JP2001206787A

JP2001206787A - リン酸カルシウム系多孔質焼結体とその製造方法

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Publication number: JP2001206787A
Application number: JP2000010851A
Authority: JP
Inventors: Junzo Tanaka; 順三田中; Masanori Kikuchi; 正紀菊池; Akimichi Hojo; 顯道北條; Koichi Imura; 浩一井村; Hideo Uemoto; 英雄上本; Hiroshi Yamazaki; 拓山崎; Masami Kinoshita; 雅実木下; Nobuaki Minowa; 信昭蓑輪
Original assignee: National Institute for Research in Inorganic Material; Toshiba Denko Co Ltd; Toshiba Ceramics Co Ltd
Current assignee: Coorstek KK; National Institute for Research in Inorganic Material; Toshiba Denko Co Ltd
Priority date: 2000-01-19
Filing date: 2000-01-19
Publication date: 2001-07-31
Anticipated expiration: 2020-01-19
Also published as: JP3897220B2

Abstract

(57)【要約】【課題】機械的強度が高く、細胞・組織が侵入するこ
とができるような多孔体の特徴を兼ね備えるようにす
る。【解決手段】リン酸カルシウム系多孔質焼結体は、気
孔率が５％以下から８５％以上まで連続して傾斜的に分
布している。そのリン酸カルシウム系多孔質焼結体の製
造方法は、リン酸カルシウム系粉末および架橋重合によ
り硬化し得る有機物質を溶媒に分散または溶解させたス
ラリーを調整する工程と、このスラリーに起泡剤を添加
し、撹拌および気体導入の少なくとも一方により所定の
容積まで起泡し、泡沫状態のスラリーとする工程と、泡
沫状態のスラリーに架橋剤および架橋開始剤の少なくと
の一方を添加して混合し、型内に導入して架橋重合によ
り硬化して成形体とする工程を含む。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、骨補填材として使
用することができるリン酸カルシウム系多孔質焼結体と
その製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】現在、骨補填材として種々の多孔体が用
いられている。アルミナなどからなる多孔体の生体内死
組織となるものも考えられるが、一般に骨に置換される
リン酸カルシウム系多孔体が骨補填材として好ましい材
料であることが知れている。たとえば特許第２９５１３
４２号を参照。

【０００３】また、緻密体も骨補填材として用いられて
いる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来のリン酸カルシウ
ム系多孔体は機械的強度が低いため、特に椎体のように
大きな機械的負荷がかかる生体組織に置換することは難
しい。

【０００５】また、緻密体が骨補填材として用いられる
が、緻密体は機械的強度が高いものの、細胞・組織が内
部に侵入することができないため、最終的には骨との機
械強度の違いによって生体力学的に周囲の骨が吸収され
たり、あるいは生体内の高電解質環境下で材料が劣化し
破壊するなどの問題がある。とりわけ身体の上半身を支
える椎体、頭部を支える頸椎などには、大きな荷重がか
かり、万一事故を起こした場合には生命の危険が生じた
り、寝たきりなどの重大な問題に発展することがある。
そのため、材料強度を確保することが大切である。

【０００６】本発明の目的は、機械的強度が高く、細胞
・組織が侵入することができるような多孔体の特徴を兼
ね備えたリン酸カルシウム系多孔質焼結体とその製造方
法を提供するものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の好ましい解決手
段は、前掲の請求項１〜１６に記載のリン酸カルシウム
系多孔質焼結体とその製造方法である。

【０００８】

【発明の実施の形態】本発明によるリン酸カルシウム系
多孔質焼結体は、骨補填材として使用することができる
ものであり、機械的強度が高く、細胞・組織が侵入する
ことができるような多孔体の特徴を兼ね備えている。

