JP3379088B2 - 生体材料用複合体およびその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、コラーゲンとリン
酸カルシウムからなる生体材料用複合体の製造方法に関
する。このような生体材料用複合体は生体と類似組成を
持ち、生体と融和する硬組織材料の成形体であり、人工
骨等として用いられる。

【０００２】

【従来の技術】従来の無機素材からなる生体内に植入す
る生体材料は、無機素材の骨伝導誘導能ないしは細胞活
性が不十分であるため、骨置換、組織再建能が低く十分
な医療効果を得ることが困難であった。また、有機材料
のみを用いた場合は、強度が弱いうえに周辺組織との癒
着が起こり、組織誘導再生法において骨組織などの生体
組織の再建が遅れることなっていた。これを解決するも
のとして、例えば、特開平７−１０１７０８号公報に
は、コラーゲン溶液にリン酸を加えた混合溶液を、水酸
化カルシウムの懸濁液中へ徐々に加え、生じた沈澱を濾
過、乾燥して加圧成形することによって、生物の骨に近
似した物性の成形体（無機物であるアパタイトと有機物
であるコラーゲンの複合体）を得る技術が提案されてい
る。さらに、この技術で得られる成形体は、軟らかい生
体骨と同程度のヤング率を有する複合体であったため、
これを改良して、硬い生体骨と同程度のヤング率を有す
る複合体を得る技術として、特開平１１−１９９２０９
号公報に、コラーゲンを含有するリン酸水溶液とカルシ
ウム塩を含有する水溶液とを、反応容器内に同時滴下
し、生じた沈澱物を加圧成形することによって、コラー
ゲンとリン酸カルシウムとの複合体を得る技術が提案さ
れている。

【０００３】従来、提案されているこれらのコラーゲン
／リン酸カルシウム複合体は、生物の骨に近似した物性
を有し、骨置換、組織再建能、強度等の生体材料として
の特性に優れる一方で、生体内に植入した場合に、経時
的に脆くなり、崩壊してしまうという問題があった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明では、
良好な強度を有し、生物の骨に近似した物性を有すると
ともに、生体内に植入した場合の耐崩壊性にも優れた、
生体材料用複合体およびその製造方法を提供することを
課題とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明者らが鋭意検討を
行った結果、コラーゲン／リン酸カルシウム複合体を得
る際、加圧成形時または加圧成形後のいずれかの工程に
おいて架橋剤を作用させて、得られる複合体を架橋させ
ることによって、充分な強度を保持させつつ、生体内に
植入した場合の耐崩壊性を向上させることができること
を見いだし、本発明を完成した。すなわち、本発明は、
以下の構成を提供する。 （１） コラーゲンとリン酸カルシウムとの共沈物を加
圧成形することにより得られる複合体であって、加圧成
形時または加圧成形後に架橋処理が施されてなることを
特徴とする生体材料用複合体。 （２） コラーゲンを含有するリン酸水溶液とカルシウ
ム塩を含有する水溶液とを混合してリン酸カルシウムと
コラーゲンの共沈を行った後、得られた沈澱物を加圧成
形することにより生体材料用複合体を得る方法におい
て、加圧成形時または加圧成形後に架橋処理を施すこと
を特徴とする生体材料用複合体の製造方法。 （３） 前記コラーゲンを含有するリン酸水溶液と前記
カルシウム塩を含有する水溶液とを混合する際に、両水
溶液を反応容器に同時に滴下するようにする、前記
（２）に記載の生体材料用複合体の製造方法。

【０００６】

【発明の実施の形態】本発明において用いられるコラー
ゲンとしては、特に限定されるものではないが、コラー
ゲンの分子サイズが大きいと立体障害のために複合体の
強度が出ないため、モノメリックなコラーゲンを用いる
ことが好ましく、例えば、ペプシン処理したコラーゲン
を用いることが好ましい。ペプシン処理したコラーゲン
は、抗原性が低いという利点も有する。本発明において
用いられるコラーゲンを含有するリン酸水溶液として
は、リン酸の重量１に対するコラーゲンの重量が０．０
０１〜１００００の範囲のものが好ましく、より好まし
くは０．１〜５の範囲のものである。リン酸が少なすぎ
る場合には、得られた複合体のヤング率が下がり、強度
が低下する。一方、コラーゲンが少なすぎる場合には、
複合体の強度が低下してもろくなり易い。

