DE10337039A1 - Verfahren zum Herstellen eines Sinterpressteils, nach dem Verfahren hergestelltes Sinterpressteil und aus dem Sinterpressteil gefertigte Zellkulturbasis - Google Patents
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Abstract
Es werden ein Verfahren zum Herstellen eines Sinterpressteils mit hoher Dichte und ein nach diesem Herstellungsverfahren hergestelltes Sinterpressteil angegeben. Das Herstellungsverfahren umfasst die Schritte des Zubereitens eines Hydroxylapatitpulvers, des Pressformens eines Grünlings, des Formens des Grünlings und des Sinterns des Grünlings. Ferner werden ein Verfahren zum Herstellen eines Sinterpressteils mit hoher Lichtdurchlässigkeit und ein nach diesem Herstellungsverfahren hergestelltes Sinterpressteil angegeben. Das Herstellungsverfahren umfasst die Schritte des Zubereitens eines Hydroxylapatitpulvers, des Pressformens eines Grünlings, des Formens des Grünlings, des primären Sinterns und des sekundären Sinterns. Ferner wird eine aus dem oben beschriebenen Sinterpressteil gebildete Zellkulturbasis angegeben, mit der die Knochenaffinität unterschiedlicher Zellen geeignet bestimmt werden kann. Außerdem wird eine Zellkulturbasis angegeben, mit der die Knochenaffinität unterschiedlicher Zellen geeignet bestimmt werden kann. Die Zellkulturbasis besteht hauptsächlich aus Calciumphosphat-basierten Verbindung und ist hochverdichtet.
Description
- HINTERGRUND DER ERFINDUN
- TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Sinterpressteils, ein nach dem Verfahren hergestelltes Sinterpressteil und eine aus dem Sinterpressteil gefertigte Zellkulturbasis.
- Hydroxylapatit, das eine Art Calciumphosphat-basierter Keramik darstellt, ist der Hauptbestandteil von Knochen und Zähnen und weist deshalb ausgezeichnete Biokompatibilität auf. Solches Hydroxylapatit wird als Biomaterial für künstliche Knochen, Zahnimplantate, medizinischen Zement oder Zahnzement und derglei chen verwendet. Da Hydroxylapatit überdies eine hohe Affinität gegenüber Zellen, Proteinen oder dergleichen aufweist, wird es auch als Material für einen Zellkulturträger oder als Material, das zur Separation von Proteinen eingesetzt wird, oder dergleichen verwendet. Beispielsweise offenbart die Japanische Patentveröffentlichung 2003-047461 eine Apatitplatte, die als Zellkulturträger verwendet wird.
- Wird Hydroxylapatit als Biomaterial für künstliche Knochen oder Zahnimplantate oder dergleichen eingesetzt, so werden praktischerweise Sinterpressteile aus Hydroxylapatit verwendet. In diesem Fall muss das Sinterpressteil eine ausreichend hohe mechanische Festigkeit aufweisen. Damit das Sinterpressteil dieser Anforderung gerecht wird, muss das Sinterpressteil eine hohe relative Dichte aufweisen. Dies bedeutet, dass ein hochdichtes Sinterpressteil hergestellt werden muss.
- Da ferner das Auftreten von Rissbildung im Inneren des Sinterpressteils zu einer Herabsetzung der mechanischen Festigkeit führt, wird nach der Herstellung eine Überprüfung des Inneren des Sinterpressteils vorgenommen (eine Überprüfung um festzustellen, ob eine Rissbildung oder dergleichen vorhanden ist oder nicht). Aus diesem Grunde ist das Sinterpressteil vorzugsweise transparent.
- Die Transparenz des Sinterpressteils nimmt mit zunehmender Dichte zu. Unter diesem Gesichtspunkt ist es wichtig, ein hochdichtes Sinterpressteil herzustellen.
- Üblicherweise wird ein Sinterpressteil bisher in der Weise hergestellt, dass Hydroxylapatitpulver in eine gewünschte Form gepresst wird, um einen Grünling zu erhalten, und dann der Grünling gesintert wird.
- Jedoch ist es schwierig, nach einem solchen herkömmlichen Herstellungsverfahren ein Sinterpressteil mit ausreichend hoher relativer Dichte (d.h. ein hochdichtes Sinterpressteil) zu erzeugen.
- Außerdem wird bei der oben beschriebenen, in der Japanischen Patentveröffentlichung 2003-047461 offenbarten Apatitplatte der Zustand der an der Apatitplatte haftenden Zellen mittels eines SEM beobachtet. Werden Zellen mittels eines SEM oder dergleichen beobachtet, so sterben diese Zellen selbstredend ab. Dagegen ist es mit einem optischen Mikroskop möglich, lebende Zellen zu beobachten, jedoch ist es schwierig, die Grenzfläche zwischen den Zellen und der Apatitplatte zu beobachten. Dies liegt daran, dass die Apatitplatte keine Lichtdurchlässigkeit aufweist, was die optische Beobachtung der Zellen erschwert.
- Aus diesem Grund besteht die Nachfrage nach Apatitplatten, die hohe Lichtdurchlässigkeit aufweisen.
- In den vergangenen Jahren wurde bei unterschiedlichen Arten von Zellkulturen ein Instrument verwendet, das in Kontakt mit Zellen zu bringende Oberflächen hat, die mit einem Calciumphosphat-basierten Material überzogen sind. Mittels eines solchen Instrumentes können Zellen unter Bedingungen kultiviert werden, die denen in einem lebenden Körper ähneln (vergl. z.B. Japanisches Patent 2657403).
- Da das Calciumphosphat-basierte Material ein Hauptbestandteil des Knochens ist, kann mittels eines solchen Instrumentes die Knochenaffinität unterschiedlicher Zellarten bewertet werden.
- Ein solches Instrument wird hergestellt, indem ein Metall-, Kunststoff- oder Glassubstrat mit einem Calciumphosphat-basierten Material überzogen wird. Jedoch ist schwer zu sagen, ob das Substrat vollständig mit einem Calciumphosphatbasierten Material überzogen ist, so dass möglicherweise ein Teil des Substrats freiliegt. Wird deshalb ein solches Instrument, dessen Substrat teilweise freiliegt, verwendet, so wird möglicherweise die Affinität von Zellen gegenüber Glas oder dergleichen bewertet und nicht die Affinität von Zellen gegenüber einem Calciumphosphat-basierten Material (d.h. einem Knochen).
- Außerdem ist es wünschenswert, dass ein Instrument selbst mit kultivierten Zellen nach Abschluss der Zellkultivierung in einen lebenden Körper transplantiert werden kann. Jedoch besteht ein Problem darin, dass ein solches Instrument haupt sächlich aus Glas oder dergleichen besteht, so dass das Instrument selbst nicht so wie es ist in einen lebenden Körper transplantiert werden kann.
- Deshalb ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen eines Sinterpressteils anzugeben, mit dem ein Sinterpressteil ohne Einsatz einer großdimensionierten technischen Ausrüstung hergestellt werden kann, sowie ein nach dem Herstellungsverfahren hergestelltes Sinterpressteil anzugeben.
- Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen eines Sinterpressteils mit hoher Lichtdurchlässigkeit, insbesondere für Licht unterschiedlicher Wellenlängen, und ein nach dem Herstellungsverfahren hergestelltes Sinterpressteil anzugeben.
- Es ist eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das Sinterpressteil als Zellkulturbasis zu nutzen, mit der die Knochenaffinität unterschiedlicher Zellen geeignet bestimmt werden kann.
- Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Zellkulturbasis anzugeben, mit der die Knochenaffinität unterschiedlicher Zellen geeignet bestimmt werden kann.
- Zur Lösung der oben beschriebenen Aufgaben ist die Erfindung auf ein Verfahren zum Herstellen eines Sinterpressteils gerichtet, umfassend die Schritte:
Pressformens eines Grünlings, indem ein Hydroxylapatitpulver durch Anwenden eines Drucks von 1 ton/cm2 oder höher verdichtet wird; und
Sintern des Grünlings in einer Sauerstoff enthaltenden Atmosphäre, in der der Sauerstoffpartialdruck höher als in atmosphärischer Luft ist, bei einer Temperatur im Bereich von 925 bis 1300°C, um ein Sinterpressteil zu erzeugen. Dadurch ist es möglich, ein hochdichtes Sinterpressteil zu erzeugen. - In dieser Erfindung ist es von Vorteil, den Druck isotrop auf das Hydroxylapatitpulver anzuwenden. In diesem Fall wird der isotrope Druck vorzugsweise durch hydrostatisches Pressen angewandt. Dadurch ist es möglich, ein Sinterpressteil mit höherer Dichte zu erzeugen. Ferner wird das hydrostatische Pressen vorzugsweise bei einer Temperatur im Bereich von 5 bis 50°C durchgeführt. Durch Anwenden eines solchen Verfahrens kann ein Grünling mit einer einfachen technischen Ausrüstung hergestellt werden. Ein solches Verfahren ist deshalb als Technik zur Herstellung industrieller Produkte von praktischem Nutzen.
- Ferner ist in dieser Erfindung der Sauerstoffpartialdruck in der Sauerstoff enthaltenden Atmosphäre vorzugsweise 380 mmHg oder höher. Dadurch ist es möglich, ein Sinterpressteil mit höherer Dichte zu erzeugen.
- Ferner wird in dieser Erfindung das Hydroxylapatitpulver vorzugsweise aus einem Brei zubereitet, der durch Reagieren einer Calciumquelle mit einer Phosphorsäurequelle unter Anwendung eines Verfahrens der Nasssynthese erzeugt wird, bei dem die Calciumquelle und/oder die Phosphorsäurequelle in flüssiger Form verwendet werden/wird. Dadurch ist es möglich, Hydroxylapatit einfach und effizient zu synthetisieren, ohne dass hierzu teure Produktionsanlagen erforderlich sind. In diesem Fall enthält die Calciumquelle vorzugsweise Calciumhydroxid oder Calciumoxid als Hauptbestandteil und die Phosphorsäurequelle vorzugsweise Phosphorsäure als Hauptbestandteil. Dies macht es möglich, Hydroxylapatit noch effizienter zu geringen Kosten zu synthetisieren. Ferner enthält der Brei vorzugsweise 0,1 Gew.-% oder weniger Tricalciumphosphat als sekundäres Reaktionsprodukt. Dadurch ist es möglich, ein Sinterpressteil mit höherer Dichte zu erzeugen.
- Ferner erfüllt der Brei vorzugsweise die folgende Bedingung A.
- Bedingung A: Ein Teil des Breis wird als Probe entnommen und dann unter einem Pressdruck von 2 ton/cm2 pressgeformt, um einen Probengrünling mit einer Erfassungsoberfläche auszubilden. Der Probengrünling wird dann 2 Stunden lang in atmosphärischer Luft bei 1200°C gesintert, um ein gesintertes Probenpressteil zu erzeugen, und anschließend werden Substanzen, die auf der Erfassungsoberfläche (mit einer Oberflächenrauhigkeit Ra von 10 μm) des gesinterten Probenpressteils vorhanden sind, mittels Röntgenbeugung analysiert. Dabei ist die Intensität eines von Hydroxylapatit herrührenden Peaks unter den erhaltenen Peaks am größten, und ein von Tricalciumphosphat als sekundärem Reaktionsprodukt herrührender Peak wird nicht beobachtet.
- Durch Verwendung eines solchen Breis ist es möglich, ein besonders hochdichtes Sinterpressteil zu erzeugen. Ferner liegt der Gehalt an Calciumhydroxid oder Calciumoxid, das in dem Brei enthalten ist, vorzugsweise im Bereich von 0 bis 3 Gew.-%. Dies macht es möglich, ein Sinterpressteil höherer Dichte zu erzeugen. Ferner erfüllt der Brei vorzugsweise die folgende Bedingung B.
- Bedingung B: Ein Teil des Breis wird als Probe entnommen und dann unter einem Pressdruck von 2 ton/cm2 pressgeformt, um einen Probengrünling mit einer Erfassungsoberfläche zu erzeugen. Der Probengrünling wird dann 2 Stunden lang in atmosphärischer Luft bei 1200°C gesintert, um ein gesintertes Probenpressteil zu erzeugen, und dann werden Substanzen, die auf der Erfassungsoberfläche (mit einer Oberflächenrauhigkeit Ra von 10 μm) des gesinterten Probenpressteils vorhanden sind, mittels Röntgenbeugung analysiert. Definiert man dabei die Intensität eines von Hydroxylapatit herrührenden Peaks als X und die Intensität eines von Calciumoxid herrührenden Peaks als Y, so erfüllen X und Y die Beziehung Y/X < 1/10.
- Durch Verwendung eines solchen Breis ist es möglich, ein besonders hochdichtes Sinterpressteil zu erzeugen. Ferner wird in dieser Erfindung das Sinterpressteil vorzugsweise in eine Plattenform mit einer Dicke von 15 mm geformt und dann das durch die so erzeugte Plattenform gebildete Sinterpressteil mit Licht bestrahlt, das eine Luminanz von 230000 cd/m2 und eine in dem CIE-Chromatizitätsdiagramm durch Chromatizitätskoordinaten (0,543, 0,4) ausgedrückte Farbe aufweist, wobei die Luminanz des von dem Sinterpressteil durchgelassenen Lichtes 150 cd/m2 oder höher ist. Da davon ausgegangen werden kann, dass ein Sinterpressteil (Teststück) mit der oben beschriebenen Charakteristik eine relativ hohe Transparenz hat, kann angenommen werden, dass das unter den gleichen Bedingungen wie das Teststück hergestellte Sinterpressteil eine relativ hohe Transparenz hat. Hat das Sinterpressteil eine solch hohe Transparenz, so ist es in einfacher Weise möglich, das Vorhandensein oder Fehlen von Sinterdefekten wie eine Rissbildung oder das Vorhandensein oder Fehlen einer Kontamination im Inneren des Sinterpressteils nach dem Sintern zu erfassen.
- Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist auf ein Verfahren zum Herstellen eines Sinterpressteils gerichtet, umfassend die Schritte:
Pressformen eines Grünlings, indem ein Apatitpulver durch Anwenden eines Drucks von 1 ton/cm2 oder höher verdichtet wird;
Sintern des Grünlings, indem der Grünling in einer Sauerstoff enthaltenden Atmosphäre in einem Sinterofen, in dem das Volumenverhältnis von Sauerstoff in einem in dem Sinterofen vorhandenen Gas 50 Vol.-% oder mehr beträgt, primär gesintert wird, wodurch ein Sinterpressteil erzeugt wird; und
das Sinterpressteil in einer Atmosphäre mit geringer Aktivität sekundär gesintert wird. Dadurch ist es möglich, ein Sinterpressteil zu erzeugen, das eine hohe Dichte hat und durch das Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen treten kann. - In dieser Erfindung wird der Druck in dem Schritt des Pressformens des Grünlings vorzugsweise isotrop auf das Apatitpulver angewendet. In diesem Fall wird der Druck in dem Schritt des Pressformens des Grünlings vorzugsweise isotrop auf das Apatitpulver angewendet. Dies macht es möglich, ein Sinterpressteil höherer Dichte zu erzeugen. Das hydrostatische Pressen wird vorzugsweise bei einer Temperatur im Bereich von 5 bis 50°C durchgeführt. Durch Anwenden eines solchen Verfahrens kann der Grünling mit einer einfachen technischen Ausrüstung hergestellt werden. Deshalb ist ein solches Verfahren als Technik zur Herstellung industrieller Produkte von praktischem Nutzen.
- Ferner ist in dieser Erfindung der Sauerstofftpartialdruck in der Sauerstoff enthaltenden Atmosphäre in dem primären Sinterschritt vorzugsweise 380 mmHg oder höher. Dies ermöglicht es, ein Sinterpressteil höherer Dichte zu erzeugen.
- Ferner ist in dieser Erfindung der Druck der Sauerstoff enthaltenden Atmosphäre in dem primären Sinterschritt vorzugsweise 900 mmHg oder tiefer. Dies macht es möglich, ein Sinterpressteil mit höherer Lichtdurchlässigkeit zu erzeugen.
- Ferner liegt in dieser Erfindung die Temperatur während des Sinterns des Grünlings in dem primären Sinterschritt vorzugsweise im Bereich von 850 bis 1350°C. Dadurch ist es möglich, den Grünling noch zuverlässiger zu sintern.
- Ferner ist in dieser Erfindung die Atmosphäre mit geringer Aktivität in dem sekundären Sinterschritt vorzugsweise eine Atmosphäre aus Sauerstoffgas oder eine Atmosphäre aus inertem Gas. Solche Gase haben den Vorteil, dass sie eine äußerst geringe Reaktivität gegenüber Apatit haben.
- Ferner liegt in dieser Erfindung die Temperatur während des Sinterns des Sinterpressteils in dem sekundären Sinterschritt vorzugsweise im Bereich von 1000 bis 1350°C. Indem die Temperatur während des sekundären Sinterschritts auf einen solchen Bereich eingestellt wird, kann das erzeugte Sinterpressteil zuverlässig Licht durchlassen, dessen Wellenlängen kürzer als die des sichtbaren Lichtes sind.
- Vorzugsweise ist in dieser Erfindung die mittlere Teilchengröße des Apatitpulvers 40 μm oder kleiner. Dadurch ist es möglich, ein Sinterpressteil höherer Dichte zu erzeugen.
- Vorzugsweise werden in dieser Erfindung der primäre und der sekundäre Sinterschritt in dem gleichen Sinterofen durchgeführt, indem die Atmosphäre in dem Sinterofen von der in dem primären Sinterschritt vorhandenen Sauerstoff enthaltenden Atmosphäre in die in dem sekundären Sinterschritt vorhandene Atmosphä re mit geringer Aktivität geändert wird. Dadurch ist es möglich, ein Sinterpressteil in kürzerer Zeit herzustellen.
- Vorzugsweise ist in dieser Erfindung das Apatitpulver ein Hydroxylapatitpulver. Durch Verwendung von Hydroxylapatit als Apatit kann das erzeugte Sinterpressteil noch besser als Biomaterial oder als Träger für eine Zellkultur verwendet werden. In diesem Fall wird das Hydroxylapatitpulver vorzugsweise aus einem Brei zubereitet, der durch Reagieren einer Calciumquelle mit einer Phosphorsäurequelle unter Anwendung eines Verfahrens der Nasssynthese erzeugt wird, bei dem die Calciumquelle und/oder die Phosphorsäurequelle in flüssiger Form verwendet werden/wird. Dies macht es möglich, Hydroxylapatit einfach und effizient zu synthetisieren, ohne dass hierzu eine teure technische Ausrüstung erforderlich ist. Vorzugsweise enthält die Calciumquelle Calciumhydroxid oder Calciumoxid als Hauptbestandteil und die Phosphorsäurequelle Phosphorsäure als Hauptbestandteil. Dadurch kann Hydroxylapatit noch effizienter zu geringen Kosten synthetisiert werden. Vorzugsweise enthält der Brei 0,1 Gew.-% oder weniger Tricalciumphosphat als sekundäres Reaktionsprodukt. Dadurch kann ein Sinterpressteil höherer Dichte erzeugt werden. Außerdem erfüllt der Brei vorzugsweise folgende Bedingung A.
- Bedingung A: Ein Teil des Breis wird als Probe entnommen und dann unter einem Pressdruck von 2 ton/cm2, um einen Probengrünling mit einer Erfassungsoberfläche zu formen. Der Probengrünling wird dann 2 Stunden lang in atmosphärischer Luft bei 1200°C gesintert, um ein gesintertes Probenpressteil zu erzeugen, und dann werden Substanzen, die auf der Erfassungsoberfläche (mit einer Oberflächenrauhigkeit Ra von 10 μm) des gesinterten Probenpressteils vorhanden sind, mittels Röntgenbeugung analysiert. Dabei ist die Intensität eines von Hydroxylapatitpulver herrührenden Peaks unter den erhaltenen Peaks am größten, und ein von Tricalciumphosphat als sekundärem Reaktionsprodukt herrührender Peak wird nicht beobachtet.
- Durch Verwendung eines solchen Breis ist es möglich, ein besonders hochdichtes Sinterpressteil zu erzeugen. Vorzugsweise liegt der Gehalt an Calciumhydroxid oder Calciumoxid, das in dem Brei vorhanden ist, im Bereich von 0 bis 3 Gew.-%. Dadurch kann ein Sinterpressteil höherer Dichte erzeugt werden. Ferner erfüllt der Brei vorzugsweise die folgende Bedingung B.
- Bedingung B: Ein Teil des Breis wird als Probe entnommen und dann bei 200°C getrocknet, um eine Probe zu erzeugen. Die Probe wird dann 20 Minuten lang in atmosphärischer Luft bei 1200°C gesintert, um eine gesinterte Probe zu erzeugen, und dann werden Substanzen, die in der gesinterten Probe vorhanden sind, mittels Pulver-Röntgenbeugung analysiert. Wird dabei die Intensität eines von Hydroxylapatit herrührenden Peaks als X und die Intensität eines von Calciumoxid herrührenden Peaks als Y definiert, so erfüllen X und Y die Beziehung Y/X < 1/10. Durch Verwendung eines solchen Breis kann ein besonders hochdichtes Sinterpressteil erzeugt werden.
- Vorzugsweise ist in dieser Erfindung die relative Dichte des Sinterpressteils nach dem primären Sintern 99 % oder höher. Dies ermöglicht es dem Sinterpressteil, noch zuverlässiger Licht durchzulassen, dessen Wellenlängen kürzer als die sichtbaren Lichtes sind.
- Für den Fall, dass das Sinterpressteil zu einer Plattenform mit einer Dicke von 0,5 mm geformt ist und dann das so erzeugte, in der Plattenform vorliegende Sinterpressteil mit Licht einer Wellenlänge von 300 nm bestrahlt wird, ist in dieser Erfindung die Durchlässigkeit für das durch das Sinterpressteil tretende Licht vorzugsweise 10 % oder höher. Da ein solches Sinterpressteil (Teststück) effizient Licht durchlässt, dessen Wellenlängen kürzer als die sichtbaren Lichtes sind, kann davon ausgegangen werden, dass ein Sinterpressteil, das unter den gleichen Bedingungen wie das Teststück hergestellt worden ist, auch Licht effizient durchlässt, dessen Wellenlängen kürzer als die sichtbaren Lichtes sind.
- Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist auf ein Sinterpressteil gerichtet, das nach dem oben beschriebenen Verfahren zum Herstellen eines Sinterpressteils hergestellt ist.
- Vorzugsweise ist in dieser Erfindung das Sinterpressteil als Zellkulturbasis ausgebildet. In diesem Fall hat die Zellkulturbasis vorzugsweise einen flachen Plattenteil mit einer ersten und einer zweiten Oberfläche, wobei Zellen angepasst sind, zum Zwecke des Zellwachstums an der ersten oder der zweiten Oberfläche zu haften. Vorzugsweise besteht der flache Plattenteil der Zellkulturbasis hauptsächlich aus Hydroxylapatit oder Apatit mit einer vergleichsweise hohen Dichte. Dies ermöglicht es, die Knochenaffinität unterschiedlicher Zellen zu bestimmen. Vorzugsweise hat der flache Plattenteil der Zellkulturbasis eine Porosität von 1 % oder weniger. Dies ermöglicht es, die Transparenz des flachen Plattenteils zu erhöhen. Vorzugsweise hat der flache Plattenteil der Zellkulturbasis eine mittlere Dicke von 0,1 bis 3 mm. Dadurch kann der flache Plattenteil mit einer ausreichend hohen Transparenz versehen werden, ohne dass die Festigkeit des flachen Plattenteils abnimmt. Von der ersten und der zweiten Oberfläche des flachen Plattenteils der Zellkulturbasis ist mindestens eine Oberfläche vorzugsweise als raue Oberfläche ausgebildet. Dies ermöglicht es Zellen, noch einfacher und zuverlässiger an der einen Oberfläche des flachen Plattenteils zu haften. In diesem Fall ist die raue Oberfläche vorzugsweise dadurch ausgebildet, dass die eine Oberfläche mit einem Schleifmaterial, das Teilchen mit einer mittleren Teilchengröße im Bereich von 5 bis 30 μm enthält, geschliffen wird, oder die raue Oberfläche hat vorzugsweise im Wesentlichen die gleiche Oberflächenrauhigkeit wie eine derart geschliffene Oberfläche. Dadurch wird die Zellhaftrate an der einen Oberfläche des flachen Plattenteils weiter erhöht, und der Zustand der Zellen kann ohne Schwierigkeiten beobachtet werden.
