JPH0153211B2 - - Google Patents

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JPH0153211B2
JPH0153211B2 JP58240968A JP24096883A JPH0153211B2 JP H0153211 B2 JPH0153211 B2 JP H0153211B2 JP 58240968 A JP58240968 A JP 58240968A JP 24096883 A JP24096883 A JP 24096883A JP H0153211 B2 JPH0153211 B2 JP H0153211B2
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JP
Japan
Prior art keywords
glass
crystals
less
temperature range
diopside
Prior art date
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Application number
JP58240968A
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Japanese (ja)
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JPS60137853A (en
Inventor
Masahiro Yoshida
Kenji Nakagawa
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Hoya Corp
Original Assignee
Hoya Corp
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Publication date
Application filed by Hoya Corp filed Critical Hoya Corp
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Priority to US06/678,977 priority patent/US4560666A/en
Publication of JPS60137853A publication Critical patent/JPS60137853A/en
Publication of JPH0153211B2 publication Critical patent/JPH0153211B2/ja
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Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

この発明は人工歯根および人工骨等のインプラ
ント材料として有用な高強度結晶化ガラスおよび
その製造方法に関するものである。 近年、人工歯根や人工骨などの人工材料が、機
能を果たさなくなつた歯根や骨の代用として使用
されている。このような人工材料として、従来ス
テンレス鋼またはコバルトクロム合金等の耐食性
合金や、ポリメチルメタクリレートまたは高密度
ポリエチレン等の高分子材料が用いられてきた。 しかしながら、これらの材料は長期間の使用に
より生体内に金属イオンやモノマーが溶出する傾
向があり、人体に有害である場合もある。これに
較べ、セラミツクス材料は一般に生体親和性に優
れ、生体内で安定であるため、これからの材料と
して注目をあびている。このようなセラミツクス
材料としては、まず単結晶および多結晶のアルミ
ナがあり、この材料は非常に高強度であることが
特徴である。 しかしながら、アルミナセラミツクスは骨と化
学結合を作らないため、生体内に固定するにはア
ルミナセラミツクス自体にねじを切つたり、穴を
あけたりして、骨内に物理的に固定する方法をと
らねばならない。この場合材料の形状が不適当で
あると、骨や材料の一部に応力集中が生じ、骨の
吸収が起こつたり、骨と材料の界面にコラーゲン
繊維が生じたりして、材料の固定部分のゆるみや
脱落が起こる場合がある。この問題を解決するた
め、近年骨と化学結合を作り、強く骨内に固定で
きるセラミツクスの開発が進められている。この
種のセラミツクスの代表例としては、水酸化アパ
タイトの焼結体、Na2O−CaO−P2O5−SiO2系の
バイオガラス及びNa2O−K2O−MgO−CaO−
P2O5−SiO2系のガラスからアパタイト結晶を析
出させたアパタイト含有の結晶化ガラスが知られ
ている。しかしながら、水酸化アパタイト結晶は
高温で焼結するとリン酸三石灰に変化するため、
緻密な組織を有する強度の大きい焼結体を製造す
ることが困難である。 他方、バイオガラスおよびアパタイト含有の結
晶化ガラスは、機械的強度が小さく骨置換材料と
してはあまり応力の加わらない部分にしか利用で
きない欠点がある。そこで最近では、骨と化学結
合を作り、しかも比較的強度の大きな結晶化ガラ
スがさらに開発されている。このような従来の結
晶化ガラスとしては、MgOの含有量が7%以下
のMgO−CaO−P2O5−SiO2系のガラスを200メ
ツシユ以下に紛砕し、これを加圧成形した後に、
ガラス粉末の焼結温度域とアパタイト結晶とウオ
ラストナイト結晶の生成温度域で熱処理して作ら
れたものがある。このようにして得られた結晶化
ガラスの曲げ強度は、1200〜1400Kg/cm2であり、
骨と化学結合を作る材料としては従来では最も強
度の大きいものである。しかし、この結晶化ガラ
スにおいては、ガラス粉末の焼結温度域と結晶の
析出温度域が接近しているため、焼結により気孔
が消失する以前に結晶化が進行し、緻密な組織の
結晶化ガラスを安定に製造するのが難しい。この
ため製造ロツトにより強度が変動する欠点があ
る。また、この結晶化ガラスを人工歯根に用いる
には、さらに機械的強度の大きいことが望まれ
