JP7400049B2 - 複合材料の製造方法 - Google Patents
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Description
本開示は、複合材料および生体インプラント（Implant）に関する。
表面にフッ素イオンが注入された金属材料が知られている（例えば、特許文献１および非特許文献１参照）。
M.Yoshinari, Y.Oda, T.Kato, K.Okuda, 「Influence of surface modifications to titanium on antibacterial activity in vitro」, Biomaterials, 2001, 22, p. 2043-2048
一実施形態に係る複合材料は、チタンフッ化物の結晶相と、チタンの金属結晶相と、を有する。チタンフッ化物の結晶相は、表面から深さ方向に離れて位置する第１領域に存在する。
一実施形態に係る生体インプラントは、一実施形態に係る複合材料を含んでいる。
＜複合材料＞
以下、一実施形態に係る複合材料について、図面を用いて詳細に説明する。但し、以下で参照する図は、説明の便宜上、実施形態を説明する上で必要な構成のみを簡略化して示したものである。したがって、一実施形態に係る複合材料は、参照する図に示されていない任意の構成を備え得る。また、図中の構成の寸法は、実際の構成の寸法および寸法比率などを忠実に表したものではない。これらの点は、後述する生体インプラントにおいても同様である。
以下、一実施形態に係る複合材料について、図面を用いて詳細に説明する。但し、以下で参照する図は、説明の便宜上、実施形態を説明する上で必要な構成のみを簡略化して示したものである。したがって、一実施形態に係る複合材料は、参照する図に示されていない任意の構成を備え得る。また、図中の構成の寸法は、実際の構成の寸法および寸法比率などを忠実に表したものではない。これらの点は、後述する生体インプラントにおいても同様である。
図１は、一実施形態に係る複合材料を示す概略図である。図１では、複合材料の表面を含む部分の断面を拡大して示している。
複合材料１は、チタン（Ｔｉ）およびフッ素（Ｆ）を含んでおり、チタンフッ化物の結晶相２（以下、「結晶相２」ということがある。）と、チタンの金属結晶相３（以下、「金属結晶相３」ということがある。）とを有している。結晶相２では、チタンおよびフッ素の化合物であるチタンフッ化物が結晶の状態で存在している。金属結晶相３では、チタンが金属結合によって構成される結晶の状態で存在している。
複合材料１は、上述のとおり、フッ素を含んでおり、且つ、結晶相２を有していることから、フッ素に起因する抗菌性を発揮することが可能となる。また、複合材料１は、大きな硬度を有していることから、優れた耐摩耗性などを発揮することが可能となる。複合材料１が大きな硬度を有している理由としては、以下の理由が推測される。
チタンフッ化物におけるチタンとフッ素との結合は、共有結合である。それゆえ、結晶相２は、金属結晶相３を移動する転移の障害物として機能する。したがって、複合材料１が結晶相２を有していると、転移の移動に必要なエネルギー量が大きくなり、その結果、複合材料１の硬度が大きくなる。なお、複合材料１におけるフッ素濃度が大きくなると、結晶相２の割合が大きくなる傾向がある。
チタンフッ化物としては、例えば、ＴｉＦ（フッ化チタン）、ＴｉＦ2（二フッ化チタン）、ＴｉＦ3（三フッ化チタン）、ＴｉＦ4（四フッ化チタン）、ＴｉＯＦ（オキシフッ化チタン）、ＴｉＯＦ2（オキシ二フッ化チタン）またはＦ－ＴｉＯ2（フッ素ドープ酸化チタン）などが挙げられる。チタンフッ化物は、ＴｉＯＦ2であってもよい。結晶相２は、Ｔｉ－Ｆ－Ｔｉ結合（共有結合）を有していてもよい。
結晶構造の測定方法としては、例えば、透過型電子顕微鏡（Transmission Electron Microscope：以下、「ＴＥＭ」ということがある。）、Ｘ線回折（X-ray Diffraction：以下、「ＸＲＤ」ということがある。）またはＸ線光電子分光分析法（X-ray Photoelectron Spectroscopy：以下、「ＸＰＳ」ということがある。）などが挙げられる。
複合材料１は、複合材料１の表面１１を含み表面１１から深さ方向に所定厚みを有する領域（第１領域）１２を備えていてもよい。また、第１領域１２は、チタンおよびフッ素の複合相である。なお、第１領域１２のフッ素濃度は、１ｐｐｍ以上であってもよい。
