(57)【要約】 【課題】  表面に血小板付着抑制機能及び血栓形成抑制機能を発揮する処置が施された金属材料を提供する。【解決手段】  チタンまたはチタン合金に電解処理を施すことによって表面に存在する酸化被膜が更に酸化され、血小板数を１．０×１０５cells／μＬに調整しこれに凝固速度を制御するために塩化カルシウムを１．９６×１０−２mol／Ｌ添加した溶液を用いた血小板付着試験によりフィブリンネットワークの形成が抑制される。    【選択図】    図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
チタンまたはチタン合金に電解処理を施すことによって、血小板数を１．０×１０５cells／μＬに調整し、これに凝固速度を制御するために塩化カルシウムを１．９６×１０−２mol／Ｌ添加した血漿に５分間浸漬する血小板付着試験により、フィブリンネットワークの形成が認められないことを特徴とする金属材料。
【請求項２】
請求項１に記載の金属材料において、前記チタン合金はチタン−アルミニウム−バナジウム合金であることを特徴とする金属材料。
【請求項３】
請求項１に記載の金属材料において、前記チタン合金はチタン−アルミニウム−ニオブ合金であることを特徴とする金属材料。
【請求項４】
請求項１に記載の金属材料において、前記チタン合金はチタン−ニッケル合金であることを特徴とする金属材料。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４に記載の金属材料において、前記電解処理には１０vol％〜４０vol％のグリセリンと０．１vol％〜８０vol％の乳酸と水（残部）とからなる処理液を用いることを特徴とする金属材料。
【請求項６】
請求項1乃至請求項５のいずれかに記載の金属材料を用いたことを特徴とする血栓形成抑制材料。
【請求項７】
請求項1乃至請求項５のいずれかに記載の金属材料を用いたことを特徴とする血小板付着抑制材料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面に血小板付着抑制機能及び血栓形成抑制機能を発揮する処置が施された金属材料に関する。
【背景技術】
【０００２】
チタン合金のうち、例えば、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金およびＴｉ−６Ａｌ−７Ｎｂ合金は良好な機械的特性、耐食性を備えているため、ボーンプレート、人工関節のステム、人工歯根、義歯床などに利用されている。また、Ｔｉ−Ｎｉ合金は循環器系では管腔拡張用ステントやガイドワイヤー、歯科では歯列矯正用ワイヤーや根管治療用具などとして利用されている。
【０００３】
上記Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金、Ｔｉ−６Ａｌ−７Ｎｂ合金およびＴｉ−Ｎｉ合金に含まれるバナジウム（Ｖ）およびニッケル（Ｎｉ）は細胞毒性、発ガン性、アレルギー性が懸念される成分である。
【０００４】
特許文献１には、１０〜４０vol％のグリセリンと０．１〜８０vol％の乳酸と水（残部）とで構成する電解質溶液中でチタン−ニッケル合金を電解処理することで、表面にニッケルの割合が内部に比べて少なくなり良好な耐食性を示す改質層を形成する方法が開示されている。
【０００５】
特許文献２には、血管の内部に挿入した後に拡径することで、血管の収縮を阻止するメッシュ状の筒体（ステント）の材料としてチタン−ニッケル合金を用いることが開示されている。また特許文献３および４では、表面処理によってチタン−ニッケル合金の表面酸化皮膜中のニッケル濃度を低下させることが開示されている。
【０００６】
例えば非特許文献１には、チタン−ニッケル合金やオーステナイト型ステンレス鋼には金属アレルギーの原因物質としてニッケルが問題視されていることが記載され、更に当該問題を解決する手段として、加熱（１２００℃）した熱処理炉内で窒素ガスと接触（２時間）させることで、１重量％程度の窒素を合金に吸収させることが提案されている。この非特許文献１ではニッケルの代わりに窒素で力学的強度と耐食性が向上すると記載されている。
【０００７】
【特許文献１】ＷＯ２００７／０１８１８９