る。 この発明は、上記のような従来の問題点に着目
してなされたもので、生体親和性の優れたアパタ
イト結晶を含み、且つ強度が高い結晶化ガラスと
その製造方法を提供することを目的としている。 即ち、この発明の結晶化ガラスは、重量%で
MgO8〜34%、CaO12〜43%、SiO225〜40%、
P2O510〜25%で、且つMgO、CaO、SiO2、P2O5
の合計含量が90%以上で、Li2O、Na2O、K2O、
SrO、B2O3、TiO2、Nb2O5、Ta2O5、F2の何れ
か1種または2種以上の添加物が10%以下である
組成を有し、多量のアパタイト(Ca10(PO4)6O)
と、ジオプサイド(MgO・CaO・2SiO2)、フオ
ルステライト(2MgO・SiO2)、アカマナイト
(2CaO・MgO・2SiO2)等のアルカリ土類ケイ酸
塩結晶とが共存し、これらが均一にガラス中に分
散した構造を有することを特徴している。 また組成に関しては、重量%でMgO8〜34%、
CaO12〜43%、SiO225〜40%、P2O510〜25%、
Al2O31〜10%で、且つMgO、CaO、SiO2、
P2O5、Al2O3の合計含量が90%以上で、Li2O、
Na2O、K2O、SrO、B2O3、TiO2、Nb2O5、
Ta2O5、F2の何れか1種または2種以上の添加物
が10%以下であることも特徴としている。 さらにこの発明の結晶化ガラスの製造方法は、
上記各組成の200メツシユ以下のガラス粉末を成
形後、当該ガラス粉末の焼結温度域で加熱処理
し、次いでアパタイト結晶、およびジオプサイ
ド、フオルステライト、アカマナイト等のアルカ
リ土類ケイ酸塩結晶の生成温度域で加熱処理する
ことを特徴としている。 次にこの発明に係る結晶化ガラスの各成分を上
記のように量的に限定した理由を述べる。 MgOが8%以下では、ガラス粉末の焼結温度
域と結晶生成温度域が接近しているので、焼結に
より気孔が消失する以前に結晶化が起こり、緻密
な組織の結晶化ガラスを得にくい。また、MgO
が34%以上ではアパタイト結晶の生成量が少なく
なるため好ましくない。よつて、MgOの含有率
は8〜34%に限定される。CaOが12%以下ではア
パタイト結晶の生成量が少ないので好ましくな
い。また43%以上ではガラスの失透傾向が著し
く、製造が困難となる。よつてCaOの含有率は12
〜43%に限定される。SiO2が25%以下ではガラ
スが失透しやすく、製造が困難でカルシウムおよ
びマグネシウム(アルカリ土類)のケイ酸塩結晶
の生成量も少なくなるため、高強度のものが得ら
れにくい。また40%以上ではガラスが相分離する
傾向を持ち、均一なガラスが得られない。よつて
SiO2の含有量は25〜40%に限定される。 P2O5が10%以下ではアパタイト結晶の生成量
が少なく、また25%以上では相分離のため均一な
ガラスが得られない。よつて、P2O5の含有量は
10〜25%に限定される。 Al2O3を含むガラスについては、その加えたと
きの効果の詳細をさらに後述するが、これを含む
組成のガラスを900〜1000℃程度の温度で熱処理
すると、アパタイト結晶の生成量がAl2O3を含ま
ないものに較べて著しく増加する。 Al2O3は1%以下ではアパタイト結晶の析出を
促進する効果が少なく、10%以上ではアルカリ土
類ケイ酸塩結晶の生成量を減少させるので、10%
以下に限定される。 この発明の結晶化ガラスは、上記成分以外に人
体に有害でないLi2O、Na2O、K2O、SrO、
B2O3、TiO2、Nb2O5、Ta2O5、F2などの成分の
1種または2種以上を10%以内で添加物として含
有することができる。これらの成分の合計量が10
%を越えると、アパタイト結晶およびジオプサイ
ド結晶等のアルカリ土類ケイ酸塩結晶の生成量が
減少するので、これらの成分の合計量は10%以下
に限定される。したがつてMgO、CaO、SiO2、
P2O5またはこれにAl2O3を加えたものの、合計量
は90%以上に限定される。 上記添加物のうち、Na2Oは5%を越えると、
アパタイト結晶の生成量が著しく減少するので、
Na2Oの含有量は、5%以内であることが好まし
い。F2の量は3%を越えると、ガラスの失透傾
向が著しいため、F2の含有量は3%以内である
ことが好ましい。 そして、上記各組成の結晶化ガラスは以下のよ
うな方法により製造される。 まず上述のいずれの組成のガラスにおいても、
これを200メツシユ以下の粒度に粉砕した後に、
所定の形に成形する。この発明に用いるガラスを
溶融状態より直接所定の形に成形し、これを熱処
理した場合、アパタイト結晶は均一に分散して析
出するが、ジオプサイド、アカマナイト、フオル
ステライトなどのアルカリ土類ケイ酸塩結晶は、
ガラス表面から析出し、ガラス内部に亀裂が生じ
る。このため、強度の大きな結晶化ガラスは得ら
れない。 ガラスが微粉末であることは気孔が少なく、結
晶が均一に分散した結晶化ガラスを得るために極
めて重要な条件である。ガラス粉末が200メツシ
ユ以上であると、焼結して得られる結晶化ガラス
中に大きな気孔が残りやすく、機械的強度の大き
な結晶化ガラスは得られない。よつて、ガラス粉
末は200メツシユ以下に限定される。 またこの発明の結晶化ガラスを製造するために
は、ガラス粉末の焼結温度域、アパタイト結晶お
よびジオプサイド等のアルカリ土類ケイ酸塩結晶
の生成温度域で熱処理することが必要である。ガ
ラス粉末の焼結温度域での熱処理は、気孔のない
機械的強度の大きい結晶化ガラスを得るのに重要
である。 ガラス粉末の焼結温度域は、ガラス粉末の成形
体を一定の昇温速度で加熱して、成形体の焼結に
よる熱収縮を測定することにより求められる。熱
収縮の開始温度から、熱収縮の終了温度までが焼
結温度域である。またアパタイト結晶の生成温度
域で熱処理することは、骨と化学的に結合するた
めに必要なアパタイト結晶を多量に析出させるた
めに重要である。さらにジオプサイド等のアルカ
リ土類ケイ酸塩結晶の生成温度域で熱処理するこ
とは、アルカリ土類ケイ酸塩結晶を多量に析出さ
せ、結晶化ガラスの機械的強度を増加するために
