JPH01165732A - 多孔質金属鋳造体の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、例えば整形外科用人工骨や歯科用人工歯根の
如く主として人体埋設用に使用されるチタンまたはチタ
ン合金製インブラント材料等の多孔質金属鋳造体の製造
方法に関するものである。

〈従来技術およびその問題点〉 金属体の表面もしくは内部において互いに連結した空孔
を有する多孔質金属体は、印字体、石油ストーブの溶芯
、軸受、フィルター、防音材、金型などに多用されてい
る一方、例えば金属としてチタンまたはチタン合金を用
いて表面を粗面化した材料は人体埋設用インブラント材
料としてその使用が高まっている。

この生体インブラント材料の表面粗面化方法としては、
特開昭６２−７４００４号公報に、チタンまたはチタン
合金粉末と酸可溶性金属粉末の混合粉末をチタンまたは
チタン合金材の表面に拡散接合せしめ、酸可溶性金属粉
末のみを酸によって溶解除去する方法が開示されている
。

また、特公昭６２−３０２５３号、同６２−３０２５４
号公報に開示されているように、易水溶性塩粉末あるい
は溶剤可溶性無機化合物粉末粒子からなる成形体中に溶
融金属または合金を圧入し、それが固化した後に前記可
溶性粉末粒子を溶融除去して多孔質金属体を得る方法が
ある。

前者は、基本的にはチタンまたはチタン合金粉末を焼結
固着させる通常方法と同一であり、荷重が負荷された場
合に接合部が破壊して接合粒子が取れやすいという欠点
がある。

また後者は、溶融金属または合金を易水溶性塩焼路体あ
るいは溶剤可溶性無機化合物で連結した多孔体に高圧で
加圧注入するため大型のプレス機と堅固な鋳枠を必要と
し、しかも金属も比較的低融点の金属または合金に限定
される。

特に特公昭８２−３０２５４号においては、成形体を得
るのに通常１〜２０　ｔｏｎ／ｃｍ”もの圧力を必要と
し、型の繰返し使用ができない。

さらに両者とも、その製造方法から単純形状の製品に限
定され、複雑形状を有する製品には適用できない。

〈発明が解決しようとする問題点〉 本発明は、かかる事情に鑑みてなされたもので、荷重の
負荷に対して耐力を有し、かつ高融点の金属または合金
を用いることができ、しかも製造工程が簡素化され、型
が連続使用に耐え、生産コストを低減化できる多孔質金
属体の製造方法を提供することを目的とする。

さらに具体的には、例えば、チタンまたはチタン合金製
人工骨等の表面に容易な方法でしかも優れた骨接合性の
得られる海綿状の多孔質層を鋳造という手段によって一
体成形しようとする製造方法が提供される。

く問題点を解決するための手段〉 多孔質金属体のなかでも、特にチタンあるいはチタン合
金を用いた多孔質金属体は生体材料として優れた性能を
有し、整形外科用人工骨や歯科用人工歯根の素材として
急速に需要が増大している。

ところで人体の骨組織は２００〜３００μｍの単位組織
からなっており、人工骨を人体に埋め込むとこれらの骨
組織が人工骨を取り囲むようにして成長し、骨と人工骨
が一体に結合していく。　このため骨と接合する人工骨
の表面は２００〜３００μｍ程度の間隔をもった凹凸形
状を有するか、さらには表面下部において互いに連結し
た空孔が無数に存在する状態、すなわち海綿状の多孔質
体となることが最良である。

こうした目的に沿って研究が種々行なわれているが、多
くは素材を加工した後に様々な方法で凹凸を付与するも
のである。これらの方法は工程が煩雑で生産性が低く、
骨組織との一体性を高めるという趣旨からすれば、必ら
ずしも満足のいく効果が得られるとは限らない。

そこで上記問題点を解決すべく、本発明者らは鋭意研究
を重ねた結果、多孔質金属体を製造する場合、 （１）素材とその表面の多孔質層とを一体で製造するた
めの手段として精密鋳造（ロストワックス法）を用いる
。

（２）上記目的を達成するためにワックス剤模型の表面
を多孔質層とする。

（３）ワックス剤模型表面の多孔質層を容易に得る手段
として、互いに連結しワックス剤模型の表面に一部露出
した可溶性の無機あるいは有機化合物粒子を用意し、こ
れを酸あるいは有機溶剤等で溶融除去する。

という方法を採用することにより、上記目的を達成する
多孔質金属体が得られることを知見し、本発明に至った
ものである。

〈発明の構成〉 本発明によれば、（イ）型の内部空間の全域もしくは特
定域に溶剤可溶性無機／有機化合物粒子を充填する工程
、（ロ）上記型にワックス剤を圧入し、模型を得る工程
、（ハ）上記模型を溶剤に浸漬し、溶剤可溶性無機／有
機化合物量子を溶解除去して多孔質ワックス剤模型を得
る工程、（ニ）上記多孔質ワックス剤模型を用いて、ロ
ストワックス法により鋳型を造型し、該鋳型内に溶融金
属を注入後、多孔質金属鋳造体を得る工程、（ホ）上記
多孔質金属鋳造体の多孔質部分に入り込んだ鋳型砂粒を
清浄する工程を有することを特徴とする多孔質金属鋳造
体の製造方法を提供される。

