JP4423423B2 - Calcium phosphate compound-coated composite and method for producing the same - Google Patents

Calcium phosphate compound-coated composite and method for producing the same Download PDF

Info

Publication number
JP4423423B2
JP4423423B2 JP2005269869A JP2005269869A JP4423423B2 JP 4423423 B2 JP4423423 B2 JP 4423423B2 JP 2005269869 A JP2005269869 A JP 2005269869A JP 2005269869 A JP2005269869 A JP 2005269869A JP 4423423 B2 JP4423423 B2 JP 4423423B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
calcium
calcium phosphate
phosphate compound
layer
composite material
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2005269869A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2007075486A (en
Inventor
教之 永井
Original Assignee
国立大学法人 岡山大学
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 国立大学法人 岡山大学 filed Critical 国立大学法人 岡山大学
Priority to JP2005269869A priority Critical patent/JP4423423B2/en
Publication of JP2007075486A publication Critical patent/JP2007075486A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP4423423B2 publication Critical patent/JP4423423B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Materials For Medical Uses (AREA)

Description

本発明は、主に、人工骨、歯、歯根等のインプラント材、それらの接合材、骨折固定材、人工関節材などの医用生体材料として、整形外科、歯科などで使用されるリン酸カルシウム化合物被覆複合材およびその製造方法に関する。   The present invention mainly relates to calcium phosphate compound-coated composites used in orthopedics, dentistry, etc. as medical biomaterials such as implant materials such as artificial bones, teeth and roots, joint materials thereof, fracture fixing materials, and artificial joint materials. The present invention relates to a material and a manufacturing method thereof.

人工骨、歯、歯根等のインプラント材は、骨や歯が欠損した場合に、残っている骨に接合したり顎骨に植え込んだりして生来のものに近い形で使用できるので、高齢化が進むなか、健康保持、文化的生活維持のために重要度が増している。インプラント材は、人体等の生体に埋め込むものであるがゆえに、無害であることが必須であり、生体への親和性、強度、加工性、適度の比重、非溶出性、場合によってはCaイオンなどの適度な溶解性等も要求される。   Implant materials such as artificial bones, teeth, roots, etc. can be used in a form close to the natural one by joining to the remaining bone or implanting in the jaw bone when the bone or tooth is missing, so the aging progresses In particular, the importance is increasing for health maintenance and cultural life maintenance. Since the implant material is embedded in a living body such as a human body, it is indispensable to be harmless. Affinity to the living body, strength, workability, moderate specific gravity, non-eluting property, and in some cases, Ca ions, etc. Therefore, moderate solubility and the like are also required.

医用材料分野で従来より使用されているインプラント材には、α−アルミナ、貴金属類、ステンレス鋼等の合金などの金属類、アパタイトセラミックスなどがあるが、金属類はいずれも生体に対する親和性に欠けており、アパタイトセラミックスは、リン酸カルシウム化合物を主成分とするもので、骨や歯との親和性は極めて良好であるものの、強度、加工性の点で十分でなく、その用途は限定される。   Implant materials conventionally used in the medical materials field include metals such as α-alumina, precious metals, alloys such as stainless steel, apatite ceramics, etc., but these metals are all incompatible with living organisms. Apatite ceramics are mainly composed of a calcium phosphate compound and have a very good affinity with bones and teeth, but are not sufficient in terms of strength and workability, and their uses are limited.

歯科分野で近年に使用されているインプラント材は大きく2つに分けられる。第1は純チタン材などを削り出し又は表面ブラスト処理したものである。第2はチタンなどを金属基材としてその表面をリン酸カルシウム化合物で被覆したものである。   Implant materials used in recent years in the dental field can be roughly divided into two. First, a pure titanium material or the like is machined or surface blasted. Second, titanium or the like is used as a metal base and the surface thereof is coated with a calcium phosphate compound.

純チタン材などの金属材料は生体不活性(Bio-inert)材であり、顎骨内に植立すると、その表面は荷電していないため初期には材料界面に骨添加は起こらず、宿主側の骨界面に周囲骨から骨添加されながら(骨伝導 bone conduction)骨接着を生じる。しかし一旦骨接着を生じても、破骨細胞による骨吸収が生じ(骨改造現象、リモデリング)、結合力が次第に低下し、長期的な維持は難しい。   Metal materials such as pure titanium are bio-inert materials, and when planted in the jawbone, the surface is not charged, so no bone is added to the material interface at the initial stage. Bone adhesion occurs while bone is added from the surrounding bone to the bone interface (bone conduction bone conduction). However, once bone adhesion occurs, bone resorption by osteoclasts occurs (bone remodeling phenomenon, remodeling), the binding force gradually decreases, and long-term maintenance is difficult.

リン酸カルシウム化合物、主に水酸アパタイトCa10(PO(OH)(以下、HAという)で被覆したものは生体活性(Bio-Active)材であり、チタン界面にHAコーティングして顎骨内に植立すると、宿主側の骨界面に骨伝導が生じると共に、電荷を持ったHA界面に骨形成細胞による骨誘導(bone induction)が生じ、HA界面と骨界面とはHA結晶によりイオン結合して、骨癒合を生じる。しかしこのように骨癒合を生じた場合も、破骨細胞による骨吸収が生じ(骨改造現象、リモデリング)、HAも同時に吸収されていくため、最終的には生体不活性、金属界面と骨接着の状態になり、長期的には骨結合能が低下する。 A calcium phosphate compound, mainly coated with hydroxyapatite Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 (hereinafter referred to as HA), is a bio-active material, which is HA-coated on the titanium interface and within the jawbone. When the plant is implanted, bone conduction occurs at the bone interface on the host side, and bone induction by bone-forming cells occurs at the charged HA interface. The HA interface and the bone interface are ion-bonded by the HA crystal. Cause bone union. However, even when bone fusion occurs in this way, bone resorption by osteoclasts occurs (bone remodeling phenomenon, remodeling), and HA is also absorbed at the same time. It will be in the state of adhesion, and the bone bonding ability will decrease in the long term.

ここで、リン酸カルシウム化合物層を形成する方法としては、プラズマ溶射法やスパッタ法や熱分解法が知られている。その内、プラズマ溶射法(20000℃)を用いると、厚み30μm〜50μmが得られるが、基材に対する結合力が弱く、亀裂、剥離が生じやすく、また吸収を受けやすい。また基材が複雑な形状や多孔質である場合に表面全体を被覆することが困難もしくは不可能である。スパッタ法を用いると、膜厚は約1μmが限界であり、用途に応じた任意の膜厚を得ることができない。   Here, as a method of forming the calcium phosphate compound layer, a plasma spraying method, a sputtering method, and a thermal decomposition method are known. Among them, when a plasma spraying method (20000 ° C.) is used, a thickness of 30 μm to 50 μm can be obtained, but the bonding strength to the substrate is weak, cracking and peeling are likely to occur, and absorption is easily received. Further, when the base material has a complicated shape or is porous, it is difficult or impossible to cover the entire surface. When the sputtering method is used, the film thickness is limited to about 1 μm, and an arbitrary film thickness corresponding to the application cannot be obtained.

熱分解法は、有機物を原料として燃焼させてセラミック等を作成する方法を言う。たとえば、金属基材上にリン酸カルシウム化合物の硝酸水溶液又は塩酸水溶液から加熱焼成してリン酸カルシウム化合物の下地層を形成し、その上にリン酸カルシウム化合物の被覆層をその懸濁液の加熱焼結により形成する方法が提案されており、これにより任意形状の基材表面に均一にリン酸カルシウム化合物被覆層を形成した複合材が入手可能になった(特許文献1)。しかしこの熱分解法による被覆層の厚みは5μm程度となるため、1〜2年で吸収されてしまう。またリン酸カルシウム化合物をその水溶液からそのまま基材表面に析出させるものであるがゆえに、リン酸カルシウム化合物被覆層と基材との密着性が不十分となり、長期間に亘って使用すると吸収、剥離が生じ易くなる。   The thermal decomposition method refers to a method of making ceramics or the like by burning an organic material as a raw material. For example, a method of forming a base layer of a calcium phosphate compound by heating and firing from a nitric acid aqueous solution or a hydrochloric acid aqueous solution of a calcium phosphate compound on a metal substrate, and forming a coating layer of the calcium phosphate compound thereon by heating and sintering the suspension This has made it possible to obtain a composite material in which a calcium phosphate compound coating layer is uniformly formed on the surface of a substrate having an arbitrary shape (Patent Document 1). However, since the thickness of the coating layer by this pyrolysis method is about 5 μm, it is absorbed in 1 to 2 years. In addition, since the calcium phosphate compound is directly deposited on the surface of the base material from the aqueous solution, the adhesion between the calcium phosphate compound coating layer and the base material becomes insufficient, and absorption and peeling are likely to occur when used over a long period of time. .

