JP2006081896A - 透明チタン被覆生体適合化材料 - Google Patents

Abstract

【課題】チタン被膜の形成により生体適合性の付与と表面の透明性を制御した、骨代替用の生体適合化材料及びその製品を提供する。
【解決手段】コア材の表面に所定の膜厚のチタン被膜を形成して生体適合性を付与し、かつ表面の透明性を制御した骨代替用の生体適合化成形体であって、（１）表面層がチタン被膜である、（２）チタン被膜が、可視光、紫外線、赤外線、Ｘ線、超音波、低周波、高周波、放射線、及び、電磁波の少なくとも一部に対して透明、半透明を示す、（３）コア材が、プラスチック又はセラミックスからなる、（４）チタン被膜の表面が、細胞・生体適合性作用を有する、ことを特徴とする生体適合化成形体、及びインプラント。
【選択図】図４

Description

本発明は、透明チタン被覆生体適合化材料に関するものであり、更に詳しくは、プラスチック又はセラミックスからなるコア材の表面に所定の膜厚のチタン被膜を形成して生体適合性を付与し、かつ表面の透明性を制御した骨代替用の生体適合化材料に関するものである。

本発明は、骨代替材料及びインプラント等の生体適合性材料及びその製品の技術分野において、一般に、従来の骨代替製品は、難加工材料からなるため、特に、医療現場での二次加工が困難であったことを踏まえて開発されたものであって、プラスチックからなるコア材料に透明なチタン被膜を被覆して、生体適合性及び表面の透明性を選択的に制御することが可能で、しかも、医療現場での二次加工と個人に合わせた材料設計（テーラーメイド）を行うことが可能な新しいタイプの骨代替材料及びその製品としての生体適合化材料及びインプラントを提供するものである。

本発明は、例えば、チタン又はチタン合金の薄膜を被覆し、コア材の色彩、模様及び／又はデザイン等を表面に反映させることが可能な生体適合材料、及び、可視光、紫外線、赤外線、Ｘ線、超音波、低周波、高周波、放射線、及び電磁波等の少なくとも一部に対して、透明性を持たせることが可能であるチタン又はチタン合金被覆生体適合化材料を提供するものとして有用である。

更に、本発明は、上記生体適合化を選択的に行うことや、透明性を所定のレベルに制御することを可能にしたり、複数の生体組織に接するインプラントのテーラーメイドや、術後のフォローアップ計測の幅を広げることを可能にするなど、従来材にない幅広い選択性を有する生体適合化材料を提供するものとして高い技術的意義を有する。

高齢化社会を迎え、骨代替材料、及びインプラント等の生体適合化材料の必要性が高まっている。また、骨代替材料は、高齢者に限らず、事故などにより、骨欠損を生じた子供や成人にも必要とされている。そのため、骨代替材料に求められる性能も多様化しており、個人に合わせた材料設計（テーラーメイド) を行うことが望ましい。医療現場の一部、例えば、歯科では、歯科技工士や歯科医師による歯冠などのテーラーメードが行われているが、この種の材料に自由に色や模様をつけたり、堅さなどを自在に制御したりすることは容易でない。

これらの、これまでにない技術を確立することが、テーラーメイドを容易にし、普及することにつながる。骨代替材料として、主に利用されているのは、セラミックスとチタンである。セラミックスは、強度に優れるが、もろい性質を持つため、大きい荷重のかかるステム部分等に用いるのは困難である。チタンにおいては、セラミックスほど硬くないが、靱性にとむため、ステム部分に使用されている。

しかし、チタンは、生体骨より強度が高く、過度な負荷がかかった際に、生体骨に負担がかかることになる。生体骨の強度は、人によって異なり、高齢者においては、骨の強度が低下してしまう場合があり、二次骨折も懸念される。これらの個人差によって、材料の設計を行うことが望ましいが、チタンの強度を人に合わせて変化させることは困難である。また、セラミックス、チタン共に、一般的に、難加工材料であり、特に、医療現場での形状の自由度が低い。

また、セラミックスとチタンを複合化したインプラントもあり、例えば、リン酸カルシウム系セラミックス層被覆Ｔｉ又はＴｉ合金製インプラント及びその製造法（特許文献１参照）、が提案されている。この方法は、歯科、整形外科の分野で使用されるインプラントを、Ｔｉ又はＴｉ合金製インプラント本体の表面に被覆したリン酸カルシウム系セラミックス被覆層の一部を本体の表面に埋め込むようにして、耐剥離性を高めるものである。