- In dieser Erfindung ist an der einen Oberfläche des flachen Plattenteils der Zellkulturbasis vorzugsweise ein konkaver Teil ausgebildet. Dadurch wird die schnelle Anhaftung von Zellen an dem flachen Plattenteil weiter vereinfacht, so dass eine noch effizienter Zellkultivierung möglich wird. In diesem Fall enthält der konkave Teil vorzugsweise mindestens eine Einkerbung. Dies ermöglicht es Zellen, längs der Kanten der Einkerbung zu wachsen, so dass die Zellen in einfacher Weise beobachtet werden können. Vorzugsweise ist die horizontale Querschnittsfläche des konkaven Teils in dessen Tiefenrichtung im Wesentlichen konstant oder nimmt zur anderen Oberfläche des flachen Plattenteils hin ab. Dies erleichtert es den Zellen, an den Kanten der Einkerbung zu haften. Das prozentuale Verhältnis der Tiefe des konkaven Teils zur Dicke des flachen Plattenteils liegt vorzugsweise im Bereich von 0,005 bis 20 %. Dadurch kann der Oberflächenbereich der einen Oberfläche des flachen Plattenteils ausreichend vergrößert werden, während der flache Plattenteil genügend Festigkeit aufweist. Der prozentuale Anteil der von dem konkaven Teil eingenommenen Oberfläche an der Gesamtoberfläche des flachen Plattenteils in der Draufsicht liegt vorzugsweise im Bereich von 1 bis 60 %. Dies ermöglicht es, den Oberflächenbereich der einen Oberfläche des flachen Plattenteils ausreichend zu vergrößern.
- In dieser Erfindung ist vorzugsweise die andere Oberfläche des flachen Plattenteils als glatte Oberfläche ausgebildet. Dies verhindert die Streuung des Bestrahlungslichtes an der anderen Oberfläche des flachen Plattenteils, so dass der Zustand der Zellen noch besser beobachtet werden kann. In diesem Fall ist die glatte Oberfläche vorzugsweise dadurch erzeugt, dass die Oberfläche mit einem Poliermaterial, das Teilchen mit einer mittleren Teilchengröße von 1 μm oder weniger enthält, poliert wird, oder die glatte Oberfläche hat im Wesentlichen die gleiche Oberflächenrauhigkeit wie eine derart polierte Oberfläche. Dies verhindert noch zuverlässiger die Streuung des Lichtes an der anderen Oberfläche des flachen Plattenteils.
- In dieser Erfindung ist der Zustand der Zellen beobachtbar, während das Licht durch den flachen Plattenteil tritt. Dadurch kann der Zustand der Zellen vergleichsweise einfach beobachtet werden, ohne dass hierzu eine groß dimensionierte technische Ausrüstung erforderlich ist. In diesem Fall wird der Zustand der Zellen vorzugsweise beobachtet, während das Licht von der Seite der einen Oberfläche des flachen Plattenteils durch den flachen Plattenteil tritt. Dadurch ist es möglich, den Zustand der an der einen Oberfläche des flachen Plattenteils haftenden Zellen noch besser zu beobachten.
- In dieser Erfindung bildet vorzugsweise die Zellkulturbasis insgesamt den flachen Plattenteil. In diesem Fall ist die Zellkulturbasis vorzugsweise scheibenförmig ausgebildet. Der Durchmesser der Zellkulturbasis liegt vorzugsweise im Bereich von 0,5 bis 200 mm.
- Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist auf eine Zellkulturbasis gerichtet, umfassend:
einen flachen Plattenteil mit einer ersten und einer zweiten Oberfläche, wobei Zellen angepasst sind, zum Zwecke des Zellwachstums an der ersten oder der zweiten Oberfläche zu haften, wobei der flache Plattenteil der Zellkulturbasis hauptsächlich aus einer Calciumphosphat-basierten Verbindung besteht, die eine vergleichsweise hohe Dichte hat. Dadurch kann die Knochenaffinität unterschiedlicher Zellen bestimmt werden. - Vorzugsweise hat in dieser Erfindung der flache Plattenteil eine Porosität von 1 oder weniger. Dies macht es möglich, die Transparenz des flachen Plattenteils weiter zu erhöhen. In diesem Fall hat der flache Plattenteil vorzugsweise eine mittlere Dicke von 0,1 bis 3 mm. Dadurch kann der flache Plattenteil mit einer ausreichend hohen Transparenz versehen werden, ohne dass die Festigkeit des flachen Plattenteils abnimmt.
- In dieser Erfindung ist von der ersten und der zweiten Oberfläche des flachen Plattenteils mindestens eine Oberfläche vorzugsweise als raue Oberfläche ausgebildet. Dies erlaubt es Zellen, noch einfacher und zuverlässiger an der einen Oberfläche des flachen Plattenteils zu haften. In diesem Fall ist die raue Oberfläche vorzugsweise dadurch ausgebildet, dass die eine Oberfläche mit einem Schleifmaterial, das Teilchen mit einer mittleren Teilchengröße im Bereich von 5 bis 30 μm enthält, geschliffen wird, oder die raue Oberfläche hat im Wesentlichen die gleiche Oberflächenrauhigkeit wie eine derart geschliffene Oberfläche. Dies erhöht weiter die Zellhaftrate an der einen Oberfläche des flachen Plattenteils und ermöglicht es, den Zustand der Zellen ohne Schwierigkeiten zu beobachten.
- In dieser Erfindung ist an der einen Oberfläche des flachen Plattenteils vorzugsweise ein konkaver Teil ausgebildet. Dies vereinfacht weiter die schnelle Anhaf tung von Zellen an dem flachen Plattenteil, so dass eine noch effizientere Zellkultivierung möglich wird. In diesem Fall enthält der konkave Teil vorzugsweise mindestens eine Einkerbung. Dies ermöglicht das Zellwachstum längs der Kanten der Einkerbung, so dass die Zellen leicht beobachtet werden können. Vorzugsweise ist die horizontale Querschnittsfläche des konkaven Teils in dessen Tiefenrichtung im Wesentlichen konstant oder nimmt zur anderen Oberfläche des flachen Plattenteils hin ab. Dies vereinfacht es Zellen, an den Kanten der Einkerbung zu haften. Das prozentuale Verhältnis der Tiefe des konkaven Teils zur Dicke des flachen Plattenteils liegt vorzugsweise im Bereich von 0,005 bis 20 %. Dadurch kann der Oberflächenbereich der einen Oberfläche des flachen Plattenteils ausreichend erhöht werden, während der flache Plattenteil genügend Festigkeit besitzt. Der prozentuale Anteil der von dem konkaven Teil eingenommenen Oberfläche an der Gesamtoberfläche des flachen Plattenteils in der Draufsicht liegt vorzugsweise im Bereich von 1 bis 60 %. Dadurch kann der Oberflächenbereich der einen Oberfläche des flachen Plattenteils ausreichend erhöht werden.
- Vorzugsweise ist in dieser Erfindung die andere Oberfläche des flachen Plattenteils als glatte Oberfläche ausgebildet. Dies verhindert die Streuung des Bestrahlungslichtes an der anderen Oberfläche des flachen Plattenteils, so dass der Zustand der Zellen noch besser beobachtet werden kann. In diesem Fall ist die glatte Oberfläche vorzugsweise dadurch erzeugt, dass die Oberfläche mit einem Poliermaterial, das Teilchen mit einer mittleren Teilchengröße von 1 μm oder weniger enthält, poliert wird, oder die glatte Oberfläche hat im Wesentlichen die gleiche Oberflächenrauhigkeit wie eine derart polierte Oberfläche. Dadurch wird die Streuung des Lichtes an der anderen Oberfläche des flachen Plattenteils noch zuverlässiger verhindert.
- In dieser Erfindung ist der Zustand der Zellen vorzugsweise beobachtbar, während Licht durch den flachen Plattenteil tritt. Dadurch kann der Zustand der Zellen vergleichsweise einfach beobachtet werden, ohne dass hierzu eine groß dimensionierte technische Ausrüstung erforderlich ist. In diesem Fall wird der Zustand der Zellen vorzugsweise beobachtet, während das Licht von der Seite der einen Oberfläche des flachen Plattenteils her durch den flachen Plattenteil tritt. Dadurch kann der Zustand der Zellen, die an der einen Oberfläche des flachen Plattenteils haften, noch besser beobachtet werden.
- In dieser Erfindung bildet vorzugsweise die Zellkulturbasis insgesamt den flachen Plattenteil. In diesem Fall ist die Zellkulturbasis vorzugsweise im Wesentlichen scheibenförmig ausgebildet. Der Durchmesser der Zellkulturbasis liegt vorzugsweise im Bereich von 0,5 bis 200 mm.
- In dieser Erfindung ist die Calciumphosphat-basierte Verbindung vorzugsweise Tricalciumphosphat. Da Tricalciumphosphat dem Knochenbestandteil nahe kommt, kann die Knochenaffinität unterschiedlicher Zellen noch besser bestimmt werden.
- In dieser Erfindung ist die Calciumphosphat-basierte Verbindung Hydroxylapatit. Da Hydroxylapatit der Hauptknochenbestandteil ist, kann die Knochenaffinität unterschiedlicher Zellen noch besser bestimmt werden.
- KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist ein Flussdiagramm, das ein erstes Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Herstellen eines Sinterpressteils nach der Erfindung zeigt; -
2 ist ein Flussdiagramm, das ein zweites Ausführungsbeispiel des Verfahrens zum Herstellen eines Sinterpressteils nach der Erfindung zeigt; -
3 ist eine perspektivische Ansicht, die ein erstes Ausführungsbeispiel einer Zellkulturbasis nach der Erfindung zeigt, in dem die vorliegende Erfindung auf ein Zellkulturpellet angewandt wird; -
4 ist eine Darstellung (teilweise geschnittene, perspektivische Ansicht) zur Erläuterung, wie das in3 gezeigte Zellkulturpellet verwendet wird; -
5 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Herstellen des in3 gezeigten Zellkulturpellets zeigt; -
6 ist eine perspektivische Ansicht, die ein zweites Ausführungsbeispiel der Zellkulturbasis nach der Erfindung zeigt, in dem die vorliegende Erfindung auf ein Zellkulturpellet angewandt wird; -
7 ist eine perspektivische Ansicht, die ein drittes Ausführungsbeispiel der Zellkulturbasis nach der Erfindung zeigt, in dem die vorliegende Erfindung auf ein Zellkulturpellet angewandt wird; und -
8 ist eine Lichtmikroskopaufnahme, die Beobachtungsbilder der Zellkulturpellets der Beispiele 1 bis 3 und des Vergleichsbeispiels 2 nach zwei Tagen seit Beginn der Zellkultivierung zeigt. - DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
- Im Folgenden wird eine detaillierte Beschreibung der Erfindung unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsbeispiele eines Verfahrens zum Herstellen eines Sinterpressteils und eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Sinterpressteils sowie bevorzugte Ausführungsbeispiele einer aus dem Sinterpressteil gefertigten Zellkulturbasis im Detail beschrieben.
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1 ist ein Flussdiagramm, das ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Sinterpressteils zeigt. Das in1 gezeigte Verfahren zum Herstellen eines Sinterpressteils umfasst einen Schritt zum Zubereiten eines Hydroxylapatitpulvers (Schritt1A ), einen Schritt zum Pressformen (Herstellen) eines Grünlings (Schritt2A ), einen Schritt zum Formen des Grünlings in die gewünschte Gestalt oder Größe (Schritt3A ) und einen Schritt zum Sintern des Grünlings (Schritt4A ). Die Schritte werden im Folgenden in dieser Reihenfolge beschrieben. - <1A> Zubereitung des Hydroxylapatitpulvers
- Zunächst wird eine Calciumquelle zur Reaktion mit einer Phosphorsäurequelle gebracht, um Hydroxylapatit (HAp) zu synthetisieren. Mit dem Begriff "Hydroxylapatit" ist in diesem Ausführungsbeispiel Hydroxylapatit mit einem Molverhältnis von Ca zu P (Ca/P) von 1,60 bis 1,70 gemeint.
- Ein solches Hydroxylapatit kann nach einem beliebigen Verfahren wie einem Verfahren der Nasssynthese, einem Verfahren der Trockensynthese oder einem Verfahren der Hydrothermalsynthese oder dergleichen synthetisiert werden. Unter diesen Verfahren ist ein Verfahren der Nasssynthese bevorzugt, bei dem die Calciumquelle und/oder die Phosphorsäurequelle in flüssiger Form verwendet werden/wird. Mit einem solchen Verfahren der Nasssynthese kann Hydroxylapatit einfach und effizient synthetisiert werden, ohne dass teure Produktionsanlagen erforderlich sind.
- Wird das Verfahren der Nasssynthese angewandt, so können als Calciumquelle beispielsweise Calciumhydroxid, Calciumoxid, Calciumnitrat oder dergleichen verwendet werden. Als Phosphorsäurequelle können Phosphorsäure, Ammoniumphosphat oder dergleichen verwendet werden. Unter dieser Substanzen sind eine Calciumquelle, die Calciumhydroxid oder Calciumoxid als Hauptbestandteil enthält, und eine Phosphorsäurequelle, die Phosphorsäure als Hauptbestandteil enthält, besonders bevorzugt. Durch Verwendung einer solchen Calciumquelle und einer solchen Phosphorsäurequelle ist eine effizientere Synthetisierung von Hydroxylapatit zu geringen Kosten möglich.
- Die folgende Beschreibung bezieht sich auf den Fall, in dem eine Calciumquelle, die Calciumhydroxid oder Calciumoxid als Hauptbestandteil enthält, und eine Phosphorsäurequelle, die Phosphorsäure als Hauptbestandteil enthält, verwendet werden.
- In diesem Fall wird Hydroxylapatit (HAp) synthetisiert, indem beispielsweise eine Phosphorsäurelösung in eine in einem Gefäß vorhandene Suspension von Calciumhydroxid (Ca(OH)2) oder Calciumoxid (CaO) getropft wird und die genannten Substanzen miteinander vermischt werden.
- Die Reaktion kann durch folgende Gleichung (1) oder (2) dargestellt werden.
- Schreitet die Reaktion nicht in ausreichendem Maße voran, so ist eine nicht in Reaktion getretene Substanz (Ca(OH)2 oder CaO) als Verunreinigung in einer in in Breiform resultierenden Mischung vorhanden (im Folgenden einfach als "Brei" bezeichnet).
- Geht die Reaktion noch weiter, so tritt eine andere durch die folgende Gleichung (III) dargestellte Reaktion auf, und es wird ein resultierendes Tricalciumphosphat (TCP) als sekundäres Reaktionsprodukt erzeugt.
- Tritt diese Reaktion auf, so ist das Tricalciumphosphat, das ein sekundäres Reaktionsprodukt darstellt, in dem resultierenden Brei als Verunreinigung vorhanden.
- In dem ersten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Sinterpressteils wird Hydroxylapatit aus dem Brei zubereitet, der auf diese Weise synthetisiertes Hydroxylapatit enthält. In diesem Zusammenhang haben die Erfinder herausgefunden, dass es durch Verwendung eines Hydroxylapatitpulvers, das aus einem die oben genannten Verunreinigungen nur kaum enthaltenden Brei zubereitet wird, ein so erzeugtes Sinterpressteil eine hohe relative Dichte aufweisen kann, d.h. ein hochdichtes Sinterpressteil erzeugt werden kann.
- Folgende Beschreibung bezieht sich auf den bevorzugten Bereich der Gehalte (Konzentrationen) an Tricalciumphosphat und an nicht in Reaktion getretenen Substanzen (Ca(OH)2, CaO) in dem Brei.
- Tricalciumphosphat
- Der Gehalt (Konzentration) an Tricalciumphosphat in dem Brei ist nicht auf einen bestimmten Wert beschränkt, ist jedoch vorzugsweise gleich oder kleiner als 0,1 Gew.-% und noch besser 0 Gew.-%. Liegt der Gehalt an Tricalciumphosphat in dem Brei innerhalb eines solchen Bereichs, d.h. wird ein Brei verwendet, der wenig oder gar kein Tricalciumphosphat enthält, so besteht die Möglichkeit, dass ein resultierendes Sinterpressteil eine höhere Dichte hat.
- Es ist sehr von Vorteil, wenn der Brei die unten beschriebene Bedingung (A) erfüllt.
- Bedingung A
- Es wird ein Teil des Breis als Probe entnommen und unter einem Pressdruck von 2 ton/cm2 pressgeformt, um einen Probengrünling zu formen, der eine Erfassungsoberfläche hat. Der Probengrünling wird in atmosphärischer Luft bei 1200°C zwei Stunden gesintert, um ein gesintertes Probenpressteil zu erzeugen. Dann werden die Substanzen, die auf der Erfassungsoberfläche (mit einer Oberflächenrauhigkeit Ra von 10 μm) des gesinterten Probenpressteils vorhanden sind, mittels Röntgenbeugung analysiert. Dabei ist die Intensität eines von dem Hydroxylapatit herrührenden Peaks unter den ermittelten Peaks am größten, und es wird kein von dem Tricalciumphosphat herrührender Peak beobachtet.
- Ein solches analytisches Verfahren beruht auf der Tatsache, dass das Kornwachstum des Hydroxylapatits vor dem der Verunreinigungen eintritt, da die genannten Substanzen unterschiedliche Sinterraten haben und infolgedessen die Verunreinigungen aus einer zwischen den Körnern vorhandenen Fehlstelle ausgeschlossen werden und sich dann auf der Oberfläche des gesinterten Probenpressteils (insbesondere auf der Erfassungsoberfläche) ablagern. Indem die Erfassungsoberfläche mittels Röntgenbeugung analysiert wird, kann das Vorhandensein oder das Fehlen von Verunreinigungen erfasst werden. Mit diesem analytischen Verfahren ist es deshalb möglich, mit hoher Genauigkeit zu bestimmen, ob in dem Brei die Verunreinigungen vorhanden sind oder nicht.
- Erfüllt der Brei die Bedingung A, so bestätigt sich, dass der Brei kein Tricalciumphosphat enthält oder aber, wenn der Brei Tricalciumphosphat enthält, dessen Menge äußerst gering ist. Durch Verwendung eines solchen Breis ist es deshalb möglich, besonders hochdichte Sinterpressteile zu erzeugen.
- Nicht in Reaktion getretene Substanz
- Der Gehalt (Konzentration) der nicht in Reaktion getretenen Substanz in dem Brei ist nicht auf einen bestimmten Wert beschränkt, liegt jedoch vorzugsweise im Bereich von etwa 0 bis 3 Gew.-% und noch besser im Bereich von etwa 0,025 bis 1 Gew.-%. Selbst wenn eine vergleichsweise kleine Menge an nicht in Reaktion getretener Substanz wie Calciumoxid in dem Brei vorhanden ist, erhöht das Calciumoxid tendenziell die relative Dichte des resultierenden Sinterpressteils (ist die nicht in Reaktion getretene Substanz Calciumhydroxid, so wird das Calciumhydroxid durch das Sintern in Calciumoxid umgewandelt). Infolgedessen kann man ein Sinterpressteil mit höherer Dichte erzeugen. Übersteigt der Gehalt an nicht in Reaktion getretener Substanz in dem Brei den vorstehend genannten oberen Grenzwert, so wird es abhängig von den Bedingungen während des Sinterns des Grünlings (die später beschrieben werden) möglicherweise schwierig, ein hochdichtes Sinterpressteil zu erzeugen.
- Es ist ferner sehr von Vorteil, wenn der Brei die unten beschriebene Bedingung B erfüllt.
- Bedingung B: Es wird ein Teil des Breis als Probe entnommen und dann unter einem Pressdruck von 2 ton/cm2 pressgeformt, um einen Probengrünling zu formen, der eine Erfassungsoberfläche hat. Der Probengrünling wird in atmosphärischer Luft 2 Stunden lang bei 1200°C gesintert, um ein gesintertes Probenpressteil zu erzeugen. Dann werden Substanzen, die auf der Erfassungsoberfläche (mit einer Oberflächenrauhigkeit Ra von 10 μm) des gesinterten Probenpressteils mittels Röntgenbeugung analysiert. Definiert man dabei die Intensität eines von Hydroxylapatit herrührenden Peaks als X und die Intensität eines von Calciumoxid herrührenden Peaks als Y, so erfüllen X und Y die Beziehung Y/X < 1/10 (insbesondere Y/X < 1/100).
- Wie oben beschrieben, ist es mit einem solchen analytischen Verfahren möglich, mit hoher Genauigkeit zu bestimmen, ob Verunreinigungen in dem Brei vorhanden sind oder nicht. Erfüllt der Brei die Bedingung B, so bestätigt dies, dass der Gehalt an nicht in Reaktion getretener Substanz in dem Brei äußerst gering ist. Durch Verwendung eines solchen Breis ist es demnach möglich, besonders hochdichte Sinterpressteile zu erzeugen.
- Zumindest einer der Gehalte an Tricalciumphosphat und an nicht in Reaktion getretener Substanz in dem Brei sollte innerhalb des oben beschriebenen Bereichs liegen. Vorzugsweise sollten jedoch sowohl der Gehalt an Tricalciumphosphat als auch der Gehalt an nicht in Reaktion getretener Substanz innerhalb der jeweiligen oben beschriebenen Bereiche liegen. Dadurch ist es möglich, äußerst hochdichte Sinterpressteile zu erzeugen.
- Als nächstes wird das Hydroxylapatitpulver (im Folgenden einfach als "Pulver" bezeichnet) zubereitet, indem beispielsweise der so erzeugte Brei sprühgetrocknet wird.
- Die mittlere Teilchengröße des Pulvers ist nicht auf einen bestimmten Wert beschränkt, liegt jedoch vorzugsweise im Bereich von etwa 1 bis 30 μm und noch besser im Bereich von von etwa 8 bis 25 μm. Durch Verwendung eines Pulvers mit einer solchen mittleren Teilchengröße ist es möglich, Sinterpressteile höherer Dichte zu erzeugen.
- Es ist darauf hinzuweisen, dass das erzeugte Pulver beispielsweise 2 bis 6 Stunden lang bei 500 bis 800°C wärmebehandelt und dann beispielsweise mittels einer Strahlmühle oder einer Turbomühle gemahlen wird, so dass das Pulver eine mittlere Teilchengröße von etwa 6 bis 20 μm (was etwa gleich 50 bis 80 % der mittleren Teilchengröße vor dem Mahlen ist) hat. Durch Verwendung eines solchen gemahlenen Pulvers ist es möglich, noch dichter gepackte Grünlinge zu erzeugen.
- <2A> Pressformen (Herstellen) des Grünlings
- Als nächstes wird das so erzeugte Pulver (oder ein Pulverpressteil, das schon vorher in die gewünschte Form gepresst worden ist) durch Druckanwendung verdichtet.
- Als Verfahren zur Druckanwendung kann ein beliebiges Verfahren wie isotropes Pressen, Pressen in nur einer Richtung (uniaxiale Richtung), z.B. uniaxiales Pressen oder dergleichen angewandt werden. Unter diesen Verfahren ist isotropes Pressen, insbesondere hydrostatisches Pressen bevorzugt. Durch Anwenden eines solchen Verfahrens ist es möglich, einen Grünling mit gleichmäßiger Dichte und infolgedessen ein Sinterpressteil höherer Dichte zu erzeugen.
- Als hydrostatisches Pressverfahren wird vorteilhaft CIP (isostatisches Kaltpressen) angewandt, bei dem eine Druckanwendung bei einer Temperatur von etwa 5 bis 50°C (vorzugsweise etwa 10 bis 30°C) erfolgt. Da CIP die Vorteile hat, dass es mit einer einfachen technischen Ausrüstung durchgeführt werden kann und ein Film (der später beschrieben wird) keine Wärmebeständigkeit aufweisen muss, ist CIP aus praktischen Erwägungen eine nützliche Technik in der Fertigung industrieller Produkte. Alternativ können HIP (isostatisches Heißpressen), bei dem eine Druckbeaufschlagung mit Erwärmung (bei beispielsweise 65°C oder höher) erfolgt, oder Heißpressen angewandt werden.
