Hydroxyapatite-zirconia (HAp-ZrO2) bio-composites were fabricated by our newly developed underwater-shock compaction technique. Hydroxyapatite [Hap; Ca10(PO4)(OH)2] is well known to be a bioactive ceramic having excellent biocompatibility with body environment. However, fracture strength and toughness of this bio-ceramic itself are low and its tensile strength does not withstand to practical use for implant materials.
Therefore, ZrO2 powder is added to HAp powder in order to obtain good mechanical properties of HAp without any degradation of biocompatibility.
Experimental assembly for underwater-shock compaction consists of three parts, i.e. explosive container, water tank and powder container from top to bottom. The water tank is shaped to be a circular cone, and so, the energy of shock wave was increased by the convergence of shock wave due to the reduction of cross section area of the water tank. Sound compacts of HAp-ZrO2 composites without any cracks and tears were fabricated. The relative densities of the composites were more than 80% as compared with 40% stacking density. The compacts were post-sintered at various temperatures. The structures were almost the same as the as-compacted state to 1373K sintering. Fracture toughness was obtained to be 3.04 MPa√m, which is equal to that of human bone. As a result, the addition of ZrO2 is confirmed to be effective for an improvement of low fracture strength of HAp.
ハイドロキシアパタイト-ジルコニア系生体複合粉末を用いて水中衝撃圧縮を試みた。
優れた生態適合性を示すハイドロキシアパタイトは，人工歯根や人工骨などの生体用インプラント材として実用化が期待されるセラミックスである。しかしながら，このセラミックスは破壊強度及び破壊靱性などの機械的特性が乏しいため，その利用範囲は限られている。そこで本研究ではこのセラミックスの強靭化を図るため，機械的強度が優れ，かつ生体親和性に優れるジルコニア粉末を添加することによって，良好な機械的性質を得ることを目的とした。水中衝撃圧縮法のための実験装置は爆薬充填部，水槽部及び粉末充填部の3層から構成されている。水槽部は円錐状に成型し，衝撃エネルギーは下部に行くにつれ，水槽断面積が減少することにより，衝撃波の反射，収束により，増加させている。この方法により，焼結助剤を用いることなく，割れ等の欠陥のない良好なハイドロキシアパタイト-ジルコニア系生体複合体を作製できた。この複合材の相対密度は充填時の40％から圧縮後80％以上が得られた。この複合体は種々の温度で焼結を行った。組織は1373Kまでは圧縮ままとほぼ同一であった。破壊靱性は3.04MPa√mとほぼ人骨の値に等しい値が得られた。この結果より，ハイドロキシアパタイトの強化に対し，ジルコニア粉末添加が有効であることを見出した。
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