このようにリン酸カルシウム化合物を基材に直接にコーティングすると接着強度が低下することから、下層バインダーとしてチタン酸カルシウムを用いることが検討された。しかしチタン酸カルシウムの周知の作成法は1200℃で焼結するという乾式法であり、粒子径3〜5μ程度の粗粒の粉末しか得られない。つまりこのこの方法によるチタン酸カルシウムは、膜状にすることができず、したがって下層バインダーとして用いることはできず、また1200℃という高温によって金属基材の劣化を招くものであり、さらには生体不活性で骨形成能が弱い。   As described above, when the calcium phosphate compound is directly coated on the base material, the adhesive strength is lowered. Therefore, it has been studied to use calcium titanate as a lower layer binder. However, a well-known method for preparing calcium titanate is a dry method in which sintering is performed at 1200 ° C., and only coarse powder having a particle diameter of about 3 to 5 μm can be obtained. In other words, the calcium titanate produced by this method cannot be formed into a film, and therefore cannot be used as a lower layer binder. Further, the high temperature of 1200 ° C. causes deterioration of the metal base material. Active and weak in bone formation.

このため歯科領域で用いるインプラント材としては、単独植立を可能にする材料が理想であり、咬合力が加わる状況で、生体骨に対する界面が10数年にわたって生体活性な状態に維持され、骨結合力(骨接着力)が持続する傾斜機能材料(functionally gradient material)の開発が課題となっている。   For this reason, as an implant material used in the dental field, a material that enables single planting is ideal, and in a situation where an occlusal force is applied, the interface to the living bone is maintained in a bioactive state for more than 10 years, and bone bonding The development of functionally gradient materials that maintain the strength (bone adhesion) is a challenge.

一方、整形外科領域では、骨折固定材、人工関節及び骨内固定材(スクリューやプレート)に、加工性の良いステレンス鋼やチタン合金が用いられている。人工関節は10数年以上、生体内に維持できることが必要である。これに対し骨折時に用いられる骨内固定材料は、治癒に要する一定の期間は生体活性で骨結合が強く、かつ治癒後には骨結合能が低下し容易に除去できることが必要である。   On the other hand, in the orthopedic region, stainless steel or titanium alloy having good workability is used for fracture fixing materials, artificial joints, and intraosseous fixing materials (screws and plates). The artificial joint needs to be maintained in the living body for more than 10 years. On the other hand, the intraosseous fixation material used at the time of fracture needs to be bioactive and strongly bone-bonded for a certain period of time required for healing, and to be easily removed after the healing because the bone-binding ability is lowered.

しかし現状の金属材料では、生体内で陽イオンが溶出し、蛋白吸着して、異物反応として組織障害を生ずるだけでなく、界面に繊維性組織が増加し、骨結合能は著しく低下する。リン酸カルシウム化合物でコーティングが施される場合もあるが、上述したように剥離、吸収を受け、骨結合能は低下する。   However, in the current metal materials, cations are eluted in vivo and proteins are adsorbed, resulting in not only tissue damage as a foreign body reaction, but also fibrous tissue is increased at the interface, and the bone binding ability is remarkably lowered. In some cases, a coating is applied with a calcium phosphate compound. However, as described above, peeling and resorption occur, and the bone binding ability decreases.

このため整形外科領域においては、10数年以上にわたって生体内に維持可能である一方で、任意の時期に容易に除去できるようにCaイオンの溶出を調節できる、多機能な被覆材の開発が課題となっている。   For this reason, in the orthopedic field, it is necessary to develop a multifunctional covering material that can be maintained in the living body for more than 10 years, but can adjust the elution of Ca ions so that it can be easily removed at any time. It has become.

さらに、整形外科、歯科に関わらず、リン酸カルシウム化合物被覆材を生体骨内に植立すると一般に切傷、外科的処置により炎症等を生じ、組織液が酸性となり、一時的にリン酸カルシウム化合物層が溶解するため、リン酸カルシウム化合物単独で用いるのでなく、リン酸カルシウム化合物よりも吸収速度が遅く且つCaの溶出が持続するような生体活性材料(界面が(−)荷電)と組み合わせた、新しい傾斜機能材料の開発が課題となっている。
特開昭62‐221359号公報
In addition, regardless of orthopedics or dentistry, when a calcium phosphate compound coating material is implanted in a living bone, it generally causes cuts, inflammation, etc. due to surgical treatment, the tissue fluid becomes acidic, and the calcium phosphate compound layer dissolves temporarily. Rather than using calcium phosphate compounds alone, the development of new functionally graded materials combined with bioactive materials (interface is (-) charged) that has a slower absorption rate than calcium phosphate compounds and that keeps Ca eluted is an issue. ing.
JP 62-221359 A

本発明は上記問題に鑑みて、人工骨、歯、歯根等のインプラント材として使用できるリン酸カルシウム化合物被覆材であって、金属基材とリン酸カルシウム化合物層とが強固に接着され、宿主による吸収を受けながらも一定期間は常にCaを放出して骨形成細胞を活性化する傾斜機能材料を提供することを目的とする。   In view of the above problems, the present invention is a calcium phosphate compound coating material that can be used as an implant material for artificial bones, teeth, roots, and the like, wherein the metal substrate and the calcium phosphate compound layer are firmly bonded and are absorbed by the host. Another object of the present invention is to provide a functionally gradient material that constantly releases Ca for a certain period of time and activates osteogenic cells.

上記課題を解決するために本発明は、金属基材とリン酸カルシウム化合物層との間にチタン酸カルシウム・非晶質炭素複合物層を介在させることで、チタン酸カルシウム・非晶質炭素複合物層を接着材として金属基材とリン酸カルシウム化合物とを強固に接着して剥離を抑えるとともに、宿主による吸収を受けながらも所望期間は骨形成できる傾斜機能材料を実現したものである。   In order to solve the above problems, the present invention provides a calcium titanate / amorphous carbon composite layer by interposing a calcium titanate / amorphous carbon composite layer between a metal substrate and a calcium phosphate compound layer. As a bonding material, a metal base material and a calcium phosphate compound are firmly bonded to suppress peeling, and a functionally gradient material capable of forming bone during a desired period while receiving absorption by a host is realized.

すなわち本発明のリン酸カルシウム化合物被覆複合材は、金属基材上に、チタンおよびカルシウムをCa/Ti比が1.01−1.10となる範囲で含んだ有機溶媒溶液を塗布し20−200℃/分で昇温させて500〜650℃で加熱焼成することにより設けたチタン酸カルシウム・非晶質炭素複合物層を介してリン酸カルシウム化合物層を形成していることを特徴とする。 That is, the calcium phosphate compound-coated composite material of the present invention is obtained by applying an organic solvent solution containing titanium and calcium in a range where the Ca / Ti ratio is 1.01 to 1.10. It is characterized in that a calcium phosphate compound layer is formed through a calcium titanate / amorphous carbon composite layer provided by heating at 500 to 650 ° C. and firing at 500 to 650 ° C.

また本発明のリン酸カルシウム化合物被覆複合材の製造方法は、金属基材上に、リン酸カルシウム化合物層の形成に先立って、チタンおよびカルシウムをCa/Ti比が1.01−1.10となる範囲で含んだ有機溶媒溶液を塗布液として塗布し、20−200℃/分で昇温させて500〜650℃で加熱焼成することにより、チタン酸カルシウム・非晶質炭素複合物層を形成することを特徴とする。 In addition, the method for producing a calcium phosphate compound-coated composite material of the present invention includes titanium and calcium in a range in which the Ca / Ti ratio is 1.01 to 1.10 on the metal substrate prior to the formation of the calcium phosphate compound layer. It is characterized by forming a calcium titanate / amorphous carbon composite layer by applying an organic solvent solution as a coating solution, raising the temperature at 20 to 200 ° C./min, and heating and firing at 500 to 650 ° C. And

塗布液は、有機または無機のカルシウム化合物と有機チタン化合物とを有機溶媒に溶解した溶液であってよい。リン酸カルシウム化合物層は、リンおよびカルシウムを含んだ有機溶媒溶液を塗布液として塗布し、500〜650℃で加熱焼成することにより形成することができる。リンおよびカルシウムをCa/P比が1.75−1.85となる範囲で含んだ有機溶媒溶液を用いることができる。チタン酸カルシウム・非晶質炭素複合層の機能を損なわなければ必ずしもこの熱分解法でなくともよいが、チタン酸カルシウム・非晶質炭素複合層と同一の経路であるため好都合である。 The coating solution may be a solution in which an organic or inorganic calcium compound and an organic titanium compound are dissolved in an organic solvent. The calcium phosphate compound layer can be formed by applying an organic solvent solution containing phosphorus and calcium as a coating solution and heating and firing at 500 to 650 ° C. An organic solvent solution containing phosphorus and calcium in a range where the Ca / P ratio is 1.75 to 1.85 can be used. This thermal decomposition method is not necessarily required as long as the function of the calcium titanate / amorphous carbon composite layer is not impaired, but it is convenient because it is the same route as the calcium titanate / amorphous carbon composite layer.

