JPH02114960A - 人工骨 - 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］ 本発明は生体の骨欠損部を補填する為の人工骨に関する
ものであって、残存自家骨に対して早期に強力な結合を
形成し、しかもその強力な結合状態を長期に亘ってしっ
かりと維持することのできる人工骨に関するものである
。

［従来の技術］ 事故や疾病あるいは抜歯等によって管損傷を来した場合
、骨欠損部あるいは空隙部への補填のための人工骨が必
要となる。

このような人工骨は補填箇所に応じた強度を有すると共
に生体に対して無害であることはいうまでもなく、自家
骨に対して早期に且つしっかり固定され長期使用に亘っ
てゆるみなどを生じない様なものでなくてはならない。

人工骨材料としては５ＵＳ３１６等のステンレス鋼、Ｔ
ｉおよびＴｉ合金、パイタリウム等の金属材料やアルミ
ナ、ジルコニア、窒化珪素等の高強度セラミックス材料
が用いられてきた。しかしこれらの材料は耐食性や機械
的強度を主体にして選択されており、生体に対する親和
性や自家骨に対する結合性は不十分であった。

一方生体内で周囲の骨組織と反応し、自家骨との間に化
学結合を形成する特性を有するものとして生体活性無機
材料、例えばアパタイト類、特に水酸化アパタイト［Ｃ
ａ　ｒｏ　（Ｐ　０４）ａ・（ＯＨ）２］やアパタイト
を含む無機材料が知られている。これらの材料は生体親
和性や自家骨結合性に優れているものの機械的強度が極
めて低いという欠点がある。

そこで両者の長所をミックスした複合材料が提案される
に至り、例えば特開昭５２−８２８９３号公報には「金
属製インブラントの芯材をヒドロキシアパタイト粉末又
はそれを含む組成物粉末で溶射被覆したもの」が開示さ
れており、特開昭６０−１１６３６２号公報には「金属
、合金又は高強度セラミックスを芯材とし、該芯材の表
面をＣａＯ及びｐ２ｏ、を合計量で少なくとも２５重量
％含むガラス又はガラスセラミックスで被覆してなる人
工骨及び人工歯根」が開示されている。

また特開昭６２−５７５４８号公報には「金属から成る
芯材の表面にヒドロキシアパタイトを含む粉末を溶射装
置で溶射し、ついで該溶射物をヒドロキシアパタイトを
実質的に溶解せず、かつ酸化カルシウムを溶解し得る水
溶液で処理することによりアルカリ性の溶出成分を除去
した骨内インブラント」が開示されている。

これらの複合材料における共通の基本構成は、ステンレ
ス鋼、チタン、チタン合金、Ｃｏ−Ｃｒ合金等の金属材
料の表面にヒドロキシアパタイトあるいは生体活性ガラ
スを溶射あるいは化学的析出手段により被覆して金属と
生体活性材料を複合化した点にある。

［発明が解決しようとする課題］ これらの複合材料は芯材による機械的強度と被覆材によ
る生体親和性および自家骨結合性とを備えた材料である
が、もともと芯材と被覆材とは異性質の材質であるから
前記開示例の様に芯材に直接被覆材を被覆した様なもの
では、両者の界面における接合強度が不十分であり、長
期に亘って使用しているうちに、あるいは大きな外力が
加わった場合に、両者の接合部において剥離・脱落欠損
してしまうという問題があった。

この様な状況に鑑み本発明においては機械的強度および
生体親和性および自家骨結合性が良好であることはもち
ろん使用中の剥離・脱落欠損等のない人工骨材料につい
て検、討した。

［課題を解決するための手段］ 上記課題を解決することのできた本発明の人工骨とは芯
材として金属材料または高強度セラミックス材料を用い
、該芯材の表層部に生体活性無機材料構成成分元素をそ
れぞれイオン注入することにより、あるいは前記芯材構
成成分の蒸着と生体活性無機材料構成成分元素のイオン
注入とを組み合わせることにより、前記芯材の表面に芯
材との一体性の強い生体活性無機材料成分を主体とする
表面層が形成されていることを要旨とする、そしてこの
人工骨の表面に生体活性無機材料を被覆したものは生体
親和性および自家骨結合性に優れたものどなる。

