(57)【要約】  本発明は、基体上にイオン置換されたリン酸カルシウムの表面コーティングを形成する方法、前記コーティング自体および前記コーティングの使用に関する。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
制御されたモフォロジーを有する、イオン置換されたリン酸カルシウムの表面コーティングを基体上に形成するための方法であって：
ａ．前記基体を提供すること；
ｂ．活性化した表面を作るために前記基体を前処理すること；
ｃ．カルシウムイオン、マグネシウムイオン、リン酸イオン並びにＳｒ２＋、Ｓｉ４＋、Ｆ−、Ｂａ２＋、Ｆｅ３およびＺｎ２＋から選択される１以上の置換イオンを含み、任意にナトリウムイオン、カリウムイオン、塩化物イオン、炭酸イオンおよび硫酸イオンから選択される１以上のイオンを更に含み、２．０から１０．０の範囲の初期ｐＨおよび２０℃から１００℃の温度を有する水溶液を提供すること；および
ｄ．前記水溶液中にて、前記コーティングが形成されるのに十分な期間、前記基体の少なくとも一部をインキュベートすること
を含む方法。
【請求項２】
制御されたモフォロジーを有する、イオン置換されたリン酸カルシウムの表面コーティングを基体上に形成するための前記方法が：
ａ．基体を提供すること；
ｂ．活性化した表面を作るために前記基体を前処理すること；
ｃ．カルシウムイオン、マグネシウムイオン、リン酸イオン並びにＳｒ２＋、Ｓｉ４＋、Ｆ−、Ｂａ２＋、Ｆｅ３およびＺｎ２＋から選択される１以上の置換イオンを含み、任意にナトリウムイオン、カリウムイオン、塩化物イオン、炭酸イオンおよび硫酸イオンから選択される１以上のイオンを更に含み、６．０から８．０の範囲の初期ｐＨおよび２０℃から１００℃の温度を有する水溶液を提供すること；
ｄ．前記第１水溶液中にて、第１コーティングが形成されるのに十分な期間、前記基体の少なくとも一部をインキュベートすること；
ｅ．カルシウムイオン、マグネシウムイオン、リン酸イオン並びにＳｒ２＋、Ｓｉ４＋、Ｆ−、Ｂａ２＋、Ｆｅ３およびＺｎ２＋から選択される１以上の置換イオンを含み、任意にナトリウムイオン、カリウムイオン、塩化物イオン、炭酸イオンおよび硫酸イオンから選択される１以上のイオンを更に含む第２水溶液であって、前記溶液は６．０から８．０の範囲の初期ｐＨおよび２０℃から１００℃の温度を有する第２水溶液を提供すること；および
ｆ．前記第２水溶液中にて、コーティングの第２層が形成されるのに十分な期間、前記基体の少なくとも一部をインキュベートすること
を含む請求項１に記載の方法。
【請求項３】
別のコーティングケミストリーおよびモフォロジーを任意に含む更なる層を作るために、工程ｃ）からｆ）が繰り返される請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記前処理はリン酸カルシウム層の形成を含む請求項１から３の何れか１項に記載の方法。
【請求項５】
前記前処理は、熱処理、加水分解、酸化、酸もしくは塩基処理、陽極酸化、ＵＶ照射、ＣＶＤ、ゾル−ゲルまたはＰＶＤを含む請求項１から４の何れか１項に記載の方法。
【請求項６】
前記前処理は、前記基体表面上に荷電した基の形成をもたらす請求項４に記載の方法。
【請求項７】
各々の溶液における浸漬時間は、最長で２週間、好ましくは１週間未満およびより好ましくは３日未満である請求項１から６の何れか１項に記載の方法。
【請求項８】
カルシウムイオンの濃度は、０．０１−２５×１０−３Ｍ、好ましくは０．５−２．５×１０−３Ｍの範囲であり；
マグネシウムイオンの濃度は、０．０１−１５×１０−３Ｍ、好ましくは０．２−１．５×１０−３Ｍの範囲であり；
ナトリウムイオンの濃度は、０．０１−１４２０×１０−３Ｍ、好ましくは１００−１５０×１０−３Ｍの範囲であり；
カリウムイオンの濃度は、０．０１−１４２０×１０−３Ｍ、好ましくは１．０−５．０×１０−３Ｍの範囲であり；
塩化物イオンの濃度は、０．０１−１０３０×１０−３Ｍ、好ましくは１００−１５０×１０−３Ｍの範囲であり；
リン酸イオンの濃度は、０．０１−１０×１０−３Ｍ、好ましくは１．０−１０×１０−３Ｍの範囲であり；
炭酸イオンの濃度は、０．０１−２７０×１０−３Ｍ、好ましくは１．０−５０×１０−３Ｍの範囲であり；
硫酸イオンの濃度は、０．０１−５×１０−３Ｍ、好ましくは０．１−１．０×１０−３Ｍの範囲である
請求項１から７の何れか１項に記載の方法。
【請求項９】
カルシウムと、マグネシウムと、ホスフェートと、ストロンチウム、ケイ素、フッ化物、バリウム、鉄および亜鉛の１以上と、任意にナトリウム、カリウム、塩化物、カーボネートおよびスルフェートの１以上とを含む、イオン置換されたリン酸カルシウム表面コーティング。
【請求項１０】
前記カルシウムの陽イオン性の置換は、最大で８０％であり、好ましくは２５−６０％である請求項９に記載の表面コーティング。
【請求項１１】
前記ホスフェートの陰イオン性の置換は、最大で３０％であり、好ましくは１０−２５％である請求項９または１０に記載の表面コーティング。
【請求項１２】
前記コーティングは、０−５％の、好ましくは１．５−３％のフッ化物、もしくは０−１０％の、好ましくは３−８％のストロンチウム、もしくは０−５％の、好ましくは０．５−２％のケイ素、またはこれらの組み合わせを含む請求項９から１１の何れか１項に記載の表面コーティング。
【請求項１３】
前記コーティングのモフォロジーは、シート、フレーク、球、多孔質構造、スパイクもしくはロッドまたはそれらの組み合わせの形状である請求項９から１２の何れか１項に記載の表面コーティング。
【請求項１４】
前記コーティングは複数の層を含む請求項９から１３の何れか１項に記載の表面コーティング。
【請求項１５】
前記コーティングは生体再吸収性である請求項９から１４の何れか１項に記載の表面コーティング。
【請求項１６】
請求項７から１３の何れか１項に記載のイオン置換されたリン酸カルシウムコーティングの薬剤および／またはイオン送達システムとしての使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基体上における、イオン置換されたリン酸カルシウムの表面コーティング、とりわけ結晶性表面コーティングの形成のための方法に関する。本発明はまた、この方法により製造されたイオン置換されたリン酸カルシウム表面コーティングに関する。
【背景技術】
【０００２】
骨におけるリン酸カルシウムは、微量のＣＯ３２−、Ｆ−、Ｃｌ−、Ｍｇ２＋、Ｓｒ２＋、Ｓｉ４＋、Ｚｎ２＋、Ｂａ２＋、Ｆｅ３＋等を含む多置換されたリン酸カルシウムである［１−３］。これらのイオンの置換は、骨形成において並びに材料の溶解度および界面化学といった通常の機能において重要な役割を有する。
【０００３】
炭酸イオン（ＣＯ３２−）は最も豊富な（２−８ｗｔ％）陰イオン置換であり、リン酸カルシウム構造のＰＯ４３−サイトおよびＯＨ−サイトの両方において部分的に置換している。若い骨の高い反応性は、古い骨と比較して炭酸イオンがより多く存在することと関連がある可能性がある。炭素置換リン酸カルシウム（ｃａｒｂｏｎａｔｅｄ  ｃａｌｃｉｕｍ  ｐｈｏｓｐｈａｔｅ）は、化学量論的なリン酸カルシウムと比較して、溶解度、インビトロにおけるコラーゲンの堆積およびインビボにおける再吸収の改善を示した。
【０００４】
フッ化物は、脊椎動物の体の骨および歯に存在する。ＯＨサイトのフッ化物による置換およびフッ化物置換されたヒドロキシアパタイトの形成は、ヒドロキシアパタイトバイオセラミクスの耐酸性および機械的性質を増強し［４］、より良い生物学的反応を誘導すること［５］が報告されている。フッ化物置換されたヒドロキシアパタイトは、耐酸性および機械的性質に優れているため、人工歯根上の有益なコーティングである。
【０００５】
