(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハイドロキシアパタイト系セラミックス原料粉末と、
デキストラン硫酸ナトリウム、もしくは、ポリエチレングリコールに硫酸ナトリウムを加えた混合物である添加剤とを水に分散させてスラリーを調整する工程と、
得られたスラリーを凍結させて霜柱状の氷を成長させる工程と、
この凍結したスラリーを真空凍結乾燥し氷を昇華させて、孔を形成する工程と、
得られた成形体を焼結する工程とを備えたことを特徴とする多孔質セラミックスインプラント材料の製造方法。
【請求項２】
ハイドロキシアパタイト系セラミックス原料粉末と、
デキストラン硫酸ナトリウム、もしくは、ポリエチレングリコールに硫酸ナトリウムを添加した混合物である添加剤とを水に分散させてスラリーを調整する工程と、
得られたスラリーを凍結させて霜柱状の氷を成長させる工程と、
この凍結したスラリーを真空凍結乾燥し氷を昇華させて、孔を形成する工程と、
得られた成形体を焼結する工程とを備えた方法によって製造されたものであることを特徴とする多孔質セラミックスインプラント材料。
【請求項３】
前記多孔質セラミックスインプラント材料が、一辺の長さが０．１〜１００μｍで、アスペクト比が２〜２０の範囲にある六角柱状のリン酸カルシウムを含む結晶粒子を含有し、その気孔率が、２０〜９０％であることを特徴とする請求項２に記載の多孔質セラミックスインプラント材料。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高強度の多孔質セラミックスインプラント材料の製造方法及びその方法によって製造される多孔質セラミックスインプラント材料に関する。
【０００２】
【従来の技術】
傷病などによる骨の欠損に対して、従来金属、あるいはセラミックスからなる成形体を人工骨や人工関節として用いることが検討されている。このような人工骨等においては、骨を再生する際の補助部材として、体内に埋設され、多孔質体の気孔内部に骨芽細胞が進入して骨を再生するため、生体細胞との親和性が重要であり、また、骨が再生するまでは、骨に代わって荷重を支えることになるため機械的な強度が必要である。この用途に適する部材として、近年多孔質セラミックス焼結体が検討されている。
【０００３】
従来から、インプラント用材料に特定しない一般の開気孔を有するセラミックス多孔体の製造方法として、例えば、（１）成形体密度や焼結温度を調製して、あるいは反応焼結などを利用して多孔体を作製する方法、（２）予め焼成時に炭化する物質あるいはカーボンを一緒に混合して成形し、焼結過程においてＣＯあるいはＣＯ２などのガスとして焼失させ開気孔を形成する方法、（３）薬品に対して不溶な相と可溶な相とからなる焼結体を作製し、後に該薬品により可溶成分を溶出除去して開気孔を形成する方法などが知られている。
【０００４】
しかしながら、これらの方法では気孔の大きさや分布を制御することは困難であり、また、流体透過能を挙げるために高い気孔率の多孔体を作製しようとすると焼結し難かったり、極端に強度の低いものになってしまったりする問題点がある。
【０００５】
また、比較的孔サイズが均一で高い開気孔率の多孔体を作製する方法として、（４）樹脂フォームにセラミックスラリーを含浸着肉させて樹脂部を脱脂したのち焼結する方法や、（５）押出し成形によりハニカムを作製して焼結する方法などが知られている。
【０００６】
