JP6522773B2 - ウォラストナイト、ヒドロキシアパタイト及びオケルマナイトを含む高強度結晶化ガラスセラミック - Google Patents
ウォラストナイト、ヒドロキシアパタイト及びオケルマナイトを含む高強度結晶化ガラスセラミック Download PDFInfo
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Description
ＣａＳｉＯ３、Ｃａ１０(ＰＯ４)６(ＯＨ)２及びＣａ２Ｍｇ(Ｓｉ２Ｏ７)をそれぞれ３０〜４０重量％で含む結晶化ガラスセラミック、ＣａＳｉＯ３、Ｃａ１０(ＰＯ４)６(ＯＨ)２及びＣａ２Ｍｇ(Ｓｉ２Ｏ７)を所定の重量比で含む結晶化ガラスセラミック組成物、前記ガラスセラミックを含む骨移植材及び前記骨移植材で製造された脊椎間スペーサーまたは骨組織の代替用医療機器に関する。
腰椎管狹窄症（lumbar spinal stenosis）は脊椎神経を取り囲んでいる脊椎管や神経管が退行性変化で肥厚した骨や靭帯によって圧迫されている状態をいう。このように肥厚した骨や靭帯は腰椎管を通過する神経を圧迫して腰痛や足の痛みを誘発する。優先的に非手術的治療を行うことができるが、一定期間の非手術的治療に反応しない脊柱管狭窄症は手術だけにより根本的な治療が可能であるため、病気が相当に進行して保存的療法に大きな効果を示さない患者、日常生活でも多くの制約があったり、椎間板ヘルニアを伴って急性の激しい症状がある患者の場合、手術的治療を考慮するべきである。
前記した疾患の手術的治療方法として椎体間挿入物ケージと後方脊椎径ネジを使用する脊椎体間融合術（intervertebra fusion）がある。前記融合術は脊椎の様々な要素、例えば、脊椎板（lamina）と棘突起（spinous process）を除去したり破壊する場合が多いため、脊椎の構造的変形と各部位の不安定を引き起こし得る。また、前記融合術は施術部位の運動を完全に制限することにより、相対的に隣接分節の運動が増加され、腰椎部の退行が加速化されるという問題が発生しうる。
前記融合術の問題点を補完するための手術的方法としては、脊椎と脊椎との間の棘突起間に装置を挿入して圧迫されている神経空間を広げる方法がある。これは、既存の圧迫されている神経を解放すために脊椎の骨を除去したり、ヘルニアを除去する代わりに使用してもよい。ここで、神経空間を確保するために、脊椎と脊椎との間の棘突起間に挿入する装置が脊椎間スペーサーであり、他には棘突起間スペーサー（interspinous spacer）ともいう。このような方法は、腰を後ろに反らせる時の症状がひどく、前に俯く時は好転する患者に良い手術的方法である。前記スペーサーを挿入すると、脊椎空間に侵入した靭帯やヘルニアが広がって神経を圧迫する現象が解消され、ヘルニアの高さが減少した腰椎間板ヘルニアにも神経の穴を広げることができるため、単純な減圧術の後に発生しうる椎間孔の狭窄を防止する効果を示すことができる方法である。
前記脊椎間スペーサーは金属、セラミック、高分子などの材料で製造してもよい。脊椎間スペーサー用素材は強度、耐久性、生体親和性、体内安定性、生体無毒性、加工しやすさ、消毒/滅菌安定性などを考慮して選択してもよい。また、磁気透過性、放射線透過性及び適切な硬度を有することも重要である。チタンなどの金属は生体適合性が優秀であり、強度も高いが、弾性係数が大きすぎて応力遮断効果（stress shielding effect）を引き起こす可能性があって、ＭＲＩなどの強い磁場に干渉現象を起こすため、施術後の追跡観察が難しい。一方、ＰＥＥＫのような高分子は強度も高くて破折の危険性が少なく、弾性係数が適切であるという利点があるが、生体適合性がヒドロキシアパタイトのようなセラミックやチタンなどの金属に比べて著しく低いという欠点がある。ヒドロキシアパタイトまたはバイオガラスなどのセラミックは、生体適合性が高いが、強度が低くて破壊可能性が高いため、単独で使用されることは困難である。