【０００７】本発明に用いられるカルシウム塩として
は、例えば、水酸化カルシウム、炭酸カルシウム等を挙
げることができる。本発明のカルシウム塩を含有する水
溶液としては、懸濁液であってもよい。例えば、炭酸カ
ルシウムを焼成後乳鉢等で粉砕して水酸化カルシウムと
し、これに水を加えて水酸化カルシウムの懸濁液を得る
ことができる。水溶液あるいは懸濁液中のカルシウム塩
の濃度としては、１〜２０重量％の範囲とすることが好
ましく、より好ましくは６〜１２重量％の範囲である。
カルシウム塩の濃度が低すぎる場合には、ヤング率が低
下する傾向があり、一方、カルシウム塩の濃度が高すぎ
る場合には、強度が低下する傾向がある。

【０００８】本発明において、コラーゲンを含有するリ
ン酸水溶液と、カルシウム塩を含有する水溶液との比率
（容量比）は、３：１〜１：３の範囲とすることが好ま
しい。コラーゲンを含有するリン酸水溶液の使用量が少
ない場合には、カルシウム過剰組成になり強度が低下す
る傾向がある。一方、カルシウム塩を含有する水溶液の
使用量が少ない場合には、カルシウム欠損が発生して、
ヤング率が低下し、併せて強度の低下を招くことがあ
る。本発明において、コラーゲンを含有するリン酸水溶
液とカルシウム塩を含有する水溶液とを混合してリン酸
カルシウムとコラーゲンとを共沈させる方法としては、
特に限定されるものではなく、例えば、いずれか一方の
水溶液中に他方の水溶液を徐々に加えても良いし、両水
溶液を反応容器に同時に滴下するようにしても良いが、
好ましくは、後者の同時滴下する方法が、良好な配向を
導き、硬い生体骨と同程度のヤング率を有する複合体を
得ることができる点で、好適である。なお、反応容器に
同時に滴下するとは、厳密に同時に滴下する形態のみを
さすものではなく、少量（０．０１〜５ｍｌ程度）づつ
交互に滴下する形態をも含む。

【０００９】コラーゲンを含有するリン酸水溶液と、カ
ルシウム塩を含有する水溶液とを反応容器に同時に滴下
する場合、両水溶液は、連続的に滴下してもよいし、間
欠的に滴下してもよい。このとき、反応液のｐＨを７〜
１１の範囲で、かつ変化の幅を１以内となるように滴下
することが望ましい。さらに、ｐＨを７〜９の範囲で、
かつ変化の幅を０．５以内の範囲とすることがより好ま
しい。ネイティブなコラーゲンはｐＨ７〜１１の範囲で
等電点による沈澱を起こし線維が再生するものであり、
またリン酸カルシウムもこのｐＨ範囲において沈澱を起
こしやすいため、このｐＨ範囲において共沈を行うと、
リン酸カルシウムとコラーゲンの配向が優れたものとな
る。ｐＨが１１を越えると、コラーゲンが溶解状態とな
ってコラーゲン分子周辺に水分子が水和し、後の加圧成
形工程においても水分子が離れにくくなるため、複合体
中に水が残り配向が妨げられ強度が低下するおそれがあ
る。一方、ｐＨが７未満になると、リン酸カルシウム、
コラーゲンともに沈澱しにくくなる。また、変化の幅が
１を越えると、コラーゲン上へのリン酸カルシウムの核
形成に乱れが生じ、配向が悪くなる。このようなｐＨ制
御を行うには、ｐＨコントローラーを用いることが簡便
である。ｐＨコントローラーは、反応液のｐＨを測定す
る手段と、滴下する両溶液の滴下量を調節する手段とを
備えたものであり、所期値として設定されたｐＨ（例え
ば１０）に対して一定範囲（例えば±０．３）を保つよ
うに、両溶液のｐＨ値に基づいて両溶液の滴下量を調節
するものである。ｐＨが所期値よりも小さくなったとき
は、コラーゲンを含有するリン酸水溶液の滴下を一旦停
止してカルシウム塩を含有する水溶液の滴下のみを行
う。逆にｐＨが所期値よりも大きくなったときは、カル
シウム塩を含有する水溶液の滴下を一旦停止してコラー
ゲンを含有するリン酸水溶液の滴下のみを行う。このと
き、反応液のｐＨが偏ることのないように、両溶液およ
び反応液をたえず撹拌しながら反応させることが好まし
い。

