JP2000327314A - ハイドロキシアパタイト複合体の製造方法、その複合体及び生体適合性材料 - Google Patents

ハイドロキシアパタイト複合体の製造方法、その複合体及び生体適合性材料

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JP2000327314A
JP2000327314A JP11130344A JP13034499A JP2000327314A JP 2000327314 A JP2000327314 A JP 2000327314A JP 11130344 A JP11130344 A JP 11130344A JP 13034499 A JP13034499 A JP 13034499A JP 2000327314 A JP2000327314 A JP 2000327314A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】高分子材料等の基体に、骨の構成成分の組成及
び結晶構造に近似し、優れた生体親和性が期待できるハ
イドロキシアパタイトを、極めて速い生成速度で効率良
く、かつ強固に付着させることができるハイドロキシア
パタイト複合体の製造方法、該方法により得られる複合
体及び生体適合性材料を提供すること 【解決手段】コロナ放電処理やグラフト処理等により少
なくとも表面が親水化された基体を、カルシウム溶液と
リン酸溶液とに交互に浸漬させて、基体の少なくとも表
面にハイドロキシアパタイトを生成・固定させる工程を
含むハイドロキシアパタイト複合体の製造方法、ハイド
ロキシアパタイト複合体及び生体適合性材料。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、骨の構成成分に近
似し、人工骨等の各種生体組織、並びに医療用材料等に
利用可能なハイドロキシアパタイト複合体の製造方法、
該製造方法により得られたハイドロキシアパタイト複合
体及び生体適合性材料に関する。
【0002】
【従来の技術】生体骨、歯等は、無機物質であるハイド
ロキシアパタイト(以下、HApと略す場合がある)とタ
ンパク質であるコラーゲンが分子レベルで複合化しさら
に3次元的に配列したマトリクスである。そして、骨や
歯が損傷した場合の修復には、生体適合性を有するセラ
ミックス材料等が使用できることが知られている。例え
ば、主に歯周充填材として使用される、商品名"Bioglas
s"(Nippon Electric Glass Co. Ltd., Otsu. Siga.Japa
n 製、成分;Na2O-CaO-SiO2-P25)、主に骨
充填材として使用される、HApの焼結体(Ca10(PO
4)6(OH)2)、人工すい体及び腸骨スペーサー等として
使用される、アパタイトとウォラストナイト(CaO-
SiO2)とを含む結晶化ガラス(商品名 "Cerabone A-
W"、NipponElectric Glass Co. Ltd., Otsu. Siga. Jap
an 製)等が知られている。これらのセラミックス材料
は、骨の代替に使用するために、例えば、金属等の強度
の高い材料表面に形成する試みがなされている。また、
柔軟性、耐久性に富み、骨以外の人工生体組織等への応
用を期待して、加工が容易な各種有機高分子材料の表面
上にHAp層を形成する方法、いわゆる生体模倣反応と
呼ばれる方法が開発されている。この生体模倣反応は、
ヒト体液に等しいイオン濃度を有する水溶液(疑似体液)
に、CaOとSiO2とを主成分とするガラス粒子を浸
し、次いで、有機高分子材料を浸漬し、有機高分子材料
の表面に多数のアパタイト核を生成させた後、この有機
高分子材料のみを疑似体液の1.5倍のイオン濃度を有
する水溶液に浸漬させて反応させる方法である。この生
体模倣反応によれば、アパタイト核が有機高分子材料上
で自然に成長し、緻密で均質な骨類似のHAp層が任意
の厚さだけ形成されることが報告されている(J. Biome
d.Mater.Res. vol.29, p349-357(1995))。しかし、この
生体模倣反応は、HApの生成速度が遅く、2週間以上
