JP2002369876A - アパタイト被覆金属材料、その製造方法および使用 - Google Patents

アパタイト被覆金属材料、その製造方法および使用

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 改良された表面と生物系との適合性を有する
インプラント材料としての、多孔性が減少し接着性が改
良されたアパタイト被覆金属材料の提供。 【解決手段】 改良された表面品質および生適合性を有
する新規アパタイト被覆金属材料、その製造方法、およ
び、骨インプラント、特に、歯インプラント、人工関節
および災害外科用の固定材料（骨合成材料）のための前
記材料の使用に関し、このケースにおける被覆は、比表
面積が15 m2／g未満であるヒドロキシアパタイト結晶
および／または無定形燐酸カルシウム球体の厚い被膜か
らなる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、改良された表面品質お
よび生適合性を有する新規アパタイト被覆金属材料、そ
の調製方法、および、骨インプラント、特に歯インプラ
ント、人工関節および災害外科用固定材料（骨合成材
料）のためのこの材料の使用に関する。
【０００２】
【従来の技術】被覆インプラントは、燐酸カルシウム
と、特に骨鉱物ヒドロキシアパタイト（HAP（Ca10(PO4)
6OH））と良好に一体化することが知られている。イン
プラントを燐酸カルシウムで被覆するために、例えば、
プラズマ注入、ゾルゲルプロセス、電気泳動、電気化学
的に補助された蒸着のような異なるプロセスが用いられ
る。
【０００３】電気化学的補助蒸着は、均一（非常に粗い
表面でも）かつ薄い層を製造可能であり、電気的パラメ
ーターにより蒸着すべき相を特異的に制御することが可
能であるので、他のプロセスと比べて有利であり、調製
費用が低い。
【０００４】電気化学的補助蒸着において、燐酸カルシ
ウムが陰極上に沈殿し、インプラントが形成される。得
られる層は、非常に多孔質で、従って表面から容易に除
去することができる。多孔性の低下のために種々の可能
性がある。
【０００５】米国特許3892648によれば、骨粉およびコ
ラーゲンのエマルジョンが、金属インプラントに電気化
学的に適用され、コラーゲンにより強力な接着が達成さ
れる。
【０００６】独国特許19504386 A1においては、付着さ
れた燐酸カルシウム層が、金属表面と段階的に組み合わ
される。燐酸カルシウム結晶は、成長している酸化物層
により囲まれる。このプロセスの不利益は、チタンまた
はチタン合金のインプラントを用いなければ機能しない
ことである。被覆の多孔性は低下されず、このように機
械的特性は改良されない。
【０００７】米国特許5458863においては、電気化学的
補助蒸着を用いることにより、まずブラッシュ石層が形
成され、これは次に20〜100℃の間の温度でヒドロキシ
アパタイトに変換される。層と基材との接着は、被覆中
に、基材表面上で気体泡を規則正しく除去することによ
り改良される。このプロセスにおいて、変換プロセスが
約36時間続くことが有利である。WO9813539によれば、7
50℃の温度において、燐酸カルシウム相の電気化学的補
助蒸着によりヒドロキシアパタイト結晶が形成され、接
着性が改良される。ここで、より高い温度が特に有利で
あると言うべきである。米国特許5205921において、電
気分解的蒸着後に、製造された層の接着性が、メタノー
ル浴中での超音波プロセスにより改良される。この方法
は、基材への接着性が低い結晶が、超音波の影響により
再び脱着されることに基づく。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】改良された表面と生物
系との適合性を有するインプラント材料への要望がなお
強い。
【０００９】従って、本発明の目的は、多孔性が減少し
接着性が改良されたアパタイト被覆金属材料の提供であ
る。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、この目
的は、アパタイト被覆金属材料であって、被覆が、針長
が200〜300nmであるヒドロキシアパタイト結晶または直
径が35〜200nmの無定形燐酸カルシウム球体の厚い被膜
からなり、層厚が１μmより大きく、15m2／g未満の比表
面積を有するものである材料により達成される。
【００１１】金属材料は、チタンもしくはチタン合金、
CoCrMo合金またはステンレススチールからなる。
【００１２】本発明によれば、新規アパタイト被覆材料
は、金属材料から形成される基材電極と、カルシウムお
よび燐酸イオン含む水溶液を電解質として使用する対電
極とを用いる電気化学的に補助されたプロセスにより溶
