JP6396281B2 - 生体インプラントおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、生体インプラントおよびその製造方法に関する。

生体インプラントは、近年医療分野において広く用いられている。生体インプラントは、例えば、疾病や外傷等の治療のために使用される人工骨、創外固定具、内固定具に用いられる。生体インプラントは、さらに、失われた関節機能を再建するために使用される人工関節、歯科領域で使用される人工歯根等にも用いられる。これら固定具を含めて、生体インプラントの基体は、骨内等に固定して使用されることから高強度、高破壊靭性を必要とする。そのため、基体の材料には、ステンレス合金やコバルト（Ｃｏ）・クロム（Ｃｒ）合金、チタン（Ｔｉ）合金などが主に使用されている。その中でも、Ｔｉ金属およびＴｉ合金は、軽量で、金属であっても生体に無害であること、およびその酸化物が光触媒活性を有することなどの点から注目されている。

人工骨等のインプラントの基体は、移植代替物である。従って、基体にとって生体骨との親和性（骨親和性）を有することが非常に重要である。基体が骨親和性を示す条件は、第１に、体液中で表面に骨の成分であるヒドロキシアパタイト（以下、「アパタイト」という）層を形成することである。それゆえ、生体骨との親和性に関して、アパタイトの果たす役割は本質的なものである。

Ｔｉ金属およびＴｉ合金は、生体に無害とはいっても、その表面自体は生体不活性である。従って、生体骨との親和性が低いため、そのままでは周囲の骨と結合しない。そのため、インプラントとして実用化する場合には、Ｔｉ金属と骨組織との間の密着強度が増大するまでに長期間を要する。この結果、埋設したインプラントがゆるんでしまうといった問題を解決する必要があった。

例えば、インプラントの基体として、純ＴｉやＴｉ合金を使用した場合、顎骨に埋入されたインプラントが咬合力を支持できるまで（骨組織がインプラントに結合するまで）、通常下顎で３ヶ月、上顎で６ヶ月の治癒期間が必要となると言われている。この様な治療期間の長期化は、患者や術者の不満を募らせる要因ともなっている。

この様な事情から、骨親和性を付与・向上させるために、Ｔｉ金属またはＴｉ合金の基体表面に生体活性を付与することが試みられている。

一般的に、インプラント基体表面に生体活性を付与する方法としては、例えば、フルオロアパタイトを含有するショット材を用いたサンドブラスト法を用いて表面を粗面処理するものがある（特許文献１）。加えて、ヒドロキシアパタイトや金属酸化物などの酸化物材料などを基体表面に付着させて膜を形成させる、コーティング法がよく研究されている（特許文献２）。

コーティング方法としては、プラズマ溶射法、フレーム溶射法などの溶射法、ゾルゲルコーティング法などがある。溶射法は、被覆材料粉末などを高温ガス流中に存在させ、高温ガス流とともに基体表面に衝突させて付着させることで、生体活性を付与するものである。

特開２００９−１３６６３２号公報 特開２００３−５２８０５号公報 特表２００６−５０２７６２号公報

しかしながら、インプラント基体表面に生体活性を付与するための、上記のような溶射法には、以下のような問題点が指摘されている。例えば、被覆材料粉末を高温ガス流中に存在させ、高温ガス流とともに基体表面に衝突させて付着させることから、アパタイトが熱分解してしまうことである。また、金属イオン等を均一に導入することができないことである。また、基体と、形成された酸化チタン膜やアパタイト膜等との間の密着性が非常に低いことである。また、ゾルゲル法でも生成された被膜が、同様にＴｉ基体との密着性が非常に低いことである。さらに、これらの方法で信頼性の高いコーティング層を形成するためには、処理プロセスが複雑になり、高価な装置が必要となるため、製造コストが高くなること、などである。

一方、これら生体インプラントは、置換手術時及び／又は術後における細菌等の微生物感染の感染源になる可能性があるという問題もある。これに対し、感染症を防止するため、術前及び／又は術中の抗生物質の投与、器具及び／又は手術着の滅菌、バイオ・クリーンルームにおける無菌手術等の対策がなされている。しかしながら、感染症の発症を完全に抑制するのは困難で、現在確立された治療法がないのが現状である。従って、対処療法的に、埋め込んだ人工骨などの抜去を行い、感染部を掻爬及び／又は洗浄し、抗生物質による洗浄を行っている。しかしながら、この様な対処療法は、患者に肉体的にも経済的にも多大の負担を強いることになってしまう。

これらの対処療法に対して、インプラント基体の表面に、直接抗菌剤や抗菌材料の層をコーティングする方法も試みられている（特許文献３）。

この様な、インプラント基体の表面に抗菌剤や抗菌材料の層をコーティングする方法としては、例えば、抗菌性金属イオンを含有するコーティングをインプラント上に塗布し乾燥して表面に金属イオン含有層を形成して、インプラント上における細菌の増殖を抑制する方法などがある。しかしながら、この場合、細菌増殖の抑制機序が金属イオンの溶出にあるため、生体内で金属アレルギーが生じ易いという問題が生じる。

また、コーティング液の塗布により抗菌剤を含有する層を形成する場合は、形成される膜の強度が必ずしも十分でなく、これらの層が剥離して生体内で基体の腐食や異物反応を惹起する虞もある。そのため、合併症併発を抑制しつつ、術中感染の防止に有効な医療用インプラントが未だ存在しないのが実情である。