【０００９】本発明によるリン酸カルシウム系多孔質焼
結体の気孔率は、５％以下から８５％以上まで実質的に
連続して傾斜的に分布している。

【００１０】好ましくは、本発明によるリン酸カルシウ
ム系多孔質焼結体の気孔率は、１％以下から９０％以上
まで実質的に連続的して傾斜的に分布している。

【００１１】いずれの場合も、気孔率の高い領域（たと
えば７５％以上の領域）においては、気孔間の連通部分
の平均的な直径が５０μｍ以上であり、かつ、気孔径が
１５０μｍ以上であり、かつ、その三点曲げ強さが５Ｍ
Ｐａ以上であるのが好ましい。なお、「実質的に連続
して」とは、境目なく気孔率が変化することを意味する
が、５層以上の層構造によって徐々に気孔率を変化させ
るような場合も含む。

【００１２】気孔率の低い領域（たとえば１０％以下の
領域）においては、三点曲げ強度が３０ＭＰａ以上であ
るのが好ましい。５０ＭＰａ以上であれば特に好まし
い。

【００１３】気孔率の傾斜のしかたは、外部が粗であ
り、内部が密であってもよいし、その逆であってもよ
く、また一方から反対方向に傾斜していてもよく、さら
に粗密の部分が交互であってもよい。

【００１４】多孔質セラミック焼結体の好ましい構成
は、ＣａＨＰＯ₄、Ｃａ₃（ＰＯ₄）₂、Ｃａ₅（ＰＯ₄）₃
ＯＨ、Ｃａ₄Ｏ（ＰＯ₄）₂、Ｃａ₁₀（ＰＯ₄）₆（Ｏ
Ｈ）₂、ＣａＰ₄Ｏ₁₁、Ｃａ（ＰＯ₃）₂、Ｃａ₂Ｐ₂Ｏ₇、
Ｃａ（Ｈ₂ＰＯ₄）₂、Ｃａ₂Ｐ₂Ｏ₇、Ｃａ（Ｈ₂ＰＯ₄）₂
・Ｈ₂Ｏ等を主成分とする、リン酸カルシウムと称され
る１群の化合物からなる。Ｃａ成分の一部がＳｒ、Ｂ
ａ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｆｅ、Ａｌ、Ｙ、Ｌａ、Ｎａ、Ｋ、Ｈ
などから選ばれる一種以上で置換されてもよい。また、
（ＰＯ₄）成分の一部が、ＶＯ₄、ＢＯ₃、ＳＯ₄、Ｃ
Ｏ₃、ＳｉＯ₄などから選ばれる一種以上で置換されても
よい。さらに、（ＯＨ）成分の一部が、Ｆ、Ｃｌ、Ｏ、
ＣＯ₃等から選ばれる一種以上で置換されてもよい。

【００１５】リン酸カルシウムは、通常の結晶体のみで
なく、同型固溶体、置換型固溶体、侵入型固溶体のいず
れであってもよく、さらに非量論的欠陥を含むものであ
ってもよい。

【００１６】本発明によるリン酸カルシウム系多孔質焼
結体の好ましい製造方法は、リン酸カルシウム系粉末お
よび架橋重合により硬化し得る有機物質を溶媒に分散ま
たは溶解させたスラリーを調整する工程と、このスラリ
ーに起泡剤を添加し撹拌および／または気体導入により
所定の容積まで起泡し、泡沫状態のスラリーとする工程
と、泡沫状態のスラリーに架橋剤および／または架橋開
始剤（硬化剤）を添加して混合し、型内に導入して架橋
重合により硬化し成形体とする工程を含む。その際、回
転装置などに入れて回転させることにより、密度が回転
中心部で粗で、回転外縁部で密な傾斜分布を得るように
するのが好ましい。また、他の方法によって、傾斜分布
をもたせることができる。

【００１７】本発明によるリン酸カルシウム系多孔質焼
結体の好ましい製造方法は、得られた成形体を乾燥し、
焼結する工程を具備する。

【００１８】また、本発明の好ましい実施態様によれ
ば、リン酸カルシウム系多孔質セラミック焼結体は、焼
抜き用のビーズの含有量を違えたスラリー、粉末等を緻
密体の上に複数回積み重ね、成形、乾燥、焼成すること
によって得てもよいし、発泡の量を制御し、気孔径、量
を変えたものを積み重ねて、乾燥、焼成することによっ
て得てもよい。この場合、後者の方法がより好ましい。