- Beim hydrostatischen Pressen wird das in einen flüssigkeitsfesten Film eingeschlossene Pulver in einer hydrostatischen Presseinheit angeordnet und dann ein hydrostatischer Druck angewandt. Im Falle von CIP sind Beispiele für das Filmmaterial: Harz wie Polyvinylchlorid, Polyethylen, Polypropylen und dergleichen; und Kautschuk wie Naturkautschuk und Isoprenkautschuk. Der Film kann beispielsweise durch Eintauchen oder Vakuumverpacken ausgebildet werden.
- Der anzuwendende Druck liegt bei 1 ton/cm2 oder höher, besser im Bereich von etwa 1 bis 3 ton/cm2 und noch besser im Bereich von etwa 2 bis 3 ton/cm2. Ist der Druck zu gering, so ist die Presswirkung (insbesondere die Gleichmäßigkeit in der Dichte) möglicherweise nicht ausreichend. Ist dagegen der Druck so hoch, dass er den vorstehend genannten oberen Grenzwert übersteigt, so erreicht man keine weitere Verbesserung der Wirkung. Außerdem erfordert die Anwendung eines solch erhöhten Drucks eine großdimensionierte Ausrüstung, was zu erhöhten Ausrüstungskosten führt.
- Der in dieser Weise durch Druckanwendung erzeugte Grünling hat eine hohe und gleichmäßige Dichte. Wird ein solcher Grünling wie unten beschrieben gesintert, so schrumpft der Grünling gleichmäßig. Deshalb weist das schließlich erzeugte Sinterpressteil eine hohe Abmessungsgenauigkeit auf. Überdies unterdrückt eine solch gleichmäßige Dichte das Auftreten von Sinterdefekten wie Rissbildung, Absplittern und dergleichen in dem Sinterpressteil. Deshalb ist das Sinterpressteil kaum zu beschädigen (d.h. es hat ausgezeichnete mechanische Festigkeit). In diesem Zusammenhang ist darauf hinzuweisen, dass der die Oberfläche des Pulvers bedeckende Film nach dem Pressen nach einem vorbestimmten Verfahren entfernt wird.
- <3A> Formen des Grünlings
- Anschließend wird der so erzeugte Grünling nach Bedarf in die gewünschte Gestalt oder Größe geformt.
- Der Grünling wird geformt, indem er beispielsweise einer vorbestimmten Maschinenbearbeitung unterzogen wird. Beispiele für eine solche Maschinenbearbeitung sind Schneiden, Schleifen, Polieren und dergleichen. Diese Verfahren können einzeln oder in Kombination von zwei oder mehr Verfahren durchgeführt werden.
- Da die Härte des Grünlings selbst verglichen mit der des schließlich erzeugten Sinterpressteils sehr gering ist, kann die Maschinenbearbeitung oder dergleichen in einfacher Weise an dem Grünling durchgeführt werden. Insbesondere hat der Grünling die Vorteile, dass die Maschinenbearbeitung mit Werkzeugen geringer Härte durchgeführt werden kann und es weniger Zeit beansprucht, die Maschinenbearbeitung zu vollenden.
- <4A> Sintern des Grünlings
- Der so erzeugte Grünling wird beispielsweise in einer Sauerstoff enthaltenden Atmosphäre in einem Sinterofen gesintert (gebrannt), in dem der Sauerstoffpartialdruck höher als in atmosphärischer Luft ist, um so ein Sinterpressteil zu erzeugen.
- Die Erfinder haben umfassende Untersuchungen angestellt und im Ergebnis herausgefunden, dass durch Sintern des Grünlings in einer Sauerstoff enthaltenden Atmosphäre, in der der Sauerstoffpartialdruck höher als der in atmosphärischer Luft ist, besonders hochdichte Sinterpressteile erzeugt werden können.
- Eine reine Sauerstoffatmosphäre stellt ein typisches Beispiel für eine solche Sauerstoff enthaltende Atmosphäre (Sinteratmosphäre) dar. Alternativ kann als Sauerstoff enthaltende Atmosphäre eine Gasmischung aus Sauerstoff und anderen Gasen (insbesondere eine Gasmischung, die hauptsächlich Sauerstoff enthält) verwendet werden.
- Wird der Grünling unter einem höheren Druck als dem Atmosphärendruck (z.B. 2 bis 10 atoms) gesintert, kann als Sauerstoff enthaltende Atmosphäre atmosphärische Luft genutzt werden, da der resultierende Sauerstoffpartialdruck höher wird als in atmosphärischer Luft.
- Wird der Grünling unter Atmosphärendruck (1 atom) gesintert, so ist es nicht erforderlich, dass der Sinterofen eine hohe Luftdichtigkeit aufweist. Das Sintern unter Atmosphärendruck ist deshalb dahingehend von Vorteil, dass der Sinterofen in einer vereinfachten Ausführungsform vorliegen kann, wodurch die Herstellungskosten für die Sinterpressteile verringert werden.
- Der Sauerstoffpartialdruck in der Sauerstoff enthaltenden Atmosphäre (im Falle einer reinen Sauerstoffatmosphäre ist der Sauerstoffpartialdruck gleich dem Druck in dem Sinterofen) ist vorzugsweise gleich oder höher als 380 mmHg und noch besser gleich oder höher als 550 mmHg. Indem der Sauerstoffpartialdruck auf obigen Bereich eingestellt wird, ist es möglich, ein Sinterpressteil mit einer höheren relativen Dichte zu erzeugen.
- Wird unter atmosphärischem Druck die Menge (Konzentration) an Sauerstoff in der Sauerstoff enthaltenden Atmosphäre (Sinteratmosphäre) erhöht, so wird der Sauerstoffpartialdruck in der Sauerstoff enthaltenden Atmosphäre hoch.
- Die Erfinder haben ferner herausgefunden, dass durch Sintern des Grünlings in einer solchen Sauerstoff enthaltenden Atmosphäre, in der der Sauerstoffpartialdruck hoch ist, das Sintern bei einer vergleichsweise tiefen Sintertemperatur durchgeführt werden kann. Zudem haben sie herausgefunden, dass der Grünling gesintert werden kann, während das Kornwachstum des Hydroxylapatits unterdrückt wird, und im Ergebnis Sinterpressteile höherer Dichte erzeugt werden können.
- Ferner hat das Sintern von Grünlingen bei einer relativ tiefen Temperatur die Vorteile, dass die Sinterzeit, die für das Sintern verbrauchte Energie und die Kosten für ein in einem Sinterofen verwendetes Heizelement verringert werden können.
- Die Temperatur während des Sinterns (Sintertemperatur) liegt im Bereich von 925 bis 1300°C und vorzugsweise im Bereich von etwa 1000 bis 1250°C. Ist die Sintertemperatur zu tief, so wird der Grünling möglicherweise nicht wirksam gesintert.
- Die Zeit, während der die Sintertemperatur gehalten wird (Sinterzeit), liegt vorzugsweise im Bereich von etwa 30 Minuten bis 8 Stunden und noch besser im Bereich von etwa 2 bis 4 Stunden.
- Durch die oben beschriebenen Schritte kann man ein Sinterpressteil nach der Erfindung erzeugen.
- Da das Sinterpressteil, das nach dem ersten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens hergestellt wird, hohe Dichte aufweist, ist seine mechanische Festigkeit äußerst hoch. Das nach dem ersten Ausführungsbeispiel Sinterpressteil kann deshalb vorteilhaft als Biomaterial für künstliche Knochen wie einen Wirbelabstandshalter, ein Gehörknöchelchen und dergleichen, Zahnimplantate und dergleichen verwendet werden. Das nach diesem Ausführungsbeispiel hergestellte Sinterpressteil kann auch als Trägermaterial für eine Zellkultur oder eine Zellkulturbasis verwendet werden, da Hydroxylapatit eine hohe Affinität gegenüber Zellen, Proteinen oder dergleichen aufweist.
- Vorzugsweise hat ein Sinterpressteil, das nach diesem ersten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Sinterpressteils hergestellt wird, folgende Charakteristik.
- Die genannte Charakteristik besteht darin, dass bei Zubereitung eines Teststücks (Sinterpressteil) in Form einer Platte mit einer Dicke von 15 mm und dessen anschließender Bestrahlung mit Licht einer Luminanz von 230000 cd/m2 und einer Farbe, die in dem CIE-Chromatizitätsdiagramm durch Chromatizitätskoordinaten (0,543, 0,4) ausgedrückt ist, durch das Teststück tretendes Licht eine Luminanz von 150 cd/m2 oder mehr (insbesondere 200 cd/m2 oder mehr) hat.
- Der Grund dafür, dass ein solches Teststück verwendet wird, wird unten beschrieben. Form und Größe des in der Praxis verwendeten Sinterpressteils werden entsprechend dessen Verwendungszweck geeignet eingestellt, was bedeutet, dass in der Praxis verwendete Sinterpressteile unterschiedliche Formen und Größen haben. Selbst wenn die Luminanz des Lichtes, das durch die unterschiedliche Formen und Größen aufweisenden Sinterpressteile tritt, unter gleichen Bedingungen gemessen wird, können infolge der unterschiedlichen Formen und Größen der Pressteile keine auf dem gleichen Standard beruhende Bewertungen vorgenommen werden. Deshalb wird ein Teststück mit der vorstehend angegebenen Charakteristik nach dem oben beschriebenen Verfahren zur Herstellung eines Sinterpressteils erzeugt. Wird ein solches Teststück erzeugt und wird ein in der Praxis verwendetes Sinterpressteil unter den gleichen Bedingungen wie das Teststück hergestellt, kann davon ausgegangen werden, dass das Sinterpressteil eine Charakteristik ähnlich der des Teststücks hat. Da in Betracht gezogen wird, dass das Teststück mit der oben beschriebenen Charakteristik eine relativ hohe Transparenz aufweist, kann davon ausgegangen werden, dass das Sinterpressteil, das unter den gleichen Bedingungen wie das Teststück hergestellt worden ist, auch eine relativ hohe Transparenz aufweist.
- Hat das Sinterpressteil eine solch hohe Transparenz, so ist es möglich, das Vorhandensein oder Fehlen von Sinterdefekten wie eine Rissbildung oder das Vorhandensein oder Fehlen einer Kontamination im Inneren des Sinterpressteils nach dem Sintern auf einfache Weise zu erfassen.
- Die vorliegende Erfindung ist nicht auf das erfindungsgemäße erste Ausführungsbeispiel des Verfahrens zum Herstellen eines Sinterpressteils und das nach diesem Verfahren hergestellte Sinterpressteil gemäß obiger Beschreibung beschränkt.
- So kann das Verfahren zum Herstellen des Sinterpressteils gemäß erstem Ausführungsbeispiel einen einleitenden Schritt vor Schritt 1A, einen Zwischenschritt zwischen den Schritten 1A und bis 4A oder einen nachgeordneten Schritt nach Schritt 4A umfassen.
- BEISPIEL
- Für das erste Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Sinterpressteils werden im Folgenden praktische Beispiele beschrieben.
- <Herstellung eines Sinterpressteils>
- Sinterpressteile gemäß den Beispielen 1A bis 10A und den Vergleichsbeispielen 1A bis 4A wurden wie folgt hergestellt.
- Beispiel 1A
- <1> Zunächst wurden 140 g Calciumhydroxid in 6 Liter reinem Wasser dispergiert. Dann wurde eine wässrige Phosphorsäurelösung in reines Wasser getropft, in dem Calciumhydroxid dispergiert war. Die Substanzen wurden durch Rühren ausreichend vermischt, um Hydroxylapatit zu synthetisieren, wodurch im Ergebnis ein Hydroxylapatit enthaltender Brei erzeugt wurde.
- Anschließend wurde der erzeugte Brei mittels eines Sprühtrockners sprühgetrocknet, um ein Hydroxylapatitpulver mit einer mittleren Teilchengröße von 20 μm zu erzeugen.
- Zu diesem Zeitpunkt wurde ein Teil des Breis als Probe entnommen und dann unter einem Pressdruck von 2 ton/cm2 pressgeformt, um einen Probengrünling mit einer Erfassungsoberfläche auszubilden. Der so erzeugte Probengrünling wurde 2 Stunden lang in atmosphärischer Luft bei 1200°C gesintert, um ein gesintertes Probenpressteil zu erzeugen. Dann wurden auf der Erfassungsoberfläche (mit einer Oberflächenrauhigkeit Ra von 10 μm) vorhandene Substanzen des gesinterten Probenpressteils mittels Röntgenbeugung analysiert. Die Probe hatte einen Durchmesser von 15 mm und eine Höhe von 8 mm.
- Die Analyse ergab, dass ein von Tricalciumphosphat (TCP) herrührender Peak nicht beobachtet wurde und die Intensität eines von Calciumoxid (CaO) herrührenden Peaks 1/250 der von Hydroxylapatit (HAp) herrührenden Intensität betrug.
- Das so erzeugte Hydroxylapatitpulver wurde 4 Stunden lang bei 600°C wärmebehandelt und dann mittels einer Strahlmühle gemahlen. Auf diese Weise wurde ein Hydroxylapatitpulver mit einer mittleren Teilchengröße von 16 μm erzeugt.
- <2> Anschließend wurde das so erzeugte Hydroxylapatitpulver mittels einer Pressformmaschine in eine zylindrische Form gepresst. Daraufhin wurde das in eine solche zylindrische Form gebrachte Pulver in einen Kunststoffbeutel gelegt und vakuumdicht gemacht. Dann wurde das Pulver in dem Kunststoffbeutel bei Raumtemperatur (24°C) mit einem hydrostatischen Pressdruck von 1 ton/cm2 beaufschlagt, um einen zylindrisch geformten Grünling mit einem Durchmesser von 21 mm und einer Höhe von 52 mm zu erzeugen.
- <3> Anschließend wurde der Grünling mittels eines Diamantschneiders so geschnitten, dass der Grünling in eine zylindrische Form mit einem Durchmesser von 20 mm und einer Höhe von 50 mm gebracht wurde.
- <4> Anschließend wurde der so erzeugte Grünling in einem Sinterofen gesintert, um ein Sinterpressteil zu erzeugen. In diesem Zusammenhang ist darauf hinzuweisen, dass das Sintern in einer reinen Sauerstoffatmosphäre (Sinteratmosphäre) 2 Stunden lang bei 1050°C durchgeführt wurde. Dabei war der Druck in dem Sinterofen auf 760 mmHg (1 atom) eingestellt.
- Beispiel 2A
- Es wurde ein Sinterpressteil in gleicher Weise wie in Beispiel 1A hergestellt, abgesehen davon, dass der hydrostatische Druck in dem oben beschriebenen Prozess <2> auf 1,5 ton/cm2 geändert wurde.
- Beispiel 3A
- Es wurde ein Sinterpressteil in gleicher Weise wie in Beispiel 1A hergestellt, abgesehen davon, dass der hydrostatische Druck in dem oben beschriebenen Prozess <2> auf 2,0 ton/cm2 geändert wurde.
- Beispiel 4A
- Es wurde ein Sinterpressteil in gleicher Weise wie in Beispiel 3A hergestellt, abgesehen davon, dass die Sintertemperatur in dem oben beschriebenen Prozess <4> auf 925°C geändert wurde.
- Beispiel 5A
- Es wurde in Sinterpressteil in gleicher Weise wie in Beispiel 3A hergestellt, abgesehen davon, dass die Sintertemperatur in dem oben beschriebenen Prozess <4> auf 950°C geändert wurde.
- Beispiel 6A
- Es wurde ein Sinterpressteil in gleicher Weise wie in Beispiel 3A hergestellt, abgesehen davon, dass die Sintertemperatur in dem oben beschriebenen Prozess <4> auf 1000°C geändert wurde.
- Beispiel 7A
- Es wurde ein Sinterpressteil in gleicher Weise wie in Beispiel 3A hergestellt, abgesehen davon, dass die Sintertemperatur in dem oben beschriebenen Prozess <4> auf 1250°C geändert wurde.
- Beispiel 8A
- Es wurde ein Sinterpressteil in gleicher Weise wie in Beispiel 3A hergestellt, abgesehen davon, dass die Sinteratmosphäre in dem oben beschriebenen Prozess <4> in eine gemischte Gasatmosphäre aus Sauerstoff und Argongas geändert wurde. Der Sauerstoffpartialdruck wurde auf 190 mmHg eingestellt.
- Beispiel 9A
- Es wurde ein Sinterpressteil in gleicher Weise wie in Beispiel 3A hergestellt, abgesehen davon, dass die Sinteratmosphäre in dem oben beschriebenen Prozess <4> in eine gemischte Gasatmosphäre aus Sauerstoff und Argongas geändert wurde. Der Sauerstoffpartialdruck wurde auf 380 mmHg eingestellt.
- Beispiel 10A
- sEs wurde ein Sinterpressteil in gleicher Weise wie in Beispiel 3A hergestellt, abgesehen davon, dass die Sinteratmosphäre in dem oben beschriebenen Prozess <4> in eine gemischte Gasatmosphäre aus Sauerstoff und Argongas geändert wurde. Der Sauerstoffpartialdruck wurde auf 570 mmHg eingestellt.
- Vergleichsbeispiel 1A
- Es wurde ein Sinterpressteil in gleicher Weise wie in Beispiel 1A hergestellt, abgesehen davon, dass der hydrostatische Druck in dem oben beschriebenen Prozess <2> auf 0,5 ton/cm2 geändert wurde.
- Vergleichsbeispiel 2A
- Es wurde ein Sinterpressteil in gleicher Weise wie in Beispiel 1A hergestellt, abgesehen davon, dass die Sinteratmosphäre in dem oben beschriebenen Prozess <4> in eine reine Argongasatmosphäre geändert wurde.
- Vergleichsbeispiel 3A
- Es wurde ein Sinterpressteil in gleicher Weise wie in Beispiel 3A hergestellt, abgesehen davon, dass die Sinteratmosphäre in dem oben beschriebenen Prozess <4> in atmosphärische Luft bei 1 atom geändert wurde.
- Vergleichsbeispiel 4A
- Es wurde ein Sinterpressteil in gleicher Weise wie in Beispiel 3A hergestellt, abgesehen davon, dass die Sintertemperatur in dem oben beschriebenen Prozess <4> auf 900°C geändert wurde.
- Bewertung
- Die relative Dichte jedes der in den Beispielen 1A bis 10A und den Vergleichsbeispielen 1A bis 4A hergestellten Sinterpressteile wurde auf Grundlage seines durch die äußeren Abmessungen festgelegten Volumens und seines Gewichtes unter Berücksichtigung des spezifischen Gewichts bestimmt.
- Die Bewertungsergebnisse und die Herstellungsbedingungen für die Sinterpressteile der Beispiele 1A bis 10A und der Vergleichsbeispiele 1A bis 4A sind in Tabelle 1 angegeben.
-
- Wie in Tabelle 1 angegeben, hatte jedes der in den Beispielen 1A bis 10A hergestellten Sinterpressteile (Sinterpressteile des ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung) eine hohe relative Dichte.
- Außerdem hatte jedes der Sinterpressteile, die hergestellt wurden, indem mit einem Pressdruck von 2 bis 3 ton/cm2 gepresste Grünlinge verwendet und dann die Grünlinge in einer Sauerstoff enthaltenden Atmosphäre mit einem Sauerstoffpartialdruck von 550 mmHg oder höher bei einer Sintertemperatur von 1000 bis 1250°C gesintert wurden, eine besonders hohe relative Dichte.
- Dagegen hatte jedes der in den Vergleichsbeispielen 1A bis 4A hergestellten Sinterpressteile eine geringe relative Dichte.
- Außerdem wurden Teststücke A und B (Sinterpressteile in Form einer Platte mit den Abmessungen 45 mm (L) × 25 mm (B) × 15 mm (H) in gleicher Weise wie in Beispiel 3A bzw. in Vergleichsbeispiel 3A hergestellt.
- In diesem Zusammenhang ist darauf hinzuweisen, dass das Teststück A eine transparente weiße Farbe und das Teststück B eine opake (milchig) weiße Farbe ohne Transparenz aufwies.
- Für jedes der Teststücke A und B wurde eine Charakteristikbewertung wie folgt vorgenommen.
- Es wurde eine Lichtquelle bereitgestellt, in der eine 85 W-Halogenlampe über Lichtleiter Licht aussendete. Das von der Lichtquelle ausgesendete Licht wurde mit einem Kolorimeter ("CS-100", gefertigt von Minolta Co., Ltd.) gemessen. Im Ergebnis hatte das Licht eine Luminanz von 230000 cd/m2 und eine in dem CIE-Chromatizitätsdiagramm durch die Chromatizitätskoordinaten (0,543, 0,4) ausgedrückte Chromatizität.
- Die Teststücke A und B wurden jeweils im Bereich von mit einer Dicke von 15 mm mit solchem Licht bestrahlt. Dann wurde mit dem Kolorimeter die Luminanz des durch das Teststück tretenden Lichtes gemessen.
- Im Ergebnis betrugt die Luminanz des durch das Teststück A getretenen Lichtes 480 cd/m2. Dagegen betrug die Luminanz des durch das Teststück B getretenen Lichtes 63 cd/m2. Diese Ergebnisse bestätigten, dass das Teststück A eine höhere Transparenz als das Teststück B aufwies.
- Ferner war es möglich, den Zustand des Inneren des Teststücks A visuell zu überprüfen. Im Ergebnis wurden ein Auftreten von Sinterdefekten wie eine Rissbildung und Kontaminationen nicht beobachtet. Dagegen war es infolge der fehlenden Transparenz schwierig, den Zustand des Inneren des Teststücks B visuell zu überprüfen, so dass es unmöglich war, festzustellen, ob Sinterdefekte im Inneren vorhanden waren oder nicht.
- In diesem Zusammenhang wurden Teststücke unter den gleichen Bedingungen wie in den Beispielen 1A, 2A und 4A bis 10A und den Vergleichsbeispielen 1A, 2A und 4A hergestellt, und für jedes der Teststücke wurde in oben beschriebener Weise eine Charakteristikbewertung durchgeführt. Im Ergebnis bestätigte sich, dass es eine Korrelation zwischen der relativen Dichte jedes der in den Beispielen 1A bis 10A und den Vergleichsbeispielen 1A bis 4A hergestellten Sinterpressteile und dem Ergebnis der Charakteristikbewertung jedes der Teststücke gibt. Damit bestätigte sich, dass die Transparenz mit zunehmender relativer Dichte tendenziell höher wird.
- Wie oben beschrieben, ist es durch das erste Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Sinterpressteils möglich, hochdichte Sinterpressteile zu erzeugen.
- Da außerdem ein solches Sinterpressteil eine hohe Transparenz aufweist, kann auf einfache Weise das Vorhandensein oder Fehlen von Sinterdefekten oder das Vorhandensein oder Fehlen von Kontaminationen innerhalb des Sinterpressteils erfasst werden.
- Indem außerdem die Herstellungsbedingungen für die Sinterpressteile geeignet eingestellt werden, kann ein Sinterpressteil erzeugt werden, dass eine höhere relative Dichte und eine höhere Transparenz hat.
- Das Sinterpressteil, das nach dem ersten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Sinterpressteils hergestellt ist, kann zweckmäßigerweise in Form eines künstlichen Knochens wie eines Wirbelabstandshalters oder eines Gehörknöchelchens, in Form von Zahnimplantaten und dergleichen eingesetzt werden. Außerdem kann das Sinterpressteil auch zweckmäßigerweise als Trägermaterial für eine Zellkultur oder eine Zellkulturbasis verwendet werden, da Hydroxylapatit eine hohe Affinität gegenüber Zellen, Proteinen oder dergleichen hat.
- Es folgt eine detaillierte Beschreibung eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Sinterpressteils und eines nach dem Verfahren hergestellten Sinterpressteils.
- Beispiele für das in dem zweiten Ausführungsbeispiel zu verwendende Apatit sind Hydroxylapatit, Fluorapatit, Apatit, das durch Ersetzen zumindest eines Teils der Calciumionen des Hydroxylapatits oder Fluorapatits durch Metallionen (z.B. Ni-Ion, Cu-Ion, Mn-Ion oder dergleichen) erzeugt wird, und dergleichen. Diese Substanzen können allein oder in Kombination von zwei oder mehr Substanzen verwendet werden. Die folgende Beschreibung bezieht sich auf die Verwendung von Hydroxylapatit als Vertreter der Apatite.
