(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属粉末と加熱により焼失する空隙形成材料としての無機又は有機のスペーサ材料粉末とを混合してプレス成形し、次いで該スペーサ材料粉末の焼失温度に加熱して該スペーサ材料を焼失させた後、これより高温の焼結温度で焼結処理して前記金属粉末を焼結し、空隙率が７０〜９０％の生体用材料としての金属の高強度多孔質体を製造するに際し、
前記金属粉末として球状の金属粉末に、空隙と空隙との間に配向して空隙間の金属層を補強する金属繊維を加えたものを用いることを特徴とする生体用材料としての高強度多孔質体の製造方法。
【請求項２】
請求項１において、前記スペーサ材料粉末が炭酸水素アンモニウム，尿素，ポリオキシメチレン樹脂，尿素樹脂，発泡ポリスチレン樹脂，発泡ポリウレタン樹脂の何れかを主成分としたものであることを特徴とする生体用材料としての高強度多孔質体の製造方法。
【請求項３】
請求項１，２の何れかにおいて、常温における前記金属粉末とスペーサ材料粉末との体積混合比率を１対１〜１対１０の範囲とすることを特徴とする生体用材料としての高強度多孔質体の製造方法。
【請求項４】
請求項１〜３の何れかにおいて、前記球状の金属粉末の平均粒径が１０〜２００μｍの範囲であることを特徴とする生体用材料としての高強度多孔質体の製造方法。
【請求項５】
請求項１〜４の何れかにおいて、前記金属繊維の平均径が５０〜５００μｍの範囲であることを特徴とする生体用材料としての高強度多孔質体の製造方法。
【請求項６】
請求項１〜５の何れかにおいて、前記金属繊維の平均径に対する平均長さの比率が４以上の範囲であることを特徴とする生体用材料としての高強度多孔質体の製造方法。
【請求項７】
請求項１〜６の何れかにおいて、前記球状の金属粉末と金属繊維との常温における体積比率が３対１〜１０対１の範囲であることを特徴とする生体用材料としての高強度多孔質体の製造方法。
【請求項８】
請求項１〜７の何れかにおいて、前記スペーサ材料粉末が球状であって平均粒径が２００〜２０００μｍの範囲であることを特徴とする生体用材料としての高強度多孔質体の製造方法。
【請求項９】
請求項１〜７の何れかにおいて、前記スペーサ材料粉末として柱状ないし繊維状の細長形状の異形粉末を用いることを特徴とする生体用材料としての高強度多孔質体の製造方法。
【請求項１０】
請求項９において、前記スペーサ材料粉末が平均径２００〜２０００μｍの範囲にあり、該粉末の最小径に対する最大径の比の平均値であるアスペクト比が２以上の範囲にあることを特徴とする生体用材料としての高強度多孔質体の製造方法。
【請求項１１】
金属粉末を焼結して成る空隙率が７０〜９０％の金属の多孔質体であって、平均径が５０〜５００μｍの範囲にあり且つ平均径に対する平均長さの比率が４以上の範囲にある金属繊維を含む焼結組織を有していることを特徴とする生体用材料としての高強度多孔質体。
【請求項１２】
請求項１１において、空隙の形状が平均径で２００〜８００μｍの範囲にあり、且つ空隙の最小径に対する最大径の比の平均値であるアスペクト比が２以上の範囲にあることを特徴とする生体用材料としての高強度多孔質体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は生体用材料としての金属の高強度多孔質体、特に空隙率の高い多孔質体を製造する際に適用して好適な高強度多孔質体の製造方法及び高強度多孔質体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来生体用材料として、例えば歯科材料として金，銀，パラジウム或いはニッケルクロム合金等が使用されており、最近ではチタン材料（チタン若しくはその合金）も耐食性に優れ、また生体との馴染みが良いことから人工股関節，人工膝関節等の人工骨材料として、或いは人工歯根，人工歯床等のインプラント用歯科材料その他の生体用材料として注目されている。
