(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミック体の表面に、金属体を載置した状態でこれらを加熱することにより前記セラミック体と前記金属体とが接合した生体インプラント材の製造方法において、
前記セラミック体の表面に、前記金属体と同じ金属材から成る中間層をＰＶＤ法により形成する工程、
前記中間層上に前記金属体を載置して前記セラミック体と前記金属体を加熱して接合する工程、
を包含する、生体インプラント材の製造方法。
【請求項２】
上記中間層が金属箔であることを特徴とする請求項１記載の生体インプラント材の製造方法。
【請求項３】
上記中間層は厚さが０．００５〜０．１ｍｍであることを特徴とする請求項１記載の生体インプラント材の製造方法。
【請求項４】
上記金属体がチタン、タンタル、タングステン、ジルコニウム、モリブデン、ニオブ、チタン合金、コバルト・クロム合金、ステンレス鋼のうちから選ばれる１種または２種以上からなることを特徴とする請求項１記載の生体インプラント材の製造方法。
【請求項５】
上記セラミック体がジルコニアから成り、上記金属体がチタン又はチタン合金からなることを特徴とする請求項１記載の生体インプラント材の製造方法。
【請求項６】
セラミック体と金属体とが接合した生体インプラント部材において、前記セラミック体と前記金属体との間に、前記金属体と同じ金属材からなるとともにＰＶＤ法により形成される中間層が設けられることを特徴とする生体インプラント材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、疾病、災害などにより骨機能や手足の関節機能が失われた場合などに、これらを修復するために治療に用いられる整形外科用人工骨及び人工関節、あるいは老齢、疾病などによって失われた歯牙を復元するために用いられる人工歯根等を構成する生体インプラント材とその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術とその問題点】
近年、インプラントロジーの発展は目覚ましいものがあり、特に、整形外科の分野では、失われれた関節機能を復元するための人工関節が広く用いられ、また、歯科医療の分野では人工歯根が脚光を浴びている。
【０００３】
このような人工骨、人工関節、人工歯根などの骨内埋入型の生体インプラントには高強度が必要であるから、これらにステンレス鋼やコバルト・クロム合金、チタン合金などを用いるのが主流であるが、生体内での耐食性や摺動特性に優れたアルミナ、ジルコニアなどのセラミック材料も広く用いられるようになってきた。
【０００４】
また、このような各材料の長所を活かすべく金属体とセラミック体を組み合わせた生体インプラントとして、骨頭球をセラミック製として、ステムを金属製とした人工股関節がある。この人工股関節は、金属製ステムのテーパーピン状をしたステムネック上に、対応するテーパー孔を有するセラミック製の骨頭球を圧嵌することで両者を組み合わせたものである。
【０００５】
しかしながら、金属体とセラミック体の組み合わせ態様は、概ね、上記大腿骨部材の構成に限られ、その他に実用化されている例がない。すなわち、金属体とセラミック体を機械的に係合させることにより複合化することでは、形状的な制約が多く、このような構造を汎用化することはできないからである。
【０００６】
また、従来より金属とセラミックの冶金的接合方法としては次のような種々の方法が知られている。
▲１▼  セラミック体の接合面にＭｏ−Ｔｉ−Ｗを主成分とする粉末と有機バインダの混合物を塗布し、１４００〜１７００℃に加熱して反応させる。これは、通常、メタライジングと呼ばれる方法である。次いで、前記メタライジング層上にＮｉメッキを施した後、該Ｎｉメッキ層に金属体（例えばＣｕ）をＰｂ−Ｓｎ系半田などにより接合する。こうした接合方法はエレクトロニクス部品において、絶縁体としてのセラミック体と導体としてのＣｕ部材を接合する場合に多用されている。
▲２▼ 金属体とセラミック体とをＡｕ，Ｐｔのような貴金属、つまり酸素との親和力の小さい金属を主成分とする合金を用いて接合する方法。
▲３▼  金属体とセラミック体の接合部にＴｉ，Ｎｉ，Ｚｒなどの活性金属又は熱処理によって活性金属に変換される活性金属水素化物を介在させた後、高温、高圧下で接合する方法。