の長期間反応させても、有機高分子材料上に、人工骨に
使用し得る程度のHApを生成させることができないの
が実状である。
【0003】また、ハイドロキシアパタイトの新しい合
成法として、カルシウム溶液に材料を浸漬した後、続け
てリン酸溶液に浸漬し、この過程を1サイクルとし、こ
れを繰り返してHAp層を順次形成させる交互浸漬法が
提案されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記交互浸漬
法を用いて、ポリエチレン、ナイロン、シリコーン等の
汎用高分子材料上にHAp層を形成した場合、得られる
HAp層は、一部にHAp結晶を含むものの、大部分が
無定型HApであった。骨類似の構造形成のためには、
高分子鎖への無機イオンの吸着、核となるHAp初
期結晶の形成、層状HApの形成とさらなる高分子
の分子レベルでの複合化の各段階が必要であると考えら
れる。上記交互浸漬法では、汎用高分子材料上での段
階までは比較的容易に達成できるが、これを超えること
は困難である。
【0005】従って、本発明の目的は、高分子材料等の
基体に、骨の構成成分の組成及び結晶構造に近似し、優
れた生体親和性が期待できるハイドロキシアパタイト
を、極めて速い生成速度で効率良く、かつ強固に付着さ
せることができるハイドロキシアパタイト複合体の製造
方法、該方法により得られる複合体及び生体適合性材料
を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、カルシ
ウムイオンを含み、且つ実質的にリン酸イオンを含まな
いカルシウム溶液と、リン酸イオンを含み、且つ実質的
にカルシウムイオンを含まないリン酸溶液とに、少なく
とも表面が親水化された基体を交互に浸漬させて、基体
の少なくとも表面にハイドロキシアパタイトを生成・固
定させる工程を含むハイドロキシアパタイト複合体の製
造方法が提供される。また本発明によれば、上記製造方
法により得られたことを特徴とするハイドロキシアパタ
イト複合体が提供される。更に本発明によれば、上記複
合体から実質的になる生体適合性材料が提供される。
【0007】
【発明の実施の形態】以下本発明を更に詳細に説明す
る。本発明のHAp複合体の製造方法では、特定のカル
シウム溶液と、特定のリン酸溶液とに、少なくとも表面
が親水化された基体を交互に浸漬させて、基体の少なく
とも表面にHApを生成・固定させる工程を必須の工程
として行う。
【0008】前記カルシウム溶液は、カルシウムイオン
を含み、且つ実質的にリン酸イオンを含まない水溶液で
ある。リン酸イオンが存在する場合は、HApの生成速
度が低下する恐れがあるので、カルシウム溶液は、通
常、カルシウムイオンを含み、且つリン酸イオンを全く
含まない水溶液である。カルシウム溶液としては、例え
ば、塩化カルシウム水溶液、酢酸カルシウム水溶液、塩
化カルシウムのトリス緩衝溶液、酢酸カルシウムのトリ
ス緩衝溶液又はこれらの混合物等が挙げられる。カルシ
ウム溶液において、カルシウムイオン濃度は、HApの
生成速度及び生成効率を考慮した場合、好ましくは0.
01〜10モル/リットル、特に好ましくは0.1〜1
モル/リットルである。カルシウム溶液のpHは特に限
定されないが、トリス緩衝溶液を用いる場合には、好ま
しくはpH6〜10、特に好ましくはpH7.4であ
る。
【0009】前記リン酸溶液は、リン酸イオンを含み、
且つ実質的にカルシウムイオンを含まない水溶液であ
る。カルシウムイオンが存在する場合は、HApの生成
速度が低下する恐れがあるので、リン酸溶液は、通常、
リン酸イオンを含み、且つカルシウムイオンを全く含ま
ない水溶液である。リン酸溶液としては、リン酸水素ナ
トリウム水溶液、リン酸二水素ナトリウムアンモニウム
水溶液、リン酸水素ナトリウムのトリス緩衝溶液、リン
酸二水素ナトリウムアンモニウムのトリス緩衝溶液又は
これらの混合物等が挙げられる。リン酸溶液において、
リン酸イオン濃度は、HApの生成速度及び生成効率を
考慮した場合、好ましくは0.01〜10モル/リット
ル、特に好ましくは0.1〜1モル/リットルである。
リン酸溶液のpHは特に限定されないが、トリス緩衝溶
