JP2007332401A - 粉末チタン−パラフィン混和物 - Google Patents

Abstract

【課題】生体親和性と生体に近い機械的強度とを満たす材料として利用が望まれるチタン多孔質体を簡易な設備と簡易な工程とによって製造を可能とする、素材となる粉末チタンとパラフィンとの混和物、および製造方法、および該粉末チタンとパラフィンとの混和物から得られるチタン多孔質体を提供する。
【解決手段】粉末チタンを焼結することにより多孔質体を作製する製造方法において、７０℃程度で溶融するパラフィンを用いていながら、脱脂、焼結の際に型枠から取り外していても型くずれしない配合条件による。粉末チタンとパラフィンとの混和物を、従来のワックスアップと同様の操作によって目的とする形状に加工し、脱脂・焼結することによりチタン多孔質体を得る。
【選択図】なし

Description

本発明は粉末チタンとパラフィンとの混和物に関し、より詳しくは、チタン多孔質体の素材となる粉末チタンとパラフィンとの混和物、および該粉末チタンとパラフィンとの混和物を用いたチタン多孔質体の製造方法、および該粉末チタンとパラフィンとの混和物から得られるチタン多孔質体に関する。

歯科治療のひとつとして、歯根内の歯髄を除去した後に築造体を固定し歯冠を連結する支台築造（図１参照）や、歯根を除去し人工歯根を顎骨に固定するインプラント（図２参照）という処置が広く行われている。該築造体や該人工歯根には、金属やセラミックスが使用されており、とくに、生体親和性の高いチタンの使用が増加している。しかし、空孔のない金属材を使用すると、機械的強度が高すぎるために、生体である歯根や顎骨に応力集中を起こしやすく、ときには歯根や顎骨を損傷してしまう可能性がある。さらには、全身の骨についても事故、腫瘍等で広範囲に切除を余儀なくされた場合、骨代替材料として純チタン体またはチタン合金体が使用されるが、これも既存の骨と金属材料との間での機械的強度の差による応力集中を生じやすい。

これに対して、例えば特許文献１にあるように、２０年以上前から、生体親和性と生体に近い機械的強度とを満たす材料として、チタン多孔質体の利用が望まれていた。生体親和性の高いチタンを、多孔質体にすることで機械的強度を歯や骨と同程度に調節し、さらに、空孔内部に生体組織が浸入して成長することで、チタン多孔質体と生体との複合構造となることも期待されている。しかし実際には、チタン多孔質体は一般的に使用されるほどには普及していない。これは実用に適した製造方法が未だ得られていないからである。
特公昭５７−０１０１６３号公報

現在、患部の形状に合わせた加工を行う歯科修復材の例として、図３に示すような形状の、空孔を持たないチタンブロックをＣＡＤＣＡＭにより切削加工するものがある。ただし、細い円柱部分は治具に固定するための箇所であり、先端の直径の異なる円柱または直方体部分がチタンまたはチタン合金であるため、ＣＡＤＣＡＭによって築造体を作製した場合は図４のようになる。

多孔質体のブロックを切削加工すると、表面の空孔が潰れてしまうため、ＣＡＤＣＡＭを利用することはできない。従って、型枠を使用して成型する必要があるが、従来の粉末チタンから多孔質体を作製する方法では、成型時に射出成型を行うことが多く型枠に耐圧性が必要となるため、患部ごとに個別の型枠を作製するには工程や費用の面で課題が多い。

本発明者は、上記問題点を解消するために、鋭意研究を重ね、粉末チタンとパラフィンとを混和したものを成型し脱脂・焼結することにより多孔質体を作製する製造方法において、粉末チタンの粒径に適度なばらつきがある場合に、７０℃程度で溶融するパラフィンを使用していながら、脱脂・焼結の際に型枠から取り外していても型くずれしないという現象を見いだし、本発明に到達した。すなわち、本発明の目的は、簡易な設備と簡易な工程とによってチタン多孔質体の製造を可能とするための、チタン多孔質体の素材となる粉末チタンとパラフィンとの混和物、および該粉末チタンとパラフィンとの混和物を用いたチタン多孔質体の製造方法、および該粉末チタンとパラフィンとの混和物から得られるチタン多孔質体を提供することである。

