JP4926287B1 - インプラントフィクスチャー及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】セラミックスから成る、耐久性に優れたインプラントフィクスチャー及びその製造方法を提供すること。
【解決手段】ジルコニアを含むセラミックスから成り、単斜晶率が１vol％以下であることを特徴とするインプラントフィクスチャー。インプラントフィクスチャーの表面粗さＲａは、１〜５μｍの範囲にあることが好ましい。表面粗さＲｚは、５〜４０μｍの範囲にあることが好ましい。前記インプラントフィクスチャーは、セラミックスのスラリーを反転型に注入し、前記反転型の中で前記セラミックスを硬化させて製造することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、歯科、整形外科、形成外科、口腔外科等の分野において、人工歯根、人工骨として用いられるインプラントフィクスチャーに関する。

近年、人工歯根、人工骨などのインプラントフィクスチャーを生体に挿入し、失われた機能を回復させる、いわゆるインプラントテクノロジーが注目されている。
例えば、歯科の分野では、歯の欠損した部位の歯肉を切開した後、ドリル等を用いて顎骨に所定の大きさの埋入窩を形成し、その埋入窩にインプラントフィクスチャーを埋入する。そして、一定の保持期間を設け、インプラントフィクスチャーの表面と、その表面に接する骨とをミクロレベルで結合させる（骨結合）。次に、インプラントフィクスチャーに、直接、又はアバットメントを介して、上部構造（クラウン）が取り付けられる。

近年、ジルコニア等を主成分とするセラミックス製のインプラントフィクスチャーが注目されている（特許文献１参照）。セラミックス製のインプラントフィクスチャーは、金属製のものに比べて、金属アレルギー反応を生じないという利点を有する。

特開２００２−３６２９７２号公報

セラミックス製のインプラントフィクスチャーは、まず、塊状のセラミックス焼結体を製造し、次に、その塊状のセラミックス焼結体から、所定のインプラントフィクスチャーの形状を削り出すという方法で製造される。この方法で製造されたセラミックス製のインプラントフィクスチャーでは、単斜晶が表面に露出してしまう。

インプラントフィクスチャーは、口中で乳酸に曝され、オートクレーブで滅菌するときに熱水に曝される。単斜晶が表面に露出したセラミックス製のインプラントフィクスチャーは、乳酸や熱水に曝される環境では、耐久性が十分ではない。

本発明は以上の点に鑑みなされたものであり、セラミックスから成る、耐久性に優れたインプラントフィクスチャー及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明のインプラントフィクスチャーは、
ジルコニアを含むセラミックスから成り、
単斜晶率が１vol％以下であり、
焼結体粒子径が０．３μｍ以下であり、
イットリアの含有率が２〜４mol％の範囲にあり、アルミナの含有率が０．０５〜１質量％の範囲にあり、
表面粗さＲａが１〜５μｍの範囲にあることを特徴とする。

本発明のインプラントフィクスチャーは、単斜晶率が１vol％以下（より好ましくは０．５vol％以下、特に好ましくは０vol％）であることにより、乳酸等に対する耐久性において優れる。
また、本発明のインプラントフィクスチャーは、生体親和性が高く、生体との適合性について格段に優れ、臨床試験の結果において他のインプラントフィクスチャーと比べ顕著に有意差を示すことができる。

本発明のインプラントフィクスチャーにおける表面粗さＲａは、１〜５μｍの範囲にある。また、本発明のインプラントフィクスチャーにおける表面粗さＲｚは、５〜４０μｍの範囲にあることが好ましい。

表面粗さＲａ、Ｒｚが上記の範囲内であることにより、インプラントフィクスチャーと骨との結合が強固になる。
本発明のインプラントフィクスチャーにおいて、焼結体粒子径は、０．３μｍ以下(好ましくは０．００９〜０．３μｍ)である。０．３μｍ以下であると、乳酸等に対する耐久性が一層優れる。なお、焼結体粒子径はプラニメトリック法によって測定する。

