JP2011523927A - 焼結可能なガラスから多孔質足場を製造する方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、相互接続された孔隙を有する多孔質ガラス構造の製造方法、結果として得られる多孔質構造、並びに骨の修復及び再生におけるマクロポーラス足場としてのその利用に関する。

Description

本発明は、相互接続した孔隙と骨の内方成長及び骨再生に適した強度とを有する多孔質ガラス構造物の製造方法、その結果得られた多孔質構造物、及び骨修復におけるマクロポーラス足場としてのその使用に関する。

医療が改善され、平均余命が伸びて行くにつれて、我々は、我々の骨を含めた我々の身体部分よりも長生きする。疾病及び外傷のために除去又は損傷した骨を再生するために骨移植法が使用される。欧州では毎年３００，０００例を超える骨移植手術が行われている。現在の最善の外科治療は、腸骨稜から健康な骨を取り出し（自家移植片）、それを所望の部位に配置することである。この方法は有効であるが、さらなる手術時間（余分な侵襲手術）を必要とし、骨が除去された部位で術後の痛みが発生して長い回復時間を要することがある。骨の供給も限られたものとなる。骨のより豊富な供給は同種移植片であり、死体からの骨を提供する骨バンクからの骨である。これらの骨は自家移植片の機械的強度を通常は有さず、免疫拒絶反応及び疾病伝播の可能性がある。患者は、危険な副作用も生じうる高価な免疫抑制剤を使用して生涯治療する必要が生じうる。動物の骨（異種移植片）、例えば凍結乾燥させたウシの骨を使用することもできるが、機械的強度は不十分であり、依然として疾病伝播の危険性が存在する。

骨移植は：（ｉ）顎顔面外科手術、（ｉｉ）外傷、腫瘍、及び嚢胞によって生じた欠損を修復するための整形外科、並びに（ｉｉｉ）歯周炎（歯根における骨量の減少）の治療に使用されることが多い歯科において使用される。脊椎、骨盤、及び四肢の多くの外科手術では移植が必要となる。骨移植は、ニコチン使用のために治療が困難となりうる状況、或いは疾病、例えば糖尿病又は自己免疫不全が存在する状況においても必要となりうる。

老人及び若い人においては再生足場が特に重要となる。老人のすべての組織は、活性細胞が不足しているため治癒が遅い。従って、外科医が骨欠損中にすぐに植え込むための既製品の合成骨治癒材料によって、世界中の患者の生活の質が顕著に改善される。

脊椎外科手術における骨移植の最も一般的な使用の１つは、脊椎固定中の使用であり、これは消耗性疼痛を緩和するために必要不可欠の手術である。新生児７００人に１人がクレフト・パレット(cleft pallet)を有する。生理環境に対応する材料を使用した顎顔面外科手術が重要となり、それによって小児の成長とともに再生部位が再構築可能となる。

生体材料は、生物医学的用途、特に組織再生及び組織工学において使用することができ、骨移植片の代わりに使用することができる。このような再生骨移植片代替物は、医療治療及び患者の生活の質を大きく改善する可能性がある。生物活性を有する（生体活性の）材料は、生体組織中に植え込むと、その材料と周囲組織との間の界面結合の形成を誘発する材料である。

骨再生を促進する典型的な計画では、足場材料の使用を伴う。足場は、その上に骨が３次元（３Ｄ）で成長して、組織と足場との構造物を形成することができるテンプレートである。足場の使用を伴う２つの主要な骨再生計画は、インサイチュー組織再生及び組織工学である。一般に、組織工学では、体外のバイオリアクター中で足場上に細胞を増殖させ、次に足場を移植し、その後、骨が再形成して成熟した骨になるときに足場が溶解することが含まれる。インサイチュー組織再生では、足場が体内に直接植え込まれる。どちらの場合も、植え込まれる足場材料は、生理環境に適応する必要がある。骨修復に理想的な足場は：１）３次元で骨が成長するためのテンプレートとして機能するべきであり；２）生体適合性（非毒性）であるべきであり；３）宿主の骨と結合を形成して（「生体活性」と呼ばれる性質）、骨成長を刺激するべきであり；４）制御された速度で非毒性分解生成物を溶解させるべきであり；５）植え込みによって宿主の骨と一致する機械的性質を有するべきであり；６）商業生産及び臨床用途のための滅菌が可能となるべきである。

基準１を満たすためには、足場は、３Ｄで相互接続する孔隙の網目構造を有し、相互接続は、細胞移動、流体の流動（栄養物の送達）、及び３Ｄでの骨の成長が可能となるのに十分な大きさであるべきである。内部で成長するための血液供給を有する骨の最小相互接続サイズは１００μｍであると考えられる。

細胞には、新しい組織を形成するために細胞を刺激するシグナルが必要である。これらのシグナルは、通常は増殖因子又はホルモンによって提供される。骨組織工学においては、シグナルは、バイオリアクターへの添加剤によって得られるか、材料によって送達されうかのいずれであってもよい。インサイチュー骨再生の場合、シグナルが材料によって送達される必要がある。

硬組織修復に使用するための理想的な足場の基準の多くを満たす可能性のある材料の１つは生体活性ガラスである。最初の生体活性ガラスは、ヘンチ（Ｈｅｎｃｈ）によって発見され、バイオガラス（Ｂｉｏｇｌａｓｓ）（登録商標）の名称がつけられた。これはＦＤＡの認可を１９９３年に取得しており、製品名ペリオグラス（Ｐｅｒｉｏｇｌａｓ）（登録商標）及びノバボーン（Ｎｏｖａｂｏｎｅ）（登録商標）で再生骨充填粉末として臨床的に使用されている。ヒドロキシ炭酸化アパタイト（ＨＣＡ）層が表面上に形成されて体液と接触するため、生体活性ガラスは骨に結合する。ＨＣＡは、骨塩と組成が類似しており、これらの間に強い結合を形成する。生体活性ガラスは、体内に安全に溶解して、臨界濃度のイオンを放出し、これらのイオンは、数個の活性細胞しか存在しない場合でさえも細胞にシグナルを送る役割を果たす。このことは、高齢の患者の場合に特に重要である。例えば、ケイ素イオン及びカルシウムイオンは新生骨を産生する骨形成原細胞にシグナルを与えることが分かっており、ストロンチウムは骨再生を刺激することも知られており、亜鉛は抗菌剤である。

骨成長及び血管形成は、生物学的増殖因子によって開始することができるが、これらの増殖因子をインビボで送達することは困難である。持続性送達は特に困難である。従って生体活性ガラスは生物学的増殖因子を送達する材料よりも好都合であり：再吸収可能なガラスは制御された速度で活性イオンを送達することができ；これらは増殖因子よりも安価で製造され；これらは、生物学的増殖因子よりも長い保存寿命を有し、保管及び輸送がより容易となる。

生体活性のガラスは再生材料としての使用に適しているが、バイオガラス（登録商標）組成物は多孔質足場の製造には適していない。その理由は、焼結プロセスを使用する必要があり、そのプロセスは、局所的な流動を開始するためにガラス転移温度よりも高温にガラスを加熱する必要があるためである。バイオガラス（登録商標）組成物は、そのガラス転移温度より高温で直ちに結晶化し、一度バイオガラス（登録商標）が結晶化すると、その生体活性及び分解速度は予測不可能になる。

生体活性ガラスには、溶融物由来及びゾル−ゲル由来の２つの種類が存在する。ゾル−ゲル由来シリカ系生体活性ガラスを発泡させることによる多孔質足場が開発されている（国際公開第０２／０９６３９１号パンフレット）。これらの足場は必要な基準の多くを満たす。これらは骨梁骨と類似の相互接続した孔隙網目を有し（ジョーンズ(Jones)ら, Biomaterials 28: 1404-1413, 2007）、これは骨再生に理想的である。このような足場上の細胞応答の研究では、一次ヒト骨芽細胞は、追加のシグナル種を加えることなく、足場の上に石灰化した未成熟骨組織を形成することが分かった。生体活性ガラスは、これらのプロセスを進行させるのに必要なケイ素及びカルシウムのイオンの形態のシグナルを提供する。

