(57)【要約】【課題】金属基材上に形成されたハイドロキシアパタイトの密着性を高めた生体適合部材を提供する。【解決手段】生体適合部材１は、金属基材３と、金属基材３の上に直接または間接的に被覆されたハイドロキシアパタイト層５と、を備える。金属基材３におけるハイドロキシアパタイト層５が被覆されている被覆面７は、算術平均高さＳａが０．２μｍ以上１．０μｍ以下であり、かつ表面粗さＳｔｒが０．２以上１．０以下である。この生体適合部材１は、中間層を用いなくても、金属基材３に対するハイドロキシアパタイト層５の密着性が高い。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属基材と、前記金属基材の上に直接または間接的に被覆されたハイドロキシアパタイト層と、を備えた生体適合部材であって、
前記金属基材における前記ハイドロキシアパタイト層が被覆されている面は、算術平均高さＳａが０．２μｍ以上１．０μｍ以下であり、かつ表面性状アスペクト比Ｓｔｒが０．２以上１．０以下であることを特徴とする生体適合部材。
【請求項２】
前記金属基材の材質は、チタンまたはチタン合金であることを特徴とする請求項１に記載の生体適合部材。
【請求項３】
前記ハイドロキシアパタイト層が、六方晶のハイドロキシアパタイト結晶集合体を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の生体適合部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は生体適合部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
生体に埋入可能な生体適合部材の開発が行われている。
例えば、特許文献１には、次の生体適合部材が開示されている。すなわち、チタン基材の表面に、水熱処理を用いてＣａＴｉＯ３からなる中間層を形成し、さらにその上にハイドロキシアパタイト結晶を析出した生体適合部材が開示されている。この生体適合部材では、ＣａＴｉＯ３からなる中間層により、チタン基材とハイドロキシアパタイト層は強固に密着している。この生体適合部材は、ハイドロキシアパタイト層によって生体骨と化学的に結合する。
また、特許文献２には、次の生体適合部材が開示されている。すなわち、チタン基材またはチタン合金基材（以下、「チタン基材等」ともいう）の表面に、β−ＴＣＰおよびハイドロキシアパタイトを１０μｍ以下の厚さで被覆した生体適合部材が開示されている。この生体適合部材では、チタン基材等の表面粗さＲａを１．５μｍ以上とする、またはＲｚを１０μｍ以上とすることが好ましい旨が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２０１３−５０８２６２号公報
【特許文献２】特開２００１−３４０４４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１や、特許文献２の生体適合部材では、チタン基材等に対するハイドロキシアパタイトの密着性は必ずしも良好でなかった。このため、密着性の更なる向上が望まれていた。
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、チタン基材等の金属基材に対するハイドロキシアパタイトの密着性を高めた生体適合部材を提供することを目的とする。本発明は、以下の形態として実現することが可能である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
〔１〕
金属基材と、前記金属基材の上に直接または間接的に被覆されたハイドロキシアパタイト層と、を備えた生体適合部材であって、
前記金属基材における前記ハイドロキシアパタイト層が被覆されている面は、算術平均高さＳａが０．２μｍ以上１．０μｍ以下であり、かつ表面性状アスペクト比Ｓｔｒが０．２以上１．０以下であることを特徴とする生体適合部材。
