JPH04332562A

JPH04332562A - 生体活性複合インプラント材及びその製造方法

Info

Publication number: JPH04332562A
Application number: JP3131809A
Authority: JP
Inventors: Tatsuya Gotou; 竜哉後藤; Kiyoyuki Okunaga; 清行奥長; Takehiro Shibuya; 武宏渋谷
Original assignee: Nippon Electric Glass Co Ltd
Current assignee: Nippon Electric Glass Co Ltd
Priority date: 1991-05-07
Filing date: 1991-05-07
Publication date: 1992-11-19

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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は人工骨、人工関節、人工
歯根等の生体代替材料として有用な生体活性複合インプ
ラント材及びその製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、高強度のインプラント材として銀
、タンタル、チタン等の金属材料や、チタン合金、ステ
ンレス合金、コバルト−クロム合金、ニッケル−クロム
合金等の合金材料が用いられているが、これらの材料は
自然骨と化学的に結合せず、長期に亘る生体内への埋入
中にズレやゆるみが生じるという問題がある。一方、自
然骨と化学的に結合する材料として、合成アパタイト、
生体活性ガラス、生体活性結晶化ガラス等が開発されて
いるが、これらの材料は金属や合金に比べて強度が低い
という欠点を有している。

【０００３】このような事情から、金属や合金を芯材と
し、表面を生体活性材料で覆うことにより、高強度で、
しかも生体組織と化学的に結合することが可能な複合イ
ンプラント材が各種提案されている。例えば金属製芯材
の表面に、ＣａＯ−ＳｉＯ２−Ｐ２　Ｏ５　系結晶化ガ
ラスよりなる被覆層が形成された複合インプラント材が
特開平１−２９９５６２号において提案されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】一般に結晶性ガラスは
、結晶析出温度（ＴＣＨ）と軟化点（ＴＤ　）の温度差
（以下ＴＣＨ−ＴＤ　と表す）が大きいほど軟化流動し
易いことが知られているが、特開平１−２９９５６２号
に開示の複合インプラント材において被覆層に使用され
る結晶性ガラスは、結晶析出温度が８５０℃付近と低い
ためにＴＣＨ−ＴＤ　値が小さく、軟化流動し難いもの
である。このためディッピング、はけ塗り、スプレー等の簡易な
方法を用いて被覆層を形成すると、芯材との結合力が不
足し、被覆層が生体内で剥離するおそれがある。それゆ
え、高価な設備を必要とするスパッタリングを用いて被
覆層を形成する必要がある。

【０００５】本発明の目的は、ディッピング等の簡易な
方法で芯材の表面に被覆層を形成しても剥離が生じない
生体活性複合インプラント材、及びその製造方法を提供
することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明者等は種々の研究
を重ねた結果、ＣａＯ−ＳｉＯ２　−Ｐ２　Ｏ５　系結
晶化ガラスにおいて、ＣａＯとＰ２　Ｏ５　の含有量を
厳密に規制することによって、８５０℃付近でアパタイ
トが析出するのを抑えることができ、ＴＣＨ−ＴＤ　値
を大きくできることを見いだし、本発明として提案する
ものである。

【０００７】即ち、本発明の生体活性複合インプラント
材は、重量％でＣａＯ　　２５〜４１％、ＳｉＯ２　３
５〜５５％、Ｐ２　Ｏ５　５〜１５％、ＭｇＯ　　１〜
２０％、Ｂ２　Ｏ３　０〜１０％の組成を有し、アパタ
イトが析出した結晶化ガラスよりなる被覆層が、金属又
は合金よりなる芯材の表面に形成されてなることを特徴
とする。

【０００８】また本発明の生体活性複合インプラント材
の製造方法は、重量％でＣａＯ　　２５〜４１％、Ｓｉ
Ｏ２　３５〜５５％、Ｐ２　Ｏ５　５〜１５％、ＭｇＯ
　　１〜２０％、Ｂ２　Ｏ３　０〜１０％の組成を有し
、熱処理することによってアパタイトを析出する結晶性
ガラス粉末を、媒体と混合してスラリーとし、該スラリ
ーを金属又は合金よりなる芯材の表面に塗布した後、真
空又は非酸化性ガス雰囲気中で熱処理することを特徴と
する。

