JP3846817B2 - Method for producing calcium phosphate coating - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特定の条件下、リン酸カルシウム系被膜を製造する方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
セラミックス粉末及びガラス粉末等を金属などの基材の表面に塗布し、コーティング被膜を形成する方法が従来より知られている。また、近年では、低温で、良質な被膜を形成することができるゾル−ゲル法等の各種の手法が研究されている。このゾル−ゲル法では、比較的低温で操作されるため加熱による基材の熱劣化や酸化劣化が抑えられ、薄く、且つ緻密なコ−ティング被膜を得ることができる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、金属、セラミックス等の基材の表面に形成されるコ−ティング被膜中に残留有機物が含まれると、その被膜自身が本来有する電気的、磁気的、光学的特性などが阻害されるため、残留有機物は除去される。除去の方法としては、空気或いは酸素を流通させつつ燃焼させる方法が一般的である。この方法によって残留有機物を除去する際に特に問題となるのは、緻密、且つ微細なゲル構造を有するコ−ティング被膜の場合である。このような緻密、且つ微細な被膜では、残留有機物を除去するためには、空気或いは酸素を流通させつつ高温において長時間の熱処理をする必要がある。
【0004】
しかしながら、基材に酸化劣化され易い基材を用いた場合には問題が生じる。高温で長時間の熱処理により基材が酸化すると例えば、基材自身の強度が低下したり、基材と被膜の密着強度が低下し、本来の目的が達成されないため、基材の酸化劣化を抑える必要がある。この基材の酸化劣化の抑制と残留有機物の除去の両立は非常に難しく、高温、長時間の熱処理では基材の劣化を十分に抑えることができず、一方、窒素、アルゴン等の不活性ガス雰囲気で熱処理した場合は、被膜中の残留有機物を十分に除去することができない。本発明者らは、空気或いは酸素を流通させつつ、基材が劣化しない程度の低温において熱処理を行った後、アルゴン雰囲気下、高温で熱処理したみたが、残留有機物を十分に除去することはできなかった。上記のように酸化し易い基材の酸化劣化を抑え、且つ被膜中の残留有機物を十分に除去することは非常に難しい。
【0005】
一方、リン酸カルシウム系被膜の場合、通常のアルコキシド法により得られる被膜は乾燥時、或いは焼成時等の加熱による収縮によってクラックを生じ、不均質な被膜となり易い。本発明者等は、エチレンジアミン四酢酸等のキレ−ト化剤を用いることによって、上記の問題を解決することができ、低温において均質な水酸アパタイト等の単相被膜が得られることを見いだし、先に出願した(特開平8−91814号公報)。しかし、この方法においても、基材がアルミナ、ジルコニア等の酸化物セラミックスである場合は残留有機物の問題はないが、チタン、チタン合金、ステンレス鋼等、易酸化性のものでは酸化劣化の問題があるため大気中或いは酸素中での熱処理を高温で行うことができないため、被膜中の残留カ−ボン等、残留有機物の除去が不十分となり、被膜が着色するなどの問題があった。
【0007】
発明のリン酸カルシウム系被膜の製造方法は、カルシウムを含む塩と、リンを含む塩と、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−ト化剤とが溶解された溶液を基材に塗布し、リン酸カルシウム系被膜を製造する方法において、オゾンの存在下、50〜500℃で熱処理する工程を備えることを特徴とする。
【0008】
更に、第発明のリン酸カルシウム系被膜の製造方法は、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塩、又はリンを含むキレート化合物とカルシウムを含む塩、が溶解された溶液を基材に塗布し、リン酸カルシウム系被膜を製造する方法において、オゾンの存在下、50〜500℃で熱処理する工程を備えることを特徴とする。これら第及び第発明の製造方法によれば、基材の酸化劣化が抑えられ、且つ被膜中の残留有機物、特に残留カーボン等が除去されたリン酸カルシウム系被膜を得ることができる。
【0010】
発明における上記「カルシウムを含む塩」及び上記「リンを含む塩」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、亜硫酸塩等が挙げられる。また、有機塩としては、酢酸塩、蓚酸塩、乳酸塩、酒石酸塩、クエン酸塩、安息香酸塩、イソ酪酸塩、マレイン酸塩等を用いることができる。
【0011】
更に、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上記「キレ−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であればいずれも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、アチレンジアミン四酢酸(以下、「EDTA」という。)及びニトリロ三酢酸等が挙げられる。このキレート化剤としては、溶解度が高く、反応性に優れるEDTAが特に好ましい。
【0012】
また、リン酸カルシウム化合物を生成させるための出発原料として、第発明では、上記の各塩とキレート化剤とを用いているが、第発明に記載の出発原料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塩、又はリンを含むキレート化合物とカルシウムを含む塩、を組み合わせた場合も、第発明とまったく同様に均質、透明な溶液が得られ、同様に緻密で、且つ良質なリン酸カルシウム系被膜を形成することができる。尚、これら第及び第発明においても、溶液は、有機溶剤を溶媒とする溶液であってもよいし、水溶液であってもよい。
【0013】
