JPH09140783A - 生体用インプラント部材、及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来の生体用インプラント部材は、粗面構造
が２次元的で表層の薄い部分にしか凹凸がないものであ
るから、十分な投錨効果が発揮されないという問題があ
る。そこで、生体組織細胞の増殖促進に優れ、特に骨組
織に対してインプラント部材−骨結合部分における微小
投錨効果を十分に呈した生体用インプラント部材を提供
することを目的とする。 【解決手段】 チタン若しくはチタン基合金製の生体用
インプラント部材であって、該部材の少なくとも生体と
の接触部表面が、３次元的なスポンジ状の多孔質構造を
有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、歯科や外科等の医
療分野において、人工歯根，各種人工関節や人工関節用
補助部材，人工骨，髄内釘，脊椎湾曲矯正ロッド，顎骨
内インプラント，固定用ワイヤー，プレートやネジ等の
骨折接合用部材，人工心臓の弁，動脈溜結紮クリップ等
の、主として人体に埋め込まれて使用されるチタンまた
はチタン基合金製の生体用インプラント部材に関するも
のである。また、該生体用インプラント部材の製造方法
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】チタンやチタン基合金（以下、これらを
Ｔｉ合金と称することがある）は、破壊靭性や耐食性が
良く、また生体との親和性に優れていることから、生体
用材料として注目されており、1960年代の終わり頃から
生体用インプラント部材に用いられ始めている。

【０００３】インプラント部材としては、その表面に生
体組織が密着増殖し、生体との一体性によって強く支持
されていくことを意図しているが、開発当初のＴｉ合金
製生体用インプラント部材は、表面が鏡面構造のもので
あった為、骨等との密着性が弱く、生体組織によるイン
プラント部材の支持が不十分であった（従来例）。

【０００４】現在においては、Ｔｉ合金製生体用インプ
ラント部材と生体との親和性を一層改善向上させること
が望まれており、例えば、骨と生体用インプラント部材
の親和性改善については、繊維性組織を介する接合形態
であってもできる限り強固に接合できるといった性質を
有するものが望まれている。

【０００５】そこで種々の改良が提案され、例えば骨組
織に対する密着性改善技術としては、例えばインプラン
ト部材表面を機械加工によって粗面化する方法（従来例
）や、インプラント部材表面へプラズマ溶射を行って
粗面化する方法（従来例）等が行われている。この様
な粗面となった表面では、骨細胞が粗面形態に沿って侵
入・増殖し、軟組織を介したインプラント部材−骨結合
部で、投錨作用を呈するから、部材の骨内支持を強固に
することができる。

【０００６】しかし上記従来例は、機械加工の際に切
削用，研磨用等の金属製加工具に由来する異種金属や無
機物質がインプラント部材表面に転移し、これによって
生体組織を害するという問題がある。また上記従来例
は、加工工程が複雑で生産コストが高くなるといった問
題がある。

【０００７】これらの欠点を解決したものとして、特開
平3-146679号には、フッ化水素酸水溶液を用いた化成処
理によって、表面に不定形の微細な凹みを設けたインプ
ラント部材が提案されている（従来例）。該インプラ
ント部材の製造方法は、まず部材表面をフッ化水素酸水
溶液に浸漬処理した後、フッ化水素酸水溶液と過酸化水
素液との混合液に浸漬処理するというものである。

【０００８】他方、骨組織以外の生体に適用するインプ
ラント部材、例えば生体埋込式の医療器等の生体用イン
プラント部材においても、イオンビームを用いたイオン
エッチング技術によって、部材表面に直径２〜数百μｍ
の微細で規則的な起伏・穴を形成することが行われてお
り、部材表面における周辺組織の侵入成長促進を図って
いる（従来例）。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来例
の生体用インプラント部材は、粗面構造が２次元的で
表層の薄い部分にしか凹凸がないものであるから、投錨
効果が不十分であるという問題がある。また、従来例
においても従来例と同様に、加工工程が複雑で、生産
コストが高いという問題がある。

【００１０】そこで本発明においては、以上の様な問題
に鑑み、生体組織細胞の増殖促進に優れ、特に骨組織に
対して、インプラント部材−骨結合部分における微小投
錨効果を十分に呈した生体用インプラント部材を提供す
ることを目的とする。また、該生体用インプラント部材
を製造するた為の、簡便で生産性が高く、且つ安価な方
法を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明に係る生体用イン
プラント部材は、チタン若しくはチタン基合金製の生体
用インプラント部材であって、該生体用インプラント部
材の少なくとも生体との接触部表面が、３次元的なスポ
ンジ状の多孔質構造を有することを要旨とする。更に、
前記多孔質構造が、０．１〜５μｍの空孔が重なってつ
ながり合っているものであることが好ましい。