この発明は、上記実情に鑑みてなされたもので、その解決しようとする課題は、可視光下での感染を防止する抗菌性を有し、かつ術後における速やかな骨形成能を兼ね備えた、固定具等も含む生体インプラントおよびその安価な製造方法を提供することである。

本発明は、以下の態様を含む。
（１）チタン金属又はチタン合金からなる基体を有する、生体インプラントであって、前記基体の表面は、網目構造が形成された改質層を備え、前記改質層は、少なくともその表面に、アンモニアを窒素源とするＮドープ・アナターゼ型酸化チタン相を含有し、アルカリチタン酸塩の非晶質相を実質的に含有しないこと、を特徴とする、アパタイト形成能及び可視光における光触媒能を有する生体インプラント。

（２）チタン金属又はチタン合金よりなる基体と、前記基体の表面に、可視光における抗菌性かつ骨親和性の特性を有する改質層と、を備え、前記改質層は、網目構造を有し、アンモニアを窒素源とするＮドープ・アナターゼ型酸化チタン相を含有することを特徴とする、生体インプラント。

（３）チタン金属又はチタン合金よりなる基体を、アルカリ金属イオンおよび／またはアルカリ土類金属イオンを含有するアルカリ水溶液に接触させるアルカリ処理を行うステップと、前記アルカリ処理後に、前記基体にアンモニア処理を行うステップと、を含むことを特徴とする、生体インプラントの製造方法。

本発明によれば、チタンまたはチタン合金よりなるインプラント基体にアルカリ処理およびアンモニア処理を行うことによって、基体表面に改質層が形成される。当該改質層は、可視光でも光触媒能を有し、かつ、優れたアパタイト形成能を有する。これにより、生体外では可視光下で抗菌性を有し、かつ、生体内では骨親和性に優れた、生体インプラントを提供することができる。

実施例１〜５、比較例１、２で得た試料基体の可視光下での光触媒能（ＭＢの分解率（％））を示す棒グラフである。 実施例３のアパタイト形成後の走査型電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope：ＳＥＭ）写真である。 実施例１〜３のアパタイトの粒径分布を、１−５μｍ、５−１０μｍ、１０−２０μｍ毎に示した、棒グラフである。 参考例（比較例２と同条件の丸板）を用いた場合の、アルカリ（５ＭのＮａＯＨ）・加熱処理例でのアパタイト粒径分布を示す図である。 実施例３の擬似体液（Simulated Body Fluid:ＳＢＦ）浸漬前の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。 比較例３の擬似体液（ＳＢＦ）浸漬前の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。 比較例２の擬似体液（ＳＢＦ）浸漬前の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。 実施例３、比較例１〜３の薄膜Ｘ線回析（Thin-Film X-Ray Diffraction:ＴＦ−ＸＲＤ）グラフである。 図８Ａの薄膜Ｘ線回析（ＴＦ−ＸＲＤ）グラフの一部拡大図である。 実施例３、比較例２〜３のＸ線光電子分光法（X-ray Photoelectron Spectroscopy：ＸＰＳ）解析グラフである。 実施例６の未処理状態の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。 実施例６の表面処理後の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。 実施例６の薄膜Ｘ線回折（ＴＦ−ＸＲＤ）グラフである。 実施例６のＸ線光電子分光法（ＸＰＳ）解析グラフである。 実施例６のアパタイト形成後の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。

（第１実施形態）
本発明の生体インプラントは、チタン（Ｔｉ）金属又はＴｉ合金からなる基体を有する。

ここで、生体インプラントとは、疾病や外傷等の治療のために使用される人工骨、創外固定具、内固定具を包含するものとする。加えて、生体インプラントは、失われた関節機能を再建するために使用される人工関節、歯科領域で使用される人工歯根等を包含するものとする。また、基体とは、生体インプラントとして所定の形状に形成したものを含む。

基体としては、金属毒性のない純Ｔｉ金属が良い。成形性の点では、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ、Ｔｉ−５Ａｌ−２．５Ｓｎ、Ｔｉ−３Ａｌ−１３Ｖ−１１Ｃｒ、Ｔｉ−１５Ｍｏ−５Ｎｂ−３Ｔａ、Ｔｉ−６Ａｌ−２Ｍｏ−Ｔａのような合金でも良い。

前記基体の表面は、後に示す様な、微細な網目構造（多孔質構造）が形成された改質層を備える。

該改質層は、アルカリ・アンモニア処理によって形成され、少なくともその表面に、アナターゼ型Ｔｉ相を含有し、アルカリチタン酸塩の非晶質相を実質的に含有しないものが好ましい。ここで、「該改質層は、少なくともその表面に、アルカリチタン酸塩の非晶質相を実質的に含有しない」とは、後に詳細に記すが、主に以下の２つを意味する。第１に、Ｔｉ金属またはＴｉ合金からなる基体表面において、アルカリ処理によって形成される改質層の表面に含まれる非晶質相のアルカリチタン酸塩が、その後の処理工程を経て、結果的に、ＴＦ−ＸＲＤ回析およびＸＰＳ測定での誤差範囲内の値である。第２に、微量の非晶質相のアルカリチタン酸塩が検出されるとしても、その量は、本発明の効果、具体的には、光触媒能やアパタイト形成能に悪影響を与えない程度に微量である。

