(57)【要約】【課題】チタン代替金属材料によるインプラントとして有用な新たな骨適合性金属材料の製造方法及び骨適合性金属材料を提供する。【解決手段】骨適合性金属材料の製造方法は、比表面積４０ｍ２／ｇ以上のリン酸カルシウム粉末２と蒸留水３とを混合して、スラリー状態の処理剤５を作製するスラリー作製工程と、その処理剤５内に粒子径１５μｍ付近の研磨布紙により表面研磨又はフッ酸、硝酸、塩酸により化学エッチングしたジルコニウム又はニオブ若しくはこれらの合金からなる基材６を埋入する埋入工程と、基材６が埋入されたままの処理剤５を大気雰囲気中で熱処理して基材６の表面にリン酸カルシウム系化合物層を形成する熱処理工程と、を含んでいる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ジルコニウム（Ｚｒ）又はニオブ（Ｎｂ）若しくはこれらの合金からなる基材の表面にリン酸カルシウム系化合物層を形成してなる骨適合性金属材料の製造方法であって、
比表面積４０ｍ２／ｇ以上のリン酸カルシウム粉末を蒸留水又は水溶液とを混合してスラリー状態の処理剤を作製するスラリー作製工程と、
前記スラリー状態の処理剤内に粒子径１５μｍ付近の研磨布紙により表面研磨又はフッ酸、硝酸、塩酸により化学エッチングした前記基材を埋入する埋入工程と、
前記基材を埋入したままの前記スラリー状態の処理剤を大気中で熱処理して前記基材の表面にリン酸カルシウム系化合物層を形成する熱処理工程と、
を有することを特徴とする骨適合性金属材料の製造方法。
【請求項２】
ジルコニウム又はニオブ若しくはこれらの合金からなる基材と、
比表面積４０ｍ２／ｇ以上のリン酸カルシウム粉末を蒸留水又は水溶液で混合して作製されたスラリー状態の処理剤内に粒子径１５μｍ付近の研磨布紙により表面研磨又はフッ酸、硝酸、塩酸により化学エッチングした前記基材を埋入したまま前記処理剤を大気中で熱処理することにより、前記基材の表面に析出されたリン酸カルシウム系化合物層と、
を有することを特徴とする骨適合性金属材料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、事故や疾病等の理由により欠損した頭蓋骨、頬骨、関節、歯根等の骨体を欠損した場合に、その欠損部位を補充するインプラント等の材料として利用される骨適合性金属材料の製造方法及び骨適合性金属材料に関する。
【背景技術】
【０００２】
チタン又はチタン合金は、強度や加工容易性等の機械的特性、体液に対する耐食性、及び生体適合性（骨適合性）に優れているため、人工骨、人工関節、或いは歯科用インプラント等の材料として利用されている。しかしながら、チタン又はチタン合金は、骨との親和性が低いことから、補充後の骨との結合に長時間を要している。
【０００３】
このような、チタン又はチタン合金の骨に対する親和性は、インプラントのチタン又はチタン合金を材料として形成した部位の表面特性によって決まることが知られ、骨との親和性の高い、すなわち、生体活性なインプラントが所望されている。
【０００４】
そこで、骨との親和性の高い、すなわち、生体活性な、チタン又はチタン合金の表面を得るために、金属製インプラントの表面に生体活性皮膜を形成することで、その骨結合性能を向上させる表面処理を行うことが考えられる。
【０００５】
例えば、カルシウム系酸化物粉末試薬に水を混練してスラリー状処理剤を調整し、その処理剤中に金属基材を埋没させ、そのまま６００℃程度で加熱すると、処理剤から基材への物質拡散が促進され、金属基材表面に不明瞭な界面を有する膜厚数十〜数百ナノメートルの薄く剥がれにくいカルシウム酸化物皮膜を形成できることが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
具体的には、チタン基材をリン酸カルシウム粉末と蒸留水を混練したスラリー状処理剤に埋没させ、そのまま６５０℃で２時間保持して、チタン基材の表面に膜厚約２００ｎｍのリン酸カルシウム皮膜を形成する。その後、その皮膜を有するチタン基材を擬似体液中に浸漬し、ハイドロキシアパタイト（ＨＡｐ）を自発的に析出する技術が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−２２０５２６号公報
