(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
単相の外科インプラント用チタン−ジルコニウム二元合金であって、上記合金が、チタンに富み、ジルコニウム量が、１９重量％未満で、１０重量％を超えることを特徴とする合金。
【請求項２】
骨折処置、整形外科手術および内部補綴のためのボルト、板および釘、橋脚歯および上部構造要素、ならびに上顎顔面および顎外インプラント材に用いる単相のチタン−ジルコニウム二元合金であって、上記合金が、チタンに富み、ジルコニウム量が、１９重量％未満で、１０重量％を超えることを特徴とする合金。
【請求項３】
ジルコニウム量が、１４〜１５重量％であることを特徴とする、請求項１または２に記載のチタン−ジルコニウム二元合金。
【請求項４】
強化元素および技術的不純物を１％まで、ならびに場合によりジルコニウムの不純物としてハフニウムを０．５重量％まで含有することを特徴とする、請求項１または２に記載のチタン−ジルコニウム二元合金。
【請求項５】
上記強化元素として、酸素を０．１〜０．３重量％含有することを特徴とする、請求項４に記載のチタン−ジルコニウム二元合金。
【請求項６】
上記合金を熱間鍛造し、次いで冷間加工することを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の合金の製造方法。
【請求項７】
鍛造工程を８５０℃を超える温度で実施し、続いて合金を急速に冷却する、請求項６に記載の合金の製造方法。
【請求項８】
鍛造工程をアルファ／ベータ変態温度領域の７７０〜８３０℃で実施し、続いて合金を急速に冷却する、請求項６に記載の合金の製造方法。
【発明の詳細な説明】
発明の利用分野
本発明は、外科インプラント用のチタン（Ｔｉ）とジルコニウム（Ｚｒ）からの合金の製造に関する。第１の応用は、たとえば、骨折処置および整形外科手術ならびに内部補綴のための、ボルト、板および釘を含む。第２の応用は、エノサーレン（enossalen）インプラント材で、橋脚歯および上部構造要素をもつ口腔外科用材を含む。そのうえ、顔の部分における補綴を固定するためのインプラント材、またたとえば、上顎顔面および外部インプラント材への応用に適している。本発明は、さらに、このような合金を製造する方法を含む。
発明の背景および技術の現状
今日用いられている、外科インプラント用の金属材料は：
−国際標準規格（ＩＳＯ）５８３２−１に適合するステンレス鋼；
−ＩＳＯ５８３２−４、５８３２−５、５８３２−６に適合するコバルト−クロム−モリブデン合金；
−ＩＳＯ５８３２−２に適合する非合金チタン；
−ＩＳＯ５８３２−３に適合するチタン−アルミニウム−バナジウム合金（Ｔｉ６Ａｌ４Ｖ）；ＩＳＯ５８３２−１０に適合するチタン−アルミニウム−鉄合金（Ｔｉ５Ａｌ２．５Ｆｅ）；ＩＳＯ５８３２−１１に適合するチタン−アルミニウム−ニオブ合金（Ｔｉ６Ａｌ７Ｎｂ）
である。
これらの材料は、「生体適合性：特定の状況におけるホストへの適切な応答を行う材料の能力」（D.F.Williams:Biomaterials:Proceedings of a Consensus Conference of the European Society for Biomaterials.Elsevier Science Publ.Amsterdam,1989参照）で通常定義されている意味において、生体組織に適合していると考えられる。生体組織において、上記の異物質は、最小の反応を引き起こすだけである。金属と接触する組織においては、病理学的な細胞形成のない被包としての腐骨形成、または緩みのある結合組織として認識できる不活性が、観察されるであろう（S.G.Steinmann:Corrosion of Titanium and Titanium Alloys for Surgical Implants.Titanium,Science and Technology,Proc.5th Int.Conf.Titanium.［G.Luetjering,U.Zwicker,w.Bunk eds］,Deutsch Ges.Metallk.Oberursel,1985,1373参照）。
