JP2012085991A - 骨セメント材およびそれにより形成された生物吸収性(bioresorbable)硬化骨セメント複合材 - Google Patents
骨セメント材およびそれにより形成された生物吸収性(bioresorbable)硬化骨セメント複合材 Download PDFInfo
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Abstract
【解決手段】粉成分および硬化液成分とを含む骨セメント材であって、前記粉成分が硫酸カルシウム源およびリン酸カルシウム源を含み、この際、前記硫酸カルシウム源の重量比が前記硫酸カルシウム源およびリン酸カルシウム源の合計重量に対して、65重量%未満であり、前記硬化液成分が約0.5M〜4Mの濃度でアンモニウムイオン(NH4 +)を含み、前記リン酸カルシウム源が、リン酸テトラカルシウム(TTCP)と第二リン酸カルシウムとを、含み、この際、第二リン酸カルシウムに対するTTCPのモル比が約0.5〜約2.5であり、さらに前記硫酸カルシウム源が、硫酸カルシウム0.5水和物(CSH)、硫酸カルシウム2水和物(CSD)、または無水硫酸カルシウムである、骨セメント材。
【選択図】なし
Description
本発明の実施形態は、向上した強度、優れた生体適合性、高い骨伝導率、適切かつ調節可能な生体内吸収効率を示すリン酸カルシウム−硫酸カルシウム複合材を提供する方法を開示する。
(1)粉成分と、硬化液成分(setting liquid component)とを、粉に対する液体の割合が0.20cc/g〜0.50cc/gとなるように含む、骨セメント材(bone cement formula)であって、前記粉成分が、硫酸カルシウム源およびリン酸カルシウム源を含み、この際、前記硫酸カルシウム源の重量比が、前記硫酸カルシウム源およびリン酸カルシウム源の合計重量に対して、65重量%未満であり、前記硬化液成分が、0.5M〜4Mの濃度でアンモニウムイオン(NH4 +)を含み、前記リン酸カルシウム源が、リン酸テトラカルシウム(tetracalcium phosphate)(TTCP)と、第二リン酸カルシウム(dicalcium phosphate)とを、含み、この際、第二リン酸カルシウムに対するTTCPのモル比が、0.5〜2.5であり、さらに、前記硫酸カルシウム源が、硫酸カルシウム0.5水和物(CSH)、硫酸カルシウム2水和物(CSD)または無水硫酸カルシウムであり、前記粉成分の硫酸カルシウム源の含有量が、硫酸カルシウム源およびリン酸カルシウム源粉末の合計重量に対して、5重量%を超える、骨セメント材。
本発明の実施形態は、処置を必要とする穴または空洞を治療したり硬化したりする際に用いる本発明の骨セメントペースを骨中の穴または空洞に充填する方法を提供する。本発明の他の実施形態は、処置中に硬化骨セメント複合材をインプラントする方法を提供する。
本発明の実施形態は、薬剤に対して向上した生体吸収率(bioresorbable rate)を有する硬化骨セメント複合材を作製するための方法、材、システムおよび/または工程を含む。当業者であれば、下記の実施形態の詳細な説明は、説明にのみ用いられるものであり、これらに制限されるものではないということを理解できるであろう。“一形態”、“ある形態”、“実施例”、“様々な実施形態”、“実施形態”、“ある例”、“一態様”、“実施態様、“様々な形態”などは、本発明の実施形態を示すものであって、特異的特徴、構造などを含み、すべての実施形態が特異的特徴、構造を含むわけではない。
(略語)
TTCP:リン酸テトラカルシウム
DCPA:無水リン酸二カルシウム
CSH:硫酸カルシウム0.5水和物
WT:作業時間(Working time)
ST:硬化時間
L/P比:液体/粉の比
CS:圧縮強度
(表中で使用されたシンボル)
#:2分間、粉と液体とを混合することによってもペーストを形成できない。
TTCP粉は、Brown and Epstein [Journal of Research of the National Bureau of Standards- A Physics and Chemistry 6 (1965) 69A 12]が示唆している方法によってピロリン酸二カルシウム(Ca2P2O7)(Sigma Chem. Co., St. Louis, MO, USA)と、炭酸カルシウム(CaCO3)(Katayama Chem. Co., 東京 日本)とを反応させることによってインハウスで(in-house)で作製した。
適量のTTCPおよびDCPAを、均一にボールミル(ball miller)で混合し、次いで、均一に適量のCSH粉と混合した。結果、TTCP/DCPA/CSHが混合された粉を所望のL/P比(例えば、0.28cc/g)で所望の硬化溶液(例えば、0.6M (NH4)2HPO4)と均一に混合し、TTCP/DCPA/CSHペーストを形成した。