【０００６】
〔２〕
前記金属基材の材質は、チタンまたはチタン合金であることを特徴とする〔１〕に記載の生体適合部材。
【０００７】
〔３〕
前記ハイドロキシアパタイト層が、六方晶のハイドロキシアパタイト結晶集合体を含むことを特徴とする〔１〕又は〔２〕に記載の生体適合部材。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の生体適合部材は、金属基材に対するハイドロキシアパタイト層の密着性が高い。
金属基材がチタンまたはチタン合金である場合には、生体適合性が高くなる。
ハイドロキシアパタイト層が六方晶のハイドロキシアパタイト結晶集合体を含む場合には、生体内安定性が高くなる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】生体適合部材の断面図である。
【図２】生体適合部材の断面図である。
【図３】サンドブラストにおけるノズルのスキャン動作を示す図である。
【図４】サンドブラストにおけるノズルのスキャン動作を示す図である。
【図５】密着性評価試験後の実験例１のサンプルを示す写真である。
【図６】密着性評価試験後の実験例２のサンプルを示す写真である。
【図７】密着性評価試験後の実験例３のサンプルを示す写真である。
【図８】密着性評価試験後の実験例４のサンプルを示す写真である。
【図９】密着性評価試験後の実験例５のサンプルを示す写真である。
【図１０】密着性評価試験後の実験例６のサンプルを示す写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明を詳しく説明する。なお、本明細書において、数値範囲について「〜」を用いた記載では、特に断りがない限り、下限値及び上限値を含むものとする。例えば、「１０〜２０」という記載では、下限値である「１０」、上限値である「２０」のいずれも含むものとする。すなわち、「１０〜２０」は、「１０以上２０以下」と同じ意味である。
【００１１】
１．生体適合部材
本実施形態の生体適合部材１は、図１又は図２に示すように、金属基材３と、金属基材３の上に直接または間接的に被覆されたハイドロキシアパタイト層５と、を備える。ここで、間接的な被覆とは、金属基材３とハイドロキシアパタイト層５の間に中間層６を備える被覆を意味する（図２参照）。そして、金属基材３におけるハイドロキシアパタイト層５が被覆されている被覆面７は、算術平均高さＳａが０．２μｍ以上１．０μｍ以下であり、かつ表面性状アスペクト比Ｓｔｒが０．２以上１．０以下であることを特徴とする。なお、本発明者らが知る限りでは、上記要件を満たす生体適合部材は存在しなかった。
【００１２】
（１）金属基材
金属基材３の材質は、特に限定されないが、高い生体適合性を確保するという観点から、チタンまたはチタン合金であることが好ましい。
チタンは、特に限定されないが、純チタンＪＩＳ  １〜４種が例示される。
チタン合金は、特に限定されないが、Ｎｂ（ニオブ）、Ｔａ（タンタル）、Ｗ（タングステン）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｐ（リン）、Ａｕ（金）、Ｃａ（カルシウム）、Ａｇ（銀）、Ｐｔ（白金）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｖ（バナジウム）、Ｓｉ（ケイ素）、Ｂ（ホウ素）、Ｎ（窒素）、Ｃ（炭素）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｙ（イットリウム）、Ｈｆ（ハフニウム）、Ｉｒ（イリジウム）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｆｅ（鉄）、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｎａ（ナトリウム）、及びＫ（カリウム）からなる群より選ばれた１種以上の元素と、残部がＴｉ（チタン）及び不可避不純物であるチタン合金が例示される。
