JP3545505B2 - インプラント材料及びその製法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、骨組織と結合して優れた生体活性を有し、強度が大きく、人工骨材、骨固定及び接合材或いは骨補綴材、人工股関節の部分的代替材料、及び、人工歯根、根管充填材、骨修復及び充填材、人工歯材料などとして有用な生体用インプラント材料及びその製法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、事故や疾患等により失われた骨や歯の補綴材として、生体内に埋め込まれ、生体組織と結合するインプラント材料の開発が強く望まれ、その一つとして、金属とセラミックからなる複合材料が開発されている。即ち、機械的強度を金属で、生体適合性をセラミックで得ようとするものである。
【０００３】
本発明者等は、こうした複合材料からなるインプラント材料として、リン酸カルシウムをガラス中に分散させたガラスセラミック層を金属基材上に形成し、該ガラスセラミック層表面に酸による溶解エッチングで無数の空孔を形成したものを提案し（特公平４−３２２６号公報）、更に、このようなインプラント材料を人工体液中に浸漬させることにより、表面に生体親和性に優れたヒドロキシアパタイトを析出させ、インプラント材料と骨の結合を速めた方法を提案した（特開平４−２７６２５７号）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
インプラント材料に求められる主たる特性は、機械的強度、生体適合性、安全性であり、上記した本発明者等が提案したインプラント材料は、これらの特性を十分満足するものであり、また、インプラント材料と骨が十分に結合した状態での強度にも優れていた。
【０００５】
本発明者等は、これらのインプラント材料について更に、骨との結合スピードの早いインプラント材料の開発を目的として鋭意検討し、本発明を達成した。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１〜３の発明は、インプラント材料であり、金属基材上或いは金属基材上に中間ガラス層をコーティングした上に、表面にリン酸カルシウムを有するガラスセラミック層を設け、更に、５０〜１００℃の電解液に浸漬し、電圧を印加することにより、該ガラスセラミック層上に、リン酸カルシウム被膜を電気化学的に設けたことを特徴とする。
【０００７】
請求項４〜７の発明は、インプラント材料の製法の発明であり、金属基材上或いは金属基材上に中間ガラス層をコーティングした上に、表面にリン酸カルシウムを有するガラスセラミック層を設けてなる複合材料を、５０〜１００℃の電解液に浸漬し、電圧を印加して電気化学的に該複合材料表面にリン酸カルシウムを析出させることを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明のインプラント材料に用いられる金属基材の金属としては、特に限定されないが、チタン；Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ＋２０Ｖｏｌ％Ｍｏ、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ＋４０Ｖｏｌ％Ｍｏ等のチタン系合金；Ｎｉ−Ｃｒ系合金；Ｃｏ−Ｃｒ系合金、ステンレス鋼等が挙げられる。このうち、生体内耐蝕性に優れ、生体とのなじみも良いという点でチタン、チタン系合金が好ましく、材料強度が大きいということからＴｉ−Ａｌ系合金が特に好ましく、且つ複雑な形状のものまで精密微細加工ができる。
【０００９】
本発明において上記金属基材上に形成するガラスセラミック層としては、表面（後にリン酸カルシウム被膜を設ける側）にリン酸カルシウムが露出していれば、特に形態は限定されないが、好ましくは、ガラス中にリン酸カルシウムが分散され且つ表面に無数の空孔を有するとともに上記リン酸カルシウムが露出したものが用いられる。中間ガラス層を設ける場合も同様である。
【００１０】
本発明において、ガラスセラミック層に分散するリン酸カルシウムとしては、ヒドロキシアパタイト〔Ｃａ１０（ＰＯ４ ）６ （ＯＨ）２ 〕、α−リン酸三カルシウム〔α−ＴＣＰ：Ｃａ３ （ＰＯ４ ）２ 〕、β−リン酸三カルシウム〔β−ＴＣＰ：Ｃａ３ （ＰＯ４ ）２ 〕、リン酸八カルシウム〔ＯＣＰ：Ｃａ８ Ｈ２ （ＰＯ４ ）６ ・５Ｈ２ Ｏ〕、ブルサイト〔Ｂｒｕｓｈｉｔｅ：ＣａＨＰＯ４ ・２Ｈ２ Ｏ〕等が用いられ、ヒドロキシアパタイト（以下「ＨＡＰ」と記す）を多量に含有するのが好ましく、Ｃａ／Ｐ（モル比）が１．５０〜１．７５の範囲にあるものが望ましい。ちなみにＨＡＰのＣａ／Ｐは１．６７である。ＨＡＰは生体骨の主要組成であり、このＨＡＰが存在することにより生体骨との親和性が発現するのである。
【００１１】
次にガラスセラミック層又は中間ガラス層に使用し得るガラスとしては、以下の組成を有するアルミナホウケイ酸系ガラスが金属基材との接合強度及び線膨張係数、更には焼成時において分散ＨＡＰとガラスフリットが反応しないなどの観点から好ましい例として挙げられる。
【００１２】
ＳｉＯ２ ＋Ｂ２ Ｏ３ ＋Ａｌ２ Ｏ３ ７５〜８５重量％
アルカリ成分 １５〜２０重量％
【００１３】
ここで、アルカリ成分の割合は、Ｎａ２ Ｏ、Ｋ２ Ｏ、Ｌｉ２ Ｏ等の如きアルカリ金属酸化物の合計での量である。そして、上記アルミナホウケイ酸系ガラスには必要に応じてＺｒＯ２ 、ＴｉＯ２ 等の金属酸化物及びＣａＦ２ などの少量を添加してもよい。
【００１４】
上記シリカアルミナ系ガラスの組成物の配合割合が選択される理由は以下の通りである。
【００１５】
アルカリ成分が上記範囲を越えるとガラスの線膨張係数が金属基材の線膨張係数との比較において大き過ぎて、特に本発明に係る複合材料を焼成製造する際の焼成条件を考慮すると、温度変化による歪みが大きくなり好ましくなく（ちなみに、ガラスの線膨張係数は金属基材の熱膨張系数の９０〜９５％の範囲にあるのが好ましい。これは、ガラスが圧縮に対して強く、引張に対して弱いことに基づくものである。）、また、インプラント材料とした際のアルカリの溶出の問題が起こり、生体組織や細胞への刺激が生じ、更には焼成時においてリン酸カルシウム成分との反応が起こり、リン酸カルシウムの分解を誘発することになり、好ましくない。
