JPH10504476A - 骨組織形成のための生物活性顆粒 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、代謝状態の低いいかなる骨組織部位においても骨組織を形成する方法に関するものであり、これには、大きさが約 200から約 300 マイクロメーターの生物活性ガラス粒子を移植することが含まれる。この粒子は、約 40重量％から約 58重量％の二酸化珪素、約 10重量％から約 30重量％の酸化ナトリウム、約 10重量％から約 30重量％の酸化カルシウム、及び 10重量％以下の五酸化リンからできている。

Description

【発明の詳細な説明】 骨組織形成のための生物活性顆粒 技術分野 本発明は、生物活性ガラスの移植材料に関するものである。 背景技術 生物活性ガラスに生物適合性があることは、移植したガラス状の粒子に硬質の 組織がしっかりと付着する事からも明らかであるが、これは 1971年以降、論証 され続けてきた。特にこの様な生物活性ガラスの一つの組成物である、45S5バイ (1971)に初めて報告された。骨組織／ガラス界面の性質については、ガラスの表 面に、活性部位を形成させるという見地から論議されてきた。細胞外液とガラス 表面との間にイオン交換が起こると、それによってその周辺の環境ｐＨが上昇す る一方、ガラスのシリカ成分がゲルへと変換される事が既に確証されている。と 同時に、細胞活性の媒介によって、ガラスの表面層にはリン酸カルシウムの薄層 が形成される。骨は、その骨の表面に隣接した生物活性ガラスに付着することで 成長し、さらに新しい骨は、短い間隔で次から次へと伝導されることもある。生 物活性ガラスが顆粒状の場合、新しい骨は、顆粒から顆粒へと伝導され得る。 生物活性ガラスの顆粒は、以前にも文献記載されたことがある。米国特許番号 第 4,239,113号には、骨セメントを調製するための組成物が記載されている。そ のセメントには、セメント総重量の 15％から 75％にあたる無機成分が含まれて いる。さらにその無機成分には、粒度 10-200マイクロメーターの生物活性ガラ スセラミック粉末が重量比 90-99％で、及びガラス質の無機繊維が重量比 1-10 ％で含まれている。さらにこの骨セメント組成物には、メタクリル酸メチルコポ リマーとメタクリル酸メチルの添加剤、及び硬化触媒が含まれており、促進剤も 含まれるのが望ましい。 米国特許番号第 4,851,046号には、歯の周辺への応用に用いられる、様々な粒 臨床上より好ましい混合物が製造し得ると記載されている。特に粒度が 90-710 マイクロメーターの粒子が、最も有用であると記載されている。そのガラス粉末 は、血液とよく混ざり合って凝集混合物となり、これは止血効果もあった。 シェーパーズ等による 1993年4月20日付けの米国特許番号第 5,204,106号（参 照として本文中に編入されている）には、大きさが 280-425マイクロメーター( μm)と限定された 45S5 組成物を有する生物活性ガラスの粒子が、前記のものと は全く異なる生物学的反応を起こすと報告されている。この種の大きさの範囲に ある粒子を若い成犬の顎骨に移植したところ、その粒子の内部から、例えば掘削 、消失といった崩壊が起こり、さらにそれは線維組織よりはむしろ骨組織によっ て、次第に、しかも素早く置換された。粒子が崩壊する際、その内部は高度に保 護された媒質で構成されており、そのことが、間葉細胞を骨芽細胞へと分化させ るのに適した条件を生み出し、さらに維持することを可能にしていると、報告し ている。しかし、大きさがその特定範囲外の 45S5 生物活性ガラス粒子を移植し た場合には、掘削は観察されなかった。もっと大きな粒子（例えば、425-850 μ m）の場合、ガラスの吸収、或いは溶解、及び骨組織による置換を伴う中心部の 崩壊は見られなかった。骨組織の外側は、窩壁からの骨伝導による成長が観察さ れたが、その窩の中心部分の粒子は線維組織に覆われていた。もっと小さな粒子 （例えば、212-300 μm）の場合、窩壁からの骨伝導は観察されたが、ここでも 中心部分の粒子は、食細胞の作用で消失する以前に線維組織により覆われてしま った。 