JP5327934B2 - インプラント用材料及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、インプラント用材料及びその製造方法に関し、特に、人工歯根及び義歯等の骨細胞との親和性が必要な歯科用材料及びその製造方法に関する。

現在、人工歯根等をはじめとする生体内に埋め込むインプラントの基材としてチタン及びチタン合金が生体適合性、耐食性及び機械的強度に優れているという理由から使用されている。しかし、チタン及びチタン合金からなる人工歯根を直接顎骨に固定した場合には、顎骨の骨組織再生の代謝バランスが崩れ、人工歯根のゆるみ及び顎骨破壊が生じてしまうおそれがあることが知られている。

このような人工歯根の埋め込みが失敗する原因として、人工歯根の周囲において破骨細胞が誘導され、骨破壊が生じるインプラント周囲炎がある。インプラント周囲炎は、細菌感染等の微生物刺激及び過度の咬合力等の機械的刺激に起因する場合もあるが、人工歯根自体による破骨細胞の活性化によっても生じる。

人工歯根による破骨細胞の活性化は、インプラント初期埋入時にも発生する。初期埋入時に出現した破骨細胞は、インプラントのオッセオインテグレーションを妨げ、インプラントが失敗に至る原因となる。

このような破骨細胞の活性化は、チタン及びチタン合金が骨細胞と十分な親和性を有していないことにより生じると考えられる。骨細胞との親和性が不十分な材料の表面では、破骨前駆細胞から破骨細胞への分化が促進され、これにより骨破壊が生じてしまう。チタン及びチタン合金は比較的骨細胞との親和性が高い材料であることが知られている。しかし、親和性が十分とはいえず、埋め込み対象者の顎骨の状態及び口腔内の状態等によって人工歯根の埋め込みが失敗してしまう。

人工歯根等のインプラントの骨細胞との親和性を向上させる方法としてダイヤモンド様薄膜（ＤＬＣ膜）による被覆が試みられている（例えば、特許文献１を参照。）。ＤＬＣ膜は、炭素を主成分とし、表面が平滑で不活性であるため生体との適合性に優れている。このため、骨細胞との親和性にも優れていると考えられる。
特開２００２−２０４８２５号公報 Muhbalt L. 他、"IntJ Oral Maxillofac Implants"、１９８９年、４巻、ｐ．１２５〜１３０

しかしながら、ＤＬＣ膜により被覆した人工歯根等には以下のような問題がある。まず、ＤＬＣ膜は硬く剛直な材料であるため基材との密着性が十分でなく、基材からの剥離が生じたり、剥離しないまでもクラックが生じたりするという問題がある。ＤＬＣ膜と基材との密着性を向上させるために、中間層を形成する方法も試みられている。しかし、人工歯根にかかる荷重は３００Ｎとも言われている（例えば、非参考文献１を参照。）。このような大きな荷重がかかる人工歯根においては、中間層の形成だけではＤＬＣ膜の剥離及びクラックの発生を防止することができない。

ＤＬＣ膜が剥離した場合はもちろん、微細なクラックが生じただけでも、口腔内の環境においては、ＤＬＣ膜の内側に酸等が侵入する。これにより、基材の腐食が生じたり、ＤＬＣ膜の剥離が促進されたりするため、耐久性が大きく低下する。このため、クラックの発生の防止はＤＬＣ膜により被覆した人工歯根を実現する上で非常に重要である。

また、ＤＬＣ膜について、抗血栓性、細胞の付着性及び細胞毒性等について検討した結果はあっても、破骨前駆細胞から破骨細胞への分化にどのような影響を与えるかという検討はなされていない。

以上のような問題は、人工歯根以外の、義歯及び歯冠修復物等の歯科用材料並びに人工骨及び人工関節等の大きな荷重がかかり且つ骨細胞との高い親和性が要求される他のインプラントにおいても同様に生じる。

本発明は、前記従来の問題を解決し、破骨前駆細胞から破骨細胞への分化を抑制し且つ大きな荷重が加えられた場合にも劣化が発生しにくいインプラント用材料を実現できるようにすることを目的とする。

