JPH08117325A - 生体インプラント材及びその製造方法 - Google Patents
生体インプラント材及びその製造方法Info
- Publication number
- JPH08117325A JPH08117325A JP6284230A JP28423094A JPH08117325A JP H08117325 A JPH08117325 A JP H08117325A JP 6284230 A JP6284230 A JP 6284230A JP 28423094 A JP28423094 A JP 28423094A JP H08117325 A JPH08117325 A JP H08117325A
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- metal
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 チタン金属やチタン合金といったＴｉを主成
分とする金属体の表面に、骨との接合性に優れ、しかも
金属体から剥離したり、破壊することのない表面層が形
成されてなる生体インプラント材と、その製造方法を提
供する。 【構成】 Ｔｉを主成分とする金属体の表面に、Ｔｉを
主成分とする金属とケイ化チタンとからなり表面に近づ
くに従ってケイ化チタンの割合が傾斜的に高くなる表面
層が形成されてなる。このような生体インプラント材
は、まずＴｉを主成分とする金属体にＳｉ元素をイオン
注入した後、熱処理することにより作製することがてき
る。
分とする金属体の表面に、骨との接合性に優れ、しかも
金属体から剥離したり、破壊することのない表面層が形
成されてなる生体インプラント材と、その製造方法を提
供する。 【構成】 Ｔｉを主成分とする金属体の表面に、Ｔｉを
主成分とする金属とケイ化チタンとからなり表面に近づ
くに従ってケイ化チタンの割合が傾斜的に高くなる表面
層が形成されてなる。このような生体インプラント材
は、まずＴｉを主成分とする金属体にＳｉ元素をイオン
注入した後、熱処理することにより作製することがてき
る。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、人工骨、人工股関節、
人工歯根等の生体硬組織の代替材料として有用な生体イ
ンプラント材と、その製造方法に関するものである。
人工歯根等の生体硬組織の代替材料として有用な生体イ
ンプラント材と、その製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来より骨欠損部等を修復するための生
体インプラント材として、チタン金属やチタン合金から
なるものが知られている。このようなインプラント材
は、生体親和性があり、しかも高い機械的強度を有して
いるため、大腿骨、股関節等の大きな荷重のかかる部位
に使用されている。
体インプラント材として、チタン金属やチタン合金から
なるものが知られている。このようなインプラント材
は、生体親和性があり、しかも高い機械的強度を有して
いるため、大腿骨、股関節等の大きな荷重のかかる部位
に使用されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記した
インプラント材は、骨を伝導する力が弱いため、骨がイ
ンプラント材の表面に到達してから接合するのに時間が
かかる。このため長期間患者がベットから離れることが
できず、患者の肉体的、精神的負担が大きいという問題
を有している。
インプラント材は、骨を伝導する力が弱いため、骨がイ
ンプラント材の表面に到達してから接合するのに時間が
かかる。このため長期間患者がベットから離れることが
できず、患者の肉体的、精神的負担が大きいという問題
を有している。
【０００４】また生体内で周囲の骨組織と反応し、骨と
の間に化学結合を形成する性質を有するものとして生体
活性無機材料、例えば水酸化アパタイトやアパタイトを
含む無機材料が知られているが、これらの材料は、機械
的強度が低いという欠点を有している。
の間に化学結合を形成する性質を有するものとして生体
活性無機材料、例えば水酸化アパタイトやアパタイトを
含む無機材料が知られているが、これらの材料は、機械
的強度が低いという欠点を有している。
【０００５】そこでチタン金属やチタン合金からなる金
属体の表面に、生体活性無機材料からなる表面層が形成
されてなる複合材料が提案されているが、このような複
合材料を長期間に亙って使用すると、あるいはこれに大
きな外力が加わると、表面層が金属体から剥離したり、
層内部で破壊が生じたりするという問題を有している。
属体の表面に、生体活性無機材料からなる表面層が形成
されてなる複合材料が提案されているが、このような複
合材料を長期間に亙って使用すると、あるいはこれに大
きな外力が加わると、表面層が金属体から剥離したり、