本発明者らは生体適合性が高い素材であるセラミックを骨移植材で用いられるように、強度は向上させて破壊可能性は下げるために鋭意研究努力した結果、数種のセラミック、例えば、ＣａＯ-Ｓｉ２Ｏ-Ｐ２Ｏ５-Ｂ２Ｏ３-ＭｇＯを適切な重量比で混合して、高温で焼結させて収得した結晶化ガラスセラミック複合体（ＣａＳｉＯ３、Ｃａ１０(ＰＯ４)６(ＯＨ)２及びＣａ２Ｍｇ(Ｓｉ２Ｏ７)）で製造する場合、従来使用されていたウォルラストナイト/ヒドロキシアパタイト複合ガラスセラミックまたはヒドロキシアパタイト焼結体に比べて強度を大幅に向上させうることを確認し、本発明を完成した。
本発明の一つの目的は、ＣａＳｉＯ３、Ｃａ１０(ＰＯ４)６(ＯＨ)２及びＣａ２Ｍｇ(Ｓｉ２Ｏ７)をそれぞれ３０〜４０重量％で含む結晶化ガラスセラミックを提供することにある。
本発明の他の目的は、ＣａＳｉＯ３、Ｃａ１０(ＰＯ４)６(ＯＨ)２及びＣａ２Ｍｇ(Ｓｉ２Ｏ７)を３０〜４０：３０〜４０：３０〜４０の重量比で含む結晶化ガラスセラミック組成物を提供することにある。
本発明のまた他の目的は、前記ガラスセラミックを含む骨移植材を提供することにある。
本発明のまた他の目的は、前記骨移植材で製造された脊椎間スペーサーまたは骨組織の代替用医療機器を提供することにある。
本発明の骨移植材はＣａＳｉＯ３、例えば、ウォルラストナイト（Wollastonite）及び、Ｃａ１０(ＰＯ４)６(ＯＨ)２、例えば、ヒドロキシアパタイト（hydroxyapatite; HA ）にＣａ２Ｍｇ(Ｓｉ２Ｏ７)、例えば、オケルマナイト（Akermanite）をさらに含む、混合組成物を高温焼結して結晶化させた結晶化ガラスセラミックが従来のウォルラストナイト/ヒドロキシアパタイト複合ガラスセラミックまたはヒドロキシアパタイト焼結体に比べて著しく向上された強度を有するため、脊椎間スペーサーまたは骨組織の代替用医療機器の素材として有用に使用されうる。
本発明の第一様態は、ＣａＳｉＯ３、Ｃａ１０(ＰＯ４)６(ＯＨ)２及びＣａ２Ｍｇ(Ｓｉ２Ｏ７)をそれぞれ３０〜４０重量％で含む結晶化ガラスセラミックを提供する。
本発明の第二様態は、ＣａＳｉＯ３、Ｃａ１０(ＰＯ４)６(ＯＨ)２及びＣａ２Ｍｇ(Ｓｉ２Ｏ７)を３０〜４０：３０〜４０：３０〜４０の重量比で含む結晶化ガラスセラミック組成物を提供する。
本発明の第三様態は、前記ガラスセラミックを含む骨移植材を提供する。
本発明の第四様態は、前記骨移植材で製造された脊椎間スペーサーまたは骨組織の代替用医療機器を提供する。
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明は新規な骨移植材組成を発掘するにあって、ＣａＳｉＯ３、Ｃａ１０(ＰＯ４)６(ＯＨ)２及びＣａ２Ｍｇ(Ｓｉ２Ｏ７)の混合比を調節して脊椎間スペーサーなどの医療機器で加工する時に要求される強度を提供しうる最適の比率を最初に確認したことを基にする。
本発明はＣａＳｉＯ３、Ｃａ１０(ＰＯ４)６(ＯＨ)２及びＣａ２Ｍｇ(Ｓｉ２Ｏ７)をそれぞれ３０〜４０重量％で含む結晶化ガラスセラミックに関するもので、好ましくは、ＣａＳｉＯ３はウォルラストナイト（Wollastonite）、Ｃａ１０(ＰＯ４)６(ＯＨ)２はヒドロキシアパタイト（hydroxyapatite; HA ）及びＣａ２Ｍｇ(Ｓｉ２Ｏ７)はオケルマナイト（Akermanite）であってもよい。
本発明の用語、「ウォルラストナイト」は、ＣａＳｉＯ３の化学式で表されるカルシウムイノケイ酸塩ミネラル（calcium inosilicate mineral）であって、カルシウムの代わりに少量の鉄、マグネシウム及びマンガンを含んでもよい。自然的には不純物の混ざる石灰石（limestone）やドロストーン（dolostone）がスカルン（skarns）または接触変成岩（contact metamorphic rocks）のようにシリカを含有した流体（silica-bearing fluids）の存在下で高い温度及び圧力にさらされると形成されうる。関連ミネラルは柘榴石（garnets）、ベスビアナイト（vesuvianite）、透輝石（diopside）、透閃石（tremolite）、緑簾石（epidote）、斜長石長石（plagioclase feldspar）、輝石（pyroxene）及び方解石（calcite）を含んでもよい。例えば、ウォルラストナイトは、二酸化炭素を放出する方解石とシリカの反応によって生成されうる：