有機溶剤としては、各成分が容易に溶解するものであれば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。これら有機溶剤は表面張力が小さく、金属、セラミックス等の基材に濡れ易い。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、均一な厚さの被膜が得られる。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、容易に気化させて除去することができる。
【0014】
更に、溶媒として水を使用した場合も、有機溶剤の場合と同様に、有機金属化合物は容易に溶解し、キレート化も容易になされ、安定なキレート化合物が生成する。また、出発原料として使用するキレート化合物も有機溶剤の場合と同様に速やかに溶解する。
【0015】
及び第発明において、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、所定の熱処理をし、焼成をすれば水酸アパタイト(HAp;Ca/P=1.67)が得られ、リンの量比が高い場合は第三リン酸カルシウム(TCP;Ca/P=1.50)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。
【0016】
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/リットル以下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、調製時には透明な溶液となるものの、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。これは熱処理工程及び焼成工程における不純物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/リットル以下であれば生ずることはない。第及び第発明では、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、0.05モル/リットル程度でも実用上は特に問題ない。
【0017】
尚、上記の溶液の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。
【0018】
及び第発明において、各成分を有機溶剤或いは水に添加する順序は特に限定されない。どのような添加順序であっても、有機金属化合物は容易に溶解し、キレート化は容易になされ、また、キレート化合物は速やかに溶解する。そして、カルシウム分等の沈殿のまったくない、均質、透明な溶液となる。この溶液を金属、セラミックス等の基材に塗布し、熱処理することにより、リン酸カルシウム系被膜を形成することができる。
【0019】
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、刷毛塗り等、公知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。このような濃縮液を用いれば、被膜は厚くなり、また、緻密になる。この濃縮は、100〜150℃で加熱し、又は40〜90℃の比較的低温において減圧下に加熱し、溶剤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。
【0020】
本発明は、溶液を基材に塗布した後、「オゾンの存在下」、「50〜500℃」で「熱処理」することを最も大きな特徴とする。この熱処理の温度が50℃未満では残留有機物が十分に分解、除去されず、500℃を越える場合も、残留有機物が十分に除去されない。この熱処理の温度は更に好ましくは100〜350℃、特に150〜350℃の範囲が好ましく、熱処理の時間は特に限定されないが、例えば30秒〜30分、特に30秒〜15分、とすることが好ましい。また、このオゾンの存在下でのオゾン濃度は1000ppm以上、特に5000ppm以上が好ましい。
【0021】
上記の熱処理によって所定のリン酸カルシウム系被膜を形成することができる。しかし、より緻密な被膜を得るためには、熱処理の後、第発明のように、「不活性雰囲気中」、「600〜900℃」で「焼成」することが好ましい。この焼成の温度は700〜900℃の範囲が好ましく、焼成の時間は特に限定されないが、2〜30分、特に10〜20分が好ましい。この焼成温度及び焼成時間とすれば、緻密で良質な被膜を得ることができる。尚、不活性雰囲気とは、窒素、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン、ラドン等、不活性ガスからなる雰囲気をいうが、入手のし易さ、コストなどの点から窒素又はアルゴンが好ましい。但し、チタンを基材とする場合は、窒素雰囲気中では窒化チタンが生成するため、アルゴン雰囲気中で焼成することがより好ましい。
【0022】
及び第発明において、上記「基材」としては、金属、セラミックス等、熱処理或いは焼成時の加熱に耐えられるものであれば使用することができる。本発明では、特に、第発明のように、易酸化性基材であっても、これを酸化劣化させることなく被膜を形成することができる。この易酸化性基材であっても、何ら問題なく適用することができるとの利点は、特に、リン酸カルシウム系被膜の場合において有用である。
【0023】
アルミナ、ジルコニア等のセラミックスを基材とする場合、EDTA等のキレート化剤を用いても、基材の劣化や着色等の問題のないリン酸カルシウム系被膜が得られる。しかし、チタン、チタン合金、ステンレス鋼等の酸化劣化し易い基材を用いた場合においては、この劣化を抑えるために熱処理温度を低くすれば、残留有機物が十分に除去されず、被膜が着色し、本来の高純度のリン酸カルシウム系被膜が得られないとの問題を生ずることは前記の通りである。本発明では、この熱処理をオゾンの存在下に行うことにより、被膜中の残留有機物を低温でも十分に除去することができ、且つ基材の酸化劣化を生ずることもなく、緻密、且つ良質なリン酸カルシウム系被膜を形成することができる。
【0024】