しかし、前記（４）の方法では、気孔率は８０％以上と非常に高い値であるが加熱時に樹脂の熱膨張や熱分解で発生するガス等によりセラミックスの骨格部分にクラックが発生しやすく強度が極端に低くなるという問題点がある。また、前記（４）の方法も前記（５）の方法も最終的に形成される孔の大きさが最初に用いる樹脂フォームの目の粗さや押出し成形時の口金の大きさによって決定され、小さな気孔径のセラミックスを得ることが難しい。また、一般的にセラミックス成型時に有機バインダーが用いられ、焼結時に成形歪が急激に緩和されるため強度が低下する問題がある。
【０００７】
そのような中で、セラミックス原料粉末を水に分散したスラリーを用いて、一方向から凍結し、乾燥後焼結する多孔質セラミックス焼結体の製造方法が知られている（特許文献１参照）。この方法によると、高気孔率で高比表面積の多孔質セラミックスインプラント材料を製造することが可能となるが、機械的強度が小さく、生体親和性を有する高強度多孔質セラミックス焼結体を作成することは困難であった。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００１−１９２２８０号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、従来のセラミックス多孔体の作製方法では、製造工程が煩雑であり、気孔率が高く、ほぼ等しい均一な径を有する多孔質体を得ることが困難であったり、得られたとしても作製したものが非常に強度の低いものであったりする欠点があった。
本発明は、これらの従来技術を改良したものであり、機械的特性に優れるインプラント材料として適したセラミックス多孔体及びその製造方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記従来技術の課題を解決するために種々検討した結果、本発明を完成するに至った。すなわち、本発明は、アパタイト系材料を用いて、六角柱状の結晶粒子を含む多孔質セラミックス焼結体を形成することにより、インプラント材料として極めて優れた材料を得ることができることに着目してなされたものである。この六角柱状の結晶粒子の生成と制御は、この多孔質セラミックス材料の製造に用いるアパタイト原料の性状、スラリーを形成する際に用いる添加剤の種類、焼成前の多孔質成形体の空隙率、および焼結条件で決定される。
【００１１】
第１の本発明は、ハイドロキシアパタイト系セラミックス原料粉末と、デキストラン硫酸ナトリウム、もしくは、ポリエチレングリコールに硫酸ナトリウムを添加した混合物である添加剤とを水に分散させてスラリーを調整する工程と、
得られたスラリーを凍結させて霜柱状の氷を成長させる工程と、
この凍結したスラリーを真空凍結乾燥し氷を昇華させて、孔を形成する工程と、
得られた成形体を焼結する工程とを備えたことを特徴とする多孔質セラミックスインプラント材料の製造方法である。
【００１３】
第２の本発明は、ハイドロキシアパタイト系セラミックス原料粉末と、デキストラン硫酸ナトリウム、もしくはポリエチレングリコールに硫酸ナトリウムを添加した混合物である添加剤を水に分散させてスラリーを調整する工程と、
得られたスラリーを凍結させて霜柱状の氷を成長させる工程と、
この凍結したスラリーを真空凍結乾燥し氷を昇華させて、孔を形成する工程と、
得られた成形体を焼結する工程とを備えた方法によって製造された多孔質セラミックスインプラント材料である。
【００１４】
また、前記添加剤としては、デキストラン、またはデキストランエステル、ポリエチレングリコールなどに、硫酸ナトリウムを加えたものを使用することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の原理および作用機構について説明する。
