(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
リン酸カルシウム系セラミックスの粉体を、５ＭＰａ以上５０ＭＰａ以下の押圧力で圧縮して圧粉体とすると共に、
該圧粉体にパルス状電圧を印可して６５０°Ｃ以上９００°Ｃ以下の温度に加熱して焼成し、
前記焼成が完了し降温を開始する前に、前記圧縮を停止する、
ことによって、相対密度３５〜８０％のリン酸カルシウム系セラミックス多孔体を作製すること、を特徴とするリン酸カルシウム系セラミックス多孔体の作製方法。
【請求項２】
前記圧縮は、導電性材料で構成された成形型と、導電性材料で構成された押圧子とを用いて行われ、
前記パルス状電圧は、前記成形型及び前記押圧子を介して前記圧粉体に印可されること、を特徴とする請求項１に記載のリン酸カルシウム系セラミックス多孔体の作製方法。
【請求項３】
前記リン酸カルシウム系セラミックスはハイドロキシアパタイトであること、を特徴とする請求項１又は２に記載のリン酸カルシウム系セラミックス多孔体の作製方法。
【請求項４】
前記パルス状電圧は、直流電圧のオンオフにより形成されること、を特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のリン酸カルシウム系セラミックス多孔体の作製方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、骨補填材、人工骨等の生体材料として使用されるリン酸カルシウム系セラミックスの多孔体の作製方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、骨補填材、人工骨等の生体材料としてリン酸カルシウム系セラミックスが使用されている。生体材料は、周囲の人骨との結合性を向上させるためには多孔体であることが望ましい。そこで、従来より、リン酸カルシウム系セラミックス多孔体を作製するため、原料粉末にセルロースなどの有機物を分散し、焼成するという方法が行われている。このような方法によれば、焼成時に有機物が分解し気化するため、その部分が空孔となる。従って、原料粉末に均一に有機物を分散することができれば、均一な空孔を持つ多孔体を作製することができる。
【０００３】
【解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の作製方法では、セルロール等の有機物を原料粉末に均一に分散する工程が必要になることから、工程数が増加するという問題点がある。
【０００４】
本発明は、上記のような事情に鑑み、簡単な工程で、リン酸カルシウム系セラミックス多孔体を作製することを目的とするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するための、本発明によるリン酸カルシウム系セラミックス多孔体の作製方法は、リン酸カルシウム系セラミックスの粉体を、５ＭＰａ以上５０ＭＰａ以下の押圧力で圧縮して圧粉体とすると共に、該圧粉体にパルス状電圧を印可して６５０°Ｃ以上９００°Ｃ以下の温度に加熱することにより、相対密度３５〜８０％のリン酸カルシウム系セラミックス多孔体を作製すること、を特徴とするものである。
【０００６】
このようにリン酸カルシウム系セラミックスの圧粉体にパルス状電圧を印可することによって、圧粉体を自身のジュール熱により加熱すると同時に、圧粉体内部の空隙における放電現象を利用して粉体粒子の結合を促進させることができる。そのため、リン酸カルシウム系セラミックスの粉体を５ＭＰａ以上５０ＭＰａ以下の加圧力で圧縮し、これを６５０°Ｃ以上９００°Ｃ以下の温度に加熱すると、完全に緻密化は進行しないため空孔が残るが、空孔の周囲の粒子同士は強固に結合された焼成体を得ることができる。従って、生体材料としての使用に耐えるだけの強度を持つ多孔体を短い工程で得ることが可能になる。
【０００７】
また、従来の作製方法では、試料（圧粉体）が大きくなると表面と内部に温度勾配が生じるため、均質な焼結体を得るのが難しいが、本発明によるリン酸カルシウム系セラミックス多孔体の作製方法では、圧粉体にパルス状電圧を印可することによって、（試料表面・内部を問わず）粉体粒子の接触しているところとその近傍で発熱が起こる。従って、大きな試料でも均質な焼成体を作製することができる。また、所定温度での焼成が完了し降温を開始する前に、圧縮を停止することにより、降温時に発生しやすい焼成体内のクラックをより効果的に防止することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について説明する。
実施の形態では、図１に示す放電焼結装置を用いてリン酸カルシウム系セラミックスの焼成を行う。放電焼結装置は、粉体を圧縮して圧粉体とし、この圧粉体にパルス電圧を印可することによって、粉体に生ずるジュール熱と粉体粒子間に生ずる放電現象及び電界拡散効果を利用して焼結を促進するものである。
