JPH04504403A - 合成セラミック材料およびその製法 - Google Patents

合成セラミック材料およびその製法

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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】 合成セラミック材料およびその製法 技術分野 本発明は、歯科用または整形外科用のインブラントとしてその材料を用いる場合 に生物活性的性質とともに高強度を有する合成セラミック材料に関する1本発明 はまた。その合成セラミック材料を製造する方法に関する。
発明の背景 セラミック材料および特に構造セラミック材料は、一般に腐食作用および侵食作 用に対して強い抵抗性を有する。これは1例えば、いくつかの酸化物、窒化物、 炭化物およびホウ化物について真実である。さらに。
該材料は毒性の性質を有さない、インブラント材料として用いられる場合には、 該材料は完全に不活性である。すなわち1周囲組織と陽性、陰性いずれの反応も 起こさない、その結果、いかなる中間結合組織を介することなく骨組織への生物 学的取り込みを達成することが可能である。これらの材料は、インブラント材料 として用いられる場合には不活性と称される。これらの性質は、いくつかの酸化 物、窒化物、炭化物およびホウ化物を、不活性の歯科用および整形外科用インプ ランド材料として潜在的に非常に価値あるものとする。
しかし、好ましい生物適合性を有する材料は、単に不活性である。すなわち機械 的に骨組織に定着されるばかりではなく、生物活性である、すなわちインブラン トは骨組織に化学的に結着され得ることが望ましい。
酸化物、窒化物、炭化物およびホウ化物は、この性質を有しない、一方、骨組織 における[無機的」すなわち「セラミック」物質と同様の化学組成を有するリン 酸塩を基礎とする材料は、生物活性の性質を示し得ることが知られている。その ようなリン酸塩を基礎とする材料は、例えば水酸化リン灰石、Ca(PO4)3 、である、しかし、合成水酸化リン灰石は、引っ張り強度が低く、したがって強 度が低く、また徐々に連続的なひび割れを起こさせる傾向にある。リン酸カルシ ウムを基礎とする生物活性材料の他の例は、リン酸三カルシウム、Ca3 (P  04) 2.であるが、この化合物の強度は不十分である。また、これは無視 できない水溶性を有し、その結果、骨組織へ結合する前に溶解するかもしれない 、したがって、この点から水酸化リン灰石はリン酸三カルシウムよりも好まれる 。
発明の開示 本発明の目的は、いわゆる一対(duo−)性質の、すなわち生物活性とともに 高強度を有する、合成セラミック材料を提供することにある。この目的および他 の目的は、それをインブラント材料として用いる場合に、高強度を有する不活性 マトリックス、および、マトリックス中に均一に分布する5〜35容量%の少な くとも一つの第二相(リン酸カルシウムの基礎を有する少なくとも一つの材料か ら主になる)からなる材料を用いて、達成することができる。このリン酸カルシ ウムの基礎は、例えば、水酸化リン灰石および/またはリン酸三カルシウムであ り得、一方、マトリックスは、主に一つまたはいくつかの酸化物および/または 窒化物からなり得る。マトリックスは、二酸化チタン、酸化ジルコニウムおよび 酸化アルミニウムからなる群に属する主に一つまたはいくつかの酸化物からなる ことが好ましい。
使用した水酸化リン灰石は、完全に合成的であるかまたは水酸化リン灰石以外の 他の化合物をも少量含む骨灰であり得る。
材料は粉体混合物を調製することによって製造されるが、これは、主に一部は、 その粉体材料が混合中に入るかまたは続く化学反応の後という条件下で、インブ ラント材料として用いられる場合に生物学的に不活性なマトリックスを完成材料 中に形成し得る第一粉体および、一部は、リン酸カルシウムを基礎とする材料か ら主になる第二粉体からなる。原成形物はこの粉体から作られ高密度化にされる 。
