JP2014028084A - 生体インプラント材料の製造方法、生体インプラント材料およびチタン含有アルカリ水溶液 - Google Patents

Abstract

【課題】 基体の表面にチタン酸アルカリ金属塩の皮膜を形成することができる生体インプラント材料の製造方法、生体インプラント材料およびチタン含有アルカリ水溶液を提供する。
【解決手段】 調製工程で、アルカリ水溶液に、溶解度を超える量のチタン材料を投入し、チタンを沈殿させたチタン含有アルカリ水溶液を調製し、浸漬工程では、調製工程で調製したチタン水溶液に、非チタン系金属材料、セラミックス材料または高分子材料からなる基体を浸漬し、基体表面にチタン酸アルカリ金属塩層を形成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、生体内に埋植される生体インプラント材料の製造方法、生体インプラント材料およびチタン含有アルカリ水溶液に関する。

生体内において骨や歯根などの硬組織と代替されるように埋植される生体インプラント材料として、チタンやチタン合金などの金属材料を基体として用い、その基体の表面に硬組織への親和性を有する皮膜を形成したものが知られている。

特許文献１には、チタンまたはチタン合金からなる基体をアルカリ液中に浸漬したのち、基体をチタンまたはチタン合金の転移温度以下の温度で加熱することで、基体表面に酸化チタン相およびアルカリチタン酸塩の非晶質層を含む被膜が形成された骨代替材料を得ることが記載されている。

国際公開第９５／１３１００号

生体インプラント材料は、埋植した骨との親和性を得るためにアパタイト形成能を有するチタン酸アルカリ金属塩を基体表面に皮膜として備える。特許文献１記載のように、チタンまたはチタン合金の基体の表面を処理して、酸化チタンまたはチタン酸アルカリ金属塩の被膜を形成することは知られている。

近年の生体インプラント材料としては、軽量化、加工性向上、耐久性向上などの要求に応えるべく、チタンまたはチタン合金以外の金属材料（非チタン系金属材料）、セラミックス材料および高分子材料などを使用することが検討されているが、これらの材料を基体として、その表面にチタン酸アルカリ金属塩の皮膜を形成する技術は、未だ確立していない。

本発明の目的は、基体の表面にチタン酸アルカリ金属塩の皮膜を形成することができる生体インプラント材料の製造方法、生体インプラント材料およびチタン含有アルカリ水溶液を提供することである。

本発明は、アルカリ水溶液に対して、溶解度を超える量のチタン材料の投入と、非チタン系金属材料、セラミックス材料または高分子材料からなる基体の浸漬とを行い、基体表面にチタン酸アルカリ金属塩層または酸化チタン層の少なくともいずれか一方を形成することを特徴とする生体インプラント材料の製造方法である。

また本発明は、アルカリ水溶液に、溶解度を超える量のチタン材料を投入し、前記チタン材料が存在するチタン含有アルカリ水溶液を調製する調製工程と、
前記調製工程で調製したチタン含有アルカリ水溶液に、非チタン系金属材料、セラミックス材料または高分子材料からなる基体を浸漬し、基体表面にチタン酸アルカリ金属塩層または酸化チタン層の少なくともいずれか一方を形成する浸漬工程と、を有することを特徴とする生体インプラント材料の製造方法である。

また本発明は、前記チタン材料は、チタン微粒子であることを特徴とする。

また本発明は、前記チタン微粒子は、平均粒子径が０．１〜１００μｍであることを特徴とする。

また本発明は、非チタン系金属材料、セラミックス材料または高分子材料からなり、曲面を含む表面を有する基体と、
前記基体の表面に形成されるチタン酸アルカリ金属塩層または酸化チタン層の少なくともいずれか一方と、を備えることを特徴とする生体インプラント材料である。

また本発明は、非チタン系金属材料の多孔体、セラミックス材料の多孔体または高分子材料の多孔体からなる基体と、
前記基体の表面に形成されるチタン酸アルカリ金属塩層または酸化チタン層の少なくともいずれか一方と、を備え、
前記チタン酸アルカリ金属塩層または酸化チタン層の少なくともいずれか一方は、前記多孔体の細孔内にも形成されることを特徴とする生体インプラント材料である。

また本発明は、非チタン系金属材料、セラミックス材料または高分子材料からなる基体を浸漬することで、基体表面にチタン酸アルカリ金属塩層を形成するためのチタン含有アルカリ水溶液であって、
アルカリ水溶液に、溶解度を超える量のチタン材料を投入し、チタンを沈殿させたチタン含有アルカリ水溶液である。

本発明によれば、アルカリ水溶液に対して、溶解度を超える量のチタン材料の投入と、非チタン系金属材料、セラミックス材料または高分子材料からなる基体の浸漬とを行うことで、非チタン系金属材料、セラミックス材料または高分子材料からなる基体の表面に、チタン酸アルカリ金属塩層または酸化チタン層の少なくともいずれか一方を形成することができる。

