JPH1052485A - バイオセラミックス含有セル構造体とその製造方法 - Google Patents

バイオセラミックス含有セル構造体とその製造方法

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JPH1052485A
JPH1052485A JP8229280A JP22928096A JPH1052485A JP H1052485 A JPH1052485 A JP H1052485A JP 8229280 A JP8229280 A JP 8229280A JP 22928096 A JP22928096 A JP 22928096A JP H1052485 A JPH1052485 A JP H1052485A
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Yasuo Shikinami
保夫 敷波
Hiroyuki Kawarada
裕之 川原田
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 生体組織に対する良好な生体活性と、生体内
での数ケ月にわたる実用的強度及び保形性を併せ持ち、
最終的に全てが骨組織と置換して消失する、生体骨損傷
部位の再建用などの生体材料として有用なバイオセラミ
ックス含有セル構造体と、その製造方法を提供する。 【解決手段】 生体内分解吸収性ポリマーをその溶剤と
その溶剤より高沸点の非溶剤との混合溶媒に溶解させる
と共に、バイオセラミックスの粉体を分散させた懸濁液
を調製し、この懸濁液から混合溶媒を溶剤の沸点より低
温で揮散させて、バイオセラミックス粉体を内包した生
体内分解吸収性ポリマーを沈殿させる方法により、連続
気孔を有し且つ内部に生体活性なバイオセラミックス粉
体が含有されたセル構造体を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、生体骨との結合、
置換が可能な生体内分解吸収性のバイオセラミックス含
有セル構造体と、その製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】医療用途を目的とする生体内分解吸収性
のセル構造体(多孔体)としては、特公昭63−649
88号に開示された生体内分解吸収性スポンジや、特開
平2−63465号に開示された歯周組織再建用素材な
どが知られている。
【0003】前者の生体内分解吸収性スポンジは、手術
時の止血や生体の軟組織(例えば肝臓等の臓器)の縫合
時の補綴材料として使用されるもので、分子量(重量平
均分子量)が2千〜60万のポリ乳酸等から形成された
連続気泡構造を有する柔軟なスポンジである。このスポ
ンジは、上記のポリ乳酸等をベンゼン又はジオキサンに
溶解させ、そのポリマー溶液を凍結乾燥する方法によっ
て製造されるものである。
【0004】また、後者の歯周組織再建用素材は、重量
平均分子量が4万〜50万の乳酸−カプロラクトン共重
合体等から形成された多孔質の柔軟なフィルム状もしく
はシート状の肉薄の素材であり、この素材も上記と同様
の溶剤を用いて凍結乾燥法により製造されるものであ
る。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】上記のスポンジや歯周
組織再建用素材は生体内分解吸収性の多孔質素材である
が、生体内で骨組織を素材内部に誘導形成する生体活性
な物質を含まないため、生体骨との結合性、誘導性、伝
導性、骨組織との置換が悪いので、完全に置換して骨組
織が再建されるまでにかなりの長期間を要する。
【0006】また、上記の素材が凍結乾燥法により製造
されるときは、1mm以上の厚いものを得ることが難し
い。1mm以下の薄肉の素材を生体骨損傷部位の複雑で
比較的大きな三次元空間に形状的にあてはめて、一時的
な補綴材としての機能を発揮させながら立体的な損傷部
位の再建を図ることは困難である。
【0007】更に、凍結乾燥法で製造される素材は発泡
倍率が低く、このような発泡倍率の低い素材は生体内で
分解、吸収される過程において一時的に多量の分解細片
を生成するため、分解細片の異物反応による一過性の炎
症を引き起こす心配が多分にある。しかも、凍結乾燥の
ためにベンゼンやジオキサン等の有害な溶剤を使用する
ので、溶剤が残留していると生体に悪影響を及ぼす危険
性がある。
【0008】これらの問題があるため、従来の凍結乾燥
法で製造された多孔質素材は、生体骨損傷部位の再建用
の充填材、補綴材あるいは足場のための生体材料として
使用することが困難であった。また、生体骨との結合性
がないため、人工関節その他のインプラントと生体骨と
の間に多孔質素材を介在させてインプラントの固定強度
を向上させるというような目的にも使用できなかった。
【0009】本発明は、上記の問題を一挙に解決して生
体骨損傷部位の再建用生体材料等として好適に使用でき
るバイオセラミックス含有セル構造体を提供することを
目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明のバイオセラミッ
クス含有セル構造体は、生体内分解吸収性ポリマーから
形成された連続気孔を有するセル構造体であって、その
内部に生体活性なバイオセラミックスの粉体が含有され
ていることを特徴とするものである。
【0011】ここに、セル構造体とは、気孔を取り囲む
一つの構造単位であるセルの壁が相互につながったネッ
トワークからなる固体のことであり、多孔体や発泡体と
表現しても本質的な差異がないものである。
【0012】上記のバイオセラミックス含有セル構造体
は、生体内分解吸収性ポリマーをその溶剤とその溶剤よ
り高沸点の非溶剤との混合溶媒に溶解させると共に、バ
イオセラミックスの粉体を分散させた懸濁液を調製し、
この懸濁液から混合溶媒を溶剤の沸点より低温で揮散さ
せて、バイオセラミックスの粉体を内包する生体内分解
