JPH06505052A - 導電性支持体上に生物活性コーチングを電着するための方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 導電性支持体上に生物活性コーチングを電着するための方法発明の分野 本発明は、導電性支持体上へのオキシド又はホスフェートコーチングの電着方法 及びその製品に関する。より詳しくは、本発明は、移植可能補綴装置への生物活 性コーチング、たとえばリン酸カルシウムの電着及びその被覆された製品に関す る。

発明の背景 補綴移植装置、たとえば多孔性被覆整形用補綴、人工歯及び同様のもののオキシ ド又はホスフェートコーチングによる被覆は、骨の成長を刺激し、又は骨構造体 に化学的に結合することによって、装置の有効性及び生物適合性を改良する。オ キシドコーチングは、アルミナ及びジルコニアを包含し、そしてホスフェートコ ーチングは、リン酸カルシウム（たとえばα又はβリン酸三カルシウムＣａ３Ｐ Ｏ。

又はＣａｓ　（ＰＯａ）　ｘ−（ＣＯｚ）　ｘ　（Ｏ［Ｉ）　＋　、＊　（式中 、Ｘは０．２又はそれ以下である）及びより特定にはカルシウムヒドロキシアパ タイトＣａ＋。（ＰＯｎ）　ｈ　（ＯＨ）　ｚを包含する。それらのコーチング は一般的に厚さ６０μ−程度のものであり、そして腰骨移植物上のカルシウムヒ ドロキシアパタイト（Ｃ）ＩＡ）コーチングは手術後すぐの時期において“中大 腿苦痛”を有意に減じることが示唆されている。従って、ＣＨＡコーチングは、 好ましいコーチングであり、そしてそれらは一般的に、プラズマ噴霧又はゾル− ゲル処理方法により通用される。

しかしながら、そのような適用方法は必ずしも、満足のいくものではない、“透 視”方法であるプラズマ噴霧に関しては、補綴装置の不規則的な形状化表面に均 等なコーチングを適用することはひじょうに困難である。さらに、凹型表面及び “裏面”は、完全に被覆され得ない。

ゾル−ゲル方法に関しては、時々、不規則な表面を被覆することは容易であるが 、しかし均等性の問題が残っており、そしてコーチングが有機材料を除くために 焼結されるべきであり、そしてセラミック材料を濃縮すべき問題が存在する。金 属支持体の局部的な過剰加熱は、支持体の物性、たとえば疲労度及び引張り強さ に影響を及ぼす、チタン支持体上へのホスフェートフィルムの電気泳動付着はま た、フィルムの焼結が均等な付着性コーチングを供給するために必要とされる事 実を有する。

従って、支持体の熱処理又は焼結を必要としない、調節された厚さ及び多孔度の 導電性支持体上への付着性オキシド及びホスフェート生物活性コーチングの付着 のための改良された方法の必要性が存在する。

発明の目的 本発明の１つの目的は、多孔性及び非多孔性導電性支持体上へのセラミックコー チング、特にオキシド及びホスフェートコーチングの付着のための改良された方 法を提供することである０本発明のもう１つの目的は、改良された被覆製品を提 供することである。

発明の簡単な記載 本発明の１つの観点によれば、導電性支持体上への付着性セラミックコーチング の電着方法が提供され、ここで前記方法は、（ａ）不活性アノードを有し、そし てＰＨ以下の前記セラミックの溶液を含んで成る電解質を含む電解セルを供給し ；（ｂ）前記支持体を活性化し； （ｃ）前記電解質に前記導電性支持体を含浸し；（ｄ）前記活性化された支持体 上に前記セラミックを沈着するために十分な、前記電解質と前記支持体との間の 界面での前記電解質のｐｉを高めるために前記アノードと前記活性化された支持 体との間にＤＣ電位を適用することを含んで成る。

