JP5400317B2 - インプラント材料 - Google Patents

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、人工骨として用いられるインプラント材料に関する。

近年、人工歯根、人工骨などのインプラント材料を生体に挿入し、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。
歯科用インプラント材料としては、主として、チタン等の金属材料が使用されてきた。しかし、チタン製のインプラント材料と、金合金製の上部構造物との間で生じるガルバニック作用により、チタンが溶出し、この溶出したチタンがインプラント材料の周囲組織に分布することが報告されている。この現象は、体内に蓄積された金属イオンによって引き起こされるアレルギーの一因となるものと考えられる。

そこで、不導体であり、上記のようなガルバニック作用を生じさせないセラミックス製のインプラント材料が提案されている（特許文献１参照）。
特開平１０−８５２４０号公報

しかしながら、セラミックスから成るインプラント材料は、生体に移植したとき、生体の組織（例えば骨組織）との結合に長時間を要するという問題があった。これは、生体にインプラント材料を移植したとき、その周囲におけるｐＨが３〜４．５になり、結果として骨増殖性が低下してしまうことに起因する。

本発明は以上の点に鑑みなされたものであり、セラミックスが主成分であっても、短時間で生体組織と結合するインプラント材料を提供することを目的とする。

（１）請求項１の発明は、
平均結晶粒子径が０．３μｍ以下である部分安定化ジルコニアを主成分する基材と、
セラミックスを主成分とし、中心気孔径が１０〜１００μｍの範囲にある多孔質である被覆層と
を備え、
前記被覆層は、５〜１０重量％のカルシウムを含むことを特徴とするインプラント材料を要旨とする。

本発明のインプラント材料は、カルシウムを含む被覆層を有することにより、生体に移植したとき、生体組織（例えば骨組織）との結合が短時間で進むという効果を奏する。
これは、以下の現象が生じているためであると推測できる。すなわち、生体にセラミックスから成るインプラント材料を移植すると、通常は、インプラント材料の周囲におけるｐＨが３〜４．５になり、生体組織の増殖が阻害されるが、本発明のインプラント材料を用いれば、被覆層から溶出したカルシウムイオンが、ｐＨを中性にする。ｐＨが中性である条件は、生体組織（例えば骨組織）の増殖が進みやすい条件であるので、結果として、本発明のインプラント材料を用いれば、インプラント材料と生体組織との結合が短時間で行われる。

特に本発明では、被覆層におけるカルシウムの重量比が５重量％以上であることにより、上述した効果を十分奏することができる。また、１０重量％以下であることにより、被覆層が脆弱化しにくくなる。

また、本発明のインプラント材料は、基材を、平均結晶粒子径が０．３μｍ以下である部分安定化ジルコニアにより構成することにより、乳酸に曝される環境にあっても、じん性が劣る（もろくなる）ようなことがない。

部分安定化ジルコニアの平均結晶粒子径は、０．０１μｍ以上であることが好ましい。０．０１μｍ以上であることにより、表面活性が強くなり過ぎることがなく、焼結時に再結晶化しにくい。その結果、部分安定化ジルコニアの結晶粒子径が大きく（例えば０．３μｍ以上）なってしまうことがない。また、０．０１μｍ以上であることにより、部分安定化ジルコニアの表面積が過大となることがないため、成形時に基材の密度が大きくなり、焼結時に基材が緻密化する。

また、本発明のインプラント材料は、多孔質である被覆層を備えるので、インプラント材料を生体に移植したとき、インプラント材料と生体組織（例えば骨組織）との結合が一層強くなる。すなわち、生体組織がカルシウム含有層の細孔内に侵入することで、インプラント材料と生体組織との結合を強化する。

特に本発明では、多孔質における中心気孔径が１０μｍ以上であることにより、インプラント材料を生体に移植したとき、骨が気孔内に成長し、インプラント材料が安定して固定される効果が顕著になる。また、１００μｍ以下であることにより、インプラント材料の表面強度が低下しにくくなる。