本発明のインプラントフィクスチャーにおけるジルコニアの含有率は、８８質量％以上（より好ましくは９０質量％以上、特に好ましくは９２質量％以上）が好ましい。ジルコニアの含有率がこの範囲内であることにより、乳酸等に対する耐久性が一層優れる。

本発明のインプラントフィクスチャーは、ジルコニアの他に、イットリア、アルミナを含む。イットリアを含むことにより、ジルコニアを正方晶の状態で安定させることができる。それによって、インプラントフィクスチャーの表面が単斜晶になることを抑制し、単斜晶率の低いインプラントフィクスチャーを得やすくなる。また、インプラントフィクスチャーが乳酸や熱水に曝された環境において単斜晶ができることを抑制できるため、インプラントフィクスチャーの耐久性が向上する。イットリアの含有率は、２〜４mol％の範囲にある。

本発明のインプラントフィクスチャーは、アルミナを含むことにより、焼成温度が低くても緻密なセラミックスを得ることができる。アルミナを含まない場合、焼成温度を高くすれば緻密なセラミックスを得られるが、焼結体粒子径が大きくなってしまう。逆に、焼成温度を低くすれば焼結体粒子径は小さくなるが、緻密性が低下する。アルミナの含有率は、０．０５〜１質量％（より好ましくは０．１〜０．５質量％）の範囲である。

また、本発明のインプラントフィクスチャーは、イットリア、アルミナ以外の微量成分を含んでいてもよい。
本発明のインプラントフィクスチャーを形成するセラミックスは、緻密質であることが好ましい。セラミックスが緻密質であることによって、乳酸等に対する耐久性において優れる。また、インプラントフィクスチャーとして十分な強度も得られる。インプラントフィクスチャーを形成するセラミックスの相対密度は、９５％以上（より好ましくは９８％以上、特に好ましくは９９％以上）であることが好ましい。

本発明のインプラントフィクスチャーは、実質的にアニール処理を施されていない表面を有することが好ましい。アニール処理とは、セラミックスの焼結体に対して、切断、研磨、ブラスト処理などの加工をした後に、８００℃以上の高温で加熱する処理である。アニール処理をすることによって、加工面に発生した単斜晶を減少させることができるが、アニール処理によって単斜晶率を低下させた表面は、加工を施していない焼成面に比べて耐久性が劣る傾向がある。

本発明のインプラントフィクスチャーは、例えば、以下の方法で製造できる。すなわち、ジルコニアを含むセラミックスのスラリーをインプラントフィクスチャーの反転型に注入し、その反転型の中でセラミックスを硬化させて製造することができる。

この製造方法によれば、塊状のセラミックス焼結体からインプラントフィクスチャーの形状を削り出す必要が無いので、インプラントフィクスチャーにおける単斜晶率が大きくなり難い。その結果、製造したインプラントフィクスチャーの耐久性が高くなる。

上記の製造方法においては、反転型の内面（スラリーと接する面）の表面粗さを所定の値にしておくことにより、インプラントフィクスチャーの表面粗さを設定できる。
反転型の内面の表面粗さは、例えば、反転型の内面をブラスト処理することにより設定できる。また、母模型の表面をブラスト処理し、母模型の表面粗さを反転型の内面に転写する方法によって、反転型の内面の表面粗さを設定してもよい。
ブラスト処理に用いるサンドブラスト材の平均粒径は50〜500μmである。好ましくは80〜300μｍである。
ブラスト材としては、アルミナ系、炭化珪素系、ジルコニア系などの材質のものを利用することができる。具体的にはスチールショット スチールグリット、マイクロショット、ピーニングショット、ＳＢ超硬ショット、アドバンスショット、ブライトショット、ステンレスショット、アルミカットワイヤー、アモビーズ、ガラスビーズ、ガラスパウダー、アランダム、カーボランダム、セラミックビーズ、ナイロンショット、ポリカーボネイト、メラミン、ユリア、クルミショット、アプリコット、ピーチなどを適宜利用できる。
サンドブラスト処理器機としては、汎用吸引式サンドブラスター、汎用直圧式サンドブラスター、小型循環式サンドブラスター、バレル式小型循環式サンドブラスター、ペンタイプサンドブラスターなどを利用可能であるが、細部をブラスト処理する為にはペンタイプサンドブラスターが好ましく利用される。
ブラスト圧は、例えば、0.2〜1.2kgf/cm²であり、ブラスト材の材質並びに粒径によって選択される。

