JPH0578345B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

［産業上の利用分野］ 本発明は、生体組織の親和性及び機械的性能が
優れた複合インプラント部材に関するものであ
り、当該複合インプラント部材は人工関節、人工
骨、人工歯根等として幅広く活用することができ
るものである。 ［従来の技術］ 複雑骨折あるいは骨腫瘍やリユウマチ等の疾患
等により損傷乃至欠損した歯や関節、骨等を補綴
しあるいは代替するものとして、人工骨、人工関
節、人工歯根等のインプラント部材が実用化され
ている。この様なインプラント部材としてはコバ
ルト−クロム合金、ステンレス鋼、チタン、チタ
ン合金、タンタル等の金属材料、アルミナやアパ
タイト等のセラミツクス材料、あるいは高密度ポ
リエチレン等の高分子材料等が汎用されてきた。 ところが金属材料は靭性や耐衝撃強度等におい
て非常に優れたものである反面、生体組織との親
和性が乏しく、また人体内へ長期間埋込んでおく
と微量の金属イオンが徐々に溶出して生体組織に
悪影響を及ぼす恐れがある。またセラミツクス材
料のうちアルミナは比較的優れた機械的強度を有
しているものの生体組織との親和性が乏しく、逆
にアパタイトは生体組織との親和性は良好である
ものの機械的強度が低いという問題が指摘されて
いる。更に高分子材料は生体に対し有害作用を及
ぼすことはないが機械的強度の点で問題が残る。 この様に従来のインプラント部材には一長一短
があり、機械的強度、生体組織との親和性、生体
に対し悪影響を及ぼさない、といつた要求性能の
すべてを満たすものとは言えず、汎用化を進めて
いくうえで大きな隘路となつていた。 そこで特開昭59−214443号や特公昭58−50737
号公報に開示されている如く、機械的強度の優れ
た金属を基材とし、その表面にセラミツクスを被
覆して金属イオンの溶出を阻止すると共に生体組
織との親和性を高める技術が開発され、更にこの
場合の被覆を２層構造とすることによつて金属基
材とセラミツクス被覆層との密着性を高めると共
に金属イオンの溶出阻止効果を高める方法も提案
されている。 ［発明が解決しようとする問題点］ しかしながらセラミツクス層を２層構造にした
からといつて必ずしも満足のいく性能が得られる
とは限らないことが分かつた。本発明者らはその
原因を明確にすべく色々実験を重ねたところ、セ
ラミツクス材相互間の熱膨張係数の違いに起因し
て被覆の積層界面に内部応力が生じて層間剥離現
象が起こり、各セラミツクスの耐衝撃強度が乏し
いこともあつて、結局被覆全体が比較的簡単に破
損するものであることが分かつてきた。 本発明はこの様な問題点に着目してなされたも
のであつて、その目的は、金属基材に対して優れ
た被覆効果を発揮し続け得る様な被覆層構成を確
立することにより金属イオン溶出阻止効果及び生
体組織との親和性を長期に亘り良好に保つことの
できる様な複合インプラント部材を提供しようと
するものである。 ［問題点を解決するための手段］ 上記の目的を達成することのできた本発明に係
る複合インプラント部材の構成は、生体組織との
親和性に優れた親生体物質と金属イオン非透過性
物質との混合物からなる被覆層を金属基材表面に
形成してなり、該被覆層の構成は、被覆層の表層
部に近づくにつれて親生体物質の含有比率を連続
的もしくは段階的に高めたものであるか、あるい
は生体組織に対する親和性がより高いものを上記
表層部側に多く存在させたものであるところに要
旨を有するものである。 ［作用］ 本発明は金属イオン溶出阻止作用及び生体組織
との親和性改善を期して被覆を形成する点におい
ては従来の複合インプラント材と同一である。但
し本発明では被覆の構造に工夫が加えられてお
り、それにより被覆全体として物性を改善し、被
覆に期待されるべき前述の諸機能を長期的に持続
し得る様に構成している。 即ちこの被覆は、生体組織との親和性に優れた
親生体物質Ａと、金属イオン溶出阻止効果を備え
た金属イオン非透過性物質Ｂとの混合物によつて
構成し、親生体物質Ａは生体組織とのなじみを良
くして新生骨組織との結合力増進に寄与し、一方
金属イオン非透過性物質Ｂは金属基材の有する生
体組織への有害作用を阻止する機能を発揮する。 本発明ではこうした親生体物質Ａと金属イオン
非透過性物質Ｂの機能を有効に発揮せしめつつ被
覆としての耐久性を持たせるため、被覆層の金属
