技术领域
本发明涉及一种用作植入到活体内的植入体的材料，特别是，涉及一种由多孔金 属构成的植入体材料。
本申请基于2010年11月10日提交的日本特愿2010-251431主张优先权，并在此 引用其内容。
背景技术
作为植入到活体内后使用的植入体，有专利文献1～3所述的植入体。
专利文献1记载的植入体（椎间垫片）是在去除椎间盘后的椎体之间插入配置后 使用的，为了使其容易地插入的同时难以拔出等，垫片主体的上表面和下表面形成了 特殊的形状。
专利文献2记载的植入体（人工齿根）由实芯柱状的芯材和配置在芯材侧面的多 孔层构成，该实芯柱状的芯材由钛或钛合金构成，该多孔层由多个球状颗粒和形成在 该球状颗粒之间的多个连通孔构成，该多个球状颗粒由钛或钛合金构成且通过烧结来 结合，该多个球状颗粒进一步具备由金钛合金构成的表面层，通过该表面层，相邻的 球状颗粒相互结合。提出尺寸小且与颚骨的结合强度高的人工齿根。
专利文献3记载的植入体由多孔材料构成，且由气孔率高的第一部位和气孔率低 的第二部位构成。这种情况下，例如，在生坯状态钛发泡体形状的植入体的第一部位 的空穴中，插入钛嵌入体形状的由完全的高密度物质制作的植入体的第二部位后烧结， 由此第一部位收缩以固定第二部位。并且，对低气孔率的第二部位进行植入体的操作 或固定，由于气孔率低，因此可以避免操作或固定中的颗粒的磨耗。
专利文献1：日本特许第4164315号公报
专利文献2：日本特许第4061581号公报
专利文献3：日本特表2009-504207号公报
然而，这种植入体在活体内被用作骨头的一部分，因此要求对骨头的优异结合性、 和负载骨头的一部分所对应的强度，但追求与骨头的结合性时则容易变得强度不足， 相反追求强度时则与骨头的结合变得不充分等，难以兼顾这些。
关于这点，专利文献2和专利文献3记载的植入体成为实芯的芯材与多孔层、或 者气孔率高的第一部位与气孔率低的第二部位的复合结构，因此可以认为可应对与骨 头的结合性、和必要的强度这两方的要求，但一般来说金属材料的强度比人骨高，因 此用作植入体时，植入体会承受施加到骨头上的大部分的负荷，产生应力遮挡现象（植 入有植入体的部分的周边部的骨头脆化的现象）。
因此，要求使这些植入体成为接近人骨的强度，但人的骨头是具有六方晶系的结 晶结构的活体磷灰石和胶原纤维的组合结构，具有在C轴方向择优取向的强度特性。 因此，如这些专利文献所述的那样，仅单纯地构成复合结构，难以制作接近人骨的植 入体。
发明内容
本发明是鉴于这样的情形做出的，其目的在于提供一种具有接近人骨的强度特性、 避免应力遮挡现象的发生而且可以确保与骨头的充分的结合性的多孔植入体材料。
本发明的多孔植入体材料的特征在于，由具有由连续的骨架形成的、多个气孔相 连通的三维网眼状结构的多个多孔金属体通过在一个方向上平行的接合界面来接合而 成，气孔率为50%～92%，在与沿接合界面的方向平行的方向上压缩时的强度相对于 在与正交于所述接合界面的方向平行的方向上压缩时的强度为1.4倍～5倍。
该多孔植入体材料可以使骨头进入到连通的多个气孔内而与骨头结合成为一体。 此外，多个多孔金属体接合而构成，所以其接合界面的沿其面方向的方向的压缩强度 大于中心部，因此整体来说沿接合界面的方向的压缩强度大于其正交方向的压缩强度， 成为与人骨具有同样的各向异性的强度特性，所以通过配合人骨的强度的方向性植入 到体内，可以更有效地防止应力遮挡现象的发生。
这种情况下，气孔率小于50%时，骨头的进入速度慢，作为植入体与骨头的结合 功能不足。气孔率超过92%时，压缩强度低，作为植入体支撑骨头的功能不足。
此外，通过接合多个多孔金属体，可以容易地制作各种块状的材料，也可以层叠 气孔率不同的多孔金属，维持整体的气孔率的同时可以局部地使气孔率变化等，其设 计的自由度增大。
