JP2001019569A - Porous calcium phosphate-based compound/metal composite sintered compact and its production - Google Patents

Porous calcium phosphate-based compound/metal composite sintered compact and its production

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JP2001019569A
JP2001019569A JP11187332A JP18733299A JP2001019569A JP 2001019569 A JP2001019569 A JP 2001019569A JP 11187332 A JP11187332 A JP 11187332A JP 18733299 A JP18733299 A JP 18733299A JP 2001019569 A JP2001019569 A JP 2001019569A
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calcium phosphate
powder
phosphate compound
sintered body
porous calcium
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Japanese (ja)
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Tsuneo Hiraide
恒男 平出
Yukio Kubota
幸雄 久保田
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Asahi Kogaku Kogyo Co Ltd
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B38/00Porous mortars, concrete, artificial stone or ceramic ware; Preparation thereof
    • C04B38/009Porous or hollow ceramic granular materials, e.g. microballoons
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2111/00Mortars, concrete or artificial stone or mixtures to prepare them, characterised by specific function, property or use
    • C04B2111/00474Uses not provided for elsewhere in C04B2111/00
    • C04B2111/00836Uses not provided for elsewhere in C04B2111/00 for medical or dental applications

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To produce a composite sintered compact of porous calcium phosphate- based compound grains and a metal having excellent biocompatibility and a high strength without causing the falling off of the porous calcium phosphate- based compound grains from the surface and to provide a method for producing the composite sintered compact. SOLUTION: This composite sintered compact of porous calcium phosphate- based compound grains 13 and a metal in which a part of the porous calcium phosphate-based compound grains 13 are protruded from the surface is produced by prebaking the calcium phosphate-based compound grains 13 at a sintering starting temperature or above, thereby preparing a porous calcium phosphate- based compound powder, preparing a powder to be sintered from the porous calcium phosphate-based compound powder and a metal powder 14 so that the porous calcium phosphate-based compound powder 13 is present in at least a part of the surface layer and a part thereof is protruded from the surface and sintering the powder to be sintered under pressure.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、高い生体適合性を
有する多孔質リン酸カルシウム系化合物粒子が表面から
突出した構造を有する多孔質リン酸カルシウム系化合物
粒子/金属の複合焼結体、及びかかる複合焼結体を短時
間かつ低コストで製造する方法に関する。
The present invention relates to a porous calcium phosphate compound particle / metal composite sintered body having a structure in which porous calcium phosphate compound particles having high biocompatibility protrude from the surface, and such composite sintered body. A method for producing a body in a short time and at low cost.

【0002】[0002]

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】リン酸
カルシウム系化合物(例えばハイドロキシアパタイト
等)は生体適合性に優れ、人工歯根や骨補強材等、歯科
用セメント等の生体材料として利用されている。しかし
ながら、リン酸カルシウム系化合物は機械的強度、特に
曲げ強度に劣るため、高強度を必要とする部位には使用
できない。そのため、人工歯根や骨補強材等はチタンや
ステンレススチール等の人体為害性のない金属材料によ
り形成されている。しかしながら、生体適合性の観点か
らはリン酸カルシウム系化合物の方がはるかに優れてい
るため、リン酸カルシウム系化合物、なかでもハイドロ
キシアパタイトを使用することが望まれている。
2. Description of the Related Art Calcium phosphate compounds (for example, hydroxyapatite) have excellent biocompatibility and are used as biomaterials such as artificial dental roots, bone reinforcing materials, and dental cement. However, calcium phosphate compounds are inferior in mechanical strength, particularly in bending strength, and cannot be used for parts requiring high strength. Therefore, the artificial tooth root, the bone reinforcing material, and the like are formed of a metal material having no harm to humans, such as titanium or stainless steel. However, from the viewpoint of biocompatibility, calcium phosphate compounds are far superior, and it is desired to use calcium phosphate compounds, especially hydroxyapatite.

【0003】以上の事情下で、リン酸カルシウム系化合
物をガラス材料や金属材料と複合化することが試みられ
ており、既に一部では実用化されている。ところがガラ
ス材料との複合化の場合、ガラスが生体内で経時的に溶
出するという問題がある。
Under the circumstances described above, attempts have been made to combine a calcium phosphate compound with a glass material or a metal material, and some of them have already been put into practical use. However, in the case of composite with a glass material, there is a problem that glass elutes in a living body over time.

【0004】またリン酸カルシウム系化合物と金属材料
との複合材に関しては、一般に金属枠内にリン酸カルシ
ウム系化合物粒子を埋設するか、金属粉体とリン酸カル
シウム系化合物粉体との混合物を焼結することにより得
られる。しかしながら前者の場合、生体内でリン酸カル
シウム系化合物のズレが生じる恐れがある。また後者の
場合、リン酸カルシウム系化合物粉体の気孔率が低く粒
子径も小さいため、複合焼結体の表面に露出しているリ
ン酸カルシウム系化合物粒子が脱落しやすいという欠点
がある。また従来の複合材では、表面に露出しているリ
ン酸カルシウム系化合物粒子でもほぼ完全に金属マトリ
ックス中に埋設されているので、リン酸カルシウム系化
合物の生体適合性を十分に活用していないという欠点も
ある。
A composite material of a calcium phosphate compound and a metal material is generally obtained by embedding calcium phosphate compound particles in a metal frame or sintering a mixture of a metal powder and a calcium phosphate compound powder. Can be However, in the former case, there is a possibility that the displacement of the calcium phosphate compound may occur in the living body. In the latter case, the calcium phosphate-based compound powder has a low porosity and a small particle size, and thus has a disadvantage that the calcium phosphate-based compound particles exposed on the surface of the composite sintered body easily fall off. Further, in the conventional composite material, even the calcium phosphate compound particles exposed on the surface are almost completely buried in the metal matrix. Therefore, there is a disadvantage that the biocompatibility of the calcium phosphate compound is not sufficiently utilized.

【0005】従って、本発明の目的は、多孔質リン酸カ
ルシウム系化合物粒子と金属との複合焼結体であって、
表面からリン酸カルシウム系化合物粒子の一部が突出し
ているために従来にない優れた生体適合性を有するとと
もに、リン酸カルシウム系化合物粒子が表面から脱落し
ないようになっている複合焼結体、及びかかる複合焼結
体を短時間かつ低コストで製造する方法を提供すること
である。
Accordingly, an object of the present invention is to provide a composite sintered body of porous calcium phosphate compound particles and a metal,
A composite sintered body having excellent biocompatibility, which has never been seen before because part of the calcium phosphate compound particles protrude from the surface, and preventing the calcium phosphate compound particles from falling off from the surface; It is an object of the present invention to provide a method for manufacturing a compact in a short time and at low cost.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】上記課題に鑑み鋭意研究
の結果、本発明者らは、リン酸カルシウム系化合物粉体
/金属の複合体を加圧焼結する際に、リン酸カルシウム
系化合物粉体として焼結開始温度以上の温度で予備焼成
してなる多孔質リン酸カルシウム系化合物粉体を使用
し、かつ多孔質リン酸カルシウム系化合物粉体の少なく
とも一部が表面から突出するように、多孔質リン酸カル
シウム系化合物粉体の外側に非焼結性粉体層を設けるこ
とにより、多孔質リン酸カルシウム系化合物粒子が脱落
しないように表面から突出した構造を有する複合焼結体
が得られることを発見し、本発明を完成した。
Means for Solving the Problems In view of the above problems, as a result of intensive studies, the present inventors have found that when a calcium phosphate compound powder / metal composite is pressure-sintered, it is sintered as a calcium phosphate compound powder. Using a porous calcium phosphate compound powder pre-fired at a temperature equal to or higher than the setting start temperature, and a porous calcium phosphate compound powder such that at least a portion of the porous calcium phosphate compound powder protrudes from the surface. By providing a non-sinterable powder layer on the outside of the steel, it was discovered that a composite sintered body having a structure protruding from the surface so that the porous calcium phosphate compound particles did not fall off was obtained, and the present invention was completed. .

【0007】すなわち、本発明の多孔質リン酸カルシウ
ム系化合物粒子と金属との複合焼結体は、表面の少なく
とも一部に多孔質リン酸カルシウム系化合物粒子を含有
する表面層を有するとともに、前記多孔質リン酸カルシ
ウム系化合物粒子の一部が表面から突出していることを
特徴とする。
That is, the composite sintered body of the porous calcium phosphate compound particles and the metal of the present invention has a surface layer containing the porous calcium phosphate compound particles on at least a part of the surface thereof, It is characterized in that a part of the compound particles protrude from the surface.

【0008】本発明の複合焼結体の好ましい一例は、多
孔質リン酸カルシウム系化合物粒子及び金属からなる表
面層と、実質的に金属のみからなる内層とからなる。
(多孔質リン酸カルシウム系化合物粒子の露出面積の合
計)/(多孔質リン酸カルシウム系化合物粒子を含有す
る表面層の表面積)の割合(面積率)は5〜70%である
のが好ましい。また表面から突出している多孔質リン酸
カルシウム系化合物粒子のうち、突出部の高さが粒径の
半分以下であるのが好ましい。
A preferred example of the composite sintered body of the present invention comprises a surface layer composed of porous calcium phosphate compound particles and a metal, and an inner layer composed essentially of only a metal.
The ratio (area ratio) of (total exposed area of porous calcium phosphate-based compound particles) / (surface area of surface layer containing porous calcium phosphate-based compound particles) is preferably 5 to 70%. Further, among the porous calcium phosphate-based compound particles protruding from the surface, the height of the protruding portion is preferably not more than half of the particle size.

【0009】複合焼結体に含まれる多孔質リン酸カルシ
ウム系化合物粒子は0.5 〜10mmの平均粒径及び20〜70%
の気孔率を有するのが好ましい。また多孔質リン酸カル
シウム系化合物粒子の細孔は、その中に少なくとも部分
的に金属が進入しており、もって多孔質リン酸カルシウ
ム系化合物粒子が金属相に強固に結合するような大きさ
であるのが好ましい。
The porous calcium phosphate compound particles contained in the composite sintered body have an average particle size of 0.5 to 10 mm and 20 to 70%
It is preferable to have a porosity of The pores of the porous calcium phosphate compound particles are preferably of a size such that the metal has at least partially penetrated therein, so that the porous calcium phosphate compound particles are firmly bonded to the metal phase. .

【0010】本発明の複合焼結体に使用する金属として
は、Ti、Cr、Fe、Co、Cu、Mo、Ag、Au、Pd、Pt、Al及び
Niからなる群から選ばれた金属又はその合金であるのが
好ましい。また表面層における多孔質リン酸カルシウム
系化合物粒子と金属との重量比は1/20〜1/4である
のが好ましい。
The metal used for the composite sintered body of the present invention includes Ti, Cr, Fe, Co, Cu, Mo, Ag, Au, Pd, Pt, Al and
It is preferably a metal selected from the group consisting of Ni or an alloy thereof. The weight ratio of the porous calcium phosphate compound particles to the metal in the surface layer is preferably 1/20 to 1/4.

【0011】また本発明の多孔質リン酸カルシウム系化
合物粒子と金属との複合焼結体を製造する方法は、リン
酸カルシウム系化合物粉体を焼結開始温度以上の温度で
予備焼成することにより多孔質リン酸カルシウム系化合
物粉体を作製し、表面の少なくとも一部に前記多孔質リ
ン酸カルシウム系化合物粉体が存在するように前記多孔
質リン酸カルシウム系化合物粉体及び金属粉体を組合せ
るとともに、前記多孔質リン酸カルシウム系化合物粉体
の外側を前記複合焼結体の焼結温度では焼結しない粉体
からなる柔軟な層により覆い、加圧焼結することを特徴
とする。
The method for producing a composite sintered body of porous calcium phosphate compound particles and a metal according to the present invention is characterized in that the calcium phosphate compound powder is pre-fired at a temperature not lower than the sintering start temperature. A compound powder is prepared, and the porous calcium phosphate compound powder and the metal powder are combined so that the porous calcium phosphate compound powder is present on at least a part of the surface, and the porous calcium phosphate compound powder is mixed. It is characterized in that the outside of the body is covered with a flexible layer made of powder that does not sinter at the sintering temperature of the composite sintered body, and is sintered under pressure.

