JP2007508075A

JP2007508075A - 骨移植物のための複合生体材料

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Publication number: JP2007508075A
Application number: JP2006534562A
Authority: JP
Inventors: サントス，ラモンゴンサレス; パス，アルベルトギルレモスサルテ
Original assignee: セントロナショナルデインヴェスティゲーションズシエンティフィカス（セーイーエネセー）．
Priority date: 2003-10-16
Filing date: 2004-09-30
Publication date: 2007-04-05
Also published as: EP1679090B1; BRPI0414306A; CU23352A1; AR046282A1; WO2005035016A1; CN1863563A; DE602004029271D1; US20070053951A1; CA2540555A1; EP1679090A1; ATE481991T1; CO5680464A2; ES2352734T3; PT1679090E; CN100540073C

Abstract

カルシウム塩、主にリン酸塩、ヒドロキシ−アパタイト（hydroxy- apatite）およびカーボネート−アパタイト（carbonate-apatite）によって形成される無機相、ならびに酢酸ビニル（vinyl acetate）とクロトン酸（crotonic acid）から得られるポリマーによって形成される有機相によって構成される骨移植物のための生体材料。これらの生体材料は、高密度であっても多孔性であってもよく、そして生組織中の移植物として用いられる場合に、これらの相の性質および比率に応じて種々の再吸収速度を呈することができ、そしてまた、制御薬物送達系の形成のための支持体として機能することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、生体材料、特に、複合または混合の生体材料（「複合材料」）として周知の生体材料の合成および用途の分野に利用され、この場合に生体材料は、炭酸−リン酸カルシウム（calcium carbonate-phosphates）のセラミックおよび酢酸ビニル（vinyl acetate）の誘導体ポリマーで形成され、硬組織が損傷を受けたかまたは失われた場合に硬組織の代用としてあるいは薬物支持体、制御薬物送達系などのような他の生物医学の用途として機能する。

人体の種々の場所において損傷を受けたかまたは失われた骨組織を置き換える、再構築するおよび／または再生させるということは、人類のまさに誕生から何世紀もの間におよぶ課題あり、成功に向かいつつある。最初に見出された解決法の１つは、種々のタイプの骨移植片の使用であったが、現在ではこれらの骨移植片は、様々な制限、主としてその入手が困難であること、患者にとってのトラブルおよび手術危険度ならびにとりわけ有効性が変動しやすいことのために、他の生体材料で代用されている。これらの目的に使用される材料のリストは、骨移植片代用品として一般的に知られている種々のタイプの金属、ポリマー、セラミックおよびガラスなどを含む、長いものとなる（Senn N. On the healing of aseptic cavities by implantation of antiseptic decalcified bone. Amer. J. Med. Sc., 98: 219-243; 1889.（非特許文献１）, Weber J.M., White E.W. it Carbonates minerals ace precursors of new ceramic, metal and polymer materials for biomedical applications. Min. Sci. Eng., 5: 151; 1973（非特許文献２）, Williams D.F. Challenges in materials for health care applications. Argew. Chem. Adv. Mater., 101(5): 678; 1989（非特許文献３）, Hench L.L., Wilson T. Surface-activate biomaterials. Science, 226: 630; 1984（非特許文献４））。現在まで、種々の医療分野についての骨再構築手術のあらゆる必要性に適合する理想的な生体材料は見出されていないと言えるが、リン酸カルシウム（calcium phosphates）、特にヒドロキシアパタイト（hydroxyapatites）が、その生体適合性、人体による耐性および治療における有効性の観点から、この分野において最も有望な生体材料であることが専門家の間で広く一致している（Klein C.P.A.T., Dreissen A.A., of Groot K., Van den Hooff A., Biodegradation behavior of various calcium phosphate materials in bone tissue. J. Biomed. Mater. Head., 17: 769-784; 1983（非特許文献５）, Shinazaki K., Mooney V., Comparative study of porous hydroxyapatite and calcium material phosphate in bone substitute. J. Orthop. Head., 3: 301; 1985（非特許文献６）, Damien C.J., Parsons J.R. Bone graft and bone graft substitutes: TO review of current technology and applications. J. Appl. Biomat., 2:187-208; 1991（非特許文献７）, Jallot E. Correlation between hydroxyapatite osseointegration and Young´s Modulus. Med. Eng. Phys., 20: 697 ; 1998（非特許文献９））。なぜなら、これらの物質は、「生物学的アパタイト」として周知である骨の無機物支持体と化学的および構造的に際立って同一である。このことは、これらの化合物が主にこの３０年間に臨床用途において成功してきた理由である（Cottrell D.A., Wolford L.M. Long-term evaluation of the uses of coralline hydroxyapatite in orthognatic surgery. J. Oral Maxillofac. Surg., 56: 935; 199,（非特許文献１０）. Ayers R.A., Simske S.J., Nunes C.R., Wolford L.M. Long-term bone ingrowth and residual mocrohardeness of porous block hydroxyapatite implants in human. J. Oral Maxillofac. Surg., 56: 1297; 1998（非特許文献１１）, Gonzalez R., Blardoni F., Master H., Pereda O., Pancorbo E., Cienega M.A. Long-term results of the coralline porous hydroxyapatite HAP-200 ace bone implant´s biomaterial in orthopedics and traumatology. CENIC Biological Sciences have, 32(2): 97-101; 2001（非特許文献１２））。

