(57)【要約】【課題】強度、延性、生分解性を併せ持ち、生体に悪影響を及ぼさない医療用インプラント製品を提供するために、マグネシウムを含む金属ガラスとして、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、カルシウム（Ｃａ）、鉄（Ｆｅ）を配合した医療用インプラント材料を用いて、歯科用組織誘導法に用いる人工被膜、固定ピンを製造する。【解決手段】組成式として、Ｍｇ１００−ａ−ｂＺｎａＣａｂ（但し、式中ａ、ｂは原子百分率で、それぞれ２１．０≦ａ≦３５．０、２．０≦ｂ≦７．０を満足する）を有する金属ガラスの粉末と、Ｆｅの粉末を体積百分率で１．０％以上１０．０％以下を予め混合し、放電プラズマ焼結法により、金属ガラス複合体を製造する。その材料を用いて、切削加工により、人工被膜、固定ピンを製造する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
強度、延性、生分解性を併せ持ち、生体に悪影響を及ぼさない医療用インプラント材料を提供するために、マグネシウムを含む金属ガラスとして、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、カルシウム（Ｃａ）を配合し、組成式として、Ｍｇ１００−ａ−ｂＺｎａＣａｂ（但し、式中ａ、ｂは原子百分率で、それぞれ２１．０≦ａ≦３５．０、２．０≦ｂ≦７．０を満足する）を有することを特徴とする、医療用インプラント材料。
【請求項２】
マグネシウムを含む金属ガラスとして、請求項１に記載した金属ガラスに、鉄（Ｆｅ）を体積百分率で１．０％以上１０．０％以下を配合することを特徴とする、請求項１に記載の医療用インプラント材料。
【請求項３】
メカニカルアロイング法で製造した請求項１に記載したマグネシウムを含む金属ガラス粉末と、鉄の粉末とを予め混合し、放電プラズマ焼結法により、金属ガラス複合体を製造することを特徴とする、医療用インプラント材料の製造方法。
【請求項４】
放電プラズマ焼結法における荷重を制御することにより、金属ガラス複合体の気孔率を５．０％以上２５．０％以下に制御することを特徴とする、請求項３に記載の医療用インプラント材料の製造方法。
【請求項５】
請求項１から請求項４に記載した、強度、延性、生分解性を併せ持つ医療用インプラント材料を用いて、切削加工により、歯科用組織誘導法に用いる人工被膜、固定ピンを製造することを特徴とする、医療用インプラント製品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、強度、延性、生分解性を併せ持ち、生体に悪影響を及ぼさない医療用インプラント材料、並びに医療用インプラント製品の製造方法に関する。さらに詳しく述べるならば、医療用インプラント製品として、歯科用組織誘導法に用いる人工被膜、固定ピンの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、医療用インプラント材料には、次の３つの機能が要求される。１つ目は、高延性を有し塑性加工ができ、治療初期に高強度を有し荷重を支持できること、２つ目は、治療後期に材料が生体に吸収される（生分解性を持つ）こと、そして３つ目は、生体への悪影響が無いことである。
【０００３】
現在使用されている医療用インプラント材料は、主として、純チタン（チタン合金）製、及び高分子化合物（例えばポリ乳酸）製の２種類であるが、その長所と、上述した３つの機能に対する欠点は、次に述べるとおりである。
【０００４】
純チタン（チタン合金）製材料の長所は、強度、延性が高く、手術時の操作性が良いことである。一方短所は、生体に吸収されない（生分解性を持たない）ため組織が治癒した後に再手術で取り出す必要があること、アレルギーを誘発することがあり生体適合性が万全とはいえないこと、及び原料のチタンが高価で加工性も悪いため、材料の価格が高いことである。
【０００５】
また、高分子化合物（例えばポリ乳酸）製材料の長所は、生体に吸収される（生分解性を持つ）ため、組織が治癒した後の再手術は不要であることである。一方短所は、強度が低く結果としてインプラント製品が大きくなり手術時の操作性が悪いこと、非感染性の炎症を起こすことがあり生体適合性が必ずしも良いとはいえないこと、及び原料となるポリ乳酸の製造コストが非常に高く製品価格も純チタン（チタン合金）製をはるかに上回ることである。
【０００６】
現在、上述した医療用インプラント材料としての３つの機能を満足する材料が無いため、インプラントが必要な生体内の箇所に応じて、純チタン（チタン合金）製、及び高分子化合物（例えばポリ乳酸）製の２種類を使い分けているのが実情である。
【０００７】
