硬組織代替材料の製造方法、及びその製造方法において用いられる処理溶液
【課題】金属材料の基体の表面に簡便な方法によって硬組織親和性を有する皮膜を形成することができるとともに金属とアパタイトとの高い接合強度を確保することができ、更に、安定した皮膜の色調を実現することができる、硬組織代替材料の製造方法を提供する。
【解決手段】金属材料で形成された硬組織代替材料１の基体１１をアルカリ水溶液に浸漬させ、基体１１の表面に、前記金属材料と酸素とを含有して硬組織親和性を有する皮膜１２を形成する（Ｓ１０４）。その後、基体１１を加熱して基体１１の表面において酸素を拡散させて皮膜１２の厚みを増加させ、皮膜１２を安定化させる（Ｓ１０６）。上記のアルカリ処理で用いられるアルカリ水溶液は、当該アルカリ水溶液における金属イオン濃度が所定の範囲に収まるように調整される（Ｓ１０２）。
【解決手段】金属材料で形成された硬組織代替材料１の基体１１をアルカリ水溶液に浸漬させ、基体１１の表面に、前記金属材料と酸素とを含有して硬組織親和性を有する皮膜１２を形成する（Ｓ１０４）。その後、基体１１を加熱して基体１１の表面において酸素を拡散させて皮膜１２の厚みを増加させ、皮膜１２を安定化させる（Ｓ１０６）。上記のアルカリ処理で用いられるアルカリ水溶液は、当該アルカリ水溶液における金属イオン濃度が所定の範囲に収まるように調整される（Ｓ１０２）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生体内において硬組織と代替されるように埋植される硬組織代替材料を製造する硬組織代替材料の製造方法、及びその製造方法において用いられる処理溶液に関する。
【背景技術】
【０００２】
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硬組織代替材料として、チタンやチタン合金等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を参照）。生体内において金属材料の基体の表面に硬組織の無機物質と同種のアパタイトの相を形成して硬組織と直接結合する硬組織親和性を有する皮膜が形成されることで、金属材料の破壊靭性と硬組織親和性とが、硬組織代替材料において両立されることになる。そして、特許文献１においては、チタン又はチタン合金で形成された基体をアルカリ水溶液に浸漬させて硬組織親和性を有する皮膜を形成し、更にその基体を加熱して基体の表面において酸素を拡散させて上記皮膜の厚みを増加させる、硬組織代替材料の製造方法が開示されている。また、特許文献２においては、チタン基材（基体）を同様のアルカリ水溶液にて処理した後、温水洗し、少なくともアナターゼの析出が認められる温度に加熱することで、表面層が更に強固に基材に接合した生体インプラント材料が開示されている。これらの製造方法によると、金属表面に水酸化アパタイトをプラズマコートする方法とは異なり、製造コストの増大を招く高価なプラズマ溶射装置が不要となり、アルカリ水溶液に基体を浸漬して加熱するという簡便な方法によって硬組織親和性を付与することができ、更に、金属とアパタイトとを強固に接合することができるという効果が得られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第２７７５５２３号公報
【特許文献２】特許第３８７７５０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に開示された硬組織代替材料の製造方法によると、金属材料の基体の表面に簡便な方法によって硬組織親和性を有する皮膜を形成することができるとともに金属とアパタイトとの高い接合強度を確保することができる硬組織代替材料を製造することができる。しかしながら、本願発明者が特許文献１に開示の製造方法によって硬組織代替材料を製造したところ、基体表面における硬組織親和性を有する皮膜の組織や結晶構造においては変化がないものの、製造ロットの違いによって、その皮膜の色調が大きく異なることが確認された。製品の製造管理においては、外観も含めて品質管理を行うため、外観を統一する必要があり、このように色調が製品によって不安定となってしまうことは問題となる。
【０００５】
本発明は、上記実情に鑑みることにより、金属材料の基体の表面に簡便な方法によって硬組織親和性を有する皮膜を形成することができるとともに金属とアパタイトとの高い接合強度を確保することができ、更に、安定した皮膜の色調を実現することができる、硬組織代替材料の製造方法を提供し、また、その製造方法において用いられる処理溶液を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するための第１発明に係る硬組織代替材料の製造方法は、生体内において硬組織と代替されるように埋植される硬組織代替材料を製造する、硬組織代替材料の製造方法であって、金属材料で形成された前記硬組織代替材料の基体をアルカリ金属イオン及び／又はアルカリ土類金属イオンを含有するアルカリ水溶液（即ち、アルカリ金属イオン及びアルカリ土類金属イオンのうちの少なくともいずれかを含有するアルカリ水溶液）に浸漬させ、前記基体の表面に、前記金属材料と酸素とを含有して硬組織への親和性を有する皮膜を形成するアルカリ処理工程と、前記アルカリ処理工程が終了した前記基体を加熱して前記基体の表面における処理層である前記皮膜の厚みと安定性を増加させる加熱処理工程と、を備えている。そして、第１発明に係る硬組織代替材料の製造方法は、前記アルカリ処理工程で用いられる前記アルカリ水溶液は、当該アルカリ水溶液における前記アルカリ金属イオン及び／又は前記アルカリ土類金属イオン以外の金属イオン濃度が所定の範囲に収まるように調整されることを特徴とする。
【０００７】
この発明によると、金属材料で形成された基体をアルカリ水溶液に浸漬することで硬組織親和性を有する皮膜を基体表面に形成し、その基体を加熱することで酸素を拡散させて処理層としての皮膜の厚みを増加させ、また皮膜構造の安定性を増加させることができる。これにより、金属材料の基体の表面に簡便な方法によって硬組織親和性を有する皮膜を形成することができるとともに金属とアパタイトとの高い接合強度を確保することができる硬組織代替材料を製造することができる。また、本願発明者が鋭意研究を重ねた結果、アルカリ処理工程で用いられて基体が浸漬されるアルカリ水溶液の条件の違いによって、皮膜の色調が大きく変わることを見出した。そして、アルカリ水溶液における金属イオン濃度が所定の範囲に収まるように調整されることで、製造ロットが異なっていても、皮膜の色調が所定の色調に統一されて安定化することが、本願発明者によって確認された。このため、本発明におけるアルカリ処理工程と加熱処理工程とが金属材料の基体に施されることで、基体の表面に形成される皮膜に関し、安定した色調を実現することができる。
【０００８】
従って、本発明によると、金属材料の基体の表面に簡便な方法によって硬組織親和性を有する皮膜を形成することができるとともに金属とアパタイトとの高い接合強度を確保することができ、更に、安定した皮膜の色調を実現することができる、硬組織代替材料の製造方法を提供することができる。
【０００９】
第２発明に係る硬組織代替材料の製造方法は、第１発明の硬組織代替材料の製造方法において、前記アルカリ処理工程で用いられる前記アルカリ水溶液は、当該アルカリ水溶液における前記金属イオン濃度が飽和濃度となるように調整されることで、当該金属イオン濃度が所定の範囲に収まるように調整されることを特徴とする。
【００１０】
この発明によると、アルカリ水溶液における金属イオン濃度を飽和させるように調整するだけで、基体の表面に形成される皮膜について安定した色調を実現するためのアルカリ水溶液における金属イオン濃度の調整を容易に行うことができる。尚、アルカリ水溶液における金属イオン濃度が飽和濃度に調整されることで、製造ロットが異なっていても、皮膜の色調が所定の色調に統一されて安定化することが、本願発明者によって確認された。
【００１１】
第３発明に係る硬組織代替材料の製造方法は、第１発明又は第２発明の硬組織代替材料の製造方法において、前記アルカリ処理工程で用いられる前記アルカリ水溶液において調整される前記金属イオン濃度は、前記金属材料を構成する金属元素と同種の金属イオン濃度であることを特徴とする。
【００１２】
この発明によると、アルカリ水溶液において調整される金属イオン濃度が、基体の金属材料を構成する金属元素と同種の金属イオン濃度であるため、基体からアルカリ水溶液中に溶出する金属イオンによってもアルカリ水溶液中における金属イオン濃度の調整を行うことができる。このため、アルカリ水溶液における金属イオン濃度の調整を更に容易に行うことができる。尚、アルカリ水溶液において調整される金属イオン濃度が、基体の金属材料を構成する金属元素と同種の金属イオン濃度であることにより、皮膜の色調が更に安定化されて統一性の高い色調となることが、本願発明者によって確認された。