【００１６】
アルカリ成分が上記範囲より少ないとガラスとしての溶融温度が高くなり、コーティング温度を高くせざるを得なくなり、コーティング温度を高くすれば、金属基材（特にチタン及びチタン系合金）の強度劣化が起こり、更にはリン酸カルシウムとガラスとの過度の反応が起こることとなり好ましくない。
【００１７】
リン酸カルシウムをガラス中に分散したガラスセラミックの線膨張係数はリン酸カルシウムの含量の増加に伴って増加する。従って、リン酸カルシウムの含量を調整することによっても混合物の線膨張係数をコントロールすることが可能であり、本発明のインプラント材料において、特に中間ガラス層を介してなる態様の場合、リン酸カルシウムを分散したガラスセラミック層に用いるガラスの線膨張係数はいかようにも取り得る。
【００１８】
ガラスセラミック層中におけるリン酸カルシウムの含有率は、金属基材上に直接該ガラス層を設ける場合は１５〜５０重量％の範囲にするのが好ましく、金属基材上に中間ガラス層を設ける場合には１５〜７０重量％とするのが好ましい。該リン酸カルシウムの含有率が上記範囲より少ないと生体適合性が悪くなり好ましくない。中間ガラス層を介しない場合に該リン酸カルシウムの配合率の上限が５０重量％であるのは、５０重量％を越えると、金属基材との接合力が低下し、複合体としての材料強度が低くなるためである。
【００１９】
また、中間ガラス層を有する場合には、金属基材との接合力が増大し、リン酸カルシウムを分散したガラスセラミック層と中間ガラス層は連続的に強固に一体となって接合しているため、上記ガラスセラミック層のリン酸カルシウム含有率は、それ自体が剥離せず、しかも溶出が過大にならない７０重量％以下が好ましい。
【００２０】
次に、本発明のインプラント材料はその表面層がリン酸カルシウム被膜である。詳しくは後述する電気化学的方法により電解液より析出してなるリン酸カルシウムよりなる。
【００２１】
本発明において、上記リン酸カルシウム被膜の成分として、前記のガラスセラミック層に分散するリン酸カルシウムと同様の成分の他に炭酸アパタイトが用いられ、炭酸アパタイトを主成分とする骨類似アパタイトであることが好ましい。また本発明において、該リン酸カルシウムは針状或いは板状に析出するが、好ましくは針状結晶である。更にリン酸カルシウム被膜の厚みは、好ましくは０．１〜１００μｍ、望ましくは１〜１０μｍである。
【００２２】
次に、本発明のインプラント材料の製法について説明する。
【００２３】
先ず、金属基材上に直接リン酸カルシウムを分散したガラスセラミック層を形成した複合材料の製法について、前記した表面に無数の空孔を有するガラスセラミック層を例に挙げて説明する。
【００２４】
金属基材はコーティングの前に脱脂、酸洗いの後ブラスト処理を施すのが好ましい。ブラスト処理は金属基材の平均中心線粗さが１〜３．４μｍとなるようにするのがより好ましい。また、ブラスト処理の後、真空下に９００〜９５０℃の温度で熱処理することにより酸化膜を形成しても良い。
【００２５】
次にリン酸カルシウムとしてＨＡＰを例にとって、コーティング処理について説明する。
【００２６】
ＨＡＰは公知の方法で製造されるが、そのうち、湿式法を採用した場合には、生成したＨＡＰを乾燥後８００℃で仮焼きし、１２００℃で焼成した後、粉砕して所定の粒度に粒度調製する。一方、ガラスも所定の粒度に粒度調製する。次に粒度調製されたＨＡＰとガラス粉末を混合し、この混合物をコーティングした後焼成する。焼成温度は８５０℃〜１１５０℃の範囲が好ましい。８５０℃未満では焼成不十分となり、金属基材との接合強度が弱くなり、また、ＨＡＰ分散ガラス層自体の被膜強度も弱くなる。１１５０℃を越えると金属基材（特にチタン、チタン系合金）の強度低下を起こし、また、ガラスが共存することもあってＨＡＰの分解反応が起こり好ましくない。
【００２７】
次に上記のようにコーティングした後、酸でエッチング処理を行なう。エッチング処理はＨＦとＨＮＯ３ の混液で行なうのが簡単で好ましいが、ＨＦ蒸気中で適度の時間をかけて試片表面をむらなくエッチングする方法も推奨される。
【００２８】
金属基材上に中間ガラス層を介してＨＡＰ分散ガラスセラミック層を設けた複合材料の製法については、中間ガラス層をコーティングする工程が追加されるだけで、他は上記と同様にすれば良い。中間ガラス層のコーティングの際の焼成温度は８５０℃〜１１５０℃が好ましい。
【００２９】
酸によってガラスを溶解してエッチングすることにより、ＨＡＰ分散ガラスセラミック層の表層は無数の空孔を有するものとなり、且つリン酸カルシウムが露出した構造をとることとなる。該空孔の大きさは数μｍ〜５０μｍが好ましい。
【００３０】
本発明においては、上記のようにして形成した複合材料表面に電気化学的にリン酸カルシウムを析出させて被膜を形成する。
【００３１】
本発明において、上記リン酸カルシウムの析出に用いる電解液としては、Ｃａ／Ｐが１〜４の範囲にあることが望ましい。更に望ましくは、ヒトの体液の無機塩類の主要成分組成とそれに近い濃度を有する溶液である。
【００３２】
疑似人工体液の組成は、１３７．８ｍＭのＮａＣｌ、４．２ｍＭのＮａＨＣＯ３ 、３．０ｍＭのＫＣｌ、１．０ｍＭのＫ２ ＨＰＯ４ 、１．５ｍＭのＭｇＣｌ２ ・６Ｈ２ Ｏ、２．５ｍＭのＣａＣｌ２ ・２Ｈ２ Ｏ、及び緩衝剤として５０ｍＭの（ＣＨ２ ＯＨ）３ ＣＮＨ２ と４５ｍＭのＨＣｌ（ｐＨ＝７．１〜７．４）からなり、Ｃａ／Ｐは２．５である。後述する実施例で説明するように、このうち少なくとも、ＮａＣｌ、Ｋ２ ＨＰＯ４ 、ＣａＣｌ２ ・２Ｈ２ Ｏ、及び、緩衝剤として（ＣＨ２ ＯＨ）３ ＣＮＨ２ とＨＣｌを用いた。
【００３３】
