JP4457230B2

JP4457230B2 - 医用インプラント材の表面処理方法

Info

Publication number: JP4457230B2
Application number: JP07665399A
Authority: JP
Inventors: 明義尾坂; 惠三太田; 聡早川; 寛治都留; 啓子古谷野
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-03-19
Filing date: 1999-03-19
Publication date: 2010-04-28
Anticipated expiration: 2019-03-19
Also published as: US20020143398A1; US6544288B2; JP2000271206A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、医療分野で使用されるチタン又はチタン合金を表面層に持つ生体親和性に優れた医用インプラント材の表面処理方法に関するものである。より詳しくは、該インプラント材の表面に対する電気化学処理により生体親和性もしくは生体活性を付与する方法に関する。
【０００２】
チタン又はチタン合金を表面層に持つ医用インプラント材は、単純な材質そのままの状態では、生体親和性もしくは生体活性が低く、これらの性質をその表面に付与しなければ、長時間の生体内の埋入中にずれや緩みを生じる問題点がある。
【０００３】
そういった問題に対し、チタン系インプラント材の表面に生体親和性の優れたハイドロキシアパタイトなどのリン酸カルシウム系セラミックスのプラズマ溶射やカルシウムイオンやリン酸イオンを含む水溶液に浸漬するなどしてアパタイトを表面にコーティングする方法がある。しかし、これらの改善方法は前者のプラズマ溶射では1,000℃以上の高温を要し製造装置が高価であり、かつ、工程が複雑である。後者の浸漬法は処理に長時間を要することになる。また、金属表面と組織の一体化にならないため、密着性が十分とはいえない。
【０００４】
そこで金属表面と組織の直接的な一体化のための方法として、チタン又はチタン合金を表面層に持つ医用インプラント材に対して、高濃度アルカリ溶液に漬けて水和ゲル層を形成させ、600℃で焼いて得られる表面層が、アパタイト形成能を有することとして知られている。例えば、特開平１−275766号にその記載がある。しかし、高濃度アルカリ溶液を用いる危険性、600℃で加熱することでの形状の狂いや材質の変化が懸念される。また、そういった処理は高コストになる。
【０００５】
そこで、金属イオン含有過酸化水素水を用いて加温、加熱下にチタン系インプラント材を浸漬して、表面に金属イオン含有水和チタニアゲル層を形成させて、カルシウムイオン及びリン酸イオンを含有する（擬似）体液中でのアパタイト形成能を高め、生体組織との一体化をすすめる方法が種々提案されている。本発明者らもこのような方法により高能率なインプラント材の表面処理方法につき検討を加え、特許第２７９５８２４号で提案している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記過酸化水素浸漬法よりも更に低温で簡便な処理方法を用いて、医用インプラント材の表面に人体組織と結合する生体活性を付与することを目的とするものである。すなわち、医用インプラント材として十分な機械的強度を備え、生体組織との結合性に優れ、密着性の良好なものを得るための方法につき更なる検討を加えた。
【０００７】
本発明者は、上記問題点を解決するために、電気化学処理を応用して表面活性を付与しようとしたものである。すなわち、まずチタン又はチタン合金を表面層に持つ医用インプラント材を電極として、Ｃaイオンを含む水溶液中で陰陽両極電気化学処理をして、該インプラント材の表面にＣaイオンを吸着もしくは含ませることを特徴とする医用インプラント材の表面処理方法である。
