JP2000128630A - セラミックス複合体およびセラミックス複合体の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】生体親和性に優れるとともに十分な機械的強度
を備えるセラミックス複合体およびかかる複合体を簡易
な方法で製造することができる製造方法を提供する。 【解決手段】ハイドロキシアパタイトとハイドロキシア
パタイトと異なる第２のセラミックス材料とを含む混合
層１０３と、ハイドロキシアパタイトと異なる第３のセ
ラミックス材料からなる強化層１０５とを有するセラミ
ックス複合体１０ａにおいて、複合体１０ａは強化層１
０５の内部に混合層１０３が位置する２重構造を有する
ものとする。強化層１０５と混合層１０３とは同心円状
に配置されていることが好ましい。また、複合体１０ａ
は放電プラズマ焼結法により形成されることが好まし
い。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明はセラミックス複合
体、とくにバイオセラミックスとして用いられるセラミ
ックスの複合体およびその製造方法に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】セラミックスの中でもリン酸カルシウム
系セラミックスの１種であるハイドロキシアパタイト
は、骨の無機成分の構造に似ているため優れた生体適合
性を有し、人工歯根や骨充填材、歯科用セメント等の生
体材料として応用されている。

【０００３】ところが、ハイドロキシアパタイトは機械
的強度、靭性等が十分ではなく、ハイドロキシアパタイ
ト単独での使用には限界があった。

【０００４】そこで、機械的強度、靭性等を十分に兼ね
備えるバイオセラミックスを得るために、例えば強靭で
成形性に優れる金属材料の表面にハイドロキシアパタイ
ト等のバイオセラミックス材料をコーティングしたり、
光重合性樹脂中に混合したり、金属材料やガラス材料等
との複合化等、異種材料との組合わせ等が提案されてい
る。

【０００５】しかし、いずれも製造工程が煩雑で、また
時間を要するものであり、十分な強度、靭性等を備えた
生体材料を容易かつ短時間で製造する方法はなかった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、生体
親和性に優れるとともに十分な機械的強度を備えるセラ
ミックス複合体およびかかる複合体を簡易な方法で製造
することができるセラミックス複合体の製造方法を提供
することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】このような目的は、下記
（１）〜（１７）の本発明により達成される。

【０００８】（１） ハイドロキシアパタイトと前記ハ
イドロキシアパタイトと異なる第２のセラミックス材料
とを含む混合層と、前記ハイドロキシアパタイトと異な
る第３のセラミックス材料からなる強化層とを有するセ
ラミックス複合体において、前記複合体の少なくとも一
部に前記強化層の内部に前記混合層が位置する２重構造
を有することを特徴とするセラミックス複合体。

【０００９】（２） 前記複合体は放電プラズマ焼結法
により形成される上記（１）に記載のセラミックス複合
体。

【００１０】（３） 前記混合層中の前記ハイドロキシ
アパタイトの含有量は５〜５０wt％である上記（１）ま
たは（２）に記載のセラミックス複合体。

【００１１】（４） 前記第２のセラミックス材料は酸
化物系セラミックスを含む上記（１）ないし（３）のい
ずれかに記載のセラミックス複合体。

【００１２】（５） 前記酸化物系セラミックスは生体
適合性を有するセラミックスである上記（４）に記載の
セラミックス複合体。

【００１３】（６） 前記第２のセラミックス材料とし
てアルミナを用いる上記（１）ないし（５）のいずれか
に記載のセラミックス複合体。

【００１４】（７） 前記第３のセラミックス材料は酸
化物系セラミックスを含む上記（１）ないし（６）のい
ずれかに記載のセラミックス複合体。

【００１５】（８） 前記酸化物系セラミックスは生体
適合性を有するセラミックスである上記（７）に記載の
セラミックス複合体。

【００１６】（９） 前記第３のセラミックス材料とし
てアルミナを用いる上記（１）ないし（８）のいずれか
に記載のセラミックス複合体。

【００１７】（１０） 前記第２のセラミックス材料と
前記第３セラミックス材料とが同一組成である上記
（１）ないし（９）のいずれかに記載のセラミックス複
合体。

【００１８】（１１） 前記混合層と前記強化層とが同
心状または同心円状に配置されている上記（１）ないし
（１０）のいずれかに記載のセラミックス複合体。

【００１９】（１２） ハイドロキシアパタイトと前記
ハイドロキシアパタイトと異なる第２のセラミックス材
料とを含む混合層と、前記ハイドロキシアパタイトと異
なる第３のセラミックス材料からなる強化層とを有し、
前記強化層の内部に前記混合層の少なくとも一部または
全部が位置するセラミックス複合体の製造方法であっ
て、前記複合体を放電プラズマ焼結法により焼結し形成
することを特徴とするセラミックス複合体の製造方法。

