JP7288796B2 - 生体適合部材及び生体適合部材の製造方法 - Google Patents
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Description
本開示は生体適合部材及び生体適合部材の製造方法に関する。
生体に埋入可能な生体適合部材の開発が行われている。
例えば、特許文献１には、次の生体適合部材が開示されている。すなわち、チタン基材の表面に、水熱合成を用いてＣａＴｉＯ３からなる中間層を形成し、さらにその上にハイドロキシアパタイト結晶を析出した生体適合部材が開示されている。この生体適合部材では、ＣａＴｉＯ３からなる中間層により、チタン基材とハイドロキシアパタイト層は強固に密着している。この生体適合部材は、ハイドロキシアパタイト層によって生体骨と化学的に結合する。
また、特許文献２には、次の生体適合部材が開示されている。すなわち、チタン基材の表面に、溶射により銀を含んだハイドロキシアパタイトをコーティングした生体適合部材が開示されている。この生体適合部材では、ハイドロキシアパタイトの溶射膜を介して、チタン基材と生体骨とが化学的に結合する。また、この生体適合部材では、ハイドロキシアパタイトの溶射膜から溶出する銀イオンにより抗菌作用が奏される。
例えば、特許文献１には、次の生体適合部材が開示されている。すなわち、チタン基材の表面に、水熱合成を用いてＣａＴｉＯ３からなる中間層を形成し、さらにその上にハイドロキシアパタイト結晶を析出した生体適合部材が開示されている。この生体適合部材では、ＣａＴｉＯ３からなる中間層により、チタン基材とハイドロキシアパタイト層は強固に密着している。この生体適合部材は、ハイドロキシアパタイト層によって生体骨と化学的に結合する。
また、特許文献２には、次の生体適合部材が開示されている。すなわち、チタン基材の表面に、溶射により銀を含んだハイドロキシアパタイトをコーティングした生体適合部材が開示されている。この生体適合部材では、ハイドロキシアパタイトの溶射膜を介して、チタン基材と生体骨とが化学的に結合する。また、この生体適合部材では、ハイドロキシアパタイトの溶射膜から溶出する銀イオンにより抗菌作用が奏される。
特許文献１では、水熱合成を用いているため、高結晶性かつ高純度な六方晶のハイドロキシアパタイト結晶が得られ、生体内安定性に優れる生体適合部材として有用とされる。しかし、特許文献１では、ハイドロキシアパタイト結晶の抗菌性については検討されていない。
また、特許文献２では、銀を含んだハイドロキシアパタイトの溶射膜が抗菌性を有するとされているが、生体内安定性という観点で好ましくない。具体的には、ハイドロキシアパタイトの溶射膜の形成では、数千℃以上の高温でハイドロキシアパタイト粉末をチタン基材上に溶融堆積させている。このようにして、得られたハイドロキシアパタイトは低結晶性かつ低純度であり、十分な生体内安定性が得られない。
本開示は、上記実情に鑑みてなされたものであり、生体内安定性が良好で抗菌性を有する生体適合部材を提供することを目的とする。本開示は、以下の形態として実現することが可能である。
また、特許文献２では、銀を含んだハイドロキシアパタイトの溶射膜が抗菌性を有するとされているが、生体内安定性という観点で好ましくない。具体的には、ハイドロキシアパタイトの溶射膜の形成では、数千℃以上の高温でハイドロキシアパタイト粉末をチタン基材上に溶融堆積させている。このようにして、得られたハイドロキシアパタイトは低結晶性かつ低純度であり、十分な生体内安定性が得られない。
本開示は、上記実情に鑑みてなされたものであり、生体内安定性が良好で抗菌性を有する生体適合部材を提供することを目的とする。本開示は、以下の形態として実現することが可能である。
〔１〕基材と、
前記基材の表面の少なくとも一部に形成された、六方晶のハイドロキシアパタイト結晶と、を備えた生体適合部材であって、
前記ハイドロキシアパタイト結晶のｃ面表面は複数の突起によって構成される剣山状構造を有している、生体適合部材。
前記基材の表面の少なくとも一部に形成された、六方晶のハイドロキシアパタイト結晶と、を備えた生体適合部材であって、
前記ハイドロキシアパタイト結晶のｃ面表面は複数の突起によって構成される剣山状構造を有している、生体適合部材。
〔２〕前記基材が、チタン又はチタン合金からなる、〔１〕に記載の生体適合部材。
〔３〕六方晶のハイドロキシアパタイト結晶を形成する工程と、
前記ハイドロキシアパタイト結晶を酸処理して、前記ハイドロキシアパタイト結晶のｃ面表面に複数の突起によって構成される剣山状構造を形成する工程と、を備える、生体適合部材の製造方法。
前記ハイドロキシアパタイト結晶を酸処理して、前記ハイドロキシアパタイト結晶のｃ面表面に複数の突起によって構成される剣山状構造を形成する工程と、を備える、生体適合部材の製造方法。
本開示の生体適合部材は、生体内安定性が良好で抗菌性を有する。
基材がチタン又はチタン合金からなる場合には、生体適合性が高くなる。
本開示の生体適合部材の製造方法によれば、生体内安定性が良好で抗菌性を有する生体適合部材が得られる。
基材がチタン又はチタン合金からなる場合には、生体適合性が高くなる。
本開示の生体適合部材の製造方法によれば、生体内安定性が良好で抗菌性を有する生体適合部材が得られる。
以下、本開示を詳しく説明する。なお、本明細書において、数値範囲について「～」を用いた記載では、特に断りがない限り、下限値及び上限値を含むものとする。例えば、「１０～２０」という記載では、下限値である「１０」、上限値である「２０」のいずれも含むものとする。すなわち、「１０～２０」は、「１０以上２０以下」と同じ意味である。
