生体吸収性リン酸カルシウムコーティングによるチタンの骨適合化表面処理
上田恭介

替わるリン酸カルシウムコーティング方法が検討されてい.

は じめにる．図に各コーティング手法を膜厚，プロセス温度，被覆面積，密着力に対してまとめたものを示す(3)．生体内においこのたびは第 21 回日本金属学会奨励賞を頂戴いたしまして骨との十分な固定を得るためのコーティングとしては，薄たこと，関係各位に厚く御礼申し上げます．今回，最近の研膜領域での膜厚制御が可能であること，インプラントとの高究内容を紹介する機会を頂きましたので，受賞対象である生い密着力を有することが必要である．また，チタンの機械的体吸収性リン酸カルシウムコーティングによるチタンの骨適特性低下を抑制するため，低温プロセスが求められる．これ

合化表面処理およびその評価について紹介させて頂きたいとらを踏まえて，当グループではスパッタリング法に着目し，存じます．

チタンへのリン酸カルシウムコーティングおよびその生体内外評価を行ってきた(4)(7) ．スパッタリング法は一般に，低.

金属系生体材料の骨適合化表面処理

温プロセス，ターゲットとの組成ずれが小さい，段差や微細形状等への優れた被覆性を有する，基板との高い密着力を有

金属系生体材料は，強度，延性，耐久性に優れることからした緻密な膜を作製可能，広域への均一膜の作製可能，とい硬組織代替デバイスとして用いられており，生体材料の中でった点から工業的には薄膜作製方法として広く用いられていも 70 以上を占めている(1) ．チタンおよびチタン合金は優る(8)．リン酸カルシウムのような非導電性セラミックスをタれた機械的特性，耐食性のみならず，骨と光学顕微鏡レベルーゲットに用いる場合は，高周波( RF )と磁場を使用したで直接接着するという特性(オッセオインテグレーション(2))

RF マグネトロンスパッタリング法による成膜となる．

を有するため，人工歯根や人工関節ステム部といった歯科および整形外科分野において広く使用されている．しかしながら，チタンと骨との固定には 3 ヶ月以上の長期間を要する
こと，インプラント/骨界面の状態によっては十分な固定が得られない，といった問題が指摘されており，患者の早期完治にはチタン製インプラントの骨形成能向上が求められている．
チタンの骨形成能向上の一つとして，プラズマスプレー法によるリン酸カルシウムコーティングが実用化されている．
しかしながら，コーティング膜の結晶相や組成制御の困難さ，厚膜であるためにインプラントとの密着力が低いといった点が問題となっている．そのため，プラズマスプレー法に

図1

金属系基板へのリン酸カルシウムコーティング方法．

東北大学助教大学院工学研究科材料システム工学専攻(〒9808579 仙台市青葉区荒巻字青葉 6602)
Surface Modification of Titanium for Improvement of the Bone Compatibility by Bioresorbable Calcium Phosphate Coating; Kyosuke Ueda
(Department of Materials Processing, Tohoku University, Sendai)
Keywords: titanium, RF magnetron sputtering, amorphous calcium phosphate, in vivo evaluation, apatite formation
2012年 4 月 3 日受理

新 進 気 鋭図2

図3

ブラスト処理基板上に RF マグネトロンスパッタ
リング法により作製したリン酸カルシウムコーテ
ィング膜の(a)表面および(b)断面 SEM 写真．

図4

RF マグネトロンスパッタリング法により作製した ACP， OAp， c 軸配向 OAp (cOAp)および熱処理により得られた HAp コーティング膜の XRD
パターン．

金属系生体材料へのコーティングに必要な要素．

骨形成能向上を目的としたチタンへのリン酸カルシウムコーティングにおいては，図に示すような要素を考慮しなければならない(9)．骨形成能は，コーティング膜の相，組成，配向性，三次元形状等により影響を受ける．また，コーティング膜の密着性は，コーティング膜の膜厚，力学特性，基板物性・反応，表面形状により制御できる．これらを検討し最適なコーティング膜を作製することが重要となる．
本研究においては，コーティング膜の生成相に着目し，リン酸カルシウムの結晶性と生体内における反応について調査した．非晶質相である非晶質リン酸カルシウム( ACP )は，生体内においてアパタイトの前駆体となること，高い生体吸収性を有することが知られている(10) ．骨系細胞はカルシウムおよびリン酸イオンの存在により活性化され骨形成を促進するという報告もある(11)．また，生体活性ガラスにおける研究ではリン酸カルシウムの徐放による骨形成能向上が報告されている(12)．これらのことから，ACP コーティング膜が溶解し，カルシウムおよびリン酸イオンを徐放することで，早期の骨形成能向上が期待される．一方，結晶質相であるハイドロキシアパタイト( Ca10 ( PO4 )6 ( OH )2 ， HAp )は骨の無機成分の大半を占める材料であり，優れた骨適合性を有し，細胞の足場材として用いられていることから，細胞との親和性は高い．これらを組み合わせることにより，早期の骨形成を促進させ，長期間に亘るインプラントの固定を実現することが可能であると考えた．

う点で，プラズマスプレー法に対するスパッタリング法の優位点である．

.