吸収性ポリマーを沈殿させることを特徴とする本発明の
製造方法によって、容易に製造することができる。その
セル構造形成の原理は、以下のように考察される。
【0013】即ち、上記の懸濁液から混合溶媒を溶剤の
沸点より低温で気散させると、沸点の低い溶剤が優先的
に気散して沸点の高い非溶剤の比率が次第に上昇し、溶
剤と非溶剤がある比率に達すると溶剤はポリマーを溶解
できなくなる。そのためポリマーが析出・沈殿を開始
し、当初から沈降を開始しているバイオセラミックスの
粉体を内包し、析出・沈殿したポリマーが高比率の非溶
剤により収縮、固化してバイオセラミックスの粉体を含
有したまま固定化され、連結したポリマーの薄いセル壁
に混合溶媒が内包された状態のセル構造が形成される。
そして、残りの溶剤がセル壁の一部分を破壊しながら細
孔をつくって気散・消失し、沸点の高い非溶剤も該細孔
を通じて徐々に気散して、遂には完全に気散・消失す
る。その結果、ポリマーのセル壁に包まれていた混合溶
媒の溜め跡が気孔として残り、基本的に気孔が連続した
連続気孔を備える。かくしてセル壁の表面又は内部にバ
イオセラミックスの粉体を保持したバイオセラミックス
含有セル構造体が形成される。
【0014】その場合、上記の懸濁液のポリマー濃度を
調整すると、セル構造体の発泡倍率を2〜30倍の広範
囲に調節でき、しかも、歪みのないバイオセラミックス
含有セル構造体を形成することができる。また、上記の
懸濁液の粘度や、混合溶媒の気散する速さをコントロー
ルすると、1mm以上の厚さを有するバイオセラミック
ス含有セル構造体を容易に形成することができる。
【0015】このようにして形成されたバイオセラミッ
クス含有セル構造体は、バイオセラミックス粉体が当初
から沈降を開始し、且つ、その沈降速度がポリマーの析
出・沈殿速度よりかなり速い場合は、セル構造体の片面
側(上面側)から反対面側(下面側)に近づくにつれて
バイオセラミックス粉体の含有量が漸増している。つま
り、バイオセラミックス粉体の沈降方向に含有量の勾配
を有するセル構造体となるのである。
【0016】上記のようなバイオセラミックス含有セル
構造体を生体骨の損傷部位に適用すると、連続気孔を通
じて体液がセル構造体の内部へ浸透し、体液と接触した
セル壁が徐々に加水分解すると共に、セル壁の表面又は
内部に保持されているバイオセラミックス粉体によっ
て、骨組織がセル構造体の内部に誘導形成され、セル構
造体が生体骨と結合する。そして、最終的にはセル構造
体全体が加水分解して吸収され、誘導形成された骨組織
と置換して消失する。
【0017】その場合、セル構造体のバイオセラミック
ス粉体の含有量が多い方の片側部分(下側部分)は、セ
ル壁の見掛け上の加水分解による劣化が速やかに進行す
ること、また高い濃度のバイオセラミックス粉体による
骨組織の誘導形成能(生体活性の度合)が大きいため、
生体骨との結合性が良好である。これに対し、バイオセ
ラミックス粉体の含有量が少ない方の片側部分(上側部
分)は骨組織の誘導形成能があまり大きくないけれど
も、バイオセラミックス粉体の含有量が少ない分だけ脆
さがなく強度があり、セル壁の加水分解もそれほど速く
ないため、生体内で数ケ月間は実用的強度と形状を維持
する。
【0018】バイオセラミックス粉体の平均含有率は5
〜60重量%の範囲内であることが望ましく、平均含有
率が60重量%より高くなると、骨組織の誘導形成能は
全体的に向上するが、セル構造体の全体的な強度が低下
し、見掛け上の加水分解による劣化の速度も必要以上に
速くなるといった不都合を生じる。一方、バイオセラミ
ックス粉体の平均含有率が5重量%より低くなると、セ
ル構造体の全体的な強度は向上するが、骨組織の誘導形
成能が全体的に低下し、加水分解速度もかなり遅くなる
ので望ましくない。
【0019】また、このバイオセラミックス含有セル構
造体の表面には、コロナ放電処理やプラズマ処理や過酸
化水素処理などの表面活性化のための酸化処理を施すこ
とが望ましく、かかる酸化処理を施すと、表面が体液と
よく濡れるようになるので、セル構造体表層部における
骨組織の誘導形成が一層活発になり、生体骨との結合性
が更に向上する。
【0020】上記のように本発明のバイオセラミックス
含有セル構造体は、生体骨に対する良好な結合性と、生
体内での数ケ月にわたる実用的強度及び保形性を併せ持
ち、最終的に全てが骨組織と置換して消失するため、生
体骨損傷部位の再建用足場などの生体材料として極めて
有用である。これは単に硬組織用のみに限らず、軟組織
再建のための足場である組織工学のための材料としても
有効である。
【0021】特に、1mm以上の厚いセル構造体は、生
体内の損傷部位の複雑な三次元空間に形状的にあてはめ
て、一時的な補綴材としての機能を発揮させながら立体
的な損傷部位の再建を図ることができる。更に、発泡倍
率の高いセル構造体はポリマーが量的に稀薄であり、分
解・吸収の過程で一時的に急激に多くの分解細片を生成
することがないため、分解細片の異物反応による一過性
の炎症をなくすこともできる。
【0022】また、例えば人工関節などのインプラント
とリーミングした生体骨との間に不可避的にできる隙間
に本発明のバイオセラミックス含有セル構造体を介在さ
せて両者を密着させると、最終的にセル構造体が骨組織
と置換して、この骨組織がインプラントの形状に沿って
よく密着するため、インプラントの生体骨への固定を向
上させることができる。
【0023】
【発明の実施の形態】以下、本発明の具体的な実施形態
を詳述する。
【0024】本発明のバイオセラミックス含有セル構造
体に用いる生体内分解吸収性ポリマーとしては、10万
〜70万の粘度平均分子量を有するポリ乳酸、乳酸−グ
リコール酸共重合体、乳酸−カプロラクトン共重合体な
どが好適であり、これらは単独で又は二種以上混合して
使用される。
【0025】ポリ乳酸としては、L−乳酸のホモポリマ
ーや、L−乳酸とD−乳酸のランダムあるいはブロック
