JP5822927B2 - 本質的に磁性を有するハイドロキシアパタイト - Google Patents

Description

本発明は、本質的に磁性を有するハイドロキシアパタイトと、それらを生物学的物質および／または医薬品のキャリアおよび診断用の造影剤として、骨および軟骨の再生に使用する方法とに関する。

ハイドロキシアパタイト（ＨＡ）、Ｃａ_１０（ＰＯ_４）_６（ＯＨ）_２ は、骨組織の主な鉱物成分である。ハイドロキシアパタイトは生物学的物質に対する生体適合性および天然の親和性が高いため、通常、骨および軟骨の代用品／再生品で、タンパク質、遺伝子、幹細胞、成長因子、活性物質などのキャリアとして、使用される。

ハイドロキシアパタイトは六法晶格子で、リン酸イオン、水酸基イオン、カルシウムイオンを有し、後者は６価または４価の配位（６ｈおよび４ｆの位置）を示すことが知られている。

ハイドロキシアパタイトの構造は、リン酸イオン、水酸基イオン、カルシウムイオンのサイトにおいて、構造を崩すことなく、種々のタイプのイオン置換に対応できることも知られている。

つまり、ハイドロキシアパタイトは、その相を分解することなく異なるタイプのイオンとドープできる物質である。

骨組織を形成する鉱物相の生体模倣（バイオミメティック）性を強める目的で行われるハイドロキシアパタイトのドープに加えて、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｌａなどの磁性を提供できるイオンと多数の置換がなされる。

特に、マイヤー氏等（無機生化学ジャーナル１９９２、４５、１２９〜１３３（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｉｎｏｒｇａｎｉｃ Ｂｉｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ 1992, 45, 129-133））は、Ｆｅ（ＮＯ₃）₃を試薬とし、３価鉄イオンをドープしたハイドロキシアパタイト（Ｆｅ^3＋ ＨＡ）の合成方法を報告している。著者等に由ると、３価鉄イオンはアパタイト格子に組み込まれずに、ＦｅＯＯＨとしてアパタイト自身内に存在していた。

ウー氏等（ナノテクノロジー２００７、１８、１６５６０１−１０（Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 2007, 18, 165601−10））は、ＦｅＣｌ₂・4Ｈ₂ＯをＦｅ^2＋のイオン源として用いた、２価鉄イオンをドープしたハイドロキシアパタイト（Ｆｅ^2＋ ＨＡ）の合成方法を報告している。しかしながらウー氏等は、ハイドロキシアパタイトがマグネタイトのような２次磁気位相を伴うときのみ、磁性物を得ることができた。

ミン チャン氏等（凝集および材料物理学のレビュー、２００２、６６、２２４１０７〜２２４１１５（Ｒｅｖｉｅｗ, Ｃｏｎｄｅｎｓｅｄ Ｍａｔｔｅｒ ａｎｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｐｈｙｓｉｃｓ, 2002, 66, 224107-224115））は、Ｃａ（ＮＯ₃）₂およびＦｅ（ＮＯ₃）₂ 溶液を一滴ずつリン酸アンモニウム溶液に添加することにより、Ｆｅ^2＋およびＦｅ^3＋イオンをハイドロキシアパタイトにドープした。しかし上記論文には、ハイドロキシアパタイトの本質的な磁化の可能性については何ら記載されていない。

骨や軟骨の再生用骨格の使用において最も重要な限定の1つは、骨格となる着床場所（implantation site）における細胞分化や血管形成のプロセスの成長および進行をコントロールする難易度にある。

これらのプロセスは、骨組織成長因子および血管新生因子を着床サイトへ移動させるスピードに託されている。

長期間に渡って、且つ、患者のニーズに従って、特定の因子を着床サイトへ移動させることを制御することは、プロテーゼの骨結合および骨組織の再生を促し、如いては患者の治癒にも非常に重要である。

したがってこの分野において、生物学的物質および医薬品を運搬し放出するシステムであって、成長因子と、血管新生因子と、骨結合および骨再生を促し、早めることのできるその他の生物学的物質と、の移動を制御可能なシステムの必要性が極めて高い。精密で正確な方法でガイド可能な医薬品運搬システムも必要である。前記システムにより、医薬品が直接且つ選択的に放出され、実際に必要な質および量に従って病変に冒された場所のみで放出される。

この分野ではまた、骨および軟骨再生用で、生体適合性を有し、患者の体外に存在する制御システムを介して、体内の特定の移植場所で操作および抑制可能なので侵襲性の固定システムの存在が不要である、プロテーゼの必要性が生じている。

このような要求は、本質的に磁性を有するハイドロキシアパタイトと、添付の請求項で概説される前記本質的に磁性を有するハイドロキシアパタイトの製造方法とにより解決される。

以下、添付の図面を参照しながら本発明の詳細を示す。
図１は、鉄イオンで置換されたＨＡサンプルの一形態を示す。 図２は、Ｆｅ^３+イオン（Ｆｅ／Ｃａ比＝０．２０）の存在下で４０℃にて合成されたＨＡサンプルのＸＲＤ分析を示す。 図３は、ドープされていないＨＡと、Ｆｅ^２+イオン（Ｆｅ／Ｃａ＝０．２０）を添加して異なる温度［Ｄ＝２５℃；Ｅ＝４０℃；Ｆ＝６０℃］で合成されたＨＡと、のＲＸディフラクトグラムを示す。印「・」の付されたピークは、マグネタイト相（Ｆｅ_３Ｏ_４）に対応する。 図４は、ドープされていないＨＡと、Ｆｅ^３+およびＦｅ^２+イオン（Ｆｅ／Ｃａ＝０．２０）を添加し、４０℃で合成することにより製造されたＨＡ（図のＨ）と、のＸＲＤパターンを示す。 図５Ａおよび図５Ｂは、各々、サンプルＥ（黒い矢印はマグネタイト粒子を指す）およびサンプルＨの低解像度のＴＥＭ画像を示す。共通のボックスは増幅したＴＥＭ画像を有し、二つのサンプルにナノボイドが存在することを示す。 図６は、高解像度のＴＥＭ顕微鏡写真で、ＨＡの軸［２、０、１］に沿って観察されたサンプルＥおよびＨの代表粒子を示す。黒い矢印は、フーリエ変換画像（ボックス）から得られたＨＡ格子のＣ軸の向きを示し、白い矢印は粒子のアモルファス領域を指している。 図７は、放射線障害後のサンプルＥの粒子を示すＴＥＭ画像である。画像の暗い領域は鉄の豊富なナノ相に対応する。 図８は、サンプルＥおよびＨの、磁化およびＸＲＤパターンの関係を示す。 図９Ａおよび図９Ｂは、７００℃で処理した物質の、低解像度のＴＥＭ画像を示す。ＡはサンプルＥｔであり、ＢはサンプルＨｔである（矢印は鉄の豊富な相を示す）。 図１０は、印加磁場１００ ＯｅにおけるサンプルＨの、磁化ＺＦＣ‐ＦＣカーブを示す。矢印はブロッキング温度（Ｔｂ）を示す。 図１１は、サンプルＨに３００Ｋで作用させる磁場に応じた磁化を示す。

