JP6642896B2 - 医療用セラミックス多孔質体の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、医療用セラミックス中空粒子の粒径、空洞径、空洞の表面積および厚さを容易に制御することができる医療用セラミックス多孔質体の製造方法を提供することを目的とする。
本発明の参考態様は、コア粒子の表面をセラミックス原料で被覆する被覆ステップと、前記セラミックス原料で被覆されたコア粒子を加熱して該コア粒子を蒸散し、前記セラミックス原料からなる中空球状の粒子を得る蒸散ステップと、前記中空球状の粒子を焼成する粒子焼成ステップとを含む医療用セラミックス中空粒子の製造方法である。
この場合に、コア粒子の粒径および被覆ステップにおいてコア粒子上に形成するセラミックス原料の層の厚さによって、医療用セラミックス中空粒子の空洞径、粒径および厚さを容易に制御することができる。
このようにすることで、人工骨の材料として好適な医療用セラミックス中空粒子を製造することができる。前記セラミックス原料の主成分は、β型リン酸三カルシウム(β−TCP)、α型リン酸三カルシウム(α−TCP)、ハイドロキシアパタイト(HAP)、フルオロアパタイト、リン酸四カルシウム、リン酸八カルシウム(OCP)、リン酸水素カルシウム無水和物、リン酸水素カルシウム二水和物、TTCP、二リン酸カルシウム、メタリン酸カルシウム、および炭酸基置換型ハイドロキシアパタイト(CHA)のうちのいずれかであることが好ましい。
このようにすることで、約10μm以上約1000μm以下の空洞径を有する医療用セラミックス中空粒子が製造される。このような空洞径を有する医療用セラミックス中空粒子は、人工骨として体内に移植された際に、空洞内への骨芽細胞の浸入を促進することができる。コア粒子の粒径は、100μm以上400μm以下であることがさらに好ましい。
このようにすることで、加工に耐える強度を有する医療用セラミックス中空粒子を製造することができる。
このようにすることで、粒子焼成ステップにおけるセラミックス原料の収縮を抑制し、医療用セラミックス中空粒子の空洞径および厚さをさらに正確に制御することができる。
このようにすることで、蒸散ステップにおいて、コア粒子と一緒に有機微粒子も蒸散されることにより、医療用セラミックス中空粒子の内表面には多数の微小な凹部が形成される。したがって、有機微粒子の粒径および量(コア粒子の表面上の密度)によって、医療用セラミックス中空粒子の空洞径および空洞内部の表面積を容易に制御することができる。
この場合に、空洞径および厚さが制御された医療用セラミックス中空粒子を使用することによって、医療用セラミックス多孔質体の構造および機能を制御することができる。
本実施形態に係る医療用セラミックス中空粒子の製造方法は、図1に示されるように、コア粒子をセラミックス原料で被覆する被覆ステップSA1と、加熱によってコア粒子を蒸散させてセラミックス原料からなる中空球状の粒子を得る蒸散ステップSA2と、中空球状の粒子を焼成して医療用セラミックス中空粒子を得る粒子焼成ステップSA3とを含む。
なお、中空化のための蒸散ステップSA2とセラミックス原料層3を焼成するための粒子焼成ステップSA3は、単一のステップで同時に行ってもよい。
セラミックス原料層3には焼成の過程で縮みが生じる。仮焼されたセラミックス原料を使用することによって、本焼におけるセラミックス原料層3の縮みが低減される。これにより、医療用セラミックス中空粒子1の空洞径、粒径および厚さをさらに正確に制御することができる。
有機微粒子4は、コア粒子2と同様に、粒子焼成ステップSA3における焼成温度よりも低い温度で燃焼する有機材料からなる。したがって、蒸散ステップSA2において、コア粒子2と一緒に有機微粒子4も蒸散によって除去され、セラミックス原料層3および医療用セラミックス中空粒子1の内表面には、図3(d)に示されるように、有機微粒子4と等しい内径を有する多数の凹部が形成される。図3においては、蒸散ステップSA2の図示が省略されている。
本実施形態に係る医療用セラミックス多孔質体の製造方法は、図4に示されるように、ステップSA1〜SA3によって製造された医療用セラミックス中空粒子1を主原料と混合して混合物を得る混合ステップSB1と、混合物を加圧成形して成形体を得る成形ステップSB2と、成形体を焼成する焼成ステップSB3とを含む。
