで、ナノスタンプが、この未硬化ＰＭＭＡ層に押されてレジストアイランドがピックアップされ、次いでＴｉまたは合金表面の上にインプリントされ、ＰＭＭＡマスクのアイランドが残される。Ｔｉまたは合金のベースは、次いで、化学エッチングまたは反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）され、所望のＴｉＯ２ナノピラー構造が形成される。該ピラーは、全体がＴｉＯ２で構成されていてもよく、ピラーの表面のみが陽極酸化処理の酸化加熱処理によってＴｉＯ２に変換されていてもよい。ナノスタンプは、パターン形成されたＳｉ、金属またはエラストマー（ＰＤＭＳ）で作製されたものであり得、機械的コンプライアンスを有するエラストマー製スタンプは、より信頼性のあるマスキングレジストアイランドの移行を可能にする。次いで、Ｔａまたは酸化Ｔａの薄膜がナノピラーアレイ上に堆積させられ得る。
【００６７】
本発明による、Ｔｉまたは関連する金属および合金の非平坦表面上へのナノピラー構造の製作に特に好都合な、そのような所望の位置ガイド式および直径ガイド式の均一なナノピラーアレイを形成するまた別の代替的な手法は、図６に示すような垂直方向に二相の分解性コーティングを使用するガイド式エッチングを導入することである。最初に、骨芽細胞培養および骨成長のためのＴｉ製のインプラントまたは基材が、後に垂直配列の二相構造に分解される材料でコーティングされる。そのような分解性材料の一例は、ジブロックコポリマー層であり、これは、加熱すると垂直配列の二相に分解され得る。Ｍ．Ｐａｒｋら，“Ｂｌｏｃｋ  ｃｏｐｏｌｙｍｅｒ  ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ：Ｐｅｒｉｏｄｉｃ  ａｒｒａｙｓ  ｏｆ  １０１１  ｈｏｌｅｓ  ｉｎ  １  ｓｑｕａｒｅ  ｃｅｎｔｉｍｅｔｅｒ”，Ｓｃｉｅｎｃｅ，第２７２巻，１４０１頁（１９９７）の論文を参照のこと。
【００６８】
垂直配列二相構造をもたらす分解性材料の別の例は、スピノーダル分解性（ｓｐｉｎｏｄａｌｌｌｙ  ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｎｇ）合金である。Ｎ．Ｙａｓｕｉら，“Ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ  ｒｅｃｏｒｄｉｎｇ  ｍｅｄｉａ  ｕｓｉｎｇ  ｐｈａｓｅ−ｓｅｐａｒａｔｅｄ  ＡｌＳｉ  ｆｉｌｍｓ”，Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ，第９７巻，１０Ｎ１０３頁（２００５）の論文を参照のこと。ＲＦプラズマスパッター堆積プロセス中での自己加熱、または約１００〜７００℃での堆積後アニーリングのいずれかによる薄膜の堆積中、望ましい垂直配列のナノポア構造またはナノアイランド構造が、一般に、スピノーダル合金から得られ得る。Ａｌ−Ｓｉ合金膜の場合、適切な化学エッチングによって、Ａｌが選択的にエッチングされ得るとともに、ＳｉがＳｉＯ２多孔質膜またはＳｉＯ２アイランドアレイへと酸化され、それゆえ、二相の相対容積分率に応じてナノポア構造またはナノピラー構造が作成される。
【００６９】
そのような分解性コーティングを付加し、配列された二相構造（図６（ｂ））に分解させた後、この二相構造から一方の相をディファレンシャルエッチングによって（例えば、化学エッチングまたはイオンエッチングによって）除去すると、ナノアイランドアレイ（図６（ｃ））が現れる。マスキングアイランドによるＴｉベースまたは合金ベースのエッチングによって、図６（ｄ）のナノピラーアレイが作成される。コーティング材料を除去（図６（ｅ））した後、必要に応じたさらなるエッチングまたはガイド式陽極酸化法を利用することにより、ナノピラーの深さをさらに増大させてもよい（図６（ｆ））。
【００７０】
代替的な実施形態ではジブロックコポリマーが使用され、これは、化学的に異なる２種類のポリマー鎖またはブロックで構成されているが、これらは共有結合によって繋がっている。この互いの結合性の制約と化学的な不適合性とのために、ジブロックコポリマーは相分離して規則正しい（多くの場合、六角形の幾何形状を有する）ナノスケール混合相複合材に自己組織化する傾向にある。化学的性質および分解条件に応じて、該コポリマーは、ポリマー成分のうちの１つがその他のポリマー成分中に包埋されたナノシリンダー形状となる規則正しいアレイを形成し得る。ジブロックコポリマーの例は、ポリスチレン−ポリブタジエンの混合物およびポリスチレン−ポリイソプレンの混合物を含む。ジブロックコポリマーはトルエンなどの溶媒で希釈され、基材上にディップコーティング、ブラシコーティングまたはスプレーコーティングされ得る。加熱を適用し、乾燥が進行して、コポリマーの濃度および温度が臨界点に達すると、ジブロックコポリマーの規則正しい構造への相分解が起こる。代替的な実施形態において、分解された規則正しいジブロックコポリマー構造を核形成および成長させるための所望の温度上昇は、約５０〜３５０℃、または約１００〜２５０℃の範囲である。
