総説

セラミックス基盤工学研究センター年報 (2006).  Vol. 6,  40 - 45

生体用セラミックスの開発２近藤 和夫
名古屋工業大学セラミックス基盤工学研究センター〒 507-0071 岐阜県多治見市旭ヶ丘 10-6-29

Development of Bioceramics IIKazuo Kondo
Ceramics Research Laboraory, Nagoya Institute of Technology
Asahigaoka 10-6-29, Tajimi 507-0071 Japan
Implantation of synthetic bone substitutes or bone from another part of personʼ s body autograft or from another human patient allograftis one of medical treatment for regeneration of lost or damaged bone in a living body. Ceramics are very useful material to the applicationof repair as the synthetic bone substitute, because they are more stable than polymer and metal in a living body and have excellent
biocompatibility. Recently, the ceramics, what is called “bioceramics” have been put to practical use as an artiﬁcial bone, teeth and joint,
as shown in ﬁgure 1. In this report, the kind, the present state, the problem and the future view of “bioceramics” (bioinert-ceramics) arediscussed.
[Received January 30, 2007; Accepted March 9, 2007]

なセラミックスとしてはリン酸カルシウム系が代表的な

１．はじめにもので、種類としてはハイドロキシアパタイト、リン酸
医療分野において、外傷や疾病などにより生じた骨欠損部の再建修復には、自家骨や同種骨などの骨移植やセラミックス等の人工材料の補填が行われている。特に、アルミナ等のセラミックスは金属や高分子に比べ、生体内で安定であり、生体組織との親和性がよく、腐食や拒絶反応がほとんど認められない。そのため、Fig. 1 に示す如く、現在人工骨、人工関節、人工歯として用いられ、バイオセラミックスと称されて製品化されている。ここでは、人工骨、人工関節、人工歯として現在用いられている生体用セラミックス（特に生体不活性なバイオセラミックス）の種類、現状、課題や展望について述べる。
２．生体用セラミックスとはバイオセラミックス（生体用セラミックス）のバイオは、生物の意味で、バイオマテリアル、バイオテクノロジー関連のセラミックスという意味がある。またセラミックスは無機材料の焼結体、ガラス、多孔体などの材料を意味する。その生体用セラミックスの種類は Table

1 に示す如く、生体活性なセラミックスと生体不活性なセラミックスに分類できる。
生体活性とは生体に対し為害性を示さず、セラミックスが直接、生体と反応し結合する性質を言う。生体活性— 40 —Fig. 1. 人工骨・人工関節の適応例

近藤Table 1 バイオセラミックスの種類
HAP*
生体活性

バイオアクティブ

TCP*バイオガラス

生体不活性

アルミナ

バイオイナート

ジルコニア

和夫

Table 2 各種生体用セラミックスと骨の力学的性質の比較
骨補填材

焼結体

人工歯根等

HAP ( 緻密体 )HAP ( 多孔体 )TCP ( 緻密体 )HAP/TCP ( 緻密体 )AW 結晶化ガラス

人工股関節
人工骨等
人工指関節

*HAP：ハイドロキシアパタイト，Ca5(PO4)3OH

アルミナ*TCP：リン酸三カルシウム，Ca3(PO4)2

ASTM-F603
ジルコニア(Y-PSZ)

三カルシウム、バイオガラスなどがある。一方、生体不緻密骨
海綿骨

活性とは生体に対し為害性を示さないのは生体活性と同

圧縮強度

曲げ強度

弾性率

(MPa)
500-9207-70
460-690980-----(MPa)110-200----140-180
205180(GPa)
35-110----33-89----120-----> 400> 380-----

900-1300

140-220

90-16042-62

160-180-----

16-----

じであるが、セラミックスと生体と直接結合しない性質を言う。その生体不活性なセラミックスとしては代表的なものにはアルミナ、ジルコニアがある。生体活性なセラミックスについては昨年度（平成 17 年度）報告させていただいたので、ここでは生体不活性なセラミックスについて述べる。
３．沿革
生体用セラミックスの中で、アルミナの臨床応用は

