JP-2026076952-A - 炭酸アパタイト被覆マグネシウム材料、その製造方法、及びこれを用いた医療用デバイス及び工業用部材、並びに炭酸アパタイト被覆金属材料、その製造方法、及びこれを用いた医療用デバイス及び工業用部材

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Abstract

【課題】生体適合性の向上とデバイスの識別との両方ができる干渉色を呈する炭酸アパタイト被膜マグネシウム材料及びその製造方法を提供すること。【解決手段】０．２ｍｏｌ／Ｌより高い濃度のカルシウム錯体および前記カルシウム錯体の濃度の０．５倍以上１．２５倍以下のリン酸塩が溶解している水溶液を調製し（Ｓ１００）、前記濃度のカルシウム錯体およびリン酸塩が溶解している水溶液に炭酸塩を溶解して、被覆処理溶液を調製し（Ｓ１０２）、前記被覆処理溶液を加温し（Ｓ１０４）、加温した前記被覆処理溶液に、表面粗さＲａが０．０５μｍ以上２．０μｍ以下の範囲を満たすマグネシウム材料を浸漬し（Ｓ１０６）、目的とする干渉色を呈する膜厚で、前記マグネシウム材料を炭酸アパタイトを主成分とするアパタイトで被覆する（Ｓ１０８）ものである。【選択図】図１

Inventors

廣本祥子
千葉亜耶

Assignees

国立研究開発法人物質・材料研究機構

Dates

Publication Date: 20260512
Application Date: 20250730
Priority Date: 20241024

Claims (17)

