(57)【要約】【課題】力学的生体適合性及び生理的生体適合性の双方に優れ、製造も容易な生体用複合材料を提供する。【解決手段】チタン多孔質体Ａ内に充填すべきポリマーのモノマー液Ｂを容器内に準備する。モノマー液Ｂは重合開始剤を含み、重合開始温度以下の温度に保持される。そのモノマー液Ｂにチタン多孔質体Ａを浸漬し、多孔質体Ａ内の空隙Ｃの全体にモノマー液Ｂを充填する。充填完了後にモノマー液Ｂを重合開始温度以上の温度に加熱し、モノマー液Ｂをポリマーｂに変化させる。多孔質体Ａ内でモノマー液Ｂがポリマーｂに変わり、ポリマーｂが高充填率で均一充填されたチタン多孔質体Ａが製造される。【選択図】図１
2009066387.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
チタン多孔質体が基材であり、その基材内の空隙全体に、重合前のモノマーが液体であるポリマー系生体材料が高充填率で充填されていることを特徴とする生体用複合材料。
【請求項２】
請求項１に記載の生体用複合材料において、チタン多孔質体内の平均空隙孔径が１００μｍ以下であり、且つ前記チタン多孔質体内の空隙におけるポリマー系生体材料の充填率が断面における面積比で９５％以上である生体用複合材料。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の生体用複合材料において、前記チタン多孔質体の空隙率が３５〜５０％である生体用複合材料。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の生体用複合材料において、ポリマー系生体材料はポリメタクリル酸メチルである生体用複合材料。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の生体用複合材料において、前記チタン多孔質体は球状チタン粉末焼結体である生体用複合材料。
【請求項６】
チタン多孔質体中に充填すべきポリマーのモノマー液であり、重合開始剤を添加されると共に重合開始温度以下に保持された液体を容器内に準備する工程と、容器内のモノマー液中にチタン多孔質体を浸漬する工程と、モノマー液中でチタン多孔質体中にモノマー液を充填する工程と、モノマー液を重合開始温度以上に加熱する工程とを含む生体用複合材料の製造方法。
【請求項７】
請求項６に記載の生体用複合材料の製造方法において、モノマー液に浸漬されたチタン多孔質体中から気泡を強制除去する生体用複合材料の製造方法。
【請求項８】
請求項６又は７に記載の生体用複合材料の製造方法において、チタン多孔質体を、モノマー液に浸漬する前にシランカップリング処理する生体用複合材料の製造方法。
【請求項９】
請求項６〜８のいずれかに記載の生体用複合材料の製造方法において、容器内に生成したポリマー塊からチタン多孔質体を採取する生体用複合材料の製造方法。
【請求項１０】
請求項６〜９に記載の生体用複合材料の製造方法において、前記ポリマーはポリメタクリル酸メチルである生体用複合材料の製造方法。
【請求項１１】
請求項５〜１０のいずれかに記載の生体用複合材料の製造方法において、前記チタン多孔質体は球状チタン粉末焼結体である生体用複合材料の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は人工骨、人工関節、インプラント材料等に使用される生体用複合材料及びその製造方法に関し、より詳しくはチタン多孔質体を基材とする生体用複合材料及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、人工股関節や人工歯根を構成する人工骨材料としては、金属系材料が主体であり、金属系材料のなかでもチタン合金が最も好適とされている。これは、チタン合金がステンレス鋼やＣｏ−Ｃｒ合金などの他の金属系材料と比べて、比強度が高く（軽くて強靱）、金属系材料のなかでは比較的生体に対する適合性に優れているからである。そしてチタン合金のなかでも、β型Ｔｉ−２９Ｎｂ−１３Ｔａ−４．６Ｚｒ合金は生体に対する毒性が少なく、特に優れた生体用材料として有望視されている。
【０００３】
