JPH11164880A - チタニア含有無機・有機混成生体活性材料の製造方法 - Google Patents

チタニア含有無機・有機混成生体活性材料の製造方法

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JPH11164880A
JPH11164880A JP9352461A JP35246197A JPH11164880A JP H11164880 A JPH11164880 A JP H11164880A JP 9352461 A JP9352461 A JP 9352461A JP 35246197 A JP35246197 A JP 35246197A JP H11164880 A JPH11164880 A JP H11164880A
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JP
Japan
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mixing
titanium compound
bone
organoalkoxysilane
bioactive material
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Tadashi Kokubo
正 小久保
Ki Chin
奇 陳
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Nippon Electric Glass Co Ltd
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Nippon Electric Glass Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】力学的特性が生体骨に近似し、生体活性に優れ
た材料を提供する。 【解決手段】オルガノアルコキシシランSiR'n(O
R)4-nと末端シラノール型ジアルキルシロキサン(H
O(Si(R)2O)nHを含む水溶液に、加水分解性の
チタン化合物を加えて混合し、次いで無機酸のカルシウ
ム塩を加えて混合し、加熱することを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、チタニアを含有
する無機・有機混成生体活性材料の製造方法に属する。
この生体活性材料は、骨代替材料や骨修復材料として好
適に利用されうる。
【0002】
【従来の技術】骨代替材料や骨修復材料として、従来か
らアパタイト等のセラミックス、チタン等の金属、ポリ
エチレン等の高分子が用いられているが、いずれも生体
骨結合性などの生体活性、生体親和性及び力学的特性の
全てを満足するものではない。即ち、アパタイトは脆く
て破壊しやすい。チタンは弾性係数が高すぎて、周囲の
生体骨に荷重が加わらなくなるため、生体骨を痩せさせ
てしまう。ポリエチレンは、生体骨結合性をもたないう
えに、ヤング率が低くて海綿骨のそれの50〜500M
Paに到底及ばない。
【0003】そこで、最近になって都留らが、オモシル
(ORMOSILS)と称される有機物に修飾されたケイ酸塩で
あって、カルシウムイオンを含有する生体活性材料を合
成した(ジャーナル オブ マテリアルズ サイエン
ス:マテリアルズ イン メディスン 1997年第8
巻第157−161頁)。オモシルは、テトラエトキシ
シランと末端シラノール型ポリジメチルシロキサンとの
反応によって得られる有機無機混成材料であって、都留
らの合成以前にシュミット(Schmidt)によって公表さ
れている(ノンクリスタリン ソリッド 1985年第
73巻第681頁)。オモシルは、その無機成分(Si,C
a)と有機成分(CH3)との比率を変えることによって弾
性を調整できる点で優れた材料である。都留らはオモシ
ルの反応過程に硝酸カルシウムを導入し、生成物に骨結
合性を付与したのである。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかし、従来合成され
たオモシルのヤング率は、45〜80MPaであって、
生体骨のそれと比べて依然として低すぎる。又、都留ら
の合成したオモシルは生体内での骨結合に長時間を要す
るので、骨結合までに体内で異物反応を生じるおそれが
ある。それ故、本発明の一つの目的は、力学的特性が生
