JPH08501953A

JPH08501953A - 生体適合性コーチングを改良した人工心臓部材

Info

Publication number: JPH08501953A
Application number: JP6504748A
Authority: JP
Inventors: デビッドソン，ジェームス，エイ
Original assignee: スミスアンドネフューリチャーズインコーポレーテッド
Priority date: 1992-07-27
Filing date: 1993-07-26
Publication date: 1996-03-05
Also published as: AU675450B2; US5282850A; EP0746266A1; WO1994002083A1; AU4786293A; EP0746266A4; CA2141183A1

Abstract

(57)【要約】この発明は、血液成分にさらされ、生体中に磨耗する状態である全人工心臓具（Ｆｉｇ１−４Ｂ）、外部機械的心臓及び血液補助装置及び心室補助具（Ｆｉｇ５Ａ−５Ｂ）の部材用の硬質で、耐摩耗性で、生体適合性及び血液適合性コーチングを提供する。部材は、ジルコニウムはジルコニウムの合金からなり、コーチングは下層基体金属に密に付着する暗青色又は黒色酸化ジルコニウム又は窒化ジルコニウムからなる。つまり、部材は摩耗しやすい条件下で使用され、これらの条件に耐えるのに十分な残留圧縮応力を示す厚さを有している。

Description

【発明の詳細な説明】生体適合性コーチングを改良した人工心臓部材関連出願の説明この発明は、米国特許出願第830，720号（1992年2月4日出願）の部分継続出願である。米国特許出願第830，720号は米国特許出願第557，173号（1990年7月23 日出願）の部分継続出願であり、米国特許出願第557，173号は米国特許出願第38 5，285号（1989年7月25日出願）の部分継続出願である。米国特許出願第385，28 5号は現在、米国特許第5，073，438号である。発明の背景１．発明の分野この発明は、身体内の摩耗条件に暴露され、血液成分に暴露されるかもしれない心室補助具や全心臓移植具の部材における硬質で、耐摩耗性であって生体適合性で血液適合性のコーチングに関する。このコーチングは、心臓移植具の部材の摩耗率を減少させ、それにより移植具の寿命を伸ばし、同時に血液成分に対して血液適合性の表面を与え、それにより血塊の危険性を減少させる。２．関連技術の説明心臓疾病は、その多くが従来の外科手術あるいは薬剤による治療によって治癒しないものであって、依然として主要な死因となっている。重篤の患者にとって、心臓移植は、しばしば、生存を可能にする有効ないくつかの選択肢の１つである。国立心臓・血液・肺研究所（National Heart，Blood and Lung Institute）（NHBLI）によると、年間35，000人に及ぶ患者が心臓移植の恩恵を受けられるところが、実際には、主としてドナーによる器官提供の不足のため、年間約2，000人足らずの患者が手術を受けているにすぎない。 1988年、NHBLIは、永久的に移植可能な電動の全人工心臓（ＴＡＨ）の研究・開発の資金提供を開始した。このＴＡＨのポンプ機構は患者の胸腔に移植され、そのデバイスは、患者が装着した電池パックと小さなトランスにより動力が供給され、皮膚に物理的になんら接続することなくエネルギーを心臓に伝達することができるものである。NHBLIは、４つの個別のグループ、すなわちクリーブランド臨床財団ニンバスインク（Cleveland Clinic Foundation & Nimbus，Inc.）、ペンシルバニア州立大学サーンズ／３Ｍ（Pennsylvania State University & Sa rns/3M）、テキサスハートインスチュート／アビオンドインク（the Texas Hear t Institute/Abiomed，Inc.）及びユタ大学に資金提供した。その結果、４つの競合するデザインが開発された。ＴＡＨの開発は、幾つの問題点を提示した。まず、ヒトの心臓の動きとまったく同一の動きを作りだし、長期の信頼性と生体適合性を確保し、他方、その全容量及び身体の自然の脈管へのその連結の位置付けに関して、胸腔に適合する装置を作ることが必要となった。その上、個々の患者の個別性にもかかわらず、デザインが種々の患者に適さなくてはならない。さらに、心臓用の簡便で高度に確実な動力源を開発する必要がある。人工心臓は、110 mmHg圧で１分間に約８リットルの血液を分配する。心臓はポンプとしての作用においてできるだけ効率がよいことが望ましい。高度に効率がよいとは、電池寿命が長く、再充填間隔間の作動時間が長いことである。その上、ポンプの効率が高度によくなると、また、胸腔へ植え込むのが容易である小型ポンプの開発を導くことができる。純粋に機械的な、あるいは摩耗に関する、あるいは動力供給に関する問題とは別に、デザインと素材により感染や血栓症を防止する必要もある。血液は、非ニュートン流体であり、粘性のようなその特性は、酸素量や腎臓機能あるいは患者の年齢によっても変化する。さらに、血しょうは、脆弱な赤血球の懸濁を含有するが、これらの赤血球は、人工弁や他の機械的に圧力が加わる部分に捕らえられ、破壊される。従って、血液成分素材に圧力を加えないポンブ動作を開発し、かつ血液成分への損傷を最小にし、血塊形成を最小にするという意味合いにおいて生体適合性であるのみならず「血液適合性」でもある素材からポンプを作る必要がある。上記の多くは、心室補助具（ＶＡＤ）にも当てはまるもので、心室補助具の１つは、バクスターヘルスケアコープ（Baxter Health Care Corp.）のナバコール（Navacor）部で現在開発されており、まもなく臨床試験を実施することが明かなになっている。