JP7083557B1 - チタン又はチタン合金の表面処理方法 - Google Patents
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Abstract
本発明は、安価かつ簡便にチタン又はチタン合金の表面の性状を改質することができる表面処理方法を提供することを目的とする。本発明は、チタン又はチタン合金を、ケイ素及びリンを含有するミネラル塩を含む水溶液を電気分解して得られたアルカリイオン水に浸漬する、チタン又はチタン合金の表面処理方法に関する。
Description
本発明は、チタン又はチタン合金の表面処理方法に関する。
歯科用インプラントの分野では、主としてチタン又はチタン合金が素材として利用されてきた。その理由として、チタン又はチタン合金の表面が酸化チタンを主体とする酸化被膜で被覆されており、この被膜が体液中での腐食に対する不動態膜となってチタン又はチタン合金の腐食を抑制すること、及びこの被膜が骨に対して高い親和性をもつことが挙げられる。
特に歯科用インプラントにおいては、インプラントを一旦顎骨に埋入してインプラントと骨との十分な結合を待ってからインプラント体上部に補綴物を装着する必要があり、このインプラントの埋入から上部補綴物の装着までの時間はインプラントと骨との結合が得られる時間に依存する。骨結合に要する時間は下顎で３～４か月、上顎で６か月という長期間を要する。現在、患者を中心に考えるインプラント治療への気運が高まる中で、骨結合を得るために要するこの３～６か月の期間を短縮することが課題となっている。
そのためには骨結合を早期に達成させることが極めて重要であり、そのためにインプラント材料表面を改質する技術の開発が進められている。このような表面改質方法の一つとして、医療用インプラントを高エネルギー放射線（紫外線）で照射する工程を含む医療用インプラントの処理方法が提案されている（例えば、特許文献１）。
しかしながら、特許文献１の方法を用いてインプラント材料表面を改質するためには、高価な器材を用いて高エネルギー放射線（紫外線）を長時間照射する必要であり、そのため該方法で処理されたインプラントは、高コストとなる等の問題点があった。
かかる状況において、本発明は、安価かつ簡便にチタン又はチタン合金の表面の性状を改質することができる表面処理方法を提供することを目的とする。
かかる状況において、本発明は、安価かつ簡便にチタン又はチタン合金の表面の性状を改質することができる表面処理方法を提供することを目的とする。
本発明者らが安価かつ簡便にチタン又はチタン合金の表面の性状を改質することができる表面処理方法を開発すべく鋭意検討した結果、チタン表面を特定の製造方法により製造されたアルカリイオン水で処理することにより、チタン表面が親水性となり、タンパク吸着量及び細胞接着率が向上することを見出した。本発明は、このような知見に基づき完成されたものである。
すなわち、本発明は、以下のとおりである。
項１．
チタン又はチタン合金を、ケイ素及びリンを含有するミネラル塩を含む水溶液を電気分解して得られたアルカリイオン水に浸漬する工程を含む、チタン又はチタン合金の表面処理方法。
項２．
前記アルカリイオン水中に、前記ケイ素が０．４～４００ｍａｓｓ ｐｐｍ、及びリンが４００～８００ｍａｓｓ ｐｐｍ含まれる、上記項１に記載の表面処理方法。
項３．
前記アルカリイオン水中に、さらに、カルシウム、カリウム、ナトリウム、及びマグネシウムからなる群より選ばれる少なくとも一種のミネラルが含まれる、上記項１又は２に記載の表面処理方法。
項４．
前記アルカリイオン水中に、さらに、塩素が含まれる、上記項１～３の何れか一項に記載の表面処理方法。
項５．
前記アルカリイオン水のｐＨが１０～１２．５である、上記項１～４の何れか一項に記載の表面処理方法。
項６．
前記アルカリイオン水の表面張力が５５～６８ｍＮ／ｍである、上記項１～５の何れか一項に記載の表面処理方法。
項７．
前記アルカリイオン水が、ケイ素及びリンを含有するミネラル塩と水とを含む水溶液を電気分解する電気分解工程、及び、前記工程で得られた陰極側のアルカリ水と、ケイ素及びリンを含有するミネラル塩とを混合して混合液を得、該混合液に電子を供給する電子供給工程により得られたものである、上記項１～６の何れか一項に記載の表面処理方法。
項８．
ケイ素及びリンを含有するミネラル塩を含む水溶液を電気分解して得られたアルカリイオン水によって表面が処理されている、チタン又はチタン合金製のインプラント。
項９．
ケイ素及びリンを含有するミネラル塩を含む水溶液を電気分解してアルカリイオン水を得る工程、及び、
前記アルカリイオン水をチタン又はチタン合金の表面に処理する工程を備える、チタン又はチタン合金製のインプラントの製造方法。
項１．
チタン又はチタン合金を、ケイ素及びリンを含有するミネラル塩を含む水溶液を電気分解して得られたアルカリイオン水に浸漬する工程を含む、チタン又はチタン合金の表面処理方法。
項２．
前記アルカリイオン水中に、前記ケイ素が０．４～４００ｍａｓｓ ｐｐｍ、及びリンが４００～８００ｍａｓｓ ｐｐｍ含まれる、上記項１に記載の表面処理方法。
項３．
前記アルカリイオン水中に、さらに、カルシウム、カリウム、ナトリウム、及びマグネシウムからなる群より選ばれる少なくとも一種のミネラルが含まれる、上記項１又は２に記載の表面処理方法。
項４．
前記アルカリイオン水中に、さらに、塩素が含まれる、上記項１～３の何れか一項に記載の表面処理方法。
項５．
前記アルカリイオン水のｐＨが１０～１２．５である、上記項１～４の何れか一項に記載の表面処理方法。
項６．
前記アルカリイオン水の表面張力が５５～６８ｍＮ／ｍである、上記項１～５の何れか一項に記載の表面処理方法。
項７．
前記アルカリイオン水が、ケイ素及びリンを含有するミネラル塩と水とを含む水溶液を電気分解する電気分解工程、及び、前記工程で得られた陰極側のアルカリ水と、ケイ素及びリンを含有するミネラル塩とを混合して混合液を得、該混合液に電子を供給する電子供給工程により得られたものである、上記項１～６の何れか一項に記載の表面処理方法。
項８．
ケイ素及びリンを含有するミネラル塩を含む水溶液を電気分解して得られたアルカリイオン水によって表面が処理されている、チタン又はチタン合金製のインプラント。
項９．
ケイ素及びリンを含有するミネラル塩を含む水溶液を電気分解してアルカリイオン水を得る工程、及び、
前記アルカリイオン水をチタン又はチタン合金の表面に処理する工程を備える、チタン又はチタン合金製のインプラントの製造方法。
なお、現時点で、上記インプラントは、物の構造を完全に特定することが不可能又はおよそ実際的ではない程度に困難であるため、プロダクトバイプロセスクレームによって、物の発明を記載している。
本発明の表面処理方法によれば、安価かつ簡便にチタン又はチタン合金の表面の性状を改質することができる。
本発明は、チタン又はチタン合金の表面処理方法に関する。前記チタン又はチタン合金は、生体内に埋入されるインプラント用のチタン又はチタン合金である。
