WO2009147819A1 - 骨修復材料及びその製造方法 - Google Patents

骨修復材料及びその製造方法 Download PDF

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小久保正
木付貴司
山口誠二
松下富春
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    • A61L2430/02—Materials or treatment for tissue regeneration for reconstruction of bones; weight-bearing implants

Definitions

  • the present invention relates to a bone repair material and a manufacturing method thereof.
  • This bone repair material can be suitably used for bone repair in a portion to which a large load is applied such as a femur, a hip joint, a spine, and a tooth root.
  • Titanium or its alloy with an apatite layer formed on its surface has great fracture toughness and is bonded to living bone through apatite in vivo, so it is expected as a bone repair material in areas where large loads are applied. Yes. Therefore, various methods for forming an apatite layer on the surface of a substrate made of titanium or an alloy thereof have been studied. Among these, those obtained by immersing an alkali-treated base material in an aqueous solution having a saturated concentration of apatite or more to precipitate apatite are likely to crack in the apatite during drying.
  • Patent Document 1 and Non-Patent Document 1 lose their apatite forming ability when exposed to high temperature and high humidity for a long time as an accelerated test assuming long-term storage. Therefore, it is not possible to store inventory in preparation for repair surgery.
  • the materials obtained by the methods described in Patent Documents 2-4 and 6-7 and Non-Patent Document 2-3 have low scratch resistance, and the titanate layer easily peels off when embedded in the body.
  • the materials obtained by the methods described in Patent Documents 5 and 8 and Non-Patent Document 5 are inferior in apatite-forming ability, and it takes 10 days to form apatite on the entire surface.
  • an object of the present invention is to provide a bone repair material having excellent apatite forming ability and storage stability and having high scratch resistance.
  • the bone repair material is A substrate made of titanium or a titanium alloy; A titanate layer formed on a substrate and containing calcium, the concentration of which decreases as it goes from the surface toward the inside,
  • a stylus with a spring constant of 200 g / mm is given an amplitude of 100 ⁇ m and a load of 100 mN / min is applied, when the stylus is moved at a speed of 10 mm / sec, it exhibits a scratch resistance of 20 mN or more, and is in vivo or simulated. It has the ability to form apatite on the entire surface within 3 days in body fluid.
  • the calcium concentration in the titanate layer decreases as it goes inward. Accordingly, the titanium concentration increases as it goes inward, and the titanate layer is strongly bonded to the base material and exhibits the above-mentioned high scratch resistance. Further, since the portion close to the surface is rich in calcium and activated, it has excellent apatite forming ability.
  • Suitable methods for producing the bone repair material of this invention include: A step of immersing a base material made of titanium or a titanium alloy in an alkaline first aqueous solution containing at least one cation of sodium ions and potassium ions without containing calcium ions; Immersing in a second aqueous solution containing calcium ions without containing phosphate ions; Heating in a dry atmosphere; And a step of treating with warm water or steam at 60 ° C. or higher.
  • the base material and the aqueous solution react to easily form a sodium hydrogen titanate or potassium hydrogen titanate layer on the surface of the base material.
  • This surface layer is known to have a gradient structure in which sodium concentration or potassium concentration decreases from the surface toward the inside (Kim et al., J. Biomed. Mater. Res., Vol. 45, p100-109, (1999)).
  • sodium ions or potassium ions in the surface layer are exchanged with calcium ions in the aqueous solution.
  • the said titanate layer which has the gradient composition which contains calcium in high concentration is formed on a base material by immersing a base material in two different types of aqueous solution in steps. By heating this in a dry atmosphere, it is dehydrated to form a mechanically and chemically stable anhydrous titanate layer, and the scratch resistance is remarkably improved. Thereafter, the surface is activated to such a degree that the surface exhibits predetermined apatite-forming ability by treatment with warm water or steam of 60 ° C. or higher. Its ability to form is as high as 3 days to form apatite on the entire surface, and it is maintained even after long-term storage.
  • the bone repair material obtained by the manufacturing method of the present invention has excellent apatite forming ability and high scratch resistance, when it is embedded in a portion where a large load is applied in vivo, The bone defect can be repaired by bonding. Moreover, since it is excellent in preservability, stock can be used in the case of surgery.
  • the titanate layer preferably has a calcium concentration of 0.1 to 20 atomic% in the range of a depth of at least 1 ⁇ m from the surface.
