本発明は、医療機器として、検査・処理装置等として用いられるガイドワイヤー、カテーテル、ステントや、歯科用器材として、歯列矯正ワイヤー、インプラント等に適用される生体材料の防食方法に関する。
近年、Ｎｉ−Ｔｉ合金に代表される形状記憶合金の機能を利用した医療器材への応用が注目されている。 このＮｉ−Ｔｉ合金の医療での用途範囲は、ガイドワイヤー、カテーテルやステントへと広がりつつある。 また、歯科用器材として、インプラント用途が注目されている。
上記した金属をはじめとして、歯科用を含む医療用器材に用いられる金属は、生体内に挿入、或いは、装着されるために、必然的に防食性と生体適合性が求められる。 前記防食性を基材に付与する方法として、非特許文献１には、Ｎｉ−Ｔｉ合金基材にＴｉを溶射し、Ｔｉ溶射層を高分子材料で被覆する防食方法が開示されている。
この文献には、Ｔｉをプラズマ溶射しただけでは、Ｔｉ粒界を通じて生理食塩水により基材であるＮｉ−Ｔｉが孔食を起こすため、四塩化炭素、或いは、アセトンなどの溶剤にシリコン樹脂、二液型のエポキシ樹脂、シアノアクリル樹脂を溶かしたものや、ポリアミド系樹脂を溶融させたものをＴｉ粒界へ含浸させ封入することが開示されている。
しかしながら、開示されるものでは、防食性と生体親和性の両者を満足しておらず、孔食に関しては、特にＮｉの溶出が問題であった。
また、防食を目的としたものとして、特許文献１には、Ｎｉ−Ｔｉ基材にＴｉを溶射し、その上層を高分子樹脂で被覆することが開示されている。
しかしながら、特許文献１に開示されるような含浸という湿式での従来の高分子樹脂の被覆方法では、溶剤などの生体に対して毒性を有する材料の基材（Ｔｉ溶射された）への残留を防ぐことが困難であった。 J.technology and Education,Vol.11,No.1,pp.1-8,2004
特開２００３−１９３２１６号公報
本発明は、前記従来技術の問題点を解消し、生体材料用途へのＮｉ−Ｔｉ合金の適用を実用化するために、生体親和性を兼ね備える防食方法を見出すことを課題とする。
本発明者等は前記課題を解決するべく鋭意検討の結果、例えば、金属基材の表面に防食用に形成された金属溶射層の表面に細孔部等が形成されているような場合であっても、蒸着重合によって前記細孔部の奥部表面にもポリイミド被膜が形成され、この形成されたポリイミド被膜が防食性と生体親和性を兼ね備えることを知見した。
本発明はかかる知見に基づきなされたもので、本発明の防食方法は、請求項１記載の通り、生体材料に用いられる金属基材の防食方法において、前記金属基材に蒸着重合によりポリイミド被膜を形成することを特徴とする。
また、請求項２記載の防食方法は、請求項１記載の防食方法において、前記金属基材の表面に金属溶射層を形成した後、蒸着重合によりポリイミド被膜を形成することを特徴とする。
また、請求項３記載の防食方法は、請求項１又は２記載の防食方法において、前記金属基材が形状記憶合金であることを特徴とする。
また、請求項４記載の防食方法は、請求項２又は３に記載の防食方法において、前記金属溶射層がＴｉであることを特徴とする。
また、本発明の生体材料は、請求項５記載の通り、請求項１乃至４のいずれかに記載の防食方法により作製されたことを特徴とする。
本発明によれば、生体材料用途として活用されるＮｉ−Ｔｉ形状記憶合金等に対して、蒸着重合によってポリイミド被膜を形成することで、このような金属基材に生体内における防食性を付与するとともに、生体親和性を兼ね備えさせることを可能とする。
本発明の防食方法は、生体材料に用いられる金属基材の防食方法において、前記金属基材に蒸着重合によってポリイミド被膜を形成するようにしたものであり、例えば、真空槽等の処理室内に、金属基材を所定の温度に加熱した状態で、原料モノマーガスを導入し、金属基材の全表面にて重合反応を生じさせて、ポリイミド被膜を形成するものである。
前記金属基材としては、Ｎｉ−Ｔｉ形状記憶合金をはじめ、Ｎｉ−Ｔｉ系に数％以下のＣｒ、Ｆｅ、Ｖ、Ｃｏ等を添加した形状記憶合金、Ｎｉ−Ｔｉ−Ｎｂ系、Ｃｕ−Ｚｎ−Ａｌ系やＦｅ−Ｍｎ−Ｓｉ系の形状記憶合金等が挙げられる。 尚、前記金属基材は、形状記憶合金に限定されるものではなく、ステンレス、アルミニウムやアルミニウム合金、鉄や銅、金や銀等の貴金属でもよい。
