JPH0390152A - 生体活性インプラント材料 - 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、新規な生体活性インプラント材料に関するも
のである。さらに詳しくいえば、本発明は、高い強度及
び良好な耐酸性を有し、かつ優れた生体活性を示し、人
工骨、人工歯根、人工関節などの生体硬組織代替材料と
して好適な非リン酸カルシウム系インプラント材料に関
するものである。

従来の技術 これまで、人工骨、人工歯根、人工関節などの生体硬組
織代替材料としては、ステンレス鋼、金属チタン、ニッ
ケルーコバルト合金などの金属類やアルミナ、ジルコニ
アなどのセラミックスが用いられてきた。しかしながら
、これらは生体組織と同化する性質を有しないため、役
割が終了したのちは不用異物として体内に残留し、除去
するためには摘出のための手術を行わなければならない
という点の不便さがあった。

これに対し、骨や歯の組成と類似したリン酸カルシウム
系材料は、生体内において、経時的に同化し漸次生体組
織と直接結合するので、体内に残留させたままでも、特
に摘出手術を行う必要がないため、最近はアパタイト、
リン酸三カルシウム、バイオガラスなどを主体としたリ
ン酸カルシウム系セラミックスが、生体活性インプラン
ト材料として注目されるようになってきた。しかしなが
ら、これらのリン酸カルシウム系セラミックスは、ステ
ンレス鋼、金属チタンのような金属やアルミナ、ジルコ
ニアのような金属酸化物系セラミックスに比べ、機械的
強度が低いため、適用範囲が著しく制限されるという欠
点があった。このような欠点を改善するために、リン酸
カルシウム化合物に、アルミナ、シリカ、その他の金属
酸化物を配合した焼結体（特公昭５７−４０８０３号公
報）、β−リン酸三カルシウム結晶とアバルタイト結晶
とジオプサイド結晶から成る高強度結晶化ガラス（特開
昭６１−１９７４４６号公報）、生体適合性及び強度を
有する芯材の表面にヒドロキシアパタイトを融着した材
料（特開昭６３−３００７５４号公報）、リン酸カルシ
ウム生成成分にマグネシャ及びシリカのような強化成分
を含有させた結晶化ガラス（特開昭６３−３０３８３０
号公報）などが提案されている。

しかるに、これらの材料はいずれも生体内で生体組織と
同化させるには、骨や歯と同質のリン酸カルシウム系化
合物を基本とする組成でなければならないとの前提に立
つものであり、その組成の選択範囲が限られるため、必
ずしも十分な物性の改善を行うことができなかった。ま
た、β−リン酸三カルシウムは生体内で溶解性を有する
ために十分な同化が行われないうちに崩壊するおそれが
あり、また、リン酸カルシウム化合物にアルミナ、シリ
カ、ジオプサイドのような強化成分を配合焼成したもの
も、β−リン酸三カルシウムに変質することがあるので
、同様な問題を生じる可能性があった。

発明が解決しようとする課題 本発明は、このような従来のインプラント材料がもつ欠
点を克服し、高い機械的強度を示すと共に、優れた生体
親和性を有する新規なインプラント材料を提供すること
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、生体活性インプラント材料について種
々研究を重ねた結果、ＣａＯ及びＳｉｎ、を必須成分と
するセラミックスの中には体液と接触するとその接触部
分にリン酸カルシウム系化合物を生威し、非リン酸カル
シウム系セラミックスであるにもかかわらず、良好な生
体親和性、特に生体活性を示すことを見い出し、この知
見に基づいて本発明をなすに至った。

すなわち、本発明は、ＣａＯ，Ｓｉｎｇ及び所望に応じ
ＭｇＯを必須成分とする非リン酸カルシウム系組成を有
し、かつリン含有水溶液との接触によりリン酸カルシウ
ム系化合物を生成しろるセラミックスから成る生体活性
インプラント材料を提供するものである。

