(57)【要約】【課題】所望の部位において自家骨との結合を促進させることができる骨結合性材料及び人工骨を提供する。【解決手段】骨材で構成される基材２の表面へのイオン注入により第２族元素イオンが注入されている、自家骨との結合を促進する結合部３が、前記基材２に形成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
骨材で構成される基材の表面へのイオン注入により第２族元素イオンが注入されている、自家骨との結合を促進する結合部が、前記基材に形成されていることを特徴とする骨結合性材料。
【請求項２】
前記イオン注入により、Ｃａイオン、Ｍｇイオン、Ｂａイオン及びＳｒイオンのうち少なくとも一つが注入されていることを特徴とする請求項１に記載の骨結合性材料。
【請求項３】
前記骨材が、生体活性セラミックス又は自家骨であることを特徴とする請求項１又は２に記載の骨結合性材料。
【請求項４】
イオン濃度１×１０８〜１×１０１８個／ｃｍ２の範囲内のイオンビームの照射によって前記第２族元素イオンが注入されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の骨結合性材料。
【請求項５】
前記イオン注入により、表面から１ｎｍ〜１０ｍｍまでの深さの間にイオンが注入されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の骨結合性材料。
【請求項６】
請求項１から５のいずれかの骨結合性材料が一構成部材として形成されていることを特徴とする人工骨。
【請求項７】
骨材で構成される基材に第２族元素イオンをイオン注入により注入して前記イオンが注入されている前記基材の表面と自家骨との結合を促進させることを特徴とする基材と自家骨との結合促進方法。
【請求項８】
前記第２族元素イオンが、Ｃａイオン、Ｍｇイオン、Ｂａイオン及びＳｒイオンから選択される少なくとも一つのイオンであることを特徴とする請求項７に記載の基材と自家骨との結合促進方法。
【請求項９】
前記骨材が、生体活性セラミックス又は自家骨であることを特徴とする請求項７又は８に記載の基材と自家骨との結合促進方法。
【請求項１０】
イオン濃度１×１０８〜１×１０１８個／ｃｍ２の範囲内のイオンビームの照射によって前記第２族元素イオンを注入することを特徴とする請求項７から９のいずれか一項に記載の基材と自家骨との結合促進方法。
【請求項１１】
前記イオン注入により、表面から１ｎｍ〜１０ｍｍまでの深さの間にイオンを注入することを特徴とする請求項７から１０のいずれか一項に記載の基材と自家骨との結合促進方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は骨結合性材料、人工骨並びに基材と自家骨との結合促進方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、日本では急速な少子高齢社会が進んでおり、高齢者の増加にともない、関節機能の低下、歯の損傷など生体機能の衰えによって生じる障害が問題になっている。こういった障害への対策として、現状では自家骨と言われる患者自身の骨の移植、または同種骨と言われる他人の骨を移植する方法が全体の約70%を占めており、人工骨が使われるのは残りの30%程度にとどまる。この理由としては、人工骨は一般に金属材料や有機合成材料などが使用されているため、これらは生体に対して有害な作用を及ぼす恐れや、生体適合性が少ないものが多いためである。
【０００３】
そこで、チタンやチタン系合金などの金属又はセラミック材料からなる基材の表面にリン酸カルシウム塩をコーティングする技術が提案されている（特許文献１参照）。この技術によれば、リン酸カルシウム塩でコーティングされた人工骨と骨組織（自家骨）との親和性が高められている。
【０００４】
しかしながら、コーティング層の剥離により基材と自家骨との結合強度が低下する可能性があるという課題があった。また、基材が金属部材を用いて形成されているときは、生体内で何らかの拒絶反応が出るおそれを排除しきれないという課題もあった。さらに、基材においてコーティング層を形成できる部分だけしか自家骨との結合強度を高められず、コーティング層の形成が不能ないし困難な部分であるときはその部分の結合強度を高めることが困難になるなど、汎用性に乏しいという課題もあった。