金属基材の大きさ、厚み、形状等は、生体適合部材の用途等により適宜選定される。
【００１３】
（２）中間層
中間層６は、金属基材３とハイドロキシアパタイト層５の間に形成される層である。中間層の材質は、金属基材３とハイドロキシアパタイト層５を化学的に結合させ、密着力を向上させるという観点から、ＣａＴｉＯ３であることが望ましい。
【００１４】
（３）ハイドロキシアパタイト層
ハイドロキシアパタイト層５は、ハイドロキシアパタイト（ヒドロキシアパタイト、Ｃａ１０（ＰＯ４）６（ＯＨ）２、ＨＡｐ）から構成されている。ハイドロキシアパタイトは、人間の骨、歯の主要構成物質である。ハイドロキシアパタイトは、生体親和性が高く、人工骨、人工歯根等のインプラント素材として幅広く用いられている。
ハイドロキシアパタイトの形状は、六角柱状、針状、板状、球状のいずれであってもよい。生体内安定性をより高くするという観点から、ハイドロキシアパタイト層５が六方晶のハイドロキシアパタイト結晶集合体を含むことが好ましい。六方晶のハイドロキシアパタイト結晶集合体を含む場合には、結晶性が高く、生体内ですぐに溶解されず安定である。よって、この場合は、良好な骨固定特性を確保できると推測される。
【００１５】
（４）金属基材の表面粗さ
金属基材３におけるハイドロキシアパタイト層５が被覆されている被覆面７は、算術平均高さＳａが０．２μｍ以上１．０μｍ以下であり、かつ表面性状のアスペクト比Ｓｔｒが０．２以上１．０以下である。表面性状のアスペクト比Ｓｔｒとは、表面性状の等方性・異方性を表す。０に近いほど表面に筋目などがあり、１．０に近いほど表面が方向に依存しない、換言すれば方向性がないことを示す。このため、Ｓｔｒの値から表面性状を定量的に確認することが出来る。
Ｓａ、Ｓｔｒは、いずれもＩＳＯ２５１７８に従って測定される値である。Ｓａ、Ｓｔｒをこれらの範囲内とすると、被覆面７における粗化が等方的となり、金属基材３に対するハイドロキシアパタイト層５のアンカリングが均質となり、両者の密着性が向上する。Ｓａが１．０μｍよりも大きい場合、金属強度の低下を及ぼすことから、１．０μｍ以下であることが好ましい。Ｓａが１．０μｍ以下であっても、Ｓｔｒを範囲内にすることで密着性を確保することが出来る。
算術平均高さＳａは、好ましくは０．２μｍ以上０．８５μｍ以下であり、より好ましくは０．２μｍ以上０．７μｍ以下である。
表面性状のアスペクト比Ｓｔｒは、好ましくは０．４以上１．０以下であり、より好ましくは０．６以上１．０以下である。
なお、ハイドロキシアパタイト層５が被覆された金属基材３のＳａ、Ｓｔｒの測定は以下の手順で行う。
ハイドロキシアパタイト層５が被覆された金属基材３のハイドロキシアパタイト層５上に接着剤（ＳＯＬＶＡＹ社製ＦＭ１０００ ＡＤＨＥＳＩＶＥ ＦＩＬＭ）を塗布し、引張試験用治具を接着する。１７６℃３時間にて接着剤を硬化させた後、ＡＳＴＭ Ｆ １１４７−０５：２０１１に準拠して引張試験を実施する。引張試験実施後、ハイドロキシアパタイト層及び中間層が剥離され、金属基材が露出した箇所について、ＩＳＯ２５１７８に従ってＳａ、Ｓｔｒの測定を行う。
【００１６】
２．生体適合部材の製造方法
生体適合部材１の製造方法は、特に限定されない。例えば、溶射などにより、金属基材３の表面にハイドロキシアパタイト層５を形成してもよい。ここでは、生体適合部材１の製造方法の好適な一例を挙げて説明する。この例では、金属基材３の表面を粗化処理し、その後、ハイドロキシアパタイト層５を形成している。
（１）金属基材の表面の粗化処理