重要である。それぞれの結晶の生成温度域は、ガ
ラス粉末の示差熱分析を行なうことにより求めら
れる。示差熱分析曲線における発熱ピークの温度
で熱処理したガラス粉末のX線回折データを解析
することにより、それぞれの発熱ピークに対応す
る析出結晶を同定し、その発熱開始温度から発熱
終了温度までが、それぞれの結晶の生成温度域で
ある。 次いでAl2O3を加えた効果を第1図および第2
図を参照して説明する。両図は、Al2O3を含まな
いガラスAと、Al2O3を含むガラスBとで製造し
た両試料について、これらの試料中に含まれてい
る結晶のX線回折線の強度と熱処理の保持温度と
の関係を示している。これらの図中イはアパタイ
ト結晶の主要X線回折ピーク(d=2.81Å)、ロ
はジオプサイド結晶の主要X線回折ピーク(d=
2.99Å)、ハはフオルステライト結晶の主要X線
回折ピーク(d=3.88Å)の各X線回折強度と熱
処理の保持温度との関係を示したものである。 またガラスAは、MgO20.8、CaO29.2、
SiO233.4、P2O516.1、F20.5wt%組成のものであ
り、ガラスBはこれにAl2O3を4wt%添加した組
成のものである。これらのガラスを200メツシユ
以下に粉砕したものを、それぞれ電気炉中で室温
から10℃/minの昇温速度で加熱し、850℃から
1150℃の範囲における一定温度で30分間保持した
後に室温まで冷却した。熱処理後のガラスAおよ
びガラスBより析出した結晶を粉末X線回折法に
より同定した結果、いずれの試料においても主要
な析出結晶は、アパタイト、ジオプサイド、そし
てフオルステライトであつた。第1図および第2
図から明らかなように、 Al2O3を添加したガラスBは、Al2O3を添加し
ないガラスAに較べ、1015℃以下でのアパタイト
結晶のX線回折強度が23%程度大きく、アパタイ
トの生成量が多いことがわかる。これに対し1015
℃以下でのジオプサイド結晶の生成量は、Al2O3
を添加しないガラスAと較べてやや少なくなる。
しかしながら、フオルステライト結晶の生成量が
やや増加する傾向があり、ジオプサイドとフオル
ステライトの生成量の合計は、ガラスAとそれほ
ど変わらない。このようにAl2O3の添加はアパタ
イト結晶の生成量を著しく増加させる効果を持
ち、ガラスBのようにAl2O3を添加したガラスを
1015℃以下で熱処理して得られる結晶化ガラス
は、アパタイト結晶を多量に含んでいるため、す
ぐれた生体親和性を持つことが分る。 なお、上記のAl2O3を加えたときの効果は、あ
る一定の組成のガラスについて述べたが、Al2O3
の添加によりアパタイト結晶の析出量が増加する
効果は、上記の組成に限定されるものではない。
熱処理により析出するアルカリ土類ケイ酸塩結晶
の種類はガラス組成により異なる。MgOの含有
量の多い組成のガラスからは、フオルステライト
(2MgO・SiO2)、CaO含有量の多い組成のガラス
からは、ジオプサイド(MgO・CaO・2SiO2)、
SiO2含有量の少ない組成のガラスおよびP2O5含
有量の少ない組成のガラスからは、アカマナイト
(2CaO・MgO・2SiO2)が析出する。これらの中
間領域の組成では、上記の結晶が2種類以上析出
する。また、Na2O、K2O、Li2Oなどの成分を添
加した場合は、上記の結晶以外の結晶が析出する
場合もある。 而して、この発明に係る結晶化ガラスは、酸化
物、リン酸塩、炭酸塩、フツ化物などを原料に用
い、一般のガラスと同様に耐火物ルツボまたは白
金ルツボを用いて、1400〜1500℃で溶融すること
ができる。溶融したガラスは、金型上に流し出す
か、あるいは冷却したロールの間を通すか、水中
に投入する方法により急冷される。このようにし
て得られたガラスをポツトミル、ジエツトミル等
の一般的な粉砕機により200メツシユ以下に紛砕
する。必要に応じてガラス粉末を粒度により分級
し、適当に粒度配合を行なう。ガラス粉末はセラ
ミツクスの成形に用いられる一般的な方法、例え
ば金型による加圧成形、泥しよう鋳込み成形法、
押し出し成形法、静水圧加圧形法などにより成形
される。成形の際に粉末の流動性などをはじめと
するレオロジー的性質を改善するために、パラフ
インやステアリン酸塩等の一般的な成形助剤をガ
ラス粉末に添加することは有効である。また、ガ
ラス粉末の流動性を良くするために、顆粒状にし
たガラス粉末を用いることも有効である。 ガラス粉末の成形体の焼結と結晶化は、前記の
ようなガラス粉末の焼結温度域、アパタイト結晶
の生成温度域およびジオプサイド等のアルカリ土
類ケイ酸塩結晶の生成温度域の温度にガラス粉末
を保持する方法、あるいはガラス粉末の焼結温度
域からジオプサイド等のアルカリ土類ケイ酸塩結
晶の生成温度域の範囲に徐々に加熱する方法によ
り行なうことができる。さらにまた、高温加圧成
形法、熱間静水圧圧縮成形法などによりガラス粉
末の焼結と結晶化を行なうことは、緻密な結晶化
ガラスを得るために有効である。 次にこの発明の実施例を説明する。表に示した
組成に相当するガラスのバツチを酸化物、炭酸
塩、リン酸塩、フツ化物などから調合し、これを
白金ルツボに入れ、1400〜1500℃で1時間溶融し
た。溶融状態のガラスを水中に投入して急冷し、
乾燥した後、ポツトミルに入れ、350メツシユ以
下の粒度に紛砕した。このガラス粉末に結合剤と
して5%のパラフインを混合したものを金型に入
れ、600Kg/cm2の圧力を加えて所定の形状に加圧
成形した。成形体を電気炉中に入れ、室温から3
℃/minの一定昇温速度で950〜1050℃の範囲内
における一定温度まで加熱し、この温度で2時間
保持して焼結と結晶化を行なつた。この後、炉内
で室温まで徐冷した。この結晶化ガラスを割り、
その破断面をSEMにより観察した結果、いずれ
も気孔のほとんどない緻密な組織であつた。この
試料を粉砕し、X線回折により析出結晶を同定し
た結果、いずれも試料にも多量のアパタイト結晶
とともにジオプサイド、フオルステライト、アカ
マナイトなどのアルカリ土類ケイ酸塩結晶が多量
