[0001] 本发明涉及一种埋入物用材料，特别涉及一种用于与骨组织之间需要具有亲和性的人造牙根、人造牙和人工关节等的材料。

[0002] 人造牙根、人工髋关节、人工膝关节和内固定材等埋入活体内的埋入物在老龄化社会中会更为重要。出于生物相容性、耐腐蚀性和机械强度较优良这一理由，使用钛和钛合金作为埋入物的基材。然而，钛和钛合金不具有与活体骨组织结合的性质，不会与活体骨一体化。因此，由钛或钛合金制成的埋入物基材，在长期埋入活体内后会产生松动或错位。为使埋入物与活体骨组织结合，尝试过用具有生物相容性的材料对埋入物的基材表面进行涂层处理的方法。

[0003] 作为埋入物的涂层用材料最广泛使用的是羟基磷灰石。然而，羟基磷灰石与由钛等形成的基材的紧密接合性较低。因此，已用羟基磷灰石进行了涂层处理的埋入物在稳定性和耐久性方面有问题。

[0004] 还尝试过用类金刚石膜(DLC膜：Diamond-like Carbon Film)作为对埋入物使用的涂层(参照例如专利文献1)。因为DLC膜与由钛等形成的基材的紧密接合性较优良，所以能够形成稳定的涂层。

[0005] 专利文献1：日本公开特许公报特开2002-143185号公报

[0006] (发明要解决的技术问题)

[0007] 然而，以DLC膜作涂层的目的在于减少金属过敏反应。因此，未考虑过DLC膜和活体骨组织产生良好的结合的条件。

[0008] 本发明正是鉴于上述各点而完成的。其目的在于：实现一种埋入物用材料，该埋入物用材料包括本申请发明人发现的、与活体骨组织产生良好的结合的碳质膜，具有优良的稳定性和耐久性，并且与活体骨组织产生良好的结合。

[0009] (用以解决技术问题的技术方案)

[0010] 为达成上述目的，在本发明中使埋入物用材料具有包括碳质膜的结构，在该碳质膜的表面上，构成羧基的碳(羧基碳)的含有率比与氧构成单键的碳的含有率低，并且该碳质膜具有氮原子。

[0011] 具体而言，示例的埋入物用材料包括基材和形成在基材的表面上的碳质膜，碳质膜在该碳质膜的表面上具有碳原子、氧原子和氮原子，碳原子与氧原子键合而构成与氧构成单键的碳和构成羧基的碳，在碳质膜的表面上，氮原子的含有率在8.0原子％以上，与氧构成单键的碳的含有率在5.4％以上，构成羧基的碳的含有率在3.1％以下。

[0012] 示例的埋入物用材料包括碳质膜，该碳质膜的氮原子的含有率在8.0原子％以上，与氧构成单键的碳的含有率在5.4％以上，构成羧基的碳的含有率在3.1％以下。因此，表面具有亲水性，并且具有负电荷的构成羧基的碳较少，因而表面电位未大幅度下降。因此，成骨细胞易于增殖，并且活跃地进行骨形成。

[0013] 优选在示例的埋入物用材料中，构成羧基的碳的含有率除以与氧构成单键的碳的含有率所得到的值在0.6以下。

[0014] 再说，优选构成羧基的碳的含有率除以与氧构成单键的碳的含有率所得到的值再除以氮原子的含有率所得到的值在0.05以下。

[0015] 在示例的埋入物用材料中，基材由金属形成即可。优选在该情况下，基材由钛或钛合金形成。

[0016] 在示例的埋入物用材料中，基材是人造牙根、人造牙、牙冠修复物、人工骨或人工关节即可。

[0017] (发明的效果)