ケイ素は、通常の骨および軟骨の成長および発達にとって不可欠であることが分かっている。その構造に微量なレベルのＳｉを含む合成ヒドロキシアパタイトは、化学量論的なヒドロキシアパタイトと比較して、生物学的性能の著しい増大を示す［６］。生物学的性能の改善は、Ｓｉが誘導した材料特性の変化に起因している可能性があり、また、骨および結合組織系の生理的プロセスにおけるＳｉの直接的効果のためである可能性がある。Ｓｉ置換は、材料の溶解度を増大し、より負に帯電した表面を生成し、およびより細かい微細構造を形成する結果、材料表面を生物学的に等価なヒドロキシアパタイトに形質転換させることで、生物学的活性を促進する。細胞外の培地へのＳｉ複合体の放出および材料表面におけるＳｉの存在は、骨および軟骨組織系の細胞における用量依存的な付加的な刺激効果を誘導する可能性がある［６］。
【０００６】
ストロンチウムは、化学的および物理的にカルシウムと密接に関係するため、カルシウムの自然な置換として容易にヒドロキシアパタイトに導入される。ストロンチウムは、骨形成を増加させ、骨吸収を減少させる効果を有し、通常の動物およびヒトにおいて、骨量の増加および骨の機械的性質の改善をもたらすことが証明されている。Ｓｒ置換されたヒドロキシアパタイトセラミックスは、純粋なヒドロキシアパタイトよりも優れた機械的性質を示し、インビトロ研究において骨芽細胞の増殖および分化を増強する［７］。
【０００７】
マグネシウムは、骨形成の初期段階の際に、骨および軟骨組織に高濃度に存在し、ヒドロキシアパタイトの核形成速度を加速させ、その結晶化プロセスを阻害することが見出されている。Ｌａｎｄｉらは、Ｍｇ置換されたヒドロキシアパタイトが、化学量論的なヒドロキシアパタイトと比較して、付着、増殖および代謝活性に関して細胞の挙動を改善することを確認している［８］。
【０００８】
亜鉛は骨における主要な微量元素であり、ヒト組織発生に主要な役割を果たすとことが分かっている。インビトロ実験により、亜鉛が骨吸収を阻害し、骨形成に刺激的効果があることが示された。亜鉛置換されたヒドロキシアパタイトは、場合によっては、同一の効果を示すことができる材料である。置換によって亜鉛をヒドロキシアパタイトおよびリン酸三カルシウム（ＴＣＰ）結晶格子中へと導入した場合、インビトロで破骨細胞を阻害し、インビボで骨成長を促進することが分かっている。
【０００９】
有益な結果にもかかわらず、イオン置換されたセラミックスおよびセメントの臨床応用は、機械的強度が低いために限定的である。イオン置換されたヒドロキシアパタイトによるインプラントのコーティングによって、例えば金属のより高い機械的強度を、イオン置換されたヒドロキシアパタイトの特性と組み合わせることができる。したがって、インプラント上のコーティングとしてのイオン置換されたヒドロキシアパタイトは、追求すべき興味の対象である。これまで生産されたそのようなコーティングは、プラズマ溶射［９］、ゾル−ゲル［１０］、マグネトロン共スパッタリング［１１］、パルス−レーザー堆積［１２］およびマイクロ−アーク酸化技術［１３］を使用して製造された。これらのコーティング技術は、いくつかの欠点を有する。例えば、そのコーティングは相対的に厚く脆く、さらに化学的欠陥を有する。それらは、必ずしも基体に十分に付着するとは限らない。さらに、そのようなコーティングは、多孔性の表面や、アンダーカットした表面のように複雑な形状を有する表面に対して均一且つ一様に施すことはできなかった。その上、これらのコーティングを生産するためには、高温処理が不可欠であり、このことは使用できる基体材料を制限する。これらの欠点のいくつかを克服するために、低温プロセスが適用されて、溶液から得る方法によりヒドロキシアパタイトセラミックコーティングが製造された。Ｂｕｎｋｅｒらは、塩化カルシウムを含む溶液における基体のインキュベートによって、リン酸八カルシウムコーティングを製造する技術を発見した［１４］。その他の例は、米国特許第６，９０５，７２３号［１５］および第６，５６９，４８９号［１６］に開示されており、それらによると、ヒドロキシアパタイトコーティングは、Ｃａ２＋、ＰＯ４３−、Ｓｒ、Ｎａ＋、Ｋ＋、ＨＣＯ３−、Ｃｌ−およびＭｇ２＋を含む溶液を使用して製造される。
【００１０】
生体内鉱質形成は、水性溶液における生体内鉱質形成の自然な自己形成プロセスである。人体において、全ての通常の最も病理学的な石灰化は、リン酸カルシウム化合物から成る。しかしながら、骨のヒドロキシアパタイト部分は、化学量論的なリン酸カルシウムではなく、生体内鉱質形成によって形成された、カルシウム欠陥を有した多置換型のヒドロキシアパタイトである。
【００１１】
米国特許第６，５６９，４８１号および国際公開第１９９７／０４１２７３号には、生体内鉱質形成プロセスによって、ヒドロキシアパタイト（ヒドロキシアパタイト）コーティングにより生物医学的インプラントをコートする方法が記載されている。得られるコーティングは、さらに任意にシリケートまたはスルフェートを含むことができる。これら文献の明細書は、ヒドロキシアパタイトコーティングを形成するために、イオン溶液をどのように作製し、どのような材料を使用してイオン溶液を作製するのかを記載しておらず、また、コーティング堆積を促進するためのインプラント表面の具体的な条件も記載していない。
【００１２】
米国特許出願公開第２００４／０２４１３１４号（ＵＳ’３１４）は、ストロンチウム置換されたアパタイトコーティングを有する生物活性インプラントを提供する方法を示している。この方法は、カルシウム含有化合物によってコーティングされていない表面を、ストロンチウム、カルシウムおよびリン酸イオン並びに液体キャリアーを含む組成物中でインキュベートすることを含む。この組成物は、生物学的薬剤、ナトリウム、マグネシウム、炭酸、水酸化、フッ化物イオンまたはこれらの混合物をさらに含んでいてもよい。
【発明の概要】
【００１３】
本発明は、制御されたモフォロジーにて、イオン置換されたリン酸カルシウムでインプラントをコーティングする方法に関する。
【００１４】
本発明の第１の側面は、
ａ．前記基体を提供すること；
ｂ．活性化した表面を作るために前記基体を前処理すること；
ｃ．カルシウムイオン、マグネシウムイオン、リン酸イオン並びにＳｒ２＋、Ｓｉ４＋、Ｆ−、Ｂａ２＋、Ｆｅ３およびＺｎ２＋から選択される１以上の置換イオンを含み、任意にナトリウムイオン、カリウムイオン、塩化物イオン、炭酸イオンおよび硫酸イオンから選択される１以上のイオンを更に含み、２．０から１０．０の範囲の初期ｐＨおよび２０℃から１００℃の温度を有する水溶液を提供すること；および
ｄ．前記水溶液中にて、前記コーティングが形成されるのに十分な期間、前記基体の少なくとも一部をインキュベートすること
を含む制御されたモフォロジーを有するイオン置換されたリン酸カルシウムの表面コーティングを基体上に形成するための方法である。
【００１５】
本発明の一実施形態において、制御されたモフォロジーを有するイオン置換されたリン酸カルシウムの表面コーティングを基体上に形成するための方法は、
ａ．基体を提供すること；
ｂ．活性化した表面を作るために前記基体を前処理すること；
ｃ．カルシウムイオン、マグネシウムイオン、リン酸イオン並びにＳｒ２＋、Ｓｉ４＋、Ｆ−、Ｂａ２＋、Ｆｅ３およびＺｎ２＋から選択される１以上の置換イオンを含み、任意にナトリウムイオン、カリウムイオン、塩化物イオン、炭酸イオンおよび硫酸イオンから選択される１以上のイオンを更に含み、６．０から８．０の範囲の初期ｐＨおよび２０℃から１００℃の温度を有する水溶液を提供すること；
ｄ．前記第１水溶液中にて、第１コーティングが形成されるのに十分な期間、前記基体の少なくとも一部をインキュベートすること；
ｅ．カルシウムイオン、マグネシウムイオン、リン酸イオン並びにＳｒ２＋、Ｓｉ４＋、Ｆ−、Ｂａ２＋、Ｆｅ３およびＺｎ２＋から選択される１以上の置換イオンを含み、任意にナトリウムイオン、カリウムイオン、塩化物イオン、炭酸イオンおよび硫酸イオンから選択される１以上のイオンを更に含む第２水溶液であって、前記溶液は６．０から８．０の範囲の初期ｐＨおよび２０℃から１００℃の温度を有する第２水溶液を提供すること；および
ｆ．前記第２水溶液中にて、コーティングの第２層が形成されるのに十分な期間、前記基体の少なくとも一部をインキュベートすること
を含む。