液を用いる場合には、好ましくはpH6〜10、特に好
ましくはpH7.4である。
【0010】前記カルシウム溶液及びリン酸溶液の組合
わせは特に限定されず、例えば、塩化カルシウム水溶液
とリン酸水素ナトリウム水溶液の組合わせ、酢酸カルシ
ウム水溶液とリン酸二水素ナトリウムアンモニウム水溶
液との組合せ等が挙げられる。前記カルシウム溶液及び
リン酸溶液には、本発明の所望の目的が損なわれない範
囲において他のイオンが存在していても良いが、2.5
mM以上のマグネシウムイオン(Mg2+)が存在する場
合には、リン酸三カルシウム(TCP)が形成される恐
れがあるので好ましくない。
【0011】本発明の製造方法に用いる基体は、少なく
とも表面が親水化された基体であって、高分子材料の表
面に、カルボニル基、エステル、カルボキシル基、水酸
基等の親水性基を所望量有する基体である。少なくとも
表面が親水化されたとは、表面の一部若しくは全部が親
水化されている他、内部が親水化された状態を含む意で
ある。このような表面が親水化された基体としては、例
えば、ポリウレタン、ポリエチレン、ポリプロピレン、
ポリ乳酸、ポリグリコール酸、ポリエステル、ナイロ
ン、ポリカーボネート、テフロン(登録商標)、シリコ
ーン系エラストマー、ポリビニルアルコール、ポリエチ
レングリコール、ポリ−γ−グルタミン酸、コラーゲ
ン、グルコシルエチルメタクリレート(GEMA)、部分
硫酸化GEMAや、ムコ多糖(ヒアルロン酸等)、セルロ
ース、キチン、キトサン、プルラン等の多糖類、フィブ
ロネクチン等の合成又は天然の高分子材料表面を、コロ
ナ放電処理、プラズマ放電処理、酸処理又は塩基処理に
より基体表面を親水化した基体;高分子材料表面に、親
水性の重合性化合物をグラフト重合させた基体、若しく
は基体表面に親水性重合体及び/又は親水性オリゴマー
をグラフトさせた基体;あるいは上記高分子材料表面
を、コロナ放電処理、プラズマ放電処理、酸処理又は塩
基処理により親水化した基体表面に、更に上記グラフト
処理を施した基体等が挙げられる。前記親水性の重合性
化合物、親水性重合体及び親水性オリゴマーとしては、
カルボキシル基等の親水性基を有するものであれば特に
限定されず、例えば、(メタ)アクリル酸、ポリ(メタ)ア
クリル酸、(メタ)アクリル酸のアルキルエステル、(メ
タ)アクリル酸のアルキドアミド、ウレタン結合を有す
る(メタ)アクリル酸、ウレア結合を有する(メタ)アクリ
ル酸等の構成単位を含むオリゴマー等が挙げられる。グ
ラフト化は通常のグラフト方法により行なうことがで
き、グラフト量は特に限定されないが、緻密な層状のH
Apが生成するように、一定量以上のグラフト量とする
ことが好ましく、特に、グラフト量が23〜43μg/
cm2、特に30μg/cm2前後が適当である。前記コ
ロナ放電処理、プラズマ放電処理、酸処理又は塩基処理
は、公知の方法で行なうことができ、基体表面が親水化
する条件であれば特に限定されない。前記基体の分子量
は特に限定されず、また形態も特に限定されず、板状、
フィルム状、膜状、筒状、メッシュ状、繊維状等が挙げ
られる。
【0012】本発明の製造方法において、カルシウム溶
液とリン酸溶液とに前記基体を浸漬させる方法として
は、(1)カルシウム溶液に前記基体を浸漬させた後に、
リン酸溶液に基体を浸漬させる操作を1サイクルとして
1回以上行う方法、(2)リン酸溶液に前記基体を浸漬さ
せた後に、カルシウム溶液に基体を浸漬させる操作を1
サイクルとして1回以上行う方法等が挙げられる。この
際、前記各操作を繰り返して行うことにより、HApの
生成量を増大させることができる。前記操作の繰り返し
回数は、通常1〜200回、好ましくは5〜100回で
ある。前記操作を繰り返す場合、前記(1)の方法におい
て、必ずしも最終が、リン酸溶液に基体を浸漬させるこ
とにより終了させる必要はなく、カルシウム溶液に基体
を浸漬させて終了させても良い。同様に、前記(2)の方
法において、必ずしも最終が、カルシウム溶液に基体を
浸漬させることにより終了させる必要はなく、リン酸溶
液に基体を浸漬させて終了させても良い。この際、カル
シウム溶液とリン酸溶液とに基体を交互に浸漬させるに
