JP2001252347A

JP2001252347A - 人工骨

Info

Publication number: JP2001252347A
Application number: JP2000065668A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Ushiki; 建一宇敷; Akira Totsu; 章渡津; Tsutomu Sonoda; 勉園田; Akira Kamiya; 晶神谷; Mitsukuni Mizuno; 光国水野
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2000-03-09
Filing date: 2000-03-09
Publication date: 2001-09-18
Anticipated expiration: 2020-03-09
Also published as: JP3619869B2

Abstract

(57)【要約】【課題】人工骨等の表面に高い生体活性を付与するの
みでなく、装着時の寸法微調製や生体内での腐食や疲労
あるいは摩耗による表面の脱落時においても高い生体活
性を失わない人工骨等およびその製法を提供する。【解決手段】骨の成分を構成する生体活性物質（アパ
タイト粉末、ピロ燐酸カルシウム、その他カルシウムや
燐の化合物など) をバインダーおよび金属粉末と共に混
練したものを射出成型してできた成型体（グリーンボデ
ィ) を脱脂、焼結して製造して成る生体活性物質含有人
工骨等であって、表面および内部にカルシウムや燐など
の生体活性を有する元素が分散されていること、および
粉末射出成型法で形状付与されることを特徴とする金属
製の人工骨等とその製造法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、人工関節、接骨
板、人工歯根等の人工骨およびその製法に関し、さらに
詳しくは、本発明は、金属製で内部まで高い生体活性を
有する人工骨、人工歯根、人工関節等の複雑形状を有す
る部材とその製造方法に関するものであり、特に、生体
組織との適合性を改善した人工骨に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、チタン合金などの金属、樹脂、ア
ルミナやジルコニア等のセラミックスより構成される人
工骨が開発されている。しかし、セラミックス製の生体
材料は、生体活性、すなわち生体に対する親和性が良い
反面、機械的強度が弱いという欠点がある。これに対し
て、金属製の生体材料は、機械的強度（強さ、弾性率、
耐摩耗製等) は良好であるが、逆に生体活性はセラミッ
クス製のものに比べて劣っている。また、樹脂製のもの
は、機械的強度に問題があるものもあり、かつ生体活性
が一般に劣っている。

【０００３】このため、例えば、機械的強度の優れた金
属製人工骨部材の表面を珪素や珪素化合物の表面コーテ
ィングやイオン注入を行う方法（特開平６−１６９９８
１号）や、水酸化アパタイト粉末等の生体活性材料粉末
のショットブラストによる表面埋め込みを行う方法（特
開平５−２９３１２９号）などによって、金属生体材料
の表面の改質を行いその生体活性の改善を図る方法が開
発されている。

【０００４】しかし、金属生体材料の表面の改質を行い
その生体活性の改善を図る方法では、表面のみが生体活
性を有するため、人工骨の製造後、実際の装着時に表面
研磨等による寸法補正を行うことができないという問題
がある。また、通常、人工骨の装着後の使用期間は長い
が、表面の僅かな浸食や疲労により表面が損耗や脱落す
る恐れもある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来技術に
おけるこの様な問題点を解決する為になされたものであ
り、機械的強度が良好な金属製の生体材料であって、表
面のみでなく、内部まで生体活性を有する金属製の生体
材料を提供することを技術的課題とするものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の本発明は、以下の技術的手段から構成される。（１）アパタイト粉末、ピロ燐酸カルシウム、その他カ
ルシウムや燐の化合物などの骨の成分を構成する生体活
性物質をバインダーおよび金属粉末と共に混練したもの
を射出成型してできた成型体（グリーンボディ) を脱
脂、焼結して製造して成る生体活性物質含有人工骨。（２）金属粉末とバインダーを混練したものを射出成型
してできた成型体を脱脂して多孔質脱脂体（ブラウンボ
ディ) を作製し、次に、アパタイト粉末、ピロ燐酸カル
シウム、その他カルシウムや燐の化合物などの生体活性
物質を液体に溶解することにより作製した溶液をこの多
孔質脱脂体に含浸させ、その多孔質脱脂体を乾燥、焼結
して製造して成る生体活性物質含有人工骨。（３）前記（１）または（２）に記載の生体活性物質含
有人工骨を、生体活性物質を溶解した溶液に含浸させて
その表面に水酸化アパタイトの生体活性層を反応生成さ
せて成る人工骨。（４）以下の工程；アパタイト粉末、ピロ燐酸カルシウ
ム、その他カルシウムや燐の化合物などの骨の成分を構
成する生体活性物質をバインダーおよび金属粉末と共に
混練したものを射出成型してできた成型体（グリーンボ
ディ) を脱脂、焼結する工程、または、金属粉末とバイ
ンダーを混練したものを射出成型してできた成型体を脱
脂して多孔質脱脂体（ブラウンボディ) を作製し、次
に、アパタイト粉末、ピロ燐酸カルシウム、その他カル
シウムや燐の化合物などの生体活性物質を液体に溶解す
ることにより作製した溶液をこの多孔質脱脂体に含浸さ
せ、その多孔質脱脂体を乾燥、焼結する工程、により生
体活性物質含有人工骨を作製することを特徴とする人工
骨の製造方法。

