JP3062969B2 - Bioactive layer coating method - Google Patents
Bioactive layer coating methodInfo
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Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は人工骨、生体埋込治療材
料、生体埋込医療機器、器具などに利用されるアパタイ
ト層被覆材料に関し、より詳細には、金属、セラミック
スなどの基材にアパタイト層をコーティングする方法に
関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an apatite coating material used for artificial bones, implantable therapeutic materials, implantable medical devices, instruments, and the like, and more particularly, to a base material such as metal and ceramics. The present invention relates to a method for coating an apatite layer.
【０００２】[0002]
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】近年、
ペースメーカー、人口関節、血流センサ、各種カテーテ
ルなど、生体組み込み形の機器、器具が実用化されるに
つれ、生体親和性が問題となっている。そのため、それ
ら機器、器具の基材表面にアパタイト皮膜を形成する試
みがなされている。2. Description of the Related Art In recent years,
BACKGROUND ART As devices and instruments that are embedded in a living body, such as pacemakers, artificial joints, blood flow sensors, and various catheters, have become practical, biocompatibility has become a problem. Therefore, attempts have been made to form an apatite film on the surface of the base material of these devices and instruments.
【０００３】従来、このような基材表面にアパタイト層
をコーティングする方法としては、主にプラズマ溶射法
が用いられており、またアパタイトペーストを塗布し焼
成する方法なども用いられていた。しかし、このような
方法は、１０００℃程度に温度を上げる必要があり、基
材の変質などの問題から、適応できない場合があった。
また、複雑な形状のものに均一なアパタイト層を形成さ
せることが困難なこと、緻密なアパタイト層を得ること
が困難なこと、生体内のアパタイトと組成や構造の異な
るアパタイトの層しか得ることができないこと、大型で
高価な装置を必要とすること、等々の問題点もあった。Heretofore, as a method of coating an apatite layer on such a substrate surface, a plasma spraying method has been mainly used, and a method of applying and firing an apatite paste has also been used. However, such a method requires raising the temperature to about 1000 ° C., and may not be applicable due to problems such as deterioration of the base material.
In addition, it is difficult to form a uniform apatite layer on a complex shape, it is difficult to obtain a dense apatite layer, and only an apatite layer having a different composition and structure from apatite in a living body can be obtained. There are also problems such as the inability to do so, the need for a large and expensive device, and the like.
【０００４】本発明は、上記従来技術の問題点を解決
し、緻密で均一なアパタイト層を如何なる形状、材質の
基材表面上にも強固に結合させて形成することができる
アパタイト層コーティング方法を提供することを目的と
するものである。The present invention solves the above-mentioned problems of the prior art and provides a method for coating an apatite layer capable of forming a dense and uniform apatite layer firmly on a substrate surface of any shape and material. It is intended to provide.
【０００５】[0005]
【課題を解決するための手段】本発明者らは、かねてよ
り、生体活性なガラス及び結晶化ガラスと骨の結合機構
について詳細な研究を重ね、次のことを明らかにしてき
た。Means for Solving the Problems The present inventors have been conducting detailed studies on the bonding mechanism between bioactive glass and crystallized glass and bone, and have clarified the following.
【０００６】すなわち、（１）それらガラス及び結晶化
ガラスが骨と結合するのは、生体内でその表面に骨の無
機質によく似たアパタイトの薄層を形成するためであ
る。（２）このアパタイト層は生体の外でも人の体液に
近いイオン濃度を有する水溶液中でも形成される。
（３）その原因は、ガラス及び結晶化ガラスが先ず体内
でその表面に水和ケイ酸イオンを作り、それが体液中の
カルシウムとリン酸イオンと反応してアパタイトの核を
作り、その核が体液中の過飽和なカルシウムとリン酸イ
オンを取り込んで成長するためである。That is, (1) the reason that the glass and the crystallized glass are bonded to bone is that a thin layer of apatite, which is very similar to the mineral of bone, is formed on the surface in a living body. (2) This apatite layer is formed outside the living body and in an aqueous solution having an ion concentration close to that of a human body fluid.