シェーパーズ等により発表された粒子は、整形部位への利用にも成功を納めて いる。特に粒度が 300-355 μmの粒子は、骨板の除去であいたスクリューの穴を 充填するため、患者の踵に移植されている。Ｘ線による追跡調査の結果、粒子が 刺激となって骨組織が形成されたことが明らかになった。 シェーパーズ等の特許で注目すべきは、ここで観察された骨の形成が、骨の刺 激により骨が形成されることで欠損部全域にわたって起こっており、さらに中心 部に細胞を媒介とした崩壊が起こる以前に、骨伝導によってリン酸カルシウム層 が形成され、それが骨の形成を助けている点である。中心部が崩壊する際、生物 活性ガラス粒子は、完全にリン酸カルシウムへと変換される。シェーパーズ等の 特許で好ましいとされる顆粒の組成、及び大きさは、欠損部に血管が分布して、 骨組織を形成する細胞が定着する際に、その粒子が徐々に変換されていくような ものである。もっと小さな粒子では、反応があまりに速いために急性の炎症反応 を引き起こしてしまい、その結果、骨組織の形成が妨げられてしまう。 シェーパーズ等の特許に記載されている物質は、高い骨組織形成能力を持つ粒 子でなくても良いような、多くの欠損修復例において適用可能である。しかし、 依然として幾つかの欠損修復例では、より高い反応性を持つ物質が必要とされて いる。それらの例を、以下、より詳細に記述する。 発明の開示 生物活性顆粒として有用な粒度の範囲は広く取ることが望ましい。小さな粒子 は、骨組織の形成に、より多くの核を提供することで骨の修復を促進する。さら に、腐食及び吸収反応を制御できれば、骨組織形成の障害となる急性の炎症応答 反応が起こらないので、欠損部位の修復は加速されるであろう。顎が、体液流量 の多い領域にあって、首の上部にあることを思い浮かべるならば、そのような領 域には多量の間質液と豊富な血液供給があり、このことが小さな粒子の高い生物 活性とあいまって、先に観察されたように、より小さな粒子では満足すべき結果 が得られないことの原因となっていると考えられる。そのうえ若い成犬の場合、 その代謝速度は高く、これが、先に小さな粒子を用いた場合に見られた高い炎症 応答の一因となっていると推論される。 ある見方をすれば、本発明は、体肢骨格（appendicular skeleton）の奇形矯 正部位における骨組織の形成法に関するものであり、これには、大きさが約 200 から約 300 μmの生物活性ガラスの粒子を移植することが含まれる。ゲラード Ｊ．トルトラ等が、ハーパー アンド ロウ、ニューヨーク、（1983）92-204ペ ージの人体解剖学の原理（参照として本文中に編入）で記載している体肢骨格に は、肩帯 -- 鎖骨及び肩甲骨；上肢 -- 上腕骨、尺骨、橈骨、手根骨、中手骨、 及び指節骨；下肢帯 -- 骨盤；及び下肢 -- 大腿骨、腓骨、脛骨、膝蓋骨、足根 骨、中足骨及び指節骨が含まれる。技術熟練者には理解してもらえると思うが、 一般に体肢骨格には、頭蓋−顔の骨格に観察されるような高い体液流量は見られ ない。ここで用いられる“体肢骨格”という言葉には、人間ではない動物の比較 可能な部位も含まれる。 もう一つの見方をすれば、本発明は、低い代謝状態のいかなる骨組織部位にお いても骨組織を形成する方法に関するものであり、これには大きさが約 200から 約 300 μmの生物活性ガラスの粒子を移植することが含まれる。代謝状態は、被 験者の年齢及び遺伝的素因によって影響を受ける。例えば、“低い代謝状態”は 、 骨粗鬆症の被験者に見られる。また低い代謝状態は、一般に相当年輩の人に見ら れる。ここで定義している相当年輩の人という言葉には、60歳以上の人が含まれ るが、例外も有り得る。低い代謝状態を示す状況は他にもあり、これも本発明に 含まれる。特定の診断試験を行えば、代謝状態が低いことを明らかにすることは できるが、その評価は完全に経験に基づくものではない。しかし技術熟練者なら ば、容易にその評価を下すことができる。本発明の方法は、低い代謝状態にある いかなる骨の部位にも使用可能である点で価値あるものだと言えよう。 体液の流量、及び代謝が中程度の部位があることも考えられるが、そのような 部位にも本発明の移植材料を用いる展開が望ましい。