| 【発明の名称】 |
生体内埋込材料とその製造方法 |
| 【発明者】 |
【氏名】淺岡 憲三
【氏名】今 政幸
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| 【要約】 |
【課題】機械的強度を保持しながら、生体親和性と無毒性を理想的な状態に改善する。
【解決手段】生体内埋込材料は、金属粉末２を、無数の微細な空隙３があり、かつ無数の微細な空隙３を表面に連通させる多孔質状態に焼結してなる金属焼結体１である。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 金属粉末(2)を、無数の微細な空隙(3)があり、かつ無数の微細な空隙(3)を表面に連通させる多孔質状態に焼結してなる金属焼結体(1)である生体内埋込材料。
【請求項２】 金属粉末(2)が、チタン、チタン合金、ジルコニウム、ジルコニウム合金のいずれかである請求項１に記載される生体内埋込材料。
【請求項３】 金属焼結体(1)の気孔率が５〜６０％である請求項１に記載される生体内埋込材料。
【請求項４】 金属焼結体(1)が、空隙表面にカルシウムを付着している請求項１に記載される生体内埋込材料。
【請求項５】 金属焼結体(1)がチタン又はチタン合金の焼結体で、この金属焼結体(1)が空隙表面にカルシウムとチタンの化合物（又は合金）を付着している請求項１に記載される生体内埋込材料。
【請求項６】 金属焼結体(1)が、空隙表面にリン酸カルシウムを付着している請求項１に記載される生体内埋込材料。
【請求項７】 金属焼結体(1)が、空隙表面にアパタイトを付着している請求項１に記載される生体内埋込材料。
【請求項８】 焼結されたチタン又はチタン合金が、空隙表面にアルカリ金属とアルカリ土類金属元素の少なくともひとつを付着している請求項１に記載される生体内埋込材料。
【請求項９】 金属焼結体(1)が、空隙表面にリン酸カルシウムとタンパク質を付着している請求項１に記載される生体内埋込材料。
【請求項１０】 金属焼結体(1)が、空隙表面にリン酸カルシウムとタンパク質と医療用薬剤とを付着している請求項９に記載される生体内埋込材料。
【請求項１１】 金属焼結体(1)が人工歯根である請求項１に記載される生体内埋込材料。
【請求項１２】 金属焼結体(1)が生体内埋込用薬物徐放材料である請求項１に記載される生体内埋込材料。
【請求項１３】 金属焼結体(1)が医薬品実験装置材料である請求項１に記載される生体内埋込材料。
【請求項１４】 金属粉末(2)を、無数の微細な空隙(3)があり、かつ無数の微細な空隙(3)を表面に連通させる多孔質状態に焼結して金属焼結体(1)とすることを特徴とする生体内埋込材料の製造方法。
【請求項１５】 金属粉末(2)を放電プラズマ焼結法で焼結する請求項１４に記載される生体内埋込材料の製造方法。
【請求項１６】 金属粉末(2)に、チタン、チタン合金、ジルコニウム、ジルコニウム合金のいずれかを使用する請求項１４に記載される生体内埋込材料の製造方法。
【請求項１７】 表面にカルシウムを付着している金属粉末(2)を焼結する請求項１４に記載される生体内埋込材料の製造方法。
【請求項１８】 金属粉末(2)とカルシウムを含む粉末とを混合して焼結する請求項１４に記載される生体内埋込材料の製造方法。
【請求項１９】 焼結した金属焼結体(1)の空隙(3)にカルシウムを含浸させる請求項１４に記載される生体内埋込材料の製造方法。
【請求項２０】 焼結する金属粉末(2)に平均粒径が０．０１〜５ｍｍであるものを使用する請求項１４に記載される生体内埋込材料の製造方法。
【請求項２１】 焼結した金属焼結体(1)の空隙(3)にリン酸カルシウムを付着させる請求項１４に記載される生体内埋込材料の製造方法。
【請求項２２】 焼結した金属焼結体(1)の空隙(3)にアパタイトを付着させる請求項１４に記載される生体内埋込材料の製造方法。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、生体内に埋め込まれる材料に関する。
【０００２】
