(57)【要約】【課題】    生体活性で生体親和性に優れるともに、優れた機械的強度を有する骨代替材料、該骨代替材料を含む医療用材料、及び該骨代替材料の製造方法を提供すること。【解決手段】    チタン又はチタン合金、及び前記チタン又はチタン合金の陽極酸化皮膜からなる骨代替材料であって、前記チタン又はチタン合金の表面に、前記陽極酸化皮膜が形成されてなり、前記陽極酸化皮膜には、その表面及び／又は内部に無機化合物の微粒子が固着し、前記無機化合物が、少なくともリン及びカルシウムを含むことを特徴とする骨代替材料、該骨代替材料を含む医療用材料、及び該骨代替材料の製造方法とする。【選択図】  図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
チタン又はチタン合金、及び前記チタン又はチタン合金の陽極酸化皮膜からなる骨代替材料であって、
前記チタン又はチタン合金の表面に、前記陽極酸化皮膜が形成されてなり、
前記陽極酸化皮膜には、その表面及び／又は内部に無機化合物の微粒子が固着し、
前記無機化合物が、少なくともリン及びカルシウムを含むことを特徴とする骨代替材料。
【請求項２】
前記陽極酸化皮膜の膜厚が、１〜１００μｍであることを特徴とする請求項１記載の骨代替材料。
【請求項３】
前記無機化合物が、リン酸カルシウムであることを特徴とする請求項１又は２に記載の骨代替材料。
【請求項４】
前記無機化合物が、ハイドロキシアパタイト、フッ化アパタイト、リン酸三カルシウム（Ｃａ３（ＰＯ４）２）及び／又はピロリン酸カルシウム（Ｃａ２Ｐ２Ｏ７）であることを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の骨代替材料。
【請求項５】
前記無機化合物の微粒子の粒径が、１０ｎｍ〜１０μであることを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載の骨代替材料。
【請求項６】
前記陽極酸化皮膜が、その表面に細孔部を形成してなることを特徴とする請求項１乃至５いずれかに記載の骨代替材料。
【請求項７】
前記細孔部の開口部の直径が、０．１μｍ〜１０μｍであることを特徴とする請求項１乃至６いずれかに記載の骨代替材料。
【請求項８】
前記陽極酸化皮膜中の酸化チタンの結晶構造が、無定形、ルチル又はアナタースから選択される少なくとも一種であることを特徴とする請求項１乃至７いずれかに記載の骨代替材料。
【請求項９】
請求項１乃至８いずれかに記載の骨代替材料を含む医療用材料。
【請求項１０】
チタン又はチタン合金と、前記チタン又はチタン合金の表面に形成される前記チタン又はチタン合金の陽極酸化皮膜からなり、前記陽極酸化皮膜は、その表面又は内部に、少なくともリン及びカルシウムを含む無機化合物の微粒子を固着することを特徴とする骨代替材料の製造方法であって、
以下の工程（１）及び（２）を含むことを特徴とする骨代替材料の製造方法。
（１）電解浴に、少なくともリン及びカルシウムを含む無機化合物の微粒子を分散させる工程
（２）工程（１）で得られる電解浴中において、前記チタン又はチタン合金を陽極酸化する工程
【請求項１１】
前記工程（２）の陽極酸化する工程が火花放電下で行われることを特徴とする請求項１０記載の骨代替材料の製造方法。
【請求項１２】
前記無機化合物が、リン酸カルシウムであることを特徴とする請求項１０又は１１に記載の骨代替材料の製造方法。
【請求項１３】
前記無機化合物が、ハイドロキシアパタイト、フッ化アパタイト、リン酸三カルシウム（Ｃａ３（ＰＯ４）２）及び／又はピロリン酸カルシウム（Ｃａ２Ｐ２Ｏ７）であることを特徴とする請求項１０乃至１２いずれかに記載の骨代替材料の製造方法。
【請求項１４】
前記電解浴が、
リン酸及び錯化剤を含む酸性電解浴、又は、
アルカリ金属及び／又はアルカリ土類金属の水酸化物、リン酸塩及び錯化剤を含むアルカリ性電解浴
のいずれかであることを特徴とする請求項１０乃至１３いずれかに記載の骨代替材料の製造方法。
【請求項１５】
前記酸性電解浴に、さらに、リン酸塩及び／又は無機酸を添加することを特徴とする請求項１４記載の骨代替材料の製造方法。
【請求項１６】
前記リン酸が、
オルトリン酸、ピロリン酸、ポリリン酸、メタリン酸、トリポリリン酸から選択される一種以上であることを特徴とする請求項１４又は１５に記載の骨代替材料の製造方法。
【請求項１７】
前記リン酸塩が、
オルトリン酸イオン、リン酸水素イオン、リン酸二水素イオン又はピロリン酸イオンから選択される一種と、