-
2 ist ein Flussdiagramm, das das zweite Ausführungsbeispiel des Verfahrens zum Herstellen eines Sinterpressteils zeigt. Das in2 gezeigte Verfahren zum Herstellen eines Sinterpressteils umfasst einen Schritt zum Erzeugen von Hydroxylapatitpulver (Schritt1B ), einen Schritt zum Pressformen eines Grünlings (Schritt2B ), einen Schritt zum Formen des Grünlings in die gewünschte Gestalt oder Größe (Schritt3B ), einen primären Sinterschritt (Schritt4B ) und einen sekundären Sinterschritt (Schritt5B ). Die Schritte werden nun im Folgenden nacheinander beschrieben. - <1B> Erzeugung des Hydroxylapatitpulvers
- unächst wird in gleicher Weise wie in dem ersten Ausführungsbeispiel eine Calciumquelle zur Reaktion mit einer Phosphorsäurequelle gebracht, um Hydroxylapatit (HAp) zu synthetisieren. Mit dem Begriff "Hydroxylapatit" ist in diesem zweiten Ausführungsbeispiel ein Hydroxylapatit mit einem Molverhältnis von Ca zu P (Ca/P) von 1,60 bis 1,70 gemeint.
- Ein solches Hydroxylapatit kann nach einem beliebigen Verfahren wie einem Verfahren der Nasssynthese, einem Verfahren der Trockensynthese, einem Verfahren der Hydrothermalsynthese oder dergleichen synthetisiert werden. Unter diesen Verfahren ist ein Verfahren der Nasssynthese bevorzugt, bei dem die Calciumquelle und/oder die Phosphorsäurequelle in flüssiger Form verwendet werden. Mit einem solchen Verfahren der Nasssynthese ist es möglich, Hydroxylapatit einfach und effizient zu synthetisieren, ohne dass hierzu eine teure Produktionsanlage erforderlich ist.
- Wird das Verfahren der Nasssynthese angewandt, so kann beispielsweise Calciumhydroxid, Calciumoxid, Calciumnitrat oder dergleichen als Calciumquelle verwendet werden. Als Phosphorsäurequelle kann Phosphorsäure, Ammoniumphosphat oder dergleichen verwendet werden.
- Unter diesen Substanzen sind eine Calciumhydroxid oder Calciumoxid als Hauptbestandteile enthaltende Calciumquelle und eine Phosphorsäure als Hauptbestandteil enthaltende Phosphorsäurequelle bevorzugt. Durch Verwendung einer solchen Calciumquelle und einer solchen Phosphorsäurequelle ist es möglich, Hydroxylapatit sehr effizient zu geringen Kosten zu synthetisieren.
- Die folgende Beschreibung bezieht sich auf den Fall, in dem eine Calciumhydroxid oder Calciumoxid als Hauptbestandteil enthaltende Calciumquelle und eine Phosphorsäure als Hauptbestandteil enthaltende Phosphorsäurequelle verwendet werden.
- In diesem Fall wird Hydroxylapatit (HAp) synthetisiert, indem beispielsweise eine Phosphorsäurenlösung (H3PO4) in eine in einem Gefäß vorhandene Suspension von Calciumhydroxid (Ca(OH)2) oder Calciumoxid (CaO) getropft wird und dann die Substanzen miteinander vermischt werden.
- Die Reaktion kann durch folgende Gleichung (I) oder (II) dargestellt werden.
- Schreitet die Reaktion nicht in ausreichendem Maße voran, so ist eine nicht in Reaktion getretene Substanz (Ca(OH)2 oder CaO) als Verunreinigung in der in Breiform resultierenden Mischung vorhanden (im Folgenden einfach als "Brei" bezeichnet).
- Geht die Reaktion noch weiter, so tritt eine andere, durch die folgende Gleichung (III) dargestellte Reaktion auf. Infolgedessen wird Tricalciumphosphat (TCP) als sekundäres Reaktionsprodukt erzeugt.
- Tritt diese Reaktion auf, so ist Tricalciumphosphat, das ein sekundäres Reaktionsprodukt darstellt, in dem resultierenden Brei als Verunreinigung vorhanden.
- Aus dem Brei, der das in dieser Weise synthetisierte Hydroxylapatit enthält, wird Hydroxylapatitpulver erzeugt. Enthält der Brei die oben genannten Verunreinigungen nur kaum, so ergibt sich ein Sinterpressteil mit hoher Dichte. Ein solches hochdichtes Sinterpressteil hat eine hohe Lichtdurchlässigkeit (Transluzenz).
- Es folgt eine Beschreibung eines bevorzugten Bereichs, in dem der Gehalt (Konzentrationen) an Tricalciumphosphat und an nicht in Reaktion getretenen Substanzen (Ca(OH2), CaO) sich in dem Brei befindet.
- Tricalciumphosphat
- Der Gehalt (Konzentration) an Tricalciumphosphat in dem Brei ist nicht auf einen bestimmten Wert beschränkt. Vorzugsweise ist er jedoch gleich oder kleiner als 0,1 Gew.-% und noch besser gleich 0 Gew.-%. Liegt der Gehalt an Tricalciumphosphat in dem Brei in einem solchen Bereich, d.h. wird ein wenig oder gar kein Tricalciumphosphat enthaltender Brei verwendet, so hat das resultierende Sinterpressteil eine höhere Dichte.
- Es ist von großem Vorteil, wenn der Brei die unten beschriebene Bedingung A erfüllt.
- Bedingung A: Ein Teil des Breis wird als Probe entnommen und dann unter einem Pressdruck von 2 ton/cm2 pressgeformt, um einen Probengrünling auszubilden, der eine Erfassungsoberfläche hat. Der Probengrünling wird 2 Stunden lang in atmosphärischer Luft bei 1200°C gesintert, um ein gesintertes Probenpressteil zu erzeugen. Dann werden Substanzen, die auf der Erfassungsoberfläche (mit einer Oberflächenrauhigkeit Ra von 10 μm) des gesinterten Probenpressteils vorhanden sind, mittels Röntgenbeugung analysiert. Dabei ist die Intensität eines von dem Hydroxylapatit herrührenden Peaks der größte unter den erhaltenen Peaks, und es wird kein von dem Tricalciumphosphat herrührender Peak beobachtet.
- Ein solches analytisches Verfahren beruht auf der Tatsache, dass in dem oben beschriebenen Sinterprozess das Kornwachstum des Hydroxylapatits vor dem der Verunreinigungen auftritt, da die genannten Substanzen unterschiedliche Sinterraten haben. Infolgedessen werden die Verunreinigungen aus den zwischen den Körnern vorhandenen Leerstellen ausgeschlossen und lagern sich dann auf der Oberfläche des gesinterten Probenpressteils (insbesondere auf der Erfassungs oberfläche) ab. Durch Analysieren der Erfassungsoberfläche mittels Röntgenbeugung kann das Vorhandensein oder Fehlen der Verunreinigungen erfasst werden. Mit diesem analytischen Verfahren kann mit hoher Genauigkeit bestimmt werden, ob die Verunreinigungen in dem Brei vorhanden sind oder nicht.
- Erfüllt der Brei die Bedingung A, so bestätigt sich, dass der Brei kein Tricalciumphosphat enthält oder aber, wenn der Brei Tricalciumphosphat enthält, dessen Menge äußerst gering ist. Durch Verwendung eines solchen Breis ist es deshalb möglich, besonders hochdichte Sinterpressteile zu erzeugen.
- Nicht in Reaktion getretene Substanz
- Der Gehalt (Konzentration) an nicht in Reaktion getretener Substanz in dem Brei ist nicht auf einen bestimmten Wert beschränkt, ist jedoch vorzugsweise gleich oder kleiner als 3 Gew.-% und liegt noch besser im Bereich von etwa 0,025 bis 1 Gew.-%. Selbst wenn eine vergleichsweise geringe Menge an nicht in Reaktion getretener Substanz Calciumoxid in dem Brei vorhanden ist, hat das Calciumoxid keinen Effekt auf die Sinterdichte eines resultierenden Sinterpressteils, solange die Menge an in dem Brei enthaltendem Calciumoxid sehr gering ist (für den Fall, dass die nicht in Reaktion getretene Substanz Calciumhydroxid ist, wird das Calciumhydroxid infolge des Sinterns in Calciumoxid umgewandelt). Deshalb ist eine solche Bedingung im Hinblick auf den Gehalt an nicht in Reaktion getretener Substanz akzeptabel. Übersteigt der Gehalt an nicht in Reaktion getretener Substanz in dem Brei den vorstehend genannten oberen Grenzwert, so wird es in Abhängigkeit der später beschriebenen, während des Sinterns der Grünlinge vorliegenden Bedingungen gegebenenfalls schwierig, hochdichte Sinterpressteile zu erzeugen.
- Es ist ferner sehr von Vorteil, wenn der Brei die unten beschriebene Bedingung B erfüllt.
- Bedingung B: Ein Teil des Breis wird entnommen und dann bei 200°C getrocknet, um eine Probe zu erzeugen. Die Probe wird 20 Minuten lang in atmosphärischer Luft bei 1200°C gesintert, um eine gesinterte Probe zu erzeugen. Dann werden in der gesinterten Probe vorhandene Substanzen mittels Pulver-Röntgenbeugung analysiert. Wird dabei die Intensität eines von dem Hydroxylapatit herrührenden Peaks als X und die Intensität eines von dem Calciumoxid herrührenden Peaks als Y definiert, so erfüllen X und Y die Bedingung Y/X < 1/10 (insbesondere Y/X < 1/100).
- Wie oben beschrieben, kann mit einem solchen analytischen Verfahren mit hoher Genauigkeit bestimmt werden, ob die Verunreinigungen in dem Brei vorhanden sind oder nicht. Erfüllt der Brei die Bedingung B, so bestätigt sich, dass der Gehalt an nicht in Reaktion getretener Substanz in dem Brei äußerst gering ist. Durch Verwendung eines solchen Breis ist es auch möglich, besonders hochdichte Sinterpressteile zu erzeugen.
- Zumindest einer der Gehalte an Tricalciumphosphat und an nicht in Reaktion getretener Substanz in dem Brei sollte innerhalb des oben beschriebenen Bereichs liegen. Vorzugsweise liegen jedoch sowohl der Gehalt an Tricalciumphosphat als auch der Gehalt an nicht in Reaktion getretener Substanz innerhalb der jeweiligen oben beschriebenen Bereiche. Dies ermöglicht es, äußerst hochdichte Sinterpressteile zu erzeugen.
- Anschließend wird Hydroxylapatitpulver (im Folgenden einfach als "Pulver" bezeichnet) zubereitet, indem der so erzeugte Brei beispielsweise sprühgetrocknet wird.
- Die mittlere Teilchengröße des Pulvers ist nicht auf einen bestimmten Wert beschränkt, ist jedoch vorzugsweise gleich oder kleiner als 40 μm und liegt noch besser im Bereich von etwa 8 bis 25 μm. Durch Verwendung eines Pulvers mit einer solchen mittleren Teilchengröße ist es möglich, Sinterpressteile höherer Dichte zu erzeugen.
- Das erzeugte Pulver kann beispielsweise 2 bis 6 Stunden lang einer Wärmebehandlung bei 500 bis 800°C unterzogen werden und dann beispielsweise mittels einer Strahlmühle oder einer Turbomühle gemahlen werden, so dass das Pulver eine mittlere Teilchengröße von etwa 6 bis 20 μm (die etwa 50 bis 80 % der mittleren Teilchengröße vor dem Mahlen ist) hat. Durch Verwendung eines solchen gemahlenen Pulvers ist es möglich, noch dichter gepackte Grünlingen zu erzeugen.
- <2B> Pressformen des Grünlings
- Anschließend wird das so erzeugte Pulver (oder ein Pulverpressteil, das schon vorher in die gewünschte Form pressgeformt worden ist) durch Druckanwendung verdichtet.
- Als Verfahren zur Druckanwendung kann ein beliebiges Verfahren wie isotropes Pressen, Pressen in nur ein Richtung (unaxiale Richtung), z.B. uniaxiales Pressen oder gleichen angewandt werden. Unter diesen Verfahren ist das isotrope Pressen, insbesondere das hydrostatische Pressen bevorzugt. Durch Anwenden eines solchen Verfahrens ergibt sich eine Grünling mit gleichmäßiger Dichte, so dass im Ergebnis ein Sinterpressteil höherer Dichte erzeugt werden kann.
- Als hydrostatisches Pressverfahren wird zweckmäßigerweise CIP (isostatisches Kaltpressen) angewandt, bei dem eine Druckanwendung bei einer Temperatur von etwa 5 bis 50°C (vorzugsweise etwa 10 bis 30°C) erfolgt. Da CIP die Vorteile hat, dass es mit einer einfachen Ausrüstung durchgeführt werden kann und dass ein Film (der später beschrieben wird) keine Wärmebeständigkeit aufweisen muss, ist CIP in der Praxis gut als Technik zur Herstellung industrieller Produkte verwendbar. Alternativ können HIP (isostatisches Heißpressen), bei dem eine Druckbeaufschlagung mit Erwärmung (beispielsweise bei 65°C oder höher) erfolgt, oder Heißpressen angewandt werden.
- Beim hydrostatischen Pressen wird das in einen flüssigkeitsfesten Film eingeschlossene Pulver in einer hydrostatischen Presseinheit angeordnet und dann ein hydrostatischer Druck angewandt. Im Falle von CIP sind Beispiele für das Filmmaterial: Harz wie Polyvinylchlorid, Polyethylen, Polypropylen und dergleichen; und Kautschuk wie Naturkautschuk und Isoprenkautschuk. Der Film kann beispielsweise durch Eintauchen oder Vakuumverpacken ausgebildet werden.
- Der anzuwendende Druck liegt bei 1 ton/cm2 oder höher, besser im Bereich von etwa 1 bis 3 ton/cm2 und noch besser im Bereich von etwa 1,5 bis 2,5 ton/cm2. Ist der Druck zu gering, so ist der durch das Pressen bewirkte Effekt (insbesondere die Gleichmäßigkeit in der Dichte) gegebenenfalls nicht ausreichend. Wird dagegen der Druck so stark erhöht, dass er den vorstehend genannten oberen Grenzwert übersteigt, so erhält man keine weitere Steigerung des Effektes. Außerdem erfordert die Anwendung eines solch erhöhten Drucks eine großdimensionierte Ausrüstung, wodurch die Ausrüstungskosten ansteigen.
- Der in oben beschriebener Weise durch Druckanwendung erzeugte Grünling weist hohe und gleichmäßige Dichte auf. Wird ein solcher Grünling in später beschriebener Weise primär gesintert, so schrumpft der Grünling gleichmäßig. Das erzeugte Sinterpressteil weist deshalb hohe Abmessungsgenauigkeit und gleichmäßige Dichte auf.
- Eine solch gleichmäßige Dichte unterdrückt das Auftreten von Sinterdefekten wie Rissbildung, Absplittern und dergleichen in dem Sinterpressteil, so dass ein solches Sinterpressteil kaum beschädigt werden kann (d.h. ausgezeichnete mechanische Festigkeit hat). In diesem Zusammenhang ist darauf hinzuweisen, dass der die Oberfläche des Pulvers bedeckende Film nach dem Pressen nach einem vorbestimmten Verfahren entfernt wird.
- <3B> Formen des Grünlings
- Anschließend wird der so erzeugte Grünling nach Bedarf zu der gewünschten Gestalt oder Größe geformt.
- Der Grünling wird geformt, indem er beispielsweise einer vorbestimmten Maschinenbearbeitung unterzogen wird. Beispiele für eine solche Maschinenbearbeitung sind Schneiden, Schleifen, Polieren und dergleichen. Diese Verfahren können einzeln oder in Kombination von zwei oder mehr Verfahren durchgeführt werden.
- Da die Härte des Grünlings selbst verglichen mit der des letztendlich erzeugten Sinterpressteils sehr gering ist, kann die Maschinenbearbeitung oder dergleichen einfach an dem Grünling durchgeführt werden. Insbesondere hat der Grünling die Vorteile, dass die Maschinenbearbeitung mit Werkzeugen geringer Härte durchgeführt werden kann und weniger Zeit beansprucht wird, die Maschinenbearbeitung zu vollenden.
- <4B> Primäres Sintern
- Der so erzeugte Grünling wird in einem Sinterofen mit einer Sauerstoff enthalten Atmosphäre, in der 50 Vol.-% oder mehr des in dem Sinterofen vorhandenen Gases von Sauerstoff eingenommen wird, primär gesintert, um ein Sinterpressteil zu erzeugen.
- Die Erfinder haben umfassende Untersuchungen angestellt und im Ergebnis herausgefunden, dass durch Sintern des Grünlings in einer Sauerstoff enthaltenden Atmosphäre, in der 50 Vol.-% oder mehr in einem Sinterofen vorhandenen Gases von Sauerstoff eingenommen werden, ein Sinterpressteil erzeugt werden kann, das besonders hohe Dichte und hohe Lichtdurchlässigkeit aufweist.
- Ein typisches Beispiel für eine solche Sauerstoff enthaltende Atmosphäre (Sinteratmosphäre) ist eine reine Sauerstoffatmosphäre. Alternativ kann Gasmischung aus Sauerstoff und anderen Gasen (insbesondere eine hauptsächlich Sauerstoff enthaltende Gasmischung) als Sauerstoff enthaltende Atmosphäre verwendet werden.
- Der Sauerstoffpartialdruck in der Sauerstoff enthaltenden Atmosphäre (bei einer reinen Sauerstoffatmosphäre entspricht der Sauerstoffpartialdruck dem Druck in dem Sinterofen) ist vorzugsweise gleich oder höher als 380 mmHg und noch besser gleich oder höher als 550 mmHg. Indem der Sauerstoffpartialdruck auf den oben angegebenen Bereich eingestellt wird, kann ein Sinterpressteil erzeugt werden, das eine höhere relative Dichte und eine höher Lichtdurchlässigkeit aufweist.
- Ferner ist der Druck der Sauerstoff enthaltenden Atmosphäre (Druck in dem Sinterofen) vorzugsweise gleich oder kleiner als 900 mmHg und noch besser gleich oder kleiner als 600 mmHg. Indem der Druck der Sauerstoff enthaltenden Atmosphäre auf den oben angegebenen Bereich eingestellt wird, kann die Lichtdurchlässigkeit des Sinterpressteils weiter erhöht werden. Wird das Sintern unter verringertem Druck durchgeführt, so sollte der Sauerstoff 50 Vol.-% oder mehr des Gases einnehmen, das sich in dem Raum befindet, in dem das Sintern durchgeführt wird.
- In diesem Zusammenhang ist darauf hinzuweisen, dass unter atmosphärischem Druck durch Erhöhen des Volumens (Konzentration) des Sauerstoffs in der Sauerstoff enthaltenden Atmosphäre (Sinteratmosphäre) der Sauerstoffpartialdruck in der Sauerstoff enthaltenden Atmosphäre hoch wird.
- Die Erfinder haben zudem herausgefunden, dass es durch Sintern des Grünlings in einer solchen Sauerstoff enthaltenden Atmosphäre, deren Sauerstoffkonzentration hoch ist, möglich ist, das primäre Sintern bei einer vergleichsweise tiefen Temperatur (Sintertemperatur) durchzuführen. Außerdem haben sie herausgefunden, dass in diesem Fall der Grünling gesintert werden kann, während das Kornwachstum des Hydroxylapatits unterdrückt wird. Im Ergebnis können so Sinterpressteile mit einer höheren Dichte und einer höheren Lichtdurchlässigkeit erzeugt werden.
- Das Sintern der Grünlinge bei vergleichsweise tiefer Temperatur hat zudem die Vorteile, dass die Sinterzeit, die für das Sintern verbrauchte Energie und die Kosten für ein in einem Sinterofen verwendetes Heizelement verringert werden.
- Die Temperatur während des primären Sinterns (Sintertemperatur) liegt vorzugsweise im Bereich von 850 bis 1350°C und noch besser im Bereich von von etwa 950 bis 1250°C. Ist die Sintertemperatur zu tief, so wird der Grünling gegebenenfalls nicht wirksam gesintert.
- Die Zeit, während der die Sintertemperatur gehalten wird (Sinterzeit), liegt vorzugsweise im Bereich von von etwa 30 Minuten bis 8 Stunden und noch besser im Bereich von von 2 bis 4 Stunden.
- Das so erzeugte Sinterpressteil hat hohe Dichte und hohe Lichtdurchlässigkeit. Insbesondere ermöglicht ein solches Sinterpressteil den Durchtritt von Licht mit Wellenlängen, die gleich oder länger als die des sichtbaren Lichtes sind.
- <5B> Sekundäres Sintern
- Anschließend wird das so erzeugte Sinterpressteil beispielsweise in einer Atmosphäre mit geringer Aktivität in dem Sinterofen sekundär gesintert.
- Die Erfinder haben umfassende Untersuchungen angestellt, um ein Sinterpressteil zu erzeugen, das den Durchtritt von Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen (Licht mit Wellenlängen, die kürzer als die des sichtbaren Lichtes sind) ermöglicht. Im Ergebnis haben sie herausgefunden, dass es durch nochmaliges Sintern des Sinterpressteils (sekundäres Sintern) in einer Atmosphäre mit geringer Aktivität möglich ist, ein Sinterpressteil zu erzeugen, das den Durchtritt von Licht mit Wellenlängen ermöglicht, die kürzer als die des sichtbaren Lichtes sind.
- Die Atmosphäre mit geringer Aktivität ist nicht auf eine bestimmte beschränkt, solange ihr Hauptbestandteil im Wesentlichen nicht mit Hydroxylapatit (Apatit) reagiert. Beispielsweise ist eine inerte Gasatmosphäre wie eine Stickstoffgasatmosphäre, eine Argongasatmosphäre, eine Heliumgasatmosphäre oder eine Neongasatmosphäre bevorzugt, da jedes dieser Gase eine äußerst geringe Reaktivität gegenüber Hydroxylapatit (Apatit) hat.
- Nach Bedarf können diese Gase auch im Kombination verwendet werden.
- Die Temperatur während des sekundären Sinterns (Sintertemperatur) liegt vorzugsweise im Bereich von etwa 1000 bis 1350°C und noch besser im Bereich von etwa 1100 bis 1250°C. Ist die Temperatur während des sekundären Sinterns kleiner als der vorstehend genannte untere Grenzwert, so erreicht man möglicherweise den oben beschriebenen Effekt nicht in ausreichendem Maße. Wird dagegen die Temperatur während des sekundären Sinterns so stark erhöht, dass sie den vorstehend genannten oberen Grenzwert übersteigt, erhält man keinen oben beschriebenen Effekt weiter übersteigenden Effekt. Außerdem besteht die Möglichkeit, dass das Hydroxylapatit durch Wärme zersetzt wird.
- Die Zeit, während der die Sintertemperatur gehalten wird (Sinterzeit), liegt vorzugsweise im Bereich von etwa 30 Minuten bis 8 Stunden und noch besser im Bereich von etwa 2 bis 4 Stunden.
- Der Druck der Atmosphäre mit geringer Aktivität (Druck im Sinterofen) liegt vorzugsweise im Bereich von etwa 3 bis 900 mmHg und noch besser im Bereich von etwa 5 bis 800 mmHg. Die erforderliche Menge an Sauerstoff, die in der Sinteratmosphäre vorhanden ist, ist sehr klein.
- Es ist darauf hinzuweisen, dass die relative Dichte des Sinterpressteils, das in dem oben beschriebenen Prozess <5B> dem sekundären Sintern unterzogen wird, vorzugsweise 99 % oder höher (insbesondere 99,5 % oder höher) ist. Durch Verwendung eines solchen Sinterpressteils ist es möglich, dass das erzeugte Sinterpressteil noch zuverlässiger den Durchtritt von Licht ermöglicht, dessen Wellenlängen kürzer als die des sichtbaren Lichtes sind.
