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JP6061415B2 - Biomaterial ceramics comprising β-type tricalcium phosphate and method for producing the same - Google Patents

Biomaterial ceramics comprising β-type tricalcium phosphate and method for producing the same Download PDF

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JP6061415B2 JP2010105736A JP2010105736A JP6061415B2 JP 6061415 B2 JP6061415 B2 JP 6061415B2 JP 2010105736 A JP2010105736 A JP 2010105736A JP 2010105736 A JP2010105736 A JP 2010105736A JP 6061415 B2 JP6061415 B2 JP 6061415B2
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Description

本発明はβ型リン酸三カルシウムのリン酸サイトに二価の陰イオン又は四価の陰イオンを置換固溶させた生体材料セラミックスに関する。   The present invention relates to a biomaterial ceramic in which a divalent anion or a tetravalent anion is substituted and dissolved in a phosphate site of β-type tricalcium phosphate.

医療材料、特に人工骨をはじめとする硬組織用代替材料として利用されているリン酸三カルシウム[TCP; Ca3(PO4)2]は、その結晶構造中のカルシウムイオンおよびリン酸イオンと金属イオンが置換固溶する特徴を有している。この特長に着目して、TCPのカルシウムイオンと陽イオンを置換固溶した人工骨材としては、亜鉛イオン(Zn2+イオン)を置換した亜鉛含有TCPが特許文献1等において報告されている。 Tricalcium phosphate [TCP; Ca 3 (PO 4 ) 2 ], which is used as an alternative material for hard tissue such as medical materials, especially artificial bones, is composed of calcium ions, phosphate ions and metals in their crystal structures. It has the feature that ions are substituted and dissolved. Focusing on this feature, as an artificial aggregate in which calcium ions and cations of TCP are substituted and dissolved, zinc-containing TCP in which zinc ions (Zn 2+ ions) are substituted is reported in Patent Document 1 and the like.

カルシウムイオンと金属イオンの置換固溶した人工骨材に対して、TCP結晶構造中におけるリン酸イオンと陰イオンが置換固溶することに着目し、リン酸イオンと価数の同じ三価の陰イオンが置換固溶したTCP硬組織用代替材料としては、骨形成を促進するバナジウムの一種であるバナジン酸(VO4 3-)イオンがTCP構造中におけるリン酸サイトに固溶したバナジン酸イオン含有(固溶)TCPがこれまでに報告されている。この硬組織用代替材料は、VO4 3-イオンの固溶によって焼結体の焼結性が向上し、微粒で気孔の少ない緻密な微構造をしめし、その機械的性質が向上して生体骨と同等の機械的強度を有する。 Focusing on the substitutional solid solution of phosphate ions and anions in the TCP crystal structure for artificial aggregates in which calcium ions and metal ions are substituted and dissolved, trivalent anions with the same valence as phosphate ions As an alternative material for TCP hard tissue with ion-displaced solid solution, vanadate (VO 4 3- ) ion, which is a kind of vanadium that promotes bone formation, contains vanadate ion dissolved in phosphate site in TCP structure (Solubility) TCP has been reported so far. This substitute material for hard tissue improves the sinterability of the sintered body by solid solution of VO 4 3- ions, shows a fine microstructure with fine particles and few pores, improves its mechanical properties, Have the same mechanical strength.

二価の陰イオンを置換固溶した生体材料用リン酸カルシウム化合物としては、炭酸(CO3 2-)イオンがHAp結晶構造中のリン酸イオンと置換固溶した硬組織用代替材料が報告されており、CO3 2-イオンの固溶で、HApに比べて溶解性が促進し、物理学的性質も生体骨に類似し、細胞の分化や増殖や石灰化能も良好であることが非特許文献1において報告されている。 As a calcium phosphate compound for biomaterials in which divalent anions are substituted and dissolved, an alternative material for hard tissue in which carbonate (CO 3 2- ) ions are substituted and dissolved in phosphate ions in the HAp crystal structure has been reported. Non-patent literature that solid solubility of CO 3 2- ion promotes solubility compared to HAp, has physical properties similar to living bones, and has good cell differentiation, proliferation and calcification ability 1 is reported.

また、四価の陰イオンを置換固溶した生体材料用リン酸カルシウム化合物としては、上記のケイ酸含有リン酸三カルシウムに加え、TCPと同様に硬組織用代替材料として臨床応用されている水酸アパタイト(HAp)構造中のリン酸サイトにケイ酸(SiO4 4-)イオンが置換固溶したケイ酸固溶アパタイトが知られており、ケイ酸イオンの固溶で、材料化学的にはHAp構造の熱安定性は低下するが、HAp焼結体作製時の焼成温度の低下や焼結性の向上が認められている。一方、生物学的観点からも細胞接着性や骨形成の促進および骨成長密度の増加することが報告されている。また、特許文献2においては、ケイ酸イオンがTCPのリン酸イオンと置換固溶したケイ酸含有TCPも報告されている。 Moreover, as a calcium phosphate compound for biomaterials in which tetravalent anions are substituted and dissolved, in addition to the above-mentioned tricalcium phosphate containing silicic acid, hydroxyapatite, which is clinically applied as an alternative material for hard tissues, like TCP Silica (SiO 4 4- ) ions are substituted and dissolved at phosphate sites in the (HAp) structure, and silicate solid solution apatite is known. Although the thermal stability of the sapphire decreases, it is recognized that the firing temperature is reduced and the sinterability is improved during the preparation of the HAp sintered body. On the other hand, it has been reported from the biological viewpoint that cell adhesion, bone formation, and bone growth density are increased. Patent Document 2 also reports a silicate-containing TCP in which a silicate ion is substituted and dissolved with a phosphate ion of TCP.

特開2004−175760JP2004-175760 特開2008−214111JP 2008-214111 A

岩永寛司、渋谷俊昭、土井豊、森脇豊、岩山幸雄、岐阜歯科学誌、28、90 (2001)Iwanaga Kanji, Shibuya Toshiaki, Doi Yutaka, Moriwaki Yutaka, Iwayama Yukio, Gifu Dental Journal, 28, 90 (2001)

しかし、上記亜鉛またはケイ酸含有TCPは、ともに液相法(湿式法)を用いて合成している。しかし、湿式法によるTCPの合成では、TCPがCa/Pモル比=1.50のみで生成するため、TCPのほかに副生成物としてHApやピロリン酸カルシウムが生成しやすく、実験プロセスが多いことに加え、TCP相のみを得るためには実験条件(反応温度や反応溶液のpHなど)の厳密な制御および熟練した実験操作が必要となる。また、上記亜鉛またはケイ酸含有TCPの技術に関しては、生体材料に求められる性質の一つである力学的適合性の評価を行っていない。   However, both the zinc or silicic acid-containing TCPs are synthesized using a liquid phase method (wet method). However, in the synthesis of TCP by the wet method, since TCP is generated only with a Ca / P molar ratio = 1.50, in addition to TCP, HAp and calcium pyrophosphate are easily generated as by-products, and in addition to many experimental processes, In order to obtain only the TCP phase, strict control of experimental conditions (such as reaction temperature and pH of the reaction solution) and skilled experimental operations are required. In addition, regarding the technology of the zinc or silicic acid-containing TCP, the mechanical compatibility, which is one of the properties required for the biomaterial, has not been evaluated.

また、上記ケイ酸含有TCPは、TCPの高温相であるα-リン酸三カルシウム(α-TCP)にケイ酸イオンが含有している。しかし、α-リン酸三カルシウムは低温相であるβ-リン酸三カルシウム(β-TCP)に比べて溶解性が高く、機械的強度も低いため、生体材料としての使用が制限される。α-リン酸三カルシウムは実際に生体材料としては、水和反応しやすく、それにともない硬化する特長を有するため、主に体内で硬化するリン酸カルシウムセメントの主要成分と使用されているのみであり(特開2001-95913号他多数)、β-TCPのように人工骨としての使用例はない。また、SiO4 4-イオンは、HApやα-TCPにはそれ単独で置換固溶するが、β-TCPには単独で置換固溶しない。また、上記CO3 2-イオンのような二価の陰イオンをTCP(α-TCPおよびβ-TCP)結晶構造中のリン酸サイトに置換固溶した人工骨材を含む材料はこれまでに報告されていない。 The silicate-containing TCP contains silicate ions in α-tricalcium phosphate (α-TCP) which is a high-temperature phase of TCP. However, α-tricalcium phosphate has higher solubility and lower mechanical strength than β-tricalcium phosphate (β-TCP), which is a low-temperature phase, so that its use as a biomaterial is limited. Since α-tricalcium phosphate is actually a biomaterial that easily hydrates and hardens with it, it is mainly used as the main component of calcium phosphate cement that hardens in the body. No. 2001-95913 and many others), there is no use example as an artificial bone like β-TCP. In addition, SiO 4 4- ions are substituted and dissolved in HAp and α-TCP alone, but are not substituted and dissolved in β-TCP alone. In addition, materials including artificial aggregates in which divalent anions such as the above CO 3 2- ion are substituted and dissolved in phosphate sites in the TCP (α-TCP and β-TCP) crystal structure have been reported so far. It has not been.

本発明では、PO4 3-イオンと価数が異なるため単独固溶できない二価陰イオン又は四価陰イオンをβ-TCP のPO4サイトに固溶させることを目指した。 In the present invention, a divalent anion or a tetravalent anion, which cannot be dissolved in a single solution because it has a valence different from that of PO 4 3- ion, was aimed to be dissolved at the PO 4 site of β-TCP.

(1)本発明は、硫酸イオン及び電荷補償のための陽イオンを固溶したβ型リン酸三カルシウムからなる生体材料セラミックスを提供する。 (1) The present invention provides a biomaterial ceramic comprising β-type tricalcium phosphate in which sulfate ions and cations for charge compensation are dissolved.

(2)本発明は、電荷補償のための陽イオンはナトリウムイオンである上記(1)に記載の生体材料セラミックスを提供する。   (2) The present invention provides the biomaterial ceramic according to (1) above, wherein the cation for charge compensation is a sodium ion.

(3)本発明は、四価の陰イオン及び電荷補償のための陽イオンを固溶したβ型リン酸三カルシウムからなる生体材料セラミックスを提供する。   (3) The present invention provides a biomaterial ceramic comprising β-type tricalcium phosphate in which a tetravalent anion and a cation for charge compensation are dissolved.

(4)本発明は、四価の陰イオンはケイ酸イオンであり、電荷補償のための陽イオンはマグネシウムイオンである上記(3)に記載の生体材料セラミックスを提供する。   (4) The present invention provides the biomaterial ceramic according to (3), wherein the tetravalent anion is a silicate ion, and the cation for charge compensation is a magnesium ion.

(5)本発明は、硫酸イオン及び四価の陰イオンを固溶したβ型リン酸三カルシウムからなる生体材料セラミックスを提供する。 (5) The present invention provides a biomaterial ceramic made of β-type tricalcium phosphate in which sulfate ions and tetravalent anions are dissolved.

(6)本発明は、酸化カルシウムとリン酸水素二アンモニウムと硝酸ナトリウムと硫酸アンモニウムとを湿式混合した後、得られた混合物から溶媒エタノールを除去する混合工程と、混合工程で得られた混合体を溶媒中で粉砕した後、前記溶媒を除去する粉砕工程と、粉砕工程で得られた粉体を一軸加圧成型して成型体を作成する成型工程と、成型工程で得られた成型体を焼成する焼成工程と、を有する上記(2)に記載のβ型リン酸三カルシウム焼結体を製造するβ型リン酸三カルシウム焼結体製造方法を提供する。   (6) In the present invention, calcium oxide, diammonium hydrogen phosphate, sodium nitrate, and ammonium sulfate are wet-mixed, and then the mixing step of removing the solvent ethanol from the resulting mixture, and the mixture obtained in the mixing step, After pulverization in a solvent, a pulverization step for removing the solvent, a molding step for forming a molded body by uniaxial pressure molding of the powder obtained in the pulverization step, and firing the molded body obtained in the molding step There is provided a β-type tricalcium phosphate sintered body manufacturing method for manufacturing the β-type tricalcium phosphate sintered body according to (2) above.

(7)本発明は、酸化カルシウムとリン酸水素二アンモニウムと酸化マグネシウムと二酸化ケイ素とを湿式混合した後、得られた混合物から溶媒エタノールを除去する混合工程と、混合工程で得られた混合体を溶媒中で粉砕した後、前記溶媒を除去する粉砕工程と、粉砕工程で得られた粉体を一軸加圧成型して成型体を作成する成型工程と、成型工程で得られた成型体を焼成する焼成工程と、を有する上記(4)に記載のβ型リン酸三カルシウム焼結体を製造するβ型リン酸三カルシウム焼結体製造方法を提供する。   (7) The present invention includes a mixing step in which calcium ethanol, diammonium hydrogen phosphate, magnesium oxide, and silicon dioxide are wet mixed, and then the solvent ethanol is removed from the resulting mixture, and the mixture obtained in the mixing step Crushed in a solvent, and then a pulverizing step for removing the solvent, a molding step for forming a molded body by uniaxial pressure molding of the powder obtained in the pulverizing step, and a molded body obtained in the molding step. There is provided a β-type tricalcium phosphate sintered body manufacturing method for manufacturing the β-type tricalcium phosphate sintered body according to (4) above, which includes a firing step.

