JP5565721B2 - 多孔質セラミックス材料およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、多孔質セラミックス材料およびそ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、人工歯根等の医科用あるいは、歯科用セメント等の生体材料として幅広く利用されている。

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気孔部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）空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等で連結して成形する方法（特許文献２参照）等、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３参照）。
特許第３４７０７５９号公報 特開２００３−３３５５７４号公報 特開２００４−２７５２０２号公報

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孔の孔径が小さく且つ配向性を持たないため、実際の臨床では骨組織（新生骨）の誘導が認められない。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等で連結するため、実用性が低い。

また、特許文献３ではインプラント用材料の好ましい形態が提案されているが、本発明者らが追試したところ、該文献の方法では、十分な長さの配向連通孔が形成されたインプラント材料が得られないことが判明し、結果的には、特許文献３は、血液や骨髄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。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、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、多孔質セラミックス材料を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明者らが鋭意研究を行った結果、本発明者らは、以下の特徴をもつ本発明を完成した。
（１）材料内部に実質的に一方向に配向した空孔を有する多孔質セラミックス材料であり、空孔の配向方向を高さ方向とする直径３ｍｍ×高さ５ｍｍの円柱状の当該材料からなる試験片をその片端から１ｍｍまでをポリエチレングリコールに浸したときに３０秒以内に該試験片全体にポリエチレングリコールが浸透する、多孔質セラミックス材料。
（２）（ａ）実質的に一方向に配向した空孔を有し、（ｂ）気孔率が４０〜９０％であり、（ｃ）空孔の配向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５ｍｍ離れた第２の切断面の両方において、空孔１つあたりの断面積の平均値が０．０５×１０^-３〜５０×１０^-３ｍｍ^２である、多孔質セラミックス材料。
（３）材料内部に実質的に一方向に配向する空孔を有し、配向方向に垂直な該空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である、多孔質セラミックス材料。
（４）気孔率が４０〜９０％である（３）に記載の多孔質セラミックス材料。
（５）主成分がリン酸カルシウムである、（１）〜（４）のいずれかに記載の多孔質セラミックス材料。
（６）リン酸カルシウムがハイドロキシアパタイトおよび/またはリン酸三カルシウムで
ある、（５）に記載の多孔質セラミックス材料。
（７）（１）〜（６）のいずれかに記載の多孔質セラミックス材料からなる、多孔質セラミックスインプラント材料。
（８）工程（Ａ）：セラミックス原料を水に分散させてスラリーを調製する工程、
工程（Ｂ）：スラリーを所定の容器に充填し、スラリー容器の一方の端部を冷却してスラリーを該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、工程（Ｂ）において、上記一方の端部以外のスラリー容器の周囲をスラリーの凝固点より高い温度にまで冷却する、多孔質セラミックス材料の製造方法。

本発明によれば、材料内部までスムーズに血液や骨髄液が浸透でき、且つその方向の圧縮強度およ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が提供される。

本発明の多孔質セラミックス材料の模式図である。 本発明の多孔質セラミックス材料の製造方法の一例を示す。 凍結したスラリー（図３Ａ）と乾燥後の成型体（図３Ｂ）の模式断面図である。 凍結のために用い得る凍結装置の一例の模式図である。 兎大腿骨埋入４週間の組織切片の光学顕微鏡写真である。 実施例１の材料の断面のＳＥＭ観察像である。 実施例１の材料の断面のＳＥＭ観察像である。 実施例1の材料の気孔径分布を示す図である。 比較例２の材料の断面のＳＥＭ観察像である。 比較例２の材料の断面のＳＥＭ観察像である。

符号の説明

１１ 多孔質セラミックス材料
１２ 空孔
２１ スラリー
３１ 容器
４１ 試料台
５１ セラミックス原料の粒子
６１ 氷
６２ 空孔

以下、本発明の多孔質セラミックス材料について説明する。以下の記載において、本発明の多孔質セラミックス材料を単に本発明の材料とも表記する。
本発明の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等が材料内に含浸するために、充分な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３ｍｍ×高さ５ｍｍの円柱状の試験片を切り出す。その試験片の重量および体積を測定して、以下の式より、気孔率を算出する。
嵩密度=（サンプルの重さ）/（サンプルの体積）
気孔率=（１−嵩密度/３．１６）×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に示すように空孔１２が一方向に配向している。空孔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。空孔が一方向に配列するとは、一軸方向に伸びた空孔が存在してそのような空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空孔のうちの例えば半数以上、好ましくは８０％以上の空孔の長軸方向が例えば角度３０°以内の範囲で揃っている。

