(57)【要約】【課題】結晶質のリン酸カルシウム微粉末に解膠剤と起泡剤を混合攪拌し、これを乾燥後に電気炉などを用いた加熱によって解膠剤および起泡剤を分解消失させて微細な気孔を有するリン酸カルシウム多孔体を作成する。これにより作られた多孔体はセラミックの短所である脆さがあり、生体への製品補填時、あるいは補填後に破損あるいは折損を起こすことが知られている。【解決手段】  本発明はセラミックスの脆さを補い、破損や折損を減らした製品を提供することを目的とし、結晶質のリン酸カルシウム微粉末に解膠剤と起泡剤を混合攪拌しスラリをつくり、これを予め設計された外枠型に流し込み、これを乾燥後に電気炉などを用いた加熱によって微細な気孔を有するリン酸カルシウム多孔体を作製するが、この時に、躯体の補強を目的として純チタンあるいはチタン合金製の金属線材をリン酸カルシウムのスラリ内に埋入して乾燥させて形成体としたものを焼成し、金属線材にて補強された複合生体材料を提供する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
リン酸カルシウム多孔体の内部に、少なくとも２本以上の純チタン又はチタン合金製の金属線材がほぼ全体が埋め込まれ、その状態で焼結してセラミックスとした、リン酸カルシウム多孔体と金属線材が一体構造に形成された複合生体材料。
【請求項２】
請求項１のリン酸カルシウム多孔体がハイドロキシアパタイトおよびβ−トリカルシウムフォスフェート（β−リン酸三カルシウム）から選ばれる少なくとも１種であることを特徴とする複合生体材料。
【請求項３】
請求項２のリン酸カルシウム多孔体が、気孔径のサイズが１００〜４００μの気孔があり、気孔率が４０〜８０％であることを特徴とする複合生体材料。
【請求項４】
請求項１、請求項２、請求項３のリン酸カルシウム多孔体に純チタン又はチタン合金製の金属線材を埋入した複合生体材料において、該金属線材の直径が０．２１ｍｍ以上で２．６ｍｍ以下の太さの金属線材であることを特徴とする複合生体材料。
【請求項５】
請求項４のリン酸カルシウム多孔体に純チタン又はチタン合金製の金属線材を埋入した複合生体材料において、該金属線材をリン酸カルシウムに埋入する前に該金属線材の表面にハイドロキシアパタイトの薄膜がコーティングされていることを特長とする複合生体材料。
【請求項６】
請求項４のリン酸カルシウム多孔体に純チタン又はチタン合金製の金属線材を埋入した複合生体材料において、該リン酸カルシウム多孔体が純チタン又はチタン合金製の金属繊維が混入された複合材料であることを特徴とする複合生体材料。
【請求項７】
請求項４のリン酸カルシウム多孔体に純チタン又はチタン合金製の金属線材を埋入した複合生体材料において、リン酸カルシウムの質量をＷｐとし金属線材の質量をＷｔとした場合に質量比Ｗｔ／Ｗｐが、３％以上で５０％以下であることを特徴とした複合生体材料。
【請求項８】
請求項４のリン酸カルシウム多孔体に埋入された純チタン又はチタン合金の金属線材が、金属線材の溶接部や結束部を除き、金属線材同志の隙間が１．２ｍｍ以上となるような位置関係で金属線材が配置されていることを特徴とする複合生体材料。
【請求項９】
請求項８のリン酸カルシウム多孔体内部に埋入された純チタン又はチタン合金製の金属線材が、リン酸カルシウム多孔体の躯体の周辺部分には密に分布され、中心部分には疎に分布されて配置されたことを特徴とする複合生体材料。
【請求項１０】
請求項４において純チタン又はチタン合金製の金属線材が一部分あるいは全体において、線材同志が交差して網目状に配置されていることを特徴とする複合生体材料。
【請求項１１】
リン酸カルシウムの微粉末に解膠剤（気泡安定剤）及び起泡剤（界面活性剤）を適量添加し撹拌機で撹拌混合により起泡してスラリ状の多孔性流動体とする工程；
