JP2019154598A - Biocompatible member - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は生体適合部材に関する。 The present invention relates to a biocompatible member.
生体に埋入可能な生体適合部材の開発が行われている。
例えば、特許文献1には、次の生体適合部材が開示されている。すなわち、チタン基材の表面に、水熱処理を用いてCaTiO3からなる中間層を形成し、さらにその上にハイドロキシアパタイト結晶を析出した生体適合部材が開示されている。この生体適合部材では、CaTiO3からなる中間層により、チタン基材とハイドロキシアパタイト層は強固に密着している。この生体適合部材は、ハイドロキシアパタイト層によって生体骨と化学的に結合する。
また、特許文献2には、次の生体適合部材が開示されている。すなわち、チタン基材またはチタン合金基材(以下、「チタン基材等」ともいう)の表面に、β−TCPおよびハイドロキシアパタイトを10μm以下の厚さで被覆した生体適合部材が開示されている。この生体適合部材では、チタン基材等の表面粗さRaを1.5μm以上とする、またはRzを10μm以上とすることが好ましい旨が記載されている。
Development of biocompatible members that can be implanted in a living body is underway.
For example, Patent Document 1 discloses the following biocompatible member. That is, a biocompatible member is disclosed in which an intermediate layer made of CaTiO 3 is formed on the surface of a titanium base material using hydrothermal treatment, and hydroxyapatite crystals are further deposited thereon. In this biocompatible member, the titanium base material and the hydroxyapatite layer are firmly adhered to each other by the intermediate layer made of CaTiO 3 . This biocompatible member is chemically bonded to living bone by a hydroxyapatite layer.
Patent Document 2 discloses the following biocompatible member. That is, a biocompatible member in which the surface of a titanium base material or a titanium alloy base material (hereinafter also referred to as “titanium base material”) is coated with β-TCP and hydroxyapatite with a thickness of 10 μm or less is disclosed. In this biocompatible member, it is described that the surface roughness Ra of the titanium base material or the like is preferably 1.5 μm or more, or Rz is preferably 10 μm or more.
しかし、特許文献1や、特許文献2の生体適合部材では、チタン基材等に対するハイドロキシアパタイトの密着性は必ずしも良好でなかった。このため、密着性の更なる向上が望まれていた。
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、チタン基材等の金属基材に対するハイドロキシアパタイトの密着性を高めた生体適合部材を提供することを目的とする。本発明は、以下の形態として実現することが可能である。
However, in the biocompatible members of Patent Document 1 and Patent Document 2, the adhesion of hydroxyapatite to a titanium substrate or the like was not always good. For this reason, the further improvement of adhesiveness was desired.
This invention is made | formed in view of the said situation, and it aims at providing the biocompatible member which improved the adhesiveness of the hydroxyapatite with respect to metal base materials, such as a titanium base material. The present invention can be realized as the following forms.
〔1〕
金属基材と、前記金属基材の上に直接または間接的に被覆されたハイドロキシアパタイト層と、を備えた生体適合部材であって、
前記金属基材における前記ハイドロキシアパタイト層が被覆されている面は、算術平均高さSaが0.2μm以上1.0μm以下であり、かつ表面性状アスペクト比Strが0.2以上1.0以下であることを特徴とする生体適合部材。
[1]
A biocompatible member comprising a metal substrate and a hydroxyapatite layer coated directly or indirectly on the metal substrate,
The surface of the metal substrate on which the hydroxyapatite layer is coated has an arithmetic average height Sa of 0.2 μm to 1.0 μm and a surface texture aspect ratio Str of 0.2 to 1.0. A biocompatible member characterized by being.
〔2〕
前記金属基材の材質は、チタンまたはチタン合金であることを特徴とする〔1〕に記載の生体適合部材。
[2]
The biocompatible member according to [1], wherein the metal base material is titanium or a titanium alloy.
〔3〕
前記ハイドロキシアパタイト層が、六方晶のハイドロキシアパタイト結晶集合体を含むことを特徴とする〔1〕又は〔2〕に記載の生体適合部材。
[3]
The biocompatible member according to [1] or [2], wherein the hydroxyapatite layer includes a hexagonal hydroxyapatite crystal aggregate.
本発明の生体適合部材は、金属基材に対するハイドロキシアパタイト層の密着性が高い。
金属基材がチタンまたはチタン合金である場合には、生体適合性が高くなる。
ハイドロキシアパタイト層が六方晶のハイドロキシアパタイト結晶集合体を含む場合には、生体内安定性が高くなる。
The biocompatible member of the present invention has high adhesion of the hydroxyapatite layer to the metal substrate.
When the metal substrate is titanium or a titanium alloy, biocompatibility is increased.
When the hydroxyapatite layer contains a hexagonal hydroxyapatite crystal aggregate, in vivo stability is enhanced.