β-TCPの三価の陰イオンであるリン酸イオンと価数の異なる二価または四価陰イオンがβ-TCPに固溶することを明らかにした本発明は、β-TCPに固溶させる(金属)イオンの選択範囲を増加させるだけでなく、固溶した陰イオンに起因する骨生成促進作用なども有する新規な硬組織代替用生体材料として応用範囲の拡大につながる。   The present invention clarifies that divalent or tetravalent anions having a different valence from the trivalent anion of β-TCP are dissolved in β-TCP. Not only increases the selection range of (metal) ions, but also leads to expansion of the application range as a new biomaterial for hard tissue replacement having an effect of promoting bone formation caused by solid anions.

本発明では、一般的なリン酸三カルシウムの製造方法である固相法を用いて、高温相のα-TCPではなく低温相のβ-TCPに二価または四価の陰イオンを固溶させるため、厳密な製造条件の制御、熟練した製造方法および高温処理(焼成)を必要とせず、現在のリン酸三カルシウムの製造ラインで製造できるため、少ない設備投資やコストで固溶させた陰イオンに起因する骨生成促進効果などを有したβ-TCPの製造が可能となる。   In the present invention, a divalent or tetravalent anion is dissolved in β-TCP in the low temperature phase, not α-TCP in the high temperature phase, using the solid phase method, which is a general method for producing tricalcium phosphate. Therefore, it does not require strict control of manufacturing conditions, skilled manufacturing methods and high-temperature processing (firing), and can be manufactured on the current tricalcium phosphate manufacturing line, so anion dissolved in a small amount of equipment investment and cost It is possible to produce β-TCP having an effect of promoting bone formation caused by the above.

β型リン酸三カルシウムの結晶構造を示す概念図Conceptual diagram showing the crystal structure of β-type tricalcium phosphate β型リン酸三カルシウムの結晶構造を構成するカラムを示す概念図Conceptual diagram showing the columns that make up the crystal structure of β-type tricalcium phosphate 一価の金属イオンの固溶形態を示す図Diagram showing solid solution form of monovalent metal ions 二価の金属イオンの固溶形態を示す図Diagram showing solid solution form of divalent metal ions 金属イオンおよび二価の陰イオンを固溶したβ型リン酸三カルシウムの合成方法を示す処理フロー図Process flow diagram showing the synthesis method of β-type tricalcium phosphate in which metal ions and divalent anions are dissolved. 金属イオンおよび二価の陰イオンを固溶したβ型リン酸三カルシウムからなる焼結体の製造方法を示す処理フロー図Process flow diagram showing a method for producing a sintered body made of β-type tricalcium phosphate in which metal ions and divalent anions are dissolved. 金属イオンおよび二価の陰イオンを固溶したβ型リン酸三カルシウムからなる焼結体の製造方法を示す処理フロー図Process flow diagram showing a method for producing a sintered body made of β-type tricalcium phosphate in which metal ions and divalent anions are dissolved. 実施例1の金属イオンおよび硫酸イオン(SO4 2-)を固溶したβ型リン酸三カルシウムのX線回折図X-ray diffraction pattern of β-type tricalcium phosphate in which the metal ion and sulfate ion (SO 4 2− ) in Example 1 were dissolved. 実施例1の金属イオンおよび硫酸イオン(SO4 2-)を固溶したβ型リン酸三カルシウムのX線回折図より求められるd値を示す図It shows the d values obtained from X-ray diffraction diagram of the β-type tricalcium phosphate which solid solution of the metal ion and sulfate ion Example 1 (SO 4 2-) 実施例1の金属イオンおよび硫酸イオン(SO4 2-)を固溶したβ型リン酸三カルシウムのFT-IRスペクトルを示す図Shows the FT-IR spectra of metal ion and sulfate ion (SO 4 2-) β tricalcium phosphate in which solid solution of Example 1 実施例1の金属イオンおよび硫酸イオン(SO4 2-)を固溶したβ型リン酸三カルシウムの格子定数変化を示す図Shows a lattice constant variation of the metal ion and sulfate ion (SO 4 2-) β tricalcium phosphate in which solid solution of Example 1 実施例2の金属イオンおよび硫酸イオン(SO4 2-)を固溶したβ型リン酸三カルシウムのX線回折図X-ray diffraction pattern of β-type tricalcium phosphate in which the metal ion and sulfate ion (SO 4 2− ) in Example 2 were dissolved. 実施例2の金属イオンおよび硫酸イオン(SO4 2-)を固溶したβ型リン酸三カルシウムのX線回折図から求められるd値を示す図Shows the d values obtained from X-ray diffraction pattern of the metal ions and sulfuric acid ions (SO 4 2-) β tricalcium phosphate in which solid solution of Example 2 実施例2の金属イオンおよび硫酸イオン(SO4 2-)を固溶したβ型リン酸三カルシウムのFT-IRスペクトルを示す図Shows the FT-IR spectra of metal ion and sulfate ion (SO 4 2-) β tricalcium phosphate in which solid solution of Example 2 実施例2の金属イオンおよび硫酸イオン(SO4 2-)を固溶したβ型リン酸三カルシウムの格子定数変化を示す図Shows a lattice constant variation of the metal ion and sulfate ion (SO 4 2-) β tricalcium phosphate in which solid solution of Example 2 金属イオンおよび四価の陰イオンを固溶したβ型リン酸三カルシウムの合成方法を示す処理フロー図Process flow diagram showing the synthesis method of β-type tricalcium phosphate in which metal ions and tetravalent anions are dissolved. 金属イオンおよび四価の陰イオンを固溶したβ型リン酸三カルシウムからなる焼結体の製造方法を示す処理フロー図Process flow diagram showing a method for producing a sintered body made of β-type tricalcium phosphate in which metal ions and tetravalent anions are dissolved. 金属イオンおよび四価の陰イオンを固溶したβ型リン酸三カルシウムからなる焼結体の製造方法を示す処理フロー図Process flow diagram showing a method for producing a sintered body made of β-type tricalcium phosphate in which metal ions and tetravalent anions are dissolved. 実施例3の金属イオンおよびケイ酸イオン(SiO4 4-)を固溶したβ型リン酸三カルシウムのX線回折図X-ray diffraction pattern of β-type tricalcium phosphate in which the metal ions and silicate ions (SiO 4 4- ) of Example 3 were dissolved. 実施例3の金属イオンおよびケイ酸イオン(SiO4 4-)を固溶したβ型リン酸三カルシウムのFT-IRスペクトルを示す図Shows the FT-IR spectrum of the β-type tricalcium phosphate were dissolved metal ions and silicate ions of Example 3 (SiO 4 4-) 実施例3の金属イオンおよびケイ酸イオン(SiO4 4-)を固溶したβ型リン酸三カルシウムの格子定数変化を示す図Shows a lattice constant variation of the metal ions and silicate ions (SiO 4 4-) β tricalcium phosphate in which solid solution of Example 3 β―TCPにおける二価金属イオンおよびケイ酸イオン(SiO4 4-)の固溶形態を示す図Diagram showing solid solution form of divalent metal ions and silicate ions (SiO 4 4- ) in β-TCP 実施例4の金属イオンおよびケイ酸イオン(SiO4 4-)を固溶したβ型リン酸三カルシウム焼結体のX線回折図X-ray diffraction pattern of a β-type tricalcium phosphate sintered body in which the metal ions and silicate ions (SiO 4 4- ) of Example 4 were dissolved. 実施例4の金属イオンおよびケイ酸イオン(SiO4 4-)を固溶したβ型リン酸三カルシウム焼結体のFT-IRスペクトルを示す図Shows the FT-IR spectra of metal ions and silicate ions of Example 4 (SiO 4 4-) β-type solid solution tricalcium phosphate sintered body 実施例4の金属イオンおよびケイ酸イオン(SiO4 4-)を固溶したβ型リン酸三カルシウム焼結体の格子定数変化を示す図It shows a lattice constant variation of the fourth embodiment of the metal ions and silicate ions (SiO 4 4-) β-type solid solution tricalcium phosphate sintered body 実施例4の金属イオンおよびケイ酸イオン(SiO4 4-)を固溶したβ型リン酸三カルシウム焼結体の体積収縮率変化を示す図It illustrates a volumetric shrinkage variation of metal ions and silicate ions of Example 4 (SiO 4 4-) β-type solid solution tricalcium phosphate sintered body 実施例4の金属イオンおよびケイ酸イオン(SiO4 4-)を固溶したβ型リン酸三カルシウム焼結体の曲げ強度変化を示す図It shows the flexural strength changes in the metal ion and silicate ions (SiO 4 4-) solid solution was β tricalcium phosphate sintered body of Example 4 実施例4の金属イオンおよびケイ酸イオン(SiO4 4-)を固溶したβ型リン酸三カルシウム焼結体の開気孔率変化を示す図It shows open porosity change of metal ions and silicate ions of Example 4 (SiO 4 4-) β-type solid solution tricalcium phosphate sintered body 実施例4の金属イオンおよびケイ酸イオン(SiO4 4-)を固溶したβ型リン酸三カルシウム焼結体のかさ密度変化を示す図It shows the bulk density changes in the metal ion and silicate ions in the Example 4 (SiO 4 4-) β-type solid solution tricalcium phosphate sintered body 実施例4の金属イオンおよびケイ酸イオン(SiO4 4-)を固溶したβ型リン酸三カルシウム焼結体の微構造を示す図(1)FIG. 1 is a diagram showing the microstructure of a β-type tricalcium phosphate sintered body in which metal ions and silicate ions (SiO 4 4- ) of Example 4 are solid-dissolved (1). 実施例4の金属イオンおよびケイ酸イオン(SiO4 4-)を固溶したβ型リン酸三カルシウム焼結体の微構造を示す図(2)FIG. 2 is a diagram showing the microstructure of a β-type tricalcium phosphate sintered body in which the metal ions and silicate ions (SiO 4 4− ) of Example 4 are solid-dissolved (2) 実施例4の金属イオンおよびケイ酸イオン(SiO4 4-)を固溶したβ型リン酸三カルシウム焼結体の微構造を示す図(3)FIG. 3 is a diagram showing the microstructure of a β-type tricalcium phosphate sintered body in which the metal ions and silicate ions (SiO 4 4− ) of Example 4 are dissolved. β型リン酸三カルシウム焼結体の断面と研磨面から観察される組織の状態を示す図Figure showing the cross-section of β-type tricalcium phosphate sintered body and the state of the structure observed from the polished surface 実際の結晶粒子径の算出例を示す図Diagram showing an example of actual crystal particle size calculation 実施例4の金属イオンおよびケイ酸イオン(SiO4 4-)を固溶したβ型リン酸三カルシウム焼結体の平均粒子径を示す図The figure which shows the average particle diameter of the beta-type tricalcium phosphate sintered compact in which the metal ion and silicate ion (SiO 4 4- ) of Example 4 were dissolved.

以下、本件発明の実施の形態について、添付図面を用いて説明する。なお、本件発明は、これら実施形態に何ら限定されるべきものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において、種々なる態様で実施し得る。
<<実施形態1>>
<実施形態1:概要>
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In addition, this invention should not be limited to these embodiments at all, and can be implemented in various modes without departing from the gist thereof.
<< Embodiment 1 >>
<Embodiment 1: Overview>

二価陰イオン及び電荷補償のための陽イオンを固溶したβ-TCPからなる生体材料セラミックス、及びその焼結体について説明する。
<実施形態1:構成>
A biomaterial ceramic composed of β-TCP in which a divalent anion and a cation for charge compensation are dissolved, and a sintered body thereof will be described.
<Embodiment 1: Configuration>

本発明の生体材料セラミックスとは、事故や病気などにより欠損、喪失した歯や骨などの生体硬組織の置換材料として用いられるものであって、硫酸イオン等の二価の陰イオンが後述する形態でPO 3−と置換固溶したβ-TCPからなる生体材料セラミックスであればその形状は特に限定しない。粉体、顆粒体、膜状のものや、多孔体、緻密体などの焼結体が該当する。また、固溶とは、2種類以上の元素が互いに溶け合い、全体が均一の固相になることをいい、焼結体とは融点より低い温度で加熱して固化したものをいう。 The biomaterial ceramic of the present invention is used as a replacement material for living hard tissues such as teeth and bones that have been lost or lost due to an accident or illness, and a form in which divalent anions such as sulfate ions are described later. The shape is not particularly limited as long as it is a biomaterial ceramic composed of β-TCP substituted and dissolved in PO 4 3- . A sintered body such as a powder, a granule, a film, a porous body or a dense body is applicable. In addition, solid solution means that two or more kinds of elements are melted together to form a uniform solid phase as a whole, and a sintered body means a material solidified by heating at a temperature lower than the melting point.

(1)固溶形態   (1) Solid solution form

本発明に係るβ-TCPは、結晶中のリン酸イオン(PO4 3-)を硫酸イオン等の二価の陰イオンで置換固溶したものである。β-TCPの機械的強度は、その結晶構造、結晶性(粒子サイズなど)に影響を受けるため、結晶中の所定量のリン酸イオン(PO4 3-)を二価の陰イオンで置換固溶することにより、当該β-TCPからなる生体材料セラミックスの機械的強度を制御する。 Β-TCP according to the present invention is a solution in which phosphate ion (PO 4 3− ) in a crystal is substituted with a divalent anion such as sulfate ion. Since the mechanical strength of β-TCP is affected by its crystal structure and crystallinity (particle size, etc.), a certain amount of phosphate ion (PO 4 3- ) in the crystal is replaced with a divalent anion. By melting, the mechanical strength of the biomaterial ceramic made of β-TCP is controlled.