【特許文献２】特開２０１１−１６７３７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上述した技術は、表面処理プロセスによるチタンに対する有効性を明らかとしたものの、チタン以外の金属への適用可能性は未解決であり、特に、機械的強度に優れ、しかもＭＲＩ画像診断におけるアーチファクト（偽像）の発生を抑制することができるチタン代替インプラントの要望が高い。
【０００９】
例えば、ジルコニウム（Ｚｒ）は、チタンに勝る機械的強度を持ち合わせるうえ、ＭＲＩ画像診断におけるアーチファクト（偽像）の発生をも抑制することができるという利点を有している。
【００１０】
しかしながら、チタンの表面処理法として実用化されているアルカリ加熱処理は、ジルコニウムやジルコニウム合金には適用できないことが判明しており、現状では骨との結合が困難であるという問題が生じている。
【００１１】
本発明の目的は、チタン代替金属材料によるインプラントとして有用な新たな骨適合性金属材料の製造方法及び骨適合性金属材料を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、第１の発明の骨適合性金属材料の製造方法は、ジルコニウム（Ｚｒ）又はニオブ（Ｎｂ）若しくはこれらの合金からなる基材の表面にリン酸カルシウム系化合物層を形成してなる骨適合性金属材料の製造方法であって、比表面積４０ｍ２／ｇ以上のリン酸カルシウム粉末を蒸留水又は水溶液とを混合してスラリー状態の処理剤を作製するスラリー作製工程と、前記スラリー状態の処理剤内に粒子径１５μｍ付近の研磨布紙により表面研磨又はフッ酸、硝酸、塩酸により化学エッチングした前記基材を埋入する埋入工程と、前記基材を埋入したままの前記スラリー状態の処理剤を大気中で熱処理して前記基材の表面にリン酸カルシウム系化合物層を形成する熱処理工程と、を含むことを特徴とする。
【００１３】
本願第１発明の骨適合性金属材料の製造方法においては、化学的表面処理によって、ジルコニウム（Ｚｒ）又はニオブ（Ｎｂ）若しくはこれらの合金からなる基材の表面にリン酸カルシウム系化合物層を形成することができる。このリン酸カルシウム系化合物は、骨の無機成分であり、骨に対する親和性に優れ、骨と直接結合するという性質、すなわち、生体活性を有している。したがって、ジルコニウム又はニオブ若しくはこれらの合金からなる基材の表面にリン酸カルシウム系化合物層を形成してなる金属材料は、リン酸カルシウム系化合物層を介して骨と結合される骨適合性金属材料とすることができる。
【００１４】
上記目的を達成するために、第２の発明の骨適合性金属材料は、ジルコニウム又はニオブ若しくはこれらの合金からなる基材と、比表面積４０ｍ２／ｇ以上のリン酸カルシウム粉末を蒸留水又は水溶液で混合して作製されたスラリー状態の処理剤内に粒子径１５μｍ付近の研磨布紙により表面研磨又はフッ酸、硝酸、塩酸により化学エッチングした前記基材を埋入したまま前記処理剤を大気中で熱処理することにより、前記基材の表面に析出されたリン酸カルシウム系化合物層と、を有することを特徴とする。
【００１５】
本願第２発明の骨適合性金属材料は、表面にリン酸カルシウム系化合物層を形成してなるジルコニウム又はニオブ若しくはこれらの合金からなる基材は、リン酸カルシウム系化合物層を介して骨と結合される。
【００１６】
以上のように、本願第２発明の骨適合性金属材料は、ジルコニウム又はニオブ若しくはこれらの合金からなる基材の表面に、当該ジルコニウム又はニオブ若しくはこれらの合金に対する密着性が高く、生体活性なリン酸カルシウム系化合物層を簡便かつ安価に形成することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、チタン代替金属材料によるインプラントとして有用な新たな骨適合性金属材料の製造方法及び骨適合性金属材料を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施の形態の骨適合性金属材料の製造方法の一例を表す概略工程の説明図である。