ＶＡＤの使用に際しては、患者の心臓は元の位置から動かさず、ＶＡＤによって心臓の左心室のポンプ圧を高める。よって、ＶＡＤは、代替具というよりむしろ補助具というべきである。しかしながら、ＶＡＤは、全人工心臓と同様の理由によって血液適合性でなくてはならない。このナバコールのＶＡＤとは別に、アビオンドインク、トラテック（Thorat ec）及びテルモカルディオシステムズインク（Thermo Cardio Systems，Inc.）もＶＡＤを作っている。ＴＡＨ及びＶＡＤ関連の特許が近年いくつか出されている。この中には、米国特許第4，769，031号、第4，750，903号、第4，888，011号、第4，902，291号、第4，981，484号、第4，994，078号、第5，066，300号が含まれる。個々のこうした特許は、ＶＡＤ及びＴＡＨのデザイン、あるいは患者の身体の外側に用いるジャーヴィック（Jarvik）-７のような心臓代替装置へのアプローチを記載しているが、機械的摩耗やマイクロフレッチング摩耗を受けやすく、感受性に富む血液成分に暴露され、体液の侵食作用を受けやすい部材に用いられる材料に詳しく言及しているものはない。実際、軽量で、生体適合性で、かつ擦過摩耗、マイクロフレッチング摩耗や体液による腐食作用に耐性である硬質の表面に対して血液・組織適合性であって、心臓補助具や代替具（ＥＭＨ、ＶＡＤやＴＡＨを含む）用の素材を使用して、機械的部材の寿命を伸ばし、同時に血液成分への有害作用を最小にする必要がある。発明の概要この発明は、軽量で、強度と耐性があり、生体適合性で、かつ体液の腐食、機械的摩耗、擦過摩耗、マイクロフレッチング摩耗に耐性である、外部機械的心臓（ＥＭＨ）、全人工心臓（ＴＡＨ）、心室補助具（ＶＡＤ）のような機械的心臓の代替装置あるいは補助装置に用いる部材を提供する。その上、この部材では、血栓形成（血塊）の危険性を減少させる意味合いにおいて、血液適合性が著しく高まっている。さらに詳しくは、この発明は、ジルコニウムまたはジルコニウム合金で作り、暗青色または黒色の酸化ジルコニウムまたは窒化ジルコニウムで被覆した可動部材と非可動部材を提供するものである。こうしたコーチングは、その場で（in s itu）表面酸化あるいは窒化により、ジルコニウムまたはジルコニウム合金の部材の表面に形成し、従って酸素と窒素を金属表面で反応させて密着したコーチングを与える。こうしてその場で形成されたコーチングは下層の金属との連続体を形成し、金属基体とコーチングとの間における硬度の点での急激な変化を減少させるものであるが、これは、種々の酸化物類、炭化物類あるいは窒化物類を金属基体上に上塗りコーチングする工程を含む他のコーチングプロセスを用いる際にも見い出しうるものと同様である。約１ミクロン以上のコーチングであれば、血塊を減少させるのに有用であるが、硬質の表面層あるいはコーチングの厚さは、部材が使用中に遭遇する残留圧縮応力を十分に与えるべく選択するのが望ましい。その上、表面コーチングの厚さは、酸化あるいは窒化プロセス中の寸法変化やゆがみを最小にするような厚さであるのが望ましい。酸化ジルコニウムまたは窒化ジルコニウムをその場で形成する方法により、比較的均一な硬質な表面層が、部材の表面の全部分（内径やすみを含む）に形成される。これは、熱分解炭素を塗布するに用いられる「視線（line of sight）」タイプの方法、あるいはイオンアシスト（ion-assisted）物理蒸着または化学蒸着あるいはイオン注入のような他のセラミックタイプの上塗りコーチングに勝る大きな利点がある。さらに、固有の低モジュラス（約1，300万psi）のジルコニウムまたはジルコニウム合金を用いれば、心臓血管移植部材は柔軟で軽量な構造となる。かくして、低モジュラスは、起こりうる接触圧応力のレベルを改良させ、かつある種のＴＡＨ及びＶＡＤ部材の性能を向上させ、血流がより滞りなく流れるようにし、トロンボダイナミック（thrombodynamic）効果を減少させる。ジルコニウム金属自体を用いうる一方、ジルコニウム合金も有用であり、様々な応用において好適である。こうしたジルコニウム合金には、酸化あるいは窒化雰囲気にさらされると、密着した硬質の酸化物あるいは窒化物コーチングを作る全てのジルコニウム合金が含まれる。ジルコニウム合金を用いる場合、酸化物あるいは窒化物コーチングは、また、様々の度合いで合金組成の酸素あるいは窒素を含有する。明細書あるいは特許請求の範囲では、こうしたコーチングは、その場で形成された酸化物ジルコニウムあるいは窒化物ジルコニウムの表面コーチングの定義に含まれる。酸化物あるいは窒化物コーチングは、さらに銀ドーピングあるいは硼化処理して摩擦あるいは摩耗特性を向上させるか、公知の選択された薬剤で処理して血液、タンパク質及びその他の体液組成との反応を向上（減少）させることができる。ジルコニウムまたはジルコニウム合金から作ったＴＡＨやＶＡＤを含む人工心臓に用いられる、この発明の暗青色または黒色の酸化ジルコニウムまたは窒化ジルコニウムで被覆した部材は、血液成分への損傷を減少させ、血塊形成の可能性を減少させるという意味合いにおいて、血液適合性である血液成分に対する表面に与えるのが望ましい場合に用いられ、かつ硬質で、摩耗とマイクロフレッチングに対して耐性である表面を用いて、ＴＡＨやＶＡＤの使用寿命を高めるのが望ましい状況下において用いることができる。図面の簡単な説明Ｆｉｇ１は、ペンステート／サーンズ／３Ｍデザインの全人工心臓の概略図である。Ｆｉｇ２は、ユタ大学の全人工心臓の概略図である。Ｆｉｇ３は、クリーブランド臨床／ニンバスインクの全人工心臓の概略図である。Ｆｉｇ４Ａは、テキサスハートインスチュート／アビオンドの全人工心臓の断面略図である。Ｆｉｇ４Ｂは、図４Ａのテキサスハートインスチュート／アビオンドの全人工心臓の断面側図である。