JPS6344381B2

JPS6344381B2 -

Info

Publication number: JPS6344381B2
Application number: JP58062795A
Authority: JP
Inventors: Shigeo Niwa; Junji Sugishita; Masami Ishii
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 1983-04-08
Filing date: 1983-04-08
Publication date: 1988-09-05
Also published as: DE3412915C2; US4610693A; JPS59189842A; DE3412915A1

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、人工の骨置換材料の改良に関するも
ので、合成ヒドロキシアパタイト粒子（以下アパ
タイトという）と、Al及びAl系合金等よりなる
金属材料又は樹脂材料をその主たる成分とする材
料（以下母材という）に対し、以下に述べる特殊
な遠心分散法によつて、母材の表面の極薄肉部の
みにアパタイトを分散させ、内部は母材のみより
なる、強靭な人工骨、人工歯根等のインプラント
に応用するものである。

従来のアパタイトを使用したインプラント材に
ついては特開昭55―50349号「歯科用複合材」及
び特開昭56―45814号「ヒドロキシアパタイト、
その陶材及びその製造方法」の明細書にアパタイ
トは骨との親和性が極めて良好であること、ま
た、これを樹脂等に混合成形することによつてイ
ンプラントに使用する旨記載されている。

このアパタイトは主としてリン酸カルシウムよ
りなるセラミツクス材料であつて、耐応力及び耐
衝撃性に乏しく最近の臨床例によれば、応力の比
較的低い骨部位の欠損を補充するためにのみ用い
られ、応力の高い関節部分、歯科用インプラント
としては、その使用が困難である。

また、前記「歯科用複合材」（特開昭55―
50349）に記載されているように、樹脂等の母材
に該アパタイトを均一に分散させて成る複合材に
ついては、第１図イ，ロ、そしてハに夫々示すよ
うに、円柱形状の人工骨で100μｍ〜500μｍのア
パタイト粒とポリエチレンが混合され、主に太腿
骨等の棒状の骨にインプラントされるもの、歯科
で主に使用されるインプラントの材料で、アパタ
イトとフエノール樹脂が混合されており、その骨
への埋込部に凹凸があるもの、そして人工骨の一
種として人工関節等に使用される関節窩のうち股
関節に適用されるもの等が考えられる。

しかし、これらはいずれも樹脂（母材）とアパ
タイトが９：１〜４：６程度の体積比で混合，加
熱，撹拌されて形成され、適宜の形状加工が施さ
れたもので、表面に多量のアパタイトの占積率が
要求されると同時に多量のアパタイトが母材とな
る樹脂材料の中央部まで均一に分散している（以
下、この製法を全体分散という）。このようにし
て製造された複合材は強度、特に耐衝撃性に欠け
るためインプラントとしての長期使用に際し、変
形あるいは破壊の起こる可能性が高く、母材全体
に均一に混合する手法は、用途によつては必ずし
も適正ではないことが判明した。

また、母材中央部に分散させたアパタイトは、
骨との親和性に対して何の効果も発揮しないばか
りか、材料の強度低下を助長するという欠点があ
る。

本発明は、発明者らが独自に開発した遠心分散
法によつて得られた材料及びその製法に関するも
のであり、ルツボや鋳型の中に固体又は液体の母
材にアパタイト粒又はその混合物を混合し、必要
に応じてルツボ又は鋳型を加熱しながら、重力倍
数で5G〜3000Gの遠心力下で回転させることに
よつて、ルツボ又は鋳型内の母材とアパタイトの
比重の差（アパタイト3.1、樹脂約0.9〜1.4、Al系
2.5）により、アパタイトは母材の表面部２mm以
下程度にのみほぼ均一に分散し、母材の中央部に
は、アパタイトがまつたく分散しない成形体を得
ることができる。この成形体の好ましい直径は、
適用される部位にもよるが、人工骨、人工関節用
には15〜50mm、また人工歯根として使用する場合
には４〜10mm程度のものである。

母材については、Al，Al系合金、フエノール
樹脂、ポリエステル樹脂、ウレタン樹脂、エポキ
シ樹脂、テフロン樹脂、ポリサルホン樹脂、ポリ
スチレン樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリアミド樹
脂、ポリプロピレン樹脂、塩化ビニル樹脂、ポリ
カーボネート樹脂、ポリメチルメタクリレートの
１種又は２種以上の混合物、又はポリマーを構成
するモノマーの２種以上からなる共重合物を用い
ることができる。

