JP4349596B2

JP4349596B2 - アパタイトコーティング有機材料の製造方法

Info

Publication number: JP4349596B2
Application number: JP18829598A
Authority: JP
Inventors: 順三田中; 相勲李; 佐藤　　公泰; 正紀菊地; 正博森村; 伸一中谷; 佳宣萬代
Original assignee: Nitta Gelatin Inc; National Institute for Materials Science
Current assignee: Nitta Gelatin Inc; National Institute for Materials Science
Priority date: 1998-06-17
Filing date: 1998-06-17
Publication date: 2009-10-21
Anticipated expiration: 2018-06-17
Also published as: JP2000005298A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アパタイトコーティング有機材料の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来生体に植入されている人工材料は、素材の物性が優れているにも関わらず骨伝導能が不十分であったため、骨置換能や組織再建能が低く十分な医療効果をあげることができなかった。骨伝導能の不足を補うには生体骨の構成成分の一つであるアパタイト（ハイドロキシアパタイト）を用いて組成を生体骨と近似させることが望ましいが、基板として用いられる材料の多くはアパタイト形成能を有しないか、有するとしてもその能力は低いという問題がある。この問題を解決するため、イオン注入、プラズマ処理、強アルカリ処理等の表面処理を施して基板表面にアパタイト形成能をもたせることが行われているが、これらの表面処理の条件が過酷であるため利用できる基板材料がチタン金属、ステンレス、バイオガラスおよび一部の高分子等に限られる。そのため、例えばコラーゲンは生体に為害性がなく、入手も容易である点で優れた基板素材であるが、過酷な表面処理を行うとコラーゲン自体が劣化するため、コラーゲンの表面にアパタイト層を形成するためには煩雑な工程が必要とされる。したがって、コラーゲンの表面にアパタイト層を簡便な方法で形成する実用的な方法は未だ見出されていないのが現状である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、本発明の課題は、コラーゲンやセルロース等の親水基を有する有機材料の表面に穏和な条件下での処理によりアパタイト層を形成すること、すなわち、アパタイトコーティング有機材料の製造方法を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は、以下の構成を提供する。
少なくともリン酸イオンおよびカルシウムイオンを含み、かつ、前記カルシウムイオンの全量と錯塩を形成しうる量よりも少ない量のクエン酸を水溶液中におけるクエン酸の濃度が０．１〜５ｍＭとなるように含む水溶液に、コラーゲンおよび／またはセルロースのみを含み、コラーゲンに由来する親水基および／またはセルロースに由来する親水基を有する有機材料を浸漬することで、前記有機材料の表面にアパタイトを析出させる、アパタイトコーティング有機材料の製造方法。
【０００６】
上記において、アパタイトが炭酸イオン含有アパタイトである、ことができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明は、これまでアパタイトの結晶成長の阻害剤であると信じられてきた有機酸を用いて、逆にアパタイトの形成速度を高めることができた点に最大の特徴がある。すなわち、カルシウムイオンとリン酸イオンとを含む水溶液に、単に親水基を有する有機材料を浸漬しただけではアパタイトの析出は起こらないが、この水溶液中に有機酸を存在させることで、アパタイトの形成速度が高められ析出が始まるのである。その原理は定かではないが、有機酸が解離して生成した陰イオンがカルシウムイオンと複合体を形成し、これがアパタイトイオンの成長核となるものと推測される。さらに、有機酸が解離して生成した陰イオンは有機材料（基板成分）の親水基とも何らかの相互作用を起こし、さらにアパタイトの析出を促進するものと推測される。したがって、有機酸としてはカルボキシル基を２個以上有する多塩基酸が好ましく、例えば、クエン酸、イソクエン酸、コハク酸、フマル酸、リンゴ酸、シュウ酸等を例示することができる。これらは、生体内のいたるところに存在し、クエン酸回路を構成している点において好ましく、特にクエン酸が好ましい。
【０００８】