【００１０】本発明においては、コラーゲンを含有する
リン酸水溶液と、カルシウム塩を含有する水溶液とを混
合し終えた後に、熟成させることが好ましい。具体的条
件については、特に制限はないが、例えば、熟成時間は
１６〜７２時間とし、熟成温度は３０〜４０℃とするこ
とができる。本発明においては、コラーゲンを含有する
リン酸水溶液とカルシウム塩を含有する水溶液との混合
液から、生じた沈澱物を濾過、脱水後、加圧成形するこ
とにより、コラーゲン／リン酸カルシウム複合体を得る
ことができる。生じた沈澱物の濾過および脱水は、特に
制限はなく、通常の方法で行うことができる。例えば、
濾過は、グラスフィルターを用いた吸引濾過やフィルタ
ープレス等で行えばよい。また、脱水は、フィルターに
よる１軸プレスや凍結乾燥等で行えばよい。

【００１１】加圧成形は、特に制限されるものではない
が、例えば、等方圧縮成形で行うことが好ましい。０℃
以上１１０℃以下の温度範囲で、かつ１０ＭＰａ〜５Ｇ
Ｐａの圧力範囲で行うことが好ましい。この温度範囲で
加圧成形を行うと、沈澱物に含まれる水のほとんどが急
激に放出されるからである。温度は、水の放出量の多い
２５℃以上６０℃以下の範囲とすることが好ましく、３
５℃以上４５℃以下の範囲とすることが特に好ましい。
また、超音波を印加しながら行うことにより、配向をさ
らに優れたものとすることができる。本発明において
は、前記のようにして得られるコラーゲン／リン酸カル
シウム複合体に、架橋処理を施すことが重要である。リ
ン酸カルシウム微結晶とコラーゲン高分子が自己組織化
的に配向結合した複合体に、架橋剤を作用させて架橋を
形成することによって、生体内に植入した場合の耐崩壊
性を向上させることができるのである。

【００１２】架橋剤としては、特に制限されるものでは
ないが、例えば、グルタルアルデヒドやホルムアルデヒ
ド等のアルデヒド系架橋剤；ヘキサメチレンジイソシア
ネート等のイソシアネート系架橋剤；１−エチル−３−
（３−ジメチルアミノプロピル）カルボジイミド塩酸塩
等のカルボジド系架橋剤；エチレングリコールジエチル
エーテル等のポリエポキシ系架橋剤；等を用いることが
できる。また、架橋剤の使用割合は、コラーゲン／リン
酸カルシウム複合体１００重量部に対して０．０１〜１
０重量部とすることが好ましい。さらに好ましくは０．
１〜１重量部である。

【００１３】架橋処理は、前述のようにしてコラーゲン
／リン酸カルシウム複合体を得る際、加圧成形時または
加圧成形後のいずれかの工程において架橋剤を作用させ
ることによって、行うことができる。具体的には、加
圧成形時に、架橋剤をフィルター等を介して濾過した沈
殿物とともに圧力装置に入れ、架橋剤をしみ込ませなが
ら圧縮するか、加圧成形後に、得られた成形体を架橋
剤に浸漬するか、すればよい。加圧成形時または加圧成
形後よりも前、すなわち複合化（アパタイト形成）が充
分に進む前に架橋処理を施すと、自己組織化に対して影
響を及ぼすこととなり、ひいては強度の低下をまねく恐
れがある。諸条件によっても異なるが、例えば、架橋処
理を、コラーゲン含有リン酸水溶液とカルシウム塩含有
水溶液との混合時に行うと、曲げ強度は６０〜１４０Ｍ
Ｐａ程度、沈殿物を濾過する直前に行うと、曲げ強度は
８０〜１４０ＭＰａ程度となるのに対し、本発明のよう
に、加圧成形時または加圧成形後に行うと、曲げ強度は
１００〜１４０ＭＰａ程度となる。

【００１４】本発明の生体材料用複合体は、前述の方法
によって容易に得ることができ、架橋処理が施されてい
ることにより、優れた耐崩壊性を発揮するものである。
また、本発明の生体材料用複合体は、生体骨に近い強度
と組成をもち、構成成分であるコラーゲンおよびリン酸
カルシウムがともに生体溶解性であるため薬剤徐放効
果、あるいは骨誘導能ないしは骨伝導能を有する。骨組
織に埋入した場合は速やかに骨組織と結合し、１２週前
後でドナー側の硬組織と本発明の生体材料用複合体との
界面は完全に一体化しうる。さらに、例えば生理活性の
高いサイトカインを含有させた基板を用いて力学・電気
などを加えた生体類似環境下あるいは生体内で組織培養
することにより、骨髄、肝臓などの組織再建の効果も期
待される。骨肉腫などの切除骨の再建にも、本発明によ
り得られる複合材料に抗癌剤を含浸させたものを用いる
ことにより、癌再発の防止とともに生体硬組織の誘導を
行うことができる。

