JPH0663114A - 接合用ペースト及びこれを用いた人工骨の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 人工骨部材の接合に好適な接合用ペースト
と、この接合用ペーストを用い、複雑な形状でも容易に
得られ、しかも機械的強度等の特性を損なわない人工骨
の製造方法を提供する。 【構成】 まずＳｉＯ₂ −Ｐ₂ Ｏ₅ −ＣａＯ−ＭｇＯ系
結晶性ガラスからなる矩形状ガラス焼結体１１、半円柱
状ガラス焼結体１２、１３、１４、１５を用意する。ま
たＳｉＯ₂ −Ｐ₂ Ｏ₅ −ＣａＯ−ＭｇＯ系結晶性ガラス
粉末と、エタノールと、プロパノールと、ポリビニルブ
チラールとからなる接合用ペーストを用意する。次いで
半円柱状ガラス焼結体１２、１３、１４、１５の下面１
２ａ、１３ａ、１４ａ、１５ａに前記接合用ペーストを
塗布し、矩形状ガラス焼結体１１の上面１１ａ及び下面
１１ｂに接触させ、乾燥させる。その後、これらを熱処
理することによって、上下面に半円柱状の突起部を有す
る人工骨１０を得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、接合用ペースト及びこ
れを用いた人工骨の製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】現在、人工骨材料としてはＴｉ合金等の
金属、アルミナ、アパタイト、リン酸カルシウム等のセ
ラミックス、ＳｉＯ₂ −Ｐ₂ Ｏ₅ −ＣａＯ−ＭｇＯ系、
ＳｉＯ₂ −ＣａＯ−ＭｇＯ系等の結晶化ガラスが知られ
ている。これらの中でもＳｉＯ₂ −Ｐ₂ Ｏ₅ −ＣａＯ−
ＭｇＯ系結晶化ガラスやＳｉＯ₂ −ＣａＯ−ＭｇＯ系結
晶化ガラスは、高強度で、しかも生体活性に優れた有用
な材料であり、特に注目されている。

【０００３】ところで上記したような結晶化ガラスは表
面から内部へ向かって結晶が析出する、いわゆる表面結
晶化タイプの結晶化ガラスであるため、鋳造法により成
形されたガラスを結晶化熱処理すると体積収縮が起こっ
てクラックが発生してしまう。それゆえこのような材料
を用いて人工骨を作製する場合、薄板状に成形されたガ
ラスを粉砕して２００メッシュ以下の粉末とし、これを
ラバープレス法等によって加圧成形した後、該成形物を
焼成してガラス粉末を焼結、結晶化させ、さらに所望の
形状になるように切削加工する方法が採用されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところがこのような方
法では、加工に多大な労力と時間を要し、また高度な加
工技術を要するために生産性が低いこと、加工による形
状の自由度に制限があり、複雑な形状が得難いこと、加
工量が多いためにクラックが生じて得られる人工骨の機
械的強度が低下し易いこと等の問題を有している。

【０００５】このような事情から、複数個のガラス部材
を接合して複雑な形状の人工骨を作製することが試みら
れているが、接合のための接着剤として適当なものが存
在しないのが現状である。

【０００６】即ち、従来よりチタン等の高強度部材とリ
ン酸カルシウム等の生体活性部材とを接合するための接
着剤が種々提案されている。例えば特公平２−３７７８
６号には、２，２ビス［４−（３メタクリロキシ−２−
ハイドロキシプロボキシ）フェニル］プロパン（ＢｉＳ
−ＧＭＡ）と、トリエチレングリコールジメタクリレー
ト（ＴＥＧＤＭＡ）と、ベンゾルパーオキシド（ＢＰ
Ｏ）と、４−メタクリロキシエチルトリメリット酸及び
／又はその無水物（４−ＭＥＴＡ）と、フィラーとを含
有する生体材料用接着剤が開示されている。また特開平
２−２２５３８２号には、水溶性高分子物質の水溶液中
にセラミック原料を充填剤として含有する接合材料が開
示されている。