【００１９】傾斜方向によってリン酸カルシウムの種類
をかえてもよいが、強度の必要な部位に用いる場合は、
全体をハイドロキシアパタイトとすることがよい。特
に、緻密体の三点曲げ強さは、好ましくは５０ＭＰａ以
上であり、椎体等に適用され得るものとするのがよい。

【００２０】なお、実用的には、一方向の傾斜でなく、
２方向、３方向以上の傾斜にした方がよい。椎体など
は、中心部が緻密体で表面に向かって多孔体となる構造
が好ましい。

【００２１】本発明によるリン酸カルシウム系多孔質焼
結体の好ましい適用例は、次のとおりである。

【００２２】（１）骨伝導能をもつ生体骨置換型骨再建
材としての利用法。

【００２３】（２）粗鬆症・骨欠損の補填材としての利
用法。

【００２４】（３）プリオン（低分子量タンパクに起因
するヤコブ病）などの疾病対策として頭蓋骨に利用でき
る人工硬膜。

【００２５】（４）アミノ酸・糖質・サイトカインを含
み組織工学に用いられる生理活性基材。

【００２６】（５）抗癌剤などの生体融和型薬剤徐放性
基材。

【００２７】（６）幹細胞や肝臓組織などの培養容器。

【００２８】（７）飲料水や発酵した飲み物などのフィ
ルターとしての用途。

【００２９】（８）吸着・分離に用いるカラム材料。

【００３０】さらに本発明を別の観点から説明する。

【００３１】気孔率0.1％以上から99.9％以下で傾斜的
に分布しているリン酸カルシウム系多孔質焼結体が好ま
しい。気孔率の高い領域においては、細胞・生体組織が
浸入しやすい気孔径(150μｍ以上、導通径50μｍ以上)
をもち、その三点曲げ強度が５ＭＰａ以上であることが
好ましい。気孔率の低い領域においては、外部が粗く、
強度が高く、三点曲げ強度が３０ＭＰａ以上であること
が好ましい。気孔率の傾斜は、外部が粗であり内部が密
であってもよいし、その逆であってもよく、また一方か
ら反対方向に傾斜ていてもよく、さらに粗密の部分が交
互であってもよい。

【００３２】本発明においては、気孔率が傾斜的に分布
することにより、気孔率が密の領域では機械的強度が高
く、術後2〜3ヶ月までの初期において材料にかかる荷重
を支えることができる。また、気孔率が粗な領域では、
細胞・組織が内部に浸入するため術後3ヶ月以降から生
体組織にきわめて近い状態になり強度が上がり荷重を支
えることができる。

【００３３】主な用途は、骨誘導および骨伝導能をもつ
生体骨置換型骨再建材、骨粗しょう症・骨欠損の補填
材、アミノ酸・糖質・サイトカインをふくみ組織工学に
用いられる生理活性基材、抗癌剤などの薬剤徐放性基
材、幹細胞や肝臓組織などの培養容器である。飲料水や
発酵した飲み物などのフィルターとしての用途もある。
吸着・分離に用いるカラム材料としても使用できる。

【００３４】代表的な製造方法においては、原料である
水酸アパタイト粉末（100ｇ）をイオン交換水（80ｇ）
に懸濁し、架橋重合剤（ポリエチレンイミン：数平均分
子量8000〜10500）を加えてボールミルで5時間混合す
る。得られたスラリー（192ｇ）に起泡剤（ポリオキシ
エチレンラウリルエーテル：非イオン性界面活性剤、O.
8 ｇ）を添加し機械的にかく拌して300ｃｍ³になるまで
起泡する。これに、架橋剤（エポキシ化合物：ソルビト
ールポリグリシジルエーテル、4ｇ）を添加し十分にか
く拌し、円筒型内に導入する。回転台の上に載せ60ｒｐ
ｍで回転することにより泡の分布を傾斜的にする。架橋
重合により流動性を失いバンドリングが可能な強度がで
た時点で脱型し、加湿乾燥器および乾燥器により十分に
乾燥し1200℃で焼結する。

