JPH08173523A

JPH08173523A - 骨内インプラント及びその製造方法

Info

Publication number: JPH08173523A
Application number: JP6317248A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Ishizawa; 均石沢
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1994-12-20
Filing date: 1994-12-20
Publication date: 1996-07-09

Abstract

(57)【要約】【目的】破折し難い骨内インプラントであって、安全
で審美性があり、しかも生体活性な骨内インプラント及
びその製造方法を提供する【構成】骨内インプラントは、少なくとも、チタン芯
体よりも強度が大きい金属芯体と、該金属芯体の表面に
設けたチタン層とからなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、人工歯根、人工関節、
ボ−ンスクリュ−、ボ−ンプレ−ト、ボ−ンフレ−ムな
どの歯科および整形外科の分野で用いられる骨内インプ
ラント及びその製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、人工歯根や人工関節などの骨内イ
ンプラント（以下、インプラントと略称する場合があ
る）の性能は、徐々に進歩してきており、これらを用い
た治療法は一般的になりつつある。理想的なインプラン
トの条件は、手術後、より早期にしかも確実に骨と結合
し、数十年という長期にわたって安定して機能すること
である。長期間生体内で安定に機能させるために、イン
プラントは骨組織に埋植された後、より多くの骨組織に
被覆されることが望まれている。

【０００３】そこで、インプラントの表面を改質して骨
組織に対する親和性を向上させる試みがなされている。
インプラントの骨組織に対する親和性を向上させる方法
には、例えば、水酸化アパタイトに代表されるリン酸カ
ルシウム化合物などの生体活性（生体適合）材料の粉末
をプラズマ溶射法により芯体表面に付着させて、骨と直
接結合させる方法や、チタン粉末をプラズマ溶射法によ
り芯体表面に付着させて凹凸を形成させるか、或いはチ
タンやチタン合金のビーズを芯体表面に焼き付けて多孔
体にすることにより、骨との物理的な絡み合いによる維
持力を得る方法等がある。

【０００４】しかしながら、現状では、いまだ充分に満
足できるインプラントものはない。また、骨との化学的
な結合力と骨との物理的な絡み合いによる維持力とを合
わせて持たせるべく、機械加工により芯体に多数の穴を
あけるか、ネジ切りをするか、あるいは化学的に酸でエ
ッチングすることにより、芯体表面を粗くするなどの様
々な工夫を施し、さらにその表面に生体活性材料をコー
ティング（生体活性層の形成）することが検討されてい
る。

【０００５】この場合、生体活性層は生体内で安定でな
くてはならず、細胞による侵襲や劣化による剥離などが
起こらないことが必要である。しかしながら、従来の技
術では、複雑な形状をしたインプラント表面に生体活性
材料を均一に、しかも強固にコーティングすることは困
難であった。例えば、プラズマ溶射法の場合、芯体の外
側表面に生体活性材料をコーティングするのは容易であ
るが、細い貫通穴や円筒環状部等の芯体の内側表面には
溶射物が届かないのでコーティングが困難である。芯体
表面にチタン又はチタン合金のビーズを焼き付けて多孔
体にしたものや、骨欠損部を充填するための多孔質チタ
ンなどでも、内部まで溶射物が到達しないので、表面全
体をコーティングすることは不可能である。また、プラ
ズマ溶射法により形成する生体活性層は、芯体との付着
強度の点で不十分であり、長期間、生体内の激しい環境
下で機能することはできない。

【０００６】プラズマ溶射法とは別に、ＣａとＰとの化
合物を溶解した溶液にチタン芯体を浸漬した後、加熱焼
成して芯体上にリン酸カルシウムをコーティングさせる
方法が知られている。しかしながら、この方法では、前
記プラズマ溶射法の場合のような形状による制限は少な
いものの、生体活性の効果を得るためには、ある程度の
厚さが必要であり、塗布−焼成工程を何回も繰り返さな
ければならない。そのため、操作が複雑であり、生産性
が悪いという問題点がある。また、この方法で得られた
皮膜（生体活性層）も生体内の安定性が不十分である。
プラズマ溶射法も同様であるが、セラミックス材料であ
るリン酸カルシウムを異種材料の金属材料（例えば、チ
タン）を用いた芯体の表面に強固にコーティングするこ
とは、熱膨張率の差や結晶構造の違いなどから基本的に
困難である。

