JP2007181705A - 医療用インプラント部品のための高速溶射技術 - Google Patents

Abstract

【課題】医療用インプラント部品等の部品の基材の表面の少なくとも一部分に所望の材料を提供する方法。
【解決手段】この方法は、部品を常圧またはほぼ常圧で保持可能な保持固定具に部品を配置するステップと、材料の層が基材の表面の少なくとも一部分に蓄積できるように、基材の表面の少なくとも一部分に向かって所定の高速度で所望の材料の粒子を溶射するステップとを含み、常圧またはほぼ常圧で溶射が行われる。所望の材料は、チタンまたはその合金等の反応性タイプの材料であってもよい。この方法によって、溶射後の熱圧密処理を経ずに高密度材料のコーティングまたは層を提供することが可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、所望の材料を部品に溶射する技術に関し、より詳細には、所望の材料を比較的高速度で医療用インプラントタイプの部品に溶射するための技術に関する。

多くの異なる技術によって、材料が部品（たとえば医療用インプラント部品）に付加される。このような技術の１つは溶射である。プラズマ溶射、高速酸素燃料（ＨＶＯＦ）溶射等の熱溶射法を含む多くの異なる方法によって溶射が行われる。一般に、このような熱溶射法が行われる際、溶射されることになる材料の粒子または粉末が、ガス（たとえばヘリウム、アルゴン、窒素、水素等）に注入されており、ガスと材料とがスプレーノズルから比較的高速度で放出される。さらに、熱溶射法においては、高温のプラズマ炎またはガス炎が利用される。このような火炎温度は、２０００℃を超える場合もある。さらに、このような溶射の過程で、材料の粒子が比較的高い温度に加熱され、また、部品自体が予熱される。

従って、熱溶射処理の間、所望の溶射材料の粒子が医療用インプラント部品の表面に向かって比較的高速度で溶射される。さらに、このような粒子が比較的高い温度を有している。

溶射作業が完了した後、医療用インプラント部品が、たとえば真空焼結、熱間静水圧圧縮成形等の圧密処理または熱処理を受ける場合がある。このような熱処理または溶射後の圧密処理が実行されるのは、コーティングされた医療用インプラント部品の密度を高めるためである。

すでに示したように、所望の材料のコーティングを医療用インプラント部品の所望の部分に付加するのに、前述の熱溶射法が利用される場合がある。一般に、医療用インプラント部品に付加されるかまたはコーティングされる材料は、チタンまたはチタン合金である。チタンが酸素に触れる場合にチタンは容易に反応または酸化して、燃焼するか、または結果として自然燃焼し、または望ましくない脆性相を形成する原因となり得るので、チタンは反応性タイプの材料または金属とみなされる。チタンまたはチタン合金のこのような反応性のため、こういった材料の溶射は一般に、密閉されたチャンバ内で、真空に近い低圧または真空で行われる。このようなチャンバや、真空または真空に近い条件で溶射を行うコストが比較的高いものであることは、容易に理解されよう。

さらに、上述したように溶射においては、材料の粒子が比較的高い温度にまで加熱されるとともに、医療用インプラント部品が予熱され、溶射後に部品が熱処理される。このような加熱と、医療用インプラント部品の表面上に粒子が高速度で衝突することは、粒子および／または医療用インプラント部品の冶金学的特性を変化させる原因となり得る。この冶金学的特性の変化は、コーティングされた医療用インプラント部品の所望の特性に影響を及ぼす虞がある。一例として、溶射作業の間および／または熱処理操作の間に、粒子および／または医療用インプラント装置を加熱することによって、コーティング材料の粒子のおよび／または医療用インプラント部品の基材の結晶粒度が、加熱する前の結晶粒度と比較して大幅に増大する原因となり、このような増大した結晶粒の成長が、コーティングされた医療用インプラント部品の材料特性に影響を及ぼす虞がある。たとえば、増大した結晶粒の成長によって、コーティングされた医療用インプラント部品のそれぞれの材料の耐疲労性、展延性、耐久性が低下することになる。

したがって、各材料または全ての材料の結晶粒度等の特性を実質的に低下させず、効率的なコストとなる許容可能な密度値が得られるように、反応性タイプの材料、その合金、または反応性材料または合金を含有する複合材料等の所望の材料を、医療用インプラント部品の表面上に溶射することを可能ならしめる技術を提供することが有利である。

本発明の一態様によって、医療用インプラント部品の基材の表面の少なくとも一部分に反応性材料を提供する方法が提供される。このような方法は、医療用インプラント部品を保持固定具に配置するステップであって、保持固定具が医療用インプラント部品を常圧またはほぼ常圧で保持することが可能であるステップと、反応性材料の層が医療用インプラント部品の表面の少なくとも一部分に蓄積できるように、医療用インプラント部品の基材の表面の少なくとも一部分に向かって所定の高速度で反応性材料の粒子を溶射するステップとを含み、その中で溶射ステップは常圧またはほぼ常圧で行われる。

溶射作業は、大気条件または大気に近い条件、すなわち常圧および常温で行われてもよい。このように、本発明の溶射作業は、真空または真空に近い状態で行われない場合がある。さらに、所定の高速度が、亜音速、音速、および／または、超音速のレベルであってもよい。一例として、このような高速の速度値は少なくとも２００ｍ／ｓである。

本発明方法の実施に際し、医療用インプラント部品の表面上に粒子が衝突することによって、粒子と関連付けられる結晶粒度がほんのわずかだけ変化することができる。より詳細には、医療用インプラント部品の外表面に衝突した後の粒子の結晶粒度が、医療用インプラント部品の基材の外表面に衝突する前の粒子の結晶粒度の約２５％以下の範囲内である。