しかし、別の専門家が行った研究によれば、骨は、上記のリン酸カルシウム（calcium phosphates）で主に構成される無機支持体（約６５％）によって形成され、そして残り（３５％）は有機物および水であることが確認されている。この有機相は、大部分は生物学的アパタイトと密接な相互関係が見出されているコラーゲンで構成されている（Weiner S., Traub W. Organization of hydroxyapatite crystals within collagen fibrils. FEBS, 206(2): 262; 1986）。

骨組織の組成および構造が解るにつれ、種々の組成、構造、多孔率を有し、かつ「インビボ」において種々の生分解挙動を有するリン酸カルシウム（calcium phosphates）の生体材料の研究および開発が促進されてきた。現在では、多種多様のこのタイプの移植物、中でも米国特許第４９７６７３６号（１９９０年１２月）（特許文献１）、米国特許第５９００２５４号（１９９９年５月）（特許文献２）、仏国特許第２７７６２８２号（１９９９年９月）（特許文献３）、米国特許第６００１３９４号（１９９９年１２月）（特許文献４）、米国特許第６３３１３１２号（２００１年１２月）（特許文献５）に記載の移植物が存在する。骨の構成的部分を擬態する、天然高分子生体材料（コラーゲン（collagen）、キトサン（quitosane）、セルロース（cellulose）、など）ならびに種々の種類および起源由来の合成物質もまた、これらの目的で開発され、かつ適用されてきた［米国特許第５８３７７５２号（１９９８年１１月）（特許文献６）、米国特許第５９１９２３４号（１９９９年７月）（特許文献７）、米国特許出願第２００３１１４５５２号（２００３年６月）（特許文献８）］。近年、種々のタイプの天然および合成高分子と共にリン酸カルシウム（calcium phosphates）およびヒドロキシアパタイト（hydroxyapatite）で構成された複合または混合の材料（複合材料）の生産への熱心な取り組みがなされており、その目的は骨に更に類似した化学的、物理的および機械的性質を有する生成物を達成することであり、これを用いれば骨移植片の代用としてより良好な機能を果たすことが達成され得る。

この種の構成材料（複合材料）の多数の組み合わせが、この数年間に開発されてきており、それらのうちのいくつかを以下に記載する。すなわち、ヒドロキシアパタイト（hydroxyapatite）、コラーゲン（collagen）およびグリコサミングリカン（glycosamineglicane）（米国特許第５０７１４３６号、１９９１年（特許文献９））、リン酸カルシウム（calcium phosphates）とセルロース（cellulose）の混合物（仏国特許第２７１５８５３号、１９９５年（特許文献１０））、ヒドロキシアパタイト（hydroxyapatite）とポリ乳酸（polilactic acid）の混合物（ＷＯ９７４６１７８号、１９９７年（特許文献１１））、ヒドロキシアパタイト（hydroxyapatite）とシリコーン（silicone）の混合物（米国特許第５７２８１５７号、１９９８年（特許文献１２））、リン酸カルシウム（calcium phosphate）とセルロース（cellulose）およびその誘導体の混合物（米国特許第６５５８７０９号、２００３年（特許文献１３））、いくつかのカルシウム塩といくつかのポリマー配合物の混合物（米国特許第６５７９５３２号、２００３年（特許文献１４））、ヒドロキシアパタイト（hydroxyapatite）、骨およびいくつかの無機塩類と、ポリエチレングリコール（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅｇｌｙｃｏｌ）、ワックス、ヒドロゲルおよびアクリル系ラテックスの混合物（米国特許第６６０５２９３号、２００３年（特許文献１５））等である。

