JPH08131535A - 生体インプラント材及びその製造方法 - Google Patents

生体インプラント材及びその製造方法

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JPH08131535A
JPH08131535A JP6299008A JP29900894A JPH08131535A JP H08131535 A JPH08131535 A JP H08131535A JP 6299008 A JP6299008 A JP 6299008A JP 29900894 A JP29900894 A JP 29900894A JP H08131535 A JPH08131535 A JP H08131535A
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JP
Japan
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metal
powder
titanium
coating layer
main component
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JP6299008A
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English (en)
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Tatsuya Gotou
竜哉 後藤
Kiyoyuki Okunaga
清行 奥長
Takehiro Shibuya
武宏 渋谷
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Nippon Electric Glass Co Ltd
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Nippon Electric Glass Co Ltd
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 チタン金属やチタン合金といったチタンを主
成分とする金属体の表面に、骨との接着性に優れ、しか
も金属体から剥離し難く、且つ、破壊され難い被覆層が
形成されてなる生体インプラント材とその製造方法を提
供する。 【構成】 チタンを主成分とする金属体の表面にチタン
を主成分とする金属と生体活性物質とからなる被覆層が
形成されてなり、該被覆層は、三次元的に連続したチタ
ンを主成分とする金属からなる骨格構造を有するととも
に骨格構造内に生体活性物質が固定されてなることを特
徴とする。このようなインプラント材は、チタンを主成
分とする金属体の表面に、チタンを主成分とする金属粉
末と生体活性物質粉末との混合粉末を溶射することによ
って製造される。

