(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
天然又は合成の有機高分子材料からなる医用インプラント材に対して、該インプラント材の表面に形成する水和ゲルに高いアパタイト形成能を付与する３価以上の高原子価をとり得る金属イオンを添加した過酸化水素水溶液で処理した後、カルシウムイオン及びリン酸イオンを含む擬似体液中で表面にアパタイト層を形成することを特徴とする医用インプラント材の表面処理方法。
【請求項２】
有機高分子材料がシリコーンであり、３価以上の高原子価をとり得る金属イオンは、Ta,Pb,Snの塩化物もしくは硝酸塩である請求項１記載の医用インプラント材の表面処理方法。
【請求項３】
金属材料からなる医用インプラント材に対して、該インプラント材の表面に形成する水和ゲルに高いアパタイト形成能を付与する３価以上の高原子価をとり得る金属イオンを添加した過酸化水素水溶液で処理した後、カルシウムイオン及びリン酸イオンを含む擬似体液中で表面にアパタイト層を形成することを特徴とする医用インプラント材の表面処理方法。
【請求項４】
金属材料はチタン及びチタン合金であり、３価以上の高原子価をとり得る金属イオンは、Ta,Pb,Snの塩化物もしくは硝酸塩である請求項３記載の医用インプラント材の表面処理方法。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか記載の方法により、シロキサン基、水和チタニア基、カルボキシル基、水酸基の親水基を形成した医用インプラント材の表面に、Ta,Pb,Snの１種又は２種以上の金属イオンを含有した水和ゲルが形成され、更に該水和ゲルにアパタイトの被覆層が形成されてなる生体親和性インプラント。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、形成外科、歯科および整形外科の分野で使用される生体親和性に優れた医用インプラント材の表面処理方法及びインプラントに関するものである。より詳しくは、インプラント材の表面に生体親和性もしくは生体活性を付与する方法及びその方法により得られたインプラントに関する。
【０００２】
【従来の技術】
生体内埋め込み用の人工乳房、顔面補綴材や人工臼蓋などの素材としては、ポリ塩化ビニル、シリコーン、ポリウレタン、ポリエチレンなどの有機高分子材料が用いられる。しかしこれらの材料には、しばしば埋入後異物反応による炎症を生じる問題点がある。さらに生体組織と結合する性質はなく、組織と一体化することがないため、長時間に亙る生体内への埋入中にずれや緩みを生じる問題点がある。
【０００３】
一方、生体内への埋入後の炎症反応が小さく、かつ、組織結合性をも示す材料として、生体活性ガラスやヒドロキシアパタイトなど、ある種の無機物質が知られている。これらの中でも生体活性ガラスは、カルシウム及びリン酸イオンを含む擬似体液中や生体内でその表面にアパタイト層を形成する性質を有しており、かかるアパタイト層を介して骨や軟組織と結合することにより生体組織と一体化するもので、生体組織との結合性が必要とされる医療用材料に好適である。しかし、これら生体活性ガラスは医用材料として必要な機械的強度、靭性、柔軟性が不十分な問題点がある
【０００４】
そのため、高分子材料に生体活性を付与する手法として、ポリメチルメタクリレート系セメントや高密度ポリエチレンにヒドロキシアパタイトや結晶化ガラスなどを混合する方法が提案されているが、生体活性を発現するには混合するヒドロキシアパタイトや結晶化ガラスなどの割合を大きくする必要があるため、有機高分子の靭性や強度などの力学的物性を損なう虞がある。
【０００５】