【０００５】
そこで、本出願人は、自家骨との結合強度を高くして自家骨との強固な接合を発現維持させて、しかも汎用性の高い人工骨部材を提案している（特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平6-285149号公報
【特許文献２】特開2011-78749号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記人工骨部材は、コーティング層が存在しないので、コーティング層の剥離のおそれはなく、接合部において自家骨と強固に接合させることができる。また、自家骨と結合する部位及び結合しない部位を基材に任意に形成することができ、これによって、関節部分などのような自家骨との接着を要しない部分と、自家骨との接着を要する部分とを有する大型欠損補充型人工骨としての利用も可能になるなどその適用範囲が広がり、汎用性が高い。さらに、接合部における自家骨の形成開始タイミングをイオン注入が行われていない部位よりも遅延させることができる。
【０００８】
このように上記人工骨部材は、自家骨との強固な接合を発現維持させることができ、しかも汎用性の高いものである。一方で、医療現場においては患者の負担軽減の要請があり、また、患者の患部早期治療の要請もあり、より早期に自家骨と結合する人工骨の開発が望まれてもいる。
【０００９】
本発明は、以上のとおりの背景から、所望の部位において自家骨との結合を促進させることができる骨結合性材料、人工骨並びに基材と自家骨との結合促進方法を提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するため、本発明の骨結合性材料は、骨材で構成される基材の表面へのイオン注入により第２族元素イオンが注入されている、自家骨との結合を促進する結合部が、前記基材に形成されていることを特徴とする。
【００１１】
この骨結合性材料においては、前記イオン注入により、Ｃａイオン、Ｍｇイオン、Ｂａイオン及びＳｒイオンのうち少なくとも一つが注入されていることが好ましい。
【００１２】
この骨結合性材料においては、前記骨材が、生体活性セラミックス又は自家骨であることが好ましい。
【００１３】
この骨結合性材料においては、イオン濃度１×１０８〜１×１０１８個／ｃｍ２の範囲内のイオンビームの照射によって前記第２族元素イオンが注入されていることが好ましい。
【００１４】
この骨結合性材料においては、前記イオン注入により、表面から１ｎｍ〜１０ｍｍまでの深さの間にイオンが注入されていることが好ましい。
【００１５】
また、本発明の人工骨は、上記のいずれかの骨結合性材料が一構成部材として形成されていることを特徴とする。
【００１６】
本発明の基材と自家骨との結合促進方法は、骨材で構成される基材に第２族元素イオンをイオン注入により注入して前記イオンが注入されている前記基材の表面と自家骨との結合を促進させることを特徴とする。
【００１７】
この基材と自家骨との結合促進方法においては、前記第２族元素イオンが、Ｃａイオン、Ｍｇイオン、Ｂａイオン及びＳｒイオンから選択される少なくとも一つのイオンであることが好ましい。
【００１８】
この基材と自家骨との結合促進方法においては、前記骨材が、生体活性セラミックス又は自家骨であることが好ましい。
【００１９】
この基材と自家骨との結合促進方法においては、イオン濃度１×１０８〜１×１０１８個／ｃｍ２の範囲内のイオンビームの照射によって前記第２族元素イオンを注入することが好ましい。
【００２０】
この基材と自家骨との結合促進方法においては、前記イオン注入により、表面から１ｎｍ〜１０ｍｍまでの深さの間にイオンを注入することが好ましい。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、所望の部位において自家骨との結合を促進させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施形態である骨結合性材料を模式的に示した断面図である。
【図２】本発明の実施形態である骨結合性材料を人工骨として人体の肘関節に適用した例を説明するための模式図である。
