(57)【要約】【課題】強誘電体セラミックスが有する高誘電率を損なわず、かつ生体親和性を備えた生体親和性圧電材料構造物を提供する。【解決手段】強誘電体セラミックスシートを、緩衝シート層を介してＨＡｐセラミックスシートで被覆する圧電構造体として生体親和性圧電材料構造物を構成した。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
比誘電率が１００以上である強誘電体セラミックスを、緩衝層を介して生体親和素材で被覆した生体親和性圧電材料構造物。
【請求項２】
前記緩衝層が強誘電体セラミックスと生体親和素材の混合物からなることを特徴とする請求項１に記載の生体親和性圧電材料構造物。
【請求項３】
前記強誘電体セラミックスがニオブ酸リチウム、ニオブ酸ナトリウム、ニオブ酸カリウムのいずれか、又はその組み合わせからなる強誘電体セラミックスからなり、前記生体親和素材がハイドロキシアパタイト（ＨＡｐ）からなることを特徴とする請求項２に記載の生体親和性圧電材料構造物。
【請求項４】
前記強誘電体セラミックスがニオブ酸リチウムナトリウムカリウム固溶体（ＬＮＫＮ）からなることを特徴とする請求項３に記載の生体親和性圧電材料構造物。
【請求項５】
前記緩衝層の化学組成がモル比としてＬＮＫＮ：ＨＡｐ＝１：１から９：１の範囲であることを特徴とする請求項４に記載の生体親和性圧電材料構造物。
【請求項６】
前記緩衝層の化学組成がモル比としてＬＮＫＮ：ＨＡｐ＝６：１から８：１の範囲であり、比誘電率500■600、誘電正接0■0.1であることを特徴とする請求項５に記載の生体親和性圧電材料構造物。
【請求項７】
前記緩衝層の化学組成がモル比としてＬＮＫＮ：ＨＡｐ＝７：１であり、縦方向圧電歪み定数d33＝100pC/N以上であることを特徴とする請求項６に記載の生体親和性圧電材料構造物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生体親和性を備えた生体親和性圧電材料構造物に関し、例えば再生医療分野における骨補填材料に用いて好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
人工歯根や人工関節などの硬組織代替材料としてチタン系合金上にハイドロキシアパタイト（以下、ＨＡｐと称する）を形成することによって生体親和性を付与し、骨融合性を改善する研究が広く行われている。一方、損傷した骨部位の再生を図るためには、採骨による自家移植以外に、骨髄液を増殖・分化した骨芽細胞を市販の人工骨材料に正着させて結合する方法、あるいはＨＡｐ系生体親和材料を骨補填材料として使用する方法などが提案されている。特に後者の手法は仮骨形成に必要な時間を短縮する目的で、圧電材料と組み合わせて用いる手法がよく知られている（非特許文献１）。これは自然骨自体が圧電性を有しており、圧電性をもつ人工材料を骨接合部分に埋入することによって電気的な刺激を与える結果、生体内の細胞が骨形成に必要な無機イオン及びタンパク質を圧電体表面に迅速に誘導・吸着して新骨形成とその成長促進に作用するためである。
【０００３】
そこで、特許文献１、２では生分解性のポリ乳酸を一軸延伸して圧電性高分子と成し、安全性の高い医用材料として骨形成促進材を提案している。また、特許文献３、４においては強誘電性のチタン酸バリウム等のセラミック素材を用いた骨形成促進材に関して言及している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平６−１４２１８２号公報
【特許文献２】特開平６−１４２１８４号公報
【特許文献３】特開平１０−１３２４５８４号公報
