JP4699759B2

JP4699759B2 - 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

Info

Publication number: JP4699759B2
Application number: JP2004549583A
Authority: JP
Inventors: 正紀菊池; 順三田中; 尚俊小林; 大助庄司
Original assignee: Hoya Corp; National Institute for Materials Science
Current assignee: Hoya Corp; National Institute for Materials Science
Priority date: 2002-11-06
Filing date: 2003-10-27
Publication date: 2011-06-15
Anticipated expiration: 2023-10-27
Also published as: KR20050083797A; EP1566186A1; AU2003275684A8; US7153938B2; DE60318613D1; DE60318613T2; CN100372579C; WO2004041320A1; EP1566186A4; US20050271695A1; KR100872079B1; EP1566186B1; CN1711113A; AU2003275684A1; JPWO2004041320A1

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明はアパタイト／コラーゲン複合体を含み、人工骨材、細胞の足場材等に用いるアパタイト／コラーゲン架橋多孔体、及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
アパタイトからなる人工骨は自家骨に対して優れた親和性を有するために、自家骨に直接結合することができる。そのため、最近アパタイトからなる人工骨の有用性が認められ、整形外科、脳神経外科、形成外科、口腔外科等を中心に臨床応用されつつある。しかしアパタイトの機械的特性及び生理的性質は自家骨と全く同じ訳ではない。例えばアパタイトのみからなる人工骨は、自家骨より硬くて脆い。また自家骨は吸収及び再生からなる代謝を繰り返すのに対し、アパタイトからなる人工骨は生体内でほとんど溶解しない（吸収されない）ため、生体内に半永久的に残存する。このため残存した人工骨が自家骨との界面で自家骨を破壊し、骨折の原因となることが懸念される。
【０００３】
最近、アパタイト人工骨より自家骨の組成に近く、生体内で分解する人工骨についての研究が活発化し、種々の提案がなされている。例えば特表平11-513590号は、ハイドロキシアパタイトにコラーゲン及び必要に応じてその他のバインダーが結合したネットワークを有するアパタイト／コラーゲン架橋多孔体を開示している。このアパタイト／コラーゲン架橋多孔体は生体分解性を有するので、アパタイト／コラーゲン架橋多孔体内に自家骨が形成されるとともに、アパタイト／コラーゲン架橋多孔体自身は体内に吸収される。そのため、このアパタイト／コラーゲン架橋多孔体は脊椎固定、骨欠損の補填、骨折修復及び、周欠損移植等に利用できる。しかし、このアパタイト／コラーゲン架橋多孔体はアパタイトとコラーゲンとの単なる混合物からなり、コラーゲン繊維に沿って配向したC軸を有する生体骨の構造を有していない。