(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
チタン又はその合金からなる基材をアルカリ性水溶液に浸け、続いて４０℃以上の水に１時間以上又は８０℃以上の水に１分以上浸けることを特徴とする生体インプラント材料の製造方法。
【請求項２】
前記水に浸けた後、少なくともアナターゼの析出が認められる温度以上に加熱する請求項１に記載の製造方法。
【請求項３】
前記アルカリ性水溶液のアルカリ性が、アルカリ金属及び／又はアルカリ土類金属に基づく請求項１又は２に記載の製造方法。
【請求項４】
水に浸けた後又は加熱の後に、アパタイトの飽和濃度を超えるカルシウムイオンとリン酸イオンを含有する水溶液に浸ける請求項１〜３のいずれかに記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、骨と結合する性質を有する生体インプラント材料、並びにそのような生体インプラント材料を製造する方法に属する。この生体インプラント材料は、人工骨、人工歯根などに好適に利用されうる。
【０００２】
【従来の技術】
チタン又はその合金を水酸化ナトリウム水溶液、水酸化カリウム水溶液、水酸化カルシウム水溶液に浸けた後、加熱すると、その表面にアルカリチタン酸塩又はアルカリ土類チタン酸塩の非晶質の層が形成され、この材料を生体内に埋め込むか又はアパタイトの過飽和溶液に浸けると、その表面にアパタイト層が形成されるので、同材料はそのアパタイト層を介して骨と結合することが知られている（特許第２７７５５２３号）。
【０００３】
その後、Wangらは、チタンを塩化タンタル含有過酸化水素水溶液で処理し、３００〜６００℃で加熱すると、その表面にアナターゼが析出し、この材料を擬似体液に浸けると、その表面に短期間でアパタイト層が形成されることを発表した（１９９９年ワールドサイエンティフィック、バイオセラミックス第１２巻１２１〜１２４頁）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
この発明の課題は、Wangらの方法によって得られる材料よりもアナターゼやアパタイトを含む表面層が強固に基材に結合した生体インプラント材料を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
その課題を解決するこの発明の方法により製造される好適な生体インプラント材料は、
チタン又はその合金からなる基材と、
その表面にアナターゼを含み非晶質チタン酸塩を実質的に含まず且つチタン金属濃度が内部に向かうに連れて高くなる皮膜と
を備えることを特徴とする。
【０００６】
この生体インプラント材料は、アパタイト形成能力に優れたアナターゼを表面の皮膜に多く含むので、生体中で短期間で表面にアパタイト層を形成する。しかもその皮膜は、チタン金属濃度が内部に向かうに連れて高くなるものであるから、外表面から基材の内部に至るまで断層が無い。そのため上記のアナターゼが強固に基材に固定されている。
【０００７】
前記皮膜の好ましい厚さは、０．１〜５．０μｍである。この発明の生体インプラント材料は、生体に埋め込む前に予め前記皮膜の上に、アパタイトからなる第二の皮膜を備えていても良い。この第二皮膜の好ましい厚さは、０．１〜５０μｍである。
そして、生体インプラント材料を製造するこの発明の方法は、
チタン又はその合金からなる基材をアルカリ性水溶液に浸け、続いて４０℃以上の水に１時間以上又は８０℃以上の水に１分以上浸けることを特徴とする。
【０００８】
