JPH0533633B2

JPH0533633B2 -

Info

Publication number: JPH0533633B2
Application number: JP1027652A
Authority: JP
Inventors: Yoji Imai; Sukezo Shimura; Masahiro Hirano; Kazuyuki Arai; Hiroyasu Takeuchi
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 1989-02-08
Filing date: 1989-02-08
Publication date: 1993-05-20
Also published as: JPH02209148A

Description

【発明の詳細な説明】

〔産業上の利用分野〕本発明は、腫瘍摘出や外傷により失われた骨組
織を修復治療するための人工骨、歯牙疾患等によ
り失われた歯を修復治療するための人工歯及び骨
と骨との接合や骨と硬組織代替材料等の接合に使
用する固定用ねじに関する。〔従来の技術〕従来から、腫瘍摘出や外傷により失われた骨組
織を修復治療するための人工骨、歯牙疾患等によ
り失われた歯を修復治療するための人工歯及び骨
と骨との接合や骨と硬組織代替材料等の接合に使
用する固定用ねじ自体は公知である。しかし、人
工骨及び人工歯として従来使用されているセラミ
ツクス材料は、加工が困難であり、更に、硬すぎ
るという欠点を有している。これらの欠点を解決
するため、リン酸カルシウム化合物10〜90重量％
及び合成有機重合体90〜10重量％を含有する人工
骨及び人工歯（例えば、同一出願人の特公昭63−
44379号公報等）並びに骨及び硬組織代替材の固
定用ねじ（例えば、同じく、同一出願人の特開昭
62−268553号公報等）が開発されている。これら
の人工骨、人工歯並びに骨及び硬組織代替材の固
定用ねじは、生体適合性に優れ、骨及び歯牙と同
程度の強度及び靭性を有し、更に加工性にも富ん
でいる。しかしながら、これらの従来技術による人工
骨、人工歯及び固定用ねじの場合には、その表層
部におけるリン酸カルシウム化合物の露出量は、
わずかであり、従つて、リン酸カルシウム化合物
の緻密体と比較すると表層部の生体親和性が乏し
いという欠点がある。又、リン酸カルシウム化合
物の露出量を増加させるために、原料として使用
するリン酸カルシウム化合物の混合比を増加する
と、人工骨等の加工性が悪くない、安定した製造
は不可能である。更に、これらの従来技術においては、加熱重合
後に、旋盤等を使用して所望の形状に加工するこ
とにより、切削に伴い発熱が生じ合成有機重合体
が溶融し、その結果として、人工骨等の表層部を
重合体薄膜が被覆してしまうという欠点がある。
従つて生体親和性を向上させるために、本来表層
部に露出すべきリン酸カルシウム化合物が露出し
ていないのが実状である。〔発明が解決しようとする課題〕そこで、本発明の主要な目的は、生体親和性に
富む人工骨、人工歯及び骨固定用ねじ並びにその
製造方法を提供することである。本発明の別の目的は、人工骨等が容易に製造で
きる範囲内のリン酸カルシウム化合物及び合成有
機重合体の混合割合であり、しかも製造した人工
骨等の表層部には顕著な生体親和性を示すために
十分な表面比のリン酸カルシウム化合物が露出す
る人工骨、人工歯及び骨固定用ねじ並びにその製
造方法を提供することである。本発明の更に別の目的は、加工により、一時的
に合成有機重合体薄膜にて被覆された場合であつ
ても、容易に十分な面積比のリン酸カルシウム化
合物を露出させることができ、従つて、生体親和
性を損なうことのない人工骨、人工歯及び骨固定
用ねじ並びにその製造方法を提供することであ
る。〔課題を解決するための手段〕本発明によれば、リン酸カルシウム化合物40〜
95重量％と、合成有機重合体60〜５重量％とを含
有する人工骨、人工歯及び骨固定用ねじであつ