純チタン又はチタン合金製の金属線材を予め決められた形状に構築する工程；
予め計画された形状に作られた鋳造用の外枠型を用意する工程；
構築された該金属線材を予め用意した該外枠型に設置する工程；
該金属線材が設置された該外枠型の内部に隙間なく該多孔性流動体を流し込むと同時に、金属線材を埋入する工程；
該多孔性流動体を乾燥させ乾燥体とする工程；
および該乾燥体を電気炉等で焼成し、解膠剤と起泡剤を分解消失させ、１０００〜１３００℃まで昇温させてセラミックスとして焼結を行う複合生体材料の製造方法。
【請求項１２】
請求項１１において、リン酸カルシウムの微粉末がβ−リン酸三カルシウムの微粉末で、焼成温度の上限値を１０００〜１１５０℃としたことを特徴とする複合生体材料の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、生体に埋植して使用される人工骨や人工関節、人工歯根、歯科用埋植材に好適な複合生体材料およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】  人工骨として使用される生体用材料としてのリン酸カルシウム化合物にはハイドロキシアパタイトを成分とするものと、β−リン酸三カルシウムを成分とするものがあり、前者のハイドロキシアパタイトは生体に補填後に骨と癒合し初期強度はあるが非吸収性であるのに対して、後者のβ−リン酸三カルシウムを原料とする人工骨は吸収性があり生体に補填後に自家骨に置換されるという特性を有している。【０００３】  リン酸カルシウム化合物の粉末を形状を有した躯体とするには２種類の製法があり、リン酸カルシウムの原料粉末を固めた後に電気炉等を用いて高温で焼成し焼結反応によりセラミックスに硬化する方法と、リン酸カルシウムの原料粉末に水等を添加して、セメントや石膏と同様に水和反応によって硬化させる方法がある。【０００４】  焼結反応によってリン酸カルシウム化合物を成分とする人工骨の製法には、リン酸カルシウム微粉末に解膠剤（気泡安定剤）を水溶液にしたものを添加し混合し、この混合液に起泡剤（界面活性剤）を添加して微細な空孔を有するスラリ状の多孔性流動体を調整し、この多孔性流動体を乾燥処理することによりリン酸カルシウムの骨格を有するリン酸カルシウム多孔形成体を作成し、その後、このリン酸カルシウム多孔形成体を電気炉などを用いた焼成により前期解膠剤と起泡剤を分解消失させ、１０００〜１３００℃まで昇温させて焼結によりセラミックスとし、リン酸カルシウム化合物の内部に気孔を持ったリン酸カルシウム多孔体を製造する方法を挙げることができる。この場合、１００〜４００μｍの気孔を持った多孔体を作製することが可能である。（特許文献１）【０００５】  或いは、焼結反応によるリン酸カルシウム多孔体の製造方法の別な例としては、ワックス系バインダーを含有しリン酸カルシウム系セラミックスの微粉末からなる顆粒予成体を所定直径の顆粒になるように粉砕して顆粒状成形体を得る工程と、リン酸カルシウム系セラミックスの微粉末からなる水性発泡スラリに前期顆粒状成形体が分散するように混合する工程と、前期顆粒状成形体を混合した前期水性発泡スラリを所望形状の型に流し込んだ後、乾燥させて焼成する工程を具備することを特徴とする生体材料の製造方法を挙げることができる。（特許文献２）【０００６】  水和反応によるリン酸カルシウム化合物の製法としては、第二リン酸カルシウムと、第四リン酸カルシウム及び／またはα−リン酸三カルシウムとの混合粉末に水を添加してスラリ状とし、その後水和反応により自己硬化をさせて水硬性のリン酸カルシウム化合物を得る方法がある。（例えばＦＣ  ＲＥＰＯＲＴ，ｖｏｌ．６（１９８８），ｐ４７５〜４８０「バイオセラミックスとしての水硬性アパタイト」）【０００７】  これらの方法で作られたリン酸カルシウム化合物の硬化体は生体との親和性に優れることから、人工骨や人工歯根等の生体材料として既に実用化されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開昭６３−４０７８２号  公報
