JPH01317447A - 生体親和性物質接合体及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、主として生体の皮膚に装着して体内と外界と
の情報や物質の授受を行う皮膚端子や皮膚センサーとし
て機能しあるいは人工骨、歯、歯根等のインブラント材
として有用なチタン又はチタン基合金とリン酸カルシウ
ム化合物から成る生体親和性物質の接合体とその製造方
法に関するものである。

（従来技術とその問題点） 人工骨、人工歯根等の生体インブラント材は、事故等に
より骨が欠損した場合や歯が抜けた場合等に、残ってい
る骨に接合したり顎骨に植え込んだりして生来のものに
近い形で使用でき、快適な生活を維持することを可能に
するため最近注目を集めている。該インブラント材には
水酸アパタイトをはじめとするリン酸カルシウム化合物
が使用され、該化合物は生体親和性が極めて優れており
成形が容易であることから近年広く使用されてきている
。一方チタンやチタン基合金は生体内に入っても悪影響
を及ぼすことのない生体不活性金属であり比重が約４．
５で従来のコバルト−クロム合金やステンレススチール
の２７３〜１／２と軽く、機械的強度に優れていること
から生体インブラント材の基材として近年汎用されつつ
ある。

現在輸液用や液交換用環体内外で物質交換を行う場合、
注射等による方法が主であり、この方法を継続して行う
と注射針を挿入する部分の皮膚が硬化して注射針の挿入
が不可能になるといった物理的問題だけでなく、患者の
精神的負担が大きくなるといった問題点もある。又咳注
射法の換わりに送液用パイプを切開した皮膚を通して体
内の適所と接続する方法もあるが、適用範囲が限られ又
長期間の使用は困難である。

上記材料の発達及び医書技術の向上により、生体内外で
の情報の伝達や輸液用や腎Ｖ＆透析用等として、上記注
射法や切開法に換えて皮膚に上記物質で形成した端子を
装着し、該端子を通して直接生体内外での情報交換や物
質交換を行う方法が採用されつつある。該方法は水酸ア
パタイト等の生体親和性のリン酸カルシウム化合物を皮
膚に直接埋め込み、その中心部にパイプ等の端子を接続
して該端子から輸液等を行う方法であり、輸液時にのみ
前記端子にパイプを装着し輸液装置を取り付けるだけで
よく、その効果は半永久的である。

しかしながら現在使用されている前記皮膚端子は、水酸
アパタイトを主とするリン酸カルシウム化合物に、シリ
コン等の生体不活性物質のバッキングを介して、チタン
やステンレス等から成るパイプ類をボルト等により固定
した構造を有し、取付座やパフキングが存在しあるいは
又水酸アパタイトの部分はそれのみである程度の強度を
持たなければならないことから少なくとも２〜３ｍｍ程
度の厚みを有するため部品が大型化してしまうという欠
点がある。部品の大型化は患者に対する物理的及び精神
的圧迫を大きくするため、経済的理由からだけでなく治
療を効果的にするためにも該部品の小型化に対する要請
は根強いものがある。更にバッキングに使用される前記
シリコンゴムは皮膚内に炎症を起こすことが知られてい
る。

本発明者らは、これまでチタン等の基材上に、中間層を
形成し、次いで該中間層上に水酸アパタイト等から成る
リン酸カルシウム化合物層を形成し、前記中間層により
前記基材と前記リン酸カルシウム化合物層の接合性を向
上させる方法を提案した（例えば特願昭６２−２４５５
７６号）。しかしながら前記皮膚端子におけるリン酸カ
ルシウム化合物は体内の血液の浸透や外部からのバクテ
リア等による感染を防止するために焼結体密度約９０％
以上の緻密体が要求され、前記基材と前記リン酸カルシ
ウム化合物を別個に成形し、成形後両部材を接合する方
法により製造されるため、前記した接合方法を採用する
ことができない。

（発明の目的） 本発明の目的は、上記した従来の主としてチタン又はチ
タン基合金から成る皮膚端子やインブラント材の基材と
前記リン酸カルシウム化合物との接合性を改良し、別個
に成形した両者を成形後良好に接合したより薄膜化した
リン酸カルシウム化合物を用い得る接合体及びその製造
方法を提供することである。