塗布液は、有機または無機のカルシウム化合物と有機リン化合物とを有機溶媒に溶解した溶液であってよい。
本発明において、リン酸カルシウム化合物層を構成するリン酸カルシウム化合物とは、主として水酸アパタイト(Ca10(PO(OH)言う。
The coating solution may be a solution in which an organic or inorganic calcium compound and an organic phosphorus compound are dissolved in an organic solvent.
In the present invention, the calcium phosphate compound constituting the calcium phosphate compound layer mainly hydroxyapatite (Ca 10 (PO 4) 6 (OH) 2) refers to.

チタン酸カルシウム・非晶質炭素複合物層を構成するチタン酸カルシウム・非晶質炭素複合物とは、上述の方法で合成されるものを言う。この合成品は、周知のチタン酸カルシウム合成法、つまり炭酸カルシウムと二酸化チタンの混合粉末を1200℃で加熱する乾式法で得られるチタン酸カルシウムと較べて、強度が大きく、絶縁性を有する点では同じであるが、結晶性がよく、膜状に形成することができ、生体内で容易に溶解しないなどの点で性質が大きく異なることから、チタン酸カルシウムと非晶質炭素との複合物として存在するものと推察される。そしてこのチタン酸カルシウム・非晶質炭素複合物は、チタン、チタン合金などの金属となじみやすく、金属に対する接着力が高く、剥離を生じにくいことから、また上記したように膜状に形成できることから、金属被覆材料として用いて、下層バインダー(接着材)や金属保護膜として機能させることができる。 The calcium titanate / amorphous carbon composite composing the calcium titanate / amorphous carbon composite layer is one synthesized by the above-described method. This synthetic product is higher in strength and has an insulating property than calcium titanate obtained by a well-known calcium titanate synthesis method, that is, a dry method in which a mixed powder of calcium carbonate and titanium dioxide is heated at 1200 ° C. Although it is the same, the crystallinity is good, it can be formed into a film shape, and the properties are very different in that it does not dissolve easily in vivo. As a composite of calcium titanate and amorphous carbon Presumed to exist. This calcium titanate / amorphous carbon composite is easily compatible with metals such as titanium and titanium alloys, has high adhesion to metals and is less likely to peel off, and can be formed into a film as described above. It can be used as a metal coating material and function as a lower layer binder (adhesive) or a metal protective film.

合成チタン酸カルシウムの元素分析(TEM−EDX)の結果を図1に示す。図中の(a)が上述の方法(熱分解法、650℃で加熱)による合成チタン酸カルシウム・非晶質炭素複合物、(b)が乾式法(1200℃で加熱)による合成チタン酸カルシウムである。   The result of elemental analysis (TEM-EDX) of synthetic calcium titanate is shown in FIG. (A) in the figure is a synthetic calcium titanate / amorphous carbon composite by the above-mentioned method (pyrolysis method, heated at 650 ° C.), and (b) is a synthetic calcium titanate by a dry method (heated at 1200 ° C.). It is.

図2に上述の方法による合成チタン酸カルシウム・非晶質炭素複合物のモデル構造を示す。同複合物において、チタン酸カルシウムは、(a)に示すように、天然鉱物のCaTiOと同じ結晶構造を持つ酸化物、すなわちペロブスカイト型酸化物(一般にABOと表わされる)である。非晶質炭素は、(b)に示すように、結晶粒界への析出の他、結晶格子内への侵入、置換、格子欠陥部への析出として存在すると考えられる。このようなチタン酸カルシウム・非晶質炭素複合物層を下地層としてリン酸カルシウム化合物層を形成すると、ほぼ水酸アパタイトのみが形成され、高い骨結合能が発揮される。 FIG. 2 shows a model structure of a synthetic calcium titanate / amorphous carbon composite by the above-described method. In the composite, as shown in (a), calcium titanate is an oxide having the same crystal structure as that of the natural mineral CaTiO 3 , that is, a perovskite oxide (generally expressed as ABO 3 ). As shown in (b), the amorphous carbon is considered to exist as precipitation into the crystal lattice, substitution into the crystal lattice, substitution, and precipitation into the lattice defect portion as shown in (b). When such a calcium phosphate compound layer is formed using such a calcium titanate / amorphous carbon composite layer as an underlayer, almost only hydroxyapatite is formed, and high bone bonding ability is exhibited.

金属基材には、生体内で安定な、チタン、チタン合金、ステンレス鋼、コバルト−クロム合金から選択される金属又は合金が好適に使用される。ここでチタン又はチタン合金とは、金属チタンの他、Ta、Nb、Zr、白金族金属、Al、V等を添加したチタン合金を言い、ステンレス鋼とは、SUS304、SUS310、SUS316等の所謂ステンレス鋼を言い、コバルト−クロム合金とは、生体埋め込み用のコバルト−クロム合金等の耐腐蝕性合金を言う。板状、棒状等の形状のもの、平滑表面、スポンジ状の多孔表面を有するものであってよく、又エクスパンドメッシュや多孔板であってもよい。このような金属基材は、焼結体やガラスと比較して機械的強度が十分に大きくかつ工作が容易である。上述のチタン酸カルシウム・非晶質炭素複合物との親和性を向上させるために、また活性化させるために、金属基材の表面を予め、水洗、酸洗、超音波洗浄、蒸気洗浄等により浄化すること、更に必要に応じてブラスト及び/又はエッチング処理により粗面化することが望ましい。エッチングは、化学的方法、アルゴンエッチング、スパッタリング等の物理的方法のいずれでもよい。   As the metal substrate, a metal or alloy selected from titanium, titanium alloy, stainless steel, and cobalt-chromium alloy that is stable in vivo is preferably used. Here, titanium or a titanium alloy means a titanium alloy to which Ta, Nb, Zr, platinum group metal, Al, V or the like is added in addition to metal titanium, and stainless steel means so-called stainless steel such as SUS304, SUS310, and SUS316. Steel is referred to as a cobalt-chromium alloy, which refers to a corrosion-resistant alloy such as a cobalt-chromium alloy for living body implantation. It may have a plate-like shape, a rod-like shape, a smooth surface, a sponge-like porous surface, or an expanded mesh or a porous plate. Such a metal substrate has sufficiently large mechanical strength and is easy to work as compared with a sintered body or glass. In order to improve the affinity with the above-mentioned calcium titanate / amorphous carbon composite and to activate it, the surface of the metal substrate is previously washed with water, pickled, ultrasonic washed, steam washed, etc. It is desirable to purify and to roughen the surface by blasting and / or etching if necessary. Etching may be any of chemical methods, physical methods such as argon etching, and sputtering.

有機または無機のカルシウム化合物は、Ca源として用いるもので、化学的に安定で有機溶媒に可溶な金属石鹸、例えばナフテン酸、2−エチルヘキサン酸、ステアリン酸等のカルボン酸のカルシウム塩などを使用できる。これらの内、一定の化学組成を有し且つ分子量が比較的小さいためカルシウム含有量を多くできる2−エチルヘキサン酸のカルシウム塩が特に好ましい。2−エチルヘキサン酸には、約12%のカルシウムを含有させることが可能であるが、塗布液中に溶解している二酸化炭素分を除去するために、また非晶質炭素を残すために、未反応の2−エチルヘキサン酸を残すことが必要なので、5〜8%のカルシウムを含有する2−エチルヘキサン酸カルシウムとすることが好ましい。市販の金属石鹸をそのまま使用してもよいし、カルボン酸と酸化カルシウム等の無機カルシウム化合物との反応により調製してもよい。無機カルシウム化合物としては、たとえば硝酸カルシウムを使用できる。2−エチルヘキサン酸カルシウムの市販品は4.5〜5.5%のカルシウムを含んでいる。 An organic or inorganic calcium compound is used as a Ca source, and is a metal soap that is chemically stable and soluble in an organic solvent, such as calcium salts of carboxylic acids such as naphthenic acid, 2-ethylhexanoic acid, and stearic acid. Can be used. Of these, a calcium salt of 2-ethylhexanoic acid, which has a certain chemical composition and has a relatively low molecular weight, can increase the calcium content, is particularly preferable. 2-ethylhexanoic acid can contain about 12% calcium, but in order to remove carbon dioxide dissolved in the coating solution and leave amorphous carbon, Since it is necessary to leave unreacted 2-ethylhexanoic acid, calcium 2-ethylhexanoate containing 5-8% calcium is preferable. A commercially available metal soap may be used as it is, or may be prepared by a reaction between a carboxylic acid and an inorganic calcium compound such as calcium oxide. For example, calcium nitrate can be used as the inorganic calcium compound. Commercial products of calcium 2-ethylhexanoate contain 4.5-5.5% calcium.