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、人工股関節、
人工歯根等の生体代替材料として有用な生体インプラン
ト材とその製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来より骨欠損部等を修復するための生
体インプラント材として、チタン金属やチタン合金から
なるものが知られている。このようなインプラント材
は、生体親和性があり、しかも高い機械的強度を有して
いるため、大腿骨、股関節等の大きな荷重のかかる部位
に使用されている。
【0003】しかしながら上記したインプラント材は、
骨を伝導する力が弱いため、骨がインプラント材の表面
に到達してから接着するのに時間がかかる。このため長
期間患者がベットから離れることができず、患者の肉体
的、精神的負担が大きいという問題を有している。
【0004】また生体内で周囲の骨組織と反応し、骨と
の間に化学結合を形成する特性を有するものとして生体
活性物質、例えば水酸化アパタイトやCaO−SiO2
系ガラス等からなるインプラント材が知られているが、
これらの材料は、機械的強度が低いという欠点を有して
いる。
【0005】そこでチタン金属やチタン合金からなる金
属体の表面に、これらの生体活性物質を溶射によって被
覆したインプラント材が提案されている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】ところで上記したイン
プラント材は、機械的強度が高く、生体親和性に優れ、
しかも骨との接着性も良好であるが、被覆層の結合力が
低く剥離しやすい。しかも被覆層自体の強度も不十分で
あるため、破壊され易いという欠点がある。
【0007】本発明の目的は、チタン金属やチタン合金
といったチタンを主成分とする金属体の表面に、骨との
接着性に優れ、しかも金属体から剥離し難く、且つ、破
壊され難い被覆層が形成されてなる生体インプラント材
とその製造方法を提供することである。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明者等は種々の検討
を行った結果、チタンを主成分とする金属粉末と生体活
性物質との混合粉末を溶射材料として用いることによ
り、上記目的が達成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。
【0009】即ち、本発明の生体インプラント材は、チ
タンを主成分とする金属体の表面にチタンを主成分とす
る金属と生体活性物質とからなる被覆層が形成されてな
り、該被覆層は、三次元的に連続したチタンを主成分と
する金属からなる骨格構造を有するとともに骨格構造内
に生体活性物質が固定されてなることを特徴とする。
【0010】また本発明の生体インプラント材の製造方
法は、チタンを主成分とする金属体の表面に、チタンを
主成分とする金属粉末と生体活性物質粉末との混合粉末
を溶射することによって、三次元的に連続したチタンを
主成分とする金属からなる骨格構造を有するとともに骨
格構造内に生体活性物質が固定された被覆層を形成する
ことを特徴とする。
【0011】
【作用】本発明の生体インプラント材は、被覆層の骨格
を構成する材料が金属体と同種の金属からなるために金
属体との冶金的結合によって両者が強固に結合してい
る。また三次元的に連続した金属からなる骨格構造を有
しているため、層自体の強度が高い。また骨格構造内に
生体活性物質が固定されているために骨との接着性に優
れたものである。
【0012】本発明の生体インプラント材において金属
体に使用するチタンを主成分とする金属とは、チタン金
属及びチタン合金を意味する。チタン合金としては、T
iを主成分としてAl、Sn、Zr、Mo、Ni、P
d、Ta、Nb、V、Pt等を添加した合金を使用する
ことができ、なかでもTi−6Al−4V合金を使用す
ることが好ましい。
【0013】本発明において、被覆層の骨格を形成する
チタンを主成分とする金属とは、上記金属体と同様の材
料若しくは水素化チタンを意味する。
【0014】また骨格構造内に固定される生体活性物質
としては、アパタイト、三燐酸カルシウム(TCP)等
に代表される燐酸カルシウム化合物や、MgO−CaO
−SiO2 −P25 系やNa2 O−CaO−SiO2
−P25 系に代表される生体活性ガラス又は結晶化ガ
ラスの粉末が使用できる。なお生体活性ガラス又は結晶
化ガラスにおいては、特にSiO2 の含有量が20〜6
0重量%、CaOの含有量が20〜50重量%であるも
のを使用することが望ましい。
【0015】なお被覆層中のチタンを主成分とする金属
と生体活性物質の割合は、生体活性と強度のバランスを
考慮すると金属50〜90体積%、生体活性物質50〜
10体積%の範囲が好ましい。この理由は、金属が50
体積%より少ないと三次元的に連続した骨格構造を形成
することが困難となって金属体との結合力及び被覆層自
体の強度が低下し、一方90体積%より多いと骨との接
着性が低下するためである。また被覆層の厚みは1〜2
50μmであることが好ましい。これは被覆層が1μm
より薄いと骨との接着性を改善する効果が低く、250
μmより厚くなる残留応力が大きくなって層が剥離し易
くなることによる。
【0016】次に本発明の生体インプラント材の製造方
法について説明する。
【0017】まずチタンを主成分とする金属体を用意す
る。
【0018】またチタンを主成分とする金属粉末と、生
体活性物質粉末との混合粉末を用意する。ここで両者の
割合は、金属粉末が50〜90体積%、生体活性物質粉
末が50〜10体積%であることが好ましい。またこれ
ら粉末の平均粒径は、溶射の際に瞬時に溶融するように
0.5〜100μm程度が好ましいが、被覆層をポーラ
スにする場合は、これ以上の平均粒径をもつものを使用
してもよい。
【0019】次いで金属体の表面に混合粉末を溶射する
ことにより、金属体上に金属粉末が溶着するとともに金
属粉末同士が溶着して三次元的に結合し、連続した骨格
構造を形成する。また金属粉末と同時に溶射された生体
活性物質粉末が骨格構造内に取り込まれる。なおチタン
系の金属は非常に酸化され易いため、溶射はArガス等
の不活性ガスによって置換された減圧雰囲気中で行うこ
とが必要である。溶射の方法は特に制限されるものでは
なく、例えばプラズマ溶射を用いることができる。プラ
ズマ溶射を用いた場合、材料とプラズマガンとの距離や
プラズマのエネルギーをコントロールすることによって
被覆層の緻密度を制御することが可能である。プラズマ
ガスについては、一般的にはN2 、H2 、Ar、He等
の中から組み合わせて使用すれば良いが、N2 やH2
チタンと反応し易いため、Ar−Heの組み合わせが望
ましい。
【0020】このようにして金属体の表面に、三次元的
に連続したチタンを主成分とする金属からなる骨格構造
を有するとともに骨格構造内に生体活性物質が固定され
た被覆層を形成することができる。
【0021】なお、被覆層を形成した後、さらに熱処理
すると、金属体と被覆層の結合強度を向上させたり、チ
タン金属の溶出性を改善することが可能となる。このた
めの熱処理条件としては、真空若しくはアルゴン等の不
活性ガス雰囲気中、600〜950℃で4時間以下が好
ましい。
【0022】
【実施例】以下、実施例に基づいて本発明の生体インプ
ラント材とその製造方法を詳細に説明する。
【0023】表1は、本発明の実施例の試料(No.1
〜6)及び比較例の試料(No.7)を示すものであ
る。
【0024】
【表1】
【0025】試料No.1〜6は次のようにして作製し
た。
【0026】まず金属体として、10×15×2t mm
の大きさのTi−6Al−4V合金を用い、この金属体
の表面粗さが、Rmax で約10μm程度となるようにサ
ンドブラストで荒らした。
【0027】また被覆層を構成する粉末として、チタン
粉末、生体活性ガラス粉末およびアパタイト粉末を準備
した。生体活性ガラス粉末としては、表2に示す2種類
を準備した。なおこのチタン粉末は最大粒径45μm、
平均粒径25μmであり、生体活性ガラス粉末は最大粒
径75μm、平均粒径20μmであり、またアパタイト
粉末は最大粒径75μm、平均粒径15μmのものを用
いた。
【0028】
【表2】
【0029】次いでチタン粉末、生体活性ガラス粉末お
よびアパタイト粉末を表1に示す割合で混合して混合粉
末を用意した。
【0030】その後、この混合粉末を金属体の表面にプ
ラズマ溶射して、三次元的に連続したチタンの骨格構造
内に生体活性物質が固定された被覆層を有する試料を得
た。なおプラズマ溶射は、アルゴンで置換した減圧雰囲
気中で行った。また試料No.6については、さらに1
-6Torrの真空中、950℃で2分間熱処理を施し
た。なお得られた試料の被覆層は、何れも厚みが約50
μm程度であった。
【0031】また比較例である試料No.7は、溶射材
料として生体活性ガラス粉末のみを使用して実施例と同
様の条件でプラズマ溶射を行い、被覆層(厚み50μ
m)を形成したものである。
【0032】次に作製した各試料について、被覆層の引
き剥がし強度、生体活性および骨との接着性を調べた。
【0033】その結果、実施例の各試料は、被覆層の引
き剥がし強度が150kgf/cm2 以上と高く、生体
活性および骨との接着性も良好であった。これに対し、
比較例であるNo.7の試料は、生体活性や骨との接着
性については良好であったものの、被覆層の引き剥がし
強度が60kgf/cm2 と劣っていた。
【0034】なお、引き剥がし強度は、図1に示すよう
に、試料10の対向する面に位置する被覆層11に、2
本の金属製の角棒12を接着剤13を用いて接着し、各
角棒12を相反する方向に引っ張り、被覆層11が剥離
した時の力を求めたものである。また生体活性は、人間
の体液のイオン濃度とほぼ同じように調製した疑似体液
を作り、この疑似体液の中に各試料を浸漬し、表面への
アパタイト結晶の生成の有無について調べたものであ
る。さらに骨との接着性は、各試料を家兎の脛骨に8週
間埋入した後、材料を骨ごと切り出して樹脂に包埋し、
断面方向に薄切したサンプルを組織学的に観察したもの
であり、材料表面に形成される骨組織の有無を評価する
ことによって行った。
【0035】
【発明の効果】以上のように本発明の生体インプラント
材は、骨と短期間で接合するとともに被覆層の剥離や破
壊が起こり難いために術後初期の固定が良好であり、患
者がベットから早期に離れることができ、患者の肉体
的、精神的負担を軽減することが可能である。
【0036】また本発明の方法によれば、上記したよう
なインプラント材を容易に製造することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】被覆層の引き剥がし強度の測定方法を示す説明
図である。
【符号の説明】
10 試料

