JP5846528B2 - Composite thin film and method for producing the same - Google Patents
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Description
本発明は、生体活性をもつハイドロキシアパタイト(HAP:以下必要に応じて簡略的に「HAP」を使用する。)ナノ結晶と優れた生体適合性を持つ酸化チタンからなるナノ複合材料薄膜及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a bioactive hydroxyapatite (HAP: hereinafter simply referred to as “HAP” if necessary) nanocrystal and nanocomposite thin film comprising titanium oxide having excellent biocompatibility and production thereof Regarding the method.
チタン金属及びチタン合金は、歯・関節の置換や歯科あるいは整形外科における病気あるいは破損した歯や骨の再建などのための補綴(ほてつ)具として広く使われている。これはチタン合金が良好な生体適合性と高強度が必要とされる部位での優れた機械的性質のためである(非特許文献1参照)。 Titanium metal and titanium alloys are widely used as prosthetic devices for tooth / joint replacement, dentistry or orthopedic illness or reconstruction of damaged teeth and bones. This is because titanium alloys have excellent mechanical properties at sites where good biocompatibility and high strength are required (see Non-Patent Document 1).
しかし、チタン合金が骨中に導入されたときは、インプラント材料が線維組織や他の反応により、骨から分離されてしまうという問題点がある(非特許文献2参照)。このようなインプラント材料における骨との接合に関する問題点を解決するために、バイオアクティブな表面を得るための表面修飾について検討が行われてきた(非特許文献3参照)。 However, when the titanium alloy is introduced into the bone, there is a problem that the implant material is separated from the bone by fibrous tissue or other reaction (see Non-Patent Document 2). In order to solve the problems related to the bonding with bone in such an implant material, surface modification for obtaining a bioactive surface has been studied (see Non-Patent Document 3).
より良い骨結合(osseointegration)を得るために最も普通に行われる解決法は、プラズマスプレー法などによりハイドロキシアパタイト(HAP; Ca10(PO4)6(OH)2, P63/m)のようなバイオアクティブセラミックスを被覆することである。これはHAPが人間の骨の無機主成分であり、天然の骨や歯の無機物と類似した結晶構造を持つためである(非特許文献4参照)。
HAPは生物学的に有利ではあるが、プラズマスプレーによって得られるHAPコーティングはチタン金属基板への接合性に劣ること、膜の不均一性、インプラント表面を完全に覆うために50μmというかなり厚い膜が必要であることといった問題点もある(非特許文献5参照)。
The most commonly used solution to obtain better osseointegration is like hydroxyapatite (HAP; Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 , P 63 / m ), such as by plasma spraying It is to coat bioactive ceramics. This is because HAP is an inorganic main component of human bones and has a crystal structure similar to that of natural bones and minerals of teeth (see Non-Patent Document 4).
Although HAP is biologically advantageous, the HAP coating obtained by plasma spray has poor adhesion to a titanium metal substrate, non-uniformity of the film, and a fairly thick film of 50 μm to completely cover the implant surface. There is also a problem that it is necessary (see Non-Patent Document 5).
被覆したHAP層は脆く、インプラントから容易に剥がれ生体中での劣化を引き起こす。また、HAP被覆金属インプラントでは主たる破壊はコーティングの中が原因となっている(非特許文献6参照)。
これらの事実を克服するために、さまざまな方法によりHAP層の調製が検討されてきている。スパッタ法(特許文献1参照)、静電相互作用を利用したコーティング法(特許文献2参照)、基板成分との粉体混合(特許文献3参照)、原料スラリーを塗布し水熱反応により薄膜を得る方法(特許文献4参照)が開示されている。
The coated HAP layer is brittle and easily peels away from the implant, causing degradation in vivo. In the HAP-coated metal implant, the main destruction is caused by the inside of the coating (see Non-Patent Document 6).
In order to overcome these facts, the preparation of HAP layers has been investigated by various methods. Sputtering method (refer to Patent Document 1), coating method using electrostatic interaction (refer to Patent Document 2), powder mixing with substrate components (refer to Patent Document 3), applying raw material slurry and forming thin film by hydrothermal reaction A obtaining method (see Patent Document 4) is disclosed.