【0012】本発明の方法では、リン酸カルシウム系化
合物粉体の予備焼成温度を700 〜1300℃とするのが好ま
しい。また加圧焼結法として放電プラズマ焼結法を使用
するのが好ましい。焼結温度を500 〜1300℃とし、焼結
温度に保持する時間を5〜30分とするのが好ましい。
In the method of the present invention, it is preferable that the calcium phosphate-based compound powder has a preliminary firing temperature of 700 to 1300 ° C. It is preferable to use a spark plasma sintering method as the pressure sintering method. Preferably, the sintering temperature is 500 to 1300 ° C., and the time for maintaining the sintering temperature is 5 to 30 minutes.

【0013】また本発明の複合焼結体の焼結温度で焼結
しない粉体は、金属粉体より高い融点を有するセラミッ
クス粉体であるのが好ましく、具体的にはリン酸カルシ
ウム系化合物の予備焼成粉末、カーボン粉末、アルミナ
粉末、ジルコニア粉末、窒化硼素粉末及び窒化珪素粉末
からなる群から選ばれた少なくとも一種であるのが好ま
しい。
The powder that is not sintered at the sintering temperature of the composite sintered body of the present invention is preferably a ceramic powder having a melting point higher than that of a metal powder. It is preferably at least one selected from the group consisting of powder, carbon powder, alumina powder, zirconia powder, boron nitride powder, and silicon nitride powder.

【0014】本発明の複合焼結体の製造に使用する多孔
質リン酸カルシウム系化合物粉体は0.5 〜10mmの平均粒
径及び20〜70%の気孔率を有し、その細孔は、その中に
少なくとも部分的に金属が進入して、多孔質リン酸カル
シウム系化合物粒子を金属相に強固に結合するような大
きさであるのが好ましい。また金属粉体は1〜500 μm
の平均粒径を有するのが好ましい。
The porous calcium phosphate compound powder used for producing the composite sintered body of the present invention has an average particle size of 0.5 to 10 mm and a porosity of 20 to 70%, and its pores are contained therein. It is preferable that the size is such that the metal at least partially enters and the porous calcium phosphate compound particles are firmly bonded to the metal phase. The metal powder is 1-500 μm
It is preferred to have an average particle size of

【0015】[0015]

【発明の実施の形態】多孔質リン酸カルシウム系化合物
粒子と金属からなる本発明の複合焼結体及びその製造方
法について、以下詳細に説明する。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The composite sintered body of the present invention comprising porous calcium phosphate compound particles and a metal and a method for producing the same will be described in detail below.

【0016】[1] 複合焼結体の製造方法 (A) 多孔質リン酸カルシウム系化合物粉体の製造 (1) リン酸カルシウム系化合物発泡成形体の製造 多孔質リン酸カルシウム系化合物粉体を製造するには、
まずリン酸カルシウム系化合物粉体の多孔質顆粒を製造
する。本発明に使用できるリン酸カルシウム系化合物は
Ca/Pのモル比が1.5 〜2.0 であり、具体的には、ハイ
ドロキシアパタイト、フッ素アパタイト等のアパタイト
類、リン酸三カルシウム、リン酸四カルシウム等又はこ
れらのうち2種以上の混合物である。
[1] Method for Producing Composite Sintered Body (A) Production of Porous Calcium Phosphate Compound Powder (1) Production of Expanded Calcium Phosphate Compound Powder To produce a porous calcium phosphate compound powder,
First, porous granules of calcium phosphate compound powder are produced. Calcium phosphate compounds that can be used in the present invention
The molar ratio of Ca / P is 1.5 to 2.0, specifically, apatites such as hydroxyapatite and fluorapatite, tricalcium phosphate, tetracalcium phosphate and the like, or a mixture of two or more thereof.

【0017】顆粒は公知の方法により製造できるが、特
開平3-252304号に記載の方法や、スプレードライ造粒法
等を利用するのが好ましい。特開平3-252304号に記載の
顆粒の製造方法は、リン酸カルシウム系化合物粉体と
高分子物質とを含むスラリー又は流動性ゲルを発泡させ
た後増粘又はゲル化し、得られた発泡成形体を必要に応
じて仮焼し、粉砕する方法、又はリン酸カルシウム系
化合物粉体と高分子物質と発泡剤とを含むスラリー又は
流動性ゲルを増粘又はゲル化させ、加熱により発泡させ
た後、必要に応じて仮焼し、粉砕する方法である。以下
それぞれについて詳細に説明する。
The granules can be produced by a known method, but it is preferable to use a method described in JP-A-3-252304, a spray-dry granulation method, or the like. The method for producing granules described in JP-A-3-252304 is to thicken or gel after foaming a slurry or a flowable gel containing a calcium phosphate compound powder and a polymer substance, and forming the resulting foam molded article. If necessary, calcine and pulverize, or after thickening or gelling a slurry or a fluid gel containing a calcium phosphate compound powder, a polymer substance and a foaming agent, and foaming by heating, It is a method of calcining and pulverizing accordingly. Hereinafter, each will be described in detail.

【0018】の方法 高分子物質の分散液(溶液、コロイド溶液及び懸濁液の
いずれでも良い。)又は流動性ゲルに、平均粒径1〜50
μmのリン酸カルシウム系化合物粉体を混合し、激しく
撹拌することにより空気を抱き込ませ、多数の微細な気
泡を含んだスラリー又は流動性ゲルを得る。発泡スラリ
ー又は流動性ゲル中の気泡の大きさ及び量は撹拌によっ
て制御することができる。スラリー又は流動性ゲルの固
形分濃度は、全体を100 重量%として、リン酸カルシウ
ム系化合物粉体が7〜65重量%であり、高分子物質が0.
1 〜10重量%であるのが好ましい。発泡したスラリー又
は流動性ゲルを型に流し込み、乾燥させる。このように
してほぼ球形の気泡を有する高強度の発泡成形体が得ら
れる。
Method A polymer having a mean particle size of 1 to 50 is added to a dispersion liquid (which may be a solution, a colloid solution or a suspension) or a fluid gel.
A calcium phosphate-based compound powder of μm is mixed and vigorously stirred to embrace air to obtain a slurry or a fluid gel containing many fine bubbles. The size and amount of bubbles in the foamed slurry or fluid gel can be controlled by stirring. The solid content concentration of the slurry or the fluid gel is 7 to 65% by weight of the calcium phosphate compound powder and 100% by weight, assuming that the whole is 100% by weight.
It is preferably from 1 to 10% by weight. The foamed slurry or fluid gel is poured into a mold and dried. Thus, a high-strength foam molded article having substantially spherical cells can be obtained.

【0019】また高分子物質の分散液又は流動性ゲルを
予め撹拌して発泡させた後にリン酸カルシウム系化合物
粉体を混合してもよく、また粉状の高分子物質とリン酸
カルシウム系化合物粉体とを混合した後に分散媒を加え
てスラリーとし、撹拌して発泡させてもよい。
The dispersion or fluid gel of the polymer substance may be stirred and foamed before mixing with the calcium phosphate compound powder, or the powdery polymer substance and the calcium phosphate compound powder may be mixed. After mixing, a dispersion medium may be added to form a slurry, which may be stirred and foamed.

【0020】リン酸カルシウム系化合物粉体の分散媒と
して水を使用するのが普通であるので、高分子物質は水
溶性であるのが好ましいが、有機溶剤を用いる場合に
は、それに溶解するものであってもよい。このような高
分子物質としては、メチルセルロース、カルボキシメチ
ルセルロース等のセルロース誘導体、カードラン等の多
糖類、ポリビニルアルコール、ポリアクリル酸、ポリア
クリルアミド、ポリビニルピロリドン等のポリマー類等
があげられる。
Since water is generally used as a dispersion medium for the calcium phosphate compound powder, the polymer substance is preferably water-soluble, but when an organic solvent is used, it is dissolved in the solvent. You may. Examples of such high molecular substances include cellulose derivatives such as methylcellulose and carboxymethylcellulose, polysaccharides such as curdlan, and polymers such as polyvinyl alcohol, polyacrylic acid, polyacrylamide, and polyvinylpyrrolidone.

【0021】の方法 この方法は空気の抱き込みの代わりに発泡剤を使用する
こと以外、の方法と同じである。従って、この方法に
使用するリン酸カルシウム系化合物粉体及び高分子物質
は上記の通りである。
Method This method is the same as the method, except that a blowing agent is used instead of air entrapment. Therefore, the calcium phosphate compound powder and the polymer used in this method are as described above.

【0022】リン酸カルシウム系化合物粉体、発泡剤及
び高分子物質を分散媒中で混練し、スラリー又は流動性
ゲルとする。発泡剤としては、過酸化水素、卵白アルブ
ミン等を使用する。発泡剤の濃度や添加量を変化させる
ことにより、所望の気孔率を得ることができる。例えば
過酸化水素を単独で用いる場合、過酸化水素が0.01〜0.
5 重量%の量で存在するように加えれば十分である。
The calcium phosphate compound powder, a foaming agent and a polymer substance are kneaded in a dispersion medium to form a slurry or a fluid gel. As the foaming agent, hydrogen peroxide, ovalbumin and the like are used. A desired porosity can be obtained by changing the concentration or the amount of the foaming agent. For example, when using hydrogen peroxide alone, the hydrogen peroxide is 0.01 to 0.
It is sufficient to add it to be present in an amount of 5% by weight.

【0023】この方法で使用する高分子物質の添加量は
の方法より少量でよく、スラリー又は流動性ゲル全体
を100 重量%として、0.0001〜2.0 重量%程度で良い。
例えばメチルセルロースの場合0.001 〜1.5 重量%で良
く、ポリビニルアルコール(分子量2000)の場合0.0001
〜0.3 重量%で良く、ポリアクリル酸の場合0.0001〜0.
001 重量%で良く、ペクチンの場合0.005 〜0.1 重量%
で良い。
The amount of the polymer substance used in this method may be smaller than that in the above method, and may be about 0.0001 to 2.0% by weight based on 100% by weight of the whole slurry or fluid gel.
For example, in the case of methylcellulose, it may be 0.001 to 1.5% by weight, and in the case of polyvinyl alcohol (molecular weight 2000)
~ 0.3% by weight, for polyacrylic acid 0.0001 ~ 0.
001% by weight, pectin 0.005 to 0.1% by weight
Is good.

【0024】得られたスラリー又は流動性ゲルを70〜12
0 ℃に加熱し、発泡とともに乾燥させる。加熱工程の初
期には発泡が起こり、気泡は増粘したスラリーにそのま
ま抱き込まれ、複数の気泡が合わさったり、放出された
りしないようになる。そのため微細な気泡が均一に分散
した発泡成形体が得られる。
The obtained slurry or fluid gel is mixed with 70 to 12
Heat to 0 ° C and dry with foaming. In the early stage of the heating step, foaming occurs, and the bubbles are embraced in the thickened slurry as they are, so that a plurality of bubbles do not combine or be released. Therefore, a foam molded article in which fine bubbles are uniformly dispersed can be obtained.

【0025】(2) 予備焼成 放電プラズマ焼結する際に焼結が実質的に進行しないよ
うにするために、リン酸カルシウム系化合物の発泡成形
体に対して予備焼成を行なう。この目的のために、予備
焼成温度は焼結開始温度以上である必要がある。好まし
い実施例では、予備焼成温度は700 〜1300℃である。予
備焼成温度が700 ℃より低いと、加圧焼結中にリン酸カ
ルシウム系化合物顆粒の焼結が起こり、結晶粒が粗大化
したり、加圧により変形し気孔がつぶれてその多孔性が
失われるので、金属が細孔内へ十分に進入しなくなる。
また1300℃より高いと、リン酸カルシウム系化合物の分
解又は劣化が起こるので好ましくない。好ましい予備焼
成温度は700 〜1200℃である。
(2) Pre-firing In order to prevent sintering from substantially proceeding during discharge plasma sintering, pre-firing is performed on the foamed molded product of the calcium phosphate compound. For this purpose, the pre-firing temperature must be equal to or higher than the sintering start temperature. In a preferred embodiment, the pre-firing temperature is between 700 and 1300 ° C. If the pre-sintering temperature is lower than 700 ° C, sintering of the calcium phosphate compound granules occurs during pressure sintering, and the crystal grains are coarsened, deformed by pressure, the pores are collapsed, and the porosity is lost, The metal does not sufficiently enter the pores.
If the temperature is higher than 1300 ° C., decomposition or deterioration of the calcium phosphate compound occurs, which is not preferable. The preferred pre-firing temperature is 700-1200 ° C.

