生体骨に類似した機械的特性をもつ生体活性人工骨の開発

1996 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 07558250
• Research Institution: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: 吉村 昌弘 東京工業大学, 応用セラミックス研究所, 教授 (10016826)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 岡本 健吾 三菱マテリアル(株), 中央研究所, 研究員 ; 黒沢 尚 東京逓信病院, 整形外科, 部長 ; 井奥 洪二 山口大学, 工学部, 助教授 (60212726)
• Keywords: 水酸アパタイト / リン酸カルシウム / アパタイト複合体 / 生体親和性 / 破壊靱性 / ウィスカ- / 人工骨

Research Abstract

整形外科領域において人工材料の使用頻度は年々増加している。ところが、臨床報告の蓄積に伴って、生体が材料から受ける様々な問題点が明らかになってきた。特に、長期間使用した場合の問題点は、生体骨と材料との界面に生ずるゆるみ(ルーズニング)である。ルーズニングの原因は、(1)材料と生体骨との機械的特性(特に靱性)の違いが大きすぎること、(2)材料と生体骨との結合界面に柔軟性が乏しく、応力集中を受けることにある。本研究の目的は、ルーズニングを起こさない人工材料を開発することにある。そのためには、(1)と(2)を解決した高度な複合材料を作製する必要がある。従って本研究では生体骨の無機主成分である水酸アパタイト(Ca10(PO^4)^6(OH)^2:HA)を主成分とした複合材料の試作、特性の評価および動物実験を行った。
1.水酸アパタイトの構造相転移
精密に合成された化学量論比の水酸アパタイトはX線回折、熱分析などにより473-483Kに、単斜⇔六方の可逆的転移を示すことが分かった。
2.水酸アパタイトウィスカ-の開発
Ca(OH)^2j,H^3PO^4および乳酸などのキレート剤を加えた溶液を200℃飽和水蒸気圧下で水熱処理することにより長さ30-50μm、太さ1-10μmの形状、組成のそろったウィスカ-を作製した。組成はややCa欠損であったが、これにCaCO^3粉末を混ぜて600℃で招請することにより化学量論比(Ca/P=1.67)にする事ができる。
3.水酸アパタイトウィスカ/水酸アパタイト複合体の作製
生体親和性に優れた水酸アパタイト複合体をホッとプレスおよびHIPを用いて世界で初めて作製した。破壊靱性は約2倍に向上した。
4.水酸アパタイト/生体活性ガラス複合体
水酸アパタイトと生体活性ガラスの積層により生体親和性のある複合セラミックスを作製した。界面にはβ-NaCaPO^4が生成し、そこが弱い結合になることにより、破壊靱性は明らかに向上した。
5.水酸アパタイトあるいはリン酸カルシウム多孔組織のデザインおよび動物実験
生体骨とセラミックスが大きな接触面積を持ち、高度に複合化して一体化するために、水酸アパタイト、リン酸カルシウム(β-TCP)およびそれらの複合した多孔体セラッミックスを作り、家兎を用いて骨形成およびセラミックスの吸収挙動を調べた。その結果ポアの大きさと分布、さらに水酸アパタイトとβ-TCPの割合によって骨形成速度を制御することが分かった。

Research Products

• [Publications] Wojciech Suchanek: "Processing and Mechanical Properties of Hydroxyapatite Reinforced with Hydroxyapatite Whiskers" Biomaterials. 17. 1715-1723 (1996)
• [Publications] 井奥洪二: "アパタイトおよびリン酸カルシウム系生体材料" 無機マテリアル. 3. 412-418 (1996)
• [Publications] Wojciech Suchanek: "Hydroxyapatite/Hydroxyapatite(Whiskers)Composites without Sintering Aids-Mechanical Properties andn Microstructural Evolution" Bioceramics. 9. 153-156 (1996)
• [Publications] Wojciech Suchanek: "Bioactive Glass Laminated Composite-Fracture Behavior and Phase Compositiion" Bioceramics. 9. 177-180 (1996)
• [Publications] K.Ioku: "Reaction of Porous β-TCP with Different Micro-Structure" Bioceramics. 9. 201-204 (1996)