【００１３】
第４発明に係る硬組織代替材料の製造方法は、第１発明乃至第３発明のいずれかの硬組織代替材料の製造方法において、前記金属材料は、チタン又はチタン合金であり、前記皮膜は、アルカリチタン酸塩を含有することを特徴とする。
【００１４】
この発明によると、機械的特性に優れ、体液に対する耐食性を有するとともに生体に対する毒性が極めて低く、且つ、金属材料中で最も優れた硬組織親和性を発揮するチタン及びチタン合金によって基体を構成することができる。そして、アルカリ水溶液にその基体を浸漬して加熱することで、その基体の表面に、アルカリチタン酸塩を含有する皮膜を形成し、高い硬組織親和性を有するとともに金属とアパタイトとの高い接合強度を実現することができる皮膜を構成することができる。
【００１５】
第５発明に係る硬組織代替材料の製造方法は、第４発明の硬組織代替材料の製造方法において、前記アルカリ処理工程で用いられる前記アルカリ水溶液は、当該アルカリ水溶液における前記金属イオン濃度が１．３ｍｇ／Ｌ以上で１．６ｍｇ／Ｌ以下の範囲に収まるように調整されることを特徴とする。
【００１６】
この発明によると、アルカリ水溶液において調整される金属イオン濃度であるチタンイオン濃度が、１．３ｍｇ／Ｌ以上で１．６ｍｇ／Ｌ以下の範囲に収まるように調整されることで、皮膜の色調が更に安定化されて統一性の高い色調となることが、本願発明者によって確認された。
【００１７】
また、前述の目的を達成するための他の観点の発明として、上述したいずれかの硬組織代替材料の製造方法において用いられる処理溶液の発明を構成することもできる。即ち、第６発明に係る処理溶液は、金属材料で形成されて前記硬組織代替材料の基体をアルカリ金属イオン及び／又はアルカリ土類金属イオンを含有するアルカリ水溶液に浸漬させ、前記基体の表面に、前記金属材料と酸素とを含有して硬組織への親和性を有する皮膜を形成するアルカリ処理工程において、前記アルカリ金属イオン及び／又は前記アルカリ土類金属イオン以外の金属イオン濃度が所定の範囲に収まるように調整される前記アルカリ水溶液として用いられることを特徴とする。
【００１８】
この発明によると、金属材料の基体の表面に簡便な方法によって硬組織親和性を有する皮膜を形成することができるとともに金属とアパタイトとの高い接合強度を確保することができ、更に、安定した皮膜の色調を実現することができる硬組織代替材料の製造方法に用いられる処理溶液を提供することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によると、金属材料の基体の表面に簡便な方法によって硬組織親和性を有する皮膜を形成することができるとともに金属とアパタイトとの高い接合強度を確保することができ、更に、安定した皮膜の色調を実現することができる、硬組織代替材料の製造方法及びその製造方法に用いられる処理溶液を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施形態に係る硬組織代替材料の製造方法によって製造された硬組織代替材料を示す正面図である。
【図２】図１に示す硬組織代替材料が人工股関節において用いられた状態を示す断面図である。
【図３】本発明の実施形態に係る硬組織代替材料の製造方法に係る製造工程を示す工程図である。
【図４】図３に示す硬組織代替材料の製造方法で製造した硬組織代替材料の皮膜の色調について判定した実験の条件を説明する図である。
【図５】図３に示す硬組織代替材料の製造方法で製造した硬組織代替材料の皮膜の色調について判定した実験の結果を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しつつ説明する。本実施形態においては、生体内において硬組織である大腿骨の一部と代替されるように埋植される大腿骨コンポーネントを例にとり、その製造方法及びその製造方法に用いられる処理溶液について説明する。しかし、この例に限らず、本発明は、大腿骨以外の骨や歯の種々の硬組織と代替される硬組織代替材料に対して適用することができる。即ち、本発明は、生体内において硬組織と代替されるように埋植される硬組織代替材料を製造する硬組織代替材料の製造方法、及びその製造方法において用いられる処理溶液として広く適用することができるものである。
【００２２】
（硬組織代替材料）
図１は、本発明の実施形態に係る硬組織代替材料の製造方法によって製造された硬組織代替材料１を示す正面図である。この硬組織代替材料１は、人工股関節において用いられる大腿骨コンポーネントとして形成されている。図２は、硬組織代替材料１が人工股関節において用いられた状態を示す断面図であって、大腿骨１００及び骨盤１０１の断面の一部とともに示している（図２では、骨盤１０１については断面状態を示す斜線の図示を省略している）。図１及び図２に示すように、大腿骨コンポーネントとして形成された硬組織代替材料１は、大腿骨１００の髄腔部１００ａに一端側が埋植される棒状に形成されたステム部材として構成されている。この硬組織代替材料１は、骨頭ボール部材１０２と組み合わされた状態で人工股関節として適用される。尚、骨頭ボール部材１０２は、大腿骨１００において骨盤１０１の臼蓋１０１ａ側に配置される。そして、骨頭ボール部材１０２は、臼蓋１０１ａに配置されるとともに外側と内側の二層構造の半球殻部材を有する臼蓋カップ１０３に対して、外形の球面部分において摺動するように配置される。
【００２３】
また、図１及び図２に示す硬組織代替材料１は、その基体１１が金属材料であるチタン又はチタン合金により形成されている。基体１１には、大腿骨１００に埋植される一端側のステム部１１ａと骨頭ボール部材１０２に嵌合する他端側のネック部１１ｂとが設けられている。そして、基体１１の表面の一部には、そのステム部１１ａにおいて、後述するアルカリ処理工程Ｓ１０４及び加熱処理工程Ｓ１０６を経て形成された硬組織親和性を有する皮膜１２が形成されている。硬組織代替材料１が大腿骨１００に埋植されると、この皮膜１２の表面にアパタイトの相が形成されて硬組織代替材料１と骨とが直接結合されることになる。
【００２４】
（硬組織代替材料の製造方法）
次に、硬組織代替材料１を製造するための本実施形態に係る硬組織代替材料の製造方法について詳しく説明する。図３は、本実施形態の硬組織代替材料の製造方法に係る製造工程を示す工程図である。図３に示すように、硬組織代替材料の製造方法における製造工程としては、基体形成工程Ｓ１０１、アルカリ水溶液作製工程Ｓ１０２、脱脂工程Ｓ１０３、アルカリ処理工程Ｓ１０４、洗浄工程Ｓ１０５、及び加熱処理工程Ｓ１０６が備えられている。尚、図３においては、アルカリ水溶液作製工程Ｓ１０２が基体形成工程Ｓ１０１及び脱脂工程Ｓ１０３の間のタイミングでのみ行われる場合を例示しているが、この通りでなくてもよく、アルカリ水溶液作製工程Ｓ１０２はアルカリ処理工程Ｓ１０４の前の任意のタイミングで行われてもよい。
【００２５】
基体形成工程Ｓ１０１では、本実施形態においては、チタン又はチタン合金を素材として、前述したステム部１１ａとネック部１１ｂとが設けられた基体１１が形成される。このとき、基体１１の表面には、まだ皮膜１２は形成されていない。
【００２６】
アルカリ水溶液作製工程Ｓ１０２では、アルカリ金属イオンを含有し、後述のアルカリ処理工程Ｓ１０４で用いられるアルカリ水溶液が作製される。このアルカリ水溶液は、望ましくは、ナトリウムイオン（Ｎａ＋）、カリウムイオン（Ｋ＋）及びカルシウムイオン（Ｃａ２＋）のうち１種以上のアルカリ金属イオン及び／又はアルカリ土類金属イオンを含有する水溶液として作製され、例えば、５Ｍ（モル濃度）のＮａＯＨ又はＫＯＨ水溶液として作製される。尚、このアルカリ水溶液のアルカリ金属イオン及び／又はアルカリ土類金属イオンの濃度としては、２Ｍから１０Ｍ程度に設定されることが望ましい。また、アルカリ水溶液作製工程Ｓ１０２においては、アルカリ水溶液は、所定の金属の金属イオン濃度（アルカリ金属イオン及び／又はアルカリ土類金属イオン以外の所定の金属の金属イオン濃度）が飽和濃度となるように調整されることで、その金属イオン濃度が所定の範囲（本実施形態では、１．３ｍｇ／Ｌ以上で１．６ｍｇ／Ｌ以下の範囲）に収まるように調整される。
【００２７】
そして、本実施形態では、このアルカリ水溶液において、基体１１を構成するチタンの金属イオン濃度（チタンイオン濃度）が上記の所定の範囲に調整される。具体的には、５ＭのＮａＯＨ水溶液又はＫＯＨ水溶液として作製された溶液を例えば６０℃の温度に設定し、この溶液に対して、チタン合金又は純チタンのインゴット、或いはチタン合金又は純チタンの粉末を投入し、２４時間上記の温度（６０℃）に維持する。このとき、投入するチタン合金又は純チタンは、飽和濃度となるように、溶液中に白色の沈殿物が生成する状態となるまで投入されることになる。これにより、アルカリ水溶液におけるチタンイオン濃度が、１．３ｍｇ／Ｌ以上で１．６ｍｇ／Ｌ以下の範囲に収まるように調整されることになる。このように、アルカリ水溶液作製工程Ｓ１０２において上記の処理が行われることで、アルカリ水溶液が作製される。