また本発明によれば、調製工程で、アルカリ水溶液に、溶解度を超える量のチタン材料を投入し、前記チタン材料が存在するチタン含有アルカリ水溶液を調製する。

浸漬工程では、前記調整工程で調整したチタン含有アルカリ水溶液に、非チタン系金属材料、セラミックス材料または高分子材料からなる基体を浸漬し、基体表面にチタン酸アルカリ金属塩層または酸化チタン層の少なくともいずれか一方を形成する。

チタン材料が存在するチタン含有アルカリ水溶液に、非チタン系金属材料、セラミックス材料または高分子材料からなる基体を浸漬することで、基体の表面にチタン酸アルカリ金属塩層を形成することができる。

また本発明によれば、前記チタン材料としては、チタン微粒子を用いることが好ましい。

また本発明によれば、前記チタン微粒子は、平均粒子径を０．１〜１００μｍとすることが好ましい。

また本発明によれば、非チタン系金属材料、セラミックス材料または高分子材料からなり、曲面を含む表面を有する基体と、前記基体の表面に形成されるチタン酸アルカリ金属塩層または酸化チタン層の少なくともいずれか一方と、を備える生体インプラント材料である。

非チタン系金属材料、セラミックス材料または高分子材料を基体とすることで、軽量化、加工性向上、耐久性向上などの各種要求に応える生体インプラント材料を提供することができる。また曲面を含むような表面であってもチタン酸アルカリ金属塩層または酸化チタン層の少なくともいずれか一方を形成することができる。

また本発明によれば、非チタン系金属材料の多孔体、セラミックス材料の多孔体または高分子材料の多孔体からなる基体と、前記基体の表面に形成されるチタン酸アルカリ金属塩層または酸化チタン層の少なくともいずれか一方と、を備えており、前記チタン酸アルカリ金属塩層または酸化チタン層の少なくともいずれか一方は、前記多孔体の細孔内にも形成される。

非チタン系金属材料、セラミックス材料または高分子材料を基体とすることで、軽量化、加工性向上、耐久性向上などの各種要求に応える生体インプラント材料を提供することができる。また、多孔体の細孔内にもチタン酸アルカリ金属塩層または酸化チタン層の少なくともいずれか一方が形成されるので、硬組織との親和性が向上する。

また本発明によれば、非チタン系金属材料、セラミックス材料または高分子材料からなる基体を浸漬することで、基体表面にチタン酸アルカリ金属塩層を形成するためのチタン水溶液であって、アルカリ水溶液に、溶解度を超える量のチタン材料を投入し、チタンを沈殿させたチタン含有アルカリ水溶液である。

このようなチタン含有アルカリ水溶液は、非チタン系金属材料、セラミックス材料または高分子材料からなる基体を浸漬することで、基体表面にチタン酸アルカリ金属塩層を形成することができる。

本発明の第１実施形態である生体インプラント材料の製造方法の製造工程を示す工程図である。 本発明の第２実施形態である生体インプラント材料の製造方法の製造工程を示す工程図である。 本発明の第３実施形態である生体インプラント材料の製造方法の製造工程を示す工程図である。 実施例Ａ−１の表面を示すＳＥＭ写真である。 実施例Ａ−１のＥＤＳ分析結果を示すスペクトル図である。 比較例Ａの表面を示すＳＥＭ写真である。 比較例Ａの表面および擬似体液浸漬後の比較例Ａの表面のＥＤＳ分析結果を示すスペクトル図である。 擬似体液浸漬後の実施例Ａ−２〜Ａ−４の表面のＳＥＭ写真である。 実施例Ｂ−１の表面を示すＳＥＭ写真である。 実施例Ｂ−１のＥＤＳ分析結果を示すスペクトル図である。 実施例Ｃ−１の表面を示すＳＥＭ写真である。 実施例Ｃ−１のＥＤＳ分析結果を示すスペクトル図である。

図１は、本発明の第１実施形態である生体インプラント材料の製造方法の製造工程を示す工程図である。本実施形態の製造方法は、基体形成工程ｓ１と、調製工程ｓ２と、浸漬処理工程ｓ３とを含む。

本発明は、チタンおよびチタン合金以外の材料からなる基体を、生体インプラント材料の基体として用いることを可能としている。基体形成工程ｓ１では、生体インプラント材料となる基体が形成される。基体を構成する材料は、チタンおよびチタン合金以外の材料であって、非チタン系金属材料、セラミックス材料または高分子材料が好適に用いられる。

非チタン系金属材料としては、たとえば、鉄、アルミニウムおよびこれらの合金、コバルト−クロム合金、コバルト−クロム−モリブデン合金、ニッケル−クロム合金、ステンレス鋼などを用いることができる。また、セラミックス材料としては、たとえば、アルミナ、ジルコニア、アルミナ−ジルコニア複合セラミックスなどを用いることができる。高分子材料としては、たとえば、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ＣＦＲＰ（carbon fiber reinforced polymer）−ＰＥＥＫ、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリカーボネート（ＰＣ）などを用いることができる。

