CN103200969B - 多孔植入体材料 - Google Patents

Abstract

具有接近人骨的强度特性，避免应力遮挡现象的发生而且确保与骨头的充分的结合性。由多孔金属体构成，所述多孔金属体具有由连续的骨架（2）形成的、多个气孔（3）相连通的三维网眼状结构，气孔率为50%～92%，各气孔（3）被形成为在沿表面的方向上长、在与表面正交的方向上短的扁平形状，并且沿表面的方向上的气孔（3）的长度（Y）相对于与表面正交的方向上的长度（X）被形成为1.2倍～5倍，在与沿表面的方向平行的方向上压缩时的强度相对于在与正交于表面的方向平行的方向上压缩时的强度为1.4倍～5倍。

Description

多孔植入体材料

技术领域

本发明涉及一种用作植入到活体内的植入体的材料，特别是，涉及一种由多孔金属构成的植入体材料。

本申请基于2010年11月10日提交的日本特愿2010-251430主张优先权，并在此引用其内容。

背景技术

作为植入到活体内后使用的植入体，有专利文献1～3所述的植入体。

专利文献1记载的植入体（椎间垫片）是在去除椎间盘后的椎体之间插入配置后使用的，为了使其容易地插入的同时难以拔出等，垫片主体的上表面和下表面形成了特殊的形状。

专利文献2记载的植入体（人工齿根）由实芯柱状的芯材和配置在芯材侧面的多孔层构成，该实芯柱状的芯材由钛或钛合金构成，该多孔层由多个球状颗粒和形成在该球状颗粒之间的多个连通孔构成，该多个球状颗粒由钛或钛合金构成且通过烧结来结合，该多个球状颗粒进一步具备由金钛合金构成的表面层，通过该表面层，相邻的球状颗粒相互结合。提出了尺寸小且与颚骨的结合强度高的人工齿根。

专利文献3记载的植入体由多孔材料构成，且由气孔率高的第一部位和气孔率低的第二部位构成。这种情况下，例如，在生坯状态钛发泡体形状的植入体的第一部位的空穴中，插入钛嵌入体形状的由完全的高密度物质制作的植入体的第二部位后烧结，由此第一部位收缩以固定第二部位。并且，对低气孔率的第二部位进行植入体的操作或固定，由于气孔率低，因此可以避免操作或固定中的颗粒的磨耗。

专利文献1：日本专利第4164315号公报

专利文献2：日本专利第4061581号公报

专利文献3：日本特表2009-504207号公报

然而，这种植入体在活体内被用作骨头的一部分，因此要求对骨头的优异结合性、和负载骨头的一部分所对应的强度，但追求与骨头的结合性时则容易变得强度不足，相反追求强度时则与骨头的结合变得不充分等，难以兼顾这些。

关于这点，专利文献2和专利文献3记载的植入体成为实芯的芯材与多孔层、或者气孔率高的第一部位与气孔率低的第二部位的复合结构，因此可以认为可应对与骨头的结合性、和必要的强度这两方的要求，但一般来说金属材料的强度比人骨高，因此用作植入体时，植入体会承受施加到骨头上的大部分的负荷，产生应力遮挡现象（植入有植入体的部分的周边部的骨头脆化的现象）。

因此，要求使这些植入体成为接近人骨的强度，但人的骨头是具有六方晶系的结晶结构的活体磷灰石和胶原纤维的组合结构，具有在C轴方向择优取向的强度特性。因此，如这些专利文献所述的那样，仅单纯地构成复合结构，难以制作接近人骨的植入体。

发明内容

本发明是鉴于这样的情形做出的，其目的在于提供一种具有接近人骨的强度特性、避免应力遮挡现象的发生而且可以确保与骨头的充分的结合性的多孔植入体材料。

本发明的多孔植入体材料的特征在于，由多孔金属体构成，该多孔金属体具有由连续的骨架形成的、多个气孔相连通的三维网眼状结构，气孔率为50%～92%，各气孔被形成为在沿表面的方向上长、在与表面正交的方向上短的扁平形状，并且沿所述表面的方向上的所述气孔的长度相对于与所述表面正交的方向上的长度被形成为1.2倍～5倍，在与沿所述表面的方向平行的方向上压缩时的强度相对于在与正交于所述表面的方向平行的方向上压缩时的强度为1.4倍～5倍。

