(57)【要約】【課題】  生体親和性のよいヒドロキシアパタイトとシリコン樹脂とを強固に安定して接合することができる、ヒドロキシアパタイトとシリコン樹脂との接合方法、及びその接合によって得られる複合体の提供を課題とする。【解決手段】  ヒドロキシアパタイト基材の接合表面をシランカップリング処理してＮＨ２基を修飾し、一方、シリコン樹脂基材の接合表面にアクリル酸処理してＣＯＯＨ基を修飾した後、両接合表面を合わせて、加圧状態下及び加温状態下において接合する。【選択図】      なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヒドロキシアパタイト基材の接合表面をシランカップリング処理してＮＨ２基を修飾し、一方、シリコン樹脂基材の接合表面にアクリル酸処理してＣＯＯＨ基を修飾した後、両接合表面を合わせて、加圧状態下及び加温状態下において接合することを特徴とするヒドロキシアパタイトとシリコン樹脂との接合方法。
【請求項２】
接合時において１３０〜２５０℃で所定時間保持することを特徴とする請求項１に記載のヒドロキシアパタイトとシリコン樹脂との接合方法。
【請求項３】
接合時において室温から１〜１０℃／ｍｉｎの昇温速度で加熱してゆくことを特徴とする請求項２に記載のヒドロキシアパタイトとシリコン樹脂との接合方法。
【請求項４】
０．５〜１０ｋｇ／ｃｍ２の加圧下で接合を行うことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載のヒドロキシアパタイトとシリコン樹脂との接合方法。
【請求項５】
ヒドロキシアパタイト基材の接合表面及びシリコン樹脂基材の接合表面を予め１００〜４００番のサンドペーパで研磨して接合表面を清浄化した後、相対湿度を３０％以下で接合を行うことを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載のヒドロキシアパタイトとシリコン樹脂との接合方法。
【請求項６】
請求項１〜５の何れかの接合方法で接合されてなるヒドロキシアパタイト−シリコン樹脂複合体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はヒドロキシアパタイトとシリコン樹脂との接合方法、及びその複合体に関する。
【背景技術】
【０００２】
生体治療における外科的手法は最先端科学技術を駆逐した取り組みが行われ、健康回復・維持には従来にない新たな治療技術の展開をもたらしつつある。
切り傷などの創傷、骨折などは通常の治療手当が確立され、現在の治療法によってほとんど生体機能の低下を招くことなく治癒するに至る。その一方、人体の特殊部位の骨損傷や機能低下に対する外科的治療など、必要に応じて生体親和性のよい材料やその他の材料を複合して生体内に適用し、骨等による生体機能の回復を図る必要がでてくる。
【０００３】
上記生体親和性のよい材料として、ヒドロキシアパタイトがある。更に、この材料を同じく生体に用いることができる材料としてのシリコン樹脂と接合して用いる場合が生じる。そしてこの場合には、十分な接合強度（例えば生体内の骨の代替的使用の場合は１５０Ｎ／ｃｍ２以上）の確保、生体内での耐久性・信頼性が要求される。また接合は凹凸接合等、平面間接合以外の場合においても良好に行われることが要求される場合がある。
【０００４】
従来、ヒドロキシアパタイトを用いた表面処理として、ヒドロキシアパタイト焼結体の表面に、例えばシランカップリング剤を用いて官能基を修飾したものを高分子基材と化学結合させた複合体の製造方法（特許文献１）や、ヒドロキシアパタイトの表面にシランカップリング剤をリンカーとして有機物を結合してなる有機物修飾ヒドロキシアパタイト多孔体（特許文献２）、有機高分子基材をシランカップリング処理した後、カルシウムイオンとリン酸イオンとを作用させることで前記基材表面に水酸アパタイトをコーティングする方法（特許文献３）等が開示されている。
【特許文献１】特開２００４−５１９５２号公報
【特許文献２】特開２００３−３４２０１１号公報
【特許文献３】特開平６−２９３５０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが上記特許文献１、２においては、ヒドロキシアパタイトが結合すべき相手がシリコン樹脂である場合についての解決手段が示されておらず、また特許文献３は有機高分子の表面に水酸アパタイト膜を析出させるものであって、何れもヒドロキシアパタイトとシリコン樹脂との接合を開示するものではない。
【０００６】
