【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、人工骨、人工股関節、
人工歯根等の生体硬組織の代替材料として有用な生体イ
ンプラント材と、その製造方法に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to an artificial bone, an artificial hip joint,
The present invention relates to a bioimplant material useful as a substitute material for biohard tissues such as artificial tooth roots and a method for producing the bioimplant material.
【０００２】[0002]
【従来の技術】従来より骨欠損部等を修復するための生
体インプラント材として、チタン金属やチタン合金から
なるものが知られている。このようなインプラント材
は、生体親和性があり、しかも高い機械的強度を有して
いるため、大腿骨、股関節等の大きな荷重のかかる部位
に使用されている。2. Description of the Related Art Conventionally, as a bioimplant material for repairing a bone defect or the like, one made of titanium metal or titanium alloy has been known. Since such an implant material has biocompatibility and high mechanical strength, it is used in a portion to which a large load is applied, such as a femur or a hip joint.
【０００３】[0003]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記した
インプラント材は、骨を伝導する力が弱いため、骨がイ
ンプラント材の表面に到達してから接合するのに時間が
かかる。このため長期間患者がベットから離れることが
できず、患者の肉体的、精神的負担が大きいという問題
を有している。However, since the above-mentioned implant material has a weak bone-conducting force, it takes time to bond the bone after reaching the surface of the implant material. Therefore, there is a problem that the patient cannot stay away from the bed for a long period of time, and the physical and mental burden on the patient is large.
【０００４】また生体内で周囲の骨組織と反応し、骨と
の間に化学結合を形成する性質を有するものとして生体
活性無機材料、例えば水酸化アパタイトやアパタイトを
含む無機材料が知られているが、これらの材料は、機械
的強度が低いという欠点を有している。In addition, bioactive inorganic materials, for example, inorganic materials containing hydroxyapatite and apatite are known to have the property of reacting with surrounding bone tissue in the living body and forming a chemical bond with the bone. However, these materials have the drawback of low mechanical strength.
【０００５】そこでチタン金属やチタン合金からなる金
属体の表面に、生体活性無機材料からなる表面層が形成
されてなる複合材料が提案されているが、このような複
合材料を長期間に亙って使用すると、あるいはこれに大
きな外力が加わると、表面層が金属体から剥離したり、
層内部で破壊が生じたりするという問題を有している。Therefore, a composite material has been proposed in which a surface layer made of a bioactive inorganic material is formed on the surface of a metal body made of titanium metal or a titanium alloy, and such a composite material is used for a long period of time. When used or when a large external force is applied to it, the surface layer peels off from the metal body,
There is a problem that destruction may occur inside the layer.
【０００６】本発明の目的は、チタン金属やチタン合金
といったＴｉを主成分とする金属体の表面に、骨との接
合性に優れ、しかも金属体から剥離したり、破壊するこ
とのない表面層が形成されてなる生体インプラント材
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 surface layer on the surface of a metal body containing titanium as a main component, such as titanium metal or titanium alloy, which has excellent bondability to bone and which is neither peeled nor destroyed from the metal body. It is intended to provide a biological implant material in which the above is formed, and a method for producing the same.
【０００７】[0007]
【課題を解決するための手段】本発明者等は、上記目的
を達成すべく種々の研究を行った結果、生体内に生体イ
ンプラント材を埋入した時にその表面にシリカゲルが生
成すると短期間で骨と接合すること、このようなシリカ
ゲルは金属体の表面にケイ化チタンを含む表面層を形成
しておくことにより生成すること、また表面層中のケイ
化チタンの割合を傾斜的に変化させることにより、層の
剥離や破壊が起こり難くなることを見いだし、本発明と
して提案するものである。Means for Solving the Problems As a result of various studies to achieve the above object, the inventors of the present invention have found that when a bioimplant material is implanted in a living body, silica gel is formed on the surface of the bioimplant material in a short time. Bonding with bone, such silica gel is produced by forming a surface layer containing titanium silicide on the surface of a metal body, and the ratio of titanium silicide in the surface layer is changed in a gradual manner. It has been found that this makes it difficult for layer peeling and breakage to occur, and is proposed as the present invention.
【０００８】即ち、本発明の生体インプラント材は、Ｔ
ｉを主成分とする金属体の表面に、Ｔｉを主成分とする
金属とケイ化チタンとからなり表面に近づくに従ってケ
イ化チタンの割合が傾斜的に高くなる表面層が形成され
てなることを特徴とする。That is, the bioimplant material of the present invention is
On the surface of the metal body containing i as a main component, a surface layer is formed which is composed of a metal containing Ti as a main component and titanium silicide and in which the proportion of titanium silicide is gradually increased toward the surface. Characterize.
