(57)【要約】【課題】基材表面に、Ｆｅ含有Ｃｏ基合金被覆層を形成して、耐食性と細胞適合性に優れる生体用インプラント複合材料を提供する。【解決手段】金属または合金からなる基材２と、該基材の表面に形成され、Ｃｒ：２０〜３４質量％、Ｍｏ：１〜１０質量％およびＦｅ：３〜２０質量％を含有し、残部が実質的にＣｏからなる組成をもつＦｅ含有Ｃｏ基合金被覆層３とを有することを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属または合金からなる基材と、
該基材の表面に形成され、Ｃｒ：２０〜３４質量％、Ｍｏ：１〜１０質量％およびＦｅ：３〜２０質量％を含有し、残部が実質的にＣｏからなる組成をもつＦｅ含有Ｃｏ基合金被覆層と
を有することを特徴とする生体用インプラント複合材料。
【請求項２】
前記基材が、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｍｏ合金からなる請求項１記載の生体用インプラント複合材料。
【請求項３】
前記Ｆｅ含有Ｃｏ基合金被覆層は、Ｆｅ含有量が４〜１５質量％である請求項１または２記載の生体用インプラント複合材料。
【請求項４】
前記Ｆｅ含有Ｃｏ基合金被覆層が、γ相とε相を主相とし、かつσ相の存在割合が面積率で４０％以下である請求項３記載の生体用インプラント複合材料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、特に、人工股関節を始めとして生体内に埋め込まれて使用され、耐食性および細胞適合性に優れるＦｅ含有Ｃｏ基合金被覆層を有する生体用インプラント複合材料に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
Ｃｏ基合金、例えば特許文献１に記載されているようなＣｏ−Ｃｒ−Ｍｏ合金は、高耐食性と高耐磨耗性を有するため、人工股関節として実用化されている。人工股関節のステムを大腿骨の髄空に挿入して固定するための手段としては、主として、骨セメント固定法とセメントレス固定法の二つの方法に大別される。
【特許文献１】特開２００４−２６９９９４号公報
【０００３】
これらの方法のうち、特にセメントレス固定法としては、ステム（基材）の表面に骨細胞を誘導し易くするために、表面を多孔質化したり、表面をビーズ状の微細なＣｏ−Ｃｒ−Ｍｏ合金粒子で被覆する処理が施される方法が挙げられる。
【０００４】
しかし、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｍｏ合金は、骨芽細胞に対する毒性のレベルが比較的低いものの、生体内部の部位によっては毒性レベルを現状よりも少なくすることが求められる。
【０００５】
また、最近、骨頭やソケットのように、他の部材との繰り返し接触による磨耗を抑制するため、いわゆるmetal-on-metalの人工股関節への要求が高まりつつある。
【０００６】
なお、ここでいう「metal-on-metal」とは、具体的には、人工関節の関節面のすり合わせを金属と金属で構成することを意味する。たとえば人工股関節の場合、従来は、骨頭を金属とし、ソケットを超高分子量ポリエチレン（UHMWPE）で構成されたものが使用されているため、ポリエチレンの磨耗粉が大量に発生するという問題があった。この磨耗粉の発生を抑えるために、骨頭とソケットの両方ともが金属でできている「metal-on-metal」タイプの人工股関節に対する関心が高まってきた。「metal-on-metal」の構成として、骨頭とソケットのみがCo-Cr-Mo 合金製で、ステムをチタン合金とするタイプもあるが、この場合、Co-Cr-Mo合金（骨頭）/チタン合金（ステム）の異種金属の接触によるガルバニック腐食が問題となる。よって、生体内での腐食を抑制するためには、骨頭とステムの材質は同じものを使用することが好ましいとされる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
