JPH04141177A

JPH04141177A - 生体活性水酸アパタイト膜の製造方法

Info

Publication number: JPH04141177A
Application number: JP2264800A
Authority: JP
Inventors: Tadashi Kokubo; 正小久保; Yoshio Abe; 良夫安部; Hiroshi Takagi; 洋鷹木; Yukio Sakabe; 行雄坂部
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1990-10-01
Filing date: 1990-10-01
Publication date: 1992-05-14
Anticipated expiration: 2011-09-18
Also published as: JP2535662B2

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、骨修復材料、体内埋め込み式医療轟具器材、
医療用品、各種人工臓器などの生体中で使用される材料
の製造方法に関するものである。

更に、詳しくは本発明は、無機材料、金属材料有機材料
を問わず、生体内で使用されるすべての材料の表面に、
骨と類似した構造と組成を有する生体活性な水酸アパタ
イト膜の製造方法に関するものである。

（従来の技術）水酸アパタイトを基材にコーティングする方法としては
、 ■プラズマ溶射法を用いたもの（特開昭６２−３４５５
９号公報、特開昭６２−５７５４８号公報特開昭６３−
１６０６６３号公報）、 ■ＣａとＰを含んだ溶液まだは化合物を基材表面に塗布
し、これを焼結させる方法（特開昭６２−２３１６６９
号公報、特開昭６３−２４９５２号公報、特開昭６３−
４６１６５号公報）、■スパッタリング法によるもの（
特開昭５８−１０９０４９号公報）、 ■フレーム溶射法によるもの（日本セラミックス協会　
１９８８第１回秋期シンポジウム講演予稿集　４０１〜
４０２ページ）、 ■ガラスフリットの焼付は法によるもの（第９回バイオ
マテリアル学会大会予稿集　１９８７　６ページ）、 ■電気泳動法によるもの（日本セラミックス協会１９８
８第１回秋期シンポジウム講演予稿集４１７〜４１８ペ
ージ）、などがある。

（発明が解決しようとする問題点）上記した従来技術には次のような問題点を有する。

■プラズマ溶射法、フレーム溶射法は、複雑で高価な装
置を必要とすること、また緻密な膜を作りにくいこと、
さらには原料の水酸アパタイトが一旦高温で溶融される
ので、生体内のアパタイトと異なる種類のアパタイトの
膜が形成されることになるという問題がある。

■また、スパッタリング法は、複雑で高価な装置を必要
とすること、原料の水酸アパタイトが一部高エネルギー
で分解されるので、生体内のアパタイトと異なる種類の
アパタイトの膜が形成されることになるという問題があ
る。

■また、焼結法や、ガラスフリット法は、８５０℃前後
の熱処理を必要とするため、耐熱性の高い基材にしか適
用できないこと、さらにこの場合も原料の水酸アパタイ
トが一旦高温で加熱処理されるので、生体内のアパタイ
トと異なる種類のアパタイトの膜が形成されることにな
るという問題がある。

■また、電気泳動法は、基材自身を電極として用いるた
め、良導性の金属基材にしか適用できないこと、原料に
焼結アパタイトを用いるため、生体内のアパタイトと異
なる種類のアパタイトの膜が形成されることになるとい
う問題がある。

本発明者らはさきに、ガラス中にアパタイトとウオラス
トナイトを析出させる方法によって、生体内で短期間に
骨と自然に強く化学的に結合する生体活性を有し、しか
も長期にわたって高い機械的強度を保つ結晶化ガラスを
開発した。本発明者らはこの生活活性を支配する因子を
追及する過程で、セラミックスが骨と結合する際に重要
な役割を果たすのは、焼結法やガラス結晶化法によりつ
くられたセラミックス中に存在するアパタイト相ではな
く、それらが体内に埋入されたとき周囲の体液と反応し
て新しく作る骨類似のアパタイト相であることを明らか
にした。さらにこのアパタイト相は、それら骨と結合す
るセラミックスを細胞を含まず無機イオン濃度だけをヒ
トの体液に等しくした水溶液に浸漬しただけでも作られ
ることを見出した。

