JP3085903B2 - Implant material for living hard tissue and method for producing the same - Google Patents

Implant material for living hard tissue and method for producing the same

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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は生体硬組織用インプ
ラント材料およびその製造方法に係り、特に生体適合性
に優れ、かつ実用に耐え得る破壊靭性を有するととも
に、生体組織親和性をも有し、人工骨や人工歯根などの
生体硬組織の代替素材として好適な生体硬組織用インプ
ラント材料およびその製造方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an implant material for living hard tissue and a method for producing the same, and in particular, it has excellent biocompatibility, has fracture toughness that can withstand practical use, and has affinity for living tissue. The present invention relates to an implant material for living hard tissue suitable as a substitute material for living hard tissue such as an artificial bone and an artificial tooth root, and a method for producing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】事故または疾病等により欠損した骨部
に、金属やセラミックスで形成した人工骨を埋め込むこ
とにより骨欠損部を修復する外科的治療法が普及してい
る。また、虫歯等の原因によって抜けてしまった歯部
に、人工歯根をインプラント材料として埋め込んで基台
とし、この基台上に結晶化ガラスを積層して義歯を形成
したり、金属やセラミックスから成る義歯を固着する修
復方法も広く普及している。
2. Description of the Related Art Surgical treatments for repairing bone defects by embedding artificial bones made of metal or ceramics into bones lost due to accidents or diseases have become widespread. In addition, the artificial tooth root is embedded as an implant material in the tooth part that has come off due to tooth decay, etc., as a base, and crystallized glass is laminated on this base to form a denture, or made of metal or ceramic Restoration methods for fixing dentures are also widely used.

【0003】上記人工骨や人工歯根などの生体硬組織用
インプラント材料に要求される特性としては、一般のイ
ンプラント材料と同様に、第1に生体組織適合性に優れ
ていることが必須である。すなわち、毒性,刺激性,発
癌性などの生体為害性がなく、血液凝固,溶血や代謝異
常を誘起せず、さらには生体内の過酷な条件下において
も、溶解や腐食,劣化を起こさず生化学的に安定である
ことが要求されている。
As properties required for implant materials for living hard tissues such as artificial bones and artificial tooth roots, it is essential that, as with general implant materials, firstly, they have excellent compatibility with living tissues. In other words, it has no harm to the body such as toxicity, irritation and carcinogenicity, does not induce blood coagulation, hemolysis or abnormal metabolism, and does not cause dissolution, corrosion or deterioration even under severe conditions in the living body. It is required to be chemically stable.

【0004】また、第2の要求特性として繰り返しの変
動荷重にも十分に耐える構造強度や破壊靭性を有するこ
とも重要である。さらに、第3の要求特性として生体内
にインプラント後において、周囲の骨組織や軟組織と十
分なじみ結合する性質、いわゆる組織親和性(生体親和
性)を備えることも重要な要求特性である。
[0004] It is also important as a second required characteristic to have a structural strength and a fracture toughness sufficient to withstand repeated fluctuating loads. Furthermore, it is also an important required characteristic to have a property of being sufficiently compatible with surrounding bone and soft tissues after implanting in a living body as a third required property, so-called tissue affinity (biocompatibility).

【0005】生体の骨はカルシウム欠損型炭酸イオン含
有ヒドロキシアパタイト微粒子を主たる無機質成分とし
て含有し、このヒドロキシアパタイト微粒子とコラーゲ
ン線維とが三次元複合構造を構築して強固な骨組織が形
成されている。
[0005] Bone of a living body contains calcium-deficient carbonate ion-containing hydroxyapatite fine particles as a main inorganic component, and these hydroxyapatite fine particles and collagen fibers form a three-dimensional composite structure to form strong bone tissue. .

【0006】上記の生体骨に代替される人工骨や人工歯
根などの生体硬組織用インプラント材料としては、従来
から各種金属材料,有機系材料,無機系材料が用いられ
ている。例えば、機械的性質,成形性,機械加工性およ
び耐衝撃性に優れ、また生体為害性が比較的に小さいと
いう観点から、ステンレス鋼,チタン,チタン合金,コ
バルト−クロム合金などの金属材料が使用されている。
Conventionally, various metallic materials, organic materials, and inorganic materials have been used as implant materials for living hard tissues such as artificial bones and artificial tooth roots, which can be substituted for living bones. For example, metal materials such as stainless steel, titanium, titanium alloy, and cobalt-chromium alloy are used from the viewpoint of excellent mechanical properties, moldability, machinability, and impact resistance, and relatively low harm to living organisms. Have been.

【0007】しかしながら、金属材料から成るインプラ
ントには骨組織親和性が全くないため、骨欠損部にイン
プラントを半永久的に固定することが困難であり、耐久
性が低いという問題点があった。また金属材料製のイン
プラントは、材質によっては生体内で溶解し、特に溶出
した重金属イオンは特定の臓器に蓄積されて臓器の機能
障害を引き起こしたり、使用中に摩耗して金属微粒子を
発生し、周辺の軟組織に悪影響を与えるという問題点も
あった。また、金属製インプラントは、一般にボルト,
ナットで骨に固定されるが、骨が痩せると隙間が生じ易
くなり、インプラントと骨組織との密着した接合状態が
長期に亘って保持できないという解決すべき技術上の課
題もあった。
However, since implants made of a metal material have no affinity for bone tissue at all, it is difficult to semi-permanently fix the implant to a bone defect, and there is a problem that durability is low. In addition, implants made of metal materials are dissolved in the living body depending on the material, especially the eluted heavy metal ions accumulate in specific organs and cause dysfunction of the organs, or wear out during use to generate metal fine particles, There is also a problem that the surrounding soft tissue is adversely affected. Metal implants are commonly used with bolts,
Although it is fixed to the bone with a nut, if the bone is thin, a gap is likely to be formed, and there is also a technical problem to be solved in that the tightly joined state between the implant and the bone tissue cannot be maintained for a long time.

【0008】また有機系のインプラント材料としては、
各種のプラスチック単体,有機繊維または無機繊維で強
化した有機系プラスチック材料が使用されている。しか
しながら有機系インプラント材料では、生体内において
酸化されたり、加水分解により劣化が生じ易い欠点があ
る。また、モノマーが溶出し生体に悪影響を与え易い難
点があり、さらには骨組織親和性がないなどの問題点も
あった。
[0008] As an organic implant material,
Various types of simple plastics and organic plastic materials reinforced with organic fibers or inorganic fibers are used. However, the organic implant material has a disadvantage that it is easily oxidized in a living body or deteriorated by hydrolysis. In addition, there is a problem in that the monomer is easily eluted and adversely affects the living body, and further, there is a problem that there is no affinity for bone tissue.

【0009】一方、無機系材料の中でヒドロキシアパタ
イト(HAP)は、Ca10(PO4 6 (OH)2 なる
化学組成を有し、また生体の骨の主成分であるカルシウ
ム欠損型炭酸イオン含有ヒドロキシアパタイトと基本的
に同一の結晶構造を有しており、生体適合性および骨組
織親和性に優れている。しかしながら、HAP微粒子を
加圧成形後、焼結して製造したHAPセラミックス製イ
ンプラントは、機械的性質が不十分であり、特に破壊靭
性値KICが0.69〜1.16MPam1/2程度と、生体の
緻密骨の破壊靭性値(2.2〜4.6MPam1/2 )と
比較して低いため、僅かな衝撃力によって破損し易い難
点がある。そのため特殊な用途を除いてHAP単体から
成るインプラントは実用化されていない。
On the other hand, among the inorganic materials, hydroxyapatite (HAP) has a chemical composition of Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 and is a calcium-deficient carbonate ion which is a main component of living bone. It has basically the same crystal structure as the contained hydroxyapatite, and is excellent in biocompatibility and bone tissue affinity. However, HAP ceramic implants produced by pressure molding and sintering of HAP fine particles have insufficient mechanical properties, and particularly have a fracture toughness value K IC of about 0.69-1.16 MPa m 1/2. However, since it is lower than the fracture toughness value (2.2 to 4.6 MPam 1/2 ) of the dense bone of a living body, there is a problem that the bone is easily broken by a slight impact force. For this reason, implants made of HAP alone have not been put to practical use except for special applications.

【0010】また、無機系材料の中でジルコニア焼結
体、特に部分安定化ジルコニア(PSZ)は、生体為害
性が少なく、かつ破壊靭性値が5.7〜9.6MPam
1/2 程度と高く機械的強度に優れている特性から好適な
インプラント材料として注目されている。しかしなが
ら、上記部分安定化ジルコニアには骨組織親和性が認め
られないため、インプラント後において骨組織と強固に
癒合することは全く期待できない。
[0010] Among the inorganic materials, zirconia sintered bodies, particularly partially stabilized zirconia (PSZ), are less harmful to the living body and have a fracture toughness value of 5.7 to 9.6 MPa.
Due to its high mechanical strength of about 1/2, it has attracted attention as a suitable implant material. However, since the above-mentioned partially stabilized zirconia has no affinity for bone tissue, it cannot be expected at all that the partially stabilized zirconia firmly fuses with bone tissue after implanting.

【0011】このように従来の金属材料,無機系材料,
有機系材料から成るインプラントにおいては、骨などの
生体硬組織と同等以上の機械的強度を有し、骨組織およ
び周辺の軟組織に適合し、かつ骨組織親和性が良好であ
るという要求特性を全て満足する材料は得られていなか
った。
Thus, conventional metal materials, inorganic materials,
An implant made of an organic material has all the required characteristics that it has mechanical strength equal to or higher than that of living hard tissue such as bone, is compatible with bone tissue and surrounding soft tissue, and has good affinity for bone tissue. No satisfactory material has been obtained.

【0012】一方で、上記ヒドロキシアパタイト(HA
P)の特性と部分安定化ジルコニア(PSZ)の特性と
を併有させることを目的として、HAP微粒子とPSZ
微粒子とを混合し、得られた混合体を加圧成形後、焼結
することにより、骨組織親和性に優れ、かつ機械的特性
にも優れたインプラント材料の開発も試行されている。
On the other hand, the above hydroxyapatite (HA)
In order to combine the properties of P) and the properties of partially stabilized zirconia (PSZ), HAP fine particles and PSZ
Attempts have also been made to develop an implant material having excellent affinity for bone tissue and excellent mechanical properties by mixing fine particles with the obtained fine particles, and pressing and sintering the obtained mixture.

【0013】[0013]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記H
AP微粒子とPSZ微粒子とを通常の混合法で均一に混
合し、得られた混合粉体を加圧成形後、焼結してインプ
ラント材料とした場合においては、両成分の微粒子レベ
ルでの混合が不完全となったり、混合粉体中で2成分の
再分離が発生し易く、期待通りに機械的性質を向上させ
ることが困難であった。
However, the above H
In the case where the AP fine particles and the PSZ fine particles are uniformly mixed by a normal mixing method, and the obtained mixed powder is pressed and then sintered to form an implant material, the mixing of both components at the fine particle level is difficult. It was incomplete, and two components were easily separated in the mixed powder, and it was difficult to improve mechanical properties as expected.

【0014】すなわち、従来の混合法によれば、混合粉
体の状態においては、両成分が均一に混合した状態が得
られた場合においても、その後の工程で二成分の再分離
が起こり、例えば、図6の焼結体断面(下図)に示すよ
うにHAP微粒子30が凝集したり、連鎖状に結合して
連続相50を形成し易い。この場合、ジルコニア焼結体
と比較して相対的に強度が低いヒドロキシアパタイトか
ら成る脆弱な連続相50が形成されるため、強度のばら
つきが生じ、インプラント材料全体としての破壊靭性は
向上せず、耐久性が乏しいインプラント材料しか得られ
ないという問題点があった。
That is, according to the conventional mixing method, in the state of a mixed powder, even if a state in which both components are uniformly mixed is obtained, re-separation of the two components occurs in a subsequent step. As shown in the cross section of the sintered body in FIG. 6 (lower figure), the HAP fine particles 30 easily aggregate or combine in a chain to form the continuous phase 50. In this case, since the brittle continuous phase 50 composed of hydroxyapatite having a relatively low strength as compared with the zirconia sintered body is formed, the strength varies, and the fracture toughness of the implant material as a whole does not improve. There is a problem that only an implant material having poor durability can be obtained.

【0015】また混合粉末の一成分として粒径が1μm
以下の微細なHAP粒子を使用して焼結することにより
インプラント材料とした場合には、インプラント材料表
面に十分に大きな面積を有するHAP粒子が存在しない
ため、インプラント材料の生体組織に対する癒合強度が
低下する問題点もあった。すなわち、インプラント後、
骨組織と人工骨などのインプラント材料との間で骨芽細
胞が新生骨を創製して両組織を結合させる作用が発揮さ
れるが、十分に大きな面積のHAP組織が存在しないた
め、強固な結合が実現できないという難点があった。
Further, as one component of the mixed powder, the particle diameter is 1 μm.
When an implant material is obtained by sintering using the following fine HAP particles, there is no HAP particle having a sufficiently large area on the surface of the implant material. There was also a problem to do. That is, after implant,
Osteoblasts create new bone between the bone tissue and the implant material such as artificial bone to bind the two tissues together. However, since there is no HAP tissue having a sufficiently large area, a strong bond is formed. There was a drawback that it could not be realized.

