JP2008513161A - 多目的生体材料組成物 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、生体接着剤、骨並びに歯セメント剤、骨充填剤、骨留め剤、並びに骨移植物として使用するのに理想的な、多目的生体材料を記載する。この多目的生体接着剤は一般に、KH2PO4(「MKP」)、金属酸化物(即ちMgO)、カルシウム含有化合物、糖(あるいは糖誘導体/代用物質)、及び水を含む。この本発明の糖含有生体接着剤は有意な骨増殖効果を示しており、最初に骨誘導性を示した。
「骨伝導性(osteoconductive)」は、生存可能な骨成長並びに治癒のための足場として作用する材料の能力である。
本発明は、インサイチュ(即ち生体内)にて、生物構造物を互いに接着させる、並びに人工構造物に接着させるための生体材料を提供する。また、この生体材料は、骨、靭帯、腱、並びに隣接する構造物の修復を促進する。また、外科治療のための骨置換物を提供する。本発明の処方物は、多様な温度、pH範囲、湿度レベル、並びに圧力で使用可能である。しかし、この処方物は、全ての生理学的な温度、pH範囲、並びに流体濃度で利用されるよう設計されている。この混合物は、典型的には、整骨の前に注射可能であり、整骨後は、中性pHを呈する。これは、ある期間に渡って宿主によって吸収される。
リン酸カリウム(即ちKH2PO4) 61%
MgO(焼成) 31%
Ca10(PO4)6(OH)2 4%
スクロースC12H22O11(粉末) 4%
★全ての値は重量パーセント
最大で処方物の約40重量パーセントまで水を加えるが、22〜25重量パーセントの間であることが好ましい。
KH2PO4 54%
MgO(焼成) 33%
カルシウム含有化合物 9%
(この場合カルシウム化合物は Ca10(PO4)6(OH)2)
スクロースC12H22O11(粉末) 4%
★全ての値は重量パーセント
最大で処方物の約40重量パーセントまで水を加えるが、22〜25重量パーセントの間であることが好ましい。
KH2PO4 44%
MgO(焼成) 44%
カルシウム含有化合物 8%
(この場合カルシウム化合物はCa10(PO4)6(OH)2あるいはCaSiO3)
スクロースC12H22O11(粉末) 4%
★全ての値は重量パーセント
最大で組成物の約40重量パーセントまで水を加えるが、36〜38重量パーセントの間であることが好ましい。
KH2PO4 45%
MgO(焼成) 45%
カルシウム含有化合物 9%
(この場合カルシウム化合物は Ca10(PO4)6(OH)2、CaSiO3あるいはこれらの組み合わせ)
スクロースC12H22O11(粉末) 1%
★全ての値は重量パーセント
最大で組成物の約40重量パーセントまで水を加えるが、22〜25重量パーセントの間であることが好ましい。
KH2PO4 45%
MgO(焼成) 45%
Ca10(PO4)6(OH)2 8%
スクロース 2%
★全ての値は重量パーセント
最大で組成物の約40重量パーセントまで水を加えるが、22〜25重量パーセントの間であることが好ましい。
KH2PO4 61%
MgO(焼成) 32%
Ca10(PO4)6(OH)2 4%
デキストロース 1.5%
α−Ca3(PO4)2 1.5%
★全ての値は重量パーセント
最大で組成物の約40重量パーセントまで水を加えるが、22〜25重量パーセントの間であることが好ましい。
KH2PO4 50%
MgO(焼成) 35%
Ca10(PO4)6(OH)2 7%
β−Ca3(PO4)2 3%
デキストロース 5
★全ての値は重量パーセント
最大で組成物の約40重量パーセントまで水を加えるが、22〜25重量パーセントの間であることが好ましい。
KH2PO4 61%
金属酸化物 32%
(この場合この金属酸化物はMgO、Ca、FeO、あるいはこれらの組み合わせ)
Ca10(PO4)8(OH)2 6%
糖 1%
★全ての値は重量パーセント
最大で組成物の約40重量パーセントまで水を加えるが、22〜25重量パーセントの間であることが好ましい。
KH2PO4 54%
リン酸 4%
金属酸化物 32%
(この場合この金属酸化物はMgO、ZrO、FeO、あるいはこれらの組み合わせ)
Ca10(PO4)8(OH)2 7%
スクロース 3%
