JP2020121902A

JP2020121902A - 医療機器用部材

Info

Publication number: JP2020121902A
Application number: JP2019014445A
Authority: JP
Inventors: 三垣　俊二; Shunji Migaki; 俊二三垣; 宗幹古賀; Munekimi Koga
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2019-01-30
Filing date: 2019-01-30
Publication date: 2020-08-13

Abstract

【課題】高い機械的強度および高い靭性を兼ね備えるだけでなく、機械的強度のばらつきが小さく、長期間に亘って安定して使用可能な医療機器用部材を提供する。【解決手段】本開示の医療機器用部材は、ジルコニア結晶粒子およびアルミナ結晶粒子を含有する。また、全成分１００質量％のうち、安定化剤成分、ハフニアおよびジルコニアが合計で８０質量％以上９０質量％以下であり、アルミナが１０質量％以上２０質量％以下である。そして、アルミナ結晶粒子の円相当径の平均値Ｄ１が０．３μｍ以上０．６μｍ以下であり、前記アルミナ結晶粒子の円相当径の標準偏差Ｄ１σに対する前記平均値Ｄ１の比Ｄ１σ／Ｄ１が０．６以下である。【選択図】なし

Description

本開示は、医療機器用部材に関する。

外科手術において、患者の骨に穿孔をあけるために用いられる外科用ドリル等の医療機器を構成する部材（以下、医療機器用部材と記載する）には、セラミックスが広く用いられている。

ここで、医療機器は加熱等の厳しい環境下で使用される場合があり、使用時に破損等が発生しないようにする観点から、セラミックスの中でも、高い機械的強度および高い靭性を兼ね備えた、ジルコニア−アルミナ系複合セラミックスが医療機器用部材として使用されている（例えば、特許文献１を参照）。

国際公開２０１１／０８１１０３号

ここで、医療機器は高価であり、容易に交換できないため、長期期に亘って安定して使用できることが求められている。

本開示は、このような事情に鑑みて案出されたものであり、高い機械的強度および高い靭性を兼ね備えるだけでなく、機械的強度のばらつきが小さく、長期間に亘って安定して使用可能な医療機器用部材を提供することを目的とする。

本開示の医療機器用部材は、ジルコニア結晶粒子およびアルミナ結晶粒子を含有する。また、全成分１００質量％のうち、安定化剤成分、ハフニアおよびジルコニアが合計で８０質量％以上９０質量％以下であり、アルミナが１０質量％以上２０質量％以下である。そして、アルミナ結晶粒子の円相当径の平均値Ｄ１が０．３μｍ以上０．６μｍ以下であり、前記アルミナ結晶粒子の円相当径の標準偏差Ｄ１σに対する前記平均値Ｄ１の比Ｄ１σ／Ｄ１が０．６以下である。

本開示の医療機器用部材は、高い機械的強度および高い靭性を兼ね備えるだけでなく、機械的強度のばらつきが小さく、長期間に亘って安定して使用可能である。

本開示の医療機器用部材について、以下に詳細に説明する。

本開示の医療機器用部材は、ジルコニア結晶粒子およびアルミナ結晶粒子を含有している。そして、全成分１００質量％のうち、安定化剤成分、ハフニア（ＨｆＯ_２）およびジルコニア（ＺｒＯ_２）が合計で８０質量％以上９０質量％以下であり、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）が１０質量％以上２０質量％以下である。なお、以下においては、安定化剤成分、ハフニアおよびジルコニアを纏めて、ジルコニア類と記載する。

このように、本開示の医療機器用部材は、上記含有量であることで、高い機械的強度および高い靭性を兼ね備える。ここで、高い機械的強度とは、ＪＩＳＲ１６０１−２００８に準拠した３点曲げ強度の値が８００ＭＰａ以上のことである。また、高い靭性とは、ＪＩＳＲ１６０７に準拠した、ＳＥＰＢ（ＳｉｎｇｌｅＥｄｇｅＰｒｅ?Ｃｒａ
ｃｋｅｄＢｅａｍ）法による測定値が８ＭＰａ・ｍ^１／２以上のことである。

