JP2006150431A - チタンとセラミックスの複合材料及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】チタン又はチタン合金とセラミックスの接合界面での反応を抑えた複合材料及びその製造方法等を提供する。
【解決手段】チタン又はチタン合金と、セラミックスを含有する複合化材料との鋳造複合体において、チタン又はチタン合金の一部又は全部が鋳造材からなり、チタン又はチタン合金と、複合化材料のセラミックスとの接合界面に、剥離等の欠陥がなく、反応抑制層を有する鋳造複合材料、及び、複合化材料及び／又は鋳型を冷却した後、チタン又はチタン合金を鋳込むことにより上記複合材料を作製する鋳造複合材料の製造方法。
【効果】接合界面に欠陥が無く、反応抑制層を有する高耐食性及び生体親和性を有する複合材料を提供することができる。
【選択図】なし

Description

本発明は、チタン及びチタン合金とアパタイト等のセラミックスを、鋳造により、接合界面の反応層を抑えて、複合化した複合材料及びその製造方法等に関するものであり、更に詳しくは、チタン又はチタン合金と、セラミックスを含む複合化材料との鋳造複合体であって、チタン又はチタン合金の一部又は全部が鋳造材からなり、チタン又はチタン合金と複合化材料との接合界面に、剥離等の欠陥がなく、反応抑制層を有する鋳造複合材料、その製造方法及び用途に関するものである。本発明の複合材料は、例えば、人工関節、人工歯根、インレー、及び歯冠等の生体に埋設されるインプラント、航空機等の構造材料として使用することが可能であり、また、医療現場等において、個々の顧客や患者等の使用、用途に合わせたテーラーメイド医療等を実現することを可能とする新しいチタン／セラミックス複合材料を提供するものである。

チタン及びチタン合金は、比強度が高く、耐食性に優れ、生体適合性を有することから、航空機等の構造材料や医用材料等に用いられている。医用材料については、高齢化社会を迎え、骨代替材料、インプラント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、例えば、事故等により、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、個々に必要な形状等や求められる性能も多様化し、個人にあわせた材料設計(テーラーメイド)を行うことが望ましく、より高性能なインプラントが求められている。

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。ハイドロキシアパタイトや三リン酸カルシウム（ＴＣＰ）等のセラミックスは、骨と化学的に結合し、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。チタンやチタン合金は、セラミックスほど硬くないが、靱性に富むため、整形外科や歯科の分野等で、人工骨、ステム、歯冠、ブリッジ及び人工歯根等に実用化されている。これらの製品は、鋳造で作製されることがあり、テーラーメイドとして、患者や患部にあわせたチタン部品を作製するために効果的な手法となっている。チタンは生体骨と化学的に接合しないため、チタンとセラミックスを接合して複合化した複合材料は、より高性能なインプラントとなると考えられる。

セラミックスと、チタンやチタン合金を複合化する際に、チタンの持つ鋳造成形性を利用できれば、成形しやすくなる。一般に、チタンは難加工材料として知られているが、鋳造法を用いれば形状成形が容易となる。実際に、チタンの鋳造機は、歯科医療の分野で普及しており、これらの鋳造機を用いてセラミックスとチタンやチタン合金を接合、複合化し得る技術があれば、医療現場での形状の自由度も上がるため、テーラーメイドの手法としても有用である。しかしながら、チタンの融点は１６５０℃と高く、セラミックスにチタン溶湯を注ぐとこれらが大きく反応してしまい、大きい反応層が出来たり、ガスが発生して空洞化する等して、セラミックスとチタンが分離してしまうという問題があった。

従来技術としては、例えば、人工股関節の製造に際して、湿式合成した燐酸カルシウム粉末を、高温度で仮焼した後、湿式ボ−ルミルで粉砕し、バインダ−を添加してスラリ−中に分散し、それをスプレ−ドライしてなる粉末を造粒した後に焼成することにより、丸みのある燐酸三カルシウム粗粉末を得て、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し、この複合蝋型を用いて鋳造鋳型を作った後、これにＴｉ合金を鋳込んで、燐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方法が提案されている（特許文献１参照）。しかし、この種の方法では、複合材料の形態として、セラミックスがチタン表面から突出する状態を作り出し得ることを示しているが、高い温度の溶融チタンとセラミックスの反応を抑える方法を何ら規定していないため、上述の問題を解決し得ない。