【０００８】
詳しくは、チタン又はチタン合金を表面層に持つ医用インプラント材に対して、該インプラント材の表面にＣaイオンを含む水溶液中で陽極電気化学処理により形成されるチタン水和酸化物層もしくはチタン水和酸化物ゲル層に、同一溶液中での陰極切り替えでＣaイオンを吸着もしくは含ませることで、前記インプラント材の表面に体液中で高い生理活性のあるアパタイト形成能を有する水和ゲル層を形成でき、該インプラント材表面に対して生体組織との適合性と親和性を与えられる方法である。
【０００９】
すなわち、本発明の医用インプラント材の表面処理方法は、陽極電気化学処理により形成される水和ゲル層に、陰極に極性を切り替えることでＣaイオンを吸着もしくは含ませることで、医用インプラント材の表面を改質することを特徴とする。チタン系合金にかける陰極電圧は−２〜−３Ｖまでが適当で、これ以上になると水の電気分解が激しく起こり、両極からのガス発生が激しいので、好ましくない。陽極電圧は高いほど厚い酸化層を形成するが、アパタイトと金属チタン等との接着を考えると、８〜９Ｖ以上が好ましい。
【００１０】
ここで用いられる医用インプラント材の素材は、天然または合成の有機高分子材料や金属材料が広く用いられ、特に限定されるものではないが、天然または合成の有機高分子材料などのインプラント材として必要な機械的強度、靭性を発現するような、これらの単体または複合体が選ばれ、その表面に表面改質手段でチタン又はチタン合金を表面層に持つものである。ここにいう表面改質手段とは、メッキ、溶射、イオン注入、ＰＶＤ、ＣＶＤ、イオンミキシング、その他公知の表面改質手段である。
【００１１】
また金属材料などのインプラント材では、チタン、チタン合金、コバルト・クローム合金、ステンレス鋼などが選ばれ、上記の表面改質手段でチタン又はチタン合金を表面層に持つものである。素材がチタン又はチタン合金の場合は、当然このような表面改質は不要である。したがって、本発明により得られる医用インプラント材は、上記表面処理方法により、インプラント材表面に、水和酸化物層又は水和酸化物ゲル層に、Ｃaイオンが吸着もしくは含まれた高いアパタイト形成能を有する水和ゲル層を形成されたインプラント材料表面を持つ生体組織との適合性と親和性に非常に優れた生体親和性インプラント材である。
【００１２】
本発明でいう医用インプラント材とは、上記各種素材からなり、生体内で使用するための成形体を意味し、生体内で使用するために必要な物性と安全性を有するものであれば、形状、使用形態等を特に問わない。たとえば、板状、棒状、ブロック状、シート状、繊維状、ペレット状、など任意の形状のものが使用できる。
特に好ましい有機高分子系医用インプラント材の中には、ポリエチレン、ポリプロピレン、テフロン（ゴアテックス）、ポリ塩化ビニル、ポリカーボネートなどがある。
【００１３】
また、医用インプラント材としての金属の好ましい例には、チタン系金属が挙げられる。チタン系金属は、チタン又はチタン合金である。合金中の金属元素も公知のＡl,Ｓn,Ｆe,Ｃo,Ｎi,Ｃr,Ｃu,Ｖ,Ｍo,Ｗ,Ｔa,Ａg,Ｚrなど加工性を考慮して適宜選択する。中でもＴi−６Ａl−４Ｖのチタン合金が好ましい。
【００１４】
インプラント材を表面処理するＣaイオンを含む溶液は、0.001mol/L以上のＣa(ＮＯ₃)₂などの水溶液が望ましく、特に短時間の処理を必要とするときは、さらに高濃度の溶液が望ましい。同溶液の濃度は上記濃度よりさらに薄くても効果はあるが、処理の時間が長くなることになる。溶液の温度としては、室温で十分であり、０℃以上であればよい。その他の水溶液としては、塩化カルシウム溶液や酢酸カルシウム溶液などカルシウムイオンを含む溶液ならなんでも良い。