本発明は、３４ Ｏｅの磁場を作用することにより記録される磁化の度合が０．０５〜８ｅｍｕ／ｇ、好ましくは０．１〜５ｅｍｕ／ｇであることを特徴とする、本質的に磁性を有するハイドロキシアパタイトに関する。

特に、本発明のハイドロキシアパタイトは、Ｆｅ^２+およびＦｅ^３イオンがドープし、結晶格子内のカルシウムを部分的に置換する。

ハイドロキシアパタイト格子内のＦｅ^３+／Ｆｅ^２+比は、１〜４、好ましくは２〜３．５である。本願のハイドロキシアパタイトは本質的に磁性を有する。すなわち、Ｆｅ^３+およびＦｅ^２+イオンで格子がドープされ、一定量のカルシウムと相互に置換（部分的に）し、格子内が酸化状態／配置となり、磁性を生じる特定の配位状態となることに本質的に起因して磁性を与えられる。

いかなる学説にも縛られることなく、磁化は、ドープされたＨＡ格子内の極めて小さな構造上のドメインに因るものだと考えられている。前記ドープされたＨＡ格子は、マグネタイトの構造と似ていて、超常磁性挙動の原因となるメカニズムを活性化できる。

構造モデルのＸＲＤ分析およびコンピューター・シミュレーションは、ＨＡ格子内で、Ｆｅの両種がカルシウムを置換する位置に存在し、格子間位置に存在していないことを明示する。

配位数６のＣａ（２）の配置および配位数４のＣａ（１）の配置は、相互に占領されることにより、粉末に磁化率を付与する。

ＴＥＭ調査および磁気測定により、ＨＡの新たな磁気位相と共に、マグネタイトに似たナノクラスターが確認された。前記新たな相は、公称値２価のＦｅ^２+と、公称値３価からずれを有するＦｅ^３+と、により変形し／不規則となったハイドロキシアパタイトで、これらは表面で組織化され、バルク段階で、ＨＡ自身の内部に磁性を生じさせるよう配置される。

本発明のハイドロキシアパタイトは、体積換算で約３％未満の二次磁気位相（マグネタイトタイプの２次相など）を有していても良い。好ましくは、二次磁気位相の量が体積換算で２％以下である。

本発明のハイドロキシアパタイトに沿って存在する２次相が少量な場合、鉄イオンの大部分はＨＡ格子内のカルシウムと置換するためにドープされ、その一部が磁気特性を有する酸化鉄（マグネタイトのような）の形成に貢献している。

マグネタイトのように二次磁気位相が少量の場合、本発明のドープされたハイドロキシアパタイトは、優れた生体適合性を維持する。前記生体適合性は通常、ドープされていないハイドロキシアパタイトに特有である。実際、二次磁気位相の量が多くなると、ハイドロキシアパタイトの生体適合性も低くなる。

本発明のハイドロキシアパタイトは、好ましくは（Ｆｅ+Ｃａ）／Ｐ比が１．５〜１．９である。上記比率は、ドープされていないＨＡのＣａ／Ｐ比と近似する。

（Ｆｅ+Ｃａ）／Ｐ比が１．５〜１．９なので、カルシウムと置換するために鉄イオンをドープすることは、物質の化学構造に大きな変化をもたらしていないことを示す。つまり、ドープした後でも、ドープされていないハイドロキシアパタイト特有の化学構造の特徴を保持することを示す。

本発明のドープされたハイドロキシアパタイトは、好ましくは粒子（またはナノ粒子）形状を有していて、幅５〜１０ｎｍから２０〜３０ｎｍで、長さ最大８０〜１５０ｎｍのサイズを有している。粒子は、２〜５ｎｍのボイドを表面に有する。

本発明の本質的に磁性を有するハイドロキシアパタイトの合成方法は、下記工程を有する。
ａ）Ｆｅ（ＩＩ）およびＦｅ（ＩＩＩ）イオンを有する溶液を、Ｃａ（ＩＩ）イオンを有する懸濁液／溶液に添加する工程。
ｂ）工程ａ）の懸濁液を１５〜８０℃に加熱する工程。
ｃ）工程ａ）の懸濁液／溶液にリン酸イオンの溶液を添加する工程。
ｄ）母液から沈殿物を分離させる工程。

好ましくは、前記Ｆｅ（ＩＩ）およびＦｅ（ＩＩＩ）イオンが、各々、ＦｅＣｌ_２およびＦｅＣｌ_３由来である。

好ましくは、Ｃａ（ＩＩ）イオンが、水酸化カルシウム、硝酸カルシウム、酢酸カルシウム、炭酸カルシウム、および／または、他のカルシウム塩由来である。

リン酸イオンの溶液を、カルシウムイオンと鉄イオンとを有する懸濁液／溶液に、好ましくは前記懸濁液を加熱し、撹拌しながら、１〜３時間添加する。好ましくは前記リン酸イオンが、リン酸および／またはその可溶性塩由来である。