★全ての値は重量パーセント
最大で組成物の約40重量パーセントまで水を加えるが、22〜25重量パーセントの間であることが好ましい。
KH2PO4 45%
MgO(焼成) 45%
Ca10(PO4)6(OH)2 10%
最大で処方物の約40重量パーセントまで水を加えるが、22〜25重量パーセントの間であることが好ましい。
カルシウム含有化合物は本発明に必須である。なぜなら、この生体材料の生体適合性及び生体吸収性を増進するからである。このカルシウム化合物は、様々な生体適合性カルシウム含有化合物から選択することができ、これにはリン酸3カルシウムが含まれるが、これに限定されない。適切なリン酸3カルシウムには、α−Ca3(PO4)2、β− Ca3(PO4)2、並びにCa10(PO4)6(OH)2が含まれる。
好ましい実施様態の特徴ある側面は、少なくとも1つの糖あるいは糖様物質をこの生体材料の基質に取り込んでいることである。糖含有生体材料が有意な骨増殖能を有し、さらにその接着能が強化されることを本発明者は発見した。スクロースのような糖は他の糖類並びに糖関連化合物に置き換えられ得るか、または他の糖類並びに糖関連化合物がこれに補充され得ることが考えられる。
一実施様態において本発明の組成物は、骨置換物並びに骨形成のための台座を提供する。この置換物の利点は、拒絶も接触した構造物に対する反応もなく、これが身体によって徐々に吸収されることである。本発明の組成物のさらなる利点は、これの有意な骨増殖特性にある。実際に、研究において、本発明の組成物は、この組成物が骨誘導性であり得ることが考えられるほどの驚くべき程度にまで骨形成を強化し、この骨形成誘導能は成長因子を使用しない多目的生体材料に関しては全く予測されておらず、また先例がない。またこの生体材料は、大小の孔を有していると考えられる。
本明細書で開示される処方物は、さらなる充填剤、添加物、並びに補充材料(supplementary material)を取り込み得る。この補充材料は、期待する使用法に応じて様々な量且つ様々な物理形態でこの生体材料に加えられる場合がある。この補充材料を使用して、この生体材料を様々に変えることができる。
金属酸化物の粉末は、本発明の混合物において注目される成分である。随意で、この酸化物は、焼成処置を受ける。所望される最終特性並びに整骨時間に依存して、焼成時間及び温度は経験的に決定される。しかし、焼成温度は一般に、1300℃まで、数時間までが典型的である。
この生体材料の様々な構造物への接着は、多数の方法で達成することができ、これには注入、噴霧、並びに他の適用方法が含まれるが、これらに限定されない。接着手段は、所望する用途並びに接着剤の形態に従って変動し得る。例示的な一方法は、本発明の発明者の米国特許出願第6,533,821号に記載されており、参考として、その全体が本明細書に援用される。
従来技術の骨充填剤(NORIAN(登録商標)Skeletal Repair System, Paoli, PA)の接着特性及び、54% MKP、33%酸化マグネシウム、9%Ca10(PO4)6(OH)2、及び4%スクロース混合物(97%の糖及び3%の澱粉である糖混合物)の重量パーセントを有する本発明の生体接着剤の好ましい一実施様態の接着特性を比較する実験。
動物:
種/品種: ウマ/雑種
試験開始時の齢: 順化開始時で、最も年少で3歳、最も年長で20歳
試験開始時の体重: 順化開始時で、約800〜1200 kg
性別: 去勢ウマ、雌ウマ
動物の識別: 個体の首カラー、耳あるいは端綱のタグ
前処置: ワクチン接種:東部脳炎、西部脳炎、インフルエンザ、西ナイルウイルス、及び破傷風。Ohio State Finley Research農場に到着後に、駆虫。動物は、それまでに化合物に暴露されていない。
本研究は、Ohio State University Alice Finley Memorial農場(Finley農場)及びVeterinary Teaching Hospital(VTH)にて実施される。評価は、Veterinary Teaching病院にて行われる。この施設の動物飼育設備、実験支持区域、記録保持、並びに予測される法令遵守事項は、このプロトコールの要件に合致するのに十分である。
一頭当たりの飼育面積:研究が続く間、動物は箱型ストールに収容される