以下、本発明を詳しく説明する。なお、本明細書において、数値範囲について「〜」を用いた記載では、特に断りがない限り、下限値及び上限値を含むものとする。例えば、「10〜20」という記載では、下限値である「10」、上限値である「20」のいずれも含むものとする。すなわち、「10〜20」は、「10以上20以下」と同じ意味である。 The present invention will be described in detail below. In addition, in this specification, in the description using "-" about a numerical range, unless there is particular notice, a lower limit and an upper limit shall be included. For example, the description “10 to 20” includes both “10” as the lower limit and “20” as the upper limit. That is, “10 to 20” has the same meaning as “10 to 20”.
1.生体適合部材
本実施形態の生体適合部材1は、図1又は図2に示すように、金属基材3と、金属基材3の上に直接または間接的に被覆されたハイドロキシアパタイト層5と、を備える。ここで、間接的な被覆とは、金属基材3とハイドロキシアパタイト層5の間に中間層6を備える被覆を意味する(図2参照)。そして、金属基材3におけるハイドロキシアパタイト層5が被覆されている被覆面7は、算術平均高さSaが0.2μm以上1.0μm以下であり、かつ表面性状アスペクト比Strが0.2以上1.0以下であることを特徴とする。なお、本発明者らが知る限りでは、上記要件を満たす生体適合部材は存在しなかった。
1. Biocompatible member As shown in FIG. 1 or FIG. 2, the biocompatible member 1 of the present embodiment includes a metal base 3, a hydroxyapatite layer 5 directly or indirectly coated on the metal base 3, and Is provided. Here, indirect coating means the coating | cover provided with the intermediate | middle layer 6 between the metal base material 3 and the hydroxyapatite layer 5 (refer FIG. 2). The coated surface 7 of the metal substrate 3 covered with the hydroxyapatite layer 5 has an arithmetic average height Sa of 0.2 μm or more and 1.0 μm or less, and a surface texture aspect ratio Str of 0.2 or more and 1 0.0 or less. In addition, as far as the present inventors know, there was no biocompatible member that satisfies the above requirements.
(1)金属基材
金属基材3の材質は、特に限定されないが、高い生体適合性を確保するという観点から、チタンまたはチタン合金であることが好ましい。
チタンは、特に限定されないが、純チタンJIS 1〜4種が例示される。
チタン合金は、特に限定されないが、Nb(ニオブ)、Ta(タンタル)、W(タングステン)、Zr(ジルコニウム)、P(リン)、Au(金)、Ca(カルシウム)、Ag(銀)、Pt(白金)、Al(アルミニウム)、V(バナジウム)、Si(ケイ素)、B(ホウ素)、N(窒素)、C(炭素)、Pd(パラジウム)、Y(イットリウム)、Hf(ハフニウム)、Ir(イリジウム)、Mo(モリブデン)、Fe(鉄)、Mg(マグネシウム)、Na(ナトリウム)、及びK(カリウム)からなる群より選ばれた1種以上の元素と、残部がTi(チタン)及び不可避不純物であるチタン合金が例示される。
金属基材の大きさ、厚み、形状等は、生体適合部材の用途等により適宜選定される。
(1) Metal base material Although the material of the metal base material 3 is not specifically limited, From a viewpoint of ensuring high biocompatibility, it is preferable that it is titanium or a titanium alloy.
Although titanium is not specifically limited, Pure titanium JIS 1-4 types are illustrated.
The titanium alloy is not particularly limited, but Nb (niobium), Ta (tantalum), W (tungsten), Zr (zirconium), P (phosphorus), Au (gold), Ca (calcium), Ag (silver), Pt (Platinum), Al (aluminum), V (vanadium), Si (silicon), B (boron), N (nitrogen), C (carbon), Pd (palladium), Y (yttrium), Hf (hafnium), Ir (Iridium), Mo (molybdenum), Fe (iron), Mg (magnesium), Na (sodium), and one or more elements selected from the group consisting of K (potassium), with the balance being Ti (titanium) and The titanium alloy which is an unavoidable impurity is illustrated.
The size, thickness, shape, etc. of the metal substrate are appropriately selected depending on the use of the biocompatible member.
(2)中間層
中間層6は、金属基材3とハイドロキシアパタイト層5の間に形成される層である。中間層の材質は、金属基材3とハイドロキシアパタイト層5を化学的に結合させ、密着力を向上させるという観点から、CaTiO3であることが望ましい。
(2) Intermediate layer The intermediate layer 6 is a layer formed between the metal substrate 3 and the hydroxyapatite layer 5. The material of the intermediate layer is preferably CaTiO 3 from the viewpoint of chemically bonding the metal substrate 3 and the hydroxyapatite layer 5 and improving the adhesion.
