JP2011032223A

JP2011032223A - 生体用インプラントの処理液及び処理方法

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Publication number: JP2011032223A
Application number: JP2009180758A
Authority: JP
Inventors: Norio Hori; 紀雄堀; Katsuhiko Kimoto; 克彦木本
Original assignee: Kanagawa Dental College
Current assignee: Kanagawa Dental College
Priority date: 2009-08-03
Filing date: 2009-08-03
Publication date: 2011-02-17

Abstract

【課題】生体内に埋入されるチタンやチタン合金から成るインプラントの表面の生体親和性や骨結合能を上げるための処理液及びこの処理液を用いてインプラントを処理する方法を提供する。
【解決手段】チタンやチタン合金から成るインプラントの表面処理液を検討した結果、Ｎａ^＋やＫ^＋を含まず、Ｃａ^２＋やＭｇ^２＋イオンから成る処理液でインプラントを処理することにより、インプラントの生体親和性や骨結合能が格段に向上する。すなわち、Ｎａ^＋及びＫ^＋を含まず、Ｃａ^２＋若しくはＭｇ^２＋又はこれらの混合から成るチタン又はチタン合金から成るインプラントの処理液。
【選択図】なし

Description

この発明は、チタンやチタン合金のインプラントを生体に移植する前に生体との親和性を向上させるための処理液、及びこの処理液を用いてインプラントを処理する方法に関する。

整形外科や歯科の分野において、チタンやチタン合金又はジルコニアなどにより構成されるインプラントを人工歯根や人工関節等として生体内に埋入することにより生体の機能を一部代替する技術の需要が高まっている。
これらの生体用インプラント材料に要求される特性の一つに骨細胞との親和性がある。
近年インプラント材料として用いられているチタンやチタン合金は、機械研磨や酸処理などの表面加工が行われた直後は、生体との親和性は高いが、時間経過とともに生体との親和性は低下する（非特許文献１）。
そのため、インプラントを生体に移植する際に、インプラント表面を物理的に処理して低下した生体との親和性を回復させることが行われている（特許文献１）。
一方、表面の骨細胞との親和性を向上するため、生体に移植する前にインプラントを表面処理することも行なわれている（特許文献２、３など）。
このようなインプラントの表面処理には生理食塩水（NaCl）が必須になっていた。それは骨細胞を生かしておくために生理食塩水が必要だと考えられてきたからであり、インプラントにチタンが使われるようになってからも見直されることは無かった。そのため、従来の生体用インプラントの処理液にはＮａ^＋やＫ^＋に他のイオンなどを加えたものが多い（特許文献２、３など）。

特表2009-508631 特表2005-505352 特開平8-182755

Biomaterials 30 (2009) 4268-4267

本発明は、生体内に埋入されるチタンやチタン合金から成るインプラントの表面の生体親和性や骨結合能を上げるための処理液及びこの処理液を用いてインプラントを処理する方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、チタンやチタン合金から成るインプラントの表面処理液を検討した結果、Ｎａ^＋やＫ^＋を含まず、Ｃａ^２＋やＭｇ^２＋イオンから成る処理液でインプラントを処理することにより、インプラントの生体親和性や骨結合能が格段に向上することを見出し、本発明を完成させるに至った。
すなわち、本発明は、Ｎａ^＋及びＫ^＋を含まず、Ｃａ^２＋若しくはＭｇ^２＋又はこれらの混合から成るチタン又はチタン合金から成るインプラントの処理液である。
また、本発明は、チタン又はチタン合金から成るインプラントを、この処理液で処理することから成るインプラントの処理方法である。
さらに、本発明は、この処理液で処理されたチタン又はチタン合金から成るインプラントである。