▲４▼  チタン箔とニッケル箔とを積層させたものを金属体とセラミック体間に挿入し、真空中または不活性ガス雰囲気中において加熱する方法。
【０００７】
このように、金属体とセラミック体の接合技術は、他の技術分野には数多くあるが、従来のいずれの方法もその接合技術を生体インプラント材に転用した場合、生体内での安全性に問題がある。
【０００８】
すなわち、これらの接合方法において、いずれも異なる金属材を共晶結合させた接合面を構成することになり、このような接合面は、生体内環境での激しい電食作用により腐食する（ガルバニックコロージョン）。その結果、アレルギー反応など、生体側に危害を加えてしまう。
【０００９】
また、用いられる金属の中には、生体に対して危険なものもあり（例えばＮｉなどは発ガン性を有する）、これら従来の接合方法が生体インプラント材に用いられたことがなかった。
【００１０】
本発明は、上記のような従来技術の問題点に鑑み、金属体とセラミック体が生体内の使用環境で十分な接合強度を持ち、また、生体に対して毒性がなく、したがって、長期安定的に使用することが可能な生体インプラント材とその製造方法を提供することを課題とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため本発明は、セラミック体の表面に、金属体を載置した状態でこれらを加熱することにより前記セラミック体と前記金属体とが接合した生体インプラント材の製造方法において、前記セラミック体の表面に、前記金属体と同じ金属材から成る中間層をＰＶＤ法により形成する工程、前記中間層上に前記金属体を載置して前記セラミック体と前記金属体を加熱して接合する工程、を包含する。
【００１２】
本構成によれば、加熱接合工程において中間層が塑性流れを起こし、中間層と金属層との密着度が大きくなるので、中間層を介して金属体とセラミック体が生体内の使用環境で十分な接合強度を持つ生体インプラントを得ることができる。
【００１３】
さらに、中間層と金属体が同じ金属材よりなるので、異種金属の組み合わせの場合に発生する電食作用の腐食が起こらない。したがって、生体内で長期安定的に使用可能な生体インプラントを提供することが可能である。
【００１４】
また、本発明の生体インプラント材は、セラミック体と金属体とが接合した生体インプラント部材において、前記セラミック体と前記金属体との間に、前記金属体と同じ金属材からなるとともにＰＶＤ法により形成される中間層が設けられることを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を説明する。
本発明の生体インプラント材は、セラミック体に金属体を接合した生体インプラント部材において、前記セラミック体と金属体との間に、両者を接合するための中間層を設けた構造である。
上記セラミック体としては、酸化物系セラミック（アルミナ、ジルコニア、チタニア）、窒化物系セラミック（窒化珪素、窒化チタン、窒化アルミ）もしくは炭化物系セラミック（炭化珪素）や、アルミナ分散ジルコニアやチタニア分散アルミナなど、素材強度を改善した混合セラミックを使用することができる。
また、上記金属体としては、生体との馴染みが良く毒性のない金属、例えば、チタン、タンタル、タングステン、ジルコニウム、モリブデン、ニオブ、チタン合金、コバルト・クロム合金、ステンレス鋼のうちから選ばれる１種または２種以上を用いることができる。
【００１６】
上記金属体は、多孔質の部材とすることができる。例えば、特開平９−１７３４３４号公報に記載されるような、多孔質の金属板を積層することにより構成される構造体、金属ワイヤーを編みあげたメッシュを圧縮成型した構造体、金属ビーズを焼結により相互固着させることにより得られる構造体などを用いることができる。このような構造体をセラミック体の表面に配することで、骨がその孔内に増成進入し、骨との直接的接合を得ることが可能となり、且つ機械的強度が大きな表面構造を得ることができる。このような構造により、セラミックの良好な摺動性と、上記金属体の良好な骨との結合性、そして、その高強度性による耐久性を利用した優れた生体インプラント材とすることができる。
【００１７】