その製造方法は、次の通りである。人工股関節の製造に際しては、まず、湿式合成したリン酸カルシウム粉末を高温度で仮焼後、湿式ボールミルで粉砕し、バインダーを添加してスラリー中に分散、それをスプレードライしてなる粉末を造粒後、焼成することにより、丸みのあるリン酸三カルシウム粗粉末を得る。

次に、この粗粉末を加熱し、人工関節と同一形状の蝋型の表面に振りかけた後、蝋型の表面に付着した粗粉末を押し付けて、粗粉末が一部突出露出した複合蝋型を作製する。そして、この複合蝋型を用いて製造鋳造鋳型を作った後、これにＴｉ合金を鋳込んで、リン酸三カルシウム粗粉末が埋め込まれたＴｉ合金製人工股関節を得る。

更に、村松力らの報告（非特許文献１）、K. De Groot らの報告（非特許文献２）及びＢ．Ｃ．Ｗａｎらの報告（非特許文献３）等にあるように、チタンの周りにプラズマスプレー法を用いて、数１０から数１００ミクロン程度のセラミックスを被覆することで、チタンとセラミックスを複合化する手法が提案されている。

なお、プラズマスプレー法とは、アークプラズマ等の中に被覆原料粉末を導入し、プラズマの噴出先にコア材、例えば、チタンを置くことにより、コア材表面に原料粉末による被覆層を作製するものであり、ハイドロキシアパタイト被覆層をチタンの周りに被覆したものを得る。このような複合体の場合、選択的に必要な生体適合表面を得ることが可能である。

しかし、これらの事例を含め、この種のインプラントは、一般に、インプラントの強度をチタンが担うことになるため、生体骨よりも強度が高くなり、かつＸ線を用いた検査の際に、チタンと重なる部分が不鮮明になりやすく、観察が難しい、という問題を有する。また、紫外線や赤外線及び可視光等を用いた各種観察及び計測においても、同様である。更に、特性を変化させずに、複合体の形状を変形させることは困難である。

一方、プラスチックは、体内で経時変化しやすいが、軽量で色々な強度特性を持つ幅広い材料が開発されており、繊維等と複合化しているプラスチックまで含めると、性質は多様である。また、プラスチックは、熱を加えての変形や機械的な切削性能も良いため、将来、経時変化が抑えられれば、テーラーメイドの材料として有望である。しかしながら、骨代替材料等としてのプラスチックの生体適合性は低い。

また、インプラントに対する要望が多様化しており、例えば、口腔内に入れるものは、軟組織を通して、透けて見える場合などは、美観も重要な要素となる。この場合、例えば、チタンなどは、黒っぽく見えるため、より明るい色や透明などの、目立たない状態のものであることが望ましい。

更に、医療技術の発達やインプラント等の研究の進歩に伴い、医療器具や医療計測具を用いた医療関連の実験などにおいて、より精密な操作や計測が必要となっている。そのため、医療器具や医療計測具及びインプラント等と、生体組織や体液などとの界面が、より観察及び計測し易い状況であることが望ましい。

しかし、チタンインプラントなどの界面を観察及び計測する場合、骨よりも硬いチタンと柔らかい生体組織を含んだ界面を研磨等で加工するのも容易でないため、光学的な観察も困難であり、Ｘ線や各種電磁波等を利用した計測においても、チタンと重なる部分が不鮮明になりやすく、観察が難しい。

更に、これらの手法においては、観察及び計測角度の自由度が低い。また、細胞培養試験や疑似体液によるリン酸カルシウム析出試験等においても、チタンの陰になる部分は、見ることが出来ないといった、観察及び計測角度の自由度が低い、という問題がある。

また、体液を循環させる医療器具をはじめ、生体内又は生体及び体液に接する医療用具、測定端子及び実験用具等についても、生体適合性を付与又は制御しながら観察及び計測し易い状況を確保することは困難であるが、これらの要素は、計測や観察を容易にする上で極めて重要である。

特許第２９５６３１８号明細書 松本医学、８巻、８〜１４（１９８２） JOURNAL OF BIOMEDICALMATERIALS RESEARCH, 21, 1375 (1987) JOURNAL OF BIOMEDICALMATERIALS RESEARCH, 27, 1315-1327 (1993)

このような状況の中で、本発明者らは、上記従来技術に鑑みて、上記従来技術における諸問題を確実に解消することができる、チタンを利用した新しい生体材料及び医用材料とその新しい利用形態及びその製品を開発することを目標として鋭意研究を積み重ねた結果、形状物性等を設計・選択した適宜のコア材に、生体適合性を示すチタン薄膜を、透明性を制御してコーティングすることにより所期の目的を達成し得ることを見いだし、本発明を完成させるに至った。