更に、歯科鋳造においては、型とＴｉ合金との反応層は一般に硬化層として知られており、鋳造後に除去しなければならない（非特許文献１）。この硬化層を少なくすることは、チタン鋳造品の表面切削作業を軽減することや、形状再現性等の品質向上の観点からも重要であり、従来、チタンとセラミックスの反応を抑えて、鋳造法により、接合、複合化する技術及びその複合材料が強く望まれていた。なお、鋳造法では、鋳造先の型内に金属を置く、或いは、金属との複合体を作製することで、同一成形体内で性質や組織を制御することも可能であり、より多様な要望に応え得るが、この場合も、必要以上に大きな反応層が生じれば複合体の性質が変化してしまうため、界面の反応層の制御は重要である。また、鋳型の一部或いは全部にセラミックスや金属を用いて、チタン又はチタン合金を鋳造した後、鋳型を除去してチタン成形体を得る場合も、ニアネットシェイプやチタン成形体の性質の安定性、及び後加工の手間等の観点からも、チタン成形体における反応層の軽減は重要である。

更に、現場での自由度が高く、テーラーメイドとして用いられている方法として、チタンのレーザー溶接法が提案されている（非特許文献２）。この種の方法は、例えば、チタンの細線をレーザー加熱により溶解しながら、チタン製歯冠のブリッジを作製する場合等に用いられているが、専用のレーザー装置が別途必要である。通常、この種の方法は、レーザーをより狭い範囲に集中してチタンを溶解し、加工するため、成形体全体を加工する等の広い範囲の形状作製には向いていない。また、レーザー加熱により材料が高温となるため、この点では鋳造と同じであり、上述の問題が生じてしまう。また、この方法は、レーザー接合のための技術も必要となり、且つ、接合することが出来る材料に限られる等の問題を有している。

特許第２９５６３１８号明細書 日本歯技、第３４０号、１３〜２７（１９９７） 歯科材料・器械、１８、 ３５２〜３５８（１９９９）

このような状況の中で、本発明者は、チタンやセラミックスの研究を長年続ける中で、上記従来技術における諸問題を確実に解消することが出来る、新しいチタンの複合材料及びその製造方法等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、チタン鋳造法を利用し、鋳込み先の型や材料を冷却した後、チタンを鋳造することにより、従来の問題点を解決することが出来ること見いだし、本発明を完成するに至った。すなわち、本発明は、セラミックスとチタン又チタン合金の接合界面における反応を抑えた複合材料を製造し、提供することを目的とするものである。また、本発明は、高強度で、高耐食性で、生体適合性を有する複合材料を提供することを目的とするものである。また、本発明は、セラミックスとチタンの複合材料からなる、高性能なインプラント等の生体適合性を有する医用材料、航空機等の構造材料を提供することを目的とするものである。また、本発明は、形状付与が作製と同時に出来ることを利用して、例えば、医療現場において、鋳込み先の材料を選別することにより、多彩な複合材料を作製し、個々の患者や用途に合せた材料設計（テーラーメイド）を行うことを可能とする医用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ための本発明は、チタン又はチタン合金と複合化材料との鋳造複合体において、チタン又はチタン合金の一部又は全部が鋳造材からなり、チタン又はチタン合金と複合化材料との接合界面に、欠陥がなく、反応抑制層を有することを特徴とする鋳造複合材料、である。本鋳造複合材料は、（１）複合化材料が、セラミックス、金属、セラミックスと金属の複合体、又は有機物を含んだセラミックス及び／又は金属であること、（２）セラミックスが、リン酸カルシウム、酸化物、窒化物、炭化物、又は炭酸化合物であること、（３）リン酸カルシウムが、ＴＣＰ、又はハイドロキシアパタイトであること、（４）複合化材料が、多孔質体であること、を好ましい態様としている。また、本発明は、上記の鋳造複合材料からなることを特徴とする生体適合部材、である。本発明は、上記鋳造複合材料の全部又は一部からなる、医療現場で加工可能なテーラーメイド用材料であること、を好ましい態様としている。また、本発明は、上記の鋳造複合材料からなり、高耐食性を有することを特徴とする構造部材、である。