本発明の一つの形態によって、該原成形物を、50MPa以上の圧力、好ましく は少なくとも150 MPaで、かつ好ましくは250MPa以下の圧力で高温 アイソスタチックプレスによって高密度化する。原成形物は、この場合、高温ア イソスタチックプレスの前に行う。
リン酸カルシウム粉体の酸化物粉体中への混和によって促進される冷温アイソス タチックプレスによって適切に製造される。好ましくは、高温アイソスタチック プレスは900−1300℃の温度で行う、高温アイソスタチックプレス中の温 度が比較的低いにもかかわらず、マトリックスが酸化物からなる場合は、少なく とも97%の密度を達成することが可能である。比較的低い焼結温度は、例えば 以下の理由から有利である。
−粒子の成長が制限され、これは高強度を得るのに好ましい。
−リン酸カルシウム材料(水酸化リン灰石なと)の分解が防止または許容できる 範囲にまで制限される。
さらに、 −二酸化チタンなどの酸化物とリン酸カルシウム間の望ましくない反応が阻止さ れる。
粉体材料が合体化される場合、化学反応は起きない。
粉体混合物は、リン酸カルシウム相が小島のように、すなわち離散した粒子とし て、本発明の最初の好ましい実施態様によると二酸化チタン、酸化ジルコニウム および酸化アルミニウムからなる群に属する一つまたはいくつかの酸化物からな るマトリックス中に現れるような方法で適切に成形される。不活性マトリックス 中の5〜35容積パーセントのリン酸カルシウム材料が、所望の生物活性を保証 するには充分ではないこと。
しかし同時に、結果として強度的性質の実質的崩壊のおそれが生じるということ が予想されるかも知れない。
しかし、本発明者らは、これらの危惧が根拠がないことを見出した。すなわち、 生きている動物を用いて行った臨床的実験によって、本発明による材料が、純粋 の水酸化リン灰石の生物活性に完全に匹敵する生物活性を有することが示された 。したがって、所望の生物活性を得るために通常既知の方法で行われるように純 粋な水酸化リン灰石で不活性マトリックスを被覆することが不必要である。しか し、単位露出表面当りきわめて多数の島を得るためにリン酸カルシウム材料のマ トリックスへの混和は、おそらくきわめて細かく分散させて均一でなければなら ず、同時に、隣接するリン酸カルシウムの高量の距離はきわめて小さい、おそら くこれらの条件は、新前組織の付加を促進するであろうが、因果関係は完全には 説明されていない、マトリックス中のリン酸カルシウム画分のきわめて細かく分 散され均一であることもまた。保有されるきわめて高い強度を説明する。このよ うに、リン酸カルシウム粒子をマトリックスのキズと見なせば、マトリックスに 知られるあるいわゆる限界靭性因子(臨界靭性)を得るために、異なる酸化物材 料におけるリン酸カルシウム島の可能な最大サイズを計算する二とが可能である 。
このように、マトリックスがより硬ければ島はもろいマトリックス中よりも大き くあり得て、その逆も同様である。これらの理論的考察および実際の結果から。
金属酸化物からなるマトリックス、およびマトリックス中に分散したリン酸カル シウム材料、好ましくは水酸化リン灰石、からなる合成合体材料のための以下の 推奨値が導かれる。
マトリックX TiO2Al2O3ZrO2リン酸カルシウム粒子 の最大サイズ、 10μm 15μm 30μmリン酸カルシウム粒子 最大5 μm、好ましくは間の平均距離 最大2μm このように、強度については、酸化ジルコニウムが、酸化チタンより優れている 酸化アルミニウムよりも好ましい、また、酸化物は、これらの化学的抵抗性につ いても異なっている。したがって、マトリックスが二酸化チタンからなる場合に は、高温アイソスタチックプレス中の温度は1000℃以上であってはいけない が、酸化アルミニウムおよび/または酸化ジルコニウムが用いられる場合には、 1300℃、好ましくは1100〜1250℃の高温でもよい。
既知の方法では、完全に生物活性のマトリックスからなる被覆を有するインブラ ントを提供することが必要であると考えられているが、これは、ある場合にはイ ンブラントはリン酸カルシウムの外被覆を提供していたということを意味する。
これに対して、本発明によると、本発明による合成材料の一対性質を使用するこ とが可能であり、したがって水酸化リン灰石などの余分の外被覆が不要になる。