従って、アルミナ、ジルコニア、炭化珪素、窒化珪素等のセラミックスばかりでなく、第発明のように、基材が、チタン、チタン合金、ステンレス鋼等の鉄、銅などの易酸化性基材であっても、何ら問題なくリン酸カルシウム系被膜を形成することができる。特に、チタン、チタン合金等からなる、生体に対する毒性がなく、耐腐食性に優れ、且つ強度の大きい基材に、生体活性に優れるリン酸カルシウム系被膜を形成することにより、生体活性に優れ、強度の大きい生体硬組織代替部材を得ることができる。
【0025】
厚い被膜を得るためには、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、所定厚さの被膜とすることができる。
【0026】
【作用】
酸素存在下での熱処理による燃焼除去では効果が不十分であることから、オゾンと有機膜の単なる熱的効果ではなく、化学的、熱的な反応によるものと推察される。
【0027】
【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リットルに、硝酸カルシウムを3.125×10-2モル溶解した。この水溶液にEDTAを等モル量加え、30分攪拌した。この反応液にリン酸アンモニウムを1.875×10-2モル加え、透明な溶液となるまで攪拌した。その後、120℃にまで昇温させて水を徐々に除去し、10倍に濃縮した後、pHを4.4に調整した。
【0028】
この濃縮液をチタンの平板からなる基材にディッピングにより塗布した。次いで、この基材を200℃で加熱しながらオゾンを1万ppmの濃度下で流通させ、10分間熱処理した。その後、オゾンの流通を停止し、恒温槽内を大気雰囲気とし、5℃/分の速度で550℃まで昇温させ、再び10分間熱処理した。形成された被膜は白色を呈していた。この塗布と熱処理とを繰り返し所定の厚さの被膜とした後、アルゴン雰囲気下、800℃で10分間焼成し、被膜の緻密度を高めた。焼成後の被膜は厚さが約1μmで透明な白色を呈していた。X線回折法によって構成結晶相の同定を行ったところ、この被膜はHAp単相であることが確認された。
【0029】
実施例2
硝酸カルシウムを3.00×10-2モルとし、リン酸アンモニウムを2.00×10-2モルとした他は、実施例1と同様にして被膜を形成した。焼成後の被膜は厚さが約1μmで透明な白色を呈していた。また、X線回折法によって構成結晶相の同定を行ったところ、この被膜はTCP単相であることが確認された。
【0030】
参考例1
リン酸アンモニウム2.00×10−2モルに代えて、硝酸ジルコニウム3.00×10−2モルとした他は、実施例2と同様にして被膜を形成した。焼成後の被膜は厚さが約1μmで透明な白色を呈していた。また、X線回折法によって構成結晶相の同定を行ったところ、この被膜はジルコン酸カルシウム単相であることが確認された。
実施例
オゾンの存在下の熱処理温度を100℃とした以外は実施例1と同様にして被膜を形成した。焼成後の被膜は厚さが約1μmで透明な白色を呈していた。また、X線回折法によって構成結晶相の同定を行ったところ、この被膜はHAp単相であることが確認された。
【0031】
実施例
オゾンの存在下の熱処理温度を400℃とした以外は実施例1と同様にして被膜を形成した。焼成後の被膜は厚さが約1μmで透明な白色を呈していた。また、X線回折法によって構成結晶相の同定を行ったところ、この被膜はHAp単相であることが確認された。
実施例
基材をTi6A14Vとした以外は実施例1と同様にして被膜を形成した。焼成後の被膜は厚さが約1μmで透明な白色を呈していた。また、X線回折法によって構成結晶相の同定を行ったところ、この被膜はHAp単相であることが確認された。
【0032】
実施例
基材をステンレス鋼とした以外は実施例1と同様にして被膜を形成した。焼成後の被膜は厚さが約1μmで透明な白色を呈していた。また、X線回折法によって構成結晶相の同定を行ったところ、この被膜はHAp単相であることが確認された。
実施例
チタンの平板からなる基材を、透明な石英ガラスの平板からなる基材とした他は、実施例1と同様にして被膜を形成した。焼成後の被膜は厚さが約1μmで透明な白色を呈していた。また、X線回折法によって構成結晶相の同定を行ったところ、この被膜はHAp単相であることが確認された。尚、この実施例では、基材が透明であるため、チタンの平板からなる基材の影響が考えられる実施例1に比べて、被膜が残留有機物による着色がないことを、より確実に確認することができた。
【0033】
比較例1
オゾンの存在下の熱処理温度を600℃とした以外は実施例1と同様にして被膜を形成した。焼成後の被膜は厚さが約1μmであった。また、この比較例1では、被膜中の残留有機物が十分に除去されないため、被膜は褐色を呈していた。
比較例2
オゾンの存在下での熱処理を行わなかった以外は実施例1と同様にして被膜を形成した。焼成後の被膜は厚さが約1μmであり、褐色を呈していた。その後、基材を200℃で加熱しながら、オゾンを1万ppmの濃度で流通させ、30分間熱処理したが、被膜は褐色のままであった。
【0034】
比較例3
基材を透明な石英ガラスの平板からなるものとし、オゾンの存在下の熱処理温度を600℃とした以外は実施例2と同様にして被膜を形成した。焼成後の被膜は厚さが約1μmであった。また、この比較例3では、被膜中の残留有機物が十分に除去されないため、被膜は褐色を呈していた。
比較例4
オゾンの存在下での熱処理を行わず、また、恒温槽中に純酸素を8ミリリットル/分の流速で流通させ、5℃/分の速度で550℃まで昇温させ、10分間熱処理した他は実施例1と同様にして被膜を形成した。この被膜は褐色を呈していた。また、焼成後の被膜は厚さが約1μmであり、焼成前の被膜と同様に褐色を呈していた。
【0035】
比較例5
オゾンの存在下での熱処理を行わず、また、恒温槽中に水にバブリングさせた空気を8ミリリットル/分の流速で流通させ、5℃/分の速度で550℃まで昇温させ、10分間熱処理した他は実施例1と同様にして被膜を形成した。この被膜は褐色を呈していた。また、焼成後の被膜は厚さが約1μmであり、焼成前の被膜と同様に褐色を呈していた。
【0036】
【発明の効果】
