JPH10503108A - リン酸カルシウム相及び金属酸化物相から成る勾配被覆を金属インプラント上に形成する方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 リン酸カルシウム相と金属酸化物相の勾配被覆をチタン又はチタン合金製の金属インプラントにコーティングする方法で、歯科用、顎骨用、又は関節用インプラントに用いる。カルシウムイオン及びリン酸イオンを電解質として用い、ｐＨ値は弱酸性ないしほぼ中性とする。基材電極を交互に陰極（化）及び陽極（化）処理する。析着層は勾配を有し、付着力が大で、微細な構造を有し、高い生体適合性を有する。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の名称］ リン酸カルシウム相及び金属酸化物相から成る勾配被覆を金属インプラント上 に形成する方法 ［産業上の利用可能性］ 本発明はリン酸カルシウム相と金属酸化物相を含む勾配被覆を金属インプラン ト（埋植体）、特にチタン又はチタン合金に、歯科用、顎用、又は関節用インプ ラントとしての使用のために形成する方法に関する。 ［技術的背景］ リン酸カルシウム相及び特に骨ミネラルに相当するリン酸カルシウム、ビドロ キシアパタイトで被覆した金属インプラントを使用するとき、インプラントに機 械的負荷をかけうる状態に達するまでの入り込み固着ないし埋植（Einwachsen） の期間が短縮できることは知られている。 金属インプラントとリン酸カルシウムの間の結合は種々の仕方で実現される。 欧州特許公開ＥＰ−Ａ０００６５４４によれば、球状のリン酸カルシウム粒子が インプラント金属と共に形のモールドにより表面に施される。米国特許４，１４ ５，７６４号に記載の方法は、セラミック粒子をインプラントに高熱下に噴射す る方法である。これらの方法はしかし、大きなエネルギーを要し、コストも嵩み 、時間もかかる。さらに、欧州特許ＥＰ０２３２７９１及びＥＰ０２３７０５３ により公知の方法は、水性電解質溶液中においてスパーク放電の下での陽極酸化 により、酸化物に含まれる再吸収性のリン酸カルシウムセラミックをチタンに施 すものである。この際形成される層はしかし、ヒドロキシアパタイト又は弗素ア パタイトではなく、酸化物及び再吸収性の高いリン酸カルシウムから成る。リン 酸カルシウム相の完全な再吸収によってその際インプラントの生物活性も失われ る。 ドイツ特許ＤＥ４３０３５７５Ｃ１は、水性溶液中での交流によるプラズマ化 学的反応の誘起下にアパタイト被覆した金属インプラントを製造する方法を開示 する。この際電解質として、規定の粒度と濃度のヒドロキシアパタイト及び／又 は弗素アパタイトが分散されたアルカリ塩又はアルカリ土類塩の溶液が用いられ る。このプラズマ化学的方法は９５％までのヒドロキシアパタイト又は弗素アパ タイトから成る層をもたらす。 この方法の欠点は、特に層が厚くなること（２５０μｍまで）並びに層の粒子 が粗いこと（１００μｍまで）であり、さらに層の付着が適切でない。 ＷＯ９２／１３９８４は生物活性の層を導電性基材 に析着する方法を記載する。電解質セル内に不活性の陽極と電解質溶液が含まれ ており、電解質溶液はセラミックイオンの水性溶液から成り、８未満のｐＨ値を 有する。活性化した導電性基材は電解質溶液中に浸漬され、陽極と導電性基材と の間のポテンシャルは、電解質溶液と導電性基材との間の境界においてｐＨ値の 上昇によりセラミック層を導電性基材上に析出するように調製される。 この方法の欠点は、一つには層の析出が基材の表面にのみ生じ、この析出層と の負荷可能な結合が生成しないことであり、他面では、この層が生物学的に完全 に再吸収性であることである。さらに、析出層は、原則的に本質上３つの構成成 分、即ち、α−及びβ−三リン酸カルシウム及び式Ｃａ₅（ＰＯ₄）_3-x（ＣＯ₃）_x （ＯＨ）_1+x（ｘの値は０．２以下）の成分から成る。かくて、この層は常に、 骨の構造的構成とは異なった混合物から成る。 ［発明の開示］ 本発明の課題は、リン酸カルシウム相及び金属酸化物相から成る勾配被覆を好 ましくはチタン又はチタン合金から成る金属インプラントにコーティングし、入 り込み成長（埋植、Einwachsen）の加速と共にインプラント表面と生物システム との間の交互作用の永続的改善を達成することである。その他リン酸カルシウム 相の組成は、ヒドロキシアパタイト、オクタリン酸カルシウム又はブルッシャイ トないしはこれらの相から成る特定の混合物を選択的に形成できるよう、プロセ スパラメータを介して制御可能であるべきである。 本発明により、上述の課題は、金属インプラントから形成されるい基材電極と 対抗電極を用いる電気化学的方法によって解決され、この方法において、電解質 として、カルシウムイオン及びリン酸イオインの弱酸性ないしほぼ中性域で含む 水性溶液を用い、インプラントにより形成される基材電極を交互に陰極及び陽極 に極性変化する。 電解質中のカルシウムイオン及びリン酸イオン（フォスフェートイオンPhosph ation）の濃度比は、好ましくはヒドロキシアパタイト中の両者の濃度比に等し くなるように選ぶ。本発明の好適な実施形態において、ＣａＣｌ₂及びＮＨ₄Ｈ₂ ＰＯ₄の水溶液から成る電解質は、ヒドロキシアパタイトに相当するカルシウム イオン及びリン酸イオンの濃度で調製する。そのｐＨ値は、好ましくは希釈ＮＨ₄ ＯＨ溶液でｐＨ４〜７．５に調節する。他の易溶解性のカルシウム塩及びリン 酸塩（例えばリン酸アルカリ）も同様に用いることができる。さらに特定のリン 酸カルシウム相ないしはその混合物の形成を規定するのは、本質上電解条件であ る。かくてカルシウムイオン及びリン酸イオンの他の濃度比を 選ぶこともできる。 基材電極、参照電極、及び対抗電極から構成される装置において、インプラン トから成る基材電極は交互に陰極及び陽極に極性を変化される。好ましくは、基 材電極は第１段階（ステップ）において陰極とする。陰極及び陽極の極性変化は 多数回続けて繰り返され、その場合、好ましくは基材電極が陰極の状態で終了す る。繰り返しに際して陰極状態及び陽極状態の時間（周期）は、好ましくは、増 大され及び／又は、陽極（化）処理を陽極（＋）電位を増大しつつ行う。基材電 極の陰極（化）処理及び陽極（化）処理は、陰極状態及び陽極状態の各全長時間 を夫々１〜６０分として行う。 陰極（化）処理は、ポテンショスタチック（定電位的）又はガルバノスタチッ ク（定電流的）に、そして陽極（化）処理はポテンショスタチック、ポテンショ ダイナミック（動電位的）又はガルバノスタチックに、目的電位の達成まで、行 う。目的電位は、２〜１５０Ｖ_SCFの範囲にある。かくて最終的にコーティング 被覆勾配領域（グレーデッドリージョン）の厚さを定める。 定電流陰極（化）処理の電流密度は、好ましくは、０．１〜５ｍＡ／ｃｍ²に 調節される。 本発明の方法の実施のために三電極式装置は、参照 電極として飽和カロメル電極を、対抗電極として白金板を、そして基材電極とし て金属インプラントを用いて構成される。電解質セルとしては、温度調節可能な セルを用いる。電気化学的反応は、好ましくは、約６０℃で行われる。 本発明の方法の助けにより、所望のリン酸カルシウム相ないしリン酸カルシウ ム相の特定の混合物が、インプラント材料の金属酸化物との勾配組織（構造）と して、用いられた電解質溶液から金属インプラントに形成される。金属インプラ ントに析出した層は、骨がインプラントに向かってよく付着形成するよう作用す る。かくて、インプラントの生物システム内への埋植が促進される。層は通例生 体固有の物質の作用の下に利用し尽くされる（aufgebraucht）。骨に全生命期間 に亘りオリエンテーション（位置保持）を付与するため、リン酸カルシウム粒子 はインプラントに固着されるばかりでなく、その中に固く入り込んで生成せしめ る。これは、基材電極の段階的（ステップ・バイ・ステップ）な陰−陽の極性変 化によって達成される。基材電極には、陰極処理において所望のリン酸カルシウ ム相ないし特定の相混合物が、電解質から析着する。