ここで、安定化剤成分としては、ストロンチア（ＳｒＯ）、イットリア（Ｙ_２Ｏ_３）、セリア（ＣｅＯ_２）、スカンジア（Ｓｃ_２Ｏ_３）およびディスプロシア（Ｄｙ_２Ｏ_３）等の中から選択される１種類もしくは２種類である。特に、安定化剤成分がイットリアであれば、イオン半径がジルコニアに近いことから、安定化度合が高く、ジルコニアの粗大結晶粒子が発生しにくいため、機械的強度が向上する。また、安定化剤成分がセリアであれば、４価のＣｅイオンがジルコニアに固溶することにより、酸素欠陥を生じにくくすることができ、２００℃以上３００℃以下での相変態をしづらくすることができることから、耐熱性が向上する。また、安定化剤成分がセリアであれば、靱性も向上する。なお、安定化剤成分は、ジルコニア１００モル％に対して、１モル％以上１２モル％以下の範囲で含有すればよい。

また、ハフニアの含有量は、例えば、ジルコニア１００質量部に対して１質量部以上３質量部以下である。

さらに、本開示の医療機器用部材は、アルミナおよびジルコニア類以外の成分として、焼結性を高めるべく、酸化珪素（ＳｉＯ_２）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化チタン（ＴｉＯ_２）等の焼結助剤を含有していても構わない。なお、焼結助剤は、アルミナおよびジルコニア類の合計１００質量部に対して、０．１質量部以上２．０質量部以下の範囲で含有していてもよい。

また、ジルコニア結晶粒子およびアルミナ結晶粒子を含有するか否かは、Ｘ線回折装置（ＸＲＤ）を用いて医療機器用部材を測定し、得られた２θ（２θは、回折角度である。）の値より、ＪＣＰＤＳカードと照合することにより、確認すればよい。

また、アルミナ、安定化剤成分、ハフニア、ジルコニア、焼結助剤の含有量については、以下の方法で算出すればよい。まず、ＸＲＤを用いて、医療機器用部材を測定し、得られた２θの値より、ＪＣＰＤＳカードと照合することにより、医療機器用部材を構成する各成分を確認する。次に、蛍光Ｘ線分析装置（ＸＲＦ）または走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）に付設のエネルギー分散型分析器（ＥＤＳ）を用いて、医療機器用部材の定性分析を行なう。次に、この定性分析により検出された元素につき、ＩＣＰ発光分光分析装置（ＩＣＰ）を用いて定量分析を行なう。次に、この定量分析により測定された各元素の含有量から、それぞれ酸化物に換算することで、アルミナ、安定化剤成分、ハフニア、ジルコニア、焼結助剤の含有量を算出すればよい。

そして、本開示の医療機器用部材は、アルミナ結晶粒子の円相当径の平均値Ｄ１が０．３μｍ以上０．６μｍ以下であり、アルミナ結晶粒子の円相当径の標準偏差Ｄ１σに対する平均値Ｄ１の比Ｄ１σ／Ｄ１が０．６以下である。なお、アルミナ結晶粒子の円相当径とは、観察面におけるアルミナ結晶粒子の面積を、その面積と等しい円に置き換えた場合における、円の直径を意味している。

このような構成を満足する本開示の医療機器用部材は、アルミナ結晶粒子の円相当径が揃っている、すなわち、アルミ結晶粒子同士の強度が揃っているため、機械的強度のばらつきが小さい。よって、長期間に亘って安定して使用可能である。

また、アルミナ結晶粒子の円相当径の平均値Ｄ１、アルミナ結晶粒子の円相当径の標準偏差Ｄ１σは、以下の方法で算出することができる。

まず、医療機器用部材を切断し、この切断面を、クロスセクションポリッシャー（ＣＰ）を用いて研磨するか、または集束イオンビーム（ＦＩＢ）を用いて加工することで加工面を得る。そして、この加工面をフッ化水素酸等でケミカルエッチングするか、または１４００℃以上１５００℃以下で熱処理することで、観察面を得る。

次に、ＳＥＭで観察面を撮影する。このとき、アルミナ結晶粒子は黒色系の色調を呈するのに対し、ジルコニア結晶粒子は白色系の色調を呈することから、目視においてアルミナ結晶粒子とジルコニア結晶粒子とは識別できるものである。