1970 年代初めに Boutin らによる人工股関節の骨頭および臼蓋カップへの適用が最初であり 1)、その後本格的な実用化が進み、大変多くの臨床実績がある。これは力学的な強度に優れ、生物学的に安定であるという材料特性によると考えられる。すなわち、荷重関節に使用できる

Fig. 2. 人工股関節の適応例

材料強度を有し、生体内での溶解や材質的な変質がなく安定であること、さらにアルミナ表面を鏡面仕上げすることによりアルミナ自身の摩耗が少なくなり、また摺動と比較し、ポリエチレンの摩耗量が少なく摩耗粉がもた相手の摩耗も少ないという優れた摩耗特性を有している

らす有害性を軽減でき、人工関節そのものの耐久性の向ことなどが理由として挙げられる。このような特徴によ上が計られることが臨床的に知られている。1-3)

り、アルミナが人工歯根、人工関節および人工骨などとして主要な構成材料の 1 つとして用いられてきた。

そこで、我々はアルミナセラミックス同様金属イオン溶出がなく、しかも高強度、高靭性をもち、生体用インプラント材として試用されつつあった部分安定化ジルコ

４．生体用セラミックスの現状
従来、医療用インプラントは、ステンレス、チタン合ニアに注目し、その実用可能性について検討した。
５．ジルコニアの力学的検索 4)

金などの耐腐食性に富んだ金属が用いられていたが、それらの金属は、長時間体内に埋設された時、体液の影響

5.1

緒言により部分的に腐食が進行してしまったり、埋設部位のアルミナセラミックス（以下アルミナ）は骨や関節の形状に合わせて加工する技術が大変困難なため、その加置換材料として、種々の基礎的研究がなされ、人工関節工コストが上昇したりして、実用上問題を抱えていた。の関節面に使用した場合、セラミックス関節面は金属関

アルミナセラミックスは、Table 2 に示すように高い節面よりも超高分子ポリエチレン（HDP）面との耐磨力学的強度、優れた耐磨耗性を持ち、化学的にも安定な耗性が優秀であることが判明しており、臨床応用の評価材料であり、生体組織に対しては不活性な特性を示す。

もほぼ確立されていると考えられる。しかし、アルミナ

Fig. 2 に示す人工股関節の関節摺動面に超高分子量ポには脆弱性があり、その欠点のために、人工関節設計上、リエチレン（カップ）とアルミナ（骨頭）を組み合わせまた手術手技上の制約がある。そこで現在、より優れた使用した場合、金属とポリエチレンの組み合わせの場合強度と破壊靭性を有し、はさみ、包丁等の刃にも実用化— 41 —

生体用セラミックスの開発２されている部分安定化ジルコニアセラミックス（以下ジルコニア）に着目し、人工関節への応用のために耐磨耗性を調べるため、骨頭の表面性状と組み合わせ関節の力学的特性を調べた。
5.2

実験

①表面性状
＜試料＞

a. Brand-new zirconia

b. Brand-new alumina

ceramics femoral headceramics femoral headc. 2-year-used alumina

d. 9-year-used SUS316

ceramics femoral head

femoral head

セラミックス ・ 28 mm 径ジルコニア骨頭（試作品；未使用）
・ 28 mm 径アルミナ骨頭（市販品；未使用、２年使用品）
金属

・ 28 mm 径 SUS316（市販品；９年使用品）
・ 28 mm 径 Co - Cr 合金（市販品；5 年使用品）＜使用機器＞
・ 表面観察：走査型電子顕微鏡（SEM）
・ 真円度測定：東京精密㈱ロンコム 5A 型
真円度計
・ 表面粗さ測定：東京精密㈱サーフコム

550 型表面粗さ計

e. 5-year-used Co-Cr alloyfemoral head

②力学的特性Fig. 3 SEM photos of femoral head surface (x 3000)＜試料＞
・28 mm 径ジルコニア骨頭（ショートネック、ミデイアムネック）

