JP6778295B2

JP6778295B2 - ヒドロキシアパタイトをチタン系金属基材に固定化する方法及びヒドロキシアパタイト被覆金属材

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Publication number: JP6778295B2
Application number: JP2019074248A
Authority: JP
Inventors: 浩平白石; 宗作相良; 拓夫戸田
Original assignee: CASTEM CO., LTD.; Kinki University
Current assignee: CASTEM CO., LTD.; Kinki University
Priority date: 2019-04-09
Filing date: 2019-04-09
Publication date: 2020-10-28
Anticipated expiration: 2039-04-09
Also published as: US20220090268A1; EP3926073A1; EP3926073B1; WO2020209278A1; JP2020172677A; EP3926073A4

Description

本発明は、焼結法によりヒドロキシアパタイト（Ｃａ₁₀(ＰＯ₄)₆(ＯＨ)₂）をチタン系金属基材に固定化する方法及びヒドロキシアパタイト被覆金属材に関する。更に詳しくは、骨芽細胞が増殖する足場（スキャフォールド）となって、人工骨、人工関節、インプラント等の医療用材料に好適に使用されるヒドロキシアパタイト被覆金属材に関する。本明細書において、ヒドロキシアパタイトを「ＨＡｐ」と略称することもある。

人工骨、人工関節、インプラント等の医療用材料には、チタン、ステンレススチール等の金属やセラミックが用いられている。特にチタンは耐食性に優れ、耐衝撃強度が高く、硬くて丈夫であり、生体とのなじみも良く骨との結合が可能であって骨に近い弾性を持つ。しかしチタンは摩耗しやすいために人工関節のように摺動部分のある人工臓器には利用できない。更にチタンの成形加工はステンレススチールよりも難しい。一方、セラミックの中では、ヒドロキシアパタイト（ＨＡｐ）が歯科用インプラントに利用され始めている。これは、ＨＡｐが骨や歯の無機質の成分であり、骨との親和性が極めて良い優れたバイオマテリアルであるためである。しかしホットプレスにより焼結させたＨＡｐは２００ＭＰａ以上の圧縮強さを示すが、曲げ強度や耐衝撃強度が低く、折れやすく、強度を要求される用途には利用しにくい。

ＨＡｐの特性と金属基材の特性を考慮して、ヒドロキシアパタイトを金属基材に固定化する方法が知られている。従来、この種の方法として、湿式法により、過飽和擬似体液（simulated body fluid）（ＳＢＦ）を用いて、ステンレススチール（316 L）上にヒドロキシアパタイト（ＨＡｐ）コーティングを作製する方法が開示されている（例えば、特許文献１（請求項１、段落[０００１]、段落[００２５]）参照）。

この方法は、ａ）アセトン、エタノール及び脱イオン水を用いて既知の方法で金属基材の表面を粗くし、かつ超音波洗浄して清浄金属基材を得る工程；ｂ）５０〜６０℃の範囲の温度で、約１〜２時間前記清浄金属基材を乾燥させ、４〜１０ｗｔ％の範囲の濃度のタンパク質の水溶液に、４０〜５０℃の範囲の温度で、６．５〜７の範囲のｐＨにて、約２〜４時間前記清浄金属基材を浸漬させた後、水で３〜４回繰返し洗浄し、かつ２０〜３０℃の範囲の温度で、約１〜２時間乾燥させて乾燥表面処理金属基材を得る工程；ｃ）擬似体液［ＳＢＦ（Ｎ）］に、１〜２日間、３５〜３７℃の温度で、６．５〜７の範囲のｐＨにて前記乾燥表面処理金属基材を浸漬させて核化ヒドロキシアパタイトコート金属基材を得た後、脱イオン水で３〜４回洗浄し、該洗浄ヒドロキシアパタイト核化金属を２０〜３０℃の範囲の温度で、約１〜２時間乾燥させて乾燥ヒドロキシアパタイト核化金属基材を得る工程；ｄ）別の擬似体液［ＳＢＦ（Ｏ）］に、２〜４日の範囲の時間、３５〜３７℃の温度で、６〜６．５の範囲のｐＨにて前記乾燥ヒドロキシアパタイト核化金属基材を浸漬させた後、脱イオン水で３〜４回洗浄し、かつ２０〜３０℃の範囲の温度で、約１〜２時間乾燥させて、ヒドロキシアパタイト核化金属基材上に所望のタンパク質媒介カルシウムヒドロキシアパタイト（ＨＡｐ）コーティングを得る工程、を含む。

特開２００９−６７６６９号公報

特許文献１に示される方法では、金属基材表面に厚さ２０μｍ〜２８０μｍのＨＡｐコーティングが得られるが、この方法は、湿式法であるため、ＨＡｐコーティングを作製するための工程数が多く、数日以上の長い日数をかけないと、ＨＡｐコーティングを金属基材表面に作製できない。また得られたＨＡｐコーティングの表面硬度が低い問題点があった。

本発明の目的は、少ない工程でかつ比較的短い時間で、チタン系金属基材表面にヒドロキシアパタイトを固定化する方法を提供することにある。また本発明の別の目的は、骨芽細胞が増殖する足場となり得るヒドロキシアパタイト層が高硬度に被覆されたヒドロキシアパタイト被覆金属材を提供することにある。

