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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-04-26
(45)【発行日】2024-05-09
(54)【発明の名称】骨内殖のための三次元多孔質構造体及び製造方法
(51)【国際特許分類】
A61F 2/28 20060101AFI20240430BHJP
【ＦＩ】
A61F2/28
【請求項の数】
10
(21)【出願番号】P 2020551954
(86)(22)【出願日】2019-03-26
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2021-08-10
(86)【国際出願番号】 IB2019052462
(87)【国際公開番号】W WO2019186405
(87)【国際公開日】2019-10-03
【審査請求日】2022-03-25
(31)【優先権主張番号】62/648,353
(32)【優先日】2018-03-26
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(73)【特許権者】
【識別番号】513069064
【氏名又は名称】デピュイ・シンセス・プロダクツ・インコーポレイテッド
【住所又は居所原語表記】３２５ Ｐａｒａｍｏｕｎｔ Ｄｒｉｖｅ， Ｒａｙｎｈａｍ ＭＡ ０２７６７－０３５０ Ｕｎｉｔｅｄ Ｓｔａｔｅｓ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ
(74)【代理人】
【識別番号】100088605
【弁理士】
【氏名又は名称】加藤 公延
(74)【代理人】
【識別番号】100130384
【弁理士】
【氏名又は名称】大島 孝文
(72)【発明者】
【氏名】トン・ウェイドン
(72)【発明者】
【氏名】ローゼンバーガー・アンドリュー・ティー
(72)【発明者】
【氏名】ケイン・ロバート・ジェイ
(72)【発明者】
【氏名】スミス・ブライアン・ジェイ
(72)【発明者】
【氏名】アイス・ルーク・シー
【審査官】胡谷 佳津志
(56)【参考文献】
【文献】米国特許出願公開第２０１７／００９５３３７（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特表２０１３－５１０６８３（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１８／０２２８６１３（ＵＳ，Ａ１）
【文献】米国特許第０６５２０９９７（ＵＳ，Ｂ１）
【文献】特開２００７－２６２５６８（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２００５／０５１２３３（ＷＯ，Ａ２）
【文献】特開２０００－００５２２５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２００４－５０７２７４（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ａ６１Ｆ ２／２８
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
整形外科用補綴部品であって、患者の体内に植え込まれるように成形された多孔質三次元構造体を備え、前記多孔質三次元構造体が、複数の接続された単位セルを含み、少なくとも１つの単位セルが、複数の格子支柱及び複数の内部支柱を含み、
前記少なくとも１つの単位セルが、
前記複数の格子支柱を含む第１の幾何学的構造体と、
前記第１の幾何学的構造体内の前記複数の内部支柱及びいくつかの前記格子支柱から形成された複数の第２の幾何学的構造体と、を含み、各第２の幾何学的構造体が、他の第２の幾何学的構造体の内部容積と実質的に等しい内部容積を有し、
前記いくつかの前記格子支柱及び前記複数の内部支柱が、前記多孔質三次元構造体内に複数の開口部を画定し、前記複数の開口部のうちの各開口部が、窓サイズを有し、
前記第２の幾何学的構造体のそれぞれの前記内部容積が、細孔サイズを有し、
それぞれの前記細孔サイズの、それぞれの前記窓サイズに対する比が、１．００～２．９０の範囲であり、
前記複数の第２の幾何学的構造体が、前記第１の幾何学的構造体に４つの支柱を挿入することによって形成される、
整形外科用補綴部品。
【請求項2】
前記多孔質三次元構造体が、約５０％～約７５％の多孔度を有する、請求項１に記載の整形外科用補綴部品。
【請求項3】
中実基部を更に備え、前記多孔質三次元構造体が、前記中実基部に取り付けられている、請求項１に記載の整形外科用補綴部品。
【請求項4】
前記中実基部が、プラットフォームと、前記プラットフォームから離れる方向に延びるステムと、を含み、前記ステムが、前記多孔質三次元構造体を通って延びる、請求項３に記載の整形外科用補綴部品。
【請求項5】
前記細孔サイズの、前記窓サイズに対する前記比が、１．５０～１．６０の範囲である、請求項１に記載の整形外科用補綴部品。
【請求項6】
前記細孔サイズの、前記窓サイズに対する前記比が、１．００～１．１０の範囲である、請求項１に記載の整形外科用補綴部品。
【請求項7】
前記第１の幾何学的構造体が、菱形十二面体である、請求項１に記載の整形外科用補綴部品。
【請求項8】
前記複数の第２の幾何学的構造体の各々が、三角面偏方多面体である、請求項１に記載の整形外科用補綴部品。
【請求項9】
前記複数の第２の幾何学的構造体が、４つの三角面偏方多面体からなる、請求項１に記載の整形外科用補綴部品。
【請求項10】
前記複数の第２の幾何学的構造体の各々が、八面体である、請求項１に記載の整形外科用補綴部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
（優先権）
本出願は、２０１８年３月２６日に出願された米国仮特許出願第６２／６４８，３５３号の優先権を主張し、この仮特許出願は参照により本明細書に明示的に組み込まれる。
本出願は、２０１８年３月２６日に出願された米国仮特許出願第６２／６４８，３５３号の優先権を主張し、この仮特許出願は参照により本明細書に明示的に組み込まれる。
【0002】
（発明の分野）
本明細書に開示される実施形態は、概して、多孔質金属構造体及びそれらを製造するための方法を対象とし、より具体的には、多孔質金属構造体における多孔度及び細孔サイズの正確な制御を可能にするのに適した幾何学的格子構成を有する医療デバイス内の多孔質金属構造体を対象とする。
本明細書に開示される実施形態は、概して、多孔質金属構造体及びそれらを製造するための方法を対象とし、より具体的には、多孔質金属構造体における多孔度及び細孔サイズの正確な制御を可能にするのに適した幾何学的格子構成を有する医療デバイス内の多孔質金属構造体を対象とする。
【背景技術】
【0003】
本明細書に開示される実施形態は、概して、骨内殖のための三次元多孔質構造体及び当該構造体を製造するための方法を対象とする。
【0004】
ラピッドプロトタイピング及び積層造形の分野では、長年にわたって、特にプロトタイプ部品及び金型ダイなどの物品のラピッドプロトタイピングのために多くの進歩が見られている。これらの進歩は、材料（例えば、金属）が材料のブロックとして開始され、その結果、最終製品まで機械加工されるものなどの従来の機械加工プロセスと比較して、最終製品の精度を向上させながら、製造コストと時間を削減してきた。
【0005】
しかしながら、ラピッドプロトタイピング三次元構造体の主な焦点は、ラピッドプロトタイピング構造体の密度を高めることにあった。最新のラピッドプロトタイピング／積層造形技術の例としては、シートラミネーション、接着結合、レーザ焼結（又は選択的レーザ焼結）、レーザ溶融（又は選択的レーザ焼結）、光重合、液滴堆積、ステレオリソグラフィ、３Ｄ印刷、溶融堆積モデリング、及び３Ｄプロットが挙げられる。特に、選択的レーザ焼結、選択的レーザ溶融、及び３Ｄ印刷の分野では、高密度部品の製造における改善により、それらの技術は、高密度金属部品などの物品を設計及び正確に製造するのに有用になってきている。
【0006】