本発明は、予め粉砕、造粒され粒度分布の揃ったセラミックス原料粉と、このセラミックスの焼結時に結晶成長を促す化学種を含んだ添加剤を水に加え、スラリーを調製する。このスラリーを、凍結乾燥することにより連通気孔を有する多孔質成形体を形成するが、この際に、凍結速度と乾燥条件を制御することにより、制御された空隙を有する乾燥体を得ることができる。そして、この乾燥体を昇温速度、雰囲気と圧力を調製しながら焼結することにより、一辺の長さが０．１〜１００μｍで、アスペクト比が２〜２０の範囲にある六角柱状の結晶粒子を含み、２０〜９０％の気孔を有する多孔質セラミックスインプラント材料を得ることである。
【００１６】
前記本発明において、前記セラミックス原料が予め粉砕、造粒されて粒度分布が制御されたリン酸カルシウム粉末であることが好ましい。六角柱状の結晶粒子の主成分は、ハイドロキシアパタイトであるが、結晶粒子界面や結晶粒子以外の部分に種々のリン酸カルシウム化合物が存在する。焼結工程の高温領域で熱分解、揮散するので原料はハイドロキシアパタイト六角柱状の結晶粒子に近似したものが更に望ましい。
【００１７】
すなわち、高い比率でハイドロキシアパタイトの六角柱状の結晶を得るにはハイドロキシアパタイトを主成分とするリン酸カルシウムを用いることが、更に好ましい。ハイドロキシアパタイトを原料として用いると、六角柱状結晶粒子の含有率が９０％に達する。
【００１８】
六角柱状の結晶粒子が成長するためには、成長方向に空隙を設けることが望ましく、このために多孔質成形乾燥体を得ることが望ましい。これらの多孔質成形乾燥体を焼結すると、その焼結体の気孔率を２０％〜９０％の範囲に制御することができ、望ましい。
【００１９】
六角柱状の結晶粒子の端子部を中空にするためには、成長方向に更に大きな空隙を設けることが望ましく、このために多孔質成形乾燥体を得ることが望ましい。これらの多孔質成形乾燥体を焼結すると、その焼結体の気孔率を４０％〜９０％の範囲に制御することができるため、望ましい
【００２０】
本発明は、セラミックス焼結体で六角柱状の結晶粒子の結晶成長を促進する化学種を含む添加剤を加えることである。この化学種は、デキストラン硫酸ナトリウムまたはポリエチレングリコールに硫酸ナトリウムを添加した混合物である。
【００２２】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
【００２３】
［多孔質セラミックスインプラント材料］
以下、本発明の実施の形態についてより詳細に説明する。
本発明のセラミックス材料は、ハイドロキシアパタイトまたは、ハイドロキシアパタイトと次の１種類または２種類以上のリン酸カルシウムの焼結体である。このセラミックス材料としては、リン酸カルシウム系のセラミックス材料が適しており、具体的には、ＣａＨＰＯ４、Ｃａ３（ＰＯ４）２、Ｃａ４Ｏ（ＰＯ４）２、ＣａＰ４Ｏ１１、Ｃａ（ＰＯ３）２、Ｃａ２Ｐ２Ｏ７、Ｃａ（Ｈ２ＰＯ４）２、Ｃａ２Ｐ２Ｏ７、Ｃａ（Ｈ２ＰＯ４）２・Ｈ２Ｏ等があげられる。
【００２４】
また、このリン酸カルシウム系多孔質焼結体を構成する、リン酸カルシウムと称される１群の化合物は、そのＣａ成分の一部が、Ｓｒ、Ｂａ、Ｍｇ、Ｆｅ、Ａｌ、Ｙ、Ｌａ、Ｎａ、Ｋ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｚｎ、Ｐｂ、Ｃｄ、Ｈおよび、この他の希土類から選ばれる一種以上で置換されてもよい。また、（ＰＯ４）成分の一部が、ＶＯ４、ＢＯ３、ＳＯ４、ＣＯ３、ＳｉＯ４などから選ばれる一種以上で置換されても良い。さらに、（ＯＨ）成分の一部が、Ｆ、Ｃｌ、Ｏ、ＣＯ３、Ｉ、Ｂｒから選ばれる一種以上で置換されても良い。
【００２５】
上記本発明の多孔質セラミックス焼結体中には、六角柱状結晶粒子が存在しており、これは主としてハイドロキシアパタイトの結晶から成り立っている。また、本発明の多孔質セラミックス焼結体を構成する他の成分としては、リン酸カルシウム微細結晶で                ある。
