JPH0260656A - 生体材料及びその製造方法 - 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 本発明は生体材料及びその製造方法に関する。

さらに詳しくいえば、本発明はマトリックス中に所定配
向度に配向した異方性化針状結晶体を含有した焼結体か
ら成る高強度、高靭性を有する生体材料、及び該生体材
料を、焼結体原料と針状結晶体の混合物にバインダーを
配合し、圧延操作を繰り返して所定配向度に調整し、焼
成することにより製造する方法に関する。

従来の技術 近年生体材料に関する研究が盛んに行われるようになっ
てきた。ところで、生体材料の一例として人工骨材料に
ついて見てみると、これは、毒性がなく安全で、骨欠損
部に適合した形状に成形して賦形したり、また生体内に
嵌植、埋入するに際して、十分な機械的強度を有し、か
つ生体組織と結合しやすいものを選ぶことが必要とされ
、さらに生体内で自然にスムーズに消失して新生骨と置
換されるものが好ましいとされている。

このようなものとしては、これまで、リン酸三カルシウ
ム、水酸アパタイト又は特殊なアパタイト型結晶構造リ
ン酸三カルシウム化合物の焼結体を用いた人工骨、人工
関節、人工歯根等が開発されてきた。例えば、人工骨や
人工歯根を体内に埋入したときに、生体組織と結合しや
すくするには、これを多孔質にして、生体組織が細孔に
入り込み、これを固定しうるようにすることが必要であ
り、このようなものとして、これまで多孔質リン酸三カ
ルシウム系焼結体を用いることが提案されている（特開
昭５６−１４９３８９号公報、特開昭５７−７８５６号
公報）。

しかしながら、この多孔質リン酸三カルシウム系焼結体
から成る生体材料は、硬くてもろいなど、機械的強度が
十分でないという欠点がある。

さらに、生体材料として、多孔質水酸アパタイト１００
重量部とα−リン酸三カルシウム１０〜１００重量部と
の混合物に水を加え７０〜１００°Ｃにおいて硬化させ
たのち加熱処理をしてβ−リン酸三カルシウムに転化さ
せて得た複合材料も提案されている。

しかしながら、この複合材料は、骨伝導能を有する多孔
質水酸アパタイトの混合比を大きくして十分な骨伝導能
を持たせようとすると強度が非常に低下し、また実用上
十分な強度を持たせるためにα−リン酸三カルシウムの
配合比を高めると骨形成が十分ではなく、骨形成能と強
度を任意にコントロールすることができないという欠点
がある。

他方、生体材料の強度を高めるため、アパタイト等に針
状結晶体を混合する方法が知られている。

発明が解決しようとする課題 本発明は、このような従来の生体材料の欠点を克服し、
高強度、高靭性を有する生体材料及び該生体材料を簡単
に、かつ工業的に有利に製造する方法を提供することを
目的としてなされたものであ、る。

課題を解決するための手段 本発明者らは、高強度、高靭性を有する生体材料及びそ
の工業的に有利な製造方法を開発するために種々研究を
重ねた結果、マトリックス中に所定の配向度に配向した
異方性化針状結晶体を含有した焼結体から成る生体材料
がこの目的に適合することを見出し、また、焼結体原料
と針状結晶体とから成る混合物をバインダーと共に繰り
返し圧延し、焼成することにより、目的の生体材料が得
られることを見出し、これらの知見に基いて本発明を完
成するに至った。

すなわち、本発明は、マトリックス中に配向度６０％以
上に配向した異方性化針状結晶体を含有した焼結体から
成る生体材料、及び該生体材料を、焼結体原料と針状結
晶体とから成る混合物にバインダーを配合したのち、圧
延操作を繰り返して配向度を６０％以上に調整し、次い
で焼成することにより製造する方法を提供するものであ
る。

本発明で用いる焼結体原料としては、例えばアルミナ、
ジルコニア、チタニアなどの生体セラミックス、アパタ
イトやリン酸三カルシウムなどのリン酸カルシウム系生
体材料、キトサンなどのキチン系物質、ヘパリン類、コ
ラーゲン類、セルロース類のような生体機能高分子材料
などが挙げられ、このものは単独で用いてもよいし、ま
た２種以上の混合物として用いてもよい。アパタイトと
しては、乾式法又は湿式法による合成アパタイトでもよ
いし、各種を推動物の骨、歯から回収された生体アパタ
イトでもよい＝例えば、乾式法としては、９００〜１３
００℃の高温下の水蒸気気流中でリン酸カルシウムと過
剰のＣａＯを反応させる方法等が挙げられる。このアパ
タイト、例えば水酸アパタイトは一般に顆粒状または粒
状で用いられる。顆粒状の場合の粒径は、０．１〜５．
０ｍｍ程度が適当である。また、多孔質水酸アパタイト
は細孔を有し、細孔径５〜２００μｍ１気孔率２０〜５
０％の範囲のものが好ましい。リン酸三カルシウムとし
ては、α−リン酸三カルシウムが好ましいが、β−リン
酸三カルシウムでも差し支えない。生体材料を混合物と
して用いる場合、そのようなものとして、例えば多孔質
水酸アパタイトとリン酸三カルシウムとの混合物が挙げ
られる。この混合物を人工骨材用として用いる場合には
、多孔質水酸アパタイトとリン酸三カルシウムとの配合
比は、通常、重量比で１０：ｌ〜１：ｌＯの範囲のもの
であり、ｌニア〜７：ｌ特にｌ：ｌ〜７：ｌが好ましい
。これよりも多孔質水酸アパタイトの量が多くなると気
孔率が高くなりすぎて強度が不十分となるし、また、こ
れよりも少なくなると気孔率が低下し多孔質アパタイト
セラミックスの望ましい性質、例えば生体材料としての
生体同化能が低下するのを免れない。