ゾル−ゲル由来生体活性ガラス足場は、それらの機械的性質に加えて、理想的な足場の基準の大部分を満たすことができる。これらは、さらに、溶融物由来ガラスよりも早く分解する。しかし、ある用途では、特に長期間の機械的支持が必要となる場合に、分解が遅いことが必要となる。多孔質で溶融物由来の生体活性ガラス足場を製造する従来の試みはわずかしか成功していない。リビングストン（Ｌｉｖｉｎｇｓｔｏｎ）ら（リビングストン(Livingston)ら, J. Biomed. Mat. Res.62(1): 1-13, 2002）は、粒度範囲が３８〜７５μｍの４５Ｓ５溶融物由来生体活性ガラス（バイオガラス（登録商標））粉末を、粒度範囲が２１０〜３５０μｍの２０．２重量％ ショウノウ（Ｃ_１０Ｈ_１６Ｏ）粒子と混合した。この混合物を３５０ＭＰａにおいて乾式プレスし、６４０℃で３０分間熱処理した。ショウノウは分解して多孔質バイオガラス（登録商標）ブロックが残った。しかし全多孔度は２１％に過ぎず、これは相互接続孔隙網目を形成するのに十分な高さではない。この材料が実際に非晶質であったかどうかは明らかではない。相互接続された孔隙形態を有する多孔質足場は、ポリウレタン発泡体複製方によって製造されており、この場合、ポリマー発泡体バイオガラス（登録商標）粉末でコーティングし、熱処理によってポリマーを除去し、ガラスを焼結させている。

しかし、焼結時に、ガラスが結晶化してガラス−セラミックを形成する（チェン(Chen)ら, Biomaterials 27(11): 2414-2425, 2006）。フー（Ｆｕ）ら（非特許文献４）は、１３−９３ガラス組成物（５３重量％ ＳｉＯ_２、６重量％ Ｎａ_２Ｏ、１２重量％ Ｋ_２Ｏ；５重量％ ＭｇＯ、２０重量％ ＣａＯ、及び４重量％ Ｐ_２Ｏ_５）粒子（２５５〜３２５μｍ）のスリップキャストを行った。これらの粒子はポリビニルアルコール（ＰＶＡ）溶液中に分散させ、成形型中に流し込んだ。加熱計画によってＰＶＡバインダーを除去し、粒子を焼結させて多孔質ブロックを形成した。ＸＲＤではガラスの結晶化が示されなかったが、多孔度の％値が非常に低く（４０〜４５％）、高度な相互接続は得られなかった。この孔隙網目は骨梁骨の網目とは類似していなかった。

焼結可能な生体活性ガラス組成物が最近開発されている（国際公開第２００７／１４４６６２号パンフレット）。これらの組成物は、ガラス転移温度と結晶化温度との間の温度ウィンドウが広くなっているため、焼結を行うことができる。これらのガラスを使用して、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）球をスペースホルダーとして使用することを含む方法で、多孔質足場を形成した。ＰＭＭＡ球を生体活性ガラス粉末と混合し、コールドプレスしてペレットを得た。次にこのペレットを７００℃に加熱することによって焼成してポリマーを焼失させ、ガラスを焼結させた。ガラスは依然として非晶質であったが、孔隙の接続性は低かった。さらに、（国際公開第２００７／１４４６６２号パンフレット）に記載の焼結可能なガラスを用いた発泡体複製技術を使用することで、中空の支柱（発泡体の壁）を有する材料が製造され、材料の機械的強度が低下しその足場への使用に悪影響が生じる。

国際公開第０２／０９６３９１号パンフレット 国際公開第２００７／１４４６６２号パンフレット

Jones et al., Biomaterials 28: 1404-1413, 2007 Livingston et al., J. Biomed. Mat. Res.62(1): 1-13, 2002 Chen et al., Biomaterials 27(11): 2414-2425, 2006 Fu et al., J. Biomed. Mat. Res 82A(1): 222-229, 2007

上記の例は、多孔質で溶融物由来の生体活性ガラス足場の開発を解決するためには複雑な問題が存在することを示している。３次元での骨成長のためのテンプレートとして機能することができ、荷重のかかる部位における骨再生に使用可能となるのに適した機械的性質を有し、制御された速度で分解することができ、生体活性を付与し骨成長を刺激するためのカルシウムイオン源を含有し、商業生産及び臨床用途のための滅菌が可能となる生体適合性多孔質足場が必要とされている。ここで、足場としての使用のこれらの基準を満たす多孔質材料は、粒子状ガラスを含有するスラリーを提供するステップと、界面活性剤を使用してガラス粒子スラリーを発泡させるステップと、ゲル化剤のインサイチュー重合によって発泡体をゲル化させて、ポリマーマトリックス内のガラス粒子を得るステップとを含むゲルキャスト発泡技術を使用することによって製造できることが明らかとなった。この発泡体をゲル化の直前に成形型中に注ぎ込み、熱処理によってポリマーを除去しガラス粒子を焼結させて、緻密な支柱を有する固体ガラス発泡体を形成することができる。

従って、第１の態様において、本発明は、多孔質材料の製造方法であって：
ａ）溶融物由来ガラス粒子、モノマー、架橋剤、及び開始剤を溶媒中に含むスラリーを形成するステップと；
ｂ）界面活性剤及び触媒をスラリーに加えるステップと；
ｃ）ガス（例えば空気）の存在下でスラリーを撹拌して発泡体を生じさせるステップと；
ｄ）発泡体を乾燥させるステップと；
ｅ）乾燥させた発泡体を焼結させて多孔質ガラス足場を得るステップとを含む方法を提供する。好ましい一実施形態では、溶融物由来ガラスは生物学的に適合している。好ましくはガラスは生体活性ガラスである。本発明の状況において、使用されるガラスは好ましくは焼結可能なガラスである。顕著な結晶化が起こらず、好ましくはまったく結晶化が起こらずに焼結（すなわち焼結温度までの加熱）が可能である場合に、そのガラスは焼結可能である。従って焼結温度は、ガラス転移温度（Ｔｇ）を超える温度であるが、結晶化開始温度（Ｔｃｏｎｓｅｔ）よりは低温である。これらの値は、ガラスの高温示差走査熱量測定を使用して実験的に求めることができる。ガラスを焼結可能にするためには、ガラス転移温度（Ｔｇ）と結晶化開始温度（Ｔｃｏｎｓｅｔ）との間の処理ウィンドウが少なくとも５０℃、より好ましくは少なくとも１００℃、さらにより好ましくは少なくとも１５０°となるべきである。

従って、本発明の方法によって製造された多孔質材料は、その非晶質ガラス構造を維持するガラスを含む。

ある用途ではある程度の結晶化が許容される場合があるが、好ましくは多孔質足場中の焼結ガラスは少なくとも９０％非晶質、好ましくは１００％非晶質である。足場中に存在する非晶質ガラスの％値は、足場のＸＲＤ分析によって見られる非晶質散乱の積分された全領域にわたる回折ピーク面積の積分によって求めることができる。

スラリー中、モノマーは架橋剤と反応して、ポリマー網目を形成し始める。この重合によってスラリーの粘度が増加し、粘度が増加するにつれてガラス粒子は互いに結合し始める。粘度増加時に界面活性剤を加え、界面活性剤を加えた後に、触媒を加える。この結果得られるスラリーは、次に激しく撹拌することによって発泡させる。界面活性剤は溶液の表面張力を低下させる機能を果たし、それによって形成される気泡が安定化する。発泡体を乾燥させた後、焼結を行い、これは重合材料を除去し、ガラス粒子を互いに焼結させる機能を果たし、これによってガラスから形成された多孔質材料が製造される。焼結前の発泡体の乾燥は、発泡体内から溶媒を除去し、発泡体を安定化させるために必要である。乾燥ステップを行わないと、焼結によって溶媒が急激に蒸発し、そのため発泡体構造が損傷する。スラリーに種々の成分を添加する順序は重要である。ガラス粒子、モノマー、架橋剤、及び開始剤は、界面活性剤の前にスラリーに加えるべきである。重合速度を顕著に増加させる機能を果たす触媒は、加えられる最後の成分となる。好都合には、本発明の方法によって、発泡が起こり、焼結によって崩壊及び結晶化が起こらない構造が得られるようなゲル化速度が実現される。発泡プロセスに影響を与える要因としては、スラリー濃度、開始剤濃度、溶液の粘度、並びに界面活性剤の種類及び量が挙げられる。

