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JP2000060957A - Implant material for organism and manufacture thereof - Google Patents

Implant material for organism and manufacture thereof

Info

Publication number
JP2000060957A
JP2000060957A JP10232797A JP23279798A JP2000060957A JP 2000060957 A JP2000060957 A JP 2000060957A JP 10232797 A JP10232797 A JP 10232797A JP 23279798 A JP23279798 A JP 23279798A JP 2000060957 A JP2000060957 A JP 2000060957A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
phase
coat
titania
titanium
calcium carbonate
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP10232797A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Kiyoyuki Okunaga
清行 奥長
Seiichi Morita
誠一 森田
Takayuki Mito
貴之 三戸
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nippon Electric Glass Co Ltd
Original Assignee
Nippon Electric Glass Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nippon Electric Glass Co Ltd filed Critical Nippon Electric Glass Co Ltd
Priority to JP10232797A priority Critical patent/JP2000060957A/en
Publication of JP2000060957A publication Critical patent/JP2000060957A/en
Pending legal-status Critical Current

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  • Materials For Medical Uses (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To improve the mechanical strength, quicken the binding to the bone and make keepable the stability over a long period of time by forming a coat having a titania phase and an alkali titanate phase on a titanium-base metal base plate surface and making calcium carbonate crystal adhere to the coat. SOLUTION: A base material is formed by use of a titanium alloy obtained by adding Na, Mg, P and so on to pure titanium. The coat having a titania phase and an alkali titanate phase is formed on the surface thereof. A titania gel phase or an alkali titanate gel phase may exist. A calcium carbonate crystal is made adhere to the upper surface of the coat. A calcium titanate crystal may exist. The alkali titanate phase in the coat is replaced by hydronium ions in a body fluid to become a titania gel phase, so that the body fluid pH is raised to easily deposit apatite. calcium carbonate crystal adsorbs phosphoric acid ions and calcium ions. Thus, apatite can be formed in a short time.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、生体インプラント材料
とその製造方法に関するものである。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a bioimplant material and a method for producing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、骨の代替材料として種々の生体イ
ンプラント材料が提案されている。例えば、ステンレス
合金、チタンやチタン合金等のチタン系金属等の高強度
材料や、アパタイト焼結体、生体活性ガラス、生体活性
結晶化ガラス等の生体活性材料が知られている。
2. Description of the Related Art Conventionally, various bioimplant materials have been proposed as substitute materials for bone. For example, high-strength materials such as stainless alloys and titanium-based metals such as titanium and titanium alloys, and bioactive materials such as apatite sintered bodies, bioactive glass, and bioactive crystallized glass are known.

【0003】ステンレス合金やチタン系金属等の高強度
材料は、高い機械的強度を有するものの、骨と結合する
のに長期間を要する。またアパタイト焼結体、生体活性
ガラス、生体活性結晶化ガラス等の生体活性材料は骨と
短期間で結合するが、強度的に不十分であり、適用箇所
が制限される。そこで高強度材料の表面に、プラズマ溶
射や焼き付けによって生体活性材料からなる被膜を形成
したインプラント材料も提案されているが、この材料に
おいても長期の生体内への埋入中に基材と被膜との界面
で剥離が生じることがある。
High-strength materials such as stainless alloys and titanium-based metals have high mechanical strength, but require a long period of time to bond with bone. Further, bioactive materials such as apatite sintered body, bioactive glass, and bioactive crystallized glass are bound to bone in a short period of time, but their strength is insufficient and their application sites are limited. Therefore, an implant material in which a coating made of a bioactive material is formed on the surface of a high-strength material by plasma spraying or baking has also been proposed.However, even in this material, the base material and the coating are formed during long-term implantation in the living body. Peeling may occur at the interface of.

