JPH02209148A

JPH02209148A - 人工骨、人工歯及び骨固定用ねじ

Info

Publication number: JPH02209148A
Application number: JP1027652A
Authority: JP
Inventors: Yoji Imai; 庸二今井; Sukezo Shimura; 志村　介三; Masahiro Hirano; 昌弘平野; Kazuyuki Arai; 和行新井; Hiroyasu Takeuchi; 啓泰竹内
Original assignee: Mitsubishi Mining and Cement Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Mining and Cement Co Ltd
Priority date: 1989-02-08
Filing date: 1989-02-08
Publication date: 1990-08-20
Also published as: JPH0533633B2

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、腫瘍摘出や外傷により失われた骨組織を修復
治療するための人工骨、歯牙疾患等により失われた歯を
修復治療するための人工歯及び骨と骨との接合や骨と硬
組織代替材料等の接合に使用する固定用ねじに関する。

〔従来の技術〕

従来から、腫瘍摘出や外傷により失われた骨組織を修復
治療するための人工骨、歯牙疾患等により失われた歯を
修復治療するための人工歯及び骨と骨との接合や骨と硬
組織代替材料等の接合に使用する固定用ねじ自体は公知
である。しかし、人工骨及び人工歯として従来使用され
ているセラミックス材料は、加工が困難であり、更１こ
、硬すぎるという欠点を有している。これらの欠点を解
決するため、リン酸カルシウム化合物１０〜９０重量％
及び合成有機重合体９０〜１０重量％を含有する人工骨
及び人工歯（例えば、同一出願人の特公昭６３−４４３
７９号公報等）並びに骨及び硬組織代替材の固定用ねじ
（例えば、同じく、同一出願人の特開昭６２−２６８５
５３号公報等）が開発されている。これらの人工骨、人
工歯並びに骨及び硬組織代替材の固定用ねじけ、生体適
合性に優れ、骨及び歯牙と同程度の強度及び靭性を有し
、更に加工性にも富んでいる。

しかしながら、これらの従来技術による人工骨。

人工歯及び固定用ねじの場合には、その表層部における
リン酸カルシウム化合物の露出量は、わずかであり、従
って、リン酸カルシウム化合物の緻密体と比較すると表
層部の生体親和性が乏しいという欠点がある。又、リン
酸カルシウム化合物の露出量を増加させるために、原料
として使用するリン酸カルシウム化合物の混合比を増加
すると、人工骨等の加工性が悪くなり、安定した製造は
不可能である。

更に、これらの従来技術においては、加熱重合後に、旋
盤等を使用して所望の形状に加工することにより、切削
に伴い発熱が生じ合成有機重合体が溶融し、その結果と
して、人工骨等の表層部を重合体薄膜が被覆してしまう
という欠点がある。

従って生体親和性を向上させるために１本来表層部に露
出すべきリン酸カルシウム化合物が露出していないのが
実状である。

〔発明が解決しようとする課題〕

そこで１本発明の主要な目的は、生体親和性に富む人工
骨、人工歯及び骨固定用ねじ並びにその製造方法を提供
することである。

本発明の別の目的は、人工骨等が容易に製造できる範囲
内のリン酸カルシウム化合物及び合成有機重合体の混合
割合であり、しかも製造した人工骨等の表層部には顕著
な生体親和性を示すために十分な面積比のリン酸カルシ
ウム化合物が露出する人工骨１人工歯及び骨固定用ねじ
並びにその製造方法を提供することである。

本発明の更に別の目的は、加工により、−時的に合成有
機重合体薄膜にて被覆された場合であっても、容易に十
分な面積比のリン酸カルシウム化合物を露出させること
ができ、従って、生体親和性を損なうことのない人工骨
、人工歯及び骨固定用ねじ並びにその製造方法を提供す
ることである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明によれば、リン酸カルシウム化合物４０〜９５重
量％と、合成有機重合体６０〜５重量％とを含有する人
工骨、人工歯及び骨固定用ねじであって、生体組織と接
触する表層部にリン酸カルシウム化合物を面積比で５０
％以上露出させることを特徴とする人工骨、人工歯及び
骨固定用ねじが提供される。