【0026】また予備焼成時間(上記予備焼成温度に保
持する時間)は、1〜10時間が好ましい。予備焼成時間
が1時間未満であると予備焼成効果が得られず、また10
時間を超えて焼成しても効果に変化がなく、コスト高と
なる。より好ましい予備焼成時間は2〜5時間である。
The pre-firing time (time at which the pre-firing temperature is maintained) is preferably 1 to 10 hours. If the pre-firing time is less than 1 hour, the pre-firing effect cannot be obtained, and
There is no change in the effect even if the firing is performed for a longer time, and the cost increases. A more preferred pre-firing time is 2 to 5 hours.

【0027】予備焼成の雰囲気は特に限定されないが、
リン酸カルシウム系化合物の分解を防止する目的では、
大気中で行なうのが好ましい。
The atmosphere for the preliminary firing is not particularly limited,
In order to prevent the decomposition of calcium phosphate compounds,
It is preferably performed in the atmosphere.

【0028】予備焼成により得られる多孔質リン酸カル
シウム系化合物のブロックを粉砕した後、分級を行って
粒径を0.5 〜10mmに整えるのが好ましい。多孔質リン酸
カルシウム系化合物粉体(顆粒)の粒径が0.5mm より小
さいと多孔質リン酸カルシウム系化合物粒子の表面露出
面積及びリン酸カルシウム系化合物粒子が表面から突出
している割合が不十分であり、また10mmより大きいと複
合焼結体内での多孔質リン酸カルシウム系化合物粒子の
分布が不均一化するとともに、表面から突出した多孔質
リン酸カルシウム系化合物粒子の破砕のおそれが大きく
なるので好ましくない。より好ましい多孔質リン酸カル
シウム系化合物粉体の粒径は1〜5mmである。
It is preferable that the block of the porous calcium phosphate compound obtained by the preliminary firing is pulverized and then classified to adjust the particle size to 0.5 to 10 mm. If the particle size of the porous calcium phosphate compound powder (granules) is smaller than 0.5 mm, the surface exposed area of the porous calcium phosphate compound particles and the proportion of the calcium phosphate compound particles protruding from the surface are insufficient, and the ratio is less than 10 mm. If it is too large, the distribution of the porous calcium phosphate compound particles in the composite sintered body becomes uneven, and the possibility of crushing of the porous calcium phosphate compound particles protruding from the surface increases, which is not preferable. The more preferred particle size of the porous calcium phosphate compound powder is 1 to 5 mm.

【0029】骨との結合性等を考慮して、本発明のリン
酸カルシウム系化合物粉体は多孔質構造となっており、
多孔質リン酸カルシウム系化合物粉体の気孔率は20〜70
%であるのが好ましい。気孔率が20%より小さいと多孔
質リン酸カルシウム系化合物粒子の細孔内に金属が十分
に進入せず、密着性が劣る。また気孔率が70%を超える
と、多孔質リン酸カルシウム系化合物粉体自体の機械的
強度が不十分となるため好ましくない。また細孔は大小
様々であるが、少なくとも加圧焼結により金属が進入す
るような大きさの細孔があることが必要であり、20〜20
00μmの径を有するのが好ましい。このような構造を有
する多孔質リン酸カルシウム系化合物粒子は、その細孔
内に金属が進入することにより金属相に強固に密着する
ので、表面から一部が突出していても脱落することがな
い。
The calcium phosphate compound powder of the present invention has a porous structure in consideration of the bonding property with bone and the like.
Porosity of porous calcium phosphate compound powder is 20 ~ 70
%. If the porosity is less than 20%, the metal does not sufficiently enter the pores of the porous calcium phosphate compound particles, resulting in poor adhesion. On the other hand, when the porosity exceeds 70%, the mechanical strength of the porous calcium phosphate compound powder itself becomes insufficient, which is not preferable. Although the pores vary in size, it is necessary to have pores large enough to allow metal to enter by at least pressure sintering.
It preferably has a diameter of 00 μm. The porous calcium phosphate-based compound particles having such a structure are firmly adhered to the metal phase by the metal entering the pores, and therefore do not fall off even if a part of the particles protrudes from the surface.

【0030】(B) 被焼結粉の製造 加圧焼結すべき多孔質リン酸カルシウム系化合物粉体及
び金属粉体からなる被焼結粉は均一な混合物でも良い
が、良好な生体適合性と機械的強度を同時に得るため
に、表面の少なくとも一部に多孔質リン酸カルシウム系
化合物粉体を含有する表面層を設け、かつ表面から多孔
質リン酸カルシウム系化合物粉体の一部を突出させ、そ
の他の部分を金属粉体のみにより形成するのが好まし
い。
(B) Production of Powder to be Sintered The powder to be sintered consisting of a porous calcium phosphate compound powder and a metal powder to be sintered under pressure may be a homogeneous mixture, but has good biocompatibility and mechanical properties. In order to simultaneously obtain the mechanical strength, a surface layer containing a porous calcium phosphate compound powder is provided on at least a part of the surface, and a part of the porous calcium phosphate compound powder is protruded from the surface, and other parts are formed. It is preferable to form only with metal powder.

【0031】金属粉体としては、Ti、Cr、Fe、Co、Cu、
Mo、Ag、Au、Pd、Pt、Al及びNiからなる群から選ばれた
金属又はその合金であるのが好ましく、特にTi、Fe、Pd
又はその合金がより好ましい。合金としてはステンレス
スチールが好ましい。また金属粉体は1〜500 μmの平
均粒径を有するのが好ましい。金属粉体の平均粒径が50
0 μm超であると、多孔質リン酸カルシウム系化合物粉
体との混合物の相対密度が低すぎ、多孔質リン酸カルシ
ウム系化合物粉体の細孔内への進入が不十分である。金
属粉体の平均粒径の下限は特に限定されないが、1μm
未満にするとコスト高となり、また充填性も悪くなるた
めそれに伴う効果の向上が得られない。
As the metal powder, Ti, Cr, Fe, Co, Cu,
Mo, Ag, Au, Pd, Pt, preferably a metal selected from the group consisting of Al and Ni or an alloy thereof, particularly Ti, Fe, Pd
Or an alloy thereof is more preferable. Stainless steel is preferred as the alloy. The metal powder preferably has an average particle size of 1 to 500 μm. The average particle size of the metal powder is 50
If it exceeds 0 μm, the relative density of the mixture with the porous calcium phosphate compound powder is too low, and the porous calcium phosphate compound powder does not sufficiently enter the pores. Although the lower limit of the average particle size of the metal powder is not particularly limited,
If it is less than the above, the cost is increased and the filling property is also deteriorated, so that the effect cannot be improved.

【0032】例えば両側に多孔質リン酸カルシウム系化
合物粉体を含有する表面層を有するサンドイッチ構造の
被焼結粉を形成するには、まず成形型のキャビティー内
に多孔質リン酸カルシウム系化合物粉体を入れ、次に金
属粉体を入れ、最後に多孔質リン酸カルシウム系化合物
粉体を入れれば良い。金属粉体は多孔質リン酸カルシウ
ム系化合物粉体より微細であるので、多孔質リン酸カル
シウム系化合物粉体の粒間に金属粉体が進入し、〔多孔
質リン酸カルシウム系化合物粉体+金属粉体の混合層
(表面層)〕/金属粉体層(内層)/〔多孔質リン酸カ
ルシウム系化合物粉体+金属粉体の混合層(表面層)〕
となる。
For example, in order to form a powder having a sandwich structure having a surface layer containing a porous calcium phosphate compound powder on both sides, first, the porous calcium phosphate compound powder is placed in a cavity of a mold. Then, a metal powder may be added, and finally, a porous calcium phosphate compound powder may be added. Since the metal powder is finer than the porous calcium phosphate-based compound powder, the metal powder enters between the particles of the porous calcium phosphate-based compound powder, and the mixed layer of the porous calcium phosphate-based compound powder and the metal powder (Surface layer)] / metal powder layer (inner layer) / [mixed layer of porous calcium phosphate compound powder + metal powder (surface layer)]
Becomes

【0033】(C) 非焼結性粉体層 表面から多孔質リン酸カルシウム系化合物粉体の一部を
突出させるために、多孔質リン酸カルシウム系化合物粉
体の外側に、複合焼結体の焼結温度では焼結しない粉体
(非焼結性粉体)からなる柔軟な層を設ける。このため
には例えば、非焼結性粉体層/〔多孔質リン酸カルシウ
ム系化合物粉体+金属粉体の混合層(表面層)〕/金属
粉体層(内層)/〔多孔質リン酸カルシウム系化合物粉
体+金属粉体の混合層(表面層)〕/非焼結性粉体層の
ように、被焼結粉を構成すれば良い。
(C) In order to protrude a part of the porous calcium phosphate compound powder from the surface of the non-sinterable powder layer, the sintering temperature of the composite sintered body is set outside the porous calcium phosphate compound powder. Then, a flexible layer made of a powder not sintered (non-sinterable powder) is provided. For this purpose, for example, non-sinterable powder layer / [mixed layer of porous calcium phosphate compound powder + metal powder (surface layer)] / metal powder layer (inner layer) / [porous calcium phosphate compound powder Mixed layer (surface layer) of powder + metal powder] / non-sinterable powder layer.

【0034】非焼結性粉体としては、複合焼結体の焼結
温度では焼結しないセラミックス粉体が好ましく、具体
的にはハイドロキシアパタイト等のリン酸カルシウム系
化合物の緻密な予備焼成粉末、カーボン粉末、アルミナ
粉末、ジルコニア粉末、窒化硼素粉末、窒化珪素粉末等
が使用できる。非焼結性粉体は複合焼結体の完成後に除
去するが、生体への影響を考慮してハイドロキシアパタ
イト等のリン酸カルシウム系化合物の緻密な予備焼成粉
末を使用するのが好ましい。なおハイドロキシアパタイ
ト等のリン酸カルシウム系化合物の緻密な予備焼成粉末
の予備焼成温度としては、多孔質リン酸カルシウム系化
合物粉体の予備焼成温度と同じで良い。
As the non-sinterable powder, a ceramic powder that does not sinter at the sintering temperature of the composite sintered body is preferable. Specifically, a dense pre-fired powder of a calcium phosphate compound such as hydroxyapatite, or a carbon powder , Alumina powder, zirconia powder, boron nitride powder, silicon nitride powder and the like. Although the non-sinterable powder is removed after the completion of the composite sintered body, it is preferable to use a dense pre-fired powder of a calcium phosphate compound such as hydroxyapatite in consideration of the effect on the living body. The precalcination temperature of the dense precalcined powder of the calcium phosphate compound such as hydroxyapatite may be the same as the precalcination temperature of the porous calcium phosphate compound powder.

【0035】非焼結性粉体は、焼結により金属粉体と密
着しないように、多孔質でないほうが好ましい。またそ
の粒径は、1〜100 μmであるのが好ましく、10〜80μ
m程度がより好ましい。非焼結性粉体の粒径が1μmよ
り小さくなると。製造、特に分級が困難となりコストが
高くなる。100 μmより大きくなると、非焼結性粉体層
内に多孔質リン酸カルシウム系化合物粉体が進入しにく
くなるため所望の多孔質リン酸カルシウム系化合物粒子
の突出率が得られなくなり、さらに非焼結粉体層内に溶
融した金属が進入するおそれがある。また非焼結性粉体
は密に充填し得るとともに、加圧力が均等に被焼結粉3
に伝えられるように、球状粒子であることが好ましい。
The non-sinterable powder is preferably not porous so as not to adhere to the metal powder by sintering. The particle size is preferably 1 to 100 μm, and 10 to 80 μm.
m is more preferable. When the particle size of the non-sinterable powder is smaller than 1 μm. Manufacturing, especially classification, becomes difficult and costs increase. If it exceeds 100 μm, it becomes difficult for the porous calcium phosphate compound powder to penetrate into the non-sinterable powder layer, so that the desired projection rate of the porous calcium phosphate compound particles cannot be obtained. Molten metal may enter the layer. In addition, the non-sinterable powder can be densely packed and the pressing force is evenly distributed.
Preferably, the particles are spherical particles.