  • the titanate layer preferably has a thickness of 0.1 to 10 ⁇ m. When the thickness is less than 0.1 ⁇ m, the calcium component which is the core of the apatite is too scarce on the surface and it is difficult to form apatite. When it exceeds 10 ⁇ m, the titanate layer is easily peeled off from the substrate.
  • the preferred alkali concentration of the first aqueous solution is 0.1 to 20M
  • the preferred calcium ion concentration of the second aqueous solution is 0.1 to 1,000 mM.
  • the preferred soaking temperature and time are 5 to 99 ° C., 0 .5 to 48 hours. This is because if any of these is less than the lower limit, a titanate layer having the preferred thickness or gradient composition is difficult to form, and if the upper limit is exceeded, the titanate layer becomes too thick and easily peels from the substrate. .
  • the second aqueous solution is preferably prepared by dissolving one or more salts selected from calcium chloride, calcium nitrate, calcium acetate, and calcium hydroxide in water.
  • the heating temperature after the aqueous solution treatment is preferably 400 to 800 ° C. When the temperature is lower than 400 ° C., it is difficult to improve the mechanical strength and chemical stability of the titanate layer.
  • the preferred temperature for the hot water treatment or the steam treatment is 60 to 99 ° C. or 100 to 180 ° C., respectively, and the preferred treatment time is 0.1 to 48 hours.
  • the titanium metal plate was heated from normal temperature to 600 ° C. at a rate of 5 ° C./min in an electric furnace, held at 600 ° C. for 1 hour, and allowed to cool in the furnace (hereinafter referred to as “heat treatment”). ). Thereafter, the titanium metal plate was immersed in 10 ml of ultrapure water at 60 ° C. for 24 hours (hereinafter referred to as “warm water treatment”) and washed with ultrapure water for 30 seconds to produce a sample.
  • heat treatment 10 ml of ultrapure water at 60 ° C. for 24 hours
  • Example 1 a sample was produced under the same conditions as in Example 1 except that the temperature of the hot water in the hot water treatment was 80 ° C. -Example 3- In Example 1, a sample was produced under the same conditions as in Example 1 except that the temperature of the hot water in the hot water treatment was 95 ° C. -Example 4- In Example 1, a sample was produced under the same conditions as in Example 1 except that instead of the hot water treatment, the titanium metal plate was treated with water vapor at 121 ° C. for 20 minutes in an autoclave.
  • Example 1 a sample was produced under the same conditions as in Example 1 except that a calcium nitrate aqueous solution was used instead of the calcium chloride aqueous solution and that the temperature of the hot water in the hot water treatment was 80 ° C.
  • Example 6- In Example 1, a sample was produced under the same conditions as in Example 1 except that a calcium acetate aqueous solution was used instead of the calcium chloride aqueous solution, and that the temperature of the hot water in the hot water treatment was 80 ° C.
  • Example 7- a sample was produced under the same conditions as in Example 1 except that the holding temperature in the electric furnace was 800 ° C. and the temperature of the hot water in the hot water treatment was 80 ° C.
  • Example 8- a sample was produced under the same conditions as in Example 1 except that a Ti-6Al-4V alloy plate was used instead of the titanium metal plate and that the temperature of the hot water in the hot water treatment was 80 ° C. did.
  • Example 9- the sample was used under the same conditions as in Example 1 except that a Ti-15Mo-5Zr-3Al alloy plate was used instead of the titanium metal plate and that the temperature of the hot water in the hot water treatment was 80 ° C. Manufactured.
  • Example 10 the sample was used under the same conditions as in Example 1 except that a Ti-6Al-2Nb-1Ta alloy plate was used instead of the titanium metal plate and that the temperature of the hot water in the hot water treatment was 80 ° C. Manufactured.
  • Example 11 the sample was used under the same conditions as in Example 1 except that a Ti-15Zr-4Nb-4Ta alloy plate was used instead of the titanium metal plate and that the temperature of the hot water in the hot water treatment was 80 ° C. Manufactured.
  • Example 12 In Example 1, a Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr alloy plate was used instead of the titanium metal plate, a 1M sodium hydroxide aqueous solution was used instead of the 5M sodium hydroxide aqueous solution, and the holding temperature of the electric furnace was 600. A sample was produced under the same conditions as in Example 1 except that the temperature was changed to 700 ° C instead of 0 ° C, and the temperature of the hot water in the hot water treatment was changed to 80 ° C instead of 60 ° C.
