日本口腔インプラント学会　第27巻　4号

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みそらおまた
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1 < 原著 > 市販チタンインプラントの表面性状に及ぼす大気圧プラズマ処理の効果 1) 松﨑紘一山本 2) 小宮山彌太郎 1) 英一吉成 1) 柴多浩一 3) 正雄 Effect of Atmospheric Pressure Plasma Treatment on Surface Properties of Commercial Titanium Implants MATSUZAKI Hirokazu 1), YAMAMOTO Hidekazu 1), SHIBATA Kouichi 1), KOMIYAMA Yataro 2) and YOSHINARI Masao 3) Atmospheric-pressure plasma (AP plasma)treatment is a low-temperature plasma treatment, and can create super-hydrophilicity on a titanium surface by decomposing hydrocarbon and introducing the hydroxyl group. AP plasma has unique features, including that this treatment can be performed while being exposed to the air, and create super-hydrophilicity on a titanium surface within an extremely short time due to its high energy compared to UV treatment. Accordingly, this treatment is expected to be used for clinical applications. This study aimed to investigate the effect of AP plasma treatment on surface properties of commercial titanium implants that have different surface morphology and physicochemistry, and to verify the availability of this treatment for clinical use. The surfaces of 17 commercially available titanium implants were observed using an optical microscope and a scanning electron microscope, and were analyzed by X- ray photoelectron spectroscopy (XPS). These implants were subjected to AP plasma treatment and evaluated the change in surface chemical compositions including carbon contents and surface wettability with contact angle measurements. The AP plasma treatment was carried out for 5 s along the sides of the implants that were retained at a location 10 mm from the exhaust nozzle of AP plasma. The surfaces of the 17 commercial implants have various surface morphologies and chemical compositions, and were classified into machining with lathe, blast+ acid etching (SLA), SLA+ hydrophilization, spark anodic-oxidation and HA/Blast treatment under microscopic observation, XPS analyses and contact angle measurement. The carbon contents were decreased with AP plasma treatment. In addition, the surfaces of commercial implants with all classifications reach super-hydrophilicity that has almost zero contact angles by AP plasma treatment. In conclusion, the results in the present study showed that the AP plasma treatment can create super-hydrophilicity on almost all the commercial implants within an extremely short time, such as 5 s, while being exposed to air, and may be utilized in the operating room immediately prior to implant placement under atmospheric conditions. Key words:commercial titanium implants, atmospheric pressure plasma treatment, surface wettability, surface physico-chemical property 1) 北海道形成歯科研究会 ( 会長 : 三上格 ) 2) ブローネマルクオッセオインテグレイションセンター ( センター長 : 小宮山彌太郎 ) 3) 東京歯科大学口腔科学研究センター口腔インプラント学研究部門 ( 主任 : 吉成正雄 ) 1) Institute of Hokkaido Plastic Dentistry (Chief:MIKAMI Itaru) 2) Brånemark Osseointegration Center Tokyo (Chief:KOMIYAMA Yataro) 3) Division of Oral Implants Research, Oral Health Science Center, Tokyo Dental College (Chief:Prof. YOSHINARI Masao) 平成 26 年 7 月 24 日受付