(3) The cause is that glass and crystallized glass first form hydrated silicate ions on the surface in the body, which react with calcium and phosphate ions in body fluids to form apatite nuclei. This is because it grows by taking in supersaturated calcium and phosphate ions in the body fluid.
【０００７】これらの結果に基づくならば、シリカのヒ
ドロゲルを人の体液に近いイオン濃度を有する擬似体液
中に浸漬すれば、その表面に骨の無機質に似たアパタイ
トの層が形成されると考えられる。このことが事実であ
ることは実験により確かめられた。[0007] Based on these results, it is considered that if a silica hydrogel is immersed in a simulated body fluid having an ion concentration close to that of a human body fluid, an apatite layer similar to bone mineral is formed on the surface thereof. Can be Experiments have confirmed that this is the case.
【０００８】そこで、本発明者らは、この現象を、種々
の金属又はセラミックスの基体表面に骨に似たアパタイ
トの緻密な層を均一に形成させる方法として利用する方
策について鋭意研究を重ねた結果、ここに本発明を完成
したものである。The present inventors have conducted intensive studies on a method of utilizing this phenomenon as a method for uniformly forming a dense layer of apatite similar to bone on the surface of various metal or ceramic substrates. Here, the present invention has been completed.
【０００９】すなわち、本発明は、各種の形状の金属又
はセラミックスの基材に液状のシリカヒドロゾル又はゲ
ルをコーティングし、乾燥後、加熱処理してシリカゲル
を基材に結合させ、その後、アパタイトに対して過飽和
となる量のカルシウムとリン酸イオンを含む１０〜６０
℃の水溶液に浸漬することにより、基材表面に生体活性
なアパタイト層をコーティングすることを特徴とする生
体活性層のコーティング方法を要旨とするものである。That is, according to the present invention, a metal or ceramic base material of various shapes is coated with a liquid silica hydrosol or gel, dried, and heated to bind silica gel to the base material. 10 to 60 containing supersaturated amounts of calcium and phosphate ions
The gist of the present invention is a method for coating a bioactive layer, characterized by coating the surface of a base material with a bioactive apatite layer by immersion in an aqueous solution at ℃.
【００１０】この方法によれば、各種材料の複雑な形状
のものにも微粒子にも、極めて容易に骨の無機質に似た
アパタイトの緻密で均一な層をコーティングすることが
できる。アパタイト層の厚さは水溶液中の浸漬時間が長
くなるにつれて大きくなり、またその大きくなる速度は
湿度が高くなるにつれて大きくなるので、任意の厚さの
アパタイト層を形成させることができる。このようなア
パタイト層で被覆された材料は、骨と結合するだけでな
く、材料同志でも結合し、また骨以外の生体組織とも良
い親和性を示すので、人工骨、生体埋込治療材料、生体
埋込医療機器、器具の材料として利用価値が高い。According to this method, a dense and uniform layer of apatite, which resembles bone mineral, can be very easily coated on various materials having complicated shapes and fine particles. Since the thickness of the apatite layer increases as the immersion time in the aqueous solution increases, and the rate of the increase increases as the humidity increases, an apatite layer having an arbitrary thickness can be formed. Such a material coated with an apatite layer not only binds to bone but also binds to each other, and has a good affinity for living tissue other than bone. It is highly useful as a material for implantable medical devices and instruments.
【００１１】次に本発明を更に詳細に説明する。Next, the present invention will be described in more detail.
【００１２】[0012]
【００１３】本発明は、基材にシリカゲル層をコーティ
ングする工程と、シリカゲルを基材に焼き付ける工程
と、シリカゲル層を焼き付けた基材をアパタイトに対し
て過飽和なカルシウムとリン酸イオンを含む水溶液に浸
漬する工程からなっている。The present invention comprises a step of coating a substrate with a silica gel layer, a step of baking silica gel on the substrate, and the step of baking the silica gel layer on an aqueous solution containing calcium and phosphate ions supersaturated with respect to apatite. It consists of a dipping step.
【００１４】シリカゲル層をコーティングする方法とし
ては、次の〜のような方法があり、均一なゲル層が
得られる方法であれば、どの方法でも良い。There are following methods for coating the silica gel layer, and any method may be used as long as a uniform gel layer can be obtained.