【００７１】
代替的な実施形態ではスピノーダル合金が使用され、これは、スピノーダル相が安定な範囲内の高温まで加熱することによって、均一な二相構造に自発的に分解され得る。Ｆｅ−Ｃｒ−Ｃｏ、Ａｌ−Ｎｉ−Ｃｏ−Ｆｅ、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｆｅ、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｃｏ、およびＡｌ−Ｓｉの合金が、スピノーダル分解性合金の周知の例である。分解された二相の間の化学エッチング性の差によって、図６（ｃ）のナノアイランドマスク構造が広い領域で得られ得る。
【００７２】
図６（ｂ）に示すように、Ｔｉ製インプラント表面上へのナノ構造パターン形成には、ジブロックコポリマー二相分解または二相へのスピノーダル分解が使用され得、それによって、一方の相が溶解またはエッチング除去され（ウェットエッチングまたはドライエッチング（例えば、反応性イオンエッチング））、１相のナノ構造のみがアイランドアレイまたは多孔質膜の層のいずれかとして残る。これらのスピノーダル分解合金のジブロックコポリマーの残留（ｌｅｆｔ−ｏｖｅｒ）材料は、次いで、Ｔｉ製インプラント表面をエッチング（ウェットまたはドライ）して所望のナノ構造の表面パターンを作成するためのマスクとして使用され得る。
【００７３】
別の例示的なアプローチは、界面活性剤型ポリマーマトリックスと無機ナノ粒子とを含むコロイド状材料を使用することであり、該材料は、溶媒が干上がるにつれてナノ粒子の周期的アレイに自己組織化する。この自己組織化は、有機界面活性剤材料（トリオクチルホスフィンオキシドまたはオレイン酸など）によって引き起こされ得、該界面活性剤材料中に分散されたナノ粒子（量子ドットまたは磁性ナノ粒子など）は、界面活性剤マトリックス内でナノ粒子の周期的アレイが作成されるように、該界面活性剤分子によって幾何形状が制約される。例えば：Ｓｕｎら  Ｓｃｉｅｎｃｅ，第２８７巻，１９８９頁（２０００）、Ｍｕｒｒａｙら，Ｓｃｉｅｎｃｅ，第２７０巻，１３３５頁（１９９５）に記載されているようなコロイド状ナノ粒子アレイ構造が本発明の組成物に組み込まれ得る。
【００７４】
代替的な実施形態において、ジブロックコポリマーにおける規則正しいナノポアの寸法は、約１０ｎｍ〜約１００ｎｍのオーダーである。ジブロックコポリマーの例は、ポリスチレン（ＰＳ）−ポリ（ｂ−メタクリル酸メチル−ポリスチレン）（ＰＭＭＡ）、ポリスチレン−ポリブタジエン（ＰＳ−ＰＢ）およびＰＳ−ポリイソプレン（ＰＩ）を含む。例えば、Ｐａｒｋら，Ｓｃｉｅｎｃｅ，第２７６巻，１４０２頁（１９９７）、Ｔｅｍｐｌｉｎら，Ｓｃｉｅｎｃｅ，第２７８巻，１７９５頁（１９９７）、Ａｌｂｒｅｃｈｔら，Ｓｃｉｅｎｃｅ，第２９０巻，２１２６頁（２０００）、Ｐａｉら，Ｓｃｉｅｎｃｅ，第３０３巻，５０７頁（２００４）、Ｃｈａｎら，Ｓｃｉｅｎｃｅ，第２８６巻，１７１６頁（１９９９）に記載されているような、ナノアイランドまたはナノパターンの形成について規則正しいブロックコポリマー構造を使用するための任意の方法が使用され得る。
【００７５】
代替的な実施形態において、スピノーダル分解が、（例えば、高温から低温への冷却における熱力学的駆動力による合金の二相分解として）使用される。代替的な実施形態において、スピノーダル分解は、比較的均一かつ周期的なナノ構造を得る簡便な方法である。スピノーダル合金組成物では、何らかの小さいまたは大きい組成変動によって合金系の自由エネルギーが低下する。例えば、Ｊ．Ｃａｈｎ，Ａｃｔａ  Ｍｅｔ，第１０巻，１７９頁（１９６２）、Ｐ．Ｇ．Ｓｈｅｗｍｏｎによる書籍であるＴｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎｓ  ｉｎ  Ｍｅｔａｌｓ，ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ  Ｂｏｏｋ  Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ，１９６９，２９２〜２９５頁、ならびにＡ．Ｇ．ＧｕｙおよびＪ．Ｊ．Ｈｒｅｎによる書籍であるＥｌｅｍｅｎｔｓ  ｏｆ  Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ，Ａｄｄｉｓｏｎ−Ｗｅｓｌｅｙ，Ｍｅｎｒｏ  Ｐａｒｋ，Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ，１９７４，４２５〜４２７頁の記載を参照のこと。代替的な実施形態において、この均一性および小粒径は、Ｔｉ製インプラント金属または合金の表面などの材料層にパターン形成するためのナノスケールエッチング用マスクとしての使用に有用である。
