生命科学関連特許情報
| タイトル： | 特許公報(B2)_生体用ジルコニアセラミックスとその製造方法 |
| 出願番号： | 2001169431 |
| 年次： | 2011 |
| IPC分類： | C04B 35/48,A61C 8/00,A61L 27/00,A61K 6/027 |
特許情報キャッシュ
増田 真吾 野田 岩男 北野 宏幸 中西 健文 池田 潤二 JP 4771616 特許公報(B2) 20110701 2001169431 20010605 生体用ジルコニアセラミックスとその製造方法 京セラ株式会社 000006633 増田 真吾 野田 岩男 北野 宏幸 中西 健文 池田 潤二 20110914 C04B 35/48 20060101AFI20110825BHJP A61C 8/00 20060101ALI20110825BHJP A61L 27/00 20060101ALI20110825BHJP A61K 6/027 20060101ALN20110825BHJP JPC04B35/48 CA61C8/00 ZA61L27/00 FA61K6/027 C04B 35/42〜35/51 JSTPlus(JDreamII) 特開平０７−０１７７６６（ＪＰ，Ａ） 特開２０００−１９１３７２（ＪＰ，Ａ） 特開平１１−１１６３２８（ＪＰ，Ａ） 特開平０２−０７４５６１（ＪＰ，Ａ） 特開平０９−２６８０５５（ＪＰ，Ａ） 特開平０８−３３７４７３（ＪＰ，Ａ） 3 2002362972 20021218 7 20080303 相田 悟 【０００１】【発明の属する技術分野】本発明は、医療分野における、生体用ジルコニアセラミックスとその製造方法に関するものである。【０００２】【従来の技術】ジルコニアセラミックスは、一般的なアルミナセラミックスに比べて高強度であり、又、生体適合性や摩耗特性はアルミナセラミックスと同等であることから、近年生体用の材料として人工関節、人工歯根などへの応用が拡大している。【０００３】しかし、一般に用いられている正方晶安定化ジルコニアセラミックス（以下ＴＺＰと云う）は、室温〜数百℃の比較的低温領域に置いて正方晶から単斜晶への相転移により強度などの特性が低下することが知られている。【０００４】生体用のＴＺＰについて、完全に相転移を抑制することは不可能であったが、近年いくつかの改善技術が提案されている。例えば、特開平１１−１１６３２８号には、水の存在する環境下での相転移の少なく、安定した強度を有するジルコニアセラミックスを提供する技術として、４．４〜５．４重量％の、Ｙ2０3含むジルコニアセラミックスであって、０．１〜１．５重量％のＡｌ2Ｏ3及び０．０３〜０．５重量％のＴｉＯ2を含むことを特徴とするジルコニアセラミックスが記載されている。【０００５】なお、この従来技術において、焼成温度は１５００℃と非常に高かった。【０００６】【発明が解決しようとする課題】特開平１１−１１６３２８号の発明ではそれ以前のジルコニアセラミックスに比較して単斜晶への相転移は抑制されているものの、加速劣化試験（１２１℃，１０時間または１５０℃，５時間）後の単斜晶割合は、２０％程度となっている。【０００７】しかしながら、単斜晶割合が２０％程度では、表面粗さの劣化を十分に抑制すること、例えば、人工股関節に関する国際規格ＩＳＯ−７２０６−２：１９９６（Implants for surgery Partial and total hip joint prostheses Part 2: Articulating surfaces made of metallic, ceramic and plastic materials)における表面仕上げ(surface finish)規定値(requierment 4.1.2)である表面の算術平均粗さＲａを０．０２μｍ以下にすることはできない。したがって、このようなジルコニアセラミックスを生体内に長期間使用した場合に、表面が粗くなり、機械的特性、特に、摺動性が大きく低下する懸念がある。【０００８】そこで、本発明は、生体内で長期間使用しても表面荒れがほとんど起こらず、また、機械的特性を維持することができる生体用ジルコニアセラミックスとその製造方法を提供することを目的とする。