アルカリ金属イオン、アルカリ土類金属イオン又はアンモニウムイオンから選択される一種で構成されるリン酸塩であることを特徴とする請求項１４乃至１６いずれかに記載の骨代替材料の製造方法。
【請求項１８】
前記工程（２）の陽極酸化する工程が、電流密度０．１〜５Ａ／ｄｍ２で行われることを特徴とする請求項１０乃至１７いずれかに記載の骨代替材料の製造方法。
【請求項１９】
前記工程（２）の陽極酸化する工程が、電圧８０〜３００Ｖで行われることを特徴とする請求項１０乃至１８いずれかに記載の骨代替材料の製造方法。
【請求項２０】
前記工程（２）の陽極酸化する工程が、電解浴の温度０〜１００℃で行われることを特徴とする請求項１０乃至１９いずれかに記載の骨代替材料の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、骨代替材料、該骨代替材料を含む医療用材料、及び該骨代替材料の製造方法に関する。詳細には、チタン又はチタン合金、及び前記チタン又はチタン合金の陽極酸化皮膜からなる骨代替材料であって、前記チタン又はチタン合金の表面に前記陽極酸化皮膜が形成されてなり、前記陽極酸化皮膜には、その表面又は内部に無機化合物の微粒子が固着し、前記無機化合物が、少なくともリン及びカルシウムを含むことを特徴とする骨代替材料に関する。
【０００２】
現在、骨折、骨破壊および骨の縮腿などにより、骨の欠損を生じた場合は、患者自身の自家骨や他人からの同種骨が移植されている。しかし、欠損部が大きくて自家骨で補えない場合や、同種骨が入手できない場合は、人工骨が用いられている。
人工骨材料にはさまざまな金属が用いられており、中でもチタンやチタン合金は、軽量、無毒で、機械的特性にも優れるとともに生体内に留置しても生体と特異な反応を起こさないことから、骨代替材料として一般的に用いられている。しかしながら、チタンであるようなバイオメタルは、生体適合性が良く、高い耐食性と靭性を有する一方で、骨とは直接結合せず、生体活性を示さないという欠点をあわせもつ。
【０００３】
この欠点の解消法としては、チタン材表面上に生体活性なハイドロキシアパタイトをプラズマ溶射やレーザーアブレーションなどで物理的にコーティングする、或いはチタン材を陽極酸化することにより、チタン材表面にリン酸イオン等を吸着した酸化チタン皮膜を形成させ、生体親和性を付与することが挙げられる。
【０００４】
例えば、特許文献１は、チタンの陽極酸化により、チタン表面に酸化チタン皮膜を形成させて生体親和性を付与した材料を開示している。特許文献２は、アルカリ性浴中で陽極酸化を行うことにより、チタン表面にカルシウムとリン酸を含む酸化チタン皮膜を形成することで、生体親和性を向上させた材料を開示している。特許文献３は、チタン(チタン合金)の陽極酸化により、カルシウム、リン又は硫黄のような添加成分を含む酸化チタン皮膜中を形成した材料を開示している。
【０００５】
しかしながら、チタン材表面上に生体活性なハイドロキシアパタイトをプラズマ溶射などでコーティングしたものは、チタンとハイドロキシアパタイトの接着性が低い、また、複雑な形状には全面に均一な膜形成を行うことが困難であるという欠点がある。また、特許文献に記載の無機化合物を含む酸化チタン皮膜は、火花放電下で陽極酸化を行っていないので皮膜の膜厚が薄く形成されるために、その機械的特性に劣るとともに、十分な生体親和性が得られていないという問題点がある。
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−１９０２７２号公報
【特許文献２】特開２００４−５３１３０５号公報
【特許文献３】特開２００５−５０８８６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明者は、上記問題に鑑み、チタン又はチタン合金の表面に、十分な機械強度をもたらすことが出来るほどの膜厚を有する酸化皮膜を形成し、該皮膜表面及び／又は内部にリン及びカルシウムを含む無機化合物の微粒子を固着させる方法を見出し、本発明に至った。
【０００８】
即ち、本発明の課題は、生体活性で生体親和性に優れるともに、優れた機械的強度を有する骨代替材料及び該骨代替材料を含む医療用材料を提供することを課題とする。
