JP2000504950A

JP2000504950A - コンパクトなバイオ材料

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Publication number: JP2000504950A
Application number: JP52577697A
Authority: JP
Inventors: ワード，イアン・マクミラン; ラデイゼスキー，ノエ・ヒユーゴー
Original assignee: ビー・テイー・ジー・インターナシヨナル・リミテツド
Priority date: 1996-01-15
Filing date: 1997-01-14
Publication date: 2000-04-25
Also published as: AU1393497A; US20040161996A1; WO1997026025A1; US20050170730A1; US20020031652A1; EP0876167A1; CA2242359A1

Abstract

(57)【要約】無機フィラー材料および配向した繊維ポリマー材料を含む複合材料であって、繊維材料が、隣接した配向繊維と共に融合した部分を有していて、複合体の配向した繊維構造は保持したまま、網状構造または連続マトリックスを形成することを特徴とする複合材料。

Description

【発明の詳細な説明】コンパクトなバイオ材料本発明は、新規複合材料、該材料の製造法ならびにそれらの特に人工器官における、および他の非生理学的状況における構造材料としての使用に関する。ヒドロキシアパタイト（ＨＡ）強化高密度ポリエチレン（ＰＥ）複合体（ＨＡＰＥＸ）は、Bonfieldら（GB 2085461 Aを参照）によって代用骨として開拓された。彼らは、機械的および生物学的性能の最適な組み合わせが、ＨＡ含量を40体積％の範囲にすることにより得られることを例証した。この量の強化剤により、小さい荷重に耐える用途に適切な剛性および強度を有する代用骨が得られることがわかった。しかし、大きい荷重に耐える骨格移植の場合は、皮質骨と関連する値に匹敵する、かなり高い剛性および強度が必要である。 GB 2085461 Aは、人工内臓器として使用するための、ホモポリオレフィンまたはコポリオレフィンおよび80体積％までの粒状無機固体を含む複合材料を記載している。 GB 1452654は、軟化点の異なる二種類の縮れた熱安定化繊維の目の粗いウェブを含む成形結合した不織繊維物質に関し、該繊維は、軟化点を越えた温度で圧縮してある。その文献は、活性もしくは電導性炭素の活性粒子またはイオン交換樹脂をその物質に混入することができることを開示しており、玩具、枕、マットレス、室内装飾材料、濾過媒体および気流安定剤におけるその使用を記載している。 EP 0116845Aは、ポリエチレン繊維網の強化方法を開示しており、該方法は、それらを100〜160℃および接着させるのに十分な圧力で圧縮することを含む。鉱物充填繊維は、この処理を受けやすいことが記載されている。 US 5133835は、融点が各々独立した３種類の湿式堆積繊維を含む、例えばシート状の、熱結合した不織複合ウェブを開示しており、該ウェブは、所望により無機フィラーを含む。また、強度の大きい印刷に適した保護ラッピングとしての使用を記載している。 US 4516276は、凍結乾燥したコラーゲンフリースおよび粉末または顆粒状アパタイトを含む代用骨材料を開示している。コラーゲン繊維の融合は開示していない。 WO 9411556は、薬品防御において使用するための、その上部および下部表面までは広がらない固定化粒状物質を含む不織ウェブを開示している。生体適合性フィラー含量、特にバイオ活性をより高くするためのＨＡ含量を増加させ、非脆性などの機械的特性を、耐荷重能を有しながら良好にするために、適切な構造材料、特にバイオ構造材料の製造法があると望ましい。そこで、本発明者らは、ポリマー繊維、好ましくはＰＥなどのポリオレフィンのポリマー繊維をフィラー、特にＨＡなどの生体適合性フィラーと化合させるという基本的概念を有する方法を提供し、以前に使用された等方性ポリマーをポリマー繊維、特に弾性率の高いポリエチレン（ＨＭＰＥ）繊維などのポリオレフィン繊維で置き換え、この混合物を高温圧縮を使用して圧縮することにより、構造材料、特に骨類似物を製造した。好ましくは、繊維は、細断繊維状の繊維片として使用する。ポリマー中の分子の配向は、配向方向に沿って剛性および強度をかなり高める (I.M．Ward，「超高弾性軟質ポリマーの製造、構造および特性」、Advances in Polymer Science，vol.70，pp.1-70，1985)。高温圧縮は、繊維、特に高弾性繊維に関連する高い剛性および強度をかなり保持したまま、かなりの繊維形態含量を含む断面の大きいポリマー物質の製造を可能にする方法である（GB2253420、US No．07/934,500およびNo ．08/315,680（以上、全てWO 92/15440をベースとする）を参照）。その方法は、WO92/15440において、配向したポリマー繊維の集合体を、そのポリマーの一部を溶融するのに十分な高められた温度で密接に接触させて保持し、ついで圧縮する方法として定義されている。高められた温度は、好ましくは、少なくとも、示差走査熱量法によって測定される配向した繊維の吸熱量の先端の外挿が温度軸を横切る温度であり、より好ましくは、そのように測定したポリマー繊維の溶融のピーク温度より低いと開示されている。この方法は、熱および圧力の制御により、繊維の選択的表面溶融が可能である。すなわち、溶融されるポリマーは、表面のポリマーを含み、好ましくは、繊維の５％〜２０重量％であり、好ましくは１０％以下であるが、５０％までの溶融は有用である。