第１領域１２の厚みＴは、例えば、３０～８００ｎｍである。なお、数値範囲を「～」を使用して示すときは、特に断りがない限り、下限および上限の数値をそれぞれ含むものとする。例えば、数値範囲が３０～８００ｎｍのときは、下限が３０ｎｍ以上を示し、上限が８００ｎｍ以下を示す。
結晶相２は、第１領域１２内に位置していてもよい。このような構成を満たすときは、結晶相２が表面１１の近くに位置することから、チタンフッ化物のフッ素に起因する抗菌性が高まるとともに、表面１１およびその近傍の硬度を大きくすることができる。
結晶相２は、表面１１から深さ２０～２００ｎｍの領域に位置していてもよい。深さは、表面１１を基準にして判断すればよい。
金属結晶相３は、フッ素を含む第１相３１（フッ素含有相）を有していてもよい。言い換えれば、金属結晶相３は、チタンの結晶格子中にフッ素を含む第１相３１を有していてもよい。第１相３１では、チタンの結晶格子中にフッ素が侵入型元素として導入されていてもよい。金属結晶相３が第１相３１を有していれば、複合材料１の硬度をより大きくすることができる。この理由としては、以下の理由が推測される。
第１相３１において、フッ素原子は、金属結合によって構成されるチタンの結晶格子中の空間内に侵入する。これにより、チタンの結晶には、侵入したフッ素原子の大きさに応じた格子歪みが生じる。チタンの結晶格子の変形は、結晶格子の欠陥である転移の移動によって引き起こされる。チタンの結晶格子がフッ素原子の侵入によって歪んでいると、転移の移動度が低下し、その結果、複合材料１の硬度が大きくなる。したがって、金属結晶相３が第１相３１を有していれば、結晶相２に加えて第１相３１も複合材料１の硬度に寄与することから、複合材料１の硬度をより大きくすることができる。また、複合材料１におけるフッ素濃度を小さくすると、第１相３１の割合が大きくなる傾向がある。
第１相３１は、第１領域１２内に位置していてもよい。このような構成を満たすときは、第１相３１が表面１１の近くに位置することから、表面１１およびその近傍の硬度を大きくすることができる。また、第１相３１が位置する第１領域１２は、結晶相２が位置する第１領域１２と同一である。この点は、後述する第２相３２が位置する第１領域１２、フッ素濃度の最大値が位置する第１領域１２、および硬度の最大値が位置する第１領域１２においても同様である。すなわち、各構成の説明における第１領域１２はいずれも、互いに同一である。
金属結晶相３は、第１相３１よりも内方に位置するフッ素を含まない第２相３２（フッ素非含有相）をさらに有していてもよい。このような構成を満たすときは、第２相３２よりも表面１１の側に位置している第１相３１を含む部位が損傷し難くなる。具体的に説明すると、第２相３２は、フッ素を含まないことに起因して、第１相３１よりも高い靱性を有する。それゆえ、表面１１に衝撃が加わったときには、相対的に高い靱性を有する第２相３２によって衝撃を緩和することができる。その結果、第２相３２よりも表面１１の側に位置している第１相３１を含む部位が損傷し難くなる。
なお、第２相３２が第１相３１よりも内方に位置するとは、第２相３２が第１相３１よりも表面１１から離れて位置することを意味する。内方とは、表面１１に対して複合材料１の内側のことを意味する。言い換えれば、内方とは、複合材料１において深さが大きくなる方向のことを意味する。また、フッ素を含まないとは、フッ素を実質的に含んでおらず、フッ素による影響が実質的にない状態のことを意味する。具体的には、フッ素濃度が１ｐｐｍ未満のとき、フッ素を含まないと判断してもよい。
第２相３２は、第１領域１２よりも内方に位置していてもよい。このような構成を満たすときは、相対的に高い靱性を有する第２相３２によって、第２相３２よりも表面１１の側に位置している第１領域１２が損傷し難くなる。
複合材料１は、第１領域１２よりも内方に位置する領域（第２領域）１３をさらに備えていてもよい。第２領域は、チタンを含み、且つ、フッ素を含まない領域であればよい。また、第２相３２は、第２領域内に位置していてもよい。第２領域１３は、第１領域１２に接していてもよい。すなわち、第１領域１２と第２領域１３は、複合材料１において連続する領域であってもよい。