【0036】(D) 加圧焼結 本発明では複合焼結体を製造するのに放電プラズマ焼結
法を利用するのが好ましい。放電プラズマ焼結とは、電
源に接続した一対の型の間に被焼結粉を充填し、加圧し
ながら電流を流す方法である。型内に充填された被焼結
粉は接触するとともに、被焼結粉の粒子間に多くの空隙
を有するが、リン酸カルシウム系化合物は半導電性であ
り、金属粉体は導電性であるので、型の両端に電圧が印
加されると、被焼結粉を伝って電流が流れる。この際被
焼結粉の粒子間の空隙でスパークが起こり、真空中では
放電プラズマが発生する。そのため、多孔質リン酸カル
シウム系化合物粉体及び金属粉体からなる被焼結粉は急
速に焼結される。このように放電プラズマ焼結法は粒子
間の放電現象による自己発熱を利用して複合焼結体を製
造するものであり、熱効率に優れ、高品位の焼結体を製
造することができる。
(D) Pressure Sintering In the present invention, it is preferable to use a spark plasma sintering method for producing a composite sintered body. Spark plasma sintering is a method in which a powder to be sintered is filled between a pair of dies connected to a power supply, and a current is applied while pressurizing. Since the powder to be sintered filled in the mold is in contact with the powder and has many voids between the particles of the powder to be sintered, the calcium phosphate compound is semiconductive, and the metal powder is conductive. When a voltage is applied to both ends of the mold, a current flows through the powder to be sintered. At this time, sparks occur in the gaps between the particles of the powder to be sintered, and discharge plasma is generated in a vacuum. Therefore, the powder to be sintered comprising the porous calcium phosphate compound powder and the metal powder is rapidly sintered. As described above, the spark plasma sintering method produces a composite sintered body by utilizing self-heating caused by a discharge phenomenon between particles, and is capable of producing a high-quality sintered body having excellent thermal efficiency.

【0037】放電プラズマ焼結を行なう装置及びそれを
用いた放電プラズマ焼結法の例を図1及び図2を参照し
て説明する。図1に示す放電プラズマ焼結装置1は、真
空ポンプ7が設けられた真空チャンバー6と、その中に
配置された成形型2と、成形型2内を上下して成形型2
内に充填された非焼結性粉体12a/被焼結粉3/非焼結
性粉体12bを加圧するパンチ4a、4bと、各パンチ4a、4b
を駆動するラム5a、5bとを有する。成形型2内には、焼
結温度を測定するための熱電対(図示せず)が設けられ
ている。
An apparatus for performing spark plasma sintering and an example of a spark plasma sintering method using the same will be described with reference to FIGS. A discharge plasma sintering apparatus 1 shown in FIG. 1 includes a vacuum chamber 6 provided with a vacuum pump 7, a mold 2 disposed therein, and a mold 2 which is moved up and down in the mold 2.
Punches 4a and 4b for pressing the non-sinterable powder 12a / sintered powder 3 / non-sinterable powder 12b filled therein, and the punches 4a and 4b
And rams 5a and 5b for driving. A thermocouple (not shown) for measuring a sintering temperature is provided in the molding die 2.

【0038】各ラム5a、5bは、加圧駆動機構9により駆
動されて、両側の非焼結性粉体層12a,12bを介して被
焼結粉3を加圧するとともに、給電端子(図示せず)を
介して電源8と接続されており、パンチ4a、4bにパルス
電圧を印加する。パルス電圧は直流であるのが好まし
い。制御部10は加圧駆動機構9、電源8、真空ポンプ7
及び熱電対に接続されており、成形型2内の焼結圧力及
び焼結温度、真空チャンバー6内の真空度等を制御す
る。
The rams 5a and 5b are driven by a pressure drive mechanism 9 to pressurize the powder 3 to be sintered through the non-sinterable powder layers 12a and 12b on both sides and to feed power terminals (not shown). ) Is connected to the power supply 8 to apply a pulse voltage to the punches 4a and 4b. The pulse voltage is preferably DC. The control unit 10 includes a pressure driving mechanism 9, a power supply 8, a vacuum pump 7,
And a thermocouple for controlling the sintering pressure and temperature in the mold 2, the degree of vacuum in the vacuum chamber 6, and the like.

【0039】図2は、放電プラズマ焼結装置1に装填さ
れる成形型2及びパンチ4a、4b等の詳細を示す拡大図で
ある。成形型2は環状の一体構造を有し、断面が円筒
状、小判状、矩形等のキャビティー2aを有する。導電性
の観点から、成形型2はカーボン、各種の金属、超硬合
金等の導電性材料により形成するのが好ましく、なかで
も低コストの理由でカーボンが好ましい。
FIG. 2 is an enlarged view showing details of the mold 2 and the punches 4a and 4b to be loaded in the spark plasma sintering apparatus 1. The molding die 2 has a ring-shaped integral structure, and has a cavity 2a having a cylindrical, oval, rectangular or other cross section. From the viewpoint of conductivity, the mold 2 is preferably formed of a conductive material such as carbon, various metals, and a cemented carbide, and among them, carbon is preferable because of low cost.

【0040】成形型2の内周面には導電性を有するカー
ボンペーパー11を設けるのが好ましい。カーボンペーパ
ー11は焼結体が成形型2の内壁面に固着するのを防ぐク
ッション材として働くとともに、被焼結粉3に電圧を印
加する際に抵抗が生じるのを防ぐ。なお焼結後に焼結体
の表面にカーボンが付着することがあるが、大気中で加
熱すれば容易に除去できるため、焼結体へのカーボンの
影響はない。
It is preferable to provide conductive carbon paper 11 on the inner peripheral surface of the mold 2. The carbon paper 11 serves as a cushioning material for preventing the sintered body from sticking to the inner wall surface of the molding die 2 and also prevents a resistance from being generated when a voltage is applied to the powder 3 to be sintered. Note that carbon may adhere to the surface of the sintered body after sintering, but can be easily removed by heating in the air, so that there is no influence of carbon on the sintered body.

【0041】各パンチ4a、4bは成形型2のキャビティー
2a内を上下動するように、キャビティー2aと同じで僅か
に小さい断面形状を有する。各パンチ4a、4bはラム5a、
5bに固定されており、被焼結粉3にパルス電圧を印加す
る作用を有するので、成形型2と同様にカーボン等の導
電性材料により形成するのが好ましい。また各パンチ4
a、4bの外周面にもカーボンペーパー11を設けるのが好
ましい。
Each punch 4a, 4b is a cavity of the mold 2.
It has the same slightly smaller cross-sectional shape as the cavity 2a so as to move up and down in the interior 2a. Each punch 4a, 4b is a ram 5a,
Since it is fixed to 5b and has a function of applying a pulse voltage to the powder 3 to be sintered, it is preferably formed of a conductive material such as carbon similarly to the molding die 2. Also each punch 4
It is preferable to provide carbon paper 11 also on the outer peripheral surfaces of a and 4b.

【0042】図3に示す例では、まず各部を分解した状
態で成形型2の内面をカーボンペーパー11で覆い、成形
型2内に下パンチ4bを挿入した後で、キャビティー2a内
に非焼結性粉体層12b を設け、次いで多孔質リン酸カル
シウム系化合物粉体13、金属粉体14及び多孔質リン酸カ
ルシウム系化合物粉体13を順次充填してサンドイッチ構
造の被焼結粉3の層とし、その上にさらに非焼結性粉体
層12aを設ける。
In the example shown in FIG. 3, first, the inner surface of the molding die 2 is covered with carbon paper 11 in a state where each part is disassembled, and the lower punch 4b is inserted into the molding die 2, and then the non-sintering is formed in the cavity 2a. A binding powder layer 12b is provided, and then a porous calcium phosphate compound powder 13, a metal powder 14, and a porous calcium phosphate compound powder 13 are sequentially filled to form a layer of the powder 3 to be sintered having a sandwich structure. A non-sinterable powder layer 12a is further provided thereon.

【0043】このように被焼結粉3の両面に多孔質リン
酸カルシウム系化合物粉体13を含有させると、多孔質リ
ン酸カルシウム系化合物粉体13の粒径は金属粉体14の粒
径より非常に大きいので、金属粉体14は多孔質リン酸カ
ルシウム系化合物粉体13の間に進入し、多孔質リン酸カ
ルシウム系化合物粉体13+金属粉体14からなる表面層が
できる。また多孔質リン酸カルシウム系化合物粉体13の
粒径、気孔率及び細孔径と、金属粉体14の粒径を調整す
ることにより、複合焼結体表面に露出する多孔質リン酸
カルシウム系化合物粒子13' が5〜70面積%となるよう
にすることができる。
As described above, when the porous calcium phosphate compound powder 13 is contained on both surfaces of the powder 3 to be sintered, the particle size of the porous calcium phosphate compound powder 13 is much larger than the particle size of the metal powder 14. Therefore, the metal powder 14 enters between the porous calcium phosphate compound powders 13 to form a surface layer composed of the porous calcium phosphate compound powder 13 and the metal powder 14. Further, by adjusting the particle size, porosity and pore size of the porous calcium phosphate compound powder 13 and the particle size of the metal powder 14, the porous calcium phosphate compound particles 13 ′ exposed on the surface of the composite sintered body can be formed. It can be 5 to 70 area%.

【0044】非焼結性粉体層12a 、12b は相対密度及び
強度が高く、圧粉体を形成しない粉体からなり柔軟性を
有するので、被焼結粉3の表面に存在する多孔質リン酸
カルシウム系化合物粉体13の一部はその中に進入する。
非焼結性粉体層12a 、12b は緻密質で気孔が少なく、ま
た予備焼成を施しているので、予備焼成温度内において
は焼結しない。そのため、多孔質リン酸カルシウム系化
合物粉体13及び金属粉体とも強く結合しないので、非焼
結性粉体は加圧焼結後に得られた複合焼結体から容易に
除去することができる。このようにして、非焼結性粉体
層12a 、12b 内に進入した多孔質リン酸カルシウム系化
合物粉体13の部分が表面から突出した構造の複合焼結体
が得られる。
Since the non-sinterable powder layers 12a and 12b have a high relative density and strength, and are made of a powder that does not form a green compact and have flexibility, the porous calcium phosphate existing on the surface of the powder 3 to be sintered can be used. Part of the system compound powder 13 enters into it.
Since the non-sinterable powder layers 12a and 12b are dense and have few pores and are preliminarily fired, they do not sinter at a prefiring temperature. Therefore, the non-sinterable powder can be easily removed from the composite sintered body obtained after the pressure sintering because it does not strongly bind to the porous calcium phosphate compound powder 13 and the metal powder. In this manner, a composite sintered body having a structure in which the portion of the porous calcium phosphate compound powder 13 that has entered the non-sinterable powder layers 12a and 12b protrudes from the surface is obtained.

【0045】充填後真空チャンバー6を密閉し、真空ポ
ンプ7により脱気し、10-2Torr程度の真空度に保つ。成
形型2内を真空状態に保つことにより、パルス電圧の印
加により放電プラズマが発生するようになる。
After filling, the vacuum chamber 6 is sealed, degassed by the vacuum pump 7, and maintained at a vacuum of about 10 -2 Torr. By keeping the inside of the mold 2 in a vacuum state, discharge plasma is generated by application of a pulse voltage.

【0046】制御部10により加圧駆動機構9が作動し、
ラム5a、5bの少なくとも一方が互いに接近する方向に移
動し、これらに固定されたパンチ4a、4bは被焼結粉3を
加圧する。パンチ4a、4bによる加圧力は100 〜2000kgf/
cm2 が好ましく、200 〜700kgf/cm2 がより好ましい。
加圧力が100 kgf/cm2 より小さいと焼結体の緻密化が困
難であり、また2000kgf/cm2 より大きくしてもそれに見
合う緻密化効果の向上が得られず、成形型2の強度不足
の問題等が生じるだけである。
The pressure drive mechanism 9 is operated by the control unit 10,
At least one of the rams 5a, 5b moves in a direction approaching each other, and the punches 4a, 4b fixed thereto pressurize the powder 3 to be sintered. Pressing force by punches 4a and 4b is 100-2000kgf /
cm 2 is preferable, and 200 to 700 kgf / cm 2 is more preferable.
Pressure is difficult to 100 kgf / cm 2 less than the densification of the sintered body, also 2,000 kgf / cm be larger than 2 improve densification effect corresponding thereto is not obtained, insufficient strength of the mold 2 Only the problem described above occurs.