  • Example 13 In Example 1, a Ti-36Nb-2Ta-3Zr-0.3O alloy plate was used instead of the titanium metal plate, a 1M sodium hydroxide aqueous solution was used instead of the 5M sodium hydroxide aqueous solution, and the holding temperature of the electric furnace was set to 700 ° C. instead of 600 ° C., and a sample was produced under the same conditions as in Example 1 except that the temperature of the hot water in the hot water treatment was changed to 80 ° C. instead of 60 ° C.
  • -Comparative Example 1- A pure titanium metal plate having a size of 10 mm ⁇ 10 mm ⁇ 1 mm was polished with a # 400 diamond pad, ultrasonically cleaned with acetone, 2-propanol, and ultrapure water for 30 minutes each, and then the same conditions as in Example 1 The sample was manufactured by treating with alkali and washing with ultrapure water for 30 seconds.
  • -Comparative Example 2- The comparative substrate obtained in Comparative Example 1 was heat-treated under the same conditions as in Example 1.
  • -Comparative Example 3- The comparative substrate obtained in Comparative Example 1 was treated with calcium under the same conditions as in Example 1.
  • -Comparative Example 5- The comparative substrate obtained in Comparative Example 1 was heat-treated under the same conditions as in Example 1, and then subjected to calcium treatment under the same conditions as in Example 1.
  • strength did not fall even if it gave warm water processing or steam processing (Example 2, Example 4).
  • the heat treatment was performed at 800 ° C. (Example 7)
  • the scratch strength of the surface layer was reduced to about half compared to the case where the heat treatment was performed at 600 ° C.
  • Example 2 and Comparative Example 2 were subjected to a moisture resistance test in which the sample was exposed to an atmosphere at a temperature of 80 ° C. and a relative humidity of 95% for 1 week, and then immersed in a simulated body fluid.
  • the sample of Example 2 was covered with apatite on the entire surface within 72 hours of immersion in the simulated body fluid as before the moisture resistance test, and the sample was kept for a long time under high temperature and high humidity. It was confirmed that high apatite forming ability was not lost.
