JP2009539755A - 生物活性ガラス - Google Patents
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Abstract
【選択図】なし
Description
Hench、Bioactive Ceramics、 in Bioceramics:Material Characteristics Versus In Vivo Behavior(P. Ducheyne & J.E.Lemons,Eds.,1988)、54〜71頁 Kokubo T,J. Biomed.Mater.Res. 1990;24;721−735 Warren、Clark&Hench、Quality Assurrance of Bioactive glass.sup.(R) Powders.23 J.Biomed.Mat.Res.−App.Biomat.201(1989)
実験例
ガラス特性を判定するために使用される試験は、以下の通りである。
45μm未満のガラス粉末、0.075mgを、pH7.25で50mlの溶液(水、トリス緩衝液又はSBF)に浸漬し、特段の指定のない限り、5、15、30、60、120、240及び480分間、1Hzのオービタルシェーカに配置した。ろ過溶液を、次いで、誘導結合プラズマ(ICP)分光器で分析し、ケイ素、カルシウム、ナトリウム及びカリウム濃度を測定した。
トリス−ヒドロキシメチルアミノメタン緩衝液を作製するために、USBiomaterial社(SOP−006)の標準調製法を用いた。7.545gのTHAMを、約400mlの脱イオン水で充填したメスシリンダ(フラスコ)に移した。THAMを溶解した後、22.1mlの2N HCLをフラスコに加え、次いで、脱イオン水で1000mlとし、37℃でpH7.25に調節した。
ガラス粉末を50mlのトリス緩衝溶液又はSBFに加え、37℃で撹拌した。一連の時間間隔で、サンプルを取り出し、イオン種の濃度を、周知の方法(例えば、Kokubo 1990)に従って、誘導結合プラズマ発光分析器を用いて測定した。
表1のガラス5の調製:
石英状の59.35gのシリカ、3.04gの五酸化リン、23.08gの炭酸カルシウム、34.07gの炭酸ストロンチウム、55.93gの炭酸ナトリウムを混合し、白金るつぼ中に配置し、1390℃で1.5時間溶解し、次いで、脱塩水(demineralised)に注ぎ、顆粒状のガラスフリットを得た。このフリットを振動ミルのグラウンドで乾燥させ、粉末を得た。粉末は、45ミクロンメッシュの篩を介して篩分けした。45ミクロン未満の粉末を0.075g、50mlの疑似体液に移した。表面での炭酸カルシウムアパタイト(HCA)層の形成能力は、生物活性材料の認識されているテストである。ガラスは、X線粉末回析及びフーリエ変換赤外線分光法によって、6時間未満でその表面にHCAが形成されるのが観察された。
表1のガラス12の調製:
石英状の59.35gのシリカ、3.04gの五酸化リン、54.54gの炭酸カルシウム、8.86gの炭酸ストロンチウム、13.99gの炭酸ナトリウム、18.24gの炭酸カリウム、4.88gの酸化亜鉛、2.42gの酸化マグネシウムを混合し、白金るつぼに移し、1440℃で1.5時間溶融し、次いで、脱塩水に注ぎ、顆粒状のガラスフリットを得た。このガラスフリットを、振動ミルのグラウンドで乾燥させ、粉末を得た。この粉末を45ミクロンメッシュの篩を介して篩い分けした。次いで、粉末を、50体積%の約200ミクロン懸濁重合化ポリ(メタクリル酸メチル)粉末で混合し、プレスした。最終的なペレットを、3℃/分で700℃まで加熱して、10分間保持することによって、焼成(fire)させた。最終的な材料は、X線回析で試験するとアモルファス状であり、多孔質の相互結合固体からなっていた。ペレットは、疑似体液に配置した場合、3日以内でペレット表面にHCAが形成されたのが観察された。
表1のガラス29の調製:
