JP3670755B2

JP3670755B2 - リン酸カルシウム系皮膜の形成方法

Info

Publication number: JP3670755B2
Application number: JP09337596A
Authority: JP
Inventors: 康之水嶋; 勝也山際; 雅彦奥山
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 1996-03-21
Filing date: 1996-03-21
Publication date: 2005-07-13
Anticipated expiration: 2016-03-21
Also published as: JPH09255317A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特定の非酸化性の塩とキレート化剤、又はキレート化合物を使用して、金属基材の表面にリン酸カルシウム系の皮膜を形成する方法に関する。本発明の方法は、特に、上記金属基材が生体内硬組織代替部材である場合に好適であり、優れた強度と生体活性とを併せ有する、人工骨、人工歯根、人工関節等を得ることができる。
【０００２】
【従来の技術】
リン酸カルシウム化合物は生体活性に優れ、その焼結体は生体の骨と化学的に結合、又は骨に置換される材料であることが知られている。しかし、生体内硬組織代替材料としては、その強度、靱性、耐摩耗性等が十分ではない。一方、チタン、ステンレス鋼等、金属材料も生体内硬組織代替部材として使用されており、強度等は優れるものの、生体不活性である。そのため、チタン等からなる生体内硬組織代替部材の表面に、リン酸カルシウム系の皮膜が形成された、強度、生体活性ともに優れた生体内硬組織代替部材が開発されている。
【０００３】
金属基材の表面に皮膜を形成する方法としては、プラズマ溶射法、ガラス融着法、及びゾルゲル法により得られるスラリーを塗布し、焼成する方法等、各種の方法がある。しかし、プラズマ溶射法では、高温で操作されるため、基材、皮膜の劣化、分解等を生ずることがある。また、ガラス融着法では、基材と皮膜との間に不純物であるガラス相が介在するという問題がある。更に、ゾルゲル法でも、スラリーを塗布した後の焼成工程において、基材表面の酸化劣化等を生ずることが多い。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記問題点を解決するものであり、リン成分、カルシウム成分として非酸化性のものを使用し、且つ中性又は還元性雰囲気下に焼成することにより、特に、チタンのように表面に酸化物、窒化物等が生成し易い金属基材であっても、劣化することがなく、また、基材との密着性に優れた皮膜を形成する方法を提供するものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
第１発明のリン酸カルシウム系皮膜の形成方法は、カルシウムを含む非酸化性の塩と、リンを含む非酸化性の塩と、カルシウムイオン及びリンイオンのうちの少なくとも一方に配位可能なキレート化剤とを溶媒に溶解し、溶液を調製する工程、該溶液を金属基材に塗布する工程、酸化雰囲気下、熱処理する工程、及び中性又は還元性雰囲気下、焼成する工程、を備えることを特徴とする。
【０００６】
また、第２発明のリン酸カルシウム系皮膜の形成方法は、カルシウムを含むキレート化合物とリンを含むキレート化合物、又はカルシウムを含むキレート化合物とリンを含む非酸化性の塩、又はリンを含むキレート化合物とカルシウムを含む非酸化性の塩、を溶媒に溶解し、溶液を調製する工程、該溶液を金属基材に塗布する工程、酸化雰囲気下、熱処理する工程、及び中性又は還元性雰囲気下、焼成する工程、を備えることを特徴とする。
【０００７】
本発明では、上記「カルシウムを含む非酸化性の塩」及び「リンを含む非酸化性の塩」を用いる。上記「カルシウムを含む非酸化性の塩」としては、下記の各種の無機塩及び有機塩を使用することができる。無機塩としては、塩化物、臭化物、ヨウ化物、チオシアン酸塩等が挙げられる。また、有機塩としては、酢酸塩、シュウ酸塩、乳酸塩、酒石酸塩、クエン酸塩、安息香酸塩、イソ酪酸塩及びマレイン酸塩等を用いることができる。
【０００８】
尚、ここで「非酸化性」とは、基材となる金属の酸化劣化を促進させる作用を有さないとの意味である。例えば、生体内硬組織代替部材として多用されるチタンは、ＮＯｘ、オゾン等によって酸化され易く、そのような酸化剤を生成するような塩は使用することができない。チタン等の酸化を生じ易い塩としては、硝酸塩、塩素酸塩、亜塩素酸塩、亜硝酸塩及び亜硫酸塩等が挙げられ、これらの中でも、硝酸塩類はより酸化を生じ易く、特に好ましくない。
