JPH11332974A - 生体補綴部材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】ハイドロキシアパタイトと第三リン酸カルシウ
ムを任意箇所に配した生体補綴部材を提供することを課
題とする。 【解決手段】基体表面の所望部位に純チタンとチタン合
金とを各々配し、純チタンからなる表面にはハイドロキ
シアパタイトを主体としたコーティング層７が形成され
るとともに、チタン合金からなる表面には、ハイドロキ
シアパタイト及び第三リン酸カルシウムを主成分とした
混合コーティング層８がそれぞれ形成されてなる生体補
綴部材とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は人体において、疾
病、災害などにより失われた機能を修復するための生体
補綴部材に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】純チタン、又は、チタン合金製の生体補
綴部材はすでに多く医療分野で使用されており、耐蝕性
に優れ、また為害性も少ないという特長を有している。
このように優れた特性を有するチタン系材料ではある
が、骨と化学的に癒合し固着することがないため、骨セ
メント（アクリル系即時重合レジン）を使用することに
より両者の機械的な接合が図られてきた。

【０００３】しかしながら、骨セメントの使用は、その
発熱及びモノマーの毒性などのため補綴材と骨との間に
ルーズニング（使用中の「ゆるみ」）を引き起し、疼痛
と、関節などの場合、関節機能の低下等を来す結果、抜
去再手術を余儀なくされるケースがしばしば見られる。

【０００４】他方、骨セメントに起因するルーズニング
をさけるため、補綴材の表面に凹凸を付与したセメント
レス型のものが考案されているが、このセメントレス型
の欠点としては、手術後に骨修復まで長期間待たねばな
らず、数カ月の免荷期間が必要とされる場合もあるため
現状では適用症例数も比較的少ない。

【０００５】そこで、骨と化学的に結合し、また、増殖
骨を形成しめる骨増殖能を有するリン酸カルシウム材料
を純チタン、又は、チタン合金からなる基体に被着せし
めることが行われている。このような試みとして、リン
酸カルシウム材のプラズマ溶射や、チタン材を溶射して
荒肌面としたところにリン酸カルシウム材のスラリーを
塗布、乾燥させることが行われてきた。

【０００６】これらは、骨との結合性およびリン酸カル
シウム系材料と基体との密着性という点でも優れたもの
であったが、高温での熱処理を伴うため、リン酸カルシ
ウム材の変質や基体強度の低下という問題を内在してい
た。

【０００７】また、特開平７−３１６２７号には、Ｃａ
化合物とＰ化合物を含有する電解質中で、純チタン及び
チタン合金からなる任意の形状の生体補綴部材を陽極酸
化し、その表面にＣａとＰを含む陽極酸化膜を形成さ
せ、さらにこの皮膜を水熱処理して表面に水酸化アパタ
イトなどのリン酸カルシウム化合物の被膜を形成させ、
短時間で複雑な形状の補綴部材表面にリン酸カルシウム
化合物の被膜を形成できることを特徴とした発明が記載
されている。

【０００８】これら従来の技術は、いずれも、ほぼ均一
な組成、性状のリン酸カルシウム化合物の被膜を形成す
るものであった。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】これに対して本発明者
は、例えば、リン酸カルシウム化合物であってもハイド
ロキシアパタイトと第三リン酸カルシウムでは、溶出性
や骨誘導能に差異があり、これらをそれぞれ生体補綴部
材表面の任意の箇所に最適に配することにより、骨形成
能をさらに向上せしめることができるとの知見に至っ
た。

【００１０】そこで、本発明は、ハイドロキシアパタイ
トと第三リン酸カルシウムを任意箇所に配した生体補綴
部材を提供することを課題とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明者は、前記陽極酸化＋水熱処理によるリン酸
カルシウム系化合物の被膜形成において基材が純チタン
の場合には、ほぼハイドロキシアパタイトからなるコー
ティング層となり、他方、チタン合金の場合には、ハイ
ドロキシアパタイト及び第三リン酸カルシウムを含んで
なる混合コーティング層を形成し易い傾向があることを
知見し、例えば、この傾向を利用して、生体補綴部材表
面に純チタンとチタン合金をそれぞれ任意に配すること
により、上記コーティング層と混合コーティング層をそ
れぞれ所望部位に形成することが可能であることを見い
だした。