【０００７】一方、陽極酸化を行う方法もある。この方
法は、電解液中でチタン陽極とステンレス鋼などの陰極
との間に電圧を印加して電解し、陽極のチタン表面を電
気化学的に酸化して酸化皮膜を形成する方法であり、装
飾品や建築材料としてのカラーチタンの製造などに利用
されている方法である。このカラーチタンは、膜厚が薄
い所謂干渉膜であり、チタン製の人工歯根を金色にし
て、歯肉との色を合わせる際にも利用されている。

【０００８】この方法は、１μｍ以上の比較的厚い酸化
皮膜を形成することが容易である、形成した皮膜と芯体
との密着性も良好である、任意形状の物に均一にコーテ
ィングすることができる、また簡易な装置で短時間に処
理することができる、などの利点を有している。ところ
が、酸化皮膜の成分が単なる酸化チタンでは、骨組織と
の親和性が向上するとは限らないので、インプラントに
必要とされる機能をさらに与える必要がある。

【０００９】そこで本発明者は、特願平４−２８５２５
において、ＣａイオンとＰイオンを含有する電解質中
で、チタン及びチタン合金からなる任意形状のインプラ
ントを陽極酸化し、その表面にＣａとＰとを含む陽極酸
化皮膜を形成させること、そして必要に応じてさらに、
この酸化皮膜を水熱処理することにより、表面に水酸化
アパタイトなどのリン酸カルシウム化合物を析出させて
皮膜を形成する（以下、この様に形成された皮膜を「水
酸化アパタイト皮膜」と呼ぶ）製造方法を提案した。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかし、チタンからな
る芯体の強度はあまり高くないので、しばしばインプラ
ントの破折例が報告されている。そこで、高い荷重がか
かる場合には、強度がチタンより高いステンレス鋼（SU
S316）、Co-Cr-Mo合金（Vitallium）及びTi-6Al-4V合金
などが芯体材料として使用されている。

【００１１】しかし、チタンおよびチタン合金などのチ
タン系以外の金属であるステンレス鋼とCo-Cr-Mo合金の
表面には、前記技術を用いてＣａとＰとを含む陽極酸化
皮膜を形成することができないという問題点がある。ま
た、Ti-6Al-4V合金の表面にはＣａとＰとを含む陽極酸
化皮膜を形成することができるが、陽極酸化皮膜中にＴ
ｉだけでなくＶの酸化物も形成されてしまうという問題
点がある。Ｖイオンは発ガン性を持つことが指摘され、
Ｖを含む材料が生体組織内に露出されることは好ましく
ない。

【００１２】しかも、酸化皮膜の色もＶの酸化物の色を
反映して茶色又は緑茶色となり、インプラントを埋植し
たときに、歯肉から露出する部分の審美性に欠けるとい
う問題点がある。本発明は、かかる問題点に鑑みてなさ
れたものであり、破折し難い骨内インプラントであっ
て、安全で審美性があり、しかも生体活性な骨内インプ
ラント及びその製造方法を提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】そのため、本発明は第一
に、「少なくともチタン芯体よりも強度が大きい金属芯
体と、該金属芯体の表面に設けたチタン層とからなる骨
内インプラント。（請求項１）」を提供する。また、本
発明は第二に「前記チタン層が前記金属芯体の表面のう
ち骨組織に埋入される部分の表面に設けられていること
を特徴とする請求項１記載の骨内インプラント（請求項
２）」を提供する。