さらに、本発明方法によって、医療用インプラント部品の基材の表面の少なくとも一部分に溶射後の圧密処理を用いずに反応性材料を比較的高密度で提供することができる。このような密度は約９９％以上であり、ここで、前記密度（実積率、充填率）は、単位容積あたりの反応性材料の量（体積）を百分率で表したものである。

本発明の別の態様では、第１の材料から形成され、第２の材料から少なくともその一部分上に形成される外層を有する基材を備えた医療用インプラント部品が提供される。外層の密度は約９９％以上であってもよく、ここでは、密度（実積率、充填率）は単位容積あたりの第２の材料の量（体積）の百分率に等しく、外層の厚さは少なくとも約２５μｍである。

医療用インプラント部品は、大腿膝部品、脛骨トレイ、膝蓋骨ボタン、大腿骨頸部、大腿骨頭部、股臼カップ、上腕骨関節の部品、または脊髄インプラントのうちのいずれかであってもよい。

以下の詳細な説明を参照することによって、本発明の主題およびその種々の利点をより完全に理解することが可能である。ここでは、添付図面を参照し、添付図面において同じ参照番号または符号が同じ要素を表す。

本発明の実施形態による医療用インプラント部品等の部品を所望の材料で溶射可能にするための技術を、図１に示すシステム１０を参照しつつ、次に最初に説明する。図示のように、このようなシステムは、スプレーノズルまたはスプレーガン１２と、制御装置１８と、保持固定具２２とを備えている。

スプレーガン１２は、ガス入口１５および粉末供給口１７からなる２つの入口を備えている。ガス入口１５は、ガス供給源１４から比較的高圧下でガスを導入しうるように適合されている。このようなガスは、より低密度のガスと比較してより高速度のガス流速を可能にするヘリウム等の低密度ガスが好適である。粉末供給口１７は、粉末供給源１６から比較的高圧下で溶射されることとなる粉末または小さな粒子の形態の材料を受けるように適合されている。スプレーガン１２は、ガスおよび溶射材料を受容し、粉末または粒子２８として射出するための出口１９に、溶射材料を誘導するための１つ以上の内部チャンバを備えている。さらに、このチャンバまたは複数のチャンバは、材料に加速度を与えるように構成されている。この結果、粉末または粒子２８は、所定の高速度で出口１９から供給あるいは射出される。このような所定の速度値は、２００ｍ／ｓ以上であって音速を超えない範囲の速度域で選定される。あるいは、所定の速度は、音速と等しくてもよく、および／または超音速であってもよい。実際の所定の速度は、溶射材料の密度および／または質量に基づいて決定される。

単一のスプレーガン１２を備える代わりに、システムが、異なる材料を溶射するために個別に操作可能な２つ以上のスプレーガンを備えていてもよい。例えば、１つのスプレーガンがセラミック材料を溶射するのに適合され、別のスプレーガンが金属材料を溶射するのに適合されてもよい。また、このような構成は、２つ以上の粉末供給源１６を備えていてもよく、２つ以上のガス供給源１４を備えていてもよい。あるいは、２つ以上の別々のスプレーガンを備える代わりに、本発明のシステムが、２つ以上の異なる材料を受容し、それらを射出するのに適合された単一のスプレーガンを備えていてもよい。この構成では、スプレーガンは、各材料のための別々の入口、チャンバおよび出口を備えていてもよい。このような構成により、２つ以上の材料を含有する均質なコーティングを所望の表面に施すことが可能となる。

このようにして、高温の火炎等を用いずに、および／または比較的高温に曝されずに、溶射材料をスプレーガン１２の出口１９から射出することができる。その結果、スプレーガン１２から供給または射出される材料を比較的低温に維持することができる。これは、スプレーガンから高温の火炎（２０００℃を超える）が噴射されるか、あるいは、溶射材料が比較的高温でスプレーガンから射出される熱溶射処理の場合とは異なり、本発明のシステム１０のスプレーガン１２から射出される材料は比較的低温であり、例えば、ほぼ６５．６〜９３．３℃（１５０〜２００°Ｆ）である。さらに、溶射材料が出口１９から射出されてから衝突する直前の溶射材料の温度が、溶射材料の融点よりも低くてもよい。さらには、溶射材料が、射出されてから衝突するまでは、完全にまたはほぼ完全に固体状態のままであってもよい。

医療用インプラント部品２０等の部品が、所定位置に配置されるか、保持固定具２２によって保持される。医療用インプラント部品としては、大腿膝部品、脛骨トレイ、膝蓋骨ボタン、大腿骨頸部、大腿骨頭部、股臼カップ、上腕骨関節の部品、脊髄インプラントなどが適用できる。医療用インプラント部品２０は、一般に、溶射の対象となる部品表面がスプレーガン１２に向くように配置される。このような溶射表面は、いわゆる支承面、すなわち、対応する表面を別の表面または嵌め合い部品にある支承面や、患者の骨、軟骨等に係合または嵌合させるように操作可能な表面であってもよい。さらに、保持固定具２２が、（保持固定具によって保持される場合）医療用インプラント部品２０がスプレーガン１２から所定の距離Ｄを有して配置されるように、システム１０内に配設されている。このような距離Ｄは、２．５４〜１０．１６ｃｍ（１〜４インチ）である。