溶融する量は、理想的には、空気の捕獲が回避されるように圧縮時に繊維間の空間を満たすのに十分であるべきであるが、繊維の形態、特に配向が失われるほど多くすべきではない。繊維の直径は、典型的には0.005〜0.05mm であると記載されている。この方法に関する他の文献としては、「高弾性溶融紡糸ポリエチレン繊維の高温圧縮」、Hineら、Jnl．Materials Science 28(1993)，316-324；「圧縮ポリエチレン繊維の形態」、R.H．Olleyら、Jnl．Materials Science 28(1993)，1107- 1112；「最適以上および以下の温度での高弾性溶融紡糸ポリエチレン繊維の圧縮」、M.A．Kabeelら、Jnl．Materials Science 29(1994)，4694-4699；「圧縮高弾性溶融紡糸ポリエチレン繊維における示差溶融」、M.A．Kabeelら、Jnl．Mate rials Science 30(1995)，601-606；「ポリエチレンテレフタレートの高温圧縮」、Ｊ．Rasburnら、Jnl．Materials Science 30(1995)，615-622；「ポリプロピレン繊維の高温圧縮」、M.I．Abo EI-Mattyら、Jnl．Materials Science 31(1996) ，1157-1163が挙げられる。本発明方法は、特に、細断したＨＭＰＥ繊維を使用した、繊維形態マトリックスを有するＨＡ／ＰＥ複合体の成形加工において興味深い。本発明者らは、さらに、驚くべきことに、そのような材料が押出、特に、高温圧縮繊維の場合には以前には決して試みられなかった技術である静水押出を有利に受けることができることを見いだした。本発明方法は、ＨＭＰＥポリマーに優先的に適用できるが、他の配向ポリマー、例えば、塩化ビニル、フッ化ビニル、フッ化ビニリデン、ＰＨＢ、ＰＥＥＫ、ポリオキシメチレンならびにWO 92/15440および上記公知文献で高温圧縮の使用に対して適切であるとして参照されている他の全ての物質などのビニル、ポリエステル、ポリアミド、ポリエーテルケトンおよびポリアセタールなどにも適用できる。すなわち、本発明の第一の側面では、無機フィラー材料および繊維ポリマー材料を含む複合材料であって、繊維材料が配向ポリマー繊維を含み、隣接する配向繊維と共に融合した部分を有していて、複合体中の繊維構造は保持したまま、網状構造または連続マトリックスを形成することを特徴とする複合材料を提供する。この構造は、もちろん、配向した繊維を含む。好ましくは、無機フィラーは、粒状フィラーである。フィラーの例としては、シリカ、タルク、雲母、グラファイト、金属酸化物、金属水酸化物および金属カーボネートが挙げられる。最も好ましくは、無機フィラーが、例えばアパタイト（ヒドロキシアパタイト（生体適合性のリン酸カルシウムセラミック）など）などの生体適合性物質である。フィラーの量は、好ましくは、該材料の６０体積％まで、より好ましくは２０〜５０体積％である。ヒドロキシアパタイト含量が増加すると、材料が押出形状（extruded form）の場合、ダイ膨張（die swell）効果が減少する。複合材料は、好ましくは押出形状であり、特に静水押出形状である。押出は材料の配向を誘導し、その融点を引き上げ、機械的特性を改善することが認められる。押出比の増加はダイ膨張を低下させる。本発明の好ましい複合材料は、曲げ弾性率が7〜30GPa、好ましくは10GPaより大きく、さらに好ましくは12GPaより大きく、最も好ましくは15GPaより大きい。本発明の好ましい複合材料は、曲げ強度が50〜150MPa、より好ましくは60MPa より大きく、さらに好ましくは80MPaより大きく、最も好ましくは100MPaより大きい。本発明の好ましい複合材料は、曲げ延性が0.5〜10％、より好ましくは0.5〜7 ％、最も好ましくは0.5〜4％である。好ましくは、繊維ポリマー材料がポリオレフィン、好ましくはポリプロピレンまたはポリエチレン、最も好ましくはポリエチレンであり、最も好ましくは、高弾性形状のものである。ポリマーは、離散繊維形状であってもよく、あるいは、織物またはウェブであって、織ってあっても織っていなくてもよい。好ましくは、該材料が、出発原料繊維よりも融点の低い再結晶化溶融相を含み、それによって繊維を共に結合させる。繊維またはウェブまたは織物は、分割した形状であってもよく、例えば、細断し、または切断して、例えば0.1〜10mm長さ、より好ましくは0.5〜5mm長さの片にすることができる。化合させる繊維およびフィラーの最も好ましい形状は、粉末化して再圧縮してあり、従ってより均一な構造を与える。最大直径が0.1〜1mm である大きさに粉末化するのが便利であり、典型的には0.5mmである。本発明の第二の側面では、複合材料、例えば構造材料の製造法を提供し、該方法は、配向ポリマー繊維を無機フィラー材料と化合させ、化合した材料を高温圧縮を使用して圧縮することを含む。特にその方法は、無機フィラー材料および配向ポリマー繊維を含む繊維ポリマー材料から、フィラー材料および繊維ポリマー材料の混合および加熱工程により複合材料を製造するものであり、該方法は、（ｉ）材料を化合させ、それらを、少なくともいくつかの繊維が互いに密接に接触するような接触圧で維持し、（ii）そのように維持した化合材料を、繊維の一部を溶融させるような温度および時間で加熱し、(iii)加熱した混合物を圧縮圧で圧縮することを含む。材料の化合は、好ましくは、溶融する繊維の部分を全体より小さくして、配向した繊維形態が製品において維持されるようにしながら混合することにより達成される。公知文献に記載されているように、高温圧縮において溶融する繊維の部分は、表面部分を含み、好ましくは溶融する繊維表面の部分が繊維の5〜95％であり、より好ましくは繊維の5〜50％であり、最も好ましくは5〜10％である。好ましくは、繊維を融合させて、実質的に材料に隙間がないようにする。