JP5313872B2 - 多孔質セラミックス材料の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、多孔質セラミックス材料の製造方法に関する。

セラミックス材料のうちリン酸カルシウム系セラミックス材料は、骨や歯の主成分であり、優れた生体親和性を有しており、且つ安全性にも優れていることから、人工骨、人工歯根などの医科用あるいは歯科用などの生体内に埋植するインプラント材料、再生医療などに用いられる細胞培養用の足場、ドラッグデリバリーシステム（ＤＤＳ）用の薬剤担持材料などの生体材料として幅広く利用、研究されている。

なかでも、骨折や骨腫瘍などの疾患やその治療により骨に欠損部や孔ができた場合に補填して修復・治癒させる人工骨に適したセラミックス材料について、近年、特に盛んに研究開発が行われている。すでに、セラミックス材料は広く臨床の場で用いられるが、現在のセラミックス材料は患部埋入後の新生骨形成が材料表層部に限定されることから、また強度が充分でなかったことから、傷病の治癒までの期間が長くなるなどの欠点を有している。

したがって、生体組織が速やかに内部まで入り込み、組織（新生骨）を迅速に形成し、且つ実用的な強度を有するセラミックスインプラント材料や細胞培養用の足場などの開発が望まれている。

このようなセラミックスインプラント材料としては、（１）多数の気孔が三次元的に密に分布し、隣接する気孔同士がそれらを区画する骨格壁部において相互に連通した連球状開気孔を有するリン酸カルシウム系焼結体（特許文献１参照）、（２）気孔を有するビーズ形状の多孔質セラミックス材料をナイロンワイヤーなどで連結して成形する方法（特許文献２参照）などが提案されている。

また、直径が１０〜５００μｍで、一方向に配向して貫通している気孔を有する焼結体が、インプラント用材料として適したセラミックス材料であることが開示されている（特許文献３、４参照）。

一方、水やｔｅｒｔ−ブチルアルコールなどの昇華性物質を媒体としたゾルを冷媒中に降下、浸漬することにより、媒体の結晶を一方向的に凍結させ、その結晶をテンプレートとした凍結体を得、媒体を除去することにより、ハニカム状や、繊維状などの様々な構造体を得る方法が知られている（特許文献５、非特許文献１〜３参照）。
特許第３４７０７５９号公報 特開２００３−３３５５７４号公報 特開２００４−２７５２０２号公報 特開２００５−１９４３号公報 特開２００４−３０７２９４号公報 窯業協会誌 ９３巻（７）、１９８５年、３８７ページ Ｃａｒｂｏｎ ４３巻、２００５年、１５６３ページ Ｃａｒｂｏｎ ３７巻、１９９９年、２０４９ページ

しかし、特許文献１による方法では、連球開気孔からなる連通部の孔径が小さく且つ配向性を持たないため、実際の臨床では組織、例えば、骨組織（新生骨）の誘導が材料表層部にしか認められない。また、特許文献２の方法では、焼成の際に収縮が起こるため、所望の大きさのインプラント材料を得るためには、焼成後再度成形する必要があり、工程が煩雑となるうえ、多数のビーズをナイロンワイヤーなどで連結するため、実用性が低い。

また、特許文献３及び４記載の方法では、本発明者らが追試したところ、冷却面の近傍付近ではスラリーの過冷却現象による不均一相が形成され、一方、冷却面から離れるに従い、孔の形成は拡大し、上下間で孔の形状が不均一となる（本明細書の比較例３参照）。これらの理由から、十分な長さの配向連通孔を持つインプラント材料が得られないという問題点を有していることが判明し、結果的には、特許文献３及び４は、血液や骨髄液などの組織液、体液が該材料内部まで速やかに浸透する材料についての具体的・実用的な指針にはなり得ないことが分かった。

また、非特許文献１〜３および特許文献５は、シリカ、チタニアなどの縮合反応、また、レチノールとホルムアルデヒドのアセタール化反応によるゾル−ゲル転移を伴う多孔質体の製造方法であり、多孔質リン酸カルシウム系材料を人工骨として用いる場合、生体への安全性確保の観点から、生体への埋植を企図した人工骨など用途においては、原料や添加物の変質や不均一化を伴う新たな化学反応を起こす恐れのある製造方法は決して望ましいものではない。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、製造工程中に新たに化学反応を伴うような材料を用いることなく、組織、例えば、骨組織形成を速やかに誘導し、且つ実用的な強度を有する、一方向に配向して貫通している気孔を有する多孔質セラミックス材料の効率的な製造方法を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明者らは、以下の特徴をもつ本発明を完成した。
すなわち、本発明は、
（１）工程（Ａ）：セラミックス原料を媒体に分散させてスラリーを調製する工程、
工程（Ｂ）：スラリーを容器に充填した後、該容器をスラリーの凝固点以下の冷媒に一定方向に挿入して、スラリーを一方の端部側から一方向に凍結させる工程、
工程（Ｃ）：凍結させたスラリーを乾燥させて成形体を得る工程、及び
工程（Ｄ）：乾燥させた成形体を焼成する工程、
を含む、多孔質セラミックス材料の製造方法、
（２）セラミックスがリン酸カルシウム系セラミックスである、上記（１）記載の多孔質セラミックス材料の製造方法、
（３）セラミックス原料が、水酸アパタイト及び／またはリン酸三カルシウムである、上記（２）記載の多孔質セラミックス材料の製造方法、
（４）工程（Ａ）において、スラリーに縮合系高分子を加えた、上記（１）〜（３）のいずれかに記載の多孔質セラミックス材料の製造方法、
（５）工程（Ｂ）において、スラリー中の媒体の凍結による結晶の成長速度と容器の冷媒への浸漬速度が略等しくなるように当該容器の浸漬速度を制御する、上記（１）〜（４）のいずれかに記載の多孔質セラミックス材料の製造方法、
（６）スラリー中の媒体が水であり、工程（Ｂ）での、容器の冷媒への浸漬速度が１〜２００ｍｍ／ｈである、上記（１）〜（５）のいずれかに記載の多孔質セラミックス材料の製造方法、
（７）スラリー中のセラミックス原料の含量がスラリーの総重量の１０〜６０重量％である、上記（１）〜（６）のいずれかに記載の多孔質セラミックス材料の製造方法、
（８）工程（Ａ）：セラミックス原料を媒体に分散させてスラリーを調製する工程、
工程（Ｂ）：スラリーを容器に充填した後、該容器をスラリーの凝固点以下の冷媒に一定方向に挿入して、スラリーを一方の端部側から一方向に凍結させる工程を含み、前記工程（Ｂ）において、スラリー中の媒体の凍結による結晶の成長速度と容器の冷媒への浸漬速度が略等しくなるように当該容器の浸漬速度を制御する、セラミックス原料含有スラリー凍結体の製造方法、
（９）セラミックスがリン酸カルシウム系セラミックスである、上記（８）記載のスラリー凍結体の製造方法、
（１０）スラリー中の媒体が水であり、工程（Ｂ）での、容器の冷媒への浸漬速度が１〜２００ｍｍ／ｈである、上記（８）又は（９）記載のスラリー凍結体の製造方法、
（１１）スラリー中のセラミックス原料の含量がスラリーの総重量の１０〜６０重量％である、上記（８）〜（１０）のいずれかに記載のスラリー凍結体の製造方法、及び
（１２）上記（１）〜（７）のいずれかに記載の方法により製造された、多孔質セラミックス材料、に関する。