金属結晶相３は、例えば、チタン系金属を含んでいてもよい。チタン系金属としては、例えば、純チタンまたはチタン合金などが挙げられる。純チタンとしては、例えば、母相をチタンとするＣ．Ｐ．２種チタンなどの工業用純チタンが挙げられる。チタン合金は、母相をチタンとする合金であり、例えば、Ｔｉ－６Ａｌ（アルミニウム）－４Ｖ（バナジウム）、Ｔｉ－１５Ｍｏ（モリブデン）－５Ｚｒ（ジルコニウム）－３Ａｌ、Ｔｉ－Ｎｂ（ニオブ）、Ｔｉ－６Ａｌ－７Ｎｂ、Ｔｉ－６Ａｌ－２Ｎｂ－１Ｔａ（タンタル）、Ｔｉ－３０Ｚｒ－Ｍｏ、Ｎｉ（ニッケル）－Ｔｉ、Ｔｉ－３Ａｌ－２．５Ｖ、Ｔｉ－１０Ｖ－２Ｆｅ（鉄）－３ＡｌまたはＴｉ－１５Ｖ－３Ｃｒ（クロム）－３Ａｌ－３Ｓｎ（スズ）などが挙げられる。
複合材料１は、チタンおよびフッ素を含む非晶質相４（アモルファス相）をさらに有していてもよい。このような構成を満たすときは、非晶質相４の高い靱性によって、複合材料１が損傷し難くなる。
非晶質相４は、第１領域１２内に位置していてもよい。このような構成を満たすときは、非晶質相４の高い靱性によって、第１領域１２が損傷し難くなる。
複合材料１は、非晶質相４、結晶相２、および金属結晶相３（第１相３１）を含有する混合相５をさらに有していてもよい。一実施形態において、混合相５は、第１領域１２内に位置している。混合相５では、複数の非結晶相４、結晶相２および金属結晶相３が混在している。この場合、各相の材料特性はそれぞれ異なるが、第１領域１２における複合材料１の材料特性は、各相の割合に応じた特性となる。具体的には、含有する各相の材料特性を平均した特性、あるいはこれに近い特性となる。すなわち、複合材料１は、各相を混合相５として含有することで、第１領域において材料特性が異なる部分を低減することができる。したがって、複合材料１は、混合相５を有することで、第１領域１２から材料が部分的に剥離する可能性を低減することができる。すなわち、複合材料１の安定性を向上させることができる。
複合材料１において、フッ素濃度は、表面１１よりも内方において最大値を示していてもよい（図３参照）。このような構成を満たすときは、摩耗などによって新しい表面１１が露出するとき、相対的に大きなフッ素濃度を有する表面１１が露出しやすくなることから、長期にわたって抗菌性を発揮しやすくなる。
フッ素濃度は、表面１１から内方に向かうにつれて大きくなって最大値に至っていてもよい（図３参照）。言い換えれば、深さが大きくなるにつれて、フッ素濃度が大きくなって最大値に至っていてもよい。このような構成を満たすときは、摩耗などによって新しい表面１１が露出するとき、相対的に大きなフッ素濃度を有する表面１１が露出することから、長期にわたって抗菌性を発揮することが可能となる。また、フッ素濃度の分布を調整することで、複合材料１は、抗菌性能を発揮する時期を調整することができる。
フッ素濃度の最大値は、第１領域１２内に位置していてもよい。このような構成を満たすときは、フッ素濃度の最大値が表面１１の近くに位置することから、抗菌性が高まる。
フッ素濃度の最大値は、第１領域１２の厚み方向Ａの中央部１２ａよりも表面１１の側に位置していてもよい（図１および図３参照）。このような構成を満たすときは、フッ素濃度の最大値が表面１１の近くに位置することから、抗菌性が高まる。
ここで、フッ素濃度における濃度とは、原子濃度である。一実施形態において、フッ素濃度とは、単位体積当たりのチタン原子の理想原子数とフッ素原子数の和に対する、単位体積当たりのフッ素原子数である。フッ素濃度の測定方法としては、例えば、二次イオン質量分析法（Secondary Ion Mass Spectrometry：以下、「ＳＩＭＳ」ということがある。）またはＸＰＳなどが挙げられる。ＳＩＭＳは、フッ素濃度が比較的小さいときに好適である。ＸＰＳは、フッ素濃度が比較的大きいときに好適である。
フッ素濃度の最大値は、例えば、１０～８０原子％である。表面１１から深さ５ｎｍ未満の領域におけるフッ素濃度は、例えば、０．５～２０原子％である。深さ５ｎｍ以上２０ｎｍ未満の領域におけるフッ素濃度は、例えば、２～３０原子％である。深さ２０ｎｍ以上５０ｎｍ未満の領域におけるフッ素濃度は、例えば、５～８０原子％である。深さ５０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の領域におけるフッ素濃度は、例えば、２～８０原子％である。
複合材料１の硬度は、表面１１よりも内方において最大値を示していてもよい（図４参照）。このような構成を満たすときは、摩耗などによって新しい表面１１が露出するとき、相対的に大きな硬度を有する表面１１が露出しやすくなることから、長期にわたって表面１１が大きな硬度を有する可能性が高まる。なお、硬度の説明における表面１１は、上述したフッ素濃度の説明における表面１１と同一である。
