JP2005185433A - Bioceramic composite structure - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、長尺状の芯材の外周を異なる組成からなる表皮材にて被覆してなる単芯構造体を複数本収束した略円柱状の複合構造体からなる生体用セラミックス部材であり、生体内に埋入する骨補填材料に関する。 The present invention is a biological ceramic member comprising a substantially cylindrical composite structure in which a plurality of single core structures formed by coating the outer periphery of a long core material with a skin material having a different composition, The present invention relates to a bone filling material to be embedded in a living body.
従来より、外傷などによって生じた骨の欠損部に骨補填材を用いて骨を修復させることが行われている。この骨補填材には骨形成の足場を提供するものやそれ自体が骨に吸収されつつ新生骨芽細胞の成長を促進するものなどが知られている。これらの材料に必要な特性としては無毒、安全でしかも機械的強度に優れていること、また生体組織に対して親和性があり骨組織の細胞や血管組織と結合しやすい材料であることが要求される。 2. Description of the Related Art Conventionally, bone has been repaired using a bone prosthetic material in a bone defect caused by trauma or the like. As this bone prosthetic material, those that provide a scaffold for bone formation and those that promote the growth of new osteoblasts while being absorbed by bone are known. The properties required for these materials are non-toxic, safe and excellent in mechanical strength, and must be compatible with living tissue and easily bind to bone tissue cells and vascular tissue. Is done.
このような材料として、これまでにリン酸三カルシウム(TCP)、ハイドロキシアパタイト(HAP)などの焼結体からなるリン酸カルシウム系焼結体が提案されている。しかし、これらのリン酸カルシウム系焼結体は生体親和性に優れているものの靭性値が極めて小さく、容易に破折するため信頼性のある実用材料として使用することが困難であった。 As such a material, a calcium phosphate-based sintered body made of a sintered body such as tricalcium phosphate (TCP) or hydroxyapatite (HAP) has been proposed so far. However, these calcium phosphate-based sintered bodies have excellent biocompatibility, but have extremely low toughness values and easily break, making it difficult to use them as reliable practical materials.
この破壊靱性値のリン酸カルシウム系焼結体の欠点をカバーする為に他の材料との複合化や、リン酸カルシウム自体の緻密化が試みられてきた。例えば特許文献1ではZrO2、Al2O3、TiO2,SiC、Si3N4からなる基体の全部または表面部に平均径0.1〜2mmの多数の空隙を設けて、該空隙内に多孔質のリン酸カルシウム系化合物を充填することにより高強度を保ちつつ良好な骨形成可能となることが開示されている。
In order to cover the defects of the calcium phosphate sintered body having this fracture toughness value, attempts have been made to combine it with other materials or to make the calcium phosphate itself dense. For example, in
また、特許文献2にはリン酸カルシウムに微量のピロリン酸ナトリウムを添加することにより硬化性水溶液を加えてセメント化した際の流動性が向上し緻密な硬化体が得られ、強度が上昇することが開示されている。
しかしながら、上記特許文献1に記載された基体に多数の空隙を形成する方法では基体の強度が低下する傾向にあり、上述の従来のセラミックスでは強度が不十分で生体部材が破損する恐れがあった。
However, the method of forming a large number of voids in the substrate described in
また、上記特許文献2に記載された生体骨治療用リン酸カルシウムセメントの強化方法では、強度が向上するものの得られた焼結体の気孔率が低く、また連続したポアを形成していないため骨芽細胞の成長が遅いことから、生体に吸収されにくいという問題が残っていた。
Further, in the method for strengthening calcium phosphate cement for living bone treatment described in
本発明は上記課題を解決するためになされたもので、その目的は、十分な強度を有する緻密なセラミックスあるいは金属の芯材と多孔質のリン酸カルシウム系焼結体の表皮材とを組み合わせた複合構造体において、生体親和性を損なうことなく、高靭性で高強度な生体用セラミックス複合構造体を提供することにある。 The present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems, and the object thereof is a composite structure in which a dense ceramic or metal core material having sufficient strength and a skin material of a porous calcium phosphate sintered body are combined. An object of the present invention is to provide a ceramic composite structure for living body having high toughness and high strength without impairing biocompatibility in the body.
