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COMBINED MATERIAL COATED WITH CALCIUM PHOSPHATE COMPOUND AND ITS MANUFACTURING METHOD

Patent code P110005288
Posted date Aug 18, 2011
Application number P2005-269869
Publication number P2007-075486A
Patent number P4423423
Date of filing Sep 16, 2005
Date of publication of application Mar 29, 2007
Date of registration Dec 18, 2009
Inventor
  • (In Japanese)永井 教之
Applicant
  • (In Japanese)国立大学法人岡山大学
Title COMBINED MATERIAL COATED WITH CALCIUM PHOSPHATE COMPOUND AND ITS MANUFACTURING METHOD
Abstract PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a calcium phosphate compound coating material used as an implant material such as an artificial bone, tooth, dental root or the like, which is one of the functionally gradient materials, made of firmly bonded metal base material and calcium phosphate compound layer, capable of constantly emitting Ca for a certain period while being absorbed by its host and activating osteogenetic cells.
SOLUTION: This combined material coated with a calcium phosphate compound is structured of a calcium phosphate compound layer provided on a metal base material through a calcium titanate-amorphous carbon composite layer. The calcium titanate-amorphous carbon composite layer provided therebetween firmly bonds the metal base material and the calcium phosphate compound as an adhesive material, and prevents their detachment. Many layers of the calcium titanate-amorphous carbon composite layers and the calcium phosphate compound layers provided alternately and in multi-steps can realize the functionally gradient material capable of forming a bone for a requested period while being absorbed by its host.
Outline of related art and contending technology (In Japanese)

人工骨、歯、歯根等のインプラント材は、骨や歯が欠損した場合に、残っている骨に接合したり顎骨に植え込んだりして生来のものに近い形で使用できるので、高齢化が進むなか、健康保持、文化的生活維持のために重要度が増している。インプラント材は、人体等の生体に埋め込むものであるがゆえに、無害であることが必須であり、生体への親和性、強度、加工性、適度の比重、非溶出性、場合によってはCaイオンなどの適度な溶解性等も要求される。

医用材料分野で従来より使用されているインプラント材には、α-アルミナ、貴金属類、ステンレス鋼等の合金などの金属類、アパタイトセラミックスなどがあるが、金属類はいずれも生体に対する親和性に欠けており、アパタイトセラミックスは、リン酸カルシウム化合物を主成分とするもので、骨や歯との親和性は極めて良好であるものの、強度、加工性の点で十分でなく、その用途は限定される。

歯科分野で近年に使用されているインプラント材は大きく2つに分けられる。第1は純チタン材などを削り出し又は表面ブラスト処理したものである。第2はチタンなどを金属基材としてその表面をリン酸カルシウム化合物で被覆したものである。

純チタン材などの金属材料は生体不活性(Bio-inert)材であり、顎骨内に植立すると、その表面は荷電していないため初期には材料界面に骨添加は起こらず、宿主側の骨界面に周囲骨から骨添加されながら(骨伝導 bone conduction)骨接着を生じる。しかし一旦骨接着を生じても、破骨細胞による骨吸収が生じ(骨改造現象、リモデリング)、結合力が次第に低下し、長期的な維持は難しい。

リン酸カルシウム化合物、主に水酸アパタイトCa10(PO46(OH)2(以下、HAという)で被覆したものは生体活性(Bio-Active)材であり、チタン界面にHAコーティングして顎骨内に植立すると、宿主側の骨界面に骨伝導が生じると共に、電荷を持ったHA界面に骨形成細胞による骨誘導(bone induction)が生じ、HA界面と骨界面とはHA結晶によりイオン結合して、骨癒合を生じる。しかしこのように骨癒合を生じた場合も、破骨細胞による骨吸収が生じ(骨改造現象、リモデリング)、HAも同時に吸収されていくため、最終的には生体不活性、金属界面と骨接着の状態になり、長期的には骨結合能が低下する。

