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JP4646353B2 - Composite biomaterial - Google Patents
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JP4646353B2 - Composite biomaterial - Google Patents

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JP4646353B2 JP2000092190A JP2000092190A JP4646353B2 JP 4646353 B2 JP4646353 B2 JP 4646353B2 JP 2000092190 A JP2000092190 A JP 2000092190A JP 2000092190 A JP2000092190 A JP 2000092190A JP 4646353 B2 JP4646353 B2 JP 4646353B2
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水和硬化性性アパタイトを具備し人工骨や骨セメント、または人工歯根、歯科用埋植材および歯科用セメント等に好適な複合生体材料およびその製造方法に関するものである。
【0002】
【従来技術】
従来から、アルミナセラミックス、アパタイトセラミックス等のセラミック材料は、高強度で生体親和性に優れることから、人工骨や人工歯根等の複合生体材料として実用化されている。
【0003】
中でも、アルミナセラミックスは骨と癒着せず生体内に固定するために生体骨にねじ止めする必要があり、長期間の使用により結合の緩みを生じて脱落につながる恐れがあることから、生体に嵌食し、骨組織がこれらの材料と癒着結合可能なヒドロキシアパタイト等のアパタイトセラミックスが複合生体材料として好適に利用されている。
【0004】
上記アパタイトセラミックスは、リン酸カルシウム粉末に所定の有機バインダおよび溶剤を添加して所定の形状に成形した後、1100〜1300℃程度にて焼成することによって作製されている。
【0005】
一方、骨欠損部や生体骨と人工骨との接合部、または歯牙根管部の充填剤としてリン酸カルシウムを主体とするセメントが用いられており、例えば、特許第2638619号公報では、リン酸カルシウムセメント中に繊維を分散した生体材料が開示され、強度を高めることができることが記載されている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のリン酸カルシウムセラミックスでは焼成する必要があり、焼結による収縮のためにセラミックスの寸法精度を高めることができず、焼成後に別途精密加工を施さなければならず、複雑な形状の生体材料を加工する手間がかかるという問題があった。
【0007】
また、特許第2638619号公報に記載されたリン酸カルシウム粉末に対して繊維を添加、混合し、これに水を加えてセメント化した後、該セメントを硬化した構造体では、繊維の添加量を増せば構造体の強度が向上するものの、繊維の添加量が増えると繊維同士が絡み合って凝集したり、ボイドが発生したりするために生体材料中に添加できる繊維量には限界があり、構造体としての強度および靭性のさらなる向上が求められていた。
【0008】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、寸法精度が高く容易に作製できるとともに、強度および靭性を高めたアパタイトを主体とする複合生体材料を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記の課題について検討した結果、リン酸カルシウムを主体とする水和硬化性マトリックス中に、特定の成分からなる無機質フィラーと、無機質繊維とを含有せしめることによって、生体親和性に優れ、高強度、高靭性の生体材料を寸法精度良く作製することができることを知見した。
【0010】
すなわち、本発明の複合生体材料は、アパタイトを主体とする水和硬化性マトリックス中に、アルミナ、ムライト、窒化ケイ素、ジルコニアおよび炭化ケイ素の群から選ばれる少なくとも1種を含む無機質フィラーと、繊維束、ウール状繊維、不織布および織布のうちの1種からなる無機質繊維とを含有してなるものである。
【0011】
ここで、記無機質繊維が、炭素、炭化ケイ素、窒化ケイ素、アルミナおよびムライトから選ばれる少なくとも1種からなること、前記無機質フィラーとして、さらにアパタイト焼結粒子を含有することが望ましい。
【0012】
なお、複合生体材料は水銀圧入法による平均細孔径が50μm以下であることが望ましい。
【0013】
また、本発明の複合生体材料の製造方法は、リン酸カルシウム原料に、アルミナ、ムライト、窒化ケイ素、ジルコニアおよび炭化ケイ素の群から選ばれる少なくとも1種を含む無機質フィラーと、繊維束、ウール状繊維、不織布および織布のうちの1種からなる無機質繊維と、水あるいは疑似体液を添加してスラリーを作製し、該スラリーを成形型内に流し込んで硬化した後、前記成形型を離型することを特徴とする。
【0014】
さらに、本発明の複合生体材料の他の製造方法は、リン酸カルシウム原料に、アルミナ、ムライト、窒化ケイ素、ジルコニアおよび炭化ケイ素の群から選ばれる少なくとも1種を含む無機質フィラーと、水あるいは疑似体液を添加してスラリーを作製し、該スラリーを成形型内に形成された繊維束、ウール状繊維、不織布および織布のうちの1種からなる無機質繊維を含有する骨格体内に充填して硬化した後、前記成形型を離型することを特徴とするものである。
