JP5484357B2 - 骨修復材料とその製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、生体活性な骨修復材料とその製造方法に関するものである。この生体活性骨修復材料は、大腿骨、股関節、脊椎、歯根のように大きな荷重の加わる部分における骨修復のために好適に利用され得る。

表面にアパタイト層が形成されたチタン又はその合金は、大きな破壊靱性を有し、且つ生体内でアパタイトを介して生体骨と結合することから、大きな荷重の加わる部分における骨修復材料として期待されている。予め生体外で形成されたアパタイト層は剥離しやすいため、体内でアパタイトを形成すると同時に生体骨と結合させるべく、アパタイト形成能を有するチタン酸塩層が表面に形成されたチタン又はその合金の骨修復材料を製造する方法が種々提案されている（特許文献１、非特許文献１）。また、酸化チタンの層が形成された骨修復材料を製造する方法も種々提案されている（特許文献２、非特許文献２−８）。

ＷＯ９５／１３１００号公報 特許第３８７７５０５号公報

Kizukiら、Key Engineering, vol. 396-398, p341-344 (2009) Kokuboら、Bioceramics and their clinical applications, Woodhead Pub., p485-500 (2008) Wangら、Biomaterials, vol.23, p1353〜1357 (2002) Yangら、Biomaterials, vol. 25, p1003-1010 (2004) Luら、Materials Science and Engineering, vol. C27, p700-708(2007) Leeら、Metals and Materials International, vol. 13, p109-115(2007) Luら、J. Biomed. Mater. Res. vol. 84A, p523-534 (2008) Suginoら、Acta Biomateriala, vol. 5, p298-304 (2009)

しかし、チタン酸塩層（特許文献１、非特許文献１）は、生体内でその表面からナトリウムイオンやカルシウムイオンを溶出して周囲の体液環境を乱す。一方、最終的に水または酸性水溶液で処理することにより、表面に形成された酸化チタンの層（特許文献２、非特許文献２、５−７）は、アパタイト形成能に乏しい。また、過酸化水素で処理された表面層（非特許文献３）はひっかき抵抗に乏しく、陽極酸化により形成された表面層（非特許文献４）は、深い穴を不均一に含み、細菌がその穴に入って滅菌されにくい。切り傷により形成された凹凸の層（非特許文献８）は、アパタイトが形成されない部分が存在して、形成能の均一性に乏しい。
それ故、この発明の課題は、生体内でイオンが溶出しにくく、アパタイト形成能及びアパタイトの耐剥離性に優れ、実用的なひっかき抵抗を有する骨修復材料を提供することにある。

その課題を解決するために、この発明の骨修復材料は、
表面に幅及び深さともに平均で１ｎｍ以上１０μｍ以下の凹凸を有し、チタンもしくはチタン合金からなる基材と、
前記基材の表面に沿って形成され実質的に酸化チタンからなり、ｐＨ＝６〜８の水溶液環境下で＋４．５ｍＶ以上、好ましくは＋５．０ｍＶ以上のゼータ電位を有する表面層と
を備える
ことを特徴とする。
この発明の骨修復材料によれば、表面層が酸化チタンからなるので、生体内でイオンが溶出しにくい。しかも表面層が前記の通り水溶液環境下で正に帯電するものであることから、前記水溶液の一種である体液環境下でも同様に帯電し、リン酸イオン及びカルシウムイオンをこの順序で吸着させる。その結果、表面層の上全体に１日以内、長くても３日以内にアパタイトの層が形成される。そして、平均１ｎｍ以上１０μｍ以下の凹凸は、生体内で表面に形成されるアパタイト層及びアパタイト層を介して結合する生体骨を基材に強固に結合させる機能を果たす。尚、酸化チタンの相は、ルチル型、アナターゼ型のいずれでもよく、他の型であっても差し支えない。

この発明の骨修復材料を製造する適切な方法は、
チタンもしくはチタン合金からなる基材を準備し、基材の表面に幅及び深さともに平均で１ｎｍ以上１０μｍ以下の凹凸を形成し、ｐＨが３以下の酸性水溶液に浸漬し、水洗した後、加熱することを特徴とする。
準備する基材は、純チタンの他、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ、Ｔｉ−１５Ｚｒ−４Ｎｂ−４Ｔａなどのチタン合金であってもよい。

