JP3597541B2 - 生物材料のための組成物、調製の方法 - Google Patents

Description

本発明は、吸収／置換機能を生じさせることを意図した支持性有機組織を充填するための生物材料のための注入可能な組成物に関する。
リン酸カルシウム粒子及び生物接着剤に基づく骨質の置換は当該技術で周知である。
これにより、G.Daculsiらは、Ann.Oto.Rhino.Laryngol.101:1992において、乳頭様の腔を閉塞させるためのリン酸カルシウム２相微孔性組成物の有効性を記載する。
同じ著者らは、長骨の外科的修復のための（Journal of Biomedical Materials Research,Vol.24,379〜396）及び椎骨の関節固定における（Clinical Orthopaedics and Related Research,248,1989,169〜175）二相リン酸カルシウム大孔性組成物の有効性も報告している。
歯科学におけるリン酸カルシウムの有用性がいくつかの記事:A.Jeanら（Cells and materials 1993;3:193〜200“Pulpal vesponse to calcium phosphate materials.In vivo study of Calcium Phosphate materials.Endodontics"）;B.Aliot−Lichtら（Arch.Oral Biol.1994;39:481〜489“Comparative effect of calcium hydroxide and hydroxyapatite on the cellular activity of human pulpal fibroblasts.An in vivo approach."）において証明されている。
更に、JP3011006は、少なくとも60％のα−リン酸三カルシウム並びにヒドロキシアパタイト及び／又は一リン酸カルシウムからなる無機相、並びにカルボキシルメチルセルロースを含む液相を含む硬質組織のためのセメントを記載する。
しかしながら、このような組成物は、硬質組織の吸収／置換の過程を許容するのに十分に安定でないα−リン酸三カルシウムの過剰な溶解度のため、不利である。更に、このような組成物は有害な炎症過程が与えがちである。更に、この混合物は、形成されてすぐに混合物が硬化するため、数分後の注入に適さないカルシウムイオノマーを構成する。この組合せは、二重の不安定性、即ち数日後の水の遊離を伴う体積の縮小及びとりわけオートクレーブでの混合物の滅菌後の粘性のある液滴を示す。“直ちに用いることができ”、滅菌され、そして注入可能である材料を作り出すことは可能でない。
本発明の目的は、再植され、注入可能で、そして移植部位においてその場で硬化することができる無機相で満たされた生物材料組成物を提供することである。
特に、この組成物は、次の特性を示さなければならない：
−それは滅菌可能でなければならず；
−それは生体内で毒性であってはならず；
−それは鉱化面及び／又は組織瘢痕化を誘導する高無機充填を有さなければならず；
−それは、無機充填剤を機能部位に運び、そして次に複合材料のためのマトリックスとして機能しながら、組織瘢痕化まで、この部位にそれを保持する媒介体として機能する分散剤を含まなければならず；
−それは、生物学的緩衝液と接触して硬化する前に、流体又はペースト状態において、特にシリンジ又は歯の手術に用いられる“レンツロ”タイプの装置での注入（いわゆるレンツロ適用可能組成物）により、生物媒体内に導入され得なければならず；
−それは、使用前に比較的長期間、保存することができるように安定でなければならず；
−それは容易に用いることができなければならない。
この目的は本発明により達成された。その対象は、支持性有機組織の吸収／置換のための生物材料のための組成物であって、
20〜75重量％の、β−リン酸三カルシウム（Ｂ）又はチタンリン酸カルシウム（Ca（Ti）_４（PO₄）_６）（Ｃ）と任意的に混合したヒドロキシアパタイト（Ａ）のいずれかを含む粒子からなる無機相、並びに
80〜25重量％の、その媒体のpHの効果下で自己架橋する水溶性のバイオコンパチブルなポリマーの水溶液を含む液相
を含む組成物である。
リン酸カルシウムの粒子に基づく無機相は、鉱化面のために必要とされる無機充填剤を提供する。