【特許文献２】特開平５−２３７１７８号  公報
【特許文献３】特開平２−４４０５４号  公報
【特許文献４】特開２００１−３０９９７０  公報
【特許文献５】特開２００４−６７５４７  公報
【特許文献６】特開２００６−１５０４３１  公報
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】  しかしながら従来のリン酸カルシウム化合物は、外力に対して十分な強度が得られず脆いとの欠点があり、その結果、外科手術の際の生体への埋植時に、あるいは生体に埋植された後に折損や破損が生じていた。
【００１０】  また、多孔性流動体を所定の型に流し込み乾燥した後、電気炉等で１０００〜１３００℃の高温で焼成して、焼結によりセラミックスとする製造方法において、焼結前と焼結後では製品寸法に約１０％程度の収縮が生じることから、形状寸法にひずみが生じ、流し込みに用いた型に対する転写性が悪くなり、焼結後の製品には仕上げ工程としての２次加工の必要があり、コストの上昇をまねいていた。
【００１１】  この欠点を解決する従来技術として、リン酸四カルシウムとα−リン酸三カルシウムとの混合粉末体を水和反応で硬化させるときに、該混合粉末に炭素繊維などの線材を混入して補強することを特徴とする水硬性の自己硬化型リン酸カルシウムを挙げることができる。（特許文献３）
【００１２】  別な、従来技術として、アパタイトを主体とする水硬性の自己硬化型のマトリクス中に不織布または織布状の無機質繊維を充填してなることを特徴とする生体材料を挙げることができる。（特許文献４）
【００１３】  上記２方法で作成される水硬性のリン酸カルシウムは、水和反応によりハイドロキシアパタイトへ硬化し、非吸収性の生体材料となる。
【００１４】  また人工骨は、周囲の組織との親和性を保つために、材料内部に細胞が侵入し易いように気孔を持った多孔体であることが推奨されているが、上記２方法に用いられた水硬性の自己硬化型で作られたリン酸カルシウムでは、硬化後に気孔を形成するのが困難であり、直径１００〜４００μｍの気孔形状を持った多孔体とすることが出来なかったことが知られている。
【００１５】  これらのように水和反応による水硬性のリン酸カルシウムは、該材料内部に気孔を持たないため周囲組織との親和性が悪い材料となり、該材料内に炭素繊維や織布状の無機質繊維を混入あるいは充填して強度を高めても、人工骨としての有用性が低い生体材料となる。
【課題を解決するための手段】
【００１６】  本発明は、リン酸カルシウム微粉末を焼結させてリン酸カルシウム多孔体を製造する際に、該リン酸カルシウム微粉末に液状の解膠剤（気泡安定剤）と起泡剤（界面活性剤）を混ぜて撹拌混合にて起泡して多孔性流動体を調整し、多孔性流動体を鋳込むため外枠型を用意し、ここで該外枠型はリン酸カルシウム多孔体が焼結後に所望の形を持った形状となるように計画された形を呈している、少なくとも２本以上の純チタン又はチタン合金製の金属線材を予め決められた形状に加工し、加工された該金属線材を外枠型に設置し、外枠型の内部に該多孔性流動体を該金属線材のほぼ全体が埋入するように流し込み、流し込まれた多孔性流動体を乾燥させリン酸カルシウムの躯体を有する乾燥体とし、外枠型から該乾燥体を取り出し、該乾燥体を電気炉などを用いて３００℃／ｈｒ程度の昇温速度で焼成し、前期解膠剤と起泡剤を分解消失させ、１０００〜１３００℃程度まで昇温してセラミックスに焼結し、リン酸カルシウム多孔体内部に金属線材が埋入されて一体となった複合生体材料とする。