電解液は、Ｎａ＋ イオンが好ましくは１１０〜１７０ｍＭ、更に望ましくは１２０〜１６０ｍＭ、ＨＰＯ４ ２＋ イオンが好ましくは０．８〜１．２ｍＭ、更に望ましくは０．９〜１．１ｍＭ、Ｃａ２＋イオンが好ましくは２．０〜３．０ｍＭ、更に望ましくは２．３〜２．７ｍＭで、ｐＨ緩衝剤〔（ＣＨ２ ＯＨ）３ ＣＮＨ２ 〕を添加して、ｐＨを好ましくは６．０〜８．０、更に望ましくは６．６〜７．４に調製したものを用いる。
【００３４】
本発明において、上記電解液には本発明を妨げない範囲で他の成分を加えることも可能である。
【００３５】
本発明において、上記電解液の温度は、高温の方がインプラント材料として好ましいｃ軸方向に配向した炭酸アパタイトが得られるため、５０℃以上１００℃以下である。更に望ましくは６０℃以上１００℃以下に保持してリン酸カルシウムの析出を行なう。また、析出時の電流密度は、複合材料の表面単位面積当たり、１〜１０００ｍＡ／ｃｍ2、好ましくは１０〜５００ｍＡ／ｃｍ2である。
【００３６】
【実施例】
［参考実施例］
ＨＡＰ含量を３０重量％、５０重量％、７０重量％としたＨＡＰ粉末とガラス粉末との混合物のスリップを、表面をサンドブラストした純チタン板（２０×２０×０．５ｍｍ）に順次被覆して、被覆の度に８００〜９００℃で焼成した。この被覆と焼成を繰り返して、厚さ約１００μｍのＨＡＰ分散ガラスセラミック層をチタン板上に形成した。次に３％のＨＦと５％のＨＮＯ3の水溶液で表面をエッチングしてガラスで覆われた表面層を除去し、ＨＡＰ微細粒子を露出させた活性表面層を有する複合材料を得た。
【００３７】
図１に示す、定電位負荷装置としてポテンショスタットに関数発生器を付加したものを使用した３電極式電解槽を用いて、上記複合材料にリン酸カルシウム被膜を電気化学的に形成した。図中１は試料電極、２は対向電極、４は飽和カロメル電極、５は水槽、６は電解液、７は関数発生器、８はポテンショスタット、９は対数変換器、１０はＸＹレコーダである。
【００３８】
試料電極１として上記複合材料を固定し、対向電極２には白金板、参照電極として飽和カロメル電極（Ｓ．Ｃ．Ｅ．）４を用い、ルギン管先端を寒天ブリッジにし、試料電極１近傍に設置した。電解液６としては、ＮａＣｌ、ＮａＨＣＯ３ 、ＫＣｌ、Ｋ２ ＨＰＯ４ 、ＭｇＣｌ２ ・６Ｈ２ Ｏ、ＣａＣｌ２ ・２Ｈ２ Ｏの特級試薬を表１に示す組成になるように蒸留水に溶解し、５０ｍＭの（ＣＨ２ ＯＨ）３ ＣＮＨ２ とＨＣｌを緩衝剤として加えｐＨ７．２に調製した。尚、表１における電解液ａはヒト細胞外液の無機塩類濃度にほぼ等しい組成の人工体液である。
【００３９】
【表１】
【００４０】
上記１１種類の溶液を電解液として用い、電位は−２Ｖ、電解時間は１時間、電解液温度は２２℃一定とした。析出物についてＸ線回折、赤外分光分析（ＦＴ−ＩＲ）、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）観察、ＥＤＸにより状態分析した。表２に状態分析結果を示す。
【００４１】
【表２】
【００４２】
試料電極１上の生成物のＸ線回折測定結果より、ＨＰＯ４ を含まない電解液ｅとｇでは、Ｍｇ（ＯＨ）２ が析出していた。また、Ｃａ量を増量した電解液ｉ〜ｋでは、ＣａＣＯ３ が析出していた。その他の電解液での析出部は全て非晶質であった。また、赤外分光分析結果から、ＨＰＯ４ を含まない電解液ｅとｇでは、析出物にＰＯ４ の吸収は認められなかった。一方、その他の電解液での析出物は１０３０及び５８０ｃｍ−１にＰＯ４ の吸収ピークが認められた。また、ＥＤＸ分析結果では、電解液ｅとｇでは、析出物のＭｇ含量が高く、Ｃａを含まない電解液ｃではＭｇとＰが多量に検出された。また、Ｃａ量を増量した電解液ｉ〜ｋでは、Ｃａが多量に検出された。
【００４３】
以上の分析結果より、ＨＰＯ４ を含まない電解液ではＭｇ（ＯＨ）２ が主成分の被膜が生成されていると考えられる。逆にＨＰＯ４ を増量した電解液では非晶質のリン酸カルシウムが生成されている。Ｍｇを含まない電解液ではＣａとＰよりなる純粋のリン酸カルシウムが得られ、Ｋ及びＨＣＯ３ の影響は小さいものと考えられる。従って、本発明においては電解液成分としては、ＨＰＯ４ 、Ｃａが必須であり、Ｍｇは好ましくないことがわかった。
【００４４】
［実施例１］
参考実施例と同じ複合材料と電解装置を用い、電解液として、１３７．８ｍＭのＮａＣｌ溶液に、溶液中のＣａ／Ｐが１．０、１．５、１．６７、２．５、４．０となるように、１．０〜２．５ｍＭのＫ2ＨＰＯ4及び１．０〜４．０ｍＭのＣａＣｌ2・２Ｈ2Ｏを溶解した。更に、５０ｍＭの（ＣＨ2ＯＨ）3ＣＮＨ2を緩衝剤として加え、ＨＣｌを用いてｐＨ７．２に調製したもの、及びＨＣｌだけでｐＨ７．２に調製したものの２種類をＣａ／Ｐの異なる各溶液毎に調製した。
【００４５】
上記１０種の電解液を用い、電位−２Ｖ、電解時間１時間で、電解液をマグネティックスターラーで撹拌しながら、電解液温度を２２℃及び６２℃に変えて電解を行ない、その結果を参考実施例と同様に、Ｘ線回折、ＦＴ−ＩＲ、ＳＥＭ観察、ＥＤＸにより状態分析した。
【００４６】
図２に電解槽中の試料電極と参照電極との中間付近の電解液（Ｃａ／Ｐ＝１．５）のｐＨ変化を示す。緩衝剤を加えない電解液のｐＨ変化は著しく、３０分間の電解により７．２から１１．４に増加している。一方、緩衝剤を加えた電解液では、３時間の電解でも約８．０に増加しているだけである。このｐＨ増加は、試料電極即ち陰極で発生する水素ガスの放出に伴う水酸基の増加によるものと推定されるが、緩衝剤を加えた電解液ではこの変化が陰極近傍に限局され、緩衝剤を加えない電解液では電解槽中の電解液全体にｐＨ増加が生じたものと考えられる。
【００４７】
また緩衝剤を用いると、緩衝剤を用いない場合に比べて、生成物量が極めて多かった。リン酸カルシウムの電気化学的析出は、陰極付近での電解液のカルシウムイオン濃度及びリン酸イオンの増加とｐＨ増加に伴い過飽和になるために生じる現象であると考えられる。従って、緩衝剤を加えた電解液では、このｐＨ増加が陰極近傍に限局されるため、生成物量が極めて多いものと推定される。
【００４８】
