JPH08289927A - 骨内インプラント及びその製造方法 - Google Patents

骨内インプラント及びその製造方法

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JPH08289927A
JPH08289927A JP9668895A JP9668895A JPH08289927A JP H08289927 A JPH08289927 A JP H08289927A JP 9668895 A JP9668895 A JP 9668895A JP 9668895 A JP9668895 A JP 9668895A JP H08289927 A JPH08289927 A JP H08289927A
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titanium
implant
shot
intraosseous implant
fatigue
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JP9668895A
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Toshio Ushito
敏夫 牛頭
Hirohisa Tani
裕久 谷
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 チタン素材の優れた生体親和性および安全性
を保持し、またチタン素材よりも優れた機械的性質(特
に表面硬度、疲労特性等)を備え、しかも、低コストで
品質の安定したチタン製の骨内インプラントを提供す
る。 【構成】 ショットピ−ニングを施した表面を有するチ
タン製の骨内インプラント。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は骨内インプラント(例え
ば人工歯根、人工歯根用上部構造、人工関節、人工骨
等)に関するものである。
【0002】
【従来の技術】生体親和性に優れるチタンは、人工歯
根、人工歯根用上部構造、人工関節、および人工骨等の
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)の基材として使用されている。しかし、チタン
を例えば人工歯根、人工歯根用上部構造、人工関節の基
材として使用した場合、咬合力や歩行時の荷重に対し
て、機械的強度が必ずしも十分とはいえず、使用中に破
折や疲労による破壊を生じることが多い。
【0003】そこで、その改善策として、チタンへの
微量不純物の添加(化学成分の添加および組織制御、イ
オン注入等)、各種チタン合金の使用、熱処理によ
るチタンの窒化又は酸化、スパッタリング、イオンプ
レ−ティング、レ−ザ照射等の物理的処理による窒化チ
タン、酸化チタン、炭化チタン等からなる被覆層のチタ
ン基材表面への形成、チタン基材の冷間圧延による加
工硬化等、が提案されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】チタンは酸素、窒素等
の化学成分の微量添加によって機械的強度が高くなるが
工業的に安定した品質のものを入手することは難しい。
実際に、国内ではJIS−H4650記載のJIS2種
相当以外は入手が非常に困難である。また、主としてT
i−6Al−4Vに代表されるチタン合金は、チタンよ
りも機械的性質が優れているが、その合金中に含まれる
VやAlの生体内での溶出による影響が懸念される。
【0005】また、チタン基材表面の各種処理では、表
面硬度の増加による強度、耐摩耗性および耐腐食性の向
上が期待できるが、十分な疲労強度は得られず、また、
処理時間が長いため量産をしないとコスト低減が難しい
という問題点がある。また、冷間圧延によるチタン基材
の加工硬化も提案されているが、歯科インプラントでは
ブレ−ド型人工歯根以外のインプラントを作製すること
が難しい。
【0006】そこで、本発明者は特願平5-279125号にお
いて、回転鍛造スウェージング加工によるチタン基材の
加工硬化を提案した。しかし、回転鍛造スウェージング
加工によるチタン基材の加工硬化の方法は、先ず、チタ
ン基材材料の段階で回転鍛造スウェージング加工により
加工硬化を行い、その後所定の形状に加工するという工
程であるため、所定の形状に加工し難い、加工時間が長
い、加工刃物の劣化が著しいなどの問題点があった。
【0007】本発明の目的は、チタン素材の優れた生体
親和性および安全性を保持し、またチタン素材よりも優
れた機械的性質(特に表面硬度、疲労特性等)を備え、
しかも、低コストで品質の安定したチタン製の骨内イン
