JP4216946B2 - Novel glycosaminoglycan inorganic ion complex, method for producing the same, and medical material containing the same - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、ヒトを含む動物の骨や歯の置換材、接合材、修復材等の骨材料等として有用な、成形性と強度に優れたグリコサミノグリカン無機イオン複合体及びその製造方法、並びに前記グリコサミノグリカン無機イオン複合体を含む医用材料に関する。
【従来の技術】
従来、外傷や癌等によって骨が欠損した場合の修復に利用される骨伝導能（骨組織を骨に充填した骨材料中に入り込ませる能力）を有する材料（骨材料）としては、酸化チタンやヒドロキシアパタイト、リン酸三カルシウム等が利用されてきた。さらにこれらの材料に骨形成能を付与し、あるいはこれらの材料の形状を保持する等の目的で、コラーゲン、コンドロイチン硫酸等のグリコサミノグリカン等をさらに含めた材料が知られている。
例えば、特開昭６２−６４３６７号には、ヒドロキシアパタイトと、コラーゲンに結合したコンドロイチン硫酸等のグリコサミノグリカンとの複合物からなる人工骨用組成物が開示されており、この人工骨用組成物は骨形成能を有すると記載されている。
また特開平３−１４１９５６号には、ヒドロキシアパタイトの粉粒体をコンドロイチン硫酸含有水溶液により流動状態及び可塑状態とした骨充填材が開示されており、この材料は骨組織の欠損部や空隙への充填性に優れ、生体親和性が高い特性を有しており、形状の保持に問題のある粉末状または粒状のヒドロキシアパタイトの形状の保持及び充填を容易なものとすることが記載されている。
さらに、特開平７−１０１７０８号にはアパタイト・有機物複合体として、人工骨、人工歯根などに利用しうるアパタイトとコラーゲン又は多糖類との複合体が記載されており、強度と弾性の調節が可能である旨、記載されている。
【発明が解決しようとする課題】
上記の通り、従来から骨や歯の置換材、接合材、修復材等として使用し得る骨材料について研究が進められてきた。しかし、これまでの骨材料は、硬度、強度、これらの均一性、生体親和性等において十分なものではなかった。
例えば、これまでの材料はいずれも生体内に存在する硬組織と硬度が異なり、硬組織と比較して堅い素材である金属や焼結したアパタイト等の骨材料は生体内の正常な硬組織を破壊することもあった。また、焼結していないヒドロキシアパタイト等を主成分とする骨材料は、生体内の硬組織と組成は類似しているが、十分な硬度を有しておらず、生体内で壊れる問題点があった。その強度を増すために何らかの物質をヒドロキシアパタイトに混合する場合、作成した骨材料全体にわたって均一な強度を得ることが困難であり、強度の高い部分と低い部分での歪みにより、やはり骨材料が生体内で破壊されてしまうという問題が存在した。これは、均一で十分な強度を得るために必要な、原子及び分子、さらに骨材料の粒子や結晶が高い配向性で配列した構造を得ることが困難であったことによるものである。
さらに、従来の骨材料等は総じて生体親和性が低く、硬組織に導入した際に硬組織の再生の促進と硬組織との融合が十分に起こらず、結果的に生体硬組織の再生を骨材料が妨げてしまうという問題点があった。
従って、従来から知られている骨材料と少なくとも同程度の強度を有し、硬組織の再生を促して硬組織と融合すると共に均一な強度を有する、配向性が高い骨材料の開発が期待されていた。
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記の従来の骨材料の問題点に鑑み、生体の硬組織に導入した際に導入部近傍において硬組織の再生を促し硬組織と融合し、また配向性が高く、高い強度と適度な弾性を有する骨材料として利用し得る新規な物質を鋭意探索した。
その結果、通常のリン酸カルシウム系化合物、例えばヒドロキシアパタイト（以下「ＨＡｐ」とも記載する）、リン酸三カルシウム、アモルファスリン酸カルシウム等の合成におけるリン酸イオンとカルシウムイオンのイオン結合反応の際にグリコサミノグリカン（以下「ＧＡＧ」とも記載する）、さらに任意にコラーゲンを共存させることにより、ＧＡＧ、リン酸イオン及びカルシウムイオンならびに場合によりコラーゲンが結合した複合体からなり、各イオン又は分子、あるいはそれによって構成される結晶が高い配向性で規則正しく配列し、また前記複合体の粒子自体も高い配向性を有しているため高い強度と弾性を有し、さらに高い生体親和性を有し、生体内で硬組織と融合し得、優れた骨材料として使用し得る新規なＧＡＧ無機イオン複合体が得られることを見出した。
そしてこの複合体が、電子線回折において特定の結晶配向を示し、それにより特徴付けられることを見出した。
従って本発明は、少なくともグリコサミノグリカン、リン酸イオン及びカルシウムイオンが化学的に結合した複合体からなり、電子線回折において該複合体の粒子の長軸に対してｃ軸配向を示す回折像（００２ｎ：ｎは正の整数）を示すことを特徴とするグリコサミノグリカン無機イオン複合体を提供するものである（以下、「本発明物質１」ともいう）。
上記本発明物質１の好ましい態様によれば、電子線回折において前記複合体の粒子の長軸に対して０±４５°及び１８０±４５°の範囲内にｃ軸配向を示す回折像（００２ｎ：ｎは正の整数）を示すことを特徴とする上記グリコサミノグリカン無機イオン複合体；乾燥重量でグリコサミノグリカンを１〜９９重量％含むことを特徴とする上記グリコサミノグリカン無機イオン複合体；実質的にグリコサミノグリカン、リン酸イオン及びカルシウムイオンのみからなる上記グリコサミノグリカン無機イオン複合体；及び前記粒子の長軸の長さが６０〜１０００ｎｍであることを特徴とする上記グリコサミノグリカン無機イオン複合体が提供される。
上記のグリコサミノグリカン無機イオン複合体の一つの好ましい態様においては、上記のグリコサミノグリカン無機イオン複合体は前記３成分の他にさらにコラーゲンを含み、コラーゲンが複合体各成分と化学的に結合した複合体（以下、「本発明物質２」ともいう）が提供される。
上記のさらにコラーゲンを含む本発明物質２の好ましい態様によれば、乾燥重量でグリコサミノグリカン及びコラーゲンの重量％の合計が５〜６０重量％であることを特徴とする前記グリコサミノグリカン無機イオン複合体；前記粒子の長軸の長さが０．５〜１２００μｍであることを特徴とする前記グリコサミノグリカン無機イオン複合体；グリコサミノグリカン無機イオン複合体の赤外分光分析におけるカルボキシル基（ＣＯＯ）の特性吸収が、グリコサミノグリカンと比較して低波数側へシフトしていることを特徴とする前記グリコサミノグリカン無機イオン複合体；及びグリコサミノグリカンが、コンドロイチン硫酸Ａ、コンドロイチン硫酸Ｂ、及びコンドロイチン硫酸Ｃからなる群から選択される物質であることを特徴とする前記グリコサミノグリカン無機イオン複合体が提供される。
また本発明は、別の態様として、少なくともグリコサミノグリカン、リン酸及び水酸化カルシウムを水性溶媒中で混合し、混合液から析出させることを特徴とするグリコサミノグリカン無機イオン複合体の製造方法を提供する。
上記本発明のグリコサミノグリカン無機イオン複合体の製造方法の好ましい態様によれば、さらにコラーゲンを混合することを特徴とする前記グリコサミノグリカン無機イオン複合体の製造方法；２０〜５０℃の条件下で混合を行うことを特徴とする前記グリコサミノグリカン無機イオン複合体の製造方法；アルカリ性の条件下で混合を行うことを特徴とする前記グリコサミノグリカン無機イオン複合体の製造方法；及びグリコサミノグリカンが、コンドロイチン硫酸Ａ、コンドロイチン硫酸Ｂ、及びコンドロイチン硫酸Ｃからなる群から選択される物質であることを特徴とする前記グリコサミノグリカン無機イオン複合体の製造方法が提供される。
さらに別の態様として、本発明は前記本発明のグリコサミノグリカン無機イオン複合体を含む医用材料を提供するものである。
尚、特開昭６２−６４３６７号に開示されたヒドロキシアパタイトとコラーゲンに結合したグリコサミノグリカンとの複合物からなる人工骨用組成物は、ヒドロキシアパタイトとコンドロイチン硫酸をコラーゲンに添加して得られる混合物を凍結乾燥して得られる複合物であり、本発明のグリコサミノグリカン無機イオン複合体とは製造方法が全く異なり、上記先行技術には、本発明物質のように原子の配列が一軸配向性を有する複合体については全く記載されておらず、またそれを示唆する記載もない。
また、特開平３−１４１９５６号に開示された骨充填材も同様に本発明のグリコサミノグリカン無機イオン複合体とは製造方法が全く異なり、上記先行技術には、本発明物質のように原子の配列が一軸配向性を有する複合体については全く記載されておらず、またそれを示唆する記載もない。
更に、特開平７−１０１７０８号には本発明物質のグリコサミノグリカン無機イオン複合体は記載されていない。また、カルシウムイオン又はリン酸イオンが規則的に結合する官能基がＧＡＧには存在するが、コラーゲンにはそのような官能基が一定間隔毎に存在しないため、コラーゲン、リン酸、及びカルシウムを水性溶媒中で混合したとしても高い配向性を有する複合体を得ることは不可能である。
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳述する。
１．本発明のＧＡＧ無機イオン複合体
以下、本発明物質１及び本発明物質２を総称して「本発明のＧＡＧ無機イオン複合体」として説明する。
１−１ 本発明物質１
本発明物質１は、少なくともグリコサミノグリカン、リン酸イオン及びカルシウムイオンが化学的に結合した複合体であり、各成分を含有する溶液から粒子として析出しうるものであり、電子線回折において該複合体の粒子の長軸に対してｃ軸配向を示す回折像（００２ｎ：ｎは正の整数）を示すことを特徴とする。本発明物質１は、後述するように電子線回折において前記複合体の粒子の長軸に対して０±６０°及び１８０±６０°、特に０±４５°及び１８０±４５°の範囲内にｃ軸配向を示す回折像（００２ｎ：ｎは正の整数）を示すことが好ましい。一般にグリコサミノグリカン（ＧＡＧ）とは、ヘキスロン酸又はガラクトースとヘキソサミンの二糖単位の繰り返し構造からなる基本骨格を有する多糖であり、ヒアルロン酸及びコンドロイチンを除くＧＡＧは、構成糖のヒドロキシル基が部分的に硫酸エステル化され、アミノ基がアセチル化又は硫酸化されている。上記ヘキスロン酸としては、例えばグルクロン酸及びイズロン酸が挙げられ、ヘキソサミンとしては、例えばグルコサミン及びガラクトサミンが挙げられる。
本発明のＧＡＧ無機イオン複合体に使用することができるグリコサミノグリカンとしては、例えばヒアルロン酸（ＨＡ）、コンドロイチン、コンドロイチン硫酸（ＣＳ）、ヘパリン、ヘパラン硫酸、ケラタン硫酸、ケラタンポリ硫酸等が挙げられるが、その中でも骨再生において血管の誘導を促進することが知られているヒアルロン酸または硬組織に広く存在するコンドロイチン硫酸が好ましく、コンドロイチン硫酸が最も好ましい。
また本発明のＧＡＧ無機イオン複合体に含まれるＧＡＧは、単一の種類のＧＡＧに限定されるわけではなく、上記ＧＡＧから選択される複数の種類のＧＡＧであってもよい。
本発明ＧＡＧ無機イオン複合体に複数のＧＡＧを含ませる場合は、ＨＡまたはＣＳのいずれか、あるいは両方が含まれていることが好ましく、乾燥重量中のＨＡとＣＳの合計重量が他のＧＡＧの合計重量と比べて多いことが好ましい