好ましくは、材料を圧縮後に冷却して、冷却時に繊維ポリマー材料の溶融した部分が三次元マトリックスを形成して繊維材料およびフィラー材料がともに結合するようにする。接触圧を維持する工程では、混合物は、好ましくは、少なくとも、示差走査熱量法によって測定される繊維材料の吸熱量の先端の外挿が温度軸を横切る温度で維持する。好ましくは、化合した材料を維持する温度が、示差走査熱量法によって測定されるポリマー繊維の溶融のピーク温度より低い。 US No．08/315,680にクレームされているように、温度は、好ましくは、ポリマーを選択的に溶融し、冷却すると再結晶して、出発原料繊維の融点より低い融点を有し、製品においてこれらの繊維をともに結合させる溶融相を形成するのに十分な温度である。化合した材料、例えば混合物は、好ましくは、圧縮圧で圧縮する前の工程（ｉ）および工程（ii）の間、0.5〜4MPaの接触圧で維持し、さらに好ましくは、圧縮圧で圧縮する前に0.5〜2MPaで維持する。単一圧縮工程、特に工程（ｉ）および（ii）の接触圧での単一圧縮工程となり得るのは、接触圧が、繊維の選択的表面溶融を可能にするのに十分低い圧縮圧の場合のみである。化合した材料、例えば混合物を維持する温度は、好ましくは、ポリマー材料の融点より1〜10℃下であり、より好ましくはポリマー材料の融点より1〜5℃下である。本発明の特に好ましい方法では、工程(iii)で製造した圧縮材料を押出、特に静水押出にかける。そのような好ましい方法では、工程（iii）または押出工程から得られる物質を粉末化した後、工程（ｉ）〜（iii）と同様に再処理するのが有利である。この再処理は、１回より多く行うことができ、好ましくは、最初の圧縮よりも２、３度低い温度で再圧縮することにより行うことができ、その結果、確実に、最初に溶融した部分のみが再溶融して、繊維の形態が維持される。典型的な再圧縮温度は、最初の溶融温度より約４℃低い。好ましくは、再処理した材料は、次いで、押出、好ましくは静水押出にかける。押出は、材料をダイに通すための適切な加圧法を使用して行うことができる。静水押出は、好ましくは、（iv）材料のビレットを、液体媒体で取り囲みながらダイオリフィスと接触させて置き、（ｖ）次いで、液体およびビレットを、材料のポリマー成分の融点以下の温度に加熱し、（vi）ビレットがダイを通って押出されるように液体に圧力をかけることにより行うことができる。好ましくは、ダイが先細ダイであり、より好ましくは押出される製品の押出比が３：１以上、より好ましくは７：１以上、最も好ましくは少なくとも１１：１である。好ましくは、静水押出で使用される液体が油である。押出加熱工程は圧縮温度で行うことができ、従って、一工程での圧縮および押出が可能であり、あるいは、接触、圧縮および押出を連続して行うことすら可能である。これら全ての方法に対して、工程(iii)で使用される圧縮圧は、好ましくは5〜 1000MPaであり、より好ましくは20〜500MPa、最も好ましくは40〜80MPaである。好ましくは、ポリマーはポリオレフィンのホモまたはコポリマーであり、より好ましくは重量平均分子量が50,000〜3,000,000であり、さらに好ましくは100,0 00〜3,000,000であり、最も好ましくは500,000〜3,000,000である。分子量が10, 000〜400,000、例えば50,000〜200,000であるポリマーも都合よく使用できる。繊維は、好ましくは、ゲルまたは溶融紡糸繊維である。本発明の複合体は、好ましくは、人工器官において、または人工器官として使用され、特に代用骨人工器官として使用される。次に、本発明の方法および材料を下記実施例によって説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。本発明の範囲内であるさらに別の態様は、当業者には、これらを鑑みれば、思いつくであろう。実施例実験材料合成のリン酸カルシウムセラミック[Ca₁₀(PO₄)₆(OH)]であるＨＡは、平均の大きさが4.14μmであるグレードP88がBiotal Ltd．（イギリス）によって供給された。細断したＨＭＰＥ繊維は、Hoechst Celanese Research Co．（Summit，NJ，米国）によって供給され、SNIA Fibres（Cesano Maderno,イタリア）によって製造される連続繊維から製造した。いくつかのサンプルは、第三の型の材料、すなわち、溶融配合技術によって製造される40体積％ＨＡ／60体積％ＰＥ複合体も含んでいた。本実験の材料で使用したポリマーは、Rigidex HM 4560PX（BP Chemic als Ltd.，UK）であり、一方、ＨＡはP88グレードであった。表１に、本実験で使用したＰＥおよびＨＡを特徴付ける主なパラメーター値を示す。方法複合体の調製ＨＡ粒子および細断した繊維を、細断機ＨＣアクセサリーを有するBraun Hand Blender MR350（Braun（UK）Ltd.，ロンドン）を使用して室温で混合した。この装置は、手で保持されるモーターケーシングおよび細断機が共に軸方向に配置されており、下端を作業台上で巻き取りながら傾斜した角度で混合を行うことができるため、特に都合が良いことが分かった。この手順が繊維の容器内での動きを助け、凝集が回避された。細断機アクセサリーは、効率を改善するために次のように改良した。すなわち、ａ）第二組の羽根を軸に沿って中央におき、ｂ）ナイロン製ベアリングをボールベアリングで置き換え、ｃ）プラスチック製の基板をより重いアルミニウム基板で置き換えた。約５ｇの細断した繊維および必要量のＨＡの混合を、利用可能な３つのモーター速度および静止期間を再現性のある順序で使用して約３分間行った。その複合体を静水高温プレスに置いたアルミニウム金型で圧縮した。その金型により、断面積が矩形の150×10mm L×Wのサンプルが得られた。最大厚さは８mm であった。