(3)ハイドロキシアパタイト層
ハイドロキシアパタイト層5は、ハイドロキシアパタイト(ヒドロキシアパタイト、Ca10(PO4)6(OH)2、HAp)から構成されている。ハイドロキシアパタイトは、人間の骨、歯の主要構成物質である。ハイドロキシアパタイトは、生体親和性が高く、人工骨、人工歯根等のインプラント素材として幅広く用いられている。
ハイドロキシアパタイトの形状は、六角柱状、針状、板状、球状のいずれであってもよい。生体内安定性をより高くするという観点から、ハイドロキシアパタイト層5が六方晶のハイドロキシアパタイト結晶集合体を含むことが好ましい。六方晶のハイドロキシアパタイト結晶集合体を含む場合には、結晶性が高く、生体内ですぐに溶解されず安定である。よって、この場合は、良好な骨固定特性を確保できると推測される。
(3) Hydroxyapatite layer The hydroxyapatite layer 5 is composed of hydroxyapatite (hydroxyapatite, Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 , HAp). Hydroxyapatite is the main constituent of human bones and teeth. Hydroxyapatite has high biocompatibility and is widely used as an implant material for artificial bones, artificial tooth roots, and the like.
The shape of hydroxyapatite may be any of hexagonal columnar shape, needle shape, plate shape, and spherical shape. From the viewpoint of increasing the in vivo stability, it is preferable that the hydroxyapatite layer 5 includes a hexagonal hydroxyapatite crystal aggregate. When a hexagonal hydroxyapatite crystal aggregate is included, the crystallinity is high, and it is stable without being immediately dissolved in a living body. Therefore, in this case, it is estimated that good bone fixation characteristics can be secured.
(4)金属基材の表面粗さ
金属基材3におけるハイドロキシアパタイト層5が被覆されている被覆面7は、算術平均高さSaが0.2μm以上1.0μm以下であり、かつ表面性状のアスペクト比Strが0.2以上1.0以下である。表面性状のアスペクト比Strとは、表面性状の等方性・異方性を表す。0に近いほど表面に筋目などがあり、1.0に近いほど表面が方向に依存しない、換言すれば方向性がないことを示す。このため、Strの値から表面性状を定量的に確認することが出来る。
Sa、Strは、いずれもISO25178に従って測定される値である。Sa、Strをこれらの範囲内とすると、被覆面7における粗化が等方的となり、金属基材3に対するハイドロキシアパタイト層5のアンカリングが均質となり、両者の密着性が向上する。Saが1.0μmよりも大きい場合、金属強度の低下を及ぼすことから、1.0μm以下であることが好ましい。Saが1.0μm以下であっても、Strを範囲内にすることで密着性を確保することが出来る。
算術平均高さSaは、好ましくは0.2μm以上0.85μm以下であり、より好ましくは0.2μm以上0.7μm以下である。
表面性状のアスペクト比Strは、好ましくは0.4以上1.0以下であり、より好ましくは0.6以上1.0以下である。
なお、ハイドロキシアパタイト層5が被覆された金属基材3のSa、Strの測定は以下の手順で行う。
ハイドロキシアパタイト層5が被覆された金属基材3のハイドロキシアパタイト層5上に接着剤(SOLVAY社製FM1000 ADHESIVE FILM)を塗布し、引張試験用治具を接着する。176℃3時間にて接着剤を硬化させた後、ASTM F 1147−05:2011に準拠して引張試験を実施する。引張試験実施後、ハイドロキシアパタイト層及び中間層が剥離され、金属基材が露出した箇所について、ISO25178に従ってSa、Strの測定を行う。
(4) Surface roughness of metal substrate The coated surface 7 of the metal substrate 3 on which the hydroxyapatite layer 5 is coated has an arithmetic average height Sa of 0.2 μm or more and 1.0 μm or less, and has a surface property. The aspect ratio Str is 0.2 or more and 1.0 or less. The aspect ratio Str of the surface property represents the isotropic / anisotropy of the surface property. The closer to 0, the streaks are on the surface, and the closer to 1.0, the surface is independent of direction, in other words, there is no directionality. For this reason, the surface property can be quantitatively confirmed from the value of Str.
Sa and Str are both values measured according to ISO25178. When Sa and Str are within these ranges, the roughening on the coated surface 7 is isotropic, the anchoring of the hydroxyapatite layer 5 to the metal substrate 3 becomes homogeneous, and the adhesion between them is improved. When Sa is larger than 1.0 μm, the metal strength is lowered, so that it is preferably 1.0 μm or less. Even when Sa is 1.0 μm or less, the adhesiveness can be secured by setting Str within the range.
The arithmetic average height Sa is preferably 0.2 μm or more and 0.85 μm or less, and more preferably 0.2 μm or more and 0.7 μm or less.
The aspect ratio Str of the surface property is preferably 0.4 or more and 1.0 or less, and more preferably 0.6 or more and 1.0 or less.
In addition, the measurement of Sa of the metal base material 3 with which the hydroxyapatite layer 5 was coat | covered is performed in the following procedures.
