JP2016202728A - Medical device material, and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、人体の組織や臓器において高度に機能が障害された部位の機能を補うために、生体組織や体液に直接接触して使用される正方晶ジルコニア含有医療機器材料及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a tetragonal zirconia-containing medical device material that is used in direct contact with a biological tissue or body fluid in order to compensate for the function of a highly impaired function in a human tissue or organ, and a method for producing the same.
近年、正方晶ジルコニアを含有する材料は、生体親和性があり、靱性、耐摩耗性、硬度等の優れた機械的特性を有することから、医療機器材料として使用が拡大しており、既に、人工関節、歯冠等の歯科修復物、人工歯根に臨床応用されている。しかし、正方晶ジルコニアは、埋入部位の本来の正常組織を材料表面に伝導する組織伝導性が乏しいことから、骨に埋入する場合も軟組織に埋入する場合も、正方晶ジルコニア表面に薄い（厚さ１−１０μｍ）線維性結合組織が生じて骨や軟組織と直接は結合しない。 In recent years, materials containing tetragonal zirconia have biocompatibility, and have excellent mechanical properties such as toughness, wear resistance, hardness, etc., so that their use as medical device materials has already expanded. It is clinically applied to dental restorations such as joints and crowns, and artificial tooth roots. However, tetragonal zirconia is thin on the surface of tetragonal zirconia because it has poor tissue conductivity to conduct the normal tissue of the implantation site to the material surface, whether it is implanted in bone or soft tissue. (Thickness 1-10 μm) Fibrous connective tissue is generated and does not directly connect to bone or soft tissue.
医療機器材料を代表して人工関節でまず説明する。また、関節には、膝関節、股関節、肩関節、肘関節等様々な関節があるが説明をわかりやすくするため膝関節の場合に関して記述する。 First, an artificial joint will be described as a representative of medical device materials. In addition, there are various joints such as a knee joint, a hip joint, a shoulder joint, and an elbow joint, but the case of a knee joint will be described for easy understanding.
人工膝関節の場合、大腿骨コンポーネント、脛骨コンポーネント、膝蓋骨コンポーネント、ポリエチレンインサートから構成される。ポリエチレンインサートは関節の駆動部であり超高分子ポリエチレン、大腿骨コンポーネントおよび脛骨コンポーネントは、コバルト・クロム、チタン合金などの金属材料、またはセラミックス等の材質をもって構成される。しかし金属材料は長期間生体内で使用すると、金属イオンが溶出し、生体組織を害する恐れがあるほか、金属アレルギーが見られることがある。また、膝関節機能に重要な周囲筋肉組織の回復を術後にＭＲＩ観察する際の妨げになるという問題があった。 In the case of an artificial knee joint, it is composed of a femoral component, a tibial component, a patella component, and a polyethylene insert. The polyethylene insert is a joint drive unit, and the ultra high molecular weight polyethylene, the femoral component, and the tibial component are made of a metal material such as cobalt-chromium or a titanium alloy, or a material such as ceramics. However, when a metal material is used in a living body for a long period of time, metal ions may be eluted, which may harm a living tissue, and metal allergy may be observed. In addition, there is a problem that the recovery of the surrounding musculature important for the knee joint function is an obstacle to the MRI observation after the operation.
一方、日常生活において関節は非常に多くの回数屈伸を毎日繰り返すことから耐摩耗性に優れた材質が必須である。膝関節、股関節などの場合、体重の多くの割合を支えるため、強度的にも大きな靱性が必要になる。交換には外科手術を伴うため耐用年数が３０年以上と言う非常に長期間が要求される。これらの理由から人工関節に用いる材料の機械的信頼性は非常に大きな問題であり、耐摩耗性の観点では金属材料よりセラミックス材料が優れていることは知られている。 On the other hand, in daily life, joints are repeatedly bent and stretched many times every day, so a material with excellent wear resistance is essential. In the case of knee joints, hip joints and the like, large toughness is required in terms of strength in order to support a large proportion of body weight. Since the replacement involves a surgical operation, a very long time of 30 years or more is required. For these reasons, the mechanical reliability of materials used for artificial joints is a very big problem, and it is known that ceramic materials are superior to metal materials in terms of wear resistance.
近年、セラミックス技術が向上し、中でも正方晶ジルコニアを含有する材料に関しては、強度的にも十分に高い靱性、及び良好な耐摩耗性が達成できることから、歯科修復物、人工歯根、人工骨、人工関節としての需要が高まりつつあり、現実のものとなってきている。 In recent years, ceramic technology has improved, and in particular, materials containing tetragonal zirconia can achieve sufficiently high toughness and good wear resistance, so that dental restorations, artificial roots, artificial bones, artificial The demand for joints is increasing and becoming a reality.
正方晶ジルコニアは、靱性、耐摩耗性等の機械的な性質の観点からも、他のセラミックスに比べ優れた性質を持つ。正方晶のジルコニア単結晶は、ダイヤモンド、サファイア等に次ぐ硬度を持ち、摩耗させること自体が困難な材料である。また、正方晶のジルコニアは、生体内に挿入した場合でも、非常に安全性の高い性質から、人工関節の母材としての性質は最適な材料であった。 Tetragonal zirconia has superior properties compared to other ceramics from the viewpoint of mechanical properties such as toughness and wear resistance. Tetragonal zirconia single crystal is a material having hardness next to diamond, sapphire and the like and difficult to wear. Further, tetragonal zirconia is an optimal material as a base material for an artificial joint because of its extremely high safety even when inserted into a living body.
人工膝関節に置換を行う場合、膝関節に繋がる大腿骨及び脛骨の骨切面に、固定材としてアクリル系の樹脂であるＰＭＭＡで作製される骨セメントを用いて各コンポーネントを固定する方法が主流であった。しかし、骨セメントを用いて固定する方法では、外科手術中及び術後、アレルギー反応が生じショック症状から死亡に至る場合が発生し、使用に際しては大きな問題がある。そのため、金属材料やジルコニア等のセラミックス材料の表面に骨伝導性の高いリン酸カルシウム等を成膜することにより、手術後体内で生体骨と直接結合させる方法が期待されている。その最適材料として、水酸アパタイト（骨の成分）などのリン酸カルシウムを金属材料やジルコニア等のセラミックス材料の表面にコーティングすることにより骨と結合させる試みがなされてきた（非特許文献１参照）。 When replacing an artificial knee joint, the main method is to fix each component using bone cement made of PMMA, which is an acrylic resin, as a fixing material on the cut surfaces of the femur and tibia connected to the knee joint. there were. However, in the method of fixing using bone cement, allergic reactions occur during and after surgery, leading to death from shock symptoms, which poses a major problem in use. Therefore, a method of directly bonding to living bone in the body after surgery by forming a film of calcium phosphate having high osteoconductivity on the surface of a ceramic material such as a metal material or zirconia is expected. As an optimum material, attempts have been made to bind to bone by coating calcium phosphate such as hydroxyapatite (bone component) on the surface of a ceramic material such as a metal material or zirconia (see Non-Patent Document 1).
先行文献調査をしたところ、人工材料の表面に周期構造の凹凸を超短パルスレーザーで作製した後、リン酸カルシウムの一種である水酸アパタイトを蒸着することにより、母材上に骨結合性の高い水酸アパタイト膜を作製する方法が提案されている（特許文献１参照）。 We conducted a survey of prior literature. A method for producing an acid apatite film has been proposed (see Patent Document 1).
