DE102009057545A1

DE102009057545A1 - Künstlicher Knochen, der von autogenem Knochen absorbierbar und ersetzbar ist, sowie sein Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE102009057545A1
Application number: DE102009057545A
Authority: DE
Inventors: Daisuke Shoji
Original assignee: Hoya Corp
Current assignee: Hoya Corp
Priority date: 2008-12-09
Filing date: 2009-12-09
Publication date: 2010-06-24
Also published as: GB2466117B; US20100145468A1; FR2939305B1; JP5945380B2; JP2010158516A; FR2939305A1; GB0921536D0; GB2466117A; US8366786B2

Abstract

Ein künstlicher Knochen, der von einem autogenen Knochen absorbierbar und ersetzbar ist, umfassend einen zylindrischen Körper, der durch Aufrollen eines blattförmigen Apatit/Kollagen-Verbundstoffs hergestellt ist, wobei ein hohler Mittelteil des zylindrischen Körpers, der von einer Endfläche zu der anderen Endfläche verläuft, einen Durchmesser von 100-1000 µm hat.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft einen künstlichen Knochen mit mechanischen Eigenschaften auf gleichem Stand wie diejenigen von lebenden Knochen, der von einem autogenen Knochen absorbiert und ersetzt wird, wenn er in den Körper implantiert ist, sowie sein Herstellungsverfahren.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Für die Behandlung von durch Verletzungen und Krankheiten verursachten Knochendefekten werden die Transplantation eines von einem Patienten selbst entnommenen autogenen Knochens, die Transplantation eines von einer anderen Person entnommenen ähnlichen Knochens, das Implantieren eines künstlichen Knochens aus einem Metall, wie beispielsweise Titan oder Hydroxyapatitkeramik, usw. angewendet. Hydroxyapatitkeramikwerkstoffe können sich augrund von Osteokonduktivität, über die herkömmliche Metalle, Polymere und Aluminiumkeramikwerkstoffe nicht verfügen, direkt an Knochen binden. Daher fanden sie fort schreitend Anwendung als Materialien zur Knochenreparatur, wobei sie autogene Knochen in weiten Bereichen wie Kieferchirurgie, Neurochirurgie, Oto-Rhino-Laryngologie, orthopädische Chirurgie, usw. ersetzten. Künstliche Knochen aus durch Hydroxyapatit typisierten Keramikwerkstoffen sind jedoch bei der Operation nachteiligerweise schwer zu handhaben, da sie hart und brüchig sind. Um dieses Problem zu beheben, wurde ein poröser, elastischer Apatit/Kollagen-Verbundstoff entwickelt. Zwar ist dieses Material leicht zu handhaben, jedoch kann es augrund geringer mechanischer Festigkeit in einem Spannung ausgesetzten Körperteil nicht alleine verwendet werden.
Das „Resume of Lectures" in „2008 Annual Meeting of the Ceramic Society of Japan", Seite 324, untere Spalte, offenbart einen permeablen, porösen, zylindrischen Körper, der durch Aufrollen eines wellblechförmigen Hydroxyapatit/Kollagen-Nano-Verbundstoffs gebildet ist. Diese Quelle beschreibt, dass dieser permeable, poröse Körper über exzellente Gewebepenetrabilität und Osteokonduktivität verfügt, da er einen einer relativ großen Markhöhle ähnelnden hohlen Mittelteil und Durchlassporen hat, die auf einer Umfangsfläche ausgebildet sind, um das Eintreten von Zellen und Gewebe zu ermöglichen. Da dieser durchlässige, poröse Körper aus einem Verbundstoff in Wellblechform gebildet ist und einen einer relativ großen Markhöhle ähnelnden hohlen Teil hat, hat er jedoch trotz exzellenter Gewebepenetrabilität und Osteokonduktivität eine nachteiligerweise geringe Festigkeit.
AUFGABEN DER ERFINDUNG
Folglich besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, einen künstlichen Knochen anzugeben, der mechanische Eigenschaften auf gleichem Stand wie diejenigen von lebenden Knochen und exzellente Gewebepenetrabilität und Osteokonduktivität hat, der von autogenem Knochen absorbiert und ersetzt wird, wenn er in den Körper implantiert ist.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen künstlichen Knochens anzugeben.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Als Ergebnis intensiver Forschung angesichts der oben genannten Aufgaben, sind die Erfinder zu der Erkenntnis gekommen, dass ein zylindrischer Körper, der durch Aufrollen eines mit einer großen Zahl von Poren ausgestatteten blattförmigen Apatit/Kollagen-Verbundstoffblatts erzeugt ist, über ausreichende Festigkeit und exzellente Gewebepenetrabilität und Osteokonduktivität verfügt. Die vorliegende Erfindung basiert auf diesen Erkenntnissen.
Der erfindungsgemäße künstliche Knochen, der von einem autogenen Knochen absorbierbar und ersetzbar ist, umfasst einen zylindrischen Körper, der durch Aufrollen eines blattförmigen Apatit/Kollagen-Verbundstoffblatts erzeugt ist, wobei ein hohler Mittelteil des zylindrischen Körpers, der von einer Endfläche zur anderen Endfläche verläuft, einen Durchmesser von 100–1000 μm hat.