该多孔植入体材料可以使骨头进入到连通的多个气孔内而与骨头结合成为一体。此外，由于其气孔被形成为沿表面的扁平形状，沿其表面的方向的压缩强度与其正交方向的压缩强度不同，成为具有与人骨同样的各向异性的强度特性，因此通过配合人骨的强度的方向性植入到体内，可以更有效地防止应力遮挡现象的发生。

这种情况下，气孔率小于50%时，骨头的进入速度慢，作为植入体与骨头的结合功能不足。气孔率超过92%时，压缩强度低，作为植入体支撑骨头的功能不足。

此外，沿表面的方向的气孔的长度和正交方向的长度之比小于1.2倍时，有时会强度不足，超过5倍时，气孔过于变得扁平，有可能会使骨头的进入速度变慢，结合变得不充分。

本发明的多孔植入体材料中，可以通过与所述气孔的扁平方向平行的接合界面来接合多个所述多孔金属体而构成。

通过接合多个多孔金属体，可以容易地制作各种块状的材料的同时，也可以接合气孔率不同的多孔金属体，维持整体的气孔率的同时可以局部地使气孔率变化等，其设计的自由度增大。此外，沿接合界面的方向的压缩强度大于与其正交的方向的压缩强度，使其接合界面与气孔的扁平方向平行，由此可以更有效地赋予强度的方向性。

另外，将这样构成的材料用作植入体的情况下，根据需要还可以增加通过与平行于气孔的扁平方向的方向不同的方向的接合界面来接合的多孔金属体。

本发明的多孔植入体材料中，所述多孔金属体可以为对含有金属粉末与发泡剂的发泡性浆料进行成型后发泡和烧结而成的发泡金属。

发泡金属可以通过连续的骨架和气孔来容易地形成三维网眼状结构的同时，可以通过发泡剂的发泡在较宽范围内调整气孔率，可以配合所使用的部位适当地使用。

此外，发泡金属可以与整体的气孔率相独立地操作表面的开口率，因此通过提高表面的金属密度（降低开口率），可以使沿接合界面的方向的强度进一步提高，可以与由气孔的扁平形状带来的强度特性相结合，能够容易地赋予各向异性。

本发明的多孔植入体材料的制造方法的特征在于，包括如下工序：形成接合体，该接合体是将多孔金属体通过与一个方向平行的接合界面接合而成，该多孔金属体具有由连续的骨架形成的、多个气孔相连通的三维网眼状结构；以及通过在与所述接合界面正交的方向上压缩该接合体，使所述气孔成为扁平形状。

根据本发明的多孔植入体材料，具有由扁平的气孔而具有接近人骨的各向异性的强度特性，因此通过与骨头的方向配合使用，可以有效地避免应力遮挡现象的发生，且通过连通的气孔来使骨头的进入容易，可以确保与骨头的充分的结合性。