Ｆｉｇ５ＡとＢは、それぞれ、心室補助具の後方略図と正面略図である。好ましい実施態様の説明この発明は、外部機械的心臓（ＥＭＨ）、全人工心臓（ＴＡＨ）、心室補助具（ＶＡＤ）のような機械的心臓の部材で、ジルコニウムまたはジルコニウム合金で作ることができ暗青色または黒色酸化ジルコニウムまたは窒化ジルコニウムの薄層で被覆できるものである。このコーティング層は、機械的摩耗、マイクロフレッチング摩耗や体液による腐食に対する耐性が強化され、一方また血液塊形成の危険を減少させてこの発明の部材の血液適合性を強化する。この発明のＥＭＨ、ＴＡＨおよびＶＡＤ部材はこれらの装置の使用寿命を延長するのみならず、患者でのトロンボゲン形成の副作用に関連した危険を有意に減少する。この発明の被覆した部材は、添付の図面に示したもの、米国特許第4，750，90 3号、同第4，769，031号、同第4，888，011号、同第4，902，291号、同第4，994 ，078号、同第5，066，300号（これらをその内容全部を参照としてここに入れる）に示された部材を含めこれらに限定されることなく一連の応用の何れかに使用できる。同様に、この発明の部材は、摩耗条件および血液成分への暴露を受けやすいＶＡＤの部材の代替に用いうる。この発明の被覆部材は、また、その硬い表面のため、摩耗くずの形成が無視できそれにより外部物質が身体環境に入るのが小さいという明白な利点を有する。さらにセラミックタイプのコーティングが密着しており、コーティングが単に金属表面にスプレーされたり、プラズマ蒸着または化学蒸着のような技術で塗布された硬い上塗りコーティングで生ずるような下層の金属基体からの破砕または分離に非常に耐性である。Ｆｉｇ１は、２つの柔軟な隔膜血液ポンプ（右側ポンプ１２が示され、他はシエル内である）間に位置したステンレス鋼のローラスクリュー１０を有するペンステート（Penn State）デザインの例示である。高速で低トルクのブラシレスＤＣモータがローラスクリュー１０を回転させ、ローラスクリューシャフト１６を直線状に前後に動かす。ガイドシャフト１６の各末端には、押板（Pusher plate ）１８が取付けられている。右側ポンプの押板１８が後方に動くとき、血液はポンプ空間１４に入る。同時に、対応する左側ポンプの押板が右に動き、血液をそのポンプ空間から押出す。このタイプのポンプでは、押板１８は、血液と接触しており、ポンプ吸引ストロークで膨張し、ポンプ排出ストロークで収縮する柔軟膜１２に対して作用する。押板はローラスクリュー１０で作動され、従ってこの発明によれば、ローラスクリューの６回転が、約３０００ＲＰＨのモータ速度でのフルストロークに必要とされる。プラネタリーローラがローラスクリューナットとローラスクリュー１０の間に挿入されてすベり接触ではなく回転接触を与え、かつ多くの接触点に機械的負荷を拡げ、かつ全体のローラスクリューシステムは硬化され摩耗を最小にしている一方、このシステムの信頼性がこの発明の部材の使用により改良される。かくして、ローラスクリュー１０及びそれと回転接触するローラスクリューナットは共にジルコニウムまたはジルコニウム合金で作られ、その表面は暗青色もしくは黒色の酸化ジルコニウムまたは窒化ジルコニウムの何れかで被覆されている。その上、血液が連続的に汲み入れ、汲み出される要素２０と導管２２を連結する４と６として示されたポンプノズル２の表面は、ジルコニウムまたはジルコニウム合金で作ることができ、少なくとも血液成分に接するその表面を窒化ジルコニウムまたは暗青色もしくは黒色の酸化ジルコニウムで被覆して、血液塊の生成力を最小にする。Ｆｉｇ２は、ユタ大学の電動水圧心臓（electrohydraulic heart）の断面略図である。この心臓は、シエル５０と５２及びその間に介在するポンプモータ３４を有する。このタイプの心臓では、モータ２０が、柔軟隔膜２６と２８の下側の領域２２と２４でのシリコン油を加圧するのに用いられて血液を柔軟隔膜上の室３０と３２に出入させる。例えば、モータ３４がシリコン油を室２２に加圧したとき、柔軟隔膜２６は上方で外方向に膨張し、血流を室３０から方向３６に押出す。同時に、シリコン油は、室２４から室２２に流出し、Ｆｉｇ２に示すように、柔軟隔膜２８を自然位置にもどし、方向３８で示されるように、血液を室３２に汲み入れる。双方向ポンプ３４の方向が逆のとき、反対の効果が達せられる。ユタ大学ポンプは、双方向デザインで、高圧方向で10，000〜13，000ＲＰＭの間の速度で逆方向で5，000〜8，000ＲＰＭの速度で典型的に作動するので、ポンプの可動部材はマイクロフィッチング摩耗と機械的摩耗を受けやすい。そのため、ユタ大学設計に用いられる双方向軸流ポンプ３４は、窒化ジルコニウムまたは暗青色もしくは黒色酸化ジルコニウムでその場で形成された薄層を被覆したジルコニウムまたはジルコニウム合金で作られ、高速の部材の摩耗を減少させる。その上、表面４０，４１，４２，４３，４４と４５は血液と直接接触するので、暗青色もしくは黒色の酸化ジルコニウムまたは窒化ジルコニウムで被覆し、血塊の可能性を減少さすべきである。かくして、心臓５０と５２のシエルをジルコニウム合金（またはジルコニウム）で作り、被覆をさせてもよい。Ｆｉｇ３はクリーブランドクリニックのＴＡＨの断面略図の例で、モータを利用してギアポンプ５６を回し、約100psiでの水圧を与え、アクチュレータ５８の往復運動を生じさせ、これが柔軟隔膜６２に作用する押板６０を順次動かし、血液を汲み上げる。アクチュレータ５８は、ガイドスリーブ６４内を摺動し、従って、アクチュレータとスリーブ間の接触面での摩耗が生じうる。その上、このＴＡＨは、これが使用されるとき摩耗を受けやすい軸受面のような機械要素を有するフロー逆上弁６４を有する。従って摩耗を受けやすく、かつジルコニウムまたはジルコニウム合金で作り、暗青色もしくは黒色の酸化ジルコニウムまたは窒化ジルコニウムで被覆するのが有利であるＴＡＨ要素には、ガイドスリーブ６４、アクチュレータ５８、ポンプのギヤ要素とシャフト及び回転弁６４がある。