【０００９】
上記「キレート化剤」としては、カルシウムイオン、リンイオンに配位可能なものを使用することができる。例えば、ジメチルグリオキシム、ジチゾン、オキシン、アセチルアセトン、グリシン、エチレンジアミン四酢酸（ＥＤＴＡ）及びニトリロ三酢酸等が挙げられる。これらのキレート化剤の中では、溶解度が高く、反応性に優れるＥＤＴＡが特に好ましい。
【００１０】
また、リン酸カルシウム化合物を生成させるための原料として、第１発明では、上記の各塩とキレート化剤とを用いるが、第２発明に記載のものを使用することもできる。即ち、「カルシウムを含むキレート化合物」と「リンを含むキレート化合物」、又はカルシウムを含むキレート化合物とリンを含む非酸化性の塩、又はリンを含むキレート化合物とカルシウムを含む非酸化性の塩、を組み合わせた場合も、第１発明とまったく同様に均質、透明な溶液が得られる。
【００１１】
上記「溶媒」としては、各成分が容易に溶解するものを用いることができる。例えば、メタノール、エタノール等のアルコール類、アセトン、メチルエチルケトン等のケトン類等が挙げられ、特にアルコール類が好ましい。これら有機溶媒は表面張力が小さく、金属基材に対して濡れ易い。そのため、基材に塗布した場合に、特に、表面の凹凸が激しい基材であっても、均一な厚さの皮膜が得られる。また、一般に沸点が低く、基材に塗布した後、加熱、乾燥することにより、容易に気化し、除去することができる。
【００１２】
溶媒としては水を使用することもできる。水の場合も同様に容易にキレート化し、安定なキレート化合物が生成する。また、キレート化合物は有機溶媒の場合と同様に速やかに溶解する。しかし、水は上述の有機溶媒に比べて金属基材に対して濡れ難く、基材に塗布した場合に、特に角部などで皮膜が厚くなったり、不均一となったりすることがある。また、比較的沸点が高いため、乾燥、除去に、より高温、長時間の加熱を要する。
【００１３】
上記「溶液」は、溶媒に各成分を溶解して調製されるが、各成分の添加順序は特に限定はされない。どのような添加順序であっても、容易にキレート化合物が生成し、又はキレート化合物は速やかに溶解し、カルシウム分等の沈殿はまったくなく、均質、透明な溶液となる。この溶液を基材に塗布し、熱処理し、焼成することにより、リン酸カルシウム系皮膜を形成することができる。
【００１４】
溶液中のカルシウムとリンとの原子比（Ｃａ／Ｐ）は、１．４〜１．７５とすることが好ましい。原子比をこの範囲として、６００〜１３００℃の温度範囲で焼成する。これにより、水酸アパタイト相（ＨＡｐ：Ｃａ／Ｐ＝１．６７）が得られ、またリンの量比が高い場合は、第三リン酸カルシウム相（ＴＣＰ：Ｃａ／Ｐ＝１．５）が生成する。このカルシウムとリンとの原子比は、出発原料のＣａ／Ｐ比によって容易に制御することができ、ＨＡｐとＴＣＰとの混合相とすることもできる。
【００１５】
また、溶液中のカルシウムとリンとの合計モル濃度は、０．２５モル／リットル未満とすることが好ましい。このモル濃度が０．２５モル／リットルを越えると、溶液調製時には透明な溶液が得られるものの、濃縮した場合に、結晶が析出したり、表面が白濁したりすることがある。これは熱処理及び焼成工程における不純物相生成の原因となるため好ましくない。このような現象は上記のモル濃度が０．２５モル未満であれば生ずることはない。本発明では、このカルシウムとリンとの合計モル濃度は、さらに低濃度であってもよく、例えば、実施例にあるように０．０５モル／リットル程度でも、実用上は特に問題はない。
【００１６】
尚、上記溶液のｐＨを４以上に保持することが好ましい。ｐＨが４以上であれば、安定な溶液状態が維持される。しかし、ｐＨが４未満になると溶液から結晶が析出することがある。この析出する結晶はＥＤＴＡであるが、ｐＨが低い場合は、錯体の安定度が低下するため析出するものと考えられる。溶液のｐＨは、アルカリ性側へはアンモニア水、酸性側へは塩酸を加えることにより、容易に調整することができる。
【００１７】
上記「金属基材」としては、チタン、チタン合金、ステンレス鋼等からなる基材が挙げられる。この基材は、第４発明のように、予め人口骨、人口歯根、人口関節等、所定の形状に成形された「生体内硬組織代替部材」であることが好ましい。また、生体内硬組織代替部材の場合、金属としては、生体に対する毒性がなく、且つ耐腐食性に優れるチタン及びチタン合金が特に好ましい。
【００１８】