附图说明

图1是示意性地表示本发明的多孔植入体材料的一实施方式的立体图。

图2是表示图1的多孔植入体材料中的多孔金属体的剖面的示意图。

图3是表示用于制造多孔金属体的成型装置的概要结构图。

图4是实施例的多孔植入体材料的表面的光学显微镜观察照片。

图5是实施例的多孔植入体材料的剖面的光学显微镜观察照片。

图6是表示实施例的多孔植入体材料的气孔的孔径分布的曲线图。

图7是表示实施例的多孔植入体材料的压缩强度对气孔率和气孔形状的依存度的曲线图。

图8是表示本发明的另一实施方式的立体图。

图9是表示本发明的又一实施方式的俯视图。

图10是表示本发明的又一实施方式的俯视图。

图11是表示本发明的又一实施方式的立体图。

图12是表示用于制造多孔金属体的其他成型装置的主要部分的概要结构图。

具体实施方式

下面，参见附图，对本发明的多孔植入体材料的实施方式进行说明。

本实施方式的多孔植入体材料1是通过在一个方向上平行的接合界面F来层叠多张板状的多孔金属体4而构成的，该板状的多孔金属体4由具有由连续的骨架2形成的、多个气孔3相连通的三维网眼状结构的发泡金属构成。发泡金属是如后所述的那样通过将含有金属粉末和发泡剂等的发泡性浆料成型为薄板状后发泡而形成的，气孔3在表面、背面和侧面开口，并且相对于厚度方向的中心部，表面、背面附近紧密地形成。

层叠该发泡金属的多孔金属体4而成的多孔植入体材料1的整体的气孔率为50%～92%，各气孔3如图2示意性地所示的那样被形成为沿表面的方向（沿接合界面F的方向、图2中上下方向）上长、与表面正交的方向（厚度方向、图2中左右方向）上短的扁平形状。

沿多孔植入体材料1的表面（接合界面F）的各气孔3的长度（气孔的长度方向的长度）Y相对于与表面（接合界面F）正交的方向的长度X被形成为1.2倍～5倍，在与图2的实线箭头所示的沿表面的方向（气孔的长度方向）平行的方向上压缩时的强度相对于在与虚线箭头所示的表面正交的方向平行的方向上压缩时的强度为1.4倍～5倍。

并且，沿该表面（接合界面F）的一个方向成为植入到活体时的轴心方向C。图1和图2中上下方向成为轴心方向C。

接着，对制造该多孔植入体材料1的方法进行说明。

构成该多孔植入体材料1的多孔金属体4是利用刮匀涂装法（ドクターブレード法）等通过将含有金属粉末、发泡剂等的发泡性浆料成型为薄板状后干燥来形成生坯薄板（グリーンシート），对该生坯薄板经过脱脂、烧结工序使其发泡而制造。此外，此时层叠多张生坯薄板后烧结，由此作为多孔金属体4的层叠体（接合体），对其按压或压延使其与接合界面F正交的厚度方向上压缩，由此制造多孔植入体材料1。

发泡性浆料可以将金属粉末、粘结剂、增塑剂、表面活性剂、发泡剂与溶剂水一同混炼而得到。

作为金属粉末，由无活体危害性的金属或其氧化物等的粉末构成，例如可以使用纯钛、钛合金、不锈钢、钴铬合金、钽、铌等。这样的粉末可以通过氢化脱氢法、雾化法、化学工艺法等制造。平均粒径适合为0.5～50μｍ，在浆料中含有30～80质量%。

作为粘结剂（水溶性树脂粘结剂），可以使用甲基纤维素、羟丙基甲基纤维素、羟乙基甲基纤维素、羧甲基纤维素铵、乙基纤维素、聚乙烯醇等。

增塑剂是为了对成型浆料而得到的成型体赋予可塑性而添加的，例如，可以使用乙二醇、聚乙二醇、甘油等多元醇；沙丁鱼油、菜籽油、橄榄油等油脂；石油醚等醚类；邻苯二甲酸二乙酯、邻苯二甲酸二正丁酯、邻苯二甲酸二乙基己酯、邻苯二甲酸二辛酯、山梨糖醇酐单油酸酯、山梨糖醇酐三油酸酯、山梨糖醇酐棕榈酸酯、山梨糖醇酐硬脂酸酯等酯等。

作为表面活性剂，可以使用烷基苯磺酸盐、α-烯烃磺酸盐、烷基硫酸酯盐、烷基醚硫酸酯盐、烷基磺酸盐等阴离子表面活性剂；聚乙二醇衍生物、多元醇衍生物等非离子性表面活性剂；和两性表面活性剂等。

发泡剂只要产生气体后可以在浆料中形成气泡即可，可以使用挥发性有机溶剂，例如戊烷、新戊烷、己烷、异己烷、异庚烷、苯、辛烷、甲苯等的碳原子数5～8的非水溶性烃系有机溶剂。作为该发泡剂的含量，相对于发泡性浆料优选为0.1～5重量%。