【０００９】さらに本発明の他の製造方法は、重量％で
ＣａＯ　　２５〜４１％、ＳｉＯ２　３５〜５５％、Ｐ
２　Ｏ５　５〜１５％、ＭｇＯ　　１〜２０％、Ｂ２　
Ｏ３　０〜１０％の組成を有し、熱処理することによっ
てアパタイトを析出する結晶性ガラス粉末を、媒体と混
合してスラリーとし、該スラリーをシート状に成形し、
次いで該成形物を金属又は合金よりなる芯材の表面に貼
付した後、真空又は非酸化性ガス雰囲気中で熱処理する
ことを特徴とする。

【００１０】

【作用】本発明の生体活性複合インプラント材において
、芯材として使用する金属又は合金は、生体中で安定で
、しかも生体為害性の無いものであり、金属としてはチ
タン、タンタルが好ましく、合金としてはＴｉ−６Ａｌ
−４ＶやＴｉ−５Ｍｏ−５Ｚｒ−３Ａｌ等のチタン合金
、ＳＵＳ３０４やＳＵＳ３１６等のステンレス合金の他
、コバルト−クロム合金、ニッケル−クロム合金等が好
ましい。

【００１１】本発明の生体活性複合インプラント材にお
いて、芯材の表面に被覆される結晶化ガラスは、自然骨
中に主要成分として含まれるアパタイト（Ｃａ１０（Ｐ
Ｏ４　）６　（ＯＨ）２　，Ｏ）を析出するため、生体
親和性に優れている。しかもガラスマトリックス相中か
らＣａ２＋イオンを溶出し、これが体液中のＰＯ４３−
　イオンとともに生体類似のアパタイト層を形成してイ
ンプラント材外表面を覆うため、自然骨と早期に結合す
ることが可能である。なお、アパタイトの他に、ウオラ
ストナイト（ＣａＯ・ＳｉＯ２　）やディオプサイト（
ＣａＯ・ＭｇＯ・２ＳｉＯ２　）を析出させることによ
って、結晶化ガラス自体の強度を向上させることができ
、生体内での被覆層の破損を防止することができる。

【００１２】次に、本発明の生体活性複合インプラント
材において、結晶化ガラスの組成範囲を上記のように限
定した理由を以下に述べる。

【００１３】ＣａＯの含有量は２５〜４１％、好ましく
は３０〜４０％である。ＣａＯが２５％より少ないとア
パタイトの析出量が極端に少なくなり、４１％より多い
とアパタイトが８５０℃付近で析出し、ＴＣＨ−ＴＤ　
値が小さくなるため、熱処理時に軟化流動し難くなる。

【００１４】ＳｉＯ２　の含有量は３５〜５５％、好ま
しくは４０〜５０％である。ＳｉＯ２が３５％より少な
いと失透性が高くなり、融液のガラス化が困難になり、
５５％より多いと融液の粘度が高くなり、ガラス溶融が
困難となる。

【００１５】Ｐ２　Ｏ５　の含有量は５〜１５％、好ま
しくは５〜１２％である。Ｐ２　Ｏ５　が５％より少な
いとアパタイトが少量しか析出せず、また熱処理時の軟
化流動性が悪くなり、１５％より多いとアパタイトが８
５０℃付近で析出し、熱処理時に軟化流動し難くなる。

【００１６】ＭｇＯの含有量は１〜２０％、好ましくは
５〜１５％である。ＭｇＯが１％より少ないと溶融性が
悪くなり、２０％より多いと失透性が高くなって、融液
のガラス化が困難となる。

【００１７】Ｂ２　Ｏ３　は軟化点を低くするために１
０％まで含有させることができる。

【００１８】なお上記成分の他に、生体活性を向上させ
る目的でＣａＦ２を１０％まで添加することができる。

【００１９】以上のような組成を有する結晶化ガラスは
、結晶析出温度と軟化点の差、即ちＴＣＨ−ＴＤ　値が
１００℃以上であり、結晶化熱処理時に良好な軟化流動
性を示す。