【0015】
さらにまた、本発明の複合生体材料のさらに他の製造方法は、リン酸カルシウム原料に、水あるいは疑似体液を添加してスラリーを作製し、該スラリーを成形型内に形成されたアルミナ、ムライト、窒化ケイ素、ジルコニアおよび炭化ケイ素の群から選ばれる少なくとも1種を含む無機質フィラーが分散した、繊維束、ウール状繊維、不織布および織布のうちの1種からなる無機質繊維を含有する骨格体内に充填して硬化した後、前記成形型を離型することを特徴とするものです。
【0016】
また、上記複合生体材料は人工骨または人工歯根として好適に使用できる。
【0017】
【発明の実施の形態】
本発明の複合生体材料の一実施例についての模式図を図1に示す。
図1によれば、複合生体材料1は、リン酸カルシウムを主体とする水和硬化性マトリックス2中に、アルミナ、ムライト、窒化ケイ素、ジルコニア、炭化ケイ素の群から選ばれる少なくとも1種を含む無機質フィラー3と、無機質繊維4とを含有、分散した構成からなる。
【0018】
リン酸カルシウムを主体とする水和硬化性マトリックス2は、平均長径3μm以下、特に0.2〜2μmのハイドロキシアパタイト(Ca10(PO46(OH)2)板状微粒子の凝集体からなり、該ハイドロキシアパタイトの組成は生体骨と同じくCa/Pのモル比が1.67より小さいことが生体骨との癒着特性の点で望ましい。なお、生体骨との癒着特性の点および複合生体材料1の強度、靭性向上の点で、水和硬化性マトリックス2の含有比率が10〜50体積%、特に15〜40体積%であることが望ましい。
【0019】
また、無機質繊維4は、例えば、炭素、炭化ケイ素、窒化ケイ素、アルミナ、ムライト、ジルコニアから選ばれる少なくとも1種からなる平均長が30μm以上、特に50μm以上、さらに0.1mm以上、さらには1mm以上で、平均直径1〜30μm、特に5〜20μmで、アスペクト比3以上、特に10以上のものが好適に使用できる。
【0020】
また、無機質繊維4は、水和硬化性マトリックス2中にランダムに分散してもよいが、繊維束、ウール状繊維、不織布および織布のうちの1種からなるものである。この場合、無機質繊維4の平均直径を30μm以下、特に20μm以下、さらに10μm以下とすることにより、無機質繊維4を所望の形状に加工でき、複雑な形状の繊維構造体を作製することができるとともに、無機質繊維4内への水和硬化性マトリックス2および無機質フィラー3の充填性を高めることができる。
【0021】
なお、無機質繊維4および無機質フィラー3の複合生体材料1中の含有比率は材料の強度および靭性の向上、並びに材料内部の気孔率を低減する点で、合計で50〜90体積%、特に60〜85体積%であることが望ましく、また、無機質繊維4の含有量は無機質繊維4と無機質フィラー3との合計量に対して20体積%以上、特に30体積%以上、さらに50〜70体積%、複合生体材料1全体に対して10〜65体積%、特に20〜50体積%であることが望ましい。
【0022】
さらに、無機質フィラー3は、例えば、平均粒径0.1〜30μm、特に0.5〜10μm、さらに1〜5μmのアルミナ、ムライト、窒化ケイ素、ジルコニア、炭化ケイ素の群から選ばれる少なくとも1種を含むセラミック粒子からなり、これによって複合生体材料1中の水和硬化性マトリックス2の比率を低めるとともに、材料1中に微少クラックが発生してもクラックの進展を阻害することができ、水和硬化性マトリックス2部の強度を著しく高めて、複合生体材料1の強度を著しく高めることができる。
【0023】
また、無機質フィラー3は、球状または不定形状、中空形状として存在するが、特に両者間の結合力を強化するためには不定形状であることが望ましく、さらに、水和硬化性マトリックス2と無機質フィラー3との機械的結合力を高めるために、無機質フィラー3以外に、さらに平均粒径3〜200μm、特に20〜80μmのアパタイト焼結粒子を含有することが望ましい。
【0024】
また、上記アパタイト焼結粒子以外にも、例えばアパタイトとウオラストナイトの微結晶が析出した結晶化ガラス、Na2O−CaO−SiO2−P25系の生体活性ガラス等の生体親和性に富み、緻密な粒子を作製できる他の粒子を添加することもできる。
【0025】
さらに、複合生体材料1は生体骨等との癒着結合性を高めるために、表面に存在する水和硬化性マトリックス2の比表面積および細孔率が高く、細孔径が小さいことが望ましく、また、構造体としての保形性の観点を考慮すると、水銀圧入法による平均細孔径が50μm以下、特に30μm以下、さらに20μm以下であることが望ましい。なお、複合生体材料1の表面に占める水和硬化性マトリックス2の比率が複合生体材料1の内部に占める水和硬化性マトリックス2の比率よりも多いことが複合生体材料1の強度および靭性を高め、生体骨との癒着結合性を高める上で望ましい。
【0026】
なお、無機質フィラー3の含有比率は、水和硬化性マトリックス2の強度を高め、複合生体材料1中に発生した微少クラックの進展を防止するために複合生体材料1全体に対して、10〜80体積%以上、特に20〜50体積%、さらに30〜45体積%であることが望ましく、また水和硬化性マトリックス2の含有比率に対する無機質フィラー3の含有比率が、その合計量に対して10体積%以上、特に30〜50体積%であることが望ましい。
【0027】
次に、上記複合生体材料を作製する方法の一例について説明する。
まず、望ましくは平均粒径30μm以下、特に15μm以下、さらには5μm以下で水または疑似体液の存在下にて上述したハイドロキシアパタイト(Ca10(PO46(OH)2)を生成し硬化するリン酸カルシウム原料を準備する。
【0028】
