JP2016158692A - 骨補填剤、その製造方法及びその使用方法 - Google Patents

骨補填剤、その製造方法及びその使用方法 Download PDF

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Abstract

【課題】本発明は、注入が容易で、短時間で固化し、固化したものの崩壊率が低く、安定性が高く、生体親和性の高い骨補填剤、その製造方法及びその使用方法を提供することを課題とする。
【解決手段】骨補填剤用溶液131と骨補填剤用粉末121が混合されてなるペースト状の骨補填剤であり、骨補填剤用溶液131が3−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン(GPTMS)水溶液31であり、骨補填剤用粉末121がハイドロキシアパタイトコラーゲン(HAp/Col)線維からなる粉末21であり、GPTMS水溶液31のGPTMS濃度が50%以下であり、骨補填剤用粉末量/骨補填剤用溶液量が0.333(g/mL)以上1.5(g/mL)以下である骨補填剤11を用いることにより、前記課題を解決できる。
【選択図】図1

Description

本発明は、骨補填剤、その製造方法及びその使用方法に関する。
本研究者は、骨欠損部(患部)に埋めて用いるため、アパタイトコラーゲンの固まり(特許文献1)、スポンジ(特許文献2)、シートなどの形状の骨補填部材を形成してきた。
骨欠損部の大きさに合わせて形成したこれらの部材を骨欠損部に挿入するために、身体表面に大きな切部を形成する必要があり、身体に大きな負担となっていた。
身体に導入する際にはペースト状であるが、骨欠損部で固まる骨補填ペースト(骨補填剤)を用いる方法は、切部の大きさが小さい低侵襲手術を可能とし、期待されている。
小さな切部から導入し、骨欠損部まで伸ばした内視鏡の先から骨欠損部に骨補填ペーストを注入して、骨欠損部を隙間なく埋めてから、固めることにより、骨欠損部を補填する。
骨補填ペーストとしては、アパタイトセメントが市販されている。アパタイトセメントは、リン酸カルシウム2種以上を水と混ぜて使用するものである。しかし、水酸アパタイトは強度不足という課題がある。また、安定で、溶けにくいため、ほとんど生体内で吸収されず、生体内に残るという課題もある。さらに、セラミックス単体では骨とは異なりヤング率が高く、骨より硬いがもろいという本質的な課題もある。
非特許文献1は、“Fabrication of novel bioresorbable β−tricalcium phosphate cement on the basis of chelate−setting mechanism of inositol phosphate and its evaluation”に関する。ここでは、アパタイトと比較して溶解性の高いβ型リン酸三カルシウムを用い、キレートで固める手法も報告されている。また、生体吸収性セメント(β−リン酸三カルシウム+イノシトールリン酸)が開示されている。しかし、前記課題は解決されていない。
非特許文献2は、“Fabrication of Novel Biodegradable α−Tricalcium Phosphate Cement Set by Chelating Capability of Inositol Phosphate and Its Biocompatibility” に関する。ここでは、β型よりも溶けやすいα型リン酸カルシウムをキレートで固める手法も報告されている。生体吸収性セメント(α−リン酸三カルシウム+イノシトールリン酸)が開示されている。しかし、ヤング率が高いという問題は解決されていない。
非特許文献3は、 “Preparation of injectable hydroxyapatite/collagen paste using sodium alginate and influence of additives” に関する。ここでは、骨と類似の化学組成、ナノ構造、ヤング率を持った水酸アパタイト/コラーゲン骨類似ナノ複合体(HAp/Col)を用い、海藻から抽出したアルギン酸を用いて、Caイオンで固化するペーストについても報告されている。HAp/Colペーストが開示されている。しかし、このままでは、固めても強度不足であることや、骨再生に寄与するHAp/Col以外の構成物が多く、骨補填ペーストとしての効能はHAp/Col単体に比べて低減すると考えられる。
