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J. Komotori

レーザプロセッシングによるレーザプロセッシングによる歯科インプラントシステムの高度化
歯科インプラントシステムの高度化

小茂鳥
潤 * 潤，江面
江面 篤志篤志，片平** 片平 和俊
***
小茂鳥和俊

１．まえがきアバットメントの上部には，埋入部への細菌の浸入を防ぐ

素材の高度化技術の開発は，日本の産業基盤を支える最目的から，抗菌性の付与が求められている．このため，微重要課題と考えている．そのような観点から数多くの国家細なインプラントに対して，目的別に複数の表面処理を施プロジェクトも行われている．

すことが求められる．従来の表面処理技術の多くは，被対チタンやチタン合金は，耐食性は勿論のこと，軽くて強象物全体を処理するものが多く，このような要求を満足さい，すなわち比強度が高いこともあり，航空宇宙材料としせることは難しい．しかしながら，近年発達してきたレーても実用化されている．また，耐食性に優れるという特徴

ザを用いた表面改質技術は，この課題を解決するために有を活かし，我々の体の中で使用するようないわゆるインプ効な手段と言える．レーザ表面改質は，レーザ照射を施しラントシステムの素材としても使われている．しかし，チた領域のみを対象として処理を施すことが可能であるこタンの欠点として，耐摩耗性に劣るという点がある．と，基材全体の熱影響を抑制できることから，微細な被対通常，素材の摩耗は表面から発生する事象である．した象物の局所領域に対して選択的に改質処理を施すことががって，耐摩耗性を向上させるには表面改質処理を施すこ可能である．そこで，著者らは，デンタルインプラントにとが効率的である．本稿では，歯科インプラントシステム

求められる目的別表面改質技術を確立すべく，レーザ誘起への実用化を念頭に近年著者らが行った研究成果を報告

湿式表面改質処理技術を開発 5), 6)するとともに，応用技術する．

であるミスト供給方式の開発に着手し 7), 8)，医療用インプ
ラントに用いられるチタン合金に対して処理を施すこと

２．研究のモチベーション

で，その効果について検討を加えてきた．

チタン合金は，生体適合性，非強度に優れること，さらに骨と直接接合するオッセオインテグレーションと呼ばれる現象を発現可能であることから，人工歯根や人工股関節のステムなど，硬組織である骨の代替インプラントに用いられる 1)．これらのインプラントは骨に埋入された後，その界面近傍において新生骨などが生成され，数か月かけて隙間を埋める．これによって，高い固定力が生じ，安定的な咀嚼が可能となる．しかしながら，接着が十分でない
図１ 人工歯根の外観と表面のマイクロテクスチャア

期間は，過度な負担をかけることはできないことや感染症に罹患する恐れがあるため，新生骨の生成を促進させ，固３．レーザ誘起湿式表面改質法

定期間の短縮が必要である．
新生骨生成の促進には，細胞適合性の向上を目的とした著者らが開発したレーザ誘起湿式表面改質法は金属イ表面改質を施すことが有効である．細胞適合性の向上には，オンを含む水溶液中に浸漬させた試験片に対してレーザ

チタン合金の表面に微細な凹凸を付与すること 2)や酸エ照射処理を施すことにより，溶液中の金属成分を含む改質

ッチング及びブラスト複合処理を施すこと 3)，ハイドロキ層をレーザ照射領域に形成されるものである 5)．図２にそシアパタイト皮膜を生成すること 4)が有効であるとされ，の処理システムの外観及び概略を示す．同手法は，溶液浴すでに市販品に適用されている．

を必要とするため，大型の部材や微小かつ複雑な部品への図１に示す人工歯根やアバットメントなどで構成され処理を行う場合には，専用の浴を準備する必要があり，非るデンタルインプラントは，数 mm オーダーの微細は円筒効率的であり，実用化に向けては課題となっていた．そこ