しかし1本発明の範囲内で、他の組成物を有する材料の層で「一対材料」を完全 にまたは一部被覆すること、または、異なる部分は異なる組成を有し、一対性質 を有する本発明による合成材料からなる少なくとも一部、およびリン酸カルシウ ム材料のいかなる混和物をも含まないセラミック材料や完全な金属材料などの均 質材料からなる少なくとも一部、を含むインブラントを製造する二とちまた可能 であることは明らかである0本発明のこれらのおよび他の特徴はまた、特許請求 の範囲に記載され1次の二、三の好ましい実施態様の記述においてさらに明かに されよう。
本発明による合成材料を製造するための別の製造法によると、第一粉体が主に元 素ケイ素からなり、この場合は第二粉体が5μm以下の粒子サイズを育するリン 酸三カルシウムが主である。粉体混合物が調製される。5〜15容量%のリン酸 三カルシウムと残りはケイ素(および孔)からなる原成形体を粉体からつくり、 窒素ガスを用いて窒化する0代わりとして主にアンモニアおよび他の窒化剤もま た用い得る。窒化によって、ケイ素は窒素と結合し、窒化ケイ素Si3N4を形 成し。
質量集積のために原成形体は、理論的最大密度の65〜85%の密度に濃縮され る。このように、この合成セラミック材料は1例えば前記の実施態様による高温 アイソスタチックプレスによって高密度化された材料よりもかなり孔が多く、こ れはもちろん強度に悪影響を及ぼす、しかし、これは、高度に、窒化ケイ素がき わめて強い材料であるという事実によって埋め合せされる。生物活性に関する限 り、多孔性は、孔においてリン酸三カルシウムCa3 (P Oa) 2の小さ い表面領域が露出するという価値ある効果を有する。したがって、マトリックス の内部すなわち窒化ケイ素の花糸に向かって骨の成長が起きる場合は、リン酸基 に加えて、骨の成長のために必要な構成単位であるCaイオンが用い得る。
実行される実験および実施態様の説明 試みに用いる原材料を表1にあげる1表2の一体構造体材料(それぞれ二酸化チ タンおよび水酸化リン灰石)および合成材料(酸化物およびリン酸カルシウム材 料の組合せ)は、これら原材料の粉体から製造された。粉体混合物および石油エ ーテル中の窒化ケイ素破砕副をボールミル中で混和して、20時間粉砕した。
エバポレイター中での蒸発の後1M成形体を、冷温アイソスタチックプレス(C IP)によって300 MPaの圧力で粉体混合物から製造した。このようにし て得られた原成形体をガラスに封入して、高温アイソスタチックプレス(HIP )によって2001Paの圧力で1時間、T i O2を基礎とした材料は92 5℃で他の材料は1225℃の各最高温度で高密度化した。高密度化の後、材料 は理論的最大密度の99%以上の密度を示した。HIP温度および得られた密度 もまた、表2に示される。
表1−原材料 略称 説明 BA 骨灰の水酸化リン灰石 HA 水酸化リン灰石、メルク標準物 TCP β−リン酸三カルシウム、メルク標準物A α−酸化アルミニウム、A RP−30,住人R二酸化チタン、 Tioxide LtdZ 二酸化ジルコ ニウム(3モル−%Y2O3を含む) 表2−高温アイソスタチックプレスによって成形された粉体温金物、HIP製造 試料の密度 試料 粉体、 HIP 密度、g/cm3番号 容量% 温度、℃ 測定値 理 論値1 70HA/30A 1225 3.39 3.40225H^/75A  1225 3.75 L773 15BA/85A 1225 3.85 3 .854 15HA/85R9254,024,0957,5TCP/7.5H A/85A 1225 3.77 3.856 7.5TCP/7.5)IA/ 85R9254,044゜097 15HA/85Z 1225 5.64 5 .65表3 試料 引張強度 ワイブル 靭性 硬度番号 (MPa) モジュール (MP am1/2) (5N)(m) (GPa) HA 110 18 1.1±0.1 3.9±0.31 25On、d 2. 0 ?、1 2 535 n、d、 4.0 20.23 601 19 3.5 1g、9 4 252 9 2.9 8.4 5 446 10 3.4 17.8 6 397 n、d、 2,6 10.97 82On、d、 >7 13 A 400−560 − 4 22 R405to 12 Z 980 n、d、 >7 14 n、 d、測定せず。