硬化セメントのCSを測定するために、1分混合後、セメントペーストを30分間、1.4MPaの圧力で直径6mm、深さ12mmの円筒状のステンレススチール金型に充填した。金型から取り出した後、37℃に保持したHank生理溶液に、かかる硬化セメントサンプルを浸漬し、1日攪拌し、イオン濃度が均一になるようにした。浸漬後、硬化セメントサンプルを、かかる溶液をCS試験のために取り出し、一方で硬化セメントサンプルは濡れ状態になるようにした(濡れている状態での試験)。かかるCS試験は、desk-top mechanical tester (Shimadzu AG-10kNX, 東京 日本)を用いて1.0mm/分のクロスヘッド速度で行った。この方法は、ASTM451−99a法に準じて行った。
セメントペーストの作業時間(Working time)は、セメントペーストが機能できなくなったときを以って決定した。セメントペーストの硬化時間は、歯科用リン酸亜鉛セメントのためのISO1566で説明されている標準方法に基づいて行った。セメントは、400gの重量の加重で、直径1mmのVicat needleがセメント表面に環状のくぼみ(circular indentation)を形成していることが確認できなくなったとき硬化したとみなした。
初期段階(硬化工程中)のpH変化は、粉および硬化液体を混合した直後、セメントペーストに埋めたpHメータ(Suntex Instruments SP2000, Taipei, Taiwan)を用いて測定した。最初の測定は混合して混合後1分で行った。かかる測定は、ペーストが殆ど硬化するまで継続した。測定は混合後30分までは30秒毎で行った。その後は、60秒毎に行った。
細胞毒性テストは、ISO10993−5に従って行った。この抽出方法を用いた。NIH/3T3線維芽細胞(播種密度(seeding density)5000個/ウェル)をウシ血清(10%)とPSF(1%)とが添加されたダルベッコ変法イーグル培地(Dulbecco’s modified essential medium)(DMEM)で24時間予備培養した。抽出物は、24時間37℃で0.1(g/ml)の割合で培地中に硬化セメントペーストを浸漬した後、遠心分離によって液体を回収することによって準備した。この抽出物を96ウェル マイクロプレート(1ウェル当たり、100μl)に添加し、5% CO2の湿気のある環境中で37℃でインベキュートした。24時間後、抽出物を吸出し、培地(100μl)とWST−1(10μl)との混合物をウェルに添加し、37℃、1時間インベキュートした。細胞の生存率(Cell viability)は、WST−1アッセイを使って測定した。これは、450nmでの吸収が細胞中のデヒドロゲナーゼ活性に比例するミトコンドリアデヒドロゲナーゼ活性(mitochondrial dehydrogenase activity)の比色分析である。1時間のインキュベーションの後、培地とWST−1との混合物を96ウェル マイクロプレートに移し、450nmでの吸収をELISA readerで測定した。Al2O3粉をまたコントロールとして分析した。それぞれのサンプルについて4連で測定した(n=4)。
(TTCP/DCPA)/CSHセメントおよび様々な硬化溶液
1.K2HPO4で得られた硬化セメント複合材は非常に短いWT/STおよび低いCSを示す。
0.60M(NH4)2HPO4を混合したTTCP/DCPA/CSH
(1)TTCP/DCPA/CSHセメント粉中のCSH含有量が約65重量%よりも高い場合には、CS値は非常に低くなる(<15MPa)。したがって、試験条件における適当なCSH含有量は、約65重量%よりも低い必要がある。より高強度(CS>30MPa)を得るには、CSH含有量は約35重量%よりも低い必要がある。
0.20〜3.0M(NH4)2HPO4を混合したTTCP/DCPA/CSH
(1)(NH4)2HPO4濃度が低すぎる(本試験条件において0.25M以下)場合には、硬化ペーストはHank溶液への浸漬によって分散しその強度は測定できない。
0.20〜3.0M(NH4)2HPO4を混合したTTCP/DCPA/CSH
(1)(NH4)2HPO4濃度が低すぎる(本試験条件において0.25M以下)場合には、硬化ペーストはHank溶液への浸漬によって分散しその強度は測定できない。
0.25〜1.0M(NH4)2HPO4を混合したTTCP/DCPA/CSH
(1)(NH4)2HPO4濃度が低すぎる(本試験条件において0.25M以下)場合には、硬化ペーストはHank溶液への浸漬によって分散しその強度は測定できない。
