JPH0214060B2 - - Google Patents

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JPH0214060B2
JPH0214060B2 JP24716186A JP24716186A JPH0214060B2 JP H0214060 B2 JPH0214060 B2 JP H0214060B2 JP 24716186 A JP24716186 A JP 24716186A JP 24716186 A JP24716186 A JP 24716186A JP H0214060 B2 JPH0214060 B2 JP H0214060B2
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JP
Japan
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metal base
base material
oxide layer
metal
chromium
Prior art date
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Application number
JP24716186A
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Japanese (ja)
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JPS6399868A (en
Inventor
Takayuki Shimamune
Masashi Hosonuma
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De Nora Permelec Ltd
Original Assignee
Permelec Electrode Ltd
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Publication date
Application filed by Permelec Electrode Ltd filed Critical Permelec Electrode Ltd
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Priority to CA000549336A priority patent/CA1269898A/en
Priority to EP87830365A priority patent/EP0264354B1/en
Priority to DE8787830365T priority patent/DE3776066D1/en
Priority to US07/109,378 priority patent/US4818572A/en
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Publication of JPH0214060B2 publication Critical patent/JPH0214060B2/ja
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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、人工骨、歯、歯根等のインプラント
材並びにそれらの接合材等に有用な、表面を骨や
歯の組織との親和性に特に優れたリン酸カルシウ
ム化合物で被覆した金属基材から成る複合材の製
造方法に関するものである。
Detailed Description of the Invention (Field of Industrial Application) The present invention is useful for implant materials such as artificial bones, teeth, tooth roots, etc., and their bonding materials, and has a surface that is compatible with bone and tooth tissues. The present invention relates to a method for producing a composite material comprising a metal substrate coated with a particularly excellent calcium phosphate compound.

(従来技術とその問題点) 人工骨、人工歯根等の生体インプラント材は、
事故等により骨が欠損した場合や歯が抜けた場合
等に、残つている骨に接合したり顎骨に植え込ん
だりして生来のものに近い形で使用でき、快適な
生活を維持することを可能にするため最近注目を
集めている。しかしながら、これらインプラント
材は人体内に埋め込むものであるため、人体に無
害であることが必須であり、更に強度が十分であ
る、加工性がある、溶出しない、適度の比重があ
る、生体への親和性がある等の種々の条件をも具
備しているものでなければならない。
(Prior art and its problems) Biological implant materials such as artificial bone and artificial tooth roots are
When a bone is lost or a tooth falls out due to an accident, etc., it can be attached to the remaining bone or implanted in the jawbone, allowing it to be used in a form similar to that of the original, allowing people to maintain a comfortable lifestyle. Recently, it has been attracting attention because of its However, since these implant materials are to be implanted within the human body, they must be harmless to the human body, and they must also be strong enough, processable, non-eluting, have an appropriate specific gravity, and be compatible with living organisms. It must also meet various conditions such as affinity.

従来から貴金属等の金属、ステンレススチール
等の合金及びα―アルミナ等のセラミツク、更に
アバタイトセラミツクスがインプラント材として
使用されているが、これらの材料は毒性がある、
強度が不十分である、加工性がない、溶出する、
生体との親和性に欠けるという欠点のうちの少な
くとも1つを有している。
Traditionally, metals such as precious metals, alloys such as stainless steel, ceramics such as α-alumina, and abatite ceramics have been used as implant materials, but these materials are toxic.
Insufficient strength, no workability, elution,
It has at least one of the following drawbacks: lack of compatibility with living organisms.

これらの欠点を解消するため金属やセラミツク
の表面にアパタイトコーテイングを行い複合材と
して生体親和性を有する金属やセラミツク材の開
発が望まれている。このためには金属―セラミツ
ク、セラミツク―セラミツク接合技術が必要であ
るが、従来はプラズマ溶射法のみが知られてい
た。しかし、プラズマ溶射法はこのような接合に
は有用であるが、高価なアパタイト粒子の歩留ま
りが悪いこと、コーテイングと基材の接合が必ず
しも十分でない等の欠点を有する。また、条件が
厳しすぎると、溶射処理中に一部が分解してしま
い、結晶化等の付加処理を加える必要が生ずる。
In order to eliminate these drawbacks, it is desired to develop a biocompatible metal or ceramic material as a composite material by coating the surface of the metal or ceramic with apatite. For this purpose, metal-ceramic and ceramic-ceramic bonding techniques are required, but until now only plasma spraying was known. However, although plasma spraying is useful for such bonding, it has drawbacks such as poor yield of expensive apatite particles and insufficient bonding between the coating and the base material. Furthermore, if the conditions are too severe, a portion of the material will decompose during the thermal spraying process, making it necessary to perform additional processing such as crystallization.

本出願人は、従来のこれらの欠点を解消するた
めに、溶射法を使用しなくても製造することので
きる、金属基材とリン酸カルシウム化合物から成
る被覆層とを、リン酸カルシウム化合物を含む中
間層を介して(特願昭61−64012号、同61−64013
号及び同61−70504号)あるいは介さずに(特願
昭61−169547号)強固に接合したインプラント材
を提案した。
In order to eliminate these conventional drawbacks, the applicant has developed a coating layer consisting of a metal substrate and a calcium phosphate compound, which can be manufactured without using a thermal spraying method, and an intermediate layer containing a calcium phosphate compound. (Patent Application No. 61-64012, No. 61-64013)
We have proposed implant materials that are firmly bonded (Japanese Patent Application No. 61-169547) or without interposition (Japanese Patent Application No. 61-169547).