硬度は、表面１１から内方に向かうにつれて大きくなって最大値に至っていてもよい（図４参照）。言い換えれば、深さが大きくなるにつれて、硬度が大きくなって最大値に至っていてもよい。このような構成を満たすときは、摩耗などによって新しい表面１１が露出するとき、相対的に大きな硬度を有する表面１１が露出することから、長期にわたって表面１１が大きな硬度を有するようになる。
また、硬度は、表面１１から内方に向かうにつれて大きくなって最大値に至った後、さらに内方に向かうにつれて小さくなっていてもよい（図４参照）。言い換えれば、複合材料１は、内部において硬度の変化が緩やかになるように構成されてもよい。これによれば、複合材料１内部の硬度が急激に変化する構成と比較して、局所的な応力の発生を低減することができるため、第１領域１２が剥離する可能性を低減することができる。
硬度の最大値は、第１領域１２内に位置していてもよい。このような構成を満たすときは、硬度の最大値が表面１１の近くに位置することから、表面１１およびその近傍の硬度を大きくすることができる。
硬度の最大値は、第１領域１２の厚み方向Ａの中央部１２ａよりも表面１１の側に位置していてもよい（図１および図４参照）。このような構成を満たすときは、硬度の最大値が表面１１の近くに位置することから、表面１１およびその近傍の硬度を大きくすることができる。
硬度の最大値は、フッ素濃度の最大値よりも表面１１の近くに位置していてもよい（図３および図４参照）。このような構成を満たすときは、フッ素濃度の最大値よりも表面１１の近くに位置している部位の硬度が、相対的に大きくなる。それゆえ、フッ素濃度の最大値よりも表面１１の近くに位置している部位が、摩耗などによって損傷し難くなり、長期にわたって抗菌性を発揮することが可能となる。
硬度は、例えば、３～１０ＧＰａである。硬度の最大値は、例えば、５～１０ＧＰａである。硬度は、押し込み硬度であって、表面１１が変形を受けるときの変形し難さを示すものである。硬度は、表面１１に圧子を押し込んだときの押し込み深さと要する力とから算出される。具体的な硬度の測定方法としては、例えば、ナノインデンテーション法（ＩＳＯ １４５７７準拠）などが挙げられる。
複合材料１は、最表面に位置している酸化皮膜（不図示）をさらに備えていてもよい。この場合、複合材料１の表面１１は、酸化皮膜の表面からなる。酸化皮膜の厚みは、例えば、２～５ｎｍである。酸化皮膜の組成としては、例えば、ＴｉＯ2（二酸化チタン）などが挙げられる。酸化皮膜は、フッ素を含んでいてもよい。酸化皮膜は、例えば、酸化処理などによって形成される。酸化処理としては、例えば、自然酸化、熱処理、酸素プラズマ処理、酸溶液への浸漬または陽極酸化などが挙げられる。
複合材料１において、チタンの含有量は、フッ素の含有量よりも多くてもよい。また、複合材料１は、チタンを主成分として含んでいてもよい。主成分とは、複合材料１中に質量比で最も多く含まれる成分のことである。
＜複合材料の製造方法＞
次に、一実施形態に係るに係る複合材料の製造方法について、上述した複合材料１を得る場合を例にとって、詳細に説明する。
次に、一実施形態に係るに係る複合材料の製造方法について、上述した複合材料１を得る場合を例にとって、詳細に説明する。
まず、チタン系金属を準備する。チタン系金属は、必要に応じて洗浄してもよい。洗浄には、例えば、有機溶剤などを使用してもよい。有機溶剤としては、例えば、エタノールまたはアセトンなどが挙げられる。例示した有機溶剤は、混合して使用してもよい。洗浄は、超音波をかけて行ってもよい。洗浄後のチタン系金属は、例えば、デシケーター内で真空乾燥させてもよい。
次に、チタン系金属の表面にフッ素イオンを注入し、複合材料１を得る。フッ素イオンの注入条件としては、例えば、以下の条件が挙げられる。
注入エネルギー：３０ｋｅＶよりも大きく８０ｋｅＶ以下
注入ドーズ：１×１０16～５×１０17原子／ｃｍ2（atom/cm2）
注入エネルギー：３０ｋｅＶよりも大きく８０ｋｅＶ以下
注入ドーズ：１×１０16～５×１０17原子／ｃｍ2（atom/cm2）
得られた複合材料１は、必要に応じて洗浄してもよい。洗浄の条件は、上述したチタン系金属で例示したのと同じ条件が挙げられる。洗浄後の複合材料１は、例えば、デシケーター内で真空乾燥させてもよい。