前記の目的を達成するため、本発明はインプラント用材料を基材の表面を覆う炭化硅素成分を含む炭素質薄膜を備えた構成とする。

具体的に、本発明に係るインプラント用材料は、基材と、基材の表面に形成され、シリコンを含む炭素質薄膜とを備え、炭素質薄膜は、炭素同士が結合したＣ−Ｃ成分及び炭素とシリコンとが結合したＳｉＣ成分を含み、ＳｉＣ成分の比率は、０．０６以上であることを特徴とする。

本発明のインプラント用材料は、基材の表面に形成された炭素質薄膜を備えている。このため、破骨前駆細胞から破骨細胞への分化を抑制でき、優れた骨親和性が得られる。また、炭素質薄膜がＳｉＣ成分を含んでいるため、弾性率が通常の炭素質薄膜よりも小さくなる。従って、基材の表面から剥離しにくく、クラックも生じにくい。その結果、咬合力等による過大な応力が加わる場合においても、劣化が生じにくいインプラント用材料を実現できる。

本発明のインプラント用材料において、ＳｉＣ成分の比率は、０．５以下であることが好ましい。

本発明の炭素質薄膜において、基材は金属であってもよい。また、人工歯根、義歯又は歯冠修復物であってもよい。

本発明に係るインプラント用材料の製造方法は、インプラント用の基材を準備する工程（ａ）と、基材を載置したチャンバ内の水分を除去する工程（ｂ）と、工程（ａ）よりも後に、チャンバ内に炭素源及びシリコン源となる原料ガスを導入することにより、炭素同士が結合したＣ−Ｃ成分及び炭素とシリコンとが結合したＳｉＣ成分を含む炭素質薄膜を基材の表面にイオン化蒸着する工程（ｃ）とを備えていることを特徴とする。

本発明の炭素質薄膜の製造方法は、チャンバ内の水分を除去する工程を備えている。このため、シリコンの導入量を多くした場合にも、酸化シリコン成分が少ない炭素質薄膜を形成することができる。従って、骨細胞との親和性に優れ且つ基材の表面から剥離したり、クラックが生じたりしにくいインプラント用材料が実現できる。

本発明に係る炭素質薄膜及びその製造方法によれば、破骨前駆細胞から破骨細胞への分化を抑制し且つ大きな荷重が加えられた場合にも劣化が発生しにくいインプラント用材料を実現できる。

本発明の一実施形態に係るインプラントは、人工歯根である。本実施形態の人工歯根は、チタン等からなる基材と、基材の表面を覆う炭素質薄膜とを備えている。炭素質薄膜は、ＳＰ２結合した炭素とＳＰ３結合した炭素とからなるアモルファス材料であるダイヤモンド用薄膜（ＤＬＣ膜）に代表される材料である。ダイヤモンド様薄膜は、一般的には、炭素の他に水素（Ｈ）及び酸素（Ｏ）等を含んでいる。さらに、成膜の際に、シリコン（Ｓｉ）及びフッ素（Ｆ）等を添加することにより、これらの元素を種々の割合で含む炭素質薄膜を形成することができる。

以下に、人工歯根の表面を覆う炭素質薄膜に要求される特性について検討した結果をまとめる。

人工歯根にかかる荷重は３００Ｎと言われている。ネジ径が２．７ｍｍ、有効ネジ勘合長さが５ｍｍの一般的な形状の人工歯根が３００Ｎの荷重を受けた場合、ネジのスレッド部が支える荷重はおよそ７．１Ｎ/ｍｍ^２となる。純チタンのヤング率は１０６ＧＰａであるため、人工歯根のネジ部に生じる歪率は６．６×１０^-3％となる。従って、人工歯根の表面を覆う材料は、これよりも大きい歪みを受けた場合においても、クラックが発生しない材料である必要がある。

また、骨細胞との親和性を確保するために、破骨前駆細胞から破骨細胞への分化を抑制する材料である必要がある。さらに、口腔内の環境において、腐食を受けにくい材料である必要がある。

以上の、条件を満たす材料として、本願発明者らは、Ｓｉを添加した炭素質薄膜が非常に優れていることを見いだした。炭素質薄膜を形成する際にＳｉを添加することにより、炭素質薄膜は通所の炭素同士が結合した炭素−炭素（Ｃ−Ｃ）結合の他に、炭素とＳｉとが結合した炭化硅素（ＳｉＣ）成分を含む炭素質薄膜が形成できる。また、ＳｉＣ成分の含有量により炭素質薄膜のヤング率は大きく変化する。これにより、クラックが発生しにくい炭素質薄膜を実現できる。

