(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
細孔を有する基材、該基材の表面及び該細孔の内表面に設けられた中間層、並びに該中間層の表面に設けられたリン酸カルシウム系セラミックス層からなり、上記中間層は、シリカからなり、上記細孔の直径は１０μｍ〜１ｍｍであり、上記基材の表面における上記中間層及び上記リン酸カルシウム系セラミックス層の厚さは、それぞれ０．０５〜５μｍであり、上記細孔の内表面における上記中間層及び上記リン酸カルシウム系セラミックス層の厚さは、それぞれ０．０５μｍ以上であることを特徴とするリン酸カルシウム系多孔質複合体。
【請求項２】
細孔を有する基材、該基材の表面及び該細孔の内表面に設けられた中間層、並びに該中間層の表面に設けられたリン酸カルシウム系セラミックス層からなり、上記中間層は、窒化チタンからなり、上記細孔の直径は１０μｍ〜１ｍｍであり、上記基材の表面における上記中間層及び上記リン酸カルシウム系セラミックス層の厚さは、それぞれ０．０５〜５μｍであり、上記細孔の内表面における上記中間層及び上記リン酸カルシウム系セラミックス層の厚さは、それぞれ０．０５μｍ以上であることを特徴とするリン酸カルシウム系多孔質複合体。
【請求項３】
上記基材は、生体内硬組織代替部材である請求項１記載のリン酸カルシウム系多孔質複合体。
【請求項４】
上記基材は、生体内硬組織代替部材である請求項２記載のリン酸カルシウム系多孔質複合体。
【請求項５】
上記リン酸カルシウム系セラミックス層の表面には小孔が形成されている請求項３記載のリン酸カルシウム系多孔質複合体。
【請求項６】
上記リン酸カルシウム系セラミックス層の表面には小孔が形成されている請求項４記載のリン酸カルシウム系多孔質複合体。
【請求項７】
細孔を有する基材の表面及び該細孔の内表面に中間層を形成し、その後、該中間層の表面にリン酸カルシウム系セラミックス層を形成して、請求項１乃至６のいずれかに記載のリン酸カルシウム系多孔質複合体を製造する方法であって、上記リン酸カルシウム系セラミックス層は、カルシウムを含む塩、リンを含む化合物、及びカルシウムイオンとリンイオンのうちの少なくとも一方に配位可能なキレート化剤を溶媒に溶解し、溶液を調製する工程、該溶液を上記中間層の表面に塗布する工程、及びその後の焼成工程をもって形成されることを特徴とするリン酸カルシウム系多孔質複合体の製造方法。
【請求項８】
細孔を有する基材の表面及び該細孔の内表面に中間層を形成し、その後、該中間層の表面にリン酸カルシウム系セラミックス層を形成して、請求項１乃至６のいずれかに記載のリン酸カルシウム系多孔質複合体を製造する方法であって、上記リン酸カルシウム系セラミックス層は、（１）リンを含むキレート化剤とカルシウムを含む塩、（２）カルシウムを含むキレート化合物とリンを含むキレート化合物若しくはそれらの無機塩、（３）カルシウムを含むキレート化合物若しくはその無機塩とリンを含む化合物、及び（４）リンを含むキレート化合物若しくはその無機塩とカルシウムを含む塩、のうちのいずれかを溶媒に溶解し、溶液を調製する工程、該溶液を上記中間層の表面に塗布する工程、及びその後の焼成工程をもって形成されることを特徴とするリン酸カルシウム系多孔質複合体の製造方法。
【請求項９】
細孔を有する基材の表面及び該細孔の内表面に中間層を形成し、その後、該中間層の表面にリン酸カルシウム系セラミックス層を形成して、請求項１乃至６のいずれかに記載のリン酸カルシウム系多孔質複合体を製造する方法であって、上記リン酸カルシウム系セラミックス層は、カルシウムを含むアルコキシド又はカルシウムを含む塩と、リンを含むアルコキシドと、を溶媒に溶解し、溶液を調製する工程、該溶液を上記中間層の表面に塗布する工程、及びその後の焼成工程をもって形成されることを特徴とするリン酸カルシウム系多孔質複合体の製造方法。
【請求項１０】
細孔を有する基材の表面及び該細孔の内表面に中間層を形成し、その後、該中間層の表面にリン酸カルシウム系セラミックス層を形成して、請求項１乃至６のいずれかに記載のリン酸カルシウム系多孔質複合体を製造する方法であって、上記リン酸カルシウム系セラミックス層は、水に、カルシウムを含むアルコキシド又はカルシウムを含む塩と、リンを含むアルコキシドと、を添加し、加水分解させながらゾルを調製する工程、該ゾルを上記中間層の表面に塗布する工程、及びその後の焼成工程をもって形成されることを特徴とするリン酸カルシウム系多孔質複合体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特定の細孔を有する基材の表面、及び細孔の内表面に、シリカ又は窒化チタンからなる薄層を設け、更にその表面にリン酸カルシウム系の被膜を設けたリン酸カルシウム系多孔質複合体及びその製造方法に関する。本発明の多孔質複合体は、特に、上記基材が金属、セラミックス等からなる生体内硬組織代替部材である場合に有用であり、優れた強度と生体活性とを併せ有する人工骨、人工歯根、人工関節等を得ることができる。