【特許文献２】特表２００１−５１６２６０号公報
【特許文献３】米国  ２００４／０１１７００１公開公報
【特許文献４】ＷＯ  ２００４／１０８９８３パンフレット
【非特許文献１】研究論文「安価でアレルギー性の低い歯科部材の共同開発を開始」平成１５年１２月４日：独立行政法人物質・材料研究機構
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金、Ｔｉ−６Ａｌ−７Ｎｂ合金またはＴｉ−Ｎｉ合金などのチタン合金は、血管内ステント、ステントグラフト、人工心臓、人工弁、循環器系のインプラント材としての利用が考えられているが、金属と血液との接触によって惹起される血栓形成は重篤な塞栓症などの原因になり、臨床的な予後を直接左右する大きな課題である。
上記した特許文献１〜４及び非特許文献１では、血小板付着及び血栓形成と金属表面に関する解明は何らなされていない。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の課題を解決するため、本発明に係る金属材料は、チタンまたはチタン合金に電解処理を施すことによって血小板数を１．０×１０５cells／μＬに調整しこれに凝固速度を制御するために塩化カルシウムを１．９６×１０−２mol／Ｌ添加した血漿に５分間浸漬する血小板付着試験によりフィブリンネットワークの形成が認められない特性を有する。
【００１０】
表面に存在する酸化被膜が更に酸化され、表面の水酸基（ＯＨ−）が減少することがフィブリンネットワークの形成が阻害され、血小板付着抑制機能及び血栓形成抑制機能が発揮される一因であると推察される。
【００１１】
チタン合金としては、チタン−アルミニウム−バナジウム合金（Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ）、チタン−アルミニウム−ニオブ合金（Ｔｉ−６Ａｌ−７Ｎｂ）またはチタン−ニッケル合金（Ｔｉ−Ｎｉ）についての効果が実証されている。
【００１２】
前記電解処理には１０vol％〜４０vol％のグリセリンと０．１vol％〜８０vol％の乳酸と水（残部）とからなる処理液を用いるのが好ましい。
電解処理液を構成する物質の割合については上記範囲以外の割合を検証したが、効果的であったのは上記の範囲であった。
【００１３】
この電解処理によって金属表面に水酸基（ＯＨ−）が減少した改質層が形成される。この改質層では、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）およびニッケル（Ｎｉ）の量が極端に少なくなっている。
また改質層は２．０ｎｍ以上の厚みで作製することができた。電解処理条件を変化させれば改質層の厚さを増やすことができると考えられる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係る金属材料のうちチタン合金は、表面の改質層中のバナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）およびニッケル（Ｎｉ）の量が極端に少なくなっているため、生体適合性が向上している。特に改質層表面の水酸基（ＯＨ−）が減少しているため、タンパク質と結合する官能基が少ないことが一因となり、フィブリンネットワークの形成が抑制され、血小板付着抑制機能及び血栓形成抑制機能を発揮する。
またチタンについても改質層表面の水酸基（ＯＨ−）が減少しているため、血小板付着抑制機能及び血栓形成抑制機能を発揮する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下に本発明の実施例を添付図面を参照しつつ説明する。図１は血小板粘着試験の概略構成を示す図である。
健康な提供者から採取したヒト全血に、０．３８％になるようにクエン酸ナトリウム溶液を加えて血液凝固を抑制し、遠心分離（２９３Ｋ、１１０Ｇ、０．９ｋｓ）して血球成分を分離し、上清に多数の血小板を含む画分を得た。この画分を多血小板血漿（ＰＲＰ）とした。残った血球成分を貧血小板血漿（ＰＰＰ）とした。血球係数機（ＰＣＥ-１７０、ＥＲＭＡＩＮＣ、ｊａｐａｎ）で両者の血小板数を計測した後、両者を適量混合することによって血小板数を、１．０×１０５ｃｅｌｌ／μＬに調整し、塩化カルシウムを１．９６×１０−２ｍｏｌ／Ｌになるように加え、凝固速度を制御した。血小板数を調整した溶液中に試料を浸漬して３１０Ｋで０．３ｋｓインキュベートし、ＰＢＳ（−）で３回洗浄後、２％グルタルアルデヒドに７．２ｋｓ室温で浸漬して固定した。グルタルアルデヒドを除き、ＰＢＳ（−）で３回リンスした後、３０、５０、７０、９０，１００％エタノールの順に浸漬して脱水し、２７７Ｋで一晩保管した。