及び第発明のリン酸カルシウム系被膜の製造方法によれば、特に、均質で緻密で白色の、且つ生体活性に優れる被膜を容易に製造することができる。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for producing a calcium phosphate coating under specific conditions.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art A method for forming a coating film by applying ceramic powder, glass powder, or the like to the surface of a substrate such as metal is conventionally known. In recent years, various methods such as a sol-gel method capable of forming a high-quality film at a low temperature have been studied. Since this sol-gel method is operated at a relatively low temperature, thermal deterioration and oxidation deterioration of the substrate due to heating can be suppressed, and a thin and dense coating film can be obtained.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
Generally, if residual organic matter is contained in the coating film formed on the surface of a substrate such as metal or ceramic, the electrical, magnetic, optical characteristics, etc. inherent to the film itself are hindered. Residual organics are removed. As a removal method, a method of burning while circulating air or oxygen is common. A particular problem in removing residual organics by this method is the case of a coating film having a dense and fine gel structure. In such a dense and fine coating, it is necessary to perform heat treatment for a long time at a high temperature while circulating air or oxygen in order to remove residual organic matter.
[0004]
However, there is a problem when a base material that is easily oxidized and deteriorated is used. When the base material is oxidized by heat treatment at a high temperature for a long time, for example, the strength of the base material itself decreases or the adhesion strength between the base material and the film decreases, and the original purpose is not achieved. There is a need. It is very difficult to suppress the deterioration of the base material and remove the residual organic matter. The heat treatment for a long time at a high temperature cannot sufficiently suppress the base material deterioration. On the other hand, an inert gas such as nitrogen or argon is used. When the heat treatment is performed in an atmosphere, residual organic substances in the film cannot be sufficiently removed. The present inventors tried heat treatment at a high temperature under an argon atmosphere after heat treatment at a low temperature that does not cause deterioration of the base material while circulating air or oxygen. However, residual organic substances can be sufficiently removed. There wasn't. As described above, it is very difficult to suppress oxidative deterioration of a substrate that is easily oxidized and to sufficiently remove residual organic substances in the coating.