本発明の生体活性インプラント材料は、ＣａＯ及びＳｉ
Ｏ２を必須成分とする非リン酸カルシウム系組成を有す
るセラミックスから戊るが、このセラミックス中におけ
るＣａＯとＳｉｎ、の割合は、重量比で１：４ないし６
：１、好ましくは１：３ないし２：１の範囲内である。

この範囲を逸脱すると、強度や生体親和性が低下する。

また、本発明で用いられるセラミックスは、全重量に基
づき３５重量％以下の範囲で、ＭｇＯを含有することが
できる。このＭｇＯを含有させることにより、一般に焼
成温度を低くしつつ骨との癒着性を向上させることがで
きる。

本発明で用いられるセラミックスは、リン含有水溶液、
例えば擬似体液又は体液と接触した場合、その接触面に
おいてリン酸カルシウム系化合物例えばヒドロキシアパ
タイトを生成するという点で特徴づけられる。このよう
な特徴を有することにより、これを生体内に嵌植しＩ；
場合、生体骨との接触面に、生体親和性の良好なアモル
ファスなリン酸カルシウム系化合物が均一かつ迅速に析
出し、新生骨の生成を促進する。しかも、このようにし
て形成された生体骨との結合部は、組成中の戊分が傾斜
構造を形威し、結晶的にもインプラントと生体骨の間で
連続したものとなっているので、非常に強固な結合を生
じる。これに対し、従来のヒドロキシアパタイトからな
るインプラントは、表面にリン酸カルシウム系化合物を
析出することがないので新生骨の生成は不均一で遅くイ
ンプラントと初期に接する新生骨が少ないので、結合部
は弱いものとなる。

本発明で用いるセラミックスの組成としては、例えばジ
オプサイド、ウオラストナイト、ニーライト、ベライト
、アーケルマナイト、モンチセライト、ホルステライト
、プロトエンスタタイト、トリジマイトなどの領域を挙
げることができるが、好ましいのはジオプサイド、ウオ
ラストナイト、ニーライト、ベライト、アーケルマナイ
ト、モンチセライトであり、中でも特に１２００−１３
５０℃という比較的低温で焼成しうるジオプサイド領域
のもの、ウオラストナイト領域のものを主体とするセラ
ミックスは曲げ強度が高く有利である。

本発明で用いられるセラミックスは、常法に従い、酸化
カルシウム、酸化ケイ素及び場合により酸化マグネシウ
ムを、所要の割合で混合し、仮焼したのち、この仮焼物
を粉砕し、再度焼成することによって得られる。この場
合、これらの酸化物の代りに焼成条件下でこれらの酸化
物を生成しうる物質、例えばカルシウム、マグネシウム
の炭酸塩、重炭酸塩、水酸化物やケイ酸などを用いても
よい。これらの原料は、粉末状、か粒状のほか、スラリ
ー又は溶液として用いることができる。これら個々の成
分に対応する原料を用いる代りに、あらかじめ形成され
たジオプサイドＣａ０・２ＳｉＯ□・ＮｇＯを粉砕して
用いることもできる。また、例えばジオプサイド領域の
組成をもつセラミックスを製造する際、酸化カルシウム
、酸化マグネシウム及び酸化ケイ素の供給原料のいずれ
かを過剰に用いると、ジオプサイド以外のもの、例えば
ウオラストナイト、ホルステライト、アーケルマナイト
、プロトエンスタタイト、トリジマイト、ベライトなど
が副生ずるが、このような混合物もそのまま用いること
ができる。

本発明で用いるセラミックスには、前記した必須成分の
外に、必要に応じ所望の物性をそこなわない程度の量、
通常は５重量％以下の量の任意成分、例えばＡ！２．０
３、ＴｉＯ２、Ｎａ４０、Ｋ、０、ＺｎＯ５Ｂ２０３な
どを配合することができる。