そして、ＳＥＭで撮影した写真において、アルミナ結晶粒子をトレースして黒く塗りつぶす。このトレースした画像を画像解析ソフト「Ａ像くん」（登録商標、旭化成エンジニアリング（株）製であり、以降に画像解析ソフト「Ａ像くん」と記した場合、旭化成エンジニアリング（株）製の画像解析ソフトを示すものとする。）の粒子解析という手法を適用して画像解析を行なうことで、アルミナ結晶粒子の円相当径の平均値Ｄ１、アルミナ結晶粒子の円相当径の標準偏差Ｄ１σを算出すればよい。なお、「Ａ像くん」の解析条件としては、粒子の明度を「暗」、小図形除去面積を０．４μｍ、２値化の方法を「自動」とすればよい。

また、電子線マイクロアナライザー（ＥＰＭＡ）を用いて、観察面の面分析を行なうことによってもアルミナ結晶粒子とジルコニア結晶粒子の存在を確認することができる。観察面の面分析のカラーマッピングにおいて、アルミニウムおよび酸素が暖色で示される粒子があればアルミナ結晶粒子とみなすことができ、ジルコニウムおよび酸素が暖色で示される粒子があれば、ジルコニア結晶粒子とみなすことができる。

また、本開示の医療機器用部材は、アルミナ結晶粒子の円相当径の標準偏差Ｄ１σに対する平均値Ｄ１の比Ｄ１σ／Ｄ１が０．３８以下であってもよい。

このような構成を満足するならば、アルミナ結晶粒子の円相当径がより揃っていることで、本開示の医療機器用部材の機械的強度のばらつきがより小さくなる。

また、本開示の医療機器用部材は、アルミナ結晶粒子の重心間距離の標準偏差は０．５μｍ以下であってもよい。ここで、アルミナ結晶粒子の重心間距離とは、隣り合うアルミナ結晶粒子の重心同士の最短距離のことである。よって、アルミナ結晶粒子の重心間距離の標準偏差とは、アルミナ結晶粒子同士の分散度合いを示す指標である。

このような構成を満足するならば、本開示の医療機器用部材において、アルミナ結晶粒子が適度に均一に存在していることから、本開示の医療機器用部材の機械的強度のばらつきがより小さくなる。

なお、アルミナ結晶粒子の重心間距離の平均値は、例えば、０．８μｍ以上１．２μｍ以下であってもよい。

ここで、アルミナ結晶粒子の重心間距離の平均値、アルミナ結晶粒子の重心間距離の標準偏差は、上述したアルミナ結晶粒子の円相当径の平均値Ｄ１等の測定方法において、画像解析ソフト「Ａ像くん」の粒子解析という手法ではなく、画像解析ソフト「Ａ像くん」の分散解析という手法を適用して画像解析を行なうことにより、算出することができる。

また、本開示の医療機器用部材は、ジルコニア結晶粒子の円相当径の平均値Ｄ２は、０．５μｍ以上１．２μｍ以下であってもよい。そして、本開示の医療機器用部材は、ジルコニア結晶粒子の円相当径に平均値Ｄ２に対するアルミナ結晶粒子の円相当径の平均値Ｄ１の比Ｄ２／Ｄ１が１．５以上２．５以下であってもよい。

このような構成を満足するならば、ジルコニア結晶粒子よりも熱伝導率が高いアルミナ結晶粒子が適度な大きさを有するため、本開示の医療用部材は高い熱伝導率を有し、加熱等がされる医療機器に好適に用いることができる。ここで、高い熱伝導率とは、ＪＩＳＲ１６１１−２０１０に準拠したレーザーフラッシュ法によって求めた値が４Ｗ／ｍ・Ｋ以上のことである。

ここで、ジルコニア結晶粒子の円相当径の平均値Ｄ２は、上述したアルミナ結晶粒子の円相当径の平均値Ｄ１等の測定方法において、アルミナ結晶粒子をトレースして黒く塗りつぶすのではなく、ジルコニア結晶粒子をトレースして黒く塗りつぶした画像を画像解析ソフト「Ａ像くん」の粒子解析という手法を適用して画像解析を行なうことにより、算出することができる。

また、本開示の医療機器用部材は、高い機械的強度および高い靭性を兼ね備えるだけでなく、機械的強度のばらつきが小さく、長期間に亘って安定して使用可能であることから、外科用ドリルまたは電気メスヘッド等に使用可能である。