[0018] 根据本发明所涉及的埋入物用材料，能够实现稳定性和耐久性优良并且与活体骨组织产生良好的结合的埋入物用材料。附图说明

[0019] 图1是剖视图，显示一实施方式所涉及的埋入物用材料。

[0020] 图2是在评价时使用的埋入物用材料的一览表。

[0021] 图3是显示各种试样的细胞增殖率的柱状图。

[0022] 图4是显示各种试样的ALP活性的柱状图。

[0023] 图5是显示各种试样的骨钙素产生量的柱状图。

[0024] 图6是曲线图，显示细胞增殖率和与氧构成单键的碳的含有率及构成羧基的碳的含有率之间的关系。

[0025] 图7是曲线图，显示ALP活性和与氧构成单键的碳的含有率及构成羧基的碳的含有率之间的关系。

[0026] 图8是曲线图，显示骨钙素产生量和与氧构成单键的碳的含有率及构成羧基的碳的含有率之间的关系。

[0027] 图9是曲线图，显示细胞增殖率及骨钙素产生量与O-C＝O／C-O之间的关系。

[0028] 图10是曲线图，显示细胞增殖率及骨钙素产生量与(O-C＝O／C-O)／N之间的关系。

[0029] (符号说明)

[0030] 10-基材；20-碳质膜。

[0031] 在本实施方式中，埋入物并不限于人造牙根，也包含人造牙、牙冠修复材料和人造牙修复材料等。埋入物并不限于牙科用器具，也包含埋入活体内的人工骨和人工关节等与骨组织之间需要具有亲和性的器具。

[0032] 碳质膜，是以类金刚石膜(DLC膜)为代表的包括sp2碳碳键(石墨键)和sp3碳碳键(金刚石键)的膜。碳质膜可以是DLC膜等处于非晶状态的膜，也可以是金刚石膜等2 3
处于结晶状态的膜。在通常情况下，碳质膜包括sp 碳氢键和sp 碳氢键，但是碳氢键并不是必不可少的构成要素。在碳质膜中也可以添加有硅(Si)或氟(F)等。

[0033] 图1显示本实施方式所涉及的埋入物用材料的剖面结构。在基材10的表面上形成有膜厚0.005μm～3μm左右的碳质膜20。在碳质膜20的至少表面附近含有氮(N)原子和氧(O)原子。一部分氧原子构成羟基(OH)和羧基(COOH)。可以推测出一部分氮原子构成氨基(NH2)等。

[0034] 若要产生埋入物和骨组织的骨结合(osseointegration)，就需要在埋入物的表面上使成骨细胞增殖，并使该成骨细胞分化而进行骨形成。若要提高治疗的效果，就需要迅速进行成骨细胞的增殖和骨形成。而且，已被埋入的埋入物需要长期稳定地存在于活体内。本申请发明人发现，通过用在至少表面附近具有氮原子和氧原子且一部分氧原子构成羟基和羧基的碳质膜覆盖由金属等形成的基材，则能够满足这些要求。

[0035] 具体而言，本实施方式中的碳质膜具有以下组分即可。氮原子的含有率在8.0原子％左右以上即可，与氧构成单键的碳(C-O)在总碳量中的含有率在5.4％左右以上即可，构成羧基的碳(O-C＝O)在总碳量中的含有率在3.1％左右以下即可。应予说明，氮原子、氧原子和碳原子的含有率按照X射线光电子能谱分析(XPS：X-ray PhotoelectronSpectroscopy)法求出。具体而言，在XPS的宽扫描能谱中，以氮的1s(N1s)峰值的面积、氧的1s(O1s)峰值的面积和碳的1s(C1s)峰值的面积之总和设为100％，以此时的各峰值面积的比率作为各种元素的含有率(原子％)。与氧构成单键的碳在总碳量中的含有率、以及构成羧基的碳在总碳量中的含有率是这样求出的，即：通过曲线拟合将C1s峰值分离为C-C、C＝O、C-O和O-C＝O这些成分时的C-O成分和O-C＝O成分的面积分别除以整个C1s峰值面积，以通过该除法计算求得的值分别作为与氧构成单键的碳在总碳量中的含有率、以及构成羧基的碳在总碳量中的含有率。

[0036] 在本实施方式中的埋入物用材料中，因为用碳质膜覆盖基材的表面，所以不论基材的材质如何，该埋入物用材料都会与骨组织之间具有优良的亲和性。因此，只要满足强度等特性条件，则采用任何材质都可以。例如，可以由钛及钛合金等金属、树脂或者陶瓷等形成基材。本实施方式中的埋入物用材料能够应用于人造牙根、人造牙、人工骨和人工关节等各种需要与骨组织之间具有亲和性的埋入物。