各々の空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が通過し易くなる。ただし、本発明の課題を達するためには、材料内の全ての空孔が上記断面積をもつことは要さない。また、血液や骨髄液中に含まれる細胞等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空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。

空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７ｍｍ以上であり、さらに好ましくは１０ｍｍ以上である。該長さの上限は特に制限されない。十分な長さの空孔を有していれば、切断などしてインプラント用材料を取得し易くなる。ただし、本発明の課題を達するためには、材料内の全ての空孔が上記長さをもつことは要さない。

好適態様では、配向方向に垂直な空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等の浸透が達せられる。本発明の材料中にある空孔が全て上記の断面積を有する必要はない。

空孔の断面積を求めるには、測定対象の多孔質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垂直に薄片し、それを顕微鏡等で観察し、着目する空孔に由来する開口面積を順々に測定する。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、空孔の配向の長さ方向にわたる該空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。

上述のように、空孔の配向方向の１ｍｍ毎に材料を切り出して得られた薄片において空孔の開口面積を測定したとき、空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、空孔に由来する開口面積、つまり空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。すなわち、空孔の配向方向の１ｍｍ毎に材料を切り出して得られた薄片において空孔の断面積を測定したとき、空孔の断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）における断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倍以内であり、空孔の配向方向における空孔の断面積の変動が少ない程、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ものとなる。さらに、上述の範囲内であれば、空孔を形成するセラミックス層がほぼ平行に配列するため、優れた強度の多孔質セラミックス材料が提供される。

多孔質セラミックス材料の空孔の配向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５ｍｍ離れた第２の切断面に着目する。好ましくは、第１の切断面および第２の切断面の両方において、開口面積（断面積）が０．０５×１０^-３〜１００×１０^-３ｍｍ^２である開口部（空孔の断面）が存在する。第１の切断面および第２の切断面の両方において開口面積とその頻度が好適範囲内であれば、材料内部に好適な空孔が存在していることが見込まれる。より好ましくは、第１の切断面および第２の切断面の両方において、開口面積（断面積）が０．０５×１０^-３〜５０×１０^-３ｍｍ^２である開口部（空孔の断面）が存在する。

好適には、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（すなわち、空孔の断面積）の平均値が０．０５×１０^-３〜５０×１０^-３ｍｍ²であり、より好ましくは０．０５×１０^-３〜３０×１０^-３ｍｍ²である。該平均値は、測定対象の多孔質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垂直に薄片し、それを顕微鏡等で観察し、０．７ｍｍ四方の範囲にある空孔の開口面積（空孔の断面積）を測定し、空孔の開口面積（空孔の断面積）の平均値を求める。

別の観点からは、本発明の材料はポリエチレングリコールの浸透性で規定することもできる。ポリエチレングリコール（平均分子量約６００）は、血液や骨髄液等と類似した液体物性をもつので、血液や骨髄液等のモデルとして好適である。ポリエチレングリコールは血液より粘度が高いため、ポリエチレングリコールが該材料中に浸透するということは、血液がセラミックス材料内部に浸透性が認められることを意味する。具体的な評価手段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３ｍｍ×高さ５ｍｍの円柱状の試験片を切り出す。このとき、当該材料内にある空孔の配列方向を試験片の高さ方向とする。室温において、この試験片の片端から１ｍｍまでをポリエチレングリコールに浸す。ポリエチレングリコールが試験片全体にまで浸透したと目視で認められるまでに至る時間を測定する。浸透を見やすくするために、ポリエチレングリコールに色素等を溶解させておいてもよい。好ましくは３０秒以内に、より好ましくは２０秒以内に該試験片全体にポリエチレングリコールが浸透する。

次に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。
図２は、本発明の多孔質セラミックスス材料の製造方法の一例を示す。
図２示すように、本発明の材料の製造方法は、セラミックス原料を水中に分散させるスラリー調製工程と（工程Ａ）、得られたスラリーを一方向から凍結させ霜柱状の氷を成長させる凍結工程と（工程Ｂ）、凍結したスラリーを真空凍結乾燥し氷を昇華させ、マクロ孔を有する成形体を作る乾燥工程と（工程Ｃ）、氷を昇華させた成形体を加熱処理により焼成し、成形体を構成する骨格中にミクロ孔を形成する焼成工程（工程Ｄ）を有する。

以下、各工程に従って、本実施の形態の製造方法について説明する。
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水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または分散している。