【特許文献４】特開２００１−１８７１３３号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】J.J. Ficat et al., “Piezoelectric Induction of Bone Formation: Ultrastructural Observations”, Ferroelectrics, Vol. 60, pp.313-321 (1984)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、生分解性を有する圧電性高分子は生体内での安全性は比較的高いと推定されるも、誘電率が低く、電気的な刺激が弱いため、仮骨の早期形成は期待しにくい。なぜなら、誘電率が高いほど、無機イオンやタンパク質が付着しやすくなるためである。一方、強誘電体セラミック素材は誘電率に優れているものの、生体親和性に乏しく、細胞組織や骨組織との接合や反応性における問題点が懸念されるがその検討例は見当たらない。また、上記の特許文献３、４ではＨＡｐセラミックスそのものを骨形成促進材として提案しているが、ＨＡｐは強誘電体セラミックスではなく誘電率が低いため、やはり仮骨の早期形成は期待し難いと言える。
【０００７】
本発明は、上記問題に鑑みたもので、強誘電体セラミックスが有する高誘電率を損なわず、かつ生体親和性を備えた生体親和性圧電材料構造物を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、比誘電率が１００以上である強誘電体セラミックスを、緩衝層を介して生体親和素材で被覆した生体親和性圧電材料構造物を特徴としている。
【０００９】
このことにより、強誘電体セラミックスが有する高誘電率を損なわず、かつ生体親和性を備えたものとすることができる。
【００１０】
緩衝層としては、請求項２に記載の発明のように、強誘電体セラミックスと生体親和素材の混合物からなるものとすることができる。この場合、請求項３に記載の発明のように、強誘電体セラミックスがニオブ酸リチウム、ニオブ酸ナトリウム、ニオブ酸カリウムのいずれか、又はその組み合わせからなる強誘電体セラミックスからなり、生体親和素材がハイドロキシアパタイト（ＨＡｐ）からなるものとすることができる。また、請求項４に記載の発明のように、強誘電体セラミックスがニオブ酸リチウムナトリウムカリウム固溶体（ＬＮＫＮ）からなるものとした場合、請求項５に記載の発明のように、緩衝層の化学組成がモル比としてＬＮＫＮ：ＨＡｐ＝１：１から９：１の範囲であるのが好ましい。さらに、請求項６に記載の発明のように、緩衝層の化学組成がモル比としてＬＮＫＮ：ＨＡｐ＝６：１から８：１の範囲であり、比誘電率500■600、誘電正接0■0.1であることが好ましい。さらに、請求項７に記載の発明のように、緩衝層の化学組成がモル比としてＬＮＫＮ：ＨＡｐ＝７：１であり、縦方向圧電歪み定数d33＝100pC/N以上であることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態に係る生体親和性圧電材料構造物の構成を示す概要図である。
【図２】本発明の実施例１から７および比較例１の外観図である。
【図３】積層シート間を拡大した断面部の電子顕微鏡写真図である。
【図４】本発明の実施例１から７の分極履歴曲線の実測図である。
【図５】本発明の実施例１から７の誘電率と誘電損失の実測図である。
【図６】本発明の実施例１から７の縦方向圧電歪み定数d33の実測図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に、本発明の実施の形態に係る生体親和性圧電材料構造物について詳細に説明する。この生体親和性圧電材料構造物は、高誘電率な強誘電体セラミックスを生体親和素材で被覆した圧電構造体であり、これに電界を加えた場合に誘電特性が劣化しないことを特徴として有し、再生医療分野における骨補填材料に用いて好適なものである。
【００１３】
図１に、この実施形態に係る生体親和性圧電材料構造物の構成を示す。生体親和性圧電材料構造物は、強誘電体セラミックスシート層、緩衝シート層、ＨＡｐセラミックスシート層によって概略構成されている。つまり、この生体親和性圧電材料構造物は、高誘電率（比誘電率が１００以上）な強誘電体セラミックスを、緩衝層を介してＨＡｐセラミックスで被覆する圧電構造体となっている。この構造体によれば、強誘電体セラミックスとＨＡｐセラミックスが直接に接していないため、熱処理合成中の熱収縮差に起因するひび割れや剥離が発生することなく、両者間の密着および結合が維持可能となる。さらに、緩衝層は強誘電体セラミックスとＨＡｐセラミックス間の化学組成の相互拡散を防止する役割も果たすことができる。したがって、強誘電体セラミックスが有する高誘電率を損なわず、これに起因した大きな電気的な刺激を外表面のＨＡｐセラミックスに与えることが可能となり、最表面に生体親和性を備えた圧電材料が提供可能となる。