すなわち、本発明は、様々な色やデザインを有し、軽量で成形し易く、必要な観察及び計測手段に対して透明性を確保することを可能とし、観察及び測定を様々な角度から行うことが出来る、材料の全面或いは一部に選択的に生体適合性表面を有する生体材料及び医用材料を実現することを目的とするものである。また、本発明は、プラスチックやセラミックスなどにおいても多彩な生体適合性を付加することが出来、個々の患者や使用用途にあわせた材料設計を行うことが出来る新しい生体適合化材料を提供することを目的とするものである。

上記課題を解決する本発明は、以下の技術的手段から構成される。
（１）コア材の表面に所定の膜厚のチタン被膜を形成して生体適合性を付与し、かつ表面の透明性を制御した骨代替用の生体適合化成形体であって、１）表面層がチタン被膜である、２）チタン被膜が、可視光、紫外線、赤外線、Ｘ線、超音波、低周波、高周波、放射線、及び電磁波の少なくとも一部に対して透明、又は半透明を示す、３）コア材が、プラスチック又はセラミックスからなる、４）チタン被膜の表面が、細胞・生体適合性作用を有する、ことを特徴とする生体適合化成形体。
（２）チタン被膜の膜厚が、１ｎｍからコア材の厚みの５０％以下である、前記（１）に記載の生体適合化成形体。
（３）コア材が、所定の色彩、模様及び／又はデザインを表面に有する、前記（１）に記載の生体適合化成形体。
（４）チタン被膜が、純チタン、チタン合金、又はこれらの酸化物の１種、或いは２種以上の混合物からなる、前記（１）に記載の生体適合化成形体。
（５）成形体の上の一部又は全部にセラミックス、有機物又は金属被膜を形成した、前記（１）に記載の生体適合化成形体。
（６）セラミックス、有機物又は金属被膜、或いは、それらの混合層、組成傾斜層又は構造傾斜層がコア材の一部又は全面を覆い、更にその上の一部又は全部にチタン被膜を形成して生体適合性を付与した、前記（１）に記載の生体適合化成形体。
（７）成形体の形態が、歯冠、歯科補綴物又は人工歯根であって、軟組織又は生体骨に接する部分又は周辺に生体適合性を付与した、前記（１）から（６）のいずれかに記載の生体適合化成形体。
（８）チタン被膜が、透明性を示し、コア材料の色彩、模様及び／又はデザインを表面に反映する、前記（１）から（６）のいずれかに記載の生体適合化成形体。
（９）チタン被膜表面層の少なくとも一部が、Ｎｂ、Ｔａ、Ｗ、Ｚｒ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｓｉ、Ｐｄ、Ｙ、Ｈｆ、Ｉｒ、Ｍｏ、Ｆｅ、又はＭｇ基金属の生体適合性金属膜で構成される、前記（１）から（８）のいずれかに記載の生体適合化成形体。
（１０）前記（１）から（９）のいずれかに記載の生体適合化成形体よりなることを特徴とするインプラント。

次に、本発明について更に詳細に説明する。
本発明は、コア材の表面に所定の膜厚のチタン被膜を形成して生体適合性を付与し、かつ表面の透明性を制御した生体適合化成形体であって、表面層がチタン被膜であること、チタン被膜が、可視光、紫外線、赤外線、Ｘ線、超音波、低周波、高周波、放射線、及び、電磁波の少なくとも一部に対して透明、又は半透明を示すこと、コア材が、プラスチック又はセラミックスからなること、チタン被膜の表面が、細胞・生体適合性作用を有すること、を特徴とするものである。

本発明では、上記チタン被膜は、純チタン、チタン合金、又はこれらの酸化物の１種、或いは２種以上の混合物から構成される。また、上記チタン被膜表面層の少なくとも一部は、Ｎｂ、Ｔａ、Ｗ、Ｚｒ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｓｉ、Ｐｄ、Ｙ、Ｈｆ、Ｉｒ、Ｍｏ、Ｆｅ、又はＭｇ基金属等のチタン以外の生体適合性金属膜で構成することも可能である。

上記コア材としては、所定の色彩、模様及び／又はデザインを表面に有するものを使用することが可能であるが、それらの具体的な構成は、使用目的に応じて任意に設計することができる。また、成形性などを考慮して、金属のインプラントなどでは難しいとされる、例えば、金属、セラミック、又はダイヤモンド製カッター等やミクロトーム、及び／又は研磨剤などで加工しやすいように設計することができる。

