JPH07163605A

JPH07163605A - インプラント及びインプラント用基材

Info

Publication number: JPH07163605A
Application number: JP5315631A
Authority: JP
Inventors: Toshio Ushito; 敏夫牛頭
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1993-12-15
Filing date: 1993-12-15
Publication date: 1995-06-27

Abstract

(57)【要約】【目的】純チタンの生体為害性がなく、生体親和性に
優れているといった性質を損なうことなく、インプラン
トに必要な引張強さおよび耐力といった機械的強度も十
分に備え、機械加工性が純チタンとほぼ同等で、耐疲労
性に優れ、高強度化した、バラツキの少ない安定した品
質のインプラントおよびインプラント用基材を提供す
る。【構成】冷間引抜き加工により高強度及び均質処理化
を受け、引張強さが５１０〜７４０Ｎ／ｍｍ² である純
チタンを用いてなるインプラントおよびインプラント用
基材である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、インプラント及びイ
ンプラント用基材に関するものである。さらに詳しく
は、この発明は、人工歯根、人工歯根用上部構造体、人
工関節、人工骨等のインプラント及びインプラント用基
材に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】生体内に埋め込んで使用されるインプラ
ントは、人体の歯牙、骨等の硬組織の代わりをするもの
である。歯牙、骨等は、部位、患者により様々に異なっ
ている。従って、インプラントの使用される部位、患者
さらには症状等により必要とされる形状には大きな制限
がある。インプラントには、人工歯根、人工歯根上部構
造体、人工関節、人工骨等として多種多様の形状、構造
のものが開発されており、材料としても、ステンレス
鋼、コバルトクロム合金等の金属材料、アパタイト、ジ
ルコニア、アルミナ等のセラミックス材料等各種のもの
が用いられている。また、最近では、金属材料でもチタ
ン、チタン合金等も用いられてきている。（例えば特公
昭５０−３８４３２号公報）インプラントとしては、生
体為害性がなく、生体親和性があり、化学的に安定で、
機械的強度が大きく、機械加工性が良好で、耐磨耗性が
良く、かつ安価であることが必要とされている。しかし
ながら、ステンレス鋼、コバルトクロム合金等の金属材
料は、生体内での金属イオンの溶出ということが避けら
れず、この点で化学的な安定性に欠けるところがあり、
金属イオンが生体組織に種々の悪影響を与えかねない。
さらに、これらの金属材料は、生体組織との親和性が必
ずしも良くないので、炎症が生じやすく、雑菌が患部に
入り込み感染をひきおこすなどの不都合が避けられなか
った。アパタイト、ジルコニア、アルミナ等のセラミッ
クス材料は、金属材料に比べ生体組織との親和性は良好
であるが、患部、症状に合わせて複雑な形状に加工する
ことは困難である。また、耐磨耗性は良好なものの機械
的強度において金属材料よりも劣るところがあり、その
ため金属材料に比べ厚さ、幅、径等を大きくしなければ
ならず、インプラント埋め込み時に患部に設ける穴、ね
じ穴、スリット状の溝等が大きくなって、生体に与える
負担が増大し、施術等が容易ではなかった。

【０００３】チタン合金は、各種のものがある。これら
は、一般的に純チタンよりも引張強度、耐力等の機械的
性質が優れており、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖに代表されるも
のであるが、合金中に含まれるＶやＡｌの生体内での溶
出による金属イオンの毒性が懸念されるといった問題点
を有している。純チタンは、生体為害性がなく、生体
親和性に優れていることから、インプラントとしては適
している。しかしながら、人工歯根、人工歯根用上部構
造体、人工関節、人工骨等に使用した場合、咬合力や歩
行時の荷重に対して、機械的強度が必ずしも十分とはい
えず、使用中破折したり、疲労破壊を生じることが多
い。ちなみに、成人が食物を噛み砕く時に一本の歯牙に
かかる荷重は、約７５Ｋｇといわれている。歯科用イン
プラントがかかる荷重に耐えて、十分な安全度を保証す
る範囲は、その荷重の３倍程度の座屈荷重に耐えること
が必要である。また、かかる荷重は繰り返し与えられる
ものであることから、疲労限度が大きいことも必要であ
る。また、股関節には、正常歩行時体重の３倍程の荷重
がかかるといわれている。インプラントとしての人工股
関節がかかる荷重に耐えて、十分な安全度を保証する範
囲は、その荷重の１０倍程度の座屈荷重に耐えることが
必要である。また、かかる荷重は繰り返し与えられるも
のであることから、疲労限度が大きいことも歯科用イン
プラントと同様必要である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】純チタンの上記欠点を
改善するため、酸素、窒素などの化学成分の添加および
組成制御またはイオン注入等によるチタンへの微量不純
物の添加方法、熱処理による窒化や酸化、スパッタリン
グ、イオンプレーティングおよびレーザ等の物理的処理
による窒化チタン、酸化チタン、炭化チタン等の被覆層
をチタン表面に形成する表面処理方法、冷間圧延による
加工硬化方法等といったチタンの機械的強度等を向上さ
せる各種の方法が提案されている。

