JP3974276B2 - セラミックス複合体の製造方法およびセラミックス複合体 - Google Patents

セラミックス複合体の製造方法およびセラミックス複合体 Download PDF

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Description

【0001】
【発明が属する技術分野】
本発明は、セラミックス複合体、とくに医療用途に適用可能なセラミックス複合体の製造方法およびかかる方法により製造されるセラミックス複合体に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
セラミックスの中でもリン酸カルシウム系セラミックスの1種であるハイドロキシアパタイトは、骨の無機成分と同様の構造であるため優れた生体適合性を有し、人工歯根や骨補填材、歯科用セメント等の生体材料として利用されている。
【0003】
このようなハイドロキシアパタイトは、緻密体、顆粒状体、あるいは任意の気孔率を有する多孔体等に成形されて臨床的に応用されている。
ところが、ハイドロキシアパタイトの緻密体は、インプラント材料として必要な強度を備える反面、血液等の体液の流通性に乏しいため、体内に埋設された場合に周囲の骨組織との結合性に劣るという問題があった。これに対し、多孔体は、気孔を通じて血液等の体液の流通が可能であり、その周囲に新たな骨細胞が形成され易く骨組織との結合性に優れる一方、インプラント材料として十分な強度を維持することが難しいという問題があった。
【0004】
このため、異なる気孔率を有するハイドロキシアパタイトの成形体を複合化させることにより、ハイドロキシアパタイトの特性を改良することが試みられている。
【0005】
複合化の方法として、例えば、緻密質および多孔質のセラミックス成形体を別々に作製した後、焼き嵌め等により接合させる方法が提案されている(特許第1677470号)。ところが、かかる方法によれば、収縮率がほとんど相違しない成形体どうしを接合させることは困難であった。さらに、各成形体の嵌合部分の形状を熱による寸法変化等を考慮して設定しなければならず、各成形体の密度、寸法の調整等が困難であり、さらに、嵌め合いが可能である成形体の形状には制限があった。
【0006】
また、樹脂を含む接着剤や、中間層等の異なる性質をもつ相を介在させて成形体どうしを接合する方法等も提案されている。
このような方法によれば、上記焼き嵌めによる場合に比べ、接合させる成形体の材料、形状等に制限されないが、十分な接合強度を得、さらに接合強度を長期間維持させることは困難であった。また、上記接着剤等を含む複合体を体内に適用した場合に、樹脂成分や中間層成分等の残留、溶出等により生体安全性や生体親和性が損なわれる懸念があった。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、簡易な方法で、生体親和性および生体安全性に優れ、かつ必要な強度を備えるセラミックス複合体を得ることができるセラミックス複合体の製造方法およびかかる方法により製造されるセラミックス複合体を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
このような目的は、下記(1)〜(10)の本発明により達成される。
【0009】
(1) 生体に移植される骨補填材として用いられるセラミックス複合体の製造方法であって、
気孔率が15〜70%であり、互いの気孔率が相異なる、リン酸カルシウム系化合物からなる複数のセラミックス成形体を、当該セラミックス成形体の接合面に、接合用セラミックスの一次粒子が分散し、有機成分を含有しないスラリーを介在させることにより接合し、焼結させてセラミックス複合体を製造するに際し、
前記接合用セラミックスの一次粒子は、水酸化カルシウムスラリーにリン酸水溶液を滴下することにより得られた前記複数のセラミックス成形体と同一のリン酸カルシウム系化合物からなるセラミックス粒子であり、
前記スラリーが介在している前記複数のセラミックス成形体の接合面に存在する孔に、前記接合用セラミックスの一次粒子が埋入し、該接合用セラミックスの一次粒子が焼結して、粒成長が起こることにより、前記スラリーが介在している前記複数のセラミックス成形体同士の間にアンカー効果が得られるよう構成したことを特徴とするセラミックス複合体の製造方法。