【００３５】得られる水酸アパタイト多孔質焼結体は、
円筒内側において気孔率60％、平均気孔径200μｍ、平
均連通径70μｍ、三点曲げ強度１５ＭＰａであり、また
周辺部においては気孔率20％、平均気孔径50μｍ、平均
連通径20μｍ、三点曲げ強度４５ＭＰａである。

【００３６】

【実施例】以下、本発明の好ましい実施例を説明する。

【００３７】実施例１（遠心力利用）水酸アパタイト粉末１００重量部、イオン交換水５８．
０重量部に懸濁し、架橋重合剤（ポリエチレンイミン）
８．７重量部を混合し、ボールミルで一昼夜混合粉砕し
てスラリーを調整した。このスラリーを１９５ｇ取り出
し、これに起泡剤としてポリオキシエチレンラウリルエ
ーテルを１．５ｇ添加し攪拌により起泡して体積を２０
０ｃｍ³とした。ここで硬化剤としてソルビトールポリ
グリシジルエーテルを２．９ｇ添加し十分混合した後
に、内寸直径４６ｍｍ、長さ１００ｍｍの型に鋳込み、
型長手方向を水平にした状態で円柱回転軸を中心に４０
０ｒｐｍの回転速度で回転させ、この状態で１時間放置
し、回転を停止した。さらに１時間静置した後に脱型
し、ゆっくり乾燥した後、１２００℃で２時間保持して
焼結し、直径３０ｍｍ、長さ６５ｍｍの円柱状の焼結体
を得た。

【００３８】得られた焼結体の円中心からの距離と気孔
率の関係を表に示す。なお、気孔率は試料を樹脂中に包
埋後研磨した部分を顕微鏡観察し、観察範囲における樹
脂部分つまり気孔部分の面積比を用いて求めた。

【００３９】

【表１】さらに、顕微鏡観察により気孔率７２％を示した円中心
部からの距離６ｍｍ以下の部分においては気孔間の連通
部分の平均的な直径が５０μｍを超えており、気孔径は
１５０μｍを超えていた。また、気孔率の低い円柱表面
部分より、厚さ３ｍｍ、幅４ｍｍ、長さ４０ｍｍの三点
曲げ強度測定用試験片を作製し、スパン３０ｍｍ、クロ
スヘッド速度０．５ｍｍ／ｍｉｎの測定条件で三点曲げ
強さを測定したところ、ｎ＝５平均の三点曲げ強さが、
８０．５ＭＰａであった。

【００４０】実施例２（積層法）水酸アパタイト粉末１００重量部、イオン交換水５８重
量部、ポリエチレンイミン８．７重量部を混合し、ボー
ルミルで一昼夜混合粉砕してスラリーＡを調整した。こ
のスラリーＡに対して、実施例１と同じ要領で硬化剤を
加えて混合した後に内径１６ｍｍの型に鋳込んで円柱状
成形体Ａを得た。次いで、スラリーＡに起泡剤を添加
し、さらに攪拌して起泡させた後に硬化剤を添加して混
合し、スラリーＢを調整した。このスラリーを前述の円
柱状成形体Ａを中心に置いた内径２２ｍｍの型と成形体
Ａの間に鋳込んで、成形体Ａの円柱表面にスラリーＢが
３ｍｍの厚さで固化して接着した円柱状成形体を得た。
さらに、この円柱状成形体の表面に同様にして別の起泡
させたスラリーを鋳込み、固化して接着させる作業を繰
り返した。最終的に成形体Ａを中心にして同心円状に５
層の成型物が積層した外径４６ｍｍの成形体を得た。そ
れぞれの成型物の層は、成形体Ａから外周方向に向かう
順に、焼結体の気孔率がそれぞれ１０％、３０％、５０
％、７０％および９０％となるように起泡量を調整して
作製した。この積層した円柱状成形体をゆっくり乾燥し
た後、１２００℃で２時間保持して焼結し、直径３０ｍ
ｍで積層構造が一体化した円柱状焼結体を得た。得られ
た円柱状焼結体は、中心の直径約１０ｍｍの部分が気孔
率０％の緻密体であり、実施例１と同様に求めた積層部
分の気孔率は、中心から外周方向に向けてそれぞれ１２
％、３３％、５２％、７１％、および９１％であった。

