JP5212933B2 - 硬組織接触具用材の製造方法、及び硬組織接触具 - Google Patents

Description

本発明は、生体内に埋入される硬組織接触具用材の製造方法、及び硬組織接触具に関する。

歯科インプラントや人口股関節ステム等、硬組織と直接接触する用具では、硬組織と迅速に接合できることが要求される。また、再生医療で用いられる足場材料用具は、迅速に骨が形成される環境を表面に有する必要がある。

かかる要請を満たすため、用具材料に対して、機能性を付与する表面処理が行われている。従来、主に行われている表面処理法は、用具材料をアルカリ性溶液に浸漬させ、その後、リン酸溶液に浸漬させる手順を有するアルカリ処理法である（例えば、特許文献１参照）。
この方法によれば、用具材料をアルカリ性溶液に浸漬することで、リン酸溶液に接触した際、用具材料の表面に多量のリン酸カルシウムが析出する。これにより、用具材料は、硬組織と迅速に接合できたり、骨を迅速に形成できたりする。
特表２００５−５０３８５０号公報

しかし、アルカリ処理法では、前述のような効果を得るためには、１日間以上の長時間に亘るアルカリ性溶液への浸漬と、浸漬後数日間に亘る加熱とを行う必要がある。このため、機能性を充分に付与する場合には工程が長時間化するので、処理効率が悪い。

本発明は、以上の実情に鑑み、機能性を充分に付与でき且つ表面処理効率を向上できる硬組織接触具用材の製造方法、及び硬組織接触具を提供することを目的とする。

本発明者らは、過酸化水素を含有する電解質溶液中でカソード分極処理を行うことで、処理効率を向上でき且つ短時間で処理できることを見出し、本発明を完成するに至った。具体的には、本発明は以下のようなものを提供する。

（１） 硬組織接触具用材の製造方法であって、
ジルコニウム、ジルコニウム化合物、及びジルコニウム合金からなる群より選ばれる少なくとも１種で表面が形成された導電性材料体に、有効量の過酸化水素を含有する電解質水溶液の中でカソード分極処理を行う手順を有する製造方法。

（１）の発明によれば、カソード分極処理を行うことで、次のような反応が起こるため、導電性材料体の表面近傍がアルカリ性化する。
Ｏ_２＋２Ｈ_２Ｏ＋４ｅ⁻→４ＯＨ⁻
２Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻→Ｈ_２→２ＯＨ⁻
しかし、副産物として水素ガスが発生し、この水素ガスが導電性材料体内に侵入して導電性材料を脆弱化したり、分極が阻害されたり、対流現象によって導電性材料体の表面近傍のアルカリ性条件が損なわれたりすることが懸念される。
そこで、（１）の発明によれば、電解質水溶液に有効量の過酸化水素を含有させたので、次の反応で水素ガスが消費される。
Ｈ_２＋Ｈ_２Ｏ_２→２Ｈ_２Ｏ
しかも、次の反応によって、アルカリ化が促進される。
Ｈ_２Ｏ_２＋２ｅ⁻→２ＯＨ⁻
ＨＯ_２ ⁻＋Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻→３ＯＨ⁻
このため、硬組織接触具用材は、生体内に埋入されると、多量のリン酸カルシウムが表面に析出し、機能性を充分に付与できる。
また、カソード分極処理によれば、従来のアルカリ処理法に比べて格段に短い時間で上記の機能性が得られるので、表面処理効率を大幅に向上できる。

（２） 前記電解質溶液は、硫酸塩含有水溶液である（１）記載の製造方法。

電解質溶液に塩化物イオン、フッ素イオン、炭酸イオン等が含まれると、カソード分極処理時にジルコニウム系の表面が腐食されるおそれがある。
そこで（２）の発明によれば、電解質として硫酸塩を採用したので、カソード分極処理時における導電性材料体の腐食が抑制される。よって、より強固な硬組織接触具用材を製造できる。

（３） （１）又は（２）記載の製造方法によって製造される硬組織接触具用材で形成された硬組織接触具。

（３）の発明によれば、（１）又は（２）の発明と同様の効果が得られる。

（４） ジルコニウム、ジルコニウム化合物、及びジルコニウム合金からなる群より選ばれる少なくとも１種からなる表面に、有効量の過酸化水素を含有する電解質水溶液の中でカソード分極処理を施すことで、生体内環境下での前記表面へのリン酸カルシウムの析出を促進する方法。

本発明によれば、カソード分極処理を行うことで、導電性材料体の表面近傍がアルカリ性化する。ここで、電解質水溶液に有効量の過酸化水素を含有させたので、副産物の水素ガスが消費される。このため、生体内に埋入すると、多量のリン酸カルシウムが表面に析出するという生体機能性を充分に付与できる。
また、カソード分極処理によれば、従来のアルカリ処理法に比べて格段に短い時間で上記の機能性が得られるので、表面処理効率を大幅に向上できる。