さらにこのアパタイト／コラーゲン架橋多孔体は機械的強度が不十分である他、骨形成能に乏しいという問題もある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従って本発明の目的は、生体骨と同じ機構で体内に吸収されるとともに高い骨形成能を有し、人工骨等に使用できるアパタイト／コラーゲン架橋多孔体、及びその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的に鑑み鋭意研究の結果、本発明者らは、アパタイト／コラーゲン複合体とコラーゲンとを含有する分散物を凍結乾燥することによりアパタイト／コラーゲン架橋多孔体を製造する場合に、凍結乾燥に先立って分散物をゲル化させると、得られるアパタイト／コラーゲン架橋多孔体は均一な組織とともに高強度を有することを発見し、本発明に想到した。
【０００６】
すなわち本発明のアパタイト／コラーゲン架橋多孔体の製造方法は、アパタイト／コラーゲン複合体とコラーゲンとを含む分散物を凍結乾燥により多孔体とした後で、得られた多孔体中のコラーゲンを架橋するもので、前記分散物をゲル化した後に凍結乾燥することを特徴とする。
【０００７】
前記分散物中の前記アパタイト／コラーゲン複合体と前記コラーゲンとの配合比は質量基準で97／３〜93／７であるのが好ましい。また前記アパタイト／コラーゲン複合体中のアパタイト／コラーゲンの配合比は質量基準で９／１〜６／４であるのが好ましい。
【０００８】
前記分散物をゲル化させるのに、前記分散物の温度を35〜43℃に保持するのが好ましい。またゲル化処理に先立って、前記分散物のpHを6.8〜7.6とし、イオン強度を0.2〜0.8とするのが好ましい。
【０００９】
前記アパタイト／コラーゲン複合体は長さ0.01〜１mmの繊維状であるのが好ましい。また前記アパタイト／コラーゲン複合体は、アパタイトのC軸がコラーゲン繊維に沿うように配向した構造を有するのが好ましい。さらに前記アパタイト／コラーゲン架橋多孔体も、アパタイトのC軸がコラーゲン繊維に沿うように配向した構造を有するのが好ましい。
【００１０】
本発明のアパタイト／コラーゲン架橋多孔体は上記方法のいずれかにより製造される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
[1] アパタイト／コラーゲン複合体の製造
本発明のアパタイト／コラーゲン架橋多孔体の製造方法は、アパタイト／コラーゲン複合体と、バインダーとしてのコラーゲンとを出発物質とする。本発明のアパタイト／コラーゲン複合体においては、ハイドロキシアパタイトとコラーゲンが自己組織化しており、生体骨と同様に配向した構造を有するのが好ましい。ここで「自己組織化」とは、コラーゲン繊維に沿ってアパタイト構造を有する水酸化リン酸カルシウム（ハイドロキシアパタイト）のC軸が配向していることを意味する。この配向は生体骨特有の配向である。
【００１２】
(1) 原料
アパタイト／コラーゲン複合体は、コラーゲン、リン酸又はその塩、及びカルシウム塩から製造する。コラーゲンは特に限定されず、動物等から抽出したものを使用できるが、由来する動物の種、組織部位、年齢等は特に限定されない。一般的には哺乳動物（例えばウシ、ブタ、ウマ、ウサギ、ネズミ等）や鳥類（例えばニワトリ等）の皮膚、骨、軟骨、腱、臓器等から得られるコラーゲンを使用できる。また魚類（例えばタラ、ヒラメ、カレイ、サケ、マス、マグロ、サバ、タイ、イワシ、サメ等）の皮、骨、軟骨、ひれ、うろこ、臓器等から得られるコラーゲン様蛋白を使用してもよい。なおコラーゲンの抽出方法は特に限定されず、一般的な抽出方法を使用することができる。また動物組織からの抽出ではなく、遺伝子組み替え技術によって得られたコラーゲンを使用してもよい。
【００１３】
リン酸又はその塩（以下単に「リン酸（塩）」という）としては、リン酸、リン酸水素二ナトリウム、リン酸二水素ナトリウム、リン酸水素二カリウム、リン酸二水素カリウム等が挙げられる。またカルシウム塩としては、炭酸カルシウム、酢酸カルシウム、水酸化カルシウム等が挙げられる。リン酸（塩）及びカルシウム塩はそれぞれ均一な水溶液又は懸濁液の状態で添加するのが好ましい。
