JP6312128B2 - Method for producing phosphate-type ceramic thin film containing osteogenesis promoting substance and method for producing bone tissue implant having the thin film as a surface layer - Google Patents

Method for producing phosphate-type ceramic thin film containing osteogenesis promoting substance and method for producing bone tissue implant having the thin film as a surface layer Download PDF

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本発明は、骨組織内への埋め込みのために使用するインプラントの表面処理に適用できる骨形成促進物質含有のリン酸塩型セラミック薄膜及び該薄膜を表面層として有する骨組織インプラントとその製造方法に関する。   The present invention relates to a phosphate-type ceramic thin film containing an osteogenesis promoting substance that can be applied to surface treatment of an implant used for implantation into bone tissue, a bone tissue implant having the thin film as a surface layer, and a method for producing the same. .

歯科インプラントには、生体適合性、抗菌性又は骨形成促進性の付与のために様々な表面処理が施されたものが検討されている。その一つに生体適合性に優れたハイドロキシアパタイト(Ca10(PO(OH);HA)をコーティングする方法があり、例えば、HAがスパッタリング法又はプラズマ溶射法によりコーティングされた歯科インプラントは、コーティングの無いものに比べ、速やかに周囲に骨形成が起こり、早期に高い骨結合強度が得られるという特徴がある。 Dental implants that have been subjected to various surface treatments to impart biocompatibility, antibacterial properties, or osteogenesis promoting properties have been studied. One of them is a method of coating hydroxyapatite (Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 ; HA) excellent in biocompatibility. For example, a dental implant in which HA is coated by a sputtering method or a plasma spraying method. Compared to the case without coating, bone formation occurs quickly in the surroundings, and high bone bond strength can be obtained early.

しかしながら、この歯科インプラントは、骨量や骨質が不十分な状態、例えば、骨密度の低い高齢者等には適用できない場合があり、骨誘導能の優れた材料が求められている。従来から、骨形成促進物質としては、前記のHAに含まれるカルシウムやホスフェート以外にも様々な元素又は化合物が知られているが、近年、ストロンチウムが、積極的に骨形成に作用し骨芽細胞の活性の促進するだけでなく、破骨細胞の活動を抑える効果を有するものとして注目されている。   However, this dental implant may not be applicable to a state in which the bone mass or bone quality is insufficient, for example, an elderly person with low bone density, and a material having excellent osteoinductive ability is required. Conventionally, as an osteogenesis promoting substance, various elements or compounds are known in addition to calcium and phosphate contained in the HA. In recent years, strontium has been actively acting on bone formation and osteoblasts. It has been attracting attention as having an effect of suppressing the activity of osteoclasts as well as promoting its activity.

例えば、特許文献1には、ストロンチウム置換アパタイトからなる生理活性型セラミック被覆を有する移植用物品(インプラント)が提案されている。同様に、特許文献2には、カルシウムリン酸塩粉末とストロンチウムリン酸塩粉末とを混合することによって生成された生体適合性のストロンチウム置換アパタイトセラミックが提案されている。これらの特許文献に開示されているストロンチウム置換アパタイト被膜は、骨形成促進物質として含まれるストロンチウムが、ストロンチウム及びカルシウムを加えた元素量に対して、モル%で33モル%以下又は10モル%以下である。   For example, Patent Document 1 proposes an implantable article (implant) having a bioactive ceramic coating made of strontium-substituted apatite. Similarly, Patent Document 2 proposes a biocompatible strontium-substituted apatite ceramic produced by mixing calcium phosphate powder and strontium phosphate powder. In the strontium-substituted apatite coating disclosed in these patent documents, the strontium contained as an osteogenesis promoting substance is 33 mol% or less or 10 mol% or less in terms of mol% with respect to the amount of elements added with strontium and calcium. is there.

一方、抗菌剤を含むコーティング層を表面に形成することも医療用インプラントの分野では周知又は公知であり、例えば、特許文献3には、生物活性物質として骨形成形成物質及び抗菌剤を含むコーティング層を有する医療用インプラントが提案されている。   On the other hand, it is well known or known in the field of medical implants to form a coating layer containing an antibacterial agent. For example, Patent Document 3 discloses a coating layer containing a bone forming substance and an antibacterial agent as bioactive substances. Medical implants having the following have been proposed.

特開2004−358249号公報JP 2004-358249 A 米国特許第5441536号公報US Pat. No. 5,441,536 特表2011−512957号公報Special table 2011-512957 gazette

しかしながら、前記特許文献1及び2に記載のストロンチウム置換アパタイト被膜は、骨形成促進物質としてストロンチウムを含むものの、従来のHA被膜と比べて、骨誘導能について顕著な効果が認められないため、適用がほとんど進んでいないというのが現状である。   However, although the strontium-substituted apatite coating described in Patent Documents 1 and 2 contains strontium as a bone formation promoting substance, it does not have a remarkable effect on the osteoinductive ability as compared with the conventional HA coating, and therefore can be applied. The current situation is that little progress has been made.

また、前記特許文献3に記載の抗菌剤を含むコーティング層も、抗菌性については効果が認められるものの、骨量や骨質が不十分な状態における骨誘導能の向上に対しては従来のHA被膜より大幅な向上を図ることができなかった。このように、ハイドロキシアパタイト被膜や従来のストロンチウム置換アパタイト被膜の構成及び組成では、骨誘導能の向上という効果に対して十分な効果が得られておらず、一層の改良及び改善が強く求められている。   Moreover, although the coating layer containing the antibacterial agent described in Patent Document 3 is also effective for antibacterial properties, it is a conventional HA coating for improving the osteoinductive ability in a state where bone mass and bone quality are insufficient. A significant improvement could not be achieved. As described above, the composition and composition of the hydroxyapatite coating and the conventional strontium-substituted apatite coating do not provide sufficient effects for the effect of improving the osteoinductive ability, and further improvement and improvement are strongly demanded. Yes.

本発明は、上記した従来の問題点に鑑みてなされたものであって、骨量や骨質が不十分な状態において適用可能なインプラント用材料の開発という技術課題に対して、従来以上の骨誘導能を有することによって骨形成を促進させ、顎骨及び細胞との付着又は接着を向上することができるセラミック薄膜及び該薄膜を被覆層として有する骨組織インプラント及びその製造方法を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above-described conventional problems, and is a bone guide that is more than conventional in order to develop a technical problem of developing an implant material that can be applied in a state where bone mass and bone quality are insufficient. It is an object of the present invention to provide a ceramic thin film capable of promoting bone formation and improving adhesion or adhesion to jaw bone and cells by having a function, a bone tissue implant having the thin film as a coating layer, and a method for producing the same.

本発明は、骨形成促進物質として含まれる元素の中で、カルシウム以外に、骨誘導能を有する所定の金属元素を、従来のストロンチウム置換アパタイト被膜等と比べて、より高い含有量で含有させたリン酸塩型セラミック薄膜によって上記の課題を解決できることを見出して本発明に到った。   In the present invention, among elements contained as an osteogenesis promoting substance, in addition to calcium, a predetermined metal element having osteoinductive ability is contained at a higher content than conventional strontium-substituted apatite coatings and the like. The present inventors have found that the above-mentioned problems can be solved by the phosphate ceramic thin film, and have reached the present invention.

すなわち、本発明の構成は以下の通りである。
[1]本発明は、骨形成促進物質としてストロンチウム、マグネシウム及び亜鉛からなる群の少なくとも1つの元素を含むリン酸塩型セラミック薄膜の製造方法であって前記リン酸塩型セラミック薄膜が、骨形成促進物質として含まれる前記元素を、前記リン酸塩型セラミック薄膜のカチオンを構成する全元素量に対して20原子%を超えて含有し、且つ、前記カチオンを構成する残余の元素がカルシウムであり、スパッタリング法によって厚さ0.1〜5μmで製膜された後、ストロンチウムイオン、マグネシウムイオン及び亜鉛イオンからなる群の少なくとも1つのカチオンを含むアルカリ水溶液中又は該アルカリ水溶液と共存した状態で水熱処理を行うことによって製造されることを特徴とする、骨形成促進物質含有リン酸塩セラミック薄膜の製造方法を提供する。
[2]本発明は、骨形成促進物質として含まれる前記元素の含有量が、前記リン酸塩型セラミック薄膜のカチオンを構成する全元素量に対して40〜90原子%であることを特徴とする前記[1]に記載の骨形成促進物質含有リン酸塩型セラミック薄膜の製造方法を提供する。
]本発明は、骨形成促進物質として含まれる前記元素に、さらに抗菌作用を有する元素を含むことを特徴とする前記[1]又は[2]に記載の骨形成促進物質含有リン酸塩型セラミックの薄膜の製造方法を提供する。
]本発明は、前記抗菌作用を有する元素が、銀、銅及び亜鉛からなる群の少なくとも1つの元素からなることを特徴とする前記[]に記載の骨形成促進物質含有リン酸塩型セラミックの薄膜の製造方法を提供する。
]本発明は、前記[1]〜[4]のいずれかに記載の製造方法によって得られる骨形成促進物質含有リン酸塩型セラミック薄膜を表面層として有する骨組織インプラントを製造する方法であって、次の(A)、(B)、(C)、(D)及び(E)、すなわち
(A)骨形成促進物質としてストロンチウム、マグネシウム及び亜鉛からなる群の少なくとも1つの元素を含むアパタイト粉末
(B)骨形成促進物質としてストロンチウム、マグネシウム及び亜鉛からなる群の少なくとも1つの元素及び抗菌作用を有する元素を含有するアパタイト粉末、
(C)骨形成促進物質としてストロンチウム、マグネシウム及び亜鉛からなる群の少なくとも1つの元素を含むアパタイト粉末と、カルシウムを含有するアパタイト粉末とを混合した粉末、
(D)骨形成促進物質としてストロンチウム、マグネシウム及び亜鉛からなる群の少なくとも1つの元素を含むアパタイト粉末と、カルシウムを含有する化合物及び抗菌作用を有する元素を含有する化合物を用いて溶液法で作製した、カルシウム及び抗菌作用を有する元素を含有するアパタイト粉末とを混合した粉末、及び
(E)骨形成促進物質としてストロンチウム、マグネシウム及び亜鉛からなる群の少なくとも1つの元素及び抗菌作用を有する元素を含有するアパタイト粉末と、カルシウムを含有するアパタイト粉末とを混合した粉末、
からなる群から選ばれる何れか一つの粉末を用いてスパッタリング装置によってインプラントの表面上にスパッタ処理を行ってリン酸塩型セラミック薄膜を0.1〜5μmの厚さで形成する工程、及び前記リン酸塩型セラミック薄膜に、ストロンチウムイオン、マグネシウムイオン及び亜鉛イオンからなる群の少なくとも1つのカチオンを含むアルカリ水溶液中又は該アルカリ水溶液と共存した状態で水熱処理を行う工程を有することを特徴とする骨組織インプラントの製造方法を提供する。
]本発明は、前記[1]〜[4]のいずれかに記載の製造方法によって得られる骨形成促進物質含有リン酸塩型セラミック薄膜を表面層として有する骨組織インプラントを製造する方法であって、骨形成促進物質としてストロンチウム、マグネシウム及び亜鉛からなる群の少なくとも1つの元素を含むアパタイト粉末と、カルシウムを含有させる場合には、カルシウムを含むアパタイト粉末とを混合した粉末をスパッタリング装置によってインプラントの表面上にスパッタ処理を行ってリン酸塩型セラミック薄膜を0.1〜5μmの厚さで形成する工程、及び前記リン酸塩型セラミック薄膜に、ストロンチウムイオン、マグネシウムイオン及び亜鉛イオンからなる群の少なくとも1つのカチオンを含むアルカリ水溶液中又は該アルカリ水溶液と共存した状態で水熱処理を行う工程を有し、さらに、抗菌作用を有する元素を含有させる場合には、前記のリン酸塩型セラミック薄膜の水熱処理を行う工程の前又はその工程の後に、前記抗菌作用を有する元素を含む溶液を用いて、前記リン酸塩型セラミック薄膜に前記抗菌作用を有する元素を吸着させる工程を行うことを特徴とする骨組織インプラントの製造方法を提供する。
]前記抗菌作用を有する元素が、銀、銅及び亜鉛からなる群の少なくとも1つの元素からなることを特徴とする前記[]又は[]に記載の骨組織インプラントの製造方法を提供する。
]本発明は、前記インプラントが、チタン又はチタン合金を含むことを特徴とする前記[5]〜[7]の何れかに記載の骨組織インプラントの製造方法を提供する。
[発明の効果]
That is, the configuration of the present invention is as follows.
[1] The present invention is a method for producing a phosphate ceramic thin film containing at least one element of the group consisting of strontium, magnesium and zinc as an osteogenesis promoting substance, wherein the phosphate ceramic thin film is a bone The element contained as a formation promoting substance contains more than 20 atomic% with respect to the total amount of elements constituting the cation of the phosphate ceramic thin film, and the remaining element constituting the cation is calcium. Ah it is, after being film thick 0.1~5μm by sputtering, strontium ions, in alkaline aqueous solution containing at least one cation of the group consisting of magnesium ions and zinc ions or in a state of coexisting with the alkali aqueous solution Bone formation promoting substance-containing phosphate ceramic, characterized by being produced by hydrothermal treatment To provide a method of manufacturing a click film.
[2] The present invention is characterized in that the content of the element contained as an osteogenesis promoting substance is 40 to 90 atomic% with respect to the total amount of elements constituting the cation of the phosphate ceramic thin film. The method for producing a bone formation promoting substance-containing phosphate ceramic thin film according to the above [1] is provided.
[ 3 ] The present invention provides the osteogenesis promoting substance-containing phosphate according to [1] or [2] above, wherein the element contained as an osteogenesis promoting substance further contains an element having an antibacterial action. A method for producing a thin film of a mold ceramic is provided.
[ 4 ] The osteogenesis promoting substance-containing phosphate according to [ 3 ], wherein the element having an antibacterial action is at least one element selected from the group consisting of silver, copper and zinc. A method for producing a thin film of a mold ceramic is provided.
[ 5 ] The present invention is a method for producing a bone tissue implant having, as a surface layer, a bone formation promoting substance-containing phosphate ceramic thin film obtained by the production method according to any one of [1] to [4]. The following (A), (B), (C), (D) and (E), that is, (A) an apatite containing at least one element of the group consisting of strontium, magnesium and zinc as an osteogenesis promoting substance Powder (B) Apatite powder containing at least one element of the group consisting of strontium, magnesium and zinc as an osteogenesis promoting substance and an element having antibacterial action,
(C) a powder obtained by mixing an apatite powder containing at least one element of the group consisting of strontium, magnesium and zinc as a bone formation promoting substance, and an apatite powder containing calcium,
(D) Prepared by a solution method using an apatite powder containing at least one element of the group consisting of strontium, magnesium and zinc as a bone formation promoting substance, a compound containing calcium and a compound containing an element having an antibacterial action And a powder obtained by mixing calcium and an apatite powder containing an element having an antibacterial action, and (E) containing at least one element of the group consisting of strontium, magnesium and zinc as an osteogenesis promoting substance and an element having an antibacterial action Powder obtained by mixing apatite powder and calcium-containing apatite powder,
Forming a phosphate ceramic thin film with a thickness of 0.1 to 5 μm by performing sputtering treatment on the surface of the implant with a sputtering apparatus using any one powder selected from the group consisting of: Bone characterized by comprising a step of hydrothermally treating an acid salt type ceramic thin film in an alkaline aqueous solution containing at least one cation of the group consisting of strontium ions, magnesium ions and zinc ions or in the state of coexisting with the alkaline aqueous solution A method for manufacturing a tissue implant is provided.
[ 6 ] The present invention is a method for producing a bone tissue implant having, as a surface layer, a bone formation promoting substance-containing phosphate ceramic thin film obtained by the production method according to any one of [1] to [4]. In addition, when an apatite powder containing at least one element of the group consisting of strontium, magnesium and zinc as a bone formation promoting substance and calcium are contained, a powder obtained by mixing apatite powder containing calcium is implanted by a sputtering apparatus. Forming a phosphate type ceramic thin film with a thickness of 0.1 to 5 μm on the surface of the substrate , and a group consisting of strontium ions, magnesium ions and zinc ions on the phosphate type ceramic thin film In an alkaline aqueous solution containing at least one cation or the alkaline water In the case where the hydrothermal treatment is performed in the state of coexisting with the solution, and further including an element having an antibacterial action, before or after the hydrothermal treatment of the phosphate ceramic thin film. There is provided a method for producing a bone tissue implant, comprising performing a step of adsorbing the antibacterial element on the phosphate ceramic thin film using a solution containing the antibacterial element.
[ 7 ] The method for producing a bone tissue implant according to [ 5 ] or [ 6 ] above, wherein the element having antibacterial action is composed of at least one element selected from the group consisting of silver, copper and zinc. To do.
[ 8 ] The present invention provides the method for producing a bone tissue implant according to any one of [5] to [7] , wherein the implant contains titanium or a titanium alloy.
[Effect of the invention]