過去数年では、積層造形分野の一部では、哺乳類細胞の成長及び再生を促進する用途に必要な多孔質構造体における機械的強度、相互接続チャネル設計、多孔度及び細孔サイズを提供するソリューションを生み出す試みがなされてきた。しかしながら、現在の方法及び幾何学的形状は、骨などの哺乳類細胞の内殖挙動に強い影響を及ぼす細孔サイズ分布の制御に限界がある。更に、現在の方法及び幾何学的形状は、多くの場合、製造プロセス（例えば、３Ｄ印刷）中の構造的完全性を維持しながら、内殖に有益であると考えられる範囲で、細孔サイズ及び多孔度を同時に有する単位セル形状を有する多孔質構造体を製造することにおいて不足がある。その結果、現在の単位セル幾何学的構造体は、非常に大きな細孔サイズ又は非常に低い多孔度のいずれかを有しなければならなくなっている。更に、現在の方法及び幾何学的形状は、概して、構造体の幾何学的形状内で選択された支柱長さ及び単位セルの直径と、結果として得られる、多孔質構造体に所望される幾何学的特徴との間の密接な相関関係を妨げている。
【0007】
骨内殖のための多孔質金属材料を製造する現在の方法は、骨内殖挙動に強い影響を及ぼす細孔サイズ分布を限定的に制御している。最大細孔サイズ、最小細孔サイズ、及び多孔度を同時により良く制御することができれば、より良好な骨内殖が可能になるであろう。積層造形技術は、概念的には幾何学的形状を完全に制御した格子構造体の製造を可能にするが、実際には、機械が構築できる最小の格子支柱直径に制限されており、また任意の格子構造体が自己支持する必要性によって制限されている。現在の３Ｄプリンタの最小支柱直径は約２００～２５０ミクロンであり、これは、多くの幾何学的構造体が非常に大きな細孔サイズ又は非常に低い多孔度のいずれかを有しなければならないことを意味する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【0008】
本開示の一態様によれば、より良好な骨内殖を可能にするために、最大細孔サイズ、最小細孔サイズ、及び多孔度の改善された同時制御を可能にする、幾何学的構造体、及び対応する製造プロセスが開示される。製造プロセスは、多孔質構造体の単位セル内の所望の幾何学的特徴（例えば、細孔サイズ、多孔度、窓サイズ）を達成するために、独立した支柱長さ及び／又は直径を変更することを含む。本明細書に開示される単位セル幾何学的形状は、より均質な全体構造（すなわち、細孔サイズと窓サイズとの間のより小さい間隙）を提供しながら、より高い多孔度でより小さい細孔サイズを可能にする。このような堅牢な幾何学的形状を有する単位セルを有する構造体は、使用される製造技術とはほとんど別個の堅牢な多孔質構造体の製造を可能にする。
【0009】
本開示の別の一態様によれば、整形外科用補綴部品が開示される。整形外科用補綴部品は、患者の体内に植え込まれるように成形された多孔質三次元構造体を備える。多孔質三次元構造体は、複数の接続された単位セルを含み、少なくとも１つの単位セルは、複数の格子支柱及び複数の内部支柱を含む。少なくとも１つの単位セルは、複数の格子支柱を含む第１の幾何学的構造体と、第１の幾何学的構造体内の複数の内部支柱及びいくつかの格子支柱から形成された複数の第２の幾何学的構造体と、を含む。各第２の幾何学的構造体は、他の第２の幾何学的構造体の内部容積と実質的に等しい内部容積を有する。
【0010】
いくつかの実施形態では、多孔質三次元構造体は、約５０％～約７５％の多孔度を有し得る。
【0011】
いくつかの実施形態では、整形外科用補綴部品は、中実基部を備え得る。多孔質三次元構造体は、中実基部に取り付けられてもよい。更に、いくつかの実施形態では、基部は、プラットフォームと、プラットフォームから離れる方向に延びるステムと、を含み得る。ステムは、多孔質三次元構造体を通って延びる。
【0012】
いくつかの実施形態では、いくつかの格子支柱及び複数の内部支柱は、多孔質三次元構造体内に複数の開口部を画定し得る。複数の開口部のうちの各開口部は、窓サイズを有し得る。各幾何学的構造体の内部容積は、細孔サイズを有し得、各幾何学的構造体の細孔サイズの、幾何学的構造体の各開口部の窓サイズに対する比は、１．００～２．９０の範囲であり得る。
【0013】
いくつかの実施形態では、各幾何学的構造体の細孔サイズの、幾何学的構造体の各開口部の窓サイズに対する比は、１．５０～１．６０の範囲であり得る。更に、いくつかの実施形態では、各幾何学的構造体の細孔サイズの、幾何学的構造体の各開口部の窓サイズに対する比は、１．００～１．１０の範囲であり得る。
【0014】
いくつかの実施形態では、第１の幾何学的構造体は、菱形十二面体であり得る。更に、いくつかの実施形態では、複数の第２の幾何学的構造体の各々は、三角面偏方多面体であり得る。いくつかの実施形態では、複数の第２の幾何学的構造体は、４つの三角面偏方多面体から構成され得る。
【0015】
いくつかの実施形態では、複数の第２の幾何学的構造体の各々は、八面体であり得る。
【0016】
別の態様によれば、整形外科用補綴部品は、患者の体内に植え込まれるように成形された多孔質三次元構造体を含み、多孔質三次元構造体は、複数の単位セルを含む。各単位セルは、第１の幾何学的形状を有し、かつ複数の第１の支柱を含む第１の幾何学的構造体と、第２の幾何学的形状を有し、かついくつかの複数の第１の支柱と接続されて第２の幾何学的構造体を形成する複数の第２の支柱を含む第２の幾何学的構造体と、を含む。
【0017】
いくつかの実施形態では、各第２の幾何学的構造体は、細孔サイズを有してもよく、いくつかの格子支柱及び複数の内部支柱は、多孔質三次元構造体内に複数の開口部を画定する。複数の開口部のうちの各開口部は、窓サイズを有し得る。各第２の幾何学的構造体の細孔サイズの、第２の幾何学的構造体の各開口部の窓サイズに対する比が、１．００～２．９０の範囲であり得る。
【0018】
いくつかの実施形態では、各第２の幾何学的構造体の細孔サイズの、第２の幾何学的構造体の各開口部の窓サイズに対する比は、１．５０～１．６０の範囲であり得る。いくつかの実施形態では、各第２の幾何学的構造体の細孔サイズの、第２の幾何学的構造体の各開口部の窓サイズに対する比は、１．００～１．１０の範囲であり得る。
【0019】
いくつかの実施形態では、多孔質三次元構造体は、約２０％～約９５％の多孔度を有し得る。
【0020】
いくつかの実施形態では、多孔質三次元構造体は、約５０％～約７５％の多孔度を有し得る。
【0021】
別の態様によれば、多孔質三次元構造体を製造する方法が開示される。本方法は、金属粉末の連続した層を堆積させビームで走査して、複数の単位セルを含み、かつ所定の幾何学的特性を有する多孔質三次元構造体を形成することを含む。各単位セルは、複数の格子支柱と複数の内部支柱とを含む。各単位セルは、複数の格子支柱を備える第１の幾何学的構造体と、第１の幾何学的構造体内の複数の内部支柱及び複数の格子支柱のうちのいくつかの格子支柱から形成された複数の第２の幾何学的構造体と、を含み得る。
【図面の簡単な説明】
【0022】
本明細書に開示された原理及びその利点をより完全に理解するために、ここで添付の図面と併せて以下の説明を参照する。
【図1】整形外科用補綴部品の簡略立面図である。
【図8】様々な実施形態による、様々な単位セルの幾何学的形状についての、多孔度（パーセント）対支柱長さ／直径のチャートである。
【図9】様々な実施形態による、様々な単位セルの幾何学的形状についての、細孔サイズ及び最小細孔窓開口部サイズ対多孔度（パーセント）のチャートである。
【図10】様々な実施形態による、単位セル構造体に対する窓サイズの関連付けを示す図である。
【図11】様々な実施形態による、多孔質三次元構造体を製造するためのワークフローである。
【発明を実施するための形態】
【0023】
本明細書は、本開示の例示的な実施形態及び用途を説明する。しかしながら、本開示は、これらの例示的な実施形態及び用途に限定されるものではなく、例示的な実施形態及び用途が動作する様式、又は本明細書に記載される様式に限定されない。更に、図は、簡略されるか又は部分図を示してもよく、図中の要素の寸法は誇張されていてもよく、又はそうでなくても正確な比率ではない場合がある。更に、用語「の上にある（on）」、「に取り付けられている（attached to）」、「と接続されている（connected to）」、「に連結されている（coupled to）」又は類似の語句が本明細書で使用されるとき、１つの要素（例えば材料、層、基部など）は、１つの要素が直接、他の要素の上に、それに取り付けられているか、それと接続されているか、若しくはそれに連結されているか否かにかかわらず、又は１つ若しくは２つ以上の介在要素が一方の要素と他方の要素との間にあるか否かにかかわらず、又は２つの要素が単一の部品に統合されているかにかかわらず、別の要素「の上にある」か、それに「取り付けられている」か、それに「接続されている」か、又はそれに「連結されている」ことができる。また、文脈が別段に指示しない限り、方向（例えば、上（above）、下（below）、上端（top）、下端（bottom）、横へ（side）、上方へ（up）、下方へ（down）、下へ（under）、上へ（over）、上方へ（upper）、下方へ（lower）、水平の（horizontal）、垂直の（vertical）、「ｘ」、「ｙ」、「ｚ」など）もまた相対的なものであって、説明及び検討を容易にするため例を用いて単に提供されるものであり、限定する目的はない。更に、要素の一覧（例えば、要素ａ、ｂ、ｃ）を参照する場合、このような参照は、列挙された要素のいずれか１つそれ自体、列挙された要素の全部より少ないものの任意の組み合わせ、及び／又は、列挙された要素全部の組み合わせを含むことを意図する。本明細書における章の分割は、単に確認を容易にするためのものであり、説明される要素の任意の組み合わせを限定するものではない。