に析出していることが認められた。表中にそれぞ
れの試料に析出していた結晶の種類を合わせて示
した。また一部の試料については、1000番のアル
ミナ砥粒で表面を研磨した5×5×25mmの角柱を
用いて曲げ強度を測定した。その結果も表中に併
記した。この表からかわるように、この発明の結
晶化ガラスは1500〜1800Kg/cm2の高い値の曲げ強
度を持つている。 このようにこの発明による結晶化ガラスは、骨
と化学的に接合するために必要なアパタイト結晶
を多量に含み、1500〜1800Kg/cm2という非常に高
い曲げ強度を持つている。この曲げ強度の値は、
従来の水酸化アパタイトの焼結体やNa2O−CaO
−P2O5−SiO2系のバイオガラスおよびアパタイ
ト結晶のみを含むNa2O−K2O−MgO−CaO−
P2O5−SiO2系の結晶化ガラス、さらにはアパタ
イト結晶とウオラストナイト結晶を含む結晶化ガ
ラス等の曲げ強度の値が700〜1400Kg/cm2である
のに対し、非常に大きな値を有している。またこ
の発明の結晶化ガラスにおいては、曲げ強度が製
造ロツトにより変動することも少ないので、人工
骨および人工歯根用の材料として極めて有用であ
る。
The present invention relates to a high-strength crystallized glass useful as an implant material for artificial tooth roots, artificial bones, etc., and a method for producing the same. In recent years, artificial materials such as artificial tooth roots and artificial bones have been used as substitutes for tooth roots and bones that no longer function. As such artificial materials, corrosion-resistant alloys such as stainless steel or cobalt chromium alloys, and polymeric materials such as polymethyl methacrylate or high-density polyethylene have conventionally been used. However, these materials tend to elute metal ions and monomers into the body when used for a long period of time, and may be harmful to the human body. In comparison, ceramic materials generally have excellent biocompatibility and are stable in vivo, so they are attracting attention as future materials. Examples of such ceramic materials include single-crystal and polycrystalline alumina, which are characterized by extremely high strength. However, since alumina ceramics do not form chemical bonds with bones, in order to fix them in vivo, it is necessary to physically fix them within the bones by cutting screws or drilling holes in the alumina ceramics itself. It won't happen. In this case, if the shape of the material is inappropriate, stress concentration will occur in the bone or part of the material, causing bone resorption, or collagen fibers will form at the interface between the bone and the material, causing the fixed part of the material to Loosening or falling off may occur. In order to solve this problem, progress has been made in recent years in the development of ceramics that can chemically bond with bone and firmly anchor it within the bone. Typical examples of this type of ceramics include sintered hydroxyapatite, Na 2 O−CaO−P 2 O 5 −SiO 2 based bioglass, and Na 2 O−K 2 O−MgO−CaO−
Apatite-containing crystallized glass is known, in which apatite crystals are precipitated from P2O5 - SiO2- based glass. However, when hydroxide apatite crystals are sintered at high temperatures, they change to tricalcium phosphate.