【００１４】
アパタイト原料（リン酸（塩）及びカルシウム塩）とコラーゲンとの質量比によりアパタイト／コラーゲン複合体の繊維長を制御できるので、アパタイト原料とコラーゲンとの質量比は、アパタイト／コラーゲン複合体の目標繊維長に応じて適宜決定する。本発明に使用するアパタイト／コラーゲン複合体中のアパタイト／コラーゲンの質量比は９／１〜６／４とするのが好ましく、例えば８／２とする。
【００１５】
(2) 溶液（懸濁液）の調製
まずリン酸（塩）水溶液及びカルシウム塩水溶液又は懸濁液を調製する。リン酸（塩）水溶液及びカルシウム塩水溶液又は懸濁液の濃度は、リン酸（塩）とカルシウム塩とが所望の配合比にあれば特に限定されないが、後述する滴下操作の都合上、リン酸（塩）水溶液の濃度を15〜240 ｍM、例えば120 ｍM程度とし、カルシウム塩水溶液又は懸濁液の濃度を50〜800 ｍM、例えば400 mM程度とすれば良い。コラーゲンは一般的にはリン酸水溶液の状態で、リン酸（塩）水溶液に加えるのが好ましい。コラーゲンのリン酸水溶液としては、コラーゲンの濃度が0.1〜1質量％、例えば約0.85質量％、リン酸の濃度が1〜40 mM、例えば20 mM程度のものを使用する。
【００１６】
(3) アパタイト／コラーゲン複合体の製造
添加すべきカルシウム塩水溶液又は懸濁液の量とほぼ同量の水を予め反応容器に入れ、40℃程度に加熱しておく。そこに、コラーゲンを含有するリン酸（塩）水溶液と、カルシウム塩水溶液又は懸濁液とを同時に滴下する。滴下条件を制御することにより、得られるアパタイト／コラーゲン複合体の繊維長を制御できる。滴下速度は1〜60 ml/分、例えば30 ml/分程度とするのが好ましい。また攪拌速度は1〜400 rpm、例えば200 rpm程度とするのが好ましい。
【００１７】
反応液のpHは8.9〜9.1に保つのが好ましい。カルシウムイオン及び／又はリン酸イオンの濃度が上記範囲を超えると、複合体の自己組織化が妨げられる。以上の滴下条件により、自己組織化したアパタイト／コラーゲン複合体の繊維長は、アパタイト／コラーゲン架橋多孔体の原料として好適な１mm以下となる。
【００１８】
滴下終了後、アパタイト／コラーゲン複合体と水とのスラリー状混合物を凍結乾燥する。凍結乾燥は、スラリー状混合物を−10℃以下に凍結した状態で真空引きし、急速に乾燥させることにより行う。
【００１９】
[2] アパタイト／コラーゲン架橋多孔体の製造
(1) アパタイト／コラーゲン複合体を含む分散物の調製
アパタイト／コラーゲン複合体に水、リン酸水溶液等の液体を加えて撹拌し、ペースト状の分散物を調製する。液体の添加量は、アパタイト／コラーゲン複合体100体積％に対して、80〜99体積％とするのが好ましく、90〜97体積％とするのがより好ましい。製造するアパタイト／コラーゲン架橋多孔体の気孔率Pは分散物中のアパタイト／コラーゲン複合体の体積割合に依存し、下記式(1)：
P = A/(A+B)・・・(1)，
（ただし、Aは分散物中のアパタイト／コラーゲン複合体の体積を示し、Bは分散物中の液体の体積を示す。）により表される。このため、加える液体の量を制御することによりアパタイト／コラーゲン架橋多孔体の気孔率Pを制御することができる。液体を加えた後で分散物を撹拌することにより、繊維状のアパタイト／コラーゲン複合体が切断され、繊維の長さの分布幅が大きくなるため、得られるアパタイト／コラーゲン架橋多孔体の強度が向上する。
【００２０】
