JP5827357B2

JP5827357B2 - リン酸カルシウム含有複合層をもつ樹脂複合体及びその製造方法

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Publication number: JP5827357B2
Application number: JP2014041564A
Authority: JP
Inventors: 板東　舜一; 舜一板東
Original assignee: B I TEC KK
Current assignee: B I TEC KK
Priority date: 2014-03-04
Filing date: 2014-03-04
Publication date: 2015-12-02
Anticipated expiration: 2029-10-08
Also published as: JP2014111198A

Description

本発明は、リン酸カルシウム含有複合層をもつ樹脂複合体の製造方法とその製造方法により製造された樹脂複合体に関する。この樹脂複合体は、人工骨、人工歯等の生体インプラントに用いられ、生体内に埋植した際に優れた骨結合性を発現し、埋植部における良好な固定化を達成する。

骨や関節、歯といった硬組織の損傷の修復に、金属、セラミックス、有機ポリマー及び複合材料で構成される生体インプラントが用いられている。例えば、生体インプラントが人工股関節に用いられる場合は、チタン合金などの金属製ステムと金属製ステムの先端に設置されたセラミックス製ヘッドとで構成される大腿骨置換部と、骨盤側に設置した臼蓋置換部と、からなる一対の部材を用い、金属製ステムを大腿骨に埋植し、セラミックス製ヘッドを骨盤に設置した臼蓋置換部のソケットに入れることで、人工股関節としての機能を得ている。

しかしながら、従来の金属製ステムでは、埋植部の骨組織との機械的特性が大きく異なるという弊害があり、また金属表面では骨と結合力を生じないために、治療後期間を経るに従い、埋植部に緩みを生じる懸念が増大する点が課題とされている。

一方、ヒドロキシアパタイトなどのセラミックスから製造されたある種の人工骨は、埋植部で骨と直接結合する性質を発現する。骨と結合する性質は、骨伝導性とも呼ばれている。骨と結合するセラミックスは、生体活性セラミックスに分類されており、生体インプラントとして臨床使用されている。しかし、従来の生体活性セラミックスは、破壊靱性が骨組織よりも小さく、脆性破壊を起こす問題があった。また有機ポリマーは、柔軟性はあるものの、機械的強度に乏しく、骨との結合も得られない点が課題とされている。

そこで、有機ポリマーに生体活性セラミックスの粉末を分散した後に成形した複合体が開発されている。しかし、骨と結合させるには、複合体に導入する生体活性セラミックスの体積割合を大きくする必要があり、そうすると機械的強度が不十分であった。

生体インプラント用有機ポリマーの中で、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）は高い機械的強度が得られる材料として知られており、ＰＥＥＫに炭素繊維を複合化したＰＥＥＫ樹脂複合体は、骨に近い機械的性質を持つステム材料として有望とされている。しかしＰＥＥＫ樹脂複合体には骨と結合する性質がなく、ステム用材料として用いるためには、その表面に骨と結合する機能を付与する必要があり、その解決が必須の課題となっている。すなわちステムなどの基板が骨組織に対して高い親和性を示すためには、基板表面が骨組織のヒドロキシアパタイトに類似したヒドロキシアパタイト（以下、骨類似アパタイトとも称す）で構成される必要がある。したがって、骨類似アパタイトの表面をもつ基板、もしくは体内において骨類似アパタイトを形成する表面の構造や組成を基板に与える必要がある。

骨と結合する性質を付与するために、ＰＥＥＫ樹脂複合体の表面に骨類似アパタイトを被覆する方法については、従来いくつかの提案がある。例えば特開2001−346818号公報には、炭素繊維を含有するＰＥＥＫの表面に骨類似アパタイトをプラズマ溶射してなる大腿骨関節補綴物が記載されている。また特開2006−158953号公報には、炭素繊維を含有するＰＥＥＫの表面に金属から裏打ち層を形成し、それに骨類似アパタイトをスパッタコートすることで被覆層を形成した人工臼蓋カップが記載されている。さらに特開2009−034302号公報には、濃硫酸を用いてＰＥＥＫ表面を多孔質構造とし、その細孔内でカルシウムイオンとリン酸イオンとを反応させることで骨類似アパタイトを形成した生体インプラントが記載されている。