前記平均結晶粒子径及び中心気孔径は、電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いた幾何学的計測法で測定した値である。
前記部分安定化ジルコニアとしては、例えば、イットリアを添加することによりジルコニアを部分安定化したものが挙げられる。イットリアの添加量は２〜４モルが好適であり、特に、３モルが好適である。

前記被覆層を形成するセラミックスとしては、例えば、ジルコニア等が上げられる。
本発明のインプラント材料は、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、人工骨として用いることができる。
（２）請求項２の発明は、
前記被覆層よりも上層に、ハイドロキシアパタイドを含むハイドロキアパタイト層を備えることを特徴とする請求項１記載のインプラント材料を要旨とする。

本発明のインプラント材料は、ハイドロキアパタイト層を有することにより、生体に移植したとき、生体組織（例えば骨組織）との結合が、一層、短時間で進むという効果を奏する。

これは、インプラント材料を生体に移植したとき、ハイドロキアパタイト層から、早期にカルシウムイオンが溶出し、そのカルシウムイオンが、インプラント材料の周辺におけるｐＨを中性にし、結果として、インプラント材料と生体組織（例えば骨組織）との結合を促進するためであると考えられる。

前記ハイドロキシアパタイト層は、実質的にハイドロキシアパタイトのみから成る層であってもよいし、ハイドロキシアパタイトとともに、他の成分をハイドロキシアパタイトの性能に問題のない範囲で含む層であってもよい。

（３）請求項３の発明は、
前記被覆層を構成するセラミックスが、ジルコニアであることを特徴とする請求項１又は２に記載のインプラント材料を要旨とする。

本発明のインプラント材料における被覆層は、ジルコニアを主成分とすることにより、強度が高い。ジルコニアのうちでも、３モルのイットリアで部分安定化したジルコニアであって、平均結晶粒子径が０．３μｍ以下のものが好ましい。このようなジルコニアは、乳酸に曝される環境にあっても、靱性が劣化しにくい。

３モルのイットリアで部分安定化したジルコニアの平均結晶粒子径は、０．０１μｍ以上であることが好ましい。０．０１μｍ以上であることにより、表面活性が強くなり過ぎることがなく、焼結時に再結晶化しにくい。その結果、３モルのイットリアで部分安定化したジルコニアの結晶粒子径が大きく（例えば０．３μｍ以上）なってしまうことがない。また、０．０１μｍ以上であることにより、３モルのイットリアで部分安定化したジルコニアの表面積が過大となることがないため、成形時に被覆層の密度が大きくなり、焼結時に被覆層が緻密化する。

本発明を実施例に基づいて説明する。

ａ）インプラントボディの構成
図１及び図２に基づいて、歯科用インプラントボディ１の構成を説明する。図１はインプラントボディ１の正面図であり、図２は、図１のＡ−Ａ断面における縦断面図である。

インプラントボディ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、棒状の形状を有し、その上端から下方に向かう孔部９が形成されている。また、埋設部１ａの外周面のうち、下端を含む領域には、埋設部１ａを生体に埋設するためのネジ溝１１が形成されている。更に、埋設部１ａの外周面のうち、上端付近には、断面６角形のナット部１３が形成されている。このナット部１３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。

埋設部１ａは、基材３と、被覆層５と、ハイドロキシアパタイト層７とから構成される。上記基材３は、緻密質ジルコニアから成る。この緻密質ジルコニアは、イットリアを３モル含む平均結晶粒子径０．３μｍの部分安定化ジルコニアである。上記被覆層５は、基材３の表面を覆う層である。被覆層５は、基材３と同様の緻密質ジルコニアを主成分とするとともに、５重量％のカルシウムを含む。また、被覆層５は、多孔質の層であり、その中心気孔径は５０μｍである。上記ハイドロキシアパタイト層７は、ハイドロキシアパタイトから成る層であり、被覆層５を更に外側から被覆する。

露出部１ｂは、その上端から下端に至る貫通孔を有する筒状部材であり、その下端を含む一部が、埋設部１ａの孔部９に挿入されている。露出部１ｂは、上記基材３と同様に、イットリアを３モル含む平均結晶粒子径０．３μｍの部分安定化ジルコニアから成る。