これらのインプラント材は、金属基材とリン酸
カルシウム化合物の被覆層との間の接合強度は十
分大きいが、生体に埋め込んだ場合、長時間経過
するうちには、これらの歯を含めた骨組織と親和
性の良好なリン酸カルシウム化合物の被覆が骨組
織と同化し、最終的には骨組織と金属基材が直接
接触する可能性がある。ところが金属基材と骨組
織との親和性は不十分であるため、骨組織の退化
が生じ、両者の附着性を悪化させたり、最悪の場
合には抜け落ちてしまうことが考えられる。
These implant materials have a sufficiently high bonding strength between the metal base material and the calcium phosphate compound coating layer, but when implanted in a living body, over a long period of time they will become compatible with the bone tissue including the teeth. A coating of highly resistant calcium phosphate compounds can be assimilated into the bone tissue, ultimately resulting in direct contact between the bone tissue and the metal substrate. However, since the affinity between the metal base material and bone tissue is insufficient, degeneration of the bone tissue may occur, worsening the adhesion of the two, or in the worst case, causing the metal base material to fall off.

(発明の目的) 本発明の目的は、工作性が良好でしかも機械強
度が十分にあり、しかも骨組織との親和性を高め
長期間にわたつて安定した密着性を保持できる人
工骨、人工歯根等のインプラント材に適した複合
材の製造方法を提供することにある。
(Objective of the Invention) The object of the present invention is to provide an artificial bone and an artificial tooth root that have good workability and sufficient mechanical strength, and can also improve affinity with bone tissue and maintain stable adhesion over a long period of time. It is an object of the present invention to provide a method for manufacturing a composite material suitable for implant materials such as the following.

(問題点を解決するための手段) 本発明は、金属基材を陽極とし導電性の電解液
中において該金属基材を電解的に酸化して、金属
基材成分単独の酸化物又は金属基材成分と前記電
解液中の金属成分との混合酸化物の不動態薄層を
形成し、更に酸化を継続して前記不動態薄層を破
壊して前記金属基材成分単独の酸化物又は金属基
材成分と前記電解液中の金属成分との混合酸化物
のより厚い酸化物層を形成し、必要に応じて該金
属基材を加熱してその表面を安定化した後、更に
該表面にリン酸カルシウム化合物の被覆層を形成
することから成るリン酸カルシウム化合物被覆複
合材の製造方法であり、最大の特徴とするところ
は、金属基材とリン酸カルシウム化合物の被覆層
の間に、生体内での親和性が比較的良好で耐食性
が十分に大きい比較的厚い酸化物層又は混合酸化
物層を前記金属基材を電解的に酸化することによ
り形成し、これにより表面のリン酸カルシウム化
合物の被覆層が骨組織に吸収された場合にも金属
基材と骨組織とが直接接触して両者の密着性が劣
化すること等を防止する点にある。
(Means for Solving the Problems) The present invention uses a metal base material as an anode and electrolytically oxidizes the metal base material in a conductive electrolytic solution to form an oxide of a metal base component alone or a metal base. Form a passive thin layer of a mixed oxide of the material component and the metal component in the electrolytic solution, and further oxidize to destroy the passive thin layer to form an oxide or metal of the metal base component alone. After forming a thicker oxide layer of a mixed oxide of the base material component and the metal component in the electrolyte, and optionally heating the metal base material to stabilize its surface, further This is a method for producing a composite material coated with a calcium phosphate compound, which consists of forming a coating layer of a calcium phosphate compound. A relatively thick oxide layer or mixed oxide layer with relatively good corrosion resistance and sufficient corrosion resistance is formed by electrolytically oxidizing the metal substrate, so that the coating layer of calcium phosphate compound on the surface is absorbed into the bone tissue. The purpose of this invention is to prevent the metal base material and the bone tissue from coming into direct contact with each other and deteriorating the adhesion between the two.

以下本発明をより詳細に説明する。 The present invention will be explained in more detail below.

本発明は、金属基材を、電解液中で電解してそ
の表面に、生体内での耐食性に極めて優れた、該
金属基材成分単独の酸化物層又は金属基材成分と
前記電解液中の金属成分との混合酸化物層を形成
した後、更にその表面に水酸アパタイト等の生体
との親和性の極めて良好なリン酸カルシウム化合
物の被覆層を形成したインプラント材として好適
なリン酸カルシウム化合物被覆複合材であり、こ
れにより生体内において十分大きな親和力で骨組
織等と接合できしかも長期間にわたつて安定した
親和力を保持でき生体に悪影響を及ぼすことのな
い複合材を提供することができる。
The present invention provides a method for electrolyzing a metal base material in an electrolytic solution and applying an oxide layer of the metal base component alone or a metal base component in the electrolyte solution to the surface of the metal base material, which has extremely excellent corrosion resistance in vivo. After forming a mixed oxide layer with a metal component, a calcium phosphate compound coated composite material suitable as an implant material is further formed with a coating layer of a calcium phosphate compound having extremely good affinity with living organisms such as hydroxyapatite on the surface. As a result, it is possible to provide a composite material that can be bonded to bone tissue etc. with a sufficiently large affinity in the living body, can maintain stable affinity for a long period of time, and has no adverse effects on the living body.