【図３】Ｃａイオンを各濃度のイオンビームの照射によって注入した試料をＳＢＦ中に浸漬して１週間経過した後の、試料断面のＳＥＭ写真であり、（ａ）はイオン濃度１×１０１２個／ｃｍ２のイオンビームを照射した試料、（ｂ）はイオン濃度１×１０１３個／ｃｍ２のイオンビームを照射した試料、（ｃ）はイオン濃度１×１０１４個／ｃｍ２のイオンビームを照射した試料である。
【図４】Ｃａイオンを注入しない試料及びＣａイオンを各濃度のイオンビームの照射によって注入した試料をＳＢＦ中に浸漬して１週間経過した後の、試料表面のＳＥＭ写真であり、（ａ）はＣａイオンを注入しない試料、（ｂ）はイオン濃度１×１０１２個／ｃｍ２のイオンビームを照射した試料、（ｃ）はイオン濃度１×１０１３個／ｃｍ２のイオンビームを照射した試料、（ｄ）はイオン濃度１×１０１４個／ｃｍ２のイオンビームを照射した試料である。
【図５】図４とは異なる倍率のＳＥＭ写真である。
【図６】Ｃａイオンを注入しない試料及びＣａイオンを各濃度のイオンビームの照射によって注入した試料をＳＢＦ中に浸漬して６週間経過した後の、試料表面のＳＥＭ写真であり、（ａ）はＣａイオンを注入しない試料、（ｂ）はイオン濃度１×１０１２個／ｃｍ２のイオンビームを照射した試料、（ｃ）はイオン濃度１×１０１３個／ｃｍ２のイオンビームを照射した試料、（ｄ）はイオン濃度１×１０１４個／ｃｍ２のイオンビームを照射した試料である。
【図７】Ｃａイオンを各濃度で注入した試料についての、ＳＢＦ中の浸漬時間と試料表面に形成したアパタイト膜の厚さとの関係を示したグラフである。
【図８】Ｃａイオンを各濃度で注入した試料についての、イオン濃度（横軸）とその試料をＳＢＦ中に浸漬して１日経過した後の試料表面に形成したアパタイト膜の厚さ（縦軸）との関係を示したグラフである。
【図９】Ｃａイオンを各濃度で注入した試料についての、イオン濃度（横軸）とその試料をＳＢＦ中に浸漬して７日経過した後の試料表面に形成したアパタイト膜の厚さ（縦軸）との関係を示したグラフである。
【図１０】Ｃａイオン注入した試料及びイオン注入していない試料の表面写真である。
【図１１】図１０の試料のＡＦＭ形状測定像である。
【図１２】図１０の試料のＡＦＭ表面電位測定像である。
【図１３】Ｃａイオンの注入深度を変えて作製した試料についての、Ｃａイオン注入深度（横軸）とその試料をＳＢＦ中に浸漬して３日経過した後の試料表面に形成したアパタイト膜の厚さ（縦軸）との関係を示したグラフである。
【図１４】Ｍｇイオンを各濃度で注入した試料についての、イオン濃度（横軸）とその試料をＳＢＦ中に浸漬した後の試料表面に形成したアパタイト膜の厚さ（縦軸）との関係を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
【００２４】
図１は、本発明の実施形態である骨結合性材料を模式的に示した断面図である。
【００２５】
図１の骨結合性材料１は、基材２と、この基材２の表面側の少なくとも一部分に形成される結合部３とで構成されている。
【００２６】
基材２は、自家骨や生体活性セラミックス等の骨材で構成され、バルク（粉粒体）や成形体等の形態で使用される。
【００２７】
生体活性セラミックスは、代表的にはハイドロキシアパタイト（以下、ＨＡという）である。ＨＡは生物の歯や骨の主成分であり，歯の表面のエナメル質において９５％以上がＨＡである。また、骨はこのＨＡと繊維性タンパクのコラーゲンで構成されており、その約６５％がＨＡである。ＨＡは現在、人工骨、人工歯、人工歯根、虫歯予防材のための新しい材料として実用化されている。
【００２８】
ＨＡはアパタイト系に属しており，アパタイトは以下のような化学組成で表される。
【００２９】
Ａ１０（ＭＯ４）６Ｘ２
ここで、Ａは、１、２、３価等の陽イオンである。具体例として、Ｃａ、Ｂａ、Ｍｇ、Ｓｒ、Ｐｂ、Ｃｄ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ａｌ、Ｌａ等が挙げられる。Ｍは、Ｐ、Ａｓ、Ｖ、Ｓ、Ｓｉ等であり、Ｘは、Ｆ、ＯＨ、Ｃｌ、Ｏ等である。これらの元素が単独、または複数入り込んでいることがあり、その組み合わせによりいろいろなアパタイトができる。その中で、Ｃａ及びＰを含む水酸化物がＨＡであり、具体的には、化学組成Ｃａ１０（ＰＯ４）６（ＯＨ）２で表される。
【００３０】