リン酸カルシウム原料として、具体的にはα−Ca3(PO42、β−Ca3(PO42、α−Ca3(PO42−Ca4O(PO42、α−Ca3(PO42−CaHPO4・2H2O、2−Ca4O(PO42−CaHPO4・2H2O等が挙げられるが、中でも室温付近で上述のハイドロキシアパタイトの生成、析出反応が速く起こりやすいα−Ca3(PO42−CaHPO4・2H2Oが好適に使用できる。なお、上記リン酸カルシウム原料のCa/Pモル比は、ハイドロキシアパタイトの生成量を高めるとともに、短時間で硬化させるために1.4〜1.498であることが望ましい。
【0029】
上記リン酸カルシウム原料に対して、無機質繊維と、無機質フィラーと、混合した後、水または疑似体液を添加して、室温、または所望により40〜80℃に加熱した状態で混練する。疑似体液としては、具体的には、1%のリン酸ナトリウム、クエン酸ナトリウム等の水溶液またはこれらの混合溶液等からなる水溶液が使用可能である。なお、上記混練時のスラリーのPHが5〜7であることが望ましい。
【0030】
そして、この混合物を所定形状の成形型内に流し込んで所定時間以上乾燥、放置することにより混合物を硬化して本発明の複合生体材料を作製することができる。
【0031】
また、本発明においては、上記方法以外にも、成形型内に無機質繊維からなる多孔質骨格体を形成し、該多孔質骨格体内に上述したリン酸カルシウムと無機質フィラーとを含有するセメントスラリーを流し込んで充填した後、スラリーを硬化させることもでき、これによれば、複合生体材料中にボイド等が生成することなく無機質繊維および無機質フィラーの含有比率を高めて複合生体材料の強度および靭性を高めることができる。
【0032】
なお、上記多孔質骨格体の作製するには、無機質繊維を形成するためのゾルまたは無機質セラミック粉末を含有するスラリーをウレタンフォーム、有機質ボール等の焼成により消失するものに含浸するか、または混合して焼成してもよいが、例えば、ポリカルボシラン等の有機ケイ素ポリマを紡糸し、不活性雰囲気中にて不融化、焼成して得られるSiC系非結晶長繊維、あるいはゾルゲル法等により作製した前駆体を紡糸したアルミナ系繊維、ムライト系繊維によって繊維束、ウール状繊維、不織布および織布状の無機質繊維を作製、使用して無機質繊維骨格体を作製することもでき、これによれば複合生体材料の靭性を飛躍的に高めることができる。
【0033】
さらに、上記無機質繊維からなる多孔質骨格体内に無機質フィラーを添加、分散することもでき、この無機質繊維と無機質フィラーの混合物からなる多孔質骨格体の中に上記リン酸カルシウムを含有するスラリーを流し込んで充填することもできる。
【0034】
【実施例】
(実施例1)
平均粒径4.5μmのα−(Ca3(PO42)原料粒子100重量部に対して、無機質フィラーとして平均粒径1.2μmのアルミナ原料粉末を180重量部と、無機質繊維としてポリカルボキシシランを紡糸し、不活性雰囲気中にて焼成した平均直径10μmの非晶質SiC繊維(チラノ繊維、宇部興産製)を長さ5μmに切断したものを150重量部添加し、さらに水を250重量部添加して、20℃にて混練してセメントスラリーを作製した後、40mm×40mm×深さ5mmの円筒形状のテフロン製の成形型内に流し込み、37℃で5日間放置、乾燥して硬化させた後、成形型を離型して複合生体材料を作製した。
【0035】
得られた複合生体材料を切り出して、JISR1601に準じて4点曲げ強度を測定したところ95MPaであった。また、JIS−R1608に準じて圧縮強度を測定したところ180MPaであった。さらに、水銀圧入法により複合生体材料の平均細孔径を測定したところ、27μmであり、また、複合生体材料の研磨面についてのSEM写真を用いてルーゼックス法によりマトリックス、繊維、フィラーそれぞれの含有比率を測定した結果、マトリックス25体積%、繊維38体積%、フィラー37体積%であった。
【0036】
(実施例2)
実施例1のα−(Ca3(PO42)原料粒子に対して、無機質フィラーとして平均粒径1.2μmのアルミナ原料粒子を180重量部と、水170重量部を添加し、混練してセメントスラリーを作製した。
【0037】
一方、無機質繊維として、実施例1のポリカルボキシシランの織布を作製し、不活性雰囲気中にて焼成した平均直径10μmの非晶質SiC繊維からなる無機質繊維織布を準備し、切り出して実施例1の成形型内に積層して無機質繊維骨格体を準備した。
【0038】
そして、前記成形型内に形成した無機質繊維骨格体内に前述のセメントスラリーを流し込んで充填する以外は実施例1と同様にして複合生体材料を作製し、評価した結果、4点曲げ強度が190MPa、圧縮強度300MPa、複合生体材料の平均細孔径25μmであり、また、複合生体材料中の水和硬化性マトリックス、繊維、フィラーそれぞれの含有比率が、それぞれ20体積%、50体積%、30体積%であった。さらに、複合生体材料の表面についてのSEM観察した結果、水和硬化性マトリックスの含有比率が40体積%であり、内部よりも多いことがわかった。
【0039】
(比較例)
実施例1の複合生体材料に対して、無機質フィラーを添加せず、セメントスラリーを作製する以外は実施例1と同様に複合生体材料を作製し、評価した結果、、4点曲げ強度が42MPa、圧縮強度85MPa、複合生体材料の平均細孔径29μmであり、また、複合生体材料中の水和硬化性マトリックス、繊維の含有比率が、それぞれ38体積%、62体積%であった。
【0040】
【発明の効果】
以上詳述したとおり、本発明の複合生体材料によれば、寸法精度が高く容易に作製できるとともに、強度および靭性を高めたアパタイトを主体とする水和硬化性マトリックス複合生体材料となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の複合生体材料の組織を説明するための模式図である。