另外，将这样构成的材料用作植入体的情况下，根据需要还可以增加通过与平行 于所述一个方向的方向不同的方向的接合界面来接合的多孔金属体。
在本发明的多孔植入体材料中，各多孔金属体为对含有金属粉末与发泡剂的发泡 性浆料进行成型后发泡和烧结使表面的金属密度高于中心部的发泡金属。
发泡金属可以通过连续的骨架和气孔来容易地形成三维网眼状结构的同时，可以 通过发泡剂的发泡在较宽范围内调整气孔率，可以配合所使用的部位适当地使用。
此外，发泡金属可以与整体的气孔率相独立地操作表面的开口率，因此通过提高 表面的金属密度（降低开口率），可以进一步提高接合界面的强度。
在本发明的多孔植入体材料中，所述气孔被形成为在沿所述接合界面的方向上长、 在与接合界面正交的方向上短的扁平形状，并且沿所述接合界面的方向的所述气孔的 长度相对于与所述接合界面正交的方向的长度可以被形成为1.2倍～5倍。
气孔被形成为扁平形状时，可以使沿该扁平方向的方向的压缩强度高于与扁平方 向正交的方向。因此，通过沿接合界面方向形成气孔的扁平方向，可以进一步提高沿 接合界面的方向的压缩强度，通过使沿接合界面的方向的长度相对于其正交方向的长 度成为1.2倍～5倍，可以有效地提高与接合界面平行的方向的压缩强度。
在本发明的多孔植入体材料中，所述多个多孔金属体之中的一部分与其他多孔金 属体相比，气孔率可以不同。
接合气孔率不同的多孔金属体，由此可以通过气孔率低的多孔金属体来确保整体 的强度的同时，通过气孔率高的多孔金属体使骨头的进入容易。
根据本发明的多孔植入体材料，通过成为多孔金属体的接合结构，沿其接合界面 的方向的压缩强度高于其正交方向，具有拥有接近人骨的各向异性的强度特性，因此 通过与骨头的方向配合使用，可以有效地避免应力遮挡现象的发生，且通过连通的气 孔来使骨头的进入容易，可以确保与骨头的充分的结合性。
附图说明
图1是示意性地表示本发明的多孔植入体材料的一实施方式的立体图。
图2是表示图1的多孔植入体材料中的多孔金属体的剖面的示意图。
图3是表示用于制造多孔金属体的成型装置的概要结构图。
图4是表示其他实施方式的多孔植入体材料中的多孔金属体的剖面的示意图。
图5是实施例的多孔植入体材料的表面的光学显微镜观察照片。
图6是实施例的多孔植入体材料的剖面的光学显微镜观察照片。
图7是表示实施例的多孔植入体材料的气孔的孔径分布的曲线图。
图8是表示实施例的多孔植入体材料的压缩强度对气孔率和气孔形状的依存 度的曲线图。
图9是表示本发明的另一实施方式的立体图。
图10是表示本发明的又一实施方式的俯视图。
图11是表示本发明的又一实施方式的俯视图。
图12是表示本发明的又一实施方式的立体图。
图13是表示用于制造多孔金属体的其他成型装置的主要部分的概要结构图。
具体实施方式
下面，参见附图，对本发明的多孔植入体材料的实施方式进行说明。
如图1和图2所示，本实施方式的多孔植入体材料1是通过相互平行的接合 界面F层叠多张板状的多孔金属体4而构成的，该板状的多孔金属体4由具有由 连续的骨架2形成的、多个气孔3相连通的三维网眼状结构的发泡金属构成。发 泡金属是如后所述的那样通过将含有金属粉末和发泡剂等的发泡性浆料成型为薄 板状后发泡而形成的，气孔3在表面、背面和侧面开口，并且相对于厚度方向的 中心部，表面、背面附近紧密地形成。
层叠该发泡金属的多孔金属体4而成的多孔植入体材料1的整体的气孔率被 形成为50%～92%。
而且，该多孔植入体材料1的沿多孔金属体4的接合界面F的一个方向为植 入活体时的轴心方向C。图1和图2中上下方向为轴心方向C。
接着，对制造该多孔植入体材料1的方法进行说明。
构成该多孔植入体材料1的多孔金属体4是利用刮匀涂装法（ドクターブレ ード法）等通过将含有金属粉末、发泡剂等的发泡性浆料成型为薄板状后干燥来 形成生坯薄板（グリーンシート），对该生坯薄板经过脱脂、烧结工序使其发泡 而制造。此外，此时通过层叠多张生坯薄板后烧结，从而制造出层叠了多孔金属 体4的多孔植入体材料1。