また、電着による薄膜形成(特許文献5参照)、前駆体膜を熱スプレー法により形成させこれをHAPに変換させる方法(特許文献6参照)、前駆体生成用コロイド分散溶液の塗布・焼成による皮膜形成法(特許文献7参照)、キトサンを皮膜中に導入した生体適合性皮膜を電着により形成させる方法(特許文献8参照)、ゾル−ゲル法による皮膜形成法(特許文献9参照)、CVD あるいはPVDを使った積層コーティング作製法(特許文献10参照)が開示されている。 In addition, thin film formation by electrodeposition (see Patent Document 5), a method of forming a precursor film by a thermal spray method and converting it into HAP (see Patent Document 6), and by applying and baking a colloidal dispersion solution for precursor generation A film forming method (see Patent Document 7), a method of forming a biocompatible film in which chitosan is introduced into the film by electrodeposition (see Patent Document 8), a film forming method by a sol-gel method (see Patent Document 9), A multilayer coating manufacturing method using CVD or PVD (see Patent Document 10) is disclosed.
さらに、バイオミメティックな手法を使ったアパタイト類似リン酸カルシウム複合体合成法(特許文献11参照)、チタンをコートしたあとにHAPをコートすることでアルミナセラミックスへHAP被覆法(特許文献12参照)、原料過飽和水溶液への浸せきによりHAP薄膜を得る方法(特許文献13参照)などが開示されている。
しかしこれらの研究はいかにHAP膜をうまく生成させ基板の接着性を高めるかに終始していて、膜自体に新しい考えを持ち込もうとする例はキトサンを導入しようとした例以外にはほとんど見あたらない。
Furthermore, apatite-like calcium phosphate complex synthesis method using biomimetic method (see Patent Document 11), HAP coating method by coating HAP after coating titanium (see Patent Document 12), raw material supersaturation A method of obtaining a HAP thin film by immersion in an aqueous solution (see Patent Document 13) is disclosed.
However, these studies are all about how well the HAP film is produced and the adhesion of the substrate is improved, and there are hardly any examples other than those trying to introduce chitosan to introduce new ideas into the film itself.
HAP被膜は、上記のように薄膜自体の強度と薄膜と基板との密着性に大きな問題点があり、この改良にさまざまな検討が加えられてきた。本発明では、これらの問題点を克服するために、純チタン基板あるいはチタン合金基板上に優れた生体活性をもつHAPのナノ結晶と優れた生体適合性を持つ酸化チタンからなるナノ複合材料薄膜を作成する技術を提供するものである。
これにより、HAPのもつ生体親和性と酸化チタンの持つ生体適合性を両立させ、酸化チタンはチタン系の基板とのなじみがよい得ことから、基板密着性の優れた被膜形成が可能となるものである。
As described above, the HAP film has major problems in the strength of the thin film itself and the adhesion between the thin film and the substrate, and various studies have been made on this improvement. In the present invention, in order to overcome these problems, a nanocomposite thin film composed of nanocrystals of HAP having excellent bioactivity and titanium oxide having excellent biocompatibility on a pure titanium substrate or a titanium alloy substrate. The technology to create is provided.
As a result, the biocompatibility of HAP and the biocompatibility of titanium oxide are compatible, and titanium oxide can be used well with titanium-based substrates, so that it is possible to form a film with excellent substrate adhesion. It is.
生体活性をもつHAPのナノ結晶と優れた生体適合性を持つ酸化チタンからなるナノ複合材料薄膜を作成するために、同時スパッタ法と呼ばれる手法(酸化チタン成分とHAP成分を同時にスパッタして薄膜を得る方法)を用いることで化学的な均一性と微構造の均一性を実現する。
さまざまな調製条件の影響を検討することでHAP/TiO2コンポジットの組成、形態、表面状態を制御する。
In order to create a nanocomposite thin film composed of bioactive HAP nanocrystals and titanium oxide with excellent biocompatibility, a technique called co-sputtering (a thin film formed by simultaneously sputtering titanium oxide and HAP components) To achieve chemical uniformity and microstructural uniformity.
The composition, morphology, and surface state of the HAP / TiO 2 composite are controlled by examining the effects of various preparation conditions.
