JP3994152B2

JP3994152B2 - 硬組織代替材料及びその製造方法

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Publication number: JP3994152B2
Application number: JP2001311060A
Authority: JP
Inventors: 佑吉馬越; 貴由中野; 渉藤谷; 一裕海原
Original assignee: Osaka University NUC
Current assignee: Osaka University NUC
Priority date: 2001-10-09
Filing date: 2001-10-09
Publication date: 2007-10-17
Anticipated expiration: 2021-10-09
Also published as: JP2003111832A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、硬組織代替材料及びその製造方法に関し、特に、配向性を有するリン酸カルシウム硬組織代替材料及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
硬組織代替材料は、大別して骨補填材料及び骨置換材料に分けられる。骨補填材料には、荷重を支える必要がなく骨内にできた空洞を補填し将来の骨新生を期待するものと、骨欠損を補填し荷重を支える目的で使用されるものとがある。骨置換材料は、十分な機械的強度を持ち生体内で劣化せず、かつ、骨と界面で長期に結合を維持できる材料である。
【０００３】
骨補填材料としては、高い機械的強度が必要なく、骨親和性に優れたものが望まれる。したがって、高分子や金属に比べて親和性により優れたセラミックスが用いられている。
【０００４】
骨置換材料には、機械強度に優れ、かつ骨との結合をはかれる材料が使用されている。機械的強度の点からみると金属材料が優れている。長期間生体内に埋入される材料ではイオン溶出が低く、生体内で化学的に安定な不動態膜が形成されるものが適しており、ステンレス鋼、Ｃｏ−Ｃｒ合金及びチタン又はチタン合金の3種類の金属が用いられている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の硬組織代替材料は、いずれも無配向性であり、生体本来が持つ部位に応じた配向性を考慮することなく材料設計が行なわれてきた。そのため、ある特定の部位において、ヤング率又は破壊強度等が本来の生体硬組織材料と異なり、耐久性、生体親和性又は骨再生等の面で問題を生じていた。このようなことから、生体硬組織により近い硬組織代替材料の開発が望まれていた。しかし、このような硬組織代替材料はこれまで知られていない。
【０００６】
そこで、本発明は、生体組織により近い硬組織代替材料及びその製造方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、発明者らは、生体硬組織の微小領域における構造解析について鋭意研究した結果、本発明の硬組織代替材料及びその製造方法を見出すに至った。
【０００８】
本発明の硬組織代替材料は、配向性を有するリン酸カルシウム系物質を含有することを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の硬組織代替材料の好ましい実施態様において、リン酸カルシウム系物質が、多孔質であることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の硬組織代替材料の好ましい実施態様において、リン酸カルシウム系物質が、ヒドロキシアパタイトに代表されるアパタイト、α−ＴＣＰ、β−ＴＣＰ、ＴＴＣＰからなる群から選択される少なくとも1種であることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の硬組織代替材料の製造方法は、生体硬組織中の有機成分を除去した後、前記生体硬組織を700〜1400℃までの間で焼成を行なうことを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の硬組織代替材料の製造方法の好ましい実施態様において、焼成の時間が、０〜６００時間であることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の硬組織代替材料の製造方法の好ましい実施態様において、生体硬組織中の有機成分を、３００〜７００℃の温度で熱処理を行なうことにより除去することを特徴とする。
【００１４】
