JPS62268561A - Composite material for living body - Google Patents

Composite material for living body

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JPS62268561A
JPS62268561A JP61109417A JP10941786A JPS62268561A JP S62268561 A JPS62268561 A JP S62268561A JP 61109417 A JP61109417 A JP 61109417A JP 10941786 A JP10941786 A JP 10941786A JP S62268561 A JPS62268561 A JP S62268561A
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JP
Japan
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crystals
glass
composite material
materials
apatite
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Application number
JP61109417A
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Japanese (ja)
Inventor
修 柳沢
節郎 伊藤
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AGC Inc
Original Assignee
Asahi Glass Co Ltd
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Publication date
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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。
(57) [Summary] This bulletin contains application data before electronic filing, so abstract data is not recorded.

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野コ 本発明は生体用の複合材料に関する。[Detailed description of the invention] [Industrial application fields] The present invention relates to composite materials for living organisms.

[従来の技術] 近年、人工歯根や人工骨等の人工材料が歯根や骨の修復
代替材料として使用されている。このような人工材料と
して従来ニッケルクロム合金、及びニッケルチタニウム
合金等の耐蝕性、及び高強度合金、又ポリビニルアルコ
ールやハイ・デンシティ−ポリエチレン等の高分子材料
が用いられている。
[Prior Art] In recent years, artificial materials such as artificial tooth roots and artificial bones have been used as substitute materials for the restoration of tooth roots and bones. As such artificial materials, corrosion-resistant and high-strength alloys such as nickel-chromium alloys and nickel-titanium alloys, and polymeric materials such as polyvinyl alcohol and high-density polyethylene have been used.

しかしこれらの材料は長期間の使用により生体内に金属
イオンやモノマーが溶出する傾向があること、また生体
親和性が良くない。
However, these materials tend to elute metal ions and monomers into living organisms when used for a long period of time, and also have poor biocompatibility.

一方セラミックス材料には生体親和性に優れた材料があ
る。このようなセラミックス材料として実用化されてい
るものとしては単結晶及び多結晶アルミナがあり、特に
単結晶アルミナは高強度であることが特徴である。
On the other hand, some ceramic materials have excellent biocompatibility. Examples of such ceramic materials that have been put to practical use include single crystal and polycrystalline alumina, and single crystal alumina is particularly characterized by its high strength.

しかしながらアルミナセラミックスは、骨と化学的結合
を作らないため生体内に固定するためには、7ルミナセ
ラミツクス自体にネジを切ったり、穴をあけるなどして
、骨と物理的に固定する必要がある。この場合材料の形
状が不適当であると、骨や材料の一部に応力集中が生じ
、骨折や骨の吸収が生じ、ゆるみや脱落する場合がある
However, since alumina ceramics do not form chemical bonds with bones, in order to fix them in vivo, it is necessary to physically fix them to the bones by cutting screws or drilling holes in the 7-lumina ceramics themselves. . In this case, if the shape of the material is inappropriate, stress concentration may occur in the bone or part of the material, resulting in fractures, bone resorption, and loosening or falling off.

骨と材料との固定を化学的に結合させることにより、上
述の問題を解決しようとする検層がセラミックスで進め
られている。
Ceramics are being used for logging to solve the above-mentioned problems by chemically bonding bone and material.

この種のセラミックスの代表例としては、水酸アパタイ
トの焼結体、Na20−CaO−P20s−Si02系
のバイオガラス(特開昭5O−21015) 、及びN
a20−に20−MgO−CaO−P20s −S i
02系及びMgO−CaO−P2O3−9i02系のガ
ラスからアパタイト結晶又はウィットロカイト結晶を析
出させた結晶化ガラス(特開昭50−21015、特開
昭57−191252 、特開昭80−137853 
、特開昭80−8985 )等が知られている。
Typical examples of this type of ceramics include sintered bodies of hydroxyapatite, Na20-CaO-P20s-Si02-based bioglass (Japanese Patent Application Laid-Open No. 50-21015), and N
a20- to 20-MgO-CaO-P20s-S i
Crystallized glass in which apatite crystals or wittrokite crystals are precipitated from 02 series and MgO-CaO-P2O3-9i02 series glasses (JP-A-50-21015, JP-A-57-191252, JP-A-80-137853)
, JP-A-80-8985), etc. are known.