【００７６】
代替的な実施形態において、２つのスピノーダル分解相のうち一方をウェットエッチングまたはドライエッチングした後、ナノマスクとしての機能を果たす残留相によって、ウェットまたはドライのいずれかのエッチングによる下部表面のエッチングパターン形成が可能である。スピノーダル分解によって得られるナノマスクの寸法は小さく（例えば、１０〜２００ｎｍの範囲）あり得る。スピノーダル分解への使用に適した合金系の例は、スピノーダル範囲の組成を有するＦｅ−Ｃｒ系（例えば、約３５〜６５重量％のＣｒ）、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｃｏ（２０〜６５％のＣｒ、１〜３０％のＣｏ、および残部はＦｅ）、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｆｅ（約１５〜４０％のＮｉ、１５〜３０％のＦｅ、および残部はＣｕ）、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｃｏ（約２０〜４０％のＮｉ、２０〜４０％のＣｏ、および残部はＣｕ）、Ａｕ−Ｎｉ（約２０〜８０％のＮｉ）を含む。本発明に使用され得る他のスピノーダル合金もあり、例えば、ＡｌＮｉＣｏ磁石合金（Ｆｅ−Ａｌ−Ｎｉ−Ｃｏ合金）、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｎ合金、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｒｕ、Ａｌ−Ｚｎ、Ａｌ−Ｓｉ合金などである。合金膜が、最初に、ナノパターン形成対象の材料表面上（例えばＴｉ製インプラント上）に堆積させられる。膜の堆積は、周知の堆積手法（例えば、物理気相成長（例えば、ＤＣスパッタリング、ＲＦスパッタリング、イオンビーム蒸着、サーマルエバポレーションもしくは電子ビームエバポレーション）、または化学的堆積（例えば、化学気相成長、電着、無電解析出法））を使用して行なわれ得る。
【実施例】
【００７７】
下記の本発明の実施例では、１００ｎｍの直径を有するＴｉＯ２ナノチューブを製作し、Ｔａの薄膜をスパッタコーティングした。骨芽細胞の機能性の向上および骨マトリクス形成の加速が示された。
【００７８】
骨芽細胞の培養実験用のナノチューブアレイ構造の製作
図２は、作製された状態のままのＴｉＯ２ナノチューブ表面およびＴａコーティングナノチューブ表面の両方のＳＥＭ画像を示し、約１００ｎｍの外側直径、約１０ｎｍの壁厚、約１０ｎｍの間隔、および約３００ｎｍの高さを有するほぼ同一の構造が示されている（例えば、下記の参考文献１６および１７に既に記載されている）。真空スパッタ堆積によって行なわれるＴａコーティングによって、Ｔａ厚（２０ｎｍ）の高度に制御されたコンフォーマルな層の堆積が可能となる。Ｔａは生体適合性材料であり、その耐食性はＴｉと同等であり、Ｔａおよび酸化Ｔａはどちらも低溶解度および低毒性を有する（参考文献１０，下記の［１９］に記載）。Ｔａコーティングによって誘導された親水性の増大は、ＴｉＯ２およびＴａコーティング表面において、それぞれ、約４°から約０°までと非常にわずかであった。どちらも超親水性の範囲内のままであるため、そのようなわずかな表面エネルギーの変化が細胞の挙動に有意に影響することは、予測されない。
【００７９】
ＴｉＯ２ナノチューブ表面を（例えば、下記の参考文献１６に既に記載されているような）二電極セットアップ（ｔｗｏ  ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  ｓｅｔ−ｕｐ）の陽極酸化法を使用して、作成した。０．２５ｍｍ厚の市販の純粋なＴｉシート（金属ベースで９９．５％，Ａｌｆａ−Ａｅｓａｒ，ＵＳＡ）をこのプロセスに使用し、これを、最初に、順次、アセトン中およびイソプロピルアルコール中で超音波処理にてクリーニングした後、ＤＩ水ですすぎ洗浄した。ナノチューブは、酢酸（≧９９．９９％の純度，Ｓｉｇｍａ−Ａｌｄｒｉｃｈ，ＵＳＡ）  対  重量パーセント分率が水中で０．５％のフッ化水素酸（４８％ｗ／ｖ，ＥＭ  Ｓｃｉｅｎｃｅ，ＵＳＡ）の容量比が１：７である中で、２０Ｖにて３０分間で調製した。