【００１２】また本発明に係る生体用インプラント部材
の製造方法は、前記生体用インプラント部材の少なくと
も生体との接触部表面を、塩酸によって処理することを
要旨とする。加えて、前記塩酸に、弱酸或いは強酸を併
用して処理することが望ましい。

【００１３】

【発明の実施の形態】従来より生体に対する適合性の向
上を図る為に、生体用インプラント部材表面の粗面化が
行われているが、本発明のインプラント部材は、粗面の
形態を一層良い形状としたものであり、前述の如く、表
面が３次元的なスポンジ状の多孔質構造である。即ち、
空孔が面方向のみならず深さ方向にもつながり合い、各
空孔が縦横に連通してスポンジ状を呈している。

【００１４】この様な構造であると、細胞が増殖しやす
く、且つ細胞の出す偽足や細胞自身がインプラント部材
の多孔質構造と複雑に絡み合うこととなり、従来よりも
強い微小投錨効果が得られ、生体とインプラント部材が
一層強固に結合するのである。

【００１５】即ち、本発明の生体用インプラント部材の
生体との接触表面は、３次元的なスポンジ状構造であ
り、新生組織細胞の一部がアンダーカット内に侵入形成
されるので、骨とインプラント部材との結合を強固にす
るのである。

【００１６】一方、従来のインプラント部材は、表層の
みに単純な凹凸が形成されているものであるから、細胞
と部材が表面のみで噛み合う程度のものであり、上述の
様なアンダーカットによる係合はなく、結合力が比較的
不十分であったのである。前記空孔の好ましい大きさは
０．１〜５μｍであり、この様な大きさとすることで、
細胞の接着足が空孔内に良好に侵入可能となる。

【００１７】次に製造方法について説明する。Ｔｉ合金
は酸処理によって表面から侵食を受けるものであるが、
本発明者らは各種の酸の内、塩酸が、上記３次元的なス
ポンジ状の多孔質構造をＴｉ合金製部材の表面に形成す
るのに最適であるということを見い出した。

【００１８】従来例で用いられているフッ化水素酸等
の場合は、侵食作用が強く、当初の侵食によって形成し
た山部分を、次々と侵食していく為に、侵食が面方向に
広がり、結果的に２次元的凹凸を表層部に形成するに留
まるものと考えられる。

【００１９】これに対し、塩酸の場合は、侵食作用が穏
やかである為、当初の侵食によって形成した山部分をあ
る程度残しつつ、谷部分の侵食が進行し、これによって
３次元的なスポンジ状構造を形成するものと考えられ
る。しかも、好適な大きさの空孔を形成することができ
る。

【００２０】本発明に係る製造方法においては、塩酸の
濃度、処理時間、処理温度、若しくはこれに添加する弱
酸や強酸の濃度を調整することで、空孔の大きさや多孔
質構造部分の厚さをコントロールすることができる。

【００２１】また本発明の製造方法は、塩酸による処理
であるから、上記従来例の様な異種金属いよる汚染の
心配がなく、またインプラント部材の表面に存在するチ
タン酸化膜を除去することもできる。尚、本製造方法に
用いる塩酸は水溶性であるから、これ自体は水洗により
容易に除去できる。

【００２２】塩酸水溶液を用いた場合は、原材料からイ
ンプラント部材形状への加工工程中に受けた異種金属の
汚染も、該水溶液による洗浄効果によって除去すること
ができる。

【００２３】塩酸による処理の具体的方法としては、
(1) 塩酸を主成分とする水溶液にインプラント部材を浸
漬する方法、(2) 塩酸を染み込ませたゲル状高分子の保
持体をインプラント部材表面に塗布し、一定時間保持し
た後、上記保持体ごと表面付着物を洗い流す方法、(3)
インプラント部材表面を塩酸蒸気に曝す方法が挙げられ
る。

【００２４】尚、塩酸による処理は、インプラント部材
の少なくとも生体との接触部分に行えば良く、インプラ
ント部材全体に行う必要はない。本発明の製造方法は、
前述の様に塩酸を用いたものであるから、簡便であり、
生産性が良く、且つ安価である。

【００２５】次に、製造方法における各種処理条件につ
いて述べる。まず塩酸水溶液を単独で使用して処理を施
す場合について述べる。図１〜３は各種温度における塩
酸濃度（M ）と処理時間（min.）の関係を現すグラフで
あり、図１は２５℃、図２は４５℃、図３は６０℃の処
理温度の場合を示す。図中、○は好適なスポンジ状の多
孔質構造を形成した場合、●は過剰侵食が生じた場合、
×は好適なスポンジ状構造の形成までに至っていない場
合を示し、グラフ中の点網で示した部分は本発明におけ
る好適条件範囲を現す。