- Der Prozess <5B> kann in einem Sinterofen durchgeführt werden, der verschieden von dem in dem Prozess <4B> verwendeten ist. Vorzugsweise werden jedoch die beiden Prozesse <4B> und <5B> in dem gleichen Sinterofen durchgeführt. In diesem Fall wird die Sinteratmosphäre zwischen den Prozessen <4B> und <5B> ausgetauscht. Indem die Prozesse <4B> und <5B> in dem gleichen Sinterofen durchgeführt werden, ist es möglich, diese beiden Prozesse (Sintern) nacheinander durchzuführen, ohne das zu sinternde Objekt aus dem Sinterofen zu nehmen.
- Dies führt zu einer Verringerung der zum Herstellen der Sinterpressteile erforderlichen Zeit.
- Durch die oben beschriebenen Prozesse kann das zweite Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Sinterpressteils erzeugt werden.
- Da das Sinterpressteil des zweiten Ausführungsbeispiels hohe Dichte aufweist, ist seine mechanische Festigkeit äußerst hoch. Das Sinterpressteil, das nach dem zweiten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Sinterpressteils hergestellt ist, ist deshalb zweckmäßig als Biomaterial für künstliche Knochen wie einen Wirbelabstandshalter, ein Gehörknöchelchen und dergleichen, Zahnimplantate und dergleichen verwendbar. Außerdem kann das nach dem zweiten Ausführungsbeispiel gefertigte Sinterpressteil auch zweckmäßig als Trägermaterial für eine Zellkultur oder eine Zellkulturbasis verwendet werden, da Hydroxylapatit eine hohe Affinität gegenüber Zellen, Proteinen oder dergleichen hat.
- Da das nach dem zweiten Ausführungsbeispiel hergestellte Sinterpressteil zudem hohe Lichtdurchlässigkeit aufweist, kann es zweckmäßig als Träger für eine Zellkultur (Behälter), eine Zellkulturbasis, einen Analysebehälter (Zelle) oder dergleichen verwendet werden.
- Wird das nach diesem zweiten Ausführungsbeispiel gefertigte Sinterpressteil als Träger für eine Zellkultur (Behälter) verwendet, kann der Zustand von Zellen, die an dem Zellkulturträger haften und wachsen, nach einem optischen Verfahren (beispielsweise einem Lichtmikroskop einsetzenden Verfahren) beobachtet werden. Ein solches Verfahren hat den Vorteil, dass Zellen vergleichsweise einfach beobachtet werden können, ohne dass hierzu eine groß dimensionierte Ausrüstung erforderlich ist.
- Wird das nach diesem zweiten Ausführungsbeispiel hergestellte Sinterpressteil als Behälter für eine Zellkultur oder als Analysebehälter verwendet, so liegt ein Vorteil darin, dass die Proteinkonzentration in einer in dem Behälter vorhandenen Lösung nach einem einfachen, mit ultravioletten Strahlen (mit Wellenlängen von etwa 280 bis 300 nm) arbeitenden Verfahren auf einfache Weise gemessen werden kann, da das Sinterpressteil den Durchtritt von Licht mit Wellenlängen im Bereich ultravioletter Strahlen ermöglicht. In diesem Fall hat das Sinterpressteil gemäß zweiten Ausführungsbeispiel vorzugsweise folgende Charakteristik.
- Die Charakteristik besteht darin, dass bei Bestrahlen eines plattenförmigen Teststücks (Sinterpressteil) einer Dicke von 0,5 mm mit Licht einer Wellenlänge von 300 nm die Durchlässigkeit des durch das Teststück tretenden Lichtes bei 10 oder höher (insbesondere 15 % oder höher) liegt.
- Der Grund dafür, dass ein solches Teststück verwendet wird, ist hierbei der gleiche wie der oben im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel beschriebene. So werden Form und Größe des in der Praxis verwendeten Sinterpressteils je nach Verwendungszweck geeignet eingestellt, was bedeutet, dass in der Praxis verwendete Sinterpressteile unterschiedliche Formen und Größen haben. Selbst wenn die Lichtdurchlässigkeiten für die unterschiedliche Formen und Größen aufweisenden Sinterpressteile unter gleichen Bedingungen gemessen werden, können infolge der unterschiedlichen Formen und Größen keine Bewertungen auf Grundlage des gleichen Standards vorgenommen werden. Aus diesem Grund wird ein Teststück mit der oben angegebenen Charakteristik nach dem oben beschriebenen Verfahren zum Herstellen eines Sinterpressteils gefertigt. Wird ein solches Teststück zubereitet und wird ein in der Praxis zu verwendendes Sinterpressteil unter den gleichen Bedingungen wie das Teststück hergestellt, so kann davon ausgegangen werden, dass das Sinterpressteil eine ähnliche Charakteristik wie das Teststück hat.
- Da davon ausgegangen wird, dass das Teststück mit der oben beschriebenen Charakteristik den effizienten Durchtritt von Licht mit Wellenlängen ermöglicht, die kürzer als die des sichtbaren Lichtes sind, kann angenommen werden, dass auch ein Sinterpressteil, das unter den gleichen Bedingungen wie das Teststück hergestellt ist, den wirksamen Durchtritt von Licht mit Wellenlängen ermöglicht, die kürzer als die des sichtbaren Lichtes sind.
- Oben wurden das Verfahren zum Herstellen eines Sinterpressteils und das Sinterpressteil selbst gemäß zweitem Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Die Erfindung ist hierauf jedoch nicht beschränkt.
- Beispielsweise kann das Verfahren zum Herstellen eines Pressteils gemäß zweitem Ausführungsbeispiel einen einleitenden Schritt vor Schritt
1B , einen Zwischenschritt zwischen den Schritten1B bis5B oder einen nachgeordneten Schritt nach Schritt5B (beispielsweise einen Schritt, in dem an dem Sinterpressteil eine Oberflächenbehandlung vorgenommen wird) beinhalten. - Anschließend werden praktische Beispiele für das Verfahren zum Herstellen eines Sinterpressteils gemäß zweitem Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
- <Herstellung des Sinterpressteils>
- In den Beispielen 1B bis 3B und den Vergleichsbeispielen 1B bis 3B wurden Sinterpressteile wie folgt hergestellt.
- Beispiel 1B
- <1> Zunächst wurden 140 g Calciumhydroxid in 6 Liter reinem Wasser dispergiert, und anschließend wurde eine wässrige Phosphorsäurelösung, bei der die Konzentration an Phosphorsäure 2 Gew.-% betrug, in das reine Wasser getropft, in dem das Calciumhydroxid dispergiert war. Die Substanzen wurden durch Rühren ausreichend miteinander vermischt, um Hydroxylapatit zu synthetisieren. Im Ergebnis wurde so ein Hydroxylapatit enthaltender Brei erzeugt.
- Anschließend wurde der erzeugte Brei mittels eines Sprühtrockners sprühgetrocknet, um Hydroxylapatitpulver mit einer mittleren Teilchengröße von 14 μm zu erzeugen.
- Zu diesem Zeitpunkt wurde ein Teil des Breis entnommen und unter einem Pressdruck von 2 ton/cm2 pressgeformt, um einen Probengrünling mit einer Erfassungsoberfläche auszubilden. Der so erzeugte Probengrünling wurde 2 Stunden lang in atmosphärischer Luft bei 1200°C gesintert, um ein gesintertes Probenpressteil zu erzeugen. Dann wurden auf der Erfassungsoberfläche (mit einer Oberflächenrauhigkeit Ra von 10 μm) vorhandene Substanzen des gesinterten Probenpressteils mittels Röntgenbeugung analysiert. Die Probe hatte einen Durchmesser von 15 mm und eine Höhe von 8 mm.
- Die Analyse ergab, dass kein von Tricalciumphosphat (TCP) herrührender Peak beobachtet wurde.
- Dem Brei wurde nochmals ein Teil entnommen und dieser dann bei 200°C getrocknet, um eine Probe zu erzeugen. Anschließend wurde die erzeugte Probe 20 Minuten lang in atmosphärischer Luft bei 1200°C gesintert und dann die gesinterte Probe mittels Pulver-Röntgenbeugung analysiert. Es ergab sich, dass die Intensität eines von Calciumoxid (CaO) herrührenden Peaks 1/250 des von Hydroxylapatit (HAp) herrührenden Peaks betrug.
- Das so erzeugte Hydroxylapatitpulver wurde 4 Stunden lang bei 600°C wärmebehandelt und dann mittels einer Strahlmühle gemahlen. Auf diese Weise wurde Hydroxylapatitpulver mit einer mittleren Teilchengröße von 13 μm erzeugt.
- <2> Anschließend wurde das so erzeugte Hydroxylapatitpulver mittels einer Pressformmaschine in eine Scheibenform gepresst und dann das in die Scheibenform gebrachte Pulver in einen Kunststoffbeutel gelegt und vakuumdicht gemacht. Dann wurde ein hydrostatischer Pressdruck von 1 ton/cm2 auf das in dem Kunststoffbeutel befindliche, scheibenförmige Pulver bei Raumtemperatur (24°C) angewendet, um so einen scheibenförmigen Grünling mit einem Durchmesser von 28 mm und einer Dicke von 1 mm zu erzeugen.
- <3> Anschließend wurde der Grünling mittels eines Diamantschneiders so geschnitten (Maschinenbearbeitung), dass der scheibenförmige Grünling einen Durchmesser von 25 mm und eine Dicke von 0,8 mm hatte.
- <4> Dann wurde der so erzeugte Grünling in einem Sinterofen gesintert (primäres Sintern), um ein Sinterpressteil zu erzeugen. In diesem Zusammenhang ist darauf hinzuweisen, dass das Sintern in einer reinen Sauerstoffatmosphäre (Sinteratmosphäre) 2 Stunden lang bei 1200°C durchgeführt wurde. Dabei war der Druck in dem Sinterofen auf 76 mmHg eingestellt.
- Die relative Dichte des erzeugten Sinterpressteils (Sinterpressteil nach dem primären Sintern) betrug 99,6 %. Die relative Dichte des Sinterpressteils wurde auf Grundlage seines durch die äußeren Abmessungen definierten Volumens und seines Gewichtes unter Berücksichtigung des spezifischen Gewichts bestimmt.
- <5> Anschließend wurde das Sinterpressteil in dem gleichen Sinterofen, der schon in dem oben beschriebenen Prozess <4> verwendet wurde, nochmals gesintert (sekundäres Sintern).
- In diesem Zusammenhang ist darauf hinzuweisen, dass das Sintern in einer Argongasatmosphäre (Sinteratmosphäre) 2 Stunden lang bei 1200°C durchgeführt wurde. Dabei war der Druck in dem Sinterofen auf 380 mmHg eingestellt.
- Die relative Dichte des Sinterpressteils betrug 99,8 %.
- <6> Beide Oberflächen des Sinterpressteils wurden anschließend optisch so poliert, dass das Sinterpressteil einen Durchmesser von 20 mm und eine Dicke von 0,5 mm hatte.
- Beispiel 2B
- Ein Sinterpressteil wurde in gleicher Weise wie im Beispiel 1B hergestellt, abgesehen davon, dass in dem oben beschriebenen Prozess <4> der Druck in dem Sinterofen auf 350 mmHg und in dem oben beschriebenen Prozess <5> die Sintertemperatur auf 1100°C geändert wurde. Die relative Dichte des Sinterpressteils betrug nach dem primären Sintern 99,6 % und die relative Dichte des Sinterpressteils nach dem sekundären Sintern 99,7 %.
- Beispiel 3B
- Ein Sinterpressteil wurde in gleicher Weise wie in Beispiel 1B gefertigt, abgesehen davon, dass in dem oben beschriebenen Prozess <4> die Sintertemperatur auf 1050°C und der Druck in dem Sinterofen auf 760 mmHg geändert wurde und in dem oben beschriebenen Prozess <5> die Sintertemperatur auf 1050°C geändert wurde. Die relative Dichte des Sinterpressteils betrug nach dem primären Sintern 99,5 % und nach dem sekundären Sintern 99,5 %.
- Vergleichsbeispiel 1B
- Ein Sinterpressteil wurde in gleicher Weise wie in Beispiel 3B hergestellt, abgesehen davon, dass der oben beschriebene Prozess <5> weggelassen wurde. Die relative Dichte des erzeugten Sinterpressteils betrug 99,5 %.
- Vergleichsbeispiel 2B
- Ein Sinterpressteil wurde in gleicher Weise wie in Beispiel 1B hergestellt, abgesehen davon, dass der oben beschrieben Prozess <4> weggelassen wurde. Die relative Dichte des erzeugten Sinterpressteils betrug 99,0 %.
- Vergleichsbeispiel 3B
- Ein Sinterpressteil wurde in gleicher Weise wie in Beispiel 1B hergestellt, abgesehen davon, dass der Grünling in atmosphärischer Luft 2 Stunden lang bei 1 atom und 1200°C gesintert wurde, anstatt die Prozesse <4> und <5> durchzuführen. Die relative Dichte des erzeugten Sinterpressteils betrug 99,1 %.
- Bewertung
- 1. Messung der Wellenlängen durch das jeweilige Sinterpressteil tretenden Lichtes
- Für jedes der in den Beispielen 1B bis 3B und den Vergleichsbeispielen 1B bis 3B gefertigten Sinterpressteile wurden die Wellenlängen des Lichtes gemessen, das durch die Pressteile treten konnte. In dieser Messung wurde ein Spektrofotometer "U-4000" von Hitachi, Ltd. verwendet.
- 2. Messung der Lichtdurchlässigkeit
- Jedes der in den Beispielen 1B bis 3B und den Vergleichsbeispielen 1B bis 3B gefertigten Sinterpressteile wurde mit Licht einer Wellenlänge von 300 nm bestrahlt und dann dessen dabei auftretende Lichtdurchlässigkeit gemessen. Die Bewertungsergebnisse und die Herstellungsbedingungen für die Sinterpressteile sind für jedes der Beispiele und Vergleichsbeispiele in Tabelle 2 angegeben.
-
- Wie in Tabelle 2 angegeben, ermöglicht jedes der in den Beispielen 1B bis 3B hergestellten Sinterpressteile (d.h. die Sinterpressteile des zweiten Ausführungsbeispiels) den Durchtritt von Licht einer Wellenlänge von 275 nm oder größer. Außerdem war die Lichtdurchlässigkeit jedes Sinterpressteils hoch, wenn das Sinterpressteil mit Licht einer Wellenlänge von 300 nm bestrahlt wurde.
- Dagegen ermöglichte jedes der in den Vergleichsbeispielen 1B bis 3B gefertigten Sinterpressteile nicht den Durchtritt von Licht mit Wellenlängen, die kürzer als 295 nm waren. Außerdem ermöglichte jedes der Sinterpressteile nur kaum den Durchtritt von Licht mit einer Wellenlänge von 300 nm.
- Es folgt eine detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele einer Zellkulturbasis und eines Verfahrens zum Herstellen einer solchen Zellkulturbasis nach der Erfindung.
- <Erstes Ausführungsbeispiel>
-
3 ist eine perspektivische Ansicht, die ein erstes Ausführungsbeispiel der Zellkulturbasis nach der Erfindung zeigt, in dem die Erfindung auf ein Zellkulturpellet angewandt ist,4 ist eine Illustration (teilweise geschnittene, perspektivische Ansicht) zur Erläuterung, wie das in3 gezeigte Zellkulturpellet verwendet wird, und5 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Herstellen des in3 gezeigten Zellstrukturpellets angibt. In der folgenden Beschreibung wird auf die obere Seite und die untere Seite in den3 bis5 mit den Begriffen "Deck-" bzw. "Boden-"Bezug genommen. - Ein in
3 gezeigtes Zellkulturpellet1 wird zur Kultivierung von Zellen genutzt, indem es unterschiedlichen Arten von Zellen ermöglicht wird, an dem Zellkulturpellet1 zu haften. Insgesamt besteht das Zellkulturpellet1 hauptsächlich aus einer Calciumphosphat-basierten Verbindung und ist im Wesentlichen scheibenförmig ausgebildet. - Ist das Zellkulturpellet
1 scheibenförmig ausgebildet, so liegt sein Durchmesser vorzugsweise im Bereich von etwa 0,5 bis 200 mm, besser im Bereich von etwa 0,5 bis 100 mm und noch besser im Bereich von etwa 0,5 bis 35 mm. - Das Zellkulturpellet
1 ermöglicht es unterschiedlichen Arten von Zellen (verankerungsabhängigen Zellen), an einer seiner Oberflächen (d.h. in3 eine Deckfläche) zu haften und zu wachsen. Im Folgenden wird die Deckfläche des in3 gezeigten Zellkulturpellets1 als "Zellhaftfläche (Zellbasisfläche)2" bezeichnet. - Der Haftungsgrad der Zellen an dem Zellkulturpellet
1 und der Wachstumsgrad der Zellen (Zustand der Zellen) kann mit verschiedenen Verfahren beobachtet werden, vorzugsweise werden jedoch diese Größen in einem Zustand beobachtet, in dem Licht durch das Zellkulturpellet1 treten kann. Mit einem solchen Verfahren ist es möglich, den Zustand der Zellen vergleichsweise einfach zu beobachten, ohne dass hierzu eine groß dimensionierte Ausrüstung erforderlich ist. - In diesem Fall wird der Zustand der Zellen vorzugsweise von der Seite der anderen, der Zellhaftfläche
2 abgewandten Oberfläche her beobachtet, während das Zellkulturpellet1 von der Seite der Zellhaftfläche2 her mit Licht bestrahlt wird. Dadurch ist es besonders gut möglich, einen Zustand zu beobachten, in dem die Zellen an der Zellhaftfläche2 des Zellkulturpellets1 haften. In den vergangenen Jahren wurden regenerative medizinische Techniken in der Praxis weitläufig eingesetzt. Damit einhergehend besteht nunmehr das Bedürfnis, die Beziehung zwischen einer Calciumphosphat-basierten Verbindung wie Hydroxylapatit oder Tricalciumphosphat und unterschiedlichen Arten von Zellen zu beobachten. Zu diesem Zweck ist in der Praxis ein transparentes (lichtdurchlässiges) Zellkulturpellet1 nützlich. - Wie oben beschrieben, wird der Zustand der Zellen auf dem Zellkulturpellet
1 von der Seite der anderen, der Zellhaftfläche2 abgewandten Oberfläche her (d.h. in3 von der Seite der Bodenfläche her) beobachtet, während das Zellkulturpellet1 von der Seite der Zellhaftfläche2 (d.h. in3 der Seite der Deckfläche) her mit Licht bestrahlt wird. Im Folgenden wird die Bodenfläche (andere Oberfläche) des in3 gezeigten Zellkulturpellets1 als "Beobachtungsfläche3 " bezeichnet. - Da das Zellkulturpellet
1 insgesamt, wie ebenfalls schon oben beschrieben, hauptsächlich aus einer Calciumphosphat-basierten Verbindung besteht, ist es möglich, Zellen unter Bedingungen zu kultivieren, die denen im menschlichen Körper ähneln. Außerdem ist es möglich, die vorhandenen Probleme zu lösen, d.h., die Knochenaffinität von unterschiedlichen Zellen geeignet zu bewerten und das Zellkulturpellet1 selbst mit den auf seiner Zellhaftfläche2 kultivierten Zellen nach Vollendung der Zellkultur in einen menschlichen Körper zu implantieren. - Die Calciumphosphat-basierte Verbindung ist auf keine bestimmte Verbindung beschränkt. Es können Verbindungen unterschiedlicher Art verwendet werden, solange das Molverhältnis von Ca zu P (Ca/P) im Bereich von 1,0 bis 2,0 liegt. Beispiele für die Calciumphosphat-basierte Verbindung sind Hydroxylapatit, Tricalciumphosphat, Dicalciumphosphat, Fluorapatit und dergleichen. Diese Substanzen können einzeln und in Kombination von zwei oder mehr Substanzen verwendet werden.
- Unter diesen Substanzen ist eine Calciumphosphat-basierte Verbindung bevorzugt, die Hydroxylapatit oder Tricalciumphosphat als Hauptbestandteil enthält. Da erstere Substanz der Hauptknochenbestandteil ist und letztere Substanz dem Knochenbestandteil nahe kommt, ist es möglich, die Knochenaffinität unterschiedlicher Arten besser zu bestimmen.
- Da der Zustand der Zellen, wie oben beschrieben, vorzugsweise während des Lichtdurchtritts durch das Zellkulturpellet
1 beobachtet wird, sollte die Transparenz des Zellkulturpellets1 so hoch wie möglich sein. - Unter diesem Gesichtspunkt haben die Erfinder umfassende Untersuchungen angestellt und im Ergebnis herausgefunden, dass die Transparenz des Zellkulturpellets
1 von dessen relativer Dichte abhängt (d.h. die Transparenz des Zellkulturpellets1 mit Zunahme von dessen relativer Dichte größer wird). - Ein Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, dass das Zellkulturpellet
1 hochdicht ausgebildet wird. So kann das Zellkulturpellet1 die für die Beobachtung des Zustandes der Zellen erforderliche Transparenz aufweisen. - Der Dichtegrad des Zellkulturpellets
1 kann bestimmt werden, indem dessen Porosität als Index genutzt wird. Die Porosität des Zellkulturpellets1 ist insbesondere vorzugsweise gleich oder kleiner als 1 % und noch besser gleich oder kleiner als 0,6 %. Indem die Porosität des Zellkulturpellets1 auf den oben angegebenen Bereich eingestellt wird, kann die Transparenz des Zellkulturpellets1 weiter erhöht werden. - Die mittlere Dicke des Zellkulturpellets
1 liegt vorzugsweise im Bereich von etwa 0,1 bis 3 mm und noch besser im Bereich von etwa 0,2 bis 1,5 mm. Indem die mittlere Dicke des Zellkulturpellets1 auf den oben angegebenen Bereich eingestellt wird, ist es möglich, das Zellkulturpellet1 mit ausreichend hoher Transparenz zu versehen, ohne dass die Festigkeit des Zellkulturpellets1 abnimmt. - Ein bevorzugter Transparenzgrad des Zellkulturpellets
1 stellt sich beispielsweise wie folgt dar. Wird der Durchtritt von Licht einer Wellenlänge von 600 nm durch das Zellkulturpellet1 mit einer mittleren Dicke von 1 mm in dessen Dickenrichtung ermöglicht, so ist die Durchlässigkeit für das durch das Zellkulturpellet1 tretende Licht vorzugsweise gleich oder höher als 1,5 % und noch besser gleich oder höher als 2 %. Indem die Durchlässigkeit auf den oben genannten Bereich eingestellt wird, kann der Zustand der Zellen noch besser beobachtet werden. - Wie in
3 gezeigt, hat das Zellkulturpellet1 die Zellhaftfläche2 , die eine raue Oberfläche bildet, und die Beobachtungsfläche3 , die eine glatte Oberfläche bildet. Dadurch können die Zellen einfach und zuverlässig an der Zellhaftfläche2 haften. Da zudem die glatte Oberfläche der Beobachtungsfläche3 verhindert, dass das durch das Zellkulturpellet1 tretende Licht beim Beobachten des Zustandes der Zellen an der Beobachtungsfläche3 gestreut wird, kann der Zustand der Zellen noch besser beobachtet werden. - Vorzugsweise ist die Oberflächenrauhigkeit der Zellhaftfläche
2 nicht übermäßig groß. Die raue Oberfläche ist vorzugsweise eine Oberfläche, die man durch Schleifen mit einem Schleifmaterial erhält, das Teilchen mit einer mittleren Teilchengröße von etwa 5 bis 30 μm (vorzugsweise etwa 5 bis 25 μm) enthält, oder eine Oberfläche, die im Wesentlichen die gleiche Oberflächenrauhigkeit wie die in der Weise geschliffene Oberfläche hat. Durch ein solch raue Oberfläche kann die Haftrate der Zellen an der Zellhaftfläche2 erhöht sowie eine Streuung des Bestrahlungslichtes an der Zellhaftfläche2 beim Beobachten des Zustandes der Zellen vermieden werden, so dass der Zustand der Zellen ohne Probleme beobachtet werden kann. - Dagegen ist die Oberflächenrauhigkeit der Beobachtungsfläche
3 vorzugsweise so klein wie möglich. Die glatte Oberfläche ist vorzugsweise eine Oberfläche, die man durch Polieren mit einem Poliermaterial erhält, das Teilchen mit einer mittleren Teilchengröße von 1 μm oder kleiner (vorzugsweise 0,8 μm oder kleiner) enthält (d.h. Hochglanzpolieren), oder eine Oberfläche, die im Wesentlichen die gleiche Oberflächenrauhigkeit wie die in der Weise polierte Oberfläche hat. Durch eine solch glatte Oberfläche ist es möglich, die Streuung des Lichtes an der Beobachtungsfläche3 noch zuverlässiger zu verhindern. Im Folgenden wird eine solch glatte, durch Hochglanzpolieren erzeugte Oberfläche als "spiegelnde Oberfläche" bezeichnet. - Als Teilchen (Schleifkörner), die in dem oben beschriebenen Schleifmaterial und Poliermaterial verwendet werden, sind beispielsweise Teilchen (feine Teilchen) aus Diamant, Aluminiumoxid, Silika, Cerdioxid, Bornitrid, Roteisen oder dergleichen zu nennen.