本発明の、第１の発明による粉末チタンとパラフィンとの混和物は、脱脂焼結することによりチタン多孔質体になり得る。これにより、任意形状の加工が容易に行えるようになる。

また、第２の発明による粉末チタンとパラフィンとの混和物は、粉末チタンの、純度が９９．７０％以上であり、平均粒径が７０〜１５０μｍであり、粒径のばらつきが±２０〜８０μｍという物性を有するものとする。粒径ごとの含有量の分布の形としては図５に示すような分布が好ましい。図５は、平均粒径において含有量が最大となり、該最大値の半分の値をとる粒径と平均粒径との差を粒径のばらつきとして表示している。図５は平均粒径が１２０μｍ、最大値の半分の値をとる粒径が９０μｍと１５０μｍとであり、粒径のばらつきは±３０μｍである例を示している。

さらにまた、第３の発明による粉末チタンとパラフィンとの混和物は、粉末チタンとパラフィンとの重量比率が８８：１２〜９６：４である。粉末チタンとパラフィンとの重量比率は、脱脂・焼結した後のチタン多孔質体における空孔率や機械的強度から逆算し適宜調整を行う。

第４の発明によるチタン多孔質体の製造方法では、
第１ないし第３の発明に記載の粉末チタンとパラフィンとの混和物を、
１）加熱により溶融させ、型枠に流し込む工程と、
２）室温にて自然冷却し、固化した後に型枠から取り出す工程と、
３）大気中、３００〜４００℃にて０．５〜５時間加熱することで脱脂する工程と、
４）不活性ガス雰囲気中、９００〜１２００℃にて１〜２４時間加熱することで焼結する工程と、を含む。

第５の発明によるチタン多孔質体は、第１ないし第３の発明に記載の粉末チタンとパラフィンとの混和物を脱脂焼結して得られた。

また、第６の発明によるチタン多孔質体は、
第５の発明に記載のチタン多孔質体において、脱脂焼結の工程が、
１）加熱により溶融させ、型枠に流し込む工程と、
２）室温にて自然冷却し、固化した後に型枠から取り出す工程と、
３）大気中、３００〜４００℃にて０．５〜５時間加熱することで脱脂する工程と、
４）不活性ガス雰囲気中、９００〜１２００℃にて１〜２４時間加熱することで焼結する工程と、を含むことにより得られた。

さらにまた、第７の発明によるチタン多孔質体は、第５または第６の発明に記載のチタン多孔質体において、空孔率を３０〜４５％とした。これにより、機械的強度を調整することが可能である。また、この空隙に薬剤などを含浸させることによって、薬剤の徐放による効果も期待される。

さらにまた、第８の発明によるチタン多孔質体は、第５ないし第７の発明に記載のチタン多孔質体を、歯や骨の修復材または代替材に使用することに適した機械的強度に調整した。機械的強度が生体である歯や骨に近似できるため、歯科修復材料として用いた際に、応力を分散することができ、歯根や顎骨を損傷してしまう可能性を軽減できる。同様に、全身の骨についても、事故や病気により欠損した箇所の基材または代替材として使用することができる。

本発明による粉末チタンとパラフィンとの混和物は、室温では固化している。これを加熱する際に、スパチュラでかき混ぜたり、予めシリンジ内に充填しておいたものを押し出したりするのであれば、５０〜８０℃で流動性を有し容易に変形するが、外力を加えずに安置していれば３００〜４００℃でも歯科補綴材程度の自重では変形しない。この性質を利用して、成型時には型枠に流し込むことや、あるいは従来からの歯科技工で行われているワックスアップのように直接成形することが可能であり、一方で脱脂・焼結時には型枠から取り出していても型くずれしないことも可能にしている。従って、任意形状のチタン多孔質体を製造するために、不活性ガス雰囲気を維持する炉の他には特別な設備を必要としない。製造工程も簡易であり、また、従来のチタンブロックから削り出す製造方法に比べて原料の損失の軽減も見込まれる。