[0005]
On the other hand, in the case of a calcium phosphate-based film, a film obtained by a normal alkoxide method tends to crack due to shrinkage caused by heating such as drying or firing, and tends to be a heterogeneous film. The present inventors have found that by using a chelating agent such as ethylenediaminetetraacetic acid, the above problems can be solved, and a single-phase film such as hydroxyapatite that is homogeneous at low temperatures can be obtained, An earlier application was made (Japanese Patent Laid-Open No. 8-91814). However, even in this method, there is no problem of residual organic matter when the base material is an oxide ceramic such as alumina or zirconia, but there is a problem of oxidative deterioration in an easily oxidizable material such as titanium, titanium alloy, stainless steel, etc. Therefore, since heat treatment in the air or oxygen cannot be performed at a high temperature, there has been a problem that the residual organic matter such as residual carbon in the film is not sufficiently removed and the film is colored.
[0007]
The method for producing a calcium phosphate coating according to the first aspect of the present invention includes a solution in which a salt containing calcium, a salt containing phosphorus, and a chelating agent capable of coordinating at least one of calcium ions and phosphorus ions are dissolved. The method for producing a calcium phosphate-based coating by applying to a substrate includes a step of heat treatment at 50 to 500 ° C. in the presence of ozone.
[0008]
Furthermore, the method for producing a calcium phosphate coating according to the third aspect of the invention includes a chelate compound containing calcium and a chelate compound containing phosphorus, a chelate compound containing calcium and a salt containing phosphorus, or a chelate compound containing phosphorus and a salt containing calcium, In a method for producing a calcium phosphate coating by applying a solution in which is dissolved in a substrate, the method comprises a step of heat-treating at 50 to 500 ° C. in the presence of ozone. According to the production methods of the first and third inventions, it is possible to obtain a calcium phosphate coating film in which the base material is prevented from being oxidized and from which residual organic substances, particularly residual carbon, etc. in the coating film are removed.
[0010]
As the “salt containing calcium” and the “salt containing phosphorus” in the first invention, the following various inorganic salts and organic salts can be used. Examples of inorganic salts include nitrates, chlorides, bromides, iodides, chlorates, chlorites, nitrites, sulfites, and the like. As the organic salt, acetate, oxalate, lactate, tartrate, citrate, benzoate, isobutyrate, maleate and the like can be used.
[0011]
Furthermore, as the “chelating agent” capable of coordinating to at least one of calcium ion and phosphorus ion, any of those capable of coordinating to calcium ion and phosphorus ion can be used. Examples thereof include dimethylglyoxime, dithizone, oxine, acetylacetone, glycine, atylenediaminetetraacetic acid (hereinafter referred to as “EDTA”), nitrilotriacetic acid, and the like. As this chelating agent, EDTA having high solubility and excellent reactivity is particularly preferable.
[0012]
Further, in the first invention, the above-described salts and chelating agents are used as starting materials for producing the calcium phosphate compound, but the starting materials described in the third invention can also be used. That is, the "chelate compound containing calcium""chelating compounds containing phosphorus", or salt containing a chelate compound and phosphorus containing calcium, or salts with chelating compound and calcium containing phosphorus, even when combined with the first A homogeneous and transparent solution can be obtained in exactly the same manner as in the invention, and a dense and good-quality calcium phosphate coating can be formed. In these first and third inventions, the solution may be a solution using an organic solvent as a solvent or an aqueous solution.
[0013]
Any organic solvent can be used as long as each component can be easily dissolved. 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 low surface tension and are easily wetted with a substrate such as metal or ceramics. Therefore, when it is applied to a substrate, a coating 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 vaporized and removed by heating and drying after application to a substrate.
[0014]
Further, when water is used as the solvent, as in the case of the organic solvent, the organometallic compound is easily dissolved, chelated easily, and a stable chelate compound is produced. In addition, the chelate compound used as the starting material dissolves quickly as in the case of the organic solvent.
[0015]
In the first and third inventions, the atomic ratio (Ca / P) between calcium and phosphorus in the solution is preferably 1.40 to 1.75. Hydroxyapatite (HAp; Ca / P = 1.67) can be obtained by carrying out a predetermined heat treatment and firing at an atomic ratio within this range, and when the amount ratio of phosphorus is high, tricalcium phosphate (TCP; Ca /P=1.50) is generated. 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.