本発明者らはこれらの知見をもとに、種々の基材の表面
に骨類似のアパタイト層を形成させることにつき、鋭意
研究を重ねた結果、本発明を完成させるに至った。

したがって、本発明は、無機材料、金属材料、有機材料
を問わず、すべての基材の上に、加熱処理を行うことな
く、生体内の骨と類似の生体活性アパタイトの膜を極め
て簡便に製造できる方法を提供するものである。

（問題点を解決するための手段）すなわち、本発明は、基材と、主成分を少なくともＣａ
Ｏ，ＳｉＯ２とするガラスとを一定の距離以下の間隔を
おいて対峙せしめ、ガラス成分を溶出せしめるとともに
水酸アパタイトに対して不飽和な水溶液に浸漬すること
により、基材表面に骨類似の水酸アパタイトの膜を形成
させることを特徴とする生体活性水酸アパタイト膜の製
造方法である。

（実施の条件）本発明の製造方法を実施するにあたっては、以下のよう
に、ガラスの組成、水溶液中のイオン濃度、ｐＨ，温度
、さらに基材とガラスの間隔について条件を設定してお
く必要がある。

まず、第１に、本発明の目的に適したガラスは少なくと
も主成分をＣａＯ，Ｓ　ｉ　０２とすることを要する。

さらに詳しくは、ガラス成分を溶出せしめるとともに水
酸アパタイトに対して不飽和な水溶液との間に次のよう
な相関関係を有する。

つまり、上記水溶液がリンイオンを含んでいる場合、ガ
ラス成分として必ずしもＰ、０５を含んでいなくてもよ
い。この場合、水溶液には少なくともリンイオンの濃度
が０．１ｍＭ以上以上柱ていることを要する。具体的な
ガラス成分としては、ＣａＯが２０ｍｏ１％未満ではガ
ラスの膜形成能力が過小となり、７０ｍｏ１％以上では
ガラスが得られ難くなる。また、Ｓｉｎ、が３０ｍｏ１
％未満では同様にガラスが得られ難く、８０ｍ０１％以
上ではガラスの水酸アパタイト形成能力が過小となる。

更に、ＣａＯと５ｉｎ２の合計が６５ｍｏ１％未満では
ガラスの水酸アパタイト形成能力が著しく減少する。し
たがって、ＣａＯは２０〜７０ｍｏ１％に、ＳｉＯｘは
３０〜８０ｍ０１％に、かつＣａＯと５ｉ０２の合計は
６５ｍｏ１％以上であることが好ましい。

また、上記水溶液がリンイオンをわずかしか含んでいな
いか、リンイオンを含んでいない場合、詳しくは、リン
イオンの濃度が０．１ｍＭ未満の場合、水酸アパタイト
膜の形成を可能とするには、ガラス成分としてＰ２Ｏ６
を含んでいることが必要である。具体的なガラス成分と
しては、主成分であるＣａＯとＳｉＯ□のガラスに含ま
れるＰ２Ｏ５は、ＰｔＯｓが０，１ｍｏ１％未満ではガ
ラスのアパタイト膜形成能力が著しく小さくなり、２５
　ｍｏ１％を越えるとガラスそのものを構成できなくな
る。したがって、この場合、ＣａＯは２０〜７０ｍ０１
％に、５ｉｆｔは３０〜８０ｍ０１％に、かつＣａＯと
ＳｉＯ□の合計は６５ｍｏ１％以上で、Ｐ２Ｏ，が０．
１〜２５ｍｏ１％の範囲内にあることが好ましい。

ガラスの組成例を第１表に示す。同表中、試料１〜３は
ＣａＯとＳｉＯ，のみを含むガラスである。試料４〜１
０はＣａＯとＳｉＯ２の他にＰ２Ｏ５も含むガラスであ
る。試料１１はバイオガラスと同じ組成のガラスである
。試料１２は本発明者らが先に開発した生体活性結晶化
ガラスと同じ組成を持つガラスである。試料１３〜２４
はＣａ０と５ｉｎ２を主成分とし、ＮａｔＯｌＫ、０１
Ｍｇ０１Ｐ２０６等を種々の量含有するガラスである。