有機チタン化合物は、Ti源、C源として用いるもので、化学的に安定で有機溶媒に可溶なチタンアルコキシド、たとえばチタンテトライソプロポキシドを好適に使用できる。
有機リン化合物としては、化学的に安定で有機溶媒に可溶なリン酸エステル、たとえばリン酸トリメチル、リン酸トリ−n−ブチル、リン酸トリクレジル、リン酸トリ(2−エチルヘキシル、リン酸ジ−n−ブチル、リン酸ジ(2−エチルヘキシル)、リン酸水素ビス2−エチルヘキサン酸等を使用することができ、溶液中に溶解している二酸化炭素分を除去するために、リン酸水素ビス2−エチルヘキシル等のリン酸ジまたはモノエステルを一部ないし全量含有させて酸性にしておくことが好ましい。
The organic titanium compound is used as a Ti source and a C source, and a titanium alkoxide that is chemically stable and soluble in an organic solvent, such as titanium tetraisopropoxide, can be preferably used.
Examples of organic phosphorus compounds include phosphate esters that are chemically stable and soluble in organic solvents, such as trimethyl phosphate, tri-n-butyl phosphate, tricresyl phosphate, tri (2-ethylhexyl phosphate, di-phosphate). n-butyl, di (2-ethylhexyl) phosphate, bis (2-ethylhexanoic acid) hydrogen phosphate, etc. can be used, and in order to remove carbon dioxide dissolved in the solution, bis (hydrogen phosphate) It is preferable that a part or all of a phosphoric acid di- or monoester such as 2-ethylhexyl is contained to make it acidic.

溶媒としては、上記化合物を安定に溶解することができ、かつチタン酸カルシウムに炭素Cをアモルファス(非晶質)状態で安定して保持させ得ることが必要であり、かつ添加される水と相互溶解することができ、又溶質濃度、粘度を調節できる溶媒であることが好ましいため、次の有機溶媒、2−プロパノール(イソプロピルアルコール)、1−ブタノール(n−ブタノール)、1−ペンタノール(n−アミルアルコール)、エチレングリコール等のアルコール類、またはこれらの混合物などが好適に使用される。水の添加は、水酸アパタイトの生成に水酸基源が必要なためである。水分が少ないとβ−TCP(リン酸三カルシウム)が半分以上生成する。   As the solvent, it is necessary that the above compound can be stably dissolved, and that the carbon titanate can be stably held in the amorphous (amorphous) state by calcium titanate, and mutual with added water. Since it is preferable that the solvent can be dissolved and the solute concentration and viscosity can be adjusted, the following organic solvents, 2-propanol (isopropyl alcohol), 1-butanol (n-butanol), 1-pentanol (n -Amyl alcohol), alcohols such as ethylene glycol, or mixtures thereof are preferably used. This is because the addition of water requires a hydroxyl source for the formation of hydroxyapatite. If the moisture is low, β-TCP (tricalcium phosphate) is more than half generated.

塗布方法としては、ディップコーティング(引き上げ法)、スピンコーティング(回転法、遠心法)、噴霧法、刷毛塗り及び静電塗装等従来公知の方法を使用することができる。又塗布液にアセチルセルロースやエチルセルロース等の増粘剤を添加して印刷法、転写法によって塗布することも可能である。このなかでディップコーティングは複雑な形状の基材上にも均一に成膜できるため好ましく、人工歯根などにも用いることができる。また特殊な装置が不要で手作業も可能であるため都合よい。   As the coating method, conventionally known methods such as dip coating (lifting method), spin coating (rotating method, centrifugal method), spraying method, brush coating and electrostatic coating can be used. It is also possible to add a thickener such as acetylcellulose or ethylcellulose to the coating solution and apply it by a printing method or a transfer method. Among them, dip coating is preferable because it can form a film even on a substrate having a complicated shape, and can also be used for artificial tooth roots and the like. In addition, it is convenient because it does not require a special device and can be manually operated.

チタンTiおよびカルシウムCaを含んだ有機溶媒溶液を塗布した金属基材を加熱焼成すると、目的とするチタン酸カルシウム・非晶質炭素複合物(以下、CaTiO−Cと記す)層が表面に形成された金属基材を得ることができる。該加熱焼成の際の温度を500℃〜650℃とするのは、500℃よりも低いと、CaTiO−Cの結晶性が低下し、また炭酸カルシウムが多量に生成するため、脆く、溶解し易くなり、650℃を超えると、金属基材の表面の酸化が急速に進行して機械的性質が劣化し、CaTiO−Cの付着性も劣化するからである。なおこの際にCa/Tiの比を1.01〜1.10とすることが重要である。また20〜200℃/分程度に急速加熱することが重要である。このことにより炭酸カルシウムの生成が抑えられ、炭素がアモルファス(非晶質)状態でチタン酸カルシウム内に含有され、結晶性が良好になる。徐々に加熱した場合には、炭酸カルシウムが含まれ、結晶性が悪く、生体内で溶解しやすいものとなる。その上にリン酸カルシウム化合物層を形成すると、CaCOとの固相反応によってTCP(リン酸三カルシウム)が生成し、このTCPは溶解性が高いものである。また相変化の際の体積変化により亀裂が発生し、COの気泡も発生する。つまり徐々に加熱して形成されるCaTiOは下地層として不適格である。 When a metal base material coated with an organic solvent solution containing titanium Ti and calcium Ca is heated and fired, a target calcium titanate / amorphous carbon composite (hereinafter referred to as CaTiO 3 -C) layer is formed on the surface. The obtained metal substrate can be obtained. The temperature during the heating and baking is set to 500 ° C. to 650 ° C. If the temperature is lower than 500 ° C., the crystallinity of CaTiO 3 —C is lowered, and a large amount of calcium carbonate is generated. This is because if the temperature exceeds 650 ° C., the oxidation of the surface of the metal substrate proceeds rapidly, the mechanical properties deteriorate, and the adhesion of CaTiO 3 —C also deteriorates. In this case, it is important to set the ratio of Ca / Ti to 1.01 to 1.10. Further, it is important to rapidly heat to about 20 to 200 ° C./min. This suppresses the formation of calcium carbonate, and carbon is contained in the calcium titanate in an amorphous (amorphous) state, so that the crystallinity is improved. When heated gradually, calcium carbonate is contained, the crystallinity is poor, and it is easy to dissolve in the living body. When a calcium phosphate compound layer is formed thereon, TCP (tricalcium phosphate) is generated by a solid phase reaction with CaCO 3, and this TCP is highly soluble. Further, cracks are generated due to the volume change during the phase change, and CO 2 bubbles are also generated. That is, CaTiO 3 formed by heating gradually is not suitable as an underlayer.

リンおよびカルシウムを含んだ有機溶媒溶液を塗布した金属基材を加熱焼成すると、目的とするリン酸カルシウム化合物層がチタン酸カルシウム・非晶質炭素複合物層の上に形成される。該加熱焼成の際の温度は、500℃〜650℃であることが好ましい。リン酸カルシウム化合物は500℃〜600℃で結晶化が十分となるのであるが、上記したチタン酸カルシウム・非晶質炭素複合物の加熱焼成温度に合わせるのが都合よい。   When a metal base material coated with an organic solvent solution containing phosphorus and calcium is heated and fired, a target calcium phosphate compound layer is formed on the calcium titanate / amorphous carbon composite layer. The temperature at the time of the heating and firing is preferably 500 ° C to 650 ° C. The calcium phosphate compound is sufficiently crystallized at 500 ° C. to 600 ° C., but it is convenient to match the heating and firing temperature of the calcium titanate / amorphous carbon composite described above.

これらの加熱焼成は酸化性雰囲気中で行うのが好ましく、非酸化性雰囲気中で行うと前記有機化合物の分解が不十分となり、二酸化炭素が多量に残留し、炭酸カルシウムの生成を来たす。加熱焼成前及び/又は加熱焼成時に系中の二酸化炭素を可及的に除去することも、炭酸カルシウムの生成を防ぐために好ましい。   These heating and firing are preferably performed in an oxidizing atmosphere, and when performed in a non-oxidizing atmosphere, the organic compound is not sufficiently decomposed, and a large amount of carbon dioxide remains, resulting in the formation of calcium carbonate. In order to prevent the formation of calcium carbonate, it is also preferable to remove carbon dioxide in the system as much as possible before heating and / or heating and baking.

上記した方法により、金属基材がどのような形状であっても、表面全体に均一なチタン酸カルシウム・非晶質炭素複合物層およびリン酸カルシウム化合物層を形成することができるが、厚みが不足する場合には、塗布−焼成の操作を繰り返して複数の薄膜を形成することによって所望の厚さとすることができる。   By the above-described method, a uniform calcium titanate / amorphous carbon composite layer and calcium phosphate compound layer can be formed on the entire surface regardless of the shape of the metal substrate, but the thickness is insufficient. In some cases, a desired thickness can be obtained by repeating a coating-firing operation to form a plurality of thin films.