【００２０】（１３） 前記焼結は焼結温度１１００〜
１３００℃で行なう上記（１２）に記載のセラミックス
複合体の製造方法。

【００２１】（１４） 前記ハイドロキシアパタイトを
予め７００〜１３００℃で仮焼結する上記（１２）また
は（１３）に記載のセラミックス複合体の製造方法。

【００２２】（１５） 前記焼結は前記混合層および前
記強化層の少なくとも１部を断熱材を介して加熱するこ
とにより行われる上記（１２）ないし（１４）のいずれ
かに記載のセラミックス複合体の製造方法。

【００２３】（１６） 前記焼結後加圧状態を解除して
放冷する上記（１２）ないし（１５）のいずれかに記載
のセラミックス複合体の製造方法。

【００２４】（１７） 前記複合体は前記混合層と前記
強化層とが同心状または同心円状に配置されてなる上記
（１２）ないし（１６）のいずれかに記載のセラミック
ス複合体の製造方法。

【００２５】

【発明の実施の形態】以下、本発明のセラミックス複合
体について詳細に説明する。

【００２６】本発明のセラミックス複合体（以下、「複
合体」という）は、ハイドロキシアパタイトと前記ハイ
ドロキシアパタイトと異なる第２のセラミックス材料と
を含む混合層と、前記ハイドロキシアパタイトと異なる
第３のセラミックス材料からなる強化層とを有するもの
であって、前記強化層の内部に前記混合層が位置する２
重構造を有することを特徴とする。

【００２７】このような２重構造とすることにより各層
の構成材料の特性を活かし、複合体内部は生体親和性に
優れ、複合体表面および全体として機械的強度に優れた
ものとすることができる。

【００２８】例えば、複合体の内部に位置する混合層
は、ハイドロキシアパタイトを含有するため、体液中で
の安定性に優れ、骨との接合性の向上を図ることができ
る。一方、複合体の表面にハイドロキシアパタイトより
も強靭な第３のセラミックス材料からなる強化層を設け
ることにより、複合体全体の強度の向上を図るととも
に、複合体の表面に固定部材等を取付けた場合に該固定
部材を強固に支持することが可能となる。

【００２９】混合層は、ハイドロキシアパタイトと該ハ
イドロキシアパタイトと異なる第２のセラミックス材料
とを含むものである。

【００３０】第２のセラミックス材料としては特に限定
されないが、酸化物系セラミックスを含むものが好まし
く、さらに酸化物系セラミックスは生体適合性を有する
ものがより好ましい。

【００３１】酸化物系セラミックスは一般的に靭性が大
きく、さらに耐食性、耐熱性に優れる等の特性を有する
ため、ハイドロキシアパタイトと組合わせることにより
強度の向上を図ることができる。

【００３２】さらに、生体適合性を有する酸化物系セラ
ミックスを用いることにより、ハイドロキシアパタイト
の生体親和性を損なうことなく強度の向上を図ることが
できる。

【００３３】生体適合性を有する酸化物系セラミックス
としては、例えばＡｌ₂Ｏ₃、ＺｒＯ ₂、ＳｉＯ₂、ＴｉＯ
₂等が挙げられ、これらを１種または２種以上を混合し
たものを用いることができるが、第２のセラミックス材
料としてＡｌ₂Ｏ₃（アルミナ）を用いることがより好ま
しい。アルミナは、化学的・物理的に安定で硬く、併せ
て生体適合性を有するため、ハイドロキシアパタイトと
複合化することにより、ハイドロキシアパタイトのもつ
生体親和性を維持しつつ、機械的強度を向上させること
ができる。

【００３４】混合層中のハイドロキシアパタイトの含有
量は特に限定されないが、５〜５０wt％程度が好まし
く、１０〜５０wt％がより好ましい。ハイドロキシアパ
タイトの含有量が５wt％未満であると、ハイドロキシア
パタイトの特性が失われ、生体親和性が低下するおそれ
がある。一方、５０wt％を超えると用途によっては機械
的強度が不足する場合がある。

【００３５】上記ハイドロキシアパタイトは、いかなる
方法により形成されたものであってもよく、例えばハイ
ドロキシアパタイト粒子の強度の向上等を図るために仮
焼結を行ったもの等を用いることができる。この場合、
仮焼結は７００〜１３００℃の温度で行うことが好まし
い。仮焼結温度が７００℃未満であると、ハイドロキシ
アパタイト粒子の強度を十分に向上させることができな
い場合があり、一方、１３００℃を超えるとハイドロキ
シアパタイトが熱的に分解したり、粒成長が過剰に進行
し、ともに良好な複合体が形成されないおそれがある。

【００３６】強化層は、上記ハイドロキシアパタイトと
異なる第３のセラミックス材料からなるものである。第
３のセラミックス材料としては、特に限定されないが酸
化物系セラミックスを含むものが好ましく、さらに酸化
物系セラミックスは生体適合性を有するものがより好ま
しい。

【００３７】酸化物系セラミックスは一般的に靭性が大
きく、さらに耐食性、耐熱性に優れる等の特性を有する
ため、かかる材料からなる強化層を設けることにより、
複合体全体の強度の向上を図ることができる。