骨に固定するような歯科インプラント材は、組織適合性の強い形態、すなわち骨との癒合が効果的である。P.I.Branemark,G.A.Zarb,T.Albrektsson［編］：Tissue−Integrated Prostheses.Quintessenz Publ.Chicago,1985,ｐ.11によれば、「骨との癒合は、整然とした生体骨と荷重を支えるインプラント材表面との間の、直接の構造的および機能的な結合として定義される」と述べられている。この反応は、金属の性質のみにより、異物質と生体組織との間の相互作用を引き起こす。歯科インプラント材は、チタンから製造される。この金属は、動物実験において、完全な固定、すなわち圧縮応力、せん断応力および引張り応力による摩擦により、結合が形成されることが見出された（S.G.Steinmann,F.Straumann:Ankylotische Verankerung von Implantaten.Schweiz.Mschr.Zahnmed.94,1984,682参照）。完全な固定は、また、化学吸着現象を与える接着を意味する（S.G.Steinmann,A.Schroeder:Adhesion of bone to titanium.Biological and Biomeghanical performance of Biomaterials［P.Christel,A.Meunier,A.J.C.Lee,eds.］Elsevier Science Publ.Amsterdam,1986,409参照）。
骨外科および歯外科のインプラント材は、高い応力にさらされるので、機械的強度が高くなければならない。重要な特性は、降伏点、破断伸びおよび弾性係数である。ステンレス鋼および非合金チタンは、強度が低く、それゆえに、冷間で加工される。チタンに関しては、それによって、引張強さが約５００MPaから約７００MPaに上昇する。しかし、標準的な２種類のチタン合金の引張強さの９００〜１，０００MPaには達していない。
骨との癒合を測定する一つの試験が、排出試験である。動物実験において、円筒形のインプラント材を骨に埋め込み、時間経過に伴う排出力の変化を、１２週間後に代表的に測定した。このような試験で、機械的に凹凸を付与した非合金チタン、Ｔｉ６Ａｌ４ＶおよびＴｉ６Ａｌ７Ｎｂは、同様な排出強さであったが、機械的に凹凸を付与し、化学的に腐食させた、純チタンから製造したインプラント材の表面は、合金から製造したインプラント材の表面に比べて、はるかに高い排出力を生み出すことを示した。（M.Wong,J.Eulenberger,R.Schenk,E.Hunziker:Effect of surface topology on the osseointegration of implant materials in trabecular bone.J.Biomed.Mater.Res.29,1995,1569参照）。しかし、三つの合金元素、Ａｌ、Ｖ、Ｎｂのすべてが、骨との癒合を明らかにさまたげた。
純チタンとチタン合金は、塩化物を含有する電解質にさらされると、局部的な隙間腐食を起すことがある。ハンドブックでは、７０℃以上の温度を挙げている（B.Craig：Technical Note Corrosion.Materials Properties Handbookチタン合金中：［R.Boyer,G.Welshe,E.W.Collings編］,AMS Int.,Metals Park,OH,1994,1065）。それはさらに、脛骨に近いセメント床におけるそのような補綴の、人工股関節の円錐結合部分の隙間腐食を報告している、臨床に関する文献を開示している。この、インプラント材としてよく知られているチタン材料は、しばしば耐隙間腐食性がない。
スイス国特許公開５４４，１５４号公報は、インプラント用として、２５〜７５重量％のＺｒを含むチタン−ジルコニウム二元合金を開示している。この組成範囲の合金は、高い機械的強度を示している。この金属は、反応性があり、発熱酸化を起こし、それゆえ、容易に加工することができない。一方、合金元素Ｚｒを１５〜６１原子濃度％含有する合金は、電気化学的および生物学的な反応に強く影響される。それは望ましいことではなく、生体組織内のチタンの特別な反応性のための反応は、失われるべきではない。
発明の課題
従来材料の問題点に対して、第１に、高強度を有し、第２に、軟質組織および硬質組織に適合でき、そして癒合でき、そして第３に、耐隙間腐食性を備える、上記の使用領域に最適な合金である生体用金属材料を創造することが、本発明の基本的な課題である。
発明の本質