上記のコンドロイチン硫酸は、グルクロン酸又はイズロン酸とＮ−アセチルガラクトサミンがβ１−３結合で結合した二糖単位が、β１−４結合で結合した繰り返し構造を基本骨格とする硫酸化多糖である。主に硫酸基が結合する位置の違いにより、コンドロイチン硫酸は数種類に分類されるが、その中でも特にコンドロイチン硫酸Ａ（コンドロイチン４硫酸：基本骨格がグルクロン酸及び４位ヒドロキシル基が硫酸化されたＮ−アセチルガラクトサミンの二糖の繰り返し構造によって形成されたコンドロイチン硫酸を主成分とする）、コンドロイチン硫酸Ｂ（デルマタン硫酸：基本骨格がイズロン酸及び４位ヒドロキシル基が硫酸化されたＮ−アセチルガラクトサミンの二糖の繰り返し構造によって形成されたコンドロイチン硫酸を主成分とする）、及びコンドロイチン硫酸Ｃ（コンドロイチン６硫酸：基本骨格がグルクロン酸及び６位ヒドロキシル基が硫酸化されたＮ−アセチルガラクトサミンの二糖の繰り返し構造によって形成されたコンドロイチン硫酸を主成分とする）が好ましく、特にコンドロイチン硫酸Ａ及びコンドロイチン硫酸Ｃが硬組織により多く分布しているため好ましい。
上記の本発明物質１に含まれるＧＡＧの重量平均分子量は特に限定されないが、ＧＡＧがコンドロイチン硫酸の場合、一般的には８，０００〜１００，０００、好ましくは１０，０００〜６０，０００程度であり、ＧＡＧがヒアルロン酸の場合は３０，０００〜５，０００，０００、好ましくは１００，０００〜２，０００，０００程度である。
本発明物質１の構造は、その粒子の中心部にＧＡＧが存在しており、リン酸イオン及びカルシウムイオンがＧＡＧに結合した構造であると推定されるが、ＧＡＧと、リン酸イオン及びカルシウムイオンからなる結晶とが化学的に結合していることが好ましい。上記化学的な結合としては、一般にイオン結合、共有結合、及び配位結合が挙げられる。
これらの結合が形成されていることは、例えば実施例に記載するＦＴ−ＩＲ（フーリエ変換赤外分光法）等の赤外分光分析により、グリコサミノグリカンの分子構造中に存在する、上記結合に関与すると考えられる原子団（カルボキシル基（ＣＯＯ）、及び硫酸基を有するグリコサミノグリカンの場合はさらに硫酸基のスルフィニル基（ＳＯ））の特性吸収が、結合前と比して結合後に赤方偏移すること、すなわち遊離のＧＡＧにおける、前記各原子団の特性吸収と比較して低波数側へシフトしていることにより確認することが可能である。
例えばＧＡＧとして、最も好ましいコンドロイチン硫酸を用いる場合、ＣＳとリン酸イオン及びカルシウムイオンとの結合は、ＦＴ−ＩＲによる分析で、ＳＯの特性吸収及びＣＯＯの特性吸収（１２２７ｃｍ−１及び１６５３ｃｍ−１がそれぞれ１２２２ｃｍ−１及び１６４７ｃｍ−１へ赤方偏移することによって確認することが可能である。
本発明物質１の粒子を、通常のＸ線結晶解析装置により解析した際に得られる回折プロファイルにおいては、ブロードなピークが検出される（図２参照）。
さらに、本発明物質１は焼成して有機部分を除去した際に下記に記載する結晶パラメータを有する六角柱状結晶を含むことが好ましい。
単斜晶系の場合：
空間群：Ｐ２１／ｂまたはＰｂ
格子定数：
Ｐ２１／ｂの場合、ａ＝０．９４２ｎｍ、ｂ＝１．８８４ｎｍ、ｃ＝０．６８９ｎｍ、γ≧１２０°、
Ｐｂの場合、ａ＝０．９４２〜０．９５３ｎｍ、ｂ＝１．８８４ｎｍ、ｃ＝０．６８９ｎｍ、γ≧１２０°
六方晶系の場合：
空間群：Ｐ６３／ｍまたはＰ６
格子定数：
Ｐ６３／ｍの場合、ａ＝０．９４２ｎｍ、ｃ＝０．６８９ｎｍ
Ｐ６の場合、ａ＝０．９４２〜０．９５３ｎｍ、ｃ＝０．６８９ｎｍ
一般にヒドロキシアパタイト（Ｃａ１０（ＯＨ）２（ＰＯ４）６）は、合成時に溶液中に溶解していた空気中の二酸化炭素が若干取り込まれて上記化学式中のリン酸（ＰＯ４）が炭酸（ＣＯ３）に部分的に置換したり、また合成時にナトリウムイオンや亜鉛イオン等の２価の金属陽イオンを共存させることで、上記式中のカルシウム（Ｃａ）がナトリウム（Ｎａ）や亜鉛（Ｚｎ）等の金属に部分的に置換しうることが知られている。本発明ＧＡＧ無機イオン複合体においても、部分的に上述の例による置換が起こりうるが、このように部分的な置換を有する物質も本発明ＧＡＧ無機イオン複合体に包含される。特にＣＯ３置換を含む本発明物質１は上述の結晶パラメータは、晶系が単斜晶系の場合にＰｂ、六方晶系の場合にＰ６の空間群を取りうる。
また、本発明ＧＡＧ無機イオン複合体は、上述のごとく部分的な置換は起こりうるが、実質的にグリコサミノグリカン、リン酸イオン及びカルシウムイオンのみからなることが好ましい。更にＧＡＧ、リン酸イオン、及びカルシウムイオンの化学的な結合を阻害しない範囲において水を含んでいてもよい。
上記のとおり、本発明物質１は、中心部にＧＡＧが存在しており、そのＧＡＧと、リン酸イオン及びカルシウムイオンが化学的に結合した構造を有する粒子として存在しうるが、該粒子の結晶構造が一定の配向性を有して配列しているものである。ここで「配向性」とは、一定の方向性を保って分子または粒子が配列していることを指称するものである。
本発明物質１の粒子においては、上述の結晶がｃ軸配向性を有しており、結晶を構成する原子が形成する格子構造（ブラベ格子（Ｂｒａｖａｉｓ ｌａｔｔｉｃｅ））のｃ軸が上記粒子の長軸に対して平行となるように結晶が配列していることが好ましい。
上記結晶の配向性は、例えば透過型電子顕微鏡において、視野に存在する対象物に電子が入射した際に回折される電子線を利用した電子線回折において、００２ｎ（ｎは正の整数）の回折像（ｃ軸の向きを示すプロット）が観察されることで確認することが可能である。このような結晶の配向により、本発明物質１は骨材料として全体にわたって均一で優れた強度を有する。
上記の００２ｎ（ｎは正の整数）の回折像は、上記粒子の長軸に対して、好ましくは０±６０°及び１８０±６０°、より好ましくは０±４５°及び１８０±４５°の範囲内に観察されるものである。このような回折像が得られる結晶の配向を有する本発明物質１は分子または原子レベルで配向性を有している為、骨材料として優れた機械的強度及び骨に近い適度な弾性（ヤング率２０Ｇｐａ以下）を有する。
本発明物質１は、乾燥重量に対して上述のＧＡＧを１〜９９重量、好ましくは５〜６０重量％、特に７〜４０重量％含むことが好ましい。ＧＡＧの上記重量％が高ければ高いほど、本発明のＧＡＧ無機イオン複合体１の強度は低下する。例えばＧＡＧの重量％が４０％の時には、機械的強度（曲げ強度）は１３ＭＰａ程度であり、ＧＡＧの重量％が７％の時の機械的強度は２５ＭＰａ程度である。また、ＧＡＧの重量％の比率によって弾性率も変化し、５〜６０重量％の範囲内においてはＧＡＧの重量％が高くなるに従って弾性率を示すヤング率は１ＧＰａ程度まで低下し、またＧＡＧの重量％が低ければヤング率は７ＧＰａ程度まで高まる。上述のように、ＧＡＧの重量％変化させることで、使用目的に応じて機械的強度及び弾性率を適宜調節することが可能である。
また電子顕微鏡による観察においては、本発明物質１の粒子は、リン酸イオン及びカルシウムイオンからなる２０〜１５０ｎｍ、好ましくは３０〜６０ｎｍの径を有する結晶がＧＡＧを中心として６０〜１０００ｎｍ、好ましくは１００〜９００ｎｍにわたって長軸に沿って配列したグリカンの分子量によって変化し、例えば分子量が１２０万のヒアルロン酸をグリコサミノグリカンとして使用した際には、３μｍ以上とすることも可能である。
１−２ 本発明物質２
本発明物質２は、少なくともＧＡＧ、コラーゲン、リン酸イオン及びカルシウムイオンが化学的に結合した複合体からなり、電子線回折において該複合体の粒子の長軸に対してｃ軸配向を示す回折像（００２ｎ：ｎは正の整数）を示すことを特徴とする。すなわち本発明物質２は、本発明物質１のうち、特にコラーゲンを含むＧＡＧ無機イオン複合体である。本発明物質２に含まれるコラーゲンもＧＡＧ、リン酸イオン及びカルシウムイオンと化学的結合により結合しているものである。
本発明物質２は、本発明物質１と同様に電子線回折において前記複合体の粒子の長軸に対して一般に０±６０°及び１８０±６０°、特に０±４５°及び１８０±４５°の範囲内にｃ軸配向を示す回折像（００２ｎ：ｎは正の整数）を示すことが好ましい。
本発明物質２に使用できるコラーゲンは、タイプＩ〜タイプＸＩＸ等が挙げられるが、その中でも特にタイプＩ、タイプＩＩ、タイプＩＸ、タイプＸ及びタイプＸＩコラーゲンが好ましいが特に限定はされない。本発明物質２に含まれるコラーゲンの分子量は特に限定されないが、一般的には５０，０００〜９００，０００、好ましくは２００，０００〜５００，０００程度である。
本発明物質２の構造は電子顕微鏡による観察等により確認することができ、コラーゲンを中心としてそれを上述の本発明物質１の粒子が化学的に結合することによって被覆している構造を有しており、本発明物質１がその粒子の長軸をコラーゲンの繊維軸（繊維の走行方向）とほぼ平行となるように配列して化学的に結合している。本発明物質１は上述した通り、結晶体構造中のｃ軸配向性が高いため、本発明物質２においても、本発明物質１で記載した結晶のｃ軸配向性がほぼ保たれており、例えば透過型電子顕微鏡を使用して観察した際に視野の本発明物質２への電子が入射した際に回折される電子線を利用した電子線回折において、００２ｎ（ｎは正の整数）の回折像（ｃ軸の向きを示すプロット）が観察されることで確認することが可能である。
上記の００２ｎ（ｎは正の整数）の回折像は、本発明物質１と同様に、上記粒子の長軸に対して、好ましくは０±６０°及び１８０±６０°、より好ましくは０±４５°及び１８０±４５°の範囲内に観察されるものである。本発明物質２はこのような特徴的な配向性を示すものであり、ＧＡＧも含まない、アパタイトとコラーゲンのみで製造した複合体とは、後者においては前述の高い配向性が得られない点で区別される。このような回折像が得られる結晶の配向を有する本発明物質２は骨材料として全体にわたって均一で優れた機械的強度と適度な弾性を有する。
また、本発明物質２についても本発明物質１と同様に赤外分光分析法により前記赤方偏移が観察されることが好ましく、本発明物質２の粒子を、通常のＸ線結晶解析装置により解析した際に得られる回折プロファイルにおいては、ブロードなピークが検出されることが好ましい。
さらに本発明物質２は、本発明物質１と同様の結晶パラメータを有する六角柱状結晶を含むことが好ましい。
本発明物質１と同様に、本発明物質２においてもカルシウム（Ｃａ）の金属による部分的な置換、及びリン酸（ＰＯ４）の炭酸（ＣＯ３）による部分的な置換が起こりうる。このような部分的な置換を含むものも、本発明物質２に包含される。
電子顕微鏡による観察で確認される本発明物質２の粒子の長軸の長さは、０．５μｍ以上、特に１０〜１２００μｍにわたって配向した繊維状の構造であることが好ましいが、使用するコラーゲン分子の分子サイズに従って種々の長さの粒子を得ることが可能である。
本発明物質２におけるコラーゲンの乾燥重量あたりの含量は２０重量％以下、ＧＡＧの含量は５〜５０重量％であることが好ましく、特にコラーゲンの含量が３〜２０重量％、ＧＡＧの含量が２〜４０重量％の範囲内であることが好ましいが、これらに限定されるものではない。また、コラーゲン及びＧＡＧの含量の合計は５〜６０重量であることが好ましく、特に１３〜３５重量％であることが好ましいが、同様にこれらに限定されるものではない。