また、本発明の硬組織代替材料の製造方法の好ましい実施態様において、熱処理の時間が、１〜１０００時間であることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明の硬組織代替材料の製造方法の好ましい実施態様において、熱処理の時間が、焼成時間より長いことを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の硬組織代替材料は、配向性を有するリン酸カルシウム系物質を含有する。本発明に適用可能な硬組織代替材料としては、セラミックス、アルミナ等の無機材料、ステンレス鋼、Co-Cr合金、チタン合金等の金属材料を挙げることができる。セラミックスは、さらに、生体活性セラミックス、生体不活性セラミックス等に分けることができる。生体セラミックスとしては、リン酸カルシウム系セラミックス、シリカ系ガラス及び結晶化ガラスなどが挙げられる。リン酸カルシウム系セラミックスとしては、ヒドロキシアパタイト(ＨＡp)、リン酸三カルシウムが良く知られており、これらは、人工歯根、皮膚端子、金属コーティング材などに使われている。本発明は、これらの硬組織代替材料が含まれる。本発明においては、これらの硬組織代替材料の一部又は全部について、配向性を有するリン酸カルシウム系物質を含有する。
【００１７】
リン酸カルシウム系物質とは、広く、リン、酸素、カルシウムを主たる構成元素とする結晶性物質のことを意味し、例えば、ヒドロキシアパタイトに代表されるアパタイト、α−ＴＣＰ，β−ＴＣＰ、ＴＴＣＰなどが含まれる。ここでは、アパタイトとは、六方晶系若しくは斜方晶系に分類されるヒドロキシアパタイトの一部イオンが、金属イオン、炭酸イオン、フッ素イオン等で置き換わったものをも含む。本発明においては、このようなリン酸カルシウム系物質が配向性を有する。
【００１８】
配向性を有するリン酸カルシウム系物質は、硬組織代替材料に所望の力学特性、生体親和性を付与することができる。配向性は、本来、生体硬組織に存在するものであり、当該生体硬組織が部位に応じた特別なヒドロキシアパタイト(ＨＡｐ)結晶子のｃ軸配向を持つことにより、生体内において最適な部位特性を有している。本発明においては、このような部位特有の配向性に着目し、見出されたものである。
【００１９】
結晶の配向とは、通常、結晶性材料を構成する結晶子が一定方向に優先的に配列することをいう。配向には、ポリエチレンフィルムに見られる面配向(例えば、ｃ軸がフィルム面内にあって、それ以外には配向性がないもの。)、一軸配向(ｃ軸が繊維方向に配向するもの。)、木綿、麻に見られるらせん配向(ｃ軸が繊維配向と一定の傾きを持つもの。)、さらに二重配向(ある結晶面が繊維軸を含む一定の面に平行なもの。)などがある。したがって、正常な生体硬組織の配向性と同様の配向性を有するように、硬組織代替材料を設計すれば、硬組織代替材料に所望の力学特性を付与することができる。
【００２０】
また、本発明においては、配向性を有するリン酸カルシウム系物質が、多孔質であることが好ましい。これは、多孔質である場合、骨芽細胞を含め細胞の活動を活性化し、硬組織再生を促進することができ、また、組織再生初期に形成される新たなコラーゲン繊維を誘導し得るからである。
【００２１】
一般に、多孔質度を上げると強度が低下する傾向にある。したがって、所望の強度に併せて多孔質度を決定することができる。たとえば、気孔の大きさとしては、直径２〜３００μｍ程度、好ましくは、１００〜３００μｍである。
【００２２】
一方、気孔をほとんど必要としない部分、したがって、強度を要求される部分については、１２００℃程度の熱処理によって気孔を消滅させても良い。この場合であっても、配向性を保つことができ、緻密化によって特定方向に強化された材料を得る事ができる点有利である。1200℃程度としたのは、かかる温度で通常の硬組織中の気孔は消失すると考えられるからである。
【００２３】
次に、本発明の硬組織代替材料の製造方法について説明する。まず、硬組織代替材料が、主としてリン酸カルシウム系物質からなる場合について説明する。まず最初に、本発明の硬組織代替材料の製造方法では、生体硬組織中の有機成分を除去する。有機成分を除去する理由は、適用する生体からの拒絶反応を少なくするためである。有機成分の除去方法としては、特に限定されず、例えば、熱処理、酸性溶液への浸漬などを挙げることができる。迅速、かつ完全に有機物質を除去するという観点から、有機成分の除去方法としては、熱処理が好ましい。
【００２４】
熱処理の場合、0〜700℃で１〜1000時間熱処理することにより、有機成分の除去が可能である。有機成分を除去できない場合、上記の温度範囲より高くても、あるいは長時間でもよい。たとえば、強度を主目的とした硬組織生体材料を得る場合、気孔が殆ど存在しないリン酸カルシウム系物質も想定され得る。この場合、700℃以上の温度、たとえば、1200℃程度に温度を上げて熱処理を行なう事により、気孔がほとんど消失し、緻密性が優れ、かつ、配向性を有する硬組織生体材料を作製することができる。