式Ca（Ti）_４（PO₄）_６のチタンリン酸カルシウム（CTP）は、好ましくは、“Nasicon様”金属リン酸カルシウムタイプのものである。
無機粒子は、有利には、ヒドロキシアパタイト（Ａ）及びβ−リン酸三カルシウム（Ｂ）の混合物を含み、ここでこれらの混合物は、一般に、頭字語BCP（二相リン酸カルシウム）と呼ばれる。その混合物は、好ましくは、A/Bの重量比が80/20〜30/70、特に約60/40の化合物Ａ及びＢを含む。
この型の充填剤は、高温フリットからなり、組成物が調製される場合、その粒子が80μｍ〜200μｍの径を有する粉末又は粒子に粉砕され、分けられる。しかしながら、他の型の充填剤又は粒子サイズの合成は、組織及び適用により選択され得る。粒径の選択は、特に要求される吸収速度及びレオロジーにより導かれ得る。80μｍより小さい径の粒子は、一般に、かなり迅速な吸収速度を有する。それらは特に整形外科手術に適用が見い出される。歯の手術における歯内治療の適用のために、200μｍより大きい径の粒子は、それらは組成物のレオロジーのため注入の問題を有するので避けられるべきである。
他の無機充填剤、例えば“Nasicon様”セラミックス（CZP）、リンカルシウムセラミックス又はバイオガラスを用いることもできる。
一方で、それと密接に混合することができる粒状組織充填剤のための分散剤として、液相が用いられる。それは最終組成物のために液体又はいくらかペースト形態であり得る。他方で、それは無機充填剤を組み込む複合材料のマトリックスを形成することが意図される。
この目的のために、その液相は水溶液中で自己架橋するポリマーを含む。
生物材料への適用を考慮に入れると、ポリマーは、バイオコンパチブル、即ちそれは毒性であってはならず、そして生物内に移植された時に拒絶反応を生じてはならない。更に、その架橋はいずれの毒性副産物をも遊離してはならない。
更に、ポリマーは、所定の媒体中で未架橋の状態で安定でなければならず、そして単にそれが移植される生物媒体と接触されることにより自己架橋できなければならない。この基準に最もよく合致するポリマーは、生物学的緩衝液のpHの効果の下で架橋することができるものである。これらのポリマーは、好ましくは、比較的塩基性の水相で未架橋状態で可溶性であり、pHの低下の効果で架橋する。
ポリマーは、強い架橋生物材料を作り出すために、移植媒体中で共有結合で架橋することが特に有利である。
結果として、生物学的緩衝液のpHにおいて、分子間、及び可能なら分子内共有結合を形成する化学反応を行うことができるポリマーを供することが好ましい。
このようなポリマーは、有利には、加水分解副産物としていずれの毒性産物も遊離せずに生物媒体中で加水分解してシラノレートを形成することができるシリコンベースの反応性官能基、例えばアルカリ金属もしくはアンモニウムシラノレート基又は有機ケイ素基を含む側鎖基を有するポリマーから選択される。
適切なシラノレート側鎖基は、例えば式：
−CH₂−CHOH−CH₂O−（CH₂）_３−Si−（ONa）_３
の基であり得る。
硬化性生物材料への適用に適した架橋の程度を供するために、シラノレート又はシラノレート前駆体のシリコンを有する側鎖基が、前記ポリマーの全乾燥重量の１〜５％であることが要求される。
側鎖基が結合するベースポリマーは、それがバイオコンパチブルであるなら、種々の天然物のものであり得る。
それは、有利には、その適合性が公知であり、薬物のための遅延マトリックスに生薬において適用されるセルロース及びセルロース由来のポリマーから選択され得る。非イオン性セルロースエーテル、例えばヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシエチルメチルセルロース又はヒドロキシプロピルメチルセルロースが特に言及され得る。
これにより、共有結合により自己架橋することができ、セルロースから得られるポリマーは、式（１）
XSi（OZ）_３ （１）
（式中、Ｘはハロゲン原子又はエポキシ官能基を含む炭化水素基、特にC_{2 〜 20}であり、そしてＺは水素原子、アルカリ金属及びアルキル基、特にC_{1 〜 ５}から選択される）の化合物との反応により、セルロース又はその誘導体のエーテル化により得ることができる。
式（１）の化合物は、例えば、（３−グリシドキシプロピル）トリメトキシシラン：