アパタイト／コラーゲン複合体の分散物にバインダーとしてコラーゲンを加え、さらに撹拌する。コラーゲンの添加量は、アパタイト／コラーゲン複合体100質量％に対して、１〜10質量％とするのが好ましく、３〜６質量％とするのがより好ましい。アパタイト／コラーゲン複合体を製造する場合と同様に、コラーゲンはリン酸水溶液の状態で加えるのが好ましい。コラーゲン／リン酸水溶液の濃度等は特に限定されないが、実用的にはコラーゲンの濃度は約0.85質量％、リン酸の濃度は20 mM程度である。
【００２１】
(2) 分散物のゲル化
コラーゲンのリン酸（塩）水溶液の添加により、分散物は酸性となるので、pHが７程度となるまで水酸化ナトリウム溶液等のアルカリ溶液を加える。分散物のpHは6.8〜7.6とするのが好ましく、7.0〜7.4とするのがより好ましい。分散物のpHを6.8〜7.6とすることにより、バインダーとして加えたコラーゲンが、後述するゲル化処理時にゼラチンに変性するのを防止することができる。
【００２２】
分散物にリン酸バッファー生理食塩水（PBS）の10倍程度の濃縮液を加えて撹拌し、イオン強度を0.2〜0.8に調整する。より好ましいイオン強度は、PBSと同程度の約0.8である。分散物のイオン強度を大きくすることにより、バインダーとして加えたコラーゲンの繊維化が促進される。
【００２３】
分散物を成形型に入れた後、35〜43℃の温度に保持することにより分散物をゲル化させる。保持温度は35〜40℃とするのがより好ましい。分散物を十分にゲル化させるため、保持時間を0.5〜3.5時間とするのが好ましく、１〜３時間とするのがより好ましい。分散物の温度を35〜43℃に保持することにより、バインダーとして加えたコラーゲンが繊維化し、分散物がゲル状となる。分散物がゲル化することにより、アパタイト／コラーゲン複合体が分散物中で沈降するのを防ぐことができるため、均一な多孔体を製造することが可能となる。ゲル化処理を施した分散物はゼリー状となる。
【００２４】
(3) 凍結乾燥
ゲル化した分散物を凍結乾燥する。凍結乾燥は凍結工程と乾燥工程からなる。凍結工程では、凍結温度は−80℃〜−10℃とするのが好ましく、−80℃〜−20℃とするのがより好ましい。凍結速度により、多孔体中の気孔の径及び形状を制御することができる。例えば凍結速度が大きいと、生成する多孔体の気孔径は小さくなる傾向がある。
【００２５】
乾燥工程では、複合体の場合と同様に、−10℃以下に凍結した状態で真空引きし、分散物を急速に乾燥させる。分散物が十分に乾燥する限り、凍結乾燥時間は特に制限されないが、一般的には１〜３日程度とするのが好ましい。凍結乾燥によりアパタイト／コラーゲン多孔体が得られる。
【００２６】
(4) コラーゲンの架橋
コラーゲンの架橋は、γ線、紫外線、電子線、熱脱水等を用いた物理的架橋、又は架橋剤や縮合剤を用いた化学的架橋等の方法を用いて、行うことができる。化学的架橋の場合、例えば架橋剤の溶液に凍結乾燥により得られた多孔体を浸すと、多孔体中のコラーゲンが架橋する。
【００２７】
架橋剤としては、例えばグルタールアルデヒド、ホルムアルデヒド等のアルデヒド、ヘキサメチレンジイソシアネート等のイソシアネート、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イミド、エチレングリコールジエチルエーテル等のエポキシ化合物、トランスグルタミナーゼ等が挙げられる。これらの架橋剤のうち、架橋度の制御の容易さや、得られるアパタイト／コラーゲン架橋多孔体の生体適合性の観点から、グルタールアルデヒドが特に好ましい。
【００２８】
架橋剤としてグルタールアルデヒドを用いる場合、グルタールアルデヒド溶液の濃度は0.005〜0.015質量％とするのが好ましく、0.005〜0.01質量％とするのがより好ましい。アパタイト／コラーゲン架橋多孔体は脱水する必要があるが、グルタールアルデヒドの溶媒としてエタノール等のアルコールを使用すると、アパタイト／コラーゲン架橋多孔体の脱水をコラーゲンの架橋と同時に行うことができる。脱水と架橋を同時に行うことにより、アパタイト／コラーゲン複合体が収縮した状態で架橋反応が起こり、生成するアパタイト／コラーゲン架橋多孔体の弾性を向上させることができる。