【０００７】しかしながら上記特公平２−３７７８６号
の接着剤は、長期埋入によって生体内でＢｉｓ−ＧＭＡ
が劣化し、フィラーが脱落するおそれがある。またフィ
ラーに樹脂粉末を使用する場合、接着剤が生体活性を示
さないために、接着剤が接着面からはみ出すとガラス部
材の生体活性を損なうという欠点がある。特に生体活性
を有する多孔質なガラス部材を接着する場合、気孔内に
接着剤が侵入し、気孔内部の生体活性を阻害したり、気
孔内部への新生骨の増生侵入を阻害するという問題が生
じる。一方、特開平２−２２５３８号に開示の接合材料
は、人工骨部材同士をセラミックス充填剤の焼結により
接合させるものであり、充填剤と同材質の人工骨部材の
接合にしか適用できない。それゆえガラス部材同士を接
合することが不可能である。また焼結による接合のた
め、接合部の強度が低いという問題も有している。

【０００８】本発明の目的は、人工骨部材、特にガラス
からなる人工骨部材の接合に好適な接合用ペーストと、
この接合用ペーストを用い、複雑な形状でも容易に得ら
れ、しかも機械的強度等の特性を損なわない人工骨の製
造方法を提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の接合用ペースト
は、主成分としてＳｉＯ₂ とＣａＯを含有し、生体活性
を示す結晶性ガラス粉末と、有機溶剤と、バインダーと
からなることを特徴とする。

【００１０】また本発明の人工骨の製造方法は、生体活
性を示すガラス部材を複数個用意する工程と、主成分と
してＳｉＯ₂ とＣａＯを含有し、生体活性を示す結晶性
ガラス粉末と、有機溶剤と、バインダーとからなる接合
用ペーストを用意する工程と、少なくとも１つのガラス
部材の表面に、前記接合用ペーストを塗布する工程と、
該ガラス部材の接合用ペーストが塗布された部分に、他
のガラス部材を接触させた後、これらを熱処理してバイ
ンダーを燃焼除去し、また結晶性ガラス粉末を軟化させ
てガラス部材同士を接合させるとともに結晶化させる工
程とからなることを特徴とする。

【００１１】

【作用】本発明の接合用ペーストは、熱処理するとペー
スト中の結晶性ガラス粉末が軟化して人工骨部材同士を
融着一体化させるとともに該ガラス粉末が結晶化するた
め、人工骨部材同士を強固に接合できる。

【００１２】またこのようにして形成された結晶化ガラ
スからなる接合部分は生体活性を示し、生体内でシリカ
イオンやカルシウムイオン等を溶出して体液中からハイ
ドロキシアパタイトを析出させることができる。それゆ
え被接合物である人工骨部材の生体活性を阻害すること
がない。また人工骨部材に生体活性がない場合でも、接
合部分から溶出したシリカイオンやカルシウムイオンに
よって人工骨部材表面にハイドロキシアパタイトを析出
させ、自然骨との結合を可能にする。

【００１３】本発明において使用する結晶性ガラス粉末
は、熱処理するとアパタイト（Ｃａ₁₀（ＰＯ₄ ）₆
Ｏ）、ウオラストナイト（ＣａＯ・ＳｉＯ₂ ）、ジオプ
サイド（ＣａＯ・ＭｇＯ・２ＳｉＯ₂ ）等の結晶を析出
する性質を有するものであり、またガラス中からシリカ
イオンやカルシウムイオンを溶出し、生体活性を示すも
のである。なお結晶性ガラス粉末の組成に限定はない
が、特にＳｉＯ₂ ２２．０〜５０．０％、Ｐ₂ Ｏ₅ ８．
０〜３０．０％、ＣａＯ２０．０〜５３．０％、ＭｇＯ
１．０〜１６．０％、Ａｌ₂ Ｏ₃ ０〜９．０％、Ｆ₂
０〜２．０％、Ｂ₂ Ｏ₃ ０〜５．０％からなり、アパタ
イトと、ウオラストナイト及びジオプサイドの少なくと
も１種を析出するＳｉＯ₂ −ＣａＯ−ＭｇＯ−Ｐ₂ Ｏ₅
系ガラスや、少なくとも９０％以上がＳｉＯ₂ ４０．０
〜６０．０％、ＣａＯ ３０．０〜４５．０％、ＭｇＯ
１．０〜１７．０％からなり、ウオラストナイトを析
出するＳｉＯ₂ −ＣａＯ−ＭｇＯ系ガラス等が強度が高
く、しかも高い生体活性を示すため好ましい。

