JP3725935B2 - Method for producing calcium phosphate ceramics - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特定のキレート化剤を使用して、リン酸カルシウム系セラミックスを製造する方法に関する。本発明の方法によって得られるリン酸カルシウム系セラミックスは、人工骨、人工歯根、人工関節等の生体硬組織代替材料として使用することができる。また、チタン、アルミナ等からなる強度の大きい生体硬組織代替部材の表面にコーティングし、それらの生体活性を向上させることもできる。
【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。そして、この化合物は、液相からの析出法、ゾルゲル法等、種々の方法によって合成されている。このゾルゲル法は、低温でアパタイト等の目的とするセラミックスを得ることができること、及び液状であるためコーティングが容易であり、線材化等の形状付与性にも優れるなど、利点も多い。
【0003】
しかし、一般に、ゾルゲル法では、特に多成分系の場合など、いかにして各成分の加水分解の速度を制御するかが大きな問題となる。リン酸カルシウム化合物を生成させる場合、カルシウムのアルコキシドは加水分解が速く、リンのアルコキシドは非常に遅い。そのため、カルシウム分は速やかに沈降し、リン分は液中に残ってしまうことになり、目的とする組成比率のものを得ることは非常に難しい。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
本発明では、上記問題点が解決され、リンを含むキレート化剤を使用することにより、カルシウムとリンとを含むキレート化合物が溶解した、均質且つ安定な溶液を容易に調製することができる。本発明は、この溶液を乾燥し、焼成して、リン酸カルシウム系セラミックスを製造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セラミックスの製造方法は、カルシウムを含む塩と、リンを含むキレート化剤とを溶媒に溶かして溶液を調製する工程、該溶液を乾燥して上記溶媒を除去する工程、及びこの溶媒が除去された残分を焼成する工程、を備えることを特徴とする。
【0006】
第2発明のリン酸カルシウム系セラミックスの製造方法は、カルシウムを含む塩と、リンを含むキレート化剤とを溶媒に溶かして溶液を調製する工程、該溶液を乾燥して上記溶媒を除去する工程、この溶媒が除去された残分を熱処理して、リン酸カルシウム化合物を生成させる工程、及び該リン酸カルシウム化合物を焼成する工程、を備えることを特徴とする。
【0007】
上記「カルシウムを含む塩」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、硝酸塩、塩化物、臭化物、ヨウ化物、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。但し、炭酸塩、硫酸塩等の水などの溶媒に溶け難い塩ではキレート化反応が遅く、好ましくない。
【0008】
上記「リンを含むキレート化剤」としては、例えば、1−ヒドロキシエタン−1,1−ビスホスホン酸、メチレンジホスホン酸、メチルホスホン酸、プロパン−1,2−ジホスホン酸、ニトリロ−トリ−(メチレンホスホン酸)、ブタン−1,4−ジホスホン酸、N−(カルボキシメチル)イミノビス−(メチルホスホン酸)及びN−エチルイミノビス−(メチルホスホン酸)等のホスホン酸類が挙げられる。
【0009】
また、ホスホノメチルイミノジ酢酸、N−2−ホスホノエチルイミノジ酢酸、リン酸−1−グルコース、リン酸水素フルクトース及びリン酸−1−グリセロール等を用いることもできる。この他、2以上のリン原子を含む複合リン化合物なども、リンを含むキレート化剤であれば、いずれも使用することができ、特に限定はされない。
【0010】
上記「溶媒」としては、カルシウムを含む塩と、リンを含むキレート化剤とを溶解するものであればいずれも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などが挙げられ、特にアルコール類が好ましい。これら有機溶媒は水に比べて表面張力が小さく、金属、セラミックス等の基材に対して濡れ易い。そのため、これら基材にコーティングした場合に、特に、表面の凹凸が激しい基材であっても、均一な厚さの被膜が得られる。また、一般に沸点が低く、基材にコーティングした後、加熱することにより、容易に除去することができる。
【0011】
溶媒としては水を使用することもできる。水の場合も容易にキレート化し、安定なキレート化合物が生成する。しかし、水は金属に対して濡れ難く、これら基材にコーティングした場合に、特に角部などで被膜が厚くなったり、不均一となったりすることがある。また、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。
【0012】