さらに、基体としては、上記改質層である第一の層の上に、更にアパタイトを主成分とする第二の層（ヒドロキシアパタイト層またはヒドロキシアパタイト複合層）が形成されたものでもよい。

第一の層および第二の層の厚さは特に限定されないが、第一の層の厚さは、０．１〜１０μｍ程度、第二の層の厚さは、１μｍ以上が好ましい。より好ましくは、第一の層の厚さは、０．５〜５μｍ、第二の層の厚さは、３〜３０μｍ程度がよい。特に好ましくは、第一の層の厚さは、０．５〜２μｍ、第二の層の厚さは、５〜２０μｍ程度がよい。

本発明の生体インプラントは、例えば次のような方法で製造することができる。
洗浄、乾燥させた、所定形状所定寸法のＴｉ金属又はＴｉ合金よりなる基体を用意する。

Ｔｉ金属またはＴｉ合金の基体をアルカリ水溶液に接触（浸漬）してアルカリ処理を行う。次に、上記アルカリ処理後の基体を、アンモニウムイオンを含有するアンモニア水溶液に接触（浸漬）してアンモニア処理を行う。その後、基体を加熱処理する。

ここでは、これらの一連の処理を、「アルカリ・アンモニア・加熱処理」という。

さらに、加熱処理を行った基体を、アパタイトの溶解度以上のカルシウムＣａとリンＰを含む水溶液中、例えば擬似体液（ＳＢＦ）中に浸漬して、改質層の上に更にアパタイトを主成分とする層が形成されたものとしてもよい。

ここで、アルカリ性水溶液のアルカリ性は、アルカリ金属及び／又はアルカリ土類金属に基づくと好ましい。これらの金属イオンは、水中のヒドロニウムイオンと容易に交換可能だからである。さらに、好ましくはナトリウムＮａ^＋イオン、カリウムＫ^＋イオン及びカルシウムＣａ^２＋イオンのうち１種以上を含む水溶液である。アルカリ水溶液の好ましい濃度、温度及び反応時間は、それぞれ１〜１０モル／Ｌ（Ｍ）、４０〜７０℃及び１〜２４時間である。

また、アンモニア処理におけるアンモニア水溶液の好ましい濃度、温度及び反応時間は、それぞれ０．１〜１０Ｍ、４０〜７０℃及び１〜２４時間である。アンモニア水溶液の好ましい濃度は、より好ましくは、０．１〜５Ｍ、特に好ましくは、０．３〜０．７Ｍである。

加熱温度は、好ましくはＴｉ金属又はＴｉ合金の転移温度以下の温度とする。より好ましくは３００〜８００℃、特に好ましくは５５０〜６５０℃である。この加熱処理によって、酸素が拡散して生成される改質層の厚さが増加する。

上記「アルカリ・アンモニア・加熱処理」の一実施態様としては、基体を５ｍＬの５ＭのＮａＯＨ水溶液に６０℃で２４時間浸漬し、続いて７ｍＬの０．１〜１０ＭのＮＨ_４ＯＨ水溶液に４０℃で２４時間浸漬した後、洗浄、乾燥させ、６００℃で１時間加熱処理する方法がある。

加熱後、基体を、アパタイトの溶解度以上のカルシウムＣａとリンＰを含む水溶液、例えば、擬似体液（ＳＢＦ）中に浸漬して、改質層の上に更にアパタイトを主成分とする層が形成したものとしてもよい。また、他の公知の方法でアパタイト層を形成してもよい。
擬似体液（ＳＢＦ）中に浸漬する場合は、上記基体表面にアパタイトを形成させる条件であれば何れでも構わないが、例えば、３６〜３７℃で１〜１０日間浸漬する。

Ｔｉ金属又はＴｉ合金よりなる基体が生体骨との親和性を示す条件は、体液中で表面に骨の成分であるヒドロキシアパタイト（ここでは、「アパタイト」という）層を形成することである。生体骨との親和性に対してアパタイトの果たす役割は本質的なものである。そして、下記に示すように、擬似体液（ＳＢＦ）中で試験的に基体表面に形成されるアパタイト層の有無とその程度は、骨親和性の指標とされている（ＩＳＯ２３３１７：２００７）。

（第２実施形態）
以下、本発明の第２実施形態について、第１実施形態と異なる処理等につき説明する。

実施形態１のアルカリ処理において、基体をアルカリ水溶液に接触（浸漬）させた後に基体を温水に接触（浸漬）させる処理（以下、「温水処理」という。）をすることができる。温水処理の好ましい温度及び時間は、それぞれ４０〜９５℃及び１〜４８時間である。

また、実施形態１のアンモニア処理及び加熱処理の代わりに、アンモニア雰囲気中で加熱処理することによって行うことができる。アンモニア雰囲気中での加熱処理に好ましい温度、圧力及び加熱時間は、それぞれ５００〜８００℃、１０〜１０００ｋＰａ（ａｂｓ）及び１〜１０時間である。即ち、加熱処理は大気圧下で行うことができる。

本実施形態の処理の一態様としては、基体を５ｍＬの５ＭのＮａＯＨ水溶液に６０℃で２４時間浸漬し、続いて７ｍＬの純水に８０℃で４８時間浸漬した後、洗浄、乾燥させ、アンモニア雰囲気中にて６００℃で１時間加熱処理する方法がある。