この発明の目的は、金属または合金からなる基材表面に、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｍｏ合金中にＦｅを適量含有させたＣｏ基合金被覆層を形成することにより、耐食性および細胞適合性に優れる生体用インプラント複合材料を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、この発明の要旨は以下のとおりである。
(Ｉ)  金属または合金からなる基材と、該基材の表面に形成され、Ｃｒ：２０〜３４質量％、Ｍｏ：１〜１０質量％およびＦｅ：３〜２０質量％を含有し、残部が実質的にＣｏからなる組成をもつＦｅ含有Ｃｏ基合金被覆層とを有することを特徴とする生体用インプラント複合材料。
【０００９】
（ＩＩ）前記基材が、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｍｏ合金からなる上記（Ｉ）記載の生体用インプラント複合材料。
【００１０】
（ＩＩＩ）前記Ｆｅ含有Ｃｏ基合金被覆層は、Ｆｅ含有量が４〜１５質量％である上記（Ｉ）または（ＩＩ）記載の生体用インプラント複合材料。
【００１１】
（ＩＶ）前記Ｆｅ含有Ｃｏ基合金被覆層が、γ相とε相を主相とし、かつσ相の存在割合が面積率で４０％以下である上記（ＩＩＩ）記載の生体用インプラント複合材料。
【発明の効果】
【００１２】
この発明によれば、金属または合金からなる基材表面に、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｍｏ合金中にＦｅを適量含有させたＣｏ基合金被覆層を形成することにより、耐食性および細胞適合性に優れる生体用インプラント複合材料の提供が可能になった。
【００１３】
特に、本発明の生体用インプラント複合材料を人工関節に使用することにより、手術後に骨とインプラントのより早期の固定を可能にする。また、骨とインプラントとの固定をより強固にすることが可能となるために、人工関節置換手術を受けてから退院までの期間を短縮でき、早期にリハビリを開始することができるので、患者の早期の社会復帰を実現できるなどの利点を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
次に、この発明に従う実施形態について、図面を参照しながら以下で説明する。
図１（ａ）は、人工股関節に使用される、この発明に従う生体用インプラント複合材料の要部の側面図であり、図中１は人工股関節、２は基材（ステム）、３はＦｅ含有Ｃｏ基合金被覆層、４は生体用インプラント複合材料、そして５は骨頭であり、ステム２の表面には、Fe含有Co基合金のビーズからなるＦｅ含有Ｃｏ基合金被覆層３を被覆したものを示してある。
【００１５】
また、図１(b)は、本発明の他の実施形態であり、人工膝関節の大腿骨側のコンポーネントを示している。Fe含有Co基合金のビーズからなるＦｅ含有Ｃｏ基合金被覆層３を被覆する箇所としては、前記コンポーネントの内面が考えられる。
【００１６】
さらに、図１(ｃ)は、本発明の別の実施形態であり、人工膝関節の脛骨側プレートを示している。Fe含有Co基合金のビーズからなるＦｅ含有Ｃｏ基合金被覆層３を被覆する箇所としては、前記プレートの表面およびステム部が考えられる。
【００１７】
図１に示す生体用インプラント複合材料としての人工股関節１は、基材２とＦｅ含有Ｃｏ基合金被覆層３とで構成されている。
【００１８】
基材２は、生体用インプラント材として一般に使用されている材料であればよく、特に限定はしないが、例えば基材２とＦｅ含有Ｃｏ基合金被覆層３との間で生じるガルバニック腐食性を考慮した場合には、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｍｏが特に好ましい。
【００１９】
