愛知県工業技術センター研究報告第３７号 （２００１）

射出成形法による人工骨用 Ti‑HAP 複合材料の作製
古澤秀雄＊１

片岡泰弘＊１

長田貢一＊１

Fibrication of Ti-HAP composite for Artificial Bone by Injection Molding
Hideo FURUZAWA, Yasuhiro KATAOKA and Koichi OSADA

人工骨用材料の開発を目的に、生体適合性材料であるチタン（Ti）とハイドロキシアパタイト（HAP）を用い、金属粉末射出成形法により Ti‑HAP 複合材料を作製し、次の結果を得た。
１）Ti‑HAP 複合材料は、引張強さ 230〜360MPa、曲げ強さ 610〜920MPa を示し、実用上、十分な機械的特性が得られた。
２）EDS を用いた分析において、ハイドロキシアパタイトに由来する P と Ca が検出された。
３）Ti‑HAP 複合材料の表面にネコの腎細胞とネズミの腺維芽細胞を付着させ生体適合性を調べた。付着細胞は正常に増殖し、形態的な異常、異常増殖、変異、死滅などの変化は見られなかった。

１．はじめに骨折、骨破壊及び骨の縮腿などにより、骨の欠損を

２．実験方法
２．１

Ti‑HAP 複合材料の作製生じた場合は、患者自身の自家骨や他人からの同種骨原料として用いた粉末は、水素化−脱水素（ＨＤＨ）が移植される。しかし欠損部が大きく自家骨で補えな法１ ） により得られた純チタン粉末（東邦チタニウム

い場合や同種骨が入手できない場合は人工骨が用いら

TC‑459：平均粒径 16μｍ）に、それぞれ 0.2、0.4、0.6、れている。

0.8 及び 1.0wt％の HAP 粉末（太平化学産業

HAP‑100：

人体の骨は、無機物質である炭酸イオン含有水酸ア平均粒径 0.25μｍ）を添加した。純チタン粉末の化学

パタイトの微粒子（約 70mass％）と有機物質のコラー組成を表１に、形状を写真１に示す。また HAP 粉末のゲン繊維（約 30mass％）から成り立っている。六方晶性状を表２に、形状を写真２に示す。

系の結晶構造を有するハイドロキシアパタイト［ HAP：

バインダは、ポリプロピレン−ポリスチレン−アクCa１ ０(PO ４) ６(OH) ２］は、これと類似した組成を持ち、リル樹脂系 ２ ）, ３ ）を用い、Ti 粉末＋HAP 粉末に対し人体の骨と適合性が良く、人工骨・人工歯根などの生44.9vol％添加した。そのバインダ配合組成を表３に示体材料、骨充填剤として広く用いられている。

す。

現在、人工関節などはチタンに HAP 皮膜を溶射してこれらを連続混練押出装置により混練・造粒し、射用いられているが、可動する人工関節などでは剥離の出成形用ペレットを作製した。得られた射出成形用ペ問題が生じていた。

レットを用いて、型締力 196kN の射出成形機により試

本研究では、チタン粉末とハイドロキシアパタイト験片（5×4×60mm）を成形した。

粉末を用い、金属粉末射出成形法（ MIM）により Ti‑HAP射出成形体の脱脂は、N2 ガス雰囲気において、図１複合材料を作製し、引張試験及び曲げ試験により機械に示す条件により行った。また、脱脂体の焼結は、真的特性の評価を行った。

空雰囲気において、図２に示す条件により行った。

さらに、生体適合性を調べるために、ネコの腎細胞このようにして得られた焼結体を、引張試験及び曲とネズミの腺維芽細胞を Ti‑HAP 複合材料の表面に付げ試験により、機械的特性を調べた。また、光学顕微

着させて検討した。

鏡により HAP の分散状態を調べ、エネルギ分散型 X 線分光分析装置（EDS）により線分析を行った。

*1 加工技術部

愛知県工業技術センター研究報告

表１
成分比率(wt%)