（問題点を解決するための手段） 本発明は、第１に、チタン又はチタン基合金から成る基
材と、リン酸カルシウム化合物から成る生体親和性物質
とを、チタン酸化物、タンタル酸化物又はそれらの少な
くとも一方を含む複合酸化物から成る酸化物層とチタン
又はチタン基合金から成る金属層とから成る中間層によ
り、接合した生体親和性物質接合体であり、第２に、チ
タン又はチタン基合金から成る基材と、リン酸カルシウ
ム化合物から成る生体親和性物質とを接合して接合体を
製造する方法において、前記生体親和性物質上に、チタ
ン酸化物、タンタル酸化物又はそれらの少なくとも一方
を含む複合酸化物から成る酸化物層を形成し、該酸化物
層上にチタン又はチタン基合金から成る金属層を形成し
て中間層とし、次いで該中間層を介して前記基材を前記
生体親和性物質と焼結することを特徴とする生体親和性
物質接合体の製造方法である。

以下本発明をより詳細に説明する。

本発明は、従来使用されている前記皮膚端子の生体親和
性物質とパイプ等の基材との接合が両者間に介在させた
バッキング等を使用して機械的手段で行われ、該接合法
が部品の大型化と患者への精神的及び肉体的負担になっ
ていることに鑑み、前記皮膚端子の生体親和性物質と基
材との接合を化学的方法により行って部品の小型化を図
るようにしたことを特徴とする。

本発明における基材を形成する金属は、生体内で安定な
金属チタン又はチタン基合金とする。ここでチタン合金
とは、金属チタンを主成分とし該金属チタンに、Ｔａｓ
　Ｎｂ、白金族金属、ＡＩ、　Ｖ等を添加した合金をい
う。このような金属又は合金から成る基材はその形状が
板状、棒状、パイプ状等の平滑なものであっても、スポ
ンジ状の多孔表面を有するものであってもよい。基材と
してこれらの基材等を使用するのは、焼結体やガラスと
比較して機械的強度が十分に大きくかつ工作が容易だか
らである。

該基材は、必要に応じて予めその表面を水洗、酸洗、超
音波洗浄、１気洗浄等により洗浄化処理しあるいは後述
する中間層との耐着力を向上させるために該表面をブラ
スト及び／又はエツチング処理により粗面化してもよい
。

次いでこの表面にチタン又はチタン基合金の微粒子を含
む層を形成する。この操作は前記基材と前記生体親和性
物質との熱膨張率の差異を緩和し温度変化による歪や応
力の増大を防止するためのものであり、前記基材表面が
十分に多孔化されていれば必ずしも必要な操作ではない
。使用する微粒子の粒径は特に限定されないが１〜４０
μｍが好適であり、４０μｍを超えると多孔度が大きく
なり過ぎる。前記微粒子層の形成は、この微粒子をメチ
ルセルロースのような焼結により揮発するバインダ材を
含む水溶液に分散させてスラリを形成し、該スラリを前
記基材表面に薄＜塗布し、真空中又は不活性又は還元性
雰囲気で焼結し表面に多孔性チタンの薄層を形成するこ
とにより行う。該焼結温度は６００〜１２００℃が適当
であり、該温度未満では焼結が不十分となり、又該温度
を超えると基材の粒子成長や熱変形が起こるため望まし
くない。

前記多孔性薄層と前記基材との組成は同一でも同一でな
くてもよく、チタン基材上にチタン合金粒子の薄層を形
成し、あるいはチタン合金基材上に金属チタン粒子の薄
層を形成してもよい。このように作製した多孔性チタン
の表面を必要に応じて平滑化してチタン又はチタン基合
金基材とする。

又この多孔性のチタン又はチタン基合金薄層はこのよう
に予めチタン又はチタン基合金基材上に形成するのでは
なく、この操作を後述する酸化物層と金属層を形成した
リン酸カルシウム化合物と前記チタン又はチタン基合金
基材を接合する時点で行うこともできる。

本発明の生体親和性物質であるリン酸カルシウム化合物
は、主として水酸アパタイトを指称しその他にリン酸三
カルシウム、リン酸水素カルシウム、リン酸二水素カル
シウムや若干の不純物成分又は後述する焼結により中間
層との反応で副成するリン酸カルシウム系の化合物を含
んでいてもよい。該生体親和性物質はその表面が前記基
材の接合面と一致するよう整形し、必要に応じて研磨し
、接合が全面で起こり間隙が生じないようにすることが
望ましい。