Ｆｅ／Ｃａモル比が５〜３０、好ましくは１０〜２０ｍｏｌ％となるように、 適量の鉄イオンが使用される

この工程を終了後、前記懸濁液を１〜２時間常に撹拌し、撹拌および加熱をしないで、１２〜３６時間休ませる。

こうすることで、好ましくは遠心分離により、母液から分離した沈殿物を得る。

分離した沈殿物は、その後蒸留水内に分散され、少なくとも３回遠心分離する。

好ましくは、沈殿物を少なくとも３回洗浄し、凍結乾燥した後、ふるいにかける。

本発明の目的はさらに、上記の合成方法により得られる、本質的に磁性を有するハイドロキシアパタイト、好ましくは本質的に磁性を有するナノ粒子の形状に関する。

本発明の本質的に磁性を有するハイドロキシアパタイトは、ドープされていないハイドロキシアパタイトと全体的に比較して、生体適合性を有する物質である。したがって、医療および／または診断の分野で目的に応じて使用することができる。

特に、本質的に磁性を有するハイドロキシアパタイトは、生物学的因子および医薬品を運搬し放出する物質、診断に使用する造影剤、あるいは、骨や軟骨の再生に使用する生物学的磁性物質に使用することができる。

診断分野で使用する時は、本願の本質的に磁性を有するハイドロキシアパタイトは、例えば、磁気共鳴画像（ＭＲＩ）などの造影剤として使用することができる。上記の場合、磁性ハイドロキシアパタイトが適切に機能すると、（例えば、腫瘍などの身体の特定の領域を位置決めすることのできる特定の抗体と共に）患者に投与し、適切な強度の外部磁場を作用させることにより、粒子を見つけることができるので、どんな病理学的変化の有無も検出可能である。

本発明のハイドロキシアパタイトの他の使用は、例えば病理学的部位で選択的処置をする抗癌剤および／または抗生物質などの、活性物質を運搬し放出する物質としての使用である。この場合投与されると、磁化ハイドロキシアパタイトの粒子を、適切な磁場を作用させることにより、病理学的部位にガイドすることが可能で、前記粒子は、前記病理学的部位で運搬している成分を放出する。

上記方法によると、速さと放出の選択性に関し、医薬品の運搬および放出を制御するシステムが構築される。

腫瘍の治療に、本発明の磁性ハイドロキシアパタイト粒子を使用し、局所的に温度を上昇させことができる（マグネタイトサーミアまたは温熱療法）。実際面では、患者に投与すると、磁場を作用させることによりハイドロキシアパタイト粒子（活性物質を有していない）が腫瘍部位にガイドされ得る。前記粒子が前記部位に到達すると、適切な磁場を作用させることにより温度を上昇させ、腫瘍細胞壊死を誘発する。

本発明のハイドロキシアパタイト粒子の他の使用は、特に、蛋白質、遺伝子、幹細胞、成長因子、血管新生因子などの生物学的因子を運搬および放出するシステムとしての使用である。外部磁場を作用させることにより前記システムは、埋込型磁性代用骨（例えば、同じ磁化ハイドロキシアパタイトで作られた）または埋込型非磁性骨格へ、ガイドされ得る。

上記方法によると、埋込型の骨および／または骨・軟骨の代替品、組織再生
の骨結合性のスピードに影響を与え得る。前記影響は、治療過程で困難が見つかった場所で、必要とするだけ、個々の患者に応じて、成長および血管新生因子を増量させることにより、与えられる。外部磁場を作用させることにより、前記因子を増量することが可能で、それにより本発明の粒子を、骨または軟骨の再生が極めて困難であるという部位にガイドし得る。

本発明の主要目的は、したがって、上述の物理化学的特徴を有し、本質的に磁性を有するハイドロキシアパタイトで、蛋白質、遺伝子、幹細胞、成長因子、血管新生因子および活性物質または医薬品から選択される生物学的物質を搭載しているハイドロキシアパタイトを得ることである。前記ハイドロキシアパタイトは好ましくは、本質的に磁性を有するナノ粒子の形状を有する。

上記の使用は全て、外部磁場を作用させることにより、運搬および放出システムの内部配布を離れた場所で制御可能であるという原理に基づいている。したがって、本質的に磁性を有するハイドロキシアパタイトの粒子は、生物学的および薬理学的物質を運搬し放出するナノデバイスとして定義される。

本発明のハイドロキシアパタイトの主な利点は、ドープされていないハイドロキシアパタイトの生体適合性に匹敵し、二次磁気位相およびハイドロキシアパタイトからなるシステムの生体適合性よりも優れた、高い生体適合性にある。本発明の運搬および放出システムには従って、周知の磁性運搬および放出システムと異なり、生体適合性を強化するための更なる改良（コーティングの塗布など）は不要である。

実際、周知の磁性粒子は、シリカなどの不活性物質からなる種々の単層により保護された磁気コアを有している。あるいは、有機／生物学的物質を使用していても良く、これらは磁性粒子の表面に吸収され、生体適合性のあるコーティングを形成している。

有機／生物学的コーティングは、抗体、生体高分子（コラーゲンなど）、または有機分子の単層などで、それらは磁性粒子に生体適合性を与える。さらに運搬される物質は、周知の磁性粒子に、両端に反応基を有するリンカーによりつながれている。

1つの官能基は粒子の表面にリンカーをつなげ、一方、２つ目の官能基は運搬する分子を結合する。

本発明のハイドロキシアパタイト粒子の利点は、本質的に磁性を有し、且つ、本質的に生体適合性を有しているので、それらの特徴を強化するために有機物／無機物からなる層を更に塗布する必要がないことである。更に、運搬する物質はハイドロキシアパタイトに直接搭載することができるので、リンカーを用いる必要が無い。

本発明の磁性ハイドロキシアパタイトの他の使用は、３次元の生体模倣品の準備に用いることである。前記生体模倣品は、骨または軟骨の代用品として、骨または軟骨の再生の応用に使用するよう構築される。

これらの磁性生体模倣骨格は、外部から作用される適切な磁力により、体内の所定の位置で拘束される。さらにそれらの骨格は、適切な外部磁場を作用させることにより、現位置で、生物学的に操作可能である。したがって、本発明の磁性ハイドロキシアパタイトの他の粒子で、成長因子、血管新生因子、幹細胞、医薬品、いかなる生物学的因子をも搭載した粒子を、磁気装置にガイド可能となり、患者が要する質、量、および時間的制約に応じて、上記物質を現位置で放出する。