Ｘ線回折及び赤外分光分析結果より、これらの生成物は電解液のＣａ／Ｐの差異による影響は顕著には認められなかった。また、電解液温度が２２℃では全て炭酸含有非晶質アパタイトであったが、６２℃では結晶性の向上が認められ、ＳＥＭ像では針状結晶が観察された。ＥＤＸによる分析結果より、析出物のＣａ／Ｐも同様に電解液のＣａ／Ｐの差異による影響は認められないが、緩衝剤を加えない電解液での析出物のＣａ／Ｐは緩衝剤を加えた電解液での析出物のＣａ／Ｐよりも小さかった。
【００４９】
［実施例２］
参考実施例と同様の複合材料、電解装置を用いて電解を行なった。電解液としては、１３７．８ｍＭのＮａＣｌ、１．６７ｍＭのＫ2ＨＰＯ4、２．５ｍＭのＣａＣｌ2・２Ｈ2Ｏの濃度に特級試薬を蒸留水に溶解し、５０ｍＭの（ＣＨ2ＯＨ）3ＣＮＨ2を緩衝剤として加えｐＨ７．２に調整した。試料電極が負電位に分極するように電流制御を行ない、電流値は１０ｍＡ及び１００ｍＡで電解時間は１時間、電解液温度を４、２２、３７、５２、６２℃とし、試料電極表面に析出した生成物を参考実施例と同様にして状態分析した。
【００５０】
電解液温度が４、２２、３７℃の生成物は非晶質である。また、ＥＤＸスペクトルからＣａ及びＰが検出され、ＦＴ−ＩＲスペクトルから１０３０及び５８０ｃｍ−１にＰＯ４ の分離していない非晶質特有の吸収ピークが認められたことにより、これらの生成物は非晶質リン酸カルシウムであると考えられる。一方、５２℃と６２℃ではＸ線回折角度２θが２５．８°及び３２°付近にアパタイト特有の回折線が認められた。特に、２５．８°の（００２）の回折線が強くなっており、ｃ軸に配向したアパタイトであると考えられる。また、ＦＴ−ＩＲスペクトルでは１４３０及び８７０ｃｍ−１に帰属されるＣＯ３ の吸収ピークが強くなっていることにより、電解液温度が高い場合は結晶性が向上した炭酸アパタイトが生成されるものと考えられる。また、電流密度の低い場合にも同様の傾向が見られ、ＳＥＭ像においても針状結晶が観察された。
【００５１】
［実施例３］
２０×２０×０．５ｍｍの純チタン板を直径２ｍｍの純チタンバーに変えた以外は参考実施例と同様にして直径２．２ｍｍ、長さ１１ｍｍの複合材料を得た。この複合材料とガラスセラミック層を形成していないＴｉ基材を試料電極として用い、実施例２と同じ電解液で、電解液温度６２℃、電解時間２０分、試料電極が負電位に分極するように、電流値は１００ｍＡ一定とし、電解液をマグネティックスターラーで撹拌しながら電解を行ない、電流負荷後、試料電極を蒸留水で洗浄し、３７℃の空気中で８時間乾燥した。表面層には針状の析出物が観察され、Ｘ線回折及びＦＴ−ＩＲ分析結果から、この析出物は、ｃ軸に配向した炭酸アパタイトであると考えられる。
【００５２】
上述のようにして形成したインプラント材料及び、電解処理を施していない複合材料及びＴｉ基材を、ウサギの大腿骨の片方に３〜４本埋め込み（同一試料につきそれぞれ８サンプル）、３〜９週間経過後該大腿骨を取り出し、大腿骨とインプラント材料との結合強さをインストロン試験機で引き抜き試験を行なって評価した。その結果を表３に示す。
【００５３】
【表３】
【００５４】
表３に示した様に、複合材料、Ｔｉ基材それぞれリン酸カルシウム被膜の有無で比較すると、９週間経過後の結合強度の差よりも、３週間経過後の結合強度の差の方が大きい。この結果は、リン酸カルシウム被膜を設けた場合の方が、インプラント材料が早期に骨に接合していることを示している。また、複合材料とＴｉ基材とでは、明らかに複合材料の方が結合強度が高く、ＨＡＰ分散ガラスセラミック層が結合強度を高めていることがわかる。
【００５５】
尚、１週間及び２週間のインプラント（複合材料）では、上記３週間後のインプラントに見られたような差は認められなかった。この事実は、新生骨の生成が活発になるには約３週間を要することを示唆するものである。
【００５６】
骨や腱或いは皮膚など、高等動物の体を形成している物質が圧電現象を示すことは知られている。従って骨に対する荷重の負荷によって生じる圧電分極が骨折の自然的治癒に大きな影響を持つこと、分極電場に相当する電気的刺激を外部より与えることにより、骨増生が誘起されることが確認されている（保田：京都府立医科大学雑誌，５３：３２５，１９５３）。
【００５７】
一方、本発明者等の研究によれば、参考実施例、実施例１〜３で用いた複合材料を生体外で６ヵ月間人工体液に浸漬した場合、及びイヌの大腿骨に移植して３ヵ月間経た場合に、上記複合材料表面に炭酸アパタイトの結晶が観察されることがわかっている。よって、本発明において、複合材料表面に電気化学的にリン酸カルシウムを被覆させる工程は、骨増生誘起のための望ましい環境を付与するものであり、生体内で生成される炭酸アパタイトの結晶核としてリン酸カルシウム被膜が作用して、骨の再生が従来よりも早く進行し、インプラント材料と骨との結合力が早い時期に十分高い値にまで達するものと推測される。
【００５８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のインプラント材料は骨に移植してから早期に十分に骨と結合するため、治療期間が短縮され、患者の負担を軽減すると同時に、適用症例の拡大が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に用いる電解装置の概略図である。
【図２】本発明第１の実施例における電解液のｐＨ変化を示す図である。
【符号の説明】
１ 試料電極
２ 対向電極
４ 飽和カロメル電極
５ 水槽
６ 電解液
７ 関数発生器
８ ポテンショスタット
９ 対数変換器
１０ ＸＹレコーダ
【発明が属する技術分野】
本発明は、骨組織と結合して優れた生体活性を有し、強度が大きく、人工骨材、骨固定及び接合材或いは骨補綴材、人工股関節の部分的代替材料、及び、人工歯根、根管充填材、骨修復及び充填材、人工歯材料などとして有用な生体用インプラント材料及びその製法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、事故や疾患等により失われた骨や歯の補綴材として、生体内に埋め込まれ、生体組織と結合するインプラント材料の開発が強く望まれ、その一つとして、金属とセラミックからなる複合材料が開発されている。即ち、機械的強度を金属で、生体適合性をセラミックで得ようとするものである。