【０００９】また本発明の生体インプラント材の製造方
法は、Ｔｉを主成分とする金属体にＳｉ元素をイオン注
入した後、熱処理することを特徴とする。Further, the method for producing a bioimplant material of the present invention is characterized in that the metal element having Ti as a main component is ion-implanted with Si element and then heat-treated.
【００１０】本発明におけるＴｉを主成分とする金属体
とは、チタン金属及びチタン合金を意味する。チタン合
金としては、Ｔｉを主成分としてＡｌ、Ｓｎ、Ｚｒ、Ｍ
ｏ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｖ、Ｐｔ等を添加した合
金を使用することができ、なかでもＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ
合金を使用することが好ましい。The metal body containing Ti as a main component in the present invention means titanium metal and titanium alloy. As a titanium alloy, Ti, as a main component, Al, Sn, Zr, M
Alloys containing o, Ni, Pd, Ta, Nb, V, Pt, etc. can be used. Among them, Ti-6Al-4V can be used.
Preference is given to using alloys.
【００１１】表面層は、Ｔｉを主成分とする金属とケイ
化チタンとからなり、ケイ化チタンの割合が表面に近づ
くにつれて大きくなるように形成されている。この表面
層は、表面付近では殆どケイ化チタンで構成されるた
め、生体内に埋入した時、シリカゲルが生成しやすくな
り、早期に骨と接着する。また連続的に組成が変化し、
金属体の近旁では殆どケイ化チタンが存在せず、金属体
と同じ材料で構成されるため、金属体と一体的に結合す
るとともに層自体の強度が高い。The surface layer is composed of a metal containing Ti as a main component and titanium silicide, and is formed so that the proportion of titanium silicide increases as it approaches the surface. Since this surface layer is composed almost entirely of titanium silicide in the vicinity of the surface, when it is implanted in a living body, silica gel is likely to be generated and adheres to bone early. Also, the composition changes continuously,
Almost no titanium silicide is present in the vicinity of the metal body, and since it is composed of the same material as the metal body, it is integrally bonded to the metal body and the strength of the layer itself is high.
【００１２】なお表面層中に含まれるケイ化チタンは、
ＴｉとＳｉの量比がどのようなものであっても良く、例
えばＴｉ5 Ｓｉ3 が使用できる。また生体に対して為害
性を示さないものであれば、表面層中にＡｌ−Ｐ、Ｔｉ
−Ｂ、Ｔｉ−Ｐ等他の化合物が存在していても差し支え
ない。The titanium silicide contained in the surface layer is
Any amount ratio of Ti and Si may be used, and for example, Ti5 Si3 can be used. In addition, Al-P and Ti in the surface layer are used as long as they are not harmful to the living body.
Other compounds such as -B and Ti-P may be present.
【００１３】次に本発明の生体インプラント材の製造方
法について説明する。Next, a method for producing the bioimplant material of the present invention will be described.
【００１４】まず所望の形状に成形されたチタン金属、
チタン合金等のチタンを主成分とする金属体を準備す
る。尚、チタン合金としては、例えばＴｉ−６Ａｌ−４
ＶのようなＴｉを主成分とし、Ａｌ、Ｓｎ、Ｃｒ、Ｚ
ｒ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｖ、Ｐｔ等を添加
した合金が使用できる。また金属体は、サンドブラス
ト、プラズマ溶射等の既知の方法によって表面に凹凸を
つけておくことが望ましい。このように金属体の表面に
凹凸を設けておくと、表面に凹凸を有する生体インプラ
ント材を得ることが可能となる。First, a titanium metal formed into a desired shape,
A metal body containing titanium such as a titanium alloy as a main component is prepared. As the titanium alloy, for example, Ti-6Al-4
Ti such as V as a main component, Al, Sn, Cr, Z
An alloy added with r, Mo, Ni, Pd, Ta, Nb, V, Pt or the like can be used. Further, it is desirable that the surface of the metal body is made uneven by a known method such as sandblasting or plasma spraying. By providing the surface of the metal body with irregularities in this way, it is possible to obtain a bioimplant material having irregularities on the surface.
【００１５】次に金属体にＳｉ元素をイオン注入する。
イオン注入法の特徴は、室温での添加が可能で、しかも
イオン電流、時間の管理によって注入量や添加深さが調
節できることである。つまりイオン注入の総量は、電流
×時間＝電気量として決定され、濃度分布と深さは、注
入エネルギー（注入電圧）及び注入する材料の種類によ
り変化する。従って本発明においては、所望のＳｉ濃度
となるように注入条件を設定することが必要である。Next, Si element is ion-implanted into the metal body.