【0016】さらに従来のHAP/PSZ二成分系焼結
体から成るインプラント材料を製造するに際して、HA
P成分とPSZ成分とが共存した状態で高温度で焼結処
理を実施すると、ジルコニア(PSZ)の一部が正方晶
系から立方晶系へと相変化し、その相変化に伴って一部
のHAPがリン酸三カルシウム(TCP)に変化してし
まう。この現象は両成分の粒径が小さくなるほど促進さ
れることが本発明者らの研究により明らかにされてい
る。この変化はインプラント材料の機械的強度および骨
組織親和性の低下を招き、いずれにしても優れた機械的
強度および生体組織親和性を併有するインプラント材料
は得られていなかった。
Further, when manufacturing an implant material comprising a conventional HAP / PSZ binary sintered body, the HA
When sintering is performed at a high temperature in a state where the P component and the PSZ component coexist, a part of zirconia (PSZ) changes from a tetragonal system to a cubic system, and a part of the zirconia (PSZ) changes with the phase change. HAP changes to tricalcium phosphate (TCP). It has been clarified by the present inventors that this phenomenon is accelerated as the particle size of both components becomes smaller. This change leads to a decrease in mechanical strength and bone tissue affinity of the implant material. In any case, an implant material having both excellent mechanical strength and biological tissue affinity has not been obtained.

【0017】本発明は上記問題点を解決するためになさ
れたものであり、生体適合性に優れ、かつ実用に耐え得
る破壊靭性を有するとともに、生体組織親和性をも有
し、人工骨や人工歯根などの生体硬組織の代替素材とし
て好適な生体硬組織用インプラント材料およびその製造
方法を提供することを目的とする。
The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and has excellent biocompatibility, has fracture toughness that can withstand practical use, has affinity for living tissue, and has an artificial bone or artificial bone. An object of the present invention is to provide an implant material for living hard tissue suitable as a substitute material for living hard tissue such as a tooth root and a method for producing the same.

【0018】[0018]

【課題を解決するための手段】本発明者らは上記目的を
達成するため、生体為害性がなく機械的性質、特に破壊
靭性が優れた種々のセラミックス粉末と、生体親和性を
有する微粒子とを種々の混合法によって均一に混合し、
さらに成形焼結することにより、種々の組織を有するイ
ンプラント材料を調製し、その混合法,原料粒子形状,
粒子寸法,焼結体組織がインプラント材料の破壊靭性に
及ぼす影響を実験により比較研究した。
Means for Solving the Problems In order to achieve the above object, the present inventors have developed various ceramic powders having no mechanical harm and excellent mechanical properties, particularly excellent fracture toughness, and biocompatible fine particles. Evenly mixed by various mixing methods,
Furthermore, implant materials having various structures are prepared by molding and sintering, and the mixing method, raw material particle shape,
The effects of particle size and sintered compact structure on the fracture toughness of implant materials were compared by experiments.

【0019】その結果、粒径が小さいジルコニアやアル
ミナなどのセラミックス粉末と、相対的に粗大な粒径を
有する球状のヒドロキシアパタイト粉末とを高速気流中
衝撃法によって複合化し、得られた複合粒子を加圧焼結
したときに破壊靭性に優れたインプラント材料が得られ
るという知見を得た。また焼結体の断面構造の観察か
ら、HAPが占有する面積が大きく、生体組織親和性に
も優れていることが強く類推された。特に靭性値が高い
セラミックス焼結体から成る連続相を形成するととも
に、その連続相中に相対的に低靭性のヒドロキシアパタ
イト粒子を不連続に分散させた材料組織としたときに、
材料全体として靭性値が高いインプラント材料が得られ
るという知見が得られた。本発明は上記知見に基づいて
完成されたものである。
As a result, a ceramic powder such as zirconia or alumina having a small particle size and a spherical hydroxyapatite powder having a relatively large particle size are compounded by a high-speed impact method in an air stream. It has been found that an implant material having excellent fracture toughness can be obtained when pressure sintering is performed. From observation of the cross-sectional structure of the sintered body, it was strongly inferred that the area occupied by the HAP was large and the affinity for living tissue was excellent. Particularly when forming a continuous phase consisting of a ceramic sintered body having a high toughness value and a material structure in which hydroxyapatite particles having relatively low toughness are discontinuously dispersed in the continuous phase,
It has been found that an implant material having a high toughness value can be obtained as a whole material. The present invention has been completed based on the above findings.

【0020】すなわち本発明に係る生体硬組織用インプ
ラント材料は、高靭性材料から成る連続相中に生体親和
性を有する粒子が分散して不連続相として存在する微細
組織を有することを特徴とする。また、高靭性材料が部
分安定化ジルコニアおよびアルミナの少なくとも一方か
ら成る。一方、生体親和性を有する粒子がヒドロキシア
パタイト,リン酸三カルシウムおよびバイオガラスから
選択された少なくとも一種から成ることを特徴とする。
さらに、セラミックス焼結体などの高靭性材料の重量割
合が20%以上、好ましくは50%以上であると高靭性
インプラント材料が得られる。
That is, the implant material for living hard tissue according to the present invention is characterized in that it has a microstructure in which particles having biocompatibility are dispersed in a continuous phase composed of a high toughness material and present as a discontinuous phase. . Further, the high toughness material comprises at least one of partially stabilized zirconia and alumina. On the other hand, the biocompatible particles are characterized by comprising at least one selected from hydroxyapatite, tricalcium phosphate and bioglass.
Further, when the weight ratio of the high toughness material such as a ceramic sintered body is 20% or more, preferably 50% or more, a high toughness implant material can be obtained.

【0021】また、高靭性材料粒子の平均粒径が生体親
和性を有する粒子の平均粒径の1/5以下であることが
望ましい。さらに、生体親和性を有する粒子がインプラ
ント材料表面に露出するように構成するとよい。この生
体硬組織用インプラント材料は、人工骨または人工歯根
として好適である。
It is desirable that the average particle size of the high toughness material particles is 1/5 or less of the average particle size of the biocompatible particles. Further, it is preferable that the biocompatible particles be exposed on the surface of the implant material. This implant material for living hard tissue is suitable as an artificial bone or an artificial tooth root.

【0022】さらに本発明に係る生体硬組織用インプラ
ント材料の製造方法は、高靭性材料から成る連続相中に
生体親和性を有する粒子が分散して不連続相として存在
する微細組織を有する生体硬組織用インプラント材料の
製造方法において、生体親和性を有する粒子表面を高靭
性材料粉末で被覆するように高速気流中衝撃法によって
高靭性材料粉末を固定化処理して複合粒子を調製し、こ
の複合粒子を加圧成形し、得られた成形体を非酸化性雰
囲気中で焼結することを特徴とする。
Further, according to the method for producing an implant material for a living hard tissue according to the present invention, there is provided a method for manufacturing a living hard tissue having a fine structure in which particles having biocompatibility are dispersed as a discontinuous phase in a continuous phase formed of a tough material. In the method for producing an implant material for tissue, a composite particle is prepared by immobilizing a high toughness material powder by a high-speed air current impact method so as to coat the surface of a biocompatible particle with the high toughness material powder. The method is characterized in that the particles are subjected to pressure molding, and the obtained molded body is sintered in a non-oxidizing atmosphere.

【0023】また上記製造方法において、高靭性材料粉
末の平均粒径を、生体親和性を有する粒子の平均粒径の
1/5以下に設定するとよい。さらに複合粒子の加圧成
形操作および焼結操作をホットプレス法により同時に実
施するとよい。
In the above manufacturing method, the average particle size of the high toughness material powder is preferably set to be not more than 1/5 of the average particle size of the biocompatible particles. Further, the pressing operation and the sintering operation of the composite particles may be simultaneously performed by a hot press method.

【0024】上記インプラント材料を構成するために使
用される高靭性材料としては、生体為害性がなく、強度
特性に優れたジルコニア(ZrO2 )やアルミナ(Al
2 3 )が好適であり、特に靭性値が高い部分安定化ジ
ルコニア(PSZ)が好ましい。また上記高靭性材料と
してステンレス鋼,Co−Cr合金,TiおよびTi合
金やタンタル(Ta)などの金属材料を使用してもよ
い。
Examples of the high toughness material used to construct the above implant material include zirconia (ZrO 2 ) and alumina (Al
2 O 3 ) is preferred, and in particular, partially stabilized zirconia (PSZ) having a high toughness value is preferred. Further, as the high toughness material, a metal material such as stainless steel, Co—Cr alloy, Ti, Ti alloy, and tantalum (Ta) may be used.

【0025】生体親和性を有する粒子としては、生体組
織と癒合し易いヒドロキシアパタイト(HAP),リン
酸三カルシウム(TCP),バイオガラスなどを使用す
ることができる。特にヒドロキシアパタイト粒子は生体
骨組織と同様の結晶構造を有しており、インプラント材
料に骨組織親和性を付与するために最も望ましい。ヒド
ロキシアパタイト粒子の表面は焼結操作時に条件によっ
ては部分的にα−リン酸三カルシウム(α−TCP)に
変化する。このα−TCPの生成は骨組織親和性を与え
るヒドロキシアパタイト量を相対的に減少させ、またH
APと生成したα−TCPとの境界面における剥離を引
き起し、インプラント材料の周囲の組織との接合強度を
低下させるため、上記のα−TCPの生成を可及的に抑
制する焼結条件を選定することが好ましい。
As the particles having biocompatibility, there can be used hydroxyapatite (HAP), tricalcium phosphate (TCP), bioglass, etc., which are easily fused with the living tissue. In particular, hydroxyapatite particles have the same crystal structure as living bone tissue, and are most desirable for imparting bone tissue affinity to implant materials. The surface of the hydroxyapatite particles is partially changed to α-tricalcium phosphate (α-TCP) depending on the conditions during the sintering operation. This production of α-TCP relatively reduces the amount of hydroxyapatite that gives bone tissue affinity,
The sintering conditions for suppressing the generation of α-TCP as much as possible to cause peeling at the interface between the AP and the generated α-TCP and reduce the bonding strength between the implant material and the surrounding tissue. Is preferably selected.

【0026】上記ヒドロキシアパタイトなどの生体親和
性を有する粒子の平均粒径は、1〜100μmの範囲が
好適である。平均粒径が1μm未満と微細な粒子を使用
した場合には、焼結工程において固相反応が進行し易
く、HAP粒子がα−TCPに変換され易く、またイン
プラント材料表面にヒドロキシアパタイトが大きな面積
で露出することがないため、周囲組織とのなじみ性(癒
合強度)が得られない。
The average particle diameter of the biocompatible particles such as hydroxyapatite is preferably in the range of 1 to 100 μm. When fine particles having an average particle size of less than 1 μm are used, the solid phase reaction easily proceeds in the sintering process, the HAP particles are easily converted to α-TCP, and the hydroxyapatite has a large area on the surface of the implant material. , It is not possible to obtain conformability with the surrounding tissue (healing strength).

【0027】一方、平均粒径が100μmを超えるよう
に粗大になると、後述する高速気流中衝撃法による高靭
性材料粉末の固定化処理工程において、生体親和性を有
する粒子が衝撃力によって粉砕され易く、いずれにしろ
インプラント材料に所定の骨組織親和性を付与すること
が困難になる。したがって、ヒドロキシアパタイトなど
の、生体親和性を有する粒子の平均粒径は1〜100μ
mの範囲に設定されるが、5〜50μmの範囲が、より
好ましい。
On the other hand, when the average particle diameter is increased so as to exceed 100 μm, particles having biocompatibility are likely to be pulverized by an impact force in a step of immobilizing a high toughness material powder by a high-speed air impact method described below. In any case, it becomes difficult to impart a predetermined bone tissue affinity to the implant material. Therefore, the average particle size of biocompatible particles such as hydroxyapatite is 1 to 100 μm.
m, but a range of 5 to 50 μm is more preferable.

【0028】一方、前記ジルコニアなどの高靭性材料粉
末の平均粒径は、後述する高速気流中衝撃法による固定
化処理工程において、生体親和性を有する粒子の表面に
高靭性材料粉末を均一に埋設させて複合化するために、
生体親和性を有する粒子の平均粒径の1/5以下に設定
される。高靭性材料粉末の平均粒径が生体親和性を有す
る粒子の平均粒径の1/5以下である場合には、生体親
和性を有する粒子表面を均一に被覆するように高靭性材
料粉末を固定化処理することが可能であり、良好な複合
粒子を調製することができる。
On the other hand, the average particle size of the high toughness material powder such as zirconia is determined by uniformly embedding the high toughness material powder on the surface of the biocompatible particles in the immobilization treatment step by the high-speed airflow impact method described later. In order to compound
The average particle size of the particles having biocompatibility is set to 1/5 or less. When the average particle size of the high toughness material powder is 1/5 or less of the average particle size of the biocompatible particles, the high toughness material powder is fixed so as to uniformly cover the surface of the biocompatible particles. And it is possible to prepare good composite particles.

【0029】特に球状のヒドロキシアパタイト粒子は、
粒径が0.5μm程度の一次粒子が集合して形成されて
おり、表面に多数の凹凸が存在する母粒子として形成さ
れている。この母粒子表面に高靭性材料粉末を固定化処
理することにより、アパタイト粒子の凹凸部に子粒子と
しての高靭性材料粉末が埋設され、両者はいわゆるメカ
ニカルアンカリング効果によって高い接合強度で一体化
する。この場合、高靭性粒子の平均粒径をヒドロキシア
パタイト粒子径の1/5以下、より好ましくは1/10
以下とすることにより、母粒子であるアパタイト粒子表
面全体に子粒子である高靭性粒子を均一に被覆すること
ができ、2成分の接合強度が高い複合粒子が得られる。
Particularly, spherical hydroxyapatite particles are:
Primary particles having a particle size of about 0.5 μm are formed as a group, and are formed as base particles having a large number of irregularities on the surface. By fixing the high toughness material powder on the surface of the base particles, the high toughness material powder as child particles is buried in the uneven portions of the apatite particles, and both are integrated with a high bonding strength by a so-called mechanical anchoring effect. . In this case, the average particle size of the high toughness particles is 1/5 or less of the hydroxyapatite particle size, more preferably 1/10.
By performing the following, the high-toughness particles as the child particles can be uniformly coated on the entire surface of the apatite particles as the base particles, and a composite particle having a high two-component bonding strength can be obtained.