【００２６】
本発明の多孔質セラミックス焼結体は、主成分であるハイドロキシアパタイトの結晶の周囲に、微細なリン酸カルシウム粒子などの物質が存在し、これらと結合していてもよい。また、部分的には、これらの六角柱状結晶粒子どうしが結合していても差し支えない。これらの結合は、主として点接触によって結合している部分が多く、アスペクト比の大きな結晶粒子がランダムな粒子の中に分散して、多点で接触することにより靭性が向上し、折れ難いインプラント材料を提供することができる。六角柱状以外の結晶粒子同士の結合が多くなると、靭性が飛躍的に向上するが機械的強度は低下して加工が困難になる欠点が生じるため、六角柱状以外の結晶粒子どうしの結合を抑制することが好ましい。
【００２７】
なお、これらのリン酸カルシウムと称される１群の化合物は、通常の結晶体のほかに、同型固溶体、置換型固溶体、侵入型固溶体のいずれかであっても良く、非化学量論的欠陥を含むものであっても良い。
【００２８】
また、六角柱状の結晶粒子は、少なくともその端部において中空であることが好ましい。これによって、軽量かつ高強度であるばかりでなく、インプラント材料として、骨誘導因子等のサイトカイン吸蔵量の増量をはかることができる。
【００２９】
この多孔質セラミックス焼結体の気孔率は、４０〜９０％の範囲が好ましい。気孔率がこの範囲を下回った場合、多孔質体中に進入する骨芽細胞等の数が減少し、再生する骨組織などの生体組織の密度が減少して好ましくない。一方、気孔率が上記範囲を上回った場合、多孔質体の強度が低下して好ましくない。
【００３０】
本発明の多孔質セラミックス焼結体の気孔率は以下の方法で測定することができる。すなわち、あらかじめ、被測定物のリン酸カルシウム系多孔質焼結体と同一組成を有する焼結体を作成し、真密度計を用いて測定し真密度（ρ＊）を求める。被測定物のリン酸カルシウム系多孔質焼結体を直方体もしくは円柱に加工し、その寸法を測定し計算により体積を求める。さらに、重量を測定し、重量を体積で除してその密度（ρ）を求める。これらの値を用いて、気孔率（Ｐ）は、次の式により算出される。
Ｐ＝１−ρ／ρ＊
【００３１】
この多孔質セラミックス焼結体の気孔径は、１０〜５００μｍの範囲のものが好ましく、特に５０〜２００μｍの範囲が好ましい。気孔径が、この範囲を下回った場合、この気孔内部に骨芽細胞が進入しにくくなり、骨再生が困難となる。一方、気孔径がこの範囲を上回った場合、骨芽細胞の活着性が低下する。
【００３２】
［製造方法］
本実施の形態である製造方法について説明する。
本発明の六角柱状の結晶粒子を有する多孔質セラミックス焼結体の製造方法は、セラミックス原料粉末を粉砕・造粒する原料工程と、更にこの原料と添加剤とを水に混合してスラリーを調製するスラリー調製工程と、得られたスラリーを特定方向から凍結させ霜柱状の氷を成長させる凍結工程と、凍結したスラリーを真空凍結乾燥し氷を昇華させ、マクロ孔を有する成形体を作る乾燥工程と、氷を昇華させた成形体を加熱処理により焼成し、六角柱状の結晶粒子を形成する焼成工程によって作製することを特徴とする。
【００３３】
以下、各工程に従って、本実施の形態の製造方法について説明する。
（原料工程）
原料工程でセラミックス原料粉末は、公知の粉砕造粒手段で粉砕され適宜な粒度分布を持つよう造粒される。造粒された原料粉末の平均粒径は、１〜４０μｍの範囲が好ましい。平均粒径が上記範囲を下回ると、取り扱いが困難で、作業性が低下して好ましくない。一方、平均粒径が上記範囲を上回ると、スラリーからセラミックス原料粉末が沈降しやすく、安定なスラリーを得ることができない。
【００３４】
（スラリー調製工程）