【０００２】
【従来の技術】
リン酸カルシウム化合物は生体活性に優れ、その焼結体は生体の骨と化学的に結合、又は骨に置換される材料であることが知られている。しかし、生体内硬組織代替材料としては、その強度、靱性、耐摩耗性等が十分ではない。一方、アルミナ、ジルコニア、チタン、ステンレス鋼等、セラミックス或いは金属材料も生体内硬組織代替部材として使用されている。これらは強度等は優れるものの、生体不活性である。そのため、チタン等からなる生体内硬組織代替部材の表面に、リン酸カルシウム系の被膜が形成された、強度、生体活性ともに優れた生体内硬組織代替部材が開発されている。
【０００３】
しかし、現在使用されている上記の高強度の素材は、強度を高めるため、金属基材では所要の添加剤、セラミックスでは特定の焼結助剤が配合されている。そして、これらの添加剤、焼結助剤には、クロム、バナジウムなどの生体に対して毒性を有するものが含まれている場合も多い。また、この金属基材等の表面に設けられたアパタイト、第三リン酸カルシウム等からなる被膜は、生体内で徐々に溶解し、剥離してしまうことも知られている。そのため、長期にわたって埋植される生体内硬組織代替部材では、被膜がすべて剥離してしまって、金属基材等が生体内に溶出し、炎症を起こすことがある。一方、ステンレス鋼等では、基材が体液によって腐食されてしまうという問題もある。
【０００４】
上記のように、金属、セラミックス等からなる基材の表面に、リン酸カルシウム系の被膜を形成する方法としては、プラズマ溶射法、ガラス融着法及びゾルゲル法により得られるスラリーを、基材に塗布し、焼成する方法等が挙げられる。しかし、プラズマ溶射法では、高温で操作されるため、基材及び被膜の劣化、分解等を生ずることがある。一方、ゾルゲル法でも、スラリーを塗布した後の焼成工程において、基材表面の酸化劣化を生ずる等、それぞれ問題がある。
【０００５】
尚、特開平６−１５４２５７号公報には、チタン合金等からなる基材層の表面に、例えばチタンの粗い粒子と微細な粒子とを交互にプラズマ溶射するなどして、１５０〜３５０μｍの径の気孔を含む凹凸被膜を形成し、この気孔内面に、生体活性物質としてバイオガラスをコーティングしたインプラント部材が開示されている。そして、この凹凸被膜は、プラズマ溶射時に完全に融解するチタンの微細粒子が接着剤として作用し、被膜が外力によって脱落するのが防止されるとしている。
【０００６】
しかし、特に基材層と被膜を構成する材料が異なる場合など、また、たとえ同一或いは類似の材料であっても、基材そのものが細孔を有する場合と比べれば、強度的に不十分であることは否めない。基材そのものが細孔を有する場合、細孔部分のみが剥がれてしまうなどということはないが、上記公報に記載のインプラント部材では、より小さい外力によってこれら基材層と凹凸被膜との間で剥離してしまうことがあり得る。また、凹凸被膜の形成は上記のような複雑な方法を必要とし、製造方法の点においても不利である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記問題点を解決するものであり、基材とリン酸カルシウム系セラミックス層（以下、ＣＰ系セラミックス層という。）との間に、緻密で、腐食され難く、且つ生体に溶出せず、毒性のない中間層を設けることを特徴とする。それによって、ＣＰ系セラミックス層が剥離し難く、また、チタンのように表面に酸化物、窒化物等が生成し易い金属基材であっても、劣化することがない。更に、ＣＰ系セラミックス層が剥離した場合も、基材中の有害成分の溶出、基材の腐食等を生ずることがない。本発明は、このような種々の特性を備えたリン酸カルシウム系多孔質複合体及びその製造方法を提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
第１発明及び第２発明の各リン酸カルシウム系多孔質複合体は、細孔を有する基材、該基材の表面及び該細孔の内表面に設けられた中間層、並びに該中間層の表面に設けられたＣＰ系セラミックス層からなり、上記細孔の直径は１０μｍ〜１ｍｍであり、上記基材の表面における上記中間層及び上記ＣＰ系セラミックス層の厚さは、それぞれ０．０５〜５μｍであり、上記細孔の内表面における上記中間層及び上記ＣＰ系セラミックス層の厚さは、それぞれ０．０５μｍ以上であることを特徴とする。
【０００９】
尚、細孔の直径は、この種の多孔質体の細孔径測定の常法である水銀圧入法等によって特定することができる。また、中間層及びＣＰ系セラミックス層の厚さは、複合体の破断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）によって観察して測定することができる。更に、この厚さは、これら各層を気相法によって形成する場合は、堆積速度から算出することもできる。