特開2001−346818号公報特開2006−158953号公報特開2009−034302号公報

ところが上記特許文献に記載された方法を用いても、骨類似アパタイトを基板の表面に高密度で、かつ高い接合強度を持って複合化することは難しく、製造工程数も多大となる問題があった。すなわち従来の提案は、従来の金属製ステムの表面に骨類似アパタイトを被覆する技術をＰＥＥＫ基板に適用した技術であり、ＰＥＥＫ樹脂複合体の特性に合致した製造方法とは言い難い。そのためＰＥＥＫ樹脂複合体からなる基板の表面において骨類似アパタイトの密度が不十分となったり、被覆層の基板への接着性が不十分になり、埋植部位での骨との結合性が不十分になる。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、骨や歯と結合するための骨類似アパタイトをＰＥＥＫ樹脂複合体に強固に結合させるとともに、骨や歯と結合する性質が十分に発現する表面構造を持つ生体インプラントを容易に製造できるようにすること及びその製造方法により製造された生体インプラントを提供することを解決すべき課題とする。

本発明の樹脂複合体の製造方法の特徴は、樹脂基材の表面に樹脂基材を構成する樹脂とリン酸カルシウムとからなる複合層を形成する工程と、複合層の表面をプラズマ処理し、その後に水を含む熱処理により複合層の表面にヒドロキシアパタイト化層を形成する工程と、を含むことにある。

また、本発明の樹脂複合体の特徴は、上記製造方法により製造されたことにある。

本発明の製造方法により製造された樹脂複合体によれば、リン酸カルシウムと樹脂基材を構成する樹脂とからなる複合層を有している。すなわち複合層は、含まれる樹脂によって樹脂基材との接合強度が高く、含まれるリン酸カルシウムによって骨や歯と結合する機能が付与される。さらに複合層の表面には、骨組織に対して高い親和性を示すヒドロキシアパタイト化層を有している。したがって本発明の樹脂複合体は、生体インプラントとして好適に用いることができる。

また本発明の樹脂複合体の製造方法によれば、プラズマ処理と、その後の水を含む熱処理によって、複合層の表面にヒドロキシアパタイト化層を容易かつ確実に形成することができる。

本発明の一実施例の製造方法により製造された樹脂複合体の模式的な断面図である。本発明の一実施例においてヒドロキシアパタイト粉末を樹脂基材の表面に配置する工程を行っている様子を示す説明図である。本発明の一実施例の製造方法を説明する模式的な断面図である。本発明の一実施例の製造方法により製造された樹脂複合体の断面のＥＰＭＡ画像である。

本発明の製造方法では、先ず、樹脂基材の表面に樹脂基材を構成する樹脂とリン酸カルシウムとからなる複合層が形成される。例えば樹脂基材の表面に、リン酸カルシウム粉末又は樹脂の粉末とリン酸カルシウム粉末との混合粉末を保持し、加熱及び加圧することで行うことができる。例えばリン酸カルシウム粉末のみを樹脂基材の表面に保持した場合には、加熱によって軟化した樹脂基材に加圧によってリン酸カルシウム粉末が埋設され、投錨（アンカー）効果によってリン酸カルシウム粉末は樹脂基材と高い結合強度で一体化される。また樹脂の粉末とリン酸カルシウム粉末との混合粉末を樹脂基材の表面に保持した場合には、加熱・加圧によって樹脂基材と樹脂粉末とが一体化され、リン酸カルシウム粉末はこれらのマトリックス中に分散して埋設された状態となるので、投錨（アンカー）効果によってリン酸カルシウム粉末は樹脂基材と高い結合強度で一体化される。

樹脂基材としては、機械的特性が修復部位となる骨や歯に近く、生体に対して親和性の高いものが望ましい。このような樹脂として、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリアミド、ポリアセタール、ポリカーボネート、ポリフェニレンエーテル、ポリエステル、ポリフェニレンオキサイド、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンスルフィド、ポリアリレート、ポリエーテルイミド、ポリアミドイミド、ポリイミド、フッ素樹脂、シリコーン樹脂、ジアリルフタレート樹脂、などが例示される。中でも、機械的特性が特に骨や歯に近く、生体に対する親和性の高いＰＥＥＫが望ましい。

また上記した樹脂に、ガラス繊維、炭素繊維、セラミック繊維などの強化繊維を混合した繊維強化樹脂を用いることも好ましい。強化繊維の混合量は、材質によっても異なるが、３０〜６０体積％とすることで、樹脂基材の機械的特性を骨や歯に近づけることができる。