RF マグネトロンスパッタリング法によるチタンへのリン酸カルシウムコーティング膜の作製

図に本法にて作製したコーティング膜の XRD パターンを示すが，いずれも成膜中は基板温度を室温とした低温プロセスである．成膜条件を変えることで ACP 相，結晶質相で図に，RF マグネトロンスパッタリング法によりブラスあるオキシアパタイト(Ca10(PO4)6O， OAp)相， c 軸方向にト処理チタン基板上に作製したリン酸カルシウムコーティン配向した OAp (cOAp)相を得ることができた．また，ACP

グ膜の表面，断面写真を示す．一般に硬組織との強固で迅速相を 873 K にて大気中熱処理することで， HAp 相を作製すな固定が求められる部位には，表面積の増大およびアンカリることが可能であった．このように，成膜条件やその後の熱ングによる骨との接着強度の増加を目的としたブラスト処理処理により，生成相や配向性を制御することができた．

や酸エッチングによる表面の粗化が施されている．これ

らの写真からも分かるように，コーティング後においてもブ.

コーティング膜の評価

ラスト基板の凹凸は維持されたままであり，密着した均一なコーティング膜であった．これらのことは，インプラントのコーティング膜の評価として，基板との密着力評価を行っ表面粗さを規定でき，機械的特性を最大限に活用できるといた．評価方法は現在議論がされているが，本研究においては

ま て り あ 第51巻 第 9 号(2012)Materia Japanピン引き抜き試験法を採用した．これはコーティング膜上に質相である ACP は最も高い溶出イオン濃度を示したことかエポキシ系接着剤を用いてアルミニウム製ピンを接着し，そら，擬似体液中における溶解性は高いことが分かる．また，の引っ張り試験の最大荷重から密着力を評価するものであ結晶質相である OAp，cOAp の順に溶解性は低下し，熱処る．図に，代表的なリン酸カルシウム成膜方法により作製

理により得られた高い結晶性を有する HAp 相が最も溶解性されたコーティング膜の成膜ままの密着力を示す(13) ． ISOが低いという結果となった．このことから，コーティング膜によると，生体埋入コーティング膜の密着力は 50.8 MPa 以の結晶性を制御することにより溶解性を変化させることが可上必要とされているが(14) ， RF マグネトロンスパッタリン能であった．

グ法により作製されたコーティング膜はこの値を超えており，またプラズマスプレー法よりも高い値であった．

また，ACP コーティング膜を PBS(－)溶液中に浸漬することで， 86.4 ks 以内に網目状のアパタイトが形成していコーティング膜の擬似体液中における溶解およびアパタイた．コーティング膜の擬似体液中におけるアパタイト形成能

ト形成挙動は，生体内における骨形成能の指標となる．各コは，生体内における骨形成能の指標となることが知られておーティング膜を生理食塩水(0.9NaCl) 15 mL 中に 259.2 ksり(15) ，コーティング膜の生体外評価方法の一つとして広く浸漬後，溶出したカルシウムイオン濃度を図に示す．非晶用いられている．PBS(－)は Ca や Mg を含まないリン酸緩衝溶液であるにも関わらずアパタイトが形成していたことから，先ほどの高い溶解性と併せて，コーティング膜が一度溶解し，再析出することでアパタイトが形成したと予想される．

.

コーティング膜の生体内評価

生体内におけるチタン製インプラント/骨の結合に及ぼすコーティング膜の影響を調査するため，家兎大腿骨への埋入試験を行った．図に，4 週間埋入後のコーティング無し，ACP 相および ACP 相の大気中熱処理により得られた HAp

相をコーティングしたチタン製インプラント/骨界面のSEM 写真を示す．コーティング無し材においては，新生骨/インプラント界面に一部隙間が存在しているのに対し，ACP コーティング材ではコーティング膜は観察されず，インプラントと骨とが直接接着していた．一方， HAp コーテ
ィング材においては，コーティング膜は溶解せずにコーティング膜と骨とが直接接着していた．
ACP 相は擬似体液中における溶解性と同様に，生体内に

図5

代表的なコーティング方法により作製したリン酸カルシウムコーティング膜とチタン基板との密着力．

おいても高い溶解性を示していた．また HAp 相においては，吸収性は低いものの骨形成能を示すことが明らかになった．

.