【符号の説明】
1 複合生体材料
2 水和硬化性マトリックス
3 無機質フィラー
4 無機質繊維
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a composite biomaterial having a hydration curable apatite and suitable for artificial bones and bone cements, or artificial tooth roots, dental implants and dental cements, and a method for producing the same.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, ceramic materials such as alumina ceramics and apatite ceramics have been put to practical use as composite biomaterials such as artificial bones and artificial tooth roots because of high strength and excellent biocompatibility.
[0003]
Above all, alumina ceramics need to be screwed to the living bone to fix it in the living body without adhering to the bone. Apatite ceramics such as hydroxyapatite that can be eaten and have bone tissue adhesively bonded to these materials are suitably used as composite biomaterials.
[0004]
The apatite ceramic is produced by adding a predetermined organic binder and a solvent to calcium phosphate powder and forming the powder into a predetermined shape, followed by firing at about 1100 to 1300 ° C.
[0005]
On the other hand, a cement mainly composed of calcium phosphate is used as a filler for a bone defect part, a joint between a living bone and an artificial bone, or a tooth root canal part. For example, in Japanese Patent No. 2638619, a calcium phosphate cement contains Biomaterials in which fibers are dispersed are disclosed and described as being capable of increasing strength.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, conventional calcium phosphate ceramics need to be fired, and the dimensional accuracy of the ceramics cannot be increased due to shrinkage due to sintering, and precision processing must be performed separately after firing. There was a problem that it took time and effort to process.
[0007]
In addition, in the structure in which the fiber is added to and mixed with the calcium phosphate powder described in Japanese Patent No. 2638619, and water is added to the resulting powder to harden the cement, the amount of added fiber is increased. Although the strength of the structure is improved, there is a limit to the amount of fibers that can be added to the biomaterial because the fibers are entangled and aggregated or voids are generated as the amount of added fibers increases. Further improvement in strength and toughness has been demanded.