【０００３】
この種生体用材料としては生体とよく馴染むこと、刺激性或いは毒性がないこと、腐食したり崩壊したりしないこと、少々の力を加えても破損しないこと等の特性が要求されるが、チタン材料の場合比較的これらの要求特性を満たし得るものである。
【０００４】
ところでチタン材料或いはその他の金属材料をそのまま生体用材料として用いた場合、これら金属材料は弾性率が人工骨等に比べて桁違いに高いために、曲げ力等が働いたときに人工骨と生体骨等との界面で大きな応力が発生し、これに基づいて人工骨等の生体材料と生体骨との間で剥離が生じたり、割れが生じたりする恐れがある。
【０００５】
そこでこの種生体材料を多孔質体とすることが考えられる。
このように生体材料を多孔質体として構成した場合、例えばこれを人工骨として用いたとき、生体の骨組織が多孔質体の空隙内に入り込んで生体用材料（人工骨）と生体骨とが一体化し、そこに本来の生体骨と極めて近似した骨組織を形成することが可能となる。
また生体用材料をこのような多孔質体とすることで、金属材料を用いながらこれを極めて軽量化することができる。
【０００６】
ところで生体用材料以外の分野において、金属多孔質体の製造方法として、従来以下のような方法が知られている。
第１の方法は鋳造法と呼ばれるもので、発泡ポリウレタンのような多孔質高分子材料の空隙内に石膏等を流し込むようにして型どりし、その後加熱により高分子材料を焼失させると同時に鋳型を焼成し、そしてその鋳型の空隙内に溶融金属を注入・凝固させた後、鋳型を破砕除去する方法である。
【０００７】
第２の方法はメッキ法と呼ばれるもので、樹脂製等の微小粒子の集合体の空隙に無電解メッキ、例えばニッケルのどぶ漬けメッキ等の手法で金属を充填し、その後加熱により微小粒子を焼失・除去するもので、その微小粒子の焼失によって空隙形成、即ち多孔質構造体を得ることができる。
【０００８】
第３の方法は溶湯発泡法と呼ばれるもので、溶融した金属中に発泡材を混合し、その発泡材の発泡により生じたガスを多量に含んだ状態で溶融金属を凝固させ、多孔質化するものである。
【０００９】
第４の方法はスペースホルダー法と呼ばれるもので、金属粉末と加熱により焼失するスペーサ材料粉末とを混合して所定形状に成形し、その後加熱によりスペーサ材料を焼失させた後、残った金属粉末を焼結温度で焼結させ、多孔質構造体を得るといったものである。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記第１の方法、即ち鋳造法と呼ばれる方法の場合、溶融金属を注入・凝固させた状態で、その金属凝固体の空隙内に石膏等の鋳型材料が詰った状態にあり、従ってその鋳型材料の破砕除去が必要となるが、このプロセスは困難なプロセスであって、金属多孔質体の空隙内に残った鋳型材料を容易に除去することができず、このため本方法は生産性が著しく悪く、従来板状の材料しか作製できないのが実情である。
【００１１】
一方第２の方法、即ちメッキ法と呼ばれる方法では、作製できる金属多孔質体がニッケル等に限定されてしまう上、生産性が低く第１の方法と同様に従来板状の材料しか作製できないのが実情である。
【００１２】
また第３の方法、即ち溶湯発泡法と呼ばれる方法では、発泡と凝固に時間のずれが生じるため、一様な多孔質体を製造し難く、高空隙率部分が凝固開始部分に偏ったり、凝固終了部分では多孔性が著しく低下する等、プロセス制御に著しく困難を伴う問題がある。
【００１３】
他方最後の第４の方法、即ちスペースホルダー法と呼ばれる方法では、従来金属粉末，スペーサ材料粉末何れも球状の粉末を用いているが、粉末混合の特性上スペーサ材料粉末が一様に分散せず、特に空隙率を大きく取った場合、空隙と空隙とを遮断すべき金属材料が切離して空隙同士が繋がった状態となり易く、またこれに伴って材料強度のばらつきが著しく大きくなり、全体の強度も低くなる問題を生ずる。
