(57)【要約】  表面改質部材とインプラント材料とを、金属粉を含むスラリーを用いて接合する方法においてインプラント材料と良好に接着できる表面改質部材を得ることを目的とする。本発明は、生体内インプラント材料の表面に接合される金属製多孔質板であって、前記インプラント材料に対面する側の表面に存在する開孔ａの面積率Ａが、生体に対面する側の表面に存在する開孔ｂの面積率Ｂよりも小さく、前記開孔ａは、生体側に連通していることを特徴とする生体用金属製多孔質板である。前記生体用金属製多孔質板は、積層造形で製造することが好ましい。
2013077046.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
生体内インプラント材料の表面に接合される金属製多孔質板であって、
前記インプラント材料に対面する側の表面に存在する開孔ａの面積率Ａが、生体に対面する側の表面に存在する開孔ｂの面積率Ｂよりも小さく、
前記開孔ａは、生体側に連通していることを特徴とする生体用金属製多孔質板。
【請求項２】
積層造形で製造されている請求項１に記載の生体用金属製多孔質板。
【請求項３】
前記インプラント材料に対面する側の表面における開孔ａの面積率が０．４〜３０％であり、該表面において隣り合う開孔ａ同士の距離が０．５〜７．０ｍｍであり、前記開孔ａの孔径は６００μｍを超えない請求項１又は２に記載の生体用金属製多孔質板。
【請求項４】
前記開孔ａの厚みは０．５ｍｍを超えない請求項１〜３のいずれかに記載の生体用金属製多孔質板。
【請求項５】
表面の少なくとも一部に、請求項１〜４のいずれかに記載の生体用金属製多孔質板が接合されていることを特徴とする生体内インプラント材料。
【請求項６】
前記生体用金属製多孔質板が、金属粉を含有するスラリーを用いて接合される請求項５に記載の生体内インプラント材料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生体内インプラント材料の表面に接合される金属製多孔質板に関する。
【背景技術】
【０００２】
生体内に埋設されて用いられる人工骨、人工関節、人工歯根などのインプラント材料には、生体組織との親和性に優れることが要求される。生体組織との親和性を確保する手段の一つとして、多孔質体などで構成される表面改質部材を前記インプラント材料表面に接合する方法が挙げられる。該方法では、表面改質部材によって生体親和性を向上できることに加えて、表面改質部材とインプラント材料表面とが十分な強度で接合されている必要がある。【０００３】
例えば、特許文献１では、生体組織との優れた結合性を有する金属製多孔体を、高い接合強度で医療用デバイス本体の表面に接合することを目的とし、金属製多孔質薄板を多層化することにより金属製多孔体を製造し、該金属製多孔体を、医療用デバイスの表面に接合している。ここで、特許文献１では、前記金属多孔体と医療用デバイスを拡散接合により接合している。しかし、拡散接合では、接合面に隙間が存在するとその部分の接合強度の低下や接合強度のばらつきが懸念される。また、通常、接合強度の向上を目的として熱処理中に接合面に対して加圧を要するが、拡散接合では約１０００℃で熱処理するため、加圧のための重石の材質が限定されたり、複雑形状に対して加圧をする場合は専用の冶工具が必要となるため、手間とコストを要するという問題もあった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１５１８０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで、本発明者らは、表面改質部材とインプラント材料とを金属粉を含むスラリーを用いて接合する方法に着目し、該方法においてインプラント材料と良好に接着できる表面改質部材を得ることを目的とした。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、生体内インプラント材料の表面に接合される金属製多孔質板であって、前記インプラント材料に対面する側の表面に存在する開孔ａの面積率Ａが、生体に対面する側の表面に存在する開孔ｂの面積率Ｂよりも小さく、前記開孔ａは、生体側に連通していることを特徴とする生体用金属製多孔質板である。前記生体用金属製多孔質板は、積層造形で製造することが好ましい。【０００７】
