(57)【要約】【課題】骨癒合が十分に進行するまでの長期間にわたって耐食性を保持し、その後は耐食性を低下させて急速に生分解させる。【解決手段】マグネシウムまたはマグネシウム合金からなる基材２と、該基材２の表面に形成されたマグネシウムを含むセラミクス皮膜３とを備え、該セラミクス皮膜３が、基材２に隣接する領域に配される多孔質の皮膜下層部４と、該皮膜下層部４を被覆して最表層を形成する、皮膜下層部４より緻密な皮膜上層部５とを備える骨接合用インプラント１を提供する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
マグネシウムまたはマグネシウム合金からなる基材と、
該基材の表面に形成されたマグネシウムを含むセラミクス皮膜とを備え、
該セラミクス皮膜が、前記基材に隣接する領域に配される多孔質の皮膜下層部と、該皮膜下層部を被覆して最表層を形成する、前記皮膜下層部より緻密な皮膜上層部とを備える骨接合用インプラント。
【請求項２】
前記皮膜上層部が、生体内において、骨癒合が完了するまでの間残存する程度の分解消失期間を有する請求項１に記載の骨接合用インプラント。
【請求項３】
前記皮膜上層部の気孔径が最大１μｍである請求項１または請求項２に記載の骨接合用インプラント。
【請求項４】
前記皮膜上層部が、０．０１〜１０μｍの厚さを有する請求項１から請求項３のいずれかに記載の骨接合用インプラント。
【請求項５】
前記皮膜上層部が非晶質であり、前記皮膜下層部が非晶質と結晶質との混晶からなる請求項１から請求項４のいずれかに記載の骨接合用インプラント。
【請求項６】
前記皮膜下層部が、最大１μｍ以下の径の気孔を有する請求項１から請求項５のいずれかに記載の骨接合用インプラント。
【請求項７】
前記皮膜下層部に含まれる結晶体が、５００ｎｍ未満の粒径を有する請求項５に記載の骨接合用インプラント。
【請求項８】
前記皮膜下層部に含まれる結晶体が、酸化マグネシウムである請求項５に記載の骨接合用インプラント。
【請求項９】
前記セラミクス皮膜の厚さに対する前記皮膜下層部の厚さの割合が７０％未満である請求項１から請求項８のいずれかに記載の骨接合用インプラント。
【請求項１０】
前記セラミクス皮膜が０．１〜１２μｍの厚さを有する請求項１から請求項９のいずれかに記載の骨接合用インプラント。
【請求項１１】
前記セラミクス皮膜の主成分が、マグネシウム、リンおよび酸素である請求項１から請求項１０のいずれかに記載の骨接合用インプラント。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、骨接合用インプラントに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、マグネシウム合金製の基材に多孔質な皮膜を形成して生体内での耐食性を高めた生分解性インプラント材料が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第２０１３／０７０６６９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１のインプラント材料は、骨組織と接触する最も外側の皮膜が多孔質構造でのみ形成されているため、例えば、骨折治療において骨癒合が完了するまでの間、耐食性を維持できるように高耐食性に設計した場合、インプラント材料の生分解物と体液成分とで生成される化合物（例えば、マグネシウムを含むアパタイト等）がインプラント表面に堆積して、インプラント材料と体液成分との接触による分解反応を阻害してしまい、生分解により消失して欲しいインプラント材料が骨組織内に異物として残る不都合がある。
【０００５】
本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、骨癒合が十分に進行するまでの長期間にわたって耐食性を保持することができ、その後は耐食性を低下させて急速に生分解される骨接合用インプラントを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
本発明の一態様は、マグネシウムまたはマグネシウム合金からなる基材と、該基材の表面に形成されたマグネシウムを含むセラミクス皮膜とを備え、該セラミクス皮膜が、前記基材に隣接する領域に配される多孔質の皮膜下層部と、該皮膜下層部を被覆して最表層を形成する、前記皮膜下層部より緻密な皮膜上層部とを備える骨接合用インプラントを提供する。
