JP2005067966A

JP2005067966A - リン酸カルシウム系セラミックス多孔体及びその製造方法

Info

Publication number: JP2005067966A
Application number: JP2003301638A
Authority: JP
Inventors: Makoto Kitamura; 真北村; Chikara Otsuki; 主税大槻; Masao Tanihara; 正夫谷原
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-08-26
Filing date: 2003-08-26
Publication date: 2005-03-17

Abstract

【課題】マクロ孔とメソ孔を併有するリン酸カルシウム系セラミックス多孔体を提供する。
【解決手段】リン酸三カルシウム及びリン酸八カルシウムを含有し、細孔直径が１０ｎｍ〜１００ｎｍのメソ孔と細孔直径が１０μｍ〜１００μｍのマクロ孔を併有する細孔径分布を示すリン酸カルシウム系セラミックス多孔体及びその製造方法。
【選択図】なし

Description

本発明は生体補填材料（特に、生体吸収性に優れているだけでなく、骨再生誘導因子や抗生物質等の薬剤の担持と徐放を可能にする生体補填材料）、環境浄化材料および建築材料等として有用なリン酸カルシウム系セラミックス多孔体およびその製造方法に関する。

従来から、生体補填材料としてはヒドロキシアパタイト（ＨＡ）が用いられてきている。ＨＡは生体活性があり、体液との反応により線維性被膜を介在させることなく自家骨を形成させ、周囲の骨と直接的に強く結合することができる。このようなＨＡに連続したマクロ孔を形成させた多孔体を用いることにより、該マクロ孔内への新生骨の進入に起因して骨癒合を向上させることが可能となった（特許文献１参照）。

しかしながら、ＨＡには、体内では吸収されない状態で長期間にわたって残存し、自家骨との間の機械的諸物性の相違に起因して耐久性に劣るという問題がある。このため、生体内で速やかに吸収されて自家骨に置き換わるような生体吸収性に優れた多孔性生体補填材料が要請されている。このような要請に対して、ＨＡ多孔体の代替材料としてβ型リン酸三カルシウムからなるリン酸カルシウム系多孔体が提案されているが（特許文献２参照）、この場合には、体内での溶解速度が依然として低いだけでなく、β型からα型への相転移が１２００℃付近で生じるために焼成温度が限定され、多孔体の骨格を形成するセラミックスの緻密化が不十分となり、多孔体の強度が低下するという問題がある。

このため、生体内での吸収性が高く、十分な強度を発揮するリン酸カルシウム系セラミックス多孔体が要請されている。
さらに、このようなリン酸カルシウム系セラミックス多孔体に対しては、新生骨が進入する比較的大きな連続マクロ孔とは別に、抗生物質等の薬剤や骨形成促進タンパク質等の骨再生誘導因子等が担持できる微細孔（メソ孔）を有するバイモーダルな細孔分布を示す特性を付与することが望まれている。

微細な細孔は、この種の多孔体の表面積を増加させるので、薬剤や骨再生誘導因子等の担持量を大幅に増大させると考えられる。このため、例えば、該多孔体に抗生物質を担持する場合には、多孔体埋食時の感染を有効に防止すると共に患部の炎症を効果的に緩和させることができ、また、骨形成促進タンパク質である骨形態形成タンパク質（ＢＭＰ：Bone Morphogenetic Protein）を該多孔体に担持する場合には、該多孔体が生体内で吸収されると共にＢＭＰによる骨形成反応が促進されるので、骨欠損部において骨形成が生じるまでに該多孔体が吸収されてしまうことがなく、該多孔体は骨形成のスキャフォールド（足場）材料として有効に機能すると考えられる。特に、メソ孔を有するこの種の多孔体に対しては、該メソ孔がタンパク質の分子サイズ１（ＢＭＰの場合は、約２０〜３０ｎｍである）とマッチングするために、担持性だけでなく、徐放性も期待される。

メソ孔を有する多孔体としては、平均細孔直径が７０ｎｍ〜２００ｎｍの多孔性ガラスが知られており、該多孔性ガラスは優れたタンパク質吸着能を発揮するが（特許文献３参照）、この場合には、生体吸収性の観点からは、リン酸三カルシウムに比べて吸収速度が遅いという問題がある。

