JPH03149057A

JPH03149057A - 生体活性複合インプラント材

Info

Publication number: JPH03149057A
Application number: JP1288537A
Authority: JP
Inventors: Tadashi Takahashi; 忠高橋; Takehiro Shibuya; 武宏渋谷
Original assignee: Nippon Electric Glass Co Ltd
Current assignee: Nippon Electric Glass Co Ltd
Priority date: 1989-11-06
Filing date: 1989-11-06
Publication date: 1991-06-25

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〕本発明は人工骨、人工関節、人工歯根などの生体代替材
料として有用な生体活性複合インプラント材に関するも
のである。

〔従来の技術〕

従来より、生体代替材料としてステンレス、コバルト−
クロム合金、チタン合金等の金属の表面〜にアバ−タイ
ト等の生体活性物質をコーティングした複合インプラン
ト材が提案されているが、このような複合インプラント
材は芯体となる金属と生体活性物質のなじみが悪かった
り、両者の熱膨張係数に大きな開きがあって強固な接着
が期待できない等の問題がある。これを改良したものと
して、芯体である金属と生体活性物質との間に適切な熱
膨張係数を有し、且つ両者に対してなじみの良い中間層
を介在させた複合インプラント材も提案されている。し
かしこのような構造の複合インプラント材についても、
生体内において何らかのトラブルで体液と芯体が接触し
た場合、芯体として使用される金属が生体内に溶出し、
生体に悪影響を及ぼす恐れがある。このような問題を解
決するものとして特開昭ＧＯ−２４１４４７に、芯体と
して金属のかわりに生体内で溶出する恐れのないアルミ
ナやジルコニアを使った複合インプラント材が開示され
、また特開昭８３−１０２７６２に、生体内耐蝕性に優
れたチタン合金を芯体とする複合インプラント材が開示
されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら特開昭Ｇｏ−２４１４４７の複合インプラ
ント材のようにアルミナやジルコニアを芯体として用い
る場合、これらの芯体には強度は高いが靭性が低く傷に
弱いという問題がある。加えて硬度が高いために加工性
が悪く、複雑な形状が得難い。またこの複合インプラン
ト材に用いられる生体活性ガラスはＡ１．０３を２０〜
４０重量％含有するため、生体内で生体活性ガラスの表
面からＡＩイオンが溶出し、生体活性を阻害するという
問題が生じる。

ところでチタンあるいはチタン合金は、その変態点９０
０〜９８０℃で低温相から高温相への相転移を起こし、
その結果強度が劣化する。しかして芯体にチタンあるい
はチタン合金を用いる特開昭６３−１０２７６２に開示
の複合インプラント材の場合、中間層を芯体にコーティ
ングする焼付温度が高温であるために、芯体であるチタ
ンあるいはチタン合金に強度劣化を生じる恐れがある。

またアパタイトは自然骨の重要な無機構成成分であると
ともに生体活性物質として知られており、先記特開昭６
３−１０２７Ｇ２の複合インプラント材ではアパタイト
を最外層に分散させて用いている。しかしながら人工骨
等の生体代替材料が自然骨と速やかに結合する為には、
その表面にＣａ２＋イオンと体液中に存在するＨＰ０．
２−イオンからなる生体類似のアパタイト層が早期に形
成されることが必要であるが、アパタイトは生体内では
Ｃａ２＋イオンを溶出せず、したがって生体類似のアパ
タイト層を形成するのに長期間を必要とするという問題
がある。

本発明の目的は、靭性が高く加工性のよいチタンあるい
はチタレ合金を芯体とし、チタンあるいはチタン合金の
変態点以下、すなわち９００℃以下の　温度で焼き付け
が可能な中間層及び生体類似のアパタイト層を早期に形
成することが可能な最外層を有する生体活性複合インプ
ラント材を提供するものである。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明の生体活性複合インプラント材は、チタンあるい
はチタン合金からなる芯体上にホウケイ酸系ガ、ラスか
らなる中間層を有し、該中間層上に、生体活性結晶化ガ
ラスと該ホウケイ酸系ガラスからなる最外層を有するこ
とを特徴とする特ｖた本発明において使用するホウケイ
酸系ガラスは重量％で、ＳｔＯ□６０〜７０％、８２０
３１０−１５χ、Ａｔ２０３　２＝ｌＯ％　、ｈ　Ｌ１
２０　２．３−８％　、Ｍｇ２０　　ｔ−ｓχ　、Ｋ２
Ｏ１−８％、Ｌ１２Ｏ＋Ｎａ２Ｏ＋Ｋ２Ｏ１０”１５％
、ＺｒＯ□１”８％からなることを特徴とし、生体活性
結晶化ガラスは重量％でＳｉ０２２２〜５０％、Ｐ２Ｏ
３Ｂ＝３０％、ＣａＯ２Ｇ＝５３％、Ｍｇ０１”ＩＧＬ
　Ａ１２０ａ　Ｏ−３Ｌ　Ｆ２０．１＝２％、８２０３
０”５％　カラーＣる結晶化ガラス、もしくは少なくと
も９０％以上がＳｉ０□４０−ＧＯ５Ｇ、Ｃａ０３０−
４５％、ＭｇＯｌ−１７％からなる結晶化ガラスのいず
れかであることを特徴とする特ｖらに最外層の混合割合
は、生体活性結晶化ガラス５０−９０重量％とホウケイ
酸系ガラス１０〜５０重量％からなることを特徴とする
特＊作用〕本発明の生体活性複合インプラント材の芯体に使用する
チタンあるいはチタン合金は、生体内耐蝕性に優れてお
り、他の金属のように金属イオンを溶出することがなく
、また生体とのなじみもよい。さらに金属であるために
加工性がよく、複雑形状の成形も容易であり、かつ高い
強度を有する。

