JPH01148263A - 医用材料およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は医用材料およびその製造方法に関するものであ
る。詳しく述べると本発明は、生体適合性に優れかつ長
期間安定した性能を発揮し得る医用材料およびその製造
方法を提供することを目的とするものである。

（従来の技術） チタンの生体適合性は、他の金属に見られない独特のも
のである。すなわち、体内組織および体液はチタンにほ
とんど影響を及ぼさず、一方、チタンも組織に対してわ
ずかな影響を及ぼすにすぎず、他の金属の場合と異なり
、炎症、過敏症、アレルギーあるいは組織拒絶反応を起
こす原因となることはなく、さらに血液と接触しても凝
固反応を引起こすことも少ないものである。

このなめ近年、このようなチタンを各種の硬組織代替用
材料として用いることが提唱され、良好な耐ｆｆｉ！Ｊ
蝕性、重量性、疲労抵抗性などを有することも相俟って
、かなり良好な結果をもたらしている。

しかしながら、チタンは表面硬度が低く、このため容易
に傷がつきやすくまた耐摩耗性にも劣るものである。こ
のため例えば、人工関節における関節面、あるいは人工
歯において歯冠面となる部位においては損傷が著しく、
使用寿命の低下、摩耗粉等による問題を生じるものであ
った。

このため、最近このような欠点を補うために純チタンに
代り、例えばＴｉ−６Ａ１−４Ｖａなとのようなチタン
合金の使用が提唱され、臨床的にも応用されているが、
このようなチタン合金においてもその表面硬度は十分な
ものとはいえず、さらに改良の望まれるものであった。

（発明が解決しようとする問題点） 従って、本発明は改良された医用材料およびその製造方
法を提供することを目的とする。本発明はさらに優れた
表面特性を有する医用材料およびその製造方法を提供す
ることを目的とする。本発明はまた生体適合性に優れか
つ長期間安定した性能を発揮し得る医用材料およびその
製造方法を提供することを目的とする。

（問題点を解決するための手段） 上記諸口的は、チタンないしはチタン合金より構成され
る医用材料において、生体組織と接触しない一部表面の
みが窒化されていることを特徴とする医用材料により達
成される。

上記諸口的はさらに、チタンないしはチタン合金よりな
る成形品の窒化しようとする部位以外の表面に酸化膜に
よるマスキングを施し、続いて酸化膜によるマスキング
を施した成形物を窒素ガス雰囲気下において外部加熱し
てガス窒化処理を施し、医用材料の生体組織と接触しな
い一部表面のみを窒化する医用材料の製造方法により達
成される。

（作用） しかして、本発明の医用材料は、生体組織と接触しない
一部表面のみが窒化されたチタンないしはチタン合金か
らなるものである。

従来、チタンないしはチタン合金の表面改質法として窒
化は最も有望なものとして知られており、チタンないし
チタン合金に窒化を施せば、高い硬度を持つ耐摩耗性の
表面を期待できるものである。

またその化学的安定性も安定しており、その耐蝕性も一
般的に何ら処理を施されていないチタンないしチタン合
金よりも良好なものである。しかしながら、一方で、チ
タンないしはチタン合金の窒化表面は、現在のところ生
体内（インブラント）条件における十分な評価がなされ
ておらず、従来よりインブラント条件において高い評価
を受けている何ら処理を施されていないチタンないしは
チタン合金表面、すなわち自然に形成される緻密な酸化
膜に覆われた酸化表面と比較して生体に対する安全性の
面で十分な保証がなされていない。従って、チタンない
しはチタン合金から構成される医用材料に、仮にその全
面にわたり窒化を施したとすれば、前述したように高い
硬度を持つ耐摩耗性の表面性状を得ることにより、例え
ばその一部が他の部材との摺動面あるいは衝打面を構成
するものであっても高い機能性と製品寿命を得ることと
なるが、生体組織との接触において生体組織に悪影響を
及ぼす懸念が残るものであり、医用材料としてはあまり
適当て゛ないものとなる。しかるに本発明の医用材料に
おいては、生体組織と接触しない一部表面、すなわち、
例えば他の部材との摺動面あるいは衝打面などとなる表
面のみに窒化を施し、他の部位、すなわち生体組織と接
触する部位を含む部位であって、硬度ないし耐摩耗性よ
りもその生理的安全性を高く求められる部位は、従来よ
り高い生体適合性を有することで知られるチタンないし
はチタン合金の自然な表面性状（すなわち酸化膜が形成
された状個）と同じ状態に保つことで、優れた生体適合
性と、優れた機能性ないしは製品寿命を同時に達成し得
るものとなるものである。