チタン酸カルシウム・非晶質炭素複合物層を形成する工程と、リン酸カルシウム化合物層を形成する工程とを複数回繰り返すことにより、チタン酸カルシウム・非晶質炭素複合物層とリン酸カルシウム化合物層とを交互に複数段に形成した多層構造とするのが好ましい。このような多層構造は、2つのリン酸カルシウム化合物層の間にチタン酸カルシウム・非晶質炭素複合物層を挟んでいることから、インプラントとして用いたときにインプラント界面での骨形成能を長期にわたって持続させることが可能となる。   By repeating the step of forming the calcium titanate / amorphous carbon composite layer and the step of forming the calcium phosphate compound layer a plurality of times, the calcium titanate / amorphous carbon composite layer and the calcium phosphate compound layer are alternated. A multilayer structure formed in a plurality of stages is preferable. In such a multilayer structure, a calcium titanate / amorphous carbon composite layer is sandwiched between two calcium phosphate compound layers, so that when it is used as an implant, bone forming ability at the implant interface is maintained for a long period of time. It becomes possible to make it.

チタン酸カルシウム溶液、リン酸カルシウム化合物溶液は、ほとんど有機溶媒から成るため、チタン酸カルシウムや、水酸アパタイトやリン酸三カルシウム自体に対する溶解能を有していない。そのため塗布−焼成の操作を繰り返しても下地層が溶解することがなく、均一かつ強固な被覆層を形成することができる。又常温において何等の析出物も生ずることがないので長期に亘って安定に保存し使用することが可能である。   Since the calcium titanate solution and the calcium phosphate compound solution are almost composed of an organic solvent, they do not have the ability to dissolve calcium titanate, hydroxyapatite, or tricalcium phosphate itself. Therefore, even if the coating and baking operations are repeated, the base layer does not dissolve, and a uniform and strong coating layer can be formed. Further, since no precipitate is formed at room temperature, it can be stored and used stably for a long time.

本発明は、チタン等の金属基材の表面をリン酸カルシウム化合物層で被覆するに当たり、金属基材表面に予めチタン酸カルシウム・非晶質炭素複合物層を熱分解法によって形成するようにしたもので、このことにより以下のような効果が得られる。
(1) チタン酸カルシウム・非晶質炭素複合物層は金属基材およびリン酸カルシウム化合物層と強固に結合するため、リン酸カルシウム化合物層の剥離等を防止することができ、リン酸カルシウム化合物層を単に金属基材上にプラズマ溶射法等で形成するのに較べて密着強度が高まる。
(2) 基材としてチタン、チタン合金又はステンレス鋼等を使用しているため、本発明品たるリン酸カルシウム化合物被覆複合材を人工骨や人工歯根にコーティングした場合に、生体に無害かつ安定で有害物質の溶出の可能性もなく、しかも軽量で機械強度が十分に大きく工作も容易である。
(3) リン酸カルシウム化合物層を表面に有しているため、生体内における親和性が十分に大きく、容易にかつ十分な強度をもって接合することができる。
(4) 少なくともチタン酸カルシウム・非晶質炭素複合物層を、場合によってはリン酸カルシウム化合物層をも、熱分解法、つまり塗布液の塗布−焼成によって形成するので、次のような利点がある。
In the present invention, when the surface of a metal substrate such as titanium is coated with a calcium phosphate compound layer, a calcium titanate / amorphous carbon composite layer is previously formed on the surface of the metal substrate by a thermal decomposition method. As a result, the following effects can be obtained.
(1) Since the calcium titanate / amorphous carbon composite layer is firmly bonded to the metal substrate and the calcium phosphate compound layer, peeling of the calcium phosphate compound layer can be prevented. The adhesion strength is higher than that formed by plasma spraying or the like.
(2) Since titanium, titanium alloy, stainless steel, etc. are used as the base material, when the artificial phosphate or artificial tooth root is coated with the calcium phosphate compound-coated composite material of the present invention, it is harmless, stable and harmful to the living body. There is no possibility of elution, and it is lightweight and has a sufficiently large mechanical strength and is easy to work with.
(3) Since the calcium phosphate compound layer is provided on the surface, the affinity in the living body is sufficiently large, and bonding can be easily performed with sufficient strength.
(4) Since at least the calcium titanate / amorphous carbon composite layer and, in some cases, the calcium phosphate compound layer, are formed by a thermal decomposition method, that is, coating and baking of a coating solution, there are the following advantages.

有機溶媒によって濃度を調節したり、焼結温度を調節することにより、1回の塗布−焼成で任意の膜厚を得ることができる。また塗布−焼成操作を複数回行うことで所望の層厚を得ることができる。またチタン酸カルシウム・非晶質炭素複合物層とリン酸カルシウム化合物層とを交互に配した多層構造とすることができ、超薄膜の多層構造も任意に得ることができる。このような多層複合層は、接着力、骨誘導能、骨結合力が強く、吸収速度も調節可能である。   By adjusting the concentration with an organic solvent or adjusting the sintering temperature, an arbitrary film thickness can be obtained by one coating-firing. Moreover, desired layer thickness can be obtained by performing application | coating-baking operation in multiple times. In addition, a multilayer structure in which calcium titanate / amorphous carbon composite layers and calcium phosphate compound layers are alternately arranged can be formed, and an ultrathin multilayer structure can be arbitrarily obtained. Such a multilayer composite layer has strong adhesive force, osteoinductive ability, and bone bonding force, and the resorption rate can be adjusted.

チタン酸カルシウム・非晶質炭素層とリン酸カルシウム化合物層の双方を熱分解法によって形成する場合には、共通する有機溶媒を塗布液に用い、塗布液の調製方法、塗布−焼結の方法も統一できるので、各層を別々の経路で作成するのに比べて工程を簡素化することができる。   When both the calcium titanate / amorphous carbon layer and the calcium phosphate compound layer are formed by pyrolysis, a common organic solvent is used for the coating solution, and the coating solution preparation method and coating-sintering method are unified. Therefore, the process can be simplified as compared with the case where each layer is formed by a separate route.

どのような形状の基材にも表面全体に均一な被覆層を形成することができる。   A uniform coating layer can be formed on the entire surface of a substrate of any shape.

以下、本発明の実施の形態を具体例を挙げて説明する。
(チタン酸カルシウム・非晶質炭素複合物層の作成)
高純度の炭酸カルシウムを空気中、1,050℃で2時間加熱して酸化カルシウムを得た。2−エチルヘキサン酸29.8gを100m1三角フラスコにとり、100〜120℃に加熱しながら、上記の酸化カルシウム粉末3.36gを徐々に加えて、2−エチルヘキサン酸カルシウム溶液を調製した。この溶液を冷却した後、1−ブタノール48gを混合し、さらにチタンテトライソプロポキシド16.8gを混合し、十分に撹拌して、黄褐色かつ透明で粘稠な液体(比重0.92)約110mlを得た。これを塗布原液に用い、2−プロパノール3倍量(質量比)で希釈して、適度な濃度、粘度を持ったチタン酸カルシウム塗布液とした。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with specific examples.
(Creation of calcium titanate / amorphous carbon composite layer)
High purity calcium carbonate was heated in air at 1,050 ° C. for 2 hours to obtain calcium oxide. 2-ethylhexanoate 29.8g taken to 100m1 Erlenmeyer flask, while heating to 100 to 120 ° C., was added slowly the above calcium oxide powder 3.36 g, was prepared 2-ethylhexanoic acid number calcium solution. After cooling this solution, 48 g of 1-butanol is mixed, and 16.8 g of titanium tetraisopropoxide is further mixed, and the mixture is sufficiently stirred to give a tan, transparent and viscous liquid (specific gravity 0.92) about 110 ml was obtained. This was used as a coating stock solution and diluted with 3-fold amount (mass ratio) of 2-propanol to obtain a calcium titanate coating solution having an appropriate concentration and viscosity.

35mm角、厚さ0.7mmのJIS2種のチタン板を、6N−HCI中で15分間煮沸するエッチング処理を施し、水道水で1回、蒸留水で3回洗浄し、60℃で乾燥させた。このエッチング処理チタン板を基材として、上記のチタン酸カルシウム塗布液に5分間浸漬し、ゆっくりと垂直に引き上げ、室温で10分、110℃で20分間乾燥させてから、空気中で650℃に急速加熱し、その温度に10分間保持した後、急冷した。この塗布、乾燥、焼成の操作を計3回繰り返して、チタン板の表面に被覆層を形成した。被覆層は灰褐色であった。   A 35 mm square, 0.7 mm thick JIS type 2 titanium plate was subjected to an etching treatment of boiling for 15 minutes in 6N-HCI, washed once with tap water, three times with distilled water, and dried at 60 ° C. . Using this etched titanium plate as a base material, it is immersed in the above-mentioned calcium titanate coating solution for 5 minutes, slowly pulled up vertically, dried at room temperature for 10 minutes, and at 110 ° C. for 20 minutes, and then in air at 650 ° C. Rapid heating and holding at that temperature for 10 minutes followed by rapid cooling. This coating, drying, and firing operations were repeated a total of three times to form a coating layer on the surface of the titanium plate. The coating layer was grayish brown.

