(57)【要約】本明細書に開示される三次元格子構造は、医療用インプラントでの使用を含む用途を有する。格子構造のいくつかの例は、構造的支持または機械的間隔を提供するために使用できるという点で構造的である。いくつかの例では、格子は骨または組織の成長を支える足場として構成できる。いくつかの例では、繰り返し変形菱形十二面体または放射状菱形十二面体の単位セルを使用できる。格子構造はまた、その意図する目的により適した格子とするために、異方性特性を備えた格子構造を提供することができる。
2020515345.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
医療用インプラント用の多孔質構造であって、
繰り返し単位セルを備え、前記繰り返し単位セルは複数のサブ単位セルを備え、
前記サブ単位セルは、直方体体積内の中央に位置するノードを備え、
前記直方体体積は、さらに６つの面を備え、
前記ノードは、８つのノード面と前記直方体体積の面に平行な正方形平面とを有する双四角錐をさらに備え、
前記サブ単位セルは、前記ノード面の１つに固定された第１ストラットをさらに備える、医療用インプラント用の多孔質構造。
【請求項２】
前記ノードは、６つの頂点をさらに備え、
前記ノードは、前記６つの頂点のそれぞれが前記直方体体積の前記６つの面のそれぞれに可能な限り最も近い位置に配置されるように配向される、請求項１に記載の多孔質構造。
【請求項３】
前記第１ストラットは、伸長形であり、その軸中心と交差するストラット方向を有し、
前記直方体体積は、３つの直方体体積面の交点によってそれぞれ画定される８つの角部をさらに備え、
前記第１ストラットは、その近位端で第１ノード面に固定され、その遠位端で前記第１ノード面に最も近い前記直方体体積の角部に固定される、請求項２に記載の多孔質構造。
【請求項４】
前記第１ストラットのストラット方向は、前記ノードの中心および前記直方体体積の角部と交差する、請求項３に記載の多孔質構造。
【請求項５】
前記第１ストラットのストラット方向は、前記直方体体積の角部と交差する、請求項３に記載の多孔質構造。
【請求項６】
直方体体積面は、基準面を画定し、前記第１ストラットのストラット方向は、基準面から０度から９０度の間である、請求項３に記載の多孔質構造。
【請求項７】
直方体体積面は、基準面を画定し、前記第１ストラットのストラット方向は、基準面から８度以上３０度以下である、請求項３に記載の多孔質構造。
【請求項８】
前記ノードは、１００％の体積密度を有する、請求項１に記載の多孔質構造。
【請求項９】
前記第１ストラットは、６つの実質的に相似の伸長面と２つの端面との伸長部を備える八面体をさらに備え、
前記伸長面は、第１の内角である角度Ａと第２の内角である角度Ｂを有する二等辺三角形であり、
角度Ｂは角度Ａより大きく、
前記２つの端面は、第１の内角である角度Ｃと第２の内角である角度Ｄを有する実質的に相似の二等辺三角形であり、
角度Ｄは角度Ｃより大きく、
角度Ｃは角度Ａよりも大きい、
請求項１に記載の多孔質構造。
【請求項１０】
前記第１ノード面は、前記ノードの下半分に位置し、
前記サブ単位セルは、第２ストラットをさらに備え、前記第２ストラットはその近位端で第２ノード面に固定され、前記第２ストラットはその遠位端で前記第２ノード面に最も近い前記直方体体積の角部に固定され、前記第２ノード面は、前記ノードの下半分および前記第１ノード面の反対側に位置し、
前記サブ単位セルは、第３ストラットをさらに備え、前記第３ストラットはその近位端で第３ノード面に固定され、前記第３ストラットはその遠位端で前記第３ノード面に最も近い前記直方体体積の角部に固定され、前記第３ノード面は、前記ノードの上半分および前記第１ノード面から約９０度横方向に位置し、
前記サブ単位セルは、第４ストラットをさらに備え、前記第４ストラットは、その近位端で第４ノード面に固定され、前記第４ストラットは、その遠位端で前記第４ノード面に最も近い前記直方体の角部に固定され、前記第４ノード面は、前記八面体体積の上半分および前記第３ノード面の反対側に位置する、請求項９に記載の多孔質構造。
【請求項１１】
前記単位セルは、４つのサブ単位セルの第１のグループを備え、前記第１のグループは、４つのサブ単位セルの第２のグループに固定され、
前記第１のグループは、上から見て長方形になるように横方向に配置および固定された４つの実質的に相似のサブ単位セルを備え、
前記第２のグループは、前記第１のグループに対して反転され、上から見て長方形になるように横方向に配置および固定された４つの実質的に相似のサブ単位セルを備える、請求項１０に記載の多孔質構造。
【請求項１２】
前記ノードは、１００％未満の体積密度を有する、請求項１に記載の多孔質構造。
【請求項１３】
医療用インプラント用の多孔質構造であって、
直方体体積内に繰り返し単位セルを備え、
前記直方体体積は、ストラットによって画定される格子構造を含み、
前記ストラットはストラット方向を有し、頂点で交差し、
前記ストラットの前記ストラット方向は、菱形開口部を画定し、
前記頂点は、前記菱形開口部の角部を画定し、各頂点は、前記頂点で交差する２つのストラットのストラット方向によって画定される内角を有し、
菱形開口部は、横方向分離角度に等しい２つの内角を有し、
前記横方向分離角度は、１０９．５度から１８０度の間である、医療用インプラント用の多孔質構造。
【請求項１４】
前記格子構造は、菱形十二面体を備える、請求項１３に記載の多孔質構造。
【請求項１５】
前記格子構造は、放射状菱形十二面体を備える、請求項１３に記載の多孔質構造。
【請求項１６】
前記横方向分離角度は、１１１度以上１２０度以下である、請求項１３に記載の多孔質構造。
【請求項１７】
菱形開口部の頂点の１つで内角を二等分する線は、第１荷重方向に垂直であり、前記第１荷重方向における前記多孔質構造の弾性係数は、０．３７５ＧＰａ以上４ＧＰａ以下であり、前記多孔質構造の体積密度は、５％以上４０％以下の間である、請求項１３に記載の多孔質構造。
【請求項１８】
前記弾性係数は、設計弾性係数である、請求項１７に記載の多孔質構造。
【請求項１９】
前記弾性係数は、実際の弾性係数である、請求項１７に記載の多孔質構造。
【請求項２０】
３０％以上３８％以下の体積密度をさらに備える、請求項１９に記載の多孔質構造。
【請求項２１】
前記格子構造は、前記菱形十二面体から放射状に延在し前記直方体体積内に含まれるストラットをさらに備える、請求項１４に記載の多孔質構造。
【請求項２２】
菱形開口部の頂点の一つで内角を二等分する線が第１荷重方向に垂直であり、
前記第１荷重方向からオフセットされた角度に配向する第２荷重方向をさらに備え、
前記第１荷重方向に沿った弾性係数は、０．３ＧＰａ以上１２ＧＰａ以下であり、
第２荷重方向に沿った弾性係数は、２ＧＰａ以上２５ＧＰａ以下であり、
前記第１荷重方向に沿った前記弾性係数は、第２荷重方向に沿った前記弾性係数よりも低い、請求項１３に記載の多孔質構造。
【請求項２３】
医療用インプラント用の格子構造であって、
組織の内部成長を促進するように構成された格子構造を備え、
前記格子構造は、組織の少なくとも２つの領域間に単独の第一機械的間隔を提供し、
前記格子構造は、繰り返し単位セルを備え、
前記格子構造は、多数の開口部を画定し、
開口部の第１のグループである開口部Ａは、およそ幅Ａである幅を有し、
開口部の第２のグループである開口部Ｂは、およそ幅Ｂである幅を有し、
幅Ｂは幅Ａより大きく、
前記開口部Ｂは、前記格子構造の開口部Ａあたり約１：１から１：２５の比率で含まれ、
前記組織の領域は、埋め込み時に前記インプラントの近傍にある組織または前記インプラントに隣接する組織の一部である、医療用インプラント用の格子構造。
【請求項２４】
前記単位セルは、アモルファス体積内のストラットによって画定される菱形十二面体構造をさらに備える、請求項２３に記載の格子構造。
【請求項２５】
前記単位セルは、アモルファス体積内のストラットによって画定される放射状菱形十二面体構造をさらに備える、請求項２３に記載の格子構造。
【請求項２６】
前記格子構造は、５％以上４０％以下の体積密度を有する、請求項２３に記載の格子構造。
【請求項２７】
前記組織領域は、骨構造を備える、請求項２３に記載の格子構造。
【請求項２８】
前記格子構造は、３０％以上３８％以下の体積密度を有し、前記開口部Ｂは、前記格子構造の開口部Ａあたり約１：８から１：１２の比率で含まれる、請求項２３に記載の格子構造。
【請求項２９】
前記格子構造は、０．３７５ＧＰａ以上４ＧＰａ以下の弾性係数を有する、請求項２３に記載の格子構造。
【請求項３０】
前記格子構造は、静荷重および５Ｈｚで最大５，０００，０００サイクルの動荷重において、３００Ｎ以上１５０００Ｎ以下のせん断降伏荷重と圧縮降伏荷重とを有する、請求項２３に記載の格子構造。
【請求項３１】
幅Ａは２００μｍ以上９００μｍ以下であり、幅Ｂは幅Ａの１倍から１５倍の大きさである、請求項２３に記載の格子構造。
【請求項３２】
前記格子構造は、最大１５Ｎｍのねじり降伏荷重を有する、請求項２３に記載の格子構造。
【請求項３３】
前記格子構造は、５％から４０％の体積密度と、０．３７５ＭＰａ以上４ＧＰａ以下の弾性係数と、静荷重および５Ｈｚで最大５，０００，０００サイクルの動荷重における３００Ｎ以上１５０００Ｎ以下の圧縮せん断強度および軸荷重と、を有する、請求項２３に記載の格子構造。
【請求項３４】
前記格子構造は、３２％から３８％の体積密度と、２．５ＭＰａ以上４ＧＰａ以下の弾性係数と、静荷重および５Ｈｚで最大５，０００，０００サイクルの動荷重における３００Ｎ以上１５０００Ｎ以下のせん断強度および軸荷重と、を有する、請求項２３に記載の格子構造。
【請求項３５】
前記格子構造は、３２％から３８％の体積密度と、２．５ＭＰａ以上４ＧＰａ以下の弾性係数と、静荷重および５Ｈｚで最大５，０００，０００サイクルの動荷重における３００Ｎ以上１５０００Ｎ以下の圧縮せん断強度および軸荷重と、を有し、前記単位セルはアモルファス体積内のストラットによって画定される菱形十二面体構造をさらに備える、請求項２３に記載の格子構造。
【請求項３６】
前記格子構造は、３２％から３８％の体積密度と、２．５ＭＰａ以上４ＧＰａ以下の弾性係数と、静荷重および５Ｈｚで最大５，０００，０００サイクルの動荷重における３００Ｎ以上１５０００Ｎ以下の圧縮せん断強度および軸荷重と、を有し、前記単位セルはアモルファス体積内のストラットによって画定される放射状菱形十二面体構造をさらに備える、請求項２３に記載の格子構造。
【請求項３７】
医療用インプラント用の格子構造であって、
ストラットを備える格子構造を備え、
前記格子構造は、０．３７５ＧＰａから４ＧＰａである第１の方向の弾性係数を有し、
前記格子構造は、所望の骨成長の体積にわたって単独の機械的間隔を提供するように構成され、所望の骨成長のための前記体積は、少なくとも２つの骨構造の近傍の、または少なくとも２つの骨構造に隣接する任意の領域であり、
前記ストラットは、前記格子構造の体積全体に開口部を画定し、
開口部の第１のグループである開口部Ａは、骨芽細胞の内部成長を促進するように構成された複数の前記開口部を備え、
開口部の第２のグループである開口部Ｂは、骨単位の内部成長を促進するように構成された複数の前記開口部を備える、医療用インプラント用の格子構造。
【請求項３８】
前記格子構造は、ストラットによって画定される菱形十二面体構造を含む所定のアモルファス体積の繰り返し単位セルをさらに備える、請求項３７に記載の格子構造。
【請求項３９】
前記格子構造は、ストラットによって画定される放射状菱形十二面体構造を含む所定のアモルファス体積の繰り返し単位セルをさらに備える、請求項３７に記載の格子構造。
【請求項４０】
前記格子構造は、５％以上４０％以下の体積密度を有する、請求項３７に記載の格子構造。
【請求項４１】
前記２つの骨構造は、１つの連続骨セグメントの一部である、請求項３７に記載の格子構造。
【請求項４２】
前記格子構造は３０％以上３８％以下の体積密度を有し、前記開口部Ａは約２００μｍから９００μｍの実質的に均一な幅を有し、前記開口部Ｂは前記開口部Ａの幅の約１倍から１５倍である実質的に均一な幅を有する、請求項３７に記載の格子構造。
【請求項４３】
前記格子構造は、静荷重および５Ｈｚで最大５，０００，０００サイクルの動荷重における３００Ｎ以上１５０００Ｎ以下のせん断降伏荷重を有する、請求項３７に記載の格子構造。
【請求項４４】
前記格子構造は、静荷重および５Ｈｚで最大５，０００，０００サイクルの動荷重における３００Ｎ以上１５０００Ｎ以下の圧縮降伏荷重を有する、請求項３７に記載の格子構造。
【請求項４５】
前記格子構造は、最大１５Ｎｍのねじり降伏荷重を有する、請求項３７に記載の格子構造。
【請求項４６】
前記格子構造が、３２％から３８％の体積密度と、２．５ＧＰａ以上４ＧＰａ以下の弾性係数と、静荷重および５Ｈｚで最大５，０００，０００サイクルの動荷重における３００Ｎ以上１５０００Ｎ以下のせん断強度および軸荷重とを有し、前記開口部Ａは、約２００μｍから９００μｍの実質的に均一な幅を備え、前記開口部Ｂは、前記開口部Ａの幅の約１倍から１５倍の実質的に均一な幅を備え、複数の開口部Ａが前記格子構造に設けられ、複数の開口部Ｂは、前記格子構造中に開口部Ａの数に対して約１：８から１：１２の比率で設けられている、請求項３７に記載の格子構造。
【請求項４７】
医療用インプラント用の多孔質構造であって、
体積内のストラットによって画定される繰り返し単位セルを備え、
前記体積は、主軸に沿った長さを有し、
前記体積は、前記主軸に垂直なｘ軸に沿った長さを有し、
前記体積は、前記ｘ軸に垂直であるｙ軸に沿った長さを有し、前記体積は、主軸から９０度以内の荷重方向を有し、
前記多孔質構造は、ｘ軸に沿った弾性係数よりも荷重方向に沿った弾性係数が低い、医療用インプラント用の多孔質構造。
【請求項４８】
前記多孔質構造は、ｙ軸に沿った弾性係数よりも荷重方向に沿った弾性係数が低い、請求項４７に記載の多孔質構造。
【請求項４９】
ｘ軸およびｙ軸に沿って固定された均一な繰り返し単位セルの複数の層をさらに備え、
少なくとも１つの層は、隣接する層よりも高い荷重方向に沿った弾性係数を有する、請求項４７に記載の多孔質構造。