【００１２】そこで本発明は、基体表面の所望部位に純
チタンとチタン合金とを各々配し、純チタンからなる表
面にはハイドロキシアパタイトを主体としたコーティン
グ層を形成するとともに、チタン合金からなる表面に
は、ハイドロキシアパタイト及び第三リン酸カルシウム
を主成分とした混合コーティング層をそれぞれ形成して
なる生体補綴部材を提供せんとするものである。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図によ
り説明する。

【００１４】本発明の生体補綴部材はチタン合金からな
る表面と純チタンからなる表面を配してなる。これら材
質の異なる表面を備える方法としては、チタン合金から
なるブロックと純チタンからなるブロックを接合した
り、或いは両材質の薄板を張り合わせたり、または、純
チタンからなるブロック（基体）の任意箇所にチタン合
金を熱溶射して表面層を形成するなど任意の方法を用い
ることができる。なお、ブロック同士や薄板同士の接合
方法としは、機械的な方法、例えば、ネジやボルトなど
を用いたり、或いは、熱的に両者の界面を溶合せしめる
方法など、任意の方法を用いることができる。

【００１５】次に、本発明の生体補綴部材は、基体表面
の前記純チタンからなる部位にほぼハイドロキシアパタ
イトのみからなるコーティング層を形成するとともに、
チタン合金からなる表面にハイドロキシアパタイト及び
第三リン酸カルシウムを主成分として含んで成る混合コ
ーティング層を形成してなる。

【００１６】このようなコーティング層を形成する方法
として、基体をカルシウムイオンとリンイオンもしくは
リン酸イオンを含む電解溶液中で、例えば、グリセロリ
ン酸塩とカルシウム塩を主成分とする電解質溶液中で公
知の方法で陽極酸化を行った後、水熱処理することによ
りリン酸カルシウム化合物を析出させる方法を用いるこ
とができる。

【００１７】陽極酸化に際して、前処理として、基体を
通法により研磨し、アルコール洗浄、水洗などで表面を
清浄にしておく。研磨できないものは酸洗等により表面
を清浄にする。表面積を増大させて被膜との密着性を向
上させるために、酸によるエッチング処理または、サン
ドブラスト処理により荒肌状にしておいてもよい。

【００１８】また、陽極酸化の最高電解電圧は１０−６
００Ｖが好ましい。この電圧が１０Ｖより低いと陽極酸
化ができず、６００Ｖを越えると被膜にムラが生じやす
くなる。また、電流はなるべく小電流のもとで徐々に陽
極酸化した方が被膜の付着強度が高まって好ましい。な
お、電解質溶液は５℃〜６０℃のやや高い温度に保つこ
とが好ましい。

【００１９】次に、前記水熱処理の温度については、１
００〜５００℃であることが好ましい。この温度が１０
０℃未満では結晶が生成しにくくなり、５００℃を越え
ると被膜と付着強度がの密着強度が低下するからであ
る。

【００２０】図１及び図２は、より具体的な実施形態と
しての生体補綴部材１を示し、図中、２は純チタンから
なる緻密質薄板２で、また、３は該緻密質薄板２に純チ
タンからなる多孔質薄板５とチタン合金からなる多孔質
薄板６を接合した多孔質体である。

【００２１】この多孔質体３は、細孔Ｈを多数設けた多
孔質薄板５、６を積み重ねて接合し、細孔Ｈが厚み方向
に連通するようにしたもので、また、緻密質薄板２側に
純チタンからなる多孔質薄板５、緻密質薄板２から離れ
た側にチタン合金からなる多孔質薄板６を配している。

【００２２】ところで、上記生体補綴部材１を構成する
多孔質体３の作製方法は次のとおりである。

【００２３】多数の細孔Ｈを穿設してなる厚さ１５０μ
ｍ以下の複数の多孔質薄板５、６を緻密質薄板２上に積
み重ね、真空焼結炉中において９００℃程度に加熱し、
接合面の金属原子の拡散結合により融着させた。

【００２４】なお、焼結炉はヒータがモリブデン製のも
のを使用し、加熱はアルゴンなどの不活性ガス雰囲気中
で行っても良い。また、細孔Ｈはエッチング法、レーザ
加工や、パンチングなどによって形成することができ
る。