本発明における金属基材とは、生体内において
安定なチタン、チタン合金並びにステンレススチ
ール、クロム―コバルト基合金等から選択される
基材をいう。ここでいうチタン又はチタン白金と
は、金属チタン及び例えばTa、Nb、白金族金
属、Al、V等を添加したチタン合金から選択さ
れるものであり、又ステンレススチールとは、
JIS(日本工業規格)SUS304、310及び316等であ
り、コバルト―クロム基合金とは、生体埋め込み
用のコバルト―クロム合金を含む耐食性合金を含
むものである。このような金属から成る金属基材
はその形状が板状、棒状等の平滑なものであつて
も、スポンジ状の多孔表面を有するものであつて
も、又エクスパンドメツシユや多孔板であつても
よい。基材としてこれらの金属を使用するのは、
焼結体やガラスと比較して機械的強度が十分に大
きくかつ工作が容易だからであり、該基材は予め
その表面を水洗、酸洗、超音波洗浄、蒸気洗浄等
により洗浄化処理して不純物を除去して電解によ
り形成される酸化物層又は混合酸化物層の均一性
を向上させてもよく、更に必要に応じて該表面を
ブラスト及び/又はエツチング処理により粗面化
して後述するリン酸カルシウム化合物の被覆層と
の親和性を向上させるとともに活性化を行うよう
にすることもできる。なお、エツチングは化学的
な方法ばかりでなく、スパタリング等の物理的方
法で行つてもよい。
The metal base material in the present invention refers to a base material selected from titanium, titanium alloys, stainless steel, chromium-cobalt-based alloys, etc., which are stable in vivo. Titanium or titanium platinum as used herein is selected from metallic titanium and titanium alloys to which Ta, Nb, platinum group metals, Al, V, etc. are added, and stainless steel is
JIS (Japanese Industrial Standards) SUS304, 310, and 316, etc., and cobalt-chromium-based alloys include corrosion-resistant alloys including cobalt-chromium alloys for biological implants. Metal base materials made of such metals may be flat, such as a plate or rod, or may have a porous surface like a sponge, or may be an expanded mesh or perforated plate. Good too. The use of these metals as base materials is
This is because it has sufficient mechanical strength and is easier to work with than sintered bodies or glass, and the surface of the base material has been cleaned in advance by water washing, pickling, ultrasonic cleaning, steam cleaning, etc. The uniformity of the oxide layer or mixed oxide layer formed by electrolysis may be improved by removing impurities, and if necessary, the surface may be roughened by blasting and/or etching treatment to improve the calcium phosphate layer described below. It is also possible to improve the affinity of the compound with the coating layer and to activate it. Note that etching may be performed not only by a chemical method but also by a physical method such as sputtering.

次に、該金属基材を電解的に酸化してその表面
に酸化物層又は混合酸化物層を形成する。一般に
チタン又はチタン合金及びステンレススチール等
の耐食性金属合金を陽極とし、導電性電解液中で
通電すると該陽極表面に不働態の酸化物の薄層が
形成されて電位が上昇し過不働態となり酸素を発
生する。本発明では不働態層を破壊してより厚い
酸化物層を形成するため、1A/dm2以上、望ま
しくは5A/dm2以上の電流を流し、更に酸化す
ることにより、厚い酸化物層を形成することがで
きる。該酸化物層の形成に必要な条件は、金属基
材及び電解液の種類等により異なるが、例えば炭
酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸カルシウム、
硫酸ナトリウム、硫酸カリウム及び硫酸カルシウ
ム等を含む電解液では、40〜200Vの電圧で、5
〜200A/dm2の電流密度で10秒から2分間処理
することにより、所望の厚さの酸化物層を得るこ
とができる。この際電解液中で火花の発生を伴う
ことがあり、該現象は液中火花放電と呼ばれる。
Next, the metal substrate is electrolytically oxidized to form an oxide layer or mixed oxide layer on its surface. In general, titanium or a corrosion-resistant metal alloy such as titanium alloy or stainless steel is used as an anode, and when electricity is applied in a conductive electrolyte, a thin layer of passive oxide is formed on the surface of the anode, the potential increases, and a hyperpassive state occurs, resulting in oxygen occurs. In the present invention, in order to destroy the passive layer and form a thicker oxide layer, a current of 1 A/dm 2 or more, preferably 5 A/dm 2 or more is applied and further oxidized to form a thick oxide layer. can do. The conditions necessary for forming the oxide layer vary depending on the metal base material and the type of electrolyte, but for example, sodium carbonate, potassium carbonate, calcium carbonate,
For electrolytes containing sodium sulfate, potassium sulfate, calcium sulfate, etc., at a voltage of 40 to 200V, 5
An oxide layer of desired thickness can be obtained by treatment at a current density of ~200 A/dm 2 for 10 seconds to 2 minutes. At this time, sparks may be generated in the electrolyte, and this phenomenon is called submerged spark discharge.

前記通電時に、金属基材の表面が一部電解液中
に溶出し、再び金属基材表面に酸化物の形で析出
する現象が起こり、電解液中に金属イオンが存在
すると該イオンを同時に取り込んで析出しこの場
合には、金属基材の成分である金属と電解液中の
金属との混合酸化物層が金属基材上に形成される
ことになる。例えばチタン基材を使用し、硫酸ク
ロム水溶液中で極間を30mmとして酸化を行うと、
約40Vの電圧で100A/dm2の電流密度が得られ、
30秒から1分で0.1μm〜数十μmの厚さのクロム
を含浸した酸化チタンの混合酸化物層が得られ
る。
When the current is applied, a part of the surface of the metal base material is eluted into the electrolyte solution, and a phenomenon occurs where the surface of the metal base material is deposited again in the form of an oxide on the surface of the metal base material, and if metal ions are present in the electrolyte solution, the ions are taken in at the same time. In this case, a mixed oxide layer of the metal that is a component of the metal base material and the metal in the electrolyte is formed on the metal base material. For example, if a titanium base material is used and oxidized in an aqueous chromium sulfate solution with a gap of 30 mm,
A current density of 100A/ dm2 can be obtained at a voltage of approximately 40V,
A mixed oxide layer of chromium-impregnated titanium oxide with a thickness of 0.1 μm to several tens of μm is obtained in 30 seconds to 1 minute.