【0024】
本明細書で使用するとき、「に結合されている（bonded to）」又は「結合する（bonding）」は、金属結合、静電引力、及び／又は接着力を含むがこれらに限定されない様々な物理化学的機構による金属の金属への取り付けを意味する。
【0025】
別途定義されない限り、本明細書に記載される教示に関連して用いられる科学用語及び技術用語は、当業者により一般的に理解される意味を有するものとする。
【0026】
本開示は、多孔質三次元金属構造体及びそれらを医療用途のために製造するための方法に関する。以下により詳細に記載するように、多孔質金属構造体は、患者の体内に植え込まれた補綴部品と患者の周囲の硬組織又は軟組織との間の硬組織又は軟組織の相互係止を促進する。例えば、患者の体内に植え込まれるように構成された整形外科用補綴部品に含まれる場合、多孔質三次元金属構造体を使用して整形外科用補綴部品の多孔質外側層を提供し、骨内殖構造体を形成することができる。あるいは、多孔質三次元金属構造体は、インプラントの意図された機能を実現すること、及び周囲組織との組織相互係止（例えば、骨内殖）のための相互接続された多孔度を提供することの両方のために、必要な構造的完全性を有するインプラントとして使用することができる。様々な実施形態では、多孔質三次元金属構造体を形成するために使用することができる金属の種類としては、チタン、チタン合金、ステンレス鋼、コバルトクロム合金、タンタル、又はニオブを挙げることができるが、これらに限定されない。
【0027】
ここで図１及び図２を参照すると、整形外科用インプラント又は補綴部品１００が示されている。補綴部品１００は、基部１１０と、多孔質三次元構造体又は層１２０と、基部１１０から離れる方向に延びる錐体又はステム１３０と、を含む。例示的な実施形態では、多孔質構造体１２０は、基部１１０の一部分及びステム１３０の一部分を取り囲む。多孔質構造体１２０は、基部１１０及び／又はステム１３０とは別個の層として提供され得ることを理解されたい。多孔質構造体１２０はまた、基部１１０及び／又はステム１３０の全てを取り囲むコーティングとして提供されてもよい。以下により詳細に記載するように、多孔質構造体は、骨の内殖を可能にする空隙又は空間を画定する複数の単位セルを含み、それによって補綴部品１００の患者の骨への固定を促進する。
【0028】
整形外科用インプラント１００は、脛骨に植え込まれてもよい。例えば、ステム１３０は、脛骨の近位部分に当接して戴置されているインプラント１００のレッジ部分１４０を脛骨に挿入することができる。本明細書に記載される様々な多孔質構造体は、例えば、参照により本明細書に明示的に組み込まれる、米国特許第８，４７０，０４７号に示される脛骨及び大腿骨部品と同様の脛骨補綴部品又は大腿骨補綴部品を含む、様々な整形外科用インプラント設計に組み込むことができることを理解されたい。多孔質構造体はまた、大腿骨補綴部品及び股関節又は肩関節形成術で使用するための補綴部品と係合するように成形された膝蓋骨部品を含む、他の整形外科用インプラント設計にも含まれてもよい。
【0029】
前述及び後述では、基部１１０は、例えば、本明細書の様々な実施形態の構成要素と接触し、それを支持し、それを接続し、又はそれを固定するか若しくはそれに固定し、又はそれを係留するか若しくはそれに係留することができる任意の種類の構造体であり得ることに留意されたい。基部１１０は、例えば、金属又は非金属トレイ、金属又は非金属基部板、トレイ上に据え付ける金属又は非金属構造体などを含むことができる。基部１１０を形成するために使用することができる金属の種類としては、チタン、チタン合金、ステンレス鋼、コバルトクロム合金、タンタル、又はニオブが挙げられるが、これらに限定されない。
【0030】
例示的な実施形態では、ステム１３０は、多孔質構造体１２０の多孔質領域１６０によってコーティングされた中実領域１５０を含む。ステム１３０の中実領域１５０は、基部１１０に係留され、多孔質構造体１２０から外向きに延び、その結果、多孔質構造体１２０は、基部１１０の近位のステム１３０の領域を取り囲む。他の実施形態において、ステム１３０は、多孔質構造体１２０に係留されてもよい。ステム１３０を形成するために使用することができる金属の種類としては、チタン、チタン合金、ステンレス鋼、コバルトクロム合金、タンタル、又はニオブが挙げられるが、これらに限定されない。
【0031】
ここで図３を参照すると、インプラント１００の多孔質構造体１２０は、複数の接続された単位セルを含み、各単位セルは、例示的に、図３に示される単位セル構造体２００を有する。示される単位セル構造体を形成するために使用することができる金属の種類としては、チタン、チタン合金、ステンレス鋼、コバルトクロム合金、タンタル、又はニオブが挙げられるが、これらに限定されない。図３に示すように、各構造体２００は、第１の幾何学的構造体２３０を形成する複数の格子支柱２１０及び複数の内部支柱２２０と、第１の幾何学的構造体２３０内にある複数の第２の幾何学的構造体２４０と、を含む。例示的な実施形態では、第１の幾何学的構造体２３０は、複数の格子支柱２１０を含む。図４に示すように、複数の格子支柱２１０は協働して菱形十二面体を形成する。
【0032】
複数の第２の幾何学的構造体２４０の各々は、他の第２の幾何学的構造体２４０の内部容積２５０に実質的に等しい内部容積２５０を有する。図５に示すように、各第２の幾何学的構造体２４０は、いくつかの内部支柱２２０及びいくつかの格子支柱２１０によって形成される。各第２の幾何学的構造体２４０は、例示的には、三角面偏方多面体である。図３に示すように、第１の幾何学的構造体２３０内の複数の第２の幾何学的構造体２４０は、単位セル構造体２００が菱形の三角面偏方多面体であるように、４つの三角面偏方多面体を含む。
【0033】
各単位セル構造体は、他の種類の第２の幾何学的構造体を含み得ることを理解されたい。例えば、図６に示すように、単位セル構造体３００は、複数の格子支柱３１０と、第１の幾何学的構造体３３０を形成する複数の内部支柱３２０と、第１の幾何学的構造体３３０内にある複数の第２の幾何学的構造体３４０と、を含む。例示的な実施形態では、第１の幾何学的構造体２３０のような第１の幾何学的構造体３３０は、複数の格子支柱３１０を含み、菱形十二面体である。
【0034】
図７に示すように、各第２の幾何学的構造体３４０は、いくつかの内部支柱３２０及びいくつかの格子支柱３１０によって形成される。各第２の幾何学的構造体３４０は、例示的に、八面体（例えば、ダイヤモンド形状の構造体）である。図６に示すように、第１の幾何学的構造体３３０内の複数の第２の幾何学的構造体３４０は、単位セル構造体３００が菱形の八面体であるように６つの八面体を含む。
【0035】
上述の多孔質三次元構造体の単位セル構造体内では、各単位セル内の少なくとも１つの支柱の長さ及び直径のうちの少なくとも１つは、格子の所定の又は所望の幾何学的特性を満たすように変更することができる。これらの幾何学的特性は、多孔度、細孔サイズ、最小窓サイズ、及びこれらの組み合わせからなる群から選択することができる。単位セル構造体の特定の幾何学的構造体（以下に記載する）は、より堅牢かつ均質な幾何学形状を提供するために、これらの幾何学的特性のうちの１つ又は２つ以上を最適化することができることが有利に発見された。結果として得られる幾何学的形状は、必要な多孔質構造体の安定性を維持しながら、より最適な骨内殖をもたらす。
【0036】