【０００９】
放電焼結装置２は、粉体１を装填する成形型３０及び、成形型３０内の粉体を押圧・圧縮する上下一対のパンチ（押圧子）３２，３４を有している。成形型３０及びパンチ３２，３４は真空チャンバー２５内に収容されている。また、パンチ３２，３４は、加圧駆動機構２４により駆動される上下一対の加圧ラム４２，４４に夫々取り付けられている。
【００１０】
粉体１にパルス電圧を印可させるため、成形型３０及びパンチ３２，３４は導電性の部材で構成されており、パンチ３２，３４は加圧ラム４２，４４内に設けられた図示しない給電端子を介して、焼結用電源２２に接続されている。即ち、焼結用電源２２により発生したパルス電流が、成形型３０及びパンチ３２，３４を介して粉体１を流れるように構成されている。
【００１１】
図２に、放電焼結装置２の成形型３０及びパンチ３２，３４を拡大して示す。成形型３０はシリンダ形状に構成され、パンチ３２，３４は成形型３０の内周に嵌挿される円柱形状に構成されている。即ち、本実施形態では円柱ペレット状の焼成体が得られる。なお、成形型３０及びパンチ３２，３４は、導電性を持つカーボンで構成されているが、導電性と耐熱性及び加圧に耐えうるだけの強度を持つものであれば他の材質、例えば超硬合金で構成しても良い。
【００１２】
粉体１を圧縮する際のクッションとして、成形型３０の内周面にはカーボンペーパー３６が貼られている。カーボンペーパー３６は、粉体１に電圧を印可する際の抵抗にならないよう導電性のカーボンで形成されている。パンチ３２，３４と成形型３０内周の間にカーボンペーパー３６が介在しているため、パンチ３２，３４は成形型３０内周に食いつくことなく、スムースに摺動することができる。また、パンチ３２，３４により付与される押圧力が粉体１に局所的に集中することを防止するため、パンチ３２，３４の端面にもカーボンペーパー３８が貼られている。
【００１３】
図１に示す制御部２０は、加圧駆動機構２４、焼結用電源２２、真空ポンプ２６、及び冷却系２８を駆動制御するものである。制御部２０は、加圧駆動機構２４を駆動し、パンチ３２，３４が所定の押圧力で粉体１を圧縮して圧粉体１’とするよう構成されている。圧粉体１’の温度は、成形型３０に取り付けられた図示しない熱電対により検出される。
【００１４】
検出値は制御部２０に入力され、制御部２０は当該検出値に基づいて焼結用電源２２を駆動しパルス電圧を発生させる。パルス電圧は、図３に示すように、直流電圧のオン／オフパターンからなる矩形状のパルスであり、１回のオン／オフが１パルスｔを構成している。なお、１回のオン／オフにおいて、オン状態の持続時間ｔ１とオフ状態の持続時間ｔ０の比は１：１から１２：１の範囲、例えば６：１である。制御部２０は、圧粉体１’の温度の検出値が、予め設定された昇温曲線と一致するよう、電圧Ｅあるいはパルス周期を調節するよう制御を行う。
【００１５】
なお、放電焼結装置２は、焼成終了後の冷却のための冷却系２８を有している。冷却系２８は、下方の加圧ラム４４内に形成された冷却水通路２９に連通している。焼成が完了すると、制御部２０は冷却系２８を作動して冷却水通路２９に冷却水を循環させ、焼成体及び成形型３０を短時間で常温まで降温させる。
【００１６】
次に、上記の放電焼結装置を用いて、リン酸カルシウム系セラミックス多孔体を作製する方法について図１を参照して説明する。
リン酸カルシウム系セラミックスの粉体１を成形型３０に装填した後、真空チャンバー２５は密閉され、真空チャンバー２５内の真空度は１Ｔｏｒｒ程度に保持する。そして、加圧駆動機構２４を作動してパンチ３２，３４により所定の押圧力で成形型３０内の粉体１の圧縮を行う。
【００１７】
粉体１が圧縮され圧粉体となると、焼結用電源２２により圧粉体１’にパルス電圧が印可される。図４に昇温曲線の一例を示す。制御部２０は、図４の昇温曲線に従って焼結用電源２２を駆動制御する。昇温時間は約１０分、昇温曲線のピーク温度Ｔ（保持温度）は６００〜１０００°Ｃであり、保持時間は５〜１５分である。パルス電圧は数ボルトに設定され、パルスの周期は３００Ｈｚから３０ｋＨｚの範囲で設定される。また、制御部２０は、図４に示すように、ピーク温度での保持が完了した後（降温開始の前に）加圧を停止するよう加圧駆動機構２４を制御する。
【００１８】
このようにリン酸カルシウム系セラミックスの圧粉体にパルス状電圧を印可することによって、圧粉体を自身のジュール熱により加熱すると同時に、圧粉体内部の空隙における放電現象を利用して粉体粒子の結合を促進させることができる。そのため、リン酸カルシウム系セラミックスの粉体を５ＭＰａ以上５０ＭＰａ以下の加圧力で圧縮し、これにパルス状電圧を印可して６５０°Ｃ以上９００°Ｃ以下の温度に加熱すると、完全に緻密化は進行しないため空孔が残るが、空孔の周囲の粒子同士は強固に結合された焼成体を得ることができる。従って、生体材料としての使用に耐えるだけの強度を持つ多孔体を短い工程で得ることが可能になる。
