【手続補正書】
【提出日】平成20年7月9日(2008.7.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【書類名】    明細書
【発明の名称】ＧＣＩＢによる人工股関節の改善
【特許請求の範囲】
【請求項１】ガスクラスタイオンビーム処理で外科用インプラントの表面を改善させる装置であって、
真空容器と、
該真空容器と作動可能に接続し、ガスクラスタイオンビームを発生させるガスクラスタイオンビーム源と、
該ガスクラスタイオンビームを通路に沿って加速する加速装置と、
該ガスクラスタイオンビーム通路内の進行方向に沿って配置され、ガスクラスタイオンビーム処理のために外科用インプラントをポジショニング処理する外科用インプラントホルダーと、
該外科用インプラントホルダーと作動可能に接続され、該外科用インプラントホルダーと前記外科用インプラントとを前記進行方向周囲で回転させ、該外科用インプラントホルダーと該外科用インプラントとを該進行方向に垂直な軸の周囲で分節移動させるポジション調整手段と、
を含んで構成されていることを特徴とする装置。
【請求項２】ポジション調整手段は外科用インプラントの複数の領域を関節移動させ、該外科用インプラントにほぼ垂直なビーム入射角でガスクラスタイオンビームを遮断することを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項３】ビーム入射角は垂直の±１５°であることを特徴とする請求項２記載の装置。
【請求項４】ガスクラスタイオンビームと外科用インプラントを相対的にスキャン処理するスキャン手段をさらに含んでいることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項５】ガスクラスタイオンビームは５０％アルゴンと５０％酸素の活性混合ガスで成る約３ｘ１０16クラスタイオン/ｃｍ2のクラスタを提供することを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項６】ガスクラスタイオンビームは不活性ガスで成る約３ｘ１０16クラスタイオン/ｃｍ2のクラスタを提供することを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項７】外科用インプラントは人工股関節の少なくとも１部品を含んでいることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項８】外科用インプラントは人工股関節の少なくとも１部品を含んでいることを特徴とする請求項５記載の装置。
【請求項９】外科用インプラントは人工股関節の少なくとも１部品を含んでいることを特徴とする請求項６記載の装置。
【請求項１０】ガスクラスタイオンビーム処理により外科用インプラントの表面を改善させる装置であって、
真空容器と、
該真空容器と作動可能に接続し、ガスクラスタイオンビームを発生させるガスクラスタイオンビーム源と、
該ガスクラスタイオンビームを通路に沿って加速する加速装置と、
長形部材の形態で、その一端が外科用インプラントに着脱式に取り付け可能である外科用インプラントホルダーと、
を含んで構成されており、
前記長形部材は前記クラスタイオンビーム通路内の進行方向に関して所定の角度で配置されており、
該外科用インプラントホルダーと作動可能に接続され、該外科用インプラントホルダーと前記外科用インプラントとを前記ガスクラスタイオンビーム通路内で回転させるポジション調整手段と、
をさらに含んでいることを特徴とする装置。
【請求項１１】長形部材は外科用インプラントをポジション調整し、該外科用インプラントの表面にほぼ垂直であるビーム入射角でガスクラスタイオンビームを遮断することを特徴とする請求項１０記載の装置。
【請求項１２】ガスクラスタイオンビーム通路内の進行方向に対する所定の角度とは約２０°から５０°であることを特徴とする請求項１０記載の装置。
【請求項１３】ガスクラスタイオンビームは５０％アルゴンと５０％酸素の反応性混合ガスで成る約３ｘ１０16クラスタイオン/ｃｍ2のクラスタを提供することを特徴とする請求項１０記載の装置。
