(57)【要約】【課題】金属表面に任意気孔形状を有するインプラント材料の作製方法を提供する。【解決手段】母材となる金属（チタン・ステンレス鋼など）の表面に金属粉末あるいは金属線等の多孔体となる材料を配置して、これらの材料に直接通電する。この時の局部発熱を利用して多孔体となる材料を接合すると、表面に任意気孔を有するポーラス材ができる。また、大きさの異なる孔をもつ金属箔を積層し、これらに直接通電しながら接合すると、内部で膨らんだ孔をもつインプラント材が作成できる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属粉末や線、あるいはフォトエッチング等で穴を作った箔を積層したものを、母材となる金属表面の気孔の必要箇所に配した後、この積層物を電極間にはさんで加圧しながら、一定時間通電して、接合箇所を加熱して接合することを特徴とする表面形状を制御した生体材料の作成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、任意の気孔を表面に有する金属インプラント材料の作製方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】金属材料は、人工股関節のステムや人工歯根など種々の生体材料に利用されている。近年、水酸アパタイトなどセラミックス材料の発展は目覚ましいものがあるが、機械的特性に不安があり、金属の特徴を活かしたインプラント材の開発・改善はますます重要となっている。
【０００３】
金属材料をインプラント材料として利用する場合、生体骨に固定する必要がある。このとき、骨セメントと呼ばれるポリメチルメタアクリレートを用い固定するが、長期間使用するとインプラント材と生体骨との間にゆるみを生じてくる。
また、骨セメントが硬化する際の重合反応による発熱や、残留モノマーによる周囲組織への影響など、金属インプラントを用いる場合には種々の問題が発生する。そこで、金属インプラント材と生体骨との結合を改善するために、インプラント材全体もしくは表面の多孔質化が考えられる。材料を多孔質化することにより、細孔中に新生骨が侵入し、多孔質化した金属インプラントと骨との間に機械的なインターロッキングが起き、材料と骨とをつなぐことが出来る。
【０００４】
多孔質生体セラミックスでは、約１００μｍ以上の気孔が空いていると、隣接する生体骨から成長してくる骨が細孔に入り込み、機械的インターロッキングが生じて接着状態となることができることが確認されており、多孔質生体材料に対する認識は高まっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、大気孔（約１００μｍ以上）を有するセラミックス多孔質材料は、機械的強度の低下が著しく、荷重のかからない部位に使用が制限されるといった欠点がある。近年、チタン（Ｔｉ）やＴｉ合金の粉末を焼結することによる多孔質化や、Ｔｉ母材上に水素Ｔｉの粉末をキャリアガスといっしょにプラズマスプレーすることにより多孔質化などが行われている。これらの方法では、任意形状の気孔を有する多孔体を作製することが難しい。
【０００６】
なお本発明に関連ある公知例としては特開２００２−１４３２９０号、特開２００２−０９７５３１号なるものがあるが、本願と狙い、目的が異なるものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明は、目的の形状が得られるように、あらかじめ気孔となる箇所を金属粉末や線、あるいはフォトエッチング等で取り除いた箔を積層して、表面形状制御材料を組み立てた後、この積層物を電極間にはさんで加圧しながら、一定時間通電して、接合箇所を加熱して接合することを特徴とする。チタンやステンレス鋼は、電気抵抗が高く、接触抵抗に起因する大きなジュール熱によって、数少ない接合部を効率的に加熱し、少ない変形で接合できることを特徴としている。
【０００８】
【発明の実施の形態】図１はポーラス材として、金属粉や線を配したインプラント材を作成する方法を示す図である。金属材料をインプラント材として使用する際には、図１に示したようにインプラント材▲３▼の一部を金属粉末あるいは金属線▲４▼を配して、ポーラス状にすることが必要となる。また、インプラント材として使用される金属は、チタン、ステンレス鋼が多い。このような形状をもつインプラント材を少ない形状変化で、汚染なく、点接触部のみを効率的に接合する必要がある。
【０００９】
