(57)【要約】【課題】  水酸アパタイトが分解しない温度領域での生体金属材料表面上への水酸アパタイトのコーティング法及び生体金属と水酸アパタイトの接合方法を提供する。【解決手段】  水酸アパタイトの電場により分極する性質を利用して生体金属上への水酸アパタイトのコーティング及び接合を行う。生体金属と水酸アパタイトを接触させ、生体金属を陽極として直流電圧を印加する。アパタイト中に含まれるアルカリ土類金属イオン、アルカリ金属イオン、プロトンなどが電圧の印加によって生ずる電場の力で、陰極側に移動する。この移動によって、生体金属と水酸アパタイト界面の水酸アパタイト近傍では、アルカリ土類金属イオンなどの欠乏層が形成される。この欠乏層には、過剰に水酸イオンや酸素イオンを含むため、強い負電荷を帯びる。この負電荷と、生体金属材料表面に誘起される正電荷との静電引力によって、生体金属と水酸アパタイト間に強い静電引力が発生し、生体金属と水酸アパタイトとは密着する。さらに、生体金属と水酸アパタイトの相互拡散によって、恒久的な接合が達成される。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
生体金属と水酸アパタイトを接触させ、酸化しない雰囲気中で加熱しながら、生体金属を陽極、水酸アパタイトを陰極として、これら接触体に直流電圧を印加し作製した生体金属／水酸アパタイト複合体。
【請求項２】
請求項１に記載の複合体を、直流電圧を利用して作製する方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、生体金属（ステンレス鋼、コバルトクロム合金、チタン及びチタン合金）への水酸アパタイトのコーティング法及び接合法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】  水酸アパタイトは、優れた生体親和性を有するセラミックス材料で、代替骨材料として注目され、生体への適用が始まりつつある。水酸アパタイトは数々の利点を持つが、硬くて割れやすいといった欠点を持つ。【０００３】  金属材料は強度、靱性といった力学的特性に優れることから、インプラント関連の材料として、数多く使用されている。骨折固定材、人工関節、歯科用材料、矯正ワイヤなど、大荷重が付加される箇所に使用されている。【０００４】  現在用いられる生体用金属材料の代表例としては、ステンレス鋼、コバルトクロム合金、チタン及びチタン合金が挙げられる。【０００５】  そこで、両者の特性を組み合わせた複合材料、及び人工関節などの表面への水酸アパタイトのコーティング法の開発が要望されている。
【アパタイトの生体金属上のコーティングに関する従来の技術】
【０００６】  人工骨として、骨の無機主成分である水酸アパタイト（Ｃａ１０（ＰＯ４）６（ＯＨ）２）などのリン酸カルシウム系化合物が用いられている。これら化合物は骨と直接結合するといった優れた性質を有している。
【０００７】  しかしながら、これら化合物はセラミックスであり、機械的特性、特に破壊靭性が低いといった欠点がある。このため、生活する上で、常に大きな衝撃を受ける場所、例えば股関節などには使用できない。
【０００８】  通常このような大きな荷重がかかる部位には金属材料が用いられている。生体毒性や比強度などの観点から、チタン、ステンレス鋼が多く用いられている。しかしながら、水酸アパタイトなどとは異なり、金属材料上には直接骨が形成されない欠点があるため、生体金属への水酸アパタイトのコーティングは重要な技術である。
【０００９】  従来の作製方法であるプラズマ溶射法では、水酸アパタイトを約２万℃の超高温に加熱し、基材となる生体金属へ高速でぶつけることにより、水酸アパタイトをコーティングする。コーティング厚さは、数十μｍから１００μｍである。
【００１０】  また、電気化学的な手法を用いる場合には、ＣａイオンやＰＯ４イオンを含む水溶液に基材となる金属を浸漬し、リン酸カルシウムをその上に析出させることにより、チタンにコーティングを施す（特開Ｈ１０−５０３１０８など）方法が開発されている。
【電圧を印加して接合する従来技術】