【００２８】
尚、本実施形態では、アルカリ水溶液作製工程Ｓ１０２にて作製されるアルカリ水溶液は、後述するアルカリ処理工程Ｓ１０４において、チタンイオン濃度が１．３ｍｇ／Ｌ以上で１．６ｍｇ／Ｌ以下の範囲に収まるように調整されるアルカリ水溶液として用いられる処理溶液を構成している。即ち、このアルカリ水溶液は、本実施形態の硬組織代替材料の製造方法において用いられる本実施形態の処理溶液を構成している。
【００２９】
脱脂工程Ｓ１０３では、基体形成工程Ｓ１０１で形成された基体１１の表面に付着した油分等が脱脂される。この脱脂工程Ｓ１０３では、例えば、アセトンでまず脱脂洗浄が行われ、次いで蒸留水で洗浄が行われ、脱脂処理が終了する。
【００３０】
アルカリ処理工程Ｓ１０４では、脱脂工程Ｓ１０３で脱脂が行われた基体１１が、アルカリ水溶液作製工程Ｓ１０２にて作製されたアルカリ水溶液に浸漬される。このとき、基体１１が浸漬されたアルカリ水溶液は、６０℃の温度で２４時間維持される。尚、基体１１は、ステム部１１ａにおける皮膜１２が形成される部分を除いた部分が、アルカリ水溶液に接触することのないようにシールされ（密封され）た状態で（即ち、皮膜１２が形成される部分のみがアルカリ水溶液に接触可能に露出した状態で）、アルカリ水溶液に浸漬されることになる。この２４時間のアルカリ水溶液への浸漬処理（アルカリ処理）が終了すると、基体１１がアルカリ水溶液から取り出される。尚、アルカリ処理工程Ｓ１０４では、アルカリ水溶液が４０℃から７０℃の温度に設定され、基体１１のアルカリ水溶液への浸漬時間が１時間から４８時間程度確保されることが望ましい。
【００３１】
上述したアルカリ処理により、基体１１の表面には、チタン又はチタン合金と、ナトリウム又はカリウム等のアルカリ金属と、酸素とを含有して、硬組織親和性を有する皮膜１２が形成される。具体的には、上記のアルカリ処理を経た基体１１の表面には、アルカリチタン酸塩を含有して硬組織親和性を有する皮膜１２が形成される。尚、チタン及びチタン合金の表面には、元来、強酸及び強塩基のいずれとも反応する両性物質であるＴｉＯ２に近い組成の酸化物よりなる薄い膜が存在する。このため、チタン又はチタン合金で形成された基体１１をアルカリ処理工程にてアルカリ水溶液中に浸漬すると、反応量の少ない内部から反応量の多い外部に向かって漸増する濃度勾配をもって、基体１１の表面にアルカリチタン酸塩が生成することになる。
【００３２】
尚、上述の説明においては、アルカリ水溶液におけるチタンイオン濃度が、アルカリ水溶液作製工程Ｓ１０２において所定の範囲に収まるように調整される場合を説明したが、この通りでなくてもよい。即ち、アルカリ水溶液におけるチタンイオン濃度は、アルカリ水溶液作製工程Ｓ１０２、アルカリ処理工程Ｓ１０４において、所定の範囲に収まるように適宜調整され、例えば、アルカリ処理工程Ｓ１０４において、基体１１から溶出するチタンイオンによってアルカリ水溶液中におけるチタンイオン濃度が更に調整されるものであってもよい。また、アルカリ処理工程Ｓ１０４において、チタン合金又は純チタンの粉末等が更に投入されることでアルカリ水溶液中におけるチタンイオン濃度が更に調整されるものであってもよい。
【００３３】
洗浄工程Ｓ１０５では、アルカリ処理工程Ｓ１０４が終了した基体１１の表面が洗浄される。尚、この洗浄工程Ｓ１０５では、例えば、超音波洗浄装置を用いて数十分程度の蒸留水による洗浄処理が行われる。
【００３４】
加熱処理工程Ｓ１０６では、アルカリ処理工程Ｓ１０４及び洗浄工程Ｓ１０５が終了した基体１１を加熱する加熱処理が行われる。この加熱処理工程Ｓ１０６においては、チタン又はチタン合金の転移温度以下の温度である、３００℃から８００℃以下の温度で、１時間から２４時間以内の所定の時間の間加熱される。このように加熱処理が行われることで、基体１１の表面において酸素が拡散し、処理層である皮膜１２の厚みが増加し、皮膜構造の安定性も増加することになる。加熱処理での基体１１の加熱温度としては、上記のように３００℃から８００℃であればよいが、５５０℃から６５０℃の範囲で加熱されることが望ましい。尚、基体１１がチタン又はチタン合金で形成されている場合、加熱処理の温度が３００℃未満では基体１１の表面において酸素が十分に拡散して供給されず、皮膜１２の厚みを十分に確保することが困難になる。一方、加熱処理の温度が８００℃を超えると、チタンの転移温度に達してしまい、基体１１の機械的強度の低下を招いてしまうため望ましくない。
【００３５】
上記の加熱処理工程Ｓ１０６が終了することで、図１に示す硬組織代替材料１の製造が完了することになる。この硬組織代替材料１の表面においては、金属チタンが外部に向かって漸減し、一方、酸化チタン及びアルカリチタン酸塩が外部に向かって漸増する皮膜１２が構成されている。皮膜１２においては、このように緩やかに濃度勾配が変化するように酸化チタン及びアルカリチタン酸塩が含有されるため、基体１１の表面における皮膜１２との界面が、強固に接合されることになる。そして、硬組織代替材料１が生体内に埋植されて体液と接触した状態では、皮膜１２の表面にカルシウムやリンと反応し易い水酸化チタン基が生成される。この水酸化チタン基は、反応性に富み、体液中の骨形成成分と反応してアパタイト核が生成されることになる。尚、硬組織代替材料１を生体内に埋植する前において、アパタイトの溶解度以上のカルシウムとリンを含む水溶液中に、望ましくは擬似体液中に、硬組織代替材料１を浸漬して、予め皮膜１２の表面にアパタイト核を形成することもできる。
【００３６】
次に、本実施形態に係る硬組織代替材料の製造方法で製造した硬組織代替材料１の皮膜１２の色調について判定した実験結果について説明する。色調判定実験については、アルカリ処理工程Ｓ１０４におけるアルカリ処理のロットを変更して複数（２０個）の硬組織代替材料を製造し、各硬組織代替材料の色調を判定することで評価を行った。具体的には、１回目のアルカリ処理ロットではチタンイオン濃度が０ｍｇ／Ｌのアルカリ水溶液を用い、２回目のアルカリ処理ロットではチタンイオン濃度が１．２ｍｇ／Ｌのアルカリ水溶液を用い、３回目のアルカリ処理ロットではチタンイオン濃度が１．３ｍｇ／Ｌのアルカリ水溶液を用い、４回目から２０回目のアルカリ処理ロットではチタンイオン濃度が１．３ｍｇ／Ｌから１．６ｍｇ／Ｌの範囲のアルカリ水溶液を用いて、アルカリ処理を行った。また、上述したアルカリ水溶液の条件以外の製造条件については、全て同一として、上記の２０個の硬組織代替材料の製造を行った。尚、アルカリ水溶液のチタンイオン濃度は、１．５ｍｇ／Ｌから１．６ｍｇ／Ｌ程度で飽和濃度となるため、１．６ｍｇ／Ｌを超えることはなく、１．６ｍｇ／Ｌが調整可能な上限のチタンイオン濃度となる。
【００３７】
図４は、上記の実験における１回目から２０回目のアルカリ処理ロットごとのチタンイオン濃度を示した図である。また、図４では、４回目、５回目、７〜９回目、１１〜１９回目のアルカリ処理ロットにおけるチタンイオン濃度については、より見易い図とする観点から、それらのロットのチタンイオン濃度データを示す記号（丸印）の図示を省略し、回帰直線で示している。尚、４回目、５回目、７〜９回目、１１〜１９回目のアルカリ処理ロットにおけるチタンイオン濃度について図４中に図示すると、上記の回帰直線に対して０．１ｍｇ／Ｌ以下のずれ量の範囲に収まって分布する状態となった。また、図５は、上記のようにアルカリ処理ロットを変更して製造した２０個の硬組織代替材料について色調を判定し、チタンイオン濃度との関係で判定結果を整理して示したものである。尚、色調判定は、加熱処理工程Ｓ１０６が終了し、硬組織代替材料の製造が完了した状態で行った。
【００３８】
チタンイオン濃度が０ｍｇ／Ｌのアルカリ水溶液を用いてアルカリ処理を行った硬組織代替材料では、アルカリ処理が施された皮膜は、薄いピンク色を帯びた部分と薄い緑色を帯びた部分とが全体的にむらのある状態で混在した色調となった。チタンイオン濃度が１．２ｍｇ／Ｌのアルカリ水溶液を用いてアルカリ処理を行った硬組織代替材料では、アルカリ処理が施された皮膜は、全体的に薄い緑色を帯びた部分が多く表れ、薄いピンク色を帯びた部分が部分的なむらとなって表れた状態の色調となった。一方、チタンイオン濃度が１．３ｍｇ／Ｌ以上で１．６ｍｇ／Ｌ以下の範囲の濃度のアルカリ水溶液を用いてアルカリ処理を行った硬組織代替材料では、アルカリ処理が施された皮膜は、いずれの硬組織代替材料でも全体的に薄い緑色を帯びた色調で統一されており、いずれにおいても色調のむらが見られず、安定した色調が得られる結果となった。このため、色調判定では、図５に示すように、チタンイオン濃度が１．３ｍｇ／Ｌ未満では図中ばつ印で示すように不良となり、チタンイオン濃度が１．３ｍｇ／Ｌ以上１．６ｍｇ／Ｌ以下では図中丸印で示すように良好となった。即ち、チタンイオン濃度が１．３ｍｇ／Ｌ未満では硬組織代替材料の皮膜の色調は安定せず、チタンイオン濃度が１．３ｍｇ／Ｌ以上１．６ｍｇ／Ｌ以下では硬組織代替材料の皮膜の色調が安定することが確認された。