【００３８】さらに、生体適合性を有する酸化物系セラ
ミックスを用いることにより、ハイドロキシアパタイト
の生体親和性を損なうことなく強度の向上を図ることが
できる。

【００３９】生体適合性を有する酸化物系セラミックス
としては、上記第２のセラミックス材料と同様のものが
挙げられるが、第２のセラミックス材料の場合と同様の
理由により、第３のセラミックス材料としてＡｌ₂Ｏ
₃（アルミナ）を用いることがより好ましい。

【００４０】また、第２のセラミックス材料と第３のセ
ラミックス材料とは、同一組成であっても異なる組成で
あってもよいが、同一組成であることが好ましい。これ
により、混合層と強化層との接合性がより向上し、また
複合体の内部応力を低減し、混合層と強化層との層間剥
離等を防止することができる。

【００４１】さらに、第２のセラミックス材料と第３の
セラミックス材料とは、形態について同一であっても異
なるものであってもよく、例えば粉末材料を用いる場
合、その粒形状、平均粒径等は同一であっても相異なる
ものであってもよい。

【００４２】本発明の複合体は、上記の混合層と強化層
とが同心状または同心円状に配置されていることが好ま
しい。これにより応力の分散と均等化を図り、複合体の
耐久性の向上を図ることができる。

【００４３】次に、本発明のセラミックス複合体の製造
方法について添付図面に示す好適実施形態に基づいて詳
細に説明する。

【００４４】図１は、本発明の複合体の製造方法に用い
られる成形型および材料充填治具の一例を示す縦断面
図、図２〜図１０は本発明の複合体の製造方法の第１実
施形態を示す縦断面図である。

【００４５】図１に示す成形用型１は、複合体を構成す
る材料を収容可能な中空部２１を有する円筒形状の外型
２と、焼結材料を押圧するための第１の押圧子３ａと第
２の押圧子３ｂからなる一対の押圧子とを備えている。

【００４６】まず、成形用型１内に第３のセラミックス
材料からなる強化層材料５ａを充填する。充填は図１に
示すような材料充填治具８を用いて行われる。これによ
り、強化層材料５ａは突起部８２の周囲に環状に充填さ
れる。

【００４７】材料充填治具８は、外型２の中空部２１に
嵌合可能な嵌合部８１と、中空部２１に挿入可能な突起
部８２とから構成されている。嵌合部８１と突起部８２
とはともに断面形状が円形であって同心円状に設けられ
ている。材料充填治具８の構成材料としては特に限定さ
れず、例えば金属等が挙げられる。

【００４８】外型２には中空部２１が形成されており、
内周面には導電性を有するカーボンシート７が設けられ
ている。これにより強化層材料５ａと中空部２１の内周
面との間にクッション材として介在し、強化層材料５ａ
中の成分が外型２を構成するカーボンと反応して内周面
に固着すること等を防止することができる。さらに、焼
結時に各押圧子が外型２の内周面に食いつくことを防止
し、円滑に摺動させることができる。

【００４９】外型２の構成材料としては、放電プラズマ
焼結に好適な導電性材料であることが好ましく、例え
ば、超硬金属、超硬合金、炭素系材料等が挙げられ、な
かでも炭素系材料がより好ましい。

【００５０】材料充填治具８を図２に示すように嵌合部
８１を中空部２１に嵌合させ取り付ける。突起部８２の
表面は、圧粉体からの離型性を良好に保つためテフロン
シート８８で被覆されている。

【００５１】次に、図３に示すように、材料充填治具８
が取付けられた外型２に強化層材料５ａが充填される。
強化層材料５ａの形態は、粉状体、ブロック体等の塊状
物等いかなるものでもよいが、充填量の調節の容易さ等
から粉状体がより好ましい。強化層材料５ａが粉状物で
ある場合、その平均粒径は、０．０５〜１０μｍ程度の
ものが好ましく用いられる。粒径が小さ過ぎる場合、２
次凝集を生じる等、取扱性に劣るおそれがあり、一方、
粒径が大き過ぎる場合、特に精緻な形状の複合体を作製
するとき、混合層と強化層との界面での接合不良や欠け
の発生等、加工性が悪くなる場合がある。

【００５２】次に、図４および図５に示すように環状に
充填された強化層材料５ａを環状の圧縮用押圧子９１に
より圧縮し、圧粉体５１ａを形成する。予め圧粉体５１
ａを形成することにより、焼結後の強度および接合力を
より向上させ、また、気孔率、気孔径等をより精度よく
制御することができる。

【００５３】さらに、層ごとに圧粉体を形成すれば、焼
結後の密度、強度等を層ごとに調整することができると
ともに、層が押圧方向と直交する方向に積層する２重構
造を構成するように異なる材料の充填を容易に行うこと
ができる。