非チタン系金属材料として、好ましくはコバルト−クロム−モリブデン合金であり、セラミックス材料として、好ましくはジルコニアであり、高分子材料として、好ましくはＰＥＥＫである。

また、非チタン系金属材料、セラミックス材料または高分子材料で構成される基体は、中実体、中空体および多孔質体のいずれであってもよい。

基体は、これらの材料を用いて、成形、研削などにより生体インプラント材料に適した形状に加工される。生体インプラント材料は、たとえば、人工歯根、人工関節および人工骨などであり、少なくとも一部が生体内に埋植される。

外形状が加工された基体は、浸漬処理工程ｓ３でチタン含有アルカリ水溶液に浸漬する前に、超音波洗浄、エタノール洗浄などにより、その表面を洗浄しておく。

調製工程ｓ２では、アルカリ水溶液に、溶解度を超える量のチタン材料を投入し、チタンを沈殿させたチタン含有アルカリ水溶液を調製する。

アルカリ水溶液は、ナトリウムイオン（Ｎａ^＋）、カリウムイオン（Ｋ^＋）などのアルカリ金属イオン、および、カルシウムイオン（Ｃａ^２＋）などのアルカリ土類金属イオンの少なくともいずれか１つの金属イオンを含有する水溶液であり、たとえば、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）水溶液または水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液である。

アルカリ水溶液における、アルカリ金属イオンおよびアルカリ土類金属イオンの少なくともいずれか１つの金属イオンの濃度は、０．１Ｍ（モル濃度）以上２０Ｍ以下が好ましく、３Ｍ以上１０Ｍ以下が特に好ましい。

このように調製したアルカリ水溶液に、溶解度を超える量のチタン材料を投入する。チタン材料をアルカリ水溶液に十分に溶解させ、チタンの飽和水溶液とした上で、チタンが沈殿した状態のチタン含有アルカリ水溶液とするためには、浸漬処理工程ｓ３における液温、たとえば液温２５〜６０℃における溶解度を超える量のチタン材料を、調製工程ｓ２で投入する。

たとえば、３０℃における５Ｍ ＮａＯＨ水溶液のチタン溶解度は、約０．０１［ｇ／Ｌ（リットル）−ＮａＯＨ水溶液］であるので、調製工程ｓ２では、これを超える量である０．０５ｇのチタン材料を、１Ｌ（リットル）の５Ｍ ＮａＯＨ水溶液に投入する。調製工程ｓ２でチタン材料を投入するアルカリ水溶液は、液温を２５〜６０℃にまで加熱してもよく、特に加熱することなく室温（２５℃程度）であってもよい。

投入するチタン材料は、どのような形態でも用いることができるが、アルカリ水溶液に容易に溶解させるために、微粒子状の粉末とすることが好ましい。チタン微粒子の体積平均粒子径は、０．１〜１００μｍであり、１〜５０μｍが好ましく、２５〜５０μｍがより好ましい。体積平均粒子径が０．１μｍより小さいとチタン微粒子が凝集し易く、アルカリ水溶液にチタン微粒子が懸濁した状態となり、浸漬した基体の表面にチタン微粒子が付着するおそれがある。一方、体積平均粒子径が５０μｍよりも大きいと、チタン微粒子がアルカリ水溶液に溶解し難く、飽和溶液になるまでに長時間を要する。

調製工程ｓ２で、アルカリ水溶液にチタン材料を投入した時点で、チタン材料の一部がアルカリ水溶液に溶解するが、チタン材料は溶解度を超えて過剰に投入されているので、溶け残ったチタンはチタン含有アルカリ水溶液中で、たとえば沈殿または分散して存在する。

以上のようにして、調製工程ｓ２で、チタンを沈殿させた状態のチタン含有アルカリ水溶液を調製したのち、このチタン含有アルカリ水溶液を浸漬処理工程ｓ３の浸漬処理における液温よりも高い温度で１２〜９６時間静置してもよい。

浸漬処理工程ｓ３では、調製工程ｓ２で調製して得られたチタン含有アルカリ水溶液に、基体形成工程ｓ１で形成した基体を浸漬して、浸漬した基体表面にチタン酸アルカリ金属塩層を形成する。

浸漬処理の条件は、チタンを沈殿させたチタン含有アルカリ水溶液の液温を４０〜９０℃とし、チタンが存在するチタン水溶液へのチタンの浸漬時間を１２〜３６時間とする。本発明は、チタン含有アルカリ水溶液中に不溶のチタンが存在する状態で、そのチタン含有アルカリ水溶液に基体を浸漬することを特徴としている。