更に製法について詳述すれば、母材が常温で粉
粒状の熱可塑性樹脂材料等の場合、母材粉末とア
パタイト粒を均一に混合して鋳型又はルツボ内に
入れ、加熱溶融後、ルツボ又は鋳型をその中心線
の回りに重力倍数50G〜1000Gの遠心力で回転
し、冷却することにより、その表層部のみにアパ
タイト粒を分散させる。母材が常温で液体の熱硬
化性樹脂や常温硬化性樹脂等（熱硬化性樹脂に含
まれる）の場合、母材液体とアパタイト粒を均一
に混合して入れ、熱硬化性樹脂は加熱しながら、
又は加熱後予め硬化剤を混合した常温硬化性樹脂
はそのままの状態で、ルツボ又は鋳型をその中心
線の回りに重力倍数5G〜100Gの遠心力で回転す
ることにより、その表層部のみにアパタイト粒を
分散させる。母材がAl，Al合金等の金属材料の
場合、棒状の母材固体をルツボ又は鋳型内に入
れ、アパタイト又はその混合物を母材とルツボ又
は鋳型の間げきに入れ、加熱溶融後、ルツボ又は
鋳型の中心線をその回転半径の方向として重力倍
数1000G〜2700Gの遠心力の回転下で冷却するこ
とにより、その表層部のみにアパタイト粒を分散
させる。

また、アパタイト粒に予めアルミナ又はAl等
の粉末を混合することにより、第２図にみられる
ようにアパタイト粒１０の周辺に隙間のない母材
３０（AC３Ａ）との高い密着性を得ることがで
きる。なお、第２図中３０ａはアルミナ粉であり
３０ｂは表面である。また、この方法によつてア
パタイトの分布密度も極めて容易に制御すること
ができ、第３図にアルミナ粉末のアパタイトとの
混合比に対する分散密度の関係を示した。更に、
分散層と母材の間の密着強度にもアルミナ又は
Al粉末のアパタイトとの混合が重要である事が
本発明者らの実験により明らかとなつた。また、
樹脂を母材とした場合、アパタイト粒に混ぜてア
ルミナ粉を分散させたところ、機械的性質として
は、成形体表面の硬さ、圧縮破壊強さを、また生
体親和性としては、骨との結合性を向上させるこ
とができた。

このようにして、母材中央部には殆んどアパタ
イトが分散せずに表面のみ、分散巾0.05〜２mm、
分散密度10〜90％、分散高さ100mm以下の複合材
料が製造できた。

また、人工関節窩等の鋳型を、中心線を含む平
面にて分割できる構造にする事により、ネジ等複
雑な形状についても容易に製造することができ
る。

硬さについては、AC３Ａを母材とした場合、
重力倍数に対するビツカース硬さを第４図に示し
た。ビツカース硬さは、重力倍数2680G（800℃）
で最大値に達し、母材のみの場合（0G）の２倍
以上となる。

また第５図にポリエステルにアパタイトを分散
させた場合の重力倍数に対する分散巾ｗ(A)と圧縮
破壊強度比Pc／Po(B)を示す。第５図によれば、
重力倍数が増加するにつれて、圧縮破壊強度は増
加し、例えば重力倍数80G，分散巾0.185mmのと
きの圧縮破壊強度は母材のみの場合（0G）の約
３倍となることがわかる。

このようにして製造した成形体の衝撃強度は分
散の巾ｗが大きくなるにつれて低下する。このよ
うすを第６図に母材がAC３Ａの場合のシヤルピ
ー衝撃強度で示す。横軸に成形体の直径ｈに対す
る分散巾ｗをｗ／ｈで示し、縦軸に母材のみの衝
撃強度Uoに対する成形体の衝撃強度比Ｕ／Uoを
示した。第６図によれば、例えば分散巾比ｗ／ｈ
＝0.04のときの衝撃強度は母材のみの場合の衝撃
強度Uoに対して約80％になり、全体分散した場
合（ｗ／ｈ＝1.0）の約20％と比べ約４倍の衝撃
強度をもつ。