【００５４】圧粉体５１ａ形成時の押圧力は、強化層材
料５ａの組成、形態等に応じて適宜選択されるが、１０
０〜５００kgf/cm²の範囲であることが好ましい。圧縮
用押圧子９１は、外型２の中空部２１に摺動可能に嵌合
する環状体であって、その中心軸に対し同心円状に中空
部９１０が形成されている。中空部９１０は材料充填治
具８の突起部８２を摺動可能に嵌合するよう形成されて
いる。これにより強化層材料５ａを圧縮し、環状の圧粉
体５１ａを形成することができる。圧縮用押圧子９１の
構成材料としては、例えば金属製のものが用いられる。

【００５５】圧縮体５１ａを形成する方法としては特に
限定されず、押圧子を用いた一軸成形法の他、例えば冷
間等方加圧法（ＣＩＰ）、熱間等方加圧法（ＨＩＰ）等
が挙げられるが、一軸成形法がより好ましい。一軸成形
法は製造方法が単純でかつ最も量産性に優れている。な
お、強化層材料５ａがブロック体である場合には、圧粉
体を形成する工程を省略することができる。

【００５６】圧粉体５１ａを形成後、材料充填治具８を
図５に示すように円柱形状の第１の押圧子３ａに交換す
る。これにより圧粉体５１ａの中空部に新たな材料を充
填することが可能となる。

【００５７】第１の押圧子３ａは、外型２の中空部２１
に嵌合可能に構成されている。第１の押圧子３ａの構成
材料としては、外型２と同様のものが挙げられ、例えば
炭素系材料等が好ましく用いられる。

【００５８】圧粉体５１ａおよび第１の押圧子３ａとの
間には、カーボンシート７を挟むことが好ましい。これ
により圧粉体５１ａおよび第１の押圧子３ａとの溶着等
の相互作用を防止し、焼結後、複合体の取出しを容易に
することができる。

【００５９】次に、図６に示すように圧縮用押圧子９１
の中空部９１０から、混合層材料５ｂを充填する。混合
層材料５ｂの形態は、粉状物、ブロック体等の塊状物等
いかなるものでもよいが、充填量の調節の容易さ等から
粉状物がより好ましい。粉状物である場合、ハイドロキ
シアパタイトは平均粒径５〜５００μｍ程度のものが好
ましく、第２のセラミックス粉末は平均粒径０．０５〜
１０μｍ程度のものが好ましく用いられる。

【００６０】そして、図７、図８に示すように柱状の圧
縮用押圧子９２により混合層材料５ｂを圧縮し、図９に
示すような圧粉体５１ｂを作製する。圧縮用押圧子９２
は、圧縮用押圧子９１の中空部９１０に嵌入および摺動
可能な形状の柱状体であって、例えば金属材料から構成
されている。

【００６１】圧粉体５１ｂ形成時の押圧力は、混合層材
料５ｂの組成や形態等に応じて適宜選択されるが、１０
０〜５００kgf/cm²の範囲であることが好ましい。この
とき、圧粉体５１ａの形成時とは異なる圧縮比で圧粉体
５１ｂを形成すれば、焼結後の密度、強度等を層ごとに
変化させた複合体を得ることができる。したがって、例
えば、混合層と強化層との熱膨張係数が大きく異なる場
合、熱膨張係数の大きい層の材料の圧縮比を小さく、熱
膨張係数の小さい材料の圧縮比を大きくすることで熱応
力の緩和を図り、層間の接合強度の向上およびクラック
等の発生を防止することができる。また、焼結後におけ
る複合体の形状も精度よく制御することが可能になる。

【００６２】強化層材料５ａと混合層材料５ｂとを相異
なる圧縮比で圧粉体を形成する場合、圧縮比の制御方法
としては、例えば、図７および図８に示すように圧縮用
押圧子９１と９２とを相異なる長さ（突出量）とし、圧
縮用押圧子ごとに押込み量を変えることにより圧縮比を
調節することができる。

【００６３】なお、本発明では、強化層材料５ａと混合
層材料５ｂとを同じ圧縮比で圧粉体を形成した後、放電
プラズマ焼結を行ってもよい。

【００６４】圧縮体５１ｂを形成する方法としては圧縮
体５１ａを形成する場合と同様の方法が挙げられるが、
一軸成形法が好ましい。また、混合層材料５ｂがブロッ
ク体である場合、圧粉体を形成する工程を省略すること
ができる。

【００６５】以上のようにして、強化層材料５ａの内部
に混合層材料５ｂが同心円状に位置するように外型２内
に充填される。

【００６６】このように、強化層材料５ａと混合層材料
５ｂとを同心状または同心円状に配置し、押圧・焼結す
ることにより、加圧方向と直交する方向（径方向）にお
ける温度および圧力分布に関し均一にすることができ、
より強度に優れた複合体を作製することができる。

【００６７】次に、図１０に示すように圧縮用押圧子９
１、９２を第２の押圧子３ｂに交換する。第２の押圧子
３ｂは円柱形状で、外型２の中空部２１に摺動可能に嵌
合するよう形成されている。