【０００９】【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため本発明の生体用ジルコニアセラミックスは、国際規格ＩＳＯ１３３５６：１９９７を満足し、１２１℃、０．２０ＭＰａの飽和水蒸気中で１５２時間の条件で行う加速劣化試験後の表面の算術平均粗さＲａが０．０２μｍ以下であることを特徴とする。【００１０】上記国際規格ＩＳＯ１３３５６：１９９７は、“Implant for surgery Ceramic materials based on yttria-stabilized tetragonal zirconia(Y-TZP)"というタイトルのものであり、生体用インプラントとして安全なものの規格である。【００１１】加速劣化試験(121℃の飽和水蒸気中)については、牧野内等の文献(牧野内謙三ら、ジルコニアセラミックスの純水中及び生理食塩水中での曲げ強度の経時変化, 生体材料, ｖｏｌ．１２，Ｎｏ．３，１１２−１１８（１９９４）)があり、そこで、正方晶から単斜晶への相転移は、温度によって加速され、その活性化エネルギーは、２３．３ｋｃａｌ／ｍｏｌと計算されているが、この算出した活性化エネルギーの値によれば、１２１℃、０．２０ＭＰａ（所謂２気圧に相当する）の飽和水蒸気中での１５２時間の条件で行う加速劣化試験は、少なくとも約４０年間、生体内に埋入されることに相当するものである。【００１２】したがって、上記本発明の構成による生体用ジルコニアセラミックスによれば、長年生体内に埋入しても、表面の荒れが、上記国際規格ＩＳＯの規定値である表面の算術平均粗さＲａが０．０２μｍ以下という条件を満足するという、極めて優れた表面滑性を維持することが可能なものである。また、この生体用ジルコニアセラミックスは長年生体内に埋入しても、単斜晶割合が極めて少ない、すなわち、機械的特性に優れたものである。したがって、人工骨や人工関節に好適に用いることができ、とくに、人工関節の摺動部分に用いた場合、上記長年に亘る良好な摺動特性により、耐久性の高い人工関節が実現する。【００１３】次に、本発明の製造方法は、上記生体用ジルコニアセラミックスの製造方法として、原料粉末の成形体を、その成形体について焼成後の開気孔率が０．１％以下となる温度条件の下限温度から＋１００℃の範囲の温度で1次焼成を行い、熱間等方圧プレス処理を上記下限温度に対して−１０〜＋１００℃の範囲で行い、且つ、セラミックスの平均結晶粒径（ＡＳＴＭ Designation :E 112-96 Standard Test Method for Determining Average Grain Sizeを用いて測定する）を０．２μｍ以下とすることを特徴とする。【００１４】この製造方法において、上記国際規格ＩＳＯ１３３５６：１９９７に適合するような原料粉末を用い、予めバインダーなどを加えて造粒した原料粉末を、１〜３ｔｏｎ／ｃｍ2の冷間静水圧プレスによって成形体とし、次いで、切削加工によって、希望する形状に加工する。【００１５】造粒した原料粉末を、プレスによって成形体とする場合は、１〜３ｔｏｎ／ｃｍ2の冷間静水圧プレスで行う。１ｔｏｎ／ｃｍ2より圧力が小さいと、大気中での1次焼成によって、焼成後の嵩密度を十分に上げることができない場合がある。プレス圧は、３ｔｏｎ／ｃｍ2以上でも差し支えないが、これ以上高圧にしても成形体に対して何ら効果が無い。【００１６】大気中での１次焼成の条件は、焼成挙動が原料粉末の僅かな組成や粒子サイズの変動によって変化するため、先行テストを実施して決定する必要がある。その指針としては、１次焼成後の開気孔率（アルキメデス法で測定する）が０．１％以下となる温度条件の下限温度から＋１００℃の範囲である。【００１７】この１次焼成温度が上記温度条件の下限温度より＋１００℃を超える場合、上記加速劣化試験後に単斜晶割合が大きく増加し、表面粗さも劣化する恐れがある。なお、市販のジルコニア原料粉末１０数ロットに対して先行テストを実施した結果、上記下限温度は、１２５０℃〜１３５０℃の範囲であった。【００１８】熱間当方圧プレス処理（ＨＩＰ処理）の条件は、鋭意調査の結果、上記１次焼成温度に対して−１０〜＋１００℃の範囲で、かつ１０１．