また、ｐＨ１０〜１２の水性媒質中においてカルシウムイオンとホスフェートイオンを反応させて得られるゼラチン状のリン酸カルシウム沈殿物を焼成することによって、メソ孔を有するリン酸カルシウム系セラミック多孔体を製造する方法も知られている（特許文献４参照）。しかしながら、この場合には、該方法で得られる多孔体は血液浄化用吸着剤等としては有効に作用するが、マクロ孔に起因する骨組織の侵入や骨芽細胞の侵入による骨形成の促進に対しては有効に作用しないという問題がある。

特開平５−２０８０４４号公報特開２００２−５８７３５号公報特公昭６３−６２２２０号公報特開昭６２−２５３０７４号公報 J. Ceram. Soc. Japan, 107, 577-581(1999) J. Inclusion Phenomena, 2, 127-134(1984)

本願発明は、当該分野における上記の諸問題を解決できるリン酸カルシウム系セラミックス多孔体を提供するためになされたものである。

即ち本発明は、リン酸三カルシウム及びリン酸八カルシウムを含有し、細孔直径が１０ｎｍ〜１００ｎｍのメソ孔と細孔直径が１０μｍ〜１００μｍのマクロ孔を併有する細孔径分布を示すリン酸カルシウム系セラミックス多孔体及びその製造方法に関する。

本発明によるセラミックス多孔体は、リン酸三カルシウム（ＴＣＰ）およびリン酸八カルシウム（ＯＣＰ）を構成成分とすることに起因して高い生体吸収性を示すと共に連続的なマクロ孔が新生骨形成の足場として有効に作用するので、理想的な骨補填材料として有用なだけでなく、メソ孔の存在に起因して薬剤や骨再生誘導因子等の担持と徐放を可能にするので（特に、該メソ孔の形成により多孔体の表面積が増加するために薬物やタンパク質等を吸着できる有効表面積が増大し、また、該メソ孔を構成する主成分であるＯＣＰはタンパク質等に対して優れた吸着特性を示すので骨形成促進タンパク質等を有効に担持できる）、抗炎症作用や骨形成促進作用等の機能を発揮する高機能性生体補填材料としても有用である。

本発明によるリン酸カルシウム系セラミックス多孔体の特徴は、ＴＣＰとＯＣＰを構成成分とすると共に、細孔直径が１０ｎｍ〜１００ｎｍ（好ましくは２０ｎｍ〜５０ｎｍ）のメソ孔と細孔直径が１０μｍ〜１００μｍ（好ましくは２０μｍ〜５０μｍ）のマクロ孔を併有する点にある。

本発明によるリン酸カルシウム系セラミックス多孔体はＴＣＰを主成分とし、ＯＣＰを副成分として含有する。ＴＣＰの粒子は主としてマクロ孔を提供し、ＯＣＰの粒子は主としてメソ孔を提供するので、本発明によるリン酸カルシウム系セラミックス多孔体においては、該多孔体の用途等に応じてＴＣＰとＯＣＰの含有比を変化させることによって、メソ孔とマクロ孔との存在比を適宜調整することができる。従って、該多孔体中のＴＣＰとＯＣＰの組成比は特に限定的ではないが、通常の生体補填材料としての用途に対しては、ＯＣＰ含有量が１０重量％〜９０重量％、好ましくは２０重量％〜７０重量％である。

本発明によるセラミックス多孔体のメソ孔の直径が１０ｎｍ未満の場合には、薬剤や骨形成促進タンパク質等の被担持物質が１０ｎｍ未満のサイズのものに限定されるために好ましくなく（例えば、ＴＧＦ-βスパーファミリーのＢＭＰ-２のサイズは２０ｎｍであることが知られている）、また、該メソ孔の直径が１００ｎｍよりも大きくなると、薬剤等の被担持物質の徐放性が低下して短時間に放出されるので実用的ではない。
このようなメソ孔の存在に起因して、本発明によるセラミックス多孔体の全細孔表面積を通常は１０ｍ^２/ｇ以上（好ましくは３０ｍ^２/ｇ以上）に高めることができる。なお、該多孔体を、特に吸着剤としての機能を発揮させる用途に用いる場合には、この程度の細孔表面積が必要である。