【0014】
(2) 前記セラミックス成形体は、Ca/P比が1.0〜2.0のリン酸カルシウム系化合物からなる上記(1)に記載のセラミックス複合体の製造方法。
【0015】
(3) 前記セラミックス成形体は、ハイドロキシアパタイトからなる上記(2)に記載のセラミックス複合体の製造方法。
【0017】
(4) 前記接合用セラミックスは前記スラリー中に0.1〜20vol%含まれる上記(1)ないし(3)のいずれかに記載のセラミックス複合体の製造方法。
【0018】
(5) 前記接合用セラミックスの粒径が0.05〜0.5μmである上記(1)ないし(4)のいずれかに記載のセラミックス複合体の製造方法。
【0020】
(6) 前記接合用セラミックスはCa/P比が1.0〜2.0のリン酸カルシウム系化合物である上記(1)ないし(5)のいずれかに記載のセラミックス複合体の製造方法。
【0021】
(7) 前記接合用セラミックスはハイドロキシアパタイトである上記(6)に記載のセラミックス複合体の製造方法。
【0022】
(8) 前記焼結は無加圧焼結法により行う上記(1)ないし(7)のいずれかに記載のセラミックス複合体の製造方法。
【0023】
(9) 前記焼結は900〜1300℃で行われる上記(1)ないし(8)のいずれかに記載のセラミックス複合体の製造方法。
【0024】
(10) 複数のセラミックス成形体を接合し、焼結させることにより製造された、生体に移植される骨補填材として用いられるセラミックス複合体において、
上記(1)ないし(9)のいずれかに記載の方法により製造されることを特徴とするセラミックス複合体。
【0026】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のセラミックス複合体の製造方法について詳細に説明する。
本発明は、複数のセラミックス成形体を接合し、焼結させることにより得られるセラミックス複合体の製造方法であって、セラミックス成形体の接合面に接合用セラミックスの一次粒子が分散したスラリーを介在させて焼結することを特徴とする。
【0027】
これにより、セラミックス成形体が焼結されて、互いに強固に接合され、かつ接合面をもたず連続的に一体化したセラミックス複合体を得ることができる。
【0028】
接合されるセラミックス成形体は、その性状について同質のものであっても異質のものであってもよいが、本発明では、例えば気孔率が相異なるセラミックス成形体を接合することが好ましい。
【0029】
気孔率が異なるセラミックス成形体を接合し、焼結させることにより、セラミックス複合体は、1個のものでありながら部分ごとに必要な機能を発揮し得るようにすることができる。
例えば頚椎、脊椎等に移植される椎体スペーサ、骨補填材において、骨や組織と接し、骨誘導を促進させる必要がある部分を体液の流通性を可能とするため気孔率を大きくし、一方、移植部の形状や位置を保持または支持する部分を十分な強度の確保のために気孔率を小さくすること等が可能である。
【0030】
接合される各セラミックス成形体は、公知のいずれの方法により製造されたものであってもよい。緻密質のセラミックス成形体は、例えば、公知の湿式法あるいは乾式法で得られたセラミックス原料粉末を用い、金型プレス、ラバープレス等で加圧成形し、所定温度で焼結すること等により得られる。
【0031】
一方、多孔質のセラミックス成形体は、公知の湿式法あるいは乾式法で得られたセラミックス原料粉末に水および発泡剤等を添加して撹拌し、これを約80℃で乾燥させて乾燥体を得た後、所定温度で焼結すること等により得られる。このとき、発泡剤としては例えば過酸化水素やメチルセルロース等の熱分解性有機物質等が使用される。
セラミックス成形体の気孔率は、発泡剤の添加量、セラミックス原料粉末と発泡剤とを含む混合液の粘度調整(粉体/液体比)および混合液の撹拌条件等を選択することにより調節することができる。
【0032】
セラミックス成形体の気孔率は特に限定されず、セラミックス複合体の用途により適宜設定することが可能であるが、特に生体材料として用いられる場合には、セラミックス成形体の少なくとも1つが気孔率15〜70%のものであることが好ましい。
【0033】
また、接合されるセラミックス成形体は、その組成が相異なるものであっても、同じものであってもよいが、同じ組成であることが好ましい。