【００２５】
但し、温度が高すぎたり、熱処理時間が長すぎる場合には、結晶がランダムに成長してしまうので、適宜成長を抑えながら熱処理を行なうことが望ましい。
【００２６】
その後、有機成分が除去された生体硬組織を700〜1400℃までの間で焼成を行なう。このような温度範囲で焼成するのは、リン酸カルシウム系物質の結晶粒径、多孔質度、配向性、力学特性を調製するためである。通常、温度がより高いと、結晶粒径は増大し、多孔質度は低下し、c軸配向性は増大する傾向がある。なお、配向は結晶粒界の移動によって行なわれるため、最初の組織に強く依存する。そのため、部位に応じて生体硬組織そのものの配向性が異なることを利用して、出発原料とすることができる。
【００２７】
また、焼成の時間は、生体硬組織の部位用の硬組織代替材料の大きさ、形態等にもより適宜変更可能であり、特に限定されるものではない。熱処理時間の短縮化、効率化という観点から、焼成の時間は、０〜５００時間であることが好ましい。通常、焼成時間がより長いと、結晶粒径は増大し、多孔質度は低下し、c軸配向性は増大する傾向がある。また、有機成分を除去するための熱処理と、焼成との関係については、熱処理時間を焼成時間より長めに設定することが好ましい。これは、専ら有機成分を効率的に除去するのに都合がいいからである。
【００２８】
このようにして得られた硬組織代替材料の配向性の評価は、微小領域X線回折法により、結晶粒径と多孔質度は、走査型電子顕微鏡法(SEM法)、透過型電子顕微鏡法（TEM法）等により測定することができる。
【００２９】
次に、硬組織代替材料が、リン酸カルシウム系物質以外のものを含む場合について説明する。この場合、配向性を有するリン酸カルシウム系物質の製造は、上述にしたがって行なうことができる。
【００３０】
生体硬組織から抽出した配向性リン酸カルシウム系物質に対し、その配向性を失うことなく、従来からある硬組織代替材料と組み合わせることで,複合化し、材料とすることが可能である。複合化には、従来材の粉末、もしくはバルク状態での組み合わせ,さらには熱処理等による、複合組織界面の結合の促進を行うか、もしくは従来材の溶融状態でのリン酸系物質への浸漬等、リン酸系物質の配向性を保持しつつ複相組織形成を可能とする全ての手段を含む。
【００３１】
【実施例】
ここで、本発明の一実施例を説明するが、本発明は、下記の実施例に限定して解釈されるものではない。また、本発明の要旨を逸脱することなく、適宜変更することが可能であることは言うまでもない。
【００３２】
実施例１
生体硬組織として、牛大腿骨骨間部を用いた。牛大腿骨骨間部を600℃近傍の低温度域にて100時間熱処理することで、ＨＡｐ結晶を成長させることなく、有機成分のみを除去した。その後、種々の温度域により適宜焼成を行なうことで、HApの結晶粒径、多孔質度、配向性、力学特性の異なる配向性多孔質材料を作製した。
【００３３】
図１は、６００℃で１００時間熱処理した後、種々の温度で焼成したリン酸カルシウム系物質について、SEMで撮影した写真を示す。図１ａは、６００℃で１００時間熱処理を施したものを示し、図１ｂは、６００℃での熱処理後、９００℃で１時間焼成したものを、図１ｃは、６００℃での熱処理後、１０００℃で１時間焼成したものを、図１ｄは、６００℃での熱処理後、１１００℃で１時間焼成したものを、図１ｅは、６００℃での熱処理後、１２００℃で１時間焼成したものを、図１ｆは、６００℃での熱処理後、１３００℃で１時間焼成したものを、それぞれ示す。
【００３４】
さらに、図２は、種々の温度におけるリン酸カルシウム系物質の熱処理温度依存性を示す。具体的に、600℃、100ｈでの熱処理直後、1000℃、1100℃、1200℃、1300℃で1時間の間、大気中で焼成した場合の大腿骨長手方向へのｃ軸配向性の変化を示している。図２(a)は、リン酸カルシウム系物質の概略図を示す。図２(ｂ)及び(ｃ)において、縦軸は、回折強度比(回折強度比は、(002)面からの回折強度比を、(310)の回折強度比で割ったものであり、a軸に対するc軸の相対的な回折強度比を示す。)、すなわち、縦軸はｃ軸配向性の強さ表す回折Ｘ線の強度比を示し、横軸は、リン酸カルシウム系物質の位置を示す。この位置は、具体的に図２(a)に記された番号の位置と一致している。
【００３５】
図２(b)においては、横軸は作製材料の長手断面内での位置を示している。この図２（ｂ）から、４〜５の位置で最高のC軸配向性を有している事、温度を上げるとC軸配向性が増す事が分かる。これは、4〜５の位置は皮質骨のほぼ中心付近に相当し、中心部付近ほど骨の成熟度が高く、高配向性を示しているものと考えられる。ランダム材料の配向性を示す縦軸強度比は、5以下であるので、図２(b)の結果から、すべての熱処理状態でＨＡｐのｃ軸配向性を保持できていることを示している。