【００１１】  電圧印加に伴う静電力を利用した接合方法は、静電接合法、陽極接合法として知られ、Ｓｉとガラスとの接合法に使用され、多くの特許が申請されている。以下に陽極接合の特許を列記する。
【００１２】・特許２６５１４９２号、「相対圧圧力センサの製造法」、セイコー電子工業、Ｓｉ基板とガラス。
・特許２９８８４５９号、「Ｘ線分光器とその製造方法」、日本電気、Ｓｉ結晶とホウケイ酸ガラス。
・特許３１７３９０５号、「半導体圧力センサ」、フジクラ、Ａｌ膜とガラス、その他金属膜としてＴｉ，Ｎｉ，Ｗなど。
【００１３】  一方、水酸アパタイトについて、電圧印加により分極させた水酸アパタイトの作製方法として、「水酸アパタイトセラミックスの分極方法と分極水酸アパタイトセラミックス」（特開２００３−３００７１２）が出願されている。また、分極を利用した優れた水酸アパタイトの製造法として、「生体工業材料及びその製造方法」（特開平１０−３２４５８４）が出願されている。
【００１４】  しかし、水酸アパタイトと生体金属材料に電圧を印加して接合する技術については、未だ発明、報告されていない。
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】  従来のプラズマ溶射法では、超高温で施行するため、水酸アパタイトの一部が分解する。また、コーティング層の厚さが厚いことから、冷却に伴う界面の残留応力が大きく、コーティング層が剥離することがある。
【００１６】  また、電気化学的な方法では、析出させる化合物の組成をコントロールすることが難しい。また、溶液反応を利用しているためｐＨの精密な制御も行う必要があるといった欠点がある。
【００１７】  このような問題点を解決するために出来るだけ低温、例えば水酸アパタイトが分解しない温度域（１０００℃以下）で、水酸アパタイトを直接生体金属にコーティングする方法の開発が必要である。
【課題を解決するための手段】
【００１８】  本発明は水酸アパタイトの分極現象を利用することにより、コーティング温度の低温化をはかり、上記課題を解決したものである。
【００１９】  チタンなど生体金属への水酸アパタイトのコーティングに関する基礎的な研究において、加熱下で水酸アパタイトとチタンに電圧を印加することにより、水酸アパタイトが分極し、その結果、チタンと水酸アパタイトに静電的な引力が作用し、容易に接合することを見いだした。
【００２０】  水酸アパタイトを分極させるには、アルカリ土類金属イオンの拡散移動が生ずるように、２００℃〜８００℃に加熱する必要がある。また、界面間の反応を阻害しないように、生体金属が酸化しない雰囲気で加熱する必要がある。即ち、真空中、あるいは不活性ガス雰囲気中で加熱される。分極させるためには、直流電圧が必要で、矩形波形、直流に高周波が重畳された波形でもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】  本発明の生体金属への水酸アパタイトコーティング法、あるいは生体金属と水酸アパタイトの接合法の模式図を図１に示す。生体金属板上に水酸アパタイト粉末あるいは水酸アパタイト焼結体を接触させ積層して、この積層体を電極間に設置し、加圧する。【００２２】  このとき、生体金属側が陽極となるように配置する。積層体が酸化しないように、装置内は真空排気する。あるいはアルゴンなどの不活性ガスで置換する。酸化しないような雰囲気とした後、積層体を加熱（２００℃〜８００℃）し、積層体に５〜１０００Ｖの電圧を印加する。【００２３】  図２に示すように、アパタイト中に含まれるアルカリ土類金属イオン等が電圧の印加によって生ずる電場により陰極側に移動する。この移動によって、生体金属と水酸アパタイト界面の水酸アパタイト近傍では、アルカリ土類金属イオン等の欠乏層が形成される。【００２４】  この欠乏層には、過剰な水酸イオンもしくは酸素イオンを含むため、強い負電荷を帯びる。この負電荷と、生体金属材料表面に誘起される正電荷との静電引力によって、生体金属と水酸アパタイト間に強い静電引力が発生し、生体金属と水酸アパタイトとは密着する。さらに、生体金属と水酸アパタイトの相互拡散によって、恒久的な接合が達成される。