酢酸ビニル（vinyl acetate）およびクロトン酸（crotonic acid）の誘導体ポリマーと、移植物生体材料として用いられる任意の無機塩類との可能な組合せに関する報告は見出されなかった。

上記の生成物はいくつかの医療用途において良好な結果を示しているが、これらの生成物は、人体の種々の部位の骨の再構築手術の多様な且つ増大する必要性を依然として満たしていない。

いくつかの用途について、外科医は、移植される生体材料がその場所に新しい骨を残して急速に再吸収されることを優先し、さもなければ、処置する損傷の場所および大きさに従って、移植物がより長期にわたって不変のままで残ることを要求する。従って、生体材料が薬物を制御された方法で送達し得るならば、非常に有利である。なぜなら、同時に、感染症、炎症プロセス、新生物形成などのような種々の骨の病変を処置することが可能になるからである。

一方、既存の骨移植物のための生体材料の多くは、多数の人々にこれらを適用するには経済的に採算が合わない。

近年、持続作用の薬物の製造のための適切な支持体としての機能を果たし得る、酢酸ビニル（vinyl acetate）およびクロトン酸（crotonic acid）からの誘導体ポリマーが開発されている（１９９３年のキューバ特許番号第２２１９９号（特許文献１６）、２００３年の同第２２８８０号（特許文献１７）、国際出願ＰＣＴ／ＣＵ９９／００００２１９９９年（特許文献１８））。

本発明はまた、骨組織を再構築するためおよび他の治療用途または再構築手術のためにヒトに移植可能な生体材料の生産におけるこれらのポリマーの新しい用途にも関する。
米国特許第４９７６７３６号公報米国特許第５９００２５４号公報仏国特許第２７７６２８２号公報米国特許第６００１３４号公報米国特許第６３３１３１２号公報米国特許第５８３７７５２号公報米国特許第５９１９２３４号公報米国特許出願第２００３１１４５５２号公報米国特許第５０７１４３６号公報仏国特許第２７１５８５３号公報ＷＯ９７４６１７８号国際公開公報米国特許第５７２８１５７号公報米国特許第６５５８７０９号公報米国特許第６５７９５３２号公報米国特許第６６０５２９３号公報キューバ特許第２２１９９号公報キューバ特許第２２８８０号公報国際出願ＰＣＴ／ＣＵ９９／００００２号公報 Amer. J. Med. Sc., 98: 219-243; 1889 Min. Sci. Eng., 5: 151; 1973 Argew Chem. Adv. Mater., 101(5): 678; 1989 Science, 226: 630; 1984 J. Biomed. Mater. Head., 17: 769-784; 1983 J. Orthop. Head., 3: 301; 1985 Appl. Biomat., 2:187-208; 1991 Med. Eng. Phys., 20: 697 ; 1998 J. Oral Maxillofac. Surg., 56: 935; 199 J. Oral Maxillofac. Surg., 56: 1297; 1998 CENIC Biological Sciences have, 32(2): 97-101; 2001 FEBS, 206(2): 262; 1986

本発明の主要な目的は、リン酸カルシウム（calcium phosphates）、カーボネート（carbonates）および水酸化物（hydroxide）、ヒドロキシアパタイト（hydroxyapatite）、カーボネート−アパタイト（carbonate-apatite）または種々の比率でのこれらの混合物を酢酸ビニル（vinyl acetate）およびクロトン酸（crotonic acid）からの誘導体ポリマーに結合させて、骨移植物の代用としての適切な性質をもった複合または混合の生体材料（「複合材料」）を得ることである。