【０００７】
本態様によれば、骨接合用インプラントを骨組織に埋植すると、最外層の皮膜上層部が骨組織に接触し、体内の水分と反応して分解が開始される。比較的緻密な皮膜上層部は水分との接触面積が比較的少ないために分解速度が遅いので、患部の骨癒合が進行する間、分解されずに残り、患部を支持する構造材として機能する。そして、皮膜上層部が分解された後には、多孔質の皮膜下層部が骨組織に接触することとなるため、骨組織や水分との接触面積の増大により分解速度は増大する。さらに、分解が進行し、皮膜下層部が消失した後には、基材が骨組織に接触するため、急速に分解速度が上昇し、最終的に骨組織内に異物として残らないように分解される。
【０００８】
すなわち、生体内への埋植直後は比較的緩やかに分解が進行するが、骨癒合の進行とともに、構造材としての機械的強度が不要となった時点で、分解速度が緩やかに増大して分解され、最終的に分解消失させることができる。
【０００９】
上記態様においては、前記皮膜上層部が、生体内において、骨癒合が完了するまでの間残存する程度の分解消失期間を有することが好ましい。
このようにすることで、骨癒合が完了するまで構造材として機能させ、骨癒合が完了した後に分解速度を増大させて速やかに分解させることができる。
【００１０】
また、上記態様においては、前記皮膜上層部の気孔径が最大１μｍであってもよい。
このようにすることで、生体内の体液の浸潤による基材への体液の到達を抑制することができ、埋植初期の耐食性を向上し、骨癒合が進行する間の機械的強度を維持することができる。
【００１１】
また、上記態様においては、前記皮膜上層部が、０．０１〜１０μｍの厚さを有していてもよい。
このようにすることで、３〜１２週間程度の分解消失期間を確保し、骨癒合が進行する間の機械的強度を維持することができる。
【００１２】
また、上記態様においては、前記皮膜上層部が非晶質であり、前記皮膜下層部が非晶質と結晶質との混晶からなっていてもよい。
このようにすることで、非晶質からなる皮膜上層部においては、粒界腐食が発生せず、耐食性を高めることができる。したがって、皮膜上層部の分解速度を十分に遅くすることができる。皮膜上層部が分解した後には、皮膜下層部において、含有される結晶質の粒界腐食が開始されるので、分解速度を増大させることができる。また、皮膜下層部が非晶質を含む混晶であることは、結晶質のみで構成される場合に比べて、非晶質な皮膜上層部と同様の結晶性構造を含むため、皮膜上層部と皮膜下層部とが安定的に接合し、インプラント材料の皮膜構造を保持することができる。
【００１３】
また、上記態様においては、前記皮膜下層部が、最大１μｍ以下の径の気孔を有していてもよい。
このようにすることで、気孔が大きくなって基材と皮膜上層部との接触面積が少なくなることを防止して接着強度を確保し、皮膜上層部を安定して維持することができる。これにより、生体内での分解速度を安定的に制御することができる。
【００１４】
また、上記態様においては、前記皮膜下層部に含まれる結晶体が、５００ｎｍ未満の粒径を有していてもよい。
このようにすることで、結晶体の粒径を小さくするほど結晶粒界の面積を増加させて体液との接触面積を増加させ、皮膜上層部が分解消失した後の分解速度を増大させることができる。
【００１５】
また、上記態様においては、前記皮膜下層部に含まれる結晶体が、酸化マグネシウムであってもよい。
このようにすることで、生体適合性に優れ、皮膜上層部および基材との親和性も高く、安定的に皮膜上層部と基材とを結合することができる。
【００１６】
また、上記態様においては、前記セラミクス皮膜の厚さに対する前記皮膜下層部の厚さの割合が７０％未満であってもよい。
このようにすることで、骨癒合が完了するまでの期間の耐食性を確保することができる。
【００１７】
また、上記態様においては、前記セラミクス皮膜が０．１〜１２μｍの厚さを有していてもよい。
このようにすることで、セラミクス皮膜全体の厚さを薄く抑えて、セラミクス皮膜の生分解により生成される化合物（例えば、マグネシウムを含むアパタイト等）がインプラント表面に堆積して、体液と基材のマグネシウムまたはマグネシウム合金との接触による分解反応を阻害してしまうことを防止することができる。