本発明によるセラミックス多孔体のマクロ孔の直径は通常は１０μｍ以上にする。この理由は、該多孔体を、特に生体補填材料として使用する場合、該多孔体が体内へ充填したときに新生骨の足場として有効に作用するためには、細胞や血液が多孔体の内部へ侵入することが必要であり、このためには１０μｍ以上のマクロ孔が必要と考えられるからである。しかしながら、該多孔体のマクロ孔が１００μｍよりも大きくなると、該多孔体の機械的強度が著しく低下するので好ましくない。

本発明による上記のリン酸カルシウム系セラミックス多孔体の特に好適な製造方法を以下に説明する。
この製造方法は、細孔直径が１０μｍ〜１００μｍの連続気孔を有すると共にＴＣＰを主成分とするセラミックス多孔体を、ｐＨが３．５〜７．０（好ましくは３．８〜５．２）の緩衝溶液中に浸漬することを特徴とする。

緩衝液に浸漬する前のセラミックス多孔体は、細孔直径が１０μｍ〜１００μｍ（好ましくは２０μｍ〜５０μｍ）の連続気孔を有すると共にリン酸三カルシウム（ＴＣＰ）を主成分（好ましくは５０重量％以上、特に好ましくは８０重量％以上）とする。該多孔体のマクロ孔の細孔直径を限定する理由は、前述の最終的なセラミックス多孔体の場合と同様である。

セラミックス多孔体を構成する主成分としては、体液中への溶解速度が速くて生体吸収性が高いα型のＴＣＰ（α−ＴＣＰ）［Ｃａ_３（ＰＯ_４）_２］が好ましいが、該カルシウム化合物には、ＯＣＰ［Ｃａ_８（ＨＰＯ_４）_２（ＰＯ_４）_４・５Ｈ_２Ｏ］、β型のＴＣＰ（β−ＴＣＰ）、ＨＡ［Ｃａ_５（ＰＯ_４）_３（ＯＨ）］及びＤＣＰＤ（ＣａＨＰＯ_４）等のその他のリン酸カルシウムが含まれていてもよい。

上記の緩衝液中での浸漬前のセラミックス多孔体を得る好適な方法としては、下記の工程（１）〜（４）を含む製造方法が例示される：
（１）ＴＣＰと水溶性高分子を混合し、
（２）該混合物に水を添加して水性ペーストを調製し、
（３）該水性ペーストを、三次元網目構造を有する水不溶性有機体に担持させるか又は耐熱性型内へそのまま注型した後、有機成分を加熱脱脂処理に付し、次いで
（４）該脱脂処理物を１３００℃〜１５００℃で焼成する。

ＴＣＰとしては、α−ＴＣＰやβ−ＴＣＰ等のリン酸三カルシウムが用いられる。β−ＴＣＰは焼成時の熱処理によりα相へ転移させることが好ましい。
また、水溶性高分子としては、特に限定的ではないが、デンプン（例えば、馬鈴薯澱粉、小麦デンプン、コーンスターチ及びタピオカ澱粉等）、ポリビニルアルコール、ポリアクリル酸及びセルロース（例えば、ヒドロキプロピルセルロース、カルボキシメチルセルロース及びメチルセルロース等）等が例示されるが、均一な多孔質構造をもたらす各種の澱粉が好ましい。
ＴＣＰと水溶性高分子との配合割合も特に限定的ではないが、通常は、両成分の水性ペーストの調製時に粘性を発現させると共に脱脂時に多孔体を形成する際に重要な役割をする水溶性高分子を、全粉体重量に対して５重量％〜７０重量％（好ましくは２５重量％〜６０重量％）配合する。

ＴＣＰと水溶性高分子との粉状混合物に水を添加して水性ペーストを調製する工程においては、該水性ペーストの粘度が２００〜２０００ｍＰａ・Ｓになるように水の添加量を調整するのが好ましい。具体的には、水／粉状混合物の配合比が約０．５〜約１．５に成るようにするのが好ましい。

