JP5613320B2 - 抗菌性コーティングを有するインプラント - Google Patents

Description

本発明は、コーティングを有するインプラントに関連し、そのコーティングは、人体内で銀イオンを放出し、その結果抗菌効果を奏する。

インプラントが人体に導入されると、感染症のリスクがある。感染症のきっかけになるのは微生物であり、その微生物はインプラントと共に人体に導入されるか、又は、インプラントの表面に存在する。感染症のリスクは、インプラントに、周囲領域に銀イオンを放出するコーティングを施すことにより低減され得ることが知られている。知られているように、銀イオンは抗菌効果を有する。さらに、銀イオンが微生物に出会わず、かつ、この微生物に影響を及ぼす場合は、銀イオンは人体電解質の塩化物と結合し、ＡｇＣｌを形成し、こうして人体から分泌されることが可能になるという利点を有する。従って、抗菌効果を有する他の物質と比較して、銀イオンは人体で堆積することが無い。

既知の銀コーティングは、銀イオンを限定的な範囲で放出するだけである。さらに、放出された銀イオンは、無作為にインプラントの周辺で移動する。それ故、その銀イオンは人体の電解質と結合してＡｇＣｌを形成する可能性が高く、その結果、銀イオンが微生物に出会う前に、その抗菌効果を失ってしまうことになる。

本発明の基礎となる目的は、コーティングを有するインプラントを供給することであり、そのコーティングは、改善された抗菌効果を有する。前述の先行技術を出発点として考えると、本発明の目的は、請求項１によって解決される。有利な実施形態群が従属請求項で理解されるだろう。

本発明によれば、コーティングの第１表面部分は含銀アノード物質によって形成され、銀イオンを放出するよう供給される。カソード物質が第２表面部分に供給される。そのカソード物質は、そのアノード物質よりも、電解電圧列において上位に位置付けられる。カソード物質とアノード物質とは導電的に互いに結合（接続）している。

まず初めに、幾つかの概念が説明されるだろう。そのインプラントの概念は、人体に挿入されるべきあらゆるタイプの対象物を含む。例えば、これらは骨や関節の内部人工器官であり、例えば心臓血管システム内のステントのような、他のタイプの人体組織に導入されるインプラントと同様である。また、人体に部分的にだけ挿入され、部分的に人体から突出するようなインプラントも含み、例えば、人工歯根や外部固定筋といった、人体外部で間接的な、安定化骨接合を構成し、ときには張力調整装置と共に使用される。

第１表面部分と第２表面部分の概念は、コーティング内のカソード物質がアノード物質から空間的に分離していることを表している。それ故、コーティングであって、その中で複数の物質が互いに均一に混合しているようなコーティングを意味しない。絶対に必要ということではないが、第２表面部分は広範囲にカソード物質で覆われていることが可能である。

電解電圧列では、物質はその標準的電極電位の順にソートされる。電解電圧列の物質の位置が高ければ高いほど、その溶出圧は低くなり、即ち、溶出圧とはイオンを周辺領域に位置する水に放出する傾向である。電解電圧列において上位の金属は、貴金属とよばれ；電解電圧列において下位の金属は、卑金属とよばれる。電解電圧列の位置は、大抵の物質について知られており、個々の値は関連する表から得ることができる。電解電圧列の物質の位置が知られていない場合は、既知の物質によって或るガルバニック要素を形成し、そして、結果の電位差を測定することにより、決定することができる。電圧シリーズの位置は電位差に基づいて決定することができる。アノード物質とカソード物質の概念は、電解電圧列において、相互の使用される物質の相対位置を表すのに役立つ。アノード物質とカソード物質は導電性物質である。

インプラントが人体に挿入されると、コーティングのアノード物質とカソード物質とは、そのインプラントの近くに位置する人体電解質によりガルバニック要素を形成する。それによって、アノード物質の、銀イオンを周辺領域に放出する傾向は、増加する。アノード物質内に留まる電子は、銀イオンの放出の後、電気結合の結果として、カソード物質内に移動することができる。電位差のため、銀イオンはカソード物質の方向へ引っ張られる。