Der blattförmige Apatit/Kollagen-Verbundstoff hat vorzugsweise Poren mit Durchmessern von 100–1000 μm bei einer Dichte von 1 oder mehr pro 1 cm².
Der erfindungsgemäße künstliche Knochen, der von einem autogenen Knochen absorbierbar und ersetzbar ist, wird vorzugsweise durch Bündeln mehrerer der zylindrischen Apatit/Kollagen-Verbundstoffe hergestellt.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung zum Herstellen eines künstlichen Knochens, der von einem autogenen Knochen absorbierbar und ersetzbar ist und einen zylindrischen Apatit/Kollagen-Verbundstoff umfasst, umfasst die Schritte des Herstellens eines blattförmigen Apatit/Kollagen-Verbundstoffs und des Aufrollens des blattförmigen Apatit/Kollagen-Verbundstoffs zu einem zylindrischen Körper.
Der blattförmige Apatit/Kollagen-Verbundstoff wird vorzugsweise durch Komprimieren eines blockförmigen Apatit/Kollagen-Verbundstoffs hergestellt.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung zum Herstellen eines künstlichen Knochens, der von einem autogenen Knochen absorbierbar und ersetzbar ist, umfasst ferner vorzugsweise den Schritt des Versehens des blattförmigen Apatit/Kollagen-Verbundstoffs mit Poren mit Durchmessern von 100–1000 μm.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung zum Herstellen eines künstlichen Knochens, der von einem autogenen Knochen absorbierbar und ersetzbar ist, umfasst ferner vorzugsweise den Schritt des Bündelns mehrerer zylindrischer Apatit/Kollagen-Verbundstoffe.
Mehrere der zylindrischen Apatit/Kollagen-Verbundstoffe werden vorzugsweise nach dem Bündeln vernetzt.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Ansicht, die ein Beispiel der Verfahrensschritte zum Herstellen des künstlichen Knochens der vorliegenden Erfindung zeigt.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
1 zeigt ein Verfahren zum Herstellen des künstlichen Knochens der vorliegenden Erfindung. Ein blattförmiger Apatit/Kollagen-Verbundstoff kann erzeugt werden, indem beispielsweise ein poröser Körper 1 [1(a)] aus dem in der US 2005/0271695 A1 (entsprechend der WO 2004/041320 A1 ) beschriebenen Apatit/Kollagen-Verbundstoffs vor dem Vernetzen mit einer monoaxialen Presse etc. komprimiert wird, um ein Blatt 2 zu bilden [1(b) bis 1(d)]. Ein Gewichtsverhältnis von Apatit zu Kollagen beträgt vorzugsweise 9/1 bis 2/8 unter dem Gesichtspunkt der Bruchfestigkeit. Das Blatt 2 wird vorzugsweise vorher durch Stanzen etc. mit Poren 3 mit einem Durchmesser von 100–1000 μm versehen [1(e)]. Dieses Blatt 2 wird vorzugweise zu einem zylindrischen Körper 5 aus dem Apatit/Kollagen-Verbundstoff aufgerollt [1(f)], der einen hohlen Mittelteil 4 mit einem Durchmesser von 100–1000 μm hat [1(g)]. Zwar kann ein zylindrischer Apatit/Kollagen-Verbundstoff allein als künstlicher Knochen verwendet werden, doch werden vorzugsweise mehrere der zylindrischen Körper zum Bilden eines künstlichen Knochens 6 gebündelt [1(h)]. Das Vernetzen erfolgt vorzugweise nach Aufrollen des Blatts 2 zu einem zylindrischen Körper 5 oder nach Bündeln mehrerer der zylindrischen Körper 5. Zum Erhöhen der Dichte des Apatit/Kollagen-Verbundstoffs kann der Apatit/Kollagen-Verbundstoff bei Bedarf vor dem Vernetzten komprimiert werden. Der künstliche Knochen 6 kann erzeugt werden, indem ein Blatt 2 einstückig um mehrere gebündelte zylindrische Körper gerollt wird. Das um mehrere gebündelte zylindrische Körper gerollte Blatt 2 hat vorzugsweise Poren 3.
[1] Herstellen des porösen Apatit/Kollagen-Verbundstoffs
Der poröse Apatit/Kollagen-Verbundstoff besteht aus mehreren Schichten von Apatit/Kollagen-Verbundstofffasern. Die Faserschichten haben planare Formen mit einer Stärke von ungefähr 10–500 μm und sind in willkürlichen Richtungen in willkürlichen Anzahlen überlappt. Zwischen den Faserschichten spärlich sind Säulen bestehend aus den Apatit/Kollagen-Verbundstofffasern verteilt. Da bei mikroskopischer Betrachtung nur spärlich angeordnete Säulen die Faserschichten in einer Überlappungsrichtung stützen, kann geschlossen werden, dass der poröse Apatit/Kollagen-Verbundstoff relativ brüchig in der Überlappungsrichtung ist, während er in einer Schichtrichtung hohe Festigkeit aufweist. Da sich die Faserschichten jedoch wie oben beschrieben in willkürlichen Richtungen überlappen, sind die Überlappungsrichtungen in makroskopischer Betrachtung gemittelt, was zu geringer Festigkeitsanisotropie führt.