ちなみに、純チタンは強度が不足しており、工業界では代表的なチタン合金であり、生体用材料としても最も多く利用されているＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金はＶの毒性が問題視されている。
【０００４】
金属系生体材料で常に問題視されるのが、強度と弾性率の関係である。強度についてはは、軽くて高強度であるのが望ましいことは言うまでもない。しかし、高強度な金属材料は往々にして弾性率が高い。一方、生体用材料が接合される生体皮質骨の弾性率は約１０〜３０ＧＰａと低い。生体用金属材料と生体皮質骨の弾性率が近いことは、最も重要視される力学的生体適合性である。
【０００５】
チタン合金はステンレス鋼、Ｃｏ−Ｃｒ合金等の他の生体用金属材料と比べると、この弾性率が低く、この点でも生体材料として適する。しかし、低弾性率であるといっても、純チタン及びＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金の弾性率は１００ＧＰａ程度もあり、依然として生体皮質骨の弾性率との開きは大きい。したがって、チタン合金の弾性率を更に低下させる工夫が各方面で講じられている。ちなみに、ＳＵＳ３１６Ｌステンレス鋼の弾性率及びＣｏ−Ｃｒ合金の弾性率は、共に２００ＧＰａ以上である。
【０００６】
チタン合金の弾性率を低下させる有力な手法の一つは多孔質化（ポーラス化）であり、この考えに沿って様々な生体用チタン多孔質体が提案されている。しかし、チタン合金の多孔質化は、一方で機械的強度の低下を招く。したがって、多孔質化と共に、その強度低下を抑制する対策が必要となり、その対策の一つが、非特許文型１により提示された、チタン多孔質体への超高分子量ポリエチレンのホットプレスによる圧入である。
【０００７】
【非特許文献１】日本金属学会２００６年春期大会講演概要第１７７頁（会期２００６年３月２１〜２３日）
【０００８】
非特許文献１では、プラズマ回転電極法を用いて作製した純チタン粉末の真空焼結体をポリエチレンで挟み、温度４７３Ｋ、時間６００ｓの条件で真空ホットプレスを行うことにより、チタン多孔質体と超高分子量ポリエチレンの複合化が図られている。
【０００９】
チタン多孔質体内の空隙へ超高分子量ポリエチレンを充填することの第２の利点は、生理的生体適合性の付与である。すなわち、チタン合金は金属系生体材料のなかでは比較的生理的生体適合性が良好であるが、金属である以上、限界があり、生理的生体適合性の更なる改善が必要である。このために、チタン多孔質体内の空隙へアパタイト系無機材料を充填することは特許文献１及び２に提案されている。また、超高分子量ポリエチレン等のポリマーも生体材料として多々使用されており、チタン多孔質体内へこれを充填することにより、チタン多孔質体の生理的生体適合性の更なる向上を期待することができる。
【００１０】
【特許文献１】特許第３６１９８６９号公報
【特許文献２】特開２００３−３２５６５４号公報
【００１１】
しかしながら、ホットプレスでチタン多孔質体内の空隙全体に超高分子量ポリエチレンを充填することは技術的に困難であり、中心部には空隙が残るおそれがある。特に、チタン多孔質体内の平均空隙径が小さいほど、樹脂の充填が困難となり、中心部に空隙が残る危険性が大となる。チタン多孔質体内に空隙が残ると、この未充填部に応力集中が起こり、機械的強度が期待するレベルまで上がらない。これに加え、チタン多孔質体内の空隙へのポリマー注入が不完全であると、その材料を切断して使用した場合に切断面に未注入部分が露出し、所定の生理的生体適合性が得られないおそれがある。また、ホットプレスによる圧入は、大がかりな設備を必要とする点でも問題である。
【００１２】
一方、アパタイト系無機材料の充填には、乾燥工程、高温での焼結工程が必要であり、高温焼結工程において基材であるチタン多孔質体の特性が変化するおそれがある。また、生理的生体適合性が骨材に限定されるという制約がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明の目的は、力学的生体適合性及び生理的生体適合性の双方に優れ、製造も容易な生体用複合材料及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成するために、本発明者はチタン多孔質体へのポリマー系生体材料の充填が最も有効であると考え、その充填法について鋭意研究した。その結果、以下の事実が判明した。