【請求項１４】ガスクラスタイオンビームは不活性ガスで成る約３ｘ１０16クラスタイオン/ｃｍ2のクラスタを提供することを特徴とする請求項１０記載の装置。
【請求項１５】外科用インプラントは人工股関節の少なくとも１部品を含んでいることを特徴とする請求項１０記載の装置。
【請求項１６】外科用インプラントは人工股関節の少なくとも１部品を含んでいることを特徴とする請求項１３記載の装置。
【請求項１７】外科用インプラントは人工股関節の少なくとも１部品を含んでいることを特徴とする請求項１４記載の装置。
【請求項１８】ガスクラスタイオンビーム処理により外科用インプラントの表面を改善させる方法であって、
真空容器内で不活性ガスクラスタイオンビームを形成させるステップと、
該ガスクラスタイオンビームを加速させるステップと、
前記真空容器内で外科用インプラントの１表面をポジション処理し、該ガスクラスタイオンビームを受領させるステップと、
所定のエネルギーを有した所定量のガスクラスタイオンで前記表面を照射させるステップと、
を含んで構成されていることを特徴とする方法。
【請求項１９】ガスクラスタイオンビーム処理により外科用インプラントの表面を改善させる方法であって、
真空容器内で活性ガスクラスタイオンビームを形成させるステップと、
該ガスクラスタイオンビームを加速させるステップと、
前記真空容器内で外科用インプラントの１表面をポジション処理し、該ガスクラスタイオンビームを受領させるステップと、
所定のエネルギーを有した所定量のガスクラスタイオンで前記表面を照射させるステップと、
を含んで構成されていることを特徴とする方法。
【請求項２０】ガスクラスタイオンビーム処理により外科用インプラントの表面を改善させる方法であって、
真空容器内で外科用インプラントの１表面をポジション処理し、前記ガスクラスタイオンビームを受領させるステップと、
該真空容器内にて所定のエネルギーの加速活性ガスクラスタイオンビームを形成させるステップと、
該活性ガスクラスタイオンビームを前記外科用インプラントの表面に配向させるステップと、
所定量の該活性ガスクラスタイオンビームで該表面を照射させるステップと、
前記真空容器内にて別な所定エネルギーで加速不活性ガスクラスタイオンビームを形成させるステップと、
該不活性ガスクラスタイオンビームを前記外科用インプラントの前記表面に配向させるステップと、
所定量の該不活性ガスクラスタイオンビームで該表面を照射させるステップと、
を含んで構成されていることを特徴とする方法。
【請求項２１】外科用インプラントを回転または分節移動させて該外科用インプラントの別領域を処理させるステップをさらに含んでいることを特徴とする請求項１８記載の方法。
【請求項２２】外科用インプラントの複数領域を処理するために該外科用インプラントを回転等でポジション調整させるステップと、該外科用インプラントをほぼ垂直な入射角のガスクラスタイオンビームで照射させるステップとをさらに含んでいることを特徴とする請求項１８記載の方法。
【請求項２３】外科用インプラントの複数領域を処理するために該外科用インプラントを回転等でポジション調整させるステップと、該外科用インプラントをほぼ垂直な入射角のガスクラスタイオンビームで照射させるステップとをさらに含んでいることを特徴とする請求項１９記載の方法。
【請求項２４】外科用インプラントの複数領域を処理するために該外科用インプラントを回転等でポジション調整させるステップと、該外科用インプラントをほぼ垂直な入射角のガスクラスタイオンビームで照射させるステップとをさらに含んでいることを特徴とする請求項２０記載の方法。
【請求項２５】外科用インプラントは金属部品を含んでいることを特徴とする請求項１８記載の方法。
【請求項２６】外科用インプラントは金属部品を含んでいることを特徴とする請求項１９記載の方法。
【請求項２７】外科用インプラントは金属部品を含んでいることを特徴とする請求項２０記載の方法。
【請求項２８】金属はコバルトまたはコバルト合金であることを特徴とする請求項１８記載の方法。
【請求項２９】金属はコバルトまたはコバルト合金であることを特徴とする請求項１９記載の方法。
【請求項３０】金属はコバルトまたはコバルト合金であることを特徴とする請求項２０記載の方法。