次に、成形ステップSB2において、混合物を鋳型内に充填し、一軸加圧成形する。この後に、得られた成形体を冷間静水圧プレス(CIP)によってさらに加圧してもよい。
次に、焼成ステップSB3において成形体を焼成することにより、医療用セラミックス多孔質体が製造される。
また、医療用セラミックス中空粒子1を構成する材料としてβ−TCPを選択した場合には破骨細胞および骨芽細胞の働きによって骨置換される特性を有するが、力学的強度は小さい。そこで、医療用セラミックス多孔質体の主原料として、β−TCPよりも高い強度を有するHAPを使用することによって、高い強度および高い骨形成能を有する医療用セラミックス多孔質体を製造することができる。
[実施例1]
医療用セラミックス中空粒子の製造方法の実施例について以下に説明する。
図5は、本実施例において使用したシステムを示している。本システムは、図5に示されるように、HAPのスラリー10を収容する容器20と、該容器20の重量を測定する重量計30と、転動流動コーティング装置(株式会社パウレック製、MP−01)40と、容器20から転動流動コーティング装置40にスラリー10を送るポンプ50とを備えている。
600gのPSビーズを転動流動コーティング装置内に投入した。次に、スラリーを転動流動コーティング装置内に供給し、80℃でPSビーズにスラリーを吹き付けた。
次に、HAPによって被覆されたPSビーズを高温で加熱することによって、PSビーズの蒸散およびHAP層の焼成を行った。具体的には、図11に示されるように、室温から250℃、300℃、450℃と温度を上昇させながら合計42時間加熱することによってPSビーズを蒸散させ、中空球状のHAP層を生成した。次に、生成されたHAP層を室温まで冷却し、その後、室温から1150℃まで昇温し、HAP層を1150℃で1時間焼成した。これにより、HAP中空粒子を得た。
次に、医療用セラミックス多孔質体の製造方法の実施例について説明する。
(混合ステップ)
ステップSA1〜SA3により製造されたHAP中空粒子を、HAP粉末と乾式混合した。ここで、880℃で予め仮焼したHAP粉末を使用した。
HAP中空粒子とHAP粉末との混合物を一軸成形した。具体的には、混合物を、縦50mm×横60mmの立方体の鋳型内に充填し、鋳型に上型を被せ、上型を一軸圧縮成形機により10kNの力で30秒間、押圧した。次に、一軸成形された混合物をCIPによって40MPaでさらに加圧した。
成形ステップによって得られた成形体を900℃で仮焼し、その後、成形体を所定の寸法および形状を有する試験片に加工した。次に、試験片を1150℃で焼成(本焼成)した。これにより、HAP多孔質体を得た。
次に、異なる製造条件1−A〜1−FでHAP多孔質体の6種類のサンプルを製造した。図18に、製造条件1−A〜1−Fを示す。図18に示されるように、異ならせた製造条件は、HAP粉末の仮焼の有無、HAP中空粒子の仮焼の温度、試験片への加工のタイミングである。全てのサンプルにおいて、HAP中空粒子とHAP粉末との混合比率(重量比率)は、HAP中空粒子:HAP粉末=75:25とした。また、CIPの圧力は、30MPaとした。その他の製造条件については、上述した実施例2と同一とした。
次に、医療用セラミックス中空粒子の製造方法のもう1つの実施例について以下に説明する。
本実施例においては、実施例1の被覆ステップの前に、コア粒子の表面を有機微粒子で被覆する前被覆ステップを行った。
有機微粒子として、異なる粒度分布を有する3種類のポリメチルメタクリレート(PMMA)ビーズI,II,IIIを用意した。図20は、PSビーズ(粒径100μm〜400μm)およびPMMAビーズI,II,IIIの粒度分布を示している。図20に示されるように、PMMAビーズIおよびIIの最頻径(モード径)は20μmであるが、PMMAビーズIは狭い粒度分布を有しており、PMMAビーズIIは広い粒度分布を有している。PMMAビーズIIIの最頻径は40μmであり、広い粒度分布を有している。
300gのPSビーズに対して、PMMAビーズIを含むスラリー液を吹き付けた。スラリーは、150gのPMMAビーズIと、525gの精製水と、371gのHPC−SSL(8%水溶液)とを混合して調製した。その他の条件は、実施例1の被覆ステップと同様である。同様に、PMMAビーズIIおよびPMMAビーズIIIをそれぞれPSビーズに吹き付けた。