同様に第７図に母材をポリエステルとした場
合、ｗ／ｈ＝0.02のときのＵ／Uoは約70％であ
り、全体分散した場合の約18％と比べやはり約４
倍の強度をもつ。しかも、表面におけるアパタイ
ト粒の分散密度を第３図のように大巾に変化させ
ても、同程度の分散巾であれば全体としての強度
が殆んど変化しないという利点がある。

また、この遠心分散法を応用することにより、
単一母材中の分散のみならず、例えばその半径方
向に母材質の異なる多層構造をもつ複合材料を成
形すること、AlやAl合金以外の金属についても、
その表面への部分的な分散等が可能である。以
下、本発明の実施例について説明する。

実施例１第８図にポリエステル樹脂を母材とし、アパタ
イトを分散させる製法を示す。第８図イにおける
１はステンレスよりなる内径約27mm、深さ100mm
の型で、一方約80μｍのアパタイト粒２（1.7c.c.）
と予め硬化剤を混合した液状のポリエステル樹脂
３（50c.c.）を混合して型に注入する。

次に、型を回転台１ａ上に固定し、その中心線
にそつて1390rpmで回転させ、樹脂を凝固させる
ロ。この際の遠心力は重力倍数でほぼ34Gであ
る。このようにして成形された材料の断面をハに
示し、アパタイトの分散層４及びアパタイトの存
在しない中央部５が形成され、前記分散層４のう
ちの第８図ハの番号６の部分の拡大図が第８図の
ニであり、第８図のニの番号７は表面、そして８
は分散したアパタイト粒である。また、この場合
の表面でのアパタイトの分散密度は60％、その分
散巾は100μｍ、そして成形体の衝撃値は母材の
70％である。なお第８図ロ中の１ｂは加熱用のヒ
ーターである。

次に、上記製法により表面のみにアパタイトを
分散させた試料の骨との結合反応についての実験
について述べると、この成形体よりその表面を含
んで切り出した４mm×２mm×15mmの試料ホの表面
を除去してアパタイト粒子を露出させ、第８図の
ヘに示す如く、家兎の太腿骨９にインプラントし
（第８図のヘ中の９ａの如し。）、１ケ月間の飼育
の後取り出したもののマイクロラジオグラムによ
る拡大組織写真を第９図に示す。分散されたアパ
タイト１０が骨１１と結合反応を示し、異物に対
する拒否反応もなく、インプラント材と骨との間
に強い密着性をもつことがわかる。なお第９図中
１２は母材ポリエステル樹脂である。

実施例２次にAl合金であるAC３Ａを母材とした場合に
ついて述べると、第１０図に示すようにアパタイ
ト粒２１（0.75c.c.）とアルミナ粉末２２（0.75
c.c.）を混合し、直径20mm、長さ105mmのルツボ２
３とAC３Ａ棒材２４（30.5ｇ）とのすきまに入
れイ、ヒーター２７で700℃に加熱溶融した後、
型の中心線をその回転半径方向として3500rpm
（約2000G）の回転下で放冷し成形したロ。この
場合のアパタイトの分散巾は１mm、分散密度は48
％で、シヤルピー衝撃値はAC３Ａ母材のみの場
合の約75％である。なお、第１０図中、２５は
AC３Ａ，２６はアパタイトとアルミナの分散層、
２８はこの場合の回転の中心線を示し、２９がそ
の回転方向を表わす。実施例１と同様に切り出し
た試料４mm×２mm×15mmを家兎にインプラント
し、１ケ月後の組織を観察したところ、アパタイ
トが骨と結合し、高い密着性をもつことが確認さ
れた。