以下、本発明の実施の形態を説明する。ただし、以下に示す実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するための事例を挙げるものであって、本発明を以下のものに特定しない。

前記粉末チタンとパラフィンとの混和物において、粉末チタンの純度は生体に埋め込んだ状態で使用することに適したものであればよいが、一般に使用される範囲では９９．７０〜９９．９９９％であることが好ましい。

また、平均粒径が７０〜２００μｍであることが好ましい。粒径のばらつきが±２０μｍ未満では、加熱した際に粉末チタンとパラフィンとの混和物の流動性が高くなり、容易に変形してしまい、脱脂の際に型枠から取り出していると型くずれを起こす。一方、粒径のばらつきが±８０μｍより大きくなると、多孔質体となった際の空孔が維持できなくなり、使用に適さないものとなる。

従って、該粉末チタンとパラフィンとの混和物に使用する粉末チタンの粒径のばらつきは±２０〜８０μｍであることが好ましい。ただし、粒径のばらつきの上限は、平均粒径の５０％以内であることがより好ましい。

さらに、前記粉末チタンとパラフィンとの混和物を焼結する際に、粉末チタンの形状によって、空孔形成の条件が異なるため、球状の整った粉末が得られるガスアトマイズ法により製造された粉末チタンであることが好ましい。

粉末チタンとパラフィンとの重量比率は、脱脂・焼結した後のチタン多孔質体における空孔率から逆算し適宜調整を行うものであるが、生体である歯や骨に近い機械的強度とするためには、チタン粉末とパラフィンとの重量比率が８８：１２〜９６：４であることが好ましい。

粉末チタンとパラフィンとの混和物を加熱により溶融させる工程においては、恒温槽中にてスパチュラなどでかき混ぜるか、または、予めシリンジ内に充填しておいたものをバーナー等で加熱することが好ましい。

現在行われている築造体の製造工程を簡単に説明すると、
１．樹脂材料によって歯列の型を取り、歯列と同じ形状の石膏模型を作製する工程と、
２．該石膏模型の上でワックスによる築造体のひな型を作る工程と、
３．該ひな型を元にして埋没材に型枠を写し取る工程と、
４．該型枠に金属を鋳込み、築造体を成型する工程と、からなる（図６参照）。

ここで、工程１で作製する石膏模型は、歯髄を除去した窪みまで再現されている。工程２はワックスアップと呼ばれており、窪みにワックスを流し込み歯根内部の空洞に対応した形状を転写するとともに、ワックスを盛り上げて歯冠との接続部の形状も作製する。

本発明による粉末チタンとパラフィンとの混和物は、該ワックスと同様の操作が可能であり、ワックスアップにより任意の形状に成形することができる（図７参照）。その後、前記工程３および４のかわりに、脱脂・焼結を行い、チタン多孔質体による築造体を作製する。

粉末チタンとパラフィンとの混和物を脱脂・焼結して多孔質体となった後は切削加工が不可能になるが、脱脂前、すなわち任意形状に成型し再固化した段階では容易に切削加工でき、空孔が潰れることもないので、型枠から取り出した際に切削加工を行い、微調整を行うことができる。

また、該粉末チタンとパラフィンとの混和物を規格の形状に成形しておきＣＡＤＣＡＭ等による加工を行うことも可能である。なお、切削時の加工屑は、溶融、再固化させることによって再利用が容易である。

脱脂工程においては、設定温度が低いとパラフィンを完全に除去できず、逆に設定温度が高いと蒸発が急速に進み粉末チタンが分離してしまうため、３００〜４００℃にて０．５〜５時間加熱することが好ましい。