粗化処理は、最終的に金属基材３の被覆面７の、算術平均高さＳａが０．２μｍ以上１．０μｍ以下であり、かつ表面性状アスペクト比Ｓｔｒが０．２以上１．０以下となるように処理することができるのであれば、特に限定されるものではない。例えば、ブラスト処理、エッチング等が挙げられ、これらを単独または２つ以上組み合わせることもできる。
ブラスト処理としては、例えば、サンドブラスト処理、ウエットブラスト処理等が挙げられる。操作が簡便であるという観点からサンドブラスト処理を好適な一例として挙げることができる。サンドブラスト処理に用いる研磨材の種類や粒径は、特に制限されない。
研磨材としては、例えば、アルミナ、硅砂、金剛砂、ガラス、炭化ケイ素、酸化チタン、ジルコニア、ダイヤモンド等を好適に使用できる。
【００１７】
エッチングは、算術平均高さＳａ及び表面性状アスペクト比Ｓｔｒが上述の範囲内になるように処理することができるのであれば、処理液の種類、処理条件は特に限定されない。
ここで、エッチングの好適な例を説明する。エッチングの第１態様では、下記組成の処理液Ａを用いることができる。金属基材３の表面のアルカリ脱脂、水洗、エッチング、水洗、乾燥を順に行う手順が好適な処理手順である。なお、処理液Ａの場合には、処理時間は特に限定されないが、好ましくは１０〜３０秒であり、より好ましくは１５〜２５秒であり、更に好ましくは１８〜２２秒である。
＜処理液Ａの組成＞（なお、下記組成は、重量基準である。下記の成分を必須の成分と含んでいればよく、他の成分を含んでいても構わない。処理液Ａは、水溶液である。）
硝酸：５５〜６０％
フッ化水素：１３．０〜１４．０％
一水素二フッ化アンモニウム：１．０〜１．４％
エッチングの第２態様では、下記組成の処理液Ｂを用いることができる。金属基材３の表面の脱脂、エッチング、水洗、酸洗、水洗、乾燥を順に行う手順が好適な処理手順である。なお、処理液Ｂの場合には、処理時間は特に限定されないが、好ましくは７０〜１７０秒であり、より好ましくは９０〜１５０秒であり、更に好ましくは１１０〜１３０秒である。
＜処理液Ｂの組成＞（なお、下記組成は、重量基準である。下記の成分を必須の成分と含んでいればよく、他の成分を含んでいても構わない。処理液Ｂは、水溶液である。）
過酸化水素：１８〜２２％
一水素二フッ化アンモニウム：８〜１２％
硫酸：５％未満
【００１８】
（２）ハイドロキシアパタイト層の形成
ハイドロキシアパタイト層５の形成には公知の方法を採用することができる。
ハイドロキシアパタイト層５の形成に用いる合成溶液は、高結晶性の六方晶ハイドロキシアパタイトを生成するという観点から、カルシウムイオン、水酸化物イオン、有機リン酸エステル、キレート剤、水を含有していることが好ましい。
カルシウムイオン源としては、特には限定されないが、例えば、硝酸カルシウム、水酸化カルシウム、炭酸カルシウム、酢酸カルシウム、ハロゲン化カルシウム、酸化カルシウム、及びリン酸カルシウムからなる群より選ばれる少なくとも１種を好適に用いることができる。
水酸化物イオン源としては、特には限定されないが、例えば、水酸化カリウム、水酸化アンモニウム、水酸化カルシウム、水酸化ナトリウム等の水酸化物含有化合物、アンモニア、酸化カルシウム等の水溶液中で水酸化物イオンを生成させる化合物から選ばれる少なくとも１種を好適に用いることができる。
有機リン酸エステルとしては、特には限定されないが、例えば、リン酸トリエチル、リン酸トリメチル、リン酸トリブチル、及びリン酸トリフェニルからなる群より選ばれる少なくとも１種を好適に用いることができる。
キレート剤は、特には限定されないが、例えば、ＥＤＴＡ（エチレンジアミン四酢酸）を好適に用いることができる。
【００１９】
ここで、合成溶液における各種成分の好ましい配合割合を説明する。水１０００ｇに対して、各成分は次の範囲で添加されていることが好ましい。
カルシウムイオン源の添加量は、水和物として、好ましくは３０〜８０ｇであり、より好ましくは４０〜７０ｇであり、更に好ましくは５０〜６０ｇである。
