セラミックス界面層構築による金属材料の生体機能化とその評価

2013 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 25249094
• 研究種目: 基盤研究(A)
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 成島 尚之 東北大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (20198394)
• 研究分担者: 春日 敏宏 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (30233729) ; 小笠原 康悦 東北大学, 加齢医学研究所, 教授 (30323603) ; 上田 恭介 東北大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (40507901)
• 研究期間 (年度): 2013-04-01 – 2016-03-31
• キーワード: チタン / リン酸カルシウム / 骨適合性 / 生体吸収性 / アナターゼ / 光触媒 / 生体材料 / 抗菌性

研究概要

(1)　Nb2O5を含有するリン酸カルシウムターゲットを使用することで、Nb添加非晶質リン酸カルシウム膜を作製した。Nbの添加はコーティング膜の非晶質化に有効であった。コーティング膜中でNbはPサイトへ置換し、リン酸のネットワーク構造を強固にする作用を有すると推察された。実際にTRIS緩衝液中への溶解速度はNb添加量の増加に伴い減少した。Nb添加により非晶質リン酸カルシウム膜の生体吸収性を制御できた。Nb添加非晶質リン酸カルシウム膜とチタン基板との密着力はNb添加量に依らず60MPa以上の高い値であった。
(2)　Nb添加非晶質リン酸カルシウムコーティングを施したチタン板表面でSaos-2（ヒト骨芽細胞様細胞）を用いた細胞培養試験を行い、Nbの添加は骨形成に関与する遺伝子の発現量を増加させることを示した。
(3)　家兎を用いた動物埋入実験により非晶質リン酸カルシウムコーティングはチタンインプラントの骨接触率、骨増生量、骨安定指数（共鳴周波数分析）を増加させ、骨形成を促進することを明らかにした。
(4)　Ti-Nb合金の二段階熱酸化によりNbを含有したアナターゼ皮膜を作製することができた。TiへのNb添加量の増加に伴いアナターゼが形成される酸化条件が広がった。二段階熱酸化法により作製したTiO2皮膜の抗菌性評価試験方法を確立した。UV照射下において、アナターゼ皮膜は光触媒活性に伴う高い抗菌性を発現した。
(5)　溶液析出法により、粒径数nmのAg粒子が分散したハイドロキシアパタイト粉末を合成することができた。これらの粉末を焼結してバルク体を作製したところ、Ag添加はリン酸三カルシウムの高温相への相変態を抑制することが分かった。加えて、リン酸三カルシウムおよびハイドロキシアパタイトへのAg溶解度を定量的に導出することができた。TRIS緩衝溶液中におけるAg含有リン酸カルシウムの溶解性を評価したところ、Ag添加はリン酸三カルシウムの溶解速度を低下させた。

現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

平成25年度の主な研究項目である以下の二点に関しては予定通り研究は進捗した。特に(1)に関しては、生体内外評価として細胞培養実験および動物実験までを行うことができた。
(1) 非晶質リン酸カルシウム膜へのNb添加による生体吸収性制御および生体内外評価
(2) 二段階熱酸化法によるTi表面でのアナターゼ皮膜形成に及ぼすNb添加の影響および光触媒活性評価
これらに加えて、（イ）Ag添加リン酸カルシウム粉末およびバルク体の合成方法の確立、（ロ）Ag添加がリン酸カルシウムの構造・溶解性に及ぼす影響の解明、（ロ）二段階熱酸化法により作製したアナターゼ皮膜の抗菌性評価法確立と予備評価実験、を行うことができた。（イ）～（ロ）は本来、平成26年度に実施を予定していた項目であり、計画以上の研究進展と評価できる。特に、（ロ）に関してリン酸三カルシウムおよびハイドロキシアパタイトのAg溶解度を定量的に評価できたことは学術的にも大きな成果である。

今後の研究の推進方策

(1) RFマグネトロンスパッタリング法によりAg添加非晶質リン酸カルシウムの薄膜化を推進していく。平成25年度に明らかにしたAg添加リン酸カルシウムの相・溶解性とAg濃度との関係を基礎として、薄膜の相・組成設計を行う。非晶質リン酸カルシウム膜の抗菌性と生体適合性の両立に着目して研究を遂行する。Agの溶出速度が大きく骨系細胞に悪影響を及ぼす場合にはNb添加（Agとの共添加）により非晶質リン酸カルシウム膜の溶解性を制御することでAg溶出を抑制する。
(2) 平成25年度に確立したUV照射下におけるTiO2皮膜の抗菌性評価方法を利用して、TiおよびTi合金表面に二段階酸化法により作製したTiO2皮膜の相・組成と光触媒活性に伴う抗菌性発現の関係を明らかにしていく。平成26年度以降、二段階酸化法により可視光応答性を有するTiO2皮膜の作製にチャレンジする。基板となるTi合金としては、Ti-Nb系に加えTi-Ag系, Ti-Au系, Ti-Cr系, Ti-V系などを検討する。なお、Ag, Au, Cr, VはTiO2へ固溶することでTiO2の可視光応答に寄与することが示唆されており、二段階酸化プロセスを通してTi合金中のこれらの元素をTiO2皮膜へ導入する。本項目では、TiO2皮膜中に存在する微量元素の存在状態や濃度などの分析が問題になる可能性が高い。高分解能TEMやXPSなどを活用するとともに、分析の専門家の助言も求めたい。