[0008]
The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a composite biomaterial mainly composed of apatite that can be easily manufactured with high dimensional accuracy and has improved strength and toughness. is there.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
As a result of examining the above-mentioned problems, the present inventor has excellent biocompatibility by including an inorganic filler composed of a specific component and an inorganic fiber in a hydrated curable matrix mainly composed of calcium phosphate. It has been found that a high-strength, high-toughness biomaterial can be produced with high dimensional accuracy.
[0010]
That is, the composite biomaterial of the present invention includes an inorganic filler containing at least one selected from the group consisting of alumina, mullite, silicon nitride, zirconia and silicon carbide in a hydration curable matrix mainly composed of apatite, and a fiber bundle. Inorganic fibers composed of one of wool-like fibers, non-woven fabrics, and woven fabrics .
[0011]
Here, before Symbol inorganic fibers, carbon, silicon carbide, silicon nitride, be at least one selected from alumina and mullite, as the inorganic filler, it is desirable to further contain apatite sintered particles.
[0012]
The composite biomaterial preferably has an average pore diameter of 50 μm or less by mercury porosimetry.
[0013]
The method for producing a composite biomaterial according to the present invention includes a calcium phosphate raw material containing at least one selected from the group consisting of alumina, mullite, silicon nitride, zirconia and silicon carbide, a fiber bundle, a wool fiber, and a nonwoven fabric. A slurry is prepared by adding inorganic fibers made of one of woven fabric and water or pseudo body fluid, and the slurry is poured into a mold and cured, and then the mold is released. And
[0014]
Furthermore, in another method for producing the composite biomaterial of the present invention, an inorganic filler containing at least one selected from the group consisting of alumina, mullite, silicon nitride, zirconia and silicon carbide, and water or simulated body fluid is added to the calcium phosphate raw material. Then, a slurry is prepared, and after filling the slurry into a skeleton containing inorganic fibers made of one of fiber bundles, wool fibers, nonwoven fabrics and woven fabrics formed in a mold, the slurry is cured. The mold is released from the mold.
[0015]
Furthermore, still another method for producing the composite biomaterial of the present invention is to prepare a slurry by adding water or a simulated body fluid to a calcium phosphate raw material, and the slurry is formed into alumina, mullite, silicon nitride formed in a mold. A skeleton containing inorganic fibers made of one of a fiber bundle, a wool-like fiber, a nonwoven fabric and a woven fabric in which an inorganic filler containing at least one selected from the group of zirconia and silicon carbide is dispersed; After curing, the mold is released.
[0016]
The composite biomaterial can be suitably used as an artificial bone or an artificial tooth root.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
A schematic diagram of one embodiment of the composite biomaterial of the present invention is shown in FIG.
According to FIG. 1, the composite biomaterial 1 includes an inorganic filler 3 containing at least one selected from the group consisting of alumina, mullite, silicon nitride, zirconia, and silicon carbide in a hydration curable matrix 2 mainly composed of calcium phosphate. And the inorganic fiber 4 is contained and dispersed.
[0018]
The hydration curable matrix 2 mainly composed of calcium phosphate is composed of aggregates of hydroxyapatite (Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 ) plate-like fine particles having an average major axis of 3 μm or less, particularly 0.2 to 2 μm, As for the composition of hydroxyapatite, it is desirable that the Ca / P molar ratio is smaller than 1.67, as in the case of living bones, in terms of adhesion characteristics with living bones. It should be noted that the content ratio of the hydration curable matrix 2 is 10 to 50% by volume, particularly 15 to 40% by volume in terms of adhesion characteristics with living bones and the strength and toughness of the composite biomaterial 1. desirable.
[0019]
Further, the inorganic fiber 4 has an average length of at least one selected from carbon, silicon carbide, silicon nitride, alumina, mullite, zirconia, for example, 30 μm or more, particularly 50 μm or more, further 0.1 mm or more, more preferably 1 mm or more. Thus, those having an average diameter of 1 to 30 μm, particularly 5 to 20 μm, and an aspect ratio of 3 or more, particularly 10 or more can be suitably used.
[0020]
Also, inorganic fibers 4 are in hydrated curable matrix 2 may be randomly distributed, but is made of a fiber維束, one of wool-like fibers, nonwovens and woven fabrics. In this case, by setting the average diameter of the inorganic fibers 4 to 30 μm or less, particularly 20 μm or less, and further 10 μm or less, the inorganic fibers 4 can be processed into a desired shape, and a fiber structure having a complicated shape can be produced. Moreover, the filling property of the hydration curable matrix 2 and the inorganic filler 3 into the inorganic fiber 4 can be enhanced.