スラリーの調製は、公知の方法によって水を攪拌しながら、前記工程で得られるセラミックス原料粉末と添加剤を加えることによって行われる。
【００３５】
スラリーを調製する際に用いる添加剤としては、デキストラン硫酸ナトリウムもしくはポリエチレングリコールに硫酸ナトリウムを添加した混合物を用いることができる。
【００３６】
この添加剤は、スラリーの粘度を増加させてスラリーの分散性を向上させる分散剤と、焼成前のセラミックス多孔質成形体の形状を保持する可塑剤と、更に焼結時の結晶粒子成長を制御する役割を併せ持っている。
【００３７】
前記添加剤は、スラリー重量に対して、５〜６０％の範囲で添加することによって分散性が改善され好ましい。この比率は、原料粉粒度、スラリーの粘度、添加剤の種類、目的とするセラミックス焼結体の気孔径と気孔率を勘案して決定することができる。添加量がこの範囲を下回った場合、安定なスラリーを得ることができずにセラミックス原料粉末が沈降分離しやすく、また凍結乾燥体が自壊する。一方、分散剤の添加量が上記範囲を上回っても、分散性・可塑性・結晶性制御効果に対して効果の改善が見られず、添加する意味がない。
【００３８】
また、スラリー調製工程で得られるスラリー中の含水率は２０〜８０ｗｔ％の範囲にすることが望ましい。含水率がこの範囲を下回ると、スラリーを静置した場合セラミックス原料粉末が凝集沈殿しやすく、安定した分散状態を保つことが困難になる。一方、水の比率が上記範囲を上回った場合、水を昇華した後、成形体の密度が低く、形を保つのが難しいため適当でない。
【００４０】
（凍結工程）
次に凍結工程について説明する。凍結工程では、前述の工程で作製したスラリーを一方向から凍結させる。このようにすることで、水成分が凍結方向に平行に凍結し、スラリー中に霜柱状の氷が形成され、一方向への配向性に優れた構造の多孔質セラミックス成形体を形成することができる。この様子を、貫通孔を有する多孔質成形体製造の概念図である図１により説明する。
【００４１】
図１（ａ）に見られるように、１がセラミックス原料粉末であり、このセラミックス原料粉末が水２に分散されている。これを、下方から凍結させることにより、図１（ｂ）に見られるように、セラミックス原料粉末を含有しない水が霜柱３状に凍結し、セラミックス原料粒子は、霜柱以外の領域に偏在するようになる。
【００４２】
この際に用いられる凍結装置としては、図２に示すような装置を用いることができる。図２において、２１がスラリー容器、２２がスラリー、２３が熱伝導体、２４が冷却媒体収容容器、および２５が冷却媒体である。
このスラリー容器２１に原料スラリー２２を収容するが、その際、原料スラリーの深さは、５〜５０ｍｍが適切である。スラリー深さがこれより浅い場合には、実用的な寸法を有する多孔質セラミックス焼結体を得ることができない。一方、スラリー深さがこれより深い場合には、得られる多孔質成形体の上部付近の気孔形状が乱れ、インプラント材料として不適切なものとなってしまう。
【００４３】
（乾燥工程）
乾燥工程では、凍結したスラリーを容器ごと減圧下で凍結乾燥を行う。この操作により氷部分を、液体（水）を経ないで直接昇華させ、前述の凍結方向にそろった昇華痕として成形体中に気孔を形成する。
【００４４】
（焼成工程）
焼結工程は、得られた成形体の焼成過程である。前記乾燥工程で形成した成形体を注意深く原料スラリー容器から抜き取り、それぞれのセラミックスに適した温度、雰囲気および焼結時間で焼成する。この焼結に際しては、多孔質体の機械的強度を、生体内への埋入に適した強度、すなわち、手術作業現場で、メスなどによる切削が可能であり、かつ、生体挿入後に破損等の事態が生じない程度の強度となるように焼結条件を決めることが望ましい。この条件は、多孔質焼結体の六角柱状の結晶粒子の寸法、形状、含有率とを考慮して適宜決定することができる。