【００１５】
チタン又はチタン合金を表面層に持つ医用インプラント材で表面に過酸化水素水処理等で水和酸化物層又は水和酸化物ゲル層を持つ該医用インプラント材を表面処理する電気化学処理は、該医用インプラント材料表面に、Ｃaイオンを含む溶液の中で陰極電気化学処理で、水和酸化物層又は水和酸化物ゲル層にＣaイオンを吸着又は含ませることができる。
【００１６】
通常の状態ではチタン又はチタン合金を表面層に持つ医用インプラント材は、水和酸化物質層又は水和酸化物ゲル層を持たないので、過酸化水素水処理に代えて、陽極電気化学処理をしてチタン系金属片の電解酸化処理を行なうのである。すなわち、上記の陰極電気化学表面処理の前に同一溶液中で、陽極電気化学表面処理により水和酸化物層又は水和酸化物ゲル層を生成させることができる。このようにすれば、通常のチタン又はチタン合金を表面層に持つ医用インプラント材は、同一溶液中で非常に簡便に水和酸化物層又は水和酸化物ゲル層にＣaイオンを吸着又は含むようになり、単に金属片から直接陰極電気化学処理をするよりも良好なアパタイト形成能が付与される。しかも、過酸化水素水処理との併用をすることなく、電気化学処理のみで、これと同等以上の処理が可能となる。
【００１７】
以上のようにして得られるＣaイオンを吸着又は含ませる水和酸化物層又は水和酸化物ゲル層を生成させた医用インプラント材は、非常に優れたアパタイト形成能を示す。実験では擬似体液中に浸漬後、わずか12時間後にはアパタイト形成を示した。このように優れたアパタイト形成能は、生体内部で優れた生体親和性と生体適合性を示し、生体活性のある生体親和性医用インプラント材料となる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、実施例によって本発明の医用インプラント材の表面処理方法及びそれにより得られる生体親和性インプラント材の性状並びに作用・効果につき具体的に説明するが、これら実施例に限定されるものではない。
【００１９】
チタン又はチタン合金の処理電極は、ワイヤーカット放電加工機で切断した25×５×１mmの金属片であり、前処理として化学研磨に先立ってアセトン中で超音波洗浄して油分を除去した。次いで、金属表面の酸化皮膜を除去するために、１wt％ＨＦ水溶液に３分間浸漬し、次いで３wt％Ｈ₂Ｏ₂含有１wt％ＨＦ水溶液に５分間浸漬して化学研磨した。そして、蒸留水中で５分間超音波洗浄後40℃で乾燥し、使用前まで発泡ポリスチレン容器中に保存した。
【００２０】
本発明において、チタン又はチタン合金インプラント材の電気化学処理に用いた装置の模式図を図１に示す。図１中のＰＳはポテンショスタット、ＷＥは処理電極で、上記のチタン片である。ＣＥは25×５×１mmサイズのプラチナ（Ｐt）電極板からなる対極、ＲＥは参照電極としての銀−塩化銀（Ａg/ＡgＣl）電極である。そして、ＲＥは参照電極セル（ＲＥセル）中の電解質として３mol/LのＫＣl溶液中に浸漬し、ＷＥとＣＥは処理電極セル（ＷＥ−ＣＥセル）中の電解質として0.01,0.1そして１mol/LのＣa(ＮＯ₃)₂溶液中に浸漬した。ＳＢはこれら電解質を導通させる塩橋であり、逆Ｕ字状のガラス管中に0.1mol/LのＫＣl水溶液を溶かしたアガロースゲルを入れたものである。
【００２１】
このような純チタン片をＷＥとし、図１の電気化学処理装置を用いて、表面処理を行った。ＷＥには、陽極となるようプラス電圧を与えると、その表面が電解酸化されて水和酸化物層又は水和酸化物ゲル層を形成する。また、ＷＥが陰極となるようマイナス電圧を与えると、ＷＥの表面にＣaイオンが吸着される。したがって、このＷＥにまずプラス加電圧をし、表面に水和酸化物層を形成させた後、マイナス加電圧をすると、その上にＣaイオンが吸着されることになる。