その上、ポンプのギヤビテーションからの腐食損傷の危険を少なくするため、ポンプのハウジング７２を同様に、被覆ジルコニウム／ジルコニウム合金で作ってもよい。最後に、心臓ハウジング７０の内面６６，６８は血液と直接接触する。従って、ハウジング７０をジルコニウムまたはジルコニウム合金で作り、少なくともその内面６６，６８を暗青色または黒色の酸化ジルコニウムまたは窒化ジルコニウムで被覆するのが望ましい。Ｆｉｇ４は、テキサスハートインスチュート／アビオンドのＴＡＨデザインの概略図である。このＴＡＨは、ｄ．ｃ．モータを利用して小型遠心性ポンプ８０を作動させ約6，000〜8，000ＲＰＭで回転させる。このポンプ８０は、圧媒液を加圧して室８２、８４に交互に送り込む。室８２、８４は、隔壁により分離され柔軟な隔膜８８、９０に取り囲まれている。圧媒液が室８２に入ると、隔膜８８は心臓空間９２へ膨張しこの空間から血液を送り出す。同時に圧媒液は室８４から吐き出され隔膜９０が弛緩し心臓空間９４が膨張し血液がＴＡＨへ吸い込まれる。この液圧流動は、小型化のために放射状をした２位置４方向回転弁１００により反転する。回転弁１００は、スリーブ１０２、１０４内を高速で回転するため、弁１００とスリーブとの間の接触面は摩耗を受けやすい。その上、回転弁１００はシール１０６に抗して回転するために、シールと弁１００との接触面に摩耗が生じうる。テキサスハートインスチュート／アビオンドのＴＡＨの部材は、この発明に従って作ることができる。かくして、摩耗を受けやすい遠心性ポンプ８０の高速の部材は、ジルコニウム／ジルコニウム合金で作り、暗青色または黒色の酸化ジルコニウムあるいは窒化ジルコニウムで被覆する。さらに、回転弁１００自体及びスリーブ１０２、１０４の表面とシール１０６は、暗青色または黒色の酸化ジルコニウムあるいは窒化ジルコニウムで被覆したジルコニウム／ジルコニウム合金で作り、摩耗を最小にする。最後に、ＴＡＨ１０８、１１０の内面は、ジルコニウム／ジルコニウム合金で作り、暗青色または黒色の酸化ジルコニウムあるいは窒化ジルコニウムて被覆し、血塊の可能性を減少させる。Ｆｉｇ５Ａ、Ｆｉｇ５Ｂに例示するナバコール（Navacor）設計のＶＡＤは、ソレノイド機構１２０を有する。この機構１２０は、ポンプ押板１２６、１２８の背ろに延びたビームスプリング１２２、１２４を介してエネルギーを送るものである。スプリングに蓄積したエネルギーが押板の直線運動に変換され、柔軟な血液嚢１３０に力が加わる。血液嚢１３０は、ポリウレタンバイオマー（Biomer ）の２層の間に介在したブチルゴム層からなっている。この血液嚢１３０は、円筒形アルミニウムリング１３２内で支持され、ポンプハウジングとして作用する。血液流入ポート１３３、流出ポート１３４がハウジングの対向する側に脇に配され、直線的な血流を形成する。ポートは、ハウジングと一体に形成されたエポキシ注入ケヴラー（kevlar）織物シェルで形成されている。このポートは、また、ウシの心膜の繊維から作られた３重の葉状の入口と出口を封入している。心室導管に入口弁、出口弁を取り付けるための取付部品は、身体にはめ込むと、ポンプのバルクヘッド（図示せず）に結合し、このバルクヘッドがポンプの周りの封入シエルに対する枠組となる。封入シエルは、また、ソレノイドエネルギー変換器を搭載する設備を有する。このソレノイドエネルギー変換器は、２つのソレノイド機構、２つの軽量チタニウムビームスプリング及びアルミニウム支持構造からなっている。こうした金属部材は、全て、血液成分及び身体組織に接触する。したがって、この発明では、チタニウムビームスプリングの代わりに、暗青色または黒色の酸化ジルコニウムあるいは窒化ジルコニウムで被覆したジルコニウムあるいはジルコニウム合金のビームスプリングを用いることが提案されている。さらに、同様に、アルミニウム支持構造の代わりに、暗青色または黒色の酸化ジルコニウムあるいは窒化ジルコニウムで被覆したジルコニウム／ジルコニウム合金を用いることができる。ナバコールでは、ソレノイドの設計に関して「整備を必要としない年間１億サイクルの作動に挑戦した」ことが明らかにされた（オコーナー，リー「ナバコールのＶＡＤ：破損した心臓の補修法」機械工学５３〜５５頁（１９９１年１１月号））。暗青色または黒色の酸化ジルコニウムあるいは窒化ジルコニウムで被覆したジルコニウムまたはジルコニウム合金で作ったこの発明の部材の表面は、硬質で耐擦過摩耗、生体適合性、血液適合性なので、この目的にかなう。外部機械的心臓（ＥＭＨ）は、移植に対するブリッジとして用いられる。こうした心臓には、ジャーヴィック（Jarvik）-７気圧心臓、より最近の左心室補助装置、及びサーモカーディオ（thermocardio）システムにより開発されたハートメート（heartmate）が含まれる。ハートメートシステムでは、空気輸送用のチューブ及び電気ワイヤーチューブが、身体の外側から身体内部にはめ込まれた血液ポンプまで通る。ポンプは、腹部にはめ込まれて、本来の心臓の左心室から血液を汲み出す。この血液は、化学的に処理されたウシの組織から作られた２５ミリの吸込弁と吸出弁を介してポンプを出入りする。血液は、吸出弁からダクロンを巻き付けたポリエチレン管を介して大動脈へ流れる。ハートメートにおける下方の室に搭載された搭載された電気モータは、柔軟なポリウレタン隔壁に連結した平坦ピストンを作動させる。モータが１回転すると、隔壁を圧縮するカム集成体が回転し、汲み出し弁を介して血液を押し出す。ポンプの作動は、ショルダーバッグ中に位置するマイクロプロセッサーにより制御される。このマイクロプロセッサーは、モーターの電流を変えて心脈を調整する。