多孔度を参照すると、多孔質構造体１２０は、約５０％～約７５％の多孔度を有する。本明細書で使用するとき、用語「約」は、典型的な製造公差に関連付けられた範囲を指す。そのようにして、「約５０％」の多孔度は、例えば、２％などの典型的な製造公差を５０％にプラス又はマイナスした多孔度であってもよい（すなわち、４８％～５２％の範囲）。他の実施形態では、多孔質三次元構造体の多孔度は、約２０％～約９５％である。他の実施形態では、多孔度は、約３５％～約８５％の範囲である。幾何学的に、単位セル構造体の多孔度は、支柱長さ（ａ）の支柱直径（ｄ）に対する比に依存する。図８では、例えば、様々な実施形態による、様々な単位セルの幾何学的形状に対する多孔度（パーセント）対支柱長さ／直径のチャート８００が提供される。チャート８００に概説されているように、３つの特定の単位セルの幾何学的形状／構造体、すなわち、菱形十二面体（ＲＤ）（例えば、図４を参照）、４つの内部支柱を備えた菱形十二面体（ＲＤ＋４）（又は菱形三角面偏方多面体）（例えば、図３を参照）、及び８つの内部支柱を備えた菱形正十二面体（ＲＤ＋８）（又は菱形八面体）（例えば、図６を参照）が検討された。構造体の各々について、各単位セル構造体についての設計ファイルからいくつかのａ／ｄ比で多孔度を取得し、各単位セル構造体についての関係を、データを次の形式の４次多項式に適合させることによってモデル化した：
【0037】
【数1】
【0038】
図８のチャート８００で観察されるように、ＲＤ構造体は、概して、所与のａ／ｄ比でより大きな多孔度を有し、これは、ＲＤ＋４及びＲＤ＋８構造体と比較して、内部支柱がないことから予想される。ＲＤ構造体の多孔度は、線８０２によって示される。しかしながら、線８０４、８０６によってそれぞれ示されるＲＤ＋４及びＲＤ＋８構造体におけるこの多孔度の減少は、以下により詳細に記載するように、ＲＤでは可能ではない一定の支柱直径（プリンタのビルド解像度によって固定される）における比較的低い多孔度、より小さい細孔サイズ、及び比較的高い窓サイズの組み合わせに達するように、ＲＤ＋４及びＲＤ＋８構造体で作られる設計を可能にする。
【0039】
ここで図９を参照すると、様々な実施形態による、様々な単位セルの幾何学的形状／構造体に対する細孔サイズ及び最小窓サイズ対多孔度（パーセント）のチャート９００が提供される。図８にあるように、３つの特定の単位セル構造体、すなわち、菱形十二面体（ＲＤ）（例えば、図４を参照）、４つの内部支柱を備えた菱形十二面体（ＲＤ＋４）（又は菱形三角面偏方多面体）（例えば、図３を参照）、及び８つの内部支柱を備えた菱形十二面体（ＲＤ＋８）（又は菱形八面体）（例えば、図６を参照）が検討された。菱形正十二面体の細孔サイズは、例えば、菱形正十二面体単位セル内で境界された容積内の球体の等価直径としてとられ、容積は、支柱長さ（ａ）の菱形正十二面体の容積をとり、菱形正十二面体内の又は菱形十二面体によって境界された各支柱の容積を減算することによって計算した。細孔サイズ（ＰＳ）を計算するための本明細書で提供される式は、支柱長さ（ａ）、直径（ｄ）、及び小数単位（ｐ）での多孔度に依存する。式は以下のとおりである。
【0040】
ＲＤ構造体の場合：
【0041】
【数2】
【0042】
ＲＤ＋４構造体の場合：
【0043】
【数3】
【0044】
ＲＤ＋８構造体の場合：
【0045】
【数4】
【0046】
チャート９００の線９０２は、菱形十二面体（ＲＤ）に対する細孔サイズと多孔度（パーセント）との関係を示す。線９０４は、三角面偏方多面体（ＲＤ＋４）についての細孔サイズと多孔度（パーセント）との関係を示し、線９０６は、菱形八面体（ＲＤ＋８）についての細孔サイズと多孔度（パーセント）との関係を示す。
【0047】
図９のチャート９００で観察されるように、より低い多孔度（パーセント）では、３つの構造体は、概して、同様の必要な細孔サイズを提供した。しかしながら、所与の多孔度（パーセント）が増加するにつれて（かつ支柱直径が実質的に同じままであると仮定すると）、多孔度（パーセント）に対応するためのＲＤ構造体内の必要な細孔サイズは、他の構造体よりも著しく大きくなり、したがって、必要とされる多孔度が増加するにつれて、細孔サイズを骨内殖に有効であり得るものを超えて大きくさせることによって、ＲＤ構造体により厳しい要件を課す。換言すれば、必要とされる多孔度（パーセント）が増加するにつれて、ＲＤ構造体が非効果的になっていき、このことは本明細書で説明するものなどの多孔質三次元構造体を設計する際に注目すべきである。
【0048】
ここで図１０を参照すると、各単位セル構造体２００は、複数の外側面１００２を有し、格子支柱２１０は、外側面１００２内にいくつかの開口部１００４を画定するように協働する。単位セル構造体２００の内部支柱２２０は、いくつかの格子支柱２１０と協働して、いくつかの内部開口部１００６を形成する。開口部１００４、１００６の各々の最小窓開口部又はサイズは、各支柱２１０（又は支柱２２０）が円１０１０の接線上に位置付けられるように、対応する開口部（例示的には、図１０の開口部１００４のうちの１つ）に位置付けられた円１０１０の直径１００８として画定されてもよい。これにより、支柱の長さ及び直径は、開口部１００４、１００６の各々のサイズを決定し、ひいては、その中に適合することができる最大の球体の直径を決定する。例えば、所与の支柱長さについては、支柱直径が増加するにつれて、最小窓開口部は縮小するであろう。
【0049】
これらの関連付けは、以下の式によって提供され、これを使用して全ての構造体（例えば、ＲＤ、ＲＤ＋４、ＲＤ＋８など）の最小窓開口部を計算し、図９の線９０８、９１０、９１２を生成した。
【0050】
【数5】
【0051】
チャート９００の目的で、最小窓開口部は、各開口部に適合することができる最大円１０１０の直径である。換言すれば、内接円の直径であり、したがって、支柱長さ（ａ）及び直径（ｄ）に依存する。様々な単位セルの幾何学的形状についての窓サイズ対多孔度（パーセント）の関係。チャート９００の線９０８は、菱形十二面体（ＲＤ）についての最小窓開口部対多孔度の関係を示している。線９１０は、菱形三角面偏方多面体（ＲＤ＋４）についての最小窓開口部対多孔度の関係を示しており、線９１２は、菱形八面体（ＲＤ＋８）についての最小窓開口部対多孔度の関係を示している。
【0052】
図９のチャート９００で観察されるように、概して、全ての多孔度（パーセント）で、各単位セル構造体間の最小窓開口部にほぼ均一な間隙が存在する。したがって、実質的に一定の支柱直径を有する所与の多孔質三次元構造体に必要な多孔度（パーセント）にかかわらず、所与の多孔度（パーセント）に対し、ＲＤ＋８構造体は、ＲＤ＋４及びＲＤ構造体よりも大きな最小窓開口部を有し、ＲＤ＋８及びＲＤ＋４構造体の両方が、ＲＤ構造体よりも大きな最小窓開口部を有することになる。
【0053】
図９の結果は、内部支柱、すなわちＲＤ＋４、及びより小さい範囲のＲＤ＋８を有する構造が、ＲＤ構造体よりも有利であることを立証している。ＲＤ＋４及びＲＤ＋８は、所与の多孔度及び支柱直径においてより小さい細孔サイズを可能にする。ａ／ｄ比の関数としてＲＤ構造体が多孔度で有していると思われるどのような利点も、必要とされるａ／ｄ比が増加するにつれてほぼ完全に減少する。最後に、ＲＤ＋４及びＲＤ＋８構造体（又は内部支柱を有する構造体）は、ＲＤ構造体よりも小さい細孔サイズと窓サイズとの間でより小さい差を提供することによって、最も均質な構造体を提供する。
【0054】
多孔質構造体１２０では、単位セルの細孔サイズの対応する窓サイズのいずれかに対する比は、１．５０～１．６０の範囲である。他の実施形態では、この比は、１．００～１．１０の範囲であってもよい。更に他の実施形態では、この比は１．００～２．９０の範囲であってもよい。図９に示すように、図３及び図６のＲＴＴ構造体では、細孔サイズと窓サイズとの差は、ＲＤ構造体よりも実質的に小さい。結果として、ＲＴＴ構造体は、有利には、細孔窓サイズと全体的な細孔サイズとの差がより小さい、より均質な構造体を提供し、特に高レベルの多孔度では、細孔サイズに密接に比例した窓サイズを提供することによって骨内殖を促進する。この図ではＲＴＴのみが参照されているが、結論は、内部支柱を含む様々な構造体、例えば、４の倍数の内部支柱を有する構造体にも当てはまるであろう。
【0055】
様々な実施形態によれば、整形外科用インプラントが提供される。インプラントは、例えば、図３～図５の単位セル構造体によって示されるように、接続された単位セルの格子を含む多孔質三次元構造体を含み得る。少なくとも１つの単位セルは、複数の格子支柱を含み得る。少なくとも１つの単位セルは、複数の格子支柱を含む第１の幾何学的構造体と、第１の幾何学的構造体の複数の格子支柱のサブセットを共有し、第１の幾何学的構造体とは異なる幾何学的形状を有する第２の幾何学的構造体と、を更に含み得る（図３及び図６を参照）。更に、第２の幾何学的構造体内の複数の格子支柱のサブセットの少なくとも一部分は、第１の幾何学的構造体の複数の格子支柱の交点によって形成される角度と実質的に等しい角度を形成するように交差することができる。
