JP3199462B2 - 生体補綴部材 - Google Patents

生体補綴部材

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JP3199462B2 JP17306992A JP17306992A JP3199462B2 JP 3199462 B2 JP3199462 B2 JP 3199462B2 JP 17306992 A JP17306992 A JP 17306992A JP 17306992 A JP17306992 A JP 17306992A JP 3199462 B2 JP3199462 B2 JP 3199462B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、疾病、災害などによ
り、骨機能や、手足の関節機能が失われた場合、これら
を修復する為に用いられる整形外科用人工骨及び人工関
節、あるいは老齢、疾病などによって、失われた歯牙を
再建する為に用いられる人工歯根等を構成する生体補綴
部材に関するものである。
【0002】
【従来の技術】アルミナよりなり生体補綴部材を構成す
る下地表面に、ポーラスアルミナあるいはアルミナビー
ズよりなる多孔質部を備える生体補綴部材が、従来よ
り、骨内インプラントとして使用されている。このう
ち、接合層としてガラス材料を用いるものは、ガラスの
体液中での溶出量が大きく、溶出したガラス成分の生体
組織への影響が問題となっていた。
【0003】これに対し、接合層にガラス材料を用いな
いものとして、アルミナよりなる下地1に、アルミナの
ペーストあるいはスラリーを接合層3として、図6に示
す如くポーラスアルミナを焼結一体化した多孔質部2を
具備してなる生体補綴部材、あるいは、図7に示す如
く、同様にアルミナビーズを焼結一体化した多孔質部2
を具備してなる生体補綴部材が用いられた。これらは、
下地1、多孔質部2、接合層3、それぞれの原料とし
て、平均粒子径がほぼ等しいアルミナ粉末を用い、上記
下地1と接合層3を構成するアルミナ粒子の平均粒子径
もほぼ等しい生体補綴部材であった。
【0004】このような生体補綴部材は、骨内に埋入さ
れると、上記多孔質部3の細孔内へ骨組織が増殖侵入
し、骨と比較的強固に結合し、更に、これらの生体補綴
部材の表面にアパタイトなどの生体活性材料をコートす
れば、この生体活性材料が骨組織の増殖侵入を促進し、
より早期に生体補綴部材と骨との固定が実現されるもの
であった。
【0005】また、生体補綴部材と骨との固定の為にP
MMA系のボーンセメントを用いることも多く、そのよ
うな場合でも上述の生体補綴部材は、上記の細孔とボー
ンセメントとのアンカリング効果によりボーンセメント
との接合力が大きいという効果があった。
【0006】
【従来技術の課題】しかしながら、上記従来の生体補綴
部材は、上記多孔質部と下地との接合力が不十分である
という不具合があった。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
本発明の生体補綴部材は、アルミナよりなる下地の少な
くとも骨と接触する部位に、アルミナよりなる接合層を
介して、ポーラスアルミナあるいはアルミナビーズを焼
結一体化した多孔質部を具備してなり、焼成後の上記下
地を構成するアルミナ粒子の平均粒子径に対する上記接
合層を構成するアルミナ粒子の平均粒子径の比が1.3
〜2.5であることを特徴とする。
【0008】
【実施例】以下、本発明を実施例により具体的に説明す
る。
【0009】実施例1 表1 に示す比表面積のアルミナ粉末それぞれを用い、生
体補綴部材を構成するための試験片を、以下のように作
製した。なお、上記アルミナ粉末は、非常に微細なもの
であるため、粒子径を実測することができない。そのた
め、原料のアルミナ粉末については比表面積を測定し、
この値をアルミナ粉末粒子径の指標とした。これは、粉
末の粒子径を比表面積から換算する方法が一つではなく
て、いくつの方法もあり、また必ずしも正確でないため
である。したがって、正確さを期するため、以下には原
料粉末の大きさを比表面積(m 2 / g )、焼成したアル
ミナの粒子の大きさを粒子径(μm )で、統一的に示し
た。
【0010】
【表1】
【0011】(1)アルミナ粉末を原料として、表1に
示す焼成温度で平均粒子径800μm、球状のアルミナ
ビーズを作製した。
【0012】(2)アルミナ粉末を2.5ton/ c
で金型成形し、これをさらに表1 に示す温度で焼
成してプレート状の下地1を作製した。
【0013】(3)アルミナ粉末にエタノールとポリエ
チレングリコールを混合し、マグネットスターラーで十
分攪拌して、アルミナスラリーを調整した。
【0014】(4)(3)のアルミナスラリーを注射器
で吸い上げて、(2)の下地1の表面の一部に1cm2
たり0.07mlの割合で滴下した後、乾燥させてエタノール
を揮発させた。