［作用］ 本発明において芯材として用いる金属材料あるいは高強
度セラミックスは十分な強度を有し、人体に対する為害
作用が極めて少ないものでなくてはならない。この様な
ものとして、５Ｕ５３１６等のステンレス鋼、”ｒｔあ
るいはＴｉ−６ＡＩ−４Ｖ等のチタン合金、Ｃｏ−Ｃｒ
合金等の金属材料が例示され、また高強度セラミックス
材料としてアルミナ、ジルコニア、窒化珪素等が挙げら
れる。

また生体活性無機材料とは、生体内で周囲の骨組織と反
応し、自家骨との間に強い化学結合を形成する特性を有
するものであり、例えばアパタイト類、特に水酸化アパ
タイト［Ｃａ、。（ＰＯ４）６・（ＯＨ）２］、アパタ
イトを含むアルミナあるいはジルコニアセラミックス、
β−３ＣａＯ。

Ｐ、　Ｏ！、　Ｎａ２０−ＣａＯ−３ｉｎ２Ｐ２０！１
系ガラス（バイオガラス）、第１表に示す様な系のアパ
タイト含有結晶化ガラス等が例示される。

イオン注入法の特徴は、金属に溶解しない元素でも添加
できること、室温での添加が可能であること、イオン電
流あるいは時間の管理によって注入量が比較的容易に調
節できること、添加深さも調節でき、添加元素を高純度
化できること、などである。本発明はこの様なイオン注
入法の特徴を利用するものであって、芯材の表面に形成
される芯材との一体性の強い生体活性無機材料成分を主
体とする表面層の形成手段はつぎの２方法に大別される
。

■芯材の表層部に生体活性無機材料構成成分元素をそれ
ぞれイオン注入する。

■芯材構成成分の蒸着と生体活性無機材料構成成分のイ
オン注入とを組み合わせる。

次ぎに本発明で採用されるイオン注入法について説明す
る。

まず前記■について、Ｃａのイオン注入例を挙げ説明す
ると下記の通りである。第１図は芯材（例えばＴｉ−６
ＡＩ−４Ｖ合金）にＣａを注入エネルギー５０ｋｅＶ、
　　ドーズレートＩＸＬＯ１７１ｏｎｓ／ｃｍ２でイオ
ン注入したもの、および注入エネルギーｔｏｏｋｅＶ、
　ドーズレート５×１０Ｉ７ｔｏｎｓ／ｃｍ２でイオン
注入したものについて、表面からの深さ位置とＣａ原子
濃度の関係を示したものである。イオン注入の総量は電
渣×時間＝電気量によって決定されると共に、濃度分布
および深さは注入エネルギー（注入電圧）および被注入
材の種類によって変化する。この様な濃度分布状態は各
元素によって異なるので、本発明の実施に当たっては予
め個々の生体活性無機材料構成成分元素について注入条
件と芯材表層部における濃度分布および深さ状態の関係
を知り、芯材表層部において目的とする生体活性無機材
料構成成分組成が形成される様な注入条件をそれぞれの
元素について設定することが望まれる０例えばヒドロキ
シアパタイト成分を注入する場合にはＣａ：Ｐ：Ｏ：Ｈ
＝１０：６：２６：２で示される組成比となる様にＣａ
、Ｐ、ＯおよびＨを夫々イオン注入する。他の生体活性
無機材料を形成したい場合についても、上記と同様にそ
の希望成分組成比となる様にイオン注入を行なう、この
様にして得られた層の最表層部では各成分がガウス分布
を呈しており（第１図および第２図参照）、最表面側で
は一般的に低濃度となっていると共に求める成分組成濃
度が得られないので最適組成濃度値を示す深さの所まで
表面研磨することが望ましい（第３図参照）。