【0056】
上述のように、第１の幾何学的構造体は、例えば、図４に示されるような菱形十二面体であり得る。第２の幾何学的構造体は、三角面偏方多面体であり得る（図５を参照）。三角面偏方多面体は、例えば、図３に示すように、４つの支柱を第１の幾何学的構造体内に挿入することによって形成することができる。更に、少なくとも１つの単位セルは、例えば、図３に示されるように、第１の幾何学的構造体内に４つの三角面偏方多面体の幾何学的構造体を含むことができる。
【0057】
多孔質三次元構造体内では、格子内の少なくとも１つの支柱の長さ及び直径のうちの少なくとも１つは、格子の所定の幾何学的特性を満たすように変更することができる。上述のように、これらの幾何学的特性は、多孔度、細孔サイズ、最小開口サイズ、及びこれらの組み合わせからなる群から選択することができる。例えば、多孔度は、約２０％～約９５％であり得る。多孔度はまた、約３５％～約８５％でもあり得る。多孔度はまた、約５０％～約７５％でもあり得る。更に、個々の支柱長さは、例えば、複数の支柱の平均支柱長さの約２５％～約１７５％に変更することができる。個々の格子支柱長さはまた、例えば、複数の格子支柱の平均支柱長さの約５０％～約１５０％であるように変更することもできる。個々の格子支柱長さはまた、例えば、複数の格子支柱の平均支柱長さの約７５％～約１２５％であるように変更することもできる。
【0058】
様々な実施形態によれば、整形外科用インプラントが提供される。インプラントは、複数の繰り返し単位セルを含む多孔質三次元構造体を含むことができ、各単位セルは複数の支柱を有する。各単位セルは、基部幾何学的構造体と、基部幾何学的構造体の一部分から形成され、基部幾何学的構造体とは異なる幾何学的形状を有する二次幾何学的構造体と、を含み得る。更に、所与の多孔質三次元構造体の多孔度について、少なくとも１つの単位セルは、多孔質三次元構造体の平均的な幾何学的構造体の細孔サイズとは異なる細孔サイズと、多孔質三次元構造体の平均的な幾何学的構造体の窓サイズとは異なる窓サイズと、を有し得る。
【0059】
多孔質三次元構造体内では、単位セル内の少なくとも１つの支柱の長さ及び直径のうちの少なくとも１つは、単位セルの所定の幾何学的特性を満たすように変更することができる。上述のように、幾何学的特性は、多孔度、細孔サイズ、最小開口サイズ、及びこれらの組み合わせからなる群から選択することができる。例えば、多孔度は、約２０％～約９５％であり得る。多孔度はまた、約３５％～約８５％でもあり得る。多孔度はまた、約５０％～約７５％でもあり得る。更に、支柱長さは、複数の支柱の平均支柱長さの約２５％～約１７５％に変更することができる。個々の格子支柱長さはまた、例えば、複数の格子支柱の平均支柱長さの約５０％～約１５０％であるように変更することもできる。個々の格子支柱長さはまた、例えば、複数の格子支柱の平均支柱長さの約７５％～約１２５％であるように変更することもできる。
【0060】
上述のように、第１の幾何学的構造体は、菱形十二面体であり得る。第２の幾何学的構造体は、三角面偏方多面体であり得る。三角面偏方多面体は、４つの支柱を第１の幾何学的構造体内に挿入することによって形成することができる。更に、少なくとも１つの単位セルは、第１の幾何学的構造体内に４つの三角面偏方多面体の幾何学的構造体を含むことができる。
【0061】
様々な実施形態によれば、整形外科用インプラントが提供される。インプラントは、複数の単位セルを含む多孔質三次元構造体を含み得る。各単位セルは、第１の幾何学的形状を有し、かつ複数の第１の支柱を含む外側幾何学的構造体を含み得る。各単位セルは、第２の幾何学的形状を有する内側幾何学的構造体を更に含むことができ、複数の第１の支柱の一部分と接続されて、外側幾何学的構造体内に内側幾何学的構造体を形成する複数の第２の支柱を更に含み得る。
【0062】
様々な実施形態によれば、外側幾何学的構造体は、菱形十二面体であり得る。内側幾何学的構造体は、三角面偏方多面体であり得る。三角面偏方多面体は、４つの支柱を外側幾何学的構造体内に挿入することによって形成することができる。更に、少なくとも１つの単位セルは、外側幾何学的構造体内に４つの三角面偏方多面体の幾何学的構造体を含むことができる。
【0063】
製造プロセス
上で開示された多孔質三次元金属構造体は、以下を含むがこれらに限定されない様々な異なる金属部品製造技術を使用して作製することができる：鋳造プロセス（鋳造プロセスは、溶融金属を金型キャビティ内に注ぐことを含み、一旦固化された金属は、キャビティの形状をとることができる。例としては、消耗型金型鋳造、永久金型鋳造、及び粉末圧縮冶金が挙げられる）、変形プロセス（変形プロセスとしては、金属に金属の降伏応力を超える機械的応力を加える工具の使用を伴う金属形成及び板金属加工プロセスが挙げられる）、材料除去プロセス（これらのプロセスは、所望の形状を達成するために、ワークから余分な材料を除去する。材料除去プロセスの例としては、工具機械加工及び研磨加工が挙げられる）、及び積層造形プロセス（これらのプロセスは、連続した材料層を堆積させることによって層内に金属部品を構築するためのデジタル３Ｄ設計データの使用を伴う）。積層造形プロセスとしては、粉末床溶融印刷法（例えば、溶融及び焼結）、コールドスプレー３Ｄ印刷、ワイヤフィード３Ｄ印刷、溶融堆積３Ｄ印刷、押出３Ｄ印刷、液体金属３Ｄ印刷、ステレオリソグラフィ３Ｄ印刷、結合剤噴射３Ｄ印刷、材料噴射３Ｄ印刷などを挙げることができるが、これらは例に過ぎない。しかしながら、積層造形プロセスは、これらの種類の構造体を含む単位セルの幾何学的形状及び構造要素の複雑さに起因して、多孔質三次元金属構造体（上で開示された）の製造に関して、他の金属部品製造技術に比べていくつかの独自の利点を提供することが理解されるべきである。
上で開示された多孔質三次元金属構造体は、以下を含むがこれらに限定されない様々な異なる金属部品製造技術を使用して作製することができる：鋳造プロセス（鋳造プロセスは、溶融金属を金型キャビティ内に注ぐことを含み、一旦固化された金属は、キャビティの形状をとることができる。例としては、消耗型金型鋳造、永久金型鋳造、及び粉末圧縮冶金が挙げられる）、変形プロセス（変形プロセスとしては、金属に金属の降伏応力を超える機械的応力を加える工具の使用を伴う金属形成及び板金属加工プロセスが挙げられる）、材料除去プロセス（これらのプロセスは、所望の形状を達成するために、ワークから余分な材料を除去する。材料除去プロセスの例としては、工具機械加工及び研磨加工が挙げられる）、及び積層造形プロセス（これらのプロセスは、連続した材料層を堆積させることによって層内に金属部品を構築するためのデジタル３Ｄ設計データの使用を伴う）。積層造形プロセスとしては、粉末床溶融印刷法（例えば、溶融及び焼結）、コールドスプレー３Ｄ印刷、ワイヤフィード３Ｄ印刷、溶融堆積３Ｄ印刷、押出３Ｄ印刷、液体金属３Ｄ印刷、ステレオリソグラフィ３Ｄ印刷、結合剤噴射３Ｄ印刷、材料噴射３Ｄ印刷などを挙げることができるが、これらは例に過ぎない。しかしながら、積層造形プロセスは、これらの種類の構造体を含む単位セルの幾何学的形状及び構造要素の複雑さに起因して、多孔質三次元金属構造体（上で開示された）の製造に関して、他の金属部品製造技術に比べていくつかの独自の利点を提供することが理解されるべきである。
【0064】
様々な実施形態によれば、多孔質三次元構造体を製造する方法は、例えば、図１１に示される方法１１００によって提供される。本方法は、金属粉末の連続した層を堆積させビームで走査して、多孔質三次元構造体を形成することを含み得る。多孔質三次元構造体は、所定の幾何学的特性を有する複数の単位セルを含み、各単位セルは、複数の格子支柱と複数の内部支柱とを含み得る。各単位セルは、複数の格子支柱を含む第１の幾何学的構造体と、第１の幾何学的構造体内の複数の内部支柱から形成された複数の第２の幾何学的構造体と、を更に含む。ビーム（又は走査ビーム）は、電子ビームであり得る。ビーム（又は走査ビーム）は、レーザビームであり得る。
【0065】
図１１に提供されるように、方法１１００は、金属粉末の層を堆積させることを含む工程１１１０で開始することができる。方法は、金属粉末の層を走査することを含む工程１１２０を続けてもよい。工程１１３０で提供されるように、工程１１１０及び工程１１２０は、所定の幾何学的特性を有する複数の単位セルを含む多孔質三次元構造体が形成されるまで繰り返される。各単位セルは、複数の格子支柱と複数の内部支柱とを含む。各単位セルは、複数の格子支柱を含む第１の幾何学的構造体と、第１の幾何学的構造体内のいくつかの内部支柱及びいくつかの格子支柱から形成された複数の第２の幾何学的構造体と、を含む。