提案されるのは、チタン合金を生じるように、合金のジルコニウム量が、２５重量％（１４．９原子％）未満で５重量％（２．７原子％）を超える、チタンとジルコニウムの二元合金である。好ましくは、合金のジルコニウム量が１９〜１０重量％の範囲である。
上記合金の製造方法の特徴は、その合金を熱間鍛造し、次いで冷間加工することである。鍛造工程は８５０℃を超える温度で行い、続いて合金を急速な冷却を実施する。代わりに、特別な金属組織を生じさせるように、鍛造工程をα／β変態温度領域の７７０〜８３０℃で実施することもできる。
本発明により、前述した利用分野のために、充分な強度、ならびに軟質組織でも硬質組織でも、生体組織に対してきわめて優れた親和性を有し、そのうえ耐隙間腐食性を有する、生体用金属材料が提供される。
詳細な説明
チタンの機械的性質は、ジルコニウムの添加により明らかに向上することが知られている（A.G.Imgram,D.N.Williams,H.R.Ogden:Tensile properties of binary titanium-zirconium and titanium-hafnium alloys.J.Less-Comon Metals,4,1962,217）。５種類の合金の各々の測定結果を表１に示す。これらの合金は、技術的に純粋な金属から溶融されており、Ｔｉ、Ｚｒのほかに０．０９〜０．１１％のＯ（酸素）と０．０２〜０．０３％のＮ（窒素）とを含有している。この合金は、「α−β変態点を超える温度で鍛造されその後冷却された」状態である。
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チタン-ジルコニウム二元合金は、冷間加工および／または酸素の添加により、さらに強化することができることは既知になってはいない。本発明に基づく合金は、たとえば圧延により、良好に冷間加工することもできる。α−β変態点を超える温度で熱間鍛造して焼なましされたＴｉ１５Ｚｒ合金では、表２に示した強度値が得られた。
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酸素は強度特性に影響を及ぼすために、制御される合金成分と見なされている。結果を表３に示した。
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既知の、かつ今日使用されているチタン金属の機械的性質は表４に示される（ASM Metals Handbook 9th edition,Vol.3,Properties and Selection:Stainless Steels,Tool Materials and Special Purpose Metals.Amer.Sos.Metals,Metals Park,OH,1980,353;S.G.Steinemann,P.A.Mausli,S.Szmukler-Moncler,M.Semlitsch,O.Pohler,H.E.Hintermann,S.M.Perren:Beta-titanium alloy for surgical implants.Titanium 92 aScience and Technology［F.H.Froes,I.Caplan,編］,TMS,Warrentale,PA,1993,2689）。
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破断応力（破断荷重／破断部の断面積）は、金属の靭性に関する基準の一つである。この破断応力は、単相合金のＴｉ-Ｚｒ合金で著しく高くなり、かつ、２相（α＋β）合金のＴｉ６Ａ１４ＶおよびＴｉ６Ａ１７Ｎｂでは、それぞれほぼ等しくなる。また本発明に基づく材料の引張強さおよび降伏点は、等級４の、冷間加工された、非合金チタンの引張強さおよび降伏点よりも良好であり、かつ、冷間加工および酸素添加合金の効果が利用される場合には、ほぼα＋β合金の引張強さおよび降伏点に達する。冷間加工と酸素添加は、その他の点で、何らＴｉ-Ｚｒ二元合金の組織親和性を変化させない。
細胞培養は、金属異物質が存在するときの反応を識別するために、一般に行われる試験である。軟質組織および硬質組織にとって、線維芽細胞もしくは骨芽細胞を用いる試験が重要である。３種類のこのような試験が行われている。すなわち第１に、不活性な合成樹脂基材の表面での骨芽細胞の新芽形成であり、その際、金属酸化物が培地の中に溶解されており（ほぼマイクロモルの濃度、飽和）、第２に、培地中の金属表面の線維芽細胞の新芽形成であり、かつ、第３に、培地中の金属表面の骨芽細胞の新芽形成である。以下の反応が観察された（表５参照）。