【０００７】

【発明の実施の形態】次に、本発明についてさらに詳細
に説明する。本発明は、上記課題を解決するために、人
工骨としての新しい人工生体材料とその製造方法を提供
するものとしてなされたものであり、本発明の人工生体
材料としての特徴は、特に、金属製の生体材料の表面近
傍のみでなく、内部にまでカルシウムやリン等の生体活
性元素を分散したことにある。

【０００８】本発明において、金属粉末として、チタ
ン、チタン合金、その他の金属粉末が使用される。ま
た、バインダーとして、樹脂、ワックス、多糖類などが
使用される。生体活性物質として、好適には、ハイドロ
キシアパタイト、炭酸アパタイト、ピロ燐酸カルシウ
ム、その他のカルシウムや燐の化合物が使用される。多
孔質脱脂体に対して親和性の高い液体に、好適には、炭
酸カルシウム、乳酸カルシウム、酢酸カルシウム、燐
酸、アパタイト、ピロ燐酸カルシウムなどを溶解（懸濁
を含む）した溶液などが使用される。そして、これら
は、上記各成分と同効のものであれば適宜のものが同様
に使用される。

【０００９】本発明の人工生体材料は、金属粉末とバイ
ンダー（樹脂やワックス、多糖類等）を混練（混練工
程）し、射出成型（成型工程）後にできる成型体を真空
加熱や不活性ガス中で加熱してバインダーを熱分解、酸
化、溶媒への溶解によって除去（脱脂工程）した多孔質
脱脂体を、高温で焼結（焼結工程）させるいわゆる粉末
射出成型法により製造される。この製法において、内部
への生体活性物質の分散を達成する手段として、１）混
練工程において生体活性物質（ハイドロオキシアパタイ
ト粉末または炭酸アパタイト粉末、カルシウムや燐の化
合物など）をバインダーおよび金属粉末と共に混練し、
成型、脱脂および焼結する方法、または、２）メチルア
ルコール、イソプロピルアルコール、エチレングリコー
ルなどの有機溶剤、有機溶剤水溶液、界面活性剤水溶液
等の、多孔質脱脂体に対して親和性の高い液体に炭酸カ
ルシウム、乳酸カルシウム、酢酸カルシウムや燐酸等の
可溶性生体活性物質を溶解した溶液を、脱脂工程後の多
孔質脱脂体内部に含浸させ、乾燥後、焼結する方法、が
採用される。

【００１０】本発明における人工生体材料の製法の特徴
は、これら２つのいずれかの方法を用いて人工生体材料
を製造することにある。上記方法において、原料の混練
工程では、例えば、連続混練押出し装置などにより、特
に、微量成分の生体活性物質などの原料の偏在を防ぐよ
うにすることが重要である。また、射出成型工程では、
射出成型装置で常法により所定の成型体（グリーンボデ
ィ）を作製すればよい。また、脱脂、焼結工程では、例
えば、雰囲気脱脂炉により脱脂した後、電気炉などで室
温から１２５０℃まで昇温し、焼結する。これらの方
法、装置および条件は、特に制限されない。なお、生体
活性物質には、多孔質脱脂体に対して親和性の高い液体
に不溶性または微溶性のもの（アパタイト粉末、ピロ燐
酸カルシウムなど）もあるが、これらは、微粉砕器（例
えば、三菱重工製ダイヤモンドファインミルなど）によ
って懸濁微粒化することにより実質的に溶解し、液状に
することができる。また、これらの人工骨を生体活性物
質を溶解した溶液、好適には、人間等の生体の血漿と組
成の近い液中に放置し、その表面に水酸化アパタイトの
薄膜を生じさせることによって生体適合性を高めること
ができる。