このセラミックス原料としては、リン酸カルシウムが好ましい。すなわち、本発明において、セラミックス原料は、リン酸カルシウム系セラミックス材料（すなわち、主成分がリン酸カルシウムからなるセラミックス材料）を得るために、その全体がリン酸カルシウムであるのが好ましく、リン酸カルシウム以外の粒子が使用される場合、その使用量はセラミックス原料全体の２５重量％以下である。

リン酸カルシウムとしては、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水和物等が例示される。本発明の材料では、リン酸カルシウムにおけるＣａ成分の一部が、Ｓｒ、Ｂａ、Ｍｇ、Ｆｅ、Ａｌ、Ｙ、Ｌａ、Ｎａ、Ｋ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｚｎ、Ｐｂ、Ｃｄ、Ｈ、および、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、リン酸カルシウムが水酸アパタイト、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より好ましく、水酸アパタイトおよびリン酸三カルシウムであることが最も好ましい。リン酸カルシウムは、天然鉱物由来であってもよく、あるいは各種湿式法、乾式法などで合成されたものであってもよい。

なお、リン酸カルシウム以外のセラミックス原料としては、例えば、チタニア、ジルコニア、アルミナ、マグネシア、炭化珪素等が挙げられる。

セラミックス原料は、後述する工程Ｂ〜Ｄの工程を経て、セラミックス粒子の焼結した層と空孔が一方向的に配向した成形体となる。本発明の多孔質セラミックス材料について、例えば、インプラント用途を想定すると、実用的な強度を確保するためには、緻密なセラミックス粒子の焼結した層を得ることが好ましい。このために、スラリー２１に用いるセラミックス原料は、必要に応じ、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やすい。

スラリー２１は、均一な分散性が保たれていることが好ましい。スラリー２１の均一な分散性を維持する目的で、すなわち、スラリー２１の粘度を増加させてスラリーの分散性を向上させて、結果として、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、添加剤をスラリー調製時に用いてもよい。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。好ましくは添加剤は焼結時に燃焼する有機物である。この場合、焼成後に得られる多孔質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から、安全性に優れる。このような添加剤としては、例えば、アミノ基、カルボキシル基、カルボニル基および水酸基を一種または２種以上有するものが好ましく、具体的には、単糖（グルコース、フルクトース、ガラクトース、リボース、デオキシリボースなど）、二糖（マルトース、セロビオース、スクロースなど）、オリゴ糖またはその誘導体、多糖類（セルロース、デンプン、アミロペクチン、キチン、キトサン、デキストランなど）またはその誘導体（デキストランエステル、など）、ポリエチレングリコール、ポリビニルアルコール、ゼラチン、ポリ乳酸等が挙げられるが、得られるスラリーの粘度および分散性の観点から、ポリエチレングリコール、ポリビニルアルコール、ゼラチン、ポリ乳酸、ポリアクリルアミドおよびその塩が好ましい。また、これらの添加剤は、１種または２種以上併用してもよい。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２１の調製は公知の方法によることができる。典型的には、水を攪拌しながらセラミックス原料と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）が形成され難くなる。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、遊星混練による脱泡する方法等が挙げられる。

図２（Ｂ）および図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の一方の端部側から一方向にスラリー２１を凍結させて、多孔質セラミックス成形体を得る。一方向にスラリー２１を凍結させる具体的手段としては、容器３１の一方の端部付近をスラリー２１が凍結し得る温度以下の温度にまで集中的に冷却することが挙げられる。そのための具体的な装置は後述する。このような凍結の結果、該成型体中に霜柱状の氷が成長し、一方向へ配向する。このとき、スラリー２１を充填した容器３１の上記一方の端部以外の周囲をスラリー２１の凝固点より高い温度にまで冷却する。図２（Ｃ）における白色の矢印スラリー容器３１の周囲を上述のように冷却することを模式的に表す。

図４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。
前述の原料スラリーを収容したスラリー容器３１は、試料台４１の上にあり、試料台４１は冷却板７５の上にあり、冷却板７５は液体窒素などといった冷却媒体７３と接触する熱伝達ロッド７４と接続している。冷却媒体７３は冷却媒体容器７２に入っている。一方、スラリー容器３１の上方には冷却装置７６があり、この冷却装置７６には冷却媒体７７が収容されている。