【００１６】
本発明の別の実施形態において、別のコーティングのケミストリーおよびモフォロジーを任意に含む更なる層を作るために、工程ｃ）からｆ）が繰り返される。
【００１７】
本発明の別の実施形態において、前記前処理はリン酸カルシウム層の形成を含む。
【００１８】
本発明の別の実施形態において、前記前処理は、熱処理、加水分解、酸化、酸もしくは塩基処理、陽極酸化、ＵＶ照射、ＣＶＤ、ゾル−ゲルまたはＰＶＤを含む。
【００１９】
本発明のさらに別の実施形態において、前記基体は前記表面上に荷電した基を有する。
【００２０】
本発明の別の実施形態において、前記荷電した基は、前記基体表面の前処理の結果である。
【００２１】
本発明の別の実施形態において、各々の溶液における浸漬時間は、最長で２週間、好ましくは１週間未満およびより好ましくは３日未満である。
【００２２】
本発明の別の実施形態において、
カルシウムイオンの濃度は、０．０１−２５×１０−３Ｍ、好ましくは０．５−２．５×１０−３Ｍの範囲であり；
マグネシウムイオンの濃度は、０．０１−１５×１０−３Ｍ、好ましくは０．２−１．５×１０−３Ｍの範囲であり；
ナトリウムイオンの濃度は、０．０１−１４２０×１０−３Ｍ、好ましくは１００−１５０×１０−３Ｍの範囲であり；
カリウムイオンの濃度は、０．０１−１４２０×１０−３Ｍ、好ましくは１．０−５．０×１０−３Ｍの範囲であり；
塩化物イオンの濃度は、０．０１−１０３０×１０−３Ｍ、好ましくは１００−１５０×１０−３Ｍの範囲であり；
リン酸イオンの濃度は、０．０１−１０×１０−３Ｍ、好ましくは１．０−１０×１０−３Ｍの範囲であり；
炭酸イオンの濃度は、０．０１−２７０×１０−３Ｍ、好ましくは１．０−５０×１０−３Ｍの範囲であり；
硫酸イオンの濃度は、０．０１−５×１０−３Ｍ、好ましくは０．１−１．０×１０−３Ｍの範囲である。
【００２３】
本発明の別の側面は、カルシウム、マグネシウム、ホスフェートと、ストロンチウム、ケイ素、フッ化物、バリウム、鉄および亜鉛の１以上と、任意にナトリウム、カリウム、塩化物、カーボネートおよびスルフェートの１以上とを含む、イオン置換されたコーティングである。
【００２４】
別の実施形態において、カルシウムの陽イオン性の置換は、最大で８０％であり、好ましくは２５−６０％である。
【００２５】
別の実施形態において、リン酸の陰イオン性の置換は、最大で３０％であり、好ましくは１０−２５％である。
【００２６】
一実施形態において、前記コーティングは、０−５％の、好ましくは１．５−３％のフッ化物、もしくは０−１０％の、好ましくは３−８％のストロンチウム、もしくは０−５％の、好ましくは０．５−２％のケイ素、またはこれらの組み合わせを含む。
【００２７】
別の実施形態において、前記コーティングのモフォロジーは、シート、フレーク、球、多孔質構造、スパイクもしくはロッドまたはそれらの組み合わせの形状である。
【００２８】
別の実施形態において、前記コーティングは複数の層を含む。
【００２９】
別の実施形態において、前記コーティングは生体再吸収性（ｂｉｏｒｅｓｏｒｂａｂｌｅ）である。
【００３０】
本発明の別の側面は、薬剤および／またはイオン送達システムとしての前記イオン置換されたリン酸カルシウムコーティングの使用である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１Ａ】０．０６ｍｍｏｌ／ｌおよび０．６ｍｍｏｌ／ｌのＳｒ ＰＢＳ溶液にて、それぞれ３７℃（Ａ）および６０℃（Ｂ）で１週間インキュベートした、熱処理したチタンプレートのＸＲＤパターン（＊：リン酸カルシウムの特異的ピーク）。
【図１Ｂ】０．０６ｍｍｏｌ／ｌおよび０．６ｍｍｏｌ／ｌのＳｒ ＰＢＳ溶液にて、それぞれ３７℃（Ａ）および６０℃（Ｂ）で１週間インキュベートした、熱処理したチタンプレートのＸＲＤパターン（＊：リン酸カルシウムの特異的ピーク）。
【図２Ａ】０．０６ｍｍｏｌ／ｌおよび０．６ｍｍｏｌ／ｌのＳｒ ＰＢＳ溶液にて、それぞれ３７℃（Ａ）および６０℃（Ｂ）で２週間インキュベートした、熱処理したチタンプレートのＸＲＤパターン（＊：リン酸カルシウムの特異的ピーク）。
【図２Ｂ】０．０６ｍｍｏｌ／ｌおよび０．６ｍｍｏｌ／ｌのＳｒ ＰＢＳ溶液にて、それぞれ３７℃（Ａ）および６０℃（Ｂ）で２週間インキュベートした、熱処理したチタンプレートのＸＲＤパターン（＊：リン酸カルシウムの特異的ピーク）。
【図３Ａ】熱処理したチタン表面のＳＥＭ像、拡大率（Ａ）３０００×、（Ｂ）１００００×。
【図３Ｂ】熱処理したチタン表面のＳＥＭ像、拡大率（Ａ）３０００×、（Ｂ）１００００×。
【図４Ａ】０．０６ｍＭのストロンチウムＰＢＳにて、３７℃で１週間インキュベートした後における、熱処理したチタン表面のＳＥＭ像、拡大率１００００×。
【図４Ｂ】０．０６ｍＭのストロンチウムＰＢＳにて、３７℃で１週間インキュベートした後における、熱処理したチタン表面のＳＥＭ像、拡大率１００００×。
【図５Ａ】０．０６ｍＭのストロンチウムＰＢＳにて、３７℃で２週間インキュベートした後における、熱処理したチタン表面のＳＥＭ像、拡大率１００００×。
【図５Ｂ】０．０６ｍＭのストロンチウムＰＢＳにて、３７℃で２週間インキュベートした後における、熱処理したチタン表面のＳＥＭ像、拡大率１００００×。
【図６Ａ】０．０６ｍＭのストロンチウムＰＢＳにて、６０℃で１週間インキュベートした後における、熱処理したチタン表面のＳＥＭ像、拡大率（Ａ）１０００×、（Ｂ）３００００×。
【図６Ｂ】０．０６ｍＭのストロンチウムＰＢＳにて、６０℃で１週間インキュベートした後における、熱処理したチタン表面のＳＥＭ像、拡大率（Ａ）１０００×、（Ｂ）３００００×。
【図７Ａ】０．０６ｍＭのストロンチウムＰＢＳにて、６０℃で２週間インキュベートした後における、熱処理したチタン表面のＳＥＭ像、拡大率（Ａ）１０００×、（Ｂ）３００００×。
【図７Ｂ】０．０６ｍＭのストロンチウムＰＢＳにて、６０℃で２週間インキュベートした後における、熱処理したチタン表面のＳＥＭ像、拡大率（Ａ）１０００×、（Ｂ）３００００×。
【図８Ａ】０．６ｍＭのストロンチウムＰＢＳにて、３７℃で１週間インキュベートした後における、熱処理したチタン表面のＳＥＭ像、拡大率（Ａ）１００００×、（Ｂ）４５０００×。
【図８Ｂ】０．６ｍＭのストロンチウムＰＢＳにて、３７℃で１週間インキュベートした後における、熱処理したチタン表面のＳＥＭ像、拡大率（Ａ）１００００×、（Ｂ）４５０００×。
【図９Ａ】０．６ｍＭのストロンチウムＰＢＳにて、６０℃で１週間インキュベートした後における、熱処理したチタン表面のＳＥＭ像、拡大率（Ａ）１００００×、（Ｂ）５００００×。
【図９Ｂ】０．６ｍＭのストロンチウムＰＢＳにて、６０℃で１週間インキュベートした後における、熱処理したチタン表面のＳＥＭ像、拡大率（Ａ）１００００×、（Ｂ）５００００×。
【図１０Ａ】０．０６ｍｍｏｌ／ｌおよび０．６ｍｍｏｌ／ｌのＳｒ ＰＢＳ溶液にて、それぞれ３７℃（Ａ）および６０℃（Ｂ）で１週間インキュベートした、ＰＶＤ処理したチタンプレートのＸＲＤパターン（＊：リン酸カルシウムの特異的ピーク）。
【図１０Ｂ】０．０６ｍｍｏｌ／ｌおよび０．６ｍｍｏｌ／ｌのＳｒ ＰＢＳ溶液にて、それぞれ３７℃（Ａ）および６０℃（Ｂ）で１週間インキュベートした、ＰＶＤ処理したチタンプレートのＸＲＤパターン（＊：リン酸カルシウムの特異的ピーク）。
【図１１Ａ】０．０６ｍｍｏｌ／ｌおよび０．６ｍｍｏｌ／ｌのＳｒ ＰＢＳ溶液にて、それぞれ３７℃（Ａ）および６０℃（Ｂ）で２週間インキュベートした、ＰＶＤ処理したチタンプレートのＸＲＤパターン  （＊：リン酸カルシウムの特異的ピーク）。
【図１１Ｂ】０．０６ｍｍｏｌ／ｌおよび０．６ｍｍｏｌ／ｌのＳｒ ＰＢＳ溶液にて、それぞれ３７℃（Ａ）および６０℃（Ｂ）で２週間インキュベートした、ＰＶＤ処理したチタンプレートのＸＲＤパターン  （＊：リン酸カルシウムの特異的ピーク）。
【図１２Ａ】ＰＶＤ処理したチタン表面のＳＥＭ像、拡大率（Ａ）１０００×、（Ｂ）３００００×。