結合部３は、基材２の表面へのイオン注入により所定のイオンが基材２に注入されている部位であり、注入イオンによって表面修飾（表面改質ともいう）されており、その表面には、基材２の表面の一部を構成する結合面４が形成されている。注入イオンは、周期表第２族元素イオンのうちの少なくとも一つのイオンである。このようなイオンが注入されている結合部３を有する骨結合性材料１が生体内に埋め込まれると、表面に骨成分のアパタイト層（骨類似アパタイト膜（以下、単にアパタイト膜ともいう））が生成する。アパタイト膜は、自家骨との親和性が高いため、骨結合性材料１は自家骨と強固に結合（密着）する。
【００３１】
本実施形態において何よりも特徴的なのは、結合部３の結合面４におけるアパタイト膜の生成速度がイオンが注入されていない基材表面におけるアパタイト膜の生成速度と比較して速く、結合部３の結合面４でのアパタイト膜の生成が促進されることである。アパタイト膜の生成速度が速ければその部位と自家骨との結合速度も速くなるので、本実施形態における骨結合性材料１の結合部３と自家骨との結合が促進される。
【００３２】
このようにアパタイト膜の生成が促進されるのは、アパタイト膜生成のための核形成が結合部３の結合面４において選択的に誘起されるからと考えられる。例えば、Ｃａイオン（Ｃａ２＋）が注入されている結合部３を有する骨結合性材料１の場合、骨結合性材料１を疑似体液（以下、ＳＢＦという）に浸漬すると、結合部３の結合面４においては、注入されているＣａ２＋の溶出に伴って核形成が選択的に誘起され、その結果、アパタイト膜の核が結合部３の結合面４に生成し、その核が周囲の液からＣａ２＋やＨＰＯ４２−を取り込んで結晶成長し、アパタイト膜の生成が促進されると考えられる。
【００３３】
この例では、結合部３に注入されているイオンがＣａイオンであるが、Ｃａイオン以外の第２族元素イオンでも所期の効果を実現することができる。好ましくは、Ｃａイオン、Ｍｇイオン、Ｂａイオン、Ｓｒイオンが使用される。
【００３４】
イオン注入は、イオンビームを基材２の表面に照射することによって行われる。このとき、イオンビームを、例えばイオン濃度１×１０８〜１×１０１８個／ｃｍ２の範囲内に設定して照射することが望ましい。イオン濃度が上記の範囲内であれば、結合部３の結合面４においてアパタイト膜生成のための核形成をより効果的に誘起させてアパタイト膜の生成を促進させることができる。なかでも１×１０１１〜１×１０１６個／ｃｍ２の範囲内であることが好ましく、特に１×１０１２〜１×１０１４個／ｃｍ２の範囲内であることが好ましい。
【００３５】
また、イオンの注入深さは、基材２の表面から１ｎｍ〜１０ｍｍまでの範囲内であることが望ましい。基材２の表面から１ｎｍ〜１０ｍｍまでの深さの間にイオンを注入させることで、結合部３の結合面４においてアパタイト膜生成のための核形成をより効果的に誘起させてアパタイト膜の生成を促進させることができる。なかでも基材２の表面から１ｎｍ〜５ｍｍまでの範囲内であることが好ましく、特に基材２の表面から４０ｎｍ〜１ｍｍまでの範囲内であることが好ましい。より好適には、基材２の表面から４０ｎｍ〜２００ｎｍの範囲内である。イオンビームの加速電圧を、例えば３ｋｅＶ〜１０００ｋｅＶの範囲内に設定することで、基材２の表面から１ｎｍ〜１０ｍｍまでの深さの間にイオンを注入させることができる。
【００３６】
上述したように、本発明の実施形態である骨結合性材料１は、基材２の表面へのイオン注入により第２族元素イオンが注入されている結合部３が基材２に形成されており、この結合部３ではアパタイト膜の生成を促進させることができる。このため、骨結合性材料１を用いた人工骨と自家骨との結合を促進させ、結合部３において自家骨と強固に結合させることができる。また、第２族元素イオンを基材２の表面の任意の位置に注入して結合部３を形成させることができるので、所望の部位において自家骨との結合を促進させることができる。
【００３７】
人工骨が自家骨との結合を望まない部位を有する場合には、リンイオン、アルゴンイオン、炭素イオンなどを所定のイオン濃度、例えば１×１０１６個／ｃｍ２以上の範囲に設定して基材に注入することによってアパタイト膜が形成し難い部位を形成すればよい。このように本実施形態の骨結合性材料１又はそれを用いた人工骨は、結合部３以外にも、アパタイト膜が形成し難い部位を任意の場所に形成することができる
