「高損傷許容性リン酸カルシウム系材料の作製に成功」【横井太史 准教授】
― 安心・安全な割れないセラミックス人工骨を目指して ―
ポイント
- 真珠層に学ぶ微細構造設計により、釘を打っても割れない優れた損傷許容性※１を有するリン酸カルシウム系材料の作製に成功しました。
- 上記材料は高損傷許容性を有するだけでなく、骨と結合する性質を有する可能性が高いことも分かりました。
- 本研究で得られた知見は、安心・安全な割れないセラミックス人工骨※２の開発に繋がると期待されます。
研究の背景
骨の再生能力や骨の代謝が活発ではない患者の骨欠損修復には生体内で安定なセラミックス人工骨が使用される場合があります。このようなセラミックス人工骨は主にリン酸カルシウム化合物の一種であるヒドロキシアパタイト※３で構成され、生体内でほとんど分解・吸収されません（＝生体内に半永久的に残存します）。そのため、脆性破壊※４の懸念がつきまといます。これは患者にとって大きな精神的負担になります。
割れないセラミックス人工骨を作製できれば、患者は安心・安全に骨欠損治療を受けることができます。セラミックスは典型的な脆性材料であり、「割れない」セラミックスの開発は容易ではありませんが、私たちは損傷に対する許容性を高めたセラミックス人工骨の作製に挑戦することにしました。
研究成果の概要
目的の材料を作製するための原料としてカルボン酸含有リン酸八カルシウム※６を用いました。第一の理由は同物質が板状の形態を持っていることです。これによって、加圧成型した際に自発的に結晶が配向し、真珠層に類似した構造を形成できると考えました。第二の理由は、カルボン酸含有リン酸八カルシウムの加圧成型体を焼成（焼き固める工程）した際に熱分解し、リン酸カルシウム成分はレンガに、カルボン酸成分はモルタルになると考えられることです。つまり、同リン酸八カルシウムを加圧成型した段階ではレンガを積み上げた構造が形成され、それを焼成したときにモルタルが形成されることで、レンガ／モルタル構造が自然に出来上がることを期待しました。
実際に作製した試料の外観と断面構造をアワビの真珠層のそれと比較して図1に示します。本研究で開発した材料が黒色であることから、試料中にカルボン酸の熱分解によって生成した炭素が含まれていることが分かります。さらに、私たちが作製した試料は板状結晶が積層した構造を有しており、この構造は真珠層によく似ていることが分かります。
図1. 本研究で開発した材料およびアワビの真珠層の外観および破断面の走査電子顕微鏡写真
図2. 試料に釘を打つことによる損傷許容性の定性的な評価。（左）本研究で開発した材料、（右）一般的なセラミックス焼結体。
セラミックスでも気孔率※７が極めて高い場合（概ね80％以上）には高い損傷許容性を示す場合があります。しかし、本研究で開発した材料の気孔率は55％であり、しかも比較として示したセラミックス焼結体もほぼ同じ気孔率であることから、本研究で開発した材料の損傷許容性は同材料が持つレンガ／モルタル構造に由来すると考えられます。また、同材料の曲げ強度、曲げ歪、ヤング率、ビッカース硬さはそれぞれ11.7 MPa、2.8 × 10‒2、5.3 GPa、11.7 kgf/mm2でした。この機械的性質（特に曲げ強度）は従来材料と比較しても海綿骨の修復には十分であると言えます。
さらに、擬似体液※８を用いて本研究で開発した材料の骨結合性の有無を調べました。擬似体液に試料を浸漬すると1日後に試料表面に析出物が観察され、3日後には試料表面は析出物で覆われました（図3）。この析出物は擬似体液中で生成する典型的なアパタイトの組織を有しています。擬似体液中でアパタイトを形成する材料は良好な骨結合能を有する場合が多いことから、本研究で開発した材料も骨と結合する性質を有しており、人工骨として機能することが強く期待されます。
図3. 本研究で開発した材料の擬似体液を用いたアパタイト形成能評価。擬似体液中において試料表面におけるアパタイト形成を確認できたことから、同材料は骨結合性を有すると期待される。
研究成果の意義
また、近年ではセラミックス製の人工歯根の利用が増加しています。本研究で得られた微細構造制御による損傷許容性の向上の材料設計指針をセラミックス人工歯根に応用すれば、骨結合能と損傷許容性が高い人工歯根材料を作製できる可能性があります。本研究で得られた知見は、安心・安全な医療用セラミックスの設計に幅広く応用できると期待されます。
用語解説
※１損傷許容性
材料中のき裂が成長して破壊に至ることを防ぐことができる性質。
※２人工骨
骨の欠損部を補填し、その機能を修復する材料。リン酸カルシウム化合物が主に利用されており、活発に研究・開発が進められている。
※３ヒドロキシアパタイト
リン酸カルシウム化合物の一種。化学式はCa10(PO4)6(OH)2である。生体内では分解・吸収されず、安定である。
※４脆性破壊
塑性変形をほとんど伴わない破壊であり、身近な事例としてはセラミックスやガラスの破壊がある。き裂の急速進展によって起こり、材料に致命的な損傷を与える。
※５レンガ／モルタル構造
真珠層の場合、レンガ造りの壁のように炭酸カルシウムのブロックが積みあがっており、その炭酸カルシウムブロック同士を生体高分子がモルタルとして働いて結合している。
※６カルボン酸含有リン酸八カルシウム
リン酸カルシウム化合物の一種。リン酸八カルシウムの化学式はCa8(HPO4)2(PO4)4‧5H2Oである。カルボン酸含有リン酸八カルシウムはリン酸八カルシウムのHPO42-の一部をカルボン酸イオンに置き換えた物質。
※７気孔率
材料中の気孔の割合。一般的なガラスや金属材料は材料中に孔（気孔）が無いため気孔率は0%である。しかし、セラミックスは粉末を焼き固めて作製するため、材料中に気孔が残る場合がほとんどである。気孔率はセラミックスの機械的性質等に影響を与える重要な因子である。
※８擬似体液
さまざまな種類があるが、本研究ではヒトの血漿とほぼ等しい無機イオン濃度を有する水溶液を用いた。
論文情報
掲載誌：Science and Technology of Advanced Materials
論文タイトル： Development of bioinspired damage-tolerant calcium phosphate bulk materials
DOI：https://doi.org/10.1080/14686996.2023.2261836
研究者プロフィール
黒山 かれん （クロヤマ カレン） Kuroyama Karen
東京医科歯科大学 大学院医歯学総合研究科
顎顔面外科学分野 大学院生
・研究領域
骨再生
東京医科歯科大学 生体材料工学研究所
無機生体材料学分野 准教授
・研究領域
無機材料化学、バイオセラミックス
問い合わせ先
＜研究に関すること＞
東京医科歯科大学 生体材料工学研究所
無機生体材料学分野 横井太史（ヨコイ タイシ）
E-mail：yokoi.taishi.bcr[at]tmd.ac.jp
＜報道に関すること＞
東京医科歯科大学 総務部総務秘書課広報係
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