【００６８】圧縮用押圧子９１、９２を第２の押圧子３
ｂに交換後、成形用型１を図１４に示すような放電プラ
ズマ焼結装置７０にセットした後、放電プラズマ焼結法
により焼結し複合体を製造する。

【００６９】放電プラズマ焼結装置７０は、真空チャン
バー７６と、上下一対の加圧ラム７４、７５と、パルス
電圧を発生させる焼結用電源７２と、加圧ラム７４、７
５を昇降駆動する油圧式の加圧駆動機構７３と、これら
を制御する制御部７１とを有している。

【００７０】上述した圧粉体５１ａ、５１ｂを装入した
成形用型１は、真空チャンバー７６内の加圧ラム７４、
７５間にセットされる。真空チャンバー７６内を真空ポ
ンプ７７により脱気し、真空状態（減圧状）あるいは真
空チャンバー７６内を不活性ガス雰囲気として焼結を行
うことが好ましい。これによって、真空チャンバー７６
内に存在する酸素、窒素、水等と圧粉体５１ａ、５１ｂ
等の被焼結物に含まれる反応性の高い成分等とが反応
し、焼結体に好ましくない影響を及ぼすことを回避でき
る。

【００７１】制御部７１は、成形用型１に設置された図
示しない温度センサー（熱電対）により検出される材料
温度が予め設定された昇温曲線と一致するように焼結用
電源７２の出力を制御する。また、制御部７１は、加圧
駆動機構７３および真空ポンプ７７の駆動を制御する。

【００７２】上下一対の第１の押圧子３ａ、第２の押圧
子３ｂは、各々加圧ラム７４および７５に固定されてお
り、加圧ラム７４、７５内に設けられた給電端子（図示
せず）により焼結用電源７２と電気的に接続されてい
る。加圧駆動機構７３の作動により、加圧ラム７４、７
５を互いに接近する方向に移動し、これらに固定された
第１の押圧子３ａ、第２の押圧子３ｂで圧粉体５１ａ、
５１ｂを圧縮する。

【００７３】このとき、圧粉体５１ａ、圧粉体５１ｂと
第１の押圧子３ａおよび第２の押圧子３ｂとの間には、
各々断熱材４を介在させることが好ましい。これによ
り、電流が第１の押圧子３ａまたは第２の押圧子３ｂに
集中した場合、過熱した第１の押圧子３ａまたは第２の
押圧子３ｂから圧粉体５１ａ等への熱の拡散が遮断さ
れ、局所的な加熱および高温化を防止する。したがっ
て、圧粉体５１ａ等の焼結時の温度が均一化され、均質
で高品位な焼結体を得ることができる。

【００７４】断熱材４としては、例えば非導電性物質で
あって難焼結性であるアルミナ粉体等が好ましく用いら
れる。

【００７５】さらに、断熱材４と、圧粉体５１ａ、５１
ｂおよび第１の押圧子３ａ、第２の押圧子３ｂとの間に
は各々カーボンシート７を介在させることが好ましい。

【００７６】放電プラズマ焼結は、第１の押圧子３ａ、
第２の押圧子３ｂおよび外型２を通してパルス電圧を印
可し、圧縮通電系を加熱する。焼結系の温度が所定温度
に達したらかかる温度で一定時間保持し、複合体１０ａ
を形成する。

【００７７】焼結温度としては特に限定されないが、１
１００〜１３００℃とすることが好ましい。焼結温度を
この範囲とすることにより、過不足のない焼結を行うこ
とができ、十分な強度を有する複合体を作製することが
できる。

【００７８】また、焼結時間は１〜３０分程度とするこ
とが好ましく、５〜２０分程度がより好ましい。さら
に、加圧力は１００〜６００kgf/cm²程度とすることが
好ましく、２００〜５００kgf/cm²程度がより好まし
い。

【００７９】放電プラズマ焼結法は、圧粉体粒子間隙に
直接パルス状の電気エネルギーを投入し、火花放電によ
り瞬時に発生する高温プラズマの高エネルギーを熱拡散
・電界拡散等へ効果的に応用することで、ホットプレス
法等に比べ、昇温、保持時間を含め、数分〜数十分の短
時間で焼結あるいは焼結接合を可能とする。また、放電
点の分散による均等加熱により、均質で高品位の複合体
を容易かつ高効率で製造することができる。

【００８０】また、放電プラズマ焼結法によれば、材料
の充填、必要に応じて行う圧粉体化、および焼結の各工
程を１つの外型２内で行うことが可能であり、製造コス
トの低減を図ることも可能である。

【００８１】上記の焼結温度で所定時間保持した後放冷
し、成形用型１から複合体１０ａを取出す。放冷の際に
は、複合体１０ａの加圧状態を解除して放冷することが
好ましい。通常、焼結後、焼結体（複合体）は加圧状態
で成形パンチ等を介して水冷されるが、本発明では、比
較的強度の小さいハイドロキシアパタイトとアルミナ等
の高強度のセラミックスとの複合体であって両材料の強
度の差が大きいため、冷却過程で発生する熱応力による
クラックや欠けが発生するおそれがある。このため加圧
状態を解除して放冷することが好ましい。