本発明の他の課題は、生体活性で生体親和性に優れるともに、優れた機械的強度を有する骨代替材料の製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１に係る発明は、チタン又はチタン合金、及び前記チタン又はチタン合金の陽極酸化皮膜からなる骨代替材料であって、前記チタン又はチタン合金の表面に、前記陽極酸化皮膜が形成されてなり、前記陽極酸化皮膜には、その表面及び／又は内部に無機化合物の微粒子が固着し、前記無機化合物が、少なくともリン及びカルシウムを含むことを特徴とする骨代替材料に関する。
請求項２に係る発明は、前記陽極酸化皮膜の膜厚が、１〜１００μｍであることを特徴とする請求項１記載の骨代替材料に関する。
請求項３に係る発明は、前記無機化合物が、リン酸カルシウムであることを特徴とする請求項１又は２に記載の骨代替材料に関する。
請求項４に係る発明は、前記無機化合物が、ハイドロキシアパタイト、フッ化アパタイト、リン酸三カルシウム（Ｃａ３（ＰＯ４）２）及び／又はピロリン酸カルシウム（Ｃａ２Ｐ２Ｏ７）であることを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の骨代替材料に関する。
請求項５に係る発明は、前記無機化合物の微粒子の粒径が、１０ｎｍ〜１０μｍであることを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載の骨代替材料に関する。
請求項６に係る発明は、前記陽極酸化皮膜が、その表面に細孔部を形成してなることを特徴とする請求項１乃至５いずれかに記載の骨代替材料に関する。
請求項７に係る発明は、前記細孔部の開口部の直径が、０．１μｍ〜１０μｍであることを特徴とする請求項１乃至６いずれかに記載の骨代替材料に関する。
請求項８に係る発明は、前記陽極酸化皮膜中の酸化チタンの結晶構造が、無定形、ルチル又はアナタースから選択される少なくとも一種であることを特徴とする請求項１乃至７いずれかに記載の骨代替材料に関する。
請求項９に係る発明は、請求項１乃至８いずれかに記載の骨代替材料を含む医療用材料に関する。
【００１０】
請求項１０に係る発明は、チタン又はチタン合金と、前記チタン又はチタン合金の表面に形成される前記チタン又はチタン合金の陽極酸化皮膜からなり、前記陽極酸化皮膜は、その表面又は内部に、少なくともリン及びカルシウムを含む無機化合物の微粒子を固着することを特徴とする骨代替材料の製造方法であって、以下の工程（１）及び（２）を含むことを特徴とする骨代替材料の製造方法に関する。
（１）電解浴に、少なくともリン及びカルシウムを含む無機化合物の微粒子を分散させる工程
（２）工程（１）で得られる電解浴中において、前記チタン又はチタン合金を陽極酸化する工程
請求項１１に係る発明は、前記工程（２）の陽極酸化する工程が火花放電下で行われることを特徴とする請求項１０記載の骨代替材料の製造方法に関する。
請求項１２に係る発明は、前記無機化合物が、リン酸カルシウムであることを特徴とする請求項１０又は１１に記載の骨代替材料の製造方法に関する。
請求項１３に係る発明は、前記無機化合物が、ハイドロキシアパタイト、フッ化アパタイト、リン酸三カルシウム（Ｃａ３（ＰＯ４）２）及び／又はピロリン酸カルシウム（Ｃａ２Ｐ２Ｏ７）であることを特徴とする請求項１０乃至１２いずれかに記載の骨代替材料の製造方法に関する。
請求項１４に係る発明は、前記電解浴が、リン酸及び錯化剤を含む酸性電解浴、又は、アルカリ金属及び／又はアルカリ土類金属の水酸化物、リン酸塩及び錯化剤を含むアルカリ性電解浴のいずれかであることを特徴とする請求項１０乃至１３いずれかに記載の骨代替材料の製造方法に関する。
請求項１５に係る発明は、前記酸性電解浴に、さらに、リン酸塩及び／又は無機酸を添加することを特徴とする請求項１４記載の骨代替材料の製造方法に関する。
請求項１６に係る発明は、前記リン酸が、オルトリン酸、ピロリン酸、ポリリン酸、メタリン酸、トリポリリン酸から選択される一種以上であることを特徴とする請求項１４又は１５に記載の骨代替材料の製造方法に関する。
請求項１７に係る発明は、前記リン酸塩が、オルトリン酸イオン、リン酸水素イオン、リン酸二水素イオン又はピロリン酸イオンから選択される一種と、アルカリ金属イオン、アルカリ土類金属イオン又はアンモニウムイオンから選択される一種で構成されるリン酸塩であることを特徴とする請求項１４乃至１６いずれかに記載の骨代替材料の製造方法に関する。
請求項１８に係る発明は、前記工程（２）の陽極酸化する工程が、電流密度０．１〜５Ａ／ｄｍ２で行われることを特徴とする請求項１０乃至１７いずれかに記載の骨代替材料の製造方法に関する。