(リン酸三カルシウムの性質)
リン酸三カルシウム〔Ca3(PO4)2:TCP〕には、低温からβ、α、α'の三つの相が存在する。α'-TCPは1450℃付近から高温で安定であり常温では得られない。α-TCPは1120-1180℃以下でβ-TCPに相転移するが、転移の速度が遅いため常温で準安定相として存在する。天然にはWhitlockite〔(Ca18(Mg,Fe)2H2(PO4)14、β相と類似)として存在する。α-TCPおよびβ-TCPはともに生体活性材料であり、バイオセラミックスとして利用されている。これらの生体内における挙動はHApと似ているが、溶解度はHApより大きく、β-TCPの溶解度はHApの約2倍、α-TCPはHApの約10倍である。
(Properties of tricalcium phosphate)
Tricalcium phosphate [Ca 3 (PO 4 ) 2 : TCP] has three phases β, α and α ′ from low temperature. α'-TCP is stable at high temperatures from around 1450 ° C and cannot be obtained at room temperature. α-TCP undergoes phase transition to β-TCP at temperatures below 1120-1180 ° C, but exists as a metastable phase at room temperature due to the slow transition rate. It exists in nature as Whitlockite [(Ca 18 (Mg, Fe) 2 H 2 (PO 4 ) 14 , similar to β phase)]. α-TCP and β-TCP are both bioactive materials and are used as bioceramics. These in vivo behaviors are similar to HAp, but the solubility is greater than HAp, β-TCP has a solubility of about twice that of HAp, and α-TCP is about 10 times that of HAp.

β-TCPは HApよりCa/Pモル比が低い(Ca/Pモル比=1.50)ため、β-TCPは他のリン酸カルシウム系セラミックスと比較して生体中での溶解および吸収速度が大きく、新生骨の生成とともに自家骨と置換するため人工歯根や骨充填材として臨床応用されている。また、β-TCPはα-TCPへの転移温度である1150℃以下の温度で焼結体が作製でき、このような焼成プロセスにより分解などを起こさず、吸水性もある。材料の吸収速度が周囲に形成する骨生成速度と適合し、新たに形成した骨が十分な強度をもつことが理想的なバイオセラミックスと考えられるため、β-TCPはこの条件を満たす可能性を有する数少ない材料である。   Since β-TCP has a lower Ca / P molar ratio than HAp (Ca / P molar ratio = 1.50), β-TCP has a higher dissolution rate and resorption rate in the living body than other calcium phosphate ceramics. It is clinically applied as an artificial tooth root and bone filler to replace autogenous bone with the generation of bone. In addition, β-TCP can produce a sintered body at a temperature of 1150 ° C. or lower, which is a transition temperature to α-TCP, and does not cause decomposition or the like by such a firing process, and has water absorption. Β-TCP has the possibility of satisfying this condition because the resorption rate of the material is compatible with the bone formation rate formed in the surrounding area, and it is considered that the newly formed bone has sufficient strength. There are few materials to have.

一方、α-TCPは水和してHApとなり、その時に硬化する性質があるため生体用セメントとして応用されている。しかし、水のみによる硬化では硬化時間が生体用セメントの使用条件にくらべて長すぎるため、硬化促進のためクエン酸、ポリアクリル酸などの酸を硬化剤として添加する方法も用いられている。しかし、生体用セメントとして酸を用いた場合、充填部位周辺に炎症性の反応が生じるため、酸を用いないかまたは酸を積極的に中和させるタイプのセメントが開発されている。   On the other hand, α-TCP is hydrated into HAp and hardens at that time, so it is used as a bio-cement. However, since the curing time is too long in the case of curing with water as compared with the use conditions of the biological cement, a method of adding an acid such as citric acid or polyacrylic acid as a curing agent to accelerate the curing is also used. However, when an acid is used as a biological cement, an inflammatory reaction occurs around the filling site. Therefore, a type of cement that does not use an acid or actively neutralizes the acid has been developed.

(β型リン酸三カルシウムの結晶構造)
β-TCPの空間群はR3cで菱面体晶系に属する。格子定数は六方格子設定でa=1.04352(2)nm、c=3.74029(5)nmである。図1、図2にβ-TCPの結晶構造を示す。β-TCPは結晶構造(単位格子)中にCaとPO4四面体からなる結晶学的に独立なA、B 2本のカラムが存在し、これら2本のカラムがc軸に平行に存在している。カラムAはc軸(3回軸)上に存在し、P(1)-Ca(4)-Ca(5)-P(1)-空孔-Ca(5)の繰り返しである。天然鉱物であるWhitlockiteではCa(4)およびCa(5)サイトにはMgやFeといった他の金属イオンが置換する。また、Ca(4)サイトは席占有率が約0.5であるため、カラムAに空孔が存在する特異な結晶構造をもっている。カラムBはP(2)-Ca(3)-Ca(1)-Ca(2)-P(3)の繰り返しであるが、三つのCaは一直線上にのらずに1/3ずつずれるため折れ線を形成する。下記の表1と表2に空孔を考慮したβ-TCP単位格子中の各Ca2+イオンサイトおよびPO4 3-イオンサイトの割合を示した。

[表1]

[表2]

(Crystal structure of β-type tricalcium phosphate)
The space group of β-TCP is R3c and belongs to the rhombohedral system. The lattice constants are a = 1.04352 (2) nm and c = 3.74029 (5) nm in the hexagonal lattice setting. 1 and 2 show the crystal structure of β-TCP. β-TCP has two crystallographically independent A and B columns consisting of Ca and PO 4 tetrahedra in the crystal structure (unit cell), and these two columns exist parallel to the c-axis. ing. Column A exists on the c-axis (three-fold axis) and is a repetition of P (1) -Ca (4) -Ca (5) -P (1) -hole-Ca (5). In Whitlockite, a natural mineral, Ca (4) and Ca (5) sites are replaced by other metal ions such as Mg and Fe. In addition, since the Ca (4) site has a seat occupancy of about 0.5, it has a unique crystal structure in which vacancy exists in column A. Column B is a repetition of P (2) -Ca (3) -Ca (1) -Ca (2) -P (3), but the three Ca's do not fall on a straight line but shift by 1/3. A polygonal line is formed. Tables 1 and 2 below show the ratio of each Ca 2+ ion site and PO 4 3- ion site in the β-TCP unit cell in consideration of vacancies.

[Table 1]

[Table 2]

(金属イオン固溶β型リン酸三カルシウム) (Metal ion solid solution β-type tricalcium phosphate)

図3、図4に一価と二価金属イオンの固溶形態を示す。一価金属イオンはCa(4)サイトおよび空孔に2MI=Ca2+イオン+□(□:空孔)の形態で固溶し、その固溶限界は9.09mol%であり、二価金属イオンはまずCa(5)サイトに9.09mol%まで固溶して、Ca(5)サイトが二価金属イオンで埋まるとCa(4)サイトに13.64mol%まで固溶する(MII=Ca2+イオン)ことが分かっている。 3 and 4 show solid solution forms of monovalent and divalent metal ions. Monovalent metal ions are dissolved in the form of 2M I = Ca 2+ ions + □ (□: vacancies) at the Ca (4) sites and vacancies, and the solid solution limit is 9.09 mol%. The ions first dissolve in the Ca (5) site up to 9.09 mol%, and when the Ca (5) site is filled with divalent metal ions, the Ca (4) site dissolves in 13.64 mol% (M II = Ca 2 + I know).

一方、β-TCPへの金属イオンの固溶がβ-α相転移温度や焼結性、機械的強度、溶解性に影響を与えることも分かっている。ここでは金属イオンの固溶がβ-TCPの溶解性に及ぼす影響について述べる。β-TCPの溶解度はHApの約2倍であるが、Ba2+イオンを固溶したβ-TCP焼結体の溶解度はHApの約1.7倍に減少することが報告されている。Mg2+イオン固溶β-TCPと比較すると、溶解度はβ-TCP>Mg2+イオン固溶β-TCP>Ba2+イオン固溶β-TCP>HApとなる。また、薬理作用があるZn2+イオンを固溶させた骨形成促進作用を有する亜鉛徐放型β-TCPも作製されており、これについても溶解性が減少することが報告されている。 On the other hand, it is also known that the solid solution of metal ions in β-TCP affects the β-α phase transition temperature, sinterability, mechanical strength, and solubility. Here we describe the effect of solid solution of metal ions on the solubility of β-TCP. It has been reported that the solubility of β-TCP is about twice that of HAp, but the solubility of β-TCP sintered body containing Ba 2+ ions as a solid solution decreases to about 1.7 times that of HAp. Compared with Mg 2+ ion solid solution β-TCP, the solubility is β-TCP> Mg 2+ ion solid solution β-TCP> Ba 2+ ion solid solution β-TCP> HAp. In addition, a zinc sustained-release β-TCP having a bone formation promoting action in which Zn 2+ ions having a pharmacological action are solid-dissolved has been prepared, and it has been reported that the solubility thereof is also reduced.

また、一価金属イオンを固溶すると、Ca2+イオン溶出率は、β-TCP>K+イオン固溶β-TCP>Na+イオン固溶β-TCP>Li+イオン固溶β-TCPの順となり、とくにLi+イオンを固溶すると溶出率がいちじるしく低下すること、また、Mg2+イオンを固溶してもCa2+イオンの溶出率は低下するが、Na+イオンと同時に固溶することで、それぞれ単独で固溶するよりも溶出率がさらに低下することが明らかになっている。 In addition, when monovalent metal ions are dissolved, the Ca 2+ ion elution rate is β-TCP> K + ion solid solution β-TCP> Na + ion solid solution β-TCP> Li + ion solid solution β-TCP. In particular, the dissolution rate decreases remarkably when Li + ions are dissolved, and the dissolution rate of Ca 2+ ions decreases even when Mg 2+ ions are dissolved, but it dissolves simultaneously with Na + ions. As a result, it has been clarified that the elution rate is further lowered as compared with the case where each of them dissolves alone.

本発明では、PO4 3-イオンと価数が異なるため単独固溶できない二価陰イオンをPO4サイトに固溶させることを実現した。具体的には、Ca(4)サイトの席占有率を低下させ、空孔の席占有率を増大させることによりに電荷補正し、二価陰イオンを固溶させることを行った。すなわち、一価金属イオンはCa(4)サイトに固溶することが明らかになっていることからNa+イオンを用いてCa(4)サイトに固溶させ、この固溶するNa+イオンの添加量を固溶限界9.09mol%から減らして空孔をつくることにより電荷補正し、二価陰イオンを固溶させることを行った。これにより、一価および二価金属イオンとしてこれまでに固溶形態が明らかになっているNa+イオンとMg2+イオン、二価陰イオンとしてSO4 2-イオンを同時固溶したβ-TCPを作製することが可能になった。 In the present invention, a divalent anion that cannot be dissolved alone because it has a valence different from that of PO 4 3− ions was dissolved in the PO 4 site. Specifically, charge correction was performed by reducing the seat occupancy at the Ca (4) site and increasing the seat occupancy at the vacancies, and the divalent anions were dissolved. In other words, since it has been clarified that monovalent metal ions are dissolved in Ca (4) sites, Na + ions are used to form solid solutions in Ca (4) sites, and the addition of Na + ions that are dissolved The charge was corrected by reducing the amount from the solid solution limit of 9.09 mol% to create vacancies, and divalent anions were dissolved. As a result, β-TCP is a solid solution of Na + ions and Mg 2+ ions, which have been known to form solid solutions as monovalent and divalent metal ions, and SO 4 2- ions as divalent anions. It became possible to produce.

(3)二価陰イオン固溶β-TCPの合成   (3) Synthesis of divalent anion solid solution β-TCP

本発明に係る二価陰イオン固溶β-TCPの合成は既存の方法に従い、固相反応による乾式法と、水溶液反応による湿式法のどちらでもよいが、不純物相の生成を抑制できる点で、乾式法が好ましい。例えば、既存の方法に従い、リン酸源及びカルシウム源としてリン酸水素二アンモニウム((NH)HPO)と、酸化カルシウム(CaO)を出発原料として用い、一価金属イオン源として硝酸ナトリウム(NaNO3)、二価金属イオン源として酸化マグネシウム(MgO)、二価陰イオン源として硫酸アンモニウム((NH)SO)を用いた。各出発原料を乾式混合し、得られた混合物を焼成して生成される。一例を図5に示す。各出発原料を1時間乾式混合(S0501)する。これを昇温速度3℃/min、焼成温度750℃、保持時間12時間、大気雰囲気中の条件下で焼成する(S0502)。続いて再度1時間の乾式混合を行う(S0503)。そして再度、昇温速度3℃/min、焼成温度800℃、保持時間5時間、大気雰囲気中の条件下で焼成し(S0504)、得られた焼成体が本発明に係る二価陰イオン固溶β-TCPとなる。 Synthesis of the divalent anion solid solution β-TCP according to the present invention may be either a dry method based on a solid phase reaction or a wet method based on an aqueous solution reaction according to an existing method. A dry method is preferred. For example, according to an existing method, diammonium hydrogen phosphate ((NH 4 ) 2 HPO 4 ) and calcium oxide (CaO) are used as starting materials according to existing methods, and sodium nitrate ( NaNO 3 ), magnesium oxide (MgO) as a divalent metal ion source, and ammonium sulfate ((NH 4 ) 2 SO 4 ) as a divalent anion source. Each starting material is dry mixed and the resulting mixture is calcined. An example is shown in FIG. Each starting material is dry-mixed for 1 hour (S0501). This is fired under conditions of a temperature increase rate of 3 ° C./min, a firing temperature of 750 ° C., a holding time of 12 hours, and in an atmospheric atmosphere (S0502). Subsequently, dry mixing is again performed for 1 hour (S0503). Then, again, the baking rate is 3 ° C./min, the baking temperature is 800 ° C., the holding time is 5 hours, and the baking is performed in the atmosphere (S0504). β-TCP.