【００３９】
（本実施形態の効果）
以上説明した本実施形態の硬組織代替材料の製造方法によると、金属材料で形成された基体１１をアルカリ水溶液に浸漬することで硬組織親和性を有する皮膜１２を基体１１の表面に形成し、その基体１１を加熱することで酸素を拡散させて処理層としての皮膜１２の厚みを増加させ、また皮膜構造の安定性を増加させることができる。これにより、金属材料の基体１１の表面に簡便な方法によって硬組織親和性を有する皮膜１２を形成することができるとともに金属とアパタイトとの高い接合強度を確保することができる硬組織代替材料１を製造することができる。また、前述のように、アルカリ水溶液における金属イオン濃度が所定の範囲に収まるように調整されることで、製造ロットが異なっていても、皮膜１２の色調が所定の色調に統一されて安定化することが、確認された。このため、アルカリ処理工程Ｓ１０４と加熱処理工程Ｓ１０６とが金属材料の基体１１に施されることで、基体１１の表面に形成される皮膜１２に関し、安定した色調を実現することができる。
【００４０】
従って、本実施形態によると、金属材料の基体１１の表面に簡便な方法によって硬組織親和性を有する皮膜１２を形成することができるとともに金属とアパタイトとの高い接合強度を確保することができ、更に、安定した皮膜１２の色調を実現することができる、硬組織代替材料の製造方法を提供することができる。
【００４１】
また、本実施形態の硬組織代替材料の製造方法によると、アルカリ水溶液における金属イオン濃度を飽和させるように調整するだけで、基体１１の表面に形成される皮膜１２について安定した色調を実現するためのアルカリ水溶液における金属イオン濃度の調整を容易に行うことができる。尚、前述のように、アルカリ水溶液における金属イオン濃度が飽和濃度に調整されることで、製造ロットが異なっていても、皮膜の色調が所定の色調に統一されて安定化することが、確認された。
【００４２】
また、本実施形態の硬組織代替材料の製造方法によると、アルカリ水溶液において調整される金属イオン濃度が、基体１１の金属材料（チタン又はチタン合金）を構成する金属元素（チタン）と同種の金属イオン濃度（チタンイオン濃度）であるため、基体からアルカリ水溶液中に溶出する金属イオンによってもアルカリ水溶液中における金属イオン濃度の調整を行うことができる。このため、アルカリ水溶液における金属イオン濃度の調整を更に容易に行うことができる。尚、前述のように、アルカリ水溶液において調整される金属イオン濃度が、基体１１の金属材料を構成する金属元素と同種の金属イオン濃度であることにより、皮膜の色調が更に安定化されて統一性の高い色調となることが、確認された。
【００４３】
また、本実施形態の硬組織代替材料の製造方法によると、機械的特性に優れ、体液に対する耐食性を有するとともに生体に対する毒性が極めて低く、且つ、金属材料中で最も優れた硬組織親和性を発揮するチタン及びチタン合金によって基体１１を構成することができる。そして、アルカリ水溶液にその基体１１を浸漬して加熱することで、その基体１１の表面に、アルカリチタン酸塩を含有する皮膜１２を形成し、高い硬組織親和性を有するとともに金属とアパタイトとの高い接合強度を実現することができる皮膜１２を構成することができる。
【００４４】
また、本実施形態の硬組織代替材料の製造方法によると、前述のように、アルカリ水溶液において調整される金属イオン濃度であるチタンイオン濃度が、１．３ｍｇ／Ｌ以上で１．６ｍｇ／Ｌ以下の範囲に収まるように調整されることで、皮膜１２の色調が更に安定化されて統一性の高い色調となることが、確認された。
【００４５】
また、本実施形態の硬組織代替材料の製造方法において用いられる処理溶液（アルカリ水溶液）によると、金属材料の基体１１の表面に簡便な方法によって硬組織親和性を有する皮膜１２を形成することができるとともに金属とアパタイトとの高い接合強度を確保することができ、更に、安定した皮膜１２の色調を実現することができる硬組織代替材料の製造方法に用いられる処理溶液を提供することができる。
【００４６】
（変形例）
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々な変更が可能なものである。例えば、次のように変更して実施してもよい。
【００４７】
（１）本実施形態では、硬組織代替材料が適用される硬組織として大腿骨を例にとって説明したが、この通りでなくてもよく、大腿骨以外の骨や歯の種々の硬組織に適用される硬組織代替材料に対してその製造方法として本発明を適用することもできる。
【００４８】
（２）本実施形態では、アルカリ水溶液における金属イオン濃度が飽和濃度となるように調整される場合を例にとって説明したが、必ずしもこの通りでなくてもよく、飽和濃度よりも小さい濃度を含む所定の範囲に金属イオン濃度が調整されるものであってもよい。また、本実施形態では、アルカリ水溶液において調整される金属イオン濃度が、硬組織代替材料の基体を構成する金属材料の金属イオン濃度である場合を例にとって説明したが、必ずしもこの通りでなくてもよく、硬組織代替材料の基体を形成する金属材料以外の金属材料の金属イオン濃度が調整されるものであってもよい。
【００４９】
（３）本実施形態では、基体を形成する金属材料がチタン又はチタン合金である場合を例にとって説明したが、この例に限られず、同じく生体適合性を持つ金属材料であるタンタル（Ｔａ）やジルコニウム（Ｚｒ）およびこれらの合金を用いて基体が形成されている場合であっても、本発明の技術的思想に基づく製造方法により、同様の効果が得られる。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明は、生体内において硬組織と代替されるように埋植される硬組織代替材料を製造する硬組織代替材料の製造方法、及びその製造方法において用いられる処理溶液として、広く適用することができるものである。
【符号の説明】
【００５１】
１ 硬組織代替材料
１１ 基体
１２ 皮膜
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生体内において硬組織と代替されるように埋植される硬組織代替材料を製造する硬組織代替材料の製造方法、及びその製造方法において用いられる処理溶液に関する。
【背景技術】
【０００２】
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硬組織代替材料として、チタンやチタン合金等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を参照）。生体内において金属材料の基体の表面に硬組織の無機物質と同種のアパタイトの相を形成して硬組織と直接結合する硬組織親和性を有する皮膜が形成されることで、金属材料の破壊靭性と硬組織親和性とが、硬組織代替材料において両立されることになる。そして、特許文献１においては、チタン又はチタン合金で形成された基体をアルカリ水溶液に浸漬させて硬組織親和性を有する皮膜を形成し、更にその基体を加熱して基体の表面において酸素を拡散させて上記皮膜の厚みを増加させる、硬組織代替材料の製造方法が開示されている。また、特許文献２においては、チタン基材（基体）を同様のアルカリ水溶液にて処理した後、温水洗し、少なくともアナターゼの析出が認められる温度に加熱することで、表面層が更に強固に基材に接合した生体インプラント材料が開示されている。これらの製造方法によると、金属表面に水酸化アパタイトをプラズマコートする方法とは異なり、製造コストの増大を招く高価なプラズマ溶射装置が不要となり、アルカリ水溶液に基体を浸漬して加熱するという簡便な方法によって硬組織親和性を付与することができ、更に、金属とアパタイトとを強固に接合することができるという効果が得られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第２７７５５２３号公報
【特許文献２】特許第３８７７５０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に開示された硬組織代替材料の製造方法によると、金属材料の基体の表面に簡便な方法によって硬組織親和性を有する皮膜を形成することができるとともに金属とアパタイトとの高い接合強度を確保することができる硬組織代替材料を製造することができる。しかしながら、本願発明者が特許文献１に開示の製造方法によって硬組織代替材料を製造したところ、基体表面における硬組織親和性を有する皮膜の組織や結晶構造においては変化がないものの、製造ロットの違いによって、その皮膜の色調が大きく異なることが確認された。製品の製造管理においては、外観も含めて品質管理を行うため、外観を統一する必要があり、このように色調が製品によって不安定となってしまうことは問題となる。
【０００５】