この発明によれば、ハートメートポンプの可動部分の代わりに、暗青色または黒色の酸化ジルコニウムあるいは窒化ジルコニウムで被覆したジルコニウム／ジルコニウム合金で作製された部材を用い、機械的摩耗、摩擦及びマイクロフィツチング摩耗を減少させてもよい。さらに、血液成分に接触するそれらの金属部材の代わりに、同様に被覆したジルコニウム／ジルコニウム合金部材を用いて、血液適合性を高め、血塊形成の危険性を減少させてもよい。ジャーヴィック-７気圧心臓を用いる際の最大の問題点は、血塊形成である（オコーナー，リー「ナバコールのＶＡＤ：ヒトの心臓における交換の処理」機械工学３６〜４３頁（１９９１年７月号））。１９９０年、ＦＤＡは、製造時の品質管理の危惧により臨床試験からジャーヴィックシステムを取り下げた。ユタ大学は、ジャーヴィックの心臓のデザインに改良を加え、ジャーヴィック−７の球形ハウジングに対立するものとして、楕円形ポンプハウジングを有する「ユタ１００」と称する新システムを開発した。その上、このユタ１００では、心室内の隔壁をハウジングに連結させるための接合部が再改良されている。こうした変更により、血塊形成がジャーヴィック-７デザインに関して約７０％減少したという。しかしながら、この発明では、可動部分及び血液成分に接触する金属表面をジルコニウム／ジルコニウム合金で作製し、暗青色または黒色の酸化ジルコニウムあるいは窒化ジルコニウムで被覆させて、血液適合性を高めマイクロフィツチング摩耗を減少させている。金属合金基体の所望の表面に連続的で有用な酸化ジルコニウムあるいは窒化ジルコニウムのコーチングを塗布するためには、金属合金が約８０〜約１００ｗｔ．％、好ましくは約９５〜約１００ｗｔ．％のジルコニウムを含有するべきである。ニオブ、タンタル及びチタニウムが、合金中に、しばしばハフニウムとともに普通の合金元素として含有される。またイットリウムは、ジルコニウムと合金を作ることができ、合金の酸化中、より強靭なイットリア安定酸化ジルコニウムコーチングの形成を促進し、かつ比較的高レベルの酸素は、ジルコニウム金属あるいは合金の強度を増すであろう。こうしたジルコニウム／ジルコニウム合金は、冶金技術における公知の従来の方法であつらえ作られる一方、多数の好適な合金が市場で入手しうる。市販の合金には、ジルカジン（zircadyne）７０５、ジルカジン７０２及びジルカロイ（zircalloy）その他が含まれる。ベースのジルコニウム含有金属合金は、従来の方法により錬金素材から鋳造あるいは機械加工して所望の形状と大きさの部材にする。この基体を、次いで、酸化ジルコニウムが密に付着し拡散結合したコーチングがその表面に自然に（その場の方法で）形成される加工条件に付される。加工条件には、例えば、空気、蒸気あるいは水による酸化、あるいは流動浴酸化または塩浴酸化が含まれる。これらの工程により、典型的には数ミクロン（１０^-6メートル）以下の厚さの、薄く硬質で密な暗青色または黒色の低摩擦性で耐摩耗性の酸化ジルコニウムフィルムあるいはコーチングを部材の表面に理想的に与えることができる。このコーチングの下では、酸化工程により生じた拡散酸素が下層の基体金属の硬度と強度を増加させる。先行技術（例えばステイネメナン（Steinemenan）の米国特許第3，643，658号）の酸化チタニウムとは異なり、この発明の暗青色または黒色の酸化ジルコニウムのコーチングを形成するために供給される酸素は有益な合金部材であり、この部材により直接の基体金属強度が向上し、それにより酸化物付加強度及び耐性が向上するのみならずベース金属強度が向上する。かくして、下層のジルコニウム金属の疲労強度が高まり、それにより部材の寿命が延びる。反対に、チタニウム合金の酸素は、低強度α相を安定させる傾向があり、それにより金属疲労強度が有意に減少する。空気、蒸気あるいは水による酸化工程は、ワトソン（Watson）の米国特許第2 ，987，352号（期間満了）に十分に説明されているので参考として導入する。空気による酸化工程により、高度に配行させた単斜晶の結晶形の酸化ジルコニウム（ＺｒＯ₂）からなる堅固に付着した黒色あるいは暗青色の層が与えられる。酸化工程が長引きすぎると、コーチングが白くなり金属基体から分離することがある。この酸化工程は、空気、蒸気あるいは温水中のいずれかにおいて行うことができる。簡便にするために、金属基体は、酸素含有雰囲気（例えば空気）を有する炉に入れ、典型的には700〜1100°Ｆで約６時間加熱することができる。しかしながら、温度と時間の別の組み合わせも可能である。より高い温度を用いる場合、酸化の時間を短縮して白色酸化物の形成を避ける必要がある。暗青色あるいは黒色の酸化ジルコニウムあるいは窒化ジルコニウムのコーチングは、血塊形成の危険性を減少させるという意味合いにおいて血液適合性を著しく高め、１ミクロン以上の厚さに被覆できるが、約１〜約５ミクロンのコーチングが好ましい。例えば、炉を用いて約1000°Ｆで３時間空気による酸化を行うと、約３〜４ミクロンのジルカジン７０５の酸化物コーチングが形成される。酸化の時間を長くし温度を高くすると、厚さは増すがコーチングの結着性を妥協しなくてはならないかもしれない。例えば、1300°Ｆで１時間行うと厚さ約14ミクロンの酸化物コーチングが形成されるが、1000゜Ｆで２１時間行うと厚さ約９ミクロンの酸化コーチングが形成される。当然、薄い酸化物だけが表面に必要とされるので、寸法上極小さい変化、すなわち典型的には部材の厚さが多くて10ミクロン増す程度の変化がもたらされるくらいである。一般的には、コーチングが薄くなる（１〜４ミクロン）ほど、付着強度が増し、残留圧縮表面応力が良好になる。この発明の部材に被覆された暗青色あるいは黒色の酸化ジルコニウムのコーチングの厚さは、また、この発明とステイネメナンの米国特許第3，643，658号の酸化チタニウムコーチングとの差異となっている。酸化チタニウムフィルムは、高温（350゜Ｃ）酸化で作られようと高電流密度の陽極酸化で作られようと、薄く、粉末状で、ゆるんで付着している。