純チタン粉末の化学組成

Ｏ２

Ｈ２Ｎ２ＣＦｅＳｉ

Ｔｉ0.330.040.01

0.010.040.0199.56

写真１表２第３７号 （２００１）

図１脱脂プロセス

図２焼結プロセス

純チタン粉末の形状

ハイドロキシアパタイト粉末の性状

化学式

分子量比重

形状

粒径Ca10(PO4)6(OH)2 1004.642.70

球形20〜30μm２．２

Ti‑HAP 複合材料と細胞付着状態の検討

Ti‑HAP 複合材料の表面にネコの腎細胞とネズミの腺維芽細胞をそれぞれ付着させ、細胞の状態を観察した。なお、この生体適合性については、名古屋市立大学薬学部に実験及び評価を依頼した。
写真２

ハイドロキシアパタイト粉末の形状
表３

バインダ

３．実験結果及び考察
３．１

バインダの配合組成

引張強度及び曲げ強度

引張強さと HAP 添加量の関係を図３に、曲げ強さと成分分類

比重vol%

低分子量ポリプロピレン

結合剤

0.8911.4

ポリスチレン

結合材

1.05

44.5

アクリル樹脂

結合剤

1.05

24.1

ステアリン酸滑剤

0.945.1

なお、大腿骨として用いる場合に要求される引張強アミノ酸系機能粉末

分散剤

1.024.9

さは 120MPa 以上、曲げ強さは 280MPa 以上であるため、ジオクチルフタレート

可塑剤

0.9910.0

今回の実験結果は、強度的には十分使用に耐えうる条

HAP 添加量の関係を図４に示す。HAP 添加量 0.2〜1.0％の範囲では、引張強さは 230〜360MPa を示し、曲げ強さは 610〜920MPa であったが、いずれの機械的特性も添加量の増加とともに低下する傾向を示した。

件を見出したと言える。

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図３

図４第３７号 （２００１）

ＨＡＰ 0.2wt%

ＨＡＰ 0.4wt%

ＨＡＰ 0.6wt%

ＨＡＰ 0.8wt%

引張り強さとＨＡＰ添加量の関係

曲げ強さとＨＡＰ添加量との関係
ＨＡＰ 1.0wt%
写真３３．２

HAP の分散状態

Ti‑HAP 複合材料の光学顕微鏡像（ノマルスキー微分干渉観察）

チタン中の HAP の分散状態を調べるために Ti‑HAP
複合材料断面をノマルスキー微分干渉法で観察した結果を写真３に示す。粒状の物が HAP であるが、いずれも均一に分散されており、偏析などは観察されなかった。

３．３細胞の付着状態細胞の付着状態を調べるために、ネコの腎細胞及びネズミの腺維芽細胞を用いた付着実験を行った。ネコ

次に、この HAP が焼結などの熱により分解していなの腎細胞の付着状態を写真４に、ネズミの腺維芽細胞いかを確認するために EDS により P 及び Ca の線分析をの付着状態を写真５に示す。いずれの Ti‑HAP 複合材料行った。その分析結果を図５に示す。図から明らかなの表面にも細胞の付着が観察された。また、付着細胞ように HAP に由来する P を検出した。なお、Ca についに形態的な異常や異常増殖、変異、死滅などは見られても同様の手法により分析し、存在を確認した。

なかった。

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培養液･･･
細胞･･･

焼結体･･･
HAP 0.2wt%

HAP 1.0wt%写真４ネコの腎細胞の付着状態

HAP 0.6wt%
図５

ＥＤＳによるＳＥＭとＰの線分析

４．結びチタン粉末にハイドロキシアパタイト（ HAP）粉末を添加し、金属粉末射出成形法（MIM）により Ti‑HAP 複合材料を作製した。その結果、焼結体中に HAP が均一分散した試料が得られ、その機械的特性は要求される強度を十分に満足させる値であった。また、EDS を用いた分析において、ハイドロキシアパタイトに由来す

HAP 0.8wt%
写真５

ネズミの腺維芽細胞の付着状態

る P と Ca が検出された。
さらに、ネコの腎細胞とネズミの腺維芽細胞を付着させた、生体適合性結果においても、付着細胞に形態参考文献的な異常や異常増殖、変異、死滅などの変化は見られ

1) V.S.Ustino,A.N.Petrunko,Yu.G.Olesov,R.K.Ognev

ず、非異物性、組織接着性において良好な界面的適合性のあることが分かった。

:Titanium&Titanium Alloys,3,2315(1993)
2) 瀬野義隆，雲英恒雄，成瀬勉：愛知県工業技術セン
ター報告，20,22(1984).
3) 瀬野義隆，不二門義仁：愛知県工業技術センター報
告，24,31(1988).