JP2003160372A - 骨セメント組成物及びその製法 - Google Patents
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Abstract
し、そして均一な放射線学イメージを提供する骨セメン
ト組成物の提供を目的とする。 【解決手段】 該セメントは重合開始剤を0〜5%又は
それ以上の、調節可能な濃度で含んで成る。これらのビ
ーズは乳白剤も含みうる。この重合開始剤及び乳白剤は
ビーズ全体に、又はビーズの特定の放射状領域に、又は
特定の層の中に選択的に分布されていてよい。これらは
特定の有利な大きさのビーズの中に選択的に配置されて
いてもよい。更に、本発明の別の態様において、その他
の有利な添加物、例えば色素、抗生物質、骨成長因子、
及びその他の薬学的又は治療的試薬をこのビーズの中に
含ませてよい。
Description
充填のために有用な二成分系プラスチックに関連する。
より詳しくは、本発明は液状成分及び乾燥成分を含んで
成り、この乾燥成分がポリマービーズを含んでいるポリ
マーセメントに関する。
系は長年、骨における隙間を埋めるために有効に利用さ
れてきた。かかるセメントは整形外科用移植片の固定に
おいて最も有用であるとされていた。典型的には、移植
片を収容させるために骨を切断し、次いでこのセメント
系の液状と乾燥成分とを混ぜ合わせてペーストを作り、
これをこの切断骨に適用する。このペーストの中に移植
片をすえ、これが完全に重合すると、この移植片と骨と
の間に連続的な隙間のない接触面が形成される。本開示
内容の発明はこのようなポリマー骨セメントの改善を包
括する。本発明をよりよく理解するには、従来のセメン
トの組成物、挙動及び欠点を知ることが役に立つであろ
う。
燥成分を示している。この乾燥成分はポリマービーズ
1、ポリマーフレーク(又は粉砕ビーズ2)と粉末乳白
剤3のゆるい混合物を含む。これらのビーズは重合開始
剤、例えば過酸化ベンゾイル(BPO)を含む。典型的
なかかるビーズは溶液重合プロセスで形成され、この場
合モノマーに重合開始剤としてBPOが加えられ、そし
て重合が実施される。モノマーの重合にとって必要とさ
れる量を超える量で加えられたBPOは残留物としてポ
リマーの中に残る。BPOをより多く加えると、実際の
限界値内において、より多くの残留BPOが重合ビーズ
の中にランダムに分配されるであろう。しかしながら、
BPOを多くするほど、得られるビーズの分子量は小さ
くなる。骨セメントビーズにおいて高分子量は重要であ
り、その理由は分子量が大きいほど機械的強度が強まる
からである。残留BPOと分子量との交換は有用な分子
量を有するビーズにおいて達成される残留BPOを制限
する。例えば、500,000以上の分子量を有し、且
つ、2重量%以上の残留BPO含有量を有するビーズを
製造するのは非常に困難である。残留BPO含有量が約
1重量%以下であるとき、乾燥セメント成分を含んで成
る混合物に遊離なBPO粉末を加えることが、典型的に
は10〜15分の所望の硬化時間を得るのに必要とされ
うる。しかしながら、このBPO粉末の均質な分散は困
難である。最後に、セメントの移植を助ける及びそれを
ラジオグラフで識別できるようにするため、セメントを
着色するよう乳白剤3を含ませている。この乳白剤は塊
4を形成しがちであり、その理由はこれはビーズ及びフ
レークに加えられた微細粉末であるからである。
なアミン促進剤、例えばN,N−ジメチル−p−トルイ
ジン(DMPT)を含む液状成分と混ぜ合わせる。混合
により、このモノマーは、このフレークの大きな表面積
に基づいてこのフレークポリマーを大いに溶解せしめ、