研究成果

• [雑誌論文] Preparation of calcium pyrophosphate glass-ceramics containing Nb2O5 (2014)
  • 著者名/発表者名: H. Maeda, T. Miyajima, S. Lee, A. Obata, K. Ueda, T. Narushima, T. Kasuga
  • 雑誌名: J. Ceram. Soc. Jpn. 巻: 122 ページ: 122-124
  • DOI: DOI: 10.2109/jcersj2.122.122
  • 査読あり
• [雑誌論文] NKG2D+ IFN-γ+ CD8+ T Cells Are Responsible for Palladium Allergy (2014)
  • 著者名/発表者名: M. Kawano, M. Nakayama, Y. Aoshima, K. Nakamura, S. Nakamura, Y. Takeda, A. Takahashi, A. Ito, K. Ueda, N. Sato, T. Kondo, S. Hashimoto, M. Watanabe, M. Watanabe, T. Takahashi, K. Sasaki, M. Nakamura, T. Sasazuki, T. Narushima, K. Ogasawara et al.
  • 雑誌名: PLOS one 巻: 9 ページ: e86810 1-12
  • DOI: DOI: 10.1371/journal.pone.0086810
  • 査読あり
• [雑誌論文] Evaluation of thin amorphous calcium phosphate coatings on titanium dental implants deposited using magnetron sputtering (2014)
  • 著者名/発表者名: S. Yokota, N. Nishiwaki, K. Ueda, T. Narushima, H. Kawamura, T. Takahashi
  • 雑誌名: Implant Dentistry 巻: なし ページ: 印刷中
  • 査読あり
• [雑誌論文] リン酸カルシウムコーティングによる骨組織伝導 (2014)
  • 著者名/発表者名: 上田恭介, 成島尚之
  • 雑誌名: 日本骨形態計測学会雑誌 巻: 24 ページ: 23-31
  • 査読あり
• [雑誌論文] チタンの熱酸化を利用した生体用表面処理 (2014)
  • 著者名/発表者名: 成島尚之, 上田恭介, 佐渡翔太
  • 雑誌名: 材料と環境 巻: 63 ページ: 印刷中
  • 査読あり
• [雑誌論文] Preparation of Ag-doped calcium phosphates (2013)
  • 著者名/発表者名: O. Gokcekaya, K. Ueda, T. Narushima, C. Ergun
  • 雑誌名: Proceedings of the 8th Pacific Rim International Congress on Advanced Materials and Processing 巻: なし ページ: 1679-1685
  • 査読あり
• [雑誌論文] セラミックスコーティングによる金属系バイオマテリアル表面の高機能化 (2013)
  • 著者名/発表者名: 成島尚之, 上田恭介, 佐渡翔太
  • 雑誌名: 機能材料 巻: 33 (9) ページ: 33-39
  • 査読あり
• [雑誌論文] 金属材料のセラミックスコーティング (2013)
  • 著者名/発表者名: 成島尚之, 上田恭介
  • 雑誌名: 加工プロセスによる材料機能発現第176委員会 第24回研究会資料 巻: なし ページ: 62-81
• [学会発表] Nb添加非晶質リン酸カルシウム薄膜の生体外評価 (2014)
  • 著者名/発表者名: 上田恭介、髙橋拓巳、後藤孝、小幡亜希子、春日敏宏、川野光子、小笠原康悦、成島尚之
  • 学会等名: 日本金属学会 第154回大会
  • 発表場所: 東工大, 東京
  • 年月日: 20140323-20140323
• [学会発表] Evaluation of Ag-containing Calcium Phosphates with Different Ca/P Ratios (2014)
  • 著者名/発表者名: G. Ozkan, K. Ueda, T. Narushima, C. Ergun
  • 学会等名: 日本金属学会 第154回大会
  • 発表場所: 東工大, 東京
  • 年月日: 20140321-20140323
• [学会発表] 銀イオン含有リン酸カルシウム系ガラスの作製 (2014)
  • 著者名/発表者名: 李誠鎬、前田浩孝、小幡亜希子、上田恭介、成島尚之、春日敏宏
  • 学会等名: 日本金属学会 第154回大会
  • 発表場所: 東工大, 東京
  • 年月日: 20140321-20140323
• [学会発表] Dissolution behavior of Ag-containing calcium phosphates in simulated body fluids (2014)
  • 著者名/発表者名: O. Gokcekaya, K. Ueda, T. Narushima
  • 学会等名: 2013 Annual Meeting of Excellent Graduate Schools for "Materials Integration Center" and "Materials Science Center"
  • 発表場所: 秋保温泉, 仙台
  • 年月日: 20140310-20140311
• [学会発表] Photocatalytic evaluation of TiO2 layer formed on titanium by thermal oxidation (2014)