- An dieser Stelle ist darauf hinzuweisen, dass das Zellkulturpellet
1 auch eine Struktur haben kann, die von der in3 gezeigten verschieden ist. Insbesondere können sowohl die Zellhaftfläche2 als auch die Beobachtungsfläche3 raue Oberflächen bilden, sowohl die Zellhaftfläche2 als auch die Beobachtungsfläche3 glatte Oberflächen bilden oder sowohl die Zellhaftfläche2 als auch die Beobachtungsfläche3 spiegelnde Oberflächen bilden. - Haben die Zellhaftfläche
2 und die Beobachtungsfläche3 die gleiche Oberflächeneigenschaft, so brauchen Benutzer beim Gebrauch nicht zwischen der Zellhaftfläche2 und der Beobachtungsfläche3 unterscheiden, was für die Benutzer von Vorteil ist. - Bilden sowohl die Zellhaftfläche
2 als auch die Beobachtungsfläche3 glatte Oberflächen (insbesondere glatte Oberflächen, die keiner Hochglanzpolierung unterzogen worden sind), so kann auf komplizierte Operationen verzichtet werden, um eine raue Oberfläche oder eine spiegelnde Oberfläche auszubilden, wodurch die Herstellungskosten für das Zellkulturpellet1 verringert werden können. Bilden sowohl die Zellhaftfläche2 als auch die Beobachtungsfläche3 glatte Oberflächen (insbesondere spiegelnde Oberflächen), so hat dies den Vorteil, dass die Lichtdurchlässigkeit beim Beobachten des Zustandes der Zellen weiter erhöht werden kann. - Das oben beschriebene Zellkulturpellet
1 kann beispielsweise mit einer in4 gezeigten Platte10 verwendet werden. - Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf
4 ein Beispiel für ein Verfahren beschrieben, wie das Zellkulturpellet1 verwendet wird (Verfahren zur Zellkultivierung). - Die in
4 gezeigte Platte10 hat mehrere Schachte20 , in denen jeweils eines der Zellkulturpellets1 untergebracht werden kann. Der Innendurchmesser eines jeweiligen Schachtes20 ist so gewählt, dass er etwas größer als der Durchmesser des Zellkulturpellets1 ist. Das Zellkulturpellet1 kann deshalb einfach in den Schacht20 eingelegt und aus dem Schacht20 herausgenommen werden. - Zunächst wird das Zellkulturpellet
1 in den Schacht20 gelegt. Zudem werden dem Schacht20 ein Kulturmedium30 und zu kultivierende Zellen40 zugeführt, um die Zellen40 zu kultivieren. Die Zellen40 haften an der Zellhaftfläche2 des Zellkulturpellets1 und wachsen darauf. - Das Kulturmedium
30 wird in Abhängigkeit des Typs oder dergleichen der zu kultivierenden Zellen40 geeignet gewählt und ist nicht auf ein bestimmtes beschränkt. Beispiele für das Kulturmedium30 sind MEM-, αMEM-, Dulbecco's MEM-, BME-, MCDB-104-Medium und dergleichen. - In diesem Zusammenhang ist darauf hinzuweisen, dass dem Zellkulturmedium
30 nach Bedarf Zusätze wie Serum, Serumprotein, z.B. Albumin, unterschiedliche Arten von Vitaminen, unterschiedliche Arten von Aminosäuren, Salze und dergleichen zugesetzt werden können. - Ferner wird die Temperatur des Kulturmediums (Inkubationstemperatur) ebenfalls in Abhängigkeit der Art der zu kultivierenden Zellen geeignet eingestellt und ist nicht auf einen bestimmten Wert beschränkt. Im Allgemeinen wird sie auf etwa 20 bis 40°C und vorzugsweise auf etwa 25 bis 37°C eingestellt.
- Nachdem die Kultivierung abgeschlossen ist, wird das Zellkulturpellet
1 aus dem Schacht20 der Platte10 entnommen und dann in vorbestimmter Weise behandelt (beispielsweise gefärbt oder dergleichen). - Anschließend wird der Zustand der Zellen
40 von der Seite des Beobachtungsfensters3 her beobachtet, während das Zellkulturpellet1 beispielsweise von der Seite der Zellhaftfläche2 her mit Licht bestrahlt wird. Eine solche Beobachtung kann beispielsweise mit bloßem Auge oder mittels eines optischen Mikroskops vorgenommen werden. - Ist die Platte
10 im Wesentlichen transparent (transparent und farblos, transparent gefärbt oder durchscheinend), ist es ebenso möglich, die Zellen40 zu beobachten, während das Zellkulturpellet1 in dem Schacht20 untergebracht ist, d.h. ohne das Pellet aus dem Schacht20 zu entnehmen. - Im Folgenden wird das Verfahren zum Herstellen eines Zellkulturpellets (Zellkulturbasis)
1 unter Bezugnahme auf5 beschrieben. In diesem Zusammenhang ist darauf hinzuweisen, dass sich die folgende Beschreibung auf ein Beispiel bezieht, bei dem Hydroxylapatit als Calciumphosphat-basierte Verbindung verwendet wird. - Das in
5 gezeigte Verfahren zum Herstellen des Zellkulturpellets umfasst einen Schritt zum Zubereiten eines Hydroxylapatitpulvers (Schritt1C ), einen Schritt zum Pressformen eines Grünlings (Schritt2C ), einen Schritt zum Formen des Grünlings in die gewünschte Gestalt oder Größe (Schritt3C ), einen Schritt zum Sintern des Grünlings, um ein Sinterpressteil zu erzeugen (Schritt4C ), und ein Schritt zum Schleifen oder Polieren des Sinterpressteils (Schritt5C ). Im Folgenden werden die Schritte in dieser Reihenfolge beschrieben. - <1C> Zubereitung des Hydroxylapatitpulvers
- Zunächst wird in gleicher Weise wie in dem oben beschriebenen ersten und zweiten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Sinterpressteils eine Calciumquelle in Reaktion mit einer Phosphorsäurequelle gebracht, um Hydroxylapatit (HAp) zu synthetisieren. Mit dem Begriff "Hydroxylapatit" ist in diesem Ausführungsbeispiel Hydroxylapatit gemeint, das ein Molverhältnis von Ca zu P (Ca/P) von 1,60 bis 1,70 hat.
- Solches Hydroxylapatit kann nach einem beliebigen Verfahren synthetisiert werden, z.B. nach einem Verfahren der Nasssynthese, einem Verfahren der Trockensynthese oder einem Verfahren der Hydrothermalsynthese oder dergleichen. Unter diesen Verfahren ist ein Verfahren der Nasssynthese bevorzugt, bei dem die Calciumquelle und/oder die Phosphorsäurequelle in flüssiger Form verwendet werden/wird. Durch ein solches Verfahren der Nasssynthese ist es möglich, Hydroxylapatit einfach und effizient zu synthetisieren, ohne dass hierzu teure Produktionsanlagen erforderlich sind.
- Bei Anwendung des Verfahrens der Nasssynthese wird als Calciumquelle beispielsweise Calciumhydroxid, Calciumoxid, Calciumnitrat oder dergleichen verwendet. Als Phosphorsäurequelle kann Phosphorsäure, Ammoniumphosphat oder dergleichen verwendet werden. Unter diesen Substanzen sind eine Calciumquelle, die Calciumhydroxid oder Calciumoxid als Hauptbestandteil enthält, und eine Phosphorsäurequelle, die Phosphorsäure als Hauptbestandteil enthält, bevorzugt. Durch Verwendung einer solchen Calciumquelle und einer solchen Phosphorsäurequelle kann Hydroxylapatit noch effizienter zu geringen Kosten synthetisiert werden.
- Die folgende Beschreibung bezieht sich auf einen Fall, in dem eine Calciumquelle, die Calciumhydroxid oder Calciumoxid als Hauptbestandteil enthält, und eine Phosphorsäurequelle, die Phosphorsäure als Hauptbestandteil enthält, verwendet werden.
- In diesem Fall wird Hydroxylapatit (HAp) z.B. synthetisiert, indem eine Phosphorsäurelösung (H3PO4) in eine in einem Gefäß vorhandene Suspension von Calciumhydroxid (Ca)(OH)2) oder Calciumoxid (CaO) getropft wird und dann diese Substanzen vermischt werden.
- Die Reaktion kann durch folgende Gleichung (I) oder (II) dargestellt werden.
-
- Schreitet die Reaktion nicht in ausreichendem Maße voran, so ist eine nicht in Reaktion getretene Substanz (Ca(OH)2 oder CaO) als Verunreinigung in einer in Breiform resultierenden Mischung (im Folgenden einfach als "Brei" bezeichnet), vorhanden.
- Geht die Reaktion noch weiter, so tritt eine durch die folgende Gleichung (III) dargestellte andere Reaktion auf, und es wird ein resultierendes Tricalciumphosphat (TCP) als sekundäres Reaktionsprodukt erzeugt.
- Tritt diese Reaktion auf, so ist Tricalciumphosphat, das ein sekundäres Reaktionsprodukt ist, in dem resultierenden Brei als Verunreinigung vorhanden.
- Aus dem Brei, der in solcher Weise synthetisiertes Hydroxylapatit enthält, wird Hydroxylapatitpulver zubereitet. Die Erfinder haben herausgefunden, dass durch Verwendung eines Hydroxylapatitpulvers, das aus einem die oben genannten Verunreinigungen praktisch nicht enthaltenden Brei zubereitet wird, ein erzeugtes Sinterpressteil mit hoher relativer Dichte versehen werden kann, d.h. ein hochdichtes Sinterpressteil (Zellkulturpellet
1 ) erzeugt werden kann. - Die folgende Beschreibung bezieht sich auf einen bevorzugten Bereich für den Gehalt (Konzentration) an Tricalciumphosphat und den Gehalt (Konzentration) an nicht in Reaktion getretenen Substanzen (Ca(OH)2, CaO) in dem Brei.
- Tricalciumphosphat
- Der Gehalt (Konzentration) an Tricalciumphosphat in dem Brei ist nicht auf einen bestimmten Wert beschränkt, ist jedoch vorzugsweise gleich oder kleiner als 0,1 Gew.-% und reicht noch besser im Wesentlichen an 0 Gew.-% heran. Liegt der Gehalt an Tricalciumphosphat in dem Brei innerhalb eines solchen Bereichs, so kann ein resultierendes Sinterpressteil mit einer höheren Dichte versehen werden.
- Es ist von großem Vorteil, wenn der Brei die folgende Bedingung A erfüllt.
- Zustand A: Es wird ein Teil des Breis als Probe entnommen und dann unter einem Pressdruck von 2 ton/cm2 pressgeformt, um einen Probengrünling auszubilden, der eine Erfassungsoberfläche hat. Der Probengrünling wird 2 Stunden lang in atmosphärischer Luft bei 1200°C gesintert, um ein gesintertes Probenpressteil zu erzeugen. Dann werden auf der Erfassungsoberfläche (mit einer Oberflächenrau higkeit Ra von 10 μm) des gesinterten Probenpressteils vorhandene Substanzen mittels Röntgenbeugung analysiert. Dabei ist unter den erhaltenen Peaks die Intensität eines von Hydroxylapatit herrührenden Peaks am größten, und ein von Tricalciumphosphat herrührender Peak wird nicht beobachtet.
- Ein solches analytisches Verfahren beruht auf der Tatsache, dass in dem oben beschriebenen Sinterprozess das Kornwachstum des Hydroxylapatits vor dem der Verunreinigungen auftritt, da die genannten Substanzen unterschiedliche Sinterraten haben, und infolgedessen die Verunreinigungen aus einer zwischen den Körnern vorhandenen Fehlstelle ausgeschlossen werden und sich dann auf der Oberfläche des gesinterten Probenpressteils ablagern (insbesondere auf der Erfassungsoberfläche). Durch Analysieren der Erfassungsoberfläche mittels Röntgenbeugung ist es möglich, das Vorhandensein oder Fehlen der Verunreinigungen zu erfassen. Durch dieses analytische Verfahren ist es demnach mit hoher Genauigkeit möglich, zu bestimmen, ob in dem Brei die Verunreinigungen vorhanden sind oder nicht.
- Erfüllt der Brei die Bedingung A, so bestätigt sich, dass der Brei kein Tricalciumphosphat enthält, oder aber, wenn der Brei Tricalciumphosphat enthält, dessen Menge äußerst gering ist. Durch Verwendung eines solchen Breis ist es demnach möglich, besonders hochdichte Sinterpressteile zu erzeugen.
- Nicht in Reaktion getretene Substanz
- Der Gehalt (Konzentration) an nicht in Reaktion getretener Substanz in dem Brei ist nicht auf einen bestimmten Wert beschränkt, ist jedoch vorzugsweise gleich oder kleiner als 3 Gew.-% und liegt noch besser im Bereich von etwa 0,025 bis 1 Gew.-%. Selbst wenn eine vergleichsweise geringe Menge an nicht in Reaktion getretener Substanz wie Calciumoxid in dem Brei vorhanden ist, erhöht das Calciumoxid tendenziell die relative Dichte des resultierenden Sinterpressteils (ist die nicht in Reaktion getretene Substanz Calciumhydroxid, so wird das Calciumhydroxid infolge des Sinterns in Calciumoxid umgewandelt). infolgedessen kann das erzeugte Sinterpressteil mit einer höheren Dichte versehen werden. Übersteigt der Gehalt an nicht in Reaktion getretener Substanz in dem Brei den vorstehend genannten oberen Grenzwert, so wird es in Abhängigkeit der später beschriebenen Bedingungen während des Sinterns der Grünlinge gegebenenfalls schwierig, hochdichte Sinterpressteile zu erzeugen.
- Es ist ferner von großem Vorteil, wenn der Brei die unten beschriebene Bedingung B erfüllt.
- Bedingung B: Es wird ein Teil des Breis als Probe entnommen und dann unter einem Pressdruck von 2 ton/cm2 pressgeformt, um einen Probengrünling auszubilden, der eine Erfassungsoberfläche hat. Der Probengrünling wird 2 Stunden lang in atmosphärischer Luft bei 1200°C gesintert, um ein gesintertes Probenpressteil zu erzeugen. Es werden dann Substanzen, die auf der Erfassungsoberfläche (mit einer Oberflächenrauhigkeit Ra von 10 μm) des gesinterten Probenpressteils vorhanden sind, mittels Röntgenbeugung analysiert. Definiert man dabei die Intensität eines von Hydroxylapatit herrührenden Peaks mit X und die Intensität eines von Calciumoxid herrührenden Peaks als Y, so erfüllen X und Y die Beziehung Y/X < 1/10 (insbesondere Y/X < 1/100).
- Wie oben beschrieben, ist es mit einem solchen analytischen Verfahren möglich, mit hoher Genauigkeit zu bestimmen, ob die Verunreinigungen in dem Brei vorhanden sind oder nicht. Erfüllt der Brei die Bedingung B, so bestätigt sich, dass der Gehalt an nicht in Reaktion getretener Substanz in dem Brei äußerst gering ist. Durch Verwendung eines solchen Breis ist es möglich, besonders hochdichte Sinterpressteile zu erzeugen.
- Mindestens einer der Gehalte an Tricalciumphosphat und an nicht in Reaktion getretener Substanz in dem Brei sollte innerhalb des oben beschriebenen Bereichs liegen. Vorzugsweise liegen jedoch sowohl der Gehalt an Tricalciumphosphat als auch der Gehalt an nicht in Reaktion getretener Substanz innerhalb der jeweiligen oben beschriebenen Bereiche. Dadurch ist es möglich, äußerst hochdichte Sinterpressteile zu erzeugen.
- Anschließend wird ein Hydroxylapatitpulver (im Folgenden einfach als "Pulver" bezeichnet) zubereitet, indem beispielsweise der so erzeugte Brei sprühgetrocknet wird.
- Die mittlere Teilchengröße des Pulvers ist nicht auf einen bestimmten Wert beschränkt, liegt jedoch vorzugsweise im Bereich von etwa 1 bis 30 μm und noch besser im Bereich von etwa 8 bis 25 μm. Durch Verwendung eines Pulvers mit einer solchen mittleren Teilchengröße können Sinterpressteile mit einer höheren Dichte erzeugt werden.
- Es ist darauf hinzuweisen, dass das erzeugte Pulver beispielsweise bei 500 bis 800°C 2 bis 6 Stunden lang einer Wärmebehandlung unterzogen werden kann und dann beispielsweise mittels einer Strahlmühle oder einer Turbomühle gemahlen wird, so dass das Pulver eine mittlere Teilchengröße von etwa 6 bis 20 μm hat (dies ist etwa 50 bis 90 % der mittleren Teilchengröße vor dem Mahlen). Durch Verwendung eines solchen gemahlenen Pulvers ist es möglich, noch dichter gepackte Grünlinge zu erzeugen.
- <2C> Pressformen des Grünlings
- Anschließend wird das so erzeugte Pulver (oder ein Pulverpressteil, das schon vorher in die gewünschte Form pressgeformt worden ist) durch Druckanwendung verdichtet.
- Als Verfahren zur Druckanwendung kann ein beliebiges Verfahren wie isotropes Pressen, Pressen in nur einer Richtung (uniaxiale Richtung), z.B. uniaxiales Pressen, oder dergleichen angewandt werden. Unter diesen Verfahren ist das isotrope Pressen, insbesondere das hydrostatische Pressen, bevorzugt. Durch Anwenden eines solchen Verfahrens kann ein resultierender Grünling mit einer gleichmäßigen Dichte versehen und im Ergebnis ein Sinterpressteil höherer Dichte erzeugt werden.
- Als hydrostatisches Pressverfahren wird zweckmäßigerweise CIP angewandt (isostatisches Kaltpressen), bei dem eine Druckanwendung bei einer Temperatur von etwa 5 bis 50°C (vorzugsweise etwa 10 bis 30°C) erfolgt. Da CIP die Vorteile hat, dass es mit einer einfachen Ausrüstung durchgeführt werden kann und dass ein Film (der später beschrieben wird) keine Wärmebeständigkeit aufweisen muss, ist CIP in der Praxis als Technik zum Herstellen industrieller Produkte geeignet. Alternativ können HIP (isostatisches Heißpressen), bei dem eine Druckbeaufschlagung mit Erwärmung (auf z.B. 65°C oder höher) erfolgt, oder Heißpressen angewandt werden.
- Beim hydrostatischen Pressen wird das in einem flüssigkeitsfesten Film eingeschlossene Pulver in einer hydrostatischen Presseinheit angeordnet und dann hydrostatischer Druck angewendet. Im Falle von CIP ist das Material, aus dem der Film besteht, beispielsweise: Harz wie Polyvinylchlorid, Polyethylen, Polypropylen und dergleichen; und Kautschuk wie Naturkautschuk und Isoprenkautschuk. Der Film kann beispielsweise durch Eintauchen oder Vakuumverpacken ausgebildet werden.
- Der anzuwendende Druck ist 1 ton/cm2 oder höher, liegt vorzugsweise im Bereich von etwa 1 bis 3 ton/cm2 und noch besser im Bereich von etwa 2 bis 3 ton/cm2. Ist der Druck zu gering, so kann gegebenenfalls nicht damit gerechnet werden, dass der durch das Pressen beabsichtigte Effekt (insbesondere die Gleichmäßigkeit in der Dicke) erreicht wird. Wird dagegen der Druck so stark erhöht, dass er den vorstehend genannten oberen Grenzwert übersteigt, so erreicht man dadurch keine weitere Steigerung des Effektes. Außerdem erfordert die Anwendung eines solch hohen Druckes eine groß dimensionierte Ausrüstung, was wiederum zu erhöhten Ausrüstungskosten führt.
- Der Grünling, der in dieser Weise durch Druckanwendung erzeugt wird, kann mit hoher und gleichmäßiger Dichte versehen werden. Wird ein solcher Grünling wie unten beschrieben gesintert, so schrumpft der Grünling gleichmäßig. Das erzeugte Sinterpressteil weist deshalb hohe Abmessungsgenauigkeit auf. Außerdem wird durch eine solch gleichmäßige Dicke das Auftreten von Sinterdefekten wie Riss bildung, Absplittern und dergleichen in dem Sinterpressteil verhindert. Deshalb besteht kaum die Gefahr, dass ein solches Sinterpressteil beschädigt wird. (Dies bedeutet, dass es ausgezeichnete mechanische Festigkeit hat). Der die Oberfläche des Pulvers bedeckende Film wird nach dem Pressen nach einem vorbestimmten Verfahren entfernt.
- <3C> Formen des Grünlings
- Anschließend wird der so erzeugte Grünling nach Bedarf zu der gewünschten Gestalt oder Größe geformt.
- Der Grünling wird geformt, indem er beispielsweise einer vorbestimmten Maschinenbearbeitung unterzogen wird. Beispiele für eine solche Maschinenbearbeitung sind Schneiden, Schleifen, Polieren und dergleichen. Diese Verfahren können einzeln oder in Kombination von zwei oder mehr Verfahren durchgeführt werden.
- Da die Härte des Grünlings selbst verglichen mit der eines erzeugten Sinterpressteils sehr gering ist, kann die Maschinenbearbeitung oder dergleichen in einfacher Weise an dem Grünling vorgenommen werden. Insbesondere hat der Grünling die Vorteile, dass die Maschinenbearbeitung mit Werkzeugen geringer Härte durchgeführt werden kann und es weniger Zeit in Anspruch nimmt, die Maschinenbearbeitung zu vollenden.
- <4C> Sintern des Grünlings
- Der so erzeugte Grünling wird beispielsweise in einer Sauerstoff enthaltenden Atmosphäre in einem Sinterofen gesintert (gebrannt), in dem der Sauerstoffpartialdruck höher als in atmosphärischer Luft ist, um so ein Sinterpressteil zu erzeugen.
- Die Erfinder haben umfassende Untersuchungen angestellt und im Ergebnis herausgefunden, dass es durch Sintern des Grünlings in einer Sauerstoff enthal tenden Atmosphäre, in der der Sauerstoffpartialdruck höher als in atmosphärischer Luft ist, Sinterpressteile mit besonders hohe Dichte erzeugt werden können.
- Ein typisches Beispiel für eine solche Sauerstoff enthaltende Atmosphäre (Sinteratmosphäre) ist eine reine Sauerstoffatmosphäre. Alternativ kann als Sauerstoff enthaltende Atmosphäre eine Gasmischung aus Sauerstoff und anderen Gasen (insbesondere eine hauptsächlich Sauerstoff enthaltende Gasmischung) verwendet werden.
- Wird der Grünling unter einem Druck gesintert, der höher als der atmosphärische Druck ist (beispielsweise 2 bis 10 atoms), so kann als Sauerstoff enthaltende Atmosphäre atmosphärische Luft eingesetzt werden, da der resultierende Sauerstoffpartialdruck darin höher wird als der in atmosphärischer Luft. Alternativ können die Grünlinge unter atmosphärischem Druck oder geringerem Druck in einem abgedichteten Ofen gesintert werden, der nur eine geringe Menge an Sauerstoff enthält. Da in diesem Fall keine kontinuierliche Zufuhr von Sauerstoffgas erforderlich ist, kann die Menge an verwendetem Sauerstoff verringert werden.
- Wird der Grünling unter atmosphärischem Druck (1 atom) gesintert, so ist es nicht erforderlich, dass der Sinterofen hohe Luftdichtigkeit aufweist. Vorzugsweise wird deshalb unter atmosphärischem Druck gesintert, da der Sinterofen einfach ausgestaltet sein kann, was zu geringeren Herstellungskosten für die Zellkulturpellets führt.
