高融点金属炭化物・窒化物系歯科材料の開発と生体親和性に関する研究

1999 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 10307049
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: 亘理 文夫 北海道大学, 歯学部, 教授 (70158682)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 宇尾 基弘 北海道大学, 歯学部, 助手 (20242042) ; 大川 昭治 北海道大学, 歯学部, 助手 (40001945) ; 近藤 清一郎 北海道大学, 歯学部, 助教授 (80018431) ; 横山 敦郎 北海道大学, 歯学部, 助手 (20210627)
• Keywords: 傾斜機能材料 / インプラント / 窒化チタン / チタン / ビッカース硬さ / 生体親和性 / 窒化処理 / 表面改質

Research Abstract

本年度は(1)表面窒化チタン(Ti)インプラントの作製、(2)物性評価、(3)動物埋入実験による生体親和性の評価を主として行ない、さらにチタン/アパタイト系傾斜機能型インプラントの作製と評価も行なった。
(1)試料 1Φx10mmの棒状および0.5x12x27mmの板状JIS-1種Tiを (A)フローN_2ガス中850℃,8hr、(B)フローN_2(流量180ml/min)+NH_3(90ml/min)の混合ガス中800℃,5hrの各条件で表面窒化処理を行なった。またハイブリッドミキサー(購入)を用いチタンとアパタイトの配合比を調整した混合粉末をシリコーンゴム型に填入し超高圧反応装置(購入)による700-900MPaで加圧成形後、放電プラズマ焼結し傾斜機能型インプラントを作製した。一部は純Tiに代え表面窒化したTi粉末を作製し同様に傾斜材の作製を試みた。
(2)物性評価 表面および断面を肉眼観察、光学顕微鏡、走査型電子顕微鏡(SEM)観察を行ない、マイクロビッカース硬さを荷重25-500gの範囲で変化させ測定した。またラマンスペクトルを測定した。
(3)動物埋入試験 ラット大腿骨骨髄腔に2-4週間埋入後、インプラント付近の組織を固定、脱水、包埋後、染色薄切標本として採取し、光顕による病理学的観察、SEM反射電子像観察を行なった。
(4)結果 窒化処理したTiは黄金色を呈し処理(A)は(B)よりも濃い表面色を示した。純Tiのビッカース硬さ130に対し、窒化処理後の表面硬さは荷重を500gから25gに減少すると処理(A)では480から1700へ、(B)では290から1200へ増加した。このときビッカース圧子の圧入深さは10μmから1μm程度まで浅くなることから表面窒化層は厚さ2-3μm前後の最外層窒化物皮膜とそれに続く窒素を高濃度に固溶し内部方向に濃度が次第に低下するα-Ti層からなると考えられる。4週動物埋入試験では炎症反応は見られず生体親和性に富み、インプラント周囲に厚さ10μm程度の新生骨が形成された。インプラント材への新生骨の直接接触率は純Tiに比べ若干小さく、昨年度行なったNb,Reなどの高融点金属とやや類似している。生体親和性を有し表面硬さがきわめて高いことから、耐摩耗性が要求される関節などの人工骨摺動部や人工歯根の歯肉接触部以上の部位への用途が考えられる。

Research Products

• [Publications] M. UO, F. WATARI, A. YOKOYAMA, et al.: "Dissolution of nickel and tissue response observed by X-ray analytical microscopy"Biomaterials. 20(8). 747-755 (1999)
• [Publications] F. WATARI, A. YOKOYAMA, et al.: "Biocompatibility and bioreactivity of Ti-based functionally graded implant"Advances in Science and Technology (Proc, 9th CIMTEC-World Forum on New Materials), Materials in Clinical Applications. vol.28. 245-250 (1999)
• [Publications] F. WATARI, A. YOKOYAMA, et al.: "Biocompatibility of Titanium/hydroxyapatite and Titanium/Cobalt Functionally Graded Implants"Functionally Graded Materials 1998 (Proc, 5th Int. Symp. on Functionally Graded Materials). 356-361 (1999)
• [Publications] F. WATARI: "In situ etching observation of human teeth in acid agent by atomic force microscopy"J. Electron Microscopy. 48(5). 537-544 (1999)
• [Publications] F. WATARI, M. Takahashi, et al.: "X-ray Diffraction Study of Carburization Transformation from Tantalum to Tantalum Carbide"Proc, Int. Conf, Solid-Solid Phase Transformations '99(JIMIC-3). vol.I. 317-320 (1999)
• [Publications] 亘理文夫: "生体にやさしい人工歯根"第14回「大学と科学」公開シンポジウム「21世紀の新素材―産業界を活性化させる傾斜機能材料―」予稿編. 62-64 (1999)
• [Publications] 亘理文夫: "「視る」にこだわる―歯科医学研究への各種顕微鏡の応用展開―"日本歯科医師会雑誌. 51(12). 1199-1208 (1999)
• [Publications] 松野浩宜、横山敦郎、亘理文夫 ほか: "バイオイメージングによるIva,Va族高融点金属の生体適合性評価"歯科材料・器械. 18(6). 447-462 (1999)
• [Publications] T. IMAI, F. WATARI, et al.: "Effects of water immersion on mechanical properties of new esthetic orthdontic wire"Amarican Journal of Orthodontics and Dentofacial Orthopedics. 116(5). 533-538 (1999)
• [Publications] T. IMAI, S. YAMAGATA, F. WATARI, et al.: "Temperature-dependence of the mechanical properties of FRP orthodontic wire"Dental Material Journal. 18(2). 167-175 (1999)
• [Publications] 豊泉裕、亘理文夫 ほか: "光重合法による曲げおよびねじり剛性を有する審美性矯正ワイヤーの試作"歯科材料・器械. 18(6). 429-440 (1999)
• [Publications] H. TOYOIZUMI, F. WATARI, et al.: "Fabrication of esthetic FRP wires with flexural and torsional properties for orthodontics"Proc, '99 Symp. Adv. Research of Energy Tech., Center for Adv. Research of Energy Tech., Hokkaido Univ,. Mar. 17-19. 319-328 (1999)
• [Publications] N. SATOH, Y. UEDA, F. WATARI, et al.: "Firing shrinkage of porcelain-resin composites prepared by laser lithography"Dental Material Journal. 18(2). 444-452 (1999)