【0004】そこで本出願人は特願平8−357040
において、チタン系金属からなる基材表面にチタニア相
やアルカリチタネート相からなる被膜が形成され、該被
膜中にカルシウムイオンが含有されてなるインプラント
材料を提案している。
Therefore, the present applicant has filed Japanese Patent Application No. 8-357040.
Proposes an implant material in which a coating film made of a titania phase or an alkali titanate phase is formed on the surface of a base material made of a titanium-based metal, and calcium ions are contained in the coating film.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】上記した材料は、被膜
が基材と一体的に形成されており、また生体活性を有す
るため、自然骨と結合した後も被膜が剥がれることがな
い。しかしながら、この材料は、自然骨との結合スピー
ドが遅いため、術後の安静期間を長くする必要がある。
In the above-mentioned materials, the coating is formed integrally with the base material and has bioactivity, so that the coating does not peel off even after bonding with natural bone. However, this material requires a long postoperative rest period due to its slow bond speed with natural bone.

【0006】本発明の目的は、機械的強度が高く、短期
間で骨と結合し、しかも生体内で長期にわたって安定な
生体インプラント材料とその製造方法を提供することで
ある。
An object of the present invention is to provide a bioimplant material which has high mechanical strength, is capable of binding to bone in a short period of time, and is stable in vivo for a long period of time, and a method for producing the same.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】本発明の生体インプラン
ト材料は、チタン系金属からなる基材表面に、チタニア
相及びアルカリチタネート相を有する被膜が形成されて
なり、該被膜上に炭酸カルシウム結晶が付着してなるこ
とを特徴とする。
The bioimplant material of the present invention comprises a titanium metal-based substrate surface on which a coating having a titania phase and an alkali titanate phase is formed, and calcium carbonate crystals are formed on the coating. It is characterized by being adhered.

【0008】また本発明の生体インプラント材料の製造
方法は、チタン系金属からなる基材をアルカリ溶液中に
浸漬し、焼成した後、二酸化炭素が存在する雰囲気下で
水酸化カルシウム溶液中に浸漬することを特徴とする。
Further, in the method for producing a bioimplant material of the present invention, a base material made of a titanium-based metal is immersed in an alkaline solution, baked, and then immersed in a calcium hydroxide solution in an atmosphere containing carbon dioxide. It is characterized by

【0009】[0009]

【作用】本発明の生体インプラント材料において、基材
を構成するチタン系金属としては、純チタンの他、N
a、Mg、P、Nb、Zr、Al、Sn、Pt、Ta、
V等を添加したチタン合金が使用できる。
In the bioimplant material of the present invention, the titanium-based metal constituting the base material is pure titanium or N
a, Mg, P, Nb, Zr, Al, Sn, Pt, Ta,
A titanium alloy with V added can be used.

【0010】基材表面に形成される被膜は、チタニア相
とアルカリチタネート相を有する。またこれら以外にチ
タニアゲル相やアルカリチタネートゲル相が存在してい
ても差し支えない。
The film formed on the surface of the substrate has a titania phase and an alkali titanate phase. In addition to these, there may be a titania gel phase or an alkali titanate gel phase.

【0011】被膜上には、炭酸カルシウム結晶が付着し
ている。またカルシウムチタネート結晶が存在していて
もよい。
Calcium carbonate crystals adhere to the coating film. Also, calcium titanate crystals may be present.

【0012】上記の特徴を有する本発明のインプラント
材料は、体液と接触すると、被膜中のアルカリチタネー
ト相やアルカリチタネートゲル相のアルカリイオンが体
液中のヒドロニウムイオンと交換されてチタニアゲル相
になり、またこのイオン交換によってインプラント材料
近傍の体液のpHが上昇し、アパタイトが析出しやすい
環境となる。一方、被膜上に存在する炭酸カルシウム結
晶が種となって、体液中のカルシウムイオンが吸着す
る。さらに電気的中性を保とうとしてリン酸イオンが吸
着する。このようにして被膜表面に骨類似のアパタイト
が速やかに形成され、この層を介して骨と早期に結合す
る。
When the implant material of the present invention having the above characteristics is brought into contact with a body fluid, alkali ions in the alkaline titanate phase or alkaline titanate gel phase in the coating film are exchanged with hydronium ions in the body fluid to form a titania gel phase, The ion exchange also raises the pH of the body fluid near the implant material, creating an environment in which apatite easily precipitates. On the other hand, the calcium carbonate crystals existing on the coating film serve as seeds to adsorb calcium ions in the body fluid. Further, phosphate ions are adsorbed in an attempt to maintain electrical neutrality. In this way, bone-like apatite is rapidly formed on the surface of the coating, and it is early bound to bone through this layer.