しかしながら水酸化アパタイト焼結体、バイオガラス、
及びアパタイト結晶又はウィットロカイト結晶を析出さ
せた結晶化ガラスの曲げ強度は何れも約2000kg/
cm’以下で、機械的強度が小さく骨代替材としては、
余り力の加わらない部位にしか利用できない欠点がある
However, hydroxyapatite sintered bodies, bioglass,
The bending strength of crystallized glass with precipitated apatite crystals or witrockite crystals is approximately 2000 kg/
cm' or less, has low mechanical strength and can be used as a bone substitute material.
The drawback is that it can only be used in areas where little force is applied.

[発明の解決しようとする問題点] 本発明の目的は、従来骨と直接結合する生体材料が有し
ていた生体内の構造材料としてはまだ強度が不十分であ
るという欠点を解消し、高強度かつ骨と化学的に結合し
うる材料を新規に提供するものである。
[Problems to be Solved by the Invention] The purpose of the present invention is to solve the drawback that conventional biomaterials that directly connect with bones have insufficient strength as structural materials in the living body, and to This provides a new material that is strong and can chemically bond to bone.

[問題点を解決するための手段] 本発明は、主結晶してウィットロカイト系結晶又はアパ
タイト系結晶を含有する結晶化ガラ130〜99体積%
と、補強材 1〜70体積%とからなり、該結晶化ガラ
スは重量%表示で本質的にCaO     30〜50 P2O340〜55 Al2O28〜15 MgO    0〜5 Si02   0〜10 B2O3   0〜15 追加成分 0〜10 からなる生体用複合材料を提供するものである。
[Means for Solving the Problems] The present invention provides 130 to 99% by volume of crystallized glass containing whitlockite crystals or apatite crystals as main crystals.
and a reinforcing material 1 to 70% by volume, and the crystallized glass is essentially CaO 30 to 50 P2O340 to 55 Al2O28 to 15 MgO 0 to 5 Si02 0 to 10 B2O3 0 to 15 Additional components 0 in weight % The object of the present invention is to provide a composite material for biological use consisting of ~10.

本発明においては結晶化ガラスに補強材が体積%で1〜
70添加されているが、その限定理由は次の通りである
In the present invention, the reinforcing material is added to the crystallized glass in a volume percentage of 1 to 1% by volume.
The reason for this limitation is as follows.

補強材が1%未満では機械的強度の向上が充分に得られ
ず、70%を越えると緻密なMl織の材料を得ることが
難しくなり機械的強度の低下を生じる。補強材は上記範
囲中10〜60%の範囲がより好ましい。
If the reinforcing material content is less than 1%, sufficient improvement in mechanical strength cannot be obtained, and if it exceeds 70%, it becomes difficult to obtain a material with a dense Ml weave, resulting in a decrease in mechanical strength. The reinforcing material is more preferably in the range of 10 to 60% of the above range.

か−る補強材としては耐熱性があり、引張強度の大きな
ものが使用され、具体的には、ジルコニア、アルミナ、
SiC、Si3N4.炭素、チタン酸カリが例示される
。これらの補強材は、粒子、繊維及びウィスカーとして
使用される。
Such reinforcing materials are heat resistant and have high tensile strength; specifically, zirconia, alumina,
SiC, Si3N4. Examples include carbon and potassium titanate. These reinforcements are used as particles, fibers and whiskers.