【００８２】以上のような方法により、図１２および図
１３に示すように強化層１０５と混合層１０３とが同心
円状に設けられた２重構造のセラミックス複合体１０ａ
が得られる。

【００８３】図１１は本発明のセラミックス複合体の製
造方法の第２実施形態を示す縦断面図である。

【００８４】本実施形態により製造される複合体１０ｂ
は、混合層１０３と強化層１０５とからなる２重構造部
分の上下に強化層１０６が設けられている点で上記第１
実施形態の場合と異なる。このような構造の複合体１０
ｂでは、強化層１０５が全表面を構成しているため、複
合体１０ｂの機械的強度、耐摩耗性および外形形状の維
持性等をより向上させることができる。

【００８５】複合体１０ｂの作製方法は特に限定されな
いが、例えば予め別に作製された強化層１０６の材料か
らなる圧粉体と、第１実施形態と同様の方法により成形
された圧粉体５１ａ、５１ｂとを外型内で重ね合わせ、
これらを同時焼結すること等により複合体１０ｂを作製
することができる。この場合、図に示すように強化層１
０６と第１の押圧子３ａおよび第２の押圧子３ｂとの間
には、各々断熱材４を介在させることが好ましい。

【００８６】なお、強化層１０５および強化層１０６の
組成および形態等は、同一であっても異なるものであっ
てもよい。

【００８７】以上、本発明のセラミックス複合体および
その製造方法を図示の各実施形態について説明したが、
本発明はこれらに限定されるものではなく、例えば、強
化層を多孔体としてもよく、さらに複合体には混合層と
強化層の他に第３の層を設けたものであってもよい。

【００８８】

【実施例】次に、本発明の具体的実施例について説明す
る。 １．セラミックス複合体の作製 （実施例１）図１に示す材料充填治具および成形用型を
用いて、複合体１０ａを作製した。

【００８９】混合層材料として、大気炉で７００℃で仮
焼結した球状ハイドロキシアパタイト粉末（平均粒径：
１０μｍ）０．４８ｇと、アルミナ粉末（平均粒径：
０．１５μｍ）１．１２ｇとの混合粉末を使用し、一
方、強化層材料としてアルミナ粉末（平均粒径：０．１
５μｍ）５．２０ｇを使用した。

【００９０】まず、外径４０mm、内径１０．４mmのカー
ボン製外型２の中空部２１の一端側に、材料充填治具８
を嵌入した（図２）。なお、材料充填治具８は、嵌合部
８１の外径１０mm、突起部８２の外径５mmのものを用い
た。

【００９１】中空部２１から強化層材料５ａを装入し
（図３）、金属製圧縮用押圧子９１（外径１０mm、内径
５mm）を使用して（図４）、強化層材料５ａを圧縮し圧
粉体５１ａを形成した（図５）。圧粉体５１ａの形成時
の圧縮力は２００kgf/cm²とした。

【００９２】次に、材料充填用治具８をカーボン製の第
１の押圧子３ａ（外径１０mm）に交換した（図５）。圧
縮用押圧子９１の中空部９１０から上記混合層材料５ｂ
を装入し（図６）、これを金属製の圧縮用押圧子９２
（外径５mm）で圧縮し、圧粉体５１ｂを形成した（図７
〜図９）。

【００９３】その後、圧縮用押圧子９１、９２をカーボ
ン製の第２の押圧子３ｂ（外径１０mm）に交換した（図
１０）。

【００９４】このとき、圧粉体５１ａ、５１ｂと第１の
押圧子３ａおよび第２の押圧子３ｂとの間に断熱材４と
してアルミナ粉体（平均粒径０．１５μｍ）２．５ｇづ
つを介在させた。さらに、断熱材４と圧粉体５１ａ、５
１ｂとの間、断熱材４と第１の押圧子３ａおよび第２の
押圧子３ｂとの間に各々カーボンシート７を挟んだ。

【００９５】これを放電プラズマ焼結装置（住友石炭鉱
業（株）製ＳＰＳ−５１０Ｌ）にセッティングし、焼結
系内を真空状態とした。次に、上下から押圧力３５０kg
f/cm²で圧粉体５１ａおよび５１ｂを押圧し、パルス電
圧（パルス条件＝１２：２）を印可して圧縮通電系を加
熱し焼結を行った。焼結条件は、焼結温度：１２００
℃、焼結時間（保持時間）：５分とした。

【００９６】焼結後、加圧状態を解除して室温で放冷
し、成形用型１から図１２および図１３に示す複合体１
０ａを取出した。

【００９７】複合体１０ａは、同心円状に外層が強化層
（アルミナ層）１０５、内層が混合層１０３から構成さ
れるものであった。

【００９８】混合層および強化層の組成、焼結条件等を
表１および表２に示す。

【００９９】

【表１】

【０１００】

【表２】

【０１０１】（実施例２）ハイドロキシアパタイトの仮
焼結温度と平均粒径、アルミナの平均粒径、混合層の組
成および焼結条件（加圧力、時間）を変えた以外は実施
例１と同様にして複合体を作製した。