図21から図23は、PMMAビーズI、II、IIIで被覆されたPSビーズの走査型顕微鏡(SEM)写真をそれぞれ示している。
PMMAビーズIで被覆されたPSビーズ300gに、HAPを含むスラリーを吹き付けた。スラリーは、300gのHAP粉末と、1050gの精製水と、742gのHPC−SSL(8%水溶液)とを混合して調製した。HAPは、880℃で予め仮焼したものを使用した。図24は、HAPでさらに被覆されたPSビーズの走査型顕微鏡(SEM)写真を示している。
PMMAビーズII,IIIで被覆されたPSビーズについても、同様にしてHAPで被覆した。
蒸散ステップおよび粒子焼成ステップは、実施例1と同様にして行った。
次に、医療用セラミックス多孔質体の製造方法のもう1つの実施例について説明する。
実施例4によって製造されたHAP中空粒子を用いて医療用セラミックス多孔質体を製造した。図26は、医療用セラミックス多孔質体の製造条件を示している。図26に示されるように、異なる製造条件2A〜2Rで18種類のサンプルを製造した。その他の条件は、実施例4と同様である。
次に、医療用セラミックス中空粒子および医療用セラミックス多孔質体の主原料の組み合わせと医療用セラミックス多孔質体の強度との関係を調べた。
図28は、医療用セラミックス多孔質体の製造条件3A〜3Fを示している。図28に示されるように、医療用セラミックス中空粒子の主原料としてHAP(3−A〜3−C)またはβ−TCP(3−D〜3−F)を使用し、医療用セラミックス多孔質体の主原料としてHAPを使用して、6種類のサンプルを製造した。
2 コア粒子
3 セラミックス原料層
4 有機微粒子
SA1 被覆ステップ
SA2 蒸散ステップ
SA3 粒子焼成ステップ
SB1 混合ステップ
SB2 成形ステップ
SB3 成形体焼成ステップ
Claims (8)
- 医療用セラミックス中空粒子を製造する製造ステップと、
該製造ステップによって製造された医療用セラミックス中空粒子とセラミックス原料とを乾式混合して混合物を得る混合ステップと、
前記混合物を加圧成形して成形体を得る成形ステップと、
前記成形体を焼成する成形体焼成ステップとを含み、
前記製造ステップが、
コア粒子の外表面の全体をセラミックス原料で被覆する被覆ステップと、
前記セラミックス原料で被覆されたコア粒子を加熱して該コア粒子を蒸散し、前記セラミックス原料からなる中空球状の粒子を得る蒸散ステップと、
前記中空球状の粒子を焼成する粒子焼成ステップとを含む医療用セラミックス多孔質体の製造方法。 - 前記セラミックス原料の主成分が、リン酸カルシウム化合物または炭酸カルシウムである請求項1に記載の医療用セラミックス多孔質体の製造方法。
- 前記セラミックス原料の主成分が、β型リン酸三カルシウム(β−TCP)、α型リン酸三カルシウム(α−TCP)、ハイドロキシアパタイト(HAP)、カルシウム欠損型ハイドロキシアパタイト、フルオロアパタイト、リン酸四カルシウム、リン八酸カルシウム(OCP)、リン酸水素カルシウム無水和物、リン酸水素カルシウム二水和物、TTCP、二リン酸カルシウム、メタリン酸カルシウム、および炭酸基置換型ハイドロキシアパタイト(CHA)のうちのいずれかである請求項2に記載の医療用セラミックス多孔質体の製造方法。
- 前記コア粒子の粒径が、10μm以上1000μm以下である請求項1から請求項3のいずれかに記載の医療用セラミックス多孔質体の製造方法。
- 前記コア粒子の粒径が、100μm以上400μm以下である請求項4に記載の医療用セラミックス多孔質体の製造方法。
- 前記被覆ステップにおいて、10μm以上の厚さを有する前記セラミックス原料の層を形成する請求項1から請求項5のいずれかに記載の医療用セラミックス多孔質体の製造方法。
- 前記被覆ステップの前に、前記セラミックス原料を、前記粒子焼成ステップにおける焼成温度よりも低い温度で加熱する仮焼ステップを含む請求項1から請求項6のいずれかに記載の医療用セラミックス多孔質体の製造方法。
- 前記被覆ステップの前に、前記コア粒子よりも小さな有機微粒子で前記コア粒子の表面を被覆する前被覆ステップを含む請求項1から請求項7のいずれかに記載の医療用セラミックス多孔質体の製造方法。
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