【図２】スラリー埋没熱処理（６５０℃）したジルコニウム基材の表面に対するＸＰＳスペクトルを示すグラフ図である。
【図３】擬似体液中に６日間浸漬したジルコニウム基材の表面のＳＥＭ像を示す写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図１を参照して本発明の一実施の形態を説明する。図１は、本実施形態の骨適合性金属材料の製造方法の一例を表す概略工程図である。
【００２０】
図１において、本実施形態においては、ジルコニウム（Ｚｒ）又はジルコニウム合金の表面に、リン酸カルシウム系化合物層を形成してなる骨適合性金属材料を製造する。なお、ジルコニウム合金としては、特に限定されないが、例えば、ジルコニウムを主成分とし、Ｃａ，Ｐ，Ｏ，Ｆｅ，Ａｌ，Ｓｎ，Ｐｄ，Ｃｒ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｍｏ等の合金元素を含有したジルコニウム合金が使用される。なお、この際の合金元素には、ＭＲＩ画像診断におけるアーチファクト（偽像）が発生し難いもの（例えば、ＮｂやＭｏ等）を用いるのが好ましい。
【００２１】
すなわち、図１（ａ）に示すように、まず、容器１内においてリン酸カルシウム粉末（３Ｃａ３（ＰＯ４）２・Ｃａ（ＯＨ）２）からなる粉末２と蒸留水３とを混合し、これら混合物を攪拌棒４により攪拌することにより、スラリー状態の処理剤５を作製する（スラリー作製工程）。
【００２２】
その後、図１（ｂ）に示すように、作製された処理剤５内に、ジルコニウム又はニオブ若しくはこれらの合金からなる基材６を埋入する（埋入工程）。
【００２３】
そして、図１（ｃ）に示すように、基材６が埋入されたままの処理剤５が入っている容器１を電気炉７の炉内に入れ、基材６が埋入されたままの処理剤５を、大気雰囲気中（大気中）で熱処理、言い換えれば、高温酸化処理し、基材６の表面に結晶化されたリン酸カルシウム系化合物層を形成する（熱処理工程）。
【００２４】
その後、リン酸カルシウム系化合物層に被覆された基材６を容器１から取り出し、基材６を蒸留水で洗浄する。これにより、基材６の表面にリン酸カルシウム系化合物層を形成してなる骨適合性金属材料が得られる。
【００２５】
すなわち、本実施形態における骨適合性金属材料は、ジルコニウム又はニオブ若しくはこれらの合金からなる基材６と、基材６の表面に形成されるリン酸カルシウム系化合物層とを有している。また、リン酸カルシウム系化合物層は、上述したように、リン酸カルシウム粉末からなる粉末２と蒸留水とを混合して作製された処理剤５内に、基材６を埋入し、基材６が埋入されたままの処理剤５を大気中で熱処理することにより形成される。
【実施例】
【００２６】
以下、具体例を用いて本発明の一実施の形態を詳細に説明する。
【００２７】
このような表面処理プロセスをジルコニウム（Ｚｒ）に適用し、これらの金属の表面にリン酸カルシウム皮膜を形成することを試み、本発明で処理したジルコニウム基材の擬似体液中におけるリン酸カルシウム析出性能を評価した。
【００２８】
具体的には、比表面積４０ｍ２／ｇ以上のリン酸カルシウム粉末（３Ｃａ３（ＰＯ４）２・Ｃａ（ＯＨ）２）に蒸留水を混練することでスラリーを作製した。このスラリーに粒子径１５μｍ付近の研磨布紙により表面研磨又はフッ酸、硝酸、塩酸により化学エッチングしたジルコニウム基材を埋没させて大気中において５００℃、６５０℃、８００℃で２時間保持し、ジルコニウム基材の表面に形成した試料（皮膜）を蛍光Ｘ線分析（ＸＲＦ）、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ）、Ｘ線解析（ＸＲＤ）、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）にて評価した。
【００２９】