[0016]
The total molar concentration of calcium and phosphorus in the solution is preferably 0.25 mol / liter or less. When the molar concentration exceeds 0.25 mol / liter, a transparent solution is obtained at the time of preparation, but when concentrated, crystals may precipitate or the surface may become cloudy. This is not preferable because it causes impurity generation in the heat treatment step and the firing step. Such a phenomenon does not occur if the molar concentration is 0.25 mol / liter or less. In the first and third inventions, the total molar concentration of calcium and phosphorus may be even lower, for example, about 0.05 mol / liter, there is no practical problem.
[0017]
In addition, it is preferable to maintain the pH of the above solution at 4 or more. If pH is 4 or more, a stable solution state is maintained. However, when the pH is less than 4, crystals may precipitate from the solution. The crystal to be precipitated is EDTA. However, when the pH is low, it is considered that the crystal is precipitated because the stability of the complex is lowered. The pH of the solution can be easily adjusted by adding aqueous ammonia to the alkaline side and hydrochloric acid to the acidic side.
[0018]
In the first and third inventions, the order of adding each component to the organic solvent or water is not particularly limited. Regardless of the order of addition, the organometallic compound dissolves easily, chelation is easily accomplished, and the chelate compound dissolves quickly. And it becomes a homogeneous and transparent solution without any precipitation such as calcium content. A calcium phosphate-based coating can be formed by applying this solution to a base material such as metal or ceramics and performing a heat treatment.
[0019]
The “application” of the solution to the substrate can be performed by a known method such as casting, spraying, dipping, spinning, brushing, or the like. The obtained solution may be applied as it is, but a liquid concentrated several times, for example, about 5 to 15 times may be applied. When such a concentrated solution is used, the film becomes thick and dense. This concentration can be performed by heating at 100 to 150 ° C. or heating at a relatively low temperature of 40 to 90 ° C. under reduced pressure, and gradually removing the solvent. By concentrating in this way, precipitation does not occur in the solution, the viscosity increases, and a slightly viscous transparent solution is obtained.
[0020]
The most significant feature of the present invention is that after the solution is applied to the substrate, it is “heat treated” at “50 to 500 ° C.” in the presence of ozone. If the temperature of this heat treatment is less than 50 ° C., the residual organic matter is not sufficiently decomposed and removed, and if it exceeds 500 ° C., the residual organic matter is not sufficiently removed. The temperature of this heat treatment is more preferably 100 to 350 ° C., particularly preferably 150 to 350 ° C., and the heat treatment time is not particularly limited, but for example, 30 seconds to 30 minutes, particularly 30 seconds to 15 minutes. preferable. Further, the ozone concentration in the presence of ozone is preferably 1000 ppm or more, particularly preferably 5000 ppm or more.
[0021]
A predetermined calcium phosphate coating can be formed by the heat treatment. However, in order to obtain a denser film, after the heat treatment, it is preferable to “fire” at “600 to 900 ° C.” in “inert atmosphere” as in the fourth invention. The firing temperature is preferably in the range of 700 to 900 ° C., and the firing time is not particularly limited, but is preferably 2 to 30 minutes, particularly preferably 10 to 20 minutes. With this firing temperature and firing time, a dense and good-quality film can be obtained. The inert atmosphere refers to an atmosphere made of an inert gas such as nitrogen, helium, neon, argon, krypton, xenon, or radon. Nitrogen or argon is preferable from the viewpoint of availability and cost. However, when titanium is used as a base material, titanium nitride is generated in a nitrogen atmosphere, and therefore, it is more preferable to fire in an argon atmosphere.
[0022]
In the first and third inventions, the above “base material” can be used as long as it can withstand heat during heat treatment or firing, such as metal and ceramics. In the present invention, in particular, as in the fifth invention, even an easily oxidizable substrate can be formed without oxidative deterioration. The advantage that even this easily oxidizable substrate can be applied without any problem is particularly useful in the case of a calcium phosphate coating.
[0023]
When ceramics such as alumina and zirconia are used as a base material, a calcium phosphate coating without problems such as deterioration or coloring of the base material can be obtained even if a chelating agent such as EDTA is used. However, in the case of using a base material that is susceptible to oxidative degradation such as titanium, titanium alloy, stainless steel, etc., if the heat treatment temperature is lowered in order to suppress this degradation, the residual organic matter is not sufficiently removed and the coating is colored. As described above, the original high-purity calcium phosphate coating cannot be obtained. In the present invention, by performing this heat treatment in the presence of ozone, residual organic substances in the coating can be sufficiently removed even at a low temperature, and there is no oxidative degradation of the base material, and the calcium phosphate is dense and of good quality. A system film can be formed.