2 2014 年 12 月市販チタンインプラントへの大気圧プラズマ処理の効果緒言近年, チタン製インプラントに対する親水化処理は, 炎症性サイトカインの凝集を抑制する 1,2), 細胞接着性タンパク質や骨性タンパク質の接着を増進する 3,4), オッセオインテグレーション 5,6) や軟組織接着を促進する 7,8), バイオフィルムの形成を抑制する 9,10), などの報告がなされるようになり, 臨床応用の期待が高まっている. 表面に親水性を付与する物理修飾法としては, 低温プラズマ ( グロー放電処理 ) 法 11~13), 紫外線 (UV) 照射法 14,15) が, また化学修飾法としてブラスト処理 + 酸処理 (SLA) 処理法 16), 過酸化水素水浸漬法 17,18), 水酸化ナトリウム溶液処理法 19) などがある. これらのうち物理修飾法は, 処理によるインプラント汚染の危険性が少ないことから, 臨床現場で処理法として適していると考えられる. 低温プラズマ法は, 低温でプラズマ ( 電離状態 ) をつくりだす処理法であり, 表面に官能基を導入し表面エネルギーや表面荷電などの表面性状を制御できることから 20), 生体材料への応用が拡大している 20~22). このうち, 大気圧プラズマ処理は主に空気 ( 酸素を含む ) に高電圧を印可すると電子と陽イオンに電離する現象を利用しており, 工業界では表面改質に多用されている 20). 加速電子によって酸素分子の原子間結合が切れ, ラジカル種の原子状酸素 ( 活性酸素 ) を生ずる. プラズマ中でオゾンが作り出され, そこから生じる活性酸素種による酸化分解反応が起こる. このようにして発生した活性酸素種により, 表面に吸着した疎水性有機物 ( 炭化水素 ) を分解する. また UV 照射法は, チタン酸化物の光触媒効果によりチタン表面に親水性を付与し, 骨芽細胞の増殖, 分化に有効に働くことが報告されている 5,14,15). 特に, 低温プラズマ法の一種である大気圧プラズマ法は, 大気中で処理が行えること, エネルギーが非常に高くきわめて短時間での処理で超親水性表面が期待できることから, 特にインプラント埋入直前の処理に適していると考えられる. 一方, 市販のインプラント表面は, その表面形状のみならず酸化物に代表される表面組成もさまざまであり 23,24), 最近になって市販インプラント表面をコード化して分類している報告もある 25,26). このように多種類の表面をもつ市販インプラントに大気圧プラズマ処理が有効かについては明らかになっていない. そこで本研究は, 表面の異なる市販インプラントに対して大気圧プラズマ処理を施し, 本処理の表面濡れ性 ( 接触角 ) と表面組成 ( 特に炭素量 ) に与える影響を調査することにより, 本処理の有効性について考察した. 材料および方法 1. 市販インプラント本研究で用いた使用した 17 種類のチタン製市販インプラントを表 1 に示す. 表では後の表面観察, 組成分析, および接触角測定の結果を参考に, 機械加工, ブラスト+ 酸エッチング処理 (SLA),SLA+ 親水化処理, 放電陽極酸化,HA/Blast 処理に分類した. なお, 機械加工と SLA 両方のスレッドをもつ 3i Ossotite と SETiO については, 接触角測定部位を考慮して 3i Ossotite を機械加工に,SETiO を SLA に分類した. 同様に OSSTEM は HA/Blast 処理に分類した. また,INICELL+APL においては,INICELL を付属溶液 APLIQUIQ に 10 分間浸漬した後, 軽く水洗して実験に供した. 本研究における試験期間は 2012 年 10 月 ~2013 年 9 月であった. サンプル受領後, 速やかに滅菌容器ごと乾燥デシケータ内に保管した. 試験時にはサンプル容器をデシケータから取り出し, サンプルを開封後直ちに試験を開始した. 2. 大気圧プラズマ処理本研究で使用した大気圧プラズマ装置 (NJZ-2820, 長野日本無線, 長野 ) を図 1 に示す. 本装置の出力周波数は 2,450 MHz, 出力電力は 150 W, プラズマ噴出直径は 4 mm, 供給ガスは清浄乾燥空気 (Clean Dry Air,CDA) である. 市販インプラントへの本装置による処理は, 図 1-b) に示すように, ピンセットで把持したインプラントをプラズマ噴出口から約 10 mm の位置に保持し, その側面にプラズマを 5 秒間照射して行った. 3. 表面観察各インプラントの光学顕微鏡 (OM,MZ75,LEICA,

32 530 日口腔インプラント誌第 27 巻第 4 号表 1 使用したチタン製市販インプラント表面分類略号品名製造業者品番 LOT No.

BI-00283 BI-00006 00101005 OSS385 P 117790 02-03-014-02 6268 97976 2015-11 2007-03 2011-05 2005-06 Sweden Sweden Brasil USA SLA ( ブラスト+ 酸エッチング ) SETiO SETiO-P PLATON OsseoS ANK SLA セティオセティオ Plus