本発明のチタン又はチタン合金の表面処理方法においては、ケイ素及びリンを含有するミネラル塩を含む水溶液を電気分解して得られたアルカリイオン水（以下、単に「アルカリイオン水」という場合もある。）を用い、チタン又はチタン合金のインプラントを、ケイ素及びリンを含有するミネラル塩を含む水溶液を電気分解して得られたアルカリイオン水に浸漬することを特徴とする。本発明の表面処理方法は、チタン又はチタン合金を、ケイ素及びリンを含有するミネラル塩を含む水溶液を電気分解して得られたアルカリイオン水に浸漬するだけで、チタン又はチタン合金の表面の性状を改質することができるので、高価な器材を必要とする従来の紫外線照射に比べて安価かつ簡便に表面改質を行うことができる。ここで、アルカリイオン水は、アルカリ電解水と言い換えることができる。
本発明のチタン又はチタン合金の表面処理方法においては、ケイ素及びリンを含有するミネラル塩を含む水溶液を電気分解して得られたアルカリイオン水（以下、単に「アルカリイオン水」という場合もある。）を用い、チタン又はチタン合金のインプラントを、ケイ素及びリンを含有するミネラル塩を含む水溶液を電気分解して得られたアルカリイオン水に浸漬することを特徴とする。本発明の表面処理方法は、チタン又はチタン合金を、ケイ素及びリンを含有するミネラル塩を含む水溶液を電気分解して得られたアルカリイオン水に浸漬するだけで、チタン又はチタン合金の表面の性状を改質することができるので、高価な器材を必要とする従来の紫外線照射に比べて安価かつ簡便に表面改質を行うことができる。ここで、アルカリイオン水は、アルカリ電解水と言い換えることができる。
表面処理の対象は、チタン又はチタン合金である。チタン合金として、例えば、チタン（Ｔｉ）とアルミニウム（Ａｌ）とバナジウム（Ｖ）との合金、チタン（Ｔｉ）とアルミニウム（Ａｌ）とニオブ（Ｎｂ）との合金、チタン（Ｔｉ）とニッケル（Ｎｉ）との合金（ニチノール）、チタン（Ｔｉ）と白金（Ｐｔ）との合金等が挙げられる。表面改質の対象には、Ｔｉ、Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ合金、Ｔｉ－６Ａｌ－７Ｎｂ合金等を用いることが好ましい。
表面処理には、ケイ素及びリンを含有するミネラル塩を含む水溶液を電気分解して得られたアルカリイオン水が使用される。
ケイ素及びリンを含有するミネラル塩を含む水溶液を電気分解して得られたアルカリイオン水には、ケイ素及びリンが含まれる。具体的には、前記アルカリイオン水中に、ケイ素（Ｓｉ）が０．４～４００ｍａｓｓ ｐｐｍ（ｍｇ／Ｌ）程度、好ましくは０．８～３９０ｍａｓｓ ｐｐｍ程度、より好ましくは１．０～３８０ｍａｓｓ ｐｐｍ程度、及びリン（Ｐ）が２～８００ｍａｓｓ ｐｐｍ程度、好ましくは４～７８０ｍａｓｓ ｐｐｍ程度、より好ましくは１０～７７０ｍａｓｓ ｐｐｍ程度含まれる。なお、元素分析は、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）発光分光分析法（日立ハイテクサイエンス株式会社製 SPECTRO ACROSII）により行った。
ケイ素及びリンを含有するミネラル塩を含む水溶液を電気分解して得られたアルカリイオン水には、ケイ素及びリンが含まれる。具体的には、前記アルカリイオン水中に、ケイ素（Ｓｉ）が０．４～４００ｍａｓｓ ｐｐｍ（ｍｇ／Ｌ）程度、好ましくは０．８～３９０ｍａｓｓ ｐｐｍ程度、より好ましくは１．０～３８０ｍａｓｓ ｐｐｍ程度、及びリン（Ｐ）が２～８００ｍａｓｓ ｐｐｍ程度、好ましくは４～７８０ｍａｓｓ ｐｐｍ程度、より好ましくは１０～７７０ｍａｓｓ ｐｐｍ程度含まれる。なお、元素分析は、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）発光分光分析法（日立ハイテクサイエンス株式会社製 SPECTRO ACROSII）により行った。
ケイ素及びリンを含有するミネラル塩を含む水溶液を電気分解して得られたアルカリイオン水は、リン及びケイ素以外の他の元素を含んでもよく、例えば、カルシウム（Ｃａ）を０．０００１～９００ｍａｓｓ ｐｐｂ程度、好ましくは０．００１～８００ｍａｓｓ ｐｐｍ程度、より好ましくは０．０１～７００ｍａｓｓ ｐｐｍ程度、カリウム（Ｋ）を０．０００５～３０００ｍａｓｓ ｐｐｍ程度、好ましくは１～２９００ｍａｓｓ ｐｐｍ程度、より好ましくは５～２８００ｍａｓｓ ｐｐｍ程度、マグネシウム（Ｍｇ）を０．０００１～３００ｍａｓｓ ｐｐｂ程度、好ましくは０．００１～２５０ｍａｓｓ ｐｐｍ程度、より好ましくは０．０１～２００ｍａｓｓ ｐｐｍ程度、ナトリウム（Ｎａ）を３４～８０００ｍａｓｓ ｐｐｍ程度、好ましくは４０～７９００ｍａｓｓ ｐｐｍ程度、より好ましくは５０～７８００ｍａｓｓ ｐｐｍ程度等含んでいてもよい。また、ケイ素及びリンを含有するミネラル塩を含む水溶液を電気分解して得られたアルカリイオン水中には、塩素（Ｃｌ）が含まれていてもよく、例えば、塩素（Ｃｌ）を１．５～４５０ｍｇ／ｋｇ程度、好ましくは１．５～４４０ｍｇ／ｋｇ程度、より好ましくは１．５～４３０ｍｇ／ｋｇ程度含まれていてもよい。
前記アルカリイオン水に含まれるケイ素は、ケイ酸イオン、例えば、Ｈ３ＳｉＯ４
－、Ｈ５Ｓｉ２Ｏ７
－、Ｈ５Ｓｉ３Ｏ９
－等の状態で存在することができる。
前記アルカリイオン水に含まれるリンは、リン酸イオン、例えば、Ｈ２ＰＯ４
－、Ｈ３Ｐ２Ｏ７
－、Ｈ４Ｐ３Ｏ１０
－等の状態で存在することができる。
ケイ素及びリンを含有するミネラル塩を含む水溶液を電気分解して得られたアルカリイオン水のｐＨは、通常、１０～１２．５程度である。表面張力は、通常、７０ｍＮ／ｍ以下であり、好ましくは５０～６９ｍＮ／ｍ、より好ましくは５５～６８ｍＮ／ｍ程度である。さらに、前記アルカリイオン水には、物理的に電子が過剰に含まれている。
本発明で使用するアルカリイオン水は、ケイ素及びリンを含有するミネラル塩と水とを含む水溶液を電気分解する電気分解工程、及び、前記工程で得られた陰極側のアルカリ水と、ケイ素及びリンを含有するミネラル塩とを混合して混合液を得、該混合液に電子を供給する電子供給工程により得ることができる。ケイ素及びリンを含有するミネラル塩としては、例えば、海水から得られるケイ素及びリンを含有する電解質を用いることができる。海水は、特に限定なく使用することができ、例えば、日本の海水を用いることができる。ケイ素及びリンを含有するミネラル塩は、使用する水の量の０．００１～３質量％程度添加すればよい。
前記アルカリイオン水の製造方法は、上記の工程に加えて、ケイ素及びリンを含有するミネラル塩と水とを含む水溶液を脱酸素処理して溶存酸素濃度を１ｐｐｍ以下にする脱酸素工程、及び前記陰極側のアルカリ水と、ケイ素及びリンを含有するミネラル塩との混合液に１ｋｇ／ｃｍ２～１２ｋｇ／ｃｍ２の圧力をかける安定化工程を備えることが好ましい。ここで、陰極側のアルカリ水と混合されるケイ素及びリンを含有するミネラル塩は、前記電気分解工程で使用するケイ素及びリンを含有するミネラル塩と同じものを使用することができ、例えば、日本の海水から採取されたものを用いることができる。
以下、アルカリイオン水の製造方法について説明する。
第１工程は、ケイ素及びリンを含有するミネラル塩と水とを含む水溶液を電気分解する電気分解工程である。
第１工程は、ケイ素及びリンを含有するミネラル塩と水とを含む水溶液を電気分解する電気分解工程である。