歯科治療では、歯の維持が重要な治療目的であるが、同時に歯が失われた場合には残存する組織を利用して機能回復、機能向上を目的とした治療も行われ、その治療の１つに骨再生、骨増生がある。骨再生、骨増生は、歯周炎で失われた歯を支える歯槽骨を再生することや、歯が失われることによって吸収された顎堤に対し、義歯や口腔インプラント治療を目的として行うもので、人工被膜や被膜を固定するピンが用いられる。既存の人工被膜として、生分解性を有するが、強度的には弱く、賦形維持性を有しない高分子化合物製を主として用いているが、人工被膜の使用時は一定の形状を与えるために、生分解性を持たないチタンワイヤーを組み込む等形を維持するための治療方法を加える必要がある。また人工被膜を骨面に固定するピンはやはり生分解性を持たないチタン製であり、治癒が完了した後は再手術により除去しなければならず、患者の負担が大きい。
【０００８】
上述した医療用インプラント材料としての３つの機能を満足する材料が提供されれば、歯科医療において通院困難な患者に対して、治療回数を減らし、効率的に治療が行えるだけでなく、医科治療における骨折部の固定用材料、脳神経外科治療における開頭部の閉塞等にも応用可能と考えられる。
【０００９】
前述した医療用インプラント材料としての３つの機能を満足する材料として、マグネシウムが注目されている。マグネシウムは、生体必須元素で筋や骨に多量に含まれている。人体は、常にマグネシウムを食料として摂取しており、生体内に存在するマグネシウムと入れ換えながら過剰なものを尿から排出する（生分解性を持つ）ため、生体安全性に優れている。しかし、純マグネシウムは、延性は良好であるが、強度はチタンに比較して低く、インプラント材料としての性状を満たしていない。また、生分解性は極めて速く、体内におけるインプラントとしての機能を発揮する前に吸収されてしまう。
【００１０】
上述した純マグネシウムのインプラントとして適正でない性状を改善するために、純マグネシウムに他の元素を添加して合金化する試みが盛んに行われている。配合設計、表面結晶粒子の微細化等が試みの基本的内容であるが、合金化により一般的に強度向上ははかれるものの、強度向上と共に失われる延性低下の問題は解決していない。また、添加する元素には生体に有害なものも存在し、さらに、生分解性を有する元素だけを選択することができていない。添加する元素が多数、多量となり、かつその元素が生体に有害である場合は、生体に対する大きな悪影響を及ぼす可能性がある。
【００１１】
これらの問題を解決するために、金属製インプラント材料では限界があるという認識から、金属ガラスを適用しようとする試みも盛んに行われている。金属ガラスは、一般的に結晶金属に比較して高強度、高耐食性を有するが、延性に乏しい欠点がある。これまでの研究によると、医療用インプラントとしては、
【特許文献１】に示されるように、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）等の貴金属を用いるものが開発されているが、マグネシウムは使用されていない。また、生分解性は無く、生体無害化の評価もなされていない。マグネシウムを用いた金属ガラスとしては、
【特許文献２】に示されるように、マグネシウムの他に多種類、多量の元素が添加されており、生体への影響は考慮されておらず、かつ医療用インプラントの提供を目的としていないので、生分解性を持たない元素も添加されている。また
【特許文献３】に示される金属ガラスは、比較的マグネシウムの他に添加する元素の種類は少ないが、多量の元素が添加されており、生体への影響は考慮されておらず、かつ医療用インプラントの提供を目的としていないので、生分解性を持たない元素も添加されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００７−９２１０６号広報
【特許文献２】特開２００７−９２１０３号広報
【特許文献３】特開２００７−８３６９２号広報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明においては、強度、延性、生分解性を併せ持ち、生体に悪影響を及ぼさない医療用インプラント材料、並びに医療用インプラント製品を提供することを目的とする。さらに詳しく述べるならば、医療用インプラント製品として、歯科用組織誘導法に用いる人工被膜、固定ピン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】
【００１４】
上述目的を達成するために、請求項１に記載した発明では、マグネシウムを含む金属ガラスとして、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、カルシウム（Ｃａ）を配合し、組成式として、Ｍｇ１００−ａ−ｂＺｎａＣａｂ（但し、式中ａ、ｂは原子百分率で、それぞれ２１．０≦ａ≦３５．０、２．０≦ｂ≦７．０を満足する）を有する、医療用インプラント材料を提供することを特徴とする。
【００１５】
また、請求項２に記載した発明では、マグネシウムを含む金属ガラスとして、請求項１に記載した金属ガラスに、鉄（Ｆｅ）を体積百分率で１．０％以上１０．０％以下を配合する、医療用インプラント材料を提供することを特徴とする。
【００１６】
さらに、請求項３に記載した発明では、メカニカルアロイング法で製造した請求項１に記載したマグネシウムを含む金属ガラス粉末と、鉄の粉末とを予め混合し、放電プラズマ焼結法により、医療用インプラント材料としての金属ガラス複合体を製造することを特徴とする。