白金電極（９９．９％，Ａｌｆａ−Ａｅｓａｒ，ＵＳＡ）をカソードとして利用した。次いで、サンプルを脱イオン水で洗浄し、８０℃で乾燥させ、製作された状態のままの非晶質構造のＴｉＯ２ナノチューブをアナターゼ構造に結晶化させるために５００℃で２時間加熱処理した。タンタル膜（２０ｎｍ厚）を、ＴｉＯ２ナノチューブ上および平坦なＴｉ対照基材上に、Ｄｅｎｔｏｎ  Ｄｉｓｃｏｖｅｒｙ  １８スパッタシステムにおけるタンタルターゲットから真空蒸着させた。ＴｉＯ２ナノチューブ表面の優先的コーティングを確実にするため、使用した堆積角（ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ  ａｎｇｌｅ）は垂直軸から約３０°であり、堆積中に基材を回転させた。ベース圧が１０−６トールに達した後で、Ａｒ圧が３ｍＴｏｒｒに達したとき、２００Ｗのプラズマを適用した。堆積させられた状態のままのＴａ膜は非晶質の性質であることが予測される。
【００８０】
骨芽細胞の細胞バイアビリティおよび形態構造
ＭＴＴ（３−（４，５−ジメチルチアゾール−２−イル）−２，５−ジフェニルテトラゾリウムブロミド）アッセイを、細胞の代謝活性を測定するため、および生存細胞の数を間接的に推定するために利用した。図７（ａ）のＭＴＴ解析の結果では、平坦な対照サンプルとＴｉＯ２ナノチューブ表面およびＴａコーティングナノチューブ表面との差がほとんど示されていない。細胞付着および成長はナノチューブの化学的性質によって影響されないと思われる。さらに、２４時間の培養後のＳＥＭ形態学的検査（図７（ｂ））では、ＴｉＯ２表面およびＴａ表面の両方において広範囲にわたる糸状仮足活性が示されるが、平坦な対照表面では示されない。一般的な推測は、指様糸状仮足（ｆｉｎｇｅｒ−ｌｉｋｅ  ｆｉｌｏｐｏｄｉａ）が細胞感受性（ｃｅｌｌ−ｓｅｎｓｉｎｇ）機構であり、これが化学的キュー（ｃｕｅ）およびナノトポグラフィ的キューの両方の検出に使用されるということである（例えば、下記の参考文献２０に記載）。糸状仮足活性の増大は、以前に、ＴｉＯ２およびＺｒＯ２の両方のナノチューブアーキテクチャにおいて、それぞれの平坦な対照表面と比較した場合に示されていた（例えば、下記の参考文献１７および２１のそれぞれに記載）。両方のナノチューブ表面における多くの糸状仮足の存在は、ＨＯｂ細胞が、表面化学とは無関係にナノチューブアーキテクチャによって相対的に等しく活性化されることを示す。これらの結果は、Ｔａ基材およびＴｉ基材の上で培養したヒト骨芽細胞間で成長、結合または形態構造の間に差が示されなかったこれまでの結果（例えば、下記の参考文献１４に記載）と整合する。
【００８１】
機能性の検査：骨形成能
アルカリホスファターゼ（ＡＬＰ）活性をインキュベーション時間の関数として測定し、実験用基材上での骨芽細胞の骨形成能を推定した（図８）。早い時間点では差は観察されなかった。しかしながら、１０日目以降、その他のすべてのサンプルと比べると、Ｔａコーティングナノチューブ表面において有意に高いＡＬＰ活性が検出された。観察されたＡＬＰ活性の上方調節は、Ｔａコーティングによって、ナノチューブ表面上でのＨＯｂ細胞の骨生成機能性が向上され得ることを示す。このＴａ上でのＡＬＰ活性の増大傾向は、ガラスディスク上に堆積した平坦なＴｉおよびＴａの薄膜表面に対するＭＳＣ骨生成応答の比較研究を示したＳｔｉｅｈｌｅｒらによっても観察されている（例えば、下記の参考文献１９に記載）。同じ方法によって堆積させた２種類の膜の比較において同じ傾向が観察されたため、細胞の挙動は、元素表面の化学的性質によってのみ影響され、任意の他の表面特性には影響されないことが推測され得る。図８において、平坦なＴｉと比べると平坦なＴａ対照においてＡＬＰ活性のわずかな増大が観察され得る。しかしながら、Ｔａコーティングナノチューブ表面では、ＴｉＯ２ナノチューブ表面および平坦な対照よりもＡＬＰ活性が有意に高い。これは、ナノチューブナノ構造とタンタル表面化学の組合せによって、ヒト骨芽細胞培養のための最適な表面がもたらされ得ることを示唆する。
【００８２】
各実験用表面上での骨細胞のマトリクスミネラル化の程度を評価するため、骨芽細胞を骨結節形成について、種々の解析手法によって解析した。３週間培養したＨＯｂ細胞による骨結節形成。ＴａコーティングＮＴ表面においてより大きな骨結節形成を示す１０００倍の図９（ａ）ＳＥＭ顕微鏡写真。スケールバー＝２０μｍ。表面上のミネラル元素であるカルシウムおよびリンの原子百分率の図９（ｂ）ＥＤＸ解析（ｎ＝５）。棒グラフは平均±標準誤差バーを示す。ＡＮＯＶＡ検定の実施後のｐ値は統計学的有意（ｐ≦０．００１）に達した（（＊）によって表示）。３週間後、大きな骨結節の存在は、Ｔａコーティングナノチューブ表面上で最も顕著であった。さらに、ＰとＣａの量はＴａコーティング表面上で有意に高かった。