本発明のもう１つの観点によれば、セラミック材料の付着性結晶コーチングをそ の上に電着した導電性支持体を供給することである。

好ましい態様の詳細な記載 本発明によれば、多孔性又は非多孔性導電性支持体、たとえばステンレス鋼、チ タン又はチタンアロイ移植可能補綴、又はより特定には膝又は腰置換補綴は、水 での洗浄により、及び／又は研磨又は砂−噴射又は工７チング又は超音波清浄に より活性化され、そして次に、約８以下、すなわち酸性又は実質的に中性のｐｔ ＋を有する水溶液に含浸され、ここで前記溶液は、付着されるべきセラミックの イオンを含み、そして好ましくは、塩酸に溶解された三塩基性リン酸カルシウム （Ｃａ、。（ＯＨ）　ｚ　（ＰＯａ）　６）の約ｐＨ４の酸性溶液をカソードと して含む、チタニウムアロイはＴａ、　Ｎｂ、＾ｌ、Ｖ及びＰｔ族金属及びそれ らの組合わせを包含する０本発明はまた、導電層、たとえばＩｎｄｉｕ■Ｔｉｎ 　Ｏχｉｄｅにより被覆される非導電性支持体、たとえばガラスの使用にも関す る。白金アノードもまた、前記溶液中に挿入される。約０．５ボルト〜ｌＯボル ト及びより好ましくは約２〜３ボルトのＤＣ電位が１０ｍアンペア／ｃｍ”以下 の電流密度を付与するために電極に適用される。カソードへの電位の適用は支持 体を極性化し、そしてカソードの表面で、溶液のｐＨが約ａｌ１８〜ＩＯに上昇 し、そして所望するコーチング、たとえば酸化アルミニウム及び好ましくはリン 酸カルシウムがカソードに密な付着性フィルムとして沈着されるように、カソー ドで水素イオン濃度を減じる。少なくとも５０μ霧の付着性コーチングが室温で 生成され得る０表面が非導電性コーチングにより被覆されるにつれて、電極は、 電流の通過に対して漸進的により抵抗性になり、そしてその工程が結局停止し、 それによって、付着され得るフィルムの厚さを制限する。

最近の出来事は、補綴装置上のリン酸カルシウムコーチングが骨組織形成のため に不可欠なイオンの局部源を提供することによって完全に又は一部、それらの生 物学的活性を誘導するが、しかし骨鉱物中への溶解されたＣａ及びＰ０４イオン の即座の組込みは必ずしも達成されないことを示唆している。放射性ラベルされ た４８Ｃａ実験は、溶解された４１Ｃａの一部のみが移植部位で存続し、残りは 、骨鉱物付着物中への組込みの前、身体のＣａ−プールを希釈することを示す。

高められたカルシウム濃度の効果はたぶん、鉱物沈着の効果のみならず、また、 細胞増殖及び分化に対しこの溶液介在効果を有する。

従って、支持体上でのリン酸カルシウムコーチングの密度及び／又は付着性は、 本発明の技法の究極的目的が金属支持体の孔内での石灰化された組織形成を高め るであろうホスフェートコーチングを提供することであり、そして結局、補綴へ の組織の結合が、多孔性金属と骨との間の機械的インターロックを通して生じる ので、二次的に重要なものである。

電解質は、所望するセラミックを生成するためにイオンを含み、そして所望する コーチングに依存して、Ｃａ＋　Ｐ−含有イオン及び／又はＺｒ”、ＡＩ”、Ｋ “、　Ｎａ”又は白金族金属のイオン及び／又は他のアニオン、たとえばＦ−、 Ｃ（ｈ”−、ＨＣＯｓ−又はＣＩ−を含むことができる。電解質はまた、有機材 料、たとえばタンパク質及び生物学的に非毒性の化合物、たとえばコラーゲン、 血漿フィブロネクチン又は不純物も含む、電解質はまた、溶解された酸素も含む ことができる。

カソードでの界面ｐ＋＋が高められるので、無機セラミック化合物（たとえばＡ ｈＯｓ又はリン酸カルシウム）は有機化合物と共に同時沈殿することができる。

この方法はまた、リン酸カルシウム化合物の核形成及び結晶成長の間、リン酸カ ルシウム結晶における特定イオン（たとえばｃｏ、”及びＦ−）のドーピングを 可能にする。

本発明の特徴は、Ｔｉ又はＴｉアロイ支持体上へのリン酸カルシウム化合物の被 覆において、そのリン酸カルシウムが、その工程が室温で行われている場合でさ え、ひじょうに高い結晶性であることである。生物適合法のためには、結晶性リ ン酸カルシウムは非晶性リン酸カルシウムであることが好ましい、従来技術の非 晶性リン酸カルシウムコーチングは、その結晶性を高め、そしてその生物適合性 を改良するために高温熱水作用に通常ゆだねられる０本発明の方法は熱水段階の ための必要性を排除し、そして従って、高温で不安定である有機化合物が結晶性 リン酸カルシウム化合物と共に同時沈殿せしめられ得る。本発明のもう１つの特 徴は、リン酸カルシウムコーチングが微小孔を有するインターロック網状構造の 非方向性結晶から構成され、そしてコーチングは支持体に堅く付着されることで ある。従って、被覆された支持体は、移植体として使用される場合、体液と接触 してリン酸カルシウム結晶の大部分の表面積を提供する。