发泡性浆料可以将金属粉末、粘结剂、增塑剂、表面活性剂、发泡剂与溶剂 的水一同混炼而得到。
作为金属粉末，由无活体危害性的金属或其氧化物等的粉末构成，例如可以 使用纯钛、钛合金、不锈钢、钴铬合金、钽、铌等。这样的粉末可以通过氢化脱 氢法、雾化法、化学工艺法等制造。平均粒径适合为0.5～50μｍ，在浆料中含有 30～80质量%。
作为粘结剂（水溶性树脂粘结剂），可以使用甲基纤维素、羟丙基甲基纤维 素、羟乙基甲基纤维素、羧甲基纤维素铵、乙基纤维素、聚乙烯醇等。
增塑剂是为了对成型浆料而得到的成型体赋予可塑性而添加的，例如，可以 使用乙二醇、聚乙二醇、甘油等多元醇；沙丁鱼油、菜籽油、橄榄油等油脂；石 油醚等醚类；邻苯二甲酸二乙酯、邻苯二甲酸二正丁酯、邻苯二甲酸二乙基己酯、 邻苯二甲酸二辛酯、山梨糖醇酐单油酸酯、山梨糖醇酐三油酸酯、山梨糖醇酐棕 榈酸酯、山梨糖醇酐硬脂酸酯等酯等。
作为表面活性剂，可以使用烷基苯磺酸盐、α-烯烃磺酸盐、烷基硫酸酯盐、 烷基醚硫酸酯盐、烷基磺酸盐等阴离子表面活性剂；聚乙二醇衍生物、多元醇衍 生物等非离子性表面活性剂；和两性表面活性剂等。
发泡剂只要产生气体后可以在浆料中形成气泡即可，可以使用挥发性有机溶 剂，例如戊烷、新戊烷、己烷、异己烷、异庚烷、苯、辛烷、甲苯等的碳原子数5～ 8的非水溶性烃系有机溶剂。作为该发泡剂的含量，相对于发泡性浆料优选为0.1～ 5重量%。
由这样作成的发泡性浆料S，使用图3所示的成型装置20，形成用作多孔金 属体4的生坯薄板。
该成型装置20是使用刮匀涂装法形成薄板的装置，具备储存发泡性浆料S的 料斗21、移送从料斗21供给的发泡性浆料S的载体板（キャリヤシート）22、支 撑载体板22的辊23、将载体板22上的发泡性浆料S成型为预定厚度的刀片（刮 刀）24、使发泡性浆料S发泡的恒温高湿度槽25、和使发泡的浆料干燥的干燥槽 26。另外，载体板22的下表面被支撑板27支撑。
<生坯薄板成型工序>
在成型装置20中，首先，将发泡性浆料S投入到料斗21，从该料斗21将发 泡性浆料S供给到载体板22上。载体板22被向图的右方向旋转的辊23和支撑板 27支撑，其上表面向图的右方向移动。被供给到载体板22上的发泡性浆料S与载 体板22一同移动的同时通过刀片24被成型为板状。
接下来，板状的发泡性浆料S在预定条件（例如温度30℃～40℃、湿度75%～ 95%）的恒温高湿度槽25内例如用10分钟～20分钟一边移动一边发泡。接着， 在该恒温高湿度槽25内发泡的浆料S在预定条件（例如温度50℃～70℃）的干燥 槽26内例如用10分钟～20分钟移动并干燥。从而，可得到海绵状的生坯薄板G， 形成多张这样的生坯薄板G。
<层叠和烧结工序>
在将如此得到的生坯薄板G层叠多张的状态下进行脱脂、烧结，由此形成多 孔金属体4的层叠体。具体地说，例如在真空中、温度550℃～650℃、25分钟～ 35分钟的条件下去除（脱脂）生坯薄板G中的粘结剂（水溶性树脂粘结剂）之后， 进一步在真空中、温度700℃～1300℃、60分钟～120分钟的条件下进行烧结。
如此得到的多孔金属体4的层叠体具有由连续的骨架2形成的、气孔3相连 通的三维网眼状结构。该多孔金属体4是在载体板22上成型的生坯薄板G通过发 泡并烧结而形成的，与载体板22相接的面及其相反面，即表面、背面的附近与厚 度方向的中心部相比紧密地（以高的金属密度）形成。此外，其层叠体的各接合 界面（层叠界面）F附近与接合界面F间的中心部相比变得紧密。此外，各多孔金 属体4的气孔3在表面、背面开口，因此在其层叠体中也成为表面、背面连续的 气孔3。