プラントを提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】そのため、本発明は第一
に「ショットピ−ニングを施した表面を有するチタン製
の骨内インプラント(請求項1)」を提供する。また、
本発明は第二に「前記表面の硬度を、マイクロビッカ−
ス硬度で170〜230とした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。
【0009】また、本発明は第三に「疲労限界応力を3
00N/mm2〜400N/mm2としたことを特徴とす
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「少なくと
も、チタン基材を所定の形状の芯体又は骨内インプラン
トに加工する工程と、前記芯体又は前記骨内インプラン
トの表面をショットピーニングする工程とを有する骨内
インプラントの製造方法(請求項4)」を提供する。
【0010】また、本発明は第五に「前記ショットピー
ニングを直径50〜500μmのセラミックビーズ、ガ
ラスビーズ又はスチールビーズを用いて行うことを特徴
とする請求項4記載の骨内インプラントの製造方法(請
求項5)」を提供する。
【0011】
【作用】本発明にかかるショットピ−ニングは、一般的
には無数のショットと呼ばれる球状粒を基材の表面に噴
射(たたきつける)して、その表面層に残留圧縮応力を
生ぜしめ、且つ加工硬化によってこれを強化する一種の
表面加工硬化法をいう。したがって、ショットピ−ニン
グにより、表面硬度が増すとともに、特に疲労強度を容
易に且つ安価に増大させることができるという効果が得
られる。
【0012】さらに、従来の表面硬化処理では、表面を
粗面化することはできないが、ショットピーニングによ
れば、表面を粗面化することができ、生体親和性を向上
することができるという効果が得られる。ショットピ−
ニング装置としては、専用機も市販されているが、通常
のブラスト加工機を代用することができる。
【0013】また、ショットピ−ニングを施すチタン素
材は、通常使用されているものなら何でも良いが、JI
S2種相当のチタンが価格や安定入手の点で好ましい。
また、ショットピ−ニングに用いるビーズとしては、球
状粒のセラミックスビ−ズ、ガラスビ−ズ又はスチ−ル
ビ−ズ(ショット)が使用できる。これらのビーズは、
研削作用がなく、ハンマー作用と表面粗面化作用を与え
る。さらに、クリ−ンな表面性状を保った仕上がりにす
るためには、錆びの問題がなく、ビ−ズの破壊が起こり
にくいセラミックスビ−ズが最も好ましい。このセラミ
ックスビ−ズとしては、ジルコニアやアルミナなどが入
手し易く好ましいが、これに限定されるものではない。
【0014】またビーズの粒径としては、一般的に、イ
ンプラントは小物部品が多いことから、直径50μm〜
500μm程度のものを使用することが好ましい。50
0μmより大きくなると凹部へのショットピ−ニングが
困難となる。また、被加工部分の変形が大きくなってイ
ンプラントの形状精度を保つのが困難となる。また、5
0μmより小さくなるとショットピ−ニングをしても十
分な加工硬化や疲労強度が得られにくくなる。
【0015】また、加工時間としては、数十秒から数分
で処理できるので安価にできる。また、例えばアルメン
ゲージを用いてショットピ−ニングの程度を定量的に評
価しながら加工を行えば、品質の安定したインプラント
を提供することができる。なお、噴射(加工)圧力につ
いては、チタンは比較的軟質材であるため高い圧力は必
要ではなく、インプラントの形態によって3kg/cm
2 〜6kg/cm 2 の範囲内でコントロ−ルすれば良
い。しかし、これに限定されるものではない。
【0016】ショットピ−ニング後のインプラントは、
元のチタン素材の特性である生体親和性および生体安全
性と元のチタン素材よりも良好な機械的性質(特に表面
硬度、疲労特性等)を備えた品質の安定したインプラン
トになる。ショットピーニングをしたインプラントの表
面硬度は、マイクロビッカ−ス硬度計で測定できる。シ
ョットピ−ニング後のインプラントの表面硬度は高い程
良く、ほぼ170〜230程度の範囲であれば良い。1
70以下では、ショットピ−ニングによる破折や疲労破
壊の改善効果が小さい。また、230は、ほぼ限界値で
あり、これ以上の値は望めない。
【0017】また、疲労特性については、疲労試験によ
り得られたS−N曲線のデ−タ−から評価することがで
きる。ショットピ−ニング後のインプラントの疲労限界
応力は300N/mm2 〜400N/mm2 程度の範囲
に入ればよい。300N/mm2 以下では、ショットピ
−ニングによる破折や疲労破壊の改善効果が小さい。ま
た、400N/mm2 は、ほぼ限界値であり、これ以上
の値は望めない。