この凍結装置７１では、容器３１が試料台４１に接している側から上方向へと一方向にスラリーが凍結される。本発明の好適態様では、スラリー容器の一方の端部を冷却してスラリーを一方向に凍結させるときの該端部以外のスラリー容器の周囲を冷却する。前記冷却の結果、スラリー容器３１から貫通孔が配向している方向に1ｍｍ離れた場所の温度をスラリーの凝固点よりも高くかつ１５℃以下、より好ましくはスラリーの凝固点よりも高くかつ１０℃以下、さらに好ましくは−１５〜５℃にする。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つつスラリー容器の周囲をスラリーの凝固点より高い温度にまで冷却することで、スラリーに含まれる水が長く一方向に配向した柱状の氷（霜柱状の氷）となり、結果として一方向に長く伸びて長手方向にわたる断面積の変化が少ない空孔をもつセラミックス焼結体を得ることができる。その際のスラリーの凍結速度としては、１．０ｍｌ/分以下であることが好ましく、０．１ｍｌ/分以下であることがより好ましい。

試料台４１は、真鍮、ステンレス鋼、などの熱伝導性に優れた金属で構成されることが好ましい。霜柱状の氷の成長を制御するため、この試料台４１として、構成する前記金属板状体より熱伝導率の低い熱絶縁材料を一部充填し海島構造様の試料台を用いてもよい。このような海島構造様の試料台の作製方法は特に限定されないが、試料台を平板表面に凹部である溝を形成させ、その溝にエポキシ樹脂のような熱伝導率の低い熱絶縁材料を充填し硬化することによって作製する方法等が挙げられる。また、平板表面に凹部である溝を形成する方法としては、切削加工を施して金属のような熱伝導性材料板材を、プレスしたりエッチングしたりして作製して凹部である溝を形成させる方法等が考えられる。

冷却媒体７３は、容器３１の端部をスラリーの凝固点以下に冷却することができる媒体であれば、特に限定されない。具体的には、アルコールおよび液体窒素等が挙げられる。また、冷却面の冷却速度を制御するため、また冷却温度を一定に保つため、冷却媒体は適宜追加してもよい。

容器３１の側壁側からスラリーが凍結しないよう、容器３１は塩化ビニル樹脂、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。容器３１の側壁３３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、一方向に配列した霜柱状の氷の構造がきれいに揃う。

試料台４１、冷却板７５および熱伝達ロッド７４の３つ全てあるいはこれらの任意の２つは、金属のような熱伝導性に優れた材料で一体成形されていることが好ましく、熱伝導性が優れた異種材料を接合して成形されていてもよい。図４は模式図であるから、熱伝達ロッド７４の径は図面に記載された態様に限定されるわけではない。熱伝達ロッド７４は、複数の柱状部材からなるものであってもよい。熱伝達ロッド７４を複数の柱状部材で構成すると、冷却板７５や試料台４１をより均一に冷却することができる。

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ごと減圧下にて凍結乾燥を行う。この操作により霜柱状の氷を昇華させ、氷が存在していた部分が昇華痕として空孔になる。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３は凍結したスラリー（図３Ａ）と乾燥後の成型体（図３Ｂ）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氷６１とが存在している。乾燥後は、氷６１が存在していた領域に空孔６２が形成される。

工程Ｄでは、得られた成形体を焼成する。典型的には、工程Ｃで得られた成形体を注意深く容器３１から抜き取り、それぞれのセラミックスに適した温度およ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、生体挿入後に破損等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、及び気孔の配向性等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、熱およびマイクロ波等が一般的に用いられる。

これにより霜柱状の氷の昇華痕を空孔とする多孔質セラミックス焼結体が作製される。この空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、乾式成形法および湿式成形法等が挙げられる。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、空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等の機械的粉砕、乳鉢等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等で、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滅菌および電子線滅菌等が挙げられる。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は、上述したように優れた生体親和性および生体内に埋め込むのに充分な強度を有しており、人工骨、人工歯根等の医科用あるいは歯科用等の生体内に埋植するインプラント材料として有用である。

さらには、より高いレベルでの骨組織の誘導を目的として、形質転換成長因子（ＴＧＦ−β１）、骨誘導因子および骨形成因子等の骨組織に対して成長を促す作用のある物質を、本発明のセラミックス材料に含浸、吸着、固定化してもよい。

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容器３１に充填した。その容器３１を直径１２０ｍｍの円盤状冷却板７５上の試料台４１に１０個配置し、図４に示す冷凍装置７１により０．０１５ｍｌ／分の凍結速度で冷却し、霜柱状の氷をスラリー中に生成させた。その際にスラリー近傍の温度（スラリー容器３１から貫通孔が配向している方向に１ｍｍ離れた場所の温度）は表１に示した温度になるように冷凍装置の側面を冷媒で冷却した。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。その物性値については、上述の方法で測定した。