上記生体インプラント材の材料として、セラミック体としてジルコニアを、金属体としてチタンを用いるのが好ましい。この組み合わせによれば、それぞれの熱膨張係数が近いので、加熱接合時にセラミック体に微小クラックが発生してしまうなどの問題を防止することができる。前記中間層は前記金属体と同じ金属材から成る。例えば、上記金属体がチタンの場合に上記中間層はチタンで構成され、上記金属体がチタン合金の場合に上記中間層はチタン合金で構成される。このように中間層が金属体と同じ金属材よりなるので、本発明の生体インプラント材は、生体内の環境でも、異種金属の組み合わせの場合に発生する電食作用の腐食が起こらない。
【００１８】
上記中間層を形成する方法としては、コーティング手段を用いることができる。この場合、低熱衝撃性のコーティング方法を用いることが好ましい。ここで、低熱衝撃性というのは、コーティング層を形成する際に、セラミック体に対して熱的な衝撃を加えることがない、或いは、セラミック体に対してコーティング時のコーティング層の冷却収縮による応力衝撃を与えない場合をいう。かかる低熱衝撃性のコーティング方法としては、真空蒸着、イオンビーム蒸着、スパッタリング、イオンプレーティング、ダイナミックミキシング法などのＰＶＤ法や、電気メッキや無電解メッキなどの湿式コーティング法を用いることができる。
【００１９】
ＰＶＤ法にてコーティングして形成した中間層は、結晶が細かく形成されることにより塑性流れ作用が良好であるので、大きな接合強度を得ることができる。また、大量の処理により、生産コストを抑えられることができる。特にスパッタリングやイオンプレーティング法ではこれらの利点が顕著である。
【００２０】
また、上記中間層として、上記金属体と同じ金属材の箔を用いることができる。この場合、後述の加熱接合工程に先立って、上記金属箔の中間層を上記セラミック体の表面に載置しておく。上記金属箔の中間層を用いる利点として、コーティング作業を必要としないので、作業が簡便で、コスト安となる。
【００２１】
上記中間層の厚みについては、使用する材料やコーティング方法によっても異なるが、中間層は０．００５ｍｍから０．１ｍｍとすることが好ましい。０．００５ｍｍ未満の厚みでは、セラミック基材と金属体との接触面の凹凸の大きさに比べて、厚みが小さ過ぎるので加熱接合工程における中間層の塑性流れによっても接触面積を増加させる効果があまり期待できないからである。他方、０．１ｍｍを越える厚みでは、中間層で層内破壊を起こす可能性がある。
【００２２】
本発明のインプラントは、上記セラミック体の表面に中間層を配置した後、前記中間層上に金属体を載置した状態で、前記セラミック体と前記金属体を加熱して接合することにより作製する。加熱接合工程では、セラミック体と金属体を所定の温度で加熱することによりセラミック体と中間層、中間層と金属体とが強く接合される。すなわち、加熱接合工程において、セラミック体と中間層との界面では、双方の元素が相手方へ拡散して両者は接合する。他方、中間層と金属体との界面では、双方の金属原子が相手方へ拡散して両者は接合する。
【００２３】
また、加熱接合工程において、上記中間層は塑性流れを起こし、その結果、上記中間層と金属体の接触面積が増大する。これにより、中間層と金属体の接合力が十分大きなものとなる。
【００２４】
また中間層にチタンを用いた場合、チタンは酸素との親和性が高く、セラミック体と金属体の加熱接合時に、ジルコニア側から中間層と金属体への酸素の拡散が起こる。その結果、セラミック体と金属体の強固な接合強度が得られる。このような酸素の拡散現象は、他の酸化物系セラミックでも見られ、例えばアルミナとチタンの組み合わせにおいても、ジルコニアとチタンとの組み合わせには劣るけれども、セラミック体と金属体の高い接合強度が得られる。
【００２５】
なお、加熱温度は、材料の組み合わせによって異なるが、ジルコニアとチタンの場合は約１０００℃が最適であった。
【００２６】
上記加熱接合工程において、加熱処理を１平方ｍｍあたり１ｇから１００ｇの荷重を生体インプラント材に負荷した状態で行うことが好ましい。１ｇ未満の荷重条件では、中間層の充分な塑性流れが得られないため、密着力が小さくなってしまう。一方、１００ｇを超える荷重条件では、塑性流れが大きすぎて、金属体とセラミック体が直接当接してしまう部分が発生する可能性があり、さらに、金属体が変形して潰れる可能性がある。
【００２７】
本発明の生体インプラント材は、金属体および中間層を構成する金属材のイオンをセラミック体に予め注入した後に、中間層を形成してもよい。このように形成することにより、セラミック体と中間層との密着性を向上させることが可能である。例えば、アルミナからなるセラミック体の表面に予めチタンを注入しておくと、中間層としてチタンを用いた場合、密着強度を著しく向上させることができる。