以下、本発明の実施形態について説明するが、本発明を限定することを意図するものではない。

本発明の硬組織接触具用材の製造方法は、導電性材料体に電解質水溶液中でカソード分極処理を行う手順を有する。

本発明で用いられる導電性材料体は、ジルコニウム、ジルコニウム化合物、及びジルコニウム合金からなる群より選ばれる少なくとも１種で形成された表面を有する。ここで、ジルコニウム化合物とは、ジルコニウムを元素として含む化合物であり、例えば、酸化ジルコニウムが挙げられる。また、ジルコニウム合金とは、ジルコニウム又はジルコニウム化合物と、他の元素を含む単体又は化合物との合金であり、例えば、ジルカロイ系合金に代表されるようなジルコニウムにスズ、鉄、クロム、ニオブ等を添加した合金や、ジルコニウムを主成分とするジルコニウムバルク金属ガラス（ジルコニウムに銅、ニッケル、アルミニウム、ニオブ等を添加した合金）が挙げられる。他の元素としては、例えば、チタン、タンタルといった生体安全性の高い元素、白金、パラジウムといった耐食性向上のための微量添加元素が挙げられる。

かかるジルコニウム系の導電性材料体は、一般にチタン系等の材料体よりも、高い強度及び優れた伸縮性を有するため、高汎用性の硬組織接触具用材を製造できる。なお、本明細書における「表面」は、導電性材料体の素材自体の表面であっても、素材上に形成される皮膜であってもよい。

本発明で用いられる電解質溶液には、有効量の過酸化水素を含有させる。ここで、「有効量」とは、発生する水素ガスを所望の程度にまで低減するために必要な過酸化水素量を指し、不純物として偶然に存在し得るような最低量は除外される。なお、有効量は、条件に応じて適宜設定されてよいが、過剰であると過酸化水素自体が導電性材料体内に侵入して導電性材料を脆弱化させる一方、不足すると水素ガスが充分に低減されないことを考慮して、通常、０．０１質量％以上１質量％以下であることが好ましい。

電解質への過酸化水素の添加は、通常、カソード分極処理の前に行うが、カソード分極の間に連続的又は間欠的に行ってもよい。

電解質溶液は、過酸化水素の他に支持電解質を含有する。かかる支持電解質としては、硫酸ナトリウムや塩化ナトリウム等の一般的な中性支持電解質が挙げられるが、ジルコニウム系表面の処理に適切である点で、硫酸塩（例えば、硫酸ナトリウム、硫酸カリウム、硫酸マグネシウム）が好ましい。

支持電解質の濃度は、不足すると電解質溶液の電気伝導性が不充分となる点を考慮して、０．１モル／Ｌ以上であることが好ましい。また、電解質溶液に塩化物イオン、フッ素イオン、炭酸イオン等が含まれる場合、濃度過剰となると、電極が腐食することが懸念されるため、濃度を適宜設定する必要がある。

カソード分極処理において印加する電圧は、過剰であると許容量を超える水素ガスが発生する一方、不足すると表面処理に大幅な時間がかかることを考慮して、標準水素電極に対して−１Ｖ以上−５Ｖ以下であることが好ましい。また、カソードの表面積に対する電流密度は、過剰であると許容量を超える水素ガスが発生する一方、不足すると電解質溶液の電気伝導性が不充分となることを考慮して、１×１０^-２Ａ／ｄｍ^２以上１×１０^１Ａ／ｄｍ^２以下であることが好ましい。

以上のカソード分極処理を行うと、次のような反応が起こるため、導電性材料体の表面近傍がアルカリ性化する。
Ｏ_２＋２Ｈ_２Ｏ＋４ｅ⁻→４ＯＨ⁻
２Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻→Ｈ_２→２ＯＨ⁻
また、副産物として生じる水素ガスは、次の反応で、過酸化水素によって消費される。
Ｈ_２＋Ｈ_２Ｏ_２→２Ｈ_２Ｏ
しかも、次の反応によって、アルカリ化が促進される。
Ｈ_２Ｏ_２＋２ｅ⁻→２ＯＨ⁻
ＨＯ_２ ⁻＋Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻→３ＯＨ⁻
これにより、水素ガスが導電性材料体内に侵入して導電性材料を脆弱化したり、分極が阻害されたり、対流現象によって導電性材料体の表面近傍のアルカリ性条件が損なわれたりする事態が回避される。

かかるカソード分極処理は、導電性材料を電解質溶液に浸した状態で行われるため、効率的且つ全体に亘って均一に表面処理された硬組織接触具用材が短時間に作製される。実際、アルカリ処理法では、アルカリ性溶液中に材料体を通常約１日間浸漬する必要があるが、カソード分極手順は通常１時間程度で完了する。また、イオンビームによるイオン注入法や、ハイドロキシアパタイトのプラズマ溶射法では、材料体が複雑形状を有すると、処理が不充分となる表面部分が生じやすいが、カソード分極処理では、導電性材料体が複雑形状を有しても、全表面の近傍がアルカリ化されるため、均一に表面処理できる。

なお、カソード分極処理中の設定温度は、特に限定されず、通常室温であってよいが、特に導電性材料内への水素侵入の抑制が要求される場合、約５℃が好ましい。

製造される硬組織接触具用材を適宜の形状、寸法に加工することで、硬組織接触具が作製される。この硬組織接触具は、生体環境内で表面にリン酸カルシウムを析出させるので、硬組織と迅速に接合できたり、骨を迅速に形成できたりする。