さらに一般には、体液の流 量が多く、代謝も高いという特徴を持つと考えられる部位でも、ある環境下では 、或いはある病気にかかった状態では、これらの特徴が表に出にくい事がある。 この場合、そのような部位がたとえ上記のような頭蓋−顔の領域にあっても、本 発明の顆粒を移植するのが適当であろう。 限定する訳ではないが、考えられる骨の欠損には以下のものが含まれる：嚢胞 性欠損の修復、切除した良性及び悪性の腫瘍部位、骨の喪失、癒合の遅れている 、或いは癒合していない骨折の修復部位、関節の修復部位、骨粗鬆症関連の欠損 、及び、歯周囲の欠損。 ここに記載した組成物及び方法は、家畜病治療への利用も、人間への応用も可 能である。 図面の簡単な説明 図１は、45S5 ガラス顆粒を用いた際に観察された掘削を描写したものである 。 図２は、GI ガラス組成物を用いた際に観察された掘削を描写したものである 。 発明の詳細な説明 本発明の方法には、大きさが約 200から約 300 μmの生物活性ガラス顆粒を移 植することが含まれる。この生物活性ガラス顆粒には、珪素、ナトリウム、カル シウム、及びリン、それぞれの酸化物が以下の重量比で含まれている：40−58％ の SiO₂、10−30％の Na₂O、10−30％の CaO、及び 0−10％の P₂O₅。ある好ま しい態様において、その生物活性ガラス顆粒の組成は、45％ SiO₂、24.5％ Na₂O 、24.5％ CaO、及び 6％ P₂O₅である。もう一つの好ましい態様において、その 生物活性ガラス顆粒の組成は、52％ SiO₂、21％ Na₂O、21％ CaO、及び 6％ P₂O₅ である。 大きさが 212から 300 μmの範囲にある 45S5 生物活性ガラスの粒子を用いる これまでの研究では、掘削は認められていなかった。“掘削”とは、粒子が十分 に反応した時点で、粒子内部を通って中心窩が形成されること、として定義され ており、これにはゲル化、及びリン酸カルシウム層の形成が含まれる。続いて、 間葉細胞を含めた骨の元となる細胞がその窩に入り、骨の形成細胞へと分化する 。このようにして、骨組織は欠損部内部の骨刺激によって形成される。掘削が起 きていることは、縁の明瞭な粒子内部の細胞を観察することにより明らかになる 。 小さな粒子を用いた際に、これまで掘削が確認し得なかった理由の一つとして 、体液の流量が多くて代謝状態が高い部位では、このような粒子の腐食反応が盛 んに起こることが挙げられる。このことが、急性の炎症反応の誘因となるのであ る。一般にこの腐食反応は、粒子の表面積を大きくし、と同時にその直径を短く すると加速される。従って、その大きさが約 200から約 300 μmの生物活性ガラ ス粒子は、体液の流量が多い部位での反応性が高すぎるのかもしれないと考えら れた。たとえ体液の流量が多くない部位でも、小さな粒子を用いた場合には、掘 削を観察するのにその組成を変えることが必要であろうと考えられた。。 大きさが約 200から約 300 μmで、四つの異なるガラス組成物を有する生物活 性ガラス顆粒を独自に調製した。これらの顆粒は、米国特許番号第 5,204,106号 において既に記載されている、溶融駆動粉砕法を用いて調製した。この文献の内 容は、参照として本文中に編入されている。しかしこれらの顆粒は、他の方法で 調製しても構わないと思う。 用いられる四つの異なる組成物を、下記の表Ｉに列挙した。一番目の組成物は 、45S5として設計された生物活性ガラス組成物を意味している。GIからGIIIは、 そのガラス組成物の変種を意味している。 移植は、ウサギの腸骨に造った欠損部に施された。腸骨は海綿質ばかりではな いので、欠損は新しい骨が成長したからといって、速やかに修復されるわけでは ない。さらに腸骨は、体液の流量が多い部位にはない。このような理由から、腸 骨が移植部位に選ばれた。ウサギは、物質への反応を研究するための動物病態モ デルとして、家畜病治療にも、人体への使用にも受け入れられるものとして選ば れた。 予期せぬことであったが、大きさが約 200から約 300 μmの 45S5 組成物を有 する粒子は、移植の４週間後に掘削されていることが分かった。