【0013】次に本発明の生体インプラント材料を製造
する方法を説明する。
Next, a method for producing the bioimplant material of the present invention will be described.

【0014】まずチタン系金属を所望の形状に成形して
基材を作製する。
First, a titanium-based metal is formed into a desired shape to prepare a base material.

【0015】次に、基材をアルカリ溶液中に浸漬する。
チタン系金属の表面には通常チタニアの薄い膜が存在し
ており、アルカリ溶液と接触させると、これらが反応し
てアルカリチタネートゲルが生成する。またチタニアゲ
ルが生成することもある。このようにしてチタニア相や
チタニアゲル相と、アルカリチタネートゲル相を有する
被膜が基材表面に一体的に形成される。アルカリ溶液と
しては、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム等の水溶液
を使用する。アルカリ溶液の濃度、温度、浸漬時間等の
条件は、材料表面の被膜の形成具合によって決定すれば
よいが、濃度は2〜10mol/l、溶液の温度は25
〜90℃、浸漬時間は12〜48時間が適当である。
Next, the base material is dipped in an alkaline solution.
A thin film of titania is usually present on the surface of the titanium-based metal, and when they are brought into contact with an alkaline solution, these react with each other to form an alkaline titanate gel. Titania gel may also be formed. In this way, a coating having a titania phase or a titania gel phase and an alkali titanate gel phase is integrally formed on the surface of the base material. As the alkaline solution, an aqueous solution of sodium hydroxide, potassium hydroxide or the like is used. Conditions such as the concentration, temperature, and immersion time of the alkaline solution may be determined according to the degree of formation of the film on the material surface, but the concentration is 2 to 10 mol / l, and the temperature of the solution is 25.
Appropriate dipping time is 12 to 48 hours at ˜90 ° C.

【0016】続いて基材を焼成し、アルカリチタネート
ゲルの一部又は全部を安定なアルカリチタネートに変質
させて被膜の安定性を高める。その焼成条件は、200
℃〜基材の転移温度で4時間以内であることが望まし
い。
Subsequently, the substrate is fired to transform a part or the whole of the alkali titanate gel into a stable alkali titanate to enhance the stability of the film. The firing condition is 200
It is desirable that the transition temperature of the substrate is within 4 hours.