インプラント（チタン製ロッド）を埋入したラットの大腿骨の断面図を示す図である。１はチタン製ロッド（直径１ｍｍ×長さ２ｍｍ）を示し、２はラットの大腿骨を示す。インプラント骨結合力試験の様子を示す図である。Ａは直径１ｍｍのヘッドが装着された万能材料試験機を示し、Ｂは、インプラント（１）が埋め込まれ、固定された大腿骨（２）を示す。１はインプラント（チタン製ロッド）を示し、２はラットの大腿骨を示す。Ａの万能材料試験機のヘッドは、インプラント（Ｂ１）を押し込んでいる。

本発明は、インプラントの生体親和性や骨結合能を向上させるためのインプラントの処理液であって、この処理液は、Ｎａ^＋やＫ^＋を含まず、Ｃａ^２＋若しくはＭｇ^２＋又はこれらの混合から成る。

本発明の処理液の処理の対象であるインプラントは、チタン又はチタン合金から成る。
チタン（即ち、純チタン）は酸素量によりＪＩＳ規格で１種〜３種として規定されている。またチタン合金はＶ、Ｍｏ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｍｎなどの元素を含むものが挙げられる。
チタン又はチタン合金の具体例としては、例えば、ＪＩＳ第２種純チタン、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金、Ｔｉ−４．５Ａｌ−３Ｖ−２Ｍｏ−２Ｆｅ合金、Ｔｉ−６Ａｌ−７Ｎｂ合金、Ｔｉ−５Ａｌ−２．５Ｆｅ合金、Ｔｉ−１３Ｎｂ−１３Ｚｒ合金等が挙げられる。
インプラントとして、人工歯根、人工関節、脊髄固定等が挙げられ、人工股関節用ステム材、骨補填材、人工椎体、人工椎間板、骨プレート、骨スクリューなどの形態をしていてもよい。

処理液の溶媒は、通常水であるが、用途によっては他の適当な溶媒でもよい。
Ｃａ^２＋源としては、水溶性である必要があり、通常塩であり、例えば、塩化カルシウム、水酸化カルシウム、乳酸カルシウム、炭酸カルシウムなどが挙げられる。
Ｍｇ^２＋源としては、水溶性である必要があり、通常塩であり、例えば、塩化マグネシウム，炭酸マグネシウム、硫酸マグネシウムが挙げられる。
処理液中のＣａ^２＋若しくはＭｇ^２＋又はこれらの混合などの２価の陽イオン濃度は、好ましくは５０〜３００ｍＥｑ、より好ましくは１００〜３００ｍＥｑである。
この濃度は、例えば、陽イオンカラムを用い、イオン濃度を電気伝導度検出器で検出するイオンクロマトグラフ法により測定することができる。これ以外に、原子吸光光度法、ＩＰＣ質量分析法等の公知の方法で測定することもできる。

この処理液は、Ｎａ^＋やＫ^＋イオンを含まない。従来インプラントの処理液の主成分として使用されてきたＮａ^＋やＫ^＋イオンは、却ってチタン又はチタン合金から成るインプラントの生体親和性や骨結合能を阻害している（後記の実施例を参照されたい。）。
また、処理液には、本発明の効果を損ねない範囲で、処理液を保存するために防腐剤や界面活性剤などや、他の治療効果を奏するためにホスフェートアニオン、ホスホネートアニオン、アルミニウムイオンなどを含んでもよい。
処理液は、上記溶媒中に、所定濃度のＣａ^２＋源やＭｇ^２＋源及びその他の任意成分を、溶解させることにより調整する。

本発明の処理液を用いて、上記インプラントを処理することにより、インプラントの生体親和性や骨結合能を格段に向上させることができる。
チタン又はチタン合金から成るインプラントには、通常表面加工が施されている。この表面加工としては、表面機械研磨（例えば、旋盤、モーターエンジン等による研磨）、酸処理（硫酸、塩酸、フッ素酸など）、サンドブラスト（例えば、酸化アルミナ粉末、ガラスビーズ等を噴射など）などが行われている。
既に述べたように、これらの表面加工が行われた直後は、生体との親和性は高いが、時間経過とともに生体との親和性は低下し、表面加工後約４週間大気中で保管したものでは、タンパク吸着量が３分の１まで低下する（非特許文献１）。
このような表面加工が行なわれた直後にはその表面は活性化しているため、本発明の処理液によりインプラントを処理する効果は小さい。一方、表面加工が行なわれた後１ヶ月以上経過した場合には、本発明の処理液によりインプラントを処理する効果は大きいといえる。通常のインプラント製品は表面加工されてから少なくとも１ヶ月以上、通常数ヶ月から数年の単位で保管され使用されている。