ｂ）インプラントボディ１の製造方法
(i) 埋設部１ａの製造方法
円筒状の３ｍｏｌイットリア安定ジルコニアセラミックス成形体を粉末プレス法により作成した。次に、この成形体を炉の中で１３００℃にて焼成し、セラミックス焼結体を得た。このセラミックス焼結体を、ダイヤモンドツールを研削治具として有するマシニングセンターにより、図１及び図２に示す形状に機械加工し、基材３を得た。基材３におけるジルコニアの平均結晶粒子径は０．３μｍであった。

次に、基材３の外周面に、スラリーを浸漬塗装した。このスラリーは、基材３を構成するものと同様の緻密質ジルコニアの粉末と、発泡剤である、平均中心粒子径２μｍの炭酸カルシウム粉末とを、粉末の容積比９０：１０で含むものである。スラリーの浸漬塗装後、１日間乾燥させてから、１３００℃にて焼成した。その結果、平均中心気孔径が５０μｍであり、気孔率が１５％である、緻密質ジルコニアの被覆層５が形成された。この被覆層５は、発泡剤の発泡により生じた炭酸ガスで気孔が形成され、また、被覆層５の全体を１００重量部としたとき、５重量部のカルシウムを含んでいる。被覆層５の厚みは２〜１０μｍであった。なお、被覆層５の厚みは、スラリーの塗布量、スラリー濃度により調整できる。

なお、被覆層５の形成においては、スラリーに、炭酸カルシウム粉末の代わりに、焼失材として、球状カーボン粉末を用いても良い。この場合、焼成後により生じた多孔質層に、カルシウムを含浸させることで、被覆層５を形成できる。

次に、基材３の外周面に対し、２−エチルヘキサン酸カルシウムとリン酸トリクレジルとを含有するアルコール溶液を塗布し、４００℃まで加熱し、１０分間焼成する操作を４回繰り返すことにより、ハイドロキシアパタイト層７を形成し、埋設部１ａを完成した。

(ii) 露出部１ｂの製造方法
埋設部１ａにおける基材３の製造方法と同様にして、露出部１ｂを製造した。すなわち、円筒状の３ｍｏｌイットリア安定ジルコニアセラミックス成形体を粉末プレス法により作成し、この成形体を炉の中で１３００℃にて焼成したセラミックス焼結体を、ダイヤモンドツールを研削治具として有するマシニングセンターにより、図１及び図２に示す露出部１ｂの形状に機械加工した。

(iii) 埋設部１ａと露出部１ｂとの結合
露出部１ｂの下端を埋設部１ａにおける孔部９に挿入し、インプラントボディ１を完成した。

基本的には前記実施例１と同様にして、インプラントボディ１を製造した。ただし、本実施例２では、被覆層５の代わりに、カルシウムを含有しない、緻密質ジルコニアの多孔質層を形成した。この多孔質層は、前記実施例１において被覆層５を形成するときの工程のうち、焼成までは同様に行うが、カルシウム含浸処理は行わずに形成したものである。

基本的には前記実施例１と同様にして、インプラントボディ１を製造した。ただし、本実施例３では、ハイドロキシアパタイト層７を形成しなかった。

基本的には前記実施例１と同様にして、インプラントボディ１を製造した。ただし、本実施例４では、被覆層５における中心気孔径を１０μｍとした。なお、この中心気孔径は、被覆層５の形成に用いるスラリーに含まれる焼失剤の平均粒子径を１４μｍとすることにより実現できる。なお、焼失剤の平均粒子径が、中心気孔径１０μｍよりも大きい１４μｍである理由は、焼成中に収縮するためである。

基本的には前記実施例１と同様にして、インプラントボディ１を製造した。ただし、本実施例５では、被覆層５の代わりに、カルシウムを含有しない、緻密質ジルコニアの多孔質層を形成した。この多孔質層は、前記実施例１において被覆層５を形成するときの工程のうち、焼成までは同様に行うが、カルシウム含浸処理は行わずに形成したものである。また、この多孔質層における中心気孔径を１０μｍとした。