【００１４】有機溶剤としては、ガラス粉末の分散性が
よいメタノール、エタノール、プロパノール、ブタノー
ル、イソプロピルアルコール等のアルコール類を単独
で、或は混合して使用することが好ましい。なお本発明
において、溶媒として有機溶剤を使用する理由（水を使
用しない理由）は、上記したような生体活性を有する結
晶性ガラス粉末は有機溶剤とは反応しないが、水とは反
応し易く、焼結性や結晶化特性の低下を招くためであ
る。

【００１５】バインダーとしては、結合力や分散性に優
れたポリビニルブチラール（以下、ＰＶＢと略す）やエ
チルセルロースを使用することが好ましい。

【００１６】また結晶性ガラス粉末、有機溶剤及びバイ
ンダーの混合割合は、重量百分率で結晶性ガラス粉末５
〜９０％、有機溶剤１０〜９５％、バインダー０．１〜
２０％である。これらの割合を上記のように限定した理
由は次の通りである。結晶性ガラス粉末が５％より少な
いと人工骨部材を十分に接合できず、９０％より多いと
ペーストにならない。有機溶剤が１０％より少ないとペ
ーストにならず、９５％より多いと人工骨部材を十分に
接合できない。バインダーが０．１％より少ないと接着
力が弱く、ガラス粉末を人工骨部材に固着させることが
できず、２０％より多いとガラス粉末の焼結性を疎外
し、接合部の強度が低下する。

【００１７】なお本発明の接合用ペーストは、ガラス部
材同士の接合用としてだけでなく、セラミックス部材同
士、金属部材同士、ガラス部材とセラミックス部材、ガ
ラス部材と金属部材、セラミックス部材と金属部材等種
々の材料を用いて人工骨を作製する際にも使用すること
が可能である。

【００１８】次に、前記接合用ペーストを用いた本発明
の人工骨の製造方法を説明する。

【００１９】まず生体活性を示すガラス部材を複数個用
意する。ガラス部材に使用するガラスは生体活性を示す
ものであれば制限はないが、特に先記したＳｉＯ₂ −Ｐ
₂ Ｏ ₅ −ＣａＯ−ＭｇＯ系やＳｉＯ₂ −ＣａＯ−ＭｇＯ
系の結晶性ガラス又は結晶化ガラスからなるものを使用
することが好ましい。これらのガラスは、先記したよう
に生体内でシリカイオンやカルシウムイオンを溶出する
ため、高い生体活性を示す。なおガラス部材は、接合時
の熱処理による体積収縮を極力防止するために、ガラス
粉末を焼結、或は焼結結晶化させたものを使用すること
が望ましい。

【００２０】また先記した接合用ペーストを用意する。

【００２１】次いで少なくとも１つのガラス部材の表面
に、前記接合用ペーストを塗布する。

【００２２】さらに該ガラス部材の接合用ペーストが塗
布された部分に、他のガラス部材を接触させ、乾燥させ
る。その後、これらを熱処理してバインダーを燃焼除去
し、また結晶性ガラス粉末を軟化させてガラス部材同士
を接合させるとともに結晶化させる。熱処理温度は、ペ
ーストに含まれる結晶性ガラス粉末が上記ＳｉＯ₂ −Ｐ
₂ Ｏ₅ −ＣａＯ−ＭｇＯ系ガラスやＳｉＯ₂ −ＣａＯ−
ＭｇＯ系ガラスの場合、１０００〜１２００℃が適当で
ある。なおガラス部材が結晶性ガラスからなる場合は、
このとき同時に結晶化させればよい。

【００２３】このようにして作製された人工骨は、殺
菌、洗浄して使用されるが、必要に応じてさらに穴開け
や面取り等の後加工を施しても良い。

【００２４】

【実施例】以下、本発明を実施例に基づいて説明する。

【００２５】（実施例１）まず生体活性を示すガラス部
材として、図１（ａ）に示すような矩形状ガラス焼結体
１１、及び半円柱状ガラス焼結体１２、１３、１４、１
５をそれぞれ用意した。また接合用ペーストＰ₁ を用意
した。

【００２６】矩形状ガラス焼結体１１、及び半円柱状ガ
ラス焼結体１２、１３、１４、１５は次のようにして作
製した。

【００２７】重量％でＳｉＯ₂ ３４．０％、ＣａＯ ４
４．７％、ＭｇＯ ４．６％、Ｐ₂Ｏ₅ １６．２％、Ｆ₂
０．５％の組成を有するようにガラス原料を調合し、
白金坩堝に入れて１４００〜１６００℃で３時間熔融し
た後、ロール成形し、ボールミルにて粉砕した。さらに
この粉砕物を２００メッシュの篩で分級してガラス粉末
Ｇ₁ を得た。なおこのガラス粉末Ｇ₁ は、１０００〜１
２００℃で１〜４時間熱処理するとアパタイト、ウオラ
ストナイト及びジオプサイドを析出し、生体活性を示す
結晶性ガラスである。