陽極処理の際、インプラン ト金属の酸化物層が既析出したリン酸カルシウム粒子の上に析出成長し、それに よってリン酸カルシウム粒子は金属の酸化物層中に埋 設（埋込）される。 この両ステップの繰り返しにより、層の厚さは増大される。リン酸カルシウム 相から成る層の成長のためには、当該ステップの時間を長くして、そして陽極電 位をより一層増大しつつ第２ステップを行うことが有利である。外層をリン酸カ ルシウム相から形成するため、勾配層形成の終結を陰極状態で行うことが有利で ある。 本発明に従って析着される層の利点は、リン酸カルシウム相がインプラント表 面（部）内に固着して埋設されることにより力の伝達が改善され生体親和性が永 続的に改善されることにある。層の組成を骨の無機成分に対し適合することがで きるので、骨内への迅速な入り込み（埋植）成長に好都合である。 以下、実施例に即して、本発明をさらに詳述する。 ［実施例１］ 純度９９．７％のチタン製で、直径１３ｍｍ，厚さ２ｍｍのディスクを研摩し 、アルコール中で洗浄し、脱イオン水で水洗し、ファンで乾燥した。電解質溶液 として用いるリン酸カルシウム溶液を、以下のように調製した。夫々濃度３３ｍ Ｍ及び２０ｍＭのＣａＣｌ₂・２Ｈ₂Ｏ及びＮＨ₄Ｈ₂ＰＯ₄の各１０ｍｌのストッ ク溶液を希釈しかつ混合して１．６７ｍＭカルシウムイオン及び１．０ｍＭリン 酸イオンの溶液２００ｍｌと する。ｐＨ値は、まず希釈ＮＨ₄ＯＨ溶液によりｐＨ６．４に調節する。溶液を ６０℃に加熱し、２重管セルに入れる。３電極式装置を組み立てる。参照電極と して、飽和カロメル電極を用いる。対抗電極として白金板を、そして、作業（加 工）電極としてチタンディスクを用いる。ポテンショスタットと接触を行う。ヒ ドロキシアパタイトの形成は、極性の交互変化を介して行う： １０分間チタン試料の陰極（化）処理、Ｉ=１ｍＡの定電流（第１段） １０分間陽極（化）処理、Ｖ＝５Ｖ_SCEの定電圧（第２段） １５分間の第１段と同様に陰極（化）処理（第３段） １０分間、Ｕ＝１０Ｖ_SCEで陽極（化）処理（第４段） 最後に３５分間、第１段と同様に陰極（化）処理（第５段） 試料を電解質浴から取出し、脱イオン水ですすぎ、ファンで乾燥する。析出層 は白味を帯びた黄色味を示し、一様に形成され、良好な界面付着性を有する。電 予顕微鏡観察により、非常に小さな針状体（針状体の長さは約５００ｎｍ）の集 まりから成る閉じた層（geschlossene Schicht）を示す。エネルギ散乱Ｘ線解析 により得られた組成分析の結果、層内の相のＣａ／Ｐ比 として、市販のヒドロキシアパタイトに相当するＣａ／Ｐ比を与える。Ｘ線回折 による結晶構造に基づき、ヒドロキシアパタイト相であることを実証する。 ウエッジ形試料は相境界の勾配（グラージエント）構造（Gradierung）を示し 、電子顕微鏡的には、基材と層との間にシャープな移行部は観察されない。 ［実施例２］ 実施例１の場合と同じ電解質を用いる。チタンディスクも実施例１と同様に製 作する。電気化学的装置組立ては、実施例１に対応する。定電流（Ｉ＝０．３ｍ Ａ、１０分間）陰極（化）処理（第１段）の後、第２段において、定電流陰極処 理の際に調節（セット）される電位から出発して、５ｍＶ／ｓの陽極化速度で５ Ｖ_SCEのレベルに達するまで陽極（化）処理する。この電位に到達後、第３段に おいて、０．３ｍＡにて１５分間陰極（化）処理を行う。第４段として、定電流 陰極化の際セットされる電位から出発して陽極化速度５ｍＶ／ｓで１０Ｖ_SCEの レベルに達するまで陽極（化）処理を行う。最後に３５分間陰極（化）処理を第 １段と同様に行う（第５段）。 基材電極上の形成層はオクタリン酸カルシウムから成る。電子顕微鏡観察によ り、針状ないし帯状の結晶が５μｍまでの長さで示される。対比的なＸ線回折法 及びラーマンスペクトル分析法による観察により、こ の層は、オクタリン酸カルシウム相から構成されることが実証される。 ウェッジ形（斜切）試料は、相の境界の勾配構造を示し、電子顕微鏡的には基 材と層の間のシャープな移行は認められない。 ［実施例３］ チタンディスクを実施例１と同様に作製する。