【請求項３１】活性ガスは、酸素、窒素、フッ素、酸素ガス化合物、窒素ガス化合物、フッ素ガス化合物、及び酸素、窒素またはフッ素含有ガスと不活性ガスとの混合ガスで成るガス群から選択されることを特徴とする請求項１９記載の方法。
【請求項３２】活性ガスは、酸素、窒素、フッ素、酸素ガス化合物、窒素ガス化合物、フッ素ガス化合物、及び酸素、窒素またはフッ素含有ガスと不活性ガスとの混合ガスで成るガス群から選択されることを特徴とする請求項２０記載の方法。
【請求項３３】活性ガスは約５０％の酸素と約５０％のアルゴンの混合であることを特徴とする請求項１９記載の方法。
【請求項３４】活性ガスは約５０％の酸素と約５０％のアルゴンの混合であることを特徴とする請求項２０記載の方法。
【請求項３５】外科用インプラントは人工股関節の少なくとも１部品を含んでいることを特徴とする請求項１８記載の方法。
【請求項３６】外科用インプラントは人工股関節の少なくとも１部品を含んでいることを特徴とする請求項１９記載の方法。
【請求項３７】外科用インプラントは人工股関節の少なくとも１部品を含んでいることを特徴とする請求項２０記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
発明の分野
本発明は人工股関節等の医療器具または外科用インプラント（移植体）に関し、特にはガスクラスタイオンビーム技術を利用した人工股関節等の外科用インプラントの表面を平滑処理する方法及びシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
発明の背景
股関節の交換、すなわち関節プラスティ(arthroplasty)とは疾患股関節部分を取り除き、新しい人工関節で置き換える外科手法である。現在、これら人工股関節部分は高架橋ポリエチレン、金属/金属及びセラミックス/セラミックスインプラントのごとき改良材料で生産されている。股関節部分の交換後には骨軟化症状が大きな問題となる。この症状はインプラント材料自体からの微小破片が原因の炎症によるものと考えられている。骨軟化の一部症状は手術後１０年以内に全ケースの４０％程度で発生する。
【０００３】
問題はインプラントの大腿と寛骨臼部分との間の関節表面が病理組織作用の主要な原因となる磨耗破片を生み出すことである。よって、生物学的観点から、部材の不調は骨軟化が関与する磨耗破片がもたらす。重要な発症メカニズムには微小物体と、それに反応する特殊細胞との間の相互作用が関与する。微小物質の数量、サイズ、分布状態及びタイプもこの過程に関与すると考えられる。
【０００４】
質的には、大抵の組織作用を引き起こす物質は約０.５ミクロンの粒子サイズであるポリエチレン粒子であると思われる。ポリエチレン破片よりも幾分か大型で多量である金属破片も組織作用を引き起こす。この大きな金属破片の主たる影響はポリエチレン磨耗を促進し、破片化したポリエチレン粒子に細胞作用を引き起こさせる。しかし、小型金属粒子とイオンも生物学的な直接的刺激となることが証明された。
【０００５】
よって、本発明の１目的は人工股関節に原子レベル表面平滑性を付与することである。
【０００６】
本発明の別目的は骨軟化症に関わる問題を軽減させるためにガスクラスタイオンビームで人工股関節の表面を改善させることである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
発明の概要
本発明の前述の目的及び他の目的並びに利点は以下で説明する本発明によって達成される。
【０００８】
磨耗破片の発生を最小限度とするためにいくつかの提案がなされた。それらは、（１）平滑処理することによってコバルト合金またはセラミックスの大腿骨頭部は寛骨臼窪部のポリエチレン表面に対する磨耗の影響を最低限に抑えること、（２）新型高架橋ポリエチレン寛骨臼窪部は磨耗を減少させる手段として幾分か増加した外科的利用性を与えること、及び（３）金属-金属インプラントやセラミックス-セラミックスインプラントのごとき硬質-硬質インプラントは磨耗破片量を減少させると考えられること。
【０００９】
人工股関節の設計に利用される材質とは無関係に、本発明は部材表面の改善にガスクラスタイオンビーム（ＧＣＩＢ）技術を適用し、磨耗破片と骨軟化症状を大幅に減少させる。本発明の表面改善手法はＧＣＩＢを利用して大腿骨頭部及び/又は寛骨臼窪部の表面の原子レベル平滑処理を含み、相互支持表面の接触部分で磨耗を減少させるものである。