解される。
【００１３】本発明によれば、被覆は、多くの連続的プ
ロセスサイクルにおいて陰極分極により達成される。一
つのプロセスサイクルは、同一または異なる高い一定の
電流密度を有する単数または複数の連続段階における陰
極分極、およびそれに続く濯ぎおよび／または乾燥相か
らなる。
【００１４】電解質中のカルシウムと燐酸イオンとの濃
度割合はヒドロキシアパタイトの割合に相当する。
【００１５】本発明の方法によれば、電気化学的燐酸カ
ルシウム蒸着およびその後の濯ぎおよび／または乾燥か
らなる多くのサイクルにおいて、その方法を2回以上繰
り返して、多孔性の低下が起こる。
【００１６】電気化学的に、ヒドロキシアパタイトまた
はその前駆体（無定形燐酸カルシウム(ACP)またはACP／
HAPの混合状態）が、金属材料上に蒸着される。ヒドロ
キシアパタイト結晶の寸法は200〜300nmである。無定形
球体は、35〜200nmの範囲においてその直径を変えるこ
とができる。圧縮層は、短い被覆相と、それに続く濯ぎ
および／または乾燥相との間の交換により達成される。
乾燥は、室温で行われる。乾燥中、用いられた電解質液
が多孔質層から除かれる。次の浸漬において、その空洞
は新しい電解質液で満たされる。すなわち、燐酸カルシ
ウム相の電気化学的補助蒸着がその空洞中においても起
こる。さらに、特別の形状の材料体および非常に粗く／
多孔性の表面でも、均一被覆を達成するために、被覆お
よび乾燥相中に材料体が連続的に動かされる。
【００１７】本発明の方法の一つの態様において、陰極
分極が、0.5mA／cm2〜20mA／cm2の一定の電流密度で行
われ、または個々のプロセスサイクルにおいて異なる電
流密度で行われ、電流密度はその後のサイクルにおいて
低下する。
【００１８】本発明は、インプラント、特に歯インプラ
ントおよび人工関節、および骨折時の骨の安定化用の材
料（骨合成材料）の製造のための新規アパタイト被覆金
属材料の使用をも含む。
【００１９】
【実施例】本発明を、以下の実施例を利用してより詳し
く説明する。
【００２０】実施例１ 被覆サンプル：チタン合金（TiAl6V4）のシリンダー、
直径10mm、長さ46mm、SIC紙で研磨、1200粒度 このサンプルを、被覆前に超音波を用いてエタノール中
で清浄化し、脱イオン水で濯ぎ、空気の流れにより乾燥
し、次に、Deguformシリコン材料の接触装置を含むホル
ダーで両端を被覆する。被覆されるべき面積は6.28cm2
である。
【００２１】導入されたCaCl2・２H2Oの2.455gとNH4H2P
O4の1.15g（Ca/P比1.67に相当する）と脱イオン水５リ
ッターから電解質液を調製した。自動温度調節器により
制御された電解質液の温度は37℃であった。pHは、NH4O
H溶液を用いて6.45に調節した。
【００２２】サンプルを陰極として分極し、陽極として
白金ガーゼ電極を用いた。被覆は10サイクル行った。１
サイクルに含まれるのは：63mAの一定電流で５分間の陰
極分極、次に、脱イオン水中での1分間の濯ぎ、次に、
ファンを用いる５分間の乾燥。
【００２３】結果：図１は、実施例１により得られたTi
Al6V4上のアパタイト被覆の走査型（scanning）電子顕
微鏡写真を示す。巨視的には、層は均一に白色で良好に
接着しているように見える。走査型電子顕微鏡写真を検
討すると、長さ約200〜300nmのアパタイト様針状物を伴
った閉鎖層が示される。エネルギー分散性X線分析は、
ヒドロキシアパタイトに相当するCa／P比1.67を示す。D
IN 66 131によるBET分析は、1g当たり9.25m2の比表面積
を示す。これと比べて、非圧縮蒸着の場合、約60m2／g
の比表面積が達成される。走査型電子顕微鏡写真におけ
るエッチングおよびスキュー分析により、層厚は約1.8
μmと測定された。
【００２４】IR分光分析（FTIR）により、被覆がヒドロ
キシアパタイトであることが確認される。Merckからの
および被覆サンプルのヒドロキシアパタイト粉末のIRス
ペクトルは、同一の吸収バンドを有する。
【００２５】図２は、実施例１により得られたTiAl6V4
上のアパタイト被覆であって、基材表面から機械的に脱
着されたものの走査型電子顕微鏡写真を示す。被覆の底
部（基材側）において、高い密度の面積を識別すること
ができ、それは層表面方向において減少している。
【００２６】実施例２ 実施例１と同一のサンプル寸法、被覆および結果。しか
しながら、サンプル材料は合金CoCr28Moである。
【００２７】実施例３ 実施例１と同一のサンプル寸法、被覆。しかしながら、
プロセスサイクル中、以下の電流密度で2段階において
分極を行った： 75mAで1分間、50mAで４分間 結果：針長約200〜300nmで、より引き締まった充填実施例４ 実施例１と同一のサンプル寸法、被覆。しかしながら5