原料となる水としては、純水、イオン交換水等を用いることができる。水には、支持電解質として海水から得られるケイ素及びリンを含有するミネラル塩等を溶解させる。水として、脱酸素処理を行って水中の溶存酸素の濃度を１ｐｐｍ以下に低下させたものを使用することが好ましい。脱酸素処理として、物理的処理方法と化学的処理方法とがあり、従来、化学的処理方法単独か、あるいは物理的処理方法と化学的処理方法とを併用する方法が採られている。物理的処理方法としては、加熱脱気装置、膜脱気装置等による脱気処理が挙げられる。化学的処理方法としては、脱酸素剤として、ヒドラジン、亜硫酸ナトリウム、糖類（グリコース等）を添加する方法等が挙げられる。脱酸素処理として、例えば、水に前記酸素除去剤を添加することができる。
電気分解は、電解槽等の密閉空間で行われることが好ましい。電解槽内は、窒素、二酸化炭素等の不活性雰囲気であることが好ましい。また、水として、予め脱酸素処理を行って溶存酸素濃度を１ｐｐｍ以下に低下させたものを用いる代わりに、又は、予め脱酸素処理した水を使用することに加えて、電気分解を電解槽中で行う際に、電解槽中に脱酸素剤を投入することも可能である。電気分解で印加される電気エネルギーは１０００Ｗ～３０００Ｗであることが好ましい。
第２工程は、前記第１工程で得られた陰極側のアルカリ水と、ケイ素及びリンを含有するミネラル塩とを混合して混合液を得、該混合液に電子を供給する電子供給工程である。
電気分解で得られた陰極側のアルカリ水は、電解槽から取り出され、混合槽に供給されることが好ましい。混合槽には、海水から得られるケイ素及びリンを含有するミネラル塩を供給する手段と、アルカリ水に電気を供給する電子供給手段とが設けられていることが好ましい。
ケイ素を含有する原材料（又はケイ素を含有するミネラル塩）としては、ケイ酸ナトリウム、ケイ酸カリウム等のケイ酸アルカリ金属塩；ケイ酸カルシウム等のケイ酸アルカリ土類金属塩；ケイ酸マグネシウム等が挙げられる。混合液に含まれるケイ素の含有量は、混合液全量を１００質量％としたときに、０．００５～５質量％程度とすることが好ましく、０．０１～１質量％とすることがより好ましい。
リンを含有する原材料（又はリンを含有するミネラル塩）としては、リン酸ナトリウム、リン酸カリウム等のリン酸アルカリ金属塩；リン酸カルシウム等のリン酸アルカリ土類金属塩；リン酸マグネシウム等が挙げられる。混合液に含まれるリンの含有量は、混合液全量を１００質量％としたときに、０．００５～５質量％程度とすることが好ましく、０．０１～１質量％とすることがより好ましい。
アルカリ水に添加されるケイ素を含有するミネラル塩とリンを含有するミネラル塩との質量比は、１：０．５～１．５であることが好ましい。
電子供給手段として、例えば、陰極端子が挙げられる。電気分解で得られた陰極側のアルカリ水に、陰極端子を接触させることにより、電子を供給することができる。陰極電子から電子が放電されて、アルカリ水に多くの電子が供給される。
陰極端子には、直流電流が印加されることが好ましい。陰極端子に印加される直流電流の電圧は、例えば、１０～１０００Ｖであり、５０～３００Ｖであることが好ましく、１００～３００Ｖであることがさらに好ましい。混合液に電子が供給されることにより、製造されたアルカリイオン水は、チタン又はチタン合金の表面の性状を効果的に改質することができると考えられる。
混合槽には、電圧が１００～３００Ｖの直流電流を印加し、陰極電子から放出される電気量は１０００～３０００Ｗであることが好ましい。
混合槽には、１ｋｇ／ｃｍ２～１２ｋｇ／ｃｍ２（９８～１１７７ｋＰａ）の圧力をかけることが好ましく、２ｋｇ／ｃｍ２～６ｋｇ／ｃｍ２（１９６～５８８ｋＰａ）がより好ましい。圧力をかけることで、アルカリイオン水の安定性が向上する。
混合槽内は、窒素、二酸化炭素等の不活性雰囲気であることが好ましい。また、混合槽中に脱酸素剤を投入することも可能である。混合槽は、周囲の温度によって影響を受けないように、断熱手段によって周囲の温度から断熱するとともに、温度調整手段によって、混合槽の内部が－５℃～２５℃の範囲に調整することが好ましい。混合液の温度は０℃～１０℃とすることが好ましい。
混合槽は、外気雰囲気と隔離した隔離槽内に配置することが好ましく、隔離槽内には、窒素又は二酸化炭素を充填することが好ましい。これにより、アルカリイオン水の変質を防止することができるので、長期にわたり性能を維持することができる。
アルカリイオン水を、上記混合槽内で２４～３６時間安定化させることにより、最終生成物であるアルカリイオン水が得られる。得られたアルカリイオン水は、アルカリイオン水出口から直接に取り出すことができる。あるいは、アルカリイオン水にアルコールを混合して、混合アルカリイオン水出口から取り出すこともできる。アルコールとしては、水との相溶性の大きなアルコールを用いることが好ましく、例えば、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール等が挙げられる。
以下、アルカリイオン水を製造する際に使用することができる製造装置について説明する。
アルカリイオン水を製造する装置を説明する模式図を図１に示す。アルカリイオン水製造装置１０１は、電解槽１と混合槽１１とを備えており、電解槽１と混合槽１１とはアルカリ水導出管９で連結されている。電解槽１には、導水管２が接続されており、この導水管２によって原料水（ケイ素及びリンを含有するミネラル塩と水とを含む水溶液）が供給される。電解槽１は、隔膜３によって区画された陽極室４及び陰極室５を有している。陽極室４には陽極６が設けられ、陰極室５には陰極７が設けられている。両電極に電解電流を通電して、陽極室４に接続された酸性水排出管８より酸性水を取り出し、陰極室５に接続されたアルカリ水導出管９よりアルカリ水を取り出す。アルカリ水は、アルカリ水導出管９を通る間に、冷媒を循環した冷却管を設けた冷却装置１０によって冷却して混合槽１１に導入する。
アルカリイオン水を製造する装置を説明する模式図を図１に示す。アルカリイオン水製造装置１０１は、電解槽１と混合槽１１とを備えており、電解槽１と混合槽１１とはアルカリ水導出管９で連結されている。電解槽１には、導水管２が接続されており、この導水管２によって原料水（ケイ素及びリンを含有するミネラル塩と水とを含む水溶液）が供給される。電解槽１は、隔膜３によって区画された陽極室４及び陰極室５を有している。陽極室４には陽極６が設けられ、陰極室５には陰極７が設けられている。両電極に電解電流を通電して、陽極室４に接続された酸性水排出管８より酸性水を取り出し、陰極室５に接続されたアルカリ水導出管９よりアルカリ水を取り出す。アルカリ水は、アルカリ水導出管９を通る間に、冷媒を循環した冷却管を設けた冷却装置１０によって冷却して混合槽１１に導入する。
混合槽１１は、前記アルカリ水導出管９、原料液貯槽１２、及び出口管１６と接続されている。混合槽１１には、原料液貯槽１２から流入量調整装置１３を介して原料液を供給する。原料液の供給量は、通電した電気量等によって調整する。原料液としては、日本の海水から採取されたケイ素及びリンを含有するミネラル塩が用いられる。混合槽１１内には、攪拌装置１４を設け、アルカリイオン水と原料液とが均一に混合されるようにする。
混合槽１１の中には陰極端子１００を配置する。陰極端子１００には、２００Ｖの直流電流が印加されている。陰極端子１００から放出される電気量は１０００Ｗ～３０００Ｗであることが好ましい。
