WO2013035690A1 - 多孔体および多孔体の製造方法 - Google Patents

多孔体および多孔体の製造方法 Download PDF

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智勇 松本
美知子 坂本
大助 庄司
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Definitions

  • the degree of variation in the pore diameter of the spherical pores can be expressed by, for example, the half-value width of the pore diameter in addition to the standard deviation described above.
  • the half width is preferably 100 ⁇ m or less, and more preferably 80 ⁇ m or less.
  • this ceramic porous body is composed of an aggregate of spherical secondary particles composed of a granulated body of primary particles composed of a calcium phosphate compound.
  • the spherical pores are configured to have pores formed on the surface by the gaps between the spherical secondary particles.
  • the pores preferably have a diameter of 20 ⁇ m or less, and more preferably 10 ⁇ m or less. By setting the pore diameter within such a range, it is possible to reliably maintain the bone regeneration ability required for a ceramic porous body artificial bone.
  • Such a ceramic porous body is composed of a calcium phosphate compound having excellent biocompatibility.
  • Examples of calcium phosphate compounds include apatites such as hydroxyapatite (HAP), fluorine apatite, and carbonate apatite, dicalcium phosphate, tricalcium phosphate (TCP), tetracalcium phosphate, and octacalcium phosphate. These can be used alone or in combination of two or more. Among these calcium phosphate compounds, those having a Ca / P ratio of 1.0 to 2.0 are preferred, and those with 1.5 to 2.0 are more preferred.
  • HAP hydroxyapatite
  • TCP tricalcium phosphate
  • tetracalcium phosphate tetracalcium phosphate
  • octacalcium phosphate octacalcium phosphate.
  • the ceramic porous body has been described above among the inorganic porous bodies, but the inorganic porous body includes a porous body made of a titanium-based compound. Like the ceramic porous body, this porous body also has spherical pores. The relative porosity, the average pore diameter and standard deviation of the spherical pores, the calculation method thereof, the formed communication holes and effects, and the like are the same as those of the ceramic porous body described above.
  • the method for producing a porous body of the present invention includes the following first step and second step.
  • the first step is a step of adding a paste containing a water-soluble polymer compound and a surfactant to a slurry containing powder.
  • the second step the slurry (mixed slurry) to which the paste has been added is foamed by stirring, and then the mixed slurry is gelled and dried to obtain a dried product, and the obtained dried product Is a step of sintering.
  • these steps will be sequentially described.
  • the powder is not particularly limited, but a powder containing secondary particles having an average particle diameter of 0.5 to 80 ⁇ m composed of primary particles having an average particle diameter of 100 nm or less is preferably used. And this slurry is obtained by disperse
  • a solvent such as water may be added to the paste to adjust the viscosity.
  • water-soluble polymer compounds examples include cellulose derivatives such as methylcellulose, polysaccharides such as curdlan, synthetic polymers such as polyvinyl alcohol, polyacrylic acid, polyacrylamide, and polyvinylpyrrolidone. Of these, cellulose derivatives are preferred. Thereby, gelatinization of a slurry can be performed more reliably.
  • the paste is divided into a predetermined amount and added to the slurry a plurality of times.
  • the temperature of the paste is preferably set higher than the temperature of the slurry, and specifically, is set higher by about 10 to 20 ° C. More specifically, the temperature of the slurry is preferably about 10 to 30 ° C. The paste temperature is preferably about 30 to 40 ° C.
  • a paste containing a high-concentration water-soluble polymer compound is added to the slurry. For this reason, when the paste is added to the slurry at a normal temperature, the paste has a high viscosity, so that it becomes difficult to uniformly mix the paste into the slurry.
  • the powder is preferably 100 parts by weight, the water-soluble polymer compound is 1 to 10 parts by weight, and the surfactant is preferably 1 to 10 parts by weight. If the amount of powder added is too small, it may take more time than necessary to dry. Moreover, when there is too much addition amount of a powder, there exists a possibility that the viscosity of a slurry may become high too much and it may become difficult to generate a bubble. Moreover, when the addition amount of the water-soluble polymer compound is less than 1 part by weight, gelation of the slurry is difficult.
  • the addition amount of the water-soluble polymer compound is more than 10 parts by weight, the viscosity of the slurry is too high and foaming is difficult. Furthermore, foaming is difficult when the addition amount of the surfactant is less than 1 part by weight. Moreover, even if the addition amount of the surfactant exceeds 10 parts by weight, the effect corresponding to the addition cannot be obtained.
  • the stirring force can be obtained by [maximum output of the stirrer (W) / amount of aqueous solution (L)] ⁇ (actual rotational speed / maximum rotational speed). Further, the output of the stirrer increases in order to maintain the rotation speed as the viscosity of the slurry increases. However, when foaming to obtain a ceramic porous body having a high porosity, the slurry viscosity does not substantially change from the slurry viscosity at the time of preparation. Therefore, the effect of viscosity is virtually negligible.
  • impeller type homogenizer having such a structure
  • examples of the impeller type homogenizer having such a structure include PH91, PA92, HF93, FH94P, PD96, and HM10 manufactured by SMT.
  • an inert gas such as air, nitrogen, or argon may be injected into the slurry being stirred.
  • the stirring time depends on the stirring force, but is generally set to about 1 to 30 minutes.
  • the mixed slurry is preferably set to a liquid temperature of about 0 to 25 ° C., more preferably about 5 to 20 ° C.
  • This gelation is performed, for example, by the action of a water-soluble polymer compound such as methylcellulose by heating a slurry sufficiently foamed by stirring to 80 ° C. or higher and lower than 100 ° C.
  • a water-soluble polymer compound such as methylcellulose
  • the heating temperature is less than 80 ° C., gelation may be insufficient.
  • the heating temperature is 100 ° C. or higher, moisture boils and the formed pore structure may be destroyed.
  • the dried body (green block) is sintered to obtain a sintered body (ceramic porous body of the present invention).
  • the conditions for sintering the green block are, for example, a temperature of 1000 to 1250 ° C. and a time of 2 to 10 hours. If the sintering temperature is less than 1000 ° C., a ceramic porous body having sufficient strength cannot be obtained. When the sintering temperature is higher than 1250 ° C., when hydroxyapatite is used as the calcium phosphate compound, hydroxyapatite is decomposed into tricalcium phosphate and calcium oxide. The sintering time is appropriately set according to the sintering temperature.