なお、後述する実施例1において評価される二価陰イオン固溶β-TCPは、図5に示す方法で合成されたものである。   The divalent anion solid solution β-TCP evaluated in Example 1 described later is synthesized by the method shown in FIG.

(4)二価陰イオン固溶β-TCPの焼結   (4) Sintering of divalent anion solid solution β-TCP

本発明に係る二価陰イオン固溶β-TCPの焼結は既存の方法に従い行えばよい。一例を図6に示す。リン酸源及びカルシウム源としてリン酸水素二アンモニウム((NH)HPO)と、酸化カルシウム(CaO)を出発原料として用い、一価金属イオン源として硝酸ナトリウム(NaNO3)、二価金属イオン源として酸化マグネシウム(MgO)、二価陰イオン源として硫酸アンモニウム((NH)SO)を用いた。上記出発原料をボールミルで48時間湿式混合する(S0601)。溶媒としてエタノールなどの有機溶媒を用いる。その後、エバポレータなどを用いて溶媒を除去する(S0602)(混合工程)。溶媒除去後の混合体を再度溶媒に入れて粉砕し(S0603)、その後再度溶媒を除去する(S0604)(粉砕工程)。ここで得られた粉体を一軸加圧成型して成型体を作成し(成型工程)(S0605)、当該成型体を焼成し(焼成工程)(S0606)、焼結体を得る。ここで、一軸加圧成型(S0605)は、32MPaで1分間加圧する。使用する金型は45mm×20mmである。また、焼成(S0606)は、昇温速度3℃/min、焼成温度900℃、保持時間10時間、大気雰囲気中の条件下で行う。



The divalent anion solid solution β-TCP according to the present invention may be sintered according to an existing method. An example is shown in FIG. Phosphoric acid diammonium phosphate ((NH 4 ) 2 HPO 4 ) and calcium oxide (CaO) as starting materials, sodium nitrate (NaNO 3 ), divalent metal as monovalent metal ion source Magnesium oxide (MgO) was used as the ion source, and ammonium sulfate ((NH 4 ) 2 SO 4 ) was used as the divalent anion source. The above starting materials are wet-mixed with a ball mill for 48 hours (S0601). An organic solvent such as ethanol is used as the solvent. Thereafter, the solvent is removed using an evaporator or the like (S0602) (mixing step). The mixture after removal of the solvent is again put in the solvent and pulverized (S0603), and then the solvent is removed again (S0604) (pulverization step). The powder obtained here is uniaxially pressed to form a molded body (molding step) (S0605), and the molded body is fired (firing step) (S0606) to obtain a sintered body. Here, uniaxial pressure molding (S0605) pressurizes at 32 MPa for 1 minute. The mold used is 45 mm × 20 mm. Firing (S0606) is performed under conditions of a temperature increase rate of 3 ° C./min, a firing temperature of 900 ° C., a holding time of 10 hours, and in an air atmosphere.



なお、図7に示すように、ボールミルで湿式混合し(S0701)、溶媒を除去(S0702)した後、仮焼工程(S0703)を行ってもよい。また、一軸加圧成型(S0706)後にCIP成型工程(S0707)を行ってもよい。当該仮焼工程(S0703)は、昇温速度3℃/min、焼成温度800℃〜1000℃、保持時間5時間、大気雰囲気中の条件下行う。また、CIP成型工程(S0707)は200MPaで1分間加圧成型する。なお、仮焼工程における仮焼温度の違いにより、焼結性及び焼結体の機械的強度に明らかな差異が見られるため、仮焼工程を行うことによりこれらを調整することが可能である。また、CIP成型工程により、より均一な焼結体の製造が可能である。   In addition, as shown in FIG. 7, after carrying out wet mixing with a ball mill (S0701) and removing a solvent (S0702), you may perform a calcination process (S0703). Further, the CIP molding step (S0707) may be performed after the uniaxial pressure molding (S0706). The calcination step (S0703) is performed under conditions of a temperature increase rate of 3 ° C./min, a baking temperature of 800 ° C. to 1000 ° C., a holding time of 5 hours, and in an air atmosphere. In the CIP molding step (S0707), pressure molding is performed at 200 MPa for 1 minute. In addition, since a clear difference is seen in sinterability and the mechanical strength of a sintered compact by the difference in the calcination temperature in a calcination process, these can be adjusted by performing a calcination process. Further, a more uniform sintered body can be produced by the CIP molding process.

<実施形態1:効果> <Embodiment 1: Effect>

β-TCPの三価の陰イオンであるリン酸イオンと価数の異なる二価イオンがβ-TCPに固溶することを明らかにした本発明は、β-TCPに固溶させる(金属)イオンの選択範囲を増加させるだけでなく、固溶した陰イオンに起因する材料の溶解性制御,骨生成促進作用なども有する新規な硬組織代替用生体材料として応用範囲の拡大につながる。   The present invention clarified that phosphate ions, which are trivalent anions of β-TCP, and divalent ions with different valences are dissolved in β-TCP. As a new biomaterial for hard tissue replacement that has not only an increased selection range, but also a solubility control of the material caused by solid anions and a bone formation promoting action, etc., the application range will be expanded.

本発明では、一般的なリン酸三カルシウムの製造方法である固相法を用いて、高温相のα-TCPではなく低温相のβ-TCPに二価の陰イオンを固溶させるため、厳密な製造条件の制御、熟練した製造方法および高温処理(焼成)を必要とせず、現在のリン酸三カルシウムの製造ラインで製造できるため、少ない設備投資やコストで固溶させた陰イオンに起因する骨生成促進効果などを有したβ-TCPの製造が可能となる。   In the present invention, since a divalent anion is dissolved in β-TCP in a low temperature phase instead of α-TCP in a high temperature phase using a solid phase method that is a general method for producing tricalcium phosphate, Control of manufacturing conditions, skilled manufacturing methods and high temperature treatment (firing) are not required, and because it can be manufactured on the current production line of tricalcium phosphate, it is caused by anion dissolved in less equipment investment and cost It is possible to produce β-TCP having an effect of promoting bone formation.

金属イオンおよび硫酸イオン(SO4 2-)を添加したβ-TCPの評価 Evaluation of β-TCP added with metal ions and sulfate ions (SO 4 2- )

図5に示す方法により作成した金属イオンおよび硫酸イオン(SO4 2-)を添加したβ-TCP(以下、単に「試料」とする)について、X線回折、FT−IR、格子定数変化の試験を行った。なお、本実施例の金属イオンおよび硫酸イオン(SO4 2-)添加β-TCPの乾式混合時の原料のモル配合比を下記表3に示し、重量配合例を下記表4に示す。

[表3]

[表4]
Tests of X-ray diffraction, FT-IR, and lattice constant change for β-TCP (hereinafter simply referred to as “sample”) added with metal ions and sulfate ions (SO 4 2− ) prepared by the method shown in FIG. Went. In addition, the molar compounding ratio of the raw materials at the time of dry mixing of the metal ion and sulfate ion (SO 4 2− ) -added β-TCP of this example is shown in Table 3 below, and the weight compounding example is shown in Table 4 below.

[Table 3]

[Table 4]

(1)X線回折   (1) X-ray diffraction

リガク製RAD-2C型X線回折装置を用いて、試料の結晶相の同定を行った。測定条件は、ターゲット:CuKαモノクロメーター、走査範囲(2θ):10-60°、スキャンステップ:0.020°、 スキャンスピード:8°/min、使用管電圧:40kV、使用管電流:30mA、である。   The crystal phase of the sample was identified using Rigaku RAD-2C type X-ray diffractometer. The measurement conditions are: target: CuKα monochromator, scan range (2θ): 10-60 °, scan step: 0.020 °, scan speed: 8 ° / min, tube voltage: 40 kV, tube current: 30 mA.

図8に、SO4 2-イオンおよびNa+イオン添加量を変化させて作製した試料のX線回折図に示す。また、X線回折図より求められた代表的な回折線のd値を図9に示す。すべての試料でβ-TCPの回折ピーク(ICDD:09-169)のみが確認され、得られた試料はβ-TCP単相であることがわかった。また、SO4 2-イオン添加量の増加にともない回折ピークが低角度側にシフトしていることが確認され,固溶と格子定数の増大が認められた。 FIG. 8 shows an X-ray diffraction pattern of a sample prepared by changing the amount of SO 4 2- ion and Na + ion added. Also, FIG. 9 shows d values of typical diffraction lines obtained from the X-ray diffraction pattern. In all samples, only the diffraction peak of β-TCP (ICDD: 09-169) was confirmed, and the obtained sample was found to be a β-TCP single phase. In addition, it was confirmed that the diffraction peak shifted to the lower angle side as the SO 4 2- ion addition amount increased, and solid solution and increased lattice constant were observed.

(2)FT−IR   (2) FT-IR

日本分光製FT/IR-230型フーリエ変換型赤外分光光度計を用いて定性分析を行った。測定範囲は、400-4000cm−1、積算回数は68回である。試料の測定はKBrを用いた拡散反射法により行い、試料とKBrの混合重量比は試料1に対し、KBrが約20の比率である。 Qualitative analysis was performed using a FT / IR-230 Fourier transform infrared spectrophotometer manufactured by JASCO. The measurement range is 400-4000 cm −1 and the number of integrations is 68 times. The sample is measured by the diffuse reflection method using KBr, and the mixing weight ratio of the sample and KBr is about 20 with respect to the sample 1.

SO4 2-イオンおよびNa+イオン添加量を変化させて作製した試料のFT-IRスペクトルを図10に示す。 945cm-1(ν1)、432cm-1(ν2)、1010 cm-1(ν3)、550cm-1(ν4)付近にPO4基に帰属する吸収が見られた。また,SO4 2-イオンの添加によってSO4基に帰属される1130〜1080cm-1、680〜610cm-1付近に吸収が見られることからβ-TCP中にSO4 2-イオンとして固溶していることが明らかとなった。
これより、SO4 2-イオンがβ-TCPに14.20mol%まで固溶することを確認され、添加したSO4 2-イオンはβ-TCP構造中のPサイトに固溶していることが示唆された。
FIG. 10 shows an FT-IR spectrum of a sample prepared by changing the amount of SO 4 2- ion and Na + ion added. Absorption attributed to PO 4 groups was observed in the vicinity of 945 cm −11 ), 432 cm −12 ), 1010 cm −13 ), and 550 cm −14 ). Further, solid solution as SO 4 2-ionic 1130~1080Cm -1 attributed to SO 4 group, since the absorption is observed near 680~610Cm -1 in beta-TCP with the addition of SO 4 2-ions It became clear that.
Than this, confirmed that the SO 4 2-ions dissolved up 14.20Mol% to beta-TCP, the added SO 4 2-ions suggested that a solid solution in P site in beta-TCP structure It was done.

(3)格子定数 (3) Lattice constant

格子定数の測定には、リガク製回転対陰極型X線回折装置RINT-1500を使用し、内部標準試料としてSi(99.99%、三津和化学薬品株式会社)を用い、β-TCPの回折線 (2 0 10)、(2 1 8)、(2 2 0)、(3 2 8)、(2 0 20)の5本とSiの回折線(1 1 1)、(2 2 0)、(3 1 1)、(2 0 20)の4本について最適な条件下で予備測定した。測定は、使用管電圧:40kV、使用管電流:200mA、にて行った。また、測定したX線回折図についてピークトップ法を用いた内部標準法で角度補正を行い、次式を用いて最小二乗法で格子定数の精密化を行った。

[数1]
For measurement of the lattice constant, a Rigaku rotating anti-cathode X-ray diffractometer RINT-1500 was used, Si (99.99%, Mitsuwa Chemicals Co., Ltd.) was used as an internal standard sample, and β-TCP diffraction lines ( (2 0 10), (2 1 8), (2 2 0), (3 2 8), (2 0 20) and Si diffraction lines (1 1 1), (2 2 0), (3 1 Preliminary measurement was performed under the optimum conditions for 4) (1 0) and (2 0 20). The measurement was performed at a working tube voltage: 40 kV and a working tube current: 200 mA. In addition, the measured X-ray diffraction diagram was subjected to angle correction by the internal standard method using the peak top method, and the lattice constant was refined by the least square method using the following equation.

[Equation 1]

SO4 2-イオン添加量を変化させて作製した試料の格子定数を下記表5に、その変化を図11にそれぞれ示す。格子定数変化については、SO4 2-イオン添加量13.99mol%までa軸はほぼ一定であり、c軸は直線的に増加した。図8で示したX線回折図と比較すると、SO4 2-イオン添加量13.99mol%までの試料についてはβ-TCP単相であり、格子定数変化も直線的に変化した。よって、SO4 2-イオンは13.99mol%までの添加試料について、β-TCP構造に固溶したことを確認した。

[表5]
The lattice constants of samples prepared by changing the amount of SO 4 2- ion addition are shown in Table 5 below, and the changes are shown in FIG. Regarding the change in lattice constant, the a-axis was almost constant and the c-axis increased linearly up to the SO 4 2− ion addition amount of 13.99 mol%. Compared with the X-ray diffraction pattern shown in FIG. 8, samples up to the amount of SO 4 2- ion addition of 13.99 mol% were β-TCP single phase, and the lattice constant change also changed linearly. Therefore, it was confirmed that SO 4 2- ions were dissolved in the β-TCP structure for the added sample up to 13.99 mol%.

