WO2019163122A1

WO2019163122A1 - 骨補填材およびその製造方法

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Publication number: WO2019163122A1
Application number: PCT/JP2018/006922
Authority: WO
Inventors: 綾子菊地; 真生林
Original assignee: オリンパス株式会社
Priority date: 2018-02-26
Filing date: 2018-02-26
Publication date: 2019-08-29

Abstract

バイオセラミックを主材料とする骨補填材は、断面像においてバイオセラミックが焼結した焼結部を複数有し、断面像において焼結部間に存在する空間が、細胞が通過可能な寸法を有する。

Description

骨補填材およびその製造方法

　本発明は、骨補填材およびその製造方法に関する。

　従来、バイオセラミックを材料とした骨補填材を骨欠損部位等に配置して、配置した部位の修復を促進することが知られている。

　特許文献１には、細孔構造を有する骨補填材およびその製造方法が記載されている。骨補填材が細孔構造を有すると、骨欠損部へ充填した骨補填材の内部に血液等の体液や細胞等の生体組織が進入しやすくなり、骨再生が促進されると言われている。

日本国特開２００８－５４９０８号公報

　特許文献１に記載の骨補填材は、バイオセラミック粒子が混合され生分解性高分子が溶解された有機溶媒を、凍結させた後に乾燥して有機溶媒を取り除くことにより製造される。したがって、製造工程が煩雑であり、骨補填材の強度確保が容易でない。
　発明者らは、簡便に製造でき、体液や生体組織がより進入しやすい構造を有する骨補填材を完成させた。

　上記事情を踏まえ、本発明は、内部に血液等の体液や細胞等の生体組織が進入しやすく、簡便に製造できる骨補填材およびその製造方法を提供することを目的とする。

　本発明の第一の態様は、バイオセラミックを主材料とする骨補填材である。この骨補填材は、断面像においてバイオセラミックが焼結した焼結部を複数有し、かつ焼結部間に存在する空間が、細胞が通過可能な寸法を有する。

　本発明の第二の態様は、バイオセラミックの単体または複合体からなる粒子を所定の外形に成形し、成形した粒子を、バイオセラミックの融点の４０％以上９５％以下の温度で焼成し、粒子の少なくとも一部を焼結させる、骨補填材の製造方法である。

　本発明によれば、内部に血液等の体液や細胞等の生体組織が進入しやすい骨補填材を簡便に製造できる。

本発明の一実施形態に係る骨補填材の模式図である。同骨補填材の部分拡大断面図である。焼結の進行度と、空間サイズおよび剛性との関係を示すグラフである。バイオセラミック粒子と空間との関係を説明するための図である。ラットの脛骨に留置した従来の骨補填材の写真である。ラットの脛骨に留置した本発明の一実施形態に係る骨補填材の写真である。ラットの脛骨に留置した他の骨補填材の写真である。ラットの脛骨に留置した本発明の一実施形態に係る骨補填材の写真である。ラットの脛骨に留置した本発明の一実施形態に係る骨補填材の写真である。

　本発明の一実施形態について、図１から図９を参照して説明する。
　図１は、本実施形態の骨補填材１を模式的に示す斜視図である。骨補填材１は、骨に生じた欠損部の修復を促進する目的で、欠損部に配置される。欠損部は、骨腫瘍や骨髄炎等により病巣を取り除いた後や、Ｏ脚の患者にオープニング－ウェッジ骨切り術を行った後等に生じる。骨補填材１は、上述したいずれの欠損部にも適用できる。

　骨補填材１は、外面を有するブロック形状の外形を有し、バイオセラミックを主材料として形成される。主材料とは、骨補填材１の構成材料のうち、最も質量％が大きい材料を意味する。
　バイオセラミックとしては、バイオガラス、水酸アパタイト、炭酸アパタイト、フッ素アパタイト、リン酸水素カルシウム、リン酸三カルシウム、リン酸四カルシウム、リン酸八カルシウムなどを例示できる。バイオセラミックは、単体で使用されてもよいし、複数種類のバイオセラミックの複合体として使用されてもよい。
　骨補填材１の外形および外面の具体的形状は、欠損部の形状等を考慮して適宜決定することができる。