【００２５】上記生体補綴部材１は、以上のようにして
作製された多孔質体３に対して、電解質溶液中で極酸化
を行った後、前述の水熱処理を行うことによりリン酸カ
ルシウム化合物からなる下記２種類のコーティング層を
形成したものである。

【００２６】すなわち、図２の断面図に示すように、細
孔Ｈ内を含めて純チタンからなる多孔質薄板５および緻
密質薄板２の表面にはハイドロキシアパタイト（以下、
ＨＡＰと略称する）のコーティング層７が形成されると
ともに、チタン合金からなる薄板６にはＨＡＰと第三リ
ン酸カルシウム（以下、ＴＣＰと略称する）を主成分と
して含む混合コーティング層８が形成されている。した
がって、細孔Ｈ内では底の緻密質薄板２の側、つまり底
側にＨＡＰとＴＣＰを主成分とする混合コーティング層
７を、そして、上面９の側、つまり表側に、ほぼＨＡＰ
のみからなるコーティング層７が配される。

【００２７】このことは骨誘導の点で次のような利点を
有する。

【００２８】骨と接合する上面９側の混合コーティング
層８を構成するＴＣＰが補綴後、早期に溶出し、接合す
る骨に骨増生を促す刺激を与え、その結果、接合骨から
活発な骨増生が細孔Ｈ内に向けて始まる。そして孔底に
は溶出し難いＨＡＰが存しており、やがて、新生骨とＨ
ＡＰとが化学的に結合することにより骨と生体補綴部材
１が強固に結合する。

【００２９】なお、前記コーティング層７は、ハイドロ
キシアパタイトが９５重量％以上を占める。また、Ｘ線
回折において、ＨＡＰの第１ピークに対するＴＣＰの第
１ピークの高さ比は１／１０未満である。

【００３０】他方、コーティング層８は、ＴＣＰが２０
重量％以上を占める。また、Ｘ線回折において、ＨＡＰ
の第１ピークに対するＴＣＰの第１ピークの高さ比は１
／２未満である。

【００３１】次に、図３〜図５の断面図は、他の実施形
態による生体補綴部材１を示し、多孔質体Ｓの断面構造
がそれぞれ異なっている。図３は多孔質薄板５，６に開
けられる細孔Ｈの有効寸法が、骨組織Ｂ側から緻密質板
状ブロックＩに近づくに連れて小さくなる多孔質体Ｓの
断面構造を示している。図４は図３とは逆の断面構造を
示している。特に多孔質体Ｓの表面に垂直方向の引張応
力が発生する場合に効果的な断面構造である。図５は上
から２つめの多孔質薄板６及び４つめの多孔質薄板５に
形成した細孔Ｈがその他の薄板に比べて格段に大きい断
面構造を示している。これら多孔質体Ｓはいずれも、緻
密質板状ブロックＩの側に純チタンからなる多孔質薄板
５、緻密質板状ブロックＩから離れた側にチタン合金か
らなる多孔質薄板６を配してなり、前記陽極酸化および
水熱処理により、純チタンからなる多孔質薄板５の表面
にほぼＨＡＰのみからなる前記コーティング層７を、そ
して、チタン合金からなる多孔質薄板６の表面に前記混
合コーティング層８を被着せしめている。

【００３２】以上、本発明の実施形態を例示したが、本
発明は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の
目的を逸脱しない限り任意の形態とすることができるこ
とは言うまでもない。

【００３３】動物実験 図３に示す一対の生体補綴部材１を緻密質板状ブロック
Ｉの裏面同士で接合し、１０×１５×２．０ｍｍの外形
形状を持った試料Ｐとした。この試料Ｐを用いて以下の
動物実験を行った。

【００３４】上記試料Ｐは、緻密質板状ブロックＩを中
央に挟んで、その両側に各９枚、合計１８枚、それぞれ
エッチングにより孔径１５０μｍの細孔を規則的に形成
した純チタンの多孔質薄板を前述の方法に準じて作製し
たものである。