[Table 5]

(4)まとめ (4) Summary

一価金属イオンとしてNa+イオン、二価金属イオンとしてMg2+イオン、二価陰イオンとしてSO4 2-イオンを添加したβ-TCPを作製し、以下のことを明らかにした。得られた試料はすべてβ-TCP単相となり、Ca(4)サイトが空孔になり、その電荷を補償するようにSO4 2-イオンがPサイトに固溶し、その固溶限界は14.28mol%であることが示唆された。 Β-TCP was prepared by adding Na + ions as monovalent metal ions, Mg 2+ ions as divalent metal ions, and SO 4 2- ions as divalent anions, and the following was clarified. All of the obtained samples became β-TCP single phase, Ca (4) site became vacancy, SO 4 2- ion was dissolved in P site so as to compensate the charge, and its solid solution limit was 14.28. It was suggested to be mol%.

SO4 2-イオン固溶β-TCPにおけるMg2+イオンの与える影響の評価 Evaluation of the influence of Mg 2+ ions in SO 4 2- ion solid solution β-TCP

Ca(4)サイトと空孔にSO4 2-イオンが満たされるように、SO4 2-イオン添加量を固溶限界に近い13.99mol%、一価金属イオンとしてNa+イオン添加量を0.19mol%と一定にしたうえで、Ca(5)サイトに固溶する二価金属イオンであるCa2+イオンの代わりにMg2+イオン添加量を変化させてβ-TCPを作製し評価した。 Ca (4) sites and into the holes as SO 4 2- ions are satisfied, SO 4 13.99mol% nearly 2- ions added amount of the solid solubility limit, 0.19 mol of Na + ions amount as monovalent metal ions Β-TCP was prepared and evaluated by changing the amount of Mg 2+ ions added instead of Ca 2+ ions, which are divalent metal ions dissolved in Ca (5) sites.

(実験方法)
実施例1と同様に、出発原料にCaO、(NH4)2HPO4、NaNO3、MgO、(NH4)2SO4を用いて、SO4 2-イオン添加量を9.09mol%と一定にしたうえで、Ca2+イオンの代わりにMg2+イオン添加量を0-9.09mol%と変化させた。表6と表7に配合比および配合量を示す。また、実施例1と同様に作製した試料を評価した。

[表6]

[表7]
(experimental method)
In the same manner as in Example 1, using CaO, (NH 4 ) 2 HPO 4 , NaNO 3 , MgO, (NH 4 ) 2 SO 4 as starting materials, the SO 4 2- ion addition amount is kept constant at 9.09 mol%. In addition, the Mg 2+ ion addition amount was changed to 0-9.09 mol% instead of Ca 2+ ions. Tables 6 and 7 show blending ratios and blending amounts. Moreover, the sample produced similarly to Example 1 was evaluated.

[Table 6]

[Table 7]

(1)X線回折   (1) X-ray diffraction

Mg2+イオン添加量を変化させて作製した試料のX線回折図およびd値を図12と図13に示す。すべての試料でβ-TCPの回折ピーク(ICDD:09-169)のみが確認され、得られた試料はβ-TCP単相であることがわかった。また、Mg2+イオン添加量の増加にともない回折ピークが高角度側にシフトしていることが確認された。 FIGS. 12 and 13 show X-ray diffraction patterns and d values of samples prepared by changing the Mg 2+ ion addition amount. In all samples, only the diffraction peak of β-TCP (ICDD: 09-169) was confirmed, and the obtained sample was found to be a β-TCP single phase. In addition, it was confirmed that the diffraction peak shifted to the high angle side as the Mg 2+ ion addition amount increased.

(2)FT−IR   (2) FT-IR

Mg2+イオン添加量を変化させて作製した試料のFT-IRスペクトルを図14に示す。945cm-1(ν1)、432cm-1(ν2)、1010 cm-1(ν3)、550cm-1(ν4)付近にPO4基に帰属する吸収が見られた。またSO4基に帰属される1130〜1080cm-1、680〜610cm-1付近に吸収が見られることからβ-TCP中にSO4 2-イオンとして固溶していることが明らかとなった。 FIG. 14 shows an FT-IR spectrum of a sample prepared by changing the Mg 2+ ion addition amount. Absorption attributed to PO 4 groups was observed in the vicinity of 945 cm −11 ), 432 cm −12 ), 1010 cm −13 ), and 550 cm −14 ). The 1130~1080Cm -1 attributed to SO 4 group was revealed that the solid solution as SO 4 2-ions in the beta-TCP since the absorption is observed near 680~610cm -1.

(3)格子定数 (3) Lattice constant

SO4 2-イオンとNa+イオンを13.99mol%と0.19mol%にそれぞれ固定して、Ca2+イオンとMg2+イオンを置換させて作製した試料の格子定数を表8に、その変化を図15にそれぞれ示す。格子定数変化については、Mg2+イオン添加量9.09mol%まで直線的にa軸及びc軸は減少した。図12で示したX線回折図と比較すると、Mg2+イオン添加量9.09mol%までの試料についてはβ-TCP単相であり、格子定数変化も直線的に変化した。よって、Ca2+イオンの代わりにMg2+イオンは9.09mol%までの添加試料について、β-TCP構造に固溶したことを確認した。

[表8]
Table 8 shows the lattice constants of samples prepared by fixing SO 4 2- ions and Na + ions at 13.99 mol% and 0.19 mol%, respectively, and replacing Ca 2+ ions and Mg 2+ ions. Each is shown in FIG. Regarding the change in lattice constant, the a-axis and c-axis decreased linearly to the Mg 2+ ion addition amount of 9.09 mol%. Compared with the X-ray diffraction pattern shown in FIG. 12, the samples up to 9.09 mol% of Mg 2+ ion addition were β-TCP single phase, and the lattice constant change also changed linearly. Therefore, Mg 2+ ions in place of Ca 2+ ions for sample addition up to 9.09mol%, it was confirmed that the solid solution in beta-TCP structure.

[Table 8]

(4)まとめ   (4) Summary

これより、Ca(5)サイトに固溶するMg2+イオン添加量に関わらず、 SO4 2-イオンはβ-TCP構造中のPサイトに固溶することが明らかとなった。
<<実施形態2>>
<実施形態2:概要>
From this, it has been clarified that SO 4 2- ions are dissolved at the P site in the β-TCP structure regardless of the amount of Mg 2+ ions added to the Ca (5) site.
<< Embodiment 2 >>
<Embodiment 2: Overview>

四価陰イオン及び電荷補償のための陽イオンを固溶したβ-TCPからなる生体材料セラミックス、及びその焼結体について説明する。
<実施形態2:構成>
A biomaterial ceramic made of β-TCP in which tetravalent anions and cations for charge compensation are dissolved, and a sintered body thereof will be described.
<Embodiment 2: Configuration>

本発明の生体材料セラミックスとは、事故や病気などにより欠損、喪失した歯や骨などの生体硬組織の置換材料として用いられるものであって、ケイ酸イオン等の四価の陰イオンが後述する形態でPO 3−と置換固溶したβ-TCPからなる生体材料セラミックスであればその形状は特に限定しない。粉体、顆粒体、膜状のものや、多孔体、緻密体などの焼結体が該当する。また、固溶とは、2種類以上の元素が互いに溶け合い、全体が均一の固相になることをいい、焼結体とは融点より低い温度で加熱して固化したものをいう。 The biomaterial ceramic of the present invention is used as a replacement material for living hard tissues such as teeth and bones that have been lost or lost due to an accident or illness, and tetravalent anions such as silicate ions will be described later. The shape is not particularly limited as long as it is a biomaterial ceramic made of β-TCP substituted and dissolved with PO 4 3- in form. A sintered body such as a powder, a granule, a film, a porous body or a dense body is applicable. In addition, solid solution means that two or more kinds of elements are melted together to form a uniform solid phase as a whole, and a sintered body means a material solidified by heating at a temperature lower than the melting point.

(1)固溶形態   (1) Solid solution form

本発明に係るβ-TCPは、結晶中のリン酸イオン(PO4 3-)をケイ酸イオン等の四価の陰イオンで置換固溶したものである。β-TCPの機械的強度は、その結晶構造、結晶性(粒子サイズなど)に影響を受けるため、結晶中の所定量のリン酸イオン(PO4 3-)を四価の陰イオンで置換固溶することにより、当該β-TCPからなる生体材料セラミックスの機械的強度を制御する。 Β-TCP according to the present invention is a solution in which phosphate ions (PO 4 3− ) in a crystal are substituted and dissolved by tetravalent anions such as silicate ions. Since the mechanical strength of β-TCP is affected by its crystal structure and crystallinity (particle size, etc.), a certain amount of phosphate ion (PO 4 3− ) in the crystal is replaced with a tetravalent anion. By melting, the mechanical strength of the biomaterial ceramic made of β-TCP is controlled.

(3)四価陰イオン固溶β-TCPの合成   (3) Synthesis of tetravalent anion solid solution β-TCP

本発明に係る四価陰イオン固溶β-TCPの合成は既存の方法に従い、固相反応による乾式法と、水溶液反応による湿式法のどちらでもよいが、不純物相の生成を抑制できる点で、乾式法が好ましい。例えば、既存の方法に従い、リン酸源及びカルシウム源としてリン酸水素二アンモニウム((NH)HPO)と、炭酸カルシウム(CaCO)を出発原料として用い、二価金属イオン源として酸化マグネシウム(MgO)、四価陰イオン源として二酸化ケイ素(SiO)を用いた。ここでβ-TCP中の空孔にもMg2+イオンが固溶するように過剰量のMgOを添加し、電荷の偏りを補正するようにSiO2を添加した。各出発原料を乾式混合し、得られた混合物を焼成して生成される。一例を図16に示す。各出発原料を1時間乾式混合(S1601)する。これを昇温速度3℃/min、焼成温度1200℃、保持時間12時間、大気雰囲気中の条件下で焼成する(S1602)。続いて再度1時間の乾式混合を行う(S1603)。そして再度、昇温速度3℃/min、焼成温度1200℃、保持時間12時間、大気雰囲気中の条件下で焼成し(S1604)、得られた焼成体が本発明に係る四価陰イオン固溶β-TCPとなる。 Synthesis of tetravalent anion solid solution β-TCP according to the present invention may be either a dry method by solid phase reaction or a wet method by aqueous solution reaction in accordance with an existing method. A dry method is preferred. For example, according to existing methods, diammonium hydrogen phosphate ((NH 4 ) 2 HPO 4 ) and calcium carbonate (CaCO 3 ) are used as starting materials and magnesium oxide as a divalent metal ion source in accordance with existing methods. (MgO), silicon dioxide (SiO 2 ) was used as a tetravalent anion source. Here, an excessive amount of MgO was added to the vacancies in β-TCP so that Mg 2+ ions were dissolved, and SiO 2 was added to correct the charge bias. Each starting material is dry mixed and the resulting mixture is calcined. An example is shown in FIG. Each starting material is dry-mixed for 1 hour (S1601). This is fired under conditions of a temperature increase rate of 3 ° C./min, a firing temperature of 1200 ° C., a holding time of 12 hours, and in an air atmosphere (S1602). Subsequently, dry mixing is again performed for 1 hour (S1603). Then, again, the firing rate is 3 ° C./min, the firing temperature is 1200 ° C., the holding time is 12 hours, and the firing is performed in the atmosphere (S1604), and the obtained fired body is a tetravalent anion solid solution according to the present invention. β-TCP.

なお、後述する実施例3において評価される四価陰イオン固溶β-TCPは、図16に示す方法で合成されたものである。   The tetravalent anion solid solution β-TCP evaluated in Example 3 described later is synthesized by the method shown in FIG.

(4)四価陰イオン固溶β-TCPの焼結   (4) Sintering of tetravalent anion solid solution β-TCP

本発明に係る四価陰イオン固溶β-TCPの焼結は既存の方法に従い行えばよい。一例を図17に示す。リン酸源及びカルシウム源としてリン酸水素二アンモニウム((NH)HPO)と、炭酸カルシウム(CaCO)を出発原料として用い、二価金属イオン源として酸化マグネシウム(MgO)、四価陰イオン源として二酸化ケイ素(SiO)を用いた。上記出発原料をボールミルで48時間湿式混合する(S1701)。溶媒としてエタノールなどの有機溶媒を用いる。その後、エバポレータなどを用いて溶媒を除去する(S1702)(混合工程)。溶媒除去後の混合体を再度溶媒に入れて粉砕し(S1703)、その後再度溶媒を除去する(S1704)(粉砕工程)。ここで得られた粉体を一軸加圧成型して成型体を作成し(成型工程)(S1705)、当該成型体を焼成し(焼成工程)(S1706)、焼結体を得る。ここで、一軸加圧成型(S1705)は、32MPaで1分間加圧する。使用する金型は45mm×20mmである。また、焼成(S1706)は、昇温速度3℃/min、焼成温度1200℃、保持時間24時間、大気雰囲気中の条件下で行う。 Sintering of the tetravalent anion solid solution β-TCP according to the present invention may be performed according to an existing method. An example is shown in FIG. Diammonium hydrogen phosphate ((NH 4 ) 2 HPO 4 ) and calcium carbonate (CaCO 3 ) are used as starting materials, and magnesium oxide (MgO), tetravalent anion as a divalent metal ion source. Silicon dioxide (SiO 2 ) was used as the ion source. The starting materials are wet mixed for 48 hours in a ball mill (S1701). An organic solvent such as ethanol is used as the solvent. Thereafter, the solvent is removed using an evaporator or the like (S1702) (mixing step). The mixture after removal of the solvent is again put in the solvent and pulverized (S1703), and then the solvent is removed again (S1704) (pulverization step). The powder obtained here is uniaxially pressed to form a molded body (molding step) (S1705), and the molded body is fired (firing step) (S1706) to obtain a sintered body. Here, uniaxial pressure molding (S1705) pressurizes at 32 MPa for 1 minute. The mold used is 45 mm × 20 mm. Firing (S1706) is performed under conditions in the air atmosphere at a heating rate of 3 ° C./min, a firing temperature of 1200 ° C., a holding time of 24 hours.

