JP2000271205A

JP2000271205A - 生体活性セメント組成物

Info

Publication number: JP2000271205A
Application number: JP11085085A
Authority: JP
Inventors: Yoshiaki Kitamura; 嘉朗北村; Kiyoyuki Okunaga; 清行奥長; Satoshi Yoshihara; 聡吉原; Ken Choju; 研長寿
Original assignee: Nippon Electric Glass Co Ltd
Current assignee: Nippon Electric Glass Co Ltd
Priority date: 1999-03-29
Filing date: 1999-03-29
Publication date: 2000-10-03

Abstract

(57)【要約】【課題】生体活性が高く、しかも操作性のよい生体活
性セメント組成物を提供する。【解決手段】Ｃａを含有するガラス粉末又は結晶化ガ
ラス粉末、メタクリレート系ポリマー粉末、メタクリレ
ート系モノマー、重合開始剤及び重合促進剤からなり、
メタクリレート系モノマーが、疎水性モノマーと親水性
モノマーからなることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、整形外科分野や口腔外
科分野等で用いられるインプラント材料の接着固定や骨
欠損部の充填、脳神経外科分野における頭蓋欠損部の再
建等に使用される生体活性セメント組成物に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】従来、整形外科分野や口腔外科分野等で
用いられるインプラント材料の接着固定や骨欠損部の充
填、脳神経外科分野における頭蓋欠損部の再建等に使用
されるセメント材料として、メタクリレート系ポリマー
粉末（ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）等）とメ
タクリレート系モノマー（メチルメタクリレート（ＭＭ
Ａ）等）からなるＰＭＭＡセメントが広く知られてい
る。ところがこのセメントは骨と直接化学結合すること
がない（即ち、生体活性がない）ため、長期間にわたる
体内埋入において緩みが生じるという欠点を有してい
る。

【０００３】一方、生体活性を示す材料として、Ｃａを
含有するガラスや結晶化ガラスが知られている。この材
料は、生体内に埋入するとＣａイオンを溶出し、体液と
反応して材料表面にアパタイト層を形成する結果、自然
骨と化学的に結合するという特徴を有しており、インプ
ラント材料として使用されている。

【０００４】そこで、ＰＭＭＡセメントにＣａを含有す
るガラス粉末や結晶化ガラス粉末を添加した生体活性セ
メントが検討されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記セメ
ントは、ガラス粉末が硬化体表面に露出し難いために高
い生体活性を示すことが困難であり、また表面に露出し
易いようにガラス粉末を多量に添加するとセメントの操
作性が悪くなったり、経時的な強度劣化が大きくなると
いう問題が生じてしまう。

【０００６】本発明の目的は、生体活性が高く、しかも
操作性のよい生体活性セメント組成物を提供することで
ある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者等は種々の実験
を行った結果、ＭＭＡ等の疎水性モノマーに加え、親水
性モノマーを使用することによって上記目的が達成でき
ることを見いだし、本発明として提案するものである。

【０００８】即ち、本発明の生体活性セメント組成物
は、Ｃａを含有するガラス粉末又は結晶化ガラス粉末、
メタクリレート系ポリマー粉末、メタクリレート系モノ
マー、重合開始剤及び重合促進剤からなり、メタクリレ
ート系モノマーが、疎水性モノマーと親水性モノマーか
らなることを特徴とする。

【０００９】以下、本発明を詳述する。

【００１０】本発明において使用するＣａを含有するガ
ラス粉末又は結晶化ガラス粉末（以下、両粉末をまとめ
て「Ｃａ含有ガラス粉末」と称す）は、体液と接触する
とＣａ²⁺イオンを溶出する性質を有するものであり、こ
れによってセメント硬化体が自然骨と結合できる。Ｃａ
含有ガラス粉末としては、ＣａＯ−ＳｉＯ₂−Ｐ₂ Ｏ₅−
ＭｇＯ−ＣａＦ₂系等のガラス又は結晶化ガラスが使用
できる。特に重量％でＣａＯ３０〜７０％、ＳｉＯ₂
３０〜７０％、Ｐ₂ Ｏ₅ ０〜４０％、ＭｇＯ０〜２０
％、ＣａＦ₂ ０〜５％、好ましくはＣａＯ４０〜５０
％、ＳｉＯ₂ ３０〜４０％、Ｐ₂ Ｏ₅ １０〜２０％、Ｍ
ｇＯ０．５〜１０％、ＣａＦ₂ ０〜２％の組成を有す
るＣａＯ−ＳｉＯ₂−Ｐ₂ Ｏ₅−ＭｇＯ−ＣａＦ₂系ガラ
ス又は結晶化ガラスを使用することが望ましい。なお結
晶化ガラスよりもガラスの方が生体活性が高いため、よ
り高い生体活性を得たい場合には、ガラスを選択すれば
よい。