  • the temperature at which the green block is sintered is set within the range of 1000 to 1150 ° C. This reliably prevents the transition from ⁇ -TCP to ⁇ -TCP.
  • a processing step for processing the dried body and / or a degreasing step for degreasing the dried body may be performed.
  • the green block since the water-soluble polymer compound contained in the green block acts as a binder, the green block has a mechanical strength that can be handled. Therefore, the dry body can be cut without being pre-baked.
  • the degreasing step can be performed by heating the green block to 300 to 900 ° C., for example. Thereby, the water-soluble polymer compound and the surfactant can be reliably removed from the green block.
  • the temperature may be gradually increased until the sintering temperature is reached.
  • the temperature is raised from room temperature to about 600 ° C. at a temperature increase rate of about 10 to 100 ° C./hour, and then the temperature is raised to a sintering temperature at a temperature increase rate of about 50 to 200 ° C./hour to maintain this temperature. Can be done.
  • the powder used in the first step is a powder composed of spherical secondary particles of a calcium phosphate compound.
  • the method for producing a porous body of the present invention uses a titanium compound as the powder. Even when a powder composed of structured particles is used, the process can be performed as described above. Thereby, the ceramic porous body comprised with titanium is obtained.
  • the conditions and effects of the first step and the second step are the same as those in the method for manufacturing the ceramic porous body described above.
  • porous body of the present invention can be used not only as an artificial biomaterial, but also as a liquid chromatography filler, a catalyst carrier, various electric / electronic materials, a nuclear reactor material, a ceramic heating element, and the like. it can.
  • methylcellulose powder was added to an aqueous solution in which 1.4 parts by weight of a surfactant (alkylbenzene sulfonic acid EDT) was added to 27 parts by weight of pure water, and a stirring defoamer (manufactured by Shinky, A paste binder was prepared by dispersing and mixing with “Awatori Nertaro ARE-250”).
  • a surfactant alkylbenzene sulfonic acid EDT
  • a slurry (mixed slurry) to which the paste-like binder is added is obtained by adding the paste-like binder prepared in the step ⁇ 2> to the slurry prepared in the step ⁇ 1>. It was. In this case, the temperatures of the slurry and the paste-like binder were 20 ° C. and 35 ° C., respectively.
  • the obtained bubble-containing slurry was gelled at 83 ° C. Then, the bubble-containing slurry was dried by maintaining the obtained gel at 83 ° C., thereby obtaining a green block (block before sintering).
  • the green block was processed into a shape of 14 mm ⁇ 14 mm ⁇ 14 mm. Thereafter, the green block was sintered at 1050 ° C. for 2 hours in the air to obtain a 10 mm ⁇ 10 mm ⁇ 10 mm sintered body composed of ⁇ -tricalcium phosphate ( ⁇ -TCP). .
  • ⁇ -TCP ⁇ -tricalcium phosphate
  • Example 2 Sintering of Example 2 composed of ⁇ -tricalcium phosphate ( ⁇ -TCP) in the same manner as in Example 1 except that the secondary particles in step ⁇ 1> were 150 parts by weight. Got the body.
  • Example 3 In the step ⁇ 1>, in place of the secondary particles having a Ca / P ratio of 1.5, secondary particles (average) consisting of granules of primary particles having an Ca / P ratio of 1.67 (average particle size: 80 nm) Particle size: 15 ⁇ m)
  • a sintered body of Example 3 composed of hydroxyapatite (HAP) was obtained in the same manner as in Example 1 except that a slurry containing 100 parts by weight was prepared.
  • step ⁇ 1> 100 parts by weight of the secondary particles were replaced with 50 parts by weight of pure titanium powder.
  • step ⁇ 2> 27 parts by weight of pure water was changed to 150 parts by weight of pure water, and methylcellulose powder 3.4. 1 part by weight of methylcellulose powder and 1.4 parts by weight of alkylbenzene sulfonic acid EDT were replaced with 0.25 part by weight of alkylbenzene sulfonic acid EDT.
  • gelation and drying were performed at 85 ° C. with a hot air dryer.
  • a sintered body of Example 4 made of titanium was obtained in the same manner as in Example 1 except that the above was performed.
  • Example 3 (Comparative Example 3)
  • a fatty acid alkanolamide-based surfactant N, N-dimethyldodecylamine oxide, “AROMOX” manufactured by Lion Co., Ltd.
  • HAP hydroxyapatite
  • the internal structure of the sintered body was measured using micro CT (SKYSCAN, “Skyscan 1172”)
  • the CT images of the upper surface (height 8 mm), middle surface (height 5 mm) and lower surface (height 2 mm) were obtained (see FIGS. 2 and 3).
  • the image analysis was performed by measuring the equivalent circle diameter of the spherical pores on Photoshop based on the photographed image result by SEM and measuring the pore diameters of the measured spherical pores. Based on the results, the average pore diameter, standard deviation, and half width of the spherical pores were determined. The results are shown in Table 2 and Table 3.
  • the average pore diameter of the spherical pores is 100 to 165 ⁇ m. And the standard deviation was 60 ⁇ m or less. Thereby, it turned out that a uniform spherical pore is obtained.
  • the average pore diameter of the spherical pores was 100 to 165 ⁇ m, and the standard deviation thereof was 60 ⁇ m or less. . Thereby, it turned out that a uniform spherical pore is obtained.
  • Example 2 the sintered bodies of Example 2 and Comparative Example 2 were respectively implanted in beagle femurs according to ISO10993-6. After 4 weeks and 13 weeks, the sintered body was removed, and a toluidine blue pathological tissue specimen was prepared. The bone regeneration ability was evaluated by image analysis of the specimen.
  • bone tissues included osteoids and mature bones. The results are shown in Table 4.
  • Example 2 and Comparative Example 2 were compared, the amount of bone regeneration was 32 times and 1.5 times at 4 and 13 weeks, respectively. Thereby, it turned out that the sintered compact of Example 2 is excellent in early bone regeneration.
  • the sintered body of each example was a porous body excellent in uniformity of spherical pores as compared with the sintered body of each comparative example. Also, due to this, it was speculated that in the sintered body of Example 2, osteoblasts and the like necessary for bone formation were able to uniformly enter the pores. Therefore, compared with the sintered body of Comparative Example 2, the ceramic porous body of the present invention can accelerate bone regeneration.