本発明の第１の観点は、純チタン又はチタン合金からなるチタン系金属基材の表面を表面粗さＲａが１．６μｍ以上４．０μｍ以下になるように粗面化処理する工程と、前記粗面化処理したチタン系金属基材の表面全体又は表面の一部にヒドロキシアパタイト粉末を２５ｍｇ／ｃｍ²以上７０ｍｇ／ｃｍ²以下の割合で付着させる工程と、前記ヒドロキシアパタイト粉末が付着したチタン系金属基材を、雰囲気が大気、アルゴンガス又は炭酸ガスであるとき、８００℃以上の焼結温度で３時間以上１１時間以下の間、保持することにより、又は雰囲気が窒素ガスであるとき、１０５０℃以上の焼結温度で３時間以上１１時間以下の間、保持することにより、又は雰囲気が酸素ガスであるとき、９００℃以上の焼結温度で３時間以上１１時間以下の間、保持することにより、前記ヒドロキシアパタイト粉末を前記金属基材表面で焼結させる工程とを含むヒドロキシアパタイトをチタン系金属基材に固定化する方法である。

本発明の第２の観点は、第１の観点に基づく発明であって、チタン系金属基材がメタルインジェクション成形基材であることを特徴とする。

本発明の第３の観点は、チタン系金属基材表面に厚さ１０μｍ以上５１０μｍ以下の骨芽細胞が増殖する足場となり得るヒドロキシアパタイト層を有し、ヒドロキシアパタイトの固定化量が５ｍｇ／ｃｍ²以上１５．２ｍｇ／ｃｍ²以下であり、前記ヒドロキシアパタイト層表面のＪＩＳ−Ｋ５６００−５−４に規定される鉛筆硬度試験の硬度が６Ｈ以上であり、ＪＩＳ−Ｚ−２２４４に規定されるビッカース硬さが２５０ＨＶ以上７４０ＨＶ以下であるヒドロキシアパタイト被覆金属材である。

本発明の第４の観点は、第３の観点に基づく発明であってチタン系金属基材がメタルインジェクション成形基材であることを特徴とする。

本発明の第１の観点の方法では、ヒドロキシアパタイト粉末を表面粗さＲａが１．６μｍ以上４．０μｍ以下になるように粗面化処理したチタン系金属基材表面に所定の割合で付着させた後、ヒドロキシアパタイト粉末が付着したチタン系金属基材を大気、窒素ガス、アルゴンガス、酸素ガス又は炭酸ガスの雰囲気下、所定の温度で３時間以上１１時間以下の間、保持するため、ヒドロキシアパタイト粉末が焼結してチタン系金属基材表面に固定化される。このため、湿式法と比較して、この焼結法では、少ない工程でかつ比較的短い時間で、チタン系金属基材表面にヒドロキシアパタイトを固定化することができる。固定化されたヒドロキシアパタイト層は骨芽細胞が増殖することが可能となる。

本発明の第２の観点の方法では、チタン系金属基材がメタルインジェクション成形基材であるため、複雑な形状のヒドロキシアパタイト被覆金属材を製造することができる。

本発明の第３の観点のヒドロキシアパタイト被覆金属材は、チタン系金属基材表面に所定の厚さでかつ単位面積当り所定の固定化量で骨芽細胞が増殖する足場となり得るヒドロキシアパタイト層を有し、かつヒドロキシアパタイト層が、鉛筆硬度試験の硬度が６Ｈ以上であり、ＪＩＳ−Ｚ−２２４４に規定されるビッカース硬さが２５０ＨＶ以上７４０ＨＶ以下という、硬度が高い特徴がある。

本発明の第４の観点のヒドロキシアパタイト被覆金属材は、チタン系金属基材がメタルインジェクション成形基材であるため、複雑な形状の医療用材料に適用することができる。

本発明の実施形態に係るヒドロキシアパタイトをチタン系金属基材に固定化する方法の工程図である。本発明の実施形態によりヒドロキシアパタイト被覆金属材を製造するまでの模式図である。本実施形態の加熱時に、温度の上昇とともにＣａＣＯ₃が生成され、所定の温度に達するとＣａＴｉＯ₃が生成される状況を示す図である。本実施形態の加熱時にＴｉＯ₂層にヒドロキシアパタイト（ＨＡｐ）が結合する状況を示す模式図である。本実施形態の加熱時にＨＡｐとＴｉＯ₂とがＣａＴｉＯ₃を結合点として結合する状況を示す模式図である。実施例１のヒドロキシアパタイト粉末をチタン系金属基材表面で焼結させるときのヒートパターンを示す図である。

次に本発明を実施するための形態について図面を参照して説明する。

〔ヒドロキシアパタイトをチタン系金属基材に固定化する方法〕
本発明の実施形態のヒドロキシアパタイトをチタン系金属基材に固定化する方法は、図１、図２(ａ)及び図２(ｂ)に示すようにチタン系金属基材１１の表面を表面粗さＲａが１．６μｍ以上４．０μｍ以下になるように粗面化処理する工程Ａと、図１及び図２(ｃ)に示すように粗面化処理したチタン系金属基材１２の表面全体又は表面の一部に、ヒドロキシアパタイト粉末１３を付着させる工程Ｂと、図１及び図２(ｃ)に示すようにヒドロキシアパタイト粉末が付着したチタン系金属基材１４を所定の雰囲気下、８００℃以上１１５０℃以下の温度で３時間以上１１時間以下の間、保持することにより、ヒドロキシアパタイト粉末を金属基材表面で焼結させる工程Ｃとを含む。これによりヒドロキシアパタイトをチタン系金属基材に固定化したヒドロキシアパタイト被覆金属材１５が得られる。