Im Wesentlichen planare Poren sind zwischen den Faserschichten mit Säulen ausgebildet. Die Dicke der im Wesentlichen planaren Poren beträgt ungefähr das 0,5- bis 10-Fache derjenigen der Faserschichten. Wenn dieser poröse Apatit/Kollagen-Verbundstoff in den Körper eingebettet ist, geht man davon aus, dass Blutgefäße, relativ große Proteine etc. leicht in im Wesentlichen planare Poren eintreten und die Knochenbildung beschleunigen. Im Übrigen ist die Porenform nicht auf planar beschränkt, sondern kann auch sphärisch sein.
(1) Apatit/Kollagen-Verbundstofffasern
(a) Ausgangsstoffe
Die Apatit/Kollagen-Verbundstofffasern werden aus Ausgangsstoffen hergestellt, die Kollagen, Phosphorsäure oder ihre Salze und Calciumsalze umfassen. Das Kollagen kann aus Tieren etc. extrahiert werden, ohne jedoch speziell darauf beschränkt zu sein. Arten, Teile, Alter etc. der zu extrahierenden Tiere unterliegen keinen speziellen Einschränkungen. Im Allgemeinen kann Kollagen verwendet werden, das aus Haut, Knochen, Knorpel, Sehnen, inneren Organen etc. von Säugetieren wie Kühen, Schweinen, Pferden, Kaninchen und Ratten sowie von Vögeln wie Hühnern etc. gewonnen wird. Kollagenartige Proteine aus Haut, Knochen, Knorpel, Flossen, Schuppen, inneren Organen etc. von Fischen wie Dorsch, Flunder, Plattfisch, Lachs, Forelle, Thunfisch, Makrele, Schnapper, Sardine, Hai etc. können ebenfalls verwendet werden. Das Kollagen-Extraktionsverfahren unterliegt keinen speziellen Einschränkungen, sondern kann ein übliches Verfahren sein. Anstelle von aus Tiergeweben extrahiertem Kollagen kann auch Kollagen verwendet werden, das durch Genrekombinationsverfahren erzeugt wurde.
Die Phosphorsäure oder ihr Salz [einfach als „Phosphorsäure (Salz)” bezeichnet] kann Phosphorsäure, Dinatriumhydrogenphosphat, Natriumdihydrogenphosphat, Dikaliumhydrogenphosphat, Kaliumdihydrogenphosphat etc. sein. Bei den Calciumsalzen kann es sich um Calciumcarbonat, Calciumacetat, Calciumhydroxid etc. handeln. Die Phosphorsäure (Salz) und das Calciumsalz werden vorzugsweise in Form einer homogenen wässrigen Lösung oder Suspension zugegeben.
Das Massenverhältnis von Apatit zu Kollagen in den resultierenden Apatit/Kollagen-Verbundstofffasern kann durch das Massenverhältnis der eingesetzten Apatit bildenden Stoffe [Phosphorsäure (Salz) und Calciumsalz] zu Kollagen gesteuert werden. Folglich wird das Massenverhältnis der Apatit bildenden Stoffe zu Kollagen ausgehend von einer angestrebten Zusammensetzung der Apatit/Kollagen-Verbundstofffasern richtig bestimmt. Das Massenverhältnis von Apatit zu Kollagen in den Apatit/Kollagen-Verbundstofffasern ist vorzugsweise 9/1 bis 2/8, zum Beispiel ungefähr 8/2.
(b) Zubereiten einer Lösung
Zwar unterliegen die Konzentrationen der wässrigen Phosphorsäure (Salz)-Lösung und der wässrigen Calciumsalzlösung keinen speziellen Einschränkungen, so lange die Phosphorsäure (Salz) und das Calciumsalz in einem gewünschten Verhältnis vorliegen, doch ist es im Hinblick auf das einfache Ausführen eines später beschriebenen Tropf-Arbeitsschritts vorzuziehen, dass die Konzentration der wässrigen Phosphorsäure (Salz)-Lösung ungefähr 50–250 mM ist, und dass die Konzentration der wässrigen Calciumsalzlösung ungefähr 200–600 mM beträgt. Kollagen wird allgemein der wässrigen Phosphorsäure (Salz)-Lösung im Voraus in Form einer wässrigen Lösung in Phosphorsäure beigemischt. Die wässrige Lösung von Kollagen in Phosphorsäure enthält vorzugsweise Kollagen mit einer Konzentration von 0,5–1 Masseprozent und Phosphorsäure mit einer Konzentration von 1–30 mM. Insbesondere ist die Kollagenkonzentration 0,8–0,9 Masseprozent, und die Phosphorsäurekonzentration ist 15–25 mM. Speziell ist die Kollagenkonzentration ungefähr 0,85 Masseprozent, und die Phosphorsäurekonzentration ist ungefähr 20 mM.
