JP4365485B2 - 多孔質リン酸カルシウムセラミックスの製造方法 - Google Patents

Description

【０００１ 】
【発明の属する技術分野】
本発明は骨充填材、DDS 担体、三次元細胞培養モジュールとして利用すること等を目的とした生体機能を回復させる治療材料用の多孔質リン酸カルシウムセラミック(セラミックス）の分野に関する。
【０００２ 】
【従来の技術】
リン酸カルシウムは生体親和性の優れたセラミックとして骨充填材や骨セメントの分野で広く応用されてきている。応用される際の形状としては破砕型不定形状、ブロック体、多孔体、自己硬化性セメント等が大多数を占めている。特に骨充填材では破砕型不定形状、ブロック形状のものが一部、製品化されている。このリン酸カルシウムの応用例としてDDS 担体への利用が最近注目されている。例えば、特開昭６０ ―１０６４５９ 号公報には可燃性ビーズにリン酸カルシウムをコートし、これを焼成することにより可燃性ビーズを消失させ、リン酸カルシウム中空ビーズを作製した後、この中空部分に薬剤を充填し、薬物徐放性担体の製造方法が開示されている。
また、特開昭５９ ―１０１１４５ 号公報にはオープンな気孔を有する多孔質リン酸カルシウムに薬剤を含浸させることにより、同様の効果を有する担体の製造方法が開示されている。しかし、前述の方法においては中空ビーズ内に薬剤を注入する等、製造工程が複雑になってしまう。また、薬物の徐放速度を適宜コントロールすることが困難である。
後述の方法においても同様に、製造工程が複雑、徐放速度のコントロールが困難等の問題が懸念される。
一方、球状形状に加工したリン酸カルシウムとしては液体クロマトグラフのカラム充填材として応用されている。製造方法としては噴霧乾燥造粒法が一般的である。噴霧乾燥造粒法は粒子径１００ μｍ 以下の粒子に対する製造が一般的で、これより大きい粒子を製造する場合は巨大な装置を必要とする。
また、１００ μｍ 以上の球状リン酸カルシウムの製造方法としては特開昭６４ ー７５０３０ 号公報にセラミックススラリーを油相に注入し、W/O エマルジョンとした後にこれを再び水相に注入して油相を固化し、この油相を焼成により消失させ、球状リン酸カルシウムを製造する方法が開示されている。しかし、骨充填材として利用するには１００μｍ 以上の粒子が好ましく、噴霧乾燥造粒法で製造するためには設備投資が必要となりコストが増大する。また、特開昭６４ ー７５０３０ 号公報に開示されている方法では油相の調整等の製造工程が必要となり、コストの増大が懸念される。この球状化したセラミックスが安定供給されるようになれば三次元細胞培養のモジュールとしての利用が期待できる。三次元細胞培養技術は全世界中で研究が進められており、次世代医療システムの中核を担う技術である。この技術が確立されることによりドナー不足に悩む臓器移植希望者に対し、拒絶反応のない新しい臓器を提供することが可能となる。現在、三次元細胞培養モジュールとして使用されているのはその大部分が多孔質球状ガラスである。この球状ガラスのサイズは約５００ μｍ で細胞が接着、侵入しやすいように３０ μｍ 程度の小孔及び気泡を有している。球状であるため培養器への充填率も高く、良好な実験成績を残している。しかし、ガラスは生体との親和性は期待できず、あくまでもin Vitro 環境でのみ使用が可能である。いずれ生体内に戻すことを前提としている人工臓器には応用することが難しい。
【０００３ 】
【発明が解決しようとする課題】
人工的に造られたセラミックスだけでは生体機能を代替することは不可能である。完全な人工臓器に進化するためには人工的なマトリックスと細胞、ホルモン、成長因子等とのハイブリット人工臓器を開発する必要がある。細胞を接着・進入させるまたは薬剤・各種成長因子をマトリックスに担持させるためには多孔質にする必要がある。しかし現在の技術ではサイズ、強度、細孔分布等の条件を簡便な方法で適宜変えるのが困難である。また、細胞培養器、患部への充填率や操作性の向上という面ではマトリックスは球状であった方が好ましいが、球状への加工がそのものが非常に困難であるために未だ実用化されていない。
また、本来多孔質セラミックスといわれているものについてその焼結後の表面状態は焼結物による閉孔状態あるいはそれに近い状態になっているものが多数存在し、必ずしも多孔質状とは言い切れず、種々の分野において本来の特徴を十分に生かし得るものとは言い難いものであった。
【０００４ 】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記事項を鑑み、簡単な方法でリン酸カルシウムセラミックを多孔質に加工する技術を提供する。また、この方法で製造されたセラミックは細胞培養や薬剤担持に適しており、各種細胞または薬剤を担持させたものを使用することにより、生体と完全に融和する、または完全に生体機能を回復させる治療材料として期待できる。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の詳細な説明を示す。