【0066】
本明細書に記載される様々な方法に関して、金属粉末を焼結して多孔質三次元構造体を形成することができる。あるいは、金属粉末を溶融させて、多孔質三次元構造体を形成することができる。金属粉末の連続した層は、中実基部上に堆積させることができる（基部に関する説明について上記を参照されたい）。様々な実施形態では、使用することができる金属粉末の種類としては、チタン、チタン合金、ステンレス鋼、コバルトクロム合金、タンタル、又はニオブ粉末が挙げられるが、これらに限定されない。
【0067】
本明細書に記載される様々な方法に関して、幾何学的特性は、多孔度、細孔サイズ、最小開口サイズ、及びこれらの組み合わせからなる群から選択することができる。多孔度は、約２０％～約９５％であり得る。多孔度はまた、約４０％～約８０％でもあり得る。多孔度はまた、約５０％～約７５％でもあり得る。更に、支柱長さは、複数の支柱の平均支柱長さの約２５％～約１７５％に変更することができる。個々の格子支柱長さはまた、例えば、複数の格子支柱の平均支柱長さの約５０％～約１５０％であるように変更することもできる。個々の格子支柱長さはまた、例えば、複数の格子支柱の平均支柱長さの約７５％～約１２５％であるように変更することもできる。更に、単位セルは、第１の幾何学的構造体の細孔サイズよりも小さい細孔サイズを有し得る。更に、単位セルは、複数の第２の幾何学的構造体の各々の窓サイズよりも大きい窓サイズを有することができる。
【0068】
記載された様々な方法に関して、第１の幾何学的構造体は、菱形十二面体であり得る。第２の幾何学的構造体の各々は、三角面偏方多面体であり得る。三角面偏方多面体は、４つの支柱を第１の幾何学的構造体内に挿入することによって形成することができる。更に、少なくとも１つの単位セルは、第１の幾何学的構造体内に４つの三角面偏方多面体の幾何学的構造体を含むことができる。
【0069】
様々な実施形態では、多孔質三次元構造体を製造するための方法が提供され、この方法は、所定の速度で金属粒子の流れを基部に適用して、複数の単位セルを含みかつ所定の幾何学的特性を有する多孔質三次元構造体を形成することを含み、各単位セルは、複数の格子支柱と複数の内部支柱とを含む。各単位セルは、複数の格子支柱を含む第１の幾何学的構造体と、第１の幾何学的構造体内の複数の内部支柱から形成された複数の第２の幾何学的構造体と、含み得る。様々な実施形態では、使用することができる金属粒子の種類としては、チタン、チタン合金、ステンレス鋼、コバルトクロム合金、タンタル、又はニオブ粒子が挙げられるが、これらに限定されない。
【0070】
所定の速度は、基部に衝撃を与えると、金属粒子が結合するのに必要な臨界速度であり得る。臨界速度は、３４０ｍ／ｓよりも大きい。
【0071】
方法は、金属粒子の流れが衝突する基部の領域上に所定の電力設定でレーザを適用することを更に含むことができる。
【0072】
第１の幾何学的構造体は、菱形十二面体であり得る。いくつかの実施形態では、第２の幾何学的構造体の各々は、三角面偏方多面体であり得る。すなわち、４つの三角面偏方多面体は、４つの支柱を第１の幾何学的構造体内に挿入することによって形成することができる。いくつかの実施形態では、八面体は、例えば、８つの内部支柱を第１の幾何学的構造体内に挿入することによって形成することができる。この場合、６つの八面体幾何学的構造体を、第１の幾何学的構造体内に設けることができる。
【0073】
様々な実施形態によれば、多孔質三次元構造体を製造するための方法が提供され、この方法は、金属ワイヤの連続したフィードを基部表面上に導入することと、金属ワイヤが基部表面に接触する領域に所定の電力設定でビームを適用して、複数の単位セルを含み、かつ所定の幾何学的特性を有する多孔質三次元構造体を形成することと、を含む。各単位セルは、複数の格子支柱と複数の内部支柱とを含むことができ、各単位セルは、複数の格子支柱を含む第１の幾何学的構造体と、第１の幾何学的構造体内の複数の内部支柱から形成された複数の第２の幾何学的構造体と、を含む。ビーム（又は走査ビーム）は、電子ビームであり得る。ビーム（又は走査ビーム）は、レーザビームであり得る。様々な実施形態では、使用することができる金属ワイヤの種類としては、チタン、チタン合金、ステンレス鋼、コバルトクロム合金、タンタル、又はニオブワイヤが挙げられるが、これらに限定されない。
【0074】
第１の幾何学的構造体は、菱形十二面体であり得る。いくつかの実施形態では、第２の幾何学的構造体の各々は、三角面偏方多面体であり得る。すなわち、４つの三角面偏方多面体は、４つの支柱を第１の幾何学的構造体内に挿入することによって形成することができる。いくつかの実施形態では、八面体は、例えば、８つの内部支柱を第１の幾何学的構造体内に挿入することによって形成することができる。すなわち、６つの八面体幾何学的構造体を、第１の幾何学的構造体内に設けることができる。
【0075】
様々な実施形態によれば、多孔質三次元構造体を製造するための方法が提供され、この方法は、金属要素に埋め込まれたポリマー材料の連続したフィードを基部表面上に導入することを含む。本方法は、ポリマー材料が基部表面に接触する領域に熱を適用して、複数の単位セルを含み、かつ所定の幾何学的特性を有する多孔質三次元構造体を形成することを更に含み得る。各単位セルは、複数の格子支柱と複数の内部支柱とを含み得る。各単位セルは、複数の格子支柱を含む第１の幾何学的構造体と、第１の幾何学的構造体内のいくつかの内部支柱及びいくつかの格子支柱から形成された複数の第２の幾何学的構造体と、を含む。金属要は、金属粉末であり得る。様々な実施形態では、ポリマー材料の連続したフィードは、加熱されたノズルを通して供給することができ、したがって、ポリマー材料が基部表面に接触して多孔質三次元構造体を形成する領域に熱を加える必要がなくなる。様々な実施形態では、ポリマー材料を埋め込むために使用することができる金属要素の種類としては、チタン、チタン合金、ステンレス鋼、コバルトクロム合金、タンタル、又はニオブを挙げることができるが、これらに限定されない。
【0076】
方法は、多孔質三次元構造体をビームで走査してポリマー材料を焼き切ることを更に含み得る。ビーム（又は走査ビーム）は、電子ビームであり得る。ビーム（又は走査ビーム）は、レーザビームであり得る。
【0077】
第１の幾何学的構造体は、菱形十二面体であり得る。様々な実施形態では、第２の幾何学的構造体の各々は、三角面偏方多面体であり得る。すなわち、４つの三角面偏方多面体は、４つの支柱を第１の幾何学的構造体内に挿入することによって形成することができる。様々な実施形態では、八面体は、例えば、８つの内部支柱を第１の幾何学的構造体内に挿入することによって形成することができる。すなわち、６つの八面体幾何学的構造体を、第１の幾何学的構造体内に設けることができる。
【0078】
様々な実施形態によれば、多孔質三次元構造体を製造するための方法が提供され、この方法は、ノズルを通して金属スラリーを基部表面に導入して、複数の単位セルを含み、かつ所定の幾何学的特性を有する多孔質三次元構造体を形成することを含む。各単位セルは、複数の格子支柱と複数の内部支柱とを含み得る。各単位セルは、複数の格子支柱を含む第１の幾何学的構造体と、第１の幾何学的構造体内のいくつかの内部支柱及びいくつかの格子支柱から形成された複数の第２の幾何学的構造体と、を含み得る。様々な実施形態では、ノズルは、金属スラリーの金属要素を基部表面に結合するために必要な温度で加熱される。様々な実施形態では、金属スラリーは、製造プロセス又は多孔質三次元構造体の性能を改善するために、１つ又は２つ以上の添加剤（液体又は固体）と共に金属粒子を含有する水性懸濁液である。様々な実施形態では、金属スラリーは、製造プロセス又は多孔質三次元構造体の性能を改善するために、１つ又は２つ以上の添加剤（液体又は固体）と共に金属粒子を含有する有機溶媒懸濁液である。様々な実施形態では、金属スラリーに利用することができる金属粒子の種類としては、チタン、チタン合金、ステンレス鋼、コバルトクロム合金、タンタル、又はニオブ粒子が挙げられるが、これらに限定されない。
【0079】