さらにまた、骨結合性材料１は、骨材のバルク又は成形体からなる基材２で構成されており、チタン等の金属と比較して生体との親和性が良好である。
【００３８】
図２は、本発明の実施形態である骨結合性材料を人工骨として人体の肘関節に適用した例を説明するための模式図である。
【００３９】
肘関節５は、上腕骨６、尺骨７及び橈骨８が靭帯９で接続されて構成されている。本実施形態では、上腕骨６の尺骨７側の自家骨１０の一部分に人工骨１２が組み込まれている。人工骨１２を構成する骨結合性材料１の結合部３は、上述したように、アパタイト膜の生成速度が高められ、自家骨１０との結合速度が速くなっているので、人工骨１２が上腕骨６に組み込まれると、人工骨１２と自家骨１０とが早期に強固に結合して一体化する。人工骨１２を上腕骨６に組み込んだ状態において、結合部３以外の人工骨１２の表面は自家骨１０との結合を望まない部位であり、例えばリンイオン、アルゴンイオン、炭素イオンなどが所定のイオン濃度でその表面に注入されていてもよい。
【００４０】
このように本実施形態に係る骨結合性材料１を人工骨１２に使用すると、自家骨１０と早期に結合させることができるので、早期治療が可能である。また、患者の負担を軽減することができる。
【００４１】
以下に実施例を示し、さらに詳しく説明する。もちろん以下の例によって本発明が限定されることはない。
【実施例】
【００４２】
＜実施例１＞
基材表面に第２元素イオンを注入した試料（骨結合性材料）を作製し、これをＳＢＦ中に浸漬して、その表面に形成されたアパタイト膜を観察してその生成速度等を調べた。
＜試料の作製＞
炭酸を含んだ水酸化カルシウムとリン酸からなるハイドロキシアパタイト粉末（ＨＡＰ−２００，太平科学産業）を圧粉ダイに入れ、プレス機を用いて９８．８ＭＰａ、１分間保持の条件で圧粉体を作製した。次いで、電気炉を用いて１１００℃、大気中で圧粉体を加熱し、ＨＡ焼結体を得た。このＨＡ焼結体を厚さ２ｍｍになるまで研削機を用いて上下面を研削し、一方の面をダイヤモンド研磨液を用いて研磨し、バフ研磨を施して鏡面に仕上げた。次いで、この鏡面に対してイオン注入を行った。イオン注入は、生体に対して安全なＣａイオンを使用し、加速電圧６０ｋｅＶの条件で行った。また、１×１０１２個／ｃｍ２、１×１０１３個／ｃｍ２、１×１０１４個／ｃｍ２の各濃度でイオンビームを照射してイオンを注入した。次いで、ダイヤモンドカッターを用いて必要な大きさに切りだし、最終的には１．８×２．８×１８ｍｍの大きさの試料を得た。なお、Ｃａイオンは、表面から４０ｎｍ〜５０ｎｍの範囲に存在することを確認した。また、Ｃａイオンを注入しない試料も上記方法に従って作製した。
＜浸漬実験＞
作製した試料を一般的に用いられているＳＢＦ中に浸漬して、１週間経過後、６週間経過後の試料表面に形成されたアパタイト膜を観察した。
【００４３】
図３は、Ｃａイオンを各濃度のイオンビームの照射によって注入した試料をＳＢＦ中に浸漬して１週間経過した後の、試料断面のＳＥＭ写真であり、（ａ）はイオン濃度１×１０１２個／ｃｍ２のイオンビームを照射した試料、（ｂ）はイオン濃度１×１０１３個／ｃｍ２のイオンビームを照射した試料、（ｃ）はイオン濃度１×１０１４個／ｃｍ２のイオンビームを照射した試料である。
【００４４】
図４は、Ｃａイオンを注入しない試料及びＣａイオンを各濃度のイオンビームの照射によって注入した試料をＳＢＦ中に浸漬して１週間経過した後の、試料表面のＳＥＭ写真であり、（ａ）はＣａイオンを注入しない試料、（ｂ）はイオン濃度１×１０１２個／ｃｍ２のイオンビームを照射した試料、（ｃ）はイオン濃度１×１０１３個／ｃｍ２のイオンビームを照射した試料、（ｄ）はイオン濃度１×１０１４個／ｃｍ２のイオンビームを照射した試料である。
【００４５】
図５は、図４とは異なる倍率のＳＥＭ写真であり、（ａ）はＣａイオンを注入しない試料、（ｂ）はイオン濃度１×１０１２個／ｃｍ２のイオンビームを照射した試料、（ｃ）はイオン濃度１×１０１３個／ｃｍ２のイオンビームを照射した試料、（ｄ）はイオン濃度１×１０１４個／ｃｍ２のイオンビームを照射した試料である。
【００４６】