■の方法において併用される蒸着手段としてはＥＢ蒸着
、イオンブレーティング、スパッタリング等通常の蒸着
手段を用いることができる。この際、芯材構成成分の１
種以上の蒸着と生体活性無機材料の構成成分の１種以上
の元素のイオン注入を同時に行なっても良く、あるいは
蒸着とイオン注入を交互に行なっても良いが、これらの
作業は以下の要領で繰返し行なうのが良い（但し、蒸着
と注入を同時に行なう時は蒸着元素の供給装置、例えば
ＥＢ加熱溶解装置とイオン注入元素の供給源であるイオ
ンガンの両者を処理室内に組込まなければならないので
装置は複雑となる）。

即ち、当初は芯材の蒸着量の割合を多く、生体活性無機
材料の主要元素であるＣａ、Ｐイオン注入量の割合を少
なくし、層厚を増すにしたがって後者の割合を増し、最
表層に近いところからはＣａ、Ｐの他にＯ，Ｈの注入も
行ない（はじめからＯ，Ｈを加えると材料の脆化がおこ
る心配がある）、最表層においては、Ｃａ、Ｐ、Ｏ，Ｈ
の生体活性無機材料のみのイオン注入を行なう。■にお
けるイオン注入も前記■におけると同様にその注入条件
および各成分元素の濃度分布状態を知ってイオン注入を
行う必要がある。

またイオン注入層を厚くしたい場合には、前記■におい
ては注入エネルギーを変えてイオン注入することおよび
■においては、これによって得られる層を何層か重ねて
も良い。

以上の様にして芯材の表層部に形成されたイオン注入層
は、深部の方では生体活性無機材料成分の濃度が低く、
それらの原子は芯材構成成分の結晶格子を形成している
原子間の空隙、あるいはそれらの原子と置換された状態
で結晶内部に芯材構成成分と一体化した状態で存在する
。また表面側に行くほど濃度が高くなっており、最表面
側ではほぼ希望する通りの生体活性無機材料成分組成と
なっている。即ち芯材の表面に芯材と一体性の強い生体
活性無機材料成分の皮膜が形成される。

従ってこの様なイオン注入層を有する人工骨を骨欠損部
に補填したときは、生体親和性を示し、自家骨に対して
強い結合性を有するものとなる。

さらに生体活性無機材料層を厚くするために、ゾル−ゲ
ル法等の化学的方法あるいはその他の方法で生体活性無
機材料層を形成させても良い。

この様な人工骨は股関節をはじめ膝、肘、肩。

指などの関節用あるいはその他の長管骨用等の代替とし
であるいは人工歯根用などに適用できる。

［実施例］ 実施例１ 母材としてＴｉ−６ＡＩ−４Ｖ合金を用い、Ｃａを注入
エネルギー１００ｋｅＶ、　　ドーズレー）−１，９ｘ
　１０”　ｔｏｎｓ／ｃｍ２の条件でイオン注入゛し、
ざらにＰを１００　ｋ　ｅ　Ｖ　、　１．１　ｘ　１０
”　ｔｏｎｓ／ｃｍ２の条件でイオン注入した。同様に
引続きＯを１００　ｋ　ｅ　Ｖ　、　５．Ｏｘ　１０１
７ｔｏｎｓ／ｃｍ’　　Ｈを１００　ｋ　ｅ　Ｖ　、　
０．３８ｘ　１０１７ｔｏｎｓ／ｃｍ’の条件で注入し
た。

この試料表面部のＡＥＳによる深さ方向プロフィールを
第２図に示す。第２図から明らかな様に表面層がヒドロ
キシアパタイトに近い組成になっていた。特に表面層か
ら掻くわずか（約０．１μｍ）内部に最適組成値が存在
していたので、実用に当たっては最適成分組成が表面に
露出するまで約０゜１μｍの表面研磨を行なった。第３
図に研磨後のＡＥＳ分析を行なった結果を示す。最表面
層の成分比はＣａ　：　Ｐ　：　Ｏ：　Ｉ（−９：　５
　：　２８　：２であり、ヒドロキシアパタイトＣａ：
Ｐ：Ｏ：Ｈ−１０：６：２６：２に極めて近い成分組成
にな）ていた。