【００４５】
また、凍結工程において、スラリー中には霜柱状の氷以外に、この霜柱状の氷の径に比べ極めて径の小さな氷も形成される。この氷も前記乾燥工程において昇華されるために、このマクロ孔の壁面やセラミックス骨格内部にも氷が昇華した痕跡である微細な孔が形成される。その結果、六角柱状の結晶粒子からなるセラミックス骨格内部には微細なミクロ孔が形成され、比表面積の大きな多孔質体になる。
【００４６】
前記マクロ孔の大きさは、スラリー調製時の原料粒度、添加剤の添加量、水分量、あるいは凍結速度を調製することで制御可能である。また、焼結の温度や時間を調製することで、六角柱状の結晶粒子を含むリン酸カルシウム焼結体の貫通孔径と周囲の微細構造の調製を行うことも可能である。
【００４７】
一方、上記と全く同様のプロセスで、原料となるスラリーとして、セラミックスの前駆体を原料成分として使用し、前記焼結工程において反応焼結して多孔質セラミックス焼結体を製造することもできる。
【００４８】
【実施例】
（実施例１〜５）
所定の平均粒径のハイドロキシアパタイトに、これにデキストラン硫酸ナトリウムを種々の比率で添加し、これらを公知の攪拌装置を備えた混合装置に収容し、水を加えてスラリーとした（実施例１〜４）。およびポリエチレングリコール（ＰＥＧ）に硫酸ナトリウムを添加し、これを上記実施例１〜４と同様にハイドロキシアパタイトに添加してスラリーとした（実施例５）。これらの添加量を、表１に示す。表１中、実施例５の添加剤およびその添加率の表示は、添加剤として、ＰＥＧを採用し、その添加率が、ＰＥＧが１０ｗｔ％であり、また、硫酸ナトリウムが５ｗｔ％であることを表している。
得られたスラリーを、図２に示す凍結装置のスラリー容器２１に注入し、液体窒素を冷却媒体容器２４に注入することによりスラリーを凍結させた。次いで凍結したスラリーを、スラリー収容容器２１ごと真空乾燥機に収容し、乾燥させた。得られた乾燥体は、取り扱いに十分な強度を有する円盤状多孔質成形体であった。次いで、これを、不活性雰囲気下で１２００℃に加熱し、焼成した。
【００４９】
このようにして得られた多孔質セラミックス材料は、表１に示すような特性を有しており、多孔質セラミックス材料中には、アスペクト比の大きな六角柱状結晶粒子が分散、配向しているため、その配向方向の圧縮強度およびそれに垂直な方向に対する曲げ強度が高く、折れ難く、骨親和性と誘導性に優れた人工骨などに適したセラミックス多孔質体を実現することができる。
【００５０】
【表１】
0003940770.tif 000002
【００５１】
（比較例１〜５）
所定の平均粒径のハイドロキシアパタイトを用い、表１に示す比率でポリエチレングリコール（ＰＥＧ）を添加剤として用いたこと以外は、上記実施例と同様にして、多孔質セラミックス焼結体を製造した。
その結果を表１に併せて示す。
比較例の多孔質セラミックス材料は、気孔率が大きく、機械的強度が不充分で、インプラント材料としては、不適切であった。
【００５２】
【発明の効果】
本発明によれば、機械的強度が高く、骨親和性と誘導性に優れた人工骨などに適した多孔質セラミックス材料を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明にセラミックス多孔質体を製造する工程を説明するための概略図。
【図２】  本発明において用いることのできるスラリー凍結装置の概略断面図。
【符号の説明】
１…セラミックス原料粉末
２…水
３…氷
４…気孔
２１…原料スラリー容器
２２…原料スラリー
２３…熱伝達部
２４…冷却媒体容器
２５…冷却媒体
【図１】
0003940770.tif 000003
【図２】
0003940770.tif 000004