請求項１９に係る発明は、前記工程（２）の陽極酸化する工程が、電圧８０〜３００Ｖで行われることを特徴とする請求項１０乃至１８いずれかに記載の骨代替材料の製造方法に関する。
請求項２０に係る発明は、前記工程（２）の陽極酸化する工程が、電解浴の温度０〜１００℃で行われることを特徴とする請求項１０乃至１９いずれかに記載の骨代替材料の製造方法に関する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の骨代替材料及び該骨代替材料を含む医療用材料は、生体親和性及び生体活性に優れるともに、優れた機械的強度を有する。
詳細には、本発明の骨代替材料は、その表面及び／又は内部にリン及びカルシウムを含む無機化合物の微粒子が固着しているため、リン及びカルシウムを含む無機化合物の特性である生体適合性および生体組織に対する密着性、接着性に優れる。特に、前記無機化合物の微粒子は、陽極酸化皮膜表面及び／又は内部に分散して固着するので、本発明の骨代替材料は、その生体親和性が安定して、ムラなく発揮される。
本発明の骨代替材料において、チタン又はチタン合金表面に形成される陽極酸化皮膜が十分な膜厚を有するため、優れた機械的特性を有するとともに、陽極酸化皮膜の強度及びチタン材に対する密着性が良好であることから、摩耗及び剥離する事がない。
本発明の骨代替材料が多孔質であるため、生体骨と結合させる場合、生体骨と人工骨との接合は非常に強固なものとなる。
【００１２】
本明細書中の実施例に示すように、本発明の骨代替材料をＳＢＦ溶液（疑似体液）に浸漬させた場合、その陽極酸化皮膜に固着するＨＡｐ微粒子の析出量が、浸漬日数とともに増加することから、本発明の骨代替材料は優れた生体活性を有することがわかる。
本発明の骨代替材料の製造方法は、生体親和性及び生体活性に優れるともに、優れた機械的強度を有する骨代替材料を製造することができる。特に、本発明の骨代替材料の製造方法は、生体親和性を有する無機化合物の微粒子を電解浴中に分散させた後、チタン又はチタン合金を電解処理するだけであるため、簡易に実施できる。
即ち、本発明の骨代替材料、及び該骨代替材料を含む医療用材料により、患者のギブス着用日数の軽減、日常生活の自由度の向上など、高いＱＯＬ（クオリティー・オブ・ライフ）が実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の骨代替材料及び該骨代替材料を含む医療用材料について説明する。
本発明の骨代替材料は、チタン又はチタン合金、及び前記チタン又はチタン合金の陽極酸化皮膜からなる骨代替材料である。
本発明に係るチタン合金は特に限定されず、軽量、無毒で、機械的特性に優れるものを選択することが望ましい。本発明に係るチタン又はチタン合金の形状は、用途に応じて適宜決定すればよい。
【００１４】
本発明に係るチタン又はチタン合金の陽極酸化皮膜は、前記チタン又はチタン合金の表面に形成され、前記陽極酸化皮膜の表面及び／又は内部には、無機化合物の微粒子が固着している。尚、前記無機化合物の微粒子とは、少なくともリン及びカルシウムを含む微粒子である。
【００１５】
本発明に係るチタン又はチタン合金の陽極酸化皮膜が、チタン及びチタン合金の表面を占める面積は特に限定されず、用途、チタン又はチタン合金の種類、無機化合物の微粒子（後に詳説する）に応じて適宜決定すればよい。
本発明に係る少なくともリン及びカルシウムを含む無機化合物の微粒子としては、例えばリン酸カルシウムが挙げられ、好ましくは、ハイドロキシアパタイト、フッ化アパタイト、リン酸三カルシウム（Ｃａ３（ＰＯ４）２）及び／又はピロリン酸カルシウム（Ｃａ２Ｐ２Ｏ７）の微粒子とされる。
【００１６】
前記リン及びカルシウムを含む無機化合物の微粒子の粒径は、好ましくは１０ｎｍ〜１０μｍであり、より望ましくは５０ｎｍ〜１μｍである。１０ｎｍ未満の場合、陽極酸化皮膜に十分に固着せず、１０μｍを超える場合は、固着した無機化合物の微粒子がはがれやすいため、いずれの場合も好ましくない。
【００１７】
本発明の骨代替材料について、以下図面を参照して説明する。
本発明の骨代替材料は、チタン又はチタン合金の表面に陽極酸化皮膜が形成されてなる。
前記陽極酸化皮膜は、好ましくは、多孔質であり、その表面に複数の細孔部を有する。この細孔部は、無機化合物の微粒子が固着するための表面積を増すためでだけではなく、接着した生体骨との間でアンカー効果が期待できるため望ましい。