【0015】(5)(4)でアルミナスラリーを滴下し
て乾燥させた下地1の表面に、(1)のアルミナビーズ
を1cm2 当たり150mgを敷き詰め、さらに上記アル
ミナスラリーを注射器で吸い上げ、上記アルミナビーズ
の間隙に、1cm2あたり0.06mlを均一に注入した後、乾
燥させてエタノールを揮発させた。
【0016】(6)(5)でアルミナビーズを充填した
下地1を表1に示す温度で焼成した。
【0017】以上のようにして、図1及び図2のよう
な、下地1の表面に、アルミナスラリーを接合層3と
し、アルミナビーズを焼結一体化した多孔質部2を具備
してなる8群の試験片を作製した。
【0018】次に、この8群の試験片のうち図1のよう
な試験片を用い、上記多孔質部2側へ引張応力が発生す
るようにして、3点曲げ試験法で曲げ強度を評価した。
なお、この時、断面係数は、多孔質部2を除く部分の断
面について算定した。以上の測定結果を表1に示した。
【0019】また、図2のような試験片の多孔質部2を
エポキシ樹脂で固定して、これを多孔質部2を接合して
いる下地1の面と水平な方向に押し剥がし、その押し剥
がし荷重とエポキシ樹脂で固定した面積から剪断強度を
評価した。
【0020】さらに、これらの試験片の多孔質部2、接
合層3、下地1を構成するアルミナ粒子の平均粒子径を
ASTMF603に準拠した方法で測定し、下地1を構成するア
ルミナ粒子の平均粒子径に対する接合層3を構成するア
ルミナ粒子の平均粒子径の比(以下、平均粒子径比と略
称する)を求めた。その結果を表1に示す。
【0021】また、平均粒子径比と曲げ強度及び剪断強
度の相関関係をまとめたものを表2に示し、また上記接
合層3の焼成温度と平均粒子径比、曲げ強度及び剪断強
度の相関関係を示すグラフを図3に示した。
【0022】
【表2】
【0023】表2より明らかなように、平均粒子径比が
1.3 以上が好ましいことが判った。
【0024】平均粒子径比が1.3 より小さくては曲げ強
度、剪断強度ともに十分ではない。また、表2に示すよ
うに曲げ強度と剪断強度はともに、上記平均粒子径比が
大きくなるにしたがって大きくなることが判った。
【0025】次に、試験片の焼結温度と上記平均粒子径
比について注目して見ると、図3に示す如く、平均粒子
径比は温度を1300, 1400, 1500, 1550度と上げていくに
つれ大きくなり、1550度で最大となり、1600, 1700度と
上げると小さくなったことが判る。また、曲げ強度、剪
断強度ともに、接合層3の焼結温度に対して平均粒子径
比の場合と全く同様な相関関係を持っていることが判っ
た。
【0026】このような平均粒子径比の上記接合層3の
焼成温度との相関関係は次のように理解される。接合層
3の原料として比表面積が15/mg と大きく、焼結性の良
いアルミナを使っている為に、1300℃からすでに接合層
3を構成するアルミナ粒子の成長が開始している。一
方、下地1は原料として比較的比表面積が小さなアルミ
ナ粉末を使っている為、1300〜1550℃の温度領域では下
地1を構成するアルミナ粒子がほとんと成長せず、それ
故、上記平均粒子径比は温度上昇にともなって増加し続
ける。しかし、1550℃より高温では接合層3を構成する
アルミナ粒子の成長度合が鈍るのに対し、下地1を構成
するアルミナ粒子の成長が始まる為、温度上昇に伴って
平均粒子径比が低下する。
【0027】また、上述のような曲げ強度と上記接合層
3の焼結温度との相関関係は、次のように理解される。
焼成温度、1300〜1550℃の範囲において、接合層3内で
は温度の上昇に従ってアルミナ粒子が成長し、ボイドな
どの欠陥の密度が減少し、また、平均粒子径比が大きく
なるに従って、接合層3で発生したクラックが接合層3
と下地1との界面を通過しようとする際の抵抗力が大き
くなるため、曲げ強度が大きくなる。
【0028】しかし、焼成温度が1550℃を越えると、上
記接合層3内での欠陥密度の減少率も鈍り、また上述し
たように平均粒子径比も減少していくため、接合層3と
下地1との界面での上記のクラックに対する抵抗力は小
さくなり、さらに、もともと欠陥密度が極めて低い、下
地1を構成するアルミナ粒子が成長して、下地1自体の
強度が低下するため、曲げ強度は小さくなる。
【0029】また、上述のような剪断強度との上記接合
層3の焼成温度との相関関係は次のように理解される。
焼成温度が1300〜1550℃の範囲において、接合層3内で
は温度の上昇に従ってアルミナ粒子が成長し、下地1と
の界面における、ボイドなどの欠陥の密度が減少するの
で、接合層3と下地1がより密に接することとなり、付
着力は大きくなる。しかし、1550℃を越えると接合層3
が過剰焼結し、該接合層3自体の強度が低下するので、
接合層3の内部から剪断が発生する。
【0030】以上の理由で、平均粒子径比と曲げ強度、
剪断強度は、ほぼ比例し、両強度ともに平均粒子径比が
最大の時に最大となった。