混合槽１１は、周囲の温度によって影響を受けないように、断熱手段１５によって断熱され、温度調整手段（図示せず）によって内部の温度を１５℃～２５℃程度に調整する。混合槽１１の温度は、０℃～１０℃程度にすることが好ましい。
混合槽１１から導出するアルカリイオン水のｐＨは、出口管１６に設けられたｐＨ測定手段１７によって測定する。混合槽１１から取り出すアルカリイオン水のｐＨは、１０～１２．５程度であることが好ましい。
混合槽１１に接続された出口管１６は、アルカリイオン水出口管１８、及び混合アルカリイオン水出口管２１に分枝している。アルカリイオン水出口管１８からは混合槽１１内のアルカリイオン水が直接取り出される。アルカリイオン水は、アルコールと混合されて混合アルカリイオン水とすることも可能である。この場合、アルコール貯槽１９からアルコールが注入されるアルコール混合槽２０においてアルカリイオン水とアルコールとを混合し、混合アルカリイオン水出口管２１から混合アルカリイオン水として取り出してもよい。アルカリイオン水と混合するアルコールは、水との相溶性の大きなアルコール、例えば、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール等を用いることができる。
上述したアルカリイオン水製造装置１０１は、隔離室２２に収容されることにより外気と隔離される。隔離室２２は、窒素で置換されているか、又は二酸化炭素、酸素除去剤等を充填した通気装置によって外気雰囲気と結合されている。隔離室２２内にアルカリイオン水製造装置１０１を設けることによって、アルカリイオン水の変質を防止することができ、長期にわたり性能を維持することができる。
ケイ素及びリンを含有するミネラル塩を含む水溶液を電気分解して得られたアルカリイオン水は、市販品を使用することができる。市販品として、商品名Ｓ－１００及びＳ－１００Ｇ（いずれも株式会社エー・アイ・システムプロダクト製）が挙げられる。
本発明の表面処理方法は、チタン又はチタン合金を、ケイ素及びリンを含有するミネラル塩を含む水溶液を電気分解して得られたアルカリイオン水に浸漬することを特徴とする。
前記アルカリイオン水の温度は、通常０～４０℃程度であり、好ましくは１０～３０℃である。室温（常温）のアルカリイオン水中にチタン又はチタン合金を浸漬すればよい。
処理時間は、特に限定されない。通常１分間以上、好ましくは３分間以上１０分間以下である。
本発明の表面処理方法は、チタン又はチタン合金を、ケイ素及びリンを含有するミネラル塩を含む水溶液を電気分解して得られたアルカリイオン水に浸漬するだけで、チタン又はチタン合金の表面の性状を改質することができるので、高価な器材を必要とする従来の紫外線照射に比べて安価かつ簡便に表面改質を行うことができる。
本発明には、上述した表面処理方法により表面処理されたチタン又はチタン合金製のインプラントも包含される。よって、本発明のインプラントは、ケイ素及びリンを含有するミネラル塩を含む水溶液を電気分解して得られたアルカリイオン水によって表面が処理されている、チタン又はチタン合金製のインプラントである。
本明細書において、チタン又はチタン合金製のインプラントとは、チタン又はチタン合金により形成された、生体内で使用するための成形体を意味する。チタン又はチタン合金製のインプラントは、生体内で使用するために必要な物性と安全性とを有するものであれば、形状、使用形態等は特に限定されない。例えば、人工骨金属材料としては、柱状、板状、ブロック状、シート状、繊維状、ペレット状等の任意の形状のものを使用することができる。また、人工股関節用ステム材、骨補填材、人工椎体、人工歯根、人工椎間板、骨プレート、骨スクリュー等の製品形態としてもよい。
以下、実施例により本発明をより具体的に説明するが、本発明の技術的範囲はこれらの例示に限定されるものではない。
（製造例１）アルカリイオン水の製造
上述したアルカリイオン水製造装置１０１を用いて、以下のようにアルカリイオン水を製造した。
原料水として、イオン交換水を準備した。イオン交換水は、イオン交換樹脂（サムソン社製）を用いて、水道水から不純物を除去することにより製造した。イオン交換水に日本の海水から採取されたケイ素及びリンを含有するミネラル塩を１質量％添加した水溶液を、導水管２を通じて電解槽１に導入し、陽極６及び陰極７に電気を流した。電気分解の条件は、電圧２００Ｖ、電気エネルギー２５００Ｗとした。イオン交換水が電気分解され、陽極室４では酸性水が生成し、陰極室５ではアルカリ水が生成した。陽極室４で生成された酸性水は、酸性水排出管８から排出された。陰極室５で生成されたアルカリ水はアルカリ水導出管９に導出され、アルカリ水導出管９を通るアルカリ水は冷却装置１０により冷却されて、混合槽１１に導入された。
上述したアルカリイオン水製造装置１０１を用いて、以下のようにアルカリイオン水を製造した。
原料水として、イオン交換水を準備した。イオン交換水は、イオン交換樹脂（サムソン社製）を用いて、水道水から不純物を除去することにより製造した。イオン交換水に日本の海水から採取されたケイ素及びリンを含有するミネラル塩を１質量％添加した水溶液を、導水管２を通じて電解槽１に導入し、陽極６及び陰極７に電気を流した。電気分解の条件は、電圧２００Ｖ、電気エネルギー２５００Ｗとした。イオン交換水が電気分解され、陽極室４では酸性水が生成し、陰極室５ではアルカリ水が生成した。陽極室４で生成された酸性水は、酸性水排出管８から排出された。陰極室５で生成されたアルカリ水はアルカリ水導出管９に導出され、アルカリ水導出管９を通るアルカリ水は冷却装置１０により冷却されて、混合槽１１に導入された。
混合槽１１において、冷却されたアルカリ水と、原料液貯槽１２から供給された日本の海水から採取されたケイ素及びリンを含有するミネラル塩とが、攪拌装置１４によって混合された。原料液貯槽１２内の日本の海水から採取されたケイ素及びリンを含有するミネラル塩は、混合槽１１内の混合液中の日本の海水から採取されたケイ素及びリンを含有するミネラル塩の含有量が、０．３質量％となるように流入量調整装置１３で調整して供給した。混合液を、圧力２９４ｋＰａ、温度４±３℃で２４時間保存した。保存中、混合液には、陰極端子１００から電子が放出された。
その後、アルカリイオン水は、出口管１６から導出され、ｐＨ測定手段１７によりアルカリイオン水のｐＨを測定した後、アルカリイオン水出口管１８から取り出された。
その後、アルカリイオン水は、出口管１６から導出され、ｐＨ測定手段１７によりアルカリイオン水のｐＨを測定した後、アルカリイオン水出口管１８から取り出された。
＜元素分析＞
アルカリイオン水出口管から取り出された製造例１のアルカリイオン水を、ＩＣＰ発光分光法（製造会社：日立ハイテクサイエンス株式会社、製品名：ＳＰＥＣＴＲＯ ＡＲＣＯＳＩＩ）を用いて、元素分析した。
その結果、ケイ素が１００ｍａｓｓ ｐｐｍ、及びリンが７６０ｍａｓｓ ｐｐｍ含まれていることがわかった。なお、さらに、詳細には、ナトリウムが７５００ｍａｓｓ ｐｐｍ、カリウムが２７００ｍａｓｓ ｐｐｍ、カルシウムが０．２ｍａｓｓ ｐｐｍ、マグネシウムが０．１ｍａｓｓ ｐｐｍ以下含まれていることがわかった。