組成が相異なる場合、接合されるセラミックス成形体の熱収縮率に大きな差が生じ、焼結過程で接合不良を生じるおそれがある。
【0034】
セラミックス成形体を構成する材料としては、いかなるものであってもよいが、特に生体安全性および生体適合性を有する、いわゆる生体材料として適用可能なセラミックス原料が好ましい。
【0035】
生体材料として用いられるセラミックス原料としては、アルミナ、ジルコニア、リン酸カルシウム系化合物等が挙げられるが、なかでもリン酸カルシウム系化合物が好ましい。リン酸カルシウム系化合物は、生体内で長期間安定に存在することができ、生体材料として特に優れている。
【0036】
リン酸カルシウム系化合物としては、例えば、ハイドロキシアパタイト(Ca10(PO46(OH)2)、TCP(Ca3(PO42)、Ca227、Ca(PO32、Ca10(PO462、Ca10(PO46Cl2、DCPD(CaHPO4・2H2O)、Ca4O(PO42等が挙げられ、これらのうち1種または2種以上を混合して用いることができる。
【0037】
このようなリン酸カルシウム系化合物は、Ca/P比が1.0〜2.0のものが好ましい。Ca/P比がこの範囲にあるリン酸カルシウム系化合物は、優れた生体安定性、生体適合性を備えるため、生体材料として適している。なお、セラミックス成形体が複数のリン酸カルシウム系化合物からなる混合物である場合、混合物のCa/P比が上記の範囲にあることが好ましい。
【0038】
さらに、リン酸カルシウム系化合物としては、ハイドロキシアパタイトが特に好ましい。ハイドロキシアパタイトは、骨や歯の組織に類似する構造であるため人工骨、人工歯根等の生体材料に非常に適している。
【0039】
上記のようなセラミックス成形体の接合面に、接合用セラミックスの一次粒子が分散したスラリーを介在させる。
これにより、例えばセラミックス成形体の少なくとも一方が多孔体である場合、接合面に存在する孔に接合用セラミックスが埋入することにより、他方のセラミックス成形体との接触面積の増加やアンカー(投錨)効果が得られ、接合強度を向上させることができる。
【0040】
さらに、接合用セラミックスは一次粒子であるため、焼結により粒成長が起こり溶着状態となって、セラミックス成形体どうしを接合する機能を発揮する。また、焼結後の接合用セラミックスは成形体と同様の強度を備えるため、接合面における強度の低下を招くおそれがなく、均一な強度を有するセラミックス複合体が得られる。
【0041】
また、従来、接合用材料として用いられてきたバインダーのように、水溶性ポリマー等を含有させないため、複合体中に有機成分が残留するおそれがなくセラミックス複合体の生体安全性がより向上する。さらに、本発明に用いられるスラリーは、水溶性ポリマー等の高粘性物質を含まないため、接合用セラミックスを均一に分散させることが容易であり、作業性や取扱性に優れる。
【0042】
接合用セラミックスの一次粒子が分散したスラリーは、例えば、接合用セラミックスがリン酸カルシウム系セラミックスである場合、水酸化カルシウムスラリーにリン酸水溶液を滴下する公知の湿式合成により、リン酸カルシウム系セラミックス粒子(一次粒子)が分散したスラリーとして得られる。
【0043】
接合用セラミックスは、接合されるセラミックス成形体のうち少なくとも1つを構成するセラミックス原料と同一のものであることが好ましい。
これにより、同一のセラミックス原料からなるセラミックス成形体との間には異種材料からなる相との接合面が形成されることがなく、接合強度の向上を図ることができる。
【0044】
接合用セラミックスとしては、上記セラミックス成形体を構成するセラミックス原料と同様のものを用いることができる。
【0045】
なかでも、接合用セラミックスとしては、セラミックス成形体の場合と同様の理由により、リン酸カルシウム系化合物が好ましく、Ca/P比が1.0〜2.0であるものがより好ましく、ハイドロキシアパタイトが特に好ましい。
【0046】
接合用セラミックスのスラリー中における含有量は、特に限定されないが、0.1〜20vol%程度であることが好ましい。接合用セラミックスの含有量が0.1vol%未満であると、接合用セラミックスによる接合効果が十分に得られず、接合強度が不足する場合がある。一方、20vol%を超えるとスラリーの流動性が低下し、取扱性や作業性が低下するおそれがある。