本発明に用いる針状結晶体としては、例えば炭化ケイ素
ウィスカーのようなウィスカー、炭化ホウ素ウィスカー
、カーボンウィスカー、アルミナウィスカー、ジルコニ
アウィスカー又はカルシウムシリケート系、アルミニウ
ムシリケート系、アルミニウムシリケートカルシウム系
、カルシウムシリケートマグネシウム系、カルシウムア
ルミネート系、マグネシウムシリケート系のそれぞれウ
ィスカー、窒化ケイ素ウィスカー、金属ウィスカーなど
が挙げられる。特に好ましいものとしては、アルミナウ
ィスカー、ジルコニアウィスカー、アルミニウムシリケ
ートカルシウム系のウィスカーとしては、アノーサイト
ウィスカー、カルシウムシリケートマグネシウム系ウィ
スカーとしては、ディオプサイドウィスカー、カルシウ
ムシリケートウィスカーとしては、ウオラストナイトウ
ィスカーである。

この針状結晶体は焼結体原料１００重量部に対し、通常
０．５〜７０重量部、好ましくは１〜５０重量部、さら
に好ましくは５〜３０重量部の範囲で使用される。これ
よりも針状結晶体の使用量が多くなると生体材料の望ま
しい性質、例えばアパタイトの人工骨材としての生体親
和性などが低下し、あるいは損なわれるし、またこれよ
りも少なくなると圧縮強度等の機械的強度や靭性が劣化
し、加工性や作業性が低下するのを免れない。

本発明の生体材料は、マトリックス中に配向度６０％以
上に配向した異方性化針状結晶体を含有した焼結体から
成るものである。この配向度は、好ましくは７５％以上
、より好ましくは８５％以上である。配向度が６０％未
満であると、生体材料の強度が実用化しえない程に低下
するのを免れない。例えば、ＨＡＰ　１００（重量部）
　ウィスカ５０バインダ４０．１３００℃焼成、ロール
圧ＬＯＯｋｙ／ｃｗｓ”。

プレス　２００　ｋｇ／ｃｍ２の条件下で得られた焼結
体の配向度と曲げ強度との関係は第１表に示すように配
向度が高くなるとともに曲げ強度も向上し、実用強度を
満たすには少なくとも７０ＭＰａ以上の曲げ強度が必要
とされているところから、配向度も所定値以上のものが
必要となる。

第　　　　１　　　表 本発明の生体材料を製造するには、先ず、焼結体原料と
針状結晶体の混合物にバインダーを配合して、混練され
る。バインダーとしては、通常生体材料の製造に用いら
れているものであればよく、例えばゴムのような熱可塑
性樹脂などが挙げられる。バインダーの前記混合物に対
する配合割合は通常生体材料の製造に用いられている範
囲であればよく、通常１０〜５０、好ましくは２０〜４
５の範囲である。バインダーの割合がこれよりも少なく
なると配向しにくくなるし、またこれよりも多くなると
焼成後気孔が多くなるため、生体親和性、ち密度が悪く
なるのを免れない。

次に、本発明においては、このようにして得た配合物や
混線物を配向度を６０％以上に調整することが必要であ
る。この調整は圧延処理を繰り返すことにより行うこと
ができる。この圧延処理により、針状結晶体が異方性化
される。この異方性化を十分なものとするには、圧延処
理を繰り返し、例えば３〜ｌＯ回程度行うのが好ましい
。圧延方法は、常用のカレンダーロール加工などのロー
ル圧延加工、プレス加工、押出加工などが用いられ、特
にロール圧延加工が好ましい。圧延時の成形圧は２０〜
３００ｋｇ／　ｃｍ”、好ましくは５０〜１５０ｋｇ／
ｃがである。成形圧がこれよりも低くなると十分な強度
が得られないし、またこれより高くしてもより以上の効
果の向上は得られにくい。

このように圧延した板状材料は、そのまま又はさらに熱
間プレスなどの後加工後、焼結体原料や針状結晶体の種
類により異なるが、通常９００〜２．０００°Ｃ１好ま
しくは１．０００〜１．５００℃で焼成することによっ
て焼結体を得ることができる。