  • the porous body of the present invention has spherical pores.
  • the relative porosity of the porous body is 50% or more, the average pore diameter of the spherical pores is 100 to 165 ⁇ m, and the standard deviation of the spherical pores is 60 ⁇ m or less.

Abstract

 球状気孔を有する多孔体が提供される。その多孔体の相対気孔率は50%以上であり、さらに、前記球状気孔の平均気孔径は100~165μmであり、かつ、前記球状気孔の標準偏差は60μm以下である。また、気孔径が500μm以上の球状気孔の気孔含有率が1%以下である。これにより、この多孔体を骨補填材に適用した場合、骨芽細胞等の細胞の移動が円滑に行われ、早期の骨再生が実現可能となる。また、この多孔体を製造する方法も提供される。

Description

多孔体および多孔体の製造方法
 本発明は、多孔体および多孔体の製造方法、特に、無機多孔体および無機多孔体の製造方法に関するものである。
 近年、歯科、外科等で、人工骨、人工歯、骨類の補填等に用いられる骨補填材としては、毒性がなく、機械的強度が十分で、生体組織と親和性が高く結合しやすい多孔体が好ましく用いられている。具体的には、リン酸カルシウム系化合物で構成されたセラミックス多孔体が好ましく用いられている。
 このようなリン酸カルシウム系化合物で構成されたセラミックス多孔体(骨補填材)の製造方法として、例えば、以下の2つの方法が知られている。第1の方法は、リン酸カルシウム系化合物で構成される原料粉末と熱分解物質とを混合し、所定の形状に成形した後、得られた成形体を加熱して熱分解物質の除去と原料粉末の焼結を行う方法(例えば、特開昭60-21763号公報参照。)である。第2の方法は、原料粉末と熱分解物質との他に、さらに起泡剤を混合し、この起泡剤により気泡を発生させた状態で、熱分解物質の除去と原料粉末の焼結を行う方法(例えば、特開2000-302567号公報参照。)である。
 しかしながら、これらの製造方法では、気孔を形成するために添加した熱分解物質がほぼ均一に原料粉末と接触するとは限らないことから、形成された気孔の大部分は独立した気孔となることが多い。また、形成された気孔の気孔径のバラツキが大きい。さらに、隣り合う気孔同士が接し、これに起因して、気孔同士が連通した連通孔がたとえ形成されたとしても、連通孔の断面積が小さく、かつ、そのバラツキが大きい。
 したがって、かかる構成の骨補填材を、生体の骨欠損部等に補填したとしても、骨生成に必要な骨芽細胞等を、気孔内に均一に侵入させることが困難である。そのため、均一な骨再生が実現できないという問題がある。
 本発明の目的は、球状をなす球状気孔が均一である多孔体、およびこの球状気孔が均一である多孔体を製造することができる多孔体の製造方法を提供することにある。
 このような目的は、下記(1)~(10)に記載の本発明により達成される。
 (1) 球状気孔を有する多孔体であって、
 その相対気孔率が50%以上であり、
 前記球状気孔は、その平均気孔径が100~165μmであり、かつ、その標準偏差が60μm以下であることを特徴とする多孔体。
 このような平均気孔径および標準偏差を有する球状気孔を備える多孔体は、均一な球状気孔を備えるものと言うことができる。
 (2) 気孔径が500μm以上の前記球状気孔の気孔含有率(気孔数基準)が1%以下である上記(1)に記載の多孔体。
 このように、その気孔径が極端に大きいものの含有量を小さくすることで、気孔径のバラツキ(標準偏差)がより小さくなるため、気孔径の均一性をより高めることができる。
 (3) 前記球状気孔同士が連通することにより形成された連通孔を有し、この連通孔の平均径が50μm以上である上記(1)または(2)に記載の多孔体。
 連通孔の平均径を、かかる範囲内に設定することにより、多孔体として求められる強度を維持することができる。また、多孔体を骨補填材に適用した場合、連通孔を介した球状気孔同士間の骨芽細胞等の細胞の移動が円滑に行われるため、早期の骨再生が実現可能となる。
 (4) 前記多孔体は、リン酸カルシウム系化合物またはチタン系化合物で構成されている上記(1)ないし(3)のいずれかに記載の多孔体。
 (5) 当該多孔体は、前記リン酸カルシウム系化合物で構成される一次粒子の造粒体からなる球状二次粒子の集合体で構成されており、
 前記球状気孔は、その表面に、前記球状二次粒子の間隙により形成された、20μm以下の細孔を有している上記(4)に記載の多孔体。
 細孔の口径を、かかる範囲内に設定することにより、セラミックス多孔体として求められる強度を確実に維持することができる。
 (6) 上記(1)ないし(5)のいずれかに記載の多孔体の製造方法であって、
 粉体を含有するスラリーに、水溶性高分子化合物と、界面活性剤とを含有するペーストを添加して混合スラリーを得る第1の工程と、
 前記混合液スラリーを、撹拌することにより起泡させた後に、前記混合スラリーをゲル化、乾燥させて乾燥体を得、さらに前記乾燥体を焼結する第2の工程とを有することを特徴とする多孔体の製造方法。
 このように、第1の工程において、スラリーとペーストとを別個に分けて調製し、その後、これらを混合する構成とすることで、スラリーに含まれる粉体に対して、ペーストを均一に分散することができるようになる。そのため、第2の工程で得られる多孔体を、上述したような球状気孔の平均気孔径および標準偏差を有するものとすることができる。
 (7) 前記紛体は、リン酸カルシウム系化合物またはチタン系化合物で構成された粒子で構成されている上記(6)に記載の多孔体の製造方法。
 (8) 前記第1の工程において、前記ペーストの温度は、前記スラリーの温度よりも10~20℃高く設定される上記(6)または(7)に記載の多孔体の製造方法。
 これにより、第2の工程で得られる多孔体は、より確実に上述した球状気孔の平均気孔径および標準偏差を有するものとなる。
 (9) 前記界面活性剤は、スルフォン酸系界面活性剤である上記(6)ないし(8)のいずれかに記載の多孔体の製造方法。