(c) Herstellungsverfahren
Wasser im Wesentlichen in der gleichen Menge wie die der beizumischenden wässrigen Calciumsalzlösung, vorzugsweise das 0,5- bis 2- Fache, besser noch das 0,8- bis 1,2-Fache der Menge des wässrigen Calciumsalzes wird in ein Reaktionsgefäß gegeben und im Voraus auf ungefähr 40°C erhitzt. Eine wässrige Phosphorsäure (Salz)-Lösung, die Kollagen enthält, und eine wässrige Calciumsalzlösung werden gleichzeitig dort hinein getropft. Die Länge der synthetisierten Apatit/Kollagen-Verbundstofffasern kann in Abhängigkeit der Tropfbedingungen gesteuert werden. Die Tropfgeschwindigkeit beträgt vorzugsweise ungefähr 10–50 ml/Minute, und die Rührgeschwindigkeit einer Reaktionslösung liegt vorzugsweise bei ungefähr 50–300 U/min. Um die Reaktionslösung auf einem pH-Wert von 8,9 bis 9,1 zu halten, sollte während des Tropfvorgangs die Konzentration von Calciumionen in der Reaktionslösung bei 3,75 mM oder darunter und die Konzentration von Phosphorsäureionen in der Reaktionslösung bei 2,25 mM oder darunter gehalten werden. Würden die Konzentrationen von Calciumionen und/oder Phosphorsäureionen die oben genannten Bereiche überschreiten, würde die Selbstorganisation des Verbundstoffs behindert werden. Die oben genannten Tropfbedingungen liefern selbstorganisierte Apatit/Kollagen-Verbundstofffasern mit einer Länge von 1 mm oder darunter, die für den porösen Körper geeignet sind. Der hier verwendete Begriff „Selbstorganisation” bedeutet, dass Hydroxyapatit (Calciumphosphat mit einer Apatitstruktur), und zwar die C-Achse von Hydroxyapatit, entlang den Kollagenfasern ausgerichtet ist, wie es lebenden Knochen eigen ist.
Nach Abschluss des Tropfvorgangs wird eine schlämmeartige Dispersion der Apatit/Kollagen-Verbundstofffasern gefriergetrocknet. Das Gefriertrocknen wird unter Evakuieren in gefrorenem Zustand bei –10°C oder darunter schnell ausgeführt.
(2) Zubereiten einer Dispersion aus Apatit/Kollagen-Verbundstofffasern
Die Apatit/Kollagen-Verbundstofffasern werden mit einer Flüssigkeit, wie z. B. Wasser, einer wässrigen Phosphorsäurelösung etc. vermischt und gerührt, um eine pastenartige Dispersion (Schlämme) zuzubereiten. Der Anteil der zugegebenen Flüssigkeit ist vorzugsweise 80–99 Vol.-%, vorzugsweise 90 bis 97 Vol.-%, während der Anteil der Verbundstofffasern vorzugsweise 1–20 Vol.-%, besser noch 3–10 Vol.-% beträgt. Vorzugsweise wird zuvor Dampf auf die Apatit/Kollagen-Verbundstofffasern gebracht. In diesem Fall sollte die Menge der zugegebenen Flüssigkeit bestimmt werden, indem die Menge des auf die Apatit/Kollagen-Verbundstofffasern aufgebrachten Dampfs subtrahiert wird.
Der resultierende poröse Körper hat eine Porosität P (%), die von dem Volumenverhältnis der Apatit/Kollagen-Verbundstofffasern zu der Flüssigkeit in der Dispersion abhängig ist, wie von der folgenden Formel (1) repräsentiert: P = Y(X + Y)×100 (1),wobei X das Volumen der Apatit/Kollagen-Verbundstofffasern in der Dispersion und Y das Volumen der Flüssigkeit in der Dispersion repräsentiert. Folglich ist es möglich, die Porosität P des porösen Körpers durch Einstellen der zugegebenen Flüssigkeitsmenge zu steuern. Die Apatit/Kollagen-Verbundstofffasern werden durch Rühren der Dispersion nach Zugeben der Flüssigkeit geschnitten, was zu einem größeren Bereich der Faserlängenverteilung führt und somit dem resultierenden porösen Körper verbesserte Festigkeit verleiht.
Nach Zugeben von als Bindemittel fungierendem Kollagen zu der Verbundstoffdispersion wird weiter gerührt. Der Anteil des zugegeben Kollagens beträgt vorzugsweise 1–10 Masseprozent, besser noch 3–6 Masseprozent, ausgehend von 100 Masseprozent der Apatit/Kollagen-Verbundstofffasern. Wie bei der Herstellung der Apatit/Kollagen-Verbundstofffasern, wird das Kollagen vorzugsweise in Form einer wässrigen Lösung in Phosphorsäure zugegeben. Die Konzentration des Kollagens in der wässrigen Phosphorsäurelösung ist praktischerweise 0,8–0,9 Masseprozent (beispielsweise 0,85 Masseprozent), und die Konzentration der Phosphorsäure ist 15–25 mM (beispielsweise 20 mM), ohne speziell darauf beschränkt zu sein.
