JP6358765B2 - 骨修復材料及びその製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、骨修復材料及びその製造方法に関する。この骨修復材料は、大腿骨、股関節、脊椎、歯根等のように大きな荷重の加わる部分における骨修復のために好適に利用され得る。

表面にアパタイト層を有するチタン金属またはチタン合金は、大きな破壊靱性を有し、且つ生体内でアパタイトを介して生体骨と結合することから、大きな荷重の加わる部分における骨修復材料として期待され、チタン金属またはチタン合金からなる基材の表面にアパタイト層を形成する方法が種々検討されてきた。このうち、アルカリ処理された基材をアパタイトの飽和濃度以上の水溶液に浸けてアパタイトを析出させて得られるものは、乾燥時にアパタイトにひび割れを生じやすい。また、基材にアパタイトをプラズマ溶射あるいは火炎溶射により被覆する方法で得られるものは、冷却時に基材との熱膨張差によりアパタイト層に亀裂を生じやすい。このため、体内でアパタイトを形成させ、これを介して生体骨と結合させるべく、アパタイト形成能を有するチタン酸塩層を表面に形成させるチタン金属またはチタン合金の化学処理法が種々提案されている（特許文献１−３）。

一方、ストロンチウム、マグネシウム、亜鉛、リチウム、ガリウムなどのイオンは、体内で新たな生体骨の形成を促進すると報告されている（特許文献４−５、非特許文献１−６）。骨修復材料周囲に早期に生体骨が形成され、しかも材料表面に早期にアパタイト層が形成されれば、骨修復材料と生体骨との間に早期に強い結合が得られると期待される。また、骨粗鬆症などで骨量の減少した患者においても骨量の回復が期待される。

ＷＯ９５／１３１００号公報 ＷＯ２００９／１４７８１９号公報 ＷＯ２０１０／０８７４２７号公報 特表２０１０−５３３０１２ 特表２０１０−５３３０１１

Ｘｉｎら、ＡＣＳ，ｖｏｌ．３，ｐ３２２８−３２３４（２００９） Ａｌｖａｒｅｚら、Ｃｌｉｎ Ｉｍｐｌａｎｔ Ｄｅｎｔ Ｒｅｌａｔ Ｒｅｓ，ｖｏｌ．１２，ｐｅ１１４−２５（２０１０） Ｂａｌａｍｕｒｕｇａｎら、Ａｃｔａ Ｂｉｏｍａｔｅｒ．， ｖｏｌ．３，ｐ２５５−２６２（２００７） Ｃｌｅｍｅｎｔ−Ｌａｃｒｏｉｘら、ＰＮＰＳ，ｖｏｌ．１０２，ｐ１７４０６−１７４１１（２００５） Ｂｅｒｎｓｔｅｉｎら、Ｐｈａｒｍａｃｏｌｏｇｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗｓ，ｖｏｌ．５０，ｐ６６５−６８２（１９９８） Ｖａｒａｎａｓｉら、Ａｃｔａ Ｂｉｏｍａｔｅｒ．，ｖｏｌ．５，ｐ３５３６−３５４７（２００９）

しかし、特許文献１に記載された工程のみで得られる材料は、長期保存を想定した加速試験として高温多湿下に骨修復材料を長期間曝すと、アパタイト形成能を失ってしまう。したがって、修復手術に備えて在庫品を保存しておくことができない。
特許文献２及び３に記載された工程のみで得られる材料は、アパタイト形成能及び保存性に優れているが、骨形成を促進する能力に乏しい。
特許文献４−５及び非特許文献１−２に記載の方法で得られる材料はストロンチウム、亜鉛またはリチウムのイオンを溶出して骨形成を促進するが、そのアパタイト形成能は低い。
それ故、この発明の課題は、骨形成イオンを徐放し、且つアパタイト形成能及び保存性に優れた安全性の高い骨修復材料を提供することにある。