 これにより、セラミックス多孔体を得た際に、このものを構成するリン酸カルシウム系化合物を、硫酸基が導入されたものとすることができる。そのため、セラミックス多孔体を骨補填材に適用した場合、骨生成の際に骨芽細胞等の細胞活性が高くなり、その結果、骨補填材における骨再生をより早期に行うことができる。
 (10) 前記水溶性高分子化合物は、セルロース誘導体である上記(6)ないし(9)のいずれかに記載の多孔体の製造方法。
 これにより、ペーストが添加されたスラリーのゲル化をより確実に行うことができる。
 本発明の多孔体であれば、球状をなす球状気孔が均一であるものと言うことができる。例えば、多孔体のうちの無機多孔体を骨補填材に適用した場合、骨芽細胞等の細胞の移動が円滑に行われるため、早期の骨再生が実現可能となる。
 また、本発明の多孔体の製造方法によれば、得られる多孔体を、その相対気孔率が50%以上であり、さらに、球状気孔の平均気孔径が100~165μmであり、かつ、その標準偏差が60μm以下であるものとすることができる。
図1は、本発明のセラミックス多孔体の一例の走査顕微鏡写真である。 図2は、実施例1および比較例1の焼結体における、上面、中面および下面のCT画像を示す図である。 図3は、実施例2および比較例2の焼結体における、上面、中面および下面のCT画像を示す図である。
 以下、本発明の多孔体および多孔体の製造方法の好適な実施形態について詳細に説明する。
 ここで、本発明の多孔体は、セラミックスやチタン系化合物で構成される無機多孔体と、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)などの樹脂材料で構成される有機多孔体とを含んでいる。以下では、無機多孔体について説明する。
 まず、本発明の無機多孔体のうち、セラミックス多孔体について詳細に説明する。
 図1は、本発明のセラミックス多孔体の一例の走査顕微鏡写真である。
 本発明のセラミックス多孔体は、リン酸カルシウム系化合物で構成され、球状をなす球状気孔を有するものである。その相対気孔率が50%以上であり、さらに、前記球状気孔は、その平均気孔径が100~165μmであり、かつ、その標準偏差が60μm以下であることを特徴とする。
 このようなセラミックス多孔体は、細胞および生体組織の培養に用いる担体や、骨補填用等に好適な生体親和性を有する人工生体材料に用いることができる。
 特に、セラミックス多孔体を骨補填用の骨補填材に適用した場合、本発明では、球状気孔の平均気孔径が100~165μmであり、かつ、その標準偏差が60μm以下となっており、前記球状気孔が均一なものとなっている。そのため、リン酸カルシウム系化合物で構成される粒子の塊の発生を低減することができ、前記球状気孔同士が連通することにより形成される連通孔も均一なものとなる。これにより、骨生成に必要な骨芽細胞等を、球状気孔内に均一に侵入させることができる。その結果、均一な骨再生が実現可能となる。
 なお、セラミックス多孔体の相対気孔率は50%以上であればよいが、55%以上であるのが好ましく、60%以上であるのがより好ましい。相対気孔率をかかる範囲内に設定することにより、前記球状気孔同士が確実に連通して連通孔が形成される。その結果、連通孔が三次元的に連通した気孔構造が形成される。相対気孔率の上限値の制限は特にないが、セラミックス多孔体の機械的強度の観点から、95%以下であることが好ましい。
 また、球状気孔の平均気孔径は、100~165μmであればよいが、120~150μmであるのが好ましく、130~150μmであるのがより好ましい。さらに、その標準偏差は、60μm以下であればよいが、55μm以下であるのが好ましく、50μm以下であるのがより好ましい。
 なお、球状気孔の気孔径のバラツキの程度は、上述した標準偏差の他に、例えば、気孔径の半値幅によっても表すことができる。本発明では、半値幅が100μm以下であるのが好ましく、80μm以下であるのがより好ましい。
 平均気孔径、標準偏差さらには半値幅をかかる範囲内に設定することにより、球状気孔がより均一なものとなっていると言え、より均一な骨再生を実現することができる。
 なお、本明細書中において、「相対気孔率」とは、セラミックス多孔体において気孔が占める割合(%)を表し、例えば、(1-W/D/V)×100、[式中、Wは乾燥重量、Vは体積、Dは理論密度(例えば、ハイドロキシアパタイトは3.16g/cm、β-TCPは3.07g/cm)を表す。]の関係式より求めることができる。
 また、本明細書中において、「球状気孔」とは、図1に示すように、セラミックス多孔体において、気泡や高分子の球状ビーズ等に由来して形成された球状をなす気孔である。その気孔径は、例えば、マイクロCT装置等を用いて、セラミックス多孔体の所定の部分における断面画像を取得し、その断面画像に基づいて、気孔径を測定することにより得ることができる。そして、測定された各球状気孔の気孔径から、その平均気孔径、標準偏差および半値幅を求めることができる。
 なお、球状気孔の気孔径を求めるための画像解析は、例えば、SEM画像より気孔径を円相当径として測定して行われる。
 ところで、このように、球状気孔の気孔径の標準偏差は、セラミックス多孔体の所定の部分における断面画像で観察された各球状気孔の気孔径に基づいて算出される。したがって、セラミックス多孔体のある部分における断面画像から求められた標準偏差と、セラミックス多孔体の他の部分における断面画像から求められた標準偏差との差は、小さい方が気孔径のバラツキが小さいと言うことができる。具体的には、前記差が20~50μm程度であるのが好ましく、0~40μm程度であるのがより好ましい。これにより、球状気孔がより均一なものとなっていると言え、より均一な骨再生を実現することができる。
 また、セラミックス多孔体では、球状気孔の気孔径が500μm以上のものの気孔の含有率が1%以下であるのが好ましく、0.5%以下であるのがより好ましい。このように、その気孔径が極端に大きいものの含有率を小さくすることで、気孔径のバラツキ(標準偏差および半値幅)がより小さくなるため、気孔径の均一性をより高めることができる。なお、このような500μm以上の球状気孔の含有率は、例えば、1cmの範囲において認められる球状気孔の気孔径を測定することにより求められる。