図６は、Ｃａイオンを注入しない試料及びＣａイオンを各濃度のイオンビームの照射によって注入した試料をＳＢＦ中に浸漬して６週間経過した後の、試料表面のＳＥＭ写真であり、（ａ）はＣａイオンを注入しない試料、（ｂ）はイオン濃度１×１０１２個／ｃｍ２のイオンビームを照射した試料、（ｃ）はイオン濃度１×１０１３個／ｃｍ２のイオンビームを照射した試料、（ｄ）はイオン濃度１×１０１４個／ｃｍ２のイオンビームを照射した試料である。
【００４７】
図７は、Ｃａイオンを各濃度で注入した試料についての、ＳＢＦ中の浸漬時間と試料表面に形成したアパタイト膜の厚さとの関係を示したグラフである。図中、丸印がイオン濃度１×１０１２個／ｃｍ２のイオンビームを照射した試料のデータであり、三角印がイオン濃度１×１０１３個／ｃｍ２のイオンビームを照射した試料のデータであり、四角印がイオン濃度１×１０１４個／ｃｍ２のイオンビームを照射した試料のデータである。
【００４８】
図３の写真から、Ｃａイオンを注入した試料の表面にアパタイト膜が形成され、そのアパタイト膜は基材表面から剥離せず形成されていることが観察された。このことから、自家骨と結合する場合には、強固な結合が維持されると考えられる。
【００４９】
図４−６の写真から、Ｃａイオンを各濃度で注入した試料の表面には、Ｃａイオンを注入しない試料と比べて、繊維状の模様を備えたアパタイト膜がより多く現れていることが観察された。また、図７のグラフから、イオン濃度の高い試料ではアパタイト膜の厚みが大きい傾向にあり、浸漬時間に比例してアパタイト膜の形成が進行している傾向にあることが確認できた。このことから、Ｃａイオンを注入することでアパタイト膜の生成を促進させることができ、また、注入イオンの濃度をコントロールすることでアパタイト膜の生成速度をコントロールできることが確認できた。
＜実施例２＞
基材表面にＣａイオンを注入した試料（骨結合性材料）を作製し、これをＳＢＦ中に浸漬して、その表面に形成されたアパタイト膜を観察してその生成速度等を調べた。また、作製した試料の表面形状と表面電位をＡＦＭ（原子間力顕微鏡）で調べた。
＜試料の作製＞
炭酸を含んだ水酸化カルシウムとリン酸からなるハイドロキシアパタイト粉末（ＨＡＰ−２００，太平科学産業）を圧粉ダイに入れ、プレス機を用いて９８．８ＭＰａ、１分間保持の条件で圧粉体を作製した。次いで、電気炉を用いて１１００℃、大気中で圧粉体を加熱し、ＨＡ焼結体を得た。このＨＡ焼結体を厚さ２ｍｍになるまで研削機を用いて上下面を研削し、一方の面をダイヤモンド研磨液を用いて研磨し、バフ研磨を施して鏡面に仕上げた。次いで、この鏡面に対してイオン注入を行った。イオン注入は、１×１０１２個／ｃｍ２、１×１０１３個／ｃｍ２、１×１０１４個／ｃｍ２、１×１０１５個／ｃｍ２、１×１０１６個／ｃｍ２の各濃度でイオンビームを加速電圧６０ｋｅＶの条件で照射して行った。次いで、ダイヤモンドカッターを用いて必要な大きさに切りだし、最終的には１．８×２．８×１８ｍｍの大きさの試料を得た。なお、Ｃａイオンは、表面から４０ｎｍ〜８０ｎｍの範囲に存在することを確認した。また、Ｃａイオンを注入しない試料も上記方法に従って作製した。
＜浸漬実験＞
作製した試料を一般的に用いられているＳＢＦ中に浸漬して、１日経過後、７日経過後の試料表面に形成されたアパタイト膜を観察した。
【００５０】
図８は、Ｃａイオンを各濃度で注入した試料についての、イオン濃度（横軸）とその試料をＳＢＦ中に浸漬して１日経過した後の試料表面に形成したアパタイト膜の厚さ（縦軸）との関係を示したグラフである。この図は、Ｃａイオン濃度（Ｃａイオン注入量）に比例してアパタイト膜の厚みが大きくなるなど膜生成速度が上昇することを示している。
【００５１】
図９は、Ｃａイオンを各濃度で注入した試料についての、イオン濃度（横軸）とその試料をＳＢＦ中に浸漬して７日経過した後の試料表面に形成したアパタイト膜の厚さ（縦軸）との関係を示したグラフである。この図は、Ｃａイオン濃度１×１０１２個／ｃｍ２、１×１０１３個／ｃｍ２、１×１０１４個／ｃｍ２の順にイオン濃度に比例してアパタイト膜の厚みが大きくなっている。Ｃａイオン濃度１×１０１４個／ｃｍ２を越える濃度でイオン注入した試料については、Ｃａイオン濃度１×１０１５個／ｃｍ２、１×１０１６個／ｃｍ２の順にイオン濃度が大きくなるに伴ってアパタイトの厚みが小さくなっている。このことは、Ｃａイオンを各濃度で注入した試料それぞれのアパタイト膜の生成速度がＳＢＦ浸漬後、経時的に変化していることを示している。また、膜生成速度を最大にするための適正なイオン濃度（イオン注入量）があることを示している。