本実施形態によれば、基体の表面構造でのＮ原子の含有率が、後述するように第１実施形態における含有率よりも高くなる。これにより、基体材料の酸化物の可視光下での光触媒能が更に向上した生体インプラントが得られる。

以下に、実施例、比較例の概略を示す。
（実施態様：アルカリ・アンモニア・加熱処理）
Ｔｉ金属またはＴｉ合金の基体をアルカリ処理する。続いて、アンモニウムイオンを含有するアンモニア水溶液に基体を接触（浸漬）させてアンモニア処理を行う。その後、基体を洗浄、乾燥させ、加熱処理する。上記したが、ここでは、これらの一連の処理を、「アルカリ・アンモニア・加熱処理」という。

（比較態様１：未処理）
Ｔｉ金属またはＴｉ合金の基体であって、アルカリ処理、アンモニア処理、あるいは加熱処理を含め、いずれの処理も行わない場合を、ここでは「未処理」という。

（比較態様２：アルカリ・加熱処理）
Ｔｉ金属またはＴｉ合金の基体をアルカリ処理する。その後、基体を加熱処理する。ここでは、これらの一連の処理を、「アルカリ・加熱処理」という。

（比較態様３：アルカリ・硝酸・加熱処理）
Ｔｉ金属またはＴｉ合金の基体をアルカリ処理する。続いて、硝酸イオンを含有する硝酸（ＨＮＯ_３）に基体を接触（浸漬）させて硝酸処理を行う。その後、基体を洗浄、乾燥させ、加熱処理する。ここでは、これらの一連の処理を、「アルカリ・硝酸・加熱処理」という。

以下に、実施例１〜６及び比較例１〜３を示し、更に具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例に限定されない。

（実施例１〜５）
アルカリ・アンモニア・加熱処理例：純Ｔｉ金属からなる基体（以下、「純Ｔｉ金属基体」または「Ｔｉ金属基体」という）を、５ＭのＮａＯＨ水溶液に６０℃で２４時間浸漬した。続いて、基体を所定の濃度のＮＨ_４ＯＨ水溶液に４０℃で２４時間浸漬した。その後、基体を６００℃で１時間加熱処理して、試料を得た。ＮＨ_４ＯＨ水溶液の濃度の低い順から、実施例１（０．１Ｍ）、実施例２（０．５Ｍ）、実施例３（１Ｍ）、実施例４（５Ｍ）、および、実施例５（１０Ｍ）とした。

（比較例１）未処理例：純Ｔｉ金属基体を、未処理の状態で、試料とした。
（比較例２）アルカリ・加熱処理例：純Ｔｉ金属基体を、５ＭのＮａＯＨ水溶液に６０℃で２４時間浸漬した。その後、基体を６００℃で１時間加熱処理して、試料を得た。
（比較例３）アルカリ・硝酸・加熱処理例：純チタン金属基体を、５ＭのＮａＯＨ水溶液に６０℃で２４時間浸漬した。続いて、基体を１ＭのＮＨ_４ＯＨ水溶液に４０℃で２４時間浸漬した。その後、６００℃で１時間加熱処理して、試料を得た。

以下に、実験に用いた、基体の形状、表面構造解析方法、アパタイト形成能試験方法、光触媒能試験方法について概略を記載する。

（純Ｔｉ金属基体）
下記実施例、比較例とも、試料の基体として、以下の角板を用いた。
角板（１０ｍｍ角、厚さ１ｍｍ：（株）高純度化学研究所、純度３Ｎ（９９．９％）カタログ番号：ＴＩＥ０４ＣＢ）
なお、参考例として、丸板（直径１５ｍｍ、厚さ０．３ｍｍ：（株）吉見製作所、純度ＪＩＳ１種）を用いた。

（表面構造解析）
実験により得られた試料（純Ｔｉ金属基体）表面の構造変化を、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、薄膜Ｘ線回析（ＴＦ−ＸＲＤ）およびＸ線光電子分光法（ＸＰＳ）により調べた。

（可視光下での光触媒能（メチレンブルー分解特性）試験）
得られた試料を、５ｍＬの０．０１ｍＭメチレンブルー（ＭＢ）水溶液に浸漬し、蛍光灯（可視光）を６時間照射した後、ＭＢ濃度の変化を可視紫外分光光度計により調べた。

（アパタイト形成能試験）
得られた試料を、ヒトの体液とほぼ等しい無機イオン濃度を有する擬似体液（ＳＢＦ）３０ｍＬに３６．５℃で７日間浸漬し、３日後、７日後のアパタイト形成能を、以下の方法で調べた。
（ａ）走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）像の観察。
（ｂ）ＳＥＭによる写真から、形成されたアパタイトの粒径を計測。
なお、上記擬似体液（ＳＢＦ）は、インプラント材料のアパタイト形成能をｉｎ ｖｉｔｒｏで調べるための水溶液として、ＩＳＯで認可（ＩＳＯ２３３１７：２００７ Ｉｍｐｌａｎｔｓ ｆｏｒ ｓｕｒｇｅｒｙ． Ｉｎ ｖｉｔｒｏ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｆｏｒ ａｐａｔｉｔｅ−ｆｏｒｍｉｎｇ ｏｆ ｉｍｐｌａｎｔ ｍａｔｅｒｉａｌｓ）されているものを用いた。