本発明物質２は、ＧＡＧに対するコラーゲンの比率、及びＧＡＧとコラーゲンとの重量％の合計を変化させることで、乾固物として測定した機械的強度を調節することが可能であり、例えば乾燥重量に対するＧＡＧ及びコラーゲンの重量％の合計が一定値の際には、ＧＡＧに対するコラーゲンの比率が高い方が機械的強度が高くなる。また、ＧＡＧとコラーゲンの比率（重量比）が一定の場合は、ＧＡＧとコラーゲンの重量％の合計が大きいほど本発明物質２の機械的強度は下がる。例えば上記合計の値が５〜６０重量％の範囲内においては、前記値が低下するに従って、機械的強度は５５ＭＰａ程度（曲げ強度）まで高まる。
また、ＧＡＧ及びコラーゲンの重量％の合計値の増減によって、本発明物質２の弾性率も本発明物質１と同様に変化し、上記合計値が５〜６０重量％の範囲内において前記値が低くなるに従ってヤング率は５ＧＰａ程度まで高まり、また前記値が高ければヤング率も０．５ＧＰａ程度まで低下する。
従って、ＧＡＧとコラーゲンの比率、及びそれらの重％の合計を変化させることで、使用目的に応じて機械的強度及び弾性率を適宜調節することが可能である。
２．本発明のＧＡＧ無機イオン複合体の製造方法
本発明の製造方法は、少なくともＧＡＧ、リン酸及び水酸化カルシウム、及び所望によりコラーゲンを水性溶媒中で混合し、析出させることを特徴とする本発明のＧＡＧ無機イオン複合体の製造方法である。
本発明の製造方法における水性溶媒とは水を含む溶媒を指称し、例えば水、溶質を含む水、緩衝剤水溶液、水溶性有機溶媒を含む水などが挙げられ、水が最も好ましいが、本発明ＧＡＧ無機イオン複合体の形成を妨げない限りにおいて限定はされない。
本発明の製造方法におけるＧＡＧ、リン酸と水酸化カルシウムの混合は、水性溶媒中で行うが、例えば▲１▼予めリン酸水溶液にＧＡＧを溶解しておき、当該溶液と水酸化カルシウム水溶液とを混合する方法、▲２▼ＧＡＧの溶液にリン酸水溶液及び水酸化カルシウム水溶液を加えて混合する方法、▲３▼水酸化カルシウム水溶液にＧＡＧを溶解しておき、当該溶液とリン酸水溶液とを混合する方法等が挙げられるが、リン酸水溶液または水酸化カルシウム水溶液にＧＡＧを予め溶解しておく方法（▲１▼又は▲３▼）が製造されたＧＡＧ無機イオン複合体中のＧＡＧの重量％を制御しやすいため好ましい。
ＧＡＧをリン酸水溶液に予め溶解するか、または水酸化カルシウム水溶液に予め溶解するかの選択は、ＧＡＧの溶液中における安定性等を考慮して決定され、例えば、アルカリ性条件下において構造が不安定であり、酸性条件下で高い安定性を有することが知られているヒアルロン酸をＧＡＧとして使用する場合は、酸性のリン酸水溶液に予め溶解することが好ましく、またアルカリ性条件下においても酸性条件下においても比較的安定性が保たれるコンドロイチン硫酸をＧＡＧとして使用する場合は、リン酸水溶液及び水酸化カルシウム水溶液のいずれに予め溶解しても本発明製造方法を実施することが可能である。また、特にコンドロイチン硫酸は、コラーゲンと共存することで共沈することが知られているため、後述するように本発明物質２を合成する際にはコラーゲンを含む溶液とコンドロイチン硫酸を含む溶液とを別々に調製し、本発明物質２を析出させる際に両者を混合することが好ましい。
リン酸水溶液または水酸化カルシウム水溶液にＧＡＧを予め溶解しておく場合は、ＧＡＧは０．０５〜２．５％（ｗ／ｖ）、より好ましくは０．１〜２．０％（ｗ／ｖ）の濃度で溶解しておくことが好ましいが、目的の本発明物質中に含まれるＧＡＧの重量％に応じて適宜調節することができる。またこの場合は、水酸化カルシウム水溶液及びリン酸水溶液の混合において、後述するように混合時のカルシウムイオンとリン酸イオンの比が５：３となるそれぞれの水溶液の濃度、及び混合時の流速を設定するため、それに応じて上記ＧＡＧの濃度も適宜設定することが好ましい。
本発明の製造法においては、アルカリ性条件下、例えばｐＨ７．０〜１２．０、好ましくはｐＨ７．３〜１０．５、特にｐＨ８．０〜９．０程度において構成各成分を溶液中で混合することが好ましい。
コラーゲンを含む本発明のＧＡＧ無機イオン複合体である「本発明物質２」を製造する場合は、ＧＡＧ、コラーゲン、リン酸及び水酸化カルシウムを水性溶媒中で混合する。コラーゲンは酸性の溶液への溶解性が高いため、予めリン酸水溶液に溶解しておくことが好ましい。
リン酸水溶液にコラーゲンを溶解する場合は、コラーゲンを０．０１〜１．０％（ｗ／ｖ）、好ましくは０．０５〜８．０％（ｗ／ｖ）で溶解することが好ましいが、目的の本発明物質２中のコラーゲンの重量％に応じて適宜調節することが可能であり、さらにリン酸水溶液及び水酸化カルシウム水溶液の混合において、混合した溶液中において後述するようにカルシウムイオンとリン酸イオンのモル比が、５：３となるそれぞれの水溶液の濃度、及び混合時の流速を設定するため、それに応じて上記コラーゲンの濃度も適宜設定することが好ましい。
リン酸水溶液としては、ｐＨ２．０〜３．５、好ましくはｐＨ２．５〜３．２の０．０１〜０．２０ｍｏｌ／ｌ、特に０．０２〜０．１５ｍｏｌ／ｌの濃度の水溶液が好ましい。水酸化カルシウム水溶液は、０．０２〜０．２０ｍｏｌ／ｌ、特に０．０３〜０．１８ｍｏｌ／ｌの濃度の水溶液が好ましい。ここで、水酸化カルシウム水溶液は、必ずしも水酸化カルシウムが完全には水に溶解していない懸濁液の状態でも使用することが可能であり、懸濁液中の水酸化カルシウムの全モル数を懸濁液の容量で除した値が前記のとおりであればよい。すなわち、本明細書中における水酸化カルシウム水溶液は、水酸化カルシウム懸濁液も概念的に包含する。
本発明製造方法におけるリン酸水溶液と水酸化カルシウム水溶液との混合は、カルシウムイオンとリン酸イオンのモル比が混合した溶液中において常に５：３となるように流速を調整して行う。例えば上述のリン酸水溶液の濃度を０．０９ｍｏｌ／ｌ、水酸化カルシウム水溶液の濃度を０．１５ｍｏｌ／ｌと設定した場合は、リン酸水溶液と水酸化カルシウム水溶液のそれぞれの流速は同じ流速に設定する。しかし、その流速は常に１０〜１００ｍｌ／分、特に４０〜９０ｍｌ／分程度であることが好ましいが、リン酸水溶液と水酸化カルシウム水溶液の混合によりｐＨが急激に変化して特に混合液のｐＨが７．０〜１２．０から逸脱しない流速であれば特に限定はされない。上記の各溶液の混合は、２５〜５０℃、好ましくは３０〜４５℃、特に３５〜４２℃で撹拌しながら行うことが好ましい。本発明方法において、ＧＡＧ、リン酸及び水酸化カルシウムを水性溶媒中で混合し、白色の沈殿及び微細粒子として本発明のＧＡＧ無機イオン複合体を析出させることにより得られる。特にコラーゲンを加えない本発明方法の態様においては、本発明ＧＡＧ無機イオン複合体が単分散のゾルを形成する微細粒子として析出する。この析出した白色沈殿及び微細粒子を反応混液から単離して本発明のＧＡＧ無機イオン複合体を得るが、反応混液の状態で１〜４８時間、好ましくは１０〜３５時間、より好ましくは２０〜３０時間程度、２０〜５０℃、好ましくは３５〜４２℃で静置しておくことで、リン酸イオンとカルシウムイオンが結合してなる結晶がより緻密に配列した本発明のＧＡＧ無機イオン複合体を製造することができるため好ましい。
本発明製造法においてはＧＡＧ、リン酸、及びカルシウムを混合することにより、ＧＡＧの繰り返し構造中、二糖残基毎に存在するカルボキシル基、及びＧＡＧの種類によってはそのヒドロキシル基又はアミノ基に結合した硫酸基と、カルシウムイオンがイオン的に規則的に結合し、そのカルシウムイオンにリン酸イオンが結合して本発明物質１が形成されると考えられる。
更にコラーゲンが共存している場合は、上記本発明物質１がコラーゲンの螺旋構造に沿って配列して化学的に結合し、本発明物質２が形成されると考えられる。
３．本発明の医用材料
本発明の医用材料は、上記本発明のＧＡＧ無機イオン複合体を含む医用材料である。本発明の医用材料は、生体内の硬組織に適用するための材料であって、例えば置換材、接合材、修復材等の骨材料等として使用できる。
上記硬組織とは、例えば軟骨、骨及び歯が挙げられ、本発明の医用材料はいずれに対しても適用しうる。特に本発明のＧＡＧ無機イオン複合体の組成、及び配向性の高い構造が特に骨及び軟骨と近似しているため、骨または軟骨へ適用した際には、骨及び軟骨と一体となるばかりでなく、骨及び軟骨と同様の代謝（破骨細胞による分解と骨の再構築）がなされる為、骨または軟骨へ適用することが好ましい。
本発明の医用材料の骨への適用の具体的例としては、例えば骨またはその欠損部の形状に成形した医用材料を骨の代用として骨折及び骨欠損等の部位へ導入する人工代用骨としての適用例の他、骨折の釘固定法（ｎａｉｌｉｎｇ）で通常使用される固定釘（ｎａｉｌ）として利用する例や骨板（ｂｏｎｅ ｐｌａｔｅ）の形状に成形あるいは既存の固定釘及び／または骨板の表面を被覆して利用する適用例が挙げられる。
また、骨の形成時はまず軟骨性仮骨が形成され、軟骨性仮骨が骨性仮骨となった後に骨となる工程が存在することが知られているが、特に軟骨程度の強度（機械的強度１０〜３０ＭＰａ）を有する本発明の医用材料は、軟骨性仮骨と同様に骨性仮骨を経て骨となるため、骨形成促進材として骨に対してより幅広く使用することが可能である。
さらに、骨への適用例の別の態様としては、微細粒子として得られる本発明物質１を注射用水又はリン酸緩衝生理的食塩水（ＰＢＳ）に懸濁した注射剤が挙げられ、例えば骨折部や骨欠損部に対して直接投与して投与部位での骨再生を促す医用材料が挙げられる。
また、本発明の医用材料の軟骨への適用の具体例としては、人工関節における可動部へ本発明の医用材料を被覆することが挙げられ、例えば外科手術において骨軸に作成する人工関節において、関節軟骨の代用として人工関節の基材同士または基材と生体の関節軟骨が接触する部分に、基材表面を被覆して使用することができる。このように使用される本発明のＧＡＧ無機イオン複合体は、軟骨程度の機械的強度と高い弾性を有する本発明のＧＡＧ無機イオン複合体が好ましく、特にＧＡＧを２０重量％以上含む本発明物質１及びＧＡＧを１０重量以上含む本発明物質２を使用することができる。
本発明の医用材料の製造は、前記の本発明の製造方法で沈殿として得られる本発明のＧＡＧ無機イオン複合体の沈殿をデキャンテーション、濾過、遠心分離等の通常の固液分離手段によって回収した後、必要に応じた形状に成形し、または既存の固定釘、骨板、または人工関節の基材の表面に塗布した後、乾燥、研磨することで、成形された医用材料を得ることができる。
上記の成形は例えば透析膜等に充填して乾燥する方法や、プレスにより水分をのぞく等の操作により上記沈殿を乾燥させることにより行うことができるが、１０〜６０℃、特に２０〜５０℃で行うことが好ましい。また、乾固の際に微細振動（１ＫＨｚ〜１ＭＨｚ、より好ましくは２０ＫＨｚ〜１００ＫＨｚ）をかけることで、本発明のＧＡＧ無機イオン複合体の粒子をより密に、その粒子の長軸がそれぞれ平行となるように配列しやすくするため好ましいが、これに限定はされない。
例えば上述のプレスを使用する成形の方法としては、一軸プレス等を用いて脱水した後、２０〜５０℃条件下で上述の微細振動を加えながら等方加圧（ＣＩＰ）することで行うことが可能であるが、これに限定はされない。特にプレスを用いた場合は、粒子が密に、また長軸がそれぞれ平行となるように配列して、弾性を有する高強度緻密体の医用材料を得ることができる。