本発明によれば、骨形成促進物質として十分な機能を発揮するストロンチウム、マグネシウム及び亜鉛からなる群の少なくとも1つの元素を、リン酸塩型セラミック薄膜のカチオンを構成する全元素量に対して20原子%を超えて、好ましくは40〜90原子%の範囲で多量に含有させたリン酸塩型セラミック薄膜をインプラント表面層として形成することによって、骨誘導能の効果が十分に得られるようになる。それによって、インプラント上での骨形成が促進されるため、顎骨及び細胞との付着又は接着を向上することができる。また、このようにして得られる骨組織インプラントは、従来から提供が難しいとされていた骨量や骨質が不十分な状態、例えば、骨密度の低い高齢者等にも使用が可能となり、インプラントによる治療の安全性の向上及びその適用範囲の拡大にも大きく貢献する。   According to the present invention, at least one element of the group consisting of strontium, magnesium, and zinc that exhibits a sufficient function as an osteogenesis promoting substance is added to the total amount of elements constituting the cation of the phosphate ceramic thin film. By forming a phosphate-type ceramic thin film containing a large amount in excess of atomic percent, preferably in the range of 40 to 90 atomic percent, as an implant surface layer, the effect of osteoinductivity can be sufficiently obtained. . Thereby, since bone formation on the implant is promoted, adhesion or adhesion with the jawbone and cells can be improved. In addition, the bone tissue implant obtained in this way can be used even in a state of insufficient bone mass and bone quality, which has conventionally been difficult to provide, for example, elderly people with low bone density. It greatly contributes to the improvement of the safety of treatment and the expansion of its application range.

本発明のセラミック薄膜上に骨芽細胞を播種して行った石灰化による骨形成面積の測定方法を示す概略図である。It is the schematic which shows the measuring method of the bone formation area by the calcification performed by seed | inoculating an osteoblast on the ceramic thin film of this invention. 本発明のセラミック薄膜上に骨芽細胞を播種して行った石灰化による骨形成面積の測定結果を示す図である。It is a figure which shows the measurement result of the bone formation area by the calcification performed by seed | inoculating an osteoblast on the ceramic thin film of this invention.

本発明は、従来のストロンチウム置換アパタイト被膜において期待したような骨誘導能が得られない理由について原材料の種類と組成及び製造の方法と条件について種々検討した結果、従来の被膜ではストロンチウム等の骨誘導能を有する元素がその性状と特性を十分に生かせる状態になかったことが分かり、あえて、前記骨誘導能を有する元素の含有量を従来よりも大幅に増やすことによって優れた骨誘導能が発現できるという従来にない新たな知見に基づいてなされたものである。前記特許文献1及び2に開示のストロンチウム置換アパタイト被膜はストロンチウムの含有量がカルシウムのそれと比べて非常に低く、ストロンチウムをあくまでカルシウムを改質するために微量の添加元素として使用するという技術思想に留まっている。それに対して、本発明は、ストロンチウムを始めとする骨形成促進物質をリン酸塩型セラミック被膜中に多量に含有させる点に大きな特徴を有する。   As a result of various investigations on the type and composition of raw materials and the manufacturing method and conditions for the reason why the osteoinductive ability as expected in the conventional strontium-substituted apatite coating cannot be obtained, the present invention has shown that bone induction of strontium and the like is performed in the conventional coating It can be understood that the element having the ability was not in a state where the properties and characteristics could be fully utilized, and the superior bone inducing ability can be expressed by darely increasing the content of the element having the ability to induce osteogenesis than before. It was made based on the new knowledge that has never existed. The strontium-substituted apatite coatings disclosed in Patent Documents 1 and 2 have a very low strontium content compared to that of calcium, and the technical idea is that strontium is used as a trace amount of additive elements to modify calcium. ing. On the other hand, the present invention has a great feature in that a bone formation promoting substance such as strontium is contained in a large amount in the phosphate ceramic coating.

さらに、本発明は、骨形成促進物質として知られている様々な元素の中で、ストロンチウムと同様に、マグネシウム又は亜鉛の元素が優れた骨誘導能を有することを見出してなれたものである。骨形成促進物質としては、フッ化物、ケイ素、バナジウム又はリチウム等が周知又は公知であるものの、これらの元素はカルシウムと骨誘導能がほぼ同等か、又はカルシウムよりも劣るため、従来のハイドロキシアパタイト(HA)被膜を超える特性及び性能を実現することができない。本発明において使用する骨形成促進物質としては、ストロンチウム、マグネシウム及び亜鉛からなる群の少なくとも1つの元素からなるものであれば良く、それらの元素の1種又は2種以上を含有する。これら3種の元素の中では、ストロンチウムが最も優れた骨誘導能を有するため、骨形成促進物質として少なくとも1種はストロンチウムを含有することが好ましい。   Furthermore, the present invention has been found that among various elements known as osteogenesis promoting substances, the element of magnesium or zinc has an excellent osteoinductive ability like strontium. As an osteogenesis promoting substance, fluoride, silicon, vanadium, lithium, or the like is well known or known. However, these elements have almost the same or less inferior ability to calcium than calcium, so that conventional hydroxyapatite ( HA) Properties and performance beyond the coating cannot be realized. The osteogenesis promoting substance used in the present invention may be any substance composed of at least one element of the group consisting of strontium, magnesium and zinc, and contains one or more of these elements. Of these three elements, strontium has the most excellent osteoinductive ability, so that at least one of the three bone formation promoting substances preferably contains strontium.

本発明において、骨形成促進物質としてストロンチウム、マグネシウム及び亜鉛からなる群の少なくとも1つの元素は、リン酸塩型セラミック薄膜のカチオンを構成する全元素量に対して20原子%を超えて含有することが必要であり、カチオンを構成する元素の残余はカルシウムである。ストロンチウム、マグネシウム及び亜鉛からなる群の少なくとも1つの元素の含有量が20原子%以下では、従来のハイドロキシアパタイト(HA)被膜とほぼ同等の石灰化による骨生成が観測されるだけで、骨誘導能の大幅な向上に対してほとんど効果が得られない。骨誘導能の効果は、これらの元素の含有量が20原子%を超えてから有意に現れてくるようになり、40原子%以上で顕著にみられる。この効果は含有量が40原子%以上で引き続き得られるが、その一方で、含有量が90原子%を超えると、リン酸塩型セラミックの結晶性等が大きく変化して、リン酸塩型セラミック薄膜の水溶解性が高くなり、石灰化によって形成した骨がリン酸塩型セラミック薄膜の表面層の一部とともに脱離するという現象が起きる。それによって、見かけ上、骨誘導能の低下がみられる場合がある。したがって、本発明において、ストロンチウム、マグネシウム及び亜鉛からなる群の少なくとも1つの元素の含有量は、40〜90原子%の範囲に規定することが好ましい。   In the present invention, at least one element of the group consisting of strontium, magnesium and zinc as an osteogenesis promoting substance is contained in an amount exceeding 20 atomic% with respect to the total amount of elements constituting the cation of the phosphate type ceramic thin film. And the balance of the elements constituting the cation is calcium. When the content of at least one element of the group consisting of strontium, magnesium and zinc is 20 atomic% or less, bone formation by calcification is almost the same as that of the conventional hydroxyapatite (HA) coating, and the osteoinductive ability is observed. Almost no effect can be obtained for a significant improvement. The effect of the osteoinductive ability becomes significant after the content of these elements exceeds 20 atomic%, and is prominent at 40 atomic% or more. This effect is continuously obtained at a content of 40 atomic% or more. On the other hand, when the content exceeds 90 atomic%, the crystallinity of the phosphate ceramic is greatly changed, and the phosphate ceramic The water solubility of the thin film becomes high, and a phenomenon occurs in which bone formed by calcification is detached together with a part of the surface layer of the phosphate ceramic thin film. As a result, an apparent decrease in osteoinductive ability may be observed. Therefore, in the present invention, the content of at least one element of the group consisting of strontium, magnesium and zinc is preferably specified in the range of 40 to 90 atomic%.