An adhesive (FM1000 ADHESIVE FILM manufactured by Solvay) is applied on the hydroxyapatite layer 5 of the metal substrate 3 coated with the hydroxyapatite layer 5, and a tensile test jig is adhered. After the adhesive is cured at 176 ° C. for 3 hours, a tensile test is performed in accordance with ASTM F 1147-05: 2011. After the tensile test is performed, Sa and Str are measured according to ISO25178 at locations where the hydroxyapatite layer and the intermediate layer are peeled off and the metal substrate is exposed.
2.生体適合部材の製造方法
生体適合部材1の製造方法は、特に限定されない。例えば、溶射などにより、金属基材3の表面にハイドロキシアパタイト層5を形成してもよい。ここでは、生体適合部材1の製造方法の好適な一例を挙げて説明する。この例では、金属基材3の表面を粗化処理し、その後、ハイドロキシアパタイト層5を形成している。
(1)金属基材の表面の粗化処理
粗化処理は、最終的に金属基材3の被覆面7の、算術平均高さSaが0.2μm以上1.0μm以下であり、かつ表面性状アスペクト比Strが0.2以上1.0以下となるように処理することができるのであれば、特に限定されるものではない。例えば、ブラスト処理、エッチング等が挙げられ、これらを単独または2つ以上組み合わせることもできる。
ブラスト処理としては、例えば、サンドブラスト処理、ウエットブラスト処理等が挙げられる。操作が簡便であるという観点からサンドブラスト処理を好適な一例として挙げることができる。サンドブラスト処理に用いる研磨材の種類や粒径は、特に制限されない。
研磨材としては、例えば、アルミナ、硅砂、金剛砂、ガラス、炭化ケイ素、酸化チタン、ジルコニア、ダイヤモンド等を好適に使用できる。
2. Manufacturing method of biocompatible member The manufacturing method of the biocompatible member 1 is not specifically limited. For example, the hydroxyapatite layer 5 may be formed on the surface of the metal substrate 3 by thermal spraying or the like. Here, a preferred example of the method for manufacturing the biocompatible member 1 will be described. In this example, the surface of the metal substrate 3 is roughened, and then the hydroxyapatite layer 5 is formed.
(1) Roughening treatment of the surface of the metal base material In the roughening treatment, the arithmetic average height Sa of the coated surface 7 of the metal base material 3 is finally 0.2 μm or more and 1.0 μm or less, and the surface properties If it can process so that aspect ratio Str may be 0.2 or more and 1.0 or less, it will not specifically limit. For example, blasting, etching and the like can be mentioned, and these can be used alone or in combination of two or more.
Examples of the blasting include sand blasting and wet blasting. From the viewpoint that the operation is simple, sandblasting can be mentioned as a suitable example. The type and particle size of the abrasive used for the sandblast treatment are not particularly limited.
As the abrasive, for example, alumina, cinnabar sand, gold sand, glass, silicon carbide, titanium oxide, zirconia, diamond and the like can be suitably used.
エッチングは、算術平均高さSa及び表面性状アスペクト比Strが上述の範囲内になるように処理することができるのであれば、処理液の種類、処理条件は特に限定されない。
ここで、エッチングの好適な例を説明する。エッチングの第1態様では、下記組成の処理液Aを用いることができる。金属基材3の表面のアルカリ脱脂、水洗、エッチング、水洗、乾燥を順に行う手順が好適な処理手順である。なお、処理液Aの場合には、処理時間は特に限定されないが、好ましくは10〜30秒であり、より好ましくは15〜25秒であり、更に好ましくは18〜22秒である。
<処理液Aの組成>(なお、下記組成は、重量基準である。下記の成分を必須の成分と含んでいればよく、他の成分を含んでいても構わない。処理液Aは、水溶液である。)
硝酸:55〜60%
フッ化水素:13.0〜14.0%
一水素二フッ化アンモニウム:1.0〜1.4%
エッチングの第2態様では、下記組成の処理液Bを用いることができる。金属基材3の表面の脱脂、エッチング、水洗、酸洗、水洗、乾燥を順に行う手順が好適な処理手順である。なお、処理液Bの場合には、処理時間は特に限定されないが、好ましくは70〜170秒であり、より好ましくは90〜150秒であり、更に好ましくは110〜130秒である。
<処理液Bの組成>(なお、下記組成は、重量基準である。下記の成分を必須の成分と含んでいればよく、他の成分を含んでいても構わない。処理液Bは、水溶液である。)
過酸化水素:18〜22%
一水素二フッ化アンモニウム:8〜12%
硫酸:5%未満
As long as the etching can be performed so that the arithmetic average height Sa and the surface texture aspect ratio Str are within the above-described ranges, the type of the treatment liquid and the treatment conditions are not particularly limited.
Here, a suitable example of etching will be described. In the first aspect of etching, a treatment liquid A having the following composition can be used. A procedure for performing alkali degreasing, washing with water, etching, washing with water, and drying in this order on the surface of the metal substrate 3 is a suitable treatment procedure. In the case of the treatment liquid A, the treatment time is not particularly limited, but is preferably 10 to 30 seconds, more preferably 15 to 25 seconds, and further preferably 18 to 22 seconds.