本発明に従ったコーティングの効果は、それ故、２重の効果である。第一に、局所的なガルバニック要素のため、アノード物質は、銀イオンを周囲の人体電解質に放出する傾向が増大する。従って、個々のアノード物質だけからなるコーティングと比較して、大部分の銀イオンは、放出され、その結果として、抗菌効果が増大する。さらに、放出された銀イオンの動きは、もはや任意の方向では発生せず；むしろ、その銀イオンは、２つの物質間の電位差の方向に移動し、即ち、カソード物質の方向へ移動する。銀イオンがインプラントの表面に位置する微生物に実際に影響を及ぼす可能性は、銀イオンが人体電解質内で結合しＡｇＣｌを形成して、それにより、抗菌性効果を喪失する可能性よりも、高い。従って、本発明に従ったコーティングの効果は、インプラントの表面に集中する。そのコーティングは、インプラントの表面に形成されることのある危険なバイオフィルムに対抗するのに特に適している。

そのコーティングは、インプラントの全体表面を覆ってもよい。これは、インプラントの全体が体内に導かれる、多くのインプラントに適するだろう。特に関節内部人工器官の場合は、その表面の一部だけがコートされるよう供給されてもよい。そのコーティングは、その表面の部分に適用されてもよく、それによって、人工器官がインプラントされた状態で人体組織と接触するようになり、一方で、表面の他の部分は、コーティングされておらず、例えば、他の人工器官コンポーネントと共に動作するよう意図され、又は、固定装置の場合のように、人体の外部に配置される。

アノード物質は純銀であってもよい。約＋０．８Ｖの標準電位を有し、銀は相対的に貴金属であり、電解電圧列の上位クラスに属する。通常の水素電極は、標準電位の電圧値に対する参照パラメータである。

純銀と共に作用するカソード物質は、＋０．８Ｖを越える標準電位を有していなければならない。カソード物質が金属の場合は、従って、銀よりも貴重である。純銀と共に作用するのに適したカソード物質は、例えば、金であり、１．５Ｖの大きさの標準電位を有する。純銀がアノード物質としては使用されないが、銀と他の物質の合金が使用される場合は、カソード物質の標準電位は＋０．８Ｖより大きくなるべきである。カソード物質の標準電位は、好ましくは、アノード物質の標準電位より、少なくとも０．３Ｖ高く、より好ましくは、少なくとも０．５Ｖ高く、更に好ましくは、少なくとも０．７Ｖ高い。

アノード物質の標準電位とカソード物質の標準電位との差が大きくなるほど、局所的なガルバニック要素の効果は強くなる。有利な一実施形態では、それ故、含銀物質がアノード物質として用いられ、その標準電位は＋０．８Ｖより小さい。従って、アノード物質は、アノードの外に溶解することになっている銀コンポーネントに加えて、他のコンポーネントも含む。アノード物質に対して特定される標準電位は、銀イオンに対する溶出圧に関連する。アノードとして好適に選択されるのは、人体電解質に銀イオン以外の物質は放出しない材料である。銀イオンに加えて他の物質が放出される場合は、その物質が人体内に好ましくない効果を及ぼすことがあるというリスクが存在する。さらに、生体適合性のある物質が、アノード及びカソードの双方に対して選択されるべきである。

本発明に従ったコーティングの抗菌効果は、カソード物質から放出される銀イオンに依存する。アノード物質によって占められるコーティングの表面部分が大きいほど、多くの銀イオンが放出される。それ故、アノード物質によって占められるコーティングの表面部分は、好ましくは５０％を越え、より好ましくは７０％を越え、さらに好ましくは８０％を越える。相対的には、カソード物質により占められる表面部分は重要ではない。しかし、カソード物質の部分は、ガルバニック要素の良好な効果が達成される場合には、それほど小さくなくともよい。コーティング表面上のカソード物質の部分は、好ましくは０．１％より大きく、より好ましくは１％より大きく、さらに好ましくは５％より大きい。

銀イオンがアノード物質を離れると、銀イオンが、カソード物質に出会う前に、或る距離を移動できることが望ましい。この移動の間、銀イオンは抗菌効果を及ぼすことができる。それ故、アノード物質とカソード物質とによって占められる、コーティングの表面部分は、銀イオンが必ずしもすぐにカソード物質に出会う必要がないよう、相互に分離されるべきである。それ故、コーティングは、好ましくは複数の円形の表面領域を有し、その円形表面領域は、１μｍより大きい直径、より好ましくは５μｍより大きい直径、さらに好ましくは１５μｍより大きい直径、更に好ましくは５０μｍより大きい直径を有し、アノード物質だけで形成され、カソード物質を有しない。他方、銀イオンが移動する自由経路が長すぎる場合には、コーティングの効果にとって有利ではない。それ故、円形の表面領域の直径は、５ｍｍよりも小さく、好ましくは１ｍｍよりも小さく、より好ましくは０．５ｍｍよりも小さい。コーティングの表面の、好ましくは３０％より大きい、より好ましくは５０％より大きい部分が、そうした表面部分で占められる。