あたり、各浸漬前に、基体表面に残存するカルシウムイ
オン又はリン酸イオン等を水等により洗浄して除去した
後に、次の溶液に浸漬させることが好ましい。
【0013】前記カルシウム溶液に前記基体を浸漬させ
る浸漬時間は、HApの生成速度及び生成効率を考慮し
て適宜選択できる。通常、トータルの浸漬時間は、10
分間〜7日間、好ましくは30分間〜3日間、特に好ま
しくは1時間〜24時間である。一方、前記リン酸溶液
に前記基体を浸漬させる浸漬時間もHApの生成速度及
び生成効率を考慮して適宜選択できる。通常、トータル
の浸漬時間は、10分間〜7日間、好ましくは30分間
〜3日間、特に好ましくは1時間〜24時間である。カ
ルシウム溶液及びリン酸溶液に基体を浸漬させる操作を
繰り返す場合の各1回あたりの浸漬時間は、前記好まし
いトータルの浸漬時間を考慮して適宜選択することがで
きる。前記各溶液に基体を浸漬させる際の各溶液の液温
は、HApの生成速度及び生成効率を考慮して適宜選択
することができ、通常、0〜90℃、好ましくは4〜8
0℃である。
【0014】上述の製造方法により、本発明のHAp複
合体を得ることができる。この複合体が有するHAp
は、結晶HApを含み、その結晶形態が、フレーク状、
板状等の種々の形態のアパタイトを形成できる。特に、
従来は得られなかった、緻密な層状の一定の結晶面が保
持された新規な構造のハイドロキシアパタイトまで得る
ことが可能である。また、この複合体におけるHAp層
は、基材に強固に付着しており、高分子鎖とHApが分
子レベルで複合化していると考えられる。本発明の複合
体において、HAp層の厚さは、基体の種類や形状、若
しくは複合体を用いる用途等によって適宜選択すること
ができる。例えば、複合体におけるHAp層の厚さは、
0.0001〜5mm程度が適当である。複合体の形状
は、基体の形状を適宜選択することにより、また複合体
を所望形状に加工することによって様々な形状とするこ
とができる。従って、本発明の複合体は、基体の種類や
形態を適宜選択し、また、複合体を所望形状に加工する
ことにより、人工骨をはじめとする様々な生体適合性材
料とすることができる。本発明の複合体には、用途に応
じて公知の焼結工程、表面処理工程等を行うことができ
る。
【0015】
【発明の効果】本発明のHApの製造方法では、基体と
して少なくとも表面が親水化された基体を用い、かつ交
互浸漬法によりHApを生成・固定させるので、基体と
生成したHApが強固に付着し、しかもHApが結晶性
を示すので、骨に近似した組成及び構造を備える複合体
を速やかに、また容易に得ることができる。この方法に
より得られる複合体は、人工骨をはじめとする各種生体
適合性材料として有用である。
【0016】
【実施例】以下本発明を実施例及び比較例により更に詳
細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものでは
ない。実施例1 5×6cmのポリエチレン(以下、PEと略す)フィルム
(昭和電工社製)に、15kVで2分間コロナ放電処理を
行なって、表面が親水化されたPEフィルム基体を調製
した。次いで、得られた基体を、200mMCaCl2
/Tris−HCl(pH7.4,液温37℃)溶液10m
lに1分間浸漬し、続いて、基体表面を純水で洗浄後、
アセトンに浸漬、風乾した(このカルシウム溶液への浸
漬処理を"浸漬()"という)。次に、120mMNa2HP
4溶液(液温37℃)10mlに1分間浸漬し、続い
て、基体表面を純水で洗浄後、アセトンに浸漬、風乾し
た(このリン酸溶液への浸漬処理を"浸漬()"という)。こ
れら浸漬()及び浸漬()の交互浸漬操作を1サイクルとし
て、50サイクル行って、HAp複合体を調製した。電
子顕微鏡(SEM)写真及びX線回折(理学電機社製、X
線回折装置ガイガーフレックス2013)により生成したH
Ap層を観察した結果、得られた層は、26度及び32
度に特徴的なピークを有するHAp層であり、また、H
Ap層は、フレーク状の結晶HApにより主に形成され
ていることがわかった。
【0017】実施例2、3及び比較例1 10vol%のアクリル酸(以下、AAcと略す)(和光純薬
