JP2740071B2

JP2740071B2 - インプラント用金属焼結体の製造方法

Info

Publication number: JP2740071B2
Application number: JP4104010A
Authority: JP
Inventors: 昭彦大塚
Original assignee: Nisshin Steel Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Priority date: 1992-03-31
Filing date: 1992-03-31
Publication date: 1998-04-15
Anticipated expiration: 2013-04-15
Also published as: JPH06125979A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、歯科治療や他骨折整形
のために生体内の骨組織内に埋設して用いられるインプ
ラント用金属焼結体の製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】骨に差し込むのに使用される非常に色々
なインプラント用金属焼結体が既に公知になっている。
大きなものには股関節用人工補整器が属し、小さなもの
には人造歯を形成するために顎にねじ込む人工歯根が属
する。このようなインプラント用金属焼結体は多くの場
合、チタン、ジルコニウム、ニオブ、タンタルまたは主
要成分がこれらの元素の１つである組織親和性のある合
金例えばチタン−バナジウム−アルミニウム合金よりな
る。これら全てのインプラント用金属焼結体の場合に
は、新生骨が移植片表面と迅速にかつ耐久的に結合する
ための処理(移植片の固定、または骨の同化と呼ばれて
いる)が必要である。一般に、機械的な固定によってイ
ンプラント用金属焼結体の脱落を防止するためには、１
００μｍ以上の表面の粗面化が必要とされているが、従
来においては粒径１００μｍ以上の金属ビーズを用いて
焼結法により内部に貫通する気孔をもった多孔質体を成
形する方法、焼結の過程において焼失し得る焼失性材料
を金属原料粉末と混合し成形の後焼結し、内部に貫通す
る孔をもった多孔質を作成する方法、ブラスト処理によ
り表面を粗面化する方法、細かいねじ山を切ることによ
って粗面化する方法、エレクトロンビームを利用して貫
通した多数の孔をあける方法などが用いられていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
技術では下記のような問題があった： (１)粒径１００μｍ以上の金属ビーズを用いて焼結法に
より作成した多孔質材料は、機械的強度が低くインプラ
ントした後、繰り返し生ずる応力に耐えきれず疲労破壊
する問題点があった； (２)焼失性材料を金属の原料粉末に混合し成形の後、焼
結することにより作成した多孔質材料は、インプラント
後の新生骨の侵入を可能にするための有効開口部を多く
すると機械的強度が低下し、インプラント後の耐久性に
劣る。また、ＣＩＰ、金型プレス等で成形する際に、表
面で密充填されることが多く、骨組織と接触する表面を
充分に多孔質にすることはできない等の問題点があっ
た； (３)焼失性材料を金属の原料粉末に混合し成形の後、焼
結することにより作成した多孔質材料は、その開口部の
周辺が鋭角的であるため、生体と接触する表面の刺激性
から、インプラント部材としては好ましいものではなか
った； (４)内部に貫通した多数の孔をもつ構造のもの(上述の
金属ビーズを原料として多孔質を構成したもの、焼失性
材料を原料の金属粉末に混ぜて焼結することにより多孔
質を作成したもの)は、人工歯根として使用する場合
に、口腔内常在菌が孔を通して顎骨内に侵入し炎症を起
こす問題点があった； (５)ブラスト処理及びねじ切りなど機械的な方法で表面
を粗面化したものは、上述の多孔質材料に比べインプラ
ント後の安定性の面で劣っていた。これはインプラント
部材を構成している金属が緻密で不浸透のものであるた
め、新骨組織が内部に侵入して固定することができない
ためである。