- Der Sauerstoffpartialdruck in der Sauerstoff enthaltenden Atmosphäre (bei einer reinen Sauerstoffatmosphäre ist der Sauerstoffpartialdruck gleich dem Druck in dem Sinterofen) ist vorzugsweise gleich oder höher als 380 mmHg und noch besser gleich oder höher als 550 mmHg. Indem der Sauerstoffpartialdruck auf den oben angegebenen Bereich eingestellt wird, kann ein erzeugtes Sinterpressteil mit einer höheren relativen Dichte versehen werden.
- Unter atmosphärischem Druck wird durch Erhöhen der Menge (Konzentration) an Sauerstoff in der Sauerstoff enthalten Atmosphäre (Sinteratmosphäre) der Sauerstoffpartialdruck in der Sauerstoff enthaltenden Atmosphäre hoch.
- Die Erfinder haben ferner herausgefunden, dass durch Sintern des Grünlings in einer solchen Sauerstoff enthaltenden Atmosphäre, in der der Sauerstoffpartialdruck hoch ist, das Sintern bei einer vergleichsweise tiefen Sintertemperatur durchgeführt werden kann. Außerdem haben sie herausgefunden, dass in diesem Fall der Grünling gesintert werden kann, während das Kornwachstum des Hydroxylapatits unterdrückt ist, wodurch man Sinterpressteile höherer Dichte erzeugen kann.
- Das Sintern von Grünlingen bei vergleichsweise tiefer Temperatur hat ferner die Vorteile, dass die Sinterzeit, die beim Sintern verbrauchte Energie sowie die Kosten für ein in einem Sinterofen verwendetes Heizelement verringert werden können.
- Die Temperatur während des Sinterns (Sintertemperatur) liegt im Bereich von 925 bis 1300°C und vorzugsweise im Bereich von etwa 1000 bis 1250°C. Ist die Sintertemperatur tief, so wird der Grünling möglicherweise nicht effizient gesintert, so dass das resultierende Sinterpressteil etwas verzogen ist.
- Die Zeit, während der die Sintertemperatur gehalten wird (Sinterzeit), liegt vorzugsweise im Bereich von etwa 30 Minuten bis 8 Stunden und noch besser im Bereich von etwa 2 bis 4 Stunden.
- Nach Abschluss des Sinterns kann das erzeugte Sinterpressteil weiter in einer Atmosphäre mit geringer Aktivität gesintert werden.
- <5C> Schleifen oder Polieren der Sinterpressteile
- Anschließend wird jede der Oberflächen des so erzeugten Sinterpressteils mit einem Schleifmittel (d.h. das Schleifmaterial und das Poliermittel, wie oben beschrieben), das entsprechend der Zieleigenschaft der Oberfläche geeignet ausgewählt wird, geschliffen und/oder poliert, um so eine Zellhaftfläche
2 und eine Beobachtungsfläche3 auszubilden. - Durch die oben beschriebenen Schritte kann ein in
3 gezeigtes Zellkulturpellet1 erzeugt werden. - Da die Dichte eine solchen Zellkulturpellets
1 hoch ist, sind auch dessen Transparenz und mechanische Festigkeit äußerst hoch. - In diesem Zusammenhang ist darauf hinzuweisen, dass das Verfahren zum Herstellen eines solchen Zellkulturpellets
1 in Abhängigkeit der besonderen Zielvorgabe einen einleitenden Schritt vor Schritt1C , einen Zwischenschritt zwischen dem Schritt1C und dem Schritt5C oder einen nachgeordneten Schritt nach Schritt5C umfassen kann. - Außerdem kann der Schritt zum Schleifen und/oder Polieren (Schritt
5C ) weggelassen werden. In diesem Fall kann das erzeugte Sinterpressteil so wie es ist als Zellkulturpellet1 verwendet werden, bei dem sowohl die Zellhaftfläche2 als auch die Beobachtungsfläche3 glatte Oberflächen bilden. - Ferner können in Schritt
5C sowohl die Zellhaftfläche2 als auch die Beobachtungsfläche3 zu rauen Oberflächen geschliffen oder zu spiegelnden Oberflächen hochglanzpoliert werden. - <Zweites Ausführungsbeispiel>
-
6 ist eine perspektivische Ansicht, die ein zweites Ausführungsbeispiel der Zellkulturbasis nach der Erfindung zeigt, bei dem die Erfindung auf ein Zellkulturpellet angewandt wird. In der folgenden Beschreibung wird auf die obere Seite und die untere Seit in6 mit den Begriffen "Deck-" bzw. "Boden-" Bezug genommen. - Im Folgenden wird ein Zellkulturpellet
1 gemäß zweitem Ausführungsbeispiel unter Fokussierung auf den Unterschied zwischen dem ersten und dem zweiten Ausführungsbeispiel erläutert. Auf eine Erläuterung der Übereinstimmungen wird im Folgenden verzichtet. - Das in
6 gezeigte Zellkulturpellet1 ist gleich dem Zellkulturpellet1 des ersten Ausführungsbeispiels, abgesehen davon, dass in der Zellhaftfläche2 ein konkaver Teil ausgebildet ist, der aus mehreren geraden Einkerbungen4 besteht, die im Wesentlichen parallel zueinander sind. - Durch Ausbilden eines solchen konkaven Teils in der Zellhaftfläche
2 kann der Oberflächenbereich der Zellhaftfläche2 vergrößert (gesteuert) werden. Dies bedeutet, dass die Oberfläche (Bereich) vergrößert werden kann, an der Zellen haften können. Dies erleichtert weiter die schnelle Anhaftung von Zellen an dem Zellkulturpellet1 , wodurch eine noch effizientere Zellkultivierung möglich wird. - Außerdem dient der konkave Teil als Markierung, die angibt, dass eine Oberfläche mit einem solchen konkaven Teil die Zellhaftfläche
2 bildet. Dies erleichtert den Benutzern die Verwendung des Zellkulturpellets1 . - Sind die Einkerbungen
4 als konkaver Teil vorgesehen, so erfolgt das Zellwachstum (linienförmig) längs der Kanten der Einkerbung4 , wie in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel gezeigt ist. Deshalb ist es in einfacher Weise möglich, die Zellen zu beobachten (insbesondere den Grad des Zellwachstums oder dergleichen). In diesem Zusammenhang ist darauf hinzuweisen, dass die Einkerbungen4 vergleichsweise leicht auszubilden sind. - Wie in
6 gezeigt, ist die horizontale Querschnittsfläche der jeweiligen Einkerbung4 (Breite der jeweiligen Einkerbung4 ) in Tiefenrichtung im Wesentlichen konstant, so dass der Querschnitt der Einkerbung4 die Form des Buchstabens C hat. Dies erleichtert es den Zellen, an den Kanten der Einkerbung4 zu haften. - Der prozentuale Anteil der von den Einkerbungen
4 eingenommenen Oberfläche an der Gesamtoberfläche des Zellkulturpellets1 in der Draufsicht liegt vorzugsweise im Bereich von etwa 1 bis 60 % und noch besser im Bereich von von etwa 10 bis 30 %. Indem der prozentuale Anteil der von den Einkerbungen4 eingenommenen Oberfläche an der Gesamtoberfläche des Zellkulturpellets1 in der Draufsicht in dem oben angegebenen Bereich liegt, kann der Oberflächenbereich der Zellhaftfläche2 ausreichend erhöht werden. - Wird der Durchmesser des Zellkulturpellets
1 auf den gleichen Bereich wie der des ersten Ausführungsbeispiels eingestellt, so wird die Breite der Einkerbung4 (eine Abmessung W in6 ) vorzugsweise auf den Bereich von etwa 0,001 bis 2 mm und noch besser auf den Bereich von etwa 0,01 bis 1 mm eingestellt. Ferner wird der Raum zwischen benachbarten Einkerbungen4 (Abmessung P in6 ) vorzugsweise auf den Bereich von etwa 0,001. bis 5 mm und noch besser auf den Bereich von etwa 0,01 bis 2 mm eingestellt. - Das prozentuale Verhältnis der Tiefe der Einkerbung (konkaver Teil)
4 (Abmessung D in6 ) zur Dicke des Zellkulturpellets1 (Abmessung T in6 ) liegt vorzugsweise im Bereich von etwa 0,005 bis 20 % und noch besser im Bereich von etwa 0,01 bis 10 %. Indem das prozentuale Verhältnis der Tiefe der Einkerbung4 zur Dicke des Zellkulturpellets1 auf den oben angegebenen Bereich eingestellt wird, kann der Oberflächenbereich der Zellhaftfläche2 ausreichend vergrößert werden, während das Zellkulturpellet1 ausreichende Festigkeit besitzt. - Solche Einkerbungen
4 können ausgebildet werden, indem ein Grünling in dem in dem ersten Ausführungsbeispiel beschriebenen Herstellungsprozess für das Zellkulturpellet1 in Schritt3C einer Maschinenbearbeitung unterzogen wird. - Auch bei Verwendung eines solchen Zellkulturpellets
1 gemäß oben beschriebenen zweitem Ausführungsbeispiel können die gleichen Effekte erzielt werden wie bei Verwendung des Zellkulturpellets1 gemäß erstem Ausführungsbeispiel. - <Drittes Ausführungsbeispiel>
-
7 ist eine perspektivische Ansicht, die ein drittes Ausführungsbeispiel der Zellkulturbasis nach der Erfindung zeigt, in dem die Erfindung auf ein Zellkulturpellet angewandt wird. In der folgenden Beschreibung wird auf die obere Seite und die untere Seite in7 mit den Begriffen "Deck-" bzw. "Boden-"Bezug genommen. - Im Folgenden wird ein Zellkulturpellet
1 gemäß drittem Ausführungsbeispiel unter Fokussierung auf den Unterschied zwischen erstem, zweitem und drittem Ausführungsbeispiel beschrieben. Auf eine Erläuterung der Übereinstimmungen wird verzichtet. - Das in
7 gezeigte Zellkulturpellet ist gleich dem Zellkulturpellet1 des oben beschriebenen zweiten Ausführungsbeispiels, abgesehen davon, dass sich die jeweilige Einkerbung4 in ihrer Form von der Einkerbung des zweiten Ausführungsbeispiels unterscheidet. - Wie in
7 gezeigt, nimmt die horizontale Querschnittsfläche der Einkerbung4 (Breite der Einkerbung4 ) zur Beobachtungsfläche (andere Oberfläche)3 hin ab, so dass der Querschnitt der Einkerbung4 die Form des Buchstabens V hat. - In diesem Fall ist die maximale Breite der Einkerbung
4 so eingestellt, dass sie innerhalb des gleichen Bereichs wie die Breite der Einkerbung4 des zweiten Ausführungsbeispiels liegt. - Solche Einkerbungen
4 können ausgebildet werden, indem ein Grünling in dem in dem ersten Ausführungsbeispiel beschriebenen Prozess zum Herstellen des Zellkulturpellets1 in Schritt3C einer Maschinenbearbeitung unterzogen wird. - Auch bei Verwendung eines solchen Zellkulturpellets
1 gemäß oben beschriebenem drittem Ausführungsbeispiel können die gleichen Effekte wie bei Verwendung des Zellkulturpellets1 gemäß erstem Ausführungsbeispiel oder zweitem Ausführungsbeispiel erreicht werden. - Es ist darauf hinzuweisen, dass die Einkerbung
4 nicht notwendigerweise auf eine Einkerbung mit gerader Form beschränkt ist, wie sie in dem zweiten und dritten Ausführungsbeispiel beschrieben ist. Beispielsweise kann die Einkerbung4 eine gewundene Form, eine spiralige Form oder dergleichen aufweisen. Alternativ können die Einkerbungen4 beispielsweise so angeordnet sein, dass sie ein Gitterraster bilden. - Ferner kann der Querschnitt der Einkerbung
4 im Wesentlichen U-förmig sein, anstatt im Wesentlichen C-förmig (zweites Ausführungsbeispiel) oder im Wesentlichen V-förmig (drittes Ausführungsbeispiel). - In den Ausführungsbeispielen wurde jeweils das Zellkulturpellet
1 beschrieben, das beispielhaft scheibenförmig (in der Draufsicht kreisförmig) ist. Jedoch ist die Form des Zellkulturpellets in der Draufsicht nicht auf eine bestimmte Form beschränkt. So kann das Pellet in unterschiedlichen Formen wie z.B. der Form eines Dreiecks, eines Vierecks (Quadrat, Rechteck, Rhombus), eines Sechsecks, einer Ellipse oder dergleichen ausgebildet sein. - Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die beschriebene erfindungsgemäße Zellkulturbasis und das beschriebene erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen von Zellkulturbasen beschränkt.
- Die Zellkulturbase nach der Erfindung hat einen flachen Plattenteil, der es Zellen ermöglicht, auf mindestens einer seiner Oberflächen zu haften und zu wachsen. In den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen wurden jeweils für die erfindungsgemäße Zellkulturbasis repräsentative Zellkulturbasen beschrieben, bei denen die Zellkulturbasis selbst aus dem flachen Plattenteil besteht, der die Zellanhaftung und das Zellwachstum ermöglicht, d.h. bei denen der flache Plattenteil die Zellkulturbasis insgesamt bildet. Jedoch kann die Zellkulturbasis nach der Erfindung mit einem Teil (den Teil, der die Zellanhaftung und das Zellwachstum ermöglicht) versehen sein, der einen Bodenteil der Zellkulturbasis bildet und eine in den Ausführungsbeispielen beschriebene Struktur aufweist.
- Beispiele für eine solche Zellkulturbasis sind eine Petri-Schale, ein Erlenmeyer-Kolben, eine Mikroplatte, ein Rohr und dergleichen. In diesen Beispielen können die jeweiligen Bodenteile durch beliebige in diesen Ausführungsbeispielen gezeigte Zellkulturbasen gebildet sein.
- Ferner ist das Verfahren zum Beobachten des Zustandes der Zellen nicht auf ein Verfahren beschränkt, bei dem das Licht durch den Teil treten kann, der die Zellanhaftung und das Zellwachstum ermöglicht. Selbstverständlich kann beispielsweise auch ein Verfahren angewandt werden, das mit einem Elektronenmikroskop arbeitet.
- BEISPIEL
- Im Folgenden werden praktische Beispiele der Zellkulturbasis nach der Erfindung beschrieben.
- <Herstellung eines Zellkulturpellets (Zellkulturbasis)>
- In jedem der Beispiele 1C bis 6C und der Vergleichsbeispiele 1C und 2C wurden 20 Zellkulturpellets wie folgt gefertigt.
- Beispiel 1C
- <1> Zunächst wurden 140 g Calciumhydroxid in 6 Liter reinem Wasser dispergiert. Dann wurde eine wässrige Phosphorsäurelösung, deren Konzentration an Phosphorsäure 2 Gew.-% betrug, in das reine Wasser getropft, in dem das Calciumhydroxid dispergiert war. Die Substanzen wurden durch Rühren vermischt, um Hydroxylapatit zu synthetisieren. Im Ergebnis wurde so ein Brei erzeugt, der Hydroxylapatit enthielt.
- Anschließend wurde der so erzeugte Brei mittels eines Sprühtrockners sprühgetrocknet, um ein Hydroxylapatitpulver mit einer mittleren Teilchengröße von 20 μm zu erzeugen.
- Es wurde ein Teil des Breis als Probe entnommen und dann unter einem Pressdruck von 2 ton/cm2 pressgeformt, um einen Probengrünling mit einer Erfassungsoberfläche zu erzeugen. Der so erzeugte Probengrünling wurde 2 Stunden lang in atmosphärischer Luft bei 1200°C gesintert, um ein gesintertes Probenpressteil zu erzeugen. Dann wurden Substanzen, die auf der Erfassungsoberfläche (mit einer Oberflächenrauhigkeit Ra von 10 μm) des gesinterten Probenpressteils vorhanden waren, mittels Röntgenbeugung analysiert. Die Probe hatte einen Durchmesser von 15 mm und eine Höhe von 8 mm.
- Die Analyse ergab, dass kein von Tricalciumphosphat (TCP) herrührender Peak beobachtet wurde und die Intensität eines von Calciumoxid (CaO) herrührenden Peaks 1/250 der von Hydroxylapatit (HAp) herrührenden Intensität betrug.
- Das so erzeugte Hydroxylapatitpulver wurde 4 Stunden lang bei 600°C einer Wärmebehandlung unterzogen und dann mittels einer Strahlmühle gemahlen. Auf diese Weise wurde ein Hydroxylapatitpulver mit einer mittleren Teilchengröße von 16 μm erzeugt.
- <2> Anschließend wurde das so erzeugte Hydroxylapatitpulver mittels einer Pressformmaschine zu einer Scheibenform verdichtet und das in die Scheibenform gebrachte Pulver in einen Kunststoffbeutel gelegt und vakuumverpackt. Dann erfolgte eine Pressformung unter einem hydrostatischen Pressdruck von 2 ton/cm2 bei Raumtemperatur (24°C), um so einen scheibenförmigen Grünling zu erzeugen.
- Anschließend wurde an dem Grünling unter Verwendung einer Drehbank eine Maschinenbearbeitung derart vorgenommen, dass der Grünling mit einem Durchmesser von 28 mm und einer Dicke von 1,4 mm versehen wurde.
- <4> Der so erzeugte Grünling wurde anschließend in einem Sinterofen gesintert, um einen gesinterten Pressling mit einem Durchmesser von 20 mm und einer Dicke von 1 mm zu erzeugen. Das Sintern wurde 2 Stunden lang in einer reinen Sauerstoffatmosphäre (Sinteratmosphäre) bei 1050°C durchgeführt. Dabei war der Druck in dem Sinterofen auf 760 mmHg (1 atom) eingestellt.
- Das so erzeugte Sinterpressteil hatte eine Porosität von 0,5 %. Die Porosität des Sinterpressteils wurde nach dem archimedischen Verfahren gemessen. Dieses Sinterpressteil wurde als Zellkulturpellet verwendet.
- Die Lichtdurchlässigkeit für durch das Zellkulturpellet in dessen Dickenrichtung tretende Licht einer Wellenlänge von 600 nm betrugt 3 %.
- Beispiel 2C
- Ein Zellkulturpellet wurde in gleicher Weise wie in Beispiel 1C hergestellt, abgesehen davon, dass die Sintertemperatur in dem oben beschriebenen Prozess <4> auf 1200°C geändert wurde. Die Porosität des Zellkulturpellets betrug 0,4 %.
- Die Lichtdurchlässigkeit für durch das Zellkulturpellet in dessen Dickenrichtung tretendes Licht einer Wellenlänge von 600 nm betrug 4 %.
- Beispiel 3C
- Ein Zellkulturpellet wurde in gleicher Weise wie in Beispiel 1C hergestellt, abgesehen davon, dass nach dem oben beschriebenen Prozess <4> eine der Oberflächen (Zellhaftfläche) des Pellets mit einem abtragenden Mittel (Schleifmaterial), das Diamantteilchen mit einer mittleren Teilchengröße von 25 μm enthielt, geschliffen wurde und eine andere Oberfläche (Beobachtungsfläche) mit einem abtragenden Mittel (Poliermaterial) poliert wurde, das Diamantteilchen mit einer mittleren Teilchengröße von 0,5 μm enthielt. Die Porosität des Zellkulturpellets betrug 0,5 %.
- Die Lichtdurchlässigkeit für durch das Zellkulturpellet in dessen Dickenrichtung tretendes Licht einer Wellenlänge von 600 nm betrug 3 %.
- Beispiel 4C
- Es wurde ein Zellkulturpellet in gleicher Weise wie in Beispiel 1C hergestellt, abgesehen davon, dass nach dem oben beschriebenen Prozess <4> beide Oberflächen des Zellkulturpellets mit einem abtragenden Mittel (Poliermaterial) poliert wurden, das Diamantteilchen mit einer mittleren Teilchengröße von 0,5 μm enthielt. Die Porosität des Zellkulturpellets betrug 0,5 %.
- Die Lichtdurchlässigkeit für durch das Zellkulturpellet in dessen Dickenrichtung tretendes Licht einer Wellenlänge von 600 nm betrug 6 %.
- Beispiel 5C
- Es wurde ein Zellkulturpellet in gleicher Weise wie in Beispiel 1C hergestellt, abgesehen davon, dass in dem oben beschriebenen Prozess <3> der Grünling so geschnitten wurde, dass auf einer der Oberflächen (Zellhaftfläche) des Zellkulturpellets Einkerbungen mit C-förmigem Querschnitt ausgebildet wurden. Die Porosität des Zellkulturpellets betrug 0,5 %.
- Die Lichtdurchlässigkeit für durch das Zellkulturpellet in dessen Dickenrichtung tretendes Licht einer Wellenlänge von 600 nm betrug 3 %.
- Die Einkerbungensbreite betrug 0,1 mm, der Raum zwischen benachbarten Einkerbungen 0,5 mm, der von den Einkerbungen eingenommene prozentuale Oberflächenanteil an der Gesamtoberfläche des Zellkulturpellets in der Draufsicht 20 % und das prozentuale Verhältnis der Einkerbungstiefe zur Dicke des Zellkulturpellets 6,5 %.
- Beispiel 6C
- Ein Zellkulturpellet wurde in gleicher Weise wie in Beispiel 5C hergestellt, abgesehen davon, dass der Einkerbungenquerschnitt die Form des Buchstabens V hatte. Die Porosität des Zellkulturpellets betrug 0,5 %.
- Die Lichtdurchlässigkeit für durch das Zellkulturpellet in dessen Dickenrichtung tretendes Licht einer Wellenlänge von 600 nm betrug 3 %.
- Die Einkerbungsbreite betrug 0,1 mm, der Abstand zwischen benachbarten Einkerbungen 0,5 mm, der von den Einkerbungen eingenommene prozentuale Oberflächenanteil an der Gesamtoberfläche des Zellkulturpellets in der Draufsicht 20 und das prozentuale Verhältnis der Einkerbungstiefe zur Dicke des Zellkulturpellets 6,5 %.
- Vergleichsbeispiel 1C
- Es wurde ein Zellkulturpellet in gleicher Weise wie in Beispiel 1 hergestellt, abgesehen von folgenden Prozessen.
- Zunächst wurde ein Hydroxylapatitpulver in gleicher Weise wie in Beispiel 1C zubereitet. Das erzeugte Hydroxylapatitpulver wurde mit einer wässrigen Methylcelluloselösung vermischt, um einen Brei zu erzeugen. Der Brei wurde dann so gerührt, dass er Blasen enthielt. Anschließend wurde der so erzeugte Brei in eine Form gegossen und dann getrocknet, um einen Grünling zu erzeugen.
- Anschließend wurde der Grünling 2 Stunden lang in atmosphärischer Luft bei 1050°C gesintert, um ein poröses Sinterpressteil zu erzeugen.
- Die Porosität des erzeugten Sinterpressteils betrug 50 %. Dieses Sinterpressteil wurde als Zellkulturpellet verwendet.
- Vergleichsbeispiel 2C
- Es wurde ein Zellkulturpellet hergestellt, das aus Polystyren bestand und scheibenförmig war (mit einem Durchmesser von 20 mm und einer Dicke von 1 mm).
- Bewertung
- Menschliche Osteosarkomzellen (HOS) wurden unter Verwendung der in den Beispielen 1C bis 6C und den Vergleichsbeispielen 1C und 2C hergestellten Zellkulturpellets kultiviert und dann wie folgt bewertet.
- Zunächst wurde eine Primärkultur menschlicher Osteosarkomzellen in einem Kolben zubereitet. Dann wurden die primär kultivierten menschlichen Osteosarkomzellen einem Trypsin-Verfahren unterzogen. Die menschlichen Osteosarkomzellen wurden in einem Kulturmedium suspendiert, um eine Zellsuspension zu erzeugen, die 1 × 105 menschliche Osteosarkomzellen/ml enthielt.
- In diesem Zusammenhang ist darauf hinzuweisen, dass als Kulturmedium MEM verwendet wurde, das 10 Vol.-% FBS und 1 Vol.-% NEAA enthielt.
- Anschließend wurden 20 Zellkulturpellets, die in jedem der Beispiele 1C bis 6C und der Vergleichsbeispiele 1C und 2C hergestellt worden waren, einzeln in einen Schacht der Platte gelegt, wie in
4 gezeigt ist, und dann 2 ml der Zellsuspension in jeden Schacht gefüllt. - In diesem Zustand wurden menschliche Osteosarkomzellen bei 37°C unter dem Strom einer Gasmischung aus 95 Vol.-% O2 und 5 Vol.-% CO2 kultiviert.
