JP4623934B2 - ガスクラスタイオンビーム技術を応用した人工関節の作用を改善する方法とシステム - Google Patents

Description

関連出願
本出願は２００１年５月９日出願の米国仮出願第６０/２８９７３７号「ガスクラスタイオンビーム技術を応用した人工股関節の作用を改善する方法とシステム」の優先権を主張する。
発明の分野
本発明は人工関節等の医療具に関し、特にガスクラスタイオンビーム技術を利用した人工関節の磨耗を減少させる方法とシステムに関する。

発明の背景
関節交換すなわち関節形成術は外科処置であり、関節の疾患部分を取り除いて新しい人工部分と交換する。現在、これら人工関節は高架橋ポリエチレン、金属-金属およびセラミック-セラミック材料のごとき改良材料で製造されている。関節交換後は骨軟化が大きな問題であり、インプラント（埋込材）自体の破片による炎症が関与すると考えられている。例えば全股関節交換の場合、幾分かの骨軟化症状は術後１０年以内に４０％程度で発生する。

健康な動物関節の摩擦係数は非常に小さく、関節部材間で形成される軟骨や潤滑液（例えば体液）によりほとんど磨耗しない。しかしこのことは人工関節の場合には当てはまらない。人工関節を磨耗させる１つの問題はインプラント表面での潤滑液（剤）の不足である。摩擦によって病変組織に重要な影響を及ぼす磨耗破片が発生する。よって生理学的見地からインプラントの不都合を引き起こす長期的可能性はインプラントの表面間での不充分な潤滑液に起因する骨軟化症状による磨耗破片により増加する。

症状悪化の当初要因は、インプラントを包囲する骨の破壊を引き起こし、インプラントを緩める結果となる小片同士の摩擦や、この摩擦によって影響を受ける周辺細胞が関与する。これら小片の数、サイズおよび分布並びにタイプはこの症状の進行に影響を重要な及ぼすと考えられている。

インプラント接触面の孔部、凹部またはそれらの組み合わせの設計はインプラント部材間の接触部での潤滑剤を保持する構造を提供する。そのような形状を提供するために従来はモノマーイオンビームを利用した。このモノマーイオンビームは粗いエッジを有した深い溝を形成し、粗いエッジからの破片として磨耗片を増加させた。

一般的に人工関節部材の表面の粗さはインプラント接触面の摩擦を増加させ、磨耗小片を増加させる。しかし潤滑目的の形状を有した人工関節部材の表面は本質的には不規則な非平面形状であり、従来の処理技術では潤滑化が困難であった。

インプラント関節からの小片は厄介な組織反応を引き起こし、インプラント自体の磨耗を増進させる。

よって、本発明の１目的は磨耗面間に改良された潤滑性を提供する人工関節部材の表面処理である。

本発明の別目的は人工関節部材面の潤滑化である。

本発明の別目的はガスクラスタイオンビームによって人工関節の表面改質を提供し、部材磨耗と骨軟化に関係する問題点を解消させることである。

発明の概要
それら目的並びに他の目的は以下で解説する本発明によって達成される。

磨耗小片の発生を抑制するようにいくつかの提案がなされている：（１）磨いたコバルト合金またはセラミック製の大腿頭部は寛骨臼カップのポリエチレン表面に対して磨耗を減少させる；（２）新高架橋ポリエチレン寛骨臼カップは磨耗減少手段としてその外科利用頻度が高まっている；（３）金属-金属およびセラミック-セラミック等の硬-硬インプラントは磨耗小片を発生を抑える。

人工関節で使用される材料に関係なく、本発明は部材表面を改善させ、磨耗小片の発生、骨軟化症および磨耗の進行を抑制するためにガスクラスタイオンビーム（ＧＣＩＢ）技術を利用する。この表面改善の方法は関節インプラントの表面に所定の紋様を提供し、摩擦による磨耗を減少させるためにインプラント表面間の潤滑性を高めるよう新規な表面紋様を提供する目的でＧＣＩＢを利用した原子レベルの表面処理を実施することを含む。

関節補綴表面のＧＣＩＢ処理による部材磨耗片の減少は磨耗と骨軟化の進行を同時に抑制し、ヘルスケアに関わるコストを抑え、患者の痛みを軽減する。

本発明の理解を助けるため以下にて添付の図面を使用して本発明をさらに詳細に解説する。真空内にて高電圧で加速されたエネルギーイオン、電荷原子または分子のビームは半導体装置ジャンクションの提供、スパッタリング処理による表面円滑化処理、および薄膜の特性向上等に幅広く活用されている。ガスクラスタイオンは多数の弱く結合し、共通の電荷を有して高電圧下で共に加速され、大きなエネルギーを有した原子または分子で形成される。クラスタイオンは衝突によって分解し、クラスタの全エネルギーは構成原子間で分配される。このエネルギー分散のおかげで原子はクラスタ状態ではない通常イオンの場合よりも個々のエネルギーが減少し、結果として原子は対象物の表面下深くには浸透しない。クラスタイオンによる表面スパッタリング効果は通常イオンによるものよりも優れており、他の方法ではできないような微小表面形状が提供される。