コポリマーが使用され、また、共重合体としては、乳酸
とグリコール酸、あるいは乳酸とカプロラクトンのモル
比が99:1〜75:25の範囲にあるものが使用され
る。グリコール酸やカプロラクトンの比率が上記範囲よ
り高くなると、セル構造体の耐加水分解性が低下して早
期に強度劣化を招く恐れがあり、高発泡倍率のセル構造
体を形成することも難しくなる。尚、これらの共重合体
以外に、ポリ乳酸とポリエチレングリコールの共重合体
や、ポリ乳酸とポリプロピレングリコールとの共重合体
なども使用できる。
【0026】これらのポリ乳酸や共重合体は、上記のよ
うに粘度平均分子量が10万〜70万の範囲にあるもの
を使用することが望ましく、このような高分子量のポリ
乳酸や共重合体を用いると、非多孔質の固体の重合体よ
りは低いが、多孔体としては比較的高い強度(引張強度
や曲げ強度)があり、且つ、生体内での強度維持期間が
2ケ月までの短いものから数ケ月と長いものまで高発泡
倍率のセル構造体を形成することができる。
【0027】ポリマーのポリ乳酸の比率や平均分子量が
高くなればなるほど、セル構造体の硬度や強度、強度保
持期間等は向上するが、粘度平均分子量が70万を越え
るとポリマーが溶剤に溶け難くなるので、高発泡倍率の
セル構造体を得ることが難くなる。一方、粘度平均分子
量が10万より低くなると、セル構造体の強度が低下
し、生体内での強度維持期間も短くなる。ポリ乳酸や共
重合体の更に望ましい粘度平均分子量の範囲は15万〜
60万である。
【0028】なお、上記の高分子量域のポリ乳酸や共重
合体には、低分子量のものを適量配合してもよい。低分
子量のものを配合すると、セル構造体の初期の加水分解
速度を適度に速めることが可能となる。
【0029】本発明のセル構造体に含有させるバイオセ
ラミックスの粉体としては、表面生体活性な焼結ハイド
ロキシアパタイト、バイオガラス系もしくは結晶化ガラ
ス系の生体用ガラス(例えばバイオグラスやA−Wガラ
スセラミックス等)、生体内吸収性の湿式ハイドロキシ
アパタイト、ジカルシウムホスフェート、トリカルシウ
ムホスフェート、テトラカルシウムホスフェート、オク
タカルシウムホスフェート、ジオプサイト、カルサイト
などの粉体が好適であり、これらは単独で又は二種以上
混合して使用される。
【0030】これらのバイオセラミックス粉体は、その
粒子の大きさが0.1〜100μmの範囲にあるものを
使用することが望ましい。また、より好ましくは数μm
〜数10μmである。100μmより大きいバイオセラ
ミックス粉体を使用すると、後述するようにポリマーと
バイオセラミックス粉体を沈殿させてセル構造体を形成
するとき、バイオセラミックス粉体の沈降速度が速すぎ
るために、その大部分の粉体が下部に沈積し、上部には
バイオセラミックス粉体を殆ど含まないセル構造体が形
成されることになる。このようなセル構造体は、バイオ
セラミックス粉体が大量に沈積している下面側が強度的
に極めて脆く、バイオセラミックス粉体を殆ど含まない
上面側は、ポリマー本来の性質のみが発現するので骨組
織の誘導形成能に乏しく、両者間の物性と機能の差が著
しく違いがある上に、両者が容易に分離しやすいので、
本発明の目的を良好に達成しがたい。
【0031】バイオセラミックスの粉体は、一般にその
粒子が小さくなるほど沈降速度が遅くなり、セル構造体
の上面側と下面側の粉体含有量の差が少なくなるので、
バイオセラミックス粉体の大きさを上記の範囲内で選択
し、ポリマー溶液濃度を調整して粘度を選択すれば、セ
ル構造体の粉体含有量の勾配をほどよくコントロールす
ることができる。
【0032】本発明のバイオセラミックス含有セル構造
体は、前記の生体内分解吸収性ポリマーをその溶剤とそ
の溶剤より高沸点の非溶剤との混合溶媒に溶解させると
共に、前記のバイオセラミックス粉体を懸濁させた懸濁
液を調製し、この懸濁液を型に入れて混合溶媒を溶剤の
沸点より低温で揮散させることにより、バイオセラミッ
クスの粉体を内包した生体内分解吸収性ポリマーを沈殿
させて形成したものであり、そのセル構造形成原理は既
述した通りである。
【0033】かかる方法で形成されたバイオセラミック
ス含有セル構造体は、連続した気孔を取り囲むポリマー
のセル壁がネットワーク状につながり、該セル壁の表面
又は内部にバイオセラミックス粉体が保持された構造を
している。また、ポリマー濃度、バイオセラミックス粉
体の粒径、溶剤と非溶剤の比率を選択することによっ
て、該粉体の含有量がセル構造体の上面側から下面側に
近づくにつれて(即ち、沈降方向に向かって)漸増して
いるものも得られ、その濃度勾配もまた調整することが
できる。
【0034】上記の懸濁液の調製は、生体内分解吸収性
ポリマーを溶剤に溶解したポリマー溶液と、バイオセラ
ミックス粉体を非溶剤に分散させた分散液とを混合して
調製することが望ましく、このように調製すると、ポリ
マーの溶解とバイオセラミックス粉体の懸濁を容易に行
うことができる。
【0035】溶剤としては、前記の生体内分解吸収性ポ
リマーを溶解でき、常温よりやや高い温度で気散しやす
い低沸点の溶剤、例えば塩化メチレン(CH2Cl2)、
クロロホルム(CHCl3)、1,1−ジクロルエタン
(CH3CHCl2)などが使用される。この中では、最
も低い沸点と最も高い蒸気圧を示す低毒性の塩化メチレ
ンが最適であり、クロロホルムも好適である。
【0036】一方、非溶剤は、その沸点が上記の溶剤よ
り高く、且つ、上記の溶剤と相溶性があるものを使用す
る必要があり、相溶性に劣る非溶剤を用いると、発泡倍
率が高く均一で微細な気孔を有するバイオセラミックス
含有セル構造体を得ることが困難になる。この非溶剤の
沸点は上限が110℃付近(1気圧)までであり、溶剤
と非溶剤との組み合わせを決める場合、溶剤の沸点より
もかなり高い沸点の非溶剤を選ぶことが望ましい。非溶
剤が110℃より高い沸点を有するものであると、常温
での蒸気圧が低く常温での気散が遅すぎるために、セル
