(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、
前記スペーサ材料粉末として、平均直径が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】
金属粉末を焼結して成る空隙率が７０〜９０％の金属多孔質体であって、空隙の形状が平均径で２００〜８００μｍの範囲にあり、該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金属の高強度多孔質体。
【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１（イ），（ロ）はその様子を模式的に表したものである。
（イ）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Ｍａの厚みが極めて薄いために、図１（ロ）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の製造方法及び高強度多孔質体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は生体用材料としての高強度金属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、前記スペーサ材料粉末として、平均直径が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。
【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は生体用材料としての金属の高強度多孔質体に関するもので、金属粉末を焼結して成る空隙率が７０〜９０％の金属多孔質体であって、空隙の形状が平均径で２００〜８００μｍの範囲にあり、該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。
【００２２】
【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、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ものである。
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場合、図１（ハ）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、独立した空隙を形造るようになる。
【００２３】
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。
【００２４】
図１（イ），（ロ）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。
【００２５】
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。
また本発明において、スペーサ材料粉末としては平均直径が２００〜２０００μｍの範囲にあり且つアスペクト比が２以上のものを用いるのが良い。より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り、網目組織が粗大化する。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。
【００２６】
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。
【００２７】
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）。
【００２８】
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。
【００２９】
本発明においてはまた、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）。
【００３０】
請求項５は生体用材料としての金属の多孔質体に係るもので、空隙の形状が平均径で２００〜８００μｍ，アスペクト比が２以上の範囲にあるものであり、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。
【００３１】
【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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
【実施例】
次に本発明の実施例を以下に詳しく説明する。
ガスアトマイズ法ないし水素化脱水素化法でＴｉ粉末を作製後、５０μｍ以下に分級した。
このＴｉ粉末に、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のスペーサ材料粉末を室温で約５倍の分量で加えて十分撹拌・混合し、その後プレス型にて成形加工した。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
尚、得られた多孔質体１０を調べたところ、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った。
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、そのまま焼結が進んだものと見られる。
また上記と同様の直径を有し且つアスペクト比が３のスペーサ材料を用いて同様の手順に従い多孔質体を製造し（混合比率は上記と同じ）、その引張強度を測定したところ、８ＭＰａであった（空隙率は８０％）。
【００３８】
次にスペーサ材料粉末として直径が上記とほぼ同等でアスペクト比が３０のものを用い、これを上記Ｔｉ粉末に混合して（混合比率は上記と同じ）更に上記手順に従い多孔質体を製造したところ、多孔質体の引張強度は７ＭＰａであった。尚空隙率は８０％であった。
【００３９】
このようにＴｉ粉末に対して添加混合するスペーサ材料粉末のアスペクト比を大きくすると引張強度が高くなるが、その引張強度はアスペクト比が略３〜５程度のところで飽和し、これよりも更にアスペクト比を大にすると、試験片寸法が固定されているため、引張強度は順次低下することが確認された。
【００４０】
一方従来の方法に従って上記の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。
【００４１】
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形態で実施構成可能である。
【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比較例とともに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１】
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【図２】
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