なお、図18に示すように、ボールミルで湿式混合し(S1801)、溶媒を除去(S1802)した後、仮焼工程(S1803)を行ってもよい。また、一軸加圧成型(S1806)後にCIP成型工程(S1807)を行ってもよい。当該仮焼工程(S1803)は、昇温速度3℃/min、焼成温度1200℃、保持時間24時間、大気雰囲気中の条件下行う。また、CIP成型工程(S1807)は200MPaで1分間加圧成型する。なお、仮焼工程における仮焼温度の違いにより、焼結性及び焼結体の機械的強度に明らかな差異が見られるため、仮焼工程を行うことによりこれらを調整することが可能である。また、CIP成型工程により、より均一な焼結体の製造が可能である。   In addition, as shown in FIG. 18, after carrying out wet mixing with a ball mill (S1801) and removing a solvent (S1802), you may perform a calcination process (S1803). Further, the CIP molding step (S1807) may be performed after the uniaxial pressure molding (S1806). The calcination step (S1803) is performed under conditions in the air atmosphere at a heating rate of 3 ° C./min, a baking temperature of 1200 ° C., a holding time of 24 hours. In the CIP molding step (S1807), pressure molding is performed at 200 MPa for 1 minute. In addition, since a clear difference is seen in sinterability and the mechanical strength of a sintered compact by the difference in the calcination temperature in a calcination process, these can be adjusted by performing a calcination process. Further, a more uniform sintered body can be produced by the CIP molding process.

なお、後述する実施例4において評価される四価陰イオン固溶β-TCP焼結体は、図18に示す方法で合成されたものである。   In addition, the tetravalent anion solid solution β-TCP sintered body evaluated in Example 4 to be described later is synthesized by the method shown in FIG.

<実施形態2:効果> <Embodiment 2: Effect>

β-TCPの三価の陰イオンであるリン酸イオンと価数の異なる四価陰イオンがβ-TCPに固溶することを明らかにした本発明は、β-TCPに固溶させる(金属)イオンの選択範囲を増加させるだけでなく、固溶した陰イオンに起因する材料の溶解性制御,骨生成促進作用なども有する新規な硬組織代替用生体材料として応用範囲の拡大につながる。   The present invention clarified that phosphate ions, which are trivalent anions of β-TCP, and tetravalent anions having different valences are dissolved in β-TCP. In addition to increasing the selection range of ions, the application range is expanded as a new biomaterial for hard tissue replacement having solubility control of a material caused by solid anions and promoting bone formation.

本発明では、一般的なリン酸三カルシウムの製造方法である固相法を用いて、高温相のα-TCPではなく低温相のβ-TCPに四価の陰イオンを固溶させるため、厳密な製造条件の制御、熟練した製造方法および高温処理(焼成)を必要とせず、現在のリン酸三カルシウムの製造ラインで製造できるため、少ない設備投資やコストで固溶させた陰イオンに起因する骨生成促進効果などを有したβ-TCPの製造が可能となる。   In the present invention, a solid phase method, which is a general method for producing tricalcium phosphate, is used to make tetravalent anions form a solid solution in β-TCP in the low temperature phase instead of α-TCP in the high temperature phase. Control of manufacturing conditions, skilled manufacturing methods and high temperature treatment (firing) are not required, and because it can be manufactured on the current production line of tricalcium phosphate, it is caused by anion dissolved in less equipment investment and cost It is possible to produce β-TCP having an effect of promoting bone formation.

金属イオンおよびケイ酸イオン(SiO 4−)を添加したβ-TCPの評価 Evaluation of β-TCP with addition of metal ions and silicate ions (SiO 4 4− )

図17に示す方法により作成した金属イオンおよびケイ酸イオン(SiO 4−)を添加したβ-TCP(以下、単に「試料」とする)について、X線回折、FT−IR、格子定数変化の試験を行った。なお、本実施例の金属イオンおよびケイ酸イオン(SiO 4−)添加β-TCPの乾式混合時の原料のモル配合比を下記表9に示し、重量配合例を下記表10に示す。

[表9]

[表10]
For β-TCP (hereinafter simply referred to as “sample”) to which metal ions and silicate ions (SiO 4 4− ) prepared by the method shown in FIG. 17 are added, X-ray diffraction, FT-IR, and changes in lattice constant A test was conducted. In addition, the molar compounding ratio of the raw materials at the time of dry mixing of the metal ion and the silicate ion (SiO 4 4− ) -added β-TCP of this example is shown in Table 9 below, and the weight compounding example is shown in Table 10 below.

[Table 9]

[Table 10]

(1)X線回折   (1) X-ray diffraction

リガク製RAD-2C型X線回折装置を用いて、試料の結晶相の同定を行った。測定条件は、ターゲット:Cu(Cu−Kα)、走査範囲(2θ):10-60°、スキャンステップ:0.020°、 スキャンスピード:8°/min、使用管電圧:40kV、使用管電流:30mA、である。   The crystal phase of the sample was identified using Rigaku RAD-2C type X-ray diffractometer. Measurement conditions are: target: Cu (Cu-Kα), scan range (2θ): 10-60 °, scan step: 0.020 °, scan speed: 8 ° / min, tube voltage: 40 kV, tube current: 30 mA, It is.

図19に、ケイ酸イオン(SiO 4−)およびマグネシウムイオン(Mg2+)添加量を変化させて作製した試料のX線回折図に示す。X線回折図から、Mg2+イオン添加量18.18mol%およびSiO4 4-イオン添加量14.28mol%までの試料については、えられたX線回折ピークとβ-TCPの回折ピークと一致し、副生成物も生成しなかったため、β-TCP単相であることを確認した。また、さらに過剰のMg2+イオンおよびSiO4 4-イオンを添加すると、β-TCPのX線回折ピークのほかに、水酸アパタイト(HAp)の回折ピークを確認した。 FIG. 19 shows an X-ray diffraction pattern of a sample prepared by changing the addition amount of silicate ions (SiO 4 4− ) and magnesium ions (Mg 2+ ). From the X-ray diffraction pattern, for the samples up to 18.18 mol% Mg 2+ ion addition and 14.28 mol% SiO 4 4- ion addition, the obtained X-ray diffraction peak coincides with the β-TCP diffraction peak, Since no by-product was produced, it was confirmed that it was a β-TCP single phase. Further, when excessive Mg 2+ ions and SiO 4 4- ions were added, a diffraction peak of hydroxyapatite (HAp) was confirmed in addition to the X-ray diffraction peak of β-TCP.

(2)FT−IR   (2) FT-IR

日本分光製FT/IR-230型フーリエ変換型赤外分光光度計を用いて定性分析を行った。測定範囲は、400-4000cm−1、積算回数は68回である。試料の測定はKBrを用いた拡散反射法により行い、試料とKBrの混合重量比は試料1に対し、KBrが約20の比率である。 Qualitative analysis was performed using a FT / IR-230 Fourier transform infrared spectrophotometer manufactured by JASCO. The measurement range is 400-4000 cm −1 and the number of integrations is 68 times. The sample is measured by the diffuse reflection method using KBr, and the mixing weight ratio of the sample and KBr is about 20 with respect to the sample 1.

Mg2+イオンおよびSiO4 4-イオンを同時添加した試料のFT-IRスペクトルを図20に示す。β-TCPのスペクトルには945cm-11)、432cm-12)、1010cm-13)、550cm-14)付近にPO4基に帰属する四つの基準振動を認めた。なおν1とν3は伸縮振動、ν2とν4は変角振動である。また、β-TCP作製時に副生成物として生成するピロリン酸カルシウム(Ca2P2O7)と水酸アパタイト(HAp)のFT-IRスペクトルにおいては、Ca2P2O7の場合はその分子中のP2O7基に起因する吸収が710cm-1付近に、HApの場合は3570cm-1にO-H伸縮振動、633 cm-1にO-H面外変角振動に帰属する吸収が現れる。しかし図20からは710cm-1付近にCa2P2O7分子中のP2O7基に帰属する吸収およびHApのOH基に帰属する3570cm-1と633 cm-1の吸収について確認できなかった。また、SiO4 4-イオンを添加した試料のスペクトルにおいて、890cm-1付近にSiO4 4-イオンに起因する骨格振動を確認した。したがって、β-TCP中にSiO4 4-イオンとして固溶していることが明らかになった。 FIG. 20 shows an FT-IR spectrum of a sample to which Mg 2+ ions and SiO 4 4- ions are added simultaneously. In the spectrum of β-TCP, there are four standard vibrations belonging to the PO 4 group around 945 cm -11 ), 432 cm -12 ), 1010 cm -13 ), and 550 cm -14 ). Admitted. Ν 1 and ν 3 are stretching vibrations, and ν 2 and ν 4 are bending vibrations. In addition, in the FT-IR spectrum of calcium pyrophosphate (Ca 2 P 2 O 7 ) and hydroxyapatite (HAp) that are produced as by-products during β-TCP preparation, Ca 2 P 2 O 7 near the P 2 O due to absorption in 7 groups 710 cm -1, in the case of HAp OH stretching vibration 3570cm -1, 633 cm -1 absorption attributable to OH out-of-plane deformation vibration appears in. However, from Figure 20 it could not be confirmed for the absorption of 3570cm -1 and 633 cm -1 attributable to the OH group absorption and HAp attributable to P 2 O 7 groups Ca 2 P 2 O 7 in a molecule in the vicinity of 710 cm -1 It was. Further, in the spectrum of the sample to which SiO 4 4- ion was added, skeletal vibration caused by SiO 4 4- ion was confirmed in the vicinity of 890 cm −1 . Therefore, it became clear that β-TCP was dissolved as SiO 4 4- ions.

(3)格子定数 (3) Lattice constant

格子定数の測定には、リガク製回転対陰極型X線回折装置RINT-1500を使用し、内部標準試料としてSi(99.99%、三津和化学薬品株式会社)を用い、β-TCPの回折線 (2 0 10)、(2 1 8)、(2 2 0)、(3 2 8)、(2 0 20)の5本とSiの回折線(1 1 1)、(2 2 0)、(3 1 1)、(2 0 20)の4本について最適な条件下で予備測定した。測定は、使用管電圧:40kV、使用管電流:200mA、にて行った。また、測定したX線回折図についてピークトップ法を用いた内部標準法で角度補正を行い、次式を用いて最小二乗法で格子定数の精密化を行った。

[数2]
For measurement of the lattice constant, a Rigaku rotating anti-cathode X-ray diffractometer RINT-1500 was used, Si (99.99%, Mitsuwa Chemicals Co., Ltd.) was used as an internal standard sample, and β-TCP diffraction lines ( (2 0 10), (2 1 8), (2 2 0), (3 2 8), (2 0 20) and Si diffraction lines (1 1 1), (2 2 0), (3 1 Preliminary measurement was performed under the optimum conditions for 4) (1 0) and (2 0 20). The measurement was performed at a working tube voltage: 40 kV and a working tube current: 200 mA. In addition, the measured X-ray diffraction diagram was subjected to angle correction by the internal standard method using the peak top method, and the lattice constant was refined by the least square method using the following equation.

[Equation 2]

Mg2+イオンおよびSiO4 4-イオン添加量を変化させて作製した試料の格子定数を下記表11に、その変化を図21にそれぞれ示す。格子定数変化については、Mg2+イオン添加量18.18mol%およびSiO4 4-イオン添加量14.28mol%まで直線的にa軸は増加し、c軸は減少した。その後は、a軸は一定、c軸は増加する傾向を確認した。図19で示したX線回折図と比較すると、Mg2+イオン添加量18.18mol%およびSiO4 4-イオン添加量14.28mol%までの試料についてはβ-TCP単相であり、格子定数変化も直線的に変化した。よって、Mg2+イオンは18.18mol%、SiO4 4-イオンは14.28mol%までの添加試料について、β-TCP構造に固溶したことを確認した。

[表11]
Table 11 below shows the lattice constants of samples prepared by changing the addition amounts of Mg 2+ ions and SiO 4 4- ions, and FIG. 21 shows the changes. Regarding the change in lattice constant, the a-axis increased linearly and the c-axis decreased until the Mg 2+ ion addition amount 18.18 mol% and the SiO 4 4- ion addition amount 14.28 mol%. Thereafter, it was confirmed that the a-axis was constant and the c-axis increased. Compared with the X-ray diffraction pattern shown in FIG. 19, samples up to 18.18 mol% Mg 2+ ions and 14.28 mol% SiO 4 4- ions are β-TCP single phase, and the lattice constant change is also It changed linearly. Therefore, it was confirmed that Mg 2+ ions were dissolved in β-TCP structure for the added samples up to 18.18 mol% and SiO 4 4- ions up to 14.28 mol%.

