JP4794038B2 - 生体インプラント材 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、疾病、災害などにより骨機能や手足の関節機能が失われた場合などに、これらを修復するために治療に用いられる整形外科用人工骨及び人工関節や老齢、疾病などによって失われた歯牙を復元するために用いられる人工歯根等を構成する生体インプラント材に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、インプラントロジーの発展は目覚ましいものがあり、人工心臓、人工血管、人工肺など様々な人工臓器が医療の世界で活躍している。特に、整形外科の分野では、失われた関節機能を復元するための人工関節が広く用いられ、また、歯科医療の分野では人工歯根が脚光を浴びている。
【０００３】
このような人工関節、人工骨、人工関節などの骨内埋入型の生体インプラント材として、セラミック製基体上に細孔が三次元的に連通し、且つ細孔の連通状態が適宜コントロールされたセラミック製多孔質部材を備えたものが提案されている。
【０００４】
この技術は、上記多孔質部材として多数の孔が穿設されている未焼成のセラミック製薄板を、薄板に穿設した孔の位置を略一定の深さごとに変位させながら積層し、これをセラミック製基体とともに一体焼結することにより得られる生体インプラントに関するものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
この従来技術は骨が増生進入してくるのを最適に誘導できるよう孔形状を正確にコントロールできるものであったが、セラミック製基体と上記セラミック製多孔質部材の焼成時の収縮率の差から、一体焼成時に両者の間でクラックが発生するなど一体化に難があった。そして、クラックの発生によりセラミック製多孔質部材がセラミック製基体から脱落したり、基体に歪みを生じて摺動面の摩耗特性に影響を与える恐れがあるなどの問題点があった。
【０００６】
また、骨の増進を更に促進することを目的としてセラミック製多孔質部材の孔壁面にリン酸カルシウム系材料のコーティングを行う場合、化学的に安定なセラミックと、リン酸カルシウム材料との間で強固な固着が得られないなどの問題点があった。
【０００７】
本発明は、上記のような従来技術の問題点に鑑み、セラミック製基体とセラミック製多孔質部材がクラックの発生なしに接合され、且つ、その接合強度が十分大きく、さらに、セラミック製多孔質部材の孔の壁面に骨の増進を促進する作用があるリン酸カルシウム系材料が強固に被着されるようにすることを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１記載の生体インプラント材は、セラミック製基体上に生体為害性の少ない金属材からなる中間層を介してセラミック製多孔質部材が接合している生体インプラント材であって、上記セラミック製多孔質部材は、上記金属材でコーティングされた複数の多孔質セラミック板の積層体からなることを特徴とする。
【０００９】
かかる構成によれば、上記金属材の中間層を介した接合形態により、セラミック製基体とセラミック製多孔質部材間の焼成時における収縮率の差の影響がないので、クラックの発生なしに接合される。しかも、その接合強度を十分大きくすることが可能である。このような良好な接合は、焼成済のセラミック製基体と焼成済みのセラミック製多孔質部材を拡散接合法を利用して接合することで達成することができる。
【００１０】
さらに、セラミック製多孔質部材の孔の壁面には金属材が被着されているので、金属材上にリン酸カルシウム系材料或いは生体内でリン酸カルシウム生出作用のある材料を形成する公知の方法を利用することができる。そして、こうした方法でもって骨の増進作用があるリン酸カルシウム系材料を孔の壁面に強固に形成すれば、骨とセラミック製多孔質部材が強固に固着することになる。
【００１１】
次に、請求項２記載の発明によれば、上記セラミック製多孔質部材の孔壁面に被着された上記金属材上にリン酸カルシウム材料が被着されていることを特徴とする。
【００１２】
かかる構成によれば、生体内に埋入当初から骨を孔内へ増進させる作用が活発となる。
【００１３】
請求項３記載の発明によれば、上記金属材がチタン、タンタル、タングステン、ジルコニウム、モリブデン、ニオブもしくはこれらを主成分とする合金、またはコバルト・クロム合金、ステンレス鋼のうちから選ばれる１種以上からなることを特徴とする。
【００１４】
かかる構成によれば、上記材質は生体為害性が非常に少ないので、生体内で極めて安全である。
【００１５】
請求項４記載の発明によれば、上記セラミック製基体と上記セラミック製多孔質部材がジルコニアからなり、上記中間層がチタン又はチタン合金からなることを特徴とする。
【００１６】