スプレーガン１２と保持固定具２２の一方または両方が、移動および／または回転するように操作可能であることが好ましい。たとえば、図１に示すように、スプレーガン１２がＹ軸およびＺ軸の一方または両方を中心として回転するように操作可能であり、および／または、医療用インプラント部品２０を保持する保持固定具２２が、Ｙ軸およびＺ軸の１つ以上を中心として回転するように操作可能であることが好ましい。さらに、スプレーガン１２および／または（医療用インプラント部品２０をその中に保持する）保持固定具２２が、Ｘ軸（相互に接離する方向）、Ｙ軸および／またはＺ軸のいずれか１つまたは複数に沿った方向に移動するように操作可能であることが好ましい。

上述のように回転および／または移動する構成によって、粒子２８の流れが部品２０に対して移動してもよい。このような構成により、溶射作業の間にスプレーガン１２が移動し、医療用インプラント部品２０の表面全体または所望の部分に粒子２８を溶射することができる。

溶射処理において利用されるガス、および／または、溶射されることになっている粉末または粒子２８、および／または、医療用インプラント部品２０が、溶射作業の間に加熱されてもよい。すなわち、ガスを加熱するための加熱器２５が、ガス供給源１４の上または近くあるいはその出口に配置されてもよく、粉末または粒子２８を加熱するための加熱器２４が、スプレーガン１２の上にまたは隣接して配置されてもよく、さらに医療用インプラント部品を加熱するための加熱器２６が、固定具２２および／または医療用インプラント部品２０の上にまたは隣接して配置されてもよい。さらに、粒子２８が帯電装置４１を用いて帯電されてもよい。このような帯電装置４１がスプレーガン１２内に設置され、粒子がそこを通過する際に、粒子が電荷を帯びるように適合されてもよい。

制御装置１８は、メモリ３２およびプロセッサ３３を備えていてもよい。メモリ３２は、システム１０を作動するのに使用可能な多くのプログラムまたはアルゴリズムを保存したものであってもよい。このようなプログラムまたはアルゴリズムが、システム１０を運転するための作動用のプログラムであってもよく、および／または、制御信号を生成するのに使用可能なルックアップテーブル等を含んでいてもよい。１つの制御信号または複数の制御信号を生成し、このような信号または複数の信号をシステム１０内の装置のうちの適切な１つまたは複数に出力するように、プロセッサ３３が動作可能であってもよく、以下において、さらに詳細に説明する。

制御装置１８が入力手段３０に連結されてもよい。このような入力手段３０がキーボードタイプのユニットを含んでもよく、ディスプレー３１を含むかまたはディスプレー３１に連結されてもよい。入力装置３１が、所望の命令および／または動作情報をオペレータが入力できるように操作可能であることが好ましい。制御装置１８が、システム１０内の多くのまたはすべての装置にさらに連結されてもよい。このような接続または複数の接続が、制御装置１８とシステム１０の装置または複数の装置との間を連結するワイヤ、ケーブル、データバス等によって提供されてもよいし、これらの１つまたは複数の連結が、ワイヤレス手段によって提供されてもよい。

すでに示したように、制御装置１８のプロセッサ３３が、１つ以上の制御信号を生成して、この制御信号を適切な１つまたは複数の装置に出力するように操作可能であってもよい。より詳細には、制御装置１８は、スプレーガン１２、ガス供給源１４、粉末供給源１６、保持固定具２２、加熱器２４、加熱器２５、および加熱器２６のうちの１つ以上に連結されており、操作を制御するために制御信号を生成しこれらに出力するように操作可能であってもよい。すなわち、入力手段３０を経由するオペレータからの入力または命令に応答して、制御装置１８のプロセッサ３３が適切な制御信号または複数の制御信号を生成することができ、システム１０のそれぞれ１つまたは複数の装置にこの制御信号を出力することができる。たとえば、溶射作業を始動するというオペレータからの入力命令に応答して、ガス供給源１４からガスの供給を制御するように、制御装置１８がガス供給信号を生成し、ガス供給源１４にこのガス供給信号を出力することができ、粉末供給源１６から粉末の供給を制御するように、粒子または粉末の供給信号を生成し、粉末供給源１６にこの供給信号を出力することができる。このような制御信号が、スプレーガン１２から供給される粒子２８の量と、このような粒子がスプレーガン１２から射出される速度とを制御することができる。さらに、制御装置１８は、移動および／または回転に関する制御信号を生成することができ、適切な１つまたは複数のスプレーガン１２および／または保持固定具２２にこの制御信号を出力することができる。このような移動および／または回転の制御信号によって、スプレーガン１２および／または（医療用インプラント部品２０を備える）保持固定具２２が、溶射作業の間、それに応じて移動／回転することができる。さらにまた、オペレータによって要求され、または適切であるならば、制御装置１８が加熱制御信号を生成することができ、適切な１つまたは複数の加熱器２４、２５および／または２６にこの制御信号を出力することができる。このような加熱制御信号によって、加熱器２４、２５および／または２６が作動し、所望の温度に設定され、および／または所定のまたは規定の時間間隔でそこで保持されることができる。その結果、粒子２８および／または医療用インプラント部品２０を、所望の１つの温度または複数の温度に予熱することができる。さらに、プロセッサ３３が、任意の１つまたは複数の装置の操作に関するフィードバックタイプの信号または複数の信号を受信し、適切な制御信号または複数の制御信号を調整するためにそこからの情報を使用するように動作可能であってもよい。たとえば、プロセッサ３３が、固定具２２がＺ軸を中心として、過回転したことを示すフィードバックタイプの信号を受信することができ、プロセッサ３３がそれに応答して固定具２２の制御信号を調整することができる。