【図１２Ｂ】ＰＶＤ処理したチタン表面のＳＥＭ像、拡大率（Ａ）１０００×、（Ｂ）３００００×。
【図１３Ａ】０．０６ｍＭのストロンチウムＰＢＳにて、６０℃で１週間インキュベートした後における、ＰＶＤ処理したチタン表面のＳＥＭ像、拡大率（Ａ）３０００×、（Ｂ）３００００×。
【図１３Ｂ】０．０６ｍＭのストロンチウムＰＢＳにて、６０℃で１週間インキュベートした後における、ＰＶＤ処理したチタン表面のＳＥＭ像、拡大率（Ａ）３０００×、（Ｂ）３００００×。
【図１４Ａ】０．６ｍＭのストロンチウムＰＢＳにて、６０℃で１週間インキュベートした後における、ＰＶＤ処理したチタン表面のＳＥＭ像、拡大率（Ａ）３０００×、（Ｂ）３００００×。
【図１４Ｂ】０．６ｍＭのストロンチウムＰＢＳにて、６０℃で１週間インキュベートした後における、ＰＶＤ処理したチタン表面のＳＥＭ像、拡大率（Ａ）３０００×、（Ｂ）３００００×。
【図１５Ａ】０．０６ｍＭのストロンチウムＰＢＳにて、６０℃で２週間インキュベートした後における、ＰＶＤ処理したチタン表面のＳＥＭ像、拡大率（Ａ）１０００×、（Ｂ）３００００×。
【図１５Ｂ】０．０６ｍＭのストロンチウムＰＢＳにて、６０℃で２週間インキュベートした後における、ＰＶＤ処理したチタン表面のＳＥＭ像、拡大率（Ａ）１０００×、（Ｂ）３００００×。
【図１６Ａ】０．６ｍＭのストロンチウムＰＢＳにて、６０℃で２週間インキュベートした後における、ＰＶＤ処理したチタン表面のＳＥＭ像、拡大率（Ａ）１０００×、（Ｂ）３００００×。
【図１６Ｂ】０．６ｍＭのストロンチウムＰＢＳにて、６０℃で２週間インキュベートした後における、ＰＶＤ処理したチタン表面のＳＥＭ像、拡大率（Ａ）１０００×、（Ｂ）３００００×。
【図１７】ケイ素ＰＢＳにてインキュベートした後における、ＰＶＤ処理したチタン表面のＳＥＭ像。
【図１８】ＳｉおよびＳｒ ＰＢＳにて３７℃で１週間インキュベートした後における、熱処理したチタン表面のＳＥＭ像。
【図１９】ＴＯＦ−ＳＩＭＳによる、生体内鉱質形成された表面におけるＳｉおよびＳｒイオンシグナルを示す図。
【図２０Ａ】熱処理したチタン表面におけるフッ素リン灰石の成長のＳＥＭ像。熱処理したチタン表面（Ａ）。０．２ｍＭのＦ−を含むリン酸緩衝液に、６０℃で、１２時間（Ｂ）、１日（Ｃ）、１週間（Ｄ）浸したＴｉプレート。
【図２０Ｂ】熱処理したチタン表面におけるフッ素リン灰石の成長のＳＥＭ像。熱処理したチタン表面（Ａ）。０．２ｍＭのＦ−を含むリン酸緩衝液に、６０℃で、１２時間（Ｂ）、１日（Ｃ）、１週間（Ｄ）浸したＴｉプレート。
【図２０Ｃ】熱処理したチタン表面におけるフッ素リン灰石の成長のＳＥＭ像。熱処理したチタン表面（Ａ）。０．２ｍＭのＦ−を含むリン酸緩衝液に、６０℃で、１２時間（Ｂ）、１日（Ｃ）、１週間（Ｄ）浸したＴｉプレート。
【図２０Ｄ】熱処理したチタン表面におけるフッ素リン灰石の成長のＳＥＭ像。熱処理したチタン表面（Ａ）。０．２ｍＭのＦ−を含むリン酸緩衝液に、６０℃で、１２時間（Ｂ）、１日（Ｃ）、１週間（Ｄ）浸したＴｉプレート。
【図２１Ａ】ストロンチウムイオン置換されたリン酸カルシウムコーティングからのイオン放出曲線。
【図２１Ｂ】ストロンチウムイオン置換されたリン酸カルシウムコーティングからのイオン放出曲線。
【図２１Ｃ】ストロンチウムイオン置換されたリン酸カルシウムコーティングからのイオン放出曲線。
【図２２Ａ】ケイ素イオン置換されたリン酸カルシウムコーティングからのイオン放出曲線。
【図２２Ｂ】ケイ素イオン置換されたリン酸カルシウムコーティングからのイオン放出曲線。
【図２２Ｃ】ケイ素イオン置換されたリン酸カルシウムコーティングからのイオン放出曲線。
【図２３Ａ】フッ化物イオン置換されたリン酸カルシウムコーティングからのイオン放出曲線。
【図２３Ｂ】フッ化物イオン置換されたリン酸カルシウムコーティングからのイオン放出曲線。
【図２３Ｃ】フッ化物イオン置換されたリン酸カルシウムコーティングからのイオン放出曲線。
【図２４】０．６ｍＭのＳｒイオンを含むＰＢＳに、（Ａ）１２時間、第１層（薄く、高密度）；（Ｂ）２週間、第２層（多孔性）浸漬した後のＴｉＯ２／Ｔｉ基体の表面モフォロジーを示すＳＥＭ。
【図２５】０．６および０．０６ｍｍｏｌ／ｌのＳｒ−ＰＢＳ溶液に、３７℃および６０℃で、それぞれ１週間および２週間浸漬した、酸化された基体のＸＲＤパターン（Ａ：アパタイト、Ｔ：チタン）。
【図２６】チタンプレート上におけるストロンチウム置換されたアパタイト／二酸化チタンコーティングについてのＸＰＳスペクトル（熱的な酸化、０．６ｍＭのＳｒを含むＰＢＳ、６０℃で１週間）。
【発明の詳細な説明】
【００３２】
本出願において、用語「生体内鉱質形成」は、自己形成による鉱質物質の形成を意味する。本出願において、生体内鉱質形成は、必ずしも生きた生物に関与する必要な無く、インビトロおよびインビボの両方において行うことができる。
【００３３】
本出願において、用語「リン酸カルシウム」は、カルシウムおよびリン酸を含む鉱質物質を意味し、ヒドロキシアパタイトもしくはブルッシャイトもしくはモネタイトもしくはアモルファスのリン酸カルシウムコーティングまたはそれらの組み合わせを含む。
【００３４】
本出願において、「イオン置換」という表現は、物質内のイオンが、同一の（すなわち正または負の）電荷を有した他のイオンと交換されるプロセスを意味する。
【００３５】
本発明は、生体内鉱質形成された層は、宿主組織に対するインプラントの固着および骨の再生に有益な効果があるだろうという理解に基づく。イオン置換されたリン酸カルシウムコーティングは生体内鉱質形成プロセスによって得られる骨の天然のミネラルと高い類似性を有するため、イオン置換と組み合わせられた生体内鉱質形成は利点がある。その上、生体内鉱質形成プロセスは本発明による水溶液にて生じるため、それは任意の開放的な表面に適用可能であり、インプラントの任意の複雑な形状による制限を受けない。また、本発明に係る方法は低温技術であり、エネルギー効率的であり、温度に敏感な基体材料に適用できる。本発明は、とりわけ、コーティングケミストリーと、本発明に記載される方法および材料を適用することにより得られるモフォロジーとの組み合わせに関する。
【００３６】
上述のＵＳ’３１４と異なり、本発明は、コーティングのモフォロジーを制御するための戦略を提供する。モフォロジーは、以下で議論されるように、インビボでの組織応答の際に重要な因子であり、モフォロジーの制御は、薬剤および／またはイオン送達システムとしてのコーティングの使用を促進する。本発明は、ＵＳ’３１４と異なり、イオン置換との組み合わせにおいて前処理工程を開示する。これは新しい技術であり、制御されたモフォロジーのコーティングのための方法を提供する。
【００３７】
前処理の目的は、表面を活性化すること、すなわち、リン酸カルシウムコーティングに最適な成長条件を達成することである。好ましくは、表面は、インキュベート溶液において負の表面電荷を有するべきである。Ｔｉインプラントに関して、小さな粒子サイズを有する結晶性二酸化チタンコーティングを形成することを主な目的として、例えば、これは、熱処理、加水分解、陽極酸化、酸もしくは塩基処理、ＵＶ放射、またはＣＶＤ、ゾル−ゲル堆積またはＰＶＤを含む（例えば、国際公開公報第２００５／０５５８６０号、米国特許第６，１８３，２５５号、J Biomed Mater Res 82A: 965-974 (2007), Applied Surface Science Vol 255 Issue 17 (2009) Pages 7723-772参照）。同じまたは同様の処理をその他の基体材料に適用することができ、前処理は１を超える処理を含むことができる。−ＯＨ、−ＣＯＯＨ、−ＮＨ２のような基を任意に含む水溶液における表面の前処理は、先行技術に記載されるように行われる。本発明の前処理は、より速いコーティングプロセスを生じさせ、より均一な（例えば厚さ）コーティングをもたらす。任意の理論に結び付けられることなく、前処理は、コーティングが開始される核形成点を作ると考えられる。前処理されていない表面は、基体表面上の局所的変化に対して、より依存的である可能性があり、そのような変化は操作の結果でありうる。