本発明における結晶化ガラスは生体との親和性に優れた
アパタイト [Ca+o (PO4)6・(OH)2]
、ウィットロカイト [3(CaO,MgO1P205
]を主結晶とするものである。
The crystallized glass in the present invention is apatite [Ca+o (PO4)6・(OH)2] which has excellent affinity with living organisms.
, witrockite [3(CaO, MgO1P205
] is the main crystal.

か〜る結晶化ガラスは、次のような組成のガラスを結晶
化処理することによって製造される。
Such crystallized glass is produced by crystallizing glass having the following composition.

重量%表示で本質的に CaO      30〜50 P20540〜55 A 1203   8〜15 MgO0〜 5 Si02      0〜10 B2O3      0〜15 追加成分 0−10 からなる組成のガラスを溶融法によって製造する。Essentially in weight % CaO     30~50 P20540-55 A 1203 8-15 MgO0~5 Si02 0~10 B2O3 0~15 Additional ingredients 0-10 A glass having a composition consisting of: is manufactured by a melting method.

このガラスの組成の限定された理由について説明する。The reason for the limited composition of this glass will be explained.

CaOが30%以下ではガラスから析出するアパタイト
及びウィットロカイト結晶が少ないので好ましくない、
また50%以上ではガラスの失透傾向が著しく、ガラス
になり難い。
If CaO is less than 30%, it is not preferable because there are few apatite and witrockite crystals precipitated from the glass.
Moreover, if it exceeds 50%, the tendency of glass to devitrify is significant and it is difficult to form glass.

5102が10%以上ではガラスの熔融温度が高くなり
過ぎるため、ガラスの製造が困難となる。
If 5102 is 10% or more, the melting temperature of the glass becomes too high, making it difficult to manufacture the glass.

MgOが5%以上となるとガラスの失透傾向が増大しガ
ラスの成形が難しくなる。
When MgO exceeds 5%, the tendency of the glass to devitrify increases, making it difficult to mold the glass.

P2O5が40%以下及び55%以上ではガラスが失透
し易くなるので好ましくない。
If P2O5 is less than 40% or more than 55%, the glass tends to devitrify, which is not preferable.

MgO,SiO2,B2O3は必須成分ではないが、添
加することによりガラス化を容易にすることができる。
Although MgO, SiO2, and B2O3 are not essential components, adding them can facilitate vitrification.

しかしがら、MgO5%以上、5i0210%以上及び
B2O315%以上の添加はウィツトカイト系結晶及び
アパタイト系結晶の析出量が低下する及び失透傾向が増
大するので好ましくない。
However, addition of 5% or more of MgO, 10% or more of 5i02, and 15% or more of B2O3 is not preferable because the amount of precipitation of witzkite crystals and apatite crystals decreases and the tendency to devitrify increases.

Al2O38%以下ではガラス化が難しくなり。If the Al2O content is less than 38%, vitrification becomes difficult.

15%以上ではウィットロカイト結晶及びアパタイト結
晶のガラスからの析出量が少なくなることから好ましく
ない。
If it is more than 15%, it is not preferable because the amount of witrockite crystals and apatite crystals precipitated from the glass decreases.

以上の成分の他に、Z r02、TiO2、Ta205
、CaF2、シ120、Na20及びlhOの1種又は
2種以上、10%以下の量を添加して良い。しかし、こ
れら成分の合計量が10%以上となると、アパタイト結
晶及びウィットロカイト結晶の生成量が減少するので好
ましくない。
In addition to the above components, Zr02, TiO2, Ta205
, CaF2, Shi120, Na20, and lhO, one or more of them may be added in an amount of 10% or less. However, if the total amount of these components exceeds 10%, the amount of apatite crystals and witlockite crystals produced will decrease, which is not preferable.

上記添加物の中、CaF2、L120、Na20、K2
Oを5%以上添加するとガラスの失透傾向が著しくなる
ため、これら酸化物又はフッ化物の添加量は5%以下が
望ましい。
Among the above additives, CaF2, L120, Na20, K2
If O is added in an amount of 5% or more, the tendency of the glass to devitrify becomes significant, so the amount of these oxides or fluorides added is preferably 5% or less.