水酸化物イオン源の添加量は、好ましくは８０〜１３０ｇであり、より好ましくは９０〜１２０ｇであり、更に好ましくは１００〜１１０ｇである。
有機リン酸エステルの添加量は、好ましくは１０〜６０ｇであり、より好ましくは２０〜５０ｇであり、更に好ましくは３０〜４０ｇである。
キレート剤の添加量は、好ましくは４０〜９０ｇであり、より好ましくは５０〜８０ｇであり、更に好ましくは６０〜７０ｇである。
【００２０】
なお、水酸化物イオンを含む予備溶液（１）と、カルシウムイオン、キレート剤、及び有機リン酸エステルを含む予備溶液（２）を予め用意し、両者を混合して合成溶液としてもよい。また、初めから全ての成分を添加した合成溶液を用意してもよい。
合成溶液の均質性の観点から、予備溶液（１）と予備溶液（２）を予め用意し、両者を混合して合成溶液とすることが好ましい。
【００２１】
ハイドロキシアパタイト層５の形成では、金属基材３の粗化処理された面（被覆面７）に合成溶液を接触させ、加熱する。加熱温度は、特に限定されないが、好ましくは１６０〜２５０℃であり、より好ましくは１７０〜２３０℃であり、更に好ましくは１８０〜２２０℃である。
また、加熱の際には、大気圧よりも大きな圧力をかけることが好ましい。このために、耐圧反応容器を用いることが好ましい。
反応時間は、特に限定されないが、基材全面を被覆し、かつ均質なハイドロキシアパタイト膜を形成するという観点から、好ましくは４〜１２時間であり、より好ましくは６〜１０時間であり、更に好ましくは７〜９時間である。
【実施例】
【００２２】
実施例により本発明を更に具体的に説明する。
なお、実験例３〜５が実施例に相当し、実験例１、２、６は比較例である。
【００２３】
１．生体適合部材の作製
金属基材３として、Ｔｉ-６Ａｌ-４Ｖの１５ｍｍ角の基材を用いた。
実験例２〜６では、金属基材３に洗浄処理、粗化処理、水熱処理を順に行って、各サンプルを作製した。
実験例１では、金属基材３に洗浄処理、水熱処理を順に行って、サンプルを作製した。すなわち、実験例１では、粗化処理を行っていない。
洗浄処理、粗化処理、水熱処理の詳細は以下の通りである。
【００２４】
＜洗浄処理＞
アセトン、エタノール、純水にて各５分間、超音波洗浄を行った。
【００２５】
＜粗化処理＞
（実験例１）
粗化処理を行っていない。
（実験例２）
粗化処理には、紙やすり＃１００を用いた。
（実験例３）
以下の表１の条件で、サンドブラストを行った。図３及び図４の矢印は、金属基材３の上でのノズルの動きを示している。図３のようにノズルをスキャンした後に、引き続いて図４のようにノズルをスキャンする動作を交互に繰り返した。この際、ノズルを略等速度でスキャンした。このようにスキャンすることで、金属基材３の表面全体を同程度に粗化できた。
なお、表１において、粒径が「Ｆ２２０」とされているが、これは、ＪＩＳ  Ｒ６００１−１９９８に準拠する研磨材の粒径の指標である。
【００２６】
【表１】
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【００２７】
（実験例４）
粗化処理として、下記の表２に記載の化学エッチングを行った。なお、液種における「％」は、重量基準である。
【００２８】
【表２】
2019154598.tif 000004
【００２９】
（実験例５）
粗化処理として、下記の表３に記載の化学エッチングを行った。なお、液種における「％」は、重量基準である。
【００３０】
【表３】
2019154598.tif 000005
【００３１】
（実験例６）
粗化処理として、バフ研磨を行った。
【００３２】
＜金属基材の表面粗さの測定＞
実験例１〜６の各金属基材３の表面粗さは、下記の表４の記載に沿って測定した。
【００３３】
【表４】
2019154598.tif 000006
【００３４】
＜水熱処理＞
水熱処理は、以下の通りに行った。硝酸カルシウム、リン酸トリエチル、ＥＤＴＡ、水酸化カリウムを純水に溶解し、合成液を調製した。