【００１０】
全股関節補綴の片支持面または両支持面をＧＣＩＢ平滑処理することでポリエチレン破片及び金属破片の発生を減少させると骨軟骨化発生を減少させ、保健制度のコストを大幅に削減させ、患者の痛みと苦痛を和らげる。
【００１１】
本発明のさらなる理解のために、図面を利用して本発明を解説する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
好適方法と実施例の詳細な説明
真空状態の高電圧で加速されたエネルギーイオン、荷電原子または分子のビームは、半導体装置ジャンクションの形成、スパッタリングによる表面平滑処理、及び薄膜の特性改善に広く利用されている。ガスクラスタイオンは、共通電荷を有し、高電圧で加速された多数の弱く結合した原子や分子で形成される。クラスタイオンは衝突で分離し、クラスタの全エネルギーは構成原子間で分配される。このエネルギー分配のため、個々の原子は通常イオンあるいは非クラスタ状態のイオンよりも大幅に少ないエネルギーを有し、その結果、原子は対象物体内部深くには進入しない。表面スパッタリング効果は通常イオンにより提供される効果よりも強力であり、他の方法では不可能な微小表面平滑化効果を提供する。
【００１３】
ガスクラスタイオンビーム（ＧＣＩＢ）処理の概念はこの１０年来のものである。ＧＣＩＢを物体のドライエッチング、クリーニング及び平滑処理に使用することは知られており、例えば、出口他の米国特許第５８１４１９４号「基板表面処理法」（１９９８年）に記載されている。数千のガス原子または分子を含有したイオン化クラスタを提供することが可能で、数千電子ボルト程度に加速することができ、クラスタ内の個々の原子や分子はそれぞれ数電子ボルト程度のエネルギーを有する。例えば山田の米国特許第５４５９３２６号の教示から、そのような個々の原子は物体表面内部深く進入することはなく、プラズマ研磨処理でごとくには物体内部ダメージを与えないことが知られている。クラスタ自体は充分なエネルギー（数千電子ボルト）を有しており、効果的に硬質物体表面をエッチング処理、平滑処理、クリーニング処理する。
【００１４】
ガスクラスタイオン内の個々の原子のエネルギーは非常に小さい（典型的には数電子ボルト）ので、衝突した際に対象物体表面内のせいぜい数原子層程度の深度に進入するだけである。この浅い進入によって、クラスタ全体で運搬されるエネルギーが１０-12秒程度の短時間で物体表面層の非常に小さな領域にて減衰される。これは、通常イオンが利用され、その目的が対象材料内への浸透であり、時には数千オングストロム程度を進入して材料の表面特性を変えるイオンインプランテーションの場合とは異なる。クラスタイオンの高い全エネルギー並びに非常に限定された作用領域のために、衝突部位でのエネルギー密度は通常イオンによるものよりも大幅に大きい。
【００１５】
図１は人工股関節部品１０のごとき外科インプラントの表面平滑処理に利用される本発明のガスクラスタイオンビーム（ＧＣＩＢ）プロセッサ１００を図示する。これに限定されることはないが、プロセッサ１００は３種の連通チャンバであるイオンビーム発生源チャンバ１０４と、イオン化/加速チャンバ１０６と、ガスクラスタイオンビームで均等に平滑処理させるように人工股関節をポジショニングすることができるユニークな形状の対象物ホルダー１５０を含んだ処理チャンバ１０８とに分割された真空容器１０２で成る。
【００１６】
本発明の平滑処理中に、それら３体のチャンバは真空ポンプシステム１４６a、１４６b、１４６cでそれぞれ適当な作動真空状態にされる。シリンダ１１１に保存されている高密度化可能なガス源１１２（例えばアルゴン、窒素、酸素または混合ガス）はガス計測バルブ１１３とガス供給管１１４を通じて滞留チャンバ１１６へ圧力により送られ、適当な形状のノズル１１０を介して低圧雰囲気内に噴出され、超音速ガス流１１８が提供される。ジェット流の膨張で提供される冷却はガスジェット流１１８を複数のクラスタに収束させる。それぞれのクラスタは数個から数千個の弱く結合した原子または分子で成る。ガススキマーアパーチャ１２０はクラスタジェットに収束していないガス分子をクラスタジェットと部分的に分離し、高圧が不都合な下流領域（例えばイオナイザー１２２、高圧電極１２６、処理チャンバ１０８）の圧力を抑える。適当な高密度化可能なガス源１１２とはアルゴン、窒素、二酸化炭素、酸素及びそれらの混合ガス、等々である。