したがって本発明の目的はさらに、３Ｄ生体模倣装置で、特に骨または軟骨の再生に使用し、本発明の本質的に磁性を有するハイドロキシアパタイトの粒子、好ましくはナノ粒子を有する装置である。

Ｆｅ^２+およびＦｅ^３+のドーピングイオンの源として、ＦｅＣｌ_２およびＦｅＣｌ_３を用いて、磁性および生体模倣性を有するハイドロキシアパタイト（ＨＡ）粉末を準備した。上記塩からの３つの異なる合成方法を比較し、実施例１〜３にその詳細を記した。

合成されたＦｅ−ＨＡ粉末の化学成分、化学構造、磁気特性を、下記方法により測定した。

化学分析は誘導結合プラズマ発光分析（ＩＣＰ−ＯＥＳ；リバティ２００、ヴァリアン、クレイトン サウス、オーストラリア）により為された。２ｍｌのＨＮＯ_３の中に２０ｍｇの粉末を溶解し、脱イオン水を加えることにより溶液の体積を１００ｍｌまで増加させた。Ｆｅ^２+の量は、o-フェナントロリンと錯体を構成し、５１０ｎｍで測定可能なＦｅ^２+イオンの能力を利用し、紫外線可視分光光度分析により確認された。

鉄の総量（ＩＣＰにより測定）とＦｅ^２+の量（紫外線可視分光光度分析により測定）との差を計算することにより、Ｆｅ^３+の量を測定した。

走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ；ステレオスキャン ３６０、ライカ、ケンブリッジ、イギリス）により、上記粉末の形態評価がなされた。

上記粉末におけるＦｅ分布を定性的に可視化するために、後方散乱電子（ＢＳＥ）で測定がなされた。ＥＤＳ（エネルギー分散分光法、リンク、オックスフォード）が判定量化学分析に用いられた。

Ｘ線回折分析（ＣｕＫａ放射；リガク ガイガーフレックス、東京、日本）により、存在する結晶相を測定し、上記粉末の結晶化度を推定した。

透過型電子顕微鏡（ＪＥＯＬ ＴＥＭ３０１０−ＵＨＲ、日本、３００ｋＶ）を用いて、ナノスケールレベルで物質の性質を観察した。

ＹＳＺ ０１Ｃ／０２Ｃ磁化率計（ザルトリウス メカトロニクス、イタリア）を用いて、上記粉末の磁性を低電場（３４ Ｏｅ）で計測した。

磁性の計測はさらに、最大印加磁場Ｈ＝５Ｔ（５００００ Ｏｅ）において１．８Ｋから３５０Ｋで作動可能な超伝導量子干渉計（ＳＱＵＩＤ）の磁気探知器（クァンティック デザイン）を用いて計測された。

この場合、粉末状（２０ｍｇ）の数ミリグラムのサンプルが、Ｈ＝１００ Ｏｅの印加磁場において５Ｋ〜３００Ｋで計測され、Ｍ（磁性）対Ｔ（温度）の曲線が得られた。一方Ｍ対Ｈ（磁場強度）の曲線が、Ｔ＝３００Ｋで２Ｔ〜-２Ｔ（+／- ２００００ Ｏｅ）の単一の磁場サイクルで計測された。

合成例１（比較例）
前述した一般的な合成方法を維持しながら、1つの合成方法では、Ｆｅ^３+イオン源としてＦｅＣｌ_３を単独で添加し、それらをＦｅ^２+イオンに部分的に還元し、Ｆｅ^３+／Ｆｅ^２+の比率が約３となるようにする。

Ｆｅ^３+イオンを添加することにより合成された上記粉末は、最初のＦｅ／Ｃａモル比を０．２０、温度を４０℃とした場合、Ｘ線回折によりＨＡ格子に相当なねじれが観察されたが、２次相は確認されなかった（図２）。

還元プロセスを経ていない前記合成粉末には磁性の兆しがなかった。これは鉄が高酸化状態で存在するならば、起こり得ることである。

粉末はその後、還元プロセスにさらされた。

還元プロセスは、９６％Ａｒの中のＨ_２（４％）を還元ガスとし、異なる圧力のもと密閉オートクレーブ（パー、アロイ Ｃ２７６）の中で為された。表１はＦｅ^３+ＨＡ粉末用の実験オートクレーブの還元状態を要約する。

還元粉末の性質を表２に示す。表２は、還元されたＦｅ^３+ＨＡサンプルの計算した、磁化とＦｅ^３+／Ｆｅ^２+のモル比との関係を示す。

全ての合成粉末が極めて低い磁化を示した。実際、表面に存在するＦｅ^３+イオンの優先的な還元がバルクの不均一な還元を伴って行われ、過量なＦｅ^２+イオンを形成したと仮定される。適用された還元方法は、反応条件により特徴付けられているようだが、前記反応条件は、ＨＡ格子内でＦｅ^３+／Ｆｅ^２+イオンのバランスの取れた配分を得るには、極端である。

実際、紫外線可視分光光度分析により測定するＦｅ^２+の濃度が極めて高いため、Ｆｅ^３+／Ｆｅ^２+比が極めて低かった（表２）。前記Ｆｅ^２+の濃度は、o-フェナントロリンと錯体を形成するＦｅ^２+イオンの容量を利用して測定された。

合成例２（比較例）
前述した一般的な合成方法を維持しながら、他の合成方法では、Ｆｅ^２+イオン源としてＦｅＣｌ_２を単独で添加した。後者は、反応条件下でＦｅ^３+イオンに自然酸化された。

Ｆｅ^２+イオンを添加することにより前記粉末を合成した。最初のＦｅ／Ｃａモル比は０．２０とし、合成温度は変化させた（２５℃、４０℃、６０℃）。

実験の反応条件と、得られた粉末の特徴を表３に示す。

図３のＸＲＤ図は、サンプルＥおよびＦのマグネタイトのピークが２θ-３６゜であると示している。一方、サンプルＤは低温で準備されたため、スペクトラムの解像パターンが予想通り下がった。