【００１７】  前記において、純チタンまたはチタン合金製の金属線材の加工とは、金属線材の曲げ加工や金属線材同志の溶接、金属線材同志の結束を含むものである。
【００１８】  前記の多孔性流動体の内部に純チタン又はチタン合金製の金属線材が埋入された状態において、該金属線材の溶接部や結束分を除いて、該金属線材同志の隙間が１．２ｍｍ以上となるような位置関係で金属線材を配置する。
【００１９】  前記の純チタン又はチタン合金製の金属線材の表面に、あらかじめハイドロキシアパタイトの薄膜コーティングを行ったものでもよく、これによってリン酸カルシウムと金属線材との密着強度を増すことができ、剥離防止ができる。
【００２０】  前記において、金属線材の埋入する方法として、多孔性流動体を外枠型に流し込み、多孔性流動体が乾燥硬化する前に、多孔性流動体の内部に金属線材を浸漬させる方法でも良い。
【００２１】  前期において、外枠型を加熱により分解あるいは消失される素材で作成した場合は、外枠型ごと、電気炉等で加熱することができる。
【００２２】  ここで用いる純チタンあるいはチタン合金製の金属線材の直径が０．２１ｍｍよりも細いと該多孔性流動体に埋入するときに変形してしまい、金属線材を予め決められた形状に保った状態で埋入するのが困難であり、また直径が２．６ｍｍより太い場合は該金属線材を曲げる必要が出た時に曲げ加工が困難である。従って、金属線材の太さは０．２１ｍｍ以上で２．６ｍｍ以下がよい。
【００２３】  リン酸カルシウム微粉末の質量をＷｐ、該金属線材の質量をＷｔとした場合の質量比をＷｔ／Ｗｐとした場合、Ｗｔ／Ｗｐが３％より低いと、金属線材を埋入した十分な効果が得られず、Ｗｔ／Ｗｐが５０％より高いと気孔の分布が均一とならず、製造することが困難である。従って、質量比Ｗｔ／Ｗｐは３％以上で５０％以下とするのが良い。
【００２４】  ここで用いる純チタンあるいはチタン合金製の金属線材の断面形状は円形に限定されず、異形断面を持った金属線材でもよい。
【００２５】  リン酸カルシウムと、純チタンあるいはチタン合金製の金属線材の高温領域での熱膨張係数はほぼ近似の値であるため、さらに高温領域では該金属線材の縦弾性係数（ヤング率）が低下するため、電気炉等による常温から１０００〜１３００℃までの温度変化において熱膨張率の違いによるクラックや異種材料間の剥離等の問題発生も起きにくい。
【発明の効果】
【００２６】  リン酸カルシウム微粉末に液状の解膠剤（気泡安定剤）と起泡剤（界面活性剤）を混ぜてスラリ状の多孔性流動体を調整し、該多孔性流動体に純チタンあるいはチタン合金製の金属線材を埋入し、その後、この多孔性流動体を乾燥処理することにより乾燥体を作製し、この乾燥体を電気炉など焼成してセラミックスとすることで、気孔径１００〜４００μｍの気孔を有しながら、金属線材と一体となったリン酸カルシウム多孔体の複合生体材料ができた。
【００２７】  リン酸カルシウム多孔体に純チタンあるいはチタン合金製の金属線材を埋入させることで、焼結後のセラミックスの躯体の強度が向上し、その結果、生体への埋植時に、あるいは生体に埋植した後に生じる折損や破損を減らせる、従来品よりも強度のあるリン酸カルシウム多孔体の複合生体材料ができた。
【００２８】  リン酸カルシウム粉末に解膠剤や起泡剤を添加し混合撹拌して得られた多孔性流動体を、純チタンあるいはチタン合金製の金属線材を予め決められた形状に加工し、該金属線材を予め用意した外枠型に設置し、ここで該外枠型はリン酸カルシウム多孔体が焼結後に所望の形を持った形状となるように計画された形を呈している、該外枠型の内部に該多孔性流動体を流し込み、流し込まれた多孔性流動体を乾燥させて乾燥体とし、該乾燥体を電気炉で焼成してセラミックスに焼結したリン酸カルシウム多孔体を、焼成前と焼成後の形状を測定した結果、収縮率が小さく、流し込みに使用した外枠型に対する転写性が良く、焼結後の２次加工を減らせることを特徴とする金属線材が埋入されたリン酸カルシウム多孔体の複合生体材料ができた。
