JPH04226669A - インプラント材料 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、骨セラミックを基礎と
するインプラント（移植）材料に関する。

【０００２】

【従来の技術】骨代替のための効果的な医用インプラン
ト材料に要求されることは、それが優れた機械的安定性
を有していることである。無機物を基礎とするインプラ
ント材料は、通常、それらがセラミックとして、すなわ
ち充分に高い温度で焼結された材料や製品のかたちで用
いられる場合にのみ、優れた機械的安定性が保証される
。

【０００３】治癒の行程では、高い生物活性（ｂｉｏａ
ｃｔｉｖｉｔｙ）を有するインプラント材料、すなわち
身体に受容され、それに融合されるようなインプラント
材料が、とくに好ましいものと見なされる。骨代替材料
の場合には、これは早期に強固にそして永久的に体内の
組織、とくに骨、と癒合すべきことを意味する。

【０００４】燐酸カルシウムセラミックを基礎とする骨
代替材料は、天然骨のミネラル相との化学的な相関関係
から生物活性を有すると考えられる。天然骨のミネラル
相は主に分子式Ｃａ５（ＰＯ４）３ＯＨで表されるの燐
酸カルシウム、すなわちヒドロキシアパタイト（ｈｙｄ
ｒｏｘｙａｐａｔｉｔｅ）からなる。

【０００５】したがって、合成のまたは有機物起源の、
例えば天然骨材料からの、ヒドロキシアパタイトは骨代
替のためのインプラントの生産のための原材料としてし
ばしば用いられてきた。ヒドロキシアパタイトセラミッ
クは、生体に本質的に同化される得るものではない。こ
のことはこの外来性の材料が本質的には変化することな
く長期間残存し、生体への結合は、現存する骨との癒合
および周囲の組織への融合によって本来起きることを意
味する。

【０００６】燐酸カルシウムを基礎とする今日用い得る
セラミックインプラント材料は、二つの基本的なグルー
プに分けられる。

【０００７】最初のグループは、合成的に調製される燐
酸カルシウムを用いるもので、密なまたは多孔性の本体
に成形して、次いで焼結してセラミックとする。これら
の材料の利点は、合成された構造が特異的な化学組成を
高い精密性と再生産性とともに問題なくもたらすという
事実に当然ある。成分を標準化できるということは、医
用適用のためには不可欠である。

【０００８】現存する骨と緻密な燐酸カルシウムとの癒
合の強さは、経験的に大概は不十分であることが知られ
ている。多孔性燐酸カルシウムセラミックは、より好ま
しい融合作用を示す。

【０００９】合成材料の決定的欠点は、多孔性のものの
製作には多大の費用を費やし、非常な困難さを克服する
ことで可能となることである。合成材料を用いて天然骨
に特徴的な多孔性、とくに例えば海綿性骨の解放多孔性
、を有する成形物を提供することは不可能であるのが現
状である。しかしまた、骨に典型的なこの多孔性こそが
、インプラントと生体の骨との迅速で強固で永久的な結
合に不可欠であることが明らかとなってきた。

【００１０】第二のグループは、種々の処理によってミ
ネラル化されて、可能であれば骨の構造が保持されるよ
うなセラミック系に変換された、天然骨を基礎とするも
のである。その製造プロセスに共通の工程は、有機骨成
分の除去工程、およびそれに続く適当な温度における焼
結によってセラミックを得るための強固化工程である。 有機成分の除去は、化学的溶解工程または熱分解工程に
よって行う。天然骨の多孔性との優れた類似性によって
、骨セラミックインプラントは融合作用および体内での
癒合において多くの生物学的な利点を示す。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】骨セラミックの欠点は
、出発材料として用いる天然産生骨に、そのミネラル相
の化学組成において自然発生的および調整不可能なバラ
ツキがあることである。すなわち骨のミネラル相は主に
ヒドロキシアパタイトからなるが、しかしまた、種々の
量で他の燐酸カルシウムの相、微量成分を含んでいる。 とくに、動物種の間で、時には個体間で含有される炭酸
カルシウムの量は異なってくる。例えば、一般にウマの
骨はウシの骨に比較して顕著に高い炭酸カルシウム含有
量を有している。骨の炭酸カルシウム量は、１〜２５重
量％の広い範囲で変動し得る。

