JPS63147455A - 複合インプラント部材 - 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、生体組織の親和性及び機械的性能が優れた複
合インプラント部材に関するものであり、当該複合イン
プラント部材は人工関節、人工骨、人工歯根等として幅
広く活用することができるものである。

［従来の技術］ 複雑骨折あるいは骨腫瘍やリュウマチ等の疾患等により
損傷乃至欠損した歯や関節、骨等を補綴しあるいは代替
するものとして、人工骨、人工関節、人工歯根等のイン
プラント部材が実用化されている。この様なインプラン
ト部材としてはコバルト−クロム合金、ステンレス鋼、
チタン、チタン合金、タンタル等の金属材料、アルミナ
やアパタイト等のセラミックス材料、あるいは高密度ポ
リエチレン等の高分子材料等が汎用されてきた。

ところが金属材料は靭性や耐衝撃強度等において非常に
優れたものである反面、生体組織との親和性が乏しく、
また人体内へ長期間埋込んでおくと微量の金属イオンが
徐々に溶出して生体組織に悪影響を及ぼす恐れがある。

またセラミックス材料のうちアルミナは比較的優れた機
械的強度を有しているものの生体組織との親和性が乏し
く、逆にアパタイトは生体組織との親和性は良好である
ものの機械的強度が低いという問題が指摘されている。

更に高分子材料は生体に対し有害作用を及ぼすことはな
いが機械的強度の点で問題が残る。

この様に従来のインプラント部材には一長一短があり、
機械的強度、生体組織との親和性、生体に対し悪影響を
及ぼさない、といった要求性能のすべてを満たすものと
は言えず、汎用化を進めていくうえで大きな隘路となっ
ていた。

そこで特開昭５９−２１４４４３号や特公昭５８−５０
７３７号公報に開示されている如く、機械的強度の優れ
た金属を基材とし、その表面にセラミックスを被覆して
金属イオンの溶出を阻止すると共に生体組織との親和性
を高める技術が開発され、更にこの場合の被覆を２層構
造とすることによって金属基材とセラミックス被覆層と
の密着性を高めると共に金属イオンの溶出阻止効果を高
める方法も提案されている。

［発明が解決しようとする問題点］ しかしながらセラミックス層を２層構造にしたからとい
って必ずしも満足のいく性能が得られるとは限らないこ
とが分かった。本発明者らはその原因を明確にすべく色
々実験を重ねたところ、セラミックス材相互間の熱膨張
係数の違いに起因して被覆の積層界面に内部応力が生じ
て層間剥離現象が起こり、各セラミックスの耐ｉｓ強度
が乏しいこともあフて、結局被覆全体が比較的簡単に破
損するものであることが分かつてきた。

本発明はこの様な問題点に着目してなされたものであっ
て、その目的は、金属基材に対して優れた被覆効果を発
揮し続は得る様な被覆層構成を確立することにより金属
イオン溶出阻止効果及び生体組織との親和性を長期に亘
り良好に保つことのできる様な複合インプラント部材を
提供しようとするものである。

［問題点を解決するための手段］ 上記の目的を達成することのできた本発明に係る複合イ
ンプラント部材の構成は、生体組織との親和性に優れた
双生体物質と金属イオン非透過性物質との混合物からな
る被覆層を金属基材表面に形成してなり、該被覆層の構
成は、被覆層の表層部に近づくにつれて双生体物質の含
有比率を連続的もしくは段階的に高めたものであるか、
あるいは生体組織に対する親和性がより高いものを上記
表層部側に多く存在させたものであるところに要旨を有
するものである。

［作用］ 本発明は金属イオン溶出阻止作用及び生体組織との親和
性改善を期して被覆を形成する点においては従来の複合
インプラント材と同一である。但し本発明では被覆の構
造に工夫が加えられており、それにより被覆全体として
物性を改善し、被覆に期待されるべき前述の諸機能を長
期的に持続し得る様に構成している。

即ちこの被覆は、生体組織との親和性に優れた双生体物
！　（Ａ）　　と、金属イオン溶出阻止効果を備えた金
属イオン非透過性物質（Ｂ）　　との混合物によって構
成し、双生体物質（Ａ）は生体組織とのなじみを良くし
て新生骨組織との結合力増進に寄与し、一方金属イオン
非透過性物Ｘ　（Ｂ）は金属基材の有する生体組織への
有害作用を阻止する機能を発揮する。