て、該リン酸カルシウム化合物及び合成有機重合
体の原料モノマーを混合し、次いで加熱、重合し
た後に所望の形状に加工し、更に少なくともカル
シウムイオン及びリンイオンを含有する溶液中へ
の浸漬処理及び／又はプラズマ処理により表層部
に表面処理を施して、該生体組織と接触する表層
部にリン酸カルシウム化合物を面積比で50％以上
露出させてなる人工骨、人工歯及び骨固定用ね
じ。以下本発明を更に詳細に説明する。本発明の人工骨、人工歯及び骨固定用ねじは、
リン酸カルシウム化合物と、合成有機重合体とを
特定量含有し、生体組織と接触する表層部には、
リン酸カルシウム化合物を面積比で特定量以上露
出させることを特徴とする。本発明においてリン酸カルシウム化合物として
は、リン酸三カルシウム、ヒドロキシアパタイ
ト、リン酸四カルシウム、オキシアパタイト、ピ
ロリン酸カルシウム、フツ素アパタイト、ヒドロ
キシアパタイトの水酸基の一部がフツ素イオンで
置換された化合物又はこれらの混合物等を挙げる
ことができ、特に新生骨の生成速度が早いリン酸
三カルシウム、ヒドロキシアパタイト、リン酸四
カルシウム及びフツ素アパタイト等から選択され
る１種又は２種以上の混合物を使用することが好
ましい。更にまた新生骨の生成速度が最も早いヒ
ドロキシアパタイトをリン酸カルシウム化合物と
して使用するのが最も好ましい。ヒドロキシアパ
タイトの中でも、500℃以上、特に好ましくは700
℃以上で熱処理して得たヒドロキシアパタイトが
特に新生骨の生成が早く好ましい。熱処理の上限
温度については特に限定されるものではないが、
ヒドロキシアパタイトが分解を開始するので、分
解温度以下とすべきである。本発明において好ましく使用できるリン酸カル
シウム化合物は、湿式法、乾式法又は水熱法等の
公知の製造方法により、人工的に合成されたもの
であつても、または骨等から得られる天然のもの
であつても共に使用できる。更に、本発明におい
て好ましく使用できるリン酸カルシウム化合物
は、合成有機重合体モノマーとの混合が可能であ
る限りは粉末状、顆粒状のいずれであつても好ま
しく使用できる。本発明においては、前記リン酸カルシウム化合
物の表面を、予め改質しておくことが好ましい。
該改質処理を行うことにより、人工骨、人工歯及
び骨固定用ねじの強度を増加させることができ、
生理食塩水中の長期間浸漬において強度劣化を防
止することができる。更に、表面改質したリン酸
カルシウム化合物を使用することにより、合成有
機重合体との親和性が著しく向上、人工骨等の製
造にあたつての原料混合時にも、特別な混合法や
熟練等を必要とせず、容易に均一混合が可能にな
る。前記リン酸カルシウム化合物の表面を改質する
ための改質剤としては、例えば、４−メタクリロ
イルオキシエトキシカルボニルフタル酸（以下、
４−MECPと称する）、４−メタクリロイルオキ
シエトキシカルボニルフタル酸無水物（以下、４
−MECPAと称する）、ｐ−ビニル安息香酸等の
不飽和ポリカルボン酸及びその無水物；２−メタ
クリロイルオキシエチルホスフエート等の不飽和
ポリリン酸及びその無水物；10−メタクリロイル
オキシデシルチオホスフエート等の不飽和ポリチ
オリン酸及びその無水物等を好ましく挙げること
ができる。前記改質剤の中では、４−MECPA、
４−MECPは少量でリン酸カルシウム化合物の
表面を改質できるため、特に好ましい。改質剤の使用量は、リン酸カルシウム化合物と
合成有機重合体の原料モノマーとの親和性が向上
し、人工骨等の製造にあたつての原料混合時に容
易に均一に混合でき、更に、人工骨等の強度の劣
化を防止できるように、リン酸カルシウム化合物
の表面を改質できる量を使用することが好まし
い。かかる量は、特に限定はされるものではない
が、例えば、リン酸カルシウム化合物100重量部
に対して、0.05重量部以上、特に好ましくは0.1
〜0.5重量部使用することが望ましい。この場合
に最も高強度の人工骨等が製造できる。また前記
改質剤の量を増加することは、もちろん可能であ