上記の製造方法で用いるスラリーは、例えば、セラミックス粉末、硬化用バインダーを含むものである。スラリーは、その他に、粘性調整用の水溶性高分子、各種溶媒、分散又は湿潤のための界面活性剤等を含んでいてもよい。

硬化用バインダーとしては、熱硬化性を持つバインダー（例えばエポキシ樹脂、ポリエステル、フェノール樹脂、メラミン樹脂、ポリイミド、シアン酸エステル樹脂、ジアリルフタレート樹脂、シリコーン樹脂、イソシアネート樹脂もしくはこれらの変性樹脂等）が挙げられる。また、これらの樹脂をエマルション化したものも用いることができる。また、硬化用バインダーとして、熱ゲル性を持つバインダー（タンパク質，デンプン等）を用いてもよい。

スラリーの溶媒としては、例えば、水、芳香族溶剤、脂肪族溶剤、エステル、ケトン系溶剤等が挙げられる。スラリーは、溶媒にセラミックス粉とバインダー等を混合し、ボールミル等を用い充分分散混練し、真空脱泡することで製造できる。

上記の製造方法で用いる反転型は、弾性変形可能であり、伸縮可能な材料で構成することが好ましい。こうすることにより、仮に、インプラントフィクスチャーの形状が複雑なものであっても、反転型を変形させて、インプラントフィクスチャーを反転型から容易に取り出すことができる。反転型の材料としては、例えば、ワックス、発泡ポリスチレン、天然ゴム、スチレンブタジエンゴム、ニトリルブタジエンゴム、クロロプレンゴム、エチレンプロピレンゴム、シリコンゴム、ウレタンゴム、フッ素ゴム、フェノール樹脂、エポキシ樹脂等がある。

インプラントフィクスチャーの形状を表す説明図である。 反転型７を製造する方法を表す説明図である。 反転型７の構成を表す斜視図である。

本発明の実施形態を説明する。
１．インプラントフィクスチャーの製造
（１）母模型の製造
ＳＵＳ（ステンレス鋼）の材料を、周知のインプラントフィクスチャーの形状に加工し、これを母模型とする。ただし、母模型の大きさは、最終的に得られるインプラントフィクスチャーの大きさに所定の係数（１より大きい係数）を乗じたものとする。係数を乗じて母模型を大きめにしておくのは、後述する焼成工程においてセラミックスが収縮するためである。上記の係数は、使用するセラミックススラリーの組成によって相違する。本実施形態においては、係数の値として１．３が好適である。

次に、母模型の表面をブラストで処理する。ブラスト処理後における母模型の表面の粗さは、最終的に得られるインプラントフィクスチャーの表面粗さが、下記の値となる粗さとする。なお、Ｒａ、ＲｚはＪＩＳで規定するものである。

Ｒａ：1〜５μｍ
Ｒｚ：５〜４０μｍ
上記の条件を満たす母模型の表面粗さは、母模型の表面粗さを数種類変えてインプラントフィクスチャーを製造し、母模型の表面粗さと、インプラントフィクスチャーの表面粗さとの相関関係を把握することで、容易に設定することができる。母模型の表面粗さＲａ、Ｒｚは、概ね、上述したインプラントフィクスチャーの表面粗さＲａ、Ｒｚの１．３倍程度とすればよい。