＜可視光下での光触媒能とアパタイト形成能について＞
（１）可視光下での光触媒能とアンモニア水の濃度について
図１は、左から、比較例１、２、及び、実施例１〜５の、光触媒能（ＭＢの分解率（％））を示す棒グラフである。可視光における光触媒能の指標であるＭＢ分解率（％）は、比較例１（未処理：Ｕｎｔｒｅａｔｅｄ）では約３．３であった。これに対して、実施例１（０．１Ｍ ＮＨ_４ＯＨ）では１１．１、実施例２（０．５Ｍ ＮＨ_４ＯＨ）では１４．６、実施例３（１Ｍ ＮＨ_４ＯＨ）では１１．５、実施例４（５Ｍ ＮＨ_４ＯＨ）では１１．９、実施例５（１０Ｍ ＮＨ_４ＯＨ）では６．１であった。即ち、ＭＢ分解率について、実施例１〜５は、未処理の比較例１に対し、何れも高値を示した。また、比較例２（アルカリ（５Ｍ ＮａＯＨ）・加熱処理）では、９．６、比較例３では、未処理例（比較例１）のレベルであった。

なお、一般的にＴｉＯ_２は、３００〜４００ｎｍの限定された紫外線領域の光照射で光触媒能（抗菌、殺菌等）を有する。本実施例では、全て、手術室等と同様の可視光下で光触媒能を有した。

（２）アパタイト形成能とアンモニア水の濃度について
以下の実施例１〜５、および比較例１〜３では、上記実験（１）の実施例１〜５、および比較例１〜３と同様の条件で処理したＴｉ金属の基体を用いた。

アパタイト形成能を調べた結果、比較例１（未処理）や比較例２（アルカリ（５ＭのＮａＯＨ）・加熱処理）ではアパタイト形成能が見られなかった。これに対して、実施例１〜５つまり、アルカリ・アンモニア・加熱処理においては、アンモニア濃度が０．１〜１０Ｍの何れの場合でも、大部分が５〜２０μｍレベルの大きなアパタイトが形成された。これにより、実施例１〜５が顕著に優れたアパタイト形成能を示すことが判明した。図２に実施例３の走査型電子顕微鏡像を示す。

図３は、この実施例の「アルカリ・アンモニア・加熱処理」したチタン金属基体表面に、７日間で形成されたアパタイトの粒径分布である。左から、アンモニア濃度を０．１Ｍ、０．５Ｍ、１Ｍとした実施例１〜３における、アパタイトの粒径分布を示す。粒径が５〜１０μｍのものが多く、さらに粒径１０〜２０μｍの大きなアパタイト形成も顕著に見られた。因みに、５〜２０μｍレベルの大きなアパタイトは、０．１Ｍで、７２．０％、０．５Ｍで、８７．３％、１Ｍで６３．３％を占めていた。

また、形成されたアパタイトの平均粒径は、比較例１、２のゼロに対して、実施例１で６．３４μｍ、実施例２で７．２０μｍ、実施例３で６．０１μｍであった。

参考例として、基体を他社製の丸板とした場合の結果を示す。未処理（比較例１と同様の条件）では、上記と同様にアパタイト形成能は見られなかった。これに対し、アルカリ・加熱処理（比較例２と同処理）の場合は、７日間で、粒径が平均３．２９μｍのごく小さなアパタイト形成が観察された。この場合の、アパタイト粒径分布を図４に示す。この参考例では、５μｍ以下の小さなアパタイト形成が見られ、全体の９６．５％を占めていた。

以上の結果、実施例１〜５は、比較例１〜３ではアパタイト形成能がないのに対して、顕著なアパタイト形成能を有することが判明した。ここで、例え、上記、実施例１〜３の粒径分布（図３）を、アルカリ・熱処理した参考例（丸板）の粒径分布（図４）や平均粒径と比較したとしても、実施例１〜３のアパタイト形成能は、顕著に優れたものであることは明らかであった。例えば、実施例２は、この比較例２に比して、平均粒径が２倍以上大きい、つまり、表面積にすれば４倍以上大であった。また、７日間で形成されたアパタイトの粒径分布で比較すると、実施例２は、５〜２０μｍの粒径の大きなアパタイトが全体の８７．３％であるのに対し、参考例の場合は、５〜１０μｍのものは３．５％と極端に少ない。以上のことからも、本実施例では、大変優れたアパタイトの形成能を獲得していることが分かった。

＜表面構造解析について＞
上記の各処理後におけるＴｉ金属表面の構造変化を、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）観察、薄膜Ｘ線回折（ＴＦ−ＸＲＤ）及びＸ線光電子分光法（ＸＰＳ）により調べた。

（１）走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）観察の結果（図５〜７）
アルカリ・アンモニア・加熱処理を行った実施例では、図５に示す様な、微細な網目構造（多孔質構造）が観察されたことが特徴的であった。全体としては、１μｍかそれ以上の大きな孔を多く含有する多孔質構造が、掘り深く、くっきりと形成されていた。それに対して、未処理（比較例１）の場合はほぼ平坦な構造で、アルカリ・硝酸・加熱処理（比較例３）の場合も、同様にほぼ平坦な構造が観察された（図６）。即ち、比較例１,３では網目状、多孔質状の構造は見られなかった。なお、微細な構造上の違いは判然としないが、アルカリ・加熱処理（比較例２）の場合は、全体として１μｍより小さめで浅めの網目構造が観察された（図７）。