本発明者らは上記課題について検討した結果、十分な強度を有する緻密な酸化物系セラミックスあるいはチタンなどの合金を芯材とし、その表面を多孔質の生体親和性セラミックスで覆った構造の単芯構造体を複数本収束することにより、靭性および強度を高めることができるとともに、三次元的に連続した気孔を有して骨芽細胞が十分に成長することが可能な骨補填材料として好適な複合構造体となることを知見した。 As a result of studying the above problems, the present inventors have determined that a single core having a structure in which a dense oxide ceramic having sufficient strength or an alloy such as titanium is used as a core and the surface thereof is covered with porous biocompatible ceramics. By converging multiple structures, toughness and strength can be increased, and a composite suitable as a bone grafting material that has three-dimensionally continuous pores and allows osteoblasts to grow sufficiently It was found that it became a structure.
すなわち、本発明の複合構造体は、長尺状の芯材の外周を異なる組成からなる表皮材にて被覆してなる単芯構造体を複数本収束した複合構造体からなり前記芯材に緻密なセラミックスあるいは金属からなり、表皮材が三次元的に連続した気孔を有する生体親和性セラミックスからなることを特徴とするものである。 That is, the composite structure of the present invention comprises a composite structure obtained by converging a plurality of single-core structures formed by coating the outer periphery of a long core material with a skin material having a different composition. The skin material is made of biocompatible ceramics having three-dimensionally continuous pores.
ここで、前記複合構造体の断面における芯材cと表皮材sの面積比c/sが1〜10の間である場合に特に骨補填材料としての強度および生体親和性のバランスがよく、骨補填材料としての効果が有効に発揮される。 Here, when the area ratio c / s between the core material c and the skin material s in the cross section of the composite structure is between 1 and 10, the strength and biocompatibility balance as a bone filling material is good, and the bone The effect as a filling material is exhibited effectively.
以上詳述したとおり、本発明の複合構造体によれば、十分な強度を有する緻密な酸化物系セラミックスあるいは金属を芯材とし、その表面を多孔質の生体親和性セラミックスで覆った構造の単芯構造体を複数本収束することにより、三次元的に連続した気孔を骨芽細胞が十分に成長することが可能な骨補填材料として好適な複合構造体となる。 As described above in detail, according to the composite structure of the present invention, a simple oxide ceramic or metal having sufficient strength is used as a core, and the surface is covered with porous biocompatible ceramics. By converging a plurality of core structures, a composite structure suitable as a bone filling material capable of sufficiently growing osteoblasts in three-dimensionally continuous pores is obtained.
本発明の複合構造体について、その一実施例である図を基に説明する。 The composite structure of the present invention will be described with reference to the drawings which are one example thereof.
図1(a)によれば、複合構造体1は、緻密に焼結したセラミックスあるいは合金を芯材2とし、その外周を組成の異なる生体親和性セラミックス3にて被覆した単芯構造体4を基本構造としている。単芯構造体4は図1(b)の斜視図に示すように同心円断面を有する円柱状構造をなしている。
Referring to FIG. 1A, a
さらに図2(a)に示すように、本発明にかかる複合構造体1は単芯構造体4を複数本収束させた構造を有しており生体親和性セラミックスの表皮材3が緻密に焼結したセラミックスあるいは金属の芯材2の周囲を連続的に取り囲む構造になっている。この際、稠密構造で収束させると図のように芯材2は六角形の断面形状を呈するが意図的に丸型や星型などその他の形状であってもよく、収束する単芯構造体の数は補填材として用いられる生体骨の部位あるいは形状により制御することが出来る。また、複合構造体断面における表皮材3と芯材2の面積の比率c/sは1〜10であることが望ましい。複合構造体1は図2(b)の斜視図に示すように単芯構造体4が複数本集束された多芯構造からなる円柱状の多芯構造体であり、実用的には置換する生体骨の形状に合わせて加工し用いるものである。
