アルミナセラミック：骨組織の修復と再生に適したバイオセラミック材料
歯や骨の欠損部の充填、骨移植、骨折部や骨補綴物の固定、病変組織の置換などに用いられる生体材料として用いられるセラミックは、バイオセラミックスと呼ばれます。バイオセラミックスは、高強度、耐摩耗性、高い圧縮強度と曲げ強度、高い生体適合性といった優れた特性から、医療分野で広く利用されています。バイオセラミックスは19世紀に初めて登場しました。当時、吸収性セラミックスの一種である焼石膏が実験や臨床現場で使用され、バイオセラミックス分野への学者の関心が大いに高まりました。20世紀初頭から中頃にかけて、アメリカの学者タルバートは粒状のセラミック材料（アルミナセラミックス）を人工関節に加工し、成犬の大腿骨に移植することで成功を収めました。アルミナセラミックスは多くの科学研究者の注目を集めました。
①アルミナセラミック
アルミナセラミックスの概念は広範囲にわたります。純粋なアルミナセラミックスに加え、アルミナ含有量が45%以上のセラミック材料はすべてアルミナセラミックスと呼ばれます。アルミナセラミックスには多くの均質結晶と異質結晶がありますが、現在最も一般的に使用されているのはα-Al2O3とγ-Al2O3です。結晶構造が異なるため、それぞれ異なる特性を持っています。中でも、コランダムとも呼ばれるα-Al2O3は、アルミナセラミックスの主な結晶相であり、高い機械的強度、耐高温性、耐腐食性を備えています。
一般的に、アルミナ含有量が99.9%を超える製品は高純度アルミナとされています。高純度アルミナは、高融点、高硬度、高電気抵抗、優れた触媒性能、良好な機械的特性、耐摩耗性、耐腐食性、絶縁性、耐熱性など、優れた特性を備えています。高純度アルミナ多結晶は、1969年に人体における生体機能材料として利用され始めました。医療工学分野で使用される高純度アルミナファインセラミックスには、単結晶と焼結多結晶の2種類があります。単結晶アルミナは強度が高く、耐摩耗性に優れており、加工することで骨折固定具や人工歯根などに加工できます。一方、高強度を特徴とする多結晶アルミナは、関節、人工歯根、人工骨、ダブルカップ人工股関節などの製造に用いられます。
②人工関節におけるアルミナセラミックスの応用
1972年、ブーティンはアルミナセラミックスを用いたヒト股関節の作製とその臨床応用などについて報告しました。1977年には、四方らがアルミナセラミックス製の大腿骨頭と高分子量ポリエチレン製の寛骨臼を組み合わせた人工股関節を開発しました。1982年には、米国食品医薬品局（FDA）が、アル₂O₃セラミックス製のボール、寛骨臼、CoCrMo合金製のステムからなる人工股関節の米国における臨床応用を正式に承認しました。
高純度アルミナセラミックは、摩擦係数が非常に低く、硬度が高く、濡れ性が良好であるため、関節摩擦面として最適です。米国食品医薬品局（FDA）の規制によると、医療分野では高純度アルミナのみを使用でき、ガラス粒界相を形成できる不純物（二酸化ケイ素、金属ケイ酸塩、アルカリ金属酸化物など）は0.1wt％未満でなければなりません。これは、このような不純物の劣化により応力集中領域が形成され、亀裂が発生する可能性があるためです。研究により、適切な焼結パラメータ（温度、時間、加熱/冷却速度）とドーピング添加剤（酸化マグネシウム、酸化ジルコニウム、酸化クロムなど）を選択することで、アルミナの粒径と多孔度を制御でき、アルミナの靭性と破壊強度を効果的に向上できることがわかっています。
ジルコニアとアルミナで形成された複合材料は、ジルコニア強化アルミナ（ZTA）またはアルミナ強化ジルコニア（ATZ）と呼ばれ、人工関節材料としても重要な役割を果たしています。これらの2つの複合材料は、主成分の含有量によって異なり、ジルコニアの強化能力と、低温生体液中での劣化に対するアルミナの低感受性を兼ね備えています。材料の設計要件に応じて、高い破壊靭性を重視する必要がある場合はATZを選択し、硬度を重視する必要がある場合はZTAを使用できます。現在、ZTA関節の耐荷重面が耐摩耗性の点でより大きな利点があることを示す臨床データは不十分です。研究によると、関節手術におけるZTAおよびジルコニアベースの強化アルミナ（ZPTA）の応用は、ATZよりもはるかに広いことが示されています。
③口腔修復におけるアルミナセラミックスの応用
アルミナセラミックは、透光性があり、天然歯に近い色調で、毒性も弱いです。アルミナセラミックは熱伝導率が低いという大きな特徴があり、冷たい食べ物や熱い食べ物が歯髄に与える刺激を軽減します。ジルコニアセラミックは、耐摩耗性、耐腐食性、耐高温性に優れ、天然歯に近い色調で、歯の修復に適しており、高い強度も備えています。アルミナセラミック材料の相組成と製造プロセスの違いにより、オールセラミック修復分野で使用されるアルミナセラミックは、以下のカテゴリーに分類されます。
（１）ガラス含浸アルミナセラミックス
ガラス浸透法は、正式名称をスリップキャスティングガラス浸透法といいます。アルミナを母材として多孔質構造を呈し、着色剤を含むランタン・ホウ素・シリコン系ガラスを浸透させます。成形後、アルミナ結晶相とガラス結晶相が相互浸透した微細構造を形成します。ガラス浸透アルミナセラミックスは高い機械的強度を有し、曲げ強度は250～600MPa、破壊靭性は3～4MPa·m¹/²です。代表的な製品は、ドイツのVita社製In-セラム Aluminaシステムのベースクラウンで、これは臼歯部における3ユニットブリッジを製作できる初のオールセラミック修復システムでもあります。
（２）高純度緻密焼結アルミナセラミックス
純度99.9%までのアルミナ粉末を超高圧（乾式加圧成形）で成形し、焼結するアルミナセラミックスです。この加圧成形法によって、高密度かつ低気孔率のアルミナセラミックスが実現します。このセラミックス材料は、500～700MPaの曲げ強度と5～6MPa·m¹/²の破壊靭性を達成できるため、臨床的には臼歯部のブリッジ構造として使用できます。
（３）ガラス含浸ジルコニア強化アルミナセラミックス
このタイプのセラミックは、ガラス含浸アルミナセラミック粉末に部分安定化ジルコニアを35%添加して成形されます。成形後、材料内部に均一に分散した正方晶ジルコニアが観察されます。また、アルミナセラミックシリーズの中で最も強度の高いセラミック材料でもあります。ジルコニア強化アルミナセラミックは透光性が低いため、臨床的には審美性がそれほど要求されない臼歯の修復に一般的に使用されます。