体骨に近似し、生体活性に優れた材料を提供することに
ある。又、他の目的は、得られる生体活性材料の力学的
特性を自在に調整できる製造方法を提供することにあ
る。
【0005】
【課題を解決するための手段】その目的を達成するため
に、本発明の生体活性材料の製造方法は、オルガノアル
コキシシランSiR'n(OR)4-nと末端シラノール型
ジアルキルシロキサン(HO(Si(R)2O)nHを含
む水溶液に、加水分解性のチタン化合物を加えて混合
し、次いで無機酸のカルシウム塩を加えて混合し、加熱
することを特徴とする。
【0006】この特徴を備えることにより、得られた材
料は、生体骨に近似した弾性を示し、且つ優れたアパタ
イト形成能力を有する。そして、形成されたアパタイト
を介して速やかに生体骨と結合する。しかも、水溶液中
の相対的な水量、チタン化合物の量及び加熱温度のいず
れかを変えることで、得られる材料のヤング率を調整す
ることができる。この理由はおそらく次のように考えら
れる。
【0007】チタン化合物を添加する前までの工程は、
従来のオモシルの合成過程と類似している。従って、チ
タン化合物を添加する前の段階でオモシルの基本骨格と
なる長い分子鎖が形成されている。そして、チタン化合
物が添加されると直ぐにオモシルと反応し、分子鎖を短
くしてSi−O-のように負に帯電した多数の開裂点を
同時に形成する。その開裂点が正に帯電したカルシウム
イオンを引きつけるので、アパタイト形成能力を向上さ
せる。長い分子鎖をもつオモシルは、既述のように柔軟
であるが、チタン化合物の添加によって短くなった分子
鎖に、シリカよりも結合力の強いチタニアが結合してヤ
ング率を高める。
【0008】
【発明の実施の形態】オルガノアルコキシシランSi
R'n(OR)4-nとして好ましいのは、テトラエトキシ
シラン(以下、「TEOS」という)である。常温で安
定な液体であるし、適当な速度で加水分解するからであ
る。末端シラノール型ジアルキルシロキサンは、好まし
くは末端シラノール型ポリジメチルシロキサン(以下、
「PDMS」という)である。高級アルキル基は、分子
鎖の変角運動に対して立体障害となって、ヤング率の調
整が困難となるからである。ただし、メチル基の一部又
は全部をエチル基に置換することによって、得られる材
料の熱安定性が向上する。チタン化合物として好ましい
のは、テトライソプロピルチタネート(以下、「TiP
T」という)である。常温で安定な液体であるし、且つ
適当な速度で加水分解するからである。
【0009】
【実施例】−実施例1− 出発原料として、ナカライテスク社製のTEOS、同じ
くTiPT、同じくCa(NO32、同じく塩酸(35
%)を用いた。有機成分としてアルドリッチケミカル社
製のPDMS(10センチストック溶液;ポリスチレン
を標準試料としてゲル透過クロマトグラムによって測定
された平均分子量1100)を用いた。
【0010】図1に本発明製造方法の実施例の工程順序
を示す。原料の配合組成は表1の通りである。先ずTE
OSをイソプロピルアルコール(IPA)及びテトラハ
イドロフラン(THF)の混合溶媒に入れて、塩酸を触
媒として激しく攪拌しながら蒸留水を添加した。2時間
の加水分解反応の後、PDMSを添加した。15時間以
上もの長時間攪拌し、それからTiPTを滴下した。続
けて1.5時間混合し、次にCa(NO32、蒸留水及
びIPAの混合液を添加して1時間攪拌した。このとき
の反応溶液のpHは3.0ないし4.0であった。反応
溶液を蓋付きのプラスチック容器に入れて大気中40℃
で1日放置して熟成した。溶媒の一部が蒸発して反応溶
液はゲル状になった。このゲルを60℃で3日間加熱す
ることによって、直径70mm、厚さ7mmの円盤が得
られた。
【0011】
【表1】 [疑似体液への浸漬]別途、人の血漿に近似した組成を
有し、pH7.25、36.5℃の疑似体液(無機イオ
ン濃度[mM]:Na+142、K+5.0、Mg2+1.5、
Ca2+2.5、Cl-148、HCO3 -4.2、HPO4
2-1.0、SO4 2-0.5)を準備した。円盤から10
×10×2mm3の大きさの試料を切り出し、粗さ40
0番の研磨機で研磨し、洗浄して乾燥した後、30ml
の疑似体液に浸けた。
【0012】[分析と測定]試料を疑似体液から取り出
してイオン交換水で洗浄し、乾燥し、薄膜エックス線回
折計(TF−XRD)及びフーリエ変換赤外反射スペク
