整形外科用ナノ構造ガラス - セラミックコーティング - 第1部

整形外科用ナノ構造ガラスセラミックコーティング

Guocheng Wang1、Zufu Lu 1 、Xuanyong Liu 2 、Xiaming Zhou 2

Chuanxian Ding 2とHala Zreiqat 1 、*

1生体材料および組織工学研究ユニット、AMME、

シドニー大学、シドニー2006、オーストラリア

2上海陶磁器研究所、中国科学アカデミー、上海200050、

中華人民共和国


ガラスセラミックスは、強度、分解速度および熱膨張係数を含む後処理によってそれらの特性を操作する大きな可能性を提供するため、生物医学分野において大きな注目を集めている。 この研究では、従来構造の粉末を用いたプラズマ溶射技術により、ハード構造(HT; Ca2ZnSi2O7)およびナノ構造を有するsphene(SP; CaTiSiO5)ガラスセラミックコーティングを作製した。 HTおよびSPコーティングの結合強度およびビッカース硬さは、プラズマ溶射ヒドロキシアパタイトコーティングの報告値よりも高い。 両方のタイプのコーティングは、生理活性カルシウム(Ca)およびシリコン(Si)イオンを周囲環境に放出する。 細胞を含まない培養培地での無機質化試験は、5時間後にHTコーティング上に多くのキノコ様Caおよびリン化合物が形成されたことを示し、高い無細胞鉱化能を示唆した。 初代ヒト骨芽細胞は、両方のタイプのコーティングに付着し、広がり、増殖します。 おそらくは、HTコーティングから放出された亜鉛イオンに起因して、SPコーティングおよびコーティングされていないTi-6Al-4V合金と比較して、HTコーティングでより高い増殖速度が観察された。 おそらくコーティングから放出されたCaおよびSiに起因して、Runx2、オステオポンチンおよびI型コラーゲンのより高い発現レベルがTi-6Al-4V合金と比較して両方のタイプのコーティングで観察された。 この研究の結果は、整形外科適用のためのHTおよびSPコーティングの潜在的使用を指摘する。

キーワード:プラズマスプレー、 整形外科; チタン合金 ; ナノ構造;骨形成遺伝子; ガラスセラミック


  1. 前書き

チタン合金(Ti-6Al-4V) は、その優れた機械的性質のために、人工股関節、骨プレートおよび歯科インプラントを含む整形外科用途に広く使用されている[1]。 しかしながら、Ti-6Al-4Vインプラントの主な欠点は、インビボでの生体不安定性のためインプラント - 骨界面に高密度の線維組織が形成されることであり、これはプロテーゼの安定性を損ない、デバイスの早期故障を招く。 生物活性コーティングを用いてTi-6Al-4Vインプラントをコーティングすることは、コーティングが骨 - インプラント界面で新生骨の形成を促進し、周囲の骨組織におけるデバイス材料の強力な固定をもたらすので、この問題を解決する有効な方法であり、インプラントの寿命を延ばす。 ゾル - ゲル法、プラズマスプレー法、生体模倣法、パルスレーザー蒸着法、イオンビーム法など様々な表面改質技術が用いられている[3]。 プラズマ溶射皮膜の粗い表面が骨の固定に好都合であることに加えて、プラズマ溶射は、その高い堆積速度、厚い堆積物、低い資本および操作コスト[4]のために、 5]。 プラズマ溶射ハイドロキシアパタイト(HAp)コーティングは、ヒト骨の無機成分に対するHApの化学的類似性のために、股関節置換に商業化され、広く使用されている。 しかし、HApコーティングの主な関心事は、その熱膨張係数の不一致に起因する下地Ti-6Al-4Vに対する低い結合力であり、これはコーティングの層間剥離リスクを高める。 デラミネーションが起こると、コーティングの断片が炎症を引き起こし、結果として骨溶解が起こり、Ti-6Al-4Vインプラントの長期安定性が損なわれる[6]。

別の方法は、生物活性がin vitro [7-11]およびin vivo [12,13]に十分に記載されているCaO-SiO 2ベースのバイオガラスでインプラントをコーティングすることである。 しかし、大部分のプラズマ溶射されたバイオガラスコーティングは、 Ti-6Al-4V合金との弱い界面結合のために、 合金のそれに対してより高い熱膨張係数(14-15×10 -6 K -1 [14])に起因して失敗する8.4-8.8×10 -6 K -1 [15])[16]。 高い分解速度は、 インプラントコーティングとしてバイオガラスを使用するための別の障壁である。 しかし、カルシウム(Ca)とシリコン(Si)イオンの放出は、骨芽細胞の付着、増殖、分化を促進し[17-20]、骨形成を促進することが知られている[11,21]。 したがって、コーティングの長期安定性を損なわないCaおよびSiイオンの制限された放出を有するCaO-SiO 2ベースのコーティングを設計することにより、生物活性が向上したコーティングが得られる。 我々の以前の研究では、我々は、ハードストナイト(HT)またはスピン

CaO-SiO2系にZnO [22]またはTiO2 [23]をそれぞれ添加して製造された(SP)セラミックスは、CaSiO3セラミックスと比較して優れた化学的安定性を有する。 さらに、熱膨張係数(HT [24]では11.2×10 -6 K -1 、SP [25]では6×10 -6 K -1 )はTi-6Al-4V合金の熱膨張係数に近い接合強度が得られるはずである。 したがって、HTおよびSPが整形外科適用のための適切な候補被膜であることを示唆することは妥当である。


******つづく******