【００１７】
ガスクラスタを含んだ超音速ガスジェット１１８が形成された後、クラスタはイオナイザー１２２でイオン化される。イオナイザー１２２は典型的には電子衝突型イオナイザーであり、白熱フィラメント１２４から熱電子を発生させ、電子を加速して方向性を与え、ジェットがイオナイザー１２２を通過する場所でガスジェット１１８のガスクラスタと衝突させる。電子衝突はクラスタから電子を飛び出させ、クラスタの一部を陽イオン化させる。適当にバイアスされた高圧電極セット１２６はイオナイザー１２２からクラスタイオンを導出させてビームを形成させ、クラスタイオンに望むエネルギーを付与するように加速させ（典型的には１Ｋ電子ボルトから数十Ｋ電子ボルト）、焦点処理して当初通路１５４を有したＧＣＩＢ１２８を形成させる。フィラメント電源１３６はＶFを提供し、イオナイザーフィラメントを加熱する。陽極電源１３４はＶAを提供してフィラメント１２４から排出される熱電子を加速し、ガスジェット１１８を含んだクラスタに衝突させ、イオンを発生させる。導出電源１３８はＶEを提供し、高圧電極をバイアスしてイオナイザー１２２のイオン化領域からイオンを導出し、ＧＣＩＢ１２８を形成させる。加速器電源１４０はＶAcc電子ボルトを提供し、イオナイザー１２２に関して高電圧電極をバイアスし、全ＧＣＩＢ加速エネルギーをＶAcc電子ボルトと等しくする。レンズ電源（例えば１４２と１４４）を電位（例えばＶL1とＶL2）で高電圧電極をバイアスしてＧＣＩＢ１２８を焦点させるように提供することができる。
【００１８】
ＧＣＩＢプロセッサ１００で処理される股関節部品１０のごとき医療装置（図１に寛骨臼窪部として図示、あるいは大腿頭部）は対象物体ホルダー１５０で保持され、ＧＣＩＢ１２８（１４８）の通路内に配置される。股関節部品１０の均等な平滑化のために、対象物体ホルダー１５０は股関節部品１０を適正にポジション操作するために以下のように設計されている。
【００１９】
ＧＣＩＢを利用して最良の平滑化を施すには、図２に図示するように、非平面状の球状または窪状である人工股関節表面は直角ビーム入射角に対して特定角度許容誤差以内に配置されなければならない。最良の平滑化はＧＣＩＢ照射が対象物体を直角に近い入射角（例えば直角の±１５°）であるときに提供されるが、約４５°までの偏差である入射角であっても効果的な平滑処理を施すことが証明されている。さらに窪（カップ）状の対象物体の場合には、カップの内側部分がカップ縁部で隠れていようとも処理を必要とする。最良の平滑処理を施すためには、非平面をその許容誤差範囲内で全配向性ポジション調整する性能を備えた股関節固定具すなわち対象物体ホルダー１５０が必要である。股関節部品１０を平滑化処理するには、ホルダー１５０はＧＣＩＢプロセッサ１００に付属させた機構１５２で回転/分節移動により調整される。分節/回転移動機構１５２は、好適にはその回転機構が長軸１５４周囲で３６０°の回転をさせ、分節機構が長軸１５４に垂直な軸１５６周囲の移動をさせ、人工股関節表面を直角入射角から±１５°以内に保させる。
【００２０】
特定の条件下では、人工股関節部品１０のサイズによってはスキャンシステムの利用が望ましい。ＧＣＩＢ処理には必須ではないが、２ペアの直交静電気スキャンプレート１３０と１３２を利用し、ラスタまたは他のスキャンパターンを創出させる。ビームスキャン処理が実行されると、スキャン発生器１５６はＸ軸とＹ軸のスキャン信号電圧をリード線ペア１５８と１６０を介してスキャンプレート１３０と１３２のペアにそれぞれ提供する。スキャン信号電圧は異なる周波数の三角波であり、ＧＣＩＢ１２８をスキャン処理されたＧＣＩＢに変換させ、股関節部品１０の全表面をスキャン処理させる。
【００２１】
広い領域のビームスキャン処理が望まれないときには、処理は一般的にビーム径によって定義される領域に限定される。ビーム径は電源（例えば１４２と１４４）の電圧（ＶL1とＶL2）を選択することでセット可能であり、対象物体に対して望むビーム径を提供する。