また、前記生体用金属製多孔質板において、（ａ）前記インプラント材料に対面する側の表面における開孔ａの面積率が０．４〜３０％であり、該表面において隣り合う開孔ａ同士の距離が０．５〜７．０ｍｍであり、前記開孔ａの孔径が６００μｍを超えないことや、（ｂ）前記開孔ａの厚みが０．５ｍｍを超えないこと、などが好ましい。【０００８】
本発明は、表面の少なくとも一部に、上記の生体用金属製多孔質板が接合されている生体内インプラント材料も包含し、前記生体用金属製多孔質板が、金属粉を含有するスラリーを用いて接合されることが好ましい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、インプラント材料に対面する側の表面に存在する開孔ａが生体側に連通しているため、インプラント材料と金属製多孔質板を接合させるためのスラリー中のバインダー成分が、熱処理時に、開孔ａを通じて生体側に気体となって飛散でき、インプラント材料と金属製多孔質板の接合面に空洞が生じることを抑制できる。この空洞の抑制効果と、さらに開孔ａの面積率を、生体に対面する側の表面に存在する開孔ｂの面積率に比べて小さくしていることによって、インプラント材料と金属製多孔質板の接合強度を確保することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】後記する実施例において作製した、本発明の金属多孔質板のイメージ図である。
【図２】後記する実施例において、金属多孔質板と基材との接合面を観察した写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明者らの検討によれば、例えば、特許文献１に開示される空隙率が４０〜９７％の金属製多孔体を、金属粉を含有するスラリーを用いてインプラント材料に接合すると、十分な接合強度が得られないことが分かった。この原因としては、多孔体の空隙率が大きいため接合面積が不十分であることが考えられた。
【００１２】
そこで、本発明者らは、インプラント材料と金属製多孔体の接合面積を増加させるべく、金属製多孔体におけるインプラント材料に対面する側を、空孔のない緻密な面とすることを試みた。しかし、この場合には、インプラント材料と金属製多孔体の間にスラリーを塗布し、熱処理して接合させると、両者の界面に空洞部分が発生し、十分な接合強度が得られないことが判明した。これは、スラリー中のバインダー成分が熱処理によって気体となっても、両者の接合面にはいずれも空孔がなく、気体の逃げ道がないため、膨張して接合面を押し広げ、その部分が空洞となって残存するためと考えられた。
【００１３】
以上の検討から、本発明者らは、金属製多孔質板において、インプラント材料との接合面積を十分に確保しつつも、熱処理によって気化したバインダー成分が接合面から飛散できる構成とすれば十分な接合強度が得られると考え、本発明を完成した。すなわち、本発明の金属製多孔質板は、前記インプラント材料に対面する側の表面に存在する開孔ａの面積率Ａが、生体に対面する側の表面に存在する開孔ｂの面積率Ｂよりも小さく（Ａ＜Ｂ）、且つ前記開孔ａは、生体側に連通している。
【００１４】
前記開孔ｂは、生体との親和性を確保する観点から設けられるものであり、その面積率は通常、ある程度大きく設定される。しかし、インプラント材料に対面する側の表面に存在する開孔ａの面積率を、前記開孔ｂの面積率と同等にすると、インプラント材料との接合面積を確保できない。そこで、本発明では前記開孔ａの面積率Ａを、前記開孔ｂの面積率Ｂに比べて小さくしている。なお、本発明において開孔ａとは、インプラント材料に対面する側の表面に存在する全ての開孔を指し、開孔ａの面積率とは、インプラント材料に対面する側の表面に対する、開孔ａの合計面積率を意味する。また、同様に、開孔ｂとは、生体に対面する側の表面に存在する全ての開孔を指し、開孔ｂの面積率とは、生体に対面する側の表面に対する、開孔ｂの合計面積率を意味する。