  • the sample of Comparative Example 2 formed apatite only on a part of the surface of the sample, and it was found that the apatite-forming ability was remarkably lowered when placed under high temperature and high humidity.
  • composition analysis When the composition of the sample surface was analyzed by an energy dispersive X-ray analysis method with an acceleration voltage of 9 kV, as shown in Table 2, 5.2 atomic% sodium was detected in the sample after the alkali treatment (Comparative Example 1). Thereafter, sodium disappeared in the calcium-treated sample (Comparative Example 3), and about 4 atomic% of calcium was newly detected instead. Even when these were further subjected to heat treatment (Comparative Example 4) and hot water treatment (Example 2), the values thereof hardly changed.

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Abstract

アパタイト形成能及び保存性に優れ、高い引っかき抵抗を有する骨修復材料を提供する。 カルシウムイオンを含まずナトリウムイオン及びカリウムイオンのうち１種以上のカチオンを含みアルカリ性の第１の水溶液にチタン又はチタン合金からなる基材を浸漬する工程と、リン酸イオンを含まずカルシウムイオンを含む第２の水溶液に浸漬する工程と、乾燥雰囲気中で加熱する工程と、６０℃以上の温水又は水蒸気で処理する工程とを備えることを特徴とする。

Description

骨修復材料及びその製造方法
　この発明は、骨修復材料及びその製造方法に関する。この骨修復材料は、大腿骨、股関節、脊椎、歯根等のように大きな荷重の加わる部分における骨修復のために好適に利用され得る。
　表面にアパタイト層が形成されたチタン又はその合金は、大きな破壊靱性を有し、且つ生体内でアパタイトを介して生体骨と結合することから、大きな荷重の加わる部分における骨修復材料として期待されている。そこで、チタン又はその合金からなる基材の表面にアパタイト層を形成する方法が種々検討されてきた。このうち、アルカリ処理された基材をアパタイトの飽和濃度以上の水溶液に浸けてアパタイトを析出させて得られるものは、乾燥時にアパタイトにひび割れが生じやすい。また、基材にアパタイトをプラズマ溶射して得られるものは、冷却時に基材との熱膨張差でアパタイトが割れやすい。このため、体内でアパタイトを形成すると同時に生体骨と結合させるべく、アパタイト形成能を有するチタン酸塩層が表面に形成されたチタン又はその合金の骨修復材料を製造する方法が種々提案されている（特許文献１－８、非特許文献１－５）。
WO95/13100号公報 特開平8-299429号公報 特開2004-183017号公報 特開平10-179717号公報 特開平10-179718号公報 特開2000-93498号公報 特開2006-102212号公報 特開2000-102601号公報 Kimら、J. Biomed. Mater. Res., vol.32, p409～417 (1996) Nakagawaら、J. Mat. Sci: Mat. Med., vol.16, p985～991 (2005) Wangら、Biomaterials, vol.23, p1353～1357 (2002) Parkら、Biomaterials, vol.28, p3306～3313 (2007) Armitageら、Appl. Surf. Sci., vol.253, p4085～4093 (2007)