次に、本開示の医療機器用部材の製造方法の一例について説明する。

まず、安定化剤成分として、ストロンチア、イットリア、セリア、スカンジアおよびディスプロシア等の中から選択される１種類もしくは２種類を１ｍｏｌ％以上１２ｍｏｌ％以下含む、平均粒径が０．３μｍ以上１．０μｍ以下のジルコニア粉末が８０質量％以上９０質量％以下、平均粒径が０．５μｍのアルミナ粉末が１０質量％以上２０質量％以下となるように秤量した混合粉末を得る。ここで、このジルコニア粉末は、ジルコニア１００質量部に対して、例えば、２質量部のハフニアを含むものである。

また、このアルミナ粉末は、アルミナ粉末の円相当径の累積分布における、累積１０％のときの円相当径（ｄ１０）と、累積９０％のときの円相当径（ｄ９０）との差ｄ９０−ｄ１０が１．５μｍ以下のものとする。

次に、この混合粉末に、溶媒を加え、ボールミルまたはビーズミル等を用いて、混合粉末の平均粒径が０．２μｍ以上０．５μｍ以下となるまで粉砕する。なお、ボールミルには、ジルコニア製または高純度アルミナ製のセラミックボールを用いればよい。

次に、粉砕を終えたスラリーに対し、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）等のバインダを所定量加え、噴霧乾燥法により乾燥させて顆粒を得る。そして、この顆粒を用いて所望の成形法、例えば、乾式加圧成形法または冷間静水圧加圧成形法等により成形体を得る。

または、顆粒に更に熱可塑性樹脂およびワックス等を加え、これらをニーダに投入し、加熱しながら混練して坏土を得る。そして、得られた坏土をペレタイザーに投入することにより、インジェクション成形（射出成形）用の原料となるペレットを得る。次に、得られたペレットをインジェクション成形機（射出成形機）に投入して射出成形することにより、成形体を得てもよい。

次に、この成形体を大気雰囲気中において、１４５０℃以上１６００℃以下の温度で１時間以上３時間以下保持して焼成することにより、本開示の医療機器用部材を得る。

また、アルミナ結晶粒子の円相当径の標準偏差Ｄ１σに対する、アルミナ結晶粒子の円相当径の平均値Ｄ１の比Ｄ１σ／Ｄ１を０．３８以下にするには、ｄ９０−ｄ１０が１．０μｍ以下のアルミナ粉末を使用すればよい。

また、アルミナ結晶粒子の重心間距離の標準偏差を０．５μｍ以下とするには、混合粉末に、混合粉末１００質量部に対して０．０５質量部以上０．５０質量部以下のアニオン系分散剤を添加すればよい。

また、ジルコニア結晶粒子の円相当径に平均値Ｄ２に対するアルミナ結晶粒子の円相当径の平均値Ｄ１の比Ｄ２／Ｄ１を１．５以上２．５以下にするには、平均粒径が０．４μｍ以上０．８μｍ以下のジルコニア粉末を使用するとともに、上述の焼成前に、１４００℃以上１４５０℃以下で、３０分以上５時間以下保持しておけばよい。

なお、本開示は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良等が可能である。

Claims

ジルコニア結晶粒子およびアルミナ結晶粒子を含有し、
全成分１００質量％のうち、安定化剤成分、ハフニアおよびジルコニアが合計で８０質量％以上９０質量％以下であり、アルミナが１０質量％以上２０質量％以下であり、
前記アルミナ結晶粒子の円相当径の平均値Ｄ１が０．３μｍ以上０．６μｍ以下であり、前記アルミナ結晶粒子の円相当径の標準偏差Ｄ１σに対する前記平均値Ｄ１の比Ｄ１σ／Ｄ１が０．６以下である、医療機器用部材。
前記比Ｄ１σ／Ｄ１が０．３８以下である、請求項１に記載の医療機器用部材。
前記アルミナ結晶粒子の重心間距離の標準偏差は０．５μｍ以下である、請求項１または請求項２に記載の医療機器用部材。
前記ジルコニア結晶粒子の円相当径に平均値Ｄ２に対する前記アルミナ結晶粒子の円相当径の平均値Ｄ１の比Ｄ２／Ｄ１が１．５以上２．５以下である、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の医療機器用部材。