(3) Gelieren der Dispersion
Eine wässrige Natriumhydroxidlösung wird zu einer Dispersion gegeben, die durch Zugeben einer wässrigen Lösung von Kollagen in Phosphorsäure (Salz) sauer geworden ist, um ihren pH-Wert auf ungefähr 7 einzustellen. Der pH-Wert der Dispersion ist vorzugsweise 6,8–7,6, besser noch 7,0–7,4. Ist die Dispersion auf einen pH-Wert von 6,8–7,6 eingestellt, so kann die Faserbildung des als Bindemittel zugegebenen Kollagens beschleunigt werden.
Eine 2,5- bis 10-fach konzentrierte Phosphorsäure-Pufferlösung (PBS) wird zu der Dispersion gegeben und gerührt, um ihre Ionenstärke auf 0,2 bis 0,8 einzustellen. Hat die Dispersion erhöhte Ionenstärke, kann die Faserbildung des als Bindemittel zugegebenen Kollagens beschleunigt werden.
Die in eine Form gegebene Dispersion wird zum Gelieren auf einer Temperatur von 35–43°C gehalten. Die Heiztemperatur beträgt vorzugs weise 35–40°C. Zum ausreichenden Gelieren der Dispersion beträgt die Heizdauer vorzugsweise 0,5 bis 3,5 Stunden, besser noch 1 bis 3 Stunden. Wird die Dispersion auf 35–43°C gehalten, so bildet das als Bindemittel zugegebene Kollagen Fasern und wandelt so die Dispersion in ein Gel um. Die gelierte Dispersion kann verhindern, dass die Apatit/Kollagen-Verbundstofffasern sich darin absetzten, wodurch ein gleichmäßiger poröser Körper erzeugt wird.
(4) Gefriertrocknen des Gels
Ein die Apatit/Kollagen-Verbundstofffasern enthaltendes Gel wird gefroren. Die mittlere Porengröße eines porösen Apatit/Kollagen-Körpers hängt von der Gefrierdauer des Gels ab. Die Gefriertemperatur beträgt vorzugsweise –100°C bis 0°C, besser noch –100°C bis –10°C und insbesondere –80°C bis –20°. Eine Gefriertemperatur unter –100°C verleiht dem resultierenden porösen Apatit/Kollagen-Körper eine zu geringe mittlere Porengröße. Eine Temperatur über 0°C kann das Gel nicht gefrieren oder verleiht dem porösen Körper eine zu große mittlere Porengröße.
Das gefrorene Gel wird zu einem porösen Körper gefriergetrocknet. Und zwar wird, wie bei den Apatit/Kollagen-Verbundstofffasern, das Gel in gefrorenem Zustand bei –10°C oder darunter durch Evakuierung schnell getrocknet. Die Dauer des Gefriertrocknens unterliegt keinen speziellen Beschränkungen, so lange die Dispersion ausreichend getrocknet wird, liegt jedoch im Allgemeinen bei 24 bis 72 Stunden.
[2] Herstellen eines blattförmigen Apatit/Kollagen-Verbundstoffs
Ein blockförmiger, poröser Apatit/Kollagen-Verbundstoff vor dem Vernetzen wird durch eine monoaxiale Presse etc. in Blattform komprimiert. Das Kompressionsverhältnis des porösen Körpers ist vorzugsweise 1–20%, besser noch 3–15%, insbesondere 5–12%. Der hier verwendete Begriff „Kompressionsverhältnis” bedeutet (T₁/T₀)×100%, wobei T₀ die Stärke des porösen Körpers vor dem Komprimieren und T₁ die Stärke des porösen Körpers nach dem Komprimieren repräsentiert. Die Stärke des komprimierten Blatts beträgt vorzugsweise 0,1 bis 5 mm, besser 0,1 bis 3 mm, insbesondere 0,2 bis 1 mm. Der Kompressionsdruck beträgt vorzugsweise 1–10000 kg/cm², insbesondere 100–1000 kg/cm². Die Kompressionsdauer beträgt vorzugsweise 1–30 Minuten. Während des Komprimierens kann ein Erwärmen auf 30°C bis 40°C erfolgen.
Zum Verbessern der Penetrabilität für Gewebe in den künstlichen Knochen, wird das Blatt vorzugsweise im Voraus mit Poren mit einem Durchmesser von 100–1000 μm versehen. Die Poren können durch Stanzen etc. erzeugt werden, ohne speziell darauf beschränkt zu sein. Die Dichte der Poren beträgt vorzugsweise 1 oder mehr, vorzugsweise 4–99, insbesondere 9–49 pro 1 cm² des Blatts. Die Poren sind vorzugsweise gleichmäßig über das gesamte Blatt verteilt.