粉末金属の焼結、金属材料の間に粉末や金属線を挟んで、通電接合する研究を進め本発明を完成した。たとえば、図１に示したように、インプラント材▲３▼の表面に金属粉末あるいは金属線▲４▼を配して電極▲１▼と電極▲２▼ではさんで、パルス的あるいは直流の電流を通電すると、接触部に電流が流れる。その結果、電流によるジュール熱は接触部に集中的に発生する。このような局部的な熱は、接触部で発生し、接触部が集中的に加熱される。また、熱伝導が悪い材料ほど、接触点が効率的に加熱される。従って、チタン、ステンレス鋼のような熱伝導が悪い材料では、短時間で容易に１０００℃程度に到達し、接触部が接合点に変化し、積層部材の形状変化を少なくして、積層組立接合が可能となる。一方、丸棒同士を突き合わせて、その突き合わせた全面を接合する場合には、その面のみを効率的に加熱することはできない。
【００１０】
このように直接通電して接触部を効率的に加熱し、接合する通電加熱接合法では、粉末や線を積層したポーラス材の組立接合、特に積層部材の少ない形状変化で組み立て接合する方法として適している。またこの方法は表面形状を任意の形状に制御することにも適した方法である。
【００１１】
インプラント材▲３▼の表面形状を任意に制御する方法として、図２に示したように、フォトエッチング法等で金属箔に大きさの異なる孔を持つ金属箔▲５▼、▲６▼、▲７▼を順次積層する。図３は孔の大きさの異なる金属箔を配したインプラント材▲３▼を作成する方法を示す図である。図３のように電極▲１▼と▲２▼の間で、金属箔▲５▼、▲６▼、▲７▼とインプラント材▲３▼を積層して、通電接合すると、内部で膨らんだ孔を持つインプラント材▲３▼を作製する事ができる。一方、この金属箔の積層の仕方を上から箔▲７▼、▲６▼、▲５▼と逆方向に積層すると、すり鉢形状とする事ができる。つまり、積層する金属箔の孔の大きさ、形状を制御することで、インプラント材▲３▼の表面の任意の位置に、任意の形状のものを作製することができる。
【００１２】
このように、積層する部材は、粉末、線、箔を用いることができる。金属箔に任意の形状を作製する際には、フォトエッチングの他、塑性加工法、打ち抜き法と方法を問わない。対象とする材料は、熱伝導が優れる金、銅、銀、アルミニウム以外であれば接合加工が可能となる。通電する電流は、直流、交流どちらでも良い。また、パルスアーク溶接時に使用されるパルス的電源でも良い。このように溶融しないで接合する方法、つまり固相接合法では、接合した後接合物を熱処理して接合部の接合性の改善がよく図られる。必要があれば、後で熱処理して接合部の完全化もはかれる。
【００１３】
【実施例】
（実施例１）  図１に示すように、純チタン製のインプラント材▲３▼の窪みに、直径１ｍｍのチタン製線▲４▼を積層して、これを真空容器内での電極▲１▼と電極▲２▼の間にはさんで配置した。真空に排気後、接合荷重５００Ｎで加圧して、直流電流５００Ａで１ｍｉｎ  通電した。接合後、線▲４▼を引っ張り試験器で破壊し、その破面を観察した結果、その接合部の破面には、ディンプルの形成が確認でき、接触部は十分接合していた。
【００１４】
（実施例２）  図３に示すように、孔の形状が異なるステンレス鋼の箔▲５▼、▲６▼、▲７▼を積層して、ステンレス鋼のインプラント材▲３▼の間に配して、真空容器内での電極▲１▼と▲２▼との間に設置した。真空に排気後、接合荷重５００Ｎで加圧して、直流電流６００Ａで１ｍｉｎ  通電した。接合後、接合部を切断してその断面を観察した結果、孔の変形はみられず、また接触箇所は良好に接合していた。
【００１５】
【発明の効果】本発明による作製法を用いれば、表面に任意の気孔形状を作製でき、新生骨が侵入可能な気孔を有するインプラント材ができ、骨のインターロッキング効果による骨との結合が可能となる。
【００１６】
【図面の簡単な説明】
【図１】ポーラス材として、金属粉や線を配したインプラント材を作成する方法を示す図。
【図２】孔の大きさの異なる金属箔を積層した状態を示す図。
【図３】孔の大きさの異なる金属箔を配したインプラント材を作成する方法を示す図。
【００１７】
【符号の説明】
▲１▼  電極
▲２▼  電極
▲３▼  インプラント部材
▲４▼  金属粉あるいは線
▲５▼  孔のあいた箔
▲６▼  孔径が異なる箔
▲７▼  孔径が異なる箔
【図１】
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【図２】
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【図３】
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