【0047】
接合用セラミックスの粒径(一次粒子径)は、0.05〜0.5μmであることが好ましく、0.1〜0.3μmがより好ましい。
接合用セラミックスの粒径が0.05μm未満である場合、スラリー中の接合用セラミックスの割合が相対的に小さくなり、十分な接合効果が得られないおそれがある。また、粒径が0.5μmを超えると、スラリー中の接合用セラミックスの密度を均一に保つことができない場合等があり、焼結ムラや接合強度のムラを生じるおそれがある。
【0048】
上記スラリーをセラミックス成形体の接合面に付与する方法としては、例えば、接合面にスラリーを塗布、含浸、噴霧、滴下する方法や、セラミックス成形体の接合面をスラリー中に浸漬させる方法等が挙げられ、これらの方法の組合せや、その他いかなる方法をも用いることができる。
【0049】
本発明のセラミックス複合体の製造方法において、用いられる焼結方法としては、例えば、常圧焼結法、熱プラズマ焼結法、マイクロ波焼結法等の無加圧焼結法や、ホットプレス法(HP)、放電プラズマ焼結法(SPS)、熱間等方加圧焼結(HIP)等の加圧焼結法のいずれであってもよいが、本発明では、無加圧焼結法によることがより好ましい。
【0050】
無加圧焼結法は、加圧焼結法に比べて装置および工程を簡易なものとすることができ、製造効率を向上させることができる。また、加圧焼結法では困難な形状のセラミックス複合体も製造することが可能であり、形状の自由度が大きい。
【0051】
焼結温度は、成形体の材料や焼結方法により適宜設定されるが、900〜1300℃であることが好ましく、1000〜1200℃がより好ましい。焼結温度が900℃未満の場合、焼結不良により接合強度が十分に得られない場合がある。一方、1300℃を超える場合、セラミックス成形体を構成するセラミックス原料および接合用セラミックスが熱により分解し、良好なセラミックス複合体が得られない場合がある。
【0052】
なお、上述のように焼結により接合されるセラミックス成形体としては、焼結体であっても未焼結体のいずれであってもよく、また、焼結体と未焼結体とを本発明のスラリーを介在させて焼結し接合してもよい。
【0053】
このような本発明の方法により製造されるセラミックス複合体は、セラミックス成形体の焼結体どうしが連続的に接合して完全に一体化し、強度も均一であり、接合面における強度の低下や層間剥離、クラック等を生じるおそれがない。
さらに、セラミックス成形体を構成するセラミックス原料および接合用セラミックスとして、ハイドロキシアパタイト等の生体材料を用いた場合、人工歯根、椎体スペーサ等の骨補填材として好ましく用いられる。
【0054】
また、接合用材料として樹脂等を含まず、セラミックスの一次粒子が分散したスラリーが用いられるため、セラミックス複合体中に樹脂成分等が残留するおそれが全くない。したがって、このような成分の溶出等により生体安全性が損なわれることはない。
【0055】
さらに、本発明のセラミックス複合体は、一体でありながら部分的に性状を変化させることができるため、例えば骨補填材において、骨や組織と接触する部分は多孔質であって体液等との接触を積極的に図ることにより組織との親和性を向上させ、一方、移植部分を固定したり、骨補填材を支持する部分を緻密質として優れた強度を備えるものとすることができる。これにより、良好な生体親和性と強度とを兼ね備える優れた骨補填材とすることができる。
【0056】
以上、本発明のセラミックス複合体の製造方法およびかかる方法で製造されるセラミックス複合体について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、例えば、セラミックス成形体はセラミックス原料のみからなる材料を用いる他、チタン等の生体為害性の少ない金属材料を含有するものであってもよい。
【0057】
【実施例】
次に、本発明の具体的実施例について説明する。
【0058】
1.セラミックス複合体の製造
(実施例1)
公知の湿式合成法により、Ca/P比が1.67、一次粒子径が0.1μmのハイドロキシアパタイトを合成し、かかるハイドロキシアパタイトの一次粒子の含有量が10vol%であるスラリーを得た。
【0059】
一方、湿式合成法により得られたハイドロキシアパタイトを噴霧乾燥させることにより、球状粉体(二次粉体)を造粒し、これを700℃で仮焼結した後、粉砕した。
