JP5242062B2 - ハイドロキシアパタイト粒子分散金属膜及びその形成方法 - Google Patents
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Description
しかし、数10〜数100μm程度の膜厚の高密度なコーティング膜を低温で施工することが可能なコーティング法は知られていなかった。
このSFJ−PVD装置は、蒸発チャンバーと成膜チャンバーを備える。
蒸発チャンバー内には、水冷されたハース上に設置した蒸発源材料と、高融点金属(具体的にはタングステン)製の電極が備えられており、一度蒸発チャンバー内を所定の圧力に減圧した後、所定のガス雰囲気に置換して、蒸発源をアノード(陽極)とし、アノードと一定間隔離れた位置にある高電導性金属製電極をカソード(陰極)とし、それぞれ負電圧と正電圧を印加して両極間にアーク放電を生起させる移行式アークプラズマによって、蒸発源材料が加熱されて蒸発する。所定のガス雰囲気とした蒸発チャンバー内では、蒸発源の加熱により蒸発した原子は互いに凝集しナノメートルオーダーの直径の微粒子(以下ナノ粒子と称する)が得られる。
差圧によるガス流は、蒸発チャンバーから成膜チャンバーへと接続する移送管の先端に取り付けられた特別に設計された超音速ノズル(ラバールノズル)によりマッハ数3.6程度の超音速にまで加速され、ナノ粒子は超音速フリージェットの気流に乗って高速に加速されて成膜チャンバー中に噴出し、成膜対象基板上に堆積する。
上記の物理蒸着装置などを用いて、例えば、特許文献2に開示されるように、アルミニウムマトリクス中にシリコン微粒子が分散されてなる膜を成膜することが可能となった。
さらに好適には、前記ハイドロキシアパタイト粒子の粒径が0.1μm〜10μmである。
さらに好適には、前記金属膜の膜厚が10μm〜100μmである。
例えば、チタンあるいはチタン合金などからなる基板1上に金属膜2が形成されており、金属膜2中にハイドロキシアパタイト粒子3が分散されている。
本発明者らは、上記のような本実施形態に係るハイドロキシアパタイト粒子分散金属膜を形成する方法である新しい皮膜形成方法として、皮膜が基板上へのナノ粒子の高速での堆積により形成される、超音速フリージェット(SFJ:Supersonic Free Jet)−物理蒸着(PVD:Physical Vapor Deposition)装置を開発した。SFJ−PVD法は、ほとんど全ての蒸発源材料をナノ粒子として堆積し、厚い皮膜を形成することができる。
図2は、上記の本実施形態に係るハイドロキシアパタイト粒子分散金属膜を成膜するためのSFJ−PVD装置の模式構成図である。
本実施形態のSFJ−PVD装置は、蒸発チャンバー10、ハイドロキシアパタイト粒子の粉体供給源20および成膜用の真空チャンバーである成膜チャンバー30を備える。
蒸発源材料となる金属は、例えばチタンを好ましく用いることができる。
得られた金属粒子は、蒸発チャンバー10内の雰囲気ガスとともに移送管17を通して成膜チャンバー30へと移送される。
上記のハイドロキシアパタイト粒子は市販のものを用いることができる。ハイドロキシアパタイト粒子の粒径は、例えば数10μm以下、好ましくは0.1〜10μm程度であり、例えば平均粒径が5μm程度である。また、六方晶構造の粒子を用いることが好ましい。
例えば、粉体供給源20の容器を振動させるなどして、容器内で粉体状のハイドロキシアパタイト粒子を巻き上がらせ、巻き上がったハイドロキシアパタイト粒子を容器内の雰囲気ガスとともに移送管27を通して成膜チャンバー30へと移送させる。
また、基板の成膜領域は、例えば7mm角とする。
金属粒子を含む第1流体と、粉体状のハイドロキシアパタイト粒子を含む第2流体とが、流体混合部34において混合し、流体混合部34の中央部に取り付けられた超音速ノズル(ラバールノズル)35から超音速ガス流(超音速フリージェットの気流)として成膜チャンバー30中に、成膜対象基板33に向けて噴出する。即ち、金属粒子とハイドロキシアパタイト粒子が流体混合部34において混合する。
金属粒子とハイドロキシアパタイト粒子は、例えば、超音速ノズル35によってマッハ数3.6程度の超音速にまで加速され、超音速ガス流に乗って成膜チャンバー30中に噴出し、成膜対象基板33上に堆積(物理蒸着)する。
