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 - Google Patents

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 Download PDF

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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JIS Z 2244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
13 HAp粉末
14 HAp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 (4)

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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
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