【００２８】
また、上記中間層とセラミック体の間に、中間層を構成する金属材とセラミック体を構成するセラミックとを含む、それらの組成比を層の厚み方向にそって傾斜的に変化させた複合層を設けても良い。例えば、窒化チタンのセラミック体と純チタンの金属体による組み合わせの場合に、中間層とセラミック体の間にジルコニアの含有量がセラミック体に向けて漸次増加するジルコニアとチタンの複合傾斜層を形成することにより、中間層とセラミック体の高い密着性を得ることができる。
【００２９】
このような複合層と前記中間層とは連続的な工程で作製することができる。例えば、イオンプレーティング法にて、最初は窒素ガスを多く流して、セラミック体上に窒化チタンをコーティングし、序々に窒素ガスの量を減らして窒化チタンとチタンの混合層の組成を変化させ、最終的には窒素ガスを止めてチタンからなる中間層を形成する。
【００３０】
【実施例】
以下、本発明を実施例により具体的に説明する。
【００３１】
実施例
直径１７ｍｍ、厚み５ｍｍのジルコニアセラミック円板を脱脂洗浄後、その直径１７ｍｍの片面に、スパッタリング法にて厚さ１０μｍのチタンをコーティングした後、同径で厚さ２００μｍの多孔質純チタン薄板（貫通孔の有効径３００μm、孔ピッチ５００μm）を１０層積層し、１平方ｍｍあたり１０ｇの荷重を負荷した状態で、１０００℃で拡散接合し、実験用の試験片を製作した。評価項目は断面分析と密着強度試験である。断面分析は、試験片を樹脂包埋後、切断及び研磨して、試験片断面を金属顕微鏡（倍率４００倍）で観察した。一方密着強度試験は、ＪＩＳ  Ｈ８６６６（セラミック溶射試験方法）に準拠して行った。各試験片の両面をエポキシ系接着剤で試験用治具に接着し、インストロンタイプ引張試験機を使用して引張速度１ｍｍ／分で、試験片が破断するまで荷重を加え、破断強度を測定した。各試験片の破断部位の確認は目視及び光学顕微鏡観察にて行った。また本試験実施に際して、比較例としてスパッタリング層のない試験片も製作して比較評価した。
【００３２】
この試験の結果を表１に示す。
【００３３】
【表１】
0004349722.tif 000002
【００３４】
試験の結果、比較例群では、密着強度は有意に低く、断面分析においてもジルコニア基体と金属多孔質層の接合はほとんど認められなかった。一方、本発明試験片群では、一般に骨内に埋入される生体インプラント材が２８ＭＰａ以上の接合強度が必要であると言われるところ、４５ＭＰａという高い密着性が得られた。また、断面分析ではスパッタリング層の塑性流れによる変形を伴うスパッタリング層と金属多孔質層の拡散接合が認められた。
【００３５】
【発明の効果】
以上述べた如く、本発明の製造方法によれば、セラミック体の表面に、金属体を載置した状態でこれらを加熱することにより上記セラミック体と金属体とを加熱して接合する工程を含む生体インプラント材の製造方法において、前記セラミック体の表面に前記金属体と同じ金属材から成る中間層を配置した後、前記中間層上に前記金属体を載置して前記セラミック体と前記金属体を加熱して接合するので、加熱接合工程において中間層が塑性流れを起こし、セラミック体と金属体の接合強度が大きくなる。
【００３６】
したがって、金属体とセラミック体が生体内の使用環境で十分な接合強度を持つ生体インプラントを得ることが可能である。
【００３７】
さらに、中間層と金属体の界面が同じ金属材か或いは同種の金属材によりなるので、上記生体インプラントは、異種金属の組み合わせの場合に発生する電食作用の腐食が起こらない。したがって、生体内でこれを長期安定的に使用することができる。
【００３８】
また、本発明の生体インプラント材によれば、セラミック体に金属体を接合した生体インプラント材において、前記セラミック体と金属体との間に、前記金属体と同じ金属材からなる中間層を設けたので、セラミック体と金属体の接合強度が大きくなる。
【００３９】
したがって、金属体とセラミック体が生体内の使用環境で十分な接合強度を持つことが可能である。
【００４０】
さらに、中間層と金属体の界面が同じ金属材か或いは同種の金属材によりなるので、異種金属の組み合わせの場合に発生する電食作用の腐食が起こらない。したがって、生体内で長期安定的に使用することができる。