JP5753687B2 - ナノ粒子フィラー - Google Patents

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Description

［関連出願の相互参照］
本出願は、参照によりその全内容が本明細書に組み込まれる、2007年7月10日出願の英国特許仮出願0713351.5号明細書のPCT国際出願である。
本発明は、概して、整形外科インプラントに関し、より具体的には、ナノ粒子を含む生体吸収性ポリマー複合材に関し、ナノ粒子はポリマーの酸性分解生成物を緩衝することができる。
骨折固定プレートは、骨折した骨の外科的支持に最も一般的に使用されるデバイスである。プレートは、骨折した骨の部位にわたって設置され、骨の骨折端部に圧力を付加し、それにより骨折部の癒合が完了するまで剛性を高める。現在、プレートは、ステンレススチール、コバルトクロム合金、及びチタン合金等の硬質金属で製造されている。しかしながら、Ramakrishnaら、Composite Science and Technology、Vol.61、1189〜1224頁(2001)に記載されているように、その下にある骨の弾性率(14〜24GPa)と金属インプラントの弾性率(100〜240GPa)の大きな違いにより、骨折治癒が生じている間、身体の負荷の大部分をインプラントが支えることになる。これは、歪みの不足及び骨吸収に起因して、カルス形成、骨化、及び骨癒合の遅延につながり、その結果骨粗鬆症的構造となる。これらの副作用は、Wooら、Journal of Biomedical Materials Research、Vol.17、427〜439頁(1983)でさらに説明されている。インプラントが除去されると、応力遮蔽効果として臨床的に知られている再骨折がしばしば生じる。この作用は、Shikinamiら、Biomaterials、Vol.20、859〜877頁(1999)でさらに説明されている。
金属固定プレートのその他の欠点には、(a)それを除去するために第2の手術が必要となる場合があること、(b)腐食の副生成物によりもたらされる毒性の問題、(c)インプラントの周りの領域におけるアーチファクトの生成、及び(d)金属の常磁性に起因する、核磁気共鳴画像法を使用した際の歪んだ画像の生成が含まれる。これらの欠点は、上記のWooら及びShikinamiらの文献、ならびにWeilerら、Journal of Arthroscopic and Related Surgery、Vol.16、305〜321頁(2000)でさらに説明されている。
これらの欠点に対する解決策は、ポリラクチド(PLA)、ポリグリコリド(PGA)及びそれらのコポリマー等の生体吸収性ポリマーを使用するものである。しかしながら、PLA及びPGA等のポリマーにより生成された生体吸収性プレートの可能性は、Pietrzakら、Bone、Vol.19、109S〜119S頁(1996)に詳説されているように、骨に対して低めの初期の機械的性質、これらのポリマーの損失率、及びポリマー骨格の加水分解時の酸性分解生成物の発生により制限される。そのような分解生成物は、インプラント近傍における異物免疫反応と関連していた。3年間にわたり282名の患者がPGAロッドによる骨折の治療を受けた研究では、6%がある形態の異物炎症反応を示すことが判明した。この研究は、Bostman、Journal of Bone and Joint Surgery、Vol.73、679〜682頁(1991)でさらに説明されている。一般に、これはポリマーが分解するのに要する時間と同じ長さだけ持続することが判明しているが、Gogolewski、Injury、Vol.31、S-D 28〜32頁(2000)及びBostmanら、Clinical Orthopaedics、Vol.371、(2000)にさらに説明されているように、軽度の腫脹反応から、破裂して崩壊したインプラントの膿瘻排泄物を放出する有痛性丘疹まで様々であることが報告されている。