Further, as shown in FIG. 2A, the
ここで、本発明にかかる生体用セラミックス用の複合構造体1においては例えば生体親和性を有する気孔率25%以上、特に40〜90%、さらに45〜70%の多孔質セラミックスからなる表皮材3を、気孔率5%以下、特に2%以下の緻密なセラミックスあるいは金属からなる芯材2で高靭化、高強度化したものであり、緻密なセラミックスあるいは金属の芯材が生体骨に対し二次元に配列することにより優れた圧縮強度および曲げ強度を有する。また、芯材2を覆うように三次元に配列された生体親和性多孔質セラミックスの表皮材3は生体骨から骨補填材への骨芽細胞の成長を促す働きをすることにより、強度と生体親和性に優れた複合構造体となる。
Here, in the
本発明の複合構造体1は芯材2、表皮材3の材質の組み合わせを自由に選択することが出来、表皮材3と芯材2の比率も任意に制御することが可能である。ここで複合構造体1の断面における芯材2の面積cと表皮材3の面積sとの面積比c/sが1〜10の間であるときに骨補填材料として好適な強度と生体親和性とを有し、望ましくは1〜5であり、さらに望ましくは1〜3である。面積比c/sが1未満の場合は緻密なセラミックスの割合が少なくなり複合構造体自体の強度が低下し、例えば人口骨補填材料として必要とされる30MPaを下回ってしまう場合がある。一方、面積比c/sが10を超える場合には強度的には十分であるが、複合構造体内に占める気孔の存在密度が低いため、骨芽細胞の成長が抑制され治癒に長時間を必要とするようになる。
The
なお、本発明において、複合構造体1の断面における表皮材3と芯材2との面積比c/sを算出するには、例えば構造体1の任意横断面における走査型電子顕微鏡(SEM)写真にて観察される各芯材の断面積の和をc、複合構造体1の任意断面における総断面積から前記芯材2の面積cを引いたものをsとして計算することができる。簡単には画像解析法などによっても求めることができる。
In the present invention, in order to calculate the area ratio c / s between the
さらに本発明の芯材cと表皮材sの面積比およびそれぞれの気孔率を制御することにより複合構造体のヤング率を調節することも可能であり、例えば生体骨のヤング率30GPa程度に制御することにより、骨補填材料としてより好適なものとなる。 Furthermore, the Young's modulus of the composite structure can be adjusted by controlling the area ratio between the core material c and the skin material s of the present invention and the porosity of each, and for example, the Young's modulus of living bone is controlled to about 30 GPa. As a result, it becomes more suitable as a bone filling material.
本発明において用いる複合構造体1の表皮材3としては生体親和性の多孔質セラミックスとして一般的に知られているリン酸カルシウム化合物が好適で、例えばリン酸三カルシウムTCP(Ca3(PO4)2)、リン酸四カルシウム(Ca4(PO4)2O)、リン酸八カルシウム(Ca8H2(PO4)6・5H2O)、リン酸一水素カルシウム(CaHPO4)、リン酸二水素カルシウム(Ca(H2PO4)・H2O)、ハイドロキシアパタイトHAP(Ca10(PO4)6(OH)2)などである。
As the
一方、芯材2の材質としては、生体為害性のない材料であり望ましくは生体適合性を有する緻密なセラミックスあるいは金属であり、例えばアルミナ(Al2O3)、ジルコニア(ZrO2)、シリカ(SiO2)、チタニア(TiO2)、チタンおよびチタン合金、コバルトクロム合金、ステンレス合金などが挙げられる。ここで挙げられたセラミックスには適宜Ti、Mg、Zr、Hf、Y系などの助剤を含んでいても良い。
On the other hand, the material of the
また、表皮材3をなすセラミックスの結晶粒子の平均二次粒径は、骨芽細胞を成長させるに必要な気孔を保持する為に10〜300μm、望ましくは50〜200μmであることがよい。一方、芯材2をなす緻密なセラミックスあるいは金属は靭性および強度向上の点で0.1〜10μm、特に0.5〜3μmであることが望ましい。
The average secondary particle size of the ceramic crystal particles forming the
また、複合構造体1のサイズは補填する生体骨の部位および形状に対応させて変化させるが、表皮材3の多孔質セラミックスの気孔サイズが50〜200μmであるため、単芯構造体4として0.5〜5mm程度が良い。
Moreover, although the size of the
また、複合構造体1の構成としては、図1および2に示す構造体の形態の他に、図3に示すような(a)複合構造体1をシート状に並べたもの10A、(b)(a)のシートを同じ方向に複数枚積層したもの10B、(c)(a)のシートを異なる方向に複数枚積層したもの10Cのいずれであってもよい。これらの複合構造体は頭蓋骨や骨盤などの用いることが出来る。
In addition to the structure shown in FIGS. 1 and 2, the structure of the
(製造方法)
次に、本発明の複合構造体を製造する方法について、その一例である芯材がアルミナ、表皮材がハイドロキシアパタイトの場合について図4の模式図をもとに説明する。
(Production method)
Next, the method for producing the composite structure of the present invention will be described based on the schematic diagram of FIG. 4 in the case where the core material is alumina and the skin material is hydroxyapatite.
