JP2010142490A

JP2010142490A - 生体活性化材料および生体活性化材料の製造方法

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Publication number: JP2010142490A
Application number: JP2008324537A
Authority: JP
Inventors: Fuga Hata; 風香秦; Xinmin Wang; 新敏王; Akihisa Inoue; 明久井上; Takeshi Wada; 武和田
Original assignee: Tohoku University NUC
Current assignee: Tohoku University NUC
Priority date: 2008-12-19
Filing date: 2008-12-19
Publication date: 2010-07-01

Abstract

【課題】生体活性化物質の析出をさらに促進させることができる生体活性化材料および生体活性化材料の製造方法を提供する。
【解決手段】金属ガラス合金１の表面に、ＧＩＬ法により、その金属ガラス合金１から根を生やした状態で形成された中間処理層２を有している。中間処理層２は、生体親和性を有し、ＣａおよびＰのうち少なくともどちらか一方を含有している。中間処理層２の表面に、Hanks溶液に浸漬させることにより、密に成長したハイドロキシアパタイト層３を有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、生体活性化材料および生体活性化材料の製造方法に関する。

金属ガラスは、優れた機械的特性や熱的・化学的耐久性を有しているが、金属ガラス自体は生体活性を有していない。このため、金属ガラスを生体材料に利用するには、その表面を生体活性化する必要がある。従来、金属ガラスを利用した生体用の材料として、金属ガラスの耐食性に着目し、生体内での耐生体液腐食性に重点が置かれたものがあった。しかし、人体内で生体鉱物を誘起する生体活性化材料として金属ガラスを利用したものは存在しなかった。

従来、人体内で生体鉱物を誘起する生体活性化材料として、セラミックや金属の基材上にアパタイトを主成分とする皮膜を生成させる技術が開発されており、プラズマ溶射によるもの（例えば、特許文献１参照）、強磁場によるもの（例えば、特許文献２参照）、酸化を防止するようハイドロキシアパタイトの分解生成薄膜コーティング処理によるもの（例えば、特許文献３参照）などがある。しかし、これらの方法は、金属ガラス基材には、適したものではなかった。

そこで、本発明者等は、金属材料の表面に、金属材料から根の生えた成長層を作製することができる、いわゆる成長積層膜（ＧＩＬ；Growing Integration Layers）法を開発し、これを金属ガラスに応用して生体活性化材料の製造を行った。すなわち、水熱電気化学処理により、主にＴｉ基の金属ガラスから根を生やした状態で生体親和性を有する中間処理層を成長させた生体活性化材料を開発している（例えば、特願２００７−２３２２２４、特願２００７−２３２２２５参照）。

特開２００６−１３１４６９号公報特開２００４−１４９３８６号公報特開２００３−２５３４２４号公報

本発明者等が開発したＧＩＬ法による金属ガラスを利用した生体活性化材料は、根性に成長した生体親和性を有する中間処理層の表面に、ハイドロキシアパタイト（ＨＡｐ）などの生体活性化物質を析出させることにより、金属ガラスと生体活性化物質とを強固に結合させることができる。これにより、機械的特性や耐久性に優れた金属ガラスを利用して、半永久的に体内での使用に耐え得る生体材料を供することが可能である。その一方で、ハイドロキシアパタイトなどの生体活性化物質の析出をさらに促進させることができ、より高性能な生体材料を提供することができる生体活性化材料の開発が期待されている。

本発明は、このような課題に着目してなされたもので、生体活性化物質の析出をさらに促進させることができる生体活性化材料および生体活性化材料の製造方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明に係る生体活性化材料は、金属ガラス相を有する合金の表面に、前記合金から根を生やした状態で形成された中間処理層を有する生体活性化材料であって、前記中間処理層は生体親和性を有し、ＣａおよびＰのうち少なくともどちらか一方を含有していることを、特徴とする。

本発明に係る生体活性化材料は、生体親和性を有する中間処理層が、Ｃａ、Ｐ、または、ＣａおよびＰの両方を含有しているため、これらを含有していない場合に比べて、中間処理層の表面へのハイドロキシアパタイトなどの生体活性化物質、生体物質や生体分子等の析出を促進させることができる。これにより、中間処理層の表面に析出した物質が密に成長するため、析出した物質の強度や、中間処理層と析出した物質との結合力を高めることができる。また、中間処理層の表面に析出する物質の成長速度を高めることもできる。