本発明は、酸化チタンとハイドロキシアパタイトを1〜100mTorrのアルゴン雰囲気中で同時スパッタリングして、酸化チタンマトリックス中にハイドロキシアパタイトが分散する複合材料用の前駆体薄膜を形成するものであり、さらにこの前駆体薄膜を400〜1000°Cでアニールし、酸化チタンマトリックス中に結晶性ハイドロキシアパタイトを形成する酸化チタンマトリックス中にハイドロキシアパタイトが分散した複合材料薄膜を製造するものである。 In the present invention, titanium oxide and hydroxyapatite are co-sputtered in an argon atmosphere of 1 to 100 mTorr to form a precursor thin film for a composite material in which hydroxyapatite is dispersed in a titanium oxide matrix. The body thin film is annealed at 400 to 1000 ° C. to produce a composite material thin film in which hydroxyapatite is dispersed in a titanium oxide matrix that forms crystalline hydroxyapatite in the titanium oxide matrix.
前記アニール温度400°C未満では製造効率が低く、また1000°Cを超える温度では、分散状態が不均一になり易く、また別の相が生成しやすくなることから、400〜1000°Cでアニールするのが望ましい条件である。しかし、この条件外でも製造可能である。本願発明は、これらを包含する。
特に、4〜50mTorrの圧力領域で、結晶性ハイドロキシアパタイトと酸化カルシウムが酸化チタンマトリックス中に共存させて分散した薄膜は、本発明を達成する上でより有効な範囲である。
If the annealing temperature is less than 400 ° C, the production efficiency is low, and if the annealing temperature is higher than 1000 ° C, the dispersion state is likely to be non-uniform and another phase is likely to be formed. This is a desirable condition. However, it can also be manufactured outside of these conditions. The present invention includes these.
In particular, a thin film in which crystalline hydroxyapatite and calcium oxide coexist in a titanium oxide matrix in a pressure region of 4 to 50 mTorr is a more effective range for achieving the present invention.
実験結果からスパッタ時のアルゴン圧力が重要であることがわかった。これはHAPが水酸基やリン酸基を持つため最適な条件を選択しないと、これらの官能基を薄膜中に取り込めないためと考えられる。また、同時スパッタ法を用いることにより、2成分が均一に混ざり合わせることが可能であり、構造的な均一性も得られ亀裂などが発生しにくいものが得られるようになる。 Experimental results show that the argon pressure during sputtering is important. This is presumably because HAP has a hydroxyl group and a phosphate group, and these functional groups cannot be incorporated into the thin film unless optimum conditions are selected. In addition, by using the simultaneous sputtering method, the two components can be mixed uniformly, so that structural uniformity can be obtained and cracks and the like are hardly generated.
結晶性のHAPを得るためには熱処理が必要であるが、これによりHAPが酸化チタンマトリックス中で強固に取り込まれた構造が生成する。酸化チタン相は基板のチタン系合金との密着性を与え、分散したHAPは生体親和性を確保することに寄与しここを基点として骨細胞成長を促し、生体中にインプラントが取り込まれやすくする働きをもつ。 In order to obtain crystalline HAP, heat treatment is required, but this generates a structure in which HAP is firmly incorporated in the titanium oxide matrix. The titanium oxide phase provides adhesion to the titanium-based alloy of the substrate, and the dispersed HAP contributes to ensuring biocompatibility, promotes bone cell growth from this point, and makes it easier for the implant to be taken into the living body. It has.
酸化チタンマトリックス中にハイドロキシアパタイトが分散した複合材料薄膜における膜中のCaとPの原子数比(Ca/P)は、同時スパッタリングの際の1〜100mTorrのアルゴン雰囲気圧力によって変化するが、アルゴンの圧力に調整することにより、CaとPの原子数比Ca/Pを1.37〜1.97に調整することができる。最適な条件は20mTorrアルゴン圧でのスパッタリングである。 The atomic ratio of Ca to P (Ca / P) in the composite thin film in which hydroxyapatite is dispersed in a titanium oxide matrix varies depending on the argon atmosphere pressure of 1 to 100 mTorr during simultaneous sputtering. By adjusting the pressure, the atomic ratio Ca / P of Ca and P can be adjusted to 1.37 to 1.97. The optimal condition is sputtering at 20 mTorr argon pressure.