このようなチタンの飽和水溶液であるチタン含有アルカリ水溶液に浸漬することで、構成する材料が、チタンおよびチタン合金ではない基体であっても、その表面の少なくとも一部にチタン酸アルカリ金属塩からなる被膜層（以下では「アルカリチタネート層」という）を形成することが可能となる。

チタン含有アルカリ水溶液は、たとえば、浸漬槽に貯留され、浸漬槽の底にチタンが沈殿した状態で、基体が吊り下げられてチタン含有アルカリ水溶液中に浸漬される。このとき、基体を浸漬槽の底面および内側面から離間させ、浸漬槽の中央部分で浸漬させることが好ましい。これによって、水溶液に溶解しているチタンが基体表面付近で均等に存在し、基体の表面に一様なアルカリチタネート層を形成することができる。また、基体として多孔質材料を用いたときでも細孔内にチタン含有アルカリ水溶液が容易に進入するので、多孔質材料から成る基体の細孔内および基体表面に一様なアルカリチタネート層を形成することができる。基体として、表面が曲面を有していたり、表面に微細構造が施されるなど複雑な形状を有するものであっても、微細構造内にチタン含有アルカリ水溶液が容易に進入するので、複雑な形状を有する基体の表面に一様なアルカリチタネート層を形成することができる。

浸漬処理によって基体の表面に形成されるアルカリチタネート層は、アパタイト形成能を有しており、骨や歯根などの硬組織と親和性を有する皮膜である。生体内埋植時にアルカリチタネート層にアパタイトが形成され、硬組織と生体インプラント材料とが強固に結合する。

上記の条件でチタン含有アルカリ水溶液に浸漬してアルカリチタネート層が表面に形成された基体（以下では「皮膜形成基体」という）を、チタン含有アルカリ水溶液から引き上げ、洗浄後に自然乾燥させる。

以上のようにして得られた皮膜形成基体が、生体インプラント材料として製造される。なお、上記ではアルカリ水溶液にチタン材料を投入してチタン含有アルカリ水溶液を調製したのち、チタン含有アルカリ水溶液に基体を浸漬したが、これに限らず、アルカリ水溶液にチタン材料を投入するとともに、基体を浸漬するようにしてもよい。チタン材料を一定期間で連続または断続的にアルカリ水溶液に投入しながら、投入期間中に基体をアルカリ水溶液に浸漬させてもよく、予めアルカリ水溶液に基体を浸漬させた状態で、チタン材料を投入してもよい。チタン材料の投入と基体の浸漬とは、その順序が特に限定されるものではない。

図２は、本発明の第２実施形態である生体インプラント材料の製造方法の製造工程を示す工程図である。本実施形態の製造方法は、基体形成工程ａ１と、調製工程ａ２と、浸漬処理工程ａ３と、温水処理工程ａ４とを含む。

基体形成工程ａ１では、前述した第１実施形態における基体形成工程ｓ１と同様にして、非チタン系金属材料、セラミックス材料または高分子材料からなる基体が形成される。

調製工程ａ２では、前述した第１実施形態における調製工程ｓ２と同様にして、アルカリ水溶液に、溶解度を超える量のチタン材料を投入し、チタンを沈殿させたチタン含有アルカリ水溶液を調製する。

浸漬処理工程ａ３では、前述した第１実施形態における浸漬処理工程ｓ３と同様にして、得られたチタン含有アルカリ水溶液に基体を浸漬し、浸漬した基体表面にアルカリチタネート層を形成する。浸漬条件は、浸漬処理工程ｓ３と同じである。

温水処理工程ａ４で、自然乾燥した皮膜形成基体を、液温が３０〜８０℃の温水に、３〜３６時間浸漬する。温水処理工程ａ４において、皮膜形成基体を浸漬するための水は、たとえば蒸留水、脱イオン水、純水および超純水などを用いることができる。温水処理工程ａ４では、処理槽に貯留された水を所定の液温に調節し、皮膜形成基体の全体が温水内に浸かるように浸漬し、浸漬時間が所定時間経過した時点で処理槽から基体を引き上げる。

また、液温について、好ましくは３０℃以上３８℃以下であり、より好ましくは３０℃以上３５℃以下である。浸漬時間について、好ましくは６時間以上２４時間以下であり、より好ましくは１２時間以上２４時間以下である。

図３は、本発明の第３実施形態である生体インプラント材料の製造方法の製造工程を示す工程図である。本実施形態の製造方法は、基体形成工程ｂ１と、調製工程ｂ２と、浸漬処理工程ｂ３と、加熱処理工程ｂ４とを含む。

基体形成工程ｂ１では、前述した第１実施形態における基体形成工程ｓ１と同様にして、非チタン系金属材料またはセラミックス材料からなる基体が形成される。

調製工程ｂ２では、前述した第１実施形態における調製工程ｓ２と同様にして、アルカリ水溶液に、溶解度を超える量のチタン材料を投入し、チタンを沈殿させたチタン含有アルカリ水溶液を調製する。