表面に前記凹凸を形成する手段としては、アルカリ処理、又はサンドブラストが挙げられる。アルカリ処理の場合は、凹凸形成と同時に基材の表面層がチタン酸塩の相に改質され、その後水洗することにより更にチタン酸の相に改質される。サンドブラストの場合は、その後酸処理又は酸化することにより、表面層が酸化チタンの相に改質される。好ましい一つの凹凸形成手段は、アルカリ処理である。これにより幅が平均で１〜１００ｎｍの均一な凹凸が形成されるからである。

いずれにしても酸化チタンは、ｐＨが３以下の水溶液中では図１に示すように正に帯電することが報告されている（鷹木洋ら、窯業協会誌、ｖｏｌ．８８，ｐ３４−４２（１９８１））。発明者等の実験によれば、ｐＨが３以下の酸性水溶液に浸漬された後、酸に由来する陰イオンがわずかしか検出されない程度に水洗されて加熱されたチタン基材は、意外なことにｐＨ＝６〜８の水溶液環境下であっても正に帯電する性質を保有していることが判明した。そして、加熱によってひっかき抵抗に優れた層となる。
前記酸性水溶液としては、塩酸、硫酸、硝酸、フッ酸、あるいはこれらの混酸の水溶液が挙げられる。酸性水溶液の温度は０〜１００℃、浸漬時間は０．５〜１００時間が好ましい。
尚、表面層が水溶液環境下で正に帯電するということは、酸化チタンの表面に硫酸、硝酸、塩酸、フッ酸などの酸を構成する酸基が残存していることをも意味する。

前記凹凸の形成は、前記酸性水溶液と同一の又は異なる酸性水溶液で処理することによってなされてもよい。同一の酸性水溶液を用いれば、凹凸形成、及び表面改質を同時に進行させることができる。この方法によれば、酸性水溶液のｐＨや処理する時間にもよるが、幅が平均で１μｍ以上１０μｍ以下という比較的に大きく均一な凹凸を形成することができる。凹凸の形成のための好ましい酸性水溶液のｐＨは１以下である。

いずれの製造方法においても、水洗工程の管理が重要である。体内に有害なイオンが溶出するのを防ぐためには酸に由来する陰イオンができるだけ検出されない程度に水洗する必要があるが、あまり念入りに水洗して陰イオンが全く検出されなくするとゼータ電位が＋４．５ｍＶ未満に低下するからである。好ましい水洗時間は１０秒以上１分以内である。但し、温水や流水で水洗する場合は１０秒未満でもよく、冷水で水洗する場合は１分を超えてもよい。また、水洗後の加熱温度は、通常４５０〜７５０℃以下、好ましくは５００〜７００℃である。温度が４５０℃未満の場合には、表面層が十分に酸化チタンに変化せず、その表面が体液環境下で正に帯電せず、ひっかき抵抗にも劣る。温度が７５０℃を超える場合には、酸素が大量に侵入して酸化チタンの表面層が厚くなり、熱膨張差によって剥離しやすくなり、その結果ひっかき抵抗も低下する。加熱時間は０．５〜４８時間が好ましい。

以上のように、この発明の骨修復材料は、生体内でイオンが溶出しにくいので生体を害することがない。また、実用的なひっかき抵抗を有するので、体内への埋め込み時に表面層が剥離することがない。そして、アパタイト形成能に優れるので、速やかに生体骨と結合して骨欠損部を修復することができる。しかも表面の凹凸があまり大きすぎることなく均一であることから、品質にばらつきがなく、信頼性に優れている。

２５℃の水溶液における酸化チタン及びその水和物の活動度とｐＨの関係を示すグラフである。 アルカリ処理により表面に凹凸を形成させたチタン金属板の走査型電子顕微鏡写真である。 酸処理により表面に凹凸を形成させたチタン金属板の走査型電子顕微鏡写真である。 擬似体液（ＳＢＦ）に種々の時間浸漬した実施例１の試料の表面のＸ線光電子スペクトルである。 ＳＢＦに１日浸漬した実施例１の試料の表面の走査型電子顕微鏡写真である。 ＳＢＦに１日浸漬した比較例１の試料の表面の走査型電子顕微鏡写真である。 実施例３の試料の表面をＸ線光電子分光法（ＸＰＳ）で分析した結果を示すスペクトルである。 実施例４の試料の表面をＸ線光電子分光法（ＸＰＳ）で分析した結果を示すスペクトルである。