実施例２ 母材としてＴｉ−６ＡＩ−４Ｖ合金を用い、Ｔｉを蒸着
しながらＣａを注入エネルギー１００ｋｅＶ、　　ドー
ズレート１．９　ｘ　１０”　１ｏｎｓ／ｃｍ”の条件
でイオン注入（イオンミキシング）した。Ｔｉ蒸着の成
膜速度は２Ａ／ｓｅｃであった。このようにして１μｍ
厚さの成膜を行なった。この試料にさらに注入エネルギ
ー１００ＫｅＶ、　　ドーズレート１．Ｏｘ　１０１７
ｔｏｎｓ／ｃｍ２でＣａを注入し、引続きＰを１００　
ｋ　ｅ　Ｖ　、　１．１　ｘ　１０”１ｏｎｓ／ｃｍ２
、Ｏを１００　ｋ　ｅ　Ｖ　、　５．Ｏｘ　１０”ｔｏ
ｎｓ／ｃｍ２、Ｈを１００ｋ　ｅ　Ｖ　、　０．３８ｘ
　１０Ｉ７ｉｏｎｓ／ｃｍ’の条件でイオン注入を行な
った。

この試料をＡＥＳにより表面深さ方向の原子濃度プロフ
ィールをみたところ第４図の如くであり、Ｔ　１−６Ａ
　１−４Ｖ（Ｄ母材の上にＴｉが成膜されていることが
明らかである。イオンミキシングを行なったＣａは母材
表面からＴｉ蒸着膜にかけて一様に分布しており、この
Ｃａは母材とＴｉ膜の密着性強化に役立っている。さら
に実施例１と同様に約０．１μｍの表面研磨を行なった
ところ実施例１と同様の結果が得られた。

実施例３ 母材としてＴｉ−６Ａ１−４Ｖ合金を用い、（１）　Ｔ
　ｉ　−ｅ　Ａ　１−４　Ｖ合金を蒸着速度２人／ｓｅ
ｃで蒸着しながら、ｃａを注入エネルギー１００ｋｅＶ
、　　ドーズレート０．６　　ｘ　１０”１ｏｎｓ／ｃ
ｍ２でイオン注入（イオンミキシング）した。ついで同
チタン合金を同様に蒸着しつつ、Ｐを１００ｋ　ｅ　Ｖ
　、　０．４　ｘ　１０１７ｔｏｎｓ／ｃｍ２でイオン
注入（イオンミキシング）した。

（２）ざらにＴｆ−６ＡＩ−４Ｖ合金を蒸着速度１．４
　Ａ／ｓｅｃで蒸着しＣａを１００ｋｅＶ、！、２ｘ　
１０”　ｔｏｎｓ／ｃｍ２でイオン注入し、ついで同チ
タン合金を同様に蒸着しつつ、Ｐを１００ｋｅＶ。

ドーズレース０．８　ｘ　１０１７１ｏｎｓ／ｃｍ２で
イオン注入した。

（３）さらにまたＴｉ−６Ａ１−４Ｖ合金を蒸着速度０
．７Ａ／ｓｅｃで蒸着し、Ｃａを１００ｋ　ｅ　Ｖ、　
１．９　ｘ　１０”　ｆａｎｓ／ｃｍ２でイオン注入し
、ついで同チタン合金を同様に蒸着しつつ、Ｐを１００
　ｋ　ｅ　Ｖ、　１．１　ｘ　１０”　１ｏｎｓ／ｃｍ
”でイオン注入した。