【００１４】
また空隙と空隙との間の金属材料が切離することによって尖った部分が多く発生し、従ってこのような多孔質構造体を生体用材料として用いたとき、随所に生じている尖った部分が生体に対する刺激拠点となってしまうといった不都合が生じる。
【００１５】
図３（ハ），（ニ）はその様子を模式的に表したものである。
（ハ）は球状の金属粉末とスペーサ材料粉末とが理想的に混合した状態を示しており、この場合には金属材料が良好に網目構造を成していて、空隙Ｐと空隙Ｐとは金属材料Ｍにより良好に遮断された状態にあり、従ってまた金属材料Ｍは空隙ＰとＰとの間の部分において良好に繋がった状態にある。
【００１６】
しかしながら実際には、特に空隙率が高くなった場合には、このように理想的には金属粉末とスペーサ材料粉末とが分散混合せず、或いはまた空隙と空隙との間の部分の金属材料の層の厚みが極めて薄いために図３（ニ）に示しているように同部分が比較的容易に切れたり離脱してしまい、これにより多くの尖った部分が発生してしまうのである。
そしてこの結果、その尖った部分が生体に対する刺激拠点となり、更にまたこの現象によって材料強度に大きなばらつきが生じるとともに全体の強度も小さなものとなってしまうのである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明の生体用材料としての高強度多孔質体及びその製造方法はこのような課題を解決するために案出されたものである。
而して請求項１のものは生体用材料としての高強度多孔質体の製造方法に関するもので、金属粉末と加熱により焼失する空隙形成材料としての無機又は有機のスペーサ材料粉末とを混合してプレス成形し、次いで該スペーサ材料粉末の焼失温度に加熱して該スペーサ材料を焼失させた後、これより高温の焼結温度で焼結処理して前記金属粉末を焼結し、空隙率が７０〜９０％の生体用材料としての金属の高強度多孔質体を製造するに際し、前記金属粉末として球状の金属粉末に、空隙と空隙との間に配向して空隙間の金属層を補強する金属繊維を加えたものを用いることを特徴とする。
【００１８】
請求項２のものは、請求項１において、前記スペーサ材料粉末が炭酸水素アンモニウム，尿素，ポリオキシメチレン樹脂，尿素樹脂，発泡ポリスチレン樹脂，発泡ポリウレタン樹脂の何れかを主成分としたものであることを特徴とする。
【００１９】
請求項３のものは、請求項１，２の何れかにおいて、常温における前記金属粉末とスペーサ材料粉末との体積混合比率を１対１〜１対１０の範囲とすることを特徴とする。
【００２０】
請求項４のものは、請求項１〜３の何れかにおいて、前記球状の金属粉末の平均粒径が１０〜２００μｍの範囲であることを特徴とする。
【００２１】
請求項５のものは、請求項１〜４の何れかにおいて、前記金属繊維の平均径が５０〜５００μｍの範囲であることを特徴とする。
【００２２】
請求項６のものは、請求項１〜５の何れかにおいて、前記金属繊維の平均径に対する平均長さの比率が４以上の範囲であることを特徴とする。
【００２３】
請求項７のものは、請求項１〜６の何れかにおいて、前記球状の金属粉末と金属繊維との常温における体積比率が３対１〜１０対１の範囲であることを特徴とする。
【００２４】
請求項８のものは、請求項１〜７の何れかにおいて、前記スペーサ材料粉末が球状であって平均粒径が２００〜２０００μｍの範囲であることを特徴とする。
【００２５】
請求項９のものは、請求項１〜７の何れかにおいて、前記スペーサ材料粉末として柱状ないし繊維状の細長形状の異形粉末を用いることを特徴とする。
【００２６】
請求項１０のものは、請求項９において、前記スペーサ材料粉末が平均径２００〜２０００μｍの範囲にあり、該粉末の最小径に対する最大径の比の平均値であるアスペクト比が２以上の範囲にあることを特徴とする。
【００２７】