構造体の形成に時間がかかり、非溶剤がセル内に残留し
やすくなる。また、非溶剤と溶剤の沸点差が約15℃よ
り小さい場合は、溶剤が非溶剤と共に気散し易くなるの
で、非溶剤の沈殿剤としての働きが低下する。
【0037】好ましい非溶剤としては、前記の塩化メチ
レン等の溶剤と相溶性があり、沸点が60℃〜110℃
(1気圧下)の範囲内にある一価アルコール、例えばメ
タノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパ
ノール(イソプロピルアルコール)、2−ブタノール、
ter−ブタノール、ter−ペンタノールなどが挙げ
られるが、毒性、臭などを考慮すると、エタノール、1
−プロパノール、2−プロパノールが特に好適に使用さ
れる。また、これらの一価アルコールに少量の水を加え
た非溶剤も好適に使用される。水はアルコールよりもよ
り強い沈殿剤としての働きを有し、ポリマーの沈殿を促
進するからである。
【0038】表1に、好ましい溶剤と非溶剤を列挙し、
それぞれの沸点と20℃における蒸気圧を示す。また、
表2に、塩化メチレン、クロロホルムと各非溶剤との沸
点差及び蒸気圧差を示す。溶剤と非溶剤の組合わせは、
この表1の沸点と蒸気圧を勘案して適宜選択すればよ
く、溶剤に塩化メチレンやクロロホルムを選んだとき
は、表2に示す沸点差と蒸気圧差を勘案して非溶剤を選
択すればよい。
【表1】
【表2】
【0039】混合溶媒の溶剤と非溶剤の比率は、体積比
で10:1〜10:10の範囲とすることが重要であ
り、かかる比率の範囲内であればセル構造体を形成する
ことができる。溶剤の比率が上記範囲より大きい場合
は、混合溶媒の気散終了時までポリマーの溶解が続いて
ポリマーの沈殿が生じず、気散後にバイオセラミックス
粉体の大部分が底面に沈殿した状態の気泡のない透明な
ポリマー塊を得るのみである。一方、溶剤の比率が上記
範囲よりも小さい場合は、僅かの溶剤が気散しただけで
ポリマーがバイオセラミックス粉体と共に一挙に沈殿す
るため、セル間の溶着が不完全となり、セル間の物理的
つながりのない脆いセル構造体、あるいはセル間がつな
がっていない粉粒体が出来上がったり、型の形状とは全
く異なる収縮、変形したセル構造体ができるので良くな
い。三次元空間的にセルが連結してしっかりした形状の
安定なセル構造体が形成されるにふさわしい比率の範囲
は、溶剤と非溶剤の種類によって異なるが、10:1〜
10:7である。
【0040】上記のような溶剤と非溶剤との混合溶媒に
生体内分解吸収性ポリマーを溶解させると共にバイオセ
ラミックス粉体を懸濁させた溶液は、型内に充填した
後、溶剤の沸点より低い温度、好ましくは20℃以下の
温度で、常圧又は減圧下に混合溶媒を気散させることが
重要である。溶剤の沸点以上の温度で気散させると、溶
剤が沸騰してセル壁を破壊し、溶着するので、良質のセ
ル構造体を得ることはできない。この気散の工程を、気
散した溶媒を回収することのできる密閉された装置の中
で行うと、回収された溶媒を何度も繰り返して使用する
ことができ、操作中に吸入することもないので安全かつ
省資源的である。
【0041】このように懸濁液から混合溶媒を気散させ
ると、数100μm以下の薄いフィルム状やシート状の
バイオセラミックス含有セル構造体であれば、見ている
間の短時間に形成することができる。そして、1mm以
上の厚肉のプレート状又は異形状のバイオセラミックス
含有セル構造体の場合も、型の深さや形状を変えて懸濁
液の充填量を増加させるだけで、少し長い時間を要する
が、同様に簡単に形成することができる。このとき混合
溶媒が型の全面から均等に気散できるように、型とし
て、ポリマーを通過させないが混合溶媒を通過させる微
細な通気孔を無数に有する多孔質の型、例えば素焼きの
陶器製の型などを使用することも一つの好ましい方法で
ある。
【0042】また、形成されるセル壁を固定化してセル
構造体の陥没や変形を避けること、バイオセラミックス
粉体の沈降速度を遅くして粉体含有量の勾配を少なくす
ること、混合溶媒の気散を速めること等を目的として、
懸濁液を撹拌しながら約10℃以下の低温にて増粘し、
減圧下に静置して溶媒を強制的に気散させる操作を採る
ことも望ましい一つの方法である。但し、混合溶媒の気
散速度は、ポリマーの分子量、種類、濃度、形成するセ
ル構造体の厚さ、形状、発泡倍率等によって微妙に調節
する必要がある。このようにすれば、5cm以上もの厚
さをもつブロック状あるいは異形状に成形された、バイ
オセラミックス粉体含有量の勾配が比較的少ないセル構
造体を容易に形成することができる。
【0043】バイオセラミックス含有セル構造体の発泡
倍率は2〜30倍であり、5〜25倍のものが比較的容
易に得られ、このような高発泡倍率のセル構造体は、生
体内での加水分解による細片の生成量が少ないため、分
解細片の一時的多量発生によって生ずる異物反応による
一過性の炎症を起こす心配が殆どないという利点を有す
る。
【0044】発泡倍率を決定する要因としては、ポリマ
ー濃度(懸濁液の粘度)、ポリマーの分子量、混合溶媒
の組成比、気散速度等が挙げられるが、溶剤から析出し
たポリマーがバイオセラミックス粉体と共に沈殿してセ
ル構造体を形成する原理からすれば、ポリマー濃度が最
も重要な要因の一つである。
【0045】ポリマー濃度と発泡倍率は反比例の関係に
あり、ポリマー濃度が高くなるほど発泡倍率は低くな
る。そして、混合溶媒中のポリマー濃度が10重量%以
上になると、5倍以上の発泡倍率を有するセル構造体を
形成することが難しくなる。従って、高発泡倍率のセル
構造体を得るためには、ポリマー濃度を下げる必要があ
る。混合溶媒中のポリマー濃度が2重量%程度である
と、混合溶媒の組成比によって差異はあるが、20〜3
0倍前後の高発泡倍率を有するセル構造体を形成するこ
とができる。しかし、ポリマー濃度を更に下げて1重量
%以下にすると、却って満足なセル構造体を得ることが
困難となる。また同時にバイオセラミックス粉体の沈積
