JPS60253445A - セラミツク製生体部材とその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は人体において疾病などにより失なわれた機能を
修復するための人工関節及び硬組織を修復するための生
体部材とその製造方法に関するものである。

現在、変形性関節症や慢性関節リウマチなどのために手
足の関節機能が失なわれた場合、外科的療法の１つとし
て人工関節置換術が行なわれており、その数は全世界で
年間数万件にも達している。

人工関節は、金属、プラスチック、セラミックなどを材
料として作られ、人工股関節を筆頭に人工膝関節、人工
足−節、人工肘関節など多岐に渡る。これらの人工関節
において共通した最大の問題点はルーズニング（使用中
の「ゆるみ」）である。即ち、人工関節置換術後数年径
た後、人工関節と生体骨との間にゆるみを生じて疼痛と
関節機能の低下を来たす結果、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のである。

人工間ｆｍｆｌ＆換手術においては、人工関節と人体の
骨１ｍ節端とを接着させるため、手術中に骨セメントと
称するアクリル系樹脂が用いられているが。

重合時に７０〜８０℃に発熱するため、この重合熱で骨
や軟部組織の蛋白が凝固、壊死を生じ、また重合時に残
留するモノマーも毒性を持つ。従ってこの骨セメントは
手術中短時間で骨に強固に接合できるものの、後でルー
ズニングを生じる一因と８．９っていると考えられる。

ざらｆこ金属製人工関節蜀場合には、生体中での金属素
材の腐食は避″け難いものであり、溶出した金属イオン
は生体へ悪影響を及ぼす。

これらのことから、生体中で腐食すること無く、又、骨
との親和性が良いため骨セメント無しで骨と癒着一体化
することのできるアルミナセラミック製人工関節が開発
され、すでに実用に供されている。ところがアルミナセ
ラミックは生体内での優れた安定性と大きな機械的強度
を持っている反面、不活性な材料であるため生体へ埋入
した後の天然骨の増生による該天然骨との癒着固定に至
るまでには相当長期間を要する。そこで機械的強度は弱
いが生体中で活性であり、骨と短期間で直に結合するこ
とのできるヒドロキシアパタイトをアルミナセラミック
と組み合わせることにより、生ｉ活性を有しかつ強度の
大きな人工関節をもたら坏ことが考えられて詔り、例え
ば、特開昭５４−５０１９４に見られる如く、高強度基
体表面にリン酸カルシウム系材料の表面層を被着したも
のなどがすでに提案されている。この場合、高強度基体
の表面にはリン酸カルシウム糸、材料をプラズマ溶射し
たり、いわゆるスラリー中にドブ浸けするなどの方法に
よって被着したものであることから、高強度基体表面に
被着したリン酸カルシウムなどコート層は０．１ａ程度
の厚さのもので、薄く、しかも微細粒子が多孔質状に並
んだものとなる。このようＩこ、多孔質状を成している
ため、高強度基体との熱膨張差はある程度吸収され、コ
ート層の内部応力も若干緩和されるものの、依然として
熱膨張差が大きいことによって高強度基体からコート層
が剥離し易い。しかも、コート層を成す燐酸カルシウム
の粒子径が数μ程度で、極めて小さく、かつ密集したも
のであることから、多孔質とはいうものの空隙の大きさ
は数μ以下であり、このように小さな空隙では生体中に
おいて骨の増生侵入が不可能である。従って、生体活性
の材料が生体と直に接しているため、骨細胞との化学的
な結合）比較的早く行なわれるものの、骨との機械的結
為が行なわれないため強力なる結合力が得られないとい
う大きな欠点があった。

本発明は上記の茹き従来の各種人工骨１人′工関節など
の生体部材の有する諸問題並び１こコーチイニング材の
欠点に鑑みて開発したもので、以下、実験例により具体
的に説明する。

先づ、本発明を成す試験片の製作法について述べると、
アルミナ（ＡＪ２０ａ）を９９％含むアルミナセラミッ
ク基板上に生体に無害なシリカ糸ガラス粉末（平均粒径
８μ）に有機粘結剤を混ぜ合わせたスラリーを塗布し、
その後ヒドロキシアパタイトのブロック体を粉砕、分級
して成した不定形状で平均粒径１００〜２０００μ（１
４５〜９メツシユ）の小粒体を分布密度２５〜１０００
０個／ｄの範囲で上記アルミナセラミック基板上に散布
し、９００〜１３００℃酸化雰囲気中にて１時間焼成す
ることにより試験片を作った。