【0047】電源8より両パンチ4a、4b間にパルス電圧
を印加すると、両パンチ4a、4b間の被焼結粉3に電流が
流れるとともに、多孔質リン酸カルシウム系化合物粉体
13及び金属粉体14の空隙にスパークが生じ、発熱すると
ともに、放電プラズマが発生する。これらの作用により
多孔質リン酸カルシウム系化合物粉体13及び金属粉体14
は加圧下で加熱され、5〜20分程度で焼結温度に達す
る。
When a pulse voltage is applied between the punches 4a and 4b from the power supply 8, a current flows through the powder 3 to be sintered between the punches 4a and 4b, and the porous calcium phosphate compound powder
Sparks are generated in the gaps between the metal powder 13 and the metal powder 14 to generate heat and generate discharge plasma. By these actions, the porous calcium phosphate compound powder 13 and the metal powder 14
Is heated under pressure and reaches the sintering temperature in about 5 to 20 minutes.

【0048】被焼結粉3の加熱は、予め設定した昇温プ
ログラムに従って行なう。そのために、成形型2に設け
られた熱電対(図示せず)により被焼結粉3の温度を検
出し、熱電対の出力を制御部10に入力する。制御部10で
は入力した温度データに基づき昇温プログラム通りに昇
温させるための信号を作成し、それを電源8に出力す
る。電源8は制御部10からの命令に従って適当なパルス
電圧をラム5a、5bに供給する。
The powder to be sintered 3 is heated according to a preset temperature raising program. For this purpose, the temperature of the powder 3 to be sintered is detected by a thermocouple (not shown) provided in the molding die 2, and the output of the thermocouple is input to the control unit 10. The control unit 10 generates a signal for raising the temperature according to the temperature raising program based on the input temperature data, and outputs the signal to the power supply 8. The power supply 8 supplies an appropriate pulse voltage to the rams 5a and 5b in accordance with a command from the control unit 10.

【0049】好ましいパルス電圧は直流電圧のオン/オ
フパターンからなり、1回のオン状態の持続時間t1
オフ状態の持続時間t0 との比(t1 /t0 )は、1/
1〜12/1であり、例えば6/1である。t1 /t0
1/1より小さいと発熱が不十分で焼結時間が長くな
り、また12/1より大きいとパルス性が低下し、エネル
ギー効率が低下する。なおパルス電圧は数ボルトの精度
まで調節可能であり、パルス周波数は300 Hz〜30kHz ま
で調節可能である。パルスの電圧及び周波数は、被焼結
粉3が所定の温度となるように制御部10により調節す
る。
A preferable pulse voltage has an ON / OFF pattern of a DC voltage, and the ratio (t 1 / t 0 ) of the duration t 1 of one ON state to the duration t 0 of one OFF state is 1 /.
1 to 12/1, for example, 6/1. When t 1 / t 0 is smaller than 1/1, heat generation is insufficient and the sintering time is prolonged. When t 1 / t 0 is larger than 12/1, the pulse property is reduced and the energy efficiency is reduced. The pulse voltage can be adjusted to a precision of several volts, and the pulse frequency can be adjusted from 300 Hz to 30 kHz. The voltage and frequency of the pulse are adjusted by the control unit 10 so that the powder 3 to be sintered has a predetermined temperature.

【0050】焼結温度は500 〜1300℃であるのが好まし
く、800 〜1200℃がより好ましい。焼結温度が500 ℃よ
り低いと十分な焼結が起こらず、また得られる複合焼結
体の強度や靭性が不十分である。一方焼結温度が1300℃
より高いとリン酸カルシウム系化合物が分解してしま
う。
The sintering temperature is preferably from 500 to 1300 ° C., more preferably from 800 to 1200 ° C. If the sintering temperature is lower than 500 ° C., sufficient sintering does not occur, and the strength and toughness of the obtained composite sintered body are insufficient. On the other hand, sintering temperature is 1300 ℃
If it is higher, the calcium phosphate compound will be decomposed.

【0051】焼結時間(焼結温度に保持する時間)は、
放電プラズマ焼結法の場合には短くてすみ、一般には5
〜30分程度で十分である。焼結時間が5分より短いと十
分な焼結が行なわれず、また30分より長くしても焼結が
さらに進むことはない。
The sintering time (time for maintaining the sintering temperature) is as follows:
In the case of the spark plasma sintering method, the length is short, and generally 5
About 30 minutes is enough. If the sintering time is shorter than 5 minutes, sufficient sintering will not be performed, and if the sintering time is longer than 30 minutes, sintering will not proceed further.

【0052】焼結終了後、加圧状態を保持したまま500
℃以下まで放冷し、型開きして非焼結性粉体とともに複
合焼結体を取出す。このようにして表面に多孔質リン酸
カルシウム系化合物粒子13' が突出したリン酸カルシウ
ム系化合物と金属の複合焼結体40が得られる。なお焼結
体表面に付着した非焼結性粉体は刷毛やブラスト等で容
易に除去できる。また緻密質のハイドロキシアパタイト
等のリン酸カルシウム系化合物の予備焼成粉末を使用す
れば、一部表面に残留しても問題ない。
After the completion of sintering, 500
The mixture is allowed to cool to below ℃, the mold is opened, and the composite sintered body is taken out together with the non-sinterable powder. In this way, a composite sintered body 40 of the calcium phosphate compound and the metal having the porous calcium phosphate compound particles 13 ′ protruding on the surface is obtained. The non-sinterable powder attached to the surface of the sintered body can be easily removed with a brush or blast. In addition, if a precalcined powder of a calcium phosphate-based compound such as dense hydroxyapatite is used, there is no problem even if the powder remains partially on the surface.

【0053】[2] 複合焼結体 本発明の複合焼結体40は、金属粉体14からなる金属マト
リックス14' 内に多孔質リン酸カルシウム系化合物粒子
13' 固定されているとともに、その表面から多孔質リン
酸カルシウム系化合物粒子13' が突出している構造を有
する。そのため、生体適合性が極めて高く、容易に生体
になじむことができる。また加圧焼結により金属マトリ
ックス14' は多孔質リン酸カルシウム系化合物粒子13'
の孔内に入り込んでいる。そのため高い密着性が得ら
れ、リン酸カルシウム系化合物粒子13' の脱落が起こる
ことがない。
[2] Composite Sintered Body The composite sintered body 40 of the present invention comprises porous calcium phosphate-based compound particles in a metal matrix 14 ′ comprising a metal powder 14.
13 'is fixed and has a structure in which porous calcium phosphate compound particles 13' protrude from the surface. Therefore, biocompatibility is extremely high, and it can be easily adapted to a living body. In addition, the metal matrix 14 'is transformed into porous calcium phosphate compound particles 13' by pressure sintering.
In the hole. Therefore, high adhesion is obtained, and the calcium phosphate compound particles 13 'do not fall off.

【0054】本発明では予備焼成した多孔質リン酸カル
シウム系化合物粉体を使用しているので、複合焼結体の
表面から突出する多孔質リン酸カルシウム系化合物粒子
は、使用した多孔質リン酸カルシウム系化合物粉体から
実質的に変化しておらず、ほぼ同じ平均粒径、気孔率及
び細孔を有する。すなわち、複合焼結体の表面から突出
する多孔質リン酸カルシウム系化合物粒子は0.5 〜10mm
の平均粒径及び20〜70%の気孔率を有し、またその細孔
は、その中に少なくとも部分的に金属が進入しており、
もって多孔質リン酸カルシウム系化合物粒子が金属相に
強固に結合するような大きさであるのが好ましく、20〜
2000μmの径を有するのが好ましい。
In the present invention, the precalcined porous calcium phosphate compound powder is used, so that the porous calcium phosphate compound particles protruding from the surface of the composite sintered body are formed from the used porous calcium phosphate compound powder. It is substantially unchanged and has about the same average particle size, porosity and pores. That is, the porous calcium phosphate compound particles protruding from the surface of the composite sintered body are 0.5 to 10 mm.
Having an average particle size and a porosity of 20-70%, and the pores are at least partially metal-introduced therein,
Preferably, the size is such that the porous calcium phosphate compound particles are firmly bonded to the metal phase.
It preferably has a diameter of 2000 μm.

【0055】本発明の複合焼結体の好ましい2つの態様
を図4の(a) ,(b) に示す。図4(a) の態様の複合焼結
体40は、多孔質リン酸カルシウム系化合物粒子13' +金
属マトリックス14' の混合物からなり表面から一部突出
している多孔質リン酸カルシウム系化合物粒子13' を有
する表面層40a , 40a と、それらの内側の金属マトリッ
クス14' のみからなる内層40b からなるサンドイッチ構
造を有する。また図4(b) は、全体が多孔質リン酸カル
シウム系化合物粒子13' と金属マトリックス14' の混合
物からなる複合焼結体を示す。
Two preferred embodiments of the composite sintered body of the present invention are shown in FIGS. 4 (a) and 4 (b). The composite sintered body 40 of the embodiment shown in FIG. 4 (a) has a surface composed of a mixture of porous calcium phosphate compound particles 13 '+ metal matrix 14' and having porous calcium phosphate compound particles 13 'partially projecting from the surface. It has a sandwich structure consisting of layers 40a, 40a and an inner layer 40b consisting only of a metal matrix 14 'inside them. FIG. 4 (b) shows a composite sintered body entirely composed of a mixture of porous calcium phosphate compound particles 13 'and a metal matrix 14'.

【0056】図4(a) の態様では、表面層40a ,40a に
おける(多孔質リン酸カルシウム系化合物粒子13' の露
出面積の合計)/(多孔質リン酸カルシウム系化合物粒
子13' を含有する表面層の表面積)の割合(面積率)は
5〜70%であるのが好ましい。面積率が5%未満である
と、十分な生体適合性が得られず、また70%を超えると
多孔質リン酸カルシウム系化合物粒子の固定が不十分に
なる。より好ましい面積率は20〜50%である。
In the embodiment shown in FIG. 4A, the total surface area of the porous calcium phosphate compound particles 13 '/ (the surface area of the surface layer containing the porous calcium phosphate compound particles 13' in the surface layers 40a, 40a). ) Is preferably 5 to 70%. If the area ratio is less than 5%, sufficient biocompatibility cannot be obtained, and if it exceeds 70%, the fixation of the porous calcium phosphate compound particles becomes insufficient. A more preferred area ratio is 20 to 50%.

【0057】上記面積率は、以下のようにして算出す
る。すなわち、サンプルの上下面を複写し、その複写し
たもののうち全体の面積が、多孔質リン酸カルシウム系
化合物粒子13' を含有する表面層の表面積となり、さら
にこれを白い部分(多孔質リン酸カルシウム系化合物粒
子)と黒い部分(金属)を切り分け、白い部分の面積の
合計から多孔質リン酸カルシウム系化合物粒子13' の露
出面積の合計を導き出す。そしてこの露出面積の合計と
表面積から面積率を算出する。
The area ratio is calculated as follows. That is, the upper and lower surfaces of the sample are copied, and the entire area of the copied copy is the surface area of the surface layer containing the porous calcium phosphate compound particles 13 ′, and this is further divided into white portions (porous calcium phosphate compound particles). And the black portion (metal) are cut out, and the total exposed area of the porous calcium phosphate compound particles 13 'is derived from the total area of the white portions. Then, the area ratio is calculated from the total of the exposed areas and the surface area.

【0058】多孔質リン酸カルシウム系化合物粒子13'
が表面から突出する平均高さは、その粒子13' の平均粒
径の1/2以下であるのが好ましい。また平均高さ/平
均粒径の割合(突出率)は5%以上であるのが好まし
い。突出率が50%より大きいと、多孔質リン酸カルシ
ウム系化合物粒子13' の脱落の恐れがある。また5%よ
り小さいと多孔質リン酸カルシウム系化合物粒子13' を
突出させる効果が十分に得られず、十分な生体適合性が
得られないため好ましくない。
Porous calcium phosphate compound particles 13 '
The average height of the particles protruding from the surface is preferably not more than 1/2 of the average particle size of the particles 13 '. Further, the ratio (projection ratio) of average height / average particle size is preferably 5% or more. If the protrusion ratio is larger than 50%, the porous calcium phosphate compound particles 13 'may fall off. On the other hand, if it is less than 5%, the effect of projecting the porous calcium phosphate compound particles 13 'cannot be sufficiently obtained, and sufficient biocompatibility cannot be obtained.