石英状の59.35gのシリカ、3.04gの五酸化リン、32.62gの炭酸カルシウム、48.15gの炭酸ストロンチウム、6.96gの炭酸ナトリウム、9.12gの炭酸カリウム、4.88gの酸化亜鉛、5.84gの酸化マグネシウムを混合し、白金るつぼに移し、1440℃で、1.5時間溶解し、次いで、脱塩水に注ぎ、顆粒状ガラスフリットを得た。このフリットを、次いで、振動ミルのグラウンドで乾燥させ、粉末を得た。この粉末は、45ミクロンメッシュ篩を介して篩い分けされる。次いで、Ti6Al4Vのコーティングは、アルコール中のガラス粉末を分散させ、上記金属に対して懸濁液をコーティングし、3℃/分の速度で加熱した880℃で、酸素のない環境下で焼成させ、15分間保持し、室温まで冷却した。このコーティングは、クラックがなく、金属に十分に結合していることがわかり、疑似体液中に置かれると、3日以内にその表面にHCAを形成することがわかった。
ネットワーク結合度は、Hill、J.Mater.Sci.Letts.,15,1122−1125(1996)に記載される方法に従って計算可能であるが、リンは、別個のオルトリン酸塩相として存在すると考えられており、ガラスネットワークの一部ではない。
表1のガラス1、2、3、5及び7を調製した。これらのガラスにおいて、0、2.5%、10%、50%、又は、100%のカルシウムが、ストロンチウムによって置換された。これは、以下の表2に記載される:
SAOS−2細胞(骨肉腫細胞株由来骨芽細胞)を、10%FBS、1%L−グルタミン(2mM)、1%抗生物質/抗真菌物質を含むDMEM培地で培養し、アルカリホスファターゼ(ALP)活性、石灰化、細胞生存率(MTS)アッセイを決定するために、0%、2.5%、10%、50%、又は、100%ストロンチウムを含む本発明の生物活性ガラス、又は、コントロールの細胞株に、シーディングし(10,000細胞/cm2)、細胞培養前に、37℃、5%の二酸化炭素中で、十分に添加されたDMEM培地で、生物活性ガラスを一晩培養した。
生物活性ガラスを用いて7日間培養後、ALP活性は、Ball et al,Biomaterials,2001,22(4):337−347に記載されるように測定される。所定時間に亘り、ALP活性(mM)を、DCタンパク質アッセイ(Bio−Rad、英国)で測定する際にサンプル中のタンパク質、mgあたりで計算した。ストロンチウムなしと比べて、2.5%及び50%のストロンチウムを具える生物活性ガラスで培養するとき、骨芽細胞様細胞を観察して、より大幅にALPが生じた。ALP活性の増大は、骨芽細胞から成熟ミネラル化表現型への分化に関連している。
石灰化の活性部位を特定するために、テトラサイクリンラベルを、Holy et al,Biomed.Mater.Res.,2000,51(3):376−382に記載されるように適用した。SAOS細胞を、27日間、ストロンチウム含有生物活性ガラスで(上述のように)培養した。次いで、固定し、蛍光顕微鏡を用いて分析する前に、テトラサイクリン(1μM)を24時間加えた。石灰化の増大が、2.5%及び50%のストロンチウムを具える生物活性ガラスで観察された。このことは、生物活性ガラス組成物(2.5%及び50%)で観察されるアルカリフォスファターゼ活性の増大に一致する。
MTT細胞生存率アッセイ(Gerlie et al,J.Immunol.Meth.94(1−2):57−63、1986、Sigma(cat.5655−500MG)から入手可能な試薬を用いる):チアゾイルブルーテトラゾリウム(Thiazolyl Blue Tetrazolium)臭化物)は、ストロンチウムを具える生物活性ガラスが細胞増殖をかなり刺激することを明らかにした。
実験工程
本発明によるガラスは、当分野で周知のゾルゲル技術で調製可能である。本発明によるガラスを形成するために、米国特許第5,074,916号に記載されている方法を修正し、この修正した方法を以下に記載する。