その課題を解決するために、この発明の骨修復材料は、
チタン金属またはチタン合金からなる基材と、その基材表面にあってカルシウムイオン及び骨形成イオンを含むチタン酸塩層とを備え、１０ｍＮ以上のひっかき抵抗を有することを特徴とする。この明細書において、ひっかき抵抗とは、バネ定数２００ｇ／ｍｍのスタイラスに前記チタン酸塩層上で１００μｍの振幅を与え、１００ｍＮ／ｍｉｎの荷重を印加しながら、スタイラスを１０μｍ／ｓｅｃの速度で移動させたとき、前記チタン酸塩層が有する臨界ひっかき強度をいう。

この骨修復材料によれば、チタン酸塩層がカルシウムイオン及び骨形成イオンの両方を含むので、チタン酸塩層に含まれる骨形成イオンが生体内で徐々に溶出して周囲の骨形成を促進し、同時にカルシウムイオンが生体内で溶出してアパタイト形成能を示して骨と結合することを可能にする。前記ひっかき抵抗は、それ自体が直接示す機械的特性だけでなく、アパタイト形成能及び骨形成イオンの徐放性を示す指標でもある。即ち、ひっかき抵抗が１０ｍＮに満たないほどに、チタン酸塩層内の粒子間結合が弱いと、骨形成イオンが急速に溶出してしまい、骨形成を促進させるのに効果的でない。同様にカルシウムイオンも急速に溶出してしまい、アパタイトの核形成と成長を促進する効果を示さない。

この発明の骨修復材料を製造する方法は、カルシウムイオン及び骨形成イオンを含まずナトリウムイオン及びカリウムイオンのうち１つ以上の陽イオンを含むアルカリ性の第１の水溶液に、チタンまたはチタン合金からなる基材を浸漬する工程と、カルシウムイオン及び骨形成イオンを含む第２の水溶液に基材を浸漬する工程と、基材を大気中で加熱する工程と、水、酸水溶液及び骨形成イオン含有水溶液から選ばれる一種以上からなる第３の水溶液に浸漬する工程を備えることを特徴とする。

第１の水溶液に浸けることにより、基材中のチタンと水溶液が反応して基材表面にチタン酸水素ナトリウムあるいはチタン酸水素カリウムの層が形成される。次いで第２の水溶液に浸けると、チタン酸水素ナトリウムあるいはチタン酸水素カリウム層中のナトリウムあるいはカリウムイオンが、水溶液中のカルシウムイオン及び骨形成イオンと交換される。交換されるカルシウムイオンと骨形成イオンの割合は、第２の水溶液におけるカルシウムイオンと骨形成イオンの濃度比を変えることで任意に制御できる。このような制御が可能になる理由は、第１の水溶液処理で形成されるチタン酸水素ナトリウムあるいはチタン酸水素カリウムが層状の構造を有することに起因する。このように異なる２種類の水溶液に段階的に浸けることにより、カルシウムイオン及び骨形成イオンを所望の割合で含み、両イオン濃度が表面から内部に向かって漸減する傾斜組成のチタン酸塩層が基材上に形成される。

これを大気中で加熱することにより、脱水して機械的及び化学的に安定な無水のチタン酸塩層となり、表面層の引っかき抵抗が著しく向上する。
その後、水あるいは酸水溶液からなる第３の水溶液に浸けると、チタン酸塩層中のカルシウムイオン及び骨形成イオンの一部がヒドロニウムイオンに交換されて、表面がアパタイト形成能を発揮する程度に活性化される。また、第３の水溶液として骨形成イオンを含む水溶液を用いた場合、チタン酸塩層中の骨形成イオンが第３の水溶液に溶出することなくカルシウムイオンの一部がヒドロニウムイオンに交換されるので、チタン酸塩層中の骨形成イオン濃度を減少させることなくアパタイト形成能を発揮する程度に基材表面が活性化される。そのアパタイト形成能は、全表面にアパタイトを形成するのに３日で足りるという高いものであり、しかも多湿下で長期保存されても維持される。このチタン酸塩層に含まれる骨形成イオンは、生体内で徐々に溶出して骨形成を促進する。