１．生体適合部材
本実施形態の生体適合部材１は、図１に示すように、基材３と、六方晶のハイドロキシアパタイト結晶１０と、を備える。生体適合部材１は、基材３がハイドロキシアパタイト結晶１０によって直接または間接的に被覆された構成とされる。ここで、間接的な被覆とは、基材３とハイドロキシアパタイト結晶１０の間に中間層を備える被覆を意味する。中間層は、例えば、ＣａＴｉＯ３によって構成することができる。この生体適合部材１の表面は、ハイドロキシアパタイト結晶１０によって構成される。
本実施形態の生体適合部材１は、図１に示すように、基材３と、六方晶のハイドロキシアパタイト結晶１０と、を備える。生体適合部材１は、基材３がハイドロキシアパタイト結晶１０によって直接または間接的に被覆された構成とされる。ここで、間接的な被覆とは、基材３とハイドロキシアパタイト結晶１０の間に中間層を備える被覆を意味する。中間層は、例えば、ＣａＴｉＯ３によって構成することができる。この生体適合部材１の表面は、ハイドロキシアパタイト結晶１０によって構成される。
（１）基材
基材３の材質は、特に限定されないが、高い生体適合性を確保するという観点から、チタンまたはチタン合金であることが好ましい。
チタンは、特に限定されないが、純チタンＪＩＳ １～４種が例示される。
チタン合金は、特に限定されないが、Ｎｂ（ニオブ）、Ｔａ（タンタル）、Ｗ（タングステン）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｐ（リン）、Ａｕ（金）、Ｃａ（カルシウム）、Ａｇ（銀）、Ｐｔ（白金）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｖ（バナジウム）、Ｓｉ（ケイ素）、Ｂ（ホウ素）、Ｎ（窒素）、Ｃ（炭素）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｙ（イットリウム）、Ｈｆ（ハフニウム）、Ｉｒ（イリジウム）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｆｅ（鉄）、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｎａ（ナトリウム）、及びＫ（カリウム）からなる群より選ばれた１種以上の元素と、残部がＴｉ（チタン）及び不可避不純物であるチタン合金が例示される。
基材３の大きさ、厚み、形状等は、生体適合部材の用途等により適宜選定される。
基材３の材質は、特に限定されないが、高い生体適合性を確保するという観点から、チタンまたはチタン合金であることが好ましい。
チタンは、特に限定されないが、純チタンＪＩＳ １～４種が例示される。
チタン合金は、特に限定されないが、Ｎｂ（ニオブ）、Ｔａ（タンタル）、Ｗ（タングステン）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｐ（リン）、Ａｕ（金）、Ｃａ（カルシウム）、Ａｇ（銀）、Ｐｔ（白金）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｖ（バナジウム）、Ｓｉ（ケイ素）、Ｂ（ホウ素）、Ｎ（窒素）、Ｃ（炭素）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｙ（イットリウム）、Ｈｆ（ハフニウム）、Ｉｒ（イリジウム）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｆｅ（鉄）、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｎａ（ナトリウム）、及びＫ（カリウム）からなる群より選ばれた１種以上の元素と、残部がＴｉ（チタン）及び不可避不純物であるチタン合金が例示される。
基材３の大きさ、厚み、形状等は、生体適合部材の用途等により適宜選定される。
（２）ハイドロキシアパタイト結晶
ハイドロキシアパタイト結晶１０は、六方晶の結晶構造を有するハイドロキシアパタイト（ヒドロキシアパタイト、Ｃａ１０（ＰＯ４）６（ＯＨ）２、ＨＡｐ）である。ハイドロキシアパタイト結晶１０は、例えば六角柱状をなす。この場合、六角柱状をなすハイドロキシアパタイト結晶１０の端面１５がｃ面であり、側面１７がａ面である。ハイドロキシアパタイト結晶１０は、柱状結晶の成長方向がｃ面に垂直なｃ軸とされる。ハイドロキシアパタイトは、人間の骨、歯の主要構成物質である。ハイドロキシアパタイトは、生体親和性が高く、人工骨、人工歯根等のインプラント素材として幅広く用いられている。
ハイドロキシアパタイト結晶１０は、六方晶の結晶構造を有するハイドロキシアパタイト（ヒドロキシアパタイト、Ｃａ１０（ＰＯ４）６（ＯＨ）２、ＨＡｐ）である。ハイドロキシアパタイト結晶１０は、例えば六角柱状をなす。この場合、六角柱状をなすハイドロキシアパタイト結晶１０の端面１５がｃ面であり、側面１７がａ面である。ハイドロキシアパタイト結晶１０は、柱状結晶の成長方向がｃ面に垂直なｃ軸とされる。ハイドロキシアパタイトは、人間の骨、歯の主要構成物質である。ハイドロキシアパタイトは、生体親和性が高く、人工骨、人工歯根等のインプラント素材として幅広く用いられている。
ハイドロキシアパタイト結晶１０は、基材３の表面５の少なくとも一部に形成されている。ハイドロキシアパタイト結晶１０は、柱状又は板状の結晶が集合した集合体として、基材３の表面５を被覆する層状をなしていてもよい。ハイドロキシアパタイト結晶１０が高結晶性の場合には、生体内ですぐに溶解されず安定である。