なお、上述した実施形態では、フッ素イオンの注入によって複合材料１を得る場合を例にとって説明したが、複合材料１の製造方法としては、これに限定されるものではなく、複合材料１が得られる限り、フッ素イオンの注入以外の他の方法を採用することができる。
＜生体インプラント＞
次に、一実施形態に係る生体インプラントについて、図面を用いて詳細に説明する。なお、本実施形態では、生体インプラントの例として、歯科インプラントについて説明する。
次に、一実施形態に係る生体インプラントについて、図面を用いて詳細に説明する。なお、本実施形態では、生体インプラントの例として、歯科インプラントについて説明する。
図２は、一実施形態に係る歯科インプラントの外観を示す概略図である。
歯科インプラント１００は、フィクスチャー１０１と、フィクスチャー１０１の端部に取り付けられているアバットメント１０２と、アバットメント１０２を介してフィクスチャー１０１に取り付けられている人工歯１０３とを備えている。
歯科インプラント１００は、フィクスチャー１０１、アバットメント１０２および人工歯１０３のそれぞれが複合材料１を含んでいる。上述の通り、複合材料１が、抗菌性を有し、且つ、大きな硬度を有していることから、歯科インプラント１００は、細菌の増殖を抑制することができ、ブラッシング、繰り返しの使用または洗浄などに対して優れた耐久性を発揮することが可能となる。
ここで、フィクスチャー１０１、アバットメント１０２および人工歯１０３のそれぞれは、複合材料１のみで構成されていてもよい。また、これらは、一部が複合材料１で構成されており、残りの部位が複合材料１以外の材料で構成されていてもよい。また、フィクスチャー１０１、アバットメント１０２および人工歯１０３のうち少なくとも１つが複合材料１を含んでおり、他の部材が複合材料１以外の材料を含んでいればよい。上記のような構成によれば、インプラント表面の細菌の増殖が抑制される。例えば、フィクスチャー１０１、およびアバットメント１０２は酸素の欠乏した環境で使用されるため嫌気性細菌の増殖抑制が期待できる。また、例えば、人工歯１０３は口腔内で露出し空気にさらされるため通性嫌気性細菌や好気性細菌の増殖抑制が期待できる。したがって、複合材料１は、増殖を抑制したい菌種、必要な抗菌性能に応じて、フィクスチャー１０１、アバットメント１０２および人工歯１０３に適宜用いられればよい。
複合材料１における第１領域１２は、例えば、歯科インプラント１００のうち細菌が接触する可能性がある部位、摩耗する可能性がある部位などに位置していればよい。例えば、歯科インプラント１００は、第１領域１２が、フィクスチャー１０１、アバットメント１０２、および人工歯１０３の表面に位置するように構成されればよい。また、例えば、歯科インプラント１００は、第１領域１２が、フィクスチャー１０１、アバットメント１０２、および人工歯１０３の各接合箇所に位置するように構成されればよい。この点は、後述する他の生体インプラント、生体インプラント以外の他の部材においても同様である。
以上、本開示に係る一実施形態について例示したが、本開示は上述した実施形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない限り任意のものとすることができることはいうまでもない。
例えば、上述した実施形態では、生体インプラントが歯科インプラントである場合を例にとって説明したが、生体インプラントは、これに限定されるものではない。例えば、生体インプラントは、チタンなどの生体用金属製のインプラントであればよい。他の生体インプラントとしては、例えば、大腿骨ステムまたは寛骨臼シェルなどの人工関節、および脊椎固定インストゥルメンテーションなどの脊椎外科インプラントなどが挙げられる。
また、上述した実施形態では、複合材料１が生体インプラント用である場合を例にとって説明したが、複合材料１は、生体インプラント用に限定されるものではない。すなわち、複合材料１は、抗菌性および高硬度性を要する部材の材料として用いられればよい。他の部材としては、例えば、歯科矯正ワイヤー、手術器具、注射針、メガネのフレーム、食器類、食品工場のライン、水筒の飲み口、包丁、トイレ、ウォシュレット（登録商標）、蛇口または上下水道管などが挙げられる。
以下、実施例を挙げて本開示を詳細に説明する。なお、本開示は以下の実施例に限定されるものではない。
［実施例１および実施例２］
＜複合材料の作製＞