【００１６】
血小板数を調整した溶液中に浸漬する試料は以下の通りである。
表面を機械研磨による鏡面仕上げ（ＭＰ）及び電解処理した、チタン（Ｔｉ）、チタン−アルミニウム−バナジウム合金（Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ）、チタン−アルミニウム−ニオブ合金（Ｔｉ−６Ａｌ−７Ｎｂ）及びチタン−ニッケル合金（Ｔｉ−Ｎｉ）。
【００１７】
チタン（Ｔｉ）はＪＩＳ２種（ニラコ）、チタン−アルミニウム−バナジウム合金（Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ）およびチタン−アルミニウム−ニオブ合金（Ｔｉ−６Ａｌ−７Ｎｂ）（いずれも大同特殊鋼）、チタン−ニッケル合金（Ｔｉ−Ｎｉ）はＮＴ-Ｅ４（古河電気工業、Ｔｉ-５０．８５mol％Ｎｉ）を用いた。また試験片は円板状（直径８ｍｍ、厚さ１．５ｍｍ）に切出した後、耐水研磨紙、ダイヤモンドペースト、コロイダルシリカを用いて試験面を研磨し、裏面は耐水研磨紙によって研磨した。この後アセトン、超純水で超音波洗浄（１０分間）を行った。
【００１８】
電解処理液としては、３５．７ｖol％のグリセリンと７．１vol％の乳酸と５７．２vol％の水を用いた。尚、各成分としては１０vol％〜４０vol％のグリセリンと０．１vol％〜８０vol％の乳酸を用いることができる。
【００１９】
電解処理条件は、上記の電解処理液７０ｍｌ中で、試験片を陽極、チタン（ＪＩＳ２種）を対極とし、陽極−対極間距離３５ｍｍ、電解電圧５０Ｖで１．８ｋｓ処理を行った。
【００２０】
図２はチタンに対する血小板付着試験の経時的変化を示す表面のＳＥＭ写真であり、（ａ）は機械研磨（ＭＰ）のみを行った試料、（ｂ）は本発明の電解処理を行った試料を示す。
（ａ）に示すように、血小板付着試験直後の研磨のみを施した試料の表面には、約４μｍの収縮した形状の血小板が多数粘着し、各血小板はフィブリンネットワークによって網状に覆われていた。
一方、（ｂ）に示すように本発明の電解処理を行った試料の表面には、血小板の付着数が少なく、フィブリンネットワークの形成は認められなかった。
【００２１】
このように、血小板の付着数が極端に減少したのは、電解処理を施すことによって表面に存在する酸化被膜が更に酸化され、血漿中のタンパク質を吸着する表面の水酸基（ＯＨ−）が減少したことが一因であると推察される。
【００２２】
図３（ａ）（ｂ）、図４（ａ）（ｂ）、図５（ａ）（ｂ）はそれぞれ上記と同様の血小板付着試験をチタン−ニッケル合金（Ｔｉ-５０．８５mol％Ｎｉ）、チタン−アルミニウム−バナジウム合金（Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ）、チタン−アルミニウム−ニオブ合金（Ｔｉ−６Ａｌ−７Ｎｂ）に行った結果を示すものであり、前記同様、本発明の電解処理を行った試料の表面には、血小板の付着数は極端に減少し、フィブリンネットワークの形成は認められなかった。
【００２３】
更なる試験として、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金及びＴｉ−６Ａｌ−７Ｎｂ合金について、上記の条件で電解処理した試料の、（１）ＸＰＳによる表面分析、（２）アノード分極による耐食性試験、（３）ＡＥＳによる表面分析を行った。以下に各結果を述べる。
【００２４】
（１）ＸＰＳによる表面分析
Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金のＸＰＳスペクトルを図６（ａ）に示した。電解処理を施していない試料では、Ｔｉ  ２ｐ  ＸＰＳスペクトルスペクトルのピークは金属状態を表すＴｉ0のピークと、表面酸化皮膜由来のＴｉ2+、Ｔｉ3+、Ｔｉ4+のピークが検出された。一方、電解処理を施した試料では、Ｔｉ4+のピークのみが検出された。