本発明によれば、材料内部までスムーズに血液や骨髄液などの組織液、体液が浸透でき、且つその方向の圧縮強度、及びそれに垂直な方向に対する曲げ強度が高く、特に人工骨などに適した多孔質セラミックス材料、特に、多孔質リン酸カルシウム系セラミックス材料を簡便に、効率よく製造することができる。
また、それを乾燥、焼成するだけで、上記の多孔質セラミックス材料を得ることができる、セラミックス原料含有スラリー凍結体を、簡単に、効率よく製造することができる。

本発明で作製した多孔質セラミックス材料の模式図である。 本発明における製造方法の一例を示す。 凍結のために用い得る凍結装置の一例の模式図である。 凍結したスラリーの模式断面図（図４（Ａ））と乾燥後の成型体の模式断面図（図４（Ｂ））である。 実施例１で作製した材料の断面のＳＥＭ観察像である。 実施例１で作製した材料の断面のＳＥＭ観察像である。 実施例１で作製した材料の断面のＳＥＭ観察像である。 実施例２の材料の気孔径分布を示す図である。 比較例３で作製した材料の断面のＳＥＭ観察像である。 比較例３で作製した材料の断面のＳＥＭ観察像である。 実施例で作製した材料の細胞侵入性を評価した光学顕微鏡観察像である。

符号の説明

１１ 多孔質セラミックス材料
１２ 気孔
２１ スラリー
３１ 容器
４１ 冷媒
５１ セラミックス原料の粒子
６１ 媒体の結晶
６２ 気孔
７０ 動力源
７１ 凍結装置

以下、本発明をその好適な実施形態に即して説明する。
まず、本発明により製造される多孔質セラミックス材料について説明する。なお、以下の記載において、本発明により製造される多孔質セラミックス材料を単に「本発明の多孔質セラミックス材料」、「本発明により得られる材料」又は「本発明の材料」とも表記する。

本発明の多孔質セラミックス材料は、好ましくは多孔質リン酸カルシウム系セラミックス材料である。また、本発明の多孔質セラミックス材料の気孔率は、好ましくは４０〜９０％であり、より好ましくは５０〜９０％であり、さらに好ましくは６０〜９０％である。気孔率が４０％以上であれば、多くの血液や骨髄液などの組織液、体液が材料内に含浸するために、充分な組織、例えば、骨組織の形成が見込まれる。一方、気孔率９０％以下であれば、多孔質セラミックス材料は高強度である。

気孔率はＪＩＳ Ｒ １６３４に準拠して測定される。具体的には、以下のとおりである。評価対象の多孔質セラミックス材料から直径６ｍｍ×高さ８ｍｍの円柱状の試験片を切り出す。その試験片の重量及び体積を測定して、以下の式より、気孔率を算出する。
嵩密度=（試験片の重さ）/（試験片の体積）
気孔率=（１−嵩密度/理論密度）×１００

図１は、本発明の多孔質セラミックス材料の模式図である。本発明の材料では、図１に示すように気孔１２が一方向に配向している。気孔１２はセラミックス材料１１の内部においてセラミックス物質が存在せずに空間になっている領域である。気孔が一方向に配向するとは、一軸方向に伸びた気孔が存在してそのような気孔の長軸方向が実質的に一方向に揃っていることをいう。より具体的には、セラミックス材料中にある一軸方向に伸びた気孔のうちの例えば半数以上、好ましくは８０％以上の気孔の長軸方向が例えば角度３０°以内の範囲で揃っている。ここでいう「角度」とは、任意平面への空孔の長軸の正写影の交差角度のことである。

各々の気孔の配向方向に垂直な断面積は、好ましくは０．０５×１０^-３〜１００×１０^-３ｍｍ^２であり、より好ましくは０．０５×１０^-３〜５０×１０^-３ｍｍ^２である。上記範囲内であれば、血液や骨髄液などの組織液、体液が通過するのに十分な大きさであり、かつ、毛細管現象により血液や骨髄液などの組織液、体液が通過し易くなる。ただし、本発明の課題解決のために、材料内の全ての気孔が上記断面積をもつことは要さない。また、血液や骨髄液などの組織液、体液中に含まれる細胞などが多孔質セラミックス材料に侵入するためには、配向方向に垂直な断面における気孔の短径が少なくとも１０μｍ、好ましくは２０μｍ、より好ましくは３０μｍ以上あることが好ましい。一方、配向方向に垂直な断面における気孔の長径は、少なくとも短径と同じ長さ〜５００μｍの範囲が好ましく、強度確保の観点から３０μｍ〜３００μｍの範囲がより好ましい。