【００１０】
上記「細孔を有する基材」としては、各種の金属基材又はセラミックス等を使用することができる。金属基材としては、チタン、チタン合金、ステンレス鋼等からなる基材が挙げられる。セラミックスとしては、アルミナ、ジルコニア等を用いることができる。この基材は、第３発明及び第４発明のように、予め人口骨、人口歯根、人口関節等、所定の形状に成形された「生体内硬組織代替部材」であることが好ましい。また、生体内硬組織代替部材の場合、金属としては、生体に対する毒性がなく、且つ耐腐食性に優れるチタン及びチタン合金が好ましい。
【００１１】
第１発明における上記「中間層」は、シリカによって構成される。Ｓｉは骨形成を促進する作用があると考えられるため好ましい。
また、第２発明における上記「中間層」は、窒化チタンによって構成される。
【００１２】
基材の表面及び細孔の内表面における中間層の厚さが０．０５μｍ未満では、上記「ＣＰ系セラミックス層」の剥離を確実に防止することができない。また、ＣＰ系セラミックス層が剥離した場合に、基材の有害成分等の溶出を十分に防止することができない。更に、ＣＰ系セラミックス層の厚さが０．０５μｍ未満では、優れた生体活性が長期に渡って維持されない。尚、基材の表面における中間層及びＣＰ系セラミックス層の厚さは５μｍ、更には３μｍであれば十分に所要の効果が奏され、それ以上厚くする必要はない。
【００１３】
上記の中間層及びＣＰ系セラミックス層の厚さは、いずれも特に０．１μｍ以上、更には０．５μｍ以上とすることが好ましい。各層が、これ以上の厚さであれば、ＣＰ系セラミックス層の剥離が抑えられ、また、ＣＰ系セラミックス層が剥離した場合にも、基材成分の溶出が十分に防止される。更に、ＣＰ系セラミックス層による生体活性の効果も長期に渡って維持される。しかも、チタンなどの酸化等され易い基材の、酸化、窒化等も十分に抑えられる。
【００１４】
基材の上記「細孔」は外部へ連通している必要がある。そして、その直径が１０μｍ未満では、有効な厚さの中間層及びＣＰ系セラミックス層を形成した場合に、ＣＰ系セラミックス層によって細孔内に形成される小孔の径が過少となって、新生生体組織の侵入が難しくなる。細孔の直径が１ｍｍを越えると、小孔内に侵入し、固着した新生生体組織が脱落し易くなる。細孔の直径は２０〜５００μｍ、特に５０〜３００μｍ程度が好ましい。細孔の直径がこの範囲であれば、相対的に薄層である中間層及びＣＰ系セラミックス層の厚さによらず、新生生体組織の形成に適した径を有する小孔が形成される。
【００１５】
尚、細孔内において、ＣＰ系セラミックス層によって、その表面が形成された小孔の直径が数μｍ未満である場合は、新生生体組織の小孔内への侵入が困難となる。この小孔の直径は、細孔の直径と細孔内の中間層及びＣＰ系セラミックス層の厚さとを考慮しつつ、２０〜５００μｍ、特に５０〜３００μｍ程度とすることが好ましい。小孔の直径がこの範囲であれば、新生生体組織は小孔の内部に容易に侵入することができ、小孔内の生体活性の高いＣＰ系セラミックス層に強固に固着され、容易に脱落することがない。
【００１６】
第７発明のリン酸カルシウム系多孔質複合体の製造方法は、細孔を有する基材の表面及び該細孔の内表面に中間層を形成し、その後、該中間層の表面にリン酸カルシウム系セラミックス層を形成して、第１乃至第６発明のいずれかのリン酸カルシウム系多孔質複合体を製造する方法であって、上記リン酸カルシウム系セラミックス層は、カルシウムを含む塩、リンを含む化合物、及びカルシウムイオンとリンイオンのうちの少なくとも一方に配位可能なキレート化剤を溶媒に溶解し、溶液を調製する工程、該溶液を上記中間層の表面に塗布する工程、及びその後の焼成工程をもって形成されることを特徴とする。
【００１７】
この中間層は、Ｓｉ元素又はＴｉ元素を含む化合物を適宜の溶媒に溶解して溶液とし、この溶液中に基材を浸漬し、取り出した後、乾燥し、酸化雰囲気下、５００〜８００℃の温度で焼成して酸化物とするゾル−ゲル法によって形成することができる。また、ＣＶＤ法及び基材そのものを酸化物等とする方法によって形成することもできる。ＣＶＤ法では、例えばＳｉ（ＯＣ２Ｈ５）４等を昇華させ、３００〜５００℃程度に調温されたチャンバ内に基材を置き、酸素ガスを流通させて、基材の表面及び細孔内表面に上記の化合物等を堆積させて中間層を形成する。
【００１８】