また、高分子や金属からなるインプラント材の表面に生体親和性に優れた生体活性ガラスまたはヒドロキシアパタイトなどのリン酸カルシウム系セラミックスやシラノール基を含有する生体活性物質の被覆層を形成する手法も提供されている。しかし上記生体活性物質の被覆層は、インプラント材の表面に対する密着性が十分とは言えない。さらに、これら改善方法には複雑な製造工程や長い処理時間が必要とされる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、低温で簡便な処理方法を用いて、医用インプラントの表面に人体組織と結合する生体活性を付与することを目的とするものである。すなわち、医用インプラント材として十分な機械的強度、靭性、柔軟性を備え、しかも生体組織との結合性に優れ、密着性の良好なものを得るための方法及びインプラントにつき検討を加えた。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記問題点の解決について鋭意検討した結果、医用インプラント材に対して、該インプラント材の表面に形成する水和ゲルに高いアパタイト形成能を付与する金属イオンを添加した過酸化水素水溶液で処理すると、インプラント材料表面に対して生体組織との適合性が与えられることを見出した。
【０００８】
すなわち、本発明の医用インプラントの表面処理方法は、表面に形成する水和ゲルに高いアパタイト形成能を付与する金属イオンを過酸化水素水溶液に添加して、この溶液で医用インプラント材の表面を改質することを特徴とする。
【０００９】
ここで用いる医用インプラントの素材は、天然又は合成の有機高分子材料や金属材料が広く用いられ、特に限定されるものではないが、インプラント材として必要な機械的強度、靭性を発現するような、これらの単独又は複合体が選ばれる。例えば、有機高分子材料では、ケイ素樹脂のほかセルロース、絹、木綿などの短繊維やウイスカーに近い粉体などが混入されたナイロン、ポリエステル、ポリエチレンなどがあり、表面にシラノール基、カルボキシル基、水酸基のような親水性基が形成し易い材料が用いられる。また、金属材料では、チタン、チタン合金、コバルト−クロム合金、ステンレス鋼などが用いられ、中でもチタンやチタン合金は、水和チタニアの生成により親水性を示すので好ましい。
【００１０】
したがって、本発明の方法により得られる医用インプラントは、インプラント材表面に、上記表面処理方法によりシラノール基あるいは水和チタニア基、カルボキシル基、水酸基などを含む水和ゲルを主成分とする被覆層を形成してなるものであり、更に詳しくは、表面にシロキサン、水和チタニア又はこれらに類似する親水基を形成する医用インプラント材の表面に３価以上の高原子価をとり得る金属イオンを含有する高いアパタイト形成能を有する水和ゲルの被覆層を形成してなる生体親和性インプラントである。
【００１１】
本発明でいう医用インプラント材とは、上記各種の素材からなり、生体内で使用するための成形体を意味する。特に好ましい有機高分子系医用インプラント材の中には、ケイ素を含有し、過酸化水素水により表面にシラノール基が生成するものがあり、生体内で使用するために必要な物性と安全性を有するものであれば形状、使用形態等を特に問わない。例えば、板状、ブロック状、シート状、繊維状、ペレット状など任意の形状のものが使用できる。また、人工乳房、顔面補綴材、骨補填材、人工椎体、人工椎間板、骨スクリューなどの製品形態をしていてもよい。
【００１２】
また、医用インプラント材としての金属の好ましい例には、チタン系金属が挙げられる。チタン系金属はチタン及びチタン合金であって、金属元素も公知のAl,Sn,Fe,Co,Ni,Cu,V,Mo,W,Ta,Agなど、加工性を考慮して適宜選択する。なかでもTi-6Al-4Vが好ましい。
【００１３】
インプラント材を表面処理する過酸化水素水溶液の過酸化水素の濃度は５wt％以上が望ましく、特に短時間の処理を必要とするときは30wt％以上が望ましい。溶液の温度としては、過酸化水素の自己分解が起こらず、かつ、反応速度が大きい程度が望ましく、例えば、30wt％の過酸化水素水溶液では30〜90℃程度が望ましい。水溶液の温度がこれ以上では過酸化水素の自発分解がおこり、これ以下では、材料表面の処理が不十分になりやすい。
【００１４】