これにより粘性な流体又はペーストが出来上がる。加え
て、このモノマーはビーズをフレークよりもはるかにゆ
っくりと溶かしはじめるものであり、その理由はビーズ
の相対的に小さい表面積にある。ビーズが部分的に溶け
るに従い、残留BPOがモノマーにとって有用となる。
このBPOはDMPTの存在下において遊離基へと分解
し、これはモノマーにとっての重合開始剤として働き、
そしてこのビーズから外側に向ってポリマー鎖が形成さ
れ始まる。ところで、ビーズの溶解により露出したBP
Oのみが接近性であり従ってビーズは部分的に溶解する
だけでよい。BPOはビーズ全体にわたって分布してい
るため、従来のセメントの有用なBPO濃度はビーズ中
の実際の濃度よりも低い。重合が進行するに従い、この
セメントペーストは固体へと事実上硬化するまで粘性が
増し続ける。この硬化過程は3つの段階を有するものと
して特性化することが有用である。図2は典型的なポリ
マー骨セメントに関する粘性、対、時間のグラフを示
す。第1、又は混合段階の際、このセメント成分を混合
して、μ1 で表わされる粘性のペーストがモノマー中で
のポリマーフレークの溶解に基づいてまず形成される。
第2段階又は作業時間の際、このペーストは骨に適用す
るのに有効な適切な粘度となる。設定により、これは骨
への入手による充填に適するかなり粘性なパテ状の粘稠
質となりうるか、又は骨への注入に適する薄い流動性の
粘稠質となりうる。この粘稠性は例えば乾燥成分中のフ
レーク対ビーズの比を変えることによってコントロール
できる。BPOがないと、この段階はビーズの更なる溶
解に基づいてわずかな増粘のみを伴ってかなりの時間続
くであろう。しかしながらBPOのため、重合が起こ
り、そしてこのペーストはμ2 で表わす段階に達して、
それ以上硬化しなくなる。発熱反応であるこの重合反応
はこのセメントが完全に硬化するまで最終段階にわたり
続く。このプロセス全体は典型的には2〜15分間かか
る。残留BPOの量及びそのビーズ全体にわたる分布に
おける実際の限界値のため、従来のセメントに関して
は、図2において示すような粘性対時間の曲線を容易に
描くことができない。
は、ビーズ1及び乳白剤3の分布を含む重合プラスチッ
ク5のマトリックスを含んで成る。このビーズは一般に
マトリックスにしっかりと接着されており、なぜならB
POが露出されるに従い、ビーズから外側に向ってポリ
マー鎖が形成されるからである。しかしながら、BPO
のレベルを上げるために遊離BPOを加えるとき、そし
てBPO粉末の均一でない分散を有する乾燥セメント成
分を液状セメント成分と混ぜ合わすとき、BPOの濃度
が相対的に高い領域で重合はより速く進行するであろ
う。このような領域はビーズの外側であり、弱い機械的
特性をもたらしうる局在化及び均一性の低い重合がもた
らされるであろう。更に、この乳白剤はマトリックスの
中に単に包み込まれ、従ってそれと結合を形成していな
いため、セメント上に応力を集中させてそれを弱める。
塊となる乳白剤の傾向はセメントを更に弱めることがあ
り、そしてこの塊はセメント−骨界面のラジオグラフイ
メージを妨害しうる。Bradenらの米国特許第4,
791,150号及びFoxの同第4,500,658
号には、ビーズ形成中にポリマーセメントビーズの中に
分散された乳白剤を有するセメントが記載されている。
これらの文献は前記したビーズ形成のための懸濁重合バ
ッチ式プロセスの利用を教示し、そして更に形成される
ビーズがある程度の乳白剤を含むように懸濁重合溶液の
中に乳白粒子を含ませることを教示している。乳白剤を
含ませるこの方法は利用するには時間がかかり、そして
費用もかかる。これはまたコントロールできず、且つ、
