JP4472805B2

JP4472805B2 - 炭酸カルシウム複合体および生体適合性材料

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Publication number: JP4472805B2
Application number: JP15681199A
Authority: JP
Inventors: 満明石; 哲志田口; 晶夫岸田; 昭男林
Original assignee: NOF Corp
Current assignee: NOF Corp
Priority date: 1999-06-03
Filing date: 1999-06-03
Publication date: 2010-06-02
Anticipated expiration: 2019-06-03
Also published as: JP2000342676A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基体の少なくとも表面に炭酸カルシウムを生成させる炭酸カルシウム複合体の製造方法、その製造方法により生成される炭酸カルシウム複合体およびその生体適合性材料としての用途に関する。
【０００２】
【従来の技術】
生体組織の中には骨、歯等の無機固体物質を主要構成層とするものがあり、これらが損傷した場合の組織の修復にはセラミックスが最も適している。これはセラミックスの中には生きている骨と自然に結合するものがあることからもわかる。たとえば、主に歯周充填剤としてＢｉｏｇｌａｓｓ（ＮｉｐｐｏｎＥｌｅｃｔｒｉｃＧｌａｓｓＣｏ．Ｌｔｄ．，Ｏｔｓｕ．Ｓｉｇａ．Ｊａｐａｎ，商品名、成分；Ｎａ₂Ｏ−ＣａＯ−ＳｉＯ₂−Ｐ₂Ｏ₅）や、主に骨充填剤として焼結ヒドロキシアパタイト（Ｃａ₁₀（ＰＯ₄）₆（ＯＨ）₂）、人工すい体や腸骨スペーサーなどとしてアパタイトとウォラストナイト（ＣａＯ−ＳｉＯ₂）を含む結晶化ガラスＣｅｒａｂｏｎｅＡ−Ｗ（ＮｉｐｐｏｎＥｌｅｃｔｒｉｃＧｌａｓｓＣｏ．Ｌｔｄ．，Ｏｔｓｕ．Ｓｉｇａ．Ｊａｐａｎ，商品名）などが一般に知られている。
しかしながら例えば、ヒドロキシアパタイト、カーボネートアパタイトに関して、骨と結合する性質はその組成だけでなく構造によっても変化することも知られており、骨のアパタイトに近い組成や構造を造りだすことが重要な研究テーマとなっている。
【０００３】
生体親和性セラミックスである前記ガラスやハイドロキシアパタイトや炭酸カルシウムを、金属のように強度の大きな材料の表面に作成し、大きな荷重下でも使用可能な生体親和性材料を得るための試みが行われてきた。また、有機ポリマー材料表面に同様なコーティングを行い、生体親和性に優れた有機ポリマー材料を得るための研究も行われてきた。それまで炭酸カルシウムは、生体組織との親和性が高いことは知られていたが、応用例は少なかった。これは炭酸カルシウムが柔軟性やねじれなどに対する耐久性に乏しく、軟組織における使用が困難であるためである。
【０００４】
また一方、鼻や耳などの軟骨組織を損傷した際の軟骨状の補強材や、骨折時の骨状の補強材あるいは生体内で手術時の固定具等で留置可能な材料でさらに組織の再生等に好影響を与える素材が求められてきた。
ハイドロキシアパタイト、カーボネートアパタイトと同様に、炭酸カルシウムにおいても、前記のように生体組織と親和性があるが、単独での使用が難しく、成形体が可能な炭酸カルシウム複合体が求められている。