【０００４】従って、本発明の目的は、良好な耐用性を
有し、かつ生体親和性も良好なインプラント用金属焼結
体の製造方法を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記の問題点を解決する
ために、種々検討した結果、本発明を完成するに至っ
た。即ち、本発明に係るインプラント用金属焼結体の製
造方法は、焼結体表面が孔径１００μｍ以上のマクロ孔
と孔径２０μｍ以下のミクロ孔を有し、孔径２０μｍ以
下のミクロ孔が孔径１００μｍ以上のマクロ孔と重なり
あって存在していてもよく、かつ該焼結体内部は貫通し
た気孔が不在の密充填構造をもつインプラント用金属焼
結体の製造方法であって、所望の形状に成形するための
金型もしくはゴム型の内面に、焼失し得る焼失性材料を
焼失性の液状バインダーを用いてコーティングする工程
と、前記工程で得られた金型またはゴム型により４４μ
ｍ以下の粒径を有する金属原料粉末を装填して所望の形
状に圧縮成形する工程と、前記工程で得られた成形物
を、その金属の焼結温度に加熱して焼結せしめる工程
と、得られた焼結体の表面を１７７〜２１０μｍの粒径
のアルミナ粒子によりブラスト処理する工程とからなる
ことを特徴とする。

【０００６】本発明の製造方法により得られるインプラ
ント用金属焼結体は、多孔質の表面をもつ骨内に差し込
むためのものであり、該金属焼結体表面が生体の骨組織
の侵入を許容するに適した１００μｍ以上の大きさのマ
クロ孔と孔径２０μｍ以下のミクロ孔とを有し、かつ内
部においては貫通した気孔のない密充填構造をもつこと
を特徴とするものである。上記インプラント用金属焼結
体のマクロ孔開口部は新生骨組織の侵入を容易ならし
め、これによって該組織がインプラント部材の内部まで
に侵入し増殖育成して部材と骨組織との間に合成体と生
体との複合材を形成し、該インプラント用金属焼結体の
骨内における固定力を堅固なものとする。

【０００７】更に、本発明の製造方法により得られるイ
ンプラント用金属焼結体表面は１７７〜２１０μｍの粒
径をもつアルミナ粒子でブラスト処理することにより、
マクロ孔開口部表面のエッジ部をなだらかにして表面の
接触刺激性を改善することができる。また、内部を密充
填構造とすることにより、インプラント用金属焼結体と
しての機械的強度を向上せしめ、耐久性を向上すること
ができる。

【０００８】なお、マクロ孔の口径が前述範囲のもので
あることは開口部全体について必須ではなく、その大多
数についてであればよい。

【０００９】

【作用】以下、図面を参照しながら本発明の特徴をその
作用と共に具体的に説明する。図１は後述の実施例にお
いて得られた本発明の製造方法により得られるインプラ
ント用金属焼結体［チタン製、円柱状試料(４ｍｍφ×
２０ｍｍ)］の断面図である。図１において、インプラ
ント用金属焼結体の内部(2)は、４４μｍ以下の金属原
料粉末をＣＩＰまたはプレス等で充分に圧縮充填した
後、融点の９０％程度の温度で焼結することにより、緻
密な連続した気孔のない組織とすることができる。この
密充填構造により、インプラント用金属焼結体として必
要な機械的強度を付与することができる。更に、表面に
開口している１００μｍ以上のマクロ孔は表面から５０
０μｍ程度の深さにおいて緻密な構造に変わるため人工
歯根として使用する場合には、口腔内常在菌が孔を通し
て顎骨内に侵入するのを防止できる。また、図１におい
て、インプラント用金属焼結体の表層部(1)には、１０
０μｍ以上のマクロ孔と２０μｍ以下のミクロ孔が存在
し、インプラントした場合に新造骨組織の侵入を容易な
らしめ、これによって該組織がインプラント用金属焼結
体の内部までに侵入し、増殖育成してインプラント用金
属焼結体と骨組織との間に合成体と生体との複合材を形
成し、該インプラント用金属焼結体の骨内における固定
力を堅固なものとする。