また、前記蒸着重合によるポリイミド被膜は、金属基材の表面に直接形成するようにしてもよいが、金属基材の表面に防食用に形成された金属溶射層に形成するようにしてもよい。 このように、金属溶射層を形成する場合は、細孔が形成されるが、細孔部の奥部表面においても蒸着重合によりポリイミド被覆が形成されるため、最表面層が摩耗しても基材に連通する細孔部表面は良好な状態が保持されたままであるため、特に優れた、防食性と生体適合性とを実現することができる。
前記ポリイミド被膜の蒸着重合については、原料モノマー、蒸着条件など、従来のポリイミドの蒸着重合と特に変わるところはなく、原料モノマーとして、例えば、無水ピロメリト酸（ＰＭＤＡ）と、４，４'−オキシジアニリン（ＯＤＡ）の組み合わせ、或いは、ＰＭＤＡと３，５'−ジアミノ安息香酸（ＤＢＡ）の組み合わせ等、特に限定されるものではない。
また、形成されるポリイミド被膜の厚みは、１μｍ以上の範囲で適用可能である。 これは、１μｍ未満であると、防食性能が不足することによる。 尚、産業用途上は、コスト面を考慮して１〜１０μｍの範囲とすることが好ましい。
また、Ｔｉ溶射層を形成する場合は、Ｔｉ溶射層の厚みは１〜３００μｍの範囲で適用可能である。 これは、１μｍ未満であると、防食性能が不足し、３００μｍを越えると、逆に基材の腐食を助長してしまうことによる。
次に、本発明の一実施例について説明する。
図１は、本実施例において使用する蒸着重合装置を示すもので、図中１で示される蒸着重合装置は、真空排気系２に連通される処理室３内に、防食処理を施す金属基材１０を保持治具４で保持するとともに、外周にヒーター５を配設して所定温度に加熱自在とした２個の加熱容器６のモノマー導入口７を前記処理室３に連通させ、一方の加熱容器６に無水ピロメリト酸（ＰＭＤＡ）、他方の加熱容器６に４，４'−オキシジアニリン（ＯＤＡ）を収容し、処理室３内に無水ピロメリト酸（ＰＭＤＡ）蒸気ガスと、４，４'−オキシジアニリン（ＯＤＡ）蒸気ガスを導入するようにして、これら蒸気ガスを前記金属基材１０の表面で反応させてポリイミド被膜を形成できるように構成したものである。
次に、前記蒸着重合装置１を用いた防食方法の一例につき、その詳細を説明する。
防食処理の被処理物として、Ｎｉ含有量が５０ａｔ． ％のＮｉ−Ｔｉ合金からなる直径３ｍｍ、長さ５０ｍｍの棒状体の一端を円錐形とした金属基材１０を用いた。
この金属基材１０の表面をブラスト処理した後に、粒径が５〜２０μｍのＴｉ粒子をプラズマ溶射して厚み１２０μｍのＴｉ溶射層を形成した。 尚、前記ブラスト処理は、金属基材１０とＴｉ溶射層の密着性向上を目的として行ったものである。
次に、Ｔｉ溶射層を形成された金属基材１０を処理室３内に保持治具４で保持し、処理室３内を１×１０ -2 Ｐａ以下まで真空排気後、図略のヒーターで金属基材１０を加熱して温度２００℃とし、ヒーター５で２１０℃に加熱した加熱容器６から無水ピロメリト酸（ＰＭＤＡ）蒸気ガスを、また、ヒーター５で１９０℃に加熱した加熱容器６から４，４'−オキシジアニリン（ＯＤＡ）蒸気ガスをモノマー導入口７，７を介して導入し、成膜圧力を１０Ｐａとして、１２分間、蒸着重合反応を金属基材１０の表面にて生じさせ、厚さ２μｍのポリイミド被膜をＴｉ溶射層上に形成した。 その後、３００℃にて加熱してイミド安定化を行った。
作製した試料の断面を電子顕微鏡で観察したところ、Ｔｉ溶射層表面のＴｉ粒界において、Ｔｉ粒子表面がポリイミド被膜で被覆されていることを確認した。
尚、上記実施例において成膜圧力を１０Ｐａとしたが、ポリイミド被覆形成の成膜圧力は、１〜１００Ｐａの範囲で行うことができる。 次に、上記実施例の試料の防食評価をするために、生理食塩水中における電位スイープ法による分極試験を行った。