また、上記プレスを成形に用いた場合は、その圧力及び圧力をかける時間によって含水率を調節することが可能である。等方加圧前のＧＡＧ無機イオン複合体は、沈殿または微細粒子の状態であるため、その含水率は４５％以上であり、５０％以上であることが好ましい。例えば２００ＭＰａで５〜１０時間圧力を加え続けることで得られる医用材料は、含水率が１０〜１５％程度となり、５０ＭＰａで２時間圧力を加え続けることで得られる医用材料の含水率はおよそ５０％程度となる。含水率の調節は適宜行うことが可能である。例えば人工軟骨等、軟骨素材として適用する本発明の医用材料は、含水率が５０％程度であることが好ましいが、これに限定はされない。
さらに、多孔体の医用材料も製造することが可能である。この場合は、得られた本発明物質の沈殿を凍結乾燥することによって多孔体の医用材料を製造することができる。このようにして得られた多孔体の医用材料を、公知の硬組織再生促進能を有する物質（例えば繊維芽細胞成長因子（ＦＧＦ）、トランスフォーミング成長因子（ＴＧＦ）、インターロイキン６、血小板由来軟骨成長因子、コンドロモジュリン、骨形成タンパク（ＢＭＰ）、骨由来成長因子（ＢＤＧＦ）、骨格成長因子（ＳＧＦ）、ビタミンＤ（活性型／非活性型）、カルシトニン、インターロイキン４、エストロジェン、アメロゲニン、エナメリン等）の溶液に浸漬することで、本発明の医用材料を前記物質の徐放製剤として使用することが可能となる。
さらに、ＧＡＧは金属イオンや、適当な架橋剤を用いることで架橋体を製造することが可能であることが広く知られているが、本発明のＧＡＧ無機イオン複合体も架橋体を形成することが可能であり、上記成形をした後、あるいは成形を行う際に、架橋体を製造するための金属イオンや架橋剤を添加することで、機械的強度及び／または弾性のより優れた医用材料を製造することも可能である。
ウサギの大腿骨及び関節軟骨に本発明の医用材料を適用した場合、適用後２週間程度で骨芽細胞の適用部への移動が見られ、周辺硬組織との融合が適用後４週間程度で観察され、さらに８週後には完全な融合が観察されたこと、及び皮下投与した際には８週程度で分解され、またアレルギー反応等の異物反応は観察されなかったため、本発明の医用材料のほ乳類に対する安全性は高い。
【実施例】
以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明する。
実施例１
本発明のＧＡＧ無機イオン複合体の製造
水酸化カルシウムを水１リットルに溶解し、水酸化カルシウム水溶液を製造し、コンドロイチン硫酸ナトリウムＡ（生化学工業（株）製）を溶解した（Ｃａ−ＣＳ溶液）。リン酸水溶液のｐＨ２．７の水溶液を１リットル調製した（Ｐ溶液）。本発明物質１の製造にはＰ溶液をそのまま使用した。本発明物質２の製造のためのリン酸水溶液にはコラーゲン（タイプＩＩ）を溶解した（Ｐ−Ｃｏｌ溶液）。製造した各本発明物質のサンプルと、上記溶液の製造において水溶液の調製に使用した水酸化カルシウム及びリン酸、各水溶液に添加したコンドロイチン硫酸ナトリウム及びコラーゲンの量を下記表１に記載した。
Ｃａ−ＣＳ溶液及びＰ溶液（Ｐ−Ｃｏｌ溶液）をそれぞれ７０ｍｌ／ｍｉｎ、７０ｍｌ／ｍｉｎの流速で撹拌しながら４０℃で混合した。反応中のｐＨは９．０となるように、ｐＨメーターを使用してｐＨをモニターしながら上記流速を適宜調節した。反応終了後、４０℃で２４時間反応混液を静置した。その後、濾過により沈殿及び微細粒子を回収して、ＧＡＧ無機イオン複合体を製造した（サンプル１〜４）。
【表１】
実施例２
各本発明物質の物性分析
２−１ フーリエ変換赤外分光法（ＦＴ−ＩＲ）による分析
拡散反射法を用いて、上記実施例１で得られたサンプル１〜４の赤外吸収を測定した。すなわち、実施例１の各サンプルを一軸プレスで脱水した後、５０ＫＨｚ程度の微細振動を加えながら等方加圧して製造した成形硬化物を破砕して紛状とした後、５０ｍｇを採取して臭化カリウム５００ｍｇと混合した、この混合粉末を赤外フーリエ変換分光光度計（ＳＰＥＣＴＲＵＭ２０００：パーキンエルマー社製）で測定した。得られた赤外吸収スペクトルの一例としてサンプル１の赤外吸収スペクトルを図１に示す。各サンプルの結果において、赤方偏移したＳＯの特性吸収（１２２２ｃｍ−１）、赤方偏移したＣＯＯの特性吸収（１６４７ｃｍ−１）が存在し、各サンプルはすべてコンドロイチン硫酸、リン酸、カルシウムが化学結合により一体化していることが明らかとなった。
２−２ Ｘ線結晶解析
実施例１で得られたサンプル１〜４のＸ線結晶解析を常法に従って行った。
その結果すべてのサンプルにおいて、ブロードなピークが２６及び３２（いずれも２θ）に観察された。
さらに、各サンプルを８００℃で３時間焼成した後、上記同様Ｘ線結晶解析を行った。その結果、焼成前と比較して大きく変化し、有機部分が消失し、鋭いピークが観察された。
焼成前及び焼成後のＸ線結晶解析の一例を図２に示す（サンプル１）。
焼成後の物質は下記の通りの結晶パラメータを有する六角柱状結晶の集合体であった。
単斜晶系の場合：
空間群：Ｐ２１／ｂまたはＰｂ
格子定数：
Ｐ２１／ｂの場合、ａ＝０．９４２ｎｍ、ｂ＝１．８８４ｎｍ、ｃ＝０．６８９ｎｍ、γ≧１２０°、
Ｐｂの場合、ａ＝０．９４２〜０．９５３ｎｍ、ｂ＝１．８８４ｎｍ、ｃ＝０．６８９ｎｍ、ｙ≧１２０°
六方晶系の場合：
空間群：Ｐ６３／ｍまたはＰ６
格子定数：
Ｐ６３／ｍの場合、ａ＝０．９４２ｎｍ，ｃ＝０．６８９ｎｍ
Ｐ６の場合、ａ＝０．９４２〜０．９５３ｎｍ、ｃ＝０．６８９ｎｍ
２−３ 透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）解析
常法に従って実施例１において製造したサンプル１、２及び３を使用して、透過型電子顕微鏡サンプルを調製し、透過型電子顕微鏡で観察を行った（×２０，０００）。
得られた透過型電子顕微鏡像を図３〜５に示す（サンプル１：図３、サンプル２：図４、サンプル３：図５）。
また、電子顕微鏡観察において、電子顕微鏡に備え付けの電子線解析装置により、図３の中央の粒子及び図４の○印を付した粒子及び図５中の粒子の中央部について、電子線回折解析を行った。得られた回折像を図６〜８に示す（サンプル１：図６、サンプル２：図７、サンプル３：図８）。また、これらの回折像における各スポットの位置及び配向性を示す概略図を図９〜１１に示す（サンプル１：図９、サンプル２：図１０、サンプル３：図１１）。これらの回折像及びその概略図から明らかな通り、コラーゲンを含まないサンプル１及び２においてはｃ軸上に明確なスポットが認められ、各サンプルのｃ軸配向性が明確に確認された。またサンプル１及び２においてはａ軸上にもスポットが認められ、ａ軸配向性も確認された。またサンプル３においてはｃ軸を中心としてその約±４５°の範囲において三日月形のスポットが認められ、同様にｃ軸配向性が確認された。
２−４ 機械的強度の測定
上記実施例１で得られた各サンプルの機械的強度を測定した。すなわち、実施例１のサンプルを一軸プレスで脱水した後、５０ＫＨｚ程度の微細振動を当てながら等方加圧して製造した３ｍｍ×５ｍｍ×２０ｍｍのサンプルを万能試験機（島津製作所社製）を用いて三点曲げ試験を行った（表２）。その結果、コンドロイチン硫酸とコラーゲンの重量％の合計が一定の場合は、コラーゲンの比率が高まるにつれて機械的強度が増すことが明らかとなった。
【表２】
医用材料の製造例
１．人工関節用軟骨
実施例１で得られたサンプル１の１２０ｇを、５０ＭＰａの圧力で５０ＫＨｚ程度の微細振動を加えながら２時間、等方加圧して成形した後、ダイヤモンドカッター及び旋盤により、人工関節用の人工関節軟骨を製造した。
２．骨板
実施例１で得られたサンプル４の３０ｇを、２００ＭＰａの圧力で５０ＫＨｚ程度の微細振動を加えながら２時間、等方加圧して成形した後、ダイヤモンドカッター及び旋盤により骨板を製造した。
３．骨固定釘の被覆
市販品の酸化チタン製の骨固定釘（キュンチャー釘：Ｋｕｎｔｓｃｈｅｒ ｎａｉｌ）に実施例１で得られたサンプル３の１２０ｇを塗布して風乾した。その後旋盤により研磨して固定釘を製造した。
【発明の効果】
本発明により、生体内の硬組織に骨材料等として適用することが可能であって、原子が高い配向性で配列しており高い強度を均一に有する新規なグリコサミノグリカン無機イオン複合体が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明のＧＡＧ無機イオン複合体（サンプル１）の赤外吸収スペクトルを示す図である。
【図２】 本発明のＧＡＧ無機イオン複合体（サンプル１）のＸ線結晶解析を示す図である。
【図３】 本発明のＧＡＧ無機イオン複合体（サンプル１）の透過型電子顕微鏡写真である。
【図４】 他の本発明のＧＡＧ無機イオン複合体（サンプル２）を透過型電子顕微写真である。
【図５】 さらに別の本発明のＧＡＧ無機イオン複合体（サンプル３）を透過型電子顕微鏡写真である。
【図６】 図３中央の粒子の電子線回折像写真である。
【図７】 図４中の○印を付した粒子の電子線回折像写真である。
【図８】 図５の粒子の中央部の電子線回折像写真である。
【図９】 ＧＡＧ無機イオン複合体（サンプル１）を透過型電子顕微鏡により観察した際に得られた電子線回折像を解説する模式図である。
【図１０】 他のＧＡＧ無機イオン複合体（サンプル２）を透過型電子顕微鏡により観察した際に得られた電子線回折像を解説する模式図である。
【図１１】 さらに別のＧＡＧ無機イオン複合体（サンプル３）を透過型電子顕微鏡により観察した際に得られた電子線回折像を解説する模式図である。BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention is a glycosaminoglycan inorganic ion complex having excellent moldability and strength, and a method for producing the same, useful as bone materials such as bone and tooth replacement materials, bonding materials, and restoration materials of animals including humans, The present invention also relates to a medical material containing the glycosaminoglycan inorganic ion complex.
[Prior art]
Conventionally, as a material (bone material) having osteoconductivity (ability to enter bone material filled in bone material) used for repair when bone is lost due to trauma or cancer, titanium oxide, Hydroxyapatite, tricalcium phosphate and the like have been used. Furthermore, materials further including glycosaminoglycans such as collagen and chondroitin sulfate are known for the purpose of imparting bone forming ability to these materials or maintaining the shape of these materials.