本発明において得られる骨形成促進物質含有のリン酸塩型セラミック薄膜に含まれる各主のアパタイト化合物の同定は、例えば、X線回折法(XRD)によって行うことができる。XRD結晶パターンにおいて、ストロンチウムアパタイト及びハイドロキシアパタイトに起因する代表的なピークは、それぞれ異なる結晶角で区別して観測される。ストロンチウムアパタイトとハイドロキシアパタイトとが混合して存在する薄膜では、両者のピークを示す結晶角の間で別のピークが観測されるようになり、ハイドロキシアパタイトに起因するピークからのシフトの程度によって両者の混合比率をある程度まで推定することが可能である。また、骨形成促進物質含有のリン酸塩型セラミック薄膜を表面に形成するときに基板やインプラントを使用する場合は、その基板やインプラントに起因するピークがXRD結晶パターンにおいて同時に観測される。例えば、基板やインプラントとしてチタン又はチタン合金を使用する場合は、チタンに起因するピークが観測される。一方、マグネシウムアパタイト及び亜鉛アパタイトは、その含有量にも依存するが、XRD法において明確なピークを観測することが難しい。したがって、ストロンチウム、マグネシウム及び亜鉛からなる群の少なくとも1つの元素の含有量の定量分析は、通常、次に述べる誘導結合プラズマ発光分光分析法(ICP−AES)によって行う。   Identification of each main apatite compound contained in the phosphate-type ceramic thin film containing an osteogenesis promoting substance obtained in the present invention can be performed, for example, by X-ray diffraction (XRD). In the XRD crystal pattern, typical peaks attributed to strontium apatite and hydroxyapatite are observed separately at different crystal angles. In the thin film in which strontium apatite and hydroxyapatite are mixed, another peak is observed between the crystal angles indicating both peaks, and depending on the degree of shift from the peak caused by hydroxyapatite, It is possible to estimate the mixing ratio to some extent. Further, when a substrate or implant is used when forming a phosphate-type ceramic thin film containing an osteogenesis promoting substance on the surface, a peak due to the substrate or implant is simultaneously observed in the XRD crystal pattern. For example, when titanium or a titanium alloy is used as a substrate or an implant, a peak due to titanium is observed. On the other hand, magnesium apatite and zinc apatite depend on their contents, but it is difficult to observe a clear peak in the XRD method. Therefore, the quantitative analysis of the content of at least one element of the group consisting of strontium, magnesium and zinc is usually performed by inductively coupled plasma emission spectroscopy (ICP-AES) described below.

誘導結合プラズマ発光分光分析法(ICP−AES)による元素の定量分析は、骨形成促進物質含有のリン酸塩型セラミック薄膜を溶解した硝酸溶液を用いて行われ、ストロンチウム、マグネシウム及び亜鉛からなる群の少なくとも1つの元素の含有量を正確に求めることができる。例えば、ストロンチウムアパタイトとヒドロキシアパタイトとを含有するリン酸塩型セラミック薄膜の場合は、スロンチウム(Sr)とカルシウム(Ca)が前記リン酸塩型セラミック薄膜のカチオンを構成する全元素として含まれるので、Sr比率であるSr/(Ca+Sr)を計算して本発明のSrの含有量として規定する。本発明においては、ストロンチウムアパタイト及びヒドロキシアパタイトの仕込み量が、ICP−AES法で求めた前記リン酸塩型セラミック薄膜のSr比率とほぼ対応していることが確認された。したがって、Srの含有量は、両者の原料を仕込み量を変えることによって所望のSr比率にするように調整することが容易である。   Quantitative analysis of elements by inductively coupled plasma optical emission spectrometry (ICP-AES) is performed using a nitric acid solution in which a phosphate-type ceramic thin film containing an osteogenesis promoting substance is dissolved, and a group consisting of strontium, magnesium and zinc The content of at least one element can be accurately determined. For example, in the case of a phosphate type ceramic thin film containing strontium apatite and hydroxyapatite, strontium (Sr) and calcium (Ca) are included as all elements constituting the cation of the phosphate type ceramic thin film. The Sr ratio Sr / (Ca + Sr) is calculated and defined as the Sr content of the present invention. In the present invention, it was confirmed that the charged amounts of strontium apatite and hydroxyapatite substantially correspond to the Sr ratio of the phosphate ceramic thin film obtained by the ICP-AES method. Therefore, it is easy to adjust the Sr content so that both raw materials have a desired Sr ratio by changing the charged amounts.

本発明において骨形成促進物質を含有するリン酸塩型セラミック薄膜の骨誘導能は、次のようにして評価する。まず、所定の面積を有する本発明のリン酸塩型セラミック薄膜上にマウス由来の骨芽細胞を播種し、所定の条件に従って培養した後、前記リン酸塩型セラミック薄膜をリン酸緩衝生理食塩水で洗浄し、次いで、その洗浄後の前記リン酸塩型セラミック薄膜面をCCDカメラによって観測して得られる画像を画像解析することによって骨形成面積を測定する。リン酸塩型セラミック薄膜上に培養された骨芽細胞は白色を呈し、基板とは異なった色を示すことから、両者の色の違いから画像解析が可能となる。この骨形成面積が広いほど、優れた骨誘導能を有するリン酸塩型セラミック薄膜であることを意味する。ここで、リン酸塩型セラミック薄膜の面積がそれぞれ異なるもの同士で骨誘導能を比較する場合は、骨形成面積ではなく、初期の薄膜面積に対して骨形成が観測された面積の比率を用いて対比すれば良い。骨形成面積は、マウス由来の骨芽細胞の播種及び培養の条件によっても変わるため、リン酸塩型セラミック薄膜の種類又は組成の違いによる骨誘導能の比較は同じ条件で行うことが望ましい。   In the present invention, the osteoinductive ability of the phosphate-type ceramic thin film containing an osteogenesis promoting substance is evaluated as follows. First, mouse-derived osteoblasts are seeded on the phosphate-type ceramic thin film of the present invention having a predetermined area, and cultured according to predetermined conditions. Then, the phosphate-type ceramic thin film is phosphate-buffered saline. Next, the bone formation area is measured by analyzing the image obtained by observing the phosphate-type ceramic thin film surface after the washing with a CCD camera. Osteoblasts cultured on the phosphate-type ceramic thin film exhibit a white color and show a color different from that of the substrate. Therefore, image analysis can be performed from the difference in color between the two. It means that it is a phosphate type ceramic thin film which has the outstanding osteoinductive ability, so that this bone formation area is large. Here, when comparing osteoinductivity between phosphate ceramic thin films with different areas, use the ratio of the area where bone formation was observed to the initial thin film area, not the bone formation area. Compare with each other. Since the bone formation area varies depending on the conditions of seeding and culturing of mouse-derived osteoblasts, it is desirable to compare the osteoinductive ability according to the type or composition of the phosphate ceramic thin film under the same conditions.

本発明で行う播種及び培養は、後に実施例において説明するように、例えば、100mmの面積を有する基板上に前記リン酸塩型セラミック薄膜が成膜されたサンプルの5個を収納した容器を1dishとしたときに、リン酸塩型セラミック薄膜上に骨芽細胞を1×10cells/dishで播種し、37℃21日間培養する条件を採用する。この条件は、簡易的な評価として一般的に採用されているだけでなく、リン酸塩型セラミック薄膜の骨誘導能の違いを明確に対比することができるため好適である。本発明による骨形成促進物質含有のリン酸塩型セラミック薄膜は、この条件に従って測定した骨形成面積が5つの試験サンプルの平均値で20mmを超え、25mm以上を示すことが分かり、従来のハイドロキシアパタイト薄膜よりも高い値となることが特徴である。 The seeding and culturing performed in the present invention is carried out in a container containing five samples of the phosphate-type ceramic thin film formed on a substrate having an area of 100 mm 2 , as will be described later in the examples. When 1 dish is used, a condition is employed in which osteoblasts are seeded at 1 × 10 4 cells / dish on a phosphate ceramic thin film and cultured at 37 ° C. for 21 days. This condition is suitable not only for general evaluation as a simple evaluation but also because it can clearly contrast the difference in osteoinductive ability of the phosphate ceramic thin film. The phosphate-type ceramic thin film containing an osteogenesis promoting substance according to the present invention is found to have an osteogenesis area measured according to these conditions of an average value of 5 test samples exceeding 20 mm 2 and 25 mm 2 or more. It is characterized by a higher value than the hydroxyapatite thin film.

本発明による骨形成促進物質含有のリン酸塩型セラミック薄膜は、優れた骨誘導能に加えて、さらに抗菌作用を有する元素を含有させることによって抗菌性を付与することができる。   The phosphate-type ceramic thin film containing an osteogenesis promoting substance according to the present invention can be imparted with antibacterial properties by containing an element having an antibacterial action in addition to the excellent osteoinductive ability.

本発明で使用する抗菌剤は、有機系抗菌剤に比べて、安全性が高く、他にも抗菌性が広い範囲で発現でき、耐久性及び耐熱性に優れることから、無機系抗菌剤が好適である。その中でも、本発明のリン酸塩型セラミック薄膜との相性がよく、微量で強い殺菌性又は抗菌性を得ることができることから、金属、特に銀、銅及び亜鉛からなる群の少なくとも1つの元素を使用することがより好ましい。これらの金属は、本発明のリン酸塩型セラミック薄膜において、ストロンチウム、マグネシウム及び亜鉛からなる群の少なくとも1つの元素とカルシウムとから構成されるカチオンの一部を、銀イオン、銅イオン又は亜鉛イオンで置換してリン酸塩型セラミック薄膜の構成成分として取り込むことができる。なお、本発明のリン酸塩型セラミック薄膜において骨形成促進剤として亜鉛を含む場合は、亜鉛が抗菌剤としての機能も有するため、抗菌剤を添加しなくても良い。   The antibacterial agent used in the present invention is higher in safety than the organic antibacterial agent, can exhibit a wide range of antibacterial properties, and is excellent in durability and heat resistance. Therefore, an inorganic antibacterial agent is preferable. It is. Among them, the compatibility with the phosphate-type ceramic thin film of the present invention is good, and since a strong microbicidal or antibacterial property can be obtained in a small amount, at least one element of the group consisting of metals, particularly silver, copper and zinc, is selected. More preferably it is used. In the phosphate ceramic thin film according to the present invention, these metals may include a part of a cation composed of at least one element of the group consisting of strontium, magnesium and zinc and calcium, silver ions, copper ions or zinc ions. And can be incorporated as a constituent of the phosphate ceramic thin film. In addition, when zinc is included as an osteogenesis promoter in the phosphate ceramic thin film of the present invention, since the zinc also has a function as an antibacterial agent, it is not necessary to add an antibacterial agent.

上記の銀、銅及び亜鉛からなる群の少なくとも1つの元素の含有量は、本発明のリン酸塩鉱物薄膜のカチオンを構成する全元素量に対して10原子%以下であることが好ましい。これらの元素の含有量が10原子%を超えると、結果的に、骨形成促進剤として機能するストロンチウム、マグネシウム及び亜鉛からなる群の少なくとも1つの元素の含有量が少なくなるため、骨誘導能の向上を図ることが難しくなる。また、銀イオン、銅イオン又は亜鉛イオンによる抗菌作用は含有量が10原子%を超えると飽和する傾向にあり、それ以上の抗菌効果の向上は期待できない。本発明において、特に骨誘導能の向上を優先する場合は、銀、銅及び亜鉛からなる群の少なくとも1つの元素の含有量を5原子%以下とすることがより好ましい。   The content of at least one element of the group consisting of silver, copper and zinc is preferably 10 atomic% or less with respect to the total amount of elements constituting the cation of the phosphate mineral thin film of the present invention. When the content of these elements exceeds 10 atomic%, as a result, the content of at least one element of the group consisting of strontium, magnesium, and zinc that functions as an osteogenesis promoter is reduced. It becomes difficult to improve. Further, the antibacterial action due to silver ions, copper ions or zinc ions tends to be saturated when the content exceeds 10 atomic%, and further improvement of the antibacterial effect cannot be expected. In the present invention, when priority is given to improving the osteoinductive ability, the content of at least one element of the group consisting of silver, copper and zinc is more preferably 5 atomic% or less.