このチタン板被覆物の結晶相をX線回折法で調べた結果(X線回折像)を図3に示す。チタン板からのα−Tiのピークとともに、結晶性の良いペロブスカイト(CaTiO)のピークが認められ、CaTiO層が形成されていることがわかる。またチタン板の酸化によるルチル(TiO)が認められる。このTiOのピーク強度は、チタン酸カルシウム塗布液を塗布しない以外は同様に処理した非被覆物(650℃、急速加熱、30分加熱)に較べて、1/10であった。CaTiO層がチタンの酸化を抑えていることがわかる。チタン板に較べての質量増加とCaTiOの理論密度(4.04g/cm)とから算出される被覆層の厚さは0.6μmであった。1回の塗布−焼成で0.2μmの薄膜が形成されている。このように薄膜が形成されていることから、CaTiO層は実際にはCaTiO−Cよりなるものと思われる。以下、この被覆層をCaTiO−Cの3回被覆層、これで被覆されたチタン板をCaTiO−Cの3回被覆物と称す。
(リン酸カルシウム化合物層の作成)
上述したのと同様にして2−工チルヘキサン酸カルシウム溶液を調製し、この溶液に1−ブタノール42gを混合し、さらにリン酸水素ビス(2−エチルヘキシル)10.7gおよび蒸留水(OH源)2.8gを混合し、十分に撹拌して、透明で粘稠な液体(比重0.89)約100m1を得た。これを塗布原液に用い、2−プロパノール2倍量(質量比)で希釈して、適度な濃度、粘度を持ったリン酸カルシウム化合物塗布液とした。この塗布液中のCa/P混合比は1.80であり、HAの理論値1.67よりも高くしている。β−TCPの生成を防ぐためにCa/P混合比を1.75〜1.85とするのが望ましいからである。また有効成分の一部が蒸発してしまうからである。
FIG. 3 shows the result (X-ray diffraction image) of examining the crystal phase of the titanium plate coating by X-ray diffraction. Along with the α-Ti peak from the titanium plate, a peak of perovskite (CaTiO 3 ) with good crystallinity is recognized, indicating that a CaTiO 3 layer is formed. Further, rutile (TiO 2 ) due to oxidation of the titanium plate is observed. The peak intensity of this TiO 2 was 1/10 compared to a non-coated material (650 ° C., rapid heating, 30 minutes heating) treated in the same manner except that the calcium titanate coating solution was not applied. It can be seen that the CaTiO 3 layer suppresses oxidation of titanium. The thickness of the coating layer calculated from the increase in mass compared to the titanium plate and the theoretical density of CaTiO 3 (4.04 g / cm 3 ) was 0.6 μm. A thin film having a thickness of 0.2 μm is formed by one application-firing. Since the thin film is formed in this way, it is considered that the CaTiO 3 layer is actually made of CaTiO 3 —C. Hereinafter, this coating layer is referred to as a three-time coating layer of CaTiO 3 —C, and a titanium plate coated with the coating layer is referred to as a three-time coating of CaTiO 3 —C.
(Creation of calcium phosphate compound layer)
In the same manner as described above, a solution of 2-engineered calcium cylohexanoate was prepared, 42 g of 1-butanol was mixed with this solution, and 10.7 g of hydrogen phosphate bis (2-ethylhexyl) and distilled water (OH source) 2 .8 g was mixed and sufficiently stirred to obtain about 100 ml of a clear and viscous liquid (specific gravity 0.89). This was used as a coating stock solution and diluted with 2-propanol (twice amount) (mass ratio) to obtain a calcium phosphate compound coating solution having an appropriate concentration and viscosity. The Ca / P mixing ratio in this coating solution is 1.80, which is higher than the theoretical value of 1.67 for HA. This is because it is desirable to set the Ca / P mixing ratio to 1.75 to 1.85 in order to prevent the formation of β-TCP. Moreover, it is because a part of active ingredient will evaporate.

次に、先に作成したCaTiO−Cの3回被覆物を上記のリン酸カルシウム化合物塗布液に5分間浸漬し、ゆっくりと垂直に引き上げ、室温で10分、110℃で20分間乾燥させてから、空気中で650℃に急速加熱し、その温度に10分間保持した後、急冷した。この塗布、乾燥、焼成の操作を計10回繰り返して、CaTiO−Cの3回被覆層の上にさらなる被覆層を形成した。 Next, the three-time coating of CaTiO 3 —C prepared above is immersed in the above calcium phosphate compound coating solution for 5 minutes, slowly pulled up vertically, dried at room temperature for 10 minutes, and at 110 ° C. for 20 minutes, Rapid heating to 650 ° C. in air, holding at that temperature for 10 minutes, followed by rapid cooling. This coating, drying, and firing operations were repeated 10 times in total to form a further coating layer on the CaTiO 3 —C coating layer three times.

このチタン板被覆物の結晶相をX線回折法で調べた結果(X線回折像)を図4に示す。α−Tiのピーク、結晶性の良いペロブスカイト(CaTiO)のピークとともに、ヒドロキシアパタイト(HA)のピークが認められ、被覆層がHA/CaTiO−C二重層を構成していることが確認された。チタン板の酸化による少量のルチル(TiO)も認められる。CaTiO−Cの3回被覆物に較べての質量増加と、HAの理論密度(3.16g/cm)とから算出されるHA層の厚さは2.4μであった。1回の塗布−焼成で0.24μmの薄膜が形成されている。 FIG. 4 shows the result (X-ray diffraction image) of examining the crystal phase of the titanium plate coating by X-ray diffraction. A peak of hydroxyapatite (HA) is observed together with a peak of α-Ti and a peak of perovskite (CaTiO 3 ) having good crystallinity, and it is confirmed that the coating layer constitutes a HA / CaTiO 3 -C bilayer. It was. A small amount of rutile (TiO 2 ) due to oxidation of the titanium plate is also observed. The thickness of the HA layer calculated from the mass increase compared to the three-time coating of CaTiO 3 —C and the theoretical density of HA (3.16 g / cm 3 ) was 2.4 μm. A thin film of 0.24 μm is formed by one coating-firing.

上述した手順を繰り返せば、HA/CaTiO−C二重層を複数段に形成することができる。
図5に、(a)HA/CaTiO−C二重層が形成された本発明の被覆物、(b)HA/CaTiO−C二重層が2段に形成された本発明の被覆物、(c)従来のHA被覆物、のそれぞれの断面模式図を示す。
By repeating the procedure described above, the HA / CaTiO 3 —C bilayer can be formed in a plurality of stages.
FIG. 5 shows (a) a coating of the present invention in which an HA / CaTiO 3 —C bilayer is formed, (b) a coating of the present invention in which an HA / CaTiO 3 —C bilayer is formed in two stages, c) The cross-sectional schematic diagram of each of the conventional HA coatings is shown.

上述したようにしてHA/CaTiO−C二重層(1段のみ)が形成された本発明被覆物について、被覆層の密着強度を調べた。試験方法は、塗料の測定法(JIS A6909:2003、建築用仕上げ塗材)に準じたもので、試料を鋼製治具に2液性エポキシ樹脂(アラルダイト)で接着し、引っ張り試験を行なった。 The adhesion strength of the coating layer was examined for the coating of the present invention in which the HA / CaTiO 3 -C bilayer (only one step) was formed as described above. The test method was based on the paint measurement method (JIS A6909: 2003, architectural finish coating material). The sample was bonded to a steel jig with a two-component epoxy resin (Araldite), and a tensile test was performed. .

HA/CaTiO−C二重層が形成された本発明の第1例の被覆物では4.9MPaと測定された。基材として用いたエッチング処理チタン板の表面粒さ(Ra)は、ダイヤモンド触針式表面粗さ計で2.5μであった。一般に密着強度は表面粗さに依存し、表面粗さが大きいほど密着強度が高くなる。70番アルミナでブラストしエッチング処理したチタン板(Ra4.5μ)を基材として、同様にHA/CaTiO−C二重層を形成した本発明の第2例の被覆物では、密着強度は6.7MPaに上昇した。これに対し、エッチング処理チタン板(Ra2.5μ)上にHAのみの10回被覆層を形成した被覆物では、密着強度は2.OMPaと低くなった。CaTiO−C層を介在させることで密着強度が著しく改善されることがわかる。 The coating of the first example of the present invention in which the HA / CaTiO 3 —C bilayer was formed measured 4.9 MPa. The surface grain size (Ra) of the etching-treated titanium plate used as the substrate was 2.5 μm with a diamond stylus surface roughness meter. In general, the adhesion strength depends on the surface roughness, and the adhesion strength increases as the surface roughness increases. In the coating of the second example of the present invention in which a HA / CaTiO 3 —C double layer was similarly formed using a titanium plate (Ra 4.5 μm) blasted with 70th alumina and etched, the adhesion strength was 6. The pressure rose to 7 MPa. On the other hand, in the coating in which the coating layer of only HA is formed 10 times on the etched titanium plate (Ra 2.5 μ), the adhesion strength is 2. It became as low as OMPa. It can be seen that the adhesion strength is remarkably improved by interposing the CaTiO 3 —C layer.