このように形成される酸化物層又は混合酸化物
層は金属基材全面に形成されるが、その表面は均
一ではなく凹凸があるので、その上に後述するリ
ン酸カルシウム化合物の被覆層を形成する際には
実質接触面積が増大し強固な密着性を得るために
有効に働く。また該酸化物層又は混合酸化物層は
厚さが比較的厚く、結晶性は低く、一部電解液成
分を含む場合もあるので、必要に応じて加熱し安
定化することができる。加熱は空気中200〜700℃
で行うことが適当であり、加熱時間は適宜選択で
きるが10分から3時間で適当である。200℃未満
では酸化物層を取り込まれることのあるOH基を
分離することができず、また700℃を超えると金
属基材自体の酸化が進行し、酸化物層が安定化さ
れても金属基材から剥離しやすくなる。
The oxide layer or mixed oxide layer formed in this way is formed on the entire surface of the metal substrate, but the surface is not uniform and has irregularities, so when forming the coating layer of the calcium phosphate compound described below on it, it is difficult to This effectively increases the contact area and provides strong adhesion. Further, the oxide layer or mixed oxide layer is relatively thick, has low crystallinity, and may partially contain electrolyte components, so it can be stabilized by heating if necessary. Heating is 200-700℃ in air
The heating time can be selected as appropriate, but 10 minutes to 3 hours is appropriate. At temperatures below 200°C, it is not possible to separate the OH groups that may be incorporated into the oxide layer, and at temperatures above 700°C, oxidation of the metal base material itself progresses, and even if the oxide layer is stabilized, the metal base cannot be separated. It becomes easy to peel off from the material.

金属基材としてステンレンススチロールやコバ
ルト―クロム基合金を使用する場合には、チタン
又はチタン合金の場合とは異なり、電解液の選択
には注意を要する。即ち、酸性溶液中で陽分極を
行うと金属の表面が溶け出し酸化物層を得にくく
なる。また強アルカリ溶液中では、生成した金属
基材表面の酸化物が僅かに溶け出すため十分成長
した酸化物層が得れないことがある。従つてpH6
〜13の電解液を選択する必要があり、その種類は
問わないが、例えば各種金属の炭酸塩、硫酸塩水
溶液又はこれらを支持電解質とする有機浴が有効
であり、有機浴に使用する有機化合物としては、
例えばエチルアルコール、n―ブチルアルコール
及びイソプロピルアルコール等を挙げることがで
きる。
When using stainless steel styrene or a cobalt-chromium based alloy as the metal base material, care must be taken in selecting the electrolyte, unlike when using titanium or a titanium alloy. That is, when anodic polarization is performed in an acidic solution, the surface of the metal dissolves, making it difficult to obtain an oxide layer. Furthermore, in a strong alkaline solution, the generated oxide on the surface of the metal base material slightly dissolves, so that a sufficiently grown oxide layer may not be obtained. Therefore pH6
It is necessary to select ~13 electrolytes, and the type does not matter, but for example, carbonate or sulfate aqueous solutions of various metals, or organic baths with these as supporting electrolytes are effective, and the organic compounds used in the organic bath as,
Examples include ethyl alcohol, n-butyl alcohol, and isopropyl alcohol.

塩素等のハロゲンイオンを含む電解液でも同様
にして酸化物層又は混合酸化物層を形成すること
ができるが、加熱処理を行つても該層中にハロゲ
ンイオンが残ることがあり、長期間使用する間に
はステンレススチールやコバルト―クロム基合金
が腐食することがあり、安定性の面で問題がある
ため、これらを金属基材として使用する場合に
は、ハロゲンを含む電解液を使用することは好ま
しくない。
An oxide layer or mixed oxide layer can be formed in the same way with an electrolytic solution containing halogen ions such as chlorine, but halogen ions may remain in the layer even after heat treatment, making it difficult to use for a long period of time. Stainless steel and cobalt-chromium-based alloys may corrode during this process, which poses problems in terms of stability, so when using these as metal substrates, electrolytes containing halogens should be used. is not desirable.

この他にも、ステンレススチールやコバルト―
クロム基合金は酸化物層の形成速度が小さく、
800℃以上の加熱に耐えることができる。
In addition, stainless steel and cobalt
Chromium-based alloys have a slow oxide layer formation rate;
Can withstand heating over 800℃.

金属基材として上記したもの以外の金属や合金
を使用する場合にも該金属等の特性に基づいて条
件を適宜選択することにより目的とする酸化物層
を得ることができる。
Even when a metal or alloy other than those mentioned above is used as the metal base material, the desired oxide layer can be obtained by appropriately selecting conditions based on the characteristics of the metal.

次に、このようにして酸化物層又は混合酸化物
層を形成した金属基材の該酸化物層上にリン酸カ
ルシウム化合物の被覆層を形成する。本発明にお
いてリン酸カルシウム化合物とは、主として水酸
アパタイトを指称し、更に本発明方法による水酸
アパタイトの加熱焼成等により副生すると考えら
れるリン酸三カルシウム、リン酸水素カルシウ
ム、リン酸二水素カルシウムの他、不純物成分又
は酸化物層又は混合酸化物層中の成分と水酸アパ
タイトによつて形成するリン酸カルシウム系の化
合物を含むものである。
Next, a coating layer of a calcium phosphate compound is formed on the oxide layer of the metal substrate on which the oxide layer or mixed oxide layer has been formed in this manner. In the present invention, the term "calcium phosphate compound" refers mainly to hydroxyapatite, and also to tricalcium phosphate, calcium hydrogen phosphate, and calcium dihydrogen phosphate, which are thought to be by-produced by heating and calcination of hydroxyapatite according to the method of the present invention. In addition, it contains a calcium phosphate compound formed by impurity components or components in the oxide layer or mixed oxide layer and hydroxyapatite.