そうした領域の中央に存在している銀イオンは、カソード物質に出会う前に、或る距離を移動しなければならない。この距離を移動する間、銀イオンは抗菌効果を発揮することができる。銀イオンが移動する自由経路は、そのμｍの範囲にあるバクテリアの直径によって導かれ得る。銀イオンは弧状の経路に沿って移動し、銀イオンが経路上に存在する、表面までの最大距離が、その表面と平行に進む距離の大きさと同様のオーダーであることが想定できる。従って、移動の自由経路がバクテリアの直径に概ね相当する場合は、銀イオンは、その全体の経路に沿って、表面上に存在するバクテリアに影響を及ぼすことができる。

コーティングは、カソード物質が、島の形のように、アノード物質に埋め込まれるか、又は、島の形のように、アノード物質に適用（付着）されるように設計されてもよい。カソード物質は、例えば数μｍの直径を有する結合表面領域の形態で適用されてもよい。カソード物質が、個々の粒子の形態で第２表面領域に適用され、アノード物質がこの領域に広範囲にコートされることがないのは、不可能ではない。

多くの場合には、インプラントの表面はスムースでなければならない。これは、アノード物質とカソード物質とが互いに接し平坦である場合に実現可能である。代替的な一実施形態では、カソード物質はアノード物質に対して突出しても良い。そして、銀イオンはコーティング表面までの短い距離で移動し、従って、コーティングのすぐ近くで、微生物に良好な効果を及ぼすことが可能になる。まず第一に、均一な層の厚さを備えたアノード物質を適用し、そして、カソード物質を選択領域でコーティングに適用することが、この目的に適している。アノード物質の層の厚さは１００ｎｍと１０，０００ｎｍの間の範囲でよく、好ましくは２００ｎｍと４００ｎｍの間である。この範囲は、特には、アノード物質が純銀の場合に当てはまる。アノード物質に適用されたカソード物質の層の厚さも、１００ｎｍと１０，０００ｎｍの間、好ましくは２００ｎｍと４００ｎｍの間である。

まず第一に、カソード物質の層を広範囲に適用することも可能である。アノード物質の層は、カソード物質に適用されることができ、開口部を含み、その結果、カソード物質は、アノード物質を通じて、外部からアクセスできる。アノード物質が、プラズマコーティング法を用いて適用される場合は、その開口部は、層を適用する際に、例えば表面で２０μｍの直径を有するより大きな断片を目的として生成され、その断片は形成される層から一部を取り除く。ＷＯ２００９／０３６８４６を参照のこと。この方法を使用すると、層の厚さは、また、好ましくは１００ｎｍと１０，０００ｎｍの間、より好ましくは２００ｎｍと４００ｎｍの間である。

本発明は、具体例の目的で有利な実施形態により、添付の図面を参照して以下で説明されるだろう。
図１は、本発明に従ったインプラントの第１の実施形態を示す。 図２は、図１のインプラントのコンポーネントを示す。 図３は、本発明に従ったインプラントの第２の実施形態を示す。 図４は、本発明に従ったインプラントの本体部分を示し、コーティングを有する。 図５は、図４のコーティングの上面図を示す。 図６は、本発明の他の実施形態での図４の図を示す。 図７は、図６に従った実施形態での図５の図を示す。 図８は、本発明の別の実施形態での図４の図を示す。 図９は、本発明の別の実施形態での図５の図を示す。

図１に示されるインプラントは、腰から膝の下まで伸びる人骨の一部に代替することを目的としている。ボール形状の関節ヘッド１０は、臼蓋窩と相互作用するように設計される関節表面を形成する。関節ヘッド１０は、ねじ込み接続方式によりインプラントのヘッド部１１に接続される。大腿の中央シャフトに代替するインプラントの部分は、３つのインプラントコンポーネント１２、１３、及び１４を含む。そのインプラントコンポーネント１２，１３、及び１４は、互いに接続され、そして、ねじ込み接続方式でヘッド部分１１に接続される。膝部１５は、インプラントを脛骨に接続するためのシャフト１６に対して関節接続を形成する。