第１の幾何学的構造体は、菱形十二面体であり得る。いくつかの実施形態では、第２の幾何学的構造体の各々は、三角面偏方多面体であり得る。すなわち、４つの三角面偏方多面体は、４つの支柱を第１の幾何学的構造体内に挿入することによって形成することができる。様々な実施形態では、八面体は、例えば、８つの内部支柱を第１の幾何学的構造体内に挿入することによって形成することができる。すなわち、６つの八面体幾何学的構造体を、第１の幾何学的構造体内に設けることができる。
【0080】
様々な実施形態によれば、多孔質三次元構造体を製造するための方法が提供され、この方法は、溶融金属の連続した層を基部表面に導入して、複数の単位セルを含み、かつ所定の幾何学的特性を有する多孔質三次元構造体を形成することを含む。各単位セルは、複数の格子支柱と複数の内部支柱とを含み得る。各単位セルは、複数の格子支柱を含む第１の幾何学的構造体と、第１の幾何学的構造体内の複数の内部支柱及びいくつかの格子支柱から形成された複数の第２の幾何学的構造体と、を含み得る。更に、溶融金属は、基部表面上に連続した流れとして導入することができる。溶融金属はまた、別個の溶融金属液滴の流れとして基部表面上に導入することもできる。様々な実施形態では、使用することができる溶融金属の種類としては、チタン、チタン合金、ステンレス鋼、コバルトクロム合金、タンタル、又はニオブが挙げられるが、これらに限定されない。
【0081】
第１の幾何学的構造体は、菱形十二面体であり得る。様々な実施形態では、第２の幾何学的構造体の各々は、三角面偏方多面体であり得る。すなわち、４つの三角面偏方多面体は、４つの支柱を第１の幾何学的構造体内に挿入することによって形成することができる。様々な実施形態では、八面体は、例えば、８つの内部支柱を第１の幾何学的構造体内に挿入することによって形成することができる。すなわち、６つの八面体幾何学的構造体を、第１の幾何学的構造体内に設けることができる。
【0082】
様々な実施形態によれば、多孔質三次元構造体を製造するための方法が提供され、この方法は、金属要素に埋め込まれた感光性ポリマーの連続した層を基部表面に適用し、これを光活性化して、複数の単位セルを含み、かつ所定の幾何学的特性を有する多孔質三次元構造体を形成することを含む。各単位セルは、複数の格子支柱と複数の内部支柱とを含み得る。各単位セルは、複数の格子支柱を含む第１の幾何学的構造体と、第１の幾何学的構造体内の複数の内部支柱及びいくつかの格子支柱から形成された複数の第２の幾何学的構造体と、を含み得る。様々な実施形態では、ポリマー材料を埋め込むために使用することができる金属要素の種類としては、チタン、チタン合金、ステンレス鋼、コバルトクロム合金、タンタル、又はニオブを挙げることができるが、これらに限定されない。
【0083】
第１の幾何学的構造体は、菱形十二面体であり得る。いくつかの実施形態では、第２の幾何学的構造体の各々は、三角面偏方多面体であり得る。すなわち、４つの三角面偏方多面体は、４つの支柱を第１の幾何学的構造体内に挿入することによって形成することができる。いくつかの実施形態では、八面体は、例えば、８つの内部支柱を第１の幾何学的構造体内に挿入することによって形成することができる。すなわち、６つの八面体幾何学的構造体を、第１の幾何学的構造体内に設けることができる。
【0084】
様々な実施形態によれば、多孔質三次元構造体を製造するための方法が提供され、この方法は、金属粉末の連続した層を堆積させ結合剤材料で結合して、複数の単位セルを含み、かつ所定の幾何学的特性を有する多孔質三次元構造体を形成することを含む。各単位セルは、複数の格子支柱と複数の内部支柱とを含み得る。各単位セルは、複数の格子支柱を含む第１の幾何学的構造体と、第１の幾何学的構造体内の複数の内部支柱及びいくつかの格子支柱から形成された複数の第２の幾何学的構造体と、を含み得る。様々な実施形態では、使用することができる金属粉末の種類としては、チタン、チタン合金、ステンレス鋼、コバルトクロム合金、タンタル、又はニオブ粉末が挙げられるが、これらに限定されない。
【0085】
本方法は、結合した金属粉末をビームで焼結することを更に含み得る。ビーム（又は走査ビーム）は、電子ビームであり得る。ビーム（又は走査ビーム）は、レーザビームであり得る。
【0086】
本方法は、結合した金属粉末をビームで溶融することを更に含み得る。ビーム（又は走査ビーム）は、電子ビームであり得る。ビーム（又は走査ビーム）は、レーザビームであり得る。
【0087】
第１の幾何学的構造体は、菱形十二面体であり得る。いくつかの実施形態では、第２の幾何学的構造体の各々は、三角面偏方多面体であり得る。すなわち、４つの三角面偏方多面体は、４つの支柱を第１の幾何学的構造体内に挿入することによって形成することができる。いくつかの実施形態では、八面体はまた、例えば、８つの内部支柱を第１の幾何学的構造体内に挿入することによって形成することもできる。すなわち、６つの八面体幾何学的構造体を、第１の幾何学的構造体内に設けることができる。
【0088】
様々な実施形態によれば、多孔質三次元構造体を製造するための方法が提供され、この方法は、金属材料の液滴を基部表面上に堆積させることと、金属材料が基部表面に接触する領域に熱を適用して、複数の単位セルを含み、かつ所定の幾何学的特性を有する多孔質三次元構造体を形成することと、を含む。各単位セルは、複数の格子支柱と複数の内部支柱とを含み得る。各単位セルは、複数の格子支柱を含む第１の幾何学的構造体と、第１の幾何学的構造体内の複数の内部支柱及びいくつかの格子支柱から形成された複数の第２の幾何学的構造体と、を含み得る。ビーム（又は走査ビーム）は、電子ビームであり得る。ビーム（又は走査ビーム）は、レーザビームであり得る。様々な実施形態では、使用することができる金属材料の種類としては、チタン、チタン合金、ステンレス鋼、コバルトクロム合金、タンタル、又はニオブが挙げられるが、これらに限定されない。
【0089】
金属材料の堆積した液滴は、金属要素が埋め込まれた金属スラリーであり得る。金属材料は、金属粉末であり得る。
【0090】
第１の幾何学的構造体は、菱形十二面体であり得る。いくつかの実施形態では、第２の幾何学的構造体の各々は、三角面偏方多面体であり得る。すなわち、４つの三角面偏方多面体は、４つの支柱を第１の幾何学的構造体内に挿入することによって形成することができる。いくつかの実施形態では、八面体は、例えば、８つの内部支柱を第１の幾何学的構造体内に挿入することによって形成することができる。すなわち、６つの八面体幾何学的構造体を、第１の幾何学的構造体内に設けることができる。
【0091】
本明細書では、特定の実施形態及びその用途について説明してきたが、これらの実施形態及び用途は例示的なものに過ぎず、多くの変形が可能である。
【0092】
本教示は、様々な実施形態と共に記載されるが、本教示はそのような実施形態に限定されることを意図するものではない。それとは対照的に、本教示は、当業者に理解されるように、様々な代替物、修正物、及び等価物を包含する。
【0093】
更に、様々な実施形態を記載する際に、本明細書は、特定の一連の工程として方法及び／又はプロセスを提示し得る。しかしながら、方法又はプロセスが本明細書に記載される工程の特定の順序に依存しない限り、方法又はプロセスは、記載される特定の一連の工程に限定されるべきではない。当業者には理解されるように、他の一連の工程が可能であり得る。したがって、本明細書中に記載される工程の特定の順序は、特許請求の範囲の制限として解釈されるべきではない。更に、方法及び／又はプロセスを対象とした特許請求の範囲は、書かれた順序における工程の実行に限定されるべきでない、また当業者は順序が変化し得るものであってかつ様々な実施形態の趣旨及び範囲内に依然留まり得ることを容易に認識できる。
【0094】
〔実施の態様〕
（１） 整形外科用補綴部品であって、
患者の体内に植え込まれるように成形された多孔質三次元構造体を備え、前記多孔質三次元構造体が、複数の接続された単位セルを含み、少なくとも１つの単位セルが、複数の格子支柱及び複数の内部支柱を含み、
前記少なくとも１つの単位セルが、
前記複数の格子支柱を含む第１の幾何学的構造体と、
前記第１の幾何学的構造体内の前記複数の内部支柱及びいくつかの前記格子支柱から形成された複数の第２の幾何学的構造体と、を含み、各第２の幾何学的構造体が、他の第２の幾何学的構造体の内部容積と実質的に等しい内部容積を有する、整形外科用補綴部品。
（２） 前記多孔質三次元構造体が、約５０％～約７５％の多孔度を有する、実施態様１に記載の整形外科用補綴部品。
（３） 中実基部を更に備え、前記多孔質三次元構造体が、前記中実基部に取り付けられている、実施態様１に記載の整形外科用補綴部品。