It is difficult to produce a strong sintered body with a dense structure. On the other hand, bioglass and apatite-containing crystallized glass have the disadvantage that they have low mechanical strength and can only be used as bone replacement materials in areas where little stress is applied. Therefore, recently, crystallized glass that forms chemical bonds with bones and is relatively strong has been developed. Such conventional crystallized glass is made by crushing MgO−CaO−P 2 O 5 −SiO 2 glass with an MgO content of 7% or less into 200 meshes or less, and press-forming it. ,
Some are made by heat treatment in the sintering temperature range of glass powder and the formation temperature range of apatite crystals and wollastonite crystals. The bending strength of the crystallized glass thus obtained is 1200 to 1400 Kg/ cm2 ,
It is the strongest material to date that forms a chemical bond with bone. However, in this crystallized glass, the sintering temperature range of the glass powder and the precipitation temperature range of the crystals are close to each other, so crystallization progresses before the pores disappear due to sintering, resulting in the crystallization of a dense structure. It is difficult to produce glass stably. For this reason, there is a drawback that the strength varies depending on the production lot. Further, in order to use this crystallized glass for an artificial tooth root, it is desired that the mechanical strength is even higher. This invention was made in view of the above-mentioned conventional problems, and aims to provide a crystallized glass containing apatite crystals with excellent biocompatibility and high strength, and a method for producing the same. There is. That is, the crystallized glass of this invention has a
MgO8~34%, CaO12~43%, SiO2 25~40%,
P2O5 10-25 % , and MgO, CaO, SiO2 , P2O5
The total content of Li 2 O, Na 2 O, K 2 O,
It has a composition in which one or more additives of SrO, B 2 O 3 , TiO 2 , Nb 2 O 5 , Ta 2 O 5 , and F 2 are 10% or less, and a large amount of apatite (Ca 10 (PO 4 ) 6 O)
and alkaline earth silicate crystals such as diopside (MgO・CaO・2SiO 2 ), forsterite (2MgO・SiO 2 ), and acamanite (2CaO・MgO・2SiO 2 ) coexist, and these crystals are uniformly distributed in the glass. It is characterized by having a dispersed structure. Regarding the composition, MgO8 to 34% by weight,
CaO12~43%, SiO2 25~40%, P2O5 10 ~25%,
Al 2 O 3 1-10%, and MgO, CaO, SiO 2 ,
The total content of P 2 O 5 , Al 2 O 3 is 90% or more, Li 2 O,
Na2O , K2O , SrO, B2O3 , TiO2 , Nb2O5 ,
Another feature is that the content of one or more additives of Ta 2 O 5 and F 2 is 10% or less. Furthermore, the method for producing crystallized glass of the present invention includes:
After molding a glass powder of 200 mesh or less of each composition above, it is heat-treated in the sintering temperature range of the glass powder, and then the temperature at which apatite crystals and alkaline earth silicate crystals such as diopside, forsterite, and acamanite crystals are formed. It is characterized by being heat-treated at a temperature range. Next, the reason why each component of the crystallized glass according to the present invention is quantitatively limited as described above will be described. When MgO is less than 8%, the sintering temperature range of the glass powder and the crystal formation temperature range are close to each other, so crystallization occurs before pores disappear due to sintering, making it difficult to obtain crystallized glass with a dense structure. . Also, MgO
If it exceeds 34%, the amount of apatite crystals produced will decrease, which is not preferable. Therefore, the MgO content is limited to 8 to 34%. If CaO is less than 12%, the amount of apatite crystals produced is small, which is not preferable. Moreover, if it exceeds 43%, the glass tends to have a significant tendency to devitrify, making it difficult to manufacture. Therefore, the content of CaO is 12
Limited to ~43%. If the SiO 2 content is less than 25%, the glass tends to devitrify, making it difficult to manufacture and producing fewer calcium and magnesium (alkaline earth) silicate crystals, making it difficult to obtain a glass with high strength. Moreover, if it exceeds 40%, the glass tends to undergo phase separation, making it impossible to obtain a uniform glass. Sideways
The content of SiO2 is limited to 25-40%. If P 2 O 5 is less than 10%, the amount of apatite crystals produced is small, and if it is more than 25%, a uniform glass cannot be obtained due to phase separation. Therefore, the content of P 2 O 5 is
Limited to 10-25%. As for glass containing Al 2 O 3 , the details of the effect when added will be described in detail later, but when glass with a composition containing Al 2 O 3 is heat-treated at a temperature of about 900 to 1000°C, the amount of apatite crystals produced increases It increases significantly compared to the one that does not contain O 3 . If Al 2 O 3 is less than 1%, it has little effect on promoting the precipitation of apatite crystals, and if it is more than 10%, it reduces the amount of alkaline earth silicate crystals formed.
Limited to: In addition to the above-mentioned components, the crystallized glass of the present invention contains Li 2 O, Na 2 O, K 2 O, SrO, which is not harmful to the human body.