【００２９】  多孔性流動体の内部に純チタン又はチタン合金製の金属線材が埋入された状態において、金属線材同志の隙間が１．２ｍｍ以上となるような位置関係で金属線材が配置されているため、金属線材によってリン酸カルシウム多孔体が分断されて亀裂が入ることを防ぐことができた。
【００３０】  リン酸カルシウム多孔体がβ−リン酸三カルシウムの多孔体の場合、該複合生体材料で作られた人工骨は生体に補填後に吸収されて自家骨に置換されるが、その過程で新生骨の血管あるいは毛細血管が発現し人工骨内部まで進展されるが、該人工骨の内部に埋入された金属線材同志の隙間が１．２ｍｍ以上あるため、進展が容易で新生骨再生の支障とならない。これによって新たに生体内に作られた新生骨の内部に該金属線材が埋入された状態となり、新生骨を補強することが期待できる。
【実施例１】
【００３１】  粒径が０．３μｍ以下のβ−リン酸三カルシウム微粉末１０ｇに解膠剤として１０％ポリアクリル酸アンモニウム塩を１０ｃｃ加えて混合した。つづいて、起泡剤としてポリオキシエチレンノニルファニルエーテルを１．８ｇ添加した後、攪拌機を用いて均一に起泡するように混合攪拌し多孔性流動体とした。直径０．６ｍｍの純チタンの金属線材を４本用意し、図２の形状を持った厚紙製の外枠型の内部に設置した。この外枠に多孔性流動体を流し込み、ひきつづき恒温恒湿槽に入れ、４０℃の雰囲気中で２０時間乾燥した。乾燥後、外枠型から乾燥体を取り外し、該乾燥体をアルミナ製容器に移し、３００℃／毎時の昇温速度で３００℃まで昇温し、３００℃で２時間の滞留を行い、その後３００℃／毎時の昇温速度で１０００℃まで昇温し、１０００℃で４０分間保持し焼結を行なった。【００３２】  焼結後のβ−リン酸三カルシウムのセラミックスは気孔径が１００〜４００μｍで気孔率が７５％の多孔体で、内部に純チタンの金属線が埋入されていた。また、Ｘ線回折の結果、かかる多孔体は出発原料と同じβ−リン酸三カルシウムの結晶構造を有していた。【００３３】  該多孔体の両端を保持して、真中に負荷をかけて曲げ試験を行ったところ、金属線材を埋入しない物と比較して、強度が高まった。また、焼結後の形状寸法が安定し２次加工を必要としなかった。
【実施例２】
【００３４】  全体の製造工程は実施例１と同じで、外枠型は焼結後の躯体形状が図３の形状になるように計画された形で作られ、その内部に曲げ加工を加えた直径０．８ｍｍのチタン合金製の金属線材４本を、多孔性流動体に埋入させた後、乾燥後に焼成して、リン酸三カルシウム多孔体とチタン金属線材が一体化した複合生体材料とした。
【実施例３】
【００３５】  全体の製造工程は実施例１と同じで、直径１．２ｍｍの純チタン製の金属線材に曲げ加工を加え、それを３０°間隔で１２本を円筒状に配置し、上下に輪状の金属線材を溶接することにより、全体が１個の円筒形状をなすケージ状（カゴ状）に加工した線材を用い、多孔性流動体に埋入させた後、乾燥後に焼成することにより、リン酸三カルシウム多孔体とチタン金属線材製ケージが一体化した複合生体材料とした。図４に形状を示す。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】  実施例１の製造工程例
【図２】  実施例１のＰＬＦスティックの外枠型と製品
【図３】  実施例２の棘突起スペーサと金属線材図
【図４】  実施例３の２椎間スペーサと金属線材図
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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