常温のリン酸カルシウムコーティング法としては、カルシウムイオンを含む溶液とリン酸イオンを含む溶液に基板を交互に浸漬する工程を繰り返すことにより、基板の表面や内部にリン酸カルシウムを析出させる手法が知られている（交互浸漬法）。また、基板に親水化処理（粗面化処理を含む）を施した後に交互浸漬法を実施し、さらに過飽和溶液に浸漬することにより、種々の基板の表面に密着性の高いリン酸カルシウム膜をコーティングする方法が報告されている（特許文献２参照）。 As a calcium phosphate coating method at room temperature, a method is known in which calcium phosphate is precipitated on the surface or inside of a substrate by repeating steps of alternately immersing the substrate in a solution containing calcium ions and a solution containing phosphate ions ( Alternate dipping method). Moreover, after applying hydrophilic treatment (including roughening treatment) to the substrate, the alternate dipping method is performed, and further, the substrate is dipped in a supersaturated solution to coat the surface of various substrates with a highly adhesive calcium phosphate film. A method has been reported (see Patent Document 2).
従来、ジルコニアセラミックス材料は、生体に対して安全で機械的性質に優れているという利点を持っている。さらに、ジルコニアセラミックス材料は、生体内に埋設後も、ＭＲＩが利用でき回復が確認できるなどの大きな利点を持っている。しかし、ジルコニアセラミックス材料は、オッセオインテグレーションと言う状態で骨と接触しており、骨伝導性が無いため、そのままの状態で骨と強固に結合することは無いという問題がある。ここに、オッセオインテグレーションとは、骨と材料の界面に光学顕微鏡レベルでは軟組織の介在が認められない接触状態のことである。骨伝導性とは、材料上で正常な細胞分化が起こり、その結果、直接材料上に骨が形成される物質または状態をいい、「骨伝導性がある」とは、その材料表面へ直接骨が形成される性質を有することをいう。一般に、骨伝導性がある材料は、オッセオインテグレーション性の材料より、早期に、強固な骨固着が得られる。さらに本発明では「骨伝導的オッセオインテグレーション」という状態を定義する。「骨伝導的オッセオインテグレーション」とは、骨と材料の界面での軟組織の介在が光学顕微鏡レベルで認められず、材料表面へ直接骨が形成されたことも未確認であるものの、骨伝導性材料と同等の期間内に、骨伝導性材料と同等の骨固着強度をもたらすことである。 Conventionally, zirconia ceramic materials have the advantage of being safe for the living body and excellent in mechanical properties. Furthermore, the zirconia ceramic material has a great advantage that, even after being embedded in a living body, MRI can be used and recovery can be confirmed. However, the zirconia ceramic material is in contact with the bone in a state of osseointegration and has no osteoconductivity, so that there is a problem that the zirconia ceramic material is not firmly bonded to the bone as it is. Here, osseointegration is a contact state where no soft tissue is observed at the optical microscope level at the interface between bone and material. Osteoconductivity refers to a substance or state in which normal cell differentiation occurs on a material, and as a result bone is formed directly on the material. “Osteically conductive” refers to bone directly on the material surface. It has the property that is formed. In general, a material having osteoconductivity can provide strong bone fixation earlier than an osseointegration material. Furthermore, in the present invention, a state called “bone conduction osseointegration” is defined. “Osteoconductive osseointegration” means that no soft tissue at the bone-material interface has been observed at the optical microscope level, and it has not been confirmed that bone has formed directly on the material surface. Within a period of time equivalent to that of an osteoconductive material.
また、ジルコニアセラミックス材料は、難加工材料であり、さらに、熱やストレスに弱く表面に亀裂や断裂を生じる可能性があるという問題がある。 In addition, zirconia ceramic materials are difficult to process materials, and further, there is a problem that they are susceptible to heat and stress and may cause cracks and tears on the surface.
従来技術のように、ジルコニアセラミックス材料をリン酸リン酸カルシウムでコーティングして人工関節等の医療機器を製造する場合、製造過程で、正方晶ジルコニアが熱等の影響で相転移を起こしやすく、正方晶ジルコニアの優れた機械的特性が損なわれてしまうという問題がある。 When manufacturing medical devices such as artificial joints by coating zirconia ceramics material with calcium phosphate as in the prior art, tetragonal zirconia tends to cause phase transition under the influence of heat during the manufacturing process, and tetragonal zirconia There is a problem that the excellent mechanical properties of the glass are impaired.
特許文献１では、ジルコニア材料の場合については記載されていない。もし、人工材料として、セラミックス、中でもジルコニアを使用して、その表面に凹凸を形成して水酸アパタイトを蒸着すると、母材が加熱により相転移を生じ体積変化を生じる。この体積変化のため亀裂、破断などの甚大な損傷を生じるという問題がある。 Patent Document 1 does not describe the case of a zirconia material. If ceramics, especially zirconia, is used as an artificial material, and a hydroxyapatite is deposited by forming irregularities on the surface thereof, the base material undergoes a phase transition by heating, resulting in a volume change. Due to this volume change, there is a problem that enormous damages such as cracks and breaks occur.
例えば、膝関節のように裏表がある医療機器のような場合、骨と接触し固着する部分のみ骨伝導性を持たせ強く固着させることが必要であり、一方、摺動面では長期間低摩擦の面を維持することが必要である。ジルコニアセラミックス材料には、この様な要件を満たし、かつ相転移による機械的性質の低下を引き起こさない加工方法は存在しなかった。 For example, in the case of medical devices with both sides such as knee joints, it is necessary to provide bone conductivity and firmly fix only the part that comes into contact with the bone, while the sliding surface has low friction for a long time. It is necessary to maintain this aspect. There has been no processing method for zirconia ceramic materials that satisfies such requirements and does not cause deterioration of mechanical properties due to phase transition.
本発明は、これらの問題を解決しようとするものである。本発明は、正方晶ジルコニアを含有する医療機器材料において、（１）温度上昇等による正方晶ジルコニアの相転移や損傷を抑制し、正方晶ジルコニアの優れた機械的特性を保ったまま、（２）意図した特定部位のみが生体内の骨等との十分な結合強度を備えるものを、実現することを目的とする。 The present invention seeks to solve these problems. In the medical device material containing tetragonal zirconia, the present invention (1) suppresses the phase transition and damage of tetragonal zirconia due to temperature rise or the like, and maintains the excellent mechanical properties of tetragonal zirconia (2 ) It is intended to realize a device in which only the intended specific part has sufficient bond strength with bones in the living body.
既に、本発明者らは、正方晶ジルコニアを含有する医療機器材料の特定部位にリン酸カルシウムでコーティングする、医療機器材料の製造方法に関して、前記特定部位に超短パルスレーザーを照射して表面に形成された凹凸の周期より小さいリン酸カルシウム微粒子を蒸着または析出させる技術を出願（特願２０１４−２２３１３２号）で提案している。また、本発明者らは、ジルコニア系セラミックスの表面構造形成方法に関して、レーザー光照射により凹凸の周期構造を形成する技術を出願（特願２０１４−１８５４７２号）で提案している。 Already, regarding the method for manufacturing a medical device material in which a specific portion of a medical device material containing tetragonal zirconia is coated with calcium phosphate, the present inventors have formed a surface by irradiating the specific portion with an ultrashort pulse laser. An application (Japanese Patent Application No. 2014-223132) proposes a technique for depositing or precipitating calcium phosphate fine particles smaller than the period of irregularities. In addition, the present inventors have proposed in a patent application (Japanese Patent Application No. 2014-185472) a technique for forming an irregular periodic structure by laser light irradiation with respect to a method for forming a surface structure of zirconia ceramics.
