JPS62202884A - 生体代替セラミツク材料 - 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】 産業上の利用分野 本発明は、人工歯根、人工骨等の生体にインブラントさ
れる代替骨として使用可能な生体代替セラミック材料に
関する。

従来の技術及びそのワ題点 セラミック材料は生体の拒絶反応が少なく、且つ腐食さ
れ難いという特徴を有し、人工歯根や人工骨等の生体代
替材料として期待されている。このため各種のセラミッ
ク材料が生体代替セラミック材料として研究され、約１
５年前から種々の臨床例が報告されている。

例えば、アルミナ単結晶又は多結晶体は、生体の拒絶反
応が少ない材料であり、インブラント材料として種々研
究されているが、生体組織になじみ難く、かつあまりに
も強度、硬度が高いので、用いる部位によっては、生体
組織とアルミナ質セラミックスとの間で炎症が生じたり
、また相手材料をすり減らしたりする等の欠点がある。

また、最近注目されつつある窒化ケイ素多結晶体やジル
コニア多結晶体も同様に生体組織になじみ難いものであ
り、生体組織に１！着することがないために生体組織と
の間に干渉層が生じず、強い衝撃が加わった場合などに
は、生体組織に炎症を生じるという欠点がある。

一方、水酸化、アパタイトやリン酸三カルシウム等のリ
ン酸カルシウム系化合物は、天然骨に近い成分で構成さ
れているので生体適合性に優れているが、人工歯根や人
工骨としての使用の際に生じる急激な衝撃や応力に対す
る充分な強度や靭性がなく、インブラント材料としては
不適当である。

そこで、中心部をアルミナ質セラミックスとし、表面を
生体になじみやすい水酸化アパタイトやリン酸三カルシ
ウム系化合物で構成した複合型の材料も検討されている
。しかしながら、このような複合型材料は、製造にかな
りの労力と工程を必要とし、また表面のリン酸カルシウ
ム系化合物層と中心部のアルミナ質セラミックスとの接
着強度が不充分であり、生体代替セラミックスとして充
分に満足のいくものではない。

問題、を解　するための手段 本発明者は、上記した如き従来技術の問題点に鑑みて、
生体代替材料として優れた特性を有するセラミック材料
を得るべく鋭意研究を重ねてきた。

その結果、炭化ケイ素ウィスカーを含有する多孔性のジ
ルコニア系又は窒化ケイ素系セラミックスを母体とし、
その空孔中に生体になじみゃすい物質を充填することに
よって、生体になじみ易く、かつ優れた強度を有するセ
ラミック材料が得られることを見出し、ここに本発明を
完成した。

即ち、本発明は、炭化ケイ素ウィスカーを含有する多孔
性のジルコニア系又は窒化ケイ素系セラミックスに、生
体適合物質を充填してなる生体代替セラミック材料に係
る。

本発明セラミックスでは、母体としては、ジルコニア系
セラミックス又は窒化ケイ素系セラミックスを用いる。

これらのセラミックスは、現在インプラト材料として市
販されているアルミナ系セラミックスと同程度又は、そ
れ以上の強度を有しまた生体内に埋め込んだ場合の生体
の拒絶反応が少なく、インブラント材料として好ましい
性質を有する。

本発明セラミック材料では、生体になじみ易い物質（以
下、「生体適合物質」という）を充填するためにセラミ
ックスを多孔質化するが、多孔質化によるセラミックス
の強度低下を防止するために、炭化ケイ素ウィスカーを
セラミック中に均一に含有させることが必要である。第
１図に炭化ケイ素ウィスカーを含有しない窒化ケイ素系
セラミックスの空隙率と曲げ強度との関係（第１図中、
破線で示す）、及び炭化ケイ素ウィスカーを含有する窒
化ケイ素系セラミックスの空隙率と曲げ強度との関係（
第１図中実線で示す）を示す。第１図から、炭化ケイ素
ウィスカーを含有させることにより、多孔質セラミック
スの曲げ強度が大きく向上することが判る。

炭化ケイ素ウィスカーの好ましい含有量は、製造方法に
よって若干具なるが、通常、空隙部を除いたセラミック
本体中の１０〜４５容但％程度とすればよい。炭化ケイ
素ウィスカー量が、１ｏ容量％未満では、多孔質セラミ
ックスに対する充分な強度保持効果が得られず、一方４
５容量％を上回ると、セラミック焼結体に空隙部が過度
に生じ易（なり、焼結体の強度低下を来たすので好まし
くない。

本発明セラミックスは、多量の生体適合物質を充填でき
るように空隙率が高いことが好ましいが、空隙率が高く
なり過ぎるとセラミックスの強度が不充分となる。この
ため空隙率は、生体骨の強度である１０〜１５　ｋＱ／
　ａｖ２以上の強度を保持できる範囲内とすることが必
要である。好ましい空隙率の範囲は、含有する炭化ケイ
素ウィスカーＭにより強度が異なるので一様ではないが
、一般に１５〜４０％程度である。