テフロン（登録商標）製の内筒容器を備えた耐圧反応容器に、合成液と金属基材３を入れ、水熱処理を行った。
水熱処理の詳細を説明する。
【００３５】
（溶液Ａの調製）
水酸化カリウム２０７．８４ｇを純水３００ｇに溶解して溶液Ａとした。
（溶液Ｂの調製）
硝酸カルシウム四水和物１０９．５８ｇ、ＥＤＴＡ１３５．６０ｇ、リン酸トリエチル６８．１２ｇ、純水１７００ｇを混合して溶液Ｂとした。
（合成溶液の調製）
溶液Ｂに、溶液Ａをゆっくり添加し、合成溶液を調製した。
【００３６】
（合成方法）
内筒容器に、金属基材３及び合成溶液を入れ、金属基材３を合成溶液に浸漬した。耐圧反応容器を密閉後、８時間かけて２００℃まで昇温し、２００℃で８時間維持した。
【００３７】
２．密着性評価方法
金属基材３に対するハイドロキシアパタイト層５の密着性は、ＡＳＴＭ番号  Ｄ３３５９−０９を用いて評価した。サンプル数は、それぞれ３とした（ｎ＝３）。
【００３８】
３．密着性評価結果
密着性の評価結果を表５に示す。また、各サンプルの評価試験後の状態を図５〜１０に示す。図５は、実験例１のサンプルを示している。図６は、実験例２のサンプルを示している。図７は、実験例３のサンプルを示している。図８は、実験例４のサンプルを示している。図９は、実験例５のサンプルを示している。図１０は、実験例６のサンプルを示している。なお、各実験例には、３つのサンプルが存在するが、図５〜１０では、３つのサンプルの中の代表例を示している。
【００３９】
【表５】
2019154598.tif 000007
【００４０】
表５中、「＃１００」は、紙やすり＃１００を用いた処理を意味する。「Ｓ−２２」は、エスクリーンＳ−２２を用いた化学エッチングを意味する。「ＴＣＰ−０９」は、クリーンエッチＴＣＰ−０９を用いた化学エッチングを意味する。
また、「×××」は、密着性の評価が３つのサンプルの全てで不良であることを示す。
「○○○」は、密着性の評価が３つのサンプルの全てで良好であることを示す。
【００４１】
表５の結果から、算術平均高さＳａが０．２μｍ以上１０μｍ以下であり、かつ表面性状アスペクト比Ｓｔｒが０．２以上１．０以下である実験例３〜５は、金属基材３に対するハイドロキシアパタイト層５の密着性が高いことが分かった。他方、算術平均高さＳａが０．２μｍ未満の実験例６は、金属基材３に対するハイドロキシアパタイト層５の密着性が低かった。また、表面性状アスペクト比Ｓｔｒが０．２未満の実験例１〜２は、金属基材３に対するハイドロキシアパタイト層５の密着性が低かった。
図７、８、９に示されるように、実験例３〜５では、ハイドロキシアパタイト層５の形成部分に、ＡＳＴＭ番号Ｄ３３５９−０９に準拠し、カッターで傷をつけ、テープを張り付け、そのテープを剥離した後であっても、ハイドロキシアパタイト層５は、ほとんど剥離しなかった。他方、図５、６、１０に示されるように、実験例１、２、６の場合は、同様に試験した後では、ハイドロキシアパタイト層５は、かなり剥離していた。
以上の結果から、生体適合部材１において、金属基材３におけるハイドロキシアパタイト層５が被覆されている被覆面７の算術平均高さＳａ、及び表面性状アスペクト比Ｓｔｒが特定の範囲の場合に、金属基材３に対するハイドロキシアパタイト層５の密着性が高いことが確認された。
【００４２】
＜他の実施形態（変形例）＞
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能である。
【符号の説明】
【００４３】
１…生体適合部材
３…金属基材
５…ハイドロキシアパタイト層
６…中間層
７…ハイドロキシアパタイト層が被覆されている面（被覆面）
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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