別途に、上述したHA/CaTiO−C二重層(1段のみ)を形成する本発明の被覆処理を純チタン棒に施し、引き抜き試験を実施した。
純チタン棒は、直径3mm,長さ15mmのスクリュータイプのもの(商品名KOMインプラント)を用いた。比較のために、「機械研磨」処理として、NC旋盤および放電加工機による削り出しを行なった。また「表面ブラスト」処理として、水酸化脱水素法により製造された特殊形態を持った純チタン粉でブラストを施した。引き抜き試験は、上記の各処理を施したチタン棒を各3本、イヌ橈骨に植立し、4週間後に骨と共に摘出した。その際の回転除去トルクをロードセル型万能試験機(上島製作所)で測定し、平均値を求めた。結果を表1に示す。
Separately, a pure titanium rod was subjected to the coating treatment of the present invention to form the above-described HA / CaTiO 3 —C double layer (only one stage), and a pull-out test was performed.
As the pure titanium rod, a screw type (trade name: KOM implant) having a diameter of 3 mm and a length of 15 mm was used. For comparison, machining with an NC lathe and an electric discharge machine was performed as a “mechanical polishing” process. In addition, as a “surface blasting” treatment, blasting was performed with pure titanium powder having a special form manufactured by a hydroxide dehydrogenation method. In the pull-out test, three titanium rods each subjected to the above treatments were each planted on a canine rib, and removed together with the bone after 4 weeks. The rotation removal torque at that time was measured with a load cell universal testing machine (Ueshima Seisakusho), and the average value was obtained. The results are shown in Table 1.

機械研磨あるいは表面ブラストを施したチタン棒に較べて、本発明被覆物は回転除去トルク値が増大している。本発明被覆物の引き抜き抵抗が大きいことがわかる。   Compared to a titanium rod subjected to mechanical polishing or surface blasting, the coating of the present invention has an increased rotational removal torque value. It can be seen that the pullout resistance of the coating of the present invention is large.

Figure 0004423423
さらに、CaTiO−C膜の生体内吸収速度はHA膜の10分の1であることも確認できた。したがって、HA/CaTiO−C二重層のような多層複合層とすることにより、上記したように接着力(密着強度)が増加するのみならず、吸収速度の調節を行なえるものである。
Figure 0004423423
Furthermore, it was also confirmed that the in vivo absorption rate of the CaTiO 3 -C film was 1/10 that of the HA film. Therefore, by using a multilayer composite layer such as an HA / CaTiO 3 —C bilayer, not only the adhesive strength (adhesion strength) increases as described above, but also the absorption rate can be adjusted.

よって、HA/CaTiO−Cの多層構造(傾斜機能材料)を金属基材の表面に配した本発明のリン酸カルシウム化合物被覆複合材は、歯科インプラントなどとして用いて、長期間、たとえば10年以上、骨内に維持させることが可能である。 Therefore, the calcium phosphate compound-coated composite material of the present invention in which the HA / CaTiO 3 -C multilayer structure (functionally gradient material) is arranged on the surface of the metal substrate is used as a dental implant or the like for a long period of time, for example, 10 years or more. It can be maintained in the bone.

CaTiO−Cは接着能が強く、金属とHA結晶とをイオン結合するので、歯科充填材料、歯骨欠損のボンディング材料などとしても好適である。
基材の形状に関わらず、また基材が合金であっても、HA/CaTiO−Cを被覆層として形成できるので、人工関節等の形状が複雑なものとしても構成することができ、その界面の被覆層の吸収を遅くすることができる。
CaTiO 3 -C has a strong adhesive ability and ion-bonds the metal and the HA crystal, so that it is also suitable as a dental filling material, a bone defect bonding material, or the like.
Regardless of the shape of the base material, and even if the base material is an alloy, HA / CaTiO 3 —C can be formed as a coating layer, so that it can be configured even with a complicated shape such as an artificial joint, The absorption of the coating layer at the interface can be delayed.

HA/CaTiO−C層は任意の厚さに形成できるので、骨内スクリューやネジ等の一定期間後に除去するものなど、目的に応じて被覆層厚さを自由に設定できる。
歯科インプラントに用いる場合には、口腔内にあるために生じることがある細菌感染を防止するために、つまり抗菌性の性質を付与する目的で、HA/CaTiO−C層のカルシウムとキレート結合するテトラサイクリンを添加して、DDS(Drug Delivery System)材料とすることもできる。
Since the HA / CaTiO 3 -C layer can be formed to an arbitrary thickness, the thickness of the coating layer can be freely set according to the purpose, such as an intraosseous screw or screw that is removed after a certain period of time.
When used in dental implants, it chelates with calcium in the HA / CaTiO 3 -C layer to prevent bacterial infections that may occur due to being in the oral cavity, ie, to impart antibacterial properties Tetracycline can be added to obtain a DDS (Drug Delivery System) material.

本発明のリン酸カルシウム化合物被覆複合材は、インプラント材、その接合材、骨折固定材、人工関節材などの医用生体材料として整形外科や歯科などで使用できるほか、耐腐食性、耐アルカリ性、強度、絶縁性、傾斜機能等が要求される工業材料としても有用である。   The calcium phosphate compound-coated composite material of the present invention can be used in orthopedics and dentistry as a biomedical material such as an implant material, its bonding material, fracture fixing material, and artificial joint material, as well as corrosion resistance, alkali resistance, strength, insulation It is also useful as an industrial material that is required to have properties and a gradient function.

合成チタン酸カルシウムの元素分析図Elemental analysis diagram of synthetic calcium titanate 本発明の合成チタン酸カルシウム・非晶質炭素複合物のモデル構造図Model structure of the synthetic calcium titanate / amorphous carbon composite of the present invention チタン酸カルシウム・非晶質炭素複合物層が形成されたチタン板のX線回折図X-ray diffraction pattern of titanium plate with calcium titanate / amorphous carbon composite layer formed 本発明のリン酸カルシウム化合物被覆複合材の一実施例である、チタン酸カルシウム・非晶質炭素複合物層の上にリン酸カルシウム層が形成されたチタン板のX線回折図X-ray diffraction pattern of a titanium plate having a calcium phosphate layer formed on a calcium titanate / amorphous carbon composite layer, which is an embodiment of the calcium phosphate compound-coated composite material of the present invention 本発明のリン酸カルシウム化合物被覆複合材の構造を示す断面模式図Schematic cross-sectional view showing the structure of the composite material coated with calcium phosphate compound of the present invention

Claims (14)