<Composition of Treatment Solution A> (The following composition is based on weight. The following component may be contained as an essential component, and may contain other components. Treatment Solution A is an aqueous solution. .)
Nitric acid: 55-60%
Hydrogen fluoride: 13.0 to 14.0%
Ammonium monofluoride: 1.0-1.4%
In the second aspect of etching, a treatment liquid B having the following composition can be used. A procedure in which the surface of the metal base 3 is degreased, etched, washed with water, pickled, washed with water, and dried in this order is a suitable processing procedure. In the case of the treatment liquid B, the treatment time is not particularly limited, but is preferably 70 to 170 seconds, more preferably 90 to 150 seconds, and further preferably 110 to 130 seconds.
<Composition of Processing Solution B> (The following composition is based on weight. The following component may be included as an essential component, and other components may be included. Processing Solution B is an aqueous solution. .)
Hydrogen peroxide: 18-22%
Ammonium monofluoride: 8-12%
Sulfuric acid: less than 5%
(2)ハイドロキシアパタイト層の形成
ハイドロキシアパタイト層5の形成には公知の方法を採用することができる。
ハイドロキシアパタイト層5の形成に用いる合成溶液は、高結晶性の六方晶ハイドロキシアパタイトを生成するという観点から、カルシウムイオン、水酸化物イオン、有機リン酸エステル、キレート剤、水を含有していることが好ましい。
カルシウムイオン源としては、特には限定されないが、例えば、硝酸カルシウム、水酸化カルシウム、炭酸カルシウム、酢酸カルシウム、ハロゲン化カルシウム、酸化カルシウム、及びリン酸カルシウムからなる群より選ばれる少なくとも1種を好適に用いることができる。
水酸化物イオン源としては、特には限定されないが、例えば、水酸化カリウム、水酸化アンモニウム、水酸化カルシウム、水酸化ナトリウム等の水酸化物含有化合物、アンモニア、酸化カルシウム等の水溶液中で水酸化物イオンを生成させる化合物から選ばれる少なくとも1種を好適に用いることができる。
有機リン酸エステルとしては、特には限定されないが、例えば、リン酸トリエチル、リン酸トリメチル、リン酸トリブチル、及びリン酸トリフェニルからなる群より選ばれる少なくとも1種を好適に用いることができる。
キレート剤は、特には限定されないが、例えば、EDTA(エチレンジアミン四酢酸)を好適に用いることができる。
(2) Formation of Hydroxyapatite Layer A known method can be employed to form the hydroxyapatite layer 5.
The synthetic solution used for forming the hydroxyapatite layer 5 contains calcium ions, hydroxide ions, organic phosphate esters, chelating agents, and water from the viewpoint of producing highly crystalline hexagonal hydroxyapatite. Is preferred.
The calcium ion source is not particularly limited. For example, at least one selected from the group consisting of calcium nitrate, calcium hydroxide, calcium carbonate, calcium acetate, calcium halide, calcium oxide, and calcium phosphate is preferably used. Can do.
The hydroxide ion source is not particularly limited. For example, the hydroxide ion source is a hydroxide-containing compound such as potassium hydroxide, ammonium hydroxide, calcium hydroxide or sodium hydroxide, or in an aqueous solution such as ammonia or calcium oxide. At least one selected from compounds that generate physical ions can be suitably used.
The organic phosphate ester is not particularly limited, and for example, at least one selected from the group consisting of triethyl phosphate, trimethyl phosphate, tributyl phosphate, and triphenyl phosphate can be suitably used.
Although a chelating agent is not specifically limited, For example, EDTA (ethylenediaminetetraacetic acid) can be used conveniently.
ここで、合成溶液における各種成分の好ましい配合割合を説明する。水1000gに対して、各成分は次の範囲で添加されていることが好ましい。
カルシウムイオン源の添加量は、水和物として、好ましくは30〜80gであり、より好ましくは40〜70gであり、更に好ましくは50〜60gである。
水酸化物イオン源の添加量は、好ましくは80〜130gであり、より好ましくは90〜120gであり、更に好ましくは100〜110gである。
有機リン酸エステルの添加量は、好ましくは10〜60gであり、より好ましくは20〜50gであり、更に好ましくは30〜40gである。
キレート剤の添加量は、好ましくは40〜90gであり、より好ましくは50〜80gであり、更に好ましくは60〜70gである。
Here, a preferable blending ratio of various components in the synthesis solution will be described. It is preferable that each component is added in the following range with respect to 1000 g of water.
The addition amount of the calcium ion source is preferably 30 to 80 g, more preferably 40 to 70 g, and still more preferably 50 to 60 g as a hydrate.
The addition amount of the hydroxide ion source is preferably 80 to 130 g, more preferably 90 to 120 g, and still more preferably 100 to 110 g.