前記熱処理により、平均粒径10nm〜1000nmの結晶性ハイドロキシアパタイトが分散した複合材料を得ることができる。通常、平均粒径30nm〜100nmの結晶性ハイドロキシアパタイトが分散した複合材料が得られる。
このハイドロキシアパタイト平均粒径は、本願発明の熱処理条件で得られる粒径であり、これは分散したHAPは生体親和性を確保する上で、好適な粒径である。しかし、この粒径の数値が絶対的な条件でないことは、理解されるべきことである。
また、前記同時スパッタリングに際して、酸化チタンとハイドロキシアパタイトのスパッタ量を変化させることにより、酸化チタン中の結晶性ハイドロキシアパタイト量を薄膜の厚さ方向に傾斜した組成(割合)を持つように成膜することが可能である。
By the heat treatment, a composite material in which crystalline hydroxyapatite having an average particle diameter of 10 nm to 1000 nm is dispersed can be obtained. Usually, a composite material in which crystalline hydroxyapatite having an average particle diameter of 30 nm to 100 nm is dispersed is obtained.
This hydroxyapatite average particle diameter is a particle diameter obtained under the heat treatment conditions of the present invention, and this is a suitable particle diameter for ensuring the biocompatibility of dispersed HAP. However, it is to be understood that this particle size value is not an absolute requirement.
Further, in the simultaneous sputtering, by changing the sputtering amount of titanium oxide and hydroxyapatite, a film is formed so that the amount of crystalline hydroxyapatite in titanium oxide has a composition (ratio) inclined in the thickness direction of the thin film. It is possible.
軽量で高強度かつ生体適合性が高いチタンあるいはチタン合金と生体中の骨などと接合させるためには、HAPのような生体親和性の高い物質の表面被覆が重要と考えられるが、HAP薄膜の表面密着性は非常に弱く、反応や亀裂などをきっかけにして剥がされやすい。
本発明ではHAP/酸化チタン複合(コンポジット)薄膜を用いることで、生体適合性と生体親和性を犠牲にすることなく、表面被覆層の機械的強度を改善することができ、人工関節システムにおける骨移植や歯の置換などの広範囲な用途に適合できる薄膜を作成することを可能にする有効な方法である。
In order to join titanium or titanium alloy, which is lightweight, high in strength and high in biocompatibility, and bones in the living body, it is considered that surface coating of a substance having high biocompatibility such as HAP is important. The surface adhesion is very weak and easily peeled off due to reaction or cracks.
In the present invention, by using the HAP / titanium oxide composite (composite) thin film, the mechanical strength of the surface coating layer can be improved without sacrificing biocompatibility and biocompatibility. It is an effective method that makes it possible to create thin films that can be adapted to a wide range of applications such as transplantation and tooth replacement.
以下、本発明の特徴を、図等を用いて具体的に説明する。なお、以下の説明は、本願発明の理解を容易にするためのものであり、これに制限されるものではない。すなわち、本願発明の技術思想に基づく変形、実施態様、他の例は、本願発明に含まれるものである。
同時スパッタ法を用いアルゴンガス圧力を最適化することにより前駆体薄膜を調製し、これを600°C窒素中で熱処理することにより、HAPが分散した酸化チタン中に分散したナノコンポジットを作成することができた。HAP相はCa/P = 1.67程度であった。
The features of the present invention will be specifically described below with reference to the drawings. In addition, the following description is for making an understanding of this invention easy, and is not restrict | limited to this. That is, modifications, embodiments, and other examples based on the technical idea of the present invention are included in the present invention.
Preparation of precursor thin film by optimizing argon gas pressure using co-sputtering method and heat treatment in nitrogen at 600 ° C to produce nanocomposite dispersed in titanium oxide with HAP dispersed I was able to. The HAP phase was about Ca / P = 1.67.
(実施例)
純チタン板 (CP−Ti; ASTMF136, 大同特殊鋼製)を純チタン棒(10mmΦ)のものから厚さ2mmに切り出した。前処理としてこれを#240、#600、#800、#1200の紙ヤスリで磨いたあとアセトン中で30分間超音波洗浄後、純水中で更に洗浄し乾燥させ基板として用いた。
HAP/TiO2 ナノコンポジット薄膜はマグネトロンスパッタ装置を使って同時スパッタ法により上記基板上に得た。100 mm径の酸化チタンターゲット上にハイドロキシアパタイト(CELLYARDTM, PENTAX製、13mmφ, 厚さ2mm、13枚を環状に配置)ペレットを置いて同時にスパッタして薄膜を得た。
(Example)
A pure titanium plate (CP-Ti; ASTM F136, manufactured by Daido Steel) was cut out from a pure titanium rod (10 mmΦ) to a thickness of 2 mm. As a pretreatment, this was polished with # 240, # 600, # 800 and # 1200 paper files, then ultrasonically cleaned in acetone for 30 minutes, further washed in pure water and dried to be used as a substrate.