本発明の生体活性複合インプラント材の中間層に用いる
ホウケイ酸系ガラスは、軟化点が低いために３００℃以
下の焼付温度で芯体にコーティングすることが可能であ
り、その結果芯体であるチタンあるいはチタン合金の相
転移による強度劣化を防ぐことができる。またこのホウ
ケイ酸系ガラスは熱膨張係数が７０〜８０Ｘ　１０−／
　”Ｃと、チタンあるいはチタン合金のそれ（８８〜９
８％　１Ｇ−″７７℃）よりやや低い値を有することか
ら、温度変化によりクラックが入ることなく、芯体と強
固に結合する。

以下に本発明のホウケイ酸系ガラスの組成を先記のよう
に限定した理由を示す。

Ｓｉ０２はガラス網目形成成分であると同時に、化学耐
久性を向上させる成分であり、その含有量は８０〜７０
％である。Ｓｉ０２が７０％より多いと軟化点が高くな
り、６０％より少ないと化学耐久性が低下する。

Ｂ２０３はガラス網目形成成分であると同時に軟化点を
下げる働きをし、その含有量は１０〜１５％である。Ｂ
、０３が１５％より多いど化学耐久性が低下−し、１０
％より少ないと軟化点が高くなる。

ａｔ、Ｏ３は化学耐久性を向上させる成分であり、その
含有量は２〜１０％である。Ａｌ２Ｏ３が１０％より多
いと軟化点が高くなり、２％より少ないと化学耐久性が
低下する。

Ｌｉ、０は軟化点を下げる成分であり、その含有量は２
．３〜８駕である。Ｌ１２０が８％より多いと化学耐久
性が低下し、２．３χより少ないと軟化点が高くなる。

１１ａ２Ｇ、に２０はガラスの溶融を促進する成分であ
り、その含有量はそれぞれ１〜８％である。Ｎａ２Ｏと
に、０がそれぞれ８％より多くなると化学耐久性が低下
し、それぞれ１％より少ないとガラスの溶融性が悪くな
る。

またＬｉ、０とＮａ２０とに、Ｏはガラスに適切な熱膨
張係数を与えるために合量で１０−１５％含有する。即
ちこれらの成分が合量で１５％より多いと熱膨張係数が
高くなりすぎ、ｌＯ％より少ないと熱膨張係数が低くな
りすぎるのである。

本発明ではＬｉ、０、Ｎａ２０１に２０を合量で１０−
１５％としているが、前述の特開昭８３−１０２７８２
ではＬ１２０、Ｎａ２０、Ｋ２Ｏ等のアルカリ成分を合
量で■５〜２０％とし、これらアルカリ成分の含量が１
５％より少ないとガラスとしての溶融温度が高くなり、
その結果中間層をコーティングする焼付温度が高くなる
としている。しかしながら本発明ではＬｉ、０の含有量
を２゜３％以上とすると六によって軟化点を低くシ、そ
れゆえ低い温度での中間層の焼き付けを可能にしている
。

Ｚｒ０２は化学耐久性を向上させる成分であり、その含
有量は１〜８％である。ＺｒＯ□が８％より多いとガラ
スの溶融性が悪くなり、１％より少ないと化学耐久性が
低下する。

また本発明においては上記成分以外にも化学耐久性を良
くするためにＣａＯ、ＮＫ　Ｏをそれぞれ５％まで、ま
た軟化点を下げるためにＦ２を２％まで添加することが
可能である。