層内部で破壊が生じたりするという問題を有している。
【０００６】本発明の目的は、チタン金属やチタン合金
といったＴｉを主成分とする金属体の表面に、骨との接
合性に優れ、しかも金属体から剥離したり、破壊するこ
とのない表面層が形成されてなる生体インプラント材
と、その製造方法を提供することである。
といったＴｉを主成分とする金属体の表面に、骨との接
合性に優れ、しかも金属体から剥離したり、破壊するこ
とのない表面層が形成されてなる生体インプラント材
と、その製造方法を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明者等は、上記目的
を達成すべく種々の研究を行った結果、生体内に生体イ
ンプラント材を埋入した時にその表面にシリカゲルが生
成すると短期間で骨と接合すること、このようなシリカ
ゲルは金属体の表面にケイ化チタンを含む表面層を形成
しておくことにより生成すること、また表面層中のケイ
化チタンの割合を傾斜的に変化させることにより、層の
剥離や破壊が起こり難くなることを見いだし、本発明と
して提案するものである。
を達成すべく種々の研究を行った結果、生体内に生体イ
ンプラント材を埋入した時にその表面にシリカゲルが生
成すると短期間で骨と接合すること、このようなシリカ
ゲルは金属体の表面にケイ化チタンを含む表面層を形成
しておくことにより生成すること、また表面層中のケイ
化チタンの割合を傾斜的に変化させることにより、層の
剥離や破壊が起こり難くなることを見いだし、本発明と
して提案するものである。
【０００８】即ち、本発明の生体インプラント材は、Ｔ
ｉを主成分とする金属体の表面に、Ｔｉを主成分とする
金属とケイ化チタンとからなり表面に近づくに従ってケ
イ化チタンの割合が傾斜的に高くなる表面層が形成され
てなることを特徴とする。
ｉを主成分とする金属体の表面に、Ｔｉを主成分とする
金属とケイ化チタンとからなり表面に近づくに従ってケ
イ化チタンの割合が傾斜的に高くなる表面層が形成され
てなることを特徴とする。
【０００９】また本発明の生体インプラント材の製造方
法は、Ｔｉを主成分とする金属体にＳｉ元素をイオン注
入した後、熱処理することを特徴とする。
法は、Ｔｉを主成分とする金属体にＳｉ元素をイオン注
入した後、熱処理することを特徴とする。
【００１０】本発明におけるＴｉを主成分とする金属体
とは、チタン金属及びチタン合金を意味する。チタン合
金としては、Ｔｉを主成分としてＡｌ、Ｓｎ、Ｚｒ、Ｍ
ｏ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｖ、Ｐｔ等を添加した合
金を使用することができ、なかでもＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ
合金を使用することが好ましい。
とは、チタン金属及びチタン合金を意味する。チタン合
金としては、Ｔｉを主成分としてＡｌ、Ｓｎ、Ｚｒ、Ｍ
ｏ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｖ、Ｐｔ等を添加した合
金を使用することができ、なかでもＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ
合金を使用することが好ましい。
【００１１】表面層は、Ｔｉを主成分とする金属とケイ
化チタンとからなり、ケイ化チタンの割合が表面に近づ
くにつれて大きくなるように形成されている。この表面
層は、表面付近では殆どケイ化チタンで構成されるた
め、生体内に埋入した時、シリカゲルが生成しやすくな
り、早期に骨と接着する。また連続的に組成が変化し、
金属体の近旁では殆どケイ化チタンが存在せず、金属体
と同じ材料で構成されるため、金属体と一体的に結合す
るとともに層自体の強度が高い。
化チタンとからなり、ケイ化チタンの割合が表面に近づ
くにつれて大きくなるように形成されている。この表面
層は、表面付近では殆どケイ化チタンで構成されるた
め、生体内に埋入した時、シリカゲルが生成しやすくな
り、早期に骨と接着する。また連続的に組成が変化し、
金属体の近旁では殆どケイ化チタンが存在せず、金属体
と同じ材料で構成されるため、金属体と一体的に結合す
るとともに層自体の強度が高い。
【００１２】なお表面層中に含まれるケイ化チタンは、
ＴｉとＳｉの量比がどのようなものであっても良く、例
えばＴｉ5 Ｓｉ3 が使用できる。また生体に対して為害
性を示さないものであれば、表面層中にＡｌ−Ｐ、Ｔｉ
−Ｂ、Ｔｉ−Ｐ等他の化合物が存在していても差し支え
ない。
ＴｉとＳｉの量比がどのようなものであっても良く、例
えばＴｉ5 Ｓｉ3 が使用できる。また生体に対して為害
性を示さないものであれば、表面層中にＡｌ−Ｐ、Ｔｉ
−Ｂ、Ｔｉ−Ｐ等他の化合物が存在していても差し支え
ない。