A HAP / TiO 2 nanocomposite thin film was obtained on the substrate by a simultaneous sputtering method using a magnetron sputtering apparatus. Hydroxyapatite (CELLYARD ™, manufactured by PENTAX, 13 mmφ, thickness 2 mm, 13 pieces arranged in a ring) pellets were placed on a 100 mm diameter titanium oxide target and sputtered simultaneously to obtain a thin film.
(スパッタ膜の観察結果:前駆体複合材料)
スパッタリングはアルゴン中50Wで基板加熱なしで60分間行った。図1は、スパッタ圧力を4〜20mTorrの範囲で変化させ、同時スパッタ法により作成した酸化チタン/HAP前駆体ナノ複合材料の走査型電子顕微鏡写真を示す。すなわち、酸化チタン/HAP前駆体からなる複合材料の形態に及ぼす影響(スパッタ圧力依存性)を調査したものである。
図1の写真(a)は4mTorr, 写真(b)は10 mTorr,写真 (c)は20 mTorrの場合である。いずれの試料も線状の跡が認められたが、これは基板であるチタン板を切り出したときの加工痕である。薄膜自体には大きな組織の変化は認められなかった。
(Observation of sputtered film: precursor composite material)
Sputtering was performed at 50 W in argon for 60 minutes without substrate heating. FIG. 1 shows a scanning electron micrograph of a titanium oxide / HAP precursor nanocomposite prepared by a co-sputtering method with the sputtering pressure varied in the range of 4 to 20 mTorr. That is, the influence (sputter pressure dependence) on the form of the composite material composed of titanium oxide / HAP precursor was investigated.
The photo (a) in FIG. 1 is 4 mTorr, the photo (b) is 10 mTorr, and the photo (c) is 20 mTorr. In all the samples, a linear trace was observed, which was a processing trace when a titanium plate as a substrate was cut out. No significant tissue changes were observed in the thin film itself.
(前駆体のアニーリング)
図2は、図1で得られた薄膜を600°C で、60分間窒素中でアニールした後の表面形態である。すなわち、図1の試料を600°C、1時間、窒素中で熱処理した酸化チタン/HAPナノ複合材料の走査型電子顕微鏡写真であり、図2の(a)は4mTorrのアルゴン圧力でスパッタリングした場合、(b)は、10 mTorrのアルゴン圧力でスパッタリングした場合、(c) は、20 mTorrのアルゴン圧力でスパッタリングした場合である。
4mTorrで作成した膜には平均30nm程度の四角い小さな粒とそれよりも少し大きめの大きな粒が認められた。前者は酸化カルシウム微結晶であると推測された。後者は結晶性のHAPを含む成分と推測される。
(Precursor annealing)
FIG. 2 shows the surface morphology after annealing the thin film obtained in FIG. 1 at 600 ° C. for 60 minutes in nitrogen. 1 is a scanning electron micrograph of a titanium oxide / HAP nanocomposite obtained by heat-treating the sample of FIG. 1 at 600 ° C. for 1 hour in nitrogen, and FIG. 2A is a case where sputtering is performed at an argon pressure of 4 mTorr. (B) shows the case where sputtering is performed at an argon pressure of 10 mTorr, and (c) shows the case where sputtering is performed at an argon pressure of 20 mTorr.
In the film prepared at 4 mTorr, small square particles having an average of about 30 nm and large particles slightly larger than that were observed. The former was presumed to be calcium oxide microcrystals. The latter is presumed to be a component containing crystalline HAP.
さらに、圧力を上げて20mTorrで作成した膜は、100nm程度の、より大きな粒が見出され、結晶性のHAP(平均粒径120nm)が酸化チタンマトリックス中に析出した構造が得られた。
図3は得られた膜中のCa/Pの原子数比を示し、アルゴン圧力が高いほど、HAPの1.67に近づき、20mTorrでCa/Pの原子数比が、ほぼこの1.67の値になる。
1mTorr未満のような低い圧力ではリン酸イオンや水酸イオンがスパッタにより雰囲気中に放出され、これが膜中に回収できないために大きな組成ずれを示すものと考えられた。
Furthermore, the film produced at 20 mTorr with increased pressure was found to have a structure in which larger grains of about 100 nm were found and crystalline HAP (average grain size 120 nm) was precipitated in the titanium oxide matrix.