【００１５】水ガラス(Ｎa2Ｏ・ＳiＯ2・ｎＨ2Ｏ)に
塩酸、硝酸、硫酸などの水溶液を撹拌下で混合し、適当
な粘度を示すようになった時点で基材を浸漬し、引き上
げ、更に水に浸漬してＮa+イオンを溶出する。The water glass (Na 2 O · SiO 2 · nH 2 O) in hydrochloric acid, nitric acid, and mixed under stirring with an aqueous solution such as sulfuric acid, by dipping the substrate when it becomes to exhibit appropriate viscosity, The Na + ion is eluted by pulling it up and immersing it in water.
【００１６】ケイ素のアルコキシドであるテトラメト
キシシラン、テトラエトキシシラン、テトラプロキシシ
ラン、テトライソプロポキシシラン或いはテトラブトキ
シシランのアルコール溶液に、触媒として塩酸、硝酸、
硫酸、酢酸或いはアンモニアを含む水を混合し、ケイ素
のアルコキシドの加水分解、重合反応を進行させ、適当
な粘度を示すようになった段階で基材を浸漬し、引き上
げる。An alcohol solution of a silicon alkoxide, tetramethoxysilane, tetraethoxysilane, tetraproxysilane, tetraisopropoxysilane or tetrabutoxysilane, is added as a catalyst with hydrochloric acid, nitric acid,
Water containing sulfuric acid, acetic acid, or ammonia is mixed, and hydrolysis and polymerization of silicon alkoxide are allowed to proceed. The base material is immersed and pulled up at a stage where it has an appropriate viscosity.
【００１７】ポリスチレンスルホン酸ナトリウムを１
規定硝酸水溶液に溶解し、この溶液にテトラメトキシシ
ランを滴下して加水分解反応を行わせ、適当な粘度を示
すようになった段階で基材を浸漬し、引き上げ、１規定
硝酸溶液に浸漬して有機高分子を洗い出す。1% sodium polystyrene sulfonate
It is dissolved in a normal nitric acid aqueous solution, tetramethoxysilane is dropped into this solution to cause a hydrolysis reaction, and the substrate is immersed in a stage where the solution has an appropriate viscosity, pulled up, and immersed in a 1N nitric acid solution. To wash out the organic polymer.
【００１８】ポリエチレンオキシドを１規定硝酸水溶
液に溶解し、この溶液にテトラエトキシシランを加えて
加水分解反応を行わせ、適当な粘度になった段階で基材
を浸漬し、引き上げ、その後、蒸留水とエタノールで数
回洗浄して有機高分子を洗い出す。Polyethylene oxide is dissolved in a 1N aqueous solution of nitric acid, and tetraethoxysilane is added to the solution to cause a hydrolysis reaction. When a suitable viscosity is reached, the substrate is immersed and pulled up. And several times with ethanol to wash out the organic polymer.
【００１９】シリカゲル層を基材に焼き付ける熱処理
は、シリカゲルが基材に焼き付く程度に高く、しかし、
基材の成分がシリカゲル中に拡散してアパタイト形成を
妨害しない程度に低い温度域で行う必要がある。例え
ば、基材の材質にもよるが、３００℃〜９００℃であ
る。The heat treatment for baking the silica gel layer on the substrate is high enough to bake the silica gel on the substrate.
It is necessary to perform the reaction in a temperature range that is low enough that the components of the base material do not diffuse into the silica gel and hinder apatite formation. For example, it is 300 ° C. to 900 ° C., depending on the material of the base material.
【００２０】シリカゲル層を焼き付けた基材を浸漬する
水溶液(疑似体液)は、アパタイトの溶解度に相当する
５.５×１０-118以上のイオン活動度積を有するカルシ
ウムとリン酸イオンを含み、しかも、アパタイトの自発
的核形成を生じない水溶液であれば良い。例えば、人の
体液に近いイオン濃度を有する下記(i)或いはその１.５
倍のイオン濃度を有する(ii)の水溶液が適当である。The aqueous solution (simulated body fluid) for immersing the substrate on which the silica gel layer has been baked contains calcium and phosphate ions having an ion activity product of 5.5 × 10 −118 or more corresponding to the solubility of apatite, and Any aqueous solution that does not cause spontaneous nucleation of apatite may be used. For example, the following (i) having an ion concentration close to human body fluid or 1.5 thereof
An aqueous solution of (ii) having twice the ion concentration is suitable.