【0017】その後、大気中等、二酸化炭素が存在する
雰囲気下において、基材を水酸化カルシウム溶液中に浸
漬すると、雰囲気中の二酸化炭素と水酸化カルシウム溶
液が反応して炭酸カルシウム結晶が生成し、これが基材
の被膜表面に付着する。また水酸化カルシウム溶液の反
応性が高いと、基材の被膜と反応して被膜表面にカルシ
ウムチタネートが生成することもある。水酸化カルシウ
ム溶液としては、水酸化カルシウムの水溶液を使用する
ことができる。水酸化カルシウム溶液の濃度は、0.1
〜20Mmol/l、特に5〜20Mmol/lが好ま
しい。濃度が0.1Mmol/lより低いと炭酸カルシ
ウム結晶が生成しにくくなり、20Mmol/lより高
くなると炭酸カルシウム結晶の生成が多くなりすぎ、膜
剥がれやひび割れが生じて骨との強固な結合が得難くな
る。また水酸化カルシウム溶液の液温は、50〜150
℃、特に100〜140℃の範囲にあることが好まし
い。液温が50℃より低いと炭酸カルシウム結晶が生成
し難くなり、150℃を超えると炭酸カルシウム結晶の
生成が多くなりすぎる。処理時間は、溶液の濃度や液温
に応じて適宜調整すればよいが、10分〜3日間の範囲
内で行うことが適当である。
Thereafter, when the base material is immersed in a calcium hydroxide solution in an atmosphere such as the atmosphere where carbon dioxide is present, carbon dioxide in the atmosphere reacts with the calcium hydroxide solution to produce calcium carbonate crystals, This adheres to the coating surface of the substrate. Further, if the calcium hydroxide solution has high reactivity, it may react with the coating film on the substrate to form calcium titanate on the coating surface. An aqueous solution of calcium hydroxide can be used as the calcium hydroxide solution. The concentration of calcium hydroxide solution is 0.1
-20 Mmol / l, especially 5-20 Mmol / l are preferred. If the concentration is lower than 0.1 Mmol / l, it becomes difficult to generate calcium carbonate crystals, and if it is higher than 20 Mmol / l, the amount of calcium carbonate crystals is excessively generated, film peeling or cracking occurs, and a strong bond with bone is obtained. It will be difficult. The liquid temperature of the calcium hydroxide solution is 50 to 150.
It is preferably in the range of 100 ° C., particularly 100 to 140 ° C. If the liquid temperature is lower than 50 ° C, it becomes difficult to generate calcium carbonate crystals, and if it exceeds 150 ° C, the amount of calcium carbonate crystals is excessively increased. The treatment time may be appropriately adjusted depending on the concentration of the solution and the temperature of the solution, but it is suitable to perform the treatment within a range of 10 minutes to 3 days.

【0018】[0018]

【実施例】以下、実施例に基づいて本発明を説明する。EXAMPLES The present invention will be described below based on examples.

【0019】表1は本発明の実施例(試料No.1〜
3)及び比較例(試料No.4)を示している。
Table 1 shows examples of the present invention (Sample Nos. 1 to 1).
3) and a comparative example (sample No. 4) are shown.

【0020】[0020]

【表1】 [Table 1]

【0021】各試料は次のようにして調製した。Each sample was prepared as follows.

【0022】まず基材として10×10×1mmの大き
さの純チタン板を用意した。次いで基材を、5mol/
lのNaOH水溶液(60℃)5mlに24時間浸漬
し、純水で洗浄後、乾燥させて、基材表面にチタニア相
とナトリウムチタネートゲル相からなる被膜を形成し
た。次いで基材を600℃で1時間焼成し、ナトリウム
チタネートゲル相の一部をナトリウムチタネート相に変
質させた。その後、大気中、表に示す条件で水酸化カル
シウム水溶液又は塩化カルシウム水溶液5mlに浸漬し
た後、純水で洗浄し、乾燥させて試料を得た。ここで1
00℃未満の場合は恒温槽中で、100℃以上の場合は
オートクレーブ内で処理を行った。
First, a pure titanium plate having a size of 10 × 10 × 1 mm was prepared as a base material. Then, the substrate is 5 mol /
It was immersed in 5 ml of an aqueous NaOH solution (60 ° C.) for 24 hours, washed with pure water, and dried to form a film composed of a titania phase and a sodium titanate gel phase on the surface of the base material. Then, the base material was baked at 600 ° C. for 1 hour to change a part of the sodium titanate gel phase to the sodium titanate phase. Then, the sample was obtained by immersing it in 5 ml of an aqueous calcium hydroxide solution or an aqueous calcium chloride solution in the air under the conditions shown in the table, washing with pure water, and drying. Where 1
When the temperature was lower than 00 ° C, the treatment was carried out in a constant temperature bath, and when the temperature was 100 ° C or higher, the treatment was carried out in an autoclave.

【0023】得られた試料について、薄膜X線回折によ
って炭酸カルシウム結晶の生成の有無を確認した。また
各試料を、体液と同じイオン濃度に調製した疑似体液中
に浸漬し、アパタイト層の形成に要する期間を調査し、
骨との結合速度を評価した。結果を表1に示す。
With respect to the obtained sample, it was confirmed by thin film X-ray diffraction whether or not calcium carbonate crystals were formed. Also, each sample was immersed in a simulated body fluid prepared to the same ion concentration as the body fluid, and the period required for forming the apatite layer was investigated,
The rate of binding to bone was evaluated. The results are shown in Table 1.