【００１５】
さらに、本発明では、前記開孔ａを金属製多孔質板の生体側に連通させることによって、スラリー中のバインダー成分が気化した際に、前記開孔ａから生体側に飛散できるため、金属製多孔質板とインプラント材料の接合面における空洞の発生を抑制できる。なお、本発明において開孔ａが生体側に連通しているとは、開孔ａが直上の生体側に通じている場合のみならず、開孔ａ以外のいずれかの開孔を通じて生体側に通じている場合を全て含む意味である。
【００１６】
また、上記金属製多孔質板は、インプラント材料に対面する側に開孔ａを有しているため、インプラント材料に対面する側を開孔のない緻密な平面とする場合に比べて、表面が変形しやすく、容易にインプラント材料にはめ込むことができるという効果も期待できる。
【００１７】
本発明の効果を、より有効に発揮するためには、上記開孔ａの面積率、孔径、又は厚み、或いは隣接する開孔ａ同士の距離を調整することが好ましい。
【００１８】
開孔ａの面積率は、０．４〜３０％とすることが好ましい。開孔ａの面積率を０．４％以上とすることによって、スラリー中のバインダー成分を効率よく生体側に飛散させることができる。また、開孔ａの面積率を３０％以下とすることによって、インプラント材料との接合面積を十分確保することができ、接合強度を向上できる。開孔ａの面積率の下限は、より好ましくは０．５％であり、さらに好ましくは１％（特に１．５％）である。また、開孔ａの面積率の上限は、より好ましくは２７％であり、さらに好ましくは２５％（特に２０％）である。
【００１９】
開孔ａの孔径は、大きすぎるとスラリーが開孔ａを通じて生体側の開孔（すなわち、金属製多孔質板における開孔ａ以外の開孔）に漏れ、生体側の開孔が有する生体親和性機能が損なわれる。このようなスラリーの漏れは、開孔ａの孔径に応じて、スラリーの粘度を調製することによって回避可能であるが、開孔ａの孔径が６００μｍを超えないようにすることが好ましい。このようにすることによって、生体側の開孔がスラリーで閉塞することを抑制でき、優れた生体親和性を発揮できる。開孔ａの孔径は、５００μｍを超えないことがより好ましく、４００μｍを超えないことがさらに好ましい。スラリーの漏れを防止する観点からは、孔径は小さいほど好ましく、好ましい下限は特に限定されないが、通常は１００μｍ程度である。また、開孔ａの形状は特に限定されない。開孔ａが円形である場合は、開孔ａの孔径は円の直径を意味し、また開孔ａが円形以外である場合は、円相当径（同一面積の円の直径に換算した値）を意味する。
【００２０】
また、開孔ａは、インプラント材料に対面する側において、均一に存在していることが好ましく、隣接する開孔ａ同士の距離を０．５〜７．０ｍｍとすることが好ましい。このようにすることによって、スラリー中のバインダー成分を効率よく生体側に飛散させることができる。隣接する開孔ａ同士の距離の下限は、より好ましくは１．０ｍｍであり、さらに好ましくは１．３ｍｍ、特に好ましくは１．５ｍｍであり、上限はより好ましくは６．５ｍｍであり、さらに好ましくは６．０ｍｍである。なお、開孔ａ同士の距離は、開孔ａの中心同士の距離を意味する。
【００２１】
開孔ａは厚みを有しており（すなわち厚み方向に平行に伸びており）、その厚みは、生体親和性を発揮させるための生体側の開孔を十分に確保する観点から、できるだけ薄い方が好ましく、０．５ｍｍを超えないことが好ましい。開孔ａの厚みは０．４ｍｍを超えないことがより好ましく、０．３ｍｍを超えないことがさらに好ましい。開孔ａの厚みの下限は特に限定されないが、通常０．１ｍｍ程度である。
【００２２】