更に、本発明によれば、人工骨、人工歯及び骨固定用ね
じを製造するにあたり、リン酸カルシウム化合物及び合
成有機重合体の原料モノマーを混合し、次いで加熱、重
合した後に、所望の形状に加工し、更に表層部に表面処
理を施すことによりリン酸カルシウム化合物を露出させ
ることを特徴とする人工骨、人工歯及び骨固定用ねじの
製造方法が提供される。

以下本発明を更に詳細に説明する。

本発明の人工骨、人工歯及び骨固定用ねじは、リン酸カ
ルシウム化合物と、合成有機重合体とを特定量含有し、
生体組織と接触する表層部には、リン酸カルシウム化合
物を面積比で特定量以上露出させることを特徴とする。

本発明においてリン酸カルシウム化合物としては、リン
酸三カルシウム、ヒドロキシアパタイト、リン酸四カル
シウム、オキシアパタイト、ピロリン酸カルシウム、フ
ッ素アパタイト、ヒドロキシアパタイトの水酸基の一部
がフッ素イオンで置換された化合物又はこれらの混合物
等を挙げることができ、特に新生骨の生成速度が早いリ
ン酸三カルシウム、ヒドロキシアパタイト、リン酸四カ
ルシウム及びフッ素アパタイト等から選択される１種又
は２種以上の混合物を使用することが好ましい、更にま
た新生骨の生成速度が最も早いヒドロキシアパタイトを
リン酸カルシウム化合物として使用するのが最も好まし
い。ヒドロキシアパタイトの中でも、５００’Ｃ以上、
特に好ましくは７００℃以上で熱処理して得たヒドロキ
シアパタイトが特に新生骨の生成が早く好ましい。熱処
理の上限温度については特に限定されるものではないが
、ヒドロキシアパタイトが分解を開始するので、分解温
度以下とすべきである。

本発明において好ましく使用できるリン酸カルシウム化
合物は、湿式法、乾式法又は水熱法等の公知の製造方法
により、人工的に合成されたものであっても、または骨
等から得られる天然のものであっても共に使用できる。

更に、本発明において好ましく使用できるリン酸カルシ
ウム化合物は、合成有機重合体上ツマ−との混合が可能
である限りは粉末状、顆粒状のいずれであっても好まし
く使用できる。

本発明においては、前記リン酸カルシウム化合物の表面
を、予め改質しておくことが好ましい。

該改質処理を行うことにより１人工骨、人工歯及び骨固
定用ねじの強度を増加させることができ、生理食塩水中
の長期間浸漬において強度劣化を防止することができる
。更に、表面改質したリン酸カルシウム化合物を使用す
ることにより、合成有機重合体との親和性が著しく向上
し１人工骨等の製造にあたっての原料混合時にも、特別
な混合法や熟練等を必要とせず、容易に均一混合が可能
になる。

前記リン酸カルシウム化合物の表面を改質するための改
質剤としては１例えば、４−メタクリロイルオキシエト
キシカルボニルフタル酸（以下、４−ＭＥＣＰと称する
）、４−メタクリロイルオキシエトキシカルボニルフタ
ル酸無水物（以下。

４−ＭＥＣＰＡと称する）、ｐ−ビニル安息香酸等の不
飽和ポリカルボン酸及びその無水物；２−メタクリロイ
ルオキシエチルホスフェート等の不飽和ポリリン酸及び
その無水物；１０−メタクリロイルオキシデシルチオホ
スフェート等の不飽和ポリチオリン酸及びその無水物等
を好ましく挙げることができる。前記改質剤の中では、
４−ＭＥＣＰＡ、４−ＭＥＣＰは少量でリン酸カルシウ
ム化合物の表面を改質できるため、特に好ましい。

改質剤の使用量は、リン酸カルシウム化合物と合成有機
重合体の原料モノマーとの親・相性が向上し、人工骨等
の製造にあたっての原料混合時に容易に均一に混合でき
、更に、人工骨等の強度の劣化を防止できるように、リ
ン酸カルシウム化合物の表面を改質できる量を使用する
ことが好ましい。