溶射されることになっている材料が粉末状の形態であるか、または、所定の寸法よりも小さな粒子を有していてもよく、その寸法はたとえば約１００μｍ未満である。このような溶射材料が反応性材料、すなわち、酸素に触れる場合に容易に反応または酸化し得る材料であってもよい。このような反応性材料の例には、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、アルミニウム（Ａｌ）またはその合金を含めることができる。あるいは、溶射材料は、いわゆるサーメットや反応性材料またはその合金を有するセラミック金属複合型材料等の複合材料であってもよい。さらにまた、溶射材料が、本明細書において記載されている任意の２個以上の材料の混合物等の、任意の２つ以上のタイプの材料の混合物であってもよい。

さらにまた、溶射されることになっている材料が、医療用インプラント部品２０の基材の材料と同一材料であってもよい。すなわち、図２ａおよび図２ｂを参照すると、医療用インプラント部品２０が、一部または基材部１０１と基材部の内表面に形成される被膜層１０２とを含んでもよい。このような状況において、基材１０１の材料が、被膜層１０２のために使用される材料と同じであってもよい。あるいは、コーティング材料が基材部１０１の材料と異なっていてもよい。たとえば、基材部が、コバルトクロム（ＣｏＣｒ）またはその合金、チタン（Ｔｉ）またはその合金、ジルコニウム（Ｚｒ）またはその合金、タンタル（Ｔａ）またはその合金、ニオブ（Ｎｂ）またはその合金、ステンレス鋼等の任意の生体適合性金属またはその合金から形成されてもよく、コーティング材料が、セラミックタイプの材料またはいわゆるサーメットまたはセラミック金属複合型材料であってもよい。たとえば、セラミックタイプの材料が、以下の任意の元素、すなわち、シリコン（Ｓｉ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニオブ（Ｎｂ）、クロム（ｃｒ）、およびアルミニウム（Ａｌ）の酸化物、炭化物、窒化物またはニトロ炭化物であってもよく、サーメットタイプの材料が、任意のすでに述べられた材料およびＴｉおよびその合金、コバルトクロムおよびその合金、Ｚｒ金属およびその合金、ステンレス鋼、Ｔａおよびその合金であってもよい。さらにまた、銀（Ａｇ）または酸化銀等の材料が、抗菌性の特性等その特定の特性を強化するように基材部のための金属または材料や溶射材料に付加されてもよい。

したがって、溶射材料および／または基材のための材料として使用されることのできる材料が、金属タイプの材料、セラミックタイプの材料、ポリマーおよび／または充填ポリマータイプの材料、および／またはサーメット材料であってもよい。ポリマーの一例がポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）であってもよく、充填ポリマータイプ材料の一例が炭素繊維強化ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）であってもよい。その他の材料の例には、（金属タイプ材料として）Ｔｉおよび合金、ＣｏＣｒ合金、ステンレス鋼合金、Ｔａおよび合金、Ｎｂおよび合金、ジルコニウムおよび合金と、（セラミックタイプの材料として）アルミナ、ジルコニア、アルミナ−ジルコニア複合材料、炭化ケイ素および窒化ケイ素、酸化クロムおよび炭化クロム、人造ダイヤモンドおよびパイロライトカーボンと、そして、金属セラミック複合材料またはサーメットとして、炭化クロム−コバルトクロム、酸化クロム−コバルトクロム、ジルコニウム−炭化ジルコニウム、チタン−炭化チタン、およびステンレス鋼−炭化チタンとを含有するすべての生体材料を含めることができる。したがって、金属材料がセラミックまたは金属の基材上に溶射可能であり、サーメット材料が金属の基材上に溶射可能である。しかしながら、本発明の技術は、これらの材料の特定の組合せに制限されるものではない。

さらに、材料の温度は、すべてではないにしても溶射作業のほぼ全体を通して、比較的低くてもよい（たとえば６５．６〜９３．３℃（１５０〜２００°Ｆ））。すなわち、すでに示したように、スプレーガン１２から放出する材料の温度が、６５．６〜９３．３℃（１５０〜２００°Ｆ）であってもよい。材料が基材の表面上に衝突する時に生じ得る可能な短い温度ピークを除いて、材料の温度が出口温度を超える可能性はない。このように低温である結果、いわゆるアモルファスタイプの材料が使用されてもよい。結晶の格子の形成を妨げるかまたはほぼ妨げるように比較的高い温度から材料をかなり急速に冷却することによって、このようなアモルファスタイプの材料を得ることができる。材料が高温を受けない限り、得られた材料の相は保持されることができる。

操作の間において、（医療用インプラント部品２０等の）部品が固定具２２内に適切に配置される。ガス供給源１４および粉末供給源１６により、それぞれ適切なガスおよび材料が供給される。たとえば、このようなガスはヘリウムであってもよく、このような材料はチタンであってもよい。入力手段３０を用いて、オペレータが溶射作業に関する命令またはパラメータを入力してもよい。このような命令またはパラメータは、溶射されることになっている部品２０の所望の部分または複数の部分を特定することができ、被膜層の所望の厚さを示すことができ、部品、粉末および／またはガスが加熱されるかどうかどうかを示すことができ、および／または、操作の開始時期を示すことができるものである。入力された命令またはパラメータの結果、プロセッサ３３が適切な制御信号または複数の制御信号を生成することができ、この制御信号をシステム１０内にある適切な１つまたは複数の装置に出力することができる。一例として、部品２０の所望の部分または複数の部分が溶射材料で溶射されることができるように、プロセッサ３３が移動および／または回転の制御信号を生成することができ、移動および／または回転できるように固定具２２および／またはスプレーガン１２にこの制御信号を出力することができる。あるいは、プロセッサ３３は、予めメモリ３２に保存されている中から、固定具２２および／またはスプレーガン１２の所望の移動および／または回転に関する１つ以上のプログラム、アルゴリズム、および／またはルックアップテーブルを選択することができ、固定具および／またはスプレーガンの移動および／または回転を制御するのにこれらを利用することができる。