既知の合成法、好ましくは湿式合成又は乾式合成、により合成されたリン酸カルシウム、好ましくはハイドロキシアパタイト、リン酸三カルシウム、第二リン酸カルシウム、リン酸四カルシウム、リン酸八カルシウム、リン酸カルシウム系ガラスこれらリン酸カルシウムの混合物、さらに好ましくはリン酸三カルシウム、その他のセラミックスを擂潰機や噴霧乾燥機等を用いて粉末、好ましくは100ミクロン以下、にする。この粉末にバインダースラリー、好ましくは水溶性セルロース誘導体、ポリビニルアルコール、ポリアクリル酸、ポリアクリルアミド、ポリビニルピロリドン、ポリエチレングリコール、でんぷん等の一種又は二種以上の水溶液、さらに好ましくはポリビニルアルコール、ポリエチレングリコールの3 〜15wt%水溶液、を粉末の重量の１ 〜５ 倍、好ましくは２ 〜４ 倍、加えた後に撹拌・混合する。このとき粉末以外にもリン酸カルシウム10 〜50wt ％スラリーを使用しても同様の結果を得られる。
【０００６】
上述したバインダーは、一例であって、その他、使用態様等に応じ添加物例えば安定化剤としてグリコール類等が付与される場合もある。このスラリーを回転軸に対し90 °に取り付けた羽を複数枚有する攪拌翼にて高速攪拌、好ましくは2000rpm 以上、することによりスラリー内に無数の気泡を生じさせる。この気泡は後に多孔体内に生じる小孔及び気泡の原型となる。従って、このときの回転数、時間等を変化させることにより、多孔質化の度合いを適宜変えることが可能である。
この気泡をスラリーに含ませる工程はどのような方法でも問題はない。スラリー内の気泡がコントロールされていれば完成したセラミックスの気孔率の目安となる。
セラミックスを球状とする場合、得られたバインダー含有リン酸カルシウムスラリーをシリンダーに充填し、シリンダーの先端にとりつけてある細管、好ましくは内径0.3 〜2mm 、からあらかじめ用意しておいた約-10 ℃以下の低温冷媒溶液、好ましくは液体窒素、液体ヘリウム、アセトン＋ドライアイス、メタノール＋ドライアイス、エチルエーテル＋ドライアイス、に滴下する。落下したバインダー含有リン酸カルシウムスラリーは落下中及び液体窒素液面上で球形となり、球形状を保持しつつ凍結させることができる。
患部または必要な形状に応じて多孔体を製造する場合には下記の方法を使用する。
【０００７】
必要な形状の型、好ましくは熱伝導性の低いもの、をあらかじめ極低温、好ましくは-60 ℃以下、で冷却する。この型に気泡を含んだスラリーをすばやく注入する。スラリーは数十秒で完全に凍結し、気泡を含んだ凍結物を得る。
得られた球形状又は自由形状凍結物を解凍しないように凍結乾燥を行い、水分を完全に取り除く。こうして得られた球状または自由形状セラミックスを電気炉にて800 〜1500 ℃、好ましくは1000 〜1400 ℃、で焼結させることにより球状または自由形状セラミックスを得る。
【０００８】
得られたセラミックスに超音波振動を加える。
具体例としては、
得られた球状または自由形状セラミックスを水溶液中に沈める。この水溶液は特に限定するものではないが、超音波を疎外しない程度の粘性、セラミックスを溶解または分解・結合しない程度のpH 、組成を有していれば良い。
この水溶液に超音波振動を与える。
その他の形態としては、直接表面に出力する方法であってもよい。その際、周囲を遮蔽した空間で行うことが好ましい。
超音波の周波数は、２ＫＨＺ〜１００ＭＨＺ、好ましくは、２０ＫＨＺ〜 ５０ＫＨＺが例示されるが、材質、その焼結時間温度によって適宜選択されるものである。
強さは、一般家庭用に市販されている超音波洗浄機が出力する超音波周波数、出力強度、程度でよく、例えば０．１〜５Ｗ／ｃｍ²の範囲で使用される。
時間は、例えば３０ｓｅｃ〜２５０ｓｅｃが示されるが、超音波の強さ、周波数によって、調整されるものであり、これらの値に限定されることなく、適宜調整される。
ところで、振動の強さと時間は適宜決定する必要がある。
この超音波振動を与えることにより最表面の焼結物を剥がすことができるが、両者の設定により、好適なはがれが得られるからである。 最表面の剥がれた焼結体は内部に隠れていた小孔及び気泡が表面に現れてくる。
超音波が強いまたは時間が長すぎると表面以外の部分にまで破壊が進み、強度が低下するので注意が必要である。
当該製造方法で得られる球状セラミックスの直径は、0.1 〜10mm であるが、滴下条件等の接触態様によって様々に調整可能である。本願発明では、セラミックス溶液を低温冷媒に接触させれば良く、その接触態様は、種々であるが、滴下の他、スプレードライヤー等に代表されるアトマイザーによる噴霧、スプレーによる加圧噴霧、注入する形態、流入する形態、他の容器等に導入された形で容器ごと接触する形態等が例示される。