給餌給水方法:1日2回、干草と穀類を与える。水は無制限に与える
畜舎:Finely農場あるいはVTHの、寝藁をしいた箱型ストール
環境調節:Finely農場の箱型ストールは温度調節がされていない家畜小屋の中にある。VTHの箱型ストールはビルの中にあり、温度調節されている。
給餌:1日1頭当たり約3ポンドの穀物。干草は、1日2回、約15ポンド与え、必要であればこれより増やす。
水:水は毎日確認し、必要であれば洗浄処置する。
実験的研究;入れ子ペア法;各ウマは同一個体内対照とする。ウマ、四肢、並びに中央あるいは側生副木骨を、制御されたブロック計画(controlled block design)に割り当てた。ウマ8頭、両側MtII及びMtIV骨折(24の副管骨)。1個の中央副管骨と1個の側生副管骨(MtIIとMtIV)を、MgO−MKP−糖注入用処方物で治療する(n=16)。反対側の副管骨には、カルシウムベースの注入用処方物を注入するか(比較処置)、あるいは注入をしない(未処置コントロール)。表3の結果は8個の脚から成る4つのグループである。:1)未処置自然治癒(コントロール)。2)カルシウムベースの非接着性注入用製品(比較処置)、3)マグネシウムベースの接着性注入用試験製品。
臨床的評価‐この手順あるいは治療に対する任意の反応の臨床的兆候に関して、ウマを毎日モニタリングする。直腸温度(T)、心拍数(HR)、及び呼吸数(RR)が、術後並びに注入後1週間毎日、さらにその後8週目の研究の終了まで週に1度記録される。
X線画像‐骨折及び注入の前、及び終了までの7週間の間に1週間おきに、斜位X線撮影を行う。X線画像は骨折断片の移動(0=なし、1=最小、2=中程度、3=著しい)、骨増殖性(0=なし、1=最小、2=中程度、3=著しい)、骨再建(0=なし、1=最小、2=中程度、3=著しい)、並びに骨折閉鎖(0=なし、1=最小、2=中程度、3=著しい)に関してスコアづけされる。骨折性仮骨の幅及び長さを計測し、すべてのフィルムに含まれるX線画像測定基準を使用して較正される。
実験設計:8頭全てのウマが、表3にある割り当てのように、この7週間の治療研究を完了した。全てのウマは、選抜基準に合致した。特徴を表4に列挙する。全てのウマは外科手術を受けて三角形型中足骨骨折を生じさせ、割り当てた治療の適用を受けた。骨片を元の動物の欠損部に30分間圧着させると、材料は手術縫合部で硬化したようであった。
(臨床的評価)
疼痛及び歩行‐プロトコールのように、跛行スコアによって評価したように、術後の任意の時点において、ウマは跛行しなかった(中央値0、範囲0)。身体的検査のパラメータは、この研究を通じて正常範囲内に留まっていた。
X線撮影‐手術の前及び本研究が終了するまで1週間おきに、プロトコールのようにX線写真を撮影した。骨折間隙、材料の存在、骨形成、骨再成形、並びに骨の治癒に関してX線画像を評価した。骨片の移動を、骨片の頂端から骨片床の頂端までの直線距離(mm)として評価した。MgO−MKP−糖治療は、治療をしない場合と手術直後(0週目)にCa治療をした場合のいずれの場合よりも、有意に(p<0.05)元の骨片床のより近くに骨片を固定した。Mg治療、あるいはCa治療において、MtIIでは第4週まで、MtIVでは第2週まで骨片の移動は起こらなかった。全ての時点において、移動した骨片は、MgO−MKP−糖治療では、治療しなかったものと比較してより少なく、これは4週間までの間、統計的に有意であった(グラフ並びにデータに関しては付属書を参照のこと)。仮骨形成(治癒している骨片での骨の増殖)は、X線画像から、骨片の周囲で形成された新たな骨の幅及び高さを最大部位にて測定し、これらの個数を掛け合わせて新規の骨の面積を算出することによって推定した。MtII及びMtIVの双方において、MgO−MKP−糖治療(Mg治療)では、Ca治療及び治療なしよりも、新規骨仮骨が有意に大きかった。有意な骨形成は4週間までに発生し、7週間を通じて続いた。