まず、以下に示す試験片を準備した。
試験片：Ｃ．Ｐ．２種チタンからなる厚さ１ｍｍの純チタン
＜複合材料の作製＞
まず、以下に示す試験片を準備した。
試験片：Ｃ．Ｐ．２種チタンからなる厚さ１ｍｍの純チタン
上述した試験片を、直径１４ｍｍ、厚さ１ｍｍの円盤状に成形した後、エタノールおよびアセトンで超音波洗浄し、デシケーター内で真空乾燥させた。そして、試験片の表面に異なる条件でフッ素イオンを注入し、実施例１および実施例２の複合材料１を得た。
フッ素イオンの注入条件は、以下のとおりである。
（実施例１）
注入エネルギー：４０ｋｅＶ
注入ドーズ：５×１０17原子／ｃｍ2
（実施例２）
注入エネルギー：４０ｋｅＶ
注入ドーズ：５×１０16原子／ｃｍ2
（実施例１）
注入エネルギー：４０ｋｅＶ
注入ドーズ：５×１０17原子／ｃｍ2
（実施例２）
注入エネルギー：４０ｋｅＶ
注入ドーズ：５×１０16原子／ｃｍ2
得られた複合材料１は、エタノールおよびアセトンで超音波洗浄し、デシケーター内で真空乾燥させた後、評価に使用した。
［比較例１］
実施例１および実施例２と同じ試験片であってフッ素イオンを注入しなかったものを比較例１とした。
実施例１および実施例２と同じ試験片であってフッ素イオンを注入しなかったものを比較例１とした。
＜評価＞
実施例１および実施例２の複合材料１について、フッ素濃度、硬度および結晶構造を測定した。また、実施例１の複合材料１については、抗菌性を測定した。比較例１については、硬度および抗菌性を測定した。
実施例１および実施例２の複合材料１について、フッ素濃度、硬度および結晶構造を測定した。また、実施例１の複合材料１については、抗菌性を測定した。比較例１については、硬度および抗菌性を測定した。
図３は、実施例１および実施例２におけるフッ素濃度の測定結果を示すグラフである。
（フッ素濃度）
実施例１および実施例２のフッ素濃度は、ＸＰＳおよびＳＩＭＳによって測定した。具体的には、フッ素濃度が比較的大きくてＳＩＭＳの測定範囲を超える領域はＸＰＳよってフッ素濃度を求め、それ以外の領域はＳＩＭＳによってフッ素濃度を求めた。具体的には、フッ素濃度が１０原子％までの範囲はＳＩＭＳによってフッ素濃度を求めた。また、フッ素濃度が１０原子％以上の範囲は、ＸＰＳによってフッ素濃度を求めた。ここで、ＸＰＳの測定は、深さ０～２００ｎｍで実施し、ＳＩＭＳの測定は、深さ０～９００ｎｍで実施した。なお、図３には、深さ０～２００ｎｍの測定結果のみを示した。また、図３において、深さ０ｎｍは、複合材料１の表面１１を示す。この点は、後述する図４においても同様である。ＸＰＳおよびＳＩＭＳのそれぞれの測定条件は、以下のとおりである。
実施例１および実施例２のフッ素濃度は、ＸＰＳおよびＳＩＭＳによって測定した。具体的には、フッ素濃度が比較的大きくてＳＩＭＳの測定範囲を超える領域はＸＰＳよってフッ素濃度を求め、それ以外の領域はＳＩＭＳによってフッ素濃度を求めた。具体的には、フッ素濃度が１０原子％までの範囲はＳＩＭＳによってフッ素濃度を求めた。また、フッ素濃度が１０原子％以上の範囲は、ＸＰＳによってフッ素濃度を求めた。ここで、ＸＰＳの測定は、深さ０～２００ｎｍで実施し、ＳＩＭＳの測定は、深さ０～９００ｎｍで実施した。なお、図３には、深さ０～２００ｎｍの測定結果のみを示した。また、図３において、深さ０ｎｍは、複合材料１の表面１１を示す。この点は、後述する図４においても同様である。ＸＰＳおよびＳＩＭＳのそれぞれの測定条件は、以下のとおりである。
（ＸＰＳの測定条件）
分析装置：ＵＬＶＡＣ－ＰＨＩ社製のＸ線光電子分光分析装置「ＰＨＩ Ｑｕａｎｔｅｒａ II」
Ｘ線源：モノクロＡｌＫα
スパッタリングイオン：Ａｒ+
加速電圧：４ｋＶ
分析装置：ＵＬＶＡＣ－ＰＨＩ社製のＸ線光電子分光分析装置「ＰＨＩ Ｑｕａｎｔｅｒａ II」
Ｘ線源：モノクロＡｌＫα
スパッタリングイオン：Ａｒ+
加速電圧：４ｋＶ
（ＳＩＭＳの測定条件）
分析装置：ＵＬＶＡＣ－ＰＨＩ社製の二次イオン質量分析装置「Ｄ－ＳＩＭＳ ６６５０」
一次イオン種：Ｃｓ+
二次イオン極性：Ｎｅｇａｔｉｖｅ
加速電圧：２ｋＶ
ビーム電流：２５ｎＡ
電荷補償：なし
ラスターサイズ：４００μｍ
分析装置：ＵＬＶＡＣ－ＰＨＩ社製の二次イオン質量分析装置「Ｄ－ＳＩＭＳ ６６５０」
一次イオン種：Ｃｓ+
二次イオン極性：Ｎｅｇａｔｉｖｅ
加速電圧：２ｋＶ
ビーム電流：２５ｎＡ
電荷補償：なし
ラスターサイズ：４００μｍ