リン酸カルシウム粉末としては、リン酸水素カルシウム、リン酸水素カルシウム１水和物、リン酸水素カルシウム２水和物、リン酸２水素カルシウム、リン酸２水素カルシウム水和物、α型リン酸三カルシウム（α−ＴＣＰ）、β型リン酸三カルシウム、リン酸四カルシウム、リン酸八カルシウム、ヒドロキシアパタイト、フッ素アパタイト、炭酸アパタイト、非晶質リン酸カルシウムなどが例示される。中でも骨や歯と結合性の高いヒドロキシアパタイト[Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂]が特に好ましい。またこれらの複合粉末やカルシウム塩とリン酸塩の複合物でもよく、例えば炭酸カルシウムとリン酸カルシウムの混合物を用いることもできる。

複合層を形成する工程を行う前に、樹脂基材の表面を研磨、ブラスティングあるいはプラズマ処理などによって粗面化することで、接合強度がさらに向上する。

複合層におけるリン酸カルシウム粉末の体積割合は、５〜８０体積％の範囲で任意に採用することができる。複合層におけるリン酸カルシウム粉末の体積割合が高いほど、骨や歯との接合強度が高まり生体インプラントとして優れる。しかし複合層におけるリン酸カルシウム粉末の体積割合が高くなるほど、複合層と樹脂基材との接合強度が不十分となる。また複合層におけるリン酸カルシウム粉末の体積割合が８０体積％を超えると、リン酸カルシウム粉末が剥離する場合がある。

そこで複合層は、樹脂基材との界面から表面に向かってリン酸カルシウム粉末の体積割合が多くなるように、組成を傾斜させることが望ましい。こうすることで、樹脂基材との接合強度と、骨や歯との接合強度とを確実に両立させることができる。例えば、リン酸カルシウム粉末の体積割合が３０体積％以下の第１複合層を形成し、第１複合層の表面にリン酸カルシウム粉末の体積割合が２０〜８０体積％の第２複合層を形成することができる。

複合層の最表面には、複合層の深部よりＣａ／Ｐ原子比の値が小さいリン酸カルシウムを用いることが望ましい。例えば第１複合層のリン酸カルシウムとしてヒドロキシアパタイトを選択した場合には、最表面を構成する複合層のリン酸カルシウムとしてα型リン酸三カルシウム（α−ＴＣＰ）、β型リン酸三カルシウム（β−ＴＣＰ）、もしくはリン酸八カルシウム（ＯＣＰ）などを用いることが好ましい。

複合層の最表面にα型リン酸三カルシウム（α−ＴＣＰ）などのリン酸カルシウムが表出していれば、そのまま生体インプラントとして用いることができる。この場合は、リン酸カルシウムが生体内で転化してヒドロキシアパタイトとなるので、骨や歯との接合強度が十分な生体インプラントとなる。しかし生体内での転化反応は時間がかかったり、必ずしもヒドロキシアパタイトに転化するとは限らない。

そこで本発明では、複合層をプラズマ処理した後、表層に含まれるリン酸カルシウムを水又は水蒸気で処理してヒドロキシアパタイトへ転化させる工程を行う。この工程は、複合層をもつ樹脂基材を水中に浸漬した状態で加熱する方法、水蒸気中で水熱処理する方法などを採用することができる。例えば１６０℃の水熱処理であれば、３時間程度でα型リン酸三カルシウム（α−ＴＣＰ）などをヒドロキシアパタイトに転化することができる。

以下、実施例により本発明を具体的に説明する。

図１に本実施例の製造方法により製造された樹脂複合体の模式的な断面図を示す。この樹脂複合体は、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）からなる樹脂基材１と、樹脂基材１の表面に形成された複合層２と、からなり、生体インプラントとして用いることが可能である。複合層２は、樹脂基材１の表面に形成された内層２０と、内層２０の表面に形成されたヒドロキシアパタイト化層２１とからなり、共にヒドロキシアパタイトとＰＥＥＫとが複合されてなる。

内層２０には、ヒドロキシアパタイト２２（Ｃａ／Ｐ原子比：１０／６）が３０体積％含まれている。またヒドロキシアパタイト化層２１には、ヒドロキシアパタイト２３（Ｃａ／Ｐ原子比：１０／６）が７０体積％含まれている。以下、この樹脂複合体の製造方法を説明し、構成の詳細な説明に代える。