また、本発明は、チタン又はチタン合金と複合化材料との鋳造複合体の製造方法において、複合化材料及び／又は鋳型を冷却した後、チタン又はチタン合金を鋳込むことにより、チタン又はチタン合金と複合化材料との接合界面に、反応抑制層を形成した鋳造複合材料を得ることを特徴とする鋳造複合材料の製造方法、である。本方法は、（１）複合化材料及び／又は鋳型を、少なくとも０℃以下に冷却して、接合界面での反応を抑制すること、（２）複合化材料が、セラミックス、金属、セラミックスと金属の複合体、又は有機物を含んだセラミックス及び／又は金属であること、（３）セラミックスが、リン酸カルシウム、酸化物、窒化物、炭化物、又は炭酸化合物であること、（４）リン酸カルシウムが、ＴＰＣ、又はハイドロキシアパタイトであること、（５）鋳型が、セラミックス、金属、又はセラミックスと金属の複合体からなること、（６）セラミックス、金属、有機物、又はそれらを組み合わせたものを、複合化材料として鋳型内に又は鋳型の一部として配置し、チタン又はチタン合金を鋳込むことにより、チタン又はチタン合金と複合化材料との鋳造複合材料を作製すること、（７）上記鋳造複合材料を医療現場において作製すること、を好ましい態様としている。更に、本発明は、上記の方法により鋳造複合材料を作製し、生体の適用部位に合わせた微調整を行うことにより、生体親和性に優れたインプラントを作製することを特徴とするテーラーメイド方法、である。

次に、本発明について更に詳細に説明する。
本発明の鋳造複合材料は、チタン又はチタン合金と複合化材料との鋳造複合体において、チタン又はチタン合金の一部又は全部が鋳造材からなり、チタン又はチタン合金と複合化材料との接合界面に、欠陥がなく、反応抑制層を有することを特徴とするものである。本発明において、「鋳造」とは、金属を一旦溶融又は半溶融した後、冷却することによって、所定の形状に成形することであり、例えば、鋳型での鋳造は、レーザー加熱による溶接等を含むものである。また、「反応抑制層」とは、セラミックスと溶融チタン又はチタン合金が接触する界面における、両者間の反応が抑制された反応層であり、例えば、セラミックスの酸素、窒素、炭素や金属元素等と、溶融チタンが反応して、酸化物、窒化物、炭化物等の化合物や蒸気圧の高いガス成分等が生成する反応が押さえられた接合界面層を意味する。

本発明で使用する、チタン又はチタン合金としては、例えば、純チタンＪＩＳ１〜４種、Ｔｉ−Ａｌ−Ｖ合金等が例示され、その組成としては、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、Ｃｏ、Ｃｒの一種或いは二種以上の元素からなる材料が例示され、特に、純チタンが好適であるが、これらに制限されるものではない。

本発明では、複合化材料として、セラミックス、金属、セラミックスと金属の複合体、又は有機物を含んだセラミックス及び／又は金属が使用される。それらのうち、セラミックスとしては、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、窒化物、炭化物等が例示される。具体的には、例えば、ＴＣＰ、ハイドロキシアパタイト等のリン酸カルシウムや、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化マグネシウム等の酸化物や、窒化チタン、窒化アルミニウム等の窒化物、炭化チタン、炭化アルミニウム等の炭化物、炭酸アパタイトや炭酸カルシウム等の炭酸化合物等が例示されるが、人工関節、人工歯根、人工骨等の生体適合性のある医用材料としては、特に、ＴＣＰ、ハイドロキシアパタイト等が好適であり、歯冠製造の用途には、例えば、石膏やリン酸塩系埋没材等が好適である。

また、金属としては、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、Ｃｏ、Ｃｒの一種或いは二種以上の材料が例示される。更に、有機物としては、例えば、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、ポリエチレン、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、ポリアミド等が例示される。