一方、Ｓｉを添加した場合には、酸化シリコン（ＳｉＯ₂）成分が炭素質薄膜に導入されてしまう。ＳｉＯ₂成分が増加すると、炭素質薄膜の耐蝕性が低下してしまう。このため、クラック発生の防止と耐蝕性とを両立させるためには、炭素質薄膜にＳｉＣ成分を導入しつつ、ＳｉＯ₂成分の生成を防ぐ必要がある。

炭素質薄膜中のＳｉＯ₂成分は、炭素質薄膜を成膜する際にＳｉと雰囲気から供給される酸素とが反応することにより生じる。また、酸素の最も大きな供給源は水分である。従って、水分を除去した条件においてＳｉを添加して形成した炭素質薄膜を基材の表面に形成することにより、骨細胞との親和性が高く且つ耐久性に優れた人工歯根等のインプラントが実現できる。具体的には、Ｓｉを含み且つＳｉＯ₂成分が０．０５以下である炭素質薄膜が好ましい。

以下に、発明のインプラントについて、実施例を用いてさらに具体的に説明する。

（一実施例）
−物理的特性の検討−
まず、基材の表面に種々の炭素質薄膜を形成し、その組成とヤング率等の物理的特性との関係を検討した。

物理的特性の検討には、直径０．５ｍｍのステンレス（ＪＩＳ規格ＳＵＳ３１６）ワイヤを基材として用いた。まず、基材をイオン化蒸着装置のチャンバ内にセットし、ボンバードクリーニングを３０分間行った。ボンバードクリーニングは、チャンバ内にアルゴンガス（Ａｒ）を圧力が１０^-1Ｐａ〜１０^-3Ｐａ（１０^-3Ｔｏｒｒ〜１０^-5Ｔｏｒｒ）となるように導入した後、放電を行うことによりＡｒイオン発生させ、発生したＡｒイオンを基材の表面に衝突させることにより行った。

次に、チャンバにベンゼン及びテトラメチルシラン（Ｓｉ（ＣＨ₃）₄）を導入しながら５分〜１０分間放電を行うことにより硅素（Ｓｉ）及び炭素（Ｃ）を主成分とする膜厚が１００ｎｍのアモルファス状のＤＬＣ膜である炭素質薄膜を形成した。テトラメチルシランの導入量を変化させることによりＳｉ含有量が異なる炭素質薄膜を形成した。

炭素質薄膜の形成前に、チャンバを８０℃に昇温し、２時間ベーキングを行った。これにより、炉内に残留する水分を除去し、成膜中にＳｉが酸化されることによるＳｉＯ₂の生成を低減した。炭素質薄膜の表面におけるＳｉＯ₂成分を低減する方法としては、表面だけ組成を代えてＳｉを含まない炭素質薄膜を積層する方法も考えられる。しかし、この場合には、成膜が複雑になる。また、炭素質薄膜同士の界面から剥がれが生じるおそれもある。

炭素質薄膜の組成はＸ線光電子分光分析法（ＸＰＳ法）により行った。測定には、日本電子製のＸＰＳ装置ＪＰＳ９０１０を用いた。Ｘ線源には、ＡｌＫα線（１４８６．３ｅＶ）を用い、加速電圧を１２．５ｋＶ、エミッション電流を１５ｍＡとし、真空度が８×１０^-7Ｐａの条件で測定を行った。測定範囲は、任意に選択した直径５ｍｍの領域であり、検出器を鉛直方向に対し７５度傾斜させることにより、深さが５ｎｍ程度の位置までの情報を得ている。

また、得られたスペクトルのバックグラウンドはShirley法により除去した。試料の測定においては、０．２ｅＶのチャージシフトが解析精度に影響を与える。このため、金のナノ粒子を試料表面の一部に滴下して乾燥させ、金の結合エネルギ（Ａｕ４ｆ７／２）からのシフト量をまず求め、チャージの補正を行った。