気孔の長軸方向の長さは、好ましくは５ｍｍ以上であり、より好ましくは１０ｍｍ以上であり、さらに好ましくは２０ｍｍ以上、とりわけ好ましくは３０ｍｍ以上である。該長さの上限は特に制限されない。十分な長さの気孔を有していれば、切断などの加工により、インプラント用材料などを取得し易くなる。ただし、本発明の課題解決のために、材料内の全ての気孔が上記長さをもつことは要さない。

好適態様では、配向方向に垂直な気孔の断面積が少なくとも配向方向の５ｍｍの長さにわたって０．０５×１０^-３〜１００×１０^-３ｍｍ^２であり、より好ましくは０．０５×１０^-３〜５０×１０^-３ｍｍ^２である。この場合、実用上、十分な長さにわたって良好な血液や骨髄液などの組織液、体液の浸透が達せられる。本発明の材料中にある気孔が全て上記の断面積を有する必要はない。

また、本発明の材料は、血液や骨髄液などの組織液、体液の生体組織の速やかな浸入と強度とのバランスの観点から、気孔径が３０μｍ以上の気孔容積率が３０〜９９％の範囲にあるのが好ましく、７０〜９５％の範囲にあるのがより好ましい。なお、ここでいう「気孔径」とは短径のことである。

気孔の断面積を求めるには、後述する実施例のように、測定対象の多孔質リン酸カルシウム系材料を樹脂中に包埋し、これを配向軸方向に対して垂直に薄切し、これを電子顕微鏡などで観察し、着目する気孔に由来する開口面積を順々に測定することで求めることができる。このとき、測定対象の材料を１ｍｍ毎に切り出してそれぞれの断面において開口面積を測定することにより、気孔の配向の長さ方向にわたる該気孔の断面積の推移を本発明の目的に適った精度で評価することができる。また、気孔の短径及び長径は、例えば、上述した電子顕微鏡観察像を採寸することにより測定できる。なお、気孔容積率は後述する実施例に記載する方法により測定することができる。

上述のように、気孔の配向軸方向の１ｍｍ毎に材料を切り出して得られた薄片において気孔の開口面積を測定したとき、気孔の開口面積の変化量が最も小さい５ｍｍの長さ（つまり連続する５個の薄片）における開口面積の最小値に対する最大値の比率は好ましくは１０倍以内であり、より好ましくは５倍以内である。このように、気孔に由来する開口面積、つまり気孔の断面積が配向方向にわたって変動が少ない方が、毛細管現象による血液や骨髄液等の当該材料内部への浸透がスムーズとなり、インプラント材料として好ましい。さらには、上述の範囲内であれば、気孔を形成するセラミックス層（隣接する空孔の間の壁）がほぼ平行に配列するため、優れた強度の多孔質焼結体が提供される。

また、本発明の材料は、気孔の配向軸方向に対して垂直方向の第１の切断面、および、第１の切断面と平行であり第１の切断面から空孔の配向方向に３０ｍｍ離れた第２の切断面に着目したときに、第１の切断面および第２の切断面の両方において、気孔の開口面積の平均値が０．０５×１０^-３〜１００×１０^-３ｍｍ^２であるのが好ましく、さらに第１の切断面と第２の切断面の離間距離が３５ｍｍである場合に、第１の切断面および第２の切断面のそれぞれにおける気孔の開口面積の平均値が上記の範囲内にあるのがより好ましい。また、一層好ましい態様では、上述の第１の切断面および第２の切断面の両方において、空孔の開口面積の平均値が１×１０^-３〜１００×１０^-３ｍｍ^２である。

このような十分な長さを有し、配向軸方向での開口面積の変動が少ない、配向連通孔が形成されることで、生体組織が速やかに内部まで入り込み、組織（新生骨）を迅速に形成し得る、インプラント材料を実現できる。

次に本発明の多孔質セラミックス材料の組成及び製造方法について説明する。
本発明の多孔質セラミックス材料の製造方法は、セラミックス原料を媒体中に分散させてスラリーを調製するスラリー調製工程（工程Ａ）、得られたスラリーを容器に充填した後、該容器をスラリーの凝固点以下の冷媒に一定方向（図２（ｃ）又は図３の矢印方向）に挿入して、スラリーを一方の端部側から一方向に凍結させる工程（工程Ｂ）、凍結させたスラリーを乾燥させて成形体を得る工程（工程Ｃ）、乾燥させた成形体を焼成する工程（工程Ｄ）を有する。

Ｂ工程では、スラリーが一方の端部側から一方向に凍結することで霜柱状の媒体の結晶が成長し、工程Ｃにおいて、凍結したスラリーを乾燥させることで、媒体の結晶が昇華して、マクロ孔を有する成形体が得られる。工程Ｄでは、この成形体を焼成することにより、マクロ孔を有し、かつセラミックス粒子が緻密に焼結したセラミックス材料が得られる。

以下、各工程に従って、本発明の製造方法をより詳しく説明する。
図２（Ａ）はスラリーの調製を模式的に表す。工程Ａに用いるスラリー２１は、セラミックス原料を媒体に分散させて調製することができる。ここで、「セラミックス原料」とはセラミックス材料を製造するための粒子のことであり、好ましくはリン酸カルシウム系セラミックス材料を製造するための粒子のことである。また、スラリー２１には好ましくは後述する添加剤が溶解又は分散している。