なお、ハイドロキシアパタイト結晶１０が基材３の表面５の少なくとも一部に形成されていることは、例えば、走査電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ、ＳＥＭ）を用いて、電圧１５ｋＶ、１０００倍の条件で、生体適合部材１の表面を観察することにより確認できる。
なお、ハイドロキシアパタイト結晶１０が基材３の表面５の少なくとも一部に形成されていることは、例えば、走査電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ、ＳＥＭ）を用いて、電圧１５ｋＶ、１０００倍の条件で、生体適合部材１の表面を観察することにより確認できる。
ハイドロキシアパタイト結晶１０のｃ面表面は、複数の突起１３によって構成される剣山状構造１１を有している。剣山状構造１１は、ハイドロキシアパタイト結晶１０のａ面には形成されておらず、ｃ面に選択的に形成されていてもよい。剣山状構造１１は、ナノピラー構造とも称される構造である。剣山状構造１１は、細菌の細胞膜を物理的に破壊して、殺菌可能な構造とされる。剣山状構造１１が抗菌性を示す細菌としては、整形外科における術後感染症に関わる代表的な細菌である大腸菌、緑膿菌、黄色ブドウ球菌、表皮ブドウ球菌、メチシリン耐性黄色ブドウ球菌（ＭＲＳＡ）、メチシリン耐性表皮ブドウ球菌（ＭＲＳＥ）等を例示することができる。
複数の突起１３の各々の形状及び大きさは特に限定するものではないが、次のようなものとすることができる。図２に示すように、突起１３は、先端に向かうにつれて先細る形状をなしていてもよい。突起１３の突出高さをＨとし、突起１３において突出高さＨの半分となる位置における径をＤとすると、突起１３は径Ｄより突出高さＨが大きい柱状をなしていてもよい。
突起１３の高さＨは、抗菌性の観点から、０．１μｍ以上であることが好ましく、０．１５μｍ以上であることがより好ましく、０．２μｍ以上であることがさらに好ましい。突起１３の高さＨは、剣山状構造１１の形状保持の観点から、２．５μｍ以下であることが好ましく、２．０μｍ以下であることがより好ましく、１．５μｍ以下であることがさらに好ましい。これらの観点から、突起１３の高さＨは、０．１μｍ以上２．５μｍ以下であることが好ましく、０．１５μｍ以上２．０μｍ以下であることがより好ましく、０．２μｍ以上１．５μｍ以下であることがさらに好ましい。
突起１３の径Ｄは、整形外科における術後感染症に関わる細菌の大きさ（例えば、０．５μｍ～３．０μｍ程度）に比して小さいことが好ましい。突起１３の径Ｄは、抗菌性の観点から、２．０μｍ以下であることが好ましく、１．５μｍ以下であることがより好ましく、１．０μｍ以下であることがさらに好ましい。突起１３の径Ｄは、剣山状構造１１の形状保持の観点から、０．１μｍ以上であることが好ましく、０．１５μｍ以上であることがより好ましく、０．２μｍ以上であることがさらに好ましい。これらの観点から、突起１３の径Ｄは、０．１μｍ以上２．０μｍ以下であることが好ましく、０．１５μｍ以上１．５μｍ以下であることがより好ましく、０．２μｍ以上１．０μｍ以下であることがさらに好ましい。
隣り合う突起１３の頂点間の間隔Ｇは、整形外科における術後感染症に関わる細菌の大きさ（例えば、０．５μｍ～３．０μｍ程度）に比して小さいことが好ましい。隣り合う突起１３の間隔Ｇは、抗菌性の観点から、１．５μｍ以下であることが好ましく、１．０μｍ以下であることがより好ましく、０．５μｍ以下であることがさらに好ましい。隣り合う突起１３の間隔Ｇは、０μｍより大きく、通常０．２μｍ以上である。
突起１３の高さＨ、突起１３の径Ｄ、及び隣り合う突起１３の間隔Ｇは、例えば、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて、電圧１５ｋＶ、１００００倍の条件で、ハイドロキシアパタイト結晶１０の表面を観察して測定される。
なお、突起１３の高さＨ、突起１３の径Ｄ、及び隣り合う突起１３の間隔Ｇは、例えば、六方晶のハイドロキシアパタイト結晶を酸処理する際のｐＨ値、処理時間等を適宜設定することによりコントロールすることができる。
突起１３の高さＨは、抗菌性の観点から、０．１μｍ以上であることが好ましく、０．１５μｍ以上であることがより好ましく、０．２μｍ以上であることがさらに好ましい。突起１３の高さＨは、剣山状構造１１の形状保持の観点から、２．５μｍ以下であることが好ましく、２．０μｍ以下であることがより好ましく、１．５μｍ以下であることがさらに好ましい。これらの観点から、突起１３の高さＨは、０．１μｍ以上２．５μｍ以下であることが好ましく、０．１５μｍ以上２．０μｍ以下であることがより好ましく、０．２μｍ以上１．５μｍ以下であることがさらに好ましい。
突起１３の径Ｄは、整形外科における術後感染症に関わる細菌の大きさ（例えば、０．５μｍ～３．０μｍ程度）に比して小さいことが好ましい。突起１３の径Ｄは、抗菌性の観点から、２．０μｍ以下であることが好ましく、１．５μｍ以下であることがより好ましく、１．０μｍ以下であることがさらに好ましい。突起１３の径Ｄは、剣山状構造１１の形状保持の観点から、０．１μｍ以上であることが好ましく、０．１５μｍ以上であることがより好ましく、０．２μｍ以上であることがさらに好ましい。これらの観点から、突起１３の径Ｄは、０．１μｍ以上２．０μｍ以下であることが好ましく、０．１５μｍ以上１．５μｍ以下であることがより好ましく、０．２μｍ以上１．０μｍ以下であることがさらに好ましい。