【００２９】
架橋処理後、未反応のグルタールアルデヒドを除去するため２質量％程度のグリシン水溶液にアパタイト／コラーゲン架橋多孔体を浸漬し、次いで水洗する。さらにエタノールに浸漬することによりアパタイト／コラーゲン架橋多孔体を脱水した後、室温で乾燥させ、γ線、電子線、乾燥加熱等により滅菌処理する。
【００３０】
[3] アパタイト／コラーゲン架橋多孔体の物性及び用途
本発明のアパタイト／コラーゲン架橋多孔体は、自己組織化したアパタイト／コラーゲン複合体を含んでおり、従来のアパタイト／コラーゲン架橋多孔体より吸水性及び弾性が高い。また含水状態で弾力性を示し、優れた生体親和性及び骨伝導能を有する。このような物性は、生体材料として好ましい。このため本発明のアパタイト／コラーゲン架橋多孔体は、生体骨置換型の骨再生材等として使用できる。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等として好適である。
【実施例】
【００３１】
本発明を以下の実施例によってさらに詳細に説明するが、本発明はそれらに限定されるものではない。
【００３２】
実施例１
(A) アパタイト／コラーゲン複合体の合成
120 mMのリン酸水溶液168 mlに、コラーゲンのリン酸水溶液（コラーゲン濃度：0.85質量％、リン酸濃度：20 mM）を235 g加えて撹拌し、希釈コラーゲン／リン酸水溶液を調製した。また400 mMの水酸化カルシウム懸濁液を200 ml調製した。反応容器に入れて40℃に加熱した200 mlの純水に、希釈コラーゲン／リン酸水溶液と水酸化カルシウム懸濁液とをそれぞれ約30 ml/分の速度で同時に滴下した。得られた反応液を200 rpmで撹拌して、アパタイト／コラーゲン複合体繊維を含むスラリーを製造した。滴下中の反応液のpHは8.9〜9.1に保持した。生成したアパタイト／コラーゲン複合体の繊維長は概ね１mm以下であった。アパタイト／コラーゲン複合体中のアパタイト／コラーゲンの配合比は、質量基準で８／２であった。
【００３３】
(B) アパタイト／コラーゲン架橋多孔体の製造
アパタイト／コラーゲン複合体を含むスラリーを−20℃で凍結し、次いで凍結乾燥機を用いて乾燥させた。凍結乾燥したアパタイト／コラーゲン複合体１gに純水3.6 mlを加えて撹拌し、ペースト状の分散物とした。このペースト状分散物にコラーゲンのリン酸水溶液４gを加えて撹拌した後、１NのNaOH水溶液をpHがほぼ７になるまで加えた。アパタイト／コラーゲン複合体とコラーゲンとの配合比は質量基準で97／３であった。次いで分散物のイオン強度が0.8となるまで、10倍濃縮のPBSを加えた。液体（純水＋希釈コラーゲン／リン酸水溶液＋NaOH水溶液＋PBS）の添加量は、アパタイト／コラーゲン複合体の95体積％であった。
【００３４】
得られた分散物を成形型に入れ、37℃で２時間保持してゲル化させることにより、ゼリー状の成形体を得た。この成形体を−20℃で凍結し、次いで凍結乾燥機を用いて乾燥させた。乾燥した成形体を、エタノール（純度99.5％）を溶媒とする0.01質量％のグルタールアルデヒド溶液に浸し、25℃で1時間架橋処理することにより、アパタイト／コラーゲン架橋多孔体を得た。このアパタイト／コラーゲン架橋多孔体を水洗した後、２質量％のグリシン水溶液に浸して未反応のグルタールアルデヒドを除去し、再度水洗した。さらにエタノール（純度99.5％）に浸して脱水した後、室温で乾燥した。
【００３５】
