【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、気孔径および気孔率を制御した硬組織代替材料及びその作製方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
人工骨や人工歯根などの硬組織代替材料は、緻密体、多孔体、顆粒などの形状で用いられている。生体内埋入時における骨芽細胞の活動性の観点から、多孔体は重要な材料形態となっており、その気孔径や気孔率などの制御が重要である。毒性や生体との親和性から、骨の無機主成分である水酸アパタイト（Ｃａ１０（ＰＯ４）６（ＯＨ）２）などのリン酸カルシウム系化合物の一群が硬組織代替材料として用いられている。既存のリン酸カルシウム系材料における多孔質焼結体の作製では、粒径を制御した有機物もしくはカーボンを気孔制御材として用い、焼結と同時もしくは予備焼成により、有機物の燃焼除去を行ない、多孔質焼結体を作製している（例えば、特開平７−２９１７５９など）。また、気孔制御材を用いずに焼結した場合、非常に小さな孔（１μｍ以下）を有した多孔質焼結体の作製は可能であるが、人工骨として必要な気孔径を制御できないため、人工骨用の多孔質焼結体においては、気孔制御材の使用は重要となる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、気孔制御材として有機物もしくはカーボンを用いることにより、いくつかの問題が生じる。まず第一に、有機物やカーボンの燃焼により大きな発熱を伴う。水酸基を有している水酸アパタイトにおいて、この燃焼発熱は、水酸基の部分的な脱離を招き、変質を引き起こす。第二に、加圧しながらの焼結が困難である。有機物の除去と同時に焼結するため、加圧焼結した場合、制御された気孔径や気孔率が著しく変化してしまう恐れがある。このため既存の方法では、室温で圧粉体を形成後、無加圧で焼結する常圧焼結が行われており、高温・長時間での焼結が必要となってしまうという課題があった。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上述の課題を解決するために、無機化合物を気孔制御材として用い、粒径を制御した気孔制御材と水酸アパタイトからなる複合焼結体を作製し、特定の水溶液を用い室温で気孔制御材のみを選択的に溶解することにより、気孔径および気孔率を制御した多孔質焼結体の作製をすることを特徴とする。気孔制御材は、焼結温度で安定であり、水もしくは水溶液への溶解度が非常に高く、また骨の構成元素を含む化合物であることが特徴である。気孔率は連通孔形成のために３０ｖｏｌ％以上であり、多孔質焼結体の形状維持のために８０ｖｏｌ％以下とする。気孔径は任意のサイズが可能であるが、特に人工骨においては、生体内埋入時における骨芽細胞の活動性の観点から、１００μｍ以上の気孔径を有する多孔質焼結体とする。
【０００５】
【発明の実施の形態】
本発明の水酸アパタイト多孔体作製工程を図１に示す。水酸アパタイト粉末と粒径を制御した気孔制御材（酸化カルシウムＣａＯ， 水酸化カルシウムＣａ（ＯＨ）２ ， 炭酸カルシウムＣａＣＯ３等の化合物）を任意の気孔率となるように均一に混合し、複合焼結体を作製する（図２−ａ）。このとき、焼結方法として、室温で圧粉体を形成後、無加圧で焼結する常圧焼結、加圧しながら焼結するホットプレスやパルス通電焼結など種々の焼結法が可能であり、焼結法としては、加圧、無加圧は問わない。
【０００６】
複合焼結体をそのままもしくは任意の大きさに加工した後、図３に示すように、複合焼結体を飽和ＮＨ４Ｃｌ水溶液に浸漬し、気孔制御材（ＣａＯ ， Ｃａ（ＯＨ）２ ， ＣａＣＯ３等の化合物）を全て溶出させ、多孔質焼結体とする（図２−ｂ）。
【０００７】
【実施例】
（実施例１） パルス通電焼結装置を用いて、気孔制御材となるＣａＯを７００℃， １０ｍｉｎ間で焼結した。ＣａＯ焼結体を粗粉砕し、約１００〜２００μｍに分級した。平均粒径が約１０μｍの水酸アパタイト球状粉末と分級された気孔制御材を均一に混合した。気孔制御材の混合比率は５０ｖｏｌ％である。なお、水酸アパタイトのＣａ／Ｐ比は化学量論である１．６７である。
【０００８】
