JP2019038028A - 表層部が多孔構造を有している金属成形体とその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】多孔構造を有する金属成形体の提供。【解決手段】表層部が多孔構造を有している金属成形体１であって、前記多孔構造が、前記金属成形体の表面において同一方向に間隔をおいて形成された複数本の第1群１０の溝と、前記第１群の溝と直交または斜交する方向に間隔をおいて形成された複数本の第２群の溝１１を有し、さらに金属成形体の表面が前記複数本の第１群の溝と前記複数本の第２群の溝に囲まれて残った複数の島部１２を有しているものであり、前記第１群の溝に沿う厚さ方向の断面構造、前記第２群の溝に沿う厚さ方向の断面構造または複数の島部を通る直線方向の断面構造が、上段溝部と下段溝部に分離され、前記上段溝部と前記下段溝部の間に架橋部を有するＨ字構造が形成された部分を有しているものである、表層部が多孔構造を有している金属成形体。【選択図】図１

Description

本発明は、表層部が多孔構造を有している金属成形体とその製造方法に関する。

表面が粗面化にされて多孔構造が形成された金属成形体およびその製造方法が知られている。
特許文献１には、厚さ方向に形成された、表面側に開口部を有する幹孔と、幹孔の内壁面から幹孔とは異なる方向に形成された枝孔からなる開放孔と、厚さ方向に形成された、表面側に開口部を有していない内部空間を有しており、さらに前記開放孔と前記内部空間を接続するトンネル接続路と前記開放孔同士を接続するトンネル接続路を有している、表層部が粗面化された金属成形体の発明が記載されている。
表層部が複雑な多孔構造していることから、例えば樹脂と接合したときには高い接合力で接合させることができる。

特許文献２には、クロスする方向にレーザースキャンするとき、複数回重畳的にスキャンする金属表面のレーザー加工方法の発明が記載されている。加工後の金属表面は、図１に示すブリッジ構造を含んでいることが特徴であることが記載されている。

特許第５９９８３０３号公報 特許第４０２０９５７号公報

本発明は、表層部が新規な多孔構造を有している金属成形体と、その製造方法を提供することを課題とする。

本発明は、表層部が多孔構造を有している金属成形体であって、
前記多孔構造が、
前記金属成形体の表面において同一方向に間隔をおいて形成された複数本の第1群の溝と、前記第１群の溝と直交または斜交する方向に間隔をおいて形成された複数本の第２群の溝を有し、さらに金属成形体の表面が前記複数本の第１群の溝と前記複数本の第２群の溝に囲まれて残った複数の島部を有しているものであり、
前記第１群の溝に沿う厚さ方向の断面構造、前記第２群の溝に沿う厚さ方向の断面構造または複数の島部を通る直線の厚さ方向の断面構造が、上段溝部と下段溝部に分離され、前記上段溝部と前記下段溝部の間に架橋部を有するＨ字構造が形成された部分を有しているものである、表層部が多孔構造を有している金属成形体とその製造方法を提供する。

また本発明は、表層部が多孔構造を有している金属成形体であって、
前記多孔構造が、
前記金属成形体の表面において同一方向に間隔をおいて形成された複数本の第1群の溝と、前記第１群の溝と直交または斜交する方向に間隔をおいて形成された複数本の第２群の溝を有し、さらに金属成形体の表面が前記複数本の第１群の溝と前記複数本の第２群の溝に囲まれて残った複数の島部を有しているものであり、
前記第１群の溝に沿う厚さ方向の断面構造、前記第２群の溝に沿う厚さ方向の断面構造、または複数の島部を通る直線の厚さ方向の断面構造が、
上段溝部と下段溝部に分離され、前記上段溝部と前記下段溝部の間に架橋部を有するＨ字構造が形成された部分と、
上段溝部、中断溝部および下段溝部に分離され、前記上段溝部と前記中段溝部の間に第１架橋部を有し、前記中段溝部と前記下段溝部の間に第２架橋部を有するはしご構造が形成された部分を有しているものである、表層部が多孔構造を有している金属成形体とその製造方法を提供する。

本発明の多孔構造を有する金属成形体は、表層部の多孔構造が複雑な構造であるため、樹脂、ゴム、エラストマー、前記金属成形体とは異なる他の金属、生体組織と接合させたときには高い接合力で接合させることができる。