次に、このハイドロキシアパタイト粉体をメチルセルロース等の天然高分子化合物の水溶液中に所定の割合で加え、撹拌することにより混合液を発泡させた後、約80℃で乾燥させることにより図1に示すような未焼結のセラミックス成形体3およびセラミックス成形体5を各々作製した。なお、セラミックス成形体5の上面の中央付近には、気孔率がより大きい側であることを表す目印として2つの穴51を設けた。
【0060】
次に、図1に示すように、セラミックス成形体3の接合面35に先に調製したスラリー4を適量塗布し、その上に図2のようにセラミックス成形体5を重ねた。
この状態で常圧焼結法により、焼結温度1200℃で2時間焼結して、セラミックス複合体からなる頚椎スペーサ1を得た。焼結後において、頚椎スペーサ1の焼結されたセラミックス成形体3の部分は気孔率30%、焼結されたセラミックス成形体5の部分は気孔率55%であった。
【0061】
得られた頚椎スペーサ1は、図3に示すように幅15mm、最大長さ20mm、高さ7mmの略直方体であって、対向する2面には脱落防止のための波形にカットされた係合溝33(53)が形成されている。
【0062】
(実施例2)
焼結後における焼結されたセラミックス成形体3の気孔率を40%、焼結されたセラミックス成形体5の気孔率を50%とした以外は実施例1と同様にして頚椎スペーサ1を作製した。
【0063】
2.セラミックス複合体の接合状態の評価
実施例1および2で製造された頚椎スペーサ1について接合面の状態について肉眼および電子顕微鏡による観察により評価を行った。
【0064】
各実施例で製造された頚椎スペーサ1は、図3に示すように気孔率の異なる焼結されたセラミックス成形体3と焼結されたセラミックス成形体5とが連続的に完全に一体化しており、肉眼では接合面を判別することができなかった。
【0065】
また、実施例2で作製された頚椎スペーサ1を接合面と垂直に交わる面で切断し、切断面における接合面付近を電子顕微鏡で観察した。
切断面における接合面付近の状態を40倍に拡大した電子顕微鏡写真を図4に示す。写真の右側が気孔率40%の焼結されたセラミックス成形体3由来の部分、左側が気孔率50%の焼結されたセラミックス成形体5由来の部分である。
【0066】
図4に示す写真からも明らかなように、気孔率が異なる部分の間に接合面はみられず、また、両者間にはセラミックス成形体由来の部分と区別される異質の層が全くみられないことがわかる。
また、実施例1で作製された頚椎スペーサについても同様に肉眼および電子顕微鏡による観察を行ったが、接合面は全くみられず同様の観察結果が得られた。
【0067】
3.セラミックス複合体からなる頚椎スペーサの適用
実施例1および2で作製された頚椎スペーサ1を各々2個づつ用意した。
まず、2椎体1椎間の頚椎前方除圧固定術が必要な被験者に対し、脊髄の圧迫範囲に相当する椎体部分を切除して頚椎前方除圧固定術を行い頚椎10を除圧した。頚椎10を除圧後、2つの頚椎スペーサ1を気孔率の小さい部分どうしが内側に、気孔率の大きい部分が外側に位置するように重ね合わせ、図5および図6に示すように頚椎10の間に挿入し、係合溝33(53)を椎体12および14に係合させて固定した。なお、図5は頚椎スペーサ1を頚椎10に固定した状態を示す正面図、図6は頚椎スペーサ1を頚椎10に固定した状態を示す側面図である。
【0068】
これにより、頚椎の狭窄部分は良好に拡大され、かつその状態を維持することができた。
また、X線撮像による観察の結果、術後直後では頚椎スペーサ1と椎体12および14間の境界部に隙間を示す透明層がみられたが、この透明層は術後早期のうちに骨癒合により消失した。
【0069】
さらに、内側に位置する気孔率が小さい部分において頚椎スペーサ1全体の強度を維持しているため、頚椎の間隔を維持することができた。
【0070】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明のセラミックス複合体の製造方法によれば、簡易な方法で複数の焼結されたセラミックス成形体を高い接合強度で接合することができる。また、接合面に接合用セラミックスの一次粒子を含むスラリーを介在させて接合するため、焼結により優れた接合強度が得られ、セラミックス成形体どうしが連続的に一体化し、接合面で強度の低下等もみられない。