【００１５】
ホットプレスによる超高分子量ポリエチレンの注入で問題なのは、溶融した超高分子量ポリエチレンは溶融状態とは言え、その粘度が高く、チタン多孔質体内への充填がスムーズに進まないことと考えられる。超高分子量ポリエチレンは、代表的なポリマー系生体材料であり、人工股関節の臼蓋部分等に使用されているが、これ以外にも軟質ポリ塩化ビニル、シリコーン、ポリウレタン、ポリメタクリル酸メチル、ポリスルホン、ポリグリコール酸、ポリ乳酸など、ポリマー系生体材料は数多く存在する。
【００１６】
ポリマーはモノマーが重合したものであり、そのモノマーは低粘度の液体又は気体として存在する。ポリメタクリル酸メチルのモノマーであるメタクリル酸メチルは常温で低粘度の液体であり、重合開始温度も例えば３４３Ｋと比較的低温である。メタクリル酸メチル液にチタン多孔質体を浸漬した場合、その液体は多孔質体内の空隙にスムーズに侵入し、真空脱泡処理等を併用すれば、多孔質体内の空隙に完全に充填率で充填させることができる。そして、充填後にその液体を重合開始温度以上に加熱すれば、多孔質体内でメタクリル酸メチルが重合してポリメタクリル酸メチルとなり、ポリメタクリル酸メチルが多孔質体内の空隙に断面積比で９８％以上という極めて高い充填率で均一に充填されたチタン多孔質体が得られる。特に、チタン多孔質体内の平均空隙孔径が２０μｍ以下、さらには１０μｍ以下というような場合も９８％以上という極めて高い充填率が得られる。
【００１７】
ポリメタクリル酸メチルは眼内レンズ、ハードコンタクトレンズ等に使用される生体材料で、生理的生体適合性が高いことは勿論、ポリマー系生体材料のなかでは機械的強度が比較的高く、取り扱いも容易であることから、多孔質体の強化に特に適する。
【００１８】
重合開始剤の添加量を変えたり架橋剤を加えるなど、モノマー液の調製を行えば、力学的性質が異なったポリマーを生成することができる。これにより、ポリマーの性質を使用目的に合わせて調整することができる。ホットプレスによる充填では、使用するポリマー以外の性質を期待することはできない。
【００１９】
本発明はかかる知見を基礎として完成されたものであり、その生体用複合材料は、チタン多孔質体が基材とされ、その基材内の空隙全体に、重合前のモノマーが液体であるポリマー系生体材料が高充填率で実質的に隙間なく均一に充填されたものである。
【００２０】
また、本発明の生体用複合材料の製造方法は、チタン多孔質体中に充填すべきポリマーのモノマー液であり、重合開始剤を添加されると共に重合開始温度以下に保持された液体を容器内に準備する工程と、容器内のモノマー液中にチタン多孔質体を浸漬する工程と、モノマー液中でチタン多孔質体中にモノマー液を充填する工程と、モノマー液を重合開始温度以上に加熱する工程とを含んでいる。
【００２１】
図１は本発明の基本概念図である。本発明で使用するポリマー系生体材料の特性としては、重合前のモノマーが液体であることが必要であり、特に常温で液体であることが望ましい。そのモノマー液Ｂにチタン多孔質体Ａを浸漬すると、多孔質体Ａ内の空隙Ｃ（多孔質体Ａが粉末焼結体の場合は隣接する粉末粒子ａ間に形成される隙間）にモノマー液Ｂが侵入する。モノマー液Ｂは重合後のポリマーの溶融物より粘性が低く、多孔質体Ａ内の空隙Ｃに侵入しやすい。多孔質体Ａ内の空隙Ｃにモノマー液Ｂが完全に充填された状態で、モノマー液Ｂをポリマーｂに重合する。かくして、チタン多孔質体Ａ内の空隙Ｃの全体に極めて高い充填率で均一にポリマーｂが充填された、チタン−ポリマー複合体が得られる。ポリマーｂの均一性については、ポリマー重合前のモノマー液を用いることがその向上に寄与していることは勿論であるが、ポリマーの充填率が高いことも、その均一性に寄与している。
【００２２】
モノマー液中でチタン多孔質体中にモノマー液を充填する際に、真空脱泡処理等によりチタン多孔質体中から気泡を強制除去するのが、充填率を高める点から好ましい。モノマー液の重合により、多孔質体内のモノマー液だけでなく多孔質体外のモノマー液もポリマーに変化する。すなわち、容器内のモノマー液の全部がポリマーに変化する。容器内に生成したポリマー塊からチタン多孔質体を採取することにより、ポリマーが高充填率で均一に充填したチタン多孔質体が得られる。