隣り合う突起１３の頂点間の間隔Ｇは、整形外科における術後感染症に関わる細菌の大きさ（例えば、０．５μｍ～３．０μｍ程度）に比して小さいことが好ましい。隣り合う突起１３の間隔Ｇは、抗菌性の観点から、１．５μｍ以下であることが好ましく、１．０μｍ以下であることがより好ましく、０．５μｍ以下であることがさらに好ましい。隣り合う突起１３の間隔Ｇは、０μｍより大きく、通常０．２μｍ以上である。
突起１３の高さＨ、突起１３の径Ｄ、及び隣り合う突起１３の間隔Ｇは、例えば、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて、電圧１５ｋＶ、１００００倍の条件で、ハイドロキシアパタイト結晶１０の表面を観察して測定される。
なお、突起１３の高さＨ、突起１３の径Ｄ、及び隣り合う突起１３の間隔Ｇは、例えば、六方晶のハイドロキシアパタイト結晶を酸処理する際のｐＨ値、処理時間等を適宜設定することによりコントロールすることができる。
剣山状構造１１は、複数の突起１３が突出方向を揃えて、密に配置された部位として特定することができる。例えば、剣山状構造１１は、ハイドロキシアパタイト結晶１０のｃ面における１．０μｍ角の範囲に複数本の突起１３が存在する部位として特定することができる。ｃ面の１．０μｍ角の範囲に存在する突起１３の数は、特に限定するものではないが、抗菌性の観点から、２個以上が好ましく、４個以上がより好ましく、６個以上がさらに好ましい。ｃ面における１．０μｍ角の範囲に存在する突起１３の数は、通常２０個以下である。
ｃ面における１．０μｍ角の範囲に存在する突起１３の数は、例えば、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて、電圧１５ｋＶ、１００００倍の条件で、ハイドロキシアパタイト結晶１０の表面を観察して算出される。
なお、ｃ面における１．０μｍ角の範囲に存在する突起１３の数は、例えば、六方晶のハイドロキシアパタイト結晶を酸処理する際のｐＨ値、処理時間等を適宜設定することによりコントロールすることができる。
ｃ面における１．０μｍ角の範囲に存在する突起１３の数は、例えば、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて、電圧１５ｋＶ、１００００倍の条件で、ハイドロキシアパタイト結晶１０の表面を観察して算出される。
なお、ｃ面における１．０μｍ角の範囲に存在する突起１３の数は、例えば、六方晶のハイドロキシアパタイト結晶を酸処理する際のｐＨ値、処理時間等を適宜設定することによりコントロールすることができる。
ハイドロキシアパタイト結晶１０は、図１に示すように、生体適合部材１の表面の少なくとも一部にｃ面を露出させた形態で基材３の表面５に形成されている。ハイドロキシアパタイト結晶１０は、高さの異なるハイドロキシアパタイトの柱状体１９，１９によって構成され、生体適合部材１の表面が凹凸構造をなしていてもよい。このような構成によれば、生体適合部材１の表面が摩耗され凹凸構造の凸部に形成された剣山状構造１１が欠損した場合であっても、凹凸構造の凹部内に剣山状構造１１を残存させることができる。
２．生体適合部材の作用及び効果
セミやトンボなどの昆虫の羽には無数のナノメートルオーダーの寸法を持つ柱構造が存在している。近年、このような構造が殺菌作用を奏することが報告されている。そのような報告がなされた文献として、Ｓ． Ｐｏｇｏｄｉｎ， ｅｔ ａｌ．、Ｂｉｏｐｈｙｓｉｃａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ、１０４、Ｆｅｂｒｕａｒｙ ２０１３、８３５－８４０頁等が挙げられる。
本願発明者らは、ある種のハイドロキシアパタイト結晶１０のｃ面表面に上述の柱構造に類似した剣山状構造１１が形成されることを新規に発見し、本実施形態の生体適合部材１を開発するに至った。
本実施形態の生体適合部材１によれば、剣山状構造１１の表面に付着した細菌の細胞膜を破壊することにより、抗菌作用を奏することが期待できる。
ところで、生体適合部材に抗菌性を付与するために、銀などの添加物を添加する技術が知られている。高濃度の銀イオンは細胞毒性を示すことが知られており、銀を生体適合部材に添加する場合には、銀の添加量を精密に制御する必要がある。本実施形態の生体適合部材１は、銀などの添加物を添加することなく抗菌作用を奏するから、添加物の添加量を精密に制御することなく生体適合部材１に抗菌性を付与することができ、有用である。
また、高結晶性かつ高純度な六方晶のハイドロキシアパタイト結晶１０は生体内安定性に優れることが知られている。本実施形態では、六方晶のハイドロキシアパタイト結晶１０に剣山状構造１１が形成されるから、生体内安定性が良好で抗菌性を有する生体適合部材を得ることができる。
セミやトンボなどの昆虫の羽には無数のナノメートルオーダーの寸法を持つ柱構造が存在している。近年、このような構造が殺菌作用を奏することが報告されている。そのような報告がなされた文献として、Ｓ． Ｐｏｇｏｄｉｎ， ｅｔ ａｌ．、Ｂｉｏｐｈｙｓｉｃａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ、１０４、Ｆｅｂｒｕａｒｙ ２０１３、８３５－８４０頁等が挙げられる。
本願発明者らは、ある種のハイドロキシアパタイト結晶１０のｃ面表面に上述の柱構造に類似した剣山状構造１１が形成されることを新規に発見し、本実施形態の生体適合部材１を開発するに至った。
本実施形態の生体適合部材１によれば、剣山状構造１１の表面に付着した細菌の細胞膜を破壊することにより、抗菌作用を奏することが期待できる。