ランダムな乳白剤分布を伴うビーズをもたらす。その結
果、若干の乳白粒子がビーズの表層付近に局在しがちと
なり、その表面が使用中にモノマーによって溶かされる
ときにこの粒子が露出してビーズから分離するようにな
る。このような分離した粒子はマトリックスの中で蓄積
され、そして前記した通り応力集中体を形成しうる。
は、極めて有効な粘性対時間曲線を有するポリマー骨セ
メント組成物の提供にある。
ける応力集中構造の減少に基づいて、向上した強度を有
するポリマー骨セメント組成物の提供にある。
フイメージを有するポリマー骨セメント組成物の提供に
ある。
粒子内においてコントロールされた分布で計画的に配置
された好都合な添加物を有するポリマー骨セメントの提
供にある。
さのセメント乾燥粒子の中に計画的に配置された有利な
添加物を有するポリマー骨セメントの提供にある。
性対時間曲線が容易に調整されることが可能な、ポリマ
ー骨セメント組成物の製造方法の提供にある。
いてコントロールされた分布で乳白剤及びその他の添加
物の配置を提供するポリマー骨セメント組成物の製造方
法の提供にある。
の他は、重合開始剤を0〜5重量%又はそれ以上で、調
節可能な濃度で含むビーズを含んで成るセメント組成物
によって獲得される。これらの同一のビーズ又はその他
のものは、乳白剤を含んでいてもよい。重合開始剤及び
乳白剤はビーズ全体にわたって、又はビーズ中の特定の
放射状領域において、又は特定の層においてビーズの中
で選択的に分布されていてよい。更に、本発明の別の態
様において、その他の有利な添加物、例えば色素、抗生
物質、骨成長因子、及びその他の薬学的もしくは治療的
試薬をビーズの中に含ませてよい。上記の構造を有する
ビーズは本明細書に参考として組入れた米国特許第4,
657,140号に記載のマイクロ封入技術の改良形態
を用いて形成されうる。
に分散された1又は複数の添加物を有する。重合開始剤
7、好ましくは過酸化ベンゾイル(BPO)はビーズ重
量の0〜5%又はそれ以上を占めうる。かかるビーズを
異なる大きさ及び組成のその他のビーズと組合せて外科
用セメント系の乾燥成分を形成せしめることができる。
以下に記載ビーズ形成プロセスによって作るコントロー
ルされた様々なBPO濃度は、セメント系における調節
可能な流動学的挙動に貢献する。ビーズ6又はその他
は、好ましくは乳白剤8、例えば硫酸バリウム(BaS
O4 )を含む。BaSO4 を球状、且つ、相対的に強度
なビーズの中に包み込むことにより、重合セメントマト
リックスの中で応力集中体が形成されることが防がれ、
そして均一なラジオグラフイメージが提供されるであろ
う。更に、BaSO4 は作業段階中に溶けうるよりも大
きなサイズ又は最大寸法を有するビーズに含ませること
でBaSO4 がビーズからあまり遊離しないで重合マト
リックスの中に蓄積させることが好ましい。典型的なセ
メント乾燥成分はBaSO4 及びBPOを含むビーズを
85重量%含み、このビーズは約50μmの平均サイズ
を有するであろう。BaSO4 は約1μmのサイズの粒
子を構成する微細粉末状であり、且つ、ビーズ重量の約
8〜12%を構成するのがよい。BaSO4 はビーズ6
の中で塊8を形成すると予測される。BPOは微細粉末
状態であり、約10μmのサイズの粒子7を構成する微
細粉末状であり、そしてビーズ重量の2〜3%を構成す
る。該セメントの乾燥成分の残りの15重量%は約1μ
m〜10μmの平均サイズを有する微細ポリマービーズ
より成るであろう。この比率の乾燥成分は粉砕ビーズ又
はフレーク化ポリマーも含んで成りうる。互い違いの典
型的なセメント乾燥成分は、BPOを含むビーズ75重