更に、基材そのものに中間層を形成する上記元素が含まれる場合には、基材を酸化雰囲気、窒素雰囲気等において加熱し、上記元素の酸化物層又は窒化物層等として中間層を形成する。尚、この中間層は、操作上、やや難しい面もあるが、スパッタ法によって形成することもできる。スパッタ法では、例えばターゲットをスパッタし、３００〜５００℃程度の加熱した基材の表面及び細孔内表面に堆積させ、必要に応じて酸素ガスを吹き付けて酸化物とすることにより中間層を形成する。
【００１９】
また、第８、第９及び第１０発明は、それぞれＣＰ系セラミックス層を形成するための原料が第７発明とは異なっている。第８発明では、（１）リンを含むキレート化剤（カルシウムイオンとリンイオンのうちの少なくとも一方に配位可能な化合物）とカルシウムを含む塩、（２）カルシウムを含むキレート化合物（キレート化剤がカルシウムに配位して生成する化合物）とリンを含むキレート化合物若しくはそれらの無機塩、（３）カルシウムを含むキレート化合物若しくはその無機塩とリンを含む化合物、及び（４）リンを含むキレート化合物若しくはその無機塩とカルシウムを含む塩、のうちのいずれかを使用する。また、第９及び第１０発明では、カルシウムを含む塩又はカルシウムを含むアルコキシドと、リンを含むアルコキシドを用いる。尚、第９発明では溶液を、第１０発明ではゾルを調製する。
【００２０】
上記「カルシウムを含む塩」としては、下記の各種の無機塩及び有機塩を使用することができる。無機塩としては、硝酸塩、塩化物、臭化物、ヨウ化物、塩素酸塩、亜塩素酸塩、亜硝酸塩及び亜硫酸塩等が挙げられる。また、有機塩としては、酢酸塩、シュウ酸塩、乳酸塩、酒石酸塩、クエン酸塩、安息香酸塩、イソ酪酸塩及びマレイン酸塩等を用いることができる。更に、上記「リンを含む化合物」としては、塩及びエステル等が挙げられ、塩としては、上記のカルシウムの場合と同様の各種塩を使用することができる。尚、カルシウムを含む塩、リンを含む塩、いずれの場合も炭酸塩、硫酸塩等の水などの溶媒に溶け難い塩ではキレート化反応が遅く、好ましくない。
【００２２】
上記「キレート化剤」としては、「カルシウムイオンとリンイオンのうちの少なくも一方に配位可能」なものを使用することができる。例えば、ジメチルグリオキシム、ジチゾン、オキシン、アセチルアセトン、グリシン、エチレンジアミン四酢酸（ＥＤＴＡ）及びニトリロ三酢酸等が挙げられる。これらのキレート化剤の中では、溶解度が高く、反応性に優れるＥＤＴＡが好ましい。
【００２３】
ＣＰ系セラミックス層を形成するための原料として、第８発明において使用する上記「リンを含むキレート化剤」としては、例えば１−ヒドロキシエタン−１，１−ビスホスホン酸、メチレンジホスホン酸、メチルホスホン酸、プロパン−１，２−ジホスホン酸、ニトリロ−トリ−（メチレンホスホン酸）、ブタン−１，４−ジホスホン酸、Ｎ−（カルボキシメチル）イミノビス−（メチルホスホン酸）及びＮ−エチルイミノビス−（メチルホスホン酸）等のホスホン酸類が挙げられる。
【００２４】
更に、ホスホノメチルイミノジ酢酸、Ｎ−２−ホスホノエチルイミノジ酢酸、リン酸−１−グルコース、リン酸水素フルクトース及びリン酸−１−グリセロール等を用いることもできる。この他、２以上のリン原子を含む複合リン化合物なども、リンを含むキレート化剤であれば、いずれも使用することができる。また、第８発明では、各種の「カルシウムを含むキレート化合物」及び「リンを含むキレート化合物」を使用することができる。更に、それらキレート化合物のアルカリ金属塩、アルカリ土類金属塩などの「無機塩」を用いることもでき、特に限定はされない。尚、カルシウムを含む塩及びリンを含む化合物としては、第７発明において記載したものを同様に使用することができる。
【００２５】
ＣＰ系セラミックス層を形成するための原料として、第９及び第１０発明において使用する上記「カルシウムアルコキシド」としては、例えば、カルシウムメトキシド、カルシウムエトキシド等、低級のアルコキシドを使用することができる。このカルシウムアルコキシドを使用した場合も、カルシウムを含む塩の場合とまったく同様の操作によって容易にリン酸カルシウム系セラミックスを製造することができる。しかし、カルシウムを含む塩では、濃度をより高くして操作しても何ら問題がないため、アルコキシドよりも塩の使用がより好ましい。
【００２６】
上記「リンを含むアルコキシド」としては、例えば、リン酸メトキシド、リン酸エトキシド、リン酸プロポキシド及びリン酸ブトキシド等、低級のアルコキシドを用いることができる。この第９発明の混合系では、リンを含むアルコキシドの反応性が低く、通常の条件ではリンとカルシウムとが反応して沈殿を生ずることはないため、均一な溶液とすることができる。一方、第１０発明では、これらアルコキシドを水に添加し、加水分解させて「ゾル」を調製する。
【００２７】