今 後 の 展 開

前述のように，RF マグネトロンスパッタリング法はターゲット/コーティング膜間の組成ずれが小さいため，ターゲット組成を制御することで，コーティング膜組成を変化させられる．そこで著者らのグループでは現在，元素添加リン酸カルシウムコーティング膜の作製を試みている．例えば Siは，生体内で徐放することにより骨形成に対して遺伝子レベルで影響すると言われているため，有力な添加元素の一つとして考えられる．特に本研究で作製した ACP コーティング膜は高い生体吸収性を有することから，Si 添加 ACP コーテ
ィング膜は Si の徐放に有効であると予想される．
骨組織は六方晶系の結晶構造を有する HAp の c 軸が荷重
図6




生理食塩水中へのコーティング膜からの溶出 Ca
イオン濃度．

方向へ配向した構造をとっており，歯のエナメル質は c 面によって構成されている．これは， HAp が c 軸方向に優れた

新 進 気 鋭有する非晶質相，骨形成能を示す結晶質相といった相制御，また配向性制御まで多様なコーティング膜を作製可能であり，チタンの骨適合性向上のための有力な方法であると考えられる．また，元素添加や配向性制御によるコーティング膜の生体吸収性制御は，コーティング膜からの元素徐放や薬剤徐放に応用可能であり，薬剤輸送システム( DDS )への適応も期待される．
本研究は医工連携により行われており，現在著者の所属する東北大学大学院工学研究科，成島尚之教授，東北大学金属材料研究所，後藤孝教授，名古屋工業大学大学院工学研究科，春日敏宏教授といった工学系研究者のみならず，東北大学歯学研究科，川村仁教授，岩手医科歯科大学，平雅之准教授といった医歯学系研究者からの支援をうけて実施した．お世話になった皆様に，この場を借りて心より感謝申し上げる．

文献した OAp も作製可能であることから，配向性により生体吸( 1 ) 塙 隆夫医療用金属材料概論，日本金属学会，(2008), 1
2.
( 2 ) PI. Brånemark, B. O. Hansson, R. Adell, U. Breine, J.
Lindstr äom, O. Hall áen and A. Ohman: Scand. J. Plast. Reconstr.
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( 3 ) 成島尚之軽金属，58(2008), 577
582.
( 4 ) T. Narushima, K. Ueda, T. Goto, H. Masumoto, T. Katsube,
H. Kawamura, C. Ouchi and Y. Iguchi: Mater. Trans., 46(2005), 22462252.
( 5 ) K. Ueda, T. Narushima, T. Goto, T. Katsube, H. Nakagawa,H. Kawamura and M. Taira: Mater. Trans., 48(2007), 307
312.
( 6 ) K. Ueda, Y. Kawasaki, T. Narushima, T. Goto, J. Kurihara, H.
Nakagawa and H. Kawamura: J. Biomech. Sci. Eng., 4(2009),392403.
( 7 ) 上田恭介，川 o 雄城，後藤 孝，栗原 淳，川村 仁，成島尚之粉体および粉末冶金，57(2010), 314
320.
( 8 ) S. Swan: Phys. Technol., 19(1988), 6775.
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(11) S. An, J. Ling, Y. Gao and Y. Xiao: J. Periodont. Res., 47(2012), 374
382.
(12) P. Ducheyne and Q. Qui: Biomaterials, 20(1999), 2287
2303.
(13) 上田恭介博士学位論文，東北大学，(2008), 226.
(14) Y. Yang, K.H. Kim and J. L. Ong: Biomaterials, 26(2005),
327337.
(15) T. Kokubo and H. Takadama: Biomaterials, 27(2006), 2907
2915.

収性および吸着を制御したコーティング膜作製も可能である★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

図7

日本白色家兎大腿骨に 4 週間埋入後の( a )コーティング無しおよび( b ) ACP および( c ) HAp コー
ティ ングしたチ タン製イン プラント/骨界面 のSEM 写真．

力学的特性や耐食性を有するためであると推測される．また，
HAp はアミノ酸，タンパク質，細胞などの物質を吸着・保持でき，a 面と c 面では吸着する物質が異なると考えられている．図 4 に示したように，本法を用いることで c 軸配向

2005年 4 月 日本学術振興会特別研究員(DC1)2008 年 3 月 東北大学大学院工学研究科博士後期課
程修了
2008年 4 月 現職
専門分野生体用金属材料，表面処理◎リン酸カルシウム系セラミックス合成，チタン系および Co Cr 系生体用金属材料の組織，表面処理に関する研究に従事．と予想される．

.

お わりに本報で示したように，RF マグネトロンスパッタリング法によるリン酸カルシウムコーティングは，高い生体吸収性を

ま て り あ 第51巻 第 9 号(2012)Materia Japan上田恭介★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