【００２３】
基材であるチタン多孔質体は、球状チタン粉末、特にガスアトマイズ粉末の焼結体が好ましい。球状チタン粉末の焼結体は、ＨＤＨ粉末などの不定形粉末の焼結体と比べて表面が滑らかであるため、粒子間に形成される隙間の形状が滑らかで大きさが揃う。また粉末粒子間にモノマー液を含浸させるのに好都合な連通孔を有する。このためモノマー液の充填性が高く、完全充填が容易である。更に、粉末粒子の粒径の変更、焼結条件の変更により空隙率を広範囲に変更することができる。
【００２４】
このようなメカニズムにより、本発明の生体用複合材料及びその製造方法においては、ホットプレスでは殆ど実施不能な微小小空隙孔への高密度充填が可能となる。すなわち、チタン多孔質体においては、粉末粒子径が小さくなるほど空隙孔径が小さくなる傾向があり、粉末焼結条件による若干の違いはあるものの、平均空隙孔径は平均粉末粒子径の１／４〜１／３と言われている。平均粒子径は用途によって様々であり、平均粉末粒子径が小さい生体材料も必要となる。そのような生体材料の場合、空隙孔径も小さくなり、ホットプレスでは充填が困難となるが、本発明の生体用複合材料及びその製造方法においては、平均空隙孔径が１００μｍ以下の場合も９５％以上の充填率が可能であり、９８％以上の充填率さえも可能である。更に言えば、平均空隙孔径が６０μｍ以下の場合も９５％以上の充填率が可能であり、９８％以上の充填率さえも可能であり、３０μｍ以下の場合も９５％以上の充填率が可能であり、９８％以上の充填率さえも可能であることを確認している。このような空隙孔径が小さいチタン多孔質体、換言すれば平均粒子径が小さいチタン多孔質体におけるポリマーの充填率の高さが本発明の特徴の一つである。なお、充填率とは、多孔質体内の空隙中のポリマー占有率であり、本発明では断面における面積比で表されている。
【００２５】
チタン粉末の材質は、純チタン、チタン合金のいずれでもよいが、純チタンより高強度であり、かつＶなどの生体へ悪影響を与える危険のある元素を含まないチタン合金が好ましく、前述したβ型チタン合金、とりわけＴｉ−２９Ｎｂ−１３Ｔａ−４．６Ｚｒ合金などが好適である。
【００２６】
チタン多孔質体で重要な特性は空隙率である。空隙率は大きくなるほど、弾性率は低下して皮質骨のそれに近づくが、その一方で機械的強度は低下する。機械的強度の低下はポリマーの充填で補うことができるので、皮質骨に近い弾性率が得られるように空隙率を選択することが重要である。具体的には、弾性率を皮質骨に近づけるために、チタン多孔質体の空隙率は大きいほどよい。空隙率が大きくなるとポリマーの充填比率が増大するので、空隙率の増大による機械的強度の低下は抑制され、その傾向は空隙率が大きくなるほど顕著となる。このようなことから、チタン多孔質体の空隙率は３５％以上が好ましく、４０％以上がより好ましい。空隙率の上限については、空隙率が大きくなると、機械的強度の低下が顕著となり、ポリマーの充填によっても、更には後述するシランカップリング処理よっても皮質骨レベルまで高めることが困難となる。また、球状チタン粉末焼結体の空隙率は概ね２０〜５５％である。このようなことから、空隙率の上限については５０％以下が好ましく、４５％以下が特に好ましい。
【００２７】
球状チタン粉末焼結体の場合、粉末粒子径が大きくなるほど空隙率が大きくなる傾向がある。すなわち、その空隙率は焼結度によっても変化するが、焼結度を同程度とすれば、粉末粒子径が大きくなるほど空隙率が大きくなる（表１参照）。また、焼結度と空隙率の関係については、焼結温度、焼結時間等によって空隙率が変化する。粉末粒子径と焼結条件との組合せにより、空隙率を広範囲に変化させることができる。
【００２８】
チタン多孔質体に組み合わせるポリマー系生体材料は、チタン多孔質体の機械的強度向上を目的とするものである場合、そのチタン多孔質体の機械的強度と同等かこれ以上のものの方が効果的である。他の特性としては、良好な生体適合性に加え、取り扱い性の点、チタン多孔質体の変質回避の点からモノマーの重合温度が低いこと、充填性の点からモノマーの粘度が低いことなどが重要である。チタン多孔質体との適性が特に良好なポリマー系生体材料は、ポリメタクリル酸メチルであるが、求める特性によってはこれ以外のポリマー系生体材料の使用も無論可能である。チタン多孔質体におけるポリマー系生体材料の充填率、均一性は高いほど好ましい。