好ましい一実施形態では、溶媒は水である。溶媒によって、界面活性剤がゲル化前の発泡体を安定化させることができる。スラリーは、加工（すなわち界面活性剤、触媒の添加、及び発泡）の直前に調製することが好ましく、それによってゲル化前に粒子状ガラスが水と最長５分間接触する。

全スラリー体積を基準にして、モノマーは２．２〜４４．４％（ｗ／ｖ）で存在することができ、架橋剤は１．１〜２２．２％（ｗ／ｖ）で存在することができる。これは、４５ｍｌ 全スラリー体積中に１〜２０ｇ モノマー及び０．５〜１０ｇ 架橋剤に相当する。好ましくは、モノマーは、５〜２０％（ｗ／ｖ）、好ましくは１０〜１５％（ｗ／ｖ）で存在し、架橋剤は３〜１０％（ｗ／ｖ）で存在し、どちらも全スラリー体積を基準としている。好ましくは、モノマー対架橋剤の比率は２：１（重量比）である。
好ましい一実施形態では、モノマーはメチルメタクリレート（ＭＭＡ）である。好ましい一実施形態では、架橋剤はＮ，Ｎ’−メチレンビスアクリルアミドである。

好ましい一実施形態では、開始剤は過硫酸アンモニウム（ＡＰＳ）である。ＡＰＳ溶液が新しいほど、ゲル化時間が短くなる。好ましくは、ＡＰＳは水溶液として、好ましくは０．５２ｇ／ｍｌの濃度で提供される。この濃度のＡＰＳ溶液が使用される場合、全スラリー体積中のＡＰＳ溶液の投入量は、１．１〜２２．２％（ｖ／ｖ）、好ましくは１．１〜１１．１％（ｖ／ｖ）、より好ましくは１．１〜８．９％（ｖ／ｖ）、より好ましくは３．３〜５．６％（ｖ／ｖ）とすることができる。これらの値は、４５ｍｌの全スラリー体積中、ＡＰＳ溶液が０．５〜１０ｍｌの体積、好ましくは０．５〜５ｍｌ、より好ましくは０．５〜４ｍｌ、最も好ましくは１．５〜２．５ｍｌで提供されることに相当する。全スラリー体積は、発泡前のガラス粒子、溶媒、モノマー、架橋剤、開始剤、界面活性剤、及び触媒の全体積である。異なる濃度のＡＰＳ溶液を使用することができ、この場合スラリー中に供給されるＡＰＳ溶液の体積は、スラリー中で同じ全濃度のＡＰＳが得られるように計算されることは理解されよう。

好ましい一実施形態では、触媒はＮ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’−テトラメチレンジアミン（ＴＥＭＥＤ）である。

好ましい一実施形態では、界面活性剤はトリトン（Ｔｒｉｔｏｎ）Ｘ−１００である。界面活性剤を使用すると、表面張力が低下することによって発泡するので、スラリー中で形成された気泡が安定化される。これは、界面活性剤が存在しない場合に可能なよりも大きな気泡が形成されることを意味する。得られた多孔質材料の孔隙が固定されるのはゲル化プロセス中であり、界面活性剤を使用することで大型で接続された孔隙構造を有する材料を製造することができ、これは骨移植片代替材料及び組織工学の足場に必要な特徴であり、組織の内方成長には大きな孔隙が必要である。４５ｍｌ全スラリー体積中、界面活性剤は０．００１〜１ｍｌ（すなわち０．００２２〜２．２％のｖ／ｖ％）で存在することができる。好ましくは、界面活性剤は０．１〜１ｍｌ（０．２２〜２．２％ｖ／ｖ）で存在する。

スラリーの含水量及びガラス含有率の両方は、撹拌中に実現される発泡体の体積の制御において、さらに結果として得られる多孔質材料中の孔径の制御において重要となる。発泡体の体積は、結果として得られる孔径に比例する。好ましい一実施形態では、スラリーの全体積中のガラス粒子含有率は、２２％〜６７％（ｗ／ｖ）、好ましくは３０％〜５０％（ｗ／ｖ）、例えば３０％〜４０％（ｗ／ｖ）又は４０％〜５０％（ｗ／ｖ）である。ある実施形態では、４２％〜４６％（ｗ／ｖ）、好ましくは４４％（ｗ／ｖ）の含有率が使用される。

さらに、スラリーの触媒含有率は、スラリーのゲル化時間に顕著な影響を与え、触媒濃度が増加するほどゲル化が速く起こる。次に、このことが発泡体体積に影響を与え、投入する触媒含有率が増加すると発泡体体積が減少する。好ましい一実施形態では、触媒は、６．６３Ｍ ＴＥＭＥＤであり、全スラリー体積に対して４．４％〜１３．３％ｖ／ｖの含有率で投入される。ＴＥＭＥＤが異なるモル濃度で提供される場合、スラリー中の対応する触媒濃度が得られるように使用する体積を調整できることは理解されよう。

ガラス粒子の粒度は、焼結の成功に重要な影響を与える。ガラス粒子の最大粒度（最大粒径）は、ふるいを介してガラス粒子をふるい分けすることによって求められる。好ましい一実施形態では、ガラスの最大粒度は１００μｍ以下である（例えば１００μｍのふるいにガラス粒子を通過させることによって実現される）。好ましくは、最大粒度は３８μｍである。

より小さな粒子がより大きな粒子の間の空隙を満たす働きをするように、ある範囲の粒度を有するガラスを提供することが好ましい。粒度を制御することによって、結果として得られる多孔質材料中に形成される壁が厚くなりすぎず、所望の高い多孔度を得ることができる。Ｔｇは粒度とは独立しており、一方、結晶化は主として表面核形成過程によって生じる。従って、Ｔｃｏｎｓｅｔは粒度の低下とともに低下する。粒度が低下すると、表面積が増加し、この表面に関連するエネルギーによって、焼結過程が促進される。結晶化開始温度を無視すると、粒度が小さいほど、焼結が容易になり焼結温度が低下する。本発明によって、焼結温度と結晶化との間のバランスが実現される。

好ましい一実施形態では、ステップｅ）で形成された多孔質材料を疑似体液で処理する。これによってアパタイトが材料表面上に形成され、その結果、多孔質材料を使用する場合に、細胞の取り込みによるｐＨの上昇が最小限となり、骨芽細胞の接着が促進される。

好ましい一実施形態では、ガラスは、ＳｉＯ_２（３０〜６０モル％）、カルシウム源（０〜５０モル％）、ナトリウム源（０〜３０モル％）、カリウム源（０〜３０モル％）、亜鉛源（０〜１０モル％）、マグネシウム源（０〜２０モル％）、及びＰ_２Ｏ_５（０〜１４モル％）から形成される。

本発明のこの説明全体で、ガラス成分の％値はモル％値である。カルシウム源、ナトリウム源、カリウム源、亜鉛源、及びマグネシウム源は、それぞれ独立してそれぞれの酸化物（ＣａＯ、Ｎａ_２Ｏ、Ｋ_２Ｏ、ＺｎＯ、及びＭｇＯ）、又は分解して酸化物を形成する化合物である。従って、ガラス組成物が、あるモル％値の酸化物を含むものとして本出願全体で参照される場合で、ガラスが形成される場合、その酸化物は酸化物自体で提供される場合もあるし、分解して酸化物となる化合物として提供される場合もある。従って、上記定義の組成物を有するガラスは、３０〜６０ｍｏｌ％ ＳｉＯ_２、０〜５０ｍｏｌ％ ＣａＯ、０〜３０ｍｏｌ％ ＮａＯ、０〜３０ｍｏｌ％ Ｋ_２Ｏ、０〜１０ｍｏｌ％ ＺｎＯ、０〜２０ｍｏｌ％ ＭｇＯ、及び０〜１４ｍｏｌ％ Ｐ_２Ｏ_５を含むものとして説明することができる。