　図２は、骨補填材１の部分拡大断面図である。骨補填材１の内部には、バイオセラミックが焼結した焼結部１０が複数存在する。焼結部１０間には、空間１５が存在する。空間１５は、骨細胞を含む細胞が通り抜けることができる寸法を有する。

　焼結部間の空間を細胞が通り抜けることができるか否かは、骨補填材の断面像を用いて判定できる。一般的な細胞の細胞核の直径は６μｍ程度であるため、断面像中に存在する空間において、内接円の直径が６μｍ以上であれば、細胞は変形しつつ当該空間を通り抜けることができる。あるいは、内接円の直径が６μｍ未満の場合でも、空間の断面積が、概ね直径６μｍの円に相当する２８μｍ^２以上あれば、細胞は変形しつつ当該空間を通り抜けることができる。
　したがって、ある骨補填材において、最も外面から遠い最深部位を含む断面像を取得し、最深部位またはその周辺に上記条件を満たす空間が存在していれば、その骨補填材の内部全体に、細胞が通り抜けることができるサイズの空間が形成されているということができる。
　骨補填材１においては、細胞が通り抜けることができれば、空間１５内や焼結部１０の周囲等に未焼結のバイオセラミックが存在してもよい。

　従来、骨補填材に細孔構造を形成する手法として、焼成時に気孔を生じさせる方法が知られている。気孔は、焼成時の熱によって材料に含まれる液性成分が気化したり、焼成前に材料を泡立てたりすることにより生じる。
　上記方法において、形成される各々の気孔は基本的に独立しており、連通していない。隣接する気孔の壁が薄い等の理由で崩れると、隣接した気孔が連通することはありうる。しかし、この現象により骨補填材の外面から深部まで連通する空間（連通空間）が形成されるか否かは予測が難しく、製造過程の詳細を変更することにより連通空間を確実に形成することも困難である。
　また、気孔の壁が崩れて気孔同士が連通した場合でも、崩れてできた穴の寸法が小さいと、細胞は通り抜けられない。
　これらの理由により、上記した従来の方法で骨補填材中に細胞が通り抜けられる連通空間が形成されるか否かについては、偶然による要素が大きく、きわめて不確実であった。

　発明者は、上述した上記方法の問題点を踏まえ、気孔によらず骨補填材の内部に空間を形成することにより、本実施形態の骨補填材およびその製造方法を確立した。

　本実施形態の骨補填材１の製造方法について説明する。
　まず、バイオセラミック粒子を型に入れて押し固める等して、所望の外形に成形する（成型工程）。
　バイオセラミックの粒子径は、５～１５μｍ程度が好ましい。本発明において、バイオセラミックの粒子径は、一つの粒子における最も長い寸法と定義し、商業的に入手可能なものである場合は、製造者または販売者の表示に従う。
　バイオセラミック粒子を構成するバイオセラミックは、単体であっても複合体であってもよい。複数種類のバイオセラミック粒子が用いられてもよい。

　骨補填材１の充填率は適宜設定できる。充填率を６５％以上にすると、高位脛骨骨切り術（ＨＴＯ）後の荷重に好適に耐えられる骨補填材１を製造できる。したがって、型等に入れるバイオセラミックの量は、所望の充填率を考慮して決定すればよい。

　次に、成形したバイオセラミックを、融点の４０％以上９５％以下の温度で焼成する。複数のバイオセラミックが含まれる場合は、すべてのバイオセラミックにおいて融点の４０％以上９５％以下となる温度で焼成する（焼成工程）。
　焼成により、隣接するバイオセラミック粒子の一部が焼結して一体となり、焼結部１０が形成される。