 さらに、このようなセラミックス多孔体では、隣り合う球状気孔同士が連通することにより、連通孔が形成される(図1参照。)。この連通孔の平均径は、50μm以上であるのが好ましく、50μm以上、150μm以下であるのがより好ましい。連通孔の平均径を、かかる範囲内に設定することにより、セラミックス多孔体として求められる強度を維持することができる。また、連通孔を介した球状気孔同士間の骨形成に関与する前駆細胞等の移動や栄養血管系の侵入が円滑に行われるため、早期の骨再生が実現可能となる。
 また、このセラミックス多孔体は、リン酸カルシウム系化合物で構成される一次粒子の造粒体からなる球状二次粒子の集合体で構成されている。そのため、球状気孔は、その表面に、その球状二次粒子の間隙により形成された細孔を有する構成をなしている。かかる構成のセラミックス多孔体において、この細孔は、その口径が20μm以下であるのが好ましく、10μm以下であるのがより好ましい。細孔の口径を、かかる範囲内に設定することにより、セラミックス多孔体人工骨として求められる骨再生能力を確実に維持することができる。
 このようなセラミックス多孔体は、上述した骨補填材として用いる場合、顆粒状をなすものが多く用いられるが、例えば、立方体、直方体、円柱およびスティック状等の形状であってもよい。
 また、このようなセラミックス多孔体は、優れた生体親和性を備えているリン酸カルシウム系化合物で構成される。
 リン酸カルシウム系化合物としては、例えば、ハイドロキシアパタイト(HAP)、フッ素アパタイト、炭酸アパタイト等のアパタイト類、リン酸二カルシウム、リン酸三カルシウム(TCP)、リン酸四カルシウム、リン酸八カルシウム等が挙げられ、これらのうちの1種または2種以上を組み合わせて用いることができる。また、これらのリン酸カルシウム系化合物のなかでもCa/P比が1.0~2.0のものが好ましく、1.5~2.0のものがより好ましく用いられる。
 以上、無機多孔体のうち、セラミックス多孔体について説明したが、無機多孔体はチタン系化合物で構成される多孔体も含む。この多孔体もセラミックス多孔体と同様、球状気孔を有している。その相対気孔率、球状気孔の平均気孔径および標準偏差、それらの算出方法、形成される連通孔および効果などは、上述したセラミックス多孔体のものと同様である。
 なお、チタン系化合物としては、例えば、チタン(チタン粉末)、酸化チタン、炭化チタン、窒化チタン、塩化チタン、チタン酸バリウムなどが挙げられ、これらのうちの1種または2種以上を組み合わせて用いることができる。また、これらのチタン化合物の中でも、チタンが好ましく用いられる。
 以上のような本発明の多孔体は、次のような本発明の多孔体の製造方法により製造することができる。
 本発明の多孔体の製造方法は、以下の第1の工程と、第2の工程とを有する。第1の工程は、粉体を含有するスラリーに、水溶性高分子化合物と、界面活性剤とを含有するペーストを添加する工程である。第2の工程は、前記ペーストが添加された前記スラリー(混合スラリー)を、撹拌することにより起泡させた後に、混合スラリーをゲル化、乾燥させて乾燥体を得、さらに得られた乾燥体を焼結する工程である。以下、これらの工程について、順次説明する。
 ここで、第1の工程で使用される紛体は、リン酸カルシウム系化合物などのセラミックスやチタン系化合物などの無機化合物で構成された粒子で構成される紛体と、ポリエーテルエーテルケトンなどの有機化合物で構成された粒子で構成される紛体を含む。以下では、第1の工程で使用される粉体として、リン酸カルシウム系化合物の球状二次粒子で構成される紛体を用いた場合を詳細に説明する。すなわち、本発明の多孔体の製造方法のうち、セラミックス多孔体の製造方法を詳細に説明する。
 [A]まず、リン酸カルシウム系化合物で構成される粒子の粉体を含有するスラリーに、水溶性高分子化合物と、界面活性剤とを含有するペーストを添加する(第1の工程)。
 [A-1]まず、リン酸カルシウム系化合物で構成される粒子の粉体を含有するスラリーを調製する。
 この粉体としては、特に限定されないが、平均粒径が100nm以下の一次粒子からなる平均粒径0.5~80μmの二次粒子を含む紛体が好ましく用いられる。そして、この粉体を、例えば、水等に分散することにより前記スラリーが得られる。
 [A-2]次いで、水溶性高分子化合物と、界面活性剤とを含有するペースト(ペースト状をなすバインダー)を調製する。
 このペーストは、例えば、水溶性高分子化合物に対して、界面活性剤を所定量ずつ添加することにより得ることができる。
 なお、このペーストの粘度が高い場合には、水等の溶媒をペーストに添加して、その粘度を調整するようにしてもよい。
 水溶性高分子化合物は、その水溶性または水分散液に対して加熱等の手段を施すことによりゲル化するようなものである。ここで、水溶性または水分散液は、水溶液、コロイド溶液、エマルジョンおよび懸濁液のいずれであってもよい。
 このような水溶性高分子化合物として、例えば、メチルセルロース等のセルロース誘導体、カードラン等の多糖類、ポリビニルアルコール、ポリアクリル酸、ポリアクリルアミド、ポリビニルピロリドン等の合成重合体等が挙げられる。中でも、セルロース誘導体が好ましい。これにより、スラリーのゲル化をより確実に行うことができる。
 また、界面活性剤は、次工程[B]において、スラリーを撹拌した際に、より微細な気泡を発生させることができるとともに、発生した気泡の消失を抑制または防止するために添加されるものである。
 このような界面活性剤としては、特に限定されず、例えば、N,N-ジメチルドデシルアミンオキサイドのような脂肪酸アルカノールアミド系界面活性剤、アルキルベンゼンスルフォン酸EDTのようなスルフォン酸系界面活性剤等が挙げられ、これらのうちの1種または2種以上を組み合わせて用いることができる。中でも、界面活性剤は、スルフォン酸系界面活性剤であるのが好ましい。スルフォン酸系界面活性剤を用いることにより、次工程[B]において、焼結体を得た際に、このものを構成するリン酸カルシウム系化合物にスルフォン酸系界面活性剤由来の硫酸基を導入することができる。そのため、骨生成の際に骨芽細胞等の細胞活性が高くなり、その結果、骨補填材における骨再生をより早期に行うことができる。
 [A-3]次いで、前記[A-1]で調製したスラリーに、前記[A-2]で調製したペーストを添加する。
 このように、スラリーとペーストとを別個に分けて調製し、その後、これらを混合する構成とすることで、スラリー中に気泡や粉体の粒子の塊が生じることなく、スラリー(粉体)に対して、ペースト(ペースト状をなすバインダー)を均一に分散することができるようになる。そのため、次工程[B]で得られる焼結体(セラミックス多孔体)を、上述したような球状気孔の平均気孔径および標準偏差を有するものとすることができる。