ポリエチレングリコール（平均分子量約６００）の浸透時間を測定する際に、直径３ｍｍ×高さ５ｍｍの円柱状の試験片をポリエチレングリコール（平均分子量約６００）溶液に浸すときには、冷却方向とは逆の方向で浸漬を行った。６０秒間経過してもポリエチレングリコールが試験片に浸透していることが認められない場合には、試験を中止し、「認められず」と評価した。

機械加工性：主軸の旋回速度が３０００回転／分の旋盤に該材料を取り付け、ダイヤモンドバイトで切削した時、肉眼でバリが認められるものを×、認められないものを○とした。

圧縮強度試験：ＪＩＳ Ｒ １６０８ に準拠。ただし、サンプルは直径５ｍｍ×高さ７.５ｍｍの円柱状サンプルを使用した。

各実施例および比較例のセラミックス材料の製造条件および評価結果を表１〜３に示す。表２において、第１の切断面と第２の切断面はいずれも空孔の配向方向に垂直であり、両切断面間の距離は５ｍｍである。

実施例1で作製した多孔質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、本発明の多孔質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、セラミックス粒子の焼結した層が緻密に焼結していることが確認できる。

１２週齢の健康雄ＳＰＦウサギの大腿骨に下部（膝側）から、大腿骨ほぼ中央に直径５ｍｍ×高さ１０ｍｍの孔を作製した。さらに、実施例１で作製した多孔質セラミックス材料を直径４ｍｍ×高さ６ｍｍに成形し、該材料を大腿骨に作製した直径５ｍｍ×高さ１０ｍｍ の孔に埋植し、骨膜・皮下組織及び皮膚を縫合し、術部を閉じた。埋植後４週間目に、埋植部を摘出し、１０％の中性緩衝ホルマリンに固定した。固定後、埋植部をイオン交換樹脂法により半脱灰状態にし、形態学的な評価を実施した。図５は上記実験において得られた組織切片の光学顕微鏡写真である。図中、▽の部分は空孔に毛細血管様組織が認められる部分を示す。

図６は実施例１の材料の断面のＳＥＭ観察像である。図６（Ａ）および（Ｂ）は、空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６（Ｃ）は図６（Ａ）および（Ｂ）と平行であって約１０ｍｍ離れた断面の観察像である。
図７は実施例１の材料の断面のＳＥＭ観察像である。図７は空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７によれば、約１０ｍｍ以上の長さにわたる空孔の存在が見受けられる。

図９は比較例２の材料の断面のＳＥＭ観察像である。図９（Ａ）は、空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）と平行であって約４ｍｍ離れた断面の観察像である。図９（Ｂ）では、空孔の存在が確認されているが、図９（Ａ）では、空孔の構造がほとんど認められない。
図１０は比較例２の材料の断面のＳＥＭ観察像である。図１０は空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によれば、空孔の長さは約４ｍｍ程度にすぎない。
本出願は日本で出願された特願２００６−１７４３７２を基礎としており、その内容は本明細書に全て包含される。

Claims (5)

1. （ａ）実質的に一方向に配向した空孔を有し、
   （ｂ）気孔率が４０〜９０％であり、
   （ｃ）空孔の配向方向に対して垂直方向の第１の切断面における空孔１つあたりの断面積の平均値が７．５×１０^−３〜２９．２×１０^−３ｍｍ^２であり、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５ｍｍ離れた第２の切断面における空孔１つあたりの断面積の平均値が３．４×１０^-３〜５．３×１０^-３ｍｍ^２である、多孔質セラミックス材料。
2. 主成分がリン酸カルシウムである、請求項１に記載の多孔質セラミックス材料。
3. リン酸カルシウムがハイドロキシアパタイトおよび/またはリン酸三カルシウムである
   、請求項２に記載の多孔質セラミックス材料。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の多孔質セラミックス材料からなる、多孔質セラミックスインプラント材料。
5. 工程（Ａ）：セラミックス原料を水に分散させてスラリーを調製する工程、
   工程（Ｂ）：スラリーを所定の容器に充填し、スラリー容器の一方の端部を冷却してスラリーを該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一方向に配向した空孔を有する成形体を得る工程、及び
   工程（Ｄ）：乾燥させた成形体を焼成する工程、
   を含み、
   工程（Ｂ）では、凍結装置内において、スラリー容器が冷却された試料台の上にあり、スラリー容器の上方には冷却装置が配置され、スラリー容器の冷却された試料台に接している側の端部である一方の端部が冷却されて、該スラリー容器の試料台に接している側から上方向へと一方向にスラリーが凍結されつつ、スラリー容器の一方の端部以外のスラリー容器の周囲はスラリーの凝固点より高くかつ−１５〜５℃に冷却されている、多孔質セラミックス材料の製造方法。