処理方法は、インプラントに上記２価の陽イオンが表面を覆うことのできる方法であれば特に問わない。
たとえば、インプラントを十分量の上記処理液に浸漬してもよいし、インプラントに上記処理液を刷毛等で塗布してもよいし、インプラントにスポイト等で上記処理液の液滴を垂らしてもよいし、インプラントに上記処理液をスプレー等で吹きかけてもよい。
この中で、インプラントをそれが浸漬できるだけの大きさの容器に上記処理液を満たして、それにインプラントを浸漬させることが好ましい。このときの温度は通常４〜３８℃、好ましくは３６〜３７℃、時間は好ましくは１０〜６０分程度である。

なお、一旦本発明に従って処理したインプラントの効果は２４時間程度であり、その時間以内にインプラントを生体に移植することが好ましい。
なお、生体内にはＮａ^＋やＫ^＋イオンが存在するが、一旦Ｃａ^２＋やＭｇ^２＋イオンがインプラント表面に付着すれば、インプラントを生体内に移植しても、その効果が阻害されることはない。

以下、実施例にて本発明を例証するが本発明を限定することを意図するものではない。
実施例１
塩化カルシウム(和光純薬工業 036-00485、純度99.5％）、塩化マグネシウム(和光純薬工業 136-03995、純度99.5％）、塩化ナトリウム(和光純薬工業 198-01675、純度99.5％）及び塩化カリウム(和光純薬工業 160-03555、純度99.5％）を、表１に示す濃度（10〜500 mEq）で超純水(Millipore, Milli-Q System)に溶解させ、各種水溶液（処理液）を調整した。
これらの水溶液を用いて、（１）タンパク吸着能力試験と（２）インプラント骨結合力試験を行った。
試験に用いたチタン材料は、120℃に加熱した硫酸（67％ｗ/Ｗ）に75秒浸漬し（酸処理）、その後滅菌プレート内で、１ヶ月以上（数ヶ月から数年経過）保管したものを使用した。

（１）タンパク吸着能力試験
試験片として、純チタン板（FORT WAYNE METALS RESEARCH PRODUCTS CORPORATION、Grade2、直径２０ｍｍ×厚さ２ｍｍ）に上記の処理を行なって用いた。
このチタン板を、表１に示す組成の処理液に室温で１０分間浸漬し、クリーンベンチ内で表面を乾燥させた。
一方、アルブミン(Thermo Scientific 社製)を溶媒（0.9％生理食塩水、0.05％アジ化ナトリウム）に溶解させ、濃度が2mg/mlのタンパク質溶液を調整した。
このタンパク溶液300ｍｌにチタン板を浸漬し、１時間後、タンパク質溶液を回収し、0.9％生理食塩水を300ｍｌ使用してチタン板を洗浄し、この洗浄液も回収した。
回収した溶液のうち500mlを採取し、Micro BCA Kit溶液（Micro Bicinchoninic acid kit: Pierce Biotechnology社製）を500ｍｌ混合した。
９６穴マイクロプレートにこの混合液100μｌを入れ、マイクロプレートリーダー（Bio-TeK社製Synergy HT）にて562nmにおける吸光度（アルブミンの吸収）を測定した。
この吸光度から、予め規定のアルブミン濃度で作成した検量線を用いて、この溶液中に含まれるアルブミンの濃度を算出して、最初のタンパク溶液（300ｍｌ）中のアルブミン量から差し引き、チタン板上に吸着したアルブミンの量を算出した。この比（吸着したアルブミン量／最初のアルブミン量）を「吸着率（％）」とした。