【００２１】（i）Ｎa+１４２.０、Ｋ+５.０、Ｃa2+２.
５、Ｍg2+１.５、Ｃl-１４８.８、ＨＣＯ3 -４.２、ＨＰ
Ｏ4 2-１.０、ＳＯ4 2-０.５mＭで、トリス緩衝剤でｐＨ
を７.４にしたもの。 （ii）Ｎa+２１３.０、Ｋ+７.５、Ｃa2+３.８、Ｍg2+
２.３、Ｃl-２２３.３、ＨＣＯ3 -６.３、ＨＰＯ4 2-１.
５、ＳＯ4 2-０.７５mＭで、トリス緩衝剤でｐＨを７.４
にしたもの。(I) Na + 142.0, K + 5.0, Ca 2 +2.
5, Mg 2 + 1.5, Cl - 148.8, HCO 3 - 4.2, HP
O 4 2 -1.0, SO 4 2 -0.5 mM, pH with Tris buffer
To 7.4. (Ii) Na + 213.0, K + 7.5, Ca 2 + 3.8, Mg 2 +
2.3, Cl - 223.3, HCO 3 - 6.3, HPO 4 2- 1.
5. SO 4 2− at 0.75 mM, pH 7.4 with Tris buffer
What you did.
【００２２】液の温度は１０〜６０℃であれば良い。１
０℃未満ではアパタイト層の成長速度が極めて小さく、
また６０℃を超えると、アパタイト以外の相が析出する
ので好ましくない。アパタイト層の厚さは浸漬時間が長
くなるにつれて大きくなる。The temperature of the liquid may be 10 to 60 ° C. 1
Below 0 ° C., the growth rate of the apatite layer is extremely low,
On the other hand, when the temperature exceeds 60 ° C., a phase other than apatite is precipitated, which is not preferable. The thickness of the apatite layer increases as the immersion time increases.
【００２３】基材としては、金属、セラミックスなど如
何なる材質も可能である。また、その形状も板状、棒
状、繊維状、粒状など複雑な形状を始めとする如何なる
形状のものも可能である。As the base material, any material such as metal and ceramics can be used. The shape may be any shape including a complicated shape such as a plate, a bar, a fiber, and a grain.
【００２４】例えば、チタン金属や焼結アルミナ、アル
ミナ単結晶、焼結ジルコニウムなど高い機械的強度を示
し、しかも生体内で化学的に安定な材料上にアパタイト
層をコーティングしたものは、大きな荷重をも荷なえ、
しかも骨にしっかり固定される人工骨として有用であ
る。セラミックスファイバーなどの表面にアパタイト層
を形成することもできる。For example, a material having a high mechanical strength such as titanium metal, sintered alumina, alumina single crystal, or sintered zirconium, and coated with an apatite layer on a material which is chemically stable in a living body, cannot handle a large load. Even unloading,
Moreover, it is useful as an artificial bone firmly fixed to the bone. An apatite layer can be formed on the surface of a ceramic fiber or the like.
【００２５】また、マグネタイト粒子にアパタイト層を
コーティングしたものは、生体活性とフェリ磁性を併せ
示すので、例えば、肝臓癌に連なっている肝臓動脈から
注入された時、肝臓癌の所で互いに結合して固まり、交
流磁場の下に置かれるとヒステリシス損によって発熱し
て癌を局部的に加熱して治療する作用を示す。The magnetite particles coated with an apatite layer exhibit both bioactivity and ferrimagnetism. For example, when magnetite particles are injected from a hepatic artery linked to liver cancer, they bind to each other at the liver cancer. When it is placed under an alternating magnetic field, it generates heat due to hysteresis loss and has the effect of locally heating and treating cancer.
【００２６】心臓のペースメーカーのケースやそのリー
ド線のアパタイト層をコーティングしたものは、長期に
亘って生体組織と良い親和性を示す。A heart pacemaker case or its lead wire coated with an apatite layer has a good affinity for living tissue over a long period of time.
