(57)【要約】  関節をなす補綴物の性能を向上する方法、機器、およびシステム。いくつかの実施形態は、第１の関節をなす面を有する第１の構成要素と、第１の関節をなす面と関節をなすために構成された第２の関節をなす面を有する第２の構成要素を備えてもよい。第１および第２の構成要素のうちの１つまたは両方は、窒化ケイ素セラミック素材を含んでもよい。第１および第２の関節をなす面のうちの１つまたは両方は、第１の関節をなすインタフェース面の硬度の増加、第１および第２の関節をなす面の間の摩擦率の減少、第１および第２の関節をなす面の間の摩耗の影響の減少、および、使用のあいだ第１および第２の関節をなす面の間の関節からもたらされる内部人工器官により生じる聴覚的ノイズの強度の減少のうち少なくとも１つを達成するよう構成されたコーティングを備えてもよい。【選択図】図１
2015501163.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の関節をなす面を有し、窒化ケイ素セラミック素材を含む第１の構成要素と、
前記第１の関節をなす面と関節をなすために構成された第２の関節をなす面を有し、窒化ケイ素セラミック素材を含む第２の構成要素と、
前記第１の関節をなす面上に位置し、使用のあいだ前記第１の関節をなす面と前記第２の関節をなす面の間の関節からもたらされる内部人工器官により生じる聴覚的ノイズの強度を減少するよう構成された第１のコーティングと、
前記第２の関節をなす面上に位置し、使用のあいだ前記第１の関節をなす面と前記第２の関節をなす面の間の関節からもたらされる内部人工器官により生じる聴覚的ノイズの強度を減少するよう構成された第２のコーティングと
を備える、関節をなす内部人工器官。
【請求項２】
前記第１のコーティングがダイヤモンドライクカーボン素材を含み、前記第２のコーティングがダイヤモンドライクカーボン素材を含む、請求項１に記載の内部人工器官。
【請求項３】
前記内部人工器官が股関節補綴物を含む、請求項１に記載の内部人工器官。
【請求項４】
前記第１のコーティングが前記第１の関節をなす面のヤング弾性係数の約１０％以内であるヤング弾性係数を有し、前記第２のコーティングが前記第２の関節をなす面のヤング弾性係数の約１０％以内であるヤング弾性係数を有する、請求項１に記載の内部人工器官。
【請求項５】
前記第１のコーティングが前記第１の関節をなす面のヤング弾性係数の約５％以内であるヤング弾性係数を有し、前記第２のコーティングが前記第２の関節をなす面のヤング弾性係数の約５％以内であるヤング弾性係数を有する、請求項４に記載の内部人工器官。
【請求項６】
第１の関節をなす面を有し、窒化ケイ素セラミック素材を含む第１の構成要素と、
前記第１の関節をなす面と関節をなすために構成された第２の関節をなす面を有する第２の構成要素と、
前記第１の関節をなす面上に位置し、前記第１の関節をなすインタフェース面の硬度の増加、前記第１の関節をなす面と前記第２の関節をなす面との間の摩擦率の減少、前記第１の関節をなす面と前記第２の関節をなす面との間の摩耗の影響の減少、および使用のあいだ前記第１の関節をなす面と前記第２の関節をなす面との間の関節からもたらされる内部人工器官により生じる聴覚的ノイズの強度の減少のうち少なくとも１つを達成するよう構成されたコーティングと
を備える、関節をなす内部人工器官。
【請求項７】
前記第２の構成要素が窒化ケイ素セラミック素材を含む、請求項６に記載の内部人工器官。
【請求項８】
前記第２の関節をなす面上に位置し、前記第２の関節をなすインタフェース面の硬度の増加、前記第１の関節をなす面と前記第２の関節をなす面との間の摩擦率の減少、前記第１の関節をなす面と前記第２の関節をなす面との間の摩耗の影響の減少、および使用のあいだ前記第１の関節をなす面と前記第２の関節をなす面との間の関節からもたらされる前記内部人工器官により生じる聴覚的ノイズの強度の減少のうち少なくとも１つを達成するよう構成された第２のコーティングをさらに備える、請求項７に記載の内部人工器官。
【請求項９】
前記第２の構成要素が金属素材を含む、請求項６に記載の内部人工器官。
【請求項１０】
前記第２の関節をなす面上に位置し、前記第２の関節をなすインタフェース面の硬度の増加、前記第１の関節をなす面と前記第２の関節をなす面との間の摩擦率の減少、前記第１の関節をなす面と前記第２の関節をなす面との間の摩耗の影響の減少、および使用のあいだ前記第１の関節をなす面と前記第２の関節をなす面との間の関節からもたらされる前記内部人工器官により生じる聴覚的ノイズの強度の減少のうち少なくとも１つを達成するよう構成された第２のコーティングをさらに備える、請求項９に記載の内部人工器官。
【請求項１１】