命令を入力した後、溶射作業が開始される。溶射作業では、高温を受けずに溶射材料（チタン）が、（２００ｍ／ｓないしは音速のような）比較的高速度で射出される。従来の熱溶射処理とは異なり、本発明のスプレーガンは、その出口で高温の火炎を生成することがない。たとえガス、材料および／または部品が溶射作業の間に加熱される場合であっても、その温度は比較的低温に留まっている。このため、本発明の溶射処理は、低温溶射処理と見なすことができる。さらに、本発明に係わる溶射作業は、真空において実施することも可能であり、かつ、常圧および／または常温の空気中でも実施可能である。

全体部分または所望の複数部分が、材料で所望の厚さにコーティングされるまで、溶射作業が継続される。このような所望の厚さは、２５μｍ以上であってもよい。溶射作業が終了すると、部品２０が固定具２２から取り外される。溶射作業の間の温度が比較的低いので、溶射作業が完了した後、部品２０の温度は比較的低く留まっている。たとえば、このような部品の温度は、６５．６〜９３．３℃（１５０〜２００°Ｆ）である。取り外した後、部品２０が、所望の寸法や形状または表面粗さを有するように、機械加工および／または研磨されてもよい。

本発明の溶射作業が、所望の厚さ（たとえば２５μｍ以上）を有する被膜層を医療用インプラント部品２０の基材の所望の表面に提供するのに利用されてもよい。あるいは、本発明の溶射作業が、比較的厚い溶射材料の層を医療用インプラント部品２０の基材の所望の表面に提供するのに利用されてもよい。このような層の厚さは、１ｍｍ、２ｍｍ、３ｍｍ、４ｍｍ、５ｍｍ、あるいはそれ以上であってもよい。事実上、このような層の厚さに関する制限はない。

次に、本発明に係わるいくつかの適用例について説明する。これらは適用例として提供され、本発明の実施をある特定の状況に制限することを意図するものではないことに留意されたい。

たとえば、金属タイプの材料（チタンまたはその合金等）が、セラミックタイプの材料で形成される基材上に溶射されてもよい。一状況において、いわゆる一体式股臼カップ上に成長表面を形成するように、股臼用のセラミックインサートがその外表面にチタンまたはチタン合金で溶射されてもよい。別の状況において、セラミックインサートが、その外表面にチタンまたはチタン合金とともに塩（または他のこのような材料）で溶射されてもよく、その後、一体式股臼カップに多孔性３次元内部成長表面を形成するために塩を除去してもよい。さらに別の状況において、セラミックインサートが、その外表面をチタンまたはその合金で溶射してもよく、その後、患者の骨に取付けるための嵌合用モジュラ要素に連結できるようにこのような表面が機械加工されてもよい。

別の例として、セラミック、サーメットタイプの材料、または少なくとも所定の金属材料の量（たとえば約５％以上）を有する複合型材料が、金属タイプの材料で形成される基材の表面（このような表面は外表面や内表面や凹状タイプであってもよい）に溶射されてもよい。その後、このような表面が、いわゆる支承面を形成するように機械加工および／または研磨されてもよい。

さらに、基材に材料を溶射する前に、前溶射処理が行われてもよい。たとえば、金属タイプの材料（たとえばチタンまたはその合金）をセラミックタイプの材料で形成される基材に溶射する前に、溶射されることになっている表面が金属被覆されてもよい。金属被覆が、イオン注入法、めっき、物理蒸着法（ＰＶＤ）または化学気相反応法（ＣＶＤ）などの多くの処理を用いて達成されてもよい。

さらに、溶射材料が犠牲となる消耗基材に溶射されてもよい。たとえば、基材が犠牲材料（たとえば塩、ワックス、糖、可溶性ポリマー、酸で機械加工または溶解され得る金属等）で形成でき、この犠牲材料は、溶射材料のみ、またはほぼ溶射材料のみから形成される部品を残すように、溶射処理が完了した後で除去される。

また、溶射材料が、非生体適合性の材料を封鎖するかまたは隔離するために利用されてもよい。このような利用形態は、非生体適合性材料から形成される医療用インプラント部品の一部を封入する目的に対しても有益であることが理解されよう。

さらに、上述の如く本発明によって１つ以上の材料を、異なる材料で形成された基材上に付加または溶射することが可能となる。異なる材料に対して、溶射された材料または複数の材料が、基材の熱膨張率と実質的に異なる熱膨脹率を有していてもよい。たとえば、コーティング材料（ＴＣＥ_c）の熱膨脹率と基板材料（ＴＣＥ_m）の熱膨張率との差異が、約１．０×１０^-6 ／℃以上であってもよい。

したがって、本発明は、比較的小さな寸法（たとえば約１００μｍ未満）を有する粒子が、高速度ガス（たとえばヘリウム）を用いて、医療用インプラント部品等の部品の基材に比較的低い温度で、２００ｍ／ｓ以上の速度で射出できる溶射技術を提供するものである。基材上の粒子の高速での衝突によって、粒子が基材で変形され、それとともに比較的強力な機械的または冶金学的接合を形成できる。粒子および／または基材の材料に応じて、このような変形が粒子および／または基材の表面上の酸化膜を分解してもよく、爆圧溶接とみなされ得るものを形成する。たとえば、粒子および／または基材が金属材料または複数の金属材料である場合、変形によって粒子および／または基材の表面および複数の表面上の任意の酸化膜を分解してもよい。