が増大し、一方向に偏りすぎたセル構造体となる。
【0046】ポリマーの分子量と発泡倍率の関係は、あ
る分子量領域で発泡倍率が最も高くなり、分子量がその
領域より大きくなっても小さくなっても発泡倍率は低下
する傾向がある。発泡倍率が最も高くなる粘度平均分子
量は、前記のポリ乳酸や共重合体では20万〜35万程
度であり、10万より低くなると発泡倍率の高いバイオ
セラミックス含有セル構造体を形成することが困難とな
る。
【0047】また、混合溶媒の組成比と発泡倍率との関
係については、セル構造体の形成が可能な前記の比率の
範囲内において、非溶剤の比率が高くなるほど、発泡倍
率が高くなる関係にある。
【0048】従って、ポリマー濃度、ポリマーの分子
量、混合溶媒の組成比等を種々変化させれば、セル構造
体の発泡倍率を自由にコントロールすることができ、2
〜30倍の発泡倍率を有するバイオセラミックス含有セ
ル構造体を形成することができる。このような発泡倍率
のセル構造体は、連続気孔の平均孔径が3〜300μm
程度であり、特に150〜300μm程度の平均孔径を
有するセル構造体は、生体骨の損傷部位に埋入したとき
に体液や軟組織又は硬組織細胞の侵入が容易であって、
セル壁の表面又は内部に存在するバイオセラミックス粉
体により、特に骨組織の誘導形成が効果的に行われるた
め、骨組織再建用の生体材料として有用である。
【0049】本発明のバイオセラミックス含有セル構造
体は、既述したように、バイオセラミックス粉体の含有
量がセル構造体の片面側(上面側)から反対面側(下面
側)に向かって漸増するような勾配を有することにも特
徴があるが、バイオセラミックス粉体の平均含有率は5
〜60重量%の範囲内に設定することが望ましい。平均
含有率が60重量%より高くなると、バイオセラミック
ス粉体による骨組織の誘導形成能などの生体活性の度合
は全体的に向上するが、セル構造体の全体的な強度が低
下し、加水分解による見掛け上の劣化も必要以上に速く
なるといった不都合を生じるので好ましくない。一方、
バイオセラミックス粉体の平均含有率が5重量%より低
くなると、セル構造体の全体的な強度はポリマー自体の
セル構造体と同程度にまで向上するが、生体活性の度合
が全体的に低下し、加水分解による見掛け上の劣化もか
なり遅くなるといった不都合を生じるので、やはり好ま
しくない。
【0050】このバイオセラミックス含有セル構造体に
はコロナ放電処理などの酸化処理を施すことが望まし
く、かかる処理が表面に施されていると、ポリマーと生
体液との濡れ特性が増すので、セル構造体の表層部にお
ける生体活性の度合が顕著に発現され、生体骨との結合
性などの特性が更に向上する。
【0051】以上のような本発明のバイオセラミックス
含有セル構造体は、生体骨に対する良好な結合性に代表
される生体活性の性質と、生体内での数ケ月にわたる実
用的強度及び保形性の維持を併せ持ち、最終的に全てが
周囲の骨組織と置換して消失するため、生体骨損傷部位
の再建用の生体材料として、あるいは組織再建のための
足場として、あるいは組織工学のための材料として極め
て有用である。特に、1mm以上の厚いセル構造体は、
損傷部位の複雑な三次元空間に形状的にあてはめて、一
時的な補綴材としての機能を発揮させながら立体的な損
傷部位の再建を図ることが可能であり、また、発泡倍率
の高いセル構造体は、ポリマーが量的に稀薄であって、
分解・吸収の過程で一時的に急激に多くの分解細片を生
成することがないため、分解細片の異物反応による一過
性の炎症を引き起こす心配も殆どないので実に有効であ
る。
【0052】更に、本発明のバイオセラミックス含有セ
ル構造体は、人工関節(例えば股関節骨頭)などのイン
プラントと生体骨との間に介在させると、最終的にセル
構造体が骨組織と置換し、この骨組織がインプラントに
密着するため、インプラントの固定強度を向上させるの
に有効である。
【0053】図1はその一例を示す部分断面図であっ
て、超高分子量ポリエチレンで成形した人工関節の一方
の半球殻体1を生体骨2の端部に固定するときに、半球
殻状に形成した本発明のバイオセラミックス含有セル構
造体3をスペーサとして半球殻体1と生体骨2と間に介
在させたものである。このようにバイオセラミックス含
有セル構造体3を介在させると、その内部に骨組織が誘
導形成され、セル構造体3の分解・吸収に伴って置換、
再建された生体骨が半球殻体1の表面に密着して半球殻
体1の固定が確実となる。その場合、半球殻体1の表層
部にもバイオセラミックスの粉体を埋入しておくと、該
表層部が生体骨と結合し、固定性が一層向上する。
【0054】
【実施例】次に、本発明の更に具体的な実施例と比較例
を説明する。
【0055】[比較例1]溶剤として塩化メチレン(C
2Cl2)を使用し、この溶剤に粘度平均分子量30万
のポリ−L−乳酸を4g/dlの割合で溶解すると共
に、平均粒径が3μmの未焼成ハイドロキシアパタイト
粉体(U−HA粉体)を2.7g/dlの割合(U−H
A粉体含有率:40重量%)で分散させて懸濁液を調製
した。そして、この懸濁液を直径が10cmのシャーレ
に液面が13mmの高さとなるように注入し、そのまま
蓋をして室温(10〜20℃)で大気圧下に24時間静
置して、溶剤を気散させた。
【0056】しかし、セル構造体は形成されず、底面付
近にU−HA粉体を多く含む厚さ0.7mmのシートが
形成された。これは、溶剤が気散完了するまでポリマー
を溶解しながら気散するので、溶剤の抜けがらの孔が溶
着し、セル構造体を形成しなかったためである。
【0057】このシートについて、37℃のリン酸緩衝
液中における加水分解実験と、擬似体液中におけるハイ
ドロキシアパタイト形成実験を行った。その結果、加水
分解実験については図3に示すような結果が得られた。
また、ハイドロキシアパタイト形成実験については、2
週間浸漬後、該シートのU−HA粉体含有量が多い底面
において、ハイドロキシアパタイトの結晶が点在して形