【０１０２】（実施例３）混合層の組成および焼結時間
を変えた以外は実施例１と同様にして複合体を作製し
た。

【０１０３】（実施例４）混合層の組成および焼結条件
（温度、時間）を変えた以外は実施例１と同様にして複
合体を作製した。

【０１０４】（実施例５）ハイドロキシアパタイトの仮
焼結温度と平均粒径、アルミナの平均粒径および焼結条
件（温度、加圧力）を変えた以外は実施例１と同様にし
て複合体を作製した。

【０１０５】（比較例１）混合層の組成を変え、内層お
よび外層を同一の混合層材料で構成した以外は実施例１
と同様にして複合体を作製した。

【０１０６】（比較例２）ハイドロキシアパタイトの仮
焼結温度および焼結温度を変えた以外は実施例３と同様
にして複合体を作製した。

【０１０７】（比較例３）焼結温度を変えた以外は比較
例２と同様にして複合体を作製した。

【０１０８】２．複合体の強度評価 ［曲げ強度試験］実施例１〜５および比較例１〜３で作
製した各複合体の３点曲げ強度を測定した。曲げ強度は
スパン１．７cmの３点曲げ試験を行い、その測定値から
以下の計算式（Ｉ）により算出した。

【０１０９】 曲げ強度（σ_f）［kgf/cm²]＝（８×Ｐ×Ｌ）／（π×ｄ³）・・・（Ｉ） Ｐ・・・破壊荷重［kgf］ Ｌ・・・スパン［cm］ ｄ・・・供試体（複合体）直径［cm］ 結果を表２に示す。

【０１１０】これらの結果から、実施例で作製された各
複合体はいずれも混合層はハイドロキシアパタイトとア
ルミナとが均質に複合化され、かつ混合層と強化層とが
良好に接合されていた。

【０１１１】また、実施例で作製された各複合体の曲げ
強度は、いずれも混合層材料のみからなる比較例１の複
合体に比べいずれも大きいものであった。

【０１１２】比較例２、３の複合体は、ハイドロキシア
パタイトの仮焼結および放電プラズマ焼結がいずれも適
性な温度で行われなかったため焼結不良となり、比較例
２では複合体が形成されず、比較例３においては、複合
体は形成されたが、Ｘ線回析による分析の結果、ハイド
ロキシアパタイトが分解していることがわかった。

【０１１３】

【発明の効果】以上述べたように、本発明のセラミック
ス複合体の製造方法によれば、内層および外層からなる
２重構造の複合体を簡易な方法で作製することができ
る。さらに、本発明の方法で製造された複合体は、内層
がハイドロキシアパタイトとアルミナ等の高強度セラミ
ックスとの混合層、外層が例えば高強度セラミックスか
らなる強化層で構成されているため、内部が生体親和性
に優れ、表面が強度および靭性に優れるものである。こ
のような特性を活かし、例えば頚椎や腰椎において、椎
間板を切除した場合に用いられる骨補填材、人工歯根、
人工関節等として広く適用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の複合体の製造方法で用いられる成形型
および材料充填治具の一例を示す縦断面図である。