かかる構成によれば、ジルコニアとチタンの熱膨張率が比較的近いので、ジルコニアに加わる残留応力が少なく、生体インプラント材の強度を低下させることが少ない。
【００１７】
請求項５記載の発明によれば、上記中間層の厚さが０．００５〜０．１ｍｍであることを特徴とする。
【００１８】
かかる構成によれば、セラミック製基体とセラミック製多孔質部材が十分大きな接合力で固着し、且つ、中間層の剥離強度を大きくすることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を説明する。
本発明の生体インプラント材は、セラミック製基体上にセラミック製多孔質部材を接合したものである。これら、セラミック製基体とセラミック製多孔質部材は、生体為害性の少ない金属材からなる中間層を介して接合されている。また、上記セラミック製多孔質部材は少なくともその孔壁面に生体為害性の少ない金属材が被着されている。
【００２０】
上記セラミック製基体およびセラミック製多孔質部材には、酸化物系セラミック（アルミナ、ジルコニア、チタニア）、窒化物系セラミック（窒化珪素、窒化チタン、窒化アルミ）もしくは炭化物系セラミック（炭化珪素）や、アルミナ分散ジルコニアやチタニア分散アルミナなどの素材強度を改善した混合セラミックを使用することができる。
【００２１】
なお、上記セラミック製基体およびセラミック製多孔質部材に対して、イオン注入を行っても良い。すなわち、後述の中間層を構成する材種のイオンを予め表面に注入しておくことにより、中間層との密着性を向上させることが可能である。例えば、アルミナからなるセラミック体の表面に予めチタンを注入しておくと、中間層としてチタンを用いた場合、密着強度を２０％ほどアップさせることができる。
【００２２】
上記セラミック製多孔質部材は、上記孔の壁面に金属材が被着されている。上記セラミック製多孔質部材の孔の壁面に被着する上記金属材としては、生体との馴染みが良い金属、例えば、チタン、タンタル、タングステン、ジルコニウム、モリブデン、ニオブもしくはこれらを主成分とする合金、またはコバルト・クロム合金、ステンレス鋼のうちから選ばれる１種以上を用いることができる。
【００２３】
このように上記孔の壁面に金属材が被着されていることの利点として、金属材上にリン酸カルシウム系材料或いは生体内でリン酸カルシウム生出作用のある材料を形成する公知の方法を利用できることがあげられる。そして、こうした方法でもって骨の増進作用があるリン酸カルシウム系材料を孔の壁面に強固に形成すれば、骨とセラミック製多孔質部材が強固に固着することになる。すなわち、セラミック製多孔質部材の孔内に新生骨が増生進入し、進入した骨組織はその立体構造により生体内で生体インプラント材を強固に保持することが可能となる。
【００２４】
上記公知の方法として、カルシウム化合物とリン化合物を含有する電解質中で陽極酸化後、必要に応じて水熱処理する方法（電気化学的コーティング方法）や、アルカリ液中に浸漬後加熱処理し、カルシウム及びリンを含有する水溶液中に浸漬する方法(化学的コーティング方法)等がある。なお、この化学的コーティング方法の場合、形成される表面層が生体中のカルシウムとリンを取り込んでリン酸カルシウム材料に変質することになるので、必ずしも予めリン酸カルシウム材料を被着しておく必要はない。
【００２５】
ちなみに、上記電気化学的コーティング方法、化学的コーティング方法はいずれも、不導体であり化学的に安定であるセラミック材に適用することは困難であり、金属材に対してのみ適用可能である。
【００２６】
上記リン酸カルシウム材料としては、水酸アパタイト、トリカルシウムフォスフェート(α型、β型)、オクタカウルシウムフォスフェートなどがあるが、これらに限定されるものではない。
【００２７】
上記セラミック製多孔質部材はその形態に特に限定はないが、多数の孔が穿設されている焼成済みのセラミック製薄板を、薄板に穿設した孔の位置を略一定の深さごとに変位させながら積層したものが好ましい。このようなセラミック製多孔質部材において、細孔が三次元的に連通し、且つ細孔の連通状態を適宜コントロールすることが望ましい。
【００２８】
上記構成のセラミック製多孔質部材は以下のように作製することができる。まず、積層前の焼成済みの薄板の段階で孔壁を含む全面に生体為害性の少ない金属材を被着する。更に、上記薄板を接合するセラミック製基体上にも生体為害性の少ない金属材を被着する。続いて、この薄板を上記セラミック製基体上に載置し、この状態で拡散接合することで薄板同士の接合およびセラミック基体上へのセラミック製多孔質部材の設置を同時に行う。なお、上記拡散接合については後述する。この場合、孔の壁面への生体為害性の少ない金属材の被着、薄板同士を接合する接合層の形成、後述の中間層の形成が同時に行われる。
【００２９】
ちなみに、このセラミック製多孔質部材の表面にセラミック材を露出させたい場合は、所望の箇所の被着コーティング材をフッ酸化合物などによる酸処理や、サンドブラスト処理によって除去すれば良い。