【００１７】
またさらに、請求項４に記載した発明では、放電プラズマ焼結法における荷重を制御することにより、金属ガラス複合体の気孔率を５．０％以上２５．０％以下に制御した医療用インプラント材料を製造することを特徴とする。
【００１８】
またさらに、請求項５に記載した発明では、請求項１から請求項４に記載した、強度、延性、生分解性を併せ持つ医療用インプラント材料を用いて、切削加工により、歯科用組織誘導法に用いる医療用インプラント製品としての人工被膜、固定ピンを製造することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明にて提案する強度、延性、生分解性を併せ持ち、生体に悪影響を及ぼさない医療用インプラント材料が提供され、かつその材料を用いた医療用インプラント製品として、歯科用組織誘導法に用いる人工被膜、固定ピンが提供されれば、歯科治療において、歯が失われた場合に残存する組織を利用して機能回復、機能向上を目的とした骨再生、骨増生に画期的な治療法が実現する。
【００２０】
すなわち、強度、延性、生分解性を併せ持つ人工被膜や固定ピンを用いることにより、医師の手術操作性が良好となり、手術時間短縮が実現し患者の負担が軽減される。また手術後治癒した後は人工皮膜、固定ピンが生体に吸収されるため、再手術により除去する必要がなくなり、患者の負担はさらに軽減される。また生体に無害な元素だけで材料が構成されているため、生体に有害な影響（副作用等）を及ぼすことがない。さらに、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃａ、Ｆｅの４元素だけを用いているため、材料及び製品の価格が安い。
【００２１】
上述したように、歯科医療において通院困難な患者に対して、治療回数を減らし、効率的に治療が行えるだけでなく、医科治療における骨折部の固定用材料、脳神経外科治療における開頭部の閉塞等にも応用可能と考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明にて提案するマグネシウムを含む金属ガラスの製造方法において、金属ガラスの加熱に伴う相変化を示す図。
【図２】本発明にて提案するマグネシウムを含む金属ガラスの製造方法において、マグネシウム、亜鉛、カルシウムにより構成される金属ガラスに、鉄を添加したときの、応力と歪みの関係を示す図。
【図３】本発明にて提案するマグネシウムを含む金属ガラスの製造方法において、鉄を添加することにより生分解性が遅くなることを示す図。
【図４】本発明にて提案するマグネシウムを含む金属ガラスを用いて、歯科用組織誘導法に用いる医療用インプラント製品としての人工被膜、固定ピンの形状を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
【００２４】
本発明にて提案するマグネシウム（Ｍｇ）を含む金属ガラスの基本的配合は、亜鉛（Ｚｎ）とカルシウム（Ｃａ）を添加することである。Ｍｇ単体では不足する機械的強度を向上させるためにＣａを添加し、かつ加工ができる延性を付与するためにＺｎを添加する。またこれら２元素の添加は、Ｍｇだけでは速すぎる生分解速度を抑制する効果も狙っている。また、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃａ共に生分解性を持ち、生体に悪影響を及ぼさない元素だけで材料が構成されている。
【００２５】
本発明にて提案するＭｇを含む金属ガラスの組成式は、Ｍｇ１００−ａ−ｂＺｎａＣａｂ（但し、式中ａ、ｂは原子百分率で、それぞれ２１．０≦ａ≦３５．０、２．０≦ｂ≦７．０を満足する）を有する必要がある。金属ガラスを製造するためには、図１に示すように、結晶化開始温度（Ｔｘ）より低温部に、ガラス遷移温度（Ｔｇ）が存在し、ＴｇからＴｘの間の温度範囲（過冷却液体域；ΔＴｘ）を有することが金属ガラスを製造できる必須条件となる。この考え方を基に、特定の３種類以上の元素選択とその配合比率、配合材料の冷却条件を制御することにより金属ガラスを製造できる。上述した組成式は、発明者が研究の結果見出したものである。
【００２６】
金属ガラスを製造するために、メカニカルアロイング法、ガスアトマイズ法あるいは水アトマイズ法が金属ガラス粉末を製造する方法として使用できる。本発明のＭｇを含む金属ガラス製造には、メカニカルアロイング法を使用する。
【００２７】
上述したＭｇ、Ｚｎ、Ｃａの３元素を配合した金属ガラスは、強度、延性はＭｇ単体よりも向上し、インプラント材料としての性状を満足するが、生分解性が極めて速いＭｇ単体の性状はそれほど改善されない。このために、発明者は、生分解性を遅くする元素としてＦｅを添加することを見出した。Ｆｅの添加量を変化させることにより、生分解性を制御することが可能となる。Ｆｅ自身も生分解性を持ち、かつ生体に悪影響を及ぼさない元素である。
【００２８】
