【発明の詳細な説明】 【０００１】 【産業上の利用分野】本発明は、生体適合性複合体の製法に関し、さらに詳しくは、骨組織と結合して優れた生体活性を有し、強度が大きく、生体用インプラント材の如き生体代替材料、例えば、医科の分野では人工骨材、
骨固定及び接合材、骨充填材或いは骨補綴材、人工股関節の部分的代替材料など、そして歯科材料の分野では人工歯根、根管充填材、骨修復及び充填材、人工歯材料などとして有用な生体適合性複合体の製法に関する。 【０００２】 【従来の技術】近年、生体代替材料の発展は著しく、特にセラミックスは体内で溶解、腐食、膨潤などの化学的変化を受けにくく、生体適合性に優れているとされている。 【０００３】そして、例えばハイドロキシアパタイト（以下ＨＡＰと略称する）の微結晶を１０００〜１３０
０℃の高温で分解させずに焼結することにより、成形し人工歯根や人工骨を製造することが行なわれている。 【０００４】また、結晶質サファイアや多結晶アルミナを人工骨、人工関節、人工歯根などに使用する例が知られている。 【０００５】さらに、アパタイトの焼結体で外套部を作製し、この外套部に金属芯をインサートし、外套部と金属芯の間を焼結ガラスで結合することによってアパタイトの外表層を有するインプラント材が提案されている（１９８５年４月，理工学会予稿集第１３８頁）。 【０００６】 【発明が解決しようとする課題】上記従来技術のうち、
のものはＨＡＰ単独焼結体であり、強度は大きいものの、もろく、また焼結による成形が難しく、製造コストが高く、また純ＨＡＰであるために生体組織との親和性が優れている反面、生体内への長期にわたる埋入により誘起される生体内での複雑な生物化学反応による溶解が無視できないという問題があった。 【０００７】また、のものは、材料自体が高価であり、それ自体が骨と直接接合しにくいためにネジ型等複雑な形状にして、物理的に骨に埋め込む方法をとらざるを得ず、そのことから、成形が困難で製造コストが大となる問題があった。 【０００８】さらに、のものは、と同様に、ＨＡＰ
の外装材を作製するのに寸法精度や微細形状加工に多大の困難を伴い、また外装材が純ＨＡＰであるために生体内での長期にわたる生物化学反応による溶解という問題も考慮する必要があり、また、熱膨張係数が著しく異なる金属（Ｔｉ：８．５×１０ -6 ／℃）とＨＡＰ焼結体（焼結体は十数×１０ -6 ／℃）を溶融ガラスで接合するために大きな残留歪が生じ、熱衝撃並びに、ＨＡＰ焼結体の層の強度及びＨＡＰ焼結体とガラス層界面との接合強度が弱くなるという問題がある。 また、ＨＡＰ外装材の焼結の際に高温高圧をかけているために表面がどうしても緻密な平滑組織となり、生体組織となじみ難いという問題があった。 【０００９】 【課題を解決するための手段及び作用】本発明によれば、金属上にコーティングによって中間ガラス層を形成させ、次に、ガラス粉末とリン酸カルシウムを主成分とするアパタイトの粉末を混合分散し、この分散混合物を前記中間ガラス層上にコーティングし、焼成後、表面のガラスを酸で溶解エッチングし、無数の空孔を有するとともにリン酸カルシウムを主成分とするアパタイトが露出した複合体を得ることを特徴とする生体適合性複合体の製法が提供される。 【００１０】本発明において、金属基材として使用される金属としては、特に特定されてないが、チタン；Ｔｉ
−６Ａｌ−４Ｖ合金、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ＋２０容量％
Ｍｏ、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ＋４０容量％Ｍｏ等のチタン系合金；Ｎｉ−Ｃｒ系合金；Ｃｏ−Ｃｒ系合金、ステンレス鋼等が挙げられる。 このうち、生体内耐蝕性に優れ、生体とのなじみも良いという点でチタン、チタン系合金が好ましく、材料強度が大きいということからＴｉ
−Ａｌ系合金が特に好ましく、且つ複雑な形状のものまで精密微細加工ができる。 【００１１】本発明において、リン酸カルシウムを主成分とするアパタイトとは、Ｃａ 10 （ＰＯ 4 ） 6 （ＯＨ） 2