本発明のインプラント材料を製造するには、例えば上記
のようなセラミックス用原料を粉末とし、ボールミル、
振動ミル、自動乳鉢、ミキサー、ジュウサー、サンドミ
ル、泡立て器などの混合機等によりよく混合しＩ；のち
、５０〜３００’Ｏで１０分ないし１００時間乾燥し、
次いで５００〜１６００℃、好ましくは８００−１６０
０℃で１０分ないし２００時間仮焼きする。このように
して得た仮焼物を粉砕し、必要に応じポリビニルアルコ
ールのようなバインダーを加えてプレス法、スリップキ
ャスティング法などで所望の形状に成形したのち、乾燥
し、これを８００〜１６００℃、好ましくは１ｉｏｏ−
１５５０℃の範囲の温度で焼成する。この際の原料粉末
の粒度はＢＥＴで通常は０．５ｍ”７９以上、好ましく
はｌ−７９以上、より好ましくは３ｍ”／ｇ以上にする
。また、成形圧としてｌ〜３０００ＪＩ９／　ｃｍ”が
用いられる。焼成時間は通常１０分ないし２０時間であ
る。また、焼成は常圧で行われるが、必要ならば加圧下
で行うこともできる。この際の圧力は通常ｌＯ〜３００
０ｋｇ／ｃｍ”の範囲で選ばれる。

本発明のインプラント材料は、また独立気孔及び連続気
孔を有する多孔質体として形成することもできる。本発
明の生体活性インプラント材料を用いて多孔質体を形成
する場合は、従来のリン酸カルシウム系材料と比べ、強
度が高いために、気孔径、気孔率範囲を比較的自由に選
択でき、高い生体親和性を得ることができる。この多孔
質体は、通常、気孔径５〜２０００　ｐ　ｔａ、好まし
くは１０−１０００μ現、気孔率ｌＯ〜８０％、好まし
くは２０〜７０％、さらに好ましくは２５〜６０％を有
するものとして形成される。このものは多孔質セラミッ
クスを製造する際の常法に従い、原料中に熱分解性物質
又は有機質繊維などを混入し、焼成することによって製
造される。このようにして得られる多孔質インプラント
材料は、通常１０ＭＰａ以上、多くの場倉１５ＭＰａ以
上の圧縮強度を有する。

本発明のインプラント材料は、所要の形状のブロックと
して用いてもよいし、また骨欠損部に充てんするための
顆粒として用いてもよい。

この場合、顆粒径は、新生骨の生成と強度の観点から通
常０．０５〜５間、好ましくは０４〜３間、より好まし
くは０．１〜２旧の範囲で選ばれる。

発明の効果 本発明の生体活性インプラント材料は生体アルミナに匹
敵、する強度ならびに耐酸性を有し、しかもβ−リン酸
三カルシウムやヒドロキシアパタイトなどのリン酸カル
シウム系インプラント材料に比べ新生骨との癒着がはる
かに迅速に進行し、かつ均一な結合を形成する。

また、生体骨との結合部は低結晶ないしはアモルファス
状であって、しかもその成分が連続した濃度勾配を有し
ており、生体骨に近接するに従って、生体骨に類似した
成分組成のものとなるの・で、結合性が強固であり、疲
労しにくいなど種々の利点がある。

従って、本発明のインプラント材料は人工骨、人工歯根
、人工関節等の生体硬組織代替材料などに好適に用いら
れる。

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。

試料の曲げ強度及び耐酸性等の測定方法は以下のとおり
である。

（１）　　相対密度；試料の焼結密度をアルキメデス法
により測定し、また焼結体を 粉砕して得た粉体（５１１’／９）の真密度を測定し、
両者の比率とし て求めた。

（２）曲げ強度：試料を３Ｘ４Ｘ４０ｍｍに切り鏡面研
磨し、３点曲げ試験により、ス パン［離３ｋｍ、クロスヘツドス ピード０．５ｍ＋＊／ｌｌｌ１ｎの条件下で測定した（
　ｎ　＝　ｔｏ）。

（３）圧縮強度；試料をＩＯＸ　１０Ｘ　１０朋に切り
、圧縮試験器よりクロスへッドスビ （４） （５） （６） 一ド０．５ｍｍ／層ｉｎの条件下で測定した（　ｎ　＝
　１０）。