発明の効果 本発明の生体材料は、生体材料の望ましい性質、例えば
アパタイトの人工骨材としての生体親和性などを保持し
たまま、高強度及び高靭性を付与しうるので、人工骨材
、人工歯根、人工関節材などとして整形外科や歯科や口
腔外科の治療用に広く適用することができる。

また、本発明の方法によれば、圧延により針状結晶体を
簡単に異方性化しうるという顕著な効果を奏する。

実施例 次に実施例によって本発明をさらに詳細に説明する。

成形体及び焼結体の配向度、及び焼結体の曲げ強度及び
靭性の測定方法は以下のとおりである。

（１）　　配向度 粉末Ｘ線回折を測定し、回折図形のピーク強度（１（０
０Ｑ）／　Ｉ　（ｈｋｆｆ））ヲ％で示シタ。

（２）曲げ強度 試料を３　Ｘ　４　Ｘ４０ｍｍに切り鏡面研摩し、３点
曲げ試験、スパン距離３６ｍｍ、クロスヘツドスピード
０　、５　ｍｒｓ／　ｍｉｎにより測定した（ｎ−１０
）。

（３）靭性 試料を、３　Ｘ　４　Ｘ４０ｍｍに切り鏡面研磨し、中
央部に深さ１．５ｍ＋＋＋のノツチを入れ、３点曲げ試
験、スパン距ｍ３６ｍｍ、クロスヘツドスピード０．５
１／ｍｉｎにより測定した（ｎ＝３） 実施例１１比較例 水酸アパタイト粉体に炭化ケイ素ウィスカーを５０重量
％添加し、この混合物１００重量部を熱可塑性樹脂であ
るゴム４０重量部と共にラボプラストミルで３０分間混
合した。この混合物ヲローラーにより成形圧１００ｋｌ
？／　ｃｍ”で圧延成形した。このようにして得られた
成形体は断面のＳＥＭ写真から、炭化ケイ素ウィスカー
が配向していることが分った。この配向度は８０であっ
た。さらに、この圧延した板状材料を成形圧２００ｋｇ
／　ｃｍ”の熱間プレスにより成形した後１３００°Ｃ
で焼成して、配向度８０％、曲げ強度９ＱＭＰａ及び靭
性１．７ＭＰａＪ＋＋＋を有する焼結生体材料を得た。

次に、比較のため、実施例で用いたのと同様の水酸アパ
タイト粉体を単独で実施例と同様に圧延、プレス成形及
び焼成して、曲げ強度５５ＭＰａ及び靭性０．６ＭＰａ
ｖ’＋ｎを有する焼結体を得た。

実施例２〜８ 第２表に示したような組成の生体材料、針状結晶体、バ
インダーを用いて実施例１と同様に混合、圧延、プレス
成形及び焼成を第２表に示した条件下で行って、焼結体
を得た。得られた焼結体の配向度、曲げ強度及び靭性を
第３表に示す。

第 表 手続補正音 昭和６３年９月２０日 特許庁長官　　吉　　１）　文　　毅　　殿■、事件の
表示 昭和６３年特許願第２１０６６９号 ２、発明の名称 生体材料及びその製造方法 ３、補正をする者 事件との関係　　特許出願人 東京都中央区日本橋−丁目１３番１号 （３０６）ティーデイ−ケイ株式会社 代表者　佐　藤　　　博 ４、代理人

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　マトリックス中に配向度６０％以上に配向した異方
   性化針状結晶体を含有した焼結体から成る生体材料。 ２　マトリックスがリン酸カルシウム系のものである請
   求項１記載の生体材料。 ３　異方性化針状結晶体が炭化ケイ素ウィスカー、アル
   ミナウィスカー、ジルコニアウィスカー又はカルシウム
   シリケート系、アルミニウムシリケート系、アルミニウ
   ムシリケートカルシウム系、カルシウムシリケートマグ
   ネシウム系、カルシウムアルミネート系、マグネシウム
   シリケート系のウィスカーである請求項１又は２記載の
   生体材料。 ４　焼結体原料と針状結晶体とから成る混合物にバイン
   ダーを配合したのち、圧延操作を繰り返して配向度を６
   ０％以上に調整し、次いで焼成することを特徴とする請
   求項１記載の生体材料の製造方法。 ５　焼結体原料がリン酸カルシウム系のものである請求
   項４記載の生体材料の製造方法。６　針状結晶体が炭化
   ケイ素ウィスカー、アルミナウィスカー、ジルコニアウ
   ィスカー又はカルシウムシリケート系、アルミニウムシ
   リケート系、アルミニウムシリケートカルシウム系、カ
   ルシウムシリケートマグネシウム系、カルシウムアルミ
   ネート系、マグネシウムシリケート系のウィスカーであ
   る請求項４又は５記載の生体材料の製造方法。