であり得る。
ヒドロキシエチルセルロース（HEC）から及び（３−グリシドキシプロピル）トリメトキシシランから得られるポリマーの合成は、Arjun C.Sau及びThomas G.Majeuicz（Cellelose Ethers;Self−cross−linking mixed ether silyl derivatives,ACS Symp.Ser.1992,Vol 476,265〜72）により記載される。
塩基性媒体中で、有機ケイ素化合物は、エポキシドの開環と共にHEC上に移植され、そしてメトキシシラン基が加水分解されて簡単な式：

に相当する化合物を作り出す。
このポリマーは約10.5より高い又はそれに等しいpHの水溶液中で安定である。溶液の酸性化は、ヒドロゲルの粘度及び形成を次第に増加させる。この物理的現象は、（ｉ）シラノレート基の、シラノール基への転化：

及び次の（ii）シラノールの、他のシラノールとの縮合：

による３次元ネットワークの形成、及び／又は（iii）セルロースエーテルの又は置換基の環の水酸基とのシラノールの縮合：

によるポリマーの架橋に相当する。
ポリマーの水溶液のpHの低下により形成される共有型のこの架橋は可逆的であり、生物学的緩衝液のpHが増加した時にヒドロゲルが溶ける。
このようなポリマーは、これらのリン酸カルシウムの塩基性度のため、BCPを含む本発明による組成物中に溶けた状態であり得る。本組成物は、ポリマーを溶かすのに必要とされるアルカリ度を供するために、いずれかの型の塩基も含み得る。
本発明による組成物において、イオン型の補助的架橋も、二価Ca²⁺カチオンにより橋かけされたシラノレート基においておこり得る。
自己架橋性シラノレート基による官能化は、適切な反応性を示すいずれかの型の水溶性及びバイオマンバチブルポリマーに適用することができる。他のポリサッカリド、特に、グアー、スターチ及びそれらのエーテル化誘導体が言及され得る。
その２つの構成物のため、本発明による組成物は、高無機物充填を有するシステムを形成し、橋かけのためのいずれのアジュバント又は触媒システムもなく、生物学的緩衝液と機能して自己架橋する。ここでそのポリマーの架橋は、組成物のpHの変化により誘発される。
得られた架橋された材料は、ポリマー成分及び該ポリマー中の架橋可能な官能基の量により、多少、濃密であろう。
液相もそのレオロジー特性及びそれゆえ生物媒体中に移植されることが意図された未架橋の最終組成物の粘弾性に関して挙動を決める。
従って、自己架橋可能なポリマーの濃度は、有利には、液相の重量に対して１〜５重量％、好ましくは約２重量％である。
他の形態において、本組成物の液相は架橋不能なバイオコンパチブルポリマーを含み、これは、注入前の組成物のレオロジー特性及び媒体中に移植された材料の硬化の程度を独立して決めることを可能にする。この目的のために、いずれかの水溶性バイオコンパチブルポリマー、特にポリサッカリド又はその誘導体、例えばセルロース及びセルロースエーテルを用いることができる。ポリマーの相対的な割合は、便利には、要求される特性の関数として調整されよう。
本発明による組成物は、無機相の及び液相の構成物を混合することによって得られる。
β−リン酸三カルシウム及びヒドロキシアパタイト又は無機相のCTP粒子又は粉末は、Daculsiら（Rev.Chir.Orthop.1989,75（２）:65〜71）に記載されるように得ることができる。
本発明による組成物の主な利点は、その２つの相の混合の前又は後に滅菌することができることである。
それゆえ本発明は、その対象として、上述の組成物であって滅菌されたものでもある。
エチレンオキシドでの慣用的な滅菌はこのような“直ちに用いることができる”材料の場合には可能でない。その混合物の構成物は、実際、それらの乾燥形態において滅菌されなければならず、これは、注入前に外科医による操作を要求する。この操作は難しく、再現性がない。
本発明によれば、滅菌組成物の調製は、液相のポリマー構成物を、要求される最終粘度の関数として決定された粘度まで、水に溶かすことにより行われる。その得られた溶液は次に、無機相と混合され、そして結果として生ずる組成物は、密封されたパッケージングボトル内に導入され、20分間、121℃でオートクレーブ中で滅菌される。
必要に応じて、混合物のオートクレーブ滅菌は、充填剤の溶解能があまり大きくならないなら、30分間、130℃の温度でも行うことができる。
その組成物（ポリマー濃縮物）の最初の粘度は、滅菌後の要求される粘度、即ち上述のポリマー濃度を得るのに適さなければならない。
ホスホカルシウム充填剤の溶解能が、この温度でのレオロジーの問題のため、その混合物が121〜130℃で滅菌されるのを許容しないなら、その水性液相は、上述の条件の１つにおいて充填剤と別個にオートクレーブ内で滅菌され、そして次に両方の滅菌部分の混合が、滅菌無菌室で行われる。