[3] Herstellen eines zylindrischen Apatit/Kollagen-Verbundstoffs
Ein auf geeignete Größe zugeschnittener blattförmiger Apatit/Kollagen-Verbundstoff wird zu einem zylindrischen Körper aufgerollt. Es gibt keine speziellen Einschränkungen, doch wird das Blatt vorzugsweise um einen Kernstab aus Teflon (eingetragenes Warenzeichen) etc. gerollt. Mit dem Kernstab kann das Blatt leicht aufgerollt werden, und der Durchmesser eines hohlen Mittelteils in dem resultierenden zylindrischen Körper kann reguliert werden. Ein Ende des zu einem zylindrischen Körper aufgerollten Blattes kann mit einer kleinen Menge Wasser oder einer wässrigen Kollagenlösung fixiert werden, wird jedoch vorzugsweise durch ein physikalisches Mittel, wie z. B. Pressverbinden fixiert, um das Eindringen von Bakterien usw. zu verhindern.
Ein durch den zylindrischen Körper verlaufender hohler Mittelteil hat einen Durchmesser von vorzugsweise 100–1000 μm, besser 200–700 μm, insbesondere 200–500 μm. Die Länge des zylindrischen Körpers beträgt vorzugsweise 8–1000 mm, besser 10–500 mm, insbesondere 10–100 mm. Der Durchmesser des zylindrischen Körpers beträgt vorzugsweise 0,5–5 mm, besser 1–3 mm. Man geht davon aus, dass ein hohler Mittelteil mit einem Durchmesser innerhalb des oben genannten Bereichs künstliche Knochen mit hoher Festigkeit und hervorragender Gewebepenetrabilität Osteokonduktivität liefert. Man geht nämlich davon aus, dass aufgrund der Tatsache, dass der hohle Mittelteil einen Durchmesser von 100–1000 μm hat, bei dem zylindrischen Körper solche Probleme wie schlechte Penetrabilität für die Knochenbildung beeinflussende Zellen, was auftreten kann, wenn der Durchmesser des hohlen Mittelteils unter 100 μm liegt, und schlechte Knochenbildung aufgrund des Eindringens von fibrösen Geweben, was auftreten kann, wenn der Durchmesser des hohlen Mittelteils über 1000 μm liegt, nicht vorhanden sind.
[4] Herstellung eines künstlichen Knochens
Der resultierende zylindrische Körper kann alleine als künstlicher Knochen verwendet werden, jedoch können mehrere zylindrische Körper zum Bilden eines künstlichen Knochens gebündelt werden. Die Zahl der gebündelten zylindrischen Körper ist vorzugweise 10–1250, besser 13–25, ist jedoch in Abhängigkeit des Durchmessers eines zylindrischen Apatit/Kollagen-Verbundstoffs und der Stelle, an der der künstliche Knochen verwendet wird, variabel. Zwar kann ein durch Bündeln mehrerer zylindrischer Körper erzeugter künstlicher Knochen jede beliebige Form haben, doch liegt er vorzugsweise in runder oder rechteckiger Form vor. Um einen künstlichen Knochen einer gewünschten Größe (Durchmesser) zu erhalten, kann die Zahl der Wicklungen des aufgrollten Blatts oder die Zahl der gebündelten zylindrischen Körper angepasst werden. In letzterem Fall hat der mehrere gebündelte zylindrische Körper umfassende künstliche Knochen mehrere hohle Mittelteile, so dass das Strömen einer Körperflüssigkeit zunimmt, wenn er in den Körper eingebettet ist, was zu beschleunigter Knochenbildung führt. Ferner erhöhen mehrere gebündelte zylindrische Körper die Beständigkeit des zylindrischen Körpers gegenüber axialer Beanspruchung erheblich.
Wenn ein künstlicher Knochen aus nur einem zylindrischen Körper gebildet ist, wird ein zylindrischer Apatit/Kollagen-Verbundstoff vernetzt, um einen einstückigen zylindrischen Körper zu erzeugen, in dem Kollagen miteinander vernetzt ist. Wenn ein künstlicher Knochen aus mehreren gebündelten zylindrischen Körpern gebildet ist, werden vorübergehend gebündelte zylindrische Körper vernetzt, um mehrere zylindrische Körper einstückig miteinander zu verbinden. Kollagen kann durch physikalische Vernetzungsverfahren, die γ-Strahlen, UV-Strahlen, Elektronenstrahlen, thermische Dehydration etc. verwenden, oder chemische Vernetzungsverfahren, die Vernetzungsmittel, Kondensationsmittel etc. verwenden, vernetzt werden.
Das chemische Vernetzungsverfahren wird durch Eintauchen des Apatit-Kollagen-Verbundstoffs in eine Vernetzungsmittellösung durchgeführt. Die Vernetzungsmittel können sein: Aldehyde, wie beispielsweise Glutaraldehyd, Formaldehyd, etc., Isocyanate, wie beispielsweise Hexamehtylendiisocyanat, etc, Carbodiimide, wie beispielsweise ein Chlorwasserstoffsäuresalz von 1-Ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)carbodiimd, Epoxyde, wie beispielsweise Ethylenglycoldiethylether, etc., Transglutaminase, etc. Von diesen Vernetzungsmitteln ist Glutaraldehyd besonders zu bevorzugen, und zwar unter den Aspekten der Leichtigkeit, mit der Vernetzungsgrad gesteuert werden kann und der Kompatibilität des vernetzten Apatit/Kollagen-Verbundstoffs mit einem lebenden Körper.