　図３は、焼結の進行度と、焼結部間の空間のサイズおよび骨補填材の剛性との関係を模式的に示すグラフである。
　空間サイズを示す線Ｌ１を見ると、焼成当初は焼結部が存在しないものの、一定のサイズの空間が存在している。しかし、焼結部が存在しないため、バイオセラミック粒子間の結合は弱く、骨補填材としての強度は十分ではない。

　焼成を継続すると、バイオセラミック粒子の焼結が進行し、焼結部が形成され始める。その結果、線Ｌ２で示されるように、骨補填材の剛性は徐々に高まる。焼結の初期段階では、隣接するバイオセラミック粒子が部分的に溶けて結合し、一つの粒子となる。この段階では、バイオセラミック粒子の溶融が部分的であるため、空間のサイズは大きく変化しない。

　さらに焼結が進むと、結合したバイオセラミック粒子どうしがさらに結合し、焼結部が巨大化する。この段階では、溶融するバイオセラミック粒子の割合も大きくなり、溶融したバイオセラミックが焼結部間の空間を埋めるように流動する現象が発生する。したがって、焼結が進みすぎると、骨補填材の剛性がさらに高まる反面、線Ｌ１に示されるように、焼結部間の空間が徐々に狭くなり、細胞が通り抜けにくくなる。

　以上のように、焼結部が生じることにより、骨補填材の剛性は高まる一方、焼結部間の空間は狭くなる。したがって、焼成工程において、焼結の進行度を適切にすることにより、剛性と細胞が通り抜けられる空間とが両立された本実施形態の骨補填材１を製造することができる。

　焼結の進行は、焼成温度および焼成時間により変化する。焼成温度が高すぎると、焼結が急速に進行する結果、焼結の程度を制御することが困難になる。したがって、本実施形態では、焼成温度をバイオセラミックの融点の４０％以上９５％以下とし、剛性と細胞が通り抜けられる空間の確保との両立を実現している。

　成形時にバイオセラミック粒子間に形成される空間の大きさは、バイオセラミック粒子の大きさによりある程度規定される。バイオセラミック粒子がすべて同一サイズの完全な球体である場合を仮定すると、図４のように接触した４つのバイオセラミック粒子５０間に、内接円Ｃ１の径が６μｍ以上である空間を形成するためには、バイオセラミック粒子５０の直径が１５μｍ以上あればよい。通常、バイオセラミック粒子の形状は不定であるが、理論上、内接円の径が６μｍ以上の空間を形成するための条件は、バイオセラミック粒子が球体である場合に最も厳しくなる。したがって、バイオセラミック粒子の粒子径が１５μｍ以上あれば、バイオセラミック粒子の形状にかかわらず、内接円の径が６μｍ以上であって、外形の表面まで連通した空間を確保することができる。あるいは、焼結部１０の最大寸法が１５μｍ以上となるような粒子径のバイオセラミック粒子を用いることでも、同様の効果を得ることができる。

　上記条件を満たすバイオセラミック粒子または焼結部は、骨補填材１の断面像からも識別することができる。直径１５μｍの球における断面積は、球の中心を通る場合に最大となり、その値は７．５×７．５×π≒１７６μｍ^２となる。すなわち、製造後の骨補填材の断面像において、最大寸法が１５μｍ以上、または断面積が１７７μｍ^２以上の焼結部１０が認められれば、細胞が通り抜けられる空間が骨補填材１の外部まで連通している蓋然性が高いと言える。
　最大寸法が１００μｍ以上の焼結部は、面積が大きいため、細胞が貼りつくのに十分な表面積を有する。骨補填材１がこのようなサイズの焼結部１０を含有すると、骨補填材１の内部に進入した細胞が空間１５の内面を形成する焼結部１０の表面を足場として好適に留まることができ、骨形成が促進される。