【００１０】本発明の製造方法は大別して四つの工程よ
りなる。第１の工程は、ＣＩＰ用のゴム型もしくはプレ
ス用金型の内側面に焼失性材料を、焼失性液状バインダ
ーを用いてコーティングする工程である。ここで、焼失
性材料とは、焼結工程において、原料金属粉末が焼結す
るまでの間に燃焼気化して焼失し、しかも灰分を全く残
さないか、または生じた灰分が人体に無害であるもので
なければならない。その形態は球状、粒状、不定形多角
形、繊維状のいずれを問わない。この焼失性材料として
は例えばパラフィン、ポリエチレン、アクリル樹脂、炭
化水素系のものに酸素が入ったもの等を使用することが
できる。

【００１１】また、焼失性の液状バインダーも同様であ
り、水溶性やアルコール等の溶剤に溶けるもののいずれ
を問わない。焼失性材料の最も典型的な例を挙げて説明
すると、パラフィンの球状体を使用する場合であり、
０.２〜１.０ｍｍのパラフィンの球状体１００部に対
し、焼失性材料である液状バインダーとしてＰＶＡ(２
重量％水溶液)４０部を混合し、この混合物を隙間なく
ＣＩＰ用ゴム型もしくはプレス用金型の内側面にコーテ
ィングする。また、コーティングに際して焼失性材料の
分散が困難な場合は、焼失性液状バインダーを先にゴム
型や金型の内側面にコーティングし、バインダーが乾燥
する前に焼失性材料を隙間なく並べる方法であっても構
わない。

【００１２】第二の工程は、上記焼失性材料のコーティ
ングが終わったＣＩＰのゴム型もしくはプレス用金型を
用いて４４μｍ以下のインプラント用金属焼結体用の金
属原料粉末(例えばチタン粉末、ジルコニウム粉末、ニ
オブ粉末、タンタル粉末またはこれら成分を含有する合
金粉末)を充填して所望の形に成形する工程であるが、
この成形工程は従来の粉末成形の操作と同様に行えばよ
い。また、使用する金属原料粉末は粉末成形の一般的な
操作である、金属原料粉末の流動性を向上するため及び
圧縮充填後のグリーンの強度を増大するために、バイン
ダー(例えばＰＶＡ)によりスプレードライに造粒した粉
末であっても構わない。ただし、使用する金属原料粉末
を４４μｍ以下の金属粉末粒子に限定する理由は、大き
な粒子の混ざった粉末を使用した場合は焼成後に内部に
貫通する気孔が存在し、インプラント部材として実用強
度の発現が困難になることが多いからである。また、使
用する金属原料粉末粒子が１０μｍ以下の細かい粒子の
場合は、粒子の表面が強く酸化されているケースが多
く、実用強度の発現が困難になることが多いので、１０
μｍ以下の微細粒子を使用する場合には注意を要する。

【００１３】次に、第三の工程は、第二の工程で得た金
属原料粉末のプレス成形品を加熱、焼結せしめる工程で
あり、これにより上記焼失性材料を気化燃焼させ、得ら
れるインプラント用金属焼結体材料の表面を１００μｍ
以上のマクロ孔により多孔質とするものである。焼結工
程は、不活性ガス雰囲気中または１０^-4トール以下の真
空中のいずれであっても行うことができる。

【００１４】第四の工程は、第三の工程で得た表面多孔
質の金属材料の表面を１７７〜２１０μｍのアルミナ粒
子にてブラスト処理を行うものである。この第四工程
は、焼失性材料が焼失することにより生じた１００μｍ
以上のマクロ孔の鋭利なエッジ部をなだらかにすること
により、インプラント後の生体組織との接触刺激を減少
させ、更に、１００μｍ以上のマクロ孔に２０μｍ以下
のミクロ孔を重ねて構成するための工程である。このブ
ラスト処理に、２１０μｍよりも大きなアルミナ粒子を
用いて処理した場合は、焼失材料の焼失により構成され
たマクロ孔がつぶれ、インプラントした際に新生骨の侵
入が困難になる場合があるので使用することは好ましく
ない。また、１７７μｍ未満のアルミナを試用した場合
は、ブラスト処理面に２０μｍ以下のミクロ孔を構成す
ることが難しい。ブラスト処理に使用する粒子をアルミ
ナに限定する理由は、炭化珪素等では研削力が大きいた
めに処理する表面のマクロ孔が研削されてしまうからで
あり、また、他の材料については処理後の洗浄により脱
落しなかった研削粒子の生体に対する影響が危惧される
ためである。