粒子と直接結合 している骨による骨伝導が、粒子の掘削と共に広範囲にわたって観察された。あ きらかな組成の変化と掘削とが、GI配合物にも見られた；欠損部全域に多量の骨 が見つかった。 実施例１ 表Ｉに示された組成物を有する、大きさが 200から 300 μmの顆粒をウサギに 移植した。各ウサギには、全４種の組成物が移植された。ニュージーランド白ウ サギの各腸骨に、15ミリメーター（mm）間隔で、直径が 3 mmの円い欠損を二つ 造った。この欠損は、三つの期を経て次第に大きくなり、最終的な直径は 8 mm となった。これを、表Ｉに示された組成物の一つを含むガラス顆粒（200-300 μ m）で充填した。各欠損部には、ただ一つの組成物から成る材料を用いて移植し た。場所は任意に決めた。移植の４週間後、組織学的修復実験のため、ウサギた ちには犠牲になってもらった。腸骨の断片を切り取り、ポリメタクリル酸メチル 中に包理した。各修復部から、直径の似通った五つの連続片を得た。三つの断片 を、それぞれトリクローム、ギームサ、及びパラゴンで染色した。トリクローム は、 一般に細胞を詳細に観察するのに用いられ、ギームサは骨及び線維組織の対比に 、さらにパラゴンは、骨及び線維組織とガラスとの対比、及び細胞の詳細な観察 に用いられる。 ３匹のウサギから得た組織学的観察結果を、下の表IIに示した。表中の“RC” 、“RA”、“LC”、及び“LA”は、それぞれ右側と左側、尾側と頭側の欠損を表 している。“尾側”とは、動物の後部により近い場所の欠損を表している。“頭 側”とは、より頭に近い場所の欠損を表している。“群”の番号は、表Ｉに示さ れた番号に対応している。“掘削”については前述した。“組成物変化”とは、 染色時に観察し得る粒子の呈色、及び色合いにおける組成物の変化のことである 。これは、顆粒物質の化学組成に変化をもたらすガラスの腐蝕反応を表している 。“骨の充填（bone fill）”は、個々の欠損の修復を意味する言葉として定義 される。これは、通常の修復過程でも起き得ることなので、必ずしも物質それ自 体を用いたことによるものとは限らない。それは、対照との比較とは関係ない。 “大食細胞の崩壊”は、顆粒の外側に極めて近い位置にあって食作用を持つ細胞 の観察に関連したものである。顆粒の幾つかが、帆立て貝の貝殻様の外観を呈し ているのは、これらの細胞によるものである。その等級を以下に示す：“ND”は 、観察が行われなかったことを示し、“-”はその項目が観察されなかったこと を、“+”はその項目が発生したことを、“++”はその項目がかなり発生したこ とを、“+++”はその項目が広範囲にわたって発生したことを示している。 特定の大きさの 45S5 組成物を用いた場合には、粒子は十分に反応し、その中 心部にはっきりとした掘削の兆候が見られた。これは図１に描写されている。図 １は、トリクロームで染色し、100倍率で見たウサギ 12RA の組織を示したもの である。掘削を矢印で示した。 GI顆粒と結び付いた反応層は、４週間で、中心まで約半分のところまで広がっ ていた；粒子はこの時点で十分に反応していたとは言えないが、掘削は進行中で あった。これは図２に描写されている。図２は、トリクロームで染色し、100倍 率で見たウサギ 9LA の組織を表したものである。進行中の掘削を矢印で示した 。 GII組成物の粒子には極薄い反応層しかなく、これは特定領域の表面が大食細 胞に吸収されたことによるもので、虫食いの様相を呈していた。GIII粒子を用い た場合には、その顆粒の極めて近い場所に多数の大食細胞が存在し、表面に大き な組成物変化は起こらなかったという結果を得た。GII及び GIIIの材料を用いた 場合、そのガラス顆粒への骨の付着はほとんど観察されなかった。 前述は本発明を説明するものであり、いかなる方法によってもそれを限定する ものではない。技術熟練者には、添付の請求の中で定義された発明の精神、及び 範囲を出ることなく、改良可能なことが理解されるであろう。