【請求項５０】
各層の荷重方向が脊椎の前弯方向に従う、請求項４９に記載の多孔質構造。
【請求項５１】
前記繰り返し単位セルは、菱形十二面体構造をさらに備える、請求項４７に記載の多孔質構造。
【請求項５２】
前記繰り返し単位セルは、放射状菱形十二面体構造をさらに備える、請求項４７に記載の多孔質構造。
【請求項５３】
前記多孔質構造は、０．３ＧＰａ以上１２ＧＰａ以下の荷重方向における弾性係数を有し、
前記多孔質構造は、２ＧＰａ以上２５ＧＰａ以下のｘ軸に沿った弾性係数を有し、
前記荷重方向の弾性係数は、前記ｘ軸に沿った弾性係数よりも低い、請求項４７に記載の多孔質構造。
【請求項５４】
前記主軸に沿った長さが、前記ｘ軸に沿った長さよりも短い、請求項４７に記載の多孔質構造。
【請求項５５】
前記主軸に沿った長さが、前記ｙ軸に沿った長さよりも短い、請求項５４に記載の多孔質構造。
【請求項５６】
前記ｘ軸に沿った長さが、前記ｙ軸に沿った長さとほぼ同じである、請求項５５に記載の多孔質構造。
【請求項５７】
前記多孔質構造は、５％以上４０％以下の体積密度を有する、請求項４７に記載の多孔質構造。
【請求項５８】
前記主軸は、骨成長の所望の方向であり、前記骨成長の所望の方向は、骨構造から離れる骨成長の方向である、請求項４７に記載の多孔質構造。
【請求項５９】
前記多孔質構造が、３０％以上３８％以下の体積密度を有する、請求項４７に記載の多孔質構造。
【請求項６０】
前記多孔質構造は、０．３７５ＧＰａ以上４ＧＰａ以下の弾性係数を有する、請求項４７に記載の多孔質構造。
【請求項６１】
前記多孔質構造は、静荷重および５Ｈｚで最大５，０００，０００サイクルまでの動荷重における３００Ｎ以上１５０００Ｎ以下の圧縮せん断強度と軸荷重とを有する、請求項４７に記載の多孔質構造。
【請求項６２】
前記多孔質構造は、最大１５Ｎｍのねじり降伏荷重を有する、請求項４７に記載の多孔質構造。
【請求項６３】
前記多孔質構造は、５％から４０％の体積密度と、０．３７５ＭＰａ以上４ＧＰａ以下の弾性係数と、静荷重および５Ｈｚで最大５，０００，０００サイクルの動荷重における３００Ｎ以上１５０００Ｎ以下の圧縮せん断強度および軸荷重と、を有する、請求項４７に記載の多孔質構造。
【請求項６４】
前記多孔質構造は、３２％から３８％の体積密度と、２．５ＭＰａ以上４ＧＰａ以下の弾性係数と、静荷重および５Ｈｚで最大５，０００，０００サイクルの動荷重における３００Ｎ以上１５０００Ｎ以下の圧縮せん断強度および軸荷重と、を有する、請求項４７に記載の多孔質構造。
【請求項６５】
医療用インプラント用の格子構造であって、
骨の内部成長を促進するように構成された格子構造を備え、
前記格子構造は、骨成長が望まれる少なくとも２つの骨構造の間の領域に埋め込まれるように構成され、
前記骨構造は、埋め込み時に格子構造の近傍にある、または格子構造に隣接する、患者組織の一部であり、
前記２つの骨構造の両方と交差する主軸と、
前記主軸の９０度以内の荷重軸と、を備え、
前記格子構造は、前記２つの骨構造の間に単独の機械的間隔を提供するように構成され、
前記荷重軸と交差する第２荷重軸を備え、
前記格子構造は、前記第２荷重軸に沿った弾性係数よりも前記荷重軸に沿った弾性係数が低い、医療用インプラント用の格子構造。
【請求項６６】
前記格子構造は、菱形十二面体構造をさらに備える、請求項６５に記載の格子構造。
【請求項６７】
前記格子構造は、放射状菱形十二面体構造をさらに備える、請求項６５に記載の格子構造。
【請求項６８】
前記格子構造は、０．３ＧＰａ以上１２ＧＰａ以下の前記荷重軸に沿った弾性係数を有し、
前記格子構造は、２ＧＰａ以上２５ＧＰａ以下の前記第２荷重軸に沿った弾性係数を有し、
前記荷重軸に沿った前記弾性係数は、前記第２荷重軸に沿った前記弾性係数より低い、請求項６５に記載の格子構造。
【請求項６９】
前記格子構造は、荷重軸に沿った長さおよび第２荷重軸に沿った長さを有する繰り返し単位セルをさらに備え、前記荷重軸に沿った長さは、前記第２荷重軸に沿った長さより短い、請求項６５に記載の格子構造。
【請求項７０】
前記格子構造は、５％以上４０％以下の体積密度を有する、請求項６５に記載の格子構造。
【請求項７１】
前記２つの骨構造は、１つの連続骨セグメントの一部である、請求項６５に記載の格子構造。
【請求項７２】
前記格子構造は、３０％以上３８％以下の体積密度を有する、請求項６５に記載の格子構造。
【請求項７３】
前記格子構造は、０．３７５ＧＰａ以上４ＧＰａ以下の荷重軸に沿った弾性係数を有する、請求項６５に記載の格子構造。
【請求項７４】
前記格子構造は、静荷重および５Ｈｚで最大５，０００，０００サイクルの動荷重において３００Ｎ以上１５０００Ｎ以下のせん断降伏荷重と圧縮降伏荷重と、を有する、請求項６５に記載の格子構造。
【請求項７５】
前記格子構造は、最大１５Ｎｍまでのねじり降伏荷重を有する、請求項６５に記載の格子構造。
【請求項７６】
前記格子構造は、５％から４０％の体積密度と、０．３７５ＭＰａ以上４ＧＰａ以下の弾性係数と、３００Ｎ以上６６０Ｎ以下の圧縮せん断降伏荷重と、３００Ｎ以上１５０００Ｎ以下の圧縮降伏荷重と、を有する、請求項６５に記載の格子構造。
【請求項７７】
前記格子構造は、３２％から３８％の体積密度と、２．５ＧＰａ以上４ＧＰａ以下の弾性係数と、静荷重および５Ｈｚで最大５，０００，０００サイクルの動荷重における３００Ｎ以上１５０００Ｎ以下のせん断強度および軸荷重と、を有する、請求項６５に記載の格子構造。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の相互参照】
【０００１】
本出願は、２０１７年４月１日出願の米国仮特許出願第６２／４８０，３８８号、２０１７年４月１日出願の米国仮特許出願第６２／４８０，３９３号および２０１８年１月１９日出願の米国仮特許出願第６２／６１９，２６０号に基づく優先権を主張するものであり、それらの全体を参照により本明細書に援用する。
【技術分野】
【０００２】
本発明は、医療用インプラントで使用される構造に関し、特に、三次元格子または足場として特徴付けられる構造に関する。
【背景技術】
【０００３】
医療用インプラントは、金属材料、ポリエーテルエーテルケトン（以下「ＰＥＥＫ」）、セラミック材料、その他のさまざまな材料またはそれらの複合材料を含む幅広い材料を使用して構築され得る。インプラントが規制試験に合格するようにインプラントの材料を選択する場合、競合する優先事項が存在する。インプラントを設計する際の優先事項には、強度、剛性、耐疲労性、放射線透過性、生体活性が含まれ得る。それゆえ、規制基準を満たすようにインプラントを設計する場合、すべてのテスト要件を満たすためにしばしばいくつかの妥協をしなければならない。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
いくつかの実施形態において、本発明は、医療用インプラントを含む用途で有用な格子構造を提供する。本発明はまた、医療用インプラントに使用され得る異方性特性を有する格子構造、および使用方法を提供し得る。いくつかの実施形態では、本明細書に開示される格子構造を使用して、構造的支持または機械的間隔を提供し得る。他の実施形態では、本明細書に開示される格子構造は、骨成長のための足場を提供し得る。
【０００５】
本明細書に記載される構造は、追加の表面処理またはコーティングを伴う、もしくは伴わない、幅広い材料から構築されてもよい。いくつかの実施形態において、格子構造は繰り返し幾何学的パターンを使用することができ、その場合、単位セルは一定体積にわたって繰り返され得る。開示されているいくつかの単位セルには、変形菱形十二面体単位セルおよび放射状菱形十二面体単位セルが含まれる。
【０００６】
本明細書で開示される実施形態は医療用インプラント向であるが、開示される構造は、体積密度に比して高い強度を求められる体外の医療用デバイスで使用される場合にも有益となり得る。本明細書に記載の１つ以上の実施形態を含み得る他の医療用デバイスには、外部ギプスまたは副木、人工器官、装具、ポート、ガイド、マーカー、上部構造、または外骨格が含まれ、これらに限定されない。
【０００７】
特に、海綿骨は異方性の特性を有し、さまざまな方向においてさまざまな機械的特性を有する。たとえば、脊椎の骨は吻側―尾側方向により硬くなり得、その結果、骨を前後方向に折るような荷重は、吻側―尾側方向に弾性変形を引き起こすのみとなる。インプラントの特性をインプラント部位の周囲の骨に一致させることは重要である。強度や剛性の不一致は、新しい骨成長の強度に影響を与え得るからである。ウォルフの法則によれば、骨は時間の経過とともに骨にかかる生理的ストレスに適応し、負荷がかかるとそれに応じて強くなり、負荷がかからないと弱くなる。それゆえ、新しい骨形成が受ける負荷が低下すると、新しい骨形成の機械的強度が低下し得る。
【０００８】
いくつかの実施形態では、本発明は、異方性特性を有する生体適合構造および使用方法を提供する。特に、本発明のいくつかの実施形態は、一方向に一の弾性係数を有し、別の方向に少なくとも第２の弾性係数を有することを特徴とし得る。本明細書で使用される方向は、ｘ軸およびｙ軸が水平であり、ｚ軸が垂直である三次元デカルト座標に関連して使用される（本明細書では、ｘ、ｙおよびｚ「方向」とも呼ばれる）。弾性係数は、あらゆる種類の格子、インプラント、または構造を説明するために使用される場合において、設計弾性係数または実際の弾性係数の両方、もしくはいずれかを指す。格子、インプラント、または構造の設計弾性係数は、その構造構成と材料組成に基づいて計算された弾性係数である。実際の弾性係数とは、製造後の格子、インプラント、または構造の弾性係数を指す。実際の弾性係数は、製造公差の範囲内での変更または変動により、設計の弾性係数と異なり得る。たとえば、製造中に許容範囲内で過剰に構築された格子、インプラント、または構造は、設計弾性係数よりも高い実際の弾性係数を有し得る。多くの場合、補正係数を使用して実際の弾性係数を計算し得、おおよその実際の弾性係数を概算し得る。おおよその実際の弾性係数は一般的に、製造された物品の試験が完了していない場合に、格子、インプラント、または構造における予想される実際の弾性係数を定量化するものである。あらゆる種類の格子、インプラント、または構造は、設計弾性係数を使用して、または補正係数の適用により実際の弾性係数に近似して、容易に設計できるため、ここでの「弾性係数」という用語は、設計値とパラメータの両方またはいずれかを指す。
【０００９】
本明細書に開示されるいくつかの実施形態は、骨成長のための足場として有用であり得る。いくつかの例では、足場は構造的であり得、それは、それらが構造的支持または機械的間隔を提供することを意味し、他の例では足場は非構造的であり得る。構造的な足場を使用する例では、材料は、自然に発生する骨の特性をより厳密に模倣する支持体を提供し得る。例えば、海綿骨は異方性特性を有しており、本明細書に開示されているように、脊椎を含む領域における骨成長足場として、異方性特性を有する格子構造を使用することが適切となり得る。本発明は、少なくとも２つの方向に異なる機械的特性を有する骨成長用の足場が望ましい、他の用途にも使用され得る。別の例では、足場が、１つ以上の遮蔽方向または剛性の増加方向ではなく、１つ以上の剛性の低い方向へ骨に荷重をかけて、荷重方向の優先的な骨成長を促進することが望ましい場合がある。
【００１０】
本出願で提示される例示的な実施形態の多くは、脊椎の骨の足場として使用するために最適化されているが、本発明は、本明細書で表される本発明の概念内の他のタイプの骨および他のタイプの組織で使用されことを理解されたい。
【００１１】
１つの例示的な実施形態における異方性格子構造は、ｚ軸に対してｘ軸およびｙ軸方向に伸長変形菱形十二面体格子である。伸長変形菱形十二面体格子は、ストラットによって画定される単一のセルとして表され、追加のストラットがセルから延在し、繰り返し構造の一部を示す。単位セルは、格子構造で繰り返されて、所望の体積および機械的特性のオープンセル構造を実現してもよい。
【００１２】
第２の例示的な実施形態における異方性格子は、ｚ軸に対してｘ軸およびｙ軸方向に伸長した３つの伸長変形菱形十二面体セルのグループである。グループは、ストラットで画定された３つの単位セルとして表され、スタック構造で、追加のストラットがセルから延在し、繰り返し構造の一部を示す。
【００１３】
本発明の開示された実施形態は、応力遮蔽を低減する方法で使用され得る。脊椎固定処置において、応力遮蔽を減らすことは特に有益である。本発明の異方性単位セルを繰り返して、脊椎固定処置で使用するための異方性格子または足場を形成することができる。異方性格子は、隣接する脊椎の終板間に機械的間隔を提供し得、骨成長のための足場を提供し得る。本発明の異方性特性は、上下方向の弾性係数を小さくすることを可能にし得、新しい骨の成長が耐荷重脊椎の生理的力を受けることを可能にし得る。応力遮蔽の減少は、より強い新しい骨成長をもたらし得る。
【００１４】
異方性特性により、骨の成長の１つ以上の方向の剛性が低下する可能性がある一方で、軸外の生体力学的荷重およびデバイスのテストに必要な荷重の１つ以上の方向に、必要な剛性が得られる可能性がある。単位セルを一方向に引き伸ばすと、伸びによってストラットの角度が変化し、伸びに垂直な方向における単位セルの剛性が低下する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図Ａ１】隣接する単位セルの一部を構成する放射状ストラットを有する完全変形菱形十二面体構造を含む、単一の変形菱形十二面体単位セルの等角図である。
【図Ａ２】横方向から見たときの相互接続部の構成を示す、単一の変形菱形十二面体単位セルの側面図である。
【図Ａ３】中央の空隙が最長寸法法を使用して測定された、単一の変形菱形十二面体単位セルの側面図である。
【図Ａ４】相互接続部が最長寸法法を使用して測定された、単一の変形菱形十二面体単位セルの側面図である。
【図Ａ５】最大球法で測定された、変形菱形十二面体単位セルの中央空隙の側面図である。
【図Ａ６】最大球法で測定された、相互接続部の平面方向に垂直な方向から見た図である。
【図Ａ７】単一の放射状菱形十二面体単位セルの等角図である。