〔チタン系金属基材表面の粗面化処理〕
本発明の実施形態で使用する金属基材１１は、純チタン基材又はチタン合金基材である。純チタンとしてはＪＩＳ規格で定められたチタン（例えば、ＪＩＳ２種チタン）が挙げられ、チタン合金としては、耐食チタン合金（例えば、ＪＩＳ１１種、１２種、１３種チタン合金）、６４チタン合金（Ｔｉ６Ａｌ４Ｖ）等が挙げられる。金属基材１１の形状は、板状、棒状、柱状、筒状等の中から、人工骨、人工関節、インプラント等の用途に応じて決められる。複雑な形状の金属基材はメタルインジェクション成形品を用いることが好ましい。チタン系金属基材表面の粗面化処理は、サンドブラスト処理により行われる。

サンドブラスト処理では、上記金属基材の表面に対して平均粒径が３０μｍ〜３００μｍの範囲にあるアルミナ粒子を、例えば５．０ｋｇ／ｃｍ²の噴射圧力で噴射する。その後、この金属基材を５０℃の１０％苛性ソーダ水溶液に２分間浸漬し、更に、２０℃の８％硝酸水溶液に２分間浸漬した後、金属基材を純水で水洗するか又は純水中で超音波洗浄する。或いは噴射後、直ちに純水中で超音波洗浄する。このサンドブラスト処理により、チタン系金属基材の表面粗さＲａを１．６μｍ以上４．０μｍ以下、好ましくは１．６μｍ以上１．８μｍ以下にする。

サンドブラスト処理により得られる表面粗さＲａが１．６μｍ未満では、後述するヒドロキシアパタイト粉末を付着させようとしたときに、金属基材の表面の凹凸度が不足して、粉末がチタン系金属基材表面に付着しにくい。また４．０μｍを超えると、成形品の表面凹凸形状が大き過ぎるため、均質な歯や骨を形成しにくい。上記表面粗さＲａは面粗度測定器（ミツトヨ製ＳｕｒｆｅｓｔＳＪ−４００）を用いて測定される。

〔ヒドロキシアパタイト粉末〕
ヒドロキシアパタイト粉末は、球状であり、その平均粒径は、２０μｍ以上４０μｍ以下であることが好ましい。２０μｍ未満では生体埋入時に、タンパク質への吸着性や骨芽細胞への付着性が低下しやすく、このために歯や骨になりにくい。４０μｍを超えると、ヒドロキシアパタイトがチタン系金属基材に固定化されにくい。この粉末の平均粒径は、レーザー回折法により測定される。ヒドロキシアパタイト粉末としては、種々の合成法で調製した粉末を使用することができ、結晶性や種々のイオンでの置換性は特に限定されない。例えば、カリウムイオン、ナトリウムイオン、マグネシウムイオン、ストロンチウムイオン、フッ化物イオン、炭酸イオンなどで結晶構造サイトが一部置換されたヒドロキシアパタイトを使用してもよい。市販品のヒドロキシアパタイト粉末としては、Ｓｉｇｍａ−Ａｌｄｒｉｃｈ社製の品番２８９３９６が挙げられる。

〔ヒドロキシアパタイト粉末の付着方法〕
粗面化処理したチタン系金属基材１２の表面全体又は表面の一部にヒドロキシアパタイト粉末１３を均一に付着させる。ヒドロキシアパタイト粉末は、基材１２上に２５／ｃｍ²以上５０ｍｇ／ｃｍ²以下の割合で付着させることが好ましい。２５ｍｇ／ｃｍ²未満では、骨芽細胞が増殖する足場（スキャフォールド）として十分な厚さのヒドロキシアパタイト層を形成しにくいおそれがあり、５０ｍｇ／ｃｍ²を超えると、剥離の不具合を生じやすい。ヒドロキシアパタイト粉末の付着量は３０ｍｇ／ｃｍ²以上４０ｍｇ／ｃｍ²以下であることが更に好ましい。

ヒドロキシアパタイト粉末の付着方法としては、ヒドロキシアパタイト粉末を水平に置かれたチタン系金属基材の上方から落下させて塗した後、チタン系金属基材を裏返して、余分な粉末をその自重で取り除き、チタン系金属基材上に均一な厚さのヒドロキシアパタイト粉末層を形成させる方法、或いはヒドロキシアパタイト粉末を開口した容器に貯えておき、容器内のヒドロキシアパタイト粉末にチタン系金属基材を接触させた後、チタン系金属基材を引上げて、チタン系金属基材上に均一な厚さのヒドロキシアパタイト粉末層を形成させる方法、更には容器内のヒドロキシアパタイト粉末中にチタン系金属基材を埋没させた後、金属基材を引上げ、余分に付着した粉末を除去して、チタン系金属基材上に均一な厚さのヒドロキシアパタイト粉末層を形成させる方法がある。これらの方法により、チタン系金属基材の粗面化された凹部にヒドロキシアパタイト粉末が入り込みヒドロキシアパタイト粉末が付着する。