【００３８】
さらに、前処理はリン酸カルシウム層を形成することを含んでよい。この層は、当業者に既知の任意の技術に従って形成することができる。例えば、リン酸カルシウム層は、２−１０のｐＨおよび２０−１００℃の温度で、カルシウムイオン、マグネシウムイオンおよびリン酸イオンのみを含む溶液にて基体をインキュベートすることにより形成してよい。前記リン酸カルシウム層は、好ましくは、電荷を含む表面にて形成される。
【００３９】
この発明は、Ｆ−、Ｓｒ２＋、Ｓｉ４＋、Ｚｎ２＋、Ｂａ２＋、Ｆｅ３＋、Ｍｇ２＋、Ｃｌ−およびＣＯ３２−といった置換イオンを使用して、イオン置換されたリン酸カルシウムをインプラント上に製造する新規の技術を提供する。当業者であれば、どのような置換イオンを使用できるかがわかる。本発明によれば、モフォロジーは、イオン置換工程において使用されるイオンまたは複数のイオンに依存する。例えば、Ｆ−イオンで置換する場合、モフォロジーは、スパイクまたはロッドを有すると評することができ（図２０）、一方、ケイ素は、シートまたはフレークと評することができるモフォロジーを生成し（図１７）、ストロンチウムは球状の粒子および孔を有する構造をもたらす（例えば、図１４および１５参照）。さらに、種々のイオンは、コーティングのための種々の溶解度係数をもたらす。例えばフッ化物置換は溶解度係数の低下をもたらし、一方、ストロンチウムまたはケイ素の添加は、ヒドロキシアパタイトと比較して溶解度係数を増大させることが以前に示された。
【００４０】
孔サイズは、また、置換するイオン、温度および浸漬時間を変えることにより制御できる。
【００４１】
この新規の技術は、改変された擬似的な体液並びにリン酸カルシウムコーティングにおける陽イオン性および陰イオン性の置換イオンを含むリン酸緩衝液溶液を使用した生体内鉱質形成プロセスに基づく。陽イオン性の置換イオンは、Ｓｒ２＋、Ｓｉ４＋、Ｚｎ２＋、Ｂａ２＋、Ｆｅ３＋またはＭｇ２＋であり；陰イオン性の置換イオンはＦ−またはＣＯ３２−である。イオン置換のための供給源は、置換されるイオンを含む可溶性塩およびわずかに可溶性の塩、例えばＳｒＣｌ２、ＳｒＣＯ３、Ｓｒ（ＮＯ３）２、Ｎａ２ＳｉＯ３、ケイ酸カルシウム（ＣａＯＳｉＯ２、ＣａＯ（ＳｉＯ２）２、ＣａＯ（ＳｉＯ２）３、ＺｎＣｌ２、ＺｎＳＯ４、ＢａＣｌ２、ＦｅＣｌ３、Ｆｅ（ＮＯ３）３、ＮａＣＯ３、ＮａＦ、Ｎａ２ＦＰＯ４とすることができる。
【００４２】
生体内鉱質形成方法によるイオン置換されたリン酸カルシウムコーティングの形成は、例えば、生物活性インプラント標本を、改変された擬似体液（ＳＢＦ）および／または種々の陽イオンおよび／または陰イオンを含むリン酸緩衝液溶液（ＰＢＳ）（表１）といった鉱質形成溶液中でインキュベートすることを含む。鉱質形成溶液は、人体に存在する主要な無機イオン、すなわちＮａ＋、Ｋ＋、Ｃａ２＋、ＨＣＯ３−、ＨＰＯ４２−、ＳＯ４２＋を含んでよい。
【表１】
2012525201.tif 000002
【００４３】
上述のように、本発明は、制御されたモフォロジーを有するイオン置換されたリン酸カルシウムの表面コーティングを基体上に形成するための方法であって：
ａ）前記基体を提供すること；
ｂ）活性化した表面を作るために前記基体を前処理すること；
ｃ）カルシウムイオン、マグネシウムイオン、リン酸イオン並びにＳｒ２＋、Ｓｉ４＋、Ｆ−、Ｂａ２＋、Ｆｅ３およびＺｎ２＋から選択される１以上の置換イオンを含み、任意にナトリウムイオン、カリウムイオン、塩化物イオン、炭酸イオンおよび硫酸イオンから選択される１以上のイオンを更に含み、２．０から１０．０の範囲の初期ｐＨおよび２０℃から１００℃の温度を有する水溶液を提供すること；および
ｄ）前記基体の少なくとも一部を前記水溶液中で前記コーティングが形成されるのに十分な期間インキュベートすること
を含む方法を提供する。
【００４４】
生体内鉱質形成プロセスは、複数の工程に分離することができ、各々工程は、種々のイオンおよびイオン濃度の溶液を含んでよい。手順は、例えば１−７日間、好ましくは１−３日間の鉱質形成溶液における基体のインキュベートおよび例えば１−７日間、好ましくは１−３日間、置換イオンを含む水溶液にそれを移すことを含む。この手順は、新規のコーティングにおける厚さおよび／またはイオン含有量が狙った値に達するまで繰り返される。
【００４５】
上述のように、本発明は、また、制御されたモフォロジーを有したイオン置換されたリン酸カルシウムのコーティングを基体上に形成するために；
ａ）基体を提供すること；
ｂ）活性化した表面を作るために前記基体を前処理すること；
ｃ）カルシウムイオン、マグネシウムイオン、リン酸イオン並びにＳｒ２＋、Ｓｉ４＋、Ｆ−、Ｂａ２＋、Ｆｅ３およびＺｎ２＋から選択される１以上の置換イオンを含み、任意にナトリウムイオン、カリウムイオン、塩化物イオン、炭酸イオンおよび硫酸イオンから選択される１以上のイオンを更に含み、６．０から８．０の範囲の初期ｐＨおよび２０℃から１００℃の温度を有する水溶液を提供すること；
ｄ）前記基体の少なくとも一部を前記第１水溶液中で第１コーティングが形成されるのに十分な期間インキュベートすること；
ｅ）カルシウムイオン、マグネシウムイオン、リン酸イオン並びにＳｒ２＋、Ｓｉ４＋、Ｆ−、Ｂａ２＋、Ｆｅ３およびＺｎ２＋から選択される１以上の置換イオンを含み、任意にナトリウムイオン、カリウムイオン、塩化物イオン、炭酸イオンおよび硫酸イオンから選択される１以上のイオンを更に含む第２水溶液であって、６．０から８．０の範囲の初期ｐＨおよび２０℃から１００℃の温度を有する第２水溶液を提供すること；および
ｆ）前記基体の少なくとも一部を前記第２水溶液中でコーティングの第２層が形成されるのに十分な期間インキュベートすること
を含む複数の工程において行ってよい。
【００４６】
任意に、工程ｃ）からｆ）は、別のコーティングのケミストリーおよびモフォロジーを含む更なる層を作るために任意の回数繰り返すことができる。
【００４７】
本発明によって表面にコーティングを形成する場合の好ましい戦略は、インキュベーティングに先立ち表面を活性化することである。その活性化は、荷電基、負の基または正の基を作ることを含みうる。好ましくは、表面は、約４０℃以下で浸漬される場合、負に帯電し、より高い温度では正に帯電すべきである。この活性化は、表面のイオンの誘引を高め、均一なコーティングをもたらす。
【００４８】
工程ｂ）に先立ち、例えば金属インプラント上における結晶性二酸化チタンコーティングの形成といったコーティングの成長および付着に最適な表面を達成するために、基体の表面を基体材料に最も適した様式で洗浄してよい。さらに、工程ｃ）およびｆ）のそれぞれの後に、表面に対して、例えば脱イオン水またはその他の任意の適した溶媒を用いて、洗浄およびその後のすすぎを行い、または単にすすぎを行い、乾燥してよい。
【００４９】
上述のように、
カルシウムイオンの濃度は、０．０１−２５×１０−３Ｍ、好ましくは０．５−２．５×１０−３Ｍの範囲であり；
マグネシウムイオンの濃度は、０．０１−１５×１０−３Ｍ、好ましくは０．２−１．５×１０−３Ｍの範囲であり；
ナトリウムイオンの濃度は、０．０１−１４２０×１０−３Ｍ、好ましくは１００−１５０×１０−３Ｍの範囲であり；
カリウムイオンの濃度は、０．０１−１４２０×１０−３Ｍ、好ましくは１．０−５．０×１０−３Ｍの範囲であり；
塩化物イオンの濃度は、０．０１−１０３０×１０−３Ｍ、好ましくは１００−１５０×１０−３Ｍの範囲であり；
リン酸イオンの濃度は、０．０１−１０×１０−３Ｍ、好ましくは１．０−１０×１０−３Ｍの範囲であり；
炭酸イオンの濃度は、０．０１−２７０×１０−３Ｍ、好ましくは１．０−５０×１０−３Ｍの範囲であり；
硫酸イオンの濃度は、０．０１−５×１０−３Ｍ、好ましくは０．１−１．０×１０−３Ｍの範囲である。
【００５０】
置換する陽イオン、すなわちＳｒ２＋、Ｓｉ４＋、Ｚｎ２＋、Ｂａ２＋、Ｆｅ３の濃度は０．０１−０．１×１０−３Ｍの範囲であり、置換する陰イオン、すなわちＦ−の濃度は１−１００×１０−３Ｍの範囲である。