（２）インプラント骨結合力試験
チタン製ロッド（FORT WAYNE METALS RESEARCH PRODUCTS CORPORATION、Grade2、直径１ｍｍ×長さ２ｍｍ）を上記のように処理して用いた。
ラット（７〜８週齢、雄性、Sprague-Dawley rat）大腿骨部分を切開し、骨膜を剥離し、関節部分から１１ｍｍの場所に直径１ｍｍの穴を電動ドリルで穴を開け、上記チタン製ロッド（インプラント）を埋入した（図１）。
図１に示すように、インプラント上部には皮質骨があるが、その下の部分は骨髄内のため、中空状態になっており、最終的に上部からインプラントを押しても下の皮質骨部分には接触せず、計測が可能である。これはレントゲンその他で埋入部位を確認し、関節より１１ｍｍの位置に適正化されている。
インプラント埋入後、縫合を行い、２週間の治癒期間を経た。この間、ラットには通常の固形食や水などを自由に与えた。
２週間の治癒後、ラットから大腿骨を取り出した。乾燥による影響を防ぐため、大腿骨取り出し後、同日内に骨結合力の測定を行った。
取り出した大腿骨を、歯科用レジン（GC社製ユニファストII）でインプラント表面が上部に出るように周囲を固定し、直径１ｍｍのヘッド（埋入したインプラントと同形）が装着された万能材料試験機（Instron社製Instron 5544 electromechanical testing system）を用いて、図２に示すように、大腿骨に埋め込んだインプラントを、１ｍｍ/1分の速さで、インプラントが抜け落ちるまで押し込んだ。このときの最大の力を骨−インプラント結合力（単位はＮ、最大2000Ｎまで計測可能）とした。

試験結果を下表にまとめる。

表１において、アルブミン吸着率と骨−インプラント結合力はほぼ同様の傾向を示している。
ＮａＣｌのみの処理液（No.2〜5)、ＫＣｌのみの処理液（No.6〜9)、ＮａＣｌ又はＫＣｌとＣａＣｌ_２又はＭｇＣｌ_２の混合処理液（No.22〜25)は、いずれも水（No.1)と同等以下である。特に０．９％生理食塩水に相当するＮｏ．４の処理液は、ＣａＣｌ_２やＭｇＣｌ_２を含む処理液よりも劣る。これらの事実は、従来インプラントの処理液の主成分として使用されてきたＮａ^＋イオンが、インプラントの生体親和性や骨結合能を阻害していることを示している。
一方、ＣａＣｌ_２のみの処理液（No.10〜15)、ＭｇＣｌ_２のみの処理液（No.16〜21)はいずれも他の処理液よりも優れている。また、ＣａＣｌ_２のみの処理液とＭｇＣｌ_２のみの処理液において、濃度が５０〜３００ｍＥｑ、特に１００〜３００ｍＥｑにおいて、優れた性能を示している。

Claims

Ｎａ^＋及びＫ^＋を含まず、Ｃａ^２＋若しくはＭｇ^２＋又はこれらの混合から成るチタン又はチタン合金から成るインプラントの処理液。
処理液中のＣａ^２＋若しくはＭｇ^２＋又はこれらの混合の濃度が、５０〜３００ｍＥｑである請求項１の処理液。
チタン又はチタン合金から成るインプラントを、請求項１又は２に記載の処理液で処理することから成るインプラントの処理方法。
前記処理が、インプラントを前記処理液に浸漬すること、インプラントに前記処理液を塗布すること、インプラントに前記処理液の液滴を垂らすこと、又はインプラントに前記処理液を吹きかけることから成る請求項３に記載の方法。
請求項１又は２に記載の処理液で処理されたチタン又はチタン合金から成るインプラント。
前記処理が、インプラントを前記処理液に浸漬すること、インプラントに前記処理液を塗布すること、インプラントに前記処理液の液滴を垂らすこと、又はインプラントに前記処理液を吹きかけることから成る請求項５に記載のインプラント。