【0071】
また、本発明の方法によれば、接合されるセラミックス成形体の形状や組成等に制限がなく、例えば、複雑な形状のセラミックス複合体であっても容易に製造することができ、多孔体から緻密度の高い成形体まで任意の組合せで接合が可能である。これにより、例えば、気孔率等の相違するセラミックス成形体を接合し、焼結させた場合、それぞれの部分において生体親和性および高い強度等、必要とされる機能を発揮させることができる。
【0072】
さらに、スラリー中に樹脂成分からなるバインダー等を含まないため、セラミックス複合体中に樹脂成分等が残留したり、生体中に溶出する等のおそれがない。したがって、このようなセラミックス複合体は生体安全性、生体親和性と強度とを合わせもつ骨補填材等として広く応用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のセラミックス複合体の製造方法の一例を示す概略図である。
【図2】本発明のセラミックス複合体の製造方法の一例を示す概略図である。
【図3】本発明のセラミックス複合体の一例を示す上面図である。
【図4】セラミックス複合体の切断面における接合面付近の状態を示す図面代用写真である。接合面付近を40倍に拡大した電子顕微鏡写真である。
【図5】頚椎スペーサを頚椎に固定した状態を示す正面図である。
【図6】頚椎スペーサを頚椎に固定した状態を示す側面図である。
【符号の説明】
1 頚椎スペーサ(セラミックス複合体)
10 頚椎
12、14 椎体
3 セラミックス成形体
33 係合溝
35 接合面
4 スラリー
5 セラミックス成形体
51 孔
53 係合溝

Claims (10)

  1. 生体に移植される骨補填材として用いられるセラミックス複合体の製造方法であって、
    気孔率が15〜70%であり、互いの気孔率が相異なる、リン酸カルシウム系化合物からなる複数のセラミックス成形体を、当該セラミックス成形体の接合面に、接合用セラミックスの一次粒子が分散し、有機成分を含有しないスラリーを介在させることにより接合し、焼結させてセラミックス複合体を製造するに際し、
    前記接合用セラミックスの一次粒子は、水酸化カルシウムスラリーにリン酸水溶液を滴下することにより得られた前記複数のセラミックス成形体と同一のリン酸カルシウム系化合物からなるセラミックス粒子であり、
    前記スラリーが介在している前記複数のセラミックス成形体の接合面に存在する孔に、前記接合用セラミックスの一次粒子が埋入し、該接合用セラミックスの一次粒子が焼結して、粒成長が起こることにより、前記スラリーが介在している前記複数のセラミックス成形体同士の間にアンカー効果が得られるよう構成したことを特徴とするセラミックス複合体の製造方法。
  2. 前記セラミックス成形体は、Ca/P比が1.0〜2.0のリン酸カルシウム系化合物からなる請求項1に記載のセラミックス複合体の製造方法。
  3. 前記セラミックス成形体は、ハイドロキシアパタイトからなる請求項2に記載のセラミックス複合体の製造方法。
  4. 前記接合用セラミックスは前記スラリー中に0.1〜20vol%含まれる請求項1ないし3のいずれかに記載のセラミックス複合体の製造方法。
  5. 前記接合用セラミックスの粒径が0.05〜0.5μmである請求項1ないし4のいずれかに記載のセラミックス複合体の製造方法。
  6. 前記接合用セラミックスはCa/P比が1.0〜2.0のリン酸カルシウム系化合物である請求項1ないし5のいずれかに記載のセラミックス複合体の製造方法。
  7. 前記接合用セラミックスはハイドロキシアパタイトである請求項6に記載のセラミックス複合体の製造方法。
  8. 前記焼結は無加圧焼結法により行う請求項1ないし7のいずれかに記載のセラミックス複合体の製造方法。
  9. 前記焼結は900〜1300℃で行われる請求項1ないし8のいずれかに記載のセラミックス複合体の製造方法。
  10. 複数のセラミックス成形体を接合し、焼結させることにより製造された、生体に移植される骨補填材として用いられるセラミックス複合体において、
    請求項1ないし9のいずれかに記載の方法により製造されることを特徴とするセラミックス複合体。
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