チタン又はその合金からなる基材をアルカリ性水溶液に浸けると、基材の表面にチタン酸塩の非晶質層が形成される。これを水に浸けるとチタン酸塩のアルカリ成分が水中のヒドロニウムイオンと交換され、酸化チタンの非晶質層又はアナターゼ層となる。このアナターゼは、チタン酸塩や酸化チタンの非晶質よりも生体中でのアパタイト形成能力に優れている。しかも基材内部に近い部分はチタン金属の濃度が高くてアナターゼ濃度が低く、外に向かうほどにチタン金属の濃度が低下し逆にアナターゼ濃度が増加するという傾斜構造を有していると認められる。水中から取り出した段階でアナターゼの析出が認められない場合はアナターゼの析出が認められる温度以上に加熱するとよい。勿論、加熱せずにアナターゼが析出している場合でも析出量を増すために加熱しても良い。
【０００９】
前記アルカリ性水溶液のアルカリ性は、アルカリ金属及び／又はアルカリ土類金属に基づくと好ましい。これらの金属イオンは、水中のヒドロニウムイオンと容易に交換可能だからである。この場合、アルカリ金属及び／又はアルカリ土類金属の濃度は、０．１Ｍ〜２０Ｍ程度、特に３Ｍ〜１０Ｍが好ましい。
水から取り出した後又は加熱の後に、アパタイトの飽和濃度を超えるカルシウムイオンとリン酸イオンを含有する水溶液に浸けると、生体に埋め込む前に基材の表面にアパタイトの結晶を予め形成しておくことができるので好ましい。
【００１０】
加熱前に浸ける水の温度は、通常０〜１５０℃、好ましくは４０〜１００℃、更に好ましくは５０〜９０℃、浸ける時間は通常１秒〜１０日である。また加熱の温度は、通常２００〜８００℃、好ましくは４００〜７００℃、更に好ましくは５００〜６００℃である。
基材としては、純チタンの他に、Ti-6Al-4V,Ti-6Al-2Nb-Ta,Ti-15Mo-5Zr-3Al等の合金でもよい。
【００１１】
【実施例】
−実施例１−
１５×１０×１ｍｍ3のチタン製基板を０．５Ｍ、１Ｍ又は５Ｍ濃度の水酸化ナトリウム水溶液に６０℃で２４時間浸けた後、４０℃もしくは８０℃の水に所定時間浸けることにより、あるいはそれに続いて種々の温度で１時間加熱することにより、実施例の生体インプラント材料Ｎｏｓ．１〜３４を製造した。得られた生体インプラント材料の表面を薄膜Ｘ線回折により調べたところ、いずれもアナターゼを含む皮膜が形成されていた。
【００１２】
比較のために、水酸化ナトリウム水溶液から取り出した後、水処理をしない及び／又は加熱しないなどの、皮膜中にアナターゼが析出しにくい条件を遂行して生体インプラント材料Ｎｏ．Ｒ１〜Ｒ７を製造した。
次に、得られた各生体インプラント材料を擬似体液に１日、３日又は７日浸けて取り出し、表面のアパタイト析出量を走査型電子顕微鏡で調べた。その結果を表１に示す。
【００１３】
【表１】
0003877505.tif 000002
【００１４】
注＊１）「水処理」及び「加熱処理」の欄において、「〜」は当該処理をしていないことを表す。
注＊２）「アナターゼの析出量」の欄において、「−」はアナターゼを析出せず、「＋」はアナターゼを少量析出、「＋＋」は中程度量析出、「＋＋＋」は多量析出をそれぞれ表す。
注＊３）「アパタイトの析出量」の欄において、「×」は析出せず、「△」はアパタイトが粒子状に点在して析出、「○」はかろうじて全面に析出、「◎」は全面に厚い層となって析出を表す。
【００１５】
表にみられるように、水酸化ナトリウム水溶液の濃度は、５Ｍ、１Ｍ、０．５Ｍの順にアナターゼの析出効果が高かった。又、それらの濃度では水処理温度は４０℃よりも８０℃の方がアナターゼの析出効果が高かった。その後の加熱温度は、５００℃及び６００℃が最も析出効果に優れ、７００℃になると逆に析出量が減少した。そして、擬似体液に浸けた期間が同じでもアナターゼの析出量の多い生体インプラント材料ほど、アパタイトの析出量も多かった。
【００１６】
−実施例２−
１５×１０×１ｍｍ3のチタン製基板を１Ｍ又は１０Ｍ濃度の水酸化カリウム水溶液に６０℃で２４時間浸けた後、４０℃もしくは８０℃の水に所定時間浸けることにより、あるいはそれに続いて６００℃で１時間加熱することにより、実施例の生体インプラント材料Ｎｏｓ．３５〜４５を製造した。得られた生体インプラント材料の表面を薄膜Ｘ線回折により調べたところ、いずれもアナターゼを含む皮膜が形成されていた。
