JPH0349766A

JPH0349766A - 骨親和性に優れた多孔質体の製造方法

Info

Publication number: JPH0349766A
Application number: JP1185138A
Authority: JP
Inventors: Nobuo Matsuno; 松野　伸男; Koji Nishikawa; 浩二西川
Original assignee: Kawasaki Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1989-07-18
Filing date: 1989-07-18
Publication date: 1991-03-04

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、整形外科用人工骨や歯科用人工歯根等の骨に
接合されて用いられる生体材料（インブラント材）を骨
に接合する際に有用な骨親和性に優れた多孔質体の製造
方法に関する。

〈従来の技術〉近年、整形外科分野や歯科分野において、人工骨、人工
歯根等のインブラント材の利用が広がってきている。

このようなインブラント材の適用にあたり、最大の課題
は骨との接合方法にあり、研究が進められている。　そ
して、インブラント材と骨との接合方法を解説したもの
として、例えば、立石哲也による医用・生体材料の現状
と問題点く塑性と加工、ＶＯｌ、２９．　ＮＯ，３３５
，ｐ、１２６８．１９８８年）、犬西啓端らによる人工
骨・関節と骨との固着（日本接着協会誌、Ｖｏｌ、２２
．　Ｎｏ、２．　ｐＨ２１９８６年）がある。

すなわち、従来は、専らボーンセメントを用いて固定、
接合していたが、最近、インブラント材表面を多孔質化
させ、その孔に骨組織を生長・侵入させ、アンカーリン
グ効果によって機拭的固定力を得る方法が開発された。

　具体的には、ビーズ状あるいは粉末のコバルト合金、
チタン、チタン合金をインブラント材表面に焼結によっ
て固着し、多孔質化したもの、チタンワイヤを屈曲させ
たものをインブラント材表面（凹部）に置き、焼結し、
多孔質化したもの、プラズマ溶射法などにより、インブ
ラント材の表面を多孔性としたものなどであり、実用化
されている。　また、プラズマ溶射法やスパッタリング
法などの方法により、骨組織と活性な材料、例えば水酸
化アパタイトや生体ガラス等の材料でインブラント材表
面を被覆し、それらの材料の化学的結合力により、イン
ブラント材を骨に接合する方法等もある。

〈発明が解決しようとする課題〉インブラント材と骨との接合方法として、前述の如く、
種々の方法が提案され、実用化されている。

しかしながら、ビーズ状あるいは粉末の金属を焼結によ
って固着させたものでは、接合点が少ないため、生体内
への埋込手術時やその後の荷重負荷によって欠落しゃす
い、また、接合強度を上げようとすると空隙が小さくな
るなどの問題があった。

チタンワイヤを用いる方法では、適当な径の空孔を得る
ためには、ワイヤを任意に屈曲させてやる必要があり、
操作が極めて煩雑となる。

さらに、表面を骨親和性に優れた材料で被覆する方法で
は、インブラント材との接着性の点に問題がある。

本発明は、上記の事実に鑑みてなされたものであり、生
体材料（インブラント材）に接合することにより、骨と
の接合を有利に導く、骨親和性に優れた多孔質体の製造
方法の提案を目的とする。

く課題を解決するための手段〉本発明者らは、上記課題を有利に解決するために鋭意検
討を重ねた結果、インブラント材と骨との接合を強固に
するためには、インブラント材表面に多孔質体を接合さ
せるのが適当であり、しかも、その多孔質体の空孔同士
が互いに連絡していると、体液の流れが出来るために骨
の侵入が容易となり、骨の侵入深度が深くなり、よって
強固な固定がなされるという知見、ざらには、多孔質体
の空孔の大きさには最適な範囲があり、１５０μｍより
小さいと、骨生長に必要な血管の侵入が不可能となり、
骨が生長・侵入せず、一方、５００／ｉｍｆｅ越えると
骨の侵入に時間がかかり、骨の生長・侵入以前に繊維組
織が出来、骨の侵入が阻害されるという知見を得、これ
らの知見に基づき、上記用途に最適な多孔質体を製造す
る方法を検討し、本発明を完成した。

すなわち本発明は、チタンまたはチタン合金製の有孔素
材であって、厚さ１５０〜５ｏＯμｍ、孔の直径１５０
μｍ以上、隣接する孔間の距１！１１１５０〜５００μ
ｍである複数の孔を有する有孔素材を複数積層し、圧縮
加工を施すことを特徴とする骨親和性に優れた多孔質体
の焼結方法を提供する。