前記特願２０１４−２２３１３２号のように、予めリン酸カルシウムを別のプロセスを用いて成膜する方法では、成膜工程が必須となり、機器の製作工程が複雑になるという問題がある。特に、成膜技術が機器と骨との密着性の強さに大きく依存する。また、膜厚が薄すぎる場合、リン酸カルシウム膜が体内で溶解してしまうので骨と固着し難く、一方、厚すぎる場合、接合部分であるリン酸カルシウム自体の硬くて脆いという機械的性質のため、亀裂や剥離を生じてしまうという問題があった。 As described in Japanese Patent Application No. 2014-223132, in a method of forming calcium phosphate in advance using another process, there is a problem that a film forming process is indispensable and a device manufacturing process becomes complicated. In particular, the film formation technology greatly depends on the strength of adhesion between the device and the bone. Also, if the film thickness is too thin, the calcium phosphate film dissolves in the body and is difficult to adhere to the bone, whereas if it is too thick, the mechanical properties of the hard and brittle calcium phosphate itself, which is the joint, cause cracks and There was a problem that peeling occurred.
本発明は、正方晶ジルコニアを含有する医療機器材料の特定部位にリン酸カルシウムでコーティングする製造工程を必要としないで、意図した特定部位のみが、生体内の骨等との十分な結合強度を有する、正方晶ジルコニアを含有する医療機器材料、及びその製造方法を提供することを目的とする。 The present invention does not require a manufacturing process of coating a specific part of a medical device material containing tetragonal zirconia with calcium phosphate, and only the intended specific part has sufficient bond strength with bones in vivo, It aims at providing the medical device material containing a tetragonal zirconia, and its manufacturing method.
本発明は、前記目的を達成するために、以下の特徴を有する。 In order to achieve the above object, the present invention has the following features.
本発明の方法は、医療機器材料の製造方法であって、正方晶ジルコニアを含有する医療機器材料に、超短パルスレーザーを照射して表面に凹凸を形成することにより、骨伝導性又は骨伝導的オッセオインテグレーションを有する領域を選択的に形成することを特徴とする。骨伝導性又は骨伝導的オッセオインテグレーションを有する領域は、例えば、生体内で骨と固着させる特定部位である。本発明の方法は、医療機器材料の製造方法であって、正方晶ジルコニアを含有する医療機器材料の、生体内で骨と固着させる特定部位に、超短パルスレーザーを照射して表面に凹凸を形成することを特徴とする。前記超短パルスレーザーが、１０ｐｓ以下のパルス幅をもつ超短パルスレーザーであることが好ましい。 The method of the present invention is a method for producing a medical device material, which is formed by irradiating a medical device material containing tetragonal zirconia with an ultrashort pulse laser to form irregularities on the surface. A region having a specific osseointegration is selectively formed. The region having osteoconductivity or osteoconductive osseointegration is, for example, a specific site to be fixed to bone in a living body. The method of the present invention is a method of manufacturing a medical device material, and the surface of a medical device material containing tetragonal zirconia is irradiated with an ultrashort pulse laser to irradiate a specific portion to be fixed to a bone in vivo. It is characterized by forming. The ultrashort pulse laser is preferably an ultrashort pulse laser having a pulse width of 10 ps or less.
本発明は、正方晶ジルコニアを含有する医療機器材料が、超短パルスレーザーの照射により形成された凹凸表面の構造からなる、骨伝導性又は骨伝導的オッセオインテグレーションが他の領域より良い領域を、表面に有することを特徴とする。本発明は、正方晶ジルコニアを含有する医療機器材料の、生体内で骨と固着させる特定部位が、超短パルスレーザーの照射により形成された凹凸表面を有することを特徴とする。前記凹凸表面の構造が、凹凸の幅もしくは直径が１μｍ未満であることが好ましい。 In the present invention, a medical device material containing tetragonal zirconia is composed of an uneven surface structure formed by irradiation with an ultrashort pulse laser, and has a region with better bone conductivity or osteoconductive osseointegration than other regions. It is characterized by having on the surface. The present invention is characterized in that a specific part of a medical device material containing tetragonal zirconia that is fixed to a bone in a living body has an uneven surface formed by irradiation with an ultrashort pulse laser. The structure of the uneven surface preferably has an uneven width or diameter of less than 1 μm.
本発明の典型的な対象は、人工関節、人工骨、人工歯根であるが、本発明は、組織適合性が必要とされる、正方晶ジルコニアを含有する人工歯根、歯科修復物、各種人工関節等、様々な医療機器材料に適用可能である。 The typical objects of the present invention are artificial joints, artificial bones, and artificial tooth roots. However, the present invention relates to artificial tooth roots, dental restorations, and various artificial joints containing tetragonal zirconia that require tissue compatibility. It can be applied to various medical device materials.
本発明の方法により製造された正方晶ジルコニアを含有する医療機器材料は、１μｍ未満の微細な凹凸により、骨との密着性を高めるとともに、表面が親水化されているため、体内から供給されるリン酸カルシウムにより、生体内で界面にリン酸カルシウム膜が形成されることもある。このため、追加的にリン酸カルシウム特有の組織伝導性、抗血栓性、生体親和性などをジルコニア材料に付与することもできる。 The medical device material containing tetragonal zirconia produced by the method of the present invention is supplied from the body because the surface is hydrophilized while improving the adhesion with the bone due to fine irregularities of less than 1 μm. A calcium phosphate film may be formed at the interface in vivo by calcium phosphate. For this reason, tissue conductivity, antithrombogenicity, biocompatibility, etc. peculiar to calcium phosphate can be additionally imparted to the zirconia material.
例えば、正方晶ジルコニアを含有する医療機器材料が人工膝関節であれば、摺動部の裏側の骨接合部分のみにレーザー照射を行い凹凸を形成しておくことにより、凹凸表面が骨と接合し最終的に人工膝関節と骨は一体化する。一方、摺動部等の摩擦を伴う面には、レーザー照射を行わないで鏡面を維持することにより、リン酸カルシウムが成膜されることもないので、潤滑な駆動が長期間維持できる。 For example, if the medical device material containing tetragonal zirconia is an artificial knee joint, the uneven surface is bonded to the bone by irradiating only the osteosynthesis part on the back side of the sliding part with laser irradiation. Eventually, the knee prosthesis and bone are integrated. On the other hand, by maintaining the mirror surface on the surface with friction such as the sliding portion without performing laser irradiation, the calcium phosphate is not formed, so that the lubrication drive can be maintained for a long time.