で示されるハイドロキシアパタイト（ＨＡＰ）を多量に含有するのが好ましく、Ｃａ／Ｐ比が１．５０〜１．７
５の範囲にあるものが望ましい。 ちなみにＨＡＰのＣａ
／Ｐ比は１．６７である。 ＨＡＰは生体骨の主要組成であり、このＨＡＰが存在することにより生体骨との親和性が発現するのである。 【００１２】次にガラス層又は中間ガラス層に使用し得るガラスとしては、以下の組成を有するアルミナホウケイ酸系ガラスが金属基材との接合強度及び線膨張係数、
さらには焼成時において分散ＨＡＰとガラスフリットが反応しないなどの観点から好ましい例として挙げられる。 【００１３】 ＳｉＯ 2 ＋Ｂ 2 Ｏ 3 ＋Ａｌ 2 Ｏ 3 ７５〜８５重量％ アルカリ成分 １５〜２０重量％ ここで、アルカリ成分の割合は、Ｎａ 2 Ｏ，Ｋ 2 Ｏ，Ｌｉ
2 Ｏ等の如きアルカリ金属酸化物の合計での量である。
そして、上記アルミナホウケイ酸系ガラスには必要に応じてＺｒＯ 2 ，ＴｉＯ 2等の金属酸化物及びＣａＦ 2などの少量を添加してもよい。 【００１４】上記シリカアルミナ系ガラスの組成物の配合割合が選択される理由は以下の通りである。 【００１５】アルカリ成分が上記範囲を超えるとガラスの線膨張係数が金属基材の線膨張係数との比較において大きすぎて、特に本発明の複合体を焼成製造する際の焼成条件を考慮すると、温度変化による歪が大きくなり好ましくなく（因みに、ガラスの線膨張係数は金属基材の線膨張係数の９０％〜９５％の範囲にあるのが好ましい。これは、ガラスが圧縮に対して強く、引張に対して弱いことに基づくものである。）、また、複合体とした際のアルカリの溶出の問題が起こり、生体組織や細胞への刺激が生じ、さらには焼成時においてアパタイト成分との反応が起こり、アパタイトの分解を誘発することになり、好ましくない。 【００１６】アルカリ成分が上記範囲より少ないとガラスとしての溶融温度が高くなり、コーティング温度を高くせざるを得なくなり、コーティング温度を高くすれば、金属基材（特にチタン及びチタン系合金）の強度劣化が起こり、さらにはリン酸カルシウムを主成分とするアパタイトとガラスとの過度の反応が起こることとなり好ましくない。 【００１７】リン酸カルシウムを主成分とするアパタイトを分散したガラスの線膨張係数は該アパタイトの含量の増加に伴って増加する。 従って、該アパタイトの含量を調整することによっても混合物の線膨張係数をコントロールすることが可能であり、アパタイトを分散したガラス層に用いるガラスの線膨張係数はいかようにも採りうる。 【００１８】リン酸カルシウムを主成分とするアパタイトを分散したガラス層中における、該アパタイトの含有率は、１５〜７０重量％とするのが好ましい。 該アパタイトの含有率が上記範囲より少ないと生体適合性が悪くなり好ましくない。 【００１９】また、中間ガラスを用いることにより金属基材との接合力が増大し、且つアパタイトを過剰に含むアパタイト分散ガラス層と中間ガラス層は連続的に強固に一体となって接合しているため、該アパタイト分散ガラス層の該アパタイト含有率はそれ自体が剥離せず、しかも溶出が過大にならない７０重量％以下が好ましい。 【００２０】本発明において、金属基材はコーティングの前に脱脂、酸洗いの後ブラスト処理を施すのが好ましい。 ブラスト処理は金属基材の平均中心線粗さが１〜
３．４μｍとなるようにするのがより好ましい。 また、
ブラスト処理の後、真空下に９００〜９５０℃の温度で熱処理することにより酸化膜を形成してもよい。 【００２１】この金属基材上に中間ガラス層をコーティングする。 中間ガラス層のコーティングの際の焼成温度は８５０〜１１５０℃が好ましい。 【００２２】次にリン酸カルシウムを主成分とするアパタイトとしてＨＡＰを例にとって、コーティング処理について説明する。 【００２３】ＨＡＰは公知の方法で製造されるが、そのうち、湿式法を採用した場合には、生成したＨＡＰを乾燥後８００℃で仮焼し、１２００℃で焼成した後、粉砕して所定の粒度に粒度調整する。 一方、ガラスも所定の粒度に粒度調整する。 次に粒度調整されたＨＡＰとガラス粉末を混合し、この混合物をコーティングした後焼成する。 焼成温度は８５０〜１１５０℃の範囲が好ましい。 ８５０℃未満では焼成不充分となり、金属基材との接合強度が弱くなり、また、ＨＡＰ分散ガラス層自体の被膜強度も弱くなる。 １１５０℃を越えると金属基材（特にＴｉ，Ｔｉ系合金）の強度低下を起こし、また、