さらに本発明は、チタンないしはチタン合金よりなる医
用材料の生体組織と接触しない一部表面のみを窒化する
方法として、チタンないしはチタン合金よりなる成形品
の窒化しようとする部位以外の表面に酸化膜によるマス
キングを施し、続いて酸化膜によるマスキングを施した
成形物を窒素ガス雰囲気下において外部加熱してガス窒
化処理を施してなる医用材料の製造方法を提供する。

従来、チタンないしチタン合金の窒化法としては、例え
ば、ガス窒化法、イオン窒化法などのいくつかの方法が
知られている。また、チタンないしチタン合金は、その
変態点（例えば純チタンのα−β変態点は８８２℃、Ｔ
ｉ−６ＡＩ　−４Ｖの（α＋β）−β変態点は約１００
０℃である。）以下の温度域においては、比較的長持間
の窒化処理をなされても、その塑性および耐衝撃性の低
下はわずかであるが、変態点以上の温度における窒化処
理はその塑性および耐衝撃性を大きく低下させ、チタン
ないしチタン合金を硬く脆いものとしてしまうことが知
られている。

本発明者らは、チタンないしはチタン合金よりなる医用
材料の一部表面のみを窒化する方法として、上記のごと
き種々の窒化方法に関して検討をを行なった。その結果
として、イオン窒化法はグロー放電の照射によりガス窒
化を行なうものであるので部分的な窒化を行なうのは比
較的容易であるが、放電現象による加熱を利用するため
に温度制御が困難でありまた局部的な温度上昇を生じや
すく、このために窒化に際して、上記のごとき問題が生
じやすく、また医用材料が複雑な形状を有するものであ
るために均一な窒化が行なえない虞れが大きく、本発明
の医用材料の製造方法とじて用いることはあまり適当で
ないことが判明した。

一方、ガス窒化法は窒素ガス（Ｎ２）を外部加熱するこ
とにより活性化された窒素（Ｎ）により窒化を行なうも
のであるために、温度制御が容易でありまた局部的な温
度上昇も生じる虞れもないために、安定して均一な窒化
を行なえることが判明したが、ガス窒化においては被処
理物全体が活性化された窒素にさらされるために一般に
部分的な窒化は困難なものであり、チタンないしはチタ
ン合金の部分ガス窒化は確立されていないものであった
。このため医用材料全体を窒化したのち、不必要な部分
の窒化表面を除去することも考えられたが窒化層が高硬
度であることから機械的に窒化表面を除去することは困
難であり、また化学的な脱窒も困難であった。従って、
本発明の医用材料をガス窒化法により製造するには、何
らかの手段により窒化を行ないたくない部位を覆って、
すなわち強固なマスキングを行なってガス窒化を行なう
必要が生じてくるものであった。このようなマスキング
の手段としては、鋼材のガス窒化においては、Ｓｎメツ
キないしは有機物質中にＳｎ粉末を浮遊させた窒化防止
剤の塗布が有効であることが知られているが、チタンな
いしチタン合金の窒化温度は、鋼材におけるものよりも
かなり高く、融点の低いＳｎによるコーティングはチタ
ンないしチタン合金のガス窒化においては、強固なマス
キングを形成し得ない虞れが大きく、また窒化後の除去
も困難である。さらに本発明においては、医用材料とし
ての特殊性から生体に対して有害性のあるＳｎの使用は
、成分残留の虞れがある以−ヒ、好ましいものとは言え
なかった。さらに、他の金属、例えば、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａ
ｇ等によるメツキによるマスキングも考えられるが、こ
れらの金属メツキもＳｎの場合と同様に窒化後の除去の
困難性および残留成分による毒性の点から、好ましい手
段であるとは言えないものであった。本発明者らは、こ
のような考察をもとにさらに鋭意検討を加えた結果、上
記したように酸化膜によるマスキングを行なうことによ
り良好な部分ガス窒化が行なえることを見出し、本発明
に至ったものである。