　しかし、特許文献１及び非特許文献１に記載の方法で得られる材料は、長期保存を想定した加速試験として高温高湿下に長時間曝すと、アパタイト形成能を失ってしまう。従って、修復手術に備えて在庫を保存しておくことができない。また、特許文献２－４、６－７及び非特許文献２－３に記載されている方法で得られる材料は、引っかき抵抗が低く、体内に埋め込む際にチタン酸塩層が剥離しやすい。特許文献５、８及び非特許文献５に記載の方法で得られる材料は、アパタイト形成能に劣り、全表面にアパタイトを形成するのに１０日を要する。生体内でこんなに長期間を要しては、アパタイトを形成する前に有機成分が表面に付着してしまい、生体骨と結合しなくなる。特許文献６に記載の方法で得られる材料も引っかき抵抗が低く、加熱するとアパタイト形成能が低下する。非特許文献４に記載の方法は、高温高圧を要し、コストが著しく高くなる。
　それ故、この発明の課題は、アパタイト形成能及び保存性に優れ、高い引っかき抵抗を有する骨修復材料を提供することにある。
　この発明の一つの観点によれば、骨修復材料が、
　チタン又はチタン合金からなる基材と、
　基材上に形成され、カルシウムを含み，その濃度が表面から内部に向かうにつれ減少するチタン酸塩層とを備え、そのチタン酸塩層が、
バネ定数２００ｇ／ｍｍのスタイラスに１００μｍの振幅を与え、１００ｍＮ／ｍｉｎの荷重を印加しながら、スタイラスを１０ｍｍ／ｓｅｃの速度で移動させたとき、２０ｍＮ以上のひっかき抵抗を示し、且つ生体内あるいは擬似体液中で３日以内に全面にアパタイトが形成される能力を有することを特徴とする。
　この骨修復材料によれば、チタン酸塩層におけるカルシウム濃度が内部に向かうにつれ減少している。従って、チタン濃度が逆に内部に向かうにつれて増加しており、チタン酸塩層が基材に強く結合し、前記の高いひっかき抵抗を示す。また、表面に近い部分はカルシウムが豊富で活性化されているため、優れたアパタイト形成能を有する。
　この発明の骨修復材料を製造する適切な方法は、
　カルシウムイオンを含まずナトリウムイオン及びカリウムイオンのうち１種以上のカチオンを含みアルカリ性の第１の水溶液にチタン又はチタン合金からなる基材を浸漬する工程と、
　リン酸イオンを含まずカルシウムイオンを含む第２の水溶液に浸漬する工程と、
　乾燥雰囲気中で加熱する工程と、
　６０℃以上の温水又は水蒸気で処理する工程と
を備えることを特徴とする。
　第１の水溶液に浸けることより、基材と水溶液とが反応して基材表面にチタン酸水素ナトリウムあるいはチタン酸水素カリウムの層が容易に形成される。この表面層は、ナトリウム濃度あるいはカリウム濃度が表面から内部に向かうにつれて減少する傾斜構造を有することが知られている（Kimら、J.Biomed.Mater.Res.,vol.45,p100-109,(1999)）。次いで第２の水溶液に浸けると、表面層中のナトリウムイオンあるいはカリウムイオンが、水溶液中のカルシウムイオンと交換される。このように異なる二種類の水溶液に段階的に基材を浸けることにより、カルシウムを高濃度で含む傾斜組成を有する前記チタン酸塩層が基材上に形成される。これを乾燥雰囲気中で加熱することにより、脱水して機械的及び化学的に安定な無水のチタン酸塩層となり、引っかき抵抗が著しく向上する。その後、６０℃以上の温水又は水蒸気で処理することにより、表面が所定のアパタイト形成能を発揮する程度に活性化する。その形成能は、全表面にアパタイトを形成するのに３日で足りるという高いものであり、しかも長期保存後も維持される。
　以上のように、この発明の製造方法によって得られる骨修復材料は、アパタイト形成能に優れ、高い引っかき抵抗を有することから、生体内の大きな荷重のかかる部分に埋め込んだ場合、速やかに生体骨と結合して骨欠損部を修復することができる。また、保存性に優れることから、手術の場合に在庫を利用することができる。
実施例および比較例の試料表面の引っかき強度を示すグラフである。 耐湿試験前後の擬似体液浸漬７２時間後における試料表面のＳＥＭ像である。 カルシウム処理を施したチタン金属の表面付近のイオン分布を示すオージェ分光分析結果を示すグラフである。 各処理を施したチタン金属表面の薄膜Ｘ線回折パターンを示すグラフである。
　前記チタン酸塩層は、表面から少なくとも１μｍの深さの範囲において０．１～２０原子％のカルシウム濃度を有するのが好ましい。カルシウム濃度が０．１原子％に満たない場合は、アパタイトの核となるカルシウム成分が表面に乏しすぎてアパタイトを形成しにくい。２０原子％を超えると、表面層が安定な化合物になるのでアパタイトを形成しにくい。
　前記チタン酸塩層が、０．１～１０μｍの厚さを有するのが好ましい。厚さが０．１μｍに満たない場合は、アパタイトの核となるカルシウム成分が表面に乏しすぎてアパタイトを形成しにくい。１０μｍを超えると、チタン酸塩層が基材から剥離しやすくなる。
　第１の水溶液の好ましいアルカリ濃度は０．１～２０Ｍ、第２の水溶液の好ましいカルシウムイオン濃度は０．１～１，０００ｍＭで、いずれの場合も好ましい浸漬温度及び時間は５～９９℃、０．５～４８時間である。いずれも下限に満たないと、前記好ましい厚さ又は傾斜組成を有するチタン酸塩層が形成されにくいし、上限を超えるとチタン酸塩層が厚くなりすぎて基材から剥離しやすくなるからである。