炭酸カルシウムの複合体として、例えばガラス基板上のキトサンのフイルムに炭酸カルシウム飽和溶液から薄膜結晶を析出させることが示されている（１９９９年高分子年会）。しかしこれらは炭酸カルシウムの飽和水溶液を用いており、各種の結晶が存在するなどの問題がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の第１の目的は、基体と炭酸カルシウムからなる複合体を製造する方法を提供することにある。
本発明の第２の目的は、前記の製造方法により製造される有機高分子重合体−炭酸カルシウム複合体を提供することにある。
本発明の第３の目的は、前記基体が有機高分子重合体である有機高分子重合体−炭酸カルシウム複合体を用いてなる生体適合性材料を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記問題点に鑑み鋭意検討した結果、ハイドロゲル等の有機高分子重合体をカルシウムイオン水溶液と炭酸イオン水溶液あるいは炭酸水素イオン水溶液に浸漬すると有機高分子重合体の表面若しくは内部に炭酸カルシウムが形成することを見出し、本発明を完成するに至った。すなわち、本発明は次の（１）〜（５）である。
（１）カルシウムイオンを含み実質的に炭酸イオンを含まない第１の水溶液と、炭酸イオンを含み実質的にカルシウムイオンを含まない第２の水溶液とに、基体を順次に浸漬させる工程からなる基体−炭酸カルシウム複合体の製造方法。
【０００７】
（２）前記の基体−炭酸カルシウム複合体の製造方法により得られた炭酸カルシウム複合体。
【０００８】
（３）基体が親水性架橋高分子重合体である前記の基体−炭酸カルシウム複合体。
【０００９】
（４）親水性架橋高分子重合体が架橋ポリビニルアルコールのハイドロゲルである前記の基体−炭酸カルシウム複合体。
【００１０】
（５）前記の基体−炭酸カルシウム複合体からなる生体適合性材料。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明で用いる基体とは、前記のカルシウムイオンを含みかつ実質的に炭酸イオンを含まない第１の水溶液と、炭酸イオンを含み、かつ実質的にカルシウムイオンを含まない第２の水溶液とに対して、不溶性であれば、特に限定されないが、例えば、有機高分子重合体、各種金属、各種セラミックス等が挙げられる。
より好ましくは、その用途等から有機高分子重合体が挙げられる。
前記の有機高分子重合体としては、例えば、ポリウレタン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエステル、ナイロン、ポリカーボネート、テフロン、シリコーン系エラストマー等が挙げられる。これらの有機高分子重合体は、単独重合体でも共重合体でもよく、その形状としては、例えば、板状、フイルム状、膜状、筒状等の形状、あるいはメッシュ状等の繊維状のものが好ましく挙げられる。
より好ましくは、有機高分子重合体水溶液でゲルをつくる親水性の架橋高分子重合体が挙げられる。
【００１２】
特に原料のハイドロゲル等の有機高分子重合体としては、緩衝液中等のカルシウムイオンや炭酸イオンなどが溶解する溶液に膨潤するなど親和性があるものが好ましく、例えば、ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコール、ポリ-γ-グルタミン酸、コラーゲン等の合成または天然有機ポリマーおよびその共重合体を主要な構成成分とした材料を好ましく挙げることができる。さらには、グリコシルエチルメタクリレート（ＧＥＭＡ）の共重合体、そのＧＥＭＡ共重合体の部分硫酸化物、ヒアルロン酸等のムコ多糖、フイブロネクチン等を主要な構成成分とした材料を好ましく挙げることができる。
好ましくは、ハイドロゲルを形成する一部架橋した親水性の樹脂である。