量%、BaSO4 を含むビーズ10重量%、及び微細ビ
ーズ、粉砕ビーズ又はフレーク15重量%を含むであろ
う。更に、BPOを微細ビーズの中に入れて、微細ビー
ズの溶解によりそれら全てが直ちに有用となるようにす
ることができる。
層に入れることによってより有利になされうる。図5に
は層9,10及び11、並びに表面12を有するビーズ
を示している。ビーズの中心11の中に乳白剤を加える
ことにより、これはよく埋没され、従って重合化セメン
トのマトリックスの中に乱雑に含まれる機会が小さくな
る。重合開始剤をビーズの表面12の上に載せることに
より、乾燥と液状セメント成分との混合の直後に重合を
開始させることができる。これをビーズの外層の中に入
れてより漸進的な重合を起こさせることもでき、なぜな
らこれはビーズの溶解に基づいて有用となるからであ
る。最後に、この開始剤を、ビーズの中により深く、層
10に入れ(この開始剤含有層はポリマーバリヤー層9
で囲まれている)、重合を開始する前の特定の時間遅延
をセメントに提供することができる。この時間遅延はバ
リヤー層9を溶かして重合開始剤含有層10を露出させ
るのに必要な時間であろう。更に、この開始剤を狭いバ
ンドの中に集中させてバンドに到達するまでの時間の遅
延及びその後の非常に迅速な重合をもたらしめるか、又
はこのバンドでの濃度を低くするもしくはこれをより広
くして、より漸進的な重合開始を伴う時間遅延をもたら
してもよい。本発明の新規のバンドはビーズの中に含ま
れているBPOの完全な利用を可能とし、なぜならBP
Oは利用において露出されるであろうビーズの領域の中
にあるであろうからである。添加物のかかる計画的な一
体化は特定の所望される流動挙動及び強度の特性をもた
らしうる。同様に、上記の構造はその他の添加物、例え
ば色素、抗生物質、骨成長因子及びその他の有用な試薬
を有利に収容しうる。
ーズの中に入れることができ、それらは単独で又はその
他の添加物と組合せて入れることができ、そしてそれら
は正確なタイミング及び積極的封入をもたらす層の中に
入れることができる。上記の構造の全ては米国特許第
4,657,140号に記載のプロセスを改良すること
によって作られうる。このプロセスにおいて、中核材料
の固形粒子又は粘性液状液滴をコーティング材料の中に
封入するのは、これら2つの材料の懸濁物又は溶液を回
転面の上に供給することによってなされる。このプロセ
スは、それが連続式プロセスであり、そしてこれが広範
囲にわたるコントロールされたサイズを有するビーズを
形成することが可能であることにおいて、添加物を含む
骨セメントビーズを形成するのに利用されているその他
のプロセスから区別される。過剰のコーティング材料の
コート化粒子及び液滴を回転面の周囲から遠心によって
放射させ、次いで冷却又は蒸発によって固形化させる。
この過剰のコーティング材料はコート化粒子よりも小さ
い乾燥した液滴を形成するため、簡単に分けられて再利
用することができる。このプロセスの連続的、且つ、コ
ントロールできる性質、及び再利用できるコーティング
材料からの製品の分離のし易さは、このプロセスを他の
プロセスよりもより経済的、且つ、より効率的なものと
する。これは更に、最終製品においてコート化粒子のみ
を所望する場合にこのプロセスを有用とする。このプロ
セスは1μm〜500μmの範囲の粒子をコートするこ
とが可能であり、そして要望の様々なる特定のサイズの
仕上げビーズをもたらすことができる。本発明におい
て、図4に示すビーズは上記の方法により、ポリマーを
液化させ、例えばそれを溶媒の中に溶かすか又は溶融さ
せ、次いで所望の添加物をこの液体の中に懸濁又は溶か