【0030】インプラント材料における高靭性材料と生
体親和性を有する材料との配合比率は任意に設定できる
が、生体親和性を有する材料の重量比率で10〜80%
の範囲に設定するとよい。高靭性材料の配合比率を高め
るに伴ってインプラント材料の強度特性は向上する反
面、生体親和性を有する粒子の配合割合が相対的に低下
するため、周囲の生体組織との癒合強度は低下すること
になる。ちなみに高靭性材料としての部分安定化ジルコ
ニアと、生体親和性を有する粒子としてのヒドロキシア
パタイトとを10:10以上(高靭性材料の割合が50
%以上)の重量比で構成した本発明のインプラント材料
の破壊靭性値は2.8MPam1/2 以上であり、この値
はヒドロキシアパタイト単体の破壊靭性値の2.5倍以
上であり、また生体の緻密骨の破壊靭性値(2.2〜
4.6)と同等以上の値となる。なお、同重量比が1
0:2の場合におけるインプラント材料の破壊靭性値は
1.8MPam1/2 であり、この値はヒドロキシアパタ
イト単体の1.6倍以上であった。
The mixing ratio between the high toughness material and the material having biocompatibility in the implant material can be arbitrarily set, but the weight ratio of the material having biocompatibility is 10 to 80%.
Should be set in the range. Although the strength characteristics of the implant material are improved as the compounding ratio of the high toughness material is increased, the compounding ratio of the particles having biocompatibility is relatively reduced, so that the bonding strength with the surrounding biological tissue is reduced. become. Incidentally, the partially stabilized zirconia as the high toughness material and the hydroxyapatite as the biocompatible particles are 10:10 or more (the ratio of the high toughness material is 50%).
%), The fracture toughness value of the implant material of the present invention is 2.8 MPam 1/2 or more, and this value is 2.5 times or more of the fracture toughness value of hydroxyapatite alone. Fracture toughness value of compact bone
The value is equal to or greater than 4.6). The weight ratio is 1
The fracture toughness value of the implant material in the case of 0: 2 was 1.8 MPam 1/2 , which was 1.6 times or more that of hydroxyapatite alone.

【0031】上記インプラント材料の原料となる高靭性
材料粉末および生体親和性を有する粒子は、前処理とし
て予め800〜1100℃の温度で1〜3時間加熱(仮
焼)することにより、その表面に吸着した水分および揮
発性不純物を除去するとともに、後述する高速気流中衝
撃法による固定化処理時の衝撃力によっても破壊されな
い構造強度を保持させることが好ましい。
The high toughness material powder and the biocompatible particles serving as the raw material of the implant material are heated (calcined) at a temperature of 800 to 1100 ° C. in advance for 1 to 3 hours as a pretreatment, so that the surface thereof is formed. It is preferable to remove the adsorbed moisture and volatile impurities, and to maintain a structural strength that is not destroyed even by an impact force at the time of immobilization treatment by a high-speed airflow impact method described later.

【0032】次に上記のように加熱処理した高靭性材料
粉末と生体親和性を有する粒子との混合粉体を、高速気
流中衝撃法により複合化して、生体親和性を有する粒子
表面に高靭性材料粉末を被覆するように固定化処理して
複合粒子を調製する工程に移る。
Next, the mixed powder of the high-toughness material powder and the biocompatible particles heat-treated as described above is compounded by a high-speed air-flow impact method, and the surface of the biocompatible particles is coated with the high toughness. The process proceeds to a step of preparing composite particles by performing an immobilization treatment so as to cover the material powder.

【0033】図1および図2は、それぞれ上記複合粒子
を製造するために使用する高速気流中衝撃式の粉体表面
改質装置(ハイブリダイザー)1の構成例を示す系統図
および要部側断面図である。この粉体表面改質装置1
は、原料粒子を気相中に分散させながら、粒子自体を破
壊しない程度の衝撃力を主体とする機械的エネルギーお
よび必要に応じて熱的エネルギーを原料粒子に繰り返し
て付与し、1〜5分程度の短時間で異種材料の固定化処
理や成膜処理を乾式で効率良く行うために開発された装
置である。
FIGS. 1 and 2 are a system diagram and a cross-sectional side view of a main part showing an example of the structure of a high-speed airflow impact type powder surface reforming apparatus (hybridizer) 1 used for producing the composite particles. FIG. This powder surface reforming device 1
While repeatedly dispersing the raw material particles in the gas phase, mechanical energy mainly including an impact force that does not destroy the particles themselves and, if necessary, thermal energy are repeatedly applied to the raw material particles for 1 to 5 minutes. It is a device developed to efficiently and efficiently perform the immobilization process and the film formation process of different materials in a short time.

【0034】この粉体表面改質装置1は、本体ケーシン
グ2と、その後部カバー3および前部カバー4と、ケー
シング2内において高速回転するローター5と、ロータ
ー5の外周部に所定間隔をおいて放射状に周設されたハ
ンマー型またはブレード型の衝撃ピン6と、ローター5
をケーシング2内において回転可能に軸支持する回転軸
7と、上記衝撃ピン6の最外周軌道面に沿い、かつ衝撃
ピン6に対して一定の空間をおいて周設された衝突リン
グ8とを備えて構成される。
The powder surface reforming apparatus 1 includes a main casing 2, a rear cover 3 and a front cover 4, a rotor 5 rotating at high speed in the casing 2, and a predetermined interval between the outer periphery of the rotor 5. And a hammer-type or blade-type impact pin 6 radially provided around
A rotating shaft 7 rotatably supporting the inside of the casing 2 and a collision ring 8 which is provided along the outermost raceway surface of the impact pin 6 and is provided around the impact pin 6 with a certain space. It is configured with.

【0035】上記衝突リング8としては、凹凸型または
円周平面型などの各種形状のリングが適宜使用される。
改質対象物の種類や表面改質装置の処理容量によっても
異なるが、衝撃ピン6の最外周軌道面と衝突リング8と
のギャップは0.5〜20mmに調整される。また上記衝
突リング8の上部を一部切り欠いて設けた改質粉体排出
口に密接して嵌合する開閉弁9が設けられ、さらに開閉
弁9の弁軸10と、この弁軸10を介して開閉弁9を駆
動操作するアクチュエータ11とが付設されている。
As the collision ring 8, rings of various shapes such as a concavo-convex type or a circumferential flat type are appropriately used.
The gap between the outermost raceway surface of the impact pin 6 and the collision ring 8 is adjusted to 0.5 to 20 mm, depending on the type of the object to be modified and the processing capacity of the surface modification device. Further, an opening / closing valve 9 is provided which fits closely with a modified powder discharge port provided by partially cutting out the upper part of the collision ring 8. Further, a valve shaft 10 of the opening / closing valve 9 and this valve shaft 10 are connected to each other. An actuator 11 that drives and operates the on-off valve 9 through the intermediary is provided.

【0036】また衝突リング8の内壁の一部に開口する
入口12aと、ローター5の中心部に位置する前カバー
4に開口する出口12bとを連絡して閉回路を形成する
循環回路12と、原料ホッパー13と、この原料ホッパ
ー13と循環回路12とを連絡する原料供給用シュート
14と、このシュートの途中に設けられた開閉弁15
と、ローター5の外周と衝突リング8との間に設けられ
た衝撃室16とが付設形成されている。
A circulation circuit 12 which connects an inlet 12a opening to a part of the inner wall of the collision ring 8 and an outlet 12b opening to the front cover 4 located at the center of the rotor 5 to form a closed circuit; A raw material hopper 13, a raw material supply chute 14 for communicating the raw material hopper 13 with the circulation circuit 12, and an on-off valve 15 provided in the middle of the chute.
And an impact chamber 16 provided between the outer periphery of the rotor 5 and the collision ring 8.

【0037】また開閉弁9の二次側には改質粉体排出管
17と、バッグコレクター18とが付設される。また、
予め母粒子に子粒子を付着させる必要がある場合に使用
する各種ミキサーや自動乳鉢等の公知のプレプロセッサ
ー19と、上記プレプロセッサー19で混合された粉体
を表面改質装置1に定量供給するための原料計量フィー
ダー20とが付設される。
On the secondary side of the on-off valve 9, a modified powder discharge pipe 17 and a bag collector 18 are additionally provided. Also,
A known preprocessor 19 such as various mixers and an automatic mortar used when it is necessary to attach child particles to mother particles in advance, and the powder mixed by the preprocessor 19 is supplied to the surface reforming apparatus 1 in a constant amount. And a raw material measuring feeder 20 are provided.

【0038】なお上記の粉体表面改質装置1は、図示し
ない時限制御装置によって自動回分運転が可能なように
設計されている。また、上記表面改質装置1を長時間運
転する場合、または処理容量が大きくなる場合において
は、前記バッグコレクター18に代えてサイクロンなど
の粉体分離装置を配設したり、複数のバッグフィルター
を並列に連接したり、図示しない排風機を使用して改質
粉体を排出することも可能となるように構成されてい
る。
The above-mentioned powder surface reforming apparatus 1 is designed so that a batch operation can be performed automatically by a time control device (not shown). When the surface reforming apparatus 1 is operated for a long time, or when the processing capacity is large, a powder separating device such as a cyclone may be provided instead of the bag collector 18, or a plurality of bag filters may be used. The modified powder is configured to be connected in parallel or to discharge the modified powder using an exhaust fan (not shown).

【0039】図1〜2に示す粉体表面改質装置1は、完
全回分式の改質装置であるため、装置内の雰囲気温度
は、粉体処理時間の経過とともに上昇する場合がある。
そこで、衝突リング8内部にジャケット21を形成し、
このジャケット21内に冷却水等を流通させることによ
り、衝撃室16および循環回路12内の温度を一定に制
御できるように構成しておくことが好ましい。また予め
衝撃室16および循環回路12内を不活性ガスによって
置換しておくことによって、本装置による粒子の固定化
処理を不活性ガス雰囲気中で実施することも可能であ
る。
Since the powder surface reforming apparatus 1 shown in FIGS. 1 and 2 is a complete batch type reforming apparatus, the ambient temperature in the apparatus may increase as the powder processing time elapses.
Therefore, a jacket 21 is formed inside the collision ring 8,
It is preferable that the temperature inside the shock chamber 16 and the circulation circuit 12 can be controlled to be constant by flowing cooling water or the like through the jacket 21. Further, by previously replacing the interior of the impact chamber 16 and the circulation circuit 12 with an inert gas, it is possible to perform the immobilization of particles by the present apparatus in an inert gas atmosphere.

【0040】上記粉体表面改質装置1を使用して粒子の
固定化処理を実施する場合は、次のような操作要領で装
置を運転する。
When the particles are immobilized using the powder surface reforming apparatus 1, the apparatus is operated in the following manner.

【0041】まず、原料供給用シュート14の途中に配
設された開閉弁15を閉状態とし、また改質粉体排出口
の開閉弁9も閉状態として、図示しない駆動手段によっ
て回転軸7を駆動し、例えば外周速度を60〜100m
/sec 程度でローター5を回転させる。このとき、衝撃
ピン6の回転に伴って急激な空気の流れが生じ、この空
気流の遠心力に基づくファン効果によって、衝突リング
8の内壁の一部に開口する入口12aから、循環回路1
2を経由して前部カバー4の中心部に開口する出口12
bから衝撃室16に戻る循環流れが形成される。
First, the on-off valve 15 disposed in the middle of the raw material supply chute 14 is closed, and the on-off valve 9 at the modified powder outlet is also closed. Drive, for example, at an outer peripheral speed of 60 to 100 m
The rotor 5 is rotated at about / sec. At this time, an abrupt air flow is generated with the rotation of the impact pin 6, and a fan effect based on the centrifugal force of the air flow causes the circulation circuit 1
An outlet 12 opening at the center of the front cover 4 via
A circulation flow returning from b to the shock chamber 16 is formed.

【0042】この気流は完全な自己循環流れであり、こ
の際発生する単位時間当りの循環風量は、衝撃室と循環
系との全容積に比較して極めて大量であるため、この循
環系に短時間のうちに莫大な回数の空気流循環サイクル
が形成される。例えば、外径118mmのローターを80
m/sec の外周速度で回転させた場合の循環風量は0.
48m3 /min であり、単位時間当りの空気流循環サイ
クル数は774回/min である。この循環風量はロータ
ーの外周速度に比例するので、単位時間当りの空気循環
サイクル数もローターの外周速度に比例して増加する。
This air flow is a complete self-circulating flow, and the amount of circulating air generated per unit time at this time is extremely large compared to the total volume of the shock chamber and the circulating system. An enormous number of airflow circulation cycles are formed in time. For example, a rotor with an outer diameter of 118 mm
The circulation air volume when rotating at an outer peripheral speed of m / sec is 0.
48 m 3 / min, and the number of air circulation cycles per unit time is 774 times / min. Since the amount of circulating air is proportional to the outer peripheral speed of the rotor, the number of air circulation cycles per unit time also increases in proportion to the outer peripheral speed of the rotor.

【0043】ここで本発明方法で行う固定化処理を実施
する場合には、ローターの外周速度は30〜150m/
sec の範囲、より好ましくは40〜80m/sec の範囲
に設定することが好ましい。外周速度が30m/sec 未
満の場合には、循環回路に十分な空気流が発生せず、特
に比重差が大きい粒子を処理する場合に処理時間が長く
なり、また粒子の固定化に必要な十分な衝撃力を付与す
ることが困難であり、処理効率が低下する。一方、15
0m/sec を超える外周速度を得ることは、装置構成上
の制約があり、機械構造上困難であるとともに、母粒子
となる生体親和性を有する粒子が破壊(粉砕)され易く
なる。固定化処理は1〜5分程度で完了する。
Here, when the immobilization treatment performed by the method of the present invention is performed, the outer peripheral speed of the rotor is 30 to 150 m /
It is preferably set in the range of sec, more preferably in the range of 40 to 80 m / sec. When the outer peripheral speed is less than 30 m / sec, a sufficient airflow is not generated in the circulation circuit, and the processing time becomes longer particularly when particles having a large specific gravity difference are processed, and the sufficient amount of air required for fixing the particles It is difficult to apply a strong impact force, and the processing efficiency is reduced. On the other hand, 15
It is difficult to obtain an outer peripheral speed exceeding 0 m / sec because of limitations in the structure of the device and mechanical structure, and particles having biocompatibility as base particles are easily broken (crushed). The immobilization process is completed in about 1 to 5 minutes.