One or more of components such as B 2 O 3 , TiO 2 , Nb 2 O 5 , Ta 2 O 5 , F 2 and the like can be contained as an additive within 10%. The total amount of these ingredients is 10
%, the amount of alkaline earth silicate crystals such as apatite crystals and diopside crystals will decrease, so the total amount of these components is limited to 10% or less. Therefore, MgO, CaO, SiO 2 ,
The total amount of P 2 O 5 or Al 2 O 3 added thereto is limited to 90% or more. Among the above additives, if Na 2 O exceeds 5%,
Since the amount of apatite crystals produced is significantly reduced,
The content of Na 2 O is preferably within 5%. If the amount of F 2 exceeds 3%, the glass tends to devitrify significantly, so the content of F 2 is preferably within 3%. The crystallized glass having each of the above compositions is manufactured by the following method. First, in any of the above-mentioned composition glasses,
After pulverizing this to a particle size of 200 mesh or less,
Mold into a predetermined shape. When the glass used in this invention is directly formed into a predetermined shape from a molten state and then heat-treated, apatite crystals are uniformly dispersed and precipitated, but alkaline earth silicate crystals such as diopside, acamanite, and forsterite are precipitated. teeth,
It precipitates from the glass surface and causes cracks inside the glass. Therefore, crystallized glass with high strength cannot be obtained. The fact that the glass is a fine powder is an extremely important condition for obtaining crystallized glass with few pores and uniformly dispersed crystals. If the glass powder has a mesh size of 200 or more, large pores tend to remain in the crystallized glass obtained by sintering, making it impossible to obtain a crystallized glass with high mechanical strength. Therefore, the glass powder is limited to 200 mesh or less. Further, in order to produce the crystallized glass of the present invention, it is necessary to perform heat treatment in the sintering temperature range of glass powder and the formation temperature range of alkaline earth silicate crystals such as apatite crystals and diopside. Heat treatment of glass powder in the sintering temperature range is important for obtaining crystallized glass with no pores and high mechanical strength. The sintering temperature range of the glass powder is determined by heating a molded body of glass powder at a constant temperature increase rate and measuring the thermal shrinkage due to sintering of the molded body. The sintering temperature range is from the start temperature of heat shrinkage to the end temperature of heat shrinkage. Furthermore, heat treatment in the apatite crystal formation temperature range is important in order to precipitate a large amount of apatite crystals necessary for chemically bonding to bone. Furthermore, heat treatment in the temperature range for forming alkaline earth silicate crystals such as diopside is important in order to precipitate a large amount of alkaline earth silicate crystals and increase the mechanical strength of the crystallized glass. The temperature range in which each crystal forms is determined by differential thermal analysis of glass powder. By analyzing the X-ray diffraction data of glass powder heat-treated at the temperature of the exothermic peak in the differential thermal analysis curve, the precipitated crystals corresponding to each exothermic peak were identified, and the temperature from the exothermic start temperature to the exothermic end temperature was determined respectively. This is the crystal formation temperature range. Next, the effect of adding Al 2 O 3 is shown in Figures 1 and 2.
This will be explained with reference to the figures. Both figures show the intensity of X-ray diffraction lines of crystals contained in these samples and the heat treatment for both samples manufactured with glass A that does not contain Al 2 O 3 and glass B that contains Al 2 O 3 . The relationship between the temperature and the holding temperature is shown. In these figures, A indicates the main X-ray diffraction peak of apatite crystal (d = 2.81 Å), B indicates the main X-ray diffraction peak of diopside crystal (d =
2.99 Å), C shows the relationship between each X-ray diffraction intensity of the main X-ray diffraction peak (d=3.88 Å) of the forsterite crystal and the holding temperature of heat treatment. Glass A also has MgO20.8, CaO29.2,
It has a composition of 33.4% SiO 2 , 16.1% P 2 O 5 , and 0.5% by weight of F 2 , and Glass B has a composition to which 4% by weight of Al 2 O 3 is added. These glasses were crushed to 200 mesh or less and heated in an electric furnace at a rate of 10°C/min from room temperature to 850°C.
It was kept at a constant temperature in the range of 1150°C for 30 minutes and then cooled to room temperature. Crystals precipitated from Glass A and Glass B after heat treatment were identified by powder X-ray diffraction, and the main precipitated crystals in each sample were apatite, diopside, and forsterite. Figures 1 and 2
As is clear from the figure, the X-ray diffraction intensity of apatite crystals at temperatures below 1015°C is approximately 23% higher in glass B to which Al 2 O 3 is added than in glass A to which Al 2 O 3 is not added. It can be seen that the amount produced is large. 1015 for this
The amount of diopside crystals formed below ℃ is Al 2 O 3
It is slightly less than Glass A which does not contain.
However, the amount of forsterite crystals produced tends to increase slightly, and the total amount of diopside and forsterite produced is not much different from Glass A. In this way, the addition of Al 2 O 3 has the effect of significantly increasing the amount of apatite crystals produced, and glass to which Al 2 O 3 is added, such as glass B, is
Crystallized glass obtained by heat treatment at temperatures below 1015°C contains a large amount of apatite crystals, and therefore has excellent biocompatibility. The effect of adding Al 2 O 3 above was described for glass with a certain composition, but when Al 2 O 3
The effect of increasing the amount of apatite crystal precipitation due to the addition of is not limited to the above composition.
The type of alkaline earth silicate crystals precipitated by heat treatment differs depending on the glass composition. Forstellite (2MgO・SiO 2 ) is obtained from glass with a high MgO content, and diopside (MgO・CaO・2SiO 2 ) is obtained from glass with a high CaO content.