〔ＨＡｐ粉末が付着したチタン系金属基材の加熱とＨＡｐの焼結〕
ヒドロキシアパタイト粉末が付着したチタン系金属基材１４は、電気炉、マイクロウエーブ炉、ガス炉などにより加熱される。加熱は、所定の雰囲気下、８００℃以上の焼結温度で３時間以上１１時間以下の間、行われる。雰囲気としては、大気、窒素ガス、アルゴンガス、酸素ガス又は炭酸ガスの雰囲気が挙げられる。ヒドロキシアパタイトのチタン系金属基材への固定化は、雰囲気の種類により異なる。これは、ヒドロキシアパタイトの分解が雰囲気の種類によって異なるためである。雰囲気は、炭酸ガス雰囲気がヒドロキシアパタイトを分解させやすいため、最も好ましく、炭酸ガスを含む大気がより好ましい。焼結は、雰囲気が大気、アルゴンガス又は炭酸ガスであるとき、８００℃以上の焼結温度で、好ましくは、１１５０℃以下の焼結温度で、３時間以上１１時間以下の間、保持することにより、行われる。また焼結は、雰囲気が窒素ガスであるとき、１０５０℃以上の焼結温度で、好ましくは、１１５０℃以下の焼結温度で、３時間以上１１時間以下の間、保持することにより、行われる。また焼結は、雰囲気が酸素ガスであるとき、９００℃以上の焼結温度で、好ましくは、１１５０℃以下の焼結温度で、３時間以上１１時間以下の間、保持することにより、行われる。また焼結温度の好ましい上限値を１１５０℃にするのは、無用の熱エネルギーの消費を抑えるためである。室温からの昇温速度は６℃／分以上３０℃／分以下がＣａＣＯ₃からＣａＴｉＯ₃がを連続して生成させるために好ましい。焼結時間は、６時間以上が好ましい。チタン系金属基材は焼結前から大気中の酸素により基材表面にＴｉＯ₂が生成される。焼結後、３℃／分以上１０℃／分以下の降温速度で炉冷することが好ましい。

図３に示すように、焼結雰囲気が大気又は炭酸（ＣＯ₂）ガスであって、雰囲気温度が８００℃未満であるときには、ヒドロキシアパタイトの一部であるＣaＯとＣＯ₂と反応してＣａＣＯ₃を生成する。このとき、雰囲気中のＣＯ₂がＣａＣＯ₃の分解を促進する。
図３及び図４に示すように、雰囲気温度が８００℃以上になるとＣａＣＯ₃の分解温度の到達し、ＣａＣＯ₃が再びＣaＯとＣＯ₂に分解する。分解生成後の反応性ＣaＯが基材表面のＴｉＯ₂と反応してチタン系金属基材表面にペロブスカイト構造のＣａＴｉＯ₃が生成され、基材表面との強い結合が形成される。
図５に示すように、この反応生成物であるＣａＴｉＯ₃がヒドロキシアパタイト（ＨＡｐ）とＴｉＯ₂間結合点となり、チタン系金属基材にヒドロキシアパタイト層を高硬度に固定化する。雰囲気が大気、アルゴンガス又は炭酸ガスであるとき、焼結温度が８００℃未満又は３時間未満では、上記相互反応が十分に行われず、ヒドロキシアパタイト粉末が十分に基材に固定化しない。雰囲気が窒素ガスであるとき、焼結温度が１０５０℃未満又は３時間未満では、上記相互反応が十分に行われず、ヒドロキシアパタイト粉末が十分に基材に固定化しない。雰囲気が酸素ガスであるとき、焼結温度が９００℃未満又は３時間未満では、上記相互反応が十分に行われず、ヒドロキシアパタイト粉末が十分に基材に固定化しない。

〔ヒドロキシアパタイト被覆金属材〕
図１、図２(ｃ)及び図２(ｄ)に戻って、ＨＡｐ粉末を塗したチタン系金属基材１４を上記条件で加熱することにより、ヒドロキシアパタイト層が焼結して高硬度に被覆されたヒドロキシアパタイト被覆金属材１５が作られる。このヒドロキシアパタイト層の厚さは、上記ＨＡｐ粉末１４を付着させる量に応じて変化するが、１０μｍ以上５１０μｍ以下である。ヒドロキシアパタイトの固定化量は５ｍｇ／ｃｍ²以上１５．２ｍｇ／ｃｍ²以下である。厚さが１０μｍ未満では、又は固定化量が５ｍｇ／ｃｍ²未満では、骨芽細胞が増殖する足場（スキャフォールド）として十分な厚さのヒドロキシアパタイト層を形成しにくいおそれがあり、また厚さが５１０μｍを超えると、又は固定化量が１５．２ｍｇ／ｃｍ²を超えると、焼結後のヒドロキシアパタイト層が剥離しやすくなる。ヒドロキシアパタイト層の厚さは、２０μｍ以上３００μｍ以下であることが好ましい。またヒドロキシアパタイトの固定化量は５．５ｍｇ／ｃｍ²以上１５．２ｍｇ／ｃｍ²以下であることが好ましい。ヒドロキシアパタイト層の硬度は、ＪＩＳ−Ｋ５６００−５−４に規定する鉛筆硬度試験で測定すると、６Ｈ以上である。またヒドロキシアパタイト層のＪＩＳ−Ｚ−２２４４に規定されるビッカース硬さが２５０ＨＶ以上７４０ＨＶ以下、好ましくは４００ＨＶ以上５００ＨＶ以下である。