ここで、リン酸カルシウム化合物層を形成する方法としては、プラズマ溶射法やスパッタ法や熱分解法が知られている。その内、プラズマ溶射法(20000℃)を用いると、厚み30μm~50μmが得られるが、基材に対する結合力が弱く、亀裂、剥離が生じやすく、また吸収を受けやすい。また基材が複雑な形状や多孔質である場合に表面全体を被覆することが困難もしくは不可能である。スパッタ法を用いると、膜厚は約1μmが限界であり、用途に応じた任意の膜厚を得ることができない。

熱分解法は、有機物を原料として燃焼させてセラミック等を作成する方法を言う。たとえば、金属基材上にリン酸カルシウム化合物の硝酸水溶液又は塩酸水溶液から加熱焼成してリン酸カルシウム化合物の下地層を形成し、その上にリン酸カルシウム化合物の被覆層をその懸濁液の加熱焼結により形成する方法が提案されており、これにより任意形状の基材表面に均一にリン酸カルシウム化合物被覆層を形成した複合材が入手可能になった(特許文献1)。しかしこの熱分解法による被覆層の厚みは5μm程度となるため、1~2年で吸収されてしまう。またリン酸カルシウム化合物をその水溶液からそのまま基材表面に析出させるものであるがゆえに、リン酸カルシウム化合物被覆層と基材との密着性が不十分となり、長期間に亘って使用すると吸収、剥離が生じ易くなる。

このようにリン酸カルシウム化合物を基材に直接にコーティングすると接着強度が低下することから、下層バインダーとしてチタン酸カルシウムを用いることが検討された。しかしチタン酸カルシウムの周知の作成法は1200℃で焼結するという乾式法であり、粒子径3~5μ程度の粗粒の粉末しか得られない。つまりこのこの方法によるチタン酸カルシウムは、膜状にすることができず、したがって下層バインダーとして用いることはできず、また1200℃という高温によって金属基材の劣化を招くものであり、さらには生体不活性で骨形成能が弱い。

このため歯科領域で用いるインプラント材としては、単独植立を可能にする材料が理想であり、咬合力が加わる状況で、生体骨に対する界面が10数年にわたって生体活性な状態に維持され、骨結合力(骨接着力)が持続する傾斜機能材料(functionally gradient material)の開発が課題となっている。

一方、整形外科領域では、骨折固定材、人工関節及び骨内固定材(スクリューやプレート)に、加工性の良いステレンス鋼やチタン合金が用いられている。人工関節は10数年以上、生体内に維持できることが必要である。これに対し骨折時に用いられる骨内固定材料は、治癒に要する一定の期間は生体活性で骨結合が強く、かつ治癒後には骨結合能が低下し容易に除去できることが必要である。

しかし現状の金属材料では、生体内で陽イオンが溶出し、蛋白吸着して、異物反応として組織障害を生ずるだけでなく、界面に繊維性組織が増加し、骨結合能は著しく低下する。リン酸カルシウム化合物でコーティングが施される場合もあるが、上述したように剥離、吸収を受け、骨結合能は低下する。

このため整形外科領域においては、10数年以上にわたって生体内に維持可能である一方で、任意の時期に容易に除去できるようにCaイオンの溶出を調節できる、多機能な被覆材の開発が課題となっている。

さらに、整形外科、歯科に関わらず、リン酸カルシウム化合物被覆材を生体骨内に植立すると一般に切傷、外科的処置により炎症等を生じ、組織液が酸性となり、一時的にリン酸カルシウム化合物層が溶解するため、リン酸カルシウム化合物単独で用いるのでなく、リン酸カルシウム化合物よりも吸収速度が遅く且つCaの溶出が持続するような生体活性材料(界面が(-)荷電)と組み合わせた、新しい傾斜機能材料の開発が課題となっている。
【特許文献1】
特開昭62‐221359号公報

Field of industrial application (In Japanese)

本発明は、主に、人工骨、歯、歯根等のインプラント材、それらの接合材、骨折固定材、人工関節材などの医用生体材料として、整形外科、歯科などで使用されるリン酸カルシウム化合物被覆複合材およびその製造方法に関する。