アルカリイオン水出口管から取り出された製造例１のアルカリイオン水を、ＩＣＰ発光分光法（製造会社：日立ハイテクサイエンス株式会社、製品名：ＳＰＥＣＴＲＯ ＡＲＣＯＳＩＩ）を用いて、元素分析した。
その結果、ケイ素が１００ｍａｓｓ ｐｐｍ、及びリンが７６０ｍａｓｓ ｐｐｍ含まれていることがわかった。なお、さらに、詳細には、ナトリウムが７５００ｍａｓｓ ｐｐｍ、カリウムが２７００ｍａｓｓ ｐｐｍ、カルシウムが０．２ｍａｓｓ ｐｐｍ、マグネシウムが０．１ｍａｓｓ ｐｐｍ以下含まれていることがわかった。
また、上記ＩＣＰ発光分光法では、塩素等のガスを検出できないことから、別途、アルカリイオン水出口管から取り出された製造例１のアルカリイオン水（試料１）を、一般財団法人日本食品分析センターにて、下記の燃焼－電量滴定法を用いて測定した。
燃焼－電量滴定法としては、日東精工アナリテック株式会社製、塩素・硫黄分析装置ＴＳＸ－１０型を用いて、上記試料１約１０ｍｇを燃焼させ、電量適定により塩化物イオンの濃度を算出した。この測定により有機塩素、無機塩素を問わず試料中の塩素量が求められる。有機塩素量は、トータル塩素量から無機塩素量を差し引いた値を用いた。無機塩素量は、試料５ｇを熱水抽出し、抽出液中の塩素イオンをイオンクロマトグラフ法により測定して求めた。
その結果、製造例１のアルカリイオン水中に、塩素が４１０ｍｇ／ｋｇ含まれていることがわかった。
燃焼－電量滴定法としては、日東精工アナリテック株式会社製、塩素・硫黄分析装置ＴＳＸ－１０型を用いて、上記試料１約１０ｍｇを燃焼させ、電量適定により塩化物イオンの濃度を算出した。この測定により有機塩素、無機塩素を問わず試料中の塩素量が求められる。有機塩素量は、トータル塩素量から無機塩素量を差し引いた値を用いた。無機塩素量は、試料５ｇを熱水抽出し、抽出液中の塩素イオンをイオンクロマトグラフ法により測定して求めた。
その結果、製造例１のアルカリイオン水中に、塩素が４１０ｍｇ／ｋｇ含まれていることがわかった。
＜ｐＨの測定＞
製造例１で得られたアルカリイオン水のｐＨを、ｐＨメーター（株式会社堀場製作所製、HORIBA F-74SPを用いて測定したところ、ｐＨの値は１２であった。
製造例１で得られたアルカリイオン水のｐＨを、ｐＨメーター（株式会社堀場製作所製、HORIBA F-74SPを用いて測定したところ、ｐＨの値は１２であった。
＜表面張力の測定＞
製造例１で得られたアルカリイオン水の表面張力を、Ｗｉｌｈｅｌｍｙ法を用いて測定した。
その結果、製造例１で得られたアルカリイオン水の表面張力は、約６５．４１ｍＮ／ｍ（２０℃）であった。同様の方法で、精製水の表面張力を測定したところ、約７２．９６ｍＮ／ｍ（２０℃）であったことから、本発明で用いるケイ素及びリンを含有するミネラル塩を含有するアルカリイオン水の表面張力は、精製水の表面張力に比べて、約７．５５ｍＮ／ｍ低かった。
製造例１で得られたアルカリイオン水の表面張力を、Ｗｉｌｈｅｌｍｙ法を用いて測定した。
その結果、製造例１で得られたアルカリイオン水の表面張力は、約６５．４１ｍＮ／ｍ（２０℃）であった。同様の方法で、精製水の表面張力を測定したところ、約７２．９６ｍＮ／ｍ（２０℃）であったことから、本発明で用いるケイ素及びリンを含有するミネラル塩を含有するアルカリイオン水の表面張力は、精製水の表面張力に比べて、約７．５５ｍＮ／ｍ低かった。
（製造例２）
ケイ素及びリンを含有するミネラル塩の原料を日本の海水から沖縄県の海水に代えた以外は、実施例１と同様の方法で、アルカリイオン水を製造した。
得られたアルカリイオン水について、実施例１と同様に、ＩＣＰ発光分光法を用いで元素分析を行った結果、ケイ素が３７０ｍａｓｓ ｐｐｍ、及びリンが４５０ｍａｓｓ ｐｐｍ含まれていることが分かった。なお、さらに、詳細には、ナトリウムが６９００ｍａｓｓ ｐｐｍ、カリウムが１ｍａｓｓ ｐｐｍ以下、カルシウムが０．９ｍａｓｓ ｐｐｍ、マグネシウムが０．３ｍａｓｓ ｐｐｍ以下含まれていることがわかった。
さらに、実施例２で得られたアルカリイオン水に含まれる塩素を、実施例１と同様に、一般財団法人日本食品分析センターにて、燃焼－電量滴定法を用いて測定した結果、実施例２のアルカリイオン水中に塩素が４１０ｍｇ／ｋｇ含まれることがわかった。
ケイ素及びリンを含有するミネラル塩の原料を日本の海水から沖縄県の海水に代えた以外は、実施例１と同様の方法で、アルカリイオン水を製造した。
得られたアルカリイオン水について、実施例１と同様に、ＩＣＰ発光分光法を用いで元素分析を行った結果、ケイ素が３７０ｍａｓｓ ｐｐｍ、及びリンが４５０ｍａｓｓ ｐｐｍ含まれていることが分かった。なお、さらに、詳細には、ナトリウムが６９００ｍａｓｓ ｐｐｍ、カリウムが１ｍａｓｓ ｐｐｍ以下、カルシウムが０．９ｍａｓｓ ｐｐｍ、マグネシウムが０．３ｍａｓｓ ｐｐｍ以下含まれていることがわかった。
さらに、実施例２で得られたアルカリイオン水に含まれる塩素を、実施例１と同様に、一般財団法人日本食品分析センターにて、燃焼－電量滴定法を用いて測定した結果、実施例２のアルカリイオン水中に塩素が４１０ｍｇ／ｋｇ含まれることがわかった。
（製造例３）チタンディスクの処理
チタンディスクとして、鏡面研磨した直径９．５ｍｍ、厚み１．０ｍｍのＴｉ－６Ａｌ－４Ｖディスク（Osaka Yakken社製）を用いた。前処理として、前記チタンディスクをエタノール、アセトン、及び二段蒸留水（ＤＤＷ）中に浸漬し、超音波処理を１０分間行った。前処理したチタンディスクに対して、前処理直後、クリーンベンチ内に１週間静置後、又は４週間静置後に以下の処理を行った。
（１）製造例１で製造したアルカリイオン水に３分間浸漬した。以下、該処理を行ったものをアルカリイオン水処理群という。
（２）ＤＤＷ中に３分間浸漬した。以下、該処理を行ったものをコントロール群という。
（３）クリーンベンチ内の１５Ｗ殺菌灯（λ＝２５３．７ｎｍ、パナソニック株式会社製）を４８時間照射した。以下、該処理を行ったものをＵＶ群という。
前処理直後、１週間後、又は４週間後に上記処理を行ったチタンディスク（アルカリイオン水処理群、コントロール群、又はＵＶ群）について、以下の試験を行った。
チタンディスクとして、鏡面研磨した直径９．５ｍｍ、厚み１．０ｍｍのＴｉ－６Ａｌ－４Ｖディスク（Osaka Yakken社製）を用いた。前処理として、前記チタンディスクをエタノール、アセトン、及び二段蒸留水（ＤＤＷ）中に浸漬し、超音波処理を１０分間行った。前処理したチタンディスクに対して、前処理直後、クリーンベンチ内に１週間静置後、又は４週間静置後に以下の処理を行った。
（１）製造例１で製造したアルカリイオン水に３分間浸漬した。以下、該処理を行ったものをアルカリイオン水処理群という。
（２）ＤＤＷ中に３分間浸漬した。以下、該処理を行ったものをコントロール群という。
（３）クリーンベンチ内の１５Ｗ殺菌灯（λ＝２５３．７ｎｍ、パナソニック株式会社製）を４８時間照射した。以下、該処理を行ったものをＵＶ群という。
前処理直後、１週間後、又は４週間後に上記処理を行ったチタンディスク（アルカリイオン水処理群、コントロール群、又はＵＶ群）について、以下の試験を行った。
（実施例１）微量元素分析