成されていることが電子顕微鏡で確認できたが、含有量
の少ない上面では結晶の形成が確認できなかった。
【0058】[実施例1]溶剤として塩化メチレン(C
2Cl2)、非溶剤としてエタノール(C25OH)を
使用し、溶剤と非溶剤の体積比(溶剤/非溶剤)を10
/1、10/3、10/5、10/7、10/9に変化
させた5種類の混合溶媒に、粘度平均分子量30万のポ
リ−L−乳酸を4g/dlの割合で溶解すると共に、平
均粒径が3μmのU−HA粉体を2.7g/dlの割合
で分散させた5種類の懸濁液を調製した。
【0059】これらの懸濁液を、直径が10cmのシャ
ーレに液面が13mmの高さとなるように注入し、その
まま蓋をして室温(10〜20℃)で大気圧下に静置し
てU−HA粉体含有セル構造体(U−HA粉体の平均含
有率:40重量%)を形成した。24時間後には懸濁液
中の混合溶媒が蒸散しており、混合溶媒の組成比(溶剤
/非溶剤)が10/7と10/9のもののみが僅かにエ
タノール臭を残しているに過ぎなかった。その後、減圧
乾燥すると、ガスクロマトグラフで溶媒を検知できなく
なった。得られた各セル構造体の性状等を下記の表3に
まとめて示す。
【0060】次に、各セル構造体の断面を走査電子顕微
鏡(SEM)で観察し、気孔の大きさとU−HA粉体の
分布状態を調べた。その結果、各セル構造体の気孔の大
きさは下記の表3に示す通りであり、いずれのセル構造
体も、U−HA粉体が上面側で粗に分布し、下面側に近
づくにつれて密に分布していた。
【0061】また、各セル構造体の曲げ強度と引張強度
を測定したところ、表3に示す結果が得られた。なお、
曲げ強度は3点曲げ試験方法(JIS K 7221)
により、引張強度は万能試験機による試験方法(JIS
K 7113)により測定したものである。
【表3】
【0062】この表3に示す結果から判るように、塩化
メチレンとエタノールの混合溶媒の場合は、溶媒の組成
比(塩化メチレン/エタノール)が10/1〜10/6
で比較的良好なセル構造体が得られる。そして、溶媒組
成比が10/5の場合に発泡倍率が10.0倍という高
い値のセル構造体が得られ、発泡倍率とともにセル構造
体が厚くなっている。これは懸濁液の外気と接触してい
る表面からポリマーが溶剤の気散により直ちに沈殿、固
化し、セル壁を形成して固定化したために厚みが維持さ
れたものと考えられる。この事実は、ある発泡倍率のあ
る厚みのセル構造体を要求するときには、溶媒の組成比
とポリマー溶液の濃度を調節すればよいことを示唆して
いる。
【0063】溶剤の比率が高い場合は、溶剤の気散によ
り体積が減少し、その分だけ厚みが低下したところで沈
殿、固化してセル壁の固定化がなされるために、セル構
造体の厚みと発泡倍率が低下したと考えられる。逆に、
初期の非溶剤の比率が高い場合は、溶剤のわずかな気散
によって直ちに非溶剤の沈殿剤としての効果が発現さ
れ、沈殿が一気に生成する。このとき、ポリマーを溶解
して連続したセル壁を形成するだけの量の溶剤が残って
いないので、孔が生成するときに大きく収縮したり、沈
殿したポリマーの粒子が単に溶着して連結体を形成し、
それが気孔を介在したような一種の焼結体のごときセル
構造体を形成すると考えられる。実際に、溶媒組成比が
10/7では沈殿、固化するときの収縮が厳しく、表面
に多くの皺のある変形したセル構造体が得られ、溶媒組
成比が10/9では脆くて粒子が容易に脱落するセル構
造体が得られた。しかし、セル構造体を形成する比率の
上限は10/10と考えられる。この事実は本発明のセ
ル構造の生成機構を良く裏付けている。
【0064】また、溶媒組成比が10/1、10/3、
10/5となるに従って発泡倍率は大きくなり、それに
ともなって曲げ強度、引張り強度ともに小さくなってい
る。これは、発泡倍率が大きくなると、気孔の数あるい
はその大きさが大きくなるために、セルの壁の厚さが薄
くなって強度が低下したものと考えられる。
【0065】次に、溶媒組成比が10/5の懸濁液から
形成した前記のU−HA粉体含有セル構造体について、
37℃のリン酸緩衝液中における加水分解実験と、擬似
体液中におけるハイドロキシアパタイト形成実験を行っ
た。
【0066】その結果、加水分解実験については、図2
に示すように、比較例1の非セル構造のシートよりも加
水分解が速く、12〜16週間の浸漬により、PLLA
の粘度平均分子量が初期の粘度平均分子量の約1/2〜
1/3まで低下した。これは、上記のセル構造体が高発
泡倍率で、表面の細孔からリン酸緩衝液が容易に浸透し
て接触面積が拡がるために、加水分解が速くなったと考
えられる。
【0067】また、ハイドロキシアパタイト形成実験に
ついては、4週間浸漬後、セル構造体のU−HA粉体含
有量が多い下面側の表層部において、ハイドロキシアパ
タイトの結晶がかなり広い面積の縞状に形成され、含有
量の少ない上面側の表層部でも、結晶が点在して少し形
成されていることが確認できた。このことから、U−H
A粉体は、生体骨と同質のハイドロキシアパタイトの形
成を促進する働きが顕著であり、高発泡倍率のセル構造
体にU−HA粉体が含有されて内部のセル壁に保持され
ていると、表面の細孔から浸透する擬似体液と充分接触
して、内部までハイドロキシアパタイトを速やかに誘導
形成できることが分かる。これに対し、比較例1の非セ
ル構造のシートは、表面に露出するU−HA粉体が僅か
に擬似体液と接触するだけであるから、既述したように
ハイドロキシアパタイトの形成は僅かであり、ポリ乳酸
の加水分解によるシートの崩壊に伴って多量のハイドロ
キシアパタイトが形成されるまでには長期間を要する。
従って、U−HA粉体含有セル構造体を生体内に埋入す
れば、非セル構造のU−HA粉体含有シートよりも遥か
に速やかに骨組織を誘導形成して生体骨と強く結合し、
比較的短期間のうちに全体が骨組織と置換すると推定で
きる。
【0068】[実施例2]溶媒の組成比(CH2Cl2
25OH)を10/5とした懸濁液から形成した実施