該水性ペーストの成形法も特に限定されないが、例えば、水性ペーストを坩堝のような耐熱性型内に直接注型して成形するか、又は三次元網目構造を有する有機化合物製スポンジ（例えば、ウレタンフォーム等）もしくは不織布等に含浸させることによって成形する。脱脂温度は、水溶性高分子及びスポンジの分解温度以上（約６００℃以上）にするのが望ましい。脱脂物の焼成は、十分な緻密化が生じる１０００℃以上の温度でおこなう。β−ＴＣＰを出発物質として使用する場合には、生体吸収性のより優れたα−ＴＣＰに転移させるために、１２００℃以上（好ましくは１３００℃〜１５００℃）の温度で焼成処理をおこなう（１５００℃よりも高温での焼成は、α−ＴＣＰの熱分解をもたらすので、避けるべきである）。

上記のようにして調製されるセラミックス多孔体（細孔直径が１０μｍ〜１００μｍの連続気孔を有すると共にＴＣＰを主成分とするセラミックス多孔体）を、ｐＨが３．５〜７．０（好ましくは３．８〜５．２）の緩衝溶液中に浸漬することによって、本発明によるリン酸カルシウム系セラミックス多孔体、即ち、ＴＣＰ及びＯＣＰを含有し、細孔直径が１０ｎｍ〜１００ｎｍのメソ孔と細孔直径が１０μｍ〜１００μｍのマクロ孔を併有する細孔径分布を示すリン酸カルシウム系セラミックス多孔体が得られる。

原料多孔体を上記のｐＨ範囲内の緩衝液中での浸漬処理に付すことによって、該多孔体を構成するＴＣＰ結晶の一部が転移し、内部細孔が１０ｎｍ〜１００ｎｍのメソ孔を有するＯＣＰ結晶粒子が生成し、この結果、本発明による上記のリン酸カルシウム系セラミックス多孔体が得られる。従って、上記の転移量を適宜調整することによって、多孔体中のＴＣＰとＯＣＰの組成比を変化させることができる。
この浸漬処理において、ｐＨが３．５〜７．０の範囲から外れると、上記の細孔特性を有するＯＣＰの生成は困難となる。一方、緩衝剤の種類は特に限定的ではなく、上記のｐＨ範囲内において十分な緩衝効果を示すフタル酸、クエン酸、酢酸、コハク酸及びマレイン酸塩等が例示される。

上記の浸漬処理は、減圧下での脱泡処理をおこなった後、被処理多孔体の内部まで緩衝液を浸透させた状態でおこなうことが好ましい。浸漬温度は特に限定的ではないが、通常は、ＯＣＰの形成を促進させるために、加温下、例えば、３０℃〜８０℃（好ましくは３５℃〜６０℃）でおこなう。浸漬時間は浸漬温度等によって左右され、特に限定的ではないが、ＴＣＰからＯＣＰへの転移反応を十分に進行させ、細孔直径が１０ｎｍ〜１００ｎｍのメソ孔を十分に形成させるためには、上記の浸漬温度において、３日間〜１０日間に設定するのが好ましい。

また、上記の浸漬処理においては、ＯＣＰのほかに、少量のＤＣＰＤ（ＣａＨＰＯ_４・２Ｈ_２Ｏ）及び層状化合物であるＯＣＰの層間に緩衝液中に含まれる有機物（例えば、フタル酸等）が取り込まれて格子面間隔が増大した有機物含有ＯＣＰも生成するが、これらの少量の副生物は、本願発明の所期の目的の達成に対する阻害因子とはならず、むしろ被吸着有機物の吸着特性の向上に寄与することが期待される。

なお、ＯＣＰが、その結晶成長において内部に微細孔を有する特徴的なモルフォロジー（形態）を有すると共にＴＧＦ−βなどの各種タンパク質に対して優れた吸着特性を発揮することは知られており（非特許文献１参照）、また、粉末状態におけるＴＣＰからＯＣＰへの結晶転移に関する報告例はあるが（非特許文献２参照）、ＴＣＰを主成分とする多孔体を出発原料として、メソ孔とマクロ孔を併有するリン酸カルシウム系セラミックス多孔体を調製するために該結晶転移反応を利用するという技術的思想は本発明によって初めてなされたものである。

実施例１、２及び４
β−ＴＣＰ（ナカライテスク社の市販品）及び馬鈴薯でんぷん（ナカライテスク社の市販品）をそれぞれ５０重量％の割合で混合し、この粉状混合物を超純水と混練して水性ペーストを調製し（前者：後者の重量比は８：７とした）、該水性ペーストを、一辺が１．５ｃｍの立方体に切断したウレタンフォーム製スポンジ（平均孔径：１ｍｍ）に吸収させた。このペースト吸収スポンジをマッフル炉内へ入れて１０００℃で３時間保持することにより脱脂処理をおこなった後、該脱脂処理物をＳｉＣ炉内へ入れて１４００℃で１２時間保持することによって多孔質燒結体を得た。