空隙部の空孔の大きさは、特に限定されないが、セラミ
ックスの強度保持と充填物の含浸さじ易さとの兼ね合い
から直径５〜１００μｍ程度が好ましく、２０〜６０μ
ｍ程度がより好ましい。

本発明では、生体適合物質としては、セラミックスの空
孔中に充填し、生体に埋め込んだ際に、生体と優れた親
和性を示し、新生骨、靭帯等の発生を促すような物質で
あればいずれも使用できる。

生体適合物質の具体例としては、コラーゲン；コンドロ
イチン、ヘパリン、キチン等のムコ多糖類；水酸化アパ
タイト、リン酸三カルシウム、リン酸四カルシウム、リ
ン酸へカルシウム等のリン酸カルシウム系化合物等を示
すことができ、これらを単独又は組合せて用いることが
できる。これらの生体適合物質のセラミックスへの充填
は、例えば水溶液又はスラリーの状態でセラミックスの
空隙部に含浸させた後、乾燥固化させることにより行な
うことができる。含浸方法は、水溶液又はスラリー中に
セラミックスを浸漬する方法でもよいが、充分に含浸さ
せることができない場合が多いので、セラミック材料の
空隙部を減圧状態とした後、水溶液又はスラリーを含浸
させる方法や加圧してセラミックスの空隙中に水溶液又
はスラリーを圧入する方法等が好ましい。

生体適合物質の水溶液又はスラリーは、セラミックスの
空孔中に生体適合物質が充分に充填されるように、高濃
度で用いることが好ましく、コラーゲン及びムコ多糖類
は、３０重量％程度から飽和濃度までの水溶液として、
またリン酸カルシウム系化合物は１０重量％以上のでき
るだけ高濃度のスラリーとして用いることが適当である
。水溶液又はスラリーの濃度が上記範囲を下回ると、多
孔質セラミック中への生体適合物質の充填口が不足し、
このようなセラミック材料を生体に埋め込む場合には、
生体適合性が不充分となって、有効な新生骨や靭帯が発
生し難いので好ましくない。

スラリーとして用いる場合には、セラミック中に充填さ
れ易いように、生体適合物質の粒径が小さいことが適当
であり、１０μｍ以下のものが好ましく、１μｍ以下の
ものがより好ましい。

本発明セラミックスを製造するには、まず炭化ケイ素ウ
ィスカーを含有する多孔質のジルコニア焼結体又は窒化
ケイ素焼結体を作製する。ジルコニア原料としては、市
販のものを使用できるが、強度の点から、イツトリア、
マグネシア等による部分安定化ジルコニアを用いる必要
がある。窒化ケイ素原料としては、通常市販されている
ものを使用できる。これらの原料は、焼結性、強度等の
点からできるだけ粒度の小さいものが適当であり、粒径
１μｍ以下のものが好ましい。またできるだけ高純度の
ものが好ましい。窒化ケイ素系セラミックスでは通常、
焼結助剤としてマグネシア、アルミナ、希土類酸化物等
を５〜１５モル％程度用いるが、これらの焼結助剤も、
高純度で粒径の小さいものが好ましい。

炭化ケイ素ウィスカーも通常市販されているものを使用
できるが分散性の良いものが好ましく、例えば、長さ３
０〜１００μｍ程度、直径０．１〜１．０μｍ程度のも
のを使用できる。

上記セラミック原料と炭化ケイ素ウィスカーとの混合原
料の成形方法及び焼結方法としては、通常のセラミック
材料に用いられる成形、焼結方法が、いずれも適用可能
であり、例えば、ホットプレス法、常圧焼結法、熱間静
水圧加圧法等により行なうことができる。焼成条件は、
ホットプレス法では、例えば１００〜３００ｋｇ／Ｃｌ
１１２程度の圧力で、ジルコニア系セラミックスでは１
２００〜１４００℃程度、窒化ケイ素系セラミックスで
は１６００〜１８００℃程度の温度で２０〜６０分間程
度焼成すればよい。常圧焼結法では、ジルコニア系セラ
ミックスでは１３５０〜１５００℃程度、窒化ケイ素系
セラミックスでは１７００〜１９００℃程度の温度で６
０〜１２０分間程度焼成すればよい。一般に、焼成温度
が高すぎると焼結体が緻密化しすぎて、生体適合物質を
充分に充填できず、一方焼成温度が低すぎると、焼結体
の空隙率が高くなりすぎて、強度の不足を生じる。

次いで、得られた多孔質焼結体の空孔中に、生体適合物
質を充填することにより本発明セラミッり材料が得られ
る。充填方法としては、例えば前述した様に、生体適合
物質の水溶液又はスラリーをセラミック中に含浸させ、
乾燥固化させる方法等によればよい。

発明の効果 本発明生体代替セラミック材料は生体骨と同程度以上の
充分な強度を有する。また空孔中に生体適合物質を充填
しているので生体属人後は、セラミックスの周囲に新生
骨、靭帯等が発生する。このため、生体に属人後にも、
突発的な衝撃に対して充分な強度を有すると共に、＊Ｓ
に耐えるだけの吸収域ができて炎症の発生を防止できる
。従って、本発明セラミックスは、人工歯根、人工骨等
の生体代替材料として極めて有用である。