上記「溶液」は、通常、溶媒にカルシウムを含む塩を溶解し、その後、リンを含むキレート化剤を添加して調製される。そして、カルシウムイオンにリン酸部分が配位した、安定なキレート化合物が速やかに生成する。また、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「乾燥」し、「焼成」することにより、リン酸カルシウム系セラミックスが得られる。乾燥条件は溶媒の沸点等によって適宜設定すればよく、水のように比較的沸点の高い溶媒では、減圧乾燥なども効果的である。
【0013】
焼成条件は第2発明に記載の熱処理の有無によって異なる。この「熱処理」は、溶媒を除去した後の「残分」(これは実質的にその全量がキレート化合物である。)から有機分(キレート化合物中の炭素分等)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。熱処理の条件は、第3発明に特定する範囲が好ましく、処理温度が250℃未満、又は処理時間が5分未満では、有機分を十分に除去できないことがあり、好ましくない。また、温度、時間の上限の範囲内で十分に有機分を除くことができ、上限を越えて熱処理した場合、特にチタン等の金属よりなる基材では、基材が酸化されることがあるため好ましくない。
【0014】
上記の熱処理工程を別途設けない場合は、有機分を除くためもあって、空気等、酸化雰囲気下に、600〜1300℃、特に700〜1000℃の温度で、30分間から2時間程度焼成する必要がある。この方法では、酸化雰囲気下、高温に晒されるため、例えばチタン等の酸化され易い基材にコーティングする場合には適用できない。しかし、アルミナ等、酸化の問題のない基材には適用することができる。また、基材にコーティングするのではなく、リン酸カルシウム化合物のみを、適宜形状に成形した後、焼成する場合にも、この方法で実施することができる。
【0015】
一方、上記の熱処理を施した場合は、焼成は酸化雰囲気である必要がないため、アルゴン、窒素等の不活性雰囲気、又は高真空中で実施することができる。そのため、チタン等の酸化され易い基材であっても、その表面にコーティングした後、焼成することができる。但し、チタンは窒素雰囲気下では窒化チタンが生成するため、アルゴン等の稀ガス雰囲気下、又は高真空中などで焼成することが好ましい。また、焼成の温度は上記と同程度とすることができ、焼成の時間は5〜30分、特に7〜15分程度と、熱処理をしない場合に比べて短時間とすることもできる。
【0016】
チタン等の基材の表面にコーティングして被膜を形成する場合、通常、一度のコーティングでは、数百nm程度の極薄の被膜しか得られない。しかし、生体硬組織代替部材の用途においては、数百nm程度の被膜では、骨が形成される前に被膜が溶けてしまう可能性がある。そこで、溶液のコーティング、乾燥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、所定厚さの被膜としている。
【0017】
尚、上記の溶液には、第4発明のように、塩に含まれるカルシウム1モルに対して0.1〜10モルの酸を添加することが好ましい。これによって溶液は長期間に渡って均質且つ安定に保たれ、相分離、沈殿等を生ずることがない。酸としては硝酸、塩酸等の無機酸、酢酸、シュウ酸等の有機酸が挙げられ、酸の種類によって添加量を適宜調整すればよい。
【0018】
上記の酸は、通常、塩とキレート化剤とを溶媒に溶かした後添加される。酸の添加量が0.1モル未満では溶液を安定にする効果が不十分である。添加量が10モルを越えると、酸性が強くなりすぎ、被膜が潮解性となったり、熱処理時に発生する塩素ガス等により被膜が発泡することがある。また、チタンを基材とした場合は酸化の原因ともなる。この添加量は0.3〜5モル、特に0.5〜3モル程度が好ましく、この範囲であれば溶液はより安定なものとなる。
【0019】
更に、第5発明のように、ジオールも溶液をより安定なものとする効果がある。ジオールの場合、添加量は溶媒1モルに対して0.01〜10モルの範囲である。ジオールとしては比較的低分子量のエチレングリコール、プロピレングリコール、ブチレングリコール等を使用することができる。
【0020】
ジオールの添加量が0.01モル未満では安定化の効果が十分ではなく、10モルを越えると乾燥し難くなるため好ましくない。この添加量は0.1〜5モル、特に0.2〜3モル程度が好ましく、この範囲であれば溶液はより安定なものとなる。このジオールは上記の酸と同様に塩とキレート化剤とを溶媒に溶かした後添加してもよいし、予め溶媒に混合しておいてもよい。
【0021】
尚、上記の酸とジオールとは、それぞれ単独で使用してもよいし、両者を併用してもよい。併用する場合、その添加量は、それぞれを単独で使用する場合の範囲と同程度であればよいが、特に、酸を0.3〜5モル、ジオールを0.1〜5モル程度とすることが好ましい。
【0022】
また、溶液中のカルシウムとリンとの原子比(Ca/P)は、1.40〜1.75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)が得られる。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。
【0023】
