JPWO2004062705A1 - 生体骨誘導性の人工骨とその製造方法 - Google Patents

Abstract

チタンまたはチタン合金の一塊からなり、直径１００〜３０００μｍの連通した孔３と、直径５０μｍ以下の穴４とを有し、空隙率が３０〜８０％である多孔質体と、非晶質酸化チタン相、非晶質アルカリチタン酸塩相、アナターゼ相及び（１０１）面に配向したルチル相のうちから選ばれる１種以上からなり、その多孔質体における前記孔及び穴の表面の少なくとも一部に形成された被膜とを備えることを特徴とする人工骨である。高強度で骨誘導性を有する。

Description

［０００１］
この発明は、チタンまたはチタン合金の一塊からなる人工骨に属し、特に生体骨誘導性の人工骨とその製造方法に関する。

［０００２］
［特許文献１］ 特許第２７７５５２３号公報
［特許文献２］ 特開２００２−１０２３３０号公報
［非特許文献１］Ｊ．Ｂｉｏｍｅｄ．Ｍａｔｅｒ．Ｒｅｓ．（Ａｐｐｌ．Ｂｉｏｍａｔｅｒ．），５８，２７０−２７６（２００１）
チタン又はチタン合金（以下、単にチタン等という。）は、生体に対する毒性が少ないことから、人工骨材料として利用されている。従来、チタン等からなる人工骨材料としては、チタン等の表面に非晶質アルカリチタン酸塩からなる被膜を形成し、必要によりその上にアパタイトからなる第二被膜を形成したもの（特許文献１）、チタン等の表面にアナターゼからなる被膜を形成し、必要によりその上にアパタイトからなる第二被膜を形成したもの（特許文献２）が知られている。これらの人工骨材料は、いずれも生体骨との結合性に優れている。即ち、これらの人工骨材料を生体の骨欠損部に埋め込んだとき、人工骨材料の表面がそれと接触する周辺生体骨と強固に結合するのである。
一方、水酸アパタイトセラミックスなどからなる特定のセラミックス多孔質体は、本来骨の存在しない場所、例えば筋肉内においても新たな骨を形成する骨誘導能を有することが知られている（非特許文献１）。

［０００３］
しかし、セラミックス多孔質体は、圧壊強度が１０〜３０ＭＰａ程度で、破壊靱性も５ＭＰａ√ｍ以下の脆い材料であるので、体内に埋め込んで負荷を与えると破損してしまう。従って、現実的には使用範囲が、負荷の働かないような部位に限定される。
それ故、この発明の課題は、荷重に耐え且つ骨誘導性の人工骨を提供することにある。