Scope of claims (In Japanese)
【請求項1】
 
金属基材上に、チタンおよびカルシウムをCa/Ti比が1.01-1.10となる範囲で含んだ有機溶媒溶液を塗布し20-200℃/分で昇温させて500~650℃で加熱焼成することにより設けたチタン酸カルシウム・非晶質炭素複合物層を介してリン酸カルシウム化合物層を形成したリン酸カルシウム化合物被覆複合材。

【請求項2】
 
チタン酸カルシウム・非晶質炭素複合物層およびリン酸カルシウム化合物層をそれぞれ1または複数の薄膜で構成した請求項1記載のリン酸カルシウム化合物被覆複合材。

【請求項3】
 
チタン酸カルシウム・非晶質炭素複合物層とリン酸カルシウム化合物層とを交互に複数段に形成した多層構造とした請求項1記載のリン酸カルシウム化合物被覆複合材。

【請求項4】
 
金属基材をリン酸カルシウム化合物層で被覆したリン酸カルシウム化合物被覆複合材の製造方法であって、前記金属基材上に、前記リン酸カルシウム化合物層の形成に先立って、チタンおよびカルシウムをCa/Ti比が1.01-1.10となる範囲で含んだ有機溶媒溶液を塗布液として塗布し、20-200℃/分で昇温させて500~650℃で加熱焼成することにより、チタン酸カルシウム・非晶質炭素複合物層を形成することを特徴とするリン酸カルシウム化合物被覆複合材の製造方法。

【請求項5】
 
リン酸カルシウム化合物層は、リンおよびカルシウムを含んだ有機溶媒溶液を塗布液として塗布し、500~650℃で加熱焼成することにより形成することを特徴とする請求項4記載のリン酸カルシウム化合物被覆複合材の製造方法。

【請求項6】
 
チタン酸カルシウム・非晶質炭素複合物層を形成する工程と、リン酸カルシウム化合物層を形成する工程とを複数回繰り返して、多層構造を形成することを特徴とする請求項4記載のリン酸カルシウム化合物被覆複合材の製造方法。

【請求項7】
 
塗布液の塗布と加熱焼成とを繰り返すことによって所望の厚みとすることを特徴とする請求項4または請求項5のいずれかに記載のリン酸カルシウム化合物被覆複合材の製造方法。

【請求項8】
 
塗布液が、有機または無機のカルシウム化合物と有機チタン化合物とを有機溶媒に溶解した溶液であることを特徴とする請求項4記載のリン酸カルシウム化合物被覆複合材の製造方法。

【請求項9】
 
塗布液が、有機または無機のカルシウム化合物と有機リン化合物とを有機溶媒に溶解した溶液であることを特徴とする請求項5記載のリン酸カルシウム化合物被覆複合材の製造方法。

【請求項10】
 
金属基材が、チタン、チタン合金、ステンレス鋼、及びコバルト-クロム合金からなる群から選択される金属又は合金であることを特徴とする請求項4記載のリン酸カルシウム化合物被覆複合材の製造方法。

【請求項11】
 
有機カルシウム化合物として2-エチルヘキサン酸カルシウムを使用することを特徴とする請求項8または請求項9のいずれかに記載のリン酸カルシウム化合物被覆複合材の製造方法。

【請求項12】
 
有機チタン化合物としてチタンテトライソプロポキシドを使用することを特徴とする請求項8記載のリン酸カルシウム化合物被覆複合材の製造方法。

【請求項13】
 
有機リン化合物としてリン酸水素ビス2-エチルヘキシルを使用することを特徴とする請求項9記載のリン酸カルシウム化合物被覆複合材の製造方法。

【請求項14】
 
リンおよびカルシウムをCa/P比が1.75-1.85となる範囲で含んだ有機溶媒溶液を用いることを特徴とする請求項5記載のリン酸カルシウム化合物被覆複合材の製造方法。
IPC(International Patent Classification)
F-term
Drawing

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JP2005269869thum.jpg
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技術移転に関しては岡山TLOが窓口になります。


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