【００４１】

【発明の効果】気孔率が傾斜的に分布することにより、
気孔が粗の部分は機械的強度が高く、術後２〜３ヶ月の
初期において生体内でかかる荷重を支えることができ
る。

【００４２】また、気孔が密な部分は、細胞・組織が内
部に侵入することができ、生体組織にきわめて近い状態
になり、術後徐々に強度が向上して荷重を支えることが
できる。

【００４３】術後２〜３ヶ月の期間で多孔体の内部に骨
組織が侵入して強度を向上する。

【００４４】とくにアパタイト単体で緻密質から多孔質
へ徐々に気孔率が変化する場合、徐々に気孔率が変化す
ることにより次のような顕著な効果が得られる。

【００４５】気孔率が徐々に変化すると、人工骨として
用いた場合、表面から徐々に自分の骨に置換される時、
気孔率の大きいところ（弱いところ）から置換され、よ
り緻密な方向へ進む。そのため、毎日強度の向上が見ら
れる。これに対して、全体を一定気孔率の多孔質とした
場合、一定気孔の部分全体が置換されないと、強度向上
が望めない。

【００４６】また、徐々に気孔率を変化させると、最も
外側（表面）の気孔率を十分大きくすることができる。
よって早く骨に置換され、骨の固定も早い。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 000221122 東芝セラミックス株式会社東京都新宿区西新宿七丁目５番25号 (71)出願人 591121410 東芝電興株式会社東京都港区新橋５丁目22番10号松岡田村町ビル (72)発明者田中順三茨城県つくば市並木１丁目１番地無機材質研究所内 (72)発明者菊池正紀茨城県つくば市並木１丁目１番地無機材質研究所内 (72)発明者北條顯道神奈川県秦野市曽屋30番地東芝セラミックス株式会社開発研究所内 (72)発明者井村浩一神奈川県秦野市曽屋30番地東芝セラミックス株式会社開発研究所内 (72)発明者上本英雄神奈川県秦野市曽屋30番地東芝セラミックス株式会社開発研究所内 (72)発明者山崎拓東京都港区新橋５丁目22番地10号東芝電興株式会社内 (72)発明者木下雅実東京都港区新橋５丁目22番地10号東芝電興株式会社内 (72)発明者蓑輪信昭東京都港区新橋５丁目22番地10号東芝電興株式会社内Ｆターム(参考） 4C081 AB04 BA13 BB06 BB08 CE02 CF011 CF22 CF24 DA01 DA11 DB03 DB05 DB06 DC02 EA04