Ｆｅ含有Ｃｏ基合金被覆層３は、前記基材２の表面に形成され、Ｃｒ：２０〜３４質量％、Ｍｏ：１〜１０質量％およびＦｅ：３〜２０質量％を含有し、残部が実質的にＣｏからなる組成を有する。
【００２０】
本発明者らが、耐食性と細胞適合性の双方を満足する生体用インプラント材を開発するための検討を行ったところ、基材２と、その基材表面に形成されるＦｅ含有Ｃｏ基合金被覆層、より具体的にはＦｅ含有Ｃｏ−Ｃｒ−Ｍｏ合金からなる被覆層３とからなる複合材料は、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｍｏ系合金特有の優れた耐摩耗性を維持しつつ、適正量、具体的には３〜２０質量％のＦｅを含有させることにより、耐食性に優れ、既存のＣｏ−Ｃｒ−Ｍｏ合金の骨芽細胞に対する毒性を消失させ、優れた細胞適合性が得られることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００２１】
Ｆｅ含有Ｃｏ基合金被覆層３中のＦｅ含有量を３〜２０質量％に限定した理由は、Ｆｅ含有量が３質量％未満だと、既存のＣｏ−Ｃｒ−Ｍｏ合金の骨芽細胞に対する毒性を十分に消失させることができず、細胞適合性が劣るからであり、また、Ｆｅ含有量が２０質量％を超えると、合金組織中に、硬くて脆いσ相が多数析出する結果、塑性加工性が劣るからである。
【００２２】
このため、塑性加工性を重視する場合には、前記Ｆｅ含有Ｃｏ基合金被覆層が、γ相とε相を主相とし、かつσ相の存在割合が面積率で４０％以下とすることが好ましい。この場合、Ｆｅ含有Ｃｏ基合金被覆層３中のＦｅ含有量は、４〜１５質量％とすることが好適である。
【００２３】
前記被覆層３をＦｅ含有Ｃｏ基合金に限定する理由は、生体用インプラント複合材料として用いることを特徴とする本発明では、使用する環境が生体内という腐食性が強い環境にあり、かかる環境に耐えうる材料が求められるからである。
【００２４】
Ｃｒ含有量を２０〜３４質量％に限定する理由は、２０質量％未満だと、耐食性が劣化するという問題があるからであり、３４質量％超えだと、脆性的になる      という問題があるからである。
【００２５】
Ｍｏ含有量を１〜１０質量％に限定する理由は、１質量％未満だと、耐食性が劣化するという問題があるからであり、１０質量％超えだと、脆性的になるという問題があるからである。
【００２６】
次に、この発明に従う生体用インプラント複合材料の製造方法の一例を以下で説明する。
【００２７】
生体用インプラント材として従来から用いられていたＣｏ−Ｃｒ−Ｍｏ合金を基材（ステム）とし、この基材の表面に、プラズマ回転電極（ＰＲＥＰ）法、ガスアトマイズ法などで作製されたビーズ状粒子（または粉末）を、焼結法、プラズマ溶射などの種々のコーティング技術を用いて、上述した組成をもつＦｅ含有Ｃｏ基合金被覆層を１００〜４０００μｍの膜厚でコーティングすることにより、本発明の生体用インプラント複合材料を製造することができる。このコーティング技術の中で、特に、プラズマ回転電極法によって、好適には粒径２００〜３００μｍ程度の上記組成をもつＦｅ含有Ｃｏ基合金からなるビーズを作製し、これらのビーズを基材表面にビーズコーティングを施す方法を用いるのが最も好ましい。なお、Ｆｅ含有Ｃｏ基合金被覆層を１００〜４０００μｍの膜厚に限定する理由は、１００μｍ未満だと、骨芽細胞の誘導性が損なわれるからであり、４０００μｍ超えだと、コーティング相の剥離が心配されるからである。
【００２８】
上述したところは、この発明の実施形態の例を示したにすぎず、請求の範囲において種々の変更を加えることができる。
【実施例】
【００２９】
（実施例１）
基材として、サイズ：  ３ｍｍ×３０ｍｍ×３０ｍｍのＣｏ−２９質量％Ｃｒ−６質量％Ｍｏを用い、この基材の表面に、プラズマ回転電極法によって、Ｃｏ−２９質量％Ｃｒ−６質量％Ｍｏ−５質量％Ｆｅ合金からなり、平均粒径が３００μｍのビーズを作製し、これらのビーズを基材表面にビーズコーティングを施すことにより、生体用インプラント複合材料を得た。