これは、酸化物が厚くなるにつれて種々の形態の酸化チタニウムが形成されるからである。その結果、こうしたフィルムは、金属の表面が体液に暴露され、身体組織内に金属イオンが放出され、生体内の擦過条件でより容易に除去される。反対に、より厚く、結晶形であって、より密に付着した暗青色あるいは黒色の酸化ジルコニウムのフィルムは、合金基体から容易に剥落したり分離したりせず、チタニウムあるいはチタニウム合金における複合酸化物に比して、本質的に１タイプの酸化ジルコニウム（ＺｒＯ₂）を形成する。酸素を下層のジルコニウム合金に拡散させることにより、酸化ジルコニウムが容易にかつ密に付着しうる自然の中間層が与えられると考えられる。その結果、こうした酸化ジルコニウムコーチングは、摩擦や体液による腐食に対して優良な保護を提供する。酸化ジルコニウムコーチングを金属合金部材に塗布するのに用いられる塩浴法の１つに、ヘイガース（Haygarth）の米国特許第4，671，824号の方法があり、十分に説明されるので参考として導入している。この塩浴法では、類似の僅かにより耐腐食性の暗青色あるいは黒色の酸化ジルコニウムのコーチングが与えられる。この方法は、溶融塩浴中でジルコニウムを酸化することができる酸化化合物の存在を必要とする。溶融塩類には塩化物類、ニトレート類、シアン化合物類などが含まれる。酸化化合物、すなわち炭酸ナトリウムは、約５ｗｔ％までの少量で存在する。炭酸ナトリウムを加えると塩の融点が下がる。空気による酸化の際のように、酸化の速度は、溶融塩浴の温度に比例し、’824特許では、550゜〜80 0°Ｃ（1022゜〜1470°Ｃ）の範囲が好ましいとしている。しかしながら、コーチングは、塩浴中の酸素レベルが低くなるにつれて、同時間、同温度における、炉を用いた空気による酸化の際よりも薄くなる。1290゜Ｆで４時間の塩浴処理では、酸化コーチングの厚さは、約７ミクロンとなる。塩浴中の残留汚染物が処理済みの移植表面に偶然取り残され、臨床的な副作用を生じさせるかもしれない。これらの内あるものは、磨きと洗浄により除去されるが、他の元素による汚染の可能性の少ないガス（空気）による酸化／窒化プロセスのほうがやはり好ましい。炉を用いた空気による酸化、流動層あるいは塩浴を用いた酸化のいずれを用いようと、酸化ジルコニウムコーチングは硬度の点で極めて類似している。例えば、精錬ジルカジン７０５（Zr，２〜３wt．% Nb）部材基体の表面が酸化されると、表面の硬度は、元の金属表面の200ヌープ硬度以上の劇的増加を示す。塩浴による酸化、空気による酸化のいずれかによって酸化した後の暗青色の酸化ジルコニウムの表面の硬度は、およそ1700〜2000ヌープ硬度である。その場の空気酸化は、表面汚染の可能性が最小であるので、この発明の酸化コーチングを作るための好ましい方法であり、この方法では、酸素が金属基体に拡散し、それにより密に付着した酸化コーチングが形成され、一方ジルコニウム金属が強化されうる。上記の説明は、補綴具上の暗青色あるいは黒色の酸化ジルコニウムコーチングに関するものであるが、酸化ジルコニウムは、また、対向面の摩耗を減少させ、体液による下層の基体の腐食を防止する点に関しても有効である。空気は、酸素の約４倍の窒素を含有するとはいえ、ジルコニウムあるいはジルコニウム合金が上記のように空気中で加熱されるとき、窒化物コーチングよりむしろ酸化物コーチングが形成される。これは、こうした条件下では、熱力学平衡において窒化より酸化を助長するからである。かくして、窒化物コーチングを形成するためには、平衡を窒化反応が助長するようにする必要がある。これは、酸素を減少させ、かつ気体環境（「空気による酸化」に類似）が用いられる場合に空気あるいは酸素の代わりに窒素あるいはアンモニア雰囲気を用いることにより容易に達せられる。約５ミクロンの厚さの窒化ジルコニウムのコーチングを形成するために、ジルコニウムあるいはジルコニウム合金部材を窒素雰囲気下で約１時間約800°Ｃまで加熱する必要がある。かくして、酸素を除去する（あるいは酸素の分圧において適切に削減する）、あるいは温度を上昇させるのとは別に、窒化ジルコニウムコーチングを形成する条件は、暗青色あるいは黒色の酸化ジルコニウムコーチングを形成するのに要求される条件と著しくは異ならない。必要な調整は、当業者であれば自明である。塩浴法を用いて窒化コーチングを作る場合、酸素供与塩類（oxygen-donor sal ts）の代わりにシアン化物塩類のような窒素供与塩類（nitrogen-donor salts）を用いる必要がある。このように代替することにより、酸化コーチングを得るのに要求される条件と類似した条件下で、窒化コーチングを得ることができる。こうした必要とされる改良は、当業者であれば容易になしうる。酸化ジルコニウムあるいは窒化ジルコニウムの表面層を、ジルコニウム基体あるいはジルコニウム合金基体上に形成する方法とは無関係に、表面の摩擦と摩耗の摩擦学的観点が、銀ドーピングあるいは硼素化技術を用いることによりさらに向上する。銀フィルムをジルコニア（ＺｒＯ₂）セラミック表面にイオンビームアシスト蒸着をして摩擦学的挙動を向上させることができる。厚さ約３ミクロンまでの銀フィルムの蒸着は、電子ビームの硬質な銀の蒸発源を備えた真空室において室温で行われる。アルゴンと酸素ガスの混合物がイオン源を介して供給され、イオンフラックスを作る。１対の受容な銀蒸着パラメーターは、１平方センチ当たり25ミクロアンペアのイオン電流密度で１kevの加速電圧からなる。この銀フィルムは、イオン衝撃により完全に蒸着できるか衝撃を介して部分的に形成でき、一方、残留厚さは真空蒸発により達せられる。イオン衝撃により、銀フィルムの、酸化ジルコニウムあるいは窒化ジルコニウム基体への付着が向上する。銀フィルムがこの発明の酸化物あるいは窒化物被覆ＴＡＨあるいはＶＡＤ部材に同様に蒸着して摩擦学的挙動が向上する。