表３に示すように、前記粉末の特徴は合成方法と密接に関わっている。

マグネタイトの形成は高温（６０゜Ｃおよび４０゜Ｃ）が好ましい。これらの条件下では、主にマグネタイトにより磁性量が増加した。前記マグネタイトは、Ｆｅ置換されたＨＡと共に形成された。２５℃でマグネタイトの形成が最小化され、多くの鉄イオンが格子内に入った。これは、ねじれにより証明されている（図３）。ＩＣＰ（表３）により計測された鉄イオンの総量は、全てのサンプルに導入されたＦｅＣｌ_２の公称濃度に対応する。紫外線可視分光光度分析（ＵＶ）により測定されたＦｅ^２+の量と、ＩＣＰにより測定された鉄の総量からＦｅ^２+の量を引いて得られたＦｅ^３+の量とにより、Ｆｅ^３+／Ｆｅ^２+比を計算した。前記は、双方の場合において、マグネタイトを形成するＦｅ^２+およびＦｅ^３+イオンを除いた場合について計算した。表３に示すように、サンプルＤおよびＥのＦｅ^３+／Ｆｅ^２+比はとても高い。反応温度が上昇すると（サンプルＦ）、２次相としてのマグネタイトの量も増加し、ＨＡ格子に入ることのできるＦｅ^３+の量は減少した。

サンプルＤの磁化量は極めて低い。これは１）２次相としてのマグネタイトが存在しないから２）双方の鉄イオンが格子に入るが、Ｆｅ^３+／Ｆｅ^２+比が極めて高く、Ｆｅ^２+イオンとＦｅ^３+イオンの分布およびその配位状態が適切でないためである。サンプルＥおよびＦの高い磁性値は、マグネタイトの濃度に本質的に起因する。

合成例３（実施例）
Ｆｅ^３+：Ｆｅ^２+＝１：１の比率となるように、水酸化カルシウムの懸濁液にＦｅＣｌ_２およびＦｅＣｌ_３を同時に加えた。

リン酸溶液（アルドリッチ８５％ｗｔ）を分散した水酸化カルシウム（アルドリッチ９５％ｗｔ）と鉄イオンとを含む懸濁液に、約１〜２時間、継続して加熱および撹拌をしながら加えた。合成反応は４０℃で行われた。塩化鉄の量は、最初のＦｅ／Ｃａモル比が０．１０および０．２０となるようにした。

反応物を、継続して撹拌および加熱しながら懸濁液の中に約１時間保持し、その後、撹拌および加熱することなく、２４時間放置した。

得られた沈殿物は茶色であったが、遠心分離により母液から分離し、３回、洗浄および遠心分離した。

前記沈殿物はその後凍結乾燥し、１５０μｍでふるいにかけた。

双方の試薬（ＦｅＣｌ_２およびＦｅＣｌ_３）を加えることにより、ＨＡの核生成においてＦｅ^２+およびＦｅ^３+を同時に得ることができた。このような状況下では、上述の比較例と比べ、形成されるマグネタイトが小さい。図４のＸＲＤスペクトルは、Ｆｅ^２+およびＦｅ^３+を同時に加えるとＨＡ格子が強く影響されることを示し、これにより格子のパラメーターの評価が極めて困難になる。

表４は、Ｆｅ^２+Ｆｅ^３+ＨＡの反応条件と特徴との関係を示している。

サンプルＨの高い磁化（表４）は、マグネタイトのみに因るものであるとは断定できない。前記高い磁化は、鉄イオン（Ｆｅ^２+／Ｆｅ^３+＝３．１５）の最適比と、鉄の前記２つの酸化状態の特定の相対位置および配位とに起因する。

これらの結果は、ＨＡ格子内に極めて小さな構造上のドメイン（structural domains）があることを示す。これらは、マグネタイトの構造を模倣し、超常磁性挙動の要因となるメカニズムを活性化することができる。

分析により、非常に低濃度な酸化鉄粒子を含むアモルファスなＣａ−Ｐ相が示された。前記相はアモルファスになる力が強く、光線下でとても不安定だった。

ＥＤＳプローブで測定された鉄含有量は１５〜２０％で、恐らくＨＡ格子内、あるいは１〜２ｎｍ未満の極めて小さいクラスター内に存在する。

サンプルＥおよびサンプルＨ特有の顕微鏡写真を図５に示す。粒子は伸長形態を主に示し、サイズが均一で、幅５〜１０ｎｍから２０〜３０ｎｍで、長さ８０〜１５０ｎｍで、２〜５ｎｍの球形ボイドを含む。

サンプルＥの場合は、マグネタイトがナノ粒子で、その大きさは１０〜３０ｎｍである。

ＨＲＴＥＭ分析（図６）は、物質の一部が、ＨＡのアモルファスドメインとクリスタルドメインとの双方からなることを示す。これらはＣ軸方向に延長され、同じ粒子内で共存することができる（図６およびその詳細参照）。ＥおよびＨの双方の粉末について、リン酸カルシウム内の鉄、カルシウム、リンの総含有量を、ＥＤＳ／ＴＥＭを用いて計測した（マグネタイトが存在しないサンプルＥの場合、慎重に選んだ）。存在する元素間のモル比で表わされた結果は（表５）、上述のＩＣＰ、ＸＲＤ、ＵＶ−ｖｉｓを用いて測定した値（表４）と一致する。

表５はサンプルＥおよびＨの定量ＥＤＳ／ＴＥＭ分析の結果、および、同様のサンプルを７００℃で処理した結果を示した（ＥｔおよびＨｔ）。

鉄の豊富な相の存在についての要因が、粉末Ｈ（カルシウムに対するＦｅの最初のモル比がＦｅ_ｔｏｔ／Ｃａ（ＨＡ）＝０．２０）でも解らなかった。鉄イオンが、極めて小さなクラスター（１ｎｍ未満）として、ＨＡ格子あるいはアモルファス相内のＣａ^２+イオンに代わって、均一に且つ優勢に分配されたと推定される。