リン酸カルシウム化合物の大部分の表面積は、リン酸カルシウム化合物と生物学 的環境との間での良好な化学的及び物理的相互作用のために所望されることが注 目されるべきである。リン酸カルシウム化合物コーチングにおける微小孔はまた 、たとえばコラーゲン及び他の前高分子の良好な付着を促進する。

しかしながら、一定の用途のためには、Ｔｉ又はＴｉアロイ支持体上に密なリン 酸カルシウムコーチングを有することが好ましい、これは、カソードと電解質と の間は相対速度が存在する強制された流れ条件下で前記工程を行うことによって 達成され得る。この条件は、たとえば磁気攪拌器によりセル内の電解質を攪拌し 又は電解質を超音波振動にゆだねることによって供給され得る。他方、コーチン グは、非流動性条件下で最初に適用され（段階１）、そして次に、弱く付着され た結晶を除去するためにメタノール浴において短期間、超音波振動にゆだねられ る（段階２）０段階１及び２を数回くり返すことによって、リン酸カルシウム化 合物の密で且つ堅い付着性コーチングが室温でさえ達成され得る。３００〜９０ ０℃での焼結はまた、密なコーチングを生成するために使用され得る。

要約すれば、始めに沈殿された相の性質及び続く結晶成長反応及び結晶形態の性 質は、電解質の飽和の程度及びｐＨのみに著しく依存するのみならず、またそれ は適用される電圧、電解質のイオン強度、電解質温度、カソード表面の状態、攪 拌の程度及び電解質に依存するイオン又は物質のタイプに依存する。実際、形成 される相のタイプは、物理化学的条件の制御により影響され得る。

■土 電解質を、蒸留水１１に２０ｇのリン酸カルシウム三塩基性粉末（＋’ｃａ＋＊ （ＰＯａ）ｉ（ＯＨ）ｔ）（ＡＩｄｒｉＣｈ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｃｏ５ｐａｎ ｙ＋Ｉｎｃ、）　及び５８．５ｇの塩化ナトリウム（ＮａＣＩ）を添加すること によって調製した。１１解嘗のｐＨを、塩酸（ＨＣＩ）の添加により４．４に調 整した。電解質を磁気攪拌器により２時間攪拌し、リン酸カルシウム三塩基性粉 末の溶解を促進した０次に、電解質を細かな焼結ガラスフィルターを通して濾過 し、そして１１の容積を有する従来の電気分解セルに移した。

セルを、参照電極として作用する市販の飽和カロメル電極及びセルのアノードと して作用する白金箔により装備した。５ｃｍＸ１ｃ曽×２ｃｍのチタンアロイ（ Ｔｉ　６Ａｌ　４Ｖ）サンプルの表面を、スチールグリッド（０，５ｍｍの平均 粒度）によりそれを噴射することによって両側上を粗面仕上げし、そして次に超 音波浴においてメタノールにより１５分間清浄した０次に、サンプルを、蒸留水 により洗浄し、そして空気流下で乾燥せしめた０次に、サンプルを電解質に含浸 し、そしてセルのカソードとして使用した。

次に、カソード、アノード及び参照電極を、定電位条件下で作動する従来の定電 位に連結し、そしてカソードを、飽和カロメル電極に対して一１４００■Ｖに極 性化した。セルに入いる大気からＣＯ！を排除する試みは行われなかった。この 実験は室温（Ｔ　−２５℃）で０．５時間行われ、そしてサンプルは、リン酸カ ルシウム化合物の層により被覆された。