以上のようにして得られる骨形成促進物質含有のリン酸塩型セラミック薄膜を、インプラントの表面に形成することによって骨組織インプラントを得ることができる。本発明における骨組織インプラントとしては、人工関節等の人工骨又は人工歯根が挙げられる。本発明において好ましい骨組織インプラントは人工歯根である。   A bone tissue implant can be obtained by forming a phosphate-type ceramic thin film containing an osteogenesis promoting substance obtained as described above on the surface of the implant. Examples of the bone tissue implant in the present invention include an artificial bone such as an artificial joint or an artificial tooth root. A preferred bone tissue implant in the present invention is an artificial tooth root.

骨組織インプラントのために使用される材質としては、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、タンタル等の金属又はそれらの合金を使用する。これらの金属又は合金は、骨組織と比較的強い結合を形成することができ、骨組織自体と同等の強度、又はそれよりも強い結合を形成することができる。これらの金属又は合金の中で、チタン又はチタン合金は、生体適合性に優れ、使用実績があることから、本発明で使用するインプラントとして好適である。   As a material used for the bone tissue implant, a metal such as titanium, zirconium, hafnium, tantalum, or an alloy thereof is used. These metals or alloys can form a relatively strong bond with the bone tissue, and can form a bond equivalent to or stronger than the bone tissue itself. Among these metals or alloys, titanium or titanium alloys are suitable as an implant for use in the present invention because they are excellent in biocompatibility and have a track record of use.

チタン、ジルコニウム、ハフニウム、タンタル等の金属又はそれらの合金は、酸化されて表面が薄い酸化物層で覆われることがある。例えば、チタン製のインプラントは、少量のTi、TiO及びTiを微量含む二酸化チタン(TiO)からなる表面層が形成され、本発明のリン酸塩型セラミック薄膜や骨組織との間の結合が高まることがある。 Metals such as titanium, zirconium, hafnium, tantalum or their alloys may be oxidized and covered with a thin oxide layer. For example, in a titanium implant, a surface layer made of titanium dioxide (TiO 2 ) containing a small amount of Ti 2 O 3 , TiO and Ti 3 O 4 is formed, and the phosphate ceramic thin film and bone tissue of the present invention are formed. The bond between and may increase.

インプラント用材質として使用する上記の金属は、本発明による骨形成促進物質含有のリン酸塩型セラミック薄膜との密着性又は接着性を上げるために、前記リン酸塩型セラミック薄膜を形成する前に、表面を粗面加工しても良い。表面の粗さを増すことによって、インプラントと前記リン酸塩型セラミック薄膜との接触及び付着面積が大きくなり、両者の付着強度又は接着強度を高める効果が得られる。表面の粗さは、例えば、プラズマ溶射、ショット材による機械的ブラスト加工、又は酸等によるエッチング等の公知又は周知の方法で加工され、表面祖化条件を調整することによって所望の表面粗さに形成することができる。   The metal used as a material for implants is used before forming the phosphate-type ceramic thin film in order to increase adhesion or adhesion with the phosphate-type ceramic thin film containing an osteogenesis promoting substance according to the present invention. The surface may be roughened. By increasing the surface roughness, the contact and adhesion area between the implant and the phosphate ceramic thin film is increased, and the effect of increasing the adhesion strength or adhesion strength between the two can be obtained. The surface roughness is processed by a known or well-known method such as plasma spraying, mechanical blasting with a shot material, or etching with acid or the like, and the surface roughness is adjusted to a desired surface roughness by adjusting the surface submerging conditions. Can be formed.

インプラント上に表面層として形成する本発明のリン酸塩型セラミック薄膜は、厚さが0.1〜5μmで形成することが好ましく、さらに1〜2μmがより好ましい。この厚さが0.1μm未満であると、骨誘導能による骨形成が促進されず、インプラントと骨組織との接合強度が向上しない。また、この厚さが5μmを超えると、本発明による骨形成促進物質含有のリン酸塩型セラミック薄膜を深さ方向に均一に形成することが困難になる。薄膜の性状や特性は組成の不均一性によって精密に制御できなくなるため、インプラントと前記リン酸塩型セラミック薄膜との接合強度の低下を招く場合がある。加えて、本発明のリン酸塩型セラミック薄膜を厚く形成することは、工程的にも長時間を要し、製造コストの増加が避けられない。本発明においては、この厚さを1〜2μmの範囲に規定することによって、骨誘導能の十分な発現と製造コストの低下を同時に達成することができる。   The phosphate ceramic thin film of the present invention formed as a surface layer on the implant is preferably formed with a thickness of 0.1 to 5 μm, more preferably 1 to 2 μm. When the thickness is less than 0.1 μm, bone formation by the osteoinductive ability is not promoted, and the bonding strength between the implant and the bone tissue is not improved. On the other hand, when the thickness exceeds 5 μm, it becomes difficult to uniformly form the phosphate-type ceramic thin film containing the bone formation promoting substance according to the present invention in the depth direction. Since the properties and characteristics of the thin film cannot be precisely controlled due to the non-uniformity of the composition, the bonding strength between the implant and the phosphate ceramic thin film may be reduced. In addition, forming the phosphate-type ceramic thin film of the present invention thickly takes a long time in the process, and an increase in manufacturing cost is inevitable. In the present invention, by defining this thickness in the range of 1 to 2 μm, sufficient expression of osteoinductivity and a reduction in manufacturing cost can be achieved at the same time.

次に、本発明による骨形成促進物質含有のリン酸塩型セラミック薄膜及び該薄膜を表面層として有する骨組織インプラントの製造方法を説明する。   Next, a description will be given of a phosphate type ceramic thin film containing an osteogenesis promoting substance and a method for producing a bone tissue implant having the thin film as a surface layer according to the present invention.

本発明の骨組織インプラントの製造方法は、大きく分けて、スパッタリング法によるコーティング工程と熱水処理工程との2つの工程からなる。すなわち、インプラント用金属又は合金の表面上に、骨形成促進物質であるストロンチウム、マグネシウム及び亜鉛からなる群の少なくとも1つの元素とリン酸との化合物からなる紛体と、必要に応じてハイドロキシアパタイト粉末、若しくはハイドロキシアパタイト粉末の構成元素であるカルシウムを含有する化合物及び抗菌作用を有する元素を含有する化合物を用いて溶液法で作製した、カルシウム及び抗菌作用を有する元素を含有する粉末とを、骨形成促進物質である前記の元素の含有量が所望の比率になるように混合した混合物をスパッタリング法によってコーティングしてリン酸塩型セラミック薄膜を形成するコーティング工程、及び前記コーティング工程の後にアルカリ水溶液で熱水処理する熱水処理工程である。   The method for producing a bone tissue implant of the present invention is roughly divided into two steps, a coating step by a sputtering method and a hot water treatment step. That is, on the surface of the implant metal or alloy, a powder comprising a compound of phosphoric acid and at least one element of the group consisting of strontium, magnesium and zinc which are osteogenesis promoting substances, and, if necessary, hydroxyapatite powder, Alternatively, bone formation is promoted by using a solution containing calcium and a compound containing an antibacterial element and a powder containing calcium and an element having an antibacterial action. A coating process in which a mixture mixed so that the content of the element as a substance is in a desired ratio is coated by a sputtering method to form a phosphate type ceramic thin film, and hot water is added with an alkaline aqueous solution after the coating process. This is a hot water treatment process.

ここで、構成元素としてカルシウムを含まないリン酸塩型セラミック薄膜に抗菌作用を持たせる場合は、骨形成促進物質であるストロンチウム、マグネシウム及び亜鉛からなる群の少なくとも1つの元素を含有する化合物及び抗菌作用を有する元素を含有する化合物を用いて溶液法で作製した、ストロンチウム、マグネシウム又は亜鉛と抗菌作用を有する元素とを所望の比率で含有するアパタイト粉末をスパッタリング時のターゲットとして用いることができる。前記のストロンチウム、マグネシウム又は亜鉛と抗菌作用を有する元素とを所望の比率で含有する粉末は、カルシウムを含有するハイドロキシアパタイト粉末と混合することによって、カルシウムを含有するリン酸塩型セラミック薄膜を形成するための別のターゲット材料として用いても良い。   Here, in the case where a phosphate ceramic thin film not containing calcium as a constituent element has an antibacterial action, a compound containing at least one element of the group consisting of strontium, magnesium and zinc, which are osteogenesis promoting substances, and an antibacterial An apatite powder containing strontium, magnesium, or zinc and an element having an antibacterial action produced in a solution method using a compound containing an element having an action in a desired ratio can be used as a target at the time of sputtering. A powder containing a desired ratio of strontium, magnesium or zinc and an element having antibacterial action is mixed with a hydroxyapatite powder containing calcium to form a phosphate-type ceramic thin film containing calcium. May be used as another target material.

上記のスパッタリング法によるコーテイング工程は、例えば、次のようにして行われる。まず、骨形成促進物質であるストロンチウム、マグネシウム及び亜鉛からなる群の少なくとも1つの元素とリン酸との化合物からなる紛体と、カルシウム及び抗菌作用を有する元素の少なくとも何れかを含有させる場合には、それぞれカルシウムを含むアパタイト粉末、若しくはカルシウムを含有する化合物及び抗菌剤である銀、銅及び亜鉛からなる群の少なくとも1つの元素を含有する化合物を用いて溶液法で作製した、カルシウム及び抗菌作用を有する元素を含有する粉末とを混合した粉末をターゲットとし、該ターゲットをスパッタリング装置の真空チャンバー内に設けられたターゲット支持部に装着する。また、構成元素としてカルシウムを含まないリン酸塩型セラミック薄膜に抗菌作用を持たせる場合は、ターゲットとして、ストロンチウム、マグネシウム又は亜鉛と抗菌作用を有する元素とを所望の比率で含有する粉末を使用する。次いで、真空チャンバーを真空ポンプ等の装置を有する排気部により排気し、所定の真空度を達成する。ガス導入部からアルゴンガス等の不活性ガスを真空チャンバー内に導入しながら、基板又はインプラントとターゲット間に直流高電圧を印加し、イオン化したアルゴン(Ar)をターゲットに衝突させる。ターゲットを構成する原子あるいは分子は、アルゴンイオンの衝突によって高いエネルギーを持って蒸発し、基板又はインプラントに衝突し成膜される。このようにして、基板又はインプラントには、ほぼ均一の厚さを有する薄膜槽が形成され、基板又はインプラントと強固に接合又は接着した層となる。基板又はインプラントは、薄膜層を形成しようとする部分だけを露出させ、それ以外の部分を覆った状態でスパッタリングを行うことで、所望の箇所だけをスパッタコーティングすることができる。   The coating process by said sputtering method is performed as follows, for example. First, in the case of containing a powder composed of a compound of phosphoric acid and at least one element of the group consisting of strontium, magnesium and zinc, which are bone formation promoting substances, and at least one of calcium and an element having an antibacterial action, Each has calcium and antibacterial activity, prepared by a solution method using apatite powder containing calcium, or a compound containing calcium and a compound containing at least one element of the group consisting of silver, copper and zinc as antibacterial agents A powder obtained by mixing a powder containing an element is used as a target, and the target is attached to a target support portion provided in a vacuum chamber of a sputtering apparatus. When a phosphate ceramic thin film not containing calcium as a constituent element has an antibacterial action, a powder containing strontium, magnesium or zinc and an element having an antibacterial action in a desired ratio is used as a target. . Next, the vacuum chamber is evacuated by an evacuation unit having a device such as a vacuum pump to achieve a predetermined degree of vacuum. A DC high voltage is applied between the substrate or the implant and the target while an inert gas such as argon gas is introduced into the vacuum chamber from the gas introduction unit, and ionized argon (Ar) collides with the target. The atoms or molecules constituting the target evaporate with high energy by the collision of argon ions, and collide with the substrate or implant to form a film. In this way, a thin film tank having a substantially uniform thickness is formed on the substrate or the implant, and becomes a layer firmly bonded or adhered to the substrate or the implant. The substrate or the implant can be sputter-coated only at a desired position by performing sputtering while exposing only the portion where the thin film layer is to be formed and covering the other portion.