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】気孔率が５％以下から８５％以上まで実
質的に連続して傾斜的に分布しているリン酸カルシウム
系多孔質焼結体。
【請求項２】気孔率が１％以下から９０％以上まで連
続的でかつ傾斜的に分布しているリン酸カルシウム系多
孔質焼結体。
【請求項３】気孔率の高い領域において、気孔間の連
通部分の平均的な直径が５０μｍ以上であり、かつ、気
孔径が１５０μｍ以上であることを特徴とする請求項１
〜２のいずれか１項に記載のリン酸カルシウム系多孔質
焼結体。
【請求項４】気孔率の高い領域において、三点曲げ強
度が５ＭＰａ以上であることを特徴とする請求項１〜３
のいずれか１項に記載のリン酸カルシウム系多孔質焼結
体。
【請求項５】気孔率の低い領域において、三点曲げ強
度が３０ＭＰａ以上であることを特徴とする請求項１〜
４のいずれか１項に記載のリン酸カルシウム系多孔質焼
結体。
【請求項６】気孔率の低い領域において、三点曲げ強
度が５０ＭＰａ以上であることを特徴とする請求項５記
載のリン酸カルシウム系多孔質焼結体。
【請求項７】気孔率の傾斜は、外部が粗で、内部が密
であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に
記載のリン酸カルシウム系多孔質焼結体。
【請求項８】気孔率の傾斜は、外部が密で、内部が粗
であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に
記載のリン酸カルシウム系多孔質焼結体。
【請求項９】気孔率の粗密の部分が交互であることを
特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のリン酸
カルシウム系多孔質焼結体。
【請求項１０】リン酸カルシウム系多孔質焼結体は、
ＣａＨＰＯ₄、Ｃａ₃（ＰＯ₄）₂、Ｃａ₅（ＰＯ₄）₃Ｏ
Ｈ、Ｃａ₄Ｏ（ＰＯ₄）₂、Ｃａ₁₀（ＰＯ₄）₆（ＯＨ）₂、
ＣａＰ₄Ｏ₁₁、Ｃａ（ＰＯ₃）₂、Ｃａ₂Ｐ₂Ｏ₇、Ｃａ（Ｈ
₂ＰＯ₄）₂、Ｃａ ₂Ｐ₂Ｏ₇、Ｃａ（Ｈ₂ＰＯ₄）₂・Ｈ₂Ｏの
少くとも１つの成分を主成分とすることを特徴とする請
求項１〜９のいずれか１項に記載のリン酸カルシウム系
多孔質焼結体。
【請求項１１】Ｃａ成分の一部が、Ｓｒ、Ｂａ、Ｍ
ｇ、Ｚｎ、Ｆｅ、Ａｌ、Ｙ、Ｌａ、Ｎａ、Ｋ、Ｈから選
ばれる一種以上で置換されていることを特徴とする請求
項１〜１０のいずれか１項に記載のリン酸カルシウム系
多孔質焼結体。
【請求項１２】（ＰＯ₄）の成分の一部が、ＶＯ₄、Ｂ
Ｏ₃、ＳＯ₄、ＣＯ₃、ＳｉＯ₄から選ばれる一種以上で置
換されていることを特徴とする請求項１〜１１のいず
れか１項に記載のリン酸カルシウム系多孔質焼結体。
【請求項１３】（ＯＨ）成分の一部が、Ｆ、Ｃｌ、
Ｏ、ＣＯ₃から選ばれる一種以上で置換されていること
を特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載のリ
ン酸カルシウム系多孔質焼結体。
【請求項１４】リン酸カルシウム系粉末および架橋重
合により硬化し得る有機物質を溶媒に分散または溶解さ
せたスラリーを調整する工程と、このスラリーに起泡剤
を添加し、撹拌および気体導入の少なくとも一方により
所定の容積まで起泡し、泡沫状態のスラリーとする工程
と、泡沫状態のスラリーに架橋剤および架橋開始剤の少
なくとも一方を添加して混合し、型内に導入して架橋重
合により硬化して気孔率が連続して傾斜的に分布した成
形体とする工程を含むことを特徴とするリン酸カルシウ
ム系多孔質焼結体の製造方法。
【請求項１５】回転により、気孔が、回転中心部で粗
となり、回転外縁部で密となって、傾斜分布を得ること
を特徴とする請求項１４に記載のリン酸カルシウム系多
孔質焼結体の製造方法。
【請求項１６】成形体を乾燥し、焼結する工程を具備
することを特徴とする請求項１４〜１５のいずれか１項
に記載のリン酸カルシウム系多孔質焼結体の製造方法。