本発明は、生物材料のための組成物の調製のためのキットであって、移植前に滅菌雰囲気下で即座に混合されることを意図した。一方で滅菌無機相を、他方で滅菌液相を含むキットにも関する。
本発明による組成物は、はっきりとした質の低下なく、直ちに用いることができる混合された形態又は直ちに混合することができる分離した形態で保存することができる。
本発明による組成物は支持性有機体組織の骨質充填のための材料として用いることができる。ここでこの材料は吸収／置換機能を生じさせることを意図する。それは特に、関節インプラント又はプロテーゼと組み合わせて充填材料として、又は外科的適用及びいくらかの“靱性”又は機械的特性を要求する適用のために用いることができる。
それゆえ本発明の他の対象は、ヒト又は動物の体を治療するための方法であって、支持性有機組織により通常占有される部位に、その組織の吸収／置換の機能を生じさせるために、本発明による組成物を注入することによる投与を含む方法である。
適用の一例は歯の手術である。その注入は、滅菌可能なシリンジ及び一回の使用のためのプランジャが供される取付け端を含むシステム、例えばオートクレーブ内で滅菌されるシリンジ（Ref.No.440,Hawe−Centrix C−R^R,Mark IIIシリンジ）及び取付け端（Ref.No.445）を含むHaue Neos Dentalにより市販されるシステムによって行うことができる。
本組成物の適用の他の例は、特に腰部の脊柱の不安定性の問題を処理するため、又は関節プロテーゼ、例えば股関節プロテーゼと組み合わせて用いられる充填材料（密封剤）として適用することができる整形外科である。
本発明による組成物の例は以下に供されよう。その特性は、特に、25℃でpH7に緩衝された媒体中の時間の関数としての組成物の硬化曲線を示す１つの図で示される。
組成物の例
自己架橋可能なポリマーを、以下の通り、非イオン性セルロースエーテルから調製する。
冷却器を備えた磁気撹拌機を有する反応容器内に不活性窒素雰囲気を確立し、1lのプロパノール、20gの（プロパノールに不溶性である）高分子量のヒドロキシエチルセルロース及び1gの水酸化ナトリウムを導入する。１時間の撹拌の後、0.4gの３−グリシドキシプロピルトリメトキシシランをセルロースポリマーの懸濁液に加える（即ち、ポリマーの重量に対して２重量％）。
その混合物を80℃で１時間、次に約110℃で還流下で２時間、加熱する。
加熱することなく一晩、撹拌を続け、次にそのポリマーをろ過して除き、次にプロパノール、酢酸、再びプロパノール、そして最後にアセトンで洗浄する。
そのシラン化ポリマーを、水性溶媒中に乾燥ポリマー２重量％の割合で、３日間、水酸化ナトリウムのデシモーラー水溶液（pH＝13）中に溶かす。
この液相30gを40％のβ−リン酸三カルシウム及び60％のヒドロキシアパタイトの混合物20gと混合する。
この混合物を通常、抽出器に用いられる一端が閉じたチューブの形態であるろ紙内におく。
その混合物で満たされたフィルターを、25℃の温度で、pH＝７の９％NaClの緩衝液を含む容器内におき、生物媒体をモデリングする。そのフィルターを、混合物と緩衝液との間でイオン拡散させる。
pHを下げて組成物を硬化させた後、形成されたゲルの破壊を防ぐために分当り１回転のゆっくりとしたせん断速度で、少量サンプルのための針No.29を備えたBrookfield粘度計により、時間の経過における混合物の粘度の変化を測定する。
図中の曲線は、時間の関数としての（せん断応力の変化を測定する）粘度計スプリングのねじりモーメントの変化を示す。
それは、混合物が次第にpH7と同時に硬化することを示す。最初の粘度は141Pasであり、これは41時間後に1000Pasに達する一方、緩衝液のpHは変化していない。
この例において調製された組成物は、20分、121℃でオートクレーブ内で滅菌することができる。
毒性テスト
Journal of Arplied Biomaterials Vol.3,197〜206（1992）の論文において、K.P.Andrianoらは、L929マウス繊維芽細胞とのシラン処理した無機繊維の直接の接触に基づくシランの非細胞毒性を示した。
エポキシシランで修飾されたヒドロキシエチルセルロースが細胞毒性でないことも確認される。L929細胞を用いての、シラン処理され、フィルム内に乾燥されたポリマー上への細胞の直接の析出は、直接の接触の24時間後に97〜99％の生きている細胞を示す。
細胞をゲルの層に析出させ、ポリマーをそのゲル化層の他方の側におく間接（トランスウエル）テストにおいても、24時間後に97〜98％の生きている細胞が見い出され、このことは、そのゲルを通しての拡散の産物が毒性でないことを示す。
シラン処理したポリマーは、Afnor standard NFS 90702に従って細胞毒性でない。