【００２２】
図３は本発明の別実施例によるガスクラスタイオンビーム処理システム２００を図示する。このシステムは図１のガスクラスタイオンビーム処理システム１００に類似しているが、外科用インプラントの股関節の球（ボール）状部分のごとき球状対象物体２０のＧＣＩＢ処理のために幾分かは異なる形態で提供されている。スキャン処理ＧＣＩＢ１４８は、ＧＣＩＢ１４８の一部を遮断するようにＧＣＩＢ１４８の通路に配置されている球状対象物体２０に向けられる。対象物体２０によって遮断されないＧＣＩＢの部分はそのまま進行してイオンビーム電流コレクタ２１２に衝突する。この電流コレクタはコレクタ２１２に衝突するＧＣＩＢ１４８の部分のイオンによる電流を収集する。スキャン処理ＧＣＩＢ１４８は電流コレクタ２１２の表面の所定領域をスキャン処理する。その領域は対象物体２０によって影となる領域を含んでいる。電流コレクタ２１２によって収集されたイオン電流は電線２１４を通過して電流集積器/プロセッサ２１８に流れる。電流集積器/プロセッサ２１８は収集電流を集積し、対象物体によって進行を阻害されたスキャンビームの所定の一部を考慮してビーム軸２２０に垂直な平面であって、球状対象物体２０の半径に等しい半径を有していたと仮定したなら対象物体を照射したであろう全照射量を計算し、イオン数/ｃｍ2で表示する。対象物体２０は典型的には開口部を有している。対象物体２０は、テーパされているであろう開口部を有している。それはシャフト２０４の端部への取り付けに利用されるものであり、シャフト２０４によってビーム通路に配置されている。シャフト２０４は処理チャンバ１０８のアクセスプレート２１６に存在する回転式真空供給通路２０８を通過する。従来型回転モータ２１０はスキャンＧＣＩＢ１４８による対象物体２０の照射中にシャフト２０４と取り付けられた対称物体２０とを回転させる。モータ速度はＧＣＩＢ照射量が球状対象物体２０の処理部分で周辺的に均等となるよう、処理時間と較べて短い回転周期を提供するように選択される。回転シャフト２０４はその回転軸がスキャンＧＣＩＢ１４８の軸２０２に対して角度２０６となるように配置される。角度２０６はＧＣＩＢ１４８によって照射される球状対象物体の部分を決定するように選択される。その角度２０６は２０°から５０°が適当である。対象物体２０は球状であるため、対象物体の全照射領域は対象物体が平坦な円形で、ビーム軸２２０に垂直であり、球状対象物体２０の半径に等しい半径であると仮定した場合にＧＣＩＢが照射するものよりも広いことになる。照射される球状対象物体と平坦面の面積との比は次の式で表される。
面積比＝２＋２sin(θ)    θは角度２０６      式１
従って、球状対象物体２０が望む平均照射量（イオン数/ｃｍ2）を受領するには、適用照射量は電流集積器/プロセッサ２１８により、式１で与えられる面積比による望む照射量よりも大きく示されなければならない。これで球状対象物体で受領される平均照射量を望む照射量と等しくできるが、照射量は球状対象物体２０の表面で均等ではない。さらに均等な照射が望まれるなら、あるいは、対象物体に対するＧＣＩＢ入射角のさらに限定された範囲の達成が望まれるなら、図２に示すごときのさらに複雑で、球状対象物を２軸周囲に回転させるポジショニング機構が使用できる。
【００２３】
本発明を利用して人工股関節部品１０の表面平滑性を向上させることは可能である。コバルトクロム合金で成る股関節部品１０の表面はＧＣＩＢ処理の前にはグロス表面微小粗度を有していた。表面粗度は平均粗度（Ｒa）３．８６オングストロームと平方根平均粗度（ＲRMS）５．２８オングストロームを示した。これら凹凸は軟骨化が開始する細胞レベルでの表面微小凹凸問題を提起する。アルゴンＧＣＩＢ処理後のコバルト合金で成る股関節部品１０の表面は、補綴自体の物理特性或いは構造を変えることなく、表面微小凹凸が減少したことを示した。その後のＧＣＩＢ処理粗度は（Ｒa）２．２６オングストロームであり、ＲRMSは３．３４オングストロームを示した。コバルト合金表面を平滑化するための約２から約５０Ｋ電子ボルトのビームエネルギーを使用した効果的なアルゴンガスクラスタイオンビーム照射量は、典型的には約１×１０15イオン／ｃｍ2から１×１０17イオン／ｃｍ2であり、他の材料に対しては実験的に求めることができる。