〔実験例１〕 アルミナを９９％含むセラミック基板（１０ｍ）＜１０
ａＸ３ｆｌ）上にシリカ糸ガラススラリーを塗布し、そ
の後ヒドロキシアパタイトのブロック体を、粉砕、分級
して成した不定形状で平均粒径２５０〜３５０μ（６０
メツシユ〜４２メツシユ）の小粒体を分布密度８００〜
１６００個／ｅ１１の範囲で上記アルミナセラミック基
板上に散布し、　１１００℃酸化雰囲気′中にて１時間
焼成する事により試験片を製作した。

これを第１群とする。次に同様な方法にて平均粒径１０
００〜１５００μ（１６〜１０メツシユ）の小粒体を分
布密度４０〜１００個／ｄの範囲でセラミック基板上に
固定した。これを第２群とする。又、ヒドロキシアパタ
イトの小粒体を付着していない基準片としてのアルミナ
基板を比較片島して用い、これを第３群とした。

以上の様な方法ｌこて作成した試験片をオートクレーブ
にて滅菌しそれぞれ家兎の脛骨頚部イこ埋入し、術後８
週、１２週、２４週にて屠殺して試験片を含む生骨を採
り出し、試験片近傍をデンタルバーにて削り落としてフ
ックを係合できる様な形状の検体とした。次に試験片と
骨の各々にフックをかけ、インストロン型オートグラフ
を用いてクロスヘッドスピード５＃ＦＩ／分憂こて引張
試験を行ない、試験片に対する天然骨の接合強度を測定
した。検東数は各々１０例であった。又、試験後検体、
をホルマリン固定し、非脱灰標本として光学顕微鏡など
を用いて天然骨の接合状態及び骨細胞の生育状態を詳し
く観察した。

先づ術後８週の結果では、平均粒径２５０〜３５０μの
ヒドロキシアパタイト小粒体を固定したアルミナ基板に
あっては、アルミナ基板単体のものに比較して約１５倍
もの大きな接着強度で天然骨と接合することが判明した
。これは平均粒径２５０〜３５０μの不定形の小粒体の
形成する隙間が骨細胞が増生して入り込むのに適した１
００〜１５０μの間隙となっているためであり、同時に
実施した平均粒径１０００〜１５００μの小粒体を付着
した第２群にあっては、形成される間隙は４００〜６０
０μと広いため、ヒドロキシアパタイト表面は新生骨に
覆われるものの、骨形成が疎であるため接着強度は第１
群の１／！弱であった。一方顕微鏡的観察では、新生骨
がヒドロキシアパタイト小粒体とダイレクトに結合しヒ
ドロキシアパタイトの小粒体の形状に応じて細部にまで
骨細胞が入り込んでいる様子が見られた。

この実験例の如く平均粒径２５０〜３５０μのヒドロキ
シアパタイトを固定したアルミナ基板では、間隙への骨
細胞の増生侵入によるアンカー効果とヒドロキシアパタ
イトと丙然骨との緊密な結合により術後短期間にておい
て大きな接合力が得られた。従って骨セメントを用いな
いセラミック製人工関節への応用において、術後短期間
での初期固定性を与える優れたものであることが確認さ
れた。

次に術後１２週の結果を８週のものと比較検討すネと、
平均粒径２５０〜３５０μの小粒体を固定した第１群で
はわずか８．３％の接着強度の増加に留まっているのに
対し、平均粒径１０００〜１５００μの小粒体を固定し
た第２群は１２６％、基準アルミナ基板の第３群は１２
０％の接着力の増加を示した。この原因は顕微鏡観察結
果ｌこよって明らかＩこされた。即ち、第１群において
は短期間にて小粒体の形成する間隙に骨細胞が増生侵入
するが、これらの骨細胞は多数の骨芽細胞を含む未成熟
の骨細胞であり、間隙が狭いため十分な生育ができない
状態であった。一方、第２群では骨の増生が経時的に進
み、間隙を埋める新生骨もしだいに密なものになってき
ている。また第３群の接着強度の増加は、アルミナ基板
表面を覆う新生骨量の増加によるものであった。