CaCO3、β-リン酸三カルシウム及びヒドロキシアパタイトは、Agrawalら、Journal of Biomedicals Material Research、Vol.38、105〜114頁(1997)でさらに説明されているように、グリコリド及びラクチドから得られる生体吸収性ポリマーを強化するために使用されると緩衝能力を示す。
複合材の機械的性質は、2つの異なる相、すなわちマトリックスと強化材との間の界面の強度に依存する。Gasser、Injury International Journal of the Care of the Injured、Vol.31、S-D48〜53頁(2000)及びLiuら、Biomaterials、Vol.18、1263〜1270頁(1997)にさらに説明されているように、強化成分としてマイクロ粒子を使用した場合、2つの相の間の強固な接着を達成するのは困難であることが多い。
参照によりその全内容が本明細書に組み込まれる、Uedaら、Biomaterials、Vol.24、3247〜3253頁(2003)では、炭酸カルシウムナノ粒子のポリ(-L-乳酸)(PLA)生体材料への組込みが、例えば弾性率を増加させる、脆性破壊挙動を低減する、及び曲げ強度を改善する等、生体材料の機械的性質を改善することが実証された。ポリマー生体材料には、酸性分解生成物を中和するために塩基性フィラーのナノ粒子が組み込まれていない。
Ramakrishnaら、Composite Science and Technology、Vol.61、1189〜1224頁(2001) Wooら、Journal of Biomedical Materials Research、Vol.17、427〜439頁(1983) Shikinamiら、Biomaterials、Vol.20、859〜877頁(1999) Weilerら、Journal of Arthroscopic and Related Surgery、Vol.16、305〜321頁(2000) Pietrzakら、Bone、Vol.19、109S〜119S頁(1996) Bostman、Journal of Bone and Joint Surgery、Vol.73、679〜682頁(1991) Gogolewski、Injury、Vol.31、S-D 28〜32頁(2000) Bostmanら、Clinical Orthopaedics、Vol.371、(2000) Agrawalら、Journal of Biomedicals Material Research、Vol.38、105〜114頁(1997) Gasser、Injury International Journal of the Care of the Injured、Vol.31、S-D48〜53頁(2000) Liuら、Biomaterials、Vol.18、1263〜1270頁(1997) Uedaら、Biomaterials、Vol.24、3247〜3253頁(2003)
本発明者らは、ポリマー生体材料への塩基性フィラーのナノ粒子の組込みが、酸性分解生成物を緩衝することを見出した。これにより、自己触媒分解及び任意の炎症反応が最小限化され、複合材の製造が機械的性質の改善をもたらす可能性がある。
生体吸収性ポリマー内に組み込んで前記生体吸収性ポリマーの酸性分解生成物を中和するための中和剤を含むナノ粒子の使用が提供される。
中和剤は、典型的には、塩基性ナノ粒子フィラーである。
本発明の実施形態において、中和剤は、酸性分解生成物を中和することができる塩である。好適な塩の例には、炭酸塩、重炭酸塩、またはリン酸塩が含まれるが、これらに限定されない。
本発明の実施形態において、中和剤は水酸化物である。