ところで、生体適合部材に抗菌性を付与するために、銀などの添加物を添加する技術が知られている。高濃度の銀イオンは細胞毒性を示すことが知られており、銀を生体適合部材に添加する場合には、銀の添加量を精密に制御する必要がある。本実施形態の生体適合部材１は、銀などの添加物を添加することなく抗菌作用を奏するから、添加物の添加量を精密に制御することなく生体適合部材１に抗菌性を付与することができ、有用である。
また、高結晶性かつ高純度な六方晶のハイドロキシアパタイト結晶１０は生体内安定性に優れることが知られている。本実施形態では、六方晶のハイドロキシアパタイト結晶１０に剣山状構造１１が形成されるから、生体内安定性が良好で抗菌性を有する生体適合部材を得ることができる。
３．生体適合部材の製造方法
生体適合部材１の製造方法は、特に限定されない。ここでは、生体適合部材１の製造方法の好適な一例を説明する。この生体適合部材の製造方法は、六方晶のハイドロキシアパタイト結晶１０を形成する工程Ａと、剣山状構造１１を形成する工程Ｂと、を備える。
生体適合部材１の製造方法は、特に限定されない。ここでは、生体適合部材１の製造方法の好適な一例を説明する。この生体適合部材の製造方法は、六方晶のハイドロキシアパタイト結晶１０を形成する工程Ａと、剣山状構造１１を形成する工程Ｂと、を備える。
（１）六方晶のハイドロキシアパタイト結晶１０を形成する工程Ａ
工程Ａでは、例えば、水熱合成によりハイドロキシアパタイト結晶１０を形成することができる。
水熱合成に用いる合成溶液は、高結晶性の六方晶ハイドロキシアパタイトを生成するという観点から、カルシウムイオン、水酸化物イオン、有機リン酸エステル、キレート剤、水を含有していることが好ましい。
カルシウムイオン源としては、特には限定されないが、例えば、硝酸カルシウム、水酸化カルシウム、炭酸カルシウム、酢酸カルシウム、ハロゲン化カルシウム、酸化カルシウム、及びリン酸カルシウムからなる群より選ばれる少なくとも１種を好適に用いることができる。
水酸化物イオン源としては、特には限定されないが、例えば、水酸化カリウム、水酸化アンモニウム、水酸化カルシウム、水酸化ナトリウム等の水酸化物含有化合物、アンモニア、酸化カルシウム等の水溶液中で水酸化物イオンを生成させる化合物から選ばれる少なくとも１種を好適に用いることができる。
有機リン酸エステルとしては、特には限定されないが、例えば、リン酸トリエチル、リン酸トリメチル、リン酸トリブチル、及びリン酸トリフェニルからなる群より選ばれる少なくとも１種を好適に用いることができる。
キレート剤は、特には限定されないが、例えば、ＥＤＴＡ（エチレンジアミン四酢酸）を好適に用いることができる。
工程Ａでは、例えば、水熱合成によりハイドロキシアパタイト結晶１０を形成することができる。
水熱合成に用いる合成溶液は、高結晶性の六方晶ハイドロキシアパタイトを生成するという観点から、カルシウムイオン、水酸化物イオン、有機リン酸エステル、キレート剤、水を含有していることが好ましい。
カルシウムイオン源としては、特には限定されないが、例えば、硝酸カルシウム、水酸化カルシウム、炭酸カルシウム、酢酸カルシウム、ハロゲン化カルシウム、酸化カルシウム、及びリン酸カルシウムからなる群より選ばれる少なくとも１種を好適に用いることができる。
水酸化物イオン源としては、特には限定されないが、例えば、水酸化カリウム、水酸化アンモニウム、水酸化カルシウム、水酸化ナトリウム等の水酸化物含有化合物、アンモニア、酸化カルシウム等の水溶液中で水酸化物イオンを生成させる化合物から選ばれる少なくとも１種を好適に用いることができる。
有機リン酸エステルとしては、特には限定されないが、例えば、リン酸トリエチル、リン酸トリメチル、リン酸トリブチル、及びリン酸トリフェニルからなる群より選ばれる少なくとも１種を好適に用いることができる。
キレート剤は、特には限定されないが、例えば、ＥＤＴＡ（エチレンジアミン四酢酸）を好適に用いることができる。
ここで、合成溶液における各種成分の好ましい配合割合を説明する。生体内安定性に優れた六方晶のハイドロキシアパタイト結晶を形成するという観点から、各成分は次の範囲で添加されていることが好ましい。
カルシウムイオン源の添加量は、水和物として、例えば硝酸カルシウムであれば、好ましくは０．０１ｍｏｌ／ｋｇ～１．０ｍｏｌ／ｋｇであり、より好ましくは０．０５ｍｏｌ／ｋｇ～０．４ｍｏｌ／ｋｇであり、更に好ましくは０．１ｍｏｌ／ｋｇ～０．３ｍｏｌ／ｋｇである。
キレート剤の添加量は、例えばＥＤＴＡであれば、好ましくは０．０１ｍｏｌ／ｋｇ～１．０ｍｏｌ／ｋｇであり、より好ましくは０．０５ｍｏｌ／ｋｇ～０．４ｍｏｌ／ｋｇであり、更に好ましくは０．１ｍｏｌ／ｋｇ～０．３ｍｏｌ／ｋｇである。
有機リン酸エステルの添加量は、例えばリン酸トリエチルであれば、好ましくは０．０１ｍｏｌ／ｋｇ～１．０ｍｏｌ／ｋｇであり、より好ましくは０．０５ｍｏｌ／ｋｇ～０．４ｍｏｌ／ｋｇであり、更に好ましくは０．１ｍｏｌ／ｋｇ～０．３ｍｏｌ／ｋｇである。
水酸化物イオン源の添加量は、例えば水酸化カリウムであれば、好ましくは０．１ｍｏｌ／ｋｇ～１０ｍｏｌ／ｋｇであり、より好ましくは０．５ｍｏｌ／ｋｇ～４ｍｏｌ／ｋｇであり、更に好ましくは１ｍｏｌ／ｋｇ～３ｍｏｌ／ｋｇである。
カルシウムイオン源の添加量は、水和物として、例えば硝酸カルシウムであれば、好ましくは０．０１ｍｏｌ／ｋｇ～１．０ｍｏｌ／ｋｇであり、より好ましくは０．０５ｍｏｌ／ｋｇ～０．４ｍｏｌ／ｋｇであり、更に好ましくは０．１ｍｏｌ／ｋｇ～０．３ｍｏｌ／ｋｇである。
キレート剤の添加量は、例えばＥＤＴＡであれば、好ましくは０．０１ｍｏｌ／ｋｇ～１．０ｍｏｌ／ｋｇであり、より好ましくは０．０５ｍｏｌ／ｋｇ～０．４ｍｏｌ／ｋｇであり、更に好ましくは０．１ｍｏｌ／ｋｇ～０．３ｍｏｌ／ｋｇである。