【図Ａ８】単一の放射状菱形十二面体単位セルの側面図である。
【図Ａ９】放射状菱形十二面体単位セルで使用され得る、単一ノードと単一ストラットの組み合わせの例の等角図である。
【図Ａ１０】放射状菱形十二面体単位セルで使用され得る、単一ノードと単一ストラットの組み合わせの例の側面図である。
【図Ａ１１】弾性係数が約３ＧＰａの格子で使用するように構成された単一ノードと単一ストラットの組み合わせの側面図であり、組み合わせの境界を画定する体積の角部から見たものである。
【図Ａ１２】弾性係数が約４ＧＰａの格子で使用するように構成された単一ノードと単一ストラットの組み合わせの側面図であり、組み合わせの境界を画定する体積の角部から見たものである。
【図Ａ１３】弾性係数が約１０ＧＰａの格子で使用するように構成された単一ノードと単一ストラットの組み合わせの側面図であり、組み合わせの境界を画定する体積の角部から見たものである。
【図Ａ１４】組み合わせの境界と横方向の分離角度を画定する体積の角部から見た、単一のノードと２つの隣接するストラットの側面図である。
【図Ａ１５】単一のノードと４つのストラットで構成されるサブ単位セルの等角図である。
【図Ａ１６】Ａ１６は、上部サブ単位セルが反転され、下部サブ単位セルの上部に固定された、スタック構成の２つのサブ単位セルの等角図である。
【図Ａ１７】単一の単位セルを形成するために積み重ねられた８つのサブ単位セルの等角図である。
【図１】変形菱形十二面体格子の等角図である。
【図２】変形菱形十二面体格子の正面図である。
【図３】変形菱形十二面体格子の底面図である。
【図４】異方性の格子構造の第１の例示的な実施形態の等角図である。
【図５】伸長変形菱形十二面体格子を示す、異方性の格子構造の第１の例示的な実施形態の正面図である。
【図６】伸長変形菱形十二面体格子を示す、異方性の格子構造の第１の例示的な実施形態の底面図である。
【図７】他の伸長変形菱形十二面体格子を示す、異方性格子構造の第２の例示的な実施形態の等角図である。
【図８】他の伸長変形菱形十二面体格子を示す、異方性格子構造の第２の例示的な実施形態の正面図である。
【図９】他の伸長変形菱形十二面体格子を示す、異方性格子構造の第２の例示的な実施形態の底面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
多くの状況において、経時的に骨の付着または骨統合が可能なインプラントを使用することが望ましい。また、多くの状況で、生体組織への付着または統合が可能なインプラントを使用することも望ましい。骨への付着または骨統合が有益なインプラントの例には、頸部、腰部、および胸椎用の椎体固定インプラント、椎体置換用、骨切除用ウェッジ、歯科用インプラント、骨幹、寛骨臼カップ、頭蓋顔面プレーティング、骨置換用および骨折用プレーティングが含まれ、これらに限定されない。多くの用途では、新しい骨成長に負荷をかけてその強度を高めることも望ましい。ウォルフの法則によれば、骨はそれに加わるストレスに適応するため、ストレスを受けている骨はより強く成長し、ストレスを受けていない骨はより弱くなる。
【００１７】
いくつかの態様では、本明細書に記載のシステムおよび方法は、骨統合および適切にストレスを受けた新しい骨の成長を活性化するように構成されたインプラントを対象とし得る。本発明の例示的なインプラントの多くは、インプラントの本体全体において強い骨付着および／または骨成長が望まれる状況での使用に特に有用である。骨成長が、付着のみまたはインプラント全体に必要かどうかにかかわらず、本発明は、機械的間隔を提供できる固有の格子構造、新しい骨の成長をサポートする足場、および新しい骨成長に生理的な力を負荷できる弾性係数を内包している。結果として、本発明は、より強固な付着のためおよび／またはインプラントの骨統合後に骨がより強くなるために、より強くより健康な骨を成長させるインプラントを提供する。
【００１８】
提示される本発明の例示的な実施形態は、全体的または部分的に格子で構成され得る。本明細書で使用する格子とは、開口部を介して流体がある場所から別の場所に連通することを可能にする１つ以上の相互接続された開口部を有する三次元材料を指す。三次元材料とは、三次元空間を埋める（つまり、高さ、幅、長さを有する）材料を指す。格子は、さまざまな幾何学的形状を繰り返すことや、ランダムな形状を繰り返すことを含む多くの手段で構築でき、相互接続された開口部を持つ材料を完成させ得る。格子の開口部とは、三次元材料の境界内にある、その材料がない任意の領域である。したがって、格子の三次元境界内には、材料のある体積部と、その材料がない体積部が存在する。
【００１９】
格子の構造を提供する材料は、主材料と呼ばれる。格子の構造は、いかなる目的に対しても構造的な支持を提供する必要はなく、むしろ格子を構成する開口部と相互接続の構成を指す。格子の開口部は、空であるか、気体流体で満たされているか、液体流体で満たされているか、固体で満たされているか、もしくは流体および／または固体で部分的に満たされている。開口部に対する相互接続部とは、主材料がなく、少なくとも２つの場所を連結する領域を指す。相互接続部は、ある場所から別の場所に流体が通過できるように構成されてもよい。
【００２０】
格子は、その体積密度によって定義することができ、これは特定の三次元材料の割合として表される主材料の体積と空隙の体積の比率を意味する。空隙の体積は、三次元材料の境界の体積と主材料の体積の差である。空隙の体積は、開口部の体積、相互接続部の体積、および／または存在する別の材料の体積を含むことができる。たとえば、体積密度が３０％の格子は、特定の体積にわたって、３０％体積の主材料と７０％体積の空隙で構成される。体積密度が９０％の格子は、特定の体積にわたって、９０％体積の主材料と１０％体積の空隙で構成される。体積密度が５０％未満の三次元材料では、主材料の体積は空隙の体積よりも小さくなる。体積密度は空隙の体積を指すが、空隙は空隙のままである必要はなく、埋め込み前、埋め込み中、または埋め込み後に、全体的または部分的に、流体または固体で満たされ得る。
【００２１】
幾何学的パターンの繰り返しで構成される格子は、繰り返し単位セルの特性を使用して説明できる。繰り返し幾何学的格子の単位セルは、格子を形成するために繰り返され得る三次元形状である。繰り返し単位セルは、格子構造もしくは格子構造のすべてまたは一部を通したパターンにわたって繰り返される、複数の同一の単位セルを指すことができる。各単位セルは、特定の体積の主材料と特定の空隙体積、つまりスポット体積密度で構成されている。スポット体積密度は、わずかな部分単位セルまたは複数の単位セルをカバーしてもよい。多くの場合、スポットの体積密度は材料の体積密度と一致するが、スポットの体積密度を局所的に増加または減少させることが望ましい場合がある。
【００２２】
単位セルは、さまざまなタイプの構造を含む多数の体積形状で構築され得る。単位セルは、格子構造または単位セル内の他のタイプの構造のサイズを制限するために、画定された空間体積に制限され得る。いくつかの実施形態において、単位セルは、立方体体積、直方体体積、六面体体積、またはアモルファス体積を含むがこれらに限定されない体積形状によって制限され得る。空間の単位セル体積は、角部で交わる面の数に基づいて定義できる。単位セル体積が立方体、直方体、または六面体体積である例では、単位セル外積は６つの面と８つの角部を持つことができ、角部は３つの面が交わる位置によって定義され得る。単位セルは、一部またはすべての領域で相互接続されていてもよく、一部またはすべての領域で相互接続されていなくてもよい。繰り返しの幾何学的パターンを使用する本明細書に開示されるいくつかの実施形態では、単位セルは、単位セルの縁部を画定し、単位セルの周囲のノードで接合される多数のストラットによって画定され得る。そのように画定された単位セルは、複数の単位セル間で特定のストラットを共有できるため、２つの隣接する単位セルは、両方のセルに共通のストラットによって画定された共通の平面壁を共有し得る。繰り返しの幾何学的パターンを使用する本明細書に開示されるいくつかの実施形態では、単位セルは、ノードおよびそのノードから放射状に延在し、いくつかのストラットによって定義され得る。
【００２３】
本明細書では、例示的な実施形態を説明するために体積密度を使用するが、セルのサイズ、ストラットのサイズまたは剛性を含みこれらに限定されない他の測定基準を使用してそれらを説明することも可能である。セルのサイズは、セルの直径、セルの幅、セルの高さ、およびセルの体積など、複数の方法を使用して定義できる。ストラットのサイズは、ストラットの長さやストラットの直径など、複数の方法を使用して定義できる。
【００２４】
繰り返し幾何学的パターンは、予測可能な特性を提供できるため、インプラントに含まれる格子構造での使用に有益である。菱形の十二面体、ダイヤモンド型、十二面体、正方形、五角形、六角形、八角形、シュテットストラット、トルニックオクタット、斜方ストラット、その他の既知の幾何学的構造および各形状の丸みを帯びた、強化された、弱められた、または簡略化されたバージョンを含み、これらに限定されない多くの繰り返しの幾何学的形状を格子の単位セルとして使用できる。
【００２５】
格子は、構造部品または非構造部品としてインプラントに含まれてもよい。構造用途で使用される格子は、本明細書では、構造格子、耐荷重格子、または応力格子と呼ばれる場合がある。場合によっては、構造格子、耐荷重格子、または応力格子を単に格子と呼ぶ場合がある。繰り返しの幾何学的形状の単位セル、特に菱形十二面体は、重量に対する強度の比のため、理論的には構造格子での使用に適している。菱形十二面体格子の実際の強度と耐疲労性を高めるために、本発明は、いくつかの実施形態では、長方形または円形断面のストラットを使用するよりもむしろ、三角形のセグメントで構成される変形ストラットを含む。本明細書のいくつかの実施形態は、格子の弾性係数および耐疲労性を変更するために、菱形十二面体の菱形面を画定する角度をも変更する。三角形のセグメントを使用すると、菱形十二面体格子の理論的な強度値に近づく、非常に精度よく予測可能な出力特性を持つ格子が提供される。
【００２６】
構造格子の用途では、格子の強度と弾性係数は体積密度で概算され得る。体積密度が増加すると、強度と弾性係数が増加する。他の多孔質構造と比較して、本発明の格子は、菱形十二面体、変形菱形十二面体または放射状菱形十二面体単位セルの重量に対して高い強度を有するという利点を利用できるため、所定の体積密度に対してより高い強度および弾性係数を有する。
【００２７】
骨または組織の成長をサポートするように構成されている場合、格子は足場と呼ばれることがある。三次元材料内に配置された開口部および相互接続部のサイズを制御することにより、骨または組織の成長をサポートするように格子を構成することができる。足場は、インプラントの表面で使用される場合、隣接する骨がインプラントに付着することを可能にする骨統合表面を提供してもよい。足場はまた、骨が単なる表面の付着よりもさらに成長することを可能にする経路を提供するように構成されてもよい。本明細書では、表面付着を目的とする足場を表面足場と呼ぶ。表面の足場は、１つ以上の単位セルの深さとすることができるが、インプラントの体積全体には広がらない。単なる表面の付着を超えた成長をサポートすることを目的とする足場は、本明細書ではバルク足場と呼ばれる。足場は、構造部品または非構造部品としてインプラントに含まれてもよい。構造用途に使用される足場は、本明細書では、構造足場、耐荷重足場、または応力足場と呼ばれる場合がある。場合によっては、構造的足場、耐荷重足場、または応力足場は、単に足場と呼ばれる場合がある。いくつかの例では、足場という用語の使用は、骨または組織の成長をサポートするように構成された、格子ではない材料を指す。
【００２８】
本明細書に記載される足場は、生物に見られる様々な種類の組織の付着または内部成長を促進するために使用され得る。前述のように、足場のいくつかの実施形態は、骨の付着および成長を促進するように構成されている。足場は、線維組織など、組織の他の領域の内部成長の付着を促進するように構成することもできる。いくつかの実施形態では、足場は、複数の種類の組織の付着または内部成長を促進するように構成することができる。足場のいくつかの実施形態は、生体組織の近傍に、または隣接して、埋め込まれるように構成される。生体組織の近傍とは、他の層、材料、またはコーティングが足場と生体組織の間に位置する状況を含む。
【００２９】
いくつかの実施形態では、本発明は、当技術分野で知られているものよりも大きい開口部および相互接続部を備えたバルク足場を使用する。骨単位の直径は約１００μｍの範囲であり、骨単位の束が新しい骨の成長の最も強力な形態を提供すると理論づけられている。骨の直径が３ｍｍを超えると、骨は完全に固体と見なされるため、その値の約半分に等しい直径の骨単位の束は、足場内で成長したときに大きな強度を提供すると理論づけられている。また、骨が不規則な形状で成長する可能性があるため、骨の断面積によってその強度を予測できる可能性があるとも理論づけられている。直径３ｍｍの円柱骨単位の成長の断面積は約７ｍｍ２で、直径１．５ｍｍの円柱骨単位の断面積は１．８ｍｍ２である。少なくとも１．８ｍｍ２の断面積を持つ不規則な形状の骨単位は、足場で成長した場合に著しい強度の利点を提供できると理論付けられている。
【００３０】
当業者は、直径または幅が３００μｍから９００μｍの孔または開口部、６００μｍの孔側面が理想的であり、骨成長のための最良の足場を提供することを指摘するであろう。代わりに、本発明のいくつかの実施形態は、既知の範囲（３００μｍから９００μｍ）の１．０倍から１５．０倍程度の直径または幅を有する開口部および相互接続部を含み、開口部の骨成長のための断面積は０．０７ｍｍ２から１４５ｍｍ２になる。いくつかの例では、直径または幅が１００μｍ以上３００μｍ以下の細孔または開口部が有益な場合がある。いくつかの例には、既知の範囲の１．０倍から５．０倍の直径の開口部と相互接続部が含まれる。当技術分野で知られているものよりもはるかに大きな開口部および相互接続部を使用すると、完全な骨単位および固体骨組織がバルク足場全体に形成され、新しい荷重可能な骨成長の血管新生が可能になると、少なくとも理論づけられている。いくつかの例では、これらの細孔は直径３ｍｍまたは断面積約７ｍｍ２であってもよい。他の例では、細孔の直径は約１．５ｍｍ、断面積は約１．７５ｍｍ２である。当技術分野で知られているものより小さな直径の開口部および相互接続部のみの使用は、より小さな直径の開口部がバルク足場全体の血管新生の能力を制限するため、バルク足場への新しい骨成長の浸透を制限すると理論づけられている。