請求項１１は生体用材料としての高強度多孔質体に関するものであってこの多孔質体は、金属粉末を焼結して成る空隙率が７０〜９０％の生体材料用の金属の多孔質体であって、平均径が５０〜５００μｍの範囲にあり且つ平均径に対する平均長さの比率が４以上の範囲にある金属繊維を含む焼結組織を有していることを特徴とする。
【００２８】
請求項１２のものは、請求項１１において、空隙の形状が平均径で２００〜８００μｍの範囲にあり、且つ空隙の最小径に対する最大径の比の平均値であるアスペクト比が２以上の範囲にあることを特徴とする。
【００２９】
【作用及び発明の効果】
上記のように本発明の製造方法は、上記の第４の方法、即ちスペースホルダー法にて生体用材料を製造するもので、金属粉末として球状の金属粉末に金属繊維を加えたものを用いることを特徴とするものである。
金属粉末としてこのような金属繊維を加えたものを用いた場合、従来の球状の金属粉末を単独で用いた場合と同様の空隙率で多孔質体を製造した際、図１（イ）に模式図を示しているように金属材料から成る網目構造が良好に繋がった状態となる。
即ち、空隙Ｐと空隙Ｐとの間の部分に金属繊維Ｆが配向した状態となって、その金属繊維Ｆの周りで球状の金属粉末が金属繊維Ｆとともに燒結し、そこに高強度の繋ぎ目を形成する。
このため空隙Ｐと空隙Ｐとは良好に遮断され且つ金属材料から成る網目組織が切れ目無く繋がった状態が発現する。
【００３０】
この結果、空隙と空隙との間の部分で金属材料が切離することによって生ずる尖った部分の発生頻度が著しく少なくなり、従ってこれを生体用材料として用いたとき、その尖った部分によって生体を刺激するといった不都合を回避することができる。
更にまた金属材料が部分的に切離することが少ないため、強度的なばらつきも小さく、また多孔質構造体自体の強度も高強度となる。
【００３１】
図３（ハ），（ニ）に示す多孔質構造体は、従来の緻密構造の金属材料から成る生体用材料に比べてそれ自身多孔質構造に由来して有利な効果を奏するものであるが、特に本発明の製造方法にて得られた金属多孔質体は、上記のように尖った部分が少なく且つ強度も高強度であるため、生体用材料として特に好適なものである。
【００３２】
尚空隙率が７０％未満の多孔質体の場合、従来のようにスペーサ材料粉末として球状粉末を用いた場合であっても、網目組織を繋がった状態とすることは比較的容易である。
従って本発明は空隙率が７０％以上の多孔質体、より望ましくは空隙率が８０％以上の多孔質体の製造に適用して特に効果が大である。但し空隙率が９０％を超えると多孔質体を良好に製造することが難しくなる。従って本発明の製造方法は空隙率が９０％以下の多孔質体に好適に適用可能である。
【００３３】
本発明においては、上記金属粉末としてチタニウムの単体粉末若しくは合金粉末を好適に用いることができる。
【００３４】
また上記スペーサ材料粉末としては炭酸水素アンモニウム，尿素，ポリオキシメチレン樹脂，尿素樹脂，発泡ポリスチレン樹脂，発泡ポリウレタン樹脂の何れかを主成分としたものを好適に使用可能である（請求項２）。
【００３５】
また常温における金属粉末とスペーサ材料粉末との混合比率は、体積混合比率で１対１〜１対１０の範囲とすることができる（請求項３）。
混合比率が１対１よりも小さいと、即ちスペーサ材料粉末の混合比率が少ないと空隙率を大きくすることができず、また逆に１対１０よりもスペーサ材料粉末の混合比率が大きくなると、空隙の量が多くなり過ぎて良好に多孔質構造体を製造することが難しくなる。
【００３６】
本発明においてはまた、球状の金属粉末として平均粒径が１０〜２００μｍの範囲にあるものを好適に用いることができる（請求項４）。
本発明においてはまた、上記金属繊維として平均径が５０〜５００μｍの範囲のものを用いることができる（請求項５）。
【００３７】
またその金属繊維として、平均径に対する平均長さの比率が４以上のものを好適に用いることができる（請求項６）。