本発明では、正方晶ジルコニアを含有する医療機器材料の特定部位のみに、骨との結合性を与えることが可能となるので、非レーザー照射処理部位は、レーザー照射処理部位とは別の機能を保持できる。例えば、人工膝関節の骨と接合する部分のみ選択的に表面処理することにより、骨と人工膝関節を体内で手術後一体化させつつ、反対側表面の超高分子ポリエチレンと接触する部位は、未処理で低摩擦である鏡面加工された正方晶ジルコニア表面が維持できる。このため、体液はリン酸カルシウム過飽和溶液であるが、体液からリン酸カルシウムが析出するとしても摺動側の表面に膜ができることはなく、摺動面の高い耐摩耗性を保つことができる。 In the present invention, since it becomes possible to give the binding property to the bone only to the specific part of the medical device material containing tetragonal zirconia, the non-laser irradiation treatment part has a function different from the laser irradiation treatment part. Can hold. For example, by selectively surface-treating only the portion of the knee prosthesis that joins the bone, the bone and the knee prosthesis are integrated after surgery in the body, and the part that contacts the ultrahigh molecular weight polyethylene on the opposite surface is: A mirror-finished tetragonal zirconia surface that is untreated and has low friction can be maintained. For this reason, the body fluid is a calcium phosphate supersaturated solution, but even if calcium phosphate is precipitated from the body fluid, a film is not formed on the surface on the sliding side, and high wear resistance of the sliding surface can be maintained.
本発明の方法によれば、正方晶ジルコニアの相転移を生じるような加熱を伴わないため、サンドブラスト加工などのようにジルコニア母材の表面に強いストレスや温度上昇を与えることも無く、高い機械的性質を保つことができる。また、ジルコニア母材に対してレーザーを照射するだけなので、汚染物質の付着等の影響が全くないという利点がある。 According to the method of the present invention, since there is no heating that causes a phase transition of tetragonal zirconia, there is no strong stress or temperature rise on the surface of the zirconia base material as in sandblasting, and high mechanical The nature can be kept. Further, since the zirconia base material is only irradiated with a laser, there is an advantage that there is no influence such as adhesion of contaminants.
また、本発明の医療機器材料のような構造により、部分的に必要な範囲のみ正方晶ジルコニアを含有する基材と生体骨を固着させ、異なる二つの機能、例えば高い機械的性質と生体親和性、耐摩耗性と骨伝導性、高い機械的性質と抗血栓性を兼ね備えた医療機器材料を作製することができる。 In addition, the structure like the medical device material of the present invention allows a base material containing tetragonal zirconia and a living bone to be fixed only in a necessary range, and has two different functions, such as high mechanical properties and biocompatibility. It is possible to produce a medical device material having both wear resistance and osteoconductivity, high mechanical properties and antithrombotic properties.
本発明の実施の形態について以下説明する。 Embodiments of the present invention will be described below.
本発明の実施の形態において、正方晶ジルコニアを含有する医療機器材料とは、正方晶ジルコニアを含有し、生体内に直接埋植、若しくは非埋植でも生体組織や体液に直接接触して使用する医療機器材料であれば特に制限はなく、正方晶ジルコニアの含有率が１００％である正方晶ジルコニア多結晶体（ＴＺＰ）、正方晶ジルコニアと単斜晶ジルコニアから成る部分安定化ジルコニア（ＰＳＺ）、正方晶ジルコニアを含む非安定化ジルコニアで母材セラミックス（Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＣ等）を高靱性化したジルコニア高靱性化セラミックス（ＺＴＣ）、及び正方晶ジルコニアの表面被覆や分散による金属ジルコニウムやその他金属との複合体であるか否かは問わない。また、正方晶の安定化に使用される安定化剤（ＣａＯ、ＭｇＯ、Ｙ２Ｏ３、ＣｅＯ２等）とその含有量については、正方晶が安定化できれば特に制限はないが、Ｙ２Ｏ３やＣｅＯ２を含有する正方晶ジルコニアはインプラント材料として実績があり、好適に用いられる。 In the embodiment of the present invention, the medical device material containing tetragonal zirconia contains tetragonal zirconia, and is used by directly contacting living tissues or body fluids even when implanted directly into the living body or non-implanted. There is no particular limitation as long as it is a medical device material, tetragonal zirconia polycrystal (TZP) having a tetragonal zirconia content of 100%, partially stabilized zirconia (PSZ) composed of tetragonal zirconia and monoclinic zirconia, Zirconia toughened ceramics (ZTC) in which base metal ceramics (Al 2 O 3 , SiC, etc.) are toughened with non-stabilized zirconia containing tetragonal zirconia, and metallic zirconium and other by surface coating and dispersion of tetragonal zirconia It does not matter whether it is a composite with a metal. Further, the stabilizer (CaO, MgO, Y 2 O 3 , CeO 2 etc.) used for stabilizing the tetragonal crystal and the content thereof are not particularly limited as long as the tetragonal crystal can be stabilized, but Y 2 O Tetragonal zirconia containing 3 or CeO 2 has a track record as an implant material and is preferably used.
本発明の実施の形態において医療機器材料とは、人工関節、人工歯根、人工骨等のように埋植されて組織や体液と直接接触する医療機器の材料、歯科修復物のように非埋植であるが組織や体液と直接接触して使用される医療機器の材料、生体組織若しくは体液に直接接触する医療機器の材料である。また、医療機器の例としてはこれらを例示することができるが、これらに限るものでもない。 In the embodiment of the present invention, the medical device material is a material of a medical device that is implanted as an artificial joint, an artificial tooth root, an artificial bone, or the like and is in direct contact with a tissue or body fluid, or a non-implanted material such as a dental restoration. However, it is a material for a medical device that is used in direct contact with a tissue or body fluid, or a material for a medical device that is in direct contact with a biological tissue or body fluid. Moreover, although these can be illustrated as an example of a medical device, it is not restricted to these.
本発明の実施の形態は、正方晶ジルコニアを含有する医療機器材料の特定部位に、超短パルスレーザーを照射することにより、表面に凹凸を形成するものである。超短パルスレーザーの照射により、凹凸の形成と同時に親水性表面を与えることができる。 In the embodiment of the present invention, irregularities are formed on the surface by irradiating a specific part of a medical device material containing tetragonal zirconia with an ultrashort pulse laser. Irradiation with an ultra-short pulse laser can provide a hydrophilic surface simultaneously with the formation of irregularities.
超短パルスレーザーによるレーザー加工は、温度上昇を伴わないレーザー加工を実現できる。ジルコニア表面の凹凸加工に際しては、熱的な影響を与えにくい超短パルスレーザーを用いることが特に有効である。超短パルスレーザーにより照射された部分は形状変化を生じるが、ピークパワーが高いためパルス全体としてのエネルギーは極めて抑えられ、パルスが短いため、吸収した熱が照射表面から内部や表面周囲に拡散することなく、照射された部分のみがアブレーションで吹き飛ぶ。 Laser processing with an ultra-short pulse laser can realize laser processing without increasing the temperature. It is particularly effective to use an ultrashort pulse laser that does not easily affect the zirconia surface. The part irradiated by the ultrashort pulse laser causes a change in shape, but the peak power is high, so the energy of the entire pulse is extremely suppressed, and the short pulse allows the absorbed heat to diffuse from the irradiated surface to the inside and around the surface. Only the irradiated part is blown away by ablation.