この多孔質燒結体（１ｇ）を３６．５℃に液温が保たれた緩衝液（３０ｍｌ）中に入れ、減圧脱泡処理をおこなった後、表１に示す所定日数の間保持した。得られた浸漬処理物を緩衝液から引き上げ、次いで超純水で洗浄した後、３６．５℃で１日乾燥させることによって、本発明によるリン酸カルシウム系セラミックス多孔体を得た。
なお、緩衝液としては０．０５ｍｏｌのフタル酸水素カリウム水溶液を用い、該水溶液のｐＨは、１ｍｏｌの水酸化ナトリウム水溶液を用いて表１に示す値に調整した。

多孔体の気孔径の測定
水銀圧入法（測定装置としては、島津製作所製の「オートポア９２２０」を使用した）により、多孔体の気孔率と細孔径分布を４ｎｍ〜４００μｍの範囲で測定し、１０ｎｍ〜１００ｎｍ付近と１０μｍ〜１００μｍ付近にピークが存在するかどうかによってバイモーダルな細孔径分布を有するかどうかについて判定し、結果を以下の表１に示す。

上記の測定で得られた細孔径分布の代表例（実施例２）を図１に示す。実施例２における多孔質燒結体の緩衝液中での浸漬時間と多孔体の気孔率又は細孔表面積との関係を図２に示す。

多孔体の結晶構造の測定
比較例１、実施例１及び実施例２の多孔体を乳鉢を用いて微粉砕し、得られた微粉末のＸ線回折図形を、ＣｕＫα線を使用する粉末Ｘ線回折法により、１°/分の走査条件下で測定した。Ｘ線回折装置としては、マックサイエンス社製の「Ｍ０３ＸＨＦ２２」を使用した。得られたＸ線回折ピークをＪＣＰＤＳとフィッティングすることにより、多孔体の結晶構造を同定した。得られたＸ線回折図形の測定例を図３に示し、また、ＴＣＰとＯＣＰの結晶の存否を上記の表１に示す。

実施例３
実施例１で得られた水性ペーストをアルミナ製坩堝（キャスト）内で注型成形する以外は、実施例１の場合と同様の操作をおこなった。

比較例１
実施例１で得られた多孔質燒結体（緩衝液中での浸漬処理に付す前の多孔体前駆体）を試料とした。
この試料の細孔径分布を図４に示す。

比較例２
実施例１で得られた多孔質燒結体をｐＨ＝４のフタル酸水素カリウム水溶液に２日間浸漬し、該浸漬処理物を緩衝液から引き上げ、次いで超純水で洗浄した後、３６．５℃で１日乾燥させることによって得られた多孔体を試料とした。

色素吸着試験
実施例１、実施例２又は比較例１の多孔体（１ｇ）を濃度が１２．５ｍｇ／ｍＬのメチレンブルー水溶液（１５ｍＬ）中へ７日間浸漬した後、該水溶液の上澄みをサンプリングし、試料の３００ｎｍにおける吸光度を測定した。この測定結果を図５に示す。
図５から明らかなように、１０ｎｍ〜１００ｎｍの微細孔を有する実施例２による多孔体の場合には顕著な吸光度の変化が認められ、このことは、該多孔体が優れた色素吸着能（即ち、該微細孔への担持効果）を発揮することを裏付けるものである。

タンパク質吸着試験１
塩基性タンパクである塩化リゾチームまたは酸性タンパクであるウシ血清アルブミン（ＢＳＡ：Bovine Serum Albumin）をｐＨ７．０のリン酸緩衝液中へ該タンパク質の濃度が０．５ｍｇ／ｍｌになるよう溶解した溶液（１５ｍＬ）中へ、実施例２および比較例１による多孔体（１ｇ）を１週間浸漬し、その間の所定時に溶液試料をサンプリングし、該試料中のタンパク質濃度をプロテインアッセイ法により測定し、測定結果を図６及び図７に示す。特に、図７から明らかなように、本発明によるメソ孔を有する多孔体は顕著な酸性タンパク質吸着能を発揮する。