基材側は金属イオン非透過性物質Ｂの含有比率を
高くする一方、被覆層の表層部に近づくにつれて
親生体物質Ａの含有比率を連続的もしくは段階的
に高めるか、あるいは生体組織に対する親和性が
より高いものを上記表層部側へ多く存在せしめ、
該被覆層の中間部付近においては親生体物質Ａを
金属イオン非透過性物質Ｂとの混合比率が連続的
であるにせよ少しずつ変化する様に、即ち良好な
連続性を保持する様に構成される。その結果、該
被覆層は金属由来の生体有害作用物質、例えばイ
オンの溶出を効果的に阻止すると共に表層部では
生体組織との間に優れた親和性を示し、且つ該被
覆層中の成分組成及び熱膨張係数等、即ち物理
的・化学的・生物学的性質は厚さ方向に少しずつ
連続的もしくは段階的に変化することになるの
で、被覆層内に過大な内部応力を生じて層間剥離
等を生ずる様な恐れもなく、被覆層の効果を長期
的に持続することができる。 本発明では前述の如く金属基材の有する生体有
害作用を効果的に阻止し得るところから、金属基
材の種類は特に限定されないが、安全性や機械的
性質等を考慮すると最も好ましいものはコバルト
ークロム−ニツケル系合金、コバルト−クロム−
モリブデン系合金、ステンレス鋼、チタン、チタ
ン合金、タンタル、タンタル合金である。これら
金属基材の形状は適用場所に応じてピン型、スク
リユー型、ブレード型、アンカー型、プレート
型、メツシユ型等から任意に選択して決めること
ができる。これらの金属基材は被覆との密着性を
高めるため表面に適当な粗面化処理（グリツドブ
ラスト処理、サンドブラスト処理、化学的または
電気化学的エツチング処理等）を施しておくのが
よく、場合によつては被覆の形式に先立つて適当
なボンデイング剤のアンカーコートを施し、被覆
との密着性を高めることも有効である。 また親生体物質Ａとしては、生体組織との親和
性が良く殊に新生骨組織と強固に結合し得る特性
を備えたものが好ましく、代表的なものとしては
活性ガラス、アパタイト、ヒドロキシアパタイト
等の多孔質セラミツクスが例示される。金属イオ
ン非透過性物質Ｂは前述の如く主に金属基材の生
体有害作用を阻止するために用いられるものであ
り、生体組織に対して有害作用を与えることな
く、且つ金属イオン等の溶出を阻止する機能を有
するものであれば素材の如何を問うものではない
が、金属基材との密着性、親生体物質Ａとの親和
性、及び機械的特性等を総合的に考えて最も好ま
しいのはAl₂O₃，TiO₂，ZrO₂，SiO₂，SnO₂，
P₂O₅，CaO，B₂O₃等の１種又は２種以上を含む
酸化物よりなるセラミツクスあるいはTiの如く
生体内で安定に存在し得る金属等が挙げられる。 尚金属基材、親生体物質Ａ及び金属イオン非透
過性物質Ｂの選定に当たつては、相互に親和性を
有し且つ熱膨張係数の近いものを選択することに
より、一体性の高い複合インプラント部材を得る
ことができる。 金属基材表面に被膜を形成するための具体的方
法は従来例と本質的に異なるものではなく、たと
えば溶射法、ズバツタリング法、低温焼付法、ゾ
ル・ゲル法等を適宜選択して採用することができ
るが、被覆形成に当たつては金属基材表面にまず
金属イオン非透過性物質Ｂを被覆した後、該被覆
の表面に金属イオン非透過性物質Ｂと親生体物質
Ａとの混合物を被覆し［この被覆は１層だけでも
よいが被覆構造とし表層側へ近づくにつれて徐々
に親生体物質Ａの含有比率が高くなる様にすれ
ば、被覆特性をより優秀なものとすることができ
る］、最後に親生体物質Ａを被覆する様にすれば、
目的にかなつた被覆を得ることができる。 尚親生体物質Ａと金属イオン非透過性物質Ｂを
夫々２種類以上併用し、これらの混合物を含む多
層構造の被覆とすることも可能であり、この場合
最表層側には、生体組織に対する親和性のより高
いものが多量存在する様にする必要がある。 ［実施例］ 実施例 １ 金属基材としてTi−6A−4V合金（熱膨張係数
8.8×10^-6／℃）を選択し、前処理としてその表
面をグリツトブラスト処理した後弗化水素酸と塩
酸の混酸でエツチング処理した。 一方、親生体物質Ａとしてアパタイト（熱膨張
係数11.6×10^-6／℃）、金属イオン非透過性物質
Ｂとしてアルミナ（熱膨張係数7.8×10^-6／℃）
を夫々選択し、前処理された上記金属基材表面に
第１層としてアルミナ単独、第２層としてアルミ
ナ：アパタイト＝50：50（重量比）の混合物、第
３層としてアパタイト単独を夫々70μmの層厚と
