JP2009061135A - 生体活性化材料 - Google Patents

Abstract

【課題】金属ガラス表面が生態組織と類似のネットワークを形成してHApとの接着が強固であり、更にHApとの接合が界面構成物の根状酸化物により強固に結合された生体活性化材料を提供する。
【解決手段】内部の金属ガラスが人骨と同様の弾性率と高い強度とを有するポーラスである。生体親和性を持つ生体セラミックスまたはそれを誘導する材料から成る表面材料が、金属ガラスとの間に中間層を介在させて、金属ガラス表面に析出している。
【選択図】図１２

Description

本発明は、広範囲な過冷却融体範囲と明確なガラス転移点とを持ち、かつ生体親和性を有する金属ガラスを内部とし、ハイドロキシアパタイト(HAp)を外層とした生体活性複合化材料に関し、金属ガラスの一部がＣａ等の生体構成元素から成り、かつ生体類似のポーラスであり、また金属ガラス表面が生態組織と類似のネットワークを形成してHApと接着強度を高め、更にHApとの接合が界面構成物の根状酸化物により強固に結合された生体活性化材料に関する。また、生体活性化材料の表面材料が、皮膜あるいはハイドロキシアパタイトとセラミックスナノ粒子とのハイブリッド材料あるいはポーラスハイドロキシアパタイトと蛋白質とのハイブリッド材料であることに関する。

従来の人工HAp材料は、完全無機質材料であり、金属及び無機材料の上に積層皮膜したものであった。そのため生体材料との結合が必ずしも良好でないため、強度も不十分で、又生体物質よりも硬く、用途に大きな制約があった。

更に従来の人工HAp材料基盤材料は、緻密であり、人骨と同様なポーラスではなかった。

本発明に関連して、ハイドロキシアパタイトの微粒子ビームによってチタン基板上にハイドロキシアパタイト皮膜を形成したこと（例えば、非特許文献１参照）や、水熱合成におけるTiAl上へのCaTiO₃コーティングや、HAp上へのナノTiO₂粒子の析出例が報じられている（例えば、非特許文献２または３参照）。これらはいずれも、硬質緻密な人工HAp材料である。

M.Tsukamoto，T.Fujihara，N.Abe，S.Miyake，M.Katto，T.Nakayama and J.Akedo，"Hydroxyapatite coating on titanium plate with an ultra-fine particle beam"，Japanese Journal of Applied Physics，2003，Vol.42，p.L120-122 M.Yoshimura，W.Urushihara，M.Yashima and M.KakihanaA，"CaTiO3 Coating on TiAl by Hydrothermal-electrochemical Technique"，Intermetallics，1995，3，2，p.125-128 P.Sujaridworakun，D.Pongkao，A.Hniyaz，Y.a Yamakawa，T.Watanabe and M.Yoshimura，"Direct Fabrication of TiO2 Nanoparticles-Deposited Hydroxyapatite Crystals under Mild Hydrothermal Conditions"，J. of Nanoscience and Nanotechnology，2005，5,p.875-879

本発明は、上記した従来技術の実情に鑑みてなされたものであり、生体親和性を有し、かつポーラスの金属ガラスを内部とし、蛋白質を含む各種ハイドロキシアパタイト(HAp)を外層とした生体活性複合化材料に関するもので、金属ガラス表面が生態組織と類似のネットワークを形成してHApとの接着が強固であり、更にHApとの接合が界面構成物の根状酸化物により強固に結合された生体活性化材料を得ることを課題とする。

本発明者らは、新たな発想のもとに鋭意研究を行い、生体材料としての内部金属ガラスの改良、表面形態の工夫、外部人工HAp材料の用途に応じた作成およびそれらを強固に結合させるという３つの構成条件を見つけることによって、本発明を完成するに至った。

この場合、生体材料としての内部金属ガラスは、生体有害物質であるNi等を含まない金属ガラス、もしくは生体構成元素であるCaを含むことが前提であり、かつ人骨と同様の弾性率と高い強度とを有するポーラスであることが必要である。ポーラス形態は、生体組織の成長進入および結合強化に最適である。ポーラス金属を製造する方法は、特開２００６−２１９５他で開示されている公知の技術を使用する。

外層のハイドロキシアパタイト(HAp)については、粒子結合によるハイドロキシアパタイト皮膜、ハイドロキシアパタイトセラミックスとセラミックスナノ粒子とのハイブリッド材料、メチルシロキサンコーティング二層構造被覆材、ポーラスハイドロキシアパタイトへの蛋白質のハイブリッド化等にみられるように、各種の用途に応じた生体活性複合化材料であることが必要である。

さらに、擬似体（ＳＢＦ）液で金属ガラス表面に生態組織と類似のネットワークを形成してHApとの接着を強固にし、更に界面構成物を根状酸化物にすることにより、結合が強固になる。そのためには、金属ガラスをポーラスにすることと界面構成酸化物の選定が重要になる。