次に本発明の実施例を比較例とともに詳しく説明する。以下に示す実施例５〜実施例８、実施例２０及び実施例２１は、実施例ではなく、参考例である。

＜実施例１＞
図２(ａ)示すように、厚さ４ｍｍの株式会社キャステム製の純チタン板材をたて１０ｍｍ、よこ１０ｍｍに切り出してチタン基材１１とした。このチタン基材１１の表面を平均粒径２８０μｍのアルミナ粒子を５．０ｋｇ／ｃｍ²の噴射圧力で噴射してサンドブラスト処理した。その後、チタン基材を５０℃の１０％苛性ソーダ水溶液に２分間浸漬し、更に、２０℃の８％硝酸水溶液に２分間浸漬した後、チタン基材を純水中で超音波洗浄した。これにより、粗面化処理して、図２(ｂ)に示すように、粗面化処理したチタン基材１２を得た。このチタン基材１２の表面粗さＲａは約１．７μｍであった。一方、市販品の平均粒径２０μｍのヒドロキシアパタイト粉末（Ｓｉｇｍａ−Ａｌｄｒｉｃｈ社製、品番２８９３９６）を用意した。

粗面化処理したチタン基材１２を水平に配置した後、図２(ｃ)に示すように、ヒドロキシアパタイト粉末をチタン基材１２の上方からチタン基材１２の上面全体に均一な厚さになるように塗して付着させた。塗した粉末１３の被覆量、即ち付着量は、２５ｍｇ／ｃｍ²であった。続いて、ヒドロキシアパタイト粉末が付着したチタン基材１４を電気炉に入れ、図５に示すように、大気中、３０℃／分の速度で８００℃まで昇温して６時間保持してヒドロキシアパタイト粉末を焼結させた。これにより図２(ｄ)に示すように、粗面化処理したチタン基材１２上にヒドロキシアパタイト層が固定化されたヒドロキシアパタイト被覆チタン材１５を得た。

このヒドロキシアパタイト被覆チタン材の原材料であるチタン基材の材質、チタン基材の粗面化後の表面粗さ、ＨＡｐ粉末の平均粒径、チタン基材上のＨＡｐ粉末の付着量、並びにその焼結条件（雰囲気、焼結温度、焼結時間）を以下の表１に示す。

＜実施例２〜８及び比較例１〜６＞
雰囲気が大気の場合について、原材料であるチタン基材の材質、チタン基材の粗面化後の表面粗さ、ＨＡｐ粉末の平均粒径、チタン基材上のＨＡｐ粉末の付着量、並びにその焼結条件（雰囲気、焼結温度、焼結時間）を上記表１に示すようにそれぞれ変更し、それ以外は実施例１と同様にして、実施例２〜８及び比較例１〜６のヒドロキシアパタイト被覆チタン材を得た。

＜実施例９、１０及び比較例７＞
雰囲気が窒素ガスの場合について、原材料であるチタン基材の材質、チタン基材の粗面化後の表面粗さ、ＨＡｐ粉末の平均粒径、チタン基材上のＨＡｐ粉末の付着量、並びにその焼結条件（雰囲気、焼結温度、焼結時間）を以下の表２に示すようにそれぞれ変更し、それ以外は実施例１と同様にして、実施例９、１０及び比較例７のヒドロキシアパタイト被覆チタン材を得た。

＜実施例１１〜１４＞
雰囲気がアルゴンガスの場合について、原材料であるチタン基材の材質、チタン基材の粗面化後の表面粗さ、ＨＡｐ粉末の平均粒径、チタン基材上のＨＡｐ粉末の付着量、並びにその焼結条件（雰囲気、焼結温度、焼結時間）を上記表２に示すようにそれぞれ変更し、それ以外は実施例１と同様にして、実施例１１〜１４のヒドロキシアパタイト被覆チタン材を得た。

＜実施例１５〜１７及び比較例８＞
雰囲気が酸素ガスの場合について、原材料であるチタン基材の材質、チタン基材の粗面化後の表面粗さ、ＨＡｐ粉末の平均粒径、チタン基材上のＨＡｐ粉末の付着量、並びにその焼結条件（雰囲気、焼結温度、焼結時間）を上記表２に示すようにそれぞれ変更し、それ以外は実施例１と同様にして、実施例１５〜１７及び比較例８のヒドロキシアパタイト被覆チタン材を得た。

＜実施例１８〜２１＞
雰囲気が炭酸ガスの場合について、原材料であるチタン基材の材質、チタン基材の粗面化後の表面粗さ、ＨＡｐ粉末の平均粒径、チタン基材上のＨＡｐ粉末の付着量、並びにその焼結条件（雰囲気、焼結温度、焼結時間）を上記表２に示すようにそれぞれ変更し、それ以外は実施例１と同様にして、実施例１８〜２１のヒドロキシアパタイト被覆チタン材を得た。