【００１１】

【作用】一般に、骨の成分はカルシウムや燐を元素とし
て含むヒドロキシアパタイト〔Ｃａ₁₀（ＰＯ₄ ）₆ （Ｏ
Ｈ）₂ 〕で構成されており、骨と人工骨との結合は人工
骨の表面に、骨のアパタイトに似た水酸化アパタイトの
薄い層が形成されることによって強く結合することが認
められている。

【００１２】そして、上記の様にチタンまたはチタン合
金からなる人工骨の表面および内部にカルシウムやリン
等の生体活性元素を分散すると、人工骨表面の生体活性
元素がアパタイト形成の為の核生成を促進することとな
るのである。

【００１３】また、表面のみでなく人工骨の内部にまで
生体活性元素が分散しているため、人工骨の装着時に寸
法微調整のために、表面を削っても新しい表面に生体活
性元素が存在するため、水酸化アパタイト形成促進機能
を損なわない。さらに、体内における長期使用により表
面が脱落しても生体活性は維持される。多孔質脱脂体に
生体活性物質を溶解した溶液を含浸させる上記２）の方
法は、生体活性物質をバインダーおよび金属粉末と共に
混練する上記１）の方法において、生体活性物質の添加
量が微量の場合に混合が不均質になりやすい点を改良
し、均一分散を可能にする。

【００１４】

【実施例】以下、実施例に基づいて本発明を更に具体的
に説明するが、本発明はその要旨を越えない限り、以下
の実施例に限定されるものでは無い。実施例１まず、純チタン粉末（ＴＣ−４５９、東邦チタニウム
（株））８４．４ｗｔ％とポリプロピレン１．７ｗｔ
％、ポリスチレンン８．０ｗｔ％、アクリル樹脂４．３
ｗｔ％、ステアリン酸０．８ｗｔ％、アミノ酸系機能性
粉末０．９ｗｔ％、ジオクチルフタレート１．７ｗｔ％
からなるバインダーを連続混練押出装置（ＫＣＫ（株）
製）にて混練しペレットを作製した。次に、混練ペレッ
トを射出成形装置（（株）名機製作所製) にて射出し、
試験片形状の成形体を作った（図１）。その後、雰囲気
脱脂炉（（株）ファイン) にてＡｒガス雰囲気で加熱し
脱脂して多孔質脱脂体を得た。さらに蒸留水６ｇ、イン
プロピルアルコール４．７ｇ、酢酸カルシウム０．２９
ｇ、およびリン酸０．１３０ｇを混合することによっ
て、多孔質脱脂体に対して親和性の高い可溶性生体活性
物質溶液を調製した。同液中に多孔質脱脂体を浸し、真
空デシケーター中でロータリーポンプによる減圧下で２
４時間放置し同液を多孔質脱脂体に充分含浸させた。次
に、含浸させた多孔質脱脂体を乾燥器中（１２０℃）で
２４時間乾燥させた後、電気炉内にその脱脂体を配置し
常圧Ａｒガス雰囲気中で室温から１００℃／ｈの昇温速
度で１２５０℃まで昇温し、その温度で２時間放置し、
焼結させた。比較のため、生体活性物質溶液を含浸させ
ない、多孔質脱脂体についても同条件で焼結を行った。

【００１５】次に、ＮａＣｌ７．９９６ｇ、ＮａＨＣ
Ｏ０．３５０ｇ、ＫＣｌ０．２２４ｇ、Ｋ₂ ＨＰＯ
₄ ・３Ｈ₂ Ｏ０．２２８ｇ、ＭｇＣｌ₂ ・６Ｈ₂ Ｏ
０．３０５ｇ、１ｍｏｌ／ｌＨＣｌ４０ｍｌ、Ｃａ
Ｃｌ₂ ０．２７８ｇ、Ｎａ₂ ＳＯ₄ ０．０７１ｇ、
（ＣＨ₂ ＯＨ）₃ ＣＮＨ₂ ６．０５７ｇと純水からな
る液１リットルを調製し、人工血漿とした。本人工血漿
の調製は公知の文献(S. B. Cho et. al., J. Am. Cera
m. Soc. 78,1769-74 (1995))によったものであり、実際
の人間の血漿に酷似した組成を有し疑似体液として生体
材料の試験にしばしば用いられる。上記の生体活性物質
を含浸した焼結体と比較参照用焼結体の両方を人工血漿
中に１４日間３７℃で放置し、表面に生成する水酸化ア
パタイトについて、ＥＰＭＡを用いて、ＳＥＭ写真によ
る観察、定性分析、および定量分析を行った。図２にＳ
ＥＭ写真を示す様に、生体活性物質溶液を含浸後焼結し
た試料の表面は水酸化アパタイト層で覆われ半球状の水
酸化アパタイトの盛り上がりが形成されている。

