JPS63160646A - 金属質インプラント材 - 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】 く産業上の利用分野〉 本発明は、整形外科用の種々の関節、椎体・椎間板等や
、歯科用の人工歯根、人工歯、歯冠、義床等に利用され
る金属質インプラント材に関する。

〈従来技術とその問題点〉 人間の関節は、種々の外傷などにより変形・破壊される
ことがある。関節破壊が著しくなれば疼痛と関節機能の
障害のために、日常生活動作がかなり制限されることに
なる。このような状態を改善し、通常の社会生活に復帰
させるための治療法として、現在用いられている最も有
効な方法は、人工関節への置換術である。

また、歯科の分野では、虫歯、ｔｌＩ梢膿漏等により歯
牙を抜去してしまった人は非常に多く、食生活において
長年なやまされてきた。これらの状態を回復するため、
最近多く行なわれている治療法は、人工歯根のインプラ
ント法である。

人工骨、人工関節や、人工歯根等に要求される特性のう
ち現在の最も重要な問題点は、骨への固定方法である。

同じインプラント材である人工臓器と比較し、これらは
、骨の一部として機能する必要があり、そのため非常に
大きな荷重を受けることになる。例えば、普通の歩行時
において、肢関節では最大で体重の４〜８倍の、又、膝
関節においては同様に２〜４倍の荷重が加わると言われ
ている。さらにこれらの荷重は、生体内という、化学的
に極めて厳しい環境下において、長期にわたってくり返
し負荷される。

従来から行なわれているインプラント材の骨への固定方
法としては、ボーン・セメント（骨セメント）と呼ばれ
る、ポリメチルメタクリレートのポリマーの粉末と千ツ
マ−の液体で混ぜ合せ、重合・硬化させる方法であるが
、この方法ではインプラント材と残存骨の間に新生骨が
形成されるための空隙が得られない。

骨セメントを使用しない従来技術には平滑面を非平滑化
して生体側の骨部との接続性をあげる下記の技術がある
が、それぞれ問題点がある。機械的性質（特に耐摩耗性
）、耐食性、生体適合性、骨親和性などを同時に満足す
る金属質インプラント材は現在得られていない。

ｌ）機械加工により表面に２００〜３００μパターンの
加工を行い生体側の骨部へ固定する方法。

コストが高く、鋭角部の切欠効果によって金属質の耐疲
労性が劣化する。

２）　生体側の骨部に接続される部分に粒状粉（ビーズ
）やメタルファイバーを焼結する方法。

十分な接合強度が得られにくい。また焼結部の切欠効果
による耐疲労性が劣化する。

３）　生体側の骨部に接続される部分に金属やセラミッ
クを溶射する方法。

密着性に対する信頼性が不十分であり、生体内に埋め込
まれた金属質インプラントと生体残存骨との間隙におけ
る新生骨の生成（いわゆる骨成長）が不十分である。

〈発明の目的〉 本発明の目的は、従来技術における欠点を解決し、機械
的性質（とくに耐摩耗性、耐疲労性）、耐食性、セメン
トレス（セメントを使わない）による良好な骨成長性、
皮膜の密着性を同時に満足する金属質インプラント材を
提供しようとするにある。

〈発明の構成〉 本発明は、金属材料の少なくとも精密鋳造法により形成
された粗表面と、この粗表面付近に形成された改質層と
を有することを特徴とする金属質インプラント材を提供
するものである。

以下に本発明の詳細な説明する。

インプラント用金属材料としては、ステンレス、ＣＯお
よびＣＯ合金、ＴｉおよびＴｉ合金等が用いられ、特に
ＳＯ５３１６Ｌ、　［；０合金（Ｖｉｔａｌｌｉｕｍ）
　、　Ｔｉ　−６％Ａｆ−４％Ｖ合金が好ましい。