＜比較評価試験＞
実施例１〜２１及び比較例１〜８により得られた２９種類のヒドロキシアパタイト被覆チタン材のサンプルについて、その表面性状を次の項目で評価した。これらの評価定結果を上述した表１及び表２に示す。また実施例２０のヒドロキシアパタイト被覆チタン材のサンプルについてその骨芽細胞の接着率を調べた。。

（１）ＨＡｐの固定化量
ヒドロキシアパタイトの固定化量は、焼結前、質量測定したチタン基板に所定量のヒドロキシアパタイトを載せ、焼結後、基板を柔らかい刷毛で固定化していないヒドロキシアパタイトを除去した後、質量測定して焼結前のチタン質量を差し引き、ヒドロキシアパタイト固定化量とした。

（２）ＨＡｐ層の厚さ
焼結前と焼結後の基板の厚みをマイクロメーター（(株)ミツトヨ製直進式ブレードマイクロメータＢＬＭ−５０ＭＸ）で測定して求めた。

（３）蛍光Ｘ線分析によるＣａ，Ｐのピーク有無
蛍光Ｘ線分析装置（X-ray Fluorescence：ＸＲＦ）（日本電子社製、型式名：JSX-3222）を使用し、各サンプルの表面の元素を分析した。線源元素はＲｈとし、管電圧は３０．０ｋＶ、管電流は０．１５０ｍＡとし、ライブタイム１２００秒で測定した。このＸＲＦ分析でＨＡｐの無機成分であるＣａとＰに相当するピーク波形が両方見られたときを「ＨＡｐ成分有り」とし、双方のピーク波形が見られないときを「ＨＡｐ成分無し」とした。

（４）Ｘ線回折によるＨＡｐ成分のピーク有無
Ｘ線回折（X‐ray diffraction：ＸＲＤ）装置（リガク(株)製、型式名：ＲＩＮＴ２０００）を使用し、各サンプルの表面物質を解析した。測定範囲は５°〜６０°、スキャンスピードは４ｄｅｇ／分、電圧は４０ｋＶ、電流は２０ｍＡ、スリット幅は１−１−０．１５°、ＣｕＫα線（特性Ｘ線）、モノクロメーターを使用した。このＸＲＤ測定でＨＡｐの無機成分であるＰとＣａに相当するピーク波形が両方見られたときを「ＨＡｐ成分有り」とし、両方のピーク波形が見られないときを「ＨＡｐ成分無し」とした。

（５）固定化したＨＡｐ層の摩耗強度（鉛筆硬度）
固定化したＨＡｐ層の摩耗強度を測定するために鉛筆硬度試験を行った。具体的には、鉛筆硬度試験器（Allgood 054シリーズ）を使用し、チタン基板表面に固定化した各サンプルの剥離試験をした。鉛筆硬度試験用の三菱ｕｎｉ鉛筆を木の部分のみを削り、芯だけを５ｍｍ〜６ｍｍ露出させた。この鉛筆を試験器にセットし、鉛筆の芯の先端に７５０ｇ±１０ｇの荷重がかかった状態で、４５°±１°の角度で保持し、０．５ｍｍ／秒〜１ｍｍ／秒の速度で少なくとも７ｍｍの距離を押した。サンプル表面に付着した鉛筆の芯の粉を柔らかい布で拭き取り、キズ又は圧痕を確認した。キズが入った鉛筆の一つ前の柔らかい鉛筆硬度をそのＨＡｐ層の鉛筆硬度とした。この試験はＪＩＳ−Ｋ５６００−５−４のＪＩＳ規格に対応する。

（６）固定化したＨＡｐ層の接着強度（ビッカース硬度）
固定化したＨＡｐ層の接着強度を測定するためにビッカース硬さ試験を行った。ビッカース硬さとはＪＩＳＺ２２４４に規定されるビッカース硬さであり、例えばサンプル表面の異なる５点に圧力印加して、それによる塑性変形に対する抵抗の平均値を算出し、この平均値をビッカース硬さとした。

（７）固定化したＨＡｐ層の接着強度（衝撃強度）
固定化したＨＡｐ層の接着強度を測定するために自由落下試験を次の方法により行った。落下高さを８０ｃｍとし、（自由落下エネルギー５．３Ｊ）して、平滑なコンクリート床材面上にヒドロキシアパタイト層を固定化したヒドロキシアパタイト被覆チタン材を５回自由落下させ、サンプル表面のヒドロキシアパタイト層が剥離するか否かを評価した。この衝撃試験は、サンプルをガラス板にした場合には、ガラス板が２０ｃｍの高さからの自由落下で割れる程度の衝撃試験である。

（８）固定化したＨＡｐ層のＳＥＭ観察
走査型電子顕微鏡観察（Scanning Electron Microscope：ＳＥＭ）（HITACHI S-4800）を用いて、固定化したＨＡｐ層の表面性状を観察した。固定化したＨＡｐ粒子の間に隙間が有るか否か、有る場合に、骨芽細胞がこの隙間に侵入し固着して、増殖の足場（スキャフォールド）となり得るか否かを調べた。