本発明者らは、ジルコニアに対して超短パルスレーザーを照射すると、照射された部分には、微細構造（周期構造又は非周期構造）が形成されることに着目し、該微細構造部分が優れた骨伝導性又は骨伝導的オッセオインテグレーションを有していることをウサギ体内に埋植された試料の固着強度から見いだし、本発明に到ったものである。周期構造及び非周期構造のいずれでも、サブμｍサイズの凹凸が形成されていれば、骨伝導性又は骨伝導的オッセオインテグレーションを有している。サブμｍサイズとは、１μｍ未満のサイズをいう。表面に超短パルスレーザー照射をされたジルコニアは、材質が変化したわけでは無く、サブμｍサイズの凹凸構造に骨芽細胞が付着し易い状態になり、結果的に骨伝導性又は骨伝導的オッセオインテグレーションの高い状態に変化したと考えられる。 The present inventors pay attention to the fact that when a zirconia is irradiated with an ultrashort pulse laser, a fine structure (periodic structure or non-periodic structure) is formed in the irradiated portion, and the fine structure portion is excellent. It has been found from the adhesion strength of a sample implanted in the body of a rabbit that it has a good osteoconductivity or osteoconductive osseointegration, and has reached the present invention. Both the periodic structure and the non-periodic structure have osteoconductivity or osteoconductive osseointegration if sub-μm size irregularities are formed. The sub-μm size means a size of less than 1 μm. Zirconia whose surface has been irradiated with an ultrashort pulse laser does not change its material, and it becomes easy for osteoblasts to adhere to the uneven structure of sub-μm size, resulting in osteoconductivity or osteoconductivity. It is thought that it changed to a state of high theeointegration.
レーザー加工の基本的現象であるレーザーアブレーションの閾値エネルギーは、物質に応じて多少の差はあるが、１０ピコ秒程度からナノ秒までパルス幅の１／２乗に比例して増加し、１０ｐｓ以下ではほぼ横這いであることが知られている。つまり、ジルコニア基材に超短パルスレーザーを照射する場合、加工のためにジルコニア基材に与えるエネルギーは、パルス幅に比例して大きくなる。 The threshold energy of laser ablation, which is a basic phenomenon of laser processing, varies somewhat depending on the substance, but increases in proportion to the 1/2 power of the pulse width from about 10 picoseconds to nanoseconds, and is less than 10 ps. It is known to be almost flat. That is, when irradiating an ultrashort pulse laser to a zirconia base material, the energy given to a zirconia base material for a process becomes large in proportion to a pulse width.
特に、ジルコニアは、加熱による相転移で正方晶から単斜晶に変わる際に体積が変化して、破断、亀裂などが生じる。ジルコニアは、酸化イットリウムを添加することにより、体積膨張の程度は緩和されるが、依然として熱影響に対して脆弱な材料である。このため、ジルコニアにレーザー加工を行うためには、熱的に影響の小さい１０ｐｓ以下のパルス幅の超短パルスレーザーの利用が有効である。 In particular, zirconia changes its volume when it changes from a tetragonal crystal to a monoclinic crystal due to a phase transition by heating, and breaks, cracks, and the like occur. Zirconia is a material that is still vulnerable to thermal effects, although the degree of volume expansion is mitigated by the addition of yttrium oxide. For this reason, in order to perform laser processing on zirconia, it is effective to use an ultrashort pulse laser having a pulse width of 10 ps or less that has a small thermal influence.
正方晶ジルコニアに熱的な影響による結晶相の変化を与えずに表面に凹凸を形成する「１０ｐｓ以下のパルス幅」のレーザーとして、チタンサファイアレーザーやイットリビウム系のレーザーを使うことができる。 A titanium sapphire laser or yttrium laser can be used as a laser with a pulse width of 10 ps or less that forms irregularities on the surface of the tetragonal zirconia without changing the crystal phase due to thermal effects.
超短パルスレーザーにより凹凸に表面加工された部分は、親水化されている。この凹凸表面加工した領域を有する医療機器材料を、生体内に設置した場合に、凹凸表面により、ジルコニアと骨とが固着する。レーザー表面加工したジルコニア材は、表面の凹凸形状により、平坦面に比べて強固に固着する。一方、レーザー照射を行わない部分は、鏡面構造を保ったままなので長期にわたって低摩擦を維持できる。 The surface processed into irregularities by the ultrashort pulse laser is hydrophilized. When a medical device material having a region where the uneven surface is processed is placed in a living body, the zirconia and the bone are fixed by the uneven surface. The zirconia material processed with the laser surface is firmly fixed as compared with the flat surface due to the uneven shape of the surface. On the other hand, the portion where the laser irradiation is not performed can maintain the low friction over a long period since the mirror surface structure is maintained.
ジルコニア基板表面においては、１０ｐｓ以下の超短パルスレーザーの連続照射により、波長程度の規則性のある周期構造もしくは不規則のサブμｍの凹凸が発生する。パルス幅を増加すると、パルス幅に依存して、熱伝導により深い位置までジルコニア母材が溶融し、高粘度の液体として再度凝固する。そのため、１０ｐｓ以上のパルス幅の長いレーザーで照射した場合は、１μｍ以上のサイズの凹凸、さらに、１０ｎｓのパルス幅のレーザーで照射した場合は、１桁上の１０μｍサイズの凹凸が形成される。 On the surface of the zirconia substrate, a periodic structure having a regularity of a wavelength or irregular sub-μm irregularities is generated by continuous irradiation with an ultrashort pulse laser of 10 ps or less. When the pulse width is increased, depending on the pulse width, the zirconia base material melts to a deep position due to heat conduction and solidifies again as a highly viscous liquid. Therefore, when irradiated with a laser having a long pulse width of 10 ps or more, unevenness having a size of 1 μm or more is formed, and when irradiated with a laser having a pulse width of 10 ns, unevenness having a size of 10 μm is formed.
サブμｍのサイズの凹凸とは、単体穴や突起状の円錐の場合は直径、周期構造を有する場合は周期構造の幅が、サブμｍのサイズのものをいう。凹凸形状のサイズは、若干ばらつきがあるが、凹凸凹の凹−凹間の距離、あるいは凸凹凸の凸−凸間の距離の平均値をいう。凹凸形状の深さ（隣り合う凹凸の高さの差（ｐｅａｋ ｔｏ ｖａｌｌｅｙ、ＰＶ値）も、サブμｍのサイズであることが好ましい。 The unevenness of the size of sub μm means that the diameter is in the case of a single hole or a projection cone, and the width of the periodic structure is in the size of sub μm in the case of having a periodic structure. The size of the concavo-convex shape is slightly varied, but means the average value of the distance between the concave and convex portions of the concave and convex portions or the distance between the convex and concave portions of the convex and concave portions. The depth of the concavo-convex shape (peak to valley (PV value)) is also preferably a size of sub-μm.