0.40〜1.0M(NH4)2HPO4を混合したTTCP/DCPA/CSH
(1)1−d CS値は全て20MPaより高く、特定の条件下では、30MPaより高い。
0.40〜0.60M(NH4)2HPO4を混合したTTCP/DCPA/CSH
(1)全1−d CS値は20MPaより高い。
(1)“55:45”複合材を除いて、42d−CS値は全て20MPaより高く、42日間Hank溶液に浸漬した後でさえ強度の低下は緩やかである。CSH含有量を45重量%に増加した場合にも、複合材のCS値は著しく減少する。
1.0M (NH4)2HPO4と混合したTTCP/DCPA/CSHへの有機酸の添加の効果
(1)1M (NH4)2HPO4硬化液にリンゴ酸を添加すると、硬化複合セメントのCS値が減少する。
適当量のTTCP及びDCPA粉末をボールミルで均一に混合した後、適当量のCSH粉末と均一に混合した。得られたTTCP/DCPA/CSH混合粉末を、望ましいL/P比(例えば、0.28cc/g)で望ましい硬化液(例えば、0.6M (NH4)2HPO4)と均一に混合して、TTCP/DCPA/CSHペーストを形成した。
適当量のTTCP及びDCPA粉末をボールミルで均一に混合した後、適当量のCSH粉末と均一に混合した。得られたTTCP/DCPA/CSH混合粉末を、望ましいL/P比(例えば、0.28cc/g)で望ましい硬化液(例えば、0.6M (NH4)2HPO4)と均一に混合して、TTCP/DCPA/CSHペーストを形成した。
様々なサンプルの空隙率を、ASTM C830−00(2006)法、"Standard Test Methods for Apparent Porosity, Liquid Absorption, Apparent Specific Gravity, and Bulk Density of Refractory Shapes by Vacuum Pressure"に従って測定した。
高密度ブロック
(1)含浸処理したサンプルが、すべての条件下でCS値が有意により高い。
(2)CS値が、すべての条件下で成型圧の増加に従って有意に増加する。
多孔性ブロック
(1)空隙率の値は、TTCP/DCPA/CSH:KCl=1:1で46〜63%であり、TTCP/DCPA/CSH:KCl=1:2で81〜89%であり、これは組織工学によって作製された足場(骨格)(tissue-engineered scaffold)として使用される際に理想的である。
(2)空隙率の値は、一般的に、複合材中のCSH含有量の増加に従って増加する。
(1)多孔性ブロックの圧縮強度(CS値)は、すべての試験条件下で複合材中のCSH含有量の増加に従って減少する。
複合材移植片の吸収率(resorption ratio)の動物研究および測定
国立成功大学 メディカルカレッジアニマルセンター、台南市、台湾(National Cheng-Kung University, Medical College Animal Center, Tainan, Taiwan)で、動物研究を行った。成体(体重2.8〜3.5kg)の健常なオスのニュージーランド白ウサギを実験動物として使用した。ウサギを、ステンレススチールのケージに個別に飼育し、エサと水を自由に与えた。動物を受け取ってから研究を開始するまで、最低7日間の順応期間をとった。注入部位の毛を剃り、70%エタノールおよびベタダイン(商標)(BetadineTM)(ポビドンヨード10%)で洗浄した。すべての動物を通常の麻酔をかけて手術した。ペントバルビタールナトリウム(0.1ml/100g、東京化成工業株式会社、東京、日本)を通常の麻酔薬として使用し、キシロカイン(藤沢薬品工業株式会社(現:アステラス製薬株式会社)を局所麻酔薬として使用した。セメントペーストを大腿骨の骨顆(medial condyle)に移植するために、大腿骨の前面を縦方向に切開した。ウサギの膝関節の内側を切開して、大腿骨を暴露した。大腿骨を暴露した後、骨膜を出し(reflected)、2mmのパイロット穴をドリルで開けた。最終的な直径が5mmになるまで、ドリルのサイズを大きくしながら、この穴を徐々に広げた。特別な5mm直径ドリルバー(drill burr)を用いて、10mmの深さにリングを挿入して、適当な長さ(10mm)のドリル穴を確保した。
「90/10サンプル」および「55/45サンプル」の残った移植片の平均割合は、上記したような写真で観察した結果、それぞれ、81.1%(吸収率=18.9%)および67.7%(吸収率=32.3%)である。これは、「55/45サンプル」の移植片の治癒速度が、「90/10サンプル」の移植片の治癒速度に比べて、約70%早いことを意味する。
Claims (15)