次に、サンプルをセルから取り出し、蒸留水により洗浄し、そして空気流下で１ ０分間乾燥せしめた。リン酸カルシウムコーチングの電子顕微鏡試験を、ＪＩＩ ＯＬ−３ｃａｎｎｉｎｇ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ　（ＳＥＭ ）を用いて行った。比較的高い倍率で、コーチングは微小孔（３０〜５０μ■の 範囲での孔径）を有することが観察された。コーチングは、非配向性プレート様 結晶（約２０μ−の結晶の平均サイズ）のインターロック網状構造から構成され た。コーチングの化学的分析は、コーチングが主にＣｏｔ含有リン酸カルシウム 化合物及び少量のＣＩ、　Ｈａ及び微量のＫから成ることを示した。

肛 例１における電解質と同一の電解質を用いた。直径０．５ｃ■及び長さ１０ｃｍ を有する棒状形のチタンアロイ（Ｔｉ　６Ａｌ　４Ｖ）サンプルを、カソードと して使用した。サンプルは４ｃ−の長さを有する一端でねじ込み部分を有した。

サンプルは例１に類似する態様で極性化されたが、しかし飽和カロメル電極に対 して一１３００■Ｖであった。この実験は、６５℃の電解質温度で２．５時間行 われた。被覆されたサンプルのＳＥＭ試験は、コーチング構造体が２〜５μ■の 範囲での細かく且つプ゛レートの様な結晶のインターロック網状構造を含んで成 ることを示した。コーチングはまた、２〜５μ−の程度の細かな微小孔を有した 。コーチングは連続且つ均等であり、そして支持体に堅く付着した。コーチング の化学的分析は、それがＣＯ２含有リン酸カルシウム化合物及び少量のＣＩから 成ることを主に示した。ナトリウム及びカリウムは検出されなかった。

Ｎ１ 例Ｉの電解質と同一の電解質をｔｌｌ製した。Ｎ２のサンプルに類似するチタン アロイ（Ｔｉ　６Ａｌ　４Ｖ）サンプルを、カソードとして使用した。サンプル を、電解質において２５℃で０．５時間、−１５００ｍＶ　（ＶｓＳＣＥ）で極 性化した（段階１）０次に、サンプルを取り出し、そしてメタノール浴において ２分間、超音波振動にゆだねた（段階２）。

段階ｌ及び２は５回、交互に反復された。得られるリン酸カルシウムコーチング は、孔を伴わないで、十分に密であった。コーチングはまた、連続で且つ結晶性 であり、そして支持体にひじように良好に付着した。

五土 例１の電解質と同一の電解質を調製した０例１におけるのと同じ寸法を有するチ タンアロイ（Ｔｉ　６４１４Ｖ）サンプルを機械的に粉砕した。サンプルを２５ °Ｃで、０．５時間、　１４００１Ｖ　（Ｖｓ　５ＣＥ）　テ被覆せしめた０次 に、コーチングを３５０℃で焼結した。リン酸カルシウム化合物の十分に密なコ ーチングが良好な付着を伴って得られた。コーチングは均質であり、そして約５ ０μｍの厚さを有した。ＳＥＭ試験は、リン酸カルシウム結晶が一緒に焼結され 、そしてコーチングがいずれの孔も有さないことを示した。

鮭 直径０．３−一のチタンワイヤを用いて、５００　ｐ　ｌの範囲の孔を有する立 体多孔性支持体を製造した０例１における電解質に類似する電解質を調製し、そ して多孔性支持体を例３で使用される方法に従って被覆した。得られるリン酸カ ルシウムコーチングは均質で且つ結晶性であり、そして多孔性支持体に強（結合 された。