以上のように、この発明によって得られる骨修復材料は、生体内に埋め込んだ場合、周囲の骨形成を促進し、速やかに生体骨と結合して骨欠損部を修復することができ、また、保存性に優れることから、手術用に常備しておくことができる。

Ｘ線光電子分光分析（ＸＰＳ）に基づく実施例１の試料の表面付近のイオン分布を示す。 ＸＰＳに基づく実施例２の試料の表面付近のイオン分布を示す。 ＸＰＳに基づく実施例４の試料の表面付近のイオン分布を示す。 ＸＰＳに基づく実施例５の試料の表面付近のイオン分布を示す。 グロー放電発光分光分析（ＧＤ−ＯＥＳ）に基づく実施例７の試料の表面付近のイオン分布を示す。 ＧＤ−ＯＥＳに基づく実施例８の試料の表面付近のイオン分布を示す。 ＧＤ−ＯＥＳに基づく実施例９の試料の表面付近のイオン分布を示す。 実施例の試料の薄膜Ｘ線回折パターンを示す。 実施例１、４、７、８、９の試料からＰＢＳへ溶出した骨形成イオンの誘導結合プラズマ発光分析（ＩＣＰ）分析結果を示す。 実施例１、２の試料からＰＢＳへ溶出した骨形成イオンのＩＣＰ分析結果を示す。 実施例４、５の試料からＰＢＳへ溶出した骨形成イオンのＩＣＰ分析結果を示す。

前記チタン酸塩層は、表面から０．１〜１０μｍの深さの範囲において通常０．１〜１０原子％のカルシウムイオン濃度と０．１〜５原子％の骨形成イオン濃度を有し、１〜５原子％のカルシウムイオン濃度と０．１〜５原子％の骨形成イオン濃度を有するのが好ましい。導入できるカルシウムイオン濃度及び骨形成イオン濃度は第２の水溶液のｐＨを上げることによりおよそ１０原子％まで高めることができる。カルシウムイオン濃度が０．１原子％に満たない場合は、アパタイトを構成するカルシウム成分が表面に乏しすぎてアパタイトを形成しにくい。５原子％を超えると、表面層においてチタン酸カルシウムのように安定な化合物の割合が増すのでアパタイトを形成しにくい。骨形成イオンの体内における溶出量は、前記チタン酸塩層における骨形成イオン濃度に依存する。従って、骨形成イオン濃度が０．１原子％に満たない場合は、体内での溶出量が少なくなり十分な骨形成効果が得られない。ただし、５原子％を超えると、表面層が安定な化合物になるのでアパタイトを形成しにくい。

第２の水溶液におけるカルシウムイオンの濃度は通常０．０１〜５０００ｍＭの範囲であり、好ましくは０．０１〜１００ｍＭである。骨形成イオンの濃度は通常０．０１〜５０００ｍＭの範囲であり、好ましくは０．０１〜１００ｍＭの範囲である。いずれも下限に満たない場合、前記チタン酸塩層に前記の好ましい濃度でカルシウムイオン及び骨形成イオンを導入することが極めて困難となる。上限を越える場合、アパタイト形成に不利な安定な化合物を表面に形成しやすくなる。

基材を浸漬するときの第２の水溶液の温度および浸漬時間は通常、それぞれ２０℃以上、０．５時間以上であり、好ましくはそれぞれ４０℃以上、２４時間以上である。いずれも下限に満たない場合、前記チタン酸塩層に前記の好ましい濃度でカルシウムイオン及び骨形成イオンを導入することが極めて困難となる。
基材を大気中で加熱するときの温度及び保持時間は通常、それぞれ４００℃以上、０．５時間以上で、好ましくは６００℃以上、１時間以上である。いずれも下限に満たない場合、前記チタン酸塩層のひっかき抵抗が乏しくなる。