水酸アパタイト／気孔制御材混合粉末を直径１５ｍｍのカーボンダイスに約１ｇ充填し、パルス通電焼結装置を用いて、８００℃で１０ｍｉｎ間、真空中で焼結した。焼結時の昇温速度は、約１００℃／ｍｉｎであり、冷却は装置内で自然放冷とした。温度測定はダイスの温度を測定した。粉末Ｘ線回折の結果から、焼結体は水酸アパタイトとＣａＯからのみ構成されており、両化合物間の反応は見られなかった。
得られた焼結体を約５×５×２ｍｍの大きさに切り出し、気孔制御材の溶出を行なった。気孔制御材ＣａＯの溶出には、飽和ＮＨ４Ｃｌ水溶液を用い、完全に溶出するまで約３０ｈ要した。溶出後の多孔質焼結体は、水酸アパタイトのみであった。気孔制御材が溶出した後の飽和ＮＨ４Ｃｌ水溶液のｐＨは８〜９であり、アルカリ性で安定な水酸アパタイトの溶解はないと考えられる。作製した多孔質焼結体の各データを表１に示す。
【０００９】
（実施例２） 気孔制御材ＣａＯの粒径を約１００〜２００μｍ、気孔制御材の混合比率を７０ｖｏｌ％とし、実施例１と同じ方法で多孔体を作製した。溶出後の多孔質焼結体は、水酸アパタイトのみであった。また、気孔制御材の溶出には約１２ｈ要した。作製した多孔質焼結体の各データを表１に示す。
【００１０】
（実施例３） 気孔制御材ＣａＯの粒径を約２００〜１０００μｍ、気孔制御材の混合比率を５０ｖｏｌ％とし、実施例１と同じ方法で多孔体を作製した。溶出後の多孔質焼結体は、水酸アパタイトのみであった。また、気孔制御材の溶出には約３０ｈ要した。作製した多孔質焼結体の各データを表１に示す。
【００１１】
（実施例４） 気孔制御材ＣａＯの粒径を約２００〜１０００μｍ、気孔制御材の混合比率を７０ｖｏｌ％とし、実施例１と同じ方法で多孔体を作製した。溶出後の多孔質焼結体は、水酸アパタイトのみであった。また、気孔制御材の溶出には約１２ｈ要した。作製した多孔質焼結体の各データを表１に示す。
【００１２】
（比較例１） 気孔制御材ＣａＯの粒径を約１００〜２００μｍ、気孔制御材の混合比率を２０ｖｏｌ％とし、実施例１と同じ方法で多孔体を作製した。溶出後の多孔質焼結体は、ＨＡの理論密度に対する相対密度が、約９０％となり、混合した気孔制御材が完全には溶出されず、気孔率の制御が十分に行なえない。また、大量の気孔制御材が焼結体中に残るために、生体材料としての利用が難しい。
【００１３】
（比較例２） 気孔制御材ＣａＯの粒径を約１００〜２００μｍ、気孔制御材の混合比率を９０ｖｏｌ％とし、実施例１と同じ方法で多孔体を作製した。気孔制御材の溶出中に焼結体の破壊が起こり、多孔質焼結体の形状を維持できなかった。
【００１４】
なお気孔制御材をＣａＯからＣａ（ＯＨ）２ 及びＣａＣＯ３に変えて実験を行ったところ、同様の効果が得られた。また、金属を多孔質化することは難しいが、本発明における作製方法を利用し、金属と気孔制御材の最適な組み合わせを見つけることにより、金属の多孔質化も可能となり、適用範囲を広げることも出来る。
【００１５】
【表１】
【発明の効果】
本発明による作製方法では、平均気孔径が人工骨材料に有効な大きなサイズに制御できるとともに、溶出による気孔制御材の除去のため、水酸アパタイトの水酸基への影響は極めて低くなった。また、気孔制御材に熱的に安定な無機化合物を使用するため、パルス通電焼結やホットプレスなど加圧焼結技法の利用が可能となった。特にパルス通電焼結法を利用することにより、低温短時間（８００℃， １０ｍｉｎ）での焼結が可能となり、水酸基の脱離など水酸アパタイトへの影響を大きく低減できた。
【００１６】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の人工骨材料作製の工程図。
【図２】本発明で作製する焼結体の説明図である。２−ａは水酸アパタイトと気孔制御材からなる複合焼結体を示している。２−ｂは気孔制御材を除去した後の多孔質焼結体を示している。
【図３】気孔制御材の溶出装置の断面図である。
【符号の説明】
２１ 気孔制御材（酸化カルシウムＣａＯなど）
２２ 水酸アパタイト
２３ 気孔
３１ 複合焼結体
３２ 塩化アンモニウムＮＨ４Ｃｌ飽和水溶液
３３ 回転子
３４ スターラー
３５ 網
３６ 容器（ビーカーなど）[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a hard tissue replacement material having a controlled pore diameter and porosity, and a method for producing the same.