本発明の生体適合化材料としては、好適には、例えば、人工骨、人工関節、人工歯根、人工歯冠、歯科用補綴物、義歯、義歯床、対軟組織インプラント等が例示される。例えば、人工関節の場合、Ｘ線ＣＴ等の形状測定法にて移植部位の形状を決定し、ラピットプロトタイプ等の手法を用いてコア材を移植し易い形状に加工した後、必要部位にチタン又はチタン合金を成膜速度５ｎｍ／ｍｉｎから１００ｎｍ／ｍｉｎで１ｎｍからコア材の厚みの５０％以下に被覆する。ただし、被膜の一部あるいは全部を１ｎｍ以下の厚みにすることも性能に影響がなければ可能である。

本発明においては、チタン被膜を形成するための成膜方法としては、スパッタリング、蒸着、化学蒸着法及び物理蒸着法などの気相蒸着等が用いられる。成膜速度を５〜１００ｎｍ／ｍｉｎに限定する理由は、必要以上に急な成膜により膜質を下げないためである。ただし、これらの成膜方法や成膜速度は、膜質や成形体の質を下げない限り、上述の範囲に制限されるものではない。

また、人工歯根の場合、シリンダー（円柱等）やネジ式形状にコア材を加工した後、必要部位にチタン又はチタン合金を表面に成膜速度５ｎｍ／ｍｉｎから１００ｎｍ／ｍｉｎで１０ｎｍから２００μｍ被覆する。ここで、チタン合金の構成成分としては、例えば、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｗ、Ｚｒ、Ｐ、Ａｕ、Ｃａ、Ａｇ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｖ、Ｓｉ、Ｂ、Ｎ、Ｃ、Ｐｄ、Ｙ、Ｈｆ、Ｉｒ、Ｍｏ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｎａ、Ｋ等が例示されるが、これらに限定されるものではない。

本発明では、必要であれば、あらかじめ色やデザイン等のあるコア材を使用するか、コア材を加工した後に、着色や描画等を施す。また、必要であれば、移植直前に医療現場にて形状の調整のための加工を行う。なお、必要な生体適合性を確保した状態で、必要な計測及び観察が可能な被覆状態にし、使用することが望ましい。ただし、コア材の分解温度以下でチタン又はチタン合金と複合化することが望ましい。

更に、必要であれば、コア材とチタン又はチタン合金との密着性を高めるために、コア材表面ではコア材の組成や構造に近づけ、徐々にチタンの割合を増やしていき成形体表面ではチタン又はチタン合金とする手法のような界面の組成及び構造の傾斜化を行うことが望ましい。

また、表面の生体適合性や界面の制御、及び透明性や反射性能の制御等で必要であれば、チタンとコア材の間にセラミックス、有機物又は金属層を設けることや、チタン層の上にセラミックス、有機物又は金属層を設けることが望ましい。その理由は、界面や表面での反射等が大きい場合や、剥離を起こすなどして成形体の安定性を欠く場合、反射防止膜や界面での剥離を防止するバッファ層として適切なセラミックス、有機物又は金属膜を設けることが効果的であるからである。

また、その理由は、インプラント等で埋入場所の組織にあったセラミックス等が存在する場合、必要に応じて、表面にそのセラミックスを配置すること等も効果的であるからであり、他には、濡れ性の制御などにも効果的であるからである。

その場合、セラミックス、有機物及び金属としては、好適には、例えば、Ｎｂ、Ｔａ、Ｗ、Ｚｒ、Ｐ、Ａｕ、Ｃａ、Ａｇ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｖ、Ｓｉ、Ｂ、Ｎ、Ｃ、Ｐｄ、Ｙ、Ｈｆ、Ｉｒ、Ｍｏ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｎａ、Ｋ、Ｃｏ、Ｃｒの一種或いは二種以上の酸化物、混合物、積層物や、ポリ乳酸、ポリビニルアルコール、テフロン（登録商標）、シリコーン、ポーセレン、ポリメチルメタクリレート、ポリカーボネート、リエチレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリテトラフルオロエチレン、ポリ塩化ビニール、ポリウレタン、コラーゲン、ナイロン等が例示される。