【００２８】次にガラス粉末Ｇ₁ を矩形状及び半円柱状
にプレス成形した。さらに６０℃／時の速度で昇温し、
７５０℃で２時間焼成することによって、３０×１５×
１０ｍｍの大きさの矩形状ガラス焼結体１１、及び５φ
×１５ｍｍの大きさの半円柱状ガラス焼結体１２、１
３、１４、１５を作製した。

【００２９】また接合用ペーストＰ₁ は、ガラス粉末Ｇ
₁ と、エタノールと、プロパノールと、ＰＶＢとを、重
量％でそれぞれ８３．０％、８．３％、８．３％、０．
４％の割合で混練して作製した。

【００３０】次いで半円柱状ガラス焼結体１２、１３、
１４、１５の下面１２ａ、１３ａ、１４ａ、１５ａに接
合用ペーストＰ₁ をそれぞれ塗布し、図１（ａ）に示す
ように矩形状ガラス焼結体１１の上面１１ａ及び下面１
１ｂに接触させ、乾燥させた。

【００３１】さらにこれらを６０℃／時の速度で昇温
し、１１００℃で２時間熱処理することによって、ＰＶ
Ｂを燃焼除去し、またペースト中に含まれていたガラス
粉末を軟化させて矩形状ガラス焼結体１１と半円柱状ガ
ラス焼結体１２、１３、１４、１５とを融着一体化させ
るとともに、全体を結晶化させて、図１（ｂ）に示すよ
うな上下面に半円柱状の突起部を有する緻密な人工骨１
０を得た。

【００３２】（実施例２）まず生体活性を示すガラス部
材として、図２（ａ）に示すようなペレット状結晶化ガ
ラス緻密体２１、２２、円柱状結晶化ガラス緻密体２
３、及び半円筒状結晶化ガラス多孔体２４、２５をそれ
ぞれ用意した。また接合用ペーストＰ₂ を用意した。

【００３３】ペレット状結晶化ガラス緻密体２１、２２
及び円柱状結晶化ガラス緻密体２３は次のようにして作
製した。

【００３４】重量百分率で、ＳｉＯ₂ ５３．０％、Ｃａ
Ｏ ３９．５％、ＭｇＯ ７．５％の組成を有するよう
にガラス原料を調合した後、実施例１と同様にして熔
融、成形、粉砕、分級し、ガラス粉末Ｇ₂ を得た。なお
ガラス粉末Ｇ₂ は１０００〜１２００℃で１〜４時間熱
処理するとウオラストナイトを析出し、生体活性を示す
結晶性ガラスである。

【００３５】次いでガラス粉末Ｇ₂ をペレット状及び円
柱状にプレス成形し、さらに６０℃／時の速度で昇温
し、１１００℃で２時間焼成して結晶化させた。このよ
うにして１０φ×３ｍｍの大きさのペレット状結晶化ガ
ラス緻密体２１、２２、及び４φ×１４ｍｍの大きさの
円柱状結晶化ガラス緻密体２３を得た。

【００３６】半円筒状結晶化ガラス多孔体２４、２５は
次のようにして用意した。まずガラス粉末Ｇ₂ と、エタ
ノールと、プロパノールと、ＰＶＢとを、重量％でそれ
ぞれ７６．３％、７．６％、１５．３％、０．８％の割
合で混練してスラリー状にし、これを半円筒状のウレタ
ンフォームに含浸させ、乾燥させた。その後、これらを
６０℃／時の速度で昇温し、１１００℃で２時間焼成す
ることによって、外径１０ｍｍ、内径４ｍｍ、高さ１４
ｍｍの半円筒状の結晶化ガラス多孔体２４、２５を作製
した。

【００３７】また接合用ペーストＰ₂ は、ガラス粉末Ｇ
₂ と、エタノールと、プロパノールと、ブタノールと、
ＰＶＢと、エチルセルロースとを、重量％でそれぞれ７
９．４％、７．９％、７．９％、４．０％、０．４％、
０．４％の割合で混練して作製した。