次いで、接合性向上のために、前記基材と前記生体親和
性物質を、前記したチタン酸化物、タンタル酸化物又は
これらを含む複合酸化物とチタン又はチタン基合金とを
含む中間層を介して接合する。該中間層の形成により接
合性が向上する理由は明確ではないが、熱分解法等によ
り形成される酸化物層とリン酸カルシウム化合物とが分
子レベルで均一な化学結合界面が形成され、又前記酸化
物層と前記金属層中の金属又は合金間の該金属又は合金
上に酸化皮膜を有する化学結合界面が形成されるためと
推測される。又熱分解法による酸化物層は、熱分解ガス
が透過したことにより形成されるガス分子レベルの極め
て微細な孔が多数形成されていると思われ、該孔が前記
金属又は合金及びセラミックである前記リン酸カルシウ
ム化合物の熱膨張率の差を緩和し接合性向上に寄与して
いるものと推測される。

前記中間層は、前記基材又は生体親和性物質のいずれか
の表面に特に生体親和性物質の表面に形成する。以下の
説明は該中間層を前記生体親和性物質上に形成する方法
を中心として行う。

前記酸化物層の主成分は酸化チタンあるいは酸化タンタ
ル単独でも、それらを含む複合酸化物例えば酸化チタン
−酸化タンタル、酸化チタン−酸化ジルコニウム、酸化
チタン−酸化ニオブ等であってもよいが、酸化チタン単
独、及び酸化チタン−酸化タンタルの複合酸化物が好適
である。これらの成分はいずれも生体不活性物質であり
、所謂バインダとして好適である。

該酸化物層は熱分解法により好適に形成される。

例えば前記酸化物を構成する金属イオンを含む溶液例え
ば塩化チタンの希塩酸溶液や塩化チタン−塩化タンタル
の希塩酸溶液又はブチルチタネートやアルコキシタンタ
ル等のアルコール溶液を前記生体親和性物質表面に塗布
し、乾燥後４００〜９００℃で空気中等の酸素含有雰囲
気で５〜６０分間加熱することにより前記酸化物層を得
ることができる。

１回の加熱焼成で厚さが十分でない場合は前記操作を複
数回繰り返せば良い。

次いでこのように形成した酸化物層上に金属層を形成す
る。該金属層を形成する金属や合金はチタン又はチタン
基合金例えば金属チタンやチタン−タンタル合金、チタ
ン−ジルコニウム合金とする。これらの成分はいずれも
生体不活性物質であり、所謂バインダとして好適である
。該金属層の形成方法は特に限定されないが、通常の蒸
着法や他のスバタリング等を使用すれば良い。

次いでこのように作製した酸化物層と金属層を形成した
生体親和性物質と、前記した基材の表面を密着させ、必
要に応じて両者を固定具で固定して加熱焼結を行う。該
加熱焼結法としてはホットプレスによることが望ましい
が、そのまま加熱しても良い。加熱雰囲気は特に限定さ
れないが、酸化を防止するために真空中やヘリウムやア
ルゴン等の不活性ガス中あるいは還元雰囲気中とするこ
とが望ましく、又焼結温度は６００〜１２００℃好まし
くは８００〜１０００℃であり、焼結時間は５〜１８０
分とする。焼結後は可能であれば徐冷し、１００℃以下
にしてから前記雰囲気中から取り出すようにする。

このように形成されたリン酸カルシウム化合物−チタン
基材接合体は中間層により良好に接合され、皮膚端子の
他に通常のインブラント材としても使用することが可能
である。

（実施例） 以下本発明の実施例を記載するが、これらの実施例は本
発明を限定するものではない。

大嵐斑土二肥 湿式法により合成した水酸アパタイトの粉末を円盤状に
成形し、１２００℃で焼結することにより直径約２４１
、厚さ約５ｍｍの計２５枚の水酸アパタイトの緻密体（
相対密度約９５％）を得た。

該緻密体中の２０枚のそれぞれの片面に金属換算で０．
４Ｍ／ｌのチタンアルコキシド（実施例１〜３、参考例
１及び２）、チタンアルコキシド及びタンクルアルコキ
シド（実施例４〜６、参考例３及び４）、チタンアルコ
キシド及びジルコニウムアルコキシド（実施例７〜９、
参考例５及び６）及びタンクルアルコキシド（実施例１
０〜１２、参考例７及び８）のｎ−ブタノール溶液を塗
布し、昇温速度１０℃／分で６００℃まで上昇させ１０
分間保持した。この操作を２回繰り返して第１表中に示
す中間層中の酸化物を形成した。又前記緻密体の残りの
５枚には前記中間層を形成しなかった（参考例９〜１３
）。