ガスクラスタイオン（ＧＣＩＢ）の概念はこの１０年来のものである。ドライエッチング、クリーニングおよび材料円滑化でのＧＣＩＢの利用は知られており、例えばデグチ他の米国特許第５８１４１９４号「基板表面処理法」（１９８８年）に記載されている。数千のガス原子または分子を含有したイオン化クラスタは数千電子ボルト程度のエネルギーで形成されて加速されるため、クラスタ内の個々の原子または分子は数電子ボルト程度のエネルギーを有するだけである。例えばヤマダの米国特許第５４５９３２６で記載されているように、そのような個々の原子はプラズマ処理における残留表面下損傷を引き起こすほど強力ではない。クラスタ全体では充分にエネルギー（数千電子ボルト程度）を有しており、効果的に硬質面をエッチング処理し、円滑化処理し、あるいはクリーニング処理する。

ガスクラスタイオン内の個々の原子のエネルギーが非常に小さいため（数電子ボルト程度）、衝突時に原子はせいぜい数原子層程度しか対象物の表面下に浸透しない。この浅い浸透によりクラスタイオン全体のエネルギーは１０^-12秒程度で表面下層の非常に限られた体積内で衰退する。このことは物体内に浸透させることを目的とする通常イオンで行われるイオンインプランテーションの場合とは異なる。イオンインプランテーションの場合には数千オングストローム浸透することがあり、対象物質の表面特性を変化させる。クラスタイオンの高エネルギーと非常に限られた作用体積のために衝突箇所での堆積エネルギー密度は通常イオンによる衝突の場合よりも数段と大きい。

図１を解説する。図１は人工関節部材１０の表面処理を行う本発明のガスクラスタイオンビーム（ＧＣＩＢ）プロセッサ１００を示す。ここで説明する特定の部材には限定されないが、プロセッサ１００は３連通チャンバに分割された真空容器１０２と、ソースチャンバ１０４と、イオン化/加速チャンバ１０６と、ガスクラスタイオンビームで均質な紋様処理を提供するように人工関節部材のポジションを整える独特設計の対象物ホルダ１５０とで構成されている。

本発明の紋様処理中にそれら３体のチャンバはそれぞれ真空ポンプ１４６a、１４６b、１４６cによって適当な圧力に真空処理される。シリンダ１１１に蓄えられた収束性ソースガス１１２（例えばアルゴンまたはＮ₂）はガスメータバルブ１１３とガス供給管１１４を通じて滞留チャンバ１１６に供給され、低圧で適当な形状のノズル１１０を通して噴射され、超音速ガスジェット流１１８を提供する。ジェット流の膨張による冷却によってガスジェット流１１８の一部は収束してクラスタとなる。それぞれのクラスタは数個から数千個の弱く結合した原子または分子で成る。ガススキマ開口部１２０はクラスタジェット流からクラスタジェット流にならなかった分子を分離して下流域の圧力を最小とする。圧力が高いと不都合である（例えば、イオナイザ１２２、高圧電極１２６及び処理チャンバ１０８）。適当な収束性ソースガス１１２とはアルゴン、窒素、二酸化炭素、酸素等である。

ガスクラスタを含んだ超音速ガスジェット流１１８が形成された後にクラスタはイオナイザ１２２でイオン化される。イオナイザ１２２は典型的にはフィラメント１２４であり、電子を加速して方向付けし、ガスジェット流１１８内でガスクラスタと衝突させる。ジェット流はイオナイザ１２２を通過する。電子衝突でクラスタから電子が放出され、クラスタの一部を正にイオン化させる。一連の適当に印加された高圧電極１２６はイオナイザ１２２からクラスタイオンを引き出してビームを形成し、クラスタイオンを加速して望むエネルギー（典型的には１ｋ電子ボルトから数十電子ボルト）を付与し、収束させて当初軌道１５４を有したＧＣＩＢ１２８を形成させる。フィラメント電源１３６はイオナイザフィラメント１２４を加熱するために電圧ＶFを提供する。陽極電源１３４は電圧ＶAを提供してフィラメント１２４から放出される熱電子を加速し、ガスジェット流１１８を含んだクラスタに衝突させてイオンを発生させる。引出電源１３８は電圧ＶEを提供して高圧電極を印加し、イオナイザ１２２のイオン化領域からイオンを引き出し、ＧＣＩＢ１２８を形成する。加速電源１４０は電圧ＶACCを提供し、イオナイザ１２２の高圧電極を印加し、ＶACC電子ボルト（eＶ）に等しい全ＧＣＩＢ加速エネルギーを提供する。レンズ電源（例えば１４２、１４４）を提供して電圧（例えばＶL1、ＶL2）で高圧電極を印加してＧＣＩＢ１２８を焦点させることができる。