測定結果から、実施例１では、深さ９０ｎｍにフッ素濃度の最大値が位置していることが明らかとなった。実施例１のフッ素濃度の最大値は、６３原子％であった。実施例２では、深さ４６ｎｍにフッ素濃度の最大値が位置していていることが明らかとなった。実施例２のフッ素濃度の最大値は、１１原子％であった。
深さ０ｎｍ（表面１１）からフッ素濃度が１ｐｐｍとなる深さまでを第１領域１２とし、その厚みＴを測定した。測定結果は、以下のとおりである。
（第１領域の厚みＴ）
実施例１：７４０ｎｍ
実施例２：３９０ｎｍ
（第１領域の厚みＴ）
実施例１：７４０ｎｍ
実施例２：３９０ｎｍ
図４は、実施例１、実施例２および比較例１における硬度の測定結果を示すグラフである。
（硬度）
硬度は、ナノインデンテーション法（ＩＳＯ １４５７７準拠）によって測定した。ここで、測定は、深さ０～１０００ｎｍで実施した。なお、図４には、深さ０～５００ｎｍの測定結果のみを示した。
硬度は、ナノインデンテーション法（ＩＳＯ １４５７７準拠）によって測定した。ここで、測定は、深さ０～１０００ｎｍで実施した。なお、図４には、深さ０～５００ｎｍの測定結果のみを示した。
硬度の測定条件は、以下のとおりである。
測定装置：ＭＴＳシステムズ社製の「ナノインデンターＸＰ」
測定モード：連続剛性測定
押込み深さ：最大１０００ｎｍ
硬度単位：ビッカース硬度
測定装置：ＭＴＳシステムズ社製の「ナノインデンターＸＰ」
測定モード：連続剛性測定
押込み深さ：最大１０００ｎｍ
硬度単位：ビッカース硬度
測定結果から、実施例１では、深さ７０ｎｍに硬度の最大値が位置していることが明らかとなった。実施例１の硬度の最大値は、５ＧＰａであった。実施例２では、深さ２０ｎｍに硬度の最大値が位置していることが明らかとなった。実施例２の硬度の最大値は、７ＧＰａであった。
（結晶構造）
結晶構造は、ＴＥＭ、ＸＲＤおよびＸＰＳによって評価した。なお、ＴＥＭ、ＸＲＤおよびＸＰＳの各測定では、上述した第１領域１２の厚みＴから第１領域１２を判断し、第１領域１２よりも内方に位置している領域を第２領域とした。
結晶構造は、ＴＥＭ、ＸＲＤおよびＸＰＳによって評価した。なお、ＴＥＭ、ＸＲＤおよびＸＰＳの各測定では、上述した第１領域１２の厚みＴから第１領域１２を判断し、第１領域１２よりも内方に位置している領域を第２領域とした。
ＴＥＭの測定条件は、以下のとおりである。
分析装置：ＦＥＩ社製の透過型電子顕微鏡「Ｔａｌｏｓ Ｆ２００Ｘ」
加速電圧：２００ｋＶ
ビーム電流値：１５０ｐＡ
測定場所：複合材料１を厚み方向に切断した断面
分析装置：ＦＥＩ社製の透過型電子顕微鏡「Ｔａｌｏｓ Ｆ２００Ｘ」
加速電圧：２００ｋＶ
ビーム電流値：１５０ｐＡ
測定場所：複合材料１を厚み方向に切断した断面
ＸＲＤの測定条件は、以下のとおりである。
分析装置：ＰＡＮａｌｙｔｉｃａｌ社製の「Ｘ’ Ｐｅｒｔ ＰＲＯ－ＭＲＤ」
管球：ＣｕＫα
入射角度：０．５°
測定範囲：１０～１２０°
分析装置：ＰＡＮａｌｙｔｉｃａｌ社製の「Ｘ’ Ｐｅｒｔ ＰＲＯ－ＭＲＤ」
管球：ＣｕＫα
入射角度：０．５°
測定範囲：１０～１２０°
ＸＰＳの測定条件は、上述したフッ素濃度と同じである。
まず、ＴＥＭによる断面観察を実施した。回折パターンは、国際回折データセンター（International Centre for Diffraction Data, ICDD）が提供するデータベースを参照した（TiOF2:ICDD No.00-008-0060、チタンα相:ICDD No.00-044-1294）。観察の結果、実施例１および実施例２ではいずれも、第１領域１２内にＴｉＯＦ2（結晶相２）に帰属する回折パターンが得られ、第２領域内にチタンα相の回折パターン（第２相３２）が得られた。
また、実施例１および実施例２ではいずれも、第１領域１２内に第１相３１が確認された。実施例１では、結晶相２が第１相３１よりも多く確認された。実施例２では、第１相３１が結晶相２よりも多く確認された。また、実施例１では、第１領域１２内に非晶質相４および混合相５が確認された。
次に、ＸＲＤによる測定を実施した。回折パターンはＩＣＤＤが提供するＪＣＰＤＳを参照した。測定の結果、第１領域１２において第２領域と異なる結晶構造が確認された。
そして、ＸＰＳによる測定を実施した。ピークの帰属については、表１に示す。測定の結果、実施例１および実施例２ではいずれも、ＴｉＦ3、ＴｉＦ4およびＦ－ＴｉＯ2に帰属するピークが得られた。また、実施例１では、Ｔｉ－Ｆ－Ｔｉ結合に帰属するピークが得られたが、このピークは、チタンフッ化物の結晶に起因するものと考えられる。その他は、図１に示す状態が確認された。