前記コーティングが、ダイヤモンドライクカーボン、炭化ケイ素、窒化チタン、二ほう化チタン、炭窒化チタン、窒化チタンアルミニウム、窒化クロム、炭窒化クロム、および炭窒化チタンケイ素のうち少なくとも１つを含む、請求項６に記載の内部人工器官。
【請求項１２】
前記コーティングがダイヤモンドライクカーボンを含む、請求項６に記載の内部人工器官。
【請求項１３】
前記内部人工器官が股関節補綴物を含む、請求項６に記載の内部人工器官。
【請求項１４】
前記第１の関節をなす面が、約０．０１から約０．１の間の摩擦率を有する、請求項６に記載の内部人工器官。
【請求項１５】
内部人工器官の第１の構成要素を提供し、前記第１の構成要素は第１の関節をなす面を有するステップと、
前記内部人工器官の第２の構成要素を提供し、前記第２の構成要素は前記第１の関節をなす面と関節をなすよう構成された第２の関節をなす面を有し、前記第１の構成要素および前記第２の構成要素のうち少なくとも１つが窒化ケイ素セラミック素材を含むステップと、
コーティングを前記第１の関節をなす面および前記第２の関節をなす面のうち少なくとも１つに加え、前記コーティングは、関節をなすインタフェース面のうち少なくとも１つの硬度の増加、前記第１の関節をなす面と前記第２の関節をなす面との間の摩擦率の減少、前記第１の関節をなす面と前記第２の関節をなす面との間の摩耗の影響の減少、および使用のあいだ前記内部人工器官により生じる聴覚的ノイズの強度の減少のうち少なくとも１つを達成するよう選択されるステップと
を含む、内部人工器官の関節をなす面にコーティングを加える方法。
【請求項１６】
前記窒化ケイ素セラミック素材がドープされた窒化ケイ素セラミック素材を含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記ドープされた窒化ケイ素セラミック素材が、酸化イットリウム、酸化マグネシウム、酸化ストロンチウム、酸化アルミニウム、およびそれらの組み合わせからなる群から選択されるドーパントを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記コーティングを加えるステップの前に、前記第１の関節をなす面および前記第２の関節をなす面のうち少なくとも１つをイオン注入処理で前処理し、前記イオン注入処理は前記第１の関節をなす面および前記第２の関節をなす面のうち少なくとも１つの内への炭素イオンの注入を含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１９】
前記イオン注入処理が、高出力衝撃マグネトロンスパッタリング（ＨｉＰＩＭＳ）処理を含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記コーティングを前記第１の関節をなす面および前記第２の関節をなす面のうち少なくとも１つに加えるステップが、ダイヤモンドライクカーボン、炭化ケイ素、窒化チタン、二ほう化チタン、炭窒化チタン、窒化チタンアルミニウム、窒化クロム、炭窒化クロム、および炭窒化チタンケイ素素材のうち少なくとも１つを、物理蒸着処理および化学蒸着処理のうち少なくとも１つを用いて前記第１の関節をなす面および前記第２の関節をなす面のうち少なくとも１つに加えることを含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項２１】
前記コーティングを前記第１の関節をなす面および前記第２の関節をなす面のうち少なくとも１つに加えるステップが、ダイヤモンドライクカーボン素材を、物理蒸着処理を用いて前記第１の関節をなす面および前記第２の関節をなす面のうち少なくとも１つに加えることを含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記コーティングを前記第１の関節をなす面および前記第２の関節をなす面のうち少なくとも１つに加えるステップが、前記第１の関節をなす面および前記第２の関節をなす面のうち少なくとも１つの摩擦率を約０．１から約０．４の間から約０．０１から約０．１の間へ減少する、請求項２０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２０１１年９月１５日出願の米国仮特許出願第６１／５３５，１７９号”ＣＯＡＴＥＤ  ＩＭＰＬＡＮＴＳ  ＡＮＤ  ＲＥＬＡＴＥＤ  ＭＥＴＨＯＤＳ”の米国特許法第１１９条（ｅ）項による利益を主張し、この出願はその全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本開示は一般的に埋め込み可能な補綴物に関し、より具体的にいうと、限定しないが、被覆された関節をなすインタフェース面を有する素材から形成される埋め込み可能な関節をなす骨補綴物に関する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