好ましくは、ガラスは４６〜５０％ ＳｉＯ_２を含む。好ましくは、Ｎａ_２ＯとＫ_２Ｏとの合計のモル％値が５〜１５％となる。ガラスは、２０〜５０ｍｏｌ％ ＣａＯ、好ましくは２０〜４５ｍｏｌ％ ＣａＯを含むこともできる。好ましくは、ガラス中のＺｎＯ、ＭｇＯ、ＣｏＯ、ＳｒＯ、及びＰ_２Ｏ_５の合計のモル％値が１〜１２％である。ある実施形態では、少なくとも０．５ｍｏｌ％ Ｐ_２Ｏ_５が存在する。

好ましい一実施形態では、ガラスは、約４６〜５０％ ＳｉＯ_２、約０．５％〜１．５％（好ましくは約１％） Ｐ_２Ｏ_５、約０〜２％ Ｂ_２Ｏ_３、約８〜４０％ ＣａＯ、約０〜１５％ ＳｒＯ、約５〜７％ Ｎａ_２Ｏ、約４〜７％ Ｋ_２Ｏ、約０〜４％ ＺｎＯ、約０〜４％ ＭｇＯ、及び約０〜９％ ＣａＦ_２を含む。

好ましくは、ガラスは２〜４％ ＺｎＯを含む。好ましくは、ガラスは２〜４％ ＭｇＯを含む。

さらにより好ましい一実施形態では、ガラスは約４６〜５０％ ＳｉＯ_２、約０．５％〜１．５％ Ｐ_２Ｏ_５、約３５〜４０％の総モル％値のＣａＯ、ＺｎＯ、ＭｇＯ、及びＳｒＯ、並びに約５〜７％ Ｎａ_２Ｏ、及び約５〜７％ Ｋ_２Ｏを含む。

好ましい一実施形態では、ガラスはさらに、コバルトイオン源、例えばＣｏＯを最大５％のモル％値で含む。銅をコバルトの代替として使用することができる。

ある実施形態では、ガラスはストロンチウムイオン源（例えばＳｒＯ）を含む。ストロンチウムイオン源は、カルシウムイオン源の一部又はすべての代わりに使用できる。従って、ガラスは、ＣａＯとＳｒＯとを合わせた含有率で０〜５０ｍｏｌ％、好ましくは２０〜５０ｍｏｌ％、より好ましくは２５〜４０ｍｏｌ％含むことができる。ある実施形態では、全ガラス組成物の最大５ｍｏｌ％がＳｒＯである。ストロンチウムイオンは、骨再生の促進に有用である。さらに、ストロンチウム種及びカルシウム種の混合物は、ガラスの結晶化をわずかに抑制し、加工を容易にする。

好都合には、本発明において使用されるガラス組成物によって、結晶化を生じさせずにガラスを焼結することができる。ガラスが生体活性であることも望ましい。生体活性を実現するためには、ガラスの網目接続性が、２．０に近づくべきであり、これにより事実上シリカモル分率が好ましくは５０モル％未満に規定される。焼結可能なガラスは、ＳｉＯ_２含有率がより高くなることによって製造することができ、それによってガラスの架橋が増加し、従って結晶化の傾向が抑制される。しかし、このことによって生体活性が犠牲となる。このことに対処する方法の１つはＺｎＯ及び／又はＭｇＯをガラス組成物中に含むことである。これらがシリケート網目構造に入ると、生体活性は非常にわずかに低下するが、結晶化が大きく遅延し、Ｔｃｏｎｓｅｔが上昇する。好ましくは、Ｋ_２Ｏ及びＳｒＯも含まれる。ガラス中の成分が多いほど、混合のエントロピーが大きくなり、規則的な結晶状態を犠牲にして不規則なガラス状態が安定化する。

従って、生体活性でもある高多孔質材料を製造するための好適なガラス組成物は、多くの要因の間を釣り合わせることにある。さらなる要因の１つは、全アルカリ金属含有率であり、これが高すぎると結晶化が促進される。さらに、ＺｎＯ及びＭｇＯが多すぎると生体活性が低下する。ある実施形態では、生体活性は、ＳｒをＣａの代わりに使用し、Ｍｇ及びＺｎの混入により見られる低下を補償することによって増加させることができる。

ある実施形態では、発泡体を乾燥させるステップは、５０℃〜２００℃、好ましくは１００℃〜２００℃、より好ましくは１１５℃〜１６０℃の温度で行われる。ある実施形態では、乾燥温度は１２０℃〜１５５℃又は１２０℃〜１３０℃、例えば１２５℃である。

好ましい一実施形態では、焼結プロセスは、粘性流焼結プロセスである。

本発明のある実施形態では焼結温度は４００℃〜９００℃、好ましくは６００℃〜８００℃、より好ましくは６３０℃〜７３０℃である。ある実施形態では焼結温度は７００〜７５０℃であり、一方、別の実施形態では焼結温度は６８０〜７００℃である。従って、ある実施形態では、焼結温度は６３０℃〜７３０℃（好ましくは６８０〜７００℃）であり、乾燥温度は１２０〜１３０℃である。

ある実施形態では、焼結は、発泡体を第１の保持温度に加熱してポリマーを発泡体から除去するステップと、続いて温度を焼結温度まで上昇させ焼結温度で維持してガラス粒子を焼結させるステップとを含む２段階プロセスで行われる。焼結温度は前述の定義の通りであり、第１の保持温度は８０〜８００℃、好ましくは１００〜４００℃、より好ましくは２００〜４００℃とすることができる。ある実施形態では、第１の保持温度は１５０〜２００℃である。別の実施形態では、第１の保持温度は３００〜４００℃、好ましくは３４０〜３６０℃、例えば３５０℃である。

前述の種々の乾燥温度、保持温度、及び焼結温度はあらゆる組み合わせで使用することができる。例えば、焼結温度は６００〜８００℃（好ましくは、６３０〜７３０℃又は６８０〜７００℃）とすることができ、乾燥温度は１２０〜１３０℃とすることができ、第１の保持温度は３００〜４００℃とすることができる。

２段階焼結プロセスは、発泡体を第１の保持温度で、好ましくは最長２４時間、好ましくは０．５〜１．５時間である第１の滞留時間の間維持するステップと、発泡体を焼結温度で、好ましくは最長２４時間、好ましくは最長１時間、より好ましくは０．４〜０．６時間である焼結時間の間維持するステップとを含むことができる。焼結条件、及び焼結方法は、例えば、ハイドロキシアパタイトを主成分とするセラミック発泡体の製造に使用される方法とは異なる。この方法では、焼結プロセスが粘性流焼結によっては行われず、約１１００〜１２５０℃のはるかに高い温度が典型的には必要となる。

好ましくは、温度は第１の滞留温度まで０．０５〜２００℃／分、好ましくは０．０５〜５℃／分の速度で上昇させる。好ましくは、温度は第１の保持温度から焼結温度まで０．０５〜２００℃／分、好ましくは０．０５〜５℃／分の上昇速度で上昇させる。

焼結後、得られた多孔質材料は、好ましくは６０℃／分の最大冷却速度で冷却する。

焼結プロセス中の種々の要因は変更可能であることを理解されたい。例えば、より低い焼結温度をより低い上昇速度及びより長い焼結時間とともに使用することができる。

好ましくは、焼結は、加熱炉中、酸素含有環境中で行われる。これは、炭素残留物を除去するためである。好ましい一実施形態では、多孔質材料は相互接続した孔隙網目を有し、それによって、骨成長を促進する足場としての使用に好適となる。好ましくは、多孔質材料は、最大５００μｍ、好ましくは１００〜５００μｍの間の平均直径を有するマクロ孔隙を含む。好ましくは、マクロ孔隙の間の相互接続の平均最小寸法は少なくとも１００μｍである。