金属基材上に、チタンおよびカルシウムをCa/Ti比が1.01−1.10となる範囲で含んだ有機溶媒溶液を塗布し20−200℃/分で昇温させて500〜650℃で加熱焼成することにより設けたチタン酸カルシウム・非晶質炭素複合物層を介してリン酸カルシウム化合物層を形成したリン酸カルシウム化合物被覆複合材。 On the metal substrate , an organic solvent solution containing titanium and calcium in a range where the Ca / Ti ratio is 1.01-1.10 is applied, and the temperature is raised at 20-200 ° C./min. via calcium titanate, amorphous carbon composite layer provided by heating and firing, calcium phosphate compound-coated composite material formed of calcium phosphate compound layer. チタン酸カルシウム・非晶質炭素複合物層およびリン酸カルシウム化合物層をそれぞれ1または複数の薄膜で構成した請求項1記載のリン酸カルシウム化合物被覆複合材。   The calcium phosphate compound-coated composite material according to claim 1, wherein each of the calcium titanate / amorphous carbon composite layer and the calcium phosphate compound layer is composed of one or more thin films. チタン酸カルシウム・非晶質炭素複合物層とリン酸カルシウム化合物層とを交互に複数段に形成した多層構造とした請求項1記載のリン酸カルシウム化合物被覆複合材。   The calcium phosphate compound-coated composite material according to claim 1, wherein the calcium titanate / amorphous carbon composite layer and the calcium phosphate compound layer are formed in a multi-layered structure alternately. 金属基材をリン酸カルシウム化合物層で被覆したリン酸カルシウム化合物被覆複合材の製造方法であって、前記金属基材上に、前記リン酸カルシウム化合物層の形成に先立って、チタンおよびカルシウムをCa/Ti比が1.01−1.10となる範囲で含んだ有機溶媒溶液を塗布液として塗布し、20−200℃/分で昇温させて500〜650℃で加熱焼成することにより、チタン酸カルシウム・非晶質炭素複合物層を形成することを特徴とするリン酸カルシウム化合物被覆複合材の製造方法。 A method for producing a calcium phosphate compound-coated composite material in which a metal substrate is coated with a calcium phosphate compound layer, wherein the Ca / Ti ratio of titanium and calcium is 1. on the metal substrate prior to the formation of the calcium phosphate compound layer . the organic solvent solution containing a range to be 01-1.10 applied as a coating liquid, by heating and firing at 500 to 650 ° C. and allowed to warm at 20-200 ° C. / min, calcium amorphous titanate A method for producing a calcium phosphate compound-coated composite material, comprising forming a carbon composite layer. リン酸カルシウム化合物層は、リンおよびカルシウムを含んだ有機溶媒溶液を塗布液として塗布し、500〜650℃で加熱焼成することにより形成することを特徴とする請求項4記載のリン酸カルシウム化合物被覆複合材の製造方法。   5. The calcium phosphate compound-coated composite material according to claim 4, wherein the calcium phosphate compound layer is formed by applying an organic solvent solution containing phosphorus and calcium as a coating liquid and heating and firing at 500 to 650 ° C. Method. チタン酸カルシウム・非晶質炭素複合物層を形成する工程と、リン酸カルシウム化合物層を形成する工程とを複数回繰り返して、多層構造を形成することを特徴とする請求項4記載のリン酸カルシウム化合物被覆複合材の製造方法。   5. The calcium phosphate compound-coated composite according to claim 4, wherein the multilayer structure is formed by repeating the step of forming the calcium titanate / amorphous carbon composite layer and the step of forming the calcium phosphate compound layer a plurality of times. A method of manufacturing the material. 塗布液の塗布と加熱焼成とを繰り返すことによって所望の厚みとすることを特徴とする請求項4または請求項5のいずれかに記載のリン酸カルシウム化合物被覆複合材の製造方法。   The method for producing a calcium phosphate compound-coated composite material according to any one of claims 4 and 5, wherein a desired thickness is obtained by repeating application of a coating solution and heating and baking. 塗布液が、有機または無機のカルシウム化合物と有機チタン化合物とを有機溶媒に溶解した溶液であることを特徴とする請求項4記載のリン酸カルシウム化合物被覆複合材の製造方法。   5. The method for producing a calcium phosphate compound-coated composite material according to claim 4, wherein the coating solution is a solution in which an organic or inorganic calcium compound and an organic titanium compound are dissolved in an organic solvent. 塗布液が、有機または無機のカルシウム化合物と有機リン化合物とを有機溶媒に溶解した溶液であることを特徴とする請求項5記載のリン酸カルシウム化合物被覆複合材の製造方法。   6. The method for producing a calcium phosphate compound-coated composite material according to claim 5, wherein the coating solution is a solution obtained by dissolving an organic or inorganic calcium compound and an organic phosphorus compound in an organic solvent. 金属基材が、チタン、チタン合金、ステンレス鋼、及びコバルト−クロム合金からなる群から選択される金属又は合金であることを特徴とする請求項4記載のリン酸カルシウム化合物被覆複合材の製造方法。   5. The method for producing a calcium phosphate compound-coated composite material according to claim 4, wherein the metal base material is a metal or alloy selected from the group consisting of titanium, titanium alloy, stainless steel, and cobalt-chromium alloy. 有機カルシウム化合物として2−エチルヘキサン酸カルシウムを使用することを特徴とする請求項8または請求項9のいずれかに記載のリン酸カルシウム化合物被覆複合材の製造方法。   10. The method for producing a calcium phosphate compound-coated composite material according to claim 8, wherein calcium 2-ethylhexanoate is used as the organic calcium compound. 有機チタン化合物としてチタンテトライソプロポキシドを使用することを特徴とする請求項8記載のリン酸カルシウム化合物被覆複合材の製造方法。   9. The method for producing a calcium phosphate compound-coated composite material according to claim 8, wherein titanium tetraisopropoxide is used as the organic titanium compound. 有機リン化合物としてリン酸水素ビス2−エチルヘキシルを使用することを特徴とする請求項9記載のリン酸カルシウム化合物被覆複合材の製造方法。   10. The method for producing a calcium phosphate compound-coated composite material according to claim 9, wherein bis 2-ethylhexyl hydrogen phosphate is used as the organic phosphorus compound. リンおよびカルシウムをCa/P比が1.75−1.85となる範囲で含んだ有機溶媒溶液を用いることを特徴とする請求項5記載のリン酸カルシウム化合物被覆複合材の製造方法。6. The method for producing a calcium phosphate compound-coated composite material according to claim 5, wherein an organic solvent solution containing phosphorus and calcium in a range of a Ca / P ratio of 1.75 to 1.85 is used.
JP2005269869A 2005-09-16 2005-09-16 Calcium phosphate compound-coated composite and method for producing the same Active JP4423423B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2005269869A JP4423423B2 (en) 2005-09-16 2005-09-16 Calcium phosphate compound-coated composite and method for producing the same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2005269869A JP4423423B2 (en) 2005-09-16 2005-09-16 Calcium phosphate compound-coated composite and method for producing the same

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2007075486A JP2007075486A (en) 2007-03-29
JP4423423B2 true JP4423423B2 (en) 2010-03-03

Family

ID=37936353

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2005269869A Active JP4423423B2 (en) 2005-09-16 2005-09-16 Calcium phosphate compound-coated composite and method for producing the same

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP4423423B2 (en)

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100930279B1 (en) 2007-06-20 2009-12-09 재단법인서울대학교산학협력재단 Calcium Phosphate Ultra Thin Films and Preparation Method thereof
DE102008040640A1 (en) * 2008-07-23 2010-01-28 Biotronik Vi Patent Ag Endoprosthesis and method of making the same
EP2774722A4 (en) * 2011-11-04 2015-07-08 Univ Kyoto Material having pores on surface, and method for manufacturing same
RU2490032C1 (en) * 2012-07-03 2013-08-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." (СГТУ имени Гагарина Ю.А.) Method for making intraosseous carbon-nanocoated dental implant
JP2019154598A (en) * 2018-03-09 2019-09-19 日本特殊陶業株式会社 Biocompatible member
JP6778295B2 (en) * 2019-04-09 2020-10-28 学校法人近畿大学 Method of immobilizing hydroxyapatite on titanium-based metal substrate and hydroxyapatite-coated metal material
CN113996811B (en) * 2021-10-27 2023-03-28 佳木斯大学 SLM3D printing TC4 titanium mesh surface treatment method

Also Published As

Publication number Publication date
JP2007075486A (en) 2007-03-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Ullah et al. Mechanical, biological, and antibacterial characteristics of plasma-sprayed (Sr, Zn) substituted hydroxyapatite coating
JP4423423B2 (en) Calcium phosphate compound-coated composite and method for producing the same
Faeda et al. Biological performance of chemical hydroxyapatite coating associated with implant surface modification by laser beam: biomechanical study in rabbit tibias
Dorozhkin Calcium orthophosphate coatings on magnesium and its biodegradable alloys
JPH0360502B2 (en)
Huang et al. Electrolytic deposition of fluorine-doped hydroxyapatite/ZrO2 films on titanium for biomedical applications
Park et al. The effects of ion beam-assisted deposition of hydroxyapatite on the grit-blasted surface of endosseous implants in rabbit tibiae.
EP3049017B1 (en) Implants with a removable coating
Nasar Hydroxyapatite and its coatings in dental implants
JP4425198B2 (en) Calcium titanate / amorphous carbon composite, coating material using the same, and method for producing the same
Marchi et al. Physico-chemical characterization of zirconia–titania composites coated with an apatite layer for dental implants
JP4188275B2 (en) Method for producing polymeric sol of calcium phosphate compound and its metal implant
KR20150131863A (en) implant forming hydroxyapatite coating layer using RF magnetron sputtering and manufacturing method thereof
Xu et al. Sol-gel derived HA/TiO2 double coatings on Ti scaffolds for orthopaedic applications
Safi et al. Effects of long durations of RF–magnetron sputtering deposition of hydroxyapatite on titanium dental implants
Nelea et al. Biomaterials: new issues and breakthroughs for biomedical applications
Ozcelik et al. A study on calcium phosphate/barium titanate composites: phase characterization, piezoelectric property, and cytocompatibility
Lee et al. Deposition behavior and characteristics of hydroxyapatite coatings on Al2O3, Ti, and Ti6Al4V formed by a chemical bath method
JP3325529B2 (en) Biomaterial coated with biocompatible thin film
Upadhyay et al. Advancement in ceramic biomaterials for dental implants
JP4471257B2 (en) Artificial bone or artificial root implant
Ardhy et al. Improvement in Bioactivity Properties of Hydroxyapatite Coated Ti-6Al-4V ELI with Addition of Zirconium Oxide for Orthopaedic Implant
JP2005034333A (en) Dental implant and its manufacturing method
Dorozhkin Surface modification of magnesium and its biodegradable alloys by calcium orthophosphate coatings to improve corrosion resistance and biocompatibility
JP2001178813A (en) Medical material with bioaffinity thin film

Legal Events

Date Code Title Description
RD04 Notification of resignation of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7424

Effective date: 20080430

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20090714

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20090911

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821

Effective date: 20090911

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20091110

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150