JPS63160662A

JPS63160662A - 骨親和性に優れた金属材表面の処理方法

Info

Publication number: JPS63160662A
Application number: JP61307302A
Authority: JP
Inventors: 松野　伸男; 健一郎鈴木; 清彦野原
Original assignee: Kawasaki Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1986-12-23
Filing date: 1986-12-23
Publication date: 1988-07-04

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】く技術分野〉本発明は、生体内に埋めこまれる生体材料において、素
材金属と骨親和性材料との間の密着性を向上させ、高い
骨親和性を有する金属材表面の処理方法に関する。

〈従来技術〉人間の関節は、種々の外傷などにより変形・破壊される
ことがある。関節破壊が著しくなれば疼痛と関節機能の
障害のために、日常生活動作がかなり制限されることに
なる。

このような状態を改善し、通常の社会生活に復帰させる
ための治療法として、現在用いられている最も有効な方
法は、人工関節への置換術である。

また、歯科の分野では、虫歯、歯槽膿漏等により歯牙を
抜去してしまった人は、非常に多く、食生活において長
年悩まされてきた。これらの状態を回復するため、最近
多く行なわれている治療法は、人工歯根のインブラント
法である。

人工骨、人工関節や、人工歯根等に要求される特性のう
ち現在の最も重要な問題点は、骨への固定方法である。

同じインブラント材である人工臓器と比較し、これらは
、骨の一部として機能する必要があり、そのため非常に
大きな荷重を受けることになる。例えば、普通の歩行時
において、股関節では最大で体重の４〜８倍の、又、膝
関節においては同様に２〜４倍の荷重が加わると言われ
ている。さらにこれらの荷重は、生体内という、化学的
に極めて厳しい環境下において、長期にわたフてくり返
し負荷される。

従来から行なわれている骨への固定方法としては、ボー
ン・セメントと呼ばれる、ポリメチルメタクリレートの
ポリマーの粉末と千ツマμｍの液体とを混ぜ合せ、重合
・硬化させる方法、骨接触面に、骨親和性の優れたアル
ミナ、水酸化アパタイト等のセラミックスを溶射する方
法、および、骨接触面に、ワイヤやビーズなどを焼結す
ることにより、表面を多孔質化し、その中に、骨を成長
させる方法などがある。

しかし、従来の方法では、下記の問題点があった。

ボーンセメント法においては、重合反応による発熱に伴
なう周辺組織の壊死や、残留モノマーの毒性などの問題
により、長期間使用している間に、ルースニングと呼ば
れるゆるみが発生してくる。

また、溶射法においては、現在用いられているプラズマ
溶射による皮膜では、密着性に対する信頼性が十分でな
い。

さらに、焼結法は、現在数も有効と考えられているが、
ワイヤ、ビーズを用いることにより、表面積が大きくな
り、その分、材料中の成分の溶出量が増して、発ガンの
可能性があったり、焼結部における切欠効果により疲労
特性が劣化する。さらには、同じ大きさでは、焼結部の
分だけ、強度が下がる等の問題をかかえている。

〈発明の目的〉本発明は骨歯等、生体用硬組織との固着を必要とする生
体用部材に関し、特に、骨親和性に優れた金属材表面の
処理方法に関する。

〈発明の構成〉本発明の第１の態様は、ＴｉまたはＴｉ合金を素材とし
、その表面に大容量のレーザービームを照射することに
より、表面に直径１５０〜４００μｍの凹部を密度約６
〜１５個／Ｉｌ■２で形成することを特徴とする骨親和
性に優れた金属材表面の処理方法を提供する。

本発明の第２の態様は、ＴｉまたはＴｉ合金を素材とし
、その表面に大容量のレーザービームを照射することに
より、表面に直径１５０〜４００μｍの凹部を密度約６
〜１５個／１■２形成し、さらに、その上に水酸化アパ
タイトをコーティングすることを特徴とする骨親和性に
優れた金属材表面の処理方法を提供する。

以下に本発明の構成を詳述する。

発明者らは、前述の従来技術の問題点を考慮しつつ、骨
親和性に優れた金属材（インブラント材）表面を得る方
法について研究を進めてきた。

その結果、素材金属としては強度的に優れ、弾性率も従
来材である５ＵＳ３１６Ｌ　、　Ｇｏ金合金比較して小
さく（生体骨の強度、弾性率に近い）、かつ生体内での
耐食性、耐疲労特性に優れ、しかも発ガン性の可能性の
あるＮｉを含まないＴｉまたはＴｉ合金が最適であると
判断した。