本発明は、上記実情に鑑みることにより、金属材料の基体の表面に簡便な方法によって硬組織親和性を有する皮膜を形成することができるとともに金属とアパタイトとの高い接合強度を確保することができ、更に、安定した皮膜の色調を実現することができる、硬組織代替材料の製造方法を提供し、また、その製造方法において用いられる処理溶液を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するための第１発明に係る硬組織代替材料の製造方法は、生体内において硬組織と代替されるように埋植される硬組織代替材料を製造する、硬組織代替材料の製造方法であって、金属材料で形成された前記硬組織代替材料の基体をアルカリ金属イオン及び／又はアルカリ土類金属イオンを含有するアルカリ水溶液（即ち、アルカリ金属イオン及びアルカリ土類金属イオンのうちの少なくともいずれかを含有するアルカリ水溶液）に浸漬させ、前記基体の表面に、前記金属材料と酸素とを含有して硬組織への親和性を有する皮膜を形成するアルカリ処理工程と、前記アルカリ処理工程が終了した前記基体を加熱して前記基体の表面における処理層である前記皮膜の厚みと安定性を増加させる加熱処理工程と、を備えている。そして、第１発明に係る硬組織代替材料の製造方法は、前記アルカリ処理工程で用いられる前記アルカリ水溶液は、当該アルカリ水溶液における前記アルカリ金属イオン及び／又は前記アルカリ土類金属イオン以外の金属イオン濃度が所定の範囲に収まるように調整されることを特徴とする。
【０００７】
この発明によると、金属材料で形成された基体をアルカリ水溶液に浸漬することで硬組織親和性を有する皮膜を基体表面に形成し、その基体を加熱することで酸素を拡散させて処理層としての皮膜の厚みを増加させ、また皮膜構造の安定性を増加させることができる。これにより、金属材料の基体の表面に簡便な方法によって硬組織親和性を有する皮膜を形成することができるとともに金属とアパタイトとの高い接合強度を確保することができる硬組織代替材料を製造することができる。また、本願発明者が鋭意研究を重ねた結果、アルカリ処理工程で用いられて基体が浸漬されるアルカリ水溶液の条件の違いによって、皮膜の色調が大きく変わることを見出した。そして、アルカリ水溶液における金属イオン濃度が所定の範囲に収まるように調整されることで、製造ロットが異なっていても、皮膜の色調が所定の色調に統一されて安定化することが、本願発明者によって確認された。このため、本発明におけるアルカリ処理工程と加熱処理工程とが金属材料の基体に施されることで、基体の表面に形成される皮膜に関し、安定した色調を実現することができる。
【０００８】
従って、本発明によると、金属材料の基体の表面に簡便な方法によって硬組織親和性を有する皮膜を形成することができるとともに金属とアパタイトとの高い接合強度を確保することができ、更に、安定した皮膜の色調を実現することができる、硬組織代替材料の製造方法を提供することができる。
【０００９】
第２発明に係る硬組織代替材料の製造方法は、第１発明の硬組織代替材料の製造方法において、前記アルカリ処理工程で用いられる前記アルカリ水溶液は、当該アルカリ水溶液における前記金属イオン濃度が飽和濃度となるように調整されることで、当該金属イオン濃度が所定の範囲に収まるように調整されることを特徴とする。
【００１０】
この発明によると、アルカリ水溶液における金属イオン濃度を飽和させるように調整するだけで、基体の表面に形成される皮膜について安定した色調を実現するためのアルカリ水溶液における金属イオン濃度の調整を容易に行うことができる。尚、アルカリ水溶液における金属イオン濃度が飽和濃度に調整されることで、製造ロットが異なっていても、皮膜の色調が所定の色調に統一されて安定化することが、本願発明者によって確認された。
【００１１】
第３発明に係る硬組織代替材料の製造方法は、第１発明又は第２発明の硬組織代替材料の製造方法において、前記アルカリ処理工程で用いられる前記アルカリ水溶液において調整される前記金属イオン濃度は、前記金属材料を構成する金属元素と同種の金属イオン濃度であることを特徴とする。
【００１２】
この発明によると、アルカリ水溶液において調整される金属イオン濃度が、基体の金属材料を構成する金属元素と同種の金属イオン濃度であるため、基体からアルカリ水溶液中に溶出する金属イオンによってもアルカリ水溶液中における金属イオン濃度の調整を行うことができる。このため、アルカリ水溶液における金属イオン濃度の調整を更に容易に行うことができる。尚、アルカリ水溶液において調整される金属イオン濃度が、基体の金属材料を構成する金属元素と同種の金属イオン濃度であることにより、皮膜の色調が更に安定化されて統一性の高い色調となることが、本願発明者によって確認された。
【００１３】
第４発明に係る硬組織代替材料の製造方法は、第１発明乃至第３発明のいずれかの硬組織代替材料の製造方法において、前記金属材料は、チタン又はチタン合金であり、前記皮膜は、アルカリチタン酸塩を含有することを特徴とする。
【００１４】
この発明によると、機械的特性に優れ、体液に対する耐食性を有するとともに生体に対する毒性が極めて低く、且つ、金属材料中で最も優れた硬組織親和性を発揮するチタン及びチタン合金によって基体を構成することができる。そして、アルカリ水溶液にその基体を浸漬して加熱することで、その基体の表面に、アルカリチタン酸塩を含有する皮膜を形成し、高い硬組織親和性を有するとともに金属とアパタイトとの高い接合強度を実現することができる皮膜を構成することができる。
【００１５】
第５発明に係る硬組織代替材料の製造方法は、第４発明の硬組織代替材料の製造方法において、前記アルカリ処理工程で用いられる前記アルカリ水溶液は、当該アルカリ水溶液における前記金属イオン濃度が１．３ｍｇ／Ｌ以上で１．６ｍｇ／Ｌ以下の範囲に収まるように調整されることを特徴とする。
【００１６】
この発明によると、アルカリ水溶液において調整される金属イオン濃度であるチタンイオン濃度が、１．３ｍｇ／Ｌ以上で１．６ｍｇ／Ｌ以下の範囲に収まるように調整されることで、皮膜の色調が更に安定化されて統一性の高い色調となることが、本願発明者によって確認された。
【００１７】
また、前述の目的を達成するための他の観点の発明として、上述したいずれかの硬組織代替材料の製造方法において用いられる処理溶液の発明を構成することもできる。即ち、第６発明に係る処理溶液は、金属材料で形成されて前記硬組織代替材料の基体をアルカリ金属イオン及び／又はアルカリ土類金属イオンを含有するアルカリ水溶液に浸漬させ、前記基体の表面に、前記金属材料と酸素とを含有して硬組織への親和性を有する皮膜を形成するアルカリ処理工程において、前記アルカリ金属イオン及び／又は前記アルカリ土類金属イオン以外の金属イオン濃度が所定の範囲に収まるように調整される前記アルカリ水溶液として用いられることを特徴とする。
【００１８】
この発明によると、金属材料の基体の表面に簡便な方法によって硬組織親和性を有する皮膜を形成することができるとともに金属とアパタイトとの高い接合強度を確保することができ、更に、安定した皮膜の色調を実現することができる硬組織代替材料の製造方法に用いられる処理溶液を提供することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によると、金属材料の基体の表面に簡便な方法によって硬組織親和性を有する皮膜を形成することができるとともに金属とアパタイトとの高い接合強度を確保することができ、更に、安定した皮膜の色調を実現することができる、硬組織代替材料の製造方法及びその製造方法に用いられる処理溶液を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施形態に係る硬組織代替材料の製造方法によって製造された硬組織代替材料を示す正面図である。
【図２】図１に示す硬組織代替材料が人工股関節において用いられた状態を示す断面図である。
【図３】本発明の実施形態に係る硬組織代替材料の製造方法に係る製造工程を示す工程図である。
【図４】図３に示す硬組織代替材料の製造方法で製造した硬組織代替材料の皮膜の色調について判定した実験の条件を説明する図である。
【図５】図３に示す硬組織代替材料の製造方法で製造した硬組織代替材料の皮膜の色調について判定した実験の結果を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しつつ説明する。本実施形態においては、生体内において硬組織である大腿骨の一部と代替されるように埋植される大腿骨コンポーネントを例にとり、その製造方法及びその製造方法に用いられる処理溶液について説明する。しかし、この例に限らず、本発明は、大腿骨以外の骨や歯の種々の硬組織と代替される硬組織代替材料に対して適用することができる。即ち、本発明は、生体内において硬組織と代替されるように埋植される硬組織代替材料を製造する硬組織代替材料の製造方法、及びその製造方法において用いられる処理溶液として広く適用することができるものである。