特に有利な中和剤は、遊離カルシウムイオンの源でもある中和剤である。カルシウムイオンは骨原性であることが知られており、したがって、生体吸収性ポリマーからのその放出はまた、骨形成を促進することができる。例えば、中和剤は、炭酸カルシウム(CaCO3)またはリン酸カルシウムである。好適なリン酸カルシウムの例は、アパタイトである。アパタイトはリン酸塩鉱物の一群であり、通常、ヒドロキシルアパタイト、フルオロアパタイト、及びクロロアパタイトを指し、これらの名前はそれぞれ、結晶中の高濃度のOH-、F-、またはCl-イオンに由来する。3つの最も一般的な種の混合物の式は、Ca5(PO4)3(OH,F,Cl)と表記され、個々の鉱物の式は、それぞれ、Ca5(PO4)3(OH)、Ca5(PO4)3F及びCa5(PO4)3Clと表記される。
本発明の具体的な実施形態において、アパタイトは、ヒドロキシアパタイトである。
ポリマー内の中和剤の濃度は、約5〜20wt%、具体的には約7〜15wt%である。
本発明の実施形態において、ナノ粒子の直径は、約100nm未満である。
ナノ粒子のより大きな表面積対体積比は、塩基性フィラーのマイクロ粒子と比較すると、マトリックスと強化相との間の結合を改善する。
ナノ粒子のより大きな表面積対体積比はまた、マイクロ粒子フィラーと同じ緩衝能力を提供するのに必要な塩基性フィラーの濃度を大幅に低減する。これは二重の利点を有する。第1に、生体吸収性ポリマーに高濃度のフィラーを組み込むと、相当量の複合材が、ポリマーをより脆性とし、破壊靱性がより低く、破壊へとつながる傾向を有するフィラーで構成されることとなるため、これは複合材の機械的性質を改善させる。第2に、複合材内の大量のフィラーは、引力性のファンデルワールス力に起因する粒子凝集をもたらす可能性がある[13]。任意選択で界面活性剤を使用して、粒子をより低濃度とすると、反発力がこの力に打ち勝つことができ、フィラーがポリマーマトリックス内に均質に分散した複合材が得られる。
中和剤、例えば炭酸カルシウムのナノ粒子の、生体吸収性ポリマーへの組込みは、緩衝能力を有するだけでなく、ポリマーの強化及びその機械的性質の改善に効果的であることも示されている。
本発明の目的において、生体吸収性ポリマーは、ポリ-L-乳酸(PLLA)を除くすべての生体吸収性ポリマーを含む。これには、制限されることなく、以下が含まれる。
ポリグリコリド
ポリラクチド
グリコリドとラクチドのコポリマー
ポリカプロラクトン
グリコリド/トリメチレンカーボネートコポリマー
ポリ-DL-乳酸(PDLLA)
ポリ-D-乳酸(PDLA)
ラクチド/テトラメチルグリコリドコポリマー
ラクチド/トリメチレンカーボネートコポリマー
ラクチド/d-バレロラクトンコポリマー
ラクチド/e-カプロラクトンコポリマー
PLA/ポリエチレンオキシドコポリマー
ポリデプシペプチド
非対称3,6-置換ポリ-1,4-ジオキサン-2,5-ジオン
ポリ-b-ヒドロキシブチレート
PHB/b-ヒドロキシバレレートコポリマー
ポリ-b-ヒドロキシプロピオネート
ポリ-p-ジオキサノン
ポリ-d-バレロラクトン
メチルメタクリレート-N-ビニルピロリドンコポリマー
ポリエステルアミド
シュウ酸のポリエステル
ポリジヒドロピラン
ポリアルキル-2-シアノクリレート
ポリウレタン(PU)
ポリビニルアルコール(PVA)
ポリペプチド
ポリ-b-リンゴ酸(PMLA)
ポリ-b-アルカン酸ポリカーボネート
中和剤のナノ粒子を含むポリマーは、そのミクロンサイズの粒子の場合と同様の手法で、溶媒へのポリマーの溶解と、続くナノ粒子の添加によって製造することができる。
重合前のnCaCO3のD-Lラクチドへの添加は、得られるポリマー分子量の低下をもたらすことが示されている。これは、ポリマー複合材の機械的性質に著しい影響を与える可能性がある。30wt%のnCaCO3を含有する複合材は、14wt%のnCaCO3で生成されたものよりもMn及びMwが大幅に低い。CaCO3/PDLLA複合材をより高分子量のPDLLAと組み合わせて重合させると、得られる複合材粉末は二峰性の分子量分布を有する。この結果、後の押出し及び射出成形プロセスにおいて、MnまたはMwに大きな差は生じない。
第1のポリマーと、第2のポリマーとを含むポリマー複合材が提供され、第1のポリマーは第2のポリマーより低い分子量を有し、中和剤のナノ粒子が少なくとも第1のポリマー全体に分布している。
