JPH08280789A - 生体活性セメント組成物及び２ペースト系生体活性セメント - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 生体内に長期間埋入した場合でも機械的特性
が劣化せず、しかも形状維持性に優れた生体活性セメン
トを提供する。 【構成】 Ｃａ含有無アルカリガラス粉末と、溶融シリ
カ粉末と、Ｂｉｓ−ＧＭＡと、ＴＥＧＤＭＡと、過酸化
ベンソイルと、ジメチル−ｐ−トルイジンからなる。

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、脳神経
外科分野、口腔外科分野等で用いられる人工生体材料の
固定や骨欠損部の充填等に使用される生体活性セメント
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】整形外科分野において、骨折や骨腫瘍等
によって部分的に骨が欠損したり、また手術によって骨
の一部を切除した場合、あるいは口腔外科分野におい
て、抜歯や歯槽膿漏等によって顎骨に欠損を生じた場
合、このような部所を修復するために金属、セラミック
ス、結晶化ガラス等からなる人工生体材料が使用され
る。

【０００３】このような人工生体材料は、修復部に早期
に適合性良く埋入固定されることが望ましく、そのため
には修復部の形状に合わせて加工する必要があるが、こ
のような研削や加工を正確に施すことは非常に困難であ
る。

【０００４】このため一般に人工生体材料を使用する場
合、それと生体骨とを接着固定する目的で生体用骨セメ
ントが使用されている。例えば整形外科分野ではポリメ
チルメタクリレート（ＰＭＭＡ）セメントが広く使用さ
れ、口腔外科分野ではリン酸亜鉛セメントやカルボキシ
レートセメントが使用されている。

【０００５】しかしながら上記した各種の生体用骨セメ
ントは、人工生体材料とは強固に接着するが生体骨とは
化学的に結合しないため、長期間の使用によって生体骨
との間に緩みが生じたり、周囲組織に炎症反応を引き起
こすおそれがある。

【０００６】近年このような事情から、生体骨と化学的
に結合する生体用骨セメントが種々開発されている。例
えば、Ｃａを含むガラス粉末とジメタクリレート系モノ
マーと重合開始剤と重合促進剤とからなる生体活性セメ
ントが提案されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記した生体活性セメ
ントは、生体内で硬化した後、Ｃａイオンを溶出するた
め、これが体液中のＰＯ^4-イオンと反応して水酸アパタ
イトが析出する。このため自然骨と容易に結合するもの
である。

【０００８】しかしながらこのセメントは、生体内で長
期間に亙って連続的にイオンを放出する結果、セメント
硬化体の機械的特性が著しく劣化してしまう。また形状
維持性が悪く、例えば脳神経外科で頭蓋骨等の曲面部分
に使用した場合、液垂れを起こし易いという欠点を有し
ている。

【０００９】本発明の目的は、生体内に長期間埋入した
場合でも機械的特性が劣化せず、しかも形状維持性に優
れた生体活性セメントを提供することである。

【００１０】

【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、生体活性ガラス粉末の一部を生体為害性
のない溶融シリカ粉末と置換することにより、上記目的
が達成できることを見いだした。

【００１１】即ち、本発明の生体活性セメント組成物
は、Ｃａ含有無アルカリガラス粉末と、溶融シリカ粉末
と、ジメタクリレート系モノマーと、重合開始剤と、重
合促進剤とからなることを特徴とする。

【００１２】また本発明の２ペースト系生体活性セメン
トは、Ｃａ含有無アルカリガラス粉末と溶融シリカ粉末
とジメタクリレート系モノマーと重合開始剤を混合して
なる第一のペーストと、Ｃａ含有無アルカリガラス粉末
と溶融シリカ粉末とジメタクリレート系モノマーと重合
促進剤を混合してなる第二のペーストからなることを特
徴とする。

【００１３】Ｃａを含む無アルカリガラス粉末は、生体
内でＣａイオンを溶出し、生体活性を示すものである
が。このようなガラス粉末として、重量百分率でＣａＯ
３０〜７０％、ＳｉＯ₂ ３０〜７０％、Ｐ₂ Ｏ₅ ０〜
４０％、ＭｇＯ ０〜２０％、ＣａＦ₂ ０〜５％、特に
ＣａＯ ４０〜５０％、ＳｉＯ₂ ３０〜４０％、Ｐ₂ Ｏ
₅ １０〜２０％、ＭｇＯ ０〜１０％、ＣａＦ₂ ０〜２
％の組成を有するガラス又は結晶化ガラスを使用するこ
とが望ましい。なお上記組成を有する結晶化ガラス粉末
には、内部にアパタイト結晶やウォラストナイト結晶が
析出する。