分間の陰極分極中、サイクル１、３および８において
は、以下のように電流を変化させた： 63mAで１分間および5.6mAで４分間。
【００２８】サイクル２、４、５、６、７、９および10
においては、電流は5.6mAであった。
【００２９】図３は、実施例４により得られた被覆の走
査型電子顕微鏡写真を示す。巨視的には、層は均一に白
色で良好に接着しているように見える。走査型電子顕微
鏡写真を検討すると、直径約50〜150nmの燐酸カルシウ
ム球体を伴った閉鎖層が示される。走査型電子顕微鏡写
真におけるエッチングおよびスキュー分析により、層厚
は約1.8μmと測定された。
【００３０】実施例５ 実施例１と同一のサンプル寸法、被覆であるが、サイク
ルは25回とした。１つのサイクルは、63mAで１分間の陰
極分極および50mAで1分間の陰極分極よりなる。
【００３１】結果：混合状態（ACP球体とHAP針状物）。
図4を参照 図４は、実施例５により得られた被覆の走査型電子顕微
鏡写真を示す。巨視的には、被覆は均一に白色で良好に
接着しているように見える。走査型電子顕微鏡写真を検
討すると、燐酸カルシウム球体およびヒドロキシアパタ
イト針状物を伴った閉鎖層が示される。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１により得られたTiAl6V4上のアパタイ
ト被覆の走査型電子顕微鏡写真を示す。
【図２】実施例１により得られたTiAl6V4上のアパタイ
ト被覆であって、基材表面から機械的に脱着されたもの
の走査型電子顕微鏡写真を示す。
【図３】実施例４により得られた被覆の走査型電子顕微
鏡写真を示す。
【図４】実施例５により得られた被覆の走査型電子顕微
鏡写真を示す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ユルゲン ホフィンガー ドイツ連邦共和国 01187 ドレスデン エフ．ツェー．−ヴァイスコプフ−プラッ ツ ９ (72)発明者 タンヤ ヘボルト ドイツ連邦共和国 01169 ドレスデン リュニンクシュトラーセ １ Ｆターム(参考） 4C059 AA02 AA08 4C081 AB03 AB05 AB06 BA13 BB08 CF012 CF032 CG02 CG03 DA01 EA01 4C097 AA01 AA03 BB01 CC02 CC03 DD07 DD10

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 被覆がヒドロキシアパタイト結晶および
    ／または無定形燐酸カルシウム球体の厚い被膜からなり
    被覆の比表面積が15m2／g未満であることを特徴とする
    アパタイト被覆金属材料。
  2. 【請求項２】 金属材料が、チタンもしくはチタン合
    金、CoCrMo合金またはステンレススチールからなる請求
    項１に記載の材料。
  3. 【請求項３】 金属材料から形成される基材電極と、カ
    ルシウムおよび燐酸イオン含む水溶液を電解質として使
    用する対電極とを用いる電気化学的に補助されたプロセ
    スによりアパタイト被覆金属材料を調製する方法であっ
    て、陰極分極が多くの連続的プロセスサイクルにおいて
    起こり、陰極分極の一つのプロセスサイクルは、同一ま
    たは異なる高い一定の電流密度を有する単数または複数
    の連続段階、およびそれに続く濯ぎおよび／または乾燥
    相からなることを特徴とする方法。
  4. 【請求項４】 電解質中のカルシウムと燐酸イオンとの
    濃度割合がヒドロキシアパタイトの割合に相当する請求
    項３に記載の方法。
  5. 【請求項５】 プロセスサイクル中に材料を定期的に変
    える請求項３または４に記載の方法。
  6. 【請求項６】 陰極分極が、0.5mA／cm2〜20mA／cm2の
    一定の電流密度で行われる、または個々のプロセスサイ
    クルにおいて異なる電流密度で行われ、電流密度はその
    後のサイクルにおいて低下する請求項３〜５のいずれか
    １項に記載の方法。
  7. 【請求項７】 骨インプラント、歯インプラント、人工
    関節または災害外科用の固定材料（骨合成材料）の調製
    のための請求項１または２に記載の材料の使用。
  8. 【請求項８】 骨インプラント、歯インプラント、人工
    関節または災害外科用の固定材料（骨合成材料）の調製
    のための請求項３〜６のいずれか１項に記載の被覆され
    た材料の使用。
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