For example, JP-A-62-64367 discloses an artificial bone composition comprising a composite of hydroxyapatite and a glycosaminoglycan such as chondroitin sulfate bound to collagen. The object is described as having the ability to form bone.
Japanese Patent Application Laid-Open No. 3-141956 discloses a bone filler in which a hydroxyapatite powder is made into a fluid state and a plastic state with a chondroitin sulfate-containing aqueous solution, and this material is used for bone tissue defects and voids. It describes that it has excellent filling properties and high biocompatibility characteristics, and makes it easy to maintain and fill the shape of powdery or granular hydroxyapatite, which has a problem in shape retention.
Furthermore, JP-A-7-101708 describes a composite of apatite and collagen or polysaccharide that can be used for artificial bones, artificial tooth roots, etc. as an apatite-organic composite, and it is possible to adjust strength and elasticity. It is described that it is.
[Problems to be solved by the invention]
As described above, research has been conducted on bone materials that can be used as bone or tooth replacement materials, bonding materials, restoration materials, and the like. However, conventional bone materials have not been sufficient in hardness, strength, uniformity thereof, biocompatibility, and the like.
For example, all the materials so far have a hardness different from that of the hard tissue existing in the living body, and the bone material such as metal and sintered apatite, which is a hard material compared to the hard tissue, has a normal hard tissue in the living body. There was also destruction. In addition, bone materials mainly composed of unsintered hydroxyapatite and the like are similar in composition to hard tissues in vivo, but do not have sufficient hardness and have a problem of breaking in vivo. there were. When mixing any substance with hydroxyapatite in order to increase its strength, it is difficult to obtain a uniform strength throughout the created bone material, and the bone material is still produced due to distortion in the high and low strength portions. There was a problem of being destroyed in the body. This is because it was difficult to obtain a structure in which atoms and molecules, and particles and crystals of bone material necessary for obtaining a uniform and sufficient strength were arranged with high orientation.
Furthermore, conventional bone materials generally have low biocompatibility, and when introduced into hard tissue, the promotion of hard tissue regeneration and fusion with hard tissue does not occur sufficiently, resulting in bone regeneration of bone hard tissue. There was a problem that the material would interfere.
Therefore, it is expected to develop a highly oriented bone material that has at least the same strength as conventionally known bone materials, promotes the regeneration of hard tissues, fuses with hard tissues, and has uniform strength. It was.
[Means for Solving the Problems]
In view of the above-mentioned problems of the conventional bone material, the present inventors promote the regeneration of the hard tissue in the vicinity of the introduction portion when it is introduced into the hard tissue of the living body, fuse with the hard tissue, and have high orientation and high We have eagerly searched for new substances that can be used as bone materials with strength and moderate elasticity.
As a result, glycosaminoglycan in the ion-binding reaction between phosphate ions and calcium ions in the synthesis of ordinary calcium phosphate compounds such as hydroxyapatite (hereinafter also referred to as “HAp”), tricalcium phosphate, and amorphous calcium phosphate. (Hereinafter also referred to as “GAG”), and optionally coexisting with collagen, it is composed of a complex in which GAG, phosphate ions and calcium ions and optionally collagen are bound to each other. The crystals of the composites are regularly arranged with high orientation, and the composite particles themselves have high orientation, so that they have high strength and elasticity, high biocompatibility, and hard tissues in vivo. New GAG inorganic ion that can be used as an excellent bone material It found that emissions complexes are obtained.
And it discovered that this composite_body | complex showed the specific crystal orientation in electron beam diffraction, and was characterized by it.
Therefore, the present invention comprises a complex in which at least glycosaminoglycan, phosphate ion and calcium ion are chemically bound, and shows a diffraction image showing c-axis orientation with respect to the long axis of the particle of the complex in electron beam diffraction. The present invention provides a glycosaminoglycan inorganic ion complex characterized by showing (002n: n is a positive integer) (hereinafter also referred to as “the substance 1 of the present invention”).