なお、インプラントフィクスチャーの形状（すなわち母模型の形状）は、図１に示すものである。インプラントフィクスチャー１は、全体として棒状の形状を有する。インプラントフィクスチャー１は、生体に埋設される埋設部１ａと、生体から露出し、上部構造物（図示略）が装着される露出部１ｂとから成る。埋設部１ａは、棒状（先端にゆくほど直径が小さくなる円筒状）の形状を有し、その外周面のうち、上端付近には、断面６角形のナット部３が形成されている。このナット部３にスパナ等を装着し、埋設部１ａを回転させることにより、埋設部１ａを生体にねじ込むことができる。また、埋設部１ａの外周面のうち、ナット部３以外の部分には、突条対９及び溝１１が形成されている。上記突条対９は、埋設部１ａの外周面に螺旋状に形成されている。突条対９は、一定の間隔をおいて平行に配置された、第１の突条１３と第２の突条１５とから成る。溝１１は、第１の突条１３と第２の突条１５とにより両側を挟まれた部分である。
（２）反転型の製造
反転型の製造方法を図２、及び図３に基づいて説明する。図２に示すように、前記（１）で製造した母模型２１を、母模型２１よりも広い水平面を有する台座２３の上に載せる。なお、図２では、母模型２１の形状は簡略化して表現している。次に、天板と底が開放された中空円筒形状を有する外型２５を、母模型２１及び台座２３の上から被せる。母模型２１及び台座２３は、外型２５の内部に収容される。また、台座２３の外周面２３ａは、外型２５の内周面に隙間無く密着する。

次に、外型２５の内部に、反応硬化型シリコンゴム（液状）を注入する。注入後、２４時間経過してから、硬化した、反応硬化型シリコンゴムの反転型２７（図２参照）を、外型２５から抜き取る。反転型２７は、母模型２１の形状を反転した凹部２７ａを備えている。また、反転型２７は、弾性及び伸縮性を有する材料から成るので、容易に変形及び伸縮することができる。
（３）セラミックススラリーの調製
以下の成分を混合して、セラミックススラリーを調整した。

セラミックス粉末：１００質量部
水：３０質量部
エステル樹脂エマルション（アクリル酸メチル）：９質量部
エステル系溶剤（ブチルカルビトールアセテート）：３質量部
アンモニア水：適宜（アンモニア水でセラミックスラリーのｐＨを９〜１０の範囲内に調整する）
上記セラミックス粉末は、東ソー株式会社製のＴＺ−３Ｙ−Ｅ（商品名）である。このＴＺ−３Ｙ−Ｅは、ジルコニアを主成分（９３〜９４．９質量％）とし、イットリア（４．９５〜５．３５質量％）とアルミナ（０．１５〜０．３５質量％）とを含む。
（４）インプラントフィクスチャーの製造
前記（２）で製造した反転型２７の凹部２７ａに、前記（３）で調製したスラリーを流し込み、７０℃で加熱して硬化させる。硬化したもの（未焼成体）を反転型７から取り出し、常温で２４時間静置して乾燥させる。

その後、未焼成体を、１３００℃の焼成温度で焼成し、インプラントフィクスチャーを完成する。なお、焼成温度が１４００℃を越えると、インプラントフィクスチャーにおけるジルコニアの焼結体粒子径が大きくなる。焼結体粒子径が大きくなり過ぎると、インプラントフィクスチャーの耐久性が低下して、水、乳酸等によって劣化し易くなる。

２．インプラントフィクスチャーの評価
製造したインプラントフィクスチャーの緻密質、単斜晶率（単斜晶割合）、及び焼結体粒子径を評価した。その結果は以下のとおりであった。

緻密質：相対密度９９％以上
単斜晶率：０vol％
焼結体粒子径：０．１５μｍ
なお、緻密質は、ＪＩＳ Ｒ１６３４の方法で嵩密度を測定し、その嵩密度の値を理論密度で除する方法で評価した。また、単斜晶率は、Ｘ線解析を用いて評価した。また、焼結体粒子径は、プラニメトリック法で評価した。