【００８３】
しかしながら、エネルギー分散型ｘ線（ＥＤＸ）解析によって、図９（ｂ）のグラフに示されるように、他のすべてのサンプルで見られるものよりも、Ｔａコーティングナノチューブサンプルにおいてリンおよびカルシウムの両方（ミネラル化骨の主成分）が有意に多い量で示された。これは、骨結節形成はどちらのナノチューブ表面上でも容易に起こったが、Ｔａコーティングは、骨マトリクスミネラルの堆積の増大を誘導する効果を有していたとみられることを示す。骨様アパタイトの形成は、疑似体液中でのタンタル金属上において（例えば、下記の参考文献２２に記載）、および塩化タンタル含有過酸化水素で処理したＴｉ上において（例えば、下記の参考文献２３に記載）、以前に報告されている。Ｔａ元素がアパタイト誘導特性を有するという推測は、Ｔａ元素がＨＯｂ細胞によるミネラル化マトリクスの生成も助けるという仮説を支持する。
【００８４】
さらに、ミネラル化速度がナノ構造または表面化学によって影響されるがどうかを調べるためにマトリクスミネラル化の速度論も調べた。７日間、１４日間および２１日間の培養後の各基材上のリン（図１０（ａ））およびカルシウム（図１０（ｂ））の原子百分率を調べたＥＤＸ解析によって、最も高速度のミネラル化はＴａコーティングナノチューブ表面において起こることが示された。各サンプル型についてインキュベーション時間の関数としてのミネラル原子百分率の線形傾向線を推定し、各線の傾きを求め、リンまたはカルシウムの堆積速度として記録した（図１０（ｃ））。リンおよびカルシウムのどちらの堆積速度も、Ｔａコーティングナノチューブ基材上で、ＴｉＯ２ナノチューブ基材上よりも３０％速いことが測定された。
【００８５】
各インキュベーション時間点におけるマトリクスミネラル化速度論の結果は、カルシウムミネラルの堆積を検出するための単純かつ簡便な方法であるアリザリンレッドＳ染色によって確認した。図１１において、免疫蛍光画像は、（左から右に）１週間、２週間および３週間の培養後の各実験用表面上の染色領域（明るい赤色）を示す。１週間後、ほんの少量のミネラルがＴｉＯ２ナノチューブ表面およびＴａコーティングナノチューブ表面上で検出されたが、平坦基材上では何も見られなかった。２週間後、より高度に濃縮されたカルシウムミネラル堆積領域（矢印で表示）がナノチューブ表面上で見られた。３週間後、大きな骨結節領域がナノチューブ表面上に存在していた。さらに、Ｔａコーティングナノチューブ表面上に存在する大きな結節の量が最も大きいようにみられる。これらの結果は、ＥＤＸ解析による観察結果の視覚的確認である。さらに、Ｔｉと比較したときＴａ上におけるＭＳＣのアリザリンレッド染色の増大がＳｔｉｅｈｌｅｒらによって報告され（以下の参考文献１９参照）、これによって本明細書に記載の本発明の結果が確認される。
【００８６】
ＴｉＯ２ナノチューブ表面およびＴａコーティングナノチューブ表面のどちらにおいても、骨芽細胞の成長および機能は、平滑Ｔｉの平坦な対照、およびＴａコーティング平滑Ｔｉの平坦な対照よりも向上した。しかしながら、Ｔａコーティングナノチューブ表面は、ＡＬＰ活性、骨結節形成、およびマトリクスミネラル化速度の点で、卓越した骨機能性を有していた。これらの結果は、Ｈｏｂの拡延、成長および形態構造は、主にナノトポグラフィ的キューによって影響されるが、骨生成は、ナノトポグラフィよりも表面化学／材料特性によってより大きく影響され得ることを示す。この仮説は、炭素コーティングナノチューブ表面に関するこれまでの所見（例えば、下記の参考文献２４を参照）と整合する。これらの表面特性の相互作用は完全には理解されていないが、特異な組合せが大きな結果を有し得ることは明白である。本発明の総括的所見では、Ｔａコーティングナノチューブでの骨生成応答の増大が示され、金属Ｔａを関連づけられた表面化学（したがって、本発明の組成物）が最適な骨インプラント表面の作成のための大きな機会をもたらすことが示される。
【００８７】