The addition amount of the organic phosphate is preferably 10 to 60 g, more preferably 20 to 50 g, and still more preferably 30 to 40 g.
The addition amount of a chelating agent becomes like this. Preferably it is 40-90g, More preferably, it is 50-80g, More preferably, it is 60-70g.
なお、水酸化物イオンを含む予備溶液(1)と、カルシウムイオン、キレート剤、及び有機リン酸エステルを含む予備溶液(2)を予め用意し、両者を混合して合成溶液としてもよい。また、初めから全ての成分を添加した合成溶液を用意してもよい。
合成溶液の均質性の観点から、予備溶液(1)と予備溶液(2)を予め用意し、両者を混合して合成溶液とすることが好ましい。
Note that a preliminary solution (1) containing hydroxide ions and a preliminary solution (2) containing calcium ions, a chelating agent, and an organic phosphate ester are prepared in advance, and both may be mixed to form a synthetic solution. Moreover, you may prepare the synthesis solution which added all the components from the beginning.
From the viewpoint of the homogeneity of the synthesis solution, it is preferable to prepare the preliminary solution (1) and the preliminary solution (2) in advance and mix them to obtain a synthetic solution.
ハイドロキシアパタイト層5の形成では、金属基材3の粗化処理された面(被覆面7)に合成溶液を接触させ、加熱する。加熱温度は、特に限定されないが、好ましくは160〜250℃であり、より好ましくは170〜230℃であり、更に好ましくは180〜220℃である。
また、加熱の際には、大気圧よりも大きな圧力をかけることが好ましい。このために、耐圧反応容器を用いることが好ましい。
反応時間は、特に限定されないが、基材全面を被覆し、かつ均質なハイドロキシアパタイト膜を形成するという観点から、好ましくは4〜12時間であり、より好ましくは6〜10時間であり、更に好ましくは7〜9時間である。
In the formation of the hydroxyapatite layer 5, the synthetic solution is brought into contact with the roughened surface (coating surface 7) of the metal substrate 3 and heated. Although heating temperature is not specifically limited, Preferably it is 160-250 degreeC, More preferably, it is 170-230 degreeC, More preferably, it is 180-220 degreeC.
Moreover, when heating, it is preferable to apply a pressure larger than atmospheric pressure. For this purpose, it is preferable to use a pressure-resistant reaction vessel.
The reaction time is not particularly limited, but is preferably 4 to 12 hours, more preferably 6 to 10 hours, and still more preferably from the viewpoint of covering the entire surface of the substrate and forming a homogeneous hydroxyapatite film. Is 7-9 hours.
実施例により本発明を更に具体的に説明する。
なお、実験例3〜5が実施例に相当し、実験例1、2、6は比較例である。
The present invention will be described more specifically with reference to examples.
Experimental examples 3 to 5 correspond to examples, and experimental examples 1, 2, and 6 are comparative examples.
1.生体適合部材の作製
金属基材3として、Ti-6Al-4Vの15mm角の基材を用いた。
実験例2〜6では、金属基材3に洗浄処理、粗化処理、水熱処理を順に行って、各サンプルを作製した。
実験例1では、金属基材3に洗浄処理、水熱処理を順に行って、サンプルを作製した。すなわち、実験例1では、粗化処理を行っていない。
洗浄処理、粗化処理、水熱処理の詳細は以下の通りである。
1. Production of Biocompatible Member As the metal substrate 3, a Ti-6Al-4V 15 mm square substrate was used.
In Experimental Examples 2 to 6, each sample was prepared by sequentially performing a cleaning process, a roughening process, and a hydrothermal treatment on the metal substrate 3.
In Experimental Example 1, the metal substrate 3 was subjected to washing treatment and hydrothermal treatment in order to produce a sample. That is, in Experimental Example 1, the roughening process is not performed.
The details of the washing treatment, roughening treatment, and hydrothermal treatment are as follows.
<洗浄処理>
アセトン、エタノール、純水にて各5分間、超音波洗浄を行った。
<Cleaning process>
Ultrasonic cleaning was performed for 5 minutes each with acetone, ethanol, and pure water.
<粗化処理>
(実験例1)
粗化処理を行っていない。
(実験例2)
粗化処理には、紙やすり#100を用いた。
(実験例3)
以下の表1の条件で、サンドブラストを行った。図3及び図4の矢印は、金属基材3の上でのノズルの動きを示している。図3のようにノズルをスキャンした後に、引き続いて図4のようにノズルをスキャンする動作を交互に繰り返した。この際、ノズルを略等速度でスキャンした。このようにスキャンすることで、金属基材3の表面全体を同程度に粗化できた。
なお、表1において、粒径が「F220」とされているが、これは、JIS R6001−1998に準拠する研磨材の粒径の指標である。
<Roughening treatment>
(Experimental example 1)
Roughening is not performed.
(Experimental example 2)
For the roughening treatment, sandpaper # 100 was used.