【0059】このような面積率及び突出率を得るために
は、表面層40a における多孔質リン酸カルシウム系化合
物粒子と金属との重量比は1/20〜1/4であるのが好
ましく、1/10〜1/5 であるのがより好ましい。なお
表面に多孔質リン酸カルシウム系化合物粒子13' が突出
している限り、表面層40a の厚さは限定されず、多孔質
リン酸カルシウム系化合物粒子13' が単層を形成して
も、複層を形成していても良い。実用上の観点から、表
面層40a の厚さは1〜5mm程度で良い。
To obtain such an area ratio and a protrusion ratio, the weight ratio of the porous calcium phosphate compound particles to the metal in the surface layer 40a is preferably 1/20 to 1/4, and 1/10 It is more preferably 〜1 /. The thickness of the surface layer 40a is not limited as long as the porous calcium phosphate-based compound particles 13 'protrude from the surface, and even if the porous calcium phosphate-based compound particles 13' form a single layer, they form a multiple layer. May be. From a practical viewpoint, the thickness of the surface layer 40a may be about 1 to 5 mm.

【0060】金属マトリックス14' のみからなる内層40
b の厚さは、十分な機械的強度、特に曲げ強度を得るこ
とができるものであれば特に限定されず、1〜10mm程度
で良い。
The inner layer 40 consisting only of the metal matrix 14 '
The thickness of b is not particularly limited as long as it can obtain sufficient mechanical strength, particularly bending strength, and may be about 1 to 10 mm.

【0061】図5は多孔質リン酸カルシウム系化合物粒
子13' が露出した複合焼結体40の表面を概略的に示す。
なお図5に示す多孔質リン酸カルシウム系化合物粒子1
3' の形状は、理解を容易にするために誇張してある。
各多孔質リン酸カルシウム系化合物粒子13' は微細な細
孔を多数有し、比較的大きな細孔内には金属マトリック
ス14' が進入している。この構造により、多孔質リン酸
カルシウム系化合物粒子13' は金属マトリックス14' に
強固に結合し、表面から脱落することがない。
FIG. 5 schematically shows the surface of the composite sintered body 40 in which the porous calcium phosphate compound particles 13 'are exposed.
The porous calcium phosphate compound particles 1 shown in FIG.
The 3 'shape is exaggerated for ease of understanding.
Each porous calcium phosphate-based compound particle 13 'has a large number of fine pores, and a metal matrix 14' enters into relatively large pores. With this structure, the porous calcium phosphate compound particles 13 'are firmly bonded to the metal matrix 14' and do not fall off the surface.

【0062】[0062]

【実施例】本発明を以下の実施例によりさらに詳細に説
明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
The present invention will be described in more detail with reference to the following Examples, but it should not be construed that the invention is limited thereto.

【0063】実施例1 1重量%のメチルセルロースを含有する水溶液500 g
に、平均粒径10μmのハイドロキシアパタイト粉体250
gを加え、十分に混練した。得られた発泡スラリーを深
さ20cmの型枠内に流し込み成形し、乾燥後大気炉で1200
℃で4時間予備焼成した。得られた予備焼成体を破砕及
び分級することにより、2.0 〜3.0 mmの平均粒径を有す
る多孔質ハイドロキシアパタイト粉体(顆粒)を得た。
多孔質ハイドロキシアパタイト粉体は40%の気孔率を有
し、また金属が流入するのに十分な大きさの細孔を有し
ていた。
Example 1 500 g of an aqueous solution containing 1% by weight of methylcellulose
In addition, hydroxyapatite powder 250 with an average particle size of 10 μm
g and kneaded well. The obtained foamed slurry is poured into a mold having a depth of 20 cm, molded, dried, and dried in an air furnace at 1200 m.
Pre-baked at 4 ° C. for 4 hours. By crushing and classifying the obtained pre-fired body, a porous hydroxyapatite powder (granules) having an average particle size of 2.0 to 3.0 mm was obtained.
The porous hydroxyapatite powder had a porosity of 40% and had pores large enough for metal to flow.

【0064】図1及び図2に示す放電プラズマ焼結装置
1(住友石炭鉱業(株)製SPS-510L)のカーボン製成形
型2とカーボン製下パンチ4bにより形成されたキャビテ
ィー2a(内面を厚さ200 μmのカーボンペーパー11によ
り覆ってある。)内に、非焼結性セラミックス粉体12b
として1200℃で予備焼成した緻密質のハイドロキシアパ
タイト粉末( 平均粒径:40μm) 1.0 gを充填した。そ
の上に0.2 gの上記多孔質ハイドロキシアパタイト粉
体、2.50gのステンレススチールSUS316L 粉体(平均粒
径:25μm)及び0.20gの上記多孔質ハイドロキシアパ
タイト粉体を順次充填し、最後に非焼結性セラミックス
粉体12a として上記予備焼成した緻密質のハイドロキシ
アパタイト粉末1.0 gを充填した。
A cavity 2a (with an inner surface formed by a carbon mold 2 and a carbon lower punch 4b) of a spark plasma sintering apparatus 1 (SPS-510L manufactured by Sumitomo Coal Mining Co., Ltd.) shown in FIGS. Non-sinterable ceramic powder 12b is covered with carbon paper 11 having a thickness of 200 μm.
1.0 g of a dense hydroxyapatite powder (average particle size: 40 μm) prefired at 1200 ° C. Then, 0.2 g of the above-mentioned porous hydroxyapatite powder, 2.50 g of stainless steel SUS316L powder (average particle size: 25 μm) and 0.20 g of the above-mentioned porous hydroxyapatite powder were sequentially filled, and finally non-sintered. 1.0 g of a dense hydroxyapatite powder preliminarily baked as described above was filled as the conductive ceramic powder 12a.

【0065】真空チャンバー6内を減圧して10-2Torrの
真空度とし、カーボン製上パンチ4aを降下させて、200k
gf/cm2の加圧を行った。電源8より、両パンチ4a、4b
間にパルス電圧を印加した。パルス電圧は4Vで、t1
/t0 =12/2(それぞれ33.3msec. /5.55msec. )で
あった。これにより被焼結粉3を900 ℃に加熱し、10分
間保持して焼結させた。焼結後、加圧状態を保ったまま
500 ℃以下まで放冷し、焼結体を取出した。得られた複
合焼結体の形状は断面小判状であり、長さ2.5cm 、高さ
0.52cm、幅0.5cm 、及び両端の円弧の半径0.25cmであっ
た。また多孔質ハイドロキシアパタイト粒子の面積率は
41%で、最高1.1mm の突出があった。
The pressure inside the vacuum chamber 6 is reduced to a degree of vacuum of 10 -2 Torr, and the upper punch 4a made of carbon is lowered to 200 kPa.
Pressurization of gf / cm 2 was performed. From power supply 8, both punches 4a, 4b
A pulse voltage was applied in between. The pulse voltage is 4 V and t 1
/ T 0 = 12/2 (33.3 msec./5.55 msec., Respectively). Thus, the powder to be sintered 3 was heated to 900 ° C. and held for 10 minutes for sintering. After sintering, keep the pressurized state
It was allowed to cool to 500 ° C. or lower and a sintered body was taken out. The shape of the obtained composite sintered body is oval in cross section, length 2.5 cm, height
The diameter was 0.52 cm, the width was 0.5 cm, and the radius of the arc at both ends was 0.25 cm. The area ratio of the porous hydroxyapatite particles is
At 41%, there was a protrusion of up to 1.1 mm.

【0066】上記複合焼結体について曲げ強度を測定し
たところ、4100kgf /cm2 であった。曲げ強度はスパン
1.7cm の3点曲げ試験より下記の式から算出した(以
下、実施例2、3及び比較例についても同様)。 強度(kgf /cm2 )=(3×P×L)/(2×a×
2 ) P・・・破壊荷重(kgf ) L・・・スパン(cm) a・・・供試体(焼結体)の高さ(cm) b・・・供試体(焼結体)の幅(cm)
The flexural strength of the composite sintered body was measured and found to be 4100 kgf / cm 2 . Flexural strength is span
It was calculated from the following equation from a 1.7 cm 3 point bending test (the same applies to Examples 2, 3 and Comparative Examples). Strength (kgf / cm 2 ) = (3 × P × L) / (2 × a ×
b 2 ) P: Breaking load (kgf) L: Span (cm) a: Height of specimen (sintered body) b: Width of specimen (sintered body) (cm)

【0067】また複合焼結体中の多孔質ハイドロキシア
パタイト粒子の剥離強度を測定するために、有柄針で表
面の多孔質ハイドロキシアパタイト粒子をはじき脱落す
るか試みた。また超音波洗浄機(270 W)で30分間の水
洗処理も行って脱落するかも試みた。その結果、いずれ
の場合も多孔質ハイドロキシアパタイトの剥離や脱落は
認められず、多孔質ハイドロキシアパタイト粒子の金属
相への密着性は非常に良好であることが分かった。
Further, in order to measure the peel strength of the porous hydroxyapatite particles in the composite sintered body, an attempt was made to repel and detach the porous hydroxyapatite particles on the surface with a patterned needle. In addition, it was tried to perform a water washing treatment for 30 minutes with an ultrasonic washing machine (270 W) to remove the water. As a result, no peeling or falling off of the porous hydroxyapatite was observed in any case, and it was found that the adhesion of the porous hydroxyapatite particles to the metal phase was very good.

【0068】実施例2 実施例1と同様にして得られた発泡スラリーを深さ20cm
の型枠内に流し込み成形し、乾燥後大気炉で1200℃で4
時間予備焼成した。予備焼成体を破砕及び分級すること
により、2.0 〜3.0 mmの平均粒径を有する多孔質ハイド
ロキシアパタイト粉体(顆粒)を得た。多孔質ハイドロ
キシアパタイト粉体は40%の気孔率を有し、また金属が
流入するのに十分な大きさの細孔を有していた。
Example 2 A foamed slurry obtained in the same manner as in Example 1 was
Poured into a mold, dried and dried in an air furnace at 1200 ° C.
Pre-baked for hours. By crushing and classifying the prefired body, a porous hydroxyapatite powder (granules) having an average particle size of 2.0 to 3.0 mm was obtained. The porous hydroxyapatite powder had a porosity of 40% and had pores large enough for metal to flow.

【0069】実施例1と同様に図1及び図2に示す放電
プラズマ焼結装置1のカーボン製成形型2とカーボン製
下パンチ4bにより形成されたキャビティー2a内に、非焼
結性セラミックス粉体12b として1200℃で予備焼成した
緻密質のハイドロキシアパタイト粉末( 平均粒径:40μ
m) 1.0 gを充填した。その上に0.25gの上記多孔質ハ
イドロキシアパタイト粉体、2.50gのステンレススチー
ルSUS316L 粉体(平均粒径:150 μm)及び0.25gの上
記多孔質ハイドロキシアパタイト粉体を順次充填し、最
後に非焼結性セラミックス粉体12a として上記予備焼成
した緻密質のハイドロキシアパタイト粉末1.0 gを充填
した。
As in the first embodiment, the non-sinterable ceramic powder is placed in the cavity 2a formed by the carbon mold 2 and the carbon lower punch 4b of the spark plasma sintering apparatus 1 shown in FIGS. Dense hydroxyapatite powder (average particle size: 40μ)
m) 1.0 g was charged. Then, 0.25 g of the above-mentioned porous hydroxyapatite powder, 2.50 g of stainless steel SUS316L powder (average particle size: 150 μm) and 0.25 g of the above-mentioned porous hydroxyapatite powder were sequentially filled, and finally non-baked. 1.0 g of a dense hydroxyapatite powder preliminarily baked as described above was filled as the binding ceramic powder 12a.