【従来の技術】生体内埋込材料は、金属やセラミックで製作される。セラミック製の埋込材料は、生体との親和性が充分あるが、脆くて充分な強度とするのに難しい欠点がある。このような欠点を解消するために、金属製の埋込材料が開発されている。金属製の埋込材料としてステンレス、コバルト合金、チタン、チタン合金が使用される。これ等の金属製の埋込材料は、セラミックよりも強靭な物性を有する。また、チタンやチタン合金は、セラミックやステンレスに比較すると生体に対する親和性も優れている。チタン等の金属製埋込材料は、生体とのなじみをさらに改善するために、表面に、物理的あるいは化学的方法で凹凸を設ける技術が開発されている。さらに、凹凸のある表面に物理、あるいは化学的な方法で、アパタイト層を付与するなど表面処理をする技術も開発されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】金属表面のアパタイト層は、生体内での親和性を改善する。ただ、この構造の生体内埋込材料は、金属とは異なる組成のアパタイト層を金属表面にしっかりと付着するのが難しい。このため、生体内に埋め込みした状態で、アパタイト層が金属表面から剥離しやすい欠点がある。
【０００４】生体内埋込材料には、機械的強度と生体親和性と無毒性が特に重要な物性として要求される。これ等の物性をより好ましい状態で満足する埋込材料として、チタン又はチタン合金が使用される。ただ、チタン又はチタン合金製の埋込材料も理想的なものでは決してない。とくに、生体親和性が充分でなく、生体内に埋め込みして生体と一体になるまでに相当に時間がかかる。たとえば、人工歯を固定するための生体内埋込材料として、顎骨に埋め込まれるチタン製の人工歯根インプラントが使用される。このインプラントは、骨に埋め込みされた後、骨と一体に結合するまでに約３〜６カ月かかる。このため、インプラントを生体内に埋め込みして３カ月後に、インプラントに人工歯を固定する必要がある。インプラントは、生体親和性を改善して一体化される期間を短縮できる。したがって、インプラントを埋め込みした後、できる限り短い期間で人工歯を固定するためには、埋込材料の生体親和性を改善することが大切である。歯科材料に限らず、生体に埋め込まれる埋込材料は、生体との親和性をより改善して、速やかに生体と一体化させることが大切である。
【０００５】本発明は、このことを実現することを目的に開発されたものである。本発明の重要な目的は、機械的強度を保持しながら、生体親和性と無毒性を理想的な状態に改善できる生体内埋込材料とその製造方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明の生体内埋込材料は、金属粉末２を、無数の微細な空隙３があり、かつ無数の微細な空隙３を表面に連通させる多孔質状態に焼結してなる金属焼結体１である。
【０００７】金属粉末２は、チタン、チタン合金、ジルコニウム、ジルコニウム合金のいずれかとすることができる。金属焼結体１の気孔率は、５〜６０％とすることができる。
【０００８】金属焼結体１は、空隙表面にカルシウムを付着することができる。金属焼結体１は、チタン又はチタン合金の焼結体として、空隙表面にカルシウムとチタンの化合物（又は合金）を付着することができる。金属焼結体１は、空隙表面にリン酸カルシウム、あるいはアパタイトを付着することもできる。
【０００９】焼結されたチタン又はチタン合金は、空隙表面にアルカリ金属とアルカリ土類金属元素の少なくともひとつを付着することができる。金属焼結体１は、空隙表面にリン酸カルシウムとタンパク質を付着することができる。さらに、金属焼結体１は、空隙表面にリン酸カルシウムとタンパク質と医療用薬剤とを付着することができる。
【００１０】金属焼結体１は、人工歯根とすることができる。金属焼結体１は、生体内埋込用薬物徐放材料とすることができる。金属焼結体１は、医薬品実験装置材料とすることができる。
【００１１】本発明の生体内埋込材料の製造方法は、金属粉末２を、無数の微細な空隙３があり、かつ無数の微細な空隙３を表面に連通させる多孔質状態に焼結して金属焼結体１とする。
【００１２】本発明の製造方法は、金属粉末２を放電プラズマ焼結法で焼結することができる。金属粉末２には、チタン、チタン合金、ジルコニウム、ジルコニウム合金のいずれかを使用することができる。
【００１３】本発明の製造方法は、表面にカルシウムを付着している金属粉末２を焼結することができる。金属粉末２とカルシウムを含む粉末とを混合して焼結することもできる。さらに、本発明の製造方法は、焼結した金属焼結体１の空隙３に、カルシウムを含浸させることができる。