第一の製造方法において、凹凸をつけるための予備工程としてのアルカリ処理には水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化カルシウムのいずれかの水溶液、あるいはこれらの混液を用いることができる。その濃度、温度、時間は限定されない。一般に、濃度が高く、温度が高く、時間が長くなる程、深い凹凸が作られる。予備工程としてのサンドブラスト処理には、リン酸カルシウム粒子のように後の化学処理（酸処理又は酸化）を妨害しないブラスト粒子を用いるのが好ましい。アルミナ粒子などの耐酸性粒子は、表面に残留して、後の酸処理を妨害するので好ましくない。凹凸を形成させる予備工程の酸処理には、塩酸、硫酸、硝酸、弗酸のいずれかあるいはこれらの混酸を用いることができる。その濃度、温度、時間は限定されない。

（製造条件）
−実施例１−
１０ｍｍ×１０ｍｍ×１ｍｍの大きさの純チタン金属板を準備し、初期条件を揃えるために＃４００のダイヤモンド研磨紙で研磨した。この板を、アセトン、２−プロパノール及び超純水で順に各３０分間超音波洗浄した後、５Ｍの水酸化ナトリウム水溶液５ｍｌに６０℃で２４時間浸漬することによって（以下、「アルカリ処理」という）、その表面に図２に示すように平均深さ１μｍ、平均孔径１７ｎｍの凹凸を形成させた。このチタン金属板をｐＨ＝１．４７の５０ｍＭ塩酸ＨＣｌ水溶液１０ｍｌに４０℃で２４時間浸漬し、２５℃の超純水で３０秒間洗浄した。この板をＳｉＣ電気炉に入れ、空気中で６００℃まで５℃／ｍｎの速度で昇温し、６００℃で１時間保持して炉内で放冷することによって骨修復材料の試料を得た。

−実施例２−
実施例１において、電気炉内の保持温度を７００℃としたことを除く他は実施例１と同じ条件で試料を製造した。
−実施例３−
実施例１において、酸性水溶液をＨＣｌ水溶液に代えてｐＨ＝１．４６の５０ｍＭ硝酸ＨＮＯ₃水溶液としたことを除く他は、実施例１と同じ条件で試料を製造した。
−実施例４−
実施例１において、酸性水溶液をＨＣｌ水溶液に代えてｐＨ＝１．９８の１０ｍＭ硫酸Ｈ₂ＳＯ₄水溶液としたことを除く他は実施例１と同じ条件で試料を製造した。

−実施例５−
実施例１と同じ大きさの純チタン金属板を、実施例１と同様に研磨して洗浄した。その後、６６．３ｗｔ％硫酸Ｈ₂ＳＯ₄水溶液と１０．６ｗｔ％塩酸ＨＣｌ水溶液の混液２０ ｍｌに７０℃で１時間浸漬することによって、その表面に図３に示すように平均深さ１μｍ、平均孔径１μｍの凹凸を形成させた。同混液のｐＨは０に近かった。このチタン金属板を実施例１と同様に超純水で洗浄し、６００℃で加熱することによって試料を製造した。

−比較例１−
実施例１において、酸性水溶液をｐＨ３．４５の０．５ｍＭ塩酸ＨＣｌ水溶液としたことを除く他は実施例１と同じ条件で試料を製造した。この製造方法は、非特許文献２に記載された方法と同じである。
−比較例２−
実施例１において、加熱をしないことを除く他は実施例１と同じ条件で試料を製造した。
−比較例３−
実施例１において、電気炉の保持温度を４００℃としたことを除く他は実施例１と同じ条件で試料を製造した。
−比較例４−
実施例１において、電気炉の保持温度を８００℃としたことを除く他は実施例１と同じ条件で試料を製造した。
−比較例５−
実施例５において、加熱をしないことを除く他は実施例５と同じ条件で試料を製造した。

−比較例６−
実施例１と同じ純チタン金属板を、実施例１と同様に研磨し洗浄した。その後、８．８Ｍ過酸化水素Ｈ₂Ｏ₂と０．１Ｍ塩酸ＨＣｌの混液（ｐＨ＝１）１０ｍｌに８０℃で３０分間浸漬し、超純水で３０秒間洗浄した。この板をＳｉＣ電気炉に入れ、空気中で４００ ℃まで５℃／ｍｉｎの速度で昇温し、４００℃で１時間保持し、炉内で放冷することによって試料を製造した。この製造方法は、非特許文献３に記載された方法の中で、最も優れたアパタイト形成能を示す方法と同じである。