3 日口腔インプラント誌第 27 巻第 4 号表 1 使用したチタン製市販インプラント表面分類略号品名製造業者品番 LOT No. 有効期限国機械加工 Br-Bio Br-Fix Br-pi 3i Ossotite BioHelixFull Thread Fixture Original P-I Brånemark Philosophy Ossotite Implant Brånemark Integration Brånemark Integration Exopro Implant Innovations BI BI OSS385 P Sweden Sweden Brasil USA SLA ( ブラスト+ 酸エッチング ) SETiO SETiO-P PLATON OsseoS ANK SLA セティオセティオ Plus インプラントⅢ S OsseoSpeed ANKYLOS plus SLA SS ジーシージーシープラトンジャパン Astra Tech Dental Dentsply Friadent straumann 5B336 6B491 C S B 日本日本日本 Sweden Germany Switzerland SLA+ 親水化 SLActive INICELL+APL * SLActive(ROXOLID) SPI ELEMENT INICELL * straumann Thommen Medical S CJ Switzerland Switzerland 放電陽極酸化 Br-Mk TiUnite Brånemark Systems MkⅢ TiU RP TiUnite MkⅢ Nobel Biocare Nobel Biocare Sweden Sweden HA/Blast 処理 POI ALPHA OSSTEM POIEX HACEX アルファタイトインプラント OSSTEM IMPLANT US Ⅱ 日本メディカルマテリアルケンテック OSSTEM Implant CD TF4010 ABFR FUP09B 日本日本 Korea * APLIQUIQ 付属図 2 接触角の測定法 Wetzlar,Germany) 観察, および走査型電子顕微鏡 (SEM,SU6600, 日立ハイテク, 日立 ) 観察を行った. 4 図 1 使用した大気圧プラズマ装置 a) 全体像,b) インプラント側面へのプラズマ処理 (a の四角部の拡大図 ) 表面分析表面分析は, エックス線光電子分光 (XPS, AXIS- ULTRA, Kratos Analytical, Manchester, England) を用い,15 kv,10 ma, Al Ka (monochrometer) で分析を行った. 本装置は分析深さが約 3 nm と試料の極表面を分析が可能であることから, 表面の定性 ( 組成 ) 分析およびチタン (Ti), 酸素 (O), 炭素 (C) の定量分析を行った. 5 接触角の測定各インプラント側面の純水に対する濡れ性 ( 接触角 ) を接触角計 (Phoenix a,meiwa-forces, 東京 ) を用いて, 大気圧プラズマ処理前後について測定した. インプラント側面を純窒素でブローした後, 水滴量 4 nl の条件で液滴 10 秒後に接触角を計測した. 接触角の測定法を図 2 に示す. 試料上の基準線 ( 白線 ) と水滴の接線 ( 黒線 ) との角度 ( 左 i L, 右 i R の平均 ) を接触角として算出した. なお, 以上の処理および評価を各インプラントに対して連続して行ったことから, 表面汚染を可及的避けるために, 実際の測定は以下の順番で行った.1 開封後直ちに XPS 測定 ( 開封直後 ).2 XPS 装置から取出し直ちに接触角測定 ( 開封直後 ).3 大気圧プラズマ処理を施し直ちに XPS 測定 ( 大気圧プラズマ ).4 再度大気圧プラズマ処理を施し直ちに接触角測定 ( 大

4 2014 年 12 月市販チタンインプラントへの大気圧プラズマ処理の効果気圧プラズマ ).5 OM および SEM 観察. 結果 1. 開封直後の表面形状各インプラントの OM 像および SEM 像 ( 低倍, 中間倍率, 高倍 ) を図 3 に示す. なお,3i Ossotite, SETiO および OSSTEM は機械研磨部と他処理部に分かれていたため, 両部位の SEM 像を示す. 機械加工に分類される Br-Bio,Br-Fix,Br-pi および 3i Ossotite( 機械研磨部 ) は, 微細な線状痕が観察されたが,Br-Bio は通常の旋盤加工による機械加工面と異なり, スレッド内部に微細な凹凸が観察された ( 矢印 ). SLA( ブラスト+ 酸エッチング ) および SLA+ 親水化に分類される SETiO (SLA 部 ),SETiO-P,PLA- TON,OsseoS,ANK,SLA,SLActive,INICELL +APL は, ブラスト処理と酸エッチング処理が併用された特有の微細構造を呈していた (SEM 5,000 倍 ). また,3i Ossotite(SLA 部 ) も同様の表面形状を有していた. なお, 一部のインプラント表面には, 中間倍率の SEM 像で示されるように, 微細粒子が突き刺さったような表面がごく一部位に観察された. 放電陽極酸化に分類される Br-Mk,TiUnite は, スパーク陽極酸化 ( マイクロアーク酸化 ) による特有の微細孔 ( 矢印 ) を有する表面形状が観察された. HA/Blast 処理に分類される POI,ALPHA,OSS- TEM の処理部については,POI は HA が溶射されたような表面が,ALPHA および OSSTEM はブラストされたような表面が観察された. なお,OSSTEM の機械研磨部は旋盤による機械加工面を呈していた. 2. 大気圧プラズマ処理による表面組成の変化 XPS 分析による開封直後および大気圧プラズマ処理後の表面組成 (Ti,O,C の at% およびその他の元素 ) を表 2 に示す. 開封直後では,Ti,O,C 以外の微量元素として Br-Bio には N が,Br-Fix には Ca,Zn, Pb が,Br-pi および 3i Ossotite には Ca が,SLActive には Zr,Na,Cl,Al が,INICELL+APL には Na, Ca,Si,Al が,Br-Mk および TiUnite には P が,POI には Ca,P,Al が,ALPHA には Ca,P,Si が,OS- STEM には Ca,Si,N がそれぞれ検出された. なお, SLActive の Zr は基材の Ti-Zr 合金 (Roxolid TM ) 由来である. これらの元素のうち大気圧プラズマ処理で検出されなくなった元素, もしくは減少した元素を ( アンダーラインで示す ) は, 炭素 (C) 以外では,Br-Bio の N, Br-Fix の Ca,Zn,Pb,Br-pi および 3i Ossotite の Ca, SLActive の Na,Cl,INICELL+APL の Na,Ca, Si,Br-Mk および TiUnite の P,POI の Al,ALPHA の Si,OSSTEM の Ca,Si,N であった. 大気圧プラズマ処理による炭素量の変化を図 4 に示す. 各分類において個体数 (n 数 ) が異なるため, 統計解析は行わず傾向をみるにとどめた. ほとんどのインプラント表面の炭素量は大気圧プラズマ処理によって減少したが, 増加するものも1 試料 (ALPHA) にみられた. 減少した試料では, 減少率の少ないもの (ANK, TiUnite) と, 比較的大きく減少するもの (Br- Bio, 3i Ossotite, PLATON, OsseoS, SLA, SLActive, INICELL+APL, Br-Mk) があった. 炭素量の変化を表面分類でまとめたグラフを図 5 に示す. すべての分類で大気圧プラズマ処理により炭素量は減少するが, 分類の違いによって炭素量が異なる傾向は認められなかった. 3. 大気圧プラズマ処理による接触角の変化各種インプラントの開封直後および大気圧プラズマ処理後のインプラントと滴下した水滴の断面図を図 6 に, 接触角の測定結果を図 7 に示す. 開封直後においては, 接触角が非常に大きく超疎水性 ( 撥水性 ) を示すもの (SETiO,PLATON,OsseoS,ANK,SLA), 接触角がほとんどゼロで超親水性を示すもの (SLActive, INICELL+APL), またそれらの中間で接触角が比較的小さく親水性を示すもの (Br-Bio,Br-Fix, Br-pi,SETiO-P,Br-Mk,TiUnite,POI) があり, インプラントによって異なる接触角を示した. 一方, 大気圧プラズマ処理を施したインプラントは, ほとんどすべてのインプラントが接触角ゼロの超親水性を示した. 接触角を表面分類ごとにまとめたグラフを図 8 に示す. なお,SLA 分類においては SETiO-P のみが明らかに他と著しく異なる値を示したので平均から除外した. また, 接触角においても図 5 と同様, 統計解析は行わず傾向をみるにとどめた. 開封直後のインプラン