【００３０】
次に、上記中間層について説明する。中間層は生体為害性の少ない金属材からなり、このような金属材としては、前記セラミック製多孔質部材の孔の壁面に被着する上記金属材として挙げたものを用いることができる。この中間層は、上記セラミック製基体とセラミック製多孔質部材の間に介在して両者を接合する作用を有する。この接合形態を拡散接合とすることにより、両部材が十分大きい接合強度でもって接合可能である。
【００３１】
ここで、拡散接合とは、被接合物を突き合わせた状態で加圧及び加熱することにより接合面間に被接合物の構成原子の拡散を生じさせて被接合物をその融点以下で接合する方法である。この接合において、初期の段階でミクロ的には接触面が点接触となっているが、次第に金属材の点接触部が塑性変形していくことで接触面を形成する。そして、この接合面間で相互原子の拡散が行われる間、クリープ変形が生じ、時間の経過とともに接触面積が増大していく。この拡散接合によれば、生体内の使用環境で十分な接合強度を持つことが可能である。
【００３２】
かかる拡散接合を上記生体インプラントに適用するにあたって、セラミック製基体とセラミック製多孔質部材としてジルコニアを、中間層としてチタンを用いることが好適である。この組み合わせは、それぞれの熱膨張係数が近く、またチタンは酸素との親和性が高い。したがって、接合工程中にジルコニア側からチタンへの酸素の拡散が起こり、強固な接合強度が得られる。なお、このような酸素の拡散現象は、他の酸化物系セラミックでも見られ、例えばアルミナとチタンの組み合わせにおいても高い接合強度が得られる。
【００３３】
上記拡散接合工程は荷重下で行う。その条件は、１平方ｍｍ当たり１ｇから１００ｇであることが望ましい。これは、１ｇ未満の荷重条件では、中間層の充分な塑性流動が得られないため、密着力が小さくなってしまう。一方、１００ｇを超える荷重条件では、塑性流動が大きすぎて中間層としての役割が果たせなくなるだけでなく、また、セラミック製多孔質部材が変形して潰れる可能性がある。
【００３４】
拡散接合時の温度は、材料の組み合わせによって異なるが、ジルコニアの基体と薄板の積層体を、チタン層を介して接合する場合は１０００℃程度が最適である。
【００３５】
上記中間層を形成する方法としては、コーティング手段を用いることができる。中間層を構成する生体為害性の少ない金属材のコーティングは、セラミック製基体及びセラミック製多孔質部材の両方に形成することが望ましい。
【００３６】
コーティング方法としては、低熱衝撃性のコーティング方法を用いることが好ましい。ここで、低熱衝撃性というのは、コーティング層を形成する際に、セラミック材に対して熱的な衝撃を加えることがない、或いは、セラミック材に対してコーティング時のコーティング層の冷却収縮による応力衝撃を与えない場合をいう。
【００３７】
上記低熱衝撃性のコーティング方法としては、真空蒸着、イオンビーム蒸着、スパッタリング、イオンプレーティング、ダイナミックミキシング法などのＰＶＤ法や、ＴｉＣＮやＴｉＣなどのＣＶＤ法によるコーティング法、電気メッキや無電解メッキなどの湿式コーティング法を用いることができる。勿論、これらの方法を組み合わせて使用することもできる。
【００３８】
これらのコーティング方法のうち、ＰＶＤ法を用いることが好適である。ＰＶＤ法により形成された中間層は塑性流動作用が良好であるので大きな接合強度を得ることができること、結晶性が良好であり緻密で欠陥が少ないので安定な結合が得られること、大量の処理により生産コストを抑えられること等などの利点がある。ＰＶＤ法のうちでも、特にスパッタリングやイオンプレーティング法ではこれらの利点が顕著である。
【００３９】
なお、上記中間層の厚みについては、使用する材料やコーティング方法によっても異なるが、生体適合性コーティング層は０．００５ｍｍから０．１ｍｍであることが好ましい。０．００５ｍｍ未満の厚みでは、拡散接合時にセラミック材相互の表面の微視的な凹凸が干渉しあう。そのため、金属材とセラミック材の接触面積を増加させる作用を大きく期待できない。また０．１ｍｍを超える厚みでは、特に中間層で層内破壊を起こすおそれがある。
【００４０】
【実験例】
以下、生体為害性の少ない金属材からなる上記中間層および接合層によるセラミック材の接合強度についての実験例を具体的に説明する。
【００４１】
直径１７ｍｍ、厚み５ｍｍの焼成済みジルコニアセラミック円板を脱脂洗浄後、その直径１７ｍｍの片面に、スパッタリング法にて厚さ１０μｍのチタンをコーティングした後、同径の焼成済み多孔質ジルコニアセラミック薄板、即ち有効径３００μｍ、孔ピッチ５００μｍ、厚み２００μｍのジルコニアセラミックの全面に同じくスパッタリング法にて厚さ１０μｍのチタンをコーティングしたものを１０層積層し、１平方ｍｍあたり１０ｇの荷重を負荷した状態で、１０００℃で拡散接合し、実験用の試験片を製作した。