被覆形成の方法や条件は特に限定されないが、
代表的な方法としては、プラズマ溶射法と熱分解
等がある。
The method and conditions for forming the coating are not particularly limited, but
Typical methods include plasma spraying and thermal decomposition.

プラズマ溶射法は、前述の通り高価な水酸アパ
タイトを使用し、その歩留りが不十分なこと等の
問題点を有する反面、容易に被覆を形成すること
ができるという長所を有している。しかし、従来
は金属上に直接溶射をする場合には、十分な密着
性を得るためには厳しい条件で溶射を行わなけれ
ばならず、高価な水酸アパタイトの一部が分解し
てしまうという欠点があつたが、本発明では該リ
ン酸カルシウム化合物の被覆層の下地が酸化物層
であり水酸アパタイトが分解しない条件で溶射を
行つても十分強固な密着性を得ることができる。
Although the plasma spraying method uses expensive hydroxyapatite as described above and has problems such as insufficient yield, it has the advantage of being able to easily form a coating. However, in the past, when spraying directly onto metal, the spraying had to be carried out under harsh conditions in order to obtain sufficient adhesion, which resulted in the decomposition of some of the expensive hydroxyapatite. However, in the present invention, the base of the coating layer of the calcium phosphate compound is an oxide layer, and even if thermal spraying is performed under conditions where the hydroxyapatite does not decompose, sufficiently strong adhesion can be obtained.

溶射の条件は、例えばアルゴンガスと水素から
成る雰囲気中、30kW程度の電力で十分であり、
水酸アパタイトの粒径は125〜345メツシユ程度の
中位の粉径とすることが望ましい。
The thermal spraying conditions are, for example, an atmosphere consisting of argon gas and hydrogen, and a power of about 30kW is sufficient.
The particle size of the hydroxyapatite is preferably a medium particle size of about 125 to 345 mesh.

熱分解法を採用する場合には、リン酸カルシウ
ム化合物、好ましくは水酸アパタイトを溶解、望
ましくは飽和させた例えば硝酸水溶液を前記酸化
物層の表面に塗布し、加熱焼成して金属基材の前
記酸化物層と強固な密着性を有する被覆層を形成
する。この場合の加熱焼成生成物は、主として水
酸アパタイトから成るリン酸カルシウム化合物で
ある。加熱焼成の条件は、使用する液、特に硝酸
濃度によつて最適値が変化し、その最適温度は硝
酸濃度が高い程上昇し、10%硝酸では350〜500
℃、60%硝酸では450〜800℃が最適である。加熱
焼成温度は300〜800℃が望ましく、300℃未満で
はリン酸カルシウム化合物の被覆層の強度が不十
分となり、800℃以上では金属基材の酸化速度が
大きくなり、該金属基材と前記酸化物層との間で
剥離が生じやすくなる。該加熱焼成は、空気に代
表される酸化性雰囲気中で行つてもよいが、アル
ゴンに代表される不活性雰囲気中で行うことが好
ましい。
When a thermal decomposition method is adopted, a calcium phosphate compound, preferably hydroxyapatite, is dissolved, preferably saturated, for example, in an aqueous solution of nitric acid, and applied to the surface of the oxide layer, and heated and fired to remove the oxidation of the metal base material. Forms a coating layer that has strong adhesion to the material layer. The heated and calcined product in this case is a calcium phosphate compound mainly composed of hydroxyapatite. The optimal temperature for heating and firing conditions changes depending on the liquid used, especially the nitric acid concentration.The higher the nitric acid concentration, the higher the optimal temperature is.
℃, 450-800℃ is optimal for 60% nitric acid. The heating and firing temperature is preferably 300 to 800°C. If it is less than 300°C, the strength of the calcium phosphate compound coating layer will be insufficient, and if it is higher than 800°C, the oxidation rate of the metal base material will increase, causing the metal base material and the oxide layer to Peeling is likely to occur between the two. The heating and baking may be performed in an oxidizing atmosphere such as air, but is preferably performed in an inert atmosphere such as argon.

またこのほかに、炭酸カルシウムとリン酸カル
シウムの適比の混合物溶液を塗布し、酸化性又は
不活性雰囲気中で加熱焼成を行つて被覆層を形成
することができるが、この場合には更に水熱処理
を行つて結晶性を向上させることが好ましい。
In addition, a coating layer can be formed by applying a solution of a mixture of calcium carbonate and calcium phosphate in an appropriate ratio and heating and baking the mixture in an oxidizing or inert atmosphere. In this case, hydrothermal treatment is also required. It is preferable to improve crystallinity.

以上の操作により、工作性が良好でしかも機械
強度が十分にあり、しかも骨組織生体内での親和
性を高め長期間にわたつて生体との間に安定した
密着性を保持できるインプラント材を得ることが
できる。
Through the above operations, an implant material is obtained that has good workability and sufficient mechanical strength, improves its compatibility with the bone tissue in the living body, and maintains stable adhesion with the living body over a long period of time. be able to.

(実施例) 以下実施例により本発明をより詳細に説明する
が、該実施例は本発明を限定するものではない。
(Examples) The present invention will be explained in more detail with reference to Examples below, but these Examples do not limit the present invention.