【００２９】
ちなみに、ポリメタクリル酸メチルの引張強度は４８〜７６ＭＰａであり、その弾性率は約３ＧＰａ）である。
【００３０】
ポリマー充填チタン多孔質体の物性には、チタン多孔質体とポリマー系生体材料との界面性状も影響し、具体的にはチタン多孔質体におけるチタン粉末粒子とポリマー系生体材料との界面の接着性を改善することにより、ポリマー充填チタン多孔質体の機械的強度を更に高めることができる。金属材料と高分子材料との界面の接着性を改善するのに有効な手段として、シランカップリング処理があり、本発明者らによる実験の結果、チタン多孔質体とポリマー系生体材料との接着性の改善にも、チタン多孔質体へのシランカップリング処理が有効であり、とりわけ機械的強度の改善に有効であることが判明した。
【００３１】
一般にシランカップリング剤とは、有機物とケイ素物とから構成され、一つの分子中に無機材料及び有機材料のそれぞれに対して反応性を示す官能基を有する化合物である。その一般的な化学構造は化学式１のように表される。
【００３２】
【化１】
2009066387.tif 000003
【００３３】
ここで、ＲＯはメトキシ基、エトキシ基、或いはアセトン基等の無機材料と化学結合する加水分解性基、Ｘはアミノ基、メタクリロシキ基、或いはエポキシ基等の有機官能性基を示す。このようなシランカップリング剤は水と接することにより加水分解されてシラノールとなり、シラノール基が互いに部分的に脱水結合してシランオリゴマーを形成する。シランオリゴマーは、無機材料表面に水素結合的に吸着し、その後、無機材料を乾燥処理することにより脱水縮合反応させると、無機材料及び有機材料間に強固な化学結合が生じる。
【００３４】
チタン多孔質体とポリマー系生体材料とを複合化するにあたって予めチタン多孔質体をこのシランカップリング剤溶液によって処理するシランカップリング処理により、チタン多孔質体とポリマー系生体材料の接合性を高め、特に機械的強度の更なる向上を図ることができる。
【００３５】
製造された生体用複合材料内のポリマー系生体材料中に未重合モノマーが残留する危険性がある。残留モノマーによる生体への悪影響を回避するために、温水中への浸漬、ヘキサン洗浄、真空乾燥等によるモノマー除去処理を行うのが望ましい。
【発明の効果】
【００３６】
本発明の生体用複合材料は、チタン多孔質体内の空隙全体にポリマー系生体材料が、極めて高い充填率で均一に充填しているので、第１に、多孔質化に伴う強度低下を効果的に抑制することができる。第２に、多孔質化により弾性率が低下し、生体皮質骨の弾性率との差を小さくでき、生体皮質骨の弾性率と同等にすることも可能である。第３に、充填材料が弾性率の低いポリマーであるために、充填による弾性率の上昇を小さく抑制できる。これらにより力学的生体適合性に優れる。第４に、どの部位で切断してもポリマーが十分に露出し、切断部位による生理的生体適合性の差を生じない。第５に、単なるポリマーではなく、重合前のモノマーが液体であるポリマーを使用する。その重合温度が焼結温度より格段に低いために、焼結で問題となるチタン多孔質体の変質を回避できる。第６に、モノマーをポリマーに変化させる際の架橋構造の制御が可能であり、その制御により、多種多様な特性をポリマーに発現させることができる。したがって、適用範囲が広い。第７に、大がかりな製造設備を必要とせず、経済性に優れる。
【００３７】
また、本発明の生体用複合材料の製造方法は、チタン多孔質体中に充填すべきポリマーのモノマー液中にその多孔質体を浸漬し、多孔質体中でモノマーをポリマーに変化させることにより多孔質体中にポリマーを充填するので、多孔質体中の空隙孔径が大きい場合はもとより、小さい場合もその空隙内にポリマーを高密度で簡単に充填することができる。このため、空隙孔径が小さいチタン多孔質体中にポリマーが高密度で充填した複合材料についても、これを経済的に製造することができる。空隙孔径が小さいチタン多孔質体中にポリマーが高密度で充填した複合材料の特徴は前述したとおりである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】