本発明では、これらの複合化材料を、多孔質体とすることにより、チタンとの接合性の改善、作製した複合体の軽量化等を行うことができる。また、本発明の鋳造複合材料は、上記複合化材料を、鋳型内に設置するか、又は鋳型の一部として構成させた後、複合化材料及び／又は鋳型を冷却し、チタンの溶融物を鋳込み、鋳造することにより作製される。このような、金属、セラミックス、有機物等との複合材料を作製することにより、複合材料としての特性を改善し、より有用な用途を開発することが可能となる。

本発明では、例えば、０℃以下に冷却されたセラミックスが配設された鋳型に、１６５０〜１９００℃の溶融チタンを注入すると、セラミックスと溶融チタンが接触した部分で強力な接合力が発生する。溶融チタンが冷却した後、この界面では、両者間の反応が少なく、剥離等の欠陥がなく、両者は強固に接合している。セラミックスとチタンを接合する場合には、セラミックスの接合部分のみを冷却することで十分であるが、実際には、作製する複合材料の大きさ、セラミックス及びチタンの使用量、温度、鋳型の熱容量等を考慮して、冷却箇所、範囲、温度等が決定される。鋳造温度は、通常、１６５０〜１９００℃の範囲が好適である。

セラミックスを冷却する温度は、少なくとも０℃以下、好適には−５０〜−２５０℃である。セラミックスを冷却する手段としては、特に限定されないが、例えば、液体窒素、液体ヘリウム、有機溶媒、ドライアイス、冷却ガス、又は氷等が例示され、液体、気体、固体による冷却が可能である。こうした冷却手段は、セラミックスを冷却する温度に応じて適宜選択して使用される。

本発明の複合材料は、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型を移植しやすい形状に加工した後、必要部位にあたる型の内面に、α―ＴＣＰ等のセラミックスを設置し、型全体を液体窒素につけて冷却した後、溶融チタンを鋳込み、鋳造する。ここで、チタン合金の構成成分としては、例えば、Ｔｉと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、特に、これらに限定するものではない。ここで、冷却については、液体窒素以外の冷却方法でも良く、作製される品の形状等に影響を与えない範囲で冷却温度は低いほど良い。更に、鋳造中や鋳造後にも冷却して良い。必要であれば、あらかじめ、セラミックス、金属、有機物等、或いはそれらを組み合わせたものを型内又は型の一部として配置し、鋳造する。本発明では、必要であれば、鋳造後に、複合材料の一部や、複合された型や材料の一部又は全部を削除する。ただし、鋳造チタンと接する部分に、より分解温度の高い材料を配置することが望ましい。更に、必要であれば、鋳込み先の材料とチタン又はチタン合金との密着性を高めるために、鋳込み先材料の表面の組成及び構造の傾斜等の表面処理をしておくことが望ましい。

また、本発明の複合材料は、例えば、人工歯根の場合、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型を移植しやすい形状に加工した後、必要部位にあたる型内面に、α―ＴＣＰ等のセラミックスを設置し、上部構造を取り付けるためのチタン金属製の雌ねじを型中央に配置し、型全体を液体窒素に漬けて冷却した後、チタンを鋳込み、鋳造する。

ここで、チタン合金の構成成分は、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等であるが、これらに限定するものではない。冷却については、液体窒素以外の冷却方法でも良く、作製される品の形状等に影響を与えない範囲で冷却温度は低いほど良い。更に、鋳造中や鋳造後にも冷却して良い。この際、必要であれば、あらかじめ、セラミックス、金属、有機物等、或いはそれらを組み合わせたものを型内或いは型の一部として配置し、鋳造する。また、必要であれば、鋳造後に複合材料の一部や、複合化された型や材料の一部又は全部を削除する。ただし、鋳造チタンと接する部分により分解温度の高い材料を配置することが望ましい。更に、必要であれば、鋳込み先の材料とチタン又はチタン合金との密着性を高めるために、鋳込み先材料の表面の組成及び構造の傾斜化等の表面処理をしておくことが望ましい。