本発明では、前記のように、溶液をそのまま乾燥し、成形した後、焼成して、リン酸カルシウム系セラミックスとすることができ、生体活性に優れた生体硬組織代替部材等を得ることができる。また、溶液を金属又はリン酸カルシウム系以外のセラミックスからなる生体硬組織代替部材の表面に、塗布、噴霧等の方法によってコーティングし、乾燥し、焼成することもできる。これにより、金属等の生体硬組織代替部材の表面にリン酸カルシウム系セラミックスからなる被膜が形成された生体硬組織代替部材が得られる。
【0024】
チタン、チタン合金、ステンレス鋼等の金属、又はアルミナ、ジルコニア等のセラミックスなど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、生体活性に乏しい。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、上記のような被膜を形成すれば、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、カルシウムとリンとを含むキレート化合物を溶解して、均質且つ安定な溶液が得られる。そのため、均一な厚さの被膜を容易に形成することができ、優れた性能の生体硬組織代替部材を得ることができる。
【0025】
本発明では、リンを含むキレート化剤を使用しているため、カルシウムとリンとの組成比の制御が極めて容易である。そのため、溶液から溶媒及び有機分を除去して得られるリン酸カルシウム化合物の均質性が高く、高純度である。従来、このリン酸カルシウム化合物は、例えば、ゾルゲル法によって得られていた。この方法は、水を添加し、部分的に加水分解させながら、安定なゾル状態としてコーティングなどに供するものである。しかし、特に加水分解速度の異なる多成分系では、ゾルゲルの安定化は難しく、均質な被膜は得られ難い。
【0026】
また、従来、溶液法では、通常のキレート化剤、例えば、エチレンジアミン四酢酸(EDTA)が用いられていた。このEDTAでは、有機分が多く、これを除去するためには酸化雰囲気下、500〜600℃の高温での加熱が必要である。しかし、生体硬組織代替部材として特に多用されているチタンは、この温度では相当に酸化されてしまうため、チタンのコーティングに適用することは難しい。
【0027】
その他、EDTAは有機溶媒に溶けないため、均質な被膜を形成することが難しいという問題もある。尚、EDTAにはカルシウムもリンも含まれておらず、安定な溶液を形成するためにのみ使用されるものである。一方、本発明において使用するリンを含むキレート化剤は、そのものにリン酸カルシウム化合物を構成する元素が含まれており、この点においても有利である。更に、操作性にも優れ、特殊な装置を要することなく、不純物相のない均質なリン酸カルシウム系セラミックスを得ることができる。
【0028】
【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。
(1) リン酸カルシウム化合物のみを焼成した例
実施例1
メタノールに硝酸カルシウムを溶解した。これにさらに、溶液中のカルシウムとリンとの原子比(Ca/P)が1.67となるように、1−ヒドロキシエタン−1,1−ビスホスホン酸を加えて(カルシウムとリンとの合計モル濃度;0.05モル/リットル)攪拌した。この溶液を60℃で30分間乾燥してメタノールを除去した。その後、空気雰囲気下、800℃で1時間焼成し、キレート化合物中の有機分を除去するとともに焼結体を得た。得られた焼結体の結晶相は分解生成物等の不純物相のまったくないHAp単相であった。
【0029】
実施例2
硝酸カルシウムを塩化カルシウムに代えた他は実施例1と同様にして焼結体を得た。得られた焼結体の結晶相は分解生成物等の不純物相のまったくない塩素アパタイト単相であった。また、焼成条件を1100℃、1時間とした場合、焼結体の結晶相は不純物相のまったくないHAp単相であった。
【0030】
実施例3
蒸留水に硝酸カルシウムを溶解した。これにさらに、溶液中のカルシウムとリンとの原子比(Ca/P)が1.67となるように、1−ヒドロキシエタン−1,1−ビスホスホン酸を加えて(カルシウムとリンとの合計モル濃度;0.05モル/リットル)攪拌した。この溶液を60℃で30分間乾燥した後、実施例1と同様にして焼成して焼結体を得た。得られた焼結体の結晶相は分解生成物等の不純物相のまったくないHAp単相であった。
【0031】
実施例4
メタノールにチオシアン酸カルシウムを溶解した。これにさらに、溶液中のカルシウムとリンとの原子比(Ca/P)が1.67となるように、1−ヒドロキシエタン−1,1−ビスホスホン酸を加えて(カルシウムとリンとの合計モル濃度;0.05モル/リットル)攪拌した。この溶液を実施例1と同様にして乾燥した後、焼成して焼結体を得た。得られた焼結体の結晶相は分解生成物等の不純物相のまったくないHAp単相であった。
【0032】
実施例5
メタノールに硝酸カルシウムを溶解した。これにさらに、溶液中のカルシウムとリンとの原子比(CA/P)が1.67となるように、メチレンジホスホン酸を加えて(カルシウムとリンとの合計モル濃度;0.05モル/リットル)攪拌した。この溶液を実施例1と同様にして乾燥した後、焼成して焼結体を得た。得られた焼結体の結晶相は分解生成物等の不純物相のまったくないHAp単相であった。