実施例 以下、本発明を実施例に基づいて説明する。

実施例１ 酸化イツトリウムを３モル％含有する部分安定化ジルコ
ニア粉末（粒径２５０人）及び炭化ケイ素ウィスカー（
径０．５μｍ、長さ５０〜１００μｍ）を水中で１時間
混合分散した後、乾燥した。

次いで、この混合物を１３００℃、３００　ｋｏ／Ｃ１
２，３０分聞の条件下に、ホットプレス成形及び焼結を
行ない、相対密度７３％（空隙率２７％）で炭化ケイ素
ウィスカー含有ｍ３０容量％の焼結体を得た。この焼結
体から３　Ｘ　３　Ｘ　３０　ｖ＋＋３の試験片を切り
出し、スパン２０ｍ５＋、荷重速度０．５−７分の条件
下で三点曲げ試験を行なった結果、３２　ｋｇ／　ａｖ
’の強度を示した。

このようにして得られた多孔質の炭化ケイ素ウィスカー
−ジルコニア系セラミックスを、５０％コラーゲン繊維
水溶液中に浸漬することにより、空孔中にコラーゲンを
充填し、次いで乾燥してコラーゲンを固化させて、生体
代替セラミック材料を作製した。

実施例２ 実施例１で用いたものと同様の部分安定化ジルコニア粉
末及び炭化ケイ素ウィスカーを６０：４０の体積比とな
るように混合した後、３０００ｋＱ／ｃｒａ２の圧力で
ラバープレスした。次いで、この成形体をアルゴン中で
、１５００℃で９０分間焼成した結果、相対密度６８％
（空隙率３２％）、曲げ強度２５　ｋＱ／　ｍ１２の焼
結体が得られた。

得られた多孔質膨化ケイ素ウィスカーージルコニア系セ
ラミックスを真空中に置き、その後５０％の水酸化アパ
タイト粉末（粒径０．１μｍ）スラリー中に浸漬し、乾
燥して生体代替セラミック材料を作製した。

実施例３ 焼結助剤として１５モル％のマグネシアを含有した窒化
ケイ素粉末（粒径０．７μｍ）に実施例１と同じ炭化ケ
イ素ウィスカーを加え、１７５０℃、２００　ｋＱ／　
ｃｍ２で２０分間ホットプレス成形及び焼成を行なった
。得られた焼結体は、炭化ケイ素ウィスカーを２０容１
％含むものであり、相対密度７７％（空隙率２３％）で
、曲げ強度３３　ｋＱ／　ａｒｍ”であった。

上記多孔質炭化ケイ素ウィスカー−窒化ケイ素系セラミ
ックスを７０％フンドロイチン水溶液に浸漬し、乾燥し
て生体代替セラミックスを作製した。

実施例４ 焼結助剤として７．５モル％の酸化イツトリウム及び７
．５モル％の酸化ランタンを含有した窒化ケイ素粉末（
粒径０．７μｍ）に炭化ケイ素ウィスカー（径０．５μ
ｍ、長さ３０〜５０μｍ）を加え、３０００　ｋり／　
ｃｍ”の圧力でラバープレスした後、１０気圧の窒素中
で１８５０℃で６０分間焼成した。得られた焼結体は炭
化ケイ素ウィスカーを３５容量％含み、相対密度６９％
（空隙率３１％）で、曲げ強度２４ｋｇ／ｌｌｍ２テあ
った。

この多孔質炭化ケイ素ウィスカー−窒化ケイ素系セラミ
ックスを、濃度７０％のリン酸三カルシウム−コラーゲ
ン混合スラリー（リン酸三カルシウム：コラーゲン＝１
：１（重量化））中に浸漬し、加圧してスラリーを含浸
させた後乾燥して生体代替セラミックスを作製した。

臨床実験例 実施例１〜４の生体代替セラミックス、コラーゲンを含
浸させてない実施例１の多孔質セラミックス（比較量１
）、及びリン酸三カルシウム−コラーゲン混合スラリー
を含浸させてない実施例４の多孔質セラミックス（比較
量２）を犬の下あごに埋め込んで臨床実験を行なった。

その結果実施例１〜４のセラミック材料は、生体組織（
粘膜上皮及び骨組織）に良くなじみ、しつかり癒着して
いることが観察されたが、比較量１及び２では生体組織
への癒着は認められなかった。

【図面の簡単な説明】

第１図は、炭化ケイ素ウィスカーを含有する窒化ケイ素
系セラミックス（実線）及び炭化ケイ素ウィスカーを含
有しない窒化ケイ素系セラミックス（破線）の曲げ強度
と空隙率との関係を示すグラフである。 （以　上〉

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）炭化ケイ素ウィスカーを含有する多孔性のジルコ
   ニア系又は窒化ケイ素系セラミックスに、生体適合物質
   を充填してなる生体代替セラミック材料。