プラニメトリック法の詳細は以下のとおりである。セラミックスの焼結面、或いは鏡面研磨した面をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）で撮影し、得られた写真上に面積がＡの円を描き、その円内の粒子数（円周にかからない粒子の粒子数）Ｎａ、円周にかかる粒子数Ｎｂ、及びＳＥＭの倍率Ｍを基に、以下のように算出した平均粒子径Ｄを焼結体粒子径とする。

円内の粒子数Ｎｃ＝Ｎａ＋（１／２）×Ｎｂ
単位面積当たりの粒子数Ｎｇ＝Ｎｃ／（Ａ／Ｍ²）
平均粒子径Ｄ＝√（１／ Ｎｇ)
この方法では、粒子１個が占める面積１／ Ｎｇから、粒子の断面形状を正方形と見なして計算する。
なお、Ｍは８千倍以上とし、円はＮｃ≧１００となる大きさとする。写真上にＮｃ≧１００となる円が描けないときは、ＳＥＭの倍率を下げて再度撮影した写真を用いる。Ｍを８千倍としても、Ｎｃ≧１００となる円が描けないときは、複数の写真（互いに重複しない）を撮影し、複数の写真にそれぞれ円を描き、各円におけるＮｃの合計Ｎｃtが、Ｎｃｔ≧１００となるようにして、Ｎｇを以下の式によって求める。

単位面積当たりの粒子数Ｎｇ＝Ｎｃｔ／（Ａｔ／Ｍ²）
ここで、Ｎｃtは、各円におけるＮｃの合計であり、Ａｔは各円の面積Ａの合計である。

３．インプラントフィクスチャーが奏する効果（耐久性）を確認するための試験
（１）試験体の作成
(i)試験体Ａ
上述したインプラントフィクスチャーと同様の方法で、試験体Ａを作成した。ただし、試験体Ａの形状は、大きさが３０ｍｍ×５ｍｍ×２ｍｍである板状とした。この試験体Ａの緻密質（相対密度）は９９％以上であり、焼結体粒子径は０．１５μｍであった。

(ii)試験体Ｂ
基本的には試験体Ａと同様の方法であるが、焼成温度を１３００℃ではなく、１４００℃として、試験体Ｂを作成した。この試験体Ｂの緻密質（相対密度）は９９％以上であり、焼結体粒子径は０．２８μｍであった。

(iii)試験体Ｃ
基本的には試験体Ａと同様の方法であるが、焼成温度を１３００℃ではなく、１５５０℃として、試験体Ｃを作成した。この試験体Ｃの緻密質（相対密度）は９９％以上であり、焼結体粒子径は０．４１μｍであった。

(iv)試験体Ｒ
まず、試験体Ａと同様の方法で、大きさが３０．１ｍｍ×５．１ｍｍ×２．１ｍｍである板状の前駆体を作成した。次に、この前駆体の片面（後に単斜晶率を測定する面）を平面研磨板で研磨した後、ブラスト処理して、大きさが３０ｍｍ×５ｍｍ×２ｍｍである板状の試験体Ｒを作成した。ブラスト処理においては、サンドブラスト材として、セラミックビーズ（平均粒径は280μm）を使用し、ブラスト圧は0.5kgf/cm²とした。サンドブラスト処理器機としては、ペンタイプサンドブラスターを用いた。

上記のようにして作成した試験体Ｒの緻密質（相対密度）は９９％以上であり、焼結体粒子径は０．１５μｍであった。
(v)試験体Ｘ
まず、試験体Ｒを作製し、この試験体Ｒをアニール処理することによって単斜晶率を下げたものを試験体Ｘとした。アニール処理の条件は、焼成温度１０００℃における２時間焼成である。試験体Ｘの相対密度は９９％以上であり、結晶体粒子径は０．１５μｍであった。
（２）試験方法
まず、各試験体の単斜晶率(vol％)を測定する。次に、各試験体を、濃度１％のＬ−乳酸水溶液（温度：３５℃）に浸漬し、浸漬開始から１日後、１０日後、１ヶ月後、３ヵ月後、６ヵ月後における単斜晶率(vol％)をそれぞれ測定する。
（３）試験結果
試験結果を表１に示す。