溶射作業の間、溶射材料が比較的低温に保たれ、材料が射出される速度が比較的高速であるため、本発明の技術によって、反応性タイプの材料（チタンまたはその合金またはこのような材料を含有する複合材料等）を、真空を必要とせずに医療用インプラント部品上に溶射することができる。代わりに、本発明の技術によって、空気中で、大気条件、すなわち常圧かつ常温で、医療用インプラント部品上にこのような反応性タイプ材料を溶射できる。このような大気条件の空気中で溶射作業を行うことによって、結果的に、真空で同様の溶射作業を行う場合と比較して、より低コストとなり得ることが容易に理解されよう。

さらに、本発明の方法によれば、溶射後の熱圧密処理または熱処理を行わずに、反応性タイプの材料を、比較的高い密度および／または比較的低い空隙率で医療用インプラント部品の基材の表面の所望の部分に溶射でき、供給できる。このような密度は約９９％以上にもなりうる。この密度（実積率、充填率）は単位容積あたりの反応性材料の量（体積）を百分率で表したものである。したがって、１００−密度（実積率、充填率）に相当する空隙率は、約１％以下になる。このような密度、空隙率は溶射後に熱圧密処理または熱処理を行わず他の溶射法から得られる密度、空隙率よりも良好なものとなる。因みに、溶射後の熱圧密処理を行わずＨＶＯＦまたはプラズマ溶射法によって得られる空隙率は３〜５％である。このように、溶射後の熱圧密処理を行わずにコーティング自体で高密度、低空隙率を達成できることにより、結果的にコスト削減となることが理解されよう。

さらに、本発明の方法によれば、粒子が実際の溶射作業の間に比較的高温に曝されないと言える（前述のような衝突時に生じ得る短い温度ピークを除く）。さらに、本発明の溶射技術が、溶射後の熱圧密処理または熱処理を行わずに、非常に良好な密度、空隙率および／または他の材料特性をコーティングに供給できるので、コーティングを有する部品が熱処理を受けなくてもよく、それに付随して延長される長い加熱時間を受けないことになる。その結果、医療用インプラント部品の表面に粒子が衝突した後における、粒子に関する結晶粒度の変化が、ごく僅かに抑えられることになる。より詳細には、医療用インプラント装置の外表面に衝突した後の粒子の結晶粒度が、医療用インプラント部品の基材の外表面に衝突する前の粒子の結晶粒度のおよそ２５％以下の範囲に収まることになる。結晶粒度はさらに細かくてもよく、および／または、実際に衝突後の大きさがより小さくてもよい。

粒子の結晶粒度の変化が小さい結果、本発明の溶射技術は、熱処理を含むＨＶＯＦまたはプラズマタイプの溶射技術によって得られるコーティングと比較して、改良された材料特性を有するコーティングを提供できる。例えば、本発明の溶射技術によって、溶射後の熱圧密処理または熱処理を伴うＨＶＯＦまたはプラズマ溶射技術によって得られるコーティングと比較して、より高い耐疲労性、より高い展延性、および／またはより高い耐久性を達成することができる。

本発明の溶射技術は、他の技術を超える多くの他の利点を提供することができる。例えば、本発明の技術は、基材と溶射された層の間にある熱応力を低減または除去することができる。また、本発明の技術は、基材への熱の影響を低減または除去することができる。さらに、本発明の溶射処理は、熱式溶射処理よりも高速に実施できる。

上記の説明においては、溶射作業の間に使用されるガスがヘリウムである場合について記載したが、本発明の技術はこれに限定されるものではなく、代替的に他のガスが本溶射作業の間に使用されてもよい。例えば、ヘリウムの他に、アルゴン、窒素、水素等のガスが使用可能である。さらに、これらのガスの任意の組合せの混合物、または、このようなガスの１つ以上を含有する配合物を使用することもできる。

さらに、上記記載の一部において、粉末または粒子２８が供給され、または出口１９から射出される際の所定の速度が、２００ｍ／ｓ以上でありかつ音速に満たない範囲であると示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、他の所定の速度で実施可能である。例えば、２００ｍ／ｓ未満の速度、および／または音速あるいは超音速で、粉末または粒子２８を供給し出口１９から射出することができる。

さらに、本技術が任意の溶射後の熱圧密処理または熱処理なしで行われると記載したが、本発明はこれに限定されるものではなく、必要に応じて、溶射後の熱圧密処理または熱処理を行うことも可能である。例えば、いわゆる熱間静水圧圧縮成形（ＨＩＰｉｎｇ）処理、または、いわゆる真空焼結処理を溶射作業の後に行ってもよい。これらおよび他の熱処理および他の情報に関するより詳細なものとして、出願番号＿＿＿＿、２００６年１月５日出願、発明者Ｄａｎｉｅｌ Ｅ．Ｌａｗｒｙｎｏｗｉｃｚ ａｎｄ Ａｉｇｕｏ Ｗａｎｇ、発明の名称「ＭＥＴＨＯＤ ＦＯＲ ＦＡＢＲＩＣＡＴＩＮＧ Ａ ＭＥＤＩＣＡＬ ＩＭＰＬＡＮＴ ＣＯＭＰＯＮＥＮＴ ＡＮＤ ＳＵＣＨ ＣＯＭＰＯＮＥＮＴ」、および、出願番号＿＿＿＿、２００６年１月５日出願、発明者Ｄａｎｉｅｌ Ｅ．Ｌａｗｒｙｎｏｗｉｃｚ，Ａｉｇｕｏ Ｗａｎｇ ａｎｄ Ｚｏｎｇｔａｏ Ｚｈａｎｇ、発明の名称「ＭＥＴＨＯＤ ＦＯＲ ＦＡＢＲＩＣＡＴＩＮＧ Ａ ＭＥＤＩＣＡＬ ＩＭＰＬＡＮＴ ＣＯＭＰＯＮＥＮＴ ＡＮＤ ＳＵＣＨ ＣＯＭＰＯＮＥＮＴ」が参照される。両方ともに、本明細書に参考として組み込まれる。