[0021]
In addition, the content ratio in the composite biomaterial 1 of the inorganic fiber 4 and the inorganic filler 3 is 50 to 90 volume% in total in terms of improving the strength and toughness of the material and reducing the porosity inside the material, and particularly 60 to The content of the inorganic fiber 4 is preferably 20% by volume or more, particularly 30% by volume or more, more preferably 50 to 70% by volume, based on the total amount of the inorganic fiber 4 and the inorganic filler 3. It is desirable that the content is 10 to 65% by volume, particularly 20 to 50% by volume, based on the entire composite biomaterial 1.
[0022]
Furthermore, the inorganic filler 3 is, for example, at least one selected from the group consisting of alumina, mullite, silicon nitride, zirconia, and silicon carbide having an average particle size of 0.1 to 30 μm, particularly 0.5 to 10 μm, and further 1 to 5 μm. It is made of ceramic particles that contain, thereby reducing the ratio of the hydration curable matrix 2 in the composite biomaterial 1 and also inhibiting the progress of cracks even if minute cracks occur in the material 1, thereby hydrating and hardening. The strength of the composite matrix 2 part can be remarkably increased, and the strength of the composite biomaterial 1 can be remarkably increased.
[0023]
The inorganic filler 3 exists in a spherical shape, an indeterminate shape, or a hollow shape, and is preferably indefinite shape, particularly in order to reinforce the bonding force between them, and further, the hydration curable matrix 2 and the inorganic filler. In addition to the inorganic filler 3, it is desirable to further contain apatite sintered particles having an average particle diameter of 3 to 200 μm, particularly 20 to 80 μm.
[0024]
In addition to the apatite sintered particles, biocompatibility such as crystallized glass in which apatite and wollastonite microcrystals are precipitated, Na 2 O—CaO—SiO 2 —P 2 O 5 bioactive glass, etc. It is also possible to add other particles that are rich in and capable of producing dense particles.
[0025]
Furthermore, the composite biomaterial 1 preferably has a high specific surface area and porosity of the hydration-curable matrix 2 present on the surface and a small pore diameter in order to enhance adhesion to living bones and the like, Considering the shape-retaining property as a structure, it is desirable that the average pore diameter by mercury porosimetry is 50 μm or less, particularly 30 μm or less, and further 20 μm or less. It should be noted that the strength and toughness of the composite biomaterial 1 are increased when the ratio of the hydration-curable matrix 2 occupying the surface of the composite biomaterial 1 is larger than the ratio of the hydration-curable matrix 2 occupying the interior of the composite biomaterial 1. It is desirable for enhancing the adhesion bonding with living bones.
[0026]
Note that the content ratio of the inorganic filler 3 is 10 to 80 with respect to the entire composite biomaterial 1 in order to increase the strength of the hydration curable matrix 2 and prevent the development of microcracks generated in the composite biomaterial 1. It is desirable that the content is not less than volume%, particularly 20 to 50 volume%, more preferably 30 to 45 volume%, and the content ratio of the inorganic filler 3 to the content ratio of the hydrated curable matrix 2 is 10 volumes with respect to the total amount. % Or more, particularly 30 to 50% by volume.
[0027]
Next, an example of a method for producing the composite biomaterial will be described.
First, the above-described hydroxyapatite (Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 ) is preferably produced and cured in the presence of water or pseudo body fluid with an average particle size of 30 μm or less, particularly 15 μm or less, and even 5 μm or less. Prepare calcium phosphate raw material.
[0028]
Specifically, as a calcium phosphate raw material, α-Ca 3 (PO 4 ) 2 , β-Ca 3 (PO 4 ) 2 , α-Ca 3 (PO 4 ) 2 -Ca 4 O (PO 4 ) 2 , α-Ca 3 (PO 4 ) 2 —CaHPO 4 .2H 2 O, 2-Ca 4 O (PO 4 ) 2 —CaHPO 4 .2H 2 O, and the like. Among them, the above-described formation and precipitation reaction of hydroxyapatite near room temperature. Α-Ca 3 (PO 4 ) 2 —CaHPO 4 .2H 2 O, which tends to occur quickly, can be preferably used. The Ca / P molar ratio of the calcium phosphate raw material is desirably 1.4 to 1.498 in order to increase the amount of hydroxyapatite produced and cure in a short time.
[0029]
After mixing the inorganic fiber and the inorganic filler with the calcium phosphate raw material, water or a pseudo body fluid is added, and the mixture is kneaded at room temperature or optionally heated to 40 to 80 ° C. As the simulated body fluid, specifically, an aqueous solution of 1% sodium phosphate, sodium citrate, or the like, or a mixed solution thereof can be used. In addition, it is desirable that PH of the slurry at the time of the kneading is 5 to 7.