- Nachdem 1 Stunde seit Einfüllen der Zellsuspension verstrichen waren, wurden 10 Zellkulturpellets für jedes der Beispiele 1C bis 6C und der Vergleichsbeispiele 1C und 2C aus den Schächten entnommen und anschließend die menschlichen Osteosarkomzellen mit Trypanblau eingefärbt.
- Während die Zellkulturpellets von der Seite einer Oberfläche (Zellhaftfläche) her mit Licht bestrahlt wurden, wurde dann der Zustand der menschlichen Osteosarkomzellen mittels eines Lichtmikroskops ("research inverted system microscope IX71" von OLYMPUS OPTICAL CO., LTD.) von der Seite der anderen Oberfläche her beobachtet und die auf der Zellhaftfläche jedes Zellkulturpellets vorhandenen menschlichen Osteosarkomzellen gezählt.
- Nachdem seit Einfüllen der Zellsuspension 2 Tage verstrichen waren, wurden die verbleibenden 10 Zellkulturpellets für jedes der Beispiele 1C bis 6C und der Vergleichsbeispiele 1C und 2C aus den Schächten entnommen und anschließend die gleichen Operationen durchgeführt, die vorstehend beschrieben wurden.
- Im Ergebnis konnte so für jedes der Beispiele 1C bis 6C und des Vergleichsbeispiels 2C der Zustand der menschlichen Osteosarkomzellen beobachtet werden, d.h. es konnten die menschlichen Osteosarkomzellen gezählt werden. Dagegen war es für das Vergleichsbeispiel 1C schwierig, den Zustand der menschlichen Osteosarkomzellen zu beobachten, da das Licht nicht durch das Zellkulturpellet treten konnte.
- Es hat sich ferner bestätigt, dass die Zahl an menschlichen Osteosarkomzellen, die an den Zellhaftflächen der in jedem der Beispiele 1C bis 6C vorgesehenen Zellkulturpellets hafteten, gleich oder größer war als die Zahl für die Vergleichsbeispiele 1C und 2C. Zudem hat sich bestätigt, dass die Zahl an menschlichen Osteosarkomzellen, die an den jeweils mit der rauen Oberfläche als Zellhaftfläche versehenen Zellkulturpellets des Beispiels 3C hafteten, die Zahl an menschlichen Osteosarkomzellen, die an den jeweils mit den Einkerbungen in ihrer Zellhaftfläche versehenen Zellkulturpellets des Beispiels 5C hafteten, und die Zahl an menschlichen Osteosarkomzellen, die an den jeweils mit den Einkerbungen in ihrer Zellhaftfläche versehenen Zellkulturpellets des Beispiels 6C hafteten, besonders groß waren.
- Nachdem seit Einfüllen der Zellsuspension 2 Tage verstrichen waren, wurde ferner ein signifikantes Wachstum an menschlichen Osteosarkomzellen an den Zellkulturpellets jedes der Beispiele 1C bis 6C und der Vergleichsbeispiele 1C und
2C festgestellt. - Die Zellen, die an den Zellkulturpellets jedes der Beispiele 1C bis 6C hafteten, lösten sich auch dann nicht, wenn das Kulturmedium ausgetauscht wurde. So bestätigte sich, dass die Zellen fest an den Zellkulturpellets hafteten. Insbesondere für die Zellkulturpellets des Beispiels 3C, die jeweils die raue Oberfläche als Zellhaftfläche hatten, für die Zellkulturpellets des Beispiels 5C, die jeweils mit den Einkerbungen in ihrer Zellhaftfläche versehen waren, und für die Zellkulturpellets des Beispiels 6C, die jeweils mit den Einkerbungen in ihrer Zellhaftfläche versehen waren, lösten sich die an den Zellkulturpellets haftenden Zellen selbst dann nicht, wenn die Zellkulturpellets grob gehandhabt wurden, wodurch sich bestätigte, dass diese Zellen noch fester hafteten.
- In diesem Zusammenhang sind in
8 beispielhaft Beobachtungsbilder (visuelle Bilder) der Zellkulturpellets der Beispiele 1C bis 3C und des Vergleichsbeispiels 2C gezeigt, die mit einem Lichtmikroskop nach 2 Tagen aufgenommen wurden. - Es war möglich, die Zellkulturpellets für jedes der Beispiele 1C bis 6C durch das Lichtmikroskop zu beobachten, auch wenn die menschlichen Osteosarkomzellen nicht eingefärbt waren, wie dies für die Zellkulturpellets des Vergleichsbeispiels 2C der Fall war.
- Wie oben beschrieben, ermöglicht die Zellkulturbasis nach der Erfindung eine effiziente Zellanhaftung und ein effizientes Zellwachstum. Da ferner ein flacher Plattenteil, der die Zellanhaftung und das Zellwachstum ermöglicht, hohe Transparenz aufweist, kann der Zustand der Zellen durch ein einfaches Verfahren beobachtet werden, bei dem Licht durch den flachen Plattenteil tritt, auf dem die Z Zellen haften, um dort zu wachsen.
- Da der flache Plattenteil, der die Zellanhaftung und das Zellwachstum ermöglicht, hauptsächlich aus einer Calciumphosphat-basierten Verbindung besteht, ist es möglich, Zellen unter Bedingungen zu kultivieren, die denen im menschlichen Körper ähneln, und die Knochenaffinität unterschiedlicher Zellen geeignet zu bewerten.
- Indem die Oberflächeneigenschaft des flachen Plattenteils, der die Zellanhaftung und das Zellwachstum ermöglicht, geeignet eingestellt wird, können die oben beschriebenen Effekte noch weiter verbessert werden.
- Bildet die erfindungsgemäße Zellkulturbasis in ihrer Gesamtheit den flachen Plattenteil, der die Zellanhaftung und das Zellwachstum ermöglicht, so ist es durch geeignetes Einstellen der Abmessungen einer solchen Zellkulturbasis auch möglich, die Zellkulturbasis selbst mit den kultivierten Zellen in einen menschlichen Körper zu transplantieren.
- Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele können in vielfältiger Weise geändert und ergänzt werden, ohne den Umfang und den Geist der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
- Die vorliegende Offenbarung nimmt Bezug auf in den Japanischen Patentanmeldungen Nr. 2002-235210 (eingereicht am 12. August 2002), Nr. 2003-271182 (eingereicht am 4. Juli 2003) und Nr. 2002-339822 (eingereicht am 22. November 2002) enthaltene Gegenstände, die hiermit durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen sind.
Claims (71)
- Verfahren zum Herstellen eines Sinterpressteils, umfassend die Schritte: Pressformen eines Grünlings, indem ein Hydroxylapatitpulver durch Anwenden eines Drucks von 1 ton/cm2 verdichtet wird; und Sintern des Grünlings in einer Sauerstoff enthaltenden Atmosphäre, in der der Sauerstoffpartialdruck höher als der in atmosphärischer Luft ist, bei einer Temperatur im Bereich von 925 bis 1300°C, um ein Sinterpressteil zu erzeugen.
- Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Druck isotrop auf das Hydroxylapatitpulver angewendet wird.
- Verfahren nach Anspruch 2, wobei der isotrope Druck durch hydrostatisches Pressen angewendet wird.
- Verfahren nach Anspruch 3, wobei das hydrostatische Pressen bei einer Temperatur im Bereich von 5 bis 50°C durchgeführt wird.
- Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Sauerstoffpartialdruck in der Sauerstoff enthaltenden Atmosphäre 380 mmHg oder höher ist.
- Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Hydroxylapatitpulver aus einem Brei zubereitet wird, der durch Reagieren einer Calciumquelle mit einer Phosphorsäurequelle unter Anwendung eines Verfahrens der Nasssynthese erzeugt wird, bei dem die Calciumquelle und/oder die Phosphorsäurequelle in flüssiger Form verwendet werden/wird.
- Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Calciumquelle Calciumhydroxid oder Calciumoxid als Hauptbestandteil enthält und die Phosphorsäurequelle Phosphorsäure als Hauptbestandteil enthält.
- Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Brei 0,1 Gew.-% oder weniger Tricalciumphosphat als sekundäres Reaktionsprodukt enthält.
- Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Brei die folgende Bedingung A erfüllt. Bedingung A: Ein Teil des Breis wird als Probe entnommen und dann unter einem Pressdruck von 2 ton/cm2 pressgeformt, um einen Probengrünling mit einer Erfassungsoberfläche zu formen. Der Probengrünling wird dann 2 Stunden lang in atmosphärischer Luft bei 1200°C gesintert, um ein gesintertes Probenpressteil zu erzeugen, und anschließend werden Verunreinigungen, die auf der Erfassungsoberfläche (mit einer Oberflächenrauhigkeit Ra von 10 μm) des gesinterten Probenpressteils vorhanden sind, mittels Röntgenbeugung analysiert. Dabei ist die Intensität eines von Hydroxylapatit herrührenden Peaks unter den erhaltenen Peaks am größten, und ein von Tricalciumphosphat als sekundärem Reaktionsprodukt herrührender Peak wird nicht beobachtet.
- Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Gehalt an Calciumhydroxid oder Calciumoxid, das in dem Brei enthalten ist, im Bereich von 0 bis 3 Gew.-% liegt.
- Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Brei die folgende Bedingung B erfüllt. Bedingung B: Ein Teil des Breis wird als Probe entnommen und dann unter einem Pressdruck von 2 ton/cm2 pressgeformt, um einen Probengrünling mit einer Erfassungsoberfläche zu formen. Der Probengrünling wird dann 2 Stunden lang in atmosphärischer Luft bei 1200°C gesintert, um ein gesintertes Probenpressteil zu erzeugen, und anschließend werden Substanzen, die auf der Erfassungsoberfläche (mit einer Oberflächenrauhigkeit Ra von 10 μm) des gesinterten Probenpressteils vorhanden sind, mittels Röntgenbeugung analysiert. Definiert man dabei die Intensität eines von Hydroxylapatit herrührenden Peaks als X und die Intensität eines von Calciumoxid herrührenden Peaks als Y, so erfüllen X und Y die folgende Beziehung Y/X < 1/10.
- Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Sinterpressteil zu einer Plattenform mit einer Dicke von 15 mm geformt wird und dann das so erzeugte, in Plattenform vorliegende Sinterpressteil mit Licht einer Luminanz von 230000 cd/m2 und mit einer Farbe, die in dem CIE-Chromatizitätsdiagramm durch Chromatizitätskoordinaten (0,543, 0,4) ausgedrückt wird, bestrahlt wird, wobei die Luminanz des von dem Sinterpressteil durchgelassenen Lichtes 150 cd/m2 oder höher ist.
- Verfahren zum Herstellen eines Sinterpressteils, umfassend die Schritte: Pressformen eines Grünlings, indem ein Apatitpulver durch Anwenden eines Drucks von 1 ton/cm2 oder höher verdichtet wird; Sintern des Grünlings, indem der Grünling in einer Sauerstoff enthaltenden Atmosphäre in einem Sinterofen primär gesintert wird, in dem das Volumenverhältnis von Sauerstoff in einem in dem Sinterofen vorhandenen Gas 50 Vol.-% oder mehr beträgt, wodurch ein Sinterpressteil erzeugt wird; und das Sinterpressteil in einer Atmosphäre mit geringer Aktivität sekundär gesintert wird.
- Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Schritt zum Erzeugen des Grünlings der Druck isotrop auf das Apatitpulver angewandt wird.
- Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der isotrope Druck durch hydrostatisches Pressen angewandt wird.
- Verfahren nach Anspruch 15, wobei das hydrostatische Pressen bei einer Temperatur im Bereich von 5 bis 50°C durchgeführt wird.
- Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Sauerstoffpartialdruck in der Sauerstoff enthaltenden Atmosphäre in dem Schritt der Primärsinterung 380 mmHg oder höher ist.
- Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Druck in der Sauerstoff enthaltenden Atmosphäre in dem Schritt der Primärsinterung 900 mmHg oder tiefer ist.
- Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Temperatur während des Sinterns des Grünlings in dem Schritt der Primärsinterung im Bereich von 850 bis 1350°C liegt.
- Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Atmosphäre mit geringer Aktivität in dem Schritt der Sekundärsinterung eine Atmosphäre aus Stickstoffgas oder eine Atmosphäre aus inertem Gas ist.
- Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Temperatur während des Sinterns des Sinterpressteils in dem Schritt der Sekundärsinterung im Bereich von 1000 bis 1350°C liegt.
- Verfahren nach Anspruch 13, wobei die mittlere Teilchengröße des Apatitpulvers 40 μm oder weniger beträgt.
- Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Schritte zur Primär- und Sekundärsinterung in dem gleichen Sinterofen durchgeführt werden, wobei die Atmosphäre in dem Sinterofen von der in dem Schritt der Primärsinterung vorhandenen, Sauerstoff enthaltenden Atmosphäre in die in dem Schritt der Sekundärsinterung vorhandene Atmosphäre geringer Aktivität geändert wird.
- Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Apatitpulver ein Hydroxylapatitpulver ist.
- Verfahren nach Anspruch 24, wobei das Hydroxylapatitpulver aus einem Brei zubereitet wird, der durch Reagieren einer Calciumquelle mit einer Phosphorsäurequelle unter Anwendung eines Verfahrens der Nasssynthese erzeugt wird, bei dem die Calciumquelle und/oder die Phosphorsäurequelle in flüssiger Form verwendet werden/wird.
- Verfahren nach Anspruch 25, wobei die Calciumquelle Calciumhydroxid oder Calciumoxid als Hauptbestandteil enthält und die Phosphorsäurequelle Phosphorsäure als Hauptbestandteil enthält.
- Verfahren nach Anspruch 26, wobei der Brei 0,1 Gew.-% oder weniger Tricalciumphosphat als sekundäres Reaktionsprodukt enthält.
- Verfahren nach Anspruch 27, wobei der Brei die folgende Bedingung A erfüllt. Bedingung A: Ein Teil des Breis wird als Probe entnommen und dann unter einem Pressdruck von 2 ton/cm2 pressgeformt, um einen Probengrünling mit einer Erfassungsoberfläche zu formen. Der Probengrünling wird dann 2 Stunden lang in atmosphärischer Luft bei 1200°C gesintert, um ein gesintertes Probenpressteil zu erzeugen, und anschließend werden Verunreinigungen, die auf der Erfassungsoberfläche (mit einer Oberflächenrauhigkeit Ra von 10 μm) des gesinterten Probenpressteils vorhanden sind, mittels Röntgenbeugung analysiert. Dabei ist die Intensität eines von Hydroxylapatit herrührenden Peaks unter den erhaltenen Peaks am größten, und ein von Tricalciumphosphat als sekundärem Reaktionsprodukt herrührender Peak wird nicht beobachtet.
- Verfahren nach Anspruch 26, wobei der Gehalt an Calciumhydroxid oder Calciumoxid, das in dem Brei vorhanden ist, im Bereich von 0 bis 3 Gew.-% liegt.
- Verfahren nach Anspruch 29, wobei der Brei die folgende Bedingung B erfüllt: Bedingung B: Ein Teil des Breis wird als Probe entnommen und dann bei 200°C getrocknet, um eine Probe zu erzeugen. Die Probe wird dann 20 Minuten lang in atmosphärischer Luft bei 1200°C gesintert, um eine gesinterte Probe zu erzeugen, und anschließend werden Substanzen, die in der gesinterten Probe vorhanden sind, mittels Röntgenbeugung analysiert. Ist dabei die Intensität eines von Hydroxylapatit herrührenden Peaks als X und die Intensität eines von Calciumoxid herrührenden Peaks als Y definiert, so erfüllen X und Y die folgende Beziehung Y/X < 1/10.
- Verfahren nach Anspruch 13, wobei die relative Dichte des Sinterpressteils nach der Primärsinterung 99 % oder höher ist.
- Verfahren nach Anspruch 13, wobei für den Fall, dass das Sinterpressteil in eine Plattenform mit einer Dicke von 0,05 mm geformt und dann das so erzeugte, in Plattenform vorliegende Sinterpressteil mit Licht einer Wellenlänge von 300 nm bestrahlt wird, die Durchlässigkeit für das durch das Sinterpressteil tretende Licht 10 % oder höher ist.
- Sinterpressteil, das durch das Verfahren zum Herstellen eines Sinterpressteils nach Anspruch 1 oder 13 hergestellt ist.
- Sinterpressteil nach Anspruch 33, wobei das Sinterpressteil zu einer Zellkulturbasis ausgebildet ist.
- Sinterpressteil nach Anspruch 34, bei dem die Zellkulturbasis einen flachen Plattenteil mit einer ersten und einer zweiten Oberfläche hat, wobei Zellen angepasst sind, zum Zwecke des Zellwachstums an der ersten oder der zweiten Oberfläche zu haften.
- Sinterpressteil nach Anspruch 35, wobei der flache Plattenteil der Zellkulturbasis hauptsächlich aus Hydroxylapatit oder Apatit mit einer vergleichsweise hohen Dichte besteht.
- Sinterpressteil nach Anspruch 35, wobei der flache Plattenteil der Zellkulturbasis eine Porosität von 1 % oder weniger hat.
- Sinterpressteil nach Anspruch 35, wobei der flache Plattenteil der Zellkulturbasis eine mittlere Dichte von 0,1 bis 3 mm hat.
- Sinterpressteil nach Anspruch 35, wobei von der ersten und der zweiten Oberfläche des flachen Plattenteils der Zellkulturbasis mindestens eine Oberfläche als raue Oberfläche ausgebildet ist.
- Sinterpressteil nach Anspruch 39, wobei die raue Oberfläche durch Schleifen der einen Oberfläche mit einem Schleifmaterial, das Teilchen mit einer mittleren Teilchengröße im Bereich von 5 bis 30 μm enthält, gebildet ist oder die raue Oberfläche im Wesentlichen die gleiche Oberflächenrauhigkeit wie eine durch einen solchen Schleifvorgang erzeugte Oberfläche hat.
- Sinterpressteil nach Anspruch 35, wobei an der einen Oberfläche des flachen Plattenteils der Zellkulturbasis ein konkaver Teil ausgebildet ist.
- Sinterpressteil nach Anspruch 41, wobei der konkave Teil mindestens eine Einkerbung enthält.
- Sinterpressteil nach Anspruch 41, wobei die horizontale Querschnittsfläche des konkaven Teils in dessen Tiefenrichtung im Wesentlichen konstant ist oder zu der anderen Oberfläche des flachen Plattenteils hin abnimmt.
- Sinterpressteil nach Anspruch 41, wobei das prozentuale Verhältnis der Tiefe des konkaven Teils zur Dicke des flachen Plattenteils im Bereich von 0,005 bis 20 % liegt.
- Sinterpressteil nach Anspruch 41, wobei der prozentuale Anteil der von dem konkaven Teil eingenommenen Oberfläche an der Gesamtoberfläche des flachen Plattenteils in der Draufsicht im Bereich von 1 bis 60 % liegt.
- Sinterpressteil nach Anspruch 35, wobei eine andere Oberfläche des flachen Plattenteils zu einer glatten Oberfläche ausgebildet ist.
- Sinterpressteil nach Anspruch 46, wobei die glatte Oberfläche durch Polieren der Oberfläche mit einem Poliermaterial, das Teilchen mit einem mittleren Teilchengröße von 1 μm oder weniger enthält, erzeugt ist oder die glatte Oberfläche im Wesentlichen die gleiche Oberflächenrauhigkeit wie eine durch solches Polieren erzeugte Oberfläche hat.
- Sinterpressteil nach Anspruch 35, wobei der Zustand der Zellen beobachtbar ist, während ein Licht durch den flachen Plattenteil tritt.
- Sinterpressteil nach Anspruch 48, wobei der Zustand der Zellen beobachtbar ist, während das Licht von der Seite der einen Oberfläche das flachen Plattenteils durch den flachen Plattenteil tritt.
- Sinterpressteil nach Anspruch 35, wobei die Zellkulturbasis insgesamt den flachen Plattenteil bildet.
- Sinterpressteil nach Anspruch 50, wobei die Zellkulturbasis im Wesentlichen scheibenförmig ausgebildet ist.
- Sinterpressteil nach Anspruch 51, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Zellkulturbasis im Bereich von 0,5 bis 200 mm liegt.
- Zellkulturbasis, umfassend: einen flachen Plattenteil mit einer ersten und einer zweiten Oberfläche, wobei Zellen angepasst sind, zum Zwecke des Zellwachstums an der ersten oder der zweiten Oberfläche zu haften, wobei der flache Plattenteil der Zellkulturbasis hauptsächlich aus einer Calciumphosphat-basierten Verbindung mit einer relativ hohen Dichte besteht.
- Zellkulturbasis nach Anspruch 53, wobei der flache Plattenteil eine Porosität von 1 % oder weniger hat.
- Zellkulturbasis nach Anspruch 53, wobei der flache Plattenteil eine mittlere Dicke von 0,1 bis 3 mm hat.
- Zellkulturbasis nach Anspruch 53, wobei von der ersten und der zweiten Oberfläche des flachen Plattenteils mindestens eine Oberfläche als raue Oberfläche ausgebildet ist.
- Zellkulturbasis nach Anspruch 56, dadurch gekennzeichnet, dass die raue Oberfläche durch Schleifen der einen Oberfläche mit einem Schleifmaterial, das eine mittlere Teilchengröße im Bereich von 5 bis 30 μm hat, ausgebildet ist oder die raue Oberfläche im Wesentlichen die gleiche Oberflächenrauhigkeit wie eine derart geschliffene Oberfläche hat.
- Zellkulturbasis nach Anspruch 53, wobei an der einen Oberfläche des flachen Plattenteils ein konkaver Teil ausgebildet ist.
- Zellkulturbasis nach Anspruch 58, wobei der konkave Teil mindestens eine Einkerbung umfasst.
- Zellkulturbasis nach Anspruch 59, wobei die horizontale Querschnittsfläche des konkaven Teils in dessen Tiefenrichtung im Wesentlichen konstant ist oder zur anderen Oberfläche des flachen Plattenteils hin abnimmt.
- Zellkulturbasis nach Anspruch 58, wobei das prozentuale Verhältnis der Tiefe des konkaven Teils zur Dicke der flachen Plattenteils im Bereich von 0,005 bis 20 % liegt.
- Zellkulturbasis nach Anspruch 58, wobei der prozentuale Anteil der von dem konkaven Teil eingenommenen Oberfläche an der Gesamtoberfläche des flachen Plattenteils in der Draufsicht im Bereich von 1 bis 60 % liegt.
- Zellkulturbasis nach Anspruch 53, wobei eine andere Oberfläche des flachen Plattenteils als glatte Oberfläche ausgebildet ist.
- Zellkulturbasis nach Anspruch 63, wobei die glatte Oberfläche durch Polieren der Oberfläche mit einem Poliermaterial, das Teilchen mit einer mittleren Teilchengröße von 1 μm oder weniger enthält, erzeugt ist oder die glatte Oberfläche im Wesentlichen die gleiche Oberflächenrauhigkeit wie eine derart polierte Oberfläche hat.
- Zellkulturbasis nach Anspruch 53, wobei der Zustand der Zellen beobachtbar ist, während Licht durch den flachen Plattenteil tritt.
- Zellkulturbasis nach Anspruch 65, wobei der Zustand der Zellen beobachtbar ist, während das Licht von der Seite der einen Oberfläche des flachen Plattenteils her durch den flachen Plattenteil tritt.
- Zellkulturbasis nach Anspruch 53, wobei die Zellkulturbasis insgesamt den flachen Plattenteil bildet.
- Zellkulturbasis nach Anspruch 67, wobei die Zellkulturbasis im Wesentlichen scheibenförmig ausgebildet ist.
- Zellkulturbasis nach Anspruch 68, wobei der Durchmesser der Zellkulturbasis im Bereich von 0,5 bis 200 mm liegt.
- Zellkulturbasis nach Anspruch 53, wobei die Calciumphosphat-basierte Verbindung Tricalciumphosphat ist.
- Zellkulturbasis nach Anspruch 53, wobei die Calciumphosphat-basierte Verbindung Hydroxylapatit ist.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: HOYA CORP., TOKIO/TOKYO, JP |
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| 8130 | Withdrawal |