【００３１】
格子に関連する構造は、クローズドセル材料である。クローズドセル材料は、三次元材料の境界内に開口部がある点で格子に似ているが、クローズドセル材料は一般に、開口部または他の細孔を通る位置間の相互接続を有しない。クローズドセル構造は、特定のセルの充填を含む複数の方法を使用して、または単位セルのストラット間の固体壁の使用を介して達成されてもよい。クローズドセル構造は、セル構造とも呼ばれる。ある部分では格子である材料を有し、別の部分ではクローズドセル材料である材料を有することが可能である。また、開口部間の特定の相互接続部のみ、またはその逆に関して格子であるクローズドセル材料を有することも可能である。本開示の焦点は格子にあるが、本明細書に開示される構造および方法は、本発明の概念内でクローズドセル構造での使用に容易に適合させることができる。
【００３２】
本発明で使用される格子は、様々な材料およびプロセスから製造することができる。骨成長の足場として使用される場合、格子は、直接または生体活性表面処理の適用を通じて、骨への付着を可能にする生体適合性材料で作られることが望ましい。一例では、足場は埋め込み可能な金属で構成される。埋め込み可能な金属には、ジルコニウム、ステンレス鋼（３１６および３１６Ｌ）、タンタル、ニチノール、コバルトクロム合金、チタンおよびタングステン、およびそれらの合金が含まれ、これらに限定されない。埋め込み可能な金属で構成される足場は、付加的金属加工または３Ｄプリントプロセスを使用して製造できる。適切な生産プロセスには、直接金属レーザー焼結、選択的レーザー焼結、選択的レーザー溶融、電子ビーム溶融、シート積層法、および指向性エネルギー堆積が含まれ、これらに限定されない。
【００３３】
別の例では、本発明の格子は、生物活性コーティングを備えた埋め込み可能な金属で構成される。生物活性コーティングには、骨の成長を促進するコーティング、抗血栓コーティング、抗菌コーティング、疎水性または親水性コーティング、および疎血性、超疎血性、または親血性コーティングが含まれ、これらに限定されない。骨の成長を促進するコーティングには、リン酸カルシウム、ヒドロキシアパタイト（ＨＡ）、ケイ酸塩ガラス、幹細胞誘導体、骨形成タンパク質、チタンプラズマスプレー、チタンビーズ、チタンメッシュが含まれ、これらに限定されない。抗血栓性コーティングには、低分子量フルオロオリゴマーが含まれ、これに限定されない。抗菌コーティングには、銀、有機シラン化合物、ヨウ素、窒化ケイ素が含まれ、これらに限定されない。超疎血性コーティングには、フッ化ナノチューブが含まれる。
【００３４】
別の例では、格子は、任意の生物活性コーティングを備えたチタン合金から作られている。特に、Ｔｉ６Ａｌ４Ｖ  ＥＬＩ  鍛造合金（米国材料試験協会（ＡＳＴＭ）Ｆ１３６）は、足場に特に適したチタン合金である。Ｔｉ６Ａｌ４Ｖ  ＥＬＩ鍛造合金は医療目的に使用される業界標準のチタン合金だが、他のチタン合金が、本発明の様々な実施形態に適切であり得る。他のチタン合金は、非合金チタン（ＡＳＴＭ  Ｆ６７）、Ｔｉ６Ａｌ４Ｖ標準グレード（ＡＳＴＭ  Ｆ１４７２）、Ｔｉ６Ａｌ７Ｎｂ鍛造合金（ＡＳＴＭ  １２９５）、Ｔｉ５Ａｌ２．５Ｆｅ鍛造（英国規格協会／国際標準化機構パート１０）、ＣＰおよびＴｉ６Ａｌ４Ｖ標準グレードの粉末（ＡＳＴＭ  Ｆ１５８０）、Ｔｉ１３Ｎｂ１３Ｚｒ  鍛造合金（ＡＳＴＭ  Ｆ１７１３）、低弾性係数Ｔｉ−２４Ｎｂ−４Ｚｒ−８ＳｎおよびＴｉ１２Ｍｏ６Ｚｒ２Ｆｅ鍛造合金（ＡＳＴＭ  Ｆ１８１３）を含み、これらに限定されない。
【００３５】
チタン合金は生体適合性があり、骨に付着するため、足場に適した材料である。チタン合金にさまざまな表面処理を行って、骨の付着レベルを増減させることができる。骨は研磨されたチタンにも付着するが、表面性状を有するチタンは骨の付着を大きくする。チタンへの骨付着を増加させる方法は、鍛造またはフライス加工プロセス、サンドブラスト、酸エッチング、および生体活性コーティングの使用によってもよい。付加的金属加工または直接金属レーザー焼結などの３Ｄプリントプロセスで製造されたチタン部品は、骨付着を促進するために表面の粗さおよび気孔率を維持しながら、表面応力増加を低減し、表面形状を正規化し、表面酸化物層を改善するために、酸浴で処理することができる。
【００３６】
加えて、チタンまたは他の合金は、ヘパリン、ヘパリン硫酸（ＨＳ）、グリコサミノグリカン（ＧＡＧ）、コンドロイチン−４−硫酸（Ｃ４Ｓ）、コンドロイチン−６−硫酸（Ｃ６Ｓ）、ヒアルロン酸（ＨＹ）、およびカルシウム水溶液を有するまたは有しない他のプロテオグリカンで処理してもよい。そのような処理は、材料が製造前の形態（多くの場合粉末）である場合、または構造の製造後に行ってもよい。
【００３７】
さまざまな構造、材料、表面処理、およびコーティングが説明されているが、繰り返し変形菱形十二面体（以下「ＭＲＤＤ」）単位セルを使用する格子は、剛性、強度、疲労抵抗、および骨の内部成長の条件の好ましい組み合わせを提供できると考えられている。いくつかの実施形態では、繰り返しＭＲＤＤ格子は、チタンまたはチタン合金から構成される。定義上、一般的な菱形十二面体（以下「ＲＤＤ」）は、１２の菱形の側面を有する。格子で繰り返される場合、ＲＤＤ単位セルは、１４個の頂点で交わる２４個のストラットで構成される。２４個のストラットは構造の１２個の平面を画定し、各平面の中央に開口部または相互接続部が配置され、単位セルの内部から単位セルの外部への連通を可能にする。
【００３８】
本発明で使用されるＭＲＤＤ単位セルＢ１０の例は、図Ａ１から図Ａ５に示されている。図Ａ１は、隣接する単位セルの部分を含む放射状のストラットに沿った完全なＭＲＤＤ構造を含む単一のＭＲＤＤ単位セルＢ１０の等角図である。図Ａ２は、横方向から見たときの相互接続部の構成を示す単一のＭＲＤＤ単位セルＢ１０の側面図である。ＭＲＤＤ単位セルＢ１０の上面図または底面図は、図Ａ２に示される側面図と実質的に同じとなる。ＭＲＤＤ単位セルＢ１０は、構造的特性と設計方法の両方が一般的なＲＤＤ形状と異なる。一般的なＲＤＤは１２個の面で構成され、各面は７０．５度の鋭角と１０９．５度の鈍角を持つ同一の菱形である。ストラットは軸に基づいて割り当てされ、それぞれが１４個のノードまたは頂点の中心を通過するため、単位セルのサイズまたはストラットの直径が変更されても、一般的なＲＤＤの菱形面の形状は変更されない。
【００３９】
ＭＲＤＤのいくつかの実施形態では、各ノードは、その境界を画定し、ストラットの遠位端に空間内の固定点を設ける、固定体積内に含まれる。ＭＲＤＤまたはＭＲＤＤのサブ単位セルを含む固定体積は、立方体、直方体、六面体またはアモルファス体積を含むがこれらに限定されない様々な形状であり得る。一部の例では、６つの面と、３つの面が交わる位置によって画定される８つの角部とを有する固定体積を使用する。ストラットの向きは、その近位端のノード面の中心と、その遠位端のそのノード面に最も近い体積の角に基づき得る。各ノードは、八面体、より具体的には双四角錐（すなわち、水平面で結合された四角錐と逆四角錐）であることが好ましい。各ノードは、直方体体積の中心に位置する場合、直方体体積の面に平行な正方形の面、６つの頂点を含み、６つの頂点のそれぞれが、直方体体積の６つの面のそれぞれに可能な限り近い位置に配置されるように向けられるのがより好ましい。体積内のノードの位置に関して中央に配置されているとは、体積の対向する壁から実質的に等距離の位置にノードを配置することを指す。いくつかの実施形態では、ノードは１００％の体積密度を有し得、他の実施形態では、ノードは１００％未満の体積密度を有し得る。双角錐ノードの各面は三角形であり得、各面はストラットの接続点を提供できる。
【００４０】
ストラットはまた、実質的に同一である６つの伸長面と２つの端面とからなる伸長部を備える、八面体であり得る。伸長面は、第１の内角である角度Ａ、および第２の内角である角度Ｂを有する二等辺三角形であり得、ここで角度Ｂは角度Ａより大きい。端面は、第１の内角である角度Ｃと第２の内角である角度Ｄを有する、互いにほぼ相似の二等辺三角形であり得、ここで角度Ｄは角度Ｃより大きい。角度Ｃは角度Ａより大きいことが好ましい。
【００４１】
各ストラットのストラット方向は、ストラットの方向を定義する線またはベクトルであり、各ノード面の水平面に対して直交または非直交であり得る。本明細書で開示されるＭＲＤＤおよび放射状菱形十二面体構造では、ストラット方向は、ストラット端面の中心、ストラットに沿った質量中心、もしくは外縁部またはストラットの伸長部の面の間に延在する線を利用して定められ得る。ストラットの端面の中心間に延在する線を使用してストラットの方向を定義する場合、線は一般にストラットの底面または縁部に平行であり得る。ストラットの質量中心に沿って延在する線を利用してストラットの方向を定義する場合、線はストラットの底面または縁部に対して非平行であり得る。ＭＲＤＤの八面体ノードは、ストラットの原点とサイズを変更することにより、体積密度を増減するように寸法を調整され得る。ただし、ストラットの遠位端は、各ノードの周囲に形成された固定体積の角部で固定されているため、体積密度が変化すると、各ノードの面に対する角度が変化する。ＭＲＤＤ単位セルの体積密度が変化しても、各ノードの周囲に形成される固定体積の寸法は変化しない。図Ａ１では、ＭＲＤＤ単位セルＢ１０の角の間に破線が引かれ、その境界を画定する立方体Ｂ１１が示されている。図Ａ１のＭＲＤＤ単位セルでは、単位セルの高さＢ１２、幅Ｂ１３、深さＢ１４は実質的に同じであり、Ｂ１１で画定される立方体領域を形作る。
【００４２】
一部の実施形態では、ストラットのストラット方向は、ノードの中心と、ストラットが固定されているノード面に最も近い直方体体積の角部と交差し得る。いくつかの実施形態では、ストラットのストラット方向は、ストラットが固定されるノード面に最も近い直方体体積の角部と交差し得る。いくつかの実施形態では、直方体または六面体の面によって画定される基準面を使用して、ストラットのストラット方向を記述する。ストラットのストラット方向が基準面に基づいて定義される場合、参照面から０度〜９０度の間とすることができる。ストラットのストラット方向が基準面に基づいて定義される場合、それは基準面から８度〜３０度であることが好ましい。
【００４３】
ストラットの向きを一端の可変のノード面とその遠位端の固定点に指数付けすることにより、結果として得られるＭＲＤＤ単位セルは、一般的なＲＤＤよりも小さな鋭角と大きな鈍角の菱形形状面とすることができる。ＭＲＤＤの菱形形状の面は、対向する実質的に相似の２つの鋭角と対向する実質的に相似の２つの鈍角を有し得る。いくつかの実施形態では、鋭角は７０．５度未満であり、鈍角は１０９．５度より大きい。いくつかの実施形態では、鋭角は０度〜５５度の間であり、鈍角は１２５度〜１８０度の間である。いくつかの実施形態では、鋭角は８度〜６０度の間であり、鈍角は１２０度〜１７２度の間である。鋭角が小さくなると、鈍角角から遠鈍角角を横切る方向の荷重に対する耐疲労性が高まる。鋭角が小さくなり、鈍角が大きくなると、ＭＲＤＤのせん断強度を高め、耐疲労性が高まるように、ストラットの方向が定まる。菱形の角度を一般的なＲＤＤから変更すると、せん断荷重が一部のストラットの軸方向をほぼ通過するようにかかり、せん断強度が上昇する。菱形の角度を一般的なＲＤＤから変更すると、圧縮荷重による全体的なたわみも減少し、荷重下でのたわみに耐えることにより疲労強度が向上する。
【００４４】
単位セルの１２の相互接続部は、格子構造の中心に向かって配置されると、隣接する１２の異なる単位セルに接続し、格子を通る連続した経路を提供する。ＭＲＤＤの中央空隙および相互接続部のサイズは、本明細書で説明される最長寸法法を使用して定義してもよい。最長寸法法を使用すると、図Ａ３で示されているような最長寸法の測定を行うことにより、中央の空隙を定義できる。図Ａ３では、最長寸法は距離ＡＡとしてラベル付けされる。距離ＡＡは、垂直方向または水平方向（方向は紙面上の方向を参照のこと）で測定され得、この例においては実質的に同じとなる。相互接続部は、単位セルの側面、頂部、または底部から見たときの最長測定によって定義してもよい。図Ａ４では、最長寸法は距離ＡＢとしてラベル付けされる。
距離ＡＢは、垂直方向または水平方向（方向は紙面上の方向を参照のこと）で測定され得る。図Ａ４の図は側面図だが、この例においては、上部または底部から見たときに単位セルが実質的に同じとなる。
【００４５】
あるいは、中央の空隙および相互接続部のサイズは、本明細書で説明する最大球法によって定義され得る。最大球法を使用すると、中央の空隙は、ストラットと交差せずに中央の空隙内に収まり得る最大の球の直径によって定義できる。図Ａ５は、直径がＢＡの球を使用して中央の空隙のサイズを定義するために使用される最大球法の例である。相互接続部は一般に菱形で、サイズは開口部内に描かれた３つの円の長さと幅のサイズによって画定され得る。側面を定義する平面内に描かれる第一の円ＢＢ１は、開口部の中心に描かれ、ストラットと交差することなく収まり得る最大直径の円となる。第２の円ＢＢ２と第３の円ＢＢ３は、第１の円ＢＢ１と接し、ストラットと交差することなく収まり得る最大直径の円となるように描かれる。第１の円ＢＢ１の直径は相互接続部の幅であり、３つの円ＢＢ１、ＢＢ２およびＢＢ３すべての直径の合計は相互接続部の長さを表す。この測定方法を使用すると、寸法の算出から菱形の開口部の鋭角部分が削除される。場合によっては、付加製造プロセスの制限のため、相互接続部の算出サイズから、菱形の開口部の鋭角部分を削除することが有益である。例えば、ＳＬＳマシンの解像度が１２μｍで、精度が５μｍ以内の場合、ＳＬＳマシンによって鋭角の角が丸くなり得、骨成長のために使用できなくなり得る。精度の低い付加プロセス装置で製造する格子を設計する場合、相互接続部のサイズをより適切に見積もるためにこの測定システムを用いることが役立つであろう。