【００５１】
置換溶液中の陽イオンおよび／または陰イオンの量は、求められる置換量に応じて最適化してよい。カルシウムの陽イオン性置換は８０％以内とすることができ、リン酸および水酸化物の陰イオン性置換は３０％以内とすることができる。
【００５２】
本発明に係る方法は、チタン、チタン合金、その他の金属および合金、バイオセラミクス、生体活性ガラスおよびポリマーを含む様々な基体に適用できる。
【００５３】
本発明に係る方法は、好ましくは、優れた臨床的な機能を得るために、増強され且つ永続的な骨の治癒が望ましい、インプラントを固定する骨に適用することができる。そのような適用の例は、歯科インプラント、頭蓋顔面のインプラントまたは整形外科インプラントである。
【００５４】
本発明によって製造されるイオン置換されたリン酸カルシウムコーティングの厚さは、浸漬時間、温度およびプロセス溶液のイオン濃度によって、１０ｎｍから１００μｍの範囲に制御することができる。浸漬時間、温度およびイオン濃度の増加は、コーティングの厚さの増大をもたらすだろう。コーティングの厚さが厚すぎる場合、コーティングの機械的特性は減少し、コーティングはより脆くなる。それゆえ、浸漬時間は、適切な厚さおよび機械的特性を得るために最適化すべきである。機械的強度および固着性に関して、コーティングの好ましい厚さは１０μｍ未満であり、より好ましくは５μｍ未満である。
【００５５】
本発明に係る方法は、２０℃から１００℃、好ましくは３７℃から６０℃の温度で行われる。浸漬時間、すなわち基体が生体内鉱質形成およびイオン置換溶液中に存在する時間は、１日から２週間、好ましくは１日から７日およびより好ましくは１から３日である。
【００５６】
本発明に係る方法は、多孔性材料およびアンダーカットといった複雑な形状を有する表面をコーティングするのに適している。本発明は、基体表面の形状に依存せず、コーティングの均一な厚さを促進する。
【００５７】
本発明に係る方法は、単一イオンの置換されたリン酸カルシウムコーティングの製造に適用できるだけでなく、２つ、３つおよび４つのイオンで置換されたリン酸カルシウムコーティングにも適用できる。さらに、本方法は、様々なイオン置換および／または厚さによるコーティングによって、インプラントの一部のみのコーティング並びにインプラントの異なる部分のコーティングを可能とする。このことは、インプラントの様々な部分が種々の組織に接する場合があるため、インプラントの特性を調整することを可能とする。したがって、コーティングの種々の部分の化学的、形態的および機械的性質を、インプラントの機能を最適化するために適応させることができる。
【００５８】
本発明は、さらに、本発明に係る方法によって製造され、カルシウムと、マグネシウムと、ホスフェートと、ストロンチウム、ケイ素、フッ化物、バリウム、鉄および亜鉛の１以上と、任意にナトリウム、カリウム、塩化物、カーボネートおよび／またはスルフェーオを含む、結晶性のイオン置換されたリン酸カルシウム表面コーティングを提供する。好ましくは、コーティングは、さらに、０−５％、好ましくは１．５−３％のフッ化物、または０−１０％、好ましくは３−８％のストロンチウム、または０−５％、好ましくは０．５−２％のケイ素、またはそれらの組み合わせを含む。
【００５９】
本発明は、さらに、以下によって決定される特異的な特性を有する結晶性のイオン置換されたリン酸カルシウム表面コーティングを提供する：
ａ）Ｘ線回折（ＸＲＤ）；
ｂ）走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）；
ｃ）Ｘ線電子分光法（ＸＰＳ）；および／または
ｄ）飛行時間型二次イオン質量分析法（ＴｏＦ−ＳＩＭＳ）。
【００６０】
［応用］
本発明で生産できる幅広い表面コーティングに基づいて、いくつかの応用を意図することができる。
【００６１】
＜インプラントのための機械的エンハンサーとして＞
有益な生物学的効果を有する生物活性コーティングの使用は、生物医学的インプラントへの適用に適している。これは、前記コーティングが組織へのインプラントの結合を向上させる一時的および永続的な材料を含む。特定の場合としては、迅速で永続的なインプラント周辺の骨の治癒および迅速なインプラントの固着、例えば歯のインプラント、頭蓋顔面のインプラントおよび整形外科のインプラントといった臨床的要求である。後者の例は、脊柱インプラントによる適用、関節形成、骨接合術の適用および定着装置、軟骨および軟骨下骨の欠陥、骨空隙充填剤、並びにインプラントが、骨の部分を固定し、骨を増大し、欠陥を補しおよび機能的負荷の適用を可能にすべきその他の状況を含む。疾病（例えば骨粗鬆症、糖尿病）、外傷、老化および治療（例えば放射線療法）の後の後遺症のために、いくつかの方法において損なわれる骨組織におけるインプラントは特に関心がある。
【００６２】
さらに、可能性が高い状況とは、最適なインプラント表面が小さいため、成功したインプラント治療の予後がより小さい場合である。患者の解剖が、成功した予後の低下をもたらすような、例えば、初期のインプラント安定性を提供することができる少量の骨に領域をもたらすような状況にもおいても、本発明の使用は利益があるだろう。
【００６３】
本発明によって提供される、インプラントの一部のコーティングまたはインプラントの種々の部分における様々なタイプのコーティングの生産の可能性は、特異的なタイプの組織に関しておよび各々の患者のために最適な生物学的性能のために、インプラントの表面特性を目的に合わせて作製する可能性を開く。皮膚または粘膜に浸透する骨固着インプラントについて、本発明は、もっぱら、骨に接しているインプラントの部分へのコーティングを適用するために使用することができる。インプラントの種々の部分における種々のコーティングの使用は、インプラントの種々の部分が接している骨組織のタイプに応じて最適な応答を提供できるコーティングを製造するために使用することもできる。皮質骨および骨髄の両方と接触する骨固着インプラントについて、インプラントの種々の部分を、これらのタイプの組織におけるパフォーマンスを最適化するよう設計された種々のコーティングで、提供することができる。
【００６４】
＜薬剤およびイオンの運搬システムとして＞
コーティングの制御可能なモフォロジーにより、コーティング自体もまた、制御可能な様式における薬剤およびイオンの両方の送達のための沈着物として機能しうる。
【００６５】
イオン置換されたコーティングは、インビボに置かれた場合、周囲の組織に必要なイオンを提供することができる。したがって、コーティング機能は、骨形成のために必須なイオンの蓄積が好ましく、これは、骨形成の特異的な制御に適し得る。これらのイオンは、Ｃａ、Ｆ、Ｚｎ、ホスフェート、塩素、スルフェート、Ｂａ、Ｆｅ、Ｋ、Ｍｇ、Ｎａ、カーボネート、ストロンチウムまたはシリコンでありえる。前記イオンの提供は骨再生を増強し、骨を強化してよく、骨の化学的安定性を制御し、およびおそらく、周囲の骨に対してよりよく固着するインプラントを提供し得る。
【００６６】
さらに、例えば多孔性の構造には、薬剤を充填できる。その後、これらの薬剤は、モフォロジーに依存して連続的または不連続的に拡散するだろう。リン酸カルシウムコーティングは、さらに、生体再吸収性でありえ、したがって、薬剤の持続的且つ制御可能な放出を可能にするだろう。薬剤の例は、ビスホスホネート、スタチン、抗生物質、炎症抑制剤、骨成長タンパク質およびそれらの組み合わせを含む。コーティングは、予め充填されていてよく、または手術室において、インプラント留置の時に充填されてよい。
【００６７】
コーティングの多層構造は、薬剤／イオン放出システムの調整を可能にする。様々な層は、モフォロジー、密度、厚さ、ケミストリーおよび当然イオン／薬剤含量において異なってよい。
【実施例】
【００６８】
例１
熱処理したチタン表面に対するストロンチウム置換されたリン酸カルシウムコーティングの堆積