ポリマー複合材の一実施形態において、第1のポリマー及び第2のポリマーの両方が、ポリ-DL-乳酸(PDLLA)またはそのコポリマーであり、第1のポリマーは、炭酸カルシウムのナノ粒子を含む。
また、全体に分布したナノ粒子中和剤を含む第1のポリマーと、第2のポリマーとを含む複合材を製造する方法が提供され、該方法は、
a)第1のポリマーをナノ粒子剤と重合させて組合せを形成するステップと、
b)a)において生成された組合せを第2のポリマーとブレンドするステップとを含み、第2のポリマーは第1のポリマーより高い分子量を有する。
一実施形態において、第1のポリマーは、PDLLAまたはそのコポリマーであり、ナノ粒子剤は、炭酸カルシウムである。
さらに、ポリマー材料と、ポリマー材料全体に分布したナノ粒子中和剤とを含む複合材が提供され、ポリマー材料は、PDLLAまたはそのコポリマーからなる。
また、ポリマー材料と、ポリマー材料全体に分布したナノ粒子中和剤とを含む複合材が提供され、ポリマー材料は、PLLA以外の任意のポリマー材料である。
本発明の目的において、ポリマー/ナノ粒子中和剤複合材に含まれるポリマーは、20kD未満の分子量を有するポリマーである。同様に、複合材がブレンドされるより高分子量のポリマーは、20kDを超える分子量を有するポリマーである。
本発明のさらなる適用領域は、以降に記載される詳細な説明から明らかとなる。詳細な説明及び具体的な実施例は、本発明の好ましい実施形態を示すが、例示目的のみを意図するものであり、本発明の範囲を制限することを意図しない。
本明細書に組み込まれその一部を成す添付の図面は、本発明の実施形態を例示し、記載された説明とともに、本発明の原理、特性、及び特徴を説明する役割を果たす。
図1は、ナノ粒子炭酸カルシウムの透過型電子顕微鏡写真である。 図2は、複合材を含む溶液の、分解時間に対するpHの変動を示すグラフである。値は、試料に対する3回の平均±標準誤差である。 図3は、0.01wt%のSnOct2を使用して130℃で5日間重合させたnCaCO3/PDLLA複合材の、数平均分子量(Mn)及び重量平均分子量(Mw)の変動を示すグラフである。得られた試料は、次いで溶融プロセスに利用した。値は、試料に対する繰り返し2回の平均±標準誤差である。 図4Aは、(a)100wt% PDLLAに対する、GPC検出器の応答の経時的変動を示すグラフである。 図4Bは、(b)30wt% PDLLA/nCaCO3複合材に対する、GPC検出器の応答の経時的変動を示すグラフである。 図4Cは、(c)同量のPDLLA及び30wt% PDLLA/CaCO3複合材の溶融プロセスにより生成された15wt% PDLLA/nCaCO3複合材に対する、GPC検出器の応答の経時的変動を示すグラフである。 図5は、押出し及び射出成形後のnCaCO3/PDLLA複合材の、数平均分子量(Mn)及び重量平均分子量(Mw)の違いを示すグラフである。値は、試料に対する繰り返し2回の平均±標準誤差である。 図6I(A)は、様々な濃度のCaCO3を含有する溶融プロセス後の複合材を示すSEM顕微鏡写真(a)である。後方散乱電子モードで撮影されたこれらの画像は、BSと示されている。 図6I(B)は、図様々な濃度のCaCO3を含有する溶融プロセス後の複合材を示すSEM顕微鏡写真(b)である。後方散乱電子モードで撮影されたこれらの画像は、BSと示されている。 図6I(C)は、様々な濃度のCaCO3を含有する溶融プロセス後の複合材を示すSEM顕微鏡写真(c)である。後方散乱電子モードで撮影されたこれらの画像は、BSと示されている。 図6I(D)は、様々な濃度のCaCO3を含有する溶融プロセス後の複合材を示すSEM顕微鏡写真(d)である。後方散乱電子モードで撮影されたこれらの画像は、BSと示されている。 図6I(E)は、様々な濃度のCaCO3を含有する溶融プロセス後の複合材を示すSEM顕微鏡写真(e)である。後方散乱電子モードで撮影されたこれらの画像は、BSと示されている。 