また、本発明の複合材料は、例えば、インレーや歯冠等の場合、印象材にて移植部位の形状を測定、決定し、型或いは消失模型を移植しやすい形状に加工した後、型全体を液体窒素に漬けて冷却し、チタンを鋳造する。その後、型材を除去した後、適用部位にあわせた微調整を行う。ここで、チタン合金の構成成分は、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等であるが、これらに、限定するものではない。冷却については、液体窒素以外の冷却方法でも良く、作製される品の形状等に影響を与えない範囲で冷却温度は低いほど良い。更に、鋳造中や鋳造後にも冷却して良い。この際、必要であれば、あらかじめ、セラミックス、金属、有機物等、或いはそれらを組み合わせたものを型内或いは型の一部として配置し、鋳造する。ただし、鋳造チタンと接する部分により分解温度の高い材料を配置することが望ましい。更に、必要であれば、鋳込み先の材料とチタン又はチタン合金との密着性を高めるために、鋳込み先材料の表面の組成及び構造の傾斜化等の表面処理をしておくことが望ましい。

このように、本発明では、必要に応じて、鋳造後に複合材料の一部や、複合化された型や材料の一部又は全部を削除して、目的の複合材料を作製することが可能である。ただし、鋳造チタンと接する部分に、より分解温度の高い材料を配置することが望ましい。更に、必要であれば、鋳込み先の材料とチタン又はチタン合金との密着性を高めるために、例えば、最表面はＴｉが多く、内部に行くに従ってＣａやＰを多くすること等の鋳込み先材料の表面の組成を傾斜化するか、又は空隙率を徐々に変化させる等の構造の傾斜化をする等の表面処理をしておくことが望ましい。

本発明は、セラミックス及び／又は鋳型を冷却して、溶融チタンを鋳込んで複合体を作製することにより、それらの界面における反応を抑制することを可能とするものである。金属の熱伝導率に関しては、アルミニウムやステンレス等の通常の金属の場合は、低温になるほど熱伝導率は低下し、逆に温度を上げれば上げるほど熱が伝わりやすくなり、より反応しやすい状況に推移して行き、加熱により反応が促進されやすい状況になる。しかし、チタンの場合は、高温から室温付近までの範囲では、５０℃付近で最も熱伝導率が低く、更に低温になると熱伝導率が上昇し、約−２００℃付近までは熱伝導率は上昇し、この温度以下では、また、熱伝導率が低下する。本発明のチタン複合材料では、複合化させる材料を冷却することによって、界面の５０℃付近のチタンがバリア層になり、共に熱伝導の良い低温部分と高温部分の熱を相殺する状況になり、高温部分の熱が低温部分に伝わりにくくなる。そのため、チタンの上述の性質から、セラミックスとチタンの反応を抑えて、複合体を作製することが可能となる。図１に、複合界面における温度分布の概念図を示す。

通常、セラミックスとチタンの複合材料を作製する際に、セラミックスに溶融チタンを注ぐと、セラミックスとチタンとが大きく反応して、大きな反応層又は硬化層が出来たり、ガスが発生して空洞化することや、剥離すること等による欠陥が、両者の界面に発生する。この反応は、セラミックスの酸素、窒素、炭素や金属元素等と、溶融チタンが反応して、酸化物、窒化物、炭化物等の化合物や蒸気圧の高いガス成分等が生成することによる。このような、セラミックスとチタン溶湯との反応は、例えば、セラミックスとチタンとの接触面における、熱伝導による昇温が一因と考えられる。本発明では、熱伝導によるセラミックスの昇温を制御することにより、接触界面でのセラミックスの反応性を低下させることを可能とするものであり、セラミックスを少なくとも０℃以下に冷却することにより、接合した界面でのセラミックスとチタンとの反応が抑制された反応抑制層を有する鋳造複合材料を作製し、提供することを可能とするものである。

本発明は、溶融又は半溶融したチタンとセラミックスの鋳造複合材料、その製造方法及び製品に係るものであり、本発明により、（１）セラミックスとチタンの反応を抑えて、鋳造法により、接合、複合化する技術とその複合体や成形体を提供することが出来る、（２）同種或いは異種のセラミックス、金属及びそれらに有機物を含んだ材料とチタンを複合化した複合材料を提供することが出来る、（３）剥離等の欠陥がなく反応抑制層を有する鋳造複合体を作製し、提供することが出来る、（４）市販の歯科鋳造機等で、セラミックスとチタンの複合材料を製造することが可能であり、歯科技工等に用いれば、硬化層の切削の工程が軽減される、（５）医療現場等にて、個々の顧客や患者等の使用、用途に合せた複合体及び成形体を供給することができるので、それにより、幅広い用途及びテーラーメイドが可能となる、（６）本発明は、通常の鋳造法や溶接法に対応可能であるため、自動化生産システムへの導入も可能である、という格別の効果が奏される。