基本的には前記実施例５と同様にして、インプラントボディ１を製造した。ただし、本実施例６では、基材３を構成する、イットリアを３モル含む部分安定化ジルコニアの平均結晶粒子径を０．０１μｍとした。

前記実施例１〜６で製造したインプラントボディ１の構成を表１に示す。

（比較例）
基本的には前記実施例１と同様であるが、一部を変更した比較例１〜１６のインプラントボディ１を製造した。それらの構成を表２に示す。

表２に示すとおり、比較例１〜５では、基材３及び露出部１ｂを構成する緻密質ジルコニアの平均結晶粒子径を０．５μｍとした。また、比較例３、６、１２、１４、１５では、被覆層を形成しなかった。よって、これらの比較例は当然に、「被覆層が多孔質である」、「被覆層が５〜１０重量％のカルシウムを含む」という要件に該当しない。また、比較例４、１３では、被覆層を多孔質とせず、均一に充填された層とした。なお、これは、被覆層を形成するためのスラリーに焼失剤を配合しないようにすることで実現できる。また、比較例２、８〜１１、１６では、被覆層における中心気孔径を５０μｍとは異なる値に設定した。また、比較例４、７、１３では、被覆層にカルシウムを含浸させなかった。また、比較例８〜１１、１６では、被覆層が含むカルシウムの量を５重量％とは異なる値に設定した。

また、比較例１〜２、７、８〜１１、１５、１６では、ハイドロキシアパタイト層７を形成しなかった。また、比較例１３では、基材及び露出部をアルミナで構成した。すなわち、比較例１３で用いた基材及び露出部は、まず、９９．８％のアルミナ成形体を粉末プレス法により作成し、この成形体を炉の中で１６００℃にて焼成してアルミナ焼結体を得、このアルミナ焼結体を、前記実施例１における基材３及び露出部１ｂと同様の形状に機械加工したものである。さらに、比較例１３では、被覆層もアルミナから成るものとした。この被覆層は、アルミナ粉末を含むスラリーを基材表面に塗布し、１６００℃で焼成することで形成する。

また、比較例１４〜１５では、基材及び露出部をチタンで構成した。すなわち、比較例１４〜１５で用いた基材は、チタン線材を、前記実施例１における基材３及び露出部１ｂと同様の形状に機械加工したものである。

また、比較例１６では、基材を、イットリア８モルを添加した完全安定化ジルコニアから成るものとした。
また、基本的には前記実施例５と同様であるが、一部を変更した実験例１のインプラントボディ１を製造した。その構成を表２に示す。実験例１では、基材３を構成する、イットリアを３モル含む部分安定化ジルコニアの平均結晶粒子径を０．００９μｍとした。
（発明の効果を確かめるための試験）
各実施例、比較例、及び実験例で製造したインプラントボディ１、又はそれらと同様に製造されたが、形状のみ異なるものを試験体とし、次の試験を行った。
(i)曲げ強度及び耐乳酸性の試験
各実施例及び比較例のインプラントボディ１における埋設部１ａと同様に製造した、幅５ｍｍ、長さ３０ｍｍ、肉厚１ｍｍの試験体を用意した。この試験体の曲げ強度を、万能試験機（ＩＮＳＴＯＲＯＮ５８８２、インストロン製）を用い、クロスヘッドの速度０．５ｍｍ／ｍｉｎ、支点間距離２０ｍｍの条件で測定した。曲げ強度の値に応じて、以下の基準で曲げ強度を評価した。

◎：８００ＭＰａを超える
○：６００〜８００ＭＰａ
△：３００〜６００ＭＰａ
×：３００ＭＰａ未満
(ii)耐乳酸性の試験
前記(i)で曲げ強度を測定した試験体を、濃度１％の乳酸溶液中に５ヶ月間浸漬してか
ら、再び、同様の方法で曲げ試験を行った。浸漬前の曲げ強度を１００としたときにおける浸漬後の曲げ強度に応じて、以下の基準で耐乳酸性を評価した。