上記のスパッタリング装置は、基板又はインプラントの表面に3次元的かつ均一にターゲットを構成する原子あるいは分子を被覆するために、被覆体である前記の基板又はインプラントを回転させる機構を設けてもよい。   The above sputtering apparatus may be provided with a mechanism for rotating the substrate or implant, which is a coating, in order to coat the surface of the substrate or implant with atoms or molecules that constitute the target three-dimensionally and uniformly.

本発明による骨形成促進物質含有のリン酸塩型セラミック薄膜は、上記で述べたコーティング工程の後にアルカリ水溶液で水熱処理する水熱処理工程を経ることによって、前記リン酸塩型セラミック被膜の結晶性を向上させることができる。特に、前記リン酸塩型セラミック被膜を構成するカチオンとしてカルシウムを併用する場合には、低い結晶性を改善するために、この水熱処理工程が必須となる。骨形成促進物質としてストロンチウム、マグネシウム及び亜鉛からなる群の少なくとも1つの元素だけを含む薄膜において、例えばストロンチウムだけを含む薄膜は、水熱処理工程を行わなくても結晶性を示す。さらに、水熱処理工程を行うことによって被膜へ接着する細胞数が増加するという挙動が明確に観測されるため、本発明ではコーティング工程の後に水熱処理工程を行う。水熱処理工程は、結晶性の向上だけでなく、コーティング時に生成したCaO等の他の結晶相を除去する効果等があり、それが接着細胞数の増加に寄与したものと考えている。本発明においては、リン酸塩型セラミック薄膜の結晶性を高くするだけでなく、接着細胞数の増加によっても、骨誘導能を高めて骨形成の促進効果があるため、熱水処理工程を採用することが好ましい。   The phosphate-type ceramic thin film containing an osteogenesis promoting substance according to the present invention undergoes a hydrothermal treatment step of hydrothermal treatment with an alkaline aqueous solution after the coating step described above, thereby improving the crystallinity of the phosphate-type ceramic coating. Can be improved. In particular, when calcium is used as a cation constituting the phosphate ceramic coating, this hydrothermal treatment step is essential to improve low crystallinity. In a thin film containing only at least one element of the group consisting of strontium, magnesium and zinc as an osteogenesis promoting substance, for example, a thin film containing only strontium exhibits crystallinity without performing a hydrothermal treatment step. Furthermore, since the behavior of increasing the number of cells adhering to the film is clearly observed by performing the hydrothermal treatment step, the hydrothermal treatment step is performed after the coating step in the present invention. The hydrothermal treatment step has not only an improvement in crystallinity but also an effect of removing other crystal phases such as CaO generated during coating, which is considered to have contributed to an increase in the number of adherent cells. In the present invention, not only the crystallinity of the phosphate-type ceramic thin film is increased, but also by increasing the number of adherent cells, it has the effect of promoting osteogenesis by enhancing osteoinductivity. It is preferable to do.

本発明の製造方法で行う水熱処理工程は、100℃以上150℃以下で、3時間以上24時間の条件で行う。その場合、処理容器としてオートクレーブ等の耐圧密閉式容器を使用することによって、水熱処理を安定した条件で行うことができる。   The hydrothermal treatment step performed in the production method of the present invention is performed at 100 ° C. to 150 ° C. for 3 hours to 24 hours. In that case, hydrothermal treatment can be performed under stable conditions by using a pressure-resistant sealed container such as an autoclave as the processing container.

また、上記の水熱処理工程は、骨形成促進物質含有のリン酸塩型セラミック薄膜の溶解度を下げるために、アルカリ水溶液中又はアルカリ水溶液の共存下で行うことが好ましい。酸性では薄膜の溶解度が高く、中性の精製水でも溶解しやすく、薄膜の剥離又は脱離が起こりやすくなる。水熱処理におけるアルカリ水溶液は、pH9〜pH11に調整されるが、好ましくはpH9.5〜pH10.5である。これらのアルカリ溶液は、通常、NaOH、KOH、NHOH等のアルカリを適宜添加することによって調整できるが、本発明においては、ストロンチウム、マグネシウム及び亜鉛からなる群の少なくとも1つの元素を含むアルカリ化合物を使用することが好ましい。例えば、骨形成促進物質としてストロンチウムを含むリン酸塩型セラミック薄膜の場合は、水熱処理工程においてアルカリ化合物としてSr(OH)を使用することによって薄膜中に含まれるストロンチウムの脱離を抑える効果が得られ、均一な組成を有するリン酸塩型セラミック薄膜を安定的に形成することができる。また、前記リン酸塩型セラミック薄膜中のストロンチウム比率を、原料の仕込み比率によって、ほぼ所望の値に制御できるという利点もある。特に、ストロンチウム比率が40原子%以上と高いリン酸塩型セラミック薄膜の作製においては、水熱処理時にSr(OH)を含む水溶液を使用することによって、薄膜中のストロンチウム比率を高精度に制御することが可能になる。具体的にストロンチウム比率が40原子%及び45原子%である薄膜を作製する際に、水熱処理時にNaOH単独の水溶液を使用した場合は、水熱後のストロンチウム比率がそれぞれ37.9原子%及び38.4原子%と低くなった。また、ストロンチウム比率の100原子%をNaOH単独の水溶液で水熱処理すると、薄膜の消失がみられることがある。それに対して、Sr(OH)水溶液を使用する場合は、ストロンチウム比率が40原子%及び45原子%に限らず、80原子%以上であっても水熱処理によるストロンチウム比率の低下がみられず、所望のストロンチウム比率を有する薄膜を作製することができた。一方、骨形成促進物質としてマグネシウム又は亜鉛を含むリン酸塩型セラミック薄膜を形成する場合は、水熱処理工程において使用するアルカリ化合物として、Mg(OH)又はZn(OH)等が挙げられる。これらの化合物は水に難溶性であるので、水への溶解性を高めるため、水溶液の温度を上げたり、他のアルカリ化合物と混合して使用しても良い。また、前記の水酸化物以外にも、酸化物(SrO、MgO又はZnO)を他のアルカリ化合物と併用して使用することもできる。 In addition, the hydrothermal treatment step is preferably performed in an alkaline aqueous solution or in the coexistence of an alkaline aqueous solution in order to reduce the solubility of the phosphate-type ceramic thin film containing an osteogenesis promoting substance. When acidic, the solubility of the thin film is high, and it is easy to dissolve even with neutral purified water, and the thin film is easily peeled or detached. The alkaline aqueous solution in the hydrothermal treatment is adjusted to pH 9 to pH 11, but preferably pH 9.5 to pH 10.5. These alkali solutions can be usually adjusted by appropriately adding an alkali such as NaOH, KOH, NH 4 OH, etc. In the present invention, an alkali compound containing at least one element of the group consisting of strontium, magnesium and zinc Is preferably used. For example, in the case of a phosphate type ceramic thin film containing strontium as an osteogenesis promoting substance, the effect of suppressing detachment of strontium contained in the thin film is obtained by using Sr (OH) 2 as an alkali compound in the hydrothermal treatment process. The obtained phosphate-type ceramic thin film having a uniform composition can be stably formed. In addition, there is an advantage that the strontium ratio in the phosphate ceramic thin film can be controlled to a substantially desired value depending on the raw material charging ratio. In particular, in the production of a phosphate ceramic thin film having a high strontium ratio of 40 atomic% or more, the strontium ratio in the thin film is controlled with high accuracy by using an aqueous solution containing Sr (OH) 2 during hydrothermal treatment. It becomes possible. Specifically, when a thin film having a strontium ratio of 40 atomic% and 45 atomic% is prepared, when an aqueous solution of NaOH alone is used during hydrothermal treatment, the strontium ratio after hydrothermal treatment is 37.9 atomic% and 38 respectively. It was as low as 4 atomic%. Further, when 100 atomic% of the strontium ratio is hydrothermally treated with an aqueous solution of NaOH alone, the thin film may disappear. On the other hand, when using a Sr (OH) 2 aqueous solution, the strontium ratio is not limited to 40 atomic% and 45 atomic%, and even if it is 80 atomic% or more, no decrease in the strontium ratio due to hydrothermal treatment is observed, A thin film having a desired strontium ratio could be produced. On the other hand, when forming a phosphate type ceramic thin film containing magnesium or zinc as a bone formation promoting substance, examples of the alkali compound used in the hydrothermal treatment step include Mg (OH) 2 or Zn (OH) 2 . Since these compounds are hardly soluble in water, in order to increase the solubility in water, the temperature of the aqueous solution may be increased, or a mixture with other alkali compounds may be used. In addition to the above hydroxides, oxides (SrO, MgO, or ZnO) can be used in combination with other alkali compounds.

本発明の骨組織インプラントの製造方法において抗菌作用を有する元素を含有させる場合には、上記で述べた抗菌作用を有する元素を含有する化合物を用いる代わりに、抗菌作用を有する元素を含む溶液を用いて、本発明のリン酸塩型セラミック薄膜に前記抗菌作用を有する元素を吸着させる工程を採用しても良い。ここで、抗菌作用を有する元素を含む溶液としては、銀、銅及び亜鉛からなる群の少なくとも1つの元素からなるナノ粒子を含む溶液が好ましく、それらの中で、吸着状態での抗菌作用を最も高くすることができる銀ナノ粒子がより好ましい。ナノ粒子を含む溶液を用いることによって、本発明のリン酸塩型セラミック薄膜の細孔中に、抗菌作用を有する元素を迅速に浸透させることができるだけでなく、均一な定着を行うことができる。ナノ粒子の粒子径は、平均一次粒子径で4〜100nmの範囲である。平均一次粒子径が4nm未満では、ナノ粒子の凝集が起こりやすく溶液の取り扱い性が劣り、また、100nmを超えると、ナノ粒子の含浸性と均一性が悪くなる。抗菌作用を有する元素の吸着工程は、前記のリン酸塩型セラミック薄膜の水熱処理を行う工程の前及びその工程の後のどちらで行っても良い。その中で、吸着工程は水熱処理工程の後に行うことが、本発明のリン酸塩型セラミック薄膜に吸着させたナノ粒子の脱離を少なくできるため好ましい。   When an element having an antibacterial action is contained in the method for producing a bone tissue implant of the present invention, a solution containing an element having an antibacterial action is used instead of using the compound containing the element having an antibacterial action described above. Then, a step of adsorbing the element having antibacterial action to the phosphate ceramic thin film of the present invention may be employed. Here, the solution containing an element having an antibacterial action is preferably a solution containing nanoparticles composed of at least one element of the group consisting of silver, copper and zinc. Among them, the antibacterial action in the adsorbed state is the most. Silver nanoparticles that can be made higher are more preferred. By using the solution containing nanoparticles, not only can the element having antibacterial action rapidly penetrate into the pores of the phosphate ceramic thin film of the present invention, but also uniform fixing can be performed. The particle diameter of the nanoparticles is in the range of 4 to 100 nm in terms of average primary particle diameter. When the average primary particle size is less than 4 nm, the nanoparticles are likely to aggregate and the handling property of the solution is inferior. When the average primary particle size exceeds 100 nm, the impregnation property and uniformity of the nanoparticles are deteriorated. The adsorption process of the element having antibacterial action may be performed either before or after the hydrothermal treatment of the phosphate ceramic thin film. Among them, it is preferable to perform the adsorption step after the hydrothermal treatment step, because the desorption of nanoparticles adsorbed on the phosphate ceramic thin film of the present invention can be reduced.