図6I(F)は、様々な濃度のCaCO3を含有する溶融プロセス後の複合材を示すSEM顕微鏡写真(f)である。後方散乱電子モードで撮影されたこれらの画像は、BSと示されている。 図6II(G)は、様々な濃度のCaCO3を含有する溶融プロセス後の複合材を示すSEM顕微鏡写真(g)である。後方散乱電子モードで撮影されたこれらの画像は、BSと示されている。 図6II(H)は、様々な濃度のCaCO3を含有する溶融プロセス後の複合材を示すSEM顕微鏡写真(h)である。後方散乱電子モードで撮影されたこれらの画像は、BSと示されている。 図6II(I)は、様々な濃度のCaCO3を含有する溶融プロセス後の複合材を示すSEM顕微鏡写真(i)である。後方散乱電子モードで撮影されたこれらの画像は、BSと示されている。 図6II(J)は、様々な濃度のCaCO3を含有する溶融プロセス後の複合材を示すSEM顕微鏡写真(j)である。後方散乱電子モードで撮影されたこれらの画像は、BSと示されている。 PDLLA/nCaCO3複合材を含む出発溶液の、分解時間に対するpHの変化を示すグラフである。値は、試料に対する繰り返し3回の平均±標準誤差である。 複合材の分解に伴うその質量損失の変動を示すグラフである。値は、試料に対する繰り返し3回の平均±標準誤差である。 複合材の分解時間に対する、(a)数平均分子量の変化を示すグラフである。値は、試料に対する繰り返し2回の平均±標準誤差である。 複合材の分解時間に対する、(b)数平均分子量(Mn)の減少のパーセンテージの変化を示すグラフである。値は、試料に対する繰り返し2回の平均±標準誤差である。 複合材内に存在するカルシウムイオンの濃度の変化を示すグラフである。値は、試料に対する繰り返し3回の繰り返し平均±標準誤差である。 動的機械分析を使用して決定される、PDLLA内のnCaCO3含有量及び処理条件に対する弾性率の変化を示すグラフである。値は25℃で計算され、最少5試料に対する平均±標準誤差である。 動的機械分析を使用して決定される、PDLLA内のnCaCO3含有量及び処理条件に対する貯蔵弾性率の変動を示すグラフである。値は37℃で計算され、最少5試料に対する平均±標準誤差である。
粒径分布が狭く(すべての粒子が100nm未満)、凝集傾向が低い(図1)ナノ粒子炭酸カルシウム(nCaCO3)は、メタノール中での水酸化カルシウム(Ca(OH)2)水溶液の炭酸化により沈殿した。これは、初期温度-93℃、初期Ca(OH)2濃度0.04g cm-3、CO2流速300cm3 min-1、初期pH8.5(塩酸の添加により達成)、沈殿開始前の1wt%のエチレンジアミン四酢酸(EDTA)の添加、及び完了時の凝集効果を抑制するための9.5wt%のDispex A40(25wt%のアンモニウムポリメチルメタクリレート水溶液)の使用、という処理パラメータを使用して達成された。
使用前にnCaCO3を一晩完全に乾燥させ、モノマーとともに粉砕してからホウケイ酸ガラス試験管に入れた。D-Lラクチド、0.01wt%のSnOct2及び沈殿したnCaCO3(14、17、20、25及び30wt%)を、ホウケイ酸ガラス試験管に添加し、不活性窒素雰囲気下、130℃で5日間重合させた。
電子レンジ(Panasonic NN-T553)内で、440Wで15分間D-Lラクチドを重合させることにより、純粋なPDLLA(Mn=42キロダルトン;Mw=81キロダルトン)を生成した。凍結/融解サイクルを施すことにより、純粋なポリマー及び複合材の両方をホウケイ酸ガラス試験管から取り出した。次いで、コーヒーグラインダを使用して試料を均一な粒径分布まで粉砕し、複合材を純粋なPDLLAと同量ずつ(50:50)混合し、nCaCO3が7、8.5、10、12.5及び15wt%のnCaCO3/PDLLA複合材粉末を得た。
次いで、これを一晩完全に乾燥させ、溶融プロセスを行った。溶融プロセスは、130℃に加熱した小型混練機(Haake)に供給し、続いて0.75mm径のダイを通して押し出すことにより達成した。次いで、得られた繊維を破砕してピストン射出成形システム(Haake)に直接供給し、これが140℃、840barでステンレススチールダイ(5秒間室温で保持)に複合材を射出した。射出前、容易な取り出しを促進するために、型の半分ずつを乾燥PTFE離型剤スプレーで被覆した。