酸化ジルコニウムあるいは窒化ジルコニウム被覆表面の摩擦学的挙動を向上させる別の方法は、標準的なイオン注入法や蒸着法を用いた市販の硼化物による蒸着、硼素イオン注入あるいはスパッター蒸着のような硼化処理をこうした表面に施すか、あるいは空気中で硼素タイプのコーチングを自発的に形成するかである。ホウ酸（Ｈ₃ＢＯ₃）表面フィルムにより自己補充固体潤滑剤（self-replenish ing solid lubricant）が与えられ、セラミック表面の摩擦及び摩耗がさらに減少する。こうしたフィルムは、セラミック（すなわち酸化ジルコニウム）上のＢ₂ Ｏ₃表面（種々の従来の方法で蒸着された表面）と、身体中の水を反応させて形成され、潤滑性のホウ酸を作る。硼素（Ｂ）、ホウ酸（Ｈ₃ ＢＯ₃）あるいはＢ₂Ｏ₃表面層のいずれかを表面に蒸着する従来の方法には、真空蒸着（イオン衝撃を伴う場合、伴わない場合あり）や薄層を表面への単純なオーブン硬化が含まれる。ホウ酸（Ｈ₃ＢＯ₃）の自己潤滑機構は、独特の層状の三斜晶構造により統御され、原子シート（sheets of atoms）が容易に滑動して互いに重なり、基体の摩耗と摩擦が最小となる。通例レシチンとして知られるホスファチジルコリンのコーチングを、血液成分と接触するこれらの表面上に最終コーチングとしてさらに塗布することができる。これは、血栓形成を減少させるためである。ホスファチジルコリン層は、摩耗やマイクロフレッチングに対して認めうるほどの耐性がないので、血液に接触はするものの、著しい大摩耗やマイクロフレッチング摩耗を受けやすくはない表面に塗布するのが好ましい。いずれかの理論に結び付ける意図はないが、ホスファチジルコリン層は、それが塗布される表面を不動能化する作用をし、それにより、ホスファチジルコリン層が、表面に結合するある種の血液から生じた物を選択させると推定される。こうしてアルブミンのようなある種の血液成分を血液表面から選択的に除外するにより、血栓形成の可能性が低くなる。塗布する部材をホスファチジルコリン浴に浸漬する、あるいは部材を表面にスプレーするまたはブラシするなどの、当業者に公知である技術のいずれを用いて、ホスファチジルコリンのコーチングを塗布することができる。この発明は、好ましい実施態様を参照して記載されているが、当業者であれば、この開示を読むことにより、上記及び下記のこの発明の範囲と精神から逸脱しない程度において変更、改良が可能であることが理解されよう。

【手続補正書】特許法第１８４条の８【提出日】１９９４年２月２５日【補正内容】請求の範囲１．機械的摩耗とマイクロフィッチングを受けやすい表面を有する部材を含有する心室補助具において、５ミクロンまでの厚みの、硬質で、耐摩耗性で生体適合性コーチングで被覆されたジルコニウムとジルコニウム合金から選択された基体金属からなり、そのコーチングは暗青色または黒色の酸化ジルコニウムと窒化ジルコニウムからなる群から選択され、そのコーチングは基体金属に密に付着しかつ摩耗を受けやすい表面を覆ってなる改良部材。２．部材の表面がさらに平滑潤滑性の硼素組成物と銀からなる群から選択された第２のコーチングからなる請求項１の改良部材。３．暗青色、黒色酸化ジルコニウム及び窒化ジルコニウムの厚みが約１〜約４ミクロンである請求項１の改良部材。４．血液と接触する表面を与える部材を含む心室補助具において、部材が、血液適合性コーチングで被覆されたジルコニウムとジルコニウム合金から選択された基体金属からなり、そのコーチングは、暗青色、黒色の酸化ジルコニウムと窒化ジルコニウムからなる群から選択され、かつそのコーチングは基体金属に密に付着しかつ血塊形成の危険を減少さすための血液と接触している表面を覆っていることからなる改良。５．部材の表面が、さらにホスファチジルコリン、平滑潤滑性の硼素組成物と銀からなる群から選択された第２のコーチングからなる請求項４の改良部材。６．暗青色、黒色酸化ジルコニウム及び窒化ジルコニウムの厚みが約１〜約５ミクロンであり請求項４の改良部材。７．患者での使用時に機械的摩耗とマイクロフィッチング摩耗を受けやすい表面を有する部材を含む患者の胸腔への移植用の全人工心臓具において、部材が、約１〜約５ミクロンの厚みの硬質で、耐摩耗性で生体適合性コーチングで被覆されたジルコニウムとジルコニウム合金から選択された基体金属からなり、そのコーチングが暗青色、黒色の酸化ジルコニウムと窒化ジルコニウムからなる群から選択され、そのコーチングは基体金属に密に付着しかつ摩耗を受けやすい表面を被覆していることからなる全人工心臓具の改良。８．部材の表面が、さらに平滑潤滑性の硼素組成物と銀からなる郡から選択された第２のコーチングからなる請求項７の改良部材。９．暗青色、黒色酸化ジルコニウム及び窒化ジルコニウムコーチングの厚さが約１〜約４ミクロンである請求項７の改良部材。１０．患者での使用時に血液と接触する表面を与える部材を含む患者の胸腔に移植用の全人工心臓具において、血液適合性コーチングで被覆されたジルコニウムおよびジルコニウム合金から選択された基体金属で、そのコーチングは暗青色、黒色の酸化ジルコニウムと窒化ジルコニウムからなる群から選択され、かつそのコーチングは基体金属に密に付着し血液塊形成の危険を減少するため血液と接触する表面を覆っていることからなる改良部材。１１．部材の表面が、さらにホスファチジルコリン、平滑潤滑性の硼素組成物と銀からなる群から選択された第２のコーチングからなる請求項１の改良部材。１２．暗青色、黒色酸化ジルコニウム及び窒化ジルコニウムコーチングの厚みが約５ミクロンより小さい請求項１０の改良部材。１３．機械的摩耗とマイクロフィッチング摩耗を受けやすい表面を有する部材を含む外部機械的心臓具において、部材が、約１ミクロン〜約５ミクロンの厚さの、硬質で耐摩耗性の生体適合性コーチングで被覆されたジルコニウムとジルコニウム合金から選択された基体金属からなり、そのコーチングが暗青色または黒色の酸化ジルコニウムと窒化ジルコニウムからなる群から選択され、かつそのコーチングは基体金属に密に付着されかつ摩耗を受けやすい表面を覆っていることからなる改良。