次に実施例により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。   EXAMPLES Next, although an Example demonstrates this invention further more concretely, this invention is not limited to these Examples.

<実施例1〜4、比較例1〜2>
[試料作製]
骨形成促進物質含有のリン酸塩型セラミック薄膜をスパッタリング法で成膜するために使用するターゲットとして、溶液法で作製し800℃で焼成したストロンチウム含有のリン酸塩化合物[Sr10(PO(OH):SrAp]粉末、ハイドロキシアパタイト[Ca10(PO(OH):HA]粉末[(株)太平化学産業製]、及びSrApとHA粉末とをSr比率[Sr/(Sr+Ca)]がそれぞれ20、40、60、80原子%となるように混合させた粉末を用いて、SrAp薄膜、HA薄膜及びSrとCaとを含む薄膜を作製した。成膜は、基板としてチタン(Ti)板[(株)ニコラ]を用いて、スパッタリング装置SPF−210HD[キャノンアネルバ(株)]によって行った。スパッタリング条件は、ガス圧力0.5Pa、放電電力100Wとし、膜厚1.0μmの薄膜を作製した。さらに、薄膜の結晶性の向上を図るために水熱処理を行った。水熱処理を行う際、SrAp薄膜及びSrとCaとを含む薄膜の場合はステンレス容器を用いてSr(OH)水溶液中で行い、HA薄膜の場合は同じ容器を用いてNaOH水溶液中で行った。両者の水溶液とも、pHを9.5に調整した。水熱処理の条件は、どれも温度が120℃、圧力が0.20Mpaであり、処理時間は24時間である。
<Examples 1-4, Comparative Examples 1-2>
[Sample preparation]
A strontium-containing phosphate compound [Sr 10 (PO 4 ) prepared by a solution method and baked at 800 ° C. as a target used for forming a phosphate-type ceramic thin film containing an osteogenesis promoting substance by sputtering. 6 (OH) 2 : SrAp] powder, hydroxyapatite [Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 : HA] powder [manufactured by Taihei Chemical Industrial Co., Ltd.], and SrAp and HA powder [Sr / SrAp thin films, HA thin films, and thin films containing Sr and Ca were prepared using powders mixed so that (Sr + Ca) was 20, 40, 60, and 80 atomic%, respectively. Film formation was performed with a sputtering apparatus SPF-210HD [Canon Anelva Co., Ltd.] using a titanium (Ti) plate [Nicola Co., Ltd.] as a substrate. The sputtering conditions were a gas pressure of 0.5 Pa and a discharge power of 100 W, and a thin film with a thickness of 1.0 μm was produced. Furthermore, hydrothermal treatment was performed in order to improve the crystallinity of the thin film. When performing the hydrothermal treatment, the SrAp thin film and the thin film containing Sr and Ca were used in a Sr (OH) 2 aqueous solution using a stainless steel container, and the HA thin film was used in a NaOH aqueous solution using the same container. . The pH of both aqueous solutions was adjusted to 9.5. As for the conditions of the hydrothermal treatment, the temperature is 120 ° C., the pressure is 0.20 Mpa, and the treatment time is 24 hours.

試料は水熱処理を施した薄膜中のSr比率が0原子%、20原子%、40原子%、60原子%、80原子%及び100原子%をそれぞれSr0、Sr20、Sr40、Sr60、Sr80及びSr100として、下記に示すように薄膜の各種測定と評価を行った。ここで、Sr0及びSr20を、それぞれ比較例1及び2とし、Sr40、Sr60、Sr80及びSr100を、それぞれ実施例1、2、3及び4とする。また、薄膜を成膜していないTi基板単独についても細胞接着試験を実施し、その試料を参考例1とする。   Samples are Sr0, Sr20, Sr40, Sr60, Sr80, and Sr100 in which the Sr ratio in the thin film subjected to hydrothermal treatment is 0 atomic%, 20 atomic%, 40 atomic%, 60 atomic%, 80 atomic%, and 100 atomic%, respectively. Various measurements and evaluations of the thin film were performed as shown below. Here, Sr0 and Sr20 are referred to as Comparative Examples 1 and 2, respectively, and Sr40, Sr60, Sr80 and Sr100 are referred to as Examples 1, 2, 3 and 4, respectively. In addition, a cell adhesion test is also performed on a Ti substrate alone on which no thin film is formed, and the sample is referred to as Reference Example 1.

[薄膜評価方法]
(1)作製した薄膜は、X線回折装置RINT2000[(株)リガク]を用いてXRD測定を行い、生成物の同定及び膜の結晶性を評価した。
(2)作製した薄膜のSr比率は、誘導結合プラズマ原子発光分析装置[ICP−AES:ICPS−7510、(株)島津製作所]によって測定をして求めた。
[Thin film evaluation method]
(1) The produced thin film was subjected to XRD measurement using an X-ray diffractometer RINT2000 [Rigaku Corporation] to evaluate the product identification and the crystallinity of the film.
(2) The Sr ratio of the produced thin film was determined by measurement with an inductively coupled plasma atomic emission spectrometer [ICP-AES: ICPS-7510, Shimadzu Corporation].

[骨形成面積の測定方法]
作製した薄膜に、図1に示すような手順で骨芽細胞を播種して培養を行った石灰化による骨形成面積を測定した。骨形成面積は各薄膜の骨誘導能を反映する物理量であり、測定値が大きい薄膜ほど骨誘導能が高いことを意味する。図1に示すように、まず、新鮮なラット初代培養系骨芽細胞を用い、Ti基板に成膜したリン酸塩セラミック薄膜1の上に前記骨芽細胞を播種した。ここで、播種は、35mm角の容器を1dishとして用い、その容器内にリン酸塩セラミック薄膜1のサンプル板5枚を入れ、1×10cells/dishの細胞個数で行った。サンプル板1枚は、形状が10×10mmの正方形で、100mmの面積を有する。次いで、α−MEM(Gibco)を用い、37℃で21日間培養を行った。培養後の薄膜はリン酸緩衝生理食塩水で洗浄してから、試料をCCDカメラで撮影し、スキャンして得られた画像2を用い、画像解析して石灰化による骨形成面積を算出した。図1に示す画像2において、白色部分が培養後に観測された骨形成部分に相当する。ここで、骨形成面積の測定は5枚のサンプル板の平均値として表す。
[Measurement method of bone formation area]
The bone formation area by the calcification in which osteoblasts were seeded and cultured on the prepared thin film by the procedure shown in FIG. 1 was measured. The bone formation area is a physical quantity that reflects the osteoinductive ability of each thin film, and means that the thin film having a larger measured value has higher osteoinductive ability. As shown in FIG. 1, first, the osteoblasts were seeded on a phosphate ceramic thin film 1 formed on a Ti substrate using fresh rat primary culture osteoblasts. Here, seeding was performed using a 35 mm square container as 1 dish, and 5 sample plates of the phosphate ceramic thin film 1 were put in the container at a cell number of 1 × 10 4 cells / dish. One sample plate has a square shape of 10 × 10 mm and an area of 100 mm 2 . Subsequently, it culture | cultivated at 37 degreeC for 21 days using (alpha) -MEM (Gibco). After culturing, the thin film was washed with phosphate buffered saline, the sample was taken with a CCD camera, and the image 2 obtained by scanning was used for image analysis to calculate the bone formation area due to calcification. In the image 2 shown in FIG. 1, the white portion corresponds to the bone formation portion observed after the culture. Here, the measurement of the bone formation area is expressed as an average value of five sample plates.

水熱処理後の各薄膜のXRD測定結果によれば、Sr0及びSr100にそれぞれ相当するHA及びSrApの代表的なピークが観測された。Sr20−Sr80では、Sr比率ともにピークが低角側にシフトしておりSr固溶が確認された。これは、Caよりも原子半径の大きいSrがHA結晶内に入り、面間隔が拡がったためと考えられる。   According to the XRD measurement results of each thin film after hydrothermal treatment, representative peaks of HA and SrAp corresponding to Sr0 and Sr100, respectively, were observed. In Sr20-Sr80, the peak of both Sr ratios was shifted to the lower angle side, and Sr solid solution was confirmed. This is presumably because Sr having a larger atomic radius than Ca enters the HA crystal and the interplanar spacing is increased.

また、ICP測定から算出した薄膜中のSr比率[Sr/(Sr+Ca)]を、ターゲットの原料仕込み量から計算したSr比率と比較すると、誤差3%以内でほぼ一致した。この結果から、ターゲット中のSr比率を変えることにより、Sr比率の異なる薄膜の作製が可能であり、Sr比率がほぼ制御できることが分かる。   Further, when the Sr ratio [Sr / (Sr + Ca)] in the thin film calculated from the ICP measurement was compared with the Sr ratio calculated from the raw material charge amount of the target, the Sr ratio almost matched within 3%. From this result, it can be seen that by changing the Sr ratio in the target, it is possible to produce thin films having different Sr ratios, and the Sr ratio can be almost controlled.

図2に骨芽細胞を用いて石灰化した骨形成面積の測定結果を示す。骨形成面積は、Sr比率が20原子%を超えてから上昇する傾向にあり、40原子%以降で大幅な上昇がみられ、60原子%で最大に達している。Sr比率が40原子%以上(実施例1〜4)では、骨形成面積が平均値で25mm以上と高い値を有している。それに対して、Sr比率が20原子%以下(比較例1及び2)では、Ti基板単独(参考例1)と比べて骨形成面積の増加はみられるものの、骨形成面積の平均値は20mm未満であり、実施例1〜4の薄膜と比べて小さな値を示している。このように、Srを従来よりも多く含有する本発明のリン酸塩セラミック薄膜は、骨芽細胞活性化に対して高い効果を有することが分かる。 The measurement result of the bone formation area mineralized using the osteoblast in FIG. 2 is shown. The bone formation area tends to increase after the Sr ratio exceeds 20 atomic%, a significant increase is observed after 40 atomic%, and the maximum is reached at 60 atomic%. When the Sr ratio is 40 atomic% or more (Examples 1 to 4), the bone formation area has a high value of 25 mm 2 or more on average. On the other hand, when the Sr ratio is 20 atomic% or less (Comparative Examples 1 and 2), although the bone formation area is increased as compared with the Ti substrate alone (Reference Example 1), the average value of the bone formation area is 20 mm 2. It is less than the thin film of Examples 1-4, and has shown the small value. Thus, it turns out that the phosphate ceramic thin film of this invention containing more Sr than before has a high effect with respect to osteoblast activation.

図2に示すように、Sr比率が100原子%(実施例4)においても25mm以上と高い骨形成面積が得られている。しかしながら、Sr比率が90原子%を超える場合には、リン酸塩型セラミックの結晶性等が大きく変化して、リン酸塩型セラミック薄膜の水溶解性が高くなり、石灰化によって形成した骨がリン酸塩型セラミック薄膜の表面層の一部とともに脱離するという現象が起きやすい。それによって、見かけ上、骨形成面積の測定値が25mm以下となり、骨誘導能の低下がみられる場合がある。したがって、本発明においては、Sr比率を40〜90原子%の範囲に規定することが好ましい。 As shown in FIG. 2, even when the Sr ratio is 100 atomic% (Example 4), a high bone formation area of 25 mm 2 or more is obtained. However, when the Sr ratio exceeds 90 atomic%, the crystallinity and the like of the phosphate-type ceramic is greatly changed, the water-solubility of the phosphate-type ceramic thin film is increased, and the bone formed by calcification is The phenomenon of desorption with part of the surface layer of the phosphate ceramic thin film tends to occur. Thereby, the measured value of the bone formation area is apparently 25 mm 2 or less, and the osteoinductive ability may be reduced. Therefore, in the present invention, it is preferable to define the Sr ratio in the range of 40 to 90 atomic%.

これまで、骨量の増大には成長因子(BMP)のような生体分子との複合化が注目されてきたが、BMPが生体由来である点とコストの面で実用化が困難であった。本発明のようにストロンチウムのような無機物質が骨増強に有効であれば、既存のHAコーティングシステムの原料にストロンチウム源を混合することにより、比較的低コストで骨組織インプラントを得ることが期待できる。   So far, for increasing the bone mass, complexing with a biomolecule such as growth factor (BMP) has attracted attention, but it has been difficult to put it to practical use in terms of the cost and the origin of BMP. If an inorganic substance such as strontium is effective for bone augmentation as in the present invention, a bone tissue implant can be expected to be obtained at a relatively low cost by mixing a strontium source with the raw material of an existing HA coating system. .