前処理直後及び４週間後のアルカリイオン水処理群、並びに前処理直後及び４週間後のコントロール群について、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ）により、走査型Ｘ線光電子分光分析装置ＰＨＩ Ｘ－ｔｏｏｌ（アルバック・ファイ株式会社製）を用いて、ワイドスキャン分析(1300.00-0.00 eV, 20.000 s)、及びナロースキャン分析(C1s:298.00-278.00 eV, N1s:411.00-391.00 eV, O1s:543.00-523.00 eV, Ti2p:469.00-449.00 eV, 20.000 s)で微量元素を測定した（ｎ＝４）。ワイドスキャン分析の結果を図２Ａに示し、ナロースキャン分析の結果を図２Ｂに示す。
前処理直後及び４週間後のアルカリイオン水処理群、並びに前処理直後及び４週間後のコントロール群について、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ）により、走査型Ｘ線光電子分光分析装置ＰＨＩ Ｘ－ｔｏｏｌ（アルバック・ファイ株式会社製）を用いて、ワイドスキャン分析(1300.00-0.00 eV, 20.000 s)、及びナロースキャン分析(C1s:298.00-278.00 eV, N1s:411.00-391.00 eV, O1s:543.00-523.00 eV, Ti2p:469.00-449.00 eV, 20.000 s)で微量元素を測定した（ｎ＝４）。ワイドスキャン分析の結果を図２Ａに示し、ナロースキャン分析の結果を図２Ｂに示す。
図２Ａより、ワイドスキャン分析において、コントロール群及びアルカリイオン水処理群で、炭素（Ｃ）、酸素（Ｏ）、及びチタン（Ｔｉ）の存在が認められた。アルカリイオン水処理群ではコントロール群に比べて炭素（Ｃ）が減少し、酸素（Ｏ）が増加したことが認められた。図２Ｂより、ナロースキャン分析においても、アルカリイオン水処理群ではコントロール群に比べて炭素（Ｃ）が減少し、酸素（Ｏ）が増加したことが認められた。
チタンのエイジングには、空気中の微量元素（炭素等）がチタン表面に経時的に付着することによる表面の極性の低下、表面エネルギーが小さくなることによる疎水性への変化等が関係していることが知られている。上記微量元素分析の結果から、コントロール群とアルカリイオン水処理群との炭素のパーセンテージの差より、アルカリイオン水処理群における親水性の獲得は炭素（Ｃ）の除去が関連していると考えられる。また、酸素（Ｏ）が増加したのは、炭素（Ｃ）が除去されたことでチタンディスク表面の酸化チタン層が顕在化したためと考えられる。
チタンのエイジングには、空気中の微量元素（炭素等）がチタン表面に経時的に付着することによる表面の極性の低下、表面エネルギーが小さくなることによる疎水性への変化等が関係していることが知られている。上記微量元素分析の結果から、コントロール群とアルカリイオン水処理群との炭素のパーセンテージの差より、アルカリイオン水処理群における親水性の獲得は炭素（Ｃ）の除去が関連していると考えられる。また、酸素（Ｏ）が増加したのは、炭素（Ｃ）が除去されたことでチタンディスク表面の酸化チタン層が顕在化したためと考えられる。
（実施例２）接触角の測定（親水性の評価）
前処理直後、１週間後、及び４週間後のチタンディスクの表面に、ＤＤＷ０．５μＬを滴下し、接触角計ＬＳＥ－ＭＥ３（株式会社ニック製）を用いて接触角を測定し、親水性を評価した（ｎ＝５）。
前処理直後、１週間後、及び４週間後のチタンディスクの表面に、ＤＤＷ０．５μＬを滴下し、接触角計ＬＳＥ－ＭＥ３（株式会社ニック製）を用いて接触角を測定し、親水性を評価した（ｎ＝５）。
接触角測定時の写真を図３に示す。図３において、Ａ（上段）はコントロール群を示し、Ｂ（中段）はアルカリイオン水処理群を示し、Ｃ（下段）はＵＶ群を示している。また、１（左列）は前処理直後を示し、２（中央列）は１週間後を示し、３（右列）は４週間後を示している。
図３より、コントロール群（Ａ）では、チタンディスク上に滴下したＤＤＷがドーム状を呈していたのに対し、アルカリイオン水処理群（Ｂ）及びＵＶ群（Ｃ）ではＤＤＷがチタンディスク表面全体に薄く広がり、良好な親水性（濡れ性）を示すことがわかった。
接触角の測定結果を図４に示す。なお、測定結果は、一元配置分散分析を行った後、Ｔｕｋｅｙ法で検定した。図４中、*はｐ＜０．０１を示す。
図４より、すべての群で接触角が経時的に増加する傾向を示すことがわかった。コントロール群の前処理直後と１週間後との間、前処理直後と４週間後との間において、接触角の値に有意な差が認められた。また、すべての測定ポイントにおいて、コントロール群と比較して、アルカリイオン水処理群及びＵＶ群は接触角の値が有意に低かった。アルカリイオン水処理群とＵＶ群とを比較すると、前処理直後、１週間後及び４週間後のいずれにおいてもＵＶ群の接触角の値が有意に低かった。
これらの結果より、アルカリイオン水で処理することで、チタンの表面エネルギーが大きくなり、疎水性の表面から親水性の表面に改質することができたことがわかる。今回、アルカリイオン水処理群における接触角が１０°程度となり、超親水性（５°未満）にならなかったのは、使用したチタンディスクが鏡面研磨加工されたものであり、元々の表面エネルギーが非常に小さかったためと考えられる。
これらの結果より、アルカリイオン水で処理することで、チタンの表面エネルギーが大きくなり、疎水性の表面から親水性の表面に改質することができたことがわかる。今回、アルカリイオン水処理群における接触角が１０°程度となり、超親水性（５°未満）にならなかったのは、使用したチタンディスクが鏡面研磨加工されたものであり、元々の表面エネルギーが非常に小さかったためと考えられる。
（実施例３）タンパク質吸着試験
前処理直後及び４週間後のアルカリイオン水処理群、前処理直後及び４週間後のコントロール群、並びに前処理直後及び４週間後のＵＶ群のそれぞれのチタンディスク表面に、ウシ血清フィブロネクチン１．０ｍｇ／ｍＬを２００μＬ滴下し、２４時間後にプロテインアッセイキット（バイオ・ラッドプロテインアッセイキット、バイオ・ラッドラボラトリーズ株式会社製）を用いてブラッドフォード法でタンパク質吸着量を測定した（ｎ＝５）。結果を図５に示す。なお、測定結果は、一元配置分散分析を行った後、Ｔｕｋｅｙ法で検定した。図５中、*はｐ＜０．０５、**はｐ＜０．０１を示す。
前処理直後及び４週間後のアルカリイオン水処理群、前処理直後及び４週間後のコントロール群、並びに前処理直後及び４週間後のＵＶ群のそれぞれのチタンディスク表面に、ウシ血清フィブロネクチン１．０ｍｇ／ｍＬを２００μＬ滴下し、２４時間後にプロテインアッセイキット（バイオ・ラッドプロテインアッセイキット、バイオ・ラッドラボラトリーズ株式会社製）を用いてブラッドフォード法でタンパク質吸着量を測定した（ｎ＝５）。結果を図５に示す。なお、測定結果は、一元配置分散分析を行った後、Ｔｕｋｅｙ法で検定した。図５中、*はｐ＜０．０５、**はｐ＜０．０１を示す。
図５より、前処理直後では、コントロール群と比較してＵＶ群は有意に高い値を示したが、コントロール群とアルカリイオン水処理群との間に有意な差は認められなかった。４週間後では、コントロール群と比較してアルカリイオン水処理群及びＵＶ群は有意に高い値を示した。