過酸化水素水に添加する物質は、３価以上の高原子価をとり得る金属イオンでアパタイトの不均一核形成を誘起する物質を構成する金属イオンであれば何でもよい。具体的には、Ta,Pb,Sn,W,Mo,Ir,Laなどであり、中でもTa,Pb,Snの塩化物もしくは硝酸塩は好結果を得ることができる。
【００１５】
本発明の方法によれば、高分子材料としてのシリコーンエラストマーなどケイ素含有インプラント材の表面に、100℃以下の低温で高い生体親和性もしくは生体活性を付与することができ、特に組織との接合性が要求される部位に用いられる材料として好適になる。過酸化水素中の金属イオンが、処理した材料表面でどの様な状態で存在し、アパタイト形成を促進するのか、その原因は明らかでないが、おそらくインプラント材の表面に形成する水和ゲル中に微量に該金属酸化物が吸着、残存し、アパタイトの不均一核形成を誘起する働きを発現すると考えられる。
【００１６】
また、チタンを含有するインプラント材の場合は、特に骨との接合性が要求される人工骨用材料として好適に用いられる。そして、過酸化水素処理で表面に生成する水和チタニアゲルに対して、上記、Ta,Pb,Sn等の金属イオンの存在は高いアパタイト形成能を付与するのである。
【００１７】
上記表面処理を施した医用インプラント材はカルシウムイオン及びリン酸イオンを含む擬似体液中や体内で表面にアパタイト層を形成する。従ってこれらの処理を施した医用インプラント材は、生体内でアパタイト層を介して生体組織と一体化する。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態につき、実施例により具体的に説明する。なお、本発明は、これら実施例に限定されるものではない。
【００１９】
[実施例１]
まず、30wt％のH2O2を含む水溶液に５mmol/dm3の濃度になるようにTaCl5を溶かした。これを反応溶液とした。図１に示されるようなポリスチレン製サンプル瓶に反応溶液30mlを入れ、これにシリコーンエラストマープレート（10×10×１mm)を浸漬し、これを60℃で７日間保持した。シリコーンエラストマープレートを反応溶液から取り出し、蒸留水にて洗浄した後、室温で乾燥させた。
【００２０】
表１に示す各種のイオンを表１に示す濃度で含有する水溶液を文献[大槻ら、ジャーナル・オブ・ノンクリスタリン・ソリッズ(Journal of Non-Crystalline Solids)、第143巻、第84〜92頁(1992年)参照]に記載の方法に従って調製し、トリス(ヒドロキシメチル)アミノメタンと塩酸を用いてｐＨを7.25に調整した(以下、これを擬似体液(ＳＢＦ)と略称する)。
【００２１】
【表１】
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【００２２】
上記で得た、表面処理したシリコーンエラストマープレートを、擬似体液40ml中に36.5℃にて浸漬した。一定時間おきにシリコーンエラストマープレートを取り出し、フーリエ変換赤外線反射スペクトル(以下ＦＴ-ＩＲ反射スペクトルと略記)および薄膜Ｘ線回折パターンを測定した。その結果、図２で示されるように、浸漬後３日で、ＦＴ-ＩＲ反射スペクトル上に、ヒドロキシアパタイトに対応するピーク(1130cm~1、1040cm~1、610cm~1、570cm~1)が認められた。また、図３で示されるように、Ｘ線回折パターンにおける２θ＝26゜および32゜のピークから、ヒドロキシアパタイトの結晶構造が確認された。以上のことから、シリコーンエラストマープレート表面にヒドロキシアパタイト層が形成されていることが確認された。このヒドロキシアパタイトの層は、図４で示されるような微細な粒子より構成されていた。なお、ヒドロキシアパタイト層の厚さは約10μmであった。
【００２３】
[実施例２]