実施例 1 厚さ1mmのJIS1種のチタン圧延板を縦40mm、横
20mmの大きさに切り出し、トリクロルエチレン蒸
気中で脱脂し金属基材とした。該金属基材を陽極
とし、5%炭酸カリウム水溶液を電解液として通
電を行つた。電流密度を50A/dm2としたところ
液中で火花を発し、チタン基材の一部が溶解して
液が白濁した。このときの電圧は70Vであつた。
通電を1分間行い、チタン基材を取り出したとこ
ろ該チタン基材の表面は梨地状となつており、白
色の硬い被覆で覆われていた。該チタン基材を脱
イオン水で洗浄し乾燥後X線回析計を用いて表面
の白色被覆の同定を行つたところ結晶度の低いル
チル(TiO2)であることが分かつた。
Example 1 A rolled titanium plate of JIS type 1 with a thickness of 1 mm was prepared with a length of 40 mm and a width of 40 mm.
It was cut to a size of 20 mm and degreased in trichlorethylene vapor to obtain a metal base material. Electricity was applied using the metal base material as an anode and a 5% potassium carbonate aqueous solution as an electrolyte. When the current density was set to 50 A/dm 2 , sparks were emitted in the liquid, part of the titanium base material dissolved, and the liquid became cloudy. The voltage at this time was 70V.
Electricity was applied for 1 minute, and when the titanium base material was taken out, the surface of the titanium base material had a matte finish and was covered with a white hard coating. After washing the titanium base material with deionized water and drying, the white coating on the surface was identified using an X-ray diffraction meter, and it was found to be rutile (TiO 2 ) with low crystallinity.

該酸化物層を形成したチタン基材の表面に、熱
分解法を用いて水酸アパタイトを主とする被覆層
の形成を行つた。被覆形成用塗布液として、水酸
アパタイト粉末3gを25%硝酸水溶液10gに溶解
した液を用い、該塗布液を前記基材に塗布し、ア
ルゴンガス雰囲気中で500℃15分間熱分解を行つ
た。更に塗布―加熱の操作を4回繰り返した。こ
れにより実質的に水酸アパタイトから成る極めて
強固な被覆層が酸化チタンの酸化物層を介してチ
タン基材上に形成された。
A coating layer mainly composed of hydroxyapatite was formed on the surface of the titanium base material on which the oxide layer was formed using a thermal decomposition method. As a coating solution for coating formation, a solution in which 3 g of hydroxyapatite powder was dissolved in 10 g of a 25% nitric acid aqueous solution was used, and the coating solution was applied to the base material and thermally decomposed at 500° C. for 15 minutes in an argon gas atmosphere. . Furthermore, the coating-heating operation was repeated four times. As a result, an extremely strong coating layer consisting essentially of hydroxyapatite was formed on the titanium substrate via the titanium oxide oxide layer.

実施例 2 実施例1と同様にチタン基材を準備した。該基
材を陽極として、50g/の硫酸コバルトと50
g/の硫酸の混合水溶液を電解液として通電し
た。電流密度を100A/dm2としたところ、液中
で火花を発し、チタン基材の一部が溶解して液が
白濁した。このときの電圧は50Vであつた。通電
を1分間行い、チタン基材を取り出したところ該
チタン基材の表面は梨地状となつており、黄緑色
の硬い被覆で覆われていた。該チタン基材を脱イ
オン水で洗浄し乾燥後500℃の空気を流した電気
炉に入れて1時間加熱した。この加熱による色調
の変化は観察されなかつた。このように作製した
混合酸化物層の構成成分と構造を調べるために、
X線マイクロアナライザーにより元素分析を、ま
たX線回析計により状態分析を行つた。元素分析
の結果、構成成分はTi:Co=95:5(金属モル比
%)であることが分かつた。X線回析では、ルチ
ル型結晶相でルチル型酸化チタン(TiO2)にCo
が固溶したものであることが分かつた。該チタン
基材に実施例1と同一条件で水酸アパタイトの被
覆層を形成した。テープテストにより該被覆層を
形成したチタン基材の附着強度を測定したが、被
覆の剥離は全く認められなかつた。
Example 2 A titanium base material was prepared in the same manner as in Example 1. Using the base material as an anode, 50 g/cobalt sulfate and 50
Electricity was applied using a mixed aqueous solution of g/g of sulfuric acid as an electrolyte. When the current density was set to 100 A/dm 2 , sparks were generated in the liquid, part of the titanium base material was dissolved, and the liquid became cloudy. The voltage at this time was 50V. Electricity was applied for 1 minute, and when the titanium base material was taken out, the surface of the titanium base material had a matte finish and was covered with a yellow-green hard coating. The titanium base material was washed with deionized water, dried, and then placed in an electric furnace flowing air at 500° C. and heated for 1 hour. No change in color tone was observed due to this heating. In order to investigate the constituent components and structure of the mixed oxide layer prepared in this way,
Elemental analysis was performed using an X-ray microanalyzer, and state analysis was performed using an X-ray diffractometer. As a result of elemental analysis, it was found that the constituent components were Ti:Co=95:5 (metal molar ratio %). X-ray diffraction shows that Co is present in rutile-type titanium oxide (TiO 2 ) in the rutile-type crystal phase.
was found to be a solid solution. A coating layer of hydroxyapatite was formed on the titanium base material under the same conditions as in Example 1. The adhesion strength of the titanium substrate on which the coating layer was formed was measured by a tape test, and no peeling of the coating was observed.