走査型電子顕微鏡法(SEM;Philips XL-30)を使用して、溶融プロセス後の複合材試料の構造検査を行った。試料をカーボン被覆タブ上に載せ、金/パラジウムを蒸着した。次いでこれを、二次電子モードで、加速電圧15kV、作動距離約10mm及びスポットサイズ4を用いて検査した。スポットサイズを5に増加させ、後方散乱電子モードでも分析を行った。
ゲル透過クロマトグラフィー(GPC)を使用して、純粋なPDLLA及び複合材の数平均分子量(Mn)及び重量平均分子量(Mw)を決定した(Table 2(表2)を参照)。試料約0.1gを5mlのクロロホルムに溶解し、35℃で1ml min-1の速度を用いクロロホルム中でGPC分析(Polymer Labs;PL RI 800)を行った(ポリスチレン、狭分子量分布標準物質で較正)。
また、この様式で純粋なPDLLA試料を製造した。粒径がすべて1μmを超える分析グレード炭酸カルシウム(fCaCO3)を10wt%含有する複合材もまた、上述のようにホウケイ酸ガラス試験管中で重合させた。しかしながら、加熱プロセスが材料の物理的性質を改変するため、プレス加工シートからfCaCO3/PDLLA複合材試料を製造する必要があった。これは160℃でのホットプレスで行われ、粉末はプレス内で30秒間予熱され、1分間50kNでプレスされた。
複合材の分解は、質量損失及び吸水率、ポリマー分子量の変化、周囲の溶液のpH、ならびに溶液のカルシウム濃度の経時的変化の点で測定した。加熱したメスを使用して、射出成形後のnCaCO3/PDLLA試料から約12×4×2mmのサイズの長方形を切り取り、質量を記録し、24ウェルプレートに個別に載せた。また、プレス加工後の10wt% fCaCO3/PDLLAシートからも試料(10×10×0.5mm)を切り取った。次いで、それらの両面をUV光で滅菌してから、フェノールレッド不含ダルベッコ変法イーグル培地(Dulbecco's Modified Eagle's Medium (DMEM))及び10%ウシ胎仔血清(FBS)(複合材1gあたり10ml)を添加した。また、ブランクとするために、ウェルプレート内の空いたウェルにDMEMを加えた。次いでウェルプレートを、37℃、5%CO2で10週間、インキュベータ内に設置した。所定の時点(4、7、14、21、35、42、49、56、及び70日)でこれらを取り出して質量を記録した。また、加水分解した試料を10-1〜10-2mbarの真空下で48時間乾燥させ、乾燥質量を測定し、重量損失のパーセンテージ及び吸水率を決定できるようにした。ウェルプレートから複合材を取り出した後、pHを測定し、溶液を取り出し、濃塩酸0.5mlを添加した後、溶液を濾過した。次いで、溶液中のカルシウムイオン濃度を、EDTA滴定により決定した。67.6gの塩化アンモニウム(NH4Cl)を200mlのdH2O2に溶解した後、570mlの濃水酸化アンモニウム(NH4OH)を添加することにより、塩化アンモニウム-水酸化アンモニウム(NH2OH・HCl)の緩衝溶液を調製した。これに、EDTAのマグネシウム塩5.00gを添加し、dH2Oで1000mlに希釈し、密栓容器内に保存した。3.72gのエチレンジアミン四酢酸二ナトリウム(Na2EDTA;Fisher Scientific)二水和物(一晩乾燥)を、dH2Oに溶解し、容量フラスコ内で1000mlに希釈することにより、標準0.01M EDTA溶液を生成した。この溶液のモル濃度は、CaCO3標準溶液25.0mlの滴定により確認した。これは、秤量前に180℃で1時間乾燥させた1.000gのCaCO3を約600mlのdH2Oに懸濁させ、