るが、経済性及び生体親和性の観点からは、2.0
重量部以下が好ましい。改質方法もリン酸カルシウム化合物の表面を改
質し得るかぎり、任意の方法が使用できる。例え
ば、メタクリル酸メチル、メタクリル酸トリフル
オロエチル等の合成有機重合体のモノマー、アセ
トン等の溶媒に改質剤を溶解し、次いで、リン酸
カルシウム化合物を投入し、３〜10分間攪拌後、
リン酸カルシウム化合物の沈殿物を自然乾燥又は
加熱乾燥する方法により改質できる。本発明において好ましく使用できる有機重合体
としては、生体に対し毒性がなく、且つリン酸カ
ルシウム化合物との親和性があれば特に限定され
ず、例えば、ポリ乳酸ポリグリコール酸等のカル
ボン酸系重合体；ポリメタクリル酸メチル（以
下、PMMAと称す）、ポリ（メタクリル酸トリフ
ルオロエチル）（以下、PTFEMAと称す）等の
カルボン酸エステル系重合体；及びポリエチレン
（以下、PEと称す）、ポリプロピレン等のオレフ
イン系重合体が好ましく使用できる。これらの重
合体のうちでは、強度及びリン酸カルシウム化合
物との親和性が高いという観点から、特に、
PMMA及びPTFEMAが好ましい。これらの合
成有機重合体は、いずれも公知の方法にて製造さ
れる重合体が好ましく使用できる。本発明において、リン酸カルシウム化合物及び
合成有機重合体との配合割合は、リン酸カルシウ
ム化合物40〜95重量％、好ましくは50〜85重量
％、合成有機重合体60〜５重量％、好ましくは50
〜15重量％である。リン酸カルシウム化合物の量が、40重量％未満
であると、加工後に表面処理を施しても表層部に
面積比で50％以上のリン酸カルシウム化合物を露
出させることができず、従つて、十分な生体適合
性を有する人工骨、人工歯及び骨固定用ねじを製
造することが困難である。又、リン酸カルシウム
化合物の量が、95重量％を超えると、人工骨、人
工歯及び骨固定用ねじの加工が困難になる。本発明による人工骨、人工歯及び骨固定用ねじ
は、好ましくは、リン酸カルシウム化合物の粉末
又は顆粒並びに合成有機重合体のモノマーとを攪
拌混合し、その後、好ましくは40〜100℃で１〜
10時間段階的に加熱重合することによつて製造で
きる。この場合、人工骨、人工歯及び骨固定用ね
じの外周部にリン酸カルシウム化合物を多く含有
させるために、遠心鋳造法を使用して製造するこ
とが好ましい。しかし、遠心鋳造法を使用した場
合に、常にリン酸カルシウム化合物が露出すると
いう保証は存在しない。本発明の人工骨、人工歯及び骨固定用ねじの製
造にあたつては、前記重合後、所望の形状に加工
するために、例えば、旋盤、ダイヤモンドカツタ
ー、ダイヤモンドデイスク等により、容易に加工
することができる。これは、本発明に用いる材料
が靭性及び加工性に優れているためである。本発明の人工骨、人工歯及び骨固定用ねじの製
造においては、更に、人工骨、人工歯及び骨固定
用ねじの表面の処理を行う。表面処理は、例え
ば、旋盤等による加工後の半製品である人工骨等
を、少なくともカルシウムイオン及びリンイオン
を含有する溶液中に浸漬して行う。この処理によ
り、人工骨等表面に最初から露出しているリン酸
カルシウム化合物を核として、該核にエピタキシ
ヤル成長が起こり、リン酸カルシウム化合物が析
出し、表層部を覆う。このようにして、当初の混
合時には、期待し得ない程の広い面積にリン酸カ
ルシウム化合物を露出させることが可能となる。本発明の人工骨、人工歯及び骨固定用ねじの製
造においては、加工時の切削による熱のために、
耐熱性の低い合成有機重合体が表層部を薄く被覆
する場合があるが、かかる場合には、プラズマ処
理を行うことにより、合成有機重合体薄膜を飛ば
し、リン酸カルシウム化合物を露出させることが
できる。この際、切削加工時に薄膜で被覆された
リン酸カルシウム化合物のみでなく、切削加工時
には、表面にまで達していない比較的浅い位置に
存在するリン酸カルシウム化合物までをも露出さ
せることが可能である。この場合にも、当初の混