実施例 3 厚さ1mmのステンレススチールSUS316L板を
縦40mm、横20mmの大きさに切り出し、表面を#80
のスチールシヨツトを使用してプラスト掛けを行
い粗面化した。該SUS316L板を40℃の25%塩酸
水溶液中に30分間浸漬して表面の附着物を除去し
た。
Example 3 A stainless steel SUS316L plate with a thickness of 1 mm was cut into a size of 40 mm in length and 20 mm in width, and the surface was #80.
The surface was roughened by plastering using a steel shot. The SUS316L plate was immersed in a 25% aqueous hydrochloric acid solution at 40°C for 30 minutes to remove deposits on the surface.

該ステンレススチール基材を陽極とし、pH12
に調整した0.5モル%の炭酸カルシウム水溶液中、
95℃で電解を行つた。最初に0.5A/dm2の電流
密度cm2電解を行つたところ表面に酸化物の形成が
認められなかつたので、電流密度を1A/dm2
して電解を続けた。約30分間電解を続けたところ
基材表面が黒色となり電解電圧が1V上昇した。
更に60分間電解を続けたところ更に2V電圧上昇
があり、急激に電圧が上昇しはじめたため電解を
停止した。該ステンレススチール基材を脱イオン
水で洗浄後350℃の電気炉に入れて1時間加熱し
た。該基材の表面をX線回析法で調べたところ、
結晶性の低いα―Fe2O3を主とする酸化物である
ことが分かつた。
The stainless steel base material is used as an anode, and the pH is 12.
In a 0.5 mol% calcium carbonate aqueous solution adjusted to
Electrolysis was performed at 95°C. When electrolysis was first carried out at a current density of 0.5 A/dm 2 , no oxide formation was observed on the surface, so electrolysis was continued at a current density of 1 A/dm 2 . When electrolysis continued for about 30 minutes, the surface of the substrate turned black and the electrolysis voltage increased by 1V.
When electrolysis continued for another 60 minutes, the voltage increased by another 2V, and as the voltage began to rise rapidly, electrolysis was stopped. After washing the stainless steel substrate with deionized water, it was placed in an electric furnace at 350° C. and heated for 1 hour. When the surface of the base material was examined by X-ray diffraction, it was found that
It was found that it is an oxide mainly composed of α-Fe 2 O 3 with low crystallinity.

次に該ステンレススチール基材上にプラズマ溶
射法により水酸アパタイトを主とするリン酸カル
シウム化合物の被覆層を形成した。粒度125〜345
メツシユの試薬級の水酸アパタイト粉末を溶射材
とし、アルゴン:水素=5:1(体積比)のプラ
ズマガスを使用しアーク電圧60V、アーク電流
500Aで、厚さ約100μmの被覆層が形成された。
該被覆層はリン酸三カルシウムを僅かに含む水酸
アパタイトであつた。該被覆層はテープテストに
よつても全く剥離を生ずることなく、極めて強固
な附着性を有することが分かつた。
Next, a coating layer of a calcium phosphate compound mainly composed of hydroxyapatite was formed on the stainless steel base material by plasma spraying. Particle size 125~345
Metsuyu's reagent-grade hydroxyapatite powder was used as the spraying material, and plasma gas with an argon:hydrogen ratio of 5:1 (volume ratio) was used to produce an arc voltage of 60V and an arc current.
At 500A, a coating layer with a thickness of about 100 μm was formed.
The coating layer was hydroxyapatite containing a small amount of tricalcium phosphate. It was found that the coating layer did not peel off at all even in a tape test, and had extremely strong adhesion.

(発明の効果) 本発明では、第1の金属基材として特に耐食性
のあるチタン、チタン合金又はステンレススチー
ル又はクロム―コバルト基合金等を使用し更にそ
の表面に該金属基材の金属成分を含む金属の酸化
物層を電解的な酸化により形成してあり、本発明
に関わる複合材を人工骨や人工歯根とした場合は
生体に無害かつ安定で溶出の可能性も殆んどな
く、しかも機械強度が十分に大きく工作も容易で
ある。
(Effects of the Invention) In the present invention, particularly corrosion-resistant titanium, titanium alloy, stainless steel, chromium-cobalt-based alloy, etc. are used as the first metal base material, and the surface thereof further contains the metal component of the metal base material. The metal oxide layer is formed by electrolytic oxidation, and when the composite material of the present invention is used as an artificial bone or artificial tooth root, it is harmless to living organisms, stable, and has almost no possibility of elution, and is easy to use mechanically. It has sufficient strength and is easy to work with.

第2に、前記金属基材表面に水酸アパタイトを
代表とするリン酸カルシウム化合物を被覆してあ
るため、生体内における親和性が十分に大きく生
体内の骨等と容易にかつ十分な強度をもつて接合
することができる。
Second, since the surface of the metal base material is coated with a calcium phosphate compound, typified by hydroxyapatite, it has a sufficiently high affinity in vivo that it can be easily bonded to bones, etc. in vivo and has sufficient strength. Can be joined.

第3に、上記した通り、金属基材の表面に金属
の酸化物層を形成してあるため、生体埋め込み後
に、親和性に特に優れたリン酸カルシウム化合物
が長期間のうちに骨組織に吸収された後にも、前
記金属基材上に形成された酸化物層が、骨組織と
金属基材が直接接触することを防止し、骨組織と
金属基材間の親和性が不十分であることに基づく
両者の密着性の劣化等を防止して、長期間にわた
つて本発明に係わるリン酸カルシウム化合物被覆
複合材を、インプラント材としての安定性に変化
を生じさせることなく使用することを可能にす
る。
Third, as mentioned above, since a metal oxide layer is formed on the surface of the metal base material, the calcium phosphate compound, which has particularly excellent affinity, is absorbed into bone tissue over a long period of time after implantation. Even later, the oxide layer formed on the metal base material prevents direct contact between the bone tissue and the metal base material, which is based on the insufficient affinity between the bone tissue and the metal base material. By preventing deterioration of the adhesion between the two, it is possible to use the calcium phosphate compound-coated composite material of the present invention for a long period of time without causing any change in stability as an implant material.