なお、以上説明の多孔質セラミックス焼結体の製法は、本発明の行程を適応上、内部の均一で良好な多孔質状態を得る上で好ましい行程であり、この行程と、超音波処理行程を組み合わせることで、表面から内部まで一様な空隙を有する多孔質セラミックスが得られるものであるが、焼結体を得るまでの行程は、上記行程に限らず、公知の手法が適宜使用されるのである。
【０００９】
このセラミックスはバインダーが蒸発した際にできた微細な小孔とスラリー時に生成させた気泡が全体に生成しており、この小孔及び気泡からセラミックス内部に薬剤等を含浸させることが可能である。また、この小孔の径はバインダーの含有量により変化させることが可能である。さらに、この小孔及び気泡を既知のリン酸カルシウム系セメント、その他合成樹脂等で塞ぐことができるので、徐放速度のコントロールが可能である。
この体内における徐放の持続性は、その均一な空隙率により例えば、体液中で、数日、数週間の単位より具体的には、一週間〜三週間で持続可能であり、生体組織内でも同様の持続性が得られる。そして、このセラミックスを骨欠損部分に充填することにより、球状セラミックスの特徴の一つである小孔及び気泡が血流を遮断しないため、早期に骨を再生することが可能である。また、この小孔及び気泡に骨形成因子、コラーゲン、抗生物質等薬剤を含浸させればさらに効果的である。
また材料上で細胞培養を行い、ある程度細胞が増殖した後に再び生体内に戻すことにより従来の骨充填材や人工臓器よりも優れた生体親和性、生体機能回復が期待できる。本願発明は上述の他、経口投与薬、各種吸着カラム材、各種薬剤を担持することにより良好な徐放物が得られるが、優れた長期徐放性により、例えばペニシリン系抗生剤、テトラサイクリン系抗生剤、抗ガン剤のファイブエスユー、カルボプラーチン、シスプラーチン等の薬剤が好適に使用される。
【００１０】
【実施例】
実施例１
既知の湿式合成法により合成したCa/P=1.48 のリン酸カルシウム微粉末（＃400 メッシュ以下）１ｇ をポリビニルアルコール10wt%水溶液３ｇ に混入したのち、イオン交換水0.5ｇ を加えてさらに混合・撹拌した。このスラリーを専用攪拌翼にて2500rpm 、20 分間攪拌し、無数の気泡をスラリー内に生じさせた窒素上に滴下した。得られた凍結物を真空凍結乾燥機で乾燥させた後、1400 ℃で５ 時間焼結させて球状セラミックス0.9g を得た。さらにこのセラミックスは直径0.8 〜1.2mm であった。
得られた焼結後の球状セラミックスを走査型電子顕微鏡（SEM ）で観察した。図１に示す。
次に、この焼結体に対しイオン交換水中で、周波数２６ＫＨＺ、強さ約０．５ｗ／ｃｍ²で約１分間超音波照射を施した。
その結果、図２で示すように試料表面には小孔及び気泡が前面に確認できた。
【００１１ 】
【本発明の効果】
本製造方法は簡単で且つ短い時間で粒子径や気孔径を自由にコントロールしたセラミックスが製造できる。したがって、骨充填材として使用した場合は、骨内の血流を遮断することなく骨の再生を促進する効果がある。また、生体吸収性のセラミックに薬剤を含浸させることにより理想的な薬物徐放担体となる。 さらに本発明によれば、従来の焼結された多孔質セラミックスがもつ内在する機能性を十分に発揮させることができ、少量化、コストダウン等をはかることも可能とする。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を説明する為の図。
【図２】本発明の実施例を説明する為の図。

Claims (4)

1. 気泡を含むリン酸カルシウムセラミックスラリーを超低温冷媒へ滴下して凍結物とし、凍結乾燥後、焼成することで得られたリン酸カルシウムセラミックに対し、水中でセラミックの最表面が剥がれる程度の超音波振動を与える生体機能を回復させる治療材料用の多孔質リン酸カルシウムセラミックの製造方法。
2. 前記リン酸カルシウムセラミックの気泡を、スラリーを攪拌翼にて２０００rpm以上で回転攪拌することで発生させる請求項１に記載の多孔質リン酸カルシウムセラミックの製造方法。
3. 前記超音波振動の周波数が２０ＫＨｚ〜５０ＫＨｚで出力強度が０．１〜５Ｗ／ｃｍ2、出力持続時間が３０ｓｅｃ〜２５０ｓｅｃ、である請求項１に記載の多孔質リン酸カルシウムセラミックの製造方法。
4. 前記多孔質リン酸カルシウムセラミックが、細胞培養用の担体、骨充填剤、薬物除法材の材料として用いられる請求項１に記載の多孔質リン酸カルシウムセラミックの製造方法。

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