　第２の水溶液は、好ましくは塩化カルシウム、硝酸カルシウム、酢酸カルシウム及び水酸化カルシウムのうちから選ばれる１種以上の塩を水に溶解させることにより調製される。
　水溶液処理後の加熱温度は、４００～８００℃が好ましい。温度が４００℃未満の場合には、チタン酸塩層の機械的強度も化学的安定性も向上しにくい。
　温水処理または水蒸気処理の好ましい温度は、それぞれ６０～９９℃又は１００～１８０℃であり、その好ましい処理時間は０．１～４８時間である。
［製造条件］
－実施例１－
　１０ｍｍ×１０ｍｍ×１ｍｍの大きさの純チタン金属板を＃４００のダイヤモンドパッドを用いて研磨し、アセトン、２－プロパノール、超純水で順に各３０分間超音波洗浄した後、５Ｍの水酸化ナトリウム水溶液５ｍｌに６０℃で２４時間浸漬し（以下、「アルカリ処理」という。）、超純水で３０秒間洗浄した。このチタン金属板を１００ｍＭの塩化カルシウム水溶液１０ｍｌに４０℃で２４時間浸漬し（以下、「カルシウム処理」という。）、超純水で３０秒洗浄した。次いで、チタン金属板を電気炉中で常温から６００℃まで５℃／ｍｉｎの速度で昇温し、６００℃で１時間保持して、炉内で放冷した（以下、「加熱処理」という。）。その後、チタン金属板を１０ｍｌの超純水に６０℃で２４時間浸漬し（以下、「温水処理」という。）、超純水で３０秒洗浄することにより、試料を製造した。
－実施例２－
　実施例１において、温水処理における温水の温度を８０℃としたことを除く他は実施例１と同じ条件で試料を製造した。
－実施例３－
　実施例１において、温水処理における温水の温度を９５℃としたことを除く他は実施例１と同じ条件で試料を製造した。
－実施例４－
　実施例１において、温水処理に代えてチタン金属板をオートクレーブ中１２１℃の水蒸気で２０分間処理したことを除く他は実施例１と同じ条件で試料を製造した。
－実施例５－
　実施例１において、塩化カルシウム水溶液に代えて硝酸カルシウム水溶液を用いたことと、温水処理における温水の温度を８０℃としたことを除く他は実施例１と同じ条件で試料を製造した。
－実施例６－
　実施例１において、塩化カルシウム水溶液に代えて酢酸カルシウム水溶液を用いたことと、温水処理における温水の温度を８０℃としたことを除く他は実施例１と同じ条件で試料を製造した。
－実施例７－
　実施例１において、電気炉中の保持温度を８００℃としたことと、温水処理における温水の温度を８０℃としたことを除く他は実施例１と同じ条件で試料を製造した。
－実施例８－
　実施例１において、チタン金属板に代えてＴｉ－６Ａｌ－４Ｖ合金板を用いたことと、温水処理における温水の温度を８０℃としたことを除く他は実施例１と同じ条件で試料を製造した。
－実施例９－
　実施例１において、チタン金属板に代えてＴｉ－１５Ｍｏ－５Ｚｒ－３Ａｌ合金板を用いたことと、温水処理における温水の温度を８０℃としたことを除く他は実施例１と同じ条件で試料を製造した。
－実施例１０－
　実施例１において、チタン金属板に代えてＴｉ－６Ａｌ－２Ｎｂ－１Ｔａ合金板を用いたことと、温水処理における温水の温度を８０℃としたことを除く他は実施例１と同じ条件で試料を製造した。
－実施例１１－
　実施例１において、チタン金属板に代えてＴｉ－１５Ｚｒ－４Ｎｂ－４Ｔａ合金板を用いたことと、温水処理における温水の温度を８０℃としたことを除く他は実施例１と同じ条件で試料を製造した。
―実施例１２―
　実施例１において、チタン金属板に代えてＴｉ－２９Ｎｂ－１３Ｔａ－４．６Ｚｒ合金板を用い、５Ｍの水酸化ナトリウム水溶液に代えて１Ｍの水酸化ナトリウム水溶液を用い、電気炉の保持温度を６００℃に代えて７００℃とし、温水処理における温水の温度を６０℃に代えて８０℃としたことを除く他は実施例１と同じ条件で試料を製造した。
―実施例１３－
　実施例１において、チタン金属板に代えてＴｉ－３６Ｎｂ－２Ｔａ－３Ｚｒ－０．３Ｏ合金板を用い、５Ｍの水酸化ナトリウム水溶液に代えて１Ｍの水酸化ナトリウム水溶液を用い、電気炉の保持温度を６００℃に代えて７００℃とし、温水処理における温水の温度を６０℃に代えて８０℃としたことを除く他は実施例１と同じ条件で試料を製造した。
－比較例１－
　１０ｍｍ×１０ｍｍ×１ｍｍの大きさの純チタン金属板を＃４００のダイヤモンドパッドを用いて研磨し、アセトン、２－プロパノール、超純水で各３０分間超音波洗浄した後、実施例１と同一条件でアルカリ処理し、超純水で３０秒間洗浄することにより、試料を製造した。
－比較例２－
　比較例１で得られた比較用基板を実施例１と同一条件で加熱処理した。
－比較例３－
　比較例１で得られた比較用基板を実施例１と同一条件でカルシウム処理した。
－比較例４－
　比較例１で得られた比較用基板を実施例１と同一条件でカルシウム処理し、更に加熱処理した。
－比較例５－
　比較例１で得られた比較用基板を実施例１と同一条件で加熱処理した後、実施例１と同一条件でカルシウム処理した。
［アパタイト形成能評価］