代替的な実施形態において、本発明の目的は、骨形成能の点において、ＴｉＯ２ナノチューブ表面よりもＴａナノチューブ表面で、骨芽細胞応答を向上させることである。本発明の結果は、ナノトポグラフィ的Ｔａによって、成人ヒト骨芽細胞の骨機能性およびマトリクスミネラル化の向上が誘発されることを示す。ＴｉＯ２ナノチューブ表面およびＴａナノチューブ表面に対する観察された骨芽細胞応答の差は明白であるが、これが表面化学だけの結果であるのかどうかを結論づけることはできない。Ｔａコーティングの付加によって、ＴｉＯ２ナノチューブのアナターゼ結晶性表面と比べて、親水性にわずかな変化が生じることが観察された。本発明の一実施形態は、ナノチューブ内またはナノピラー間の間隔におけるナノ貯蔵部空間が、軟骨細胞の培養の向上に望ましい生物学的薬剤（例えば、成長因子、他の生体分子、抗生物質など）を簡便に貯蔵するために利用され得、該薬剤は、Ｔａ表面層または酸化Ｔａ表面層がコーティングされたＴｉＯ２ナノチューブからゆっくり放出され得るというものである。ＴｉＯ２ナノチューブのナノスケール空間またはナノピラー間の間隔は、ミクロサイズのポアと比べて、貯蔵された生物学的薬剤をずっと長く維持することができ、かつ長期間にわたる低速放出が可能であるという利点を有する。抗生物質（ペニシリン、ストレプトマイシン、バンコマイシンなど）のような薬物の制御された低速放出によって、骨インプラント付近での感染が予防され得る。さらに、ナノ貯蔵部空間内に貯蔵され、そこからゆっくり放出される成長因子によっても、長期間にわたる骨芽細胞の成長および成熟が向上され得る。
【００８８】
代替的な実施形態において、そのようなナノ貯蔵部空間内に簡便に貯蔵され得る生物学的薬剤は、成長因子、コラーゲン、種々のタンパク質／生体分子、遺伝子、ＤＮＡ、抗生物質、ホルモン、治療用薬物、磁性、金属製、セラミック、ポリマーの粒子などの機能性粒子を含む。磁性酸化物粒子または金属粒子で作製された機能性粒子が、ナノ貯蔵部に貯蔵された生物学的薬剤の放出の加速またはスイッチオン、スイッチオフのための、遠隔作動ＲＦ加熱と温度勾配の作成とに使用され得る。
【００８９】
図面を参照すると、図１２は、Ｔａ表面層でコーティングされ、かつ垂直配列ナノチューブの孔に貯蔵されている低速放出性生物学的薬剤を有するナノチューブを備えているＴｉＯ２ナノチューブ系インプラントのさらに改善された実施形態を模式的に示す。図１２（ａ）は、Ｔａの薄膜がコーティングされている作製された状態のままのＴｉＯ２ナノチューブのアレイを示しており、図１２（ｂ）は、生物学的薬剤がナノ貯蔵部に貯蔵されているナノアレイを示す。骨マトリクス形成の加速のため、ＴｉＯ２ナノチューブはより高く（例えば、わずか２００〜５００ｎｍ高さのナノチューブの代わりに、１〜１０マイクロメートルの高さで）作製され、その結果として、より多くの生物学的薬剤が貯蔵され得、長期間にわたってより低速での放出が達成され得る。貯蔵された生物学的薬剤の放出を減速させるための代替的な本発明のアプローチは、ナノチューブの入口を、ＴａまたはＴａ２Ｏ５の意図的なスパッタリングまたは蒸着堆積によって狭くすることである。これを図１２（ｃ）に模式的に示す。通常の垂直の付随的堆積（ｉｎｃｉｄｅｎｔ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）もそのようなボトルネック部が形成される傾向があるが、堆積中に基材を回転させながらの必要に応じた斜め方向の付随的堆積では、意図的なボトルネック構成を形成することがより容易になる。
【００９０】
代替的な実施形態において、生物学的薬剤のナノ貯蔵部での貯蔵および低速放出はナノピラーアレイ構造によって達成される。これを図１３に模式的に示す。意図的に誘導したボトルネック構成によって低速放出が達成される。
【００９１】
代替的な実施形態において、ナノチューブ構成またはナノピラーアレイ構成における垂直配列ＴｉＯ２および関連材料は、必要に応じて、ナノ貯蔵部ベースのレザーバおよび化学物質または生物学的薬剤の低速放出とともに使用され、これによって、必要に応じて、速度論と骨芽細胞の機能性の大きさおよびミネラル化マトリクス形成の量とが、これらのナノチューブ構造またはナノピラー構造を有さない同じ生体用インプラント材料または生体用基材材料と比べて（例えば、少なくとも３０％、または少なくとも５０％）大幅に向上し得る。
【００９２】
代替的な実施形態において、種々の型の表面ナノ構造化またはミクロ構造化がされた細胞培養基材または骨培養基材に本発明が実施され、例えば、該基材は、細胞および骨のインビトロ培養のため、またはインビボインプラント構造の一部としてのいずれかで使用され得る。そのような骨成長の向上は、ヒトおよび動物に対するさまざまな治療的適用に有用であり得る。代替的な実施形態において、本発明の方法は、任意の骨埋め込み部位、例えば（下記に限定されない）、
・指の関節の修復または置換
・手首の修復または置換
・肘の修復または置換
・肩の修復または置換
・脚
・腕
・腰の修復または置換
・膝の修復または置換
・足首の修復または置換
・足およびつま先の修復または置換
・脊髄の椎間板の修復または置換
・胸郭の修復または置換
・任意のロッド、ねじまたは他の骨安定化インプラント
における新たな骨成長のための支持足場を提供する。
【００９３】