【００１８】
また、上記態様においては、前記セラミクス皮膜の主成分が、マグネシウム、リンおよび酸素であってもよい。
このようにすることで、セラミクス皮膜が、生体内、特に治療処置患部である骨内に含まれている成分で構成されるので、骨親和性を高めることができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、骨癒合が十分に進行するまでの長期間にわたって耐食性を保持することができ、その後は耐食性を低下させて急速に生分解させることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施形態に係る骨接合用インプラントの表面部分を示す縦断面図である。
【図２】図１の骨接合用インプラントの基材から皮膜上層部付近について、ＦＩＢ（集束イオンビーム）法により作製した、試料断面部の薄膜試料の透過型電子顕微鏡写真を示す図である。
【図３】図１の骨接合用インプラントの皮膜上層部の電子線回折像を示す図である。
【図４】図１の骨接合用インプラントの皮膜下層部の電子線回折像を示す図である。
【図５】図１の骨接合用インプラントの基材の電子線回折像を示す図である。
【図６】図１の骨接合用インプラントの皮膜上層部を角度分解法により元素同定を行った結果を示すスペクトル図である。
【図７】図１の骨接合用インプラントの皮膜上層部の走査型電子顕微鏡写真を示す図である。
【図８】図１の骨接合用インプラントをリン酸緩衝液に浸漬したときのマグネシウムイオンの溶出量の時間変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明の一実施形態に係る骨接合用インプラントについて、図面を参照して以下に説明する。
本実施形態に係る骨接合用インプラント１は、図１に示されるように、マグネシウムまたはマグネシウム合金からなる基材２と、該基材２の表面に形成されたマグネシウムを含むセラミクス皮膜３とを備えている。
【００２２】
セラミクス皮膜３は、基材２の表面の被覆するように形成された多孔質の皮膜下層部４と、該皮膜下層部４の表面を被覆するように形成された皮膜下層部４より緻密な皮膜上層部５とを備えている。セラミクス皮膜３全体の厚さ寸法は０．１〜１２μｍである。
皮膜上層部５は非晶質であり、皮膜下層部４は非晶質と結晶質との混晶からなっている。
【００２３】
皮膜上層部５は、体液によって生分解され消失するまでの期間が、骨癒合が完了するまでの期間、例えば、３〜１２週間となる厚さ寸法、例えば、０．０１〜１０μｍに設定されている。
また、皮膜下層部４は最大２００μｍ以下の径を有する気孔を有している。
さらに、皮膜下層部４に含有される結晶は，５００ｎｍ未満の粒径を有している。
【００２４】
このように構成された本実施形態に係る骨接合用インプラント１の作用について以下に説明する。
本実施形態に係る骨接合用インプラント１を骨組織に埋植すると、最表面に配置されている皮膜上層部５が体液と接触し、生分解が開始される。
【００２５】
皮膜上層部５は、皮膜下層部４より緻密であるため、体液との接触面積はさほど大きくなく、また、非晶質な皮膜であるため粒界腐食がなく生分解は緩やかに進行する。皮膜上層部５は、生分解により消失する期間が３〜１２週間となる厚さ寸法に設定されているので、皮膜上層部５が生分解により消失するまでの間、骨接合用インプラント１は機械的強度を維持し、周辺の骨組織の癒合を安定して完了させることができる。
【００２６】
そして、皮膜上層部５が生分解により消失すると、体液は皮膜下層部４に到達する。皮膜下層部４は多孔質であるため体液との接触面積は皮膜上層部５よりも大きく、かつ、皮膜上層部５に含有される結晶質の界面において粒界腐食が発生するために、分解速度は増大する。したがって、皮膜上層部５が消失するのにかかる時間よりも短い時間で生分解により消失する。
【００２７】
この場合において、皮膜下層部４も非晶質部分が存在するセラミクスであるため、マグネシウムまたはマグネシウム合金からなる基材２と比較すると緩やかに生分解が進行するので、急激な生分解の進行を抑えることができる。そして、皮膜下層部４が分解消失した後に、基材２が体液に接触することにより、急速に生分解が進行して消失する。これにより、骨接合用インプラント１が体内に異物として残らないようにすることができる。