ガラスが共存することもあってＨＡＰの分解反応が起こり好ましくない。 【００２４】次に上記のようにコーティングした後、酸でエッチング処理を行う。 エッチング処理はＨＦとＨＮ
Ｏ 3の混液で行うのが簡便で好ましいが、ＨＦ蒸気中で適度の時間をかけて試片表面をむらなくエッチングする方法も推賞される。 【００２５】酸によって、ガラスを溶解してエッチングすることにより、ＨＡＰ分散ガラス層の表層は無数の空孔を有するものとなり、且つリン酸カルシウムを主成分とするアパタイトが露出した構造をとることとなる。 該空孔の大きさは数μｍ〜５００μｍが良い。 【００２６】 【実施例】次に実施例を挙げて本発明をさらに詳しく説明する。 【００２７】 実施例１下記表の組成を有するアルミナホウケイ酸系ガラスを１
４００℃から水中に急冷し、フリットを作製した。 表１ ＳｉＯ 2 ６７．６ ６５ Ａｌ 2 Ｏ 3 ５．２ ５ ＺｒＯ 2 １．０５ １ ＴｉＯ 2 １．０５ １ Ｎａ 2 Ｏ ８．３ ８ Ｋ 2 Ｏ ４．２ ４ Ｌｉ 2 Ｏ ２．１ ２ Ｂ 2 Ｏ 3 １０．４ １０ Ｃａ 3 （ＰＯ 4 ） 2 − ４ 合 計 １００ １００ 湿式法により、高純度Ｃａ（ＯＨ） 2の水溶液（ｐＨ１
２〜１３）にＨ 3 ＰＯ 4水溶液を滴下し沈殿物を得、仮焼、焼成を経てＨＡＰを合成した。 フリット、ＨＡＰいずれも２００メッシュ通過（７４μｍ以下）の粉末を種々の割合（０〜９０重量％）で混合し、コーティング用ＨＡＰ−ガラス混合体を調合した。 【００２８】チタン基板を脱脂、酸洗滌し、アランダムで平均アラサが２．３〜６．７μｍにブラスト処理したもの及びこれ等を真空中９５０℃で１０分間熱処理して酸化膜を形成したものを作製した。 【００２９】ＨＡＰ−ガラス混合体の錠剤を作製し、９
５０℃〜１０５０℃で焼成した（図２）。 図２は、このＨＡＰ分散ガラス試料の２次電子線像で、（ａ）はＨＡ
Ｐが１０重量％、（ｂ）はＨＡＰが３０重量％、（ｃ）
はＨＡＰが５０重量％、（ｄ）はＨＡＰが７０重量％である。 【００３０】上記と同様にして、ＨＡＰが３０重量％の試料を９００℃で５分間焼成した後、１０％ＨＦで３０
分間ガラスをエッチングせしめることにより、ＨＡＰ微結晶が表面に均一に分散した無数の空孔を有する複合体が得られた（図３）。 図３（ａ）はエッチングした試料表面の２次電子線像で、表面がエッチングされていることがわかる。 同（ｂ）は試料断面におけるエッチング表面近傍の２次電子線像で、エッチング層にＨＡＰの濃縮層が形成されていることがわかる。 同（ｃ）は試料断面における中央部の２次電子線像で、ＨＡＰの分散ガラス層中におけるＨＡＰ凝集体の分布がみられ、ＨＡＰの多い部分が局在していることが明確に認められる。 【００３１】次いで、上記と同様にして、ＨＡＰが３０
重量％の試料を９００℃で３分間焼成した後、１０％Ｈ
Ｆ又は８％ＨＦと１５％ＨＮＯ 3の混合液処理を行い、
ガラスをエッチングせしめることにより、ＨＡＰ微結晶が表面に均一に分散した無数の空孔を有する複合体が得られた（図４）。 図４（ａ）は１０％ＨＦで３分ガラスをエッチングせしめた試料のエッチング表面の２次電子線像、同（ｂ）は８％ＨＦと１５％ＨＮＯ 3の混合液で３分間ガラスをエッチングせしめた試料のエッチング表面の２次電子線像である。 特に図４（ｂ）に明瞭であるように、試料のエッチング表面は、ＨＡＰ濃度が不均一な組織となっているばかりでなく、幅μｍ程度の多くのクラックや数十μｍに及ぶ粒間空孔が無数にみられる凹凸の激しい組織となっている。 このような組織は、骨組織との接合に好ましいものである。 【００３２】３０％ＨＡＰ、５０％ＨＡＰ混合体と比較としてガラス単独とを、９５０℃で溶融した試料のＸ線回折及び示差走査熱量分析曲線（ＤＳＣ）から、本発明で得られるものはＨＡＰとガラスが反応していないことが確認された。 【００３３】 実施例２実施例１と同様にして調合されたＨＡＰを３０，５０，