　本実施形態に係る骨補填材の製造方法においては、焼成過程において従来の方法で生じる気孔が生じても構わない。骨補填材の一部に気孔が生じても、焼結部間の空間サイズや連通状態には大きく影響しない。
　焼結部１０間に存在する空間が気孔であるか空間１５であるかは、骨補填材１の断面像から容易に判断することができる。気孔は、その生成メカニズムに起因して概ね球形となる。本実施形態における空間は、概ね不定型であり、球形となることはほとんどない。

　本実施形態に係る骨補填材の製造方法において、焼成工程後に、研磨や切削等により、外形が整えられてもよい。
　焼成工程後に、洗浄や滅菌が行われてもよい。
　さらに、焼成工程後のバイオセラミックが他のバイオセラミックの溶液に浸漬されてもよい。このようにすると、他のバイオセラミックからなる層を骨補填材１の外面に設けることができる。

　以上説明したように、本実施形態の骨補填材の製造方法では、バイオセラミック粒子間に空間を有する状態を保持してバイオセラミック粒子を成形し、その後、所定の条件で焼成を行って焼結部を形成する。
　この製造方法によって製造された骨補填材１においては、内部から外部まで、細胞が通れる寸法を保持しつつ連通した空間が確保されている。さらに、骨補填材１は、凍結乾燥を経て形成された特許文献１に記載の骨補填材に比べて、著しく高い剛性を有する。
　したがって、留置後に大きな荷重がかかる用途であっても、その荷重によく耐えつつ、内部には各種細胞が好適に進入および定着して、留置部位の骨再生を著しく促進することができる。

　また、本実施形態の製造方法によれば、バイオセラミック粒子のサイズおよび焼成条件を調節するだけで、本実施形態の骨補填材を簡便かつ効率よく製造することができる。さらに、気孔を生じさせる従来の製造方法と異なり、スラリーを泡立てたり、発泡剤を混合したりする工程が必要ない。

　本実施形態の骨補填材の効果について、図５から図９を参照しながらさらに説明する。
　図５は、気孔を形成する従来の手法を用いて製造した骨補填材１００をラットの脛骨に移植し、２週間後に骨補填材１００およびその周辺組織をＨＥ染色した写真である。図において、骨補填材１００の内部に多数の気孔１０１が確認できる。しかし、内部に細胞が存在しているのは、骨補填材１００の外面に近い一部の気孔１０１ａに限られ、深部に存在する気孔１０１には細胞が存在しない。これは、深部に存在する気孔１０１が骨補填材１００の外部と連通しない独立した空間であることが原因と考えられる。
　また、骨補填材１００では、気孔１０１の周囲の材料が溶融して一体となっており、骨補填材１００の全体にわたり、単一の焼結部が形成されている。すなわち、複数の焼結部が存在しない。

　図６は、本実施形態の一態様に係る骨補填材１Ａをラットの脛骨に移植し、２週間後に骨補填材１Ａおよびその周辺組織をＨＥ染色した写真である。図５と図６の倍率は同一である。
　骨補填材１Ａは、バイオセラミックとして、平均粒子径１０μｍ（販売者規格）のバイオガラスを用い、８５０℃（融点の７５％）で６０分焼成して製造した。

　図６からわかるように、骨補填材１Ａに形成された空間の断面形状は不定形であり、図５に示す従来の骨補填材１００の気孔１０１とは明らかに異なっている。図６では、ＨＥ染色により、深部に存在する空間内にも細胞が存在することが確認できる。この事実は、骨補填材１Ａにおいて深部に存在する空間も外面まで連通していることの証拠である。
　このように、本実施形態に係る骨補填材における空間は、従来の骨補填材が有する気孔とは、外見的にも機能的にも全く異なるものである。

　図７は、図６に示す骨補填材１Ａと同一のバイオガラスを用いて、１０５０℃（融点の９０％）で６０分焼成して製造した骨補填材１１０の写真である。骨補填材１１０は、本実施形態に係る骨補填材ではない。
　図７から、骨補填材１１０の内部に細胞が全く進入していないことがわかる。これは、焼結が進みすぎたために、焼成前に存在していた空間が、溶融したバイオガラスで埋められて細胞が通り抜けられない程度に狭くなったこと、あるいは、空間が外面まで連通しなくなったことなどが原因と考えられる。