分極は、浸漬電位より０．３５Ｖ卑な電位から先ずアノード方向へ行い、電流が上昇して３桁程に達したところで分極方向を反転させて、電流がゼロとなる電位（不動態化電位）まで分極した。 電位スイープ速度は２．１ｍＶ／ｓｅｃ． とした。 対極はＰｔ、照合極にはＡｇ−ＡｇＣｌを用いた。 液温は４０℃に保ち、純窒素ガスで脱気した。
この分極試験の結果を図２に示す。 図中白丸で示すのは、電位スイープの往路であり、黒丸は電位スイープの復路である。 図２から、ポリイミド被膜を形成した実施例では、分極反転によるヒステリシスが見られず、Ｎｉ溶出を意味する基材の孔食が防止されていることが分かる。 （比較例１）
また、実施例と比較するために、実施例と同様なＴｉ溶射層のみを形成したサンプルを作製し、同様にして分極試験を行った結果を図２に示した。 図中白三角は、電位スイープの往路であり、黒三角は、電位スイープの復路である。 図２において、比較例１は、分極反転によるヒステリシスが生じていることが分かり、基材の孔食があったことが分かる。 次に、試料の生体親和性を確認するために、河川土壌に生息する繊毛虫を用いた毒性評価試験（須藤隆一「環境微生物実験法」講談社ｐ８６）を行った。
使用した培地は、Cereal Leaves(Sigma)培地で、０．２％のCereal Leavesを５分間沸騰させた濾液である。 ５０ｍｌの三角フラスコに試料を入れ、３０ｍｌの培地に浸した。 その中に繊毛虫を入れ、２５℃の空気中で培養した。 一定時間間隔で毎回マイクロピペットにより１０μｌ量サンプリングし、スライドグラスに載せて顕微鏡で死滅していない繊毛虫の数をカウントした。 実施例との比較を行うために、以下の比較例２及び３を作製した。
（比較例２）
実施例にて使用の金属基材に、実施例と同様なＴｉ溶射層を形成し、湿式法にて厚さ２μｍのポリイミド被膜を形成した。 より具体的には、溶剤を用いないホットメルト接着剤タイプのポリイミド樹脂を加熱して溶融させ金属基材を５分以上含浸させた後、金属基材を引き上げてポリイミド樹脂を固化させた。 （比較例３）
実施例にて使用の金属基材に、実施例と同様なＴｉ溶射層を形成し、湿式法にて厚さ２μｍのエポキシ被膜を形成した。 より具体的には、溶剤で希釈した二液型エポキシ樹脂に金属基材を５分以上含浸させた後、金属基材を引き上げてエポキシ樹脂を加熱固化させた。 上記実施例、比較例２及び３の試験結果を図３に示す。 図３において、“イニシャル”は、試料を浸していない培地における繊毛虫の増殖数の変化を示している。 実施例の試料が培地に浸されていても繊毛虫の増殖は同等であり、実施例により作製されたポリイミド被膜が無毒であることが示されている。 ここにポリイミド被膜が生体親和性を有しつつ、防食性を兼ね備えていることが確認された。 毒性評価に用いられたＮｉ−Ｔｉ基材は、Ｔｉ溶射層／ポリイミド被覆層構成であるが、Ｔｉ溶射層がないＮｉ−Ｔｉ基材に直接ポリイミド被膜を形成した試料についても同様に無毒であることはいうまでもない。
また、比較例２は、評価試験開始後１日以内に繊毛虫が全て死滅する結果となっており、生体親和性がないことがわかった。
また、比較例３も、評価試験開始後１日以内に繊毛虫が全て死滅する結果となり、生体親和性がないことが分かった。
本発明の防食方法は、Ｎｉ−Ｔｉ系合金などの形状記憶合金基材に防食の効果を付与するとともに、生体親和性を兼ね備えるために、生体材料への適用の可能性がある。 また、細孔部を有するＴｉ溶射層を備えた金属基材に対する効果が明らかとなった本発明のポリイミド被覆形成工程は、Ｓｉなどの基板上に微細加工技術により構築されるＭＥＭＳ（micro electromechanical systems）やバイオセンサー回路、マイクロ検査システムで生体内用途等に供されるマイクロ機器に使用される金属被膜などの防食目的にも適用できる可能性がある。
本発明の防食方法を実施するための蒸着重合装置の概略図 防食評価をするための、生理食塩水中における電位スイープ法による分極試験の結果を示すグラフ 生体親和性を確認するための、河川土壌に生息する繊毛虫を用いた毒性評価試験を示すグラフ 符号の説明 １ 蒸着重合装置 ２ 真空排気系 ３ 処理室 ４ 保持治具 ５ ヒーター ６ 加熱容器 ７ モノマー導入口 １０ 金属基材 |