非特許文献4は、“Fabrication of novel collagen−silica hybrid membranes with tailored biodegradation and strong cell contact guidance ability”に関する。ここでは、シランカップリング剤とコラーゲンを反応させて、固める報告がされている。また、コラーゲン+GPTMSが開示されている。しかし、この手法は直接HAp/Colには適用できない。
非特許文献5は、水酸アパタイトより溶解度の高い炭酸アパタイトを最終化合物とした「炭酸アパタイトセメントの創製―基礎的性質の評価―」に係るものである。炭酸カルシウムの多形の中で,カルサイトより溶解度の高いバテライトを原料として用いており、炭酸アパタイトセメントの創製について報告されている。しかし、この炭酸アパタイトセメントでは、骨補填ペーストとして十分な特性が得られない。
非特許文献6は“Self−organization mechanism in a bone−like hydroxyapatite/ collagen nanocomposite synthesized in vitro and its biological reaction in vivo“に関する。これは、本発明で原料としている水酸アパタイト/コラーゲン骨類似ナノ複合体線維の合成に関する論文である。本発明の骨類似HAp/Colナノ複合体はこの非特許文献6に記載する方法で合成しても良いし、それ以外の方法によるものでもかまわない。むしろ、これが好ましい。
特許文献1は「粉末状のアパタイト/コラーゲン複合体、形状賦形型の人工骨ペースト、及びそれらの製造方法」に関する。結合材にコラーゲンを使うことや、架橋粉末を使うことが好ましいことが記載されている。特許文献1に記載の粉末作製法では、高い含水率のスラリーを出発物質として凍結乾燥していることから粉末内に多くの気孔が存在し、これから作製したペーストが固化しても実質部が少なく、強度が非常に弱い固化体しか得られない。
また、粉末形成部分を除けば、有機無機配向複合材料の製造方法(特許文献2)、生体材料用複合体およびその製造方法(特許文献3)、有機無機複合生体材料およびその製造方法(特許文献4)、複合生体材料の生分解性制御)、自己組織化したアパタイト/コラーゲン複合体を含むアパタイト/コラーゲン架橋多孔体及びその製造方法(特許文献5)、リン酸カルシウム含有複合多孔体及びその製造方法(特許文献6)、アパタイト/コラーゲン複合体線維を含む多孔体の製造方法(特許文献7)にHAp/Col関連の内容が記載されている。
国際公開第2009/131026号 特許第3592920号 特許第3379088号 特許第4408603号 特許第4226830号 特許第4699759号 特許第4680771号 特許第4873555号
Shuhei TAKAHASHI,Toshiisa KONISHI,Koji NISHIYAMA,Minori MIZUMOTO,Michiyo HONDA,Yukiko HORIGUCHI,Kazuya ORIBE and Mamoru AIZAWA,J.Ceram.Soc.Jpn.,119,35−42(2011). Toshiisa Konishi,Minori Mizumoto,Michiyo Honda,Yukiko Horiguchi,Kazuya Oribe,Hikaru Morisue,Ken Ishii,Yoshiaki Toyama,MorioMatsumoto,and Mamoru Aizawa,Journal of Nanomaterials,2013,Article ID 864374,http://dx.doi.org/10.1155/2013/864374(2013). Taira SATO,Akinori KOCHI,Yuki SHIROSAKI,Satoshi HAYAKAWA,Mamoru AIZAWA,Akiyoshi OSAKA and Masanori KIKUCHI,J.Ceram.Soc.Jpn.,121,775−781(2013). Song Chen,Shanmugavel Chinnathambi,Xuetao Shi,Akiyoshi Osaka,Yufang Zhu and Nobutaka Hanagata,J.Mater.Chem.,22,21885−21892(2012). 都留寛治・アリフチャヤント・戸井田力・石川邦夫・丸田道人・松家茂樹,"公益社団法人日本セラミックス協会 2014年年会",2014年3月17日(月)〜19日(水).演題番号 2J31 MASANORI KIKUCHI ET AL.、BIOMATERIALS vol.22,2001,pages 1705-1711