有機リン酸エステルの添加量は、例えばリン酸トリエチルであれば、好ましくは０．０１ｍｏｌ／ｋｇ～１．０ｍｏｌ／ｋｇであり、より好ましくは０．０５ｍｏｌ／ｋｇ～０．４ｍｏｌ／ｋｇであり、更に好ましくは０．１ｍｏｌ／ｋｇ～０．３ｍｏｌ／ｋｇである。
水酸化物イオン源の添加量は、例えば水酸化カリウムであれば、好ましくは０．１ｍｏｌ／ｋｇ～１０ｍｏｌ／ｋｇであり、より好ましくは０．５ｍｏｌ／ｋｇ～４ｍｏｌ／ｋｇであり、更に好ましくは１ｍｏｌ／ｋｇ～３ｍｏｌ／ｋｇである。
なお、水酸化物イオンを含む予備溶液（１）と、カルシウムイオン、キレート剤、及び有機リン酸エステルを含む予備溶液（２）を予め用意し、両者を混合して合成溶液としてもよい。また、初めから全ての成分を添加した合成溶液を用意してもよい。
合成溶液の均質性の観点から、予備溶液（１）と予備溶液（２）を予め用意し、両者を混合して合成溶液とすることが好ましい。
合成溶液の均質性の観点から、予備溶液（１）と予備溶液（２）を予め用意し、両者を混合して合成溶液とすることが好ましい。
水熱合成工程における加熱温度は、特に限定されないが、好ましくは１６０～２５０℃であり、より好ましくは１７０～２３０℃であり、更に好ましくは１８０～２２０℃である。
また、加熱の際には、大気圧よりも大きな圧力をかけることが好ましい。このために、耐圧反応容器を用いることが好ましい。
反応時間は、特に限定されないが、生体内安定性に優れたハイドロキシアパタイト結晶を形成するという観点から、好ましくは４時間～２４時間であり、より好ましくは６時間～２０時間であり、更に好ましくは８時間～１８時間である。なお、反応時間は、所定の加熱温度まで昇温した後のキープ時間であり、所定の加熱温度まで昇温するための昇温時間を適宜設定することができる。
また、加熱の際には、大気圧よりも大きな圧力をかけることが好ましい。このために、耐圧反応容器を用いることが好ましい。
反応時間は、特に限定されないが、生体内安定性に優れたハイドロキシアパタイト結晶を形成するという観点から、好ましくは４時間～２４時間であり、より好ましくは６時間～２０時間であり、更に好ましくは８時間～１８時間である。なお、反応時間は、所定の加熱温度まで昇温した後のキープ時間であり、所定の加熱温度まで昇温するための昇温時間を適宜設定することができる。
（２）剣山状構造１１を形成する工程Ｂ
工程Ｂでは、ハイドロキシアパタイト結晶を酸処理して、ハイドロキシアパタイト結晶のｃ面表面に複数の突起によって構成される剣山状構造を形成する。この工程Ｂは、酸処理によって、ｃ面表面において突起となる部位を残して、その周囲を局所的に溶解することにより、剣山状構造１１を形成するものとされる。
酸処理により、ハイドロキシアパタイト結晶のｃ面表面に選択的に剣山状構造が形成される理由は定かではないが、酸処理の際の酸性溶液のｐＨ値、処理時間等の条件を適宜設定することにより、ｃ面表面に剣山状構造を形成することができる。
工程Ｂでは、ハイドロキシアパタイト結晶を酸処理して、ハイドロキシアパタイト結晶のｃ面表面に複数の突起によって構成される剣山状構造を形成する。この工程Ｂは、酸処理によって、ｃ面表面において突起となる部位を残して、その周囲を局所的に溶解することにより、剣山状構造１１を形成するものとされる。
酸処理により、ハイドロキシアパタイト結晶のｃ面表面に選択的に剣山状構造が形成される理由は定かではないが、酸処理の際の酸性溶液のｐＨ値、処理時間等の条件を適宜設定することにより、ｃ面表面に剣山状構造を形成することができる。
ハイドロキシアパタイト結晶の酸処理は、基材の表面に形成された状態のハイドロキシアパタイト結晶を、常温にて酸性溶液に浸漬することにより行うことができる。
ハイドロキシアパタイト結晶１０の酸処理には、ハイドロキシアパタイトを溶解可能な所定のｐＨ値の塩酸、硫酸、硝酸等の無機酸の溶液、またはシュウ酸、酢酸等の有機酸の溶液を用いることができる。これらの中でも無機酸水溶液が好ましく、硝酸水溶液がより好ましい。
酸性溶液のｐＨ値は特に限定されないが、ハイドロキシアパタイト結晶１０全体の形状を維持しつつ、ｃ面に剣山状構造１１を形成するという観点から、ｐＨ２．０～ｐＨ４．５が好ましく、ｐＨ２．５～ｐＨ４．０がより好ましく、ｐＨ２．８～ｐＨ３．８がさらに好ましい。
ハイドロキシアパタイト結晶を酸性溶液に浸漬する時間は特に限定されないが、ハイドロキシアパタイト結晶１０全体の形状を維持しつつ、ｃ面に剣山状構造１１を形成するという観点から、好ましくは１２時間～３４時間であり、より好ましくは１６時間～３０時間であり、更に好ましくは２０時間～２６時間である。
酸処理されたハイドロキシアパタイト結晶は、洗浄、乾燥され、生体適合部材として用いることができる。
ハイドロキシアパタイト結晶１０の酸処理には、ハイドロキシアパタイトを溶解可能な所定のｐＨ値の塩酸、硫酸、硝酸等の無機酸の溶液、またはシュウ酸、酢酸等の有機酸の溶液を用いることができる。これらの中でも無機酸水溶液が好ましく、硝酸水溶液がより好ましい。
酸性溶液のｐＨ値は特に限定されないが、ハイドロキシアパタイト結晶１０全体の形状を維持しつつ、ｃ面に剣山状構造１１を形成するという観点から、ｐＨ２．０～ｐＨ４．５が好ましく、ｐＨ２．５～ｐＨ４．０がより好ましく、ｐＨ２．８～ｐＨ３．８がさらに好ましい。
ハイドロキシアパタイト結晶を酸性溶液に浸漬する時間は特に限定されないが、ハイドロキシアパタイト結晶１０全体の形状を維持しつつ、ｃ面に剣山状構造１１を形成するという観点から、好ましくは１２時間～３４時間であり、より好ましくは１６時間～３０時間であり、更に好ましくは２０時間～２６時間である。