本発明の別の目的は、処置病巣の場所、骨のタイプおよび損傷の大きさといった外科的要件に応じて、高密度であっても多孔性であってもよい、そして種々の生分解度を示し得る生体材料を開発することである。

本発明者らの探索は、これらの生体材料をセラミック−ポリマー−セラミックまたはポリマー−セラミック−ポリマーの連続層によって形成し、その結果この生体材料が生組織に接触する面がポリマーによって、セラミックによって、または両方によってのみ形成されることを可能にすることである。

本発明者らの発明の実施を明らかにする適用例として、以下に示す。

開発された生体材料は、無機相（Ａ）および有機相（Ｂ）の２種類の化合物で構成されている。

無機相（Ａ）は、リン酸カルシウム（calcium phosphates）、水酸化物（hydroxide）、カーボネート（carbonates）、ヒドロキシアパタイト（hydroxyapatite）およびカーボネート−アパタイト（carbonate-apatite）または以下の表１で示されるような種々の比率でのこれらの混合物で構成される：

表１は、生体材料の調製に用いられる無機化合物（Ａ）の混合物の組成を示す。表１に示された無機化合物は、以下において、例えば「化合物１」と記載する。

有機相（Ｂ）を構成するものを挙げると以下である。酢酸ビニル−ビニルアルコールコポリマー（poly-vynilacetate-co-vynil alcohol）（「ＰＯＶＩＡＣ」）、これのビニルアルコール組成はビニルアルコール（vynil alcohol）の単量体単位で１〜２５モル％、分子量および純度はポリ酢酸ビニル（polyvynilacetate）について記載に類似；ポリ酢酸ビニル（poly-vinylacetate）（ＰＯＶＩＡＣ１）、これの分子量は１００００〜２５００００Ｄ、残存モノマー含量は０〜１００ｐｐｍ、酢酸（acetic acid）による酸度は０．５％以下、鉛による重金属含量は２０ｐｐｍ未満、過酸化物は含まない；酢酸ビニル−クロトン酸コポリマー（polyvynilacetate co crotonic acid）（ＣＲＯＴＡＶ）、これのクロトン酸（crotonic acid）組成はクロトン酸（crotonic acid）の単量体単位で１〜４０重量％、モノマー含量は０〜１００ｐｐｍ、分子量は１００００〜２５０００Ｄ、過酸化物は含まない、またはこれらの混合物。これらのエタノール（ethanol）またはアセトン（acetone）中の濃度は生体材料に配合したいポリマーのパーセンテージに応じて変える。

〔実施例１〕
平均粒度０．１ｍｍの「混合物１０」（表１）に示した概算組成を有するカルシウム塩の均質な混合物を、ペーストが得られるまでＰＯＶＩＡＣ（２５％）のアセトン（acetone）溶液で徐々に湿らせた。この混合物をふるいにかけて、１〜２ｍｍの平均粒度を有する粒子を得、そして室温で放置して乾燥させた。この乾燥した顆粒を粉砕ミルにかけて粉砕し、そして得られた粉末を再度アセトン（acetone）で湿らせ、ふるいにかけ、そして乾燥させて、平均粒度１〜２ｍｍの粒状の成形体を得た。

このようにして得られたポリマー含量約２０％の生成物は、腫瘍および嚢胞の転帰などによる骨の空洞の充填のための骨移植物の材料として適切である。

〔実施例２〕
先の実施例に記載される無機塩類の混合物に、アセチルサリチル酸（acetyl salicylic Acid）（ＡＳＡ）を添加し、次いで適切に混合して均質な個体を得、上記と同様に処理して１５％のＰＯＶＩＡＣ１および２．５％のＡＳＡを有する顆粒を得た。この「複合材料」は、薬物の制御送達のための系として挙動した（図１）。