以下に本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図２〜図４は本発明の生体用複合材料の製造方法の一例を工程順に示す模式図である。
【００３９】
本実施形態の生体用複合材料の製造方法では、球状チタン粉末焼結体からなるチタン多孔質体内にポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）が完全充填した生体用複合材料が製造される。この製造のために先ず、図２（ａ）に示すように、ポリメタクリル酸メチルのモノマーであるメタクリル酸メチル（ＭＭＡ）の溶液１を容器２内に準備する。容器２内のモノマー液１に重合開始剤であるアゾビスイソブチロニトリル（ＡＩＢＮ）を例えば５ｍｏｌ％加え、その重合開始剤が十分に溶解するまで攪拌する。
【００４０】
次いで、図２（ｂ）に示すように、チタン多孔質体３である球状チタン粉末焼結体を容器２内の混合液４に浸漬する。浸漬する方法としては、例えばチタン多孔質体３を針金で縛って混合液４中に吊すといった方法を用いる。チタン多孔質体３を混合液４に浸漬することにより、多孔質体３内の空隙に混合液４が侵入する。チタン多孔質体３に対しては、必要に応じて予めシランカップリング処理をしておく。
【００４１】
空隙への混合液４の充填を促進するために、図３（ａ）に示すように、真空脱泡処理を行う。具体的には、混合液４を収容する容器２を混合液４に浸漬されたチタン多孔質体３と共にデシケータ５内に配置し、そのデシケータ５内を真空ポンプ６にて真空排気する。モノマーは揮発性が高く、真空排気に伴ってポンプ６へ混入する。これを防ぐために、排気管７の途中にコールドトラップ８が設けられており、ここでモノマーが捕捉される。この真空排気処理により、チタン多孔質体３内の気泡が除去され、多孔質体３内の空隙に混合液４が高充填率で均一充填される。
【００４２】
チタン多孔質体３内への混合液４の充填が終わると、図３（ｂ）に示すように、混合液４を収容する容器２をチタン多孔質体３と共にデシケータ５内から取り出し、恒温槽９内に配置し、容器２内の混合液４をモノマーの重合開始温度（ここでは３１３Ｋ）以上に加熱する。これにより容器２内の混合液４がポリマーに変わる。１０は容器２を恒温槽９内に保持するクランプ、１１は同スタンドである。
【００４３】
容器２内の混合液４をポリマーに変化させ終わると、図４（ａ）に示すように、容器２内からポリマー１２の塊を塊中のチタン多孔質体３と共に取り出す。この段階では、チタン多孔質体３内の混合液４もポリマー１２に変化している。容器２内からポリマー１２の塊が取り出されると、図４（ｂ）に示すように、ポリマー１２の塊からチタン多孔質体３をファインカッターにて切り出す。切り出されたチタン多孔質体３は、内部の空隙全体がポリマー（ポリメタクリル酸メチル）によって極めて高い充填率で均一に充填されたチタン−ポリマー複合体１３である。
【００４４】
チタン多孔質体３を切り出すとき、表面にポリマー１２を残せば、表面がポリマー１２で覆われた複合体１３を得ることができる。チタン多孔質体３は、ここでは板材としたが、用途に応じた形状に成形したものでもよいし、ポリマー充填後に用途に応じた形状に加工することも可能である。前者の場合は、表面の一部又は全部にポリマーを残すことにより、ポリマー被覆複合体を簡単に作製することができる。後者の場合は、多孔質体の空隙全体にポリマーが充填されているので、切断部位に関係なく切断面の状況は同じ（所定比率でポリマーが存在するもの）となる。
【実施例１】
【００４５】
以上の手順でチタン−ポリメタクリル酸メチル複合体の試験片を作製した。すなわち、まずチタン多孔質体から試験片を採取した。チタン多孔質体は、純チタン（２種）のガスアトマイズ球状粉末焼結体であり、粉末粒子径及び空隙率が異なる３種類である。表１に、３種類のチタン多孔質体（ｐＴｉ４５、ｐＴｉ１５０、ｐＴｉ２５０）の物理的特性を示す。
【００４６】
【表１】
2009066387.tif 000004
【００４７】