【０００３】
本発明者等は、こうした複合材料からなるインプラント材料として、リン酸カルシウムをガラス中に分散させたガラスセラミック層を金属基材上に形成し、該ガラスセラミック層表面に酸による溶解エッチングで無数の空孔を形成したものを提案し（特公平４−３２２６号公報）、更に、このようなインプラント材料を人工体液中に浸漬させることにより、表面に生体親和性に優れたヒドロキシアパタイトを析出させ、インプラント材料と骨の結合を速めた方法を提案した（特開平４−２７６２５７号）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
インプラント材料に求められる主たる特性は、機械的強度、生体適合性、安全性であり、上記した本発明者等が提案したインプラント材料は、これらの特性を十分満足するものであり、また、インプラント材料と骨が十分に結合した状態での強度にも優れていた。
【０００５】
本発明者等は、これらのインプラント材料について更に、骨との結合スピードの早いインプラント材料の開発を目的として鋭意検討し、本発明を達成した。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１〜３の発明は、インプラント材料であり、金属基材上或いは金属基材上に中間ガラス層をコーティングした上に、表面にリン酸カルシウムを有するガラスセラミック層を設け、更に、５０〜１００℃の電解液に浸漬し、電圧を印加することにより、該ガラスセラミック層上に、リン酸カルシウム被膜を電気化学的に設けたことを特徴とする。
【０００７】
請求項４〜７の発明は、インプラント材料の製法の発明であり、金属基材上或いは金属基材上に中間ガラス層をコーティングした上に、表面にリン酸カルシウムを有するガラスセラミック層を設けてなる複合材料を、５０〜１００℃の電解液に浸漬し、電圧を印加して電気化学的に該複合材料表面にリン酸カルシウムを析出させることを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明のインプラント材料に用いられる金属基材の金属としては、特に限定されないが、チタン；Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ＋２０Ｖｏｌ％Ｍｏ、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ＋４０Ｖｏｌ％Ｍｏ等のチタン系合金；Ｎｉ−Ｃｒ系合金；Ｃｏ−Ｃｒ系合金、ステンレス鋼等が挙げられる。このうち、生体内耐蝕性に優れ、生体とのなじみも良いという点でチタン、チタン系合金が好ましく、材料強度が大きいということからＴｉ−Ａｌ系合金が特に好ましく、且つ複雑な形状のものまで精密微細加工ができる。
【０００９】
本発明において上記金属基材上に形成するガラスセラミック層としては、表面（後にリン酸カルシウム被膜を設ける側）にリン酸カルシウムが露出していれば、特に形態は限定されないが、好ましくは、ガラス中にリン酸カルシウムが分散され且つ表面に無数の空孔を有するとともに上記リン酸カルシウムが露出したものが用いられる。中間ガラス層を設ける場合も同様である。
【００１０】
本発明において、ガラスセラミック層に分散するリン酸カルシウムとしては、ヒドロキシアパタイト〔Ｃａ１０（ＰＯ４ ）６ （ＯＨ）２ 〕、α−リン酸三カルシウム〔α−ＴＣＰ：Ｃａ３ （ＰＯ４ ）２ 〕、β−リン酸三カルシウム〔β−ＴＣＰ：Ｃａ３ （ＰＯ４ ）２ 〕、リン酸八カルシウム〔ＯＣＰ：Ｃａ８ Ｈ２ （ＰＯ４ ）６ ・５Ｈ２ Ｏ〕、ブルサイト〔Ｂｒｕｓｈｉｔｅ：ＣａＨＰＯ４ ・２Ｈ２ Ｏ〕等が用いられ、ヒドロキシアパタイト（以下「ＨＡＰ」と記す）を多量に含有するのが好ましく、Ｃａ／Ｐ（モル比）が１．５０〜１．７５の範囲にあるものが望ましい。ちなみにＨＡＰのＣａ／Ｐは１．６７である。ＨＡＰは生体骨の主要組成であり、このＨＡＰが存在することにより生体骨との親和性が発現するのである。
【００１１】
次にガラスセラミック層又は中間ガラス層に使用し得るガラスとしては、以下の組成を有するアルミナホウケイ酸系ガラスが金属基材との接合強度及び線膨張係数、更には焼成時において分散ＨＡＰとガラスフリットが反応しないなどの観点から好ましい例として挙げられる。
【００１２】
ＳｉＯ２ ＋Ｂ２ Ｏ３ ＋Ａｌ２ Ｏ３ ７５〜８５重量％
アルカリ成分 １５〜２０重量％
【００１３】
ここで、アルカリ成分の割合は、Ｎａ２ Ｏ、Ｋ２ Ｏ、Ｌｉ２ Ｏ等の如きアルカリ金属酸化物の合計での量である。そして、上記アルミナホウケイ酸系ガラスには必要に応じてＺｒＯ２ 、ＴｉＯ２ 等の金属酸化物及びＣａＦ２ などの少量を添加してもよい。
【００１４】
上記シリカアルミナ系ガラスの組成物の配合割合が選択される理由は以下の通りである。
【００１５】
アルカリ成分が上記範囲を越えるとガラスの線膨張係数が金属基材の線膨張係数との比較において大き過ぎて、特に本発明に係る複合材料を焼成製造する際の焼成条件を考慮すると、温度変化による歪みが大きくなり好ましくなく（ちなみに、ガラスの線膨張係数は金属基材の熱膨張系数の９０〜９５％の範囲にあるのが好ましい。これは、ガラスが圧縮に対して強く、引張に対して弱いことに基づくものである。）、また、インプラント材料とした際のアルカリの溶出の問題が起こり、生体組織や細胞への刺激が生じ、更には焼成時においてリン酸カルシウム成分との反応が起こり、リン酸カルシウムの分解を誘発することになり、好ましくない。
【００１６】
アルカリ成分が上記範囲より少ないとガラスとしての溶融温度が高くなり、コーティング温度を高くせざるを得なくなり、コーティング温度を高くすれば、金属基材（特にチタン及びチタン系合金）の強度劣化が起こり、更にはリン酸カルシウムとガラスとの過度の反応が起こることとなり好ましくない。
【００１７】
