JP3769427B2

JP3769427B2 - セラミック生体部材

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Publication number: JP3769427B2
Application number: JP27095299A
Authority: JP
Inventors: 雨叢王
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1999-09-24
Filing date: 1999-09-24
Publication date: 2006-04-26
Anticipated expiration: 2019-09-24
Also published as: JP2001087374A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は高強度を有し、且つ生体親和性に優れたセラミック生体部材に関する。
【０００２】
【従来技術】
従来より、チタン、ステンレス等の金属材料や、アルミナ、ジルコニア等のセラミック材料は高強度と高安定性から生体代替材料として使用されている。しかしながら、金属材料は生体組織との親和性に劣るために、長時間にわたって使用していると、脱落するのを免れない上に、溶出イオンにより生体を害する恐れがある。一方、アルミナとジルコニア材料は生体中でほとんど化学変化が起こさず、長時間にわたって安定で、生体に対して無害であるうえ、生体親和性も比較的よいが、生体組織と化学的結合を形成することがなく、十分に満足しうる材料とは言えない。
【０００３】
一方、骨の組成と近似し、優れた生体親和性を有する材料として、リン酸カルシウム系化合物や、水酸アパタイトなどのリン酸カルシウム系化合物が知られ、これらの材料を用いた人工生体部材が提案されている。これらの材料は、生体に対して無害であり、かつ生体親和性に優れるとともに自然骨との結合性や置換性も大きいという特徴を有するものの、チタンなどの金属材料や、アルミナ等のセラミックス材料に比べて強度が劣り、これから形成される生体部材は強い衝撃や圧力が加えられると破損するという欠点を有している。
【０００４】
そこで、例えば、特開平２−５２６６４号公報では、ＺｒＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＴｉＯ₂、ＳｉＣ、Ｓｉ₃Ｎ₄からなる基体の全部または表層部に平均径０．１〜２ｍｍの多数の空隙を設けて、該空隙内に多孔質のリン酸カルシウム系化合物を充填することにより、高強度を保ちつつ良好な骨形成が可能となることが開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平２−５２６６４号公報等に記載された基体に多数の空隙を形成する方法では基体の強度が低下する傾向にあり、上述の従来のセラミックスでは強度が不十分で生体部材が破損する恐れがあった。
【０００６】
また、上記基体材料のうち、ＺｒＯ₂は強度および靭性が高いものの生体部材として体内へ挿入する前処理として高圧蒸気にて滅菌処理すると、ＺｒＯ₂の一部が相変態して強度が低下するという問題があった。
【０００７】
本発明は、このような従来の生体部材の持つ欠点を改良し、高強度を有し、しかも生体親和性に優れる複合生体部材を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記課題に対して検討した結果、アルミナ質セラミックスからなり、少なくともその表層部に多数の空隙を形成するとともに、該空隙内に骨置換性リン酸カルシウム系化合物を充填した構造からなり、前記アルミナ質セラミックスのアルミナ結晶内に平均粒径０．３μｍ以下のＴｉまたはＭｇ含有酸化物結晶を、望ましくは、０．５体積％以上析出、分散させることによって、前記アルミナ質セラミックスの強度を飛躍的に高めることができることを知見した。