１４．部材の表面が、さらに平滑潤滑性の硼素組成物と銀からなる群から選択された第２のコーチングからなる請求項１３の改良部材。１５．酸化または窒化ジルコニウムコーチングの厚みが約１〜約４ミクロンである請求項１３の改良部材。１６．血液と接触する表面を与える部材を含む外部機械心臓室において、部材が、血液適合性コーチングで被覆されたジルコニウムとジルコニウム合金から選択された基体金属からなり、このコーチングが暗青色または黒色の酸化ジルコニウムと窒化ジルコニウムからなる群から選択され、かつコーチングは基体金属に密に付着されかつ血液塊形成の危険を減少するため血液と接触する表面を被覆していることからなる改良。１７．部材の表面が、さらにホスファチジルコリン、平滑潤滑性の硼素組成物と銀からなる群から選択された第２のコーチングからなる請求項１６の改良部材。１８．暗青色又は黒色酸化ジルコニウム及び窒化ジルコニウムの厚みが、約１〜約５ミクロンである請求項１６の改良部材。

Claims

【特許請求の範囲】１．機械的摩耗とマイクロフィッチングを受けやすい表面を有する部材を含有する心室補助具において、改良部材が、その場での方法で形成された５ミクロンまでの厚みの、硬質で、耐摩耗性で生体適合性コーチングで被覆されたジルコニウムとジルコニウム合金から選択された基体金属からなり、そのコーチングは暗青色または黒色の酸化ジルコニウムと窒化ジルコニウムからなる群から選択され、そのコーチングは基体金属に密に付着しかつ摩耗を受けやすい表面を覆ってなる摩耗を受けやすい部材の改良。２．部材の表面がさらに平滑潤滑性の硼素組成物と銀からなる群から選択されたコーチングからなる請求項１の改良部材。３．酸化又は窒化ジルコニウムの厚みが約１〜約５ミクロンである請求項１の改良部材。４．血液と接触する表面を与える部材を含む心室補助具において、部材が、その場での方法で形成された血液適合性コーチングで被覆されたジルコニウムとジルコニウム合金から選択された基体金属からなり、そのコーチングは、暗青色または黒色の酸化ジルコニウムと窒化ジルコニウムからなる群から選択され、かつそのコーチングは基体金属に密に付着しかつ血塊形成の危険を減少さすための血液と接触している表面を覆っていることからなる改良。５．部材の表面が、さらにホスファチジルコリン、平滑潤滑性の硼素組成物と銀からなる群から選択されたコーチングからなる請求項４の改良部材。６．酸化又は窒化ジルコニウムの厚みが約１〜約５ミクロンであり請求項４の改良部材。７．患者での使用時に機械的摩耗とマイクロフィッチング摩耗を受けやすい表面を有する部材を含む患者の胸腔への移植用の全人工心臓具において、摩耗を受けやすい部材が、その場での方法で形成された５ミクロンまでの厚みの硬質で、耐摩耗性で生体適合性コーチングで被覆されたジルコニウムとジルコニウム合金から選択された基体金属からなり、そのコーチングが暗青色または黒色の酸化ジルコニウムと窒化ジルコニウムからなる群から選択され、そのコーチングは基体金属に密に付着しかつ摩耗を受けやすい表面を被覆していることからなる全人工心臓具の改良。８．部材の表面が、さらに平滑潤滑性の硼素組成物と銀からなる郡から選択されたコーチングからなる請求項７の改良部材。９．酸化または窒化ジルコニウムコーチングの厚さが約１〜約５ミクロンである請求項７の改良部材。１０．患者での使用時に血液と接触する表面を与える部材を含む患者の胸腔に移植用の全人工心臓具において、部材が、その場での方法で形成された血液適合性コーチングで被覆されたジルコニウムおよびジルコニウム合金から選択された基体金属で、そのコーチングは暗青色または黒色の酸化ジルコニウムと窒化ジルコニウムからなる群から選択され、かつそのコーチングは基体金属に密に付着し血液塊形成の危険を減少するため血液と接触する表面を覆っていることからなる改良。１１．部材の表面が、さらにホスファチジルコリン、平滑潤滑性の硼素組成物と銀からなる群から選択されたコーチングからなる請求項１の改良部材。１２．酸化または窒化ジルコニウムコーチングの厚みが約５ミクロンより小さい請求項１０の改良部材。１３．機械的摩耗とマイクロフィッチング摩耗を受けやすい表面を有する部材を含む外部機械的心臓具において、摩耗を受けやすい改良部材が、その場での方法で形成された５ミクロンまでの厚さの、硬質で耐摩耗性の生体適合性コーチングで被覆されたジルコニウムとジルコニウム合金から選択された基体金属からなり、そのコーチングが暗青色または黒色の酸化ジルコニウムと窒化ジルコニウムからなる群から選択され、かつそのコーチングは基体金属に密に付着されかつ摩耗を受けやすい表面を覆っていることからなる前記心臓具の改良。１４．部材の表面が、さらに平滑潤滑性の硼素組成物と銀からなる群から選択されたコーチングからなる請求項１３の改良部材。１５．酸化または窒化ジルコニウムの厚みが約１〜約５ミクロンである請求項１３の改良部材。１６．血液と接触する表面を与える部材を含む外部機械心臓室において、部材が、その場での方法で形成された血液適合性コーチングで被覆されたジルコニウムとジルコニウム合金から選択された基体金属からなり、このコーチングが暗青色または黒色の酸化ジルコニウムと窒化ジルコニウムからなる群から選択され、かつコーチングは基体金属に密に付着されかつ血液塊形成の危険を減少するため血液と接触する表面を被覆していることからなる改良。１７．部材の表面が、さらにホスファチジルコリン、平滑潤滑性の硼素組成物と銀からなる群から選択されたコーチングからなる請求項１６の改良部材。１８．酸化または窒化ジルコニウムの厚みが、約１〜約５ミクロンである請求項１６の改良部材。