 なお、この工程の際には、スラリーに対して、ペーストを所定量に分けて、複数回添加するのが好ましい。
 また、ペースト(ペースト状のバインダー)の温度は、スラリーの温度よりも高く設定するのが好ましく、具体的には、10~20℃程度高く設定される。より具体的には、スラリーの温度は、10~30℃程度であるのが好ましい。また、ペーストの温度は、30~40℃程度であるのが好ましい。ここで、本発明では、得られるセラミックス多孔体の相対気孔率を50%以上と高く設定する必要があるため、高濃度の水溶性高分子化合物を含むペーストがスラリーに添加される。そのため、通常の温度で、ペーストをスラリーに添加すると、ペーストが高粘度であるため、均一にスラリー中にペーストを混合することが困難となる。
 そこで、上記のようにペーストの温度をスラリーの温度よりも高く設定することで、ペーストの低粘度化が図られ、これにより、ペーストをスラリー中により均一に混合することが可能となる。その結果、次工程[B]で得られる焼結体は、より確実に上述したような球状気孔の平均気孔径および標準偏差を有するものとなる。
 なお、ペーストが添加されたスラリー中において、粉体を100重量部として、水溶性高分子化合物を1~10重量部とし、界面活性剤を1~10重量部とするのが好ましい。粉体の添加量が少なすぎると、乾燥のための時間に必要以上に時間を要するおそれがある。また、紛体の添加量が多すぎると、スラリーの粘度が高くなりすぎ、気泡を発生させることが困難となるおそれがある。また、水溶性高分子化合物の添加量が1重量部未満であると、スラリーのゲル化が困難である。また、水溶性高分子化合物の添加量が10重量部超であると、スラリーの粘度が高すぎ、起泡が困難である。さらに、界面活性剤の添加量が1重量部未満であると、起泡が困難である。また、界面活性剤の添加量を10重量部超にしても、それに見合う効果の向上が得られない。
 [B]次に、ペーストが添加されたスラリー(混合スラリー)を、撹拌することにより起泡させた後に、混合スラリーをゲル化/乾燥させて乾燥体を得、さらに乾燥体を焼結する(第2の工程)。
 [B-1]まず、ペーストが添加されたスラリーを、撹拌することにより起泡させる。
 ペーストが添加されたスラリーを攪拌すると、このスラリーが空気を巻き込み、これに起因して発泡する。
 この際のスラリーを撹拌する攪拌力は、特に限定されないが、50W/L以上であるのが好ましい。攪拌力が50W/L未満であると、粉体の種類およびその含有量等によっては、起泡が不十分となり、所望の気孔率を有するセラミックス多孔体が得られないおそれがある。
 なお、攪拌力は、[攪拌機の最大出力(W)/水溶液の量(L)]×(実際の回転数/最大回転数)により求めることができる。また、攪拌機の出力は、スラリーの粘度が高くなると回転数を保つために増大する。しかし、高気孔率を有するセラミックス多孔体を得るように起泡させる場合、スラリー粘度は仕込み時のスラリー粘度から実質的に変化しない。従って、粘度の影響は実質的に無視できる。
 このような攪拌力が得られる装置としては、例えば、インペラー式ホモジナイザーが挙げられる。インペラー式ホモジナイザーは本来気泡が起こらないように設計されているが、攪拌条件を50W/L以上とすることにより、著しい気泡の発生が可能になる。また、その装置は、攪拌羽根をディスク状の羽根にするとともに、そのディスク状の羽根の外周に鋸刃状の凹凸を設け、さらに攪拌容器の内壁に邪魔板を設けた構造の攪拌装置を使用するのが好ましい。
 このような構造を有するインペラー式ホモジナイザーは、例えば、エスエムテー社製のPH91、PA92、HF93、FH94P、PD96、HM10等が挙げられる。さらに、上記起泡をさらに促進するために、攪拌中のスラリーに空気や、窒素、アルゴン等の不活性ガスを注入するようにしてもよい。
 攪拌時間は、攪拌力に依存するが、一般的には、1~30分間程度に設定される。
 また、気泡を微細かつ均一化させるとともに安定化させるために、比較的低温で起泡を行うのが好ましい。具体的には、混合スラリーは、好ましくは0~25℃程度、より好ましくは5~20℃程度の液温に設定される。
 [B-2]次いで、発泡させたスラリー(混合スラリー)を、ゲル化した後、乾燥させて、乾燥体(グリーンブロック)を得る。
 このゲル化は、例えば、攪拌により十分に起泡したスラリーを、80℃以上、100℃未満に加熱することにより、メチルセルロース等の水溶性高分子化合物の作用により行われる。なお、水溶性高分子化合物の種類等によっては、加熱温度が80℃未満であるとゲル化が不十分となるおそれがある。また、加熱温度が100℃以上であると水分が沸騰し、形成された気孔構造が破壊されるおそれがある。
 また、ゲル化した混合スラリーの乾燥は、水分が沸騰しない程度の高温(例えば、80℃以上~100℃未満)に混合スラリーを保持することにより行われる。
 なお、ゲル化した混合スラリー(ゲル)は、乾燥によりほぼ等方的に収縮するとともに、気泡に変化は起こらない。そのため、割れ等を生ずることなく、微細かつ均一な球形の球状気孔(マクロポア)を有する強度の高い乾燥体(グリーンブロック)となる。
 [B-3]次いで、乾燥体(グリーンブロック)を焼結することにより焼結体(本発明のセラミックス多孔体)を得る。
 グリーンブロックを焼結する際の条件は、例えば、1000~1250℃の温度、2~10時間の時間である。焼結温度が1000℃未満であると、十分な強度を有するセラミックス多孔体が得られない。また、焼結温度が1250℃超であると、リン酸カルシウム系化合物としてハイドロキシアパタイトを用いた場合、ハイドロキシアパタイトは燐酸三カルシウムと酸化カルシウムに分解してしまう。また、焼結時間は焼結温度に応じて適宜設定される。
 なお、リン酸カルシウム系化合物としてβ-TCPを得たい場合、グリーンブロックを焼結する温度は、1000~1150℃の範囲内に設定される。これにより、β-TCPからα-TCPへの転移が確実に防止される。
 なお、本工程[B-3]に先立って、乾燥体を加工する加工工程および/または乾燥体を脱脂する脱脂工程を施すようにしてもよい。