【００４６】
別の測定方法を使用すると、いくつかの例では、相互接続部の幅は約６００μｍで、相互接続部の長さは約３００μｍである。長さ６００μｍ、幅３００μｍとすると、骨成長のための既知の孔サイズ内の開口部が提供され、約１．８ｍｍ２の表面積が提供され、高強度の骨成長が可能になる。別の実施形態は、直径が３００μｍの細孔の断面積の１．０倍から１５．０倍の断面積を有する相互接続部を含んでもよい。他の実施形態は、直径が９００μｍの細孔の断面積の１．０倍から１５．０倍の断面積を有する相互接続部を含んでもよい。
【００４７】
ＭＲＤＤ単位セルはまた、格子構造に少なくとも２組の実質的に均一な細孔または開口のサイズを提供するという利点を有する。いくつかの実施形態において、細孔の第１セットは約２００μｍ〜９００μｍの幅を有し、細孔の第２セットは細孔の第１セットの幅の約１倍〜１５倍の幅を有する。いくつかの実施形態では、骨芽細胞の成長を促進するように細孔の第１のセットを構成することができ、骨単位の成長を促進するように細孔の第２のセットを構成することができる。骨芽細胞の成長を促進するサイズの細孔は、約１００μｍ以上９００μｍ以下の幅を有し得る。いくつかの実施形態では、骨芽細胞の成長を促進するサイズの細孔は、９００μｍを超える幅を有し得る。骨単位の成長を促進するサイズの細孔は、約１００μｍ以上１３．５ｍｍ以下の幅を有し得る。いくつかの実施形態では、骨単位の成長を促進する大きさの細孔は、１３．５ｍｍを超える幅を有し得る。
【００４８】
いくつかの実施形態では、多数の実質的に均一なより大きい細孔、および多数の実質的に均一なより小さい細孔を含むことが有益であり、より大きい細孔の数は、より小さい細孔の数に対する比に基づいて選択される。例えば、いくつかの実施形態は、格子構造内の１〜２５個の小さな細孔ごとに１つの大きな細孔を有する。いくつかの実施形態は、好ましくは、８〜１２個の小さな細孔ごとに１つの大きな細孔を有する。いくつかの実施形態において、より大きい細孔およびより小さい細孔の数は、格子構造中の細孔の総数の割合に基づいて選択され得る。例えば、いくつかの実施形態は、細孔の総数の４％〜５０％のより大きい細孔と、細孔の総数の５０％〜９６％のより小さい細孔とを含み得る。より好ましくは、いくつかの実施形態は、細孔の総数の約８％〜１３％の大きな細孔と、細孔の総数の約８７％〜９２％のより小さい細孔とを含み得る。開示された２つのサイズの実質的に均一な細孔のセットとともに構築された格子は、骨芽細胞と骨単位の成長を同時に促進する格子構造を提供すると考えられている。
【００４９】
ＭＲＤＤ単位セルはまた、単位セルの側面、頂部または底部から見たときの相互接続部のサイズによって画定されてもよい。ＭＲＤＤ単位セルは、側面、頂部または底部から見たときと同じ外観を持ち、ある側面図での測定は他の側面を表している。側面から見ると、図Ａ４のように、ＭＲＤＤ単位セルは、４つの明確な菱形の相互接続部を実質的に直角に示している。各相互接続部の面積は、各相互接続部の平面方向に垂直な方向から見た場合よりも、横方向から見た場合に小さくなる。しかし、横方向から見た場合の面積は、骨がその方向に成長するために利用可能な面積を表し得る。いくつかの実施形態では、頂部、底部、または横方向から見たときの相互接続部の面積に基づいて、単位セルおよび格子の特性に指数付けをすることが望ましい場合がある。
【００５０】
本明細書に開示される格子構造のいくつかの実施形態では、中央空隙は相互接続部の長さまたは幅よりも大きい。繰り返しＭＲＤＤ構造では各相互接続部のサイズが実質的に同じになり得るため、結果として得られる格子は、少なくとも２つの個別のサイズの開口部で構成され得る。いくつかの実施形態では、中央空隙の直径は相互接続部の長さの約２倍であることが好ましい。いくつかの実施形態では、中央空隙の直径は相互接続部の幅の約４倍であることが好ましい。
【００５１】
いくつかの実施形態では、中心空隙の直径と、相互接続部の長さまたは幅との比を変更して、特定の強度の構造格子を作成することができる。これらの実施形態では、構造格子の強度が増加するにつれて、中心空隙直径と、相互接続部の長さまたは幅との比が増加する相関関係がある。
【００５２】
繰り返し放射状菱形十二面体（以下「ＲＤＤＲ」）単位セルを使用する格子は、剛性、強度、疲労抵抗、および骨成長の条件の好ましい組み合わせを提供できると考えられている。いくつかの実施形態では、繰り返しＲＤＤＲ格子は、チタンまたはチタン合金から構成される。図Ａ７は、完全なＲＤＤＲ構造を含む単一のＲＤＤＲ単位セルＢ２０の等角図である。図Ａ８は、単一のＲＤＤＲ単位セルＢ２０の側面図であり、横方向から見たときの相互接続部の構成を示している。ＲＤＤＲ単位セルＢ２０の上面図または底面図は、Ａ８に描かれた側面図と実質的に同じとなる。
【００５３】
本明細書で使用される場合、ＲＤＤＲ単位セルＢ２０は、１２個の菱形形状構造を形成する放射状ストラットおよびその鏡像ストラットを備えた中央ノードで構成される三次元形状である。ノードは、八面体であることが好ましく、より具体的には双四角錐（すなわち、水平面で結合された四角錐と逆四角錐）であることが好ましい。ノードの各面は三角形であることが好ましく、各面に固定されているのは、６つの三角形の切面と２つの端面で構成されているストラットであることが好ましい。各ストラットの中心軸は、各ノード面の平面に対して直交または非直交であり得る。中心軸はストラットの重心に沿っていてもよい。ＲＤＤＲはまた、各面に１つのストラットが接続された中央ノードによっても特徴付けられ、８つのストラットが接続された双四角錐のノードとなる。
【００５４】
ノードとストラットの組み合わせの例を図Ａ９〜Ａ１３に示す。図Ａ９は、単一のストラットＢ３１が取り付けられた単一のノードＢ３０の等角図である。ノードＢ３０は、２つのピークが体積Ｂ３２の頂部と底部に面するように配置された双四角錐であり、ノードＢ３０と任意に取り付けられたストラットＢ３１の境界を定義する。ノードＢ３０は、水平角が体積Ｂ３２の側面に最も近い点に位置するように向けられている。ストラットＢ３１は、ノードＢ３０の面から体積Ｂ３２の角まで延在しており、ノードに取り付られたストラットの境界を画定する。図Ａ９では、ストラットの中心軸は水平面から４５度上にあり、ノードの平面は水平面から４５度上にある。
【００５５】
図Ａ９は、八面体ストラットＢ３１の詳細も示しており、図Ａ９では破線がストラットの隠れている縁部を表している。ストラットＢ３１は、６つの実質的に相似した伸長面と２つの端面の伸長部を備えた八面体である。ストラットＢ３１の伸長面Ｂ３１ａ、Ｂ３１ｂ、Ｂ３１ｃ、Ｂ３１ｄ、Ｂ３１ｅおよびＢ３１ｆは、ストラットの、細長くやや円筒形である表面の外面を画定している。伸長面Ｂ３１ａ、Ｂ３１ｂ、Ｂ３１ｃ、Ｂ３１ｄ、Ｂ３１ｅおよびＢ３１ｆのそれぞれは、第１の内角である角度Ａ、および第２の内角である角度Ｂを有する二等辺三角形であり、角度Ｂは角度Ａより大きい。ストラットＢ３１はまた、互いに実質的に相似である二等辺三角形の２つの端面Ｂ３１ｆおよびＢ３１ｇを有する。Ｂ３１ｆおよびＢ３１ｇは第１の内角である角度Ｃ、および第２の内角である角度Ｄを有し、角度Ｄは角度Ｃより大きい。伸長面Ｂ３１ａ、Ｂ３１ｂ、Ｂ３１ｃ、Ｂ３１ｄ、Ｂ３１ｅおよびＢ３１ｆの内角を端面Ｂ３１ｆおよびＢ３１ｇと比較すると、角度Ｃは角度Ａより大きい。
【００５６】
図Ａ１０は、体積Ｂ３２で区切られたノードＢ３０とストラットＢ３１の組み合わせの側面図である。側面図では、立方体Ｂ３２の高さとノードＢ３０の高さを簡単に比較できる。図Ａ１１〜Ａ１３は、体積の壁や面からではなく、体積の角から見たノードとストラットの組み合わせの側面図であり、結果として得られる単位セルの体積密度を変更するために図Ａ９およびＡ１０から組み合わせが変更されている。図Ａ１１では、ノードＢ１３０の高さが体積Ｂ１３２の高さに比べて増大している。ストラットＢ１３１の遠位端は体積Ｂ１３２の角の位置によって固定されているため、ストラットＢ１３１は、接続されたノード面に対する角度を、非直交になるように変更しなければならない。ストラットＢ１３１の水平面からの角度が約２０．６度であるノードＢ１３０とストラットＢ１３１の組み合わせは、弾性係数が約３ＧＰａの格子構造に適している。
【００５７】
図Ａ１２では、立方体Ｂ２３２の高さに対するノードＢ２３０の高さは、図Ａ１１の比率よりも大きくなり、弾性係数が約４ＧＰａの格子構造に適したノードＢ２３０とストラットＢ２３１の組み合わせとなる。ノードＢ２３０の高さが増加するにつれて、ストラットＢ２３１と水平面との間の角度は約１８．８度まで小さくなる。ノードＢ２３０の高さが増加すると、ノード面のサイズも増大し、ストラットＢ２３１のサイズが増大する。ストラットＢ２３１の遠位端は体積Ｂ２３２の角に固定されているが、遠位端のサイズはノード面のサイズの増大に合わせて大きくなり、その長さに沿って実質的に均一なストラット直径を維持する。ノードとストラットのサイズが大きくなると、体積密度が増加し、弾性係数も同様である。図Ａ１３では、体積Ｂ３３２の高さに対するノードＢ３３０の高さが図Ａ１３の比率よりも大きくなり、弾性係数が約１０ＧＰａの格子構造に適したノードＢ３３０とストラットＢ３３１の組み合わせとなる。この構成では、ストラットＢ３３１と水平面との間の角度Ｂ３３３は約１２．４度まで減少し、体積密度は前の例よりも増加する。単一ノードとストラットの例をコピーまたはミラーリングして、適切なサイズと特性の単位セルを作成し得る。例えば、ストラットと水平面の間の角度を２５．８度に増大させると、１２．３％の体積密度と約３００ＭＰａの弾性係数を持つ格子を作成できる。わかりやすくするために、例では単一のノードと単一のストラットを示したが、複数のストラットを各ノードに接続して適切な単位セルを作成してもよい。
【００５８】
ノードの上半分または下半分の隣接ノード面から延在する隣接ストラットは、水平面からの角度と、隣接ストラットのストラット方向間の角度とによって画定される横方向の分離角度とを有している。ＭＲＤＤおよびＲＤＤＲ構造では、隣接ストラットは、関連する隣接ストラットに最も近い伸長部の外縁または伸長面を有する。本明細書で使用される横方向分離角度は、一般に、関連する隣接ストラットの最も近くへ延在するストラットの伸長部の外縁または伸長面の間の角度を指す。いくつかの実施形態では、ストラット端面の中心間で延在する線、またはストラットの質量中心によって定義される線によって画定される横方向分離角度は、隣接するストラットの同様の計算に関して使用できる。
【００５９】
横方向分離角度は、ストラットの最も近い面または縁部と隣接するストラットとの間の角度である。横方向分離角度は、両方のストラット縁部を含む平面内で、ストラットの最も近い縁部と、隣接するストラットの最も近い縁部との間の最小角度として測定できる。横方向分離角度は、２つのストラット面に垂直な平面内で、ストラットの最も近い面と、隣接するストラットの最も近い面との間の角度として測定することもできる。ストラット縁部またはストラット面が画定されていない実施形態では、横方向分離角度は、あるストラットの最も近い部分と、隣接するストラットの最も近い部分との間の角度として測定できる。立方体体積の単位セルの場合、水平面からのストラット角度が小さくなると、横方向分離角度は９０度に近づく。立方体体積の単位セルの場合、水平面からのストラット角度が増加すると、横方向分離角度は１８０度に近づく。いくつかの実施形態では、１０９．５度より大きい横方向分離角度を有することが好ましい。いくつかの実施形態では、１０９．５度未満の横方向分離角度を有することが好ましい。いくつかの実施形態では、約１０８度以上約１５６度以下の横方向分離角度を有することが好ましい。いくつかの実施形態では、１１１度以上１５６度以下の横方向分離角度を有することがより好ましい。いくつかの実施形態では、１０８度以上１２０度以下の横方向分離角度を有することがより好ましい。いくつかの実施形態では、約１１１度以上１２０度以下の横方向分離角度を有することが最も好ましい。いくつかの実施形態では、１２８度以上１５６度以下の横方向分離角度を有することがより好ましい。図Ａ１４は、キューブＢ４３２の角から見た側面図であり、２つの隣接するストラットＢ４３１およびＢ４３４が取り付けられ、横方向分離角度Ｂ４４３が定められた単一のノードＢ４３０が示されている。ストラットの最も近い縁部から、隣接するストラットの最も近い縁部まで測定すると、横方向分離角度Ｂ４４３は約１１６度である。
【００６０】
いくつかの実施形態では、単位セルは、共に固定された複数のサブ単位セルから構築される。図Ａ１５は、単一のノードと４つのストラットを備える例示的なサブ単位セルの等角図である。図Ａ１６は、上部サブ単位セルが反転されて下部サブ単位セルの頂部に固定された、積層構造の２つのサブ単位セルの等角図である。図Ａ１７は、単一のＲＤＤＲ単位セルを形成するように積み重ねられた８つのサブ単位セルの等角図である。
【００６１】
図Ａ１５では、ノードＢ５３０は双四角錐であり、２つのピークが立方体体積Ｂ５３２の頂部および底部に面するように配置されている。いくつかの実施形態では、体積Ｂ５３２は、直方体体積、六面体体積、アモルファス体積、または１つ以上の非直交側面を有する体積であり得る。ピークは、４つの上面が交わる点と４つの下面が交わる点を指す。ノードＢ５３０は、水平頂点が立方体体積Ｂ５３２の側面に面するように配置されている。ストラットＢ５３１は、その近位端でノードＢ５３０面の下面に固定され、その遠位端で立方体体積のＢ５３２の最も近い角まで延在している。ストラットＢ５３１の遠位端は、サブ単位セルの特性を調整するためにノードＢ５３０のサイズが変更された場合でも、立方体体積Ｂ５３２に固定されたままであり得る。
【００６２】
