Development of ceramic artificial bones with superior damage tolerance properties

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セラミックスの構造材料における脆性破壊の抑制は極めて重要な研究課題である。セラミックス製のバイオマテリアルに人工骨がある。高齢者に用いられているヒドロキシアパタイト焼結体は生体内で分解吸収されないため、長期間に渡って荷重を支え続ける必要があり、一種のセラミックス構造材料と見なすことができる。これまでに、結晶化ガラスを用いてセラミックス製人工骨の高強度化が図られてきたが、現実的には脆性破壊の根本的な解決には至らず、一時的に実用化されたものの、現在は生産が中止されている。結晶化ガラスに代わって現在はヒドロキシアパタイト焼結体が用いられているが、脆性破壊への対策は行われていない。これに対して研究代表者は、貝殻の真珠層の構造に着目した。真珠層は炭酸カルシウムとポリマーの複合材料であり、これらがレンガ／モルタル構造を形成している。この特異な構造がき裂の直進を妨げ、材料を強靭化している。このような構造を人工的に作製することができれば、損傷許容性に優れる人工骨を得られると考えた。ここで研究代表者が考案したのは、カルボン酸含有層状リン酸カルシウムを熱分解することによって、リン酸カルシウム層とカルボン酸の熱分解で生成したアモルファスカーボン層が積層したミルフィーユ構造が自発的に形成され、この層状構造が材料中のき裂の直進を妨げることで、材料の損傷許容性を向上させるのではないか、というものである。本研究では、イソフタル酸含有層状リン酸カルシウムを作製し、これを熱分解・焼結することによって得られた材料の機械的・生物学的性質を明らかにし、損傷許容性に優れる新規人工骨の設計と合成の指針を明らかにすることを目指す。