垂直振動試験機により 28 mm 径骨頭の耐疲労

・Ti-6Al-4V 合金製試験用頸部破壊性を確認するために、生理的食塩水中（37＜方法＞± 2 ℃）にて、振動荷重（1 ↔ 12 kN）、振動・静荷重破壊試験

荷重振動数（30 Hz）とした。振動荷重を厚さ28 mm 径ジルコニア骨頭と Ti-6Al-4V 合金製試験用頸部を組み合わせ、厚さ 20 mm の超高分子量ポリエチレン (Ultra High Molecular
Weigh Poriethyrene (UHMWP)) シートを介して、骨頭頂部に頸部軸方向より静荷重を加え、20 mm の超高分子量ポリエチレンシートを介して頸部軸方向に、107 回かけたが、超高分子ポリエチレンシートの破壊を認めたため、107回より 108 回までポリメチルメタアクリレート（PMMA）シートを介在片とし、同時に生理的サンプル骨頭が破壊するときの荷重を万能試食塩水中より擬似体液中に変更し試験を実施

験機により測定した。この疲労破壊試験後、表面粗度、真円度の測定を実施した。

・衝撃破壊試験

28 mm 径ジルコニア骨頭と Ti-6Al -4V 合金製

5.3

試験用頸部を組み合わせ、衝撃破壊試験装置に①骨頭の表面性状結果より衝撃力を MC ナイロン製シートを介して、金属、アルミナおよびジルコニアの 28 mm 径骨頭表頸部軸方向より骨頭頂部に当たるようにセッ面の走査型電子顕微鏡 (SEM) 所見を Fig. 3 に示していトした。衝撃力は 25 J から開始し、試料骨頭るが、アルミナ骨頭の表面は未使用のものも、２年使が破壊しなかったら衝撃力を 5 J ずつ増大させ用のものも、創状痕や隆起した創縁の個所はなく、所々て、同一の試料骨頭に繰り返し試験し、骨頭がに小孔が存在する。
（Fig. 3b, c）。ジルコニア骨頭では、破壊するまで継続して実施した。

アルミナの粒子が散見されるが、ほぼ一面に平滑である（Fig. 3a）
。一方金属骨頭においては、SUS316 製骨頭ボー・疲労破壊試験

ル９年使用例では創状痕が著明であり（Fig. 3d）、Co — 42 —

近藤和夫

Fig. 4 Static load test

Fig. 5 Impact load test

Cr 製骨頭ボール５年使用例ではそれほど著明ではないが創状痕が存在した。
（Fig. 3e）
東京精密㈱製ロンコム 5A 型真円度計を用いて、未使用のジルコニア骨頭ボールの真円度を測定した所 0.1μm であった。サーフコム 550A 型表面粗さ計を用いて面粗度を測定した所 0.03 μm（0.15 μm R max）であった。
一方未使用のアルミナ骨頭は真円度 0.1 μm、面粗度 0.04μm（0.6 μm R max）とジルコニア骨頭とほぼ同等であっ

MC ナイロン製シートを介して、頸部軸方向より骨頭頂部に当たるようにセットした。
衝撃力は 25 J から開始し、試料骨頭が破壊しなかったら衝撃力を 5 J ずつ増大させた。また９年使用の SUS316 骨頭の真円度と面粗度は、もアルミナ骨頭の 15.1 J より優れた結果であった。

それぞれ 47 μm、0.04 μm（0.85 μ m R max）であり、＜疲労破壊試験＞て、同一の試料骨頭に繰り返し試験し、骨頭が破壊するまで継続して実施した。
本骨頭の耐衝撃力は 115 J 以上と強力であった。しかし、これは骨頭と頸部の接合面状態の影響を受け易く、接触の悪かった１試料では 65 J の結果を得た。それで５年使用の Co - Cr 骨頭はそれぞれ 24.6 μm、0.04 μm

ショートネック、ミディアムネックいずれも荷重振幅5)（0.20 μm R max）であった 。
性状は創状痕もなく真円度、面粗度共に変化のないこと

1 KN — 12 KN、繰り返し回数 107 回の疲労試験に合格した。また引き続き実施した擬似体液中で PMMA を介する試験でも 9 × 107 回、合計 108 回の疲労試験にもジが判明した。

ルコニア骨頭の疲労破壊は起こらなかった。試料骨頭のまた後述する疲労破壊試験後のジルコニア骨頭の表面面粗度は試験前と同様 0.03 μm であった。真円度は試②骨頭部分の力学的試験