４ＭＰａ〜２０２．７ＭＰａの圧力下で行い、さらに、その際、セラミックスの平均結晶粒径を０．２μｍ以下とすることで、最終的なジルコニアセラミックスの特性として、上記加速劣化試験後の表面の算術平均粗さＲａを０．２０μｍ以下とすることができる。上記平均結晶粒径が０．２μｍより大きい場合、上記加速劣化試験後に単斜晶割合が大きく増加し、表面粗さも劣化する恐れがある。【００１９】また、上記製造方法によれば、嵩密度を６．０７ｇ3／ｃｍ以上、単斜晶割合が１％以下とすることができる。【００２０】なお、ＨＩＰ処理温度が上記温度条件の下限値に対して−１０℃より低い場合、または圧力が低すぎた場合は焼結が進まず、密度が低くなるため好ましくない。またＨＩＰ処理温度が上記温度条件の下限値に対して＋１００℃より高い場合、結晶粒径が増大し、単斜晶への相転移が加速され、また、上記加速試験後の表面粗さも劣化する恐れがあり、好ましくない。【００２１】上記圧力は２０２．７ＭＰａを超えても差し支えないがこれ以上高圧にしても焼結体に対して何ら効果が無い。【００２２】【実施例】以下に実施例を示すが、本発明の範囲は、以下の例に限定されるものではない。（実施例１）Ｙ2Ｏ3を３ｍｏｌ％含有する正方晶安定化ジルコニアセラミックス原料粉末（東ソー株式会社製．型番ＴＺ−３ＹＳＢ）の１ロット(この原料ロットをロットＡと云う)を、３ｔｏｎ／ｃｍ2の冷間静水圧プレスによって成形体とした。【００２３】なお、この材料の組成（重量％）は、Ｙ2Ｏ3が５．１５％±０．２０％，Ａｌ2Ｏ3が０．１％以下、ＳｉＯ2が０．０２％以下、Ｆｅ2Ｏ3が０．０１％以下、ＨｆＯ2が２％以下、残部がＺｒＯ2である。また、比表面積は６．９ｍ2／ｇである。【００２４】次いで、切削加工によって、概略直径２４ｍｍ，厚さ６ｍｍの円盤状に加工した。また、強度の確認用としてＪＩＳ Ｒ１６０１に規定された抗折強度試験片を同時に作製した。【００２５】次いで、大気中での１次焼成を１２７５℃から１３７５℃まで毎５℃の各温度、保持時間２時間の条件で実施し、開気孔率が０．１％以下となる下限値として１３００℃を得た。さらに、表１に示す試料Ｎｏ．１〜５として示すように、１２７５℃、１３００℃、１３２５℃、１３５０℃、１３７５℃で１次焼成を行ったものについて、嵩密度を測定したところ、試料Ｎｏ．１を除き、理論密度の９５％以上の値を得た。【００２６】【表１】【００２７】次いで、試料Ｎｏ．１〜５について、ＨＩＰ処理を表１に示す温度、２０２．７ＭＰａ、保持時間１時間の条件で実施した。【００２８】このように作製したジルコニアセラミックスの試料の１面を平面研削盤にて研削し、次いでラップ盤にてダイヤモンド砥粒を用いて研磨仕上げを行い、表面の算術平均粗さＲａが０．０１μｍ程度の鏡面仕上げとした。また、Ｘ線回折による単斜晶割合の測定を行った（測定限界は約０．５％）。【００２９】これら試料Ｎｏ．１〜Ｎｏ．５の試料に対して、加速劣化試験(１２１℃、０．２０ＭＰａの飽和水蒸気中で１５２時間)を行い、単斜晶割合と表面粗さを試験後に再度測定した。その結果、１次焼成後の開気孔率が１％であったＮｏ．１は、加速劣化試験（エージング）によって表面が崩壊し、測定が不可能であった(本発明範囲外)。Ｎｏ．２〜４では加速劣化試験による変化は実質上見られなかった。【００３０】また、Ｎｏ．５では、単斜晶割合が急激に増加し、表面粗さも劣化していた(本発明範囲外)。この試料は、平均結晶粒径が０．２５μｍであったため、単斜晶への相転移が十分に抑制されなかったものである。【００３１】なお、Ｎｏ．２〜４の３点曲げ試験による抗折強度は、いずれも約１４５０ＭＰａという高値であった。（実施例２）上記原料粉末の異なるロット (この原料ロットをロットＢと云う)を、３ｔｏｎ／ｃｍ2の冷間静水圧プレスによって成形体とした。この原料ロットＢは、原料ロットＡに対し、比表面積が８．２ｍ2／ｇである点が異なる。【００３２】実施例１と同様に、試料を作製し、また、同様な方法で開気孔率が０．１％以下となる下限値として１２８０℃を得た。【００３３】このうち、１次焼成温度が１２８０℃であった試料Ｎｏ．６と１３７５℃であった試料Ｎｏ．７について、実施例１と同様の評価を行った。