ウォルラストナイトは窯業製品（ceramics）、ブレーキとクラッチのような摩擦製品（friction products）、金属製作（metalmaking）、塗料充填剤（paint filler）及びプラスチックに使用されうる。主生産地は中国、インド、米国、メキシコ、及びフィンランドなどである。
本発明の用語、「ヒドロキシアパタイト」は、カルシウムリン灰石の自然発生的なミネラル形態であって、Ｃａ５(ＰＯ４)３(ＯＨ)の化学式を有するが、結晶単位セルが２つの独立体を含むため、普通は Ｃａ１０(ＰＯ４)６(ＯＨ)２で表される。ヒドロキシアパタイトは複合リン灰石グループのヒドロキシ単成分を意味するもので、ＯＨ−イオンがフルオライド、クロライド、カーボネートなどにより置換されてフルオロアパタイトまたはクロロアパタイトなどを形成しうる。純粋なヒドロキシアパタイト粉末は白色であるが、自然発生的なアパタイトは茶色、黄色または緑色であり得る。ヒドロキシアパタイトは自然発生的に生成されるだけでなく、湿式化学蒸着法（wet chemical deposition）、生体模倣蒸着法（biomimetic deposition）、湿式化学沈殿法（wet chemical precipitation）とも呼ばれるゾル-ゲル法（sol-gel route）または電着（electrodeposition）によって合成されてもよい。ヒドロキシアパタイトは、人体内の歯及び骨組織に存在しうる。したがって、切断された骨組織に代わる充填剤として、または補綴インプラント内への骨組織の内成長を促進するコーティング剤として使用されてもよい。
本発明の用語、「オケルマナイト」は、Ｃａ２Ｍｇ[Ｓｉ２Ｏ７]で表されるソロケイ酸塩（sorosilicate）グループの黄長石ミネラルであって、カルシウム、マグネシウム及び酸素を含む。ケイ酸質石灰石及びドロストーン、及びサニディナイト相（sanidinite facies）岩盤の接触変性によって生成され得る。オケルマナイトは５または６のモース硬度を有し、灰色、緑色、茶色または無色であってもよい。また、白い線とガラスまたは樹脂のような光沢を有し得る。
本発明は Ｃａ２Ｍｇ(Ｓｉ２Ｏ７)をさらに含むことにより、ＣａＳｉＯ３及びＣａ１０(ＰＯ４)６(ＯＨ)２を含むガラスセラミックに比べて著しく増加された強度を有する素材を提供することが特徴である。
好ましくは、本発明の結晶化ガラスセラミックは８５０〜１１００℃温度で焼結して形成しうる。焼結温度が８００℃以下である場合、急激な結晶化による破損が発生する可能性があるため、製品として使用するのに不可能であるかもしれない。一方、１１００℃を超える温度で焼結するのは不必要な加熱によるエネルギーの無駄が伴うだけではなく、ガラス成分の過剰な結晶化により機械的な性質を低下させる可能性があるため好ましくない。
向上された強度のガラスセラミックを提供するために、ＣａＳｉＯ３、Ｃａ１０(ＰＯ４)６(ＯＨ)２及びＣａ２Ｍｇ(Ｓｉ２Ｏ７)を３０〜４０：３０〜４０：３０〜４０の重量比で含む結晶化ガラスセラミックを提供する。
本発明の骨移植材は前記ガラスセラミックを含んでもよい。前記ガラスセラミックは前述したように、強度を向上させるためにＣａＳｉＯ３、Ｃａ１０(ＰＯ４)６(ＯＨ)２及びＣａ２Ｍｇ(Ｓｉ２Ｏ７)を３０〜４０：３０〜４０：３０〜４０の重量比で含む結晶化ガラスセラミック組成物を高温焼結して製造しうる。好ましい焼結温度は前述した通りである。
前記向上された強度の骨移植材を脊椎間スペーサーまたは骨組織の代替用医療機器の製造に使用してもよい。
特に、前記脊椎間スペーサーまたは骨組織の代替用医療機器は周りの骨と直接結合される部位に本発明に係る結晶化ガラスセラミックを含むことが特徴である。本発明の具体的な実施例では、従来チタンケージに自家骨を移植した場合と比べて、本発明に係るガラスセラミック素材で製造したスペーサーを使用した場合、顕著に増加した面積で結合を示すことを確認した（表２）。したがって、脊椎間スペーサーまたは骨組織の代替用医療機器を製造することにおいて、体内移植後、周りの骨組織との融和性に優れた本発明に係るガラスセラミックを周りの骨組織と接触する部位に含むことが好ましい。