トル計(FT−IRRS)によって分析した。また、エ
ネルギー分散エックス線スペクトル(EDX)を装備し
た走査型電子顕微鏡(SEM)によって、試料の表面組
織を観察した。前記各円盤から3×4×30mm3の大
きさの試料を8個ずつ切り出し、インストロン型試験機
を用いて3点曲げ強度を測定した。この測定の際の応力
−変形曲線からヤング率を算出した。
【0013】[結果]TF−XRD及びFT−IRRS
によれば、どの試料の表面にも4週間以内にアパタイト
が生成した。ただし、表2に示すように、試料A−Dの
各アパタイト生成速度を比較すると、A<B<C<Dす
なわちチタン含有量とともに増した。例えばチタンを含
まない試料Aの場合、14日以内ではアパタイトのピー
クが認められなかったのに対し、多量のTiPTを滴下
して得られた試料Dの場合、わずか0.5日でアパタイ
トが生成した。又、疑似体液に14日間浸けた試料Cの
表面に大きな葉のようなアパタイト粒子が成長してい
た。それは生体活性ガラス(日本電気硝子社製A−Wガ
ラス)の表面に形成されるアパタイトと同様のものであ
った。
【0014】試料のヤング率、及び歪みを表2に併記し
た。表2にみられるように、合成過程でTiPTを滴下
することによって、ヤング率が著しく増加した。しかも
TiPTの滴下量によってヤング率を生体骨のそれと近
似するように調整することができた。
【0015】
【表2】
【0016】−実施例2− 最後に60℃で3日間加熱する代わりに220℃で12
時間加熱した以外は、実施例1と同一手順で円盤を製造
した後、各円盤から3点曲げ強度測定用の試料を8個ず
つ切り出した。原料の配合組成は、表3に示すとおりで
ある。試料CH、試料BH及び試料DHの配合組成は、
実施例1の試料C、B及びDと各々同一である。
【0017】
【表3】
【0018】表3に見られるように、加熱温度を高くし
ただけでヤング率が著しく変化した。このことから、T
iPTの滴下量だけでなく、加熱温度によってヤング率
を自在に調整できることが明らかである。また、有機成
分が分解しない程度の温度(通常300℃以下)でホッ
トプレスすれば、曲げ強度が更に増すと考えられる。
【0019】−実施例3− 最後に60℃で3日間加熱する代わりに150℃で1日
間加熱した以外は、実施例1と同一手順で円盤を製造し
た後、各円盤から3点曲げ強度測定用の試料を8個ずつ
切り出した。原料の配合組成は、表4に示すとおりであ
る。試料Ti0R2の配合組成は、実施例1の試料Aと同一
である。
【0020】
【表4】
【0021】表4に見られるように、TiPT滴下量及
び加熱温度が同じでも反応溶液中の水の量を変えただけ
でヤング率が著しく変化した。このことから、TiPT
の滴下量及び加熱温度だけでなく、加水分解時の水の量
によってヤング率を自在に調整できることが明らかであ
る。
【0022】
【発明の効果】本発明によって得られる材料は、力学的
特性が生体骨に近似し、生体活性に優れているので、短
時間で表面にアパタイトを形成し、これを介して生体骨
と結合させることができる。本発明製造方法によれば、
得られる生体活性材料の力学的特性を自在に調整できる
ので、種々の生体骨に適応することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施形態の製造方法の工程図である。

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】オルガノアルコキシシランSiR'n(O
    R)4-nと末端シラノール型ジアルキルシロキサン(H
    O(Si(R)2O)nHを含む水溶液に、加水分解性の
    チタン化合物を加えて混合し、次いで無機酸のカルシウ
    ム塩を加えて混合し、加熱することを特徴とする生体活
    性材料の製造方法。
  2. 【請求項2】オルガノアルコキシシランSiR'n(O
    R)4-nがテトラエトキシシランである請求項1に記載
    の製造方法。
  3. 【請求項3】末端シラノール型ジアルキルシロキサンが
    末端シラノール型ポリジメチルシロキサンである請求項
    1に記載の製造方法。
  4. 【請求項4】チタン化合物がテトライソプロピルチタネ
    ートである請求項1に記載の製造方法。
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