［実施形態１］
本実施形態を図１を参照して以下説明する。図１は、製造方法を説明する模式図である。図１は、医療機器材料の例である大腿骨コンポーネント４に超短パルスレーザー２を照射する様子を示している。１０ｐｓ以下のパルス幅の超短パルスレーザー２を、ジルコニアで作製した大腿骨コンポーネント４に、図１のように照射する。この条件を満たすパルス幅のレーザーとして、チタンサファイアレーザーやＹｂ：ＹＡＧレーザーがあげられるが、他のレーザーであってもかまわない。レーザー光照射は、同一の位置で複数回数レーザー光が照射されるようにしつつ、大腿骨コンポーネント４を移動もしくはレーザー光の照射方向を変え、大腿骨と接触する面全てにサブμｍの凹凸を作製する。前記凹凸形状は周期構造と非周期構造のいずれでもよい。
[Embodiment 1]
This embodiment will be described below with reference to FIG. FIG. 1 is a schematic diagram for explaining a manufacturing method. FIG. 1 shows a state in which an
チタンサファイアレーザーを用いて凹凸を形成した例について説明する。チタンサファイアレーザー（中心波長８００ｎｍ、パルス幅４０ｆｓ、繰り返し５５０Ｈｚ／秒）を、焦点距離１００ｍｍのレンズで正方晶ジルコニアを含む部分安定化ジルコニア（３ｍｏｌ Ｙ２Ｏ３，ＺｒＯ２）を含むセラミックス表面に、数十パルスから数百パルス照射することにより、周期８００ｎｍ、深さ４００ｎｍの回折格子状周期構造の凹凸表面が形成された。上記レーザーのジルコニア表面に対するアブレーション閾値は１．５Ｊ／ｃｍ２であり、集光されたレーザー光の強度は径方向にガウス状の強度分布を持つため、周辺の強度の弱い範囲（１．５−２．０Ｊ／ｃｍ２の強度）では規則性のないサブμｍの凹凸が形成された。中心部（２．５〜８．０Ｊ／ｃｍ２の照射強度）の位置において周期構造が形成された。これは同一位置に５〜数１００回照射を連続的に行った場合に発生し、集光位置を移動させながら同一位置に同じ回数レーザーが照射された場合は、規則性のない１μｍ未満の凹凸の形成を確認した。上記の照射条件はレーザー偏光が直線であり、規則性のある周期構造は偏光方向に対して平行な縞状方向に形成された。レーザー偏光が円偏光の場合、凹凸は島状に形成された。望ましい照射フルエンスは、一パルスあたりのアブレーション深さが作成される凹凸深さよりも小さいことが必要であり、アブレーション閾値の１０倍以下程度の範囲である。 An example in which irregularities are formed using a titanium sapphire laser will be described. A titanium sapphire laser (center wavelength: 800 nm, pulse width: 40 fs, repetition: 550 Hz / second) is applied to a ceramic surface containing partially stabilized zirconia (3 mol Y 2 O 3 , ZrO 2 ) containing tetragonal zirconia with a lens having a focal length of 100 mm. Irradiation with several tens to several hundred pulses formed an uneven surface with a periodic structure of a diffraction grating having a period of 800 nm and a depth of 400 nm. The ablation threshold of the laser with respect to the zirconia surface is 1.5 J / cm 2 , and the intensity of the focused laser light has a Gaussian intensity distribution in the radial direction. With a strength of 2.0 J / cm 2 , irregular sub-μm irregularities were formed. A periodic structure was formed at the position of the central portion (irradiation intensity of 2.5 to 8.0 J / cm 2 ). This occurs when the same position is irradiated 5 to several hundred times continuously. When the same position is irradiated with the same number of lasers while moving the condensing position, there is no irregularity of less than 1 μm with no regularity. The formation of was confirmed. Under the above irradiation conditions, laser polarization was linear, and a regular periodic structure was formed in a striped direction parallel to the polarization direction. When the laser polarized light was circularly polarized, the irregularities were formed in an island shape. A desirable irradiation fluence requires that the ablation depth per pulse is smaller than the depth of the unevenness to be created, and is in a range of about 10 times or less of the ablation threshold.
上述のように、凹凸を持つ微細構造を生成するために、同一位置において超短パルスレーザーが数ショットから数十回照射されるように設定を行う。照射方法は、同一点に連続照射を行った後に移動を行う方法、または、照射ビーム径に対してわずかに移動し同一点に連続照射を行う方法等がある。照射レーザーの繰返し周波数は、１０ｋＨｚ以下では照射回数が同一な場合大きな差が無いことから、特にこだわらない。 As described above, in order to generate a fine structure with irregularities, setting is performed so that an ultrashort pulse laser is irradiated from several shots to several tens of times at the same position. Examples of the irradiation method include a method in which the same point is continuously irradiated and then moved, or a method in which the beam is slightly moved with respect to the irradiation beam diameter and the same point is continuously irradiated. Since the repetition frequency of the irradiation laser is 10 kHz or less, there is no significant difference when the number of irradiations is the same.
凹凸表面の親水性について調べた。ジルコニアセラミックスの表面に、超短パルスレーザーを連続照射して、レーザー波長程度の周期構造もしくは周期性のないサブμｍの凹凸を形成した場合、水滴の静的接触角度が８０〜８５度から２５〜３０度へと大幅に変化し、表面の親水性が向上することが分かった。これは、超短パルスレーザー照射により生じるアブレーションプラズマによる効果と考えられる。 The hydrophilicity of the uneven surface was examined. When the surface of zirconia ceramics is continuously irradiated with an ultrashort pulse laser to form a sub-μm irregularity having a periodic structure of about the laser wavelength or no periodicity, the static contact angle of water droplets is 80 to 85 degrees to 25 to 25 degrees. It was found that the surface was significantly changed to 30 degrees and the hydrophilicity of the surface was improved. This is considered to be due to the ablation plasma generated by the ultrashort pulse laser irradiation.
一般に、材料の骨伝導性を生体外で評価するための試験液として、ヒトの体液とほぼ等しい無機イオン濃度とｐＨを有する擬似体液（ＳＢＦ）が用いられている。体液環境に類似したＳＢＦ中で表面にアパタイト層を形成する材料は、生体内でもその表面にアパタイト層を形成し、同アパタイト層を介して周囲の骨と結合する（骨伝導性を示す）と考えられている。そこで、超短パルスレーザー照射によりサブμｍの表面凹凸を形成したジルコニアセラミックスのアパタイト形成能を評価する目的で、上記処理されたジルコニア基板を、ＳＢＦ中に３６．５℃で浸漬した。しかし、ＳＢＦ浸漬後の超短パルスレーザー照射面に、アパタイト層の形成は確認されなかった（非照射面も同様）。すなわち、今回のＳＢＦ試験の結果からは、超短パルスレーザー照射によりサブμｍの表面凹凸を形成したジルコニアセラミックスが、生体内で表面にアパタイト層を形成することを示唆する結果は得られなかった。 In general, a simulated body fluid (SBF) having an inorganic ion concentration and pH almost equal to those of human body fluids is used as a test solution for evaluating the osteoconductivity of materials in vitro. A material that forms an apatite layer on the surface in SBF similar to the body fluid environment forms an apatite layer on the surface even in vivo, and binds to the surrounding bone via the apatite layer (shows osteoconductivity). It is considered. Accordingly, the above-treated zirconia substrate was immersed in SBF at 36.5 ° C. for the purpose of evaluating the apatite forming ability of the zirconia ceramics having sub-μm surface irregularities formed by ultrashort pulse laser irradiation. However, the formation of the apatite layer was not confirmed on the surface irradiated with the ultrashort pulse after the SBF immersion (the same applies to the non-irradiated surface). That is, the results of this SBF test did not show the results suggesting that zirconia ceramics with sub-μm surface irregularities formed by ultrashort pulse laser irradiation formed an apatite layer on the surface in vivo.