圧縮中の温度は、電気温度計に接続したプローブでモニターした。プローブの検出端の５mmが、金型の周りの種々の点に開けた穴にぴったり適合して挿入できた。プレスの高温プレート間の空間は、Perspexシートによって外界から遮蔽した。これらの装置によって、金型の中央の予め決定した金型温度（通常は約13 5℃）を0.2℃以内で達成することができ、一方、金型の両端の勾配は0.5℃であった。金型内部の混合材料は、小さい圧力下（約100psi＝0.69MPa）で20分間、予め決定した温度で維持して、金型とプレスの２枚の高温プレートとの間の良好な熱接触を確保した。次いで、圧縮荷重を急激に９トンに増加させて約60MPaの圧縮圧にし、次いで、加熱のスイッチを切って、高温プレスを水冷した。金型を冷却し、約30分で50℃の温度にし、次いで、作業台上に放置して室温に冷却した後、サンプルを取り除いた。 30体積％のＨＡ（供給）を有する少数のサンプルを、ヒドロキシアパタイト粒子およびＨＭＰＥ細断繊維を別の方法で混合して使用することにより調製した。これを「液体窒素」混合と言う。供給された細断繊維のクラスターをまず、ＭＣ３型のステンレス鋼ミニ容器を取り付けたWaring 8011 G Rotary Blender（Wari ng Products Div.，Dynamics Corporation of America，Connecticut 06057，米国）において切り開いた。この工程が完了すると、必要量のヒドロキシアパタイトを、約300ccの液体窒素とともにステンレス鋼の鍋に入れた。混合物は白っぽく、かつ均一になったが、約30秒後には、セラミック粒子が鍋の底に析出した。細断繊維をその液体に混入し、一方、白っぽい段階では、煮沸を連続して静かに行い、必要であれば、鍋を温かいプレート上に置いた。全ての液体窒素が蒸発したとき、ヒドロキシアパタイトは、繊維の網状構造に完全に混入されたままであった。室温での混合は、粒子が粉末として漏れ、さらに、少量の粉末は容器内に未混合のまま残ったので、いくらかヒドロキシアパタイトの無駄があった。この無駄は、ヒドロキシアパタイトを少し過剰に用いて混合を開始することにより定性的に考慮した。複合体は、静水高温プレスにおいたアルミニウム金型で圧縮した。サンプルは 150×10mmの矩形の棒であり、厚さはサンプルの用途に応じて2〜8mmで変化した。圧縮中の温度は、電気温度計に接続したプローブでモニターした。プローブは、金型上の種々の点に開けた穴にぴったり適合するように挿入した。プレスの高温プレート間の空間は、Perspexシートによって遮蔽した。このようにして、金型の中央の予め決定した金型温度（通常は約136.0 ℃）を0.3℃以内で達成することができ、一方、金型の両端の勾配は0.5℃であった。金型内部の混合材料は、低圧下で20分間、予め決定した温度で維持して、金型とプレスの２枚の高温プレートとの間の良好な熱接触を確保した。次いで、圧縮荷重を急激に９トン（60MPaの圧力）に増加し、加熱のスイッチを切って、高温プレスの水冷を開始した。金型を50℃の温度に達するまで約30分間、一定圧で維持し、次いで、作業台上に放置して室温に冷却した後、サンプルを取り除いた。いくつかのサンプルを粉末化して、ポリマーマトリックス内のＨＡ分布を改善した。粉末化工程は、三工程、すなわちａ）はずみプレスで粉砕する工程、ｂ）スパイスミル付属品を備えたKenwood Chef Food Mixer（Kenwood Ltd.,Havant,H ampshire，イギリス）で細断する工程、およびｃ）6mmから必要ならば80μmまで、ふるいを漸次細かくして使用することにより、Fritsch Pulverisette 14 Roto r-Speed Mill（Fritsch GmbH，Idai-Oberstein，ドイツ）で適切に粉末化する工程を含んでいた。Rotor-Speed Millには、12刃のステンレス製ローターが付いており、使用した速度は16,000r.p.m.であった。粉末化は、１mmのふるいまでで容易に達成できた。より細かいふるいの使用は、熱の発生のため、かなりの注意を必要とした。Rotor-Speed Millに供給したい材料はビーカーに保存し、ビーカー自体は液体窒素に浸漬した。液体窒素の機械への注入はなかった。粉末化の後、材料を再圧縮した。この段階では、最初の圧縮の際に溶融したポリエチレン部分を、その部分の繊維の形態に関して影響を及ぼすことなく、再溶融することが必要であった。これは、ＨＭＰＥ繊維が約140℃で溶融するのに対して、等方性ＰＥの場合は約130℃であるので、最初の圧縮の際に使用した温度より３〜４℃低い温度で再圧縮することにより達成した。いくつかの場合、複合体は、さらに異なる方法で調製した。すなわち、細断したＨＭＰＥ繊維をＨＡの混合物と混合して圧縮し、４０体積％ＨＡ／６０体積％ＰＥ複合体とした。後者は、GB2085461 Bに見られるように調製し、粗大粉末形で入手できた。ＨＡおよび配合した複合体は、ステンレス鋼ミニ容器ＭＣ３を取り付けたWaring 8011 G Rotary Blender（Waring Products Div.，Dynamics Cor poration of America，Connecticut 06057，米国）中で混合した。混合は、再現性のある一連の混合パルス（15秒）を使用し、軽く叩き、金属スパチュラで容器の底をこすることにより行った。こうして得られた粉末は、静水プレスに置いたステンレス鋼の金型で圧縮した。この工程の手順は、上記に見られるように、圧縮した繊維複合体の製造に対して行ったものと同様であったが、成形温度は180℃とし、サンプルは、60mm×12mmまたは60mm×18mmのL×直径の円柱ロッドであった。便宜上、この材料は、「濃縮」配合複合体（ＥＣＣ）と言う。