【0033】
(2) 溶液を基材にコーティングし、焼成した例
実施例6
メタノールに硝酸カルシウムを溶解した。これにさらに、溶液中のカルシウムとリンとの原子比(Ca/P)が1.67となるように、1−ヒドロキシエタン−1,1−ビスホスホン酸を加えて(カルシウムとリンとの合計モル濃度;0.05モル/リットル)攪拌した。その後、この溶液をチタンよりなる基材の表面にコーティングし、実施例1と同様にして乾燥した。その後、空気雰囲気下、350℃で10分間熱処理してキレート化合物中の有機分を除去した。次いで、アルゴン雰囲気下、800℃で10分間焼成した。形成された被膜には残炭がなく、またクラックも観察されなかった。
【0034】
図1は、このチタンの表面に形成された被膜のX線回折の結果である。それによれば、結晶相は分解生成物等の不純物相のまったくないHAp単相であることが分かる。また、チタンについても、熱処理温度が低いため、チタンの酸化物相はまったく認められなかった。
【0035】
実施例7
チタンに代えてアルミナを使用し、焼成雰囲気を空気雰囲気とした他は、実施例6と同様にして被膜を形成した。この被膜には残炭がなく、またクラックも観察されなかった。尚、結晶相は分解生成物等の不純物相のないHAp単相であり、アルミナとの反応物相も認められなかった。
【0036】
実施例8
チタンに代えてTi−6Al−4V合金を使用した他は、実施例6と同様にして被膜を形成した。この被膜には残炭がなく、またクラックも観察されなかった。尚、結晶相は分解生成物等の不純物相のないHAp単相であり、合金との反応物相も認められなかった。
【0037】
(3) 系にさらに酸又はジオールを共存させた例
実施例9
メタノールに硝酸カルシウムを溶解した。これにさらに、溶液中のカルシウムとリンとの原子比(Ca/P)が1.67となるように、1−ヒドロキシエタン−1,1−ビスホスホン酸を加えて(カルシウムとリンとの合計モル濃度;0.05モル/リットル)攪拌した。これにさらに硝酸をカルシウム1モルに対して0.75モル添加した。この溶液を実施例1と同様にして乾燥した後、焼成して焼結体を得た。得られた焼結体の結晶相は分解生成物等の不純物相のないHAp単相であった。また、乾燥前の溶液は長期間に渡り安定であった。
【0038】
実施例10
メタノールとエチレングリコールとの混合溶媒(容量比で8/2)に硝酸カルシウムを溶解した。これにさらに、溶液中のカルシウムとリンとの原子比(Ca/P)が1.67となるように、1−ヒドロキシエタン−1,1−ビスホスホン酸を加えて(カルシウムとリンとの合計モル濃度;0.05モル/リットル)攪拌した。この溶液を実施例1と同様にして乾燥した後、焼成して焼結体を得た。得られた焼結体の結晶相は分解生成物等の不純物相のないHAp単相であった。また、乾燥前の溶液は長期間に渡り安定であった。
【0039】
比較例1
メタノールにカルシウムエトキシドを溶解した。この溶液にリン酸トリエチルを加え、さらにメタノールで希釈した水を徐々に加えて部分的に加水分解させた。その結果、カルシウム分のみが沈降し、相分離を生じてしまった。
【0040】
【発明の効果】
第1発明及び第2発明によれば、カルシウムとリンとを含むキレート化合物が溶解した安定な溶液を容易に調製することができる。しかも、使用するキレート化剤は、有機溶媒に可溶であり、且つ有機分が少ない。そのため、上記溶液から、均質なリン酸カルシウム系セラミックスを容易に得ることができる。また、チタン、アルミナ等からなる生体硬組織代替部材の表面に、上記セラミックスからなる被膜を形成することにより、強度が大きく、且つ生体活性に優れた生体硬組織代替部材を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例6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。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for producing a calcium phosphate ceramic using a specific chelating agent. The calcium phosphate ceramics obtained by the method of the present invention can be used as a substitute for living hard tissues such as artificial bones, artificial tooth roots, and artificial joints. Moreover, it can coat on the surface of a bio-hard tissue substitute member having a high strength made of titanium, alumina or the like to improve their bioactivity.