リン酸カルシウムをガラス中に分散したガラスセラミックの線膨張係数はリン酸カルシウムの含量の増加に伴って増加する。従って、リン酸カルシウムの含量を調整することによっても混合物の線膨張係数をコントロールすることが可能であり、本発明のインプラント材料において、特に中間ガラス層を介してなる態様の場合、リン酸カルシウムを分散したガラスセラミック層に用いるガラスの線膨張係数はいかようにも取り得る。
【００１８】
ガラスセラミック層中におけるリン酸カルシウムの含有率は、金属基材上に直接該ガラス層を設ける場合は１５〜５０重量％の範囲にするのが好ましく、金属基材上に中間ガラス層を設ける場合には１５〜７０重量％とするのが好ましい。該リン酸カルシウムの含有率が上記範囲より少ないと生体適合性が悪くなり好ましくない。中間ガラス層を介しない場合に該リン酸カルシウムの配合率の上限が５０重量％であるのは、５０重量％を越えると、金属基材との接合力が低下し、複合体としての材料強度が低くなるためである。
【００１９】
また、中間ガラス層を有する場合には、金属基材との接合力が増大し、リン酸カルシウムを分散したガラスセラミック層と中間ガラス層は連続的に強固に一体となって接合しているため、上記ガラスセラミック層のリン酸カルシウム含有率は、それ自体が剥離せず、しかも溶出が過大にならない７０重量％以下が好ましい。
【００２０】
次に、本発明のインプラント材料はその表面層がリン酸カルシウム被膜である。詳しくは後述する電気化学的方法により電解液より析出してなるリン酸カルシウムよりなる。
【００２１】
本発明において、上記リン酸カルシウム被膜の成分として、前記のガラスセラミック層に分散するリン酸カルシウムと同様の成分の他に炭酸アパタイトが用いられ、炭酸アパタイトを主成分とする骨類似アパタイトであることが好ましい。また本発明において、該リン酸カルシウムは針状或いは板状に析出するが、好ましくは針状結晶である。更にリン酸カルシウム被膜の厚みは、好ましくは０．１〜１００μｍ、望ましくは１〜１０μｍである。
【００２２】
次に、本発明のインプラント材料の製法について説明する。
【００２３】
先ず、金属基材上に直接リン酸カルシウムを分散したガラスセラミック層を形成した複合材料の製法について、前記した表面に無数の空孔を有するガラスセラミック層を例に挙げて説明する。
【００２４】
金属基材はコーティングの前に脱脂、酸洗いの後ブラスト処理を施すのが好ましい。ブラスト処理は金属基材の平均中心線粗さが１〜３．４μｍとなるようにするのがより好ましい。また、ブラスト処理の後、真空下に９００〜９５０℃の温度で熱処理することにより酸化膜を形成しても良い。
【００２５】
次にリン酸カルシウムとしてＨＡＰを例にとって、コーティング処理について説明する。
【００２６】
ＨＡＰは公知の方法で製造されるが、そのうち、湿式法を採用した場合には、生成したＨＡＰを乾燥後８００℃で仮焼きし、１２００℃で焼成した後、粉砕して所定の粒度に粒度調製する。一方、ガラスも所定の粒度に粒度調製する。次に粒度調製されたＨＡＰとガラス粉末を混合し、この混合物をコーティングした後焼成する。焼成温度は８５０℃〜１１５０℃の範囲が好ましい。８５０℃未満では焼成不十分となり、金属基材との接合強度が弱くなり、また、ＨＡＰ分散ガラス層自体の被膜強度も弱くなる。１１５０℃を越えると金属基材（特にチタン、チタン系合金）の強度低下を起こし、また、ガラスが共存することもあってＨＡＰの分解反応が起こり好ましくない。
【００２７】
次に上記のようにコーティングした後、酸でエッチング処理を行なう。エッチング処理はＨＦとＨＮＯ３ の混液で行なうのが簡単で好ましいが、ＨＦ蒸気中で適度の時間をかけて試片表面をむらなくエッチングする方法も推奨される。
【００２８】
金属基材上に中間ガラス層を介してＨＡＰ分散ガラスセラミック層を設けた複合材料の製法については、中間ガラス層をコーティングする工程が追加されるだけで、他は上記と同様にすれば良い。中間ガラス層のコーティングの際の焼成温度は８５０℃〜１１５０℃が好ましい。
【００２９】
酸によってガラスを溶解してエッチングすることにより、ＨＡＰ分散ガラスセラミック層の表層は無数の空孔を有するものとなり、且つリン酸カルシウムが露出した構造をとることとなる。該空孔の大きさは数μｍ〜５０μｍが好ましい。
【００３０】
本発明においては、上記のようにして形成した複合材料表面に電気化学的にリン酸カルシウムを析出させて被膜を形成する。
【００３１】
本発明において、上記リン酸カルシウムの析出に用いる電解液としては、Ｃａ／Ｐが１〜４の範囲にあることが望ましい。更に望ましくは、ヒトの体液の無機塩類の主要成分組成とそれに近い濃度を有する溶液である。
【００３２】
疑似人工体液の組成は、１３７．８ｍＭのＮａＣｌ、４．２ｍＭのＮａＨＣＯ３ 、３．０ｍＭのＫＣｌ、１．０ｍＭのＫ２ ＨＰＯ４ 、１．５ｍＭのＭｇＣｌ２ ・６Ｈ２ Ｏ、２．５ｍＭのＣａＣｌ２ ・２Ｈ２ Ｏ、及び緩衝剤として５０ｍＭの（ＣＨ２ ＯＨ）３ ＣＮＨ２ と４５ｍＭのＨＣｌ（ｐＨ＝７．１〜７．４）からなり、Ｃａ／Ｐは２．５である。後述する実施例で説明するように、このうち少なくとも、ＮａＣｌ、Ｋ２ ＨＰＯ４ 、ＣａＣｌ２ ・２Ｈ２ Ｏ、及び、緩衝剤として（ＣＨ２ ＯＨ）３ ＣＮＨ２ とＨＣｌを用いた。
【００３３】
電解液は、Ｎａ＋ イオンが好ましくは１１０〜１７０ｍＭ、更に望ましくは１２０〜１６０ｍＭ、ＨＰＯ４ ２＋ イオンが好ましくは０．８〜１．２ｍＭ、更に望ましくは０．９〜１．１ｍＭ、Ｃａ２＋イオンが好ましくは２．０〜３．０ｍＭ、更に望ましくは２．３〜２．７ｍＭで、ｐＨ緩衝剤〔（ＣＨ２ ＯＨ）３ ＣＮＨ２ 〕を添加して、ｐＨを好ましくは６．０〜８．０、更に望ましくは６．６〜７．４に調製したものを用いる。
【００３４】
本発明において、上記電解液には本発明を妨げない範囲で他の成分を加えることも可能である。
【００３５】
本発明において、上記電解液の温度は、高温の方がインプラント材料として好ましいｃ軸方向に配向した炭酸アパタイトが得られるため、５０℃以上１００℃以下である。更に望ましくは６０℃以上１００℃以下に保持してリン酸カルシウムの析出を行なう。また、析出時の電流密度は、複合材料の表面単位面積当たり、１〜１０００ｍＡ／ｃｍ2、好ましくは１０〜５００ｍＡ／ｃｍ2である。
【００３６】