【００２８】
このように、本実施形態に係る骨接合用インプラント１によれば、埋植初期から骨癒合が完了するまでの間の機械的強度を維持して骨癒合を安定して行わせることができ、骨癒合が完了した後には速やかに消失して異物とならないようにすることができるという利点がある。
【００２９】
なお、本実施形態においては、セラミクス皮膜３全体の厚さを０．１〜１２μｍ、皮膜上層部５の厚さを０．０１〜１０μｍとしたが、皮膜下層部４の厚さは、セラミクス皮膜３全体の厚さの７０％未満であることが好ましい。これにより体液が皮膜下層部４に達するまでの時間を十分に確保することができる。
【００３０】
次に、本実施形態に係る骨接合用インプラント１の製造方法について、以下に説明する。
本実施形態に係る骨接合用インプラント１を製造するには、０．０００１ｍｏｌ／Ｌ以上、５ｍｏｌ／Ｌ以下のリン酸またはリン酸根を含有し、アンモニアまたはアンモニウムイオンが０．０１ｍｏｌ／Ｌ以上、５ｍｏｌ／Ｌ以下含有し、フッ素、塩素を含有せず、ｐH８〜１３である電解液にマグネシウムまたはマグネシウム合金からなる基材２を浸漬して通電する陽極酸化を施す。なお、通電時の電解液温度は５℃以上、５０℃以下に制御されていることが好ましい。
【００３１】
なお、陽極酸化を施す前に、酸、およびアルカリ溶液に基材２を浸漬処理することが好ましい。マグネシウムまたはマグネシウム合金表面の自然酸化膜や形状加工時の加工油や離型剤などの不純物などを溶解除去可能であり、陽極酸化膜の品質が向上する。また、酸溶液、アルカリ溶液への浸漬を併用することは、一方の溶液に浸漬した際に形成する不溶性不純物が他方の溶液に浸漬することで溶解除去可能であり、より好ましい。酸溶液としては、塩酸、硫酸、リン酸等の溶液を用いることが可能であり、アルカリ溶液としては、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム等の溶液を用いることが可能である。また、浸漬処理溶液の各温度は、室温のままでも効果があるが、４０℃〜８０℃に保持した状態で浸漬すると、不純物の溶解除去の効果がより期待される。
【００３２】
陽極酸化処理は、電解液の中に浸漬した基材２を陽極として、同様に浸漬した陰極材料との間に電源を接続することにより行われる。
使用される電源は特に限定されるものではなく、直流電源でも交流電源でも使用可能であるが、直流電源を使用することが好ましい。
【００３３】
直流電源を使用する場合には、定電流電源を使用することが好ましい。陰極材料は特に限定されず、例えば、ステンレス材などを好適に使用することができる。陰極の表面積は陽極酸化処理される基材２の表面積より大きいことが好ましい。
【００３４】
電源として定電流電源を用いるときの基材２の表面における電流密度は１５Ａ／ｄｍ２以上である。通電時間は１０〜１０００秒である。定電流電源で通電する際には、通電開始時の印加電圧は低いものの、時間の経過とともに印加電圧は上昇する。通電を終了する際の印加電圧の最終到達電圧は２００Ｖ以上である。
【００３５】
このようにすることで、単一の工程の陽極酸化処理により、基材２の表面に皮膜下層部４と皮膜上層部５とを積層してなるセラミクス皮膜３が形成された骨接合用インプラント１を製造することができる。
【００３６】
次に、上記製造方法のうち、処理条件を異ならせて３種類の骨接合用インプラント１のサンプルを作成した。
具体的には、まず前処理として、マグネシウム合金からなる基材２を５．７ｍｏｌ／Ｌのリン酸（７０℃）に浸漬した後、表面を水洗し、次いで３．８ｍｏｌ／Ｌの水酸化ナトリウム水溶液（７０℃）に浸漬した後、表面を水洗した。
【００３７】
０．０５ｍｏｌ／Ｌのリン酸根と１．９ｍｏｌ／Ｌのアンモニアまたはアンモニウムイオンとを含む電解液を調製し、温度を１０℃に制御した。この電解液に、上記水洗処理した基材２を陽極として浸漬し、陰極としてＳＵＳ３０４材料を用いて、電流密度２０Ａ／ｄｍ２で、陽極酸化処理を行ってサンプルを作成した。このとき、到達電圧を３００Ｖ（サンプルＡ）、４００Ｖ（サンプルＢ）、５００Ｖ（サンプルＣ）とした。
【００３８】