本明細書に記載の開示は、限定せず網羅的ではない実施形態の例を記載する。以下の図に示される、そのような実施形態の例のいくつかを参照する。
【図面の簡単な説明】
【０００４】
【図１】本開示の実施形態に一致した、患者の大腿骨および寛骨臼に付着された据え付けられた状態の例示的な股関節補綴物の横断面図を示す。
【図２】本開示の実施形態に一致した、例示的な股関節補綴物の分解図を示す。
【図３】セラミック移植物上にコーティングを形成する方法の１つの実施のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００５】
実施形態は、図を参照して最も理解されうる。図内では、同一の部品は通して同一の番号で指す。一般的に本明細書で記載し図内で示されるような本開示の構成要素は、広範囲の異なる構成で配置および設計しうることが容易に理解されるだろう。よって、後述の機器の実施形態のより詳細な記載は開示の範囲の限定を意図せず、開示の可能な実施形態を単に表現するのみである。一部のケースで、公知の構造、素材または動作は、図示または詳細に記載しない。
【０００６】
埋め込み可能な関節をなす骨補綴物および／または移植物は、ポリエチレン上に金属を乗せた、またはポリエチレン上にセラミックを乗せた関節をなすインタフェース面を有するよう従来は設計されたかもしれない。例えば股関節補綴物は、患者の生来の寛骨臼内に取付および／または付着された、ポリエチレン素材で形成された内部インタフェース面を有する寛骨臼カップ、および、金属またはセラミックから形成され、患者の大腿骨の切除された上端内に取付および／または付着された寛骨臼カップ内に取り付けるよう構成されたボール状の大腿骨頭を有する大腿骨構成要素を備えてもよい。ポリエチレンの内部インタフェース面のポリエチレン素材を、寛骨臼カップと大腿骨構成要素の間の滑面の関節を収容するよう設計してもよい。しかし、ポリエチレンインタフェース面の経時的な摩耗に関連するポリマーベースの破片の生成および蓄積により、早期の補綴物の故障が起こる可能性がある。
【０００７】
セラミック上にセラミックを乗せた関節をなすインタフェース面を有する関節をなす骨補綴物および／または移植物は、ポリエチレンインタフェース面に関連するいくつかの問題を減少しうる。いくつかの利点を提供する一方で、セラミック上にセラミックを乗せた補綴物は、関節をなすインタフェース面における比較的高い摩擦率のため、関節をなされるとき、望ましくない聴覚的ノイズ（例えば、「きしみ」）を出すかもしれない。また、いくつかのセラミック素材の性質により、セラミック上にセラミックを乗せた補綴物はまた、使用の延長で関節をなすインタフェース面上に望ましくない摩耗が出るかもしれない。
【０００８】
本明細書中に開示される実施形態と合致して、埋め込み可能な関節をなす補綴物（例えば骨補綴物）を、１つまたは複数の関節をなすインタフェース面のような１つまたは複数の面を有する生体適合性セラミックから形成し、硬質および／または擦傷耐性がある生体適合性素材で被覆してもよい。コーティング素材および／または方法論を、補綴物の関節のあいだ聴覚的ノイズの強度を減少するよう、および／または望ましくない摩耗を減少するよう選択および／または構成してもよい。加えてまたは代わりに、コーティング素材および／または方法論を、補綴物の関節をなすインタフェース面における摩擦率を減少し、それによって使用のあいだその全体の動作を向上するよう構成してもよい。別の実施形態で、被覆された関節をなす面のうちの１つを金属素材で生成し、他の被覆された関節をなす面をセラミック素材で生成してもよい。
【０００９】
いくつかの実施形態または実装では、それらが基板と類似の特性を有するように、コーティングを考案、設計および／または加えることは、また有益でありうる。例えば、いくつかのそのような実施形態または実装で、対応する基板の弾性係数および／または硬度に少なくとも近似した弾性係数および／または硬度を有する１つまたは複数のコーティングを考案、設計および／または加えることが望ましいかもしれない。
【００１０】