例1のU−HA粉体含有セル構造体を、常温、常圧下で
5cmの距離から5分間コロナ放電処理し(京都電機器
(株)製の処理機器を使用)、このコロナ放電処理した
セル構造体について擬似体液中におけるハイドロキシア
パタイト形成実験を行った。
【0069】その結果、1〜2週間浸漬後には、セル構
造体のU−HA粉体含有量が多い下面側の表層部のほぼ
全体を覆うようにハイドロキシアパタイトの結晶が多量
に形成され、含有量の少ない上面側の表層部でも結晶の
形成量が増加していることが確認できた。このことか
ら、コロナ放電処理はハイドロキシアパタイトの形成を
顕著に助長し、骨組織の誘導形成を更に向上させる手段
として有用であることが分かる。
【0070】[実施例3]溶媒の組成比(CH2Cl2
25OH)を10/5に固定すると共に、バイオセラ
ミックス粉体として最大粒径45μm、平均粒径10μ
mのバイオグラス(USバイオマテリアルズ社製、登録
商標)の配合量を40重量%に固定し、実施例1のポリ
−L−乳酸の濃度を1.0、2.0、3.0、4.0、
5.0、7.0g/dlに変えて6種類の懸濁液を調製
した。そして、各懸濁液を実施例1と同様にシャーレに
充填してバイオグラス含有セル構造体を形成した。
【0071】得られたセル構造体の性状と、曲げ強度、
引張強度を下記の表4にまとめて示す。
【表4】
【0072】この表4の結果から、発泡倍率が濃度に逆
比例的に依存することが明らかである。また、ポリマー
濃度が小さくなると、セル構造体の発泡倍率は大きくな
るが、それに伴って曲げ強度、引張強度は小さくなっ
た。これはポリマー濃度の減少に伴ってセル構造体の気
孔の数と大きさが増加するため、セル壁の強度が脆くな
ったからと考えられる。
【0073】[実施例4]溶媒の組成比(CH2Cl2
25OH)を10/5、ポリマー濃度を2g/dl、
バイオセラミックス粉体として900℃で焼成したハイ
ドロキシアパタイト(HA)(最大粒径150μm、平
均粒径30μm)の配合量を1.35g/dlに固定
し、粘度平均分子量が約40万、約30万、約18.5
万のポリ−L−乳酸をそれぞれ用いて、実施例1と同様
の方法でHA粉体含有セル構造体(HA粉体の平均含有
率;40重量%)を形成した。
【0074】得られた各セル構造体の性状と、曲げ強
度、引張り強度を表5に示す。
【表5】
【0075】その結果、ポリ−L−乳酸の粘度平均分子
量が大きくなると、セル構造体の曲げ強度、引張り強度
とも大きくなった。また、粘度平均分子量が約30万の
ものと約18.5万のものを比較すれば、18.5万の
セル構造体の方が発泡倍率が小さいにもかかわらず、曲
げ強度、引張り強度とも小さな値を示した。これは、分
子量の違いがセル構造体の形成の難易とセル質の良否と
に関係し、粘度平均分子量が約30万のセル構造体の方
が、約18.5万のセル構造体よりも、セルの均質さ、
気孔の大きさ、数、セル壁の硬さ等の点で良質のセル構
造となったためと考えられる。
【0076】[比較例2]粘度平均分子量が約9万のポ
リ−L−乳酸を使用し、実施例4と同様にしてHA粉体
含有セル構造体を形成した。このものは、実施例4のセ
ル構造体とは異なり、多孔質粒子が集合してくっついた
ような脆いセル構造体であった。
【0077】このセル構造体の曲げ強度と引張り強度を
測定したが、実測できるような強度は得られなかった。
つまり、実施例4のセル構造体の値と比較すると、極め
て脆弱なものであった。このことから、実用に適した強
度を有するHA粉体含有セル構造体を形成するには、粘
度平均分子量が約10万以上のポリ−L−乳酸を使用す
ることが必要であることが分かる。
【0078】[実施例5]溶媒の組成比(CH2Cl2
25OH)を10/5、粘度平均分子量30万のポリ
−L−乳酸の濃度を4g/dlに固定し、バイオセラミ
ックス粉体としてA−W(アパタイト−ウォラステナイ
ト)ガラスセラミックス粉体(最大粒径50μm、平均
粒径10μm)の配合量を1.7、2.7、4.0g/
dlに変えて懸濁液を調製し、実施例1と同様にして、
A−Wガラスセラミックス粉体の平均含有率が30、4
0、50重量%のセル構造体を形成した。
【0079】得られた各セル構造体の性状と、曲げ強
度、引張強度を下記の表6にまとめて示す。
【表6】
【0080】この表6から判るように、A−Wガラスセ
ラミックス粉体の含有率が大きくなると、セル構造体の
曲げ強度も引張強度も低下した。これは、該粉体の含有
率が増加すると、セル壁が脆くなるためと考えられる。
そこで、使用目的、使用部位に適した含有率のセル構造
体を適宜選択することが望ましいと考えられる。
【0081】また、得られた各セル構造体について、擬
似体液中におけるハイドロキシアパタイト形成実験を行
った。その結果、いずれのセル構造体も、A−Wガラス
セラミックス粉体の含有量が多い下面側の表層部の方
が、含有量の少ない上面側の表層部よりも、ハイドロキ
シアパタイトの結晶の形成量が遥かに多かった。そし
て、A−Wガラスセラミックス粉体の平均含有率が高い
セル構造体ほど、下面側表層部も上面側表層部も、ハイ
ドロキシアパタイトの結晶の形成量が増加していること
が確認できた。
【0082】[比較例3]A−Wガラスセラミックス粉
体の配合量を0.5、8.0g/dlに変えた以外は実
施例5と同様にして、A−Wガラスセラミックス粉体の
平均含有率が11重量%、67重量%のセル構造体を形
成した。そして、各セル構造体について、擬似体液中に
おけるハイドロキシアパタイト形成実験を行った。
【0083】その結果、A−Wガラスセラミックス粉体
の平均含有率が11重量%のセル構造体は、1ケ月浸漬
後、下面側にようやく僅かのハイドロキシアパタイトの
結晶の形成を認められにすぎなかった。これに対し、A
−Wガラスセラミックス粉体の平均含有率が67重量%
のセル構造体は、浸漬して1週間後に、上下両面の表層
部にハイドロキシアパタイトの結晶が多量に形成され
た。しかし、このセル構造体は、表面に粉体が露出して