その結果を表１に示す。【００３４】表１に示すように、試料Ｎｏ．６は、加速劣化試験後も表面粗さの実質的劣化がなく、また、単斜晶割合も１％と少なかった。さらに、Ｎｏ．６の３点曲げ試験による抗折強度は、約１５００ＭＰａという高値であった。これに対して、試料Ｎｏ．７は、単斜晶割合が急激に増加し、表面粗さも劣化していた(本発明範囲外)。この試料は、平均結晶粒径が０．２４μｍであったため、単斜晶への相転移が十分に抑制されなかったものである。（実施例３）Ｙ2Ｏ3を３ｍｏｌ％含有する正方晶安定化ジルコニアセラミックス原料粉末（東ソー株式会社製．型番ＴＺ−３ＹＢ）の１ロット(この原料ロットをロットCと云う)を、３ｔｏｎ／ｃｍ2の冷間静水圧プレスによって成形体とした。【００３５】この材料の組成（重量％）は上記ＴＺ−３ＹＳＢと同等であり、Ｙ2Ｏ3が５．１５％±０．２０％，Ａｌ2Ｏ3が０．１％以下、ＳｉＯ2が０．０２％以下、Ｆｅ2Ｏ3が０．０１％以下、ＨｆＯ2が２％以下、残部がＺｒＯ2である。また、比表面積は１４．８ｍ2／ｇである。【００３６】次いで、切削加工によって、概略直径２４ｍｍ，厚さ６ｍｍの円盤状に加工した。また、強度の確認用としてＪＩＳ Ｒ１６０１に規定された抗折強度試験片を同時に作製した。【００３７】次いで、大気中での１次焼成を１２００℃から１３７５℃まで毎５℃の各温度、保持時間２時間の条件で実施し、開気孔率が０．１％以下となる下限値として１２５０℃を得た。さらに、表１に示す試料Ｎｏ．８〜１２として示すように、１２００℃、１２５０℃、１３００℃、１３５０℃、１３７５℃で１次焼成を行ったものについて、嵩密度を測定したところ、試料Ｎｏ．８を除き、理論密度の９５％以上の値を得た。【００３８】次いで、試料Ｎｏ．８〜１２について、ＨＩＰ処理を表１に示す温度、２０２．７ＭＰａ、保持時間１時間の条件で実施した。【００３９】このように作製したジルコニアセラミックスの試料の１面を平面研削盤にて研削し、次いでラップ盤にてダイヤモンド砥粒を用いて研磨仕上げを行い、表面の算術平均粗さＲａが０．０１μｍ程度の鏡面仕上げとした。また、Ｘ線回折による単斜晶割合の測定を行った（測定限界は約０．５％）。【００４０】これら試料Ｎｏ．８〜Ｎｏ．１２の試料に対して、加速劣化試験(１２１℃、０．２０ＭＰａの飽和水蒸気中で１５２時間)を行い、単斜晶割合と表面粗さを試験後に再度測定した。その結果、１次焼成後の開気孔率が２．３％であったＮｏ．８は、加速劣化試験（エージング）によって表面が崩壊し、測定が不可能であった(本発明範囲外)。Ｎｏ．９〜１１では加速劣化試験による変化は実質上見られなかった。【００４１】また、大気焼成温度およびＨＩＰ処理温度が下限値＋１００℃を超えたＮｏ．１２では、単斜晶割合が急激に増加し、表面粗さも劣化していた(本発明範囲外)。【００４２】なお、Ｎｏ．９〜１１の３点曲げ試験による抗折強度は、いずれも約１５００ＭＰａという高値であった。【００４３】【発明の効果】上述のように、本発明の生体用ジルコニアセラミックスは、国際規格ＩＳＯ１３３５６：１９９７を満足し、１２１℃、０．２０ＭＰａの飽和水蒸気中で１５２時間の条件で行う加速劣化試験後の表面の算術平均粗さＲａが０．０２μｍ以下であるので、長年生体内に埋入しても、表面の荒れがほとんど起こさないものであり、また、この生体用ジルコニアセラミックスは長年生体内に埋入しても、単斜晶割合が極めて少ない、すなわち、機械的特性に優れたものである。 国際規格ＩＳＯ１３３５６：１９９７を満足し、１２１℃、０．２０ＭＰａの飽和水蒸気中で１５２時間の条件で行う加速劣化試験後の表面の算術平均粗さＲａが０．０２μｍ以下であることを特徴とする生体用ジルコニアセラミックス。 上記加速劣化試験後の単斜晶割合が１％以下であることを特徴とする請求項１記載の生体用ジルコニアセラミックス。 原料粉末の成形体を、その成形体について焼成後の開気孔率が０．１%以下となる温度条件の下限温度から＋１００℃の範囲の温度で１次焼成を行い、熱間等方圧プレス処理を上記下限温度に対して−１０〜＋１００℃の範囲で行い、且つ、セラミックスの平均結晶粒径を０．２μｍ以下とすることを特徴とする請求項１記載の生体用ジルコニアセラミックスの製造方法。