浸漬処理工程ｂ３では、前述した第１実施形態における浸漬処理工程ｓ３と同様にして、得られたチタン含有アルカリ水溶液に基体を浸漬し、浸漬した基体表面にアルカリチタネート層を形成する。浸漬条件は、浸漬処理工程ｓ３と同じである。

加熱処理工程ｂ４では、浸漬処理工程ｂ３後に得られた皮膜形成基体を加熱する加熱処理が行われる。この加熱処理工程ｂ４においては、３００〜８００℃の温度で、０．５〜２４時間の範囲内の時間で加熱される。このように加熱処理が行われることで、アルカリチタネート層の一部が酸化チタンとなり、アルカリチタネートと酸化チタンとが混在する皮膜が得られる。

また、アルカリチタネート層は、その形成過程において基体表面に物理的および化学的に強固に結合しており、基体とアルカリチタネート層とは十分大きな結合力で固定されている。

さらに、本発明の他の実施形態として、基体形成工程ｓ１と、調製工程ｓ２と、浸漬処理工程ｓ３と同様に各工程を行い、浸漬処理工程ｓ３後に、温水処理工程ａ４と同様の温水処理工程を行い、温水処理工程後に、加熱処理工程ｂ４と同様の加熱処理工程を行ってもよい。温水処理によって、アルカリチタネート層が酸化チタン層となり、加熱処理によって酸化チタン層の厚みが増加して、皮膜の安定性が向上する。

（実施例Ａ）
基体材料として、非チタン系金属材料であるコバルト−クロム−モリブデン合金を用いて生体インプラント材料を製造して評価を行った。

＜基体形成工程＞
ＡＳＴＭ Ｆ７５規格に規定されるコバルト−クロム−モリブデン鋳造合金を切削加工により、直径３．０ｍｍ、長さ１０ｍｍの円柱状サンプル基体として形成した。

＜調製工程＞
５ＭのＮａＯＨ水溶液１００ｍＬあたりに０．２ｇのチタン粉末（株式会社大阪チタニウムテクノロジーズ製、ＴＩＬＯＰ-４５（体積平均粒子径２５μｍ））を投入して、チタンを沈殿させたチタン水溶液を調製した。

＜浸漬工程＞
ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）製ワイヤでサンプル基体を吊り下げ、チタンが沈殿した静置後のチタン水溶液に浸漬した。浸漬条件は、液温が８０℃であり、浸漬時間が２４時間であった。チタン水溶液から引き上げ、洗浄後に自然乾燥して実施例Ａ−１の生体インプラント材料を得た。

＜温水処理工程＞
浸漬工程後さらに、液温が８０℃の温水に、１２時間浸漬して温水処理を施したものを乾燥して実施例Ａ−２の生体インプラント材料を得た。

＜加熱処理工程＞
浸漬工程後さらに、６００℃の温度で、１．０時間の加熱処理を施して実施例Ａ−３の生体インプラント材料を得た。

また、温水処理後さらに、６００℃の温度で、１．０時間の加熱処理を施して実施例Ａ−４の生体インプラント材料を得た。

（比較例Ａ）
調製工程で、５ＭのＮａＯＨ水溶液１００ｍＬあたりに０．００５ｇのチタン粉末（株式会社大阪チタニウムテクノロジーズ製、ＴＩＬＯＰ-４５（体積平均粒子径２５μｍ））を投入し、その上澄みをチタン水溶液として調製したこと以外は、実施例Ａ−１と同様にして比較例Ａの生体インプラント材料を得た。

［チタン酸ナトリウムの形成］
基体表面に皮膜としてのチタン酸ナトリウム層が形成されてことを、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真による観察および、エネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＳ分析）によって確認した。

［アパタイト形成能力の確認］
得られた生体インプラント材料を、ヒトの体液とほぼ等しい無機イオン濃度を有する擬似体液に４日間浸漬し、アパタイト形成の有無を確認した。擬似体液としては、各イオン濃度がＫ^＋：５．０［ｍＭ］、Ｎａ^＋：１４２［ｍＭ］、Ｍｇ^２＋：１．５［ｍＭ］、Ｃａ^２＋：２．５［ｍＭ］、Ｃｌ⁻：１４８［ｍＭ］、ＨＣＯ^３−：４．２［ｍＭ］、ＨＰＯ^２−：１．０［ｍＭ］、ＳＯ_４ ^２−：０．５［ｍＭ］の組成を有し、トリス−ヒドロキシメチル−アミノメタンおよび塩酸にて３７℃のｐＨ＝７．４に調製したものを用いた。