マグネシウム又はマグネシウム合金からなる基材であって、前記基材の表面粗さＲａが０．０５μｍ以上２．０μｍ以下の範囲を満たし、前記基材に対して、表面粗さＲａが６５ｎｍ以下の炭酸アパタイト被膜を有すると共に、前記炭酸アパタイト被膜の膜厚が１０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である炭酸アパタイト被覆マグネシウム材料。
前記炭酸アパタイト被膜の膜厚は、目的とする干渉色に相当する可視光線波長λ［ｎｍ］の反射光を発生する膜厚ｔ［ｎｍ］として、次式（３）で表される請求項１に記載の炭酸アパタイト被覆マグネシウム材料。ｔ＝（ｍ＋１／２）・λ／（３．３ｃｏｓθ）（３）ここで、ｍは干渉次数で、通常はｍ＝１、２、３又は４の整数であり、θは被膜に対する入射光の入射角度である。目的とする干渉色に対応する可視光線波長の波長λは、紫（３８０－４３０ｎｍ）、青（４３０－４９０ｎｍ）、緑（４９０－５５０ｎｍ）、黄（５５０－５９０ｎｍ）、橙（５９０－６４０ｎｍ）、赤（６４０－７７０ｎｍ）である。
被膜を構成する炭酸アパタイトの炭酸含有量が１ｍａｓｓ％以上３０ｍａｓｓ％以下の炭酸アパタイト被膜を有する請求項１に記載の炭酸アパタイト被覆マグネシウム材料。
前記基材と前記炭酸アパタイト被膜は、水酸化マグネシウム層を介することなく、直接接合している請求項１に記載の炭酸アパタイト被覆マグネシウム材料。
前記炭酸アパタイト被膜は、ＭｇＯナノ粒子とリン酸マグネシウム－カルシウムナノ結晶の混合層を介して前記基材に接合している請求項１に記載の炭酸アパタイト被覆マグネシウム材料。
０．２ｍｏｌ／Ｌより高い濃度のカルシウム錯体および前記カルシウム錯体の濃度の０．５倍以上１．２５倍以下のリン酸塩が溶解している水溶液を調製し、前記濃度のカルシウム錯体およびリン酸塩が溶解している水溶液に炭酸塩を溶解して、被覆処理溶液を調製し、前記被覆処理溶液を加温し、加温した前記被覆処理溶液に、表面粗さＲａが０．０５μｍ以上２．０μｍ以下の範囲を満たすマグネシウム材料を浸漬し、目的とする干渉色を呈する膜厚で、前記マグネシウム材料を炭酸アパタイトを主成分とするアパタイトで被覆する、炭酸アパタイト被覆マグネシウム材料を製造する方法。
前記被覆処理溶液のカルシウム錯体は、ＥＤＴＡ、ＮＴＡ、ＨＥＤＴＥ、アミノポリカルボン酸、リンゴ酸、クエン酸、グルコン酸、酒石酸、マレイン酸、イタコン酸、スルファミン酸からなる群から選ばれるキレートのカルシウム化合物である請求項６に記載の炭酸アパタイト被覆マグネシウム材料を製造する方法。
前記カルシウム錯体の濃度は０．３ｍｏｌ／Ｌ以上１ｍｏｌ／Ｌ以下である被覆処理溶液を用いる請求項６又は７に記載の炭酸アパタイト被覆マグネシウム材料を製造する方法。
前記被覆処理溶液のリン酸塩は、リン酸２水素カリウム、リン酸２水素ナトリウム、リン酸水素２カリウム、リン酸水素２ナトリウム、リン酸２水素アンモニウム、リン酸水素２アンモニウム、リン酸１水素カルシウム、リン酸３カリウム、リン酸３ナトリウムからなる群から選ばれる無機リン酸塩である請求項６に記載の炭酸アパタイト被覆マグネシウム材料を製造する方法。
前記リン酸塩の濃度は０．３ｍｏｌ／Ｌ以上１ｍｏｌ／Ｌ以下である請求項６に記載の炭酸アパタイト被覆マグネシウム材料を製造する方法。
前記被覆処理溶液の炭酸塩は、ＮａＨＣＯ３、Ｎａ２ＣＯ３、Ｋ２ＣＯ３、（ＮＨ４）２ＣＯ３、ＣａＣＯ３、ＢａＣＯ３、ＭｇＣＯ３、Ｌｉ２ＣＯ３、ＦｅＣＯ３からなる群から選ばれる炭酸塩である請求項６に記載の炭酸アパタイト被覆マグネシウム材料を製造する方法。
前記炭酸塩の濃度は０ｍｏｌ／Ｌを超え２ｍｏｌ／Ｌ以下である請求項６に記載の炭酸アパタイト被覆マグネシウム材料を製造する方法。
前記目的とする干渉色を呈する膜厚は、前記目的とする干渉色に相当する可視光線波長λ［ｎｍ］の反射光を発生する膜厚ｔ［ｎｍ］として、次式（３）で表される請求項６に記載の炭酸アパタイト被覆マグネシウム材料を製造する方法。ｔ＝（ｍ＋１／２）・λ／（３．３ｃｏｓθ）（３）ここで、ｍは干渉次数で、通常はｍ＝１、２、３又は４の整数であり、θは被膜に対する入射光の入射角度である。目的とする干渉色に対応する可視光線波長の波長λは、紫（３８０－４３０ｎｍ）、青（４３０－４９０ｎｍ）、緑（４９０－５５０ｎｍ）、黄（５５０－５９０ｎｍ）、橙（５９０－６４０ｎｍ）、赤（６４０－７７０ｎｍ）である。
基材が鉄材料、亜鉛材料、アルミニウム材料、若しくはチタン材料の群からなる金属材料の何れか１つであり、前記基材の表面粗さＲａが０．０５μｍ以上２．０μｍ以下の範囲を満たすと共に、前記基材の表面に、表面粗さＲａが６５ｎｍ以下の炭酸アパタイト被膜を有すると共に、前記炭酸アパタイト被膜の膜厚が１０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である炭酸アパタイト被覆金属材料。
０．２ｍｏｌ／Ｌより高い濃度のカルシウム錯体および前記カルシウム錯体の濃度の０．５倍以上１．２５倍以下のリン酸塩が溶解している水溶液を調製し、前記濃度のカルシウム錯体およびリン酸塩が溶解している水溶液に炭酸塩を溶解して、被覆処理溶液を調製し、前記被覆処理溶液を加温し、鉄材料、亜鉛材料、アルミニウム材料、若しくはチタン材料の群からなる金属材料の何れか１つである基材であって、前記基材の表面粗さＲａが０．０５μｍ以上２．０μｍ以下の範囲を満たす前記基材を、加温した前記被覆処理溶液に浸漬し、目的とする干渉色を呈する膜厚で、前記基材を炭酸アパタイトを主成分とするアパタイトで被覆する、アパタイト被膜金属材料を製造する方法。
請求項１乃至５の何れか１項に記載の炭酸アパタイト被覆マグネシウム材料、又は請求項１４に記載の炭酸アパタイト被覆金属材料を用いた医療用デバイス。
請求項１乃至５の何れか１項に記載の炭酸アパタイト被覆マグネシウム材料、又は請求項１４に記載の炭酸アパタイト被覆金属材料を用いた工業用部材。