（２）薄膜Ｘ線回析（ＴＦ−ＸＲＤ）の結果（図８Ａ、８Ｂ）
図８Ａは、上から比較例３、実施例３、比較例２、比較例１のＴＦ−ＸＲＤの解析結果である。図８Ｂは、この実施例３、比較例２の回折線を部分拡大したものである。
ここで、アナターゼ（アナターゼ型酸化チタン：可視光下で高い光触媒能）、ルチル（ルチル型酸化チタン：可視光下で極少ない光触媒能）、ＳＴ（非晶質のアルカリチタン酸塩、Ｎａ_２Ｔｉ_５Ｏ_１１）のそれぞれのＸ線の最強回折線の２θを、それぞれ２５．４°、２７．４°、２４．６°として、おおよそのピーク高さを求めた。アルカリ・アンモニア・加熱処理（実施例３）では、アナターゼ：４０４、ルチル：１１４、ＳＴ：９９となった。アルカリ・硝酸・加熱処理（比較例３）では、アナターゼ：３０、ルチル：４９７、ＳＴ：３３となった。アルカリ・加熱処理（比較例２）では、アナターゼ：２８３、ルチル：２００、ＳＴ：４６６となった。一方、純Ｔｉに帰属される４０°付近のピーク強度は、実施例のアルカリ・アンモニア・加熱処理では５６７であった。比較例のピーク強度は、アルカリ・硝酸・加熱処理では３９７、アルカリ・加熱処理では９３０であった。これらの値と上記の各結晶相のピーク高さとの合計（アナターゼ（Ａ）＋ルチル（Ｒ）＋ＳＴ＋Ｔｉ）を分母として、各結晶相のピーク高さの比を算出した。同じ結晶相でも試料によってピーク位置が少し異なるため、異なる試料間での直接比較は難しい。しかしながら、一つの試料の中での各結晶の析出量の大凡の存在比は、このピーク高さの比から推測することができた。

算出したピーク高さの比（Ｘ１００）を表１に示す。

ＴＦ−ＸＲＤの測定において、アナターゼとＳＴの最強回折線の２θが、２５．４°、２４．６°と非常に近接している。かつ、アナターゼのピークが高くブロードなため、アナターゼのピークの裾野にＳＴの２θ領域が重なってしまう。従って、後述のＸＰＳ測定では、ほとんどＳＴが存在しないレベルであるにもかかわらず、ＴＦ−ＸＲＤ測定では、誤差範囲と推定されるＳＴのピーク高さが、計算上、実際値より大きく算出されてしまうことに留意すべきである。

（３）Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ）の結果（図９）
ＸＰＳ測定による結果を以下に示す。本実施例３のアルカリ（５ＭのＮａＯＨ）・アンモニア（１ＭのＮＨ_４ＯＨ）・加熱処理試料では、０．４ ａｔｏｍｉｃ％のＮと、１．４ ａｔｏｍｉｃ％のＮａが検出された。比較例２のアルカリ（５ＭのＮａＯＨ）・加熱処理では、０．６７ ａｔｏｍｉｃ％のＮと、１１．１ ａｔｏｍｉｃ％のＮａが検出された。比較例３のアルカリ（５ＭのＮａＯＨ）・硝酸（１ＭのＨＮＯ_３）・加熱処理では、１．７３ ａｔｏｍｉｃ％のＮと、０．０ ａｔｏｍｉｃ％のＮａが検出された。

＜Ｎａ原子の含有率＞
上記ＸＰＳの結果から、本実施例（アルカリ・アンモニア・加熱処理）の基体試料に形成された改質層の表面におけるＮａ原子の含有率は、全くゼロではない。しかしながら、この含有率は、比較例２（アルカリ・加熱処理）（１１．１ ａｔｏｍｉｃ％）と比較して、約１／１０程度（１．４ ａｔｏｍｉｃ％）である。このような低い含有率は、この技術分野では誤差範囲のレベル（実質的に含有しないレベル）である。

＜Ｎ原子の含有率＞
一方、窒素をドープしたＴｉＯ_２は可視光下で光触媒活性を示すことが知られている。実施例（アルカリ・アンモニア・加熱処理）で使用したアンモニア（１ＭのＮＨ_４ＯＨ）や、比較例３（アルカリ・硝酸・加熱処理）で使用した硝酸（１ＭのＨＮＯ_３）は、Ｎドープの窒素源と考えられている。Ｎ原子の含有率は、ＸＰＳ測定によれば、比較例３では１．７３ ａｔｏｍｉｃ％と高値であったが、実施例３では０．４０ ａｔｏｍｉｃ％と大変低かった。実施例３における値は、比較例２（アルカリ・加熱処理）の０．６７ ａｔｏｍｉｃ％と比べてもさらに低値であり、全く予想外の結果であった。

以上のように、硝酸を用いた比較例３は、一番高いＮ値（ａｔｏｍｉｃ％）を示したが、この基体は、光触媒能もアパタイト形成能も得られなかった。一方、アンモニア水を用いた実施例では、窒素源を用いない比較例２（アルカリ・加熱処理）のレベルより、ＮのＸＰＳ測定値が低かった。このことから、今回、実施例のＴｉ金属基体における顕著な効果として得られた、優れたアパタイト形成能および光触媒能という特性の獲得に関して、ＮドープＴｉＯ_２が関与しているとの証拠は得られず、この点については、否定的な結果が示された。