5 日口腔インプラント誌第 27 巻第 4 号図 3 光学顕微鏡像 (OM) および表面の走査型電子顕微鏡 (SEM) 像 (1)

6 2014 年 12 月市販チタンインプラントへの大気圧プラズマ処理の効果図 3 光学顕微鏡像 (OM) および表面の走査型電子顕微鏡 (SEM) 像 (2)

36 534 日口腔インプラント誌第 27 巻第 4 号図 3 光学顕微鏡像 (OM) および表面の走査型電子顕微鏡 (SEM) 像 (3) 表 2 各種インプラント ( 開封直後, 大気圧プラズマ処理後 ) の表面組成 (at%) 略号開封直後大気圧プラズマ Ti O C その他 Ti O C その他 Br-Bio Br-Fix Br-pi 3i Ossotite SETiO

7 日口腔インプラント誌第 27 巻第 4 号図 3 光学顕微鏡像 (OM) および表面の走査型電子顕微鏡 (SEM) 像 (3) 表 2 各種インプラント ( 開封直後, 大気圧プラズマ処理後 ) の表面組成 (at%) 略号開封直後大気圧プラズマ Ti O C その他 Ti O C その他 Br-Bio Br-Fix Br-pi 3i Ossotite SETiO SETiO-P PLATON OsseoS ANK SLA SLActive INICELL+APL Br-Mk TiUnite POI ALPHA OSSTEM N Ca,Zn,Pb Ca Ca Zr,Na,Cl,Al Na,Ca,Si,Al P P Ca,P,Al Ca,P,Si Ca,Si,N N Ca,Zn,Pb Ca Ca Zr,Na,Cl,Al Na,Ca,Si,Al P P Ca,P Ca,P Ca,Si,N アンダーライン : 大気圧プラズマ処理により減少した元素

8 2014 年 12 月市販チタンインプラントへの大気圧プラズマ処理の効果図 4 各種インプラントの大気圧プラズマ処理による炭素量の変化図 5 表面分類ごとの炭素量の変化図 6 各種インプラントの開封直後および大気圧プラズマ処理後の水滴の断面図