リン酸カルシウム系セラミックス原料としては、例えば、水酸アパタイト、フッ素アパタイト、塩素アパタイト、リン酸三カルシウム、メタリン酸カルシウム、リン酸四カルシウム、リン酸水素カルシウム、リン酸水素カルシウム２水和物などが例示され、また、これらの任意の混合物であっても良い。本発明の材料では、リン酸カルシウム系セラミックス原料におけるＣａ成分の一部が、Ｓｒ、Ｂａ、Ｍｇ、Ｆｅ、Ａｌ、Ｙ、Ｌａ、Ｎａ、Ｋ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｚｎ、Ｐｂ、Ｃｄ、Ｈ、及び、この他の希土類から選ばれる一種以上で置換されてもよい。また、（ＰＯ_４）成分の一部が、ＶＯ_４、ＢＯ_３、ＳＯ_４、ＣＯ_３、ＳｉＯ_４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、ＣＯ_３、Ｉ、Ｂｒから選ばれる一種以上で置換されてもよい。

骨形成の点から、リン酸カルシウム系セラミックス原料は、水酸アパタイト、フッ素アパタイト、塩素アパタイト、または、リン酸三カルシウムであることが好ましく、水酸アパタイト、及びリン酸三カルシウムであることがより好ましい。リン酸カルシウム系セラミックス原料は、天然鉱物由来であってもよく、あるいは各種湿式法、乾式法などで化学的に合成されたものであってもよい。

スラリー中のセラミックス原料の含量としては、スラリーの総重量に対し、１０〜６０ｗｔ％の範囲が好ましく、１０〜４０ｗｔ％の範囲がより好ましく、２０〜２５ｗｔ％の範囲がなお好ましい。

セラミックス原料を分散させるのに用いる媒体としては、後述する凍結乾燥により除去可能な昇華性を有するものが好ましい。例えば、水、ｔｅｒｔ−ブチルアルコール、ベンゼンなどが挙げられ、好ましくは水である。また、水は精製度の高いものが好ましく、蒸留水、イオン交換水、精製水、滅菌精製水、注射用水などが好適である。

セラミックス原料は、公知の粉砕造粒手段で粉砕され適宜な粒度分布を持つよう造粒される。造粒された粉末の平均粒径は、０.１〜４０μｍの範囲が好ましく、０.５〜３０μｍの範囲がより好ましい。平均粒径が０．１μｍ以上であれば取り扱いが容易であり、作業性が向上する。一方、平均粒径が４０μｍ以下であれば、スラリー２１中にセラミックス原料がよく分散して、安定なスラリーが得られ易い。

スラリー２１には、スラリーの粘度を増加させてスラリーの分散性を向上させ、焼成前のセラミックス多孔質成形体の形状を保持し、さらに焼結時の結晶粒子成長を制御する目的で、スラリーに添加剤を溶解または分散させることが好ましい。添加剤は、前記目的を達成しうる化合物や組成物であれば、特に限定されないが、焼結時に燃焼し、焼失する有機物である縮合系高分子が好ましい。この場合、焼成後に得られるセラミックス材料には添加物に由来する成分が実質的に残存しないことから、生物に対して安全性に優れる。このような添加剤としては、例えば、ゼラチン、コラーゲン、ポリグリコール酸、ポリ乳酸、ポリヒドロキシブチラートなどが挙げられる。また、これらの添加剤は１種又は２種以上を併用してもよい。なお、本発明の目的を阻害しない範囲内で、必要に応じてスラリー２１に、上記した成分以外の成分を添加してもよい。

スラリーに添加剤を添加する場合、添加する添加剤の量は、スラリーの総重量に対し、０．１〜２０ｗｔ％が好ましく、３〜１０ｗｔ％がより好ましく、４〜８ｗｔ％の範囲がより好ましい。

スラリー２１の調製は公知の方法によることができる。典型的には、媒体に攪拌しながらセラミックス原料と必要に応じて添加剤を加えることによってスラリー２１が調製される。スラリー２１の脱泡処理を行うことが好ましい。この場合、気泡がスラリー中に残らずに、結果として焼結体中に気泡に起因した不所望な孔（欠陥）が形成することが回避できる。脱泡処理の方法としては、既知の方法を用いればよく、例えば、真空中で攪拌しながら脱泡する方法、遊星混練などによる脱泡する方法などが挙げられる。

図２（Ｂ）及び図２（Ｃ）は、容器中のスラリーを凍結する工程（工程Ｂ）を模式的に表す。工程Ｂにおいては、工程Ａで得られたスラリー２１を容器３１に充填し、該容器３１をスラリー２１の凝固点以下に冷却した冷媒４１に挿入（浸漬）していくことにより、容器内のスラリー２１を一方の端部側（すなわち、容器３１の挿入方向先端側の端部）から一方向に凍結させてスラリーの成形体を得る。このような凍結の結果、該成形体中に霜柱状の凝固した媒体の結晶が成長し、一方向へ配向する。

図３は、凍結のために用い得る凍結装置の一例の模式図である。
当該凍結装置７１では、スラリー２１を収容した円筒状容器３１が例えば定速モーター等の適当な動力源７０に繋がれており、容器３１がスラリーの凝固点以下に冷却された冷媒４１の上から、前記動力源７０を用いて冷媒４１に向けて降下し、冷媒４１へ挿入（浸漬）していく。

容器３１を冷媒４１に挿入していく速度、すなわち、容器３１の冷媒４１への浸漬速度は、高い強度と適度な孔径の連通孔を有する多孔質セラミックス材料が得られるという観点から、スラリー２１中の媒体の凍結による結晶の成長速度と当該浸漬速度が略等しくなるように制御することが好ましい。なお、ここでいう「結晶の成長速度」は、例えば、容器３１の側壁に目盛りを付しておき、容器内のスラリー２１中の媒体の凍結面の移動速度を算出することで求めることができる。

なお、容器３１の複数の高さにおいて、その中心部（軸線部）と側壁近傍部に温度センサーを設置し、容器の同一高さにおいて、容器内の中心部（軸線部）と側壁近傍部でのスラリーの温度がほぼ同じであることも併せて確認した。すなわち、容器内でスラリーの凍結がほぼ均一に面状に進行し、媒体の結晶も面状に成長していることを確認した。