脊椎間スペーサーの物理、機械的評価に関連する国際試験規格としては、ＡＳＴＭ Ｆ２０７７、ＡＳＴＭ Ｆ２２６７などがあり、この中で前者は、静的圧縮及びねじり試験と動的疲労試験のためのジグ（jig）をはじめとする実験環境を規定しており、関連する試験プロトコルを提示している。
好ましくは、本発明の骨移植材で製造した脊椎間スペーサーまたは骨組織の代替用医療機器は、３，０００Ｎ〜３５，０００Ｎの圧縮強度または０．６Ｍ．ｍ〜１．５Ｎ．ｍのねじり強度を有しうる。また、繰り返し速度５Ｈｚ及び応力比１０で５００万サイクルを繰り返しても破損されない、最大圧縮強度以上の疲労強度を有しうる。したがって、本発明の骨移植材で製造した脊椎間スペーサーまたは骨組織の代替用医療機器は、頚椎用途またはより高強度を必要とする腰椎用途の脊椎間スペーサーとしていずれも使用可能である。
本発明の用語、「圧縮強度（compressive strength）」は、圧縮荷重下で耐えられる材料の最大応力を意味しうる。圧縮時に破片に壊れる材料の圧縮強度は、独立的な性質として狭義で定義されてもよいが、圧縮で壊れない材料の圧縮強度は任意の量の材料を壊すために要求される応力の量として定義されうる。テスト機器で適用された力を変形に対してプロットして測定することができる。圧縮試験で圧縮強度は最大荷重を試験片の初期断面積で割ることにより、計算することができる。
本発明の用語、「ねじり強度（torsional strengthまたはtorsio）」はねじり荷重を耐えるための材料の能力程度を示すもので、ねじり強度はねじり荷重の影響を受ける材料の最大強度であり、破断前に材料を維持し得る最大のねじり応力であり得る。他には破断係数または剪断強度ともいう。測定単位はニュートンメートル（N.m）またはフィート・ポンド力（ft.lbf）を使用してもよい。
本発明の用語、「疲労強度（fatigue strength）」は、定められた数の繰り返し荷重を加え、疲労試験片を破断させるために要求される変動応力の大きさを示すもので、ここで、繰り返し回数を疲労寿命（fatigue life）とする。疲労強度は、一般的に、Ｓ-Ｎ線図から直接測定することができるが、これらに限定されない。ＡＳＴＭは、疲労強度、ＳＮｆをＮｆサイクル数から破断が起こる応力値として定義している。
例えば、本発明に係る骨移植材で製造された脊椎間スペーサーまたは骨組織の代替用医療機器は相対密度の値が理論密度の９５％以上の緻密成形体である骨移植材で製造されたものであってもよいが、これに制限されない。前記のように緻密成形体である骨移植材で製造された場合より高い強度を提供することができるため、荷重を耐えるに有利であって、脊椎間スペーサーまたは骨組織の代替用医療機器に有用に使用されうる。
以下、実施例により本発明をより詳細に説明する。これら実施例は、本発明をより具体的に説明するためのものであり、本発明の範囲がこれら実施例に限定されることはない。
実施例１：高強度結晶化ガラスセラミックの製造及び組成分析
粉末形態のＳｉＯ２、ヒドロキシアパタイト、Ｃａ(ＯＨ)２, ＭｇＯ, Ｂ２Ｏ３, ＣａＦ２などを１４００℃以上の高温で２時間以上煮沸した後、水の中で急冷してガラス粉末原料を製造した。各原料はＳｉＯ２２５〜３５重量％、ヒドロキシアパタイト２５〜３５重量％、Ｃａ(ＯＨ)２１８〜２２重量％、 ＭｇＯ４〜６重量％、Ｂ２Ｏ３４〜５重量％、ＣａＦ２４〜５重量％の比率で混合した。前記製造したガラス粉末を当業界で公知となった一般セラミック成形体の製造方法と同様の方法で成形した後、高温焼結して結晶化した。最終結晶化により得られた結晶相（crystalline phase）は、ウォラストナイト、ヒドロキシアパタイト及びオケルマナイトが類似の比率で混合されていた。これをＸ−線回折パターンを通じて分析し、その結果を図１に示した。具体的に、各物質の主回折線である２θはウォラストナイトの場合、２９．５〜３０．５°、ヒドロキシアパタイトの場合、３１．５〜３２．５°及びオケルマナイトの場合、３０．５〜３１．５°の範囲であり、強度の比率はそれぞれ３６±５％、３３±５％及び３１±５％範囲であった。