試験棒を、3X3X30mmの大きさに作った。試験棒を、三点試験において試 験して、曲げにおける圧縮強度を測定した、ワイブルモジュールを測定した。
靭性をヴイッカーのくぼみ深さ法(indentation depth−me thod)によって、硬度をIONまたは5Nの負荷で、それぞれ測定した。S EMにおける微細構造を調べるために、いくつかの試料を20秒間0.1%のH F溶液中で食刻した。
材料の生物活性の性質を調べるために、直径3.1mmで長さ7mmの円筒を作 った。純粋酸化アルミニウム(陰性対照)および純粋水酸化リン灰石(陽性対照 )の同一の試料を作って、参照材料として用いた。
インブラントを、ウサギにュージーランドウサギの大腿骨)の側面皮質の大きな 孔(直径3.2mm)に手術によって挿入した。3力月の回復期間の後、動物を 殺して、周りの軟組織を除去した後にインブラントをX、Ill写真で調べた。
第1図は、15容量%の水酸化リン灰石と残りが酸化アルミニウムからなる、本 発明による材料(試料3)の微細構造を示す、水酸化リン灰石相は、酸化アルミ ニウムマトリックス中に均一に分布しており、マトリックス中で水酸化リン灰石 は最大長さく6μmを有する粒子(顆粒)または島(隔離物)を形成する。微細 構造をより容易に確認できるように、第1図では試料はいくらか過度に刻食され ている。最小の顆粒のいくつかは孔であり得る。X線回折分析によって、HIP 処理中に相変化が起きなかったことが示された。
物理的性質が表3に示されている。予想されるように、酸化アルミニウムを基礎 とする一対セラミック材料、試料1.2.3および5は、二酸化チタンを基礎と する材料、試料4および6よりも強い、酸化アルミニウムを基礎とする一対セラ ミック材料の強度レベルは、400〜560 MPaの強度の多結晶酸化アルミ ニウムからなる重版の歯科用インブラントの強度レベルに匹敵する。引っ張り強 度もまた同様である。酸化ジルコニウムを基礎とする一対セラミック材料は、最 も高い強度と引っ張り強度を有する。結果は2本発明による一対セラミック材料 が少なくとも物理的性質の点から歯科用インブラントに用い得ることを示す、こ れは、酸化アルミニウムおよび酸化ジルコニウムを基礎とする本発明のこれら一 対セラミック材料について特に明かであるが、また、チタニウムを基礎とする一 対セラミック材料もおそらく、少なくとも物理的性質が制限因子である場合には 、インブラントとして用い得る。
第2図は、X線写真に基づいた模式図において1表3の試料3から作られ、手術 によって挿入した、セラミック棒を示す、新たな皮質骨材料がインブラントの表 面に沿って(b部分で)のみならずインブラントに向かって(a部分で)成長し た。比較試験で示されたように、本発明による一対セラミック材料の骨成長パタ ーンは、純粋水酸化リン灰石のパターンと大部分は同じである。同様のパターン はまた、それぞれ二酸化チタンおよび酸化ジルコニウムのマトリックスを有する 試料4および7によっても得られた。
これらの試みは、高強度を有する生物活性セラミック材料を、少なくとも二つ粉 体面分からなる原成形物の高温アイソスタチックプレスによって製造し得ること 、水酸化リン灰石からなり、酸化物マトリックスにおいて均一に分布した生物活 性相が得られ、これによって要求される強度が材料に与えられこと、を示す。
生物活性相は、分離した点として現れ、その大きさはマトリックスの強度によっ て変化し得るが、隣接する点間の距離は5μmよりも小さく、好ましくは2μm よりも小さくなくてはならない。
上記の本発明に関する記述において、発明思想の範囲内で、異なる部分は異なる 組成を有する成形物(体)を製造することも可能であることが述べられている。
これはここで二、三の可能な実施例によって説明されよう0本発明のこれに関す る第一の実施態様によって。