【0044】上記のような循環流を形成した状態で、次
に開閉弁15を開き、高靭性材料粉末と生体親和性を有
する粒子との混合粉体を計量フィーダー20を経由して
原料ホッパー13内に短時間で投入すると、混合粉体は
原料ホッパー13および原料供給用シュート14を経て
衝撃室16に進入する。そして原料ホッパー13内に混
合粉体が残留していないことを確認した後に開閉弁15
を閉止する。なお、自動回分運転を行う場合は、予め混
合粉体の投入に必要な時間を測定しておき、時限制御装
置に入力しておく。
With the circulating flow formed as described above, the on-off valve 15 is then opened, and the mixed powder of the high toughness material powder and the biocompatible particles is supplied to the raw material hopper 13 via the measuring feeder 20. The mixed powder enters the shock chamber 16 via the raw material hopper 13 and the raw material supply chute 14 when the mixed powder is charged in a short time. After confirming that no mixed powder remains in the raw material hopper 13, the on-off valve 15
Is closed. When the automatic batch operation is performed, the time required for charging the mixed powder is measured in advance and input to the time control device.

【0045】そして衝撃室16内に導入された混合粉体
は、衝撃室16内で高速回転するローター5に付設され
た衝撃ピン6によって瞬間的な打撃作用を受け、さらに
周辺の衝突リング8に衝突する。そして前記循環気流に
同伴され、循環回路12を巡って再び衝撃室16に戻
り、再度同様の打撃作用を受ける。このようにして打撃
作用を繰り返して受けることにより、数十秒間〜数分間
の短時間で均一な固定化処理が実行される。その結果、
母粒子となる生体親和性を有する粒子の表面に、子粒子
である高靭性材料粉末を強固に固定化でき、母粒子表面
に子粒子を均一に被覆した複合粒子が形成される。な
お、子粒子が低凝固点物質の場合には、打撃作用を受け
た瞬間に子粒子が溶融し、母粒子表面に膜状に固定化さ
れる。
The mixed powder introduced into the shock chamber 16 is instantaneously hit by an impact pin 6 attached to a rotor 5 rotating at a high speed in the shock chamber 16, and is further applied to a peripheral collision ring 8. collide. Then, it is entrained by the circulating airflow, returns to the shock chamber 16 again around the circulation circuit 12, and receives the same impact action again. By repeatedly receiving the striking action in this manner, a uniform immobilization process is performed in a short time of several tens seconds to several minutes. as a result,
The high-toughness material powder as child particles can be firmly immobilized on the surface of the particles having biocompatibility as the mother particles, and composite particles having the surface of the mother particles uniformly coated with the child particles are formed. In the case where the child particles are low freezing point substances, the child particles are melted at the moment of the impact action and are fixed on the surface of the base particles in a film form.

【0046】上記固定化処理が終了した後に、開閉弁1
5を開くとともに、改質粉体排出口の開閉弁9を破線で
示す位置に移動させて開き、複合粒子を排出する。この
複合粒子は、粒子自身に作用している遠心力によって数
秒間という短時間の間に衝撃室16および循環回路12
を経て装置本体から排出され、さらに排出管17を経由
してバッグコレクター18にて捕集される。
After the completion of the fixing process, the on-off valve 1
5 is opened, and the open / close valve 9 of the modified powder outlet is moved to the position shown by the broken line and opened to discharge the composite particles. The composite particles are subjected to the shock chamber 16 and the circulation circuit 12 in a short time of several seconds by centrifugal force acting on the particles themselves.
After that, the air is discharged from the apparatus main body, and further collected by the bag collector 18 via the discharge pipe 17.

【0047】こうして高速気流中衝撃法に基づく粉体表
面改質装置1によって製造された複合粒子は、従来の混
合装置によって調製された複合粒子のように単に母粒子
表面に子粒子が付着した(まぶされた)状態にある、い
わゆるオーダードミックスチャーではなく、母粒子表面
に子粒子が埋設されて強固かつ緻密に固定化された複合
粒子である。そのため、得られた複合粒子を加圧成形し
たり、加熱処理を実施した場合においても複合化した2
成分が再分離したり、各成分が凝集して粗大粒を形成す
ることが少ない。
Thus, the composite particles produced by the powder surface reforming apparatus 1 based on the high-speed impact in air stream have child particles simply adhered to the surface of the base particles like composite particles prepared by a conventional mixing apparatus ( It is not a so-called ordered mixture in a (glazed) state, but is a composite particle in which child particles are embedded in the surface of a base particle and firmly and densely fixed. Therefore, even when the obtained composite particles are subjected to pressure molding or heat treatment, the composite particles 2
It is less likely that the components are re-separated or that the components aggregate to form coarse particles.

【0048】次に得られた複合粒子と配合比率の関係で
高靭性材料粉末が固定化されずに余った場合は、その粉
末との混合粉体を加圧成形後、焼結して所定形状のイン
プラント材料を製造する工程に移る。
Next, in the case where the high toughness material powder is left unfixed due to the relationship between the obtained composite particles and the compounding ratio, the mixed powder with the powder is pressed, then sintered and sintered to a predetermined shape. It moves on to the process of manufacturing an implant material.

【0049】上記加圧成形法としては、通常の金型プレ
ス装置を使用した一軸加圧(UAP)成形法や混合粉体
に等方的に成形圧を付与する冷間静水圧(CIP)成形
法を採用することができる。なお、上記成形操作と焼結
操作とを同時に行うホットプレス(HP)法や熱間静水
圧(HIP)法を利用することもできる。
As the above-mentioned pressure molding method, a uniaxial pressure (UAP) molding method using a usual mold pressing device or a cold isostatic pressure (CIP) molding for applying a molding pressure to a mixed powder isotropically. A law can be adopted. It should be noted that a hot press (HP) method or a hot isostatic pressure (HIP) method in which the above-described molding operation and sintering operation are performed simultaneously can also be used.

【0050】上記の一軸加圧成形後に焼結を行う場合に
は、まず混合粉体を成形圧力10〜50MPaで2〜5
分間加圧成形し、次に得られた成形体をアルゴンガスな
どの非酸化性雰囲気中で温度1000〜1450℃で1
〜3時間焼結する。
When sintering is performed after the above uniaxial pressure molding, first, the mixed powder is compacted at a molding pressure of 10 to 50 MPa for 2 to 5 minutes.
For 1 minute at a temperature of 1000 to 1450 ° C. in a non-oxidizing atmosphere such as argon gas.
Sinter for ~ 3 hours.

【0051】また冷間静水圧(CIP)成形後に焼結を
行う場合には、まず混合粉体に20〜250MPaの成
形圧を3〜6分間作用させて等方的に圧縮して成形体と
し、得られた成形体を同じく温度1000〜1450℃
で1〜3時間焼結する。
When sintering is performed after cold isostatic pressure (CIP) molding, first, a compacting pressure of 20 to 250 MPa is applied to the mixed powder for 3 to 6 minutes to form a compact by isostatic compression. , And the obtained molded body was similarly heated to a temperature of 1000 to 1450 ° C.
And sinter for 1-3 hours.

【0052】さらにホットプレス法で成形操作と焼結操
作とを同時に実施する場合には、アルゴンガス等の非酸
化性雰囲気において原料混合粉末を、圧力20〜100
MPa,温度1300〜1400℃の条件で5〜20分
間加圧焼結するとよい。
When the molding operation and the sintering operation are simultaneously performed by the hot press method, the raw material mixed powder is subjected to a pressure of 20 to 100 in a non-oxidizing atmosphere such as argon gas.
It is preferable to perform pressure sintering at a temperature of 1300 to 1400 ° C. for 5 to 20 minutes.

【0053】上記各種成形焼結法のうち、特にホットプ
レス(HP)法によれば、比較的に焼結温度が低く、焼
結時間を短くしても緻密な焼結体が得られ易い特徴を有
している。したがって、生体親和性を有する粒子として
ヒドロキシアパタイト(HAP)粒子を使用する一方、
高靭性材料として部分安定化ジルコニア(PSZ)を使
用して焼結する場合において、上記HAP粒子の一部が
リン酸三カルシウムに変化することが抑制されるととも
に、PSZの一部が正方晶系から立方晶系に相変化する
ことが効果的に防止できる利点がある。
Among the various forming and sintering methods, according to the hot press (HP) method, a sintering temperature is relatively low, and a dense sintered body is easily obtained even if the sintering time is shortened. have. Therefore, while using hydroxyapatite (HAP) particles as biocompatible particles,
When sintering using partially stabilized zirconia (PSZ) as a high toughness material, a part of the HAP particles is suppressed from changing to tricalcium phosphate, and a part of the PSZ is tetragonal. From the cubic system to the cubic system.

【0054】上記のように高靭性材料粉末と生体親和性
を有する粒子とを高速気流中衝撃法によって複合化し、
得られた複合粒子を加圧成形後、焼結して調製したイン
プラント素材のままでは、HAP粒子の表面にはPSZ
粒子が強固に固定化されているので、インプラント素材
の表面に生体親和性を有する粒子が露出する割合が少な
くなり、素材をそのまま人工骨や人工歯根として使用し
た場合に周辺組織との馴染が少なく癒合強度が低下する
場合もある。
As described above, the high toughness material powder and the particles having biocompatibility are compounded by a high-speed airflow impact method,
After the resulting composite particles are pressed and molded, the implant material prepared by sintering remains on the surface of the HAP particles with PSZ.
Because the particles are firmly fixed, the proportion of biocompatible particles exposed on the surface of the implant material is reduced, and if the material is used as it is as an artificial bone or artificial tooth root, there is less familiarity with the surrounding tissue Healing strength may decrease.

【0055】そこで得られたインプラント素材の表面を
研削加工や研磨加工することによって、生体親和性を有
する粒子を表面に露出させることによってインプラント
材料の生体親和性を高めるように構成することが望まし
い。
It is desirable that the surface of the obtained implant material is ground or polished to expose biocompatible particles to the surface, thereby increasing the biocompatibility of the implant material.

【0056】上記構成に係る生体硬組織用インプラント
材料およびその製造方法によれば、高速気流中衝撃法に
より高靭性材料粉末と生体親和性を有する粒子とを複合
化した強固な複合粒子を使用しているため、加圧成形し
たり焼結した場合においても2成分が再分離したり、各
成分が凝集して粗大粒子を成形することが少ない。特に
高靭性材料から成る連続相中に生体親和性を有する粒子
が分散して不連続相として存在する微細組織が形成され
る。
According to the implant material for living body hard tissue and the method for producing the same according to the above-described structure, strong composite particles obtained by compounding a high toughness material powder and particles having biocompatibility by a high-speed air impact method are used. Therefore, even when pressure molding or sintering is performed, it is less likely that the two components are separated again or that the components are aggregated to form coarse particles. Particularly, particles having biocompatibility are dispersed in a continuous phase composed of a tough material to form a microstructure existing as a discontinuous phase.

【0057】したがって、生体適合性に優れ、かつ高い
破壊靭性を有するとともに生体組織親和性をも有し、人
工骨や人工歯根などの生体硬組織の代替素材として好適
なインプラント材料を提供することができる。
Therefore, it is possible to provide an implant material which is excellent in biocompatibility, has high fracture toughness and has affinity for living tissue, and is suitable as a substitute material for living hard tissue such as an artificial bone or an artificial tooth root. it can.

【0058】[0058]

【発明の実施の形態】次に本発明の実施形態について以
下に示す実施例を参照して、より具体的に説明する。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments of the present invention will be described more specifically with reference to the following examples.

【0059】実施例1〜3および比較例 生体親和性を有する粒子として、最大粒径が20μm,
平均粒径が9.32μmの球状ヒドロキシアパタイト
(HAP)粒子(三菱マテリアルK.K.製)を用意
し、前処理として温度800℃で2時間加熱処理するこ
とにより、粒子に吸着していた水分および揮発性不純物
を除去するとともに、仮焼体にして構造強度を高めた。
Examples 1 to 3 and Comparative Example As particles having biocompatibility, the maximum particle size was 20 μm,
Spherical hydroxyapatite (HAP) particles (manufactured by Mitsubishi Materials KK) having an average particle size of 9.32 μm were prepared, and subjected to a heat treatment at a temperature of 800 ° C. for 2 hours as a pretreatment, whereby moisture adsorbed on the particles was obtained. In addition to removing volatile impurities, a calcined body was used to increase the structural strength.

【0060】図3は上記前処理を実施した球状HAP粒
子の粒子構造を示す走査型電子顕微鏡写真である。球状
HAP粒子は粒径が0.5μm程度の微細な一次粒子の
集合体から成り、その表面には多数の凹凸が存在するこ
とが観察できる。なお前処理の加熱前後において粒子の
形状および粒径の変化は認められなかった。また、HA
P粒子の化学組成についても加熱前後において変化はな
く、CaO:55.8%とP2 5 :42.3%との分
析値から算出したCa/Pモル比はHAPのCa/Pモ
ル比の理論値1.67に一致した。
FIG. 3 is a scanning electron micrograph showing the particle structure of the spherical HAP particles subjected to the above pretreatment. The spherical HAP particles are composed of an aggregate of fine primary particles having a particle size of about 0.5 μm, and it can be observed that a large number of irregularities are present on the surface. No change in the shape and size of the particles was observed before and after heating in the pretreatment. Also, HA
The chemical composition of the P particles did not change before and after heating, and the Ca / P molar ratio calculated from the analytical values of CaO: 55.8% and P 2 O 5 : 42.3% was the Ca / P molar ratio of HAP. Of 1.67.