粉末形態のＳｉＯ２、ヒドロキシアパタイト、Ｃａ(ＯＨ)２, ＭｇＯ, Ｂ２Ｏ３, ＣａＦ２などを１４００℃以上の高温で２時間以上煮沸した後、水の中で急冷してガラス粉末原料を製造した。各原料はＳｉＯ２２５〜３５重量％、ヒドロキシアパタイト２５〜３５重量％、Ｃａ(ＯＨ)２１８〜２２重量％、 ＭｇＯ４〜６重量％、Ｂ２Ｏ３４〜５重量％、ＣａＦ２４〜５重量％の比率で混合した。前記製造したガラス粉末を当業界で公知となった一般セラミック成形体の製造方法と同様の方法で成形した後、高温焼結して結晶化した。最終結晶化により得られた結晶相（crystalline phase）は、ウォラストナイト、ヒドロキシアパタイト及びオケルマナイトが類似の比率で混合されていた。これをＸ−線回折パターンを通じて分析し、その結果を図１に示した。具体的に、各物質の主回折線である２θはウォラストナイトの場合、２９．５〜３０．５°、ヒドロキシアパタイトの場合、３１．５〜３２．５°及びオケルマナイトの場合、３０．５〜３１．５°の範囲であり、強度の比率はそれぞれ３６±５％、３３±５％及び３１±５％範囲であった。
実施例２：結晶化温度による焼結特性評価
ウォラストナイト、ヒドロキシアパタイト、オケルマナイトの結晶化のための最適の焼結温度を決定するために、同じ組成のガラス粉末をそれぞれ異なる温度で焼結して、ガラスセラミックを製造し強度を確認した。温度によるガラス粉末焼結の傾向を見ると、約７００℃で焼結が進行され、前記温度で２時間焼結を進行する場合、約５％の収縮が起こった。７５０〜８００℃で焼結した場合は、ガラス粉末の結晶化が急激に進行され、線形収縮率（linear shrinkage rate）が１８〜２１％の水準に達した。しかし、７５０℃の場合、焼結は良い反面、ウォルラストナイトの結晶化は起こらなかった。一方、８００℃で焼結する場合、結晶化の中断による製品の破損が起こることが確認された（図２）。したがって、これは前記温度範囲が製品生産のための焼結に不適切であることを示すものである。温度をさらに増加させて９００℃以上で焼結する場合、ウォラストナイトの結晶化が起こり、製品の破損もない安定的な焼結が進行されることを確認した。この後、温度をさらに増加させて１１００℃まで同様の結晶相が存在し、これは該当範囲までの温度が焼結に適切な温度であることを示す。ただし、工程の効率性を考慮すると、結晶によるＸＲＤ回折線半価幅が大きく減る１０００℃が最適の焼結温度であり得る（図３）。
ウォラストナイト、ヒドロキシアパタイト、オケルマナイトの結晶化のための最適の焼結温度を決定するために、同じ組成のガラス粉末をそれぞれ異なる温度で焼結して、ガラスセラミックを製造し強度を確認した。温度によるガラス粉末焼結の傾向を見ると、約７００℃で焼結が進行され、前記温度で２時間焼結を進行する場合、約５％の収縮が起こった。７５０〜８００℃で焼結した場合は、ガラス粉末の結晶化が急激に進行され、線形収縮率（linear shrinkage rate）が１８〜２１％の水準に達した。しかし、７５０℃の場合、焼結は良い反面、ウォルラストナイトの結晶化は起こらなかった。一方、８００℃で焼結する場合、結晶化の中断による製品の破損が起こることが確認された（図２）。したがって、これは前記温度範囲が製品生産のための焼結に不適切であることを示すものである。温度をさらに増加させて９００℃以上で焼結する場合、ウォラストナイトの結晶化が起こり、製品の破損もない安定的な焼結が進行されることを確認した。この後、温度をさらに増加させて１１００℃まで同様の結晶相が存在し、これは該当範囲までの温度が焼結に適切な温度であることを示す。ただし、工程の効率性を考慮すると、結晶によるＸＲＤ回折線半価幅が大きく減る１０００℃が最適の焼結温度であり得る（図３）。