具体的には、例えば、架橋ポリビニルアルコール、ポリアクリルアミド、ポリエチレンアガロース、コラーゲン等が挙げられる。
架橋ポリビニルアルコールとしては、ポリビニルアルコールを一部グルタルアルデヒド等の２官能のアルデヒドで架橋したものが好ましい。
【００１３】
また、前記基体としての各種金属としては、ステンレススチール、チタン、プラチナ、タンタル、コバルト、クロム、モリブデンまたは、これらの金属の合金類、チタニアゲル等のゾル−ゲル反応生成物等が挙げられる。
またさらに、基体のセラミックスとしては、例えば、アルミナ系やシリカ系、酸化ジルコニウム系等のものが挙げられる。
【００１４】
本発明の基体と炭酸カルシウムの複合体は、基体特に有機高分子重合体の表面もしくは内部に炭酸カルシウムを形成してなる複合体を意味する。ここで、有機高分子重合体の表面に炭酸カルシウムを形成してなるとは、例えば平面状や繊維状の固体の非水膨潤性高分子重合体の表面に炭酸カルシウムが付着形成されるものを意味する。
また、有機高分子重合体の表面もしくは内部に炭酸カルシウムを形成してなるとは、例えば架橋された高分子重合体の水で膨潤した表面部分とさらに水で膨潤した空隙部分の高分子重合体の内部に炭酸カルシウムが付着形成されるものも含んで意味する。
【００１５】
炭酸カルシウム複合体の製造方法は、次のようにして容易に製造することができる。即ち、基体としての有機高分子重合体を（イ）カルシウムイオン水溶液に浸漬し、（ロ）炭酸イオン水溶液に浸漬することによって基体に前記の炭酸カルシウムを容易に製造することができる。
基体としての有機高分子重合体を浸漬する（イ）のカルシウムイオン水溶液としては、例えば、具体的には、塩化カルシウム、酢酸カルシウム等の水溶液が挙げられる。
またその後さらに、基体としての有機高分子重合体を浸漬する（ロ）の炭酸イオン水溶液としては、例えば、具体的には、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸アンモニウム、炭酸水素ナトリウム、炭酸水素カリウム、炭酸水素アンモニウム等の水溶液が挙げられる。
（イ）カルシウムイオン水溶液に浸漬して置く時間としては、例えば、具体的には、１０分間〜７日間、好ましくは、３０分間〜３日間、さらに好ましくは１時間〜２４時間が挙げられる。
また、基体としての有機高分子重合体を浸漬する（ロ）炭酸イオン水溶液に浸漬して置く時間としては、例えば、具体的には、１０分間〜７日間、好ましくは、３０分間〜３日間、さらに好ましくは１時間〜２４時間が挙げられる。
またさらに、基体としての有機高分子重合体を浸漬する（イ）カルシウムイオン水溶液および（ロ）炭酸イオン水溶液に浸漬する場合の温度としては、例えば、具体的には、０℃〜９０℃、好ましくは、４℃〜８０℃が挙げられる。
【００１６】
溶液のイオン濃度としては、（イ）のカルシウムイオン水溶液および（ロ）の炭酸イオン水溶液のイオン濃度としては、例えば、具体的には、０．０１〜１０モル／リットル、好ましくは、０．１〜１モル／リットルが挙げられる。
また使用する溶液のｐＨとしては前記のようにトリス緩衝溶液を用いる場合、６〜９のｐＨが好ましい。より好ましくは、ｐＨが７．４のトリス緩衝溶液である。
【００１７】
溶液の使用に際しては、（イ）のカルシウムイオン水溶液および（ロ）の炭酸イオン水溶液への浸漬回数は必要とする炭酸カルシウムの量に応じて決められるが、少量であれば１サイクルで炭酸カルシウム複合体を製造することができる。好ましくは２〜２０回のサイクル、さらに好ましくは、５〜１５回のサイクルを行って炭酸カルシウム複合体を製造することが望ましい。
【００１８】