好ましい一実施形態では、ガラスは、創傷治癒及び／又は血管再生の促進に有用な金属イオン源、例えばリチウムイオン又は銅イオンをさらに含む。

第２の態様では、本発明は、溶融物由来ガラスから形成された多孔質材料であって、非晶質ガラス網目が多孔質材料中に存在し、多孔質材料が最大５００μｍ、好ましくは１００〜５００μｍの間の平均直径を有するマクロ孔隙を含む多孔質材料を提供する。好ましくは、マクロ孔隙の間の相互接続の平均最小寸法は少なくとも１００μｍである。好ましくは、多孔質材料は、本発明の第１の態様の方法によって製造されたものである。

第３の態様では、本発明は、本発明の第１の態様の方法によって製造された多孔質材料を提供する。

第４の態様では、本発明は、医学に使用するための本発明の第２又は第３の態様の多孔質材料を提供する。好ましくは、この材料は骨修復及び／又は再生を促進する足場として使用される。

第５の態様では、本発明は、本発明の第２又は第３の態様の多孔質材料を含む骨移植片代替物又は組織工学足場を提供する。

本発明の各態様のすべての好ましい特徴は、必要な変更を加えてすべての他の態様に適用される。

本発明は種々の方法で実現することができ、添付の図面を参照しながら本発明を説明するために特定の実施形態について説明する。

ヒト骨梁骨の３次元（３Ｄ）Ｘ線マイクロコンピュータトモグラフィ（μＣＴ）画像を示している（図１ａ）。本発明のゲルキャスティング発泡方法によって製造した溶融物由来生体活性ガラス足場の３次元（３Ｄ）Ｘ線マイクロコンピュータトモグラフィ（μＣＴ）画像を示しており(図１ｂ)、足場の孔隙網目は非常に高度に相互接続しており、骨梁骨の孔隙構造と類似していることが示されている。ガラスのマクロ構造は、材料の製造に使用されるゲル化触媒、開始剤（ゲル化剤）の相対量及び種類に依存して調節することができる。 本発明のゲルキャスト発泡方法のフローチャートを示している。 スラリー中含水量の関数としてのゲル化時間のグラフを示している。 図３ａの範囲を広げたものである。 含水量の関数としての、４５ｍｌのスラリーを発泡させることによって達成される発泡体体積のグラフを示している。 図４ａの範囲を広げたものである。 触媒含有量の関数としてのゲル化時間のグラフを示している。 触媒含有量の関数としての、４５ｍｌのスラリーから達成される発泡体体積のグラフを示している。 開始剤含有量の関数としてのゲル化時間のグラフを示している。 開始剤含有量の関数としての、４５ｍｌのスラリーから達成される発泡体体積のグラフを示している。 異なる粒度におけるＩＣＩＥ１６ＭのＤＳＣトレースを示している。 ＩＣＩＥ１６Ｍの成功した焼結プログラムの図を示している。 ＩＣＩＥ１６Ｍの成功した焼結プログラムの図を示している。 焼結前のＩＣＩＥ１６Ｍゲルキャスト発泡体足場のＳＥＭ画像を示している。 ＞３８μｍの粒度を使用して製造した、焼結後のＩＣＩＥ１６Ｍゲルキャスト発泡体足場のＳＥＭ画像を示している。 ＜３８μｍの粒度を使用して製造した、焼結後のＩＣＩＥ１６Ｍゲルキャスト発泡体足場のＳＥＭ画像を示している。 ＩＣＩＥ １６Ｍゲルキャスト足場のＸＲＤトレースを示している。非晶質ハローを有し、鋭いピークがないことは、この材料が焼結後に依然として非晶質であったことを示している。 典型的なゲルキャスト生体活性ガラス（ＩＣＩＥ１６Ｍ）足場の孔径分布を示している。孔隙直径の関数としての孔隙容積分率（孔隙数／ｍｍ^３）。 典型的なゲルキャスト生体活性ガラス（ＩＣＩＥ１６Ｍ）足場の相互接続サイズ分布を示している。孔隙直径の関数としての面積分率。 水銀ポロシメトリーによって測定される典型的なゲルキャスト生体活性ガラス（ＩＣＩＥ１６Ｍ）足場の相互接続サイズ分布を示している。 異なる温度（１００Ｃ、１２５Ｃ、及び１５０Ｃ）で乾燥させ、３５０Ｃ、６８０Ｃで焼結させ、ＳＢＦ中に３日間浸漬したＩＣＩＥ１６Ｍ足場のＸＲＤトレースを示している。

本明細書で使用される用語の意味は以下に説明され、これより、以下の非限定的実施例の１つ又はそれ以上を参照しながら本発明をさらに説明する。

本発明の状況では、生体組織中に植え込まれた場合に、ガラスと周囲組織との間に界面結合の形成が誘導される場合、そのガラスは生体活性ガラスである。生体活性のインビトロ指数は、ガラス表面上にヒドロキシ炭酸化アパタイト（ＨＣＡ）層の形成速度によって求められる。ある好ましい実施形態では、生体活性ガラスは、ガラスを疑似体液（ＳＢＦ）に曝露すると、結晶性ＨＣＡ層の堆積が３日以内、より好ましくは２４時間以内に起こるガラスである。ＳＢＦに曝露することによるＨＣＡ層の堆積（Ｋｏｋｕｂｏ Ｔ．，Ｊ．Ｂｉｏｍｅｄ．Ｍａｔｅｒ．Ｒｅｓ．１９９０；２４；７２１−７３５に記載される）は、認められている生体活性試験の１つである。

本明細書において使用される場合、「焼結」は、粒子が互いに付着して塊状固体を形成する温度以上の焼結温度に粒子状物質を加熱するプロセスを意味する。

本明細書において使用される場合、「モノマー」は、重合することが可能な有機分子である。当分野で公知のモノマーとしては、アクリレート類、メタクリレート類、ピロリドン(pyrollidone)類、及びアクリルアミド類、例えばメチルメタクリレート、ブチルメタクリレート、アクリルアミド、２−ヒドロキシエチルメタクリレート、メチルアクリレート、Ｎ−ビニルピロリドン(N-vinyl pyrollidone)、エチレンジメタクリレート、及びジエチレングリコールジアクリレートが挙げられる。本発明における使用に好ましいモノマーはメチルメタクリレート（ＭＭＡ）である。

本発明の方法では、モノマー重合は、開始剤の酸化還元対、好ましくはパーサルフェート、及びアミン触媒による化学的開始によって促進される。公知のアミン触媒としては、Ｎ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’−テトラメチレンジアミン、Ｎ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’−テトラ（２−ヒドロキシル）エチレンジアミン、モルホリン、及び４−メチルモルホリンが挙げられる。本発明での使用に好ましい触媒はＮ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’−テトラメチレンジアミンである。

本明細書において使用される場合、架橋剤は、２つ以上のポリマー鎖と結合を形成可能な化合物である。好ましくは、架橋剤は、２つ以上のポリマー鎖と共有結合を形成する有機分子である。本発明での使用に好ましい架橋剤はＮ，Ｎ’−メチレンビスアクリルアミドである。

本明細書において使用される場合、「ゲル化時間」は、触媒を添加した時点から反応スラリーがゲルに変化する時点までの時間である。ゲル化が生じる速度によって、重合速度が決定される。

本発明において使用できる特定のガラス組成物を以下の表１に示す。しかし、これらのガラス組成物が、本発明の範囲を限定するものと見なすべきではないことを理解されたい。これらのガラス組成物及びバイオガラス（登録商標）（比較の目的で）の合成についても説明する。