先ず市販のＰＥＥＫペレット（熱軟化温度１４３℃）を用意し、直径１８mm、厚さ２mmの樹脂基材１を型成形した。

続いて上記ＰＥＥＫペレットを粉砕して作成したＰＥＥＫ粉末（平均粒子径２５μｍ）が７０体積％、ヒドロキシアパタイト粉末（平均粒子径８μｍ）が３０体積％からなる混合粉末を調製した。そして図２に示すプレス装置に樹脂基材１を配置し、樹脂基材１の表面に０．０５ｇの混合粉末３を均一な厚さとなるように配置して、１５０℃に加熱しながら１５０MPaの圧力で熱プレスした。その後、３６５℃で３０分間保持する熱処理を行い、樹脂基材１の表面に厚さ１００μｍの下複合層４を形成した。

この第１工程では、加熱により熱軟化した樹脂基材１の表面に、熱軟化したＰＥＥＫ粉末とともにヒドロキシアパタイト粉末が押圧され、図３(a)に示す下複合層４が形成される。下複合層４におけるヒドロキシアパタイト粉末４０の体積割合は３０体積％なので、樹脂基材１との接合強度は問題が無い。

しかしヒドロキシアパタイト粉末４０は下複合層４内に埋没しているので、下複合層４の表面をブラスティング及びプラズマ処理し、図３(b)に示すように、埋没しているヒドロキシアパタイト粉末４０を表出させた。

続いて前述したと同様のＰＥＥＫ粉末が３０体積％、α−ＴＣＰ粉末（Ｃａ／Ｐ原子比：３／２、平均粒子径２．８μｍ）が７０体積％からなる混合粉末を調製した。そして図２に示したと同様のプレス装置に、ヒドロキシアパタイト粉末が表出した下複合層４をもつ樹脂基材１を配置し、下複合層４の表面に混合粉末０．０５ｇを均一な厚さとなるように配置して、１５０℃に加熱しながら１５０MPaの圧力で熱プレスした。その後、３６５℃で３０分間保持する熱処理を行い、図３(c)に示すように厚さ１００μｍの上複合層５を形成した。

この第２工程では、加熱により熱軟化した下複合層４の表面に、熱軟化したＰＥＥＫ粉末とともにα−ＴＣＰ粉末５０が押し込まれて、図３(c)に示す上複合層５が形成される。α−ＴＣＰ粉末５０はヒドロキシアパタイト粉末４０との親和性が高いので、上複合層５におけるα−ＴＣＰ粉末５０の体積割合を７０体積％と高濃度としても下複合層４との接合強度は問題が無い。

しかしα−ＴＣＰ粉末５０は上複合層５内に埋没しているので、上複合層５の表面をブラスティング及びプラズマ処理し、図３(d)に示すように、埋没しているα−ＴＣＰ粉末５０を表出させた。

続いて、下複合層４と上複合層５をもつ樹脂基材１を水熱処理装置に配置し、水蒸気中１６０℃で３時間保持する水熱処理を行った。この第３工程では、以下の反応式のようにα−ＴＣＰがヒドロキシアパタイトへ転化する。
10Ca₃(PO₄)₂ ＋ 6H₂O → 3Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂ ＋ 2H₃PO₄

こうして下複合層４から内層２０が形成され、上複合層５からヒドロキシアパタイト化層２１が形成され、図１に示した樹脂複合体が形成された。ヒドロキシアパタイト化層２１には、未反応のα−ＴＣＰが残存する可能性もあるが、第３工程をさらに長時間行えば、あるいは生体内での使用中に、ヒドロキシアパタイトへ転化する。なお上記第３工程を行った試料の断面のＥＰＭＡ分析結果を図４に示す。図４から、内層２０と表層２１それぞれにＣａが検出され、内層２０より表層２１の方がＣａ濃度が高いことが明らかである。

また、α−ＴＣＰがヒドロキシアパタイトへ転化する反応は体積が増大する反応であるので、上複合層５の表面におけるリン酸カルシウムの体積割合は上複合層５の内部におけるリン酸カルシウムの体積割合より高くなり、生体インプラントとして特に好適である。

１：樹脂基材
２：複合層
２０：内層２１：ヒドロキシアパタイト化層
２２：ヒドロキシアパタイト
２３：ヒドロキシアパタイト

Claims

樹脂基材の表面に該樹脂基材を構成する樹脂とリン酸カルシウムとからなる複合層を形成する工程と、
該複合層の表面をプラズマ処理し、その後に水を含む熱処理により該複合層の表面にヒドロキシアパタイト化層を形成する工程と、を含むことを特徴とする樹脂複合体の製造方法。
前記リン酸カルシウムはα−ＴＣＰである請求項１に記載の樹脂複合体の製造方法。
前記リン酸カルシウムは粒状ヒドロキシアパタイトである請求項１に記載の樹脂複合体の製造方法。