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
慶應義塾大学 理工学部機械工学科教授 小茂鳥 潤（平成 29 年度 一般研究開発助成 AF-2017210）
キーワード： レーザ処理，表面改質，チタン合金，歯科インプラント

１．研究の目的と背景に優れ，装置が小型で軽量であるといった特徴がある．レ

虫歯や歯周病などが原因で天然歯を失った場合の治療

ーザ光の波長は赤外域となる 1064 nm であり，金属材料には，これまでは入れ歯やブリッジを用いるのが一般的でへの吸収率が 50%前後となるため，入熱が主となる加工あった．しかし最近では，人工歯根の利用も盛んになってが可能である．また，パルス発振（パルス幅 100 ns，繰きている．その最大の理由は，人工歯根を用いて治療するり返し周波数 20 kHz）であるため，連続発振に比べ，レことにより，天然歯に近い咀嚼力や審美性が実現できるとーザ加工時に母材への熱影響が軽減される．試験片へのレいう大きなメリットがあるからである．しかしその反面，ーザ照射は図 1 のように走査しながら，試験片表面全域治療期間が長期に亘るというデメリットもある．実際，通の処理が施されるようにした．

常の人工歯根の場合には 12 週間以上，アパタイトコーティングされた人工歯根の場合にも，定着までにはおよそ 8週間を要する．
この点を解決するために様々な表面処理が提案され，その一部は実用化されている．例えば，アメリカのバイオホ
ライゾン社のレーザロックシステムは，アバットメントの部分に微細な溝を形成することにより，歯肉との線維性の結合を実現している．このシステムの表面は，複雑な凹凸形状を有しており，そこに歯肉細胞やコラーゲン微小繊維
図 1 レーザ走査パターンの説明図が入り込んでインプラント体に絡みつくとされている．しかし，接着が完了するまでの数ヶ月の期間は，バクテリアなどに対して無防備となるため，その対策が必要とも言わ2・2れている．またこれまでに，異なるレーザ焦点距離下にお被処理面の表面性状を比較するため，走査型電子顕微鏡試験片の観察および分析けるチタン合金に，銀を付与する一連の研究に取り込んだ．

（SEM：Scanning Electron Micro-scope）による観察を具体的には，硝酸銀水溶液に浸漬したチタン合金行った．形成された改質層の銀元素の濃度の測定には，エ(Ti-6Al-4V ELI)に対し，レーザの焦点と基材表面の距離ネルギー分散型 X 線分析装置（EDX：Energy Dispersiveであるデフォーカスを変化させ，レーザ照射処理を施し，X-ray spectroscopy）を用いた．断面は集束イオンビーム銀含有層を形成させたことが報告されている．そこで本研（FIB：Focused Ion Beam）を用いて切断し，銀元素が究では，レーザ処理のデフォーカスを固定し，浸漬液の濃どのような状態で改質層に含有されているかを観察する

度を変化させ，チタン合金(Ti-6Al-4V ELI)への銀の付与ため，透過型電子顕微鏡（TEM：Transmission Electronを試みる．

Microscope）を用いて断面組織を分析した．被処理面の銀イオンの溶出量の測定には，高周波誘導結合プラズマ発２．実験方法2・1

試験片の作製光分光分析法（ICP-AES：Inductively Coupled PlasmaAtomic Emission Spectroscopy）を用いた．

供試材にはチタン合金(Ti-6Al-4V ELI)を用いた．同材を直径 15 mm，厚さ 4 mm の円盤型試験片に機械加工した．その後，SiC 耐水研磨紙(# 240，400，600，1200)を用いて，ディスク試験片の一方の端面を研磨した．

３．実験結果および考察
3・1

被処理面の分析

先行研究において，浸漬液の濃度が改質層に与える影響

レーザ装置には，Yb ファイバーレーザを用いた．Ybを調べるため，デフォーカスを固定し，浸漬液である硝酸ファイバーレーザは増幅媒質に光ファイバーを使用した銀水溶液の濃度を変え，レーザ照射を行った．0.001mol/L

固体レーザの一種であり，ファイバー中にはコアである硝酸銀水溶液で加工した SEM の観察結果を図 2 に示す．

Yb がドープされている．従来のレーザと比べビーム品質同図より，被処理面に白い粒子の塊が形成していることが分かる．また，EDX によるマッピングを行った結果，白いた．同容器底面に乾燥させた試験片を置き，試験溶液い粒子は銀であることが判明した．これは，被処理材にレ25 mL を注入した．サンプル数は，n = 3 として実験を行ーザを照射した際，高いエネルギーを保持しているため，った．静的浸漬の期間は 24 日間とし，その間同容器は被処理材の表面で蒸発，溶融しているためである．硝酸銀

37℃に維持した恒温槽内に静置し，溶液の飽和を防ぐたは 362℃で熱分解され銀元素が生成されるため，被処理面め，段階的に試験溶液を交換した．図 4 に溶出実験の模式が加工されると同時に，浸漬液も加工され，溶融した表面図を示す．
Polyethylene vesselが凝固する際に被処理面に取り込まれたと考えられる．
硝酸銀水溶液の濃度が改質層に含有される銀元素の量に与える影響を調べるため，EDX によりまず銀元素の原