[0002]
[Prior art]
Hard tissue replacement materials such as artificial bones and artificial tooth roots are used in the form of dense bodies, porous bodies, granules and the like. From the viewpoint of the activity of osteoblasts at the time of implantation in a living body, the porous body has an important material form, and it is important to control the pore diameter and porosity thereof. A group of calcium phosphate compounds such as hydroxyapatite (Ca10 (PO4) 6 (OH) 2), which is an inorganic main component of bone, has been used as a hard tissue replacement material due to toxicity and affinity with living bodies. In the production of a porous sintered body of existing calcium phosphate-based materials, an organic substance or carbon having a controlled particle size is used as a pore control material, and the organic substance is burned and removed at the same time as sintering or by pre-firing, and porous sintering is performed. The body is manufactured (for example, JP-A-7-291759). Further, when sintering is performed without using a pore control material, a porous sintered body having very small pores (1 μm or less) can be produced, but the pore diameter required as an artificial bone cannot be controlled. In a porous sintered body for artificial bone, the use of a pore control material is important.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, using an organic substance or carbon as the pore control material causes some problems. First of all, the combustion of organic matter and carbon generates a large amount of heat. In a hydroxyapatite having a hydroxyl group, the heat generated by combustion causes partial elimination of the hydroxyl group, thereby causing deterioration. Second, sintering under pressure is difficult. Since sintering is performed at the same time as the removal of the organic matter, the controlled pore diameter and porosity may significantly change when pressure sintering is performed. For this reason, in the existing method, normal pressure sintering, in which a green compact is formed at room temperature and then sintering without pressure, is performed, has a problem that sintering at a high temperature for a long time is required. there were.
[0004]
[Means for Solving the Problems]
The present invention solves the above problems by using an inorganic compound as a pore controlling material, producing a composite sintered body composed of a pore controlling material having a controlled particle size and hydroxyapatite, and using a specific aqueous solution at room temperature. By selectively dissolving only the pore control material, a porous sintered body having a controlled pore diameter and porosity is produced. The pore control material is characterized in that it is stable at the sintering temperature, has a very high solubility in water or an aqueous solution, and is a compound containing a constituent element of bone. The porosity is 30 vol% or more for forming communication holes, and 80 vol% or less for maintaining the shape of the porous sintered body. The pore diameter can be any size. Particularly, in the case of artificial bone, from the viewpoint of the activity of osteoblasts during implantation in a living body, a porous sintered body having a pore diameter of 100 μm or more is used.
[0005]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 1 shows a process for producing a hydroxyapatite porous body of the present invention. Hydroxyapatite powder and a pore controlling material (compounds such as calcium oxide CaO, calcium hydroxide Ca (OH) 2, and calcium carbonate CaCO3) having a controlled particle size are uniformly mixed so as to have an arbitrary porosity. A binder is produced (FIG. 2-a). At this time, various sintering methods are available, such as normal pressure sintering in which a green compact is formed at room temperature and then sintering without pressure, hot pressing in which sintering is performed while applying pressure, and pulse current sintering. The sintering method may be pressurized or non-pressurized.
[0006]
After processing the composite sintered body as it is or to an arbitrary size, as shown in FIG. 3, the composite sintered body is immersed in a saturated NH4Cl aqueous solution, and a pore control material (CaO 2, Ca (OH) 2, CaCO 3, etc.) All the compounds are eluted to obtain a porous sintered body (FIG. 2-b).
[0007]
【Example】
(Example 1) CaO as a pore control material was sintered at 700 ° C for 10 minutes using a pulse current sintering apparatus. The CaO sintered body was roughly pulverized and classified to about 100 to 200 μm. Hydroxyapatite spherical powder having an average particle size of about 10 μm and the classified pore controlling material were uniformly mixed. The mixing ratio of the pore control material is 50 vol%. The Ca / P ratio of hydroxyapatite is 1.67 which is a stoichiometric ratio.