本発明は、注入が容易で、短時間で固化し、固化したものの崩壊率が低く、安定性が高く、生体親和性の高い骨補填剤、その製造方法及びその使用方法を提供することを課題とする。
上記事情を鑑みて、本発明者は、試行錯誤することにより、特許文献2〜8に開示のHAp/Colを使用することによる、新しいペースト状の骨補填剤、その製造方法及びその使用方法について想到し、GPTMS濃度及び粉末量/溶液量を制御することにより、注入が容易(インジェクタブル)で、短時間で固化し、骨に代わることが可能で、固化したものの崩壊率が低く、安定性が高く、生体親和性の高い骨補填剤を製造できることを見出して、本発明を完成した。
本発明は、以下の構成を有する。
(1) 骨補填剤用溶液と骨補填剤用粉末が混合されてなるペースト状の骨補填剤であり、前記骨補填剤用溶液が3−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン(GPTMS)水溶液であり、前記骨補填剤用粉末がハイドロキシアパタイトコラーゲン(HAp/Col)線維からなる粉末であり、前記GPTMS水溶液のGPTMS濃度が50%以下であり、骨補填剤用粉末量/骨補填剤用溶液量が0.333(g/mL)以上1.5(g/mL)以下であることを特徴とする骨補填剤。
(2) 前記GPTMS水溶液のGPTMS濃度が40%以下であり、骨補填剤用粉末量/骨補填剤用溶液量が0.5(g/mL)以上0.625(g/mL)以下であることを特徴とする(1)に記載の骨補填剤。
(3) HAp/Col線維を一軸加圧(脱水)、凍結乾燥して、HAp/Col線維からなる緻密体を作製する工程と、前記HAp/Col線維からなる緻密体を粉砕して、HAp/Col線維からなる粉末を作製する工程と、GPTMS濃度が50%以下のGPTMS水溶液を調製する工程と、骨補填剤用粉末量/骨補填剤用溶液量が0.333(g/mL)以上1.5(g/mL)以下でHAp/Col線維からなる粉末をGPTMS水溶液に混合して、ペースト状の骨補填剤を製造する工程と、を有することを特徴とする骨補填剤の製造方法。
(4) HAp/Col線維からなる粉末を作製する工程で、粒径212μm以下に粉砕することを特徴とする(3)に記載の骨補填剤の製造方法。
(5) HAp/Col線維からなる粉末中のコラーゲンが未架橋であることを特徴とする(3)又は(4)に記載の骨補填材の製造方法。
(6) GPTMS水溶液を調製する工程後、GPTMSを水に分散後1時間以上撹拌(以下、加水分解処理という。)する工程を有することを特徴とする(3)〜(5)のいずれかに記載の骨補填剤の製造方法。
(7) (3)〜(6)のいずれかに記載の骨補填剤の製造方法を用いて製造したペースト状の骨補填剤を、ペースト状の状態で骨欠損部に充填し、充填後固化して前記骨欠損部を補填することを特徴とする骨補填剤の使用方法。
本発明の骨補填剤は、骨補填剤用溶液と骨補填剤用粉末が混合されてなるペースト状の骨補填剤であり、前記骨補填剤用溶液が3−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン(GPTMS)水溶液であり、前記骨補填剤用粉末がハイドロキシアパタイトコラーゲン(HAp/Col)線維粉末であり、前記GPTMS水溶液のGPTMS濃度が50%以下であり、骨補填剤用粉末量/骨補填剤用溶液量が0.333(g/mL)以上1.5(g/mL)以下である構成なので、注入を容易にし、短時間で固化し、固化したものの崩壊率が低く、安定性が高く、生体親和性の高い骨補填剤を提供できる。
本発明の骨補填剤の製造方法は、HAp/Col線維を一軸加圧(脱水)、凍結乾燥して、HAp/Col線維からなる緻密体を作製する工程と、前記HAp/Col線維からなる緻密体を粉砕して、HAp/Col線維からなる粉末を作製する工程と、GPTMS濃度が50%以下のGPTMS水溶液を調製する工程と、骨補填剤用粉末量/骨補填剤用溶液量が0.333(g/mL)以上1.5(g/mL)以下でHAp/Col線維からなる粉末をGPTMS水溶液に混合して、ペースト状の骨補填剤を製造する工程と、を有する構成なので、注入が容易で、短時間で固化し、固化したものの崩壊率が低く、安定性が高く、生体親和性の高い骨補填剤を容易に製造できる。
本発明の骨補填剤の使用方法は、先に記載の骨補填剤の製造方法を用いて製造したペースト状の骨補填剤を、ペースト状の状態で骨欠損部に充填し、充填後固化して前記骨欠損部を補填する構成なので、注入が容易で、短時間で固化し、固化したものの崩壊率が低く、安定性が高く、生体親和性の高い骨補填剤を容易に補填できる。