治癒の7週間後に、無傷肢及び中足骨(ウマ1頭につき4つ)を走査した(Picker P Helical CT, Philips Medical Systems for North America, Bothell, WA)。無傷肢は、1cm幅で横断面にて走査し、各断層面を周囲軟組織の異栄養性無機質化に関して主観的に評価した。提靭帯、腱あるいは周囲の皮膚を含めて、異常な無機質化は見られなかった。中足骨は、内側から外側まで、且つ仮骨の少なくとも1cm上部から仮骨の1cm下部が含まれるよう、矢状断面における1mm幅の断層面にて走査した。骨片に関係する中足骨の中央部断層面の走査画像を選択し、間隙、骨片、及び仮骨について目的の領域を追跡した。間隙、骨片、並びに仮骨に関して目的の領域については、組織の密度及び領域の大きさに関して測定値を記録した。次に、同時に収集した各断層面のファントム算出値を用いて、リン酸カリウム密度から灰密度へ、密度測定値を変換した。骨片と元の骨との間隙内の密度に関して、MgO−MKP−糖処置では治療なしと比較した場合、より大きいという傾向(p<0.08)があった。Mg処置とCa処置を比較すると、間隙の密度には差異がなかった(p<0.13)。X線画像からのスコアデータと合わせると、これは、7週目に材料が存在することを反映しているようである(付属書の生データ並びに作表したデータを参照のこと)。グループ間で骨片の密度あるいは大きさに有意な差異はなかった。治療なしと比較したMg治療(p<0.01)、及びCa治療と比較したMg治療(p<0.02)では、治癒している骨片周囲の仮骨の量が有意に多かった。これらのデータは、より大きな仮骨というX線画像の測定を支持した。まとめると、これらのデータは、材料による骨片の破壊がなく、形成された骨の密度に異常がなく、且つMg処置によって骨片部位での骨形成が有意に増大することを示している。このモデル及び動物種にて見られるこの骨増殖効果は、Mg製品に対する骨誘導性応答である。最も純度の高い製品及び標準的な骨誘導モデルを使用するさらなる調査によって、この知見は確認される。
全ての動物は、Bone Source並びにBone Solutions製品を与えられる。製品を置く直前にスパチュラを使用して混合し、骨の全表面を覆うよう骨欠損部内に置く。骨片を最低5分間、正しい位置内に保持し、皮膚縫合前の最低30分間硬化させる。出血は、ペーストを塗布する前、あるいは骨片を元に戻す前(未処置コントロール)に、骨表面上にて抑制する。
試験対象:
1. 身体的検査様式に関して正常(跛行を含む)。1未満のスコアでゆっくり走る。
2. 双方の中足骨の触診は、受容可能である。
3. 基準を満たすCBC及び化学プロフィール。
4. 基準を満たす双方の中足骨のX線画像。
血液学、血清化学は、OSU臨床病理学研究室にて標準的に行われる。
生物分解性リン酸1カリウム、酸化マグネシウム(Mg)、リン酸3カルシウム、糖注入用処方物は、ポリメチルメタクリレート(PMMA)、リン酸カルシウム(Ca)と比較して、あるいは骨セメントを使用しない場合と比較して、ねじ引き抜きトルク及び表面接着を増大させる。
Claims (32)
- 骨増殖性生体材料組成物であって、該生体材料組成物は、
リン酸またはリン酸塩;
金属酸化物;
カルシウム含有化合物;ならびに
糖様化合物であって、該糖様化合物は、糖類、糖誘導体、糖代用物質、およびこれらの組み合わせからなる群より選択される、糖様化合物、
を含有する、生体材料組成物。 - 水をさらに含有する、請求項1に記載の生体材料組成物。
- 前記リン酸と前記金属酸化物との間の重量比が、約2:1と1との間である、請求項1に記載の生体材料組成物。
- 前記リン酸塩が、KH2PO4である、請求項1に記載の生体材料組成物。
- 前記組成物が、骨誘導性である、請求項1に記載の生体材料組成物。
- 前記カルシウム含有化合物が、Ca10(PO4)6(OH)2である、請求項1に記載の生体材料組成物。
- 前記カルシウム含有化合物が、α−Ca3(PO4)2、β−Ca3(PO4)2、Ca10(PO4)6(OH)2、リン酸四カルシウム、非晶質リン酸カルシウム、二相性リン酸カルシウム、結晶性が乏しいアパタイト、オキシアパタイト、リン酸八カルシウム、リン酸二カルシウム、リン酸二カルシウム二水和物、メタリン酸カルシウム、メタリン酸七カルシウム、ピロリン酸カルシウム、およびこれらの組み合わせからなる群より選択される、請求項1に記載の生体材料組成物。
- 前記糖様化合物が、糖類、糖アルコール、糖酸、アミノ糖、糖ポリマー、グリコサミノグリカン、糖脂質、糖置換体およびこれらの組み合わせからなる群より選択される、請求項1に記載の生体材料組成物。