以下に、ＴＦ−ＸＲＤおよびＸＰＳによる測定の結果をまとめたものを示す（表２）。

ここで、ＳＴは、非晶質のアルカリチタン酸塩、Ｓｏｄｉｕｍ ｔｉｔａｎａｔｅ（Ｎａ_２Ｔｉ_５Ｏ_１１）を意味する。また、表２中の（）は、少量含有され得る二酸化チタンの型を示す。

上記のＳＥＭ観察およびＴＦ−ＸＲＤ測定によれば、比較例１（未処理、Ｔｉ金属基体）では、表面構造はほぼ平坦（ＳＥＭ観察）で、表面はＴｉ（ＴＦ−ＸＲＤ測定）であることが確認された。また、他の比較例であるアルカリ・加熱処理（比較例２）では、表面に実施例より浅く１μｍより小さめの網目構造が多数形成されていた（ＳＥＭ観察）。比較例２において、Ｔｉ金属基体表面には、主に、アルカリチタン酸塩（ＳＴ）と、可視光下で低い光触媒しか示さないルチル型ＴｉＯ_２を含有し、ごく少量のアナターゼ型ＴｉＯ_２を含有する層が形成されていた（ＴＦ−ＸＲＤ測定）。

また、基体にアルカリ・硝酸（１ＭのＨＮＯ_３）・加熱処理を行った比較例３では、アルカリ処理したにもかかわらず、表面構造はほぼ平坦（ＳＥＭ観察）で、網目構造は観察されなかった。また、光触媒能やアパタイト形成能も見られなかった。

これら比較例に対して、実施例のアルカリ・アンモニア・加熱処理では、アルカリ処理後にアンモニア処理をすることにより、Ｔｉ金属基体表面に、比較例２（アルカリ・加熱処理）よりは、深くくっきりとした、１μｍよりは大きめの孔を多数有する網目構造（多孔質構造）が形成された（ＳＥＭ観察）。基体表面には、可視光下で高い光触媒能を有するアナターゼ型ＴｉＯ_２を多く含み、ごく少量のルチル型ＴｉＯ_２を含有し、かつ、光触媒能等に対して不活性なアルカリチタン酸塩（ＳＴ）を実質的に含有しない、改質層が形成されていた。

一般に、Ｔｉ金属又はＴｉ合金基体の場合、その表面には、元来ＴｉＯ_２に近い酸化物よりなる極めて薄い膜が存在する。ＴｉＯ_２は、強酸、強塩基のいずれとも反応する両性物質である。従って、Ｔｉ金属又はＴｉ合金よりなる基体をアルカリ液中に浸漬すると、反応量の少ない内部から反応量の多い外部に向かって漸増する濃度勾配をもって、基体表面に非晶質のアルカリチタン酸塩が生成する。アルカリチタン酸塩は、光触媒作用はなく不安定といわれている。

今回の、Ｔｉ金属またはＴｉ合金からなる基体への、アルカリ・アンモニア・加熱処理の効果とその機序については全て解明されてはいない。本願の実施態様では、上記アルカリ処理後、基体を０．１Ｍ〜１０Ｍのアンモニア水溶液に浸漬し、更に、Ｔｉ金属又はＴｉ合金の転移温度以下の温度で１〜２４時間加熱することによって、表面に生成されたアルカリチタン酸塩が消失した。最終的に、微細な網目構造を有し、かつ、アナターゼ型ＴｉＯ_２を主成分として含有する改質層が表面から内部へ向かって形成された。これらの処理によって、結果的に、可視光に対して光触媒特性を有し、更に、優れたアパタイト形成能を有する、インプラント用基体を得ることができた。

以上より、Ｔｉ金属からなる基体は、顕著なアパタイト形成能と、可視光下での光触媒活性（抗菌性）という、生体インプラントとしての２つの優れた特性を、アルカリ処理後、さらにアンモニア水で処理することによって、同時に付与されることが明らかとなった。

（実施例６）
実施例１〜５と同様に、１０ｍｍ角、厚さ１ｍｍの純Ｔｉ板から純Ｔｉ金属基体を作成した。純Ｔｉ金属基体を、５ｍＬの５ＭのＮａＯＨ水溶液に６０℃で２４時間浸漬した後、基体を７ｍＬの純水に８０℃で４８時間浸漬した（以下、「ＮａＯＨ−温水処理」という。）。続いて、基体を洗浄し乾燥させた。その後、基体を大気圧のアンモニア雰囲気中にて６００℃で１時間加熱処理して、試料を得た。

試料に対し、前述の実施例１〜５と同様に、表面構造解析、可視光下での光触媒能（ＭＢ分解特性）試験及びアパタイト形成能試験を行った。

＜表面構造解析について＞
（１）ＳＥＭ観察の結果
未処理の試料表面（図１０）に、ＮａＯＨ−温水処理によって網目構造が形成された。この網目構造は、アンモニア雰囲気中での加熱処理後にも残存していた（図１１）。実施例６においても、網目構造の孔の大きさおよび多孔質構造の明確さは、実施例１〜５と同様であった。