[0037] 本实施方式中的埋入物用材料与活体骨组织之间的亲和性较高，能够使埋入物用材料和活体骨组织牢固地结合起来。因此，通过在由例如钛等形成的人造牙根的基材表面上涂敷形成本实施方式中的碳质膜，再将该涂敷形成有碳质膜的人造牙根埋入颚骨内，则能够使人造牙根和颚骨牢固地结合起来。因为基材表面被碳质膜覆盖，所以还能够防止基材引起金属过敏反应。再加上，按照通常的牙种植方法则能够将涂敷形成有碳质膜的人造牙根埋入颚骨内。在使用基材由钛以外的材料形成的人造牙根以及人造牙根以外的其他埋入物的情况下，也能够得到同样的效果。

[0038] 碳质膜利用化学气相沉积法(CVD法)形成即可。也可以利用溅射法、等离子体基离子注入法、离子电镀法、电弧离子镀法、离子束辅助蒸发法或激光烧蚀法等除了CVD法以外的方法形成碳质膜。

[0039] 在碳质膜的形成过程中或形成后存在于室(chamber)内的氧或水分会成为氧原子被引入碳质膜表面的原因。于是，在需要抑制未受控制的氧原子被引入的情况下，在形成碳质膜时使用高纯度原料气体，再加上经吸附脱水装置等供给原料气体即可。例如，当利用等离子体CVD法时，除去室内的水分即可；当利用溅射法时，让用以生成等离子体的氩气的纯度为99.9999％以上即可。优选在碳质膜的形成完了后，接着在真空中保持一定的时间，来使悬空键稳定化。例如，这样安排即可，即：在碳质膜的形成结束后，在基板温度成为常温后接着将碳质膜放置在真空中，使此时的放置时间为至少10分，优选使该放置时间为60分以上。应予说明，也可以采用包含规定量的氧或水分等的膜形成条件，将氧原子引入碳质膜中；还可以利用悬空键将氧原子引入碳质膜中。

[0040] 为对碳质膜的位于至少表面附近的氮原子和氧原子的含有率进行调节，进行等离子体照射即可。若要将氮原子引入碳质膜中，则向碳质膜照射碱性含氮化合物的等离子体即可。可以使用的碱性含氮化合物有例如氨，除此之外还有例如通式为NR1R2R3的有机胺类(在此，R1、R2和R3为氢、-CH3、-C2H5、-C3H7或-C4H8，R1、R2和R3可以相互相同，也可以各不相同。)或者苄胺及其仲胺、叔胺等。其中，从成本和易操作性的角度来看，优选氨。应予说明，等离子体照射时的室内的极限真空度在0.01Pa左右～500Pa左右即可。也可以使极限-3真空度为5×10 Pa左右，以保证难以受到空气中的氧的影响。

[0041] 若要积极使含在碳质膜中的氧原子增加，则照射氧等离子体或含氧气体的等离子体等即可。也可以照射氨等和含氧气体的混合气体的等离子体；还可以使照射氨等的等离子体时的极限真空度较低。

[0042] 当照射氨气的等离子体时，能够观测到以下倾向，即：等离子体的照射时间越长，照射后的氮原子含有率就越高并且氧原子含有率就越低。还能够观测到以下倾向，即：当产生等离子体时所施加的功率越高，照射后的氮原子含有率就越高并且氧原子含有率就越低。还能够观测到以下倾向，即：所施加的功率越高，照射后的构成羧基的碳的含有率就越高并且与氧构成单键的碳的含有率就越低。

[0043] 使用任何结构的等离子体照射装置都可以。利用任何放电方式都可以，利用例如平行板(parallel-plate)放电、余辉(afterglow)放电、电磁感应式放电、有效磁场(effective magnetic field)式放电等即可。等离子体照射条件并不受特别的限制。例如，作为用以产生等离子体的电源可以使用商用频率(50Hz或60Hz)、高频(射频)或微波区域等各种电源频率。再说，原料气体的压力控制方法和供给结构也并不受特别的限制。但是，若采用蚀刻速率太高的等离子体照射条件，就有可能损伤碳质膜。