According to a preferred embodiment of the substance 1 of the present invention, a diffraction image showing a c-axis orientation in the range of 0 ± 45 ° and 180 ± 45 ° with respect to the long axis of the composite particles in electron beam diffraction (002n: n is a positive integer), wherein the glycosaminoglycan inorganic ion complex includes 1 to 99% by weight of glycosaminoglycan by dry weight, The above-mentioned glycosaminoglycan inorganic ion complex substantially consisting only of glycosaminoglycan, phosphate ion and calcium ion; and the long axis length of the particles is 60 to 1000 nm A glycosaminoglycan inorganic ion complex is provided.
In one preferred embodiment of the glycosaminoglycan inorganic ion complex, the glycosaminoglycan inorganic ion complex further includes collagen in addition to the three components, and the collagen is chemically combined with each component of the complex. A bound complex (hereinafter also referred to as “the
According to a preferred embodiment of the
According to another aspect of the present invention, there is provided a glycosaminoglycan inorganic ion complex characterized in that at least glycosaminoglycan, phosphoric acid and calcium hydroxide are mixed in an aqueous solvent and precipitated from the mixed solution. Provide a method.
According to a preferred embodiment of the method for producing a glycosaminoglycan inorganic ion complex of the present invention, collagen is further mixed, and the method for producing a glycosaminoglycan inorganic ion complex; A method for producing the glycosaminoglycan inorganic ion complex characterized in that mixing is performed under conditions; a method for producing the glycosaminoglycan inorganic ion complex characterized in that mixing is performed under alkaline conditions; And the glycosaminoglycan is a substance selected from the group consisting of chondroitin sulfate A, chondroitin sulfate B, and chondroitin sulfate C, and a method for producing the glycosaminoglycan inorganic ion complex is provided. .
As yet another aspect, the present invention provides a medical material containing the glycosaminoglycan inorganic ion complex of the present invention.
Incidentally, the composition for artificial bone comprising a composite of hydroxyapatite and glycosaminoglycan bonded to collagen disclosed in JP-A-62-64367 is obtained by adding hydroxyapatite and chondroitin sulfate to collagen. It is a composite obtained by freeze-drying a mixture, and the production method is completely different from the glycosaminoglycan inorganic ion complex of the present invention. In the above prior art, the atomic arrangement is uniaxially oriented as in the substance of the present invention. There is no description about the complex having sex and there is no description suggesting it.
Similarly, the bone filler disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 3-141956 is also completely different from the glycosaminoglycan inorganic ion complex of the present invention in the production method. There is no description of a complex having a uniaxial orientation, and there is no description suggesting it.
Furthermore, JP-A-7-101708 does not describe the glycosaminoglycan inorganic ion complex of the substance of the present invention. In addition, functional groups to which calcium ions or phosphate ions are regularly bonded exist in GAG, but such functional groups do not exist at regular intervals in collagen, so collagen, phosphate, and calcium are aqueous. Even when mixed in a solvent, it is impossible to obtain a composite having high orientation.
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The present invention is described in detail below.
1. GAG inorganic ion complex of the present invention
Hereinafter, the inventive substance 1 and the
1-1 Substance 1 of the present invention
The substance 1 of the present invention is a complex in which at least glycosaminoglycan, phosphate ions and calcium ions are chemically bound, and can be precipitated as particles from a solution containing each component. It is characterized by showing a diffraction image (002n: n is a positive integer) showing c-axis orientation with respect to the long axis of the composite particles. As will be described later, the substance 1 of the present invention is in the range of 0 ± 60 ° and 180 ± 60 °, particularly 0 ± 45 ° and 180 ± 45 ° with respect to the long axis of the particles of the composite in electron beam diffraction. It is preferable to show a diffraction image showing axial orientation (002n: n is a positive integer). In general, glycosaminoglycan (GAG) is a polysaccharide having a basic skeleton composed of a repeating structure of disaccharide units of hexuronic acid or galactose and hexosamine, and GAG excluding hyaluronic acid and chondroitin has a partial hydroxyl group of the constituent sugar In particular, it is sulfated and the amino group is acetylated or sulfated. Examples of the hexuronic acid include glucuronic acid and iduronic acid, and examples of the hexosamine include glucosamine and galactosamine.
Examples of glycosaminoglycans that can be used in the GAG inorganic ion complex of the present invention include hyaluronic acid (HA), chondroitin, chondroitin sulfate (CS), heparin, heparan sulfate, keratan sulfate, keratan polysulfate, and the like. However, among them, hyaluronic acid known to promote blood vessel induction in bone regeneration or chondroitin sulfate widely present in hard tissues is preferable, and chondroitin sulfate is most preferable.
The GAG contained in the GAG inorganic ion complex of the present invention is not limited to a single type of GAG, and may be a plurality of types of GAG selected from the GAGs.
When a plurality of GAGs are included in the GAG inorganic ion complex of the present invention, it is preferable that either or both of HA and CS are included, and the total weight of HA and CS in the dry weight is the amount of other GAGs. Preferably higher than total weight
The chondroitin sulfate is a sulfated polysaccharide having a basic structure of a repeating structure in which a disaccharide unit in which glucuronic acid or iduronic acid and N-acetylgalactosamine are bonded through a β1-3 bond is bonded through a β1-4 bond. Chondroitin sulfate is classified into several types depending mainly on the position at which the sulfate group binds. Among them, chondroitin sulfate A (chondroitin 4-sulfate: N- in which the basic skeleton is glucuronic acid and the 4-position hydroxyl group is sulfated) Chondroitin sulfate (mainly composed of chondroitin sulfate formed by repeating structure of disaccharides of acetylgalactosamine), chondroitin sulfate B (dermatan sulfate: basic skeleton of iduronic acid and 4-position hydroxyl group sulfated N-acetylgalactosamine disaccharide And the chondroitin sulfate C (chondroitin 6 sulfate: the basic skeleton of glucuronic acid and the 6-position hydroxylated sulfated N-acetylgalactosamine disaccharide) Condo formed by As main components) are preferred Ichin sulfate, preferable are distributed more in particular chondroitin sulfate A and chondroitin sulfate C is hard tissue.
Although the weight average molecular weight of GAG contained in the above-mentioned substance 1 of the present invention is not particularly limited, when GAG is chondroitin sulfate, it is generally about 8,000 to 100,000, preferably about 10,000 to 60,000. When GAG is hyaluronic acid, it is about 30,000 to 5,000,000, preferably about 100,000 to 2,000,000.
The structure of the substance 1 of the present invention is presumed to be a structure in which GAG is present in the center of the particle and phosphate ions and calcium ions are bound to GAG. GAG, phosphate ions and calcium ions It is preferable that the crystal | crystallization which consists of chemically couple | bonds. Examples of the chemical bond generally include an ionic bond, a covalent bond, and a coordination bond.
The formation of these bonds means that the bonds exist in the molecular structure of glycosaminoglycan by infrared spectroscopic analysis such as FT-IR (Fourier transform infrared spectroscopy) described in Examples. The characteristic absorption of atomic groups (carboxyl groups (COO) and sulfated sulfinyl groups (SO) in the case of glycosaminoglycans having sulfate groups) that are considered to be involved in This can be confirmed by the shift in the direction, that is, the shift to the lower wave number side compared to the characteristic absorption of each atomic group in the free GAG.
For example, when the most preferable chondroitin sulfate is used as GAG, the binding of CS to phosphate ions and calcium ions is determined by analysis by FT-IR, with the characteristic absorption of SO and the characteristic absorption of COO (1227 cm). -1 And 1653 cm -1 Is 1222cm each -1 And 1647cm -1 It can be confirmed by shifting to the red.
A broad peak is detected in the diffraction profile obtained when the particles of the substance 1 of the present invention are analyzed by a normal X-ray crystallography apparatus (see FIG. 2).
Furthermore, it is preferable that this invention substance 1 contains the hexagonal columnar crystal which has the crystal | crystallization parameter described below when baking and removing an organic part.
For monoclinic system:
Space group: P2 1 / B or Pb
Lattice constant:
P2 1 / B, a = 0.842 nm, b = 1.844 nm, c = 0.589 nm, γ ≧ 120 °,
In the case of Pb, a = 0.942-0.953 nm, b = 1.844 nm, c = 0.589 nm, γ ≧ 120 °
For hexagonal system:
Space group: P6 3 / M or P6
Lattice constant:
P6 3 / = 0, a = 0.942 nm, c = 0.689 nm
In the case of P6, a = 0.942 to 0.953 nm, c = 0.689 nm
In general, hydroxyapatite (Ca 10 (OH) 2 (PO 4 ) 6 ) Is a small amount of carbon dioxide in the air that was dissolved in the solution at the time of synthesis, and phosphoric acid (PO) in the above chemical formula. 4 ) Is carbonic acid (CO 3 ) Or by allowing a divalent metal cation such as sodium ion or zinc ion to coexist during synthesis, so that calcium (Ca) in the above formula is sodium (Na), zinc (Zn), etc. It is known that these metals can be partially substituted. Even in the GAG inorganic ion complex of the present invention, the substitution according to the above-mentioned example can partially occur. However, substances having such partial substitution are also included in the GAG inorganic ion complex of the present invention. Especially CO 3 The substance 1 of the present invention including substitution can take a space group of Pb when the crystal system is monoclinic system and P6 when the crystal system is hexagonal system.
In addition, the GAG inorganic ion complex of the present invention can be partially substituted as described above, but preferably consists essentially of glycosaminoglycan, phosphate ion and calcium ion. Furthermore, water may be contained within a range not inhibiting the chemical binding of GAG, phosphate ions, and calcium ions.
As described above, the substance 1 of the present invention has GAG in the center, and can exist as particles having a structure in which the GAG is chemically bonded to phosphate ions and calcium ions. The structure is arranged with a certain orientation. Here, “orientation” refers to the arrangement of molecules or particles while maintaining a certain direction.
In the particles of the substance 1 of the present invention, the above-mentioned crystal has c-axis orientation, and the c-axis of the lattice structure (Bravais lattice) formed by atoms constituting the crystal is the long axis of the particle Preferably, the crystals are arranged so as to be parallel to each other.
The crystal orientation is, for example, 002n (where n is a positive integer) in electron beam diffraction using an electron beam diffracted when electrons are incident on an object existing in the field of view in a transmission electron microscope. It can be confirmed by observing the image (plot showing the direction of the c-axis). Due to such crystal orientation, the substance 1 of the present invention is uniform and excellent as a bone material throughout.