形状を基調に設計されていること，さらに，顎骨と接着すで，溶液をミスト状にしてレーザ照射領域に供給するミスる人工歯根のスクリュー部や歯肉などと接するアバットト供給処理システムの検討を行った 7)．図３にそのシステメントの上部には，生体組織との良好な適合性が求められ，ムの概略と，ミスト供給ノズルの外観を示す．同図に示し* 慶應義塾大学 理工学部機械工学科 教授** 三条市立大学 工学部 准教授*** 理化学研究所 開拓研究本部 専任研究員- 86 -

たミスト供給ノズル中で圧縮空気と溶液が混合され，ミスト状に噴霧される．レーザ照射中，噴霧された溶液はレーザ照射面上を連続的に流れることにより，断続的にてレーザ照射領域に微小量の溶液が供給されることにより，均質な改質層が形成される．図４にオーステナイト系ステンレ
ス鋼 SUS316L に対して，浸漬方式およびミスト供給方式のそれぞれを用いてレーザ照射を施した試験片の断面に対して SEM による観察および EDX による成分分析を行った結果を示す 7)．同図より，浸漬方式およびミスト供給方式のいずれの供給方式を用いた場合でも SUS316L 試験片上にアルミニウム成分を含む改質層が形成されることがわかる．ミスト供給方式は，レーザ照射ユニットを搭載したマシニングセンタや NC 旋盤などで適用可能な手法である．このため，複雑な形状を有する人工歯根やアバットメントなど，切削加工により形状創製がなされるインプラントについては，段取り替えを行うことなく改質処理を施すことが可能である．また，当該手法は，溶液に含まれる成分を変更することにより，ことなる機能を有する改質層を形成することが可能である．このため，微細部品に対図 4 改質面断面の SEM 観察および EDX 分析結果 7)して，細胞適合性を有する改質領域と抗菌性を有する改質領域を独立して形成させることが可能であり，デンタルイ
ンプラントに求められる目的別表面改質技術の確立に寄４．処理を施したチタンの細胞適合性与できるものと考えている．これまでに，目的別表面改質

骨とチタン合金製インプラントの接合界面には，ハイド技術の確立のため，第一段階として，医療用チタン系材料ロキシアパタイトが存在しており，その主成分であるカルに対して，細胞適合性の付与を試みた．ここでは，関連すシウムおよびリン含む改質層をインプラント表面に形成る研究を紹介する．

することで骨芽様細胞に対する適合性を向上させることが可能である．この点を考慮し，骨芽様細胞適合性を向上させるためにレーザ誘起湿式表面改質処理を施す際，カルシウムとリンを含むグリセロリン酸カルシウム(C3H7CaO6P)水溶液を用いることとした．図 5 に質量濃度2％のグリセロリン酸カルシウム水溶液に浸漬させた純チタン試験片に対してレーザ照射を施した試験片の縦断面に対する SEM 観察および EDX 分析結果である．この際，1064 nm の波長のレーザを用いて，出力を 7.5 W，パルス幅 100 ns，繰り返し数を 20kHz とし，レーザ照射面でのスポット径が約 100 µm となるようにデフォーカスを行った．
この照射条件の下，レーザを 100 µm ピッチで往復走査す

図 2 レーザ誘起湿式表面改質処理システム

ることにより，試験片表面に対して隙間なく改質処理を施した．図 5 に示した SEM による観察結果より，レーザ照射により，数マイクロメートルオーダーの凹凸が形成されていることがわかる．また，その表層部には，グリセロリン酸カルシウム水溶液に含まれるカルシウムおよびリンが局在する領域が存在し，改質層を形成している．図 6 に，被処理面に対して，ラマン分光法により取得したスペクトル分布を示す．同図より，被処理面表面には，アナターゼ型およびルチル型の酸化チタン由来のピークが検出されていることがわかる．一方で，カルシウムやリンを含む物質由来のピークは検出されていないことから，溶液由来の成分は結晶性を有する物質として存在していないことが

図 3 ミスト供給方式レーザ誘起湿式表面処理システム示唆される．

- 87 -レーザ
溶液中のイオン溶融池
試験片

(a)

図 5 SEM 観察および EDX 分析結果

(b)

(c)