【実施例】
［参考実施例］
ＨＡＰ含量を３０重量％、５０重量％、７０重量％としたＨＡＰ粉末とガラス粉末との混合物のスリップを、表面をサンドブラストした純チタン板（２０×２０×０．５ｍｍ）に順次被覆して、被覆の度に８００〜９００℃で焼成した。この被覆と焼成を繰り返して、厚さ約１００μｍのＨＡＰ分散ガラスセラミック層をチタン板上に形成した。次に３％のＨＦと５％のＨＮＯ3の水溶液で表面をエッチングしてガラスで覆われた表面層を除去し、ＨＡＰ微細粒子を露出させた活性表面層を有する複合材料を得た。
【００３７】
図１に示す、定電位負荷装置としてポテンショスタットに関数発生器を付加したものを使用した３電極式電解槽を用いて、上記複合材料にリン酸カルシウム被膜を電気化学的に形成した。図中１は試料電極、２は対向電極、４は飽和カロメル電極、５は水槽、６は電解液、７は関数発生器、８はポテンショスタット、９は対数変換器、１０はＸＹレコーダである。
【００３８】
試料電極１として上記複合材料を固定し、対向電極２には白金板、参照電極として飽和カロメル電極（Ｓ．Ｃ．Ｅ．）４を用い、ルギン管先端を寒天ブリッジにし、試料電極１近傍に設置した。電解液６としては、ＮａＣｌ、ＮａＨＣＯ３ 、ＫＣｌ、Ｋ２ ＨＰＯ４ 、ＭｇＣｌ２ ・６Ｈ２ Ｏ、ＣａＣｌ２ ・２Ｈ２ Ｏの特級試薬を表１に示す組成になるように蒸留水に溶解し、５０ｍＭの（ＣＨ２ ＯＨ）３ ＣＮＨ２ とＨＣｌを緩衝剤として加えｐＨ７．２に調製した。尚、表１における電解液ａはヒト細胞外液の無機塩類濃度にほぼ等しい組成の人工体液である。
【００３９】
【表１】
上記１１種類の溶液を電解液として用い、電位は−２Ｖ、電解時間は１時間、電解液温度は２２℃一定とした。析出物についてＸ線回折、赤外分光分析（ＦＴ−ＩＲ）、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）観察、ＥＤＸにより状態分析した。表２に状態分析結果を示す。
【００４１】
【表２】
試料電極１上の生成物のＸ線回折測定結果より、ＨＰＯ４ を含まない電解液ｅとｇでは、Ｍｇ（ＯＨ）２ が析出していた。また、Ｃａ量を増量した電解液ｉ〜ｋでは、ＣａＣＯ３ が析出していた。その他の電解液での析出部は全て非晶質であった。また、赤外分光分析結果から、ＨＰＯ４ を含まない電解液ｅとｇでは、析出物にＰＯ４ の吸収は認められなかった。一方、その他の電解液での析出物は１０３０及び５８０ｃｍ−１にＰＯ４ の吸収ピークが認められた。また、ＥＤＸ分析結果では、電解液ｅとｇでは、析出物のＭｇ含量が高く、Ｃａを含まない電解液ｃではＭｇとＰが多量に検出された。また、Ｃａ量を増量した電解液ｉ〜ｋでは、Ｃａが多量に検出された。
【００４３】
以上の分析結果より、ＨＰＯ４ を含まない電解液ではＭｇ（ＯＨ）２ が主成分の被膜が生成されていると考えられる。逆にＨＰＯ４ を増量した電解液では非晶質のリン酸カルシウムが生成されている。Ｍｇを含まない電解液ではＣａとＰよりなる純粋のリン酸カルシウムが得られ、Ｋ及びＨＣＯ３ の影響は小さいものと考えられる。従って、本発明においては電解液成分としては、ＨＰＯ４ 、Ｃａが必須であり、Ｍｇは好ましくないことがわかった。
【００４４】
［実施例１］
参考実施例と同じ複合材料と電解装置を用い、電解液として、１３７．８ｍＭのＮａＣｌ溶液に、溶液中のＣａ／Ｐが１．０、１．５、１．６７、２．５、４．０となるように、１．０〜２．５ｍＭのＫ2ＨＰＯ4及び１．０〜４．０ｍＭのＣａＣｌ2・２Ｈ2Ｏを溶解した。更に、５０ｍＭの（ＣＨ2ＯＨ）3ＣＮＨ2を緩衝剤として加え、ＨＣｌを用いてｐＨ７．２に調製したもの、及びＨＣｌだけでｐＨ７．２に調製したものの２種類をＣａ／Ｐの異なる各溶液毎に調製した。
【００４５】
上記１０種の電解液を用い、電位−２Ｖ、電解時間１時間で、電解液をマグネティックスターラーで撹拌しながら、電解液温度を２２℃及び６２℃に変えて電解を行ない、その結果を参考実施例と同様に、Ｘ線回折、ＦＴ−ＩＲ、ＳＥＭ観察、ＥＤＸにより状態分析した。
【００４６】
図２に電解槽中の試料電極と参照電極との中間付近の電解液（Ｃａ／Ｐ＝１．５）のｐＨ変化を示す。緩衝剤を加えない電解液のｐＨ変化は著しく、３０分間の電解により７．２から１１．４に増加している。一方、緩衝剤を加えた電解液では、３時間の電解でも約８．０に増加しているだけである。このｐＨ増加は、試料電極即ち陰極で発生する水素ガスの放出に伴う水酸基の増加によるものと推定されるが、緩衝剤を加えた電解液ではこの変化が陰極近傍に限局され、緩衝剤を加えない電解液では電解槽中の電解液全体にｐＨ増加が生じたものと考えられる。
【００４７】
また緩衝剤を用いると、緩衝剤を用いない場合に比べて、生成物量が極めて多かった。リン酸カルシウムの電気化学的析出は、陰極付近での電解液のカルシウムイオン濃度及びリン酸イオンの増加とｐＨ増加に伴い過飽和になるために生じる現象であると考えられる。従って、緩衝剤を加えた電解液では、このｐＨ増加が陰極近傍に限局されるため、生成物量が極めて多いものと推定される。
【００４８】
Ｘ線回折及び赤外分光分析結果より、これらの生成物は電解液のＣａ／Ｐの差異による影響は顕著には認められなかった。また、電解液温度が２２℃では全て炭酸含有非晶質アパタイトであったが、６２℃では結晶性の向上が認められ、ＳＥＭ像では針状結晶が観察された。ＥＤＸによる分析結果より、析出物のＣａ／Ｐも同様に電解液のＣａ／Ｐの差異による影響は認められないが、緩衝剤を加えない電解液での析出物のＣａ／Ｐは緩衝剤を加えた電解液での析出物のＣａ／Ｐよりも小さかった。
【００４９】
［実施例２］
参考実施例と同様の複合材料、電解装置を用いて電解を行なった。電解液としては、１３７．８ｍＭのＮａＣｌ、１．６７ｍＭのＫ2ＨＰＯ4、２．５ｍＭのＣａＣｌ2・２Ｈ2Ｏの濃度に特級試薬を蒸留水に溶解し、５０ｍＭの（ＣＨ2ＯＨ）3ＣＮＨ2を緩衝剤として加えｐＨ７．２に調整した。試料電極が負電位に分極するように電流制御を行ない、電流値は１０ｍＡ及び１００ｍＡで電解時間は１時間、電解液温度を４、２２、３７、５２、６２℃とし、試料電極表面に析出した生成物を参考実施例と同様にして状態分析した。