【００１１】なおＣａ含有ガラス粉末の含有量は１０〜
８０重量％であることが好ましい。Ｃａ含有ガラス粉末
の含有量が１０重量％より少ないと十分な生体活性を得
ることが難しくなり、８０重量％を超えるとセメントの
操作性が悪くなったり、経時的な強度劣化が大きくなっ
てしまう。またシランカップリング処理しておくと、液
体成分であるメタクリレート系モノマーとの馴染みがよ
くなってセメント硬化体の強度が大きくなる。なおシラ
ンカップリング処理を施すに当たっては、弱酸〜中性領
域（ｐＨ５〜８程度）で行うことが好ましい。これはｐ
Ｈが５より低いとガラス表面が浸食されて生体活性が低
くなり、ｐＨが８より高いとシランカップリング処理が
困難になるためである。

【００１２】メタクリレート系ポリマー粉末はメタクリ
レート系モノマーの重合に必要な成分であり、モノマー
により膨潤、溶解を起こし、硬化体を形成するのに有効
に働く。ポリマー粉末としては、例えばポリメチルメタ
クリレート（ＰＭＭＡ）が好ましいが、これ以外にもポ
リエチルメタクリレート（ＰＥＭＡ）、メチルメタクリ
レートとスチレンやエチルメタクリレートの共重合体等
のアルキルメタクリレートポリマーを単独で、或いは２
種以上を組み合わせて使用することができる。またポリ
マー粉末は、５〜１３０万の重量平均分子量を有するも
のを使用することが好ましい。分子量が５万より小さい
と溶解量が多くなって硬化体表面を覆い、Ｃａ含有ガラ
ス粉末が露出しにくくなって生体活性が低下し、１３０
万を超えると作業時間が極端に短くなって操作性が悪く
なるため好ましくない。メタクリレート系ポリマー粉末
の重量平均分子量の好ましい範囲は２０万〜１３０万で
ある。

【００１３】なおメタクリレート系ポリマー粉末の含有
量は５〜８０重量％であることが好ましく、これより多
くなると相対的にＣａ含有ガラス粉末が少なくなるため
に生体活性が低下し、逆に少なすぎると操作性が悪くな
るとともに、メタクリレート系モノマーが重合し難くな
って機械的強度が低下する。

【００１４】メタクリレート系モノマーはセメント硬化
成分であり、重合反応後はセメント硬化体のマトリック
スを形成する。本発明においては、疎水性モノマーと親
水性モノマーを使用する。メタクリレート系モノマーの
含有量は１０〜６０重量％の範囲が好ましい。なおモノ
マーが１０重量％より少ないと硬化しにくくなり、６０
重量％より多いと相対的に使用できるポリマー粉末が少
なくなって機械的強度が低下する。

【００１５】疎水性モノマーとしては、現在整形外科領
域で使用されているメチルメタクリレート（ＭＭＡ）が
最も好ましいが、これ以外にもエチルメタクリレート
（ＥＭＡ）等のアルキルメタクリレートモノマーが使用
可能である。これらのモノマーは、２次元重合するモノ
マーであり、また重合反応が緩やかに進むために、操作
性に優れている。

【００１６】親水性モノマーは、骨との親和性を改善す
るとともに、硬化体中に体液を導入する働きがある。さ
らに親水性モノマーを使用することで相対的に疎水性モ
ノマーの含有量が少なくなるため、ポリマー粉末の溶解
が抑制されてＣａ含有ガラス粉末が表面に露出しやすく
なる。このため生体活性を大幅に改善することができ
る。親水性モノマーとしては、分子構造中にヒドロキシ
ル基、カルボキシル基、ジカルボン酸無水物、ホスホン
酸基等を含むものであればよい。特に４−（２−メタク
リロイルオキシエチル）トリメリット酸（４−ＭＥＴ）
やその無水物（４−ＭＥＴＡ）、２−ヒドロキシエチル
メタクリレート（ＨＥＭＡ）、５−メタクリロキシペン
チルアシドホスフェート（ＰＣＭ）等の炭素原子数２〜
１０のアルキル基を有するリン酸アルキルメタクリレー
ト等は骨との親和性が高く、またセメント硬化体の生体
活性を高める効果が大きいため好ましいものである。