【００２４】
場合によっては、従来式に製造され、磨かれた股関節部品は前例のものより粗いことが発見されている。図４は従来式に製造されて磨かれたＡＳＴＭ Ｆ１５３７によるコバルト-クロム-モリブデン（Ｃo-Ｃr-Ｍo）合金の股関節部品２０の表面のＡＦＭ画像である。この表面のＡＦＭ測定Ｒaは２１.１オングストロムである。この表面をアルゴンＧＣＩＢで処理すると、処理照射量を増加させても表面のＲaの充分な減少が提供されないことが発見された。図４のＧＣＩＢ処理前の表面のＡＦＭ画像は相当に粗く、多数の突起部分が存在する。この突起状はＡＦＭ画像のスケールでは“小”と“大”の２つの範囲に存在する。実験では小さな突起や他の広い範囲の粗さは不活性アルゴンガスクラスタのＧＣＩＢ処理で容易に除去された。突起部のサイズ分布は充分に明瞭であり、２種のサイズが異なる現象で発生すると考えられる。ＡＦＭ画像（図示せず）によっては“小”突起部は線状表面分布を有しており、何らかの残留物であるか従来式の機械式研磨処理によるものと考えられる。“小”突起部は時に線状であるが、“大”突起部はばらばらに配向し、数は一般的に少なく、形状は小板状である。
【００２５】
ＡＳＴＭ Ｆ１５３７Ｃo-Ｃr-Ｍo合金が熱処理され、鍛造処理されると、立方体コバルトは小板形状の六角緊密相となる。これで分散硬化材料が提供され、小板はマトリックスよりも固くなっている。従来式機械研磨は図４のＡＦＭ画像のごとくに軟質表面上にそれら硬質部を露出させるであろう。硬化した小板は不活性アルゴンＧＣＩＢ処理でさらにゆっくりとエッチングされ、“小”突起と広範囲粗部を除去する。反応性ガスのＧＣＩＢ処理では“大”小板状突起は除去できようが、表面にエッチングされた窪部を残す。反応性ＧＣＩＢ処理は主として“大”突起をエッチングし、マトリックスとは異なる相の金属の微小突起を除去する。続く不活性アルゴンＧＣＩＢ処理は窪部近辺に残る鋭利な凹凸部を除去する。
【００２６】
図５は図４と同じ開始サンプルから提供されるＡＳＴＭ Ｆ１５３７Ｃo-Ｃr-Ｍo合金の股関節部品２０の表面を表すＡＦＭ画像であるが、本発明の１実施例による２段階ＧＣＩＢ処理法で処理されたものである。最初のステップとして、その表面は５０％アルゴンと５０％酸素の反応性混合ガスで成る約３ｘ１０16のクラスタイオン/ｃｍ2の照射に曝される。次に表面は約３ｘ１０16クラスタイオン/ｃｍ2の不活性アルゴンガスクラスタに曝される。この表面の平均粗度ＲaはＡＦＭで測定して１５.２オングストロムである。これは図４の材料の２１.１Ｒaより相当に小さい。残りの凹凸は微小窪部の存在による。さらに、表面の特性は、突起を有したものから平滑面に変換される。表面の増加した平滑性は外科用インプラントでの磨耗を抑える。図５と図４の比較で、活性及び不活性ＧＣＩＢ処理を股関節に適用することで得られる大幅な表面改善が示されている。
【００２７】
本発明を種々な実施例を利用して解説したが、本発明は本発明の精神と範囲内の他の実施例においても有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明のガスクラスタイオンビーム処理システムの概略図である。
【図２】図２はガスクラスタイオンビーム処理システムの一部の分解図であり、対象物体ホルダーを示している。
【図３】図３は本発明のガスクラスタイオンビーム処理システムの別例の概略図である。
【図４】図４は従来研磨処理後であってＧＣＩＢ処理前のＣo-Ｃr-Ｍo合金人工股関節ボール体の表面を示す原子顕微鏡画像である。
【図５】図５は本発明方法に従ったＧＣＩＢ処理後の図４に示す股関節ボール体の表面を示す原子顕微鏡画像である。
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2004502514.tif 000001
【図２】
2004502514.tif 000002
【図３】
2004502514.tif 000003
【図４】
2004502514.tif 000004
【図５】
2004502514.tif 000005