製特級を減圧蒸留して得られたもの)水溶液中に、実施
例1で調製した、表面が親水化されたPEフィルム基体
を浸漬し、60℃でラジカル重合させることにより、グ
ラフト量23μg/cm2(実施例2)及びグラフト量4
3μg/cm2(実施例3)のポリAAcグラフトPEフ
ィルム基体を調製した。また、実施例1で使用したもの
と同様な、表面親水化する前のPEフィルム基体(比較
例1)を用意した。次いで、各基体を、200mMCa
Cl2/Tris−HCl(pH7.4,液温37℃)溶液
10mlに1分間浸漬し、続いて、基体表面を純水で洗
浄後、アセトンに浸漬、風乾した(このカルシウム溶液
への浸漬処理を"浸漬()"という)。次に、120mMN
2HPO4溶液(液温37℃)10mlに1分間浸漬
し、続いて、基体表面を純水で洗浄後、アセトンに浸
漬、風乾した(このリン酸溶液への浸漬処理を"浸漬()"
という)。これら浸漬()及び浸漬()の交互浸漬操作を1
サイクルとして、50サイクル行って、それぞれHAp
複合体を調製した。電子顕微鏡(SEM)写真及びX線回
折(理学電機社製、X線回折装置ガイガーフレックス201
3)により生成したHAp層を観察した結果、得られた層
はいずれも、26度及び32度に特徴的なピークを有す
るHAp層であった。また、得られたHAp層は、実施
例2及び3の場合は層状のHAp結晶であり基体に強固
に付着していた。特に、実施例3のものはHAp結晶が
従来には見られない緻密なものであった。一方、比較例
1のものは、無定型HAp及びフレーク状のHAp結晶
を有するものであり、基体への付着強さが弱いものであ
った。これらの結果を示すSEM写真の写しを図1〜3
に示す。
【図面の簡単な説明】
【図1】比較例1で調製したHAp複合体のHAp層の
SEM写真を示す図である。
【図2】実施例2で調製したHAp複合体のHAp層の
SEM写真を示す図である。
【図3】実施例3で調製したHAp複合体のHAp層の
SEM写真を示す図である。
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成12年1月6日(2000.1.6)
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0016
【補正方法】変更
【補正内容】
【0016】
【実施例】以下本発明を実施例及び比較例により更に詳
細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものでは
ない。実施例1 5×6cmのポリエチレン(以下、PEと略す)フィルム
(昭和電工社製)に、15kVで2分間コロナ放電処理を
行なって、表面が親水化されたPEフィルム基体を調製
した。次いで、得られた基体を、200mM CaCl2
/Tris−HCl(pH7.4,液温37℃)溶液10m
lに1分間浸漬し、続いて、基体表面を純水で洗浄後、
アセトンに浸漬、風乾した(このカルシウム溶液への浸
漬処理を"浸漬(i)"という)。次に、120mM Na2
PO4溶液(液温37℃)10mlに1分間浸漬し、続
いて、基体表面を純水で洗浄後、アセトンに浸漬、風乾
した(このリン酸溶液への浸漬処理を"浸漬(ii)"とい
う)。これら浸漬(i)及び浸漬(ii)の交互浸漬操作を1サ
イクルとして、50サイクル行って、HAp複合体を調
製した。電子顕微鏡(SEM)写真及びX線回折(理学電
機社製、X線回折装置ガイガーフレックス2013)により
生成したHAp層を観察した結果、得られた層は、26
度及び32度に特徴的なピークを有するHAp層であ
り、また、HAp層は、フレーク状の結晶HApにより
主に形成されていることがわかった。
【手続補正2】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0017
【補正方法】変更
【補正内容】
【0017】実施例2、3及び比較例1 10vol%のアクリル酸(以下、AAcと略す)(和光純薬
製特級を減圧蒸留して得られたもの)水溶液中に、実施
例1で調製した、表面が親水化されたPEフィルム基体
を浸漬し、60℃でラジカル重合させることにより、グ
ラフト量23μg/cm2(実施例2)及びグラフト量4