図１は、チタン又はチタン合金表面が陽極酸化皮膜により皮膜されている様子を示す。図１中（１）はチタン及びチタン合金、（２）は陽極酸化皮膜、（３）は細孔部を示す。図２は、図１の断面図であり、図１と同じく、図２中（１）はチタン及びチタン合金、（２）は陽極酸化皮膜、（３）は細孔部を示す。しかしながら、図１及び図２は、陽極酸化皮膜の構造を明確に示すことを目的とするため、本発明に係る無機化合物の微粒子は図面上では省略されている。尚、図１〜３において、本発明にかかる陽極酸化皮膜は、チタン又はチタン合金の片側表面にのみ形成されているが、特に限定されるものではない。即ち、本発明にかかる陽極酸化皮膜はチタン又はチタン合金の全表面に形成されてもよい。
【００１８】
本発明に係る陽極酸化皮膜の膜厚は、好ましくは１〜１００μｍであり、より望ましくは１０〜５０μｍである。１μｍ未満の場合、固着した無機化合物の微粒子がはがれやすく、十分な機械的強度を発揮できず、１００μｍを超えるとチタン又はチタン合金板との密着性が劣るため、いずれの場合も望ましくない。
例えば、本発明に係る陽極酸化皮膜の膜厚が、１μｍ〜１００μの場合、干渉膜などの薄膜とは異なり十分な膜厚を有するため、引っかき試験などで皮膜が傷ついて下地のチタン板が露出するようなことはなく、陽極酸化皮膜自体が十分な機械的強度を有しているという点に優れている。特に、５０μｍを超えた場合には、極めて優れた機械的強度を有することとなる。さらに、１０〜５０μｍの場合は、陽極酸化皮膜自体が十分な機械的強度を有していることに加え、皮膜の膜厚が適度であるため、陽極酸化皮膜とチタン又はチタン合金板との間での密着性が十分に形成されるので、剥がれ落ちるなどの問題がないという点で優れている。
【００１９】
本発明の骨代替材料における陽極酸化皮膜中の細孔部の開口部の直径は、好ましくは０．１〜１０μｍ、より望ましくは０．５〜５μｍである。０．１μｍ未満では無機化合物の微粒子が細孔内に固着できず、また１０μｍを超えると陽極酸化皮膜自体の機械的強度に劣るためいずれの場合も好ましくない。
【００２０】
次に、図３を参照する。図３（ａ）及び（ｂ）は、本発明の骨代替材料、即ちチタン又はチタン合金表面が陽極酸化皮膜により皮膜されるとともに、前記陽極酸化皮膜の表面又は内部に無機化合物の微粒子が固着している骨代替材料を示す。
図３（ａ）においては、陽極酸化皮膜表面及び内部に無機化合物の微粒子が固着している。特に、本発明の骨代替材料において、無機化合物の微粒子が陽極酸化皮膜表面および内部に固着した場合、特に生体骨と接着しやすくなるため生体活性に優れる。
図３（ｂ）は、本発明の骨代替材料において、陽極酸化皮膜表面、特に陽極酸化皮膜の細孔部内に規則正しく無機化合物の微粒子が固着している様子を示す。本発明の骨代替材料において、規則正しく無機化合物の微粒子が固着している場合、特に接着した生体骨との間でアンカー効果が期待できるので優れる。
【００２１】
本発明に係る陽極酸化皮膜中の酸化チタンの結晶構造は、無定形、ルチル又はアナタースから選択される少なくとも一種であることが好ましく、これらの結晶構造を有する場合、特に生体親和性に優れる。
【００２２】
本発明の医療用材料は、本発明の骨代替材料が含まれてなる。本発明の医療用材料としては、例えば、生体材料、骨充填材料、歯材料、プロテーゼ等が挙げられる。
【００２３】
以下、本発明の骨代替材料の製造方法について説明する。
本発明の骨代替材料の製造方法は、以下の工程（１）及び（２）を含む。
（１）電解浴に、少なくともリン及びカルシウムを含む無機化合物の微粒子を分散させる工程
（２）工程（１）で得られる電解浴中において、チタン又はチタン合金を陽極酸化する工程
【００２４】
まず、工程（１）について説明する。
工程（１）において、電解浴に無機化合物の微粒子を分散させる。
工程（１）で分散される無機化合物の微粒子は、少なくともリン及びカルシウムを含み、例えば、リン酸カルシウムが挙げられる。好ましくは、ハイドロキシアパタイト、フッ化アパタイト、リン酸三カルシウム（Ｃａ３（ＰＯ４）２）及び／又はピロリン酸カルシウム（Ｃａ２Ｐ２Ｏ７）が用いられる。この理由は、これらのリン酸カルシウムを用いることにより、本発明の骨代替材料が生体骨との間で接着性が飛躍的に向上することが期待できる点で優れるからである。
【００２５】
前記無機化合物の微粒子の、電解浴中に含まれる量は、電解浴の容積、チタン又はチタン合金の体積、電解浴に加えられる化合物の種類又は量によって適宜決定される。
【００２６】
工程（１）に用いられる電解浴は、酸性電解浴又はアルカリ性電解浴のいずれかである。