通常、スラリー２１中の媒体に水を用いる場合、容器３１の浸漬速度は１〜２００ｍｍ／ｈの範囲が好ましく、５〜１００ｍｍ／ｈの範囲がより好ましく、１０〜５０ｍｍ／ｈの範囲が最も好ましい。容器３１の浸漬速度とスラリー２１中の媒体の凍結による結晶の成長速度とが著しく異なる場合、例えば、結晶の成長速度よりも浸漬速度が著しく大きい場合、スラリー２１は側面、上面などから、不規則に凍結が進み、媒体の一方向的な凍結体が得られない。一方、結晶の成長速度より浸漬速度が著しく小さい場合、容器３１の上部（すなわち、容器３１の挿入方向先端側の端部とは反対側の端部）ほど媒体の結晶の融合が生じ、孔径が増大した不均一な凍結体となることから、好ましくない。本発明でいう「容器の浸漬速度とスラリー中の媒体の凍結による結晶の成長速度とが略等しい」とは、一方の速度が他方の速度の概ね５０〜１５０％の範囲内にあることであり、好ましくは８０〜１２０％の範囲にあることである。

当該凍結装置７１では、容器３１が冷媒４１に没している部分から上方向（すなわち、容器３１の冷媒４１への挿入方向先端側の端部から容器３１の他方側の端部へ向かう方向）へと一方向にスラリーが凍結される。冷媒の温度は、スラリーの凝固点よりも低い必要があるが、冷媒４１の温度は、スラリーに用いる媒体の融点から１００℃低い範囲の温度（すなわち、融点〜（融点−１００℃）の範囲）が好ましく、より好ましくは媒体の融点から−１５〜−５０℃の範囲（すなわち、（融点−１５℃）〜（融点−５０℃）の範囲）である。例えば、媒体に水を用いる場合、０℃〜−１００℃の範囲が好ましく、より好ましくは−１５℃〜−５０℃の範囲である。また、結晶の成長速度は、冷媒の温度に依存し、冷媒４１が低温ほど、結晶の成長速度が大きくなり、浸漬する速度を大きくすることができ、同等形状の媒体の結晶を形成させる場合、生産性を向上できる。なお、スラリーの凝固点は、示差走査熱量測定（ＤＳＣ）を用いて容易に測定することができる。

このように、スラリーを一方向に凍結させていくことで（特にスラリー中の媒体の凍結による結晶の成長速度と容器の浸漬速度が等しくなるように容器の浸漬速度を制御することで）、スラリーに含まれる媒体が長く一方向に配向した柱状の凝固した媒体成分（霜柱状の凝固した媒体成分）となり、結果として一方向に長く伸び、長手方向にわたる断面積の変化が少ない気孔をもつセラミックス焼結体を得ることができる。

冷媒４１は、スラリーを凝固点以下に冷却することができる媒体であれば、特に限定されるものではなく液体ヘリウム、液体窒素、液体酸素、メタノール、エタノールなどのアルコール類、アセトンなどのケトン類、ヘキサンなどの炭化水素類、イオン性液体などを用いることができる。但し、熱交換による冷媒の気化、温度上昇などが生じる場合は、適宜、冷媒の追加や冷却を行い、冷媒の液面位置、及び温度の制御を行うことが好ましく、これらの変動を最小限とするためには、浸漬するスラリーに対し、充分な量の冷媒を用いることが好ましい。

冷媒により冷却された冷媒上の雰囲気により、容器３１の冷媒に浸漬していない側壁方向からスラリーが凍結しないように、容器３１の側壁はスラリーが分散している媒体よりも比熱の大きな素材が好ましく、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、塩化ビニル樹脂、シリコーン樹脂、フッ素樹脂、スチレン樹脂のような熱絶縁性材料で形成されていることが望ましい。また、容器の側壁の厚さは０．５ｍｍ以上であることが好ましい。この場合、収容されたスラリーが側壁に接する部分から凍結しにくくなり、企図した通り、一方向に配列した霜柱状の凝固した媒体成分の構造がより揃いやすくなる。なお、容器３１の底部と側壁の材質は同一であっても良く、別の材質であっても良い。別の材質である場合、容器３１の底部はスラリーが分散している媒体よりも比熱が小さく熱伝導性の高い金属（例えば、鉄、銅、真鍮、ステンレス等）などの素材が好ましい。

なお、容器の形状は特に限定されるものではないが、より均一に熱伝導が行える観点から、図２、３に示されるような円筒状の容器が好ましく使用される。また、前記で説明したように、本発明では、容器内でスラリーの凍結がほぼ均一に面状に進行し、媒体の結晶を面状に成長させることが重要であるが、容器の径（内径）が大きすぎると、容器内の中心部（軸線部）と側壁近傍部でのスラリーの冷却度合いが相違して、凍結がほぼ均一に面状に進行しにくくなるおそれがあるので、容器の内径は、円筒状容器である場合、直径が２００ｍｍ以下であるのが好ましい。また、容器の内径の下限は特に限定はされないが、実質的に気孔径が数十〜数百μｍの孔を有する成形体を得るという点から、１ｍｍ以上が好ましい。

上記の凍結装置７１（図３）は、スラリー２１を充填した容器３１を移動させて、冷媒４１へ容器３１を挿入（浸漬）させているが、本発明においては、スラリーを充填した容器を固定し、冷媒（冷媒収容容器）を移動させることで、スラリーを充填した容器を冷媒へ挿入（浸漬）する構成にしても、また、スラリーを充填した容器と冷媒（冷媒収容容器）の双方を移動させて、スラリーを充填した容器を冷媒へ挿入（浸漬）する構成にしてもよい。