本発明の実施形態である骨補填剤の一例を示す図であって、概略図(a)と、拡大図(b)である。 ペースト状の骨補填剤を製造する工程S4の一例を示す工程図である。 充填固化後の骨補填部材の一例を示す拡大模式図である。 崩壊性試験の一例を示す工程図である。 崩壊性試験の一例を示す工程図である。 崩壊性試験の一例を示す工程図である。
(骨補填剤)
まず、本発明の実施形態である骨補填剤の一例について説明する。
図1は、本発明の実施形態である骨補填剤の一例を示す図であって、概略図(a)と、拡大図(b)である。
図1に示すように、本発明の実施形態である骨補填剤11は、容器12内で、骨補填剤用溶液131と骨補填剤用粉末121が混合されてなるペースト状の骨補填剤である。
骨補填剤用溶液131が3−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン(GPTMS)水溶液31である。GPTMS32が水分子(HO分子)33と混合分散されてなる。
GPTMS水溶液31のGPTMS濃度が50%以下である。GPTMS濃度が40%以下であることがより好ましい。50%超では、充填後固化後の最終生成物の形状安定性を高めることができない。
骨補填剤用粉末121がハイドロキシアパタイトコラーゲン(HAp/Col)線維からなる粉末21である。コラーゲン(Col)23の3本鎖の間隙にハイドロキシアパタイト(HAp)22が保持されてなる。
骨補填剤用粉末量/骨補填剤用溶液量が0.333(g/mL)以上1.5(g/mL)以下である。これにより、充填後固化後の最終生成物の形状安定性を高めることができる。0.333未満、1.5超では短時間で形状が崩壊する。
骨補填剤用粉末量/骨補填剤用溶液量が0.5(g/mL)以上0.625(g/mL)以下であることが好ましい。これにより、充填後固化後の最終生成物の形状安定性をより高めることができる。
(骨補填剤の製造方法)
次に、本発明の実施形態である骨補填剤の製造方法の一例について説明する。
本発明の骨補填剤の製造方法は、HAp/Col線維を作製する工程S1と、HAp/Col線維からなる粉末を作製する工程S2と、GPTMS水溶液を調製する工程S3と、ペースト状の骨補填剤を製造する工程S4と、を有する。
(HAp/Col線維を作製する工程S1)
特許文献1に記載の方法にしたがい、HApとColが配向したHAp/Col線維を作製する。
(HAp/Col線維からなる粉末を作製する工程S2)
前記HAp/Col線維を一軸加圧(脱水)、凍結乾燥して、HAp/Col線維からなる緻密体を作製する。
次に、これを粉砕して、HAp/Col線維からなる粉末を作製する。
この段階で、分級することが好ましい。これにより、大きさの均一性を高めることができ、充填後固化後の最終生成物の形状安定性を高めることができる。
粒径212μm以下に粉砕することが好ましい。これにより、分散性を高めることができ、充填後固化後の最終生成物の形状安定性を高めることができる。
また、HAp/Col線維からなる粉末を作製する工程S2後、HAp/Col線維からなる粉末を20mM塩化カルシウム水溶液に浸漬(以下、Ca吸着処理という。)する工程S22を有することが好ましい。骨に対する密着性を向上させることができる。
(GPTMS水溶液を調製する工程S3)
GPTMS濃度が50%以下のGPTMS水溶液を調製する。
GPTMS水溶液を調製する工程S3後、GPTMSを水に分散後1時間以上撹拌(以下、加水分解処理という。)する工程S32を有することが好ましい。これにより、均一分散性を高め、最終物の形状安定性を高めることができる。
(ペースト状の骨補填剤を製造する工程S4)
図2は、ペースト状の骨補填剤を製造する工程S4の一例を示す工程図である。
骨補填剤用粉末量/骨補填剤用溶液量が0.333(g/mL)以上1.5(g/mL)以下で、容器12内で、HAp/Col線維からなる粉末21をGPTMS水溶液31に混合して、ペースト状の骨補填剤11を製造する。
骨補填剤用粉末量/骨補填剤用溶液量が0.5(g/mL)以上0.625(g/mL)以下であることがより好ましい。これにより、充填後固化後の最終生成物の形状安定性を高めることができる。
(骨補填剤の使用方法)
次に、本発明の実施形態である骨補填剤の使用方法の一例について説明する。
先に記載の骨補填剤の製造方法を用いて、ペースト状の骨補填剤を製造後、前記ペースト状の骨補填剤を、ペースト状の状態で骨欠損部に充填し、充填後固化して前記骨欠損部を補填する。
ペースト状の骨補填剤を製造後、短時間で、骨欠損部に充填することを要する。固化を始めると、充填不可となるためである。