製造されたサンプルＡ，Ｂ，Ｃについて、ＦＩＢ法による薄膜試料の作成を行い、電子顕微鏡で観察した結果、図２に示されるように、サンプルＡ，Ｂ，Ｃの各縦断面に、基材２に隣接する皮膜下層部、皮膜下層部に隣接する皮膜上層部が観察された。これによれば、基材２に隣接する皮膜下層部には空洞が観察されて多孔質であることがわかり、皮膜上層部には皮膜下層部に比べて空洞が少なく、より緻密であることがわかる。
【００３９】
この電子顕微鏡の観察像からセラミクス皮膜の平均的な厚さ寸法を確認した結果、０．８μｍ（サンプルＡ）、２．１μｍ（サンプルＢ）、５．３μｍ（サンプルＣ）であった。また、皮膜下層部４の厚さ寸法は、０．３μｍ（サンプルＡ）、１．５μｍ（サンプルＢ）、６．１μｍ（サンプルＣ）であった。
また、比較例サンプルとして、表面多孔質サンプルである国際公開第２０１３０７０６６９号のＥｘａｍｐｌｅ６に示される条件で陽極酸化処理したサンプルを作製した。
【００４０】
また、各サンプルの薄膜試料に対して、φ５００ｎｍの電子線を照射して、その回折像を観察した結果、いずれのサンプルにおいても、図３に示されるように、皮膜上層部５においては電子線回折像にリングも斑点も現れない非晶質であることが示され、図４に示されるように、皮膜下層部４においては回折線リングから５００ｎｍ未満の大きさの結晶の存在と非晶質構造がともに存在する混晶構造が確認された。なお、図５に示されるように、基材２においては、回折線斑点から５００ｎｍ以上の単結晶組織の存在が確認された。
【００４１】
また、図４に示される皮膜下層部４の電子線回折図から結晶面間隔を測定した結果、０．１５１ｎｍおよび０．２１５ｎｍであった。これらの面間隔は、酸化マグネシウムの面間隔にほぼ一致しており、酸化マグネシウムの結晶体が存在していることが分かった。
また、皮膜上層部５を角度分解法により元素定量を行った結果、図６に示されるワイドスキャンスペクトルから表１に示されるように、皮膜上層部には、Ｏ、Ｍｇ、Ｃ、Ｐの元素が含まれることが分かった。また、セラミクス皮膜３の深さ方向に対してＣの量が減少していく傾向があることから、Ｃは不純物であり、主成分はＯ、Ｍｇ、Ｐであることが分かった。
【００４２】
【表１】
2015228906.tif 000003
【００４３】
また、図７にサンプルの皮膜上層部５の走査型電子顕微鏡画像を示す。これによれば、皮膜上層部５の表面には０．２μｍ以上の径寸法を有する気孔は見られなかった。
【００４４】
次に、上記３種類のサンプルと、比較例としたサンプルとをリン酸緩衝液に浸漬した場合のマグネシウムイオンの溶出量の時間変化を図８に示す。溶出量はＩＣＰ（誘導結合プラズマ発光分光分析）によって定量測定した。
これによれば、３つのサンプルは比較例と比較して浸漬直後のマグネシウムイオンの溶出量が低く抑えられていて高い耐食性が示されているが、浸漬９０日前後で比較例よりも溶出量が多くなっている。すなわち、３つのサンプルは埋植初期には生分解が緩やかに抑えられ、９０日前後から分解速度が増大していることが分かる。
【００４５】
人の自家骨の癒合には、約３〜１２週間を要すると言われており、１２週間は生分解の進行を抑えて機械的強度を維持することができ、１２週間経過後に分解速度を増大させて速やかに消失させることができる。
【００４６】
なお、本実施形態においては、セラミクス皮膜として陽極酸化処理により形成される酸化マグネシウム皮膜を例示したが、これに代えて、リン酸マグネシウムからなるセラミクス皮膜を採用してもよいし、陽極酸化処理に代えて、蒸着やコーティング等の任意の手法によって形成してもよい。
【符号の説明】
【００４７】
１  骨接合用インプラント
２  基材
３  セラミクス皮膜
４  皮膜下層部
５  皮膜上層部
【図１】
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【図６】
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【図８】
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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７】
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