そこで本発明は上記従来の問題を解消し、生体親和性のよいヒドロキシアパタイトとシリコン樹脂とを強固に安定して接合することができるヒドロキシアパタイトとシリコン樹脂との接合方法と、その接合によって得られる複合体の提供を課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明のヒドロキシアパタイトとシリコン樹脂との接合方法は、ヒドロキシアパタイト基材の接合表面をシランカップリング処理してＮＨ２基を修飾し、一方、シリコン樹脂基材の接合表面にアクリル酸処理してＣＯＯＨ基を修飾した後、両接合表面を合わせて、加圧状態下及び加温状態下において接合することを第１の特徴としている。
また本発明のヒドロキシアパタイトとシリコン樹脂との接合方法は、上記第１の特徴に加えて、接合時において１３０〜２５０℃で所定時間保持することを第２の特徴としている。
また本発明のヒドロキシアパタイトとシリコン樹脂との接合方法は、上記第２の特徴に加えて、接合時において室温から１〜１０℃／ｍｉｎの昇温速度で加熱してゆくことを第３の特徴としている。
また本発明のヒドロキシアパタイトとシリコン樹脂との接合方法は、上記第１〜第３の何れかの特徴に加えて、０．５〜１０ｋｇ／ｃｍ２の加圧下で接合を行うことを第４の特徴としている。
また本発明のヒドロキシアパタイトとシリコン樹脂との接合方法は、上記第１〜第４の何れかの特徴に加えて、ヒドロキシアパタイト基材の接合表面及びシリコン樹脂基材の接合表面を予め１００〜４００番のサンドペーパで研磨して接合表面を清浄化した後、相対湿度を３０％以下で接合を行うことを第５の特徴としている。
また本発明のヒドロキシアパタイト−シリコン樹脂複合体は、上記第１〜第５の何れかの特徴に記載の接合方法で接合されてなることを第６の特徴としている。
【発明の効果】
【０００８】
請求項１に記載の発明によれば、前処理としてヒドロキシアパタイト基材の接合表面にＮＨ２基が修飾され、またシリコン樹脂基材の接合表面にＣＯＯＨ基が修飾される。前処理後に、ヒドロキシアパタイト基材とシリコン樹脂基材とを両者の接合表面を合わせて、加温状態で、加圧することで接合される。
前記接合は、ヒドロキシアパタイト基材のＮＨ２基とシリコン樹脂基材のＣＯＯＨ基とが縮合反応を起こすことによってアミド結合（−ＣＯ−ＮＨ−）を構成することで、強固に接合する。その際、加温状態下に加圧することで、接合力を増すことができる。
よって請求項１に記載の発明によれば、従来において困難であったヒドロキシアパタイト基材とシリコン樹脂基材との強固な接合を可能とすることができる。
【０００９】
請求項２に記載の発明によれば、上記請求項１に記載の構成による効果に加えて、接合時において１３０〜２５０℃で所定時間保持することにより、接合強度を一層大きくすることができる。
【００１０】
また請求項３に記載の発明によれば、上記請求項２に記載の構成による効果に加えて、接合の際に、保持温度１３０〜２５０℃になるまでの昇温速度を１〜１０℃／ｍｉｎとすることで、シランカップリング処理剤やアクリル酸の揮発を緩慢にすることができる。これによってそれら接着剤層の緻密性を確保することができ、接合強度を一層向上させることができる。
【００１１】
また請求項４に記載の発明によれば、上記請求項１〜３の何れかに記載の構成による効果に加えて、０．５〜１０ｋｇ／ｃｍ２の加圧下で接合することで、強固な結合を確実なものとすることができる。
【００１２】
また請求項５に記載の発明によれば、上記請求項１〜４の何れかに記載の構成による効果に加えて、ヒドロキシアパタイト基材の接合表面及びシリコン樹脂基材の接合表面を予め１００〜４００番のサンドペーパで研磨して接合表面を清浄化等することで、接合環境を整えることができる。加えて接合時における相対湿度を３０％以下とすることで、水分露点を低くし、接合条件を一層良好にして強固な接合を可能とすることができる。
【００１３】
また請求項６に記載の発明によれば、請求項１〜５の何れかの接合方法で接合されてなるヒドロキシアパタイト−シリコン樹脂複合体であることにより、ヒドロキシアパタイト基材とシリコン樹脂基材とが強固に接合された複合体を提供することができ、骨機能修復等の骨関連の材料として好ましく用いることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の実施形態を以下に説明する。
本発明の方法及び複合体に用いられるヒドロキシアパタイトは、化学式として次の式で表すことができる。
Ｃａ１０（ＰＯ４）６（ＯＨ）２