しかし、ＴｉまたはＴｉ合金だけでは生体内での異物反
応は少なく、骨と金属との間の繊維組織は薄いが、イン
ブラントを固定するだけの骨との接合力を得るには全く
不十分である。例えば、発明者らの生体内埋込試験（成
犬・大腿骨）による引き抜き強度の測定結果は２〜５に
ｇｆ／ｃｔｓ２であった。

この結果から何らかの表面処理が必要不可欠であると判
断された。

骨との接合力を得る方法としては、化学的結合によるも
の（水酸化アパタイトのコーティング等）と、機械的な
結合によるもの（ワイヤまたはビーズの焼結等）がある
が、それぞれ前述のように問題点を持っている。

そこで、本発明者らは、まず機械的な結合法について検
討した結果、大容量のレーザービーム照射により、表面
を多孔質化することが最適であることを知見した。

すなわち、高エネルギー密度のレーザービームを金属表
面に照射すると照射部は短時間に加熱され、照射を止め
ると急速に冷却されることは良く知られており、金属の
硬化処理方法として利用されている。

しかし、さらにエネルギー密度を上げていくと、金属表
面は溶融し、さらにあまりの急速加熱の結果、その溶融
物は爆発的に飛散し、後に凹部な形成するようになる。

本発明はこの現象を多孔質化に応用したものである。

レーザービームは集光や位置決めが簡単で形や大きさの
異なった部材の必要な部分だけを短時間に処理できるし
、表面の凹部もエネルギー密度や照射パターンを変える
ことにより、大きさや分布を変えることが容易である。

また、この方法によれば、ワイヤ、ビーズの焼結法のよ
うな、はく離や疲労特性の劣化はなく、さらに処理工程
も大幅に簡略化が可能である。

レーザービーム処理条件は、下記の範囲の凹部を形成す
るものであればいかなるものでもよい。

次に本発明者らは、表面の凹部の大きさと密度について
検討した。実験は、Ｔｉ合金表面にレーザービームのエ
ネルギーと照射パターンを種々に変化させることにより
、凹部の大きさと分布密度を変化させたものを成犬大腿
骨内に埋め込み、８週間後に大腿骨からの引き抜き試験
を行ない、骨との接合強度を調べた。

第１図は、凹部の大きさと、引き抜き強度との関係を示
した。ただし、凹部の形状は、径と深さがほぼ同じにな
るように加工条件を調整したものである。この結果から
、凹部径は２００−以上であれば良好な骨親和性が得ら
れ、好ましくは２００〜４００−であることがわかる。

また、凹部径をあまりに大きくするとレーザーに必要な
エネルギーが大きくなりすぎて実用的ではない。

第２図には、凹部の分布密度と引き抜き力との関係を凹
部径２００Ｉｊｍ１３００Ｐのものについて調べた結果
を示した。この結果より、凹部径により、値は異なるが
、凹部分布密度上昇とともに引き抜き力は上昇するが、
ある値以上では、はとんど変化しなくなることがわかっ
た。また、密度を高くすることは処理に要するエネルギ
ー、時間も必要となるため、必要最小限とすることが好
ましく、第２図の結果から分布密度は６〜１５個／１１
０１２が最適と言える。

しかし、機械的結合だけによる方法では、ある程度の骨
との固着力が得られることは明らかになったが、骨と直
接接合しているわけではなく、ルースニングの問題は完
全には回避し得ない。そこで、さらに化学的結合を付与
するために、レーザービーム照射により多孔質化した表
面に、水酸化アパタイト（Ｃａｔ　ｏ　（ＰＯ４）　ｓ
　（ＯＨ）　２）をプラズマ溶射等によりコーティング
することも有効である。

この場合は、水酸化アパタイト被膜の膜厚を１００−以
下として、レーザービーム照射による四部形成の効果を
失わないようにするのが良い。

レーザー処理により、各種の凹部径を与えた後、水酸化
アパタイトをプラズマ溶射により平均２０μｍの被膜を
形成させた時の引き抜き力の測定結果を第１図中に示し
た。水酸化アパタイト被膜の形成により、化学的結合力
が付与されるため、引き抜き力は大幅に向上している。