ジルコニアと骨との固着強度を生体外で予備的に評価する目的で、超短パルスレーザー照射によりサブμｍの表面凹凸を形成したジルコニアセラミックスの表面に人工的にアパタイト膜を形成させた。具体的には、超短パルスレーザー照射したジルコニア基板を、カルシウムイオン水溶液とリン酸イオン水溶液に、洗浄と乾燥を挟んで交互に３回浸漬し（交互浸漬処理）、さらにリン酸カルシウム過飽和溶液（体液と同等の塩化ナトリウム濃度と、体液の１．５倍のカルシウムおよびリン酸イオン濃度を有する水溶液、ｐＨ＝７．４０／２５℃）に２４時間浸漬することで、表面に厚さ数μｍのアパタイト膜を形成させた。また、比較例として、酸素プラズマ処理（プラズマエッチング装置を使用）を行って表面を親水化したジルコニア基板に、同様の交互浸漬処理と過飽和溶液への浸漬を行い、表面に厚さ数μｍのアパタイト膜を形成させた。粘着テープ剥離試験によりアパタイト膜の密着性を比較したところ、酸素プラズマ処理基板上のアパタイト膜はテープで完全に剥離したのに対し、超短パルスレーザー照射された基板上にはアパタイトが残存した。すなわち、単にジルコニア表面を親水化しただけでは、表面にアパタイト膜を形成させても、膜密着性は弱く、ジルコニア表面のサブμｍの表面凹凸構造が、膜密着性の向上に寄与することが確認された。このサブμｍの表面凹凸構造による膜密着性の増強効果は、骨組織との界面においても期待される。 In order to preliminarily evaluate the adhesion strength between zirconia and bone in vitro, an apatite film was artificially formed on the surface of zirconia ceramics with sub-μm surface irregularities formed by ultrashort pulse laser irradiation. Specifically, a zirconia substrate irradiated with an ultrashort pulse laser is immersed in an aqueous calcium ion solution and an aqueous phosphate ion solution three times alternately with washing and drying (alternative immersion treatment), and further a calcium phosphate supersaturated solution (with body fluid and An apatite film with a thickness of several μm on the surface is immersed for 24 hours in an aqueous solution having an equivalent sodium chloride concentration and a calcium and phosphate ion concentration 1.5 times that of a body fluid, pH = 7.40 / 25 ° C. Formed. As a comparative example, the same alternating dipping treatment and dipping in a supersaturated solution were performed on a zirconia substrate that had been subjected to oxygen plasma treatment (using a plasma etching apparatus) to make the surface hydrophilic, and apatite with a thickness of several μm was formed on the surface. A film was formed. When the adhesiveness of the apatite film was compared by an adhesive tape peeling test, the apatite film on the oxygen plasma-treated substrate was completely peeled off with the tape, whereas the apatite remained on the substrate irradiated with the ultrashort pulse laser. That is, if the surface of the zirconia is simply hydrophilized, even if an apatite film is formed on the surface, the film adhesion is weak, and it is confirmed that the sub-μm surface uneven structure on the zirconia surface contributes to the improvement of the film adhesion. It was done. The effect of enhancing the film adhesion due to the sub-μm surface uneven structure is also expected at the interface with the bone tissue.
超短パルスレーザーの照射により形成したジルコニア表面の生体親和性及び骨との固着強度について次の実験を行い調べた。固着強度は押し込み試験機を用いて固着したジルコニアと骨の破壊強度で測定した。超短パルスレーザーにより表面にサブμｍの凹凸が作成されたジルコニア棒（２．４ｍｍ角、長さ２０ｍｍ）を、複数の同じ月齢の雄のウサギ体内の左右の脛骨に３．５ｍｍの円形の貫通穴を開け、挿入した。比較対象には、コントロールとしてフェムト秒レーザーの照射がない鏡面のジルコニア棒、及びフェムト秒レーザー処理したジルコニア棒を、パルスレーザーアブレーションによる成膜及び液相での膜厚の増化を行い３−４μｍまでリン酸カルシウムを成膜したジルコニア棒を、同等の標本数、別の個体に埋植した。フェムト秒レーザーを照射して表面加工したものは、照射していていないものと比較して、一ヶ月後の固着強度において、平均で６倍、最大で１０倍の固着強度の増加が観測された。この様にフェムト秒レーザー処理したジルコニア棒を、パルスレーザーアブレーションによる成膜及び液相での膜厚の増加を行い３−４μｍまでリン酸カルシウムを成膜したジルコニア棒では、コントロールと比較して、平均８．５倍、最大１４倍以上であった。フェムト秒レーザー表面処理しただけのジルコニア棒は、個々の測定結果のばらつきは大きいものの、一部はリン酸カルシウム成膜したものより骨固着強度が高いという結果が得られた。超短パルスレーザーの照射により表面処理しただけのジルコニア棒は、超短パルスレーザー照射後にリン酸カルシウム膜を蒸着したものと比べて、固着強度においては遜色なく、生体骨と固着していることが確かめられた。さらに、骨固着強度試験時に、ジルコニア棒と骨の界面で破壊が生じたのか、或いは、骨とジルコニアの界面は破壊せずに骨内で破壊が生じたのかを調べる為、骨固着強度測定後の全ジルコニア棒の表面をアリザニンレッド染色して骨組織の残存の程度を調べた。その結果、フェムト秒レーザー表面処理しただけのジルコニア棒も、フェムト秒レーザー処理とリン酸カルシウム成膜処理したジルコニア棒も、広範囲に骨組織の残存が観察された。すなわち、フェムト秒レーザー表面処理しただけのジルコニア棒は、フェムト秒レーザー処理とリン酸カルシウム成膜処理したジルコニア棒と同様に、高い結合強度で表面に骨が形成されており、フェムト秒レーザー表面処理しただけのジルコニア棒が、骨伝導性又は骨伝導的オッセオインテグレーション性を有していると考えられた。 The following experiments were conducted to examine the biocompatibility of the zirconia surface formed by irradiation with an ultrashort pulse laser and the bond strength with bone. The bond strength was measured by the fracture strength of zirconia and bone fixed using an indentation tester. A zirconia rod (2.4 mm square, 20 mm length) with sub-μm irregularities formed on the surface by an ultrashort pulse laser penetrates the left and right tibias of a plurality of same-aged male rabbits in a circular shape of 3.5 mm. A hole was drilled and inserted. For comparison, mirror-coated zirconia rods without femtosecond laser irradiation and zirconia rods treated with femtosecond lasers were deposited by pulse laser ablation and the thickness in the liquid phase was increased to 3-4 μm. A zirconia rod with a calcium phosphate film was implanted in another individual with the same number of specimens. In the case where the surface treatment was performed by irradiating the femtosecond laser, an increase in the fixing strength of an average of 6 times and a maximum of 10 times was observed in the fixing strength after one month compared with the case where the surface processing was not performed. . The zirconia rod treated with femtosecond laser in this way was formed by pulsed laser ablation and the film thickness in the liquid phase was increased, and the zirconia rod deposited with calcium phosphate to 3-4 μm had an average of 8 compared to the control. .5 times, maximum 14 times or more. Although the zirconia rods just treated with the femtosecond laser surface had a large variation in individual measurement results, some of the results showed that the bone bond strength was higher than that of the calcium phosphate film. It is confirmed that the zirconia rod just surface-treated by the ultrashort pulse laser irradiation is not inferior in the fixing strength and fixed to the living bone compared with the case where the calcium phosphate film is deposited after the ultrashort pulse laser irradiation. It was. In addition, during the bone bond strength test, in order to investigate whether fracture occurred at the interface between the zirconia rod and the bone, or whether the fracture occurred within the bone without destroying the interface between the bone and zirconia, The surface of all zirconia rods was stained with alizanin red to examine the extent of bone tissue remaining. As a result, in both the zirconia rods just treated with the femtosecond laser surface and the zirconia rods treated with the femtosecond laser treatment and the calcium phosphate film, bone tissue was observed over a wide range. In other words, just like a zirconia rod that has been subjected to femtosecond laser surface treatment, bone is formed on the surface with high bond strength, just like a zirconia rod that has been subjected to femtosecond laser treatment and calcium phosphate film formation. Zirconia rods were considered to have osteoconductivity or osteoconductive osseointegration.