【００１５】したがって、本発明の生体材料用複合体の
用途としては、骨誘導および骨伝導能を有する生体骨置
換型骨再建材としての利用法、アミノ酸、糖質、サイト
カインを含有する組織工学に用いられる生体活性基材、
および抗癌剤等の生体融和型薬剤徐放性基材としての利
用法を挙げることができ、具体的には、人工骨、人工関
節、腱と骨との接合材、歯科用インプラント材、カテー
テル用経皮端子、薬剤徐放性基材、骨髄誘導チャンバ
ー、組織再建用チャンバー・基材等を挙げることができ
る。

【００１６】

【実施例】以下に実施例によりさらに詳細に本発明を説
明するが、本発明はこれに限定されるものではない。な
お、得られた複合体については、以下のように評価し
た。 （耐崩壊性） 得られた複合体を、３７℃恒温下で精製
水中に２８日間浸漬した後、その状態を目視にて観察
し、以下のように評価した。 耐崩壊性良好：膨潤しておらず、表面もしっかりしてい
た 耐崩壊性不良：全体的に膨潤しており、表面がぐずぐず
した状態であった （曲げ強度） ５Ｗ（ｍｍ）×３Ｔ（ｍｍ）×２０Ｌ
（ｍｍ）の板状に成形した複合体を用いて、スパン１５
ｍｍ、クロスヘッドスピード５００ｍｍ／分で３点曲げ
試験を行った。

【００１７】〔実施例１〕分子量３０万のコラーゲン
（濃度０．７２％、５ｍＭリン酸水溶液）１３８９ｍｌ
に純水１．５Ｌ、リン酸１５ｇを加え混合溶液とした。
別に、炭酸カルシウムを１０５０℃で３時間焼成後乳鉢
で微粉砕し水を加えて水酸化カルシウムとした粉末４８
ｇに、２Ｌの純水を加えて懸濁液を得た。ｐＨコントロ
ーラーでｐＨを８．５±０．３に保つように、両液をポ
ンプで送りながら、両方の液を激しく撹拌しながら混合
した。生じた沈澱を濾過した後、これと、濃度１％のグ
ルタルアルデヒド水溶液５０ｇとを、間にフィルターを
介するようにして圧力装置のカプセルに封入し、コラー
ゲンがゼラチン化する直下の温度３７℃で、５００ＭＰ
ａの圧力と超音波をかけながら１５時間保持し、架橋剤
をしみ込ませながら、加圧成形を行った。そして、風乾
した後、本発明の複合体を得た。

【００１８】得られた複合体は、曲げ強度が１１０±１
０ＭＰａであり、耐崩壊性も良好なものであった。 〔実施例２〕分子量３０万のコラーゲン（濃度０．７２
％、５ｍＭリン酸水溶液）１３８９ｍｌに純水１．５
Ｌ、リン酸１５ｇを加え混合溶液とした。別に、炭酸カ
ルシウムを１０５０℃で３時間焼成後乳鉢で微粉砕し水
を加えて水酸化カルシウムとした粉末４８ｇに、２Ｌの
純水を加えて懸濁液を得た。ｐＨコントローラーでｐＨ
を８．５±０．３に保つように、両液をポンプで送りな
がら、両方の液を激しく撹拌しながら混合した。生じた
沈澱を濾過した後、これを圧力装置のカプセルに封入
し、コラーゲンがゼラチン化する直下の温度３７℃で、
５００ＭＰａの圧力と超音波をかけながら１５時間保持
し、加圧成形を行った。次いで、加圧成形して得られた
成形体を、濃度１％のグルタルアルデヒド水溶液５０ｇ
に浸漬した。そして、風乾した後、本発明の複合体を得
た。

【００１９】得られた複合体は、曲げ強度が１２０±１
０ＭＰａであり、耐崩壊性も良好なものであった。 〔比較例１〕分子量３０万のコラーゲン（濃度０．７２
％、５ｍＭリン酸水溶液）１３８９ｍｌに純水１．５
Ｌ、リン酸１５ｇを加え混合溶液とした。別に、炭酸カ
ルシウムを１０５０℃で３時間焼成後乳鉢で微粉砕し水
を加えて水酸化カルシウムとした粉末４８ｇに、２Ｌの
純水を加えて懸濁液を得た。ｐＨコントローラーでｐＨ
を８．５±０．３に保つように、両液をポンプで送りな
がら、両方の液を激しく撹拌しながら混合した。生じた
沈澱を濾過した後、これを圧力装置のカプセルに封入
し、コラーゲンがゼラチン化する直下の温度３７℃で、
５００ＭＰａの圧力と超音波をかけながら１５時間保持
し、加圧成形を行った。そして、風乾した後、複合体を
得た。