Wenn Glutaraldehyd als Vernetzungsmittel verwendet wird, ist die Konzentration einer Glutaraldehyd-Lösung vorzugsweise 0,005 bis 0,015 Masseprozent, besser noch 0,005 bis 0,01 Masseprozent. Wenn Alkohol, wie beispielsweise Ethanol etc. als Lösungsmittel für eine Glutaraldehyd-Lösung verwendet wird, kann die Dehydration gleichzeitig mit dem Vernetzen von Kollagen ausgeführt werden. Zum Entfernen von unreagiertem Glutaraldehyd wird der vernetzte Apatit/Kollagen-Verbundstoff in eine wässrige Glycinlösung mit einer Konzentration von ungefähr 2 Masseprozent eingetaucht und dann mit Wasser gewaschen. Ferner wird der vernetzte Apatit/Kollagen-Verbundstoff zur Dehydration in Alkohol, wie z. B. Ethanol eingetaucht und dann bei Raumtemperatur getrocknet.
Die thermische Dehydrationsvernetzung wird durchgeführt, indem der Apatit/Kollagen-Verbundstoff für 10–12 Stunden bei 100°C bis 160°C und 0–100 hPa in einem Vakuumofen belassen wird.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend durch Beispiele ausführlicher beschrieben, ohne dass die vorliegende Erfindung darauf beschränkt werden sollen.
Beispiel 1
(A) Synthese des Apatit/Kollagen-Verbundstoffs
235 g einer wässrigen Lösung von Kollagen in Phosphorsäure (Kollagenkonzentration: 0,85 Masseprozent und Phosphorsäurekonzentration: 20 mM) wurden zu 168 ml einer 120-mM wässrigen Phosphorsäurelösung gegeben und gerührt, um eine verdünnte wässrige Lösung von Kollagen in Phosphorsäure zuzubereiten. Ferner wurden 200 ml einer 400-mM Calciumhydroxid-Suspension zubereitet. 200 ml reines Wasser wurden in ein Reaktionsgefäß gegeben und auf 40°C erhitzt. Die verdünnte wässrige Lösung von Kollagen in Phosphorsäure und die Calciumhydroxid-Suspension wurden gleichzeitig in dieses Reaktionsgefäß getropft, und zwar beide mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 30 ml/Minute, und die resultierende Reaktionslösung wurde bei 200 U/min gerührt, um eine Apatit/Kollagen-Verbundstofffasern enthaltende Schlämme zuzubereiten. Die Reaktionslösung wurde während des Tropfens auf einem pH-Wert von 8,9–9,1 gehalten. Die resultierenden Apatit/Kollagen-Verbundstofffasern hatten im Wesentlichen eine Länge von 1 mm oder darunter. Die Apatit/Kollagen-Verbundstofffasern enthaltende Schlämme wurde gefriergetrocknet. Das Apatit/Kollagen-Verhältnis in den Apatit/Kollagen-Verbundstofffasern betrug 8/2 auf Massenbasis.
(B) Herstellen eines porösen Apatit/Kollagen-Verbundstoffs
1 g des gefriergetrockneten Apatit/Kollagen-Verbundstoffs wurde mit 3,6 ml reinen Wassers gemischt und gerührt, um eine pastenartige Dispersion zuzubereiten. Diese pastenartige Dispersion wurde mit 4 g einer wässrigen Lösung von Kollagen in Phosphorsäure gemischt und gerührt, und eine 1-N wässrige NaOH-Lösung wurde zugegeben, bis der pH-Wert der Dispersion im Wesentlichen 7 erreichte. Das Verhältnis des Apatit/Kollagen-Verbundstoffs zu Kollagen betrug 97/3 auf Massenbasis. 10- fach konzentrierte PBS wurde dann beigemischt, bis die Ionenstärke der Dispersion 0,8 erreichte. Der Anteil von Flüssigkeit (reines Wasser + verdünnte wässrige Lösung von Kollagen in Phosphorsäure + wässrige NaOH-Lösung + PBS) betrug 95 Vol.-% des Apatit/Kollagen-Verbundstoffs.
Die resultierende Dispersion wurde in eine Form gegeben und für 2 Stunden auf 37°C gehalten, um das Gelieren herbeizuführen, wodurch ein geleeartiges Formteil erzeugt wurde. Dieses Formteil wurde bei –20°C gefroren und dann durch einen Gefriertrockner getrocknet, um einen porösen Apatit/Kollagen-Verbundstoff zu erhalten.
(C) Herstellen eines künstlichen Knochens
Ein poröser Apatit/Kollagen-Verbundstoff von 10 mm × 10 mm × 4 mm wurde zu einem blattförmigen Apatit/Kollagen-Verbundstoff von 10 mm × 10 mm × 0,3 mm komprimiert, wobei auf seine Oberfläche von 10 mm × 10 mm ein Druck von 100 kg/cm² durch eine monoaxiale Presse bei Raumtemperatur für 60 Sekunden ausgeübt wurde.