【００１４】また、本発明は第三に「チタン合金、ステ
ンレス鋼又はCo-Cr-Mo合金を芯体に用いたことを特徴と
する請求項１又は２記載の骨内インプラント。（請求項
３）」を提供する。また、本発明は第四に「前記チタン
層の表面にＣａとＰとを含む陽極酸化皮膜を設けたこと
を特徴とする請求項１〜３記載の骨内インプラント。
（請求項４）」を提供する。

【００１５】また、本発明は第五に「前記陽極酸化皮膜
の表面にリン酸カルシウム化合物を析出させてなること
を特徴とする請求項４記載の骨内インプラント。（請求
項５）」を提供する。また、本発明は第六に「少なくと
も、チタン芯体よりも強度が大きい金属芯体表面にチタ
ン層を形成する工程と、前記チタン層を形成した金属芯
体表面をＣａイオンとＰイオン、又はＣａイオンとリン
酸イオンを含む電解溶液中で陽極酸化する工程と、前記
陽極酸化により形成されたＣａとＰとを含むチタン陽極
酸化皮膜を高圧水蒸気中で水熱処理することにより、皮
膜表面にリン酸カルシウム化合物を析出させる工程と、
からなる骨内インプラントの製造方法。（請求項６）」
を提供する。また、本発明は第七に「前記チタン層は、
チタン粉末を前記芯体表面にプラズマ溶射することによ
り形成することを特徴とする請求項６記載の骨内インプ
ラントの製造方法。（請求項７）」を提供する。また、
本発明は第八に「前記チタン層は、チタンビ−ズを前記
芯体表面に焼結させることにより形成することを特徴と
する請求項６記載の骨内インプラントの製造方法。（請
求項８）」を提供する。

【００１６】

【作用】本発明の骨内インプラントは、チタンよりも強
度が高く、しかも骨に対する親和性も優れている。本発
明にかかる金属芯体の材料は、チタンより強度が大きい
金属の材料であればよく、例えば、ステンレス鋼（SUS3
16）、Co-Cr-Mo合金（Vitallium）、チタン合金等が
好ましい。特に、チタン合金の中でもTi-6Al-4V合金
は、軽量で高い生体親和性と耐腐食性をもつので好まし
い。

【００１７】本発明にかかる芯体表面にはチタン層を形
成してあるので、ステンレス鋼（SUS316）、Co-Cr-Mo合
金（Vitallium）、チタン合金等を芯体材料とした場合
でも、陽極酸化が可能となり、しかも極めて有害なＮ
ｉ、Ｖなどの金属イオンの溶出を防止できるという効果
がある。本発明にかかるチタン層表面にはＣａとＰとを
含んだ陽極酸化皮膜が形成されているが、この皮膜はチ
タン層表面から析出したものであるので、チタン層との
結晶の整合性が高く、付着強度が大きい。さらにＣａと
Ｐとを含んだ陽極酸化皮膜の表面に析出させた水酸化ア
パタイトなどのリン酸カルシウム化合物も、同様の理由
により付着強度は非常に大きい。従来のように、セラミ
ック材料であるリン酸カルシウムを異種材料の金属材料
を用いた芯体の表面に外部から付着させるコーティング
方法と比べて、生体内の安定性に優れ、長時間使用して
も皮膜の剥離や吸収等の不都合が生じない。

【００１８】また、ＣａとＰとを含んだ陽極酸化皮膜
は、骨と同様にＣａとＰとを含んでいるので、骨組織に
対する親和性は良好である。また、生体内で表面に水熱
処理により水酸化アパタイトなどのリン酸カルシウム化
合物を析出させることにより骨と直接結合する。芯体表
面にチタン層を形成する方法としては、例えば、チタン
粉末をプラズマ溶射する（プラズマ溶射法）法、チタン
ビ−ズを焼結させる（焼結法）、イオンプレ−ティング
法などが好ましいが、形成されたチタン層の陽極酸化を
行うことができ、しかも比較的厚いチタン層を形成でき
るプラズマ溶射法か、焼結法が特に好ましい。