【００２０】得られた複合体は、曲げ強度が１１０±１
０ＭＰａであり、耐崩壊性は不良なものであった。 〔比較例２〕分子量３０万のコラーゲン（濃度０．７２
％、５ｍＭリン酸水溶液）１３８９ｍｌに純水１．５
Ｌ、リン酸１５ｇを加え混合溶液とした。別に、炭酸カ
ルシウムを１０５０℃で３時間焼成後乳鉢で微粉砕し水
を加えて水酸化カルシウムとした粉末４８ｇに、２Ｌの
純水を加えて懸濁液を得た。この両液と、濃度１％のグ
ルタルアルデヒド水溶液５０ｇとを、ｐＨコントローラ
ーでｐＨを８．５±０．３に保つように調整しながら、
激しく撹拌して混合した。生じた沈澱を濾過した後、こ
れを圧力装置のカプセルに封入し、コラーゲンがゼラチ
ン化する直下の温度３７℃で、５００ＭＰａの圧力と超
音波をかけながら１５時間保持し、加圧成形を行った。
そして、風乾した後、複合体を得た。

【００２１】得られた複合体は、耐崩壊性は良好であっ
たが、曲げ強度が８０±１０ＭＰａと低いものであっ
た。 〔比較例３〕分子量３０万のコラーゲン（濃度０．７２
％、５ｍＭリン酸水溶液）１３８９ｍｌに純水１．５
Ｌ、リン酸１５ｇを加え混合溶液とした。別に、炭酸カ
ルシウムを１０５０℃で３時間焼成後乳鉢で微粉砕し水
を加えて水酸化カルシウムとした粉末４８ｇに、２Ｌの
純水を加えて懸濁液を得た。ｐＨコントローラーでｐＨ
を８．５±０．３に保つように、両液をポンプで送りな
がら、両方の液を激しく撹拌しながら混合した。さら
に、生じた沈澱を濾過する直前に、攪拌しながら濃度１
％のグルタルアルデヒド水溶液５０ｇを滴下した。その
後、濾過した後、これを圧力装置のカプセルに封入し、
コラーゲンがゼラチン化する直下の温度３７℃で、５０
０ＭＰａの圧力と超音波をかけながら１５時間保持し、
加圧成形を行った。そして、風乾した後、複合体を得
た。

【００２２】得られた複合体は、耐崩壊性は良好であっ
たが、曲げ強度が１００±１０ＭＰａと低いものであっ
た。

【００２３】

【発明の効果】本発明によれば、良好な強度を有し、生
物の骨に近似した物性を有するとともに、生体内に植入
した場合の耐崩壊性にも優れた、生体材料用複合体を提
供することができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 菊池 正紀 茨城県つくば市竹園３丁目15番地109− 202 (72)発明者 中谷 伸一 大阪府八尾市二俣２丁目22番地 新田ゼ ラチン株式会社大阪工場内 (72)発明者 萬代 佳宣 大阪府八尾市二俣２丁目22番地 新田ゼ ラチン株式会社大阪工場内 (72)発明者 平岡 陽介 大阪府八尾市二俣２丁目22番地 新田ゼ ラチン株式会社大阪工場内 (56)参考文献 特開 平11−199209（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−132664（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−173402（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−280465（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−158964（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−305133（ＪＰ，Ａ) 菊池正紀 他，水酸アパタイト／コラ ーゲン複合体の架橋密度と物性変化，イ ンテリジェント材料シンポジウム講演要 旨集，日本，2001年，Ｖｏｌ．10，ｐ ｐ．78−79 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) A61L 27/00

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 コラーゲンとリン酸カルシウムとの共沈
   物を加圧成形することにより得られる複合体であって、
   加圧成形時または加圧成形後に架橋処理が施されてなる
   ことを特徴とする生体材料用複合体。
2. 【請求項２】 コラーゲンを含有するリン酸水溶液とカ
   ルシウム塩を含有する水溶液とを混合してリン酸カルシ
   ウムとコラーゲンの共沈を行った後、得られた沈澱物を
   加圧成形することにより生体材料用複合体を得る方法に
   おいて、加圧成形時または加圧成形後に架橋処理を施す
   ことを特徴とする生体材料用複合体の製造方法。
3. 【請求項３】 前記コラーゲンを含有するリン酸水溶液
   と前記カルシウム塩を含有する水溶液とを混合する際
   に、両水溶液を反応容器に同時に滴下するようにする、
   請求項２に記載の生体材料用複合体の製造方法。