また、本発明はチタンまたはチタン合金製の有孔素材で
あって、厚さ１５０〜５００μｍ、孔の直径１５０μｍ
以上、隣接する孔間の距、流１５０〜５００μｍである
複数の孔を有する有孔素材を複数積層し、圧縮加工を施
した後、焼結処理を行なうことを特徴とする骨親和性に
優れた多孔質体の製造方法を提供する。

前記焼結処理は、１０−’Ｔｏｒｒ以下の高真空中で、
温度７００〜１４００℃にて行なうのがよい。

ざらに、前記焼結処理は、０．１〜８０ｋｇｆ／ｃｍ’
の圧力負荷状態で行なうのがよい。

以下に、本発明の詳細な説明する。

本発明で用いる前記有孔素材の材質は、チタンまたはチ
タン合金である。　本発明法によって製造される多孔質
体は、生体内で長期間使用されるので、金属イオンが溶
出することによる為害性が懸念される物質を用いること
はできない。　従って、生体内における耐食性に優れる
チタンまたはチタン合金を用いるのである。

なお、チタン合金としては、公知のものいずれもが使用
可能であるが、例えばＴｉ−６Ａｊ２−４ｖ合金、Ｔｉ
−Ｎｉ合金、Ｔｉ−５ＡＪＺ−２，５Ｆａ合金、Ｔｉ−
６Ａｌｌ−７Ｎｂ合金等が好ましい。

また、前記有孔素材としては、第１ａ図および第１ｂ図
に示す金網（メツシュ）、第２ａ図および第２ｂ図に示
すエキスバンドメタル等があげられ、これらは好適であ
るが、金網やエキスバンドメタル以外であっても、厚さ
１５０〜５００Ａ１ｍ、孔の直径１５０μｍ以上、隣接
する孔間の距ｌ１１１５０〜５００μｍであり、複数の
孔を有する有孔素材であればいかなるものでもよい、　
そして、このような有孔素材の製造方法については限定
はなく、パンチング、エツチング、編組等、どのような
方法で製造されたものであってもよい。

ところで、有孔素材として厚さ１５０〜５００μｍのも
のを用いるが、有孔素材の厚さ℃は、有孔素材がワイヤ
ーを編組したものであればワイヤーの線径（第１ｂ図参
照）として、また、板に孔をあけたものであれば、その
板厚（第２ｂ図参照）として定義される。

有孔素材の厚さの限定理由は以下の通りである。

後述するように、有孔素材は積層され、圧縮加工される
。　その際、圧縮率が大きすぎない限り、有孔素材は変
形するが、その板厚は変化しない領域（範囲）がある。

　そのような場合においては、積層方向（垂直方向）の
空隙の大きさは、有孔素材の板厚に関連して決定される
。　すなわち、骨の生長・侵入が最も容易な孔径は１５
０μｍ以上であるが、有孔素材の板厚の下限を孔径の下
限と等しくしておけば、有孔素材の積層、圧縮加工後で
あっても、孔径と同等以上の大きさで、空隙の積層方向
の大きさが確保される可能性があるからである。　また
、板厚の上限を５００μｍとしたのも、その空隙の積層
方向の大きさが骨の生長・侵入に不適当な程犬きくなら
ないようにするためである。

これを、図面に基づいてさらに説明する。

第３図は、板状の有孔素材が積層された状態を示す模式
図、第４図は、その圧縮加工後の状態を示す模式図であ
る。

圧縮前の状態を示す第３図において、板状の有孔素材１
がｍ枚積層された際、空隙２の積層方向の大きさＹは、
孔が板状の有孔素材ｎ枚にわたって連通していると、板
厚ｌのｎ倍となる（Ｙ＝１・ｎ）。

ところが、圧縮加工されると、第４図に示すように、空
隙２の積層方向の大きざｙは、板状の有孔素材１の屈曲
、からみ合い等によってλ・ｎから減少し、場所によっ
ては、上下の有孔素材１が変形して密着し、０になると
ころも出てくる。　しかし、有孔素材１自体の板厚λは
変化しない範囲での圧縮であれば、たとえｙ−３０とな
ったところでも、有孔素材１の隣接部には、必ず、その
板厚１と積層方向の大きざの等しい空隙が存在するはず
である。　すなわち、第５ａ図の状態が、圧縮加工によ
って第５ｂ図となると、ｙ＝０の部位が生じるが、その
付近に、必ず、板厚でと積層方向の大きさの等しい空隙
が存在する。　従って、板状の有孔素材１の板厚ρの下
限を骨の生長・侵入が最も容易な孔径の下限を一致させ
ておくことは有意義である。