かかる量は、特に限定はされるものではないが、例えば
、リン酸カルシウム化合物１００重量部に対して、０．
０５重量部以上、特に好ましくは０．１〜０．５重量部
使用することが望ましい。

この場合に最も高強度の人工骨等が製造できる。

また前記改質剤の量を増加することは、もちろん可能で
あるが、経済性及び生体親和性の観点からは、２．０重
量部以下が好ましい。

改質方法もリン酸カルシウム化合物の表面を改質し得る
かぎり、任意の方法が使用できる。例えば、メタクリル
酸メチル、メタクリル酸トリフルオロエチル等の合成有
機重合体のモノマー、アセトン等の溶媒に改質剤を溶解
し、次いで、リン酸カルシウム化合物を投入し、３〜１
０分間撹拌後、リン酸カルシウム化合物の沈殿物を自然
乾燥又は加熱乾燥する方法により改質できる。

本発明において好ましく使用できる有機重合体としては
、生体に対し毒性がなく、且つリン酸カルシウム化合物
との親和性があれば特に限定されず１例えば、ポリ乳酸
ポリグリコール酸等のカルボン酸系重合体；ポリメタク
リル酸メチル（以下、ＰＭＭＡと称す）、ポリ（メタク
リル酸トリフルオロエチル）（以下、ＰＴＦＥＭＡと称
す）等のカルボン酸エステル系重合体；及びポリエチレ
ン（以下、ＰＥと称す）、ポリプロピレン等のオレフィ
ン系重合体が好ましく使用できる。これらの重合体のう
ちでは、強度及びリン酸カルシウム化合物との親和性が
高いという観点から、特に、ＰＭＭＡ及びＰＴＦＥＭＡ
が好ましい。これらの合成有機重合体は、いずれも公知
の方法にて製造される重合体が好ましく使用できる。

本発明において、リン酸カルシウム化合物及び合成有機
重合体との配合割合は、リン酸カルシウム化合物４０〜
９５重量％、好ましくは５０〜８５重量％、合成有機重
合体６０〜５重量％、好ましくは５０〜１５重量％であ
る。

リン酸カルシウム化合物の量が、４０重量％未満である
と、加工後に表面処理を施しても表層部に面積比で５０
％以上のリン酸カルシウム化合物を露出させることがで
きず、従って、十分な生体適合性を有する人工骨、人工
歯及び骨固定用ねじを製造することが困難である。又、
リン酸カルシウム化合物の量が、９５重景％を超えると
、人工骨、人工歯及び骨固定用ねじの加工が困難になる
。

本発明による人工骨１人工歯及び骨固定用ねじは、好ま
しくは、リン酸カルシウム化合物の粉末又は顆粒並びに
合成有機重合体のモノマーとを撹拌混合し、その後、好
ましくは４０〜１００℃で１〜１０時間段階的に加熱重
合することによって製造できる。この場合、人工骨、人
工歯及び骨固定用ねじの外周部にリン酸カルシウム化合
物を多く含有させるために、遠心鋳造法を使用して製造
することが好ましい、しかし、遠心鋳造法を使用した場
合に、常にリン酸カルシウム化合物が露出するという保
証は存在しない。

本発明の人工骨、人工歯及び骨固定用ねじの製造にあた
っては、前記重合後、所望の形状に加工するために、例
えば、旋盤、ダイヤモンドカッター、ダイヤモンドディ
スク等により、容易に加工することができる。これは、
本発明に用いる材料が靭性及び加工性に優れているため
である。

本発明の人工骨、人工歯及び骨固定用ねじの製造におい
ては、更に、人工骨、人工歯及び骨固定用ねじの表面の
処理を行う。表面処理は、好ましくは、例えば、旋盤等
による加工後の半製品である人工骨等を、少なくともカ
ルシウムイオン及びリンイオンを含有する溶液中に浸漬
して行う。この処理により、人工骨等表面に最初から露
出しているリン酸カルシウム化合物を核として、該核に
エピタキシャル成長が起こり、リン酸カルシウム化合物
が析出し、表層部を覆う、このようにして、当初の混合
時には、期待し得ない程の広い面積にリン酸カルシウム
化合物を露出させることが可能となる。