これらはいずれも各種基材上に水酸アパタイトの膜の形
成能力を有する。

（以下、余白）第１表ガラス組成（ｎｏ１％）次に、前記水溶液について説明する。

つまり、ガラスに関する説明と関連するが、ガラスとし
てＰ　２０５を含まないＣａ　Ｏ，Ｓ　ｉ　０２を主成
分とするものを使用する場合、水溶液はアパタイトの主
要構成成分であるリンイオンを含んでいることを要する
。また、ガラスとしてＰ　２０　ｓを含むＣａ０ＸＳｉ
Ｏ□を主成分とするものを使用する場合、水溶液はアパ
タイトの主要構成成分であるリンイオンを含まなくても
よい。

具体的には、ガラスとしてＣａＯ，ＳｉＯ２を主成分と
するものを使用する場合、ＨＰＯ４”−イオンの濃度が
０．１ｍＭ未満では膜形成能力がきわめて低く、５００
０ｍＭを越えると、イオンとして存在せず、またＣａ”
＋イオンとＨＰｏ、２−イオンが同時に０．１ｍＭ以上
になると、水溶液が不安定となり水酸アパタイトが自然
に析出することがある。したがって、溶質としてＣａと
Ｐを次のイオンに換算して、Ｃａ”Ｏ〜０．１ｍＭＸＨ
Ｐ　Ｏａ”−０，１〜５０００　ｍＭの範囲内で選ばれ
る。ただし、Ｃａ”とＨＰ　０．２ｒが同時に０．　１
ｍＭの場合は除外される。

また、ガラスとしてＣａＯ１Ｓｉ０２を主成分とするも
のに、さらにＰ２Ｏ，を含むものを使用すＣａ２＋とＨ
ＰＯ４’−が同時に０．１ｍＭの場合は除外される。

第２表に水溶液の構成成分の量を示す。第２表中、試料
１はイオン交換水である。試料２〜６はＨＰＯ４”−イ
オンのみを含有する水溶液である。

試料７〜１０はＣａ２＋イオンとＨＰＯ４’−イオンを
含む溶液である。試料１１〜１４はＣａ　”イオンとＨ
Ｐｏ、２−イオンを含まず、Ｎａ”、Ｋ＋、Ｍｇ”Ｃｌ
−１ＨＣＯ，−１ＳＯ４’−などを種々の量含有する水
溶液である。試料１５〜２３はＣａ　”イオンやＨＰ　
Ｏ、”−イオンを含み、この他Ｎａ”Ｋ＋、Ｍｇ”　　
Ｃｌ−１ＨＣＯ３−１ｓｏ、”−などを種々の量含有す
る水溶液である。これらの水溶液の溶質として代表的な
イオンにはＣａ’＋イオンまたはＨＰＯ４２−の２つが
あるが、それ以外にＮａ”Ｋ＋、Ｍｇ”　　Ｃｌ−１Ｈ
ＣＯ，−１ｓｏ４”−などのイオンを含んでいてもかま
わない。いずれも種々の基材上に水酸アパタイト膜の形
成能力を有するものである。

いずれの水溶液も、少なくともＣａ　Ｏ，Ｓ　ｉ　０２
を主成分とするガラスの成分を溶出せしめ水酸アパタイ
トに対して不飽和な水溶液であり、言い換えれば、飽和
ないし過飽和濃度の水酸アパタイト成分水溶液と異なる
ものである。なお、ここで、飽和ないし過飽和濃度の水
酸アパタイト成分水溶液とは、Ｃａ”０．１〜１０ｍＭ
、ＨＰＯ４２−が０．１〜５０ｍＭの範囲からなるもの
である。

（以下、余白）第２表（基材とガラスを浸漬する水溶液のイオン濃度（［ＩＩ
Ｍ））次に、水溶液のｐＨについて説明すると、水酸ア
パタイトは酸性域では不安定で、中性またはアルカリ性
域で安定に析出する。本発明の方法で水酸アパタイトを
コーティングする場合、水溶液のｐＨは一般に第３表に
示すように、調整時と浸漬後で異なり、浸漬中にｐＨが
大きくなる方向に変化する。水酸アパタイト膜を生成さ
せるためには、浸漬中にｐＨが７以上になることが必要
である。