The diffraction pattern of 002n (n is a positive integer) is preferably in the range of 0 ± 60 ° and 180 ± 60 °, more preferably 0 ± 45 ° and 180 ± 45 ° with respect to the long axis of the particle. It is what is observed inside. Since the substance 1 of the present invention having a crystal orientation capable of obtaining such a diffraction image has orientation at the molecular or atomic level, it has excellent mechanical strength as a bone material and moderate elasticity (Young's modulus) close to bone. 20 Gpa or less).
The substance 1 of the present invention preferably contains 1 to 99% by weight, preferably 5 to 60% by weight, particularly 7 to 40% by weight of the above-mentioned GAG based on the dry weight. The higher the weight% of GAG, the lower the strength of the GAG inorganic ion complex 1 of the present invention. For example, when the weight percentage of GAG is 40%, the mechanical strength (bending strength) is about 13 MPa, and when the weight percentage of GAG is 7%, the mechanical strength is about 25 MPa. In addition, the elastic modulus also changes depending on the ratio of GAG wt%, and within the range of 5-60 wt%, the Young's modulus indicating the elastic modulus decreases to about 1 GPa as the GAG wt% increases, and the weight of GAG If% is low, the Young's modulus increases to about 7 GPa. As described above, the mechanical strength and the elastic modulus can be appropriately adjusted according to the purpose of use by changing the weight percentage of GAG.
In observation with an electron microscope, the particles of the substance 1 of the present invention have a crystal composed of phosphate ions and calcium ions having a diameter of 20 to 150 nm, preferably 30 to 60 nm, mainly GAG, 60 to 1000 nm, preferably 100. For example, when hyaluronic acid having a molecular weight of 1,200,000 is used as a glycosaminoglycan, it may be 3 μm or more.
1-2
The
The
Collagens that can be used for the
The structure of the
The diffracted image of 002n (n is a positive integer) is preferably 0 ± 60 ° and 180 ± 60 °, more preferably 0 ± 45 with respect to the long axis of the particle, as in the case of the substance 1 of the present invention. Observed within the range of ° and 180 ± 45 °. The
In addition, it is preferable that the red shift is observed by the infrared spectroscopic analysis method of the
Further, the
Similar to the inventive substance 1, in the
The length of the long axis of the particles of the
In the
The
In addition, the elastic modulus of the
Therefore, it is possible to appropriately adjust the mechanical strength and elastic modulus according to the purpose of use by changing the ratio of GAG and collagen and the total of their weight%.
2. Method for producing GAG inorganic ion composite of the present invention
The production method of the present invention is a method for producing a GAG inorganic ion complex of the present invention, wherein at least GAG, phosphoric acid and calcium hydroxide, and optionally collagen are mixed and precipitated in an aqueous solvent.
The aqueous solvent in the production method of the present invention refers to a solvent containing water, and examples thereof include water, water containing a solute, aqueous buffer solution, and water containing a water-soluble organic solvent, and water is most preferred. There is no limitation as long as it does not interfere with the formation of the GAG inorganic ion complex.
The mixing of GAG, phosphoric acid and calcium hydroxide in the production method of the present invention is carried out in an aqueous solvent. For example, (1) GAG is dissolved in a phosphoric acid aqueous solution in advance, and the solution and the calcium hydroxide aqueous solution are mixed. Method of mixing, (2) Method of adding phosphoric acid aqueous solution and calcium hydroxide aqueous solution to GAG solution and mixing, (3) GAG dissolved in calcium hydroxide aqueous solution, and mixing the solution and phosphoric acid aqueous solution The weight percent of GAG in the GAG inorganic ion complex produced by the method (1) or (3) in which GAG is previously dissolved in a phosphoric acid aqueous solution or a calcium hydroxide aqueous solution is used. It is preferable because it is easy to control.
The selection of whether GAG is pre-dissolved in an aqueous phosphoric acid solution or pre-dissolved in an aqueous calcium hydroxide solution is determined in consideration of the stability of GAG in the solution. For example, the structure is unstable under alkaline conditions. When hyaluronic acid, which is known to have high stability under acidic conditions, is used as GAG, it is preferably dissolved in an acidic phosphoric acid aqueous solution in advance, and also under acidic conditions under alkaline conditions. In the case of using chondroitin sulfate, which is relatively stable, as GAG, it is possible to carry out the production method of the present invention even if it is previously dissolved in either a phosphoric acid aqueous solution or a calcium hydroxide aqueous solution. In particular, since chondroitin sulfate is known to coprecipitate by coexisting with collagen, when synthesizing the
When GAG is previously dissolved in a phosphoric acid aqueous solution or a calcium hydroxide aqueous solution, the GAG is 0.05 to 2.5% (w / v), more preferably 0.1 to 2.0% (w / v It is preferable to dissolve it at a concentration of 1), but it can be appropriately adjusted according to the weight% of GAG contained in the target substance of the present invention. In this case, in the mixing of the aqueous calcium hydroxide solution and the aqueous phosphoric acid solution, as described later, the concentration of each aqueous solution in which the ratio of calcium ion to phosphate ion at the time of mixing is 5: 3, and the flow rate at the time of mixing are set as follows. In order to set, it is preferable to set the GAG concentration accordingly.
In the production method of the present invention, constituent components are mixed in a solution under alkaline conditions, for example, pH 7.0 to 12.0, preferably pH 7.3 to 10.5, particularly about pH 8.0 to 9.0. It is preferable.
When producing the “
When collagen is dissolved in an aqueous phosphoric acid solution, it is preferable to dissolve collagen at 0.01 to 1.0% (w / v), preferably 0.05 to 8.0% (w / v). It can be appropriately adjusted according to the weight% of collagen in the
The aqueous phosphoric acid solution is preferably an aqueous solution having a pH of 2.0 to 3.5, preferably a pH of 2.5 to 3.2 and a concentration of 0.01 to 0.20 mol / l, particularly 0.02 to 0.15 mol / l. . The aqueous calcium hydroxide solution is preferably an aqueous solution having a concentration of 0.02 to 0.20 mol / l, particularly 0.03 to 0.18 mol / l. Here, the calcium hydroxide aqueous solution can be used even in the state of a suspension in which calcium hydroxide is not completely dissolved in water, and the total number of moles of calcium hydroxide in the suspension is determined. The value divided by the volume of the suspension may be as described above. That is, the calcium hydroxide aqueous solution in this specification also conceptually includes a calcium hydroxide suspension.
The mixing of the phosphoric acid aqueous solution and the calcium hydroxide aqueous solution in the production method of the present invention is performed by adjusting the flow rate so that the molar ratio of calcium ions to phosphate ions is always 5: 3. For example, when the concentration of the phosphoric acid aqueous solution is set to 0.09 mol / l and the concentration of the calcium hydroxide aqueous solution is set to 0.15 mol / l, the flow rates of the phosphoric acid aqueous solution and the calcium hydroxide aqueous solution are set to the same flow rate. To do. However, it is preferable that the flow rate is always 10 to 100 ml / min, particularly about 40 to 90 ml / min. However, the pH of the mixed solution is particularly changed due to the abrupt pH change due to the mixing of the phosphoric acid aqueous solution and the calcium hydroxide aqueous solution. There is no particular limitation as long as the flow rate does not deviate from 7.0 to 12.0. The mixing of the above solutions is preferably carried out at 25 to 50 ° C., preferably 30 to 45 ° C., particularly 35 to 42 ° C. with stirring. In the method of the present invention, GAG, phosphoric acid and calcium hydroxide are mixed in an aqueous solvent to obtain the GAG inorganic ion complex of the present invention as a white precipitate and fine particles. In particular, in the embodiment of the method of the present invention in which no collagen is added, the GAG inorganic ion complex of the present invention precipitates as fine particles forming a monodisperse sol. The precipitated white precipitates and fine particles are isolated from the reaction mixture to obtain the GAG inorganic ion complex of the present invention. In the state of the reaction mixture, it is 1 to 48 hours, preferably 10 to 35 hours, more preferably 20 to 30. The GAG inorganic ion complex of the present invention in which crystals formed by binding of phosphate ions and calcium ions are more densely arranged by standing at about 20 to 50 ° C., preferably 35 to 42 ° C. for about an hour. Since it can manufacture, it is preferable.
In the production method of the present invention, GAG, phosphoric acid, and calcium are mixed to bind to the hydroxyl group or amino group of the GAG repeating structure, depending on the carboxyl group present for each disaccharide residue, and depending on the type of GAG. It is considered that the sulfate group and calcium ions are ionically and regularly bound, and phosphate ions are bound to the calcium ions to form the substance 1 of the present invention.
Further, when collagen is present, it is considered that the substance 1 of the present invention is arranged along the helical structure of collagen and chemically bonded to form the
3. Medical material of the present invention
The medical material of the present invention is a medical material containing the GAG inorganic ion complex of the present invention. The medical material of the present invention is a material for applying to a hard tissue in a living body, and can be used as a bone material such as a replacement material, a bonding material, and a restoration material, for example.
Examples of the hard tissue include cartilage, bone, and teeth, and the medical material of the present invention can be applied to any of them. In particular, since the composition and highly oriented structure of the GAG inorganic ion complex of the present invention is particularly similar to bone and cartilage, when applied to bone or cartilage, it not only becomes integral with bone and cartilage. Since it is metabolized in the same manner as bone and cartilage (degradation by osteoclasts and bone reconstruction), it is preferably applied to bone or cartilage.
As a specific example of the application of the medical material of the present invention to a bone, for example, as a bone substitute or an artificial substitute bone that introduces a medical material molded into the shape of a defect portion thereof into a site such as a fracture or a bone defect as a bone substitute In addition to application examples, examples of use as fixed nails that are commonly used in fracture nailing, bone plate shapes, or existing fixed nails and / or bone plate surfaces An example of application in which the coating is used.
In addition, it is known that there is a process in which a cartilage callus is first formed at the time of bone formation and becomes a bone after the cartilage callus becomes a bone callus. Since the medical material of the present invention having a mechanical strength of 10 to 30 MPa is converted into a bone through a bony callus similar to a cartilage callus, it can be used more widely as a bone formation promoter. It is.
Furthermore, as another aspect of the application example to the bone, there is an injection in which the substance 1 of the present invention obtained as fine particles is suspended in water for injection or phosphate buffered saline (PBS). And a medical material that directly administers to a bone defect and promotes bone regeneration at the administration site.