Description

本発明は、意匠性に優れ、かつ耐食性を有する炭酸アパタイト被覆マグネシウム材料、その製造方法、およびそれを用いた医療用デバイス及び工業用部材の部材に関するものである。また、本発明はマグネシウム材料を除く金属材料（例えば鉄材料、亜鉛材料、アルミニウム材料、若しくはチタン材料）についての炭酸アパタイト被覆金属材料、その製造方法、およびそれを用いた医療用デバイス及び工業用部材に関するものである。本発明者は、これまでに、医療用生体吸収性部材のためのマグネシウムおよびマグネシウム合金の腐食速度制御のために水酸アパタイト被膜および炭酸アパタイト被膜を開発した（特許文献１、２）。これらのアパタイト被膜は、腐食抑制効果および生体適合性（細胞適合性、骨伝導性）を発揮した。しかし、水酸アパタイト被膜は、緻密な内層から棒状結晶が成長して外層を形成している２層構造であり、外層がポーラスであるため、外層が光を乱反射してほとんど干渉色を示さない。従来の炭酸アパタイト被膜はサブマイクロメートルから１μｍ程度の粒子が凝集して被膜を形成しているため、表面粗さが大きく、光を乱反射してあまり干渉色や光沢を示さない。医療用デバイスにおいては、例えばチタン製デバイスでは表面に異なる干渉色を示す陽極酸化被膜を形成して色によりデバイスの種類やサイズの識別が行われている。また、パソコンやカメラ、時計などの家電製品の筐体では、金属材料表面の酸化被膜の干渉色による色付けがなされる場合がある。これに対し、水酸アパタイト被膜や炭酸アパタイト被膜では、基材の金属材料の種類に関わらず、干渉色を呈する平滑な被膜の開発は行われてこなかった。例えば、非特許文献１には、純Ｔｉ表面へのＣａ欠損炭酸アパタイト被膜の形成に関する開示があるものの、干渉色を呈するような平滑で薄い被膜の報告はない。炭酸アパタイトは、非特許文献４に示すように、骨再建術に用いられる骨組成人工骨として薬事承認を受けている。マグネシウム材料の表面の金属光沢を保つ透明被膜の開発では、特許文献３に、アルカリ性電解液中での陽極酸化による透明被膜の製造方法および、染色液への浸漬による色付けが示されている。特許文献４に、陽極酸化処理やプラズマ電解酸化処理後に表面を研磨して表面を平滑にすることで、その上にメッキした貴金属に表面光沢性を示させる方法が示されている。特許文献５に、Ｍｇ－Ｓｃ合金やＭｇ－Ｙ合金のように希土類を含む合金に対して、大気中でも熱酸化により干渉色を呈する酸化物被膜を形成できることが示されている。マグネシウム材料表面に炭酸アパタイト被膜を作製した例として、非特許文献２には、基材をマグネシウム合金であるＷＥ４３（Ｙ４．０、ＲＥ３．４、Ｚｒ０．７）として、従来の炭酸アパタイト被覆をしたことが記載されている。非特許文献３には、基材を純Ｍｇとして、従来の炭酸アパタイト被膜の炭酸含有率を詳細に検討している。しかしながら、マグネシウム材料を含む金属材料表面の炭酸アパタイト被膜が干渉色を呈する点に関して、開示がない。特許第５３３９３４７号特許第６７８３４６５号特開２００４－１８９０１号特開２００９－１８５３３１号ＷＯ２０２０／０１２８９０号 Carbonate apatite coating on titanium induced rapidly by precalcification, Biomaterials, 23 (2002) 173-179.Osteoclast and osteoblast responsive carbonate apatite coatings forbiodegradable magnesium alloys, STAM, 21(1) (2020) 346-358.Carbonate content control in carbonate apatite coatings of biodegradable magnesium, Ceramics International, 50 (2024) 6784-6792.