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 チタンを主成分とする金属体の表面にチ
    タンを主成分とする金属と生体活性物質とからなる被覆
    層が形成されてなり、該被覆層は、三次元的に連続した
    チタンを主成分とする金属からなる骨格構造を有すると
    ともに骨格構造内に生体活性物質が固定されてなること
    を特徴とする生体インプラント材。
  2. 【請求項2】 被覆層は、チタンを主成分とする金属5
    0〜90体積%と生体活性物質50〜10体積%からな
    ることを特徴とする請求項1の生体インプラント材。
  3. 【請求項3】 生体活性物質は、SiO2 20〜60重
    量%、CaO 20〜50重量%の組成を有するガラス
    又は結晶化ガラスであることを特徴とする請求項1又は
    2の生体インプラント材。
  4. 【請求項4】 チタンを主成分とする金属体の表面に、
    チタンを主成分とする金属粉末と生体活性物質粉末との
    混合粉末を溶射することによって、三次元的に連続した
    チタンを主成分とする金属からなる骨格構造を有すると
    ともに骨格構造内に生体活性物質が固定された被覆層を
    形成することを特徴とする生体インプラント材の製造方
    法。
  5. 【請求項5】 チタンを主成分とする金属粉末と生体活
    性物質粉末との混合割合は、チタンを主成分とする金属
    粉末50〜90体積%と生体活性物質粉末50〜10体
    積%であることを特徴とする請求項4の生体インプラン
    ト材の製造方法。
  6. 【請求項6】 生体活性物質粉末として、SiO2 20
    〜60重量%、CaO 20〜50重量%の組成を有す
    るガラス又は結晶化ガラスを使用することを特徴とする
    請求項4又は5の生体インプラント材の製造方法。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20200021265A (ko) * 2018-08-20 2020-02-28 한국생산기술연구원 인체 삽입용 금속 부품의 표면개질 방법

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KR20200021265A (ko) * 2018-08-20 2020-02-28 한국생산기술연구원 인체 삽입용 금속 부품의 표면개질 방법

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