【００３８】次に、円柱状結晶化ガラス緻密体２３の上
面２３ａ及び下面２３ｂに接合用ペーストＰ₂ を塗布
し、図２（ａ）に示すように２枚のペレット状結晶化ガ
ラス緻密体２１、２２を接触させ、乾燥させた。さらに
円柱状結晶化ガラス緻密体２３の側面２３ｃ、半円筒状
結晶化ガラス多孔体２４、２５の上面２４ａ、２５ａと
下面２４ｂ、２５ｂにそれぞれ接合用ペーストＰ₂ を塗
布し、図２（ｂ）に示すように円柱状結晶化ガラス緻密
体２３の側面２３ｃに２個の半円筒状結晶化ガラス多孔
体２４、２５を接触させて、乾燥させた。

【００３９】その後、これらを６０℃／時の速度で昇温
し、１１００℃で２時間焼成することによって、ＰＶＢ
及びエチルセルロースを燃焼除去し、またペースト中に
含まれていたガラス粉末を軟化させて、ペレット状結晶
化ガラス緻密体２１、２２と、円柱状結晶化ガラス緻密
体２３と、半円筒状結晶化ガラス多孔体２４、２５とを
融着一体化させ、図２（ｃ）に示すような側面に多孔質
部分を有する人工骨２０を得た。

【００４０】このようにして得られた人工骨２０を、ビ
ーグル犬の大腿骨に人工的に形成した欠損部に埋入し、
術後の経過を観察したところ、８週間後には自然骨と強
固に結合しているのが認められた。

【００４１】なお実施例１及び２では、接合用ペースト
の結晶性ガラス粉末とガラス部材とが同一組成の場合を
示したが、本発明はこれに限られるものではなく、異な
るガラス組成同士の場合でも適用することが可能であ
る。

【００４２】

【発明の効果】以上説明したように本発明の接合用ペー
ストを用いれば、人工骨部材、特にガラスからなる人工
骨部材を強固に接合することができる。また使用する結
晶性ガラス粉末が生体活性を示し、自然骨との結合に寄
与するため、人工骨部材の接合用として好適である。

【００４３】また本発明の人工骨の製造方法によれば、
ガラス部材を適当に組み合わせて用いることにより、複
雑な形状の人工骨を容易に、しかも機械的強度等の特性
を損なわずに作製することができる。また生体活性を示
すガラス部材及び接合用ペーストを使用するため、高い
生体活性を示す人工骨を得ることが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の人工骨の製造方法の一実施例を示す説
明図である。

【図２】本発明の人工骨の製造方法の他の実施例を示す
説明図である。

【符号の説明】

１０ 上下面に半円柱状の突起部を有する人工骨 １１ 矩形状ガラス焼結体 １２、１３、１４、１５ 半円柱状ガラス焼結体 ２０ 側面に多孔質部分を有する人工骨 ２１、２２ ペレット状結晶化ガラス緻密体 ２３ 円柱状結晶化ガラス緻密体 ２４、２５ 半円筒状結晶化ガラス多孔体

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 主成分としてＳｉＯ₂ とＣａＯを含有
   し、生体活性を示す結晶性ガラス粉末と、有機溶剤と、
   バインダーとからなることを特徴とする接合用ペース
   ト。
2. 【請求項２】 結晶性ガラス粉末が、ＳｉＯ₂ −Ｐ₂ Ｏ
   ₅ −ＣａＯ−ＭｇＯ系ガラス又はＳｉＯ₂ −ＣａＯ−Ｍ
   ｇＯ系ガラスからなることを特徴とする請求項１の接合
   用ペースト。
3. 【請求項３】 生体活性を示すガラス部材を複数個用意
   する工程と、主成分としてＳｉＯ₂ とＣａＯを含有し、
   生体活性を示す結晶性ガラス粉末と、有機溶剤と、バイ
   ンダーとからなる接合用ペーストを用意する工程と、少
   なくとも１つのガラス部材の表面に、前記接合用ペース
   トを塗布する工程と、該ガラス部材の接合用ペーストが
   塗布された部分に、他のガラス部材を接触させた後、こ
   れらを熱処理してバインダーを燃焼除去し、また結晶性
   ガラス粉末を軟化させてガラス部材同士を接合させると
   ともに結晶化させる工程とからなることを特徴とする人
   工骨の製造方法。