FIG. 3 shows the atomic ratio of Ca / P in the obtained film. The higher the argon pressure, the closer to HAP 1.67, and the Ca / P atomic ratio at 20 mTorr was about 1.67. Value.
At low pressures, such as less than 1 mTorr, phosphate ions and hydroxide ions were released into the atmosphere by sputtering and could not be collected in the film, which was considered to indicate a large compositional deviation.
(薄膜中の酸素の化学状態)
図4は、薄膜中の酸素の化学状態をX線光電子分光法により測定した結果である。20mTorrのような高い圧力で得られた膜ほどハイドロキシアパタイトに近いピーク位置で、ピークが観測された。このことから20mTorr前後の圧力が、酸化カルシウム微結晶をほとんど含まない結晶性ハイドロキシアパタイト分散酸化チタン複合膜の生成に最適であることがわかる。
(Chemical state of oxygen in thin film)
FIG. 4 shows the result of measuring the chemical state of oxygen in the thin film by X-ray photoelectron spectroscopy. A peak was observed at a peak position closer to hydroxyapatite as the film was obtained at a higher pressure such as 20 mTorr. This indicates that a pressure of around 20 mTorr is optimal for producing a crystalline hydroxyapatite-dispersed titanium oxide composite film that hardly contains calcium oxide microcrystals.
スパッタリング時のアルゴン圧力が10mTorrよりも低い場合には、アニール後に結晶性ハイドロキシアパタイトの存在量が減少し、酸化カルシウムが増加する傾向にある。しかし、結晶性ハイドロキシアパタイトが残存していれば生体親和性の効果は存在しうることから、1〜100mTorrのアルゴン雰囲気中で同時スパッタリングでも可能である。 When the argon pressure during sputtering is lower than 10 mTorr, the amount of crystalline hydroxyapatite present after annealing tends to decrease and calcium oxide increases. However, if crystalline hydroxyapatite remains, the effect of biocompatibility can exist, and therefore, simultaneous sputtering in an argon atmosphere of 1 to 100 mTorr is also possible.
4mTorr以上50mTorrまでの圧力領域で、結晶性ハイドロキシアパタイトと酸化カルシウムを酸化チタンマトリックス中に共存させて分散した薄膜は、本発明を達成する上で、より有効な範囲である。
本願発明は、この意味を明確にするものであり、本願発明が、これらを包含することは理解されるべきことである。20mTorrよりも、さらに高い圧力でのスパッタリングも可能であるが、薄膜生成速度の減少が起こることから、最適な圧力条件として50mTorr以下にすることが望ましいと言える。
A thin film in which crystalline hydroxyapatite and calcium oxide coexist in a titanium oxide matrix and dispersed in a pressure range of 4 mTorr to 50 mTorr is a more effective range for achieving the present invention.
The present invention clarifies this meaning, and it should be understood that the present invention includes these. Sputtering at a pressure higher than 20 mTorr is also possible, but it can be said that the optimum pressure condition is preferably 50 mTorr or less because the thin film formation rate is reduced.
(基板及び膜のX線回折)
この結果は、図5に示されるX線回折の結果からも支持される。図5の(a)は、チタン基板のX線回折であり、また、(b)は4mTorr、(c)は20 mTorrでスパッタリングして得られた膜を600°C、1時間、窒素中で熱処理した酸化チタン/HAPナノ複合材料のX線回折パターンである。
図中のT、A、R、Cはそれぞれチタン、アパタイト、ルチル相の酸化チタン、酸化カルシウムのピークに対応している。
(X-ray diffraction of substrate and film)
This result is supported by the result of X-ray diffraction shown in FIG. (A) of FIG. 5 is an X-ray diffraction of a titanium substrate, (b) is 4 mTorr, (c) is a film obtained by sputtering at 20 mTorr at 600 ° C. for 1 hour in nitrogen. 2 is an X-ray diffraction pattern of a heat-treated titanium oxide / HAP nanocomposite.
T, A, R, and C in the figure correspond to peaks of titanium, apatite, rutile phase titanium oxide, and calcium oxide, respectively.