【００３０】
（実施例２）
基材として、サイズ：３ｍｍ×３０ｍｍ×３０ｍｍのＣｏ−２９質量％Ｃｒ−６質量％Ｍｏを用い、この基材の表面に、プラズマ回転電極法によって、Ｃｏ−２９質量％Ｃｒ−６質量％Ｍｏ−１０質量％Ｆｅ合金からなり、平均粒径が３００μｍのビーズを作製し、これらのビーズを基材表面にビーズコーティングを施すことにより、生体用インプラント複合材料を得た。
【００３１】
（実施例３）
基材として、サイズ：３ｍｍ×３０ｍｍ×３０ｍｍのＣｏ−２９質量％Ｃｒ−６質量％Ｍｏを用い、この基材の表面に、プラズマ回転電極法によって、Ｃｏ−２９質量％Ｃｒ−６質量％Ｍｏ−１５質量％Ｆｅ合金からなり、平均粒径が３００μｍのビーズを作製し、これらのビーズを基材表面にビーズコーティングを施すことにより、生体用インプラント複合材料を得た。
【００３２】
（実施例４）
基材として、サイズ：３ｍｍ×３０ｍｍ×３０ｍｍのＣｏ−２９質量％Ｃｒ−６質量％Ｍｏを用い、この基材の表面に、プラズマ回転電極法によって、Ｃｏ−２９質量％Ｃｒ−６質量％Ｍｏ−２０質量％Ｆｅ合金からなり、平均粒径が３００μｍのビーズを作製し、これらのビーズを基材表面にビーズコーティングを施すことにより、生体用インプラント複合材料を得た。
【００３３】
（比較例１）
基材として、サイズ：３ｍｍ×５０ｍｍ×５０ｍｍのＣｏ−２９質量％Ｃｒ−６質量％Ｍｏを用い、この基材の表面に、プラズマ回転電極法によって、Ｆｅ非含有のＣｏ−２９質量％Ｃｒ−６質量％Ｍｏ合金からなり、平均粒径が３００μｍのビーズを作製し、これらのビーズを基材表面にビーズコーティングを施すことにより、生体用インプラント複合材料を得た。
【００３４】
（比較例２）
基材として、サイズ：３ｍｍ×５０ｍｍ×５０ｍｍのＣｏ−２９質量％Ｃｒ−６質量％Ｍｏを用い、この基材の表面に、プラズマ回転電極法によって、Ｃｏ−２９質量％Ｃｒ−６質量％Ｍｏ−２質量％Ｆｅ合金からなり、平均粒径が３００μｍのビーズを作製し、これらのビーズを基材表面にビーズコーティングを施すことにより、生体用インプラント複合材料を得た。
【００３５】
（比較例３）
基材として、サイズ：３ｍｍ×５０ｍｍ×５０ｍｍのＣｏ−２９質量％Ｃｒ−６質量％Ｍｏを用い、この基材の表面に、プラズマ回転電極法によって、Ｃｏ−２９質量％Ｃｒ−６質量％Ｍｏ−２５質量％Ｆｅ合金からなり、平均粒径が３００μｍのビーズを作製し、これらのビーズを基材表面にビーズコーティングを施すことにより、生体用インプラント複合材料を得た。
【００３６】
（試験方法）
（１）組織観察
上記した実施例２（Ｆｅ：１０質量％）、実施例４（Ｆｅ：２０質量％）および比較例１（Ｆｅ：０質量％）の合金の鋳造まま材を作製し、板状試料を切り出し、その表面を鏡面研磨し、電解研磨を行った後、光学顕微鏡により、組織観察を行なった。その結果を図２に示す。図２に示す結果から、いずれもデンドライトを形成しているが、Ｆｅの含有量を増加させるにつれて粗大化していた。このデンドライト間にはσ相の析出が認められ、特に、Ｆｅ含有量の増加に伴って、σ相の析出量が増加するのが認められた。
【００３７】
（２）コロニー形成試験
上記実施例および比較例の各供試材をエメリー紙６００番まで研磨した後、アセトンおよびエタノールで超音波洗浄し、オートクレーブにより滅菌した。各供試材の表面上に、細胞を５０個ずつ播種し、前述の条件で培養後、コロニーを固定、染色し、その数を計数した。細胞の形態は、広視野コンフォーカル顕微鏡で観察した。なお、コントロールは、１２ウェルプレートに播種したものを用いた。また、前記細胞は、マウス骨芽細胞様骨細胞（MC3T3-E1）を、１０％FBS（胎児牛血清）と抗生物質（２％ペニシリン−ストレプトマイシン）を添加したα−MEM培地中で、３７℃、５％ＣＯ２の条件下で８日間培養したものを用いた。コロニー形成試験の結果を図３に示す。なお、このコロニー形成率は、数値が大きいほど、細胞適合性が優れていることを意味する。