【００１４】焼結する金属粉末２は、平均粒径が０．０１〜５ｍｍであるものを使用することができる。さらに、本発明の製造方法は、焼結した金属焼結体１の空隙３に、リン酸カルシウム、あるいはアパタイトを付着させることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施例は、本発明の技術思想を具体化するための生体内埋込材料とその製造方法を例示するものであって、本発明は生体内埋込材料とその製造方法を下記のものに特定しない。
【００１６】さらに、この明細書は、特許請求の範囲を理解し易いように、実施例に示される部材に対応する番号を、「特許請求の範囲の欄」、および「課題を解決するための手段の欄」に示される部材に付記している。ただ、特許請求の範囲に示される部材を、実施例の部材に特定するものでは決してない。
【００１７】図１の拡大図に示す生体内埋込材料は、金属粉末２を、無数の微細な空隙３があり、かつ無数の微細な空隙３を表面に連通させる多孔質状態に焼結している金属焼結体１である。金属粉末２は、チタン、チタン合金、ジルコニウム、ジルコニウム合金のいずれかである。とくに、金属粉末をチタン又はチタン合金とする金属焼結体の生体内埋込材料は、極めて優れた生体親和性を有する。チタンまたはチタン合金は、ｃｐ−ＴｉまたはＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金である。
【００１８】金属粉末２は、放電プラズマ焼結法で焼結される。放電プラズマ焼結法は、低い加熱温度で金属粉末２の接点を速やかに効率よく焼結できる。ただ、金属粉末２の焼結方法は、無数の空隙３があって、この空隙３を表面に連通させる多孔質な状態で焼結できる全ての方法で焼結できる。
【００１９】生体内埋込材料は、気孔率を５〜６０％、好ましくは１０〜５０％、さらに好ましくは２０〜４０％とする金属焼結体である。気孔率の大きい生体内埋込材料は、カルシウムやリン酸カルシウムを効率よく付着させて、生体親和性を向上できる。ただ気孔率を大きくすることは、空隙３を多くして体内埋込材料の強度を低下させる。金属焼結体１の気孔率は、金属粉末２を焼結するときの圧力と温度で制御される。圧力と温度を高くすることは、金属焼結体１の空隙３を少なくして気孔率を小さくする。反対に圧力と温度を低くすると、金属焼結体１の空隙３が多くなって気孔率が大きくなる。生体内埋込材料である金属焼結体１の気孔率は、生体親和性と使用される用途に要求される強度を考慮して最適値に設定される。
【００２０】金属焼結体１は、生体との親和性を向上させるために、空隙表面にカルシウムを付着させる。金属焼結体１は、カルシウムイオンを含む溶液に浸漬されると、多孔質な空隙３にカルシウムイオンを含む溶液を吸入する。その後、乾燥させると、金属焼結体１は、空隙表面にカルシウムが付着される。チタン又はチタン合金を焼結している金属焼結体は、空隙表面にカルシウムを付着させて理想的な親和性を実現する。
【００２１】チタン又はチタン合金からなる金属焼結体は、カルシウムを付着させる状態で焼成すると、空隙表面にカルシウムとチタンの化合物が付着される。さらに、チタン又はチタン合金とカルシウム化合物の粉末を混合して焼結しても、金属焼結体は空隙表面にカルシウムとチタンの化合物が付着される。さらに金属焼結体は、カルシウムを付着している空隙表面に、リン酸カルシウムを付着して親和性をより向上できる。また、金属焼結体は、空隙表面にアパタイトを付着させても親和性を向上できる。
【００２２】さらに、金属焼結体１の空隙表面に付着される材料は、生体内埋込材料の用途によって最適なものを選択できる。たとえば、焼結されたチタン又はチタン合金である金属焼結体は、Ｌｉ、Ｎａ、Ｒｂ等のアルカリ金属や、ＢａやＳｒ等のアルカリ土類金属元素をひとつまたは複数の組合せで付着させることができる。アルカリ金属やアルカリ土類金属元素は、金属焼結体１のｐＨを調整して、親和性を向上させることができる。さらにまた、金属焼結体１は、空隙表面にリン酸カルシウムとタンパク質、あるいはリン酸カルシウムとタンパク質と医療用薬剤を付着させることもできる。医療用薬剤を付着している金属焼結体は、生体内埋込用の薬物徐放材料として使用される。
【００２３】本発明の生体内埋込材料は、人工歯根、薬物徐放材料、医薬品実験装置材料等に使用されるが、これ等の用途に最適な物質を空隙表面に付着する。
【００２４】
【実施例】［実施例１］金属焼結体は、図２に示すように、以下の工程で製作される。焼結される金属粉末は、チタン粉末である。金属粉末は、カルシウムイオンを付着して生体親和性をより向上する。