[0008]
Approximately 1 g of the hydroxyapatite / porosity controlling material mixed powder was filled in a carbon die having a diameter of 15 mm, and sintered in a vacuum at 800 ° C. for 10 minutes using a pulse current sintering apparatus. The rate of temperature rise during sintering was about 100 ° C./min, and cooling was allowed to cool naturally in the apparatus. For the temperature measurement, the temperature of the die was measured. From the results of powder X-ray diffraction, the sintered body was composed only of hydroxyapatite and CaO, and no reaction was observed between the two compounds.
The obtained sintered body was cut into a size of about 5 × 5 × 2 mm, and the pore controlling material was eluted. The pore control material CaO was eluted with a saturated NH4Cl aqueous solution, and it took about 30 hours to elute completely. The porous sintered body after elution was only hydroxyapatite. The pH of the saturated aqueous NH 4 Cl solution after the pore control material elutes is 8 to 9, and it is considered that the alkaline and stable hydroxyapatite is not dissolved. Table 1 shows each data of the produced porous sintered body.
[0009]
(Example 2) A porous body was produced in the same manner as in Example 1, except that the particle size of the pore control material CaO was about 100 to 200 µm and the mixing ratio of the pore control material was 70 vol%. The porous sintered body after elution was only hydroxyapatite. It took about 12 hours to elute the pore control material. Table 1 shows each data of the produced porous sintered body.
[0010]
Example 3 A porous body was produced in the same manner as in Example 1, except that the particle size of the pore control material CaO was about 200 to 1000 μm and the mixing ratio of the pore control material was 50 vol%. The porous sintered body after elution was only hydroxyapatite. It took about 30 hours to elute the pore control material. Table 1 shows each data of the produced porous sintered body.
[0011]
Example 4 A porous body was produced in the same manner as in Example 1, except that the particle size of the pore control material CaO was about 200 to 1000 μm, and the mixing ratio of the pore control material was 70 vol%. The porous sintered body after elution was only hydroxyapatite. It took about 12 hours to elute the pore control material. Table 1 shows each data of the produced porous sintered body.
[0012]
Comparative Example 1 A porous body was produced in the same manner as in Example 1, except that the particle size of the pore controlling material CaO was about 100 to 200 μm and the mixing ratio of the pore controlling material was 20 vol%. The relative density of the porous sintered body after elution with respect to the theoretical density of HA is about 90%, and the mixed pore control material is not completely eluted, and the porosity cannot be sufficiently controlled. Further, since a large amount of the pore control material remains in the sintered body, it is difficult to use it as a biomaterial.
[0013]
Comparative Example 2 A porous body was produced in the same manner as in Example 1, except that the particle size of the pore controlling material CaO was about 100 to 200 μm and the mixing ratio of the pore controlling material was 90 vol%. During the elution of the pore control material, the sintered body was broken, and the shape of the porous sintered body could not be maintained.
[0014]
When the experiment was performed by changing the pore control material from CaO to Ca (OH) 2 and CaCO3, the same effect was obtained. In addition, it is difficult to make metal porous, but by using the manufacturing method of the present invention to find the optimal combination of metal and pore control material, it becomes possible to make metal porous and expand its application range. Can also be.
[0015]
[Table 1]
【The invention's effect】
In the production method according to the present invention, the average pore diameter can be controlled to a large size effective for the artificial bone material, and the influence of the hydroxyapatite on the hydroxyl group is extremely low because the pore control material is removed by elution. In addition, since a thermally stable inorganic compound is used as the pore control material, pressure sintering techniques such as pulse current sintering and hot pressing can be used. In particular, by using the pulse electric current sintering method, sintering at a low temperature and in a short time (800 ° C., 10 minutes) became possible, and the influence on hydroxyapatite such as elimination of hydroxyl groups was greatly reduced.
[0016]
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a process chart for producing an artificial bone material of the present invention.
FIG. 2 is an explanatory diagram of a sintered body produced by the present invention. 2-a indicates a composite sintered body composed of hydroxyapatite and a pore controlling material. 2-b shows the porous sintered body after removing the pore control material.
FIG. 3 is a sectional view of an apparatus for eluting a pore controlling material.
[Explanation of symbols]
21 Pore control materials (calcium oxide CaO, etc.)
22 Hydroxyapatite 23 Pores 31 Composite sintered body 32 Saturated aqueous solution of ammonium chloride NH4Cl 33 Rotor 34 Stirrer 35 Mesh 36 Container (eg, beaker)