本発明ではこうした双生体物質（八）と金属イオン非透
過性物質（Ｂ）の機能を有効に発揮せしめつつ被覆とし
ての耐久性を持たせるため、被覆層の金属基材側は金属
イオン非透過性物質（Ｂ）の含有比率を高くする一方、
被覆層の表層部に近づくにつれて双生体物質（Ａ）の含
有比率を連続的もしくは段階的に高めるか、あるいは生
体組織に対する親和性がより高いものを上記表層部側へ
多く存在せしめ、該被？！層の中間部付近においては双
生体物質（Ａ）を金属イオン非透過性物質（Ｂ）　　と
の混合比率が連続的であるにせよ段階的であるにせよ少
しずつ変化する様に、即ち良好な連続性を保持する様に
構成される。その結果、該被覆層は金属由来の生体有害
作用物質、例えばイオンの溶出を効果的に阻止すると共
に表層部では生体組織との間に優れた親和性を示し、且
つ該被覆層中の成分組成及び熱膨張係数等、即ち物理的
・化学的・生物学的性質は厚さ方向に少しずつ連続的も
しくは段階的に変化することになるので、被覆層内に過
大な内部応力を生じて層間剥離等を生ずる様な恐れもな
く、被覆層の効果を長期的に持続することができる。

本発明では前述の如く金属基材の有する生体有害作用を
効果的に阻止し得るところから、金属基材の種類は特に
限定されないが、安全性や機械的性質等を考慮すると最
も好ましいのはコバルト−クロム−ニッケル系合金、コ
バルト−クロム−モリブデン系合金、ステンレス鋼、チ
タン、チタン合金、タンタル、タンタル合金である。こ
れら金属基材の形状は通用場所に応じてビン型、スクリ
ュー型、ブレード型、アンカー型、プレート型、メツシ
ュ型等から任意に選択して決めることができる。これら
の金属基材は被覆との密着性を高めるため表面に適当な
粗面化処理（グリッドブラスト処理、サンドブラスト処
理、化学的または電気化学的エツチング処理等）を施し
ておくのがよく、場合によっては被覆の形成に先立って
適当なボンディング剤のアンカーコートを施し、被覆と
の密着性を高めることも有効である。

また双生体物質（Ａ）としては、生体組織との親和性が
良く殊に新生骨組織と強固に結合し得る特性を備えたも
のが好ましく、代表的なものとじては活性ガラス、アパ
タイト、ヒドロキシアパタイト等の多孔質セラミックス
が例示される。金属イオン非透過性物質（Ｂ）は前述の
如く主に金属基材の生体有害作用を阻止するために用い
られるものであり、生体組織に対して有害作用を与える
ことなく、且つ金属イオン等の溶出を阻止する機能を有
するものであれば素材の如何を問うものではないが、金
属基材との密着性、双生体物質（Ａ）との親和性、及び
機械的特性等を総合的に考えて最も好ましいのはＡ１．
Ｏ，、Ｔｉｅ、、ＺｒＯ２゜Ｓ　ｔｏ、、ＳｎＯ，、Ｐ
、Ｏ，、Ｃａｂ。

Ｂ２０．等の１種又は２種以上を含む酸化物よりなるセ
ラミックスあるいはＴｉの如く生体内で安定に存在し得
る金属等が挙げられる。

尚金属基材、双生体物質（Ａ）及び金属イオン非透過性
物質（８）の選定に当たっては、相互に親和性を有し且
つ熱膨張係数の近いものを選択することにより、一体性
の高い複合インプラント部材を得ることができる。

金属基材表面に被膜を形成するための具体的方法は従来
例と本質的に異なるものではなく、たとえば溶射法、ス
パッタリング法、低温焼付法、ゾル・ゲル法等を適宜選
択して採用することができるが、被覆形成に当たっては
金属基材表面にまず金属イオン非透過性物質（Ｂ）を被
覆した後、該被覆の表面に金属イオン非透過性物Ｘ　（
Ｂ）　と双生体物質（Ａ）　　との混合物を被覆し［こ
の被覆は１層だけでもよいが複層構造とし表層側へ近づ
くにつれて徐々に双生体物質（Ａ）の含有比率が高くな
る様にすれば、被覆特性をより優秀なものとすることが
できる］、最後に双生体物質（Ａ）を被覆する様にすれ
ば、目的にかなった被覆を得ることができる。

尚双生体物質（Ａ）と金属イオン非透過性物質（Ｂ）を
夫々２種類以上併用し、これらの混合物を含む多層構造
の被覆とすることも可能であり、この場合最表層側には
、生体組織に対する親和性のより高いものが多量存在す
る様にする必要がある。

［実施例コ 実施例１ 金属基材としてＴ　ｉ　−６Ａ　−４Ｖ合金（熱膨張係
数８．８　Ｘ　１０−６層℃）を選択し、前処理として
その表面をグリッドブラスト処理した後弗化水素酸と塩
酸の混酸でエツチング処理した。