15容量%の水酸化リン灰石粉体および85容量%の酸化ジルコニウム粉体を混 合する。粉体は、実行される実験の上記の記述中に説明されている方法と同じ方 法で調製される。粉体混合物をポリマー缶にその高さの半分を満たすまで注ぎ入 れる1次いで、いかなる物質も混有しない純粋の酸化アルミニウムを加えて缶を 完全に満たす1缶を閉じて、粉体を冷温条件で300MPaでアイソスタチック プレスする8次いで、成形試料を、1225℃の高熱条件で1時間160MPa の圧力でアイソスタチックプレスする。成形試料を試験棒に切断して、その中心 線が純粋酸化アルミニウムと酸化アルミニウム/水酸化リン灰石混合物とのほぼ 境界に相当するようにする。35X3X3mmの大きさの試験棒(うち7本)を 、三点屈曲試験法を用いて調べる。引っ張り強度の平均値は720 MPaと測 定された(最低値は540 MPa、最高値は810 MPaであった)。
その一つはリン酸カルシウム粉体および酸化物の粉体の粉体混合物からなり、他 の一つは酸化物粉体のみからなる二つの別々の原成形体を製造して、原成形体を 高熱条件で通常のアイソスタチックプレスをもちいて合体させることによって、 前のものと同様の材料を製造することもまた可能である。第3図は、このように して製造された製作物の例を略図で示したもので、その接続球は純粋な酸化物か ら作られたセラミック物質からなり、幹部は本発明による一対セラミック物質か らなる。
第4図は、他の例の略図である。この例では、純粋な酸化物粉体1は一対セラミ ック粉体2で被覆され。
粉体2は部分的に粉体1を被覆しており、これに続いて合わせた粉体が冷温条件 でアイソスタチックプレスされており、その抜色まれて高熱条件でアイソスタチ ックプレスされる。
第5図は、逆の例、すなわち本発明による一対セラミック粉体の原成形体3が、 高熱におけるアイソスタチックプレスに続いて成形物を冷温条件でアイソスタチ ックプレスする組合せによって連結強化する前に。
酸化物粉体4によって部分的に被覆されている例を示す。
本発明による一対セラミック材料の構成体はまた、独立成分の部分の表面領域に おける生物活性相を除去するために処理され得る。これは、表面層のリン酸カル シウム相の化学的溶解またはフイゴ送風(blasting)によって行い得る 。いずれの場合にも、小さなくぼみがリン酸塩材料が予め存在したこれらの領域 に得られ、関節のためのインブラントが製造される場合にはこれらのへこみは液 体貯蔵所として機能する。このように、ある量の液体が保持され、関節において 滑動が起きる場合には、このようにしてこれらの領域内で摩擦を減らすことがで きる。もちろんこの性質が望ましい場合には、一対セラミック製作物の残りの部 分は、一対セラミック製作物の生物活性の性質を利用できるように。
そのまま残される。
補正書の翻訳文提出書(特許法第184条の8)特許請求の範囲 平成3年10月11日

Claims (18)

    【特許請求の範囲】
  1. 1.材料を歯科用または整形外科用インプラントとして用いる場合に生物活性の 性質とともに高い強度を有する合成セラミック材料の製造法であって、一部は最 終材料中には化学的状態について言えば生物不活性のマトリックスを形成するよ うに意図された第一粉体と、一部はリン酸カルシウムを基礎とする材料から主に なる第二粉体から主になる粉体混合物を調製することからなり、第一粉体は二酸 化チタン(TiO2)、酸化ジルコニウム(ZrO2)および酸化アルミニウム (Al2O3)からなる群に属する少なくとも一つの酸化物からなること、第二 粉体は水酸化リン灰石およびリン酸三カルシウムの少なくとも一つから主になる こと、原成形体は前記粉体混合物からなること、および該原成形体を50MPa よりも高い圧力で高熱条件でのアイソスタチックプレス(HIP)によって高密 度化して、マトリックスが該第一粉体の一つまたはいくつかの金属酸化物からな り、そのマトリックス中、該水酸化リン灰石および/またはリン酸三カルシウム が均一に分散している合成材料を得ることを特徴とする、前記製造法。
  2. 2.該原成形体を少なくとも150MPaで250MPa以下の圧力で900〜 1300℃の温度で高密度化することを特徴とする、請求項1に記載の製造法。