【００１３】次に本発明の生体インプラント材の製造方
法について説明する。
法について説明する。
【００１４】まず所望の形状に成形されたチタン金属、
チタン合金等のチタンを主成分とする金属体を準備す
る。尚、チタン合金としては、例えばＴｉ−６Ａｌ−４
ＶのようなＴｉを主成分とし、Ａｌ、Ｓｎ、Ｃｒ、Ｚ
ｒ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｖ、Ｐｔ等を添加
した合金が使用できる。また金属体は、サンドブラス
ト、プラズマ溶射等の既知の方法によって表面に凹凸を
つけておくことが望ましい。このように金属体の表面に
凹凸を設けておくと、表面に凹凸を有する生体インプラ
ント材を得ることが可能となる。
チタン合金等のチタンを主成分とする金属体を準備す
る。尚、チタン合金としては、例えばＴｉ−６Ａｌ−４
ＶのようなＴｉを主成分とし、Ａｌ、Ｓｎ、Ｃｒ、Ｚ
ｒ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｖ、Ｐｔ等を添加
した合金が使用できる。また金属体は、サンドブラス
ト、プラズマ溶射等の既知の方法によって表面に凹凸を
つけておくことが望ましい。このように金属体の表面に
凹凸を設けておくと、表面に凹凸を有する生体インプラ
ント材を得ることが可能となる。
【００１５】次に金属体にＳｉ元素をイオン注入する。
イオン注入法の特徴は、室温での添加が可能で、しかも
イオン電流、時間の管理によって注入量や添加深さが調
節できることである。つまりイオン注入の総量は、電流
×時間＝電気量として決定され、濃度分布と深さは、注
入エネルギー（注入電圧）及び注入する材料の種類によ
り変化する。従って本発明においては、所望のＳｉ濃度
となるように注入条件を設定することが必要である。
イオン注入法の特徴は、室温での添加が可能で、しかも
イオン電流、時間の管理によって注入量や添加深さが調
節できることである。つまりイオン注入の総量は、電流
×時間＝電気量として決定され、濃度分布と深さは、注
入エネルギー（注入電圧）及び注入する材料の種類によ
り変化する。従って本発明においては、所望のＳｉ濃度
となるように注入条件を設定することが必要である。
【００１６】その後、金属体を熱処理することによっ
て、注入されたＳｉイオンと金属体中のＴｉとを反応さ
せてケイ化チタンを含む表面層を形成する。このとき金
属体中のＳｉイオン濃度は表面に近づくにつれて高くな
っているため、熱処理によって形成される表面層中のケ
イ化チタンの割合も表面に近づくに従って高くなる。こ
のようにして形成された表面層は、表面に向かって金属
からケイ化チタンへ傾斜的に変化した組成となる。なお
金属体にＳｉイオンを注入しただけのものでも、生体内
に埋入すると表面にシリカゲルが生成するが、この状態
ではＳｉイオンが金属体内に固定されていないため、金
属体に対するシリカゲルの接着力が弱く、この部分から
容易に剥離してしまう。このためＳｉイオンをチタンと
反応させ、ケイ化チタンとして固定させておく必要があ
る。
て、注入されたＳｉイオンと金属体中のＴｉとを反応さ
せてケイ化チタンを含む表面層を形成する。このとき金
属体中のＳｉイオン濃度は表面に近づくにつれて高くな
っているため、熱処理によって形成される表面層中のケ
イ化チタンの割合も表面に近づくに従って高くなる。こ
のようにして形成された表面層は、表面に向かって金属
からケイ化チタンへ傾斜的に変化した組成となる。なお
金属体にＳｉイオンを注入しただけのものでも、生体内
に埋入すると表面にシリカゲルが生成するが、この状態
ではＳｉイオンが金属体内に固定されていないため、金
属体に対するシリカゲルの接着力が弱く、この部分から
容易に剥離してしまう。このためＳｉイオンをチタンと
反応させ、ケイ化チタンとして固定させておく必要があ
る。
【００１７】なお熱処理は６００〜９５０℃で行うのが
好ましい。これは６００℃より低いと、ＴｉとＳｉが反
応せず、また９５０℃を超えると、Ｔｉが転移して金属
体が脆くなるためである。またチタン金属やチタン合金
の表面に厚い酸化物膜ができないように、真空中あるい
は不活性ガス中で熱処理することが望ましい。
好ましい。これは６００℃より低いと、ＴｉとＳｉが反
応せず、また９５０℃を超えると、Ｔｉが転移して金属
体が脆くなるためである。またチタン金属やチタン合金
の表面に厚い酸化物膜ができないように、真空中あるい
は不活性ガス中で熱処理することが望ましい。
【００１８】
【作用】本発明の生体インプラント材を生体内に埋入す
ると、表面付近のケイ化チタンが酸化されてＳｉＯ2 を
含む非常に薄い酸化膜が生成しやすい。そしてこの酸化
膜が水和されてシリカゲルになり、これが核となってア
パタイト層が生成し、骨と短期間に接合することにな
る。また表面層の組成がＴｉ等の金属からケイ化チタン
へと傾斜的に変化しているため、金属体と表面層との界