同様の理由により、有孔素材板厚１の上限は５００μｍ
に限定される。　すなわち、板厚りが大きくなると、そ
れに伴ない骨の侵入に適した大きさの空隙を得るために
は、圧縮率を大きくしなければならないことは明らかで
ある。　このような場合、圧縮加工後に残る最大の空隙
は、前述の有孔素材１の隣接部となり、その大きさは、
有孔素材板厚１とほぼ等しい。　従って、１の上限は、
骨の侵入に適した空隙の大きざの上限と同じでなければ
ならない。

有孔素材の孔の直径は１５０μｍ以上である。　孔の直
径は、その形状によって変化するが、ここでは、第１ａ
図および第２ａ図にＸとして示すように、孔内に内接す
る球の直径として定義する。

孔の直径を１５０μｍ以上としたのは、孔への骨の生長
・侵入を容易にならしめるためである。　すなわち、有
孔素材を積層後、圧縮加工を行なうと、積層された有効
素材が相互に入り組み、孔は分断される。　図面に基づ
いて説明すると、孔の直径は、第３図のＸが、第４図の
Ｘとなる。　そして、実質的に直径の小さい孔を有する
有孔素材を積層した場合と同様となる。　従って、この
ように、実質的に孔の直径（空隙の面方向の大きさ）が
小さくなっても、骨の生長・侵入が容易になされる大き
さの空隙を確保するという観点から、有孔素材の孔の直
径の下限を１５０μｍと規定した。

なお、孔の直径の上限はないが、圧縮加工後の空隙が大
きすぎると、骨の生長・侵入に悪影響を与えるので、適
当な枚数の有孔素材を用いた時に適当な大きさの空隙が
できるようにするには、孔の直径を３ｍｍ以下とすると
、実用上は都合がよい。　ただし、孔の直径が大きくて
も、用いる有孔素材の枚数を多くすれば問題はない。

隣接する孔間の距離は１５０〜５００μｍである。　隣
接する孔間の距離（第１ａ図および第２ａ図において、
Ｚとして示しである）は、小さい程よいが、１５０μｍ
未満とすると、有孔素材の製造が困難となり、一方、５
００μｍ超とすると、有孔素材を積層した際の孔の連通
の度合が減少し、また、圧縮加工後の空隙率が小となり
、十分な骨の侵入がなされなくなる。

本発明は、上述の条件を満たし、複数の孔を有する有孔
素材を用いた骨親和性に優れた多孔質体の製造方法であ
る。

すなわち、該有孔素材を複数積層し、圧縮加工を施し、
さらに、必要に応じて焼結処理を行なうことにより、多
孔質体を得る。

素材の積層方法は、本質的には、得られる空隙を均一に
するためには、任意でよい。　　しかし、有孔素材が方
向性を有するならば、有孔素材積層体が方向性を有しな
いように、−枚ごとに方向を変えて積層することが好ま
しい。

積層枚数は、多孔質体の必要厚さに依存して決める。　
また、多孔質体の空隙の大きさは、圧縮加工時の圧縮率
を変えることにより、任意の大きさとすることができる
。

ここで、多孔質体の空隙の大きさと圧縮率との関係につ
いて、実験結果を交えながら説明する。

第６図は、チタン製の＃２０メツシュ（線径（第１ｂ図
におけるｕ）：３００μｍ、メツシュ厚（実質的な厚さ
）：６３０μｍ）を積層後、圧縮加工を行なった時の圧
縮率と空隙径との関係を示すグラフであり、第６図中ａ
−ｆの実測値は第１表に、また、第６図中ａ　−”　ｆ
の時の断面の金属組織を示す写真は第７ａ図〜第７ｆ図
に示した。

男１表第１表、第６図および第７ａ図〜第７ｆ図から明らかな
ように、圧縮率を大きくするに従い、得られる多孔質体
の空隙の大きさおよび空隙率が小となる。　すなわち、
圧縮率を変えることにより、任意の大きさの空隙を有す
る多孔体が得られる。

ここに、第６図のデータより、平均空隙径２５０μｍ、
厚さ１．２ｍｍの多孔質体を得るための積層枚数の算出
方法を述べる。　同図より、平均空、隙径を２５０μｍ
とするには、圧縮率な８４％とすればよいことがわかる
。　すなわち、積層前の有孔素材の厚さは１，２／（１
−０，８４）＝７．５　（ｍｍ）である。

従りて、積層枚数は、７．５１０．６３〜１２枚となる
。　なお、これは、チタン製＃２０メツシュの場合であ
り、有孔素材の厚さ、孔の大ぎさ、形状、分布等が異な
れば、得られる空隙径は変化するため、予め、用いる有
孔素材について、圧縮率と空隙径との関係を調べておく
必要がある。　また、逆に、多孔質体の必要厚さから、
用いる有孔素材の厚さや積層枚数が予め決められている
場合は、孔の大きさ等の異なる有孔素材数種類について
検討し、適当なものを選択すればよい。