このように金属繊維として平均径が球状の金属粉末の平均粒径よりも太く或いはまたその長さが上記のような長いものを用いることで、かかる金属繊維を中心としてその周りに小さな球状の金属粉末をともに焼結一体化することで、金属繊維の存在していた部分を効果的に高強度となすことができる。
【００３８】
尚、金属繊維があまり長くなると上記のようなブリッジ効果を良好に発揮し難くなり、従ってこの意味において金属繊維の長さはスペーサ材料粉末の最大周長の４倍以下としておくことが望ましい。
この金属繊維は、上記球状の金属粉末に対する混合比率を体積比率で３対１〜１０対１の範囲としておくことができる（請求項７）。
【００３９】
金属繊維の体積比率が３対１より大きいと相対的に球状の金属粉末の量が少なくなって、金属材料をスペーサ材料粉末の間に良好に隙間なく分散し難くなる。
一方で金属繊維の比率が１０対１よりも少なくなると、金属繊維を添加することの本来の効果が十分に得られない。
【００４０】
本発明においては、上記スペーサ材料粉末として球状且つ平均粒径が２００〜２０００μｍの範囲のものを好適に用いることができる（請求項８）。
【００４１】
一方請求項９のものは、かかるスペーサ材料粉末として柱状ないし繊維状の細長形状の異形粉末を用いるようになしたものである。
例えば金属粉末として球状粉末を単独で用いた場合において、スペーサ材料粉末としてこのような細長形状の異形粉末を用いた場合、従来の球状のスペーサ粉末を用いた場合と同様の空隙率で多孔質構造体を製造したとき、図１（ロ）に模式図を示しているように金属材料から成る網目構造が良好に繋がった状態となる。
即ち空隙Ｐと空隙Ｐとの間に存在している金属材料が良好に繋がった状態にあり、また空隙Ｐと空隙Ｐとは金属材料によって良好に遮断され、独立した空隙を形作るようになる。
【００４２】
更に加えて本発明に従い金属粉末として金属繊維を併せて含んだものを用いると上記詳述した金属繊維の連繋効果，補強効果が加味されて多孔質構造体がより高強度化し、また尖鋭な部分の発生も抑制され、例えば生体用材料としてより適したものが得られるようになる。
【００４３】
ここでスペーサ材料粉末として細長形状の異形粉末を用いる場合において、そのスペーサ材料粉末としては平均径２００〜２０００μｍの範囲にあり、且つ該粉末の最小径に対する最大径の比の平均値であるアスペクト比が２以上の範囲のものを用いるのが好適である（請求項１０）。
【００４４】
特に望ましいのはアスペクト比が３以上のものである。
但しアスペクト比が過大になると一つ一つの空隙が相対的に大きくなって、同じ空隙率の多孔質体を製造しようとしたとき空隙の数が少なくなってしまう。
従ってアスペクト比は連続した空隙を積極的に利用しない限り１０以下としておくことが望ましい。
【００４５】
請求項１１，１２は生体用材料としての空隙率が７０〜９０％の金属の多孔質体に係るもので、このものは金属繊維を含む焼結組織を有し、或いはまた更に空隙の形状が平均径で２００〜８００μｍ，アスペクト比が２以上のものであり、このものは金属材料から成る網目構造が良好に繋がった状態にあり、従って高強度でありまた金属材料が部分的に離脱することによって発生する尖った部分も少なく、生体用材料として好適である。
【００４６】
【実施の形態】
図２に本発明の実施の形態の一例を示している。
ここでは原料金属粉末とスペーサ材料粉末とを撹拌・混合装置１２にて撹拌・混合し、得られた混合体を次にプレス成形装置１４で所定形状にプレス成形する。
このプレス成形加工で得られた成形体をスペーサ材除去装置１６にセットし、同装置によって成形体に対する加熱を行ってスペーサ材料を焼失させる。
【００４７】
この例においてスペーサ材除去装置１６は真空排気口１８を有しており、そこから真空排気しながら加熱装置２０により成形体に対する加熱を行ってスペーサ材料を焼失させる。