まず、平均粒径0.01〜3.5μmのアルミナ粉末に適宜助剤を添加・混合し、これにパラフィンワックス、ポリスチレン、ポリエチレン、エチレン−エチルアクリレ−ト、エチレン−ビニルアセテート、ポリブチルメタクリレート、ポリエチレングリコール、ジブチルフタレート等の有機バインダを添加、混錬して、プレス成形、押出成形または鋳込成形等の成形方法により円柱形状に芯材用成形体11を作製する。
First, an auxiliary agent is appropriately added to and mixed with alumina powder having an average particle diameter of 0.01 to 3.5 μm, and paraffin wax, polystyrene, polyethylene, ethylene-ethyl acrylate, ethylene-vinyl acetate, polybutyl methacrylate, polyethylene are added thereto. An organic binder such as glycol or dibutyl phthalate is added and kneaded, and the core material molded
一方、平均粒径0.1〜100μmのハイドロキシアパタイト原料粉末に前述のバインダ等に加え適宜、分散剤・発泡剤・消泡剤を添加、混錬して、プレス成形、押出成形または鋳込成形等の成形方法により半割円筒形状の2本の表皮材用成形体12を作製する。
On the other hand, a hydroxyapatite raw material powder having an average particle size of 0.1 to 100 μm is appropriately added with a dispersant, a foaming agent, and an antifoaming agent in addition to the above-mentioned binder and kneaded, and press molding, extrusion molding, or cast molding. The two
本発明によれば、表皮材6の気孔率を25%以上に制御するために上記表皮材用成形体12用の原料を混合するに際して、前記有機バインダの添加量を100〜200体積部、特に120〜150体積部とすることが望ましい。また、前記ハイドロキシアパタイト原料粉末は二次粒子径が20〜400μm、特に50〜200μmに造粒しておいたほうが均一な気孔径および組織を作製する点で望ましい。
According to the present invention, when the raw material for the skin material molded
次に、芯材用成形体11の外周に2本の表皮材用成形体12を配した複合成形体13を作製し、この複合成形体13を共押出成形する(芯材用成形体11、および表皮材用成形体12を同時に押出成形する)ことにより芯材用成形体11の外周に表皮材用成形体12が被覆され細い径に伸延された単芯成形体14を作製する(工程(b)参照)。また、マルチ繊維(フィラメント)タイプの多芯成形体15を作製するには、上記共押出しした長尺状の単芯成形体14を複数本収束して再度共押出し成形すればよく、この方法によれば、成形体中の単芯成形体14同士のより強固な密着性を得ることができる。(図4(c)参照)。
Next, a composite molded
なお、上記共押出成形においては、口金を変えること等により、上記伸延された長尺状の単芯成形体14または多芯成形体15の断面形状を、円形、三角形、四角形または六角形等の所望の形状に成形することも可能である。
In the coextrusion molding, the elongated single-core molded
また、本発明によれば、図3に示したような、複合構造体1、または単芯構造体4をシート状に集束した複合構造体10を形成する場合には、前述のようにして作製した複合構造体1、または単芯構造体4を並べてシート状成形体10を形成する。そして、所望により、シート状成形体(図示せず。)中の複合成形体1、または単芯構造体4同士が平行、直交または45°等の所定の角度をなすように積層させた積層体とすることもできる。その場合、複合成形体1、または単芯構造体4間に所望により上記バインダなどの接着材を介在させ、さらに、このシート状成形体に冷間静水圧プレス(CIP)などによって圧力を印加するものであってもよいが、必要に応じ、ロール等を用いてシート状成形体をロール圧延成形することも可能である。さらには、シート状成形体を作製する場合には単芯成形体14または多芯成形体15を整列させる際に公知のラピッドプロトタイピング法などの成形法を用いて予め所望の複雑な形状に成形することも可能である。
Further, according to the present invention, as shown in FIG. 3, when the
その後、前記成形体を脱バインダ処理した後、焼成することにより本発明の複合構造体を作製することができる。焼成方法は、芯材および表皮材によって、真空または雰囲気焼成、ガス圧焼成、ホットプレス、放電プラズマ焼結法などが用いられる。焼成温度は750℃〜1300℃とすることが望ましい。 Thereafter, the molded body is subjected to a binder removal treatment and then fired to produce the composite structure of the present invention. As the firing method, vacuum or atmosphere firing, gas pressure firing, hot press, discharge plasma sintering, or the like is used depending on the core material and the skin material. The firing temperature is desirably 750 ° C to 1300 ° C.