以上の方法で製造した多孔質体は、このままでも使用で
きるが、後工程で剥離等のトラブル防止が要求されると
きは、さらに、有孔素材間の結合力を高める焼結処理を
行ない、十分に接合させる。

チタンまたはチタン合金は、酸化による脆化が著しいた
め、焼結処理は、高純度の不活性ガス雰囲気中、または
１０−’Ｔｏｒｒ以下、好ましくは１０−５Ｔｏｒｒ以
下に減圧された高真空；囲気中において、７００〜１４
００℃で行なうのがよい。　　７００〜１４００℃で焼
結処理を行なえば、焼結処理に要する時間は工業的処理
時間（１０時間）以内である。　なお、焼結処理を７０
０〜１４００℃で行なうのが好ましい理由は、７００℃
は、工業的処理時間内で必要な接合強度を得られる最低
温度であり、一方、１４００℃超では、工業的には処理
が難しくなるばかりでなく、チタンまたはチタン合金自
体の材質が劣化するためである。

さらに、十分な接合強度を得るためには、高真空雰囲気
中、７００〜１４００℃にて、かつ、０　、　１〜８０
　ｋｇｆ／ｃｍ２の圧力を負荷しながら焼結処理を行な
うのがよい。　　０．１ｋｇｆ／ｃｍ２未満では、圧力
負荷による効果が得られず、一方、８０　ｋｇｆ／ｃ＋
ｎ”超では、昇温中に多孔質体がさらに圧縮され、空隙
径が変化する。

なお、負荷する圧力は焼結温度によって変化し、より高
温で焼結処理を行なう場合は、ＴｉまたはＴｉ合金の熱
間強度の低下に応じて負荷圧力を小さくする。

圧力負荷の方法には、静荷電を与える方法、ボルト締め
による方法、ＨＩＰのような静水圧を用いる方法などが
あり、いずれの方法でもよい。

このようにして製造された多孔質体は、人工骨、人工歯
根、人工関節等のインブラント材の骨と接合される部位
に接合される。　多孔質体のインブラント材への接合は
、一般的には、有孔素材同士の接合と同様の焼結処理に
よる拡散接合によって行なわれている。　従って、この
インブラント材への多孔質体の接合のための焼結処理は
、有孔素材同士の接合も兼ねて、同時に行なってもよい
。

〈実施例〉以下に、実施例により、本発明を具体的に説明する。

（実施例１）＃２０メツシュの純チタン製金網（メツシュ）（線径：
３００μｍ１メツシユ厚＝６３０μｍ）１０枚を任意の
方向で積層後、圧縮率８１％の圧縮加工を行ない、厚さ
１．２ｍｍの多孔質体を得た。　これをさらに、真空雰
囲気下（１０−’Ｔｏｒｒ以下）で、２　ｋｇｆ／ｃｍ
２の圧力を負荷しながら、１１００℃で２時間の焼結処
理を行ない、メツシュ同士を拡散接合させた。

この多孔質体の断面を顕微鏡で調べたとこわろ、平均空
隙径３００μｍ１空陣率４５％で、連通した空隙を有す
る多孔質体であった。

（実施例２）板厚が３４０μｍであり、１辺が１ｍｍの菱形の孔（直
径８７０μｍ）を有し、隣接する孔間が３５０μｍのＴ
ｉ−６Ａ１−４Ｖ合金製エキスバンドメタル１２枚を９
０度ずつ交互に方向を変えて積層した後、圧縮率７５％
の圧縮加工を行ない、厚さ１．０ｍｍの多孔質体を得た
。　これを、さらに、真空：囲気下（１０−’Ｔｏｒｒ
以下）で、４０　ｋｇｆ／ｃｍ２の圧力を負荷しながら
、ａＯＯ℃で４時間の拡散焼鈍を行なった。

このようにして得られた多孔質体の断面を顕微鏡で調べ
たところ、平均空隙径２４０μｍ、空隙率３８％の多孔
質体であった。

（実施例３）実施例１および実施例２と同様の方法で、圧縮加工まで
を行なった。

これらを、板厚２．０ｍｍのＴｉ−６Ａｕ−４■合金平
板上に置き、真空７囲気下（１０−’Ｔｏｒｒ以下）で
、さらに、１０　ｋｇｆ／ｃｍ２の圧力を負荷しながら
、９００℃で３時間の焼結処理を行ない、拡散接合させ
た。