【００３６】
また、熱処理温度の上昇、焼鈍時間の増加とともに、結晶粒径は増大し、多孔質度は低下、ｃ軸配向性は強調される傾向があることが分かる。1300℃以上の焼鈍では、ＨＡｐ以外のα−ＴＣＰ、ＴＴＣＰ、ＣaＯといったリン酸カルシウムが形成される場合があるが、この場合、材料の溶解性の向上につながる。
【００３７】
また、図２（ｃ)は、観察方向が皮質骨の接線方向から見たｃ軸の配向性を示す図である。こちらでは大きなｃ軸配向性は最初から見られず、熱処理を行ってもその配向性は大きくは変化しない事が分かる。
【００３８】
これら図２（ｂ）及び（ｃ）から、特に長手方向に沿っての配向性が強く,熱処理によってこの傾向が強められることを意味することがわかる。
【００３９】
さらに、リン酸カルシウム系物質の特性を調べた。図３(ａ)は、リン酸カルシウム系物質の模式図を示す。図３（ｂ）は、熱処理温度と、変化率等との関係を示す。
【００４０】
図３中、ｈは、模式図に示した部分の長さを、Ｓは、面積を、Ｖは、体積を示す。この図３から、1200℃で完全に緻密化が達成されたと考えられる。この結果から、試料の体積収縮を求めて気孔率を算出した。例えばｈは骨の長手方向に沿っての長さ変化であり、Ｓはそれに垂直な面での面積の変化、Ｓ^1/2はそれゆえ長さの次元に換算したものです。ｈとＳ^1/2の温度変化を比較した場合、大きな違いは観察されなかったので、配向性や組織の異方性（長手方向とそれに垂直な方向への）が存在するものの、気孔消滅（収縮）に対しては方位に対する異方性はないことが分かる。
【００４１】
以上の結果、熱処理温度の上昇とともに,気孔率が低下し緻密化が進行し、1200℃でほぼ完全な緻密体となること、その間、粒界エネルギーの低下を駆動力に粒界が移動することで、ｃ軸配向したアパタイト粒が優先的に取り残され、配向性が高まることが分かった。また、表面エネルギーの減少を駆動力にして緻密化も同時進行することが分かる。
【００４２】
【発明の効果】
本発明の硬組織代替材料によれば、ヤング率、破壊強度といった力学的特性に異方性が生じるとともに、生体原組織に近い配向性を実現することができるという有利な効果を奏する。
【００４３】
本発明の硬組織代替材料によれば、有機物質が除去されているので、適用する生体からの拒絶反応が極めて少ないという有利な効果を奏する。
【００４４】
本発明の硬組織代替材料によれば、生体硬組織の部位に応じた配向性を有するので、力学特性、生体親和性を含めた骨再生を促進し得るという有利な効果を奏する。
【００４５】
また、本発明の硬組織代替材料は、多孔質の場合、組織再生初期に形成される新たなコラーゲン繊維を誘導し得るという有利な効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】熱処理及び焼成を行なったリン酸カルシウム系物質のSEMによる写真を示す図である。
【図２】種々の温度におけるリン酸カルシウム系物質の熱処理温度依存性を示す図である。
【図３】種々の温度におけるリン酸カルシウム系物質の変化を示す図である。

Claims

生体硬組織中の有機成分を除去した後、前記生体硬組織を７００〜１４００℃までの間で焼成を行うことによって得られた、配向性を有するリン酸カルシウム系物質を含有する硬組織代替材料であって、前記配向性が、正常な生体硬組織の各部位の配向性に略等しくなるように設計されていることを特徴とする、各部位用硬組織代替材料。
リン酸カルシウム系物質が、多孔質である請求項1記載の硬組織代替材料。
リン酸カルシウム系物質が、ヒドロキシアパタイトに代表されるアパタイト、α−第３リン酸カルシウム（α−ＴＣＰ)、β−第３リン酸カルシウム（β−ＴＣＰ）、リン酸４カルシウム（ＴＴＣＰ）からなる群から選択される少なくとも1種であることを特徴とする請求項１又は２項に記載の硬組織代替材料。
生体硬組織中の有機成分を除去した後、前記生体硬組織を700〜1400℃までの間で焼成を行なうことによって、前記生体硬組織中のリン酸カルシウム系物質の結晶粒径、多孔質度、配向性、力学特性を調整し、前記配向性を、正常な生体硬組織の各部位の配向性に略等しくなるように設計されていることを特徴とする、各部位用の硬組織代替材料の製造方法。
焼成の時間が、０〜５００時間であることを特徴とする請求項４記載の方法。
生体硬組織中の有機成分を、３００〜７００℃の温度で熱処理を行なうことにより除去することを特徴とする請求項５記載の方法。
前記熱処理の時間が、１〜１０００時間であることを特徴とする請求項６記載の方法。
前記熱処理の時間が、焼成時間より長いことを特徴とする請求項６又は7項に記載の方法。