一方、双生体物質（Ａ）としてアパタイト（熱膨張係数
１１．６Ｘ　１０−’／ｌ　）　、金属イオン非透過性
物質（Ｂ）　としてアルミナ（熱膨張係数７，８×１Ｏ
−６７ｔ）を夫々選択し、前処理された上記金属基材表
面に第１層としてアルミナ単独、第２層としてアルミナ
：アパタイト＝５０　：　５０　＜ＴＬ量比）の混合物
、第３層としてアパタイト単独を夫々７０μｍの層厚と
なる様に溶射し、複合インプラント部材を得た。

得られた複合インプラント材における被覆層の表層部分
、中間部分及び基材との境界部分のエネルギー分散型Ｘ
線マイクロアナライザー分析チャートを第１．２．３図
に夫々示す。

これらの図からも明らかである様に、Ｔｉ合金基材側■
では多量のＡ１の存在が確認され（第１図）、アルミナ
リッチの層であることが、また被覆層の中間部■では相
当量のＡ１．Ｐ、Ｃａの存在が確認され（第２図）、ア
ルミナとアパタイトの混合物層であることが、更に被覆
層の表層部■では多量のＰ及びＣａの存在が確認され（
第３図）、アパタイトリッチの層であることが夫々確認
される。また第４図は該被覆表面のＸ線回折チャートを
示したものであり、生体組織との親和性に優れたアパタ
イトが分解することなく表面に残っていることを確認す
ることができる。

この被覆は層内で成分組成の急変がないため熱膨張係数
の急変による内部応力が生じ難く長期使用に耐える被膜
特性を有し・ているほか、金属基材の有する生体有害作
用阻止効果及び生体組織との親和性共に優れたものであ
り、人工インプラント部材として優秀なものである。

上記で得たインプラント部材、および比較材として上記
と同様の前処理を施したＴＬ−６Ａｌ−４層合金基材の
表面に双生体物質であるアパタイトを２００μｍの層厚
となる様に溶射して得たインプラント部材を使用し、下
記の性能試験を行なった。

即ち上記２つのインプラント部材を家兎の脛骨に埋込み
、４か月経過した後、各インプラント部材の状況を顕微
鏡で観察したところ、両方のインプラント部材周辺に生
体骨が形成されているのが観察された。両者の溶射皮膜
を更に詳細に観察したところ、本発明の方法で作成した
インプラント部材には全く変化がなか９たのに対し、ア
パタイトだけを溶射したインプラント部材には部分的に
割れが観察された。

実施例２ 実施例１と同様の前処理を施したＴ　ｉ　−６Ａ　１−
４層合金基材の表面に、下記第１表に示す組成の被覆剤
を約３０μｍの厚さずつ６層に亘って順次溶射し、表層
に近づくにつれてアパタイト含有率を高めた被覆を形成
した。

第１表 （重量％） この被覆も熱膨張係数の急変による内部応力が生じ難く
長期使用に耐え得る被膜特性を有しており、且つ金属基
材の生体有害作用阻止効果及び生体組織との親和性共に
非常に優れたものであフた。

上記で得たインプラント部材、および比較材として上記
と同様の前処理を施したＴ　１−６Ａ　Ｉ　−４層合金
基材の表面に双生体物質であるアパタイトを２００μｍ
の厚さとなる様に溶射して得たインプラント部材を用い
、以下の性能試験を行なつた。但し各インプラント部材
は、溶射皮膜の強度を上げるため、溶射後真空電気炉中
９５０ｔで１時間熱処理に付した。

その結果、本発明の方法で作成したインプラント部材は
金属基材と強固に接合していたが、比較材については金
属基材溶射皮膜の剥離が観察された。本発明に係る上記
インプラント部材を成犬の脛骨に埋込み、４か月経過後
の状況を顕微鏡で観察したところ、インプラント部材周
辺に生体骨が形成されていた。

［発明の効果コ 本発明は以上の様に構成されており、被覆層の成分組成
を厚さ方向に連続的もしくは段階的に変化させることに
よって熱膨張係数等の急変をなくし被覆全体としての一
体性を高めたので、使用時に被覆が眉間剥離等を生ずる
恐れがなく、金属基材の生体有害作用阻止効果及び生体
組織との親和性を長期間に亘って良好に維持することが
でき、山内、骨内、骨膜下、粘膜内等に用いる人工歯根
、人工骨、人工関節等として幅広く安全に使用すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１〜３図は本発明に係る複合インプラント部材におけ
る被覆の表層部、中間部及び基材例の各エネルギー分散
型Ｘ線マイクロアナライザー分析チャート、第４図は該
被覆表面のＸ線回折チャートを夫々示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 生体組織との親和性に優れた親生体物質と金属イオン非
   透過性物質との混合物からなる被覆層を金属基材表面に
   形成してなり、該被覆層の構成は、被覆層の表層部に近
   づくにつれて親生体物質の含有比率を連続的もしくは段
   階的に高めたものであるか、あるいは生体組織に対する
   親和性がより高いものを上記表層部側に多く存在させた
   ものであることを特徴とする複合インプラント部材。