［焼結工程］金属粉末２が放電プラズマ焼結法で焼結される。金属粉末２は、１００メッシュの球形のチタン粉末である。放電プラズマ焼結法は、炭素のダイス４にチタン粉末を填入し、加圧状態でプラズマ放電させて焼結する。焼結された金属焼結体１は、図１に示すように、無数の微細な空隙３があり、かつ無数の微細な空隙３を表面に連通させる多孔質状態となる。
【００２５】以上の工程で製作された金属焼結体１の気孔率と圧縮強度を測定すると、気孔率が２８％、圧縮強度が２．５×１０２ＭＰａとなる。ただし、気孔率（％）は、チタンの密度を４．５３ｇ／ｃｍ３として、焼結体の重量と体積から相対密度を算出して計算する。圧縮強度（ＭＰａ）は、万能試験機（島津オートグラフ）を使用し、直径５ｍｍ、高さ１０ｍｍの試料をクロスヘッドの移動速度０．５ｍｍ／分で圧縮して測定する。
【００２６】［カルシウム付着工程］焼結された金属焼結体１が、酸化カルシウム（ＣａＯ）の飽和水溶液が充填された容器５に浸漬される。容器５がオートクレーブ装置６に搬入されて、浸漬された金属焼結体１は、オートクレーブ装置６内において、温度１２１℃、圧力２０２ｋＰａで水熱処理される。オートクレーブ装置６による工程は、金属焼結体１の微細な空隙３に酸化カルシウムの水溶液を速やかに含浸させる。ただ、金属焼結体は、オートクレーブによらない大気圧下において、カルシウム水溶液を空隙に浸透させることもできる。カルシウム水溶液を含浸させた金属焼結体１は水溶液から取り出され、カルシウム水溶液を乾燥させる。この工程で、空隙表面までカルシウムを付着する金属焼結体１が得られる。
【００２７】［リン酸カルシウムの付着工程］以上の工程で製作された金属焼結体１は、以下の工程でさらにリン酸カルシウムを付着させる。この工程は、カルシウムが付着された金属焼結体１を、有機成分を含まない下記のイオン濃度の疑似体液７に浸漬する。疑似体液７に浸漬された金属焼結体１は、リン酸カルシウムの結晶が析出される。リン酸カルシウムは、金属焼結体１の表面と内部の空隙表面に析出される。
疑似体液のイオン濃度Ｎａ＋ １．４２×１０−１ｍｏｌ／ＬＫ＋ ５．８１×１０−３ｍｏｌ／ＬＭｇ２＋ ８．１１×１０−４ｍｏｌ／ＬＣａ２＋ １．２６×１０−３ｍｏｌ／ＬＣｌ− １．４５×１０−１ｍｏｌ／ＬＨＰＯ４２− ７．７８×１０−４ｍｏｌ／ＬＳＯ４２− ８．１１×１０−４ｍｏｌ／ＬＣＯ３２− ４．１７×１０−３ｍｏｌ／Ｌ【００２８】疑似体液７に浸漬した金属焼結体１に析出するリン酸カルシウム結晶の量を、７日、２８日後に測定して、その析出速度を調べると、カルシウムを付着している金属焼結体は、カルシウムを付着してしない金属焼結体よりもリン酸カルシウムがより多く付与される。リン酸カルシウムが付着された金属焼結体１は、疑似体液７から取り出されて乾燥される。
【００２９】［タンパク付着工程］リン酸カルシウムを付着させた金属焼結体１が、タンパク含有液（アルブミン濃度１．４ｍｇ／ｍＬ）に６時間浸漬する。金属焼結体１をタンパク含有液８から出して乾燥し、ＲＩＰＡ緩衝液に浸漬し、１５時間裏返させた後、タンパクの溶出量をＢｒａｄｆｏｒｄ法にて測定した。その結果、大量のタンパクが金属焼結体１に含浸されていたことが確認された。
【００３０】［実施例２］金属粉末を球形のチタン粉末から削片状粉末とする以外、実施例１と同様にして金属焼結体を製作する。この金属焼結体は、実施例１で製作される金属焼結体と同じように大量のタンパクが含浸され、生体内埋込材料として好ましい物性を示す。ただし、この金属焼結体の焼結後における気孔率は２４％、圧縮強度は５×１０２ＭＰａとなる。
【００３１】［実施例３］実施例１と２は、金属粉末を焼結した金属焼結体にカルシウムを付着する。この実施例は、以下の工程で示すように、カルシウムを金属粉末に付着し、カルシウムが付着された金属粉末を焼結する。焼結された金属焼結体に実施例１と同じ処理をすると、多量のタンパクが含浸されるので、この金属焼結体も生体内埋込材料として好ましい物性を示す。この金属焼結体の焼結後における気孔率は３０％、圧縮強度は１×１０２ＭＰａとなる。
【００３２】［カルシウム付着工程］金属粉末が酸化カルシウム（ＣａＯ）の飽和水溶液に浸漬される。金属粉末は１００メッシュの球形のチタン粉末である。金属粉末を浸漬する酸化カルシウムの水溶液を充填している容器が、オートクレーブ装置に搬入される。オートクレーブ装置は、温度１２１℃、圧力２０２ｋＰａで金属粉末を水熱処理して、表面にカルシウムを付着させる。