「濃縮」配合複合体のロッドは、上記と同様に粉末化し、ＨＡ／細断繊維系に対して使用した方法と同様に細断ＨＭＰＥ繊維と混合した。使用した各種材料の割合は、最終混合が予め決定したＨＡ含量を達成し、ＰＥの３分の２が繊維の形態を有するように選択した。静水押出実験手順の詳細は、GibsonおよびWard（実施例２を参照）に見ることができ、ここでは、簡単な概要のみを示す。使用したダイは、円錐の半角が15°であり、穴の直径は、押出したい複合体の圧縮棒の押出比（ＥＲ）および最初の大きさに応じて、1.8mm、2.5mmまたは3.5mmであった。ビレットは、最初の圧力シールを作るために、15°のノーズを有する棒から機械加工した。ノーズの端では、一定直径の突出部も機械加工し、数mmをダイから突き出させた。突出部に結合したケーブルを使用してロータリー電位差計を作動させ、変位信号を得た。これを押出の初めから記録した（これが、ＨＥ工程をその最初の段階からモニターした最初であった。）。100ｇの引取荷重をケーブルの遊離端に取り付けて、ロータリー電位差計を確実に作動させた。ビレットの後部３mmは、プラグとして作用させ、実験の終わりに圧力が激しく開放されるのを防止するために、直径がより大きくなるよう機械加工した。加圧流体はヒマシ油（J．L.Seaton，Hull,英国）であった。ビレットは、二層のEvostick（Evode Ltd.，英国）で被覆して、応力亀裂の危険を含むポリマーマトリックスと加圧流体との直接接触を回避した。Evostick被覆は、押出の際にはがれて、ダイを通過しないことが分かった。予備試験の後、押出温度を115℃で固定した。押出圧力は、材料と押出比（ＥＲ、最初と最後の断面積の比）との関数であった。押出速度の制御はほとんどなく、速度は約1.5mm／分であった。示差走査熱量法（ＤＳＣ）ＰＥマトリックスの形態に対する各種処理工程（混合、圧縮、粉末化、再圧縮およびＨＥ）の影響を、材料の溶融挙動を調べることにより定性的に評価した。この目的のために、Perkin Elmer示差走査熱量計ＤＳＣ７（Perkin Elmer Corp. ，Norwalk，Connecticut，米国）を使用し、走査速度は10℃とし、各実験に対して2〜10gの材料を使用した。走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）ＰＥマトリックス中のＨＡの分散に対する各種処理工程の影響をＳＥＭ法で評価した。試料の調製手順は、区分、アクリル樹脂での成形、グレード220から100 0の粒度の炭化珪素紙上での粉砕、粒径が５、１および0.3μmのアルミナ粉末を連続的に使用することによる艶だし、磨き表面からアルミナ粉末を除去するための超音波浴での洗浄、圧縮空気による乾燥および厚さ約20mmの金コーティングで構成した。磨き表面は、JEOL6300 SEM下で調べた。機械的試験複合体の機械的特性は、曲げ（Ｆ）三点曲げ）変形（flexural mode of defor mation）で評価した。３個の主な定数を測定した。すなわち、弾性率（ＦＭ）、強度（ＦＳ）および延性（ＦＤ）である。機械的試験は全て、Instron機械（Instron Ltd.，High Wycombe，英国）を使用して室温（22±1.50℃）で行った。曲げ測定矩形の棒および円柱形のロッドを、同一のパラメーターを使用して三点曲げで試験した。これらを表３に示す。大まかには、プレートはASTM 790の推奨規格に従って試験し、ロッドはそれらの最初の押出直径で試験した。各種曲げ特性の計算に使用した式は、単純ばり理論（simple beam theory）から得られたものである。便宜上、これらを表４に示す。なお、「歪み」および「延性」とは、所与のたわみでのサンプルにおける最大歪み（％）を意味する。全サンプルに対して、せん断変形を無視するために、単純ばり理論によって要求されるように、下記の条件を適用する。好ましくは、これが１５以上である。いくつかのロッドは、曲げにおいて破壊しなかったが、その代わりに、荷重たわみ曲線は降伏点を示した。特に断らない限り、ＦＤは、降伏点後の、最大荷重からの２５％減少を示すたわみにおける最大歪みとして測定した。製造した材料は全て、曲げ剛性、強度および延性に関して評価した。マトリックスの形態に対する各種処理工程の影響の定性的評価は、示差走査熱量計（ＤＳＣ）によって行った。フィラー、すなわちＨＡの繊維マトリックス、すなわち細断ＰＥにおける分散は、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）法によって調べた。表１材料の解析実施例１：ヒドロキシアパタイト／高弾性ポリエチレン繊維複合体ＨＡ粒子および細断したＨＭＰＥ繊維を改良した家庭用ハンドブレンダを使用して室温で混合した。その複合体を静水高温プレスにおいたアルミニウム金型で圧縮した。予備実験では、137.0℃〜138.0℃の圧縮温度が、GB 2253420に記載されているように繊維表面の少しの部分を溶融し、繊維とＨＡ粒子とを互いに結合させる再結晶化したＰＥの連続網状構造を形成するのに十分であることが分かっている。この再結晶化したＰＥは隙間を含んでいてもよい。圧縮の後、ポリマーマトリックス内のＨＡ分布を改善し、隙間を減少させ、または除去する目的で、いくつかのサンプルを粉末化した。その材料を最初の圧縮温度より約3.0〜4.0℃低い温度で再圧縮して、最初の圧縮中に溶融したＰＥ部分を確実に再溶融させたが、その部分に対する影響は最少にして繊維の形態は維持した。再結晶化したＰＥの場合は約130℃であるのに対して、ＨＭＰＥ繊維は約1 40℃で溶融するので、すなわちあらかじめ溶融しなかった。いくつかの場合、複合体は、いくらか異なる方法で調製した。すなわち、ＨＭＰＥ細断繊維をＨＡおよびＨＡＰＥＸの混合物（４０体積％のＨＡ）と混合することにより調製し、それによって、隙間の形成を減少させ、または除去した。