【００３５】この試料Ｐを、リン化合物としてβ−グリ
セロリン酸ナトリウムを使用し、酢酸カルシウムととも
に蒸留水に溶解した液を用いて陽極酸化した。β−グリ
セロリン酸の濃度は０．１２Ｍ、酢酸カルシウムの濃度
は０．５０Ｍとした。また、電解電圧は３００Ｖとし、
この陽極酸化後、オートクレーブを用いて高圧水蒸気中
３００℃で約２時間水熱処理を行った。これら工程によ
り形成された被覆膜について分析を行ったところ、純チ
タンよりなる前記薄板５の表面には、Ｃａ／Ｐａ比１．
６７のほぼハイドロキシアパタイトのみよりなるコーテ
ィング層７が形成されていた。

【００３６】他方、チタン合金よりなる前記薄板６の表
面にはＨＡＰとＴＣＰを主成分として含有する混合コー
ティング層８が形成されていた。

【００３７】図６乃至図８は上述のようにして作製した
試料Ｐの有効性を検討するため行った動物実験の模試図
である。実験方法としては、Journal of Biomedical Ma
terials Research, Vol.19, pp.685-698(1985)に記載さ
れた方法に準拠して行った。

【００３８】すなわちＮＺＷ家兎（１２週齢：♂）３０
羽を用い、通方に従いネンブタール麻酔後、脛骨Ｔ近位
端内側より切開、骨面を露出した後、図６に示すように
皮質骨を貫通る２×１５ｍｍの窩洞を形成し、試料Ｐを
槌打、埋入後、通法どおり縫合し、ケージ内に静置し
た。

【００３９】動物は、術後２、６週間で過剰のネンブタ
ール麻酔下で屠殺し、図７のような試料Ｓを含む脛骨Ｔ
の骨ブロックを切り出した。

【００４０】骨ブロックは組織固定を行わないまま、ト
リミング後、図８の模試図に示すようにインストロン試
験機に取付、荷重条件としてクロスヘッドスピード３．
５ｃｍ／ｍｉｎで脛骨Ｔと試料Ｐの結合強度を測定し
た。なお、この結合強度は、各試料Ｓ表面と骨質が接し
ていた面積を切片より計測し、単位面記あたりに換算し
て求めた。その結果、２週埋入例では、７．２０±０．
８５ｋｇ／ｃｍ² という非常に高い値を示した。

【００４１】この試験後、試料Ｓの一端と固着している
骨ブロックを１０％中性緩衝ホルマリン水溶液で組織固
定、上昇列エタノールで脱水後、ポリエステス樹脂に包
理した。包理ブロックは骨長軸に垂直に試料Ｐの中央
部、またそれぞれ中央部から４ｍｍ離れた位置で薄切
し、厚さ約７０〜８０μｍに研磨した。

【００４２】得られた非脱灰研磨切片をＴＢ染色し、新
生骨組織の増生侵入の程度を観察した。

【００４３】この結果、２週例では早くも全体に未成熟
な新生骨の侵入が見られるが、６週例では骨質の成熟化
が進み、既存皮質骨との一体化が見られた。

【００４４】

【発明の効果】叙上のように本発明によれば、ハイドロ
キシアパタイトと第三リン酸カルシウムを生体補綴部材
表面の任意の箇所に最適に配したことにより、骨形成能
を向上せしめることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の生体補綴部材の斜視図である。

【図２】図１のＩ−Ｉ線断面図である。

【図３】他の実施形態による生体補綴部材の断面図であ
る。

【図４】他の実施形態による生体補綴部材の断面図であ
る。

【図５】他の実施形態による生体補綴部材の断面図であ
る。

【図６】動物実験の模試図である。

【図７】動物実験の模試図である。

【図８】動物実験の模試図である。

【符号の説明】

１ 生体補綴部材 ２ 緻密質薄板 ３、Ｓ 多孔質体 ５，６ 多孔質薄板 ７ コーティング層 ８ 混合コーティング層 ９ 上面 Ｈ 細孔 Ｉ 緻密質板状ブロック体 Ｂ 骨組織 Ｐ 試料 Ｔ 脛骨

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基体表面の所望部位に純チタンとチタン合
   金とを各々配し、純チタンからなる表面にはハイドロキ
   シアパタイトを主体としたコーティング層を形成すると
   ともに、チタン合金からなる表面には、ハイドロキシア
   パタイト及び第三リン酸カルシウムを主成分とした混合
   コーティング層をそれぞれ形成してなる生体補綴部材。