−比較例７−
実施例１と同じ純チタン金属板を、実施例１と同様に研磨し洗浄した。その後、９８％Ｈ₂ＳＯ₄と３６％ＨＣｌと水を１：１：１の体積比で混ぜた溶液中に、６０℃で１時間浸漬し、超音波をかけたイオン交換水中で１５分間洗浄した。その後この板を６５％ＨＮＯ₃と水を１：１の体積比で混ぜた溶液（ｐＨ≒０）２０ｍｌ中に６０℃で６００分浸漬し、超音波をかけたイオン交換水中で１５分間洗浄することによって試料を製造した。この製造方法は、非特許文献５に記載された方法の中で、最も優れたアパタイト形成能を示す方法と同じである。

−比較例８−
実施例１と同じ純チタン金属板を、実施例１と同様に研磨し、４８％ＨＦと６２％ＨＮＯ₃と水を１：１．５：６の体積比で混ぜた溶液１０ｍｌ中で２分間洗浄した後、９７％Ｈ₂ＳＯ₄と３０％Ｈ₂Ｏ₂を１：１の体積比で混ぜた溶液（ｐＨ≒０）２０ｍｌ中に４０℃で１時間浸漬し、蒸留水で洗浄後、４００℃まで５℃／ｍｉｎの速度で昇温し、４００℃で１時間保持した後、炉内で放冷することによって試料を製造した。この製造方法は、非特許文献６に記載された方法と同じである。

−比較例９−
実施例１と同じ純チタン金属板を、実施例１と同様に研磨し洗浄した後、９８％Ｈ₂ＳＯ₄と３６％ＨＣｌと水を１：１：１の体積比で混ぜた水溶液（ｐＨ≒０）２０ｍｌに６０℃で１時間浸漬し、超音波をかけたイオン交換水中で１５分間洗浄した後、実施例１と同じ条件で加熱した。この製造方法は、非特許文献７に記載された方法の１つと同じである。

（表面層の構成相の同定）
実施例および比較例の試料の表面層の構成相を薄膜Ｘ線回折法により調べると、表１に示すように同試料は、アナターゼ型あるいはルチル型の酸化チタン（ＴｉＯ₂）あるいはチタン酸（Ｈ₂Ｔｉ₃Ｏ₇）、水素化チタン（ＴｉＨ₂）などを析出していた。擬似体液中で高いアパタイト形成能を示す試料（実施例１〜５）は、アナターゼ型かルチル型の酸化チタンを析出していた。ただし、酸化チタンを析出した試料でも高いアパタイト形成能を示さない試料もあった（比較例１，４，６，８，９）。

（ひっかき抵抗の測定）
株式会社レスカ製のスクラッチ試験機ＣＳＲ−２０００を用いて、バネ定数２００ｇ／ｍｍのスタイラスに試料上で１００μｍの振幅を与え、１００ｍＮ／ｍｉｎの荷重を印加しながら、スタイラスを１０ｍｍ／ｓｅｃの速度で移動させた。このときの臨界ひっかき強度を測定した。その結果、表１に示すようにその抵抗は、６００℃〜７００℃の温度で加熱した試料（実施例１〜５、比較例１，９）は４０ｍＮ以上の高い値を示したが、非加熱試料（比較例２，５，７）及び４００℃以下（比較例３，６，８）及び８００℃以上で加熱した試料（比較例４）は３３ｍＮ以下の値しか示さなかった。

（ゼータ電位の測定）
実施例および比較例の試料を１０ｍＭ塩化ナトリウムＮａＣｌ水溶液に浸漬し、ポリスチレンラテックスの粒子をモニター粒子としてレーザー電気泳動装置（大塚電子、ＥＬＳ−ＺＩ型）により測定した。測定結果を表１に示す。表の測定データのうち、スラッシュ記号の左側は試料基板をアースで放電した後に測定して得られたデータ、右側はそのような放電処理をせずに測定して得られたデータである。表に示すように、実施例の試料はすべて５．０ｍＶ以上の高い正のゼータ電位を示したが、比較例の試料はすべて４．０ｍＶ以下のゼータ電位しか示さなかった。表１においては、非加熱試料についてもゼータ電位が記載されている。しかし、非加熱試料は高い電気伝導度を示すので、電荷をほとんど蓄積しない。このため、非加熱試料について測定された絶対値の小さいゼータ電位は、正であれ負であれ、いずれもほぼ零であることだけを意味する。