【００２０】本発明の生体活性複合インプラント材を製
造するには、まず上記組成を有する結晶性ガラス粉末を
媒体と混合してスラリーとする。使用するガラス粉末は
平均粒径が０．５〜１００μｍのものが好ましく、媒体
としては、エチルセルロース、ポリエチレングリコール
、メチルセルロース、ポリイソブチルアクリレート、ポ
リビニルブチラール等のバインダーと、アルコール、タ
ーピネオール、エチレン、トルエン、水等の溶媒を組み
合わせたものが好ましい。またガラス粉末と媒体との粉
液比は、重量％で１：２〜３：１程度であることが望ま
しい。

【００２１】次に、所定の形状に成形した金属又は合金
製の芯材の表面に、上記スラリーをディッピング、はけ
塗り、スプレー等の方法によって塗布するか、あるいは
シート状に成形した後、これを芯材の表面に貼付する。

【００２２】その後、芯材の表面が酸化しないように、
真空中、又は窒素、アルゴン等の酸素を含まない非酸化
性ガス雰囲気中で熱処理することによって、芯材表面に
付着した結晶性ガラス粉末を軟化流動させるとともに、
アパタイト等の結晶を析出させて、結晶化ガラスよりな
る被覆層を形成させる。

【００２３】なお被覆層の厚みは３０〜１５０μｍ程度
が最適である。また、予め芯材表面にサンドブラスト等
の方法で１０〜１００μｍ程度の凹凸をつけておくこと
により、芯材と被覆層の接合強度を向上させることがで
きる。

【００２４】

【実施例】以下、実施例及び比較例に基づいて本発明の
生体活性複合インプラント材及びその製造方法を説明す
る。

【００２５】（実施例）表１は本発明の実施例において
使用する結晶性ガラス粉末を示すものである。

【００２６】

【表１】

【００２７】結晶性ガラス粉末Ａ及びＢは次のようにし
て調製した。

【００２８】表１の組成になるようにガラス原料を調合
し、白金坩堝に入れて１３００〜１５００℃で４時間溶
融した。この溶融ガラスをロール成形してフィルム状に
した後、ボールミルにて粉砕した。次いでこのガラス粉
砕物を２００メッシュの篩で分級して平均粒径が７４μ
ｍ以下の結晶性ガラス粉末を得た。得られた結晶性ガラ
ス粉末Ａ及びＢは、それぞれ結晶析出温度が９３０℃、
８９７℃、軟化点が８１４℃、７８３℃であり、ＴＣＨ
−ＴＤ　値は１１６℃及び１１４℃であった。

【００２９】表２は本発明の実施例（試料Ｎｏ．　１〜
６）を示すものである。

【００３０】

【表２】

【００３１】試料Ｎｏ．　１〜５は次のようにして作製
した。

【００３２】まず１０×１５×１ｍｍの大きさのＴｉ金
属又はＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金に３０〜１５０番のコラ
ンダムをサンドブラストして表面に凹凸をつけた後、洗
浄及び脱脂を行い、芯材を作製した。また結晶性ガラス
粉末を、ターピネオールにポリイソブチルアクリレート
を５重量％混合した媒体に、粉液比２：１の割合で混合
してスラリーを作製した。

【００３３】次いでスラリーをディッピングにより芯材
表面に塗布し、真空中（２×１０−５ｔｏｒｒ程度）、
又はＡｒガス中、９５０℃の条件で１時間熱処理し、ア
パタイト、ウオラストナイト、及びジオプサイトが析出
した結晶化ガラスよりなる被覆層を有する試料を得た。

【００３４】また試料Ｎｏ．　６は次のようにして作製
した。

【００３５】エチレンに、ポリビニルブチラール１０重
量％、ポリエチレングリコール１０重量％を混合して媒
体とし、これにガラス粉末Ｂを粉液比２：１の割合で混
合してスラリーを作製した。次いでこのスラリーを厚さ
１００μｍ程度のシート状に成形し、乾燥させた。その
後この成形物を上記と同様にして作製したＴｉ金属製の
芯材表面に貼り付け、真空中、９５０℃の条件で１時間
熱処理し、アパタイト、ウオラストナイト、及びジオプ
サイトが析出した結晶化ガラスよりなる被覆層を有する
試料を得た。