そのためには調整時のｐＨは５以上でなければならない
。また、調整時のｐＨが９を越えると水酸アパタイトの
沈殿が水溶液中いたるところで自然発生的に起り、水酸
アパタイトの成膜ができなくなる。したがって水溶液の
ｐＨは５〜９に限定される。水溶液のｐＨは調整時から
水酸アパタイト膜の生成終了まで変化しないことが望ま
しく、そのためには、たとえば、トリスヒドロキシメチ
ルアミノメタ：／　（（ＣＨ２０Ｈ）８ＣＮＨ２））５
０ｍＭと塩酸（ＨＣＩ）４５ｍＭなどの緩衝剤を水溶液
に加えてｐＨを７〜９に保つことが有効である。

次に、水溶液の温度について説明する。水酸アパタイト
の溶解度は温度が上昇するにつれて低くなる。本発明の
要点は、水酸アパタイトに対して不飽和な水溶液に、少
なくともＣａＯ，５ｉ０２を主成分とし、必要に応じて
Ｐ２Ｏ５を含するガラスを浸漬することにより、ガラス
成分を溶出せしめて、アパタイト膜の形成を行なわせる
が、水溶液の温度を低くすると、アパタイトの溶解度が
大きくなり、言い換えれば、過飽和度は小さくなり、イ
オン濃度を小さくするのと同じこととなる。第４表のよ
うに、５℃未満になるとガラスからの溶出量が急激に小
さくなるため、水酸アパタイトの被覆率が急激に押えら
れる。また温度を高くすると過飽和度は大きくなるが、
７０℃を越えると膜の相が水酸アパタイトの単相ではな
くなる。したがって、水溶液の温度は５〜７０℃に限定
される。

（以下、余白）第表（ｐＨと膜形成領域の関係（３６，５℃））第表（水溶液の温度と膜形成領域の関係）ＨＡｐ　：水酸アバタイトｏｃｐ　ニリン酸へカルシウムＣＣ：炭酸カルシウム６水和物第　　５　　表（基材とガラスとの間隔を変化させた時の被覆率次に、
基材とガラスとの間隔であるが、本発ヴ方法の要点は上
記したように、ガラス成分の溶汁による水酸アパタイト
成分の過飽和度の上昇にあり、ガラスから離れると過飽
和度は小さくなる。

第５表に示すように、基材とガラスとの間隔が２ｍｍを
越えるとアパタイトの被覆率は小さくなる。

したがって、基材とガラスとの間隔は２ｍｍ以下である
ことが好ましい。

本発明において、基材としては、その素材や形状は限定
されない。すなわち、基材の材質は無機物、金属、有機
物のいずれであってもかまわない。

また基材の形状は平板に限らず、凸面体、凹面体あるい
はそれらの混じった複雑な形状でもよい。

（効果）本発明にかかる生体活性水酸アパタイト膜の製造方法に
よれば、無機材料、金属材料、有機材料を問わず、すべ
ての基材の上に、加熱処理を行うことなく、生体内の骨
と類似の生体活性アパタイトの膜を極めて簡便に製造で
きる。