本発明に係る酸性電解浴は、少なくともリン酸と錯化剤を含む。
前記リン酸としては、リン酸イオンを含むリン酸、即ち、オルトリン酸、ピロリン酸、ポリリン酸、メタリン酸、トリポリリン酸等が挙げられるが、このうちオルトリン酸、ピロリン酸、メタリン酸が好ましく、オルトリン酸がより望ましい。
前記錯化剤としては、過酸化水素、ケトン類、アミン類、グリコール類が挙げられ、好ましくは過酸化水素が用いられる。
【００２７】
酸性電解浴には、さらに、リン酸塩及び／又は無機酸を添加剤として任意に加えてもよい。
前記リン酸塩は、例えば、オルトリン酸イオン、リン酸水素イオン、リン酸二水素イオン又はピロリン酸イオンから選択される一種と、
アルカリ金属イオン、アルカリ土類金属イオン又はアンモニウムイオンから選択される一種で構成されるリン酸塩が挙げられるが、好ましくは、アルカリ金属イオン、アンモニウムイオン、より望ましくはナトリウムイオンとされる。
前記無機酸とは、硝酸、硫酸、塩酸、ホウ酸等が挙げられ、好ましくは、ホウ酸が用いられる。
【００２８】
本発明に係るアルカリ性電解浴は、アルカリ金属及び／又はアルカリ土類金属の水酸化物、リン酸塩及び錯化剤をそれぞれ一種以上含む。
前記アルカリ金属及び／又はアルカリ土類金属の水酸化物としては、好ましくは水酸化ナトリウムが用いられる。
前記リン酸塩としては、例えば、オルトリン酸イオン、リン酸水素イオン、リン酸二水素イオン又はピロリン酸イオンから選択される一種と、
アルカリ金属イオン、アルカリ土類金属イオン又はアンモニウムイオンから選択される一種で構成されるリン酸塩が挙げられるが、好ましくは、アルカリ金属イオン、アンモニウムイオン、より望ましくはナトリウムイオンとされる。
前記錯化剤としては、過酸化水素、ケトン類、アミン類、グリコール類が挙げられ、好ましくは過酸化水素が用いられる。
【００２９】
本発明に係る酸性電解浴は、好ましくはｐＨ５以下、より望ましくは、ｐＨ３以下である。一方、アルカリ性電解浴は、ｐＨ９以上、より望ましくは、ｐＨ１１以上である。この理由は、ｐＨ５を超え、９未満である場合は、電解浴の伝導率が低いために火花放電による陽極酸化厚膜を形成できないため望ましくないからである。
【００３０】
電解浴中のリン酸、リン酸塩、錯化剤の濃度は好ましくは以下のように調整される。
酸性又はアルカリ性電解浴中にリン酸が含まれる場合、リン酸濃度は、好ましくは０．０１〜１０Ｍで、より望ましくは１〜５Ｍである。０．０１Ｍ未満では、電解浴の電導率が低すぎるため火花放電は起こらず十分な膜厚を形成できない。また、１０Ｍを超えると、無機化合物の微粒子が電解浴中に溶解してしまうため、該微粒子が十分に陽極酸化皮膜中に固着されないため、いずれの場合も好ましくない。
【００３１】
酸性又はアルカリ性電解浴中に錯化剤が含まれる場合、錯化剤濃度は、好ましくは０．００１〜３Ｍで、より望ましくは０．０１〜０．５Ｍである。この理由は０．００１Ｍ未満では、十分な錯化能を発揮できないため、浴寿命が短い。また、３Ｍを超えると、それ以上の錯化能が期待できないため好ましくない。
【００３２】
酸性又はアルカリ性電解浴中にリン酸塩が含まれる場合、リン酸塩濃度は、好ましくは０．００１〜５Ｍ、より望ましくは０．０１〜０．５Ｍである。この理由は、０．００１Ｍ未満では電導率が低すぎるため火花放電は起こらず十分な膜厚を形成できず、また、５Ｍを超えると、陽極酸化皮膜の膜厚のムラが激しいため望ましくないからである。
【００３３】
酸性又はアルカリ性電解浴中にアルカリ金属及び／又はアルカリ土類金属の水酸化物が含まれる場合、アルカリ金属及び／又はアルカリ土類金属の水酸化物の濃度は、好ましくは０．０１〜５Ｍで、より好ましくは０．１〜１Ｍである。この理由は、０．０１Ｍ未満では、電導率が低すぎるため火花放電は起こらず十分な膜厚を形成できず、また、５Ｍを超えると、陽極酸化皮膜の膜厚のムラが激しいため望ましくないからである。
【００３４】
次に、工程（２）について説明する。
工程（２）は、工程（１）で得られる電解浴中において、チタン又はチタン合金を陽極酸化する工程である。
チタン又はチタン合金を陽極の電極として、直流にて火花放電発生電圧以上の電圧を印加することにより行われる陽極酸化により、チタン又はチタン合金表面に、その陽極酸化皮膜が形成され、本発明の骨代替材料が製造される。
本発明に係る無機化合物の微粒子が、陽極酸化皮膜の表面及び／又は内部に入り込み固着するのは、この陽極酸化皮膜の形成工程において、火花発生と同時に局部的な発熱が生じ、この発熱が生じた箇所に電解浴中の無機化合物の微粒子が入り込む、又は固着することによるものである。