１．ガラスの合成
ＩＣＩＥ１６Ｍ
ＩＣＩＥ １６Ｍを作製するために、酸化物（単位はｍｏｌ％）の４９．４６％ ＳｉＯ_２、２７．２７％ ＣａＣＯ_３、６．６％ Ｎａ_２ＣＯ_３、６．６％ Ｋ_２ＣＯ_３、３％ ＺｎＯ、３％ ＭｇＯ、３％ ＳｒＣＯ_３、及び１．０７％ Ｐ_２Ｏ_５を互いに混合して十分に振り混ぜ、次に混合物を白金るつぼに入れ、これを加熱炉に入れて最高１４００Ｃまで加熱し、１．５時間維持した。混合物を次に水中で急冷して、粗いフリットの形態のガラスを回収し、終夜乾燥させた。他のガラスも類似の方法を使用して作製したが、焼成温度はバイオガラス（登録商標）の場合１３７０Ｃ、ＩＣＩＥ １６Ｍの場合１４２０Ｃであり、保持時間はバイオガラス（登録商標）の場合１時間、ＩＣＩＥ １６Ｍの場合１．５時間であった。

元の成分３００ｇから、通常１５０ｇ〜２００ｇのガラスが製造される。必要な成分をｍｏｌ％からグラムに変換する計算を行った。それらのステップは以下の通りである：
１）１００ｇの混合物中で各成分が何グラムになるかを計算する、例えばＩＣＩＥ １６Ｍ中のＳｉＯ_２の場合、４９．４６ｍｏｌ％×６０．０９（その分子量）であり、これより２９．７２ｇとなる；
２）この計算をすべての成分に対して行い、結果を合計すると、ＩＣＩＥ １６Ｍの場合で８２．７３ｇの総重量が得られた；
３）混合物の必要な重量は３００ｇであるので、３００ｇを合計重量８２．７３ｇで割る。比が求められ、この場合約３．６２６となった；
４）ステップ１で得られた値に上記比を乗じると、３００ｇの混合物を作製するために必要な各成分の重量が求められる。

２．コバルト含有ガラスの合成
ＩＣＩＥ １６Ｍ Ｃｏを作製するために、酸化物（単位はｍｏｌ％）の４６．５３％ ＳｉＯ_２、２７．２７％ ＣａＣＯ_３、６．４７％ Ｎａ_２ＣＯ_３、６．４７％ Ｋ_２ＣＯ_３、２．９４％ ＺｎＯ、２．９４％ ＭｇＯ、１．９６％ ＣｏＣＯ_２、２．９４％ ＳｒＣＯ_３、及び１．０５％ Ｐ_２Ｏ_５を互いに混合して十分に振り混ぜ、次に混合物を白金るつぼに入れ、これを加熱炉に入れて最高１４００℃まで加熱し、１．５時間維持した。混合物を次に水中で急冷して、粗いフリットの形態のガラスを回収し、終夜乾燥させた。

３．ゲルキャスティングの変量
図２は、ＩＣＩＥ１６及びＩＣＩＥ１６Ｍのガラスを含む多孔質材料の作製に使用したゲルキャスト発泡方法のフローチャートを示している。ガラス粒子を、水、メチルメタクリレート（モノマー）、過硫酸アンモニウム（ＡＰＳ、開始剤）、Ｎ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’−テトラメチルエチレンジアミン（触媒）、及びＮ，Ｎ’−メチレンビスアクリルアミド（架橋剤）と混合した。モノマーは、開始剤の存在下で架橋剤と反応して、ポリマー網目の形成が開始する。これによってスラリーの粘度が増加し、最終的には粒子が互いに結合する。

粘度が増加する間に界面活性剤（トリトンＸ １００）を加え、続いて触媒を加え、得られた溶液を激しく撹拌することによって発泡させる。気泡を安定化させるために、界面活性剤によって表面張力を低下させる。発泡体が形成され、これをゲル化直前に成形型中に注ぎ込む。次に材料を乾燥及び焼結させて、ポリマーバインダーを除去し、ガラス粒子を互いに焼結させると、多孔質発泡体足場が残る。

大きな課題は、発泡が可能なゲル化速度を得ること、並びに焼結時に崩壊及び結晶化が起こらない構造を得ることであった。発泡プロセスに影響した主要な要因は、スラリー濃度、開始剤濃度、溶液の粘度、並びに界面活性剤の種類及び量であった。ＡＰＳ溶液が新しいほど、ゲル化時間が速くなる。焼結は粒度及び熱処理の影響を受けた。ゲルキャストプロセスを最適化し、本発明の方法に到達するために、これらの要因を変動させる実験を行った。これらの要因の変動によって得られる結果、及びその結果得られるこれらの要因の最適化について以下の実施例で考察する。従って、本発明の方法を使用して、多孔質足場をＩＣＩＥ１６及びＩＣＩＥ１６Ｍのガラスから製造した。

３．１ 含水量の変動：
スラリーの含水量は非常に重要である。１４ｇのガラス粉末を全体積４５ｍｌのスラリー中に使用する場合、スラリー中のガラスの％値は３１％（ｗ／ｖ）であった。発泡体体積は発泡体の孔径に比例する（すなわち発泡体体積が大きいほど孔径が大きくなる）。図３は、含水量が１６〜２２ｍｌの範囲内では、ゲル化時間に有意な影響を与えないことを示しているが、図４は、含水量が、撹拌中に達成される発泡体体積の制御において重要となることを示している。より高濃度の粉末（より少ない水）を使用すると、４５ｍｌのスラリーで達成される発泡体体積が減少した。ガラス濃度を低下（水を増加）させると、達成可能な発泡体体積が増加したが、水が多すぎるとゲル化の際に構造が崩壊した。スラリーの体積は、１４ｇのガラスを１０ｍｌの水とともに撹拌するときには増加しなかった。２２ｍｌの水を使用した場合は、発泡体が乾燥中に崩壊した。２０ｍｌの水が最適であった（４５ｍｌ 全体積のスラリー及び１４ｇ ガラスの場合）。２０ｍｌの水は、ガラス濃度が約３４％のスラリーに相当する。１８ｍｌ水は４５ｍｌ全スラリー体積に２０ｇガラスの場合に最適であった）。

３．２ ガラス含有率の変動：
スラリー中のガラス含有量は、ゲルキャストプロセスの最適化のために重要である。４５ｍｌの全スラリー体積中５ｇ〜４０ｇのガラス投入量を使用した（ガラス投入範囲が１１％〜８９％ｗ／ｖとなり、ここで全スラリー体積は、発泡前のガラス、溶媒、モノマー、架橋剤、開始剤、界面活性剤、及び触媒の全体積である）。系中のガラスの量（ガラス投入量）が増加すると、焼結効率が増加する。しかし、ガラスが多すぎる（３０ｇ（６７％ｗ／ｖ）を超える）と、発泡が困難となり、各粒子をコーティングするポリマーがわずかとなったため、ゲル化時間が短くなった。ガラスが少なすぎる（１０ｇ（２２％ｗ／ｖ）未満）と、ガラス粒子の間に残留するポリマーが多すぎるために、焼結が妨害され、ポリマーが焼失した後の熱処理中に崩壊した。２０ｇ（４４％ｗ／ｖ）のガラス投入量では、両方のガラス組成物で優れた結果が得られた。

３．３ 触媒の変動：
図５は、触媒含有量がゲル化時間に対して大きな影響を有し、触媒含有量が増加するほど系のゲル化が速くなることを示している。これは発泡体体積に対して大きな影響を有し（図６）、特に、触媒含有量が５ｍｌから６ｍｌに増加すると、発泡体体積が約３０％減少した。理想的な発泡体体積は１１０〜１３０ｍｌであることが分かった。

３．４ 開始剤含有量
多孔質足場の形成に使用したＡＰＳは、０．５２ｇ／ｍｌの濃度における水溶液として供給した。スラリー中の開始剤含有量のゲル化時間及び発泡体体積に対する影響を図７及び８に示している。これらの結果は、表２に示すスラリー２に関して得たものであるが、種々の初期体積を使用した。ＡＰＳ含有量を増加させると、ゲル化時間が増加し、発泡体体積が増加する。１１０〜１３０ｍｌの発泡体体積を得るためには、ＡＰＳを１〜３ｍｌで供給することができ、２ｍｌで供給する場合に特に良好な結果が得られた。