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培地中に溶解した塩の表面では、骨芽細胞の反応は見出されなかった。また５つの被験金属は、インプラント試験（S.Steinemann,前掲書、1985参照）においても毒性作用は認められなかった。線維芽細胞による試験結果は、４種類の金属Ｔｉ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｔａが不活性な挙動を示し、かつ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｖに毒性があり、または腐骨形成を生じさせるインプラント試験と同一である。金属と接触する骨芽細胞による実験結果は、明らかに異なる。ＴｉとＺｒのみが不活性の挙動を示す。しかしながら、骨芽細胞の成長およびこの骨芽細胞の増殖をさまたげないことが、骨との癒合と同様に、骨の新生の前提条件である。
軟質組織および特にインプラントへの骨の付着は、有機および無機質の物質と金属との間の原子スケールにおける「接着」反応を意味する。有機物質は、たとえばタンパク質の構成単位およびいわゆる基礎物質成分としてのアミノ酸である（骨の有機成分）。カルシウムおよびリン酸塩は、骨無機質の主成分である。吸着および化学吸着（化学的な吸着の略語）について報告されている。アミノ酸は、酸化チタン（粉末状のアナタースおよびルチル）と酸化ジルコニウムの表面に吸着することが知られている。また、アミノ酸が、空気で酸化されたチタン金属に化学吸着されることも知られている（J.M.Gold,M.Schmidt,S.G.Steinemann:XPS study of retrieved titanium and Ti alloy implants.Clinical Implant Materials［G.Heimke,U.Soltesz,A.J.C.Lee,編］,Elsevier Sci.Publ.Amsterdam,1990,69）。アミノ酸が、ジルコニウムおよびＴｉ-Ｚｒ合金の表面に吸着されるかどうか、またはどのように吸着されるか、かつ、カルシウムとリンがどのような形態で存在するかは知られていない。光電子分光を用いた実験では、表６に示す結果が得られた。
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アミノ酸は化学吸着される。カルシウムとリン酸塩は、酸化された金属と錯体の形態で結合する。この反応は、特にチタンに富む合金で著しく、かつ、この反応は、骨との癒合の３種類のすべての反応形態に該当する。一方、吸着がなく、またはジルコニウムに富む合金ではより弱くなる。
Ｚｒを含有する合金は、塩化物を含有する電解質でのＴｉの耐食性を高める好ましい効果も有する。この効果は、耐隙間腐食性を改善するが、これは、Ｚｒの含有量が５重量％を超える場合に限られる。
２５重量％の濃度のＺｒは、１４．９原子％の粒子濃度、または約７個の合金原子中の１個のＺｒ原子に相当する。この比率が、チタンに富む合金の特徴である。金属中の１Ｚｒ／１２原子の割合が、８．３原子％（＝１４．６重量％）に相当する場合、これは合金が低合金化することになり、かつ、その場合には、チタン成分が、金属の性質、特に親和性にとって、および表面反応にとって支配的となる。このため好ましい組成の１つは、ジルコニウムの範囲が、１９重量％未満で１０重量％を超える場合である。この目的に特に適しているのは、１４〜１５重量％のＺｒを含有する金属である。
さらに、この金属は、上述の数値に準じて、冷間加工を利用して強化を図ることができる。その場合には、１０００Mpaの強度を得ることができ、α＋β材料の性質にさらに近づく。さらに、チタン合金中には、技術上の不純物として、Ｆｅ最大０．３０重量％、Ｎ最大０．０５重量％、Ｃ最大０．１０重量％、および技術上の不純物としてのＨが、最大０．０１５重量％含有されている。ジルコニウムは、各々の製造工程（ヨウ化物法またはクロール法）に応じて、２〜３重量％の非毒性元素であるハフニウムを含有している。本発明に基づく合金は、必要がある場合には、不純物成分として、ハフニウムを最大０．５重量％含有することができる。