[0002]
[Prior art]
It is known that a calcium phosphate compound is excellent in biological activity, and its sintered body is a material that is chemically bonded to or replaced by bone in the living body. And this compound is synthesize | combined by various methods, such as the precipitation method from a liquid phase, the sol gel method. This sol-gel method has many advantages such as the ability to obtain target ceramics such as apatite at a low temperature, and since it is liquid, it is easy to coat and is excellent in shape imparting properties such as wire formation.
[0003]
However, in general, in the sol-gel method, especially in the case of a multi-component system, how to control the hydrolysis rate of each component is a big problem. When producing calcium phosphate compounds, calcium alkoxides are rapidly hydrolyzed and phosphorus alkoxides are very slow. Therefore, the calcium content settles quickly, and the phosphorus content remains in the liquid, and it is very difficult to obtain the target composition ratio.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
In the present invention, the above problems are solved, and by using a chelating agent containing phosphorus, a homogeneous and stable solution in which a chelating compound containing calcium and phosphorus is dissolved can be easily prepared. The present invention provides a method for producing a calcium phosphate ceramic by drying and firing this solution.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
The method for producing a calcium phosphate-based ceramic of the first invention includes a step of preparing a solution by dissolving a salt containing calcium and a chelating agent containing phosphorus in a solvent, a step of removing the solvent by drying the solution, and And baking the residue from which the solvent has been removed.
[0006]
The method for producing a calcium phosphate ceramic of the second invention comprises a step of preparing a solution by dissolving a salt containing calcium and a chelating agent containing phosphorus in a solvent, a step of drying the solution and removing the solvent, It comprises heat-treating the residue from which the solvent was removed to produce a calcium phosphate compound, and firing the calcium phosphate compound.
[0007]
As the “salt containing calcium”, the following various inorganic salts and organic salts can be used. Examples of inorganic salts include nitrates, chlorides, bromides, iodides, chlorates, chlorites, nitrites and sulfites. As the organic salt, acetate, oxalate, lactate, tartrate, citrate, benzoate, isobutyrate, maleate and the like can be used. However, a salt that is hardly soluble in a solvent such as water, such as carbonate and sulfate, is not preferable because the chelation reaction is slow.
[0008]
Examples of the above-mentioned “chelating agent containing phosphorus” include 1-hydroxyethane-1,1-bisphosphonic acid, methylenediphosphonic acid, methylphosphonic acid, propane-1,2-diphosphonic acid, nitrilo-tri- (methylenephosphonic Acid), butane-1,4-diphosphonic acid, N- (carboxymethyl) iminobis- (methylphosphonic acid) and N-ethyliminobis- (methylphosphonic acid).
[0009]
Further, phosphonomethyliminodiacetic acid, N-2-phosphonoethyliminodiacetic acid, phosphoric acid-1-glucose, hydrogen phosphate fructose, phosphoric acid-1-glycerol and the like can also be used. In addition, any complex phosphorus compound containing two or more phosphorus atoms can be used as long as it is a chelating agent containing phosphorus, and is not particularly limited.
[0010]
As the “solvent”, any solvent that dissolves a salt containing calcium and a chelating agent containing phosphorus can be used. Examples thereof include alcohols such as methanol and ethanol, and ketones such as acetone and methyl ethyl ketone, with alcohols being particularly preferred. These organic solvents have a smaller surface tension than water and are easily wetted with substrates such as metals and ceramics. Therefore, when these substrates are coated, a film having a uniform thickness can be obtained even if the substrate has particularly severe surface irregularities. In general, it has a low boiling point and can be easily removed by heating after coating the substrate.
[0011]
Water can also be used as the solvent. In the case of water, it is easily chelated to produce a stable chelate compound. However, water is difficult to wet with metals, and when these substrates are coated, the film may become thick or uneven, particularly at the corners. In addition, since the boiling point is high, drying and removal require heating at a higher temperature for a longer time.
[0012]
The “solution” is usually prepared by dissolving a salt containing calcium in a solvent and then adding a chelating agent containing phosphorus. And the stable chelate compound which the phosphate part coordinated to calcium ion produces | generates rapidly. Moreover, there is no precipitation of calcium or the like, and a homogeneous and transparent solution is obtained. This solution is “dried” and “fired” to obtain a calcium phosphate ceramic. The drying conditions may be set as appropriate depending on the boiling point of the solvent and the like, and in a solvent having a relatively high boiling point such as water, drying under reduced pressure is also effective.