１０ｍｍ×１０ｍｍのチタンプレートを熱処理（８００℃で２時間）し、二酸化チタン表面を得た。処理したプレートを、まずアセトン中で、続いてエタノール中で超音波により洗浄し、最後に脱イオン水ですすぎ、３７℃で乾燥させた。２種の鉱質形成溶液を改変リン酸緩衝食塩水（ＰＢＳ）（表２参照）から得た。低濃度のＳｒ ＰＢＳは０．０６ｍｍｏｌ／ｌとした。高濃度のものは０．６ｍｍｏｌ／ｌとした。低濃度のものの初期ｐＨは、３７℃および６０℃において、それぞれ７．２０および７．２１とした。高濃度のものの初期ｐＨは、３７℃および６０℃において、それぞれ７．１９および７．１５とした。２つの試料ごとに、密封したプラスチックボトルに入った４０ｍｌの予熱した溶液に浸漬し、その後、それぞれ３７℃および６０℃のオーブンに入れた。プレートは、１週間から２週間の間の種々の時間、インキュベートした。その後、全ての試料を脱イオン水ですすぎ、風乾した。試料は、その後、薄膜Ｘ線回折法（ＴＦ−ＸＲＤ）、電界放出走査型電子顕微鏡（ＦＥＳＥＭ）、Ｘ線電子分光法（ＸＰＳ）スペクトルおよび飛行時間型二次イオン質量分析法（ＴｏＦ−ＳＩＭＳ）を使用して分析した。
【表２】
2012525201.tif 000003
【００６９】
結果を図１−９に示す。鉱質形成溶液に１および２週間浸漬された後、生体内鉱質形成されたストロンチウム置換されたリン酸カルシウムのコーティングは２層で形成された。下層は、薄く、高密度なコーティングであり、上層は、ゆるく、多孔性のコーティングであった（図８および９）。
【００７０】
例２
ＰＶＤ処理したチタン表面に対するストロンチウム置換されたリン酸カルシウムコーティングの堆積
コーティングプロセスは例１と同様に行ったが、基体はＰＶＤ処理したチタンプレートとした。
【００７１】
ＰＶＤ処理は次の通りに行った：
チタンプレートをＰＶＤチャンバー（Ｂａｌｔｚｅｒ  ６４０Ｒ）に入れた。コーティングステップ中のマグネトロン効果および酸素分圧は、それぞれ１．５ｋＷおよび１．５×１０−３０ｍｂａｒとした。装置の構成は、ＴｉＯ２膜におけるルーティル型構造の形成が最大となるように最適化した。
【００７２】
結果を図１０−１６に示す。
【００７３】
例３
ＰＶＤ処理したチタン表面に対するケイ素置換されたリン酸カルシウムコーティングの堆積
１０ｍｍ×１０ｍｍのチタンプレートに例２に記載されるようにＰＶＤ処理を行い、二酸化チタン表面を得た。処理したプレートを、まずアセトン中で、続いてエタノール中で超音波により洗浄し、最後に脱イオン水ですすぎ、３７℃で乾燥させた。ケイ酸塩を含む鉱質形成溶液を改変リン酸緩衝食塩水（ＰＢＳ）から得た。改変ＰＢＳは次のように作製した：
（１）３ｍｇのケイ酸三カルシウムを４０ｍｌのＰＢＳ溶液に添加し、一晩撹拌した。
【００７４】
（２）次に、混濁した溶液を遠心分離し、上清溶液を鉱質形成培地として使用した。
【００７５】
（３）溶液のｐＨ値および組成は、それぞれｐＨメーターおよびＩＣＰ−ＡＥＳにて分析した。
【００７６】
２つの試料ごとに、密封したプラスチックボトルに入った４０ｍｌの予熱した溶液に浸漬し、次に、６０℃のオーブンに１週間入れた。その後、全ての試料を脱イオン水ですすぎ、３７℃で乾燥させた。試料は、その後、薄膜Ｘ線回折法（ＴＦ−ＸＲＤ）、電界放出走査型電子顕微鏡（ＦＥＳＥＭ）、Ｘ線電子分光法（ＸＰＳ）スペクトルおよび飛行時間型二次イオン質量分析法（ＴｏＦ−ＳＩＭＳ）を使用して分析した。
【００７７】
結果を図１７に示す。
【００７８】
例４
イオン置換されたリン酸カルシウムコーティングの製造
その他の好ましいイオン（Ｍｇ２＋、Ｚｎ２＋、Ｂａ２＋、Ｆｅ３＋、ＣＯ３２−、Ｆ−、Ｃｌ−等）により置換されたリン酸カルシウムコーティングを、例１−３と同様のプロセスによって得ることが出来る方法により製造した。種々のイオンを含む溶液は、改変ＳＢＦおよびＰＢＳに可溶性の塩を溶解することにより作製できる。
【００７９】
これらのイオン置換されたリン酸カルシウムコーティングは、生理活性セラミクス（ヒドロキシアパタイト、リン酸三カルシウム（ＴＣＰ）、ケイ酸カルシウム、ジルコニア）、生理活性ガラス（４５Ｓ５  ｂｉｏｇｌａｓｓ（登録商標）、ＡＷ  ｇｌａｓｓ−ｃｅｒａｍｉｃｓ、ｂｉｏａｃｔｉｖｅ  ５８Ｓ  ｇｌａｓｓ）、金属（チタン、チタン合金、ステンレススチール、ＣｏＣｒＭｏ合金）、炭素およびポリマー（コラーゲン、グルテン、ＰＬＧＡ、ＰＧＡ）といった基体上に製造する。
【００８０】
例５
ＳｉおよびＳｒの共置換されたリン酸カルシウムコーティングの製造
基体の処理プロセスは、例１に記載されるように行った。
【００８１】
ケイ酸塩およびストロンチウムを含む溶液は改変リン酸緩衝食塩水（ＰＢＳ）から得た。この例において、ケイ酸塩の供給源は、ケイ酸ナトリウム溶液とし、ストロンチウムの供給源は硝酸ストロンチウムとした。Ｓｉイオン濃度は０．０７５−０．１５ｍＭに調整し、Ｓｒイオン濃度は０．０６−０．６ｍＭに調整した。
【００８２】
試料を、密封したプラスチックボトルに入った４０ｍｌの予熱した溶液に浸漬し、その後、３７℃のオーブンに１週間入れた。インキュベーションの後、全ての試料を脱イオン水ですすぎ、３７℃で乾燥させた。試料は、その後、薄膜Ｘ線回折法（ＴＦ−ＸＲＤ）、電界放出走査型電子顕微鏡（ＦＥＳＥＭ）、Ｘ線電子分光法（ＸＰＳ）スペクトルおよび飛行時間型二次イオン質量分析法（ＴｏＦ−ＳＩＭＳ）を使用して分析した。
【００８３】
結果を図１８−１９に示す。分析により、共置換されたアパタイトコーティングが基体上に形成されたことが示された（ＳＥＭ画像を参照）。ＴＯＦ−ＳＩＭＳの結果は、表面にＳｉおよびＳｒイオンのシグナルが存在したことを示す。ΣＣａ／ΣＳｒは約０．８３であり、ΣＳｉＯｘ／ΣＰＯｘは約０．０８であった。これらの結果は、ＳｉおよびＳｒ共置換されたアパタイトコーティングが熱処理されたＴｉ基体上に形成されたことを示す。
【００８４】
例６
骨の鉱物質は多置換型リン酸カルシウムである。これらのイオン置換の１つであるストロンチウムは、骨の強度を増大させ、骨吸収を提言させることが証明されている。バイオミメティクスは、好ましい骨組織応答を提供し、それにより骨とインプラントとの間における固定を増強する表面を製造するための潜在的な方法である。ここで、我々は、骨鉱質形成を模すことで、二層のストロンチウム置換されたアパタイトおよび二酸化チタンコーティングをチタン基体上に製造した。結晶性酸化チタン基体上におけるバイオミメティックコーティング沈殿によって形成されたＳｒ−置換コーティングのモフォロジー、結晶化度、表面化学および組成を、種々のＳｒイオン濃度のリン酸緩衝食塩水におけるインキュベートの温度および時間の関数として調べた。バイオミメティックアパタイトのモフォロジーは、純粋なヒドロキシアパタイトの場合の平板状から、Ｓｒイオン置換によって球状に変化した。表面の分析から、アパタイトにおいて１０％−３３％のＣａイオンがＳｒイオンに置換され、Ｓｒイオンは、アパタイトに化学的に結合し、アパタイトの構造中にうまく取り込まれたことが示された。
【００８５】
結果を図２４から２６に示す。
【００８６】
例７
酸化チタン上におけるフッ化物イオン置換
フッ化ナトリウムおよびダルベッコのリン酸緩衝食塩水（ＰＢＳ）（Ｄ８６６２、Ｓｉｇｍａ−Ａｌｄｒｉｃｈ、ＵＳＡ）をインキュベートの媒質として使用した。ＰＢＳのイオン組成は、Ｎａ＋（１４５ｍＭ）、Ｋ＋（４．３ｍＭ）、Ｍｇ２＋（０．４９ｍＭ）、Ｃａ２＋（０．９１ｍＭ）、Ｃｌ−（１４３ｍＭ）、Ｈ２ＰＯ４−（１．６ｍＭ）およびＨＰＯ４２−（８．１ｍＭ）とした。全ての化学物質は分析用等級の試薬とし、更に精製を行うことなく受け取った状態で使用した。得られたリン酸緩衝食塩水を、種々のＮａＦの添加により改変した。チタン（２等級、純度９９．４％）をＥｄｓｔｒａｃｏ  ＡＢ  （Ｓｗｅｄｅｎ）から購入した。Ｔｉプレートは、５℃／ｍｉｎのランピング速度で、８００℃で１時間処理した。
【００８７】
この方法により、ルーティル型構造を有する結晶性ＴｉＯ２表面が製造されることが示された。熱処理後、プレートを、改変リン酸緩衝食塩水におけるインキュベートの前に、超音波バスに別々に含まれるアルカリ溶液（１Ｍ  ＮａＯＨ）、エタノールおよび脱イオン水の別々の超音波バスにて処理した。