【００２６】図からも分かる様に、塩酸濃度が低い、ま
たは処理時間が短い、或いは処理温度が低い場合は、３
次元的なスポンジ状多孔質構造が未形成となり、逆に塩
酸濃度が高い、処理時間が長い、処理温度が高い場合
は、インプラント部材表面が過剰に侵食され、針状の凸
部を持つ２次元的な粗面となる。

【００２７】図中、点網で示した範囲内の塩酸濃度，処
理時間，処理温度の組合わせの場合においては、３次元
的なスポンジ状多孔質構造が形成される。またこの範囲
内において濃度，温度，時間の条件の組合わせを適宜調
整することで、空孔の大きさや多孔質構造部分の深さを
調整することが可能である。

【００２８】尚、より好ましい塩酸濃度としては１M 以
上であり、１M 未満の場合は処理時間を長くするか、反
応温度を著しく上げなければならず、コストが高くつく
為、実用的でない。

【００２９】また、より好ましい処理時間は１分以上で
あり、１分未満では、非常に濃い塩酸を用い、また処理
温度を高くしなければならず、この場合には侵食作用が
強くなり過ぎて、好適なスポンジ状構造を形成する為の
条件調整が困難になる。

【００３０】処理温度としては、例えば沸騰水溶液で処
理した場合は、上述と同様に、侵食作用が強くなり過ぎ
て好適なスポンジ状構造を形成する為の条件調整が困難
になるから、沸騰温度以下が望ましい。また、作業のし
易さから、室温から８０℃の処理温度が好ましい。

【００３１】次に、塩酸と、弱酸や強酸を併用する場合
について述べる。上述の様な条件を調整するだけでな
く、弱酸や強酸を併用することによっても、空孔の大き
さや多孔質構造部分の深さをコントロールすることがで
きる。

【００３２】弱酸の例としては、酢酸やマレイン酸等の
有機酸が挙げられ、これらを添加することで、スポンジ
状構造の形成を遅延化し、また空孔の大きさを小さくす
ることができる。添加量としては２０v/v ％以下が好ま
しく、２０v/v ％を超えて添加した場合は侵食作用が弱
くなり過ぎ、スポンジ状構造を形成できなくなるからで
ある。

【００３３】強酸の例としては、硝酸，フッ化水素，硫
酸等が挙げられ、これらを添加することで、スポンジ状
構造形成の時間短縮が図れ、また空孔の大きさを大きく
することができる。添加量としては２０v/v ％以下が好
ましく、２０v/v ％を超えて添加した場合は過剰侵食さ
れてスポンジ状構造が崩れるからである。

【００３４】

【実施例】

＜実験１＞（前記処理方法(1) の例、及び骨芽細胞の増
殖向上効果について）10×10×1mm の大きさの純チタン
板状片を、＃400 ＳｉＣで湿式研磨し、アセトン、蒸留
水の順で洗浄した。次に、10M 塩酸水溶液に25℃で10分
間浸漬し、その後、蒸留水中で超音波洗浄を施し、乾燥
した（実施例１）。該実施例１の表面を走査電子顕微鏡
で観察した。

【００３５】その結果、塩酸水溶液処理前のインプラン
ト部材では鏡面であったが、塩酸水溶液処理後のインプ
ラント部材（実施例１）の表面には、直径0.1 〜5 μｍ
の球状孔が縦横につながり合ったスポンジ状の多孔質構
造が観察された。

【００３６】該実施例１で得られたインプラント部材の
表面に、骨芽細胞MC3T3-E1を接種し、５％ＣＯ₂ 雰囲気
の培養器内で、37℃，１０日間の培養を行った。また比
較の為、研磨を行った後、塩酸水溶液処理を行っていな
いインプラント部材（比較例１）についても、同様に骨
芽細胞の培養を行った。

【００３７】そして細胞の接種から３，６，１０日目に
おける、実施例１，比較例１の表面に付着した骨芽細胞
の数を数えた。その結果を図４に示す。図４から明かな
様に、本実施例１のインプラント部材は、比較例１より
も骨芽細胞の増殖が良いことが分かる。