  3. 3.該第一粉体が主に二酸化チタンからなること、および該原成形体を900〜 1000℃の温度の高熱条件でアイソスタチックプレスによって高密度化するこ とを特徴とする、請求項2に記載の製造法。
  4. 4.該第一粉体が主に酸化アルミニウムおよび/または酸化ジルコニウムからな ること、および該原成形体を1100〜1250℃の温度の高熱条件でアイソス タチックプレスによって高密度化することを特徴とする、請求項2に記載の製造 法。
  5. 5.該第二粉体が水酸化リン灰石,Ca5(PO4)3OHからなることを特徴 とする、請求項1〜4のいずれか1項に記載の製造法。
  6. 6.該原成形体を理論的最大密度すなわちその完全密度の少なくとも97%まで に高密度化することを特徴とする、請求項2に記載の製造法。
  7. 7.該マトリックスが該水酸化リン灰石および/またはリン酸三カルシウムの5 〜35、好ましくは10〜25容量%からなるように該粉体混合物を調製するこ とを特徴とする、請求項1〜6のいずれか1項に記載の製造法。
  8. 8.原成形体を粉体混合物から調製すること、該第一粉体が主にケイ素からなる こと、該第二粉体が主に水酸化リン灰石および/またはリン酸三カルシウム、好 ましくは主にリン酸三カルシウムからなること、および該粉体混合物から調製さ れた原成形体を窒化して、窒化ケイ素を形成するために該ケイ素を窒表と結合さ せて、原成形体を質量増大によって高密度化することを特徴とする、請求項1に 記載の製造法を修飾した製造法。
  9. 9.該原成形体を、質量増大によって理論的最大密度の65〜85%の密度にま で高密度化することを特徴とする、請求項8に記載の製造法。
  10. 10.材料を歯科用または整形外科用インプラントとして用いる場合に生物活性 の性質とともに高い強度を有する合成セラミック材料であって、それがインプラ ントとして用いられる場合には高い強度を有する不活性のマトリックスおよび該 マトリックス中に均一に分散し、少なくとも一つのリン酸カルシウムを基礎とす る材料から主になる第二相からなり、該リン酸カルシウムの基礎が5〜35、好 ましくは10〜25容量%の量で該マトリックスに含まれること、およびそれが マトリックス中に30μmの最大サイズを有する粒子として存在し、粒子間の最 大平均距離が5μm、好ましくは2μmであることを特徴とする前記セラミック 材料。
  11. 11.該マトリックスが主に酸化ジルコニウムからなること、およびリン酸カル シウム粒子の最大サイズが30μmであることを特徴とする、請求項10に記載 の材料。
  12. 12.該マトリックスが主に酸化アルミニウムからなること、およびリン酸カル シウム粒子の最大サイズが15μmであることを特徴とする、請求項10に記載 の材料。
  13. 13.該マトリックスが主に二酸化チタンからなること、およびリン酸カルシウ ム粒子の最大サイズが10μmであることを特徴とする、請求項10に記載の材 料。
  14. 14.該マトリックスが主に窒化ケイ素からなることを特徴とかる、請求項10 に記載の材料。
  15. 15.該リン酸カルシウム材料が、材料の5〜15容量%であるリン酸三カルシ ウムを含有することを特徴とする、請求項14に記載の材料。
  16. 16.その密度が理論的最大値の少なくとも97%であることを特徴とする、請 求項10〜13のいずれか1項に記載の材料。
  17. 17.その密度が理論的最大値の65〜85%であること、およびリン酸カルシ ウムが孔において露出している孔系を有することを特徴とする、請求項14また は15に記載の材料。
  18. 18.請求項10〜13のいずれか1項に記載の材料から部分的にのみなる構成 体であって、その材料が該構成体の一つまたはいくつかの部分を形成し、該構成 体の他の一つまたはいくつかの部分は一つまたはいくつかの酸化物、二酸化チタ ン(TiO2)、酸化ジルコニウム(ZrO2)および酸化アルミニウム(Al 2O3)から主になることを特徴とする構成体。
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