またＡｌ ２ｐ  ＸＰＳスペクトルについて、無処理の試料では、金属状態のＡｌ0のピークおよび表面酸化皮膜のＡｌ3+のピークが検出されたのに対して、本発明の電解処理（ＧＬＷ４）を施した試料からは、Ａｌ3+のピークのみが検出された。
Ｖ  ２ｐ  ＸＰＳスペクトルは無処理の試料からは金属状態のＶ0のピークおよび表面酸化皮膜のＶ2+のピークが検出されたが、本発明の電解処理を施すことでVに由来するピークは検出されなくなった。
【００２５】
Ｔｉ−６Ａｌ−７Ｎｂ合金のＸＰＳスペクトルを図６（ｂ）に示した。Ｔｉ  ２ｐ  ＸＰＳスペクトルについて、無処理の試料表面から、Ｔｉのピークは金属状態のＴｉ0、表面酸化皮膜のＴｉ2+、Ｔｉ3+、Ｔｉ4+のピークが検出された。一方、本発明の電解処理（ＧＬＷ４）を施した試料からは、Ｔｉ4+のピークのみ検出された。
Ａｌ  ２ｐ  ＸＰＳスペクトルについて、無処理の試料では、金属状態のＡｌ0のピークおよび表面酸化皮膜のＡｌ3+のピークが検出されたのに対して、本発明の電解処理を施した試料からは、Ａｌ3+のピークのみ検出された。
Ｎｂ  ３ｄ  ＸＰＳスペクトルは無処理の合金表面からは金属状態のＮｂ0のピーク、表面酸化皮膜のＮｂ2+、Ｎｂ4+、Ｎｂ5+のピークが検出されたが、本発明の電解処理（ＧＬＷ４）を施すことでＮｂに由来するピークは検出されなくなった。
【００２６】
表面酸化皮膜の元素の相対濃度については、いずれの合金においてもＴｉの相対濃度が増加し、Ａｌは減少した。電解処理によって形成した表面酸化皮膜はＸＰＳの検出深さ限界（６ｎｍ）以上であった。
【００２７】
（２）アノード分極試験
試料を２７．８ｍｍ２露出させ、対極に白金電極、参照極に飽和カロメル電極（ＳＣＥ）を用いて、ポテンショスタット（ＨＺ３０００、北斗電工）によって測定した。
Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ及びＴｉ−６Ａｌ−７Ｎｂ合金は３１０Ｋの０．９％ＮａＣｌ水溶液と３１０Ｋの１．０％乳酸の２通りの溶液中で試験を行った。測定は腐食電位を６００Ｓ測定した後、腐食電位からアノード側へ２０ ｍＶ ｍｉｎ-1の掃引速度で、試料に２Ｖまでアノード分極を行った。
【００２８】
Ｔｉ−６Ａｌ−４ＶおよびＴｉ−６Ａｌ−７Ｎｂ合金の０．９％ＮａＣｌ水溶液、または１.０％ 乳酸中のアノード分極曲線を図７に示す。図７（ａ）に示すように０．９％ＮａＣｌ水溶液中で、電解処理を施したＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金は、無処理のものと比較して腐食電位が高く、不動態保持電流密度が著しく減少した。
【００２９】
電解処理の有無にかかわらず、２Ｖまでのアノード分極試験では孔食の発生は観測されなかったが、無処理の分極曲線においては、１Ｖ以降で電流密度の急激な上昇を示した箇所が見られた。また、１Ｖ以降で電位の増加に伴って電流密度の増加が見られた。１．０％乳酸中では０．９％ ＮａＣｌ水溶液と比較して腐食し易い環境であると考えられるが、分極挙動は同様の傾向であった。
【００３０】
図７（ｂ）から、Ｔｉ−６Ａｌ−７Ｎｂ合金においても同様に、いずれの試験溶液において本発明の電解処理（ＧＬＷ）を施した試料は、無処理のものと比較して腐食電位が上昇し、不動態保持電流密度が著しく減少した。無処理の試料について、０．９％ ＮａＣｌ水溶液での試験において１Ｖ以降で電流密度の急激な上昇が検出された。
【００３１】
電解処理を施したＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ及びＴｉ−６Ａｌ−７Ｎｂ合金のアノード分極曲線は、いずれの試験溶液中にあっても、腐食電位をさらに上昇、不動態保持電流密度を低下させ、元々良好な耐食性を備える合金の耐食性がさらに向上することを示した。腐食電位の増加と不動態保持電流密度の減少は、表面酸化皮膜が厚く成長しただけでなく、処理によって形成された酸化皮膜が緻密であったために表面酸化皮膜の抵抗値が著しく増加したと考えられる。
【００３２】