ＧＣＩＢプロセッサ１００で処理する人工関節部材１０のごとき医療具はＧＣＩＢ１２８の通路に置かれた対象物ホルダ１５０で保持される。関節部材１０の均質な処理のために対象物ホルダ１５０は関節部材１０のポジションを適切に操作するように以下のごとくに設計されている。

図２にて示す非平面状（球状、カップ状等）の人工関節面は直角のビーム入射角に対して特定の角度を保つように保持され、ＣＧＩＢを利用して関節面の正確な処理が実行される。これには対象物ホルダ１５０の動きが充分にフレキシブルであって全非平面の角度を変えさせ、一定の露出レベルとさせるものでなければならない。直角入射角から±１５°以上で処理ビームに露出される表面を有したどの人工関節部材１０も操作が必要である。特に人工関節部材１０を処理するとき、対象物ホルダ１５０はＧＣＩＢプロセッサ１００の端に置かれた機構１５２で回転移動および関節移動される。関節移動/回転移動機構１５２は好適には長軸１５４周囲を３６０°回転できるものがよく、直角入射角から±１５°以内で人工関節面を維持できるものである。

好適には、人工関節部材の表面の処理には拡散ビームが利用される。拡散ビームは大ビームを使用して提供される。特定の条件下と人工関節部材１０のサイズとによっては望む紋様の提供にはスキャンシステムが望ましい。ＧＣＩＢ処理には必要がないこともあるが、直交静電スキャンプレート１３０、１３２の２ペアが使用され、広げられた処理領域でラスタまたは他のスキャン形状を発生させる。そのようなビームスキャンが実施されるときスキャン発生器１５６はＸ軸とＹ軸のスキャン信号をリード線ペア１５８、１６０をそれぞれ介してスキャンプレートペア１３０、１３２に提供する。スキャン信号電圧は、ＧＣＩＢ１２８をスキャン処理ＧＣＩＢ１４８に変換させる異なる周波数の三角波であり、関節部材１０の全表面をスキャンする。

広い領域にわたるビームスキャンが望まれないときには、処理は一般的にビームの直径で定められた領域に限定される。表面のビーム径はレンズ電源（例えば１４２、１４４）の電圧（ＶL1及び/又はＶL２）を選択することでセットでき、対象物での望むビーム径を提供する。

所定の表面処理はガスクラスタイオンビームでの表面の非均質照射による処理中に人工関節部材表面の領域で行われる。特に表面の特定領域のみをビームに照射させると衝突原子のエッチング効果で表面の体積減少が起こる。これで表面の高さに変動が発生し、潤滑剤を保持させる溝等が形成される。このようにして人工関節部材の接触面間の潤滑性が達成される。好適には高さの変化の大部分は１μｍ以内である。しかしインプラント材料やガスクラスタイオンビーム処理時間によっては数オングストロームから数ミクロンまでの深さとなる。処理紋様と高さの変化程度は使用予定する潤滑剤の量による。紋様は好適にはゴルフボールのごときディンプル模様が利用されるが他の形状であってもよい。

本発明の１実施例ではマスクが利用される。オープン領域形状がマスクにカット加工され、表面領域がマスクでカバーされるとオープン領域部分のみがビームに露出されてエッチングされる。マスクでブロックされた表面部分ではエッチング量は少ない。あるいはオープン領域の代り、またはそれとの組み合わせでマスクは種々な厚みを有することができる。マスクがビームに露出されるとエッチングされる。クラスタイオンビームの照射時間は特定の厚みを有するマスクが適度に分解し、人工関節部材をビームに露出する開口部を形成するように調整できる。これら表面はマスク領域がエッチングされてしまうまで露出されなため、さほどにはエッチングされない。このように種々な深度を有する溝や窪みが同一紋様内に形成される。本発明のマスクは光エッチングされた金属ホイルまたはフィルム、加工金属ホイルまたはフィルム、ポリマーフォトレジストあるいは他の物質でも提供できる。そのようなマスクは紋様処理される表面と接触状態で提供されても離れた状態で提供されてもよい。

図３、図４、図５で示す原子顕微鏡（ＡＭＦ）画像が示すように、本発明を利用して人工関節部材１０の表面の紋様加工をすることが可能である。図３は紋様がない当初ＧＣＩＢ処理後のコバルト-クロムで成る部材１０の表面を示す。部材表面１０はこの当初処理ステップを利用せずとも紋様加工できる。しかし、当初ＧＣＩＢ加工は有利である。図４と図５はさらなるＧＣＩＢ処理後の表面を示す。表面は材料自体の物理的または構造的変化を発生させることなく処理された。図４と図５の実施例においては約０.２ｍｍ径のタンタルワイヤ製の約１.２ｍｍＸ１.２ｍｍメッシュの編ワイヤスクリーンがマスクとして使用された。ＧＣＩＢ後の紋様は約２５オングストロームの深度で提供された。