試料中の全カーボンに対するＳｉＣ成分の比率［ＳｉＣ］／［Ｃ］はＣ１ｓのスペクトルをカーブフィッティングにより分割する事によって求めた。まず、Ｃ１ｓのスペクトルを、ＳＰ３炭素−炭素結合（ＳＰ３：Ｃ−Ｃ）と、グラファイト炭素−炭素結合（ＳＰ２：Ｃ−Ｃ）と、ＳＰ３炭素−水素結合（ＳＰ３：Ｃ−Ｈ）と、ＳＰ２炭素−水素結合（ＳＰ２：Ｃ−Ｈ）の４つの成分に分割した。各成分のピークの中心値はそれぞれ、２８３．７ｅＶ〜８ｅＶ、２８４．２ｅＶ〜３ｅＶ、２８４．７ｅＶ〜８ｅＶ及び２８４５．３ｅＶ〜４ｅＶとした。さらに低エネルギー側に残されたピークを炭素−硅素結合（ＳｉＣ）成分として分割し、高エネルギー側に残されたピークを炭素−酸素結合（Ｃ−Ｏｘ）成分として分割した。ＳｉＣ成分のピークの中心値は２８３．１ｅＶ〜２ｅＶとした。Ｃ１ｓのスペクトルから得られた全炭素の積分強度とＳｉＣ成分の積分強度との比をＳｉＣ成分の比率［ＳｉＣ］／［Ｃ］とした。

試料表面におけるＳｉＯ₂成分の比率は試料面に対する光電子の検出を７５°傾け、表面敏感となる条件において測定した。得られたＣ１ｓ及びＳｉ２ｐスペクトルからＳｉとＣとの濃度比（［Ｓｉ］／（［Ｓｉ］＋［Ｃ］））を相対感度係数を用いて算出した。また、Ｓｉ２ｐのスペクトルをカーブフィッテングすることによりＳｉＯ₂成分の積分強度を求めた。Ｓｉ２ｐスペクトルから得られた全Ｓｉの積分強度と、ＳｉＯ₂成分の積分強度との比に、ＳｉとＣとの濃度比を掛けることによりＳｉＯ₂成分の比率［ＳｉＯ₂］／（［Ｓｉ］＋［Ｃ］）とした。

図１（ａ）〜（ｄ）は、得られた試料をＸＰＳ法により測定して得られたＣ１ｓピーク及びそのカーブフィッティングの結果を示している。図１（ａ）〜（ｄ）に示したサンプルのオージェ電子分光分析により求めたＳｉの含有量は、それぞれ０％、３％、１９％及び２７％であった。オージェ電子分光分析は、PHISICAL ELECTRONICS社製のＰＨＩ−６６０型走査型オージェ電子分光装置を用いて行った。電子銃の加速電圧は１０ｋＶとし、資料電流が５００ｎＡの条件で測定した。また、Ａｒイオン銃の加速電圧は２ｋＶとし、スパッタリングレートは８．２ｎｍ／ｍｉｎに設定した。

図１（ａ）〜（ｄ）に示すように、Ｓｉ含有量が増加するに従い、ＳｉＣのピークの割合が次第に大きくなった。カーブフィッティングから求めたＳｉＣ成分の比率［ＳｉＣ］／［Ｃ］は、それぞれ０、０．００４、０．０６４及び０．１３であった。また、［ＳｉＯ₂]／（［Ｓｉ］＋［Ｃ］）の値は、いずれも０．０１５以下であった。

次に、得られた試料のヤング率を測定した。ヤング率の測定は、Hysitron社製の高感度（０．０００４ｎｍ、３ｎＮ）センサーを搭載した９０度三角錐のダイヤモンド圧子を用いたナノインデンテーション法により行った。圧痕状態の測定には試料表面を微小な探針で走査することによって三次元形状を高倍率で観察できる顕微鏡である株式会社島津製作所製の走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ：Scanning Probe Microscope）を用いた。ナノインデンテーションによる測定条件は１００μＮの精度でダイヤモンド圧子を制御しながら試料に押し込み、荷重-変位曲線の解析から弾性率を定量した。圧子の押し込み時間は５秒間とし、また引き抜き時間も５秒間に設定して測定を行った。