タンパク質吸着試験２
実施例１による多孔体を追加し、また、タンパク質の所期濃度を０．２ｍｇ／ｍｌにする以外は、上記の「タンパク質吸着試験１」の場合と同様の試験を行い、２４時間経過後の試料中のタンパク質の濃度および多孔体１ｇあたりのタンパク質吸着量を測定した。測定結果を図８〜図１１に示す。
なお、上記のタンパク質吸着試験における「対照」試験においては、多孔体試料を存在させないで同様の操作をおこなった。

本発明によるリン酸カルシウム系セラミックス多孔体は、理想的な骨補填材料や高機能性生体補填材料として特に有用なだけでなく、空気浄化フィルターや廃水処理材等の環境浄化材料及び断熱材等の建築材料等としても有効に利用することができる。

実施例２による試料の細孔径分布を示すグラフである。実施例２で調製した多孔質燒結体をｐＨ４の緩衝液中に浸漬したときの、浸漬日数と多孔体の気孔率と全細孔表面積との関係を示すグラフである。比較例１、比較例２、実施例１及び実施例２による試料のＸ線回折図形である。比較例１による試料の細孔径分布を示すグラフである。比較例１、実施例１及び実施例２の試料による色素の吸着効果を示すグラフであって、これらの試料を色素溶液中に７日間浸漬した後の上澄の吸光度を示す。比較例１及び実施例２の試料による塩化リゾチームの吸着効果を示すグラフであって、浸漬溶液中の塩化リゾチーム濃度の経時的変化を示す。比較例１及び実施例２の試料によるＢＳＡの吸着効果を示すグラフであって、浸漬溶液中のＢＳＡ濃度の経時的変化を示す。比較例１、実施例１及び実施例２の試料による塩化リゾチームの吸着効果を示すグラフであり、浸漬溶液中の塩化リゾチームの２４時間後の濃度を示す。比較例１、実施例１及び実施例２の試料による塩化リゾチームの吸着効果を示すグラフであり、これらの試料による塩化リゾチームの２４時間後の吸着量を示す。比較例１、実施例１及び実施例２の試料によるＢＳＡの吸着効果を示すグラフであり、浸漬溶液中のＢＳＡの２４時間後の濃度を示す。比較例１、実施例１及び実施例２の試料によるＢＳＡの吸着効果を示すグラフであり、これらの試料によるＢＳＡの２４時間後の吸着量を示す。

Claims

リン酸三カルシウム及びリン酸八カルシウムを含有し、細孔直径が１０ｎｍ〜１００ｎｍのメソ孔と細孔直径が１０μｍ〜１００μｍのマクロ孔を併有する細孔径分布を示すリン酸カルシウム系セラミックス多孔体。
全細孔表面積が１０ｍ^２/ｇ以上である請求項１記載の多孔体。
細孔直径が１０μｍ〜１００μｍの連続気孔を有すると共にリン酸三カルシウムを主成分とするセラミックス多孔体を、ｐＨ３．５〜７．０の緩衝溶液中に浸漬することを含む、請求項１又は２記載のリン酸カルシウム系セラミックス多孔体の製造方法。
緩衝液中に浸漬する前のセラミックス多孔体の気孔率が４０％〜９０％である請求項３記載の方法。
細孔直径が１０ｎｍ〜１００ｎｍのメソ孔が、緩衝溶液中におけるリン酸三カルシウムのリン酸八カルシウムへの部分的相転移に起因して生成し、該メソ孔の生成によって多孔体生成物の全細孔表面積が１０ｍ^２／ｇ以上となる請求項３又は４記載の方法。
緩衝液中に浸漬する前のセラミックス多孔体が、下記の工程（１）〜（４）を含む製造法によって得られるセラミックス多孔体である請求項３から５いずれかに記載の方法：
（１）リン酸三カルシウムと水溶性高分子を混合し、
（２）該混合物に水を添加して水性ペーストを調製し、
（３）該水性ペーストを、三次元網目構造を有する水不溶性有機体に担持させるか又は耐熱性型内へそのまま注型した後、有機成分の加熱脱脂処理をおこない、次いで
（４）該脱脂処理物を１３００℃〜１５００℃で焼成する。