【００５２】
このように本実施例においても、Ｃａイオン濃度（Ｃａイオン注入量）が膜形成に影響を与えていることが確認できた。
＜試料の表面形状と表面電位の測定結果＞
図１０は、１×１０１６個／ｃｍ２の濃度でＣａイオン注入した試料及びイオン注入していない試料の表面写真である。図１１は、図１０の試料のＡＦＭ形状測定像である。図１２は、図１０の試料のＡＦＭ表面電位測定像である。
【００５３】
図１１に示すように、イオン注入の有無による表面形状の差異は観察されなかった。一方、試料の表面電位については、図１２に示すように、Ｃａイオンを注入した試料の表面の電位は＋（プラス）、Ｃａイオンを注入していない試料の表面の電位は−（マイナス）となっており、イオン注入の有無による表面電位の差異が観察された。
【００５４】
通常のＨＡ人工骨の表面電位は、図１２のＣａイオンを注入していない試料の表面の電位のように−（マイナス）となっている。一般的には、このようなＨＡ人工骨をＳＢＦ溶液に浸漬させると、ＳＢＦ中のＣａ２＋イオンがＨＡ人工骨の表面に引き寄せられ、Ｃａ２＋イオンが多い層がＨＡ人工骨の表面に形成される。このＣａ２＋イオンが多い層によってＨＡ人工骨の表面電位は＋（プラス）に変化する。その後、ＳＢＦ中のＰＯ４３−イオンが引き寄せられ、ＨＡ人工骨の表面の電位が再び−（マイナス）に変化し、Ｃａ２＋イオンが引き寄せられる。このように交互にイオンが引き寄せられてアパタイト膜が形成されるとこれまでの研究では考えられている。
【００５５】
一方、Ｃａイオンを注入した試料の表面電位は＋（プラス）となっている。このような試料をＳＢＦ溶液に浸漬させると、ＳＢＦ中のＣａ２＋イオンが試料の表面に電気的に近付くことができず、アパタイト膜の形成が始まらないはずである。それにもかかわらず、Ｃａイオンを注入した試料は通常のＨＡ人工骨よりもアパタイト膜が速く形成されるという、従来の技術からは予測できない効果を有する。このように通常のＨＡ人工骨よりもアパタイト膜が速く形成される理由としては、Ｃａ２＋イオンを注入した試料の表面からのＣａ２＋イオン溶出によりＣａ成分が補填されて膜形成機構が始まっているからと推察される。Ｃａ２＋イオン溶出後、ＳＢＦ中のＰＯ４３−イオンが引き寄せられて試料の表面の電位が−（マイナス）に変化すると、ＳＢＦ中のＣａ２＋イオンが引き寄せられる。その後、ＳＢＦ中のＰＯ４３−イオン及びＣａ２＋イオンが交互に引き寄せられてアパタイト膜が形成されると考えられる。
＜実施例３＞
基材表面にＣａイオンを注入した試料（骨結合性材料）を作製し、これをＳＢＦ中に浸漬して、その表面に形成されたアパタイト膜を観察してその生成速度等を調べた。
＜試料の作製＞
炭酸を含んだ水酸化カルシウムとリン酸からなるハイドロキシアパタイト粉末（ＨＡＰ−２００，太平科学産業）を圧粉ダイに入れ、プレス機を用いて９８．８ＭＰａ、１分間保持の条件で圧粉体を作製した。次いで、電気炉を用いて１１００℃、大気中で圧粉体を加熱し、ＨＡ焼結体を得た。このＨＡ焼結体を厚さ２ｍｍになるまで研削機を用いて上下面を研削し、一方の面をダイヤモンド研磨液を用いて研磨し、バフ研磨を施して鏡面に仕上げた。次いで、この鏡面に対してイオン注入を行った。イオン注入は、１×１０１３個／ｃｍ２の濃度でイオンビームを加速電圧を変えて照射して行った。次いで、ダイヤモンドカッターを用いて必要な大きさに切りだし、最終的には１．８×２．８×１８ｍｍの大きさの試料を得た。また、Ｃａイオンを注入しない試料も上記方法に従って作製した。
【００５６】
加速電圧は、３０ｋｅＶ、６０ｋｅＶ、１５０ｋｅＶの条件で行った。SRIM (the Stopping and Range of Ions in Solids)計算方法（TRIM (the Transport of Ions in Matter)による計算方法でもよい）により、加速電圧３０ｋｅＶの条件で作製した試料のＣａイオンは表面から約４０ｎｍの深度に、加速電圧６０ｋｅＶの条件で作製した試料のＣａイオンは表面から約７０ｎｍの深度に、加速電圧１５０ｋｅＶの条件で作製した試料のＣａイオンは表面から約１８０ｎｍの深度にそれぞれ存在する。