【００８８】
フッ化リン酸カルシウムのバイオミメティック成長
バイオミメティックコーティングを、予め処理したＴｉプレートをＣａ２＋、Ｈ２ＰＯ４−、ＨＰＯ４２−およびＦ−を含むリン酸緩衝液にてインキュベートすることで製造した。Ｆイオンの濃度は、０、０．０４ｍＭおよび０．２ｍＭであった。Ｃａ／Ｐの比率は、溶液中でほぼ１／１０とした。ｐＨ値は、初期段階において７．４に調整した。チタンプレート（１０ｍｍ×１０ｍｍ×１ｍｍ）ごとに、密封したプラスチックボトル中の２０ｍｌのイオン添加リン酸緩衝液に浸漬し、撹拌することなく、１日から２週間の期間、３７℃または６０℃に保持した。より長いインキュベーティングの時間について、溶液を３日ごとに交換し、カルシウム、リン酸およびフッ化物イオンの枯渇を回避した。浸漬後、溶液からサンプルを取り出し、脱イオン水ですすぎ、風乾させた。
【００８９】
特徴づけ
試料のモフォロジーは、電界放出走査型電子顕微鏡（ＦＥＳＥＭ、ＬＥＯ  １５５０）を使用して画像化した。コーティングの断面画像は、コーティングを基体から剥がした領域から得た。試料の結晶化度をＸ線回折法（Ｓｉｅｍｅｎｓ  Ｄｉｆｆｒａｃｔｏｍｅｔｅｒ  ５０００）を用いて、Ｃｕ  Ｋα  放射  （λ＝１．５４１８オングストローム）により分析した。回折計は、４５ｋＶ、４０ｍＡ、２°の固定入射角および１０°−８０°の２θレンジで操作した。試料の組成およびケミストリーは、Ｘ線電子分光法（ＸＰＳ、Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  Ｑｕａｎｔｕｍ  ２０００、Ａｌ  Ｋα  Ｘ−ｒａｙ  ｓｏｕｒｃｅ）スペクトルによって分析した。Ｆ１ｓピークについてのＸＰＳサーベイスペクトルおよび高分解能スペクトルを取得した。
【００９０】
得られたコーティングのモフォロジーは針状であり、ルーティルＴｉＯ２表面上に容易に蓄積した。ヒドロキシアパタイト針の直径は約１０−２０ｎｍであり、歯のエナメル質における鉱物質に非常に近かった。
【００９１】
例８
フッ化ナトリウムおよびダルベッコのリン酸緩衝食塩水（ＰＢＳ）（Ｄ８６６２、Ｓｉｇｍａ−Ａｌｄｒｉｃｈ、ＵＳＡ）を浸漬の媒質として使用した。ＰＢＳのイオン組成は、Ｎａ＋（１４５ｍＭ）、Ｋ＋（４．３ｍＭ）、Ｍｇ２＋（０．４９ｍＭ）、Ｃａ２＋（０．９１ｍＭ）、Ｃｌ−（１４３ｍＭ）、Ｈ２ＰＯ４−（１．６ｍＭ）およびＨＰＯ４２−（８．１ｍＭ）とした。全ての化学物質は分析用等級の試薬とし、更に精製を行うことなく受け取った状態で使用した。
【００９２】
得られたコーティングのモフォロジーは針状であり、ルーティルＴｉＯ２表面上に容易に蓄積した。熱処理後に得られるＴｉ表面上におけるルーティルコーティングは粗く、マイクロメータサイズの粒子を含んだ。基体を０．２ｍＭのＦイオンを含む溶液に６０℃で１２時間浸漬した後、針状粒子の分離した束が表面において成長した。１日の浸漬の後、基体から成長するＦＨＡ針の量は増大した。フッ化物置換されたヒドロキシアパタイト（ＦＨＡ）針の直径は約１０−２０ｎｍであり、歯のエナメル質における鉱物質に非常に近かった。浸漬時間が１週間に増大したとき、ＦＨＡ針アレイの連続的且つ均質なコーティングが形成された。非改変リン酸緩衝食塩水を使用する同様の方法によって形成される通常のフレーク状ＨＡ結晶と異なり、ＦＨＡ粒子のモフォロジーは針状であり、よく配列している様子を見ることが出来る。
【００９３】
例９
表面イオン放出
実験
（１）ＰＢＳおよびＴｒｉｓ−ＨＣｌの初期ｐＨ値は７．４０である。  
（２）イオン（Ｓｒ、Ｓｉ、ＦおよびＭｇ）が添加されたリン酸カルシウムを有する２つの基体を、密封されたボトル内の１０ｍｌ溶液に入れ、３７℃のオーブンに入れる。  
（３）分析のために２ｍｌの溶液を取り出し、２ｍｌの新鮮な溶液を、各々の時点においてボトルに添加した。  
（４）イオン濃度をＩＣＰ−ＯＥＳ（誘導結合プラズマ光学的分光法）により分析した。
【００９４】
イオンの持続的な放出が見られ、放出速度はイオンおよびｐＨによって制御できた。単一のイオンの放出だけでなく、２つのイオンの放出も可能であることが示された。
【００９５】
イオン放出の結果を図２１から２３に示す。
【００９６】
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【図１Ａ】
2012525201.tif 000004
【図１Ｂ】
2012525201.tif 000005
【図２Ａ】
2012525201.tif 000006
【図２Ｂ】
2012525201.tif 000007
【図３Ａ】
2012525201.tif 000008
【図３Ｂ】
2012525201.tif 000009
【図４Ａ】
2012525201.tif 000010
【図４Ｂ】
2012525201.tif 000011
【図５Ａ】
2012525201.tif 000012
【図５Ｂ】
2012525201.tif 000013
【図６Ａ】
2012525201.tif 000014
【図６Ｂ】
2012525201.tif 000015
【図７Ａ】
2012525201.tif 000016
【図７Ｂ】
2012525201.tif 000017
【図８Ａ】
2012525201.tif 000018
【図８Ｂ】
2012525201.tif 000019
【図９Ａ】
2012525201.tif 000020
【図９Ｂ】
2012525201.tif 000021
【図１０Ａ】
2012525201.tif 000022
【図１０Ｂ】
2012525201.tif 000023
【図１１Ａ】
2012525201.tif 000024
【図１１Ｂ】
2012525201.tif 000025
【図１２Ａ】
2012525201.tif 000026
【図１２Ｂ】
2012525201.tif 000027
【図１３Ａ】
2012525201.tif 000028
【図１３Ｂ】
2012525201.tif 000029
【図１４Ａ】
2012525201.tif 000030
【図１４Ｂ】
2012525201.tif 000031
【図１５Ａ】
2012525201.tif 000032
【図１５Ｂ】
2012525201.tif 000033
【図１６Ａ】
2012525201.tif 000034
【図１６Ｂ】
2012525201.tif 000035
【図１７】
2012525201.tif 000036
【図１８】
2012525201.tif 000037
【図１９】
2012525201.tif 000038
【図２０Ａ】
2012525201.tif 000039
【図２０Ｂ】
2012525201.tif 000040
【図２０Ｃ】
2012525201.tif 000041
【図２０Ｄ】
2012525201.tif 000042
【図２１Ａ】
2012525201.tif 000043
【図２１Ｂ】
2012525201.tif 000044
【図２１Ｃ】
2012525201.tif 000045
【図２２Ａ】
2012525201.tif 000046
【図２２Ｂ】
2012525201.tif 000047
【図２２Ｃ】
2012525201.tif 000048
【図２３Ａ】
2012525201.tif 000049
【図２３Ｂ】
2012525201.tif 000050
【図２３Ｃ】
2012525201.tif 000051
【図２４】
2012525201.tif 000052
【図２５】
2012525201.tif 000053
【図２６】
2012525201.tif 000054
【国際調査報告】
2012525201.tif 000055
2012525201.tif 000056
2012525201.tif 000057
2012525201.tif 000058
2012525201.tif 000059