図１は、寛骨臼カップ１０２および大腿骨構成要素１０４を備え、両方がそれぞれ被覆された関節をなすインタフェース面を有する、例示的な股関節補綴物１００の横断面図を示す。示された股関節補綴物１００は、患者の大腿骨１０６および患者の骨盤１１０の寛骨臼ソケットに付着された据え付けられた状態であり、生来の解剖学的ボールとソケット状の人間の股関節を修復または置換するよう構成される。本明細書で実施形態は例示的な股関節補綴物１００の文脈で述べるが、開示された実施形態はまた、あらゆるタイプの埋め込み可能な、あらゆる数の関節をなす構成要素を有する関節をなす補綴物（例えば膝、指、足関節または肩補綴物）で実施してもよい。本明細書中に開示されるコーティングは、いくつかの関節をなさない補綴物で有益でありうることもまた考えられる。本明細書中に開示される種々の本発明の実施形態はまた、水潤滑のみがあるまたは潤滑がない状態で軸受面の摩擦の低さが必要とされる、工業用の構成要素にも価値があるかもしれない。
【００１１】
股関節補綴物１００は、患者の骨盤１１０の寛骨臼内に取付および／または付着された寛骨臼カップ１０２を有してもよい。寛骨臼カップ１０２を、寛骨臼カップ１０２内に取り付けるよう構成されたボール状の大腿骨頭１１６を含む大腿骨構成要素１０４と整合し、それによって大腿骨構成要素１０４が寛骨臼カップ１０２に対して１つまたは複数の方向に関節をなすことを可能にするよう構成してもよい。大腿骨構成要素１０４はさらに、患者の大腿骨１０６の上端に取付および／または付着されるよう構成された細長形の幹部１１４を有してもよい。いくつかの実施形態で、ボール状の大腿骨頭１１６および細長形の幹部１１４は、一体の構成要素であってもよい。他の実施形態では、ボール状の大腿骨頭１１６および細長形の幹部１１４は、選択的な着脱のため例えば螺刻メカニズムまたは固着メカニズムを使用する、選択的に着脱可能な構成要素であってもよい。
【００１２】
ある実施形態で、寛骨臼カップ１０２および／または大腿骨構成要素１０４を、延長された耐用年数または負荷サイクルにわたり構成要素が関節をなした結果として、部分的に超低摩耗を示しうる比較的硬質で高い強度の生体適合性セラミック素材で形成してもよい。いくつかの実施形態では、寛骨臼カップ１０２および大腿骨構成要素１０４を、同一のセラミック素材で形成してもよい。寛骨臼カップ１０２および大腿骨構成要素１０４を、代わりに異なるセラミック素材で形成してもよい。他の代替策として、寛骨臼カップおよび大腿骨構成要素のうちの１つを金属で形成し、寛骨臼カップおよび大腿骨構成要素のうちの他をセラミック素材で形成してもよい。
【００１３】
いくつかの実施形態では、寛骨臼カップ１０２および／または大腿骨構成要素１０４は、患者の骨盤１１０および／または大腿骨１０６への付着を確実にする比較的多孔性のセラミック骨内部成長面を有してもよい。例えばある実施形態で、寛骨臼カップ１０２は、患者の大腿骨の寛骨臼へ確実に付着されるよう構成された多孔性のセラミック骨内部成長を有する部分１０８を有してもよい。いくつかの実施形態では、寛骨臼カップ１０２および／または大腿骨構成要素１０４は、生来の皮質および海綿骨構造をそれぞれ模倣する異なる多孔性の第１および第２の領域を有してもよい。ある実施形態で、より高い多孔性の領域を、骨の内部成長の向上を可能にし、寛骨臼カップ１０２および大腿骨構成要素１０４の患者の骨盤１１０および大腿骨１０６のそれぞれへの付着をより確実および安定することを可能にするよう設計してもよい。
【００１４】
セラミック上にセラミックを乗せる実施形態で、セラミック素材、または寛骨臼カップ１０２および大腿骨構成要素１０４を形成するのに使用される素材は、１つまたは複数の高い屈曲強度および高い破壊靭性のセラミック素材を含んでもよい。ある実施形態で、セラミック素材は、比較的高い硬度、引張強度、弾性係数、潤滑性および破壊靭性の特性を有するドープされた窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）を有してもよい。適切な窒化ケイ素の例は、例えば米国特許第６，８８１，２２９号に記載されており、この特許は全ての内容が参照により本明細書に組み込まれる。他の適切なセラミック素材は、ジルコニア、アルミナ、ジルコニアおよびアルミナの組み合わせ、およびジルコニア、ジルコニア強化アルミナ（ＺＴＡ）、および／または他のアルミナマトリックス複合材料を含んでもよい。ある実施形態で、セラミック素材の曲げ強さは、（例えばアルミナに関して）およそ４００メガパスカル（ＭＰａ）から（例えばジルコニアに関して）およそ１３００ＭＰａの範囲であってもよい。
【００１５】
窒化ケイ素セラミックは特に、非常に大きい曲げ強さおよび破壊靭性を有する。いくつかの実施形態では、そのようなセラミックは、約７００ＭＰａより大きい曲げ強さを有することが見出された。実際にいくつかの実施形態では、そのようなセラミックの曲げ強さは約８００ＭＰａ、約９００ＭＰａ、または約１，０００ＭＰａを上回るのが測定された。いくつかの実施形態では、窒化ケイ素セラミックの破壊靭性は、７メガパスカルルートメートル（ＭＰａ・ｍ１／２）を超える。実際に、いくつかの実施形態では、そのような素材の破壊靭性は約７〜１０ＭＰａ・ｍ１／２である。