[0044] 碳质膜的厚度并不受特别的限制，但优选该厚度在0.005μm～3μm的范围内，进一步优选在0.01μm～1μm的范围内。

[0045] 碳质膜能够直接形成在基材表面上，但也可以在基材和碳质薄膜之间还设置中间层，以让基材和碳质薄膜更为牢固地接合在一起。可以视基材的种类由各种材质形成中间层，可以用由硅(Si)和碳(C)、钛(Ti)和碳(C)或者铬(Cr)和碳(C)构成的非晶膜等已知材质形成中间层。该中间膜的厚度并不受特别的限制，但优选该厚度在0.005μm～0.3μm的范围内，进一步优选在0.01μm～0.1μm的范围内。中间层通过利用例如溅射法、CVD法、等离子体CVD法、热喷涂法、离子电镀法或电弧离子镀法等来形成即可。

[0046] 下面，用实施例对本实施方式中的埋入物用材料加以更为详细的说明。

[0047] (实施例)

[0048] 碳质膜的形成

[0049] 在由玻璃形成的基材表面上形成由DLC膜形成的碳质膜。在对细胞进行评价时使3
用直径15mm的基材。DLC膜利用化学气相沉积(CVD)法形成。具体而言，以流量5sccm(cm ／分、1个大气压、0℃)将C2H2引入放置有基材的室内，使压力成为3Pa(35mTorr)，再向射频(RF)电极施加100W左右的射频功率。

[0050] 氧原子和氮原子的引入

[0051] 为进一步将官能团引入碳质膜中而进行等离子体照射。等离子体的照射使用平行板式等离子体照射装置进行。将通过以上工序得到的基材放置在等离子体照射装置的室-3内，然后进行排气，直到室内压力降到5×10 Pa以下时为止。接着，以规定流量将氨引入室内，向平行板电极之间施加5W～50W左右的射频功率，由此产生等离子体。气体流量的调节使用质量流量控制器进行，使等离子体照射时的室内压力为20Pa。用经匹配箱连接的射频电源施加射频电。通过改变射频电的施加时间和电力量，来得到氮原子和氧原子的引入量各不相同的多种试样。

[0052] 对官能团存在比的评价

[0053] 按照X射线光电子能谱分析(XPS)法进行测量，根据测量结果对碳质膜中的官能团的存在比进行评价。使用铝Kα射线作为X射线源，使加速电压为14.0KV，使阳极电力为25W，使能量分辨率(通能)为23.5eV。使X射线的入射角度为45°，对从表面到大约7nm深处的部分的状态进行测量。

[0054] 以在XPS的宽扫描测量中得到的、N1s峰值的面积与C1s峰值、O1s峰值及N1s峰值的面积之总和的比率(N1s／(C1s+O1s+N1s))作为氮原子的含有率。虽然不清楚存在于碳质膜表面上的氮原子处于什么样的状态，但是可以推测为上述氮原子已构成氨基和酰胺基等含有氮的官能团(含氮官能团)。以在XPS测量中得到的、O1s峰值的面积与C1s峰值、O1s峰值及N1s峰值的面积之总和的比率(O1s／(C1s+O1s+N1s))作为氧原子的含有率。应予说明，在XPS测量中，根据峰值面积的比率求出的含有率的单位为原子％。

[0055] 可以推测为氧原子在碳质膜的表面上构成各种官能团。因此，通过曲线拟合将C1s峰值分离为C-O键(与氧构成单键的碳)成分、O-C＝O键(构成羧基的碳)成分、C＝O键(构成羰基的碳)成分以及其他成分。以通过曲线拟合求出的C-O键成分的面积与C1s峰值的总面积的比率作为与氧构成单键的碳在总碳量中的含有率(C-O／C)。以O-C＝O键成分的面积与C1s峰值的总面积的比率作为构成羧基的碳在总碳量中的含有率(O-C＝O／C)。可以推测为C-O键成分不仅含有羟基，也会含有醚键等。可以推测为O-C＝O键成分不仅含有羧基，也会含有酯键等。

[0056] 对细胞增殖率的评价

[0057] 将已在表面上涂敷形成有碳质膜且已灭菌的试样布置在24孔培养板的各个孔4
内，再接种5×10 个人成骨样细胞系MG63细胞(以下称其为MG63细胞。)，然后培养72小时。用10％胎牛血清添加D-MEM(Dulbecco's Modified Eagle Medium)作为培养基。使培养温度为37℃，在5％二氧化碳气体环境下进行培养。培养后除去悬浮细胞，用利用吸光光度法测量的市售细胞数测量用成套品(同仁科学研究所：CellCounting Kit-8(CCK-8试剂盒))求出对应于细胞数的吸光度。以已在塑料培养孔上直接接种并培养的系统作为对照物，以试样的吸光度与对照物的吸光度的比率作为细胞增殖率。