焼結工程においては、チタンの酸化を防ぐため、アルゴンガスや窒素ガスなどの不活性ガス雰囲気中にて加熱する。また、設定温度が低いと粉末チタン同士の結合が不充分となり、逆に設定温度が高いと空孔が維持されないため、９００〜１２００℃にて１〜２４時間加熱することが好ましい。また、焼結時の加熱条件によって、空孔率や機械的強度の調整を行うことができる。

つまり、本発明による粉末チタンとパラフィンとの混和物は、粉末チタンの粒径、粉末チタンとパラフィンとの重量比率、焼結温度、焼結時間を調整することにより、使用方法、使用部位に最適な機械的強度を容易に調整できる。

前記粉末チタンとパラフィンとの混和物から得られるチタン多孔質体は、空孔率を３０〜４５％とすることにより、生体である歯や骨に近い機械的強度とすることが可能である。
また、空孔内部に生体組織が浸入して成長することで、チタン多孔質体と生体との複合構造となることも期待されている。さらに、空孔内部に薬剤を貯蔵しておき、徐放による効果も期待される。

前記チタン多孔質体は、生体親和性と生体に近い機械的強度とを満たすため、歯科修復材に使用することに適している。同様に、骨折の治療や、人工骨の表面に使用することも想定される。その際に、バルク状の純チタンまたはチタン合金を芯材として、該粉末チタン多孔質体を作製することによって、バルクチタン−チタン多孔質体複合体を形成することが可能である。また、条件の異なる複数種類の該粉末チタンとパラフィンとの混和物を組み合わせることによって、部分的または層状に異なる機械的強度を有するチタン多孔質体も容易に作製できる（図８参照）。

次に本発明の実施例を説明するが、作製条件の一例を示すものであり、本発明を以下のものに特定しない。

粉末チタンとパラフィンとの混和物を配合し、さらに、該粉末チタンとパラフィンとの混和物を加工してチタン多孔質体による築造体を作製した。これは、生体である歯根が残存する状況で、該歯根と歯冠とを結合させるための部材である。また、作製した該チタン多孔質体の曲げ強度を測定し、歯根や顎骨と比較した。

＜素材＞粉末チタンは、ガスアトマイズ法チタン粉末（ＴＩＬＯＰ−１５０、住友チタニウム株式会社）を使用した。純度は９９．７％であった。粒径分布に関して、総量１００ｇの粉末チタンを、１５０，１２５，１００μｍのふるいにより分別したところ、粒径１５０μｍ以上；１２％、粒径１２５〜１５０μｍ；４２％、粒径１００〜１２５μｍ；３８％、粒径１００μｍ未満；８％、の比率であった。
パラフィンは、インレーワックス＜ミディアム＞（未着色、凝固点５７．２℃；株式会社ジーシー）を使用した。構成成分は、パラフィンワックス７０％、炭化水素樹脂；２５％、カルナバワックス；５％であった。

＜準備＞前記粉末チタンと前記パラフィンとを、重量比率にして９０：１０の割合で、７０℃の恒温槽中でかき混ぜながら混和し、室温にて自然冷却し、粉末チタンとパラフィンとの混和物を作製し、４ｍｍ×７ｍｍ×２０ｍｍのブロックに分けて保存しておいた。また、該粉末チタンとパラフィンとの混和物の一部はシリンジ内に充填した状態で自然冷却した。

＜成型＞前記粉末チタンとパラフィンとの混和物を溶融させ、歯科技工で行われているワックスアップと同様に、石膏模型に流し込み歯根内部の形状を転写するとともに、盛り上げて歯冠との接続部も形成した。室温にて自然冷却したのち、バリを除去したり、不足箇所に該粉末チタンとパラフィンとの混和物を付加したりして、修正を行い、最終的に石膏模型から取り出した。