一般に医療用に用いられる有機高分子重合体の成形体を用いて、その有機高分子重合体の表面あるいは繊維状の表面に前記のように炭酸カルシウムを製造してもよいし、あるいは有機高分子重合体のハイドロゲルを構成する親水性の架橋高分子重合体からなる材料を基体として用いて、その表面および内部へ炭酸カルシウムを形成させてもよい。
一般に医療用の柔軟性を有する有機高分子重合体の成形体を用いた場合は、その表面に炭酸カルシウムを形成させると、例えば、炭酸カルシウムの生体適合性により生体内で肉組織との密着性もよく、軟骨状の形状維持と生体適合性を有する構成となることが考えられ、用途が拡大するものと推定される。さらになお、炭酸カルシウムの用途としては、炭酸カルシウムの結晶（燒結体）の加工は微細加工が困難であるので、ハイドロゲルを目的の形状に作成しておき、そのゲルに炭酸カルシウムを形成させ、複合体を６００℃程度の高温で焼結させて、有機高分子重合体部分を除けば微細加工も容易にできると考えられる。
【００１９】
【発明の効果】
本発明の炭酸カルシウム複合体の製造方法は、従来の方法に比較して容易にカルシウムイオン水溶液と炭酸イオン水溶液に基体を浸漬するだけで速く多量に製造することができる。また、その操作を繰り返すことによりより一層炭酸カルシウムの製造速度を速めるものである。
本発明の製造方法により製造される有機高分子重合体−炭酸カルシウム複合体は、有機高分子重合体の強度や形状保持の効果にさらに表面の炭酸カルシウムによる生体適合性が付与できる材料である。
本発明の有機高分子重合体−炭酸カルシウム複合体で、有機高分子重合体としてハイドロゲルを使用した場合は、炭酸カルシウムがハイドロゲルの表面および内部に形成することができる。
そのため前記の複合体は弾力性があり、骨置換材料としての用途展開の可能性が広がる材料である。
本発明の有機高分子重合体−炭酸カルシウム複合体は、有機高分子重合体の材料表面に生体組織親和性の高い炭酸カルシウムを容易に形成することが可能で、柔軟性やねじれなどの耐久性に優れた有機ポリマー材料表面に薄膜状に炭酸カルシウムが密着形成されているため、結果的に生体親和性に優れた表面をもった柔軟な生体適合性材料を得ることができる。
このため医療用材料、生体内の骨の代替え材料等に用いる可能性が増大する。
【００２０】
【実施例】
次に本発明を実施例に基づいて説明する。
１．ハイドロゲルの膨潤度の測定；
条件；２５℃で、架橋高分子重合体を各水溶液に所定時間浸漬して架橋ゲルを形成させ、表面に残存する水分を拭き除いて重量を測定した。
計算式は次のとおり。
ハイドロゲルの膨潤度｛＝ＳＲ1（％）｝＝｛（Ｗ−Ｗ0）／Ｗ0｝×１００
ただし、Ｗ0は処理前の試料重量、Ｗは含水させた後の試料重量を示す。
２．炭酸カルシウムの形成量の測定；
条件；架橋重合体のゲルを（イ）および（ロ）の各水溶液に所定時間浸漬して架橋ゲルの表面および内部に炭酸カルシウムを形成させ、表面に残存する水分を拭き除いて重量を測定した。
計算式は次のとおり。
ＣａＣＯ₃形成量＝［ＰＶＡ−ＣａＣＯ₃（乾燥重量）］−［ＰＶＡ（反応前、乾燥重量）］
＝［ＰＶＡ−ＣａＣＯ₃（乾燥重量）］−［ＰＶＡ（湿潤重量）／（１＋ＳＲ2）］
ここでＳＲ2は前記のゲルの膨潤度の割合で、ＳＲ2＝（ＳＲ1／１００）を示す。
【００２１】
合成例１：ＰＶＡゲルの調製
平均重合度２，０００、ケン化度９９．５％のポリビニルアルコール（和光純薬製）の１０重量％水溶液に、所定濃度のグルタルアルデヒド（半井化学製、架橋剤濃度を０．２〜３モル％で変化させた。）、１Ｎ−ＨＣｌ（和光純薬製）を添加し、２日間放置して厚さ１ｍｍのゲルを得た。このゲルを３日間水中で膨潤した結果、膨潤度５．６、９．８、１５．６および３６．０のものであった。このゲルを洗浄した後、円形（直径１ｃｍ）に打ち抜き以下の実施例の試料として使用した。