The feature of the ion implantation method is that it can be added at room temperature and that the implantation amount and the addition depth can be adjusted by controlling the ion current and time. That is, the total amount of ion implantation is determined as current × time = electricity, and the concentration distribution and depth change depending on the implantation energy (implantation voltage) and the type of material to be implanted. Therefore, in the present invention, it is necessary to set the implantation conditions so that the desired Si concentration is obtained.
【００１６】その後、金属体を熱処理することによっ
て、注入されたＳｉイオンと金属体中のＴｉとを反応さ
せてケイ化チタンを含む表面層を形成する。このとき金
属体中のＳｉイオン濃度は表面に近づくにつれて高くな
っているため、熱処理によって形成される表面層中のケ
イ化チタンの割合も表面に近づくに従って高くなる。こ
のようにして形成された表面層は、表面に向かって金属
からケイ化チタンへ傾斜的に変化した組成となる。なお
金属体にＳｉイオンを注入しただけのものでも、生体内
に埋入すると表面にシリカゲルが生成するが、この状態
ではＳｉイオンが金属体内に固定されていないため、金
属体に対するシリカゲルの接着力が弱く、この部分から
容易に剥離してしまう。このためＳｉイオンをチタンと
反応させ、ケイ化チタンとして固定させておく必要があ
る。Thereafter, the metal body is heat-treated to react the implanted Si ions with Ti in the metal body to form a surface layer containing titanium silicide. At this time, since the Si ion concentration in the metal body increases as it approaches the surface, the proportion of titanium silicide in the surface layer formed by the heat treatment also increases as it approaches the surface. The surface layer thus formed has a composition in which metal gradually changes to titanium silicide toward the surface. Even if a metal body is simply implanted with Si ions, when it is embedded in a living body, silica gel is generated on the surface, but since Si ions are not fixed in the metal body in this state, the adhesive force of silica gel to the metal body is high. Is weak and easily peels from this part. Therefore, it is necessary to react Si ions with titanium and immobilize them as titanium silicide.
【００１７】なお熱処理は６００〜９５０℃で行うのが
好ましい。これは６００℃より低いと、ＴｉとＳｉが反
応せず、また９５０℃を超えると、Ｔｉが転移して金属
体が脆くなるためである。またチタン金属やチタン合金
の表面に厚い酸化物膜ができないように、真空中あるい
は不活性ガス中で熱処理することが望ましい。The heat treatment is preferably performed at 600 to 950 ° C. This is because if it is lower than 600 ° C., Ti and Si do not react with each other, and if it exceeds 950 ° C., Ti is transferred and the metal body becomes brittle. Further, it is desirable to perform heat treatment in vacuum or in an inert gas so that a thick oxide film cannot be formed on the surface of titanium metal or titanium alloy.
【００１８】[0018]
【作用】本発明の生体インプラント材を生体内に埋入す
ると、表面付近のケイ化チタンが酸化されてＳｉＯ2 を
含む非常に薄い酸化膜が生成しやすい。そしてこの酸化
膜が水和されてシリカゲルになり、これが核となってア
パタイト層が生成し、骨と短期間に接合することにな
る。また表面層の組成がＴｉ等の金属からケイ化チタン
へと傾斜的に変化しているため、金属体と表面層との界
面で剥離が起こったり、層内部で破壊が生じたりするこ
とがない。When the bioimplant material of the present invention is embedded in a living body, the titanium silicide near the surface is easily oxidized to form a very thin oxide film containing SiO2 . This oxide film is then hydrated to form silica gel, which serves as a nucleus to form an apatite layer, which joins the bone in a short period of time. Further, since the composition of the surface layer changes from a metal such as Ti to titanium silicide in a graded manner, peeling does not occur at the interface between the metal body and the surface layer or breakage occurs inside the layer. .
【００１９】[0019]
【実施例】以下、実施例に基づいて本発明の生体インプ
ラント材を詳細に説明する。EXAMPLES Hereinafter, the bioimplant material of the present invention will be described in detail based on examples.
【００２０】[0020]
【表１】[Table 1]
【００２１】表１は、本発明の実施例（試料Ｎｏ．１）
及び比較例（試料Ｎｏ．２、３）の引き剥がし強度を示
すものである。Table 1 shows an example of the present invention (Sample No. 1).
And the peel strength of the comparative examples (Sample Nos. 2 and 3).
【００２２】実施例であるＮｏ．１の試料は、次のよう
にして作製した。No. The sample No. 1 was prepared as follows.