得られたアパタイト／コラーゲン架橋多孔体から角柱状（5 mm×5 mm×10 mm）の試験片を切り出し、0.1 mm／秒の引張り速度で破断強さを測定した。その結果、アパタイト／コラーゲン架橋多孔体の破断強さは約0.8 Nであった。
【００３６】
実施例２
ゲル化処理温度を40℃とした以外実施例１と同様にしてアパタイト／コラーゲン架橋多孔体を製造し、破断強さを測定した。破断強さは約0.8 Nであった。
【００３７】
比較例１
ゲル化処理を行わない以外実施例１と同様にしてアパタイト／コラーゲン架橋多孔体を製造し、破断強さを測定した。破断強さは約0.4 Nであった。
【００３８】
【産業上の利用可能性】
以上詳述したように、本発明の方法により、自己組織化したアパタイト／コラーゲン複合体を含み、優れた生体親和性及び骨伝導能を有し、破断強さ等の機械的強度が大きいアパタイト／コラーゲン架橋多孔体を製造することができる。このような特性を有するアパタイト／コラーゲン架橋多孔体は人工骨、人工関節等の生体材料として好適である。

Claims

アパタイト／コラーゲン複合体に、コラーゲンを含有するリン酸又はその塩の水溶液を混合して、アパタイト／コラーゲン複合体とコラーゲンとを含む分散物を作製し、前記分散物を35〜43℃の温度に保持してゲル化し、凍結乾燥することにより多孔体とした後で、得られた多孔体中のコラーゲンを架橋することによりアパタイト／コラーゲン架橋多孔体を製造する方法。
請求項１に記載のアパタイト／コラーゲン架橋多孔体の製造方法において、前記アパタイト／コラーゲン複合体は、コラーゲンを含有するリン酸又はその塩の水溶液と、カルシウム塩の水溶液又は懸濁液とを同時に滴下することにより製造することを特徴とする方法。
請求項１又は２に記載のアパタイト／コラーゲン架橋多孔体の製造方法において、前記分散物中の前記アパタイト／コラーゲン複合体と前記コラーゲンとの配合比が質量基準で97／3〜93／7であることを特徴とする方法。
請求項１〜３のいずれかに記載のアパタイト／コラーゲン架橋多孔体の製造方法において、前記アパタイト／コラーゲン複合体中のアパタイト／コラーゲンの配合比が質量基準で９／１〜６／４であることを特徴とする方法。
請求項１〜４のいずれかに記載のアパタイト／コラーゲン架橋多孔体の製造方法において、前記分散物のpHを6.8〜7.6とした後で前記分散物をゲル化することを特徴とする方法。
請求項１〜５のいずれかに記載のアパタイト／コラーゲン架橋多孔体の製造方法において、前記分散物のイオン強度を0.2〜0.8とした後で前記分散物をゲル化することを特徴とする方法。
請求項１〜６のいずれかに記載のアパタイト／コラーゲン架橋多孔体の製造方法において、前記アパタイト／コラーゲン複合体が長さ１mm以下の繊維状であることを特徴とする方法。
請求項１〜７のいずれかに記載のアパタイト／コラーゲン架橋多孔体の製造方法において、前記アパタイト／コラーゲン複合体中のアパタイトのC軸がコラーゲン繊維に沿うように配向していることを特徴とする方法。
請求項１〜８のいずれかに記載のアパタイト／コラーゲン架橋多孔体の製造方法において、前記アパタイト／コラーゲン架橋多孔体中のアパタイトのC軸がコラーゲン繊維に沿うように配向していることを特徴とする方法。
請求項１〜９のいずれかに記載のアパタイト／コラーゲン架橋多孔体の製造方法において、前記アパタイト／コラーゲン複合体中のアパタイトがハイドロキシアパタイトであることを特徴とする方法。
請求項１〜10のいずれかに記載のアパタイト／コラーゲン架橋多孔体の製造方法において、前記アパタイト／コラーゲン複合体は、コラーゲンを含有するリン酸又はその塩の水溶液と、カルシウム塩の水溶液又は懸濁液とを同時に滴下して得られた混合物を、凍結乾燥することにより製造することを特徴とする方法。
請求項1〜11のいずれかに記載の方法により製造されたアパタイト／コラーゲン架橋多孔体。