具体的には、まず、骨欠損部まで内視鏡を挿入するために、骨欠損部に通じる切部を設ける。
次に、切部から骨欠損部まで内視鏡を挿入する。
次に、骨補填剤を使用する直前、粉末を溶液に分散し、攪拌してペーストとする。
次に、内視鏡などを通じて、ペーストを骨欠損部へ注入する。骨欠損部に充填されたペーストは短時間で固化する。これにより、骨欠損部を補填できる。
図3は、充填固化後の骨補填部材の一例を示す拡大模式図である。
図3に示すように、充填固化後の骨補填部材111は、骨補填剤用粉末121がシロキサン・ネットワークス(Siloxane networks)132で連結されてなる骨補填部材ペースト状の骨補填剤である。
骨補填剤用粉末121は、ハイドロキシアパタイトコラーゲン(HAp/Col)線維からなる粉末である。コラーゲン(Col)23の3本鎖の間隙にハイドロキシアパタイト(HAp)22が保持されてなる。
シロキサン・ネットワークス(Siloxane networks)132は、GPTMS32が加水分解でラジカル反応され、架橋されて、形成される。安定なネットワーク構造を形成することにより、充填後固化後の最終生成物の形状安定性を高めることができる。
本発明の実施形態である骨補填剤11は、骨補填剤用溶液と骨補填剤用粉末が混合されてなるペースト状の骨補填剤であり、前記骨補填剤用溶液が3−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン(GPTMS)水溶液31であり、前記骨補填剤用粉末がハイドロキシアパタイトコラーゲン(HAp/Col)線維からなる粉末21であり、前記GPTMS水溶液のGPTMS濃度が50%以下であり、骨補填剤用粉末量/骨補填剤用溶液量が0.333(g/mL)以上1.5(g/mL)以下である構成なので、注入を容易にし、短時間で固化し、固化したものの崩壊率が低く、安定性が高く、生体親和性の高い骨補填剤を提供できる。
本発明の実施形態である骨補填剤11は、GPTMS水溶液31のGPTMS濃度が40%以下であり、骨補填剤用粉末量/骨補填剤用溶液量が0.5(g/mL)以上0.625(g/mL)以下である構成なので、注入を容易にし、短時間で固化し、固化したものの崩壊率が低く、安定性が高く、生体親和性の高い骨補填剤を提供できる。
本発明の実施形態である骨補填剤11の製造方法は、HAp/Col線維を一軸加圧(脱水)、凍結乾燥して、HAp/Col線維からなる緻密体を作製する工程と、前記HAp/Col線維からなる緻密体を粉砕して、HAp/Col線維からなる粉末を作製する工程と、GPTMS濃度が50%以下のGPTMS水溶液を調製する工程と、骨補填剤用粉末量/骨補填剤用溶液量が0.333(g/mL)以上1.5(g/mL)以下でHAp/Col線維からなる粉末21をGPTMS水溶液31に混合して、ペースト状の骨補填剤を製造する工程と、を有する構成なので、注入が容易で、短時間で固化し、固化したものの崩壊率が低く、安定性が高く、生体親和性の高い骨補填剤を容易に製造できる。
本発明の実施形態である骨補填剤11の製造方法は、HAp/Col線維からなる粉末21を作製する工程で、粒径212μm以下に粉砕する構成なので、注入が容易で、短時間で固化し、固化したものの崩壊率が低く、安定性が高く、生体親和性の高い骨補填剤を容易に製造できる。
本発明の実施形態である骨補填剤11の製造方法は、HAp/Col線維からなる粉末21中のコラーゲン23が未架橋である構成なので、注入が容易で、短時間で固化し、固化したものの崩壊率が低く、安定性が高く、生体親和性の高い骨補填剤を容易に製造できる。
本発明の実施形態である骨補填剤11の製造方法は、GPTMS水溶液31を調製する工程後、GPTMS32を水33に分散後1時間以上撹拌(以下、加水分解処理という。)する工程を有する構成なので、注入が容易で、短時間で固化し、固化したものの崩壊率が低く、安定性が高く、生体親和性の高い骨補填剤を容易に製造できる。
本発明の実施形態である骨補填剤11の使用方法は、骨補填剤11の製造方法を用いて製造したペースト状の骨補填剤を、ペースト状の状態で骨欠損部に充填し、充填後固化して前記骨欠損部を補填する構成なので、注入が容易で、短時間で固化し、固化したものの崩壊率が低く、安定性が高く、生体親和性の高い骨補填剤を容易に補填できる。
本発明の実施形態である骨補填剤、その製造方法及びその使用方法は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で、種々変更して実施することができる。本実施形態の具体例を以下の実施例で示す。しかし、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