[Table 11]

(4)まとめ
以上の結果より、固溶限界はMg2+イオンが18.18mol%、SiO4 4-イオンが14.28mol%であった。その固溶形態を図22に示す。通常,二価金属イオンであるMg2+イオンはCa(4)サイト(席占有率0.5)とCa(5)サイトのCa2+イオンと置換固溶し、その固溶限界は13.64mol%とされているが、固溶するSiO4 4-イオンとPO4 3-イオンの電荷の違いを補正するために、固溶限界以上の過剰なMg2+イオンがCa(4)サイトの空孔(席占有率0.5)にも固溶し、2PO4 3- = 2SiO4 4- + Mg2+のような形態でSiO4 4-イオンとともに固溶したと考えた。すなわち、SiO4 4-イオンとPO4 3-イオンの電荷補正にともない空孔にMg2+イオンが固溶したということについては、表11に示したように、合計18.18mol%が固溶したことでも、この値は実験結果を裏づけた。一方、SiO4 4-イオンに関しては、過剰のMg2+イオンの固溶にともなう電荷の偏りがAカラムで生じることから、添加したSiO4 4-イオンはAカラム中のP(1)サイトに固溶すると考えた。そしてPサイトのβ-TCP中の全PO4サイトに対する割合は14.28mol%であることから、固溶限界においてPサイトの全てにSiO4 4-イオンが固溶したことがわかった。
よってその固溶形態については、β-TCP中のCa(4)サイト、Ca(5)サイトおよび空孔とに18.18mol%まで二価金属イオンは固溶し、二価金属イオン添加量13.64mol%以上に過剰に添加した分だけ、その電荷を補正するようにSiO4 4-イオンがPサイトに14.28mol%固溶したことを確認した。
(4) Summary From the above results, the solid solution limit was 18.18 mol% for Mg 2+ ions and 14.28 mol% for SiO 4 4- ions. The solid solution form is shown in FIG. Usually, divalent metal Mg 2+ ions is an ion replaces solid solution with Ca (4) sites (site occupancy 0.5) and Ca (5) sites Ca 2+ ions, the solid solubility limit and 13.64Mol% However, in order to compensate for the difference in charge between the solid solution SiO 4 4- ion and PO 4 3- ion, excess Mg 2+ ions above the solid solution limit will cause vacancies in the Ca (4) site ( also dissolves in the occupancy rate 0.5), was considered a solid solution with SiO 4 4-ionic form, such as 2PO 4 3- = 2SiO 4 4- + Mg 2+. That is, regarding the fact that Mg 2+ ions were dissolved in vacancies due to the charge correction of SiO 4 4- ions and PO 4 3- ions, as shown in Table 11, a total of 18.18 mol% was dissolved. Even so, this value confirmed the experimental results. On the other hand, with regard to SiO 4 4- ions, the charge bias due to the solid solution of excess Mg 2+ ions occurs in the A column, so the added SiO 4 4- ions are present at the P (1) site in the A column. I thought it was a solid solution. Since the ratio of P sites to all PO 4 sites in β-TCP was 14.28 mol%, it was found that SiO 4 4- ions were dissolved in all of the P sites at the solid solution limit.
Therefore, as for its solid solution form, divalent metal ions are solid-solved up to 18.18 mol% at Ca (4) site, Ca (5) site and vacancies in β-TCP, and the added amount of divalent metal ions is 13.64 mol. It was confirmed that 14.28 mol% of SiO 4 4- ions were dissolved in the P site so as to correct the charge by an amount added in excess of% or more.

金属イオンおよびケイ酸イオン(SiO 4−)を添加したβ-TCP焼結体の評価 Evaluation of β-TCP sintered body added with metal ions and silicate ions (SiO 4 4− )

図18に示す方法により作成した金属イオンおよびケイ酸イオン(SiO 4−)を添加したβ-TCPの焼結体(以下、単に「焼結体試料」とする)について、X線回折、FT−IR、格子定数変化、機械的性質の試験を行った。なお、本実施例の金属イオンおよびケイ酸イオン(SiO 4−)添加β-TCPの焼結体作成における原料のモル配合比を下記表12に示し、重量配合例を下記表13に示す。

[表12]
[表13]
For a β-TCP sintered body (hereinafter simply referred to as “sintered body sample”) to which metal ions and silicate ions (SiO 4 4− ) prepared by the method shown in FIG. 18 are added, X-ray diffraction, FT -IR, lattice constant change, mechanical properties were tested. In addition, the molar compounding ratio of the raw materials in the production of the sintered body of β-TCP added with metal ions and silicate ions (SiO 4 4− ) of this example is shown in Table 12 below, and an example of weight formulation is shown in Table 13 below.

[Table 12]
[Table 13]

(1)X線回折   (1) X-ray diffraction

図23に、ケイ酸イオン(SiO 4−)およびマグネシウムイオン(Mg2+)添加量を変化させて作製した焼結体試料のX線回折図に示す。X線回折図から、Mg2+イオン添加量18.18mol%およびSiO4 4-イオン添加量14.28mol%までの焼結体はβ-TCP単相であり、それ以上の各種イオン添加量の焼結体試料からは副生成物としてHApの生成を確認した。 FIG. 23 shows an X-ray diffraction pattern of a sintered body sample produced by changing the addition amount of silicate ions (SiO 4 4− ) and magnesium ions (Mg 2+ ). From the X-ray diffraction pattern, the sintered body with Mg 2+ ion addition of 18.18 mol% and SiO 4 4- ion addition of 14.28 mol% is β-TCP single phase, and sintering with various ion additions beyond that Production of HAp was confirmed as a by-product from body samples.

(2)FT−IR   (2) FT-IR

Mg2+イオンおよびSiO4 4-イオンを同時添加した焼結体試料のFT-IRスペクトルを図24に示す。β-TCPのスペクトルには945cm-11)、432cm-12)、1010cm-13)、550cm-14)付近にPO4基に帰属する四つの基準振動を認めた。なおν1とν3は伸縮振動、ν2とν4は変角振動である。また、SiO4 4-イオンを添加した焼結体試料のスペクトルにおいて、890cm-1付近にSiO4基に起因する骨格振動を確認した。したがって、β-TCP中にSiO4 4-イオンとして固溶していることが明らかになった。 FIG. 24 shows an FT-IR spectrum of a sintered body sample to which Mg 2+ ions and SiO 4 4- ions are added simultaneously. In the spectrum of β-TCP, there are four standard vibrations belonging to the PO 4 group around 945 cm -11 ), 432 cm -12 ), 1010 cm -13 ), and 550 cm -14 ). Admitted. Ν 1 and ν 3 are stretching vibrations, and ν 2 and ν 4 are bending vibrations. Further, in the spectrum of the sintered body sample to which SiO 4 4- ion was added, skeletal vibration due to the SiO 4 group was confirmed in the vicinity of 890 cm −1 . Therefore, it became clear that β-TCP was dissolved as SiO 4 4- ions.

(3)格子定数 (3) Lattice constant

Mg2+イオンおよびSiO4 4-イオン添加量を変化させて作製した焼結体試料の格子定数を下記表14に、その変化を図25にそれぞれ示す。Mg2+イオン添加量18.18mol%およびSiO4 4-イオン添加量14.28mol%までの焼結体の格子定数変化は、直線的にa軸は増加し、c軸は減少した。これらの結果は、実施例3で作製した粉末試料の結果と同様であり、Mg2+イオンは18.18mol%およびSiO4 4-イオンは14.28mol%までβ-TCP焼結体に固溶したことを再確認した。

[表14]
The lattice constants of the sintered body samples prepared by changing the addition amounts of Mg 2+ ions and SiO 4 4- ions are shown in Table 14 below, and the changes are shown in FIG. The lattice constant change of the sintered body up to the Mg 2+ ion addition amount 18.18 mol% and the SiO 4 4- ion addition amount 14.28 mol% linearly increased the a-axis and decreased the c-axis. These results are the same as the results of the powder sample prepared in Example 3. The Mg 2+ ions were dissolved in the β-TCP sintered body up to 18.18 mol% and SiO 4 4- ions to 14.28 mol%. Reconfirmed.

[Table 14]

(4)機械的性質 (4) Mechanical properties

a) 体積収縮率変化 a) Volume shrinkage change

作製した焼結体の焼成前後における試料体積から算出した各種イオン添加量に対する体積収縮率変化を図26に示す。体積収縮率についてはMg2+イオンおよびSiO4 4-イオン添加量の増加にしたがい増加し、固溶限界であったMg2+イオン添加量18.18mol%およびSiO4 4-イオン添加量14.28mol%の試料のそれが最大で、焼成前後でもっとも収縮したことを確認した。 FIG. 26 shows the volume shrinkage change with respect to various ion addition amounts calculated from the sample volume before and after firing of the sintered body produced. Volumetric shrinkage increased with increasing amounts of Mg 2+ ions and SiO 4 4- ions, and was the solid solution limit of Mg 2+ ions added 18.18 mol% and SiO 4 4- ions added 14.28 mol% It was confirmed that the maximum size of the sample was the most contracted before and after firing.

この結果により、Mg2+イオンおよびSiO4 4-イオンをβ-TCPに同時固溶させたことで、焼結体はち密になったことを認めた。また固溶限界をすぎると収縮率は減少した。これは副生成物の生成した影響であると考えた。 From this result, it was confirmed that the sintered body became dense by simultaneously dissolving Mg 2+ ions and SiO 4 4- ions in β-TCP. Moreover, the shrinkage ratio decreased when the solid solution limit was exceeded. This was considered to be an effect produced by by-products.

b) 焼結体の曲げ強度測定 b) Measurement of bending strength of sintered body

曲げ強度はJIS R 1601に基づき、オートグラフ(AG-1、島津製作所製)を使用し、以下の条件で三点曲げ試験を行い測定した。   The bending strength was measured by performing a three-point bending test under the following conditions using an autograph (AG-1, manufactured by Shimadzu Corporation) based on JIS R 1601.

支点間距離:30mm
クロスヘッド速度:0.5 mm・min-1
試料片本数:5本
試料片サイズ:3.0×4.0×36mm
試験温度:室温
試験雰囲気:大気中
試料の加工:焼結切断には低速切断機(ISOMETtm、BUEHLER製)を、表面研磨には研磨機(ダイアラップML-150、マルトー製)を使用し、耐水研磨紙♯200、♯400で研磨と面取りを行った。
Distance between fulcrums: 30mm
Crosshead speed: 0.5 mm · min -1
Number of sample pieces: 5 Sample piece size: 3.0 x 4.0 x 36 mm
Test temperature: Room temperature Test atmosphere: In the air Sample processing: Low-speed cutting machine (ISOMETtm, manufactured by BUEHLER) is used for sintering cutting, and polishing machine (Dialap ML-150, manufactured by Marto) is used for surface polishing. Polishing and chamfering were performed with abrasive paper # 200 and # 400.

測定した焼結体の最大荷重から曲げ強度をJIS-R-1601に基づき、次式より求めた。

[数3]

ここで、σは三点曲げ強さ(MPa)、Pは試験片が破壊したときの最大荷重(N)、Lは支点間距離(mm)、wは試験片の幅(mm)、tは試験片の厚さ(mm)である。
Based on the measured maximum load of the sintered body, the bending strength was obtained from the following equation based on JIS-R-1601.

[Equation 3]

Where σ is the three-point bending strength (MPa), P is the maximum load when the specimen breaks (N), L is the distance between supporting points (mm), w is the specimen width (mm), and t is The thickness of the test piece (mm).

作製した焼結体の曲げ強度変化を図27に示す。Mg2+イオン添加量18.18mol%およびSiO4 4-イオン添加量14.28mol%の固溶限界試料の曲げ強度は31.1MPaであった。また、Mg2+イオンおよびSiO4 4-イオン添加量の増加にともない曲げ強度は上昇したことを認めた。よってβ-TCPにMg2+イオンとSiO4 4-イオンを同時固溶することで、曲げ強度を向上させたことを認めた。 The bending strength change of the produced sintered body is shown in FIG. The bending strength of the solid solution limit sample with the Mg 2+ ion addition amount of 18.18 mol% and the SiO 4 4- ion addition amount of 14.28 mol% was 31.1 MPa. It was also observed that the bending strength increased with increasing amounts of Mg 2+ ions and SiO 4 4- ions. Therefore, we confirmed that bending strength was improved by simultaneously dissolving Mg 2+ ions and SiO 4 4- ions in β-TCP.

c) アルキメデス法による開気孔率およびかさ密度の測定 c) Measurement of open porosity and bulk density by Archimedes method

開気孔率およびかさ密度は、アルキメデス法(JIS R 1634)で溶媒には純水を用いて行った。開気孔率およびかさ密度は下記の式より求めた。

[数4]

ここで、W1は試料の乾燥重量(g)、W2は飽水試料の水中重量(g)、W3は飽水試料の空中質量(g)、Sは純水の密度(1.0g・cm-3)である。
The open porosity and bulk density were measured by the Archimedes method (JIS R 1634) using pure water as a solvent. The open porosity and bulk density were obtained from the following formulas.

[Equation 4]

Where W 1 is the dry weight of the sample (g), W 2 is the weight of the saturated sample in water (g), W 3 is the saturated mass of the saturated sample (g), and S is the density of pure water (1.0 g cm -3 ).