（９）固定化したＨＡｐ層への骨芽細胞の接着率
固定化したＨＡｐ層に骨芽細胞が増殖するか否かを骨芽細胞のＨＡｐ層への接着率により調べた。この接着率は次の方法で求めた。
３５ｍｍ培養皿の端にチタン基板又はヒドロキシアパタイト層を固定化したチタン基板を透明粘着シートで固定した。ＭＣ３Ｔ３−Ｅ１細胞を１．５×１０⁵ｃｅｌｌｓ播種し、３７℃で２４時間培養した。培養後、光学顕微鏡を用いて細胞を観察し、チタン基板又はヒドロキシアパタイト層を固定化したチタン基板を固定していない部分以外をコントロールとして、骨芽細胞の接着率を次の式により算出した。サンプルの数を３としてその平均値を求めた。
骨芽細胞接着率(％)＝サンプル上の細胞数／未処理基板（コントロール）の細胞数

＜評価結果＞
表１から明らかなように、大気中で焼結を行った比較例１のサンプルでは、粗面化処理したチタン基材の表面粗さＲaが１．５μｍであって粗面化が十分に行われず、チタン基材上へのＨＡｐの固定化量が１．６ｍｇ／ｃｍ²と少な過ぎた。このため蛍光Ｘ線によるＨＡｐ由来と考えられるＣａとＰに相当するピーク波形が両方見られたけれども、ＨＡｐの厚さは測定できず、またＸＲＤによるＨＡｐ成分のピーク波形は見られなかった。鉛筆硬度試験、ビッカース硬さ試験、衝撃試験（以下、鉛筆硬度試験等といる。）の評価は行わなかった。、骨芽細胞のＳＥＭ観察の結果、骨芽細胞の侵入・固着は不能であった。

大気中で焼結を行った比較例２のサンプルでは、焼結温度が７５０℃であったため、チタン基材上へのＨＡｐの固定化量が４．８ｍｇ／ｃｍ²と少な過ぎた。このため蛍光Ｘ線によるＨＡｐ由来と考えられるＣａとＰに相当するピーク波形が両方とも見られず、またＨＡｐの厚さは測定できず、またＸＲＤによるＨＡｐ成分のピーク波形も見られなかった。鉛筆硬度試験等の評価は行わなかった。骨芽細胞のＳＥＭ観察の結果、骨芽細胞の侵入・固着は不能であった。

大気中で焼結を行った比較例３のサンプルでは、ＨＡｐ粉末のチタン基材上の付着量が多かったため、チタン基材上へのＨＡｐの固定化量が５０．４ｍｇ／ｃｍ²と多過ぎ、かつＨＡｐの厚さが７７０μｍと厚過ぎた。このため、衝撃試験でＨＡｐ層がチタン基材表面から剥離した。鉛筆硬度は６Ｈ以上であり、ビッカース硬さは４４５ＨＶであり、骨芽細胞のＳＥＭ観察の結果、骨芽細胞の侵入・固着は可能であった。

大気中で焼結を行った比較例４のサンプルでは、ＨＡｐ粉末の付着量が７５ｍｇ／ｃｍ²と多過ぎたため、チタン基材上へのＨＡｐの固定化量が５４．４ｍｇ／ｃｍ²と多過ぎ、かつＨＡｐの厚さが６２５μｍと厚過ぎた。衝撃試験でＨＡｐ層がチタン基材表面から剥離した。鉛筆硬度は６Ｈ以上であり、ビッカース硬さは５１９ＨＶであり、骨芽細胞のＳＥＭ観察の結果、骨芽細胞の侵入・固着は可能であった。

大気中で焼結を行った比較例５のサンプルでは、焼結時間が２．０時間と短過ぎたため、チタン基材上へのＨＡｐの固定化量は２７．５ｍｇ／ｃｍ²であり、ＨＡｐの厚さが２３９μｍであったが、衝撃試験でＨＡｐ層がチタン基材表面から剥離した。これはチタン基材上へのＨＡｐの固定化ができなかったためと考えられる。鉛筆硬度は６Ｈ以上であり、ビッカース硬さは５６７ＨＶであり、骨芽細胞のＳＥＭ観察の結果、骨芽細胞の侵入・固着は可能であった。

大気中で焼結を行った比較例６のサンプルでは、焼結時間が１２．０時間と長過ぎたため、チタン基材上へのＨＡｐの固定化量は６５．３ｍｇ／ｃｍ²と多過ぎ、ＨＡｐの厚さも７８０μｍと厚すぎた。このため、衝撃試験でＨＡｐ層がチタン基材表面から剥離した。鉛筆硬度は６Ｈ以上であり、ビッカース硬さは６４２ＨＶであり、骨芽細胞のＳＥＭ観察の結果、骨芽細胞の侵入・固着は可能であった。

表２から明らかなように、窒素ガス雰囲気で焼結を行った比較例７のサンプルでは、焼結温度が１０００℃であったため、チタン基材上へのＨＡｐの固定化量が３．４ｍｇ／ｃｍ²と少な過ぎた。このため蛍光Ｘ線によるＨＡｐ由来と考えられるＣａとＰに相当するピーク波形が両方とも見られず、またＨＡｐの厚さは測定できず、またＸＲＤによるＨＡｐ成分のピーク波形も見られなかった。鉛筆硬度試験等の評価は行わなかった。骨芽細胞のＳＥＭ観察の結果、骨芽細胞の侵入・固着は不能であった。