(実施例1)
(HAp/Col線維分級粉末の作製)
まず、特許文献1に記載の方法に従い、HAp/Colを合成した。
次に、吸引ろ過、一軸加圧(脱水)、凍結乾燥して、HAp/Col線維からなる緻密体を作製した。
次に、コラーゲンの変性が起こらないように留意しながら、HAp/Col線維からなる緻密体を粉砕して、HAp/Col線維からなる粉末を作製した。
次に、得られたHAp/Col線維からなる粉末を分級して、100μm以下のHAp/Col線維分級粉末(試験例F−1)と、100−212μmのHAp/Col線維分級粉末(試験例F−5)を作製した。
(Ca吸着HAp/Col線維分級粉末の作製)
次に、HAp/Col線維分級粉末(試験例F−1、試験例F−5)それぞれに対し、20mM塩化カルシウム水溶液に浸漬して、Ca吸着処理を施して、Ca吸着HAp/Col線維分級粉末(試験例F−2、試験例F−6)を作製した。
(HAp/熱脱水架橋Col線維分級粉末の作製)
次に、HAp/Col線維分級粉末(試験例F−1、試験例F−5)それぞれに対し、加熱して、コラーゲンの熱脱水架橋を施して、HAp/熱脱水架橋Col線維分級粉末(試験例F−3、試験例F−7)を作製した。
(Ca吸着HAp/熱脱水架橋Col線維分級粉末の作製)
次に、HAp/熱脱水架橋Col線維分級粉末(試験例F−3、試験例F−7)それぞれに対し、20mM塩化カルシウム水溶液に浸漬して、Ca吸着処理を施して、Ca吸着HAp/熱脱水架橋Col線維分級粉末(試験例F−4、試験例F−8)を作製した。
以上により、HAp/Col粉末試料(試験例F−1〜F−8)を作製した。
(原液又は水溶液の調整)
まず、3−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン(GPTMS)を用意した。
これをGPTMS:HO=100:0(体積比)の原液溶液とした。
つぎに、所定量の水と混合して、GPTMS:HO=50:50、40:60、25:75、10:90、1:99、0.1:99.9(体積比)の水溶液とした。
GPTMSと水の混合後直後、粉末と混合した原液又は水溶液を、「加水分解なし」の原液又は水溶液と呼称する。
一方、GPTMSと水の混合後、1時間、攪拌してから、粉末と混合した原液又は水溶液を、「加水分解あり」の原液又は水溶液と呼称する。
(骨補填ペーストの製造)
次に、HAp/Col粉末試料(試験例F−1〜F−8)をそれぞれ所定量秤量して、所定量のGPTMS又はその水溶液に分散し、混錬して、骨補填ペースト(試験例Y−1〜Y−45)を製造した。
GPTMS量(L)は1〜1000mLとした。
HAp/Col粉末試料の粉末量(P)は0.0005〜125gとした。
粉液比P/L=0.2〜2(g/mL)とした。
(崩壊性試験)
次に、JIS T0330−4:2012の規格に従い、崩壊性試験を行った。
図4〜6は、崩壊性試験の一例を示す工程図である。
HAp/Col粉末試料(試験例F−1〜F−8)を原液又は水溶液に分散した時点から、混錬を開始し、3分後、図4に示すように、骨補填ペースト(試験例Y−1〜Y−45)を、内径4.8mmのシリンジに、長さ16.5mm、体積約0.3cmにして充填した。シリンジは、先端部分を切り落とし、円筒状にしたものを用いた。
充填後5分以内に、図5に示すように、骨補填ペーストをプラスチック容器(トレイ)内に設置したステンレス金網(線形0.5mm,メッシュ10,網目2.0mm,高さ2−4mm)上に押し出(インジェクション)した。
次に、トレイ内に生理食塩水(PBS)を50cm静かに加えた。
次に、図6に示すように、トレイごと骨補填ペーストをインキュベータ内に移し、インキュベータ内で、37℃、100%湿度の条件で骨補填ペーストを養生した。
72時間後、トレイを取り出した。
ステンレス金網上に残った残留物と、ステンレス金網の網目から落下した崩壊片を水洗・乾燥してから、それぞれ質量を測定した。
崩壊率(%)=崩壊片質量/(残留物質量+崩壊片質量)として、崩壊率を算出した。
全部崩壊した場合は崩壊率100%となる。非崩壊の場合は、崩壊率0%となる。なお、押し出しの時点で形状を保つことができなかったものや、インジェクション自体ができなかったものについては、崩壊率を算出できなかった。
実験条件及び結果を表1にまとめた。
(18G注射針通過試験)