本発明は、生体有害物質であるNi等を含まない金属ガラス、もしくは生体構成元素であるCaを含む金属ガラスと、用途に応じて作成した各種人工HAp材料とを、界面構成物の根状酸化物により強固に結合させるという条件を見つけることによって、高齢化社会に向かう未来の高度医用及び生体材料を提供する。すなわち、従来の非ポーラス単一層で、かつ目的単一化した人工生体材料の弱点を本発明は解決した。更に、表面材料が付加価値の高い各種の用途に応じた、例えば皮膜あるいはハイドロキシアパタイトとセラミックスナノ粒子とのハイブリッド材料、メチルシロキサンコーティング二層構造被覆さらにはポーラスハイドロキシアパタイトと蛋白質とのハイブリッド化材料から成る生体活性複合化材料も可能となった。

以下、本発明における各種組成のアモルファス金属もしくは各種人工HAp材料の組み合わせの接合体について、各種作成条件を用いてその実施例を説明する。

表１は、各種材料の原料組成である。なお、本発明が適用される材料は、上記請求項において包含される全ての金属ガラスもしくは人工HAp材料であり、表１に記載された材料に限定されるものではない。

図１は、表１中の番号１の試料を用いた、人工体液（Hank溶液）浸漬中の陽極分極試験の結果である。比較用として、723Kで10分焼鈍、823Kで10分焼鈍、純Ti,Ti-6Al-4Vの結果も示す。番号１のTi₄₀Zr₁₀Cu₃₆Pd₁₄試料は、準結晶が出現する焼鈍材、他の比較材とともに自然電極電位が負で初期に溶解するが、電位の増加と共に不動態化する。溶解度合いは純Ti,Ti-6Al-4Vよりも小さく、電流密度も約10^-2A/m²と小さい。かくして、Ti₄₀Zr₁₀Cu₃₆Pd₁₄金属ガラスは、人工体液に対して、優れた耐食性を示す。

図２は、表１中資料番号３のポーラス金属ガラスの破断面写真である。これは、高圧水素雰囲気下で保持し、固溶水素および水素ポアを導入した後、急冷し、再度過冷却液体状態に遷移して気泡膨張させたポーラスバルク金属ガラスの構造である。水素圧力および気泡膨張時の粘性率を変化させることによって、ポアサイズ及びポロシティをそれぞれ数μmから100μm、０％−７０％の範囲で制御できる。

図３は、試料番号２の金属ガラスを水熱電気化学法によりCaTiO₃被覆し、更にアパタイト誘導能試験を行った例である。水熱電気化学法の特徴は、金属の形状を選ばず、低温条件下で薄膜合成が可能であることである。NaOH溶液に溶解度２倍のCa(OH)₂を加え、試料番号２の金属ガラス板（陽極）とPt基板（陰極）とを４ｃｍ間隔で固定し、電極間に〜0.5mA/cm²の電流を印加しつつ150℃−2時間の水熱処理を行った。その結果、図４に示すように、CaTiO₃被覆上に骨類似のアパタイトが生成していることが確認された。なお、本発明が適用される水熱電気化学装置は、図３に示す形態に限定されるものではなく、上述の構成条件を満足する装置全てを包含する。

図５は、酸化チタンーハイドロオキシアパタイト系ナノコンポジット材料の水熱合成結果である。水溶性チタンアミン錯体であるタスファインとリン酸及び炭酸カルシウムを混合した溶液を、120-150℃の水熱条件下6-24時間処理することにより、図５のようなナノコンポジット材料が合成できた。

表１の試料番号１の金属ガラスTi₄₀Zr₁₀Cu₃₆Pd₁₄に、高い生体活性をもつCa,Nb,Taのメチルシロキサンコーティングを行い、pH：1〜5,121℃、1時間でオートクレーブ処理した二層構造被覆材の、表面生体活性の耐腐食性試験の結果を、図６に示す。
PH1の過酷な酸性環境下においても金属イオンの溶出濃度が半減し、ＳＢＦ浸漬後も剥離無く、骨類似アパタイトの形成が観察された。

図７は、エアロゾルビームによるハイドロオキシアパタイト被覆法の装置図である。HAp粉末から構成されたエアロゾルビームを生体分解プラスチック基板上に照射し、その被覆体を擬似生体(SBF)液浸漬試験した。その結果を、図８に示す。

図９には、水熱ホットプレス法による金属ガラスとHAp材料との接合方法を図示する。表１中の試料番号１を、燐酸水素カルシウム二水和物(DCPD)とCa(OH)₂の混合粉末と共に水熱ホットプレス用オートクレーブに充填し、150℃、40MPa、2時間の条件で処理した。得られた物の擬似生体(SBF)液浸漬試験の結果を、図１０に示す。旺盛な骨類似アパタイト析出が認められる。