由这样作成的发泡性浆料S，使用图3所示的成型装置20，形成用作多孔金属体4的生坯薄板。

该成型装置20是利用刮匀涂装法形成薄板的装置，具备储存发泡性浆料S的料斗21、移送从料斗21供给的发泡性浆料S的载体板（キャリヤシート）22、支撑载体板22的辊23、将载体板22上的发泡性浆料S成型为预定厚度的刀片（刮刀）24、使发泡性浆料S发泡的恒温高湿度槽25、和使发泡的浆料干燥的干燥槽26。另外，载体板22的下表面被支撑板27支撑。

<生坯薄板成型工序>

在成型装置20中，首先，将发泡性浆料S投入到料斗21，从该料斗21将发泡性浆料S供给到载体板22上。载体板22被向图的右方向旋转的辊23和支撑板27支撑，其上表面向图的右方向移动。被供给到载体板22上的发泡性浆料S与载体板22一同移动的同时通过刀片24被成型为板状。

接下来，板状的发泡性浆料S在预定条件（例如温度30℃～40℃、湿度75%～95%）的恒温高湿度槽25内例如用10分钟～20分钟一边移动一边发泡。接着，在该恒温高湿度槽25内发泡的浆料S在预定条件（例如温度50℃～70℃）的干燥槽26内例如用10分钟～20分钟移动并干燥。从而，可得到海绵状的生坯薄板G，并形成多张这样的生坯薄板G。

<层叠和烧结工序>

在将如此得到的生坯薄板G层叠多张的状态下进行脱脂、烧结，由此形成多孔金属体4的层叠体。具体地说，例如在真空中、温度550℃～650℃、25分钟～35分钟的条件下去除（脱脂）生坯薄板G中的粘结剂（水溶性树脂粘结剂）之后，进一步在真空中、温度700℃～1300℃、60分钟～120分钟的条件下进行烧结。

如此得到的多孔金属体4的层叠体具有由连续的骨架2形成的、气孔3相连通的三维网眼状结构。该多孔金属体4是在载体板22上成型的生坯薄板G通过发泡并烧结而形成的，与载体板22相接的面及其相反面，即表面、背面的附近与厚度方向的中心部相比紧密地（以高的金属密度）形成。此外，各多孔金属体4的气孔3在表面、背面开口，因此在其层叠体中也成为在表面、背面连续的气孔3。

<压缩工序>

接下来，通过对多孔金属体4的层叠体以预定的压力按压或压延来在厚度方向上压缩之后，切割为适宜的形状等，由此作为所期望的多孔植入体材料1。

通过该压缩工序，气孔3被压扁，成为沿表面的方向（沿接合界面F的方向）上长、与表面（接合界面F）正交的方向（厚度方向）上短的扁平形状。

此外，多孔金属体4如前所述的那样表面、背面附近紧密地形成，因此其层叠体（接合体）的各接合界面F附近与接合界面F间的中心部相比变得紧密。

这些气孔3被压扁并被形成为沿接合界面F的方向上长的扁平形状、以及接合界面F附近变得紧密，因此与接合界面F平行的方向（气孔的扁平方向，图2的实线箭头所示的方向）上压缩时的强度大于与接合界面F正交的方向平行的方向（厚度方向、图2的虚线箭头所示的方向）上压缩时的强度。

这样制造的多孔植入体材料1是具有50%～92%的气孔率的多孔材料，因此作为植入体使用时骨头易于进入，与骨头的结合性优异，并且压缩强度具有各向异性，具有接近人骨的强度特性，因此用作骨头的一部分的情况下，通过配合人骨的强度的方向性植入到体内，可以有效地避免应力遮挡现象的发生。具体地说，可以将沿多孔植入体材料1的表面方向（接合界面的方向、气孔的扁平方向）的轴心方向C配合骨头的C轴方向。