【０００９】
ここで、前記アルミナ結晶の粒界に、Ｚｒ、Ｈｆ、第３ａ族元素のうちの少なくとも１種を含有する酸化物が、特に結晶として分散してなることが望ましい。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明のセラミック生体部材は、アルミナ質セラミックスからなる基体の少なくとも表層部、すなわち基体の全部または表層部のみに平均径０．１〜５ｍｍ、特に０．２〜１ｍｍの多数の空隙を形成するとともに、該空隙内に骨置換性リン酸カルシウム系化合物を充填したものである。なお、前記基体中の空隙含有領域における空隙率は、構造体としての強度および生骨との同化が容易な点で、１０〜６０％であることが望ましい。
【００１１】
骨置換性リン酸カルシウム系化合物としては、例えば、水酸アパタイト、リン酸三カルシウム等からなり、平均粒径１０〜２００μｍであることが望ましく、また、平均細孔径５０〜２００μｍの多数の細孔を有する多孔質体であることが望ましい。
【００１２】
前記基材のアルミナ質セラミックスは、新生骨形成のための活性面積を大きくする観点から全体として空隙を有するものであってもよく、また、部材の高強度化の見地から表層部のみに空隙を設けたものであってもよい。さらに、表面から内部に向けて空隙径を連続的あるいは段階的に変化させた構造にすることも可能である。
【００１３】
本発明によれば、前記基体であるアルミナ質セラミックスのアルミナ結晶内に平均粒径０．３μｍ以下、特に０．２μｍ以下のＴｉまたはＭｇ含有酸化物結晶が、望ましくは、０．５体積％以上、特に１体積％以上析出、分散してなることが大きな特徴であり、これによってアルミナ結晶内に構造的な欠陥や異なる熱膨張係数による応力を発生させ、外部からの応力やクラックの進展を抑制することができる結果、基体の強度を飛躍的に高めることができ、基体中に骨置換性リン酸カルシウム系化合物を充填して生体部材として使用しても、破損等が生じる恐れがなく、信頼性の高い生体部材となる。
【００１４】
なお、前記ＴｉまたはＭｇ含有酸化物結晶としては、具体的には、ＴｉＯ₂、Ａｌ₂ＴｉＯ₅、ＭｇＡｌ₂Ｏ₄等が析出、分散することが望ましく、また、アルミナ結晶内に析出、分散するＴｉまたはＭｇ含有酸化物結晶が０．３μｍより大きいと、強度向上の効果が低下する。
【００１５】
さらに、前記アルミナ結晶の粒界に、Ｚｒ、Ｈｆ、３ａ族元素のうちの少なくとも１種を含有する酸化物、例えば平均粒径０．２〜１０μｍのＺｒＯ₂、ＨｆＯ₂、Ｙ₂Ｔｉ₂Ｏ₇、Ｙ₂Ｚｒ₂Ｏ₇等が、望ましくは結晶化し、分散してなることが望ましく、これにより、アルミナ結晶の粒成長を抑制することができるとともに、粒界に存在する酸化物結晶の熱膨張係数差による応力を発生させることが可能であるから、アルミナ結晶の粒界を強化することができ、アルミナ質セラミックス強度をさらに高めることができる。
【００１６】
また、本発明のセラミック生体部材は、生体に対して毒性のない元素にて構成されるために、信頼性の高い生体部材となる。
【００１７】
次に、上記アルミナ質セラミックスを製造する方法について説明する。
まず、平均粒径０．１〜２μｍのアルミナ粉末に対して、ＴｉＯ₂と、所望によりＭｇＯ、ＺｒＯ₂、ＨｆＯ₂、３ａ族元素酸化物と、平均粒径０．１〜２．５ｍｍのウレタンフォームや発泡剤等と、有機バインダ、溶媒等とを添加、混合する。なお、添加する酸化物としては、酸化物粉末、あるいは焼成によって酸化物を形成しうる炭酸塩、硝酸塩、酢酸塩等の他、有機塩などの溶液を用いることもできる。
【００１８】
次に、この混合に粉末をプレス形成法、鋳込み成形法、冷間静水圧プレス法等により所定の形状に成形した後、前記ウレタンフォーム等を熱処理により消失させ、さらに焼成する。
【００１９】