- 前記糖様化合物が、スクロースである、請求項1に記載の生体材料組成物。
- 前記リン酸またはリン酸塩が、約40重量%と65重量%との間で存在し;前記金属酸化物が、約30重量%と50重量%との間で存在し;前記カルシウム含有化合物が、約1重量%と15重量%との間で存在し;そして前記糖様化合物が、0.5重量%と20重量%との間で存在する、請求項1に記載の生体材料組成物。
- 前記リン酸またはリン酸塩が、約20重量%と70重量%との間で存在し;前記金属酸化物が、約10重量%と50重量%との間で存在し;前記カルシウム含有化合物が、約1重量%と15重量%との間で存在し;そして前記糖様化合物が、0.5重量%と20重量%との間で存在する、請求項1に記載の生体材料組成物。
- 骨増殖性生体材料組成物であって、該生体材料組成物は、KH2PO4、金属酸化物、リン酸三カルシウム、および糖様化合物を含有し、該糖様化合物は、糖類、糖誘導体、糖代用物質、およびこれらの組み合わせからなる群より選択される、生体材料組成物。
- KH2PO4と前記金属酸化物との間の重量比が、約2:1と1との間である、請求項12に記載の生体材料組成物。
- 前記金属酸化物が、MgOである、請求項12に記載の生体材料組成物。
- 前記組成物が、骨誘導性である、請求項12に記載の生体材料組成物。
- 前記リン酸三カルシウムが、Ca10(PO4)6(OH)2である、請求項12に記載の生体材料組成物。
- 前記糖様化合物が、スクロースである、請求項12に記載の生体材料組成物。
- 前記糖様化合物が、糖である、請求項12に記載の生体材料組成物。
- 前記糖様化合物が、多糖類である、請求項12に記載の生体材料組成物。
- KH2PO4塩が、約20重量%と70重量%との間で存在し;
前記金属酸化物が、約10重量%と50重量%との間で存在し;
前記リン酸三カルシウムが、約1重量%と15重量%との間で存在し;そして
前記糖様化合物が、0.5重量%と20重量%との間で存在する、
請求項12に記載の生体材料組成物。 - KH2PO4塩が、約40重量%と65重量%との間で存在し;
前記金属酸化物が、約30重量%と50重量%との間で存在し;
前記リン酸三カルシウムが、約1重量%と15重量%との間で存在し;そして
前記糖様化合物が、0.5重量%と20重量%との間で存在する、
請求項12に記載の生体材料組成物。 - 前記KH2PO4塩が、約40重量%と50重量%との間で存在し;
前記金属酸化物が、約35重量%と50重量%との間で存在し;
前記リン酸三カルシウムが、約1重量%と15重量%との間で存在し;そして
前記糖様化合物が、0.5重量%と10重量%との間で存在する、
請求項12に記載の生体材料組成物。 - 骨増殖性生体材料組成物であって、該骨増殖性生体材料組成物は、乾燥相と水相とからなり;
該乾燥相は、KH2PO4、金属酸化物、リン酸三カルシウム、および糖からなる、
骨増殖性生体材料組成物。 - 前記水相が、水である、請求項23に記載の骨増殖性生体材料組成物。
- 硬組織の増殖を促進するための方法であって、該方法は、
a.リン酸塩ベースの生体材料を組織欠損部または硬組織欠損部に塗布する工程であって、該生体材料は:
リン酸またはリン酸塩;
金属酸化物;
カルシウム含有化合物;ならびに
糖様化合物であって、該糖様化合物は、糖類、糖誘導体、糖代用物質、およびこれらの組み合わせからなる群より選択される、糖様化合物、
を含有する、工程、
を包含する、方法。 - 前記生体材料に、水または他の水溶液を添加および混合する工程をさらに包含する、請求項25に記載の方法。
- 前記硬組織が、骨である、請求項25に記載の方法。
- 前記生体材料が、請求項11に記載の組成物と水溶液との混合物である、請求項25に記載の方法。
- 前記生体材料が、請求項12に記載の組成物と水溶液との混合物である、請求項25に記載の方法。
- 前記生体材料が、請求項21に記載の組成物と水溶液との混合物である、請求項25に記載の方法。
- 前記生体材料が、請求項23に記載の組成物の混合物である、請求項25に記載の方法。
- 前記生体材料が、骨誘導性である、請求項25に記載の方法。
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