【0061】一方、高靭性材料粉末として、イットリア
(Y2 3 )を3モル%含有する平均粒径0.12μm
の部分安定化ジルコニア(PSZ)粉末(旭化成工業
K.K.製,PSZ−3Y)を用意し、前処理として温
度1000℃で2時間加熱処理して吸着水および揮発性
不純物を除去した。
On the other hand, as a high toughness material powder, an average particle diameter of 0.12 μm containing 3 mol% of yttria (Y 2 O 3 ) is used.
Was prepared (PSZ-3Y, manufactured by Asahi Kasei Corporation KK), and heat-treated at 1000 ° C. for 2 hours as a pretreatment to remove adsorbed water and volatile impurities.

【0062】次に上記のように前処理した球状HAP粒
子とPSZ粉末とを、その配合比が重量割合でそれぞれ
10:0(比較例),10:2(実施例1),10:5
(実施例2),10:10(実施例3)となるように配
合して4種類の配合比を有する原料混合体をそれぞれ調
製した。
Next, the spherical HAP particles pretreated as described above and the PSZ powder were mixed in a weight ratio of 10: 0 (comparative example), 10: 2 (example 1), and 10: 5.
(Example 2) and 10:10 (Example 3), and raw material mixtures having four kinds of mixing ratios were prepared.

【0063】次に上記実施例1〜3用の原料混合体を、
前記図1および図2に示すような高速気流中衝撃式の粉
体表面改質装置(ハイブリダイザー,HYB−O型,
K.K.奈良機械製作所製)にて処理することにより、
相対的に粗大な球状HAP粒子表面を微細なPSZ粉末
で被覆するようにPSZ粉末を固定化(複合化)処理
(以下、HYB処理という)して各実施例用の複合粒子
を調製した。なお、改質装置(ハイブリダイザー)にお
ける処理条件は、ローター回転数を10000rpm,
ローター周速度を60m/sec ,処理時間を3分間に設
定した。
Next, the raw material mixture for Examples 1 to 3 was
As shown in FIG. 1 and FIG. 2, a high-speed air current impact type powder surface reforming apparatus (Hybridizer, HYB-O type,
K. K. Nara Machinery Works)
The PSZ powder was immobilized (composite) (hereinafter referred to as HYB treatment) so that the surface of the relatively coarse spherical HAP particles was covered with the fine PSZ powder, to prepare composite particles for each example. The processing conditions in the reformer (hybridizer) were such that the rotor rotation speed was 10,000 rpm,
The rotor peripheral speed was set to 60 m / sec, and the processing time was set to 3 minutes.

【0064】図4および図5はHAP粒子とPSZ粉末
との配合比が10:5である原料混合体を複合化処理し
て形成した複合粒子の粒子構造を示す電子顕微鏡写真で
あり、いずれも粗大な球状HAP粒子表面を完全に多層
に被覆するようにPSZ粉末が強固に固定化されている
ことがわかる。特にPSZ粒子の平均粒径が0.12μ
mと微細であるため、高速気流中衝撃法による複合化の
過程で衝撃力によりPSZ粉末が球状HAP粒子表面の
凹部に食い込み、いわゆるメカニカルアンカリング効果
によってHAP粒子とPSZ粉末とが十分な接合強度を
もって複合化していることが容易に推察される。
FIGS. 4 and 5 are electron micrographs showing the particle structure of the composite particles formed by subjecting the raw material mixture in which the mixing ratio of the HAP particles and the PSZ powder was 10: 5 to a composite. It can be seen that the PSZ powder was firmly immobilized so as to completely cover the surface of the coarse spherical HAP particles in multiple layers. Particularly, the average particle size of the PSZ particles is 0.12 μm.
m, the PSZ powder digs into the recesses on the surface of the spherical HAP particles by the impact force during the compounding process by the high-speed airflow impact method, and the bonding strength between the HAP particles and the PSZ powder is sufficiently high by the so-called mechanical anchoring effect. It can easily be inferred that it is compounded with.

【0065】上記複合粒子の段階において、既に異種材
料であるHAP粒子とPSZ粉末との接合強度が十分に
高まっているため、この複合粒子を成形焼結してインプ
ラント材料とした場合においても、HAP粒子とPSZ
相との接合強度がそのまま維持される結果、インプラン
ト材料全体としての高強度特性がさらに改善されるもの
と考えられる。
At the stage of the composite particles, the bonding strength between the HAP particles and the PSZ powder, which are different materials, has already been sufficiently increased. Particles and PSZ
It is considered that as a result of maintaining the bonding strength with the phase as it is, the high strength characteristics of the entire implant material are further improved.

【0066】一方、比較例として前記のようにHAP粒
子とPSZ粉末との配合比を変えた4種類の原料混合体
を通常の混合法に従って処理し、それぞれ対応する比較
例用の混合粉体を調製した。すなわち、各原料混合体を
高速撹拌型混合機(OMD−3型,K.K.奈良機械製
作所製OMダイザー)にて混合処理することにより、そ
れぞれ対応する混合粉体を調製した。
On the other hand, as a comparative example, four kinds of raw material mixtures in which the mixing ratio of the HAP particles and the PSZ powder were changed as described above were treated in accordance with a normal mixing method, and the corresponding mixed powders for the comparative example were respectively prepared. Prepared. That is, each raw material mixture was mixed by a high-speed stirring type mixer (OMD-3, KK Nara Machinery Co., Ltd., OM dizer) to prepare corresponding mixed powders.

【0067】ここで上記高速撹拌型混合機は、円筒状の
混合容器の底部に、高速回転する撹拌羽根(ブレード)
を装着した構造を有し、複数の異種原料粉末を1〜3分
間程度の短時間で均一に分散混合(以下OMD処理とい
う。)するために一般的に使用される撹拌型混合機であ
る。
Here, the high-speed stirring type mixer is provided with a stirring blade (blade) rotating at a high speed on the bottom of a cylindrical mixing vessel.
This is a stirring mixer generally used for uniformly dispersing and mixing a plurality of different raw material powders in a short time of about 1 to 3 minutes (hereinafter referred to as OMD treatment).

【0068】なお各比較例の混合粉体を調製するための
高速撹拌型混合機の処理条件は、撹拌ブレード回転数を
500rpm,撹拌ブレード周速度を5.4m/sec ,
処理時間を2分間に設定した。
The processing conditions of the high-speed stirring type mixer for preparing the mixed powder of each comparative example were as follows: the rotation speed of the stirring blade was 500 rpm, the peripheral speed of the stirring blade was 5.4 m / sec.
The processing time was set at 2 minutes.

【0069】次に上記のように調製した各実施例用の複
合粒子および各比較例用の混合粉体を、下記のような
(1)一軸加圧(UAP)成形後に焼結する方法、
(2)冷間静水圧プレス(CIP)成形後に焼結する方
法、(3)ホットプレス(HP)により成形と焼結とを
同時に行なう方法に従って処理してそれぞれ対応する実
施例および比較例に係るインプラント材料をそれぞれ製
造した。
Next, the composite particles for each example and the mixed powder for each comparative example prepared as described above are sintered (1) after uniaxial pressing (UAP) molding as follows:
(2) Cold isostatic pressing (CIP), followed by sintering, and (3) hot pressing (HP), wherein molding and sintering are carried out simultaneously according to the corresponding examples and comparative examples. Each implant material was manufactured.

【0070】すなわち、一軸加圧(UAP)成形後に焼
結する方法では、まず複合粒子または混合粉体を内径1
5mmの超硬ダイス中に充填し、10〜50MPaの加圧
力で3分間一軸加圧して直径15mm×高さ10mmの成形
体とし、次に得られた成形体をアルゴン雰囲気中で温度
1000〜1450℃で2時間焼結する処理を行った。
That is, in the method of sintering after forming by uniaxial pressing (UAP), first, the composite particles or the mixed powder are mixed with an inner diameter of 1 mm.
The mixture was filled in a 5 mm carbide die and uniaxially pressed at a pressure of 10 to 50 MPa for 3 minutes to form a molded body having a diameter of 15 mm and a height of 10 mm. Then, the obtained molded body was heated to 1000 to 1450 in an argon atmosphere. A process of sintering at 2 ° C. for 2 hours was performed.

【0071】また、CIP成形後に焼結する方法では、
まず複合粒子または混合粉体をハンディプレスによって
仮成形して直径40mmの円柱状成形体とし、次にこの円
柱状成形体をハンディCIP装置(CIP−50−20
00型:アプライドパワージャパンK.K.製)により
加圧力203MPaで5分間等方的に加圧して成形体と
し、さらにこの成形体をアルゴンガス雰囲気中で温度1
000〜1450℃で2時間焼結する処理を行った。
In the method of sintering after CIP molding,
First, the composite particles or the mixed powder are preliminarily molded by a handy press to form a columnar molded body having a diameter of 40 mm, and then the columnar molded body is subjected to a handy CIP device (CIP-50-20).
Type 00: Applied Power Japan K. K. Pressure) at a pressure of 203 MPa for 5 minutes to form a molded body.
Sintering was performed at 000 to 1450 ° C. for 2 hours.

【0072】またホットプレス(HP)により成形焼結
する方法では、ホットプレス装置(大亜真空技研K.
K.製)を使用し、複合粒子または混合粉体を20MP
aの加圧力で押圧すると同時にアルゴンガス雰囲気中で
温度1350℃で10分間加熱焼成して、寸法が6×2
5×40mmの焼結体から成るインプラント材料を調製し
た。
In the method of forming and sintering by hot pressing (HP), a hot pressing device (Daia Vacuum Engineering Co., Ltd.
K. 20MP) using composite particles or mixed powder
a. At the same time as pressing with the pressing force of a, heating and baking for 10 minutes at a temperature of 1350 ° C. in an argon gas atmosphere,
An implant material consisting of a 5 × 40 mm sintered body was prepared.

【0073】図6は生体親和性を有する粒子としての球
状HAP粒子30と、高靭性材料粉末としてのPSZ粉
末31とを従来の撹拌混合法(OMD処理)によって調
製した比較例用の混合粉体40の粒子構造と、その混合
粉体40を焼結して得られたインプラント材料の組織形
状とを示す模式図である。従来のOMD処理によって得
られた混合粉体40では、概ね球状HAP粒子30がP
SZ粉末31間に分散しているが、局所的にHAP粒子
30同士が直接接触している部位もある。そのため、こ
の混合粉体40を成形焼結してインプラント材料とした
場合には、上記直接接触した部位を基点としてHAP粒
子30が連続的に結合してHAP連続相50が成形され
易い。また高靭性材料としてのPSZから成る連続相5
1も形成されるが、強度特性が劣る脆弱なHAPが連続
相50となるため、強度のばらつきが生じ、インプラン
ト材料全体としての強度特性が低下してしまう。
FIG. 6 shows a mixed powder for a comparative example prepared by mixing a spherical HAP particle 30 as a biocompatible particle and a PSZ powder 31 as a high toughness material powder by a conventional stirring and mixing method (OMD treatment). FIG. 3 is a schematic diagram showing a particle structure of an implant material obtained by sintering the mixed powder 40 of the present invention. In the mixed powder 40 obtained by the conventional OMD process, the roughly spherical HAP particles 30
Although dispersed between the SZ powders 31, there are some parts where the HAP particles 30 are directly in direct contact with each other. Therefore, when the mixed powder 40 is molded and sintered to form an implant material, the HAP particles 30 are continuously bonded starting from the directly contacted portion as a starting point, and the HAP continuous phase 50 is easily formed. A continuous phase 5 composed of PSZ as a tough material
1 is also formed, but the fragile HAP having inferior strength characteristics becomes the continuous phase 50, so that the strength varies and the strength characteristics of the implant material as a whole deteriorate.

【0074】一方、図7は球状HAP粒子30とPSZ
粉末31とを本発明方法に従って処理して調製した各実
施例用の複合粒子41の粒子構造と、その複合粒子41
を含む原料混合体を焼結して得られたインプラント材料
の組織形状とを示す模式図である。高速気流中衝撃法に
よって形成された各実施例用の複合粒子41では、球状
HAP粒子30がPSZ粉末31によって完全に被覆さ
れて被覆層32を有している。この被覆層32はHAP
粒子30に強固に固定化されており、隣接するHAP粒
子30が直接接触することがないように隔離する働きを
有している。この隔離作用は複合粒子41を焼結した後
においても発揮される。その結果、焼結して得られたイ
ンプラント材料は、高靭性材料としてのPSZ相が連続
相51となった三次元構造体として得られ、このPSZ
の連続相51の間隙部にHAP粒子30が独立して分散
するように不連続相52を形成した組織が得られる。
FIG. 7 shows spherical HAP particles 30 and PSZ.
The particle structure of the composite particles 41 for each example prepared by treating the powder 31 with the method of the present invention, and the composite particles 41
FIG. 2 is a schematic diagram showing a tissue shape of an implant material obtained by sintering a raw material mixture containing the same. In the composite particles 41 for each embodiment formed by the high-speed air current impact method, the spherical HAP particles 30 are completely covered with the PSZ powder 31 and have the covering layer 32. This coating layer 32 is made of HAP
It is firmly fixed to the particles 30 and has a function of isolating adjacent HAP particles 30 so as not to come into direct contact. This isolation effect is exerted even after the composite particles 41 are sintered. As a result, the implant material obtained by sintering is obtained as a three-dimensional structure in which the PSZ phase as a tough material becomes a continuous phase 51.
A structure in which the discontinuous phase 52 is formed such that the HAP particles 30 are independently dispersed in the gaps of the continuous phase 51 is obtained.