【００１６】
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、および酸化ストロンチウムのようなドーパントを、窒化ケイ素のドープされた組成物を形成するよう処理することが可能である。ドープされた窒化ケイ素または他の類似のセラミック素材を含む実施形態で、生体適合性セラミックは約９００ＭＰａを超える曲げ強さ、および約９ＭＰａ・ｍ１／２を超える靭性を有してもよい。曲げ強さを米国試験・材料協会（ＡＳＴＭ）プロトコルメソッドＣ−１１６１による標準３点曲げ試験片で測定することが可能であり、破壊靭性をＡＳＴＭプロトコルメソッドＥ３９９による単一エッジノッチビーム試験片を用いて測定することが可能である。いくつかの実施形態では、窒化ケイ素の粉末を、単独または前述のドーパントの１つまたは複数と組み合わせて、セラミック移植物を形成するのに使用してもよい。
【００１７】
適切な窒化ケイ素素材の他の例が、米国特許第７，６６６，２２９号”Ｃｅｒａｍｉｃ−Ｃｅｒａｍｉｃ  Ａｒｔｉｃｕｌａｔｉｏｎ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｉｍｐｌａｎｔｓ”に記載されており、この特許は本明細書に参照により組み込まれる。適切な窒化ケイ素素材のさらに他の例が米国特許第７，６９５，５２１号”Ｈｉｐ  Ｐｒｏｓｔｈｅｓｉｓ  ｗｉｔｈ  Ｍｏｎｏｂｌｏｃｋ  Ｃｅｒａｍｉｃ  Ａｃｅｔａｂｕｌａｒ  Ｃｕｐ”に記載されており、この特許もまた本明細書に参照により組み込まれる。
【００１８】
セラミックの上に金属を乗せる実施形態で、適切な金属は、種々のステンレス鋼、コバルトおよびクロムを含む合金、チタン、またはチタン合金を含んでもよい。
【００１９】
しかしあるセラミック補綴物は、関節をなすとき、関節をなすインタフェース面における摩擦率が比較的高いため、望ましくない聴覚的ノイズ（例えば「きしみ」）を出すかもしれない。望ましくない聴覚的ノイズ（例えば「きしみ」）および／または使用の延長での関節をなすインタフェース面の摩耗に関する前述の影響のいくつかを減少するため、寛骨臼カップ１０２および／または大腿骨構成要素１０４の関節をなすインタフェース面を、硬質および／または擦傷耐性がある生体適合性素材で被覆してもよい。例えば、説明したように、寛骨臼カップ１０２はその内部の関節をなすインタフェース面上にコーティング１１２を有してもよい。同様に、大腿骨構成要素１０４のボール状の大腿骨頭１１６は、その外部の関節をなすインタフェース面上にコーティング１１８を有してもよい。いくつかの実施形態では、寛骨臼カップ１０２および大腿骨構成要素１０４の両方が、被覆された関節をなすインタフェース面を有してもよい。しかし他の実施形態では、補綴物構成要素１０２、１０４のうちの１つのみが、１つまたは複数の被覆された関節をなすインタフェース面を有してもよい。
【００２０】
被覆面１１２、１１８は、補綴物が関節をなすあいだの聴覚的ノイズの強度、および／または望ましくない摩耗を減少するよう選択された素材を有してもよい。ある実施形態で、これは、補綴物１０２、１０４の関節をなすインタフェース面において摩擦率を減少するよう構成されたコーティング素材を選択することにより達成されうる。ある実施形態で、被覆面１１２、１１８は、ダイヤモンドライクカーボン（”ＤＬＣ”）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、二ほう化チタン（ＴｉＢ２）、炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）、窒化チタンアルミニウム（ＴｉＡｌＮ）、窒化クロム（ＣｒＮ）、炭窒化クロム（ＣｒＣＮ）、炭窒化チタンケイ素（ＴｉＳｉＣＮ）、および／または補綴物構成要素１０２、１０４の関節をなすインタフェース面のコーティングに適切なあらゆる他の硬質の擦傷耐性がある潤滑性素材を含んでもよい。いくつかの実施形態では、被覆面１１２、１１８を、例えば物理蒸着（”ＰＶＤ”）または化学蒸着（”ＣＶＤ”）処理を含むあらゆる数の適切な方法を用いて補綴物構成要素１０２、１０４の関節をなすインタフェース面に加えてもよい。いくつかの実施形態では、被覆面１１２、１１８は、同一のコーティング素材を有してもよい。しかし他の実施形態では、被覆面１１２、１１８は、望ましい関節特性のような望ましい相互作用を提供するよう構成された異なるコーティング素材を有してもよい。
【００２１】