特に、上記した開孔ａの面積率、孔径、及び隣接する開孔ａ同士の距離の条件をいずれも満たすようにすることが好ましい。このようにすることによって、スラリー中のバインダー成分を、開孔ａから生体側に飛散させることができ、金属多孔質板とインプラント材料の接合面における空洞の発生を抑制できるとともに、接合面積を十分に確保できるので、接合強度を向上できる。また、生体親和性を確保するための開孔をスラリーで塞ぐことがないので、優れた生体親和性も発揮できる。
【００２３】
開孔ｂの面積率は、特に限定されず、生体との親和性を考慮して適宜設定できるが、通常５０〜８５％程度である。また、生体側の開孔（すなわち、開孔ａ以外の開孔）の空隙率も特に限定されず、生体との親和性を考慮して適宜設定できるが、通常５０〜８５％程度である。
【００２４】
上記金属製多孔質板の金属は、純金属及び合金の両方を含む意味である。金属としては、良好な生体親和性を有することから、例えば純Ｔｉ、Ｔｉ合金（例えばＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ、Ｔｉ−６Ａｌ−２Ｎｂ−１Ｔａなど）、Ｃｏ合金（例えば、Ｃｏ−Ｃｒ合金）などを用いることができる。また、上記金属製多孔質板の板厚は特に限定されないが、例えば０．７〜５．０ｍｍ程度であり、好ましくは１．２〜２．０ｍｍである。
【００２５】
上記金属製多孔質板は、例えば積層造形法によって製造できる。積層造形とは材料粉末を層状に敷き詰め、該粉末上に、レーザービームなどの電磁放射線、又は電子ビームなどの粒子放射線を、デジタル化された三次元画像データに従って照射することによって、材料粉末を溶融・凝固させ、所望の成形体を製造する方法である。
【００２６】
積層造形に用いる材料粉末は、アトマイズ法（水アトマイズ法又はガスアトマイズ法）、回転電極法、ボールミル法などによって調製可能である。前記方法によって調製された粉末は、必要に応じて篩い分けなどを行い、その平均粒径は通常２０〜１５０μｍ程度（好ましくは３０〜６０μｍ程度）とすることが好ましい。
【００２７】
積層造形の条件は、用いる材料粉末の種類、金属製多孔質板の形状（開孔径、開孔率、開孔間距離など）などに応じて適宜設定可能であるが、例えば放射線の照射径（例えば円の直径）を５０〜２００μｍ程度、放射線源と材料粉末との距離を４０〜８０ｃｍ程度、積層厚さ（粉末の一層分の厚み）を２０〜２００μｍ程度とすれば良い。また積層造形の際の雰囲気は特に限定されないが、真空雰囲気下で行うことが好ましい。また、アルゴンガス、窒素ガス等の不活性ガス雰囲気下で行ってもよい。
【００２８】
上記金属製多孔質板は、生体内インプラント材料の表面の少なくとも一部に接合して用いられる。本発明では、接合方法として金属粉を含有するスラリーを用いる。該スラリーを用いることによって、インプラント材料と金属製多孔質板との隙間を埋めることができ、スラリーを用いない拡散接合法に比べて接合力のばらつきを小さくできる。該スラリーによる接合は、より具体的には、生体内インプラント材料の表面の少なくとも一部に金属粉を含有するスラリーを塗布した後、上記金属製多孔質板を貼り付け、熱処理を行うことによって接合できる。従って、上記金属製多孔質板が接合された本発明の生体内インプラント材料は、金属製多孔質板とインプラント材料との界面に、焼結した金属粉末層が形成され、焼結した金属粉末層は上記金属製多孔質板の開孔ａの少なくとも一部に存在している。
【００２９】
前記スラリーの塗布方法としては、例えばハケ塗り、ローラー塗り、吹付塗装、浸漬塗りなどが挙げられる。
【００３０】
熱処理温度、時間は、スラリー中に含まれる金属粉の種類及び焼結の程度、スラリー中のバインダー成分が十分に気化できることなどを考慮して適宜設定可能である。熱処理温度は、例えば８００〜１１００℃程度（好ましくは９００〜１０００℃程度）であり、熱処理時間は１〜５時間程度（好ましくは２〜４時間程度）である。
【００３１】