ヒドロキシアパタイト基材としては、Ｃａ２＋、ＰＯ４３−、ＯＨ−以外にＮａ＋、Ｋ＋、Ｍｇ２＋、Ｆ−、Ｃｌ−、ＣＯ３−、等の陽・陰イオンを含有していてもよい。
【００１５】
一方、シリコン樹脂は、メチルシリコン樹脂、フッ化シリコン樹脂、フェニルシリコン樹脂、ビニルメチルシリコン樹脂等の有機シリコン樹脂を用いることができる。
【００１６】
本発明の接合方法における実施形態では、次の処理工程において工夫した。
（１）接合基材相互の接合面の前処理
（２）接合時の環境条件の設定
【００１７】
接合基材相互の接合表面の前処理として、
ヒドロキシアパタイト基材の接合表面にＮＨ２基を付加し、反応性を高める。具体的には、ヒドロキシアパタイト基材の接合表面を１００番〜４００番のサンドペーパで研磨し、シランカップリング薬剤、例えばＨ２ＮＣ３Ｈ６Ｓｉ（ＯＣ２Ｈ５）３を塗布して、接合表面にＮＨ２基を付加する。
一方、シリコン樹脂については、その接合表面の鋭敏化・アンカー効果の増大を図るため、表面を１００番〜４００番のサンドペーパで研磨し、アクリル酸（ＣＨ２（ＣＨＣＯＯＨ））を塗布し、接合表面にＣＯＯＨ基を付加する。
【００１８】
接合基材相互の接合面の接合時の環境設定として、
ＮＨ２基を修飾したヒドロキシアパタイト基材及びＣＯＯＨ基を修飾したシリコン樹脂基材は、表面汚染、不純物の混入を防止するため、少なくともクリーンレベル１０００以上の清浄な場所で接合作業を行う。
また相対湿度３０％以下の場所で接合作業を行う。相対湿度を３０％以下とすることで、接合表面の湿気を減じ、均一で安定した接合強度をもたらす。
【００１９】
接合作業は、前記ヒドロキシアパタイト基材とシリコン樹脂基材の接合表面を相互に合わせ、真空又は減圧下にて接合部分に介在する空気等の気体を一定時間脱ガスした後、０．５〜１０ｋｇ／ｃｍ２の圧力を加えながら行う。０．５ｋｇ／ｃｍ２未満では接合強度が上がらない。また１０ｋｇ／ｃｍ２を超える圧力を加えても、接合強度のそれ以上の上昇は望めない一方、基材の破損を招く可能性がある。
前記脱ガスを行うのは、接合作業において接合面に介在するガスが良好な接合を妨げるのを防止するためである。特に本発明の場合には加温を行うので、気泡が発達するのを防止する必要がある。脱ガスは両基材を合わせて加圧した状態で行ってもよい。脱ガス作業を行うことで、強固で安定した接合を達成することができる。
【００２０】
接合作業は加温しながら行う。
加温は室温から１〜１０℃／ｍｉｎの加熱速度とし、１３０〜２５０℃まで上昇させ、その温度で１０分〜４時間保持する。
前記昇温速度を１〜１０℃／ｍｉｎの緩慢な速度とすることで、シランカップリング処理剤やアクリル酸（修飾ＮＨ２基や修飾ＣＯＯＨ基）の揮発、その他の分解等を緩慢にすることができる。これによって、それら接着剤層の緻密性等を確保することができ、接合強度を一層向上させることができる。１０℃／ｍｉｎ以上の昇温速度では、昇温速度が速すぎて接合強度が上がらず、安定しない。１／ｍｉｎ未満では昇温に時間がかかりすぎる。昇温速度は、好ましくは４〜７℃／ｍｉｎがよい。
前記保持温度を１３０〜２５０℃とし、０．５〜４時間保持することで、接合強度を少なくとも１５０Ｎ／ｃｍ２以上にすることができる。
保持温度が１３０℃未満になると、接合強度を１５０Ｎ／ｃｍ２以上に安定して確保することが難しくなる。また２５０℃を超える場合も接合強度が低下し、またエネルギ−ロスが大きい。保持温度は、強度的には１６０〜２２０℃が好ましい。
保持時間が１０分未満では、十分な強度と安定性が得られない懸念がある。また保持時間が４時間を越えても、それ以上の強度は期待できず、エネルギーと時間の無駄になる。保持時間は、好ましくは３０分〜４時間とする。
【００２１】
前記接合作業中においては、接合表面が相互にずれたりしないように、両基材を適切に固定しておくことが必要である。
接合作業が終了すると、両基材に対する加圧及び加温状態が解かれる。以上の作業によってヒドロキシアパタイトとシリコン樹脂との接合が完了し、ヒドロキシアパタイトとシリコン樹脂とが接合された複合体が完成される。
【実施例】
【００２２】
（実施例１）
本発明方法の実施試験１〜３と比較試験１〜３について、何れも同一のサンドペーパ処理をした後、本発明方法の実施試験１〜３については、本発明の方法による接合表面の前処置をした後、約１ＫＰａ程度の減圧デシケータ内に約３０分保持して脱ガスし、略１．６ｋｇ／ｃｍ２の加圧下、略５℃／ｍｉｎの昇温速度、略１８０℃の保持温度、略２時間の保持時間で、湿度３０％未満でヒドロキシアパタイト基材とシリコン基材との接合を行った。