工程Ｃでは凍結したスラリーを乾燥させて成形体を得る。典型的には、スラリーの入った容器をそのまま減圧下にて凍結乾燥を行う。この操作により霜柱状の凝固した媒体成分を昇華させ、凝固した媒体成分が存在していた部分が昇華痕として気孔になる。結果として、成形体中に一方向に配向した気孔が形成される。図４は凍結したスラリー（図４（Ａ））と乾燥後の成型体（図４（Ｂ））の模式断面図である。凍結したスラリーは、セラミックス原料の粒子５１と、実質的に一方向に配列した凝固した媒体成分６１とが存在している。乾燥後は、凝固した媒体成分６１が存在していた領域に気孔６２が形成される。

工程Ｄでは、得られた成形体を焼成する（図２（Ｄ））。典型的には、工程Ｃで得られた成形体を容器３１から抜き取り、必要に応じて適当な成形を行い、それぞれのセラミックスに適した温度、及び焼結時間で焼成する。焼結（焼成）に際しては、得られる焼結体の機械的強度が、生体内への埋入に適した強度となるように、すなわち、手術現場で、加工が可能であり、かつ、生体埋入後に破損などが生じない程度となるように、焼結条件を決めることが望ましい。こういった焼結条件は、セラミックスの種類、多孔質体の気孔率、平均気孔径、及び気孔の配向性などを考慮して適宜決定することができる。また、焼成の際に用いられるエネルギー源としては、特に限定されないが、熱、及びマイクロ波などが一般的に用いられる。なお、焼成温度はセラミック原料の種類によっても異なるが、一般的には、１０００〜１８００℃が好ましく、１２００〜１６００℃がより好ましい。焼成温度が１０００℃未満では、焼結による緻密化が十分進行せずに、強度が低くなる傾向となり、１８００℃を超えると、融解や相転移により別の結晶状態へ変化する傾向となる。また、焼成時間は通常１〜４時間程度が一般的である。

これらにより霜柱状の凝固した媒体成分の昇華痕を気孔とする多孔質セラミックス焼結体が作製される。この気孔は前述の昇華痕に準じ、焼結体を好ましくは一方向に貫通した連続孔となる。

本発明の多孔質セラミックス焼結体（好ましくは多孔質リン酸カルシウム系セラミックス焼結体）を人工骨のような多孔質セラミックス材料として用いる場合には、所望の形状に成形し、滅菌するのが好ましい。

ブロック体の形状に成形する方法としては、特に制限されること無く、既知の方法を用いればよい。具体的には、機械加工による成形法、乾式成形法、及び湿式成形法などが挙げられる。一般にセラミックス材料は硬くて脆い素材であるため、セラミックス層の厚さが不均一である従前の多孔質セラミックス材料は、機械加工性が極めて低かった。本発明のセラミックス材料は、上記のように、気孔が一方向に配向しており、且つその気孔径もほぼ均一なため、貫通気孔と貫通気孔との間のセラミックス層の厚さもほぼ均一である。したがって、従前の多孔質セラミックス材料に比べ、優れた機械加工性を示す。

また、顆粒状に成形する方法についても、特に制限されること無く、既知の方法を用いればよい。具体的には、モルダグラインダー、ボールミル、ジョークラッシャー、ハンマークラッシャーなどの機械的粉砕、乳鉢などでの粉砕などが挙げられる。また、粉砕された多孔質セラミックス材料をふるいなどで、粒径を揃えてもよい。

該材料を滅菌する方法についても、特に制限されること無く、既知の方法を用いればよい。具体的には、高圧蒸気滅菌法（オートクレーブ）、γ線滅菌、ＥＯＧ滅菌、及び電子線滅菌などが挙げられる。その中でも、高圧蒸気滅菌法は最も一般的な滅菌法として、汎用されている。

このようにして得られた多孔質セラミックス材料（好ましくは多孔質リン酸カルシウム系セラミックス材料）は、人工骨、人工歯根などの医科用あるいは歯科用などの生体内に埋植するインプラント材料、再生医療などに用いられる細胞培養用の足場、ドラッグデリバリーシステム（ＤＤＳ）用の薬剤担持材料などとして有用である。

さらには、より高いレベルでの組織、例えば、骨組織の誘導を目的として、形質転換成長因子（ＴＧＦ−β１）、骨誘導因子（ＢＭＰ−２）、及び骨形成因子（ＯＰ−１）などの組織、例えば、骨組織に対して成長を促す作用のある物質を、本発明の多孔質セラミックス材料に含浸、吸着、固定化してもよい。

以下、実施例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下に記載の実施例によって限定されるものではない。

〔スラリー中の媒体の凍結による結晶の成長速度の測定方法〕
スラリーを充填した容器についた目盛りから、スラリー中の媒体の凍結面の移動速度を算出することで、スラリー中の媒体の凍結による結晶の成長速度を求めた。また、その際、同時に、スラリーを充填した容器の複数の高さにおいて、容器の中心部（軸線部）及び側壁近傍に温度センサーを設置し、それぞれの温度がほぼ同一であることを確認した。

〔気孔率の測定方法〕
気孔率はＪＩＳ Ｒ １６３４に準拠して測定した。具体的には、以下のとおりである。評価対象の多孔質セラミックス材料から直径６ｍｍ×高さ８ｍｍの円柱状の試験片を切り出す。その試験片の重量、及び体積を測定して、以下の式より、気孔率を算出した。
嵩密度=（試験片の重さ）/（試験片の体積）
気孔率=（１−嵩密度/理論密度）×１００

〔開口面積の測定方法〕
測定対象の多孔質リン酸カルシウム系セラミックス材料を樹脂中に包埋し、これを配向軸方向に対して垂直に薄切し、これを走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で７０倍拡大像を観察し、気孔に由来する開口面積を順々に測定した。平均値は、０．７ｍｍ四方の範囲に存在する空孔の開口面積の平均値を求めた。