この混合物を「濃縮」ＨＡＰＥＸと言う。使用した各種材料の割合は、最終混合物が予め決めたＨＡ含量を有し、ＰＥの３分の２が繊維の形態を有するように選択した。この物質に対しては、約0.5℃低い圧縮温度を使用した。いくつかのサンプルに対しては、上記したように、液体窒素混合も使用した。実施例２：静水押出した高温圧縮複合体静水押出法［A.G．GibsonおよびI.M．Ward，「直鎖ポリエチレンの静水押出：分子量および製品の直径の影響」、J．Polym．Sci.，Polym．Phys．Ed.，vol．1 6，pp.2015-3030，1978］では、融点より低い温度に加熱した液体で取り囲んだ上記で調製した複合体のビレットを使用した。そのビレットは、その液体の背圧によって先細ダイを通過するように作った。押出比（ＥＲ）は、ビレットの断面積とダイの穴の断面積との比として定義される。使用した押出温度は、各ケースにおいて約115℃であり、これは、GibsonおよびWardが直鎖ポリエチレンに対して使用した100℃より高かった。粉末化および再圧縮は、ＨＡ／細断ＨＭＰＥ繊維複合体の静水押出を成功させるための好ましい要件であることが分かった。複合体の機械的特性は、三点曲げで評価した。３種類の測定を行った。すなわち、曲げ弾性率（ＦＭ）、曲げ強度（ＦＳ）および曲げ延性（ＦＤ）である。「延性」とは、破壊を生じるたわみ、すなわち最大荷重でのサンプル中の最大歪み（％）を意味する。特性表４ａおよび４ｂは、ＨＡ／細断ＨＭＰＥ繊維複合体の主要な曲げ特性を示す。比較のために、他の材料で得られたいくつかの結果も含める。静水押出した複合体は全て、皮質骨と関連したレベルの剛性および強度を達成している。静水押出を行わないで製造した複合体はいずれも、生物学的組織に匹敵する特性を有していない。静水押出のない系を比較すると、表４ａは、ＨＡＰＥＸの特性がＨＡ／細断繊維複合体の特性と大体合っていることが分かる。しかし、静水押出の後のこれらの系は、押出したＨＡＰＥＸに対して明らかに優れている（表４ｂ）。艶だしを行ったサンプルのＳＥＭによる観察では、ＨＡＰＥＸはポリマーマトリックスにおけるＨＡ粒子の分布がかなり均一であるが、ＨＡ／細断繊維複合体は、いろいろな程度のHA含量おび隙間を有する領域があることが分かった。ＨＡ／細断繊維系の粉末化および再圧縮により、それらのＨＡ分布はかなり改善され、隙間は減少または除去された。これらの工程は一般に、上記したように、静水押出の成功には必要であった。表４ａは、ＨＡ／細断繊維複合体の粉末化および再圧縮が、剛性および強度の低下を伴うことを示している。これは、ＤＳＣ実験によって示されるように、粉末化工程中に生じる繊維形態の損傷によると考えられ、これはまた、融点の高い形態（繊維形態）が静水押出工程中に再び確立されることを示し、これらの系の優れた特性の説明となる（表４ｂ）。すなわち、これらの結果は、粉末化して再圧縮してある、高温圧縮したＨＡ／細断ＨＭＰＥ繊維複合体の静水押出は、ＨＡ／ＰＥ代用骨材料の場合の最も大きい剛性および強度を提供し、それは皮質骨に関連する値に完全に匹敵するものであることを示している。一般に、圧縮温度を低くすると、均一でない粉末状サンプルが得られ、一方、高温、例えば140℃にすると、剛性および強度の低下を招いた。サンプルの粉末化および再圧縮は、結果の分散をかなり減少させた。ＨＡが50 体積％以上の複合体の押出は、80μのふるいで粉末化した後にのみ達成できた。表４：本発明の押出を行った、および行っていないＨＡ／細断ＨＭＰＥ繊維複合体ならびに比較としての骨およびＨＡＰＥＸの曲げ特性４（ａ）押出を行っていない場合（実施例１） mm＝ふるいの穿孔ＨＡＰＥＸ＝４０体積％ＨＡ＊＝ＨＡを濃縮ＨＡＰＥＸとして混入した。表４（ｂ）：静水押出を行った場合（実施例２）＊これらの系に対しては、ＨＡを「濃縮」ＨＡＰＥＸとして混入した。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項【提出日】１９９８年１月２７日（１９９８．１．２７）【補正内容】２０．曲げ延性が0.5〜7％である、請求項１９に記載の複合材料。２１．曲げ延性が0.5〜4％である、請求項２０に記載の複合材料。２２．繊維ポリマー材料がポリオレフィンである、前記した請求項１から２１のいずれか一項に記載の複合材料。２３．ポリオレフィンがポリエチレンである、請求項２２に記載の複合材料。２４．ポリエチレンが高弾性である、請求項2２に記載の複合材料。２５．融点が配向繊維よりも低く、繊維材料を共に結合させる、ポリマー材料の再結晶化溶融相を含むことを特徴とする、請求項１から２４のいずれか一項に記載の複合材料。２６．配向ポリマー繊維を無機フィラー材料と化合させ、化合した材料を高温圧縮によって圧縮することを含む、複合材料の製造法であって、該方法が、（ｉ）ポリマー材料をフィラー材料と化合させ、繊維の少なくとも一部が互いに密接に接触する接触圧でそれらを保持する工程、（ii）化合した材料を、ポリマー繊維の一部分のみが溶融するのに十分な高められた温度で加熱する工程、および (iii)加熱した化合材料を圧縮圧で圧縮する工程を含むことを特徴とする方法。２７．化合を材料を混合することにより行うことを特徴とする、請求項２６に記載の方法。２８．接触圧および圧縮圧が同じであり、これにより、繊維の選択的表面溶融が可能である、請求項２６に記載の方法。２９．圧縮圧が接触圧より高いことを特徴とする、請求項２６に記載の方法。３０．接触圧が0.5〜4MPaであることを特徴とする、請求項２６に記載の方法。３１．溶融する繊維の部分が表面を含み、繊維の5〜95重量％であることを特徴とする、前記した請求項２６から３０のいずれか一項に記載の方法。３２．繊維のその部分が、繊維の5〜50重量％であることを特徴とする、請求項３１に記載の方法。３３．