第７〜９発明において、上記「溶媒」としては、各成分が容易に溶解するものを用いることができる。例えばメタノール、エタノール等のアルコール類、アセトン、メチルエチルケトン等のケトン類等が挙げられ、特にアルコール類が好ましい。これら有機溶媒は表面張力が小さく、中間層に対して濡れ易い。そのため、中間層に塗布した場合に、特に、その表面の凹凸が激しい場合であっても、均一な厚さのＣＰ系セラミックス層が形成される。また、一般に沸点が低く、中間層に塗布した後、加熱、乾燥することにより、容易に気化し、除去することができる。
【００２８】
溶媒としては水を使用することもできる。水の場合も同様に容易にキレート化し、安定なキレート化合物が生成する。また、キレート化合物は有機溶媒の場合と同様に速やかに溶解する。しかし、水は上述の有機溶媒に比べて一般に中間層に対して濡れ難く、塗布した場合に、特に角部などでＣＰ系セラミックス層が厚くなったり、不均一となったりすることがある。また、比較的沸点が高いため、乾燥、除去に、より高温、長時間の加熱を要する。尚、ＥＤＴＡなどの有機溶媒に溶け難いものを使用する場合は、水を使用することになる。
【００２９】
上記「溶液」は、溶媒に各成分を溶解して調製されるが、各成分の添加順序は特に限定はされない。どのような添加順序であっても、容易にキレート化合物が生成し、又はキレート化合物は速やかに溶解し、カルシウム分等の沈殿はまったくなく、均質、透明な溶液となる。この溶液を中間層に塗布して製膜し、必要に応じて乾燥、熱処理をした後、焼成することにより、ＣＰ系セラミックス層を形成することができる。
【００３０】
溶液又はゾル中のカルシウムとリンとの原子比（Ｃａ／Ｐ）は、１．４〜１．７５とすることが好ましい。原子比をこの範囲として、６００〜１３００℃の温度範囲で焼成する。これにより、水酸アパタイト相（ＨＡｐ：Ｃａ／Ｐ＝１．６７）が得られ、またリンの量比が高い場合は、第三リン酸カルシウム相（ＴＣＰ：Ｃａ／Ｐ＝１．５）が生成する。このカルシウムとリンとの原子比は、出発原料のＣａ／Ｐ比によって容易に制御することができ、ＨＡｐとＴＣＰとの混合相とすることもできる。
【００３１】
また、溶液又はゾル中のカルシウムとリンとの合計モル濃度は、０．２５モル／リットル未満とすることが好ましい。このモル濃度が０．２５モル／リットルを越えると、溶液の場合、調製時には透明な溶液が得られるものの、濃縮した場合に、結晶が析出したり、表面が白濁したりすることがある。これは焼成工程における不純物相生成の原因となるため好ましくない。このような現象は上記のモル濃度が０．２５モル未満であれば生ずることはない。本発明では、このカルシウムとリンとの合計モル濃度は、さらに低濃度、例えば実施例にあるように０．０５モル／リットル程度であってもよい。
【００３２】
尚、第８発明では、リンを含むキレート化剤、カルシウムを含むキレート化合物及びリンを含むキレート化合物を使用しており、カルシウムとリンとの組成比の制御が極めて容易である。そして、溶液から、溶媒及びキレート化剤等に含まれる有機分を除去して得られるリン酸カルシウム化合物は、均質性に優れ、且つ高純度である。また、通常使用されているキレート化剤、例えばＥＤＴＡなどに比べて有機分が少なく、比較的低温、短時間で除去することができる。
【００３３】
更に、上記のキレート化剤及びキレート化合物には、そのものにリン酸カルシウム化合物を構成する元素が含まれており、この点においても有利である。また、操作性にも優れ、特殊な装置、操作等を要することもなく、不純物層のない均質なＣＰ系セラミックス層を容易に形成することができる。
【００３４】
尚、ＥＤＴＡ等の従来より使用されているキレート化剤を使用する場合、上記溶液のｐＨを４以上に保持することが好ましい。ｐＨが４以上であれば、安定な溶液状態が維持される。しかし、ｐＨが４未満になると溶液から結晶が析出することがある。この析出する結晶はＥＤＴＡ等であるが、ｐＨが低い場合は、錯体の安定度が低下するため析出するものと考えられる。溶液のｐＨは、アルカリ性側へはアンモニア水、酸性側へは塩酸を加えることにより、容易に調整することができる。
【００３５】
中間層に対する溶液又はゾルの「塗布」は、流延、噴霧、浸漬、スピニング等の通常の方法によって実施することができる。尚、得られる溶液をそのまま塗布してもよいが、数倍、例えば５〜１５倍程度に濃縮した後、塗布することもできる。このように濃縮した場合は、ＣＰ系セラミックス層が厚くなり、また緻密になるため好ましい。この濃縮は、１００〜１５０℃で加熱、又は４０〜９０℃で加熱しながら減圧し、溶媒を徐々に除去することにより行うことができる。このようにして濃縮すれば、溶液に沈殿を生ずることはなく、粘度は上昇してやや粘稠とはなるものの、透明な溶液が得られる。
【００３６】