具体的な焼成方法は、成形体をＴｉのアルミナへの固溶量が大きくなる条件下、具体的には、還元性雰囲気下で熱処理してＴｉのイオン価数を４＋から３＋に変化させることによってアルミナ結晶中のＡｌ³⁺をＴｉ³⁺で置換、固溶した固溶体を作製でき、その後、酸化性雰囲気下にて焼成することにより、アルミナ結晶中に固溶できるＴｉの固溶量が減ずることから、アルミナ結晶中に微細なＴｉ含有酸化物結晶を析出、分散させることができる。
【００２０】
なお、さらにＭｇを添加する場合には、酸化性雰囲気下にて熱処理することにより、Ｔｉ⁴⁺とＭｇ²⁺とがＡｌ³⁺２個と置換することによってＴｉとＭｇとをアルミナ結晶中に固溶させることができ、その後、さらに還元性雰囲気下にて熱処理することによりＴｉの価数が４＋から３＋に変化し、Ｔｉ³⁺がＡｌ³⁺と置換することによって、Ｔｉとともに固溶していたＭｇをＭｇＡｌ₂Ｏ₄の形態でアルミナ結晶中に析出、分散させることができる。
【００２１】
なお、上記熱処理は、上述の元素を固溶させる場合、充分高い固溶量を得るために１２００℃以上の温度範囲で行うことが望ましく、また、アルミナ粒内に酸化物結晶を析出させる場合、析出結晶の増加と析出結晶の粒成長を抑制する観点から、１１００℃から１５００℃の温度範囲で行うことが望ましい。また、上記の還元性雰囲気とは、水素含有雰囲気、不活性ガス雰囲気、高真空など酸素分圧が１０^-6ａｔｍ以下の雰囲気の意であり、また、酸化性雰囲気中の処理は例えば大気中等の酸素分圧が１０^-2ａｔｍ以上の意である。
【００２２】
一方、上記焼成によって、Ｚｒ、Ｈｆ、３ａ族元素の元素は、アルミナおよびその他添加物、不可避不純物と反応し、微量なガラス相あるいは結晶を形成し、アルミナ結晶の粒界に存在する。なお、上記Ｚｒ、Ｈｆ及び第３ａ族元素の添加量は、強化効果の向上の見地から、１〜４０重量％、特に５〜３０重量％であることが望ましい。
【００２３】
次いでリン酸カルシウム系化合物をスラリー状等で前記アルミナ質セラミックスの空隙内に注入させたり、前記スラリー中に前記アルミナ質セラミックスを浸積、引き上げることにより、該リン酸カルシウム系化合物を空隙内に充填し、１０００〜１６００℃でリン酸カルシウム系化合物を焼成する。
【００２４】
なお、上記リン酸カルシウム系化合物の焼成は、前述のＴｉとＭｇとを固溶させた後、析出させる焼成を兼ねてもよい。
【００２５】
また、表層部のみにリン酸カルシウム系化合物を充填するには、例えば、上述のセラミック原料に有機バインダ等の有機物成分を添加、混合し、成形することにより緻密なアルミナ質セラミック成形体を作製した後、例えば以下３とおりの方法により緻密なアルミナ質セラミックスの表層部のみに空隙を形成する。
１）上述のセラミック原料と、ウレタンフォーム等の発泡剤および有機バインダ、溶媒等を混合してスラリー化した後、該スラリー中に前記緻密なアルミナ質セラミックスを浸積、引き上げて、表面に前記スラリーを非着形成した後、焼成して表層部のウレタンフォームが消失した空隙を形成する方法。
２）上述のセラミック原料とウレタンフォーム等の発泡剤および有機バインダ、溶媒等を混合し、ドクターブレード法等の公知の成型法によりテープ状に成形した後、前記緻密なアルミナ質セラミック成形体の表面に巻きつけて焼成し、ウレタンフォームが消失した空隙を形成する方法。
３）前記緻密なアルミナ質セラミック成形体を焼成した後、その表面をプラズマ等によってエッチングして表層部のみに空隙を形成する方法。
【００２６】
なお、上記手法１）２）において、スラリー中のウレタンフォームの量および径を段階的に大きくして複数回塗布または巻きつけすれば、セラミックスの内部から表面に向かって段階的に空隙率および空隙径を大きくできる。また、上記手法３）によれば、セラミックスの内部から表面に向かって連続的に空隙率および空隙径を大きくできる。
【００２７】
そして、表層部に多数の空隙を形成したアルミナ質セラミックスに対して、前述の手法によりリン酸カルシウム系化合物を充填して焼成することにより、表層部のみにリン酸カルシウム系化合物を充填することができる。