本発明の多孔構造を有する金属成形体表面の概念図。 図１のＸ１、Ｘ２、Ｙ１またはＹ２方向の断面図。 実施例１で製造した多孔構造を有する金属成形体表面のＳＥＭ写真。 実施例２で製造した多孔構造を有する金属成形体表面のＳＥＭ写真。 図１（図３）のＸ１方向の断面構造のＸ線ＣＴ写真。 図１（図３）のＸ２方向の断面構造のＸ線ＣＴ写真。 図１（図３）のＹ１方向の断面構造のＸ線ＣＴ写真。 図１（図３）のＹ２方向の断面構造のＸ線ＣＴ写真。

＜表層部が多孔構造を有している金属成形体＞
図１、図２に示す金属成形体１は、表層部が多孔構造を有しているものである。
多孔構造は、金属成形体１の全表面または一部表面に形成されているものであり、同一方向（Ｘ方向）に間隔をおいて形成された複数本の第1群の溝１０と、第１群の溝１０と直交または斜交する方向（Ｙ方向）に間隔をおいて形成された複数本の第２群の溝１１を有し、さらに金属成形体１の表面２が複数本の第１群の溝１０と複数本の第２群の溝１１に囲まれて残った複数の島部１２を有しているものである。
なお、図１は、第１群の溝１０、第２群の溝１１、および島部１２の配置状態を説明するためだけに使用するものである。

金属成形体に使用できる金属は特に制限されるものではなく、用途に応じて適宜選択することができるものである。
例えば、鉄、ステンレス、アルミニウム、チタン、銅、マグネシウム、ニッケル、亜鉛、クロム、金、銀などの金属、前記各金属と公知の他の金属との合金を使用することができる。

表層部は、金属成形体１の表面からの深さ（図２中のｄ）が１０〜１０００μmの範囲であることが好ましく、５０〜５００μmの範囲であることがより好ましい。

金属成形体１の多孔構造は、第１群の溝１０に沿う方向（Ｘ１方向）の厚さ方向の断面構造、第１群の溝１０に沿う方向と同じ方向で、複数の島部１２を通る方向（Ｘ２方向）の厚さ方向の断面構造、第２群の溝１１に沿う方向（Ｙ１方向）の厚さ方向の断面構造、および第２群の溝１１に沿う方向と同じ方向で、複数の島部１２を通る（Ｙ２方向）方向の厚さ方向（Ｙ２方向）の断面構造は、いずれも上段溝部２０と下段溝部２１に分離され、上段溝部２０と下段溝部２１の間に架橋部３０を有するＨ字構造が形成された部分を有している。
さらに金属成形体１の多孔構造は、上記のＨ字構造に加えて、上段溝部２０、中断溝部２２および下段溝部２１に分離され、上段溝部２０と中段溝部２２の間に第１架橋部３１を有し、中段溝部２２と下段溝部２１の間に第２架橋部３２を有するはしご構造が形成された部分を有している。
このように金属成形体１の多孔構造は、表層部において水平方向および垂直方向に延びたトンネル通路がそれぞれ連絡された三次元トンネル通路構造を有しているものである。

本発明の表層部が多孔構造を有している金属成形体１は、例えば樹脂と複合体を形成する用途に使用したときは、三次元トンネル通路構造の内部に樹脂が入り込むため、部分的には、図２に示す第１群の溝１０の上段溝部２０と下段溝部２１の両方に樹脂が入り、架橋部３０が上下から樹脂により挟み付けられた状態で金属成形体１と樹脂が一体化された構造を有しており、このような構造が三次元的に多数存在していることになる。
このため、金属成形体１と樹脂成形体を互いに引っ張ったときには、樹脂と多数の架橋部３０により抗力を発揮するため、高い接合強度を得ることができる。
一方、特許文献１の多孔構造におけるブリッジ（図１）の場合には、ブリッジの下側のみに樹脂が入るため、金属成形体と樹脂成形体を互いに引っ張ったときには金属のブリッジ部のみで抗力を発揮することになり、接合強度は小さくなる。

＜インプラント＞
本発明のインプラントは、上記の表層部が多孔構造を有している金属成形体からなるものである。
インプラントは、骨または歯を含む生体組織と接合される部分の表層部が上記の多孔構造を有しているものである。
インプラントは、チタンまたはチタン合金からなる、骨または歯を含む生体組織と結合させるために使用するものである。
インプラントとしては、人工股関節（ステム、カップ）、人工膝関節などの人工関節、骨折固定用（プレート、スクリュー）、人工歯根などを挙げることができる。