【０００５】しかしながら、酸素、窒素などの化学成分
の添加および組成制御またはイオン注入等によるチタン
への微量不純物の添加方法は、機械的強度の高いものが
得られるが、微量不純物の添加制御等が困難なため工業
的に安定した品質のものを入手することが難しい。熱処
理による窒化や酸化、スパッタリング、イオンプレーテ
ィングおよびレーザ等の物理的処理による窒化チタン、
酸化チタン、炭化チタン等の被覆層をチタン表面に形成
する表面処理方法は、表面硬度を増加させることがで
き、耐磨耗性、耐腐食性の向上は期待できるが、表面だ
けの処理であるため均質でなく機械的強度等の信頼性が
低く、後加工ができないといった欠点ならびに被覆層が
剥離しやすいといった欠点を有している。

【０００６】また、冷間圧延による加工硬化方法は、均
質化した材料を加工硬化によって得ることが困難である
とともに、ブレード型人工歯根以外のインプラントを作
製するには適さないといった欠点を有している。この発
明は、上記のような従来技術の欠点を解決するために創
案されたものであり、純チタンの生体為害性がなく、生
体親和性に優れているといった性質を損なうことなく、
インプラントに必要な引張強さおよび耐力といった機械
的強度も十分に備え、機械加工性が純チタンとほぼ同等
で、耐疲労性に優れ、高強度化した、バラツキの少ない
安定した品質のインプラントおよびインプラント用基材
を提供することを目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、この発明では、冷間引抜き加工による高強度及び均
質化処理を受けた純チタンをインプラントに用いる。そ
して、その純チタンの引張強さが５１０〜７４０Ｎ／ｍ
ｍ² のものをインプラントに用いることを提供する。

【０００８】また、この発明では、冷間引抜き加工によ
る高強度及び均質化処理を受けた純チタンをインプラン
ト用基材として提供する。そして、その純チタンの引張
強さが５１０〜７４０Ｎ／ｍｍ² のインプラント用基材
を提供する。そして、かかる基材は、人工歯根、人工歯
根上部構造体、人工関節、人工骨等のインプラントとし
て用いることができる。

【０００９】この発明において冷間引抜き加工に供する
純チタンとしては、通常市販され、入手可能なものなら
何でも良いが、ＪＩＳ−Ｈ４６５０に記載されているＪ
ＩＳ２種相当のものが価格面や安定的な入手といった面
から好ましい。

【００１０】

【作用】この発明では、純チタンを冷間引抜き加工する
ことで、純チタンに高強度及び均質化を起こさせる。冷
間引抜き加工とは、穴のあいた工具（ダイス）の中に、
冷間で金属材料を通して引っ張り、ダイス穴と等しい断
面形状をもつ棒材、線材、管材を製造する塑性加工法で
あり、純チタンを冷間引抜き加工することによって、純
チタンに高強度及び均質化を起こさせ引張強さおよび耐
力等といった機械的強度を向上させることができる。こ
の場合、下記の式で表される冷間引抜き加工による加工
度（減面率）が低いと十分な機械的強度が得られない。
逆に、減面率が高すぎると純チタンに伸びがなくなって
脆くなり、加工時に割れを生じたりするので好ましくな
い。