し、次いでこの懸濁物又は溶液を回転面に供給すること
によって作られうる。好ましい態様において、残留BP
Oを全っく又は最少限で有し、且つ、少なくとも10
0,000の分子量のバルクのポリメチルメタクリレー
ト(PMMA)ホモポリマー又はポリメチルメタクリレ
ートスチレン(PMMAS)コポリマーを有機溶媒、例
えばアセトン、塩化メチレン又はその他の既知の有機溶
媒の中に溶かす。典型的には微細粉末状のBPOをこの
ポリマー溶液の中に溶かす(又は利用する溶媒に依存し
て懸濁させる)。ビーズは重合反応よりはむしろポリマ
ーから直接形成されるため、任意の所望のBPO濃度
が、達成される分子量に影響を及ぼすことなく得られう
る。BPOに加えて、1マイクロメーター以下の平均粒
径を有するBaSO4 をこの溶液の中に一緒に懸濁する
ことが好ましい。この懸濁物を回転噴霧化装置に供給す
る。ここで遠心力がこの懸濁物を、この回転面からそれ
が離れるときに噴霧させる。過剰量のコーティング材料
より形成された純粋ポリマービーズは再利用するか、又
は所望の特性を担うようにこのセメント系の乾燥成分の
中に含ませてよい。このプロセスはまた乾燥成分への一
体化のための純粋なポリマービーズのみの製造のために
添加物を全く伴わずに行ってもよい。ビーズの中に有利
に入れられうるその他の添加物には色素、抗生物質、骨
成長因子及びその他の薬学的又は治療的試薬が挙げられ
る。このプロセスはこわれ易い薬学的試薬を含ませるの
に特に適し、その理由は溶液中での添加剤の非常に短い
滞在時間及びこのプロセスが低温で実施されうる能力に
ある。
ング段階に由来するビーズを、次のコーティング段階に
おける粒子として反復利用することによって作られう
る。例えば、濃縮BPOの層及び純粋なPMMAの外層
により覆われ、その中心に封入されているBaSO4 を
有するビーズが以下の工程によって作られうる。上記の
プロセスはPMMAの中に封入されたBaSO4 を有す
る第1ビーズを作るために利用される。かかる第1ビー
ズを次にBPOを含む溶液、例えばメタノールに溶かさ
れたBPOの中に懸濁させる。(この第1ビーズはメタ
ノールの中で溶けない。しかしながら、この溶液の中で
溶ける粒子又はビーズのためにこのプロセスを利用する
ことさえも可能であり、なぜならこれらの粒子の溶解を
防ぐように滞在時間を短くすることができるからであ
る。)このプロセスはPMMAに封入されたBaSO4
を含んで成り、BPOによってコートされた第2ビーズ
を作るために実施される。最終PMMA外層を適用する
ためにPMMA溶液でこのプロセスを繰り返す。より広
い、濃度の低いBPO含有層は、第1ビーズを、メタノ
ールに溶かされているBPOではなくて、より粘性なB
PO含有液体、例えば液状ポリマーをコートすることに
よって作られうる。微細ビーズ粉砕ビーズ又はポリマー
フレークとの適当な混合においてこれらのビーズを含ん
で成る乾燥成分を有するセメント系はコントロールされ
た特定の作業時間(PMMAの外層を溶かすのにかかる
時間)、それに続く、BPOの濃縮層が有用となるに従
う迅速な重合の開始の非常に所望される性質を有するで
あろう。図6は完全に重合されたセメントを示してい
る。ビーズ13はポリマーマトリックス14の中にしっ
かりと一体化されており、なぜなら重合はビーズから開
始されるからである。BaSO 4 15はビーズの中心に
しっかりと保持されており、これによりそれらはセメン
トを虚弱にすることがなく、そして均一なラジオグラフ
イメージをもたらすよう硬化セメント全体にわたってビ
ーズと共に均一に分布されるであろう。
なる設計及び骨セメントの強度における改善を提供す