- 粉成分と、硬化液成分(setting liquid component)とを、粉に対する液体の割合が0.20cc/g〜0.50cc/gとなるように含む、骨セメント材(bone cement formula)であって、
前記粉成分が、硫酸カルシウム源およびリン酸カルシウム源を含み、この際、前記硫酸カルシウム源の重量比が、前記硫酸カルシウム源およびリン酸カルシウム源の合計重量に対して、65重量%未満であり、
前記硬化液成分が、0.5M〜4Mの濃度でアンモニウムイオン(NH4 +)を含み、
前記リン酸カルシウム源が、リン酸テトラカルシウム(tetracalcium phosphate)(TTCP)と、第二リン酸カルシウム(dicalcium phosphate)とを、含み、この際、第二リン酸カルシウムに対するTTCPのモル比が、0.5〜2.5であり、さらに、
前記硫酸カルシウム源が、硫酸カルシウム0.5水和物(CSH)、硫酸カルシウム2水和物(calcium sulfate dihydrate)(CSD)または無水硫酸カルシウムであり、
前記粉成分の硫酸カルシウム源の含有量が、硫酸カルシウム源およびリン酸カルシウム源粉末の合計重量に対して、5重量%を超える、骨セメント材。 - 前記第二リン酸カルシウムが、無水第二リン酸カルシウム(dicalcium phosphate anhydrous)(DCPA)である、請求項1に記載の骨セメント材。
- 前記硬化液成分が、1.0M〜2.0Mの濃度でアンモニウムイオン(NH4 +)を含む、請求項1または2に記載の骨セメント材。
- 前記硬化液成分が、NH4H2PO4、(NH4)2HPO4もしくは(NH4)3PO4・3H2Oまたはこれらの混合物の溶液である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の骨セメント材。
- 前記硬化液成分が、(NH4)2HPO4の水溶液である、請求項4に記載の骨セメント材。
- 前記リン酸カルシウム源が、TTCPおよびDCPAから構成される、請求項1〜5のいずれか1項に記載の骨セメント材。
- 前記骨セメント材から調製される硬化骨セメント複合材を溶液に浸漬すると、溶液中に溶解する孔形成剤をさらに含む、請求項1〜6のいずれか1項に記載の骨セメント材。
- 請求項1〜7のいずれか1項に記載の骨セメント材を混合することによって、骨セメントペーストを調製し;
前記ペーストを金型で成型し;
さらに前記金型を取り除いて、硬化骨セメント複合材のブロックを形成する;
ことを有する、硬化骨セメント複合材の調製方法。 - 前記ペーストの粉に対する液体の割合が減少するように、前記ペーストが硬化する前に前記ペーストを前記金型中で加圧して前記ペーストから液体部分を除去することをさらに有し、この際、金型中で前記ペーストに加えられる圧力が、1MPa〜500MPaである、請求項8に記載の方法。
- 前記骨セメント材の粉成分が孔形成剤を含む、または孔形成剤を前記混合工程中に添加する、または前記ペーストを金型で成型する前に孔形成剤をペーストと混合し、さらに
前記硬化骨セメント複合材のブロックを浸漬液(immersing liquid)に浸漬して(immerse)、前記孔形成剤を前記浸漬液中に溶解させ、多孔性ブロックが形成されるように、孔をブロック中に形成することをさらに有する、請求項8または9に記載の方法。 - 前記孔形成剤が、LiCl、KCl、NaCl、MgCl2、CaCl2、NaIO3、KI、Na3PO4、K3PO4、Na2CO3、アミノ酸のナトリウム塩、アミノ酸のカリウム塩、グルコース、多糖、脂肪酸のナトリウム塩、脂肪酸のカリウム塩、酒石酸水素カリウム(KHC4H4O6)、炭酸カリウム、グルコン酸カリウム(KC6H11O7)、酒石酸カリウムナトリウム(KNaC4H4O6・4H2O)、硫酸カリウム(K2SO4)、硫酸ナトリウム、乳酸ナトリウムおよびマンニトールからなる群より選択される、請求項10に記載の方法。
- 前記浸漬液が、リン酸塩濃度が、0.1M〜6Mであるリン酸塩含有溶液、または水である、請求項10または11に記載の方法。
- 含浸液(impregnating liquid)から除かれた含浸ブロックまたは含浸多孔性ブロックの圧縮強度が、含浸処理されない前記ブロックまたは多孔性ブロックに比べて、増加するように、前記ブロックまたは多孔性ブロックに含浸液を所定時間含浸させる(impregnate)ことをさらに有する、請求項8〜12のいずれか1項に記載の方法。
- 前記含浸液が、リン酸塩濃度が、0.1M〜6M、であるリン酸塩含有溶液である、請求項13に記載の方法。
- 前記ブロックまたは多孔性ブロックをペレット状に粉砕する(break up)ことをさらに有する、請求項8〜14のいずれか1項に記載の方法。
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