具体的に、図３に示したように、９００〜１１００℃で焼結して製造した本発明に係る結晶化ガラスセラミックは、温度とは関係なく類似の比率で形成されたそれぞれのウォラストナイト、ヒドロキシアパタイト及びオケルマナイトに該当する３つの明らかなピークを示し、これは前記温度範囲で結晶相がよく形成されたことを示す。１０００℃以上の温度で焼結した場合、半価幅が大きく減ることになり、これは結晶化がより優れて起こることを示す。
本発明に係る方法でガラスセラミックを製造するが、他の条件は同様にして、８５０〜１１００℃範囲で５０℃ずつ増加させた条件でそれぞれ焼結させて、各条件で製造されたガラスセラミックの体積、相対密度及び圧縮強度を測定して、下記表１に図示しグラフに一緒にプロットして、図４に示した。
図４に示したように、焼結温度が１０００℃以上に増加することにより、体積が増加し、相対密度が減少し始めた。圧縮強度は１０５０℃で最大値を示し、その以上または以下で徐々に減少したが、前記８５０〜１１００℃の範囲ではいずれも１６０００Ｎを超える高い圧縮強度を有することを確認した。
また、前記各温度で焼結して製造した六面体形態のガラスセラミック焼結体の最終形態を写真に撮って、図５に示した。図５に示したように、１０５０℃以上の温度で焼結して製造したガラスセラミックは外形的に面の中間部分が多少凸になることが確認された。このような結果からこの用途に適合する体積、相対密度及び圧縮強度の組み合わせを提供する焼結条件を発掘することができる。例えば、骨移植材として使用するためには高い圧縮強度を有しながら、外形的に変化を示さない、つまり体積膨張が観察されない１０００℃を焼結温度に選択した。
実施例３：本発明に係る骨移植材の強度測定
本発明に係る所定の比率でウォラストナイト、ヒドロキシアパタイト及びオケルマナイトを含む高強度の結晶性ガラスセラミックを含む骨移植材の強度を測定して、既存のガラスセラミックの素材であるウォラストナイト/ＨＡ複合体及び生体セラミック焼結体であるＨＡに対する値と比較した。
本発明に係る所定の比率でウォラストナイト、ヒドロキシアパタイト及びオケルマナイトを含む高強度の結晶性ガラスセラミックを含む骨移植材の強度を測定して、既存のガラスセラミックの素材であるウォラストナイト/ＨＡ複合体及び生体セラミック焼結体であるＨＡに対する値と比較した。
ＳｉＯ２とヒドロキシアパタイト、Ｃａ(ＯＨ)２を原料としてガラス粉末を製造した後、成形及び１０００℃で焼結して製造したウォラストナイト/ＨＡ複合ガラスセラミックと１００％ヒドロキシアパタイトを１２００℃で焼結したＨＡ焼結体を比較例として使用した。実施例１に基づいて製造した本発明の結晶性ガラスセラミック及び前記２種の比較例の強度を測定して、その結果を下記表２に比較分析した。最終焼結体は１ｃｍ長さの正六面体に製造し、強度測定のエラーを最小限に抑えるためにポリツシング（polishing）して面を均質化した。
前記表２に示したように、本発明に係るウォラストナイト、ヒドロキシアパタイト及びオケルマナイトを含む高強度の結晶性ガラスセラミックを含む骨移植材は、既存のガラスセラミックの素材であるウォラストナイト/ＨＡ複合体及び生体セラミック焼結体であるＨＡに比べて、それぞれ２０％及び６０％くらい増加された圧縮強度、及び４０％及び３７５％くらい増加された曲げ強度を示した。また、破壊靭性はいずれに対しても約２倍まで著しく増加した。
実施例４：本発明に係る結晶性ガラスセラミックの素材を用いた脊椎スペーサーの製造及びこの特性分析
前記本発明に係る高強度結晶化ガラスセラミックの素材を加工して、脊椎スペーサーを製造するが、圧縮強度が３，０００Ｎ以上になるようにして頸椎（cervical）用途の脊椎スペーサーを製造することができ、８，０００Ｎ以上になるようにして腰椎（lumbar）用途の脊椎スペーサーを製造することができる。すなわち、前記実施例２で確認したように、本発明に係る高強度結晶化ガラスセラミックの素材は、〜１３２１ＭＰａの圧縮強度を示すため、理論的に、それぞれ２．２７ｍｍ２と６．０６ｍｍ２の大きさで製造する場合、前記頚椎及び腰椎の用途の脊椎スペーサーとしての要件を満たすことができており、一般的な脊椎スペーサーが数ｍｍから数ｃｍの長さ、幅及び/または高さを有することを考慮すると、本発明の結晶化ガラスセラミックの素材は、前記提示された頚椎及び腰椎用途の脊椎スペーサーとして要求される強度を満たし得ることを確認した。