此外，人骨由中心部的松质骨与包围其周围的皮质骨构成，将该多孔植入体材料用作松质骨的情况下，优选轴心方向C的压缩强度为4～70MPa、其压缩的弹性率为1～5GPa，用作皮质骨的情况下，优选轴心方向C方向的压缩强度为100～200MPa、其压缩的弹性率为5～20GPa。无论哪种情况下，以轴心方向C的压缩强度相对于与轴心方向C正交的方向的压缩强度为1.4倍～5倍的大小的方式具有方向性为好。

实施例

利用浆料发泡法制作了生坯薄板，由该生坯薄板制作了多孔金属体。将平均粒径20μｍ的钛的金属粉末(作为原料)、聚乙烯醇(作为粘结剂)、甘油(作为增塑剂)、烷基苯磺酸盐(作为表面活性剂)、庚烷(作为发泡剂)与溶剂的水一同混炼，由此制作了浆料。将该浆料成型为板状，使其干燥后，将该生坯薄板层叠多张，进行脱脂、烧结，由此得到了多孔金属体的层叠体。

利用压延机压缩该多孔金属体的层叠体，利用光学显微镜观察表面和厚度方向的剖面。

图4是表面的照片，图5是剖面的照片。由这些图显然可知，在表面开口的气孔大致为圆形，但剖面为在厚度方向上压扁的扁平形状。此外，可知接合界面附近的金属部分变得紧密。

图6是气孔的孔径分布的曲线图，作为平均孔径约为550μｍ，向表面的开口率约为60%。

图7是表示压缩强度对气孔率和气孔形状的依存度的曲线图。通过与利用压延机压缩的面平行的方向的气孔的长度Y和与该面正交的方向的长度X的比例（Y/X；称作扁平度）不同的扁平气孔，制作各气孔率的材料后施加与气孔的长度方向平行的压缩负荷而测定了强度。

对于气孔的扁平度，从倍率20倍的光学显微镜观察照片中选定5～10个易于确认形状的气孔，从图像求得各气孔的Y和X的长度后计算出扁平度，将它们的平均值作为该试样的扁平度。

压缩强度基于JIS H7902（多孔金属的压缩试验方法）进行测定。

如该图7所示，扁平度为3.4倍（Y:X为3.4:1）、气孔率为70%的情况下，在与表面方向平行的方向上压缩时为48MPa。对该试样在与表面正交的方向平行的方向上压缩时为28MPa。因此，在沿表面的方向上压缩时的强度为在与其正交的方向上压缩时的强度的约1.7倍。

可知扁平度减小时，压缩强度减小，并且沿表面的方向与其正交方向的强度差也减小，但通过调整为适当的气孔率，可以制作被认为适合作为植入体的大范围的压缩强度的材料。

另外，本发明并不限于上述实施方式，在不脱离本发明宗旨的范围内可以施加各种变更。

例如，在上述实施方式中，说明了层叠多张板状的多孔金属体的材料，但还可以使用压延单层的多孔金属体而使气孔成为扁平形状的材料。

此外，层叠多张多孔金属体的情况下，可以使各多孔金属体为同一气孔率，但也可以层叠气孔率不同的多孔金属体。

此外，接合多个多孔金属体的情况下，除了如实施方式所示的层叠板状的多孔金属体的方式以外，还可以是如图8～图11所示的各种方式。例如，图8所示的多孔植入体材料11为在特定的多孔金属体4A之中以嵌合状态配置有柱状的另一多孔金属体4B的材料，图9所示的多孔植入体材料12为对于图8所示的材料设置有多个柱状的多孔金属体4B的材料，图10所示的多孔植入体材料13为将多个多孔金属体4C～4E配置为同心圆的多重圆状的材料，图11所示的多孔植入体材料14为在十字块状的多孔金属体4F的四角组合有长方体块状的多孔金属体4G的材料。在这些材料的制造中，还可以采用对特定的多孔金属体缠绕板状的多孔金属体、将板状的多孔金属体卷起等的方法。气孔的扁平方向在图8和图11中以C方向图示，在图9和图10中是与纸面正交的方向。