  • 著者名/発表者名: T. Narushima, S. Sado, K. Ueda, M. Kawano, K. Ogasawara
  • 学会等名: Innovative Research for Biosis-Abiosis Intelligent Interface Symposium
  • 発表場所: 東北大学, 仙台
  • 年月日: 20140120-20140121
  • 招待講演
• [学会発表] 二段階熱酸化法により作製したチタニア皮膜の光触媒活性評価 (2014)
  • 著者名/発表者名: 佐渡翔太、上田恭介、成島尚之
  • 学会等名: 第12回日本金属学会東北支部研究発表大会
  • 発表場所: 名取, 宮城
  • 年月日: 20140113-20140113
• [学会発表] Ag distribution in calcium phosphates with various Ca/P ratios (2013)
  • 著者名/発表者名: O. Gokcekaya, K. Ueda, T. Narushima, C. Ergun
  • 学会等名: International Symposium on Eco Topia Science 2013
  • 発表場所: 名古屋大学, 名古屋
  • 年月日: 20131213-20131215
• [学会発表] Photocatalytic evaluation of anatase layer formed on Ti alloys by thermal oxidation (2013)
  • 著者名/発表者名: S. Sado, K. Ueda, T. Narushima, M. Kawano, K. Ogasawara
  • 学会等名: International Symposium on Eco Topia Science 2013
  • 発表場所: 名古屋大学, 名古屋
  • 年月日: 20131213-20131215
• [学会発表] Formation of anatase layer using two-step thermal oxidation and its evaluation (2013)
  • 著者名/発表者名: T. Narushima, K. Ueda, S. Sado
  • 学会等名: 5th International Symposium on Advanced Ceramics (ISAC-5)
  • 発表場所: Hubei, China
  • 年月日: 20131209-20131212
  • 招待講演
• [学会発表] Synthesis and evaluation of Ag-containing calcium phosphates (2013)
  • 著者名/発表者名: K. Ueda, O. Gokcekaya, T. Narushima, C. Eurgun
  • 学会等名: International Conference on Processing & Manufacturing of Advanced Materials (THERMEC’ 2013)
  • 発表場所: Las Vegas, USA
  • 年月日: 20131202-20131206
  • 招待講演
• [学会発表] 酸化ニオブ含有リン酸カルシウム系ガラス (2013)
  • 著者名/発表者名: 宮島智洋、前田浩孝、小幡亜希子、上田恭介、成島尚之、春日敏宏
  • 学会等名: 粉体粉末冶金協会平成25年度秋季大会
  • 発表場所: 名古屋国際会議場, 名古屋
  • 年月日: 20131127-20131129
• [学会発表] 金属材料のセラミックスコーティング (2013)
  • 著者名/発表者名: 成島尚之、上田恭介
  • 学会等名: 学振第176委員会（加工プロセスによる材料機能発現）第24回研究会
  • 発表場所: エッサム神田ホール, 東京
  • 年月日: 20131101-20131101
• [学会発表] リン酸カルシウムスパッタ膜形成によるチタンの生体機能化 (2013)
  • 著者名/発表者名: 上田恭介、O. Gokcekaya、成島尚之、小幡亜希子、春日敏宏
  • 学会等名: (一社)日本鉄鋼協会・(公社)日本金属学会関西支部 材料開発研究会
  • 発表場所: 関西大学, 大阪
  • 年月日: 20131025-20131025
  • 招待講演
• [学会発表] RFマグネトロンスパッタリング法による元素添加リン酸カルシウムコーティング (2013)
  • 著者名/発表者名: 上田恭介, 小幡亜希子, 春日敏宏, 成島尚之
  • 学会等名: 東北大学金属材料研究所共同研究ワークショップ, 日本バイオマテリアル学会東北地区講演会
  • 発表場所: 東北大学, 仙台
  • 年月日: 20131007-20131008
• [学会発表] 生体活性コーティング用酸化ニオブ含有リン酸カルシウム系ガラスの作製と細胞親和性評価 (2013)
  • 著者名/発表者名: 小幡亜希子、前田浩孝、上田恭介、成島尚之、春日敏宏
  • 学会等名: 第23回無機リン化学討論会
  • 発表場所: 松江, 島根
  • 年月日: 20130919-20130920
• [学会発表] Analysis of Ag in Calcium Phosphates with Different Ca/P Ratios (2013)
  • 著者名/発表者名: O. Gokcekaya, K. Ueda, T. Narushima, C. Ergun
  • 学会等名: 日本金属学会 第153回大会
  • 発表場所: 金沢大学, 金沢
  • 年月日: 20130917-20130919
• [学会発表] 二段階熱酸化法により作製したチタン上チタニア皮膜の評価 (2013)