焼結後、レントゲンやMRI、CTなどを用いて測定した生体骨の欠損部17に合致する形状に加工することにより、例えば図5に示すような骨補填材料として用いることが出来る。この場合には、上述したように、前記ラピッドプロトタイピング技術を用いてあらかじめ所望の形状に成形した後、焼結処理を行うことが望ましい。
After sintering, by processing into a shape that matches the
表1に示す組成物に表1に示す割合のバインダ、および滑剤を添加、混錬した後、プレス成形により焼結後の複合構造体において表1に示す面積比c/sとなるように合わせた径の芯材用成形体、および半割円筒状の表皮材用成形体を2本作製した。 After the binder shown in Table 1 and the lubricant shown in Table 1 were added to the composition shown in Table 1 and kneaded, the composite structure after sintering was pressed so as to have the area ratio c / s shown in Table 1. Two molded bodies for a core material having a diameter and two molded bodies for a skin material having a half-cylindrical shape were produced.
そして、芯材用成形体の周囲に図4に示すように表皮材用成形体を被覆し、単芯成形体を作製した(実施例1〜5)。比較として芯材・表皮材構造を有さない成形体も作製した(実施例6)。 Then, as shown in FIG. 4, the core material molded body was coated around the core material molded body to produce single-core molded bodies (Examples 1 to 5). For comparison, a molded article having no core / skin structure was also produced (Example 6).
そして、前記単芯複合成形体を共押出して伸延された多芯成形体を作製した後、該伸延された成形体100本を集束して再度成形し、複合成形体を作製した。その後、得られた成形体を300〜700℃まで72時間で昇温させることによって脱バインダ処理を行った後、昇温速度2.5℃/分でさらに昇温し、真空中、1200℃で2時間焼成し、さらに3℃/分で降温することにより多芯構造の複合構造体を得た。得られた複合構造体をφ10×30mmのサイズに加工し、JISR1601に基づく3点曲げ試験に供し曲げ強度を測定した。また、その際ひずみゲージ法を用いてJISR1602に基づくヤング率についても測定を行った。 Then, the single-core composite molded body was coextruded to produce a stretched multi-core molded body, and then the 100 stretched molded bodies were converged and molded again to produce a composite molded body. Thereafter, after removing the binder by heating the obtained molded body to 300 to 700 ° C. in 72 hours, the temperature was further raised at a heating rate of 2.5 ° C./min, and in vacuum at 1200 ° C. The composite structure of multi-core structure was obtained by baking for 2 hours, and also temperature-falling at 3 degree-C / min. The obtained composite structure was processed into a size of φ10 × 30 mm and subjected to a three-point bending test based on JIS R1601, and the bending strength was measured. At that time, the Young's modulus based on JIS R1602 was also measured using a strain gauge method.
さらに、得られた複合構造体の研磨した横断面を金属顕微鏡または走査型電子顕微鏡にて観察し、画像解析法にて芯材と表皮材との面積比率c/s、および芯材中に含まれる気孔の面積比率を測定し、芯材中の気孔率を算出した。さらには、水銀圧入法にて気孔率を算出した。結果は表1に示した。
表1の結果から明らかなように、芯材・表皮材構造を有さず、ハイドロキシアパタイト材料単体からなる試料No.6は強度が8.4MPaと低いものであった。 As is apparent from the results in Table 1, the sample No. 1 has no core / skin structure and is composed of a single hydroxyapatite material. No. 6 had a strength as low as 8.4 MPa.
これに対して、本発明に従い所定を配した実施例試料では、いずれも比較例試料に対して優れた曲げ強度を有していた。また生体骨に近いヤング率を有していることから合致性も高く、気孔も三次元的に配列されているため骨芽細胞の成長も促進される骨補填材料であると推定されるものである。 On the other hand, all of the example samples arranged according to the present invention had excellent bending strength with respect to the comparative example samples. Also, because it has a Young's modulus close to that of living bones, it is highly consistent, and since the pores are arranged three-dimensionally, it is estimated to be a bone filling material that promotes osteoblast growth. is there.
1 複合構造体(多芯構造体)
2 芯材
3 表皮材
4 単芯構造体
10 シート状の複合構造体
11 芯材用成形体
12 表皮材用成形体
13 複合成形体
14 単芯成形体
15 多芯成形体
17 損傷した生体骨
1 Composite structure (multi-core structure)
2
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