【手続補正書】特許法第１８４条の８ 【提出日】１９９６年１０月８日 【補正内容】 請求の範囲 １．体肢骨格のある部位において、奇形矯正欠損全域に骨組織を形成する方法 で、 a）実質的には、 約 40から約 58重量％の SiO₂、 約 10から約 30重量％の Na₂O、 約 10から約 30重量％の CaO、及び 約 10重量％以下の P₂O₅から成る、大きさが約 200から約 300マイクロメ ーターの粒子で前記部位を充填すること；及び b）前記粒子を変換させることによって個々の粒子が掘削を開始して中心 窩を形成し、そこに骨の元となる細胞が入り込み、さらに骨伝導を伴って骨の形 成細胞へと分化し、結果的に前記の骨組織が形成される、 以上から成る方法。 ２．前記粒子が、 約 42から約 54重量％の SiO₂、 約 15から約 27重量％の Na₂O、 約 15から約 27重量％の CaO、及び 約 3から約 8重量％の P₂O₅を含む、請求項１に記載の方法。 ３．前記粒子が、約 45重量％の SiO₂、約 24.5重量％の Na₂O、約 24.5重量 ％の CaO、及び約 6重量％の P₂O₅を含む、請求項１に記載の方法。 ４．前記粒子が、約 52重量％の SiO₂、約 21重量％の Na₂O、約 21重量％のC aO、及び約 6重量％の P₂O₅を含む、請求項１に記載の方法。 ５．代謝状態の低い部位において、骨の欠損全域に骨組織を形成する方法で、 a）実質的には、 約 40から約 58重量％の SiO₂、 約 10から約 30重量％の Na₂O、 約 10から約 30重量％の CaO、及び 約 10重量％以下の P₂O₅を含む、大きさが約 200から約 300 マイクロメ ーターの粒子で前記部位を充填すること；及び b）前記粒子を変換させることによって個々の粒子が掘削を開始して中心 窩を形成し、そこに骨の元となる細胞が入り込み、さらに骨伝導を伴って骨の形 成細胞へと分化し、結果的に前記の骨組織が形成される、 以上から成る方法。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 シェパーズ，エヴァート ベルギー王国ベー−3000 ルーヴェン，モ ンシニョール・ラドゥーゼ・プライム 33

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．体肢骨格のある部位において、奇形矯正欠損を充填するために骨組織を形 成する方法で、 約 40から約 58重量％の SiO₂、 約 10から約 30重量％の Na₂O、 約 10から約 30重量％の caO、及び 約 10重量％以下の P₂O₅を含む、大きさが約 200から約 300マイクロメー ターの粒子を前記部位に導入することから成る方法。 ２．前記粒子が、 約 42から約 54重量％の SiO₂、 約 15から約 27重量％の Na₂O、 約 15から約 27重量％の CaO、及び 約 3から約 8重量％の P₂O₅を含む、請求項１に記載の方法。 ３．前記粒子が、約 45重量％の SiO₂、約 24.5重量％の Na₂O、約 24.5重量 ％の CaO、及び約 6重量％の P₂O₅を含む、請求項１に記載の方法。 ４．前記粒子が、約 52重量％の SiO₂、約 21重量％の Na₂O、約 21重量％の CaO、及び約 6重量％の P₂O₅を含む、請求項１に記載の方法。 ５．代謝状態の低い部位において、骨の欠損を充填するために骨組織を形成す る方法で、 約 40から約 58重量％の SiO₂、 約 10から約 30重量％の Na₂O、 約 10から約 30重量％の caO、及び 約 10重量％以下の P₂O₅を含む、大きさが約 200から約 300マイクロメー ターの粒子を前記部位に導入することから成る方法。 ６．前記粒子が、 約 42から約 54重量％の Si0₂、 約 15から約 27重量％の Na₂O、 約 15から約 27重量％の CaO、及び 約 3から約 8重量％の P₂O₅を含む、請求項５に記載の方法。 ７．前記粒子が、約 45重量％の SiO₂、約 24.5重量％の Na₂O、約 24.5重量 ％ の CaO、及び約 6重量％の P₂O₅を含む、請求項５に記載の方法。 ８．前記粒子が、約 52重量％の SiO₂、約 21重量％の NaO₂、約 21重量％の CaO、及び約 6重量％の P₂O₅を含む、請求項５に記載の方法。 ９．前記の欠損が、骨粗鬆症の患者にある請求項５の方法。