本発明の表層部に多孔構造を有しているインプラントを骨内部に埋設されるように接続したとき、「ナノパルスレーザによる骨組織適合型インプラントの創製（東北大学大学院工学研究科准教授 水谷正義，平成23年度一般研究開発助成AF-2011212）」のP158の左欄に記載されているとおり、まず体液中に過飽和に含まれているリン酸カルシウム類が析出し、同時に骨芽細胞が空間を感知することで活性化し、骨の成分を骨とインプラントの双方の表面上で生産する。最終的に新生骨が骨−インプラント（インプラント表層部の多孔構造部）間を完全に埋め、堅く密な接着状態が得られることになるものと考えられる。
本発明のインプラントの表層部に形成された多孔構造は、図２に示すように複雑な構造（三次元トンネル通路構造）を有しているため、前記複雑な多孔構造が骨とインプラントの結合力を高めるように作用することが期待される。

＜表層部が多孔構造を有している金属成形体の製造方法＞
上記の表層部が多孔構造を有している金属成形体の製造方法を説明する。前記金属成形体がインプラントである場合も同じ製造方法を実施する。
第１工程は、金属成形体１の表面に対して、同一方向（Ｘ１方向）に間隔をおいてレーザー光を連続照射して第１群の溝１０を形成する工程である。
第２工程は、第１工程の後、金属成形体１の表面に対して、第１群の溝１０と直交または斜交する方向（Ｙ１方向）に間隔をおいてレーザー光を連続照射して第２群の溝１１を形成する工程である。
第１群の溝１０と第２群の溝１１は、互いに直交するか、または斜交するように形成するが、第１群の溝１０と第２群の溝１１の角度は４５〜９０度の範囲が好ましく、９０度または９０度に近い角度になるようにすることがより好ましい。

本発明の製造方法では、
（ｉ）第１工程と第２工程を交互に１回ずつ実施し、レーザー光の照射回数が合計で１０〜４０回（第１工程と第２工程が、それぞれ５〜２０回）になるように調整することで第１群の溝１０と第２群の溝１１を形成し、多数の島部１２を形成する方法、
（ii）第１工程と第２工程を交互に１回ずつ実施するか、または第１工程と第２工程を交互に複数回ずつ実施して、第１工程と第２工程のそれぞれのレーザー光の照射回数が合計で１０〜４０回（第１工程と第２工程が、それぞれ５〜２０回）になるように調整することで第１群の溝１０と第２群の溝１１を形成し、多数の島部１２を形成する方法のいずれかの方法を実施する。
（ii）の方法は、第１工程と第２工程を交互に２〜４回ずつ実施することが好ましい。なお、（ii）の方法は、交互に１回ずつのレーザー光照射と交互に複数回のレーザー光照射を組み合わせてもよく、その場合には、レーザー光の照射回数が合計で１０〜４０回（第１工程と第２工程が、それぞれ５〜２０回）になるようにすることができる。

レーザー光の照射方法は、特許第５７７４２４６号公報、特許第５７０１４１４号公報、特許第５８６０１９０号公報、特許第５８９００５４号公報、特許第５９５９６８９号、特開２０１６−４３４１３号公報、特開２０１６−３６８８４号公報、特開２０１６−４４３３７号公報に記載されたレーザー光の連続照射方法と同様にして実施することができる。

エネルギー密度は１ＭＷ/cm²以上にする。レーザー光の照射時のエネルギー密度は、レーザー光の出力（Ｗ）と、レーザー光（スポット面積（ｃｍ²）（π・〔スポット径／２〕²）から求められる。レーザー光の照射時のエネルギー密度は、２〜１０００ＭＷ/cm²が好ましく、１０〜８００ＭＷ/cm²がより好ましく、１０〜７００ＭＷ/cm²がさらに好ましい。
レーザー光の照射速度は２，０００〜２０，０００mm／secが好ましく、２，０００〜１８、０００mm／secがより好ましく、３，０００〜１５、０００mm／secがさらに好ましい。
レーザー光の出力は４〜４０００Ｗが好ましく、５０〜２５００Ｗがより好ましく、１５０〜２０００Ｗがさらに好ましい。
波長は５００〜１１，０００ｎｍが好ましい。
ビーム径（スポット径）は５〜８０μmが好ましい。
焦点はずし距離は、-５〜+５ｍｍが好ましく、−１〜＋１ｍｍがより好ましく、−０．５〜+０．１ｍｍがさらに好ましい。焦点はずし距離は、設定値を一定にしてレーザー照射しても良いし、焦点はずし距離を変化させながらレーザー照射しても良い。例えば、レーザー照射時に、焦点はずし距離を小さくしていくようにしたり、周期的に大きくしたり小さくしたりしても良い。
隣接する第1群の溝１０同士の間隔または隣接する第２群の溝１１同士の間隔は、０．０１〜０．２ｍｍが好ましく、０．０３〜０．１５ｍｍがより好ましい。