【００１６】これに対して、生体活性物質溶液を含浸し
ない比較参照用試料においては、ＳＥＭ観察では、水酸
化アパタイトの生成は全く認められず、表面の定量分析
でも燐およびカルシウムの量は検出限界以下であった。
すなわち、酢酸カルシウムと燐酸を含む溶液の含浸によ
り焼結体表面への人工体液中での水酸化アパタイト層形
成は大幅に促進されることがわかった。

【００１７】実施例２上記実施例１と同じ方法により、酢酸カルシウムと燐酸
を含む溶液を合浸した多孔質脱脂体と合浸しない比較参
照用の多孔質脱脂体を作製し、１３５０℃で２時間焼結
し、各焼結体を端から５ｍｍ幅に切断したものを試料お
よび比較参照用試料した。

【００１８】試料および比較参照用試料を上記人工体液
中に１０日間放置後、切断面への水酸化アパタイト層の
形成を同じ方法で調べた。ＥＰＭＡのＣＯＭＰＯ像を図
３に示すが、図中に散在する黒い点が生成した水酸化ア
パタイトである。その１つを拡大したＳＥＭ像が図４に
示す白い部分である。また、定量分析では図３のＣＯＭ
ＰＯ像の黒い点以外の、すなわち白い部分および灰色の
部分についても、僅かに検出限界を上回る水酸化アパタ
イトの生成が認められた。しかし、比較参照用試料では
図４の様なはっきりした水酸化アパタイトの生成は認め
られず、全面から生体活性物質を含浸した試料の場合を
下回るさらに微量の水酸化アパタイトの生成を検出した
のみであった。すなわち、焼結後あらたに切断によって
生じた面も生体活性物質を含浸した試料の場合の方が人
工体液中での水酸化アパタイト層形成は大幅に促進され
ることがわかった。なお、ＥＰＭＡにより調べたとこ
ろ、人工体液中に入れる前の試料切断面にはカルシウム
や燐の原子がチタン中に均一拡散した状態であった。実
施例１および２の場合、共に、カルシウムおよび燐を添
加した試料の焼結密度は４４ｇ／ｍ³ （９７％）であ
り、次に述べる実施例３の場合よりもかなり高い値であ
った。

【００１９】実施例３次に、水酸化アパタイト粉末を混練後成型する方法の実
施例を説明する。水酸化アパタイト粉末粒子を例えば表
面に埋め込むなどの方法により、チタン製人工骨の表面
の生体活性を飛躍的に増大できることは公知である。し
かし、チタンやその合金を焼結後に表面に埋め込んだ
り、珪素等活性化元素のイオンを注入するよりも最初か
ら混入しておく方がはるかに容易である。一般に、射出
成型法によるチタン部材作製に於いて粒子径の小さく、
球形に近いチタン粉末を用いることにより焼結温度を低
くすることができることは公知であり、純チタン粉末を
９５０℃程度の低温で焼結を行えることは知られている
（例えば、加藤清隆：国立名工研ニュース（１９９
９））。また、一般に高圧下で焼結（ＨＩＰ焼結）する
と通常より低い温度で焼結可能であり、これら公知の方
法の組み合わせにより、混練した水酸化アパタイト粉末
に変化を与えず、焼結体を得ることが可能である。

【００２０】雰囲気によるが一般に九百数十度を越える
と水酸化アパタイトはピロ燐酸カルシウム等に変化し、
さらに高温ではカルシウムや燐の原子がチタン中に拡散
するが、前記実施例２でカルシウムや燐の原子がチタン
中に均一拡散した場合でも生体活性を増大させることを
確認している。したがって、高価な微細球形粉末や高圧
下の焼結により、焼結温度を引き下げることはかならず
しも必要としない。本実施例では量産されている純チタ
ン粉末（ＴＣ−４５９、東邦チタニウム（株））および
実施例１に示したバインダーにそれらの質量の１％量に
相当する水酸化アパタイト粉末ＭＡｐ−１００、大平化
学産業（株））を加えた後、連続混練押出装置（ＫＣＫ
（株）製）を３度繰り返し通過させることによって微量
成分の水酸化アパタイト粒子の偏在を防ぎ、作製したペ
レットを射出成型、脱脂後１２５０度で焼結し、試料を
作製した。図５にＥＤＸ観察によるＳＥＭ像、カルシウ
ムの分布、燐の分布を示すが、カルシウムはチタン中に
均一に拡散しており、燐も元の粒子の部分にかなり残っ
ているものの、チタン中にかなり拡散していることがわ
かる。