Claims (13)

1. 支持性有機体組織の吸収／置換のための生物材料用組成物であって、
   β−リン酸三カルシウム（Ｂ）又はチタンリン酸カルシウム（Ca（Ti）_４（PO₄）_６）（Ｃ）のいずれかと混合されたヒドロキシアパタイト（Ａ）を含む粒子からなる無機相20〜75重量％と、
   生物学的緩衝液のpHにおいて自己架橋することができる水溶性のバイオコンパチブルなポリマーの水溶液を含む液相80〜25重量％と、
   を含む前記組成物。
2. 前記無機相が、A/B重量比が80/20〜30/70であるヒドロキシアパタイト（Ａ）とβ−リン酸三カルシウム（Ｂ）の混合物を含むことを特徴とする、請求項１に記載の組成物。
3. 前記無機相が、組成物が調製される時直径80〜200μｍの間の粒径をもつ粉末からなることを特徴とする、請求項１又は２に記載の組成物。
4. 前記ポリマーが、前記生物学的緩衝液のpH において自己架橋して共有結合を形成することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の組成物。
5. 前記ポリマーが、アルカリ金属シラノレー ト若しくはアンモニウム・シラノレート又はシラノレート前駆体の側鎖基を含むことを特徴とする、請求項１〜 ４のいずれか１項に記載の組成物。
6. 前記側鎖基が、前記ポリマーの全乾燥重量の１〜５％であることを特徴とする、請求項５に記載の組成物。
7. 前記ポリマーが、セルロース、非イオン性セルロースエーテル、グアー及びスターチから選ばれることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の組成物。
8. 前記ポリマーが、式（１）:XSi（OZ）_３（式中、Ｘはハロゲン原子又はエポキシ官能基を含む炭化水素基であり、そしてＺは水素原子、アルカリ金属及びアルキル基から選択される）の化合物との、セルロース又はその誘導体のエーテル化から生ずることを特徴とする、請求項７に記載の組成物。
9. 前記液相中の自己架橋することができるポリマーの濃度が１〜５重量％であることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の組成物。
10. 滅菌状態であることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載の組成物。
11. 請求項10に記載の組成物の製造方法であって、
    前記ポリマーを水性溶媒中に溶かすことにより液相を調製するステップと、
    前記無機相を前記液相と混合するステップと、
    得られた混合物を滅菌するステップと、
    を含むことを特徴とする方法。
12. 前記滅菌が121〜130℃の温度でのオートクレーブで行われることを特徴とする、請求項11に記載の方法。
13. 請求項１に記載の滅菌組成物の調製用キットであって、
    β−リン酸三カルシウム（Ｂ）又はチタンリン酸カルシウム（Ca（Ti）_４（PO₄）_６）（Ｃ）のいずれかと混合されたヒドロキシアパタイト（Ａ）を含む粒子からなる滅菌無機相と、
    生物学的緩衝液のpHにおいて自己架橋することができる水溶性のバイオコンパチブルなポリマーの水溶液を含む滅菌液相と、
    を含み、前記組成物の移植の前に滅菌雰囲気下で即座に混合される前記キット。

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