基材に対する溶液の「塗布」は、流延、噴霧、ディッピング、スピニング等の通常の方法によって実施することができる。尚、得られる溶液をそのまま塗布してもよいが、数倍、例えば５〜１５倍程度に濃縮した液を塗布することもできる。このように濃縮液を用いた場合は、皮膜が厚くなり、また緻密になるため好ましい。この濃縮は、１００〜１５０℃で加熱、又は４０〜９０℃で加熱しながら減圧し、溶媒を徐々に除去することにより行うことができる。このようにして濃縮すれば、溶液に沈殿を生ずることはなく、粘度が上昇して、やや粘稠な透明な溶液が得られる。
【００１９】
基材に溶液を塗布した後、これを「酸化雰囲気下」、「熱処理」する。この熱処理は、昇温過程の早い段階で溶媒を除去し、その後、キレート化合物を含む残分から、キレート化合物中の炭素分等の有機物を除いて、リン酸カルシウム化合物を生成させる工程である。酸化雰囲気とは、通常、空気雰囲気である。
【００２０】
また、熱処理の温度は２５０〜５５０℃、特に４５０〜５５０℃の範囲が好ましい。処理温度が２５０℃未満では、有機物を十分に除去できないことがあり好ましくない。有機物は上記の温度の上限の範囲内で十分に除くことができ、上限を越えて高温とした場合、特にチタンを基材とする場合は、酸化されてしまうため好ましくない。
【００２１】
尚、上記の熱処理において、昇温速度を７℃／分未満、特に５℃／分以下とすることが好ましい。昇温速度をこのような範囲とすることは、特に有機物が除去される温度範囲において重要である。有機物の燃焼除去の工程における昇温速度が７℃／分以上である場合は、皮膜に発泡の痕跡が認められ、１０℃／分以上であると、基材表面に部分的に被覆されていない箇所を生ずることがある。昇温速度を５℃／分以下とすれば、平滑で、且つ緻密な皮膜とすることができる。
【００２２】
熱処理に続いて「中性又は還元性雰囲気下」、「焼成」してリン酸カルシウム系のセラミックスからなる皮膜とする。中性雰囲気とは、第４発明のアルゴン等、不活性ガス雰囲気、窒素ガス雰囲気及び高真空雰囲気などである。また、還元性雰囲気とは、この中性雰囲気中に、通常、２〜５％程度の水素を混在させた雰囲気である。但し、チタンは窒素ガス雰囲気下では窒化チタンが生成するため、アルゴン雰囲気下で焼成することがより好ましい。焼成の温度は６００〜１３００℃、特に７００〜１０００℃の範囲が好ましい。また、焼成の時間は５〜３０分、特に１０〜２０分程度でよく、これによってリン酸カルシウム化合物を十分に焼結させることができる。
【００２３】
チタン等の基材の表面に溶液を塗布して皮膜を形成する場合、通常、一度の塗布では、数百ｎｍ程度の極薄の皮膜しか得られない。しかし、生体硬組織代替部材の用途では、この皮膜の厚さは１μｍ程度は必要とされている。この場合、溶液の塗布及び熱処理の操作を数回繰り返し、その後、焼成を実施することにより、所定厚さの皮膜とすることができる。濃縮溶液を使用すれば、塗布及び熱処理の回数を減らすことができ、実用上、特に効果が大きい。尚、焼成の前後で厚さの変化はほとんどない。
【００２４】
チタン、チタン合金、ステンレス鋼等の金属からなる生体硬組織代替部材は、強度が大きく、毒性もないが、生体活性はない。一方、リン酸カルシウム系セラミックスからなる生体硬組織代替部材は、強度は小さいが、生体活性に優れる。従って、金属基材の表面に上記のようなリン酸カルシウム系セラミックスの皮膜を形成すれば、強度、生体活性ともに優れた生体硬組織代替部材が得られる。本発明の方法では、リン酸カルシウム化合物を生成するための原料として、非酸化性のものを使用している。そのため、チタンのように酸化され易い金属であっても、何ら劣化を生ずることなく、その表面にリン酸カルシウム系皮膜を形成することができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、実施例によって本発明を詳しく説明する。
実施例１
蒸留水１リットル中に、塩化カルシウムを３．１２５×１０^-2モル溶解した。この溶液に、エチレンジアミン四酢酸アンモニウム塩を等モル量添加し、３０分間攪拌し反応させた。この反応溶液にリン酸アンモニウムを１．８７５×１０^-2モル加え（カルシウムとリンとの合計モル濃度；０．０５モル／リットル）、透明溶液となるまで更に攪拌した。
【００２６】
その後、１２０℃に加熱して溶媒を徐々に除去し、１０倍に濃縮し、ｐＨを４．０に調整した。この濃縮溶液中に、チタンの平板からなる基材をディッピングして成膜し、空気雰囲気下、昇温速度５℃／分で５２５℃まで昇温して熱処理した。この成膜と熱処理とを繰り返し行って所定厚さとした後、アルゴン雰囲気下、８００℃で１０分間焼成して皮膜を形成した。
【００２７】