［０００４］
その課題を解決するために、この発明の人工骨は、
チタンまたはチタン合金の一塊からなり、直径１００〜３０００μｍ、好ましくは直径２００〜５００μｍの三次元網目状に連通した孔と、孔の内面に直径５０μｍ以下の穴とを有し、空隙率が３０〜８０％である多孔質体と、
非晶質酸化チタン相、非晶質アルカリチタン酸塩相、アナターゼ相及び（１０１）面に配向したルチル相のうちから選ばれる１種以上からなり、その多孔質体における前記孔及び穴の表面の少なくとも一部に形成された被膜とを備えることを特徴とする。
［０００５］
図１に模式的に示すように、この発明の人工骨１を生体組織２内に埋め込むと、体液及び細胞（以下、「体液等」という。）が矢印の如く孔３を通って人工骨１内に行き渡る。体液等は孔３を通過中に穴４に捕獲される。上記非晶質酸化チタン相、非晶質アルカリチタン酸塩相、アナターゼ相及び（１０１）面に配向したルチル相は、いずれも生体中でアパタイト形成能力を有する。従って、穴４に捕獲された体液等は穴４内または穴４の周辺に形成された被膜（図示省略）と反応し、被膜上に骨を形成する。この点、生体骨との接触部分でのみ骨を形成し、生体骨と結合していた従来のチタン等からなる人工骨と著しく相違する。即ち、従来の人工骨は、上記生体組織２が生体骨であって、埋め込み場所が骨欠損部であるとすると、人工骨と生体組織２との接触部分（例えばＡ部）でのみ新たな骨を形成していたのに対して、この発明の人工骨１は、穴４内やその周辺のように生体組織２から離れた場所においても新たな骨を形成するのである。
［０００６］
尚、図１は模式図であるために、孔３の直径が人工骨１の表面から内部に至るまで一様になっているが、必ずしも一様でなくとも１００〜３０００μｍの範囲に属していればよい。むしろ現実的には一様でない。穴４の直径も同様に上記の範囲で様々である。
但し、孔の直径が１００μｍに満たないと、体液等が通過しにくいし、３０００μｍを超えると、新たに形成された骨で空孔が埋まるのにあまりに長い年月を要するので、１００〜３０００μｍの範囲に限定した。また、穴の直径が５０μｍを超えると体液等が捕獲されにくいので、５０μｍ以下とした。
前記被膜を構成する相のうち、アパタイト形成能力は、アナターゼ相が高い。一方、アパタイトとチタンとの長期結合強度は非晶質アルカリチタン酸塩相が優れている。いずれにしても被膜は、０．１〜１０．０μｍの厚さを有すると好ましい。厚さが０．１μｍに満たないと、骨形成能力に乏しくなるし、１０．０μｍもあれば骨形成能力を十分に有するからである。
［０００７］
この発明の人工骨を製造する一つの適切な方法は、
上記の多孔質体を、アルカリ性水溶液中に浸すことを特徴とする。
チタン等からなる多孔質体をアルカリ性水溶液に浸けると、孔に水溶液が浸入し、その表面及び穴の表面に主として非晶質アルカリチタン酸塩からなる被膜が形成される。これを非晶質酸化チタン相やアナターゼ相に変えるには、アルカリ水溶液に浸けた後、水に浸ける。するとチタン酸塩のアルカリ成分が水中のヒドロニウムイオンと交換され、酸化チタンの非晶質相又はアナターゼ相となる。この水としては、１５０℃以下、３０〜９０℃の温水が好ましい。尚、温水に浸ける時間は、水温が低いほど長くする。
［０００８］
前記多孔質体は、被溶射体上にチタン粉末をプラズマ溶射することによって得ることができる。この場合、前記チタン粉末は、不定形の粒子の群からなり、その個々の粒子が多孔質であると好ましい。粒子間隙が上記の孔、粒子内の孔が上記の穴となるように制御することができるからである。更に、前記チタン粉末は、粒径２０〜３０μｍの細粉と粒径１００〜３００μｍの粗粉からなるとよい。それらの比率に応じて所望の空隙率の多孔質体が得られるし、粒子間の結合を強めることができるからである。
また、前記多孔質体を前記アルカリ水溶液中に浸けた後あるいは更に続いて水に浸けた後に加熱すると、非晶質アルカリチタン酸塩相またはアナターゼ相の比率が増す。この加熱温度は、２００〜８００℃が好ましい。２００℃に満たないとアナターゼ相への結晶化が起こりにくいし、８００℃を超えるとチタン等が相変化したり軟化が進んだりして機械的強度が低下するからである。
［０００９］
この発明の人工骨を製造するもう一つの適切な方法は、
上記の多孔質体を、電解液中で陽極酸化する、好ましくは火花放電を生じる電圧で陽極酸化することを特徴とする。この場合、電解液が硫酸又は硫酸塩を含む水溶液であると好ましい。そのような電解液中で陽極酸化するとアナターゼ相と（１０１）面に配向したルチル相とが共存した被膜が形成される。そして、それら２つの相が共存した被膜は、特にアパタイト形成能力に優れるからである。尚、この明細書ではルチルに関しては、（１０１）面由来のピーク強度が（１１０）面由来のピーク強度の１／２を超えている場合を、（１０１）面に配向していると称する。

［００１０］
以上のように、この発明の人工骨は、高強度及び骨誘導能を有するので、生体の随所で補強又は代替材料となりうる。

［００１１］
図１は、この発明の人工骨を生体組織に埋め込んだ状態を模式的に示す図である。図２は、実施例の人工骨に適用される多孔質体の孔径分布を示す図である。図３は、上記多孔質体の空隙率を示す図である。図４は、上記人工骨を生体組織に１２ヶ月間埋め込んだ後、染色試験をした状態を示す約１２０倍拡大写真である。