有機酸は従来から信じられてきたようにその使用量によってはアパタイトの形成を阻害する場合もあるため、水溶液中の有機酸の量は、水溶液中のカルシウムイオンの全量と錯塩を形成しうる量よりも少ない量である。すなわち、有機酸が一分子中にｎ個のカルボキシル基を有する場合、有機酸の濃度がカルシウムイオン濃度の３／ｎ倍以下であることが好ましい。より好ましくは３／２ｎ倍以下である。また、水溶液中の有機酸の濃度としては０．１〜５ｍＭの範囲であり、０．３〜２ｍＭの範囲がより好ましい。有機酸の使用量が多い場合はかえってアパタイトの形成を阻害する結果となりやすく、使用量が少ない場合はアパタイトの形成を促進する効果が低い。
【０００９】
コラーゲン膜を浸漬する水溶液にはアパタイトを形成するためのリン酸イオンとカルシウムイオンが含まれている必要がある。ここでリン酸イオンとしては、ＰＯ₄ ^3-、ＨＰＯ₄ ^2-およびＨ₂ＰＯ₄ ^-のいずれであってもよい。水溶液中のリン酸イオンの濃度としては０．３〜５ｍＭの範囲が好ましく、１〜２ｍＭの範囲がより好ましい。水溶液中のカルシウムイオンの濃度としては０．５〜１０ｍＭの範囲が好ましく、２．５〜５ｍＭの範囲がより好ましい。
【００１０】
水溶液中にはリン酸イオンとカルシウムイオンの他に各種イオンを含むことができ、特に生体内の体液や血液に含まれる、Ｈ⁺、Ｎａ⁺、Ｋ⁺、Ｍｇ²⁺等の陽イオンや、ＯＨ^-、Ｃｌ^-、ＣＯ₃ ^2-、ＨＣＯ₃ ^-、ＰＯ₄ ^3-、ＳＯ₄ ^2-等の陰イオンを適量含む水溶液が好ましい。このような各種イオンを含む水溶液としては、いわゆるＳＢＦ（Simulated Body Fluid：擬似体液）を使用することもできる。
【００１１】
また、水溶液のｐＨは５〜１０の範囲とすることが望ましく、ｐＨ６〜８がより好ましい。そのための有機緩衝剤を含むことができる。例えば、トリスヒドロキシルアミノメタン等を使用することができる。ｐＨが５未満では第二リン酸カルシウム塩が析出しやすくなり、ｐＨが１０より大きい場合には水酸化カルシウムが安定相となりアパタイトが析出しにくくなる。
【００１２】
本発明で基板として用いられる親水基を有する有機材料としては、コラーゲンおよび／またはセルロースのみを含むものが用いられる。また、基板として水溶性の基板（例えば水溶性タンパク質等）を用いるときは架橋反応等で不溶化してから用いることが望ましい。
【００１３】
本発明で用いられる親水基を有する有機材料の形状としては、特に限定されず、膜状、繊維状等の形状が挙げられる。
上記水溶液に親水基を有する有機材料を浸漬し、好ましくは温度２０〜４５℃で１日以上保持することで、有機材料表面にアパタイト層が析出する。通常粒径が０．１〜１μｍ程度の大きさの微粒子状のアパタイトが析出するので、アパタイト層の層厚は１〜１０μｍ程度となる。析出したアパタイト層には、用いた水溶液中に含まれる他の陽イオン、陰イオンに由来する成分が含まれることがある。例えば炭酸水素イオンを含む水溶液を用いると、炭酸イオンを含むアパタイト層が析出する場合がある。
【００１４】
本発明において有機材料としてコラーゲンを用いた場合に得られるアパタイトコーティングコラーゲン材料は、骨誘導能または骨伝導能を有するので、生体骨吸収置換型再建材として利用できる他、骨粗鬆症や骨欠損の吸収性補填材としても利用できる。また、プリオン（低分子量タンパクに起因するヤコブ病）等の疾病対策として頭蓋骨硬膜に用いられる人工硬膜としても利用できる。さらには、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理活性基材や抗癌剤等の生体融和型薬剤徐放性基材としても利用できる。これらにおいて、コラーゲンの形状を膜状とすることで薄く広く覆うことができるという効果が発揮される。具体的には、組織再生誘導法により大型骨欠損を覆うことにより骨再建をすることができる。
【００１５】
本発明において有機材料としてセルロースを用いた場合に得られるアパタイトコーティングセルロース材料はアパタイトのウイルスや細菌吸着能を利用して空気清浄用フィルター、機能性マスクに応用できる。またアパタイトのタンパク質や核酸吸着能を利用して生理活性物質の同定または分離用カラム等に応用できる。
【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。
＜実施例１、比較例１＞
アパタイト形成能を持たないコラーゲン膜（新田ゼラチン（株）製、コラーゲン８０重量％、セルロース２０重量％、膜厚４０μｍ、大きさ１ｃｍ×１ｃｍ）を、Ｃａ²⁺：３．８ｍＭ、ＨＰＯ₄ ^2-：１．５ｍＭ、Ｎａ⁺：２１３ｍＭ、Ｋ⁺：７．５ｍＭ、Ｍｇ²⁺：２．３ｍＭ、Ｃｌ^-：２２３ｍＭ、ＨＣＯ₃ ^-：６．３ｍＭ、ＳＯ₄ ^2-：０．７５ｍＭ、および緩衝剤としてトリスヒドロキシルアミノメタンをｐＨ７．４にするのに必要な量、核形成促進剤としてのクエン酸をそれぞれ０．３ｍＭ，０．５ｍＭ，０．７ｍＭ，１ｍＭ，２ｍＭ，３ｍＭを含有する水溶液に浸漬し、３６．５℃で１週間保持した。その後コラーゲン膜を取り出し、赤外分光、Ｘ線回折、発光分光で分析したところ、いずれも表面に炭酸イオンを含むアパタイトのコーティング膜が３μｍの厚さで均一に生成していることが確認された。