インプラントコンポーネント１２，１３、及び１４は、様々な長さで利用可能で、そうしてインプラントは様々な長さの大腿に適応することができる。図２は、インプラントコンポーネント１２，１３、及び１４に相当するインプラントコンポーネント１７の拡大図を示す。インプラントコンポーネント１７は、破線で示されるねじ穴１９と同様にねじボルト１８を含む。ねじボルト１８とねじ穴１９によって、インプラントコンポーネントは両端で別のインプラントコンポーネントへ接続されることができる。それ故、ねじボルト１８、ねじ穴１９、接続端面２０と２１は、インプラントコンポーネント１７の移植状態において、患者の人体組織と接することはないが、他のインプラントコンポーネントと接する。他方、インプラントコンポーネント１７の外表面２２は、移植状態で人体組織に接触するよう設計される。外表面２２は、ドットで表される抗菌コーティング２３が供給される。インプラントコンポーネントの残りの表面にはコーティング２３は存在しない。

コーティング２３の拡大図が図４及び５に示される。コーティング２３は大部分が純銀からなり、外表面を広範囲にカバーする。図５に示されるように、金物質が、複数の矩形の島の形態で、銀の層に導入される。金物質は銀層に埋め込まれて、そうして、２つの物質は、平坦に、互いに接し、スムースな表面が形成されるようになる。摩擦による周囲の人体組織の炎症が最小限になるべきなので、スムースな表面は望ましい。コーティング２３は、銀物質により形成される第１表面部分２８を有し、及び、金物質により形成される第２表面部分２９を有する。銀物質により形成される表面部分２８は、コーティング２３の表面の８０％以上を占める。図５で破線によって示されるように、円形の表面領域２７は島々の間に存在し、そこではコーティング２３の表面は完全に銀物質からなり、金物質で遮られることはない。表面領域２７は０．１ｍｍ以上の直径を有する。

銀と金とは、導電的な方法で、コーティング２３内で相互に接続される。銀は金よりは貴金属ではなく、電解電圧列では金よりも下位に位置する。本発明のコーティングの機能の意味の範囲内では、従って、銀はアノード物質２５であり、金はカソード物質２６である。

移植に続いて、コーティング２３は人体電解質に取り囲まれる。銀物質はプラスに帯電した銀イオンを人体電解質に放出する傾向を有する。この傾向は、溶出圧とよばれる。銀イオンがコーティングから放出されると、余分な電子がコーティング内にとどまり、余分な負電荷キャリアがコーティング内に形成される。銀物質と金物質は導電的な方法で相互に接続されるので、その余分な電子は金物質の方向に自由に移動することができる。また、金物質は、或る溶出圧を受け、イオンを人体電解質に放出する。金は銀よりも貴金属であり、電解電圧列においても上位に位置しているのであるが、金の溶出圧は銀よりも低い。より高濃度で放出される銀イオンは金物質の方へ移動する。こうして、人体電解質は、アノード物質２５としての銀、カソード物質２６としての金とともに、局所的なガルバニック要素を形成する。銀イオンはアノード物質２５を離れて、コーティング２３と平行に、カソード物質２６の方向へ移動する。こうして、銀イオンは、コーティング２３の表面に存在する微生物に対して抗菌効果を及ぼすことができる。

図３に示される歯科インプラントは本発明の代替的な一実施形態である。インプラント本体３０は下の端部で顎骨の中にねじ込まれる。インプラント本体３０の上端は、顎骨３１と顎骨３１を取り囲む歯茎３２から上方向にはみ出している。人工の歯冠３３で覆われる土台ポスト３４は、インプラント本体３０の自由端の中にねじ込まれる。歯科インプラントはこうして自然の歯に代替する。また、インプラント本体３０にはドットで表されるコーティング２３が供給される。

コーティング２３は図６と７の拡大図で示される。まず第一に、銀コーティングがインプラント３０の表面に付着され、約４００ｎｍの均一な厚さを有する。金物質は、グリッド状の配列で、その銀コーティングの表面に適用され、同様に約４００ｎｍの層厚さを有する。グリッド内に囲まれた領域はコーティング２３の第１表面部分２８を全体で形成し、その領域では、コーティング２３の表面は銀物質で形成される。金物質のグリッド状の配列は、コーティングの第２表面部分２９を形成する。金物質のグリッド形状は、５０μｍより大きい直径を有する円形の表面領域２７が金物質を含まないような、大きさになる。