【図２】本発明の複合体の製造方法の第１実施形態を示
す縦断面図である。

【図３】本発明の複合体の製造方法の第１実施形態を示
す縦断面図である。

【図４】本発明の複合体の製造方法の第１実施形態を示
す縦断面図である。

【図５】本発明の複合体の製造方法の第１実施形態を示
す縦断面図である。

【図６】本発明の複合体の製造方法の第１実施形態を示
す縦断面図である。

【図７】本発明の複合体の製造方法の第１実施形態を示
す縦断面図である。

【図８】本発明の複合体の製造方法の第１実施形態を示
す縦断面図である。

【図９】本発明の複合体の製造方法の第１実施形態を示
す縦断面図である。

【図１０】本発明の複合体の製造方法の第１実施形態を
示す縦断面図である。

【図１１】本発明の複合体の製造方法の第２実施形態を
示す縦断面図である。

【図１２】本発明の複合体の製造方法により製造された
複合体の横断面図である。

【図１３】図１２に示す複合体の縦断面図である。

【図１４】放電プラズマ焼結装置の構成例を示す概略図
である。

【符号の説明】

１ 成形用型 ２ 外型 ２１ 中空部 ３ａ 第１の押圧子 ３ｂ 第２の押圧子 ４ 断熱材 ５ａ 強化層材料 ５ｂ 混合層材料 ５１ａ、５１ｂ 圧粉体 ７ カーボンシート ７０ 放電プラズマ焼結装置 ７１ 制御部 ７２ 焼結用電源 ７３ 加圧駆動機構 ７４、７５ 加圧ラム ７６ 真空チャンバー ７７ 真空ポンプ ８ 材料充填治具 ８ａ、８ｂ 材料充填治具 ８１ 嵌合部 ８２、８２ｂ 突起部 ８８ テフロンシート ９１ 圧縮用押圧子 ９１０ 中空部 ９２ 圧縮用押圧子 ９３ 圧縮用押圧子 １０ａ、１０ｂ セラミックス複合体 １０３ 混合層 １０５、１０６ 強化層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｃ０４Ｂ 35/64 Ｃ０４Ｂ 35/64 Ｅ (72)発明者 三宅 正太郎 東京都板橋区前野町２丁目36番９号 旭光 学工業株式会社内 Ｆターム(参考） 4C081 AB04 AB05 AB06 BB08 CF031 CF152 DA01 DC03 DC05 DC12 EA02 EA04 EA12 EA15 4C089 AA07 BA03 BA04 BA16 CA04 CA06 4F100 AA19A AA19B AA19C AD03A AD03B AD03C AD20B AR00A AR00C BA03 BA06 BA10A BA10C DA11 DA16 EJ48 GB66 JC00 JK01 JK01A JK01C JL02 YY00B 4G030 AA08 AA36 AA41 BA35 CA07 GA08 GA09 GA23 GA27

Claims (17)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ハイドロキシアパタイトと前記ハイドロ
   キシアパタイトと異なる第２のセラミックス材料とを含
   む混合層と、 前記ハイドロキシアパタイトと異なる第３のセラミック
   ス材料からなる強化層とを有するセラミックス複合体に
   おいて、 前記複合体の少なくとも一部に前記強化層の内部に前記
   混合層が位置する２重構造を有することを特徴とするセ
   ラミックス複合体。
2. 【請求項２】 前記複合体は放電プラズマ焼結法により
   形成される請求項１に記載のセラミックス複合体。
3. 【請求項３】 前記混合層中の前記ハイドロキシアパタ
   イトの含有量は５〜５０wt％である請求項１または２に
   記載のセラミックス複合体。
4. 【請求項４】 前記第２のセラミックス材料は酸化物系
   セラミックスを含む請求項１ないし３のいずれかに記載
   のセラミックス複合体。
5. 【請求項５】 前記酸化物系セラミックスは生体適合性
   を有するセラミックスである請求項４に記載のセラミッ
   クス複合体。
6. 【請求項６】 前記第２のセラミックス材料としてアル
   ミナを用いる請求項１ないし５のいずれかに記載のセラ
   ミックス複合体。
7. 【請求項７】 前記第３のセラミックス材料は酸化物系
   セラミックスを含む請求項１ないし６のいずれかに記載
   のセラミックス複合体。
8. 【請求項８】 前記酸化物系セラミックスは生体適合性
   を有するセラミックスである請求項７に記載のセラミッ
   クス複合体。
9. 【請求項９】 前記第３のセラミックス材料としてアル
   ミナを用いる請求項１ないし８のいずれかに記載のセラ
   ミックス複合体。
10. 【請求項１０】 前記第２のセラミックス材料と前記第
    ３のセラミックス材料とが同一組成である請求項１ない
    し９のいずれかに記載のセラミックス複合体。
11. 【請求項１１】 前記混合層と前記強化層とが同心状ま
    たは同心円状に配置されている請求項１ないし１０のい
    ずれかに記載のセラミックス複合体。
12. 【請求項１２】 ハイドロキシアパタイトと前記ハイド
    ロキシアパタイトと異なる第２のセラミックス材料とを
    含む混合層と、 前記ハイドロキシアパタイトと異なる第３のセラミック
    ス材料からなる強化層とを有し、 前記強化層の内部に前記混合層の少なくとも一部または
    全部が位置するセラミックス複合体の製造方法であっ
    て、 前記複合体を放電プラズマ焼結法により焼結し形成する
    ことを特徴とするセラミックス複合体の製造方法。
13. 【請求項１３】 前記焼結は焼結温度１１００〜１３０
    ０℃で行なう請求項１２に記載のセラミックス複合体の
    製造方法。
14. 【請求項１４】 前記ハイドロキシアパタイトを予め７
    ００〜１３００℃で仮焼結する請求項１２または１３に
    記載のセラミックス複合体の製造方法。
15. 【請求項１５】 前記焼結は前記混合層および前記強化
    層の少なくとも１部を断熱材を介して加熱することによ
    り行われる請求項１２ないし１４のいずれかに記載のセ
    ラミックス複合体の製造方法。
16. 【請求項１６】 前記焼結後加圧状態を解除して放冷す
    る請求項１２ないし１５のいずれかに記載のセラミック
    ス複合体の製造方法。
17. 【請求項１７】 前記複合体は前記混合層と前記強化層
    とが同心状または同心円状に配置されてなる請求項１２
    ないし１６のいずれかに記載のセラミックス複合体の製
    造方法。