【００２２】
（硬組織代替材料）
図１は、本発明の実施形態に係る硬組織代替材料の製造方法によって製造された硬組織代替材料１を示す正面図である。この硬組織代替材料１は、人工股関節において用いられる大腿骨コンポーネントとして形成されている。図２は、硬組織代替材料１が人工股関節において用いられた状態を示す断面図であって、大腿骨１００及び骨盤１０１の断面の一部とともに示している（図２では、骨盤１０１については断面状態を示す斜線の図示を省略している）。図１及び図２に示すように、大腿骨コンポーネントとして形成された硬組織代替材料１は、大腿骨１００の髄腔部１００ａに一端側が埋植される棒状に形成されたステム部材として構成されている。この硬組織代替材料１は、骨頭ボール部材１０２と組み合わされた状態で人工股関節として適用される。尚、骨頭ボール部材１０２は、大腿骨１００において骨盤１０１の臼蓋１０１ａ側に配置される。そして、骨頭ボール部材１０２は、臼蓋１０１ａに配置されるとともに外側と内側の二層構造の半球殻部材を有する臼蓋カップ１０３に対して、外形の球面部分において摺動するように配置される。
【００２３】
また、図１及び図２に示す硬組織代替材料１は、その基体１１が金属材料であるチタン又はチタン合金により形成されている。基体１１には、大腿骨１００に埋植される一端側のステム部１１ａと骨頭ボール部材１０２に嵌合する他端側のネック部１１ｂとが設けられている。そして、基体１１の表面の一部には、そのステム部１１ａにおいて、後述するアルカリ処理工程Ｓ１０４及び加熱処理工程Ｓ１０６を経て形成された硬組織親和性を有する皮膜１２が形成されている。硬組織代替材料１が大腿骨１００に埋植されると、この皮膜１２の表面にアパタイトの相が形成されて硬組織代替材料１と骨とが直接結合されることになる。
【００２４】
（硬組織代替材料の製造方法）
次に、硬組織代替材料１を製造するための本実施形態に係る硬組織代替材料の製造方法について詳しく説明する。図３は、本実施形態の硬組織代替材料の製造方法に係る製造工程を示す工程図である。図３に示すように、硬組織代替材料の製造方法における製造工程としては、基体形成工程Ｓ１０１、アルカリ水溶液作製工程Ｓ１０２、脱脂工程Ｓ１０３、アルカリ処理工程Ｓ１０４、洗浄工程Ｓ１０５、及び加熱処理工程Ｓ１０６が備えられている。尚、図３においては、アルカリ水溶液作製工程Ｓ１０２が基体形成工程Ｓ１０１及び脱脂工程Ｓ１０３の間のタイミングでのみ行われる場合を例示しているが、この通りでなくてもよく、アルカリ水溶液作製工程Ｓ１０２はアルカリ処理工程Ｓ１０４の前の任意のタイミングで行われてもよい。
【００２５】
基体形成工程Ｓ１０１では、本実施形態においては、チタン又はチタン合金を素材として、前述したステム部１１ａとネック部１１ｂとが設けられた基体１１が形成される。このとき、基体１１の表面には、まだ皮膜１２は形成されていない。
【００２６】
アルカリ水溶液作製工程Ｓ１０２では、アルカリ金属イオンを含有し、後述のアルカリ処理工程Ｓ１０４で用いられるアルカリ水溶液が作製される。このアルカリ水溶液は、望ましくは、ナトリウムイオン（Ｎａ＋）、カリウムイオン（Ｋ＋）及びカルシウムイオン（Ｃａ２＋）のうち１種以上のアルカリ金属イオン及び／又はアルカリ土類金属イオンを含有する水溶液として作製され、例えば、５Ｍ（モル濃度）のＮａＯＨ又はＫＯＨ水溶液として作製される。尚、このアルカリ水溶液のアルカリ金属イオン及び／又はアルカリ土類金属イオンの濃度としては、２Ｍから１０Ｍ程度に設定されることが望ましい。また、アルカリ水溶液作製工程Ｓ１０２においては、アルカリ水溶液は、所定の金属の金属イオン濃度（アルカリ金属イオン及び／又はアルカリ土類金属イオン以外の所定の金属の金属イオン濃度）が飽和濃度となるように調整されることで、その金属イオン濃度が所定の範囲（本実施形態では、１．３ｍｇ／Ｌ以上で１．６ｍｇ／Ｌ以下の範囲）に収まるように調整される。
【００２７】
そして、本実施形態では、このアルカリ水溶液において、基体１１を構成するチタンの金属イオン濃度（チタンイオン濃度）が上記の所定の範囲に調整される。具体的には、５ＭのＮａＯＨ水溶液又はＫＯＨ水溶液として作製された溶液を例えば６０℃の温度に設定し、この溶液に対して、チタン合金又は純チタンのインゴット、或いはチタン合金又は純チタンの粉末を投入し、２４時間上記の温度（６０℃）に維持する。このとき、投入するチタン合金又は純チタンは、飽和濃度となるように、溶液中に白色の沈殿物が生成する状態となるまで投入されることになる。これにより、アルカリ水溶液におけるチタンイオン濃度が、１．３ｍｇ／Ｌ以上で１．６ｍｇ／Ｌ以下の範囲に収まるように調整されることになる。このように、アルカリ水溶液作製工程Ｓ１０２において上記の処理が行われることで、アルカリ水溶液が作製される。
【００２８】
尚、本実施形態では、アルカリ水溶液作製工程Ｓ１０２にて作製されるアルカリ水溶液は、後述するアルカリ処理工程Ｓ１０４において、チタンイオン濃度が１．３ｍｇ／Ｌ以上で１．６ｍｇ／Ｌ以下の範囲に収まるように調整されるアルカリ水溶液として用いられる処理溶液を構成している。即ち、このアルカリ水溶液は、本実施形態の硬組織代替材料の製造方法において用いられる本実施形態の処理溶液を構成している。
【００２９】
脱脂工程Ｓ１０３では、基体形成工程Ｓ１０１で形成された基体１１の表面に付着した油分等が脱脂される。この脱脂工程Ｓ１０３では、例えば、アセトンでまず脱脂洗浄が行われ、次いで蒸留水で洗浄が行われ、脱脂処理が終了する。
【００３０】
アルカリ処理工程Ｓ１０４では、脱脂工程Ｓ１０３で脱脂が行われた基体１１が、アルカリ水溶液作製工程Ｓ１０２にて作製されたアルカリ水溶液に浸漬される。このとき、基体１１が浸漬されたアルカリ水溶液は、６０℃の温度で２４時間維持される。尚、基体１１は、ステム部１１ａにおける皮膜１２が形成される部分を除いた部分が、アルカリ水溶液に接触することのないようにシールされ（密封され）た状態で（即ち、皮膜１２が形成される部分のみがアルカリ水溶液に接触可能に露出した状態で）、アルカリ水溶液に浸漬されることになる。この２４時間のアルカリ水溶液への浸漬処理（アルカリ処理）が終了すると、基体１１がアルカリ水溶液から取り出される。尚、アルカリ処理工程Ｓ１０４では、アルカリ水溶液が４０℃から７０℃の温度に設定され、基体１１のアルカリ水溶液への浸漬時間が１時間から４８時間程度確保されることが望ましい。
【００３１】
上述したアルカリ処理により、基体１１の表面には、チタン又はチタン合金と、ナトリウム又はカリウム等のアルカリ金属と、酸素とを含有して、硬組織親和性を有する皮膜１２が形成される。具体的には、上記のアルカリ処理を経た基体１１の表面には、アルカリチタン酸塩を含有して硬組織親和性を有する皮膜１２が形成される。尚、チタン及びチタン合金の表面には、元来、強酸及び強塩基のいずれとも反応する両性物質であるＴｉＯ２に近い組成の酸化物よりなる薄い膜が存在する。このため、チタン又はチタン合金で形成された基体１１をアルカリ処理工程にてアルカリ水溶液中に浸漬すると、反応量の少ない内部から反応量の多い外部に向かって漸増する濃度勾配をもって、基体１１の表面にアルカリチタン酸塩が生成することになる。
【００３２】
尚、上述の説明においては、アルカリ水溶液におけるチタンイオン濃度が、アルカリ水溶液作製工程Ｓ１０２において所定の範囲に収まるように調整される場合を説明したが、この通りでなくてもよい。即ち、アルカリ水溶液におけるチタンイオン濃度は、アルカリ水溶液作製工程Ｓ１０２、アルカリ処理工程Ｓ１０４において、所定の範囲に収まるように適宜調整され、例えば、アルカリ処理工程Ｓ１０４において、基体１１から溶出するチタンイオンによってアルカリ水溶液中におけるチタンイオン濃度が更に調整されるものであってもよい。また、アルカリ処理工程Ｓ１０４において、チタン合金又は純チタンの粉末等が更に投入されることでアルカリ水溶液中におけるチタンイオン濃度が更に調整されるものであってもよい。
【００３３】
洗浄工程Ｓ１０５では、アルカリ処理工程Ｓ１０４が終了した基体１１の表面が洗浄される。尚、この洗浄工程Ｓ１０５では、例えば、超音波洗浄装置を用いて数十分程度の蒸留水による洗浄処理が行われる。
【００３４】
加熱処理工程Ｓ１０６では、アルカリ処理工程Ｓ１０４及び洗浄工程Ｓ１０５が終了した基体１１を加熱する加熱処理が行われる。この加熱処理工程Ｓ１０６においては、チタン又はチタン合金の転移温度以下の温度である、３００℃から８００℃以下の温度で、１時間から２４時間以内の所定の時間の間加熱される。このように加熱処理が行われることで、基体１１の表面において酸素が拡散し、処理層である皮膜１２の厚みが増加し、皮膜構造の安定性も増加することになる。加熱処理での基体１１の加熱温度としては、上記のように３００℃から８００℃であればよいが、５５０℃から６５０℃の範囲で加熱されることが望ましい。尚、基体１１がチタン又はチタン合金で形成されている場合、加熱処理の温度が３００℃未満では基体１１の表面において酸素が十分に拡散して供給されず、皮膜１２の厚みを十分に確保することが困難になる。一方、加熱処理の温度が８００℃を超えると、チタンの転移温度に達してしまい、基体１１の機械的強度の低下を招いてしまうため望ましくない。