【００３５】
前記陽極酸化は、直流、交直重畳、又はパルス波を印加して行う、又はサイリスタ方式による直流電源を用いて、単相半波、三相半波、六相半波を印加して行う。前記のいずれの波形でも、火花放電が発生する電圧以上で行い、好ましくは、印加電圧が１００Ｖ以上、より望ましくは１５０Ｖ以上で行う。
【００３６】
前記陽極酸化における電流密度は、好ましくは０．１〜５Ａ／ｄｍ２、より望ましくは０．５〜３Ａ／ｄｍ２の範囲である。この理由は、０．１Ａ／ｄｍ２未満では、十分な膜厚を形成できず、固着した無機化合物の微粒子がはがれやすく、また、５Ａ／ｄｍ２を超えると、陽極酸化皮膜形成の速度が速すぎるため、緻密な膜ができにくく、好ましくないからである。
【００３７】
前記陽極酸化における電圧が８０〜３００Ｖ、好ましくは１００〜２５０Ｖ、より好ましくは１５０〜２００Ｖの範囲である。この理由は、５０Ｖ未満では、火花放電が起こらないため膜が十分に形成されず、また、３００Ｖを超えると、陽極酸化皮膜形成の速度が速いため緻密な膜ができないからである。
【００３８】
工程（２）における電解時間は５〜２４０分、好ましくは３０〜１２０分の範囲である。５分未満では、十分な膜厚とならないため固着した無機化合物の微粒子がはがれやすいため、また、２４０分を超えると、膜厚が厚くなりすぎてチタン板との接着強度および機械的強度が低下するため、いずれの場合も好ましくない。
【００３９】
工程（２）における電解浴の温度は、好ましくは０〜１００℃、２０〜４０℃がより望ましい。電解浴の温度が０〜１００℃である場合、電解液の管理が比較的容易であるため好ましい。
【実施例】
【００４０】
以下、本発明について、実施例に基づき説明する。
（試験例１）本発明の骨代替材料の生体親和性・生体活性に関する試験
＜実施例１の製造＞
添加剤としてＨ３ＢＯ３、Ｈ２ＳＯ４を加えたＨ３ＰＯ４−Ｈ２Ｏ２系電解浴１Ｌ中にピロリン酸カルシウム（Ｃａ２Ｐ２Ｏ７）１００ｇを分散させ、その浴中に純チタン板（３ｃｍ×５ｃｍ）を浸漬し、２．０Ａ／ｄｍ２の直流定電流電解で２００Ｖまで昇圧した後、定電圧電解に切り換えて２００Ｖに保持する方法で、電解浴温度は１７〜３１℃、６０分間陽極酸化処理した。対極は試験片と同じチタン板、極間距離は５．０ｃｍである。その後、水洗、乾燥した。これにより純チタン板表面に厚さ５５μｍの陽極酸化皮膜が確認された。得られた骨代替材料を実施例１とした。
【００４１】
＜実施例２の製造＞
０．５ｍｏｌ／Ｌ水酸化ナトリウムと０．０５ｍｏｌ／Ｌリン酸三ナトリウムと０．０５ｍｏｌ／Ｌ過酸化水素との混合浴１Ｌ中にハイドロキシアパタイトの微粒子１０ｇを分散させ、その浴中に純チタン板（３ｃｍ×５ｃｍ）を浸漬し、直流１５０Ｖで電解浴温度は２０〜３０℃、１２０分間陽極酸化処理した。対極は試験片と同じチタン板、極間距離は５ｃｍである。その後、水洗、乾燥した。これにより純チタン板表面に厚さ１５μｍの陽極酸化皮膜が確認された。得られた骨代替材料を実施例２とした。
【００４２】
＜比較例１の製造＞
電解浴中にハイドロキシアパタイトを添加しないことを除いては、実施例２と同様の工程により、チタン板に陽極酸化皮膜を形成した。得られた骨代替材料を比較例１とした。
【００４３】
＜ＳＢＦ溶液(疑似体液：Ｓｉｍｕｌａｔｅｄ Ｂｏｄｙ Ｆｌｕｉｄ)の調製＞
蒸留水７００ｍｌにＮａＣｌ ７．９９６ｇ、ＮａＨＣＯ３ ０．３５ｇ、ＫＣｌ ０．２２４ｇ、Ｋ２ＨＰＯ４ ０．１７４ｇ、ＭｇＣｌ２・６Ｈ２Ｏ ０．３０５ｇ、１Ｍ−ＨＣｌ ４０ｍｌ、ＣａＣｌ２ ０．２７８ｇ、Ｎａ２ＳＯ４ ０．０７１ｇ、(ＣＨ２ＯＨ)３ＣＮＨ２ ６．０５７ｇを順に溶解させ、１Ｍ−ＨＣｌでｐＨを７．４０に調節した後、メスフラスコに移し、蒸留水を加えて１０００ｍｌに調製し、これをＳＢＦ溶液とした。
【００４４】
＜試験方法＞
ＳＢＦ溶液を用いて、実施例１、２及び比較例１について生体活性について調べた。
【００４５】
実施例１、２及び３をＳＢＦ溶液(疑似体液、 Ｓｉｍｕｌａｔｅｄ Ｂｏｄｙ Ｆｌｕｉｄ)に５日間浸漬させた後の、単位面積あたりの微粒子析出量を測定した。
＜結果＞
実施例１は、ハイドロキシアパタイト析出量を測定した結果、０．２２ｍｇ／cｍ２で、実施例２は、ハイドロキシアパタイト析出量を測定した結果、０．１２ｍｇ／cｍ２であった。また、比較例１は、ハイドロキシアパタイトの析出はほとんど認められなかった。従って、本発明の骨代替材料（実施例１及び実施例２）は、生体親和性とともに生体活性を備えていることがわかる。