[0030]
Then, the mixture is poured into a mold having a predetermined shape, dried and allowed to stand for a predetermined time or longer, and the mixture is cured to produce the composite biomaterial of the present invention.
[0031]
Further, in the present invention, besides the above method, a porous skeleton body made of inorganic fibers is formed in a mold, and a cement slurry containing the above-mentioned calcium phosphate and inorganic filler is poured into the porous skeleton body. After filling, the slurry can be hardened. According to this, the content ratio of the inorganic fiber and the inorganic filler is increased without generating voids in the composite biomaterial, thereby increasing the strength and toughness of the composite biomaterial. Can do.
[0032]
In order to produce the porous skeleton, a slurry containing a sol or inorganic ceramic powder for forming inorganic fibers is impregnated or mixed with a material that disappears by firing such as urethane foam or organic balls. For example, it is made by spinning an organosilicon polymer such as polycarbosilane, making it infusible in an inert atmosphere, and firing it. A fiber bundle, wool-like fiber, non-woven fabric and woven fabric-like inorganic fiber can be produced and used to produce an inorganic fiber skeleton using alumina fiber and mullite fiber spun from a precursor. The toughness of the biomaterial can be dramatically increased.
[0033]
Furthermore, an inorganic filler can be added and dispersed in the porous skeleton made of the inorganic fiber, and the slurry containing calcium phosphate is poured into the porous skeleton made of a mixture of the inorganic fiber and the inorganic filler. You can also
[0034]
【Example】
Example 1
With respect to 100 parts by weight of α- (Ca 3 (PO 4 ) 2 ) raw material particles having an average particle diameter of 4.5 μm, 180 parts by weight of alumina raw material powder having an average particle diameter of 1.2 μm as an inorganic filler and poly as inorganic fibers 150 parts by weight of an amorphous SiC fiber having an average diameter of 10 μm (Tyranno fiber, manufactured by Ube Industries) cut to 5 μm in length is spun from carboxysilane and fired in an inert atmosphere. After adding a weight part and kneading at 20 ° C. to prepare a cement slurry, it is poured into a 40 mm × 40 mm × 5 mm deep cylindrical Teflon mold, left at 37 ° C. for 5 days, and dried. After curing, the mold was released to produce a composite biomaterial.
[0035]
The obtained composite biomaterial was cut out and the 4-point bending strength was measured according to JIS R1601. Moreover, it was 180 MPa when the compressive strength was measured according to JIS-R1608. Furthermore, when the average pore diameter of the composite biomaterial was measured by the mercury intrusion method, it was 27 μm, and the content ratios of the matrix, fiber, and filler were determined by the Luzex method using an SEM photograph of the polished surface of the composite biomaterial. As a result of the measurement, the matrix was 25% by volume, the fiber was 38% by volume, and the filler was 37% by volume.
[0036]
(Example 2)
To the α- (Ca 3 (PO 4 ) 2 ) raw material particles of Example 1, 180 parts by weight of alumina raw material particles having an average particle diameter of 1.2 μm as an inorganic filler and 170 parts by weight of water were added and kneaded. A cement slurry was prepared.
[0037]
On the other hand, a woven fabric of polycarboxysilane of Example 1 was prepared as an inorganic fiber, and an inorganic fiber woven fabric made of amorphous SiC fibers having an average diameter of 10 μm that was fired in an inert atmosphere was prepared and cut out. An inorganic fiber skeleton was prepared by laminating in the mold of Example 1.
[0038]
And, as a result of producing and evaluating a composite biomaterial in the same manner as in Example 1 except that the cement slurry was poured into the inorganic fiber skeleton formed in the mold and filled, the 4-point bending strength was 190 MPa, The compressive strength is 300 MPa, the average pore diameter of the composite biomaterial is 25 μm, and the content ratio of each of the hydration curable matrix, fiber, and filler in the composite biomaterial is 20 vol%, 50 vol%, and 30 vol%, respectively. there were. Furthermore, as a result of SEM observation on the surface of the composite biomaterial, it was found that the content ratio of the hydration curable matrix was 40% by volume, which was larger than the inside.
[0039]
(Comparative example)
The composite biomaterial of Example 1 was prepared and evaluated in the same manner as in Example 1 except that the cement slurry was prepared without adding the inorganic filler, and the four-point bending strength was 42 MPa. The compressive strength was 85 MPa, the average pore diameter of the composite biomaterial was 29 μm, and the hydration-curable matrix and fiber content ratios in the composite biomaterial were 38% by volume and 62% by volume, respectively.