コントロール群の前処理後と４週間後との間に有意な差が認められたことから、エイジングによって４週間後には表面が疎水性に変化したことで、前処理直後と比較してタンパク質吸着量が低くなったと考えられる。さらに、前処理直後ではコントロール群とアルカリイオン水処理群との間に有意な差は認められなかったが、エイジングが進行した４週間後ではコントロール群のチタン表面が疎水性に変化し、アルカリイオン水処理群及びＵＶ群のチタン表面が親水性になったことから、アルカリイオン水処理群及びＵＶ群のほうが高いタンパク質吸着量を示したと考えられる。
コントロール群の前処理後と４週間後との間に有意な差が認められたことから、エイジングによって４週間後には表面が疎水性に変化したことで、前処理直後と比較してタンパク質吸着量が低くなったと考えられる。さらに、前処理直後ではコントロール群とアルカリイオン水処理群との間に有意な差は認められなかったが、エイジングが進行した４週間後ではコントロール群のチタン表面が疎水性に変化し、アルカリイオン水処理群及びＵＶ群のチタン表面が親水性になったことから、アルカリイオン水処理群及びＵＶ群のほうが高いタンパク質吸着量を示したと考えられる。
（実施例４）細胞接着試験
骨芽細胞様細胞株ＭＣ３Ｔ３Ｅ－１（理研細胞バンク）を培地α－ＭＥＭ（ナカライテスク株式会社製、イーグル最小必須培地α改変型）、１０％ＦＢＳ（ウシ胎児血清）、１％ペニシリン－ストレプトマイシン（Ｇｉｂｃｏ社製）を用いて、３７℃及び５％ＣＯ２下で培養した。なお、培養液は３日毎に交換した。
骨芽細胞様細胞株ＭＣ３Ｔ３Ｅ－１（理研細胞バンク）を培地α－ＭＥＭ（ナカライテスク株式会社製、イーグル最小必須培地α改変型）、１０％ＦＢＳ（ウシ胎児血清）、１％ペニシリン－ストレプトマイシン（Ｇｉｂｃｏ社製）を用いて、３７℃及び５％ＣＯ２下で培養した。なお、培養液は３日毎に交換した。
２４ウェルプレート内に設置した前処理直後及び４週間後のアルカリイオン水処理群、前処理直後及び４週間後のコントロール群、並びに前処理直後及び４週間後のＵＶ群のチタンディスク上に、ＭＣ３Ｔ３Ｅ－１細胞を５００μＬ播種（４．０×１０４細胞／ウェル）し、２４時間インキュベートした。その後、ローダミン・ファロイジン及び４’，６－ジアミジノ－２－フェニリンドール（ＤＡＰＩ）で染色したものを、共焦点レーザー顕微鏡（ＬＳＭ７００、カール・ツァイス社製）で観察した。染色した細胞に対し、画像解析ソフト（ＩｍａｇｅＪ，ＮＩＨ，Ｂｅｔｈｅｓｄａ，ＭＬ）を用いて接触面積を定量した（ｎ＝５）。その結果を図６に示す。なお、測定結果は、一元配置分散分析を行った後、Ｔｕｋｅｙ法で検定した。図６中、*はｐ＜０．０１を示す。
図６より、前処理直後の細胞接着面積は、コントロール群及びアルカリイオン水処理群と比較してＵＶ群は有意に大きな値を示した。４週間後では、コントロール群と比較してアルカリイオン水処理群及びＵＶ群は有意に大きな値を示した。
エイジングによって疎水性になった表面では細胞接着が低下し、それに続く細胞応答にも影響を与え、骨芽細胞の増殖及び分化にも寄与することが知られている。上記結果より、コントロール群では炭素等の付着による表面エネルギーの減少、表面電位の変化等によってチタン表面に細胞が付着しにくくなったと考えられる。一方、アルカリイオン水処理群及びＵＶ群では、炭素が除去されたことによる表面エネルギーの増大、表面電位の変化等によって、より多くの細胞が付着したと考えられる。
エイジングによって疎水性になった表面では細胞接着が低下し、それに続く細胞応答にも影響を与え、骨芽細胞の増殖及び分化にも寄与することが知られている。上記結果より、コントロール群では炭素等の付着による表面エネルギーの減少、表面電位の変化等によってチタン表面に細胞が付着しにくくなったと考えられる。一方、アルカリイオン水処理群及びＵＶ群では、炭素が除去されたことによる表面エネルギーの増大、表面電位の変化等によって、より多くの細胞が付着したと考えられる。
（実施例５）細胞増殖試験
前処理直後のチタンディスク表面に前記細胞接触試験と同じ条件で細胞を播種し、２４時間又は７２時間インキュベートした後に細胞の増殖能を測定した、増殖能は、２４ウェルプレートにセルタイター９６（登録商標）（プロメガ株式会社製）を添加し、３７℃で１５分間インキュベートして比色呈色させ、マイクロプレートリーダー（Ｂｉｏ－Ｒａｄ Ｍｏｄｅｌ ６８０、バイオ・ラッドラボラトリーズ株式会社製）を用いて、波長４９０ｎｍの吸光度を計測することで評価した（ｎ＝５）。その結果を図７に示す。なお、測定結果は、一元配置分散分析を行った後、Ｔｕｋｅｙ法で検定した。図７中、*はｐ＜０．０５、**はｐ＜０．０１を示す。
前処理直後のチタンディスク表面に前記細胞接触試験と同じ条件で細胞を播種し、２４時間又は７２時間インキュベートした後に細胞の増殖能を測定した、増殖能は、２４ウェルプレートにセルタイター９６（登録商標）（プロメガ株式会社製）を添加し、３７℃で１５分間インキュベートして比色呈色させ、マイクロプレートリーダー（Ｂｉｏ－Ｒａｄ Ｍｏｄｅｌ ６８０、バイオ・ラッドラボラトリーズ株式会社製）を用いて、波長４９０ｎｍの吸光度を計測することで評価した（ｎ＝５）。その結果を図７に示す。なお、測定結果は、一元配置分散分析を行った後、Ｔｕｋｅｙ法で検定した。図７中、*はｐ＜０．０５、**はｐ＜０．０１を示す。
図７より、２４時間ではコントロール群と比較して、アルカリイオン水処理群及びＵＶ群の増殖能は有意に高い値を示した。７２時間ではコントロール群及びアルカリイオン水処理群と比較して、ＵＶ群の増殖能は有意に高い値を示した。
この結果から、チタン表面の親水性は細胞の初期接着に寄与することから、親水性が付与されたアルカリイオン水処理群及びＵＶ群は２４時間において高い値を示し、より高い親水性を有するＵＶ群が７２時間において高い値を示したと考えられる。
この結果から、チタン表面の親水性は細胞の初期接着に寄与することから、親水性が付与されたアルカリイオン水処理群及びＵＶ群は２４時間において高い値を示し、より高い親水性を有するＵＶ群が７２時間において高い値を示したと考えられる。
（実施例６）動物実験
ニュージーランドホワイトラビット６羽に対し、三種混合麻酔薬（酒石酸ブトルファノール、塩酸メデトミジン、及びミダゾラム）を大腿部に筋肉注射し、全身麻酔を行った。左右の大腿部をポビドンヨードで消毒した後、２％キシロカインで局所麻酔を行い＃１５メスで皮膚を切開し、筋層を剥離し、骨膜を切開して大腿骨を剖出した。その後、大腿骨を超音波骨切削器具（ＰＩＥＺＯＳＵＲＧＥＲＹ（登録商標））を用いて、長さ１０．０ｍｍ、幅１．０ｍｍ、深さ１０．０ｍｍのグルーブを形成した（図８Ａ参照）。アルカリイオン水又は生理食塩水に３分間浸漬したチタンディスクを、グルーブ内に埋入した（図８Ｂ参照）。創部は骨膜を５－０ＶＩＣＲＹＬ縫合糸で、皮膚を５－０ナイロン糸で縫合した。埋入から４週間後に、パントバルビタールナトリウムを耳介静脈より過剰投与して安楽死させ、大腿骨を採取した。採取した大腿骨について、マイクロＣＴを撮影した。マイクロＣＴ画像を図９に示す。図９において、Ａ（上段）はコントロール群を示し、Ｂ（下段）はアルカリイオン水処理群を示す。また、１（左列）はＸ－Ｙ面であり、２（中央列）はＹ－Ｚ面であり、３（右列）はＺ－Ｘ面である。