【００１５】

【実施例】実施例以下に本発明で達成される進歩性を明らかにする実施例
及び比較例による種々の実験の結果を示す：インプラント用金属焼結体として、表面が以下のように
処理もしくは製造されているチタン製の円柱４ｍｍφ×
２０ｍｍをそれぞれ８個準備した。市販のチタンロッドを電解研磨した。市販のチタンロッドの表面を粒径７１０〜８４０μｍ
の球状ジルコニア粒子でブラスト処理した。４４μｍ以下のチタン金属粉末をゴムの型に入れ、Ｃ
ＩＰで圧縮成形した後に１４００℃の温度、１０^-5トー
ルの減圧雰囲気で焼成した。の方法により得られた試料をＨＦでエッチングし
た。の方法により得られた試料を粒径１７７〜２１０μ
ｍのアルミナ粒子で表面をブラストした。本発明による、ＣＩＰ用ゴム型の内側面の中心粒径５
００μｍの球状パラフィンをＰＶＡ２％水溶液を用いて
コーティングした後、４４μｍ以下の金属チタン原料粉
末を充填し、１ＭＰａの静水圧を用いて成形し、１０^-5
トールの真空中で焼成し、その後表面を粒径１７７〜２
１０μｍのアルミナ粒子で表面をブラスト処理した。４４μｍ以下のチタン金属粉末に対して３０重量％の
ポリエチレン粒子(粒径５００μｍ以下)を配合し、ミキ
サで混合した後、１ＭＰａの静水圧を用いて成形し、１
０^-5トールの真空中で焼成した。４４μｍ以下のチタン金属粉末に対して３０重量％の
球状パラフィン(中心粒径５００μｍ)を配合しミキサで
混合した後、１ＭＰａの静水圧を用いて成形し、１０^-5
トールの真空中で焼成した。

【００１６】標準的試験装置での粗面の測定結果及び微
小試験片法による破壊靭性評価[JAERI-memo 62-193(198
7)]の結果を以下の表１に示す。また、試料Ｎｏ.(本
発明品)の断面形状を示す電子顕微鏡写真を図２(ａ)
に、その表面形状を示す電子顕微鏡写真を図２(ｂ)に示
す。

【００１７】

【表１】

【００１８】参考例上述のようにして得られたインプラント用金属焼結体の
具体的な使用法の一例とその作用、効果について説明す
る。図３は歯科用のスクリュータイプの人工歯根として
用いられた例であるが、歯肉粘膜(ｃ)を切開して骨組織
(ｄ)内にタップ孔(ｅ)を開け、本発明による人工歯根
(ｆ)をインプラントする。インプラント用金属焼結体
(ｆ)の上部にセメント(ｂ)を介して歯冠(ａ)を装着して
使用に際する。ここで、この状態で骨組織(ｄ)内にイン
プラントされている人工歯根(ｆ)は前述の通り骨組織と
接触している表面が１００μｍ以上の開口部をもつ多孔
質であるため、骨組織(ｄ)が生長することにより、その
新生骨が人工歯根(ｆ)の多孔質内部に侵入し、長期間経
過後は骨組織(ｄ)が多数アンカーをおろした状態を呈す
るに至る。すると人工歯根(ｆ)と骨組織(ｄ)は単に機械
的に絡み合い安定するばかりではなく、極めて堅固な結
合関係を維持することになる。また、１００μｍ以上の
マクロ孔のエッジ部は、アルミナのブラストによりなだ
らかとなっているため、咬合の衝撃による応力が分散さ
れるため、従来の多孔質材料においては非常によく起こ
った人工歯根(ｆ)内に侵入した新生骨の生長を抑制する
ことはない。また、従来の多孔質材料をインプラントす
るのと比較して本発明によるインプラント用金属焼結体
は内部が密充填構造をもっているため、咬合による衝撃
での破損が起こらない。更に、本発明のインプラント用
金属焼結体は毒性のない生体材料用の金属で作成されて
おり、このような金属は生体内で表面に安定な酸化皮膜
を生じるため、長期間インプラントにも耐えることが可
能である。以上は本発明を歯科用の人工歯根について応
用した例を説明したが、人工股関節もしくは四肢の骨折
の際に用いるジョイントにも使用可能である。