　実施例および比較例の試料を３６．５℃に保たれたＩＳＯ規格２３３１７の擬似体液（ＳＢＦ）に浸漬したところ、表１に示すように、比較例４を除くすべての試料において擬似体液浸漬７２時間以内にアパタイトが形成された。しかもすべての実施例および比較例２の試料では、試料の表面全体にアパタイトが形成され、これらの試料は生体内で高いアパタイト形成能を示すことが確かめられた。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
［引っかき抵抗測定］
　株式会社レスカ製のスクラッチ試験機ＣＳＲ－２０００を用いて、バネ定数２００ｇ／ｍｍのスタイラスに試料上で１００μｍの振幅を与え、１００ｍＮ／ｍｉｎの荷重を印加しながら、スタイラスを１０ｍｍ／ｓｅｃの速度で移動させた。このときの臨界ひっかき強度を測定した。その結果、図１に示すように、その強度は加熱処理前（比較例１、比較例３）においては５ｍＮ以下であったのが、６００℃の加熱処理後（比較例２、比較例４）には約５０ｍＮまで飛躍的に上昇した。また、その強度は温水処理または水蒸気処理を施しても低下しなかった（実施例２、実施例４）。一方、８００℃の加熱処理を施した場合（実施例７）においては、６００℃で加熱処理した場合に比べて、表面層の引っかき強度が半分程度まで低下した。
［保存性評価］
　実施例２及び比較例２の試料を温度８０℃、相対湿度９５％の雰囲気下に１週間さらす耐湿試験を行った後、擬似体液に浸漬した。その結果、図２に示すように実施例２の試料は耐湿試験前と同様に擬似体液浸漬７２時間以内に表面全体がアパタイトで覆われ、同試料は高温高湿下に長時間おかれても高いアパタイト形成能を失わないことが確かめられた。一方、比較例２の試料は、試料の表面の一部にしかアパタイトを形成せず、高温高湿下におかれるとアパタイト形成能が著しく低下することが判った。
［組成分析］
　試料表面の組成を加速電圧９ｋＶでエネルギー分散Ｘ線分析法で分析すると、表２に示すようにアルカリ処理後の試料（比較例１）には、５．２原子％のナトリウムが検出された。その後カルシウム処理した試料（比較例３）ではナトリウムが消失し、代わりに約４原子％のカルシウムが新たに検出された。これらを更に加熱処理（比較例４）および温水処理（実施例２）してもその値がほとんど変化しなかった。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　オージェ分光分析によれば、アルカリ処理後にカルシウム処理を行い加熱処理すると（比較例４）、図３に示すように表面から１μｍの深さまでカルシウムイオンが入り、その濃度が深さと共に傾斜的に減少していることがわかった。これを温水処理しても（実施例２）その傾斜構造に大きな変化が認められなかった。
　試料表面の結晶構造を薄膜Ｘ線回折法により調べると、図４に示すようにチタン金属表面にアルカリ処理後（比較例１）にチタン酸水素ナトリウムが形成され、カルシウム処理後（比較例３）にチタン酸水素カルシウムが形成され、加熱処理後（比較例４）にチタン酸カルシウムが形成されていることがわかる。温水処理（実施例２）を施してもその構造に大きな変化は認められなかった。

Claims (7)

  1. 　カルシウムイオンを含まずナトリウムイオン及びカリウムイオンのうち１種以上のカチオンを含みアルカリ性の第１の水溶液にチタン又はチタン合金からなる基材を浸漬する工程と、
    　リン酸イオンを含まずカルシウムイオンを含む第２の水溶液に浸漬する工程と、
    　乾燥雰囲気中で加熱する工程と、
    　６０℃以上の温水又は水蒸気で処理する工程と
    を備えることを特徴とする骨修復材料の製造方法。
  2. 　第１の水溶液のアルカリイオン濃度が０．１～２０Ｍの範囲にあり、浸漬温度が５～９９℃の範囲にあり、浸漬時間が０．５～４８時間の範囲にある請求項１に記載の製造方法。
  3. 　第２の水溶液に含まれるアニオンが、塩化物イオン、酢酸イオン、硝酸イオン及び水酸化物イオンから選択される１種以上である請求項１に記載の製造方法。
  4. 　第２の水溶液のカルシウムイオン濃度が０．１～１，０００ｍＭの範囲にあり、浸漬温度が５～９９℃の範囲にあり、浸漬時間が０．５～４８時間の範囲にある請求項１に記載の製造方法。
  5. 　前記加熱の温度が４００～８００℃で、その時間が０．５～２４時間である請求項１に記載の製造方法。
  6. 　前記温水処理または水蒸気処理の時間が０．１～４８時間である請求項１に記載の製造方法。
  7. 　チタン又はチタン合金からなる基材と、
    　基材上に形成され、カルシウムを含み，その濃度が表面から内部に向かうにつれ減少するチタン酸塩層とを備え、そのチタン酸塩層が、
    バネ定数２００ｇ／ｍｍのスタイラスに１００μｍの振幅を与え、１００ｍＮ／ｍｉｎの荷重を印加しながら、スタイラスを１０ｍｍ／ｓｅｃの速度で移動させたとき、２０ｍＮ以上のひっかき抵抗を示し、且つ生体内あるいは擬似体液中で３日以内に全面にアパタイトが形成される能力を有することを特徴とする骨修復材料。
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