験前 0.4 μm であったものが試験後 0.3 μm と誤差範囲＜静荷重破壊試験＞であった。

28 mm 径ジルコニア骨頭と Ti-6Al-4V 合金製試験用頸部を組み合わせ、厚さ 20 mm の UHMWP シートを5.4

考察介して、骨頭頂部に頸部軸方向より静荷重を加え、サン

現在、臨床的に人体に使用されている骨および関節置プル骨頭が破壊するときの荷重を万能試験機（Fig. 4）

換材としてのセラミックスにはアルミナがあり、その組により測定した。

織親和性、骨親和性については色々詳細な報告もあり、ショートネックの骨頭で 71.54 kN、ミディアムネッ

実際人工関節、人工骨として使用する場合この組織親和クの骨頭で 81.34 kN と、28 mm 径アルミナ骨頭ボール性についての問題はないようである。しかし、アルミナ

6)の 14.7 ～ 27.44 kN と比較して、2.6 ～ 3 倍の強度をは人工関節の一部として、または全体として使用する場有する。ショートネックはミディアムネックに比較し、合もその脆弱性が欠点であり、そのために、金属のよう構造上骨頭のセラミックの厚みが薄いため、強度的に劣に板状に薄く、または棒状に細くして使用する場合にはるが、アルミナのそれより 2.6 倍の強度となっている。

問題が多い。そこでアルミナと同様に組織親和性がよく、かつ破壊靭性の優れたジルコニアの臨床応用の可能性が＜衝撃破壊試験＞

28 mm 径骨頭と Ti-6Al-4V 合金製試験用頸部を組み合わせ、衝撃破壊試験装置（Fig. 5）により、衝撃力を脚光を浴びてきた。7-9)
我々が開発したジルコニアを用いて各種の検索を実施した。ジルコニアは金属と異なりアルミナ同様硬度が大— 43 —

生体用セラミックスの開発２

きいため手術中の操作で傷が付き難く、手術時操作が非る面に付ける事により骨組織と良く生着する人工骨や人常に容易である。その球面は真円度、面粗度もアルミナ工関節をつくることが出来る。表面がスムーズなアルミ骨頭と同等か、またはそれ以上に優秀であり、臨床応用

ナでは骨との接合力は殆どないが、アルミナビーズの上相対する HDP 臼蓋カップ摩耗が少ないものと期待さコーティングによるポーラス構造を作ることにより、骨れる。さらに力学的試験でもジルコニア骨頭の静荷重、組織と強固な固定、生着を得ることができる。このよう衝撃および疲労破壊強度はアルミナより強いことが判明なアルミナビーズをコーティングしたアルミナ製の人工した。組織親和性および骨親和性については家兎の大腿膝関節、足関節も実用化されている。

骨を用いた結果でも、ジルコニア周囲には組織異物反近年、リン酸カルシウム系セラミックスなどの骨伝導応、あるいは炎症反応は認められず、骨組織と接する部能を有する物質のコーティングは実用化されつつある

分では非常に薄い軟部組織を介して接している所見が見が、さらに一歩進んで、BMP 即ち、骨組織の全くないられた。また細胞毒性についてはＬ株細胞の組織培養法

部位に骨組織を誘導する物質などとの複合化によって、を用いた検索にてジルコニア試料は全く毒性のないこと術後早期に強固な骨の生着を得ることが可能となる。こが確かめられ既に報告している

10)。即ち、ジルコニアのような複合化処理により、新しい特性が生まれ、新しは bioinert であることが判明した。

い応用用途が開拓されることが期待される。
一方、ジルコニアセラミックスの課題と展望について

5.5

は高強度、高靭性の特性を持ち、従来のアルミナの代替結語

ジルコニアはアルミナに比較して力学的強度、破壊靭材料として今後使用が広がると思われる。

性が優れていた。さらに生体親和性についても調査しジルコニアセラミックスの特性に関しては、従来からた結果、優れた成績であった。これらの結果より本ジル２つの問題点が指摘されている。第１は、体液中におけコニアは骨および関節置換材料として優秀な材料と考える相転移による強度劣化の可能性、第２は、放射性不純る。