Acamanite (2CaO・MgO・2SiO 2 ) is precipitated from glass with a composition with a low SiO 2 content and glass with a composition with a low P 2 O 5 content. In these intermediate range compositions, two or more types of the above-mentioned crystals are precipitated. Furthermore, when components such as Na 2 O, K 2 O, and Li 2 O are added, crystals other than the above crystals may be precipitated. Therefore, the crystallized glass according to the present invention uses oxides, phosphates, carbonates, fluorides, etc. as raw materials, and is manufactured using a refractory crucible or a platinum crucible in the same manner as general glass. Can be melted at ℃. The molten glass is rapidly cooled by pouring it onto a mold, passing it between chilled rolls, or submerging it in water. The glass thus obtained is pulverized into 200 meshes or less using a common pulverizer such as a pot mill or a jet mill. If necessary, the glass powder is classified according to particle size, and the particle size is appropriately blended. Glass powder can be prepared using common methods used for molding ceramics, such as pressure molding with a mold, slurry casting,
Molded by extrusion molding method, hydrostatic pressing method, etc. In order to improve the rheological properties such as the flowability of the powder during molding, it is effective to add common molding aids such as paraffin and stearate to the glass powder. Furthermore, in order to improve the fluidity of the glass powder, it is also effective to use granulated glass powder. The sintering and crystallization of the glass powder compact is carried out at a temperature within the sintering temperature range of the glass powder, the formation temperature range of apatite crystals, and the formation temperature range of alkaline earth silicate crystals such as diopside. This can be carried out by a method in which the powder is held, or by a method in which it is gradually heated to a temperature range from the sintering temperature range of glass powder to the formation temperature range of alkaline earth silicate crystals such as diopside. Furthermore, sintering and crystallizing glass powder by high temperature pressing, hot isostatic pressing, or the like is effective for obtaining dense crystallized glass. Next, embodiments of this invention will be described. A batch of glass corresponding to the composition shown in the table was prepared from oxides, carbonates, phosphates, fluorides, etc., placed in a platinum crucible, and melted at 1400-1500°C for 1 hour. The molten glass is poured into water and rapidly cooled.
After drying, it was placed in a pot mill and pulverized to a particle size of 350 mesh or less. A mixture of this glass powder and 5% paraffin as a binder was placed in a mold, and a pressure of 600 kg/cm 2 was applied to press-form it into a predetermined shape. Place the molded body in an electric furnace and heat it from room temperature for 3
It was heated to a constant temperature within the range of 950 to 1050°C at a constant heating rate of °C/min and held at this temperature for 2 hours to perform sintering and crystallization. Thereafter, it was slowly cooled to room temperature in a furnace. Break this crystallized glass,
When the fracture surfaces were observed using SEM, they all had dense structures with almost no pores. The samples were crushed and the precipitated crystals were identified by X-ray diffraction. As a result, it was found that a large amount of alkaline earth silicate crystals such as diopside, forsterite, and acamanite were precipitated in both samples along with a large amount of apatite crystals. was recognized. The table also shows the types of crystals precipitated in each sample. For some samples, the bending strength was measured using a 5 x 5 x 25 mm square column whose surface was polished with No. 1000 alumina abrasive grains. The results are also listed in the table. As shown in this table, the crystallized glass of the present invention has a high bending strength of 1500 to 1800 Kg/cm 2 . As described above, the crystallized glass according to the present invention contains a large amount of apatite crystals necessary for chemical bonding with bone, and has an extremely high bending strength of 1500 to 1800 Kg/cm 2 . The value of this bending strength is
Conventional sintered bodies of hydroxyapatite and Na 2 O−CaO
−P 2 O 5 −SiO 2 -based bioglass and Na 2 O−K 2 O−MgO−CaO− containing only apatite crystals
The bending strength of P 2 O 5 -SiO 2 -based crystallized glass, as well as crystallized glass containing apatite crystals and wollastonite crystals, is 700 to 1400 Kg/cm 2 , but this value is extremely large. have. In addition, since the bending strength of the crystallized glass of the present invention hardly varies depending on production lots, it is extremely useful as a material for artificial bones and artificial tooth roots.

