JPH03218769A

JPH03218769A - インプラント部材

Info

Publication number: JPH03218769A
Application number: JP2015652A
Authority: JP
Inventors: Tomiharu Matsushita; 富春松下; Yoshimasa Ito; 伊藤　喜昌; Takao Kawai; 隆夫川井
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1990-01-24
Filing date: 1990-01-24
Publication date: 1991-09-26
Anticipated expiration: 2013-02-10
Also published as: JP2710849B2

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、人工関節、接骨板、人工歯根等のインプラン
ト部材に関し、詳しくは生体骨組織との結合性を改善し
たインプラント部材に関するものである。

（従来の技術）チタンおよびチタン合金は表面が強間で縁密な不動態被
膜に覆われているため、生体内においても耐蝕性を示す
ことはよく知られている。また、比重は４．４〜４．８
ｇ／ｃ＋ｗ３と小さいため、生体材料として有用である
。そのうちでも、Ｔｉ−６ＡＩ−４ＶやＴ４５Ａｌ−２
．５Ｆｅ合金は機械的性質、耐蝕性、生体適合性などに
優れており、人工関節、接骨板、人工歯根などの素材と
して広く用いられている。

これら材料の表面は、生体骨組織との強い固着性を確保
するために、金属材料やセラミックス材料をコーティン
グして粗面化されている。第２図（ａ）、（ｂ）は粗面
化したインプラント部材の表面を拡大して示す断面説明
図であり、（ａｌ図は基材層工上に粉粒体２を、Ｑ：１
）図は線状体３をそれぞれコーティングして粗而を構成
したものである。これらの表面構造においては、例えば
第２図（ａ）に基づいて説明すると、基材層１と粉粒体
２の間および粉粒体２同士の間等に孔部４が形成され、
インプラント部材の表面に粗而を形成する。その結果、
孔部４内には新しい生体骨組織が侵入、成長し易くなり
両者が強い固着状態を形成する。

一方、粗面化した基材の表面にハイオガラスやハイドロ
キシアパタイトなどの生体活性材料を被覆し、生体骨組
織との結合性をさらに改善する試みが行われている。

（発明が解決しようとする課題）しかし、上述のチタン合金を基材として疲労強度の高い
状態で使用するには、例えばＴｉ−６ＡＩ−４Ｖでは、
β変態点以下すなわち９７０〜９８０゜Ｃの温度以下で
溶体化処理することが必須条件であって、生体活性材料
を被覆するときの必要焼成温度が１０００゜Ｃ以上であ
ることから、実用上は基材のチタン合金材料あるいは被
覆生体活性材料のいずれかの機能を犠牲にして使用せざ
るを得なかった．また、粗面化した多孔表面層において
、生体骨組織との強い固着性を確保するために、気孔率
を高めようとすると、基材と異なる金属材料あるいはセ
ラミソクス材料を用いて多孔表面層を構成する場合、基
材層と粉粒体間あるいは線状体間の結合力が低下し、基
材層から多孔表面層が剥離し易くなるという問題がある
。

粗面化した基材の表面にバイオガラスやハイドロキシア
パタイトなどの生体活性材料を被覆し、生体骨組織との
結合性を改善する試みが行われているが、実際臨床の場
においては、インプラント部材との結合は、通常４〜８
週間という長期間を必要とし、しかも生体骨との到達結
合固着強度は、人体重量や日常生活上負荷される荷重の
支持等において十分満足し得るまでには至っていない．
（ＩＩを解決するための手段）本発明は上記の問題点を、１０００゜Ｃ以上の温度に加
熱しても常温強度の低下しないチタン合金を基材に用い
、基材表面の多孔表面層の形成にチタンまたはチタン合
金を用い、この多孔表面層に生体組織との親和性が高い
生体活性材料を被覆することによって解決するもので、
その第１発明は粗面化されたチタン合金製基材の表面に
生体組織との親和性が高い生体活性材料層を形成してな
るインプラント部材において、チタン合金がＡＩ：５．
５〜６．５ｗｔ％、Ｎｂ：１．５〜２．５ｗｔ％、Ｔａ
：０．５〜１．５ｗｔ％、Ｍｏ：０．５〜１．Ｏｗｔ％
を含有し、残部がＴｉから成るＴｉＡｌ−Ｎｂ−Ｔａ−
Ｍｏ系チタン合金であるインプラント部材である。