【0075】このように各実施例に係るインプラント材
料においては、高靭性を有するPSZ相が連続相51を
形成する一方、相対的に脆弱なHAP粒子30が不連続
相52を形成するように製造されているため、インプラ
ント材料全体としての破壊靭性や構造強度が高く、耐久
性に優れている。
As described above, in the implant material according to each example, the PSZ phase having high toughness forms the continuous phase 51, while the relatively fragile HAP particles 30 form the discontinuous phase 52. As a result, the fracture toughness and structural strength of the implant material as a whole are high, and the durability is excellent.

【0076】図8は比較例および実施例1〜3に係るイ
ンプラント材料において、成形焼結方法と、HAP/P
SZ重量比と、材料の相対密度(密度比)との関係を示
すグラフである。図中UAPは一軸加圧して形成した成
形体を1450℃(比較例は1150℃)で2時間焼結
して作成したインプラント材料であり、CIPは冷間静
水圧加圧成形体を1450℃(比較例は1150℃)で
2時間焼結して作成したインプラント材料であり、HP
は1350℃で10分間ホットプレス法により焼結して
作成したインプラント材料を示す。
FIG. 8 shows a method of molding and sintering the implant materials according to the comparative example and Examples 1 to 3, and the HAP / P method.
5 is a graph showing a relationship between an SZ weight ratio and a relative density (density ratio) of a material. In the figure, UAP is an implant material produced by sintering a molded body formed by uniaxial pressing at 1450 ° C. (comparative example: 1150 ° C.) for 2 hours, and CIP is a cold isostatic pressing molded body at 1450 ° C. The comparative example is an implant material prepared by sintering at 1150 ° C.) for 2 hours.
Indicates an implant material prepared by sintering at 1350 ° C. for 10 minutes by a hot press method.

【0077】後述するように、一軸加圧(UAP)法お
よび冷間静水圧(CIP)法で製造した実施例1〜3の
インプラント材料では、焼結過程においてジルコニアの
相変化が生じ易く、またHAP粒子の一部がα型リン酸
三カルシウム(α−TCP)に変化した。
As described later, in the implant materials of Examples 1 to 3 manufactured by the uniaxial pressing (UAP) method and the cold isostatic pressure (CIP) method, the zirconia phase change easily occurs during the sintering process. Some of the HAP particles changed to α-type tricalcium phosphate (α-TCP).

【0078】一軸加圧(UAP)法で形成したインプラ
ント材料に関しては、複合粒子から成る成形体内部にお
けるジルコニア粉末間の空隙が多く、かつ粉末同士の点
接触数が少ないため、粒成長が十分に進まなかったもの
と考えられる。そのためUAP法によるインプラント材
料(焼結体)の相対密度は、図8にも示す通り42.8
〜51.1%と低い値に止まっている。
With regard to the implant material formed by the uniaxial pressing (UAP) method, the voids between the zirconia powders inside the compact formed of the composite particles are large and the number of point contacts between the powders is small, so that the grain growth is sufficient. It is probable that he did not proceed. Therefore, the relative density of the implant material (sintered body) by the UAP method is 42.8 as shown in FIG.
It remains at a low value of about 51.1%.

【0079】また冷間静水圧(CIP)成形法による場
合は、上記UAP法の場合と比較してインプラント材料
の相対密度をより上昇させることができる。これは、P
SZ粉末同士の点接触数の増大により緻密化が促進され
たためと考えられる。
In the case of the cold isostatic pressure (CIP) molding method, the relative density of the implant material can be further increased as compared with the case of the UAP method. This is P
It is considered that densification was promoted by increasing the number of point contacts between SZ powders.

【0080】さらにホットプレス(HP)法による場合
は、上記UAP法およびCIP法の場合と比較して、い
ずれのHAP/PSZ重量比においてもインプラント材
料の相対密度をさらに大幅に上昇させることができた。
これは加圧力によって複合粒子の焼結・緻密化がより円
滑に進行したためと考えられる。
Further, in the case of using the hot press (HP) method, the relative density of the implant material can be further greatly increased at any HAP / PSZ weight ratio as compared with the above-mentioned UAP method and CIP method. Was.
This is considered to be because the sintering and densification of the composite particles proceeded more smoothly by the pressing force.

【0081】図9〜図11は、HAP/PSZ重量比が
10/5である原料粉体を複合粒子化し、その複合粒子
を、それぞれUAP法,CIP法,HP法により成形焼
結して得た実施例2に係るインプラント材料の破断面の
粒子構造を示す走査型電子顕微鏡写真(二次電子像)で
ある。なおインプラント材料の破断は室温で実施したも
のである。
FIGS. 9 to 11 show that the raw material powder having a HAP / PSZ weight ratio of 10/5 is formed into composite particles, and the composite particles are formed and sintered by UAP, CIP, and HP methods, respectively. 9 is a scanning electron micrograph (secondary electron image) showing the particle structure of the fracture surface of the implant material according to Example 2. The breaking of the implant material was performed at room temperature.

【0082】図9に示すようにHAP/PSZ複合粒子
を一軸加圧(UAP)成形後、焼結して得られたインプ
ラント材料においては、黒色部で示す空孔部(気孔)が
多く十分に緻密化していないことが判明した。
As shown in FIG. 9, in the implant material obtained by sintering the HAP / PSZ composite particles after uniaxial pressing (UAP) molding, there are many voids (pores) indicated by black portions and sufficient. It turned out that it was not densified.

【0083】一方、図10に示すように、HAP/PS
Z複合粒子のCIP成形体を焼結して得たインプラント
材料では、粗大な球状HAP粒子が、原料状態での形状
および粒径を保持したまま、相互に接触することなく、
連続したPSZ相の間隙部に独立した分散状態で存在し
ている組織が観察される。なおPSZ相においては、P
SZ粒子の粒成長がかなり進行していること、および空
隙が存在することがわかる。
On the other hand, as shown in FIG.
In an implant material obtained by sintering a CIP compact of Z composite particles, coarse spherical HAP particles do not come into contact with each other while maintaining the shape and particle size in the raw material state,
The structure which exists in the space | gap part of a continuous PSZ phase in the independent dispersion state is observed. In the PSZ phase, P
It can be seen that the grain growth of the SZ particles has progressed considerably and that voids exist.

【0084】また上記インプラント材料の破断面におい
て、球状HAP粒子が周囲のPSZ組織とともに割断さ
れていることから、HAP粒子とPSZ相との接合強度
は強固であり、この接合強度に起因してインプラント材
料の構造強度が増すことが理解できる。
Further, in the fracture surface of the implant material, since the spherical HAP particles are cleaved together with the surrounding PSZ structure, the bonding strength between the HAP particles and the PSZ phase is strong. It can be seen that the structural strength of the material increases.

【0085】また図11に示すように、HAP/PSZ
複合粒子をホットプレス(HP)法により焼結して得た
インプラント材料においても、球状HAP粒子は相互に
接触することなく、連続したPSZ相の間隙部に互いに
独立して分散状態で存在することが確認できる。図11
において、黒色部がHAP粒子であり、灰色の網目状に
観察される部分がPSZ相である。
As shown in FIG. 11, HAP / PSZ
Even in an implant material obtained by sintering composite particles by a hot press (HP) method, spherical HAP particles are present in a dispersed state independently of each other in a gap between continuous PSZ phases without contacting each other. Can be confirmed. FIG.
In the above, the black portion is the HAP particles, and the portion observed in a gray network is the PSZ phase.

【0086】このHP法によるインプラント材料は、C
IP成形後、焼結して得たインプラント材料と比較して
PSZの粒成長は少ないことが明白である。この主たる
原因は、他のUAP法,CIP法による成形体の焼結温
度と比較して100℃程度低く、また焼結時間が1/1
2と極めて短かいためと考えられる。さらに図11に示
すインプラント材料の組織には粗大な気孔はほとんどな
く緻密な組織が得られている。この緻密な組織は、図8
に示す相対密度の比較からも明らかである。また破断面
において球状HAP粒子が周囲のPSZ組織とともに割
断されていることからも、両者の接合強度が高いことが
確認できた。
The implant material obtained by the HP method is C
It is clear that the grain growth of PSZ is less than that of the implant material obtained by sintering after IP molding. The main reasons for this are that the sintering temperature is about 100 ° C. lower than the sintering temperature of the compact by other UAP and CIP methods, and the sintering time is
This is considered to be because it is extremely short at 2. Further, the implant material shown in FIG. 11 has almost no coarse pores and a dense tissue. This dense organization is shown in FIG.
It is clear from the comparison of the relative densities shown in FIG. Also, the fact that the spherical HAP particles were fractured along with the surrounding PSZ structure in the fractured surface confirmed that the joint strength between the two was high.

【0087】図12は、HAP/PSZ重量比が10/
10である原料粉体を複合粒子化し、その複合粒子をホ
ットプレス(HP)法により成形焼結して得た実施例3
に係るインプラント材料の破断面の粒子構造を、構成元
素のEDXマッピングによって示す走査型電子顕微鏡写
真である。なお、構成元素(Ca,Zr)のマッピング
は、走査型電子顕微鏡(日本電子K.K.製 JSM−
5400)にエネルギー分散型X線分光分析装置(日本
電子K.K.製 JED−2110)を装着して実施し
た。
FIG. 12 shows that the HAP / PSZ weight ratio was 10 /
Example 3 in which the raw material powder of No. 10 was formed into composite particles, and the composite particles were formed and sintered by a hot press (HP) method.
5 is a scanning electron micrograph showing the particle structure of a fractured surface of the implant material according to EDX mapping of constituent elements. The mapping of the constituent elements (Ca, Zr) was performed by using a scanning electron microscope (JSM-JM manufactured by JEOL KK).
5400) with an energy dispersive X-ray spectrometer (JED-2110 manufactured by JEOL KK).

【0088】図13は図12と同一視野について、粒子
構造を反射電子像として示す走査型電子顕微鏡写真であ
る。黒色粒状部がHAP粒子であり、灰色網目状部がP
SZ相である。
FIG. 13 is a scanning electron micrograph showing the particle structure as a reflected electron image in the same field of view as in FIG. The black granules are HAP particles and the gray mesh is P
SZ phase.

【0089】図12および図13に示すように、黒色粒
状に観察される球状HAP粒子を取り囲むように、灰色
網目状の連続したPSZ相が形成されていることが観察
できる。特に図11に示すHAP/PSZ重量比が10
/5のインプラント材料と比較してPSZ重量比を増加
させているため、図11と比較してPSZ相の網目構造
がより明瞭に観察される。
As shown in FIGS. 12 and 13, it can be observed that a continuous PSZ phase in the form of a gray network is formed so as to surround the spherical HAP particles observed as black granules. In particular, the HAP / PSZ weight ratio shown in FIG.
Since the PSZ weight ratio is increased as compared with the / 5 implant material, the network structure of the PSZ phase is more clearly observed as compared with FIG.

【0090】HAP/PSZ重量比を変えた原料粉体を
一軸加圧(CIP)法,冷間静水圧(CIP)法および
ホットプレス(HP)法に従って成形・焼結して調製し
た各実施例および比較例に係るインプラント材料につい
て、粉末X線回折装置(K.K.マック・サイエンス社
製MXP3V型)を使用して、構成成分を分析調査し、
下記表1に示す結果を得た。なお表1中、HAPはヒド
ロキシアパタイトを示し、α−TCPはα型リン酸三カ
ルシウムを示し、ZDO(T)は正方晶系ジルコニアを
示し、ZDO(C)は立方晶系ジルコニアを示す。
Each Example prepared by molding and sintering raw material powders having different HAP / PSZ weight ratios according to the uniaxial pressing (CIP) method, the cold isostatic pressure (CIP) method and the hot pressing (HP) method About the implant material which concerns on a comparative example, it analyzes and investigates a component using a powder X-ray-diffraction apparatus (MXP3V type made by KK MacScience),
The results shown in Table 1 below were obtained. In Table 1, HAP indicates hydroxyapatite, α-TCP indicates α-tricalcium phosphate, ZDO (T) indicates tetragonal zirconia, and ZDO (C) indicates cubic zirconia.

【0091】[0091]

【表1】 [Table 1]

【0092】また各インプラント材料を製造するために
使用した複合粒子のHAP/PSZ重量比と、複合粒子
中のHAP重量に対する焼結体(インプラント材料)中
のHAP重量の割合との関係を図14に示す。
FIG. 14 shows the relationship between the weight ratio of HAP / PSZ of the composite particles used to produce each implant material and the ratio of the weight of HAP in the sintered body (implant material) to the weight of HAP in the composite particles. Shown in

【0093】表1および図14に示す結果から明らかな
ように、一軸加圧(UAP)法および冷間静水圧(CI
P)法による成形体を焼結して得たインプラント材料で
は、HAP単独とした比較例の場合を除いて、いずれの
HAP/PSZ重量比においてもHAPの一部が変化し
たα−TCPの生成が認められ、またZDO(T)も一
部がZDO(C)に相変化している。α−TCPの生成
量は、PSZの配合量の増加に伴って増大化する傾向が
確認できた。
As is clear from the results shown in Table 1 and FIG. 14, the uniaxial pressurization (UAP) method and the cold isostatic pressure (CI
In the implant material obtained by sintering the molded product by the P) method, except for the comparative example in which only HAP was used, the formation of α-TCP in which a part of HAP was changed at any HAP / PSZ weight ratio And a part of ZDO (T) is also changed to ZDO (C). It was confirmed that the amount of α-TCP produced tended to increase with an increase in the amount of PSZ.

【0094】なおHAP単独で構成した比較例に係るイ
ンプラント材料では、焼結前後においてX線回折パター
ンの変化がなく、HAP成分の割合がそのまま維持され
ていることが判明した。この事実から、ジルコニア成分
ZDO(T)の存在が、HAPのα−TCTへの変化を
促進したものと考えられる。
In the implant material according to the comparative example composed of HAP alone, it was found that there was no change in the X-ray diffraction pattern before and after sintering, and the proportion of the HAP component was maintained as it was. From this fact, it is considered that the presence of the zirconia component ZDO (T) promoted the change of HAP to α-TCT.