〔圧縮強度の測定方法〕
ＪＩＳ Ｒ １６０８ に準拠した。ただし、試験片は直径６ｍｍ×高さ８ｍｍの円柱状試験片を使用した。

〔気孔の長さの測定方法〕
気孔の長さを求めるには、測定対象のセラミックス材料を樹脂中に包埋し、これを配向軸方向に平行に薄切し、これを走査型電子顕微鏡で２０倍拡大像を観察し、気孔の長さを順々に測定した。

〔気孔容積率の測定方法〕
孔径分布は水銀圧入法（測定範囲：４×１０^−３〜４×１０^２μｍ）により測定した。ただし、試験片は直径６ｍｍ×高さ８ｍｍの円柱状試験片を使用した。気孔容積率は、水銀圧入法により得られた孔径分布から算出し、測定範囲における全気孔体積のうち、３０μｍ以上の気孔体積の割合を示す。なお、水銀とヒドロキシアパタイトとの接触角は１３０°、表面張力を４８５ｍＮ／ｍとした。

〔実施例１〜５〕
蒸留水中にリン酸カルシウム系原料、及び添加剤を表１の組成で分散・溶解させたスラリー２１を、内径約１６ｍｍの容量１５ｍｌのグライナー社（ドイツ）製遠心チューブ（ポリプロピレン樹脂製）の容器３１に１０ｇ充填し、４℃に保持された冷蔵庫にて３時間冷却した。その容器３１を、−２０℃に冷却したエチルアルコール浴に表１に記載の速度で浸漬し、霜柱状の氷をスラリー中に形成させた。このようにして得られた凍結体を真空中で昇華乾燥させた後、その乾燥体を１２００℃にて１時間焼結することで、配向した気孔を持つセラミックス材料を得た。また、実施例２で作製したセラミックス材料を水銀圧入法により、該材料の気孔径分布を測定した。なお、試験方法はＪＩＳ Ｒ １６５５：２００３に準拠した。図８は、本試験において得られた実験結果を示したものである。図８から、本発明のセラミックス材料は、孔径５０μｍ付近に単一ピークを有する気孔径分布を有し、孔径０.１μｍ以下にはピークは認められず、セラミックス粒子が緻密に焼結していることが確認できる。

〔実施例６〕
エチルアルコール浴の温度を−４０℃にした以外は実施例１の方法に従い、表１に記載の各条件で実施した。

〔実施例７〜１０〕
内径約２５ｍｍの容量５０ｍｌのグライナー社（ドイツ）製遠心チューブ（ポリプロピレン樹脂製）の容器３１を用い、容器３１にスラリーを３６ｇ充填した以外は実施例１の方法に従い、表１に記載の各条件で実施した。

〔実施例１１〜１６〕
乾燥体を１１００℃にて焼結すること以外は、実施例１の方法に従い、表１に記載の各条件で実施した。

〔比較例１および２〕
蒸留水中にリン酸カルシウム系原料、及び添加剤を表１の組成で分散・溶解させたスラリー２１を、内径１６ｍｍの容量１５ｍｌのグライナー社（ドイツ）製遠心チューブ（ポリプロピレン樹脂製）の容器３１に１０ｇ充填し、４℃に保持された冷蔵庫にて３時間冷却した。その容器３１を、−８０℃のフリーザー中にて急速に冷却、凍結した。このようにして得られた凍結体を真空中で昇華乾燥させた後、その乾燥体を１２００℃にて１時間焼結することで、セラミックス材料を得た。

〔比較例３〕
蒸留水中にハイドロキシアパタイトおよび添加剤であるゼラチンを表１の組成で分散・溶解させたスラリー２１を、直径１６ｍｍ、高さ２０ｍｍの塩化ビニル樹脂製のパイプ状容器に４ｇ充填した。その容器３１を液体窒素により冷却した真鍮製円盤状冷却板に配置し、下面からのみ冷却、凍結させることにより、霜柱状の氷をスラリー中に生成させた。このようにして得られた凍結体を真空中で昇華乾燥させた後、その乾燥体を１２００℃にて１時間焼結することで、配向した気孔を持つ高強度のセラミックス材料を得た。

各実施例及び比較例のセラミックス材料の製造条件及び評価結果を表１〜３に示す。表２において、第１の切断面（下側）と第２の切断面（上側）はいずれも気孔の配向方向に垂直であり、両切断面間の距離は３５ｍｍである。

表１中、HApは水酸アパタイトを、β-TCPはβ型のリン酸三カルシウムを意味する。

上記の実施例１〜１６の結果より、本発明の製造方法によって得られた多孔質リン酸カルシウム系材料は、人工骨等に用いるのに適した物性を有することが分かった。なお、同一のスラリー組成を有し、同一の大きさの容器で冷却した実施例１〜４において、スラリー中の媒体の凍結による結晶の成長速度を観測したところ、２０ｍｍ／ｈであった。また、エチルアルコール浴の温度を−４０℃にした実施例６では、スラリー中の媒体の凍結による結晶の成長速度を観測したところ、２５ｍｍ／ｈであった。
実施例１〜４および６の中では、特に、スラリー中の媒体の凍結による結晶の成長速度と浸漬速度が等しくなるように浸漬速度を制御した実施例１と６で高い強度と適度な孔径の連通孔を有する材料が得られていることが分かった。

図５は実施例１により調製した材料にエポキシ樹脂を含浸させた試験片の断面のＳＥＭ観察像である。
図５（Ａ）及び（Ｂ）は、気孔の配向方向に垂直な同一の断面の観察像（倍率が異なる）であり、図５（Ｃ）は図５（Ａ）及び（Ｂ）と平行であって３５ｍｍ離れた断面の観察像である。なお、図５（Ａ）と図５（Ｃ）は倍率：５０倍、図５（Ｂ）は倍率：２５倍である。