【００４６】
＜Ｘ線解析図（ＸＲＤパターン）（１）＞
実施例２及び比較例１のＸ線解析図（ＸＲＤパターン）を測定した。ＸＲＤパターンを図４に示す。比較例１の測定結果により、ルチルおよびアナタースが析出しているのがわかる。一方、実施例２の測定結果からは、これらの結晶とともにＨＡｐのピークが見られた。このことから本発明の骨代替材料（実施例２）は生体親和性を有することが明らかになった。
【００４７】
＜Ｘ線解析図（ＸＲＤパターン）（２）＞
上限電圧を１５０Ｖとし、実施例２をＳＢＦ溶液に０日、３日、５日間と浸漬させた後のＸＲＤパターンを図５に示す。浸漬日数の増加とともに、ＨＡｐのピーク強度が著しく増加するのが確認された。即ち、本発明の骨代替材料は、生体親和性とともに、優れた生体活性を有することがわかる。
【００４８】
図６中、（ａ）は比較例１のＳＢＦ溶液浸漬前、（ｂ）は比較例１のＳＢＦ溶液浸漬５日後、（ｃ）は実施例２のＳＢＦ溶液浸漬前、（ｄ）は、実施例２のＳＢＦ溶液浸漬５日後のＳＥＭ写真である。このＳＥＭ写真から明らかなように、実施例２をＳＢＦ溶液に５日間浸漬させた皮膜のＨＡｐ微粒子の析出量は、浸漬日数とともに増加した。従って、本発明の骨代替材料は生体活性であることがわかる。
【００４９】
（試験例２）ＳＢＦ溶液浸漬後のＨＡｐ析出量の経時的変化に関する試験
実施例２の工程において、上限電圧を１５０Ｖ、２００Ｖと変化させた条件で、０．０５Ｍ−Ｎａ３ＰＯ４−０．５Ｍ−ＮａＯＨ−０．０５Ｍ-Ｈ２Ｏ２電解浴中で作製した陽極酸化皮膜材を、ＳＢＦ溶液に浸漬させた後の単位面積あたりのＨＡｐ析出量およびＨＡｐ膜厚の増加量を図７及び８にそれぞれ示す。浸漬日数の増加にとともに、ＨＡｐ析出量およびＨＡｐ膜厚は増加しているのがわかる。
上限電圧条件１５０Ｖで陽極酸化処理した皮膜の方がＳＢＦ浸漬時のＨＡｐ析出量およびＨＡｐ膜厚の増加量は若干大きく、２００Ｖに比べ生体活性が高いといえる。陽極酸化処理した皮膜のＸＲＤパターンから、上限電圧条件１５０Ｖで作製したものはアナタースのピークがルチルのものよりも大きかったのに対し、２００Ｖで作製したものはアナタースとルチルのピークが同等の大きさであった。従って、アナタースの方がルチルより高いアパタイト形成能を示すことがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の骨代替材料を示す斜視図である。（但し、本発明に係る無機化合物の微粒子は省略されている状態を示す。）
【図２】本発明の骨代替材料を示す断面図である。（但し、本発明に係る無機化合物の微粒子は省略されている状態を示す。）
【図３】本発明の骨代替材料の断面図である。
【図４】本発明の実施例２及び比較例１に係るＸ線回折図形である。（ａ）はチタン、（ｂ）は比較例１、（ｃ）は実施例２のＸＲＤパターンである。尚、図面中、「Ｒ」はルチル、「Ａ」はアナタース、「Ｔ」はチタン、「ＨＡｐ」はハイドロキシアパタイトを示す。
【図５】本発明の実施例２に係るＸ線回折図形であり、ＳＢＦ溶液に０日、３日、５日間浸漬させた後のＸ線回折図形である。
【図６】実施例２及び比較例１に係るＳＥＭ写真である。図６中（ａ）は比較例１のＳＢＦ溶液浸漬前の陽極酸化チタン板、（ｂ）は比較例１のＳＢＦ溶液浸漬５日後の陽極酸化チタン板、（ｃ）は実施例２のＳＢＦ溶液浸漬前の陽極酸化チタン板、（ｄ）は実施例２のＳＢＦ溶液浸漬５日後の陽極酸化チタン板のＳＥＭ写真である。
【図７】試験例２のＳＢＦ溶液浸漬後のＨＡｐ析出量の経時的変化に関する試験における、単位面積あたりのＨＡｐ析出量を示す図である。
【図８】試験例２のＳＢＦ溶液浸漬後のＨＡｐ析出量の経時的変化に関する試験における、単位面積あたりのＨＡｐ膜厚の増加量を示す図である。
【符号の説明】
【００５１】
１・・・・チタン又はチタン合金
２・・・・陽極酸化皮膜
３・・・・細孔部
４・・・・リン及びカルシウムを含む無機化合物の微粒子
【図１】
2007068854.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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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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