| 研究課題/領域番号 |
20H02448
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| 研究機関 | 東北大学 |
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研究代表者 |
上田 恭介 東北大学, 工学研究科, 准教授 (40507901)
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| 研究分担者 |
成島 尚之 東北大学, 工学研究科, 教授 (20198394)
李 誠鎬 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 材料・化学領域, 主任研究員 (20850001)
小笠原 康悦 東北大学, 加齢医学研究所, 教授 (30323603)
金高 弘恭 東北大学, 歯学研究科, 教授 (50292222)
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| 研究期間 (年度) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| キーワード | 生体活性ガラス / ゾルゲル法 / ディップコーティング法 / スパッタリング法 / 溶解性 / 抗菌性 |
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| 研究実績の概要 |
チタン製歯科インプラントの骨との迅速かつ強固な結合およびインプラント周囲炎予防を目的として、抗菌性元素含有生体内溶解性バイオアクティブガラスコーティングを試みた。コーティング膜として、骨適合性と生体内溶解性を有するSi-Ca-P-O系生体活性ガラスをベースとし、抗菌性元素(X=Ag, Cu, Zn)および溶解性制御元素(Ta)を添加したSi-Ca-P-O-Ta-X系生体活性ガラスに着目した。
コーティング膜組成決定のために、ゾルゲル法にて元素添加生体活性ガラス粉末を合成した。ゾルゲル法による生体活性ガラスへのTa添加方法を確立し、Agとの共添加ガラス作製可能組成を明らかした。
コーティングプロセスとしては、ゾルゲル・ディップコーティング法を用いた。本プロセスは安価で簡便にガラスやセラミックスコーティング膜を作製できるものの、基板との密着力が低いことが知られている。そこで、基板であるチタンをNaOH処理により活性化し、中間層を作製することで、基板と化学的に結合した生体活性ガラスコーティング膜作製を試みた。ゾル組成、ディップコーティング条件を制御することで、膜厚1マイクロメートルのコーティング膜を作製することができた。密着力も生体用コーティング膜に必要な15 MPaを超える高さをした。一方、基板面内での膜厚不均一性、添加元素とチタン基板との反応による深さ方向の不均一性といった問題点も明らかになった。今後は、上記課題を克服するコーティングプロセスを検討し、擬似体液浸漬試験における溶解性評価および大腸菌を用いた抗菌性評価を行っていく。
スパッタリング法による生体活性ガラス膜作製についても検討し、CuおよびZn添加ガラスを作製することができた。こちらについても、擬似体液浸漬試験による抗菌性発現元素の溶解性および抗菌性を評価する。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
本年度は、ゾルゲル法による生体活性ガラス粉末の合成、ディップコーティング法およびスパッタリング法によるコーティング膜作製を検討した。
生体活性ガラス粉末の合成：60SiO2-36CaO-4P2O5 (mol%, 58S)生体活性ガラスを基本組成とし、抗菌性元素としてAgを、溶解性制御元素としてTaを添加したガラスを、ゾルゲル法により作製した。前年度の課題であった生体活性ガラスへのTa添加方法を確立することができ、Ta添加により結晶質相形成が抑制されることを明らかにした。Agとの共添加も行い、ガラス形成組成を明らかにできたことから、順調に研究は進展していると判断した。
ディップコーティング膜作製条件の検討：ガラスとして80SiO2-20CaO (mol%)にCuを添加した組成を用い、チタン基板上へのディップコーティングを試みた。NaOH溶液浸漬による活性化処理を施したチタン基板を用い、コーティング溶液組成、ディップコーティングプロセスを検討した結果、基板との高い密着力を有するコーティング膜を作製できた。添加元素であるCuの濃化や面内での不均一性等の、次の課題も明らかにすることができた。
スパッタコーティング膜作製：スパッタ法の利点である組成自由度の高さを活用し、Cu, Zn添加Ca-P-O系生体活性ガラス膜を作製することができた。
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| 今後の研究の推進方策 |
ガラス組成の検討：ゾルゲル法においては、抗菌性元素Agと溶解性元素Taの共添加プロセスを確立できた。ただし、ガラス形成組成は狭いため、組成自由度、すなわち溶解性制御を上げるために、2023年度は下記の検討を行う。
ゾルゲル法による結晶化抑制にはクエン酸添加が有効であることが知られている。本研究においても、クエン酸添加によりAg, Ta共添加系についてガラス（非晶質）組成の拡大を目指す。得られたガラスの擬似体液浸漬により、ガラスの溶解性と組成の関係を明らかにする。
コーティング膜の評価：ゾルゲル・ディップコーティング法およびスパッタリング法によりチタン基板上に生体活性ガラスコーティング膜を作製する。
ゾルゲル・ディップコーティング法：基板形状、ディップコーティングプロセス等を検討し、均一性の高いコーティング膜を作製する。均一な膜が得られれば、擬似体液浸漬試験による溶解性評価、大腸菌を用いた抗菌性評価を行うことが可能となる。
スパッタリング法：スパッタリング法は組成の自由度が高いことから、Ca/P比やCu, Zn添加量を変化させたガラス膜を作製する。得られた膜の溶解性・抗菌性評価を行う。
研究最終年度であるため、これまでの成果を国際学会で発表し、論文にもまとめる。
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