第２発明は基材表面の粗而化がチタンまたはチタン合金
の粉粒体または線状体を付着させて多孔表面層を形成さ
れてなる請求項（１）記載のインプラント部材である。

第３発明は生体活性材料がＮａ２Ｏ−ＣａＯ−Ｓｉ０２
−Ｐｚ０ＢあるいはＭｇＯ−ＣａＯ−Ｓｔｏｗ−Ｐ２Ｏ
ｓを主成分とする生体活性ガラスあるいはアパタイトで
ある請求項（１）または請求項（２）記載のインプラン
ト部材である。

（作用）以下、本発明の作用について説明する。

チタンおよびその合金は軽量で強靭で耐蝕性に優れ、か
つ生体適合性にも優れているため生体材料として広く使
用されている。しかし、生体材料として使用する場合に
は種々の制約がある。すなわち、■適度な疲労強度を有
し、使用に耐えること、■生体に無害であること、■イ
ンプラント部材に加工することが容易であること、など
である。これらの制約を満足するためには、■に関して
は生体活性材料の必要焼成温度とチタン合金の溶体化処
理温度（β変態点以上）とが同一温度域であることが必
要である。■に関しては，．毒性を有する元素を含まな
いことが望ましいが、合金化することで、たとえ単体で
は毒性を示す元素を含んでいても、溶出しなければ使用
に耐えることになる。■に関しては、インプラント部材
に加工する際に熱間塑性加工、冷間塑性加工、機械加工
を施すので、いずれの施工も容易であることが要求され
る．そこで、本発明者らは、種々のチタン合金について、上
記制約条件に関して検討を行った．第１表にその検討結
果を示す．第１表にチタン合金種類、β変態点、焼成温度からの適
否、素材加工性の良否、その他を示す．（以下余白）第１表（以下余白）？タン合金には第１表に示すように種々の成分系のもの
があるが、強度を確保するための熱処理温度は大部分の
ものがｌ０００゜Ｃ以下であって、従来Ｔｉ−６ＡＩ−
４Ｖ合金を用いる場合に生じていた問題点と同様の問題
を含んでいる。また、疲労強度の点からはＴｉ−６ＡＩ
−４Ｖ合金のインプラント部材としての実績が示すよう
に、Ｔｉ−６ＡＩ−４Ｖ合金以上の強度を有することが
必要である．また、Ｖは人体に有害であるという説もあり、本発明で
は安全を考慮して、Ｖを含む合金系を除くことにした。

したがって、第１表から明らかなように、上記■、■、
■の制約条件を満足するものはＴｉ−６ＡＩ−２Ｎｂ−
ＩＴａ−０．８Ｍｏを主成分とするものが最も好ましい
。本Ｔｉ合金の主要成分範囲と限定理由は以下の通りで
ある。

Ａｌ：５．５〜６．５ｗｔ％八１は強度向上のための主要添加元素であり、５．５ｗ
ｔ％未満ではＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金以上の強度が得ら
れず、逆に、６．５ｗｔ％を越えるとα■相（ＴｉＪ１
）が生じ脆化し易くなる．Ｎｂ：１．５〜２．５圓ｔ％Ｔａ：０．５〜１．５ｗｔ％Ｎｂ，　Ｔａは共にＴｉ母材のα相にβ相を導入して強
度を向上させる添加元素であり、本発明では前記したＶ
の代替となるものである。