石川邦夫、『驚異の人工骨補填材：炭酸アパタイト』、人工臓器47_189 (2018) 本発明の炭酸アパタイト被覆マグネシウム材料の製造方法の流れ図である。本発明の一実施例を示すサンプル＃１－０９の微小角Ｘ線回折パターンである。本発明の一実施例を示すサンプル＃１－０９のフーリエ変換赤外吸収スペクトルを示している。比較例＃１－０４および本発明のサンプル＃１－０９～＃１－１２の外観、表面電子顕微鏡像および表面形状像である。被覆処理温度６０℃で処理時間を変えたサンプル＃２－０１～＃２－０８の外観写真と推定膜厚を示している。被覆処理時間と平滑炭酸アパタイト被膜の推定厚さの関係を示す図である。被覆処理溶液の炭酸塩濃度を変えたサンプル＃３－０１～＃３－０３の外観写真と推定膜厚の図である。被覆処理溶液の炭酸塩濃度と推定膜厚の関係を示す図である。被覆処理溶液のＣａ－ＥＤＴＡおよびＫＨ２ＰＯ４の濃度を変えたサンプル＃３－０４～＃３－１５の外観写真と推定膜厚の図である。被覆処理溶液のＣａ－ＥＤＴＡおよびＫＨ２ＰＯ４の濃度と推定膜厚の関係を示す図である。平滑炭酸アパタイト被膜を被覆したマグネシウム合金ＡＺ３１ネジの外観写真である。平滑炭酸アパタイト被膜を被覆した様々な金属材料の外観写真である。サンプル＃１－０１～＃１－０３およびサンプル＃１－０９～＃１－１１のＨａｎｋｓ液中での分極抵抗Ｒｐを示している。サンプル＃１－０１、＃１－０７、＃１－０９および＃１－０９－ｂのＨａｎｋｓ液中でのインデンテーションに伴う腐食電位の時間変化の説明図である。サンプル（１）＃Ａ－０１、（２）＃Ａ－０２および（３）＃Ａ－０３の断面透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）観察像を示す図である。サンプル（１）＃Ａ－０１、（２）＃Ａ－０２および（３）＃Ａ－０３の電子線回折パターンを示す図である。断面ＴＥＭ観察像に記載のＰｏｉｎｔ１（表面側）、Ｐｏｉｎｔ２（基材側または被膜中央）およびＰｏｉｎｔ３（基材側）の領域を測定した。サンプル＃Ａ－０３のエネルギー分散Ｘ線分光法（ＥＤＳ）元素マッピング像を示す図である。サンプル（１）＃Ａ－０１、（２）＃Ａ－０２および（３）＃Ａ－０３のＸＰＳパターンを示す図である。サンプル＃Ａ－０１および＃Ａ－０３、および比較材として未被覆ＷＥ４３および未被覆純Ｍｇの細胞培養液中でのＭｇ２＋イオン溶出挙動を示す図である。サンプル（１）＃Ａ－０４、（２）＃Ａ－０１および（３）＃Ａ－０３、並びに比較例としての（４）未被覆ＷＥ４３および（５）未被覆純ＭｇのＨａｎｋｓ液中でのインデンテーション痕のＳＥＭ像である。サンプル（１）＃Ａ－０１、（２）未被覆ＷＥ４３、（３）＃Ａ－０３および（４）未被覆純Ｍｇ表面で培養した骨芽細胞のギムザ染色像を示す図である。（１）未被覆ＷＥ４３および（２）サンプル＃Ａ－０１表面で培養した骨芽細胞のアルカリフォスファターゼ(ＡＬＰ)活性を示す図である。本発明の前提として、炭酸アパタイトが用いられる骨再建術について説明する。骨再建術は、悪性腫瘍や外傷、歯科インプラント等に起因して骨機能を再建するもので、第一選択は自家骨移植である。しかし、自家骨移植は、自分の骨を骨欠損部に移植する術式であるため、自家骨採取に基づく健全部位への侵襲は重篤な問題となっている。そこで、自家骨移植以外の骨再建術として、水酸アパタイト（Hydroxyapatite）［Ｃａ１０（ＰＯ４）６（ＯＨ）２］人工骨による骨再建術も確立している。しかし、水酸アパタイトは何年もほぼ元のまま残存して生体骨に置換されないという課題があった。なお、炭酸アパタイトに比較すると水酸アパタイトの骨伝導性は若干低いが、溶解性人工骨として用いられるβ－リン酸三カルシウムや、Ｔｉ合金などの金属材料よりも水酸アパタイトの方が骨伝導性に優れていると整形外科分野では認識されている。