本発明に係る生体活性化材料は、中間処理層が金属ガラス相を有する合金の表面に根を生やした状態で形成されて合金と強固に結合されており、さらに中間処理層とその表面に析出した物質との結合力が高いため、強度や耐久性に優れている。また、中間処理層の表面に析出した物質が密に成長し、その表面処理を容易に行うことができるため、新たな機能や用途を付与することができる。このように、本発明に係る生体活性化材料によれば、より高性能な生体材料を提供することができる。

本発明に係る生体活性化材料は、前記中間処理層の表面にアパタイトを含む表層を有することが好ましい。この場合、生体内に使用したとき、表層の生体活性化物質のアパタイトに、生体物質や生体分子等が析出しやすく、その成長が促進されるため、特に生体親和性に優れている。アパタイトが層状を成しているため、生体物質や生体分子等をより密にムラなく成長させることができる。

本発明に係る生体活性化材料の製造方法は、金属ガラス相を有する合金の表面に、前記合金から根を生やした状態で生体親和性を有する中間処理層を成長させた後、ＣａおよびＰのうち少なくともどちらか一方を含む水溶液に浸漬させることを、特徴とする。

本発明に係る生体活性化材料の製造方法では、Ｃａ、Ｐ、または、ＣａおよびＰの両方を含有する水溶液に浸漬させることにより、中間処理層にＣａ、Ｐ、または、ＣａおよびＰの両方を含有させることができる。このように、本発明に係る生体活性化材料の製造方法によれば、本発明に係る生体活性化材料を容易に製造することができる。Ｃａを含む水溶液は、例えば、Ca(OH)₂水溶液である。また、Ｐを含む水溶液は、例えば、Na₂HPO₄水溶液である。また、金属ガラス相を有する合金の表面に、合金から根を生やした状態で生体親和性を有する中間処理層を成長させる方法としては、ＧＩＬ法が好ましい。

本発明に係る生体活性化材料の製造方法は、前記水溶液に浸漬後、前記中間処理層の表面にアパタイトを析出させることが好ましい。この場合、水溶液に浸漬後、例えば、Hanks溶液などの擬似体液（ＳＢＦ）に浸漬させることにより、中間処理層の表面にアパタイトを容易に析出させることができる。生体親和性を有する中間処理層に、Ｃａ、Ｐ、または、ＣａおよびＰの両方を含有しているため、アパタイトを層状で密に成長させることができる。

本発明によれば、生体活性化物質の析出をさらに促進させることができる生体活性化材料および生体活性化材料の製造方法を提供することができる。

以下、図面に基づき本発明の実施の形態について説明する。
図１乃至図５は、本発明の実施の形態の生体活性化材料および生体活性化材料の製造方法を示している。
図１に示すように、本発明の実施の形態の生体活性化材料は、金属ガラス合金１と中間処理層２とハイドロキシアパタイト層３とを有している。

図１に示すように、金属ガラス合金（ＢＭＧ）１は、Ti-Zr-Cu-Pd-Sn金属ガラス合金から成っている。中間処理層２は、ＧＩＬ（成長積層膜）法により、金属ガラス合金１の表面に、その金属ガラス合金１から根を生やした状態で成長して形成されている。中間処理層２は、Ti等の生体親和成分に富んでおり、生体親和性を有している。また、中間処理層２は、ＣａおよびＰのうち少なくともどちらか一方を含有している。ハイドロキシアパタイト（Hydroxyapatite; HAp）層３は、中間処理層２の表面にハイドロキシアパタイトが析出し、それが成長した状態で形成されている。

本発明の実施の形態の生体活性化材料は、本発明の実施の形態の生体活性化材料の製造方法により製造される。まず、ＧＩＬ法により、金属ガラス合金１の表面に、その金属ガラス合金１から根を生やした状態で、生体親和性を有する中間処理層２を層状に成長させる。その後、第１予備処理工程として、中間処理層２に対して水熱電気化学処理を行い、さらに第２予備処理工程として、ＣａおよびＰのうち少なくともどちらか一方を含む水溶液に浸漬させる。この第２予備処理工程により、中間処理層２にＣａ、Ｐ、または、ＣａおよびＰの両方を含有させることができる。