材料の表面層を効果的に円滑化するためのガスクラスタイオンビーム処理の能力のおかげで紋様処理自体が紋様を劣化することなく表面円滑化が達成される。

人工関節は一般的に接触面を有した少なくとも２つの連動する部材で成る。紋様処理は望む潤滑材保持力に応じて一方または両方の表面にビーム処置を施す。潤滑物質は接触面に塗布してエッチングされた紋様溝に保持させる。あるいは人工関節部材を人体に埋め込んだ後に体液をエッチング溝に侵入させて保持させることもできる。

本発明を実施例を利用して解説した。本発明のスコープ内でのその改良は可能である。

図１は本発明のガスクラスタイオンビーム処理システムの概略図である。 図２はガスクラスタイオンビーム処理システムの一部であり、対象物ホルダーを示している。 図３は３次元原子顕微鏡画像であり、当初ＧＣＩＢ処理後の人工関節面を示している。 図４は２次元原子顕微鏡画像であり、さらなるＧＣＩＢ処理後の人工関節部材表面を示している。 図５は図４の表面の３次元原子顕微鏡像であり、さらなるＧＣＩＢ処理後の人工関節部材表面を示している。

Claims (10)

1. ガスクラスタイオンビーム処理によって人工関節の１部材の非平坦表面を改良する装置であって、
   真空チャンバと、
   該真空チャンバと作動式に連動し、ガスクラスタイオンビームを発生させるガスクラスタイオンビーム源と、
   通路に沿ってガスクラスタイオンビームを加速させる加速器と、
   該ガスクラスタイオンビーム通路内で改良対象の非平坦表面を配置調整させる配置手段であって、照射時に垂直入射ビームの１５°以内のビーム入射角で前記非平坦表面の所定部分を照射するように前記人工関節の前記１部材を関節処理する手段を含んだ配置手段と、
   加速された前記ガスクラスタイオンビームで前記非平坦表面の異なる部分を非均質に照射する照射手段であって、該非平坦表面の溝または窪みの所定の紋様のエッチングを制御するように設計されている照射手段と、
   を含んで構成されることを特徴とする装置。
2. 表面に形成された所定の紋様は潤滑剤保持のために多様な高さを有することを特徴とする請求項１記載の装置。
3. 表面に形成された所定の紋様は１ミクロン未満の高さであり、潤滑剤は体液であることを特徴とする請求項１記載の装置。
4. 表面を非均質に照射する照射手段は加速されたガスクラスタイオンビームを照射する前に前記表面上または該表面に近接して置かれる表面用マスクを含んでおり、該マスクは複数の開口部、多様な厚み、またはそれらの組み合わせを有しており、ガスクラスタイオンビーム照射による表面改良に影響を及ぼす紋様を形成していることを特徴とする請求項１記載の装置。
5. ガスクラスタイオンビーム処理によって人工関節部材の非平坦表面を改良する方法であって、
   真空チャンバ内でガスクラスタイオンビームを形成するステップと、
   処理のため、該ガスクラスタイオンビームの通路内に前記真空チャンバ内の前記表面を配置するステップと、
   前記ガスクラスタイオンビームで前記表面の異なる部分を非均質に照射して該表面に溝通または窪みの所定の紋様を形成する照射ステップと、
   照射時に垂直入射ビームの１５°以内のビーム入射角で前記人工関節部材の複数部分を照射するように該人工関節部材を関節処理するステップと、
   を含んで成ることを特徴とする方法。
6. 紋様は潤滑剤を保持のために多様な高さを有していることを特徴とする請求項５記載の方法。
7. 紋様は１ミクロン未満の多様な高さを有しており、潤滑剤は体液であることを特徴とする請求項５記載の方法。
8. 照射時にマスクが表面上または該表面に近接して置かれて照射紋様加工を制御し、該マスクは複数の開口部、多様な厚み、またはそれらの組み合わせを有しており、ガスクラスタイオンビーム照射による表面改良に影響を及ぼす紋様を形成していることを特徴とする請求項５記載の方法。
9. マスクは金属ホイルまたはフィルムであることを特徴とする請求項８記載の方法。
10. ガスクラスタイオンビームを所定の小径に焦点処理あるいはコリメート処理するステップをさらに含んでおり、非均質照射ステップは該小径ガスクラスタイオンビームに対して表面を制御下で配置処理することで実行されることを特徴とする請求項５記載の方法。

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