本発明の生体活性複合インプラント材の最外層は、粒子
杖の生体活性結晶化ガラスを分散して含む。該生体活性
結晶化ガラスはアパタイト（Ｃａ、。

（Ｆ０４）　ａＯ）　、ウォラストナイト（ＣａＯ・Ｓ
１０□）、ディオプサイド（ＣａＯ・資ｇＯ・２ＳｉＯ
□）等の結晶を析出すルＳ１０２２２”５０％、Ｐ２０
ａ　８”３０％、Ｃａ０２０”５３％　、ＭｇＯｌケＩ
Ｇ％　、　ＡＩ２０．　Ｏ−９Ｘ、Ｆ２０．１−２ＸＪ
２０３Ｇ−５％からなる結晶化ガラスや、少なくとも９
０％以上がＳ１０２４０〜［ｉｏＸ、Ｃａ０３０〜４５
％、ＭｇＯｌ−１７％からなり、ウォラストナイトを主
結晶として析出する結晶化ガラスを用いることが好まし
い。これらの生体活性結晶化ガラスは、ガラスマトリッ
クスやウォラストナイト結晶中からＣａ”″イオンが溶
出し、これが体液中のＩ［ＰＯ，”−イオンとともに生
体類似のアパタイト層を早期に形成して外表面を覆う結
果、良好な生体活性が得られ、自然骨との結合が容易に
なる。

また本発明の生体活性複合インプラント材は、最外層の
生体活性結晶化ガラスの含有量を重量％で５Ｇ−９０％
と限定しているが、その理由は該生体活性結晶化ガラス
が９０％より多いと中間層に焼き付けることが困難にな
り、５０％より少ないと良好な生体活性が得られず、接
合強度が不足することによる。

本発明の生体活性複合インプラント材を製造するには、
まず芯体となるチタンあるいはチタン合金の表面にサン
ドブラスト、洗浄、脱脂等の処理を行った後、中間層と
して用いるホウケイ酸系ガラスを粉末にして塗布し、焼
成する。次に最外層として、該ホウケイ酸系ガラス粉末
と、粒子状にした生体活性結晶化ガラスを適当な割合で
混合し、中間層上に塗布して焼成すればよい。なお最外
層の表面にエッチングや研磨等を施すことにより、より
多くの生体活性結晶化ガラスの粒子を露出させると、さ
らに良好な生体活性を得ることができる。

〔実施例〕

以下実施例に基づいて本発明の生体活性複合インプラン
ト材を詳細に説明する。

表１は本発明の中間層に用いるホウケイ酸系ガラスの実
施例（試料Ｎｏ１〜３）と比較例（試料Ｎ。

４）、表２は本発明の最外層に粒子として含まれる生体
活性結晶化ガラスの実施例（試料Ｎｏ１〜３）をそれぞ
れ示すものである。なお表中の各成分の含有量は重量％
で示される。

表　　１１　　Ｃａ８　１　４４．７　１　３５．８　１　４４
．０　１１　　Ｍｇ０　１４．８　１　１１−１　１３
．５　１中間層に用いるホウケイ酸系ガラスの実施例（
試料Ｎｏ１〜３）及び比較例（試料Ｎ０４）は次のよう
に調製した。

表１の組成になるように二酸化珪素、ホウ酸、酸化アル
ミニウム、炭酸リチウム等のガラス原料を秤量混合し、
白金坩堝にいれて１３００〜１６００度で３時間溶融す
る。この溶融ガラスを水砕やロール成形等で粉砕しやす
いように成形した後、ボールミルにて粉砕し、２００メ
ツシュのふるいで分級し−た。このようにして得られた
実施例のホウケイ酸系ガラスは７２．９〜７Ｂ、２Ｘ　
１０−／　Ｃの熱膨張係数を示し、また比較例のそれは
７０Ｘ　１０−／　Ｃであった。

最外層に分散して含まれる生体活性結晶化ガラスの実施
例（試料Ｎｏ１〜３）は次のように調製した。

表２に示すような組成となるようにガラス原料を調合し
、白金坩堝にいれて１４００〜ＩＧＯＯ度で３時間溶融
した。この溶融ガラスを水砕やロール成形等で成形しボ
ールミルにて粉砕した。粉砕したガラスを２００メツシ
ュのふるいで分級したのち、電気炉中で１〜時間に３０
〜３００℃の割合で昇温し１０００〜１２００℃で焼成
した。これをボールミルで粉砕し１４５メツシュのふる
いで分級した。

また比較例の生体活性物質にはアパタイトを用い、次の
方法で製造した。湿式法により生成したアパタイトを乾
燥後８００℃で仮焼し、１２００℃で焼成した後、粉砕
し２００メツシュのふるいで分級した。