【００２３】まず基材として１０×１５×２t ｍｍの大
きさのＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金を準備し、この基材の表
面粗さがおおよそＲmax で１０μｍ程度となるようにサ
ンドブラストして表面を凹凸を形成した。First, a Ti-6Al-4V alloy having a size of 10 × 15 × 2t mm was prepared as a base material, and the surface was sandblasted so that the surface roughness of the base material was about 10 μm at Rmax. To form irregularities.
【００２４】次いでこの材料に注入エネルギー１００ｋ
ｅＶ、５×１０17ｉｏｎｓ／ｃｍ2の条件でＳｉ元素の
イオン注入を行った後、２×１０-6Ｔｏｒｒの真空中で
９００℃、１時間の条件で熱処理した。Next, an implantation energy of 100 k is applied to this material.
Ion implantation of Si element was performed under the conditions of eV and 5 × 1017 ions / cm2 , and then heat treatment was performed at a temperature of 900 ° C. for 1 hour in a vacuum of 2 × 10−6 Torr.
【００２５】こうして得られた材料の表面部分につい
て、深さ方向の元素濃度変化を調べたところ、Ｓｉ元素
の分布が表面に近づくに従って増加していることが確認
できた。また薄膜Ｘ線回折分析を行ったところ、表面付
近は殆どＴｉ5 Ｓｉ3 からなっていることが確認でき
た。When the change in the element concentration in the depth direction of the surface portion of the material thus obtained was examined, it was confirmed that the distribution of the Si element increased as it approached the surface. Further, thin film X-ray diffraction analysis confirmed that the vicinity of the surface was mostly composed of Ti5 Si3 .
【００２６】一方比較例であるＮｏ．２の試料は未処理
のＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金を使用したものである。On the other hand, No. Sample No. 2 is an untreated Ti-6Al-4V alloy.
【００２７】またＮｏ．３の試料は次のようにして作製
した。まず重量百分率でＳｉＯ2 ４５％、Ｐ2 Ｏ5 １０
％、ＣａＯ ３５％、ＭｇＯ １０％、Ｂ2 Ｏ3 ３％の
組成を有するガラス粉末（平均粒径３μｍ）を用意し、
これをビークルと混練してペーストとした。次にこのペ
ーストをＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金の表面に刷毛塗りし、
乾燥後、大気中で４５０℃で３０分間保持して脱脂し
た。その後、真空中（１０-6ｔｏｒｒ程度）で８５０℃
で１時間焼成することによって、表面にガラス層が形成
された試料を得た。No. The sample of No. 3 was prepared as follows. First, by weight percentage, SiO2 45%, P2 O5 10
%, CaO 35%, MgO 10%, B2 O3 3% glass powder (average particle size 3 μm) is prepared.
This was kneaded with a vehicle to form a paste. Next, this paste is brushed on the surface of Ti-6Al-4V alloy,
After drying, the product was kept in the air at 450 ° C. for 30 minutes for degreasing. Then, in vacuum (about 10-6 torr) at 850 ° C.
A sample having a glass layer formed on the surface thereof was obtained by firing for 1 hour.
【００２８】これらの各試料を家兎（各１６匹）の脛骨
に埋入した後、８週間後と２４週間後にそれぞれ８匹づ
つ屠殺し、各試料と骨との引き剥がし強度を測定し、そ
の平均値を表１に示した。After embedding each of these samples in the tibia of rabbits (16 animals each), 8 animals were sacrificed 8 weeks and 24 weeks later, and the peel strength between each sample and the bone was measured. The average value is shown in Table 1.
【００２９】表１から明らかなように、本発明の実施例
である試料Ｎｏ．１は、引き剥がし強度が８週間後で
３．５±０．８、２４週間後で３．７±１．０であっ
た。また破壊は何れも骨との界面で起こっており、表面
層の破壊は認められなかった。これに対して比較例であ
るＮｏ．２の試料では、破壊は何れも骨との界面で起こ
っており、表面層の破壊はなかったものの、８週間後で
０．２±０．５ｋｇ、２４週間後で２．６±１．３ｋｇ
であり、骨との接合に時間がかかることが分かった。ま
たＮｏ．３の試料では、破壊は何れもガラス層内で起こ
り、また引き剥がし強度は８週間後で１．１±０．６ｋ
ｇ、２４週間後で１．２±０．８ｋｇと低い値を示し
た。このことから試料Ｎｏ．３は、骨との接合が短期間
で行われているものの、ガラス層の強度が低いために引
き剥がし強度が低い値を示したと考えられる。As is clear from Table 1, the sample No. which is an example of the present invention. No. 1 had a peel strength of 3.5 ± 0.8 after 8 weeks and 3.7 ± 1.0 after 24 weeks. Further, all the fractures occurred at the interface with the bone, and no fracture of the surface layer was observed. On the other hand, No. In the sample of No. 2, destruction occurred at the interface with the bone, and there was no destruction of the surface layer, but 0.2 ± 0.5 kg after 8 weeks and 2.6 ± 1.3 kg after 24 weeks.