次に、本発明を実施例に基づいて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。

本実施例では、セラミックス焼結体とチタンからなる複合体を作製した。セラミックス粉末(アパタイトα−ＴＣＰ、和光純薬工業株式会社製)を成形し、１０００℃から１３００℃の温度で焼結して、直径１０ｍｍから２０ｍｍのセラミックス円盤を作製した。このセラミックス円盤を鋳型に入れ、その上に、チタン(ＪＩＳ２種、大同特殊鋼株式会社製)溶融物を、アルゴン（９９．９％、日本高圧ガス株式会社製）雰囲気中で鋳込み鋳造した。その際に、セラミックス及び鋳型をあらかじめ液体窒素にて十分に冷却した。

得られた複合体の外観写真を図２に示す。鋳型から取り出す際にも、複合体は壊れることなく、安定していた。図３に、この複合体の断面写真を示す。この断面写真のものは、カットを容易にするためにセラミックスを一部強制的に切除した状態のものである。比較例として、セラミックス及び鋳型を冷却しないで、通常の鋳造にて作製した成形体の例を、図４、図５に示す。この成型体は、鋳型から取り出す段階でセラミックスが脱離してしまった。また、界面には大きな反応層があり、反応時に発生したガスの跡と考えられる空洞も観察された。

更に、両者の反応層の厚さを測定し比較した。図６には、通常の鋳造方法による複合体（試料１）及び本実施例の方法による複合体（試料２）の反応層の厚さのグラフを、また、表１に、通常の鋳造方による複合体（試料１）及び本実施例の方法による複合体（試料２）の反応層の比較を示す。グラフ内横軸は、試料内の位置（直径方向の距離）である。本実施例の方法による複合体の反応層は、通常の鋳造方法による複合体の反応層に比べて、ばらつきも少なく、空洞も少なかった。

本実施例では、セラミックス粒子とチタンからなる複合体を作製した。直径１ｍｍ以下のセラミックス(アパタイトＨＡＰ、和光純薬工業株式会社製)の粒子を、鋳型内に設置し、その上にチタン(ＪＩＳ２種、大同特殊鋼株式会社製)溶融物を、アルゴン（９９．９％、日本高圧ガス株式会社製）雰囲気中で鋳込み、鋳造した。その際に、セラミックス及び鋳型をあらかじめ液体窒素により十分に冷却した後、鋳造を行い作製した成形体は、反応層が大きく減少した状態で複合化されていた。一方、冷却を行わない通常の鋳造にて作製した成形体では、セラミックス粒子が大きく反応していた。

本実施例では、セラミックス、チタン棒及び鋳造チタンからなる複合材料を作製した。直径１ｃｍから３ｃｍのチタンの棒と、直径１ｃｍから３ｃｍのセラミックス(アパタイトα−ＴＣＰ、和光純薬工業株式会社製)を、０．１ｃｍから４ｃｍの間隔をあけて設置し、それらを、液体窒素にて十分に冷却した後、セラミックスと棒状チタンの間に、溶融チタン(ＪＩＳ２種、大同特殊鋼株式会社製)溶融物を、アルゴン（９９．９％、日本高圧ガス株式会社製）雰囲気中で鋳込み、鋳造した。作製された複合材料の、チタン棒とセラミックス及び固化したチタンは分離することなく一体化していた。

本実施例では、セラミックス鋳型を使用して、チタン鋳造体を作製した。歯科用鋳造機にて、十分に冷却したセラミックス鋳型の中に、溶融チタン(ＪＩＳ２種、大同特殊鋼株式会社製)を、アルゴン（９９．９％、日本高圧ガス株式会社製）雰囲気中で鋳込み、鋳造した。その際に、セラミックス及び鋳型をあらかじめ液体窒素により十分冷却した後、鋳造して作製されたチタン鋳造体では、通常の鋳造にて作製されたチタン鋳造体より、表面反応層及び硬化層が大きく減少していた。