上記表1に示されるガラス28〜32を、メルトクエンチ技術を用いて調製した。平均粒径が5〜6ミクロンで、38ミクロン未満の粒径を有するように調製されたガラスを、重量比が1:10で、このガラスと、分子量が50,000〜100,000の1%ポリ(メチルメタクリレート)クロロホルムを混合することによって、Ti6Al4V合金シートでコーティングした(例えば、Ti6Al4V股関節(hip)インプラント用のモデルとして作用する)。この合金シート(プロテーゼの大腿骨ステム)を、クロロホルムガラス懸濁液に浸漬し、ゆっくり引き上げ、クロロホルムを蒸発させた。次いで、このシート(又はプロテーゼ)を、750℃まで2〜60℃/分で加熱し、30分間保持し、室温に冷却する前に、真空下で焼結させる。コーティングシートは、50〜300ミクロンの厚さの浸漬された領域の上に光沢のある生物活性コーティングを有する。疑似体液に移されると、コーティングは、3日以内で、ヒドロキシカルボネートアパタイト層の沈積が確認される。この技術を、Al2O3及びジルコニアなど、他の合金及びセラミックに適用することができる。
最適な生物活性は、骨結合を促進するのに必要とされる。しかしながら、体内で長期間経た後、Ti6Al4Vがコーティングされたままであることも望ましい。この理由に関しては、ベースガラス層の反応性が低く、トップコート層の反応性が高いことが望ましい。この文脈において、反応性の低いガラスは、生物活性がより低く、化学的安定性がより高く、反応性が高いガラスは、生物活性がより高く、化学的安定性がより低い。このようなコーティングは、以下にまとめた2ステッププロセスによって製造可能である。
クロムコバルトの二層コーティングは、コバルトニッケル及びクロムが、保護的酸下層から、ガラスから放出される可能があるガラスにたくさん溶解することができるので、特に望ましい。この理由に関して、化学的に安定なベースコーティングガラス組成物が好ましい。
Claims (42)
- Sr及びSiO2を具えることを特徴とする生物活性ガラス。
- 前記SrはSrOとして提供され、SrOのモル比は0.2〜45%であることを特徴とする請求項1に記載の生物活性ガラス。
- Na、K、Ca、P2O5、Mg、Zn、B2O3、F又はAgの1又はそれ以上の供給源を更に具えることを特徴とする請求項1又は2に記載の生物活性ガラス。
- 前記Fは、CaF2、SrF2、MgF2、NaF又はKFの1又はそれ以上として提供され、CaF2、SrF2、MgF2、NaF及びKFの混合モル比は、0〜50%であることを特徴とする請求項3に記載の生物活性ガラス。
- 0〜30%の混合モル比でNaイオンの供給源及び/又はKイオンの供給源を具えることを特徴とする請求項3又は4に記載の生物活性ガラス。
- 0〜50%のモル比でCaOを具えることを特徴とする請求項3〜5のいずれか一項に記載の生物活性ガラス。
- 0〜14%のモル比でP2O5を具えることを特徴とする請求項3〜6のいずれか一項に記載の生物活性ガラス。
- 0〜40%のモル比でMgOを具えることを特徴とする請求項3〜7のいずれか一項に記載の生物活性ガラス。
- 0〜10%のモル比でZnOを具えることを特徴とする請求項3〜8のいずれか一項に記載の生物活性ガラス。
- 0〜15%のモル比でB2O3を具えることを特徴とする請求項1〜9のいずれか一項に記載の生物活性ガラス。
- 前記生物活性ガラスは、溶融法で作製した生物活性ガラスであることを特徴とする請求項1〜10のいずれか一項に記載の生物活性ガラス。
- SiO2のモル比が30〜60%であることを特徴とする請求項11に記載の生物活性ガラス。
- SiO2、P2O5及びB2O3の前記混合モル比が60%を超えないことを特徴とする請求項11又は12の生物活性ガラス。
- SrO、CaO、MgO、Na2O及びK2Oの前記混合モル比が、40〜60%であることを特徴とする請求項11〜13のいずれか一項に記載の生物活性ガラス。
- 前記生物活性ガラスがゾルゲル法で作製された生物活性ガラスであることを特徴とする請求項1〜10に記載の生物活性ガラス。