合時には、期待し得ない程の広い面積にリン酸カ
ルシウム化合物を露出させることが可能となる。
なお、前記プラズマ処理によつて、表面が活性化
され、その結果として生体活性が向上する場合も
ある。当然ながら、前記の溶液浸漬処理及びプラズマ
処理を組合せて実施することにより、効果は相乗
的に増大する。本発明の人工骨、人工歯及び骨固定用ねじにお
いて、表層部に露出させるリン酸カルシウム化合
物の面積比は、50％以上が好ましく、特に60％以
上、更に好ましくは70％以上が望ましい。その理
由は、本発明の人工骨、人工歯及び骨固定用ねじ
においては、50％未満であつても生体親和性にお
いて問題は生じない場合もあるが、リン酸カルシ
ウム化合物単独の人工骨、人工歯及び骨固定用ね
じと全く遜色のない骨との接着力を持たせるため
には、50％以上のリン酸カルシウム化合物の露出
が必要なためである。本発明の人工骨、人工歯及び骨固定用ねじの物
性を実際の骨に可能な限り近似させるために、又
生体にインプラントした場合の安全性のために、
より高強度且つ高靭性とするには、人工骨等の中
心部に金属棒又は板を挿入することが好ましい。
この場合の金属は、前記目的に合致する限り特に
限定はされないが、リン酸カルシウム化合物と合
成有機重合体との複合体に何等かの原因でクラツ
ク等が生じる場合も考えられるため、毒性が少な
い又は無いといわれるステンレス（316L）やチ
タンを使用することが好ましい。中心部に金属を
入れる場合、その外側に金属が露出しないように
挿入することが好ましい。金属との接着には接着
剤を使用してよいが、所望の初期接着強度が得ら
れる限りは接着剤の種類は限定されない。本発明
によるリン酸カルシウム化合物と合成有機重合体
との複合体は、金属値の接着性が他の材料と比較
して良好であり、且つ靭性が高いため曲げやねじ
れによつてもクラツクが入りにくい。本発明の固定用ねじの形状は、固定ができるも
のであれば特に限定されるものではないが、例え
ば、第１図に示すように、ねじ１０の頭１１が多
角形でレンチまたはスパナーでねじ込みが可能で
あり、ねじの全長にわたりねじ山１２が切つてあ
るもの、第２図に示すように、ねじ２０の一部の
みに、ねじ山２２が切つてあり、ドライバーによ
りねじ込みが可能なように頭２１に溝２３が切つ
てあるもの、更には、第３図に示すボルト３１と
ナツト３２とからなるねじ３０等を挙げることが
できる。第４図には、硬組織代替材４０と骨４１とを本
発明による骨固定用ねじ４２，４３で固定した状
態を示す。ねじ４２，４３を使用するにあたり、
予め、硬組織代替材４０と骨４１にはねじ溝を切
つておく。ねじ頭４２ａは、外に出しておくよう
にしても、又は、ねじ頭４３ａのように頭が出な
いようにしてもよい。〔実施例〕以下に実施例により、本発明の人工骨、人工歯
及び骨固定用ねじを更に詳細に説明する。参考例１ヒドロキシアパタイトの粉末及びPMMA又は
PTFEMAの各モノマーを、ボールミルにて均一
に混合し、次いで加熱重合させて５×５×10mmの
角柱状の複合体を製造した。この場合、配合割合
は、ヒドロキシアパタイトの配合割合を重量比
で、30、40、50、70、85及び95％とした。次い
で、製造した角柱状の複合体を表１に示す組成を
有し、温度37℃に維持した凝似体液中に３日間浸
漬した後、走査型電子顕微鏡で撮影した写真を画
像処理する方法によつて表層部に露出しているヒ
ドロキシアパタイトの面積比を測定した。その結
果を表２に示す。表２より明らかなように、ヒドロキシアパタイ
トの配合割合が50重量％以上の場合には、ヒドロ
キシアパタイトの面積比も50％以上となつた。なお、前記の疑似体液中に７日間浸漬した後に
は、ヒドロキシアパタイトの配合割合が40重量％
の場合にも、ヒドロキシアパタイトの面積比も50
％以上となつた。しかしながら、重量比が30％の
場合は、１カ月浸漬した後であつても、ヒドロキ
シアパタイトの面積比を50％以上とすることはで
きなかつた。