破壊靭性値（Ｋｉｃ）　　ｉ　ＡＳＴＭ　　Ｅ３９９−
８３に基づき測定した。

結晶粒径；走査型電子顕微鏡により測定した結晶粒面積
から、これを円と 仮定してその平均直径を求めた。

ヒドロキシアパタイト生成； Ｎａ”１４２．Ｏｍｍｏｌ、　Ｋ”５．Ｏｍｍｏｌ、　
Ｍｇ”１．５ｍｍｏｌ、Ｃａ”２．５ｍ＋＋＋ｏ１％Ｃ
Ｑ−１４８，８ｍｍｏＬｂ　ＨＣＯ３−４，２ｍｍｏｌ
。

及びＨＰＯ，”ｌ　、Ｑｎｎｏ　１を含有する水溶液か
ら成る疑似体液１５０−を３７℃に保ち、この中へ、試
料（３ｃｍ　ｘ　４ｃ＋ａ　ｘ　２ｃｍ、６個）を浸漬
し、７日後ＳＥＭで析出相を観察し、次の評価基準で判
定した。なお、析出相の成分は電子線回折により測定し
た。

５・・・全体にわたって析出 ４・・・はぼ全体にわたって析出しているが部分的に析
出していない ３・・・半分程度析出 ２・・・わずかに析出 １・・・はとんど析出しない ０・・・全く析出しない （７）耐酸性；ｐＨ４の乳酸水溶液２００ｃｃ中に表面
積２００ｍ−の試料を投入し、恒温槽 により溶液温度を３７℃に保持し、 かつ溶液を若干揺動させながら、 ４８時間放置した。試験試料は直ち に水洗し、乾燥したのち、！！量減 少率の測定により評価した。

実施例１〜４、比較例１ 平均粒径５μ肩のＣａｂ、　ＭｇＯ及びＳｉＯ２の粉末
を所定の割合で混合し、８０℃で５時間乾燥したのち、
９５０℃で５時間仮焼きした。次にこの仮焼物を粉砕シ
、バインダーとしてポリビニルアルコール重量％を加え
、成形圧５０ｋｇ／ｃ−でブレス成形し、８０℃で５時
間乾燥後１３５０℃で２時間焼成することにより、第１
表に示す組成のインプラント材料を得た。また、このも
のの曲げ強度及び耐酸性試験の結果を、ヒドロキシアパ
タイトの試験結果と共に第１表に示す。

第 表 これらの結果から、本発明品の方がヒドロキシアパタイ
トよりも破断しに＜＜、長期間にわたっての使用に耐え
、耐久性に優れることが分かる。

また、疑似体液中でのヒドロキシアパタイトの形成状況
を観察しｔ；ところ、本発明品については、いずれも３
日後にその表面にヒドロキシアパタイトの形成が認めら
れた。

比較のために、同様に試験をアルミナ及びチタンについ
て行ったが、１０日経過後においても全くヒドロキシア
パタイトの形成は認められなかった。

実施例５〜１４、比較例２〜６ 原料割合及び焼成温度を変えること以外は実施例１〜４
と同様にして、第２表に示す組成のインプラント材料を
製造した。このようにして得たセラミックスの物性を第
２表に示す。

この表から明らかなように、従来のインプラント材料は
ヒドロキシアパタイト生成能を有しないにもかかわらず
、本発明のインプラント材料はいずれも良好なヒドロキ
シアパタイト生成能を示す。

実施例１５〜３４、比較例７〜ｌＯ 所定量のＣａｂ、Ｓｉｎ、及びＭｇＯから戊る粉末混合
物に、第３表に示す量の結晶性セルロースを熱分解性物
質として加え、７０℃で５時間乾燥したのち、第３表に
示す温度で仮焼き及び焼成して顆粒体とブロック体の多
孔質インプラント材料を製造した。