電解質溶液として、２００ｍｌ のリン酸カルシウム溶液を用い、その秤量は次のように行う：４０ｍＭＣａＣｌ₂ 、２５ｍＭＮＨ₄Ｈ₂ＰＯ₄。ｐＨ値は４．４に調節する。 電気化学的装置の組立ては実施例１に対応する。 第１回の定電位陰極（化）処理をＵ_SCE＝−１３００ｍＶで１０分間行い（第 １段）、その後電極は第２段で１０分間１ｍＡの定電流で陽極（化）処理する。 第１段と同様にして１５分間の陰極（化）処理を行い（第３段）、その後第４段 で１０分間、２ｍＡの定電流で陽極（化）処理する。最後に３５分間陰極（化） 処理を第１段と同様に行う（第５段）。 基材電極上の析着層は、３０μｍまでの寸法の小板状結晶から成る。エネルギ 分散Ｘ線解析により、層内の相のＣａ／Ｐ比は、市販のブルッシャイトに対応す る。Ｘ線回折分析は、結晶構造を介して、この相はヒドロキシアパタイトである こと証する。斜切試料は、 相の境界の勾配構造（グラージエント構造）を示す。電子顕微鏡的には、基材と 層との間にシャープな移行部は認められない。 ［実施例４］ 実施例１と同様の電解質を用いる。チタンディスクは実施例１と同様に製作し 、さらに、鏡面に研摩し、ついで、０．５ＭＮａＯＨ、０．１ＭＨ₂Ｏ₂の５０ｍ ｌ溶液中で、４分間６５℃で酸化してエッチングする。エッチング面は、電子顕 微鏡により、チタン結晶子の様々に異なった浸蝕とｎｍ−スケールでの構造化が 認められる。層の析着は実施例１と同様にして行われる。電子顕微鏡観察により 、ヒドロキシアパタイトに対するＣａ／Ｐ比の針状結晶が実施例１と同様に、示 される。全体として層は、より大きな粗度を有する。層は基材（基層）に対し、 実施例１の場合よりも、改善された付着性を示す。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ヴォルヒ、ハルトムート ドイツ連邦共和国、Ｄ−01069 ドレスデ ン、ベルンハルトシュトラーセ 27 (72)発明者 ホーフィンガー、ユルゲン ドイツ連邦共和国、Ｄ−01309 ドレスデ ン、ホルバインシュトラーセ 123 (72)発明者 クランツ、クルト ドイツ連邦共和国、Ｄ−10825 ベルリン、 クーフシュタイナー シュトラーセ 12 (72)発明者 ポンペ、ヴォルフガング ドイツ連邦共和国、Ｄ−01737 クルオル ト ハルタ、ブーヘンヴェーク 15

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．金属インプラントにリン酸カルシウム相及び金属酸化物相の勾配被覆を水性 分散中において、電気化学的反応を介して、金属インプラントから形成された基 材電極及び対抗電極を用いて形成する方法であって、 電解質として、カルシウムイオン及びリン酸イオンを含有する溶液を用い、該 溶液のｐＨ値は好ましくは弱酸性ないしほぼ中性の領域に調整され、交互に陰極 （化）及び陽極（化）処理されることを特徴とする、勾配被覆の形成方法。 ２．電解質中のカルシウムイオン及びリン酸イオンの濃度比がヒドロキシアパタ イトに相当することを特徴とする請求項１記載の方法。 ３．電解質溶液のｐＨ値が４〜７．５であることを特徴とする請求項１記載の方 法。 ４．基材電極が、陰極（化）処理から始まり複数回交互に陰極（化）及び陽極（ 化）処理され、析着は、陰極（化）処理にて終了することを特徴とする請求項１ 〜３の一に記載の方法。 ５．陰極（化）及び陽極（化）処理の変化に際し、後の極性化処理の時間を延長 し、及び／又は陽極（化）処理を印加電位をより一層高くしつつ行うことを特徴 とする請求項１及び４に記載の方法。 ６．陰極（化）処理を定電位下又は定電流下にて行い、陽極（化）処理を定電位 下、変化電位下又は定電流下にて２〜１５０Ｖ_SCEのレベルの目的電位に到達す るまで行うことを特徴とする請求項１に記載の方法。 ７．陰極（化）及び陽極（化）処理を交互にかつ陰極（化）処理の全期間を１〜 ６０分間とし、そして陽極（化）処理の全期間を１〜６０分として行うことを特 徴とする請求項１記載の方法。 ８．陰極（化）処理電流密度０．１〜５ｍＡ／ｃｍ²の定電流で行うことを特徴 とする請求項１記載の方法。