水溶液に浸漬させる第２予備処理工程の後、擬似体液（ＳＢＦ）であるHanks溶液に浸漬させ、中間処理層２の表面にハイドロキシアパタイトを析出させる。このとき、生体親和性を有する中間処理層２に、Ｃａ、Ｐ、または、ＣａおよびＰの両方を含有しているため、これらを含有していない場合に比べて、中間処理層２の表面へのハイドロキシアパタイトの析出を促進させることができ、ハイドロキシアパタイトを層状で密に成長させることができる。このように、本発明の実施の形態の生体活性化材料の製造方法によれば、本発明の実施の形態の生体活性化材料を容易に製造することができる。

なお、図１に示す具体的な一例では、第１予備処理工程として、処理時間を２時間、処理温度を９０℃、電流密度を０．５mA/cm²、NaOH溶液の濃度を０．１mol/lとして水熱電気化学処理を行っている。また、第２予備処理工程として、７．８g/100mlwaterの濃度のNa₂HPO₄水溶液に４時間浸漬させ、さらに、０．２２g/100mlwaterの濃度のCa(OH)₂水溶液に４時間浸漬させている。さらに、第２予備処理工程の後、ｐＨ７．４のHanks溶液に浸漬させている。

本発明の実施の形態の生体活性化材料および生体活性化材料の製造方法は、中間処理層２の表面に析出したハイドロキシアパタイトが密に成長するため、ハイドロキシアパタイト層３の強度や、中間処理層２とハイドロキシアパタイト層３との結合力を高めることができる。また、ハイドロキシアパタイト層３の成長速度を高めることもできる。

本発明の実施の形態の生体活性化材料は、中間処理層２が金属ガラス合金１の表面に根を生やした状態で形成されて金属ガラス合金１と強固に結合されており、さらに中間処理層２とハイドロキシアパタイト層３との結合力が高いため、強度や耐久性に優れている。また、中間処理層２の表面に析出したハイドロキシアパタイトが密に成長し、その表面処理を容易に行うことができるため、新たな機能や用途を付与することができる。このように、本発明の実施の形態の生体活性化材料によれば、より高性能な生体材料を提供することができる。

本発明の実施の形態の生体活性化材料は、生体内に使用されたとき、表層のハイドロキシアパタイト層３に、生体物質や生体分子等が析出しやすく、その成長が促進されるため、特に生体親和性に優れている。ハイドロキシアパタイト層３が層状であるため、生体物質や生体分子等をより密にムラなく成長させることができる。

以下に、本発明の実施の形態の生体活性化材料の製造方法の、第１予備処理工程、第２予備処理工程およびHanks溶液の処理条件について検討を行った。金属ガラス合金（ＢＭＧ）として、Ti-Zr-Cu-Pd金属ガラス合金を使用した。また、あらかじめＧＩＬ法により、金属ガラス合金の表面に中間処理層を形成している。

［第１予備処理工程の処理条件の検討］
第１予備処理工程として、中間処理層に対して水熱電気化学処理を行っている。このときの処理条件として、処理時間、処理温度、電流密度、NaOH溶液の濃度を様々に変化させて、水熱電気化学処理を行った。処理後の中間処理層の状態を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察し、評価および検討を行った。

ＳＥＭによる観測例を、図２に示す。図２（ａ）および（ｂ）は、処理時間を２時間、処理温度を９０℃、電流密度を０．５mA/cm²、NaOH溶液の濃度を０．１mol/lのもの（表１の試験番号１８、１９に該当）、図２（ｃ）および（ｄ）は、処理時間を０．５時間、処理温度を９０℃、電流密度を０．０１mA/cm²、NaOH溶液の濃度を０．１mol/lのもの、図２（ｅ）は、処理時間を８時間、処理温度を９０℃、電流密度を９０mA/cm²、NaOH溶液の濃度を０．１mol/lのものである。