【0031】実施例2 表3に示す比表面積のアルミナ粉末それぞれを用いて、
生体補綴部材を構成するための試験片を、以下のように
作製した。
【0032】
【表3】
【0033】(1)アルミナ粉末を有機バインダー及び
水に練和し、これに平均粒子径約150〜200 μm
のナフタリンの粒子を混ぜ、成形圧力1.5 ton/ cm 2
金型成形し、プレート状のグリーンシートを作製した。
【0034】(2)アルミナ粉末を2.5ton/ cm 2で金型
成形し、さらにこれを表3に示す焼成してプレート状の
下地1(図1参照)を作製した。
【0035】(3)アルミナ粉末の重量1に対し、グリ
セリンの重量0.4 を混ぜ、これを練和してアルミナペー
ストを調整した。
【0036】次に、(3)のアルミナペーストを接合層
3とし、(1)のグリーンシートの一面に塗布し、この
一面を上記下地1に貼り付けた後、これを焼成した。
【0037】以上のようにして、図4及び図5に示すよ
うな、下地1に焼結ポーラスアルミナを焼結一体化した
多孔質部2を具備してなる、8群の試験片を作製した。
【0038】次に、この8群の試験片のうち図1のよう
な試験片を用い、実施例1の方法で曲げ強度を評価し
た。また、図2のような試験片を用いて剪断強度を評価
した。
【0039】さらに、これらの試験片の多孔質部2、接
合層3、下地1を構成するアルミナ粒子の平均粒子径を
ASTMF603に準拠した方法で測定し、平均粒子径比を求め
た。その結果を表3に示す。
【0040】表3から明らかなように、下地1 の原料粉
末の比表面積に対する接合層3 の原料粉末の比表面積の
比( 以下、比表面積比と略称する) が1.5 以上の時、平
均粒子径比がほぼ最大となる温度: (下地1 の原料粉末
の比表面積が3m 2 / g のとき1700℃ 、同比表面積が
6 m 2 / g のとき1550℃、同比表面積が9 m 2 / g のと
き1400℃) で焼成した試験片の平均粒子径比は1.3 以上
となり、かつ該試験片は大きな曲げ強度及び剪断強度を
示した。
【0041】なお、アルミナを焼結させる為には、原料
粉末の比表面積が3 〜15m 2 /gであることが必要であ
り、したがって、上記比表面積比は最大で約5倍とな
る。表3が示すとおり、比表面積比の値が5の時、平均
粒子径比は2.5であった。
【0042】以上より、平均粒子径比が1.3 〜2.5 、ま
た原料粉末の上記比表面積比が1.5〜5.0 であることが
好ましいことが判った。
【0043】
【発明の効果】上述のように、本発明の生体補綴部材
は、アルミナよりなる下地の少なくとも骨と接触する部
位に、アルミナよりなる接合層を介して、ポーラスアル
ミナあるいはアルミナビーズを焼結一体化した多孔質部
を具備してなり、焼成後の上記下地を構成するアルミナ
粒子の平均粒子径に対する上記接合層を構成するアルミ
ナ粒子の平均粒子径の比が1.3〜2.5であることに
より、大きな曲げ強度、並びに、下地とポーラスアルミ
ナあるいはアルミナビーズとの間の大きな剪断強度を有
する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明実施例において曲げ強度を測定するのに
供した、アルミナビーズよりなる多孔質部を具備してな
る試験片の要部断面斜視図である。
【図2】本発明実施例において剪断強度を測定するのに
供した、アルミナビーズよりなる多孔質部を具備してな
る試験片の要部断面斜視図である。
【図3】(a)は表3に示す実験結果について、試験片
の焼結温度と平均粒子径比の相関関係を示すグラフ、
(b)は試験片の焼結温度と曲げ強度及び剪断強度との
相関関係を示すグラフである。
【図4】本発明実施例において曲げ強度を測定するのに
供した、ポーラスアルミナよりなる多孔質部を具備して
なる試験片の要部断面斜視図である。
【図5】本発明実施例において剪断強度を測定するのに
供した、ポーラスアルミナよりなる多孔質部を具備する
試験片の要部断面斜視図である。
【図6】ポーラスアルミナよりなる多孔質部を具備して
なる、従来の生体補綴部材の斜視図である。
【図7】アルミナビーズよりなる多孔質部を具備してな
る、従来の生体補綴部材の斜視図である。
【符号の説明】
1 下地 2 多孔質部 3 接合層 4 アルミナビーズ

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】アルミナよりなる下地の少なくとも骨と接
    触する部位に、アルミナよりなる接合層を介して、ポー
    ラスアルミナあるいはアルミナビーズを焼結一体化した
    多孔質部を具備してな焼成後の上記下地を構成する
    アルミナ粒子の平均粒子径に対する上記接合層を構成す
    るアルミナ粒子の平均粒子径の比が1.3〜2.5であ
    ることを特徴とする生体補綴部材。
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