【００３８】
図３に示す結果から、Ｆｅ含有量が１０質量％以上であるＣｏ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｆｅ合金の場合はいずれも、Ｆｅ非含有のＣｏ−Ｃｒ−Ｍｏ合金である比較例１と比べて、コロニー形成率が格段に増加した。
【００３９】
Ｆｅは細胞のエネルギー代謝に必要な酵素中に含まれており、細胞の成長に必須な微量養分であることから、Ｆｅ含有量の増加により、コロニー形成率が増加したものと考えられる。図４に、比較例１（Ｆｅ：０質量％）と実施例４（Ｆｅ：２０質量％）の細胞形態を示す。接触誘導が起こり、細胞は研磨痕に沿って進展していた。接触誘導は、細胞とマテリアル表面との間の生体力学的平衡や創傷部位への細胞移動に寄与する。このことからインプラント材と組織細胞との固定が改善され、また創傷部位の早期回復が期待できる。
【００４０】
（３）細胞応答試験
Co-29Cr-6Mo-XFe合金(X=0，5，10，15，20 質量％)を高周波真空誘導溶解炉にて作製した。as-cast状態の試験片は直径20 mm，厚さ2 mmに切断後，自動研磨機を用い＃600まで研磨を行い，洗浄，滅菌した。各試料上にMC3T3-E1(マウス骨芽細胞様骨細胞)を播種し，培地に10%FBS(胎児牛血清)，抗生物質を添加したα-MEMを使用し，37℃，5%CO2条件下で2，4，8日間共培養した．培養細胞にMQ水および細胞可溶化剤を加え漏出した核酸量とタンパク質量の関係，細胞中のLDHを比色法により測定し細胞増殖能を評価した．また，上澄み中に漏出したLDHを比色法により測定し，細胞膜障害についての知見を得た．
【００４１】
図５に示すように、  細胞中のLDHを比色法により測定し細胞増殖能増殖率は、８日間の共培養により、Fe含有Co-Cr-Mo合金がFe非含有合金に比べて高く、中でもFe添加５％のCo-Cr-Mo合金がもっとも高いことが分かる。
【００４２】
また、図６に示されるように、Fe含有Co-Cr-Mo合金では、Fe非含有合金に比べてDNA合成・タンパク質合成共に活発であり、遺伝子発現阻害は見られない。
【００４３】
さらに、図７は、上澄み中に漏出したLDHを比色法により測定し，細胞膜障害の大きさを調べたものである。4日では、5Feの膜障害がもっとも少ないが、8日になると、5Fe、10Fe、15Fe、20Feにおける 膜障害は、ほぼ変わらなかった。全体として、Fe含有材はFe非含有材に比べ、細胞膜障害が起こりにくいことがわかる。
【００４４】
以上の結果、Fe含有材ではFe非含有材と比較して，細胞増殖は促進され，細胞膜障害は抑制されると言える。この結果は，Co-Cr-Mo合金中へのFeの含有は細胞増殖能の向上かつ細胞膜障害の抑制を促すことを示唆している．
【００４５】
（４）加工性試験
Co-29Cr-6Mo-XFe合金(X=0，5，10，15，20 質量％)を高周波真空誘導溶解炉にて作製した。化学分析組成を表１に示す。as-cast状態、1230℃で3時間、および1250℃で5時間の熱処理を施した合金の引っ張り試験を行った。その結果を図８（降伏応力）、図９（引っ張り強さ）および図10（全伸び）に示す。図８〜図１０の結果から、Fe含有量が５および10質量％であるFe含有Co-Cr-Mo合金（実施例１および２）は、Fe非含有Co-Cr-Mo合金（比較例１）に比べて、as-cast状態の場合と1230℃で3時間の熱処理の場合とで特性が優れていることが分かる。また、Fe含有量が20質量％であるFe含有Co-Cr-Mo合金は、Fe非含有Co-Cr-Mo合金に比べて、いずれの場合も、引っ張り強さおよび全伸びが劣っているのが分かる。
【００４６】
（５）擬似生体液中での腐食試験