9 日口腔インプラント誌第 27 巻第 4 号図 7 図 8 各種インプラントの開封直後および大気圧プラズマ処理後の接触角表面分類ごとの接触角 (SLA:SETiO-P を除く ) トは,SLA 分類が平均 138 の接触角であり超疎水性を示した反面,SLA+ 親水化は超親水性を示した. 機械加工, 陽極酸化,HA/Blast 処理はこれらの中間の値を示した. 一方, 大気圧プラズマ処理インプラントはすべての分類で超親水性を示した. 考 1. 市販インプラントの表面形状および表面組成今回使用した市販インプラントはさまざまな表面形状および表面性状 ( 物理化学的性質 ) を有していた. 宮崎らは, 各種チタン製骨内インプラントの表面形態の観察や表面酸化被膜の分析を行い, 特徴のある微細な表面形態を有していたこと, 酸化物被膜の厚さが大きく異なっていたことを報告している 23,24).Dohan Ehrenfest らは, 市販インプラントの表面について詳細に検討し, 材料, 表面形状, 表面組成を分類しそれ察らをコード化して報告している 25,26). 本研究においても, 表面観察, 組成分析, および接触角測定の結果を参考に, 特徴的な 5 つの表面に分類にすることができた. 表面形状に関し, 機械加工に分類されるインプラントは旋盤加工によると考えられる微細な線状痕が観察されたが,Br-Bio は通常の旋盤加工による機械加工面と異なり, スレッド内部に微細な凹凸が観察された. これは機械加工とレーザーマイクロ加工を併用していることによるものと考えられた 27). SLA( ブラスト+ 酸エッチング ) および SLA+ 親水化に分類されるインプラント表面は, ブラスト処理後と酸エッチング処理が併用されたマイクロ構造とナノ構造を有する微細構造を呈していた. なお, 一部のインプラント表面には微細粒子が突き刺さったような表面がごく一部位に観察された. これを電子線マイクロアナライザー (EPMA,JXA-8200, 日本電子, 昭島市 ) で分析した結果を図 9 に示す. 微粒子はアルミナであることが確認され, ブラスト時にチタン基材に突き刺さったアルミナ粒子が完全に除去できなかったことが一因と推察される. これらの粒子は大気圧プラズマ処理によっても除去できず,XPS 分析においても Al は減少しなかった. 放電陽極酸化処理に分類されるインプラント表面は, リン酸溶液中でスパーク陽極酸化 ( マイクロアーク酸化 ) 法により作製されることから, 表面には微細孔をもった独特の表面形状を呈していた. 表面組成に関し,OsseoS はブラスト処理と酸エッチングを施して粗面を形成した後に,pH が 3.0~3.5 の 4% 程度のフッ化ナトリウム (NaF) 溶液に浸漬して, あるいはブラスト処理後に希釈したフッ化水素酸 (HF) で表面処理され提供される 28). これらの処理により表面が粗糙化し同時にフッ素化合物を形成するとされるが, われわれの分析においてはフッ素 (F) の存在は確認できなかった. これは,OsseoS 表面で検出される F 量が極微量であった報告 28) を参考にすると, 本試料も XPS の検出限界付近の F 量であったと考えられる. このような微量の F 量が骨形成に関与するかの研究は行われておらず, さらなる検討の必要性があると考えられる. 放電陽極酸化に分類される Br-Mk,TiUnite 表面には相当量のリン (P) が検出された. これは, スパー

2014 年 12 月市販チタンインプラントへの大気圧プラズマ処理の効果 39 537 図 9 一部の分類 SLA インプラント表面にみられた微細粒子の EPMA 分析図 10 開封直後のインプラント表面の炭素量と接触角の関係ク陽極酸化処理がリン酸溶液中で行われることに由来すると考えられる 28,29). この P の存在が放電陽極酸化処理表面の骨形成能に影響することが考えられる.