【００１９】
一般の作製方法（冷間静水圧プレスで成形した圧粉体を常圧焼結する方法）では、圧粉体が大きくなると表面と内部に温度勾配が生じ、均質な焼成体を得るのが難しいが、本実施形態の作製方法では、圧粉体にパルス状電圧を印可することによって、（表面・内部を問わず）粉体粒子の接触しているところとその近傍で発熱が起こるため、大きな試料でも均質な焼成体を作製することができる。また、図４に示すように、ピーク温度での保持が完了した後（降温開始の前に）ただちに圧縮を停止することにより、降温時に発生しやすい焼成体内のクラックをより効果的に防止することができる。
【００２０】
【実施例】
次に、本発明の実施例を説明する。
（実施例１）
実施例１は、リン酸カルシウム系セラミックスとして、ハイドロキシアパタイトを用いるものである。ハイドロキシアパタイトの粉体は、平均粒径が約４０μｍであり、焼結助剤は含まれていない。粉体を圧縮する際の押圧力は１０ＭＰａであり、圧粉体を加熱する際の保持温度は７００°Ｃ、保持時間は５分である。また、昇温及び降温は夫々１０分及び３０分で行う。なお、成形型は、外径４０ｍｍ、内径２０ｍｍ、高さ４０ｍｍの円筒型のカーボン型を用いる。このようにして得られた焼成体の嵩密度と、圧縮強度試験により得られた強度の測定結果を表１に示す。
【００２１】
（実施例２）
実施例２は、実施例１と同様のリン酸カルシウム系セラミックス粉体を使用し、押圧力を１５ＭＰａとし、保持温度を７５０°Ｃとしたものである。押圧力と保持温度以外の条件は、実施例１と同様である。このようにして得られた焼成体の嵩密度と、圧縮強度試験により得られた強度の測定結果を表１に示す。
【００２２】
（実施例３）
実施例３は、実施例１と同様のリン酸カルシウム系セラミックス粉体を使用し、押圧力を２０ＭＰａとし、保持温度を８００°Ｃとしたものである。押圧力と保持温度以外の条件は、実施例１と同様である。このようにして得られた焼成体の嵩密度と、圧縮強度試験により得られた強度の測定結果を表１に示す。
【００２３】
（実施例４）
実施例４は、実施例１と同様のリン酸カルシウム系セラミックス粉体を使用し、押圧力を３０ＭＰａとし、保持温度を８５０°Ｃとしたものである。押圧力と保持温度以外の条件は、実施例１と同様である。このようにして得られた焼成体の嵩密度と、圧縮強度試験により得られた強度の測定結果を表１に示す。
【００２４】
【表１】
0004014698.tif 000002
【００２５】
表１に示すように、加圧力を１０〜３０ＭＰａで可変し、保持温度を７００°Ｃから８５０°Ｃの間で可変することによって、相対密度３６．４％〜７７．２％のリン酸カルシウム系セラミックス多孔体を得ることができた。
【００２６】
また、比較のため、常圧焼結法（保持温度１０００°Ｃ、保持時間１時間）によって相対密度約５０％の焼成体を作成し圧縮強度を測定したところ、５〜１０ＭＰａであった。これに対し、上記実施例のうち相対密度が５０％に近い実施例３の圧縮強度は３４．３ＭＰａである。このように、本実施形態のリン酸カルシウム系セラミックス多孔体の作製方法によると、短い工程で多孔体を作成できるのみならず、同じ相対密度でも強度の高い多孔体を作成することが可能になる。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係るリン酸カルシウム系セラミックス多孔体の作製方法によると、リン酸カルシウム系セラミックスの粉体を５ＭＰａ以上５０ＭＰａ以下の加圧力で圧縮して圧粉体とすると共に、該圧粉体にパルス状電圧を印可して６５０°Ｃ以上９００°Ｃ以下の温度に加熱することによって、強度の高いリン酸カルシウム系セラミックス多孔体を短い工程で作製することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態の多孔体の作製方法に使用する放電焼結装置の構成を示す概略図である。
【図２】図１の放電焼結装置の成形型部分を拡大して示す側断面図である。
【図３】実施形態の多孔体の作製方法において粉体に印可されるパルス電圧の一例を示す概略図である。
【図４】実施形態の多孔体の作製方法における昇温曲線の一例を示す概略図である。
【符号の説明】
１          リン酸カルシウム系セラミックス粉体
２          放電燒結装置
２２        焼結用電源
２４        加圧駆動機構
２５        真空チャンバー
３０        成形型
３２，３４  パンチ（押圧子）
３６        カーボンペーパー
４２，４４  加圧ラム
【図１】
0004014698.tif 000003
【図２】
0004014698.tif 000004
【図３】
0004014698.tif 000005
【図４】
0004014698.tif 000006