容易に脱落する上に、強度が小さく、非常に脆いため、
実用には適さないものである。
【0084】[実施例7]グリコール酸(GA)とL−
乳酸(LLA)の共重合体[GA/LLA:80/20
(モル比)、重量平均分子量Mw:53.9万、メディ
ソーブテクニーク社製]を、クロロホルムとイソプロピ
ルアルコールの混合溶媒(10/3の体積比)に4g/
dlの濃度で溶解し、バイオセラミックス粉体として未
焼成ハイドロキシアパタイト(U−HA)粉末(平均粒
径3.0μm)を使用し、その配合量を30重量%にし
て、実施例1と同様の方法でシャーレに充填してU−H
A粉体含有セル構造体を得た。
【0085】得られたセル構造体は、GA/LLAの共
重合体であるため、実施例1のものと比較すると軟らか
いセル構造体であった。このセル構造体は、早期に骨組
織を誘導し、且つ、約3ケ月以内に生体内で分解吸収す
る生体材料として有用である。
【0086】
【発明の効果】以上の説明から理解できるように、本発
明のバイオセラミックス含有セル構造体は、生体組織に
対する良好な生体活性と、生体内での数ケ月にわたる実
用的強度及び保形性を併せ持ち、最終的に全てが骨組織
と置換して消失するため、例えば生体骨損傷部位の再建
用、補綴や足場のための生体材料として極めて適してお
り、特に、1mm以上の厚いセル構造体は、損傷部位の
複雑な三次元空間に形状的にあてはめて、一時的な補綴
材としての機能を発揮させながら立体的な損傷部位の再
建を図ることができ、また、発泡倍率の高いセル構造体
は、分解・吸収の過程で一時的に急激に多くの分解細片
を生成することがないため、分解細片の異物反応による
一過性の炎症を引き起こす心配も解消することができ
る。更に、コロナ放電処理などの表面の酸化処理を行っ
たものは、表面の濡れが良いので組織の親和性が増して
誘導形成能が一層向上し、極めて生体活性である。しか
も、本発明のバイオセラミックス含有セル構造体は、有
害なベンゼン等の溶剤が全く含有、残存しないため安全
性に優れており、また、インプラントと生体骨との間に
介在させればインプラントの固定強度を向上させること
も可能である。
【0087】そして、本発明の製造方法は、特別な装置
を使用することなく均質なセル構造体を簡単に製造する
ことができ、発泡倍率の調整や厚みの調整も容易に行え
るといった効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のバイオセラミックス含有セル構造体の
一使用例を示す断面図である。
【図2】本発明の一実施例のバイオセラミックス含有セ
ル構造体の加水分解期間と粘度平均分子量との関係を示
すグラフである。
【図3】比較例のバイオセラミックス含有シートの加水
分解期間と粘度平均分子量との関係を示すグラフであ
る。
【符号の説明】
1 人工関節の一方の半球殻体 2 生体骨 3 本発明のバイオセラミックス含有セル構造体

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】生体内分解吸収性ポリマーから形成された
    連続気孔を有するセル構造体であって、その内部に生体
    活性なバイオセラミックスの粉体が含有されていること
    を特徴とするバイオセラミックス含有セル構造体。
  2. 【請求項2】バイオセラミックスの粉体の含有量が、セ
    ル構造体の片面側から反対面側に近づくにつれて漸増し
    ていることを特徴とする請求項1に記載のバイオセラミ
    ックス含有セル構造体。
  3. 【請求項3】バイオセラミックスの粉体の平均含有率が
    5〜60重量%であることを特徴とする請求項1又は請
    求項2に記載のバイオセラミックス含有セル構造体。
  4. 【請求項4】厚さが1mm以上であることを特徴とする
    請求項1ないし請求項3のいずれかに記載のバイオセラ
    ミックス含有セル構造体。
  5. 【請求項5】発泡倍率が2〜30倍であることを特徴と
    する請求項1ないし請求項4のいずれかに記載のバイオ
    セラミックス含有セル構造体。
  6. 【請求項6】表面に酸化処理が施されていることを特徴
    とする請求項1ないし請求項5のいずれかに記載のバイ
    オセラミックス含有セル構造体。
  7. 【請求項7】生体内分解吸収性ポリマーが、10万〜7
    0万の粘度平均分子量を有するポリ乳酸、乳酸−グリコ
    ール酸共重合体、乳酸−カプロラクトン共重合体のいず
    れか一種のポリマー又は二種以上の混合ポリマーである
    ことを特徴とする請求項1ないし請求項6のいずれかに
    記載のバイオセラミックス含有セル構造体。
  8. 【請求項8】バイオセラミックスの粉体が、表面生体活
    性な焼結ハイドロキシアパタイト、バイオガラス系もし
    くは結晶化ガラス系の生体用ガラス、生体内吸収性の湿
    式ハイドロキシアパタイト、ジカルシウムホスフェー
    ト、トリカルシウムホスフェート、テトラカルシウムホ
    スフェート、オクタカルシウムホスフェート、カルサイ
    ト、ジオプサイトのいずれか一種の粉体又は二種以上の
    混合粉体であることを特徴とする請求項1ないし請求項
    7のいずれかに記載のバイオセラミックス含有セル構造
    体。
  9. 【請求項9】生体内分解吸収性ポリマーをその溶剤とそ
    の溶剤より高沸点の非溶剤との混合溶媒に溶解させると
    共に、バイオセラミックスの粉体を分散させた懸濁液を
    調製し、この懸濁液から混合溶媒を溶剤の沸点より低温
    で揮散させることにより、バイオセラミックスの粉体を
    内包した生体内分解吸収性ポリマーを沈殿させることを
    特徴とするバイオセラミックス含有セル構造体の製造方
    法。
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