【0024】表から明らかなように、比較例であるN
o.4の試料は、被膜表面に炭酸カルシウム結晶が認め
られず、アパタイト生成に120時間を要したのに対
し、本発明の実施例であるNo.1〜3の試料では、被
膜表面に炭酸カルシウム結晶が存在しており、これによ
り12〜24時間という短時間でアパタイトが生成し
た。
As is apparent from the table, N which is a comparative example.
o. In the sample of No. 4, no calcium carbonate crystals were observed on the surface of the coating film, and it took 120 hours to generate apatite. In the samples 1 to 3, calcium carbonate crystals were present on the surface of the coating film, and as a result, apatite was produced in a short time of 12 to 24 hours.

【0025】[0025]

【発明の効果】本発明の生体インプラント材料は、基材
がチタン系金属からなるために機械的強度が高い。また
被膜上に早期に骨類似のアパタイト層が形成されるた
め、短期間で骨と結合する。しかも被膜が基材と一体的
に形成されており、生体内で長期間にわたって安定であ
り、生体インプラント材料として有望である。
INDUSTRIAL APPLICABILITY The bioimplant material of the present invention has a high mechanical strength because the base material is made of titanium metal. Moreover, since a bone-like apatite layer is formed early on the capsule, it is combined with bone in a short period of time. Moreover, the coating is formed integrally with the base material, is stable in the living body for a long period of time, and is promising as a bioimplant material.

【0026】また本発明の製造方法によれば、上記した
生体インプラント材料を容易に作製することが可能であ
る。
Further, according to the manufacturing method of the present invention, the above-mentioned bioimplant material can be easily manufactured.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 4C081 AB01 AB02 BB08 CF032 CF142 CG02 CG03 DC03 DC05 DC14 EA04 EA06    ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page    F-term (reference) 4C081 AB01 AB02 BB08 CF032                       CF142 CG02 CG03 DC03                       DC05 DC14 EA04 EA06

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 チタン系金属からなる基材表面に、チタ
ニア相及びアルカリチタネート相を有する被膜が形成さ
れてなり、該被膜上に炭酸カルシウム結晶が付着してな
ることを特徴とする生体インプラント材料。
1. A bioimplant material characterized in that a coating having a titania phase and an alkali titanate phase is formed on the surface of a base material made of a titanium-based metal, and calcium carbonate crystals adhere to the coating. .
【請求項2】 チタン系金属からなる基材をアルカリ溶
液中に浸漬し、焼成した後、二酸化炭素が存在する雰囲
気下で水酸化カルシウム溶液中に浸漬することを特徴と
する生体インプラント材料の製造方法。
2. A method for producing a bioimplant material, which comprises immersing a substrate made of a titanium-based metal in an alkaline solution, firing the substrate, and then immersing the substrate in a calcium hydroxide solution in an atmosphere containing carbon dioxide. Method.
【請求項3】 水酸化カルシウム溶液として、水酸化カ
ルシウム水溶液を使用することを特徴とする請求項2の
生体インプラント材料の製造方法。
3. The method for producing a bioimplant material according to claim 2, wherein an aqueous calcium hydroxide solution is used as the calcium hydroxide solution.
【請求項4】 液温が50〜150℃の水酸化カルシウ
ム溶液を使用することを特徴とする請求項2又は3の生
体インプラント材料の製造方法。
4. The method for producing a bioimplant material according to claim 2, wherein a calcium hydroxide solution having a liquid temperature of 50 to 150 ° C. is used.
【請求項5】 0.1〜20Mmol/lの濃度の水酸
化カルシウム溶液を使用することを特徴とする請求項2
〜4の生体インプラント材料の製造方法。
5. A calcium hydroxide solution having a concentration of 0.1 to 20 Mmol / l is used.
The manufacturing method of the bioimplant material of (4).
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2483123A (en) * 2010-01-28 2012-02-29 Johan Forsgren Biomedical implant

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