3μg/cm2(実施例3)のポリAAcグラフトPEフ
ィルム基体を調製した。また、実施例1で使用したもの
と同様な、表面親水化する前のPEフィルム基体(比較
例1)を用意した。次いで、各基体を、200mM Ca
Cl2/Tris−HCl(pH7.4,液温37℃)溶液
10mlに1分間浸漬し、続いて、基体表面を純水で洗
浄後、アセトンに浸漬、風乾した(このカルシウム溶液
への浸漬処理を"浸漬(i)"という)。次に、120mM
Na2HPO4溶液(液温37℃)10mlに1分間浸漬
し、続いて、基体表面を純水で洗浄後、アセトンに浸
漬、風乾した(このリン酸溶液への浸漬処理を"浸漬(i
i)"という)。これら浸漬(i)及び浸漬(ii)の交互浸漬操
作を1サイクルとして、50サイクル行って、それぞれ
HAp複合体を調製した。電子顕微鏡(SEM)写真及び
X線回折(理学電機社製、X線回折装置ガイガーフレッ
クス2013)により生成したHAp層を観察した結果、得
られた層はいずれも、26度及び32度に特徴的なピー
クを有するHAp層であった。また、得られたHAp層
は、実施例2及び3の場合は層状のHAp結晶であり基
体に強固に付着していた。特に、実施例3のものはHA
p結晶が従来には見られない緻密なものであった。一
方、比較例1のものは、無定型HAp及びフレーク状の
HAp結晶を有するものであり、基体への付着強さが弱
いものであった。これらの結果を示すSEM写真の写し
を図1〜3に示す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 岸田 晶夫 鹿児島県鹿児島市皇徳寺台3−8−2 (72)発明者 林 昭男 千葉県柏市根戸421−3 Fターム(参考) 4C081 AB03 BB01 BC01 CA021 CA051 CA081 CA082 CA102 CA131 CA161 CA171 CA181 CA201 CA211 CA231 CA241 CA271 CC03 CC06 CD011 CD021 CD051 CD081 CD091 CD121 CD171 CF032 DA01 DA02 DA04 DA06 DC03 DC04 DC05 EA05 EA15

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 カルシウムイオンを含み、且つ実質的に
    リン酸イオンを含まないカルシウム溶液と、リン酸イオ
    ンを含み、且つ実質的にカルシウムイオンを含まないリ
    ン酸溶液とに、少なくとも表面が親水化された基体を交
    互に浸漬させて、基体の少なくとも表面にハイドロキシ
    アパタイトを生成・固定させる工程を含むハイドロキシ
    アパタイト複合体の製造方法。
  2. 【請求項2】 少なくとも表面が親水化された基体が、
    高分子材料の表面に、コロナ放電処理、プラズマ放電処
    理、酸処理又は塩基処理により基体表面を親水化した基
    体であることを特徴とする請求項1記載の製造方法。
  3. 【請求項3】 少なくとも表面が親水化された基体が、
    基体表面に親水性の重合性化合物をグラフト重合させた
    基体、若しくは基体表面に親水性重合体及び/又は親水
    性オリゴマーをグラフトさせた基体であることを特徴と
    する請求項1又は2記載の製造方法。
  4. 【請求項4】 親水性の重合性化合物、親水性重合体及
    び親水性オリゴマーが、カルボキシル基を有することを
    特徴とする請求項3記載の製造方法。
  5. 【請求項5】 少なくとも表面が親水化された基体が、
    高分子材料の表面に(メタ)アクリル酸をグラフト重合さ
    せた基体であることを特徴とする請求項1記載の製造方
    法。
  6. 【請求項6】 請求項1〜5のいずれか1項記載の製造
    方法により得られたことを特徴とするハイドロキシアパ
    タイト複合体。
  7. 【請求項7】 請求項6記載の複合体から実質的になる
    生体適合性材料。
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