このようにして得られた多孔質体接合平板から多孔質体
を剥離し、その際の剪断強度を調べたところ、いずれも
５００　ｋ、ｇｆ／ｃｍ”の強度があり、十分な接合強
度を有していることが判明した。

また、多孔質体接合平板の多孔質体部分の空隙径および
空隙率は、先の実施例１．２の値とほぼ一致していた。

ざらに、この多孔質体接合平板から、５ｍｍ角の試料を
切り出し、成熟した家兎の膝関節の脛骨近位端の海綿前
部に埋め込みを行ない、骨の生長・侵入状況を調べた。

　埋込３週間後、家兎を層殺し、試料を周辺骨と一緒に
取り出し、多孔質体の空隙内への骨の侵入状況をＸ線に
よって調べた。　その結果、多孔質体が純チタンメツシ
ュから製造されたもの、Ｔｉ−６Ａｉ−４Ｖ合金エキス
バンドメタルから製造されたもののいずれの場合も、カ
ルシウムがＴｉ−６ＡＪＺ−４Ｖ合金平板近傍の空隙内
で確認され、骨の侵入性は非常に良好であることが確認
された。

〈発明の効果〉本発明により、生体材料に接合することにより、骨との
接合を有利に導く、骨親和性に優れた多孔質体の製造方
法が提供される。

本発明法は、材料（有孔素材）が製造容易であり、また
、材料の板厚、孔の直径、積層枚数、圧縮率等を変える
ことにより、任意の大きさの空隙を有する多孔質体を与
える。

本発明法によって製造された多孔質体は、生体材料への
接合が容易であり、生体に悪影響を及ぼさず、かつ生体
内での骨の生長・侵入に適した特性を有している。　従
って、本発明法によって製造された多孔質体を生体材料
の骨との接合面に適用すると、生体材料を十分な固定力
で骨に固定できる。

【図面の簡単な説明】

第１ａ図は、本発明で用いる有孔素材の一種であるメツ
シュの平面図であり、第１ｂ図は、メツシュの側面図で
ある。第２ａ図は、本発明で用いる有孔素材の一種であるエキ
スバンドメタルの平面図であり、第２ｂ図は、エキスバ
ンドメタルの側面図である。第３図は、有孔素材積層後の状態を示す模式第４図は、
積層された有孔素材の圧縮加工後の状態を示す模式図で
ある。第５ａ図は、有孔素材積層後の状態を示す拡大部分断面
図であり、第５ｂ図は、第５ａ図の圧縮加工後の状態を
示す拡大部分断面図である。第６図は、チタンメツシュを積層し、圧縮加工すること
によって得た多孔質体の平均空隙径と圧縮率との関係を
示すグラフである。第７ａ図、第７ｂ図、第７Ｃ図、第７ｄ図、第７ｅ図お
よび第７ｆ図は、金属組織を示す図面代用写真であり、
第６図のａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅおよびｆ点にそれぞれ対応
するチタン金属多孔質体の写真である。符号の説明１・・・板状の有孔素材、２・・・空隙、ｌ・・・有孔素材の厚さ、線径、板厚、Ｘ、ｘ・・・孔
の直径、ｙ、ｙ・・・空隙の積層方向の大きさ、Ｚ・・・隣接す
る孔間の距離Ｆ　Ｉ　Ｇ、　３ＦＩＧ、４ＦＩＧ、５ａＦＩＧ、５ｂＦＩＧ、６、工紹圭（′／＝）手続ネ甫正書（自発）平成０１年０８月１８日

Claims

【特許請求の範囲】

（１）チタンまたはチタン合金製の有孔素材であって、
厚さ１５０〜５００μｍ、孔の直径１５０μｍ以上、燐
接する孔間の距離１５０〜５００μｍである複数の孔を
有する有孔素材を複数積層し、圧縮加工を施すことを特
徴とする骨親和性に優れた多孔質体の焼結方法。
（２）チタンまたはチタン合金製の有孔素材であって、
厚さ１５０〜５００μｍ、孔の直径１５０μｍ以上、隣
接する孔間の距離１５０〜５００μｍである複数の孔を
有する有孔素材を複数積層し、圧縮加工を施した後、焼
結処理を行なうことを特徴とする骨親和性に優れた多孔
質体の製造方法。
（３）前記焼結処理を、１０＾−＾３Ｔｏｒｒ以下の高
真空中で、温度７００〜１４００℃にて行なう請求項２
に記載の骨親和性に優れた多孔質体の製造方法。
（４）前記焼結処理を０．１〜８０ｋｇｆ／ｃｍ＾２の
圧力負荷状態で行なう請求項３に記載の骨親和性に優れ
た多孔質体の製造方法。