代替的な実施形態において、本発明は、関節または骨の修復または置換を可能にするとともに、新たな骨組織を成長させて欠損部を充填するための構造的支持体および化学的環境を提供し、したがって、種々の疾患（例えば、骨粗鬆症または自己免疫疾患（例えば、免疫系によって体の細胞および組織が攻撃され、骨の崩壊もしくは損傷がもたらされるもの）によって引き起こされる損傷骨、感染骨、加齢骨または疾患骨と置換され得る。
【００９４】
本発明の製品および方法（例えば、Ｔａコーティング基材）によって向上させられた態様で培養され得る細胞または硬組織の型は、強力付着性（ｓｔｒｏｎｇｌｙ  ａｄｈｅｒｅｎｔ）の骨の急速形成／成長のための、骨芽細胞、歯周細胞または幹細胞を含む。本発明の構造は、信頼性があってより速い整形外科系もしくは歯科的な骨の修復のため、または外部から制御可能な薬物放出および治療的処置のために有用であり得る。
【００９５】
上記の実施形態は、本発明の適用を表し得る多くの可能な具体的な実施形態のほんのいくつかの例示であることが、理解されるべきである。数多くの種々の他のアレンジメントが、本発明の精神および範囲を逸脱することなく、当業者によって行なわれ得る。
【００９６】
参考文献
【化１】
0006279488.tif 000002
【化２】
0006279488.tif 000003
【００９７】
本発明を以下の実施例への参照によってさらに説明する。しかしながら、本発明は下記の実施例に限定されないことを理解されたい。
【００９８】
実施例１：本発明の組成物は骨成長の誘導に有効である
本明細書に示すデータは、（例えば、Ｔａナノ構造または酸化Ｔａ型ナノ構造を有するバイオマテリアルを備えている）本発明の組成物と、本発明の方法が骨成長の加速に有効であり、さらに、骨成長の加速を可能にし得、さまざまな使用（例えば、迅速かつ確実な整形外科用、歯科用、歯周用の細胞／器官用インプラント、治療薬および疾患の診断）に有用であり得ることとを示す。この実施例は、本発明の例示的な組成物の作製も記載する。
【００９９】
代替的な実施形態において、基材バイオマテリアルの表面は、Ｔａもしくは酸化ＴａまたはＴａもしくは酸化Ｔａを含む合金を含むか、またはこれらからなる。代替的な実施形態では、他の材料が基礎となる基材に使用される。
【０１００】
代替的な実施形態において、本発明の製品（物品）は、タンタルまたは酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）のコーティングを備えていることによって、骨芽細胞の機能性および骨ミネラル背長を向上させ得る。代替的な実施形態において、本発明の製品（物品）は、Ｔｉ製もしくはＴｉＯ２製のナノ構造（例えば、ナノチューブ、ナノワイヤ）、または生体適合性のＴａもしくはＴａ２Ｏ５の膜がコーティングされている他の材料製の同等の構造を備えている。
【０１０１】
Ｔａ表面化学を含む例示的なナノ構造は、骨芽細胞のミネラル化速度の向上を可能にし、より早い時間点で骨形成能が示された。
【０１０２】
図面を参照すると、図１（ａ）は、チタン金属基材または合金基材の上に成長させた自己組織化ＴｉＯ２系ナノチューブアレイを備えている例示的なデバイスを模式的に示す。次いで、該アレイには、図１（ｂ）に示すように、骨芽細胞成熟を加速させるための例示的な方法における使用のための、タンタル（Ｔａ）または酸化Ｔａ（Ｔａ２Ｏ５）の薄膜が、スパッタ堆積、またはイオンビーム蒸着、蒸着、レーザーアブレーション、化学気相成長によって堆積させられる。代替的な実施形態において、ＴｉＯ２ナノチューブまたは任意の他の生体適合性のナノチューブ（例えば、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＨｆＯ２、ＮｂＯもしくはＮｂ２Ｏ５、ＭｏＯ２もしくはＭｏＯ３、ＶＯ２もしくはＶ２Ｏ５、ＷＯ２もしくはＷＯ３）が本発明の組成物およびデバイスとともに使用され、これらのナノチューブは、約１０〜１０００ｎｍの直径、または約３０〜３００ｎｍの直径、または約６０〜２００ｎｍの直径の寸法を有し得る。
【０１０３】
代替的な実施形態において、アスペクト比が１０未満、好ましくは５未満である相対的に低い高さが、細管空洞内に意図的に配置した薬物または生物学的薬剤の貯蔵の容易性および最終的な分配の容易性のための縮小傾向のため、ならびに厚いナノチューブ層における長い細管が剥離または断裂してヒトの体内に浮遊する可能性を低減させるために好ましいため、該細管の所望の高さは、部分的に所望のアスペクト比によって決定される。代替的な実施形態において、所望の高さは、４０〜２０００ｎｍまたは１００〜６００ｎｍである。
【０１０４】