（実施例）以下、本発明を実施例に従って説明する。

実施例１゜第１表の試料１２に示す組成が得られるように特級試薬
の炭酸カルシウム、二酸化ケイ素、酸化マグネシウム、
ピロリン酸カルシウム、フッ化ケイ素を所定量秤量後混
合し、１４５０℃１２時間で溶融した。この融液を鉄板
上に流し出し、別の鉄板で押えて板状に成形した。得ら
れたガラス板を２ｍｍＸ　１２ｍｍＸ　１８ｍｍの大き
さに切り出し、表面を研磨した。基材には２ｍｍＸ　１
０ｍｍＸ　１５ｍｍの板状のアルミナ焼結体、ステンレ
ス金属、ＰＭＭＡ有機高分子を用いた。基材とガラス板
を対向させ、アルミナのスペーサにより距離を１ｍ＋ｎ
に保って固定し、第２表の試料１１のイオン濃度を有し
、温度３６．５℃の水溶液５００ｍ１に浸漬した。水溶
液は、特級試薬の塩化ナトリウムを所定量秤量し、イオ
ン交換水に溶解して得た。水溶液には緩衝剤としてトリ
スヒドロキシメチルアミノメタン５０ｍＭと塩酸約４５
ｍＭを添加し、ｐＨを７．２５に保った。浸漬してから
２日後、基材を水溶液から取り出すと、基材表面に骨類
似水酸アパタイトが形成されているのが確認された。

実施例２゜第１表の試料２に示す組成が得られるように特級試薬の
炭酸カルシウム、二酸化ケイ素を所定量秤量後混合し、
１６００℃、２時間で溶融した。

この融液を鉄板上に流し出し、別の鉄板で押さえて板状
に成形した。得られたガラス板を２×１２Ｘ１８ｍｍの
大きさに切り出し、表面を研磨した。

基材は、２Ｘ１０Ｘ１５ｍｍの板状のアルミナ焼結体、
ステンレス金属、ＰＭＭＡ有機高分子を用いた。基材と
ガラス板を向かい合わせ、アルミナのスペーサーにより
距離を０．５ｍｍに保って固定し、第２表の試料８のイ
オン濃度を有する水溶液５゜Ｏｍｌに３６．５℃で浸漬
した。水溶液は、特級試薬の水酸化カルシウム、リン酸
水素アンモニウムを所定量秤量し、イオン交換水に溶解
して作成した。水溶液には、緩衝剤としてトリスヒドロ
キシメチルアミノメタン５０ｍＭおよび塩酸約７０ｍＭ
を添加し、ｐＨを７．２５に保った。浸漬２日後、基材
を水溶液から取り出すと、基材表面に骨類似水酸アパタ
イトが形成されているのが確認された。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）基材と、少なくともＣａＯ、ＳｉＯ＿２を主成分
とするガラスとを一定の距離以下の間隔をおいて対峙せ
しめ、ガラス成分を溶出せしめるとともに水酸アパタイ
トに対して不飽和な水溶液に浸漬することにより、基材
表面に骨類似の水酸アパタイトの膜を形成させることを
特徴とする生体活性水酸アパタイト膜の製造方法。
（２）前記ガラスが少なくともＣａＯ、ＳｉＯ＿２を主
成分とし、Ｐ＿２Ｏ＿５を含まないものにおいて、前記
水溶液は溶質として少なくともリンを含み、さらにカル
シンムを含む場合、カルシウムとリンを下記のイオンに
換算して、Ｃａ＾２＾＋０−０．１ｍＭＨＰＯ＿４＾２＾−０．１〜５０００ｍＭ（ただし、２成分が同時に０．１ｍＭであることを含ま
ず）の範囲で含有する請求項第１項に記載の生体活性水酸ア
パタイト膜の製造方法。
（３）前記ガラスが少なくともＣａＯ、ＳｉＯ＿２、お
よびＰ＿２Ｏ＿５を含むものにおいて、前記水溶液が溶
質としてカルシウムとリンを下記のイオンに換算してＣａ＾２＾＋０〜０．１ｍＭＨＰＯ＿４＾２＾−０〜５０００ｍＭ（ただし、２成分が同時に０．１ｍＭであることを含ま
ず）の範囲で含有する請求項１に記載の生体活性水酸アパタ
イト膜の製造方法。
（４）前記水溶液は、そのｐＨが５〜９の範囲にある請
求項第１項に記載の生体活性水酸アパタイト膜の製造方
法。
（５）前記水溶液は、その温度が５〜７０℃の範囲にあ
る請求項第１項に記載の生体活性水酸アパタイト膜の製
造方法。
（６）前記基材とガラスとの間隔が２ｍｍ以下である請
求項（１）に記載の生体活性水酸アパタイト膜の製造方
法。