追加の試験として、骨補填ペースト(試験例Y−1、Y−2、Y−19、Y−20)を用いて、18G(外径1.2mm、内径0.94mm)の注射針通過試験も行った。18Gの注射針をシリンジに取り付けた状態で、注射針の先からシリンジ内に入れた骨補填ペーストを押し出した。すべての骨補填ペースト(試験例Y−1、Y−2、Y−19、Y−20)を押し出し可能であった。
<特性の良いデータに関して>
(1) 加水分解あり、GPTMS濃度が1%以上50%以下、P/Lが0.333以上1.5以下の場合、インジェクト可能であり、崩壊率が低く、形状安定性がある。P/L比が0.50から0.65の範囲が良好な操作性を示した。
(2) 加水分解なし、GPTMS濃度が1%以上25%以下、P/Lが0.333以上1.25以下の場合、インジェクト可能であり、崩壊率が低く、形状安定性がある。25%以下のGPTMS水溶液を用いることが好ましく、1%のGPTMS水溶液を用いた場合、さらに崩壊し難く、より好ましい。
<特性の悪いデータに関して>
(3) コラーゲン熱脱水架橋処理を行った場合は、崩壊率が高く、形状安定性が低い。
(4) GPTMS濃度が100%とした場合は、崩壊率が高く、形状安定性が低い。
(5) P/Lが1.75以上2以下の場合、崩壊率が高く、形状安定性が低い。
(6) P/Lが0.2の場合、崩壊率が高く、形状安定性が低い。
(7) GPTMS濃度が50%で、加水分解なしの場合は、崩壊率が高く、形状安定性が低い。
(8) P/Lが0.71以上1.5以下、加水分解なし、GPTMS濃度が1%以外の場合、崩壊率が高く、形状安定性が低い。
(9) P/Lが0.333、加水分解なし、GPTMS濃度が1%以外の場合、崩壊率が高く、形状安定性が低い。
<コラーゲンに関して>
コラーゲン熱脱水架橋処理を行った場合はすべて、崩壊率が高く、形状安定性が低かった。これは、コラーゲンの架橋によりGPTMS中のエポキシ基とコラーゲンのアミノ基との結合が形成されなくなったためだと考えられる。これにより、コラーゲンの熱脱水架橋は行わないことが好ましい。
<Ca吸着処理に関して>
in vitro試験でCa吸着処理を行った方が初期の細胞適合性が高いと思われるため、Ca吸着処理の影響を検討したが、Ca吸着処理の有無は崩壊率に影響しなかった。
Ca吸着処理は行っても行わなくても良いことが分かった。
<加水分解に関して>
GPTMS水溶液の加水分解を行わない場合、限られた条件(P/L比が0.5付近であるかGPTMS濃度が1vol%)でしか非崩壊を示さなかった。一方、加水分解を行った場合は加水分解していないペーストと比較して良好な操作性、非崩壊性を示す条件の範囲が広かった。
例えば、試験例Y−23と、試験例Y−5は、GPTMS濃度が50%、P/Lが0.625という条件で共通し、加水分解ありか、なしかという点で相違し、加水分解ありの試験例Y−23の崩壊率が低く、加水分解なしの試験例Y−5の崩壊率が高いという結果が得られた。これにより、加水分解ありが好ましく、GPTMSと水を混ぜ、GPTMS中のメトキシ基の加水分解を進行させたGPTMS水溶液を用いることが好ましい。少なくとも、GPTMS水溶液調製後1時間待つことで十分に加水分解を進行させた方が良い。GPTMS水溶液を調製後、1時間撹拌しGPTMS中のメトキシ基の加水分解を進行させることがより好ましい。この加水分解処理をすることにより、P/L比の範囲が0.33から1.50で非崩壊性ペーストの作製が可能であった。
<粒径に関して>
HAp/Col粉末の粒径は100μm以下と100μm超212μm以下との間で、混練時は粒径が小さい100μm以下の方が上手く練和できたが、崩壊率に関しては有意な差は見られなかった。少なくとも212μm以下の粒子を用いれば、使用時は、ペースト状で骨欠損部に容易に導入可能であり、固化させた場合には、崩壊率が低く、形状安定性が高い部材を形成できた。
<GPTMS濃度に関して>
GPTMS濃度が100%の場合はすべて、崩壊率が高く、形状安定性が低かった。
GPTMS濃度が50%の場合、加水分解ありの試験例Y−23の崩壊率が低く、加水分解なしの試験例Y−5の崩壊率が高いという結果が得られた。
GPTMS濃度が1%以上25%以下の場合、P/L比が0.5以上0.625以下の範囲にあれば、加水分解の有り無しに関わらず、崩壊率が低く、形状安定性が高い部材を形成できた。
GPTMS濃度が1%と濃度が薄い場合、GPTMSに対して水が豊富に存在するため、加水分解が早く進行したと考えられる。
<P/L比に関して>
P/L比が1.75以上2以下と高い場合は、インジェクションできなかった。
P/L比が0.2と低い場合は、粘性が低く、流動性が高く、押し出し時点で形状を保つことができなかった。