通常Ｍｇ（融点６５０℃）にＦｅ(融点１５３６℃)を添加して合金とするためには、Ｆｅの融点以上に温度を上げる必要があるが、この温度ではＭｇは蒸発してしまい、実際上合金化することは不可能である。金属ガラス製造時の図１に示す過冷却液体域における「粘性流動状態」を利用することにより、Ｆｅを添加しても容易に合金化できる。この温度領域は１００℃近辺と低温である。
【００２９】
Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃａを組成式にしたがって配合し、メカニカルアロイング法により製造した金属ガラスの粉末と、Ｆｅの粉末を予め混合し、放電プラズマ焼結法により金属ガラス複合体を製造する。放電プラズマ焼結法を使用した理由は、従来使用されているホットプレス法に比べて低温でかつ短時間で固化成形ができる特徴を持っており、金属ガラス粉末を結晶化させずに固化成形できるためである。
【００３０】
マグネシウムを含む金属ガラスに、鉄（Ｆｅ）を体積百分率で１．０％以上１０．０％以下を配合する条件を、発明者は見出した。体積百分率が１．０％未満では、金属ガラス複合体の生分解性があまり遅くならないため、体積百分率が１０．０％を超えると、生分解性が遅くなりすぎるため、上述した数値限定を行った。この数値限定の範囲内で、インプラントに求められる生分解性を制御可能である。
【００３１】
このようにして製造した複合材料は、Ｆｅ結晶粒子分散型バルク金属ガラスとなり、延性がさらに向上し、塑性変形ができるようになることも見出された。図２に示すように、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃａ３元素からなる金属ガラスにＦｅを添加し、その鉄の含有量を増加させることにより、応力と歪みの関係において、歪みが増加し（延性が向上し）、塑性変形可能となる現象がみられる。
【００３２】
また、Ｆｅ結晶粒子分散型バルク金属ガラスは、図３に示すように、生分解性の速度を遅くする効果が発現しており、Ｆｅの添加量が多くなるほど、生分解性が遅くなることがみてとれる。なお図３は、擬似体液（Simulated body fluid: SBF）への浸漬実験結果であり、生体内における分解速度ではないが、この実験結果が生体内における分解速度の適正化を評価する目安となる。
【００３３】
さらに、放電プラズマ焼結法において、試料に印加する荷重を変化させることにより、Ｆｅ結晶粒子分散型バルク金属ガラス複合材料の気孔率を変化させることが可能となることを、発明者は見出した。気孔率の上昇（ポーラス化）は、材料の弾性率を低減させる効果がある。通常の合金でもポーラス化することにより弾性率を低減させることができるが、強度が低下してインプラントとしての性状を満たさない。金属ガラスは元々高強度なので、目的とする低弾性率を得るためにポーラス化しても、強度低下の弊害がない。ポーラス化は、本提案における歯科治療における人工被膜、固定ピンでは利用する必要はないが、応用製品としての医科治療における骨折部の固定用材料においては、弾性率の低い骨への応力が不足して骨が痩せる現象（応力遮蔽）の防止には効果のある性状である。
【００３４】
放電プラズマ焼結法における荷重を制御して、気孔率を５．０％以上２５．０％以下に制御するとした数値限定を行った。これらの範囲を逸脱した場合は、強度と弾性率のバランスが取れないためである。
【００３５】
本発明で提案したマグネシウムを含む金属ガラス複合体を用いて、図４に示すように、歯科用組織誘導法に用いる人工被膜、固定ピンを製造した。加工方法の基本は切削加工であるが、加工のポイントは、加工時の発熱を抑えること（微細粒組織を変えないため、及び発火燃焼を抑えるため）、及び水を使用しないこと（水に溶解してしまうため）である。このため、加工工具、加工速度、クランプ治具、チャッキング治具の最適化、使用油（鉱物油）の選定を行った。
【００３６】
製造された人工被膜、固定ピンを使用して、歯科用組織誘導法を実施し、患者に与える負担を軽減する、極めて良好な施術結果を得ている。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
以下、本発明の産業上の利用可能性について説明する。
【００３８】
本発明にて提案する強度、延性、生分解性を併せ持ち、生体に悪影響を及ぼさない医療用インプラント材料が提供され、かつその材料を用いた医療用インプラント製品として、歯科用組織誘導法に用いる人工被膜、固定ピンが提供されれば、歯科治療において、歯が失われた場合に残存する組織を利用して機能回復、機能向上を目的とした骨再生、骨増生に画期的な治療法が実現する。
【００３９】
すなわち、歯科医療において通院困難な患者に対して、治療回数を減らし、効率的に治療が行えることに貢献するが、その他に、医科治療における骨折部の固定用材料、脳神経外科治療における開頭部の閉塞等にも応用可能と考えられる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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