［００１２］
−予備実験例−
１５×１０×１ｍｍ^３のチタン板を５Ｍ濃度の水酸化ナトリウム水溶液に６０℃で２４時間浸け、続いて４０℃の蒸留水に４８時間浸けた後、６００℃で１時間加熱した。得られた基板の表面を薄膜Ｘ線回折により調べたところ、多量に析出したアナターゼからなる皮膜が形成されていた。
−実施例−
粒径２０〜３０μｍの不定形チタン細粉と粒径１００〜３００μｍの不定形チタン粗粉とが１対３の割合で混ざり合った混合粉末を準備した。混合粉末をチタン板の上にプラズマ溶射することにより、チタン板の上に厚み１０ｍｍ程度の多孔質体を形成した。この多孔質体を切り出して、研磨した。０．１ｍｍ（１００μｍ）研磨する毎に、研磨面に存在する孔の直径を測定した。測定結果を図２に示す。
図２に見られるように、多孔質体は、表面から深さ５ｍｍまでの範囲において直径３００〜５００μｍの連通した多数の孔を有していた。これらの孔の面積の合計を観察面の全面積で除した値を空隙率とし、図３に示す。図３に見られるように、多孔質体の空隙率は、表面から深さ５ｍまでの範囲において３０〜６０％であった。また、研磨面を１００倍に拡大して観察したところ、孔が網目状に連続しているとともに、各粒予内に０．１〜１０μｍ程度の穴が存在していた。
［００１３］
次に、研磨前の大きさ５×５×７ｍｍの上記多孔質体を６０℃の５Ｍ水酸化ナトリウム水溶液に２４時間浸け、続いて４０℃の蒸留水に４８時間浸けた後、６００℃で１時間加熱した。
得られた多孔質体を成熟したビーグル犬の背筋に埋め込み、１２ヶ月後に取りだした。これをトルイジンブルーにて染色し、光学顕微鏡にて観察したところ、図４に約１２０倍の拡大写真として示すように多孔質体の孔内表面にラメラを有する新たな骨が認められた。図４において黒色部分（チタンを示す「Ｔｉ」形状の白抜き文字部分を含む。）がチタン、濃い灰色部分が新生骨、薄い灰色部分が気泡もしくは軟組織である。走査電子顕微鏡観察及びエネルギー分散Ｘ線スペクトルによれば、新生骨がチタンの表面に直接結合しており、カルシウム及び燐を含むことが判った。病理学的な石灰化は認められなかった。
［００１４］
−比較例１−
プラズマ溶射して得られた多孔質体を５×５×７ｍｍの大きさに切り出し、そのままビーグル犬の背筋に埋め込んだ以外は、実施例と同様に処理した。その結果、新生骨の形成は認められなかった。
−比較例２−
多孔質体に代えてチタンの繊維塊からなり、外径４ｍｍ、長さ１１ｍｍ、空隙率４０−６０％、孔の直径５０〜４５０μｍの円柱を用いた以外は、実施例と同様に処理した。その結果、新生骨の形成は認められなかった。
−比較例３−
比較例２の円柱を水酸化ナトリウム水溶液にも蒸留水にも浸けることなく、そのままビーグル犬の背筋に埋め込んだ以外は、比較例２と同様に処理した。その結果、新生骨の形成は認められなかった。

Claims (10)

1. チタンまたはチタン合金の一塊からなり、直径１００〜３０００μｍの三次元綱目状に連通した孔と、孔の内面に直径５０μｍ以下の穴とを有し、空隙率が３０〜８０％である多孔質体と、
   非晶質酸化チタン相、非晶質アルカリチタン酸塩相、アナターゼ相及び（１０１）面に配向したルチル相のうちから選ばれる１種以上からなり、その多孔質体における前記孔及び穴の表面の少なくとも一部に形成された被膜とを備えることを特徴とする生体骨誘導性の人工骨。
2. 前記被膜が、０．１〜１０．０μｍの厚さを有する請求項１に記載の人工骨。
3. チタンまたはチタン合金の一塊からなり、直径１００〜３０００μｍの三次元網目状に連通した孔と、孔の内面に直径５０μｍ以下の穴とを有し、空隙率が３０〜８０％である多孔質体を、アルカリ性水溶液中に浸すことを特徴とする生体骨誘導性の人工骨の製造方法。
4. 前記多孔質体を、被溶射体上にチタン粉末をプラズマ溶射することによって得る請求項３に記載の方法。
5. 前記チタン粉末は、不定形の粒子の群からなり、その個々の粒子が多孔質である請求項４に記載の方法。
6. 前記チタン粉末は、２０〜３０μｍの細粉と１００〜３００μｍの粗粉からなる請求項４又は５に記載の方法。
7. 前記多孔質体を前記アルカリ水溶液中に浸した後に加熱する請求項３〜６のいずれかに記載の方法。
8. 前記加熱温度が３００〜８００℃である請求項７に記載の方法。
9. 前記アルカリ性水溶液中に浸した後、加熱する前に多孔質体を水に浸ける請求項７又は８に記載の方法。
10. チタンまたはチタン合金の一塊からなり、直径１００〜３０００μｍの三次元網目状に連通した孔と、孔の内面に直径５０μｍ以下の穴とを有し、空隙率が３０〜８０％である多孔質体を、電解液中で陽極酸化することを特徴とする生体骨誘導性の人工骨の製造方法。

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