In addition, as a specific example of the application of the medical material of the present invention to cartilage, it is possible to cover the movable part of the artificial joint with the medical material of the present invention. For example, in an artificial joint created on a bone axis in a surgical operation, As a substitute for the articular cartilage, the base material surface can be used by covering the base material of the artificial joint with each other or a portion where the base material and the living articular cartilage contact each other. The GAG inorganic ion complex of the present invention used in this way is preferably the GAG inorganic ion complex of the present invention having a mechanical strength and high elasticity comparable to cartilage, and in particular, the substance 1 of the present invention containing 20% by weight or more of GAG. In addition, the
In the production of the medical material of the present invention, the precipitate of the GAG inorganic ion complex of the present invention obtained as a precipitate by the production method of the present invention is recovered by ordinary solid-liquid separation means such as decantation, filtration and centrifugation. After that, it can be molded into a shape as needed, or applied to the surface of an existing fixed nail, bone plate, or artificial joint substrate, and then dried and polished to obtain a molded medical material. it can.
The above molding can be performed by, for example, filling a dialysis membrane or the like and drying it, or drying the precipitate by an operation such as removing moisture with a press, but at 10 to 60 ° C., particularly 20 to 50 ° C. Preferably it is done. Further, by applying fine vibration (1 KHz to 1 MHz, more preferably 20 KHz to 100 KHz) during drying, the particles of the GAG inorganic ion complex of the present invention are more dense and the long axes of the particles are parallel to each other. Although it is preferable to facilitate the arrangement, it is not limited to this.
For example, as a molding method using the above-mentioned press, dehydration is performed using a uniaxial press or the like, and then isotropically pressed (CIP) while applying the above-described fine vibration under a condition of 20 to 50 ° C. It is possible, but not limited to this. In particular, when a press is used, it is possible to obtain a high-strength dense medical material having elasticity by arranging particles so that the long axes are parallel to each other.
Moreover, when the said press is used for shaping | molding, it is possible to adjust a moisture content with the time which applies the pressure and pressure. Since the GAG inorganic ion complex before isotropic pressurization is in a state of precipitation or fine particles, its moisture content is 45% or more, preferably 50% or more. For example, the medical material obtained by continuing to apply pressure at 200 MPa for 5 to 10 hours has a moisture content of about 10 to 15%, and the moisture content of the medical material obtained by continuing to apply pressure at 50 MPa for 2 hours is approximately 50%. It will be about. The moisture content can be adjusted as appropriate. For example, the medical material of the present invention applied as a cartilage material such as artificial cartilage preferably has a water content of about 50%, but is not limited thereto.
Furthermore, a porous medical material can be produced. In this case, a porous medical material can be produced by freeze-drying the obtained precipitate of the substance of the present invention. The porous medical material thus obtained is used as a known hard tissue regeneration-promoting substance (for example, fibroblast growth factor (FGF), transforming growth factor (TGF), interleukin 6, platelet derived cartilage). Growth factor, chondromodulin, bone morphogenetic protein (BMP), bone-derived growth factor (BDGF), skeletal growth factor (SGF), vitamin D (active / inactive), calcitonin, interleukin 4, estrogen, amelogenin, It is possible to use the medical material of the present invention as a sustained-release preparation of the substance by immersing in a solution of enamelin or the like.
Furthermore, it is widely known that GAG can produce a crosslinked product by using a metal ion or an appropriate crosslinking agent, but the GAG inorganic ion complex of the present invention also forms a crosslinked product. It is possible to add a medical material having better mechanical strength and / or elasticity by adding a metal ion or a crosslinking agent for producing a crosslinked product after the above molding or when molding. It is also possible to manufacture.
When the medical material of the present invention is applied to the femur and articular cartilage of a rabbit, the movement of osteoblasts to the application site is observed in about 2 weeks after application, and fusion with the surrounding hard tissue is observed in about 4 weeks after application. Further, after 8 weeks, complete fusion was observed, and when administered subcutaneously, it was decomposed in about 8 weeks, and no foreign body reaction such as allergic reaction was observed. The safety for mammals is high.
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples.
Example 1
Production of GAG inorganic ion complex of the present invention
Calcium hydroxide was dissolved in 1 liter of water to produce an aqueous calcium hydroxide solution, and chondroitin sodium sulfate A (manufactured by Seikagaku Corporation) was dissolved (Ca-CS solution). One liter of an aqueous phosphoric acid solution having a pH of 2.7 was prepared (P solution). In the production of the substance 1 of the present invention, the P solution was used as it was. Collagen (type II) was dissolved in a phosphoric acid aqueous solution for the production of the
Ca-CS solution and P solution (P-Col solution) were mixed at 40 ° C. with stirring at flow rates of 70 ml / min and 70 ml / min, respectively. The flow rate was appropriately adjusted while monitoring the pH using a pH meter so that the pH during the reaction was 9.0. After completion of the reaction, the reaction mixture was allowed to stand at 40 ° C. for 24 hours. Thereafter, the precipitate and fine particles were collected by filtration to produce a GAG inorganic ion complex (Samples 1 to 4).
[Table 1]
Example 2
Physical property analysis of each substance of the present invention
2-1 Analysis by Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR)
The infrared absorption of samples 1 to 4 obtained in Example 1 was measured using a diffuse reflection method. That is, after each sample of Example 1 was dehydrated with a uniaxial press, the molded cured product produced by isostatic pressing while applying a fine vibration of about 50 KHz was crushed into a powder, 50 mg was collected, and odor was obtained. This mixed powder mixed with 500 mg of potassium halide was measured with an infrared Fourier transform spectrophotometer (SPECTRUM2000: manufactured by Perkin Elmer). As an example of the obtained infrared absorption spectrum, the infrared absorption spectrum of Sample 1 is shown in FIG. In the results of each sample, the characteristic absorption of red-shifted SO (1222 cm -1 ), Red-shifted COO characteristic absorption (1647cm -1 It was revealed that all the samples were integrated with chondroitin sulfate, phosphate, and calcium by chemical bonds.
2-2 X-ray crystallography
X-ray crystal analysis of samples 1 to 4 obtained in Example 1 was performed according to a conventional method.
As a result, in all samples, broad peaks were observed at 26 and 32 (both 2θ).
Further, after each sample was calcined at 800 ° C. for 3 hours, the X-ray crystal analysis was performed as described above. As a result, it changed greatly compared with before firing, the organic portion disappeared, and a sharp peak was observed.
An example of X-ray crystallographic analysis before and after firing is shown in FIG. 2 (Sample 1).
The fired material was an aggregate of hexagonal columnar crystals having the following crystal parameters.
For monoclinic system:
Space group: P2 1 / B or Pb
Lattice constant:
P2 1 / B, a = 0.842 nm, b = 1.844 nm, c = 0.589 nm, γ ≧ 120 °,
In the case of Pb, a = 0.942-0.953 nm, b = 1.844 nm, c = 0.589 nm, y ≧ 120 °
For hexagonal system:
Space group: P6 3 / M or P6
Lattice constant:
P6 3 / = 0, a = 0.942 nm, c = 0.689 nm
In the case of P6, a = 0.942 to 0.953 nm, c = 0.689 nm
2-3 Transmission electron microscope (TEM) analysis
A transmission electron microscope sample was prepared using
The obtained transmission electron microscope images are shown in FIGS. 3 to 5 (Sample 1: FIG. 3, Sample 2: FIG. 4, Sample 3: FIG. 5).
In addition, in electron microscope observation, electron beam diffraction analysis was performed on the center particle in FIG. 3, the particle marked with a circle in FIG. 4, and the center portion of the particle in FIG. went. The obtained diffraction images are shown in FIGS. 6 to 8 (Sample 1: FIG. 6, Sample 2: FIG. 7, Sample 3: FIG. 8). Moreover, the schematic which shows the position and orientation of each spot in these diffraction images is shown in FIGS. 9 to 11 (Sample 1: FIG. 9, Sample 2: FIG. 10, Sample 3: FIG. 11). As is clear from these diffraction images and its schematic diagram, in
2-4 Measurement of mechanical strength
The mechanical strength of each sample obtained in Example 1 was measured. That is, after the sample of Example 1 was dehydrated with a uniaxial press, a sample of 3 mm × 5 mm × 20 mm manufactured by applying isotropic pressure while applying fine vibration of about 50 KHz was used using a universal testing machine (manufactured by Shimadzu Corporation). A three-point bending test was performed (Table 2). As a result, it has been clarified that when the sum of chondroitin sulfate and the weight percent of collagen is constant, the mechanical strength increases as the ratio of collagen increases.
[Table 2]
Examples of manufacturing medical materials
1. Artificial joint cartilage
120 g of Sample 1 obtained in Example 1 was molded by isostatic pressing for 2 hours while applying fine vibrations of about 50 KHz at a pressure of 50 MPa, and then artificial joint cartilage for an artificial joint using a diamond cutter and a lathe. Manufactured.
2. Bone plate
30 g of the sample 4 obtained in Example 1 was molded by isotropic pressing for 2 hours while applying fine vibration of about 50 KHz at a pressure of 200 MPa, and then a bone plate was manufactured using a diamond cutter and a lathe.
3. Bone fixation nail coating
120 g of the
【The invention's effect】
According to the present invention, a novel glycosaminoglycan inorganic ion complex that can be applied to a hard tissue in a living body as a bone material or the like, and in which atoms are arranged with high orientation and has high strength uniformly, is provided. Provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing an infrared absorption spectrum of a GAG inorganic ion complex (sample 1) of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing an X-ray crystallographic analysis of a GAG inorganic ion complex (sample 1) of the present invention.
FIG. 3 is a transmission electron micrograph of the GAG inorganic ion composite of the present invention (Sample 1).
FIG. 4 is a transmission electron micrograph of another GAG inorganic ion complex of the present invention (sample 2).
FIG. 5 is a transmission electron micrograph of another GAG inorganic ion complex of the present invention (sample 3).
6 is an electron diffraction image photograph of the particle in the center of FIG.
7 is an electron diffraction image photograph of particles marked with a circle in FIG.
8 is an electron diffraction image photograph of the central part of the particle in FIG.
FIG. 9 is a schematic diagram illustrating an electron diffraction pattern obtained when a GAG inorganic ion complex (sample 1) is observed with a transmission electron microscope.
FIG. 10 is a schematic diagram illustrating an electron diffraction pattern obtained when another GAG inorganic ion complex (sample 2) is observed with a transmission electron microscope.
FIG. 11 is a schematic diagram illustrating an electron diffraction pattern obtained when another GAG inorganic ion composite (sample 3) is observed with a transmission electron microscope.
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