[0058] 对细胞分化的评价

[0059] 将已在表面上涂敷形成有碳质膜且已灭菌的试样布置在24孔培养板的各个孔4
内，再接种5×10 个MG63细胞，然后培养72小时。用已将谷氨酰胺添加1％的10％胎牛血清添加D-MEM作为培养基。使培养温度为37℃，在5％二氧化碳气体环境下进行培养。之后，向各个孔内作为分化诱导剂添加地塞米松和抗坏血酸，再培养48小时。之后，除去培养基，用HBSS(Hanks′balanced salt solution：汉克斯平衡盐溶液)将各个孔清洗3次，用市售哺乳动物细胞用蛋白质提取试剂(M-PER：Mammalian Protein Extraction Reagent)使细胞溶解，来得到细胞溶解液。

[0060] 对得到的细胞溶解液求出总蛋白量、碱性磷酸酶(ALP)活性及骨钙素产生量。在测量总蛋白量时使用利用二喹啉甲酸法测量的市售蛋白定量成套品(Thermo Fisher TM
Scientific(赛默飞世尔科技)公司：Micro BCA Protein Assay Kit(微量BCA蛋白定量试剂盒))。在测量ALP活性时使用市售ALP活性测量用成套品(和光纯药工业株式会社：
TM
LabAssay ALP)。在测量骨钙素产生量时使用利用酶联免疫吸附试验法(ELISA)测量的市售骨钙素测量用成套品。以已在未放置有在表面上涂敷形成有碳质膜的试样的孔内直接接种并培养的系统作为对照物，对该对照物和碳质膜试样的系统进行比较。

[0061] 评价结果

[0062] 改变等离子体照射时的射频功率和等离子体照射时间，由此获得了在图2中所示的A1～A5五种试样。观测到了下述倾向，即：向电极施加的射频电越大或者照射时间越长，氮原子引入量就越大并且氧原子引入量越小。就含氧官能团而言，观测到了下述倾向，即：射频电越大，构成羧基的碳的量就越高并且与氧构成单键的碳的量就越小。

[0063] 图3显示各种试样的MG63细胞的增殖率。在任一试样中，细胞增殖率都在90％以上，明显得知本次获得的试样都具有与对照物基本相同的细胞增殖性。特别是试样A2和试样A3的细胞增殖率在100％以上，表现出比对照物优良的细胞增殖性。

[0064] 图4显示各种试样的ALP活性。在图4中，纵轴表示已用含在细胞溶解液中的总蛋白量归一化的ALP活性。ALP是具有对磷酸酯进行水解的功能的酶。众所周知，ALP的活性在成骨细胞分化而进行骨形成时上升。在任一试样中都观测到了较高的ALP活性。任一试样都表现出了比对照物高的ALP活性，这显示本次获得的各种试样促进骨形成的效果较高。

[0065] 图5显示各种试样的骨钙素产生量。在图5中，纵轴表示已用含在细胞溶解液中的总蛋白量归一化的骨钙素产生量。据推测，骨钙素参与骨的代谢更新。一般认为，在骨形成被促进的状态下，骨钙素产生量比较多。在本次获得的任一试样中都产生了骨钙素。特别是试样A2的骨钙素产生量比对照物多。本次获得的任一试样都具有促进骨形成的效果，其中试样A2促进骨形成的效果特别明显。

[0066] 图6显示在图上相对于构成羧基的碳的含有率及与氧构成单键的碳的含有率标示(plot)出了细胞增殖率的结果。如图6所示，除了以点“●”(黑圆)和点“▲”(黑三角)示出的试样A1以外，都观测到了下述倾向，即：构成羧基的碳的含有率越低，细胞增殖率就越高；与氧构成单键的碳的含有率越高，细胞增殖率就越高。图7显示同样地标示出了ALP活性的结果；图8显示同样地标示出了骨钙素产生量的结果。就ALP活性和骨钙素产生量而言，也除了试样A1以外都观测到了下述倾向，即：构成羧基的碳的含有率越低，ALP活性和骨钙素产生量就越高；与氧构成单键的碳的含有率越高，ALP活性和骨钙素产生量就越高。