圧縮した混合物を冷却して、冷却時に、繊維ポリマー材料の溶融部分が三次元マトリックスを形成し、繊維材料およびフィラー材料を互いに結合させることを特徴とする、請求項２６に記載の方法。３４．混合物を、少なくとも、示差走査熱量法によって測定される配向した繊維の吸熱量の先端の外挿が温度軸を横切る温度で保持することを特徴とする、請求項２６から３３のいずれか一項に記載の方法。３５．混合物を維持する温度が、示差走査熱量法によって測定されるポリマー繊維の溶融のピーク温度より低いことを特徴とする、請求項２６に記載の方法。３６．混合物を、圧縮圧で圧縮する前の（ｉ）および（ii）の間、0.5〜4MPaで維持することを特徴とする、請求項２６から３５のいずれか一項に記載の方法。３７．混合物を、圧縮圧で圧縮する前に、0.5〜2MPaで維持することを特徴とする、請求項３６に記載の方法。３８．繊維が、より小さい長さに細断されている連続繊維形状であることを特徴とする、請求項２６から３７のいずれか一項に記載の方法。３９．混合物を維持する温度が、ポリマー材料の融点より1〜10℃下であることを特徴とする、請求項２６から３８のいずれか一項に記載の方法。４０．温度がポリマー材料の融点より1〜5℃下であることを特徴とする、請求項３９に記載の方法。４１．圧縮材料を押出にかけることを特徴とする、請求項２６から４０のいずれか一項に記載の方法。４２．押出工程を静水押出により行うことを特徴とする、請求項４１に記載の方法。４３．工程(iii)または押出工程で得られた物質を粉末化し、次いで、工程（ｉ）〜(iii)のように再処理することを特徴とする、請求項４１または４２に記載の方法。４４．再処理した材料を次いで、押出にかけることを特徴とする、請求項４３に記載の方法。４５．押出が静水押出であることを特徴とする、請求項４４に記載の方法。４６．静水押出工程を、（iv）材料のビレットを、液体媒体で取り囲みながらダイオリフィスと接触させて置き、（ｖ）次いで、液体およびビレットを、材料のポリマー成分の融点以下の温度に加熱し、（vi）ビレットがダイを通って押出されるように液体に圧力をかけることにより行う、請求項４２または４５に記載の方法。４７．ダイが先細ダイであることを特徴とする、請求項４６に記載の方法。４８．押出された物質の押出比が３：１以上である、請求項４６または４７に記載の方法。４９．押出比が７：１以上である、請求項４１から４８のいずれか一項に記載の方法。５０．押出比が少なくとも１１：１である、請求項４１から４９のいずれか一項に記載の方法。５１．液体が油であることを特徴とする、請求項４２または４５に記載の方法。５２．工程(iii)で使用する圧縮圧が5〜1000MPaであることを特徴とする、請求項２６から５１のいずれか一項に記載の方法。５３．工程(iii)で使用する圧縮圧が20〜500MPaであることを特徴とする、請求項５２に記載の方法。５４．圧縮圧が40〜80MPaであることを特徴とする、請求項５３に記載の方法。５５．ポリマーがポリオレフィンのホモまたはコポリマーである、請求項１から５４のいずれか一項に記載の複合体または方法。５６．ポリマーの重量平均分子量が50,000〜3,000,000である、請求項５５に記載の複合体または方法。５７．ポリマーの重量平均分子量が100,000〜3,000,000である、請求項５６に記載の複合体または方法。５８．ポリマーの重量平均分子量が500,000〜3,000,000である、請求項５７に記載の複合体または方法。５９．繊維がゲルまたは溶融紡糸繊維であることを特徴とする、請求項５５から５９のいずれか一項に記載の複合体または方法。６０．前記した請求項１から５９のいずれか一項に記載した、または記載した方法によって得られた複合体を含む構造材料。６１．請求項６１に記載の材料を含む人工器官。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ)，ＵＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ (72)発明者ラデイゼスキー，ノエ・ヒユーゴーイギリス国、リーズ・エル・エス・８・１・デイー・テイー、シヤーフツベリー・アベニユー・48

Claims

【特許請求の範囲】１．無機フィラー材料および繊維ポリマー材料を含む複合材料であって、繊維材料が配向ポリマー繊維を含み、隣接した配向繊維と共に融合した部分を有していて、複合体の繊維構造は保持したまま、網状構造または連続マトリックスを形成することを特徴とする複合材料。２．融合した繊維が細断形状である、請求項１に記載の複合材料。３．実質的に隙間を含まない形状である、請求項１または２に記載の複合材料。４．無機フィラーが粒状フィラーである、請求項１から３のいずれか一項に記載の複合材料。５．フィラーが、タルク、雲母、グラファイト、金属酸化物、金属水酸化物、炭酸塩およびリン酸塩から選択される、請求項１から４のいずれか一項に記載の複合材料。６．無機フィラーが生体適合性材料である、請求項１から５のいずれか一項に記載の複合材料。７．生体適合性材料がアパタイトである、請求項６に記載の複合材料。８．アパタイトがヒドロキシアパタイトである、請求項７に記載の複合材料。９．材料が押出形状である、請求項１から８のいずれか一項に記載の複合材料。１０．材料が静水押出形状である、請求項９に記載の複合材料。１１．曲げ弾性率が7〜30GPaである、請求項１から１０のいずれか一項に記載の複合材料。１２．曲げ弾性率が10GPaより大きい、請求項１１に記載の複合材料。１３．曲げ弾性率が12GPaより大きい、請求項１１に記載の複合材料。１４．曲げ弾性率が15GPaより大きい、請求項１１に記載の複合材料。１５．曲げ強度が50〜150MPaである、請求項１から１４のいずれか一項に記載の複合材料。１６．曲げ強度が60MPaより大きい、請求項１５に記載の複合材料。１７．曲げ強度が80MPaより大きい、請求項１５に記載の複合材料。