It was found that joining with bone takes time. In addition, No. In the sample of No. 3, all the fractures occurred in the glass layer, and the peel strength was 1.1 ± 0.6 k after 8 weeks.
After 24 weeks, the value was as low as 1.2 ± 0.8 kg. From this, sample No. It is probable that No. 3 had a low peeling strength because the glass layer had a low strength, although it was bonded to the bone in a short period of time.
【００３０】[0030]
【発明の効果】以上のように本発明の生体インプラント
材は、生体親和性に優れ、機械的強度が高く、骨と短期
間で接合し、しかも表面層が剥離し難い。それゆえ術後
初期の固定が良好であり、患者がベットから早期に離れ
ることができ、患者の肉体的、精神的負担を軽減するこ
とが可能である。INDUSTRIAL APPLICABILITY As described above, the bioimplant material of the present invention has excellent biocompatibility, high mechanical strength, can be bonded to bone in a short period of time, and the surface layer is not easily peeled off. Therefore, the initial fixation after the operation is good, the patient can leave the bed early, and the physical and mental burden on the patient can be reduced.
【００３１】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 living body implant material can be easily manufactured.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ａ６１Ｋ 6/04─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (51) Int.Cl.6 Identification code Internal reference number FI technical display location A61K 6/04
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6284230AJPH08117325A (en) | 1994-10-24 | 1994-10-24 | Bio-implant material and method for manufacturing the same |
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6284230AJPH08117325A (en) | 1994-10-24 | 1994-10-24 | Bio-implant material and method for manufacturing the same |
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08117325Atrue JPH08117325A (en) | 1996-05-14 |
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6284230APendingJPH08117325A (en) | 1994-10-24 | 1994-10-24 | Bio-implant material and method for manufacturing the same |
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH08117325A (en) |
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPWO2007043149A1 (en)* | 2005-10-05 | 2009-04-16 | 株式会社ホムズ技研 | Implant for osteosynthesis and method for producing the same |
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPWO2007043149A1 (en)* | 2005-10-05 | 2009-04-16 | 株式会社ホムズ技研 | Implant for osteosynthesis and method for producing the same |
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Shabalovskaya | On the nature of the biocompatibility and on medical applications of NiTi shape memory and superelastic alloys | |
| Jarcho | Retrospective analysis of hydroxyapatite development for oral implant applications | |
| KR0126285B1 (en) | Implants for partial replacement of tooth or bone tissue | |
| US4746532A (en) | Method for the production of endosseous implants | |
| Thomas | Hydroxyapatite coatings | |
| WO1992014422A1 (en) | Composite bio-implant and production method therefor | |
| JPH0624585B2 (en) | Biocompatible composite manufacturing method | |
| JPS5946911B2 (en) | implant | |
| Sridhar et al. | Electrophoretic deposition of hydroxyapatite coatings and corrosion aspects of metallic implants | |
| US5482731A (en) | Method for bonding a calcium phosphate coating to stainless steels and cobalt base alloys for bioactive fixation of artificial implants | |
| CN103201237B (en) | Monolithic ceramic body with mixed oxide edge region and metallic surface, method for its production and use | |
| JPH08117325A (en) | Bio-implant material and method for manufacturing the same | |
| AlMaimouni et al. | Bioactive glass coated dental implants | |
| JPH06205794A (en) | Composite implant to living body and its manufacture | |
| JPH08117324A (en) | Method for manufacturing a bio-implant material | |
| JPH09122223A (en) | Organism implant material and manufacture thereof | |
| JPH11178912A (en) | Bioprosthetic members | |
| JP2810965B2 (en) | Laminates, artificial roots and crowns | |
| Carter et al. | Ceramics in biology and medicine | |
| JPH07255833A (en) | Organism implant material and manufacture thereof | |
| JPH0622576B2 (en) | Ceramic coated implant | |
| JPH02114960A (en) | Artificial bone | |
| JPH0622577B2 (en) | Ceramic coated implant | |
| JPS6234559A (en) | Method of manufacturing intraosseous implants | |
| JP4625943B2 (en) | Bone substitute material and manufacturing method thereof |