これらのガラスは調合した原料を1400〜1600°
C11〜5時間加熱することによって製造することがで
きる。
These glasses are made by heating the prepared raw materials at 1400 to 1600°.
It can be produced by heating for C11 to 5 hours.

本発明における複合材料は例えば次のようにして製造で
きる。上記のようにして製造したガラスをフレーク状に
成形しこれを粉砕しガラス粉末を得る。次いでこのガラ
ス粉末と補強材料とを所定割合になるように混合し加圧
成形する。次いでこれをガラスの軟化点より若干高い温
度に加熱し1時間以上保持することにより、焼結すると
共にアパタイト、ウィットロカイトの結晶をガラスに析
出する。
The composite material in the present invention can be manufactured, for example, as follows. The glass produced as described above is formed into flakes and crushed to obtain glass powder. Next, the glass powder and reinforcing material are mixed in a predetermined ratio and pressure-molded. Next, this is heated to a temperature slightly higher than the softening point of the glass and held for 1 hour or more to sinter it and precipitate apatite and witrockite crystals on the glass.

[実施例コ 表1に示した組成に相当するガラスを酸化物、炭酸塩、
リン酸塩フッ化物等の原料を用いて調合し、白金坩堝で
1400〜1600°Cで3時間熔解した。
[Example 1] Glasses corresponding to the compositions shown in Table 1 were mixed with oxides, carbonates,
It was prepared using raw materials such as phosphate fluoride and melted in a platinum crucible at 1400 to 1600°C for 3 hours.

熔融したガラスをロール成形機で薄い板状のカラスに成
形した後、ボットミルに入れ350メツシュ通過の粒度
に粉砕した。該ガラス粉末を5°C/minの昇温速度
で室温から850〜1050℃の範囲内における一定温
度まで、 350kg/cm’の圧を印加しながら加熱
し、この温度で1時間保持して、焼結と結晶化を行った
。この後、炉内で常温まで冷却した。この結晶化ガラス
の破断面をSEMで観察した結果例れも気孔はほとんど
ない緻密な組織であった。
The molten glass was formed into a thin glass plate using a roll forming machine, and then placed in a bot mill and pulverized to a particle size passing 350 mesh. The glass powder is heated at a heating rate of 5°C/min from room temperature to a constant temperature in the range of 850 to 1050°C while applying a pressure of 350kg/cm', and held at this temperature for 1 hour, Sintering and crystallization were performed. After that, it was cooled to room temperature in the furnace. When the fractured surface of this crystallized glass was observed using an SEM, it was found that each had a dense structure with almost no pores.

この試料を粉砕し、xvi回析により析出結晶を同定し
た結果、ウィットロカイト結晶がいずれの試料において
も認められ、これら結晶以外に、アノーサイト、パーリ
ナイト等の結晶か析出していることが認められた。表1
に各々の試料に析出していた結晶の種類をあわせて示し
た。また一部の試料については、# 2000番のSi
C砥粒で表面を研磨した3 X 3 X25m+nの角
柱を用いて曲げ強度を測定した。その結果も表中に併記
した。このようにして得られたガラス粉末のみの結晶化
ガラスは1500〜2200kg/cm’の曲げ強度を
持っている。
As a result of pulverizing these samples and identifying the precipitated crystals by xvi diffraction, whitlockite crystals were observed in all samples, and in addition to these crystals, crystals such as anorthite and pearlinite were also precipitated. It was done. Table 1
The types of crystals precipitated in each sample are also shown. Also, for some samples, #2000 Si
The bending strength was measured using a 3×3×25m+n square column whose surface was polished with C abrasive grains. The results are also listed in the table. The crystallized glass made of only glass powder thus obtained has a bending strength of 1500 to 2200 kg/cm'.