本発明では、コア材の一部又は全面にチタン被膜を形成して生体適合性を付与し、更にその上の一部又は全部に、例えば、例えば、Ｎｂ、Ｔａ、Ｗ、Ｚｒ、Ｐ、Ａｕ、Ｃａ、Ａｇ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｖ、Ｓｉ、Ｂ、Ｎ、Ｃ、Ｐｄ、Ｙ、Ｈｆ、Ｉｒ、Ｍｏ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｎａ、Ｋ、Ｃｏ、Ｃｒの一種或いは二種以上の酸化物、混合物、積層物や、ポリ乳酸、ポリビニルアルコール、テフロン（登録商標）、シリコーン、ポーセレン、ポリメチルメタクリレート、ポリカーボネート、リエチレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリテトラフルオロエチレン、ポリ塩化ビニール、ポリウレタン、コラーゲン、ナイロン等のセラミックスや有機物等の被膜を形成することが出来る。

それにより、生体適合性、反射性、剥離防止などの制御ができるという利点が得られる。また、本発明では、コア材の一部又は全面にセラミックスや有機物等の被膜を形成し、更にその上の一部又は全面にチタン被膜を形成して生体適合性を付与することが出来る。

この場合、上記セラミックスや有機物等の被膜としては、好適には、例えば、Ｎｂ、Ｔａ、Ｗ、Ｚｒ、Ｐ、Ａｕ、Ｃａ、Ａｇ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｖ、Ｓｉ、Ｂ、Ｎ、Ｃ、Ｐｄ、Ｙ、Ｈｆ、Ｉｒ、Ｍｏ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｎａ、Ｋ、Ｃｏ、Ｃｒの一種或いは二種以上の酸化物、混合物、積層物や、ポリ乳酸、ポリビニルアルコール、テフロン（登録商標）、シリコーン、ポーセレン、ポリメチルメタクリレート、ポリカーボネート、リエチレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリテトラフルオロエチレン、ポリ塩化ビニール、ポリウレタン、コラーゲン、ナイロン等が例示される。

また、上記セラミックスや有機物等の被覆の形成方法としては、例えば、スパッタリング、蒸着、化学蒸着法及び物理蒸着法などの気相蒸着、メッキ等が例示されるが、これらに制限されるものではない。なお、本発明では、被膜の密着性や透明性を阻害しない範囲で、被膜の一部を他の金属や有機物で代用することも可能である。

それらの具体例として、Ｎｂ、Ｔａ、Ｗ、Ｚｒ、Ｐ、Ａｕ、Ｃａ、Ａｇ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｖ、Ｓｉ、Ｂ、Ｎ、Ｃ、Ｐｄ、Ｙ、Ｈｆ、Ｉｒ、Ｍｏ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｎａ、Ｋ、Ｃｏ、Ｃｒの一種或いは二種以上の酸化物、混合物、積層物や、ポリ乳酸、ポリビニルアルコール、テフロン（登録商標）、シリコーン、ポーセレン、ポリメチルメタクリレート、ポリカーボネート、リエチレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリテトラフルオロエチレン、ポリ塩化ビニール、ポリウレタン、コラーゲン、ナイロン等が例示される。

図１に、本発明の生体適合化材料の製造方法及び適応例の概略を示す。本発明では、例えば、形状、機械的特性、色、デザイン等を設計・選択した適宜のコア材に、生体適合性を示すチタン薄膜を、必要に応じて、透明にコーティングすることにより、所定の形状等を有する、生体適合性及び表面の透明性を制御した生体適合化成形体を作製することが出来る。

ここで、表面の透明性を制御するとは、単純にはチタン被覆層の厚さを制御することであり、表面形成層全体の厚さや構造、物性等を制御して、可視光、紫外線、赤外線、Ｘ線、超音波、低周波、高周波、放射線、及び、電磁波等に対する透過性を制御することを意味する。本発明では、生体適合化材料全体を、必要に応じて、透明、半透明又は不透明にすることが出来る。

例えば、可視光で透明にした場合、生体適合化材料が目立たなくなる効果や、裏側や材料内部から光学的な観察が容易になる効果が得られる。その場合、当然、金属被膜の上に様々な表面修飾技術を施し、その効果等を裏側や材料内部から観察することも可能である。また、例えば、Ｘ線に対して透明の場合、生体適合化材料の陰になる部分でも観察が可能となる。また、Ｘ線ＣＴの場合でも、生体適合化材料のＸ線吸収率が低いため、周りの物質の計測を妨げることがない。また、生体適合化材料の一部を透明にし、上述の効果を選択的に与えることも可能である。

本発明では、生体適合化材料の一部を必要に応じて半透明、不透明にすることが出来る。例えば、可視光で半透明、不透明にした場合、生体適合化材料の表面状態を肉眼で確認することが出来る。また、例えば、Ｘ線に対して半透明、不透明にした場合、透過性の良いコア材を使用していても生体適合化材料の表面を特定しやすくなる。また、Ｘ線ＣＴの場合でも、生体適合化材料の形状を測定することが出来る。また、生体適合化材料全体を半透明、不透明にし、上述の効果を与えることも出来る。