第３の水溶液に酸及び骨形成イオンを含む水溶液を使用する場合の酸及び骨形成イオン濃度は通常、それぞれ０．００１〜１００ｍＭおよび１〜１０００ｍＭであり、好ましくはそれぞれ０．０１〜１００ｍＭ及び１〜１０００ｍＭである。いずれも下限に満たない場合、水を用いた場合と同程度の効果しか得られず、上限を越える場合、アパタイト形成に不利な安定な化合物を表面に形成しやすくなる。骨形成イオン含有水溶液は通常、酸性、中性又は弱アルカリ性であり、ｐＨ＝１０以上のものは好ましくない。
基材を浸漬するときの第３の水溶液の温度および浸漬時間は通常、それぞれ６０℃以上、３時間以上であり、好ましくはそれぞれ８０℃以上、２４時間以上である。この第３の水溶液に酸溶液を使用した場合、水を使用した場合よりも短時間で活性化される。酸水溶液に含まれる好ましい酸は、塩酸、硝酸、酢酸及び硫酸から選択される１つ以上である。これらの酸は、取り扱いが容易であるし、基材を浸食することもないからである。浸漬温度及び浸漬時間が下限に満たない場合、十分に活性化されない。
第２及び第３の水溶液における骨形成イオンの濃度を変えることにより、前記チタン酸塩層における濃度を変えることが出来る。

−実施例１−
１０ｍｍ×１０ｍｍ×１ｍｍの大きさの純チタン金属板を＃４００のダイヤモンドパッドを用いて研磨し、アセトン、２−プロパノール、超純水で各３０分間超音波洗浄した後、５Ｍの水酸化ナトリウム水溶液５ｍｌに６０℃で２４時間浸漬し（以下、「アルカリ処理」という）、超純水で３０秒間洗浄した。このチタン金属板を塩化カルシウムと塩化ストロンチウムの濃度がいずれも５０ｍＭになるように混合した水溶液１０ｍｌに４０℃で２４時間浸漬した。（以下、「カルシウム／ストロンチウム処理」という。）次いで、チタン金属板を電気炉中で常温から６００℃まで５℃／ｍｉｎの速度で昇温し、大気中６００℃で１時間保持して、炉内で放冷した（以下、「加熱処理」という。）。その後、８０℃の温水に２４時間浸漬し（以下、「温水処理」という）、超純水により３０秒間洗浄した。

−実施例２−
実施例１において、温水処理の代わりに１Ｍの塩化ストロンチウムに８０℃で２４時間浸漬した（以下、「ストロンチウム処理」という。）ことを除く他は実施例１と同じ条件で試料を製造した。

−実施例３−
実施例１のカルシウム／ストロンチウム処理において、塩化カルシウムと塩化ストロンチウムの濃度がそれぞれ８０ｍＭと２０ｍＭになるように混合した水溶液１０ｍｌに４０℃で２４時間浸漬したことを除く他は実施例１と同じ条件で試料を製造した。

−実施例４−
実施例１において、カルシウム／ストロンチウム処理の代わりに塩化カルシウムと塩化マグネシウムの濃度がそれぞれ４０ｍＭと６０ｍＭになるように混合した水溶液１０ｍｌに４０℃で２４時間浸漬した（以下、「カルシウム／マグネシウム処理」という。）ことを除く他は実施例１と同じ条件で試料を製造した。

−実施例５−
実施例４において、温水処理の代わりに１Ｍの塩化マグネシウム水溶液に８０℃で２４時間浸漬した（以下、「マグネシウム処理」という。）ことを除く他は実施例４と同じ条件で試料を製造した。

−実施例６−
実施例４のカルシウム／マグネシウム処理において、塩化カルシウムと塩化マグネシウムの濃度がそれぞれ２Ｍと３Ｍになるように混合した水溶液１０ｍｌに４０℃で２４時間浸漬し、温水処理の代わりにマグネシウム処理したことを除く他は実施例４と同じ条件で試料を製造した。