実施例３人工股関節に用いられる人口臼蓋については、
第１１図イに示すステンレス製の型、又は、これ
を中心線を含む面で分離可能とした割り型３１を
用いる。この場合、型３１の内径は30mmであり、
下部にネジ３２が切削加工によつて設けられてい
る。この型内に約80μｍのアパタイト粒をその体
積で６％、及び長さ６mmのガラス繊維（ECS）を
４％混合した液状のポリエステル樹脂を入れ、型
の中心線のまわりに1366rpm（40G）で回転させ
てアパタイトの分散巾0.23mm、分散密度50％の成
形体を得た。更に、母材のポリエステル樹脂が半
凝固状態のとき、回転によつて生じた中央部の空
隙に既存の人工関節の摺動部に用いられている超
高密度ポリエチレンの粉末を投入し、加熱溶融し
て、臼蓋ソケツト部３３を成形した。この成形体
を切削したものが第１１図ロに示す臼蓋で、その
人体への適用例をハに示した。図中３３は、人工
骨頭３６の摺動する凹部、３４は超高密度ポリエ
チレン、３５はポリエステルとガラス繊維で、そ
の外周部３８にアパタイトが分散しており、この
ネジ部を骨盤骨３７にインプラントして人工関節
として使用する。

実施例４歯科用のインプラント材料として第１２図にそ
の一例を示す。耐熱ステンレスによつて製造した
型又は割り型４１の下にはネジ４２が設けられて
いる。この型にAC３Ａの棒状材料を入れ、その
すきまにアパタイト粒とアルミナ粉末の１：１の
混合物を挿入し、約700℃に加熱溶融した後、型
の中心線をその回転半径の方向として約3500rpm
（約2000G）で回転させて、アパタイトの分散巾
0.3mm、分散密度50％の歯科用インプラント材を
製造した。

この成形体は、その衝撃強度は母材のみの場合
の約70％であり、歯科用インプラントに求められ
ている強度として、充分なものである。

その具体的な適用例を第１２図ロに示す。顎骨
４３にインプラントされたネジ部４４はアパタイ
トの骨との親和性のよさから、強固に保持され、
長期間の使用にゆるみを生じない。

但し、図中４５は人工歯冠、４６は人工歯根、
４７は歯肉を示す。

このように、本発明は人体に用いられるインプ
ラント材料として、生体、特に骨との親和性が極
めてよく、しかも高い応力のかかる部位にも使用
できる高い強度をもつ画期的な複合材料とその製
法を提供するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図、一部破断した従来のインプラント材の
斜視図でイは円柱状の人工骨、ロは歯科用、ハは
股間接用人工臼蓋である。第２図、Al系合金に、
アパタイト粒とアルミナ粉をその体積比１：１で
混合したものを遠心分散させた場合の組織写真。
第３図、母材がAC３Ａの場合のアパタイト粒と
アルミナ粉又はAl粉の混合率と分散密度の関係
を示すグラフ。第４図、母材AC３Ａにアパタイ
ト粒を分散させた場合の表面のビツカース硬さと
重力倍数との関係を示すグラフ。第５図、ポリエ
ステルを母材とした場合の重力倍数に対する分散
巾と圧縮破壊強度比を示すグラフ。第６図、AC
３Ａを母材とした場合の分散巾比に対するシヤル
ピー衝撃強度比を示すグラフ。第７図、母材がポ
リエステルの場合の分散巾比とシヤルピー衝撃強
度比の関係のグラフ。第８図、ポリエステルに、
アパタイトを混合して成形したときの工程図と家
兎へのインプラントの手順を示す。第９図、母材
をポリエステル樹脂とした場合の、家兎の太腿骨
へのインプラント後、１ケ月のアパタイト粒と骨
との結合を示す組織写真。第１０図、母材をAC
３Ａとした場合の遠心分散法の概略説明図。第１
１図、人工臼蓋用の鋳型イ及び、これにより遠心
分散法で作製した人工臼蓋ロ、その適用例ハを示
す。第１２図、人工歯根用の鋳型イ及び、これに
より遠心分散法で作製した人工歯根の適用例ロを
示す。３，５，１２，２４，２５，３０，３５…母
材、２，８，２１，１０…アパタイト、４，３
８，４４…アパタイトの分散層、２６…アパタイ
トとアルミナの分散層、９ａ…人工骨、４６…人
工歯根。

Claims

【特許請求の範囲】

１熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、Al又はAl等
合金より成る母材を溶融して液状として成形型に
混入し、ヒドロキシアパタイト粒子を前記成形型
に配置し、加熱後又は加熱しながら前記成形型を
回転させて、その遠心力によりヒドロキシアパタ
イト粒子を母材中に加圧含浸させ、母材の表面に
分散複合させる人工骨又は人工歯根用の、遠心分
散による複合インプラント材の製造方法。