Mg2+イオンおよびSiO4 4-イオン添加量を変化させて作製した焼結体の開気孔率変化を図28に、かさ密度変化を図29にそれぞれ示す。Mg2+イオンおよびSiO4 4-イオン添加量の増加にともない開気孔率は減少、かさ密度は増加した。また、固溶限界であったMg2+イオン添加量18.18mol%およびSiO4 4-イオン添加量14.28 mol%の試料で開気孔率は最小、かさ密度は最大であった。よってMg2+イオンおよびSiO4 4-イオンをβ-TCPに同時固溶することで、焼結率の高い成形体をえることを認めた。 FIG. 28 shows the change in open porosity and FIG. 29 shows the change in bulk density of the sintered body produced by changing the addition amounts of Mg 2+ ions and SiO 4 4- ions. The open porosity decreased and the bulk density increased with increasing amounts of Mg 2+ ions and SiO 4 4- ions. Moreover, the open porosity was the minimum and the bulk density was the maximum in the sample with the Mg 2+ ion addition amount of 18.18 mol% and the SiO 4 4- ion addition amount of 14.28 mol%, which was the solid solution limit. Therefore, it was confirmed that a compact with a high sintering rate can be obtained by simultaneously dissolving Mg 2+ ions and SiO 4 4- ions in β-TCP.

d) 焼結体の微構造の観察 d) Observation of the microstructure of the sintered body

焼結体の微構造観察には走査型電子顕微鏡(SEM)、(VE-7800、KEYENCE製)を使用した。試料の加工として、研磨機(ダイアラップML-150、マルトー製)を使用し、耐水研磨紙♯200、 ♯400、♯800、♯1500、ラッピングダイヤ液MM-130、ポリシングダイヤMM-140を用いて鏡面研磨を行った試料を昇温速度5℃・min-1、保持時間5時間、大気雰囲気、1200℃でサーマルエッチングを行った。イオンスパッタ装置 (FINE CORT FC-1100、日本電子製)を使用し、金を蒸着させ(0.75kV、75mA)、それを検鏡試料とした。以下に測定条件を示す。 A scanning electron microscope (SEM) (VE-7800, manufactured by KEYENCE) was used to observe the microstructure of the sintered body. For sample processing, a polishing machine (Dialap ML-150, manufactured by Marto) was used, and water-resistant abrasive paper # 200, # 400, # 800, # 1500, lapping diamond fluid MM-130, and polishing diamond MM-140 were used. The samples subjected to mirror polishing were subjected to thermal etching at a heating rate of 5 ° C./min −1 , a holding time of 5 hours, and an atmospheric atmosphere at 1200 ° C. An ion sputtering apparatus (FINE CORT FC-1100, manufactured by JEOL Ltd.) was used to deposit gold (0.75 kV, 75 mA), and this was used as a microscopic sample. The measurement conditions are shown below.

フィラメント:W(タングステン)
加速電圧:1~3kV
Filament: W (tungsten)
Acceleration voltage: 1 to 3 kV

作製した焼結体の微構造を図30〜32に示す。微構造観察結果より、Mg2+イオン単独固溶β-TCPと比較し、SiO4 4-イオンを添加した試料は気孔も少なく、焼結体の気孔は各種イオン添加量の増加にともない減少していることを認めた。この結果は開気孔率およびかさ密度を測定した結果とも一致している。したがって、Mg2+イオンおよびSiO4 4-イオンを固溶させたことで焼結体がち密化することが明らかになった。 The microstructure of the produced sintered body is shown in FIGS. From the microstructure observation results, compared to Mg 2+ ion single solid solution β-TCP, the sample to which SiO 4 4- ion was added had fewer pores, and the pores of the sintered body decreased as the amount of various ions added increased. Admitted. This result is consistent with the result of measuring the open porosity and bulk density. Therefore, it was clarified that the sintered compact was made dense by dissolving Mg 2+ ions and SiO 4 4- ions.

e) 焼結体の平均粒子径測定 e) Measurement of average particle size of sintered body

微構造のSEM写真をもとにインターセプト法で焼結体の平均粒子径を求めた。インターセプト法による平均粒子径の測定方法の概略を以下に示す。焼結体は結晶粒子の集合体であり、その微構造をSEMを用いて観察すると、図33に示すように切断した面によって結晶粒子の大きさは異なって見えるため、これを補正する必要がある。まず、SEM写真上に等間隔で直線を引き、これらの直線と結晶粒界との交点から図34のような見掛けの結晶粒子径(d1、d2、d3、・・・)を求め、この大きさに統計的な補正値(π/2)をかけて実際の粒子径(Gtrue)を算出した。その計算式は[Gtrue = dn×C]であり、dnは見掛けの結晶粒子径、Cは定数(=π/2)である。一試料当たり200個以上の結晶粒子を測定した。 The average particle size of the sintered body was determined by the intercept method based on the microstructure SEM photograph. The outline of the measuring method of the average particle diameter by the intercept method is shown below. The sintered body is an aggregate of crystal grains. When the microstructure is observed using an SEM, the size of the crystal grains appears to be different depending on the cut surface as shown in FIG. is there. First, straight lines are drawn at equal intervals on the SEM photograph, and apparent crystal particle diameters (d 1 , d 2 , d 3 ,...) As shown in FIG. 34 are obtained from the intersections between these straight lines and the grain boundaries. The actual particle diameter (G true ) was calculated by multiplying this size by a statistical correction value (π / 2). The calculation formula is [G true = dn × C], where dn is the apparent crystal particle diameter, and C is a constant (= π / 2). More than 200 crystal particles were measured per sample.

また、撮影した微構造のSEM像をもとにインターセプト法で求めた焼結体の平均粒子径を図35にそれぞれ示す。平均粒子径も各種イオン添加量の増加にともない、固溶限界まで粒子径は小さくなったことから、Mg2+イオンおよびSiO4 4-イオンをβ-TCPに同時固溶することで粒成長を抑制することが明らかとなり、高密度の焼結体を作製することができた。 Moreover, the average particle diameter of the sintered compact calculated | required by the intercept method based on the image | photographed SEM image of the microstructure is shown in FIG. 35, respectively. As the average particle size also increased with the addition of various ions, the particle size decreased to the solid solution limit, so grain growth was achieved by simultaneously dissolving Mg 2+ ions and SiO 4 4- ions in β-TCP. It became clear that it was suppressed, and a high-density sintered body could be produced.

(5)まとめ (5) Summary

これまでMg2+イオンおよびSiO4 4-イオンを同時添加したβ-TCP焼結体の機械的性質を評価した。以上の結果より、Mg2+イオンおよびSiO4 4-イオン固溶量の増加にともない焼結率の高い成形体がえられ、固溶限界であるMg2+イオン添加量18.18mol%およびSiO4 4-イオン添加量14.28mol%の焼結体がもっとも高い焼結率であり、よりち密な焼結体であることを確認した。またMg2+イオン単独固溶β-TCP焼結体と比較すると、粒子径も小さく、ち密で曲げ強度も高かった。したがって、Mg2+イオンおよびSiO4 4-イオンをβ-TCPに固溶させたことで粒成長を抑制し、ぜい性破壊が生じにくい,ち密な焼結体をえることができた。 So far, the mechanical properties of β-TCP sintered bodies to which Mg 2+ ions and SiO 4 4- ions were added simultaneously have been evaluated. From the above results, a compact with a high sintering rate was obtained as the amount of Mg 2+ ions and SiO 4 4- ion solid solution increased, and the Mg 2+ ion addition amount 18.18 mol% and the SiO 4 It was confirmed that the sintered body with the 4- ion addition amount of 14.28 mol% had the highest sintering rate and was a denser sintered body. In addition, the particle size was smaller, denser and higher in bending strength than the Mg 2+ ion single solid solution β-TCP sintered body. Therefore, Mg 2+ ions and SiO 4 4- ions were dissolved in β-TCP to suppress grain growth and to obtain a dense sintered body in which brittle fracture hardly occurred.

Claims (13)

硫酸イオン及び電荷補償のための陽イオンを固溶したβ型リン酸三カルシウムからなる生体材料セラミックス。   Biomaterial ceramics composed of β-type tricalcium phosphate in which sulfate ions and cations for charge compensation are dissolved. 電荷補償のための陽イオンはナトリウムイオンである請求項1に記載の生体材料セラミックス。   The biomaterial ceramic according to claim 1, wherein the cation for charge compensation is a sodium ion. 14.28 mol%以下のケイ酸イオン(ただし、β型リン酸三カルシウムのリン酸イオンが本来配置されるべき位置に配置される場合に存在すべき全リン原子あたりに換算して4mol%以下を除く)及び電荷補償のための陽イオンとしてマグネシウムイオンを固溶したβ型リン酸三カルシウムからなる生体材料セラミックス。 14.28 mol% or less of silicate ions (however, excluding 4 mol% or less in terms of the total phosphorus atoms that should be present when phosphate ions of β-type tricalcium phosphate are to be placed ) And β-type tricalcium phosphate ceramics in which magnesium ions are dissolved as cations for charge compensation. 硫酸イオン及び四価の陰イオンを固溶したβ型リン酸三カルシウムからなる生体材料セラミックス。   Biomaterial ceramics composed of β-type tricalcium phosphate in which sulfate ions and tetravalent anions are dissolved. 四価の陰イオンはケイ酸イオンである請求項に記載の生体材料セラミックス。 Tetravalent anions biomaterials ceramic according to claim 4, wherein the silicate ions. 請求項1からのいずれか一に記載のβ型リン酸三カルシウムの焼結体からなる生体材料セラミックス。 A biomaterial ceramic comprising a sintered body of β-type tricalcium phosphate according to any one of claims 1 to 5 . 請求項1からのいずれか一に記載の生体材料セラミックスであって、その性状が粉体である生体材料セラミックス。 A biomaterial ceramic as claimed in any one of 5, biomaterials ceramic properties thereof is powder. 請求項1からのいずれか一に記載の生体材料セラミックスであって、その性状が顆粒体である生体材料セラミックス。 The biomaterial ceramic according to any one of claims 1 to 5 , wherein the property is a granule. 請求項1からのいずれか一に記載の生体材料セラミックスであって、その性状が膜状である生体材料セラミックス。 The biomaterial ceramic according to any one of claims 1 to 5 , wherein the property is a film. 酸化カルシウムとリン酸水素二アンモニウムと硝酸ナトリウムと硫酸アンモニウムとを乾式混合し、得られた混合物を焼成して合成される請求項2に記載のβ型リン酸三カルシウムからなる生体材料セラミックスの製造方法The method for producing a biomaterial ceramic comprising β-type tricalcium phosphate according to claim 2, synthesized by dry-mixing calcium oxide, diammonium hydrogen phosphate, sodium nitrate, and ammonium sulfate, and firing the obtained mixture. . 酸化カルシウムとリン酸水素二アンモニウムと酸化マグネシウムと二酸化ケイ素とを乾式混合し、得られた混合物を焼成して合成される請求項に記載のβ型リン酸三カルシウムからなる生体材料セラミックスの製造方法The calcium oxide and diammonium hydrogenphosphate magnesium oxide and the silicon dioxide were dry mixed, production of the resulting mixture by firing a synthesized consisting β tricalcium phosphate according to claim 3 biomaterials Ceramics Way . 酸化カルシウムとリン酸水素二アンモニウムと硝酸ナトリウムと硫酸アンモニウムとを湿式混合した後、得られた混合物から溶媒エタノールを除去する混合工程と、
混合工程で得られた混合体を溶媒中で粉砕した後、前記溶媒を除去する粉砕工程と、
粉砕工程で得られた粉体を一軸加圧成型して成型体を作成する成型工程と、
成型工程で得られた成型体を焼成する焼成工程と、
を有する請求項2に記載のβ型リン酸三カルシウム焼結体を製造するβ型リン酸三カルシウム焼結体製造方法。
After wet mixing calcium oxide, diammonium hydrogen phosphate, sodium nitrate and ammonium sulfate, a mixing step of removing the solvent ethanol from the resulting mixture,
Pulverizing the mixture obtained in the mixing step in a solvent, and then removing the solvent;
A molding process for creating a molded body by uniaxial pressure molding of the powder obtained in the grinding process,
A firing step of firing the molded body obtained in the molding step;
A β-type tricalcium phosphate sintered body production method for producing the β-type tricalcium phosphate sintered body according to claim 2.
酸化カルシウムとリン酸水素二アンモニウムと酸化マグネシウムと二酸化ケイ素とを湿式混合した後、得られた混合物から溶媒エタノールを除去する混合工程と、
混合工程で得られた混合体を溶媒中で粉砕した後、前記溶媒を除去する粉砕工程と、
粉砕工程で得られた粉体を一軸加圧成型して成型体を作成する成型工程と、
成型工程で得られた成型体を焼成する焼成工程と、
を有する請求項に記載のβ型リン酸三カルシウム焼結体を製造するβ型リン酸三カルシウム焼結体製造方法。
After wet mixing calcium oxide, diammonium hydrogen phosphate, magnesium oxide and silicon dioxide, a mixing step of removing the solvent ethanol from the resulting mixture,
Pulverizing the mixture obtained in the mixing step in a solvent, and then removing the solvent;
A molding process for creating a molded body by uniaxial pressure molding of the powder obtained in the grinding process,
A firing step of firing the molded body obtained in the molding step;
A β-type tricalcium phosphate sintered body manufacturing method for manufacturing the β-type tricalcium phosphate sintered body according to claim 3 .
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