＜浸漬実験＞
作製した試料を一般的に用いられているＳＢＦ中に浸漬して、３日経過後の試料表面に形成されたアパタイト膜を観察した。
【００５７】
図１３は、Ｃａイオンの注入深度を変えて作製した試料についての、Ｃａイオン注入深度（横軸）とその試料をＳＢＦ中に浸漬して３日経過した後の試料表面に形成したアパタイト膜の厚さ（縦軸）との関係を示したグラフである。この図は、Ｃａイオンの注入深度によってアパタイト膜の生成速度が変化していることを示している。このことから、イオン注入深度をコントロールすることでアパタイト膜の生成速度をコントロールできることが確認できた。
＜実施例４＞
基材表面にＭｇイオンを注入した試料（骨結合性材料）を作製し、これをＳＢＦ中に浸漬して、その表面に形成されたアパタイト膜を観察してその生成速度等を調べた。
＜試料の作製＞
炭酸を含んだ水酸化カルシウムとリン酸からなるハイドロキシアパタイト粉末（ＨＡＰ−２００，太平科学産業）を圧粉ダイに入れ、プレス機を用いて９８．８ＭＰａ、１分間保持の条件で圧粉体を作製した。次いで、電気炉を用いて１１００℃、大気中で圧粉体を加熱し、ＨＡ焼結体を得た。このＨＡ焼結体を厚さ２ｍｍになるまで研削機を用いて上下面を研削し、一方の面をダイヤモンド研磨液を用いて研磨し、バフ研磨を施して鏡面に仕上げた。次いで、この鏡面に対してイオン注入を行った。イオン注入は、１×１０１３個／ｃｍ２、１×１０１４個／ｃｍ２の各濃度でイオンビームを加速電圧６０ｋｅＶの条件で照射して行った。次いで、ダイヤモンドカッターを用いて必要な大きさに切りだし、最終的には１．８×２．８×１８ｍｍの大きさの試料を得た。なお、Ｍｇイオンは、表面から４０ｎｍ〜８０ｎｍの範囲に存在することを確認した。また、イオンを注入していない試料、Ｃａイオンを注入した試料及びＰイオンを注入した試料も上記方法に従って作製した。
＜浸漬実験＞
作製した試料を一般的に用いられているＳＢＦ中に浸漬して、３日経過後の試料表面に形成されたアパタイト膜を観察した。
【００５８】
図１４は、Ｍｇイオンを各濃度で注入した試料についての、イオン濃度（横軸）とその試料をＳＢＦ中に浸漬した後の試料表面に形成したアパタイト膜の厚さ（縦軸）との関係を示したグラフである。図１４には、イオン注入をしていない試料、Ｃａイオンを注入した試料及びＰイオンを注入した試料の結果についても併せて示している。
【００５９】
この図から、Ｐイオンを注入した試料は、イオン注入していない試料と比べてアパタイト膜の厚みが減少しており、アパタイト膜の生成が抑制されていることがわかる。一方、Ｍｇイオンを注入した試料はアパタイト膜の生成が若干促進され、Ｃａイオンを注入した試料ではアパタイト膜の生成が顕著に促進されていることが確認できた。また、Ｍｇイオンを注入した試料及びＣａイオンを注入した試料では、イオン濃度に依存してアパタイト膜が形成されていることも確認できた。このことから、第２族イオンを注入することでアパタイト膜の生成を促進させることができ、また、注入イオンの濃度をコントロールすることでアパタイト膜の生成速度をコントロールできることが確認できた。
【符号の説明】
【００６０】
１  骨結合性材料
２  基材
３  結合部
１２  人工骨
【図１】
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【図２】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１３】
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【図１４】
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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１０】
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【図１１】
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【図１２】
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