<実施例5>
骨形成促進物質含有のリン酸塩型セラミック薄膜をスパッタリング法で成膜するために使用するターゲットとして、実施例1〜4で使用したものと同じSrAp粉末と、硝酸カルシウム4水和物[Ca(NO・4HO]、及び抗菌剤成分として硝酸銀(AgNO)を用いて溶液法で作製し800℃で焼成して得られるCa及びAgを含有する粉末[(Ca+Ag)粉末]とを含み、それぞれの元素の比率が、Sr:Ca:Ag=60原子%:35原子%:5原子%となるように混合させた粉末を用いて、SrとCaとAgとを含む薄膜を作製した。成膜は、実施例1〜4と同じスパッタリング装置によって同じスパッタリング条件で行い、膜厚1.0μmの薄膜を作製した。さらに、薄膜の結晶性の向上を図るために水熱処理を行った。水熱処理条件は実施例1〜4の場合と同じである。
<Example 5>
The same SrAp powder as that used in Examples 1 to 4 and calcium nitrate tetrahydrate [Ca (Ca ( NO 3) 2 · 4H 2 O ], and silver nitrate (powder containing Ca and Ag obtained by firing in prepared 800 ° C. in a solution method using AgNO 3) [(Ca + Ag ) powder as the antimicrobial component And a thin film containing Sr, Ca and Ag using a powder mixed so that the ratio of each element is Sr: Ca: Ag = 60 atomic%: 35 atomic%: 5 atomic% did. Film formation was performed under the same sputtering conditions using the same sputtering apparatus as in Examples 1 to 4, and a thin film with a thickness of 1.0 μm was produced. Furthermore, hydrothermal treatment was performed in order to improve the crystallinity of the thin film. Hydrothermal treatment conditions are the same as those in Examples 1-4.

このようにして作製した薄膜を、実施例1〜4と同じ方法と条件でラットの骨芽細胞を播種して培養を行った石灰化による骨形成面積を測定した。その結果、石灰化した骨形成面積は、5個の試料の平均値で27mmの値が測定され、実施例2とほぼ同等の骨誘導能を有することが確認された。 The thin film thus produced was measured for the area of bone formation due to calcification in which rat osteoblasts were seeded and cultured under the same method and conditions as in Examples 1-4. As a result, the calcified bone formation area was 27 mm 2 as an average value of five samples, and it was confirmed that the bone inducing ability was almost equivalent to that of Example 2.

また、本実施例の薄膜の抗菌性を評価するために、模擬的に大腸菌による抗菌力試験を行った。Ti基板の成膜された本実施例の薄膜を、Ti基板とともにリン酸緩衝生理食塩水に入れ、大腸菌の菌液を添加して大腸菌に対する抗菌力を測定した結果、初期に数多く存在していた大腸菌が室温で24時間放置後には菌数測定の検出限界値以下となり、大腸菌が検出されなくなった。このように、本実施例の薄膜は、優れた抗菌性を有することが確認された。   In addition, in order to evaluate the antibacterial property of the thin film of this example, an antibacterial activity test using Escherichia coli was conducted in a simulated manner. The thin film of this example on which the Ti substrate was formed was placed in phosphate buffered saline together with the Ti substrate, and the antibacterial activity against E. coli was measured by adding the bacterial solution of E. coli. After the E. coli was allowed to stand at room temperature for 24 hours, it was below the detection limit value for counting the number of bacteria, and E. coli was not detected. Thus, it was confirmed that the thin film of this example has excellent antibacterial properties.

抗菌剤としてAg以外にも、Cu又はZnを5原子%含有する薄膜をTi基板上に成膜して、上記と同様の方法と条件で骨形成面積の測定及び抗菌力試験を行った。ここで、Cu又はZnを薄膜に含有させる場合は、原料としてそれぞれ硝酸銅又は硝酸亜鉛の粉末を用い、上記と同じ方法で(Ca+Cu)粉末又は(Ca+Zn)粉末を作製し、SrAp粉末と混合させた粉末をターゲットとして用いてスパッタリング処理を行う。Sr、Ca及びCu(又はZn)の比率は、上記のAgを含む薄膜と同じになるように調整した。その結果、石灰化による骨形成面積及び室温で24時間放置後の菌数は、上記のAgを含む薄膜とほぼ同じ結果が得られることが確認できた。   In addition to Ag as an antibacterial agent, a thin film containing 5 atomic% of Cu or Zn was formed on a Ti substrate, and the bone formation area was measured and the antibacterial activity test was performed under the same method and conditions as described above. Here, when Cu or Zn is contained in a thin film, a powder of copper nitrate or zinc nitrate is used as a raw material, respectively, and a (Ca + Cu) powder or (Ca + Zn) powder is prepared by the same method as described above and mixed with SrAp powder. Sputtering is performed using the powder as a target. The ratio of Sr, Ca and Cu (or Zn) was adjusted to be the same as that of the thin film containing Ag. As a result, it was confirmed that the bone formation area due to calcification and the number of bacteria after standing at room temperature for 24 hours were almost the same as those of the thin film containing Ag.

<実施例6>
骨形成促進物質含有のリン酸塩型セラミック薄膜をスパッタリング法で成膜するために使用するターゲットとして、実施例2で使用したものと同じSrAp粉末及びHA粉末を用いて、Sr比率が60原子%のSrとCaとを含む薄膜を作製した。成膜は、実施例2と同じスパッタリング装置によって同じスパッタリング条件で行い、膜厚1.0μmの薄膜を作製した。さらに、薄膜の結晶性の向上を図るために水熱処理を行った。水熱処理条件は実施例2の場合と同じである。その後、抗菌剤として平均一次粒子径が60nmの銀ナノ粒子を分散した希薄クエン酸緩衝溶液を用いて、該希薄クエン酸緩衝溶液中に水熱処理後のSrとCaとを含む前記薄膜を入れて、室温で24時間撹拌しながら銀ナノ粒子の吸着を行い、次いで、200℃で乾燥を行った。乾燥後の薄膜は、ICP−AESによる定量分析を行ったときに、Sr、Ca及びAgのそれぞれの元素の比率がSr:Ca:Ag=57原子%:38原子%:5原子%となるように調整して作製した。
<Example 6>
The same SrAp powder and HA powder as used in Example 2 were used as targets used to form a phosphate-type ceramic thin film containing an osteogenesis promoting substance by sputtering, and the Sr ratio was 60 atomic%. A thin film containing Sr and Ca was prepared. Film formation was performed using the same sputtering apparatus as in Example 2 under the same sputtering conditions to produce a thin film with a thickness of 1.0 μm. Furthermore, hydrothermal treatment was performed in order to improve the crystallinity of the thin film. The hydrothermal treatment conditions are the same as in Example 2. Thereafter, using a diluted citrate buffer solution in which silver nanoparticles having an average primary particle size of 60 nm are dispersed as an antibacterial agent, the thin film containing Sr and Ca after hydrothermal treatment is placed in the diluted citrate buffer solution. The silver nanoparticles were adsorbed while being stirred at room temperature for 24 hours, and then dried at 200 ° C. The thin film after drying is subjected to quantitative analysis by ICP-AES so that the ratio of each element of Sr, Ca and Ag is Sr: Ca: Ag = 57 atomic%: 38 atomic%: 5 atomic%. It was prepared by adjusting.

このようにして作製した薄膜を、実施例5と同じ方法と条件で石灰化による骨形成面積の測定及び大腸菌による抗菌力試験を行った。その結果、実施例5とほぼ同等の骨誘導能と抗菌性を有することが確認された。   The thin film thus produced was subjected to the measurement of the bone formation area by calcification and the antibacterial activity test using Escherichia coli under the same method and conditions as in Example 5. As a result, it was confirmed that the osteoinductive ability and antibacterial properties were almost the same as in Example 5.

<実施例7>
骨形成促進物質含有のリン酸塩型セラミック薄膜をスパッタリング法で成膜するために使用するターゲットとして、実施例1〜4で使用したものと同じSrAp粉末と、HA粉末と、溶液法で作製し800℃で焼成したマグネシウム含有のリン酸塩化合物[Mg10(PO(OH):MgAp]粉末とを、Sr:Mg:Ca=55原子%:5原子%:40原子%の比率になるように混合させた粉末を用いて、Sr、Mg及びCaを含む薄膜を作製した。成膜は、実施例1〜4と同じスパッタ装置によって同じスパッタリング条件で行い、膜厚1.0μmの薄膜を作製した。さらに、薄膜の結晶性の向上を図るために水熱処理を行った。水熱処理を行う際、ステンレス容器を用いてSr(OH)水溶液中に微量のMg(OH)を混合して行い、水溶液のpHは約9.5に調整した。水熱処理の条件は、実施例1〜4の場合と同じである。
<Example 7>
As a target used to form a phosphate-type ceramic thin film containing an osteogenesis promoting substance by sputtering, the same SrAp powder as used in Examples 1 to 4, HA powder, and a solution method were used. Magnesium-containing phosphate compound [Mg 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 : MgAp] powder calcined at 800 ° C. in a ratio of Sr: Mg: Ca = 55 atomic%: 5 atomic%: 40 atomic% A thin film containing Sr, Mg, and Ca was prepared using the powder mixed so as to be. Film formation was performed under the same sputtering conditions using the same sputtering apparatus as in Examples 1 to 4, and a thin film with a thickness of 1.0 μm was produced. Furthermore, hydrothermal treatment was performed in order to improve the crystallinity of the thin film. When performing the hydrothermal treatment, a small amount of Mg (OH) 2 was mixed in the Sr (OH) 2 aqueous solution using a stainless steel container, and the pH of the aqueous solution was adjusted to about 9.5. The conditions for the hydrothermal treatment are the same as in Examples 1 to 4.

このようにして作製した薄膜を、実施例1〜4と同じ方法と条件でラットの骨芽細胞を播種して培養を行った後の石灰化による骨形成面積を測定した。その結果、石灰化した骨形成面積は、5個の試料の平均値で29mmの値が測定され、実施例2と同等又はそれ以上の骨誘導能を有することが確認された。 The bone formation area by calcification after seeding and culturing rat osteoblasts with the same method and conditions as in Examples 1 to 4 was measured. As a result, a value of 29 mm 2 was measured as an average value of five samples for the calcified bone formation area, and it was confirmed that the bone inducing ability was equal to or greater than that of Example 2.

<実施例8>
骨形成促進物質含有のリン酸塩型セラミック薄膜をスパッタリング法で成膜するために使用するターゲットとして、実施例1〜4で使用したものと同じSrAp粉末と、HA粉末と、溶液法で作製し800℃で焼成した亜鉛含有のリン酸塩化合物[Zn10(PO(OH):ZnAp]粉末とを、Sr:Zn:Ca=59.5原子%:0.5原子%:40原子%の比率になるように混合させた粉末を用いて、Sr、Zn及びCaを含む薄膜を作製した。成膜は、実施例1〜4と同じスパッタ装置によって同じスパッタリング条件で行い、膜厚1.0μmの薄膜を作製した。さらに、薄膜の結晶性の向上を図るために水熱処理を行った。水熱処理を行う際、ステンレス容器を用いてSr(OH)水溶液中に極微量のZn(OH)を混合して行い、水溶液のpHは約9.5に調整した。水熱処理の条件は、実施例1〜4と同じである。
<Example 8>
As a target used to form a phosphate-type ceramic thin film containing an osteogenesis promoting substance by sputtering, the same SrAp powder as used in Examples 1 to 4, HA powder, and a solution method were used. A zinc-containing phosphate compound [Zn 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 : ZnAp] powder calcined at 800 ° C. is used as Sr: Zn: Ca = 59.5 atomic%: 0.5 atomic%: 40. A thin film containing Sr, Zn and Ca was produced using powder mixed so as to have a ratio of atomic%. Film formation was performed under the same sputtering conditions using the same sputtering apparatus as in Examples 1 to 4, and a thin film with a thickness of 1.0 μm was produced. Furthermore, hydrothermal treatment was performed in order to improve the crystallinity of the thin film. When performing the hydrothermal treatment, a very small amount of Zn (OH) 2 was mixed in the Sr (OH) 2 aqueous solution using a stainless steel container, and the pH of the aqueous solution was adjusted to about 9.5. The conditions of the hydrothermal treatment are the same as in Examples 1 to 4.