  • 著者名/発表者名: 佐渡翔太、上田恭介、成島尚之
  • 学会等名: 日本金属学会 第153回大会
  • 発表場所: 金沢大学, 金沢
  • 年月日: 20130917-20130919
• [学会発表] Nb添加リン酸カルシウム薄膜の作製と評価 (2013)
  • 著者名/発表者名: 髙橋拓巳、上田恭介、後藤孝、小幡亜希子、春日敏宏、成島尚之
  • 学会等名: 日本金属学会 第153回大会
  • 発表場所: 金沢大学, 金沢
  • 年月日: 20130917-20130919
• [学会発表] Synthesis of Ag-containing calcium phosphates using precipitation method (2013)
  • 著者名/発表者名: K. Ueda, O. Gokcekaya, T. Narushima, C. Ergun
  • 学会等名: 8th International Workshop on Biomaterials in Interface Science
  • 発表場所: 遠刈田, 宮城
  • 年月日: 20130829-20130830
• [学会発表] Photocatalytic activity of TiO2 layer formed by two-step thermal oxidation (2013)
  • 著者名/発表者名: S. Sado, K. Ueda, T. Narushima
  • 学会等名: he 8th Pacific Rim International Conference on Advanced Materials and Processing (PRICM8)
  • 発表場所: Hawaii, USA
  • 年月日: 20130804-20130809
• [学会発表] Preparation of Ag-doped calcium phosphates (2013)
  • 著者名/発表者名: O. Gokcekaya, K. Ueda, T. Narushima, C. Ergun
  • 学会等名: The 8th Pacific Rim International Conference on Advanced Materials and Processing (PRICM8)
  • 発表場所: Hawaii, USA
  • 年月日: 20130804-20130809
• [学会発表] Surface treatment of titanium using thermal oxidation (2013)
  • 著者名/発表者名: T. Narushima, K. Ueda, S. Sado
  • 学会等名: The 8th Pacific Rim International Conference on Advanced Materials and Processing (PRICM8)
  • 発表場所: Hawaii, USA
  • 年月日: 20130804-20130809
  • 招待講演
• [学会発表] Osteoblast-like cell compatibility of Nb-doped phosphate invert glasses (2013)
  • 著者名/発表者名: A. Obata, Y. Takahashi, T. Miyajima, H. Maeda, K. Ueda, T. Narushima, T. Kasuga
  • 学会等名: 23rd International Congress on Glass
  • 発表場所: Prague, Chez Republic
  • 年月日: 20130701-20130705
• [学会発表] Preparation of CaO-P2O5-Nb2O5-Na2O glasses for biomedical applications (2013)
  • 著者名/発表者名: H. Maeda, T. Miyajima, A. Obata, K. Ueda, T. Narushima, T. Kasuga
  • 学会等名: 23rd International Congress on Glass
  • 発表場所: Prague, Chez Republic
  • 年月日: 20130701-20130705
• [学会発表] Niobia-containing calcium phosphate invert glasses for medical applications (2013)
  • 著者名/発表者名: T. Kasuga, A. Obata, H. Maeda, K. Ueda, T. Narushima
  • 学会等名: 13th International Conference of the European Ceramic Society
  • 発表場所: Limoges, France
  • 年月日: 20130623-20130627
• [学会発表] Synthesis and characterization of Ag substituted calcium phosphates (2013)
  • 著者名/発表者名: O. Gokcekaya, K. Ueda, T. Narushima, C. Ergun
  • 学会等名: 粉体粉末冶金協会平成25年度春季大会
  • 発表場所: 早稲田大学, 東京
  • 年月日: 20130527-20130529
• [図書] 未来型人工関節を目指して (2013)
  • 著者名/発表者名: 成島尚之
  • 総ページ数: 7
  • 出版者: 日本医学館
• [備考] 東北大学研究者紹介
  • URL: http://db.tohoku.ac.jp/whois/detail/13b406c665928751300aaeac089d5fc9.html