【００３５】
上記の加熱処理工程Ｓ１０６が終了することで、図１に示す硬組織代替材料１の製造が完了することになる。この硬組織代替材料１の表面においては、金属チタンが外部に向かって漸減し、一方、酸化チタン及びアルカリチタン酸塩が外部に向かって漸増する皮膜１２が構成されている。皮膜１２においては、このように緩やかに濃度勾配が変化するように酸化チタン及びアルカリチタン酸塩が含有されるため、基体１１の表面における皮膜１２との界面が、強固に接合されることになる。そして、硬組織代替材料１が生体内に埋植されて体液と接触した状態では、皮膜１２の表面にカルシウムやリンと反応し易い水酸化チタン基が生成される。この水酸化チタン基は、反応性に富み、体液中の骨形成成分と反応してアパタイト核が生成されることになる。尚、硬組織代替材料１を生体内に埋植する前において、アパタイトの溶解度以上のカルシウムとリンを含む水溶液中に、望ましくは擬似体液中に、硬組織代替材料１を浸漬して、予め皮膜１２の表面にアパタイト核を形成することもできる。
【００３６】
次に、本実施形態に係る硬組織代替材料の製造方法で製造した硬組織代替材料１の皮膜１２の色調について判定した実験結果について説明する。色調判定実験については、アルカリ処理工程Ｓ１０４におけるアルカリ処理のロットを変更して複数（２０個）の硬組織代替材料を製造し、各硬組織代替材料の色調を判定することで評価を行った。具体的には、１回目のアルカリ処理ロットではチタンイオン濃度が０ｍｇ／Ｌのアルカリ水溶液を用い、２回目のアルカリ処理ロットではチタンイオン濃度が１．２ｍｇ／Ｌのアルカリ水溶液を用い、３回目のアルカリ処理ロットではチタンイオン濃度が１．３ｍｇ／Ｌのアルカリ水溶液を用い、４回目から２０回目のアルカリ処理ロットではチタンイオン濃度が１．３ｍｇ／Ｌから１．６ｍｇ／Ｌの範囲のアルカリ水溶液を用いて、アルカリ処理を行った。また、上述したアルカリ水溶液の条件以外の製造条件については、全て同一として、上記の２０個の硬組織代替材料の製造を行った。尚、アルカリ水溶液のチタンイオン濃度は、１．５ｍｇ／Ｌから１．６ｍｇ／Ｌ程度で飽和濃度となるため、１．６ｍｇ／Ｌを超えることはなく、１．６ｍｇ／Ｌが調整可能な上限のチタンイオン濃度となる。
【００３７】
図４は、上記の実験における１回目から２０回目のアルカリ処理ロットごとのチタンイオン濃度を示した図である。また、図４では、４回目、５回目、７〜９回目、１１〜１９回目のアルカリ処理ロットにおけるチタンイオン濃度については、より見易い図とする観点から、それらのロットのチタンイオン濃度データを示す記号（丸印）の図示を省略し、回帰直線で示している。尚、４回目、５回目、７〜９回目、１１〜１９回目のアルカリ処理ロットにおけるチタンイオン濃度について図４中に図示すると、上記の回帰直線に対して０．１ｍｇ／Ｌ以下のずれ量の範囲に収まって分布する状態となった。また、図５は、上記のようにアルカリ処理ロットを変更して製造した２０個の硬組織代替材料について色調を判定し、チタンイオン濃度との関係で判定結果を整理して示したものである。尚、色調判定は、加熱処理工程Ｓ１０６が終了し、硬組織代替材料の製造が完了した状態で行った。
【００３８】
チタンイオン濃度が０ｍｇ／Ｌのアルカリ水溶液を用いてアルカリ処理を行った硬組織代替材料では、アルカリ処理が施された皮膜は、薄いピンク色を帯びた部分と薄い緑色を帯びた部分とが全体的にむらのある状態で混在した色調となった。チタンイオン濃度が１．２ｍｇ／Ｌのアルカリ水溶液を用いてアルカリ処理を行った硬組織代替材料では、アルカリ処理が施された皮膜は、全体的に薄い緑色を帯びた部分が多く表れ、薄いピンク色を帯びた部分が部分的なむらとなって表れた状態の色調となった。一方、チタンイオン濃度が１．３ｍｇ／Ｌ以上で１．６ｍｇ／Ｌ以下の範囲の濃度のアルカリ水溶液を用いてアルカリ処理を行った硬組織代替材料では、アルカリ処理が施された皮膜は、いずれの硬組織代替材料でも全体的に薄い緑色を帯びた色調で統一されており、いずれにおいても色調のむらが見られず、安定した色調が得られる結果となった。このため、色調判定では、図５に示すように、チタンイオン濃度が１．３ｍｇ／Ｌ未満では図中ばつ印で示すように不良となり、チタンイオン濃度が１．３ｍｇ／Ｌ以上１．６ｍｇ／Ｌ以下では図中丸印で示すように良好となった。即ち、チタンイオン濃度が１．３ｍｇ／Ｌ未満では硬組織代替材料の皮膜の色調は安定せず、チタンイオン濃度が１．３ｍｇ／Ｌ以上１．６ｍｇ／Ｌ以下では硬組織代替材料の皮膜の色調が安定することが確認された。
【００３９】
（本実施形態の効果）
以上説明した本実施形態の硬組織代替材料の製造方法によると、金属材料で形成された基体１１をアルカリ水溶液に浸漬することで硬組織親和性を有する皮膜１２を基体１１の表面に形成し、その基体１１を加熱することで酸素を拡散させて処理層としての皮膜１２の厚みを増加させ、また皮膜構造の安定性を増加させることができる。これにより、金属材料の基体１１の表面に簡便な方法によって硬組織親和性を有する皮膜１２を形成することができるとともに金属とアパタイトとの高い接合強度を確保することができる硬組織代替材料１を製造することができる。また、前述のように、アルカリ水溶液における金属イオン濃度が所定の範囲に収まるように調整されることで、製造ロットが異なっていても、皮膜１２の色調が所定の色調に統一されて安定化することが、確認された。このため、アルカリ処理工程Ｓ１０４と加熱処理工程Ｓ１０６とが金属材料の基体１１に施されることで、基体１１の表面に形成される皮膜１２に関し、安定した色調を実現することができる。
【００４０】
従って、本実施形態によると、金属材料の基体１１の表面に簡便な方法によって硬組織親和性を有する皮膜１２を形成することができるとともに金属とアパタイトとの高い接合強度を確保することができ、更に、安定した皮膜１２の色調を実現することができる、硬組織代替材料の製造方法を提供することができる。
【００４１】
また、本実施形態の硬組織代替材料の製造方法によると、アルカリ水溶液における金属イオン濃度を飽和させるように調整するだけで、基体１１の表面に形成される皮膜１２について安定した色調を実現するためのアルカリ水溶液における金属イオン濃度の調整を容易に行うことができる。尚、前述のように、アルカリ水溶液における金属イオン濃度が飽和濃度に調整されることで、製造ロットが異なっていても、皮膜の色調が所定の色調に統一されて安定化することが、確認された。
【００４２】
また、本実施形態の硬組織代替材料の製造方法によると、アルカリ水溶液において調整される金属イオン濃度が、基体１１の金属材料（チタン又はチタン合金）を構成する金属元素（チタン）と同種の金属イオン濃度（チタンイオン濃度）であるため、基体からアルカリ水溶液中に溶出する金属イオンによってもアルカリ水溶液中における金属イオン濃度の調整を行うことができる。このため、アルカリ水溶液における金属イオン濃度の調整を更に容易に行うことができる。尚、前述のように、アルカリ水溶液において調整される金属イオン濃度が、基体１１の金属材料を構成する金属元素と同種の金属イオン濃度であることにより、皮膜の色調が更に安定化されて統一性の高い色調となることが、確認された。
【００４３】
また、本実施形態の硬組織代替材料の製造方法によると、機械的特性に優れ、体液に対する耐食性を有するとともに生体に対する毒性が極めて低く、且つ、金属材料中で最も優れた硬組織親和性を発揮するチタン及びチタン合金によって基体１１を構成することができる。そして、アルカリ水溶液にその基体１１を浸漬して加熱することで、その基体１１の表面に、アルカリチタン酸塩を含有する皮膜１２を形成し、高い硬組織親和性を有するとともに金属とアパタイトとの高い接合強度を実現することができる皮膜１２を構成することができる。
【００４４】
また、本実施形態の硬組織代替材料の製造方法によると、前述のように、アルカリ水溶液において調整される金属イオン濃度であるチタンイオン濃度が、１．３ｍｇ／Ｌ以上で１．６ｍｇ／Ｌ以下の範囲に収まるように調整されることで、皮膜１２の色調が更に安定化されて統一性の高い色調となることが、確認された。
【００４５】
また、本実施形態の硬組織代替材料の製造方法において用いられる処理溶液（アルカリ水溶液）によると、金属材料の基体１１の表面に簡便な方法によって硬組織親和性を有する皮膜１２を形成することができるとともに金属とアパタイトとの高い接合強度を確保することができ、更に、安定した皮膜１２の色調を実現することができる硬組織代替材料の製造方法に用いられる処理溶液を提供することができる。
【００４６】
（変形例）