通过将该多孔金属体4的层叠体切断为适宜的形状等，从而作为希望的多孔 植入体材料1。
由于如此制造的多孔植入体材料1为具有50%～92%的气孔率的多孔材料，作 为植入体使用时骨头容易进入，与骨头的结合性优异，此外，如前所述，由于各 接合界面F附近与接合界面F间的中心部相比变得紧密，因此如图2实线箭头所 示在与接合界面F平行的轴心方向C上压缩时的强度大于如虚线箭头所示在与正 交于接合界面F的方向（与轴心方向C正交的方向、多孔金属体的厚度方向）平 行的方向上压缩时的强度。这样由于压缩强度具有各向异性，具有接近人骨的强 度特性，因此作为骨头的一部分使用时，通过配合人骨的强度的方向性植入体内， 可以有效地避免应力遮挡现象的发生。具体地说，可以将沿多孔植入体材料1的 接合界面F的轴心方向C配合为骨头的C轴方向。
此外，人骨由中心部的松质骨与包围其周围的皮质骨构成，将该多孔植入体 材料用作松质骨的情况下，优选轴心方向C的压缩强度为4～70MPa，其压缩的弹 性率为1～5GPa，用作皮质骨的情况下，优选轴心方向C的压缩强度为100～ 200MPa、其压缩的弹性率为5～20GPa。无论哪种情况下，轴心方向C的压缩强 度相对于与轴心方向C正交的方向的压缩强度为1.4倍～5倍的大小而具有方向性 为宜。
在前述的实施方式中，烧结层叠状态的生坯薄板得到多孔金属体4的层叠体， 但也可以进一步通过按压或压延对该层叠体以预定的压力在厚度方向上进行压 缩。
图4示意性地表示在厚度方向上压缩层叠体后的状态的剖面，通过在厚度方 向上压缩多孔金属体4的层叠体，从而气孔3被压扁，成为在沿表面的方向（沿 接合界面F的方向）上长、在与表面正交的方向（厚度方向）上短的扁平形状。 这些气孔3被压扁而被形成为在沿接合界面F的方向上长的扁平形状时，沿其扁 平方向的方向的压缩强度大于与扁平方向正交的方向的压缩强度，可以通过强度 特性赋予方向性。这种情况下，通过使气孔3中的沿接合界面F的方向的长度Y 相对于其正交方向的长度X为1.2倍～5倍，从而可以有效地提高与接合界面F平 行的方向的压缩强度。
而且，可以将沿该气孔3的扁平方向的一个方向（沿接合界面F的一个方向） 作为轴心方向C植入活体。
实施例
下面，对关于由多孔金属体的层叠体构成的多孔植入体材料、以及压缩该层 叠体并压扁气孔后的状态的多孔植入体材料的实施例进行说明。
利用浆料发泡法制作了生坯薄板，由该生坯薄板制作了多孔金属体。将平均 粒径20μｍ的钛的金属粉末（作为原料）、聚乙烯醇（作为粘结剂）、甘油（作 为增塑剂）、烷基苯磺酸盐（作为表面活性剂）、庚烷（作为发泡剂）与溶剂的 水一同混炼，由此制作了浆料。将该浆料成型为板状，使其干燥后，将该生坯薄 板层叠多张，进行脱脂、烧结，由此得到了多孔金属体的层叠体。
制作了直接将该多孔金属体的层叠体作为植入体材料的材料、以及利用压延 机压缩层叠体的植入体材料。作为比较例，还制作了烧结一张生坯薄板得到的无 层叠的植入体材料。
而且，对于压缩多孔金属体的层叠体后的植入体材料，通过光学显微镜观察 表面及厚度方向剖面。
图5是表面的照片，图6是剖面的照片。由这些图可以明确，在表面开口的 气孔大致为圆形，剖面为在厚度方向上压扁的扁平形状。此外，可知接合界面附 近的金属部分变得紧密。
图7是气孔的孔径分布的曲线图，作为平均粒径约为550μｍ，向表面的开口 率约为60%。
图8是表示压缩强度对气孔率以及气孔形状的依存度的曲线图。对于压缩多 孔金属体的层叠体得到的植入体材料，测定了与接合界面平行的方向的气孔的长 度Y和与接合界面正交的方向的长度X的比率（Y/X；称作扁平度）。这种情况 下，对于气孔的扁平度，从倍率20倍的光学显微镜观察照片中选定5～10个容易 确认形状的气孔，根据图像求出各气孔的Y与X的长度并算出扁平度，将它们的 平均值作为该样品的扁平度。