１８．曲げ強度が100MPaより大きい、請求項１５に記載の複合材料。１９．曲げ延性が0.5〜10％である、請求項１から１８のいずれか一項に記載の複合材料。２０．曲げ延性が0.5〜7％である、請求項１９に記載の複合材料。２１．曲げ延性が0.5〜4％である、請求項２０に記載の複合材料。２２．繊維ポリマー材料がポリオレフィンである、前記した請求項１から２１のいずれか一項に記載の複合材料。２３．ポリオレフィンがポリエチレンである、請求項２２に記載の複合材料。２４．ポリエチレンが高弾性である、請求項２２に記載の複合材料。２５．融点が配向繊維よりも低く、繊維材料を共に結合させる、ポリマー材料の再結晶化溶融相を含むことを特徴とする、請求項１から２４のいずれか一項に記載の複合材料。２６．配向ポリマー繊維を無機フィラー材料と化合させ、化合した材料を高温圧縮によって圧縮することを含む、複合材料の製造法。２７．請求項２６に記載の、無機フィラー材料および配向ポリマー繊維を含む繊維ポリマー材料を含む複合材料の製造法であって、（ｉ）ポリマー材料をフィラー材料と化合させ、繊維の少なくとも一部が互いに密接に接触する接触圧でそれらを保持する工程、（ii）化合した材料を、ポリマー繊維の一部分のみが溶融するのに十分な高められた温度で加熱する工程、および (iii)加熱した化合材料を圧縮圧で圧縮する工程を含むことを特徴とする方法。２８．化合を材料を混合することにより行うことを特徴とする、請求項２7に記載の方法。２９．接触圧および圧縮圧が同じであり、これにより、繊維の選択的表面溶融が可能である、請求項２７に記載の方法。３０．圧縮圧が接触圧より高いことを特徴とする、請求項２７に記載の方法。３１．接触圧が0.5〜4MPaであることを特徴とする、請求項２７に記載の方法。３２．溶融する繊維の部分が表面を含み、繊維の5〜95重量％であることを特徴とする、前記した請求項２６から３１のいずれか一項に記載の方法。３３．繊維のその部分が、繊維の5〜50重量％であることを特徴とする、請求項３２に記載の方法。３４．圧縮した混合物を冷却して、冷却時に、繊維ポリマー材料の溶融部分が三次元マトリックスを形成し、繊維材料およびフィラー材料を互いに結合させることを特徴とする、請求項２７に記載の方法。３５．混合物を、少なくとも、示差走査熱量法によって測定される配向した繊維の吸熱量の先端の外挿が温度軸を横切る温度で保持することを特徴とする、請求項２７から３４のいずれか一項に記載の方法。３６．混合物を維持する温度が、示差走査熱量法によって測定されるポリマー繊維の溶融のピーク温度より低いことを特徴とする、請求項２７に記載の方法。３７．混合物を、圧縮圧で圧縮する前の（ｉ）および（ii）の間、0.5〜4MPaで維持することを特徴とする、請求項２７から３６のいずれか一項に記載の方法。３８．混合物を、圧縮圧で圧縮する前に、0.5〜2MPaで維持することを特徴とする、請求項３７に記載の方法。３９．繊維が、より小さい長さに細断されている連続繊維形状であることを特徴とする、請求項２７から３８のいずれか一項に記載の方法。４０．混合物を維持する温度が、ポリマー材料の融点より1〜10℃下であることを特徴とする、請求項２７から３９のいずれか一項に記載の方法。４１．温度がポリマー材料の融点より1〜5℃下であることを特徴とする、請求項４０に記載の方法。４２．工程(iii)で製造した圧縮材料を押出にかけることを特徴とする、請求項２７から４１のいずれか一項に記載の方法。４３．押出工程を静水押出により行うことを特徴とする、請求項４２に記載の方法。４４．工程(iii)または押出工程で得られた物質を粉末化し、次いで、工程（ｉ）〜（iii）のように再処理することを特徴とする、請求項４２または４３に記載の方法。４５．再処理した材料を次いで、押出にかけることを特徴とする、請求項４４に記載の方法。４６．押出が静水押出であることを特徴とする、請求項４５に記載の方法。４７．静水押出工程を、（iv）材料のビレットを、液体媒体で取り囲みながらダイオリフィスと接触させて置き、（ｖ）次いで、液体およびビレットを、材料のポリマー成分の融点以下の温度に加熱し、（vi）ビレットがダイを通って押出されるように液体に圧力をかけることにより行う、請求項４３または４６に記載の方法。４８．ダイが先細ダイであることを特徴とする、請求項４７に記載の方法。４９．押出された物質の押出比が３：１以上である、請求項４７または４８に記載の方法。５０．押出比が７：１以上である、請求項４２から４９のいずれか一項に記載の方法。５１．押出比が少なくとも１１：１である、請求項４２から５０のいずれか一項に記載の方法。５２．液体が油であることを特徴とする、請求項４３または４６に記載の方法。５３．工程(iii)で使用する圧縮圧が5〜1000MPaであることを特徴とする、請求項２７から５２のいずれか一項に記載の方法。５４．工程(iii)で使用する圧縮圧が20〜500MPaであることを特徴とする、請求項５３に記載の方法。５５．圧縮圧が40〜80MPaであることを特徴とする、請求項５４に記載の方法。５６．ポリマーがポリオレフィンのホモまたはコポリマーである、請求項１から５５のいずれか一項に記載の複合体または方法。５７．ポリマーの重量平均分子量が50,000〜3,000,000である、請求項５６に記載の複合体または方法。５８．ポリマーの重量平均分子量が100,000〜3,000,000である、請求項５７に記載の複合体または方法。５９．ポリマーの重量平均分子量が500,000〜3,000,000である、請求項５８に記載の複合体または方法。６０．繊維がゲルまたは溶融紡糸繊維であることを特徴とする、請求項５６から６０のいずれか一項に記載の複合体または方法。６１．前記した請求項１から６０のいずれか一項に記載した、または記載した方法によって得られた複合体を含む構造材料。６２．請求項６１に記載の材料を含む人工器官。