最小量の希HClで溶解することにより作製した。得られた溶液を容量フラスコ内で1000mlに希釈した。密封容器内でプルプル酸アンモニウム(1.0g)を200gのショ糖と完全に混合し、後に指示薬として0.2gの量で使用した。カルシウムイオン濃度が未知である既知体積の溶液の一定量を容量フラスコ内に入れ、1mlのNH2OH・HCl、1mlのNaOH(80g l-1)及びプルプル酸アンモニウムを添加し、色がピンクから紫に変化するまでEDTAで滴定した。EDTAの体積を記録し、カルシウム濃度を決定した。また、乾燥試料の分子量の変化を、GPCを使用して確定した。
上述のように生成されたnCaCO3/PDLLA複合材及び純粋なPDLLAの機械的性質を、動的機械分析(DMA;TA Instruments)を使用して決定した。DMAを引張モードで使用し、押出し後の繊維と、射出成形後の引張試験検体の中心長軸の両方を試験した(末端は高温のメスを使用して除去した)。歪み掃引及び温度掃引の2種類の異なる試験を使用した。歪み掃引は、0.01Nの予め負荷された力を使用し、振幅を0.5μmから6μmに徐々に増加させて、25℃で行った。次いで応力対歪みのグラフをプロットし、傾きから弾性率を決定した。温度掃引では、周波数及び振幅をそれぞれ1Hz及び6μmに固定して、3℃min-1の速度で25℃から70℃に温度を徐々に上げた。得られたグラフを使用して、37℃における貯蔵弾性率を確定した。
nCaCO3/PDLLA複合材の加速分解試験(より低分子量のPDLLAを使用し、45℃の高温で行った)では、PDLLAの酸性分解生成物を緩衝するためには7wt%のnCaCO3濃度が必要であることが示された(図2)ことに留意されたい。さらに、予備機械分析では、PDLLAに20wt%のnCaCO3を添加すると、複合材の脆性破壊が生じることが示された。したがって、7〜15wt%のnCaCO3の範囲から外れたnCaCO3/PDLLA複合材を製造するのは望ましくないと結論付けられた。
ヒドロキシアパタイトで以前に判明したように、重合前にnCaCO3をD-Lラクチドに添加すると、得られるポリマー分子量が低下する(図3)。30wt%のnCaCO3を含有するそれらの複合材は、14wt%のnCaCO3で生成されたものよりもMn及びMwが大幅に低かった。次いで、CaCO3/PDLLA複合材(分子量分布を図4bに示す)をより高分子量のPDLLA(分子量分布を図4aに示す)と組み合わせ、電子レンジ内で重合させたところ、二峰性の分子量分布を有する複合材粉末を得た(図4c)。ナノ複合材の場合、後の押出し及び射出成形プロセスにおいて、MnまたはMwに大きな差は生じなかった。後者の観察は、二峰性の分子量分布の結果である。複合材のSEM検査では、CaCO3がポリマーマトリックス全体に均一に分布していることが実証された(図6i及び6ii)。
PDLLA及び複合材が分解している溶液(血清ベースDMEM)のpHの測定では、PDLLA溶液のpHが、複合材を含む溶液に比べ大幅に低いことが明確に実証された(図7)。14日から21日にかけてPDLLAに見られた劇的な減少は、複合材には生じなかった。分解時間に対するpHの変化と同様に、試料質量の測定では、PDLLAの質量減少が、複合材試料に比べ大幅に高いことが示された(図8)。しかしながら、PDLLAの質量減少の初期の増加は、試験14日目までは生じず(pH低下よりも7日遅い)、その後次の週には20%の減少が見られた。pH及び質量減少の変化の両方を支持するように、純粋なPDLLAのMnは、複合材試料のMnよりも大幅に速い速度で減少し、最初の14日にかけて72%の減少が見られた(図9a及び9b)。さらに、21日の分解時間後、10wt% fCaCO3/PDLLA複合材は、ナノ複合材よりもMn減少速度が大幅に高く、試験終了時には84%に達した。分解期間全体にわたり、複合材試料が分解している溶液中のカルシウムイオンの濃度は、15wt%のnCaCO3を含有するものにおいて、その他の試料に比べ大幅に高かった(図10)。結果は、複合材が均質ポリマーよりも遅い速度で分解することを明確に示していた。さらに、70日の分解期間にかけて、複合材を含む溶液のpHに突然の低下は見られず、質量及びMnの減少は、極めてより緩やかであった。複合材によるポリマー加水分解速度の減少は、PDLLAの酸性分解生成物を緩衝し、それにより自己触媒分解の発生を最小限化する遊離カルシウムイオンの結果であると考えられる。