Dieses Apatit/Kollagen-Verbundstoffblatt wurde um einen Stabkern aus Teflon (eingetragenes Warenzeichen) mit einem Durchmesser von 500 μm aufgerollt, um einen zylindrischen Körper mit einer Länge von 10 mm, einem Durchmesser von 1,1 mm und einem hohlen Mittelteil mit einem Durchmesser von 500 μm zu erhalten. Ein Ende des Blatts wurde durch Pressverbinden an dem zylindrischen Körper befestigt.
16 zylindrische Körper wurden auf die gleiche Weise wie oben beschrieben hergestellt, so gebündelt, dass jeder einen im Wesentlichen quadratischen Querschnitt hatte, und durch thermische Dehydration bei 140°C vernetzt, um einen aus gebündelten zylindrischen Körpern bestehenden künstlichen Knochen herzustellen.
Beispiele 2–5
Künstliche Knochen, die jeweils aus einem zylindrischen Körper aus dem Apatit/Kollagen-Verbundstoff bestanden, die einen hohlen Mittelteil mit dem in Tabelle 1 angegebenen Durchmesser hatten, wurden auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 hergestellt, außer dass die Stärke des Kernstabs, um den das Apatit/Kollagen-Verbundstoffblatt gerollt wurde, verändert wurde. Tabelle 1

Nr. Durchmesser des hohlen Mittelteils (μm)

Beispiel 1 500

Beispiel 2 100

Beispiel 3 200

Beispiel 4 700

Beispiel 5 1000
WIRKUNG DER ERFINDUNG
Da der künstliche Knochen der vorliegenden Erfindung, der von einem autogenen Knochen absorbierbar und ersetzbar ist, in jeden beliebigen Teil des Körpers implantiert werden kann, ist es anders als bei einem herkömmlichen Verfahren nicht notwendig, einen autogenen Knochen zu verwenden, der einem Patienten selbst entnommen wurde, wodurch die Belastung eines Patienten, der eine Knochentransplantation benötigt, reduziert wird. Ferner wird auch die Belastung der Ärzte bei der Operation reduziert, da auch für die Implantation kein autogener Knochen entnommen werden muss. Das Verfahren der vorliegenden Erfindung liefert einen künstlichen Knochen, der von einem autogenen Knochen absorbierbar und ersetzbar ist und der eine ähnliche Zusammensetzung und Struktur wie lebende Knochen hat.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 2005/0271695 A1 [0016]
- WO 2004/041320 A1 [0016]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- „Resume of Lectures” in „2008 Annual Meeting of the Ceramic Society of Japan”, Seite 324 [0003]

Claims

Künstlicher Knochen, der von einem autogenen Knochen absorbierbar und ersetzbar ist, umfassend einen zylindrischen Körper, der durch Aufrollen eines blattförmigen Apatit/Kollagen-Verbundstoffs erzeugt ist, wobei ein hohler Mittelteil des zylindrischen Körpers, der von einer Endfläche zur anderen Endfläche verläuft, einen Durchmesser von 100–1000 μm hat.
Künstlicher Knochen, der von einem autogenen Knochen absorbierbar und ersetzbar, nach Anspruch 1, bei dem der blattförmige Apatit/Kollagen-Verbundstoff Poren mit Durchmessern von 100–1000 μm bei einer Dichte von 1 oder mehr pro 1 cm² hat.
Künstlicher Knochen, der von einem autogenen Knochen absorbierbar und ersetzbar ist, nach Anspruch 1 oder 2, der durch Bündeln mehrerer der zylindrischen Apatit/Kollagen-Verbundstoffe hergestellt ist.
Verfahren zum Herstellen eines künstlichen Knochens, der von einem autogenen Knochen absorbierbar und ersetzbar ist, umfassend die Schritte des Herstellens eines blattförmigen Apatit/Kollagen-Verbundstoffs und des Aufrollens des blattförmigen Apatit/Kollagen-Verbundstoffs zu einem zylindrischen Körper.
Verfahren zum Herstellen eines künstlichen Knochens, der von einem autogenen Knochen absorbierbar und ersetzbar ist, nach Anspruch 4, bei dem der blattförmige Apatit/Kollagen-Verbundstoff durch Komprimieren eines blockförmigen Apatit/Kollagen-Verbundstoffs hergestellt wird.
Verfahren zum Herstellen eines künstlichen Knochens, der von einem autogenen Knochen absorbierbar und ersetzbar ist, nach Anspruch 4 oder 5, ferner umfassend den Schritt des Versehens des blattförmigen Apatit/Kollagen-Verbundstoffs mit Poren mit Durchmessern von 100–1000 μm.
Verfahren zum Herstellen eines künstlichen Knochens, der von einem autogenen Knochen absorbierbar und ersetzbar ist, nach einem der Ansprüche 4 bis 6, ferner umfassend den Schritt des Bündelns mehrerer zylindrischer Apatit/Kollagen-Verbundstoffe.
Verfahren zum Herstellen eines künstlichen Knochens, der von einem autogenen Knochen absorbierbar und ersetzbar ist, nach Anspruch 7, bei dem mehrere der zylindrischen Apatit/Kollagen-Verbundstoffe nach dem Bündeln vernetzt werden.