ストラットＢ５３１が固定されている面の反対側のノードＢ５３０の下面では、ストラットＢ５３４の近位端でノードＢ５３０に固定されている。ストラットＢ５３４は、その遠位端で立方体体積Ｂ５３２の最も近い角まで延在している。ストラットＢ５３５は、その近位端で、ストラットＢ５３１に固定されたノードＢ５３０の面から約９０度水平方向に向けられた上部ノードＢ５３０の面に固定されている。ストラットＢ５３５は、その遠位端で立方体体積Ｂ５３２の最も近い角まで延在している。ストラットＢ５３５が固定されている面と反対側のノードＢ５３０の上面で、ストラットＢ５３６の近位端はノードＢ５３０に固定されている。ストラットＢ５３６は、その遠位端で立方体体積Ｂ５３２の最も近い角まで延在している。
【００６３】
いくつかの実施形態では、ストラットＢ５３１およびＢ５３４〜Ｂ５３６は、三角形の面を備えた八面体である。ノードＢ５３０の面に固定されたストラットの面は、ノードＢ５３０の面とほぼ同じサイズと向きとなり得る。立方体Ｂ５３２の最も近い角に固定されたストラット面は、ノードＢ５３０に固定され、実質的に平行な平面に向けられたストラット面と実質的に同じサイズであり得る。残りの６つの面は、第１の内角および第１の内角より大きい第２の内角を有する６つの実質的に相似の二等辺三角形であり得る。６つの実質的に相似の二等辺三角形は、それらの長辺に沿って、隣接する反転した実質的に相似の二等辺三角形に固定でき、三角形の端部を有するおおむね円筒である形状を形成する。
【００６４】
サブ単位セルＢ５４０を形成する場合、ストラットＢ５３１およびＢ５３４〜Ｂ５３６に固定された体積Ｂ５３２の各角に、８番目のノードＢ５３８を追加することが効果的であり得る。サブ単位セルＢ５４０を複製する場合、各ストラット端に接続された８番目のノードＢ５３８は、隣接するサブ単位セルの８番目のノードと結合され、隣接するサブ単位セルのストラット間に位置するノードを形成する。
【００６５】
図Ａ１６は、いくつかの実施形態で使用されるクォーター単位セルＢ５６０を形成するために第２のサブ単位セルＢ６４０に固定された第１のサブ単位セルＢ５４０を示す。第２のサブ単位セルＢ６４０は、双四角錐である双四角錐ノードＢ６３０を備え、２つのピークが立方体の頂部および底部に面するように配向している。ノードＢ６３０は、水平頂点が立方体体積の側面に面するように配置されている。ストラットＢ６３５は、その近位端でノードＢ６３０面の下面に固定され、その遠位端で立方体体積の最も近い角まで延在している。ストラットＢ６３５が固定されている面と反対のノードＢ６３０の下面では、ストラットＢ６３６の近位端がノードＢ６３０に固定されている。ストラットＢ６３６は、その遠位端で立方体体積の最も近い角まで延在している。ストラットＢ６３４は、その近位端で、ストラットＢ６３５に固定されたノードＢ６３０の面から約９０度横方向に向けられた上部ノードＢ６３０の面に固定されている。ストラットＢ６３４は、その遠位端で立方体体積の最も近い角まで延在している。ストラットＢ６３４が固定されている面と反対側のノードＢ６３０の上面では、ストラットＢ６３１の近位端がノードＢ６３０に固定されている。ストラットＢ６３１は、その遠位端で立方体体積の最も近い角まで延在している。
【００６６】
図Ａ１６の実施形態では、第１のサブ単位セルＢ５４０は基準点として使用されるが、第２のサブ単位セルＢ６４０または別の点も、基準点として使用され得ることを理解されたい。第１のサブ単位セルＢ５４０が所定の位置に固定されると、第２のサブ単位セルＢ６４０が第１のサブ単位セルＢ６４０と実質的に相似になるように複製される。第２のサブ単位セルＢ６４０は、第１の単位セルＢ５４０の頂部に固定される前に、その中心軸を中心に回転される。図Ａ１６では、第２のサブ単位セルＢ６４０を反転させて適切な回転を実現するが、中心軸を中心とした他の回転でも同じ結果を実現できる。第２のサブ単位セルＢ６４０に固定された第１のサブ単位セルＢ５４０は、複製して他のクォーター単位セルに横方向に取り付けて完全な単位セルを形成できるクォーター単位セルＢ５６０を形成する。
【００６７】
あるいは、４つの実質的に相似のサブ単位セルの第１のグループを横方向に固定して、上から見たときに正方形、長方形、または四角形となるように形成することにより、完全な単位セルを構築し得る。中心軸を中心に回転させた４つの実質的に相似のサブ単位セルの第２のグループを横方向に固定して、上から見たときに正方形、長方形、または四角形となるように形成することもできる。サブ単位セルの第２のグループは、同じ結果を得るために、横方向に固定する前に中心軸を中心として回転させるか、固定した後に反転させることができる。次に、第２のグループが第１のグループの頂部に固定され、完全な単位セルが形成される。
【００６８】
図Ａ１７は、Ａ１５のサブ単位セルＢ５４０を複製して形成された完全な単位セルＢ７７０の例であり得る。ノードＢ５３０とストラットＢ５３１およびＢ５３４〜Ｂ５３６と同様、サブ単位セルＢ５４０の境界を画定する体積Ｂ５３２が、明確にするために識別される。図Ａ１７の完全な単位セルＢ７７０は、上述の方法を使用して、または本発明の概念内の態様を使用して形成することができる。
【００６９】
所定の単位セルのノードから伸びる各ストラットは、ノードから放射状に延在し、水平面からの長さと角度が実質的に同じになり得る。各ストラットの端では、ストラットが鏡像化され、隣接するノード面から延びるストラットが菱形の開口部を形成する。ストラットはノード面に対して直交しない可能性があるため、２つの形状の菱形が発生する。この構成では、４つの菱形の第１のグループが、垂直面に向けられたノードから放射状に延在している。ひし形の最初のグループの鋭角の角度は水平面からのストラット角度の２倍に等しく、鈍角の角度は１８０度から鋭角の角度を引いた値に等しくなる。また、この構成では、８つの菱形の第２のグループが放射状に延在しており、８つの菱形の第２のグループの一部は、４つの菱形の第１のグループを定義する隣接ストラット間の横方向分離角度内に収まる。菱形の第２のグループの鋭角の角度は、４つの菱形の第１のグループを定義する隣接するストラット間の横方向分離角度とほぼ同じであり得、鈍角の角度は１８０度から鋭角の角度を引いた値に等しくなり得る。足場の特性はまた、体積あたりの表面積によって説明されてもよい。１．０ｍｍ×１．０ｍｍ×１．０ｍｍの立方体の場合、表面積は６．０ｍｍ２である。１．０ｍｍ３の構造が１００％の体積密度の材料ではなく格子構造で構成される場合、体積あたりの表面積は大幅に増加し得る。低体積密度の足場では、体積密度が増加すると体積あたりの表面積が増加する。いくつかの実施形態では、３０．１％の体積密度を有する足場は、１ｍｍ３あたり２７．４ｍｍ２の表面積を有するであろう。いくつかの実施形態では、体積密度が２７．０％に減少した場合、格子は１ｍｍ３あたり２６．０ｍｍ２の表面積を有し、体積密度が２４．０％に減少した場合、格子は１ｍｍ３あたり２４．６ｍｍ２の表面積を有するであろう。
【００７０】
本明細書に開示されるＭＲＤＤおよびＲＤＤＲ構造はまた、所定の体積密度に対して特に高い弾性係数の利点をも有する。格子または足場として使用すると、適切な弾性係数と低い体積密度を備えたインプラントを実現し得る。体積密度が低いと、骨の内部成長に利用できるインプラントの体積が増加する。
【００７１】
以下の表１に、さまざまな格子設計弾性係数の格子構成の例を示す。各例におおよその実測弾性係数が与えられ、製造プロセスを経た後のその格子の計算上の弾性係数を表す。本明細書に開示される格子構造およびインプラントは、いくつかの実施形態では設計弾性係数に、他の実施形態ではおおよその実測弾性係数に設計することができる。現在開示されている格子構造の利点の１つは、おおよその実測弾性係数が、以前に得られていたものよりもはるかに設計弾性係数に近いことである。テスト中、格子の一実施形態は、４．０ＧＰａの設計弾性係数として設計された。テストを経て、格子の実測弾性係数は３．１ＧＰａであり、実測弾性係数は、設計弾性係数の７７％以内となった。
【００７２】
各格子設計弾性係数に、体積密度、体積密度に対する設計弾性係数の比、表面積（ｍｍ２）、体積密度に対する表面積の比および格子設計弾性係数に対する表面積の比が与えられる。
【００７３】
【表１】
2020515345.tif 000003
【００７４】
本明細書に開示される実施形態のいくつかでは、必要なストラットの厚さは、所望の弾性係数から計算することができる。次の式を使用して、特定の弾性係数を実現するために必要なストラットの厚さを、いくつかのＭＲＤＤおよびＲＤＤＲ構造について計算できる。
ストラットの厚さ＝（−０．００３５×（Ｅ２））＋（０．０６９６×Ｅ）＋０．４６０３
上の式において、「Ｅ」は弾性係数である。
弾性係数は、その値を達成するために必要なストラットの厚さを決定するために選択でき、または、事前に選択したストラットの厚さを使用して計算できる。ストラットの厚さはｍｍ単位で表され、ストラットの直径を表す。ストラットの厚さは、事前に選択された弾性係数を使用して計算されてもよく、事前に選択されたストラットの厚さにおける弾性係数を決定するために選択されてもよい。
【００７５】
いくつかの実施形態において、単位セルは、１つ以上の方向に伸長されて、異方性特性を有する格子を提供し得る。単位セルが伸長されると、一般に、伸びの方向に対して垂直な方向への弾性係数が低下し、伸び方向への弾性係数が増加する。相互接続部、開口部、および中央の空隙（存在する場合）内に含まれる新しい骨の成長の方向に対して垂直な方向に、セルを伸長することが望ましい。弾性係数が低いことが望ましい方向に対して垂直な方向にセルを伸長することにより、伸長方向のせん断強度が増加し、構造足場を設計するときに望ましい品質のセットが提供されるであろう。足場の全体的な剛性を共有すると、この効果が増加または減少し、１つ以上の方向の変動が可能になる。
【００７６】
いくつかの実施形態では、サブ単位セルを画定する体積の高さへのノードの相対的な高さを制御することによって、サブ単位セルを設計してもよい。ノードの高さを制御することで、格子構造の最終的な特性及び外観に影響を与え得る。一般に、ノードの高さを増加させると、ストラットの厚さが増加し、体積密度が増加し、強度が増加し、結果として得られる格子の弾性係数が増加する。ノードの高さを増加させる場合、ノードの幅は、いくつかの実施形態では一定に保たれ得、または他の実施形態では変化し得る。
【００７７】
いくつかの実施形態では、サブ単位セルは、サブ単位セルを画定する体積に対するノードの体積を制御することにより設計されてもよい。ノードの体積を制御することで、格子構造の最終的な特性と外観に影響を与え得る。一般に、ノードの体積を増加させると、ストラットの厚さが増加し、体積密度が増加し、強度が増加し、結果として得られる格子の弾性係数が増加する。ノードの体積を増加させる場合、一部の実施形態では、ノードの幅または高さを一定に保ち得る。
【００７８】
以下の表２に、さまざまな格子設計弾性係数の格子構成の例を示す。おおよその実測弾性係数が各例に与えられ、製造プロセスを経た後のその格子の計算上の弾性係数を表す。本明細書に開示される格子構造およびインプラントは、いくつかの実施形態では設計弾性係数になるように、またいくつかの実施形態ではおおよその実測弾性係数になるように設計され得る。各格子設計弾性係数に、格子設計弾性係数、ノードの高さ、体積密度、ノード体積、体積密度に対するノード高さの比、格子設計弾性係数に対するノード高さの比およびノード体積に対する体積密度の比が与えられる。
【００７９】
【表２】
2020515345.tif 000004
【００８０】
開示された格子構造のいくつかの実施形態は、０．３７５ＧＰａ以上４ＧＰａ以下の弾性係数範囲内で提供される場合に特に有用である。いくつかの実施形態は、２．５ＧＰａ以上４ＧＰａ以下の弾性係数を有する格子構造を含むことがより好ましい。いくつかの実施形態は、体積密度が５％以上４０％以下である格子構造を含む。いくつかの実施形態は、体積密度が３０％以上３８％以下の格子構造を含むことがより好ましい。
【００８１】
本明細書に開示される格子構造は、低体積密度範囲および低弾性係数範囲に対して特に強固な荷重特性および疲労特性を有する。格子構造のいくつかの実施形態は、静荷重および５Ｈｚで最大５，０００，０００サイクルの動荷重において、３００Ｎ以上１５０００Ｎ以下のせん断降伏荷重および圧縮降伏荷重を有する。いくつかの実施形態は、静荷重および５Ｈｚで最大５，０００，０００サイクルの動荷重において、３００Ｎ以上１５０００Ｎ以下の圧縮せん断強度および軸荷重を有する。いくつかの実施形態は、静荷重および５Ｈｚで最大５，０００，０００サイクルの動荷重において、３００Ｎ以上１５０００Ｎ以下のせん断強度および軸荷重を有する。いくつかの実施形態は、１５Ｎｍまでのねじり降伏荷重を有する。
【００８２】
一例では、本発明の格子構造は、３２％以上３８％以下の体積密度、２．５ＧＰａ以上４ＧＰａ以下の弾性係数、ならびに静荷重および５Ｈｚで最大５，０００，０００サイクルの動荷重における３００Ｎ以上１５０００Ｎ以下のせん断強度および軸荷重を有する。いくつかの例は、幅が約２００μｍ〜９００μｍの実質的に均一な開口部の第１セットと、第１セットの幅の約１〜１５倍の幅の実質的に均質な開口部の第２セットとを含み、第２セットの開口部の数は、第１セットの開口部の数に対して約１：８から１：１２の比率で設けられる。
【００８３】
開示された構造は、骨統合が求められていない、または望ましくない用途で使用される場合にも、利点を有し得る。構造上に成長阻害コーティングまたは成長阻害スキンを施すことにより、本明細書に開示される格子を使用して、骨成長のための足場を提供することなく構造的支持を提供し得る。これは、一時的なインプラントまたは一定期間後に除去することを目的とした医療用デバイスで使用する際に望ましい場合がある。
【００８４】
本明細書は、医療用インプラントで使用するための多孔質構造を設計する方法も開示する。設計方法には、以下のステップが含まれる。
１．事前に選択された高さ、第１の幅、および第２の幅からなり、６つの六面体体積面を備える六面体体積内でサブ単位セルを造形するステップ。
２．六面体体積内の中心に位置するノードを造形するステップ。ここで、ノードは、８つのノード面と前記六面体体積の面に平行な正方形平面を有する双四角錐を備え、六面体体積は、３つの六面体体積面の交点によってそれぞれ画定される８つの角部をさらに備える。