本発明では、コア材が、生体適合性の低いプラスチックやセラミックスにおいても、生体適合化材料とすることが出来る。そのため、生体適合化材料全体の機械的特性も多彩に設計することが出来、例えば、プラスチックや樹脂などの比較的柔らかい材料をコア材に使用した場合、切削容易であったり、例えば、２００℃程度で熱変形容易なものなどを提供することが出来る。更に、例えば、実験的に動物の骨に埋め込んだ後、薄片標本を作製し易い等の利点もある。

本発明では、多彩な色やデザインを有する生体適合化材料を提供することが出来る。上記の様にして、成形体コアの材料の色彩、模様又はデザインを表面に反映する状態にすることでそれを実現出来る。例えば、患者の生体組織の色に合わせた状態とすることで、生体適合化材料を目立たなくすることが出来る。また、例えば、患者の要望に応じたデザインや色とすることで、ファッション性を持たせることも適宜可能である。これらの手法を生体適合材料に適応することにより、個々の患者や使用用途にあわせた生体適合化材料を供給することが出来、生体適合化材料の幅広い用途への応用及びテーラーメイドが可能となる。

本発明により、（１）プラスチック又はセラミックスのコア材の表面にチタン被膜を形成して生体適合性を付与し、かつ表面の透明性を制御した骨代替用の生体適合化材料を提供することができる、（２）コア材の一部或いは全面の必要な部位に生体適合性を与え、様々な色やデザインを有する生体適合化材料を作製することが出来、必要な計測手段に対して透明性を確保することが可能な材料を提供することが出来る、（３）片面のみ金属光沢とすることや被覆層をパターン化するなど単一のインプラント等の中においても選択的に複合することが出来る、（４）このことにより、プラスチックやセラミックスなどにおいても多彩な生体適合性を付加することが出来、多様な要望に応えることが出来る上、透明性も確保することが出来、当該材料及び周辺の経過観察等の各種観察も容易になる、（５）更に、医療現場や手術現場での加工も容易な材料、例えば、歯科技工士や歯科医師の手持ちの器具で加工可能なものなども提供出来、それにより、個々の患者や使用用途にあわせた生体適合化材料を供給することが出来ると共に、その幅広い用途及びテーラーメイドを可能とすることが出来る、という格別の効果が奏される。

次に、実施例に基づいて本発明を具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例によって何ら限定されるものではない。

（１）透明、半透明及び金属光沢のチタン被覆生体適合化材料の作製
直径１ｍｍから３ｍｍ、長さ３ｍｍから２０ｍｍの透明プラスチック棒及びガラス棒をコア材として使用し、その表面の一部又は全面に、成膜速度５０ｎｍ／ｍｉｎで約１ｎｍから１μｍのチタン薄膜を形成し、生体適合化成形体を作製した。その具体的方法は、次の通りである。スパッタアップのスパッタ装置の基板ホルダーにコア材を固定し、真空度０．０１から１Ｐａにて５０Ｗから１ＫＷのＤＣプラズマを発生させ、チタンターゲット（ＪＩＳ２種或いは９９．９％以上、株式会社高純度化学研究所製）にてプレスパッタを５ｍｉｎ以上行った後、５０ｎm ／ｍｉｎで１ｓ以上成膜することにより、生体適合化成形体とした。

電子顕微鏡にて観察した表面の例を、図２、図３に示す。これらの図に示されるように、チタン被膜は、均一に成膜されていた。外観写真の例を、図４に示す。肉眼、つまり可視光では、チタン膜厚１μmの成形体は透明性が低く、膜厚が減少するに伴い透明性が高くなり、チタンの膜厚が３０ｎｍでは少々色はあるもののほぼ透明の外観になっていた。

図４中の右試料は、透明性が低く、右試料は、透明性が高い状態を呈している例である。透明性が低い成形体は、肉眼で被覆状態がはっきりと確認出来るが、Ｘ線ＣＴなどの観察においては、透明で、計測が容易な状態であった。アクリルコアの成形体は、３００℃までの温度で柔らかくなり、変形が容易で、室温においても、切削するなどの加工が可能であった。この試料を、マウス及び犬の生体骨に埋入したものは、数日から数ヶ月までの期間内に骨と接着し、高い生体適合性を示した。なお、これらの標本は金属製カッターやミクロトーム、及び、研磨剤などで容易に加工できた。