【００３６】このようにして得られた各試料を家兎の脛
骨に埋入し、術後の経過を観察したところ、８週間後に
全ての試料において自然骨との結合がみられた。さらに
埋入部位を取り出して自然骨と試料との引き剥がし試験
をおこなったところ、７．４〜８．０ｋｇ／ｃｍ２　の
値を示した。また破壊は全て自然骨内部で起こっていた
。

【００３７】（比較例）重量％でＣａＯ　　４５．０％
、ＳｉＯ２　３５．０％、Ｐ２　Ｏ５　１６．０％、Ｍ
ｇＯ　　４．０％の組成になるようにガラス原料を調合
し、白金坩堝に入れて１４５０℃で４時間溶融した。こ
の溶融ガラスをロール成形してフィルム状にした後、ボ
ールミルにて粉砕した。次いでこのガラス粉砕物を２０
０メッシュの篩で分級して平均粒径が７４μｍ以下の結
晶性ガラス粉末を得た。得られた結晶性ガラス粉末は、
結晶析出温度が８４６℃、軟化点が８００℃であり、Ｔ
ＣＨ−ＴＤ　値は４６℃であった。

【００３８】次に実施例と同様にして、得られた結晶性
ガラス粉末をスラリーにし、Ｔｉ金属よりなる芯材表面
に塗布した後、真空中、９５０℃の条件で１時間熱処理
したところ、アパタイト、ウオラストナイト、及びジオ
プサイトが析出した結晶化ガラスよりなる被覆層を有す
る試料が得られたが、被覆層の一部分に剥離が認められ
た。

【００３９】このようにして得られた試料を実施例と同
様にして、ラットの脛骨に埋入し、術後の経過を観察し
たところ、８週間後に自然骨との結合がみられたものの
、引き剥がし強度が０．３ｋｇ／ｃｍ２　と低く、また
破壊は芯材と被覆層の界面で起こっていた。

【００４０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の生体活性
複合インプラント材は、優れた生体活性を有し、自然骨
と強固に結合する。しかも被覆層の剥離が生じないため
に生体代替材料として好適である。また本発明の生体活
性複合インプラント材の製造方法によれば、軟化流動し
易い結晶性ガラスを使用するために、簡易な方法で芯材
表面に生体活性を有する結晶化ガラスの被覆層を形成す
ることができる。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】　　重量％でＣａＯ　　２５〜４１％、Ｓ
ｉＯ２　３５〜５５％、Ｐ２　Ｏ５　５〜１５％、Ｍｇ
Ｏ　　１〜２０％、Ｂ２　Ｏ３　０〜１０％の組成を有
し、アパタイトが析出した結晶化ガラスよりなる被覆層
が、金属又は合金よりなる芯材の表面に形成されてなる
ことを特徴とする生体活性複合インプラント材。
【請求項２】　　重量％でＣａＯ　　２５〜４１％、Ｓ
ｉＯ２　３５〜５５％、Ｐ２　Ｏ５　５〜１５％、Ｍｇ
Ｏ　　１〜２０％、Ｂ２　Ｏ３　０〜１０％の組成を有
し、熱処理することによってアパタイトを析出する結晶
性ガラス粉末を、媒体と混合してスラリーとし、該スラ
リーを金属又は合金よりなる芯材の表面に塗布した後、
真空又は非酸化性ガス雰囲気中で熱処理することを特徴
とする生体活性複合インプラント材の製造方法。
【請求項３】　　重量％でＣａＯ　　２５〜４１％、Ｓ
ｉＯ２　３５〜５５％、Ｐ２　Ｏ５　５〜１５％、Ｍｇ
Ｏ　　１〜２０％、Ｂ２　Ｏ３　０〜１０％の組成を有
し、熱処理することによってアパタイトを析出する結晶
性ガラス粉末を、媒体と混合してスラリーとし、該スラ
リーをシート状に成形し、次いで該成形物を金属又は合
金よりなる芯材の表面に貼付した後、真空又は非酸化性
ガス雰囲気中で熱処理することを特徴とする生体活性複
合インプラント材の製造方法。