Co-29Cr-6Mo-XFe合金(X=0，5，10，15，20 質量％)について生体液中で腐食挙動を調べた。図11に示すように、Fe含有のCo-Cr-Mo合金の分極曲線を37℃の擬似体液（ハンクス液）中にて測定すると、Fe非含有のCo-Cr-Mo合金不働態維持電流密度は低下傾向を示し、かつ過不働態電位はFe非含有のCo-Cr-Mo合金での400mV（SCE基準）から800mV（SCE基準）に上昇することが分かった。このことより、Fe含有のCo-Cr-Mo合金は耐食性が向上することが明らかとなった。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
この発明によれば、金属または合金からなる基材表面に、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｍｏ合金中にＦｅを適量含有させたＣｏ基合金被覆層を形成することにより、耐食性および細胞適合性に優れる生体用インプラント複合材料の提供が可能になった。
【００４８】
特に、本発明の生体用インプラント複合材料を人工関節に使用することにより、手術後に骨とインプラントのより早期の固定を可能にする。また、骨とインプラントとの固定をより強固にすることが可能となるために、人工関節置換手術を受けてから退院までの期間を短縮でき、早期にリハビリを開始することができるので、患者の早期の社会復帰を実現できるなどの利点を有する。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】(a)は、人工股関節に使用される、この発明に従う生体用インプラント複合材料の要部の側面図であり、(b)および(c)は、本発明の他の実施形態を示す写真である。
【図２】実施例２（Ｆｅ：１０質量％）、実施例４（Ｆｅ：２０質量％）および比較例１（Ｆｅ：０質量％）の供試材の表面の光学顕微鏡写真である。
【図３】コロニー形成試験の結果を示すグラフである。
【図４】比較例１（Ｆｅ：０質量％）と実施例４（Ｆｅ：２０質量％）の細胞形態を示す光学顕微鏡写真である。
【図５】各供試材の相対細胞増殖率と培養日数との関係を示すグラフである。
【図６】各供試材のタンパク質/DNAと培養日数との関係を示すグラフである。
【図７】各供試材のLDH漏出（％）と培養日数との関係を示すグラフである。
【図８】as-cast状態、1230℃で3時間、および1250℃で5時間の熱処理を施した各供試材の降伏応力の測定結果を示すグラフである。
【図９】as-cast状態、1230℃で3時間、および1250℃で5時間の熱処理を施した各供試材の引張り強さの測定結果を示すグラフである。
【図１０】as-cast状態、1230℃で3時間、および1250℃で5時間の熱処理を施した各供試材の全伸びの測定結果を示すグラフである。
【図１１】各供試材について37℃の擬似体液（ハンクス液）中で腐食挙動を調べた結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００５０】
１  人工股関節
２  基材（またはステム）
３  Ｆｅ含有Ｃｏ基合金被覆層
４  生体用インプラント複合材料
５  骨頭
【図１】
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【図３】
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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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【図１１】
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【図２】
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【図４】
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