アパタイト形成の有無は、チタン酸ナトリウムと同様に、ＳＥＭ写真およびＥＤＳ分析によって確認した。

図４は、実施例Ａ−１の表面（円柱外周面）を示すＳＥＭ写真であり、図５は、実施例Ａ−１のＥＤＳ分析結果を示すスペクトル図である。図４（ａ）は、サンプル基体表面（円柱外周面）のＳＥＭ写真を示し、図５（ａ）は、サンプル基体表面（円柱外周面）のＥＤＳ分析スペクトル図を示す。サンプル基体表面には、サンプル形状に切り出した際の切削加工痕が見られ、ＥＤＳ分析では、コバルト（Ｃｏ）を示すピーク、クロム（Ｃｒ）を示すピーク、モリブデン（Ｍｏ）を示すピークが確認できた。

図４（ｂ）は、実施例Ａ−１表面（円柱外周面）のＳＥＭ写真を示し、図５（ｂ）は、実施例Ａ−１表面（円柱外周面）のＥＤＳ分析スペクトル図を示す。実施例Ａ−１の生体インプラント材料表面には、形成されたチタン酸ナトリウムが見られ、ＥＤＳ分析では、チタン酸ナトリウムの形成を示すピークとして、チタン（Ｔｉ）を示すピーク、ナトリウム（Ｎａ）を示すピークが確認できた。

図４（ｃ）は、擬似体液浸漬後の実施例Ａ−１表面（円柱外周面）のＳＥＭ写真を示し、図５（ｃ）は、擬似体液浸漬後の実施例Ａ−１表面（円柱外周面）のＥＤＳ分析スペクトル図を示す。疑似体液浸漬後の実施例Ａ−１の生体インプラント材料表面には、形成されたアパタイトが見られ、ＥＤＳ分析では、アパタイト（リン酸カルシウム）を示すピークとして、リン（Ｐ）を示すピーク、カルシウム（Ｃａ）を示すピークが確認できた。

以上のように、浸漬工程後に得られた実施例Ａ−１の生体インプラント材料は、基体表面にアルカリチタネート層として、チタン酸ナトリウム層が形成され、擬似体液への浸漬によってアパタイトの形成能力を有することが確認できた。

図６は、比較例Ａの表面（円柱外周面）を示すＳＥＭ写真であり、図７は、比較例Ａの表面（円柱外周面）および擬似体液浸漬後の比較例Ａの表面（円柱外周面）のＥＤＳ分析結果を示すスペクトル図である。図６（ａ）は、サンプル基体表面（円柱外周面）のＳＥＭ写真を示す。サンプル基体表面（円柱外周面）には、サンプル形状に切り出した際の切削加工痕が見られた。

図６（ｂ）は、比較例Ａ表面（円柱外周面）および擬似体液浸漬後の比較例Ａ表面（円柱外周面）のＳＥＭ写真を示す。比較例Ａの生体インプラント材料表面には、チタン酸ナトリウムの形成が見られず、ＥＤＳ分析でも、コバルト（Ｃｏ）を示すピーク、クロム（Ｃｒ）を示すピーク、モリブデン（Ｍｏ）を示すピークが確認されただけで、チタン（Ｔｉ）を示すピーク、ナトリウム（Ｎａ）を示すピークは確認できなかった。

比較例Ａでは、基体を浸漬したチタン水溶液がチタン水溶液の上澄み液であり、チタンが沈殿した状態で浸漬していないことから、基体表面にチタン酸ナトリウムが形成されなかったものと考えられる。チタン酸ナトリウムが形成されていないので、当然コバルト−クロム−モリブデン合金の表面にアパタイトが形成されることはない。

比較例Ａでは、チタン酸ナトリウムが形成されない理由として、沈殿しているチタンを除去したからであると考えられる。上澄みのチタン水溶液は、最初はチタン飽和水溶液ではあるが、基体の表面の一部にわずかにアルカリチタネート層が形成されると、水溶液中のチタンが消費され、チタン水溶液は不飽和水溶液となる。不飽和水溶液になると、基体の表面でのチタン酸ナトリウムの形成が止まるものと考えられる。すなわち、本発明では、不溶のチタンを沈殿させるなどして、基体を浸漬している間は、常にチタン水溶液が飽和水溶液の状態を保つことが重要である。

図８は、擬似体液浸漬後の実施例Ａ−２〜Ａ−４の表面（円柱外周面）のＳＥＭ写真である。図８（ａ）は、擬似体液浸漬後の実施例Ａ−２の表面（円柱外周面）のＳＥＭ写真を示し、図８（ｂ）は、擬似体液浸漬後の実施例Ａ−３の表面（円柱外周面）のＳＥＭ写真を示し、図８（ｃ）は、擬似体液浸漬後の実施例Ａ−４の表面（円柱外周面）のＳＥＭ写真を示す。

以上のように、温水処理を施した実施例Ａ−２、加熱処理を施した実施例Ａ−３、温水処理および加熱処理を施した実施例Ａ−４のいずれにおいても、形成されたアパタイトが確認できた。