【００１４】
なお、この実施形態に係る生体親和性圧電材料構造物では、人体に与える影響を考慮し、例えば鉛(Pb)成分などの有害懸念物質を化学組成に含まず、圧電特性に優れたニオブ系無鉛圧電セラミックスを強誘電体セラミックスシート層として用いている。すなわち、強誘電体セラミックスとして、ニオブ酸リチウム、ニオブ酸ナトリウム、ニオブ酸カリウムのいずれか、又はその組み合わせからなるものとしている。また、生体親和素材としては、ＨＡｐを用いているが、それ以外にチタンを部分固溶したＨＡｐとしてもよい。
【００１５】
以下、図示する実施例に基づいて本発明を詳細に説明する。本実験ではニオブ酸リチウムナトリウムカリウム固溶体Li0.06(Na0.5K0.5)0.94NbO3（以下、ＬＮＫＮと称する）を強誘電体セラミックスシート層として用いた。その原料粉末として、炭酸リチウムLi2CO3(純度99.99%)、炭酸ナトリウムNa2CO3(同99.99%)、炭酸カリウムK2CO3(同99.99%)及び五酸化ニオブNb2O5(同99.99%)を式量に一致するように秤量し、これらを混合した粉末をジルコニアボール(直径5mmφ)およびアセトン溶媒の体積比がそれぞれ1:1:1となるようにポリエチレン製ポットに装填し、ボールミル粉砕混合を24時間実施した。得られたスラリーを1日乾燥した後、アルミナ製坩堝に装填し、加熱温度850oCで10時間焼成した。次に、得られた焼成粉をジルコニアボール(直径3mmφ)およびアセトン溶媒を用いて遊星ボールミル粉砕した。粉砕粉を篩い分けしたのち、これに結合剤（オリコックスKC-7025T、共栄社化学製）とエタノールを加えて自動攪拌機(あわとり錬太郎ARE-310、シンキー製)を用いて撹拌及び脱泡を行ない、ＬＮＫＮスラリーを作製した。本スラリーをポリエチレンフィルム上に流動させ、キャスティングスピード2cm/sec、ブレード高さ200mmの条件によってドクターブレード法によるシート成形を施した。
【００１６】
一方、ＨＡｐスラリーは試験研究用ＨＡｐ粉末（キシダ化学製）に上記の結合材とエタノールを混合して、同様な撹拌および脱泡操作を経て作製し、ドクターブレード法によるシート成型を施した。さらに、ＬＮＫＮスラリーとＨＡｐスラリーを後述の所定量となるように混合してスラリーを作製し、同様にドクターブレード法によるシート成形を施して緩衝シートを作製した。
（実施例１）
各シートを15mm角に切断し、図１に示すように、底面から順にＨＡｐセラミックスシート（10シート）、緩衝シート（10シート）、強誘電体セラミックスシート（40シート）、緩衝シート（10シート）、ＨＡｐセラミックスシート（10シート）、の順として厚み方向に鏡面対称型となるように積層した。この際、緩衝シート組成をモル比でＬＮＫＮ／ＨＡｐ＝１：１とした。この積層体を22MPaで圧着し、800oCで２時間加熱して有機成分からなる結合材を除去し、次にこの積層体を200MPaで冷間等方圧プレスし、1082oC で2時間加熱して構造体を得た。その構造体の厚み方向に3kV/cmの直流電界を印加して、分極処理を施して生体親和性圧電材料を作製した。
（実施例２）
各シートを15mm角に切断し、図１に示すように、底面から順にＨＡｐセラミックスシート（10シート）、緩衝シート（10シート）、強誘電体セラミックスシート（40シート）、緩衝シート（10シート）、ＨＡｐセラミックスシート（10シート）、の順として厚み方向に鏡面対称型となるように積層した。この際、緩衝シート組成をモル比でＬＮＫＮ／ＨＡｐ＝３：１とした。この積層体を22MPaで圧着し、800oCで２時間加熱して有機成分からなる結合材を除去し、次にこの積層体を200MPaで冷間等方圧プレスし、1082oC で2時間加熱して構造体を得た。その構造体の厚み方向に3kV/cmの直流電界を印加して、分極処理を施して生体親和性圧電材料を作製した。