補綴物構成要素１０２、１０４の関節をなすインタフェース面に直接被覆面１１２、１１８を加えることは、被覆面１１２、１１８のセラミック基板面への接着を確実にしうる。ある実施形態で、この接着は、被覆面１１２、１１８と補綴物構成要素１０２、１０４のセラミックの関節をなすインタフェース面の間の共有結合によるものでありうる。例えば、共有結合は、窒化ケイ素セラミック素材からなるインタフェース面の表面のケイ素原子と、ＤＬＣを含むコーティング素材内の炭素原子の間で形成しうる。
【００２２】
ある実施形態では、補綴物構成要素１０２、１０４のセラミックの関節をなすインタフェース面に被覆面１１２、１１８を加えることは、関節をなすインタフェース面の表面硬度を増しうる。例えば、ＰＶＤ処理を用いてＤＬＣコーティングを加えると、およそ２０ＧＰａから４０ＧＰａまでの範囲の表面硬度をもたらしうる。ＣＶＤ処理を用いてＳｉＣコーティングを加えると、およそ２７ＧＰａの表面硬度をもたらしうる。被覆面１１２、１１８を加えることによる補綴物構成要素１０２、１０４の関節をなすインタフェース面の表面硬度の増加は、関節をなすインタフェース面の望ましくない摩耗を減少しうる。
【００２３】
いくつかの実施形態または実装では、コーティングが基板と類似する特性（例えば弾性係数および／または硬度値）を有するように、それらを考案、設計および／または加えることは、また有益でありうる。説明すると、コーティングを基板に加え、コーティングがはるかに高い弾性係数（例えば３〜５倍）を有する場合、ある適用とある状況には望ましくない「糖衣コーティング」につながり、それによって柔軟な基板が困難を有して比較的柔軟性のないコーティングにつながりうる。そのような影響は、ある状況および環境で、望ましくない欠け、剥落、または他の望ましくない摩耗特性につながりうる。
【００２４】
弾性係数のようなコーティングのある特性がそれぞれの基板のそれにより合致するようにそのようなコーティングを選択、設計、および／または加えることは、これらの望ましくない特性を減少または除去しうる。例えば、ＤＬＣコーティングが窒化ケイ素基板に加えられる実施形態で、１つまたは複数の弾性係数および／または硬度値が窒化ケイ素のそれに非常に類似するような態様で、ＤＬＣコーティングを考案、設計および／または加えることが望ましいかもしれない。ある実装で、窒化ケイ素基板にＤＬＣコーティングを加えるＰＶＤ処理の使用が、ＣＶＤ処理を用いて通常得ることができるよりもっと近似した特性をもたらしうることが発見された。しかし、他の実施で、ＰＶＤ処理の使用に加え、または代替として適切な添加剤を与えることにより、ＤＬＣコーティングの弾性係数および／または他の物理的特性を変更して基板のそれに合致させてもよい。
【００２５】
コーティングの弾性係数を変更するのに使用してもよい添加剤の例は、これらに限定されないが、ケイ素、炭素、クロム、チタン、バナジウム、マンガン、窒素、酸素、アルミニウム、およびタンタルを含む。また、中間層または複数の中間層または段階的中間層として添加剤を加えることは、ＤＬＣコーティングの弾性係数および／または硬度の調整に有効でありうる。
【００２６】
とりわけ、いくつかの実施形態および実装では、基板のヤング弾性係数が約１００ＧＰａ以内であるように、コーティングのヤング弾性係数を選択および／または加えてもよい。いくつかのそのような実施形態で、コーティングのヤング弾性係数は基板のヤング弾性係数の約５０ＧＰａ以内であってもよい。
【００２７】
いくつかの実施形態および実装では、コーティングのヤング弾性係数を、基板のヤング弾性係数の約１０％以内であるように選択してもよい。いくつかのそのような実施形態で、コーティングのヤング弾性係数は基板のヤング弾性係数の約５％以内であってもよい。
【００２８】
より具体的な例を示すと、本明細書中に開示されるドープされた窒化ケイ素セラミックのいくつかの実施形態のヤング弾性係数は、約３００ＧＰａから約３２０ＧＰａの範囲であってもよい。そのような実施形態で、コーティングのヤング弾性係数は約２２０から約４００ＧＰａの範囲内であってもよい。
【００２９】
ＣＶＤ処理の使用に加え、コーティングが加えられる前に１つまたは複数の前処理を加えることが有益でありうる。例えば、いくつかの実施で、イオン注入処理を採用してもよい。そのような処理で、炭素イオンを基板の表面内へ注入して、コーティングの接着の向上のためのネットワーク構造をもたらしてもよい。いくつかの実施で、この前処理は高出力衝撃マグネトロンスパッタリング（ＨｉＰＩＭＳ）処理を含んでもよい。
【００３０】