次に同表の試料No、1.4のカラスを用いこれに補強
材を添加し上記の方法で加圧結晶化処理を行い複合材料
を得た。次いで、これらの複合材料の曲げ強度を測定し
た、それを表−2に示す。同表には補強材、その形状添
加量も併記した。
Next, a reinforcing material was added to the glass sample No. 1.4 in the same table, and a pressure crystallization treatment was performed in the manner described above to obtain a composite material. Next, the flexural strength of these composite materials was measured and is shown in Table 2. In the same table, the reinforcing material and the amount added in its shape are also listed.

同表より明らかなように本発明による複合材料は極めて
曲げ強度が優れている。
As is clear from the table, the composite material according to the present invention has extremely excellent bending strength.

表   1 [発明の効果] このように、この発明による複合材料は骨と化学的に結
合するために有効と考えられるアパタイト、又はウィッ
トロカイト結晶を多量に含み、かつ3000kg/cr
n’以上の曲げ強度を示す。この複合材料の曲げ強度は
人骨の最高曲げ強度1800kg/cm’より非常に高
い。
Table 1 [Effects of the Invention] As described above, the composite material according to the present invention contains a large amount of apatite or whitlockite crystals, which are considered to be effective for chemically bonding with bone, and has a weight of 3000 kg/cr.
Indicates bending strength of n' or more. The bending strength of this composite material is much higher than the maximum bending strength of human bone, which is 1800 kg/cm'.

従って1本発明による高強度な複合材料は長管、関節、
歯根等の力の加わる部位に、しかも機械的な固定を必要
としない構造材として極めて有効である。
Therefore, the high-strength composite material according to the present invention can be used for long pipes, joints,
It is extremely effective as a structural material for areas where force is applied, such as tooth roots, and does not require mechanical fixation.

またSiCとの複合材は電気抵抗が低いことから放電加
工も可能であり、骨等の複雑な形状の精雀な加工も容易
であるという特徴をもつ。
Composite materials with SiC have low electrical resistance, so electrical discharge machining is possible, and complex shapes such as bones can be easily machined.

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)主結晶としてウィットロカイト系結晶又はアパタ
イト系結晶を含有する結晶化ガラス30〜95体積%と
、補強材1〜70体積%とからなり、該結晶化ガラスは
重量%表示で本質的にCaO 30〜50 P_2O_5 40〜55 Al_2O_3 8〜15 MgO 0〜5 SiO_2 0〜10 B_2O_3 0〜15 追加成分 0〜10 からなる生体用複合材料。
(1) Consisting of 30 to 95 volume % of crystallized glass containing witrockite crystals or apatite crystals as main crystals and 1 to 70 volume % of reinforcing material, and the crystallized glass is essentially A biological composite material comprising: CaO 30-50 P_2O_5 40-55 Al_2O_3 8-15 MgO 0-5 SiO_2 0-10 B_2O_3 0-15 Additional components 0-10.
(2)前記追加成分は、重量%表示で Zr_O_2 0〜10 TiO_2 0〜10 Ta_2O_3 0〜10 CaF_2 0〜5 Li_2O 0〜5 Na_2O 0〜5 K_2O 0〜5 である特許請求の範囲第1項記載の複合材料。 (2)前記補強材は、SiC、Al_2O_3、Si_
3N_4及びジルコニアから選ばれた少なくとも1種の
繊維、粒子又はウィスカーである特許請求の範囲第1項
又は第2項記載の複合材料。
(2) Claim 1, wherein the additional components are Zr_O_2 0-10 TiO_2 0-10 Ta_2O_3 0-10 CaF_2 0-5 Li_2O 0-5 Na_2O 0-5 K_2O 0-5 in weight percent. composite materials. (2) The reinforcing material is SiC, Al_2O_3, Si_
The composite material according to claim 1 or 2, which is at least one type of fiber, particle, or whisker selected from 3N_4 and zirconia.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6767854B2 (en) * 2001-06-15 2004-07-27 Bam Bundesanstalt Fuer Materialforschung Und Prufung Glassy-crystalline material with low solubility and process of preparing the same

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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