さらに、本発明の技術が医療用インプラント部品等の部品に対して行われる場合について記載したが、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明の溶射技術は、他のタイプの医療用部品に対しても実施可能である。例えば、本発明の溶射技術は、心血管部品に実施可能であり、さらに、医療用以外の部品に実施することもできる。

本明細書において本発明を特定の実施形態を参照しつつ説明したが、これらの実施形態は、単に本発明の原理および用途を示すだけのものであると理解すべきである。したがって、上記例示的実施形態に対して多くの変形がなされてもよく、かつ、添付の特許請求の範囲に規定される本発明の技術思想および範囲から逸脱することなく、他の構成が考案され得ることを理解すべきである。

本発明の実施形態を説明するのに参照する溶射装置の概略図である。 本発明の実施形態による医療用インプラント部品の略図である。

符号の説明

１０ システム
１２ スプレーガン
１４ ガス供給源
１５ ガス入口
１６ 粉末供給源
１７ 粉末供給口
１８ 制御装置
１９ 出口
２０ 医療用インプラント部品
２２ 保持固定具
２４、２５、２６ 加熱器
２８ 粒子
３０ 入力手段
３２ メモリ
３３ プロセッサ
４１ 帯電装置
１０１ 基材
１０２ 被膜層

Claims (35)