Saline子数濃度を測定した．その結果を図 3 に示す．同図より，いずれの硝酸銀水溶液の濃度の溶液を用いて処理を行っ

Treated surface

た場合にも，被処理面には銀が存在していることが分かる．
レーザ処理によりチタン合金表面にそれぞれ 1 at.%, 2Specimenat.%, 5 at.%の厚さ 0.3 mm の銀を含有するヒドロキシアパタイト層を作製し，それらの表面で細菌の培養を行った

図 4 イオン溶出試験の様子

過去の結果では，1％の銀の改質層でも抗菌性はあることが明らかになっている．今回の実験ではいずれの試験片の図 5 に，0.9%NaCl 試験溶液における銀イオンの溶出結表面でも銀の濃度は 1％以上となっており，抗菌性の効果果を示す．同図より異なる硝酸銀水溶液濃度下で,レーザは十分期待できると考えられる．

誘起湿式改質処理により形成された全ての試験片において，24 日目まで銀イオンの溶出が確認されることが分かる．また，全ての溶出試験で銀イオンの溶出量が 0.4ppm以下であることが分かる．これは，水中の銀イオンの溶解度が 0.4ppm であることから，本溶出試験では全ての銀イオンは飽和状態にならず，持続的な銀イオンの溶出が実現できたからであると考えられる．

図 2 被処理面の SEM 観察と EDX による Ag マッピング

図 5 浸漬時間と溶出イオン量の関係
図 6 に，一試験片当たりの 24 日間の合計銀イオンの溶
図 3 被処理面の Ag 元素濃度と浸漬液濃度の関係出量を示す．同図より，銀イオンは長期にわたり溶出し，時間が経過するにつれて全てのシリーズにおいて銀イオ

3・2被処理面からのイオン溶出試験ンの溶出量も増加することがわかる．また，硝酸銀水溶液

0.0001mol/L, 0.001mol/L, 0.01mol/L の硝酸銀水溶液の濃度が高いほど銀イオンの溶出量も多くなったが，溶出を浸漬液とし，それぞれの濃度下においてレーザ誘起湿式

初期段階においては，銀イオンの溶出量には差は認められ改質処理された試験片を使用した．その後，試験片はアセない．しかし，溶出される銀イオンの増加量は時間の経過トンおよび超純水でそれぞれ 15 分間超音波洗浄し，さらと共に減少しており，その関係は対数関係になっているこに 80℃の恒温槽中で 5 時間静置し，乾燥させた．とが分かる．0.0001mol/L 硝酸銀水溶液シリーズにおいて静的浸漬試験は JIS T0304「金属系生体材料の溶出試験方は，静的浸漬の 10 日目と 24 日目では，銀イオンの溶出法」に則り実施した．試験溶液には，より生体内の環境に量にほぼ差はなかった．これは，0.0001mol/L 硝酸銀水溶近づけるため生理食塩水(0.9%NaCl)を用いた．浸漬容器

液シリーズに含有している銀の粒子が少なく，早期に溶出は，イオン溶出に影響を及ぼさないポリエチレン容器を用したためと考えられる．

図 6 溶出イオンの測定結果（累計）

図 7 一時間あたりに換算した溶出イオン量の比較
一方，濃度の高い 0.001 mol/L，0.01mol/L 硝酸銀水溶液

４．まとめ

シリーズでは，銀イオンの溶出量は時間の経過と共に増加

本研究では，レーザ誘起湿式改質処理を用い，浸漬液でしていることから，さらに長期間の溶出が継続することがある硝酸銀水溶液の濃度の差がチタン合金の表面に与え予想される．

る影響を調べるため，異なる浸漬液濃度下におけるそれぞ

図 7 に，各硝酸銀水溶液濃度下における一時間当たりのれのチタン合金に対してレーザ照射を行った．その際，形銀イオンの溶出量・溶出速度を調べた結果を示す．同図よ成された改質層に対し，被処理面の特性を評価し，考察をり，浸漬の開始から 6-12h で一時間当たりの銀イオンの加えた．以下に得られた知見を示す．

平均溶出速度が最大となり，時間の経過と共にその速度は（1）硝酸銀水溶液を浸漬液とし，レーザ誘起湿式改質処低下していることが分かる．これは，0-6h の浸漬初期段

理を施すことにより，基材表面には微細な銀粒子が生成さ階では，改質層に含有されている銀粒子は比較的安定したれた．また，浸漬液の濃度が高くなるにつれ，表面に含有状態となっており，その後，時間の経過と主に銀イオンのされる銀の量も増加するといった，対数関係であることが溶出が活発になったためと考えられる．また，同図より静明らかとなった．

的浸漬から 6-12h をピークに，その後は銀イオンの溶出（2）浸漬液である硝酸銀水溶液の濃度の違いは，形成さ速度が徐々に低下していくことが分かる．これは，長期間れる改質層の銀イオンの溶出量に影響を及ぼし，濃度が高にわたる銀イオンの溶出により，改質層表面に含有されていほど銀イオンの溶出量が多いことが分かった．また，浸いる銀粒子の量が減少したためと考えられる．

漬液の濃度にかかわらず，銀イオンの溶出速度は静的浸漬

実際には二次感染を防ぐため，強い抗菌効果が求められ，安定した後は歯周病や虫歯予防の観点から，比較的弱い抗菌効果が求められる．したがって，本研究で提案した処理は，医療分野において今後大きく実用化が期待できる．

から 6-12h をピークにその後は長期および長長期にわたり緩やかな速度で溶出することが明らかとなった．