図８で示されるコーティングでは、インプラントコンポーネント１７は、第一に、カソード物質２６の金の層で広範囲にカバーされる。アノード物質２５としてそこに適用された銀の層は、複数の開口部を有する。その開口部は全体で第２表面部分２９を形成し、そこでは、アノード物質２５は、カソード物質２６を介して外側からアクセスすることができる。

図９に従った実施形態では、カソード物質２６は第２表面部分２９に広範囲には適用されないが、複数の個々の粒子として適用される。これは、本発明に従って、コーティングの効果についてなんら変化するものではない。

上述したように、銀は本発明の意義の範囲内のアノード物質２５であり、金はカソード物質２６である。インプラント本体３０に隣接する人体電解質と共に、コーティング２３は複数の局所的なガルバニック要素を形成する。カソード物質２６の金はアノード物質２５に対して突出しているので、銀イオンは、カソード物質２６の方向に、銀の層までの短い距離で移動することができる。

歯科インプラントの場合は、抗菌コーティング２３は特有の機能を有し、インプラント本体３０と歯茎３２及び／又は顎骨３１との間で転移する微生物に影響を及ぼす。口腔環境には多くの微生物が存在することは周知であり、インプラント本体３０の周囲の領域では、感染症のリスクが高いことも周知である。抗菌性コーティング２３がインプラント本体３０と歯茎３２との間で微生物の進入を防ぐことができるなら、患者にとって不所望な感染症は回避することができる。

Claims (17)

1. コーティングを有するインプラントであって、該コーティングは人体内で銀イオンを放出して抗菌効果を有し、前記コーティングの第１表面部分は含銀アノード物質で形成され、カソード物質が、前記第１表面部分から空間的に分離した第２表面部分に供給され、前記カソード物質は、電解電位列において前記アノード物質よりも上位に位置し、前記カソード物質と前記アノード物質とは導電的方法で相互に接続される、インプラント。
2. 前記アノード物質は純銀である、請求項１記載のインプラント。
3. 銀イオンの放出に基づく前記アノード物質の標準電極電位は、＋０．８Ｖよりも小さい、請求項１記載のインプラント。
4. 前記カソード物質の標準電極電位は＋０．８Ｖよりも大きい、請求項１乃至３のうち何れか1項に記載のインプラント。
5. 前記カソード物質は金である、請求項４記載のインプラント。
6. 前記カソード物質の標準電極電位は、前記アノード物質の標準電極電位よりも、少なくとも０．３Ｖ高い、請求項１乃至５のうち何れか１項に記載のインプラント。
7. 前記カソード物質の標準電極電位は、前記アノード物質の標準電極電位よりも、少なくとも０．５Ｖ高い、請求項１乃至５のうち何れか１項に記載のインプラント。
8. 前記カソード物質の標準電極電位は、前記アノード物質の標準電極電位よりも、少なくとも０．７Ｖ高い、請求項１乃至５のうち何れか１項に記載のインプラント。
9. 前記カソード物質は島状に前記アノード物質の中に埋め込まれる、請求項１乃至８のうち何れか１項に記載のインプラント。
10. 前記アノード物質により形成される前記第１表面部分は、前記コーティング表面の５０％より多くを占める、請求項１乃至９のうち何れか1項に記載のインプラント。
11. 前記アノード物質により形成される前記第１表面部分は、前記コーティング表面の７０％より多くを占める、請求項１乃至９のうち何れか1項に記載のインプラント。
12. 前記アノード物質により形成される前記第１表面部分は、前記コーティング表面の８０％より多くを占める、請求項１乃至９のうち何れか1項に記載のインプラント。
13. 前記コーティングは円形表面領域を含み、その円形表面領域は０．１ｍｍより大きい直径を有し、カソード物質を含まない、請求項１乃至１２のうち何れか1項に記載のインプラント。
14. 前記コーティングは円形表面領域を含み、その円形表面領域は０．５ｍｍより大きい直径を有し、カソード物質を含まない、請求項１乃至１２のうち何れか1項に記載のインプラント。
15. 前記コーティングは円形表面領域を含み、その円形表面領域は１ｍｍより大きい直径を有し、カソード物質を含まない、請求項１乃至１２のうち何れか1項に記載のインプラント。
16. 前記アノード物質と前記カソード物質とは互いに対して平坦である、請求項１乃至１５のうち何れか１項に記載のインプラント。
17. 前記カソード物質は前記アノード物質に対して突出している、請求項１乃至１５のうち何れか１項に記載のインプラント。

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