【００２２】
例えば、0.1mol/LのＣa(ＮＯ₃)₂電解液中ＷＥ：チタンに対して加電圧し、電圧は20mＶ/Ｓの比で掃引した。最初、０Ｖから−1.5Ｖへ下げ、次に2.5Ｖまで上げ、そして０Ｖへ戻した。その間にいくつかの電流のピークが見られ、−1.1Ｖ(A),−0.5Ｖ(B),＋0.9Ｖ(C)と＋1.8Ｖ(D)である。それぞれチタンの酸化状態の変化による陽極の分極で、(C)ではＴiＯ₂・２Ｈ₂Ｏ、(D)ではＴiＯ₃・２Ｈ₂Ｏである。また、陰極の分極のピークは表面酸化物の還元によるＴi(ＯＨ)₃の生成(A)とＴiＯ(B)の生成である。
【００２３】
次に、Ｃa(ＮＯ₃)₂の濃度を変更したときの電流−電圧曲線のグラフは、1.8Ｖで分極発泡が陰陽両極で観察された。これはＨ₂Ｏの電気分解のためで、陽極ＰtでＨ₂ガス、陰極ＴiではＯ₂ガスが発生した。この電極電流は２つの因子があり、一つは電極片の反応による溶出であり、他の一つは気泡の発生による電解液の撹拌作用が激しくおこるためである。いずれにしても、本発明の電気化学処理によってチタン金属の酸化・還元がおこり、これがインプラント材の生体活性を大きく左右するのである。
【００２４】
本発明による電気化学処理によって得られたチタン金属片（サンプル）のアパタイト形成能の測定は次のようにして行った。電解液から取り出したサンプルは、水洗後、室温で24時間乾燥させ、表１に示す擬似体液（ｐＨ7.4ＳＢＦ）に、６時間、12時間、１日、３日、７日と浸漬し、薄膜Ｘ線回折法（ＴＦ−ＸＲＤ）及び走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により、アパタイトの形成の有無を調べた。
【００２５】
【表１】

【００２６】
ＷＥ（純チタン片）を陽極として＋２Ｖまでの電圧領域では擬似体液中に14日浸漬してもアパタイト形成能は得られなかった。これは多分表面ゲル層があまりにも薄すぎるからであろう。そこで、より厚いゲル層を得る目的でより高電圧の下で処理した。図２〜４は電気化学処理したチタン金属の擬似体液浸漬前、擬似体液浸漬３日後の各表面薄膜顕微鏡（ＳＥＭ）写真であって、これらの図中(a),(c)及び(e)は0.1mol/LのＣa(ＮＯ₃)₂水溶液を電解液として、最初、ＷＥに＋9.5Ｖで１時間処理し、次いで、−3.0Ｖで10分間処理した場合のものであり、図中(b),(d)及び(f)は単に−3.0Ｖで10分間処理したものである。
【００２７】
図２の(a),(b)からみて擬似体液浸漬前は、両者共表面状態は粗雑である。(a)は最初の分極後は薄紫色をしていた。図３の(c),(d)は３日同液に浸漬後であって、いずれもやや輝きがある部分と暗い部分が見られた。この輝き部分を拡大したのが図４の(e),(f)である。
【００２８】
図４の(e),(f)は明らかに両者共に球状の凝集体を示しており、これらは擬似体液（ＳＢＦ）中に浸漬したときにあらわれる生体活性を有するアパタイトである。この輝き部分のＸＲＤパターンによって、これらがアパタイトであることが更に明らかとなった。
【００２９】
図５と図６はそれぞれ図４(e),(f)に見られる球状凝集体部分の（ＸＲＤパターン）を表わすもので、図中３日の回折ピーク（○印）に相当する。Ｃa＋9.5Ｖ,−3.0Ｖの(a)とＣa−3.0Ｖの(b)は浸漬前、浸漬後６時間まではいずれもアパタイトピーク（○印）は認められないが、前者は12時間、後者は１日を過ぎるとこのピークが現れてくる。このアパタイトピーク（○印）は、２θ＝26度と32度付近にあらわれ、これの生長につれて２θ＝29度に炭酸カルシウム（カルサイトのピーク□印）と２θ＝36度に不明のピーク（△印）がそれぞれ現れてきている。このように電気化学処理により水和カルシウム含有表面が同時に生成することが明らかである。