而且，分别施加与表面平行的压缩负荷并测定了强度。在经压缩气孔变得扁 平的材料中，变为与气孔的长度方向平行的压缩负荷。其压缩强度基于JIS H7902 （多孔金属的压缩试验方法）进行测定。
在图8中，将多孔金属体的层叠体直接作为植入体材料的材料作为“层叠品”， 将压缩的材料标记为“层叠＋Y:X＝3.4:1”。
如该图8所示，层叠品的气孔率为70%时，在与接合界面的方向平行的方向 上压缩时为45MPa。此外，扁平度为3.4倍（Y:X为3.4:1），气孔率为70%时， 在与表面方向平行的方向上压缩时为48MPa。将该样品在与正交于表面的方向平 行的方向上压缩时为28MPa。因此，在沿表面的方向上压缩时的强度为在与其正 交的方向上压缩时的强度的约1.7倍。
由该图8所示的结果可知，由多孔金属体的层叠体构成的植入体材料、以及 压缩其得到的植入体材料通过调整为适当的气孔率，可以制作被认为适合作为植 入体的大范围的压缩强度的材料。
另外，本发明并不限于上述实施方式，在不脱离本发明宗旨的范围内可以施 加各种变更。
例如，层叠多张多孔金属体时，还可以使各多孔金属体为同一气孔率，但也 可以层叠气孔率不同的多孔金属体。
此外，接合多个多孔金属体的情况下，除了如实施方式所示的层叠板状的多 孔金属体的方式以外，还可以为如图9～图12所示的各种方式。例如，图9所示 的多孔植入体材料11为在特定的多孔金属体4A之中在嵌合状态下配置有柱状的 另一多孔金属体4B的材料，图10所示的多孔植入体材料12为对于图9所示的材 料设置有多个柱状的多孔金属体4B的材料，图11所示的多孔植入体材料13为将 多个多孔金属体4C～4E配置为同心圆的多重圆状的材料，图12所示的多孔植入 体材料14为在十字块状的多孔金属体4F的四角组合长方体块状的多孔金属体4G 的材料。在这些材料的制造中，还可以采用对特定的多孔金属体缠绕板状的多孔 金属体、将板状的多孔金属体卷起等方法。气孔的扁平方向在图9和图12中以C 方向图示，在图10和图11中是与纸面正交的方向。
此外，作为接合方法，除了组合生坯体后进行烧结的方法以外，还可以为组 合分别烧结的材料后进行扩散接合的方法。并且，压缩这些材料的情况下，对于 具有图9～图11所示的圆柱状的外形的材料，还可以在滚动多孔金属体的接合体 的同时在径向上进行压缩。该压缩工序可以在烧结前的生坯薄板的状态下进行压 缩，也可以在烧结后进行压缩。
无论哪种情况下，重要的是这些接合界面F在一个方向上平行，据此，可以 使与该接合界面F平行的方向的压缩强度相对于与接合界面F正交的方向的压缩 强度变大。另外，作为植入体使用的情况下，只要可以确保作为目标的强度的方 向性，则还可以根据需要增加通过与平行于气孔的扁平方向（一个方向）的方向 不同的方向的接合界面接合的多孔金属体。
此外，通过刮匀涂装法将浆料成型为薄板状的情况下，如图13所示，还可以 排列多个料斗，以层叠状态供给发泡性浆料后成型层叠状态的生坯薄板。
进而，除了通过这种刮匀涂装法进行发泡、成型的方法以外，还可以为减压 发泡的方法。具体地说，是如下方法：从浆料中暂时去除气泡和溶解气体之后， 对该浆料中一边导入添加气体一边进行搅拌，从而在浆料中分散形成由添加气体 构成的气泡核的状态下制造发泡性浆料；然后，将包括该气泡核的浆料减压至预 定压力，并且保持为超过该预定压力下的浆料的凝固点且小于沸点的预备冷却温 度，由此使气泡核膨胀，对因该气泡核的膨胀而体积增大的浆料进行真空冷冻干 燥；烧结如此形成的生坯体而形成多孔烧结体。
产业上的可利用性
本发明的植入体材料可以用作椎间垫片和人工齿根等被植入到活体内的植入 体。
符号说明
1 多孔植入体材料
2 骨架
3 气孔
4 多孔金属体
11～14 多孔植入体材料
4A～4G 多孔金属体
F 接合界面（层叠界面）
C 轴心方向