鉄イオンの均一な分配の間接的要因は、比較的大量の電子に曝されるサンプル状態に由来する。これらの状況下では、実際、物質は極めて不安定となった。つまりボイドは急速に壊れ、構造上の再配列と同時に粒子の形態は変化し、物質の一部がＣａＯに変化した。

興味深いことに、数秒後、直径１〜１．５ｎｍの新たな粒子が形成された（図７参照）。新たに形成された相は鉄が豊富であった。これは、電子の衝撃によるダメージプロセスで起こる鉄イオンまたはクラスターの結合に由来すると推定される。

粉末ＥおよびＦは次に、７００℃、１時間、Ａｒ雰囲気の中で熱処理された。結果のＸＲＤスペクトルを図８に示す。

マグネタイトを大量に含むサンプルＥは、かなり安定していた。熱処理（Ｅｔ）後のＨＡ残存量は、約７２％であった。

マグネタイトがほとんど存在しなくなったのに対して、第２相β‐ＴＣＰ Ｃａ_３（ＰＯ_４）_２が形成された（２６％）ので、双方の鉄イオンがβＴＣＰ格子に入り、Ｃａ_９Ｆｅ（ＰＯ_４）_７およびＣａ_９ＦｅＨ（ＰＯ_４）_７が形成されたと推定される。

サンプルＨ（格子がＦｅ^２+およびＦｅ^３+により一部専有され、磁気的に活性なミクロドメインを形成するＨＡからなると推定される）は、熱安定性が極めて低かった。これにより、双方の鉄イオンにより同時に専有された（Ｈｔ）ことにより、クリスタル構造がかく乱されたことが示された。

サンプル（Ｅｔ）および（Ｈｔ）のＴＥＭ顕微鏡写真を図９に示す。サンプル（Ｅｔ）は、幅約３０〜５０ｎｍおよび長さ可変の極めて不規則な球状体を示し、最初の粉末内の最初の粒子を焼結して得られる。

サンプルは均一のコントラストにより特徴づけられ、これは鉄の均一な分散を表わす。

ＨＲＴＥＭ分析によりリン酸カルシウム相は主にＨＡタイプで、少量がβ‐ＴＣＰタイプであることが確認された。また少量が、熱処理でその構造が失われるマグネタイト粒子由来と推測される、アモルファスな特徴を示す純粋相からなることが解った。

この場合も同様にして、サンプルが、光線によるダメージに対して耐性をより有しているが、リン酸カルシウムを大量の電子に曝した後は、新たな小さな粒子が見られる。これは、ダメージを受けていないＨＡまたはβ‐ＴＣＰ格子内に、鉄種の極めて小さいクラスターが存在することを示している。リン酸カルシウム内で計測された鉄容量（Ｆｅ_ｔｏｔ／Ｃａ（ＨＡ））は約１８±３％で（表５参照）、最初の粉末内と比較して２倍を上回ったことは、興味深い。これは、熱処理により、マグネタイトからリン酸カルシウムへ鉄種が拡散するよう促進されることを示している。これは、マグネタイトがアモルファス化されると共に、ＲＸディフラクトグラムでマグネタイトのピークが消滅したことを証明する（図８）。

一方、サンプル（Ｈｔ）の粒子はより大きく、より球状（内部にボイドが無い）で、明白なコントラスト変化（図９）を示し、最初の粉末で観察されなかった鉄の豊富な相を伴っていた。

ＨＲＴＥＭおよびＥＤＳ分析により、酸素およびアモルファスなイオン粒子を被覆する、鉄置換したＢ−ＴＣＰ形状の多くに、リン酸カルシウムが存在することが確認できた。

計測されたＦｅ／Ｃａ比（純粋な酸化鉄が存在しない領域）は約１６±１％で、これは最初の粉末よりも低い。
物理化学性および磁性の特徴

図１のＳＥＭイメージに示されているように、得られた粉末は茶色で、約３０〜６０μｍの大きさの塊により特徴づけられている。

ＸＲＤディフラクトグラムパターンは極めて広く、これはＨＡ格子の多量のねじれを示し、どんな場合でも、第２リン酸相はＨＡと共に検出されなかった。

構造モデルのコンピューターシミュレーションにより、Ｆｅイオンは、ハイドロキシアパタイト格子の中で格子間サイトには存在せず、むしろＣａイオンを置換することが明示された（テトラおよびヘキサ配位の格子点位置４ｆおよび６ｈの小さな差）。

粉末内に、導入された公称値と同量の鉄が存在することがＩＣＰ分析により確認された。カルシウムが減少したので、Ｃａ／Ｐ比は理論値よりも低かった。

（Ｆｅ＋Ｃａ）／Ｐ比を理論値に近づけるため、Ｆｅ^３+、Ｆｅ^２+、（Ｆｅ^３+＋Ｆｅ^２+）としての鉄の適応量を、Ｃａと置換させると推定される。

ＢＳＥ分析により、粉末内の鉄の均一分散が確認された。またマイクロプローブ分析により、反応中に加えられた鉄の公称量と同じ値を計測することができた。

高い磁場における磁気特性が、ＳＱＵＩＤ磁気探知機（カンタム デザイン社）を用いて計測された。ハイドロキシアパタイト格子内に本質的に磁性を有する相が存在することを示す証拠が、サンプルＨにて確認できた。図１０は、印加磁場１００ Ｏｅ、５Ｋ〜３００Ｋの間で、ＺＦＣ（zero-field-cooled）およびＦＣ（field-cooled）状態の磁性温度依存を示す。双方の曲線は、平均ブロッキング温度ＴＢ＝１７０Ｋで、相互作用する磁性粒子のシステムの典型的挙動を示している。小さなマグネタイトナノ粒子の塊（〜１０ｎｍ）が存在することによりＴＢは著しく高くなったと推測される。前記マグネタイトナノ粒子の塊は、２次相（他の特性化技術によると、ハイドロキシアパタイト格子の外に２次相として２％ｖｏｌのマグネタイトを確認できる）として機能し、且つ、超常磁性状態によりブロックされた状態を分離した。ＴＢより低い場合は、粒子の磁気モーメントの自由な動きをブロックした。ＴＢより高い場合は、観測時間と共に、熱エネルギーが全粒子の磁気モーメントの急速な変動を引き起こし、システムを超常磁性にした。ＴＢは粒子間の双極子相互作用と密接に関連し、前記双極子相互作用が増加するとＴＢも増加した。