まず、処理条件として、処理時間を０．５〜８時間の範囲で、処理温度を６０〜１２５℃の範囲で変化させ、電流密度を０．１〜０．９mA/cm²、NaOH溶液の濃度を０．１mol/lとして水熱電気化学処理を行った。このときの試験結果を、表１に示す。なお、評価基準は、ＧＩＬ法と比較して、◎：中間処理層が密に成長して極めて良好（図２（ａ）および（ｂ）に相当）、○：中間処理層が良好に成長している、△：中間処理層が普通に成長している（図２（ｃ）および（ｄ）に相当）、×：中間処理層の成長が悪い（図２（ｅ）に相当）、として評価を行っている。

表１に示すように、処理時間が１〜２時間、処理温度が８０〜１００℃のときに、中間処理層の状態が極めて良好になることがわかる。
次に、処理条件として、電流密度を０．０２〜９０mA/cm²の範囲で変化させ、処理時間を１〜２時間、処理温度を８０〜１００℃、NaOH溶液の濃度を０．１mol/lとして水熱電気化学処理を行った。このときの試験結果を、表２に示す。なお、評価基準は、表１のときと同じ基準である。

表２に示すように、電流密度が０．１〜１０mA/cm²のときに、中間処理層の状態が極めて良好になることがわかる。
次に、処理条件として、NaOH溶液の濃度を０．１〜５mol/lの範囲で変化させ、処理時間を１〜２時間、処理温度を８０〜１００℃、電流密度を０．１〜１０mA/cm²として水熱電気化学処理を行った。このときの試験結果を、表３に示す。なお、評価基準は、表１および表２の基準のうち、極めて良好なものをさらによく観察して、◎：中間処理層がより密に成長している、○：それよりもやや密でないもの、として評価を行っている。

表３に示すように、NaOH溶液の濃度が１〜５mol/lのときに、中間処理層の状態が極めて良好になることがわかる。
以上の結果から、第１予備処理工程の最適条件は、処理時間：１〜２時間、処理温度：８０〜１００℃、電流密度：０．１〜１０mA/cm²、NaOH溶液の濃度：１〜５mol/lである。

［第２予備処理工程の処理条件の検討］
第２予備処理工程として、第１予備処理工程後に、ＣａおよびＰのうち少なくともどちらか一方を含む水溶液に浸漬させている。このときの処理条件として、浸漬させる水溶液の濃度を変化させて処理を行った。処理後の中間処理層の状態を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察し、評価および検討を行った。なお、第１予備処理工程は、最適条件で行っている。

Ｐを含む水溶液としてNa₂HPO₄水溶液を使用し、その濃度を１０〜７０g/100mlwaterの範囲で変化させて処理を行った。また、Ｃａを含む水溶液として、Ca(OH)₂水溶液を使用し、その濃度を０．０５〜０．３０g/100mlwaterの範囲で変化させて処理を行った。これらの試験結果を、表４に示す。なお、評価基準は、◎：中間処理層にＣａまたはＰがより多く含まれて極めて良好、○：中間処理層にＣａまたはＰが良好に多めに含まれている、△：中間処理層にＣａまたはＰが普通に含まれている、×：中間処理層にＣａまたはＰがほとんど含まれておらず状態が悪い、として評価を行っている。

表４に示すように、第２予備処理工程の最適条件は、Na₂HPO₄水溶液を使用する場合には、濃度５０g/100mlwater、Ca(OH)₂水溶液を使用する場合には、濃度０．２２g/100mlwater である。

［Hanks溶液の処理条件の検討］
第２予備処理工程の後、Hanks溶液に浸漬させて、中間処理層の表面にハイドロキシアパタイトを析出させている。このときの処理条件として、Hanks溶液のｐＨを変化させて処理を行った。処理後のハイドロキシアパタイト層の状態を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察し、評価および検討を行った。

ＳＥＭによる観測例を、図３に示す。図３（ａ）および（ｃ）は、第１予備処理工程の処理時間を２時間、処理温度を９０℃、電流密度を０．５mA/cm²、NaOH溶液の濃度を１mol/lとし、第２予備処理工程で、7.8g/100mlwaterのNa₂HPO₄飽和水溶液に室温で4時間、0.22g/100mlwaterのCa(OH)₂ 飽和水溶液に室温で4時間浸漬させ、pH7.4のHanks溶液に６日間浸漬させたものである（表５の試験番号７４に該当）。図３（ｂ）は、比較のため、第１予備処理工程の処理時間を２時間、処理温度を９０℃、電流密度を０．５mA/cm²、NaOH溶液の濃度を１mol/lとし、第２予備処理工程およびHanks溶液の浸漬を行わなかったものである。