[0067] 可以推测，若表面上的构成羧基的碳和与氧构成单键的碳的含有率上升，碳质膜表面的亲水性就会增高。然而，可以推测，若构成羧基的碳的含有率上升，负电荷就会增多，碳质膜的表面电位会成为绝对值较大的负值。另一方面，可以推测，与构成羧基的碳相比与氧构成单键的碳对碳质膜的表面电位产生的影响更小。众所周知，材料表面的亲水性和表面电位影响到细胞在材料表面上的增殖和分化。因此，可以认为，为了成骨细胞的增殖和分化优选的是下述碳质膜，即：存在很多亲水性官能团，并且使负电荷增大的羧基的含有率较低的碳质膜。如图2所示，试样A1的氮原子含量较少。因此，可以推测为在碳质膜表面上几乎未形成氨基。可以推测，羧基所带来的负电荷的效果由此比其他试样还明显，使得与成骨细胞的增殖和分化有关的值较低。

[0068] 由以上结果可知，若要获得适于成骨细胞的增殖和分化的碳质膜，就让该碳质膜表面附近的与氧构成单键的碳的含有率在5.4％左右以上，使构成羧基的碳的含有率在3.1％左右以下，并使氮原子的含有率在8.0原子％左右以上即可。虽然可以认为构成羧基的碳的含有率越低越好，但是在将与氧构成单键的碳引入碳质膜表面时，一定量的构成羧基的碳不得不被引入碳质膜中，因而可以推测，构成羧基的碳的含有率下限值在1.0％～
2.0％左右。虽然可以认为与氧构成单键的碳的含有率越高越好，但是若氧原子引入量太大，氮原子引入量就有可能减少，因而进一步优选的是使与氧构成单键的碳的含有率在
8.5％左右以下。可以推测，氮原子的含有率即使很高也不会成为问题。但是，根据通过实验得到的数据，得知能够引入碳质膜表面的氮原子量有上限，可以推测为该上限在15原子％～20原子％左右。

[0069] 图9显示在图上相对于构成羧基的碳的含有率(O-C＝O/C)和与氧构成单键的碳的含有率(C-O／C)之比率(O-C＝O/C-O)标示出了骨钙素产生量和细胞增殖率的结果。当与氧构成单键的碳的含有率在5.4％以上、构成羧基的碳的含有率在3.1％以下且氮的含有率在8.0原子％以上时，观测到了下述倾向，即：O-C＝O/C-O越小，细胞增殖率和骨钙素产生量就越高。应予说明，对ALP活性也观测到了同样的倾向。通过使O-C＝O/C-O约在0.6以下，则能够使细胞增殖率在100％以上。而且，通过使O-C＝O/C-O约在0.4以下，则能够使骨钙素产生量比对照物高。可以推测为O-C＝O/C-O越小越好，但是在将与氧构成单键的碳引入碳质膜表面时，构成羧基的碳也不得不被引入该碳质膜表面，所以可以推测为O-C＝O/C-O的下限值为0.1左右。

[0070] 图10显示在图上相对于已用氮原子的含有率归一化的构成羧基的碳的含有率和与氧构成单键的碳的含有率之比率((O-C＝O/C-O)／N)标示出了细胞增殖率和骨钙素产生量的结果。可以观测到下述倾向，即：(O-C＝O/C-O)／N越小，细胞增殖率和骨钙素产生量就越高。应予说明，对ALP活性也观测到了同样的倾向。通过使(O-C＝O/C-O)／N约在0.05以下，则能够使细胞增殖率在100％以上。而且，通过使(O-C＝O/C-O)／N约在0.04以下，则能够使骨钙素产生量比对照物高。可以推测为(O-C＝O/C-O)／N越小越好，但是因为O-C＝O／C-O的下限约为0.1，并且氮原子的含有率的上限在15原子％～20原子％，所以可以推测为(O-C＝O/C-O)／N的下限值在0.007～0.005左右。

[0071] 产业实用性

[0072] 本发明所涉及的埋入物用材料，能够实现与活体骨组织产生良好的结合、并且长期具有稳定性和优良的耐久性的埋入物，特别是作为用于与骨组织之间需要具有亲和性的人造牙根、人造牙和人工关节等的材料很有用。