塊が形成されると、ナノ粒子の局所濃度が増加し、それに従い粒子間の双極子相互作用の力も増大した。それにより磁気緩和のエネルギー障壁を修正し、サンプルの全ての磁気的挙動が決定された。

図１１は、サンプルＨに、−２〜２テスラの磁場を３００Ｋで作用させた磁化曲線を示す。

単磁区ナノ粒子の超常磁性（ＳＰＭ）挙動が明確に観察でき、粒子のサイズが、多磁区の範囲（マグネタイトで２５〜３０ｎｍ）よりも小さいことが解る。これは、約５〜１０ｎｍのマグネタタイトの塊を観測できる図５Ｂに示すＴＥＭ顕微鏡写真と一致する。一方、サンプルの飽和磁化（Ｍｓ）は著しく低く（約４〜５ｅｍｕ／ｇ）、マグネタイトナノ粒子形状（２％ｖｏｌ）として認識される２次相は、観測される磁化量を証明するには不十分である。したがって、２つの異なる磁気的寄与が、物質の全ての磁化に関与している。前記磁気的寄与の１つは明らかにマグネタイトナノ粒子由来であり、他はＦｅ^２+およびＦｅ^３+イオンと置換したハイドロキシアパタイト粒子由来である。

前者の磁化は要因が知られているが、後者の磁化は、ＨＡ格子内の特定なＣａ^２+サイトが磁性のＦｅ^２+およびＦｅ^３+イオンと一部置換することに由来する。

ハイドロキシアパタイト格子内で磁性に関与する構造および磁気位相を探す目的で、マグネタイトナノ粒子（〜１０ｎｍ、Ｍｓ ６０〜８０ｅｍｕ／ｇ）のシステムの共通の磁化を、正規化した飽和磁化の総量（Ｍｓ ４〜５ｅｍｕ／ｇ）から引いた。この方法によると、鉄置換されたＨＡのみに関連する磁化を測定することができる。何れにしても、この計算されたＭｓは予測よりも大きく、物質内の総Ｆｅ量（重量の６〜７％）はマグネタイトとして存在する。

したがって確認された磁性データは、Ｍｓ値がハイドロキシアパタイト格子内の磁区構造（マグネタイトおよび／または他の酸化鉄に類似の）の存在に起因するという仮定を支持する。
インビトロテスト

最初の細胞接着および生体適合性テストが、間葉幹細胞（ＭＳＣ）を用いて、粒状ＨＡ粉末および磁性ＨＡ粉末に対して為された。前記粉末は特徴付けされた後、調整された大気（ＣＯ_２ ５％、Ｔ＝３７℃）内で、１０％のウシ胎児血清、１％の非必須アミノ酸、抗生物質で補われたＤＭＥＭ（シグマ、ミラノ、イタリア）にて培養された。細胞が１：２となるよう一週間毎に分けられ、３〜４回の継代のものを使用した。ＭＳＣのコンフルエントな培地の細胞は、１ｍｌ ＭＥＤＴＡの０．２５％トリプシンを用いて分離し、３倍にして、５×１０^４および１×１０^４セル／ｃｍ^２の密度で、各々粒状の粉末上に播種してテストし、２４ウェルのポリスチレンプレートに播種し制御した。

前記培養プレートを３７℃で７日間培養した。培養後、培養培地を取り除き、２００μlのＭＴＴ（日比試験 ３−ジメチルチアゾール−２、５−ジフェニルテトラゾリウム臭化物 アルドリッチ社 １３５０３８）および１．８ｍｌの培養培地を各々の細胞単層に加え、多層プレートを３７℃で更に３時間培養した。

上澄みを分離した後、２ｍｌの溶媒（無水イソプロパノール中、１Ｎ、４％ＨＣｌ）を加え青いホルマザン結晶を溶解し、分光光度法により５７０ｎｍで測定した。

化学量論的ＨＡに関し、磁性ＨＡ粉末は、骨芽細胞の前駆体（ＭＳＣ）の細胞接着および増殖用の適切な基質を提供する。

磁性ＨＡのＭＴＴ値は８０％であったのに対し、ＨＡは８２％であった。培養された細胞は、ＳＥＭによる形態学的分析で、テストした全ての粉末について、ＭＳＣの優れた生体適合性を示した。ＨＡに対する反応と同様、磁性ＨＡに対して細胞は拡散し「引き延ばし」形態を示し、前記粉末と接触して多くの細胞質が膨張した。

結論として、ＦｅＣｌ_２およびＦｅＣｌ_３をイオン源として同時に添加して、ＨＡ格子内のカルシウムを一部置換し、最適化した合成パラメーターを使用することにより、Ｆｅ^３+／Ｆｅ^２+比が約３で、（Ｆｅ＋Ｃａ）／Ｐ比が理論値に極めて近い、Ｆｅ^３+／Ｆｅ^２+で置換したＨＡを得ることができる。

構造モデルにＸＲＤおよびコンピューター・シミュレーションを使用することにより、Ｆｅの双方の種類が、ＨＡ格子内のカルシウムの置換サイトに配置され、格子間サイトには配置されていないことが明示された。

合成パラメーターが厳密に規定されているため、配位数６のＣａ（２）の位置および配位数４のＣａ（１）の位置は相互に専有され、粉末に磁化率を与える。

ＴＥＭ調査および磁性計測により、マグネタイトと同様なナノクラスターを伴うＨＡの新たな磁気位相を確認した。

この新たな相は、公称値２価のＦｅ^２+および公称値３価からずれを有するＦｅ^３+により変形し、且つ、不規則となった
ハイドロキシアパタイトであり、バルク段階で表面に構築され、ＨＡ自身に磁性を生じさせるよう調整する。