10 2014 年 12 月市販チタンインプラントへの大気圧プラズマ処理の効果図 9 一部の分類 SLA インプラント表面にみられた微細粒子の EPMA 分析図 10 開封直後のインプラント表面の炭素量と接触角の関係ク陽極酸化処理がリン酸溶液中で行われることに由来すると考えられる 28,29). この P の存在が放電陽極酸化処理表面の骨形成能に影響することが考えられる. HA/Blast 処理インプラントに関し,POI には Ti が検出されずに Ca,P,O が検出され, 表面観察においても球状物質が観察された. これは,POI は全面が HA でコーティングされているためと推察された. ALPHA は HA 粒子によるブラスト処理によって作製されているためか Ti 量はわずかであった. また, OSSTEM は HA 粒子によりブラスト後に酸処理されているためか Ca 量は微量であった. 2. 市販インプラントの接触角市販インプラント開封直後の親疎水性 ( 接触角で評価 ) は,SLA に分類されるインプラントが超疎水性を示した反面,SLA+ 親水化インプラントは超親水性を示した. 機械加工, 陽極酸化,HA/Blast 処理インプラントはこれらの中間の値を示した. 本研究で大気圧プラズマ処理前の表面炭素量と接触角の関係を調査した結果, 表面炭素量の減少に伴って接触角が低下する傾向は認められるものの, 相関係数は小さく両者間に有意な相関関係が認められなかった ( 図 10). これは, 接触角 ( 親疎水性 ) は表面炭素量のみに依存せず, 表面の微細構造や炭素以外の元素の存在も影響している結果と考えられる. SLA と SLActive を比較した場合, 前者は超疎水性を示した反面, 後者は超親水性を示した. この理由は, これらのインプラント表面形状がマイクロ構造とナノ構造を有する微細構造を呈し, 無限大に近い大きな表面積を有していることに起因すると考えられる. すなわち, 表面積は表面形状因子として接触角に大きな影響を与え, 無限大に近い表面積をもつ表面では平坦表面での少しの疎水性が超疎水性 ( 撥水性 ) に, 少しの親水性が超親水性に転じることが知られている 30). 超親水性を示した SLActive は, ブラスト処理と酸処理を施す工程は SLA 処理と同じであるが, 処理直後に窒素雰囲気下で表面を清掃し直ちに生理食塩液の入ったガラスチューブに入れシールドされ, インプラントは溶液の入った保存瓶に入れられて提供された 16). したがって SLActive は, 酸エッチングにより表面の汚染層が除去され清浄な表面になったことに加えて, ブラスト+ 酸処理による表面形状が相乗的に作用したため超親水性を示したと考えられる 16). また,INICELL+APL はインプラント本体 (INI- CELL) と APLIQUIQ と称される溶液が同梱されており, 指示書には本溶液には 0.05 M NaOH を含むと記されていた. 本研究では INICELL を付属溶液に 10 分間浸漬した後, 軽く水洗して実験に供した. 本インプラントが超親水性を示した理由は,SLA 表面と同様な表面形状と NaOH 処理による主にチタン酸ナトリウムの形成が相乗的に働いて超親水性を発揮したと考えられる 19). 機械加工, 陽極酸化,HA/Blast 処理インプラントはこれらの中間の値を示した. 機械加工, 陽極酸化に分類されるインプラントは,SLA インプラントと比較し微細なマイクロナノ構造を有していなかった. これらのインプラントが SLA の炭素量と大差がないのにも拘わらず疎水性を示さなかったのは, このよう

11 日口腔インプラント誌第 27 巻第 4 号な表面形状が影響していると考えられる.HA/Blast 処理インプラントは, チタン酸化物と異なり表面に相当量の HA が存在していたことから,HA の親水性が影響を及ぼしたと考えられる. 3. 大気圧プラズマ処理の影響について本研究の結果, 大気圧プラズマ処理によりほぼすべてのインプラント表面で炭素量の減少を認めた. また, 表面汚染と考えられる微量元素の量が減少した. さらに, 本処理により, 表面の異なるすべての市販インプラントは接触角がほぼゼロの超親水性に転じた. 大気圧プラズマ処理によりすべての市販インプラントが超親水性に転じた理由は, 緒言で述べた如く表面に吸着している炭化水素が分解されたこと, および大気中水分子と反応し表面により多くの水酸基を形成した結果と考えられる 30). このように, 大気圧プラズマ処理は,SLActive や INICELL+APL のような特殊な処理を施した表面以外のインプラントにも超親水性を付与できることが明らかとなった. 歯科領域への低温プラズマ処理の応用に関しては, 応用例の紹介レビュー 31), 本処理による超親水性表面は接着性タンパク質フィブロネクチンが優先的に吸着し細胞接着を促進すること 3,4), 線維芽細胞成長因子 (FGF-2) の産生が確認され血管新生が亢進すること 32), 線維芽細胞の増殖を促進すること 7), インプラントの骨接触率が上昇すること 33), チタンアバットメントへ応用し汚染の除去に寄与すること 34,35) などが報告されている. 本法と類似した物理修飾法に UV 照射法がある. プラズマ処理と UV 処理を施したチタン表面はともに超親水性を示し,XPS 分析の結果では炭素量の著しい減少と水酸基の増加が認められたことが報告されている 30). したがって, プラズマ処理と UV 照射では本質的に差はなく, 量的な違いこそあれ, 表面に吸着した疎水性有機物 ( ハイドロカーボン ) が分解される効果と, 酸化チタン表面に水酸基が導入される効果が相まって, 超親水性を発揮するものと考えられる 30). しかし, 本法と UV 処理法には処理時間で大きな差があり, 本法は 5 秒であるのに対し, 市販の UV 法では 10 分以上の処理時間を要する. この違いの第一の要因は, 照射エネルギーの違いにある. すなわち, 照射エネルギーは, 本法が約 13 ev( 波長換算 95 nm) と非常に大きいが, インプラント処理に通常使用されている UV(C) は約 5 ev( 波長換算 250 nm) と比較的小さい. したがって, 本法ではきわめて短時間での処理で超親水性表面が期待できるが,UV(C) 処理では短時間で超親水性を得ることは難しい. これを解決するにはエキシマ UV( 波長 172 nm) などの波長の短い UV を使用する必要があろう. 第二の要因は排気時間の必要性である. 本法は大気中での直接処理であるから排気は不要であるが, UV 法では数分以上の排気時間が必要である. これらの要因が重なって処理時間に大きな差が生ずると考えられる. 以上のごとく, 本処理はきわめて短時間 (5 秒程度 ) の処理で超親水性が得られ,UV 照射法が通常 10 分以上の処理時間を必要としていることを考慮すると, 臨床現場での応用, 特にインプラント埋入直前の処理に適していると考えられる. しかし, 本研究で用いた大気圧プラズマ装置は試作品であり, 円筒状のインプラント側面の全周に処理ができるような回転治具の設置, 装置の一体化など, チェアサイドで使用するには改善が必要である. 臨床現場で利用するために, 本装置による処理はきわめて短時間で完了することから, 手術室での処理後ただちに埋入することができる. もし, 大気圧プラズマ処理後にさらに保管が必要な場合は, 滅菌生理食塩水中で保管することにより超親水性が持続すると考えられる 30). また, コストに関しては従来市販されている UV 装置と同等以下に抑えることは可能である. 以上のように, 大気圧プラズマ処理法はインプラント臨床に有効なツールになると考えられるが, 臨床応用における有効性に関してはエビデンスが得られていない. そのためには, 生体反応に関わるインプラント表面因子を検証し, エビデンスを構築しなければならない. 結論 17 種類の市販インプラントに大気圧プラズマ処理を施し, 表面組成 ( 特に炭素量 ) と表面濡れ性 ( 接触角 ) に与える影響を調査した結果, 以下の結論が得られた. 1. 市販インプラントはさまざまな表面形状および表面性状を有しており, 表面観察, 組成分析,