−実施例７−
実施例１において、カルシウム／ストロンチウム処理の代わりに酢酸カルシウムと酢酸亜鉛の濃度がそれぞれ９９．９９ｍＭと０．０１ｍＭになるように混合した水溶液１０ ｍｌに４０℃で２４時間浸漬し（以下、「カルシウム／亜鉛処理」という。）、温水処理の代わりに１ｍＭの酢酸に８０℃で２４時間浸漬した（以下、「酢酸処理」という。）ことを除く他は実施例１と同じ条件で試料を製造した。

−実施例８−
実施例１において、カルシウム／ストロンチウム処理の代わりに塩化カルシウムと塩化リチウムの濃度がそれぞれ０．０１ｍＭと９９．９９ｍＭになるように混合した水溶液１０ｍｌに４０℃で２４時間浸漬し（以下、「カルシウム／リチウム処理」という。）、温水処理の代わりに１Ｍの塩化リチウム水溶液に８０℃で２４時間浸漬した（以下、「リチウム処理」という）ことを除く他は実施例１と同じ条件で試料を製造した。

−実施例９−
実施例１において、カルシウム／ストロンチウム処理の代わりに塩化カルシウムと塩化ガリウムの濃度がそれぞれ９９．９５ｍＭと０．０５ｍＭになるように混合した水溶液１０ｍｌに４０℃で２４時間浸漬した（以下、「カルシウム／ガリウム処理」という。）ことを除く他は実施例１と同じ条件で試料を製造した。

−比較例１−
実施例１において、温水処理を行わなかった他は実施例１と同じ条件で試料を製造した。
−比較例２−
実施例１において、加熱処理における保持温度を２００℃にし、温水処理を行わなかった他は実施例１と同じ条件で試料を製造した。
−比較例３−
実施例１において、加熱処理及び温水処理を行わなかった他は実施例１と同じ条件で試料を製造した。

以上の実施例及び比較例の試料の製造条件をまとめて表１に記載する。

［組成分析］
実施例及び比較例の試料表面の組成を加速電圧９ｋＶでエネルギー分散Ｘ線分析法により分析し、あるいは１Ｍの塩酸に８０℃で２４時間浸漬することで溶出したカルシウムイオン及びリチウムイオンをＩＣＰにより分析した。その結果、各試料とも製造途中におけるアルカリ処理直後にはナトリウムが５．５原子％検出されたが、表２に示すようにカルシウム／ストロンチウム、カルシウム／マグネシウム、カルシウム／亜鉛、カルシウム／リチウム、カルシウム／ガリウム処理を施した試料ではナトリウムが消失し、代わりに１．５〜３．３原子％のカルシウムと０．４〜１．７原子％のストロンチウム、マグネシウム、亜鉛、ガリウムが検出され、あるいは０．２７ｐｐｍのカルシウムイオンと０．１９ｐｐｍのリチウムイオンが検出された。表１及び表２に示されるように、第２の水溶液に含まれるカルシウムイオン及び骨形成イオンの濃度比を変えることにより、また第３の水溶液に含まれる骨形成イオンの濃度を変えることにより、導入されるカルシウムイオン及び骨形成イオンの割合を任意に制御することができた。

実施例１、２、４及び５のＸＰＳ及び実施例７〜９のＧＤ−ＯＥＳ結果によれば、図１〜７に示すように表面より１μｍの深さまでカルシウムイオンと共にストロンチウムイオン、マグネシウムイオン、亜鉛イオン、リチウムイオンまたはガリウムイオンが導入され、それらの濃度が深さと共に傾斜的に減少していることが認められた。
表面試料の結晶構造を薄膜Ｘ線回折により調べると、図８に示すように実施例１、４、７−９の試料すべてに骨形成イオンを含むチタン酸カルシウムとルチル型及びアナターゼ型酸化チタンが形成されていることがわかった。

［ひっかき抵抗評価］
実施例１−３の試料及び比較例１−３の試料のひっかき抵抗をスクラッチテスターにより測定したところ、表３に示すように２００℃以下で加熱処理された試料のひっかき抵抗は１０ｍＮ未満と低かったが、６００℃で加熱処理された試料のひっかき抵抗は５０ｍＮ以上と高かった。