本発明の人工骨、人工歯及び骨固定用ねじの製造におい
ては、加工時の切削による熱のために。

耐熱性の低い合成有機重合体が表層部を薄く被覆する場
合があるが、かかる場合には、例えば、プラズマ処理を
行うことにより、合成有機重合体薄膜を飛ばし、リン酸
カルシウム化合物を露出させることができる。この際、
切削加工時に薄膜で被覆されたリン酸カルシウム化合物
のみでなく、切削加工時には、表面にまで達していない
比較的浅い位置に存在するリン酸カルシウム化合物まで
をも露出させることが可能である。この場合にも。

当初の混合時には、期待し得ない程の広い面積にリン酸
カルシウム化合物を露出させることが可能となる。なお
、前記プラズマ処理によって、表面が活性化され、その
結果として生体活性が向上する場合もある。

当然ながら、前記の溶液浸漬処理及びプラズマ処理を組
合せて実施することにより、効果は相乗的に増大する。

本発明の人工骨、人工歯及び骨固定用ねじにおいて１表
層部に露出させるリン酸カルシウム化合物の面積比は、
５０％以上が好ましく、特に６０％以上、更に好ましく
は７０％以上が望ましい。

その理由は、本発明の人工骨、人工歯及び骨固定用ねじ
においては、５０％未満であっても生体親和性において
問題は生じない場合もあるが、リン酸カルシウム化合物
単独の人工骨、人工歯及び骨固定用ねじと全く遜色のな
い骨との接着力を持たせるためには、５０％以上のリン
酸カルシウム化合物の露出が必要なためである。

本発明の人工骨、人工歯及び骨固定用ねじの物性を実際
の骨に可能な限り近似させるために、又生体にインブラ
ントした場合の安全性のために、より高強度且つ高靭性
とするには、人工骨等の中心部に金属棒又は板を挿入す
ることが好ましい。

この場合の金属は、前記目的に合致する限り特に限定は
されないが、リン酸カルシウム化合物と合成有機重合体
との複合体に何等かの原因でクラック等が生じる場合も
考えられるため、毒性が少ない又は無いといわれるステ
ンレス（３１６Ｌ）やチタンを使用することが好ましい
、中心部に金属を入れる場合、その外側に金属が露出し
ないように挿入することが好ましい。金属との接着には
接着剤を使用してよいが、所望の初期接着強度が得られ
る限りは接着剤の種類は限定されない１本発明によるリ
ン酸カルシウム化合物と合成有機重合体との複合体は、
金属値の接着性が他の材料と比較して良好であり、且つ
靭性が高いため曲げやねじれによってもクラックが入り
にくい。

本発明の固定用ねじの形状は、固定ができるものであれ
ば特に限定されるものではないが、例えば、第１図に示
すように、ねじ１０の頭１１が多角形でレンチまたはス
パナ−でねじ込みが可能であり、ねじの全長にわたりね
じ山１２が切っであるもの、第２図に示すように、ねじ
２０の一部のみに、ねじ山２２が切ってあり、ドライバ
ーによりねじ込みが可能なように頭２１に溝２３が切っ
であるもの、更には、第３図に示すボルト３１とナツト
３２とからなるねじ３０等を挙げることができる。

第４図には、硬組織代替材４０と骨４１とを本発明によ
る骨固定用ねじ４２．４３で固定した状態を示す。ねじ
４２．４３を使用するにあたり、予め、硬組織代替材４
０と骨４１にはねじ溝を切っておく。ねじ頭４２ａは、
外に出しておくようにしても、又は、ねじ頭４３ａのよ
うに頭が出ないようにしてもよい。