一方、比較試験１〜３については、シアノアクリレート接着剤を用いて常温下、実施試験と同様の加圧下及び保持時間、湿度下においてヒドロキシアパタイト基材とシリコン基材との接合を行った。
接合完了後の接合強度と、１０００時間の水浸漬後の接合強度を測定した。
結果を表１に示す。
なお各実験試験１〜３及び比較試験１〜３においては、複数の試片について実施し、その平均値として接合強度を算出している。
【００２３】
【表１】
2006312278.tif 000002
【００２４】
表１から明らかなように、本発明の方法による場合はヒドロキシアパタイト基材とシリコン樹脂基材との接合強度が１９０Ｎ／ｃｍ２程度あり、また１０００時間水浸漬後の強度も１７０Ｎ／ｃｍ２程度の水準にあり、何れも目安の１５０Ｎ／ｃｍ２を超える良好な接合強度を保っている。これに対して従来の方法による場合は、何れも強度が目安の１５０Ｎ／ｃｍ２を大きく下回る結果であった。
【００２５】
（実施例２）
生体医療において使用されるヒドロキシアパタイト基材とシリコン樹脂基材との接合の場合は、接合面が必ずしも平面接合とならず、凹面や凸面等、非平面での接合が想定される。そこでヒドロキシアパタイト基材とシリコン樹脂基材とを相互に凹凸接合させて、その場合の接合強度を検証した。接合条件は実施例１の場合と同じである。比較例として本発明方法による平面接合の場合、及び従来のシアノアクリレート接着剤を用いた凹凸接合の場合を示す。なお各試験においては複数の試片について行ったが、ばらつきの範囲で測定結果を示す。
結果を表２に示す。
【００２６】
【表２】
2006312278.tif 000003
【００２７】
表２からわかるように、従来の接合方法では接合強度が小さいのは元より、変動幅が大きく、信頼性に欠ける。本発明方法の場合は、凹凸接合の場合においても目安である１５０Ｎ／ｃｍ２以上を確保し、またばらつきもそれほど大きくはなく、安定していることがわかる。
【００２８】
（実施例３）
本発明の方法における接合時の加圧条件と接合強度について実験を行った。前処理は実施例１の場合と同じである。接合条件として、常温からの昇温速度を５℃／ｍｉｎ、保持温度を１８２℃、保持時間を２時間とした。加圧条件として、加圧なし、０．５ｋｇ／ｃｍ２、１．６ｋｇ／ｃｍ２、３．１ｋｇ／ｃｍ２の各場合を採用した。
結果を表３に示す。
【００２９】
【表３】
2006312278.tif 000004
【００３０】
表３から明らかなように、加圧をしない場合は強度が低く、接合面のズレ等を招く。
一方、０．５ｋｇ／ｃｍ２以上の加圧においては、目安である１５０Ｎ／ｃｍ２以上の強度を確保している。また加圧を３．１ｋｇ／ｃｍ２以上にしても、それほど接合強度が増加しないような傾向を示している。
【００３１】
（実施例４）
本発明の方法における接合時の加温条件と接合強度について実験を行った。前処理は実施例１の場合と同じである。加温条件として、即１８０℃に投入して保持、昇温速度を５℃／ｍｉｎで保持温度を１３０℃、昇温速度を５℃／ｍｉｎで保持温度を１６３℃、昇温速度を５℃／ｍｉｎで保持温度を１８０℃、昇温速度を５℃／ｍｉｎで保持温度を２２５℃、昇温速度を５℃／ｍｉｎで保持温度を２５１℃とした。
結果を表４に示す。
【００３２】
【表４】
2006312278.tif 000005
【００３３】
表４から明らかなように、即１８０℃に投入して保持するものでは、昇温速度を抑制した（５℃／ｍｉｎの昇温速度）ものに比べて接合強度が低下する。また５℃／ｍｉｎの昇温速度においては、保持温度が１８０℃付近で接合強度のピークとなる。
【００３４】
（実施例５）
本発明の方法における接合時の加温保持時間条件と接合強度について実験を行った。前処理は実施例１の場合と同じである。加温保持時間条件として、０．３４時間、０．７７時間、１．６５時間、２．８０時間、４．０１時間とした。
結果を表５に示す。
【００３５】
【表５】
2006312278.tif 000006
【００３６】
表５から明らかなように、加圧を略１．６ｋｇ／ｃｍ２、昇温速度５℃／ｍｉｎ、保持温度を１８０℃とした場合に、保持時間を０．３４時間（約２０分）もすれば、１６８Ｎ／ｃｍ２となり、目安である１５０Ｎ／ｃｍ２以上を確保している。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明の実用化により、今後の生体骨治療において、人工骨、人工骨機能の付与を可能とし、医学会の課題とされる治療技術に大きな貢献を図ることができる。