以上の様な術後１２週での接着強度及び組織学的な骨の
増成状況は術後２４週の結果によって、より顕著なもの
になっている。接着強度では術後１２週のものに比べ、
ｇｔ群ではわずか３％の増加に留まっているが、４２群
では１５１％と著しい増加が見られ、又第３群でも３６
％の接着強度の増加を示している。顕微鏡観察結果にお
いても第１群の骨滲状況は術後１２週のものと比べ大き
な進展はない赤、第２群のものでは骨の改変が九んで骨
細胞が十分に成育し層状の健康な骨が密１こ形成されて
い゛た。巨細胞等の顎骨細胞もほとんどなく、骨との一
体化は理想的な状態にあり、接着力も極限に近いものと
考えられる。第３群においてもアルミナ基板表面はびっ
しりと新生骨に覆われ良好な接合状態であると考えられ
るが、小粒体の固定が行なわれていないためアンカー効
果は期待できず、又骨細胞とアルミナ基板の界面におい
ては、天然骨とヒドロキシアパタイト界面に見られる様
な化学的結合も行なわれないため、術後２４週以降の接
着力の大きな増加は期待できなかった。

以上の実験例に示した第２群の如き平均粒径１０００〜
１５００μの小粒体を固定した場合には、第１群の様な
初期的な接着性向上の効果は小さいものの、後期的な接
着力の向上に大きく寄与することが判明した。これは、
天然骨とヒドロキシアパタイトとの化学的な結合に加え
、小粒体の間隙に成育した骨の大きなアンカー効果によ
るものである。この様な平均゛粒径１０００〜１５００
μの小粒体の固定による後期的な接着性の向上は、骨セ
メントを用いないセラミック製人工関節への応用に・際
してその長期的な接着力の向上と共に生体内での長期的
な安定性をもたらし、現在の人工関節の最大の問題点で
ある長期使用時のルーズニングの対策として非常に有効
なものとなる。

骨セメントにより置端に固定された人工関節と生骨との
界面は、毒性のある七ツマ−が残留しやすい骨セメント
面と、骨セメントの重合熱によって壊死した骨細胞との
死んだ界面であるのに対し、本発明の如きヒドロキシア
パタイト小粒体をセラミック基板上に固定したセラミッ
ク製生体部材に詔いては、ヒドロキシアパタイトと骨細
胞が直に結合した生きた界面を持たらすことも大きな特
徴゛【実験例２〕 実験例１の結果に基づき、平均粒径２５０〜３５０μの
小粒体による初期固定性と平均粒径１０００〜１５００
μの小粒体による後期固定性を複合化すれば、より理想
的な補綴材が得られると考え、以下の実験を行なった。

アルミナ９９％を含むセラミック基板（１０ａＸ１０、
〆３　ｔｍ　）上に、平均粒径２５０〜３５０μの小粒
体と平均粒径１０００〜１５００μの小粒体を一定比率
阿混合し、実験例１と同様な方法で固定した。これらの
試験片をオートクレーブにて滅菌し、それぞれ家兎の脛
骨順部に埋入し、術後８週、１２週。

２４週にて層殺し、試験片を含む生骨を取り出して試験
片近傍をデンタルバーＧこて削り落としそフックを保合
できる様な形状の検体とした。次に試験片と骨の各々に
フランをかけ、インストロン型オートグラフを用いてク
ロスヘッドスピード５ｆｆ／分にて引張試験を行ない、
試験片に対する天然骨の接合強度を測定した。検体数は
各１０例であつ平均粒径２５０〜３５０μの小粒体と１
０００〜１５００βの小粒体の混合比Ａ＝（平均粒径２
５０〜３５０μの小粒体量）　／　（１０００〜１５０
０μの小粒体量）が、１０．０〜０．００１の範囲でそ
れぞれの効果が確認されたが、最適混合比は０，１であ
った。この場合の接着強度は、術後８週でｓ、２ｋｇ、
１２週で７．１ｋｇ、２４週″ｔ：　１６．Ｏｋｇを示
し、２種の粒度分布の小粒体の′形成する間隙がそれぞ
れ有効に作用していることが確認された。その結果から
骨セメントを用いないセラミック製人工関節への適用Ｉ
こ際しては、実験例２の様な混合小粒体を用いる方が好
ましいと考えられる。