〔実施例〕

以下に実施例により、本発明の人工骨１人工歯及び骨固
定用ねじを更に詳細に説明する。

見１盤上ヒドロキシアパタイトの粉末及びＰＭＭＡ又はＰＴＦＥ
ＭＡの各モノマーを、ボールミルにて均一に混合し、次
いで加熱重合させて５Ｘ５Ｘ１０■の角柱状の複合体を
製造した。この場合、配合割合は、ヒドロキシアパタイ
トの配合割合を重量比で、３０．４０．５０．７０．８
５及び９５％とした０次いで、製造した角柱状の複合体
を表１に示す組成を有し、温度３７℃に維持した疑似体
液中に３日間浸漬した後、走査型電子顕微鏡で撮影した
写真を画像処理する方法によって表層部に露出している
ヒドロキシアパタイトの面積比を測定した。その結果を
表２に示す。

表２より明らかなように、ヒドロキシアパタイトの配合
割合が５０重量％以上の場合には、ヒドロキシアパタイ
トの面積比も５０％以上となった。

なお、前記の疑似体液中に７日間浸漬した後には、ヒド
ロキシアパタイトの配合割合が４０重量％の場合にも、
ヒドロキシアパタイトの面積比も５０％以上となった。

しかしながら、重量比が３０％の場合は、１力月浸漬し
た後であっても、ヒドロキシアパタイトの面積比を５０
％以上とすることはできなかった。

表　１　疑似体液の組成皇Ａ１」− 参考例１に記載の方法と同様にして角柱状複合体を各々
製造し、更に旋盤にて３閣φ、１０ｍＬの円柱状に加工
した０円柱状に加工した後の、表層部に露出したヒドロ
キシアパタイトの面積比を表３に示す。表３より明らか
なように、加工後であって表面処理以前の状態では、密
度より算出されるよりも、ヒドロキシアパタイト露出量
ははるかに少なかった。これは、旋盤加工の際に、ＰＭ
’ＭＡ又はＰＴＦＥＭＡが一部溶融して、ヒドロキシア
パタイトを薄く被覆したためである。この後。

プラズマ処理装置（島原製作所製のＬＣＶＤ−２０）に
て、表層部の処理を施したところ１表３に示す如くに顕
著にヒドロキシアパタイトが露出した。更に、実施例１
と同様の方法にて、疑似体液中に３日間浸漬処理したと
ころ、ヒドロキシアパタイト露出面積比は更に増加した
。

豊」」」灸ヒドロキシアパタイト、α−リン酸三カルシウム、β−
リン酸三カルシウム、リン酸四カルシウムの各リン酸カ
ルシウム化合物と、ＰＭＭＡ又はＰＴＦＥＭＡとの各モ
ノマーを各々混合し、参考例１と同様に加熱１重合させ
て４ｍｍφ、８　ｍｕ　Ｌの円柱状複合体を作製した。

次いでプラズマ処理を施した後、参考例１と同様な疑似
体液中に浸漬した。その結果として表層部に露出してい
るヒドロキシアパタイトの面積比が、３０％、４０％。

５０％、６０％、７０％及び８０％になるように調節し
、次いで、成人脛骨に作製した欠損４ｍφに、コントロ
ールのヒドロキシアパタイト緻密体と共に充てんし、術
後６力月にて、層殺し、観察した。この結果、いずれの
場合も複合体に直接接して新生骨の生成が認められたが
、特に、ヒドロキシアパタイトを使用した場合に旺盛な
骨の新生がｗＡ察された。又、露出しているリン酸カル
シウム化合物の割合が５０％以上であると、特に新生骨
量が多く認められた。更に、露出ヒドロキシアパタイト
の面積比が７０％以上の場合には、コントロールのヒド
ロキシアパタイト緻密体と比較しても全く同程度の骨の
新生が認められた。又、ＰＭＭＡ及びＰＴＦＥＭＡの相
違による差は認められなかった。