前述したように、被覆面１１２、１１８はまた、補綴物構成要素１０２、１０４の関節をなすインタフェース面における摩擦率を減少してもよい。いくつかの実施形態では、補綴物構成要素１０２、１０４の関節をなすインタフェース面における摩擦率の減少は、使用のあいだ補綴物１００により生じる聴覚的ノイズの強度をより低くおよび／または少なくさせうる。例えばある実施形態で、被覆されないセラミックの関節をなすインタフェース面はおよそ０．１から０．４までの範囲の摩擦率を有しうるが、一方で（例えばＤＬＣを用いて被覆された）被覆された関節をなすインタフェース面は、約０．０１から約０．１の単位の摩擦率を有しうる。補綴物構成要素１０２、１０４の関節をなすインタフェース面における摩擦率の減少はまた、構成要素１０２、１０４の摩耗を減少させ、および／または補綴物の体内の寿命を延ばしうる。
【００３１】
図２は、図１を参照して前述した例示的な股関節補綴物１００の分解図を示す。示されるように、例示的な股関節補綴物１００は、比較的硬質で高い強度の生体適合性セラミック素材で形成された、寛骨臼カップ１０２および／または大腿骨構成要素１０４を備えてもよい。大腿骨構成要素１０４は、寛骨臼カップ１０２内に取り付けるよう構成されたボール状の大腿骨頭１１６、およびボール状の大腿骨頭１１６と一体の、または選択的に着脱可能な細長形の幹部１１４を有してもよい。
【００３２】
寛骨臼カップ１０２および／または大腿骨構成要素１０４の関節をなすインタフェース面は、例えば、ＤＬＣまたはＳｉＣのような硬質および／または擦傷耐性がある生体適合性素材を含むコーティング１１２、１１８を有してもよい。前述したように、関節をなすインタフェース面の硬度を高め、２つの構成要素１０２、１０４間の摩擦率を減少させ、関節をなすインタフェース面における摩耗の影響を減少させ、および／または使用のあいだ補綴物１００により生じる聴覚的ノイズの強度を減少させるように、コーティング１１２、１１８の素材を選択してもよい。また、コーティング１１２、１１８の素材を、寛骨臼カップ１０２および／または大腿骨構成要素１０４の素材上に蒸着されたとき、補綴物構成要素１０２、１０４のうちの１つまたは両方の形成に使用される素材と共有結合を形成する適切な素材から選択してもよい。
【００３３】
図３は、被覆されたセラミック補綴物を形成する方法の１つの実施を示すフローチャートである。ステップ３１０で、内部人工器官の第１の構成要素が提供される。第１の構成要素は、第１の関節をなす面を有する。ステップ３２０で、内部人工器官の第２の構成要素が提供される。第２の構成要素は、第１の関節をなす面と関節をなすよう構成された第２の関節をなす面を有する。
【００３４】
ステップ３３０で、第１の関節をなす面はイオン注入処理で前処理される。先に詳述したように、イオン注入処理は、第１の関節をなす面内に炭素イオンを注入する処理を含んでもよい。いくつかの実施で、イオン注入処理は、高出力衝撃マグネトロンスパッタリング（ＨｉＰＩＭＳ）処理を含んでもよい。
【００３５】
ステップ３４０で、第２の関節をなす面もイオン注入処理で前処理される。ステップ３３０と同様に、第２の関節をなす処理のためのイオン注入処理は、第２の関節をなす面内に炭素イオンを注入する処理を含んでもよい。いくつかの実施で、ステップ３４０は、高出力衝撃マグネトロンスパッタリング（ＨｉＰＩＭＳ）処理を含んでもよい。
【００３６】
ステップ３５０で、コーティングを内部人工器官の第１の関節をなす面に加えてもよい。先に詳細に記載したように、コーティングは、ダイヤモンドライクカーボン（”ＤＬＣ”）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、二ほう化チタン（ＴｉＢ２）、炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）、窒化チタンアルミニウム（ＴｉＡｌＮ）、窒化クロム（ＣｒＮ）、炭窒化クロム（ＣｒＣＮ）、炭窒化チタンケイ素（ＴｉＳｉＣＮ）、および／または補綴物構成要素の関節をなすインタフェース面のコーティングに適切なあらゆる他の硬質の擦傷耐性がある潤滑性素材を含んでもよい。ステップ３５０のコーティングを加える処理は、例えば、物理蒸着（”ＰＶＤ”）または化学蒸着（”ＣＶＤ”）処理を含んでもよい。第１の関節をなすインタフェース面の硬度の増加、第１および第２の関節をなす面の間の摩擦率の減少、第１および第２の関節をなす面の間の摩耗の影響の減少、および使用のあいだ第１および第２の関節をなす面の間の関節からもたらされる内部人工器官により生じる聴覚的ノイズの強度の減少のうち少なくとも１つを達成するよう、コーティングを構成してもよい。
【００３７】