＜脱脂＞成型工程が完了した前記粉末チタンとパラフィンとの混和物を、大気中、３８０℃にて２時間加熱することで脱脂した。

＜焼結＞脱脂工程が完了した前記粉末チタンとパラフィンとの混和物を、アルゴンガス雰囲気中、１１００℃にて５時間加熱することで焼結し、チタン多孔質体を作製した。

＜特性＞以上の工程により得られた、該チタン多孔質体の曲げ強度は２５０ＭＰａであり、これは皮質骨の曲げ強さ（５０〜１５０ＭＰａ）の２倍程度であり、歯や骨の修復材または代替材に使用することに適している。機械的強度が生体である歯根や顎骨に近いため、歯科修復材料として用いた際に、負担を分散することができ、歯根や顎骨を損傷してしまう可能性を軽減できる。

支台築造の概要を示す模式図である。 インプラントの概要を示す模式図である。 チタンブロックの例を示す模式図である。 チタンブロックから築造体を作製した例を示す模式図である。 粉末チタンの粒径分布の概念を示すグラフである。 築造体の製造工程を示すものであり、（ａ）歯列から型取りした石膏模型、（ｂ）ワックスアップによる築造体、（ｃ）埋没剤による鋳型、の模式図である。 粉末チタンとパラフィンとの混和物をワックスアップにより任意の形状に成形する様子を示す模式図である。 条件の異なる多孔質チタン体を組み合わせた傾斜材料を示す模式図である。

符号の説明

１・・・・顎骨
２・・・・歯肉
３・・・・歯根
４・・・・築造体
５・・・・人工歯冠
６・・・・人工歯根
７・・・・チタンブロック
８・・・・固定部分
９・・・・被加工部分
１０・・・石膏模型
１１・・・ワックスアップによる築造体
１２・・・埋没剤による鋳型
１３・・・粉末チタンとパラフィンとの混和物
１４・・・チタン芯材
１５・・・密なチタン多孔質体
１６・・・疎なチタン多孔質体

Claims (8)

1. 脱脂焼結することによりチタン多孔質体になり得ることを特徴とする、粉末チタンとパラフィンとの混和物。
2. 前記粉末チタンとパラフィンとの混和物において、粉末チタンの、純度が９９．７０％以上であり、平均粒径が７０〜２００μｍであり、粒径のばらつきが±２０〜８０μｍであることを特徴とする、請求項１に記載の粉末チタンとパラフィンとの混和物。
3. 前記粉末チタンとパラフィンとの混和物において、粉末チタンとパラフィンとの重量比率が８８：１２〜９６：４であることを特徴とする、請求項１または２に記載の粉末チタンとパラフィンとの混和物。
4. 請求項１ないし３に記載の粉末チタンとパラフィンとの混和物からチタン多孔質体を作製する脱脂焼結の工程が、
   １）粉末チタンとパラフィンとの混和物を加熱により溶融させ、型枠に流し込む工程と、
   ２）室温にて自然冷却し、固化した後に型枠から取り出す工程と、
   ３）大気中、３００〜４００℃にて０．５〜５時間加熱することで脱脂する工程と、
   ４）不活性ガス雰囲気中、９００〜１２００℃にて１〜２４時間加熱することで焼結する工程と、を含むことを特徴とする、チタン多孔質体の製造方法。
5. 請求項１ないし３に記載の粉末チタンとパラフィンとの混和物を、脱脂焼結して得られたことを特徴とする、チタン多孔質体。
6. 前記チタン多孔質体において、脱脂焼結の工程が
   １）粉末チタンとパラフィンとの混和物を加熱により溶融させ、型枠に流し込む工程と、
   ２）室温にて自然冷却し、固化した後に型枠から取り出す工程と、
   ３）大気中、３００〜４００℃にて０．５〜５時間加熱することで脱脂する工程と、
   ４）不活性ガス雰囲気中、９００〜１２００℃にて１〜２４時間加熱することで焼結する工程と、を含むことにより得られたことを特徴とする、請求項５に記載のチタン多孔質体。
7. 空孔率が３０〜４５％であることを特徴とする、請求項５または６に記載のチタン多孔質体。
8. 歯や骨の修復材または代替材に使用することに適した機械的強度に調整したことを特徴とする、請求項５ないし７に記載のチタン多孔質体。
   
   

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