【００１２】したがって、出発材料における恒常的な単
一の化学組成を求めることは本質的に不可能であるが、
これは標準化された骨セラミック製品を得るためには必
要なことである。このような組成の変動は、骨セラミッ
クインプラントの生物学的活性にきわめて顕著な影響を
与えている。すなわち、体内ではインプラントの周囲の
媒質のｐＨは、炭酸カルシウムの燃焼によって形成され
る酸化カルシウムの含有量によって影響され、これは臨
床的には異なる融合および骨形成速度として現れる。

【００１３】特有の問題として、骨セラミックは調整不
可能な不安定性を示す傾向にあることが加えて明かにな
ってきた。貯蔵中および体内のいずれにおいても、崩壊
に至る強度欠失が、骨セラミックインプラントにおいて
様々のおよび予測不能の期間の後に起き得る。

【００１４】したがって、本発明の目的は、化学組成の
変化、天然の変動の問題および予測不能の不安定性の欠
点を有しない骨セラミックを基礎とするインプラント材
料を開発することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】今日、すべての有機成分
を除去した骨材料を脂肪族Ｃ１−５−モノカルボン酸お
よびマロン酸、タルトロン酸、コハク酸、リンゴ酸、酒
石酸およびクエン酸からなる群から選択される有機酸の
水溶液で処理し、次いで焼結してセラミックを得れば、
骨の多孔性緻密構造が本質的に変わらないかたちで存在
し、それぞれ独自に原料の骨のミネラル相の化学組成に
依存することなく、９９％以上までのヒドロキシアパタ
イトからなる骨セラミックが得られることが見出された
。したがって、恒常的な一定の組成の骨セラミックをこ
の方法により得ることができる。

【００１６】驚くべきことに、このタイプの材料は従来
の骨セラミックの不安定性を示さない。

【００１７】このように、本発明は天然骨を基礎とする
インプラント材料に関し、この材料は骨の多孔性緻密構
造が本質的に変わらないかたちで存在する９９％以上の
ヒドロキシアパタイトからなる焼結したセラミック材料
である。

【００１８】本発明はまた、そのような骨セラミックイ
ンプラント材料の製造法に関し、これはすべての有機成
分を除去した骨材料を脂肪族Ｃ１−５−モノカルボン酸
およびマロン酸、タルトロン酸、コハク酸、リンゴ酸、
酒石酸およびクエン酸からなる群から選択される有機酸
の水溶液で処理し、次いで９００〜１４００℃の温度で
焼結することを特徴とする。

【００１９】従来の骨セラミックの不安定性に関するメ
ルク社自身の研究によって、湿気との接触が不安定性の
起因になるようであることが示された。貯蔵期間中には
この問題はセラミックの湿気防止包装によって明かに解
決され得るが、その後に骨セラミックインプラントが生
体の水成媒質に自然に曝される外科的適用の後における
問題は解決されない。また、原材料としての骨材料にお
ける炭酸カルシウムの含有量のバラツキが製品の安定性
のバラツキの原因であることが証明されたが、これは次
のような機序によるのではないかと考えられる。骨材料
のセラミックへの変換における熱処理工程中に、ミネラ
ル相に存在する炭酸カルシウムが酸化カルシウムになる
。したがって、酸化カルシウム相は化学量論的に等比で
焼結セラミック中に存在する。例えば大気の湿気のかた
ちで無防護貯蔵中にまたはインプラント後に体内におい
て水分に接すると、酸化カルシウムの水酸化カルシウム
への変換が引続き次のような化学式に従って起きる。

【００２０】ＣａＯ＋Ｈ２Ｏ　　→　　Ｃａ（ＯＨ）２
この変換反応には酸化カルシウム相の容量増加が伴い、
この容量増加は計算値で約９７％に達する。その結果、
漸次の緊張および微小の割れ目がセラミック材料に生じ
て、これらが膨張、破壊および個々の粒子へのセラミッ
クの分解までも引き起こし得る。