以下に本発明について第１〜第４図に基づいて詳細に説
明する。

第１図に示すように、本発明において用いられる型１は
例えば、協同して内部空間２を形成する上型１ａと下型
１ｂとを有する割型をなし、上型１ａには内部空間２に
連通ずるワックス剤圧入口５が形成されている。　この
ワックス剤圧入口５は、後述するようにワックス剤４を
内部空間２内に圧入するための開孔である。

この型１の形成材料は、所定の強度をもつ構造材料であ
れば特に限定されず、金型、ゴム型もしくは有機樹脂型
等、いかなるものであってもよい、　またその形状も、
有底の容器であれば角柱状、円柱状、角錐台状、円錐台
状、立方体状等、いかなる形状のものでもよいが、容器
上部に上述したようなワックス剤圧入口が内部空間に連
通形成されている必要がある。

この型１の内部空間２の全域もしくは特定域に充填する
溶剤可溶性無機／有機化合物粒子３は、適当な溶剤例え
ば水、アセトン、四塩化炭素等の有機溶剤、さらには希
塩酸等の酸などに溶解し得る無ｍ／有機化合物粒子があ
げられ、例えば砂糖などの炭水化物、発泡スチロールビ
ーズなどの高分子化合物あるいは塩化ナトリウム、炭酸
ナトリウムなどの金属塩などが好適に用いられる。

これら無機／有機化合物３の粒子径は、特に限定されな
いが、人体埋設用インブラント材料を製造するためには
粒径２００〜５００μｍが好ましい。

この無機／有機化合物粒子３を型１の内部空間２の全域
もしくは特定域に充填する場合、これら各粒子３は互い
に接触、連結し、その一部は該型１の内壁面に接触して
いる必要がある。

そうでないと、後述するように、無機／有機化合物粒子
３を溶解除去することが困難となる。

このように型１内に無機／有機化合物３を所定量充填し
た後、残余空間内に、ワックス剤圧入口５からワックス
剤４を圧入して無機／有機化合物３とワックス剤４とか
ら成る模型を得る。

ワックス剤４は、無機／有機化合物粒子３を溶解しない
ものであれば特に限定されないが、例えばワックス（ろ
う）、有機樹脂などが好適である。

このワックス剤４は上記各粒子３をおおむね包囲してい
なければならない。　ここでおおむねというのは、上記
各粒子３の連結部をワックス剤４が完全に包囲するより
も多少ゆるやかに包囲することによって、後述する前記
各粒子３の溶解除去を容易とするためである。

このようにして得た模型を型１の上型１ａと下型１ｂと
を取りはずして型１から取出し、溶剤に浸漬して溶剤可
溶性の各粒子３を溶解除去して、第２図に示すような多
孔質ワックス剤模型６を得る。

なお、型１は一回限りの使用ではなく連続使用に耐える
ので、製造工程費の低減化を果たすことができる。

このようにして得た多孔質ワックス型模型６あるいはそ
の特定表面に多孔質層を有する模型を用いて、通常のロ
ストワックス法により鋳型を造型する。　すなわち、こ
の多孔質ワックス剤槙型６を第３図に示すように、スラ
リー１１で該多孔質ワックス剤模型６の多孔質空隙部分
を浸漬してシェル状の外殻を造型する。　なお、シェル
状の外殻の外側は一般に砂で形成される。　スラリー１
１としては、例えばＣａｂ％ＭｇＯ％ＺｒＯ２、Ｙ２０
３等が用いられる。

その後、高温高圧蒸気処理あるいは他の方法によってワ
ックス剤４を溶出して、第３図に示すように鋳型（ロス
トワックス鋳型）１０を得る。

そしてこの鋳型１０に湯口１３より溶融金属を注入して
固化後、機械的あるいは化学的方法等によって外枠１２
を除去せしめ、第４図に示すような多孔質金属鋳造体８
を得る。

本発明の製造方法に用いる金属または合金としては、は
とんど全ての金属または合金が適用でき、例えば通常の
多孔質金属体に用いられている鋳鉄、鉛、亜鉛、錫、ア
ルミニウム、金、銀、銅およびこれらの合金やチタンあ
るいはジルコニウムなどの高融点活性金属およびこれら
の合金等をあげることができる。

上述のようにして得られた多孔質金属鋳造体８の多孔質
部分９に入り込んだ鋳型砂粒を機械的または化学的方法
等により除去して清浄する。

この鋳型砂粒をａ誠的に除去する方法としては例えば高
圧水洗浄あるいはサンドブラスト等の手段があり、化学
的に除去す暮方法としては、例えば酸洗あるいはアルカ
リ処理等の手段があげられる。