＜比較例１＞
上記実施例１において、水溶液中にクエン酸を含まないこと以外は全く実施例１と同様にして、コラーゲン膜を水溶液に浸漬したが、４週間以上経過しても膜表面には何も析出しなかった。
［実施例１および比較例１で得られたコラーゲン膜の分析結果］
実施例１においてクエン酸を１ｍＭ含む水溶液を用いて得られたコラーゲン膜の表面の電子顕微鏡写真を図１および図２に示す。図１は倍率１０００倍、図２は倍率９０００倍で観察したものである。図１からコラーゲン線維に沿ってアパタイトが析出していることがわかる。図２から析出したアパタイトは粒径０．７μｍ程度の微粒子状であることがわかる。
【００１７】
比較例１で得られたコラーゲン膜の表面の電子顕微鏡写真（倍率１０００倍）を図３に示す。コラーゲン膜表面には何も析出していないことがわかる。
図４に、実施例１および比較例１で得られたコラーゲン膜の赤外分光のスペクトルを示す。Ｃ0.3，Ｃ0.5，Ｃ0.7，Ｃ1.0，Ｃ2.0，Ｃ3.0はそれぞれ、実施例１におけるクエン酸の濃度が０．３ｍＭ，０．５ｍＭ，０．７ｍＭ，１ｍＭ，２ｍＭ，３ｍＭのコラーゲン膜のスペクトルであり、Ｃ0が比較例１のコラーゲン膜のスペクトルである。実施例１のスペクトルでは、いずれも１０２０ｃｍ^-1と９５４ｃｍ^-1の（ＰＯ₄）^3-イオンのピークと、８７６ｃｍ^-1の（ＣＯ₃）^2-イオンのピークが見られ、比較例１のスペクトルではこれらは見られないことから、実施例１ではアパタイトが析出していることがわかる。
【００１８】
図５に、実施例１においてクエン酸を１ｍＭ含む水溶液を用いて得られたコラーゲン膜のスペクトル（上側）と、比較例１で得られたコラーゲン膜のＸ線回折のスペクトル（下側）を示す。上側のスペクトル中のＡという印のところがアパタイトの結晶構造に由来するピークであり、実施例１ではアパタイトが析出していることがわかる。
＜実施例２＞
基板としてセルロース製ガーゼを用い、クエン酸濃度１ｍＭの水溶液を用いた他は実施例１と同様の条件で行ったところ、表面に炭酸イオンを含むアパタイトのコーティング膜が３μｍの厚さで均一に生成していることが確認された。
【００１９】
コーティング膜の表面を倍率２０００倍で観察した電子顕微鏡写真を図６に示す。図６からセルロース線維に沿ってアパタイトが析出していることがわかる。
＜比較例２＞
上記実施例２において、水溶液中にクエン酸を含まないこと以外は全く実施例２と同様にして、セルロース製ガーゼを水溶液に浸漬したが、４週間以上経過しても膜表面には何も析出しなかった。
【００２０】
比較例２で得られたセルロース製ガーゼの表面の電子顕微鏡写真（倍率２０００倍）を図７に示す。セルロース製ガーゼ表面には何も析出していないことがわかる。
【００２１】
【発明の効果】
本発明によると、親水基を有する有機材料の表面に穏和な条件下での処理によりアパタイト層を形成することができるので、アパタイト形成能を有しないコラーゲンやセルロース等の表面にもアパタイト層を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１においてクエン酸を１ｍＭ含む水溶液を用いて得られたコラーゲン膜の表面の電子顕微鏡写真である（倍率１０００倍）。
【図２】実施例１においてクエン酸を１ｍＭ含む水溶液を用いて得られたコラーゲン膜の表面の電子顕微鏡写真である（倍率９０００倍）。
【図３】比較例１で得られたコラーゲン膜の表面の電子顕微鏡写真である（倍率１０００倍）。
【図４】実施例１および比較例１で得られたコラーゲン膜の赤外分光のスペクトルである。
【図５】実施例１においてクエン酸を１ｍＭ含む水溶液を用いて得られたコラーゲン膜と比較例１で得られたコラーゲン膜のＸ線回折のスペクトルである。
【図６】実施例２で得られたコーティング膜の電子顕微鏡写真である（倍率２０００倍）。
【図７】比較例２で得られたセルロース製ガーゼの表面の電子顕微鏡写真である（倍率２０００倍）。

Claims

少なくともリン酸イオンおよびカルシウムイオンを含むとともに、前記カルシウムイオンの全量と錯塩を形成しうる量よりも少ない量のクエン酸をも水溶液中におけるクエン酸の濃度が０．１〜５ｍＭとなるように含む水溶液に、コラーゲンおよび／またはセルロースのみを含み、コラーゲンに由来する親水基および／またはセルロースに由来する親水基を有する有機材料を浸漬することで、前記有機材料の表面にアパタイトを析出させる、アパタイトコーティング有機材料の製造方法。
アパタイトが炭酸イオン含有アパタイトである、請求項１に記載のアパタイトコーティング有機材料の製造方法。