前記本発明に係る高強度結晶化ガラスセラミックの素材を加工して、脊椎スペーサーを製造するが、圧縮強度が３，０００Ｎ以上になるようにして頸椎（cervical）用途の脊椎スペーサーを製造することができ、８，０００Ｎ以上になるようにして腰椎（lumbar）用途の脊椎スペーサーを製造することができる。すなわち、前記実施例２で確認したように、本発明に係る高強度結晶化ガラスセラミックの素材は、〜１３２１ＭＰａの圧縮強度を示すため、理論的に、それぞれ２．２７ｍｍ２と６．０６ｍｍ２の大きさで製造する場合、前記頚椎及び腰椎の用途の脊椎スペーサーとしての要件を満たすことができており、一般的な脊椎スペーサーが数ｍｍから数ｃｍの長さ、幅及び/または高さを有することを考慮すると、本発明の結晶化ガラスセラミックの素材は、前記提示された頚椎及び腰椎用途の脊椎スペーサーとして要求される強度を満たし得ることを確認した。
また、本発明に係る結晶化ガラスセラミックの素材から製造した脊椎スペーサーを５Ｈｚ繰り返し速度にし、応力比は１０にして、５００万サイクル以上を繰り返しても付加荷重を最大圧縮強度にしても破損がない疲労強度を備えることを確認した。さらに、前記脊椎スペーサーのねじり強度を測定して、０．６Ｎ．ｍ以上の値を有することを確認した。
本発明に係る結晶化ガラスセラミックの素材で製造した脊椎スペーサーを用いた人体臨床実験の結果、一般的な手術方法であるチタンケージに自家骨を移植した場合（対照群）と比較して類似の水準のまわりの骨との癒合力を示した。該当スペーサーを腰椎に移植した被験者３９人のうち３５人（８９．７％）で１２ヶ月目の優れた臨床的結果を示しており、移植されたスペーサーは周囲の脊椎体と直接結合していた。特に、脊椎体とスペーサーとの間の結合された面積を計算した結果、下記表３に示したように、本発明に係る結晶化ガラスセラミックの素材のスペーサーに対する結合面積がチタンケージに満たされた自家骨に比べて統計的に有意に高かった（p<0.001）。計算された椎体終板と結合されたスペーサーまたは自家骨の面積を表３に比較した。
本件出願は、以下の構成の発明を提供する。
（構成１）
ＣａＳｉＯ ３ 、Ｃａ １０ (ＰＯ ４ ) ６ (ＯＨ) ２ 及びＣａ ２ Ｍｇ(Ｓｉ ２ Ｏ ７ )をそれぞれ３０〜４０重量％で含む、結晶化ガラスセラミック。
（構成２）
ＣａＳｉＯ ３ がウォラストナイト（Wollastonite）であり、Ｃａ １０ (ＰＯ ４ ) ６ (ＯＨ) ２ がヒドロキシアパタイト（hydroxyapatite; HA）であり、Ｃａ ２ Ｍｇ(Ｓｉ ２ Ｏ ７ )がオケルマナイト（Akermanite）である、構成１に記載の結晶化ガラスセラミック。
（構成３）
ＣａＳｉＯ ３ 及びＣａ １０ (ＰＯ ４ ) ６ (ＯＨ) ２ を含むガラスセラミックに比べてＣａ ２ Ｍｇ(Ｓｉ ２ Ｏ ７ )をさらに含むことにより増加された強度を有するものである、構成１に記載の結晶化ガラスセラミック。
（構成４）
８５０〜１１００℃の温度で焼結して形成したものである、構成１に記載の結晶化ガラスセラミック。
（構成５）
ＣａＳｉＯ ３ 、Ｃａ １０ (ＰＯ ４ ) ６ (ＯＨ) ２ 及びＣａ ２ Ｍｇ(Ｓｉ ２ Ｏ ７ )を３０〜４０：３０〜４０：３０〜４０の重量比で含む、結晶化ガラスセラミック。
（構成６）
構成１〜４のいずれか一項に記載のガラスセラミックを含む骨移植材。
（構成７）
構成６に記載の骨移植材で製造された、脊椎間スペーサーまたは骨組織の代替用医療機器。
（構成８）
周りの骨と直接に結合される部位に構成１に記載の結晶化ガラスセラミックを含む、構成７に記載の脊椎間スペーサーまたは骨組織の代替用医療機器。
（構成９）
３，０００Ｎ〜３５，０００Ｎの圧縮強度または０．６Ｎ・ｍ〜１．５Ｎ・ｍのねじり強度を有するものである、構成７に記載の脊椎間スペーサーまたは骨組織の代替用医療機器。
（構成１０）
相対密度の値が理論密度の９５％以上の緻密成形体である骨移植材で製造されたことを特徴とする、構成７に記載の脊椎間スペーサーまたは骨組織の代替用医療機器。