【００１９】チタン粉末のプラズマ溶射又はチタンビー
スの焼結によって形成されたチタン層の表面には、大き
な凹凸が存在する。この表面に水酸化アパタイト粉末を
プラズマ溶射して水酸化アパタイト皮膜を形成すると、
チタン層の凹凸は目詰まりを起こして、平滑な面になっ
てしまう。これに対して、陽極酸化によりＣａとＰとを
含む陽極酸化皮膜を形成した後、水熱処理により水酸化
アパタイトなどのリン酸カルシウム化合物を析出させて
皮膜を形成する方法では、チタン層の凹凸に沿って薄い
該皮膜を形成することが可能であり、凹凸による物理的
な絡み合いによる嵌合の効果を損なうことがない。しか
も、水酸化アパタイト皮膜による化学的な骨との結合力
が加わり、インプラントと骨とは非常に強固に結合す
る。

【００２０】芯体表面にチタン層を形成したインプラン
トを陽極酸化するときに用いるＣａイオンとＰイオン、
又はＣａイオンとリン酸イオンを含む電解溶液は、特願
平4-28525に開示されているように、好ましくは酢酸カ
ルシウムとβ-グリセロリン酸ナトリウム、又は酢酸カ
ルシウムとグリセロリン酸カルシウムとである。陽極酸
化を行うときに到達する最高電圧は４００Ｖ程度まで可
能であるが、好ましい最高電圧の範囲は２００〜３５０
Ｖである。２００Ｖより高い電圧は、水酸化アパタイト
などのリン酸カルシウム化合物を析出させるだけの十分
な量のＣａとＰとを取り込んだ陽極酸化皮膜を形成する
上で好ましい。また、３５０Ｖより低い電圧は、付着強
度が大きく、必要以上に厚くないＣａとＰとを含む陽極
酸化皮膜を形成する上で好ましい。

【００２１】ＣａとＰとを含む陽極酸化皮膜の水熱処理
は、２００〜４００℃の範囲の高圧水蒸気中で行うこと
が好ましい。２００℃以上に加熱すると、リン酸カルシ
ウム化合物の析出量が急激に増加する傾向がある。ま
た、４００℃以下で加熱すると、ＣａとＰとを含んだ陽
極酸化皮膜の付着強度が増大する傾向がある。また、水
蒸気が過飽和になるとＣａとＰとを含む陽極酸化皮膜上
にリン酸カルシウム化合物が均一に析出しなくなるの
で、オートクレーブで水熱処理をする場合は、使用する
オートクレーブの容積に応じて水量を調節することが好
ましい。

【００２２】

【実施例】

〔実施例１〕直径3.5ｍｍのTi-6Al-4V合金製の金属芯体
の表面に、チタン粉末をプラズマ溶射することにより、
厚さ約５０μｍ、表面粗さ約４０μｍのチタン層を形成
した。

【００２３】次に、β-グリセロリン酸ナトリウムと酢
酸カルシウムとを蒸留水に溶解した電解質溶液中にて、
陽極酸化を行った。電解質溶液の濃度は、β-グリセロ
リン酸ナトリウムを0.06ｍｏｌ／ｌ、酢酸カルシウムを
0.35ｍｏｌ／ｌとした。陽極酸化は、最高到達電圧を２
５０Ｖに設定して行った。さらに、オ−トクレ−ブ中で
水熱処理（３００℃）することによって、ＣａとＰとを
含んだ陽極酸化皮膜上に無数の水酸化アパタイトの結晶
を析出させて、0.5μｍ厚の薄い皮膜を形成した（以
下、「サンプル１」と呼ぶ）。この皮膜は、灰白色をし
ていた。

【００２４】サンプル１を成犬の顎骨に４週間埋植した
後、組織標本を作成してインプラントと骨の界面付近を
観察した。その結果、図２、３に示すようにＣａとＰと
を含んだ陽極酸化皮膜および水酸化アパタイト皮膜は、
チタン粉末のプラズマ溶射により形成されたチタン層の
凹凸に沿って薄く成膜されており、骨とは線維組織を介
在せずに直接結合していた。また全体として、ほとんど
骨組織に囲まれていた。