試験片は平行部断面が５ｍｍ×２ｍｍ、標点間距離２０ｍｍの平板型引張試験片である。そして、チタン多孔質体から採取した試験片を、図２〜図４に示す方法によりポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）と複合化した。粒径が大きくなるｐＴｉ４５、ｐＴｉ１５０、ｐＴｉ２５０の順番で焼結温度を上げた。真空脱泡処理における減圧条件は０．０５ＭＰａ×３．６ｋｓとした。
【００４８】
表１から分かるように、焼結条件にもよるが、基本的には、チタン多孔質体における平均粒子径が大きくなるにしたがって空隙率が大きくなり、それに伴ってポリメタクリル酸メチルの含有量も多くなる。多孔質体の空隙率が３５〜５０％の場合、ポリメタクリル酸メチルの含有量は１３〜２１重量％となる。純チタンの比重は４．５、ポリメタクリル酸メチルの比重は１．２である。また、チタン多孔質体における平均粒子径が小さくなるにしたがって平均空隙孔径が小さくなり、ｐＴｉ２５０（平均粒子径１７９μｍ）の平均空隙孔径は５３μｍ、ｐＴｉ１５０（平均粒子径７９μｍ）の平均空隙孔径は２３μｍ、ｐＴｉ４５（平均粒子径２４μｍ）の平均空隙孔径は６．５μｍであり、平均空隙孔径は平均粒子径の１／４〜１〜３の範囲内である。
【００４９】
３種類の複合体の弾性率を調査した結果を図５（ａ）に示す。参考までに、皮質骨の弾性率（１０〜３０ＧＰａ）、ポリメタクリル酸メチルの弾性率を合わせて示す。また、３種類の複合体の引張強度を調査した結果を図５（ｂ）に示す。参考までに、皮質骨の引張強度（６０〜１５０ＭＰａ）、ポリメタクリル酸メチルの引張強度を合わせて示す。
【００５０】
正常に固化したポリメタクリル酸メチルの特性は、重合開始剤であるアゾビスイソブチロニトリル（ＡＩＢＮ）の混合量、重合開始温度等により殆ど変化しない。正常に固化するか否かを決める最重要因子は、重合反応に伴う発熱の管理である。ここでは、混合量は５ｍｏｌ％、重合開始温度は３１３Ｋとした。その弾性率は約３ＧＰａ、引張強度は約５０ＭＰａである。また、純チタン（２種）のバルク材の弾性率は約１００ＧＰａ、引張強度は約３５０ＭＰａである。
【００５１】
純チタンの多孔質化により弾性率が低下し、皮質骨と同等かそれ以下にすることができる。ただし、多孔質化によりチタン合金の機械的強度は著しく低下し、皮質骨よりも更に低下する。チタン多孔質体内にポリメタクリル酸メチルを充填すると、多孔質化による機械的特性の低下が改善され、一部は皮質骨の機械的強度に匹敵するまでに改善される。弾性率はポリメタクリル酸メチルの充填によっても大きくは変化しないので、純チタンの多孔質化による弾性率の低下に悪影響を与えない。
【００５２】
チタン粉末の粒径が４５μｍ以下である空隙率３５％の多孔質体（ｐＴｉ４５）の場合、ポリメタクリル酸メチルの充填前は、弾性率は皮質骨と同等レベルであるが、引張強度は皮質骨より低い。ポリメタクリル酸メチルの弾性率はｐＴｉ４５より低く、引張強度はｐＴｉ４５と同等である。その充填により、弾性率は殆ど変化しない。引張強度は皮質骨レベルまで上がる。かくして、弾性率、機械的強度ともに皮質骨と同等レベルとなる。
【００５３】
製造された複合体は又、ポリマー系生体材料との複合体であるため、純金属材料と比べて生理的な生体適合性が良好なことはいうまでもない。そのポリマー系生体材料は、多孔質体内の全体に充填されているので、コーティングで問題となる剥離の危険がない。また、均一に充填されているため、切断部位によるポリマー比率の差が生じない。
【００５４】
チタン粉末焼結体における空隙率は、粉末粒径、焼結温度、加圧の有無等により広範囲に調整可能である。ポリマー系生体材料の含有比は多孔質体内の空隙率に支配されるので、本発明の複合材料では、ポリマー系生体材料の含有率を広範囲に調整することができ、この点からも適用範囲が拡大する。
【実施例２】
【００５５】
表１に示した３種類の粒径分布をもつ純Ｔｉ（２種）のガスアトマイズ球状粉末について、焼結条件を様々に変化させて７種類のチタン多孔質体を作製した。作製した７種類のチタン多孔質体の特性を表２に示す。
【００５６】
【表２】
2009066387.tif 000005
【００５７】