［焼結工程］カルシウムを付着している金属粉末が放電プラズマ焼結法で焼結される。放電プラズマ焼結法は、炭素のダイスにチタン粉末を填入し、加圧状態でプラズマ放電させて焼結する。焼結された金属焼結体は、無数の微細な空隙があり、かつ無数の微細な空隙を表面に連通させる多孔質状態であり、さらに、空隙表面にカルシウムが付着された状態にある。
【００３３】［実施例４］金属粉末を球形のチタン粉末から削片状粉末とする以外、実施例３と同様にして金属焼結体を製作する。この金属焼結体も、実施例１で製作される金属焼結体と同じように大量のタンパクが含浸されて、生体内埋込材料として好ましい物性を示す。この金属焼結体の焼結後における気孔率は３２％、圧縮強度は３×１０２ＭＰａとなる。
【００３４】［実施例５］実施例１は、金属粉末を焼結した金属焼結体にカルシウムを付着する。この実施例は、以下の工程で示すように、酸化カルシウムと金属粉末を混合して焼結する。焼結された金属焼結体に実施例１と同じ処理をすると、多量のタンパクが含浸されるので、この金属焼結体も生体内埋込材料として好ましい物性を示す。この金属焼結体の焼結後における気孔率は３０％、圧縮強度は１．２×１０２ＭＰａとなる。
【００３５】［焼結工程］金属粉末と酸化カルシウム（ＣａＯ）の粉末を混合して放電プラズマ焼結法で焼結する。酸化カルシウムの混合量は１〜５重量％とする。金属粉末は、１００メッシュの球形のチタン粉末である。放電プラズマ焼結法は、炭素のダイスにチタン粉末と酸化カルシウム粉末の混合物を填入し、加圧状態でプラズマ放電させて焼結する。焼結された金属焼結体は、無数の微細な空隙があり、かつ無数の微細な空隙を表面に連通させる多孔質状態となる。
【００３６】［実施例６］金属粉末を球形のチタン粉末から削片状粉末とする以外、実施例５と同様にして金属焼結体を製作する。この金属焼結体も、実施例１で製作される金属焼結体と同じように大量のタンパクが含浸されて、生体内埋込材料として好ましい物性を示す。この金属焼結体の焼結後における気孔率は２８％、圧縮強度は３×１０２ＭＰａとなる。
【００３７】
【発明の効果】本発明の生体内埋込材料とその製造方法は、機械的強度を保持しながら、生体親和性と無毒性を理想的な状態に改善できる特長がある。それは、本発明の生体内埋込材料とその製造方法が、金属粉末を、無数の微細な空隙があり、かつ無数の微細な空隙を表面に連通させる多孔質状態に焼結してなる金属焼結体としているからである。この構造の生体内埋込材料は、無数の微細な空隙を有する多孔質状態に焼結されているので、生体親和性を高めることができる。しかも、金属粉末を焼結しているので、生体内埋込材料として充分な機械的強度を実現できる。さらにまた、金属粉末を焼結して金属焼結体とするので、使用する金属粉末の種類や比率を種々に変更して、生体内での親和性や無毒性をより理想的に改善できる。
【００３８】さらに、本発明の生体内埋込材料とその製造方法は、金属焼結体が無数の微細な空隙を有するので、この多孔質状態の空隙に生体親和性を高める物質を付着させやすい特長がある。すなわち、本発明の生体内埋込材料とその製造方法は、生体親和性を高める物質を極めて簡単に付着させて、より理想的な生体内埋込材料を実現できる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】５０１１０３０００
【氏名又は名称】株式会社テクノネットワーク四国
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| 【出願日】 |
平成１３年４月２５日（２００１．４．２５） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００７４３５４
【弁理士】
【氏名又は名称】豊栖 康弘 （外１名）
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| 【公開番号】 |
特開２００２−３２０６６７（Ｐ２００２−３２０６６７Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１４年１１月５日（２００２．１１．５） |
| 【出願番号】 |
特願２００１−１２８２２６（Ｐ２００１−１２８２２６） |
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