７０及び９０重量％含有するＨＡＰ−ガラス混合体を用い、Ｔｉ及びＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金棒に第一層にガラス、第二層にＨＡＰ−ガラス混合体を９５０℃５〜１０
分間大気中で焼付コーティングしたものをインプラント材として（４ｍｍφ×２５ｍｍ）、豚の大腿骨に２ヶ月移植した。 【００３４】９５０℃，５分で作製されたガラス−Ｔｉ
複合体では、その界面に明確な中間酸化層の生成が認められなかった。 これら試料の接合強度（引抜法による）
はＴｉ基材の表面アラサに影響され、平均アラサ２．３
μｍの場合に最も大きな値２８５Ｋｇ／ｃｍ 2が得られた。 ＨＡＰ分散ガラス−Ｔｉ複合体の接合強度はＨＡ
Ｐ分散量の増加とともに減少する（たとえば、３０％Ｈ
ＡＰでは約１６０Ｋｇ／ｃｍ 2 ）が、Ｔｉ基材との間にガラスのみの層を媒介させることにより強度を保持しうる。 また、薄い中間酸化層の形成は接合強度の増加をもたらす。 ガラス層を媒介としたＨＡＰ分散−Ｔｉ複合材では、媒介ガラス−ＨＡＰ分散ガラス境界は完全に融合して存在せず、ＨＡＰの分散は均一であった。 １０８０
℃，２０分で焼成したものでは、Ｔｉ−ガラス界面に酸化物の中間層が形成され、その外層に対応する部分でＴ
ｉ 5 Ｓｉ 3の生成がみられた。 ＨＡＰ分散ガラス−Ｔｉ複合材の骨組織との接合は極めて良好であることがわかった。 これを図１，図５に示す（尚、図５においてガラス−Ｔｉ複合体は比較例である。） 図１は、２ヶ月後のＨＡＰ分散ガラス−Ｔｉ複合体と骨界面の２次電子線像で、エネルギー分散Ｘ線分析の結果は、１の部分ではＳｉ、２の部分ではＳｉ＞Ｃａ＞Ｐ、
３の部分ではＣａ＞Ｐ＞Ｓｉ＞Ａｌ、４の部分ではＣａ
＞Ｐ＞（Ｃｌ、Ｓ）であった。 従って、１の部分はガラス層であり、２も部分はガラス層とＨＡＰ分散ガラス層の界面、３の部分はＨＡＰ分散ガラス層と骨との界面、
４の部分は骨であることがわかる。 また、図１から、Ｈ
ＡＰ分散ガラス層と骨組織との界面が全く区別できないほどに両者の結合が強固になっていることがわかる。 【００３５】図５も２ヶ月後の断面の２次電子線像で、
（ａ）はガラス−Ｔｉ複合体を移植したもの、（ｂ）は３０重量％ＨＡＰ分散ガラス−Ｔｉ複合体を移植したものである。 （ａ）においては、ガラス層と皮質骨との間に間隙が認められるのに対し、（ｂ）においては、ＨＡ
Ｐ分散ガラス層とＴｉ基材との接合はそのまま保持され、かつＨＡＰ分散ガラス層と骨組織との接合は界面が区別できないほど両者が直接的に結合していることがわかる。 【００３６】 【発明の効果】本発明により得られる複合体は、金属基材が強度を発現するため、もろさがなくなり、複合体として強靭なものとなり、リン酸カルシウムを主成分とするアパタイトはガラス層によって強固に保持され、しかも表層は無数の空孔を有するとともにリン酸カルシウムを主成分とするアパタイトが露出しているために、この空孔と生体活性のある物質の存在によって生体骨との接合が容易になる。 露出した構造の該アパタイトは溶出が抑制されていて好ましい生体活性を示す。 そして、中間ガラス層により、金属基材との結合強度がより向上するとともに、分散ガラス層中の該アパタイトの含量を広い範囲で変化させることが可能となり、適用範囲の広い生体適合性複合体とすることが可能である。 また、本発明によれば、コーティング、酸によるエッチング等の処理操作によって容易に生体適合性複合体を得ることができ、従来の製法に比較すると、製法の容易さ、形状複雑なものの作製、製造コストの低さ等の面で格段のメリットを有するものである。 【図面の簡単な説明】 【図１】本発明により得られる複合体を豚の大腿骨に２
ヶ月間移植した断面の２次電子線像である。 【図２】本発明により得られる複合体の２次電子線像である。 【図３】本発明により得られる複合体の２次電子線像である。 【図４】本発明により得られる複合体の２次電子線像である。 【図５】本発明により得られる複合体とガラス−Ｔｉ複合体とを豚の大腿骨に２ヶ月間移植した後の生体骨との結合状態を示す２次電子線像である。 |