コーティングをまた、第１の関節をなす面の１つまたは複数の物理的特性と実質的に合致するように選択および／または加えてもよい。例えば、いくつかの実施で、コーティングのヤング弾性係数が第１の関節をなす面のヤング弾性係数の約１０％以内であるように、コーティングを選択および加えてもよい。いくつかのそのような実施形態で、コーティングのヤング弾性係数は、第１の関節をなす面のヤング弾性係数の約５％以内であってもよい。他の例として、コーティングのヤング弾性係数が第１の関節をなす面の約１００ＧＰａのヤング弾性係数以内であるように、コーティングを選択および加えてもよい。いくつかのそのような実施形態で、コーティングのヤング弾性係数が第１の関節をなす面の約５０ＧＰａのヤング弾性係数以内であるように、コーティングを選択および加えてもよい。
【００３８】
ステップ３６０で、コーティングをまた内部人工器官の第２の関節をなす面に加えてもよい。第１の関節をなす面と同様に、コーティングは、ダイヤモンドライクカーボン（”ＤＬＣ”）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、二ほう化チタン（ＴｉＢ２）、炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）、窒化チタンアルミニウム（ＴｉＡｌＮ）、窒化クロム（ＣｒＮ）、炭窒化クロム（ＣｒＣＮ）、炭窒化チタンケイ素（ＴｉＳｉＣＮ）、および／または補綴物構成要素の関節をなすインタフェース面のコーティングに適切なあらゆる他の硬質の擦傷耐性がある潤滑性素材を含んでもよい。同様に、ステップ３６０のコーティングを加える処理は、例えば物理蒸着（”ＰＶＤ”）または化学蒸着（”ＣＶＤ”）処理を含んでもよい。第２の関節をなすインタフェース面の硬度の増加、第１および第２の関節をなす面の間の摩擦率の減少、第１および第２の関節をなす面の間の摩耗の影響の減少、および使用のあいだ第１および第２の関節をなす面の間の関節からもたらされる内部人工器官により生じる聴覚的ノイズの強度の減少のうち少なくとも１つを達成するよう、コーティングを構成してもよい。
【００３９】
コーティングをまた、第２の関節をなす面の１つまたは複数の物理的特性と実質的に合致するように選択および／または加えてもよい。例えば、いくつかの実施で、コーティングのヤング弾性係数が第２の関節をなす面のヤング弾性係数の約１０％以内であるように、コーティングを選択および加えてもよい。いくつかのそのような実施形態で、コーティングのヤング弾性係数は第２の関節をなす面のヤング弾性係数の約５％以内であってもよい。他の例として、コーティングのヤング弾性係数が第２の関節をなす面の約１００ＧＰａのヤング弾性係数以内であるように、コーティングを選択および加えてもよい。いくつかのそのような実施形態で、コーティングのヤング弾性係数が第２の関節をなす面の約５０ＧＰａのヤング弾性係数以内であるように、コーティングを選択および加えてもよい。
【００４０】
当業者は、前述の実施形態の詳細を本明細書で示した基本的な原理から逸脱することなく変更してもよいことを理解するであろう。例えば、種々の実施形態またはその特徴の任意の適切な組み合わせが考えられる。
【００４１】
本明細書中に開示されるあらゆる方法は、記載される方法を実行するための１つまたは複数のステップまたはアクションを含む。方法ステップおよび／またはアクションを、互いに入れ替えてもよい。言い換えれば、ステップまたはアクションの特定の順序が実施形態の適切な動作のために必要とされる場合を除いて、特定のステップおよび／またはアクションの順序および／または使用を変更してもよい。また、そのような方法の他の実施は、列挙されたステップのそれぞれを必ずしも含む必要がないことを理解するべきである。
【００４２】
本明細書を通して、「１つの実施形態／実装」、「実施形態／実装」、または「実施形態／実装」への言及は、その実施形態／実装に関連して記載された特定の機能、構造、または特性が、少なくとも１つの実施形態／実装に含まれることを意味する。よって、本明細書中で列挙されたような引用された語句、またはその変形は、必ずしも全てが同一の実施形態／実装を参照してはいない。
【００４３】
同様に、前述の実施形態の記載で、本開示の簡潔化の目的で、種々の機能がときどき１つの実施形態、実装、図、またはその記述の中でグループ化されていることを理解すべきである。しかしこの開示の方法は、あらゆる請求項がその請求項に明示的に列挙された機能より多くの機能を必要とする意図の反映として解釈されるべきではない。むしろ、発明の態様は全ての前述の開示された実施形態の全ての機能よりも少ない機能の組み合わせの中にある。本明細書に記載した基本的な原理から逸脱することなく、前述の実施形態および実装の詳細を変更しうることが、当業者に明らかになるであろう。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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