【００５０】
電解液温度が４、２２、３７℃の生成物は非晶質である。また、ＥＤＸスペクトルからＣａ及びＰが検出され、ＦＴ−ＩＲスペクトルから１０３０及び５８０ｃｍ−１にＰＯ４ の分離していない非晶質特有の吸収ピークが認められたことにより、これらの生成物は非晶質リン酸カルシウムであると考えられる。一方、５２℃と６２℃ではＸ線回折角度２θが２５．８°及び３２°付近にアパタイト特有の回折線が認められた。特に、２５．８°の（００２）の回折線が強くなっており、ｃ軸に配向したアパタイトであると考えられる。また、ＦＴ−ＩＲスペクトルでは１４３０及び８７０ｃｍ−１に帰属されるＣＯ３ の吸収ピークが強くなっていることにより、電解液温度が高い場合は結晶性が向上した炭酸アパタイトが生成されるものと考えられる。また、電流密度の低い場合にも同様の傾向が見られ、ＳＥＭ像においても針状結晶が観察された。
【００５１】
［実施例３］
２０×２０×０．５ｍｍの純チタン板を直径２ｍｍの純チタンバーに変えた以外は参考実施例と同様にして直径２．２ｍｍ、長さ１１ｍｍの複合材料を得た。この複合材料とガラスセラミック層を形成していないＴｉ基材を試料電極として用い、実施例２と同じ電解液で、電解液温度６２℃、電解時間２０分、試料電極が負電位に分極するように、電流値は１００ｍＡ一定とし、電解液をマグネティックスターラーで撹拌しながら電解を行ない、電流負荷後、試料電極を蒸留水で洗浄し、３７℃の空気中で８時間乾燥した。表面層には針状の析出物が観察され、Ｘ線回折及びＦＴ−ＩＲ分析結果から、この析出物は、ｃ軸に配向した炭酸アパタイトであると考えられる。
【００５２】
上述のようにして形成したインプラント材料及び、電解処理を施していない複合材料及びＴｉ基材を、ウサギの大腿骨の片方に３〜４本埋め込み（同一試料につきそれぞれ８サンプル）、３〜９週間経過後該大腿骨を取り出し、大腿骨とインプラント材料との結合強さをインストロン試験機で引き抜き試験を行なって評価した。その結果を表３に示す。
【００５３】
【表３】
表３に示した様に、複合材料、Ｔｉ基材それぞれリン酸カルシウム被膜の有無で比較すると、９週間経過後の結合強度の差よりも、３週間経過後の結合強度の差の方が大きい。この結果は、リン酸カルシウム被膜を設けた場合の方が、インプラント材料が早期に骨に接合していることを示している。また、複合材料とＴｉ基材とでは、明らかに複合材料の方が結合強度が高く、ＨＡＰ分散ガラスセラミック層が結合強度を高めていることがわかる。
【００５５】
尚、１週間及び２週間のインプラント（複合材料）では、上記３週間後のインプラントに見られたような差は認められなかった。この事実は、新生骨の生成が活発になるには約３週間を要することを示唆するものである。
【００５６】
骨や腱或いは皮膚など、高等動物の体を形成している物質が圧電現象を示すことは知られている。従って骨に対する荷重の負荷によって生じる圧電分極が骨折の自然的治癒に大きな影響を持つこと、分極電場に相当する電気的刺激を外部より与えることにより、骨増生が誘起されることが確認されている（保田：京都府立医科大学雑誌，５３：３２５，１９５３）。
【００５７】
一方、本発明者等の研究によれば、参考実施例、実施例１〜３で用いた複合材料を生体外で６ヵ月間人工体液に浸漬した場合、及びイヌの大腿骨に移植して３ヵ月間経た場合に、上記複合材料表面に炭酸アパタイトの結晶が観察されることがわかっている。よって、本発明において、複合材料表面に電気化学的にリン酸カルシウムを被覆させる工程は、骨増生誘起のための望ましい環境を付与するものであり、生体内で生成される炭酸アパタイトの結晶核としてリン酸カルシウム被膜が作用して、骨の再生が従来よりも早く進行し、インプラント材料と骨との結合力が早い時期に十分高い値にまで達するものと推測される。
【００５８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のインプラント材料は骨に移植してから早期に十分に骨と結合するため、治療期間が短縮され、患者の負担を軽減すると同時に、適用症例の拡大が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に用いる電解装置の概略図である。
【図２】本発明第１の実施例における電解液のｐＨ変化を示す図である。
【符号の説明】
１ 試料電極
２ 対向電極
４ 飽和カロメル電極
５ 水槽
６ 電解液
７ 関数発生器
８ ポテンショスタット
９ 対数変換器
１０ ＸＹレコーダ
Claims (7)
- 表面にリン酸カルシウムを有するガラスセラミック層を、金属基材上或いは金属基材上に中間ガラス層をコーティングした上に設けてなる複合材料を、５０〜１００℃の電解液に浸漬し、電圧を印加して、該ガラスセラミック層上にリン酸カルシウム被膜を電気化学的に設けたことを特徴とするインプラント材料。
- リン酸カルシウム被膜の厚みが０．１〜１００μｍであることを特徴とする請求項１に記載のインプラント材料。
- リン酸カルシウム被膜が針状または板状結晶からなることを特徴とする請求項１または２に記載のインプラント材料。
- 表面にリン酸カルシウムを有するガラスセラミック層を、金属基材上或いは金属基材上に中間ガラス層をコーティングした上に設けてなる複合材料を、５０〜１００℃の電解液に浸漬し、電圧を印加して該複合材料表面に電気化学的にリン酸カルシウムを析出させることを特徴とするインプラント材料の製法。
- 電解液中のＣａ／Ｐ（モル比）が１〜４であることを特徴とする請求項４に記載のインプラント材料の製法。
- 電解液が、少なくとも、１１０〜１７０ｍＭのＮａ+イオン、０．８〜１．２ｍＭのＨＰＯ4 2+イオン、２．０〜３．０ｍＭのＣａ2+イオン、及び、ｐＨ緩衝剤を含有することを特徴とする請求項４または５に記載のインプラント材料の製法。
- 電解液のｐＨが、６．０〜８．０であることを特徴とする請求項４〜６のいずれかに記載のインプラント材料の製法。
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