12 2014 年 12 月市販チタンインプラントへの大気圧プラズマ処理の効果および接触角測定の結果から, 機械加工, ブラスト+ 酸エッチング処理 (SLA),SLA+ 親水化処理,( 放電 ) 陽極酸化,HA/Blast 処理に分類された. 2. 大気圧プラズマ処理により, ほぼすべてのインプラント表面で炭素量の減少が認められた. 3. 大気圧プラズマ処理により, すべて分類の市販インプラント表面は接触角がほぼゼロの超親水性に転じた. 以上より, 大気圧プラズマ処理法は, 大気中で処理可能であり, きわめて短時間 (5 秒程度 ) の処理で超親水性表面が得られることから, 臨床現場での応用, 特にインプラント埋入直前の処理に適していると考えられた. 文献 1) Linderbäck P, Harmankaya N, Askendal A, et al. The effect of heat- or ultra violet ozone-treatment of titanium on complement deposition from human blood plasma. Biomaterials 2010;31: ) Harmankaya N, Igawa K, Stenlund P, et al. Healing of complement activating Ti implants compared with nonactivating Ti in rat tibia. Acta Biomaterialia 2012;8: ) Wei J, Yoshinari M, Takemoto S, et al. Adhesion of mouse fibroblasts on hexamethyldisiloxane surfaces with wide range of wettability, J Biomed Mater Res 2007; 81B: ) Wei J, Igarashi T, Okumori N, et al. Influence of surface wettability on competitive protein adsorption and initial attachment of osteoblasts. Biomed Mater 2009;4 doi: / /4/4/ ) Sawase T, Jimbo R, Wennerberg A, et al. A novel characteristic of porous titanium oxide implants. Clin Oral Implants Res 2007;18: ) Duske K, Koban I, Kindel E, et al. Atmospheric plasma enhances wettability and cell spreading on dental implant metals. J Clin Periodontol 2012;39: ) García JL, Asadinezhad A, Pacherník J, et al. Cell proliferation of HaCaT keratinocytes on collagen films modified by argon plasma treatment. Molecules 2010;15: ) Schwarz F, Ferrari D, Herten M, et al. Effects of surface hydrophilicity and microtopography on early stages of soft and hard tissue integration at non-submerged titanium implants:an immunohistochemical study in dogs. J Periodontol 2007;78: ) 山崎弘光, 大島朋子, 坪田有史, ほか. 低周波大気圧プラズマジェットによる口腔病原微生物に対する殺菌効果の検討, 日歯理工誌 2011;30: ) Almaguer-Flores A, Olivares-Navarrete R, Wieland M, et al. Influence of topography and hydrophilicity on initial oral biofilm formation on microstructured titanium surfaces in vitro. Clin Oral Implants Res 2012;23: ) 板橋勇人. グロー放電処理を行ったチタン表面への細胞付着に関する研究歯材器 1996;15: ) 吉成正雄, 松坂賢一, 井上孝, ほか. 超親水性表面は骨芽細胞の増殖を促進する. 日再生歯科医誌 2004;2: ) Shibata Y, Hosaka M, Kawai H, et al. Glow discharge plasma treatment of titanium plates enhances adhesion of osteoblast-like cells to the plates through the integrinmediated mechanism. Int J Oral Maxillofac Implant 2002;17: ) Aita H, Hori N, Takeuchi M, et al. The effect of ultraviolet functionalization of titanium on integration with bone. Biomaterials 2009;30: ) Aita H, Att W, Ueno T, et al. Ultraviolet light-mediated photofunctionalization of titanium to promote human mesenchymal stem cell migration, attachment, proliferation and differentiation. Acta Biomaterialia 2009;5: ) Rupp F, Scheideler L, Olshanska N, et al. Enhancing surface free energy and hydrophilicity through chemical modification of microstructured titanium implant surfaces. J Biomed Mater Res 2006;76A: ) Wu JM, Hayakawa S, Tsuru K, et al. Porous titania films prepared from interactions of titanium with hydrogen peroxide solution. Scripta Mater 2002;46: ) Takemoto S, Yamamoto T, Tsuru K, et al. Platelet adhesion on titanium oxide gels:effect of surface oxidation. Biomaterials 2004;25; ) Tugulu S, Löwe K, Scharnweber D. Preparation of superhydrophilic microrough titanium implant surfaces by alkali treatment. J Mater Sci:Mater Med 2010;21: ) 長田義仁. 低温プラズマ材料化学, 第 2 版 ; 東京, 産業図書,5 27, ) Hayakawa T, Yoshinari M, Nemoto K. Characterization and protein-adsorption behavior of deposited organic thin film onto titanium by plasma polymerization with hexamethyldisiloxnane. Biomaterials 2004;25: ) Yoshinari M, Hayakawa T, Matsuzaka K, et al. Immobilization of fibronectin onto organic hexamethyldisiloxane coatings with plasma surface modification. J Oral Tissue Engin 2004;1:69 79.