１０ｍｍ角のプラスチック板、ガラス板及び酸化アルミニウム板をコア材として使用し、その表面の一部に、実施例１と同様にして、成膜速度５ｎｍ／ｍｉｎから１００ｎｍ／ｍｉｎで約１ｎｍから２００μｍのチタン薄膜を形成し、生体適合化成形体を作製した。肉眼、つまり可視光では、チタン膜厚１μm以上の成形体は透明性が低く、膜厚が減少するに伴い透明性が高くなり、チタンの膜厚が３０ｎｍでは少々色はあるもののほぼ透明の外観になっていた。透明性が低い成形体は、肉眼で被覆状態がはっきりと確認出来るが、Ｘ線ＣＴなどの観察においては、透明で、計測が容易な状態であった。

直径１ｍｍから３ｍｍ、長さ３ｍｍから２０ｍｍの円柱形状、ねじ形状の色付プラスチック棒及び金属棒をコア材として使用し、その表面の一部或いは全面に、実施例１と同様にして、成膜速度５０ｎｍ／ｍｉｎで約１ｎｍから１μｍのチタン薄膜を成形し、生体適合化成形体を作製した。チタン被膜は、均一に成膜されており、すべての材料で、コア材の形状を表面に反映していた。

肉眼、つまり可視光では、チタン膜厚１μm以上の成形体は透明性が低く、膜厚が減少するに伴い透明性が高くなり、チタンの膜厚が３０ｎｍでは少々色はあるもののほぼ透明の外観になっており、コア材の色やデザインが表面に反映されていた。透明性が低い成形体は、肉眼で被覆状態がはっきりと確認出来るが、Ｘ線ＣＴなどの観察においては、透明で、計測が容易な状態であった。プラスチックコアの成形体は、３００℃までの温度で柔らかくなり、変形が容易で、室温においても、切削するなどの加工が可能であった。

直径約５０ｍｍから６０ｍｍのプラスチックシャーレをコア材として使用し、その表面に、成膜速度５ｎｍ／ｍｉｎから１００ｎｍ／ｍｉｎで、実施例１と同様にして、約１ｎｍから２００μｍのチタン薄膜を形成し、生体適合化成形体を作製した。肉眼、つまり可視光では、チタン膜厚１μm以上の成形体は透明性が低く、膜厚が減少するに伴い透明性が高くなり、チタンの膜厚が３０ｎｍでは少々色はあるもののほぼ透明の外観になっていた。透明性が低い成形体は、肉眼で被覆状態がはっきりと確認出来るが、Ｘ線ＣＴなどの観察においては、透明で、計測が容易な状態であった。これら成形体の表面は、処理しない表面に比べて、曇りにくくなっていた。また、肉眼で透明な試料で細胞培養を行うと、下面から観察することが可能であった。

実施例１と同様の方法により生体適合化した、φ１．６×５mmのアクリルピンを、ラット大腿骨に埋入した。4週間後、アクリルピンを大腿骨ごと回収した。アクリルピン埋入部位、及び近傍に感染、病変を示唆する所見はなく、アクリルピンは大腿骨にしっかり固定されていた。アクリルピン及び周辺組織のマイクロＸ線ＣＴ断層画像、及び断層画像の３Ｄコンピュータモデルをそれぞれ、図５、６に示す。断層画像に生体適合化処理によるTi皮膜の影響は認められなかった。

また、３Ｄコンピュータモデルには、アクリルピンの輪郭がはっきりと再現されていた。つまり、生体適合化処理を施したアクリルピンは、一般的なチタン製インプラント同様に骨と結合し、埋入状態をＸ線ＣＴにより非破壊的に観察することができた。ＣＴ撮像技術の制約として、骨とＸ線吸収特性が著しく異なる金属、例えば、チタン合金製インプラント、を骨と同時に撮像した場合、正しい画像を得ることが困難である。

５０ｍｍ角のアルミナ板及び２６×７６ｍｍのガラス板に成膜速度５ｎｍ／ｍｉｎから１００ｎｍ／ｍｉｎで約１μmのチタン薄膜を作製した。その試料の写真を図７に示す。薄膜は剥離した部分もなく、安定に固定されていた。成膜時にアルミナ板はダメージを受けることもなく、変質は見られなかった。また、膜表面は下地表面形状を模倣した状態となっていた。