【００２５】比較のためにサンプル２を次の様に作製し
た。サンプル１と同様な方法で、直径3.5ｍｍのTi-6Al-
4V合金製の金属芯体の表面に、厚さ約５０μｍ、表面粗
さ約４０μｍのチタン層を形成した（以下、「サンプル
２」と呼ぶ）。サンプル２を成犬の顎骨に４週間埋植し
た後、組織標本を作成して骨内インプラントと骨の界面
付近を観察したところ、サンプル１はサンプル２と比較
して明らかに周囲の骨量が多かった。〔実施例２〕直径3.5ｍｍのTi-6Al-4V合金製の金属芯体
の表面に、チタン粉末をプラズマ溶射することにより、
厚さ約５０μｍ、表面粗さ約４０μｍのチタン層を形成
した。

【００２６】次に、β-グリセロリン酸ナトリウムと酢
酸カルシウムとを蒸留水に溶解した電解質溶液中にて、
陽極酸化を行った。電解質溶液の濃度は、β-グリセロ
リン酸ナトリウムを0.07ｍｏｌ／ｌ、酢酸カルシウムを
0.40ｍｏｌ／ｌとした。陽極酸化は、最高到達電圧を２
５０Ｖに設定して行った。さらに、オ−トクレ−ブ中で
水熱処理（３００℃）することによって、ＣａとＰとを
含んだ陽極酸化皮膜上に無数の水酸化アパタイトの結晶
を析出させて、0.5μｍ厚の薄い皮膜を形成した（以
下、「サンプル３」と呼ぶ）。この皮膜は、灰白色をし
ていた。

【００２７】サンプル３を成犬の顎骨に４週間埋植した
後、組織標本を作成してインプラントと骨の界面付近を
観察した。その結果、実施例１と同様の結果が得られ
た。比較のためにサンプル４を次の様に作製した。サン
プル３と同様な方法で、直径3.5ｍｍのTi-6Al-4V合金製
の金属芯体の表面に、厚さ約５０μｍ、表面粗さ約４
０μｍのチタン層を形成した（以下、「サンプル４」と
呼ぶ）。サンプル４を成犬の顎骨に４週間埋植した後、
組織標本を作成して骨内インプラントと骨の界面付近を
観察したところ、サンプル３はサンプル４と比較して明
らかに周囲の骨量が多かった。〔実施例３〕直径3.5ｍｍのCo-Cr-Mo合金製の金属芯体
の表面に、チタン粉末をプラズマ溶射することにより、
厚さ約５０μｍ、表面粗さ約４０μｍのチタン層を形成
した。

【００２８】次に、β-グリセロリン酸ナトリウムと酢
酸カルシウムとを蒸留水に溶解した電解質溶液中にて、
陽極酸化を行った。電解質溶液の濃度は、β-グリセロ
リン酸ナトリウムを0.05ｍｏｌ／ｌ、酢酸カルシウムを
0.30ｍｏｌ／ｌとした。陽極酸化は、最高到達電圧を２
５０Ｖに設定して行った。さらに、オ−トクレ−ブ中で
水熱処理（３００℃）することによって、ＣａとＰとを
含んだ陽極酸化皮膜上に無数の水酸化アパタイトの結晶
を析出させて、0.5μｍ厚の薄い皮膜を形成した（以
下、「サンプル５」と呼ぶ）。この皮膜は、灰白色をし
ていた。