 加工工程において、グリーンブロックに含有される水溶性高分子化合物はバインダーとして作用するので、グリーンブロックはハンドリングできる機械的強度を有する。したがって、乾燥体の仮焼成を行うことなく、乾燥体のまま切削加工することができる。
 また、脱脂工程は、例えば、300~900℃に、グリーンブロックを加熱することにより行うことができる。これにより、グリーンブロックから水溶性高分子化合物および界面活性剤を確実に除去することができる。
 なお、脱脂工程と焼結工程とを、一括して行う場合には、焼結温度に達するまで、徐々に昇温するようにすればよい。例えば、室温から約10~100℃/時の昇温速度で約600℃まで昇温し、次いで、約50~200℃/時の昇温速度で焼結温度まで昇温し、この温度を保持することで行うことができる。
 以上、第1の工程で使用される紛体がリン酸カルシウム系化合物の球状二次粒子で構成される紛体である場合を説明したが、本発明の多孔体の製造方法は、当該紛体としてチタン系化合物で構成された粒子で構成される紛体を用いても上記のように実行することができる。これにより、チタンで構成されるセラミックス多孔体が得られる。この場合、第1工程および第2工程の条件および効果などは、上述したセラミックス多孔体の製造方法と同様である。
 以上、本発明の多孔体および多孔体の製造方法について説明したが、本発明は、これに限定されるものではない。
 例えば、本発明の多孔体の製造方法では、任意の目的で、工程[A]の前工程、工程[A]と[B]との間に存在する中間工程、または工程[B]の後工程を追加するようにしてもよい。
 さらに、本発明の多孔体は、人工生体材料への適用のみならず、例えば、液体クロマトグラフィー用充填剤、触媒担体、各種の電気・電子材料、原子炉材料およびセラミック発熱体等として用いることもできる。
 次に、本発明の具体的実施例について説明する。
 1.多孔体の製造
 (実施例1)
 <1> まず、Ca/P比1.5のβ-リン酸三カルシウムの一次粒子(平均粒径:100nm)の造粒体からなる二次粒子(平均粒径:25μm)100重量部を含有するスラリーを調製した。そして、スラリーをホモジナイザー(エスエムテー社製、「PA92」)に投入した。
 <2> 次に、純水27重量部に界面活性剤(アルキルベンゼンスルフォン酸EDT)1.4重量部を添加した水溶液にメチルセルロース粉体3.4重量部を加え、攪拌脱泡機(シンキー製、「あわとり練太郎ARE-250」)にて分散混合を行いペースト状バインダーを調製した。
 <3> 次に、前記工程<1>で調製したスラリーに対して、前記工程<2>で調製したペースト状バインダーを添加することにより、ペースト状バインダーが添加されたスラリー(混合スラリー)を得た。なお、この際の、スラリーおよびペースト状バインダーの温度は、それぞれ、20℃および35℃とした。
 <4> 次に、ペースト状バインダーがスラリーに完全に分散してから、起泡させた。
 <5> 次に、得られた気泡含有スラリーを、83℃でゲル化させた。その後、得られたゲルを83℃に保持することで気泡含有スラリーを乾燥させ、これにより、グリーンブロック(焼結前ブロック)を得た。
 <6> 次に、グリーンブロックを14mm×14mm×14mmの形状に加工した。その後、大気中において、1050℃で2時間の条件でグリーンブロックを焼結することにより、β-リン酸三カルシウム(β-TCP)で構成される10mm×10mm×10mmの焼結体を得た。
 (実施例2)
 前記工程<1>における、二次粒子を150重量部としたこと以外は、前記実施例1と同様にして、β-リン酸三カルシウム(β-TCP)で構成される実施例2の焼結体を得た。
 (実施例3)
 前記工程<1>において、Ca/P比1.5の二次粒子に代えて、Ca/P比1.67の一次粒子(平均粒径:80nm)の造粒体からなる二次粒子(平均粒径:15μm)100重量部を含有するスラリーを調製したこと以外は、前記実施例1と同様にして、ハイドロキシアパタイト(HAP)で構成される実施例3の焼結体を得た。
 (実施例4)
 前記工程<1>において、二次粒子100重量部を純チタン粉末50重量部に代えたこと、前記工程<2>において、純水27重量部を純水150重量部に、メチルセルロース紛体3.4重量部をメチルセルロース紛体1重量部に、アルキルベンゼンスルフォン酸EDT1.4重量部をアルキルベンゼンスルフォン酸EDT0.25重量部に代えたこと、前記工程<5>において、ゲル化と乾燥を熱風乾燥機で85℃で行ったこと以外は、前記実施例1と同様にして、チタンで構成される実施例4の焼結体を得た。
 (比較例1)
 焼結体として、オスフェリオン(オリンパス社製、気孔率:75%)10mm×10mm×10mmを用意した。
 (比較例2)
 焼結体として、オスフェリオン60(オリンパス社製、気孔率:60%)10mm×10mm×10mmを用意した。
 (比較例3)
 前記工程<1>において、界面活性剤として脂肪酸アルカノールアミド系界面活性剤(N,N-ジメチルドデシルアミンオキサイド、ライオン社製、「AROMOX」)をスラリーに配合したこと、および、前記工程<3>において、ペースト状バインダーの温度をスラリーと同じく20℃にしたこと以外は、前記実施例3と同様にして、ハイドロキシアパタイト(HAP)で構成される焼結体を得た。
 2.評価
 2-1.セラミックス多孔体における気泡および塊の評価
 まず、実施例1、2の焼結体について、それぞれ、気孔率を、電子天秤(島津製作所社製)およびマイクロメータ(ミツトヨ社製)を用いて測定された焼結体の乾燥重量および体積に基づいて算出した。
 さらに、実施例1、2および比較例1、2の焼結体(10mm×10mm×10mm)について、それぞれ、マイクロCT(SKYSCAN社製、「Skyscan 1172」)を用いて焼結体の内部構造測定を行い、上面(高さ8mm)、中面(高さ5mm)および下面(高さ2mm)のCT画像を得た(図2、3参照。)。
 そして、得られたCT画像(実施例1、2では、2mm×2mm、比較例1、2では、2mm×2mm×2)に基づいて、CT画像中における500μm以上の粒子の塊および気泡の数(含有率)を測定した。
 なお、CT画像中における粒子の塊および気泡の数の測定は、得られた画像から手動によりカウントすることにより行った。
 その結果を、表1に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