本発明の製造方法でレーザー光を連続照射するときには、
レーザー光の非照射面と、金属成形体（インプラント）を構成する金属よりも熱伝導率の大きい材料（熱伝導率が100W/m・k以上である材料）からなる基板（例えば、鋼板、銅板、アルミニウム板）と接触させる方法、あるいは
（ii）金属成形体（インプラント）のレーザー光の非照射面と、金属成形体（インプラント）を構成する金属よりも熱伝導率の小さい材料からなる基板（例えばガラス板）と接触させる方法を適用することができる。
（ｉ）の方法は、特開２０１６−７８０９０号公報に記載の方法を適用することができ、（ii）の方法は、特開２０１６−１２４０２４号公報に記載の方法を適用することができる。
（ｉ）の方法は、金属成形体（インプラント）にレーザー光を照射するときに生じる熱を放熱させることで、温度の上昇を抑制することができる。
（ii）の方法は、金属成形体（インプラント）にレーザー光を照射するときに生じる熱の放熱を抑制させることができる。

本発明の製造方法でレーザー光を連続照射するときには、空気、酸素、窒素、アルゴン、ヘリウムから選ばれるアシストガスを供給しながら照射することができる。
アシストガスを供給しながらレーザー光を照射することで、孔の深さ、大きさおよび配向性の制御を補助することができるほか、炭化物の生成を抑制したり、表面性状を制御したりすることができる。
例えば、アルゴンガスを選択すると表面の酸化を防止することができ、酸素を選択すると表面の酸化を促進することができ、窒素ガスを選択すると酸化を防止し、表面硬度を向上させることができる。

レーザー光の照射方法で使用するレーザーは公知のものを使用することができ、例えば、YVO₄レーザー、ファイバーレーザー（シングルモードファイバーレーザー、マルチモードファイバーレーザー）、エキシマレーザー、炭酸ガスレーザー、紫外線レーザー、ＹＡＧレーザー、半導体レーザー、ガラスレーザー、ルビーレーザー、Ｈｅ−Ｎｅレーザー、窒素レーザー、キレートレーザー、色素レーザーを使用することができる。

実施例１、２
純チタンと６４チタンの板（縦３０ｍｍ、横３０ｍｍ、厚み３ｍｍ）に対して、下記レーザー装置を使用して、表１に示す条件でレーザー光を連続照射した。
実施例１、２は、図１に示す第１群の溝（Ｘ１方向）１０を形成するための第１工程のレーザー光の連続照射を実施した後、第２群の溝（Ｙ１方向）１１を形成するための第２工程のレーザー光の連続照射を実施し、これをそれぞれ１０回（合計２０回）繰り返した。第１群の溝１０と第２群の溝１１の角度は約９０度であった。

（レーザー装置）
発振器：IPG-Ybファイバー；YLR−300−SM
ガルバノミラー ＳＱＵＩＲＥＥＬ（ＡＲＧＥＳ社製）
集光系：fc=80mm／ｆθ＝100mm

図３にレーザー光を照射して粗面化した後の純チタン板表面のＳＥＭ写真を示し、図４にレーザー光を照射して粗面化した後の６４Ｔｉ板表面のＳＥＭ写真を示す。図３、図４と図１、図２の対比から、第１群の溝１０、第２群の溝１１、島部２０が確認できるほか、Ｈ字構造を形成する架橋部３０（第１架橋部３１）も確認することができる。
図５〜図８に実施例１（図３）の図１中のＸ１、Ｘ２、Ｙ１、Ｙ２方向に相当する厚さ方向の断面構造のＸ線ＣＴ写真を示す。
図５は、左図の第１群の溝を通る縦線部分（Ｘ１）におけるＸ線ＣＴ写真、図６は、左図の複数の島部を通る縦線部分（Ｘ２）におけるＸ線ＣＴ写真、図７は、左図の第２群の溝を通る縦線部分（Ｙ１）におけるＸ線ＣＴ写真、図８は、左図の複数の島部を通る縦線部分（Ｙ２）におけるＸ線ＣＴ写真である。
図５〜図８から、いずれの断面構造においても図２と同様なＨ字構造とはしご構造が確認できた。このため、本発明の金属成形体の多孔構造が三次元トンネル通路構造を有していることも確認できた。なお、実施例１，２に記載の最大深さは、Ｘ線ＣＴ写真から求めた値である。