（実施例Ｂ）
基体材料として、セラミックス材料であるジルコニアを用いて生体インプラント材料を製造して評価を行った。

＜基体形成工程＞
ジルコニア（正方晶ジルコニア多結晶体）を用いて、直径３．０ｍｍ、長さ１０ｍｍの円柱状サンプル基体を形成した。
調製工程は、実施例Ａと同様にした。

＜浸漬工程＞
ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）製ワイヤでサンプル基体を吊り下げ、チタンが沈殿した静置後のチタン水溶液に浸漬した。浸漬条件は、液温が８０℃であり、浸漬時間が２４時間であった。チタン水溶液から引き上げ、洗浄後に自然乾燥して実施例Ｂ−１の生体インプラント材料を得た。

図９は、実施例Ｂ−１の表面（円柱外周面）を示すＳＥＭ写真であり、図１０は、実施例Ｂ−１のＥＤＳ分析結果を示すスペクトル図である。実施例Ｂ−１の生体インプラント材料表面（円柱外周面）には、形成されたチタン酸ナトリウムが見られ、ＥＤＳ分析では、チタン酸ナトリウムの形成を示すピークとして、チタン（Ｔｉ）を示すピークが確認できた。

以上のように、浸漬工程後に得られた実施例Ｂ−１の生体インプラント材料は、基体表面にアルカリチタネート層として、チタン酸ナトリウム層が形成されたことが確認できた。チタン酸ナトリウムが形成されているので、実施例Ｂ−１も擬似体液への浸漬によってアパタイトの形成能力を有する。

（比較例Ｂ）
調製工程で、５ＭのＮａＯＨ水溶液１００ｍＬあたりに０．００５ｇのチタン粉末（株式会社大阪チタニウムテクノロジーズ製、ＴＩＬＯＰ-４５（体積平均粒子径２５μｍ））を投入し、その上澄みをチタン水溶液として調製したこと以外は、実施例Ｂ−１と同様にして比較例Ｂの生体インプラント材料を得た。

比較例Ｂでは、比較例Ａと同様に、基体を浸漬したチタン水溶液がチタン水溶液の上澄み液であり、チタンが沈殿した状態で浸漬していないことから、基体表面にチタン酸ナトリウムが形成されなかったものと考えられる。チタン酸ナトリウムが形成されていないので、ジルコニアの表面にアパタイトが形成されることはない。

（実施例Ｃ）
基体材料として、高分子材料であるＰＥＥＫを用いて生体インプラント材料を製造して評価を行った。

＜基体形成工程＞
ＰＥＥＫ材料（ＶＩＣＴＲＥＸ社製、ＶＩＣＴＲＥＸ ＰＥＥＫ ４５０Ｇ）を成型して、直径３．０ｍｍ、長さ６ｍｍの円柱状サンプル基体を形成した。
調製工程は、実施例Ａと同様にした。

＜浸漬工程＞
ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）製ワイヤでサンプル基体を吊り下げ、チタンが沈殿した静置後のチタン水溶液に浸漬した。浸漬条件は、液温が８０℃であり、浸漬時間が２４時間であった。チタン水溶液から引き上げ、洗浄後に自然乾燥して実施例Ｃ−１の生体インプラント材料を得た。

図１１は、実施例Ｃ−１の表面（円柱外周面）を示すＳＥＭ写真であり、図１２は、実施例Ｃ−１のＥＤＳ分析結果を示すスペクトル図である。図１１（ａ）は、サンプル基体表面（円柱外周面）のＳＥＭ写真を示し、図１２（ａ）は、サンプル基体表面（円柱外周面）のＥＤＳ分析スペクトル図を示す。ＥＤＳ分析によって、サンプル基体は、炭素（Ｃ）を示すピーク、酸素（Ｏ）を示すピークが確認できた。

図１１（ｂ）は、実施例Ｃ−１表面（円柱外周面）のＳＥＭ写真を示し、図１２（ｂ）は、実施例Ｃ−１表面（円柱外周面）のＥＤＳ分析スペクトル図を示す。実施例Ｃ−１の生体インプラント材料表面には、形成されたチタン酸ナトリウムが見られ、ＥＤＳ分析では、チタン酸ナトリウムの形成を示すピークとして、チタン（Ｔｉ）を示すピーク、ナトリウム（Ｎａ）を示すピークが確認できた。

図１１（ｃ）は、擬似体液浸漬後の実施例Ｃ−１表面（円柱外周面）のＳＥＭ写真を示し、図１２（ｃ）は、擬似体液浸漬後の実施例Ｃ−１表面（円柱外周面）のＥＤＳ分析スペクトル図を示す。疑似体液浸漬後の実施例Ｃ−１の生体インプラント材料表面には、形成されたアパタイトが見られ、ＥＤＳ分析では、アパタイト（リン酸カルシウム）を示すピークとして、リン（Ｐ）を示すピーク、カルシウム（Ｃａ）を示すピークが確認できた。