【００２１】本発明による方法では、炭酸カルシウムお
よび可能であれば存在する酸化カルシウムの全量、およ
びまた存在すれば少量の他の可溶性含有物を、ミネラル
化された骨から焼結する前に溶解除去して、セラミック
を得る。そのための酸処理は、便宜的に弱有機酸の水溶
液を用いて行う。この目的のための適切な酸は、それぞ
れ全部で６個までのＣ原子を有する、主に脂肪族Ｃ１−
５−モノカルボン酸、脂肪族ジ−およびトリ−カルボン
酸およびそれらの水酸化誘導体である。そのような酸の
例としては、ギ酸、酢酸、プロピオン酸、酪酸、吉草酸
、マロン酸、タルトロン酸、コハク酸、リンゴ酸、酒石
酸およびクエン酸があげられる。

【００２２】クエン酸は、その入手が容易で、安価であ
り、処理上きわめて問題がないので、とくに適している
ことが証明されている。

【００２３】選択される酸溶液の使用濃度は、酸の性質
および酸強度、設定される処理時間、温度および骨材料
の前処理された方法によって異なる。一般に使用濃度は
１ないし３０重量％、好ましくは５ないし１０重量％で
ある。酸溶液の温度は、２０℃から沸騰温度までの間で
自由に調整ができる。処理される骨材料の量、処理物の
大きさおよび上記のパラメターによって、処理時間は２
分から２４時間の間が適当である。以上の条件から、当
業者は、二、三のルーチン試験によってそれぞれの場合
において容易に最も適する工程パラメターを決定するこ
とができる。全体として、酸処理のためにあげられたパ
ラメターは単におおよそのガイドラインとみなされるも
ので、酸化カルシウムの除去が確実であれば、超過また
は下回った場合でも、一般に他の不利な影響は生じない
。

【００２４】まず、出発材料として用いる骨を完全に脱
ミネラル化、すなわちすべての有機成分を除去しなけれ
ばならない。これは、例えばまだ付着している軟質部分
の機械的除去で始め得るが、本質的にコラーゲンからな
る骨の有機相の除去が必ず含まれる。この除去には種々
の方法が知られている。後者は例えば、化学溶解および
抽出工程によって、例えば煮沸および／または脂質また
は蛋白溶解溶媒による処理および／または過酸化水素に
よる処理によって、行うことができる。しかし、熱分解
工程は、とくに簡便で効率的であることが証明されてき
た。これらの工程において、骨の有機成分は熱作用によ
って分解されて、その結果として得られる炭素は過剰の
酸素中で燃焼する。５００〜１０００℃、主として６０
０〜８００℃の間、の温度が骨の熱分解処理には通常用
いられる。化学溶解工程および熱分解工程を組み合わせ
て、骨材料をミネラル化することもまた可能である。こ
れらのすべての工程において、天然骨の多孔性緻密構造
をできる限り維持するように留意されねばならない。本
発明による骨セラミックインプラント材料のためには、
この構造が本質的に変わらないで保持されることが重要
であって、したがって上記の方法はできる限りゆるやか
に行わねばならない。したがって、熱分解のためには、
環境の温度および還元的または酸化的性質の特別な調節
によってきわめてゆるやかな熱分解を可能にする、ＤＥ
−ＰＳ３，７２７，６０６による工程を適用することが
できる。

【００２５】骨材料を酸処理前に前焼結することが有利
であることが証明された。骨のミネラル相における構造
はこの方法によって強化され、酸処理中に起きるＣＯ２
の発生による負荷に耐えることができて損傷も生じない
。これは、高度な多孔性精密構造が本来特に繊細である
海綿状の骨においてとりわけ重要である。

【００２６】前焼結は、便宜的に６００から１０００℃
の間、好ましくは９００℃付近の温度で行われる。

【００２７】前焼結が必要な場合には、この工程を熱分
解工程の直後に行って、このようにして両工程を併せた
操作で行うことが有利である。

【００２８】酸処理のためには、このようにして前処理
した骨材料を酸溶液の槽に通して、これをそこで適当な
便宜的な温度である期間貯蔵すればよい。酸溶液の再循
環によって、可溶成分の溶解が促進できる。