本発明は、上記の金属材料を用いて、この表面に精密鋳
造による粗面を形成し、この粗面を改質したり、この粗
面の上およびまたは下（粗表面付近）に改質層を形成す
る。

粗面および改質層の形成方法は以下のように行う。

ｌ）　粗面 金属表面を、必要に応じた程度に、精密鋳造により、特
殊形状の凹凸を有する非平滑化処理面とする。

精密鋳造はロスト、ワックス法を用いるのが良い。これ
はろう型を使用してこれを砂型中に埋設し、鋳型を乾燥
後ろうを溶解して外部に流出させて空洞を作り、その空
洞に金属を注入する方法である。場合によっては精密鋳
造後機械的加工法を補足手段として採るのも好ましい。

必要に応じた程度の特殊形状の凹凸とは、１例を挙げれ
ば、１００〜５００μの凸状パターンを表面に多数有す
る形状等であり、生体内への使用部位、使用形状等に応
じて適切に決定する。

このようにして形成された粗面は、インプラントの使用
部位によって下記の効果がある。

■耐摩耗性改良のために生体拐滑液溜めとなる。とくに
摺動面において効果が高い。

■１００〜５００μの骨生長に適した特殊な凹凸パター
ンを設けることによりＣａの沈着を促がし、骨成長性が
よくなる。特にセメントレス化によりインプラントの残
存骨に面した側に非平滑化処理（粗）面を設ける効果が
高い。

２）　改質層 改質層は、下記のうちのいずれかの方法、あるいはこれ
らの組合せにより、粗面自身あるいは粗面の上部や粗面
の上部から下部に渡って設けられる。

■イオン注入 イオン種としては、Ｃ，Ｎ、０、Ｂ、 Ｐ、Ｓ、Ｃａなどの他に各種金属元素等を用いる。これ
らのイオン種をイオン打込み装置中に気体、液体、固体
等の形で供給し、加速電圧をかけてイオン源とする。こ
のイオン源からの各種イオンを磁場偏向等によりｌ）の
粗面に打込む。

これにより金属質インプラント材の強 度、耐摩耗、耐疲労性、耐食性の向上を計る。

■蒸着 蒸着源としてはＣ，Ｂ、Ｐ、Ｓ等や、特にＴｉ、　Ｚｒ
、（：ｒ、　Ｇｏその他の金属元素を抵抗加熱、電子ビ
ーム等により粗面に蒸着する。

とくに金属元素（Ｔｉ、　Ｚｒ、Ｃ「、ＣＯ他）を比較
的厚めにつけて特性向上を計る。

またイオン注入と蒸着とを同時に行うことにより、より
好ましい密着性のよい皮膜が形成される。

■溶射 無機酸化物、金属、合金等を、プラズマ等により加熱し
て液体化し、粗面に射出する。

溶射により、粗面上に必要に応じて、さらに厚い皮膜を
形成させる。とくに、アルミナ、水酸化アパタイトなど
のセラミック皮膜を直接もしくはイオン注入につづいて
形成させることにより、骨生長性、骨親和性を、粗面に
よる効果と相まってさらに向上させる。