〔実施例３〕
２〜２．５ｍｍの間の粒度を有し、かつ「混合物２」と類似の組成を有する、多孔性ヒドロキシアパタイト（hydroxyapatite）ＨＡＰ−２００（Gonzalez R.; Melo M.C.; Perez A.; Rodriguez B.C. Coralline Porous Hydroxyapatite HAP-200. Main Physical-chemical characteristic. Quimica Nova, 16 (6) November-December: 509-512; 1993）の顆粒の一部を、アセトン（acetone）中にＰＯＶＩＡＣ２５％および０．１ｍｍの粒度を有する「混合物５（表１）」１０％含有する懸濁液に浸し、１０分間攪拌する。この顆粒を分離し、空気中で乾燥させる。このようにして得られた生成物は、表面全体にポリマー層を固着させた元の多孔性構造を保持している（図２）。

〔実施例４〕
先の実施例で得られた生成物を、γ放射線で２５Ｋｇｙにて滅菌した後に霊長類の上肢の骨中に移植することによって試験し、１８ヶ月後に有害な局所反応または全身反応なしに骨の修復において優れた結果を示した（図３）。

〔実施例５〕
平均粒度０．１ｍｍの１０番（表１）に示した概算組成を有するカルシウム塩の均質な混合物を、ペーストが得られるまでＣＲＯＴＡＶ（２６％）のエタノール（ethanol）溶液で徐々に湿らせた。この混合物をふるいにかけて、１〜２ｍｍの間の直径の粒子を得、そして室温で放置して乾燥させた。この乾燥した顆粒を粉砕ミル中で粉砕し、そして得られた粉末を再度エタノール（ethanol）で湿らせ、再度ふるいにかけ、そして乾燥させて、平均粒度１〜２ｍｍの圧密な顆粒を得た。

このようにして得られた約１５％のポリマー含量の生成物は、腫瘍および嚢胞の転帰などによる骨の空洞の充填のための骨移植物の材料として適切である。

〔実施例６〕
実施例５に記載の手順に従って調製した２つのタイプの顆粒（１つは「混合物２」の組成に類似した組成を有する顆粒（Ｇ２）であり、そしてもう１つは「混合物５」の組成を有する顆粒（Ｇ５）である）を、ラットの骨組織（大腿骨）中に移植した。前者は左側に、そしてもう１つは右側に、γ放射線で２５Ｋｇｙにて滅菌した後に移植した。これらの移植物を手術後の異なる進展時間に取り出して分析し、相の組成中の変化をＦＴＩＲ（Fourier Transform Infrared）分光法によって測定し、そしてモル比Ｃａ／Ｐの変化を化学分析によって測定した。顆粒Ｇ２は９０日間その組成があまり変化しなかったが、一方、顆粒Ｇ５はその構造にリンを取り込んで比較的急速に分解し、骨の組成にいくぶん近づいたことが分かった（図４）。

本発明は、以下の利点を示す。
１−物理的および機械的に極めて安定な生体材料が得られ、単離粒子の崩壊または遊離はない。
２−得られた生体材料は、高密度であっても多孔性であってもよく、骨移植片代用品として機能するのに適した生体力学的性質を示す。
３−これらの相の組成によって種々の分解速度を有する生体材料が得られる。
４−開発した生体材料はまた、制御薬物送達系としても機能し、それによって、損傷したかまたは失われた骨を修復させると同時に、抗生物質、抗炎症薬などのような薬物で種々の骨病変を治療することが可能である。
５−得られた生体材料は非常に多孔性であるので、軟組織中または骨中のいずれかに移植される場合、「袋底」（sack bottom）を形成することなく、その内部に新しい組織が成長するための生存に適するマトリックスを形成する。

１５％のＰＯＶＩＡＣおよび２．５％のＡＳＡを有する顆粒に対し、ＡＳＡを経時的に添加した場合のＡＳＡの吸収量（ｍｇ）を示した図である。左図はＨＡＰ−２００の結晶の顕微鏡像を示す図であり、右図はＰＯＶＩＡＣの複合材料の結晶の表面層の顕微鏡像を示す図である。手術後６ヶ月経過後のものであって、上図は霊長類の上肢におけるＨＡＰ−２００移植片の放射線写真を示す図であり、下図はＰＯＶＩＡＣを有するＨＡＰ−２００移植片の放射線写真を示す図である。手術後の異なる進展時間におけるラットの骨組織に移植された２種類の顆粒のモル比Ｃａ／Ｐによって示される、顆粒中の化学組成の変化を示す図である。