上記「焼成」の条件は熱処理の有無によって適宜設定する。熱処理工程を別途設けない場合は、有機分を除くためもあって、空気等、酸化雰囲気下に、６００〜１３００℃、特に７００〜１０００℃の温度で、３０分間から２時間程度焼成する必要がある。この方法では、酸化雰囲気下、高温に晒されるため、中間層が酸化等を受け易く、劣化によって初期の機能を果たすことができなくなることもあり、そのような場合、この方法は適用することができない。尚、特に熱処理をしない場合は、焼成の前に、適宜条件で塗膜を乾燥し、予め溶媒を除去しておいてもよい。
【００３７】
熱処理を施した場合は、焼成は酸化雰囲気である必要がないため、中性又は還元性雰囲気下に実施する。中性雰囲気とは、アルゴン等、不活性ガス雰囲気、窒素ガス雰囲気及び高真空雰囲気などである。また、還元性雰囲気とは、この中性雰囲気中に、通常、２〜５％程度の水素を混在させた雰囲気である。焼成の温度は６００〜１３００℃、特に６００〜１０００℃の範囲が好ましい。また、焼成の時間は５〜３０分、特に１０〜２０分程度でよく、これによってリン酸カルシウム化合物を十分に焼結させることができる。
【００３８】
上記熱処理は、中間層に溶液又はゾルを塗布した後、焼成に先立って、酸化雰囲気下、加熱して実施する。この熱処理は、昇温過程の早い段階で溶媒を除去し、その後、キレート化合物等を含む残分から、炭素等の有機分を除いて、リン酸カルシウム化合物を生成させる工程である。酸化雰囲気とは、通常、空気雰囲気である。
【００３９】
また、熱処理の温度は、基材及び中間層を構成する素材の耐熱性等を考慮し、適宜設定すればよい。通常は２５０〜５５０℃、特に４５０〜５５０℃の範囲とすることが好ましい。処理温度が２５０℃未満では、有機分を十分に除去できないことがあり好ましくない。中間層の劣化等が問題とならなければ、上記の上限を越えて高温において熱処理することもできる。しかし、有機分は上記の温度の上限の範囲内で十分に除くことができ、上限を越えて高温とする必要はない。
【００４０】
尚、上記の熱処理において、昇温速度を７℃／分未満、特に５℃／分以下とすることが好ましい。昇温速度をこのような範囲とすることは、特に有機分が除去される温度範囲において重要である。有機分の燃焼除去の工程における昇温速度が７℃／分以上である場合は、ＣＰ系セラミックス層に発泡の痕跡が認められ、１０℃／分以上であると、中間層表面に部分的に被覆されていない箇所を生ずることがある。昇温速度を５℃／分以下とすれば、平滑で、且つ緻密なＣＰ系セラミックス層とすることができる。
【００４１】
リン酸カルシウム化合物を含む溶液又はゾルを塗布してＣＰ系セラミックス層を形成する場合、通常、一度の塗布では、数百ｎｍ程度の薄膜しか得られない。しかし、生体硬組織代替部材の用途では、このような薄膜では、新生生体組織が構成される前にＣＰ系セラミックス層がすべて溶けてしまう可能性がある。この場合、溶液又はゾルの塗布及び熱処理の操作を数回繰り返し、その後、焼成を実施することにより、所定厚さのＣＰ系セラミックス層とすることができる。また、濃縮溶液を使用すれば、塗布及び熱処理の繰り返し回数を減らすことができ、実用上、特に効果が大きい。
【００４２】
チタン、チタン合金、ステンレス鋼等の金属、又はアルミナ、ジルコニア等のセラミックスなどからなる生体硬組織代替部材は、強度が大きく、毒性もないが、生体活性に乏しい。一方、リン酸カルシウム系化合物からなる生体硬組織代替部材は、強度は小さいが、生体活性に優れる。従って、上記のようなＣＰ系セラミックス層を形成すれば、強度、生体活性ともに優れた生体硬組織代替部材が得られる。本発明の方法では、特にリンを含むキレート化剤、カルシウム又はリンを含むキレート化合物等を用いて、均質且つ安定な溶液などを得ることができる。そのため、均一な厚さのＣＰ系セラミックス層を容易に形成することができ、優れた性能の生体硬組織代替部材を得ることができる。
【００４３】
【発明の実施の形態】
以下、実施例によって本発明を詳しく説明する。
実施例１
(1) 中間層の形成
細孔（直径；５０〜５００μｍ）を有するステンレス鋼の平板からなる基材を、シリコンのアルコキシドを加水分解して調製した水溶液に浸漬し、取り出した後、乾燥し、７００℃で焼成してシリカからなる中間層（厚さ；０．１μｍ）を形成した。
【００４４】
(2) ＣＰ系セラミックス層の形成
蒸留水１リットル中に、硝酸カルシウムを３．１２５×１０-2モル溶解した溶液に、ＥＤＴＡのアンモニウム塩を等モル量添加し、３０分間攪拌し反応させた。この反応溶液にリン酸アンモニウムを１．８７５×１０-2モル加え（カルシウムとリンとの合計モル濃度；０．０５モル／リットル）、透明溶液となるまで更に攪拌した。その後、１２０℃に加熱して溶媒を徐々に除去し、１０倍に濃縮した後、ｐＨを４．０に調整した。この濃縮溶液中に、上記の中間層を設けた基材を浸漬し、取り出した後、空気雰囲気下、昇温速度５℃／分で５００℃まで昇温して熱処理した。この製膜と熱処理とを繰り返し行って所定厚さとした後、アルゴン雰囲気下、６００〜１１００℃で１０分間焼成してＣＰ系セラミックス層（厚さ；１μｍ）を形成した。