【0095】一般に、HAP粒子は、PSZ粉末が存在
しない場合においても、1200℃付近の焼結温度で相
当量がα−TCPに変化することが知られているが、本
実施例ではα−TCPへの変化量が少ない。その理由と
して、本実施例で使用したHAP粒子はシャープなX線
回折パターンを示し、結晶性が極めて高く、しかもCa
/Pモル比が1.67と理論値に一致し純度が極めて高
いものであるため、α−TCPへの変化が進行しなかっ
たものと考えられる。したがって、HAPによる生体親
和性を確保するためには、高純度のHAP粒子を使用す
ることが好ましい。
In general, it is known that a considerable amount of HAP particles changes to α-TCP at a sintering temperature near 1200 ° C. even when PSZ powder is not present. The amount of change to is small. The reason is that the HAP particles used in this example show a sharp X-ray diffraction pattern, have extremely high crystallinity, and have a high Ca content.
Since the / P molar ratio is 1.67, which is in agreement with the theoretical value and the purity is extremely high, it is considered that the change to α-TCP did not progress. Therefore, in order to ensure biocompatibility with HAP, it is preferable to use high-purity HAP particles.

【0096】一方、ホットプレス(HP)法により成形
・焼結して得られたインプラント材料においては、PS
Zが存在する各組成であっても、X線回折結果からα−
TCPの生成およびジルコニア成分の相変化は認められ
なかった。この原因は、UAP法やCIP法による場合
と比較して焼結温度が100℃低い1350℃であり、
また加熱時間が1/12の10分間と短いためと考えら
れる。
On the other hand, in the implant material obtained by molding and sintering by the hot press (HP) method, PS is used.
Even for each composition in which Z exists, α-
No formation of TCP and no phase change of the zirconia component were observed. This is because the sintering temperature is 100 ° C. lower than 1350 ° C. as compared with the UAP method or the CIP method,
It is considered that the heating time was as short as 1/12, that is, 10 minutes.

【0097】本発明者らの知見によれば、粒径が数10
nmの微細なHAP粒子と平均粒径が0.3μmの微細な
PSZ粉末との混合体を、上記1350℃で10分間と
いう同一の処理条件で焼結処理した場合においては、相
当量のα−TCPが生成することがX線回折によって確
認されている。本実施例においてα−TCPが生成しな
い原因としては、平均粒径が9.32μmという従来例
と比較して粗大なHAP粒子を使用し、またHAP粒子
とPSZ粉末との粒径比を適正に調整したという相違点
にも起因すると考えられる。
According to the findings of the present inventors, the particle size is several tens.
When a mixture of fine HAP particles of nm and fine PSZ powder having an average particle diameter of 0.3 μm was sintered at the same processing condition of 1350 ° C. for 10 minutes, a considerable amount of α- The generation of TCP has been confirmed by X-ray diffraction. In this embodiment, the reason why α-TCP is not generated is that coarse HAP particles are used as compared with the conventional example having an average particle size of 9.32 μm, and the particle size ratio between the HAP particles and the PSZ powder is appropriately adjusted. This is probably due to the difference of adjustment.

【0098】上記表1および図14に示す結果から明ら
かなように、インプラント材料中におけるα−TCPの
生成を抑止してHAPの残存割合を高め、生体親和性を
より高く確保するために、成形・焼結法としてホットプ
レス(HP)法を用いることが有効であることが確認さ
れた。
As is clear from the results shown in Table 1 and FIG. 14, in order to suppress the production of α-TCP in the implant material, increase the residual ratio of HAP, and secure a higher biocompatibility, -It has been confirmed that it is effective to use a hot press (HP) method as a sintering method.

【0099】次に各実施例におよび比較例において調製
したインプラント材料から試験片を切り出し、破壊靭性
値を測定した。測定法はJIS R 1607−90に
規定する3点曲げ試験法に準拠したSEVNB(Single
Edge Notched Beam)法に基づき、卓上型精密万能試験
機オートグラフ(AGS−D型,K.K.島津製作所
製)を使用して実施した。また試験片サイズは3mm×4
mm×40mmとし、スパンを16mm,クロスヘッド速度を
0.5mm/min に設定した。
Next, a test piece was cut out from the implant material prepared in each of the examples and the comparative example, and the fracture toughness value was measured. The measurement method is SEVNB (Single) conforming to the three-point bending test method specified in JIS R 1607-90.
Based on the Edge Notched Beam method, the measurement was performed using a desktop precision universal testing machine Autograph (AGS-D type, manufactured by KK Shimadzu Corporation). The test piece size is 3mm × 4
mm × 40 mm, the span was set to 16 mm, and the crosshead speed was set to 0.5 mm / min.

【0100】上記破壊靭性値の測定結果を図15に示
す。図15において、記号HYB−CIPは高速気流中
衝撃法に基づく粉体表面改質装置(ハイブリダイザー)
を使用して形成した複合粒子を冷間静水圧(CIP)法
により成形後、焼結して得たインプラント材料を示し、
同様にHYB−HPは、複合粒子をホットプレス(H
P)法により成形・焼結して得たインプラント材料を示
す。また記号OMD−CIPおよびOMD−HPは、従
来汎用の高速撹拌型混合機(OMダイザー)を使用して
調製した混合粉体を、それぞれCIP法およびHP法に
よって成形・焼結して得たインプラント材料を示す。
FIG. 15 shows the measurement results of the fracture toughness values. In FIG. 15, the symbol HYB-CIP is a powder surface reforming device (hybridizer) based on the high-speed airflow impact method.
Shows an implant material obtained by molding the composite particles formed by using a cold isostatic pressure (CIP) method and then sintering the composite particles;
Similarly, HYB-HP is capable of hot pressing (H
The implant material obtained by molding and sintering according to the P) method is shown. The symbols OMD-CIP and OMD-HP are implants obtained by molding and sintering a mixed powder prepared using a conventional general-purpose high-speed stirring mixer (OM dither) by the CIP method and the HP method, respectively. Show the material.

【0101】図15に示す結果から明らかなように、本
発明方法によって調製した複合粒子をCIP成形後、焼
結して得たインプラント材料(HYB−CIP)におい
ては、ヒドロキシアパタイト(HAP)と部分安定化ジ
ルコニア(PSZ)との重量比(HAP/PSZ)が1
0/2までは破壊靭性値に大きな変化が見られず、0.
6MPam0.5 であった。またHAP/PSZ重量比が
10/5〜10/10においては0.9MPam0.5
あり、この値は重量比が10/0〜10/2の場合と比
較して50%上昇している。
As is clear from the results shown in FIG. 15, in the implant material (HYB-CIP) obtained by subjecting the composite particles prepared by the method of the present invention to CIP molding and sintering, the hydroxyapatite (HAP) and the Weight ratio (HAP / PSZ) to stabilized zirconia (PSZ) is 1
No significant change in the fracture toughness value was observed up to 0/2.
6MPam was 0.5 . In HAP / PSZ weight ratio of 10 / 5-10 / 10 are 0.9MPam 0.5, this value has increased by 50% compared with the weight ratio of 10 / 0-10 / 2.

【0102】一方、従来の高速撹拌型混合機(OMダイ
ザー)を使用して調製した混合粉体をCIP成形後、焼
結して得たインプラント材料(OMD−CIP)におい
ては、HAP/PSZ重量比が10/5のときの破壊靭
性値が平均で0.7MPam0.5程度まで上昇したに止まっ
た。
On the other hand, in the case of an implant material (OMD-CIP) obtained by subjecting a mixed powder prepared using a conventional high-speed stirring type mixer (OM dicer) to CIP molding and sintering, the HAP / PSZ weight is reduced. When the ratio was 10/5, the fracture toughness increased only to an average of about 0.7 MPam 0.5 .

【0103】これに対して本発明方法によって調製した
複合粒子をホットプレス(HP)法により成形・焼結し
て得たインプラント材料(HYB−HP)では、HAP
/PSZ重量比を10/2〜10/5としたときに破壊
靭性値が1.8MPam0.5まで上昇し、さらにHAP
/PSZ重量比を10/10としたときに2.8MPa
0.5 まで増加した。この値は、通常の人工骨用結晶化
ガラスの破壊靭性値の1.5倍であり、またHAPとウ
ォラストナイトとを含有する結晶化ガラス中に30容量
%のPSZを分散させた従来の生体硬組織用インプラン
ト材料の破壊靭性値2.5MPam0.5 と同等以上の値
である。
On the other hand, the implant material (HYB-HP) obtained by molding and sintering the composite particles prepared by the method of the present invention by a hot press (HP) method is HAP
When the / PSZ weight ratio is 10/2 to 10/5, the fracture toughness value increases to 1.8 MPam 0.5 and HAP
2.8 MPa when the / PSZ weight ratio is 10/10
m increased to 0.5 . This value is 1.5 times the fracture toughness value of ordinary crystallized glass for artificial bone, and 30% by volume of PSZ is dispersed in crystallized glass containing HAP and wollastonite. This value is equal to or more than the fracture toughness value of 2.5 MPam 0.5 of the implant material for living hard tissue.

【0104】一方、原料粉体に作用する衝撃力が小さい
従来の混合機(OMダイザー)を使用して調製した混合
粉体をホットプレス(HP)法により成形・焼結して得
たインプラント材料(OMD−HP)の場合には、HA
P/PSZ重量比が10/5のときに平均破壊靭性値が
1.3MPam0.5 までしか上昇せず、強度特性が低い
ことが判明した。しかも複合粒子をホットプレスして形
成したインプラント材料(HYB−HP)と比較して破
壊靭性値のばらつき幅が大きく、特性が安定した焼結体
が得られないという難点も確認された。
On the other hand, an implant material obtained by molding and sintering a mixed powder prepared using a conventional mixer (OM diser) having a small impact force acting on the raw material powder by a hot press (HP) method. (OMD-HP), HA
When the P / PSZ weight ratio was 10/5, the average fracture toughness increased only up to 1.3 MPam 0.5, indicating that the strength properties were low. In addition, it was also confirmed that compared with an implant material (HYB-HP) formed by hot pressing the composite particles, the variation width of the fracture toughness value was large, and a sintered body having stable characteristics could not be obtained.

【0105】このように本実施例に係る各インプラント
材料のうち、特にHAP/PSZ重量比が10/10で
ある複合粒子をホットプレス(HP)法により成形・焼
結したインプラント材料が2.8MPam0.5 という特
に高い破壊靭性値を示すことが判明した。しかしなが
ら、このインプラント材料(焼結体)の相対密度は、図
8において示したように78%程度であり、未だ他のセ
ラミックス焼結体と比較して低い段階である。したがっ
て、さらに成形時の加圧力,時間および焼結時の圧力,
温度,時間等の処理条件を調整し、破壊靭性に対する相
対密度の最適化を図ることにより、インプラント材料の
破壊靭性値をさらに高める余地があることが判明した。
As described above, among the implant materials according to the present embodiment, the implant material obtained by molding and sintering the composite particles having the HAP / PSZ weight ratio of 10/10 by the hot press (HP) method is 2.8 MPam. It was found to exhibit a particularly high fracture toughness value of 0.5 . However, the relative density of the implant material (sintered body) is about 78% as shown in FIG. 8, which is still lower than that of other ceramic sintered bodies. Therefore, the pressure during molding, the time and the pressure during sintering,
It has been found that there is room for further improving the fracture toughness value of the implant material by adjusting the processing conditions such as temperature and time and optimizing the relative density with respect to the fracture toughness.

【0106】以上説明の通り、本実施例に係るインプラ
ント材料においては、高靭性材料としてのPSZが三次
元網目構造を有する連続相として存在し、その連続相中
に生体親和性を有する脆弱なHAP粒子が分散独立して
不連続相として存在した微細組織を有している。したが
って、相対的に脆弱なHAP粒子が連続した組織を有す
る従来のインプラント材料と比較して強度特性を大幅に
改善することができる。
As described above, in the implant material according to the present embodiment, PSZ as a high toughness material exists as a continuous phase having a three-dimensional network structure, and a fragile HAP having biocompatibility is included in the continuous phase. The particles have a microstructure in which the particles are dispersed independently and exist as a discontinuous phase. Thus, the strength properties can be significantly improved compared to conventional implant materials having a relatively fragile HAP particle continuous tissue.

【0107】またインプラント材料の表面には、相対的
に面積が大きいHAP粒子だけの領域が存在するため、
HAP粒子が本来的に有する骨組織親和性が十分に確保
されるため、インプラント後における周囲の生体組織と
の癒合性(なじみ性)が良好であり、人工骨や人工歯根
の構成材料として優れた効果を発揮する。
Further, since a region of only the HAP particles having a relatively large area exists on the surface of the implant material,
Since the affinity for bone tissue inherent in the HAP particles is sufficiently ensured, the HAP particles have good fusion with the surrounding living tissue (fitness) after implantation, and are excellent as constituent materials of artificial bones and artificial roots. It is effective.

【0108】また上記インプラント材料の製造工程にお
いて、複合粒子を一軸加圧(UAP)法および冷間静水
圧(CIP)法によって形成した成形体を焼結した場合
には、HAP成分の一部がα−TCPに変化する傾向が
あり、この変化量はPSZの配合量の増大に伴って増加
する。しかしながら、上記複合粒子をホットプレス(H
P)法により成形・焼結した場合には、HAP/PSZ
重量比の大小に関係なく、α−TCPの生成は認られな
かった。したがって、特にα−TCPの生成を抑制して
HAP粒子による生体親和性を十分に確保するために
は、成形・焼結法としてホットプレス(HP)法を採用
することが望ましい。
[0108] In the above manufacturing process of the implant material, when a compact formed by forming the composite particles by the uniaxial pressurization (UAP) method and the cold isostatic pressure (CIP) method is sintered, a part of the HAP component is reduced. α-TCP tends to change, and this change increases with an increase in the amount of PSZ. However, the composite particles are hot-pressed (H
When molded and sintered by the P) method, HAP / PSZ
No formation of α-TCP was observed regardless of the weight ratio. Therefore, in order to particularly suppress the generation of α-TCP and sufficiently secure the biocompatibility with the HAP particles, it is desirable to employ a hot press (HP) method as a molding and sintering method.