【0070】真空チャンバー6内を減圧して10-2Torrの
真空度とし、カーボン製上パンチ4aを降下させて、300k
gf/cm2 の加圧を行った。電源8より、両パンチ4a、4b
間にパルス電圧を印加した。パルス電圧は4Vで、t1
/t0 =12/2(それぞれ33.3msec. /5.55msec. )で
あった。これにより被焼結粉3を1000℃に加熱し、5分
間保持して焼結させた。焼結後、加圧状態を保ったまま
500 ℃以下まで放冷し、焼結体を取出した。得られた複
合焼結体の形状は断面小判状であり、長さ2.5cm 、高さ
0.54cm、幅0.5cm 、及び両端の円弧の半径0.25cmであっ
た。また多孔質ハイドロキシアパタイト粒子の面積率は
46%で、最高1.0mm の突出があった。
The pressure inside the vacuum chamber 6 is reduced to a degree of vacuum of 10 -2 Torr, and the carbon upper punch 4a is lowered to 300 kPa.
Pressurization of gf / cm 2 was performed. From power supply 8, both punches 4a, 4b
A pulse voltage was applied in between. The pulse voltage is 4 V and t 1
/ T 0 = 12/2 (33.3 msec./5.55 msec., Respectively). Thereby, the powder 3 to be sintered was heated to 1000 ° C. and held for 5 minutes for sintering. After sintering, keep the pressurized state
It was allowed to cool to 500 ° C. or lower and a sintered body was taken out. The shape of the obtained composite sintered body is oval in cross section, length 2.5 cm, height
The diameter was 0.54 cm, the width was 0.5 cm, and the radius of the arc at both ends was 0.25 cm. The area ratio of the porous hydroxyapatite particles is
At 46%, there was a protrusion of up to 1.0mm.

【0071】上記複合焼結体の3点曲げ強度は5900kgf
/cm2 であった。また実施例1と同様の剥離強度の測定
でも多孔質ハイドロキシアパタイトの剥離や脱落は認め
られず、多孔質ハイドロキシアパタイト粒子の金属相へ
の密着性は非常に良好であることが分かった。
The three-point bending strength of the composite sintered body was 5900 kgf
/ Cm 2 . In the same measurement of the peel strength as in Example 1, no peeling or falling off of the porous hydroxyapatite was observed, and it was found that the adhesion of the porous hydroxyapatite particles to the metal phase was very good.

【0072】実施例3 実施例1と同様にして得られた発泡スラリーを深さ20cm
の型枠内に流し込み成形し、乾燥後大気炉で1000℃で4
時間予備焼成した。予備焼成体を破砕及び分級すること
により、3.0 〜4.0 mmの平均粒径を有する多孔質ハイド
ロキシアパタイト粉体(顆粒)を得た。多孔質ハイドロ
キシアパタイト粉体は30%の気孔率を有し、また金属が
流入するのに十分な大きさの細孔を有していた。
Example 3 A foamed slurry obtained in the same manner as in Example 1 was
Poured into a mold, dried and dried in an air oven at 1000 ° C.
Pre-baked for hours. By crushing and classifying the prefired body, a porous hydroxyapatite powder (granules) having an average particle size of 3.0 to 4.0 mm was obtained. The porous hydroxyapatite powder had a porosity of 30% and had pores large enough for metal to flow.

【0073】実施例1と同様に図1及び図2に示す放電
プラズマ焼結装置1のカーボン製成形型2とカーボン製
下パンチ4bにより形成されたキャビティー2a内に、非焼
結性セラミックス粉体12b として1200℃で予備焼成した
緻密質のハイドロキシアパタイト粉末( 平均粒径:40μ
m) 1.0 gを充填した。その上に0.20gの上記多孔質ハ
イドロキシアパタイト粉体、5.00gの銀粉体(平均粒
径:100 μm)及び0.20gの上記多孔質ハイドロキシア
パタイト粉体を順次充填し、最後に非焼結性セラミック
ス粉体12a として上記予備焼成した緻密質のハイドロキ
シアパタイト粉末1.0 gを充填した。
As in the first embodiment, the non-sinterable ceramic powder is placed in the cavity 2a formed by the carbon mold 2 and the carbon lower punch 4b of the spark plasma sintering apparatus 1 shown in FIGS. Dense hydroxyapatite powder (average particle size: 40μ)
m) 1.0 g was charged. Then, 0.20 g of the above-mentioned porous hydroxyapatite powder, 5.00 g of silver powder (average particle size: 100 μm) and 0.20 g of the above-mentioned porous hydroxyapatite powder were sequentially filled, and finally, As the ceramic powder 12a, 1.0 g of the above-mentioned pre-fired dense hydroxyapatite powder was filled.

【0074】真空チャンバー6内を減圧して10-2Torrの
真空度とし、カーボン製上パンチ4aを降下させて、300k
gf/cm2 の加圧を行った。電源8より、両パンチ4a、4b
間にパルス電圧を印加した。パルス電圧は4Vで、t1
/t0 =12/2(それぞれ33.3msec. /5.55msec. )で
あった。これにより被焼結粉3を700 ℃に加熱し、10分
間保持して焼結させた。焼結後、加圧状態を保ったまま
500 ℃以下まで放冷し、焼結体を取出した。得られた複
合焼結体の形状は断面小判状であり、長さ2.5cm 、高さ
0.64cm、幅0.5cm 、及び両端の円弧の半径0.25cmであっ
た。また多孔質ハイドロキシアパタイト粒子の面積率は
42%で、最高1.6mm の突出があった。
The pressure inside the vacuum chamber 6 is reduced to a degree of vacuum of 10 -2 Torr, and the carbon upper punch 4a is lowered to
Pressurization of gf / cm 2 was performed. From power supply 8, both punches 4a, 4b
A pulse voltage was applied in between. The pulse voltage is 4 V and t 1
/ T 0 = 12/2 (33.3 msec./5.55 msec., Respectively). Thus, the sintering powder 3 was heated to 700 ° C. and held for 10 minutes for sintering. After sintering, keep the pressurized state
It was allowed to cool to 500 ° C. or lower and a sintered body was taken out. The shape of the obtained composite sintered body is oval in cross section, length 2.5 cm, height
The diameter was 0.64 cm, the width was 0.5 cm, and the radius of the arc at both ends was 0.25 cm. The area ratio of the porous hydroxyapatite particles is
At 42%, there was a protrusion of up to 1.6mm.

【0075】上記複合焼結体の3点曲げ強度は4400kgf
/cm2 であった。また実施例1と同様の剥離強度の測定
でも多孔質ハイドロキシアパタイトの剥離や脱落は認め
られず、多孔質ハイドロキシアパタイト粒子の金属相へ
の密着性は非常に良好であることが分かった。
The three-point bending strength of the composite sintered body is 4400 kgf
/ Cm 2 . In the same measurement of the peel strength as in Example 1, no peeling or falling off of the porous hydroxyapatite was observed, and it was found that the adhesion of the porous hydroxyapatite particles to the metal phase was very good.

【0076】比較例 実施例1と同様にして得られた発泡スラリーを深さ20cm
の型枠内に流し込み成形し、乾燥後大気炉で1200℃で4
時間予備焼成した。予備焼成体を破砕及び分級すること
により、2.0 〜3.0 mmの平均粒径を有する多孔質ハイド
ロキシアパタイト粉体(顆粒)を得た。多孔質ハイドロ
キシアパタイト粉体は40%の気孔率を有し、また金属が
流入するのに十分な大きさの細孔を有していた。
Comparative Example A foamed slurry obtained in the same manner as in Example 1 was
Poured into a mold, dried and dried in an air furnace at 1200 ° C.
Pre-baked for hours. By crushing and classifying the prefired body, a porous hydroxyapatite powder (granules) having an average particle size of 2.0 to 3.0 mm was obtained. The porous hydroxyapatite powder had a porosity of 40% and had pores large enough for metal to flow.

【0077】実施例1と同様に図1及び図2に示す放電
プラズマ焼結装置1のカーボン製成形型2とカーボン製
下パンチ4bにより形成されたキャビティー2a内に、非焼
結性セラミックス粉体12b として1200℃で予備焼成した
緻密質のハイドロキシアパタイト粉末( 平均粒径:40μ
m) 1.0 gを充填した。その上に0.20gの上記多孔質ハ
イドロキシアパタイト粉体を充填し、粉体が入り込まな
いように成形加工したSUS316L ブロック2.50g及び0.20
gの上記多孔質ハイドロキシアパタイト粉体を順次充填
し、最後に非焼結性セラミックス粉体12a として上記予
備焼成した緻密質のハイドロキシアパタイト粉末1.0 g
を充填した。
As in the first embodiment, the non-sinterable ceramic powder is placed in the cavity 2a formed by the carbon mold 2 and the carbon lower punch 4b of the spark plasma sintering apparatus 1 shown in FIGS. Dense hydroxyapatite powder (average particle size: 40μ)
m) 1.0 g was charged. On top of that, 0.20 g of the above-mentioned porous hydroxyapatite powder was filled, and 2.50 g of a SUS316L block and 0.20 g of a SUS316L block formed so that the powder did not enter.
g of the above-mentioned porous hydroxyapatite powder, and finally 1.0 g of the pre-fired dense hydroxyapatite powder as a non-sinterable ceramic powder 12a.
Was charged.

【0078】真空チャンバー6内を減圧して10-2Torrの
真空度とし、カーボン製上パンチ4aを降下させて、200k
gf/cm2 の加圧を行った。電源8より、両パンチ4a、4b
間にパルス電圧を印加した。パルス電圧は4Vで、t1
/t0 =12/2(それぞれ33.3msec. /5.55msec. )で
あった。これにより被焼結粉3を900 ℃に加熱し、10分
間保持して焼結させた。焼結後、加圧状態を保ったまま
500 ℃以下まで放冷し、焼結体を取出した。得られた複
合焼結体の形状は断面小判状であり、長さ2.5cm 、高さ
0.28cm、幅0.5cm 、及び両端の円弧の半径0.25cmであっ
た。また多孔質ハイドロキシアパタイト粒子の面積率は
2%で、最高0.1mm の突出があった。また成形体を型か
ら取出した際にSUS316L ブロックから多くの多孔質ハイ
ドロキシアパタイト粒子が脱落した。
The pressure in the vacuum chamber 6 is reduced to a degree of vacuum of 10 -2 Torr, and the carbon upper punch 4a is lowered to 200 kPa.
Pressurization of gf / cm 2 was performed. From power supply 8, both punches 4a, 4b
A pulse voltage was applied in between. The pulse voltage is 4 V and t 1
/ T 0 = 12/2 (33.3 msec./5.55 msec., Respectively). Thus, the powder to be sintered 3 was heated to 900 ° C. and held for 10 minutes for sintering. After sintering, keep the pressurized state
It was allowed to cool to 500 ° C. or lower and a sintered body was taken out. The shape of the obtained composite sintered body is oval in cross section, length 2.5 cm, height
The diameter was 0.28 cm, the width was 0.5 cm, and the radius of the arc at both ends was 0.25 cm. The area ratio of the porous hydroxyapatite particles was 2%, with a maximum protrusion of 0.1 mm. Also, when the molded body was removed from the mold, many porous hydroxyapatite particles dropped off from the SUS316L block.

【0079】上記複合焼結体の3点曲げ強度は5900kgf
/cm2 であった。また実施例1と同様の剥離強度の測定
では、残りの多孔質ハイドロキシアパタイトの脱落が認
められた。
The three-point bending strength of the composite sintered body is 5900 kgf
/ Cm 2 . In the same measurement of the peel strength as in Example 1, the remaining porous hydroxyapatite was observed to fall off.

【0080】[0080]

【発明の効果】以上の通り、本発明の多孔質リン酸カル
シウム系化合物粒子と金属粉体の複合焼結体は、表面か
ら多孔質リン酸カルシウム系化合物粒子が突出している
ため、生体適合性が極めて高く、容易に生体になじむこ
とができ、かつ金属相を有するため高い機械的強度、特
に曲げ強度を有する。また表面の多孔質リン酸カルシウ
ム系化合物粒子の細孔内に金属が進入しているため、多
孔質リン酸カルシウム系化合物粒子の脱落を防止するこ
とができるという利点を有する。かかる構造を有する本
発明の複合焼結体は、人工歯根や骨補強材等の用途に好
適である。
As described above, the composite sintered body of the porous calcium phosphate compound particles and the metal powder of the present invention has extremely high biocompatibility because the porous calcium phosphate compound particles protrude from the surface. It can be easily adapted to living organisms and has high mechanical strength, especially bending strength, because it has a metal phase. Further, since the metal has entered the pores of the porous calcium phosphate compound particles on the surface, there is an advantage that the falling off of the porous calcium phosphate compound particles can be prevented. The composite sintered body of the present invention having such a structure is suitable for applications such as artificial roots and bone reinforcing materials.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 本発明の方法を実施するための放電プラズマ
焼結装置の構成を示す概略図である。
FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of a spark plasma sintering apparatus for carrying out a method of the present invention.