【００１１】Ｋ（％）＝［（Ｓ−ｓ）／Ｓ］×１００Ｋ：加工度（減面率）Ｓ：加工前の断面積ｓ：加工
後の断面積この発明においては、冷間引抜き加工によ
る減面率は、３０〜４７％が望ましい。かかる範囲の減
面率による冷間引抜き加工を行うことで純チタンは高強
度及び均質化し、純チタンＪＩＳ２種相当の棒材および
線材の引張強さは、その規格である３４３〜５１０Ｎ／
ｍｍ² から、インプラントとして必要とされる５１０〜
７４０Ｎ／ｍｍ² にまで比較的容易に増強させることが
できるとともに、耐力も大幅に向上させることができ
る。上記の減面率範囲の冷間引抜き加工によって得られ
る純チタンは、高強度及び均質化の程度が各種機械加工
が可能な程度であり、複雑なインプラントを容易に作製
することができる。

【００１２】また、ＪＩＳ２相当の純チタンの機械的性
質は購入ロットによりバラツキが大きいものであるが、
上記の減面率範囲の冷間引抜き加工をすることによって
購入ロットによるバラツキが平準化され安定した機械的
性質の純チタンが得られ、インプラントとしての品質を
均一化することができる。なお、冷間引抜き加工は純チ
タンの組成を変えるものではないことから、加工後のヤ
ング率にはほとんど変化がない。

【００１３】従って、冷間引抜き加工によって得られた
純チタンは、生体為害性がなく、生体親和性に優れ、か
つ機械的強度も十分な品質の安定したものになり、人工
歯根、人工歯根用上部構造体、人工関節、人工骨等のイ
ンプラントおよびインプラント用基材として最適なもの
である。冷間引抜き加工による高強度及び均質化処理
を受けた純チタンを、人工歯根、人工歯根用上部構造
体、人工関節、人工骨等のインプラントのため、必要に
応じ適宜の形状、構造に切削加工等して用いる。

【００１４】人工歯根、人工歯根上部構造体の場合は、
さらに必要に応じ純チタンの表面に、真空蒸着、スパッ
タリング、イオンプレーティング、フレーム溶射、フレ
ームジェットまたはプラズマ溶射等の物理的方法、およ
び酸処理や陽極酸化処理等の化学的方法により、金、白
金などの金属、アルミナ、ジルコニア、アパタイト等の
セラミックス、ガラスセラミックス、ガラス等の歯科用
の各種材料をコーティングまたは積層することで複合化
して用いることが好ましいが、これに限定されるもので
はない。なお、人工歯根上部構造体としては、歯肉と接
する部分に用いられるアバットメント、歯冠を接続する
ための支台であるコア、アバットメントとコアとが一体
となったもの、または、人工歯根とアバットメント若し
くはコアと歯冠とを接続するねじ等があるが、これに限
定されるものではない。

【００１５】また、人工関節としては、ソケット、ボー
ル、ボール支持用ステム等があるが、これに限定される
ものではなく、人工骨としては、ボーンプレート、ボー
ンスクリュウ等があるが、これに限定されるものではな
い。以下、実施例を示し、さらに詳しくこの発明につい
て説明する。もちろんこの発明は以下の例によって限定
されるものではない。

【００１６】

【実施例】

実施例１〜３ＪＩＳ２種相当の純チタン（ＪＩＳＨ４６５０）で直
径８ｍｍの棒材を、通常市販されている引抜き加工機に
より加工条件を種々変え常温で冷間引抜き加工を行っ
た。加工値（減面率および直径）、引張強さ、伸び、耐
力、疲労、機械加工試験の結果を比較例とともに表１に
示す。なお、参考として純チタン線材および棒材のＪＩ
Ｓ２種およびＪＩＳ３種の規格を表２に示す。

【００１７】

【表１】

【００１８】

【表２】

【００１９】試験試料数は各試験につき各々ｎ＝３であ
り、各試験方法の概要は以下のとおりである。（引張強さ試験）万能試験機（オートグラフ、島津製作
所製）を用い、ＪＩＳ試験方法に従って引張強さ、伸
び、耐力を測定した。