３．５ 代表的なスラリー組成物
多孔質足場の作製に使用した代表的なスラリー組成物を表２に示す。全スラリー体積は４５ｍｌであった。

４．熱処理−乾燥及び焼結
発泡体の乾燥ステップは、焼結前発泡体から溶媒を除去する役割を果たす。溶媒が水である場合、発泡体中に残留する水は、ガラス粒子の一部を溶解させて、カリウムイオン及びナトリウムイオンをガラスから放出させることがある。これらのイオンは、過硫酸アンモニウムとインサイチュー重合系中で反応して、硫酸ナトリウムカリウムをガラス粒子上に形成することがある。乾燥によって水が完全に除去されなかった場合の、焼結後のガラス上及びガラス中の硫酸ナトリウムカリウムの存在は、ＳＥＭ−ＥＤＸ及びＸＲＤ分析を使用して検出される。

副生成物の硫酸ナトリウムカリウムの存在が回避されることが望ましいが、その理由は、この副生成物は、ガラス足場の生体活性、分解速度、及び機械的性質に影響を与え、足場材料に対する細胞応答を変化させる可能性があるためである。

乾燥温度を上昇させると、焼結前の粒子の水への曝露が減少し、従ってガラスの溶解が減少するため、硫酸ナトリウムカリウムの形成が減少することが分かった。しかし、構造の乾燥温度が上昇すると、ガラスの結晶化がより低い温度において観察された。乾燥と焼結とのバランスをとることで最適な結果が達成される。

熱処理及び焼結プロセスは、最終的な足場が、ゲルキャスティング法で得られる多孔質構造を維持し、機械的強度が実現されるように最適化すべきである。最初に、ポリマーが焼失することによって除去され、次にガラス粒子が、移動したり結晶化したりすることなく互いに焼結する必要がある。焼結温度（Ｔｇを超えると粘性流が生じるが、Ｔｃ未満で結晶化が防止される）は、ガラスの示差走査熱量測定（ＤＳＣ）トレース（図９）から選択した。図９は、粒度が低下すると、結晶化開始温度が低下することを示している。発泡体を直接焼結温度まで加熱すると、ポリマーが常に完全に焼失するとは限らないことが分かった。図１０は、最適化された焼結手順の図を示している。ＩＣＩＥ１６Ｍガラスに使用したが、他のガラスにも使用することができる代表的な焼結手順を以下に示す：

種々の乾燥温度及び焼結温度の組み合わせのマトリックスで試験を行った。焼結性及び孔隙網目形態をＳＥＭによって評価し、失透に対する処理の影響をＸＲＤによって調べた。

ガラスを１２５℃で乾燥させ、６８０℃〜７００℃の間で焼結させると、良好な焼結であり、ガラス結晶化が全くなく、硫酸ナトリウムカリウムの形成が最小限である特に有用な多孔質足場が製造された。これらのガラス足場は生体活性であることが分かり、ＳＢＦ中３日間で表面上にアパタイト層が形成された。

注目すべきことに、本発明のゲルキャスト系において観察される結晶化温度は単に理論値からは予測できない。例えば、種々の加熱速度におけるガラス粒子のＤＳＣトレース／分から外挿することによるＩＣＩＥ１６及びＩＣＩＥ１６ＭのＴｇ及びＴｃ開始の値の計算によって、表３に示される理論値が得られる。結晶化の開始は、外挿することによって温度が予測され、ガラスは０加熱速度（すなわち焼結を維持している間）で結晶化を開始する。

ＩＣＩＥ１６Ｍガラス粒子は７９６℃の焼結温度に到達するまで非晶質にとどまると予測されたが、一部の結晶化がより低い温度で観察され、従って本発明の方法において使用される焼結温度を明記している。

５．粒度
より広い表面積によって粘性流焼結が促進されるので、粒度は重要である。従って粒度が小さいほど、より速く（Ｔｇにより近くで）ガラスが焼結する。これに関して、可能な最小粒度を使用すべきである。しかし、ガラス表面で結晶の核を形成するので、表面積が広いほど、結晶化の危険性が高まるため、小さい粒子では結晶化がより起こりやすくなる。粒度は粒子充填に対しても影響する。

図９は、ガラス転移温度及び結晶化開始温度に対する粒度の影響を示している。図１２は、粒度１４０μｍのＩＣＩＥ１６Ｍ粒子を使用して、図１０ａに示される条件下で焼結させて作製した足場のＳＥＭを示している。粒子形状の輪郭を見ることができ、すべての粒子が十分焼結しているわけではないことが分かる。しかし、１１μｍの粒度を使用した場合、粒子が十分に焼結した。図１３は、マクロ孔隙間の相互接続の一部が直径が２００μｍを超えたことを示しており、血管新生した骨の内方成長に適している。さらなる最適化された焼結プロトコルを図１０ｂに示す。

図１４は、ＩＣＩＥ １６Ｍゲルキャスト足場のＸＲＤトレースを示している。非晶質ハローがあり、鋭いピークがないことから、この材料が焼成後に依然として非晶質であったことを示している。

前述のようにして作製した足場材料の３次元マイクロコンピュータトモグラフィ（μＣＴ）画像法は、使用した発泡技術が高度に多孔質で、十分に相互接続した孔隙網目の製造に成功していることを示している。

孔径データ
図１ｂは、ゲルキャストＩＣＩＥ１６Ｍ足場の３Ｄ画像を示している。最近開発されたアルゴリズムをサンプルに対して実行して、孔径及び相互接続分布を求めた。図１５は、３つのアルゴリズム（距離マップ、流域、及びトップダウンを得るための拡張）を使用することによって得られた典型的なゲルキャストガラス足場の孔径分布を示している。この分布は二峰性であり、構造中に小さな閉じた孔隙（＜１００μｍ）が存在するが、重要なことは２００〜５００μｍの間の直径を有し約２８０μｍがモードである孔隙が多く存在することである。図１６は、相互接続サイズ分布を示しており、高い％値の相互接続が１００μｍを超えることを示している。これらの結果は、これらの足場が骨再生に適していることを示している。

図１７は、水銀ポロシメトリーによって予測される、ゲルキャスト発泡法によって製造した典型的な生体活性ガラス足場の相互接続孔径分布を示している。３つのサンプルについて測定を行い、モード相互接続直径を示している。３つのモード相互接続直径の平均は１２０μｍ±１２μｍであった。

機械的性質
表２に示す組成を有するスラリーを使用してＩＣＩＥ１６Ｍから作製したガラス足場は、２．５ＭＰａの平均圧縮強度を有した。これは、ツウィック（ｚｗｉｃｋ）ロール機で、平行板圧縮を使用し、１ｋＮのロードセル及び０．５ｍｍ／分のひずみ速度で使用して測定した。サンプルは、直径５ｍｍ及び高さ１５ｍｍであった。

さらに、３組のサンプルの試験を行った：ＩＣＩＥ１６Ｍ足場を１００Ｃ及び１５０Ｃで乾燥させ、どちらも７３０Ｃで焼結；並びにＩＣＩＥ１６足場を１００Ｃで乾燥させた後７３０Ｃで焼結。結果は以下の通りである：

乾燥温度が上昇すると、足場の強度が低下するが、その理由は、急速な乾燥が起こるとポリマー網目が分断され、それによって焼結後の構造がより脆弱になるためである。このことは、１００〜１２５℃の乾燥温度が機械的性質に関しては好都合であることを示している。圧縮強度は、ガラスの一部の結晶化のために予想よりもわずかに高くなることがあるが、２〜１２ＭＰａの間である骨梁骨の強度と非常に類似している。

生体活性
４５ｍｌ（４４％ｗ／ｖ）のスラリー体積中２０ｇのガラス投入量、すなわち表２に示されるスラリー２を使用して、異なる温度（１００℃、１２５℃、及び１５０℃）で乾燥させ、６８０℃で焼結させて作製したＩＣＩＥ１６Ｍ足場について、生体活性試験を行った。Ｋｏｋｕｂｏ Ｔ．，Ｊ．Ｂｉｏｍｅｄ．Ｍａｔｅｒ．Ｒｅｓ．１９９０；２４；７２１−７３５に記載の標準手順に準拠した疑似体液（ＳＢＦ）中、１、２、４、８、２４、７２、１６８、及び３３６時間でサンプルの試験を行った。要約すると、ＳＢＦを調製するために、以下に示す成分を順序通りに７５０ｍｌの脱イオン水に加え、撹拌した。