（構成１）
ＣａＳｉＯ ３ 、Ｃａ １０ (ＰＯ ４ ) ６ (ＯＨ) ２ 及びＣａ ２ Ｍｇ(Ｓｉ ２ Ｏ ７ )をそれぞれ３０〜４０重量％で含む、結晶化ガラスセラミック。
（構成２）
ＣａＳｉＯ ３ がウォラストナイト（Wollastonite）であり、Ｃａ １０ (ＰＯ ４ ) ６ (ＯＨ) ２ がヒドロキシアパタイト（hydroxyapatite; HA）であり、Ｃａ ２ Ｍｇ(Ｓｉ ２ Ｏ ７ )がオケルマナイト（Akermanite）である、構成１に記載の結晶化ガラスセラミック。
（構成３）
ＣａＳｉＯ ３ 及びＣａ １０ (ＰＯ ４ ) ６ (ＯＨ) ２ を含むガラスセラミックに比べてＣａ ２ Ｍｇ(Ｓｉ ２ Ｏ ７ )をさらに含むことにより増加された強度を有するものである、構成１に記載の結晶化ガラスセラミック。
（構成４）
８５０〜１１００℃の温度で焼結して形成したものである、構成１に記載の結晶化ガラスセラミック。
（構成５）
ＣａＳｉＯ ３ 、Ｃａ １０ (ＰＯ ４ ) ６ (ＯＨ) ２ 及びＣａ ２ Ｍｇ(Ｓｉ ２ Ｏ ７ )を３０〜４０：３０〜４０：３０〜４０の重量比で含む、結晶化ガラスセラミック。
（構成６）
構成１〜４のいずれか一項に記載のガラスセラミックを含む骨移植材。
（構成７）
構成６に記載の骨移植材で製造された、脊椎間スペーサーまたは骨組織の代替用医療機器。
（構成８）
周りの骨と直接に結合される部位に構成１に記載の結晶化ガラスセラミックを含む、構成７に記載の脊椎間スペーサーまたは骨組織の代替用医療機器。
（構成９）
３，０００Ｎ〜３５，０００Ｎの圧縮強度または０．６Ｎ・ｍ〜１．５Ｎ・ｍのねじり強度を有するものである、構成７に記載の脊椎間スペーサーまたは骨組織の代替用医療機器。
（構成１０）
相対密度の値が理論密度の９５％以上の緻密成形体である骨移植材で製造されたことを特徴とする、構成７に記載の脊椎間スペーサーまたは骨組織の代替用医療機器。
Claims (8)
- ＣａＳｉＯ３、Ｃａ１０(ＰＯ４)６(ＯＨ)２及びＣａ２Ｍｇ(Ｓｉ２Ｏ７)をそれぞれ３０〜４０重量％で含む、結晶化ガラスセラミックであって、ＣａＳｉＯ ３ がウォラストナイト（Wollastonite）であり、Ｃａ １０ (ＰＯ ４ ) ６ (ＯＨ) ２ がヒドロキシアパタイト（hydroxyapatite; HA）であり、かつＣａ ２ Ｍｇ(Ｓｉ ２ Ｏ ７ )がオケルマナイト（Akermanite）である、前記結晶化ガラスセラミック。
- ＣａＳｉＯ３及びＣａ１０(ＰＯ４)６(ＯＨ)２を含むガラスセラミックに比べてＣａ２Ｍｇ(Ｓｉ２Ｏ７)による増加された強度を有するものである、請求項１に記載の結晶化ガラスセラミック。
- ＣａＳｉＯ３、Ｃａ１０(ＰＯ４)６(ＯＨ)２及びＣａ２Ｍｇ(Ｓｉ２Ｏ７)を３０〜４０：３０〜４０：３０〜４０の重量比で含む、結晶化ガラスセラミック組成物であって、ＣａＳｉＯ ３ がウォラストナイト（Wollastonite）であり、Ｃａ １０ (ＰＯ ４ ) ６ (ＯＨ) ２ がヒドロキシアパタイト（hydroxyapatite; HA）であり、かつＣａ ２ Ｍｇ(Ｓｉ ２ Ｏ ７ )がオケルマナイト（Akermanite）である、前記結晶化ガラスセラミック組成物。
- 請求項１又は２に記載の前記結晶化ガラスセラミックを含む骨移植材。
- 請求項４に記載の骨移植材を用いて製造された、脊椎間スペーサーまたは骨組織の代替用医療機器。
- 周りの骨と直接に結合される部位に前記結晶化ガラスセラミックを含む、請求項５に記載の脊椎間スペーサーまたは骨組織の代替用医療機器。
- ３，０００Ｎ〜３５，０００Ｎの範囲の圧縮強度または０．６Ｎ・ｍ〜１．５Ｎ・ｍの範囲のねじり強度を有するものである、請求項５に記載の脊椎間スペーサーまたは骨組織の代替用医療機器。
- 相対密度の値が理論密度の９５％以上の緻密成形体である骨移植材を用いて製造された、請求項５に記載の脊椎間スペーサーまたは骨組織の代替用医療機器。
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