すなわち本発明によれば、多孔質層が鋳造という手段に
よフて一体成形されるため、多孔質層が外圧等の荷重の
負荷によっても破壊され難く、安定した高品質の多孔質
金属鋳造体を得ることができる。

〈実施例〉 以下に本発明を実施例に基づいて更に詳細に説明する。

（実施例１） 粒径が０．３〜０．８ｍｍの発泡スチロールビーズを金
型内に充填して後にワックスを圧入し、１０ｘ４０ｘ２
ｍｇ＋の板状ワックス模型を得た。　この模型をアセト
ン中に浸漬して発泡スチロールビーズを溶出し、水洗し
て多孔質ワックス模型とした。

ロストワックス法の進法に従い湯口、セキ等を付加して
鋳枠内に置き、ＭｇＯ質耐質耐火ラスラリ−設して脱ろ
う、焼成後にチタン合金を差圧鋳造した。

合金が凝固した後サンドブラスト処理および超音波洗浄
処理かつ酸洗処理してＭｇＯ質耐火材を完全に除去し、
内部に直径０．３〜０．８■の無数の連結した気孔を有
するチタン合金製の多孔質金属鋳造体を得た。

この多孔質鋳造体を動物の骨内埋設用インブランド試験
片として使用したところ、該試験片の気孔内に骨組織が
成長しているのが認められた。

（実施例２） 粒径が０．２〜０．５Ｈの果糖を金型内に充填した後ワ
ックスを圧入して５０Ｘ５０ｘ２ｍｍの板状ワックス模
型を製作し、温水にて果糖を流失させて多孔質ワックス
模型とした。　これを所定の寸法に成型して人工膝関節
用ワックス模型の骨接合部分に貼付した。　ロストワッ
クス法の進法に従い湯口、セキ等を付加し、Ｙ、Ｏ，ス
ラリーでコーティングした。　その後バックアップコー
ティングして造型、脱ろうし、セラミックシェル鋳型と
した。

この鋳型内にチタン合金を遠心鋳造法にて注渇し、合金
が凝固した後にサンドブラスト処理および酸処理してＹ
、Ｏ，耐火物を完全に除去した。

このようにして骨接合面に直径２００〜５００μｍの無
数の連結気孔が２ｍｍの厚みに渡って存在する、すなわ
ち厚さ２ｆｆｌＩ１１の多孔質層を有するチタン合金製
人工膝関節を製造することができた。

前述したように、整形外科用人工骨あるいは歯科用人工
歯根等の骨内にインブラントされる材料は、骨組織との
結合を効果的ならしめるために、骨との接合面には２０
０〜３００μｍの凹凸を付与することが必要である。　
−層効果的にはこれを連結した気孔の集団すなわち多孔
質層を形成することが求められる。

従って、本実施例によって、この条件を満足する多孔質
金属鋳造体を得ることができた。

〈発明の効果〉 以上詳述したように本発明によれば、金属体の多孔質を
鋳造という手段によって一体成形することができるので
、外圧等の荷重の負荷によっても破壊され難い多孔質金
属鋳造体を工業的に安価に、かつ安定した品質をもって
製造しうる技術を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は型内に無機／有機化合物粒子とワックス剤を圧
入した状態を示す模式的断面図である。 第２図は多孔質ワックス剤模型の模式的断面図である。 第３図はロストワックス法により得られる鋳型の模式的
断面図である。 第４図は多孔質金属鋳造体の模式的断面図である。 符号の説明 １・・・型、 ２・・・内部空間、 ３・・・溶剤可溶性無機／有機化合物粒子、４・・・ワ
ックス剤、 ５・・・ワックス剤圧入口、 ６・・・多孔質ワックス剤模型、 ８・・・多孔質金属鋳型体、 ９・・・多孔質部分、 １０・・・鋳型（ロストワックス鋳型）、１１・・・ス
ラリー、 １２・・・外枠、 １３・・・湯口

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （イ）型の内部空間の全域もしくは特定域に溶剤可溶性
   無機／有機化合物粒子を充填する工程、 （ロ）上記型にワックス剤を圧入し、模型を得る工程、 （ハ）上記模型を溶剤に浸漬し、溶剤可溶性無機／有機
   化合物粒子を溶解除去して多孔質ワックス剤模型を得る
   工程、 （ニ）上記多孔質ワックス剤模型を用いて、ロストワッ
   クス法により鋳型を造型し、該鋳型内に溶融金属を注入
   後、多孔質金属鋳造体を得る工程、 （ホ）上記多孔質金属鋳造体の多孔質部分に入り込んだ
   鋳型砂粒を清浄する工程、 を有することを特徴とする多孔質金属鋳造体の製造方法
   。