面で剥離が起こったり、層内部で破壊が生じたりするこ
とがない。
ると、表面付近のケイ化チタンが酸化されてＳｉＯ2 を
含む非常に薄い酸化膜が生成しやすい。そしてこの酸化
膜が水和されてシリカゲルになり、これが核となってア
パタイト層が生成し、骨と短期間に接合することにな
る。また表面層の組成がＴｉ等の金属からケイ化チタン
へと傾斜的に変化しているため、金属体と表面層との界
面で剥離が起こったり、層内部で破壊が生じたりするこ
とがない。
【００１９】
【実施例】以下、実施例に基づいて本発明の生体インプ
ラント材を詳細に説明する。
ラント材を詳細に説明する。
【００２０】
【表１】
【００２１】表１は、本発明の実施例（試料Ｎｏ．１）
及び比較例（試料Ｎｏ．２、３）の引き剥がし強度を示
すものである。
及び比較例（試料Ｎｏ．２、３）の引き剥がし強度を示
すものである。
【００２２】実施例であるＮｏ．１の試料は、次のよう
にして作製した。
にして作製した。
【００２３】まず基材として１０×１５×２t ｍｍの大
きさのＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金を準備し、この基材の表
面粗さがおおよそＲmax で１０μｍ程度となるようにサ
ンドブラストして表面を凹凸を形成した。
きさのＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金を準備し、この基材の表
面粗さがおおよそＲmax で１０μｍ程度となるようにサ
ンドブラストして表面を凹凸を形成した。
【００２４】次いでこの材料に注入エネルギー１００ｋ
ｅＶ、５×１０17ｉｏｎｓ／ｃｍ2の条件でＳｉ元素の
イオン注入を行った後、２×１０-6Ｔｏｒｒの真空中で
９００℃、１時間の条件で熱処理した。
ｅＶ、５×１０17ｉｏｎｓ／ｃｍ2の条件でＳｉ元素の
イオン注入を行った後、２×１０-6Ｔｏｒｒの真空中で
９００℃、１時間の条件で熱処理した。
【００２５】こうして得られた材料の表面部分につい
て、深さ方向の元素濃度変化を調べたところ、Ｓｉ元素
の分布が表面に近づくに従って増加していることが確認
できた。また薄膜Ｘ線回折分析を行ったところ、表面付
近は殆どＴｉ5 Ｓｉ3 からなっていることが確認でき
た。
て、深さ方向の元素濃度変化を調べたところ、Ｓｉ元素
の分布が表面に近づくに従って増加していることが確認
できた。また薄膜Ｘ線回折分析を行ったところ、表面付
近は殆どＴｉ5 Ｓｉ3 からなっていることが確認でき
た。
【００２６】一方比較例であるＮｏ．２の試料は未処理
のＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金を使用したものである。
のＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金を使用したものである。
【００２７】またＮｏ．３の試料は次のようにして作製
した。まず重量百分率でＳｉＯ2 ４５％、Ｐ2 Ｏ5 １０
％、ＣａＯ ３５％、ＭｇＯ １０％、Ｂ2 Ｏ3 ３％の
組成を有するガラス粉末（平均粒径３μｍ）を用意し、
これをビークルと混練してペーストとした。次にこのペ
ーストをＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金の表面に刷毛塗りし、
乾燥後、大気中で４５０℃で３０分間保持して脱脂し
た。その後、真空中（１０-6ｔｏｒｒ程度）で８５０℃
で１時間焼成することによって、表面にガラス層が形成
された試料を得た。
した。まず重量百分率でＳｉＯ2 ４５％、Ｐ2 Ｏ5 １０
％、ＣａＯ ３５％、ＭｇＯ １０％、Ｂ2 Ｏ3 ３％の
組成を有するガラス粉末（平均粒径３μｍ）を用意し、
これをビークルと混練してペーストとした。次にこのペ
ーストをＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金の表面に刷毛塗りし、
乾燥後、大気中で４５０℃で３０分間保持して脱脂し
た。その後、真空中（１０-6ｔｏｒｒ程度）で８５０℃
で１時間焼成することによって、表面にガラス層が形成
された試料を得た。
【００２８】これらの各試料を家兎（各１６匹）の脛骨
に埋入した後、８週間後と２４週間後にそれぞれ８匹づ
つ屠殺し、各試料と骨との引き剥がし強度を測定し、そ
の平均値を表１に示した。
に埋入した後、８週間後と２４週間後にそれぞれ８匹づ
つ屠殺し、各試料と骨との引き剥がし強度を測定し、そ
の平均値を表１に示した。
【００２９】表１から明らかなように、本発明の実施例
である試料Ｎｏ．１は、引き剥がし強度が８週間後で
３．５±０．８、２４週間後で３．７±１．０であっ
た。また破壊は何れも骨との界面で起こっており、表面
層の破壊は認められなかった。これに対して比較例であ