すなわち、チタンないしチタン合金は、自然な状態にお
いてもその表面は薄い酸化膜により覆われており、この
ような薄い酸化膜はガス窒化において表面の窒化をさほ
ど阻害する要因とはなり得ないが、窒化処理前に、例え
ば加熱あるいは電気化学的処理などにより所定厚以上の
酸化膜を形成しておくと、このような厚い酸化膜に覆わ
れた部位はガス窒化処理において活性な窒素にさらされ
ても、窒化されることなく酸化状態を維持することが明
らかとなったものである。さらにこのような酸化膜は、
機械的手段あるいは還元処理によって容易に除去できる
ことから、酸化膜形成後における窒化すべき部位におけ
る該酸化膜の除去は容易であり、また酸化膜、すなわち
表面酸化層はチタンないしチタン合金に自然な状態にお
いても形成されているものであって極めて安定した状態
にあり生体適合性も従来より知られるように良好なもの
であるから、酸化膜によるマスキングを行なえば、窒化
処理後においてこのようなマスキングに用いられた酸化
膜を除去する必要は何らなくなり、上記のごとく優れた
性能を有する医用用具を極めて簡単にかつ安定して提供
できるものとなる。

以下、本発明を実施態様に基づきより詳細に説明する。

第１図は、本発明の医用材料の一実施態様である人工関
節における人工骨頭の構成を模式的に示す半断面図であ
り、また第２図は本発明の医用材料の別の実施態様であ
る人工歯の構成を模式的に示す半断面図である。

第１図に示す実施態様における人工骨頭１は、チタンな
いしはチタン合金からなるものであり、摺動部を形成す
るボール部２と大腿骨髄内に挿入されるステム部３とか
らなるものである。また第２図に示す実施態様における
人工歯４は、チタンないしはチタン合金からなるもので
あり、咬合部を構成する歯冠部５と歯槽骨内に埋植され
る歯根部６とからなるものである。なお、本発明の医用
材料としては、第１図および第２図に示すような実施態
様に何ら限定されることなく、チタンないしはチタン合
金により構成された生体内に埋植される各種の医用材料
が含まれるが、特に好ましい態様としては、その一部が
他の部材との摺動面ないしは街灯面となる各種人工関節
および人工歯である。また本発明の医用材料を構成する
純チタン以外のチタン合金としても、生理的に安全なも
のであれば特に限定されものではなく、α型、α−β型
あるいはβ型の各種チタン合金が用いられ得、具体的に
は、例えば、Ｔ　ｉ　−６Ａ　Ｉ　−４Ｖあるいは酸素
０．１３％以下、鉄０．２５％以下のＴｉ−６Ａｌ−４
Ｖ　　ＥＬＩなどの合金が好ましく挙げられる。