さらに、この処理したジルコニウム基材をインプラント基材として人体に埋め込んだ環境を再現するため、細胞に不可欠な無機塩を血清や組織液と等張になるように配合し、さらに培養に伴うｐＨの変化ができるだけ小さくなるように緩衝能をもたせた生理的緩衝塩類溶液としてハンクス緩衝塩類溶液（ＨＢＳＳ）を擬似体液として用い、その温度を人体温の平熱付近温度である３７℃に保持した状態で２４〜７２時間浸漬させ、その表面変化を蛍光Ｘ線分析（ＸＲＦ）及び走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で評価した。本実施例では、疑似体液として、血液の無機成分と類似した組成を持つハンクス緩衝塩類溶液（以下適宜、「ＨＢＳＳ溶液」と称する）を用いた。このＨＢＳＳ溶液は、適量のＮａＣｌ，ＫＣｌ，ＭｇＳＯ４・７Ｈ２Ｏ，Ｎａ２ＨＰＯ４，ＫＨ２ＰＯ４，ＮａＨＣＯ３をイオン交換水に溶解して作製した。なお、作製直後のＨＢＳＳ溶液のｐＨ値は約７．４であった。
【００３０】
（実験結果）
スラリー埋没加熱処理後のジルコニウムは、酸化により黒色に変化し、その表面からカルシウム（Ｃａ）及びリン（Ｐ）が検出された。図２は、６５０℃でスラリー埋没加熱処理したジルコニウムの表面におけるＸ線光電子分光法（ＸＰＳ）でのスペクトルを示すグラフ図である。
【００３１】
図２に示すように、ジルコニウム基材の表面には、Ｃａ及びＰを含むジルコニア（二酸化ジルコニウム：ＺｒＯ２）皮膜が形成されていることが判明した。このスペクトルにおけるＣａ２ｐ３／２及びＰ２ｐの結合エネルギーは、リン酸カルシウムの値と略一致する値となっている。また、ＣａとＰの元素費（Ｃａ／Ｐ比）はおよそ１．６であった。図３は、ハンクス緩衝塩類溶液に７２時間浸漬した処理試料の表面ＳＥＭ画像の説明図である。
【００３２】
図３に示すように、網目状構造を持つ析出皮膜が形成されていることが確認できる。さらに、ＸＲＦの結果により、この析出皮膜はリン酸カルシウムであることを確認することができた。
【００３３】
その結果、スラリー調整における粉末の形状を最適化し、表面処理効率を向上させることでジルコニウムにもリン酸カルシウム皮膜を形成し得て、骨結合性能を付与することができることが判明した。
【００３４】
このように、本発明のインプラント基材への表面処理プロセスは、スラリー状処理剤を金属基材に接触させ、高温下で強制的に物質拡散をおこなうものであるため、インプラント基材の表面特性の影響を受け難く、ジルコニウムの場合にあってもチタンと同等の結果が得られることが判明した。さらに、本発明の技術は、複雑な形状を有するインプラント基材であっても容易に対応することができ、しかも、処理コスト並びに処理時間にあって優位性を有することが判明した。
【００３５】
これにより、ジルコニウムを用いたものでありながら、その表面への骨結合性能を飛躍的に向上することができ、チタン代替次世代インプラント材料としての実用化に貢献することができばかりでなく、特に、ジルコニウム（合金）は、チタンに勝る機械的強度を確保し得て、しかもＭＲＩ画像診断におけるアーチファクト（偽像）の発生をも抑制することができる。
【００３６】
ところで、本発明におけるスラリー埋没加熱処理はニオブに関しても適用可能であり、このニオブにおいても同様の結果を得ることができた。
【符号の説明】
【００３７】
１                容器
２                リン酸カルシウム粉末
３                蒸留水
４                攪拌棒
５                処理剤
６                基材
７                電気炉
【図１】
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【図２】
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【図３】
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