【図2】 図1の放電プラズマ焼結装置の成形型に被焼
結粉を充填した状態を示す縦断面図である。
FIG. 2 is a longitudinal sectional view showing a state in which a molding die of the spark plasma sintering apparatus of FIG. 1 is filled with a powder to be sintered.

【図3】 図1の放電プラズマ焼結装置の成形部位を示
す分解図である。
FIG. 3 is an exploded view showing a forming part of the spark plasma sintering apparatus of FIG.

【図4】 本発明の多孔質リン酸カルシウム系化合物粒
子と金属粉体の複合焼結体3の構造を示す縦断面図であ
り、(a) は両表面層に多孔質リン酸カルシウム系化合物
粒子を含有するサンドイッチ構造を示し、(b) は全体に
多孔質リン酸カルシウム系化合物粒子を含有する構造を
示す。
FIG. 4 is a longitudinal sectional view showing the structure of a composite sintered body 3 of porous calcium phosphate compound particles and metal powder of the present invention, wherein (a) contains porous calcium phosphate compound particles in both surface layers. 1 shows a sandwich structure, and (b) shows a structure entirely containing porous calcium phosphate compound particles.

【図5】 本発明の複合焼結体の表面に突出した多孔質
リン酸カルシウム系化合物粒子を示す部分拡大図であ
る。
FIG. 5 is a partially enlarged view showing porous calcium phosphate compound particles protruding from the surface of the composite sintered body of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1・・・・放電焼結装置 2・・・・成形型 3・・・・被焼結粉 4a,4b ・・・・パンチ 5a,5b ・・・・ラム 6・・・・真空チャンバー 7・・・・真空ポンプ 8・・・・電源 9・・・・加圧駆動機構 10・・・・制御部 11・・・・カーボンペーパー 12a, 12b・・・・非焼結性粉体からなる柔軟な層 13・・・・多孔質リン酸カルシウム系化合物粉体 13' ・・・多孔質リン酸カルシウム系化合物粒子 14・・・・金属粉体 14' ・・・金属マトリックス 40・・・・複合焼結体 40a ・・・表面層 40b ・・・内層(金属層) 1. Spark sintering apparatus 2. Mold 3. Mold powder 4a, 4b Punch 5a, 5b Ram 6. Vacuum chamber 7. ... Vacuum pump 8 ... Power supply 9 ... Pressure drive mechanism 10 ... Control unit 11 ... Carbon paper 12a, 12b ... Flexible made of non-sinterable powder Layer 13: porous calcium phosphate compound powder 13 ': porous calcium phosphate compound particles 14: metal powder 14': metal matrix 40: composite sintered body 40a ... Surface layer 40b ... Inner layer (metal layer)

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 4C081 AB04 AB06 BA13 BB08 CF012 CF032 CF122 CF132 CF142 CF152 CF162 CG01 CG02 CG03 CG04 CG05 CG07 DA01 DA11 DB03 DB06 DB07 DC03 EA02 EA04 EA15 4G019 FA11 4K018 AA02 AA06 AA33 AB10 BA01 BA03 BA17 BB04 EA22 JA07 JA16 KA22  ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page F-term (reference) 4C081 AB04 AB06 BA13 BB08 CF012 CF032 CF122 CF132 CF142 CF152 CF162 CG01 CG02 CG03 CG04 CG05 CG07 DA01 DA11 DB03 DB06 DB07 DC03 EA02 EA04 EA15 4G019 FA11 4K018 AA02 BA03A33 EA22 JA07 JA16 KA22

Claims (15)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 多孔質リン酸カルシウム系化合物粒子と
金属との複合焼結体において、表面の少なくとも一部に
多孔質リン酸カルシウム系化合物粒子を含有する表面層
を有するとともに、前記多孔質リン酸カルシウム系化合
物粒子の一部が表面から突出していることを特徴とする
複合焼結体。
1. A composite sintered body of porous calcium phosphate compound particles and a metal, wherein at least a part of the surface has a surface layer containing the porous calcium phosphate compound particles, and A composite sintered body characterized in that a part thereof protrudes from the surface.
【請求項2】 請求項1に記載の複合焼結体において、
多孔質リン酸カルシウム系化合物粒子及び金属からなる
表面層と実質的に内部が金属のみからなる内層からなる
ことを特徴とする複合焼結体。
2. The composite sintered body according to claim 1, wherein
A composite sintered body comprising a surface layer made of porous calcium phosphate compound particles and a metal, and an inner layer whose inside substantially consists only of a metal.
【請求項3】 請求項1又は2に記載の複合焼結体にお
いて、(多孔質リン酸カルシウム系化合物粒子の露出面
積の合計)/(多孔質リン酸カルシウム系化合物粒子を
含有する表面層の表面積)の割合(面積率)が5〜70%
であることを特徴とする複合焼結体。
3. The composite sintered body according to claim 1, wherein a ratio of (total exposed area of porous calcium phosphate compound particles) / (surface area of surface layer containing porous calcium phosphate compound particles). (Area ratio) is 5 to 70%
A composite sintered body, characterized in that:
【請求項4】 請求項1〜3のいずれかに記載の複合焼
結体において、前記複合焼結体の表面から突出している
多孔質リン酸カルシウム系化合物粒子のうち、突出部の
平均高さが平均粒径の半分以下であることを特徴とする
複合焼結体。
4. The composite sintered body according to claim 1, wherein, among the porous calcium phosphate compound particles protruding from the surface of the composite sintered body, the average height of the protruding portion is average. A composite sintered body having a particle size of not more than half the particle size.
【請求項5】 請求項1〜4のいずれかに記載の複合焼
結体において、前記多孔質リン酸カルシウム系化合物粒
子は0.5 〜10mmの平均粒径及び20〜70%の気孔率を有
し、前記多孔質リン酸カルシウム系化合物粒子の細孔内
に少なくとも部分的に金属が進入しており、もって前記
多孔質リン酸カルシウム系化合物粒子は金属相に強固に
結合していることを特徴とする複合焼結体。
5. The composite sintered body according to claim 1, wherein the porous calcium phosphate compound particles have an average particle size of 0.5 to 10 mm and a porosity of 20 to 70%. A composite sintered body characterized in that a metal at least partially enters pores of porous calcium phosphate compound particles, and that the porous calcium phosphate compound particles are firmly bonded to a metal phase.
【請求項6】 請求項1〜5のいずれかに記載の複合焼
結体において、前記金属が、Ti、Cr、Fe、Co、Cu、Mo、
Ag、Au、Pd、Pt、Al及びNiからなる群から選ばれた金属
又はその合金であることを特徴とする複合焼結体。
6. The composite sintered body according to claim 1, wherein the metal is Ti, Cr, Fe, Co, Cu, Mo,
A composite sintered body characterized by being a metal selected from the group consisting of Ag, Au, Pd, Pt, Al and Ni or an alloy thereof.
【請求項7】 請求項1〜6のいずれかに記載の複合焼
結体において、前記表面層における前記多孔質リン酸カ
ルシウム系化合物粒子と前記金属との重量比が1/20〜
1/4であることを特徴とする複合焼結体。
7. The composite sintered body according to claim 1, wherein the weight ratio of the porous calcium phosphate-based compound particles to the metal in the surface layer is 1/20 to 20.
A composite sintered body characterized in that it is 1/4.
【請求項8】 請求項1〜7のいずれかに記載の多孔質
リン酸カルシウム系化合物粒子と金属との複合焼結体を
製造する方法において、リン酸カルシウム系化合物粉体
を焼結開始温度以上の温度で予備焼成することにより多
孔質リン酸カルシウム系化合物粉体を作製し、表面の少
なくとも一部に前記多孔質リン酸カルシウム系化合物粉
体が存在するように前記多孔質リン酸カルシウム系化合
物粉体及び金属粉体を組合せるとともに、前記多孔質リ
ン酸カルシウム系化合物粉体の外側を前記複合焼結体の
焼結温度では焼結しない粉体からなる柔軟な層により覆
い、加圧焼結することを特徴とする方法。
8. The method for producing a composite sintered body of porous calcium phosphate compound particles and a metal according to claim 1, wherein the calcium phosphate compound powder is heated at a temperature not lower than the sintering start temperature. A porous calcium phosphate compound powder is prepared by pre-baking, and the porous calcium phosphate compound powder and the metal powder are combined such that the porous calcium phosphate compound powder is present on at least a part of the surface. And a step of covering the outside of the porous calcium phosphate compound powder with a flexible layer made of a powder that does not sinter at the sintering temperature of the composite sintered body and performing pressure sintering.
【請求項9】 請求項8に記載の複合焼結体の製造方法
において、前記多孔質リン酸カルシウム系化合物粒子の
予備焼成温度が700 〜1300℃であることを特徴とする方
法。
9. The method for producing a composite sintered body according to claim 8, wherein the precalcination temperature of the porous calcium phosphate compound particles is 700 to 1300 ° C.
【請求項10】 請求項8又は9に記載の複合焼結体の製
造方法において、加圧焼結法として放電プラズマ焼結法
を行なうことを特徴とする方法。
10. The method for producing a composite sintered body according to claim 8, wherein a spark plasma sintering method is performed as the pressure sintering method.
【請求項11】 請求項8〜10のいずれかに記載の複合焼
結体の製造方法において、前記多孔質リン酸カルシウム
系化合物粉体が0.5 〜10mmの平均粒径及び20〜70%の気
孔率を有し、前記多孔質リン酸カルシウム系化合物粉体
の細孔の少なくとも一部は金属が侵入し得る大きさを有
することを特徴とする方法。
11. The method for producing a composite sintered body according to claim 8, wherein the porous calcium phosphate compound powder has an average particle size of 0.5 to 10 mm and a porosity of 20 to 70%. The method according to claim 1, wherein at least a part of the pores of the porous calcium phosphate compound powder has a size that metal can enter.
【請求項12】 請求項8〜11のいずれかに記載の複合焼
結体の製造方法において、前記焼結温度で焼結しない粉
体が、前記金属粉体より高い融点を有するセラミックス
粉体であることを特徴とする方法。
12. The method for producing a composite sintered body according to claim 8, wherein the powder not sintered at the sintering temperature is a ceramic powder having a higher melting point than the metal powder. A method characterized by:
【請求項13】 請求項12に記載の複合焼結体の製造方法
において、前記セラミックス粉体がリン酸カルシウム系
化合物の予備焼成粉末、カーボン粉末、アルミナ粉末、
ジルコニア粉末、窒化硼素粉末及び窒化珪素粉末からな
る群から選ばれた少なくとも一種であることを特徴とす
る方法。
13. The method for producing a composite sintered body according to claim 12, wherein the ceramic powder is a pre-fired powder of a calcium phosphate compound, a carbon powder, an alumina powder,
A method characterized by being at least one selected from the group consisting of zirconia powder, boron nitride powder and silicon nitride powder.
【請求項14】 請求項8〜13のいずれかに記載の複合焼
結体の製造方法において、前記金属粉体は、1〜500 μ
mの平均粒径を有することを特徴とする方法。
14. The method for producing a composite sintered body according to claim 8, wherein the metal powder has a particle size of 1 to 500 μm.
m. having a mean particle size of m.
【請求項15】 請求項8〜14のいずれかに記載の複合焼
結体の製造方法において、焼結温度を500 〜1300℃と
し、前記焼結温度に保持する時間を5〜30分とすること
を特徴とする方法。
15. The method for producing a composite sintered body according to claim 8, wherein the sintering temperature is 500 to 1300 ° C., and the time for maintaining the sintering temperature is 5 to 30 minutes. A method comprising:
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