[0024]
Therefore, not only ceramics such as alumina, zirconia, silicon carbide, and silicon nitride, but the base material is an easily oxidizable base material such as iron, copper such as titanium, titanium alloy, and stainless steel as in the fifth invention. However, the calcium phosphate coating can be formed without any problem. In particular, it is excellent in bioactivity and strength by forming a calcium phosphate-based film having excellent bioactivity on a base material made of titanium, titanium alloy, etc. that is not toxic to the living body, has excellent corrosion resistance, and has high strength. A large living body hard tissue replacement member can be obtained.
[0025]
In order to obtain a thick film, the coating of the solution and the heat treatment are repeated several times, followed by firing to obtain a film having a predetermined thickness.
[0026]
[Action]
Since the effect of combustion removal by heat treatment in the presence of oxygen is inadequate, it is assumed that it is not a simple thermal effect of ozone and the organic film, but a chemical and thermal reaction.
[0027]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail by way of examples.
Example 1
3.125 × 10 −2 mol of calcium nitrate was dissolved in 1 liter of distilled water. An equimolar amount of EDTA was added to this aqueous solution and stirred for 30 minutes. To this reaction liquid, 1.875 × 10 −2 mol of ammonium phosphate was added and stirred until a transparent solution was obtained. Thereafter, the temperature was raised to 120 ° C., the water was gradually removed, the solution was concentrated 10 times, and then the pH was adjusted to 4.4.
[0028]
The concentrated solution was applied to a base material made of a titanium flat plate by dipping. Next, while heating the substrate at 200 ° C., ozone was circulated under a concentration of 10,000 ppm and heat-treated for 10 minutes. Thereafter, the circulation of ozone was stopped, the inside of the thermostatic chamber was changed to an air atmosphere, the temperature was raised to 550 ° C. at a rate of 5 ° C./min, and heat treatment was performed again for 10 minutes. The formed film was white. This coating and heat treatment were repeated to form a film with a predetermined thickness, and then baked at 800 ° C. for 10 minutes in an argon atmosphere to increase the density of the film. The film after baking had a thickness of about 1 μm and a transparent white color. When the constituent crystal phase was identified by the X-ray diffraction method, it was confirmed that this film was a HAp single phase.
[0029]
Example 2
A coating film was formed in the same manner as in Example 1 except that calcium nitrate was changed to 3.00 × 10 −2 mol and ammonium phosphate was changed to 2.00 × 10 −2 mol. The film after baking had a thickness of about 1 μm and a transparent white color. Moreover, when the constituent crystal phase was identified by the X-ray diffraction method, it was confirmed that this film was a TCP single phase.
[0030]
Reference example 1
A coating film was formed in the same manner as in Example 2 except that the amount of zirconium nitrate was changed to 3.00 × 10 −2 mol instead of 2.00 × 10 −2 mol of ammonium phosphate. The film after baking had a thickness of about 1 μm and a transparent white color. Moreover, when the constituent crystal phase was identified by the X-ray diffraction method, it was confirmed that this coating was a single phase of calcium zirconate.
Example 3
A film was formed in the same manner as in Example 1 except that the heat treatment temperature in the presence of ozone was 100 ° C. The film after baking had a thickness of about 1 μm and a transparent white color. Further, when the constituent crystal phase was identified by the X-ray diffraction method, it was confirmed that this film was a HAp single phase.
[0031]
Example 4
A film was formed in the same manner as in Example 1 except that the heat treatment temperature in the presence of ozone was 400 ° C. The film after baking had a thickness of about 1 μm and a transparent white color. Further, when the constituent crystal phase was identified by the X-ray diffraction method, it was confirmed that this film was a HAp single phase.
Example 5
A film was formed in the same manner as in Example 1 except that the base material was Ti6A14V. The film after baking had a thickness of about 1 μm and a transparent white color. Further, when the constituent crystal phase was identified by the X-ray diffraction method, it was confirmed that this film was a HAp single phase.
[0032]
Example 6
A film was formed in the same manner as in Example 1 except that the base material was stainless steel. The film after baking had a thickness of about 1 μm and a transparent white color. Further, when the constituent crystal phase was identified by the X-ray diffraction method, it was confirmed that this film was a HAp single phase.