【表】【table】

【表】【table】 【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図および第2図はこの発明に係る高強度結
晶化ガラスの熱処理温度と含有結晶のX線回折線
強度との関係を示す関係曲線図で、第1図はアパ
タイト結晶についての関係曲線図、第2図はジオ
プサイド結晶およびフオルステライト結晶につい
ての関係曲線図である。 A……Al2O3を含まないガラス、B……Al2O3
を4wt%含むガラス。
1 and 2 are relationship curve diagrams showing the relationship between the heat treatment temperature of the high-strength crystallized glass according to the present invention and the X-ray diffraction line intensity of the contained crystals, and FIG. 1 is a relationship curve diagram for apatite crystals. , FIG. 2 is a relationship curve diagram for diopside crystals and forsterite crystals. A...Glass that does not contain Al 2 O 3 , B... Al 2 O 3
Glass containing 4wt%.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 重量%でMgO8〜34%、CaO12〜43%、
SiO225〜40%、P2O510〜25%で、且つMgO、
CaO、SiO2、P2O5の合計含量が90%以上で、
Li2O、Na2O、K2O、SrO、B2O3、TiO2、
Nb2O5、Ta2O5、F2の何れか1種または2種以上
の添加物が10%以下である組成を有し、ジオプサ
イド、フオルステライト、アカマナイト等のアル
カリ土類ケイ酸塩結晶を1種または2種以上と、
アパタイト結晶とを含有することを特徴とする高
強度結晶化ガラス。 2 重量%でMgO8〜34%、CaO12〜43%、
SiO225〜40%、P2O510〜25%、Al2O31〜10%で、
且つMgO、CaO、SiO2、P2O5、Al2O3の合計含
量が90%以上で、Li2O、Na2O、K2O、SrO、
B2O3、TiO2、Nb2O5、Ta2O5、F2の何れか1種
または2種以上の添加物が10%以下である組成を
有し、ジオプサイド、フオルステライト、アカマ
ナイト等のアルカリ土類ケイ酸塩結晶を1種また
は2種以上と、アパタイト結晶とを含有すること
を特徴とする高強度結晶化ガラス。 3 重量%でMgO8〜34%、CaO12〜43%、
SiO225〜40%、P2O510〜25%で、且つMgO、
CaO、SiO2、P2O5の合計含量が90%以上で、
Li2O、Na2O、K2O、SrO、B2O3、TiO2、
Nb2O5、Ta2O5、F2の何れか1種または2種以上
の添加物が10%以下である組成の200メツシユ以
下のガラス粉末を成形後、当該ガラス粉末の焼結
温度域で加熱処理し、次いでアパタイト結晶、お
よびジオプサイド、フオルステライト、アカマナ
イト等のアルカリ土類ケイ酸塩結晶の生成温度域
で加熱処理することを特徴とする高強度結晶化ガ
ラスの製造方法。 4 重量%でMgO8〜34%、CaO12〜43%、
SiO225〜40%、P2O510〜25%、Al2O31〜10%で、
且つMgO、CaO、SiO2、P2O5、Al2O3の合計含
量が90%以上で、Li2O、Na2O、K2O、SrO、
B2O3、TiO2、Nb2O5、Ta2O5、F2の何れか1種
または2種以上の添加物が10%以下である組成の
200メツシユ以下のガラス粉末を成形後、当該ガ
ラス粉末の焼結温度域で加熱処理し、次いでアパ
タイト結晶、およびジオプサイド、フオルステラ
イト、アカマナイト等のアルカリ土類ケイ酸塩結
晶の生成温度域で加熱処理することを特徴とする
高強度結晶化ガラスの製造方法。
[Claims] 1% by weight: MgO8-34%, CaO12-43%,
SiO2 25-40%, P2O5 10-25 %, and MgO,
The total content of CaO, SiO 2 and P 2 O 5 is 90% or more,
Li2O , Na2O , K2O , SrO, B2O3 , TiO2 ,
Alkaline earth silicate crystals such as diopside, forsterite, acamanite, etc., with a composition in which one or more additives of Nb 2 O 5 , Ta 2 O 5 , and F 2 are 10% or less with one or more types of
A high-strength crystallized glass characterized by containing apatite crystals. 2. MgO8-34%, CaO12-43% by weight,
SiO2 25-40%, P2O5 10-25 %, Al2O3 1-10 %,
and the total content of MgO, CaO, SiO 2 , P 2 O 5 , Al 2 O 3 is 90% or more, Li 2 O, Na 2 O, K 2 O, SrO,
It has a composition in which one or more additives of B 2 O 3 , TiO 2 , Nb 2 O 5 , Ta 2 O 5 , and F 2 is 10% or less, such as diopside, forsterite, acamanite, etc. A high-strength crystallized glass characterized by containing one or more types of alkaline earth silicate crystals and apatite crystals. 3 MgO8-34%, CaO12-43% by weight,
SiO2 25-40%, P2O5 10-25 %, and MgO,
The total content of CaO, SiO 2 and P 2 O 5 is 90% or more,
Li2O , Na2O , K2O , SrO, B2O3 , TiO2 ,
After molding a glass powder of 200 mesh or less with a composition containing 10% or less of one or more additives of Nb 2 O 5 , Ta 2 O 5 , and F 2 , the sintering temperature range of the glass powder 1. A method for producing high-strength crystallized glass, which comprises heat-treating at a temperature range for forming apatite crystals and alkaline earth silicate crystals such as diopside, forsterite, and acamanite. 4 MgO8-34%, CaO12-43% by weight,
SiO2 25-40%, P2O5 10-25 %, Al2O3 1-10 %,
and the total content of MgO, CaO, SiO 2 , P 2 O 5 , Al 2 O 3 is 90% or more, Li 2 O, Na 2 O, K 2 O, SrO,
A composition containing 10% or less of one or more additives of B 2 O 3 , TiO 2 , Nb 2 O 5 , Ta 2 O 5 , and F 2 .
After molding a glass powder of 200 mesh or less, it is heat-treated in the sintering temperature range of the glass powder, and then heat-treated in the temperature range for forming apatite crystals and alkaline earth silicate crystals such as diopside, forsterite, and acamanite. A method for producing high-strength crystallized glass, characterized by:
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