 表1から明らかなように、実施例1、2の焼結体では、500μm以上の粒子の塊および気泡が、上面、中面および下面のいずれのCT画像においても認められなかった。
 これに対して、比較例1、2の焼結体では、複数個の500μm以上の粒子の塊および気泡が、上面、中面および下面のいずれのCT画像において認められた。
 2-2.セラミックス多孔体における気孔分布の評価
 前記評価2-1で得られた実施例1、2、4および比較例1、2の焼結体における切断面をSEMにより撮像し、得られた画像について、画像解析を行い、球状気孔の平均気孔径、標準偏差および半値幅をそれぞれ求めた。
 また、実施例3および比較例3の焼結体についても、実施例1、2、4および比較例1、2の焼結体と同様に、SEM画像について、画像解析を行い、球状気孔の平均気孔径および標準偏差をそれぞれ求めた。
 なお、画像解析は、SEMにより、撮影した画像結果に基づいて、球状気孔の円相当径をPhotoshop上で計測し、計測された各球状気孔の気孔径を測定することにより実行された。その結果に基づいて、球状気孔の平均気孔径、標準偏差および半値幅をそれぞれ求めた。
 その結果を、表2および表3に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
 表2から明らかなように、β-TCPで構成される実施例1、2の焼結体およびチタンで構成される実施例4の焼結体では、その球状気孔の平均気孔径が100~165μmであり、かつ、その標準偏差が60μm以下となっていた。これにより、均一な球状気孔が得られることが分かった。
 これに対して、比較例1、2の焼結体では、平均気孔径および標準偏差ともに上記の範囲外となっていた。これにより、不均一な球状気孔が得られることが分かった。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
 また、表3から明らかなように、HAPで構成される実施例3の焼結体では、その球状気孔の平均気孔径が100~165μmであり、かつ、その標準偏差が60μm以下となっていた。これにより、均一な球状気孔が得られることが分かった。
 これに対して、比較例3の焼結体では、平均気孔径が100~165μmの範囲内となっているものの、標準偏差が上記の範囲外となっていた。これにより、球状気孔のバラツキが大きくなることが分かった。
 2-3.セラミックス多孔体による骨再生の評価
 まず、実施例2および比較例2の焼結体を、それぞれ、ISO10993-6に従って、ビーグル犬大腿骨に埋植した。4週後および13週後に焼結体を摘出し、トルイジンブルー病理組織標本を作製した。その標本を画像解析することにより、骨再生能を評価した。
 なお、本実施例では、骨組織は類骨と成熟骨を含めた。
 その結果を、表4に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
 表4から明らかなように、実施例2と比較例2とを比較すると、骨再生量は4週および13週時点で、それぞれ32倍および1.5倍であった。これにより、実施例2の焼結体では、早期の骨再生に優れていることが判った。
 2-4.まとめ
 以上のことから、各実施例の焼結体は、各比較例の焼結体と比較して、球状気孔の均一性に優れた多孔体であることが判った。また、このことに起因して、実施例2の焼結体では、骨生成に必要な骨芽細胞等を、気孔内に均一に侵入させることができていると推察された。したがって、比較例2の焼結体と比較して、本発明のセラミックス多孔体は、骨再生の早期化を図ることが可能となった。
 本発明の多孔体は、球状気孔を有する。その多孔体の相対気孔率が50%以上であり、前記球状気孔の平均気孔径は100~165μmであり、かつ、前記球状気孔の標準偏差は60μm以下である。これにより、この多孔体を骨補填材に適用した場合、骨芽細胞等の細胞の移動が円滑に行われ、早期の骨再生が実現可能となる。また、この多孔体を製造する方法を提供する。したがって、本発明の多孔体および多孔体の製造方法は、産業上の利用可能性を有する。

Claims (10)

  1.  球状気孔を有する多孔体であって、
     その相対気孔率が50%以上であり、
     前記球状気孔は、その平均気孔径が100~165μmであり、かつ、その標準偏差が60μm以下であることを特徴とする多孔体。
  2.  気孔径が500μm以上の前記球状気孔の気孔含有率が1%以下である請求項1に記載の多孔体。
  3.  前記球状気孔同士が連通することにより形成された連通孔を有し、この連通孔の平均径が50μm以上である請求項1または2に記載の多孔体。
  4.  前記多孔体は、リン酸カルシウム系化合物またはチタン系化合物で構成されている請求項1ないし3のいずれかに記載の多孔体。
  5.  当該多孔体は、前記リン酸カルシウム系化合物で構成される一次粒子の造粒体からなる球状二次粒子の集合体で構成されており、
     前記球状気孔は、その表面に、前記球状二次粒子の間隙により形成された、20μm以下の細孔を有している請求項4に記載の多孔体。
  6.  請求項1ないし5のいずれかに記載の多孔体の製造方法であって、
     粉体を含有するスラリーに、水溶性高分子化合物と、界面活性剤とを含有するペーストを添加して混合スラリーを得る第1の工程と、
     前記混合スラリーを、撹拌することにより起泡させた後に、前記混合スラリーをゲル化、乾燥させて乾燥体を得、さらに前記乾燥体を焼結する第2の工程とを有することを特徴とする多孔体の製造方法。
  7.  前記紛体は、リン酸カルシウム系化合物またはチタン系化合物で構成された粒子で構成されている請求項6に記載の多孔体の製造方法。
  8.  前記第1の工程において、前記ペーストの温度は、前記スラリーの温度よりも10~20℃高く設定される請求項6または7に記載の多孔体の製造方法。
  9.  前記界面活性剤は、スルフォン酸系界面活性剤である請求項6ないし8のいずれかに記載の多孔体の製造方法。
  10.  前記水溶性高分子化合物は、セルロース誘導体である請求項6ないし9のいずれかに記載の多孔体の製造方法。
PCT/JP2012/072452 2011-09-06 2012-09-04 多孔体および多孔体の製造方法 WO2013035690A1 (ja)

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