図２は、得られた試料における、ＳｉＣ成分の比率［ＳｉＣ］／［Ｃ］と、ヤング率との関係を示している。［ＳｉＣ］／［Ｃ］が大きくなるに従いヤング率は急激に低下し、［ＳｉＣ］／［Ｃ］が０．０６程度でほぼ一定となっている。

次に、歪みによるクラックの発生について評価を行った。得られた試料を半径５０ｍｍとなるように曲げた後、曲げた部位電子顕微鏡（日立ＴＭ−１０００）の反射電子像を用いて観察することにより評価を行った。

図３（ａ）は、［ＳｉＣ］／［Ｃ］が０．１３の試料についてクラックの発生を測定した結果を示しているが、炭素質薄膜の剥がれ及びクラックの発生は認められていない。一方、図３（ｂ）は、［ＳｉＣ］／［Ｃ］が０の試料について測定した結果を示しているが、炭素質薄膜に微細なクラックが生じ、膜剥がれが生じていることがわかる。

先に説明したように、人工歯根に生じる歪み率は、６．６×１０^-3％である。一方、直径０．５ｍｍのワイヤを半径５０ｍｍに屈曲した場合の外周側の歪率は０．２５％となる。従って、［ＳｉＣ］／［Ｃ］が０．１３の炭素質薄膜は、人工歯根のネジスレッドが受ける歪を上回る歪みを受けても十分な耐クラック性及び耐剥離性を有していることが明らかである。炭素質薄膜のヤング率は、［ＳｉＣ］／［Ｃ］が０．０６以上でほぼ一定となる。従って、人工歯根の表面を覆う炭素質薄膜のクラックを防止するためには、［ＳｉＣ］／［Ｃ］を０．０６以上とすればよく、０．１以上とすることが好ましい。但し、［ＳｉＣ］／［Ｃ］が増大すると炭素質薄膜としての特性が失われてしまうため、［ＳｉＣ］／［Ｃ］の値は０．５以下とすることが好ましい。

−骨適合性の検討−
次に、基材の表面に形成した炭素質薄膜の骨適合性について評価を行った。骨適合性の検討においては、チタン板の表面に炭素質薄膜を形成した試料を用いた。評価に用いた炭素質膜の［ＳｉＣ］／［Ｃ］の値は、０．０１３であった。

試料の骨適合性は、以下のようにして破骨細胞の分化を測定することにより評価した。まず、試料と破骨前駆細胞とを破骨細胞分化誘導因子（Receptor Activator of NF-kB Ligand：以下ＲＡＮＫ）の存在下において接触させ、３７℃で細胞培養した。破骨前駆細胞は、ＲＡＮＫの存在により破骨細胞へと分化することが確立されているセルラインRAW264.7細胞 (TIB-71, ATCC)を用いた。

次に、分化関連遺伝子であるTRAP（tartrate-resistant acid phosphatase）およびカテプシンＫ（cathepsin K）の発現をポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）法を用いて定量することにより、破骨細胞への分化を評価した。

図４は、破骨細胞のへの分化マーカーとして分化関連遺伝子の発現を定量した結果であり、（ａ）はＴＲＡＰの定量結果を示し、（ｂ）はカテプシンＫの定量結果を示す。

コントロールのチタン板及び炭素質薄膜を形成したチタン板のいずれにおいても、ＲＡＮＫＬが存在していない場合には、ＴＲＡＰ及びカテプシンＫの発現がほとんどなく、RAW264.7細胞の破骨細胞への分化がほとんど生じていない。しかし、ＲＡＮＫＬの存在下においては、炭素質薄膜を形成していないチタン板においては、ＴＲＡＰ及びカテプシンＫの発現が認められ、RAW264.7細胞が破骨細胞へ分化した。一方、チタン板を炭素質薄膜により覆った場合には、ＴＲＡＰ及びカテプシンＫの発現はほとんど認められなかった。これは、基材を炭素質薄膜により覆うことにより骨細胞との親和性が向上し、破骨前駆細胞から破骨細胞への分化を抑制できることを示している。

以上の説明において、人工歯根を例に説明を行ったが、義歯等においても同様の骨適合性及び耐久性が実現できる。また、金属の溶出を低減できることから、歯冠修復及び義歯修復の材料としても好適である。