1. 医療用インプラント部品の基材の表面の少なくとも一部分に反応性材料を提供する方法であって、
   医療用インプラント部品を常圧またはほぼ常圧で保持可能な保持固定具を用い、前記医療用インプラント部品を前記保持固定具に配置するステップと、
   反応性材料の層を前記医療用インプラント部品の表面の少なくとも一部に蓄積させるために、該反応性材料の粒子を前記医療用インプラント部品の基材の表面の少なくとも一部分に向かって所定の高速度で溶射するステップと、
   を含み、
   前記溶射ステップが、大気圧またはほぼ大気圧で行われる、方法。
2. 前記溶射ステップが、大気条件またはほぼ大気条件の空気中で行われる、請求項１に記載の方法。
3. 前記所定の高速度が、２００ｍ／ｓ以上かつ音速未満である、請求項１に記載の方法。
4. 前記反応性材料が、前記医療用インプラント部品の基材の表面の少なくとも一部分に、溶射後の熱圧密処理を経ずに比較的高密度で提供される、請求項１に記載の方法。
5. 前記医療用インプラント部品の基材の表面の少なくとも一つの部分に提供された前記反応性材料の密度が、単位容積あたりの反応性材料の量の百分率で９９％以上である、請求項４に記載の方法。
6. 前記反応性材料の粒子の、前記医療用インプラント部品の基材表面に衝突した後の結晶粒度が、衝突する前の結晶粒度の約２５％以内である、請求項１に記載の方法。
7. 前記反応性材料が、セラミック材料、またはセラミックと金属とを複合したサーメット複合材料である、請求項１に記載の方法。
8. 前記セラミック材料が、シリコン（Ｓｉ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニオブ（Ｎｂ）、クロム（ｃｒ）、アルミニウム（Ａｌ）からなる群より選択される１つの元素の酸化物、炭化物、窒化物またはニトロ炭化物であって、
   前記サーメット複合材料が、（ｉ）Ｓｉ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｗ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ａｌからなる群より選択される１つの元素の酸化物、炭化物、窒化物またはニトロ炭化物と、（ｉｉ）Ｔｉまたはその合金、コバルトクロムまたはその合金、Ｚｒ金属またはその合金、Ｔａまたはその合金、ステンレス鋼からなる群より選択される１つの金属とから形成される、請求項７に記載の方法。
9. 前記基材が、生体適合性金属またはその合金から形成される、請求項１に記載の方法。
10. 前記医療用インプラント部品が、大腿膝部品、脛骨トレイ、膝蓋骨ボタン、大腿骨頸部、大腿骨頭部、股臼カップ、上腕骨関節の部品、または脊髄インプラントのうちのいずれかである、請求項１に記載の方法。
11. 医療用インプラント部品の基材の表面の少なくとも一部分に所望の材料を提供する方法であって、
    医療用インプラント部品を常圧またはほぼ常圧で保持可能な保持固定具を用い、前記医療用インプラント部品を前記保持固定具に配置するステップと、
    所望の材料の層を前記医療用インプラント部品の基材の表面の少なくとも一部に蓄積させるために、前記所望の材料の粒子を前記医療用インプラント部品の基材の表面の少なくとも一部分に向かって所定の高速度で溶射するステップと、
    を含み、
    前記溶射ステップが大気圧またはほぼ大気圧で行われ、前記所望の材料の粒子の、前記医療用インプラント部品の基材表面に衝突した後の結晶粒度が、衝突する前の結晶粒度の約２５％以内である、方法。
12. 前記溶射ステップが、大気条件またはほぼ大気条件の空気中で行われる、請求項１１に記載の方法。
13. 前記所定の高速度が、２００ｍ／ｓ以上かつ音速未満である、請求項１１に記載の方法。
14. 前記所望の材料が、前記医療用インプラント部品の基材の表面の少なくとも一部分に、溶射後の熱圧密処理を経ずに比較的高密度で提供される、請求項１１に記載の方法。
15. 前記医療用インプラント部品の基材の表面の少なくとも一つの部分に提供された前記所望の材料の密度が、単位容積あたりの反応性材料の量の百分率で９９％以上である、請求項１４に記載の方法。
16. 前記所望の材料が、セラミック材料、またはセラミックと金属とを複合したサーメット複合材料である、請求項１１に記載の方法。
17. 前記セラミック材料が、シリコン（Ｓｉ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニオブ（Ｎｂ）、クロム（ｃｒ）、アルミニウム（Ａｌ）からなる群より選択される１つの元素の酸化物、炭化物、窒化物またはニトロ炭化物であって、
    前記サーメット複合材料が、（ｉ）Ｓｉ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｗ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ａｌからなる群より選択される１つの元素の酸化物、炭化物、窒化物またはニトロ炭化物と、（ｉｉ）Ｔｉまたはその合金、コバルトクロムまたはその合金、Ｚｒ金属またはその合金、Ｔａまたはその合金、ステンレス鋼からなる群より選択される１つの金属とから形成される、請求項１６に記載の方法。
18. 前記基材が、生体適合性金属またはその合金から形成される、請求項１１に記載の方法。
19. 前記医療用インプラント部品が、大腿膝部品、脛骨トレイ、膝蓋骨ボタン、大腿骨頸部、大腿骨頭部、股臼カップ、上腕骨関節の部品、または脊髄インプラントのうちのいずれかである、請求項１１に記載の方法。
20. 医療用インプラント部品の基材の表面の少なくとも一部分に材料を提供する方法であって、
    医療用インプラント部品を常圧またはほぼ常圧で保持可能な保持固定具を用い、前記医療用インプラント部品を前記保持固定具に配置するステップと、
    チタンまたはチタン合金の層を前記医療用インプラント部品の表面の少なくとも一部に所望の厚さまで蓄積させるために、チタンまたはチタン合金の粒子を前記医療用インプラント部品の基材の表面に向かって少なくともｍ／ｓの速度で溶射するステップであって、前記粒子の、前記医療用インプラント部品の基材表面に衝突した後の結晶粒度が、衝突する前の結晶粒度の約２５％以内であるようなステップと、
    を含み、
    前記溶射ステップが大気圧またはほぼ大気圧で行われ、
    前記チタンまたはチタン合金の層が、前記医療用インプラント部品の基材の表面の少なくとも一部分に、溶射後の熱圧密処理を経ずに、単位容積あたりの材料の量の百分率で９９％以上の密度で提供される、方法。
21. 前記医療用インプラント部品が、大腿膝部品、脛骨トレイ、膝蓋骨ボタン、大腿骨頸部、大腿骨頭部、股臼カップ、上腕骨関節の部品、または脊髄インプラントのうちのいずれかである、請求項２０に記載の方法。
22. 第１の材料から形成され、少なくともその一部分上に第２の材料で形成された外層を有する基材を備え、前記外層の密度が、単位容積あたりの第２の材料の量の百分率で９９％以上であり、前記外層の厚さが、少なくとも２５μｍである、医療用インプラント部品。
23. 前記第１の材料が、前記第２の材料と同一である、請求項２２に記載の医療用インプラント部品。
24. 前記第１の材料が、前記第２の材料と異なる、請求項２２に記載の医療用インプラント部品。
25. 前記第１の材料が、生体適合性金属またはその合金である、請求項２４に記載の医療用インプラント部品。
26. 前記第２の材料が、セラミック材料、またはセラミックと金属とを複合したサーメット複合材料である、請求項２５に記載の医療用インプラント部品。
27. 前記セラミック材料が、シリコン（Ｓｉ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニオブ（Ｎｂ）、クロム（ｃｒ）、アルミニウム（Ａｌ）からなる群より選択される１つの元素の酸化物、炭化物、窒化物またはニトロ炭化物であって、
    前記サーメット複合材料が、（ｉ）Ｓｉ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｗ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ａｌからなる群より選択される１つの元素の酸化物、炭化物、窒化物またはニトロ炭化物と、（ｉｉ）Ｔｉまたはその合金、コバルトクロムまたはその合金、Ｚｒ金属またはその合金、Ｔａまたはその合金、ステンレス鋼からなる群より選択される１つの金属とから形成されている、請求項２６に記載の医療用インプラント部品。
28. 前記医療用インプラント部品が、大腿膝部品、脛骨トレイ、膝蓋骨ボタン、大腿骨頸部、大腿骨頭部、股臼カップ、上腕骨関節の部品、または脊髄インプラントのうちのいずれかである、請求項２２に記載の医療用インプラント部品。
29. 前記所定の高速度が、ほぼ音速である、請求項１に記載の方法。
30. 前記所定の高速度が、超音速である、請求項１に記載の方法。
31. 前記基材が、セラミック材料から形成される、請求項１に記載の方法。
32. 前記所定の高速度が、ほぼ音速である、請求項１１に記載の方法。
33. 前記所定の高速度が、超音速である、請求項１１に記載の方法。
34. 前記基材が、セラミック材料から形成される、請求項１１に記載の方法。
35. 前記基材が、セラミック材料から形成される、請求項２０に記載の方法。

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