酸処理されたハイドロキシアパタイト結晶は、洗浄、乾燥され、生体適合部材として用いることができる。
実施例により本開示を更に具体的に説明する。
なお、実験例１，２が実施例に相当し、実験例３，４は比較例である。
なお、実験例１，２が実施例に相当し、実験例３，４は比較例である。
１．生体適合部材の作製
基材３として、９９質量％のＴｉからなる１５ｍｍ角の基材を用いた。
実験例１，２，３，４では、基材３に粗化処理、洗浄処理、陽極酸化、水熱合成、酸処理を順に行って、各サンプルを作製した。
各実験例における粗化処理、洗浄処理、陽極酸化、水熱合成、酸処理の詳細は以下の通りである。
基材３として、９９質量％のＴｉからなる１５ｍｍ角の基材を用いた。
実験例１，２，３，４では、基材３に粗化処理、洗浄処理、陽極酸化、水熱合成、酸処理を順に行って、各サンプルを作製した。
各実験例における粗化処理、洗浄処理、陽極酸化、水熱合成、酸処理の詳細は以下の通りである。
＜粗化処理＞
粗化処理には、紙やすり＃８０を用いた。
粗化処理には、紙やすり＃８０を用いた。
＜洗浄処理＞
アセトン、エタノール、純水にて各５分間、常温で超音波洗浄を行った。
アセトン、エタノール、純水にて各５分間、常温で超音波洗浄を行った。
＜陽極酸化＞
基材３を、下記の表１に記載の条件で陽極酸化した。
基材３を、下記の表１に記載の条件で陽極酸化した。
＜水熱合成＞
硝酸カルシウム、リン酸トリエチル、ＥＤＴＡ、水酸化カリウムを純水に溶解し、表１に記載の各合成液を調製した。
テフロン（登録商標）製の内筒容器を備えた耐圧反応容器に、合成液と基材３を入れて密閉した。耐圧反応容器を密閉後、８時間かけて５０℃から２００℃まで昇温し、２００℃で１６時間維持した。
硝酸カルシウム、リン酸トリエチル、ＥＤＴＡ、水酸化カリウムを純水に溶解し、表１に記載の各合成液を調製した。
テフロン（登録商標）製の内筒容器を備えた耐圧反応容器に、合成液と基材３を入れて密閉した。耐圧反応容器を密閉後、８時間かけて５０℃から２００℃まで昇温し、２００℃で１６時間維持した。
＜酸処理＞
表２に記載のｐＨ値に調整した硝酸水溶液に、２５℃で２４時間浸漬した。浸漬後、洗浄、乾燥して、サンプルを得た。
表２に記載のｐＨ値に調整した硝酸水溶液に、２５℃で２４時間浸漬した。浸漬後、洗浄、乾燥して、サンプルを得た。
２．評価方法
（１）ハイドロキシアパタイト結晶の形状維持
各サンプルのハイドロキシアパタイト結晶の表面を、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて、電圧１５ｋＶ、１０００倍、５０００倍の条件で観察した。
表２において、酸処理前のハイドロキシアパタイト結晶と比較して、ハイドロキシアパタイト結晶の形状が維持されているサンプルを「○」で示し、ハイドロキシアパタイト結晶の形状が維持されていないサンプルを「×」で示す。
（２）剣山状構造の有無
各サンプルのハイドロキシアパタイト結晶のｃ面表面を、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて、電圧１５ｋＶ、５０００倍、１００００倍の条件で観察した。
表２において、剣山状構造が観察されたサンプルを「○」で示し、剣山状構造が観察されないサンプルを「×」で示す。なお、ハイドロキシアパタイト結晶の形状が維持されておらず、ハイドロキシアパタイト結晶のｃ面表面を観察できないサンプルについては、「―」とする。
（１）ハイドロキシアパタイト結晶の形状維持
各サンプルのハイドロキシアパタイト結晶の表面を、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて、電圧１５ｋＶ、１０００倍、５０００倍の条件で観察した。
表２において、酸処理前のハイドロキシアパタイト結晶と比較して、ハイドロキシアパタイト結晶の形状が維持されているサンプルを「○」で示し、ハイドロキシアパタイト結晶の形状が維持されていないサンプルを「×」で示す。
（２）剣山状構造の有無
各サンプルのハイドロキシアパタイト結晶のｃ面表面を、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて、電圧１５ｋＶ、５０００倍、１００００倍の条件で観察した。
表２において、剣山状構造が観察されたサンプルを「○」で示し、剣山状構造が観察されないサンプルを「×」で示す。なお、ハイドロキシアパタイト結晶の形状が維持されておらず、ハイドロキシアパタイト結晶のｃ面表面を観察できないサンプルについては、「―」とする。
３．評価結果
表２に評価結果を示す。
図３～図１０に、ＳＥＭの観察像を示す。図３～図５は、実験例１のサンプルの観察像（１０００倍、５０００倍、１００００倍）である。図６～図８は、実験例２のサンプルの観察像（１０００倍、５０００倍、１００００倍）である。図９は、実験例３のサンプルの観察像（５０００倍）である。図１０は、酸処理前のサンプルの観察像（５０００倍）である。
（１）ハイドロキシアパタイト結晶の形状維持
実験例１、実験例２、実験例３では、六方晶のハイドロキシアパタイト結晶の形状が維持されていた。実験例４では、六方晶のハイドロキシアパタイト結晶が観察されなかった。実施例４では、ハイドロキシアパタイト結晶全体が酸処理により溶解したと推測される。
（２）剣山状構造の有無
実験例１、実験例２では、ハイドロキシアパタイト結晶のｃ面表面に剣山状構造が観察された。実験例３では、ハイドロキシアパタイト結晶のｃ面表面に剣山状構造が観察されなかった。