（実施例３）
各シートを15mm角に切断し、図１に示すように、底面から順にＨＡｐセラミックスシート（10シート）、緩衝シート（10シート）、強誘電体セラミックスシート（40シート）、緩衝シート（10シート）、ＨＡｐセラミックスシート（10シート）、の順として厚み方向に鏡面対称型となるように積層した。この際、緩衝シート組成をモル比でＬＮＫＮ／ＨＡｐ＝５：１とした。この積層体を22MPaで圧着し、800oCで２時間加熱して有機成分からなる結合材を除去し、次にこの積層体を200MPaで冷間等方圧プレスし、1082oC で2時間加熱して構造体を得た。その構造体の厚み方向に3kV/cmの直流電界を印加して、分極処理を施して生体親和性圧電材料を作製した。
（実施例４）
各シートを15mm角に切断し、図１に示すように、底面から順にＨＡｐセラミックスシート（10シート）、緩衝シート（10シート）、強誘電体セラミックスシート（40シート）、緩衝シート（10シート）、ＨＡｐセラミックスシート（10シート）、の順として厚み方向に鏡面対称型となるように積層した。この際、緩衝シート組成をモル比でＬＮＫＮ／ＨＡｐ＝６：１とした。この積層体を22MPaで圧着し、800oCで２時間加熱して有機成分からなる結合材を除去し、次にこの積層体を200MPaで冷間等方圧プレスし、1082oC で2時間加熱して構造体を得た。その構造体の厚み方向に3kV/cmの直流電界を印加して、分極処理を施して生体親和性圧電材料を作製した。
（実施例５）
各シートを15mm角に切断し、図１に示すように、底面から順にＨＡｐセラミックスシート（10シート）、緩衝シート（10シート）、強誘電体セラミックスシート（40シート）、緩衝シート（10シート）、ＨＡｐセラミックスシート（10シート）、の順として厚み方向に鏡面対称型となるように積層した。この際、緩衝シート組成をモル比でＬＮＫＮ／ＨＡｐ＝７：１とした。この積層体を22MPaで圧着し、800oCで２時間加熱して有機成分からなる結合材を除去し、次にこの積層体を200MPaで冷間等方圧プレスし、1082oC で2時間加熱して構造体を得た。その構造体の厚み方向に3kV/cmの直流電界を印加して、分極処理を施して生体親和性圧電材料を作製した。
（実施例６）
各シートを15mm角に切断し、図１に示すように、底面から順にＨＡｐセラミックスシート（10シート）、緩衝シート（10シート）、強誘電体セラミックスシート（40シート）、緩衝シート（10シート）、ＨＡｐセラミックスシート（10シート）、の順として厚み方向に鏡面対称型となるように積層した。この際、緩衝シート組成をモル比でＬＮＫＮ／ＨＡｐ＝８：１とした。この積層体を22MPaで圧着し、800oCで２時間加熱して有機成分からなる結合材を除去し、次にこの積層体を200MPaで冷間等方圧プレスし、1082oC で2時間加熱して構造体を得た。その構造体の厚み方向に3kV/cmの直流電界を印加して、分極処理を施して生体親和性圧電材料を作製した。
（実施例７）
各シートを15mm角に切断し、図１に示すように、底面から順にＨＡｐセラミックスシート（10シート）、緩衝シート（10シート）、強誘電体セラミックスシート（40シート）、緩衝シート（10シート）、ＨＡｐセラミックスシート（10シート）、の順として厚み方向に鏡面対称型となるように積層した。この際、緩衝シート組成をモル比でＬＮＫＮ／ＨＡｐ＝９：１とした。この積層体を22MPaで圧着し、800oCで２時間加熱して有機成分からなる結合材を除去し、次にこの積層体を200MPaで冷間等方圧プレスし、1082oC で2時間加熱して構造体を得た。その構造体の厚み方向に3kV/cmの直流電界を印加して、分極処理を施して生体親和性圧電材料を作製した。
（比較例１）