チタン基板のX線回折である図5の(a)は、チタンからのみの信号が得られた。4mTorrで得られた薄膜からのX線回折である(b)は、ルチル相の酸化チタンと酸化カルシウムからのピークが観測され、結晶性ハイドロキシアパタイトの量は少ないものと考えられる。
一方、20mTorrで得られた薄膜からのX線回折である(c)は、ルチル相の酸化チタンと結晶性ハイドロキシアパタイトが観測され、確かに結晶性ハイドロキシアパタイトがこの作製方法により薄膜中に生成することが確認できた。
In FIG. 5A, which is an X-ray diffraction of a titanium substrate, a signal only from titanium was obtained. In (b), which is an X-ray diffraction from a thin film obtained at 4 mTorr, peaks from rutile phase titanium oxide and calcium oxide are observed, and the amount of crystalline hydroxyapatite is considered to be small.
On the other hand, (c), which is an X-ray diffraction from a thin film obtained at 20 mTorr, shows that rutile-phase titanium oxide and crystalline hydroxyapatite are observed, and crystalline hydroxyapatite is certainly produced in the thin film by this production method. I was able to confirm.
(細胞培養による付着した細胞の走査型電子顕微鏡写真)
更に図6は、このような基板上で細胞培養(2時間MC3T3−E1細胞)を行い、付着した細胞を走査型電子顕微鏡により観測した結果である。
丸あるいは紡錘状の形をしたものが付着した細胞である。筋のように見えるのはチタン基板を研磨したときの研磨痕である。(a)は膜を蒸着する前のチタン基板、(b)は4mTorr、(c)は20mTorrでスパッタ蒸着した後熱処理した基板の上に付着した細胞を示している。
(Scanning electron micrograph of attached cells by cell culture)
Further, FIG. 6 shows the results of cell culture (2 hours MC3T3-E1 cells) on such a substrate, and the attached cells were observed with a scanning electron microscope.
A cell with a round or spindle shape attached. What looks like a streak is a polishing mark when the titanium substrate is polished. (A) shows a titanium substrate before film deposition, (b) shows 4 mTorr, and (c) shows cells adhering to the substrate heat-treated after sputter deposition at 20 mTorr.
(培養細胞の数密度)
図6の(d)は、付着したMC3T3−E1細胞の数密度を示したものである。この図6から明らかなように、本手法により得られた薄膜基板上、特にアパタイトが生成する条件で得られた膜上で、膜がない場合と比較して、1mTorr程度から増加が認められ、4mTorr程度ではかなりの量の細胞付着増加が認められる。特に、20mTorrでは、膜がない場合と比較して、2倍以上の細胞が付着しており、生体内に埋め込まれた場合の高い生体適合性を明らかに示していることがわかる。
この傾向は、100mTorrにおいても細胞付着の増加が確認できる。しかし、薄膜形成の効率から見て、50mTorr程度が良いと考えられる。
(Number density of cultured cells)
FIG. 6 (d) shows the number density of attached MC3T3-E1 cells. As is clear from FIG. 6, an increase from about 1 mTorr is recognized on the thin film substrate obtained by this method, particularly on the film obtained under the conditions where apatite is generated, compared with the case where no film is present, At about 4 mTorr, a considerable amount of cell attachment is observed. In particular, at 20 mTorr, it can be seen that more than twice as many cells are attached as compared to the case without a membrane, and clearly shows high biocompatibility when implanted in a living body.
This trend confirms an increase in cell attachment even at 100 mTorr. However, about 50 mTorr is considered good from the viewpoint of thin film formation efficiency.
上記に示す通り、本発明は純チタン基板あるいはチタン合金基板上に優れた生体活性をもつHAPのナノ結晶と優れた生体適合性を持つ酸化チタンからなるナノ複合材料薄膜を作成する技術を提供するものである。
これにより、HAPのもつ生体親和性と酸化チタンの持つ生体適合性を両立させ、酸化チタンはチタン系の基板とのなじみがよい得ことから、基板密着性の優れた被膜形成が可能となるものである。歯・関節の置換や歯科あるいは整形外科における病気あるいは破損した歯や骨の再建などのための補綴(ほてつ)具として極めて有用である。
As described above, the present invention provides a technique for producing a nanocomposite thin film comprising a nanocrystal of HAP having excellent bioactivity and titanium oxide having excellent biocompatibility on a pure titanium substrate or a titanium alloy substrate. Is.
As a result, the biocompatibility of HAP and the biocompatibility of titanium oxide are compatible, and titanium oxide can be used well with titanium-based substrates, so that it is possible to form a film with excellent substrate adhesion. It is. It is extremely useful as a prosthetic tool for the replacement of teeth and joints, and the reconstruction of damaged or damaged teeth and bones in dentistry or orthopedics.
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