物の問題である。これらの問題は、高純度超微粒子のジジルコニアセラミックスは、アルミナと同じく生体不ルコニア原料の使用等、原料の改善により殆ど解決され活性な材料として知られており、最近その高強度、高靭てきている。しかし、長期間にわたる生体への安全性に性の特徴から骨頭径 22 mm の小型のもので臨床応用さついては引き続き検討は必要と思われる。現在の人工股11)

れ高い信頼性を得ている。しかし、アルミナに比べ関節の要求特性に、摺動部での低摩耗や低摩擦、高強度てまだ生体材料としての歴史が浅く、工学的な研究はながあり、これに対し 22 mm 径のジルコニア骨頭（またされているものの生体的な研究データはアルミナ程多くは高純度アルミナ骨頭）が臨床応用され、実用化されてなく、今後期待されている材料である。

いる。今後更なる臨床的なデータの蓄積が必要と考えられる。
将来的には、ジルコニアの特性を生かして、従来の材

６．生体用セラミックスの課題と展望

料では , 実現不可能な用途開発を進めていく必要があろ
アルミナに関してはこれまでの数多くの研究レポートう。新材料が開発されれば、その特性を生かした用途のが発表されているが、要約すると、①アルミナは、生体展開が開かれるものであり、生体に優しい高強度、高靭内において溶解や変質することはない。②周囲の生体組性、可塑性のある材料等、更なる材料研究開発が期待さ織に対して不活性である。③生体との親和性は一般的にれる。

金属やポリマーより優れている。④摩擦摩耗特性に優れている。このようなアルミナの特徴はアルミナの新しい［参考文献］

応用を考える場合に極めて有益である。骨や関節等の生

1) P. Boutin: Rev. Chir. Orthop., 58 (1972), 229.

体の硬組織をアルミナセラミックスを使用した人工関節

2) H. Mittelmeier and J. Harms: Med.Orthop.Tech., 97 (1977),

あるいは人工骨で補填あるいは置換した場合、骨組織と55の固定性の確保と関節摺動部における摩擦摩耗特性の向3) P. Griss: Z.Orthop., 113 (1975), 756

上が重要である。また、アルミナセラミックス材料の単4) 大橋俊郎、井上四郎、梶川 究、茨木和博、多田道彦、小口光昭、

独での使用は自ずと限界があり、人工股関節の例のよう荒井に金属やポリマー材料との組み合わせも有効である。骨

コ ニ ア の 組 織 親 和 性 と 力 学 的 検 索；Orthopaedic Ceramic

組織との固定に関しては、アルミナ表面への骨誘導能、Implants. 7 p173-179

毅、亀谷明秀、村松泰徳、近藤和夫：UTZ-30 ジル

あるいは骨伝導能を持つ物質のコーティング等が今後の

5) 大橋俊郎、井上四郎、梶川 究他：Bioceram ５型人工股関課題である。アルミナの多孔体でその孔径が 100 μm 以節の使用経験、Orthopaedic Ceramic Implants, 3, 199 - 204

上あるものでは、骨組織がその孔中に良く増殖進入する(1983)

ことが報告されており、アルミナの多孔質体を骨と接す— 44 —

6) 立石哲也、柚木博行：高性能人工股関節の開発と評価、整形近藤和夫

外科 MOOK, 45, 13-29 (1986)

9) 山室隆夫：人工関節材料に望まれる性質と機能、整形外科
MOOK, 45 (1986)

7) 大西啓靖、辻栄治、鍋島隆治他：ジルコニアの整形外科的
応 用 に 関 す る 研 究、 生 体 組 織 反 応、Orthopaedic Ceramic10) 大橋俊郎、井上四郎他：ジルコニア骨頭を用いた新しい人工Implants, 3, 87 - 94 (1983)

股関節の開発、中部整災誌、31, 17 - 20 (1988)

8) 宗宮正典：ｼﾞﾙｺﾆｱ及び窒化珪素の組織親和性に関する研究、Orthopaedic Ceramic Implants, 3, 95 - 98 (1983)— 45 —

11) 花川志郎 他：基礎と臨床 , 26, No. 13, 303 (1992)