生体活性と見なされる足場の場合、ＳＢＦ中への浸漬中、好ましくは１週間以内の浸漬で、ヒドロキシカーボネートアパタイト（ＨＣＡ）層が足場上に形成されるべきである。これらの足場のＸＲＤスペクトル（図１８に示される）では、ＳＢＦ中への浸漬が３日以内にＨＣＡとして同定されるピークが示された。従って、本発明の方法を使用してＩＣＩＥ１６Ｍから作製した多孔質足場から、骨移植材料に好適な孔隙構造を有し、良好な生体活性を有する焼結された非晶質足場が形成される。

本明細書に記載の本発明の実施形態の種々の変更及び修正は当業者には明らかであることは理解されよう。本発明の意図及び範囲から逸脱せずに行うことが可能なこのような変更及び修正は、本発明の範囲内にある。

Claims (32)

1. 多孔質材料の製造方法であって：
   ａ）溶融物由来ガラス粒子、モノマー、架橋剤、及び開始剤を溶媒中に含むスラリーを形成するステップと；
   ｂ）界面活性剤及び触媒を前記スラリーに加えるステップと；
   ｃ）前記スラリーをガスの存在下で撹拌して発泡体を生じさせるステップと；
   ｄ）前記発泡体を乾燥させるステップと；
   ｅ）前記乾燥させた発泡体を焼結させて多孔質ガラス足場を得るステップとを含む、方法。
2. 前記ガラスが焼結可能なガラスである、請求項１に記載の方法。
3. 前記ガラスが生体活性ガラスである、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記ガラスの、ガラス転移温度と結晶化開始温度との間の処理ウィンドウが少なくとも５０℃である、請求項１、２、又は３のいずれか一項に記載の方法。
5. （ａ）前記溶媒が水である；及び／又は
   （ｂ）前記モノマーがメチルメタクリレート（ＭＭＡ）である；及び／又は
   （ｃ）前記開始剤が過硫酸アンモニウム（ＡＰＳ）であり水溶液として提供される；及び／又は
   （ｄ）前記触媒がＮ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’−テトラメチレンジアミンである；及び／又は
   （ｅ）前記架橋剤がＮ，Ｎ’−メチレンビスアクリルアミドである；及び／又は
   （ｆ）前記界面活性剤がトリトンＸ−１００である、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記スラリーの全体積中のガラス粒子の含有率が２２％〜６７％（ｗ／ｖ）である、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記スラリーの全体積中のガラス粒子の含有率が４２〜４６％（ｗ／ｖ）である、請求項６に記載の方法。
8. 前記触媒が６．６３Ｍ ＴＥＭＥＤであり、前記スラリーの全体積に対して４．４％〜１３．３％ｖ／ｖの含有率で提供される、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
9. ａ）前記モノマーが、全スラリー体積を基準にして２．２〜４４．４％ｗ／ｖで存在し；
   ｂ）前記架橋剤が、全スラリー体積を基準にして１．１〜２２．２％ｗ／ｖで存在する、請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。
10. 前記界面活性剤が、全スラリー体積を基準にして０．００２２〜２．２％ｖ／ｖで存在する、請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。
11. 前記ガラス粒子の最大粒度が１００μｍ以下である、請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 前記ガラスがＳｉＯ_２（３０〜６０モル％）、カルシウム源（０〜５０モル％）、ナトリウム源（０〜３０モル％）、カリウム源（０〜３０モル％）、亜鉛源（０〜１０モル％）、マグネシウム源（０〜２０モル％）、及びＰ_２Ｏ_５（０〜１４モル％）から形成される、請求項１から１１のいずれか一項に記載の方法。
13. 前記ガラスが４６〜５０％ ＳｉＯ_２を含む、及び／又はＮａ_２Ｏ及びＫ_２Ｏの合計のモル％値が５〜１５％である、及び／又は前記ガラスが２０〜５０％ ＣａＯを含む、請求項１から１２のいずれか一項に記載の方法。
14. 前記ガラスが、ＺｎＯ、ＭｇＯ、ＣｏＯ、ＳｒＯ、及びＰ_２Ｏ_５を１〜１２％の合計モル％値で含む、請求項１から１３のいずれか一項に記載の方法。
15. 前記ガラスが、約４６〜５０％ ＳｉＯ_２、約０．５％〜１．５％ Ｐ_２Ｏ_５、約０〜２％ Ｂ_２Ｏ_３、約８〜４０％ ＣａＯ、約０〜１５％ ＳｒＯ、約５〜７％ Ｎａ_２Ｏ、約４〜７％ Ｋ_２Ｏ、約０〜４％ ＺｎＯ、約０〜４％ ＭｇＯ、及び約０〜９％ ＣａＦ_２を含む、請求項１から１４のいずれか一項に記載の方法。
16. 前記ガラスが２〜４％ ＺｎＯを含む、及び／又は前記ガラスが２〜４％ ＭｇＯを含む、請求項１から１５のいずれか一項に記載の方法。
17. 前記ガラスが、約４６〜５０％ ＳｉＯ_２、約０．５％〜１．５％ Ｐ_２Ｏ_５、全モル％値の約３５〜４０％のＣａＯ、ＺｎＯ、ＭｇＯ、及びＳｒＯ、約５〜７％ Ｎａ_２Ｏ、及び約５〜７％ Ｋ_２Ｏを含む、請求項１から１６のいずれか一項に記載の方法。
18. 前記ガラスがコバルトイオン源、例えばＣｏＯを最大５％のモル％値で含む、及び／又はストロンチウムイオン源が存在し、場合によりカルシウムイオンが存在しない、請求項１から１７のいずれか一項に記載の方法。
19. 前記発泡体の乾燥ステップが５０℃〜２００℃の温度で行われる、請求項１から１８のいずれか一項に記載の方法。
20. 前記焼結プロセスが粘性流焼結プロセスである、請求項１から１９のいずれか一項に記載の方法。
21. 前記焼結温度が４００℃〜９００℃の間である、請求項１から２０のいずれか一項に記載の方法。
22. 焼結が、前記発泡体を８０〜８００℃の第１の保持温度に加熱するステップと、４００〜９００℃の焼結温度まで温度を上昇させるステップとを含む２段階プロセスで行われる、請求項１から２１のいずれか一項に記載の方法。
23. 前記焼結プロセスが、前記発泡体を８０〜８００℃の第１の保持温度に加熱するステップと、前記発泡体をこの温度で、最長２４時間の第１の滞留時間の間維持するステップと、続いて温度を４００〜９００℃の焼結温度まで上昇させるステップと、前記焼結温度を最長４００時間の焼結時間の間維持するステップとを含む、請求項１９に記載の方法。
24. 前焼結温度が６３０〜７３０℃であり、前記乾燥温度が１２０〜１３０℃である、請求項１から２３のいずれか一項に記載の方法。
25. 前記焼結温度が６８０〜７００℃である、請求項２１〜２４のいずれか一項に記載の方法。
26. 溶融物由来ガラスから形成された多孔質材料であって、該多孔質材料の内部に非晶質ガラス網目が存在し、最大５００μｍ、好ましくは１００〜５００μｍの間の平均直径を有するマクロ孔隙を含む、多孔質材料。
27. 請求項１から２５のいずれか一項に記載の方法によって製造された、多孔質材料。
28. 医学に使用するための、請求項２６又は２７に記載の多孔質材料。
29. 骨の修復及び／又は再生を促進する足場として使用するための、請求項２７に記載の多孔質材料。
30. 請求項２６又は２７に記載の多孔質材料を含む、骨移植片代替物又は組織工学足場。
31. １つ又はそれ以上の実施例及び／又は図面の参照により本明細書に実質的に記載される、方法。
32. １つ又はそれ以上の実施例及び／又は図面の参照により本明細書に実質的に記載される、多孔質材料。

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