(Experimental example 3)
Sand blasting was performed under the conditions shown in Table 1 below. The arrows in FIGS. 3 and 4 indicate the movement of the nozzle on the metal substrate 3. After scanning the nozzle as shown in FIG. 3, the operation of scanning the nozzle as shown in FIG. 4 was repeated alternately. At this time, the nozzle was scanned at approximately the same speed. By scanning in this way, the entire surface of the metal substrate 3 could be roughened to the same extent.
In Table 1, the particle size is “F220”, which is an index of the particle size of the abrasive according to JIS R6001-1998.
(実験例4)
粗化処理として、下記の表2に記載の化学エッチングを行った。なお、液種における「%」は、重量基準である。
(Experimental example 4)
As the roughening treatment, chemical etching described in Table 2 below was performed. “%” In the liquid type is based on weight.
(実験例5)
粗化処理として、下記の表3に記載の化学エッチングを行った。なお、液種における「%」は、重量基準である。
(Experimental example 5)
As the roughening treatment, chemical etching described in Table 3 below was performed. “%” In the liquid type is based on weight.
(実験例6)
粗化処理として、バフ研磨を行った。
(Experimental example 6)
As roughening treatment, buffing was performed.
<金属基材の表面粗さの測定>
実験例1〜6の各金属基材3の表面粗さは、下記の表4の記載に沿って測定した。
<Measurement of surface roughness of metal substrate>
The surface roughness of each metal substrate 3 of Experimental Examples 1 to 6 was measured according to the description in Table 4 below.
<水熱処理>
水熱処理は、以下の通りに行った。硝酸カルシウム、リン酸トリエチル、EDTA、水酸化カリウムを純水に溶解し、合成液を調製した。
テフロン(登録商標)製の内筒容器を備えた耐圧反応容器に、合成液と金属基材3を入れ、水熱処理を行った。
水熱処理の詳細を説明する。
<Hydrothermal treatment>
Hydrothermal treatment was performed as follows. Calcium nitrate, triethyl phosphate, EDTA, and potassium hydroxide were dissolved in pure water to prepare a synthesis solution.
The synthetic solution and the metal substrate 3 were put into a pressure resistant reaction vessel equipped with an inner cylinder made of Teflon (registered trademark), and hydrothermal treatment was performed.
Details of the hydrothermal treatment will be described.
(溶液Aの調製)
水酸化カリウム207.84gを純水300gに溶解して溶液Aとした。
(溶液Bの調製)
硝酸カルシウム四水和物109.58g、EDTA135.60g、リン酸トリエチル68.12g、純水1700gを混合して溶液Bとした。
(合成溶液の調製)
溶液Bに、溶液Aをゆっくり添加し、合成溶液を調製した。
(Preparation of solution A)
A solution A was prepared by dissolving 207.84 g of potassium hydroxide in 300 g of pure water.
(Preparation of solution B)
Solution B was prepared by mixing 109.58 g of calcium nitrate tetrahydrate, 135.60 g of EDTA, 68.12 g of triethyl phosphate, and 1700 g of pure water.
(Preparation of synthesis solution)
Solution A was slowly added to Solution B to prepare a synthesis solution.
(合成方法)
内筒容器に、金属基材3及び合成溶液を入れ、金属基材3を合成溶液に浸漬した。耐圧反応容器を密閉後、8時間かけて200℃まで昇温し、200℃で8時間維持した。
(Synthesis method)
The metal substrate 3 and the synthesis solution were placed in the inner cylinder container, and the metal substrate 3 was immersed in the synthesis solution. After sealing the pressure resistant reactor, the temperature was raised to 200 ° C. over 8 hours and maintained at 200 ° C. for 8 hours.
2.密着性評価方法
金属基材3に対するハイドロキシアパタイト層5の密着性は、ASTM番号 D3359−09を用いて評価した。サンプル数は、それぞれ3とした(n=3)。
2. Adhesion Evaluation Method The adhesion of the hydroxyapatite layer 5 to the metal substrate 3 was evaluated using ASTM number D3359-09. The number of samples was 3 (n = 3).
3.密着性評価結果
密着性の評価結果を表5に示す。また、各サンプルの評価試験後の状態を図5〜10に示す。図5は、実験例1のサンプルを示している。図6は、実験例2のサンプルを示している。図7は、実験例3のサンプルを示している。図8は、実験例4のサンプルを示している。図9は、実験例5のサンプルを示している。図10は、実験例6のサンプルを示している。なお、各実験例には、3つのサンプルが存在するが、図5〜10では、3つのサンプルの中の代表例を示している。
3. Adhesion evaluation results Table 5 shows the adhesion evaluation results. Moreover, the state after the evaluation test of each sample is shown in FIGS. FIG. 5 shows a sample of Experimental Example 1. FIG. 6 shows a sample of Experimental Example 2. FIG. 7 shows a sample of Experimental Example 3. FIG. 8 shows a sample of Experimental Example 4. FIG. 9 shows a sample of Experimental Example 5. FIG. 10 shows a sample of Experimental Example 6. Each experimental example has three samples, but FIGS. 5 to 10 show representative examples of the three samples.