しかして、第１図に示す人工骨頭１においては、摺動面
となるボール部２表面のみが窒化され、その表面には窒
化層７が形成されており、また第２図に示す人工歯４に
おいては衝打面となる歯冠部５表面のみが窒化されその
表面には窒化層７が形成されている。これらの実施態様
に見られるように本発明の医用材料は、チタンないしは
チタン合金より構成される医用材料において、生体組織
と接触しない一部表面、特に上記実施態様におけるよう
に他の部材との摺動面あるいは街灯面となる表面のよう
に高い硬度ないし耐摩耗性を必要とされる表面のみが窒
化されており、生体組織と接触する部位を含む他の部位
の表面には、自然な状態におけるチタンないしはチタン
合金と同様に安定な酸化層８が形成されている。このた
め、本発明の医用材料を生体内に埋植した際に、生体組
織と接触する部位は組織に対してほとんど影響を及ぼさ
ずかつ表面組織ないしは体液による腐蝕もなく、また生
体Ｍ１ｍと接触せず、例えば、他の部材との摺動面ある
いは衝打面となる表面においては優れた硬度ないし耐摩
耗性を発揮しかつ体液等による腐蝕もなく高い機能性お
よび製品寿命をもたらし、極めて優れた性能を発揮する
ことどなる。

このような生体組織と接触しない一部表面のみが窒化さ
れたチタンないしはチタン合金よりなる医用材料は、以
下のようにして容易に製造することができる。

すなわち、まず、粉末焼結、ｆｉ造あるいは鍛造などの
任意の成形方法により上記のごときチタンないしはチタ
ン合金からなる成形品を作製し、必要に応じて精密加工
を行ない所望形状となし、さらに必要により洗浄、研磨
等の処理を施す。

このように得られたチタンないしはチタン合金の成形品
は、続いて酸化処理により、窒化しようとする部位以外
の表面に酸化膜によるマスキングが施される。なおこの
ようにして形成される酸化膜は、後述する窒化処理の処
理条件下においてチタンないしはチタン合金の表面の窒
化を阻止するのに十分な厚さを有するものである。チタ
ンないしチタン合金の表面に酸化膜によるマスキングを
形成する方法としては、特に限定されるものではなく、
例えば、チタンないしはチタン合金の成形品を酸素雰囲
気中で、または空気中で加熱する加熱法、あるいはチタ
ンないしはチタン合金の成形品を適当な酸溶液、例えば
リン酸水溶液中に浸漬して電圧をかけて陽極酸化する電
気化学的処理法などの各種の方法が用いられる。なおこ
のような酸化処理における酸化条件は、チタンないしは
チタン合金の種類およびガス窒化条件等によって異なる
なめ一概に規定できないが、チタンないしチタン合金の
変態点以下の温度で処理することが必要である。すなわ
ち、処理温度が変態点以上のものであると酸化処理時に
おいてチタンないしチタン合金の脆化をきなす恐れがあ
るためである。またこのような酸化処理によっては、チ
タンないしチタン合金より形成される成形物の表面全体
に酸化膜を形成することも、あるいは所望の部位のみに
酸化膜を形成することもできる。酸化処理によって、成
形物の表面全体に酸化膜を形成した場合、窒化しようと
する部位においては該酸化膜を除去する必要があるが、
該酸化膜は、ワイヤブラッシングあるいはサンドブラッ
シングなどの機械的手段により、または還元処理により
容易に除去できる。

このようにして窒化しようとする部位以外をマスキング
された成形物は、窒素ガス雰囲気下において外部加熱し
てガス窒化処理を施される。

なお、ガス窒化においては、窒素ガスに代えてアンモニ
アを用いることも考えられるが、このようにアンモニア
を用いた場合には窒化処理時にアンモニアの分解により
生成した水素がチタンないしはチタン合金中に吸収され
、脆化をもたらすことになるので好ましくない。