るＮｏ．２の試料では、破壊は何れも骨との界面で起こ
っており、表面層の破壊はなかったものの、８週間後で
０．２±０．５ｋｇ、２４週間後で２．６±１．３ｋｇ
であり、骨との接合に時間がかかることが分かった。ま
たＮｏ．３の試料では、破壊は何れもガラス層内で起こ
り、また引き剥がし強度は８週間後で１．１±０．６ｋ
ｇ、２４週間後で１．２±０．８ｋｇと低い値を示し
た。このことから試料Ｎｏ．３は、骨との接合が短期間
で行われているものの、ガラス層の強度が低いために引
き剥がし強度が低い値を示したと考えられる。
である試料Ｎｏ．１は、引き剥がし強度が８週間後で
３．５±０．８、２４週間後で３．７±１．０であっ
た。また破壊は何れも骨との界面で起こっており、表面
層の破壊は認められなかった。これに対して比較例であ
るＮｏ．２の試料では、破壊は何れも骨との界面で起こ
っており、表面層の破壊はなかったものの、８週間後で
０．２±０．５ｋｇ、２４週間後で２．６±１．３ｋｇ
であり、骨との接合に時間がかかることが分かった。ま
たＮｏ．３の試料では、破壊は何れもガラス層内で起こ
り、また引き剥がし強度は８週間後で１．１±０．６ｋ
ｇ、２４週間後で１．２±０．８ｋｇと低い値を示し
た。このことから試料Ｎｏ．３は、骨との接合が短期間
で行われているものの、ガラス層の強度が低いために引
き剥がし強度が低い値を示したと考えられる。
【００３０】
【発明の効果】以上のように本発明の生体インプラント
材は、生体親和性に優れ、機械的強度が高く、骨と短期
間で接合し、しかも表面層が剥離し難い。それゆえ術後
初期の固定が良好であり、患者がベットから早期に離れ
ることができ、患者の肉体的、精神的負担を軽減するこ
とが可能である。
材は、生体親和性に優れ、機械的強度が高く、骨と短期
間で接合し、しかも表面層が剥離し難い。それゆえ術後
初期の固定が良好であり、患者がベットから早期に離れ
ることができ、患者の肉体的、精神的負担を軽減するこ
とが可能である。
【００３１】また本発明の製造方法によれば、上記した
生体インプラント材を容易に作製することが可能であ
る。
生体インプラント材を容易に作製することが可能であ
る。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ａ６１Ｋ 6/04
Claims (2)
- 【請求項１】 Ｔｉを主成分とする金属体の表面に、Ｔ
ｉを主成分とする金属とケイ化チタンとからなり表面に
近づくに従ってケイ化チタンの割合が傾斜的に高くなる
表面層が形成されてなることを特徴とする生体インプラ
ント材。 - 【請求項２】 Ｔｉを主成分とする金属体にＳｉ元素を
イオン注入した後、熱処理することを特徴とする生体イ
ンプラント材の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6284230A JPH08117325A (ja) | 1994-10-24 | 1994-10-24 | 生体インプラント材及びその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6284230A JPH08117325A (ja) | 1994-10-24 | 1994-10-24 | 生体インプラント材及びその製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08117325A true JPH08117325A (ja) | 1996-05-14 |
Family
ID=17675863
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6284230A Pending JPH08117325A (ja) | 1994-10-24 | 1994-10-24 | 生体インプラント材及びその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH08117325A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPWO2007043149A1 (ja) * | 2005-10-05 | 2009-04-16 | 株式会社ホムズ技研 | 骨接合用インプラント及びその製造方法 |
-
1994
- 1994-10-24 JP JP6284230A patent/JPH08117325A/ja active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPWO2007043149A1 (ja) * | 2005-10-05 | 2009-04-16 | 株式会社ホムズ技研 | 骨接合用インプラント及びその製造方法 |
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