スラリー中の金属粉は、金属及び合金のいずれの粉末であってもよく、例えば純Ｔｉ、Ｔｉ合金（例えばＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ、Ｔｉ−６Ａｌ−２Ｎｂ−１Ｔａなど）、Ｃｏ合金（例えば、Ｃｏ−Ｃｒ合金）などを用いることができる。スラリー中の金属粉の大きさは特に限定されないが、例えば平均粒径が２０〜１５０μｍ程度のものを用いることができる。スラリーのバインダー成分としては、スターチ、アガロースなどの糖類、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）などのアルコール類などが挙げられる。スラリー中の金属粉の含有割合は、例えば７５〜９５質量％程度であり、またスラリー中のバインダー成分の含有割合は、例えば約１質量％程度である。
【００３２】
本願は、２０１１年１１月２４日に出願された日本国特許出願第２０１１−２５６６７３号に基づく優先権の利益を主張するものである。２０１１年１１月２４日に出願された日本国特許出願第２０１１−２５６６７３号の明細書の全内容が、本願に参考のため援用される。
【実施例】
【００３３】
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。本発明は以下の実施例によって制限を受けるものではなく、前記、後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。【００３４】
実施例１
純Ｔｉの粉末を、アトマイズ法により調製した（平均粒径は、３０μｍ）。デジタル化された三次元画像データに従って、前記粉末にレーザーを照射して、金属製多孔質板を作製した。該金属製多孔質板は、詳細には、表１に示す条件（開孔径、面積割合、開孔間距離）を満たし、厚み方向に貫通した開孔ａを有する０．３ｍｍの板状部材（５０ｍｍ×５０ｍｍ×厚み０．３ｍｍ）と、その上に形成される多孔体であって、厚み方向に垂直な面における開孔の面積率がいずれの面においても６５％である厚さ１．２ｍｍの多孔体（すなわち、生体に対面する側の表面に存在する開孔の面積率も６５％）とから構成される。なお該多孔体部分の空隙率は６５％である。積層造形の条件は、レーザービームの照射径が１００μｍ、積層厚さが３０μｍであった。【００３５】
続いて、平均粒径３０μｍの純Ｔｉ粉末とＰＶＡ水溶液を混合してスラリーを作製し（スラリー中の純Ｔｉ粉末は８７質量％、ＰＶＡは１質量％）、該スラリーを上記金属製多孔質板と同サイズのＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金板の中央部付近に、該Ｔｉ合金板の表面全体がスラリーで覆われるのに十分な量を塗布した。次に、該Ｔｉ合金板のスラリー塗布面に、上記金属製多孔質板を、開孔ａを有する面がＴｉ合金板と対面するように貼りあわせ、外周にはみ出たスラリーを除去した後、１００℃で０．５時間乾燥させ、続いて９５０℃で３時間の熱処理を行い、金属製多孔質板が接合されたインプラント材料を模擬した試料を作製した（試料Ｎｏ．１〜１０）。また、比較のため、開孔ａを有する板状部材の代わりに、開孔のないＴｉ−６Ａｌ−４Ｖの板状部材を形成した以外は、上記試料Ｎｏ．１〜１０と同様にして試料Ｎｏ．１１を作製した。【００３６】
スラリーの塗布状態と、Ｔｉ合金板（インプラント材料の基材）と金属製多孔質板の界面の接合状態を以下の方法で評価した。【００３７】
（１）金属製多孔質板の表面へのスラリーの漏れの観察
上記した試料の作製工程における乾燥工程後に、金属製多孔質板の表面（生体側）へのスラリーの漏れを目視で観察し、以下の基準で評価した。◎、○及び△を合格とした。
◎：漏れが観察されない。
○：漏れが観察されるが、ごく一部である。
△：漏れが部分的に（数箇所）観察される。
×：漏れが略全面に観察される。
（２）乾燥後の接合面の観察
上記した試料の作製工程における乾燥工程後に、Ｔｉ合金板（基材）と金属製多孔質板とを分離して接合面を目視で観察し、以下の基準で評価した。◎、○及び△を合格とした。