また、ｐＨが３．７の硝酸水溶液で処理した実験例１（実施例）と、ｐＨが２．９の硝酸水溶液で処理した実験例２（実施例）を比較すると、よりｐＨが小さい実験例２の方が剣山状構造における複数の突起の高さが大きかった。
このようにして得られる生体適合部材は、生体内安定性が良好で抗菌性を有する。そして、整形インプラント材料等の産業上の利用分野において好適に用いることができる。
表２に評価結果を示す。
図３～図１０に、ＳＥＭの観察像を示す。図３～図５は、実験例１のサンプルの観察像（１０００倍、５０００倍、１００００倍）である。図６～図８は、実験例２のサンプルの観察像（１０００倍、５０００倍、１００００倍）である。図９は、実験例３のサンプルの観察像（５０００倍）である。図１０は、酸処理前のサンプルの観察像（５０００倍）である。
（１）ハイドロキシアパタイト結晶の形状維持
実験例１、実験例２、実験例３では、六方晶のハイドロキシアパタイト結晶の形状が維持されていた。実験例４では、六方晶のハイドロキシアパタイト結晶が観察されなかった。実施例４では、ハイドロキシアパタイト結晶全体が酸処理により溶解したと推測される。
（２）剣山状構造の有無
実験例１、実験例２では、ハイドロキシアパタイト結晶のｃ面表面に剣山状構造が観察された。実験例３では、ハイドロキシアパタイト結晶のｃ面表面に剣山状構造が観察されなかった。
また、ｐＨが３．７の硝酸水溶液で処理した実験例１（実施例）と、ｐＨが２．９の硝酸水溶液で処理した実験例２（実施例）を比較すると、よりｐＨが小さい実験例２の方が剣山状構造における複数の突起の高さが大きかった。
このようにして得られる生体適合部材は、生体内安定性が良好で抗菌性を有する。そして、整形インプラント材料等の産業上の利用分野において好適に用いることができる。
＜他の実施形態（変形例）＞
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能である。
上記実施形態では、生体適合部材の製造方法として、基材の表面の少なくとも一部に六方晶のハイドロキシアパタイト結晶を形成する工程を備えるものを例示したが、生体適合部材の製造方法はこれに限られない。例えば、六方晶のハイドロキシアパタイト結晶を形成する工程において、粒子状の六方晶のハイドロキシアパタイト結晶を形成してもよい。このような製造方法によって得られる生体適合部材は、剣山状構造を有する粒子状のハイドロキシアパタイト結晶からなり、抗菌性を有する生体適合部材として用いることができる。例えば、粒子状の生体適合部材を他の材料に混合し、また、他の部材にコーティングすることにより、抗菌性が付与された複合材を得ることが可能となる。
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能である。
上記実施形態では、生体適合部材の製造方法として、基材の表面の少なくとも一部に六方晶のハイドロキシアパタイト結晶を形成する工程を備えるものを例示したが、生体適合部材の製造方法はこれに限られない。例えば、六方晶のハイドロキシアパタイト結晶を形成する工程において、粒子状の六方晶のハイドロキシアパタイト結晶を形成してもよい。このような製造方法によって得られる生体適合部材は、剣山状構造を有する粒子状のハイドロキシアパタイト結晶からなり、抗菌性を有する生体適合部材として用いることができる。例えば、粒子状の生体適合部材を他の材料に混合し、また、他の部材にコーティングすることにより、抗菌性が付与された複合材を得ることが可能となる。
１…生体適合部材
３…基材
５…表面
１０…ハイドロキシアパタイト結晶
１１…剣山状構造
１３…突起
１５…端面
１７…側面
１９…柱状体
３…基材
５…表面
１０…ハイドロキシアパタイト結晶
１１…剣山状構造
１３…突起
１５…端面
１７…側面
１９…柱状体
Claims (3)
- 基材と、
前記基材の表面の少なくとも一部に形成された、六方晶のハイドロキシアパタイト結晶と、を備えた生体適合部材であって、
前記ハイドロキシアパタイト結晶のｃ面表面は複数の突起によって構成される剣山状構造を有している、生体適合部材。 - 前記基材が、チタン又はチタン合金からなる、請求項１に記載の生体適合部材。
- 六方晶のハイドロキシアパタイト結晶を形成する工程と、
前記ハイドロキシアパタイト結晶を酸処理して、前記ハイドロキシアパタイト結晶のｃ面表面に複数の突起によって構成される剣山状構造を形成する工程と、を備え、
前記酸処理に使用する酸性溶液のｐＨ値が、ｐＨ２．０～ｐＨ４．５である、生体適合部材の製造方法。
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| JP2019093430A JP7288796B2 (ja) | 2019-05-17 | 2019-05-17 | 生体適合部材及び生体適合部材の製造方法 |
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|---|---|---|---|---|
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| Title |
|---|
| Biophysical Journal，2013年，Vol.104，pp.835-840 |
| Dental Materials Journal，2002年，Vol.21，pp.170-180 |
| Materials Science and Engineering C，2015年，Vol.51，pp.57-63 |
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