【００２２】
実施例１；ＰＶＡハイドロゲルの交互浸漬
約１００ｍｇのポリビニルアルコール（ＰＶＡ）ゲル（架橋剤濃度を０．２〜３モル％で変化させ、膨潤度５〜３６のもの）のディスク状ゲルを、３７℃で２００ｍＭＣａＣｌ₂／Ｔｒｉｓ−ＨＣｌ（ｐＨ７．４）水溶液１０ｍｌに２時間浸漬し、その後ゲル表面の水分をキムワイプで拭き取り、２００ｍＭＮａ₂ＣＯ₃水溶液１０ｍｌに２時間浸漬した。この操作後凍結乾燥したゲルの重量の測定を行った。
なお、必要によって１〜１５サイクル浸漬を交互に繰り返した。
含水状態のＰＶＡ架橋ゲル基材−ＣａＣＯ₃の複合体を観察すると、サイクル数を増加させると徐々に白くなっていく状態が認められた。５サイクル反応を行うと、ゲルの収縮がわずかに認められた。
【００２３】
なお、図１に本発明の実施例の塩化カルシウム溶液、炭酸ナトリウム溶液を用いてＰＶＡゲルを浸漬する際の概略図を示した。
図２には（イ）の塩化カルシウム溶液および（ロ）の炭酸ナトリウム溶液に浸漬したサイクルと炭酸カルシウムの生成の写真を示した。
図３に例として膨潤度９．８のＰＶＡゲルの、１回交互浸漬、５回交互浸漬１０回交互浸漬および１５回交互浸漬で反応をしたときの各々のゲルの切断面の顕微鏡写真（倍率×約１３倍）を示した。
含水状態におけるＰＶＡ−ＣａＣＯ₃複合体のゲルの断面を観察すると、サイクルが増加するに従いゲルの極表面にＣａＣＯ₃の白色結晶が認められ、５，１０，１５サイクルとサイクル数を多くするとゲル表面から内部へ結晶形成が進んでいる様子が認められた。
【００２４】
なお、図４に膨潤度５．６、９．８、１５．６および３６．０におけるゲルの１〜６サイクル（イ）と（ロ）のイオン溶液に浸漬したときのＣａＣＯ₃の形成量の図を示した。
膨潤度５〜３６のＰＶＡゲルを用いサイクル反応数毎のＣａＣＯ₃の形成量を測定した。ＣａＣＯ₃の形成量は前記の式に示すようにゲルの膨潤度からゲルの乾燥重量を算出し、凍結乾燥した後のＰＶＡ−ＣａＣＯ₃複合体からゲルの乾燥重量を差し引いたものをＣａＣＯ₃形成量とした。
【００２５】
以上の結果から、図４で示されるようにＣａＣＯ₃の形成量は、たとえば、反応時間２４時間、温度３７℃、６サイクルにおいては本発明の方法（交互浸漬法）では約５０ｍｇの値となった。この値は従来の生体模倣反応のリン酸カルシウム生成の場合の０．０８ｍｇに比べて、約６００倍のＣａＣＯ₃の量が形成されたことがわかる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の実施例の塩化カルシウム溶液、炭酸ナトリウム溶液を用いてＰＶＡゲルを浸漬する際の概略図である。
【図２】図２は、ＰＶＡゲルに炭酸カルシウムを形成させた時の写真を示した。
【図３】図３は、膨潤度１５．６におけるゲルの１〜１５サイクル（イ）と（ロ）のイオン溶液に浸漬したときの炭酸カルシウムの形成されたゲル断面の写真を示した。
【図４】図４は、膨潤度５．６〜３６．０のＰＶＡゲルを用いてサイクル毎の炭酸カルシウムの形成量と膨潤度の関係を示した図である。

Claims

カルシウムイオンを含み実質的に炭酸イオンを含まない第１の水溶液と、炭酸イオンを含み実質的にカルシウムイオンを含まない第２の水溶液とに、親水性架橋高分子重合体を順次に浸漬させる工程により得られた炭酸カルシウム複合体。
親水性架橋高分子重合体が架橋ポリビニルアルコールのハイドロゲルである請求項１記載の炭酸カルシウム複合体。
請求項１または２に記載の炭酸カルシウム複合体からなる生体適合性材料。