◎：基材と多孔質板の接合面全体にわたってＴｉ粉末が密に存在し、基材又は多孔体の表面は見えない。
○：基材と多孔質板の接合面において、Ｔｉ粉末が粗である箇所や、Ｔｉ粉末の存在していない箇所がごく一部存在する。
△：基材と多孔質板の接合面において、Ｔｉ粉末が粗である箇所や、Ｔｉ粉末の存在していない箇所が数箇所存在する。
×：基材と多孔質板の接合面において、Ｔｉ粉末の存在していない箇所が広い範囲で存在する。【００３８】
結果を表１に示す。【００３９】
【表１】
2013077046.tif 000003
【００４０】
表１によれば、本発明の要件を満たす試料Ｎｏ．１〜１０のいずれも、スラリーの漏れの状態及び接合面の状態が良好であったことが分かる。上記試料のうち、試料Ｎｏ．７における金属製多孔質板部分のイメージ図を図１に、及び試料Ｎｏ．４、７、１０、１１の乾燥後の接合面の写真を図２（ａ）〜（ｄ）に示す。図２（ａ）に示す試料Ｎｏ．７では、接合面の剥離の際にスラリーの一部が基材側に付着しているが、Ｔｉ粉末は全面に渡って密に存在し、金属製多孔質板と基材との表面は見えない。図２（ｂ）に示す試料Ｎｏ．４では、丸印で示した箇所にＴｉ粉末の存在しない部分が観察され、またＴｉ粉末が粗である部分もごく一部存在している。図２（ｃ）に示す試料Ｎｏ．１０では、丸印で示した数箇所に空洞が存在し、又Ｔｉ粉末が粗である箇所も数箇所存在している。図２（ｄ）に示す試料Ｎｏ．１１では、接合面の中央部の広範囲にわたって、Ｔｉ粉末の存在しない箇所が存在し、基材や金属製多孔質板の表面がむき出しになっている。【００４１】
実施例２
上記実施例１の試料Ｎｏ．７について、ＡＳＴＭ（American  Society  for  Testing  and  Materials）  Ｆ−１１４７に従って、引張試験を行った。また、比較のため、開孔ａを有する板状部材を設けなかったこと以外は、試料Ｎｏ．７と同様にして試料Ｎｏ．１２を作製し（すなわち、試料Ｎｏ．１２の金属製多孔質板は、厚み方向に垂直な面における開孔の面積率がいずれの面においても６５％である多孔体のみから構成される。厚みは１．５ｍｍ）、引張試験を行った。【００４２】
その結果、金属製多孔質板と基材との接合力は、試料Ｎｏ．７では６０ＭＰａ、試料Ｎｏ．１２では３５ＭＰａであった。基材に対面する側の開孔ａの面積率を、生体側に対面する側の開孔ｂの面積率よりも小さくした試料Ｎｏ．７では、ＦＤＡ（Food and Drug Administration）の「Guidance for Industry on the Testing of Metallic Plasma Sprayed Coatings on Orthopedic Implants to Support Reconsideration of Postmarket Surveillance Requirements」のクライテリアである２２ＭＰａという値を大きく上回っているとともに、基材に対面する側の開孔の面積率と、生体に対面する側の開孔の面積率とが同じである試料Ｎｏ．１２に比べて、金属製多孔質板と基材との接着面積を十分に確保することができ、臨床使用上問題のない十分な接合強度を有していた。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明の生体用金属製多孔質板は、人工骨、人工関節、人工歯根などのインプラント材料の表面改質部材として好適に用いられる。
【図１】
2013077046.tif 000004
【図２】
2013077046.tif 000005
【国際調査報告】
2013077046.tif 000006
2013077046.tif 000007
2013077046.tif 000008
2013077046.tif 000009
2013077046.tif 000010
2013077046.tif 000011
2013077046.tif 000012