各々、下限値未満ではその効果が発揮できないとともに
、上限値を越えて加えても効果の向上は期待できず、併
せてこれらの元素は比重がＮｂ：８．５７　、Ｔａ：１
６．６と大きく、全体の重量が数百グラムで軽量化が必
要なインプラント部材の重量を不要に増加させることに
なる。

Ｍｏ：０．５〜１．０ｉｉｔ％Ｍｏは耐蝕性を向上させる添加元素であり、０．５ｗｔ
％未満ではその効果が薄く、１．Ｏｗｔ％を越えて加え
てもやはり効果の向上が期待できず、Ｎｂ，　Ｔａと同
様に比重が１０．２２と重いＭｏの添加がインプラント
部材の重量を不要に増加させることになる．不純物につ
いては、Ｔｉ合金の溶製上不可避的に混入する不純物元
素は本発明でも通常の規格通り許容される。

ここで、Ｔｉ−６ＡＩ−２Ｎｂ−ＩＴａ−０．８一〇を
主成分とするチタン合金について、各種溶体化処理後の
室温強度について調査した。なお、参考のためにＡｎｎ
　（焼鈍）後の室温強度についても調査した。その結果
を第１図に示す。

第１図はインプラント部材の引張特性に及ぼす溶体化処
理条件とＡｎｎ　（焼鈍）条件の影響を示すグラフであ
る。溶体化処理条件と＾ｎｎ（焼鈍）条件はつぎの通り
である。

溶体化処理：溶体化処理温度Ｘ１ｈｒＷＱ＋５９０゜Ｃ
Ｘ８ｈｒＡＣＡｎｎ　（焼鈍）　　：　　７００゜Ｃ×２ｈｒＡＣこ
こで、ＷＱは水焼入れ、ＡＣは空冷を示す．第１図から
明らかなように、溶体化処理温度が１０００〜１０５０
゜Ｃの範囲において引張特性が安定していることがわか
る。また、＾ｎｎでは引張強度が低下している。これら
の結果と、上記第１表における検討結果とから、？＋−
６ＡＩ−２Ｎｂ−ＩＴａ−０．８Ｍｏを主成分とするチ
タン合金が本発明の目的に適合することが明らかである
。

基材表面に多孔表面層を形成する場合、基材表面と多孔
表面層が完全に一体化することが必須条件である．これ
を達成するために、基材の主成分と同じであるチタンま
たはチタン合金の粉粒体または線状体を用いる．このよ
うに同一主成分の粉粒体または線状体を用いることによ
って、溶射、焼結などの方法によって基材表面と多孔表
面層が完全に一体化した多孔表面層を形成することがで
きる。この結果、多孔表面層の気孔率を高めることがで
き、生体骨組織との強い固着性を確保することができる
．早期にインプラント部材に生体骨組織を親和させインプ
ラント部材と新生体骨を結合させ、人体重量や日常生活
の負荷に十分耐え得るようにするために生体活性材料を
用いる。この目的のために、本発明では、生体活性材料
にＮａ２Ｏ−ＣａＯ−ＳｉＯｚ−ＰｇＯ，あるいはＭｇ
Ｏ−ＣａＯ−ＳｉＯｚ−Ｐ２Ｏｓを主成分とする生体活
性ガラスあるいはアパタイトを用いる．（実施例）以下に本発明の実施例について説明する。

実施例ｌ成分Ｔｉ−６八ｌ−２Ｎｂ−ＩＴａ−０．８Ｍｏからな
るチタン合金の丸棒を用い、脱脂等を行い表面を清浄に
した後、表面に、０．５１厚さにＭｇＯ−ＣａＯ−Ｓｉ
Ｏｚ−Ｐ２Ｏｓ系生体活性ガラス粉末をプラズマ溶射し
、生体活性材料層を形成した。次いで、これらに１００
０゜Ｃ、１０２０゜Ｃ、１０４０゜Ｃで各２時間の溶体
化処理を施した後、引張試験および疑領体液中に浸漬し
表面の状態観察を行った。その結果、引張強度は、９３
〜９６ｋｇｆ／Ｎｌ１”　＋７１範囲であり、従来（７
）Ｔｉ−６ＡＩ−４Ｖ合金の強度に遜色ないものであっ
た。一方、疑領体液中に浸漬したものは、２日目に生体
活性材料層表面にアパタイトの析出を認めた。