形成された皮膜を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）によって観察したところ、クラック等は認められず、基材との剥離もなく、その表面は平滑であった。図１は、皮膜と基材とのＸ線回折の結果であるが、皮膜の結晶相は分解生成物、基材との反応生成物等の不純物相のないＨＡｐ単相であることが分った。また、基材の結晶相はチタン金属のみであり、チタンの酸化物相は認められなかった。更に、ビッカース圧子埋入試験を行ったが、皮膜の剥離は認められず、密着性は良好であった。
【００２８】
実施例２
塩化カルシウムをチオシアン酸カルシウムに代えた他は、実施例１と同様にして濃縮溶液を調製し、同様にして基材表面に皮膜を形成した。形成された皮膜をＳＥＭによって観察したところ、クラック等は認められず、基材との剥離もなく、その表面は平滑であった。この皮膜の結晶相は分解生成物、基材との反応生成物等の不純物相のないＨＡｐ単相であった。また、基材の結晶相はチタン金属のみであり、チタンの酸化物相は認められなかった。更に、ビッカース圧子埋入試験を行ったが、皮膜の剥離は認められず、密着性は良好であった。
【００２９】
実施例３
基材をＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金の平板とした他は、実施例１と同様にして濃縮溶液を調製し、同様にして基材表面に皮膜を形成した。形成された皮膜をＳＥＭによって観察したところ、クラック等は認められず、基材との剥離もなく、その表面は平滑であった。この皮膜の結晶相は分解生成物、基材との反応生成物等の不純物相のないＨＡｐ単相であった。また、基材の結晶相には酸化物相は認められなかった。更に、ビッカース圧子埋入試験を行ったが、皮膜の剥離は認められず、密着性は良好であった。
【００３０】
比較例１
焼成の雰囲気を空気雰囲気とした他は、実施例１と同様にして濃縮溶液を調製し、同様にして基材表面に皮膜を形成した。その結果、基材の結晶相にはチタン金属の他にチタンの酸化物相が認められた。また、ビッカース圧子埋入試験を行ったところ、チタンの酸化物層からと考えられる剥離が認められた。
【００３１】
比較例２
塩化カルシウムを硝酸カルシウムに代えた他は、実施例１と同様にして濃縮溶液を調製し、同様にして基材表面に皮膜を形成した。その結果、基材表面に変色が認められた。これはチタンが僅かではあるが酸化したためである。このようにアルゴン雰囲気下に焼成したにもかかわらず酸化を生じたのは、熱処理工程において、カルシウム成分として使用した硝酸カルシウムから発生したＮＯｘが原因であると考えられる。
【００３２】
【発明の効果】
第１発明及び第２発明では、リン成分及びカルシウム成分として非酸化性のものを使用している。そのため、キレート化合物中の炭素分等の有機物を加熱、除去する工程などにおいて、ＮＯｘ等の酸化性のガスが発生しない。また、特に第３発明のアルゴン等、中性又は還元性雰囲気下に焼成するため、チタンのような酸化され易い基材であっても酸化を生ずることなく、その表面にリン酸カルシウム系皮膜を形成することができる。尚、第４発明のように、基材が生体内硬組織代替部材である場合には、強度が大きく、且つ生体活性に優れた部材を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１における、チタンの表面に形成されたＨＡｐ相のＸ線回折の結果を表すチャートである。
【図２】比較例１における、チタンの表面に形成されたＨＡｐ相のＸ線回折の結果を表すチャートである。

Claims

カルシウムを含む非酸化性の塩と、リンを含む非酸化性の塩と、カルシウムイオン及びリンイオンのうちの少なくとも一方に配位可能なキレート化剤とを溶媒に溶解し、溶液を調製する工程、該溶液を金属基材に塗布する工程、酸化雰囲気下、熱処理する工程、及び中性又は還元性雰囲気下、焼成する工程、を備えることを特徴とするリン酸カルシウム系皮膜の形成方法。
カルシウムを含むキレート化合物とリンを含むキレート化合物、又はカルシウムを含むキレート化合物とリンを含む非酸化性の塩、又はリンを含むキレート化合物とカルシウムを含む非酸化性の塩、を溶媒に溶解し、溶液を調製する工程、該溶液を金属基材に塗布する工程、酸化雰囲気下、熱処理する工程、及び中性又は還元性雰囲気下、焼成する工程、を備えることを特徴とするリン酸カルシウム系皮膜の形成方法。
上記中性雰囲気は、アルゴン雰囲気である請求項１又は２記載のリン酸カルシウム系皮膜の形成方法。
上記金属基材は、生体内硬組織代替部材である請求項１乃至３のいずれか１項に記載のリン酸カルシウム系皮膜の形成方法。
上記リンを含む非酸化性の塩がリン酸塩である請求項１乃至４のいずれか１項に記載のリン酸カルシウム系皮膜の形成方法。
上記リンを含む非酸化性の塩がリン酸アンモニウムである請求項１乃至４のいずれか１項に記載のリン酸カルシウム系皮膜の形成方法。