【００４５】
(3) 形成されたＣＰ系セラミックス層の評価
形成されたＣＰ系セラミックス層をＳＥＭによって観察したところ、焼成温度の高低にかかわりなく、クラック等は認められず、中間層との剥離もなく、その表面は平滑であった。また、ＣＰ系セラミックス層により表面が形成された直径約５０〜５００μｍの多数の小孔が観察された。尚、図１は、８００℃で焼成した場合のＣＰ系セラミックス層のＸ線回折の結果である。それによれば結晶相は分解生成物、基材及び中間層との反応生成物等の不純物相のないＨＡｐ単相であることが分った。更に、ビッカース圧子埋入試験を行ったが、ＣＰ系セラミックス層の剥離は認められず、密着性は良好であった。
【００４６】
実施例２
基材を細孔（直径；２０〜３００μｍ）を有するチタンの平板とし、焼成温度を８００℃とした他は、実施例１と同様にして中間層（厚さ；０．１μｍ）を形成し、同様にして中間層の表面にＣＰ系セラミックス層（厚さ；１μｍ）を形成した。形成されたＣＰ系セラミックス層をＳＥＭによって観察したところ、クラック等は認められず、中間層との剥離もなく、その表面は平滑であった。また、ＣＰ系セラミックス層により表面が形成された直径約２０〜３００μｍの多数の小孔が観察された。更に、このＣＰ系セラミックス層の結晶相は分解生成物、基材及び中間層との反応生成物等の不純物相のないＨＡｐ単相であることがＸ線回折により確認された。尚、ビッカース圧子埋入試験を行ったが、ＣＰ系セラミックス層の剥離は認められず、密着性は良好であった。
【００４７】
実施例３
基材を実施例２の場合と同じチタンの平板とし、この基材を、窒素雰囲気下、５００℃で３０分間加熱して表面及び細孔内表面に窒化チタンからなる中間層（厚さ；０．２μｍ）を形成した。また、硝酸カルシウムに代えて塩化カルシウムを用い、焼成温度を８００℃とした他は、実施例１と同様にして中間層の表面にＣＰ系セラミックス層（厚さ；１μｍ）を形成した。形成されたＣＰ系セラミックス層をＳＥＭによって観察したところ、クラック等は認められず、中間層との剥離もなく、その表面は平滑であった。また、ＣＰ系セラミックス層により表面が形成された直径約２０〜３００μｍの多数の小孔が観察された。更に、このＣＰ系セラミックス層の結晶相は分解生成物、基材及び中間層との反応生成物等の不純物相のないＨＡｐ単相であることがＸ線回折により確認された。尚、ビッカース圧子埋入試験を行ったが、ＣＰ系セラミックス層の剥離は認められず、密着性は良好であった。
【００４８】
参考例１
（１）中間層の形成
細孔（直径；１００〜７００μｍ）を有するコバルト−クロム合金の平板からなる基材を用い、ＭＯ−ＣＶＤ法によって、その条件を適宜調整して製膜し、７００℃で６０分間熱処理して、酸化ジルコニウムからなる中間層（厚さ；０．５μｍ）を形成した。
【００４９】
(2) ＣＰ系セラミックス層の形成
蒸留水１リットル中に、塩化カルシウムを３．１２５×１０-2モル溶解した溶液に、ＥＤＴＡのアンモニウム塩を等モル量添加し、３０分間攪拌し反応させた。この反応溶液にリン酸アンモニウムを２．００×１０-2モル加え、透明溶液となるまで更に攪拌した。その後、１２０℃に加熱して溶媒を徐々に除去し、１０倍に濃縮した後、ｐＨを４．０に調整した。この濃縮溶液中に、上記の中間層を設けた基材を浸漬し、取り出した後、空気雰囲気下、昇温速度５℃／分で５００℃まで昇温して熱処理した。この浸漬と熱処理とを繰り返し行って所定厚さとした後、アルゴン雰囲気下、８００℃で１０分間焼成してＣＰ系セラミックス層（厚さ；１μｍ）を形成した。
【００５０】
(3) 形成されたＣＰ系セラミックス層の評価
形成されたＣＰ系セラミックス層をＳＥＭによって観察したところ、クラック等は認められず、中間層との剥離もなく、その表面は平滑であった。また、ＣＰ系セラミックス層により表面が形成された直径約１００〜７００μｍの多数の小孔が観察された。更に、このＣＰ系セラミックス層の結晶相は分解生成物、基材及び中間層との反応生成物等の不純物相のないＴＣＰ単相であることがＸ線回折により確認された。尚、ビッカース圧子埋入試験を行ったが、ＣＰ系セラミックス層の剥離は認められず、密着性は良好であった。
【００５１】
参考例２
スパッタ法によって製膜し、５００℃、６０分の熱処理をして、タンタルからなる中間層（平均厚さ；０．１μｍ、厚さがやや不均一であったため平均厚さとした。）を形成した他は、実施例４と同様にして中間層の表面にＣＰ系セラミックス層（厚さ；１μｍ）を形成した。形成されたＣＰ系セラミックス層をＳＥＭによって観察したところ、クラック等は認められず、基材との剥離もなく、その表面は平滑であった。また、ＣＰ系セラミックス層により表面が形成された直径約１００〜７００μｍの多数の小孔が観察された。更に、このＣＰ系セラミックス層の結晶相は分解生成物、基材及び中間層との反応生成物等の不純物相のないＴＣＰ単相であることがＸ線回折により確認された。尚、ビッカース圧子埋入試験を行ったが、ＣＰ系セラミックス層の剥離は認められず、密着性は良好であった。尚、このスパッタ法では、タンタルプラズマの直進性が大きいため、基材をプラズマに対して種々方向に傾けることにより、細孔内表面へのタンタルの堆積を可能な限り均一なものとした。