酸素ガス雰囲気で焼結を行った比較例８のサンプルでは、焼結温度が８５０℃であったため、チタン基材上へのＨＡｐの固定化量が４．７ｍｇ／ｃｍ²と少な過ぎた。このため蛍光Ｘ線によるＨＡｐ由来と考えられるＣａとＰに相当するピーク波形が両方とも見られず、またＨＡｐの厚さは測定できず、またＸＲＤによるＨＡｐ成分のピーク波形も見られなかった。鉛筆硬度試験等の評価は行わなかった。骨芽細胞のＳＥＭ観察の結果、骨芽細胞の侵入・固着は不能であった。

これに対して、大気中で焼結を行った実施例１〜８、窒素ガス雰囲気で焼結を行った実施例９、１０、アルゴンガス雰囲気で焼結を行った１１〜１４、酸素ガス雰囲気で焼結を行った実施例１５〜１７、炭酸ガス雰囲気で焼結を行った実施例１８〜２１のサンプルでは、すべてのサンプルにおいて、蛍光Ｘ線解析から、ＨＡｐ組成のＣａとＰ元素のピークが確認された。またＸＲＤ（Ｘ線回折）解析から、ＨＡｐの結晶構造のピークも確認された。そして、ＸＲＤピーク解析及びＸＲＦ（蛍光Ｘ線）の分析から、チタン基材とＨＡｐの接着において、チタン基材表面に生成するＴｉＯ₂とＨＡｐの相互作用により、ＨＡｐの結晶構造の一部が、リン酸三カルシウム（β−ＴＣＰ）に変化していること、及びペロブスカイト構造のＣａＴｉＯ３が生成されていることが確認された。これによりＨＡｐ層がチタン基材に強く結合していることが推察された。即ち、チタン基材表面にＨＡｐが固定化していることが推察された。
また実施例１〜２１のサンプルでは、ＨＡｐ層は鉛筆硬度試験結果が６Ｈ以上の硬さを有し、ビッカース硬さは２５０ＨＶ以上７４０ＨＶ以下の範囲にある硬度を示した。また自由落下試験による衝撃強度では、ＨＡｐ層がすべて剥離せず、十分な強度を有していた。特に炭酸ガスでは他のガスよりもアパタイト層の基板との密着性と硬度を維持したまた厚みを増大させることが確認された。
更に実施例１〜２１のサンプルでは、ＳＥＭ観察から、固定化したＨＡｐ層を構成するＨＡｐ粒子間に隙間が確認され、骨芽細胞が増殖する足場（スキャフォールド）が生成され、骨芽細胞の侵入と固着が可能であることが確認された。実施例２０のサンプルでは、固定化したＨＡｐ層に骨芽細胞が８４．３％の高い割合で接着していた。

本発明のヒドロキシアパタイト被覆金属材は、骨芽細胞が増殖する足場（スキャフォールド）となって、人工骨、人工関節、インプラント等の医療用材料に利用することができる。

１１チタン系金属基材
１２粗面化されたチタン系金属基材
１３ＨＡｐ粉末
１４ＨＡｐ粉末が付着したチタン系金属基材
１５ヒドロキシアパタイト被覆金属材

Claims

純チタン又はチタン合金からなるチタン系金属基材の表面を表面粗さＲａが１．６μｍ以上４．０μｍ以下になるように粗面化処理する工程と、
前記粗面化処理したチタン系金属基材の表面全体又は表面の一部にヒドロキシアパタイト粉末を２５ｍｇ／ｃｍ²以上７０ｍｇ／ｃｍ²以下の割合で付着させる工程と、
前記ヒドロキシアパタイト粉末が付着したチタン系金属基材を、
雰囲気が大気、アルゴンガス又は炭酸ガスであるとき、８００℃以上の焼結温度で３時間以上１１時間以下の間、保持することにより、又は
雰囲気が窒素ガスであるとき、１０５０℃以上の焼結温度で３時間以上１１時間以下の間、保持することにより、又は
雰囲気が酸素ガスであるとき、９００℃以上の焼結温度で３時間以上１１時間以下の間、保持することにより、
前記ヒドロキシアパタイト粉末を前記金属基材表面で焼結させる工程とを含むヒドロキシアパタイトをチタン系金属基材に固定化する方法。
チタン系金属基材がメタルインジェクション成形基材である請求項１記載の方法。
チタン系金属基材表面に厚さ１０μｍ以上５１０μｍ以下の骨芽細胞が増殖する足場となり得るヒドロキシアパタイト層を有し、ヒドロキシアパタイトの固定化量が５ｍｇ／ｃｍ²以上１５．２ｍｇ／ｃｍ²以下であり、前記ヒドロキシアパタイト層表面のＪＩＳ−Ｋ５６００−５−４に規定される鉛筆硬度試験の硬度が６Ｈ以上であり、ＪＩＳ−Ｚ−２２４４に規定されるビッカース硬さが２５０ＨＶ以上７４０ＨＶ以下であるヒドロキシアパタイト被覆金属材。
チタン系金属基材がメタルインジェクション成形基材である請求項３記載のヒドロキシアパタイト被覆金属材。