得られたインプラント材料の物性を第３表（！！粒体）
及び第４表（ブロック体）に示す。

なお、生体親和性の試験は、下記により行った。

体重２．５〜２．８ｋｇの雄性成熟家兎の下顎骨に、３
Ｘ４Ｘ６ｍｍの補填穴を形威し、これに多孔質インプラ
ント材料を補填した。

手術後、６週間経過した後、非脱灰研摩標本を作成し、
インプラント材料と新生骨の界面のＳＥＭ像を観察し、
次の評価基準で判定した。

ａ・・・新生骨がインプラント材料と完全に癒着し、か
つインプラント孔内にも完全に入り込んでいた。

ｂ・・・新生骨がインプラント材料と半分以上癒着し、
インプラント孔内にも半分以上入り込んでいた。

Ｃ・・・新生骨がインプラント材料と半分以上癒着し、
インプラント孔内には一部入り込んでいた。

ｄ・・・新生骨がインプラント材料と一部癒着し、イン
プラント孔内には一部入り込んでいた。

この表から明らかなように、本発明のインプラント材料
は、多孔質体とした場合でも、ヒドロキシアパタイトや
リン酸三カルシウムのようなリン酸カルシウム系インプ
ラント材料よりも高い強度を示す上に、生体親和性が高
く、新生骨との癒着状態も強固である。

適用例 実施例５で得たジオプサイド（試料Ａ）、ジオプサイド
組成２０重量％を含むヒドロキシアパタイト（試料Ｂ）
及びヒドロキシアパタイト（試料Ｃ）をそれぞれ３Ｘ４
ｘ６ｍｍの寸法のブロックに成形し、これを体重２．５
〜２．８に９の雄性成熟家兎の下顎骨に嵌植し、経過を
観察した。

施術２週後、いずれの試料においても新生骨の形成が認
められたが、試料Ａでは全体的に試料ブロックと新生骨
との接触が緊密であるのに対し、試料Ｂ及び試料Ｃにお
いては一部が直接接触しているだけで、大部分は間隙を
有していた。

施術４週後、試料Ａについては新生骨との接触部分の層
構造の厚さが増大しているのが認められたが、試料Ｂ及
び試料Ｃについては、接触部の層構造の厚さに変化は認
められなかった。

２４週後、いずれの試料においても新生骨と母床骨とが
一体化し、その境界は判然としなくなったが、試料Ｂと
試料Ｃにおける骨細胞の配列は、試料ブロックに平行で
母床骨とは明らかに異なるのに対し、試料Ａの場合は骨
細胞の配列が母床骨と全く均一になり、母床骨との接合
部もブロック外面の骨膜側も骨との接合状態には全く差
が認められなかった。

第１図は、試料Ａについての１２週後のジオプサイドと
新生骨との接合部分の組成変化を示すＥＰＭＡのスペク
トル図であるが、新生骨とジオプサイドとの中間層に成
分の濃度勾配が形成されていることが分かる。

また、第２図は、２４週後における試料Ａと母床骨との
接合部の透過電子顕微鏡による高分解能像を示したもの
であるが、これから明らかなように骨細胞の配列がジオ
プサイド側と母床骨側とで全く同一であり、境界はほと
んど識別されない。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明のインプラント材料を動物体内に嵌植
したときの母床骨との接合部における成分の濃度勾配を
示すＥＰＭＡによる分析グラフ、第２図は同じ接合部の
結晶構造の配列を示す透過電子ａ微鏡写真である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　ＣａＯ及びＳｉＯ＿２を必須成分とする非リン酸カ
   ルシウム系組成を有し、かつリン含有水溶液との接触に
   よりリン酸カルシウム系化合物を生成しうるセラミック
   スから成る生体活性インプラント材料。 ２　組成中のＣａＯ及びＳｉＯ＿２の重量比が１：４な
   いし６：１の範囲にある請求項１記載の生体活性インプ
   ラント材料。 ３　セラミックスがＣａＯ及びＳｉＯ＿２の必須成分に
   加えてＭｇＯを含有する請求項１又は２記載の生体活性
   インプラント材料。 ４　ＭｇＯの含有量が全重量に基づき３５重量％を以下
   である請求項３記載の生体活性インプラント材料。 ５　セラミックスがジオプサイドの組成を有する請求項
   ４記載の生体活性インプラント材料。 ６　セラミックスが多孔質体である請求項１〜５のいず
   れかに記載の生体活性インプラント材料。