本発明の金属成形体は、前記金属成形体と樹脂、ゴム、エラストマー、他の金属などとの複合体の製造用、インプラント用として利用することができる。

１ 金属成形体
２ 金属成形体の表面
１０ 第１群の溝
１１ 第２群の溝
１２ 島部
２０ 上段溝部
２１ 下段溝部
２２ 中断溝部
３０ 架橋部
３１ 第１架橋部
３２ 第２架橋部

Claims (6)

1. 表層部が多孔構造を有している金属成形体であって、
   前記多孔構造が、
   前記金属成形体の表面において同一方向に間隔をおいて形成された複数本の第1群の溝と、前記第１群の溝と直交または斜交する方向に間隔をおいて形成された複数本の第２群の溝を有し、さらに金属成形体の表面が前記複数本の第１群の溝と前記複数本の第２群の溝に囲まれて残った複数の島部を有しているものであり、
   前記第１群の溝に沿う厚さ方向の断面構造、前記第２群の溝に沿う厚さ方向の断面構造または複数の島部を通る直線の厚さ方向の断面構造が、上段溝部と下段溝部に分離され、前記上段溝部と前記下段溝部の間に架橋部を有するＨ字構造が形成された部分を有しているものである、表層部が多孔構造を有している金属成形体。
2. 表層部が多孔構造を有している金属成形体であって、
   前記多孔構造が、
   前記金属成形体の表面において同一方向に間隔をおいて形成された複数本の第1群の溝と、前記第１群の溝と直交または斜交する方向に間隔をおいて形成された複数本の第２群の溝を有し、さらに金属成形体の表面が前記複数本の第１群の溝と前記複数本の第２群の溝に囲まれて残った複数の島部を有しているものであり、
   前記第１群の溝に沿う厚さ方向の断面構造、前記第２群の溝に沿う厚さ方向の断面構造、または複数の島部を通る直線の厚さ方向の断面構造が、
   上段溝部と下段溝部に分離され、前記上段溝部と前記下段溝部の間に架橋部を有するＨ字構造が形成された部分と、
   上段溝部、中断溝部および下段溝部に分離され、前記上段溝部と前記中段溝部の間に第１架橋部を有し、前記中段溝部と前記下段溝部の間に第２架橋部を有するはしご構造が形成された部分を有しているものである、表層部が多孔構造を有している金属成形体。
3. 前記表層部が、前記金属成形体の粗面化されていない表面から１０〜１０００μmの範囲である、請求項１または２記載の表層部が多孔構造を有している金属成形体。
4. 請求項１〜３のいずれか１項記載の表層部が多孔構造を有している金属成形体からなるインプラントであって、
   前記インプラントが、チタンまたはチタン合金からなる、骨または歯を含む生体組織と結合させるために使用するものであるインプラント。
5. 請求項１〜３のいずれか１項記載の表層部が多孔構造を有している金属成形体の製造方法であり、
   前記金属成形体の表面に対して、同一方向に間隔をおいてレーザー光を連続照射して第１群の溝を形成する第１工程と、
   次に前記金属成形体の表面に対して、前記第１群の溝と直交または斜交する方向に間隔をおいてレーザー光を連続照射して第２群の溝を形成する第２工程を有しており、
   第１工程と第２工程を交互に１回ずつ実施し、または第１工程と第２工程を交互に複数回ずつ実施して、第１工程と第２工程のそれぞれのレーザー光の照射回数が合計で１０〜５０回になるように調整することで前記第１群の溝と前記第２群の溝を形成する、表層部が多孔構造を有している金属成形体の製造方法。
6. 請求項４記載の表層部が多孔構造を有している金属成形体からなるインプラントの製造方法であり、
   前記チタンまたはチタン合金からなるインプラント用金属成形体の表面に対して、同一方向に間隔をおいてレーザー光を連続照射して第１群の溝を形成する第１工程と、
   次に前記インプラント用金属成形体の表面に対して、前記第１群の溝と直交または斜交する方向に間隔をおいてレーザー光を連続照射して第２群の溝を形成する第２工程を有しており、
   第１工程と第２工程を交互に１回ずつ実施し、または第１工程と第２工程を交互に複数回ずつ実施して、第１工程と第２工程のそれぞれのレーザー光の照射回数が合計で１０〜５０回になるように調整することで前記第１群の溝と前記第２群の溝を形成する、表層部が多孔構造を有している金属成形体からなるインプラントの製造方法。