13 日口腔インプラント誌第 27 巻第 4 号 23) 宮崎隆, 田中久雄, 青山訓康, ほか. 各種チタン製骨内インプラントの表面形態の観察. 日口腔インプラント誌 1991;4: ) 宮崎隆, 田中久雄, 青山訓康, ほか. 各種チタン製骨内インプラントの表面酸化被膜のオージェ電子分光分析. 日口腔インプラント誌 1991;4: ) Dohan Ehrenfest DM, Coelho PG, Kang BS, et al. Classification of osseointegrated implant surfaces:materials, chemistry and topography. Trends Biotechnol 2010; 28: ) Dohan Ehrenfest DM, Vazquez L, Park YJ, et al. Identification card and codification of the chemical and morphological characteristics of 14 dental implant surfaces. J Oral Implantol 2011;37: ) Thomsson M, Esposito M. A retrospective case series evaluating Brånemark BioHelix implants placed in a specialist private practice following conventional procedures. One-year results after placement. Eur J Oral Implantol 2008;1: ) Kang BS, Sul YT, Oh SJ, et al. XPS, AES and SEM analysis of recent dental implants. Acta Biomaterialia 2009; 5: ) Wennerberg A, Albrektsson T. On implant surfaces:a review of current knowledge and opinions. Int J Oral Maxillofac Implants 2010;25: ) 江黒徹, 村田功, 大橋功, ほか. チタンの親水性に及ぼす表面形状と表面化学修飾の影響. 日口腔インプラント誌 2011;24: ) Seunghee Cha,Young-SeokPark. Plasma in dentistry. Clinical Plasma Medicine. 2014;DOI: /j.cpme ) Kalghatigi S, Friedman G, Fridman A, et al. Endothelial cell proliferation is enhanced by low dose non-thermal plasma through fibroblast growth factor-2 release. Annals of Biomedical Engin 2010;38: ) Coelho PG, Giro G, Teixeira HS, et al. Argon-based atmospheric pressure plasma enhances early bone response to rough titanium surfaces. J Biomed Mater Res 2012; 100A: ) Canullo L, Penarrocha-Oltra D, Marchionni S, et al. Soft tissue cell adhesion to titanium abutments after different cleaning procedures:preliminary results of a randomized clinical trial. Med Oral Patol Oral Cir Bucal 2014; 19:e ) Han I, Vagaska B, Seo HJ, et al. Promoted cell and material interaction on atmospheric pressure plasma treated titanium. Appl Surface Sci 2012;258:

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SLActive_cs4.indd SIMPLY BETTER STRAUMANN SLActive SLActive 1 SLActive SLA SLActive SLA 2,3,4,5,6,7 SLActive 1,3,4,5,6,7,8,9 3 4 2 8 SLActive SLA SLActive SLA 1 2 3 4 5 6 7 8 1,2 SLActive 2 2 4 1 SLActive SLA SLActive 11

日本口腔インプラント学会 第27巻 4号

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