此外，作为接合方法，除了组合生坯体后进行烧结的方法以外，还可以是组合分别烧结的材料后进行扩散接合的方法。并且，压缩这些材料的情况下，具有图8～图10所示的圆柱状的外形的材料，还可以滚动多孔金属体的接合体的同时在径向进行压缩。该压缩工序可以在烧结前的生坯薄板的状态下进行压缩，也可以在烧结后进行压缩。

无论哪种情况下，重要的是这些接合界面F是与一个方向平行的，与扁平的气孔带来的强度的方向性相互作用，可以使与接合界面F平行的方向的压缩强度相对于与接合界面F正交的方向的压缩强度变大。另外，用作植入体的情况下，只要可以确保作为目标的强度的方向性，则还可以根据需要增加通过与气孔的扁平方向（一个方向）平行的方向不同的方向的接合界面来接合的多孔金属体。

此外，通过刮匀涂装法将浆料成型为薄板状的情况下，如图12所示，还可以排列多个料斗，以层叠状态供给发泡性浆料后成型层叠状态的生坯薄板。

另外，除了通过这种刮匀涂装法来进行发泡、成型的方法以外，还可以是减压发泡的方法。具体地说，是如下方法：从浆料中暂时去除气泡和溶解气体之后，该浆料中一边导入添加气体一边进行搅拌，由此在浆料中分散形成由添加气体构成的气泡核的状态下制造发泡性浆料。然后，将包括该气泡核的浆料减压至预定压力，并且保持在超过该预定压力下的浆料的凝固点且小于沸点的预备冷却温度，由此使气泡核膨胀，对因该气泡核的膨胀而体积增大的浆料进行真空冷冻干燥，烧结如此形成的生坯体而形成多孔烧结体。

产业上的可利用性

本发明的植入体材料可以用作椎间垫片和人工齿根等被植入到活体内的植入体。

符号说明

1  多孔植入体材料

2  骨架

3  气孔

4  多孔金属体

11～14  多孔植入体材料

4A～4G  多孔金属体

F  接合界面

C  轴心方向

Claims (5)

1.一种多孔植入体材料，其特征在于，由多孔金属体构成，所述多孔金属体具有由连续的骨架形成的、多个气孔相连通的三维网眼状结构，气孔率为50％～92％，各气孔被形成为在沿表面的方向上长、在与表面正交的方向上短的扁平形状，并且沿所述表面的方向上的所述气孔的长度相对于与所述表面正交的方向上的长度被形成为1.2倍～5倍，

关于在沿所述表面的方向上压缩时的强度，用作松质骨的情况下为4～70MPa，或者用作皮质骨的情况下为100～200MPa，

关于沿所述表面的方向的压缩的弹性率，用作松质骨的情况下为1～5GPa，或者用作皮质骨的情况下为5～20GPa，

在与沿所述表面的方向平行的方向上压缩时的所述强度相对于在与正交于所述表面的方向平行的方向上压缩时的强度为1.4倍～5倍。

2.根据权利要求1所述的多孔植入体材料，其特征在于，通过与所述气孔的扁平方向平行的接合界面来接合多个所述多孔金属体而构成。

3.根据权利要求1所述的多孔植入体材料，其特征在于，所述多孔金属体为对含有金属粉末和发泡剂的发泡性浆料进行成型后发泡和烧结而成的发泡金属。

4.根据权利要求2所述的多孔植入体材料，其特征在于，所述多孔金属体为对含有金属粉末和发泡剂的发泡性浆料进行成型后发泡和烧结而成的发泡金属。

5.一种多孔植入体材料的制造方法，包括如下工序：形成接合体，所述接合体是将具有同一气孔率的多个多孔金属体通过与一个方向平行的接合界面接合而成，所述多孔金属体具有由连续的骨架形成的、多个气孔相连通的三维网眼状结构；以及通过在与所述接合界面正交的方向上压缩该接合体，使所述气孔成为扁平形状。