【００１７】なお疎水性モノマーと親水性モノマーの混
合割合（重量比）は、４−ＭＥＴ又は４−ＭＥＴＡを使
用する場合は９９：１〜８５：１５、ＨＥＭＡやリン酸
アルキルメタクリレートを使用する場合は９９：１〜５
０：５０であることが好ましい。親水性モノマーが上記
範囲より少ないと生体活性を高める効果が殆どなく、逆
に親水性モノマーが多すぎると経時的な強度劣化が大き
くなる。

【００１８】重合開始剤は、粉末成分（Ｃａ含有ガラス
粉末、メタクリレート系ポリマー粉末）に添加して使用
する。添加量は粉末成分１００重量部に対して０．１〜
８重量部が好ましく、０．１重量部より少ないと効果が
殆どなく、８重量部より多いと硬化時間が速くなり過ぎ
て操作性が悪くなりやすい。なお重合開始剤としては、
過酸化ベンゾイル、トリ−ｎ−ブチルボラン等を使用す
ることができる。

【００１９】重合促進剤は液体成分（メタクリレート系
モノマー）に添加して使用する。添加量はモノマー１０
０重量部に対して０．１〜８重量部が好ましい。重合促
進剤が０．１重量部より少ないとモノマーを重合させる
際に１００℃以上に加熱しなければならないので、実際
の手術場では使用できない。また８重量部より多いと硬
化時間が速くなり過ぎて操作性が悪くなりやすい。なお
重合促進剤としては、ジメチル−Ｐ−トルイジン等の第
３級アミンを使用することができる。

【００２０】また本発明の生体活性セメント組成物は、
上記成分以外にも、薬剤、骨形成因子、重合抑制剤、重
合禁止剤、酸化防止剤等種々の成分を必要に応じて添加
することができる。

【００２１】本発明の生体活性セメント組成物の提供形
態は、粉末−液体系であり、ユーザーは粉末と液体を混
合して使用すればよい。

【００２２】

【作用】粉末−液体系で提供される本発明の生体活性セ
メント組成物は、粉末と液体を混合すると重合反応がお
こり、３〜１５分程度の時間で硬化が完了する。硬化ま
での時間内は、セメントを所望の形状に自由に成形でき
る。

【００２３】また生体内で硬化したセメントは、Ｃａ含
有ガラス粉末が表面に露出しやすく、また内部に埋没し
たＣａ含有ガラス粉末も体液と接触することができるた
め、高い生体活性を示す。

【００２４】

【実施例】以下、本発明を実施例及び比較例に基づいて
説明する。

【００２５】表１及び表２は本発明の実施例（試料Ｎ
ｏ．１〜８）、及び比較例（試料Ｎｏ．９、１０）を示
すものである。

【００２６】

【表１】（重量％）

【００２７】

【表２】（重量％）

【００２８】［試料の調製］各試料は次のようにして調
製した。

【００２９】まずＣａを含むガラス粉末、Ｃａを含む結
晶化ガラス粉末、及びメタクリレート系ポリマー粉末を
用意した。

【００３０】Ｃａを含むガラス粉末としては、重量％で
ＣａＯ４５％、ＳｉＯ₂ ３４％、Ｐ₂ Ｏ₅ １６％、
ＭｇＯ４．５％、ＣａＦ₂ ０．５％の組成を有する
平均粒径４μｍの破砕物を使用し、またＣａを含む結晶
化ガラス粉末には、上記ガラス粉末を１０５０℃で５時
間熱処理して結晶化させたものを使用した。なおこれら
の粉末は、ｐＨ６に調製したシランカップリング剤を用
いて表面処理を施した。

【００３１】メタクリレート系ポリマー粉末としては、
重量平均分子量３０万のＰＭＭＡ粉末を使用した。

【００３２】次にＣａを含むガラス粉末、Ｃａを含む結
晶化ガラス粉末、及びメタクリレート系ポリマー粉末を
表に示す割合で秤量し、さらに重合開始剤として過酸化
ベンゾイルを添加して混合した。