φ１．６×７ｍｍのアクリルピン、及び、２６×７６ｍｍのガラス板に成膜速度５ｎm／ｍｉｎから１００ｎm／ｍｉｎで約１ｎｍから１００ｎｍのＮｂ、Ｔａ等の薄膜を作製した。その試料例の写真を図８に示す。薄膜は剥離した部分もなく、安定に固定されていた。成膜時にアルミナ板はダメージを受けることもなく、変質は見られなかった。また、膜表面は下地表面形状を模倣した状態となっていた。

以上詳述したように、本発明は、透明チタン被覆生体適合化材料に係るものであり、本発明により、コア材の一部或いは全面の必要な部位に生体適合性を与え、様々な色やデザインを有する生体適合化材料を作製することが出来、必要な計測手段に対して透明性を確保することが可能な材料を提供することが出来る。また、片面のみ金属光沢とすることや被覆層をパターン化するなど単一のインプラント等の中においても選択的に複合することが出来る。

このことにより、プラスチックやセラミックスなどにおいても多彩な生体適合性を付加することが出来、多様な要望に応えることが出来る上、透明性も確保することが出来、当該材料及び周辺の経過観察等の各種観察も容易になる。更に、医療現場や手術現場での加工も容易な材料、例えば、歯科技工士や歯科医師の手持ちの器具で加工可能なものなど、も提供出来る。本発明は、個々の患者や使用用途に合わせた生体適合化材料を供給することを可能にすると共に、その幅広い用途及びテーラーメイドを可能にするものとして当技術分野における新技術及び新産業の創出に資するものである。

本発明の生体適合化材料の製造方法及び適応例の概略を示す概念図である。 本発明の生体適合化成形体材料の概観写真である。 本発明の生体適合化成形体材料の表面の電子顕微鏡写真である。 本発明の生体適合化成形体材料の外観写真（左：３０nm膜厚試料、右：１μm膜厚試料）である。 本発明に係る製造方法（実施例５）による材料のＸ線ＣＴによる断面像である。 本発明に係る製造方法（実施例５）による材料のＸ線ＣＴ像である。 本発明に係る製造方法（実施例６）による材料の外観写真（左：ガラス板、右：アルミナ板）である。 本発明に係る製造方法（実施例７）による材料の外観写真（左上：ガラス板Ｔａ被覆、右上：アクリルピンＴａ被覆、左上：ガラス板Ｎｂ被覆、右上：アクリルピンＮｂ被覆）である。

Claims (10)

1. コア材の表面に所定の膜厚のチタン被膜を形成して生体適合性を付与し、かつ表面の透明性を制御した骨代替用の生体適合化成形体であって、（１）表面層がチタン被膜である、（２）チタン被膜が、可視光、紫外線、赤外線、Ｘ線、超音波、低周波、高周波、放射線、及び電磁波の少なくとも一部に対して透明、又は半透明を示す、（３）コア材が、プラスチック又はセラミックスからなる、（４）チタン被膜の表面が、細胞・生体適合性作用を有する、ことを特徴とする生体適合化成形体。
2. チタン被膜の膜厚が、１ｎｍからコア材の厚みの５０％以下である、請求項１に記載の生体適合化成形体。
3. コア材が、所定の色彩、模様及び／又はデザインを表面に有する、請求項１に記載の生体適合化成形体。
4. チタン被膜が、純チタン、チタン合金、又はこれらの酸化物の１種、或いは２種以上の混合物からなる、請求項１に記載の生体適合化成形体。
5. 成形体の上の一部又は全部にセラミックス、有機物又は金属被膜を形成した、請求項１に記載の生体適合化成形体。
6. セラミックス、有機物又は金属被膜、或いは、それらの混合層、組成傾斜層又は構造傾斜層がコア材の一部又は全面を覆い、更にその上の一部又は全部にチタン被膜を形成して生体適合性を付与した、請求項１に記載の生体適合化成形体。
7. 成形体の形態が、歯冠、歯科補綴物又は人工歯根であって、軟組織又は生体骨に接する部分又は周辺に生体適合性を付与した、請求項１から６のいずれかに記載の生体適合化成形体。
8. チタン被膜が、透明性を示し、コア材料の色彩、模様及び／又はデザインを表面に反映する、請求項１から６のいずれかに記載の生体適合化成形体。
9. チタン被膜表面層の少なくとも一部が、Ｎｂ、Ｔａ、Ｗ、Ｚｒ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｓｉ、Ｐｄ、Ｙ、Ｈｆ、Ｉｒ、Ｍｏ、Ｆｅ、又はＭｇ基金属の生体適合性金属膜で構成される、請求項１から８のいずれかに記載の生体適合化成形体。
10. 請求項１から９のいずれかに記載の生体適合化成形体よりなることを特徴とするインプラント。