【００２０】（疲労試験）直径２ｍｍの平行部を有する
疲労試験片を作製し、１トン油圧サーボ疲労試験機を用
いて疲労試験を行い、Ｓ−Ｎ曲線を作成した。（機械加工試験）人工歯根、および人工歯根用上部構造
体の一種であるアバットメント、人工関節用のステム、
さらに人工骨をそれぞれ切削加工により試作した。

【００２１】以上の結果より明らかなように、インプラ
ントおよびインプラント用基材として必要な引張強さを
満足し、伸び、耐力、耐疲労性、機械加工性を満足する
範囲は、実施例１〜３に示される程度の減面率による冷
間引抜き加工が適当であり、これより冷間引抜き加工の
程度が低いと、高強度及び均質化が十分ではなくインプ
ラントおよびインプラント用基材として必要な引張強さ
にまで到達することができず、十分な機械的強度が得ら
れない。逆に冷間引抜き加工の程度が高過ぎると、引張
強さは向上するものの、伸びが少なくなって脆くなり、
また、硬度が高くなり過ぎ機械加工性が悪くなるととも
に加工時に割れを生じ易くなる。そして、繰り返し荷重
により疲労破壊しやすくなる。そのためインプラントと
しては、過大な衝撃荷重等に対し破折し易く、また繰り
返し荷重に対し疲労破壊し易くなることから適当でな
い。従って、インプラントおよびインプラント用基材と
しては、引張強さ５１０〜７４０Ｎ／ｍｍ² の範囲（減
面率３０〜４７％）になるように純チタンに冷間引抜き
加工を施すことが、伸び、耐力、硬度、耐疲労性、機械
加工性といった観点からも必要である。

【００２２】なお、試験結果としては示していないが、
純チタンの機械的性質は購入ロットによりバラツキが大
きいものであるが、冷間引抜き加工を施した結果、ロッ
トによる引張強さ、伸び、耐力、硬度、耐疲労性等のバ
ラツキが平準化され、少なくなった。そのため、購入ロ
ットによる機械的性質のバラツキを特に配慮することな
く冷間引抜き加工を施すことでインプラント用の特性を
有する品質の安定したインプラント用基材を提供するこ
とができる。

【００２３】

【発明の効果】この発明は、以上詳しく説明したように
構成されているので、以下に記載されるような効果を奏
する。冷間引抜き加工による高強度及び均質化処理を受
けたものであるから、純チタンと同一組成で、純チタン
の生体為害性がなく、生体親和性に優れているといった
性質をそのまま有しており、かつ高強度及び均質化処理
によりインプラントに必要な引張強さ、伸び、および耐
力といった機械的強度も十分に備えており、大きな衝撃
荷重がかかった場合の破折等が純チタンからなるインプ
ラントと比べ格段に防止でき、インプラントおよびイン
プラント用基材として有用である。さらに、純チタンに
比べ高度強化していることから、より細く、小さく、軽
量なインプラントを提供することができ、疲労特性に優
れていることから、繰返し荷重等による疲労破壊が生じ
にくいインプラントを提供することができる。

【００２４】また、機械加工性が純チタンとほぼ同等で
あることから複雑な形状のインプラントを切削等の機械
加工で作製することができることから、特別なインプラ
ント用加工機を導入する必要がなく経済的である。そし
て、純チタンの冷間引抜き加工は、通常の引抜き加工機
を用いればよいので、新規に特別な冷間加工機を導入す
る必要がなく安価で済む。また、純チタンの購入ロット
による品質のバラツキが、冷間引抜き加工により少なく
なり、品質の安定したインプラントおよびインプラント
用基材を提供することができる。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】冷間引抜き加工による高強度及び均質化
処理を受けた純チタンを用いてなることを特徴とするイ
ンプラント。
【請求項２】前記冷間引抜き加工による高強度及び均
質化処理を受けた純チタンの引張強さが５１０〜７４０
Ｎ／ｍｍ² であることを特徴とする請求項１記載のイン
プラント。
【請求項３】冷間引抜き加工による加工硬化を受けた
純チタンからなることを特徴とするインプラント用基
材。
【請求項４】前記冷間引抜き加工による加工硬化を受
けた純チタンの引張強さが５１０〜７４０Ｎ／ｍｍ² で
あることを特徴とする請求項３記載のインプラント用基
材。