（２）ＴＦ−ＸＲＤの結果
図１２に示すように、上記の処理後の試料表面にはアナターゼ型ＴｉＯ_２が形成されていた。

（３）ＸＰＳの結果
図１３に表面処理後の試料のＮ_１ｓ ＸＰＳスペクトルを示す。図中の「Ｎ−Ｔｉ」は、ＮがＴｉに結合していることを示す。図１３から分かるように、Ｎ−Ｔｉに帰属されるピークが３９６ｅＶ付近に観察された。ピークの面積から、Ｎ原子の含有率は、３．２５ ａｔｏｍｉｃ％と見積もられた。実施例６での含有率を図９の結果と比較すると、実施例３の０．４０ ａｔｏｍｉｃ％よりも高く、比較例３の１．７３ ａｔｏｍｉｃ％よりも更に高い値であった。

＜可視光下での光触媒能とアパタイト形成能について＞
実施例６は、可視光下において約２７％と高いＭＢ分解率を示した。この値は、前述の実施例１〜５（最高が実施例２の１４．６％）および比較例１〜３（最高が比較例２の９．６％）よりも高い。これは、実施例６では実施例１〜５および比較例１〜３よりも多量の窒素をＴｉＯ_２にドープできたためと考えられる。

図１４に、ＳＢＦに浸漬後の試料表面のＳＥＭ写真を示す。図１４から分かるように、ＳＢＦ中で試料の表面の一部にアパタイトが形成された。実施例６でのアパタイトの粒径分布は、１〜５μｍが３１％、５〜１０μｍが５４％、１０〜２０μｍが１５％であった。この結果は、図３に示した実施例１〜３と同様に、５〜２０μｍの大きなアパタイトの割合が高いことを示す。

以上のように、本実施例では、純Ｔｉ基体をＮａＯＨ−温水処理後にアンモニア雰囲気中で加熱処理する。これにより、多量の窒素を担持するアナターゼ型ＴｉＯ_２をＴｉ表面に形成させることが可能となる。その結果、実施例６は、実施例１〜５よりも更に高いＭＢ分解能と、アパタイト形成能と、を併せ持つことが分かった。

最後に、本明細書に開示された本発明の実施形態は、本発明の原理の例示であることを理解すべきである。可能性のある他の修正は、本発明の範囲内である。それ故、例示の方法によって、制限なく、本発明の別の構成が、本明細書の教示に従って利用することができる。したがって、本発明は、示され記述されたものに正確に限定されるものではない。

本出願は、２０１３年３月７日に出願された日本国特許出願２０１３−０４５７０４号に基づく。本明細書中に、日本国特許出願２０１３−０４５７０４号の明細書、特許請求の範囲、及び図面全体を参照として取り込むものとする。

本発明は、例えば人工骨、創外固定具、内固定具、人工関節及び人工歯根のような医療分野において有用である。

Claims (10)

1. チタン金属又はチタン合金からなる基体を有する、生体インプラントであって、
   前記基体の表面は、網目構造が形成された改質層を備え、
   前記改質層は、少なくともその表面に、アンモニアを窒素源とするＮドープ・アナターゼ型酸化チタン相を含有し、アルカリチタン酸塩の非晶質相を実質的に含有しないこと、
   を特徴とする、アパタイト形成能及び可視光における光触媒能を有する生体インプラント。
2. チタン金属又はチタン合金よりなる基体と、
   前記基体の表面に、可視光における抗菌性かつ骨親和性の特性を有する改質層と、を備え、
   前記改質層は、網目構造を有し、アンモニアを窒素源とするＮドープ・アナターゼ型酸化チタン相を含有すること、
   を特徴とする、生体インプラント。
3. 前記改質層は、少なくともその表面に、アルカリチタン酸塩の非晶質相を実質的に含有しない、請求項２に記載の生体インプラント。
4. 前記改質層は、ヒドロキシアパタイトが形成された、ヒドロキシアパタイト層またはヒドロキシアパタイト複合体層をさらに備える、請求項１〜３のいずれか１項に記載の生体インプラント。
5. チタン金属又はチタン合金よりなる基体を、アルカリ金属イオンおよび／またはアルカリ土類金属イオンを含有するアルカリ水溶液に接触させるアルカリ処理を行うステップと、
   前記アルカリ処理後、前記基体にアンモニア処理を行うステップと、
   を含むことを特徴とする、生体インプラントの製造方法。
6. 前記アンモニア処理が、前記アルカリ処理後、前記基体を、アンモニウムイオンを含有するアンモニア水溶液に接触させる処理である、請求項５に記載の生体インプラントの製造方法。
7. 前記アンモニア処理後に、さらに前記基体を加熱処理するステップを含む、請求項６に記載の生体インプラントの製造方法。
8. 前記アンモニア処理が、前記アルカリ処理後、前記基体をアンモニア雰囲気中で加熱する処理である、請求項５に記載の生体インプラントの製造方法。
9. 前記アルカリ処理を行うステップは、前記アルカリ水溶液との接触後に前記基体を温水に接触させる温水処理を含む、請求項８に記載の生体インプラントの製造方法。
10. さらに、擬似体液中でヒドロキシアパタイト層またはヒドロキシアパタイト複合体層を形成させるステップを含む、請求項５〜９のいずれか１項に記載の生体インプラントの製造方法。