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々な変更が可能なものである。例えば、次のように変更して実施してもよい。
【００４７】
（１）本実施形態では、硬組織代替材料が適用される硬組織として大腿骨を例にとって説明したが、この通りでなくてもよく、大腿骨以外の骨や歯の種々の硬組織に適用される硬組織代替材料に対してその製造方法として本発明を適用することもできる。
【００４８】
（２）本実施形態では、アルカリ水溶液における金属イオン濃度が飽和濃度となるように調整される場合を例にとって説明したが、必ずしもこの通りでなくてもよく、飽和濃度よりも小さい濃度を含む所定の範囲に金属イオン濃度が調整されるものであってもよい。また、本実施形態では、アルカリ水溶液において調整される金属イオン濃度が、硬組織代替材料の基体を構成する金属材料の金属イオン濃度である場合を例にとって説明したが、必ずしもこの通りでなくてもよく、硬組織代替材料の基体を形成する金属材料以外の金属材料の金属イオン濃度が調整されるものであってもよい。
【００４９】
（３）本実施形態では、基体を形成する金属材料がチタン又はチタン合金である場合を例にとって説明したが、この例に限られず、同じく生体適合性を持つ金属材料であるタンタル（Ｔａ）やジルコニウム（Ｚｒ）およびこれらの合金を用いて基体が形成されている場合であっても、本発明の技術的思想に基づく製造方法により、同様の効果が得られる。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明は、生体内において硬組織と代替されるように埋植される硬組織代替材料を製造する硬組織代替材料の製造方法、及びその製造方法において用いられる処理溶液として、広く適用することができるものである。
【符号の説明】
【００５１】
１ 硬組織代替材料
１１ 基体
１２ 皮膜
【特許請求の範囲】
【請求項１】
生体内において硬組織と代替されるように埋植される硬組織代替材料を製造する、硬組織代替材料の製造方法であって、
金属材料で形成された前記硬組織代替材料の基体をアルカリ金属イオン及び／又はアルカリ土類金属イオンを含有するアルカリ水溶液に浸漬させ、前記基体の表面に、前記金属材料と酸素とを含有して硬組織への親和性を有する皮膜を形成するアルカリ処理工程と、
前記アルカリ処理工程が終了した前記基体を加熱して前記基体の表面における処理層である前記皮膜の厚みと安定性を増加させる加熱処理工程と、
を備え、
前記アルカリ処理工程で用いられる前記アルカリ水溶液は、当該アルカリ水溶液における前記アルカリ金属イオン及び／又は前記アルカリ土類金属イオン以外の金属イオン濃度が所定の範囲に収まるように調整されることを特徴とする、硬組織代替材料の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の硬組織代替材料の製造方法であって、
前記アルカリ処理工程で用いられる前記アルカリ水溶液は、当該アルカリ水溶液における前記金属イオン濃度が飽和濃度となるように調整されることで、当該金属イオン濃度が所定の範囲に収まるように調整されることを特徴とする、硬組織代替材料の製造方法。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の硬組織代替材料の製造方法であって、
前記アルカリ処理工程で用いられる前記アルカリ水溶液において調整される前記金属イオン濃度は、前記金属材料を構成する金属元素と同種の金属イオン濃度であることを特徴とする、硬組織代替材料の製造方法。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の硬組織代替材料の製造方法であって、
前記金属材料は、チタン又はチタン合金であり、
前記皮膜は、アルカリチタン酸塩を含有することを特徴とする、硬組織代替材料の製造方法。
【請求項５】
請求項４に記載の硬組織代替材料の製造方法であって、
前記アルカリ処理工程で用いられる前記アルカリ水溶液は、当該アルカリ水溶液における前記金属イオン濃度が１．３ｍｇ／Ｌ以上で１．６ｍｇ／Ｌ以下の範囲に収まるように調整されることを特徴とする、硬組織代替材料の製造方法。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の硬組織代替材料の製造方法において用いられる処理溶液であって、
金属材料で形成されて前記硬組織代替材料の基体をアルカリ金属イオン及び／又はアルカリ土類金属イオンを含有するアルカリ水溶液に浸漬させ、前記基体の表面に、前記金属材料と酸素とを含有して硬組織への親和性を有する皮膜を形成するアルカリ処理工程において、前記アルカリ金属イオン及び／又は前記アルカリ土類金属イオン以外の金属イオン濃度が所定の範囲に収まるように調整される前記アルカリ水溶液として用いられることを特徴とする、処理溶液。
【請求項１】
生体内において硬組織と代替されるように埋植される硬組織代替材料を製造する、硬組織代替材料の製造方法であって、
金属材料で形成された前記硬組織代替材料の基体をアルカリ金属イオン及び／又はアルカリ土類金属イオンを含有するアルカリ水溶液に浸漬させ、前記基体の表面に、前記金属材料と酸素とを含有して硬組織への親和性を有する皮膜を形成するアルカリ処理工程と、
前記アルカリ処理工程が終了した前記基体を加熱して前記基体の表面における処理層である前記皮膜の厚みと安定性を増加させる加熱処理工程と、
を備え、
前記アルカリ処理工程で用いられる前記アルカリ水溶液は、当該アルカリ水溶液における前記アルカリ金属イオン及び／又は前記アルカリ土類金属イオン以外の金属イオン濃度が所定の範囲に収まるように調整されることを特徴とする、硬組織代替材料の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の硬組織代替材料の製造方法であって、
前記アルカリ処理工程で用いられる前記アルカリ水溶液は、当該アルカリ水溶液における前記金属イオン濃度が飽和濃度となるように調整されることで、当該金属イオン濃度が所定の範囲に収まるように調整されることを特徴とする、硬組織代替材料の製造方法。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の硬組織代替材料の製造方法であって、
前記アルカリ処理工程で用いられる前記アルカリ水溶液において調整される前記金属イオン濃度は、前記金属材料を構成する金属元素と同種の金属イオン濃度であることを特徴とする、硬組織代替材料の製造方法。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の硬組織代替材料の製造方法であって、
前記金属材料は、チタン又はチタン合金であり、
前記皮膜は、アルカリチタン酸塩を含有することを特徴とする、硬組織代替材料の製造方法。
【請求項５】
請求項４に記載の硬組織代替材料の製造方法であって、
前記アルカリ処理工程で用いられる前記アルカリ水溶液は、当該アルカリ水溶液における前記金属イオン濃度が１．３ｍｇ／Ｌ以上で１．６ｍｇ／Ｌ以下の範囲に収まるように調整されることを特徴とする、硬組織代替材料の製造方法。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の硬組織代替材料の製造方法において用いられる処理溶液であって、
金属材料で形成されて前記硬組織代替材料の基体をアルカリ金属イオン及び／又はアルカリ土類金属イオンを含有するアルカリ水溶液に浸漬させ、前記基体の表面に、前記金属材料と酸素とを含有して硬組織への親和性を有する皮膜を形成するアルカリ処理工程において、前記アルカリ金属イオン及び／又は前記アルカリ土類金属イオン以外の金属イオン濃度が所定の範囲に収まるように調整される前記アルカリ水溶液として用いられることを特徴とする、処理溶液。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１０−１７２４４９（Ｐ２０１０−１７２４４９Ａ）
【公開日】平成２２年８月１２日（２０１０．８．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１７６６７（Ｐ２００９−１７６６７）
【出願日】平成２１年１月２９日（２００９．１．２９）
【出願人】（５０４４１８０８４）日本メディカルマテリアル株式会社 (106)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年８月１２日（２０１０．８．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１月２９日（２００９．１．２９）
【出願人】（５０４４１８０８４）日本メディカルマテリアル株式会社 (106)
【Ｆターム（参考）】
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