【００１７】
比較のために、水酸化カリウム水溶液から取り出した後、水処理をしない及び／又は加熱しないなどの、皮膜中にアナターゼが析出しにくい条件を遂行して生体インプラント材料Ｎｏ．Ｒ８〜Ｒ１０を製造した。
次に、得られた各生体インプラント材料を擬似体液に１日、３日又は７日浸けて取り出し、表面のアパタイト析出量を走査型電子顕微鏡で調べた。その結果を表２に示す。表中の記号の意味は表１における注＊１）〜＊３）と同じである。
【００１８】
【表２】
0003877505.tif 000003
【００１９】
表２に見られるように、水酸化カリウムの濃度は１Ｍより１０Ｍの方が、水処理の温度は４０℃より８０℃の方がいずれもアナターゼ析出量が多かった。そして、アナターゼ析出量とアパタイト析出量とがほぼ比例している点も実施例１と同様であった。尚、Ｎｏ．Ｒ１０については水処理をしていなくても加熱しただけでアナターゼが析出しているが、Ｎｏ．４２が加熱せずに水処理しただけで同程度量のアナターゼを析出しているうえ、擬似体液に浸けている期間が３日の場合にＮｏ．４２の方がアパタイト析出量が多いことから、水処理の効果があることがあきらかである。
【００２０】
−実施例３−
実施例１の生体インプラント材料Ｎｏ．Ｒ３及びＮｏ．１３をウサギの頸骨に埋め込み、４週間又は８週間放置したところ、生体インプラント材料は頸骨と結合した。その後、生体インプラント材料と頸骨との結合界面に３５ミリ／分の速度で引っ張り応力を与えて結合を破壊し、その破壊に要した荷重をインストロン式材料試験機で測定した。測定結果を図１に示す。図中、Ａが生体インプラント材料Ｎｏ．Ｒ３、ＣがＮｏ．１３である。この結果から、アナターゼを析出しなかった生体インプラント材料Ｎｏ．Ｒ３に比べて、アナターゼを析出した生体インプラント材料Ｎｏ．１３は短期間に骨と強く結合することが判った。
【００２１】
−実施例４−
実施例１の生体インプラント材料Ｎｏ．Ｒ３及びＮｏ．１３について表面から内部に向けての組成変化をオージェ電子分光分析法により調べた。その結果を図２に示す。図中、（Ａ）は生体インプラント材料Ｎｏ．Ｒ３、（Ｂ）は生体インプラント材料Ｎｏ．１３の組成変化を表す。この結果から、本発明に属する生体インプラント材料は表面から内部に向かうに連れてチタン濃度が次第に増加する傾斜構造を有し、その傾斜構造を有する皮膜の厚さが１〜１．５μｍであることが判る。
【００２２】
−実施例５−
実施例１の生体インプラント材料Ｎｏ．１３の表面にＳｃｏｔｃｈ（登録商標）テープを貼って剥がし、走査型電子顕微鏡で１万倍に拡大して観察したところ、テープの糊が材料Ｎｏ．１３の表面に付着した。
【００２３】
別途、実施例１と同形同質のチタン製基板を３ｍＭの塩化タンタルを含む３０体積％の過酸化水素水溶液に８０℃で１時間浸けた後、６００℃で１時間加熱することによって、生体インプラント材料Ｎｏ．Ｒ１１を製造した。材料Ｎｏ．Ｒを薄膜Ｘ線回折にかけたところ、実施例１のＮｏ．１３の材料と同程度のピーク強度のアナターゼが析出していた。材料Ｎｏ．Ｒ１１にも上記と同様にテープを貼って剥がし、走査型電子顕微鏡で１万倍に拡大して観察したところ、アナターゼ層が剥がれてテープに付着した。
【００２４】
【発明の効果】
この発明によれば、生体骨との強い結合力を有する生体インプラント材料を短期間で得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】生体インプラント材料Ｎｏ．Ｒ３及びＮｏ．１３をウサギの頸骨に埋め込んだ後、骨との結合を破壊するのに要した荷重を示すグラフである。
【図２】生体インプラント材料Ｎｏ．Ｒ３及びＮｏ．１３の表面から内部に向けての組成変化を示すグラフである。
【図１】
0003877505.tif 000004
【図２】
0003877505.tif 000005