[0013]
The firing conditions differ depending on the presence or absence of the heat treatment described in the second invention. This “heat treatment” is performed by removing an organic component (such as a carbon component in the chelate compound) from a “residue” (substantially the entire amount is a chelate compound) after removing the solvent, ”Is generated. The heat treatment conditions are preferably in the range specified in the third invention. If the treatment temperature is less than 250 ° C. or the treatment time is less than 5 minutes, the organic component may not be sufficiently removed, which is not preferred. In addition, the organic content can be sufficiently removed within the upper limits of temperature and time, and when the heat treatment is performed beyond the upper limit, the base material may be oxidized particularly in a base material made of a metal such as titanium. It is not preferable.
[0014]
If the above heat treatment step is not provided separately, the organic component may be removed, and baking is performed in an oxidizing atmosphere such as air at a temperature of 600 to 1300 ° C., particularly 700 to 1000 ° C. for 30 minutes to 2 hours. There is a need. Since this method is exposed to a high temperature in an oxidizing atmosphere, it cannot be applied when coating on a substrate that is easily oxidized, such as titanium. However, it can be applied to substrates such as alumina that do not have oxidation problems. Moreover, it is possible to carry out this method even in the case where only the calcium phosphate compound is formed into an appropriate shape and then fired, instead of coating the substrate.
[0015]
On the other hand, when the above heat treatment is performed, the firing does not need to be performed in an oxidizing atmosphere, and thus can be performed in an inert atmosphere such as argon or nitrogen, or in a high vacuum. Therefore, even a base material that is easily oxidized, such as titanium, can be fired after coating on the surface thereof. However, since titanium forms titanium nitride in a nitrogen atmosphere, it is preferably fired in a rare gas atmosphere such as argon or in a high vacuum. Further, the firing temperature can be set to the same level as above, and the firing time can be 5 to 30 minutes, particularly about 7 to 15 minutes, which can be shorter than that in the case where no heat treatment is performed.
[0016]
When a film is formed by coating on the surface of a substrate such as titanium, usually, only a very thin film of about several hundred nm can be obtained by one coating. However, in the use of a bio-hard tissue replacement member, a coating of about several hundred nm may melt before the bone is formed. Therefore, the coating of the solution, drying, and heat treatment are repeated several times, and then baking is performed to form a film with a predetermined thickness.
[0017]
In addition, it is preferable to add 0.1-10 mol acid to said solution with respect to 1 mol of calcium contained in a salt like 4th invention. This keeps the solution homogeneous and stable over a long period of time without causing phase separation, precipitation or the like. Examples of the acid include inorganic acids such as nitric acid and hydrochloric acid, and organic acids such as acetic acid and oxalic acid. The addition amount may be appropriately adjusted depending on the type of acid.
[0018]
The acid is usually added after dissolving the salt and chelating agent in a solvent. If the amount of acid added is less than 0.1 mol, the effect of stabilizing the solution is insufficient. If the amount added exceeds 10 moles, the acidity becomes too strong, the film may become deliquescent, or the film may foam due to chlorine gas generated during heat treatment. Further, when titanium is used as a base material, it also causes oxidation. The added amount is preferably 0.3 to 5 mol, particularly about 0.5 to 3 mol, and the solution becomes more stable within this range.
[0019]
Furthermore, as in the fifth invention, the diol also has the effect of making the solution more stable. In the case of a diol, the addition amount is in the range of 0.01 to 10 mol with respect to 1 mol of the solvent. As the diol, relatively low molecular weight ethylene glycol, propylene glycol, butylene glycol and the like can be used.
[0020]
If the amount of diol added is less than 0.01 mol, the stabilizing effect is not sufficient, and if it exceeds 10 mol, drying is difficult, which is not preferable. This added amount is preferably about 0.1 to 5 mol, particularly about 0.2 to 3 mol, and the solution becomes more stable within this range. This diol may be added after dissolving a salt and a chelating agent in a solvent in the same manner as the above acid, or may be mixed in advance in a solvent.
[0021]
In addition, said acid and diol may each be used independently, and may use both together. When used in combination, the amount added may be about the same as the range when each is used alone, but in particular, the acid should be about 0.3 to 5 mol and the diol should be about 0.1 to 5 mol. Is preferred.
[0022]
Moreover, it is preferable that the atomic ratio (Ca / P) of calcium and phosphorus in the solution is 1.40 to 1.75. Firing is performed in the temperature range of 600 to 1300 ° C. with the atomic ratio in this range. Thereby, a hydroxyapatite phase (HAp: Ca / P = 1.67) is obtained, and when the amount ratio of phosphorus is high, a tertiary calcium phosphate phase (TCP: Ca / P = 1.5) is obtained. . This atomic ratio of calcium and phosphorus can be easily controlled by the Ca / P ratio of the starting material, and can also be a mixed phase of HAp and TCP.