なお、凹部径は、被膜の膜厚が２０−と薄いため、プラ
ズマ溶射により若干小さくなるが、はとんど影響ない程
度であった。

また、レーザー処理の実施雰囲気は、真空中または大気
中でもよいが、Ｎ２雰囲気で行なうと表層の溶融層内に
Ｎ２が侵入し、真空中または大気中よりＴｉ−Ｈのより
硬質層が形成される。従って、骨との接合面に、より強
度を求めるような場合には、Ｎ２雰囲気中での処理が好
ましい。

〈実施例〉以下に実施例により更に具体的に説明する。

（実施例１および比較例）素材金属として、Ｔｉ合金（Ｔｉ−６Ａｊ２−４Ｖ　）
を用い、直径５ｍｓφ、長さ１５１１１１の円柱状の試
料を作製した。これらを２つに分け、一方は、Ｒａ　Ｏ
，１４以下の鏡面仕上げとし、他方はレーザービーム処
理により、平均直径２３０−１平均深さ１８０μｍの凹
部を密度１２．５個／ｌ１ｍ２で付与した。

レーザー処理条件は、炭酸ガスレーザーを用い、出力Ｉ
Ｋ冑、ビーム径０．Ｉ　ＩＩｍφで、毎秒５００パルス
で試料表面に間欠的に照射を行なった。

これらを成犬大腿骨に埋め込み、８週間後の引き抜き強
度を測定した。

比較として鏡面仕上げの５ＵＳ３１６Ｌ材およびＴｉ合
金材（Ｔｉ−６＾ｕ−４Ｖ）も同時に試験を行なった。

引き抜き強度の結果は、鏡面仕上げ材では、５ＬＩＳ３
１６Ｌ：２．５にｇｆ／ｃｍ”、Ｔｉ合金：３．４にｇ
ｆ／ｃｍ２（各サンプル数（ｎ数）５の平均値）であり
、Ｔｉ合金の方が若干良好であるが大差がなかった。

一方、レーザー処理を行なった本発明例は、引き抜き強
度は３４．８Ｋｇｆ／ｃｍ”　　（ｎ数＝５）が得られ
、骨親和性は良好であった。

（実施例２）実施例１と同じレーザー処理サンプルと、さらにその上
に水酸化アパタイトをプラズマ溶射法により約３０μｍ
の［厚でコーティングしたものを実施例１と同じ方法で
引き抜き試験を行なった。

その結果、レーザー処理材：　３６．５にｇｆ／ｃｒｓ
２水酸化アパタイトコーティング材：　６３．２にｇｆ
／ｃｔｓ２（各ｎ数５）が得られ、水酸化アパタイトコ
ーテイング材の方が良好な結果が得られた。なあ、引き
抜き後の試料表面の凹部内には、成長し侵入した骨が付
着している部分が認められたが、水酸化アパタイトコー
テイング材の方がその量は多く認められ、骨との親和性
が良好なことを示していた。

〈発明の効果〉本発明方法は、ＴｉおよびＴｉ合金金属材表面に、レー
ザービーム照射により、表面に一定形状の凹部を一定密
度で形成し、さらに必要に応じて、その上に水酸化アパ
タイトをコーティングする表面処理方法であり、骨親和
性に優れ、かつ耐発ガン性、耐食性、耐疲労特性に優れ
た金属材表面を得ることに成功した。

【図面の簡単な説明】

第１図は、凹部径と引き抜き力との関係を示すグラフで
ある。第２図は、凹部分布密度と引き抜き力との関係を示すグ
ラフである。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）ＴｉまたはＴｉ合金を素材とし、その表面に大容
量のレーザービームを照射することにより、表面に直径
１５０〜４００μｍの凹部を密度約６〜１５個／ｍｍ＾
２で形成することを特徴とする骨親和性に優れた金属材
表面の処理方法。
（２）ＴｉまたはＴｉ合金を素材とし、その表面に大容
量のレーザービームを照射することにより、表面に直径
１５０〜４００μｍの凹部を密度約６〜１５個／ｍｍ＾
２形成し、さらに、その上に水酸化アパタイトをコーテ
ィングすることを特徴とする骨親和性に優れた金属材表
面の処理方法。