【００２９】サンプル５を成犬の顎骨に４週間埋植した
後、組織標本を作成してインプラントと骨の界面付近を
観察した。その結果、実施例１と同様の結果が得られ
た。比較のためにサンプル６を次の様に作製した。サン
プル５と同様な方法で、直径3.5ｍｍのCo-Cr-Mo合金製
の金属芯体の表面に、厚さ約５０μｍ、表面粗さ約４０
μｍのチタン層を形成した（以下、「サンプル６」と呼
ぶ）。サンプル６を成犬の顎骨に４週間埋植した後、組
織標本を作成して骨内インプラントと骨の界面付近を観
察したところ、サンプル５はサンプル６と比較して明ら
かに周囲の骨量が多かった。

【００３０】

【発明の効果】以上のように、本発明による骨内インプ
ラントは、破折し難く、安全で審美性があり、しかも生
体活性であるので、長期間生体内にて安定して機能する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の骨内インプラントの断面を示す概念図
である。

【図２】実施例１の骨内インプラントと骨組織の界面付
近の組織断面を示した図である。（骨組織写真である）

【図３】は、図２に示した骨内インプラントと骨組織の
界面付近の組織断面を模式的に表した図である。

【符号の説明】

１・・・・骨内インプラント１０・・・Ti-6Al-4V合金（金属芯体）１１・・・チタン層１２・・・ＣａとＰとを含む陽極酸化皮膜１３・・・水酸化アパタイト皮膜３０・・・Ti-6Al-4V合金（金属芯体）３１・・・チタン層３２・・・ＣａとＰとを含む陽極酸化皮膜３３・・・水酸化アパタイト皮膜３４・・・骨組織

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【手続補正書】

【提出日】平成７年３月３０日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】図面の簡単な説明

【補正方法】変更

【補正内容】

【図面の簡単な説明】

【図２】実施例１の骨内インプラントと骨組織の界面付
近の組織断面を示した図である。（顕微鏡写真である）

【符号の説明】１・・・・骨内インプラント１０・・・Ti-6Al-4V合金（金属芯体）１１・・・チタン層１２・・・ＣａとＰとを含む陽極酸化皮膜１３・・・水酸化アパタイト皮膜３０・・・Ti-6Al-4V合金（金属芯体）３１・・・チタン層３２・・・ＣａとＰとを含む陽極酸化皮膜３３・・・水酸化アパタイト皮膜３４・・・骨組織

───────────────────────────────────────────────────── 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Ａ６１Ｆ 2/30

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも、チタン芯体よりも強度が大き
い金属芯体と、該金属芯体の表面に設けたチタン層とか
らなる骨内インプラント。
【請求項２】前記チタン層が前記金属芯体の表面のうち
骨組織に埋入される部分の表面に設けられていることを
特徴とする請求項１記載の骨内インプラント。
【請求項３】チタン合金、ステンレス鋼又はCo-Cr-Mo合
金を芯体に用いたことを特徴とする請求項１又は２記載
の骨内インプラント。
【請求項４】前記チタン層の表面にＣａとＰとを含む陽
極酸化皮膜を設けたことを特徴とする請求項１〜３記載
の骨内インプラント。
【請求項５】前記陽極酸化皮膜の表面にリン酸カルシウ
ム化合物を析出させてなることを特徴とする請求項４記
載の骨内インプラント。
【請求項６】少なくとも、チタン芯体よりも強度が大き
い金属芯体表面にチタン層を形成する工程と、前記チタン層を形成した金属芯体表面をＣａイオンとＰ
イオン又はＣａイオンとリン酸イオンを含む電解溶液中
で陽極酸化する工程と、前記陽極酸化により形成されたＣａとＰとを含むチタン
陽極酸化皮膜を高圧水蒸気中で水熱処理することによ
り、皮膜表面にリン酸カルシウム化合物を析出させる工
程と、からなる骨内インプラントの製造方法。
【請求項７】前記チタン層は、チタン粉末を前記芯体表
面にプラズマ溶射することにより形成することを特徴と
する請求項６記載の骨内インプラントの製造方法。
【請求項８】前記チタン層は、チタンビ−ズを前記芯体
表面に焼結させることにより形成することを特徴とする
請求項６記載の骨内インプラントの製造方法。