ここで、上記の金属粒子とハイドロキシアパタイト粒子の混合には、非特許文献3及び特許文献1に記載の同軸対向衝突噴流の発振現象を利用して混合することができる。
図2に示すSFJ−PVD装置を用いて、上記の実施形態に示すようにして、アルミニウム基板上に、金属膜と、金属膜中に分散された、ハイドロキシアパタイト粒子とを有するハイドロキシアパタイト粒子分散金属膜を成膜した。
20mm×20mm×1mmの純チタン板(JISグレード1)を基板として用い、7mm□を成膜領域とした。
また、チタンを蒸発チャンバーの蒸発源として用い、粉体供給源には六方晶構造を有する平均粒径5μmのハイドロキシアパタイト粒子を収容して用いた。全ての基板は、成膜チャンバー中に取り付ける前にアセトン中で超音波洗浄した。
ハイドロキシアパタイト粒子がバインダーとなる金属膜中に埋め込まれている状態が観察できる。
上記のようにして成膜したハイドロキシアパタイト分散チタン膜が形成された基板を擬似体液に浸漬する実験を行い、ハイドロキシアパタイトの析出の様子を観察した。浸漬時間は7日〜10日間とした。
擬似体液とは、純水中にCaCl2などのカルシウム塩や、NaCl、KClなどのその他の塩などを所定の濃度で溶解し、pHを調整して得られる、体液を模して調製された液体である。
一方で、ハイドロキシアパタイト粒子を分散していないチタン膜の場合には、上記の浸漬時間内にはハイドロキシアパタイトの析出は観察されなかった。
従って、チタン膜中へのハイドロキシアパタイト粒子の分散がハイドロキシアパタイトの析出を促進したことが確認された。
(1)ボイドやクラックのない緻密なハイドロキシアパタイト粒子分散金属膜を形成することができる。
(2)金属粒子とハイドロキシアパタイト粒子の流量などを制御して、ハイドロキシアパタイト粒子分散金属膜中の金属部分とハイドロキシアパタイト粒子部分の重量比を選択することができる。
例えば、生体親和性の高いハイドロキシアパタイト粒子分散金属膜被覆物においては、金属膜としてはチタンが好ましいが、用途に応じてはチタン以外の金属にも適用可能である。
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。
2…金属膜
3…ハイドロキシアパタイト粒子
10…蒸発チャンバー
11…排気管
12…マスフローコントロール
13…ガス供給源
14…るつぼ
15…蒸発源材料
16…加熱部
17,27…移送管
20…粉体供給源
30…成膜チャンバー
31…排気管
32…ステージ
33…成膜対象基板
34…流体混合部
35…超音速ノズル
Claims (7)
- 金属膜とハイドロキシアパタイト粒子を含有するハイドロキシアパタイト粒子分散金属膜であって、
チタン膜である金属膜と、
前記金属膜中に分散された、粒径が数10μm以下であるハイドロキシアパタイト粒子と
を有するハイドロキシアパタイト粒子分散金属膜。 - 前記ハイドロキシアパタイト粒子の粒径が0.1μm〜10μmである
請求項1に記載のハイドロキシアパタイト粒子分散金属膜。 - 前記金属膜の膜厚が1mm以下である
請求項1または2に記載のハイドロキシアパタイト粒子分散金属膜。 - 前記金属膜の膜厚が10μm〜100μmである
請求項1〜3のいずれかに記載のハイドロキシアパタイト粒子分散金属膜。 - 前記ハイドロキシアパタイト粒子が六方晶構造を有する
請求項1〜4のいずれかに記載のハイドロキシアパタイト粒子分散金属膜。 - 前記ハイドロキシアパタイト粒子と、不活性ガス雰囲気下で金属蒸発源の加熱により生成された前記金属膜となる金属粒子とを混合し、超音速フリージェットの気流に乗せて真空チャンバー中に噴出して、前記真空チャンバー中に配置した基板上に物理蒸着させて形成した膜である
請求項1〜5のいずれかに記載のハイドロキシアパタイト粒子分散金属膜。 - 不活性ガス雰囲気で金属蒸発源の加熱により金属粒子を生成する工程と、
粉体供給源からのハイドロキシアパタイト粒子とともに前記金属粒子を移送して混合し、超音速フリージェットの気流に乗せて真空チャンバー中に噴出して、前記真空チャンバー中に配置された基板上に物理蒸着させ、前記金属粒子からなる金属膜中に前記ハイドロキシアパタイト粒子が分散されてなるハイドロキシアパタイト粒子分散金属膜を形成する工程と
を有するハイドロキシアパタイト粒子分散金属膜の形成方法。
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