る。図7は本明細書に記述の進歩的なセメントにより獲
得されたいくつかの典型的な粘性対時間曲線を示してい
る。これらの曲線は直後の迅速重合から遅延した漸進重
合に至る。例えば、曲線21は直ちに重合し始め、そし
て硬化するまで非常に迅速に続くセメントを示してい
る。このタイプの曲線は、小さな容易に溶けるビーズ中
の高濃度の重合開始剤を有し、これにより混合中でのビ
ーズの溶解により重合開始剤の全てが放出されるであろ
うセメントに由来しうる。曲線22は混合中に重合し始
め、そして重合が漸進的な上昇速度で続くセメントを示
している。この曲線は、重合開始剤がビーズ全体に分散
され、従って若干の重合開始剤が直ちに暴露され、そし
てビーズがより溶解するに従って、より多くの重合開始
剤が有用となるビーズに由来するであろう。曲線23は
重合開始前にt1 の遅延時間を有し、そして漸進的な上
昇速度で重合が続セメントを表わしている。この曲線
は、重合開始剤を全く含まない外層と、重合開始剤を含
む相対的に広く、又はあまり集中していない内層を有
し、従って外層が溶けると、重合開始剤が徐々に放出さ
れる層状ビーズに由来するであろう。曲線24は重合開
始前にt2 の相対的に長い時間遅延を有し、そして迅速
な重合が開始されるセメントを示している。この曲線
は、重合開始剤を含まない厚い外層と、重合開始剤がす
ばやく放出される非常に集中したバンドを有する層状ビ
ーズ構造に由来するであろう。最後の曲線25は長い遅
延時間及び漸進的な重合を有するセメントを示してい
る。これは重合開始剤を含まない厚い外層と、重合開始
剤を徐々に放出するであろう広い内層を有する層状ビー
ズ構造に由来するであろう。本発明の技術を利用してそ
の他の数多くの所望の重合曲線が得られうる。
きたが、更なる変更も可能である。例えば、粒径を、利
用する特定の添加物及びその起源に依存して変えてよ
い。同様に、層状ビーズ構造における層の順序、厚さ及
び濃度を、特定の用途に合わせるため、及び所望の特性
を提供するために変えられる。更に、このセメントは実
施例において用いたものと異なるポリマー又はポリマー
の組合せを含んで成ってよい。ところで、当業者はこれ
らの改良が本発明の範囲を逸脱するものでないことを理
解するであろう。
性対時間のグラフ。
略図。
ズの略図。
の粘性対時間曲線グラフ。
Claims (5)
- 【請求項1】 乾燥成分及び液状成分を含んで成り、こ
の乾燥成分が:ポリマー粒子の第1分布、 ポリマー粒子の第2分布、 ここで当該第2分布の粒子は当該第1分布の粒子よりも
小さく、及び前記第1分布の粒子内にのみ含まれている
放射性不透過剤、 を含む骨セメント。 - 【請求項2】 前記第1分布のポリマー粒子が50μm
より大きく、そして第2分布のポリマー粒子が50μm
より小さい、請求項1に記載の骨セメント。 - 【請求項3】 前記放射性不透過剤が前記第1分布の粒
子の中心に集中している、請求項1に記載の骨セメン
ト。 - 【請求項4】 乾燥成分及び液状成分を含んで成り、こ
の乾燥成分が:ポリマー粒子の第1分布、 ポリマー粒子の第2分布、 ここで当該第2分布の粒子は当該第1分布の粒子よりも
小さく、及びこの第2分布の粒子内にのみ含まれている
重合開始剤、を含む骨セメント。 - 【請求項5】 乾燥成分及び液状成分を有し、この乾燥
成分が:乳白剤及び重合開始剤を含む第1ポリマー粒子
85重量%、ここで当該第1ポリマー粒子は50μmの
平均サイズを有する、並びに、 10μm以下の平均サイズを有する第2ポリマー粒子1
5重量%、 を含んで成る骨セメント。
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