ガス窒化は、公知の方法に基づき行なわれるが、例えば
、まず窒化炉内に上記のごときマスキングを施された成
形物を入れ、窒化炉内を脱気して真空と、なし、続いて
真空とされた窒化炉内を外部より加熱し、ここに窒素ガ
スないしは不活性ガスにより希釈された窒素ガスを送気
して窒化炉内に活性化された窒素を拡散させ、さらに外
部より所定の温度まで加熱し、該所定温度を一定時間保
持することで行なわれる。しかしながら、このような工
程はあくまで一例にすぎず、例えば、窒素ガスの送気後
に加熱を行なって活性化窒素を拡散させる、あるいはま
た窒素ガス圧を高くして加圧状態において窒化処理を行
なうなどの種々の方法が取られ得る。またこのようなガ
ス窒化における処理条件としては成形物を構成するチタ
ンないしはチタン合金の種類、成形物の形状、あるいは
得ようとする窒化層の厚さなどにより、大きく左右され
るなめに一概に規定されないが、チタンないしチタン合
金の変態点以下の温度で処理することがチタンないしは
チタン合金の結晶粒成長等による脆化を防止する上から
必要であり、例えば成形品が純チタンにより構成されて
いる場合には、窒化処理温度は、常圧においては通常８
００°Ｃ以上の温度でかつα−β変憇点である８８２℃
未満の温度域におけるある温度とされる。また窒化処理
後の該窒化処理温度からの冷却ないし降温条件は成形物
を構成するチタンないしチタン合金に依存して決定され
る。

このようにして窒化処理を施された成形物は、前記した
ように生体組織と接触しない一部表面のみに窒化槽が形
成され、生体組織と接触する部位を含む他の部位におい
ては酸化層に覆われたものとなり、医用材料として好ま
しい機能を発揮するものとなる。

（発明の効果） 以上述べたように本発明の医用材料は、チタンないしは
チタン合金より構成されるものであって、生体組織と接
触しない一部表面のみが窒化されていることを特徴とす
るものであるので、優れた生体適合性を有すると同時に
、その一部が例えば摺動面あるいは衝打面を構成するも
のであっても高い機能性を長期にわたって発揮するもの
あり、生体内に埋植されるインブラント材料として極め
て優れたものとなるものである。

本発明はまた、チタンないしはチタン合金よりなる成形
品の窒化しようとする部位以外の表面に酸化膜によるマ
スキングを施し、続いて酸化膜によるマスキングを施し
た成形物を窒素ガス雰囲気下において外部加熱してガス
窒化処理を施し、医用材料の生体組織と接触しない一部
表面のみを窒化する医用材料の製造方法であるから、上
記したような優れた特性を有する医用材料を、極めて容
易にかつ安全に提供することのできるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は本発明の医用材料の一実施態様の
構成を模式的に示す半断面図である。 １・・・人工骨頭、２・・・ボール部、３・・・ステム
部、４・・・人工歯、５・・・歯冠部、６・・・歯根部
、７・・・窒化層、８・・・酸化層。

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. （１）チタンないしはチタン合金より構成される医用材
   料において、生体組織と接触しない一部表面のみが窒化
   されていることを特徴とする医用材料。
2. （２）窒化された一部表面が、他の部材との摺動面とな
   るものである特許請求の範囲第１項に記載の医用材料。
3. （３）医用材料が人工関節である特許請求の範囲第１項
   または第２項に記載の医用材料。
4. （４）窒化された一部表面が、他の部材との衝打面とな
   るものである特許請求の範囲第１項に記載の医用材料。
5. （５）医用材料が人工歯である特許請求の範囲第１項ま
   たは第４項に記載の医用材料。
6. （６）チタンないしはチタン合金よりなる成形品の窒化
   しようとする部位以外の表面に酸化膜によるマスキング
   を施し、続いて酸化膜によるマスキングを施した成形物
   を窒素ガス雰囲気下において外部加熱してガス窒化処理
   を施し、医用材料の生体組織と接触しない一部表面のみ
   を窒化する医用材料の製造方法。
7. （７）ガス窒化処理がチタンないしチタン合金の変態点
   以下の温度で行なわれるものである特許請求の範囲第６
   項に記載の医用材料の製造方法。
8. （８）酸化膜の形成がチタンないしチタン合金の変態点
   以下の温度で行なわれるものである特許請求の範囲第６
   項に記載の医用材料の製造方法。
9. （９）窒化しようとする部位表面における酸化膜の除去
   が機械的方法によるものである特許請求の範囲第６項に
   記載の医用材料の製造方法。