（４） 前記基部が、プラットフォームと、前記プラットフォームから離れる方向に延びるステムと、を含み、前記ステムが、前記多孔質三次元構造体を通って延びる、実施態様３に記載の整形外科用補綴部品。
（５） 前記いくつかの前記格子支柱及び前記複数の内部支柱が、前記多孔質三次元構造体内に複数の開口部を画定し、前記複数の開口部のうちの各開口部が、窓サイズを有し、
各幾何学的構造体の前記内部容積が、細孔サイズを有し、各幾何学的構造体の前記細孔サイズの、前記幾何学的構造体の各開口部の前記窓サイズに対する比が、１．００～２．９０の範囲である、実施態様１に記載の整形外科用補綴部品。
（１） 整形外科用補綴部品であって、
患者の体内に植え込まれるように成形された多孔質三次元構造体を備え、前記多孔質三次元構造体が、複数の接続された単位セルを含み、少なくとも１つの単位セルが、複数の格子支柱及び複数の内部支柱を含み、
前記少なくとも１つの単位セルが、
前記複数の格子支柱を含む第１の幾何学的構造体と、
前記第１の幾何学的構造体内の前記複数の内部支柱及びいくつかの前記格子支柱から形成された複数の第２の幾何学的構造体と、を含み、各第２の幾何学的構造体が、他の第２の幾何学的構造体の内部容積と実質的に等しい内部容積を有する、整形外科用補綴部品。
（２） 前記多孔質三次元構造体が、約５０％～約７５％の多孔度を有する、実施態様１に記載の整形外科用補綴部品。
（３） 中実基部を更に備え、前記多孔質三次元構造体が、前記中実基部に取り付けられている、実施態様１に記載の整形外科用補綴部品。
（４） 前記基部が、プラットフォームと、前記プラットフォームから離れる方向に延びるステムと、を含み、前記ステムが、前記多孔質三次元構造体を通って延びる、実施態様３に記載の整形外科用補綴部品。
（５） 前記いくつかの前記格子支柱及び前記複数の内部支柱が、前記多孔質三次元構造体内に複数の開口部を画定し、前記複数の開口部のうちの各開口部が、窓サイズを有し、
各幾何学的構造体の前記内部容積が、細孔サイズを有し、各幾何学的構造体の前記細孔サイズの、前記幾何学的構造体の各開口部の前記窓サイズに対する比が、１．００～２．９０の範囲である、実施態様１に記載の整形外科用補綴部品。
【0095】
（６） 各幾何学的構造体の前記細孔サイズの、前記幾何学的構造体の各開口部の前記窓サイズに対する前記比が、１．５０～１．６０の範囲である、実施態様５に記載の整形外科用補綴部品。
（７） 各幾何学的構造体の前記細孔サイズの、前記幾何学的構造体の各開口部の前記窓サイズに対する前記比が、１．００～１．１０の範囲である、実施態様５に記載の整形外科用補綴部品。
（８） 前記第１の幾何学的構造体が、菱形十二面体である、実施態様１に記載の整形外科用補綴部品。
（９） 前記複数の第２の幾何学的構造体の各々が、三角面偏方多面体（trigonal trapezohedron）である、実施態様１に記載の整形外科用補綴部品。
（１０） 前記複数の第２の幾何学的構造体が、４つの三角面偏方多面体からなる、実施態様１に記載の整形外科用補綴部品。
（７） 各幾何学的構造体の前記細孔サイズの、前記幾何学的構造体の各開口部の前記窓サイズに対する前記比が、１．００～１．１０の範囲である、実施態様５に記載の整形外科用補綴部品。
（８） 前記第１の幾何学的構造体が、菱形十二面体である、実施態様１に記載の整形外科用補綴部品。
（９） 前記複数の第２の幾何学的構造体の各々が、三角面偏方多面体（trigonal trapezohedron）である、実施態様１に記載の整形外科用補綴部品。
（１０） 前記複数の第２の幾何学的構造体が、４つの三角面偏方多面体からなる、実施態様１に記載の整形外科用補綴部品。
【0096】
（１１） 前記複数の第２の幾何学的構造体の各々が、八面体である、実施態様１に記載の整形外科用補綴部品。
（１２） 整形外科用補綴部品であって、
患者の体内に植え込まれるように成形された多孔質三次元構造体を備え、前記多孔質三次元構造体が、複数の単位セルを含み、
各単位セルが、第１の幾何学的形状を有し、かつ複数の第１の支柱を含む第１の幾何学的構造体と、第２の幾何学的形状を有し、かついくつかの前記複数の第１の支柱と接続されて第２の幾何学的構造体を形成する複数の第２の支柱を含む前記第２の幾何学的構造体と、を含む、整形外科用補綴部品。
（１３） 各第２の幾何学的構造体が、細孔サイズを有し、
前記いくつかの前記格子支柱及び前記複数の内部支柱が、前記多孔質三次元構造体内に複数の開口部を画定し、前記複数の開口部のうちの各開口部が、窓サイズを有し、
各第２の幾何学的構造体の前記細孔サイズの、前記第２の幾何学的構造体の各開口部の前記窓サイズに対する比が、１．００～２．９０の範囲である、実施態様１２に記載の整形外科用補綴部品。
（１４） 各第２の幾何学的構造体の前記細孔サイズの、前記第２の幾何学的構造体の各開口部の前記窓サイズに対する前記比が、１．５０～１．６０の範囲である、実施態様１３に記載の整形外科用補綴部品。
（１５） 各第２の幾何学的構造体の前記細孔サイズの、前記第２の幾何学的構造体の各開口部の前記窓サイズに対する前記比が、１．００～１．１０の範囲である、実施態様１３に記載の整形外科用補綴部品。
（１２） 整形外科用補綴部品であって、
患者の体内に植え込まれるように成形された多孔質三次元構造体を備え、前記多孔質三次元構造体が、複数の単位セルを含み、
各単位セルが、第１の幾何学的形状を有し、かつ複数の第１の支柱を含む第１の幾何学的構造体と、第２の幾何学的形状を有し、かついくつかの前記複数の第１の支柱と接続されて第２の幾何学的構造体を形成する複数の第２の支柱を含む前記第２の幾何学的構造体と、を含む、整形外科用補綴部品。
（１３） 各第２の幾何学的構造体が、細孔サイズを有し、
前記いくつかの前記格子支柱及び前記複数の内部支柱が、前記多孔質三次元構造体内に複数の開口部を画定し、前記複数の開口部のうちの各開口部が、窓サイズを有し、
各第２の幾何学的構造体の前記細孔サイズの、前記第２の幾何学的構造体の各開口部の前記窓サイズに対する比が、１．００～２．９０の範囲である、実施態様１２に記載の整形外科用補綴部品。
（１４） 各第２の幾何学的構造体の前記細孔サイズの、前記第２の幾何学的構造体の各開口部の前記窓サイズに対する前記比が、１．５０～１．６０の範囲である、実施態様１３に記載の整形外科用補綴部品。
（１５） 各第２の幾何学的構造体の前記細孔サイズの、前記第２の幾何学的構造体の各開口部の前記窓サイズに対する前記比が、１．００～１．１０の範囲である、実施態様１３に記載の整形外科用補綴部品。
【0097】
（１６） 前記多孔質三次元構造体が、約２０％～約９５％の多孔度を有する、実施態様１２に記載の整形外科用補綴部品。
（１７） 前記多孔質三次元構造体が、約５０％～約７５％の多孔度を有する、実施態様１６に記載の整形外科用補綴部品。
（１８） 前記第１の幾何学的構造体が、菱形十二面体である、実施態様１２に記載の整形外科用補綴部品。
（１９） 前記第２の幾何学的構造体が、三角面偏方多面体である、実施態様１２に記載の整形外科用補綴部品。
（２０） 多孔質三次元構造体を製造するための方法であって、
金属粉末の連続した層を堆積させビームで走査して、複数の単位セルを含み、かつ所定の幾何学的特性を有する多孔質三次元構造体を形成することを含み、各単位セルが、複数の格子支柱及び複数の内部支柱を含み、各単位セルが、
前記複数の格子支柱を含む第１の幾何学的構造体と、
前記第１の幾何学的構造体内の前記複数の内部支柱及び前記複数の格子支柱のうちのいくつかの格子支柱から形成された複数の第２の幾何学的構造体と、を含む、方法。
（１７） 前記多孔質三次元構造体が、約５０％～約７５％の多孔度を有する、実施態様１６に記載の整形外科用補綴部品。
（１８） 前記第１の幾何学的構造体が、菱形十二面体である、実施態様１２に記載の整形外科用補綴部品。
（１９） 前記第２の幾何学的構造体が、三角面偏方多面体である、実施態様１２に記載の整形外科用補綴部品。
（２０） 多孔質三次元構造体を製造するための方法であって、
金属粉末の連続した層を堆積させビームで走査して、複数の単位セルを含み、かつ所定の幾何学的特性を有する多孔質三次元構造体を形成することを含み、各単位セルが、複数の格子支柱及び複数の内部支柱を含み、各単位セルが、
前記複数の格子支柱を含む第１の幾何学的構造体と、
前記第１の幾何学的構造体内の前記複数の内部支柱及び前記複数の格子支柱のうちのいくつかの格子支柱から形成された複数の第２の幾何学的構造体と、を含む、方法。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】