他方で、無脊椎動物の骨格組成は炭酸カルシウムであり、ヒトを含む脊椎動物の骨格組成は炭酸アパタイト［ＣＯ３Ａｐ：Ｃａ１０－ａ（ＰＯ４）６－ｂ（ＣＯ３）ｃ］である。無脊椎動物から脊椎動物への進化の過程でエネルギー代謝に必要なリン酸を体内に貯槽する必要があり、貯蔵器官として骨を選択したとされている。また、リン酸ナトリウム水溶液に前駆体である炭酸カルシウムブロックを浸漬すると、マクロ状態を保ったまま、炭酸アパタイトに組成変換される性質がある。そこで、この性質を利用して、人工骨用炭酸アパタイトブロックを調製する方法が開発された。この調製された炭酸アパタイトブロックは、生体内で骨形成の役割を担う破骨細胞と骨芽細胞に対して、高い生体親和性を示すので、自家骨と同様に新しい骨に置換されるため、骨組成人工骨としての歯科分野での薬事承認を得ている（非特許文献４参照）。したがって、炭酸アパタイトを被覆したマグネシウム材料を人工骨や骨ネジ等に用いる場合、周囲の組織に高い適合性を示す材料になることが期待される。現在マグネシウム材料は、骨固定用の骨ネジや骨釘、血管拡張ステントや軟組織縫接合用のステープルへの適用が進んでいる。これらの医療用デバイスへの炭酸アパタイト被膜を被覆したマグネシウム材料の適用により、周囲の生体組織との適合性が高いデバイスを得られることが期待される。本明細書において、算術平均粗さ（Ｒａ）は、ＪＩＳＢ０６０１（１９９４年）を用いている。算術平均粗さ（Ｒａ）は、粗さ曲線からその平均線の方向に基準長さだけを抜き取り、この抜取り部分の平均線の方向にＸ軸を、縦倍率の方向にＹ軸を取り、粗さ曲線をｙ＝ｆ（χ）で表したときに、次の式によって求められる値をマイクロメートル（μｍ）で表したものである。また、数値範囲を示す場合、上下限値に関しては、明記の無い限り数値範囲に含まれるものとする。即ち、数値範囲を示す場合、下限値以上、上限値以下という趣旨である。続いて、本発明の炭酸アパタイト被覆マグネシウム材料の製造方法について説明する。図１は、本発明の炭酸アパタイト被覆マグネシウム材料の製造方法の流れ図である。まず、高濃度のカルシウム錯体およびリン酸塩が溶解している水溶液を調製する（Ｓ１００）。ここで、高濃度とは飽和溶解度又はこれに近い濃度を言うが、無機塩の中で最も溶解度が高い塩化カルシウムの水溶液の溶解度に対して過飽和になる濃度のカルシウム錯体の水溶液を調製する。例えば塩化カルシウムや酢酸カルシウム、硝酸カルシウムの水溶液にキレート剤の添加を行うことで過飽和状態にすることを排除するものではない。これらにより、例えば塩化カルシウムの飽和溶解度の２～１００倍や１．５～２５０倍のカルシウム濃度の水溶液を調製することができる。次に、高濃度のカルシウム錯体およびリン酸塩が溶解している水溶液に炭酸塩を溶解した被覆処理溶液を調製する（Ｓ１０２）。そして、被覆処理溶液を加温する（Ｓ１０４）。一般的には、処理温度を高くするとアパタイト結晶が形成されやすくなるので、溶液の処理温度は、得るべき被膜の厚さや部材の大きさ（溶液の使用量に対する）などに対応して、４０～１００℃、好ましくは、６０～１００℃の範囲で調整するのが望ましい。加温した被覆処理溶液にマグネシウム材料を浸漬する（Ｓ１０６）。当該マグネシウム材料は、表面粗さＲａが０．０５μｍ以上２．０μｍ以下の範囲を満たすものとする。そして目的とする干渉色を呈する膜厚で、マグネシウム材料を炭酸アパタイトを主成分とするアパタイトで被覆する（Ｓ１０８）。浸漬処理時間を長くするとアパタイトの結晶化度および析出量が増加するので、得るべき被膜の厚さや部材の大きさ（溶液の使用量に対する）などに対応して、１～６０分、好ましくは、５～３０分、さらに好ましくは５～１０分の範囲で調整するのが望