、　、　＝　ＰＣＴ／ＣＡ　９２１０００３３

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．導電性支持体上に付着性セラミックホスフェートコーチングを電着するため の方法であって： （ａ）不活性アノードを有し、そして８以下のｐＨを有し、そして前記セラミッ クのイオンを含む水溶液を含んで成る電解質を含む電解セルを供給し； （ｂ）前記導電性支持体を活性化し； （ｃ）前記電解質に前記導電性支持体を含浸し；（ｄ）前記活性化された導電性 支持体上に前記電解質からの前記セラミックを沈着するために十分な、前記電解 質と前記活性化された導電性支持体との間の界面での前記電解質のｐＨを高める ために前記アノードと前記活性化された導電性支持体との間にＤＣ電位を適用す ることを含んで成る方法。 ２．前記セラミックコーチングがホスフェートコーチング及びオキシドコーチン グから選択される請求の範囲第１項記載の方法。 ３．前記ホスフェートコーチングがリン酸カルシウム化合物コーチングである請 求の範囲第２項記載の方法。 ４．前記ホスフェートコーチングが、α及びβリン酸三カルシウムから成る群か ら選択され、そして一般式Ｃａｓ（ＰＯ４）３−ｘ（ＣＯ３）ｘ（ＯＨ）１＋ｘ （式中、ｘは０．２又はそれ以下である）を有する成分である請求の範囲第３項 記載の方法。 ５．前記導電性支持体がステンレス鋼、チタン及びそのアロイ、及び導電性層に より被覆された非導電性支持体から選択される請求の範囲第１項記載の方法。 ６．前記非導電性支持体がガラスであり、そしてその上の前記導電性層がインジ ウムー易オキシドである請求の範囲第５項記載の方法。 ７．前記アノードが白金アノードである請求の範囲第５項記載の方法。 ８．前記ＤＣ電位が、１０ｍアンペア／ｃｍ２以下の電流密度を供給するために ０．０５〜１０Ｖの範囲で存在する請求の範囲第１項記載の方法。 ９．前記導電性支持体が多孔性支持体及び非多孔性支持体から選択される請求の 範囲第５項記載の方法。 １０．（ａ）前記工程を強制された流れ条件下で行い、（ｂ）前記被覆された支 持体を超音波振動にゆだね、そして（ｃ）強化されたコーチングを生成するため に、３００〜９００℃の間で前記被覆された支持体を焼結することから成る群か ら選択された少なくとも１つの段階を包含する請求の範囲第１項記載の方法。 １１．前記電解質が、フルオリド、クロリド、カーボネート、バイカーボネート 、ニトレート、Ｐｔ族金属及び溶解された酸素及び二酸化炭素から選択されたイ オンをさらに含む請求の範囲第１項記載の方法。 １２．前記電解質がコラーゲン又は生物学的に非毒性の有機化合物をさらに含む 請求の範囲第１１項記載の方法。 １３．その上に電着された、セラミック材料の付着性結晶性コーチングを有する 導電性支持体。 １４．前記セラミック材料がホスフェート化合物である請求の範囲第１３項記載 の導電性支持体。 １５．前記オキシドがアルミニウム及びジルコニアから選択される請求の範囲第 １４項記載の導電性支持体。 １６．前記ホスフェートがリン酸カルシウム化合物である請求の範囲第１４項記 載の導電性支持体。 １７．前記支持体が多孔性金属支持体である請求の範囲第１３項記載の導電性支 持体。 １８．前記金属支持体がステンレス鋼、チタン及びチタンアロイから選択される 請求の範囲第１７項記載の導電性支持体。 １９．前記支持体が導電性層により被覆された非導電性支持体である請求の範囲 第１３項記載の導電性支持体。 ２０．前記非導電性支持体がガラスであり、そして前記導電性層がインジウム錫 オキシドである請求の範囲第１９項記載の導電性支持体。 ２１．オキシドコーチング及びホスフェートコーチングから選択された生物活性 セラミック材料の付着層を、少なくとも１つのその選択された表面上に電着して いる生物学的に不活性な金属移植物補綴装置。 ２２．前記金属移植物が、ステンレス鋼、チタン及びチタンアロイから選択され る請求の範囲第２１項記載の補綴装置。 ２３．前記付着層が微小多孔性結晶性層である請求の範囲第２２項記載の補綴装 置。 ２４．前記付着層が、ＣＯ３，Ｆ，Ｃｌ，Ｋ，Ｎａ及びＰｔ族から選択された少 なくとも１つのイオンによりドープされているリン酸カルシウム化合物コーチン グを含む請求の範囲第２２項記載の補綴装置。 ２５．前記コーチングが、アルミナ及びジルコニアの少なくとも１種により同時 沈殿されるリン酸カルシウム化合物を含んで成る請求の範囲第２１項記載の補綴 装置。 ２６．前記付着層が、コラーゲン及び血漿フィブロネクチンから成る群から選択 された少なくとも１種の生物学的に活性な化合物により同時沈殿されたリン酸カ ルシウム化合物を含んで成る請求の範囲第２２項記載の補綴装置。