このようにして得られた試料を用いて構成した生体活性
複合インプラント材の実施例（試料Ｎｏ１〜４）および
比較例（試料Ｎｏ５）を表３に示す。

以下余白　　表　　３１　　芯　　　　　体　　ｌ　　　　　ｒｔ−ｅａｌ−
４ｙ　　　　　　１表３の生体活性複合インプラント材
の実施例（試料Ｎｏ１〜４）及び比較例（試料Ｎｏ５）
は次のようにして製造した。

１５Ｘ　ＩＯＸ　１　ｍｍ＋１７）大きさノＴｉ−ＧＡ
Ｉ−４Ｖ合金板ニ３０〜１５０番のアランダムをサンド
ブラストし、洗浄及び脱脂を行った。このチタン合金板
に表１のホウケイ酸系ガラス粉末を塗布し、表３の焼付
温度で焼成して中間層を形成した。この中間層上に該ホ
ウケイ酸系ガラスと生体活性物質の混合粉末を塗付し、
表３の焼付温度で焼成して製造した。

表１から明らかなように、実施例のホウケイ酸系ガラス
の焼付温度ぽいずれも８９０℃以下であるのに対し、比
較例のそれは９′５０℃であった。また実施例の引き剥
がし荷重は５．０−８−４Ｋｇと高（、すべての実施例
で破壊は骨内部より起こった。さらに最外層の生体活性
結晶化ガラスの含有量が７０％である試料１ｏ３の引き
剥がし荷重は５．９Ｋｇであり、最外層のアパタイト含
有量が同じ＜Ｔｅｘである比較例（試料１ｏ５）のそれ
が５．０Ｋｇであるのに対して−高い値を示した。

これらの事実は本発明の生体活性複合インプラント材が
、ＳＯＯ℃以下の焼付温度でコーティングすることがで
き、また優れた生体活性を有することを示している。

なお表１中の熱膨張係数は周知のディラドメーター（Ｄ
ｌｌａｔｏ■ｅｔｅｒ）により測定された熱膨張曲線か
ら算出した。また表３中の引き剥がし荷重は次のような
試験を行って測定した。試料表面を１０−００番の耐水
研磨紙で研磨し、洗浄滅菌したものを兎の大腿骨に埋入
し、８週間後に取り出して引き剥がし試験を行った。測
定方法は兎の大腿骨から試料を埋大した部位をとり出し
て固定したのち、試料を骨から引き剥がすのに要した強
度を測定しこれを引き剥がし荷重とした。

〔効果〕

本発明の生体活性複合インプラント材は、中間層を３０
０℃以下の焼付温度でコーティングすることが可能であ
り、それゆえ芯材であるチタンあるいはチタン合金の強
度劣化が生じず、また最外層に生体活性結晶化ガラスの
粒子を分散して含むことで、表面に生体類似のアパタイ
ト層を早期に形成する結果、速やかに自然骨と結合する
ことが可能であるために、人工骨、人工関節、人工歯根
等の生体代替材料として有用である。

特許出願人　　日本電気硝子株式会社代表者　　　岸　田　清　作

Claims

【特許請求の範囲】

（１）チタンあるいはチタン合金からなる芯体上にホウ
ケイ酸系ガラスからなる中間層を有し、該中間層上に生
体活性結晶化ガラスと該ホウケイ酸系ガラスとからなる
最外層を有することを特徴とする生体活性複合インプラ
ント材。
（２）ホウケイ酸系ガラスは重量％で、ＳｉＯ＿２６０
〜７０％、Ｂ＿２Ｏ＿３１０〜１５％、Ａｌ＿２Ｏ＿３
２〜１０％、Ｌｉ＿２Ｏ２．３〜８％、Ｎａ＿２Ｏ１〜
８％、Ｋ＿２Ｏ１〜８％、Ｌｉ＿２Ｏ＋Ｎａ＿２Ｏ＋Ｋ
＿２Ｏ１０〜１５％、ＺｒＯ＿２１〜８％からなること
を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の生体活性複合
インプラント材。
（３）生体活性結晶化ガラスは重量％で、ＳｉＯ＿２２
２〜５０％、Ｐ＿２Ｏ＿５８〜３０％、ＣａＯ２０〜５
３％、ＭｇＯ１〜１６％、Ａｌ＿２Ｏ＿３０〜９％、Ｆ
＿２０．１〜２％、Ｂ＿２Ｏ＿３０〜５％からなる結晶
化ガラス、もしくは少なくとも３０％以上がＳｉＯ＿２
４０〜６０％、ＣａＯ３０〜４５％、ＭｇＯ１〜１７％
からなる結晶化ガラスのいずれかであることを特徴とす
る特許請求の範囲第１項記載の生体活性複合インプラン
ト材。
（４）最外層は、生体活性結晶化ガラス５０〜９０重量
％とホウケイ酸系ガラス１０〜５０重量％からなること
を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の生体活性複合
インプラント材。