P/L比が0.5以上0.625以下の範囲で、GPTMS濃度が1%以上25%以下の場合は、加水分解の有り無しに関わらず、崩壊率が低く、形状安定性が高い部材を形成できた。P/L比が0.5以上0.625以下の範囲、GPTMS濃度が1%以上25%以下はペーストの調製に適したP/L比であることが示唆された。
P/L比が0.5以上0.625以下の範囲で、GPTMS濃度が40%又は50%の場合は、加水分解の有り無しで崩壊率が異なった。加水分解のありの場合は、崩壊率が低く、形状安定性が高い部材を形成できたが、加水分解なしの場合は、崩壊率が高く、形状安定性が低かった。
P/L比が0.333で、GPTMS濃度が25%の場合は、加水分解の有り無しで崩壊率が異なった。加水分解のありの場合は、崩壊率が低く、形状安定性が高い部材を形成できたが、加水分解なしの場合は、崩壊率が高く、形状安定性が低かった。
P/L比が0.333で、GPTMS濃度が1%の場合は、加水分解の有り無しに関わらず、崩壊率が低く、形状安定性が高い部材を形成できた。
なお、P/L比が小さい(粉末に対してGPTMS水溶液量が多い)ほど、粘性が低く、加水分解を行った場合はP/L比=0.33の時に18Gの注射針を用いてインジェクションが可能であり、0.50から1.50のときにシリンジを用いてのインジェクションが可能であった(注射針では不可)。しかし、P/L比が大きいほど崩壊性試験後のペーストは加圧による変形がしづらく崩れにくかったため、強度に関してはP/L比が大きい方が丈夫になると考えられる。
本発明の骨補填剤、その製造方法及びその使用方法は、注入が容易で、短時間で固化し、固化したものの崩壊率が低く、安定性が高く、生体親和性の高い骨補填剤に関するものであり、医療用材料産業・医療用デバイス産業等において利用可能性がある。
11…骨補填剤、12…容器、21…ハイドロキシアパタイトコラーゲン(HAp/Col)線維からなる粉末、22…ハイドロキシアパタイト(HAp)、23…コラーゲン(Col)、31…GPTMS水溶液、32…GPTMS、33…水分子(HO分子)、111…充填固化後の骨補填部材、121…骨補填剤用粉末、132…シロキサン・ネットワークス(Siloxane networks)、131…骨補填剤用溶液。

Claims (7)

  1. 骨補填剤用溶液と骨補填剤用粉末が混合されてなるペースト状の骨補填剤であり、
    前記骨補填剤用溶液が3−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン(GPTMS)水溶液であり、
    前記骨補填剤用粉末がハイドロキシアパタイトコラーゲン(HAp/Col)線維粉末であり、
    前記GPTMS水溶液のGPTMS濃度が50%以下であり、
    骨補填剤用粉末量/骨補填剤用溶液量が0.333(g/mL)以上1.5(g/mL)以下であることを特徴とする骨補填剤。
  2. 前記GPTMS水溶液のGPTMS濃度が40%以下であり、
    骨補填剤用粉末量/骨補填剤用溶液量が0.5(g/mL)以上0.625(g/mL)以下であることを特徴とする請求項1に記載の骨補填剤。
  3. HAp/Col線維を一軸加圧(脱水)、凍結乾燥して、HAp/Col線維からなる緻密体を作製する工程と、
    前記HAp/Col線維からなる緻密体を粉砕して、HAp/Col線維からなる粉末を作製する工程と、
    GPTMS濃度が50%以下のGPTMS水溶液を調製する工程と、
    骨補填剤用粉末量/骨補填剤用溶液量が0.333(g/mL)以上1.5(g/mL)以下でHAp/Col線維からなる粉末をGPTMS水溶液に混合して、ペースト状の骨補填剤を製造する工程と、を有することを特徴とする骨補填剤の製造方法。
  4. HAp/Col線維からなる粉末を作製する工程で、粒径212μm以下に粉砕することを特徴とする請求項3に記載の骨補填剤の製造方法。
  5. HAp/Col線維からなる粉末中のコラーゲンが未架橋であることを特徴とする請求項3又は4に記載の骨補填材の製造方法。
  6. GPTMS水溶液を調製する工程後、GPTMSを水に分散後1時間以上撹拌(以下、加水分解処理という。)する工程を有することを特徴とする請求項3〜5のいずれか1項に記載の骨補填剤の製造方法。
  7. 請求項3〜6のいずれか1項に記載の骨補填剤の製造方法を用いて製造したペースト状の骨補填剤を、ペースト状の状態で骨欠損部に充填し、充填後固化して前記骨欠損部を補填することを特徴とする骨補填剤の使用方法。
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