【００４２】
評価項目は断面分析と密着強度試験である。断面分析は、試験片を樹脂包埋後、切断及び研磨して、試験片断面を金属顕微鏡（倍率４００倍）で観察した。一方密着強度試験は、ＪＩＳ Ｈ８６６６（セラミック溶射試験方法）に準拠して行った。各試験片の両面をエポキシ系接着剤で試験用治具に接着し、インストロンタイプ引張試験機を使用して引張速度１ｍｍ／分で、試験片が破断するまで荷重を加え、破断強度を測定した。各試験片の破断部位の確認は目視及び光学顕微鏡観察にて行った。また本試験実施に際して、コントロールとして焼成後に上記寸法及び形状となるような未焼成のジルコニアセラミック円板及び薄板を一体化後に焼成した試験片を作製して比較評価した。
【００４３】
同時に、焼成済みのジルコニアセラミック円板及び薄層を、スパッタリング層を付与せずに接合を試みたが、接合は得られなかった。
【００４４】
本発明試験片は、基体のジルコニアセラミック上及びその上に積層するジルコニアセラミック薄板に、生体適合性コーティング層としてチタンをスパッタリング法によってコートし、両者を拡散接合法にて接合した。
【００４５】
この試験の結果を表１に示す。
【００４６】
【表１】

【００４７】
表１に示すように、コントロール群では、密着強度は有意に低く、断面観察においてもジルコニア基体とジルコニア薄板積層体との間で、熱収縮の差によるクラックが発生し、充分な接合はほとんど得られなかった。一方、本発明試験片群では、高い密着性が得られ、断面分析ではスパッタリングチタン層の塑性流動による変形を伴うジルコニアセラミック基体及びその上に積層するジルコニアセラミック薄板の接合が認められた。
【００４８】
【発明の効果】
以上述べた如く、本発明の生体インプラント材はセラミック製基体上に生体為害性の少ない金属材からなる中間層を介してセラミック製多孔質部材を接合してなり、かつ上記セラミック製多孔質部材は少なくともその孔壁面に生体為害性の少ない金属材が被着されているので、上記金属材の中間層を介した接合形態により、セラミック製基体とセラミック製多孔質部材間の焼成時における収縮率の差の影響がないので、クラックの発生なしに接合され、且つ、その接合強度を十分大きくすることが可能である。
【００４９】
さらに、セラミック製多孔質部材の孔の壁面に金属材を被着することで、孔の壁面に骨の増進を促進する作用があるリン酸カルシウム系材料を強固に被着することが可能である。
【００５０】
また本発明において、上記セラミック製多孔質部材の孔壁面に被着された生体為害性の少ない金属材上にリン酸カルシウム材料が被着されるようにすることで、生体内に埋入当初から骨を孔内へ増進させる作用を活発とすることができる。
【００５１】
また、上記生体為害性の少ない金属材がチタン、タンタル、タングステン、ジルコニウム、モリブデン、ニオブもしくはこれらを主成分とする合金、またはコバルト・クロム合金、ステンレス鋼のうちから選ばれる１種または２種以上からなる構成とすることで、上記材質は生体為害性が非常に少ないので、生体内で極めて安全な生体インプラント材とすることができる。
【００５２】
さらに本発明において、上記セラミック製基体とセラミック製多孔質部がジルコニアからなり、上記生体為害性の少ない金属材がチタン又はチタン合金である構成とすることにより、ジルコニアとチタンの熱膨張率が比較的近いので、ジルコニアに加わる残留応力が少なく、生体インプラント材の強度を低下させ難くすることができる。
【００５３】
また、上記金属製中間層の厚さを０．００５〜０．１ｍｍとすることで十分大きな接合力と中間層の剥離強度を両立させることができる。

Claims (5)

1. セラミック製基体上に生体為害性の少ない金属材からなる中間層を介してセラミック製多孔質部材が接合している生体インプラント材であって、
   上記セラミック製多孔質部材は、上記金属材でコーティングされた複数の多孔質セラミック板の積層体からなることを特徴とする生体インプラント材。
2. 上記セラミック製多孔質部材の孔壁面に被着された上記金属材上にリン酸カルシウム材料が被着されていることを特徴とする請求項１記載の生体インプラント材。
3. 上記金属材がチタン、タンタル、タングステン、ジルコニウム、モリブデン、ニオブもしくはこれらを主成分とする合金、またはコバルト・クロム合金、ステンレス鋼のうちから選ばれる１種以上からなることを特徴とする請求項１又は２記載の生体インプラント材。
4. 上記セラミック製基体と上記セラミック製多孔質部材がジルコニアからなり、上記中間層がチタン又はチタン合金からなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の生体インプラント材。
5. 上記中間層の厚さが０．００５〜０．１ｍｍであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の生体インプラント材。