【0109】本実施例においては高靭性材料として部分
安定化ジルコニア(PSZ)を用いた例で示している
が、生体為害性が少ないセラミックス材料であるアルミ
ナ(Al2 3 )を使用した場合についても、本実施例
と同様に、アルミナ粒子とHAP粒子との接合強度が大
幅に増加するために、強度特性が優れたインプラント材
料が得られた。しかしながら、アルミナ焼結体自身の靭
性値がジルコニア焼結体の靭性値と比較して相対的に小
さいことから、PSZを連続相とした本実施例のインプ
ラント材料より低い強度特性しか得られなかった。
Although the present embodiment shows an example in which partially stabilized zirconia (PSZ) is used as the high toughness material, a case where alumina (Al 2 O 3 ), which is a ceramic material having little harm to the living body, is used. Also in this example, as in the present example, the bonding strength between the alumina particles and the HAP particles was significantly increased, so that an implant material having excellent strength characteristics was obtained. However, since the toughness value of the alumina sintered body itself was relatively small as compared with the toughness value of the zirconia sintered body, only a strength characteristic lower than that of the implant material of this example using PSZ as a continuous phase was obtained. .

【0110】[0110]

【発明の効果】以上説明の通り、本発明に係る生体硬組
織用インプラント材料およびその製造方法によれば、高
速気流中衝撃法により高靭性材料粉末と生体親和性を有
する粒子とを複合化した強固な複合粒子を使用している
ため、加圧成形したり焼結した場合においても2成分が
再分離したり、各成分が凝集して粗大粒子を成形するこ
とが少ない。特に高靭性材料から成る連続相中に生体親
和性を有する粒子が分散して不連続相として存在する微
細組織が形成される。
As described above, according to the implant material for living hard tissue and the method for producing the same according to the present invention, the high toughness material powder and the particles having biocompatibility are compounded by the high-speed air impact method. Since strong composite particles are used, the two components are less likely to separate again even when pressure-formed or sintered, and the components are less likely to aggregate to form coarse particles. Particularly, particles having biocompatibility are dispersed in a continuous phase composed of a tough material to form a microstructure existing as a discontinuous phase.

【0111】したがって、生体適合性に優れ、かつ高い
破壊靭性を有するとともに生体組織親和性をも有し、人
工骨や人工歯根などの生体硬組織の代替素材として好適
なインプラント材料を提供することができる。
Therefore, it is possible to provide an implant material which is excellent in biocompatibility, has high fracture toughness and has affinity for living tissue, and is suitable as a substitute material for living hard tissue such as an artificial bone or an artificial tooth root. it can.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明方法において複合粒子を調製するために
使用される粉体表面改質装置の構成例を示す正面図。
FIG. 1 is a front view showing a configuration example of a powder surface modifying apparatus used for preparing composite particles in the method of the present invention.

【図2】図1に示す表面改質装置の本体部分の側断面
図。
FIG. 2 is a side sectional view of a main body of the surface reforming apparatus shown in FIG.

【図3】球状HAP粒子の粒子構造を示す走査型電子顕
微鏡写真。
FIG. 3 is a scanning electron micrograph showing the particle structure of spherical HAP particles.

【図4】HAP粒子とPSZ粒子との配合比が10:5
である原料混合体を複合化処理して得た複合粒子の粒子
構造を示す走査型電子顕微鏡写真。
FIG. 4 shows a mixing ratio of HAP particles to PSZ particles of 10: 5.
5 is a scanning electron micrograph showing the particle structure of a composite particle obtained by subjecting a raw material mixture to a composite treatment.

【図5】HAP粒子とPSZ粒子との配合比が10:5
である原料混合体を複合化処理して得た複合粒子の粒子
構造をさらに拡大して示す走査型電子顕微鏡写真。
FIG. 5 shows a mixture ratio of HAP particles and PSZ particles of 10: 5.
3 is a scanning electron micrograph showing the particle structure of a composite particle obtained by subjecting the raw material mixture to a composite treatment in a further enlarged manner.

【図6】従来の混合法によって調製した混合粉体の粒子
構造と、その混合粉体を焼結して得たインプラント材料
の組織形状を示す模式図。
FIG. 6 is a schematic diagram showing a particle structure of a mixed powder prepared by a conventional mixing method and a tissue shape of an implant material obtained by sintering the mixed powder.

【図7】本発明方法によって調製した複合粒子の粒子構
造と、その複合粒子を焼結して得たインプラント材料の
組織形状を示す模式図。
FIG. 7 is a schematic diagram showing a particle structure of a composite particle prepared by the method of the present invention and a tissue shape of an implant material obtained by sintering the composite particle.

【図8】成形焼結方法とHAP/PSZ重量比とインプ
ラント材料の相対密度との関係を示すグラフ。
FIG. 8 is a graph showing a relationship between a molding sintering method, a HAP / PSZ weight ratio, and a relative density of an implant material.

【図9】一軸加圧法により成形後、焼結して得たインプ
ラント材料の破断面の粒子構造を示す走査型電子顕微鏡
写真。
FIG. 9 is a scanning electron micrograph showing the particle structure of a fractured surface of an implant material obtained by molding by a uniaxial pressing method and then sintering.

【図10】冷間静水圧法により成形後、焼結して得たイ
ンプラント材料の破断面の粒子構造を示す走査型電子顕
微鏡写真。
FIG. 10 is a scanning electron micrograph showing a particle structure of a fracture surface of an implant material obtained by sintering after molding by a cold isostatic method.

【図11】ホットプレス法により成形・焼結して得たイ
ンプラント材料の破断面の粒子構造を示す走査型電子顕
微鏡写真。
FIG. 11 is a scanning electron micrograph showing the particle structure of a fracture surface of an implant material obtained by molding and sintering by a hot press method.

【図12】実施例3に係るインプラント材料の破断面の
粒子構造を、構成元素のマッピングによって示す走査型
電子顕微鏡写真。
FIG. 12 is a scanning electron micrograph showing the particle structure of the fracture surface of the implant material according to Example 3 by mapping constituent elements.

【図13】図12と同一視野について粒子構造を反射電
子像として示す走査型電子顕微鏡写真。
FIG. 13 is a scanning electron micrograph showing the particle structure as a reflected electron image in the same field of view as in FIG.

【図14】複合粒子のHAP/PSZ重量比と、複合粒
子中のHAP重量に対するインプラント材料に残存する
HAP重量の割合との関係を示すグラフ。
FIG. 14 is a graph showing the relationship between the HAP / PSZ weight ratio of composite particles and the ratio of the weight of HAP remaining in the implant material to the weight of HAP in the composite particles.

【図15】HAP/PSZ重量比とインプラント材料の
破壊靭性値との関係を示すグラフ。
FIG. 15 is a graph showing a relationship between a HAP / PSZ weight ratio and a fracture toughness value of an implant material.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 粉体表面改質装置(ハイブリダイザー) 2 本体ケーシング 3 後部カバー 4 前部カバー 5 ローター 6 衝撃ピン 7 回転軸 8 衝突リング 9 開閉弁 10 弁軸 11 アクチュエータ 12 循環回路 12a 入口 12b 出口 13 原料ホッパー 14 原料供給用シュート 15 開閉弁 16 衝撃室 17 改質粉体排出管 18 バックコレクター 19 プレプロセッサー 20 原料計量フィーダー 21 ジャケット 30 生体親和性を有する粒子(HAP粒子) 31 高靭性材料粉末(PSZ粉末) 32 被覆層(PSZ被覆層) 40 混合粉体 41 複合粒子 50 HAP連続相 51 PSZ連続相 52 HAP不連続相 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Powder surface reforming apparatus (hybridizer) 2 Main body casing 3 Rear cover 4 Front cover 5 Rotor 6 Impact pin 7 Rotating shaft 8 Impact ring 9 Open / close valve 10 Valve shaft 11 Actuator 12 Circulation circuit 12a Inlet 12b Outlet 13 Raw material hopper 14 Material supply chute 15 Open / close valve 16 Impact chamber 17 Modified powder discharge tube 18 Back collector 19 Preprocessor 20 Material measurement feeder 21 Jacket 30 Biocompatible particles (HAP particles) 31 High toughness material powder (PSZ powder) 32 Coating layer (PSZ coating layer) 40 Mixed powder 41 Composite particle 50 HAP continuous phase 51 PSZ continuous phase 52 HAP discontinuous phase

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平5−220177(JP,A) 特開 平3−32676(JP,A) 特開 昭55−8797(JP,A) 特表 平4−504403(JP,A) ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (56) References JP-A-5-220177 (JP, A) JP-A-3-32676 (JP, A) JP-A-55-8797 (JP, A) 504403 (JP, A)

Claims (11)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 高靭性材料から成る連続相中に生体親和
性を有する粒子が分散して不連続相として存在する微細
組織を有することを特徴とする生体硬組織用インプラン
ト材料であり、上記生体親和性を有する各粒子表面に高
靭性材料粒子を食い込ませて被覆しており、この被覆し
た生体親和性粒子が高靭性材料から成る連続相中に分散
していることを特徴とする生体硬組織用インプラント材
料。
1. An implant material for a hard tissue of a living body, characterized in that it has a microstructure in which particles having biocompatibility are dispersed in a continuous phase made of a tough material and present as a discontinuous phase. Biological hard tissue characterized in that high-toughness material particles are coated on the surface of each particle having affinity, and the coated bio-affinity particles are dispersed in a continuous phase composed of a high-toughness material. For implant material.
【請求項2】 高靭性材料が部分安定化ジルコニアおよ
びアルミナの少なくとも一方であることを特徴とする請
求項1記載の生体硬組織用インプラント材料。
2. The implant material for living hard tissue according to claim 1, wherein the high toughness material is at least one of partially stabilized zirconia and alumina.
【請求項3】 高靭性材料がステンレス鋼、チタン、チ
タン合金およびコバルト−クロム合金から選択された少
なくとも一種の金属材料であることを特徴とする請求項
1記載の生体硬組織用インプラント材料。
3. The implant material for living hard tissue according to claim 1, wherein the high toughness material is at least one metal material selected from stainless steel, titanium, a titanium alloy and a cobalt-chromium alloy.
【請求項4】 生体親和性を有する粒子がヒドロキシア
パタイト,リン酸三カルシウムおよびバイオガラスから
選択された少なくとも一種であることを特徴とする請求
項1記載の生体硬組織用インプラント材料。
4. The implant material for living hard tissue according to claim 1, wherein the biocompatible particles are at least one selected from hydroxyapatite, tricalcium phosphate and bioglass.
【請求項5】 高靭性材料の重量割合が20%以上であ
ることを特徴とする請求項1記載の生体硬組織用インプ
ラント材料。
5. The implant material for living hard tissue according to claim 1, wherein the weight ratio of the high toughness material is 20% or more.
【請求項6】 高靭性材料粒子の平均粒径が生体親和性
を有する粒子の平均粒径の1/5以下であることを特徴
とする請求項1記載の生体硬組織用インプラント材料。
6. The implant material for living hard tissue according to claim 1, wherein the average particle size of the high toughness material particles is 1/5 or less of the average particle size of the biocompatible particles.
【請求項7】 生体親和性を有する粒子がインプラント
材料表面に露出していることを特徴とする請求項1記載
の生体硬組織用インプラント材料。
7. The implant material according to claim 1, wherein the biocompatible particles are exposed on the surface of the implant material.
【請求項8】 生体硬組織用インプラント材料が人工骨
または人工歯根であることを特徴とする請求項1記載の
生体硬組織用インプラント材料。
8. The implant material for living hard tissue according to claim 1, wherein the implant material for living hard tissue is an artificial bone or an artificial tooth root.
【請求項9】 高靭性材料から成る連続相中に生体親和
性を有する粒子が分散して不連続相として存在する微細
組織を有する生体硬組織用インプラント材料の製造方法
において、生体親和性を有する粒子表面を高靭性材料粉
末で被覆するように高速気流中衝撃法によって高靭性材
料粉末を固定化処理して複合粒子を調製し、得られた複
合粒子を加圧成形し、この成形体を非酸化性雰囲気中で
焼結することを特徴とする生体硬組織用インプラント材
料の製造方法。
9. A method for producing an implant material for living hard tissue having a fine structure in which particles having biocompatibility are dispersed as a discontinuous phase in a continuous phase made of a high toughness material. The high-toughness material powder is immobilized by a high-speed air current impact method so that the particle surface is coated with the high-toughness material powder to prepare composite particles. A method for producing an implant material for living hard tissue, comprising sintering in an oxidizing atmosphere.
【請求項10】 高靭性材料粉末の平均粒径を、生体親
和性を有する粒子の平均粒径の1/5以下に設定するこ
とを特徴とする請求項9記載の生体硬組織用インプラン
ト材料の製造方法。
10. The implant material for living body hard tissue according to claim 9, wherein the average particle size of the high toughness material powder is set to 1/5 or less of the average particle size of the particles having biocompatibility. Production method.
【請求項11】 複合粒子の加圧成形操作および焼結操
作をホットプレス法により同時に実施することを特徴と
する請求項9記載の生体硬組織用インプラント材料の製
造方法。
11. The method for producing an implant material for living hard tissue according to claim 9, wherein the pressure molding operation and the sintering operation of the composite particles are simultaneously performed by a hot press method.
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