- SiO2の前記モル比が50〜95%であることを特徴とする請求項15に記載の生物活性ガラス。
- 前記生物活性ガラスが、特定の形状であるか、繊維として提供されるか、あるいは、ディスク又はモノリスなどの固体を具えることを特徴とする請求項1〜16に記載の生物活性ガラス。
- Sr及びSiO2、及び、選択的にNa、K、Ca、P2O5、Mg、Zn、B2O3、F又はAgの1又はそれ以上を混合するステップを具えることを特徴とする請求項1〜17のいずれか一項に記載の生物活性ガラスの製造プロセス。
- 組織損傷の予防及び/又は治療に使用されることを特徴とする請求項1〜17のいずれか一項に記載の生物活性ガラス。
- 前記組織が、骨又は歯の組織であることを特徴とする請求項19に記載の生物活性ガラス。
- 前記予防及び治療が、ヒドロキシカルボネートアパタイト析出の速度を増加させるステップを具えることを特徴とする請求項19又は20に記載の生物活性ガラス。
- 骨の代替物として使用されることを特徴とする請求項1〜17のいずれか一項に記載の生物活性ガラス。
- 骨の自家移植体の伸長に使用されることを特徴とする請求項1〜17のいずれか一項に記載の生物活性ガラス。
- 歯周病、歯のキャビティ、脱塩化した歯、歯の知覚過敏、椎骨形成法、骨折の予防及び/又は治療用であることを特徴とする請求項1〜17のいずれか一項に記載の生物活性ガラス。
- 請求項1〜17のいずれか一項に記載の生物活性ガラスを具えることを特徴とするコーティング。
- 前記コーティングが2又はそれ以上の層を具え、少なくとも1層が請求項1〜17のいずれか一項に記載の生物活性ガラスを具えることを特徴とする請求項25に記載のコーティング。
- 請求項25又は26に記載のコーティングでコーティングすることを特徴とするインプラント。
- 関節置換手術に使用されることを特徴とする請求項27に記載のインプラント。
- 請求項1〜17のいずれか一項に記載の生物活性ガラスを具えることを特徴とする生物活性多孔性足場。
- 組織工学で使用することを特徴とする請求項29に記載の生物活性多孔性足場。
- 請求項1〜17のいずれか一項に記載の生物活性ガラスを具えることを特徴とする組成物。
- 組織損傷の予防及び/又は治療用であることを特徴とする請求項31に記載の組成物。
- 前記組成物が骨セメント、歯の複合体、分解性ポリマ、生物活性多孔性足場、練り歯磨き、デオドラント、骨代替物、粉末、生物活性ガラス充填アクリル系、生物活性ガラス充填ポリ乳酸、生物活性ガラス充填Bis GMA又は歯の複合体、生物活性ガラス顆粒又は焼成生物活性ガラスであることを特徴とする請求項31又は32に記載の組成物。
- 組織損傷の予防方法及び/又は治療を必要としている患者に、請求項1〜17のいずれか一項に記載の生物活性ガラスを投与するステップを具えることを特徴とする組織損傷の予防方法及び/又は治療方法。
- 前記組織が、骨又は歯の組織を具えることを特徴とする請求項34の方法。
- 前記生物活性ガラスの投与が、非経口、経口、又は、局所的であることを特徴とする請求項34又は35に記載の方法。
- 骨折、虫歯、歯周病、知覚過敏、脱塩化した歯の治療用であることを特徴とする請求項34〜36のいずれか一項に記載の方法。
- 本明細書の1又はそれ以上の実験例及び/又は図面に関して実質的に記載されている生物活性ガラス。
- 本明細書の1又はそれ以上の実験例及び/又は図面に関して実質的に記載されているプロセス。
- 本明細書の1又はそれ以上の実験例及び/又は図面に関して実質的に記載されているコーティング、インプラント又は生物活性多孔性足場。
- 本明細書の1又はそれ以上の実験例及び/又は図面に関して実質的に記載されている組成物。
- 本明細書の1又はそれ以上の実験例及び/又は図面に関して実質的に記載されている方法。
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