以上のように、浸漬工程後に得られた実施例Ｃ−１の生体インプラント材料は、基体表面にアルカリチタネート層として、チタン酸ナトリウム層が形成され、擬似体液への浸漬によってアパタイトの形成能力を有することが確認できた。

（比較例Ｃ）
調製工程で、５ＭのＮａＯＨ水溶液１００ｍＬあたりに０．００５ｇのチタン粉末（株式会社大阪チタニウムテクノロジーズ製、ＴＩＬＯＰ-４５（体積平均粒子径２５μｍ））を投入し、その上澄みをチタン水溶液として調製したこと以外は、実施例Ｃ−１と同様にして比較例Ｃの生体インプラント材料を得た。

比較例Ｃでは、比較例Ａ、Ｂと同様に、基体を浸漬したチタン水溶液がチタン水溶液の上澄み液であり、チタンが沈殿した状態で浸漬していないことから、基体表面にチタン酸ナトリウムが形成されなかったものと考えられる。チタン酸ナトリウムが形成されていないので、ＰＥＥＫの表面にアパタイトが形成されることはない。

（実施例Ｄ）
基体材料として、コバルト−クロム−モリブデン合金からなる多孔体を用いて生体インプラント材料を製造して評価を行った。

＜基体形成工程＞
電子ビーム積層法（EBM法）によりコバルト−クロム−モリブデン合金の多孔体を作製した。気孔率６０％、気孔径５００μｍの多孔体（１ｃｍ×１ｃｍ×１ｃｍ）の３次元ＣＡＤデータから作成したスライスデータをもとに電子ビームをコバルト−クロム−モリブデン金属粉末に照射、走査し、その熱エネルギーにより金属粉末を溶融させる。そして、これらを繰り返して積層していくことで気孔率６０パーセント、気孔径５００μｍのコバルト−クロム−モリブデン合金からなる多孔体を作製した。
調製工程は、実施例Ａと同様にした。

＜浸漬工程＞
ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）製ワイヤでサンプル基体を吊り下げ、チタンが沈殿した静置後のチタン水溶液に浸漬した。浸漬条件は、液温が８０℃であり、浸漬時間が２４時間であった。チタン水溶液から引き上げ、洗浄後に自然乾燥して実施例Ｄの生体インプラント材料を得た。

以上のようにして浸漬工程後に得られた実施例Ｄの生体インプラント材料を切断し、細孔内表面を含む多孔体内面を分析した。その結果、多孔体内面にアルカリチタネート層として、チタン酸ナトリウム層の形成が確認されたので、実施例Ｄもアパタイトの形成能力を有することがわかった。

Claims (7)

1. アルカリ水溶液に対して、溶解度を超える量のチタン材料の投入と、非チタン系金属材料、セラミックス材料または高分子材料からなる基体の浸漬とを行い、基体表面にチタン酸アルカリ金属塩層または酸化チタン層の少なくともいずれか一方を形成することを特徴とする生体インプラント材料の製造方法。
2. アルカリ水溶液に、溶解度を超える量のチタン材料を投入し、前記チタン材料が存在するチタン含有アルカリ水溶液を調製する調製工程と、
   前記調製工程で調製したチタン含有アルカリ水溶液に、非チタン系金属材料、セラミックス材料または高分子材料からなる基体を浸漬し、基体表面にチタン酸アルカリ金属塩層または酸化チタン層の少なくともいずれか一方を形成する浸漬工程と、を有することを特徴とする生体インプラント材料の製造方法。
3. 前記チタン材料は、チタン微粒子であることを特徴とする請求項１または２記載の生体インプラント材料の製造方法。
4. 前記チタン微粒子は、平均粒子径が０．１〜１００μｍであることを特徴とする請求項３記載の生体インプラント材料の製造方法。
5. 非チタン系金属材料、セラミックス材料または高分子材料からなり、曲面を含む表面を有する基体と、
   前記基体の表面に形成されるチタン酸アルカリ金属塩層または酸化チタン層の少なくともいずれか一方と、を備えることを特徴とする生体インプラント材料。
6. 非チタン系金属材料の多孔体、セラミックス材料の多孔体または高分子材料の多孔体からなる基体と、
   前記基体の表面に形成されるチタン酸アルカリ金属塩層または酸化チタン層の少なくともいずれか一方と、を備え、
   前記チタン酸アルカリ金属塩層または酸化チタン層の少なくともいずれか一方は、前記多孔体の細孔内にも形成されることを特徴とする生体インプラント材料。
7. 非チタン系金属材料、セラミックス材料または高分子材料からなる基体を浸漬することで、基体表面にチタン酸アルカリ金属塩層を形成するためのチタン含有アルカリ水溶液であって、
   アルカリ水溶液に、溶解度を超える量のチタン材料を投入し、チタンを沈殿させたチタン含有アルカリ水溶液。