尚、図中１０ａはそのようにしてスペーサ材料を除去した中間製品を表している。
【００４８】
次にスペーサ材料を除去処理した中間製品１０ａを焼結装置２２にセットし、そこで再びスペーサ材除去装置における昇温加熱よりも高い焼結温度でこれを焼結処理する。
尚、図の焼結装置２２においても真空排気口１８を有しており、そこから真空排気を行いながら加熱装置２０により中間製品１０ａを加熱しこれを焼結させる。
ここにおいてスペーサ材料の除去された後が空隙として残った多孔質構造体１０が得られる。
【００４９】
【実施例】
次に本発明の実施例を以下に詳述する。
＜実施例１＞
ガスアトマイズ法ないし水素化脱水素化法で球状のＴｉ粉末を作製した後、５０μｍ以下にこれを分級した。
この球状のＴｉ粉末に対し、そのＴｉ粉末の体積の１／５を分量とする直径１００μｍ，長さ２ｍｍのＴｉ繊維及びそのＴｉ繊維を含むＴｉ粉末材料の体積の５倍を分量とする直径３００μｍの球状のポリオキシメチレン樹脂製のスペーサ材料粉末を室温で十分混合し、プレス型にて成形加工した。
【００５０】
その後、真空炉内において３００℃まで５時間かけて昇温させ、この過程でスペーサ材料を焼失させ、その後更に１２００℃に加熱して２時間の焼結処理を行った。
得られた多孔質体の引張強度を測定したところ１０ＭＰａであった。尚空隙率は８０％であった。
ここで引張強度の測定はＪＩＳ Ｚ ２５５０に準拠した試験片において、ＪＩＳ Ｚ ２２４１に準拠した方法で行っている。
【００５１】
＜実施例２＞
ガスアトマイズ法ないし水素化脱水素化法で球状のＴｉ粉末を作製した後、５０μｍ以下にこれを分級した。
この球状のＴｉ粉末に対し、体積比率で１／５を分量とする直径１００μｍ，長さ２ｍｍのＴｉ繊維及びそのＴｉ繊維を含むＴｉ粉末材料の体積の５倍を分量とする直径３００μｍ，長さ１．５ｍｍ（アスペクト比５）のポリオキシメチレン樹脂製の柱状スペーサ材料粉末を室温で十分混合し、プレス型にて成形加工した。
【００５２】
その後真空炉内において３００℃まで５時間かけて昇温させ、この過程でスペーサ材料を焼失させ、その後更に１２００℃に加熱して２時間の焼結処理を行った。
得られた多孔質体の引張強度を測定したところ１２ＭＰａであった。尚空隙率は８０％であった。
【００５３】
一方従来の方法に従って、上記の球状のＴｉ粉末に対し直径が３００μｍの球状の上記スペーサ材料粉末を体積比率で５倍量加えて混合し、上記と同様の処理を行って多孔質体を製造し、その強度を測定したところ５ＭＰａであった。尚空隙率は上記と同様の８０％であった。
【００５４】
このように本発明によれば従来の方法に比べて高強度の金属多孔質体が得られる。
尚本発明の実施例により得られた多孔質体は、添加した金属繊維を含む焼結組織を有するものであり、また空隙の形態は添加したスペーサ材料粉末とほぼ相似形状であり、網目組織の切断，離脱に起因する尖鋭部分も少ないものであった。
【００５５】
即ちスペーサ材料とＴｉ粉末とを混合して成る混合粉末をプレス成形する際、加えた圧力によって金属粉末同士が隙間を埋めるように挙動し、この結果スペーサ材料はほぼ相似形状を保持し、金属繊維の存在の下でそのまま焼結が進んだものと見られる。
【００５６】
以上本発明の実施例を詳述したがこれはあくまで一例示であり、本発明はその主旨を逸脱しない範囲において種々変更を加えた態様で実施可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の方法により得られる多孔質体の構造を模式的に示す図である。
【図２】  本発明の実施の形態の一例を示す図である。
【図３】  従来の方法により得られる多孔質体の構造を模式的に示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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