〈実施例〉 以下実施例により本発明を更に具体的に説明する。

（実施例） 金属材としてサイズ１０ａｖ＋φｘ２０ｍｗＩ１．の純
チタン製円筒状試料を用い以下の方法で表面加工を行っ
て粗面と改質層を有するサンプルとした。

（１）鋳造 ロストワックス法よる精密鋳造にて製作した。

（２）鋳造後の機械加工 湯口切断後ミーリング加工を施し、結束部を平滑にした
。

（３）イオン注入 ３０ＫＶのイオン打込み装置により、Ｎ、Ｏ，Ｐの打込
みを行フた。

（４）蒸着 抵抗加熱法によりＴｉ、Ｚｒ、ｔｌ：ｒの表面蒸着を行
った。

（５）イオン注入と蒸着 上記（３）のサンプルに（４）の表面蒸着を行った。

（６）溶射 低圧プラズマ溶射装置によりＴｉ、Ｚｒ、アルミナ。

アパタイトの溶射を行った。

（７）イオン注入と金属溶射 上記（３）のサンプルに（６）のＴｉ、Ｚｒの金属溶射
を行った。

（８）イオン注入とセラミック溶射 上記（３）のサンプルに（６）のアルミナ、アパタイト
のセラミック溶射を行った。

（比較例１〜３） 比較として実施例と同様のサイズの純チタン製１０ｍ■
φ×２０ＩｌｌＩＬのサンプルを用い、以下の方法で表
面加工を行ってサンプルとした。

（９）機械加工 湯［１切断後ミーリング加工を施し、結束部を平滑にし
た。

（ｌＯ）焼結 純チタンのビーズと同じく純チタンのファイバーを９０
０℃×５時間の条件で金属材表面にそれぞれ焼結した。

焼結厚みはＩＩＩ■であった。

（１１）溶射 上記（６）と同様に溶射を行った。

（比較例４〜１０） また比較として、実施例と同様のサイズの純チタン製１
０■１φｘ２０ｓ＋ｔｊ！のサンプルを用い実施例と同
様の加工法を用い、ただし実施例の粗面あるいは改質層
のいずれかの層のみを存するサンプルを作成した。

以上のサンプルを用いて種々の性能試験を行った。

結果を表１に示す。

（＾）機械的性質 マモウ試験にて判断（Ｐｉｎ−ｏｎ−Ｄｉｓｃ試験）Ｐ
ｉｎ　　　　　５ａ＋ｍφ、 すべり速度　１００　ｔａｍｅｓ、 すべり距１１１００ｍ、 荷重　　　　５にｇｆ、 雰囲気　　　大気 評価 摩耗量　　　０．５ａ＋ｇ以上・−八（可）摩耗ｉ　　
　　０．５ｍｇ未満・・・Ｏ（良）機械加工、焼結また
は溶射のままの場合、若干機械的性質に問題があるが、
他のものは良好な結果が示された。

（Ｂ）耐食性 ０．０５％　ｌ［１゜ １．０％　乳酸、 １．０％Ｎａ（４， ０，１％　Ｎａ２Ｓ。

残　　　　水 ３７℃で１週間浸漬 評価 ｆｆｉ量変化　　１　ｓａｇ／ｃｍ２以上−・△（可）
重量変化　　１會ｇ／ｃｔａ２未満−Ｏ（良）イオン注
入処理を行ったものが優れていた。

（Ｃ）骨生長（骨親和・固定性） 成犬の大腿骨埋込、３ケ月後層殺後、包埋、ギムザ染色
液で染色、バイオ顕微鏡観察。

評価 空隙多い一×（不可） 空隙と中間組織あり一△（可） 中間組織多い一〇（良） 新生骨が直接成長−◎（優） 鋳造粗面に表面処理したものが優れていた。

（Ｄ）生体適合性（為害性） コロニー法による細脂毒性試験、ヘラ細胞の増殖、コロ
ニー形成（細胞培養液中） 評価 コロニー減少率０％・−〇（良） コロニー減少率Ｏ〜１０％−Δ〜Ｏ（可〜良）コロニー
減少率〉１０％−×（不可） 各種サンプルによる特段の差異は認められなかった。

（Ｅ）密着性 金属板にヒドロキシアパタイトを溶射で付着させて、９
０°曲げ後の表面状況観察。

評価 変化なし・−〇（良） 表面層若干剥離−△（可） 表面剥離・−×（不可） 鋳造粗面を有するサンプルが一般的に優れていた。

（Ｆ）経済性 従来法と同等・・・△ 従来法より安価になるもの一〇 鋳造→表面処理の２ステツプ本発明例は、１ステツプの
比較例と比べて遜色ない。鋳造→機械加１→表面処理プ
ロセスからなる本発明例は、経済性は若干劣るが骨成長
性に特に優れていた。

〈発明の効果〉 本発明は、精密鋳造による粗面と、この粗面付近に形成
された改質層とを有する金属質インプラント材であり、
機械的性質、耐食性、骨生長性、密着性および耐為害性
（生体適合性）が非常に優れている。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）金属材料の少なくとも精密鋳造法により形成され
   た粗表面と、この粗表面付近に形成された改質層とを有
   することを特徴とする金属質インプラント材。