図 7 改質層形成メカニズムの説明図

100

細胞数 ×104 [個]

強度 (a.u.)TiO2(Anatase)TiO2(Rutile)

300

500700900
ラマンシフト [cm-1]

1100

6543210純水

グリセロリン酸
カルシウム水溶液

図 6 改質面のラマンスペクトル

図 8 浸漬法で処理した表面での骨芽細胞増殖試験結果

レーザ誘起湿式表面改質処理における改質層形成メカが形成されており，細胞接着性に有効であると考えられる．

ニズムは図 7 に示すようなメカニズムで考えることがで筆者らは，レーザ照射条件を調整することで，ナノ秒パルきる．同図(a)で示すようにまず，レーザ照射された領域のスレーザを用いた場合でも，図 9 に示すようなマイクロテチタンが加熱・溶融し，溶融池が形成される．その後，同クスチュアの形成が可能であり，細胞増殖性の向上につな

図(b)に示すように溶融池内に溶液中のカルシウムおよびがることを報告している 8)．このようなマイクロテクスチ

リンイオンが取り込まれ，溶融池の凝固とともに被処理面ュアを含む表面に対して，カルシウムなどの生体適合性の表層部に固定されることにより改質層が形成される（同図

向上につながる成分を追加付与することでさらなる細胞(c)）ものと考えられる．このため，当該手法を用いて形成増殖性の向上につながるものと考えられる．レーザ照射にされた改質層中の溶液由来の成分量は溶液の濃度の上昇より，マイクロテクスチュアが形成される際，溶解した試とともに増加することも特徴の一つである．

験片が大気中で急冷されることにより，前述のような複雑カルシウムおよびリン成分を含有した改質面の細胞適な形状が形成されるものと考えられる．しかしながら，従合性について検討するため，骨芽様細胞（MC3T3）を用い来の溶液に浸漬させた試験片に対してレーザ照射を施すた細胞培養試験を行った．なお，初期細胞播種数を 1×102場合には，溶解した試験片は溶液中に拡散し，処理後は微個，細胞培養期間は 3 日間で 37℃に調節されたインキュ細な粒子として溶液中に漂うこととなる．このため，浸漬ベーター内で培養を行った．培養後は MTT-Assay により，方式のレーザ誘起湿式表面改質処理法では，複雑な形状を残存する細胞数を測定した．その結果を図 8 に示す．なお，有するマイクロテクスチュアの形成は困難である．

同図には，比較として純水中でレーザ照射処理を施した試

そこで，処理に用いる溶液の量を極小にすることが可能

験片を用いて細胞培養試験を行った結果も示した．同図よなミスト供給方式を採用することにより，カルシウムおより，純水中で処理を施した試験片と比較して，グリセロリびリンを含んだマイクロテクスチュアの形成を試みた 8)．

ン酸カルシウム水溶液中で処理を施した試験片を用いてレーザ照射実験の際，大気中でマイクロテクスチュアの形細胞培養試験を行った場合に試験後の細胞数が増加し，細成が可能となる条件を用いた．すなわち，レーザ出力を 2.5胞適合性が向上することがわかる．これは，カルシウムおW，パルス幅 1 ns，走査速度を 500 mm/min，レーザスポッ