Claims

カルシウム塩でできた無機相および酢酸ビニル（vinyl acetate）およびクロトン酸（crotonic acid）のポリマーまたはコポリマーあるいは両方の誘導体で構成される別の有機相を含む多相系化学組成を有することを特徴とする、骨移植物（bone implants）のための複合生体材料。
高密度構造または多孔性構造を区別しないが、後者の場合の細孔が相互に３次元で連結し直径５〜８４０μｍであることを特徴とする、請求項１に記載の骨移植物のための複合生体材料。
前記無機相が、リン酸カルシウム（calcium phosphates）、水酸化物（hydroxide）、カーボネート（carbonates）、ヒドロキシアパタイト（hydroxyapatite）およびカーボネート−アパタイト（carbonate-apatite）またはこれらの混合物であって、モル比Ｐ／Ｃａが０〜９９．９の間で変動する種々の比率の混合物で構成されることを特徴の理由とする、請求項１および２に記載の骨移植物のための複合生体材料。
前記無機塩が、天然起源であっても合成起源であってもよく、高密度であっても多孔性であってもよく、かつ塊または顆粒のいずれか所望の物理的形状を得るために物理的に適合させたことを特徴の理由とする、請求項１、２および３に記載の骨移植物のための複合生体材料。
組成物中での有機相の比率が０．１〜９９％であり、その有機相を構成する酢酸ビニル−ビニルアルコールコポリマー（poly-vinyl acetate-co-vinyl alcohol）は、ビニルアルコール組成がビニルアルコール（vinyl alcohol）の単量体単位で１〜２５モル％であり、分子量および純度がポリ酢酸ビニル（polyvinyl acetate）について記載されるもの類似することを特徴とする、請求項１および２に記載の骨移植物のための複合生体材料。
組成物中での有機相の比率が０．１〜９９％であり、その有機相を構成するポリ酢酸ビニルは、分子量が１００００〜２５００００Ｄ、残存モノマーの含量が０〜１００ｐｐｍ、酢酸（acetic acid）による酸度が０．５％以下、鉛による重金属含量が２０ｐｐｍ未満であり、過酸化物を含まないことを特徴とする、請求項１および２に記載の骨移植物のための複合生体材料。
組成物中での有機相の比率が０．１〜９９％であり、その有機相を構成するクロトン酸（crotonic acid）は、クロトン酸組成がクロトン酸単量体単位で１〜４０重量％、モノマー含量が０〜１００ｐｐｍ、分子量が１００００〜２５０００Ｄであり、過酸化物またはそれらの混合物を含まないことを特徴とする、請求項１および２に記載の骨移植物のための複合生体材料。
組成物中での有機相の比率が０．１〜９９％であり、その有機相を酢酸ビニル（vinyl acetate）およびクロトン酸（crotonic acid）の誘導体ポリマーの混合物で構成することを特徴とする、請求項１、２、３、４および５に記載の骨移植物のための複合生体材料。
有機相が、前記固体の全容積中に均質かつ均一に分散され得ることを特徴の理由とする、請求項１、２、３、４、５および６に記載の骨移植物のための複合生体材料。
有機相が、無機支持体の本体全体にわたって均質かつ均一に分散されることを特徴の理由とする、請求項１、２、３、４、５および６に記載の骨移植物のための複合生体材料。
前記有機相が前記無機支持体の表面を被覆する場合、その表面がセラミック−ポリマー−セラミックまたはポリマー−セラミック−ポリマーの連続層で形成され、その結果生体材料が生組織に接触する面がポリマーによって、セラミックによってまたは両方によってのみ形成され得ることを特徴とする、請求項１および８に記載の骨移植物のための複合生体材料。
骨移植物として機能する場合に、再吸収速度をその化学的性質および骨移植物組成物中に存在する無機相間の関係に応じて１日当たり１０^−５〜３．２％の間の種々の速度とすることを特徴とする、請求項１〜１１に記載の骨移植物のための複合生体材料。
対応薬物と共に負荷して軟組織中および骨中に移植する場合、制御薬物送達系として使用することを特徴とする、請求項１〜１２に記載の骨移植物のための複合生体材料。