（イオンの吸着の測定）
実施例１の試料をＩＳＯ規格２３３１７の擬似体液に種々の時間浸漬し、その表面のＸ線光電子分光分析を行ったところ、図４に示すように同試料上に先ずリン酸イオンが吸着し、次いでカルシウムイオンが吸着する現象が観察された。他の試料についても同様の分析を行うと、表１に示すように実施例の試料ですべて、先ずリン酸イオンが吸着し、次いでカルシウムイオンが吸着した。これらの試料においては、すべてその表面が正の電荷を帯びて高いゼータ電位を有するので、先ず負に帯電したリン酸イオンが吸着し、その表面がリン酸イオンにより負に帯電するに伴って、正に帯電したカルシウムイオンが吸着するためである。これに対し、比較例１、４、６、９以外の比較例の試料はすべて、リン酸イオンとカルシウムイオンがほぼ同時に吸着するか、もしくはカルシウムイオンの吸着がリン酸イオンの吸着に先行した。

（アパタイト形成能の評価）
実施例１の試料を３６．５℃に保ったＩＳＯ規格２３３１７の擬似体液（ＳＢＦ）に浸漬したところ、図５に示すように１日以内にその表面がアパタイトで覆い尽くされた。このアパタイト形成能を＋＋＋で表すと、実施例のすべての試料は表１に示すように、＋＋＋のアパタイト形成能を有していた。一方、比較例１の試料を同様にＳＢＦに浸漬したところ、図６に示すように１日以内ではその表面がまばらにしかアパタイトに覆われなかった。この程度のアパタイト形成能を＋＋で表すと、比較例のすべての試料は表１に示すように０か＋か＋＋のアパタイト形成能しか有していなかった。尚、０はアパタイトが全く形成されなかったことを表し、＋はアパタイトがかろうじて見いだされる程度のアパタイト形成能を表す。

（帯電の再確認）
実施例３及び４の試料の表面をＸ線光電子分光法（ＸＰＳ）で分析したところ、それぞれ図７及び図８に分析結果をＸＰＳスペクトルで示すように、実施例３の試料表面で窒素原子、実施例４の試料表面で硫黄原子が検出された。これは、正の電荷と対をなす硫酸イオン、硝酸イオン、塩化物イオンなどの陰イオンを構成する硫黄や窒素などの原子が表面層を構成する酸化チタンの表面に吸着していることを示し、プラスのゼータ電位が観察されることに加えて酸化チタンの表面に酸基が残存していることを裏付けるものである。

Claims (8)

1. 表面に幅及び深さともに平均で１ｎｍ以上１０μｍ以下の凹凸を有し、チタンもしくはチタン合金からなる基材と、
   前記基材の表面に沿って形成され実質的に酸化チタンからなり、ｐＨ＝６〜８の水溶液環境下で＋４．５ｍＶ以上のゼータ電位を有する表面層と
   を備えることを特徴とする骨修復材料。
2. バネ定数２００ｇ／ｍｍのスタイラスに前記表面層上で１００μｍの振幅を与え、１００ｍＮ／ｍｉｎの荷重を印加しながら、スタイラスを１０ｍｍ／ｓｅｃの速度で移動させたとき、前記表面層が３５ｍＮ以上の臨界ひっかき強度を有する請求項１に記載の骨修復材料。
3. 前記表面層が酸を構成する酸基を含有する請求項１に記載の骨修復材料。
4. チタンもしくはチタン合金からなる基材を準備し、この基材の表面に幅及び深さともに平均で１ｎｍ以上１０μｍ以下の凹凸を形成し、ｐＨが３以下の酸性水溶液に浸漬し、水洗した後、４５０℃以上７５０℃以下で加熱することを特徴とする骨修復材料を製造する方法。
5. 前記凹凸の形成が、アルカリ処理することによってなされる請求項４に記載の製造方法。
6. 前記酸性水溶液が、塩酸、硫酸、硝酸、フッ酸、あるいはこれらの混酸の水溶液である請求項４に記載の製造方法。
7. 前記凹凸の形成が、前記酸性水溶液と同一の又は異なる酸性水溶液で処理することによってなされる請求項４に記載の製造方法。
8. 前記水洗の時間が、１０秒以上１分以内である請求項４〜７のいずれかに記載の製造方法。

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