このようにして作製した薄膜を、実施例1〜4と同じ方法と条件でラットの骨芽細胞を播種して培養を行った後の石灰化による骨形成面積を測定した。その結果、石灰化した骨形成面積は、5個の試料の平均値で28mmの値が測定され、実施例2とほぼ同等の骨誘導能を有することが確認された。 The bone formation area by calcification after seeding and culturing rat osteoblasts with the same method and conditions as in Examples 1 to 4 was measured. As a result, the calcified bone formation area was 28 mm 2 as an average value of five samples, and it was confirmed that the bone inducing ability was almost equivalent to that of Example 2.

以上のように、骨形成促進物質として十分な機能を発揮するストロンチウム、マグネシウム及び亜鉛からなる群の少なくとも1つの元素を、従来のストロンチウム置換アパタイト被膜等よりも多く含有させたリン酸塩型セラミック薄膜をインプラント表面層として形成することによって、骨誘導能の効果が十分に得られる。それによって、インプラント上での骨形成が促進されるため、顎骨及び細胞との付着又は接着を向上することができる。このようにして得られる骨組織インプラントは、従来から提供が難しいとされていた骨量や骨質が不十分な状態、例えば、骨密度の低い高齢者等にも使用が可能となり、インプラントによる治療の安全性の向上及びその適用範囲の拡大にも大きく貢献する。また、本発明の骨組織インプラントは、人工関節等の人工骨又は人工歯根だけでなく、骨再生の促進が必要される様々な分野のインプラントへの適用が可能であり、その有用性は極めて高い。   As described above, a phosphate ceramic thin film containing at least one element of the group consisting of strontium, magnesium and zinc that exhibits a sufficient function as an osteogenesis promoting substance more than a conventional strontium-substituted apatite coating or the like By forming as an implant surface layer, the effect of osteoinductive ability is sufficiently obtained. Thereby, since bone formation on the implant is promoted, adhesion or adhesion with the jawbone and cells can be improved. The bone tissue implant obtained in this way can be used even in a state in which the bone mass and bone quality, which has been conventionally difficult to provide, are insufficient, for example, elderly people with low bone density, etc. It greatly contributes to the improvement of safety and the expansion of its application range. In addition, the bone tissue implant of the present invention can be applied not only to artificial bones or artificial tooth roots such as artificial joints, but also to implants in various fields that need to promote bone regeneration, and its usefulness is extremely high. .

1…リン酸塩セラミック獏膜、2…石灰化による骨形成後の画像。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Phosphate ceramic capsule, 2 ... Image after bone formation by calcification.

Claims (8)

骨形成促進物質としてストロンチウム、マグネシウム及び亜鉛からなる群の少なくとも1つの元素を含むリン酸塩型セラミック薄膜の製造方法であって
前記リン酸塩型セラミック薄膜が、骨形成促進物質として含まれる前記元素を、前記リン酸塩型セラミック薄膜のカチオンを構成する全元素量に対して20原子%を超えて含有し、且つ、前記カチオンを構成する残余の元素がカルシウムであり、
スパッタリング法によって厚さ0.1〜5μmで製膜された後、ストロンチウムイオン、マグネシウムイオン及び亜鉛イオンからなる群の少なくとも1つのカチオンを含むアルカリ水溶液中又は該アルカリ水溶液と共存した状態で水熱処理を行うことによって製造されることを特徴とする、骨形成促進物質含有リン酸塩セラミック薄膜の製造方法
A method for producing a phosphate-type ceramic thin film containing at least one element of the group consisting of strontium, magnesium and zinc as an osteogenesis promoting substance,
The phosphate ceramic thin film contains the element contained as an osteogenesis promoting substance in excess of 20 atomic% with respect to the total amount of elements constituting the cation of the phosphate ceramic thin film, and the Ri elements calcium der residual that make up the cation,
After forming a film with a thickness of 0.1 to 5 μm by a sputtering method, hydrothermal treatment is performed in an alkaline aqueous solution containing at least one cation of the group consisting of strontium ions, magnesium ions and zinc ions or in the coexistence with the alkaline aqueous solution. A method for producing a phosphate ceramic thin film containing an osteogenesis promoting substance, characterized in that it is produced by performing .
骨形成促進物質として含まれる前記元素の含有量が、前記リン酸塩型セラミック薄膜のカチオンを構成する全元素量に対して40〜90原子%であることを特徴とする請求項1に記載の骨形成促進物質の含有リン酸塩型セラミック薄膜の製造方法The content of the element contained as an osteogenesis promoting substance is 40 to 90 atomic% with respect to the total amount of elements constituting the cation of the phosphate ceramic thin film. A method for producing a phosphate-type ceramic thin film containing an osteogenesis promoting substance. 骨形成促進物質として含まれる前記元素に、さらに抗菌作用を有する元素を含むことを特徴とする請求項1又は2に記載の骨形成促進物質含有のリン酸塩型セラミック薄膜の製造方法 3. The method for producing a phosphate-type ceramic thin film containing an osteogenesis promoting substance according to claim 1, wherein the element contained as the osteogenesis promoting substance further contains an element having an antibacterial action. 前記抗菌作用を有する元素が、銀、銅及び亜鉛からなる群の少なくとも1つの元素からなることを特徴とする請求項に記載の骨形成促進物質含有リン酸塩型セラミック薄膜の製造方法4. The method for producing a bone formation promoting substance-containing phosphate ceramic thin film according to claim 3 , wherein the element having antibacterial action comprises at least one element selected from the group consisting of silver, copper and zinc. 請求項1〜4のいずれかに記載の製造方法によって得られる骨形成促進物質含有リン酸塩型セラミック薄膜を表面層として有する骨組織インプラントを製造する方法であって、次の(A)、(B)、(C)、(D)及び(E)、すなわち
(A)骨形成促進物質としてストロンチウム、マグネシウム及び亜鉛からなる群の少なくとも1つの元素を含有するアパタイト粉末、
(B)骨形成促進物質としてストロンチウム、マグネシウム及び亜鉛からなる群の少なくとも1つの元素及び抗菌作用を有する元素を含有するアパタイト粉末、
(C)骨形成促進物質としてストロンチウム、マグネシウム及び亜鉛からなる群の少なくとも1つの元素を含有するアパタイト粉末と、カルシウムを含有するアパタイト粉末とを混合した粉末、
(D)骨形成促進物質としてストロンチウム、マグネシウム及び亜鉛からなる群の少なくとも1つの元素を含有するアパタイト粉末と、カルシウムを含有する化合物及び抗菌作用を有する元素を含有する化合物を用いて溶液法で作製した、カルシウム及び抗菌作用を有する元素を含有するアパタイト粉末とを混合した粉末、及び
(E)骨形成促進物質としてストロンチウム、マグネシウム及び亜鉛からなる群の少なくとも1つの元素及び抗菌作用を有する元素を含有するアパタイト粉末と、カルシウムを含有するアパタイト粉末とを混合した粉末、
からなる群から選ばれる何れか一つの粉末を用いてスパッタリング装置によってインプラントの表面上にスパッタ処理を行ってリン酸塩型セラミック薄膜を0.1〜5μmの厚さで形成する工程、及び前記リン酸塩型セラミック薄膜に、ストロンチウムイオン、マグネシウムイオン及び亜鉛イオンからなる群の少なくとも1つのカチオンを含むアルカリ水溶液中又は該アルカリ水溶液と共存した状態で水熱処理を行う工程を有することを特徴とする骨組織インプラントの製造方法。
A method of manufacturing a bone tissue implant having a bone formation promoting material containing phosphates ceramic thin film obtained by the process according to any one of claims 1 to 4 as a surface layer, the following (A), ( B), (C), (D) and (E), that is, (A) an apatite powder containing at least one element of the group consisting of strontium, magnesium and zinc as an osteogenesis promoting substance,
(B) an apatite powder containing at least one element of the group consisting of strontium, magnesium and zinc as an osteogenesis promoting substance and an element having an antibacterial action,
(C) a powder obtained by mixing an apatite powder containing at least one element of the group consisting of strontium, magnesium and zinc as an osteogenesis promoting substance and an apatite powder containing calcium,
(D) Prepared by a solution method using an apatite powder containing at least one element of the group consisting of strontium, magnesium and zinc as a bone formation promoting substance, a compound containing calcium and a compound containing an element having an antibacterial action And a powder mixed with calcium and an apatite powder containing an element having an antibacterial action, and (E) at least one element of the group consisting of strontium, magnesium and zinc as an osteogenesis promoting substance and an element having an antibacterial action Powder obtained by mixing apatite powder and calcium-containing apatite powder,
Forming a phosphate ceramic thin film with a thickness of 0.1 to 5 μm by performing sputtering treatment on the surface of the implant with a sputtering apparatus using any one powder selected from the group consisting of: Bone characterized by comprising a step of hydrothermally treating an acid salt type ceramic thin film in an alkaline aqueous solution containing at least one cation of the group consisting of strontium ions, magnesium ions and zinc ions or in the state of coexisting with the alkaline aqueous solution A method for manufacturing a tissue implant.
請求項1〜4のいずれかに記載の製造方法によって得られる骨形成促進物質含有リン酸塩型セラミック薄膜を表面層として有する骨組織インプラントを製造する方法であって、骨形成促進物質としてストロンチウム、マグネシウム及び亜鉛からなる群の少なくとも1つの元素を含むアパタイト粉末と、カルシウムを含有させる場合には、カルシウムを含むアパタイト粉末とを混合した粉末をスパッタリング装置によってインプラントの表面上にスパッタ処理を行ってリン酸塩型セラミック薄膜を0.1〜5μmの厚さで形成する工程、及び前記リン酸塩型セラミック薄膜に、ストロンチウムイオン、マグネシウムイオン及び亜鉛イオンからなる群の少なくとも1つのカチオンを含むアルカリ水溶液中又は該アルカリ水溶液と共存した状態で水熱処理を行う工程を有し、さらに、抗菌作用を有する元素を含有させる場合には、前記のリン酸塩型セラミック薄膜の水熱処理を行う工程の前又はその工程の後に、前記抗菌作用を有する元素を含む溶液を用いて、前記リン酸塩型セラミック薄膜に前記抗菌作用を有する元素を吸着させる工程を行うことを特徴とする骨組織インプラントの製造方法。 A method for producing a bone tissue implant having a bone formation promoting substance-containing phosphate ceramic thin film as a surface layer obtained by the production method according to any one of claims 1 to 4 , wherein the bone formation promoting substance is strontium, When apatite powder containing at least one element of the group consisting of magnesium and zinc and calcium are contained, a powder obtained by mixing the apatite powder containing calcium is sputtered on the surface of the implant by a sputtering apparatus to obtain phosphorus. A step of forming an acid salt ceramic thin film with a thickness of 0.1 to 5 μm , and an alkaline aqueous solution containing at least one cation of the group consisting of strontium ions, magnesium ions and zinc ions in the phosphate ceramic thin film water or condition that coexists with the alkali aqueous solution An element having an antibacterial action before or after the step of hydrothermally treating the phosphate-type ceramic thin film when an element having an antibacterial action is further included. A method for producing a bone tissue implant, comprising performing a step of adsorbing the element having an antibacterial action on the phosphate ceramic thin film using a solution containing. 前記抗菌作用を有する元素が、銀、銅及び亜鉛からなる群の少なくとも1つの元素からなることを特徴とする請求項又はに記載の骨組織インプラントの製造方法。 The method for producing a bone tissue implant according to claim 5 or 6 , wherein the element having an antibacterial action comprises at least one element of the group consisting of silver, copper and zinc. 前記インプラントが、チタン又はチタン合金を含むことを特徴とする請求項5〜7の何れかに記載の骨組織インプラントの製造方法。 The method for producing a bone tissue implant according to any one of claims 5 to 7 , wherein the implant contains titanium or a titanium alloy.
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