次いで該酸化物層上に第１表の中間層を形成する金属又
は合金を金属ターゲットとして用い、アルゴン雰囲気中
でＩ　Ｘｌ０−”ｍｗＨｇ、印加電圧２．９ｋＶ、膜成
長速度０．１μｍ／分の条件でスパッタリングを行い、
１０μｍの金属（又は合金）薄膜を形成した。

一方縦６０＋ａｍ、横６抛ｍ、厚さ５ｓａ＋のＪＩＳＩ
種チタン板を３０重量％の硝酸と０．５重量％の弗酸を
含第　　　１　　　表 有する常温の硝弗酸水溶液中に２０分間浸漬して表面を
洗浄し、中心部の直径約２４ｍｍの円形部分に、粒径１
０μｍ以下のチタン粉末と３重量％のエチルセルロース
酢酸エチル溶液を混合したスラリを均一に塗布し、上記
した水酸アパタイト緻密体を載せて６０℃で２時間乾燥
させた。

これを、Ｉ　Ｘ　１０−’〜Ｉ　Ｘ　１０−６ｍｍＨｇ
の真空中で５℃／分の速度で９５０℃まで昇温させ１時
間保持した後、炉中で冷却して接合体を得、該接合体を
数日間実験室内でインブラント材として使用し、その接
合性を調べた。その結果を第１表に示す。

表中○は過酷なハンドリングに対する耐性を有し、△は
簡単なハンドリングに対する耐性を有し、×は全く接合
しないことを示している。

第１表から、中間層として、チタン酸化物、タンタル酸
化物又はそれらを主とする複合酸化物層とチタン又はチ
タン基合金を形成することにより、水酸アパタイト緻密
体とチタン基材間の接合が非常に良好になることが判明
した。

（発明の効果） 本発明では、チタン等から成る基材と、リン酸カルシウ
ム化合物から成る生体親和性物質とを、チタン酸化物等
を含む酸化物層とチタン等を含む基材層から成る中間層
により接合している。

従来の例えば皮膚端子では、別個に成形した基材と生体
親和性物質とを、機械的方法により接合しているため、
必然的に前記皮膚端子自体が大型化し該皮膚端子を使用
する患者に対する精神的及び肉体的負担とな、っている
。

一方本発明に係わる接合体は、前記基材と前記生体親和
性物質を、チタン酸化物、タンタル酸化物又はそれらを
主とする複合酸化物を含む酸化物層とチタン又はチタン
基合金とを含む金属層から成る中間層により接合してい
る。従って該接合体は化学的手段で一体化され機械的手
段を必要としないため、全体を小型化することができ体
積及び重量が減少して患者に対する前記負担が大きく低
減される。

更に該接合体は何の手段も必要とせずに常に一体化され
ているため単一の備品として容易かつ安全に取り扱うこ
とができる。

又前記基材上に、チタン又はチタン基合金の微粒子を含
む層を形成しておくと、該基材と前記生体親和性物質と
の熱膨張率の差異が緩和され温度変化による歪や応力の
増大を防止できるため、該歪や残留応力による接合部の
剥離等が効果的に防止される。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）チタン又はチタン基合金から成る基材と、リン酸
   カルシウム化合物から成る生体親和性物質とを、チタン
   酸化物、タンタル酸化物又はそれらの少なくとも一方を
   含む複合酸化物から成る酸化物層とチタン又はチタン基
   合金から成る金属層とから成る中間層により、接合した
   生体親和性物質接合体。
2. （２）チタン又はチタン基合金から成る基材の表面に、
   チタン又はチタン基合金から成る多孔性の薄層を有する
   請求項１に記載の接合体。
3. （３）チタン又はチタン基合金から成る基材と、リン酸
   カルシウム化合物から成る生体親和性物質とを接合して
   接合体を製造する方法において、前記生体親和性物質上
   に、チタン酸化物、タンタル酸化物又はそれらの少なく
   とも一方を含む複合酸化物から成る酸化物層を形成し、
   該酸化物層上にチタン又はチタン基合金から成る金属層
   を形成して中間層とし、次いで該中間層を介して前記基
   材を前記生体親和性物質と焼結することを特徴とする生
   体親和性物質接合体の製造方法。