３．第１ノード面に対する近位端に固定され、第１ノード面に最も近い六面体体積の角部に対する遠位端に固定された第１ストラットを造形するステップ。
４．第１ノード面から横方向に約１８０度離れている第２ノード面について、第２ノード面に対する近位端に固定された第２ストラットを造形するステップ。
５．第１ノード面から横方向に約９０度離れている第３のノード面について、第３のノード面に対する近位端で固定された第３ストラットを造形するステップ。
６．第３のノード面から横方向に約１８０度離れている第４のノード面について、第４のノード面に対する近位端に固定された第４ストラットを造形するステップ。
【００８５】
医療用インプラントで使用する多孔質構造の設計方法は、サブ単位セルを複製し、４つのサブユニットの第２のグループに固定された４つのサブ単位セルの第１のグループを作成することにより単位セルを造形するステップを必要に応じて含んでもよい。ここで第１のグループは、上から見たときに四辺形になるように横方向に配置および固定された４つの実質的に相似のサブ単位セルを備え、第２のグループは、第１のグループに対して反転され、上から見たときに四辺形になるように横方向に固定された４つの実質的に類似のサブ単位セルを備える。
【００８６】
本明細書に開示される方法を使用して医療インプラント用の多孔質構造を設計する場合、多孔質構造の特性は、サブ単位セルの特性を変更することにより変更されてもよい。サブ単位セルの特性を変更し得るサブ単位セルの変更には、ノードの高さの変更、ノードの体積の変更、ノードの横方向の寸法の変更、六面体体積の高さの変更、六面体体積の第１の幅の変更、または六面体体積の第２の幅の変更が含まれ得、それらに限定されない。いくつかの実施形態では、六面体体積の第１の幅または第２の幅よりも小さい、六面体体積の所定の高さを選択することが好ましい。
【００８７】
開示された設計方法は、六面体体積面によって画定される基準面を特定すること、および基準面から０度から９０度の間のストラット方向を選択することを含み得る。開示された設計方法は、六面体体積面によって画定される基準面を特定すること、および基準面から８度から３０度の間のストラット方向を選択することも含み得る。
【００８８】
開示された設計方法で使用される格子構造は、菱形十二面体、変形菱形十二面体または放射状菱形十二面体を含みこれらに限定されない様々な構造を含み得る。医療用インプラントで使用するための多孔質構造を設計する方法は、必要に応じてさらに以下のステップを含み得る。
１．六面体体積の高さに平行な線で画定される主軸を特定するステップ。
２．主軸から９０度以内の荷重軸を特定するステップ。
３．荷重軸からオフセットされた角度に向けられた２番目の荷重軸を特定するステップ。
４．０．３ＧＰａ以上１２ＧＰａ以下の荷重軸に沿った弾性係数と、２ＧＰａ以上２５ＧＰａ以下の第２荷重軸に沿った弾性係数を提供するようにインプラントを構成するステップ。ここで、先の荷重軸に沿った弾性係数は第２の荷重軸に沿った弾性係数よりも小さい。
【００８９】
本明細書に開示される本発明は、異方性特性を有する生体適合性格子構造（以下「異方性格子」）およびその使用方法をも含む。本明細書では好ましい実施形態のみが示されており、他の単位セル構造の使用も本明細書で表される本発明の概念の範囲内となることを理解されたい。
【００９０】
一般に、格子構造の弾性係数とその構造の体積密度は関連がある。体積密度を下げると弾性係数が下がり、逆もまた同様である。実質的に等方性の格子が構造的足場として使用される場合、結果として生じるインプラントは、少なくとも一方向における設計的妥協を必要とする場合がある。たとえば、構造足場は、脊椎で使用する場合、上下方向の圧縮に抵抗しながら、前後方向のせん断と上下軸の周りのねじれに抵抗できなければならない。等方性の場合、構造足場はすべての方向で実質的に同一の特性を有し、構造足場はすべての方向で予想される最大の力に基づいて設計する必要がある。本発明の異方性格子構造は、好ましくは、構造の関連部分について実質的に同一または異なり得る、複数の単位セルから構成される。構造の関連部分は、特定の特性が求められる構造の部分である。関連部分には、必要な特定の特性に応じて、多数の隣接する単位セルまたは単一の単位セルを含んでもよい。
【００９１】
本明細書の開示において、単位セルおよび異方性格子構造を画定するストラットは、単一の単位セルまたは複数の単位セルに対して実質的に同じ直径であり得る。ストラットの直径を変えることで、単位セルの全体的な形状を変えることなく、得られる格子の機械的特性を変えることができる。ストラットは、実質的に同じ直径として説明されることがあるが、製造公差により、特定の用途で実質的に同じ直径のストラットとならない場合があることを理解されたい。特に、単位セルが小さい場合、ストラットの直径を制御するのがより難しい。本発明の概念は、異なる直径のストラットまたはストラット直径の変化を有する異方性格子でも機能し得る。
【００９２】
本明細書では、異方性格子構造の単位セルは、１つ以上の方向に短縮または伸長されていると記載されている。各単位セルのサイズは、特定の材料または目標とする機械的特性に合わせてスケーリングできるため、単位セルを短縮または伸長してから適切なサイズにスケーリングしてもよい。
【００９３】
図１〜３は、単位セルの形状がストラット１１によって画定される変形菱形十二面体格子１０の繰り返し可能な単位セル構造を示す。示される例は、単一の完全なＭＲＤＤ単位セルであり、隣接する単位セルの界面形状を示す、外側へ延在する追加のストラットを含む。
【００９４】
図１は、ＭＲＤＤ格子１０の等角図である。図２はＭＲＤＤ格子１０の正面図であり、図３は底面図である。側面図および背面図は、正面図と実質的に同じである。上面図は、底面図と実質的に同じである。ＭＲＤＤ格子では、各単位セルは、１２の菱形側面を持つ変形菱形十二面体である。示されているＭＲＤＤ単位セルはオープンセル構造であるため、ＭＲＤＤの各側面は、平面内で菱形を形成する４つのストラット１１によって画定される。
【００９５】
この例におけるＭＲＤＤ格子１０は実質的に等方性であり、単位セルの１２個の側面のそれぞれは実質的に同じサイズおよび形状である。側面を形成するストラット１１も、実質的に同じ長さと厚さである。本明細書で使用される場合、「実質的」という用語は、参照値に対して１０％大きい値まで、または１０％小さい値までを含む。図２において、ｚ方向におけるＭＲＤＤ格子１０の部分の長さは、高さＡによって画定される。図２に示されるＭＲＤＤ格子１０の部分において、高さＡは２つの単位セルの高さに等しい。図３に示すように、ＭＲＤＤ格子１０の部分のｘ方向の長さは幅Ｂによって画定され、ＭＲＤＤ格子１０のセクションのｙ方向の長さは幅Ｃによって画定される。図３に示すＭＲＤＤ格子の部分では、幅Ｂと幅Ｃは単一の単位セルの高さに等しい。高さＡは２つの単位セルの高さに等しいため、幅Ｂと幅Ｃは高さＡの半分に等しくなる。さらなるわかりやすさのために、点ＡＡは図２と図３で同一である。
【００９６】
ＭＲＤＤ格子１０は、ｘ軸、ｙ軸、およびｚ軸の方向に圧縮されたとき、おおむね等方性の特性を有する。ＭＲＤＤ格子１０が椎体間脊椎固定インプラントで使用されるとき、格子によって提供される機械的特性は、上下方向、前後方向、および横方向で実質的に同じである。本明細書で用いられる方向または配向において、上下方向、前後方向、および横方向は、それぞれｚ方向、ｘ方向、およびｙ方向に対応する。これらの特定の方向参照は例示であり、本明細書で説明される例示的な向きに使用される。
【００９７】
椎体間脊椎固定インプラントの構造的支持体として格子を使用する場合、格子は、前後方向および横方向によって定義されるおおむね水平な面である横断面において、十分なねじり強度およびせん断強度を有しなければならない。横断面で十分なねじり強度およびせん断強度を持つようにＭＲＤＤ単位セルが設計されている場合、上下方向の弾性係数はしばしば最適値よりも高くなる。上下方向の高い弾性係数は、新しい骨成長の応力遮蔽を引き起こし得、その結果、新しい骨成長が遅くなり、弱くなる。加えて、同じ体積密度の格子は、単位セルのサイズを大きくするメカニズムによってより太いストラットを維持してもよく、それによりすべての方向への耐疲労性が大きくなり、一方向への剛性が低下する。
【００９８】
椎体間脊椎固定インプラントの上下方向の弾性係数が高い場合、椎体間インプラントは、新しい骨の成長よりもむしろ患者の動きに応じて生理的負荷を受ける。ウォルフの法則によれば、応力遮蔽された新しい骨の成長は、通常の機械的刺激を受ける骨よりも弱くなる。等方性格子は、ｘ軸、ｙ軸、およびｚ軸に沿って実質的に同一の機械的特性を持っているため、骨成長用の耐荷重足場としては、異方性格子ほど理想的ではない。
【００９９】
図４〜図６は、本発明の第１の実施形態の繰り返し可能な単位セル構造を示す。第１の実施形態は、単位セルの形状がストラット１１１によって画定される伸長ＭＲＤＤ格子１１０である。第１の実施形態は、外側に延在する追加のストラットを有し、繰り返し構造の一部を表す、単一の完全な伸長ＲＤＤセルである。図４は、伸長ＭＲＤＤ格子１１０の等角図であり、図５は正面図、図６は底面図である。側面図および背面図は、正面図と実質的に同じである。上面図は底面図と実質的に同じである。
【０１００】
伸長ＭＲＤＤ格子１１０では、各単位セルは、１２個の菱形側面によって画定される伸長変形菱形十二面体の交差部である。伸長ＭＲＤＤ格子１１０はオープンセル構造を有するので、単位セルの各側面は、平面内で菱形を形成する４つのストラット１１１によって画定される。伸長ＭＲＤＤ格子１１０はｘ方向およびｙ方向に伸長し、ｘ方向およびｙ方向における単一セルの幅が幅Ｂおよび幅Ｃに等しく、２つのセルの高さが高さＡの半分に等しくなる。言い換えると、単一セルのｘ方向またはｙ方向の幅は、この実施形態におけるｚ方向の単一セルの高さの２倍である。点ＢＢは、さらなるわかりやすさのために図５と図６で同一である。
【０１０１】
高さよりも幅のほうが大きいＭＲＤＤセル構造を実現するには、セル内のストラットの長さを変更してセルの寸法を変更することが好ましい。これにより、任意の方向でセルの寸法を優先的に変更できる。この例では、ストラットが垂直方向に短縮され、セルの高さとそのセル方向の剛性が小さくなる。
【０１０２】
伸長ＭＲＤＤ格子１１０は、骨成長の足場として特に有用な異方性特性を有する。高さよりも幅のほうが大きい単位セルを作成することにより、結果として得られる足場は、垂直方向の弾性係数が水平方向の弾性係数よりも低くなる。脊椎で使用する場合、結果として得られる格子は、前後方向および横方向で高いせん断強度を維持しながら、上下方向でより大きな圧縮を可能にするであろう。上下方向の弾性係数が低下すると、応力遮蔽が低下し、融合が促進される。
【０１０３】
図７〜９は、本発明の第２の実施形態の繰り返し可能な単位セル構造を示す。第２の実施形態は、単位セルの形状がストラット２１１によって画定される伸長ＭＲＤＤ格子２１０である。第２の実施形態は、外側に延在する追加のストラットを有し、繰り返し構造の一部を表す、３つの完全な伸長ＭＲＤＤ単位セルの積み重ねである。図７は、伸長ＭＲＤＤ格子２１０の等角図であり、図８は正面図、図９は底面図である。側面図および背面図は、正面図と実質的に同じである。上面図は底面図と実質的に同じである。
【０１０４】
伸長ＭＲＤＤ格子２１０では、各単位セルは、１２個の菱形側面によって画定される伸長変形菱形十二面体の交差部である。伸長ＭＲＤＤ格子２１０はオープンセル構造を有するので、単位セルの各側面は、平面内で菱形を形成する４つのストラット２１１によって画定される。伸長ＭＲＤＤ格子１１０はｘ方向およびｙ方向に伸長し、ｘ方向における単一セルの幅が幅Ｂに等しく、ｙ方向における幅が幅Ｃに等しく、ｚ方向における２つのセルの高さは高さＡの半分に等しくなる。言い換えると、単一セルのｘ方向またはｙ方向の幅は、この実施形態におけるｚ方向の単一セルの高さの２倍である。点ＣＣは、さらなるわかりやすさのために図８と図９で同一である。
【０１０５】
異方性格子の例示的な実施形態は、ｚ方向に対してｘ方向およびｙ方向に同じ量だけ伸長されている一方、高さに対する幅の他の比率は、本発明の範囲内に存在する。格子構造が必要な所定の用途に応じて、ｘ方向またはｙ方向における幅は、単位セルのｚ方向の高さ以外の値となり得る。本発明の記述は、ｘ方向、ｙ方向およびｚ方向に対する単位セルの伸びを定義するが、特定の用途に対して適切な機械的特性を有する格子を作成するために、格子構造を回転または配向させることができる。例えば、格子の単位セルは、垂直軸に沿った圧縮が望ましくない用途においては、ｘ方向およびｙ方向における幅よりも、ｚ方向の高さが大きくなり得る。格子構造を回転させて、水平方向および垂直方向以外の方向に特定の機械的特性を有する格子を設計してもよい。また、９０度離れていない方向において、異なる機械的特性を得ることも可能である。
【０１０６】
本明細書で説明される例示的な実施形態は幅Ｃに等しい幅Ｂを用いるが、しかしながら幅Ｃに等しくない幅Ｂを有する単位セルを作成することが望ましい場合があり得ることを理解されたい。単位セルの幅を一方向にのみ変更することで、その軸に沿った異なる機械的特性を実現してもよい。
【０１０７】
本明細書ではｘ軸、ｙ軸、ｚ軸を使用して本発明を説明したが、本明細書で説明する異方性格子は、特定の目的に必要な配向に適合させることができる。たとえば、主軸線は、ｚ軸に沿う直線または垂直線である必要はない。一例では、主軸線は脊柱前弯に沿う。別の例では、格子構造が全体にわたって変化し、主軸が脊柱前弯に沿うインプラントを実現する。各単位セルの寸法は、所望の機械的特性に応じて、関連する部分の一方の端で同じとすることも、他方の端ですべて異なるものとすることもできる。単位セルの寸法は、１つ以上の単位セルの高さと１つ以上の単位セルの幅の層で構成できる。ある層内の単位セルは、寸法特性を共有でき、したがって機械特性を共有できる。
【０１０８】
単位セルの形状を調整して、ｘ方向およびｙ方向の格子のねじり強度およびせん断強度を高めることもできる。ねじり強度とせん断強度は、すべての単位セルの寸法を変更するか、格子構造の特定の部分のセルの寸法のみを優先的に変更することで調整できる。一例では、単位セルは格子構造の頂部または底部付近のみ変更される。