【００２７】次に本発明の一実施例を示す。本発明はこ
の実施例のみに限定されないことは云うまでもない。Next, an embodiment of the present invention will be described. It goes without saying that the present invention is not limited only to this embodiment.
【００２８】[0028]
【実施例１】基材として板状のチタン金属を用い、その
表面に、上記の方法によってシリカゲル層を０.１μm
の厚さにコーティングした。次いで、６００℃の温度で
加熱処理した後、上記(i)のカルシウム及びリン酸イオ
ンを含む水溶液(温度３６.５℃)に浸漬した。基材表面
には緻密なアパタイト層(厚さ１０μm)が生成された。Example 1 A plate-like titanium metal was used as a base material, and a silica gel layer was formed on the surface thereof in a thickness of 0.1 μm by the above method.
Coated to a thickness of Next, after the heat treatment at a temperature of 600 ° C., the substrate was immersed in the aqueous solution containing calcium and phosphate ions of the above (i) (temperature: 36.5 ° C.). A dense apatite layer (10 μm thick) was formed on the surface of the substrate.
【００２９】[0029]
【実施例２】基材としてマグネタイト粒子(平均粒径３
０μm)を用い、その表面に、上記の方法によってシリ
カゲル層を０.１μmの厚さにコーティングした。次い
で、５００℃の温度で加熱処理した後、上記(ii)のカル
シウム及びリン酸イオンを含む水溶液(温度６０℃)に浸
漬した。基材表面には緻密なアパタイト層(厚さ１０μ
m)が生成された。Example 2 Magnetite particles (average particle size of 3
0 μm), and the surface thereof was coated with a silica gel layer to a thickness of 0.1 μm by the above method. Next, after a heat treatment at a temperature of 500 ° C., it was immersed in the aqueous solution (temperature 60 ° C.) containing calcium and phosphate ions described in (ii) above. A dense apatite layer (thickness 10μ)
m) was generated.
【００３０】[0030]
【実施例３】基材として焼結アルミナを用い、その表面
に、上記の方法によってシリカゲル層を０.１μmの厚
さにコーティングした。次いで、９００℃の温度で加熱
処理した後、上記(i)のカルシウム及びリン酸イオンを
含む水溶液(温度５０℃)に浸漬した。基材表面には緻密
なアパタイト層(厚さ１０μm)が生成された。Example 3 Sintered alumina was used as a base material, and the surface thereof was coated with a silica gel layer to a thickness of 0.1 μm by the above method. Next, after a heat treatment at a temperature of 900 ° C., it was immersed in the aqueous solution (temperature: 50 ° C.) containing calcium and phosphate ions described in (i) above. A dense apatite layer (10 μm thick) was formed on the surface of the substrate.
【００３１】[0031]
【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
緻密で均一なアパタイト層を、複雑な形状を始めとする
如何なる形状、或いは金属、セラミックスなどの基材を
も生体活性にすることができる。特にペースメーカー、
人工関節、血流センサ、各種カテーテルなど、生体組み
込み形の機器、器具などの生体適合性複合材料として有
用である。As described in detail above, according to the present invention,
A dense and uniform apatite layer can be made bioactive for any shape, including complex shapes, or for substrates such as metals and ceramics. Especially pacemakers,
It is useful as a biocompatible composite material for devices and instruments embedded in a living body, such as artificial joints, blood flow sensors, and various catheters.
Claims (1)
材に液状のシリカヒドロゾル又はゲルをコーティング
し、乾燥後、加熱処理してシリカゲルを基材に結合さ
せ、その後、アパタイトに対して過飽和となる量のカル
シウムとリン酸イオンを含む１０〜６０℃の水溶液に浸
漬することにより、基材表面に生体活性なアパタイト層
をコーティングすることを特徴とする生体活性層のコー
ティング方法。Claims 1. A metal or ceramic base material of various shapes is coated with a liquid silica hydrosol or gel, dried, and heated to bind the silica gel to the base material. A method for coating a bioactive layer, comprising coating a base material surface with a bioactive apatite layer by immersing the base material surface in an aqueous solution of 10 to 60 ° C containing a certain amount of calcium and phosphate ions.
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