○：浸漬後の曲げ強度が９５〜１０５の範囲にある
△：浸漬後の曲げ強度が６０〜９４の範囲にある
×：浸漬後の曲げ強度が６０未満である
(iii)溶出性試験
各実施例及び比較例で製造したインプラントボディ１のうち、埋設部１ａを、濃度１％の乳酸溶液７０ｍｌ中に５ヶ月間浸漬した。このとき、溶液中に溶出した基材３の成分（ジルコニア、アルミナ、チタン）をプラズマ発光分析装置（ＩＣＰＳ−７５１０、島津製作所）にて検出した。そして、溶出量に応じて、以下の基準で、溶出性を評価した。

◎：溶出濃度が０．５ｐｐｍ以下
○：溶出濃度が０．５〜１．０ｐｐｍ
△：溶出濃度が１．０〜１０ｐｐｍ
×：溶出濃度が１０ｐｐｍを超える
(iv)生体親和性試験
ラット脛骨に埋設部１ａを埋入し、４週間が経過した時点で、埋設部１ａと骨との接触具合を測定した。そして、以下の基準で、生体親和性を評価した。

◎：骨と９０〜１００％接触
○：骨と７０〜９０％接触
△：骨と５０〜７０％接触
×：骨との接触は５０％未満
試験結果を上記表１及び表２に示す。表１及び表２から明らかなように、実施例１〜６のインプラントボディは、いずれの試験においても優れていた。

それに対し、比較例１〜５では、基材３を構成する緻密質ジルコニアの平均結晶粒子径が０．５μｍと大きいため、耐乳酸性において劣っている。
また、比較例３、６、１２では、多孔質の被覆層を有しないことにより、曲げ強度が低い。

また、比較例７では、被覆層にカルシウムが含浸されておらず、且つハイドロキシアパタイト層が形成されていないため、生体親和性において劣っている。
また、比較例８では、被覆層におけるカルシウム含有量が少なく、且つハイドロキシアパタイト層が形成されていないため、生体親和性において劣っている。

また、比較例９では、被覆層におけるカルシウム含有量が多すぎるため、溶出性において劣っている。
また、比較例１０では、被覆層における中心気孔径が大きすぎるため、曲げ強度が低い。

また、比較例１１では、被覆層における中心気孔径が小さすぎるため、生体親和性において劣っている。
また、比較例１３〜１５では、基材がアルミナ又はチタンであることにより、耐乳酸性及び溶出性において劣っている。さらに、比較例１５では、カルシウムを含有する被覆層も、ハイドロキシアパタイト層も形成されていないため、生体親和性において劣っている。

比較例１６では、基材が完全安定化ジルコニアであることにより、曲げ強度及び生体親和性においてやや劣っている。
実験例１では、基材３を構成する、イットリアを３モル含む部分安定化ジルコニアの平均結晶粒子径が０．００９μｍであるため、耐乳酸性、曲げ強度においてやや劣っている。

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、インプラントボディ１は、埋設部１ａと露出１ｂとが一体に形成されたものであってもよい。この場合、被覆層５及びハイドロキシアパタイト層は、インプラントボディ１の外周面全体に形成してもよいし、あるいは、埋設部１ａに相当する領域にのみ形成してもよい。

インプラントボディ１の外観を表す正面図である。 図１のＡ−Ａ断面におけるインプラントボディ１の縦断面図であり、一部の拡大図を含む。

符号の説明

１・・・インプラントボディ
１ａ・・・埋設部
１ｂ・・・露出部
３・・・基材
５・・・被覆層
７・・・ハイドロキシアパタイト層
９・・・孔部
１１・・・ネジ溝
１３・・・ナット部

Claims (3)

1. 平均結晶粒子径が０．３μｍ以下である部分安定化ジルコニアを主成分する基材と、
   セラミックスを主成分とし、中心気孔径が１０〜１００μｍの範囲にある多孔質である被覆層と
   を備え、
   前記被覆層は、５〜１０重量％のカルシウムを含むことを特徴とするインプラント材料。
2. 前記被覆層よりも上層に、ハイドロキシアパタイドを含むハイドロキアパタイト層を備えることを特徴とする請求項１記載のインプラント材料。
3. 前記被覆層を構成するセラミックスが、ジルコニアであることを特徴とする請求項１又は２に記載のインプラント材料。

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