表１から明らかなように、試験体Ａ、Ｂ、Ｃでは、試験体Ｒに比べて、単斜晶率が遥かに小さく、乳酸水溶液に長時間浸漬しても、単斜晶率が上昇し難かった。特に、焼成温度が１４００℃以下であり、焼結体粒子径が０．３μｍ以下である試験体Ａ、Ｂでは、単斜晶率が一層上昇し難かった。

それに対し、表面を研磨し、単斜晶率が初期から大きかった試験体Ｒでは、乳酸水溶液に浸漬すると、単斜晶率が急激に上昇し、６ヵ月後には表面が崩壊した。
この結果から、初期の単斜晶率が小さい試験体Ａ、Ｂ、Ｃは、乳酸水溶液に浸漬しても単斜晶率が上昇し難く、耐久性に優れることが確認できた。
また、インプラントフィクスチャー１を実際に生体に挿入し、使用したところ、乳酸等に対する耐久性において優れていた。また、インプラントフィクスチャー１は、生体親和性が高く、生体との適合性において優れていた。

尚、本発明は前記実施の形態になんら限定されるものではなく、本発明を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。
例えば、母模型の材質はＳＵＳには限定されず、他の金属（例えば真鍮等）であってもよい。

また、インプラントフィクスチャーの形状は、図１に示すものには限定されず、任意の形状とすることができる。
また、インプラントフィクスチャー１の製造方法は、他の方法であってもよい。例えば、まず、セラミックスの焼結体を研削することにより、図１に示す形状を作り、次に、アニール処理を行う方法であってもよい。この製造方法では、研削直後は、セラミックスの焼結体の単斜晶率が高くなっているが、アニール処理により、単斜晶率を低下させることができる。ただし、乳酸等に対する耐久性は、この製造方法で製造したインプラントフィクスチャーよりも、前記実施形態で製造したものの方が高い。

１・・・インプラントフィクスチャー、１ａ・・・埋設部、１ｂ・・・露出部、
３・・・ナット部、９・・・突条対、１１・・・溝、１３・・・第１の突条、
１５・・・第２の突条、２１・・・母模型、２３・・・台座、
２３ａ・・・外周面、２５・・・外型、２７・・・反転型、２７ａ・・・凹部

Claims (7)

1. ジルコニアを含むセラミックスから成り、
   単斜晶率が１vol％以下であり、
   焼結体粒子径が０．３μｍ以下であり、
   イットリアの含有率が２〜４mol％の範囲にあり、アルミナの含有率が０．０５〜１質量％の範囲にあり、
   表面粗さＲａが１〜５μｍの範囲にあることを特徴とするインプラントフィクスチャー。
2. 実質的にアニール処理を施されていない表面を有することを特徴とする請求項１記載のインプラントフィクスチャー。
3. 表面粗さＲｚが５〜４０μｍの範囲にあることを特徴とする請求項１又は２記載のインプラントフィクスチャー。
4. ブラスト処理により形成された表面形状を有する未焼成体を焼成して得られる表面形状を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のインプラントフィクスチャー。
5. 前記セラミックスを含むスラリーをインプラントフィクスチャーの反転型に注入し、前記反転型の中で前記セラミックスを硬化させて製造した請求項１〜４のいずれか１項に記載のインプラントフィクスチャー。
6. 前記反転型の内面はブラスト処理した母模型の表面粗さを転写した表面形状を有し、前記反転型の内面の表面粗さは、前記反転型から取り出して焼成した前記インプラントフィクスチャーの表面粗さＲａが１〜５μｍとなる表面粗さであることを特徴とする請求項５記載のインプラントフィクスチャー。
7. 前記セラミックスを含むスラリーをインプラントフィクスチャーの反転型に注入し、前記反転型の中で前記セラミックスを硬化させることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のインプラントフィクスチャーの製造方法。

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