本発明の硬組織接触具は、生体埋入後に硬組織に接触する条件において使用され、例えば、歯科インプラント、義歯、矯義歯（ブリッジ）、歯管修復物（充填材、修復材等）、プレート、ボルト、スクリュー等として好ましく使用できる。ここで、表面をハイドロキシアパタイトで被覆するプラズマ溶射法等では、埋入前に形状を変形させて用いるボーンプレート等、埋入時に表面に激しく力を負荷される歯科インプラントやスクリュー等に用いると、埋入前に被覆層が剥離して、埋入後に充分な性能を発揮できないことが懸念される。しかし、本発明の硬組織接触具では、埋入後の表面にリン酸カルシウムが自発的に析出するため、生体埋入後に生体機能性を充分に発揮できる。

＜実施例＞
まず、純度９９．６％のジルコニウム製の円柱状体（直径８ｍｍ）を２ｍｍ間隔で軸方向に切断し、切断面を研磨粒度＃３２０〜＃８００の研磨紙で研磨した後、粒径９μｍのダイヤモンドペースト、続いて粒径３μｍのダイヤモンドペースト、最終仕上げとして０．０４μｍのシリカペーストで研磨することで、導電性材料体の表面を鏡面研磨した。

次に、作用極として導電性材料体、対極として白金電極、参照極として飽和カロメル電極を用い、これら電極を電解質溶液（支持電解質：硫酸ナトリウム０．５モル／Ｌ、過酸化水素０．３質量％）に浸した。これら電極に、ポテンショスタット「ＨＡ−５０１Ｇ」（北斗電工社製）を用い、−３Ｖ（飽和カロメル電極基準）の電圧を３７℃にて１時間に亘って印加することで、硬組織接触具用材を作製した。

［比較例１］
カソード分極処理を行わなかった点を除き、実施例と同様の手順で、硬組織接触具用材を作製した。

［比較例２］
電解質溶液に過酸化水素を含有させなかった点を除き、実施例と同様の手順で、硬組織接触具用材を作製した。

＜評価＞
擬似的な生体内環境を作成するため、実施例及び比較例１〜２で作製した硬組織接触具用材の各々をＨａｎｋｓ溶液中に浸漬し、１週間に亘って放置した。なお、浸漬開始３日後に、溶液を新たなＨａｎｋｓ溶液に交換した。

実施例及び比較例１について、鏡面研磨後、カソード分極処理後、及び浸漬後の各々の時点で硬組織接触具用材を採取し、その表面を光学顕微鏡又は電子顕微鏡で観察した。この結果を図１に示す。また、比較例２について、浸漬後の硬組織接触具用材を採取し、その表面を電子顕微鏡で観察した。この結果を図２に示す。

なお、図１（ａ）は鏡面研磨後の実施例の光学顕微鏡像、（ｂ）は鏡面研磨後の実施例の電子顕微鏡像、（ｃ）はカソード分極処理後の実施例の光学顕微鏡像、（ｄ）はカソード分極処理後の実施例の電子顕微鏡像、（ｅ）は浸漬後の実施例の電子顕微鏡像、（ｆ）は浸漬後の比較例１の電子顕微鏡像を示す。

図１（ｅ）に示されるように、実施例で作製した硬組織接触具用材の表面には浸漬後に多量のリン酸カルシウムの析出が確認された一方、図１（ｆ）及び図２に示されるように、比較例１〜２で作製した硬組織接触具用材の表面にはリン酸カルシウムの析出が確認されなかった。

この結果から、過酸化水素を含有する電解質溶液を用いたカソード分極処理によって、擬似的な生体内環境下、表面へのリン酸カルシウムの析出が起こることが分かった。よって、生体内に埋入すると、多量のリン酸カルシウムが表面に析出するという生体機能性を充分に付与できることが推測された。

本発明の実施例及び比較例に係る硬組織接触具用材の表面状態を示す顕微鏡像である。 比較例に係る硬組織接触具用材の表面状態を示す顕微鏡像である。

Claims (4)

1. 硬組織接触具用材の製造方法であって、
   ジルコニウム、ジルコニウム化合物、及びジルコニウム合金からなる群より選ばれる少なくとも１種で表面が形成された導電性材料体に、有効量の過酸化水素を含有する電解質水溶液の中でカソード分極処理を行うことで前記導電性材料体の表面近傍をアルカリ性化する手順を有する製造方法。
2. 前記電解質水溶液は、硫酸塩含有水溶液である請求項１記載の製造方法。
3. 請求項１又は２記載の製造方法によって製造される硬組織接触具用材で形成された硬組織接触具。
4. ジルコニウム、ジルコニウム化合物、及びジルコニウム合金からなる群より選ばれる少なくとも１種からなる表面に、有効量の過酸化水素を含有する電解質水溶液の中でカソード分極処理を施すことで前記表面の近傍をアルカリ性化し、生体内環境下での前記表面へのリン酸カルシウムの析出を促進する方法。