【００３８】＜実験２＞（繊維芽細胞の増殖効果につい
て） 上記実施例１及び上記比較例１のインプラント部材表面
に、代表的な生体組織細胞である繊維芽細胞L929を接種
し、上記と同様に１０日間培養を行った。細胞の接種か
ら３，６，１０日目における、実施例１，比較例１の表
面に付着した細胞の数を数えた。その結果を図５に示
す。図５から明かな様に、本実施例１のインプラント部
材は、比較例１よりも細胞増殖が良いことが分かる。

【００３９】以上の様に、実施例１の生体用インプラン
ト部材は、骨芽細胞の増殖に優れ、また骨組織以外の一
般的な細胞である生体組織細胞についても、その増殖に
優れている。

【００４０】＜実験３＞（塩酸濃度の最低条件につい
て） 上記実験例１と同様に、10×10×1mm の大きさの純チタ
ン板状片を、＃400 ＳｉＣで湿式研磨し、アセトン、蒸
留水の順で洗浄した。その後１M 塩酸水溶液に60℃で60
分間浸漬し、蒸留水中で超音波洗浄を施し、乾燥した
（実施例２）。該実施例２の表面を走査電子顕微鏡で観
察した。

【００４１】その結果、実施例２の表面には、直径0.1
〜1 μｍの球状孔が縦横につながり合った３次元的なス
ポンジ状多孔質構造が観察された。尚、本実施例２の場
合は塩酸濃度が薄くマイルドな条件であるから、実施例
１に比べ孔径のばらつきが小さくなったものと考えられ
る。

【００４２】本実験３においては、塩酸処理温度を比較
的高く且つ処理時間を比較的長く行っており、それ以上
の処理温度，時間はあまり実用的でないことから、塩酸
の濃度としては１M より薄いものは不適当であり、１M
以上であるのが好ましいことが分かる。

【００４３】＜実験４＞（処理時間の最低条件につい
て） 上記実験例１と同様に、10×10×1mm の大きさの純チタ
ン板状片を、＃400 ＳｉＣで湿式研磨し、アセトン、蒸
留水の順で洗浄した。その後10M 塩酸水溶液に80℃で１
分間浸漬し、蒸留水中で超音波洗浄を施し、乾燥した
（実施例３）。該実施例３の表面を走査電子顕微鏡で観
察した。その結果、実施例３の表面には、直径0.3 〜5
μｍの球状孔が縦横につながり合った３次元的なスポン
ジ状多孔質構造が観察された。

【００４４】処理時間が短くても良い程に、濃い塩酸や
高い温度で処理した場合は、侵食作用が強すぎて良好な
スポンジ状構造を形成し難いものであるが、本実験４の
様に１分間の場合には良好なスポンジ状多孔質構造を形
成しているから、処理時間は１分以上が好ましいことが
分かる。

【００４５】＜実験５＞（前記(2) の処理方法の例） 上記実験例１と同様に、10×10×1mm の大きさの純チタ
ン板状片を、＃400 ＳｉＣで湿式研磨し、アセトン、蒸
留水の順で洗浄した。その後10M 塩酸を染み込ませたゲ
ル状高分子を表面に塗布し、10分間，室温（25℃）で放
置した。放置後、蒸留水中で上記高分子と共に他の表面
付着物を洗い流し、乾燥した（実施例４）。該実施例４
の表面を走査電子顕微鏡で観察した。その結果、実施例
４の表面には直径0.1 〜5 μｍの球状孔が縦横につなが
り合った３次元的なスポンジ状多孔質構造が観察され
た。以上のことから、前記(2) の方法によって、スポン
ジ状多孔質構造の表面を持つ生体用インプラント部材を
製造することができることが分かる。

【００４６】＜実験６＞（前記(3) の処理方法の例） 上記実験例１と同様に、10×10×1mm の大きさの純チタ
ン板状片を、＃400 ＳｉＣで湿式研磨し、アセトン、蒸
留水の順で洗浄した。次に、塩酸蒸気下に10分間曝した
後、蒸留水中で洗浄し、乾燥した（実施例５）。該実施
例５の表面を走査電子顕微鏡で観察した。その結果、実
施例５の表面には、直径２〜５μｍの球状孔が縦横につ
ながり合った３次元的なスポンジ状多孔質構造が観察さ
れた。以上のことから、前記(3) の方法によって、スポ
ンジ状多孔質構造の表面を持つ生体用インプラント部材
を製造することができることが分かる。

【００４７】＜実験７＞（硫酸による処理の場合につい
て） 上記実験例１と同様に、10×10×1mm の大きさの純チタ
ン板状片を、＃400 ＳｉＣで湿式研磨し、アセトン、蒸
留水の順で洗浄した。次に、10M 硫酸溶液に25℃で30分
間浸漬し、その後蒸留水中で超音波洗浄を施し、乾燥し
た（比較例２）。該比較例２の表面を走査電子顕微鏡で
観察した。比較例２の表面は、ほとんど侵食を受けてお
らず、３次元的なスポンジ状構造は観察されなかった。