上述のＳＢＦ試験の結果によれば、フェムト秒レーザー処理されたジルコニア棒は、生体内で表面にアパタイト層を形成しないか、形成するとしても長時間を要すると考えられる。それにも関わらず、予めリン酸カルシウム成膜処理したジルコニア棒と同様の骨結合性を示したことは、フェムト秒レーザー処理により形成されたジルコニア表面が、細胞や生体組織に作用し、骨伝導性又は骨伝導的オッセオインテグレーション性を引き出したことを示唆している。アブレーションプラズマにより生成するフリーラジカルなどの活性種や、親水性官能基、サブμｍの表面凹凸構造が、複合的に作用した可能性がある。 According to the result of the SBF test described above, it is considered that the femtosecond laser-treated zirconia rod does not form an apatite layer on the surface in vivo or takes a long time even if formed. Nevertheless, the same bone-binding properties as zirconia rods that were pre-treated with calcium phosphate were that the surface of zirconia formed by femtosecond laser treatment affected cells and living tissues, and it became osteoconductive or bone This suggests that the conductive osseointegration was derived. There is a possibility that active species such as free radicals generated by ablation plasma, a hydrophilic functional group, and a surface uneven structure of sub-μm acted in combination.
一方、ウサギの脛骨内に、コントロールとして埋入したジルコニア棒の骨固着は認められず、表面にリン酸カルシウム膜の析出も認められなかった。超短パルスレーザー照射を行わない部分は、生体内においてもリン酸カルシウム膜が生成されることなく、滑らかな鏡面を維持できる。そのため、摺動面においては、ジルコニア鏡面の極めて低い摩擦特性を長期間維持できる。 On the other hand, no bone fixation of a zirconia rod embedded as a control in the rabbit tibia was observed, and no deposition of calcium phosphate film was observed on the surface. The portion where the ultrashort pulse laser irradiation is not performed can maintain a smooth mirror surface without generating a calcium phosphate film even in vivo. Therefore, on the sliding surface, the extremely low friction characteristic of the zirconia mirror surface can be maintained for a long time.
生体へ挿入を行う際のジルコニア材の固定には、ウサギの実験の様に１ケ月スケールの固定が必要と考えられる。そのため、挿入部分のジルコニア材には、１μｍ未満の表面加工の他に数１０μｍから数１００μｍの凹凸形状やｍｍ程度のピッチのネジ等の機械的にずれ防止構造を形成することも有効である。 Fixation of the zirconia material during insertion into a living body is considered to require one month scale fixation as in a rabbit experiment. Therefore, it is also effective to form a mechanical displacement preventing structure such as a concavo-convex shape of several tens of μm to several hundreds of μm or a screw having a pitch of about mm in addition to the surface processing of less than 1 μm on the zirconia material of the insertion portion.
以上のように、超短パルスレーザーを連続照射してジルコニア表面を加工することにより、大腿骨コンポーネント等を構成するジルコニア表面の特定部位に、規則正しい周期構造もしくはサブμｍの凹凸を持つ粗面が形成される。特定部位の表面は体内で、骨と固着する。一方、レーザー照射を行わない部分は鏡面加工された表面を保ったままなので長期に渡って低摩擦を維持できる。 As described above, by processing the surface of the zirconia by continuously irradiating an ultrashort pulse laser, a rough surface having a regular periodic structure or sub-μm irregularities is formed on a specific part of the surface of the zirconia constituting the femoral component or the like. Is done. The surface of a specific site adheres to the bone in the body. On the other hand, since the portion not subjected to laser irradiation keeps the mirror-finished surface, low friction can be maintained for a long time.
［実施形態２］
本実施形態を図２及び３を参照して以下説明する。図２は、製造方法を説明する模式図である。図３は製造した人工膝関節を示す図である。人工膝関節を構成する大腿骨コンポーネント４とポリエチレンインサート５と脛骨コンポーネント６の特定部位に対して、図２のように、超短パルスレーザー２を照射する。図３中の、大腿骨コンポーネント４と脛骨コンポーネント６のドット表示部分が、超短パルスレーザー照射により形成された凹凸表面領域である。凹凸表面領域は,人工膝関節置換手術において、生体内の骨と固着する特定部位である。凹凸が形成されない鏡面表面の領域は、低摩擦で摺動部等に適する。人工膝関節を構成する大腿骨コンポーネント４とポリエチレンインサート５と脛骨コンポーネント６のうちの一部を、ジルコニアセラミックス材で構成してもよいし、大半をジルコニアセラミックス材料で構成することも可能である。ジルコニアセラミックス材を用いることにより、ポリエチレンインサート５と脛骨コンポーネント６を一体に形成することもできる。
[Embodiment 2]
This embodiment will be described below with reference to FIGS. FIG. 2 is a schematic diagram for explaining the manufacturing method. FIG. 3 is a view showing the manufactured artificial knee joint. As shown in FIG. 2, the
上記実施形態等で示した例は、発明を理解しやすくするために記載したものであり、この形態に限定されるものではない。 The example shown by the said embodiment etc. was described in order to make invention easy to understand, and is not limited to this form.
本発明は、例えば膝関節等の人工関節に最適なジルコニアを主材料とし、かつジルコニア表面の骨との接合部分に限定して骨伝導性又は骨伝導的オッセオインテグレーションを向上させ、強固に人工関節と骨とを結合させる構造の人工関節等を実現するものであり、人工関節以外にも骨伝導性又は骨伝導的オッセオインテグレーションを持って骨と結合させる必要がある人工骨やインプラント等にも適用が可能であるので、産業上有用である。 The present invention is mainly made of zirconia, which is most suitable for artificial joints such as knee joints, and is limited to the joint portion with the bone on the surface of zirconia to improve osteoconductivity or osteoconductive osseointegration and to firmly Artificial joints that have a structure that joins joints and bones, etc. are realized, and in addition to artificial joints, artificial bones and implants that need to be connected to bones with osteoconductive or osteoconductive osseointegration Is also industrially useful.
２ 超短パルスレーザー
４ 大腿骨コンポーネント
５ ポリエチレンインサート
６ 脛骨コンポーネント
2
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