【００２５】  具体的な接合方法として、２種類ある。図３は、カーボン製ダイスの中で、生体金属と水酸アパタイトを接触させ、上下からカーボンパンチで挟み込む。この接合体を真空容器内で、真空に排気、あるいは、接合体が酸化しないように、不活性ガス雰囲気で満たす。【００２６】  直流電圧を印加し、カーボンダイスの発熱で接合体を２００〜８００℃に加熱する。この加熱で、接合体に数ボルトから３０ボルトの電圧が加えられる。通電直流波形は、半波整流波形、直流に高周波が重畳した波形、矩形波形など波形は関係しない。【００２７】  この接合形態は、接合体を保持するカーボン製ダイスの発熱を利用する方法で、加熱と接合体への直流電圧の印加が同一である。【００２８】  図４は、加熱と接合体への直流電圧の印加がそれぞれ独立している方法である。この方法では、最適な加熱温度と、接合体への最適な電圧印可が独立して制御できる。印可電圧の増加とともに、接合強さの増加が期待できる。電圧は５〜１０００ボルトがよい。【００２９】  接合体を作製する時の加圧力は水酸アパタイトの粉末を用いる際には、粉末焼結の目的で、１〜５０ＭＰａ加圧しても良い。【００３０】実施例１〜３
板厚１ｍｍのチタン板を幅１０ｍｍ長さ５０ｍｍの短冊型に切断した。チタン上に水酸アパタイト粉末を厚さ約５０μｍ堆積し、さらにその上にチタン板を図５に示すように乗せた接合体を作り、これを図３の接合例１に示すような、カーボンダイスおよびパンチ内に設置した。【００３１】  これを真空容器内に取り付け、真空に排気した。接合にはパルス通電接合装置を用いた。カーボンダイスを流れる電流によって加熱した。【００３２】  接合後、陰極側のチタンは水酸アパタイトとは接合は弱いが、陽極側のチタンと水酸アパタイトは強固に接合、付着した。極性が接合に大きく影響することは明らかである。
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【００３３】実施例  ４〜９
板厚１ｍｍのチタン板を幅１０ｍｍ長さ５０ｍｍの短冊型に切断した。チタン上に水酸アパタイト粉末を厚さ約５０μｍ堆積し、さらにその上にチタン板を図５に示すように乗せた接合体を作り、これを図４の接合例２に示すような、２個のカーボンパンチ内に設置した。【００３４】  これを真空容器内に取り付け、真空に排気した。ヒータを用いて、接合体を２００、５００、８００℃に加熱した。また、加熱下でこの積層体に直流電圧１００、１０００Ｖを、印可した。【００３５】  接合後、陰極側のチタンは水酸アパタイトとは接合しない。しかし、陽極側のチタンと水酸アパタイトは強固に接合、付着した。極性が接合に大きく影響することは明らかである。
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【発明の効果】
【００３６】１．チタンへの水酸アパタイトのコーティングにおいて、電場の効果を利用することによって、水酸アパタイトが分解しない温度域（約１０００℃以下）でのコーティングが可能になった。
【００３７】２．水酸アパタイトの粉末の焼結条件と同じ温度領域であることから、水酸アパタイトの焼結と同時に、アパタイトと金属の接合が出来る。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明のコーティング及び接合の形態である。
【図２】本発明での接合機構を表した概略図である。
【図３】接合例１（加熱と電圧印可が同一）。
【図４】接合例２（加熱と電圧印可が独立）。
【図５】実施例における試験の配置。
【符号の説明】
１１  水酸アパタイト
１２  生体金属
１３  電極（陰極）
１４  電極（陽極）
１５  直流電源
２１  アルカリ土類金属イオン
２２  負電荷層
２３  正電荷層
３１  カーボンパンチ
３２  カーボンダイス
４１  ヒータ
５１  チタン板
【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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