（抗菌性）
抗菌性は、黄色ブドウ球菌を使用したフィルム密着試験（ＪＩＳ Ｚ ２８０１準拠）によって測定した。
抗菌性は、黄色ブドウ球菌を使用したフィルム密着試験（ＪＩＳ Ｚ ２８０１準拠）によって測定した。
測定結果は、以下のとおりである。
付着生菌数（ＣＦＵｓ）
実施例１：＜１０（検出限界以下）
比較例１：１７６６７
付着生菌数（ＣＦＵｓ）
実施例１：＜１０（検出限界以下）
比較例１：１７６６７
測定の結果、実施例１では、付着生菌数が検出限界以下であった。また、実施例１の抗菌活性値は、３．２であった。したがって、実施例１は、抗菌効果を有していることが明らかとなった。
１・・・複合材料
２・・・チタンフッ化物の結晶相
３・・・チタンの金属結晶相
３１・・・第１相
３２・・・第２相
４・・・非晶質相
５・・・混合相
１１・・・表面
１２・・・第１領域
１２ａ・・・中央部
Ｔ・・・厚み
Ａ・・・厚み方向
１３・・・第２領域
１００・・・歯科インプラント
１０１・・・フィクスチャー
１０２・・・アバットメント
１０３・・・人工歯
２・・・チタンフッ化物の結晶相
３・・・チタンの金属結晶相
３１・・・第１相
３２・・・第２相
４・・・非晶質相
５・・・混合相
１１・・・表面
１２・・・第１領域
１２ａ・・・中央部
Ｔ・・・厚み
Ａ・・・厚み方向
１３・・・第２領域
１００・・・歯科インプラント
１０１・・・フィクスチャー
１０２・・・アバットメント
１０３・・・人工歯
Claims (16)
- チタン系金属の表面に、注入エネルギーが３０ｋｅＶよりも大きく８０ｋｅＶ以下の条件でフッ素イオンを注入する注入工程を有する、複合材料の製造方法であって、
前記注入工程よりも前に、前記チタン系金属に対し酸化処理を行う酸化工程を有する、複合材料の製造方法。 - 前記注入工程において、注入ドーズが１×１０16～５×１０17原子／ｃｍ2の条件でフッ素イオンを注入する、請求項１に記載の複合材料の製造方法。
- 前記注入工程よりも前に、前記チタン系金属を、有機溶剤により洗浄する第１洗浄工程を有する、請求項１に記載の複合材料の製造方法。
- 前記第１洗浄工程において、前記有機溶剤はエタノール、及び、アセトンである、請求項３に記載の複合材料の製造方法。
- 前記第１洗浄工程において、前記チタン系金属を、超音波をかけて洗浄する、請求項３に記載の複合材料の製造方法。
- 前記第１洗浄工程の後、及び、前記注入工程よりも前に、前記チタン系金属を真空乾燥させる第１乾燥工程を有する、請求項３に記載の複合材料の製造方法。
- 前記第１洗浄工程の前に、前記チタン系金属を所定の形状に成形する成形工程を有する、請求項３に記載の複合材料の製造方法。
- 前記注入工程の後に、前記チタン系金属を、有機溶剤により洗浄する第２洗浄工程を有する、請求項１に記載の複合材料の製造方法。
- 前記第２洗浄工程の後に、前記チタン系金属を真空乾燥させる第２乾燥工程を有する、請求項８に記載の複合材料の製造方法。
- 前記第２乾燥工程の後において、前記チタン系金属の表面からフッ素濃度が１ｐｐｍとなる深さまでの第１領域の厚みは、３０ｎｍ以上８００ｎｍ以下である、請求項９に記載の複合材料の製造方法。
- 前記第２乾燥工程の後において、前記チタン系金属は前記第１領域に存在するＴｉＯＦ2の結晶相を有する、請求項１０に記載の複合材料の製造方法。
- 前記第２乾燥工程の後において、前記チタン系金属は黄色ブドウ球菌を使用したフィルム密着試験に基づく抗菌効果を有する、請求項９に記載の複合材料の製造方法。
- 前記酸化工程において、前記酸化処理は自然酸化、熱処理、酸素プラズマ処理、酸溶液への浸漬または陽極酸化である、請求項１に記載の複合材料の製造方法。
- 前記注入工程の後において、前記チタン系金属は、前記酸化処理により形成された酸化皮膜中にフッ素を含む、請求項１３に記載の複合材料の製造方法。
- 前記チタン系金属は、純チタン、又は、Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖである、請求項１に記載の複合材料の製造方法。
- 前記複合材料は生体インプラント用である、請求項１に記載の複合材料の製造方法。
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