【００２９】酸処理を完了した後に、骨材料を、便宜的
には脱ミネラル水で、洗浄して酸を除去する。

【００３０】次いでセラミックを得るための最終焼結を
、通常の方法に従って、この目的のために従来用いられ
る装置で行う。９００〜１４００℃の焼結温度がこのた
めには適当である。典型的には、材料を約１００℃／時
で最終温度、例えば１２５０℃、にまで加熱して、この
温度を約３〜５時間保持して、次いで放置冷却する。

【００３１】このようにして得られる骨セラミックは、
化学的には９９％以上までのヒドロキシアパタイトから
なり、これはＸ線によってその検査法の正確さのおかげ
で明確に検出することができる。とくに、これは従来の
骨セラミックの不安定性の原因である酸化カルシウムを
まったく含まない。

【００３２】

【発明の効果】本発明による骨セラミックインプラント
材料は、今までにない新規の方法で、これまでにそれら
の材料で達成されなかった常に一定の化学組成、すなわ
ち９９％以上の純度のヒドロキシアパタイトを有し、本
質的に不変に存在する多孔性の骨構造を基礎とするため
に、生体内での有利な融合作用を合わせもつ。とくに、
予測不能の不安定性の問題は、本発明による材料におい
てはもはや起きない。

【００３３】

【実施例】［実施例１］軟質部分を除去したウシの未加
工骨を鋸を用いて切り刻んで、水で約１時間３回煮沸し
た。次いで、骨片を窒素雰囲気下で５０℃／時の昇温率
で４５０℃まで加熱した。次いで２５℃／時の昇温率で
７５０℃までに加熱する間、雰囲気を直線（一次関数的
）に大気酸素までに変化させて、この温度でさらに８時
間保持した。次いで、加熱を５０℃／時の昇温率で９０
０℃の前焼結温度になるまで行った。冷却後、切片を再
循環させた５重量％のクエン酸溶液中に移し３時間そこ
に保持した。

【００３４】酸槽から除去後、脱塩水で中性になるまで
これらを洗浄した。最終焼結のために、切片を１００℃
／時の昇温率で１２５０℃までに加熱して、この温度で
３時間保持し、次いで放置冷却した。

【００３５】得られた骨セラミック切片は、オリジナル
（原料）骨の多孔性構造を変化させることなく有してい
た。このセラミックはＸ線による分析で９９％以上のヒ
ドロキシアパタイトからなることがわかった。 ［実施例２］ウマ骨で同一の処理を行って、同様に９９
％以上のヒドロキシアパタイトからなる骨セラミックが
得られた。 ［実施例３］（比較例）ウマ骨を実施例１と同様に処理
したが、酸処理を省略した。得られた骨セラミックは、
Ｘ線による分析で約１０％の酸化カルシウムを含むこと
がわかった。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　骨の多孔性緻密構造が本質的に不変の
   かたちで存在し、Ｘ線によって９９％以上の水酸化リン
   灰石（ヒドロキシアパタイト）からなる焼結したセラミ
   ック材料であることを特徴とする、天然骨を基礎とする
   インプラント材料。
2. 【請求項２】　　すべての有機成分を除去した骨材料を
   脂肪族Ｃ１−５−モノカルボン酸、マロン酸、タルトロ
   ン酸、コハク酸、リンゴ酸、酒石酸およびクエン酸から
   なる群から選択された有機酸の水溶液で処理し、次いで
   ９００〜１４００℃の温度で焼結することを特徴とする
   、請求項１に記載のインプラント材料の製造法。
3. 【請求項３】　　酸処理を１〜３０重量％の有機酸を含
   む水溶液を用いて行うことを特徴とする、請求項２に記
   載の製造法。
4. 【請求項４】　　酸処理を２分〜２４時間の時間で２０
   ℃〜沸点までの温度で行うことを特徴とする、請求項２
   または３に記載の製造法。
5. 【請求項５】　　酸処理をクエン酸の水溶液を用いて行
   うことを特徴とする、請求項２、３または４に記載の製
   造法。
6. 【請求項６】　　骨材料を６００〜１０００℃の温度で
   酸処理前に前焼結することを特徴とする、請求項２〜５
   のいずれか１項に記載の製造法。