また、歯科用材料だけでなく、生体内に埋め込まれる、人工骨及び人工関節等の骨細胞と親和性が必要とされるインプラントに適用することも可能である。

実施例において、炭素質薄膜をスパッタ法により形成したが他の方法であってもよい。例えば、ＤＣマグネトロンスパッタ法、ＲＦマグネトロンスパッタ法、化学気相堆積法（ＣＶＤ法）、プラズマＣＶＤ法、プラズマイオン注入法、重畳型ＲＦプラズマイオン注入法、イオンプレーティング法、アークイオンプレーティング法、イオンビーム蒸着法又はレーザーアブレーション法等を用いることができる。また、炭素質薄膜の厚さは特に限定されるものではないが、０．００５μｍ〜３μｍの範囲が好ましく、より好ましくは０．０１μｍ〜１μｍの範囲である。

また、炭素質薄膜は基材の表面に直接形成することができるが、基材と炭素質薄膜とをより強固に密着させるために、基材と炭素質薄膜との間に中間層を設けてもよい。中間層の材質としては、基材の種類に応じて種々のものを用いることができるが、珪素（Ｓｉ）と炭素（Ｃ）、チタン（Ｔｉ）と炭素（Ｃ）又はクロム（Ｃｒ）と炭素（Ｃ）からなるアモルファス膜等の公知のものを用いることができる。その厚みは特に限定されるものではないが、０．００５μｍ〜０．３μｍの範囲が好ましく、より好ましくは０．０１μｍ〜０．１μｍの範囲である。

中間層は、公知の方法を用いて形成することができ、例えば、スパッタ法、ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、溶射法、イオンプレーティング法又はアークイオンプレーティング法等を用いればよい。

本発明に係る炭素質薄膜及びその製造方法は、破骨前駆細胞から破骨細胞への分化を抑制し且つ大きな荷重が加えられた場合にも劣化が発生しにくいインプラント用材料を実現でき、特に、人工歯根及び義歯等の骨細胞との親和性が必要な歯科用材料及びその製造方法等として有用である。

（ａ）〜（ｄ）はそれぞれ本発明の一実施例により得られた試料をＸＰＳ法により分析した結果得られたＣ１ｓスペクトルを示すチャートである。 本発明の一実施例により得られた試料のＳｉＣ成分の比率とヤング率との関係を示すグラフである。 （ａ）及び（ｂ）はそれぞれ本発明の一実施例により得られた試料の曲げ試験の結果を示す電子顕微鏡写真である。 （ａ）及び（ｂ）は本発明の一実施例により得られた試料の骨適合性の評価結果を示すグラフであり、（ａ）はＴＲＡＰの発現を評価した結果であり、（ｂ）はカテプシンＫの発現を評価した結果である。

Claims (4)

1. 基材と、
   前記基材の表面に形成され、シリコンを含む炭素質薄膜とを備え、
   前記炭素質薄膜は、炭素同士が結合したＣ−Ｃ成分及び炭素とシリコンとが結合したＳｉＣ成分を含み、
   前記ＳｉＣ成分の比率は、０．０６以上、０．５以下であり、
   前記炭素質薄膜に含まれるＳｉＯ₂成分のシリコンと炭素との和に対する比率は、０．０５以下であることを特徴とするインプラント用材料。
2. 前記基材は、金属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用材料。
3. 前記基材は、人工歯根、義歯又は歯冠修復物であることを特徴とする請求項１又は２に記載のインプラント用材料。
4. インプラント用の基材を準備する工程（ａ）と、
   前記基材を載置したチャンバ内の水分を除去する工程（ｂ）と、
   前記工程（ａ）よりも後に、前記チャンバ内に炭素源及びシリコン源となる原料ガスを導入することにより、炭素同士が結合したＣ−Ｃ成分及び炭素とシリコンとが結合したＳｉＣ成分を含む炭素質薄膜を基材の表面にイオン化蒸着する工程（ｃ）とを備え、
   前記工程（ｂ）は前記チャンバ内を加熱する工程であり、
   前記ＳｉＣ成分の比率は、０．０６以上、０．５以下とし、
   前記炭素質薄膜に含まれるＳｉＯ₂成分のシリコンと炭素との和に対する比率は、０．０５以下とすることを特徴とするインプラント用材料の製造方法。