【０１０９】
本明細書に開示される異方性格子構造は、さまざまな材料およびプロセスから製造され得る。骨の足場として使用される場合、異方性格子は、直接または生物活性表面処理の適用のどちらかを通じて骨の付着を可能にする生体適合性材料で作られることがしばしば望ましい。一例では、異方性格子は埋め込み可能な金属で構成される。
【０１１０】
別の例示的な実施形態では、異方性格子は、様々な骨のｚ軸に沿った弾性係数を有する埋め込み可能な金属で構成される。一例では、ｚ方向の弾性係数は０．３〜２．０ＧＰａであり、ｘ方向およびｙ方向の弾性係数は２．０〜２５．０ＧＰａである。別の例では、ｚ方向の弾性係数は２．０〜４．０ＧＰａで、ｘ方向およびｙ方向の弾性係数は４．０〜２５．０ＧＰａである。別の例において、ｚ方向の弾性係数は４．０〜１２．０ＧＰａであり、ｘ方向およびｙ方向の弾性係数は１２．０〜２５．０ＧＰａである。別の例において、ｚ方向の弾性係数は０．３〜１２．０ＧＰａであり、ｘ方向およびｙ方向の弾性係数は１０．０〜２５．０ＧＰａである。別の例示的な実施形態では、異方性格子は、様々な骨においてｚ軸に沿った弾性係数を有するチタンまたはチタン合金から構成される。一例では、ｚ方向の弾性係数は０．３〜２．０ＧＰａであり、ｘ方向およびｙ方向の弾性係数は２．０〜２５．０ＧＰａである。別の例では、ｚ方向の弾性係数は２．０〜４．０ＧＰａであり、ｘ方向およびｙ方向の弾性係数は４．０〜２５．０ＧＰａである。別の例では、ｚ方向の弾性係数は４．０〜１２．０ＧＰａであり、ｘ方向およびｙ方向の弾性係数は１２．０〜２５．０ＧＰａである。別の例では、ｚ方向の弾性係数は０．３〜１２．０ＧＰａであり、ｘ方向およびｙ方向の弾性係数は１０．０〜２５．０ＧＰａである。
【０１１１】
いくつかの実施形態では、格子の弾性係数は、菱形の開口部の頂点の内角を二等分する線に基づいて参照され得る。一実施形態では、菱形開口の頂点の内角を二等分する線に垂直な方向である第１荷重方向の弾性係数は、０．３ＧＰａ以上１２．０ＧＰａ以下であり、第１の方向からオフセットされる第２荷重方向は２．０ＧＰａ以上２５．０ＧＰａ以下であり、第１の方向の弾性係数は第２の方向の弾性係数よりも小さい。
【０１１２】
本明細書に開示される異方性格子構造は、主軸に沿った長さ、主軸に垂直なｘ軸、ｘ軸に垂直なｙ軸、主軸から９０度以内の荷重方向を有する画定体積内の繰り返し単位セルを備える医療用インプラント用の多孔質構造としても説明でき、構造の荷重方向に沿った弾性係数は、ｘ軸に沿った弾性係数よりも低くなる。いくつかの実施形態では、多孔質構造は、ｙ軸に沿った弾性係数よりも、荷重方向に沿った弾性係数のほうが低くなり得る。格子構造は、いくつかの実施形態において、ｘ軸およびｙ軸に沿って固定された均一な繰り返し単位セルの複数の層としても提供され得、少なくとも１つの層は、隣接する層よりも、荷重方向に沿って高い弾性係数を有する。繰り返し単位セルの複数の層を備えたいくつかの実施形態では、各層の荷重方向は脊椎前弯に沿い得る。繰り返し単位セルの複数の層を備えたいくつかの実施形態では、各層の方向はデバイスの湾曲に沿い得る。繰り返し単位セルの複数の層を備えたいくつかの実施形態では、各層における方向は周囲の組織または骨構造の湾曲に従うことができる。前述のように、格子構造のいくつかの実施形態は、菱形十二面体構造、変形菱形十二面体構造、または放射状菱形十二面体構造を備え得る。
【０１１３】
本明細書で開示される異方性構造のいくつかの実施形態は、０．３ＧＰａ以上１２ＧＰａ以下の荷重方向の弾性係数と、２ＧＰａ以上２５ＧＰａ以下のｘ軸に沿った弾性係数とを有し得、荷重方向の弾性係数はｘ軸に沿った弾性係数よりも小さい。いくつかの実施形態では、主軸に沿った長さは、ｘ軸に沿った長さよりも短くなる。いくつかの実施形態では、主軸に沿った長さは、ｙ軸に沿った長さよりも短くなる。他の実施形態では、ｘ軸に沿った長さは、ｙ軸に沿った長さとほぼ同じである。
【０１１４】
骨の内部成長を促進するために最適化されたいくつかの実施形態では、主軸を骨成長の所望の方向に合わせることができる。ここで、骨成長の所望の方向は、骨構造から離れる骨成長方向である。骨の内部成長を促進するために最適化されたいくつかの実施形態は、５％以上４０％以下の体積密度、より好ましくは３０％以上３８％以下の体積密度を有し得る。骨の内部成長に最適化される場合、格子のいくつかの実施形態では、ある方向における０．３７５ＧＰａ以上４ＧＰａ以下の弾性係数を有することが好ましい。また、格子構造が静荷重および５Ｈｚで最大５，０００，０００サイクルの動荷重において３００Ｎ以上１５０００Ｎ以下の圧縮せん断強度と軸荷重、および最大１５Ｎｍのねじり降伏荷重を有することも有益である。
【０１１５】
本明細書に開示される格子構造は、骨の成長が促進されるように構成されているいくつかの例において、医療用インプラントに含まれ得る。その場合、骨成長が望まれる少なくとも２つの骨構造の間の領域に埋め込まれるように格子構造が構成され、骨構造は、埋め込み時の骨融合インプラントの近傍に存在する、または隣接する患者組織の一部であり、主軸が２つの骨構造の両方と交差し、荷重軸が主軸から９０度以内にあり、格子構造は、２つの骨構造の間に単独の機械的間隔を提供するように構成され、第２荷重軸は第１荷重軸と交差し、そして、格子構造は、第２荷重軸に沿った弾性係数よりも低い、第１荷重軸に沿った弾性係数を有する。
【０１１６】
本発明の伸長格子が骨成長足場として使用される場合、骨の付着が望ましいが、本発明は、骨の内部成長なしで体内の機械的支持のために使用されてもよい。一例では、異方性格子は、表面処理なしでは骨の付着を許容しない医療用デバイスで一般的に使用されるポリマーである、ポリエーテルエーテルケトン（以下「ＰＥＥＫ」）で構成される。一時的なインプラントまたは将来除去しなければならない可能性があるインプラントには、ＰＥＥＫを使用することが有益となる。ＰＥＥＫを用いて本発明を製造するために使用できる製造プロセスには、３Ｄプリントおよび押出プリントが含まれるが、これらに限定されない。
【０１１７】
本明細書では、好ましい実施形態の単位セル構造として伸長ＭＲＤＤを示したが、１つ以上の方向に伸長し得る単位セル構造には多くの種類がある。適切な可能性のある単位セルには、菱形十二面体、ダイヤモンド型、十二面体、正方形、五角形、六角形および八角形が含まれ、これらに限定されない。異方性格子は、わずか４つの側面を使用する単位セルで実現されてもよい。所望の機械的特性を実現するために必要な、単位セルの高さに対する幅の変化は、単位セルの形状と材料によって異なる。
【０１１８】
異方性格子は、重量に対する構造の固有の強度の比のため、繰り返し伸長ＭＲＤＤ単位セルを使用して作成することが好ましい。伸長ＭＲＤＤ単位セルの重量の特性に対する強度により、結果として得られる異方性格子は、所定の剛性に対してより低い体積密度で生成できる。体積密度が低いと、骨の内部成長のための体積が大きくなり、結果として新しい骨の成長が強くなり得る。いくつかの実施形態において、異方性格子は、重量特性に対するその固有の強度のためにも、繰り返し伸長ＲＤＤＲ単位セルを使用して作成することが好ましい。
【０１１９】
本明細書に開示される異方性格子の実施形態は、脊椎固定術における新しい骨成長の応力遮蔽を低減する方法で使用され得る。脊椎固定術では、損傷した、または病に罹患した椎間板は取り除かれ、隣接する椎骨の終板と隣接する椎骨間で成長する新しい骨の経路との間の機械的間隔を提供する椎体間装置と置換される。時間が経つにつれて、隣接する椎骨からの新しい骨成長は最終的に共に成長し、単一の骨に融合する。
【０１２０】
椎体間装置が過剰な剛性または不必要に高い弾性係数を有する場合、患者が動くと、新しい骨成長よりもむしろ、重量を支える傾向がある。これが発生すると、新しい骨の成長は応力遮蔽され、ウォルフの法則に従って、新しい骨成長は通常の生理的ストレスを受けた場合よりも弱くなる。脊椎では、上下方向または脊椎の前弯によって定義される方向に弾性係数を制御することが、新しい骨成長の負荷に対して重要であると理論付けられている。
【０１２１】
応力遮蔽を低減する本方法は、本明細書に開示される１つ以上の単位セルからなる異方性格子を有する、隣接椎骨の終板間の機械的間隔の一部またはすべてを提供する椎体間装置を作成することを含む。本明細書に開示される１つ以上の単位セルを繰り返すことにより、結果として生じる椎体間装置は、前後方向または横方向の弾性係数よりも、上下方向または脊椎の脊柱前弯によって定義される方向の弾性係数が低いことが好ましい。前後方向または横方向に伸長したセルを使用する脊椎固定装置は、他の方向のねじり強度およびせん断強度を大幅に変更することなく、上下方向または脊椎の前弯によって定義される方向の弾性係数を低下させる。
【０１２２】
上下方向または脊椎の前弯によって定義される方向における弾性係数が低いと、隣接する椎骨の終板が互いに対して限られた量だけ動き、新しい骨の成長にストレスを与えることができるため、望ましい。椎体間強度は、適切な安定性を提供するのに十分な高さを維持しなければならないが、負荷を分担するのに十分低くなければならず、それによって新しい骨の成長における応力遮蔽を防ぐ。
【０１２３】
また、すべてのインプラントの応力遮蔽を低減する、以下を含むステップも開示されている。
１．組織の成長を可能にするように構成された繰り返し単位セルを備える格子構造の少なくとも一部を備えるインプラントを提供するステップ。
２．組織の２つの領域の近傍にある、またはそれらに隣接するインプラント空間を画定するステップ。
３．組織の２つの領域の両方と交差する主軸を定義するステップ。
４．主軸から９０度以内の荷重軸を定義するステップ。
５．荷重軸と交差する少なくとも１つの平面内の組織の２つの領域間に単独の機械的間隔を設けるインプラントを構成するステップ。
６．繰り返し単位セルを、荷重軸に沿って他の方向よりも短くなるように構成するステップ。
【０１２４】
上記の方法において、繰り返し単位セルは、菱形十二面体、変形菱形十二面体または放射状菱形十二面体を含むがこれらに限定されない様々な格子構造を使用できる。インプラントは、組織の領域の近傍にまたは隣接して埋め込まれるように構成されることが好ましい。組織の領域は、繊維組織または骨組織を含むがこれらに限定されないさまざまな種類の組織であり得る。組織の領域は、単一のセルと同じくらい小さい場合があり得、連続した表面、組織または骨の一部であり得る。荷重軸と交差する平面は平坦面であり得るが、必ずしもそうである必要はない。交差する平面は、例えば、曲面であり得る。交差する平面は、組織の２つの領域の間に連続層を規定することが好ましく、ここで格子構造が組織の領域間の単独の機械的間隔を提供する。
【０１２５】
応力遮蔽を減らす上記の方法には、以下のステップが含まれる。
１．荷重軸からオフセットされた角度に向けられた２番目の荷重軸を特定するステップ。
２．０．３ＧＰａ以上１２ＧＰａ以下の荷重軸に沿った弾性係数と、２ＧＰａ以上２５ＧＰａ以下の第２荷重軸に沿った弾性係数を提供し、第１荷重軸に沿った弾性係数は第２荷重軸に沿った弾性係数よりも低い、インプラントを構成するステップ。
【０１２６】
いくつかの態様では、異方性特性を備え、脊椎固定術での新しい骨成長の応力遮蔽を低減する方法で設計が可能な生体適合性の格子構造が説明されている。本開示は、骨足場としての格子または異方性格子の使用について説明しているが、本発明のすべてまたは一部は、他の用途で使用することができる。本開示では、本発明の好ましい実施形態のみを示し説明したが、前述のように、本発明は他の様々な組み合わせおよび環境で使用可能であり、本明細書で表される本発明の概念の範囲内で変更または修正が可能であることを理解されたい。
【図Ａ１】
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【図Ａ２】
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【図Ａ３】
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【図Ａ４】
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【図Ａ５】
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【図Ａ６】
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【図Ａ７】
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【図Ａ８】
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【図Ａ９】
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【図Ａ１０】
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【図Ａ１１】
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【図Ａ１２】
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【図Ａ１３】
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【図Ａ１４】
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【図Ａ１５】
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【図Ａ１６】
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【図Ａ１７】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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