【００３０】
図５と図６との対比から明らかなように、図５の陰陽両極電気化学処理（＋9.5Ｖ,−3.0Ｖ）ではカルサイトピーク（□印）が見られるが、図６の陰極電気化学処理（−3.0Ｖ）ではカルサイトピークがあまり見られない。いずれもアパタイト生成には有効であるが、前者はアパタイトが強固であり、後者はやや剥がれやすい傾向が見られた。
【００３１】
そこで、ＷＥに純チタン金属片を予め過酸化水素金属塩水溶液で処理したものを用いて上記Ｃa−3.0Ｖの条件で陰極電気化学処理を施して純チタン金属片の場合と比較した。過酸化水素30wt％を含む水溶液に10mmol/LのＴaＣl₅を溶解した液中で60℃、24時間反応後、水洗、室温乾燥したサンプルは、前記陽極電気化学処理を施した（Ｃa＋9.5Ｖ,−3.0Ｖ）のサンプルと同様にアパタイト層の形成が見られた。
【００３２】
【発明の効果】
表面がチタン又はチタン合金である医用インプラント材に対してカルシウム塩電解液中の陰極電気化学処理によって、同定は困難であるが、表面に還元膜としてのＴi(ＯＨ)₃やＴiＯの水和膜が形成され、この処理によって明らかに体液中で生理活性のあるアパタイトを形成することが判明した。また、陰極電気化学処理に加えて陽極電気化学処理を先に施すと、ＴiＯ₂・２Ｈ₂ＯやＴiＯ₃・２Ｈ₂Ｏなどの酸化皮膜層が形成し、皮膜の強度が高まると共に、アパタイト形成能が向上した。予め過酸化水素処理をしてから陰極電気化学処理を施しても、ほぼ同様の効果が得られた。したがって、このような水和酸化物層や水和酸化物ゲル層の形成により、極めて早いアパタイトの析出が実現でき、本発明の常温電気化学処理のみによる簡単な処理によっても、医用インプラント材の性能向上に役立つことになった。
【図面の簡単な説明】
【図１】電気化学処理装置の模式図である。
【図２】電気化学処理したチタン金属の擬似体液浸漬前の表面薄膜顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。(a)は陽・陰極処理（＋9.5Ｖ,−3.0Ｖ）、(b)は陰極処理（−3.0Ｖ）である。
【図３】電気化学処理したチタン金属の擬似体液浸漬３日後の表面薄膜顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。(c)は(a)と同じ、(d)は(b)と同じ処理である。
【図４】電気化学処理したチタン金属の擬似体液浸漬３日後の表面薄膜顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。(e)は(a),(c)と同じ、(f)は(d),(b)と同じ処理である。
【図５】陽・陰極電気化学処理したチタン金属のアパタイト形成能を回線回折スペクトル図である。
【図６】陰極電気化学処理したチタン金属のアパタイト形成能を回線回折スペクトル図である。
【符号の説明】
ＰＳポテンショスタット
ＷＥ処理電極（チタン又はチタン合金）
ＣＥ対電極（プラチナ）
ＲＥ参照電極（銀／塩化銀）
ＳＢ塩橋

Claims

チタン又はチタン合金を表面層に持つ医用インプラント材をＣaイオンの含有水溶液中で電気化学処理をするに際し、前記医用インプラント材をまず陽極としてＣaイオンを含む水溶液中で電気化学処理をしてインプラント材の表面にチタン水和酸化物層もしくはチタン水和酸化物ゲル層を形成し、次いで同一溶液中での電極切り替えで陰極電気化学処理をして該陽極処理後のインプラント材の表面にＣaイオンを吸着もしくは含ませることにより、前記インプラント材の表面に体液中で高い生理活性のあるアパタイト形成能を有する水和ゲル層を形成させる生体親和性インプラント材とすることを特徴とする医用インプラント材の表面処理方法。