ニュージーランドホワイトラビット６羽に対し、三種混合麻酔薬（酒石酸ブトルファノール、塩酸メデトミジン、及びミダゾラム）を大腿部に筋肉注射し、全身麻酔を行った。左右の大腿部をポビドンヨードで消毒した後、２％キシロカインで局所麻酔を行い＃１５メスで皮膚を切開し、筋層を剥離し、骨膜を切開して大腿骨を剖出した。その後、大腿骨を超音波骨切削器具（ＰＩＥＺＯＳＵＲＧＥＲＹ（登録商標））を用いて、長さ１０．０ｍｍ、幅１．０ｍｍ、深さ１０．０ｍｍのグルーブを形成した（図８Ａ参照）。アルカリイオン水又は生理食塩水に３分間浸漬したチタンディスクを、グルーブ内に埋入した（図８Ｂ参照）。創部は骨膜を５－０ＶＩＣＲＹＬ縫合糸で、皮膚を５－０ナイロン糸で縫合した。埋入から４週間後に、パントバルビタールナトリウムを耳介静脈より過剰投与して安楽死させ、大腿骨を採取した。採取した大腿骨について、マイクロＣＴを撮影した。マイクロＣＴ画像を図９に示す。図９において、Ａ（上段）はコントロール群を示し、Ｂ（下段）はアルカリイオン水処理群を示す。また、１（左列）はＸ－Ｙ面であり、２（中央列）はＹ－Ｚ面であり、３（右列）はＺ－Ｘ面である。
その後、非脱灰研磨標本を作製し、ビラヌエバ・ボーン染色を行った。ビラヌエバ・ボーン染色画像を図１０に示す。なお、Ａはコントロール群を示し、Ｂはアルカリイオン水処理群を示す。また、図１０中のスケールバーは、１００μｍである。
その後、ディスク中央から骨髄側までの５ｍｍの範囲におけるＢＩＣ（骨－インプラント接触率）を測定した（ｎ＝５）。ＢＩＣは、ＩｍａｇｅＪを用いて下式１より計算した。
その後、ディスク中央から骨髄側までの５ｍｍの範囲におけるＢＩＣ（骨－インプラント接触率）を測定した（ｎ＝５）。ＢＩＣは、ＩｍａｇｅＪを用いて下式１より計算した。
ＢＩＣにおけるチタンディスク表面に結合している骨の長さ、及びチタンディスク表面の長さは、図１１に示すＢＩＣ測定範囲の模式図に基づいて測定した。なお、図１１において、ａはチタンディスク表面の長さ（点線）を示し、ｂはチタンディスク表面に結合した骨の長さ（矢印）を示し、ｃは新生骨を示す。ＢＩＣの結果を図１２に示す。なお、測定結果は、ｔ－検定を行った。図１２中、*はｐ＜０．０５を示す。
図９より、コントロール群と比較して、アルカリイオン水処理群の骨髄側のチタンディスク周囲に活発な新生骨の形成が認められた。図１０より、コントロール群と比較して、アルカリイオン水処理群の骨髄側のチタンディスク周囲に赤紫色に濃染された類骨が多く見られた。図１２より、コントロール群と比較して、アルカリイオン水処理群のＢＩＣは有意に高い値を示した。
チタン表面の親水性はオッセオインテグレーションに影響を与える種々のタンパク質又はサイトカインの吸着又は細胞接着に関与し、ＢＩＣを低下させることが知られている。このことから、表面が疎水性のコントロール群よりも親水性のアルカリイオン水処理群のほうが、ＢＩＣが高くなったと考えられる。
チタン表面の親水性はオッセオインテグレーションに影響を与える種々のタンパク質又はサイトカインの吸着又は細胞接着に関与し、ＢＩＣを低下させることが知られている。このことから、表面が疎水性のコントロール群よりも親水性のアルカリイオン水処理群のほうが、ＢＩＣが高くなったと考えられる。
以上より、チタンディスクを、ケイ素及びリンを含有するミネラル塩を含む水溶液を電気分解して得られたアルカリイオン水中に短時間浸漬処理することで、従来行われている紫外線照射とほぼ同等の表面改質効果が得られることがわかった。現在インプラントの表面処理には、特殊な器材を消毒室等に設置する必要があるが、本発明の表面処理方法を用いれば、省スペースで簡便かつ低コストにインプラントの表面改質を行うことが可能になる。
１ 電解槽
２ 導水管
３ 隔膜
４ 陽極室
５ 陰極室
６ 陽極
７ 陰極
８ 酸性水排出管
９ アルカリ水導出管
１０ 冷却装置
１１ 混合槽
１２ 原料液貯槽
１３ 流入量調整装置
１４ 攪拌装置
１５ 断熱手段
１６ 出口管
１７ ｐＨ測定手段
１８ アルカリイオン水出口管
１９ アルコール貯槽
２０ アルコール混合槽
２１ 混合アルカリイオン水出口管
２２ 隔離室
１００ 陰極電子
１０１ アルカリイオン水製造装置
２ 導水管
３ 隔膜
４ 陽極室
５ 陰極室
６ 陽極
７ 陰極
８ 酸性水排出管
９ アルカリ水導出管
１０ 冷却装置
１１ 混合槽
１２ 原料液貯槽
１３ 流入量調整装置
１４ 攪拌装置
１５ 断熱手段
１６ 出口管
１７ ｐＨ測定手段
１８ アルカリイオン水出口管
１９ アルコール貯槽
２０ アルコール混合槽
２１ 混合アルカリイオン水出口管
２２ 隔離室
１００ 陰極電子
１０１ アルカリイオン水製造装置
Claims (9)
- チタン又はチタン合金を、ケイ素及びリンを含有するミネラル塩を含む水溶液を電気分解して得られたアルカリイオン水に浸漬する工程を含む、チタン又はチタン合金の表面処理方法。
- 前記アルカリイオン水中に、前記ケイ素が０．４～４００ｍａｓｓ ｐｐｍ、及びリンが４００～８００ｍａｓｓ ｐｐｍ含まれる、請求項１に記載の表面処理方法。
- 前記アルカリイオン水中に、さらに、カルシウム、カリウム、ナトリウム、及びマグネシウムからなる群より選ばれる少なくとも一種のミネラルが含まれる、請求項１又は２に記載の表面処理方法。
- 前記アルカリイオン水中に、さらに、塩素が含まれる、請求項１～３の何れか一項に記載の表面処理方法。
- 前記アルカリイオン水のｐＨが１０～１２．５である、請求項１～４の何れか一項に記載の表面処理方法。
- 前記アルカリイオン水の表面張力が５５～６８ｍＮ／ｍである、請求項１～５の何れか一項に記載の表面処理方法。
- 前記アルカリイオン水が、ケイ素及びリンを含有するミネラル塩と水とを含む水溶液を電気分解する電気分解工程、及び、前記工程で得られた陰極側のアルカリ水と、ケイ素及びリンを含有するミネラル塩とを混合して混合液を得、該混合液に電子を供給する電子供給工程により得られたものである、請求項１～６の何れか一項に記載の表面処理方法。
- ケイ素及びリンを含有するミネラル塩を含む水溶液を電気分解して得られたアルカリイオン水によって表面が処理されている、チタン又はチタン合金製のインプラント。
- ケイ素及びリンを含有するミネラル塩を含む水溶液を電気分解してアルカリイオン水を得る工程、及び、
前記アルカリイオン水をチタン又はチタン合金の表面に処理する工程を備える、チタン又はチタン合金製のインプラントの製造方法。
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-
2021
- 2021-12-24 JP JP2022519066A patent/JP7083557B1/ja active Active
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Non-Patent Citations (2)
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|---|
| チタン, vol. 60(3), JPN6022019267, 2012, pages 224 - 227, ISSN: 0004774761 * |
| チタン，2012年，60(3)，pp.224-227 |
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