ＸＰＳの結果から、合金表面のＴｉはすべてＴｉ4+として存在することがわかった。Ｔｉ4+は水または水溶液環境中で熱力学的に安定な状態である。また、Ａｌについても同様に、熱力学的に安定な状態である酸化物Ａｌ2Ｏ3として存在する。合金表面が安定なＴｉＯ2およびＡｌ2Ｏ3に覆われていることがアノード分極試験において、腐食電位の上昇と不動態保持電流密度の減少を示した要因の一つであると考えられる。
【００３３】
またＸＰＳの結果から、本発明の電解処理を施すことによって、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ及びＴｉ−６Ａｌ−７Ｎｂ合金表面からＶ又はＮｂがそれぞれ検出されなくなった。酸化の自由エネルギーはＡｌ＜Ｔｉ＜Ｖ、Ｎｂであり、Ｔｉ及びＡｌがＶ、Ｎｂと比較して酸化し易い傾向にある。電解処理を施すことで表面酸化皮膜がさらに酸化することによってＴｉおよびＡｌから構成される、およそ１５０ｎｍの表面酸化皮膜が形成されたため、検出深度の約６ｎｍのＸＰＳでは、Ｖ及びＮｂが検出されなくなったと考えられる。
【００３４】
酸化の自由エネルギーの傾向からＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ及びＴｉ−６Ａｌ−７Ｎｂ合金表面の参加が進行すると、表面酸化皮膜中にはＡｌの酸化物の濃度が増加すると推測されるが、いずれの合金においても表面酸化皮膜のＴｉの濃度が増加しているのに対してＡｌの濃度はわずかではあるが減少していた。このことは本願における電解処理がＴｉを優先的に酸化させることを示唆した。
【００３５】
Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金とＴｉ−６Ａｌ−７Ｎｂ合金に対する電解処理の効果は、いずれの合金に対しても表面酸化皮膜の酸化が進行し、表面の組成に関しても類似していることが明らかになった。電解処理後の両合金のアノード分極曲線を比較すると、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金では１Ｖ以上で電流密度がやや増加する傾向が見られたのに対してＴｉ−６Ａｌ−７Ｎｂ合金ではこのような傾向はなかった。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】血小板付着試験の概略構成を示す図
【図２】チタンに対する血小板付着試験の結果を示す表面のＳＥＭ写真であり、（ａ）は機械研磨（ＭＰ）のみを行った試料、（ｂ）は本発明の電解処理を行った試料を示す。
【図３】チタン−ニッケル合金（Ｔｉ-５０．８５mol％Ｎｉ）に対する血小板付着試験の結果を示す表面のＳＥＭ写真であり、（ａ）は機械研磨（ＭＰ）のみを行った試料、（ｂ）は本発明の電解処理を行った試料を示す。
【図４】チタン−アルミニウム−バナジウム合金（Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ）に対する血小板付着試験の結果を示す表面のＳＥＭ写真であり、（ａ）は機械研磨（ＭＰ）のみを行った試料、（ｂ）は本発明の電解処理を行った試料を示す。
【図５】チタン−アルミニウム−ニオブ合金（Ｔｉ−６Ａｌ−７Ｎｂ）に対する血小板付着試験の結果を示す表面のＳＥＭ写真であり、（ａ）は機械研磨（ＭＰ）のみを行った試料、（ｂ）は本発明の電解処理を行った試料を示す。
【図６】（ａ）はＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金のＸＰＳスペクトル（ｂ）はＴｉ−６Ａｌ−７Ｎｂ合金のＸＰＳスペクトル
【図７】（ａ）はＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金のアノード分極試験の結果を示すグラフ（ｂ）はＴｉ−６Ａｌ−７Ｎｂ合金のアノード分極試験の結果を示すグラフ
【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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【図７】
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