実施例２成分Ｔｉ−６ＡＩ−２Ｎｂ−ＩＴａ−０．８Ｍｏからな
るチタン合金の丸棒を用い、脱脂等を行い表面を清浄に
した後、表面に純チタン粉粒体をプラズマ溶射にて、厚
み０．７　ａｎの多孔表面層を形成した。その気孔率は
従来の３０〜５０％に対して、５０〜６０％に改善され
、空孔の大きさは１００〜２００μ−のものが適度に分
布していた．次いで、これをＭｇＯ−ＣａＯ−ＳｉＯｚ
−Ｐ　ｇｏｓ系生体活性ガラス微粉末を水に分散させた
溶液中に浸漬し、空孔内にガラス微粉末を十分に付着さ
せ乾燥させた後、１０４０゜Ｃで２時間焼成処理を施し
た．焼成処理後、これを疑似体液中に浸漬し、保持した
ところ、２日目゛に多孔表面層の表面にアパタイトの析
出を認めた．（発明の効果）以上説明したように、本発明に係わるインプラント部材
は、上記の構成であるから、１０００℃以上の温度で溶
体化処理および被覆生体活性材料の焼成が可能で、この
ため疲労強度に優れ、また、チタンまたはチタン合金の
粉粒体または線状体で多孔表面層を形成するため、気孔
率を高くすることができ、このため、生体活性材料の付
着と新生体骨との結合を強固にすることができ、さらに
、インプラント部材表面に生体活性材料のＮａ，０−Ｃ
ａＯ−Ｓｆｏｇ−ｈｏｓあるいはＭｇＯ−ＣａＯ−Ｓｉ
Ｏｔ−ＰｔＯｓを主成分とする生体活性ガラスあるいは
アバタイトを被覆しているため、早期に生体組織との一
体化を促進することができるという優れた効果を有する
ものである。

【図面の簡単な説明】

第１図はインプラント部材の引張特性に及ぼす溶体化処
理条件とＡｎｎ条件の影響を示すグラフである。第２図（ａ）、（ｂ）は粗面化したインプラント部材の
表面を拡大して示す断面説明図である．１一基材層２−・粉粒体３・一線状体４・−・孔部

Claims

【特許請求の範囲】

（１）粗面化されたチタン合金製基材の表面に生体組織
との親和性が高い生体活性材料層を形成してなるインプ
ラント部材において、チタン合金がＡｌ：５．５〜６．
５ｗｔ％、Ｎｂ：１．５〜２．５ｗｔ％、Ｔａ：０．５
〜１．５ｗｔ％、Ｍｏ：０．５〜１．０ｗｔ％を含有し
、残部がＴｉから成るＴｉ−Ａｌ−Ｎｂ−Ｔａ−Ｍｏ系
チタン合金であることを特徴とするインプラント部材。
（２）基材表面の粗面化がチタンまたはチタン合金の粉
粒体または線状体を付着させて多孔表面層を形成されて
なる請求項（１）記載のインプラント部材。
（３）生体活性材料がＮａ＿２Ｏ−ＣａＯ−ＳｉＯ＿２
−Ｐ＿２Ｏ＿５あるいはＭｇＯ−ＣａＯ−ＳｉＯ＿２−
Ｐ＿２Ｏ＿５を主成分とする生体活性ガラスあるいはア
パタイトである請求項（１）または請求項（２）記載の
インプラント部材。