（４）このようにＴＬ−６ＡＩ−４Ｖ合金を蒸着しつつ
Ｃａ、Ｐを交互にイオン注入して厚さ１μｍの皮膜が形
成された試料に、ざらにＣａを１００　ｋ　ｅ　Ｖ　、
　１．９　ｘ　１０Ｉ７ｔｏｎｓ／ｃｍ”でイオン注入
し、引続きＰを１００　ｋ　ｅ　Ｖ、　１．１　ｘ　１
０”　ｔｏｎｓ／ｃｍ２で、ついでＯを１００ｋｅＶ、
　５．ＯｘｌＯ１７ｔｏｎｓ／ｃｍ２で、Ｈを１００　
ｋ　ａ　Ｖ　、　０．３８ｘ　１０’７１ｏｎｓ／ｃｍ
２でイオン注入した。

この試料をオージェ分析装置により、表面深さ方向の元
素濃度プロフィールを調べたところ第５図に示す様にな
った。Ｔｉ−６Ａ１−４Ｖ合金母材の上にＴ　ｉ　−Ａ
　Ｉ　−Ｖ合金皮膜が形成されており、ＣａおよびＰが
母材表面からチタン合金皮膜にかけて交互に注入されて
いると共に次第に濃度が高くなっていおり、このＣａ、
Ｐは母材と表面層を強固に結合するものである。また最
表面側には実施例１と同様の皮膜が形成されていた。

実施例４ 前記実施例３と同様にして得た試料上に化学的な方法（
ゾル−ゲル法）で厚さ数μｍのヒドロキシアパタイト層
被覆を形成した。本例は、芯材表面に既にヒドロキシア
パタイト核が形成されている上にヒドロキシアパタイト
を被覆するものであるから従来技術の芯材に直接ヒドロ
キシアパタイトをＴｉ材につけるのに比し、結合力は一
段と向上した。

さらに実施例４と同様にして得た試料（人工骨）をイヌ
股関節に埋設したところ１４日後には生体骨と結合し、
歩ける様になった。

〔発明の効果〕

本発明は以上の様に構成されているので、本発明の人工
骨は自家骨に対して早期に結合し、しかも長期に亘って
しっかりとした固定を維持する。

【図面の簡単な説明】

第１図は芯材（ＴＬ−６ＡＩ−４Ｖ合金）にＣａをイオ
ン注入した例を示す図、第２図は芯材（ＴＩ−６ＡＩ−
４Ｖ合金）にｃａ、Ｐ、Ｏ，Ｈをイオン注入した際の、
表層部における濃度状態図、第３図は第２図における濃
度状態のイオン注入物の最表面を研磨して得たイオン注
入物の濃度状態図、第４図は芯材（Ｔｉ−６ＡＩ−４Ｖ
合金）上にＴｉを蒸着しつつＣａをイオン注入し、さら
にＣａ、Ｐ、Ｏ，Ｈをイオン注入した際における表層部
濃度状態図、第５図は芯材（Ｔ　ｉ　−６Ａ　１−４Ｖ
合金）上ニＴ　１−６Ａ　ｌ−４Ｖ合金を蒸着しつつＣ
ａ、Ｐを交互にイオン注入した後、さらにＣａ、Ｐ、Ｏ
，Ｈをイオン注入した際における表層部の濃度状態図で
ある。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）芯材として金属材料または高強度セラミックス材
   料を用い、該芯材の表層部に生体活性無機材料構成成分
   元素濃度が外表面にいくに従って漸増する表面層が形成
   されていることを特徴とする人工骨。
2. （２）芯材として金属材料または高強度セラミックス材
   料を用い、該芯材の表層部に生体活性無機材料構成成分
   元素をそれぞれイオン注入することにより、あるいは前
   記芯材構成成分の蒸着と生体活性無機材料構成成分元素
   のイオン注入とを組み合わせることにより、前記芯材の
   表面に芯材との一体性の強い生体活性無機材料成分を主
   体とする表面層が形成されていることを特徴とする人工
   骨。
3. （３）請求項（１）及び（２）の人工骨の表面に生体活
   性無機材料を被覆したものである人工骨。