【表】

【表】参考例２参考例１に記載の方法と同様にして角柱状複合
体を各々製造し、更に旋盤にて３mmφ、10mmＬの
円柱状に加工した。円柱状に加工した後の、表層
部に露出したヒドロキシアパタイトの面積比を表
３に示す。表３より明らかなように、加工後であ
つて表面処理以前の状態では、密度より算出され
るよりも、ヒドロキシアパタイト露出量ははるか
に少なかつた。これは、旋盤加工の際に、
PMMA又はPTFEMAが一部溶融して、ヒドロ
キシアパタイトを薄く被覆したためである。この
後、プラズマ処理装置（島津製作所製のLCVD−
20）にて、表層部の処理を施したところ、表３に
示す如くに顕著にヒドロキシアパタイトが露出し
た。更に、実施例１と同様の方法にて、疑似体液
中に３日間浸漬処理したところ、ヒドロキシアパ
タイト露出面積比は更に増加した。

【表】参考例３ヒドロキシアパタイト、α−リン酸三カルシウ
ム、β−リン酸三カルシウム、リン酸四カルシウ
ムの各リン酸カルシウム化合物と、PMMA又は
PTFEMAとの各モノマーを各々混合し、参考例
１と同様に加熱、重合させて４mmφ、８mmＬの円
柱状複合体を作製した。次いでプラズマ処理を施
した後、参考例１と同様な凝似体液中に浸漬し
た。その結果として表層部に露出しているヒドロ
キシアパタイトの面積比が、30％、40％、50％、
60％、70％及び80％になるように調節し、次い
で、成犬脛骨に作製した欠損４mmφに、コントロ
ールのヒドロキシアパタイト緻密体と共に充てん
し、術後６カ月にて、屠殺し、観察した。この結
果、いずれの場合も複合体に直接接して新生骨の
生成が認められたが、特に、ヒドロキシアパタイ
トを使用した場合に旺盛な骨の新生が観察され
た。又、露出しているリン酸カルシウム化合物の
割合が50％以上であると、特に新生骨量が多く認
められた。更に、露出ヒドロキシアパタイトの面
積比が70％以上の場合には、コントロールのヒド
ロキシアパタイト緻密体と比較しても全く同程度
の骨の新生が認められた。又、PMMA及び
PTFEMAの相違による差は認められなかつた。次に、骨との接着性を調べるために、リン酸カ
ルシウム化合物としてヒドロキシアパタイトを使
用した複合体について、打ち抜き試験を実施し
た。その結果を表４に示す。表４の結果より、露
出ヒドロキシアパタイトの面積比が50％以上、特
に60％以上の場合には、コントロールのヒドロキ
シアパタイト緻密性と比較して、ほぼ同程度の接
着力を示した。70％以上では、更に接着力が増加
した。又、PMMA及びPTFEMAの相違による
差は認められなかつた。

〔発明の効果〕

本発明による人工骨、人工歯及び骨固定用ねじ
は、人工骨等が容易に製造できる範囲内のリン酸
カルシウム化合物及び合成有機重合体の混合割合
であるにもかかわらず、製造した人工骨等の表層
部に、リン酸カルシウム化合物を表面に露出させ
生体親和性を向上させることができる。又、本発
明では、加工により、生体組織と接触する表層部
が一時的に合成有機重合体薄膜にて被覆された場
合であつても、容易に十分な面積比のリン酸カル
シウム化合物を露出させることが可能であり、ま
た製造法においても、容易に且つ特殊な装置を必
要としないので工業的にも非常に有用である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による骨固定用ねじの一例を
示す側面略図、第２図及び第３図は、各々他の例
を示す側面略図、第４図は、本発明による骨固定
用ねじを使用して骨を固定した状態を示す断面略
図である。１０，２０，３０……ねじ、１１，２１……ね
じの頭、１２，２２……ねじ山、２３……溝、３
１……ボルト、３２……ナツト、４０……硬組織
代替材、４１……骨、４２，４３……固定用ね
じ、４２ａ，４３ａ……ねじ山。

Claims

【特許請求の範囲】

１リン酸カルシウム化合物40〜95重量％と、合
成有機重合体60〜５重量％とを含有する人工骨、
人工歯及び骨固定用ねじであつて、該リン酸カル
シウム化合物及び合成有機重合体の原料モノマー
を混合し、次いで加熱、重合した後に所望の形状
に加工し、更に少なくともカルシウムイオン及び
リンイオンを含有する溶液中への浸漬処理及び／
又はプラズマ処理により表層部を表面処理を施し
て、該生体組織と接触する表層部にリン酸カルシ
ウム化合物を面積比で50％以上露出させてなる人
工骨、人工歯及び骨固定用ねじ。