各シートを15mm角に切断し、底面から順にＨＡｐセラミックスシート（10シート）、強誘電体セラミックスシート（40シート）、ＨＡｐセラミックスシート（10シート）、の順として厚み方向に鏡面対称型となるように積層した。すなわち、緩衝シートを全く使用しなかった。この積層体を22MPaで圧着し、800oCで２時間加熱して有機成分からなる結合材を除去し、次にこの積層体を200MPaで冷間等方圧プレスし、1082oC で2時間加熱して構造体を得た。その構造体の厚み方向に3kV/cmの直流電界を印加して、分極処理を施して生体親和性圧電材料を作製した。
【００１７】
図２に、製作した実施例１から７および比較例１の外観図を示す。比較例１のように緩衝シートを全く使用しない場合には、強誘電体セラミックスシートとＨＡｐセラミックスシートが全く密着しておらず、熱収縮差に起因して剥離および欠けが顕著に観察される。一方、緩衝シートを使用した場合、その化学組成においてＬＮＫＮ／ＨＡｐ＝３：１（実施例２）、５：１（実施例３）、６：１（実施例４）、または７：１（実施例５）とした場合には、端部から中央部分に至るまで全面的に密着性が優れることが観察された。しかし、ＬＮＫＮ／ＨＡｐ＝１：１（実施例１）、８：１（実施例６）または９：１（実施例７）のように極端に一方の組成比率を高めた場合には、構造体の端部において亀裂または一部剥離等が確認できた。
【００１８】
図３に、積層シート間を拡大した断面部の電子顕微鏡写真図を示す。緩衝シートを利用した結果、各層間が強固に密着していることを微視的に確認した。さらに最表面部は平均粒径約２ミクロンのＨＡｐ粒子によって密に被覆されていることも確認した。
【００１９】
図４に、製作した実施例１から７の分極履歴曲線の実測図を示す。緩衝シート組成比をＬＮＫＮ／ＨＡａ＝１：１（実施例１）、３：１（実施例２）、または５：１（実施例３）とした場合には、導電性を示す分極履歴曲線を示した。これは緩衝シート上下で強誘電体セラミックスとＨＡｐセラミックスの構成元素の相互拡散が生じたため、強誘電体特性が劣化したことを意味する。一方、緩衝シート組成比をＬＮＫＮ／ＨＡａ＝６：１（実施例４）、７：１（実施例５）、８：１（実施例６）、または９：１（実施例７）とした場合には、飽和特性に優れたＳ字状の分極履歴曲線を示し、ＬＮＫＮセラミックスが有する優れた強誘電体特性をそのまま維持していることが確認できる。すなわち、当該組成物の緩衝シート層が強誘電体セラミックスとＨＡｐセラミックス間の化学組成の相互拡散を防止する役割を果たした。
【００２０】
図５に、製作した実施例１から７の誘電率と誘電損失の実測図を示す。緩衝シート組成比をＬＮＫＮ／ＨＡａ＝１：１（実施例１）、３：１（実施例２）、または５：１（実施例３）とした場合には、比誘電率700以上の大きな誘電率を示すことが確認された。しかし、同時に0.2を超える誘電正接が計測されることから、誘電損失が大きいことが推測できる。一方、緩衝シート組成比をＬＮＫＮ／ＨＡａ＝６：１（実施例４）、７：１（実施例５）、８：１（実施例６）、または９：１（実施例７）とした場合には、比誘電率500以上、誘電正接0.1未満のすぐれた高誘電率特性を示すことが確認できた。すなわち、当該組成物の緩衝シート層が強誘電体セラミックス部分の高誘電率・低損失の特徴を維持する役割を果たした。したがって、この図５に示す効果を得、かつ構造体の端部において亀裂または一部剥離等が無いようにするには、緩衝シート組成比をＬＮＫＮ／ＨＡａ＝６：１〜８：１の範囲とするのが良い。
【００２１】
図６に、製作した実施例１から７の縦方向圧電歪み定数d33の実測図を示す。すべての実施例において高い圧電特性を示しているが、好ましくは緩衝シート組成比をＬＮＫＮ／ＨＡａ＝６：１（実施例４）、７：１（実施例５）、または８：１（実施例６）とした場合に70pC/N以上の優れた値が得られ、より好ましくは緩衝シート組成比をＬＮＫＮ／ＨＡａ＝７：１（実施例５）にした場合に100pC/Nを超過する104pC/Nを示し、圧電特性が最も優れた。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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