チタン多孔質体の種類を示す「Ｔｉ４５−３５」中の前の数字「４５」は最大粒径、後の数字「３５」は空隙率を表す。他のチタン多孔質体についても同じである。表２中のＴｉ４５−３５、Ｔｉ１５０−４５、Ｔｉ２５０−５０は表１中の３種類のチタン多孔質体（ｐＴｉ４５、ｐＴｉ１５０、ｐＴｉ２５０）に各対応している。
【００５８】
７種類のチタン多孔質体から試験片を採取した。試験片は、平行部断面が３ｍｍ×２ｍｍ、平行部長さが１３ｍｍ（標点間距離１０ｍｍ）の引張試験片である。一部の試験片にはシランカップリング処理を行った。シランカップリング処理では、シランカップリング剤として３−メタクリロキシプロピルトリメトキシキシランを用い、これの２ｖｏｌ％溶液に試験片を浸漬した。各試験片を実施例１と同じ方法でポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）と複合化した。
【００５９】
７種類の複合体の弾性率及び引張強度をシランカップリング処理なし、シランカップリング処理ありの両方について調査した結果を、チタン多孔質体単体の場合と比較して図６（ａ）（ｂ）に示す。また、これらの複合体の弾性率及び引張強度の、チタン多孔質体のこれら特性に対する比率を図７に示す。皮質骨の弾性率は１０〜３０ＧＰａ、引張強度は６０〜１５０ＭＰａである。
【００６０】
図５に示した結果と同様に、チタン多孔質体の空隙率が大きくなるに従って弾性率が低下し、皮質骨のそれに近づく。一方で引張強度が激減し、皮質骨のそれを下回る。しかし、ポリマー系生体材料の充填により引張強度が改善される。特に、チタン多孔質体にシランカップリング処理を施した場合の引張強度の改善効果が大きい。弾性率の回復は軽微であり、シランカップリング処理の影響も小さい。このようなポリマー系生体材料の充填効果は、チタン多孔質体の空隙率が大きくなるほど顕著となる。これは、チタン多孔質体の空隙率が大きくなると、ポリマー系生体材料の充填量が増加するためと考えられる。
【００６１】
かくして、チタン多孔質体の空隙率が３５〜５０％の場合に、ポリマー系生体材料の充填により、皮質骨と同等の引張強度及び弾性率の確保が可能となり、チタン多孔質体の空隙率が３５〜４５％の場合には、その確保がより容易となる。ポリマー系生体材料の充填による引張強度の改善に、シランカップリング処理は有効である。
【００６２】
チタン多孔質体の空隙部に占めるポリマー系生体材料の面積割合を、走査型電子顕微鏡による画像解析から調査したところ、いずれの生体用複合材料においても、ポリマー系生体材料の充填率は９８％以上であった。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の基本概念図である。
【図２】（ａ）及び（ｂ）は本発明の生体用複合材料の製造方法の一例を工程順に示す模式図である。
【図３】（ａ）及び（ｂ）は本発明の生体用複合材料の製造方法の一例を工程順に示す模式図である。
【図４】（ａ）及び（ｂ）は本発明の生体用複合材料の製造方法の一例を工程順に示す模式図である。
【図５】（ａ）及び（ｂ）は本発明の生体用複合材料において多孔質体の空隙率と複合材料の機械的特性との関係を示すグラフである。
【図６】（ａ）及び（ｂ）は本発明の生体用複合材料において多孔質体の空隙率と複合材料の機械的特性との関係を示すグラフである。
【図７】本発明の生体用複合材料の弾性率及び引張強度の、チタン多孔質体のこれら特性に対する比率を、チタン多孔質体の空隙率との関係について示したグラフである。
【符号の説明】
【００６４】
１  モノマー液
２  容器
３  チタン多孔質体
４  混合液
５  デシケータ
６  真空ポンプ
７  排気管
８  コールドトラップ
９  恒温槽
１０  クランプ
１１  スタンド
１２  ポリマー
１３  複合体
Ａ  多孔質体
ａ  粉末粒子
Ｂ  モノマー液
ｂ  ポリマー
Ｃ  空隙
【図１】
2009066387.tif 000006
【図２】
2009066387.tif 000007
【図３】
2009066387.tif 000008
【図４】
2009066387.tif 000009
【図５】
2009066387.tif 000010
【図６】
2009066387.tif 000011
【図７】
2009066387.tif 000012