【００４８】＜実験８＞（硝・フッ酸水溶液による処理
の場合について） 上記実験例１と同様に、10×10×1mm の大きさの純チタ
ン板状片を、＃400 ＳｉＣで湿式研磨し、アセトン、蒸
留水の順で洗浄した。次に、10vol ％硝酸と5vol％フッ
化水素酸の混合液（硝・フッ酸水溶液）に、室温（25
℃）で30秒間浸漬し、その後蒸留水中で超音波洗浄を施
し、乾燥した（比較例３）。該比較例３の表面を走査電
子顕微鏡で観察した。比較例３の表面には、針状の凸部
を持った２次元的な凹凸が観察され、３次元的なスポン
ジ状構造は観察されなかった。

【００４９】＜実験９＞（りん酸による処理の場合につ
いて） 上記実験例１と同様に、10×10×1mm の大きさの純チタ
ン板状片を、＃400 ＳｉＣで湿式研磨し、アセトン、蒸
留水の順で洗浄した。次に、10M りん酸水溶液に、室温
（25℃）で10分間浸漬し、その後蒸留水中で超音波洗浄
を施し、乾燥した（比較例４）。該比較例４の表面を走
査電子顕微鏡で観察した。比較例４の表面には、２次元
的な凹凸が観察されたが、３次元的なスポンジ状構造は
観察されなかった。

【００５０】＜実験１０＞（陽極酸化処理の場合につい
て） 上記実験例１と同様に、10×10×1mm の大きさの純チタ
ン板状片を、＃400 ＳｉＣで湿式研磨し、アセトン、蒸
留水の順で洗浄した。次に、1vol％りん酸水溶液に、室
温で50V の電圧をかけつつ10分間浸漬し、その後蒸留水
中で超音波洗浄を施し、乾燥した（比較例５）。該比較
例５の表面を走査電子顕微鏡で観察した。比較例５の表
面には、大きく滑らかな凹凸は観察されたが、３次元的
なスポンジ状構造は観察されなかった。

【００５１】以上の実施例１〜３及び比較例２〜５から
分かる様に、塩酸による処理の場合は良好な３次元的な
スポンジ状多孔質構造がインプラント部材表面に観察さ
れたが、他の酸若しくはアルカリなどによる処理の場合
は、良好な３次元的なスポンジ状多孔質構造は観察され
なかった。

【００５２】

【発明の効果】本発明に係る生体用インプラント部材
は、該部材の生体との接触面（多孔質構造の面）におい
て、周辺の生体組織細胞の付着とその増殖促進に優れて
いる。従って生体用インプラント部材と生体との親和性
が極めて高く、特に骨組織に対しては、インプラント部
材−骨結合部分での微小投錨効果を十分に発揮し、骨組
織によるインプラント部材の強固な支持が期待できる。
また、本発明に係る生体用インプラント部材の製造方法
は、簡便で、生産性が良く、しかも安価である。

【図面の簡単な説明】

【図１】処理温度２５℃における各塩酸濃度及び各処理
時間についての、多孔質構造形成の状況を現す図。

【図２】処理温度４５℃における各塩酸濃度及び各処理
時間についての、多孔質構造形成の状況を現す図。

【図３】処理温度６０℃における各塩酸濃度及び各処理
時間についての、多孔質構造形成の状況を現す図。

【図４】本発明の実施例１に係るインプラント部材と、
比較例１のインプラント部材について、表面に付着した
骨芽細胞数を表す図。

【図５】本発明の実施例１に係るインプラント部材と、
比較例１のインプラント部材について、表面に付着した
繊維芽細胞数を表す図。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 チタン若しくはチタン基合金製の生体用
   インプラント部材において、該生体用インプラント部材
   の少なくとも生体との接触部表面が、３次元的なスポン
   ジ状の多孔質構造を有することを特徴とする生体用イン
   プラント部材。
2. 【請求項２】 前記多孔質構造が、０．１〜５μｍの空
   孔がつながり合っているものである請求項１に記載の生
   体用インプラント部材。
3. 【請求項３】 生体用インプラント部材の少なくとも生
   体との接触部表面を、塩酸によって処理する請求項１ま
   たは２に記載の生体用インプラント部材の製造方法。
4. 【請求項４】 前記塩酸に、弱酸或いは強酸を併用して
   処理する請求項３に記載の生体用インプラント部材の製
   造方法。