[0023]
In the present invention, as described above, the solution is dried as it is, molded, and then fired to obtain a calcium phosphate ceramic, and a biohard tissue substitute member having excellent bioactivity can be obtained. Alternatively, the solution can be coated on the surface of a living body hard tissue substitute member made of a metal or ceramics other than calcium phosphate by a method such as coating, spraying, drying, and firing. Thereby, the biological hard tissue substitute member by which the film which consists of calcium phosphate ceramics was formed in the surface of biological hard tissue substitute members, such as a metal, is obtained.
[0024]
A bio-hard tissue replacement member made of metal such as titanium, titanium alloy, and stainless steel, or ceramic such as alumina and zirconia has high strength and is not toxic, but has poor bioactivity. On the other hand, the bio-hard tissue substitute member made of calcium phosphate ceramics is low in strength but excellent in bioactivity. Therefore, if the coating film as described above is formed, a biohard tissue substitute member excellent in strength and bioactivity can be obtained. In the method of the present invention, a chelate compound containing calcium and phosphorus is dissolved to obtain a homogeneous and stable solution. Therefore, a uniform-thickness film can be easily formed, and a bio-hard tissue substitute member with excellent performance can be obtained.
[0025]
In the present invention, since a chelating agent containing phosphorus is used, it is very easy to control the composition ratio between calcium and phosphorus. Therefore, the calcium phosphate compound obtained by removing the solvent and organic components from the solution has high homogeneity and high purity. Conventionally, this calcium phosphate compound has been obtained, for example, by a sol-gel method. In this method, water is added and partially hydrolyzed, so that it is provided as a stable sol state for coating or the like. However, especially in a multi-component system having different hydrolysis rates, it is difficult to stabilize the sol-gel and it is difficult to obtain a uniform film.
[0026]
Conventionally, in the solution method, an ordinary chelating agent such as ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA) has been used. This EDTA has a large amount of organic components, and in order to remove this, heating at a high temperature of 500 to 600 ° C. is required in an oxidizing atmosphere. However, titanium, which is particularly frequently used as a bio-hard tissue replacement member, is considerably oxidized at this temperature, so that it is difficult to apply it to titanium coating.
[0027]
In addition, since EDTA does not dissolve in organic solvents, there is a problem that it is difficult to form a uniform film. Note that EDTA does not contain calcium or phosphorus, and is used only to form a stable solution. On the other hand, the chelating agent containing phosphorus used in the present invention itself contains an element constituting the calcium phosphate compound, which is advantageous also in this respect. Furthermore, it is excellent in operability, and a homogeneous calcium phosphate ceramic without an impurity phase can be obtained without requiring a special apparatus.
[0028]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail by way of examples.
(1) Example of calcining only calcium phosphate compound Example 1
Calcium nitrate was dissolved in methanol. Furthermore, 1-hydroxyethane-1,1-bisphosphonic acid was added so that the atomic ratio (Ca / P) of calcium to phosphorus in the solution was 1.67 (total moles of calcium and phosphorus). (Concentration: 0.05 mol / liter). This solution was dried at 60 ° C. for 30 minutes to remove methanol. Then, it baked at 800 degreeC in the air atmosphere for 1 hour, and while removing the organic component in a chelate compound, the sintered compact was obtained. The crystal phase of the obtained sintered body was an HAp single phase having no impurity phase such as decomposition products.
[0029]
Example 2
A sintered body was obtained in the same manner as in Example 1 except that calcium nitrate was replaced with calcium chloride. The crystal phase of the obtained sintered body was a chlorapatite single phase having no impurity phase such as decomposition products. When the firing conditions were 1100 ° C. and 1 hour, the crystal phase of the sintered body was a HAp single phase having no impurity phase.
[0030]
Example 3
Calcium nitrate was dissolved in distilled water. Furthermore, 1-hydroxyethane-1,1-bisphosphonic acid was added so that the atomic ratio (Ca / P) of calcium to phosphorus in the solution was 1.67 (total moles of calcium and phosphorus). (Concentration: 0.05 mol / liter). This solution was dried at 60 ° C. for 30 minutes and then fired in the same manner as in Example 1 to obtain a sintered body. The crystal phase of the obtained sintered body was an HAp single phase having no impurity phase such as decomposition products.