Example 7
A coating film was formed in the same manner as in Example 1 except that a substrate made of a flat plate of titanium was used as a substrate made of a flat plate of transparent quartz glass. The film after baking had a thickness of about 1 μm and a transparent white color. Further, when the constituent crystal phase was identified by the X-ray diffraction method, it was confirmed that this film was a HAp single phase. In Example 7 , since the base material is transparent, it is confirmed more reliably that the coating is not colored by residual organic matter compared to Example 1 in which the influence of the base material made of a titanium flat plate is considered. We were able to.
[0033]
Comparative Example 1
A film was formed in the same manner as in Example 1 except that the heat treatment temperature in the presence of ozone was 600 ° C. The film after firing had a thickness of about 1 μm. Moreover, in this comparative example 1, since the residual organic substance in a film was not fully removed, the film was brown.
Comparative Example 2
A film was formed in the same manner as in Example 1 except that the heat treatment was not performed in the presence of ozone. The film after firing had a thickness of about 1 μm and had a brown color. Thereafter, while heating the substrate at 200 ° C., ozone was circulated at a concentration of 10,000 ppm and heat-treated for 30 minutes, but the coating remained brown.
[0034]
Comparative Example 3
A film was formed in the same manner as in Example 2 except that the substrate was made of a transparent quartz glass plate and the heat treatment temperature in the presence of ozone was 600 ° C. The film after firing had a thickness of about 1 μm. Moreover, in this comparative example 3, since the residual organic substance in a film was not fully removed, the film was brown.
Comparative Example 4
Other than heat treatment in the presence of ozone, pure oxygen was circulated in a constant temperature bath at a flow rate of 8 ml / min, heated to 550 ° C. at a rate of 5 ° C./min, and heat-treated for 10 minutes. A film was formed in the same manner as in Example 1. This film had a brown color. Moreover, the film after baking was about 1 micrometer in thickness, and was exhibiting brown similarly to the film before baking.
[0035]
Comparative Example 5
Heat treatment in the presence of ozone is not performed, and air bubbled in water is circulated at a flow rate of 8 ml / min in a thermostatic bath, and the temperature is raised to 550 ° C. at a rate of 5 ° C./min for 10 minutes. A film was formed in the same manner as in Example 1 except that the heat treatment was performed. This film had a brown color. Moreover, the film after baking was about 1 micrometer in thickness, and was exhibiting brown similarly to the film before baking.
[0036]
【The invention's effect】
According to the method for producing the calcium phosphate coating of the first and third inventions, it is particularly possible to easily produce a uniform, dense, white and excellent bioactive coating.

Claims (5)

カルシウムを含む塩と、リンを含む塩と、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−ト化剤とが溶解された溶液を基材に塗布し、リン酸カルシウム系被膜を製造する方法において、オゾンの存在下、50〜500℃で熱処理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被膜の製造方法。  A calcium phosphate-based coating film is produced by applying a solution containing a calcium-containing salt, a phosphorus-containing salt, and a calcium ion and a chelating agent capable of coordinating to at least one of phosphorus ions to a substrate. In the method, the manufacturing method of the calcium-phosphate type coating film provided with the process heat-processed at 50-500 degreeC in presence of ozone. 上記キレ−ト化剤がエチレンジアミン四酢酸である請求項記載のリン酸カルシウム系被膜の製造方法。The chelating - method for producing calcium phosphate coatings according to claim 1, wherein bets agent is ethylenediaminetetraacetic acid. 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塩、又はリンを含むキレート化合物とカルシウムを含む塩、が溶解された溶液を基材に塗布し、リン酸カルシウム系被膜を製造する方法において、オゾンの存在下、50〜500℃で熱処理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被膜の製造方法。  A calcium phosphate-based solution in which a solution in which a chelate compound containing calcium and a chelate compound containing phosphorus, a chelate compound containing calcium and a salt containing phosphorus, or a chelate compound containing phosphorus and a salt containing calcium is dissolved is applied to a base material A method for producing a coating film, comprising the step of heat-treating at 50 to 500 ° C. in the presence of ozone. 上記熱処理する工程の後に、不活性雰囲気中、600〜900℃で焼成する工程を備える請求項乃至のいずれか1項に記載のリン酸カルシウム系被膜の製造方法。The manufacturing method of the calcium-phosphate type coating film of any one of Claim 1 thru | or 3 provided with the process baked at 600-900 degreeC in inert atmosphere after the said process to heat-process. 上記基材が易酸化性である請求項乃至のいずれか1項に記載のリン酸カルシウム系被膜の製造方法。The method for producing a calcium phosphate coating according to any one of claims 1 to 4 , wherein the substrate is easily oxidizable.
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