以上詳述したように、本発明は、チタン又はチタン合金と複合化材料との鋳造複合体及びその製造方法等に係るものであり、本発明は、チタンとセラミックスの反応を抑えて、接合界面に、欠陥がなく、反応抑制層を有する鋳造複合材料を製造し、提供することができる。また、本発明は、市販の歯科鋳造機等を使用して実施可能であり、歯科技工等に用いれば、硬化層の切削の行程が軽減される。更に、医療現場等において、個々の顧客や患者等の使用、用途に合せた複合体及び成形体を供給することで、幅広い用途への適用及びテーラーメイドを可能とするものである。また、本発明は、通常の鋳造法や溶接法に対応可能であるため、自動化生産システムへの導入も可能である。

複合界面の温度分布の概念図を示す。 本発明に係る製造方法による複合体の外観写真を示す。 本発明に係る製造方法による複合体の断面写真を示す。 通常の鋳造方法による複合体の外観写真を示す。 通常の鋳造方法による複合体の断面写真を示す。 通常の鋳造法による複合体（試料１）、及び本発明に係る鋳造法による複合体（試料２）の反応層の厚さの変化を示す。

Claims (17)

1. チタン又はチタン合金と複合化材料との鋳造複合体において、チタン又はチタン合金の一部又は全部が鋳造材からなり、チタン又はチタン合金と複合化材料との接合界面に、欠陥がなく、反応抑制層を有することを特徴とする鋳造複合材料。
2. 複合化材料が、セラミックス、金属、セラミックスと金属の複合体、又は有機物を含んだセラミックス及び／又は金属である請求項１に記載の鋳造複合材料。
3. セラミックスが、リン酸カルシウム、酸化物、窒化物、炭化物、又は炭酸化合物である請求項２に記載の鋳造複合材料。
4. リン酸カルシウムが、ＴＣＰ、又はハイドロキシアパタイトである請求項３に記載の鋳造複合材料。
5. 複合化材料が、多孔質体である請求項１に記載の鋳造複合材料。
6. 請求項１から５のいずれかに記載の鋳造複合材料からなることを特徴とする生体適合部材。
7. 上記鋳造複合材料の全部又は一部からなる、医療現場で加工可能なテーラーメイド用材料である請求項６に記載の生体適合部材。
8. 請求項１に記載の鋳造複合材料からなり、高耐食性を有することを特徴とする構造部材。
9. チタン又はチタン合金と複合化材料との鋳造複合体の製造方法において、複合化材料及び／又は鋳型を冷却した後、チタン又はチタン合金を鋳込むことにより、チタン又はチタン合金と複合化材料との接合界面に、反応抑制層を形成した鋳造複合材料を得ることを特徴とする鋳造複合材料の製造方法。
10. 複合化材料及び／又は鋳型を、少なくとも０℃以下に冷却して、接合界面での反応を抑制する請求項９に記載の鋳造複合材料の製造方法。
11. 複合化材料が、セラミックス、金属、セラミックスと金属の複合体、又は有機物を含んだセラミックス及び／又は金属である請求項９に記載の鋳造複合材料の製造方法。
12. セラミックスが、リン酸カルシウム、酸化物、窒化物、炭化物、又は炭酸化合物である請求項１１に記載の鋳造複合材料の製造方法。
13. リン酸カルシウムが、ＴＰＣ、又はハイドロキシアパタイトである請求項１２に記載の鋳造複合材料の製造方法。
14. 鋳型が、セラミックス、金属、又はセラミックスと金属の複合体からなる請求項９に記載の鋳造複合材料の製造方法。
15. セラミックス、金属、有機物、又はそれらを組み合わせたものを、複合化材料として鋳型内に又は鋳型の一部として配置し、チタン又はチタン合金を鋳込むことにより、チタン又はチタン合金と複合化材料との鋳造複合材料を作製する請求項９に記載の鋳造複合材料の製造方法。
16. 上記鋳造複合材料を、医療現場において作製する請求項９に記載の鋳造複合材料の製造方法。
17. 請求項９から１６に記載の方法により鋳造複合材料を作製し、生体の適用部位に合わせた微調整を行うことにより、生体親和性に優れたインプラントを作製することを特徴とするテーラーメイド方法。