図６、７は実施例１で作製した材料の断面のＳＥＭ観察像（倍率：２５倍）であり、気孔の配向方向と平行な断面の複数の観察像を連結したものである。
図６は上部から８ｍｍにわたり切断した試験片、図７は、下部から８ｍｍにわたり切断した試験片の観察像であり、それぞれの図において、３５ｍｍ以上の長さにわたる気孔の存在が見受けられる。

図９は比較例３で作製した材料の断面のＳＥＭ観察像（倍率：５０倍）である。
図９（Ａ）は、気孔の配向方向に垂直な同一の断面の観察像であり、図９（Ｂ）は図９（Ａ）と平行であって１０ｍｍ離れた断面の観察像である。図９（Ａ）と図９（Ｂ）を比較すると上部である図９（Ａ）は、下部である図９（Ｂ）よりも気孔が大きく、上下間で孔径が異なることがわかる。また、図１０は比較例３で作製した材料の断面のＳＥＭ観察像（倍率：４０倍）であり、気孔の配向方向と平行な断面の複数の観察像を連結したものである。図１０からも、冷却面から離れる上部（図面の上部）ほど気孔が拡大していることが分かり、また、冷却面の近傍（図面の下部）では、過冷却現象によると考えられる不均一相が形成されている。

〔細胞侵入性の評価〕
本材の細胞培養足場としての性能を、以下の方法により細胞の侵入性を見ることにより評価した。
実施例２により作成し、φ６ｍｍ、高さ１０ｍｍの円柱状に成形した試験片を、事前に培地に浸漬し、多孔体に培地を染み込ませた。試験片の上部（φ６ｍｍ）にヒト骨肉腫由来細胞（ＭＧ６３）の懸濁液（５×１０^５ｃｅｌｌｓ）を５０μＬ播種し、３７℃で培養した。３日後、試験片を取り出し、２％グルタルアルデヒド溶液により細胞を固定し、気孔の配向方向に平行に、細胞を播種した面が半円状となるように分割した。得られた多孔体をギムザ液により染色し光学顕微鏡により観察した。

図１１は細胞の進入性評価結果である。ギムザ液により染色された部分には、細胞の侵入が認められ、細胞を播種した上面から試験片の中心下部にまで細胞が侵入している。なお、細胞は図中の最濃色部分（点状に分散）である。

産業上の利用の可能性

本発明によれば、スラリーに含まれる媒体が長く一方向に配向した柱状の凝固した媒体成分となり、結果として一方向に長く伸び、長手方向にわたる断面積の変化が少ない気孔をもつ多孔質セラミックス焼結体を得ることができる。該多孔質セラミックス焼結体は、医科用あるいは歯科用などの生体内に埋植するインプラント材料、再生医療などに用いられる細胞培養用の足場、ドラッグデリバリーシステム（ＤＤＳ）用の薬剤担持材料等に利用できる。
本出願は日本で出願された特願２００７−０６２２８２を基礎としており、それらの内容は本明細書に全て包含される。

Claims (8)

1. 工程（Ａ）：リン酸カルシウム系セラミックス原料を媒体に分散させてスラリーを調製する工程、
   工程（Ｂ）：スラリーを容器に充填した後、該容器をスラリーの凝固点以下の冷媒に一定方向に浸漬して、スラリーを一方の端部側から一方向に凍結させる工程、
   工程（Ｃ）：凍結させたスラリーを乾燥させて成形体を得る工程、及び
   工程（Ｄ）：乾燥させた成形体を焼成する工程、
   を含み、
   前記スラリー中のセラミックス原料の含量がスラリーの総重量の２１．８〜６０重量％である、
   リン酸カルシウム系多孔質セラミックス材料の製造方法。
2. リン酸カルシウム系セラミックス原料が、水酸アパタイト及び／またはリン酸三カルシウムである、請求項１に記載のリン酸カルシウム系多孔質セラミックス材料の製造方法。
3. 工程（Ａ）において、スラリーに縮合系高分子を加えた、請求項１または２に記載のリン酸カルシウム系多孔質セラミックス材料の製造方法。
4. 工程（Ｂ）において、スラリー中の媒体の凍結による結晶の成長速度と容器の冷媒への浸漬速度が略等しくなるように当該容器の浸漬速度を制御する、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セラミックス材料の製造方法。
5. スラリー中の媒体が水であり、工程（Ｂ）での、容器の冷媒への浸漬速度が１〜２００ｍｍ／ｈである、請求項１〜４のいずれか１項記載のリン酸カルシウム系多孔質セラミックス材料の製造方法。
6. 工程（Ａ）：リン酸カルシウム系セラミックス原料を媒体に分散させてスラリーを調製する工程、
   工程（Ｂ）：スラリーを容器に充填した後、該容器をスラリーの凝固点以下の冷媒に一定方向に浸漬して、スラリーを一方の端部側から一方向に凍結させる工程を含み、
   前記スラリー中のセラミックス原料の含量がスラリーの総重量の２１．８〜６０重量％であり、
   前記工程（Ｂ）において、スラリー中の媒体の凍結による結晶の成長速度と容器の冷媒への浸漬速度が略等しくなるように当該容器の浸漬速度を制御する、
   リン酸カルシウム系セラミックス原料含有スラリー凍結体の製造方法。
7. スラリー中の媒体が水であり、工程（Ｂ）での、容器の冷媒への浸漬速度が１〜２００ｍｍ／ｈである、請求項６記載のリン酸カルシウム系セラミックス原料スラリー凍結体の製造方法。
8. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法により製造された、多孔質セラミックス材料であって、気孔の配向軸方向に対して垂直方向の第１の切断面、および、第１の切断面と平行であり第１の切断面から気孔の配向方向に３５ｍｍ離れた第２の切断面に着目したときに、第１の切断面および第２の切断面の両方において、気孔の開口面積の平均値が１×１０ ^-３ 〜１００×１０ ^-３ ｍｍ ^２ である、インプラント材料用リン酸カルシウム系多孔質セラミックス材料。