表5中、「#100」は、紙やすり#100を用いた処理を意味する。「S−22」は、エスクリーンS−22を用いた化学エッチングを意味する。「TCP−09」は、クリーンエッチTCP−09を用いた化学エッチングを意味する。
また、「×××」は、密着性の評価が3つのサンプルの全てで不良であることを示す。
「○○○」は、密着性の評価が3つのサンプルの全てで良好であることを示す。
In Table 5, “# 100” means processing using sandpaper # 100. “S-22” means chemical etching using ESTRAIN S-22. “TCP-09” means chemical etching using clean etch TCP-09.
“XXX” indicates that all three samples have poor adhesion evaluation.
“◯◯◯” indicates that the adhesion evaluation is good in all three samples.
表5の結果から、算術平均高さSaが0.2μm以上10μm以下であり、かつ表面性状アスペクト比Strが0.2以上1.0以下である実験例3〜5は、金属基材3に対するハイドロキシアパタイト層5の密着性が高いことが分かった。他方、算術平均高さSaが0.2μm未満の実験例6は、金属基材3に対するハイドロキシアパタイト層5の密着性が低かった。また、表面性状アスペクト比Strが0.2未満の実験例1〜2は、金属基材3に対するハイドロキシアパタイト層5の密着性が低かった。
図7、8、9に示されるように、実験例3〜5では、ハイドロキシアパタイト層5の形成部分に、ASTM番号D3359−09に準拠し、カッターで傷をつけ、テープを張り付け、そのテープを剥離した後であっても、ハイドロキシアパタイト層5は、ほとんど剥離しなかった。他方、図5、6、10に示されるように、実験例1、2、6の場合は、同様に試験した後では、ハイドロキシアパタイト層5は、かなり剥離していた。
以上の結果から、生体適合部材1において、金属基材3におけるハイドロキシアパタイト層5が被覆されている被覆面7の算術平均高さSa、及び表面性状アスペクト比Strが特定の範囲の場合に、金属基材3に対するハイドロキシアパタイト層5の密着性が高いことが確認された。
From the results of Table 5, Experimental Examples 3 to 5 in which the arithmetic average height Sa is 0.2 μm to 10 μm and the surface texture aspect ratio Str is 0.2 to 1.0 are based on the metal substrate 3. It was found that the adhesion of the hydroxyapatite layer 5 was high. On the other hand, in Experimental Example 6 in which the arithmetic average height Sa was less than 0.2 μm, the adhesion of the hydroxyapatite layer 5 to the metal substrate 3 was low. Further, in Experimental Examples 1 and 2 having a surface texture aspect ratio Str of less than 0.2, the adhesion of the hydroxyapatite layer 5 to the metal substrate 3 was low.
As shown in FIGS. 7, 8, and 9, in Experimental Examples 3 to 5, the portion where the hydroxyapatite layer 5 is formed is scratched with a cutter in accordance with ASTM number D3359-09, and the tape is attached. Even after peeling, the hydroxyapatite layer 5 hardly peeled off. On the other hand, as shown in FIGS. 5, 6, and 10, in Examples 1, 2, and 6, the hydroxyapatite layer 5 was considerably peeled after the same test.
From the above results, in the biocompatible member 1, when the arithmetic average height Sa and the surface property aspect ratio Str of the coated surface 7 on which the hydroxyapatite layer 5 of the metal substrate 3 is coated are in a specific range, the metal It was confirmed that the adhesion of the hydroxyapatite layer 5 to the substrate 3 was high.
<他の実施形態(変形例)>
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能である。
<Other Embodiment (Modification)>
In addition, this invention is not restricted to said Example and embodiment, In the range which does not deviate from the summary, it is possible to implement in various aspects.
1…生体適合部材
3…金属基材
5…ハイドロキシアパタイト層
6…中間層
7…ハイドロキシアパタイト層が被覆されている面(被覆面)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Biocompatible member 3 ... Metal base material 5 ... Hydroxyapatite layer 6 ... Intermediate | middle layer 7 ... The surface (coating surface) by which the hydroxyapatite layer is coat | covered
Claims (3)
前記金属基材における前記ハイドロキシアパタイト層が被覆されている面は、算術平均高さSaが0.2μm以上1.0μm以下であり、かつ表面性状アスペクト比Strが0.2以上1.0以下であることを特徴とする生体適合部材。 A biocompatible member comprising a metal substrate and a hydroxyapatite layer coated directly or indirectly on the metal substrate,
The surface of the metal substrate on which the hydroxyapatite layer is coated has an arithmetic average height Sa of 0.2 μm to 1.0 μm and a surface texture aspect ratio Str of 0.2 to 1.0. A biocompatible member characterized by being.
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