【００３３】また、メタクリレート系モノマーは、疎水
性モノマーとしてＭＭＡを、親水性モノマーとして４−
ＭＥＴ、４−ＭＥＴＡ、ＨＥＭＡ、及びＰＣＭをそれぞ
れ用意し、さらに重合促進剤としてジメチル−ｐ−トル
イジンを添加して混練した。

【００３４】このようにして粉末−液体系の試料を得
た。

【００３５】なお過酸化ベンゾイル、ジメチル−ｐ−ト
ルイジンの添加量は、約７分で硬化するように、それぞ
れモノマーの総量１００重量部に対して３重量部及び１
重量部とした。

【００３６】［評価］各試料について、生体活性、操作
性、及び曲げ強度について評価した。結果を各表に示
す。

【００３７】なお生体活性は、ラットの脛骨髄腔内に試
料を埋入した後、４週間後に埋入部位を取り出し、試料
と自然骨が直接結合している部分を評価し、結合部分が
試料全周の３０％以上であるものを「○」、試料全周の
３０％未満であるものを「△」、結合が認められなかっ
たものを「×」で表した。評価は、埋入した試料片の表
面を電子顕微鏡で観察し、ＥＰＭＡの線分析にて行っ
た。操作性は、混合開始から３分後の試料を手で持ち、
試料の練和のし易さ、及び伸び易さを評価し、伸びが良
く作業しやすいものを「○」、伸びが悪くバサつき感の
あるものを「×」で示した。曲げ強度は、３点曲げ試験
にて評価したものであり、各試料を混練して硬化させ、
３×４×２０ｍｍの試料片を作製した後、初期強度及び
生理食塩水に１ヵ月浸漬後の強度を測定した。

【００３８】表から明らかなように、本発明の実施例で
あるＮｏ．１〜８の試料は、生体活性が高く、また操作
性が良好であった。しかも曲げ強度は、初期が９５ＭＰ
ａ以上、食塩水浸漬後が８０ＭＰａ以上であり、実用上
十分な強度を有していた。

【００３９】一方、比較例である試料Ｎｏ．９及び１０
は、操作性及び曲げ強度が実施例と同等であったもの
の、親水性モノマーを含有していないために、実施例の
各試料に比べて生体活性が劣っていた。

【００４０】

【発明の効果】本発明の生体活性セメント組成物は、生
体活性が高く、早期に自然骨と直接結合する。またＣａ
含有ガラス粉末を多量に添加しなくても十分な生体活性
を付与することができるため、操作性が良好であり、経
時的な強度劣化も小さい。それゆえ整形外科分野、脳神
経外科分野、口腔外科分野等の領域におけるインプラン
ト材料の接着固定用、骨欠損部の充填用、頭蓋欠損部の
再建用等として好適である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者長寿研滋賀県大津市晴嵐２丁目７番１号日本電気硝子株式会社内Ｆターム(参考） 4C081 AB04 AB06 AC04 BB08 BC02 CA081 CA082 CE02 CE08 CE11 CF042 CF052 CF062 DA13 DC12 EA05 4C089 AA06 BA03 BA11 BA14 BA16 BC06 BC08 BD01 BD02 BD03 BD04 BE03 CA03 CA07

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｃａを含有するガラス粉末又は結晶化ガ
ラス粉末、メタクリレート系ポリマー粉末、メタクリレ
ート系モノマー、重合開始剤及び重合促進剤からなり、
メタクリレート系モノマーが、疎水性モノマーと親水性
モノマーからなることを特徴とする生体活性セメント組
成物。
【請求項２】Ｃａを含有するガラス粉末又は結晶化ガ
ラス粉末が、重量％でＣａＯ３０〜７０％、ＳｉＯ₂
３０〜７０％、Ｐ₂ Ｏ₅ ０〜４０％、ＭｇＯ０〜２０
％、ＣａＦ₂ ０〜５％の組成を有することを特徴とする
請求項１の生体活性セメント組成物。
【請求項３】メタクリレート系ポリマー粉末が、ポリ
メチルメタクリレート粉末であることを特徴とする請求
項１の生体活性セメント組成物。
【請求項４】疎水性モノマーが、メチルメタクリレー
トであることを特徴とする請求項１の生体活性セメント
組成物。
【請求項５】親水性モノマーが、ヒドロキシル基、カ
ルボキシル基、ジカルボン酸無水物、又はホスホン基を
分子構造中に含むメタクリレートであることを特徴とす
る請求項１の生体活性セメント組成物。