ナノ多孔質HAp表面への蛋白質コーティングの例を、図１１に示す。モデル蛋白質としてウシ血清アルブミン(BSA、分子量約65,000)、キャリア単体としてナノ多孔質HAp粒子(BET比表面積56m²/g、換算径34nm)の噴霧乾燥体を使用した。図１１では、超純水中および燐酸緩衝液中でのHAp表面へのBSA吸着等温線を示す。

図１２に示すように、TiAlとCaTiO₃との界面に中間層としてアルミナ被覆し、真空中で1200℃、24時間熱処理するとCaTiO₃層(4-5μm)の下にアルミナ層(5-6μm)、その下にTiAl₃層が生成した。このアルミナ層は根状酸化物になっており（図１２中のＤ）、ボイドやクラックが見出されなかった。繰り返しの酸化試験の結果、チタン複合酸化物被覆コーティングが有効であることが認められた。

本発明は、実施例１−９で詳述したように、内部の金属ガラスの周辺を表面生体活性化材料で被覆しており、その界面の中間構成物の根状酸化物により、金属ガラスと表面材料とが強固な結合をもつことが可能となった。

本発明の実施の形態の生体活性化材料の、Hank溶液中に浸漬させた金属ガラスTi₄₀Zr₁₀Cu₃₆Pd₁₄の陽極分極結果を示すグラフである。 本発明の実施の形態の生体活性化材料の、ポーラス金属ガラスPd₄₀Cu₃₀Ni₁₀P₂₀の破断SEM像である。 本発明の実施の形態の生体活性化材料を形成するための、金属ガラスをCaTiO₃被覆するのに使用される水熱電気化学装置の構成図である。 本発明の実施の形態の生体活性化材料の、図３に示す装置による水熱処理後の、CaTiO₃被覆上の骨類似のアパタイトを示すＳＥＭ画像である。 本発明の実施の形態の生体活性化材料の、酸化チタンーハイドロオキシアパタイト系ナノコンポジット材料の水熱合成結果の接合界面組織を示すＳＥＭ画像である。 本発明の実施の形態の生体活性化材料の、オートクレーブ処理した後の二層構造被覆材の表面生体活性の耐腐食性試験の結果を示すグラフである。 本発明の実施の形態の生体活性化材料を形成するための、ハイドロオキシアパタイト被覆法で使用するエアロゾルビーム装置を示す構成図である。 本発明の実施の形態の生体活性化材料の、図７に示す装置により生体分解プラスチック基板上に照射されたHApの擬似生体液浸漬試験結果を示すＳＥＭ画像である。 本発明の実施の形態の生体活性化材料を形成するための、水熱ホットプレス法を示す概略図である。 本発明の実施の形態の生体活性化材料の、図９に示す方法による水熱ホットプレス体の擬似生体液浸漬後のSEM像である。 本発明の実施の形態の生体活性化材料の、超純水中および燐酸緩衝中でのHAp表面へのBSA吸着等温線を示すグラフである。 本発明の実施の形態の生体活性化材料の、CaTiO₃コーティングTiAl材の真空封入熱処理後の破断面を示すＳＥＭ画像である。

Claims (9)

1. 内部の金属ガラスが人骨と同様の弾性率と高い強度とを有するポーラスであり、生体親和性を持つ生体セラミックスまたはそれを誘導する材料から成る表面材料が、前記金属ガラスとの間に中間層を介在させて前記金属ガラス表面に析出していることを、特徴とする生体活性化材料。
2. 前記表面材料が、前記金属ガラス中に根状に析出していることを、特徴とする請求項１記載の生体活性化材料。
3. 前記金属ガラスは有害物質を含まない金属ガラスもしくはCaを含む金属ガラスから成ることを特徴とする請求項１または２記載の生体活性化材料。
4. 前記表面材料は粒子接合によるハイドロキシアパタイト皮膜であることを特徴とする請求項１、２または３記載の生体活性化材料。
5. 前記金属ガラスは、表面が生態組織と類似のネットワークを形成していることを特徴とする請求項１、２または３記載の生体活性化材料。
6. 前記表面材料はハイドロキシアパタイト上に蛋白質が接合していることを特徴とする請求項１、２または３記載の生体活性化材料。
7. 水熱ホットプレス法により、前記表面材料のハイドロキシアパタイトセラミックスと前記金属ガラスとを直接接合して成ることを特徴とする請求項１、２または３記載の生体活性化材料。
8. 前記表面材料はハイドロキシアパタイトセラミックスとセラミックスナノ粒子とのハイブリッド材料であることを特徴とする請求項１、２または３記載の生体活性化材料。
9. 前記表面材料はメチルシロキサンコーティング二層構造被覆材であることを特徴とする請求項１、２または３記載の生体活性化材料。