[0040]
【The invention's effect】
As described in detail above, the composite biomaterial of the present invention is a hydrated curable matrix composite biomaterial mainly composed of apatite with high dimensional accuracy and high strength and toughness.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram for explaining a tissue of a composite biomaterial of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Composite biomaterial 2 Hydration curable matrix 3 Inorganic filler 4 Inorganic fiber

Claims (8)

アパタイトを主体とする水和硬化性マトリックス中に、アルミナ、ムライト、窒化ケイ素、ジルコニアおよび炭化ケイ素の群から選ばれる少なくとも1種を含む無機質フィラーと、繊維束、ウール状繊維、不織布および織布のうちの1種からなる無機質繊維とを含有してなることを特徴とする複合生体材料。An inorganic filler containing at least one selected from the group consisting of alumina, mullite, silicon nitride, zirconia and silicon carbide in a hydration curable matrix mainly composed of apatite, and a fiber bundle, wool fiber, nonwoven fabric and woven fabric A composite biomaterial comprising an inorganic fiber composed of one of them . 前記無機質繊維が、炭素、炭化ケイ素、窒化ケイ素、アルミナおよびムライトから選ばれる少なくとも1種からなることを特徴とする請求項記載の複合生体材料。Said inorganic fibers are carbon, silicon carbide, a composite biomaterial according to claim 1, characterized in that it consists of at least one selected from silicon nitride, alumina and mullite. 前記無機質フィラーとして、さらにアパタイト焼結粒子を含有することを特徴とする請求項1または2記載の複合生体材料。The composite biomaterial according to claim 1 or 2 , further comprising apatite sintered particles as the inorganic filler. 水銀圧入法による平均細孔径が50μm以下であることを特徴とする請求項1乃至のいずれか記載の複合生体材料。The composite biomaterial according to any one of claims 1 to 3 , wherein an average pore diameter by a mercury intrusion method is 50 µm or less. リン酸カルシウム原料に、アルミナ、ムライト、窒化ケイ素、ジルコニアおよび炭化ケイ素の群から選ばれる少なくとも1種を含む無機質フィラーと、繊維束、ウール状繊維、不織布および織布のうちの1種からなる無機質繊維と、水あるいは疑似体液を添加してスラリーを作製し、該スラリーを成形型内に流し込んで硬化した後、前記成形型を離型することを特徴とする複合生体材料の製造方法。An inorganic filler containing at least one selected from the group consisting of alumina, mullite, silicon nitride, zirconia and silicon carbide in the calcium phosphate raw material, and an inorganic fiber made of one of a fiber bundle, a wool-like fiber, a nonwoven fabric and a woven fabric ; A method for producing a composite biomaterial comprising adding water or pseudo body fluid to prepare a slurry, pouring the slurry into a mold and curing the mold, and then releasing the mold. リン酸カルシウム原料に、アルミナ、ムライト、窒化ケイ素、ジルコニアおよび炭化ケイ素の群から選ばれる少なくとも1種を含む無機質フィラーと、水あるいは疑似体液を添加してスラリーを作製し、該スラリーを成形型内に形成された繊維束、ウール状繊維、不織布および織布のうちの1種からなる無機質繊維を含有する骨格体内に充填して硬化した後、前記成形型を離型することを特徴とする複合生体材料の製造方法。A slurry is prepared by adding an inorganic filler containing at least one selected from the group consisting of alumina, mullite, silicon nitride, zirconia and silicon carbide to calcium phosphate raw material and water or pseudo body fluid, and forming the slurry in a mold A composite biomaterial characterized in that the mold is released after filling into a skeleton containing inorganic fibers made of one of a bundle of fibers, wool fibers, nonwoven fabrics and woven fabrics, and curing Manufacturing method. リン酸カルシウム原料に、水あるいは疑似体液を添加してスラリーを作製し、該スラリーを成形型内に形成されたアルミナ、ムライト、窒化ケイ素、ジルコニアおよび炭化ケイ素の群から選ばれる少なくとも1種を含む無機質フィラーが分散した、繊維束、ウール状繊維、不織布および織布のうちの1種からなる無機質繊維を含有する骨格体内に充填して硬化した後、前記成形型を離型することを特徴とする複合生体材料の製造方法。An inorganic filler containing at least one selected from the group consisting of alumina, mullite, silicon nitride, zirconia, and silicon carbide formed in a mold by adding water or pseudo body fluid to a calcium phosphate raw material to produce a slurry. The composite is characterized in that the mold is released after filling into a skeleton containing inorganic fibers made of one of fiber bundles, wool fibers, nonwoven fabrics and woven fabrics, in which the mold is dispersed. Biomaterial manufacturing method. 請求項1乃至のいずれか記載の複合生体材料からなる人工骨または人工歯根。Artificial bones or artificial tooth root made of a composite biomaterial according to any one of claims 1 to 4.
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