第4に、リン酸カルシウム化合物の被覆層と金
属基材との間に金属酸化物層を形成してあり、該
被覆層と金属酸化物層は比較的穏やかな条件で溶
射しても十分強固な接合が得られるため、該被覆
層を形成する際に、被覆の形成が容易であるが水
酸アパタイトの分解のため従来は使用できなかつ
た溶射法を使用することが可能になる。
Fourth, a metal oxide layer is formed between the calcium phosphate compound coating layer and the metal base material, and the coating layer and metal oxide layer have a sufficiently strong bond even when sprayed under relatively mild conditions. Therefore, when forming the coating layer, it becomes possible to use a thermal spraying method which is easy to form a coating but could not be used conventionally due to the decomposition of hydroxyapatite.

第5に、金属基材を強く電解酸化することによ
り当初生ずる不動態層を破壊してより厚い酸化物
層を形成するようにしてあり、本発明により製造
される複合材は通常の場合よりも生体内での耐食
性及び親和性が向上する。
Fifth, the metal substrate is subjected to strong electrolytic oxidation to destroy the initially formed passivation layer and form a thicker oxide layer, making the composite produced by the present invention more effective than the conventional case. Corrosion resistance and affinity in vivo are improved.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 金属基材を陽極とし導電性の電解液中におい
て該金属基材を電解的に酸化して、金属基材成分
単独の酸化物又は金属基材成分と前記電解液中の
金属成分との混合酸化物の不動態薄層を形成し、
更に酸化を継続して前記不動態薄層を破壊して前
記金属基材成分単独の酸化物又は金属基材成分と
前記電解液中の金属成分との混合酸化物のより厚
い酸化物層を形成し、必要に応じて該金属基材を
加熱してその表面を安定化した後、更に該表面に
リン酸カルシウム化合物の被覆層を形成すること
から成るリン酸カルシウム化合物被覆複合材の製
造方法。 2 チタン又はチタン合金である金属基材を、硫
酸、硫酸塩及び/又は炭酸塩を含む電解液中で、
1A/dm2以上の電流密度で電解処理を行つて、
前記金属基材表面に酸化物層又は混合酸化物層を
形成するようにした特許請求の範囲第1項に記載
の製造方法。 3 チタン又はチタン合金である金属基材を、コ
バルト及び/又はクロムイオンを含む電解液中で
1A/dm2以上の電流密度で電解処理を行つて、
前記金属基材表面にコバルト及び/又はクロムを
含む混合酸化物層を形成するようにした特許請求
の範囲第1項に記載の製造方法。 4 ステンレススチール又はクロム―コバルト基
合金である金属基材を、中性又は弱アルカリ性水
溶液又は有機溶液である電解液中で1A/dm2
上の電流密度で電解処理を行つて、前記金属基材
表面に酸化物層を形成するようにした特許請求の
範囲第1項に記載の製造方法。 5 ステンレススチール又はクロム―コバルト基
合金である金属基材を、コバルト及び/又はクロ
ムを含む電解液中で1A/dm2以上の電流密度で
電解処理を行つて、前記金属基材表面にコバルト
及び/又はクロムを含む混合酸化物層を形成する
ようにした特許請求の範囲第1項に記載の製造方
法。 6 酸化物層又は混合酸化物層の加熱を、空気中
200〜700℃で行うようにした特許請求の範囲第1
項に記載の製造方法。
[Scope of Claims] 1. Electrolytically oxidize the metal base material in a conductive electrolytic solution using a metal base material as an anode, and form an oxide of the metal base component alone or a metal base component in the electrolyte solution. forming a passive thin layer of mixed oxide with metal components,
Further oxidation is continued to destroy the passive thin layer and form a thicker oxide layer of an oxide of the metal base component alone or a mixed oxide of the metal base component and the metal component in the electrolyte. A method for producing a composite material coated with a calcium phosphate compound, which comprises heating the metal base material to stabilize its surface, if necessary, and then further forming a coating layer of a calcium phosphate compound on the surface. 2. A metal base material that is titanium or a titanium alloy is placed in an electrolytic solution containing sulfuric acid, sulfate, and/or carbonate,
By performing electrolytic treatment at a current density of 1A/dm2 or more ,
The manufacturing method according to claim 1, wherein an oxide layer or a mixed oxide layer is formed on the surface of the metal base material. 3 A metal base material that is titanium or a titanium alloy is placed in an electrolytic solution containing cobalt and/or chromium ions.
By performing electrolytic treatment at a current density of 1A/dm2 or more ,
The manufacturing method according to claim 1, wherein a mixed oxide layer containing cobalt and/or chromium is formed on the surface of the metal base material. 4. A metal base material made of stainless steel or a chromium-cobalt based alloy is electrolytically treated in an electrolytic solution that is a neutral or weakly alkaline aqueous solution or an organic solution at a current density of 1 A/dm 2 or more to obtain the metal base material. The manufacturing method according to claim 1, wherein an oxide layer is formed on the surface. 5 A metal base material that is stainless steel or a chromium-cobalt based alloy is electrolytically treated in an electrolytic solution containing cobalt and/or chromium at a current density of 1 A/dm 2 or more to coat the surface of the metal base material with cobalt and The manufacturing method according to claim 1, wherein a mixed oxide layer containing/or chromium is formed. 6 Heating the oxide layer or mixed oxide layer in air
Claim 1: The process is carried out at 200 to 700°C.
The manufacturing method described in section.
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