　図８は、バイオセラミックとしてリン酸三カルシウムを用いて、１０５０℃（融点の６８％）で６０分焼成して製造した骨補填材１Ｂの写真である。骨補填材１Ｂは、本実施形態に係る骨補填材である。図８においては、図６と同様に、深部に存在する空間内に細胞が存在することが確認できる。
　図７および図８より、本実施形態に係る骨補填材の製造方法においては、焼成温度の値そのものではなく、材料となるバイオセラミックの融点と焼成温度との関係が重要であることがわかる。

　図９は、図８に示した骨補填材１Ｂを、焼成後にリン酸水素カルシウム二水和物（ＤＣＰＤ）溶液に浸漬し、外面にリン酸三カルシウムと異なるバイオセラミックの層を形成した骨補填材１Ｃの写真である。骨補填材１Ｃは、本実施形態に係る骨補填材である。
　図９においても、図８と同様に、深部に存在する空間内に細胞が存在することが確認できる。さらに、図８と比較して、ＤＣＰＤ層２０とリン酸三カルシウムとの境界部に細胞がより多く存在していることがわかる。この現象は、ＤＣＰＤが有する骨形成の活性化作用と関係していると考えられる。骨補填材１Ｃは、骨補填材１Ｂに比べて、より高い骨形成促進効果を発揮することが期待できる。

　以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において実施形態を超えて構成要素の組み合わせを変えたり、各構成要素に種々の変更を加えたり、削除したりすることが可能である。

　例えば、本発明の骨補填材の外面上に、異なるバイオセラミック材料からなる第二層を加圧成形等により形成して再度焼成することにより、２種類のバイオセラミックを含有する骨補填材としてもよい。
　第二層が骨補填材の外面全体を覆っている場合は、空間を外面まで連通させるため、二度目の焼成は第二層を形成するバイオセラミックの融点の４０％以上９５％以下の温度で行えばよい。

　本発明は、骨補填材およびその製造方法に適用することができる。

　１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ　骨補填材
　１０　焼結部
　１５　空間
　Ｃ１　内接円

Claims

　バイオセラミックを主材料とする骨補填材であって、
　断面像において前記バイオセラミックが焼結した焼結部を複数有し、
　前記断面像において前記焼結部間に存在する空間が、細胞が通過可能な寸法を有する、
　骨補填材。
　前記焼結部間に存在する空間は、前記寸法を保持しつつ前記骨補填材の外面まで連通している、
　請求項１に記載の骨補填材。
　前記断面像において、前記空間における内接円の直径が６μｍ以上である、
　請求項１に記載の骨補填材。
　前記断面像において、前記焼結部の最大寸法の平均値が１５μｍ以上である、請求項1に記載の骨補填材。
　前記断面像において、前記焼結部の断面積の平均値が１７７μｍ^２以上である、請求項1に記載の骨補填材。
　前記断面像は、前記骨補填材のうち前記外面から最も遠い部位を含む断面像である、請求項１に記載の骨補填材。
　前記バイオセラミックは、バイオガラス、水酸アパタイト、炭酸アパタイト、フッ素アパタイト、リン酸水素カルシウム、リン酸三カルシウム、リン酸四カルシウム、リン酸八カルシウムのうち少なくとも一つを含む、請求項１に記載の骨補填材。
　充填率が６５％以上である、請求項１に記載の骨補填材。
　バイオセラミックの単体または複合体からなる粒子を所定の外形に成形し、
　成形した前記粒子を、前記バイオセラミックの融点の４０％以上９５％以下の温度で焼成し、前記粒子の少なくとも一部を焼結させる、
　骨補填材の製造方法。