【００２１】水酸化アパタイト粉末を原料に混ぜ込み、
粉末粒子を分散した試料はチタンマトリクス中の粒子の
ため強度の低下が生じ使用できない恐れがあるので大気
中で引張試験を行った。純チタンの場合の引張強度は約
９００ＭＰａであったものが、１％量の水酸化アパタイ
ト粉末を加えたため、約４００ＭＰａへと低下した。し
かし、これは工業用純チタン（第３種）に近い強度であ
り実用に十分耐えると思われる。なお、焼結体密度は純
チタンの場合は４．５ｇ／ｍ³ であり、水酸化アパタイ
ト粉末１％添加の場合は４．３ｇ／ｃｍ³ であった。

【００２２】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
１）表面のみではなく、内部まで生体活性を有する金属
製の生体材料を提供することができる、２）表面に水酸
化アパタイト層を形成することにより、骨組織とより速
やかかつ強固に接合する人工骨を得ることができる、
３）その人工骨は、装着時の寸法調整や、体内での疲労
や摩耗に伴って表面脱落が生じた場合でも、生体活性を
消失しない、という効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】試験片形状の射出成形体の例の写真である。

【図２】水酸化アパタイト層で覆われた試料表面の写真
である。

【図３】試料の切断面ＣＯＭＰＯ像であり、散在する黒
い点が生成した水酸化アパタイトである。

【図４】試料の切断面のＳＥＭ像で切断面に生成した水
酸化アパタイトが中央の白い部分である。

【図５】１％の水酸化アパタイトを混練後、成型、脱
脂、焼結した試料断面のＥＤＸ観察によるＳＥＭ像、カ
ルシウム、燐およびチタンの分布図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者神谷晶愛知県大府市森岡町山田下の坪26−73 (72)発明者水野光国愛知県名古屋市東区芳野３−５−12 Ｆターム(参考） 4C081 AB03 AB05 AB06 AC03 BA12 CA022 CA032 CA082 CD012 CF012 CF032 CG02 CG03 EA03 4C089 AA07 BA16 BB01 BB07 BC05 BC09 BE01 BE02 CA01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】アパタイト粉末、ピロ燐酸カルシウム、
その他カルシウムや燐の化合物などの骨の成分を構成す
る生体活性物質をバインダーおよび金属粉末と共に混練
したものを射出成型してできた成型体（グリーンボデ
ィ) を脱脂、焼結して製造して成る生体活性物質含有人
工骨。
【請求項２】金属粉末とバインダーを混練したものを
射出成型してできた成型体を脱脂して多孔質脱脂体（ブ
ラウンボディ) を作製し、次に、アパタイト粉末、ピロ
燐酸カルシウム、その他カルシウムや燐の化合物などの
生体活性物質を液体に溶解することにより作製した溶液
をこの多孔質脱脂体に含浸させ、その多孔質脱脂体を乾
燥、焼結して製造して成る生体活性物質含有人工骨。
【請求項３】請求項１または請求項２に記載の生体活
性物質含有人工骨を、生体活性物質を溶解した溶液に含
浸させてその表面に水酸化アパタイトの生体活性層を反
応生成させて成る人工骨。
【請求項４】以下の工程；アパタイト粉末、ピロ燐酸
カルシウム、その他カルシウムや燐の化合物などの骨の
成分を構成する生体活性物質をバインダーおよび金属粉
末と共に混練したものを射出成型してできた成型体（グ
リーンボディ) を脱脂、焼結する工程、または、金属粉
末とバインダーを混練したものを射出成型してできた成
型体を脱脂して多孔質脱脂体（ブラウンボディ) を作製
し、次に、アパタイト粉末、ピロ燐酸カルシウム、その
他カルシウムや燐の化合物などの生体活性物質を液体に
溶解することにより作製した溶液をこの多孔質脱脂体に
含浸させ、その多孔質脱脂体を乾燥、焼結する工程、に
より生体活性物質含有人工骨を作製することを特徴とす
る人工骨の製造方法。