実施例１において、過酸化水素水溶液に加える物質がSnCl2または、PbCl2で、それぞれ５mmol/dm3の濃度になるようにしたこと以外は、実施例１と同様の操作により、表面処理したシリコーンエラストマープレートを得た。得られたシリコーンエラストマープレートを擬似体液40ml中に36.5℃で７日間浸漬した。ＦＴ-ＩＲ反射スペクトルおよび薄膜Ｘ線回折パターンの測定により、材料表面にヒドロキシアパタイト層が形成されていることが確認された。
【００２４】
[実施例３]
実施例１において、シリコーンエラストマープレートに代えてポリジメチルシロキサンとテトラエトキシシランを出発原料に用いて加水分解脱水縮合により得られた材料(Ormosils型複合材料)を使用したこと以外は、実施例１と同様の操作により、表面処理した材料を得た。
得られた材料を擬似体液40ml中に36.5℃で７日間浸漬した。ＦＴ-ＩＲ反射スペクトルおよび薄膜Ｘ線回折パターンの測定により、材料表面にヒドロキシアパタイト層が形成されていることが確認された。
【００２５】
[実施例４]
実施例１において、シリコーンエラストマープレートに代えてポリビニルメトキシシランを出発原料に用いた高分子材料を使用したこと以外は、実施例１と同様の操作により、表面処理した材料を得た。得られた材料を擬似体液40ml中に36.5℃で７日間浸漬した。ＦＴ-ＩＲ反射スペクトルおよび薄膜Ｘ線回折パターンの測定により、材料表面にヒドロキシアパタイト層が形成されていることが確認された。
【００２６】
[実施例５]
チタン合金プレート(15×10×1mm)として、[Ti-6l-４V]合金を用い、これを30wt％のH2O2を含む水溶液に２mmol/dm3の濃度になるようにTaCl5を溶かした反応溶液に、実施例１に示す方法で浸漬・処理をした。これを表１に示す擬似体液中に36.5℃で浸漬・処理した。
【００２７】
一定時間おきにチタン合金プレートを取り出し、ＦＴ-ＩＲ反射スペクトル(図５(時間は擬似体液浸漬時間、○はアパタイトの存在を示す))および薄膜Ｘ線回析パターン(図６(時間は擬似体液浸漬時間、○はアパタイトの存在を示す))を測定した。図５から、ＦＴ-ＩＲ反射スペクトル上に、ヒドロキシアパタイトに対応するピーク(1130cm~1、1040cm~1、610cm~1、570cm~1)が認められた。また、図６からは、浸漬後３日で、Ｘ線回折パターンにおける２θ＝26゜および32゜のピークから、ヒドロキシアパタイトの結晶構造が確認された。以上のことから、チタン合金プレート表面にヒドロキシアパタイト層が形成されていることが確認された。なおヒドロキシアパタイト層の厚さは約10μmであった。
【発明の効果】
【００２８】
本発明の方法によれば、医用インプラント材として物理的性質の優れた有機高分子材料や金属材料の表面に、100℃以下の低温できわめて簡便な手法で生体活性を付与することができるので、特に組織との接合性が要求される生体組織代替材料として好適に用いられる、医療産業上優れた効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１のシリコーンエラストマープレートの表面処理の概略図である。
【図２】実施例１の表面処理したシリコーンエラストマープレートの擬似体液浸漬後のＦＴ-ＩＲ反射スペクトル(時間は擬似体液浸漬時間、○はアパタイトの存在を示す)である。
【図３】実施例１の表面処理したシリコーンエラストマープレートの擬似体液浸漬後の薄膜Ｘ線回折パターン(時間は擬似体液浸漬時間、○はアパタイトの存在を示す)である。
【図４】実施例１の表面処理したシリコーンエラストマープレートの擬似体液浸漬後の走査電子顕微鏡写真である。
【図５】実施例５の表面処理したチタン合金プレートの擬似体液浸漬後のＦＴ-ＩＲ反射スペクトルである。
【図６】実施例５の表面処理したチタン合金プレートの擬似体液浸漬後の薄膜Ｘ線回析パターンである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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