なる様に溶射し、複合インプラント部材を得た。 得られた複合インプラント材における被覆層の
表層部分、中間部分及び基材との境界部分のエネ
ルギー分散型Ｘ線マイクロアナライザー分析チヤ
ートを第１，２，３図に夫々示す。 これらの図からも明らかである様に、Ti合金
基材側では多量のAlの存在が確認され（第１
図）、アルミナリツチの層であることが、また被
覆層の中間部では相当量のAl，Ｐ，Caの存在
が確認され（第２図）、アルミナとアパタイトの
混合物層であることが、更に被覆層の表層部で
は多量のＰ及びCaの存在が確認され（第３図）、
アパタイトリツチの層であることが夫々確認され
る。また第４図は該被覆表面のＸ線回折チヤート
を示したものであり、生体組織との親和性に優れ
たアパタイトが分解することなく表面に残つてい
ることを確認することができる。 この被覆は層内で成分組成の急変がないため熱
膨張係数の急変による内部応力が生じ難く長期使
用に耐える被膜特性を有しているほか、金属基材
の有する生体有害作用阻止効果及び生体組織との
親和性共に優れたものであり、人工インプラント
部材として優秀なものである。 上記で得たインプラント部材、および比較材と
して上記と同様の前処理を施したTi−6Al−4V
合金基材の表面に親生体物質であるアパタイトを
200μmの層厚となる様に溶射して得たインプラン
ト部材を使用し、下記の性能試験を行なつた。 即ち上記２つのインプラント部材を家兎の脛骨
に埋込み、４か月経過した後、各インプラント部
材の状況を顕微鏡で観察したところ、両方のイン
プラント部材周辺に生体骨が形成されているのが
観察された。両者の溶射皮膜を更に詳細に観察し
たところ、本発明の方法で作成したインプラント
部材には全く変化がなかつたのに対し、アパタイ
トだけを溶射したインプラント部材には部分的に
割れが観察された。 実施例 ２ 実施例１と同様の前処理を施したTi−6Al−
4V合金基材の表面に、下記第１表に示す組成の
被覆剤を約30μmの厚さずつ６層に亘つて順次溶
射し、表層に近づくにつれてアパタイト含有率を
高めた被覆を形成した。

【表】 この被覆も熱膨張係数の急変による内部応力が
生じ難く長期使用に耐え得る被膜特性を有してお
り、且つ金属基材の生体有害作用阻止効果及び生
体組織との親和性共に非常に優れたものであつ
た。 上記で得たインプラント部材、および比較材と
して上記と同様の前処理を施したTi−6Al−4V
合金基材の表面に親生体物質であるアパタイトを
200μmの厚さとなる様に溶射して得たインプラン
ト部材を用い、以下の性能試験を行なつた。但し
各インプラント部材は、溶射皮膜の強度を上げる
ため、溶射後真空電気炉中950℃で１時間熱処理
に付した。 その結果、本発明の方法で作成したインプラン
ト部材は金属基材と強固に接合していたが、比較
材については金属基材溶射皮膜の剥離が観察され
た。本発明に係る上記インプラント部材を成犬の
脛骨に埋込み、４か月経過後の状況を顕微鏡で観
察したところ、インプラント部材周辺に生体骨が
形成されていた。 ［発明の効果］ 本発明は以上の様に構成されており、被覆層の
成分組成を厚さ方向に連続的もしくは段階的に変
化させることによつて熱膨張係数等の急変をなく
し被覆全体としての一体性を高めたので、使用時
に被覆が層間剥離等を生ずる恐れがなく、金属基
材の生体有害作用阻止効果及び生体組織との親和
性を長期間に亘つて良好に維持することができ、
歯内、骨内、骨膜下、粘膜内等に用いる人工歯
根、人工骨、人工関節等として幅広く安全に使用
することができる。

【図面の簡単な説明】

第１〜３図は本発明に係る複合インプラント部
材における被覆の表層部、中間部及び基材例の各
エネルギー分散型Ｘ線マイクロアナライザー分析
チヤート、第４図は該被覆表面のＸ線回折チヤー
トを夫々示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 生体組織との親和性に優れた親生体物質と金
   属イオン非透過性物質との混合物からなる被覆層
   を金属基材表面に形成してなり、該被覆層の構成
   は、被覆層の表層部に近づくにつれて親生体物質
   の含有比率を連続的もしくは段階的に高めたもの
   であるか、あるいは生体組織に対する親和性がよ
   り高いものを上記表層部側に多く存在させたもの
   であることを特徴とする複合インプラント部材。