［アパタイト形成能評価］
実施例及び比較例の試料を３６．５℃に保たれたＩＳＯ規格２３３１７の擬似体液（ＳＢＦ）に浸漬したところ、表２及び表３に示すようにすべての実施例でＳＢＦ浸漬３日以内にアパタイトが表面全体すなわち全表面積の９９％以上を覆うように析出した。したがって、これらの試料は生体内で高いアパタイト形成能を示すことが確かめられた。一方、加熱処理後、第３の水溶液処理を施さなかった比較例１の試料はＳＢＦ浸漬３日以内にアパタイトを形成しなかった。

［骨形成イオンの溶出性評価］
実施例１−２、４−５、７−９の試料を３６．５℃に保たれたリン酸緩衝液（ＰＢＳ）に様々な時間浸漬し、各ＰＢＳ中に溶出する骨形成イオンの濃度をＩＣＰにより測定した。その結果、図９に示すようにＰＢＳ中にそれぞれ、０．０３〜０．９ｐｐｍの骨形成イオンが徐々に溶出する様子が認められた。したがって、この試料は生体内で骨形成イオンを徐放することがわかった。特に第３の水溶液として骨形成イオンを含むものを用いた実施例２及び５の試料は、図１０及び１１に示すように温水を用いた実施例１及び４の試料に比べて浸漬開始時から骨形成イオンの溶出量が多かった。また、実施例７の試料から溶出した亜鉛イオン濃度は非特許文献５で骨形成に効果があったと報告されている濃度のおよそ倍の濃度であるので、高い骨形成効果が期待される。更に、表３に示すように、第２及び第３の水溶液におけるストロンチウムイオンの濃度を変えることにより、表面層におけるストロンチウムイオン濃度を変え、その結果、溶出するストロンチウムイオンの濃度を変えることが出来ることも確認できた。

Claims (9)

1. チタン金属またはチタン合金からなる基材と、その基材表面にあってカルシウムイオン及びガリウムイオンを含み、両イオン濃度が表面から内部に向かって漸減する傾斜組成のチタン酸塩層とを備え、１０ｍＮ以上のひっかき抵抗を有することを特徴とする骨修復材料。
2. 前記チタン酸塩層におけるカルシウムイオン濃度が０．１〜１０原子％の範囲にあり、且つ骨形成イオン濃度が０．１〜５原子％の範囲にある請求項１に記載の骨修復材料。
3. 前記チタン酸塩層が０．１〜１０μｍの厚さを有する請求項１に記載の骨修復材料。
4. ３６．５℃に保たれたＩＳＯ規格２３３１７の擬似体液に浸漬された後３日間以内に全表面積の９９％以上の表面がアパタイトで被覆される請求項１に記載の骨修復材料。
5. カルシウムイオン及び骨形成イオンを含まずナトリウムイオン及びカリウムイオンのうち１つ以上の陽イオンを含むアルカリ性の第１の水溶液に、チタンまたはチタン合金からなる基材を浸漬する工程と、カルシウムイオン及びガリウムイオンを含む第２の水溶液に基材を浸漬する工程と、基材を大気中で加熱する工程と、水からなる第３の水溶液に浸漬する工程を備えることを特徴とする骨修復材料の製造方法。
6. 第２の水溶液におけるカルシウムイオン濃度が０．０１〜５０００ｍＭの範囲にあり、骨形成イオンの濃度が０．０１〜５０００ｍＭの範囲にある請求項５に記載の製造方法。
7. 第２の水溶液の温度が２０℃以上であり、基材を第２の水溶液に浸漬する時間が０．５時間以上である請求項５に記載の製造方法。
8. 前記加熱処理の温度が４００℃以上であり、保持時間が０．５時間以上である請求項５に記載の製造方法。
9. 第３の水溶液の温度が６０℃以上であり、基材を第３の水溶液に浸漬する時間が３時間以上である請求項５に記載の製造方法。

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