nCaCO3/PDLLA複合材の弾性率及び貯蔵弾性率は、DMAで決定したところ、nCaCO3の添加とともに増加し、12.5wt%のnCaCO3で最大に達した(図11及び12)。両方とも純粋なPDLLAよりも大幅に高く、これは押出し及び射出成形後の試料の両方に対して見られた。しかしながら、射出成形後の試料では、押出し後の試料よりも大幅に値が低かった。これらの結果は、nCaCO3がPDLLAの強化に効果的であることを示している。

Claims (15)

  1. 生体吸収性ポリマー内に組み込んで、前記生体吸収性ポリマーの酸性分解生成物を中和するための中和剤を含むナノ粒子の使用であって、
    前記生体吸収性ポリマーが、第1のポリマーと、第2のポリマーとを含み、第1のポリマーは第2のポリマーより低い分子量を有し、
    前記ナノ粒子は、少なくとも前記第1のポリマー全体に分布しており、直径が100nm未満である、使用。
  2. 中和剤が、炭酸塩、重炭酸塩、またはリン酸塩からなる群から選択される、酸性分解生成物を中和することができる塩である、請求項1に記載の使用。
  3. 中和剤が、遊離カルシウムイオンの源である、請求項1または2に記載のナノ粒子の使用。
  4. 中和剤が、炭酸カルシウムまたはリン酸カルシウムである、請求項1から3のいずれか一項に記載の使用。
  5. リン酸カルシウムが、アパタイトである、請求項4に記載の使用。
  6. アパタイトが、ヒドロキシアパタイトである、請求項5に記載の使用。
  7. ポリマー内の中和剤の濃度が、5〜20wt%である、請求項1から6のいずれか一項に記載の使用。
  8. 前記濃度が、7〜15wt%である、請求項7に記載の使用。
  9. 前記第1のポリマーの分子量が20kD未満であり、前記第2のポリマーの分子量が20kDを超える、請求項1から8のいずれか一項に記載の使用。
  10. 第1のポリマーと、第2のポリマーとを含むポリマー複合材であって、第1のポリマーは第2のポリマーより低い分子量を有し、中和剤のナノ粒子が少なくとも第1のポリマー全体に分布しており、
    前記ナノ粒子の直径が、100nm未満であり、前記第1のポリマー及び第2のポリマーが生体吸収性ポリマーであり、前記中和剤が前記生体吸収性ポリマーの酸性分解生成物を中和するためのものである、複合材。
  11. 第1のポリマー及び第2のポリマーの両方が、ポリ-DL-乳酸（PDLLA）またはそのコポリマーであり、第1のポリマーは、炭酸カルシウムのナノ粒子を含む、請求項10に記載のポリマー複合材。
  12. 前記第1のポリマーの分子量が20kD未満であり、前記第2のポリマーの分子量が20kDを超える、請求項10または11に記載のポリマー複合材。
  13. 全体に分布したナノ粒子中和剤を含む第1のポリマーと、第2のポリマーとを含む複合材を製造する方法であって、
    a)第1のポリマーをナノ粒子中和剤と重合させて組合せを形成するステップと、
    b)a)において生成された組合せを第2のポリマーとブレンドして複合材を形成するステップとを含み、第2のポリマーは第1のポリマーより高い分子量を有し、前記ナノ粒子中和剤の直径が、100nm未満であり、前記第1のポリマー及び第2のポリマーが生体吸収性ポリマーであり、前記ナノ粒子中和剤が前記生体吸収性ポリマーの酸性分解生成物を中和するためのものである、方法。
  14. 第1のポリマーがポリ-DL-乳酸（PDLLA）またはそのコポリマーであり、ナノ粒子中和剤が炭酸カルシウムである、請求項13に記載の方法。
  15. 前記第1のポリマーの分子量が20kD未満であり、前記第2のポリマーの分子量が20kDを超える、請求項13または14に記載の方法。
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