[0031]
Example 4
Calcium thiocyanate was dissolved in methanol. Furthermore, 1-hydroxyethane-1,1-bisphosphonic acid was added so that the atomic ratio (Ca / P) of calcium to phosphorus in the solution was 1.67 (total moles of calcium and phosphorus). (Concentration: 0.05 mol / liter). This solution was dried in the same manner as in Example 1, and then fired to obtain a sintered body. The crystal phase of the obtained sintered body was an HAp single phase having no impurity phase such as decomposition products.
[0032]
Example 5
Calcium nitrate was dissolved in methanol. Further, methylene diphosphonic acid was added so that the atomic ratio (CA / P) of calcium to phosphorus in the solution was 1.67 (total molar concentration of calcium and phosphorus; 0.05 mol / L) was stirred. This solution was dried in the same manner as in Example 1, and then fired to obtain a sintered body. The crystal phase of the obtained sintered body was an HAp single phase having no impurity phase such as decomposition products.
[0033]
(2) Example where solution was coated on substrate and baked Example 6
Calcium nitrate was dissolved in methanol. Furthermore, 1-hydroxyethane-1,1-bisphosphonic acid was added so that the atomic ratio (Ca / P) of calcium to phosphorus in the solution was 1.67 (total moles of calcium and phosphorus). (Concentration: 0.05 mol / liter). Thereafter, this solution was coated on the surface of a substrate made of titanium and dried in the same manner as in Example 1. Thereafter, the organic component in the chelate compound was removed by heat treatment at 350 ° C. for 10 minutes in an air atmosphere. Next, it was baked at 800 ° C. for 10 minutes in an argon atmosphere. The formed film had no residual carbon and no cracks were observed.
[0034]
FIG. 1 shows the result of X-ray diffraction of the coating formed on the surface of titanium. According to this, it can be seen that the crystal phase is a single HAp phase having no impurity phase such as decomposition products. In addition, since titanium also had a low heat treatment temperature, no titanium oxide phase was observed.
[0035]
Example 7
A film was formed in the same manner as in Example 6 except that alumina was used instead of titanium and the firing atmosphere was an air atmosphere. There was no residual charcoal in this coating, and no cracks were observed. The crystal phase was a HAp single phase without an impurity phase such as a decomposition product, and no reactant phase with alumina was observed.
[0036]
Example 8
A coating was formed in the same manner as in Example 6 except that a Ti-6Al-4V alloy was used instead of titanium. There was no residual charcoal in this coating, and no cracks were observed. The crystal phase was a HAp single phase without an impurity phase such as a decomposition product, and no reactant phase with the alloy was observed.
[0037]
(3) Example in which acid or diol was coexisted in the system Example 9
Calcium nitrate was dissolved in methanol. Furthermore, 1-hydroxyethane-1,1-bisphosphonic acid was added so that the atomic ratio (Ca / P) of calcium to phosphorus in the solution was 1.67 (total moles of calcium and phosphorus). (Concentration: 0.05 mol / liter). Furthermore, 0.75 mol of nitric acid was added to 1 mol of calcium. This solution was dried in the same manner as in Example 1, and then fired to obtain a sintered body. The crystal phase of the obtained sintered body was an HAp single phase having no impurity phase such as decomposition products. The solution before drying was stable for a long period.
[0038]
Example 10
Calcium nitrate was dissolved in a mixed solvent of methanol and ethylene glycol (volume ratio 8/2). Furthermore, 1-hydroxyethane-1,1-bisphosphonic acid was added so that the atomic ratio (Ca / P) of calcium to phosphorus in the solution was 1.67 (total moles of calcium and phosphorus). (Concentration: 0.05 mol / liter). This solution was dried in the same manner as in Example 1, and then fired to obtain a sintered body. The crystal phase of the obtained sintered body was an HAp single phase having no impurity phase such as decomposition products. The solution before drying was stable for a long period.
[0039]
Comparative Example 1
Calcium ethoxide was dissolved in methanol. Triethyl phosphate was added to this solution, and water diluted with methanol was gradually added to cause partial hydrolysis. As a result, only the calcium content settled and phase separation occurred.
[0040]
【The invention's effect】
According to the first invention and the second invention, a stable solution in which a chelate compound containing calcium and phosphorus is dissolved can be easily prepared. In addition, the chelating agent used is soluble in organic solvents and has a low organic content. Therefore, homogeneous calcium phosphate ceramics can be easily obtained from the above solution. In addition, by forming a coating film made of the above ceramics on the surface of a bio-hard tissue substitute member made of titanium, alumina, or the like, a bio-hard tissue substitute member having high strength and excellent bioactivity can be obtained.
[Brief description of the drawings]
1 is a chart showing the results of X-ray diffraction of a HAp phase formed on the surface of titanium in Example 6. FIG.
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