次に、骨との接着性を調べるために、リン酸カルシウム
化合物としてヒドロキシアパタイトを使用した複合体に
ついて、打ち抜き試験を実施した。

その結果を表４に示す。表４の結果より、露出ヒドロキ
シアパタイトの面積比が５０％以上、特に６０％以上の
場合には、コントロールのヒドロキシアパタイト緻密体
と比較して、はぼ同程度の接着力を示した。７０％以上
では、更に接着力が増加した。又、ＰＭＭＡ及びＰＴＦ
ＥＭＡの相違しこ去】１１１ヒドロキシアパタイト粉末８０重量部、ＰＭＭＡ２０重
量部又はＰＴＦＥＭＡ２０重量部を各々混合し、参考例
１と同様に加熱重合した後、直径１ｍのチタン捧を芯と
して第１図に示すようなねじ１０の全長にねたりねじ山
１２が切っであるねじを成形加工した。次いで該ねじ１
０の表面部をプラズマ処理してから、参考例１と同様な
疑似体液中に３日間浸漬した。

この結果、表層部に露出しているヒドロキシアパタイト
の面積比はＰＭＭＡを用いた場合８５％。

ＰＴＦＥＭＡを用いた場合８７％となった。

次に得られたねじ各々を、成犬脛骨に作製したねじ状の
欠損にねじこみ、適役６カ月まで経時的にｌｌＫ察した
。この結果、新生骨の量が多く、特に早期においては比
較例１に比べてはるかに多量の新生骨が生成していた。

又、ＰＭＭＡ及びＰＴＦＥＭＡの相違による差は認めら
れなかった。

ル絞旌よねじの表面部をプラズマ処理しない以外は、実施例１と
同様に人工骨用ネジを製造した。得られたねじは、ねじ
切り時に、ＰＭＭＡ、ＰＴＦＥＭＡが溶融し、ヒドロキ
シアパタイト表層部を被覆したため、露出割合はＰＭＭ
Ａを用いた場合３１％、ＰＴＦＥＭＡを用いた場合３３
％となった。

これらを実施例１と同様に成犬脛骨に作製したねじ状の
欠損にねじこみ、術後６力月まで経時的にｉ察したとこ
ろ、新生骨の発生が少量であり、実用性に欠けていた。

〔発明の効果〕

本発明による人工骨、人工歯及び骨固定用ねじは、人工
骨等が容易に製造できる範囲内のリン酸カルシウム化合
物及び合成有機重合体の混合割合であるにもかかわらず
、製造した人工骨等の表層部に、リン酸カルシウム化合
物を表面に露出させ生体親和性を向上させることができ
る。又、本発明では、加工により、生体組織と接触する
表層部が一時的に合成有機重合体薄膜にて被覆された場
合であっても、容易に十分な面積比のリン酸カルシウム
化合物を露出させることが可能であり、また製造法にお
いても、容易に且つ特殊な装置を必要としないので工業
的にも非常に有用である。

【図面の簡単な説明】

第１図は１本発明による骨固定用ねじの一例を示す側面
略図、第２図及び第３図は、各々他の例を示す側面略図
、第４図は、本発明による骨固定用ねじを使用して骨を
固定した状態を示す断面略図である。１０．２０．３０・・ねじ、１１．２１・・ねじの頭、
１２．２２・・ねじ山、２３・・溝、３１・・ボルト、
３２・・ナツト、４０・・硬組織代替材、４１・・骨、
４２．４３・・固定用ねじ。４２ａ、４３ａ・・・ねじ山。

Claims

【特許請求の範囲】１）リン酸カルシウム化合物４０〜９５重量％と、合成
有機重合体６０〜５重量％とを含有する人工骨、人工歯
及び骨固定用ねじであって、生体組織と接触する表層部
にリン酸カルシウム化合物を面積比で５０％以上露出さ
せることを特徴とする人工骨、人工歯及び骨固定用ねじ
。２）人工骨、人工歯及び骨固定用ねじを製造するにあた
り、リン酸カルシウム化合物及び合成有機重合体の原料
モノマーを混合し、次いで加熱、重合した後に、所望の
形状に加工し、更に表層部に表面処理を施すことにより
リン酸カルシウム化合物を露出させることを特徴とする
人工骨、人工歯及び骨固定用ねじの製造方法。