よびリンを含む改質層が細胞との親和性の向上に寄与し，ト径を 10 µm，走査間隔を 20 µm とした．

細胞の増殖性を高めたためであると考えられる．

５．ミスト供給方式レーザ誘起湿式表面改質法
デンタルインプラントの側面には，生体適合性を向上させることを目的にマイクロテクスチュアが形成されている．このテクスチュアは，レーザ照射径と同等の幅のグロ
図 9 レーザ照射により形成したマイクロテクスチュア 9)ーブ内に，さらに微細なオーダーの“ひだ”のような形状- 88 -図 10 に浸漬方式およびミスト供給方式のそれぞれを用行った．3 日間の培養後の生細胞数を MTT-Assay によっていてチタン合金（Ti-6Al-4V ELI）試験片に対してレーザ照計測した結果を図 12 に示す．なお，同図には，比較とし射処理を施した表面に対して SEM により観察した結果をて，大気中でレーザ照射を施し，図 9 に示したマイクロテ示す．同図より，浸漬方式を用いて処理を施した試験片上クスチュアが形成された試験片を用いて試験を行った結には，レーザ照射により，わずかに表面が加工されたこと果も示した．同図より，大気中でレーザ照射を施した試験を示すディンプルが認められる．一方で，ミスト供給方式片と浸漬方式を用いた試験片上の細胞数はほぼ同等で，ミを用いて処理された試験片表面には，レーザスポット径とスト供給方式を用いて，改質処理を施した試験片上の細胞同等の幅の溝が形成され，さらに溝内部にはマイクロメー数が多いことがわかる．

トルオーダーの微細な“ひだ”形状が存在していることが5マイクロテクスチュアに類似しており，細胞適合性向上に

4

細胞数 [×104 個]わかる．この形状は図１に示した人工歯根側面に施された寄与するものと考えられる．また，それぞれの処理面のカルシウム及びリンの存在割合について調べるため，電子線マイクロアナライザ（EPMA）を用いた成分分析を行った．
その結果を図 11 に示す．同図より，ミスト供給方式によ3210り形成された被処理面のカルシウムおよびリンの存在割合は，浸漬方式によるそれと比較して多いことがわかる．
レーザが溶液を透過する際，レーザは溶液に吸収され減衰

大気中

ミスト供給方式

浸漬方式

図 12 ミスト供給方式により改質処理を施した試験片上での骨芽細胞増殖試験結果 8)することにより，エネルギ量が低下する．浸漬方式を用いた場合には，試験片表面にレーザが到達するまでに透過する溶液の量が，ミスト供給方式と比べて多いため，試験片６．おわりにへの入熱量がより減少し，その結果，改質面に含まれる溶

本稿では，レーザ誘起湿式表面改質処理により，チタン液由来成分の存在割合が減少したものと考えられる．

材に対して，細胞適合性が向上した事例について紹介した．
ヒトの歯の向きは一本一本異なるため，歯の代替となるデンタルインプラントは，多軸加工機によりオーダーメイド製造される．ここで紹介した技術は，切削加工により形状を削り出された後，切削工具の走査パスを応用してレーザ照射を施すことで，段取り替えなしで表面処理を施すことが可能であり，現在，実用化に向けた共同研究を継続している．今後は，抗菌性や細胞接着性など異なる機能を必要な箇所に選択的に付与する目的別表面改質技術の確立にチャレンジする．

謝
図 10 改質処理を施した試験片の SEM 観察結果 8)

辞本研究の一部は，公益財団法人天田財団からの一般研究助成により実施した研究に基づいていることを付記するとともに，同財団に感謝いたします．

成分分析結果 [atm%]

32

2.7
1.9

Ca

参考文献

P1) 1 H.E. Götz, M. Müller, A. Emmel, U. Holzwarth, R.G.
Erben, R. Stangl: Effect of surface finish on the100.5
ミスト供給方式

osseointegration of laser-treated titanium alloy implants,0.5

浸漬方式

図 11 被処理面の成分分析結果 8)

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つぎに，形成した改質面が細胞増殖性に及ぼす影響を調Biomed. Mater. Res., 40(1998), 1, 1.

べるため，骨芽様細胞（MC3T3）を用いた細胞培養試験を- 89 -4) W. Habraken, P. Habibovic, M. Epple, M. Bohner: Calcium7) 江面篤志, 大川弘暉, 片平和俊, 小茂鳥潤：ミスト状硝酸

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アルミニウム溶液を用いた SUS316L 鋼のレーザ誘起湿式

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Sys.,

andManufacturing,

10,5(2016),

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6) 江面篤志, 良峰皓, 片平和俊, 小茂鳥潤: 硝酸アルミニ
ウム溶液を用いたレーザ誘起湿式改質法による SUS316L
鋼の表面改質, 精密工学会誌, 83(2017), 1, 72.

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