上記結果は磁性ＨＡの生体適合性と共に、適切な外部磁場により制御および操作可能な新規の生体適合性のある生体模倣物による再生医療を提供する。これらの生体模倣物は実際、下記１）〜３）を生産する目的で採用されていても良い。１）生物活性因子および／または医薬品を運搬し、放出するナノ粒子。２）診断（イメージング）および治療（温熱療法）を目的とするナノ粒子。３）現位置で生物学的に操作可能（すなわち、患者の質‐量および時間的制約に因る特異な要因により、体内に移植した後「リロード」あるいは、どんな場合でも活性化する）で、体内で特定の場所に固定されている（従来の固定システムへの依存は排除して）骨または軟骨代用品。

Claims (22)

1. 結晶格子内にカルシウムイオンおよびリン酸イオンを有するハイドロキシアパタイトであって、
   Ｆｅ^２＋イオンおよびＦｅ^３＋イオンがドープされ、Ｆｅ^３＋／Ｆｅ^２＋のモル比１〜４で、前記結晶格子内の前記カルシウムイオンが部分的に置換され、
   前記ハイドロキシアパタイトの格子内における磁性ナノドメインの存在に起因する磁場３４ Ｏｅを作用し測定される磁化は０．０５〜８ｅｍｕ／ｇで、
   ３ｖｏｌ％未満の２次磁気位相を有することを特徴とする、ハイドロキシアパタイト。
2. 請求項１に記載のハイドロキシアパタイトであって、
   磁場３４ Ｏｅを作用して表示される前記磁化が０．１〜５ｅｍｕ／ｇであることを特徴とする、ハイドロキシアパタイト。
3. 請求項１または２に記載のハイドロキシアパタイトであって、
   前記Ｆｅ^３＋／Ｆｅ^２＋のモル比が２〜３．５であることを特徴とする、ハイドロキシアパタイト。
4. 請求項１〜３の何れかに記載のハイドロキシアパタイトであって、
   ２次磁気位相の量が２ｖｏｌ％以下であるハイドロキシアパタイト。
5. 請求項１〜４の何れかに記載のハイドロキシアパタイトであって、
   （Ｆｅ＋Ｃａ）／Ｐのモル比が１．５〜１．９であるハイドロキシアパタイト。
6. 請求項１〜５の何れかに記載のハイドロキシアパタイトであって、
   幅５〜３０ｎｍ、長さ最大８０〜１５０ｎｍのナノ粒子の形状、または、前記ナノ粒子の塊／顆粒の形状を有する、ハイドロキシアパタイト。
7. 請求項６に記載のハイドロキシアパタイトであって、
   前記ナノ粒子が２〜５ｎｍの球形ボイドを有することを特徴とする、ハイドロキシアパタイト。
8. 請求項１〜７の何れかに記載のハイドロキシアパタイトであって、
   蛋白質、遺伝子、幹細胞、成長因子、血管新生因子からなる群から選択する生物学的物質を搭載する、または、抗癌剤、抗生物質または医薬品を搭載するハイドロキシアパタイト。
9. 請求項１〜８の何れかに記載のハイドロキシアパタイトを有する、生体模倣用骨または骨軟骨代替品。
10. 請求項１〜８の何れかに記載のハイドロキシアパタイト、または、請求項９に記載の生体模倣用骨または骨軟骨代替品であって、
    医療用または診断に用いるハイドロキシアパタイト、または、生体模倣用骨または骨軟骨代替品。
11. 請求項１０に記載のハイドロキシアパタイトであって、
    生物学的物質または医薬品を運搬し、放出するハイドロキシアパタイト。
12. 請求項１０に記載のハイドロキシアパタイトであって、
    診断用の造影剤として使用するハイドロキシアパタイト。
13. 骨または骨軟骨を再生する、請求項１０に記載の生体模倣用骨または骨軟骨代替品。
14. 請求項１〜７の何れかに記載のハイドロキシアパタイトを準備する方法であって、
    ａ）Ｆｅ（ＩＩ）イオンおよびＦｅ（ＩＩＩ）イオンを有する溶液を、Ｃａ（ＩＩ）イオンを有する懸濁液／溶液に添加する工程と、
    ｂ）工程ａ）の懸濁液／溶液にリン酸イオンの溶液を添加する工程と、
    ｃ）工程ｂ）の懸濁液／溶液を１５〜８０℃に加熱する工程と、
    ｄ）母液から沈殿物を分離させる工程と、を有する方法。
15. 請求項１４に記載の方法であって、
    前記工程ｃ）において、前記工程ｂ）の懸濁液／溶液を２５〜６０℃に加熱することを特徴とする方法。
16. 請求項１４または請求項１５に記載の方法であって、
    前記リン酸イオンの溶液を、Ｃａ（ＩＩ）イオンおよび鉄イオンを有する懸濁液／溶液に、１〜３時間添加することを特徴とする方法。
17. 請求項１６に記載の方法であって、
    前記懸濁液／溶液を加熱し、撹拌しながら前記リン酸イオンの溶液を添加することを特徴とする方法。
18. 請求項１４〜１７の何れかに記載の方法であって、
    前記リン酸イオンを添加した後、鉄イオンの溶液を更に添加し、カルシウムイオンに対する鉄イオンの量を調製し、Ｆｅ／Ｃａのモル比を５〜３０ｍｏｌ％とすることを特徴とする方法。
19. 請求項１８に記載の方法であって、
    前記Ｆｅ／Ｃａのモル比を１０〜２０ｍｏｌ％とすることを特徴とする方法。
20. 請求項１４〜１９の何れかに記載の方法であって、
    前記Ｆｅ（ＩＩ）イオンおよび前記Ｆｅ（ＩＩＩ）イオンが、各々、ＦｅＣｌ_２およびＦｅＣｌ_３由来であることを特徴とする方法。
21. 請求項１４〜２０の何れかに記載の方法であって、
    前記Ｃａ（ＩＩ）イオンが、水酸化カルシウム、硝酸カルシウム、酢酸カルシウム、炭酸カルシウム、および／または、他のカルシウム塩由来であることを特徴とする方法。
22. 請求項１４〜２１の何れかに記載の方法であって、
    前記リン酸イオンがリン酸および／またはその可溶性塩由来であることを特徴とする方法。

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