【００１９】かくして、本発明によれば耐久性に優れた
インプラント部材の作成が可能であるが、その製造方法
は、焼失性材料を成形するＣＩＰ用のゴム型やプレス用
の金型の内面にコーティングし、かつ焼結後、その表面
を１７７〜２１０μｍのアルミナでブラスト処理すれば
よいので工程的にも、作業的にも何等煩わしいものでは
なく量産が可能である。

【００２０】

【発明の効果】以上のように本発明を実施することによ
って、次に示すような効果を生じる：本発明によれば、簡便にインプラント用金属焼結体の
表面を生体の骨組織の侵入を許容するに適した１００μ
ｍ以上のマクロ孔を有することができるので、インプラ
ント用金属焼結体と骨組織界面における密着性が向上
し、維持力を増強することができる；多孔質化に伴うインプラント用金属焼結体の機械的強
度の低下を防止することができる；多孔質化に伴う顎骨の細菌感染を防止することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の製造方法により得られたインプラント
用金属焼結体の一実施例を示す多孔質チタンの円柱状試
料４ｍｍφ×２０ｍｍの断面図である。

【図２】(ａ)は実施例で本発明の製造方法により得られ
たインプラント用金属焼結体の断面形状を示す電子顕微
鏡写真であり、(ｂ)は実施例で本発明の製造方法により
得られたインプラント用金属焼結体の表面形状を示す電
子顕微鏡写真である。

【図３】本発明の製造方法により得られたインプラント
用金属焼結体を歯科用の人工歯根として用いた場合の要
部断面図である。

【符号の説明】

１インプラント用金属焼結体の表層部２インプラント用金属焼結体の内部ａ歯冠ｂ歯科用セメントｃ歯肉粘膜ｄ骨組織ｅタップ孔ｆ人工歯根

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号ＦＩＢ２２Ｆ 3/24 Ｂ２２Ｆ 3/02 Ｋ

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】焼結体表面が孔径１００μｍ以上のマク
ロ孔と孔径２０μｍ以下のミクロ孔を有し、孔径２０μ
ｍ以下のミクロ孔が孔径１００μｍ以上のマクロ孔と重
なりあって存在していてもよく、かつ該焼結体内部は貫
通した気孔が不在の密充填構造をもつインプラント用金
属焼結体の製造方法であって、所望の形状に成形するた
めの金型もしくはゴム型の内面に、焼失し得る焼失性材
料を焼失性の液状バインダーを用いてコーティングする
工程と、前記工程で得られた金型またはゴム型により４
４μｍ以下の粒径を有する金属原料粉末を装填して所望
の形状に圧縮成形する工程と、前記工程で得られた成形
物を、その金属の焼結温度に加熱して焼結せしめる工程
と、得られた焼結体の表面を１７７〜２１０μｍの粒径
のアルミナ粒子によりブラスト処理する工程とからなる
ことを特徴とするインプラント用金属焼結体の製造方
法。