Hanks溶液のｐＨを６〜９の範囲で変化させて処理を行った。このときの試験結果を、表５に示す。なお、評価基準は、ＧＩＬ法と比較して、◎：ハイドロキシアパタイト層が密に成長して極めて良好（図３（ａ）および（ｃ）に相当）、○：ハイドロキシアパタイト層が良好に成長している、△：ハイドロキシアパタイト層が普通に成長している、×：ハイドロキシアパタイト層の成長が悪い、として評価を行っている。

表５および図３に示すように、Hanks溶液のｐＨが７．４のとき、ハイドロキシアパタイトが層状で最も密に成長していることが確認され、この条件が最適条件であるといえる。

［比較試験］
第１予備処理工程、第２予備処理工程およびHanks溶液への浸漬を、最適条件で行ったときの本発明の実施の形態の生体活性化材料のＳＥＭ写真を図４に示す。図４は、第１予備処理工程の処理時間を２時間、処理温度を９０℃、電流密度を０．５mA/cm²、NaOH溶液の濃度を１mol/lとし、第２予備処理工程で、7.8g/100mlwaterのNa₂HPO₄飽和水溶液に室温で4時間、0.22g/100mlwaterのCa(OH)₂ 飽和水溶液に室温で4時間浸漬させ、pH7.4のHanks溶液に所定期間浸漬させたものである。また、第１予備処理工程および第２予備処理工程を行わず、ＧＩＬ法による処理後、pH7.4のHanks溶液に所定期間浸漬させた比較材料のＳＥＭ写真を図５に示す。

図４および図５に示すように、比較材料に比べて、本発明の実施の形態の生体活性化材料の方がハイドロキシアパタイトの成長が速いことが確認された。

本発明の実施の形態の生体活性化材料の断面を示す走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。本発明の実施の形態の生体活性化材料の、第１予備処理工程後の（ａ）中間処理層が密に成長して極めて良好なもの、（ｂ）中間処理層が密に成長して極めて良好なもの、（ｃ）中間処理層が普通に成長しているもの、（ｄ）中間処理層が普通に成長しているもの、（ｅ）中間処理層の成長が悪いものを示す走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。本発明の実施の形態の生体活性化材料の、（ａ）Hanks溶液浸漬後のハイドロキシアパタイト層が密に成長して極めて良好なもの、（ｂ）第２予備処理工程およびHanks溶液の浸漬を行わず、ハイドロキシアパタイト層が成長していないもの、（ｃ）Hanks溶液浸漬後のハイドロキシアパタイト層が密に成長して極めて良好なものを示す走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。本発明の実施の形態の生体活性化材料の、Hanks溶液に浸漬して（ａ）１日後、（ｂ）２日後、（ｃ）３日後、（ｄ）６日後の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。第１予備処理工程および第２予備処理工程を行わない比較材料の、（ａ）Hanks溶液への浸漬直前、（ｂ）Hanks溶液に１２時間浸漬後、（ｃ）Hanks溶液に２０時間浸漬後の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。

符号の説明

１金属ガラス合金
２中間処理層
３ハイドロキシアパタイト層

Claims

金属ガラス相を有する合金の表面に、前記合金から根を生やした状態で形成された中間処理層を有する生体活性化材料であって、
前記中間処理層は生体親和性を有し、ＣａおよびＰのうち少なくともどちらか一方を含有していることを、特徴とする生体活性化材料。
前記中間処理層の表面にアパタイトを含む表層を有することを、特徴とする請求項１記載の生体活性化材料。
金属ガラス相を有する合金の表面に、前記合金から根を生やした状態で生体親和性を有する中間処理層を成長させた後、ＣａおよびＰのうち少なくともどちらか一方を含む水溶液に浸漬させることを、特徴とする生体活性化材料の製造方法。
前記水溶液に浸漬後、前記中間処理層の表面にアパタイトを析出させることを、特徴とする請求項３記載の生体活性化材料の製造方法。