【0018】本発明にかかるショットピ−ニングは、チ
タン基材から所定の形状に加工したインプラント(例え
ば人工歯根、人工歯根用上部構造、人工関節、人工骨
等)に施すことができる。ここで人工歯根には、ショッ
トピ−ニングを施した芯体表面に、蒸着法、スパッタリ
ング法、イオンプレ−ティング法、フレ−ム溶射法、フ
レ−ムジェット法、プラズマ溶射法等の物理的方法や、
酸処理、陽極酸化処理等の化学的方法により、金属、セ
ラミックス、ガラスセラミックス、ガラス等の各種材料
を複合化したものも含まれる。
【0019】また、人工歯根用上部構造には、歯肉と接
触する部分に使用する通常アバットメントと呼ばれてい
るもの、歯冠を接続するための支台となるコア、アバッ
トメントとコアが一体となったもの、あるいは人工歯根
とアバットメントを接続するネジ等、コアや歯冠を接続
するネジ等も含まれるが、これらのものに限定されるも
のではない。
【0020】また、人工骨には、ボ−ンプレ−トやボ−
ンスクリュ−等が含まれるが、これらに限定されるもの
ではない。以下、実施例により本発明を具体的に説明す
るが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【0021】
【実施例】
(硬さ試験)先ず、直径5mmのチタン素材を用いて、
インプラント(人工歯根および人工歯根用上部構造部
品)の研削加工を行って所定形状のインプラントを2個
作製した。次に、通常のブラスト加工機を用い、粒径3
00μmのジルコニアビ−ズを噴射圧力4kg/c
2、吹付距離50mm、吹付角度90゜の条件のもと
で一方のインプラントに吹き付けて、ショットピ−ニン
グを施したショットピーニング処理品を作製した。ま
た、他方のインプラントは、ショットピーニングを施さ
ない未処理品とした。
【0022】そして、マイクロビッカーズ硬度計を用い
て、各インプラントの表面硬度を測定した。その結果、
未処理品(チタン素材)の硬さの平均値は約130であ
ったのに対して、ショットピ−ニング処理品の硬さの平
均値は約200であった。この結果より、ショットピ−
ニングを施すことにより、表面硬度増大を容易にかつ安
価に図れることが確認できた。 (疲労試験)先ず、直径5mmのチタン素材から、直径
2mmの平行部を持つ疲労試験片を3個作製した。次
に、通常のブラスト加工機を用い、粒径300μmのジ
ルコニアビ−ズを噴射圧力4kg/cm2、吹付距離5
0mm、吹付角度90゜の条件のもとで一つの試験片に
吹き付けてショットピ−ニングを施した。(ショットピ
ーニング処理品)残りの2つの試験片のうち、一方は処
理を施さない未処理品とし、他方は比較のため窒素ガス
雰囲気中で窒化処理を施して窒化処理品とした。そし
て、1トン油圧サ−ボ疲労試験機を用いて引張疲労試験
を行いS−N曲線のデ−タを得た。その結果、未処理品
(チタン素材)の疲労限界応力は約200N/mm2
あったのに対してショットピ−ニング処理品の疲労限界
応力は約350N/mm2 であった。また、比較の窒化
処理品の疲労限界応力は約270N/mm2 であった。
【0023】この結果より、ショットピ−ニングした試
験片の疲労特性が特に優れていることが確認できた。
【0024】
【発明の効果】以上のように、本発明によれば、チタン
素材の優れた生体親和性及び安全性を保持し、またチタ
ン素材よりも優れた機械的性質(特に表面硬度、疲労特
性等)を備え、しかも低コストで品質の安定したチタン
製骨内インプラントを得ることができる。

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ショットピ−ニングを施した表面を有す
    るチタン製の骨内インプラント。
  2. 【請求項2】 前記表面の硬度を、マイクロビッカ−ス
    硬度で170〜230としたことを特徴とする請求項1
    記載の骨内インプラント。
  3. 【請求項3】 疲労限界応力を300N/mm2〜40
    0N/mm2 とし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。
  4. 【請求項4】 少なくとも、チタン基材を所定の形状の
    芯体又は骨内インプラントに加工する工程と、前記芯体
    又は前記骨内インプラントの表面をショットピーニング
    する工程とを有する骨内インプラントの製造方法。
  5. 【請求項5】 前記ショットピーニングを直径50〜5
    00μmのセラミックビーズ、ガラスビーズ又はスチー
    ルビーズを用いて行うことを特徴とする請求項4記載の
    骨内インプラントの製造方法。
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