【００２８】
【実施例】
（実施例１）
平均粒径０．５μｍのアルミナ粉末に、平均粒径０．７μｍの酸化チタン（ＴｉＯ₂）粉末、平均粒径が０．６μｍの水酸化マグネシウム（Ｍｇ（ＯＨ）₂）粉末、平均粒径１．０μｍのＹ₂Ｏ₃粉末を用い、表１に示す組成になるように秤量混合して混合粉末を得た。そして、混合粉末１００重量部に対して、発泡剤５０重量部とバインダ５重量部を添加し、２５０ｋｇ／ｃｍ²の圧力で金型成形し、表１に示す条件で焼成した。得られた焼成体の空隙率は４１〜４３％で、平均空隙径は０．２ｍｍであった。得られた焼結体を真空密栓し、結晶性セルロースを５０％混合した水酸アパタイトスラリーを注射器により注入し、空隙部にアパタイトを充填した。次いで、表１に示す条件で焼成してセラミック生体部材を作製した。
【００２９】
得られたセラミック生体部材について、ＴＥＭ写真よりアルミナ結晶粒内析出分散している結晶粒子の種類と、一視野にみられる１０個についての平均粒径および体積分率を測定した。また、セラミック生体部材をφ１０×３０のサイズに加工し、ＪＩＳＲ１６０１に基づく３点曲げ強度を測定した。さらに、得られた試料を水蒸気２気圧の高温蒸気滅菌器（オートクレーブ）中にて２時間保持した後の３点曲げ強度を測定した。結果は表１に示した。また、比較として、ジルコニア質セラミックスを基体として同様な方法で水酸アパタイトを充填した試料（試料Ｎｏ．５）を作製し、評価した。結果は表１に示した。
【００３０】
【表１】

【００３１】
表１から、ＴｉまたはＭｇ含有酸化物結晶が析出しない試料Ｎｏ．１では、曲げ強度が低いものであり、また、基体をジルコニア質セラミックスにて形成した試料Ｎｏ．５では、曲げ強度は高いものの水蒸気処理により曲げ強度が低下した。
【００３２】
これに対して、本発明に基づいて粒子分散強化アルミナをマトリックスとした試料では、従来のアルミナマトリックスとした生体部材より著しく強度が向上され、また、水蒸気処理によっても強度低下はみられなかった。
【００３３】
（実施例２）
実施例１の試料Ｎｏ．３の組成からなるセラミック粉末に有機バインダを添加して実施例１と同様にプレス形成した後、２０００ｋｇ／ｃｍ²の圧力で冷間静水圧プレス（ＣＩＰ）成形し、さらにφ１０に加工した。そして、実施例１のスラリー内に前記成形体を浸漬して該成形体の表面に前記スラリーをコーティングし、乾燥、焼成した後、中心部が緻密体で表層部に空隙を有するマトリックスを得た。さらに、実施例１と同じ方法にて空隙部に水酸アパタイトを充填し、焼成してセラミック生体部材を作製した。
【００３４】
上記部材はφ１０×３０のサイズに加工後、表層のアパタイト充填部分の厚さは２ｍｍであった。実施例１と同様に評価した結果、曲げ強度６８０ＭＰａ、水蒸気保持後の曲げ強度６８０ＭＰａであった。
【００３５】
【発明の効果】
以上詳述したとおり、本発明のセラミック生体部材は生体親和性に優れた少なくとも表層部に骨置換性リン酸カルシウム系化合物を充填したものであって、その構造体としての強度を高めることができる。

Claims

アルミナ質セラミックスからなり、少なくともその表層部に多数の空隙を形成するとともに、該空隙内に骨置換性リン酸カルシウム系化合物を充填したセラミック生体部材であって、前記アルミナ質セラミックスのアルミナ結晶内に平均粒径０．３μｍ以下のＴｉまたはＭｇ含有酸化物結晶が析出、分散してなることを特徴とするセラミック生体部材。
前記ＴｉまたはＭｇ含有酸化物結晶が０．５体積％以上析出、分散してなることを特徴とする請求項１記載セラミック生体部材。
前記アルミナ結晶の粒界に、Ｚｒ、Ｈｆ、第３ａ族元素のうちの少なくとも１種を含有する酸化物が存在することを特徴とする請求項１または２記載セラミック生体部材。
前記Ｚｒ、Ｈｆ、第３ａ族元素のうちの少なくとも１種を含有する酸化物が結晶であり、前記アルミナ結晶の粒界に分散してなることを特徴とする請求項３記載セラミック生体部材。