代替的な実施形態において、ナノチューブ形状の基材の代わりに、またはそれに加えて、ナノピラーまたはナノワイヤまたはナノリボンまたは同等のナノ構造が、骨もしくは軟骨の形成を向上させるため、または幹細胞の分化を向上させるために、Ｔａ（またはその酸化物）の薄膜を堆積させるための基礎（例えば、上部構造、またはテンプレート、または表面）として使用される。代替的な実施形態において、Ｔａコーティングの所望の厚さは、約１〜１，０００ｎｍ、もしくは５〜３００ｎｍ、またはさらにそれ以上、または約１０〜１００ｎｍの範囲である。
【０１０５】
代替的な実施形態において、開口上面孔を有する垂直配列は、図１（ａ）に示すようなナノチューブの上面開口部によって、図１（ｂ）に示すように、良好な付着のためのナノポア空洞内への細胞の進入が可能となるため、生体用インプラントおよび関連適用にとって非常に重要である。表面に良好に付着する細胞は、概して、健常なままであり、速やかに成長するが、付着しない細胞は、低減された成長または最小限の成長を示す。
【０１０６】
本発明の垂直ナノチューブ構造（その一例を図２に示す）において、そのような望ましい構成が提供される。さらに、図２は、タンタルコーティング後のナノチューブの幾何形状および構造の保持も示す。各表面について接触角を黄色で示しており、タンタルコーティング表面における４°から０°への親水性の増大を示す。代替的な実施形態において、骨および軟骨の成長の向上のためのＴａコーティングナノチューブ表面構造またはＴａコーティングナノワイヤ表面構造を備えているインプラントは、３度未満、好ましくは２度未満の水滴接触角の点から、改善された親水性を有する。
【０１０７】
代替的な実施形態において、チタンナノチューブは、（例えば、５％のフッ化水素酸を使用し、約１０〜２０ボルトの電位を適用し、温度および他の電気化学的プロセスパラメータに応じて数分間〜数時間が可能である）電解陽極酸化によって形成される。得られるＴｉＯ２ナノチューブの直径は陽極酸化電圧に依存する。
【０１０８】
図１４〜１８は、本発明のデバイス上のナノ構造の表面上の金属Ｔａコーティングと酸化Ｔａコーティングとを比較し、それらのヒト骨芽細胞成長および骨形成に対する誘導能または刺激能を比較する酸化型タンタル試験のデータを示す。実験は、標準的な陽極酸化法による直径約１００ｎｍ×高さ約３００ｎｍのナノチューブである同一の型のＴｉＯ２ナノチューブ表面上で行ない、種々の表面は、ＴｉＯ２ナノチューブ（作製された状態のまま）、Ｔａコーティングナノチューブ（スパッタリングによって堆積させられた状態のまま）、金属Ｔａコーティングナノチューブ（金属状態を維持しながらアニーリングを施すために真空内で熱処理したが、酸化Ｔａ形成はなし）、酸化型Ｔａコーティングナノチューブ（Ｔａスパッタコーティング＋Ｔａコーティングを酸化Ｔａコーティングに変換するための空気中での熱処理）、およびＴａ２Ｏ５コーティングナノチューブ（約２０ｎｍ厚，４００ワットの出力で酸化Ｔａターゲットから直接ＲＦスパッタコーティング）であった（約３ミリトールのＡｒ圧）。図１４〜１８において、骨芽細胞の機能性および骨のミネラル化は、金属Ｔａおよび堆積させられた状態のままのＴａよりも、酸化型タンタル表面で好ましくみえる。
【０１０９】
本発明の多数の実施形態を説明した。それにもかかわらず、種々の改変が本発明の趣旨および範囲を逸脱することなく行なわれ得ることが、理解されるべきである。したがって、他の実施形態も下記の特許請求の範囲の範囲に含まれる。
【図１】
0006279488.tif 000004
【図２】
0006279488.tif 000005
【図３（ａ）】
0006279488.tif 000006
【図３（ｂ）】
0006279488.tif 000007
【図３（ｃ）】
0006279488.tif 000008
【図４】
0006279488.tif 000009
【図５】
0006279488.tif 000010
【図６】
0006279488.tif 000011
【図７】
0006279488.tif 000012
【図８】
0006279488.tif 000013
【図９】
0006279488.tif 000014
【図１０】
0006279488.tif 000015
【図１１】
0006279488.tif 000016
【図１２】
0006279488.tif 000017
【図１３】
0006279488.tif 000018
【図１４】
0006279488.tif 000019
【図１５】
0006279488.tif 000020
【図１６】
0006279488.tif 000021
【図１７】
0006279488.tif 000022
【図１８】
0006279488.tif 000023