ところでアルミナ基板表面上にガラス固定するヒドロキ
シアパタイトの小粒体の大きさく平均粒径）としては骨
細胞が増生じ入り込むのに適した間隙が１００〜３００
μ（最適はＺｏｏ〜１５０　＃　）である事が知られて
詔り、かかる間隙が形成されるのに最も適した小粒体の
平均粒径は計算により４４〜６００μとなる。しかしな
がら、各粒径毎の小粒体をアルミナ基板上に付着固定し
て術後短期間（８週）で接着強度の測定を行なった所、
１００μ未満の小粒体を用いたものでは、最高値の半分
以下の値しか得られなかった。一方、術後長期間（２４
週）での接合強度の測定試験では６００μ以上の小粒体
を固定したもので１０ｋｇを越す結果が得られており、
最適の粒度範囲は１０００〜１５００μであった。

蔦この時の接着強度は１７．１　ｋｇ　）。しかし２０
００μ発越す粒度の小粒体にあっては、ヒドロキシアパ
タイトとアルミナの熱膨張差のため−こ小粒体にクラッ
クが入り、十分な接着力が得られなかった。

また固定する小粒体の分布密度については、初期固定性
に寄与する骨増生に適した１００〜３００μの間隙が形
成される範囲においてできるだけ密に分布していること
が望ましいが、これを成し得る平均粒径１００〜６００
μの小粒体による実験では、１２当り８００〜１６００
個が最適であった。

一方、ヒドロキシアパタイト小粒体をアルミナ基板をガ
ラス付けする際のガラス層の厚さとしては、厚さが増す
に伴い小粒体に対する付着力を増大することができるが
、小粒体の径に対して５０％以上を埋没させた場合には
複雑に入り込んだ不定形状をした小粒体であったとして
も増生じた天然骨との機械的結合力が減少することとな
り、また、ガラス層が小粒体の径に対して薄い場合には
小粒体自体がセラミック基板表面から剥離、脱落するに
も拘らず増大しない。したがって、種々の′実験を繰り
返した所、上記小粒体の平均粒径１０（）−６００μに
対するガラス層の厚みは１００〜２００μが最適であっ
たが、６００〜２０００μの小粒体に対しては、２００
〜５００μが良好な結果を示した。

なお、上記においてはアルミナ基板表面上にヒドロキシ
アパタイトの小粒体を固定する例を挙げたが、生体部材
の基体を成す場合、生体親和性があり機械的強度の大き
なジルコニアセラミック体の表面に付着したものであっ
て良いことはもちろんである。

以上の様に、本発明によれば基体を成すセラミック体の
表面に、ヒドロキシアパタイトなどのリン酸カルシウム
系物質からなる小粒体を固定したものであることから、
製作が容易であり、基体と小粒体の熱膨張差を吸収する
ことができ、さらに固定する小粒体の粒径及び分布密度
をそれぞれの使用個所、目的に応じて適宜選択すること
により、接合固定を図ることができ、一方、平均粒径１
０００〜１５００μの小粒体を用いれば、骨細胞が成熟
すること昏こよって、後期的にさらに大きな接合固定及
び長期安定性が得られ、人工関節の最大の問題点たるル
ーズニング防止に効果を発揮するなど、優れた人工関節
９人工骨などの生体部材を提供することができる。

出願人　京セラ株式会社

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）　アルミナ、ジルコニアなどのセラミック基体の
   表面に不定形をしたセラミック小粒体がガラス付着しで
   あることを特徴とするセラミック製生体部材。
2. （２）上記のセラミック小粒体がアルミナ、アパタイト
   、ジルコニアの少なくとも一種から成り、平均粒径が１
   ００〜２０００μの範囲にあることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載のセラミック製生体部材。
3. （３）上記のセラミック基体の表面には２５〜１０００
   ０個／ｃＩの分布密度でセラミック小粒体が固定しであ
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項ないし第２項
   記載のセラミック製生体部材。
4. （４）　セラミック基体上の骨との接触部のみにガラス
   材を塗布し、該ガラス材塗布面上にセラミック小粒体を
   散在せしめた後、焼成し、上記セラミック小粒体をセラ
   ミック基体表面にガラス付けすることを特徴とするセラ
   ミック製生体部材の製造方法。