【００５２】
参考例３
基材を細孔（直径；５０〜７０μｍ）を有するチタン合金（Ｔｉ６Ａｌ４Ｖ）の平板とし、ＣＶＤ法によって製膜し、６５０℃、６０分の熱処理をして、酸化タングステンからなる中間層（厚さ；０．２μｍ）を形成した他は、実施例４と同様にして中間層の表面にＣＰ系セラミックス層（厚さ；１μｍ）を形成した。形成されたＣＰ系セラミックス層をＳＥＭによって観察したところ、クラック等は認められず、基材との剥離もなく、その表面は平滑であった。また、ＣＰ系セラミックス層により表面が形成された直径約５０〜７０μｍの多数の小孔が観察された。更に、このＣＰ系セラミックス層の結晶相は分解生成物、基材及び中間層との反応生成物等の不純物相のないＴＣＰ単相であることがＸ線回折により確認された。尚、ビッカース圧子埋入試験を行ったが、ＣＰ系セラミックス層の剥離は認められず、密着性は良好であった。
【００５３】
参考例４
（１）中間層の形成
実施例１の場合と同じステンレス鋼の平板からなる基材を、アルミニウムのアルコキシドを部分加水分解して調製した水溶液に浸漬し、取り出した後、乾燥し、８００℃で焼成してアルミナからなる中間層（厚さ；０．３μｍ）を形成した。
【００５４】
(2) ＣＰ系セラミックス層の形成
亜リン酸トリエチル０．１モルをエタノールに溶解させ、乾燥雰囲気下、更にカルシウムエトキシドをＣａ／Ｐが１．６７となるように０．１６７モル添加した。その後、このエタノール溶液中に、上記の中間層を設けた基材を浸漬し、取り出した後、空気雰囲気下、昇温速度５℃／分で５００℃まで昇温して熱処理した。この浸漬と熱処理とを繰り返し行って所定厚さとした後、アルゴン雰囲気下、６００℃で１０分間焼成して、ＣＰ系セラミックス層（厚さ；１μｍ）を形成した。
【００５５】
(3) 形成されたＣＰ系セラミックス層の評価
形成されたＣＰ系セラミックス層をＳＥＭによって観察したところ、クラック等は認められず、中間層との剥離もなく、その表面は平滑であった。また、ＣＰ系セラミックス層により表面が形成された直径約５０〜７０μｍの多数の小孔が観察された。更に、このＣＰ系セラミックス層の結晶相は分解生成物、基材及び中間層との反応生成物等の不純物相のないＨＡｐ単相であることがＸ線回折により確認された。尚、ビッカース圧子埋入試験を行ったが、ＣＰ系セラミックス層の剥離は認められず、密着性は良好であった。
【００５６】
【発明の効果】
第１発明及び第２発明では、金属、セラミックス等からなる細孔を有する基材とＣＰ系セラミックス層との間に、特定の中間層を設けており、緻密で、腐食され難く、且つ生体に溶出せず、毒性のない中間層が形成される。それによって、基材の酸化、基材中の有害成分の溶出等が防止され、また、ＣＰ系セラミックス層が剥離することもない。従って、基材が、第３発明及び第４発明のように、生体内硬組織代替部材である場合、強度が大きく、生体活性が高く、且つ長期に渡ってその優れた性能が維持される生体内硬組織代替部材を得ることができる。
【００５７】
また、上記のように基材の酸化劣化等が防止されるため、基材の選択の幅が広がり、また、得られる複合体の用途等の制約も少なくなる。更に、リン酸カルシウム系セラミックスと熱膨張係数の異なる基材を使用する場合など、その熱膨張係数が両者の中間にある材料からなる中間層とすることにより、基材とＣＰ系セラミックス層との間に発生する応力を緩和することもできる。これによってもＣＰ系セラミックス層の剥離が抑えられる。
【００５８】
第７〜１０発明では、上記のＣＰ系セラミックス層を形成するための原料として、カルシウムを含む塩、リンを含む塩、及びＥＤＴＡ等の通常のキレート化剤の他、リンを含むキレート化剤、カルシウムを含むキレート化合物及びリンを含むキレート化合物、又はカルシウム若しくはリンを含むアルコキシド等を使用している。そのため、これら原料が溶解した均質な水溶液等を容易に調製することができる。それによって、中間層との密着性に優れ、且つ均質なＣＰ系セラミックス層が形成され、上記の優れた性能の生体内硬組織代替部材等を容易に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１における、シリカの表面に形成されたＨＡｐ相のＸ線回折の結果を表すチャートである。
【図１】
0003773301.tif 000002