【００１４】ガラス組成をこのように限定したのは次の
理由による。ＣａＯが３０％より少ないとＣａ²⁺イオン
が溶出し難くなって生体活性が低下し、骨との結合力が
低下する。また、７０％より多いと失透性が強くなり過
ぎてガラス化し難くなる。ＳｉＯ₂ が３０％より少ない
場合及び７０％より多い場合は失透性が強くなり過ぎて
ガラス化が困難になる。Ｐ₂ Ｏ₅ はガラスの溶融性を向
上させる成分であるが、４０％より多い場合は化学耐久
性が悪くなって生体内で侵食され易くなる。ＭｇＯもガ
ラスの溶融性を向上させる成分であるが、２０％より多
いとガラスの強度が低下するとともに骨との化学的結合
力が低下する。ＣａＦ₂ は５％より多いと失透性が著し
くなり、均質なガラスが得難くなる。また無アルカリガ
ラスに限定した理由は以下の通りである。即ち、ガラス
粉末や結晶化ガラス粉末がアルカリ成分を含んでいる
と、ガラスの化学耐久性が著しく低下してしまい、生体
内への長期間に亙る埋入中に粉末が崩壊してしまう。こ
の結果、セメント硬化体そのものの強度も劣化してしま
うからである。加えて溶出したアルカリ成分によって体
液のｐＨが上昇し、周辺組織に悪影響を及ぼすおそれも
ある。またアルカリ成分を含んでいると、これが溶出し
てガラス粉末表面に厚く脆いシリカゲル層が生じる結
果、生体骨と強固に結合することができなくなるという
不都合が生じる。

【００１５】なおＣａ含有無アルカリガラス粉末の粒径
は、小さいほど高強度のセメントが得られるので好まし
く、具体的には４４μｍ以下のものが好ましい。またそ
の表面をシランカップリング処理しておくと、ジメタク
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
化物の強度が大きくなるとともに、粉末表面が疎水基を
持つために血液の阻害性がなくなり、セメントが硬化し
易くなる。

【００１６】溶融シリカ粉末は、生体為害性がなく、し
かも機械的強度や化学耐久性に優れたものである。溶融
シリカ粉末は、破砕状、ビーズ状等どのような形状のも
のでも使用可能であるが、充填率を高めて機械的強度及
び形状維持性を向上させるためにビーズ状のものを使用
することが望ましい。またその大きさは、機械的強度の
向上や作業時の良好な手触り感を得るために１〜１０μ
ｍであることが好ましい。

【００１７】本発明において、Ｃａ含有無アルカリガラ
ス粉末と溶融シリカ粉末の含有割合は、重量比で２５：
７５〜９５：５であることが好ましい。これは溶融シリ
カ粉末の割合がこの範囲より多くなると生体内において
骨と結合する能力が極度に低下してしまう。逆に溶融シ
リカ粉末が少なすぎるとセメント硬化体の機械的強度の
劣化を防止することが困難になるとともに形状維持性が
悪くなる。

【００１８】本発明において使用するジメタクリレート
系モノマーは、多官能性モノマーであり、重合すると非
常に機械的強度の高いポリマーとなる。ジメタクリレー
ト系モノマーとしては、入手が容易で、しかも生体為害
性のない２，２ビス［４−（３メタクリロキシ−２−ハ
イドロキシプロボキシ）フェニル］プロパン（Ｂｉｓ−
ＧＭＡ）が特に好ましいが、これ以外にも２，２−ビス
（４−メタクリロキシフェニル）プロパン（ＢＰＤＭ
Ａ）、２，２−ビス（４−メタクリロキシエトキシフェ
ニル）プロパン（Ｂｉｓ−ＭＥＰＰ）、２，２−ビス
（４−メタクリロキシポリエトキシフェニル）プロパン
（ＢｉＳ−ＭＰＥＰＰ）等を使用することができる。な
おモノマーの粘度が高すぎて取り扱い難い場合、粘度の
低いモノマーとともに使用すればよい。このようなモノ
マーとしては、トリエチレングリコールジメタクリレー
ト（ＴＥＧＤＭＡ）が好ましいが、これ以外にもジエチ
レングリコールジメタクリレート、エチレングリコール
ジメタクリレート等の重合性モノマーを使用することが
可能である。

【００１９】なお、粉末とモノマーとの粉液比は、重量
比で粉末：モノマーが５０：５０〜９０：１０であるこ
とが望ましい。これは、モノマーの割合がこの範囲より
大きくなると粘性が低くなり過ぎてモノマー中への粉末
の分散状態が不均一になったり、硬化が終了する迄に粉
末が沈降してまうといった不都合が生じ易くなる。一方
粉末の割合が大きくなり過ぎるとモノマーが不足して粉
末の界面にマトリックスが作成できず、硬化体が脆くな
り易い。

【００２０】重合開始剤としては過酸化ベンゾイルが最
も好ましいが、その他にもトリ−ｎ−ブチルボラン等を
使用することができる。またｄｌ−カンファーキノン等
の増感剤を用いることにより光重合型にすることもでき
る。これらの重合開始剤の添加量はモノマー１００重量
部に対して０．１〜５重量部であることが好ましい。添
加量をこのように限定した理由は、重合開始剤が０．１
重量部より少ないと効果が殆どなく、５重量部より多い
と重合抑制剤を多量に使用しても硬化時間が速くなり過
ぎて作業性が低下するためである。

【００２１】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、その添
加量はモノマー１００重量部に対して０．１〜５重量部
であることが好ましい。添加量をこのように限定した理
由は、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硬化し
ないので実際の手術場では使用が困難となり、また５重
量部より多いと重合抑制剤を多量に使用しても硬化時間
が速くなり過ぎて作業性が低下するためである。

【００２２】さらに本発明においては、上記成分の他に
種々の成分を添加することができる。

【００２３】例えば重合抑制剤としてフェノチアジンや
その誘導体を添加することができる。フェノチアジンや
その誘導体は、生体に対する毒性が殆どなく、また比較
的少量で目的とする硬化時間に調整でき、しかも硬化時
間を長くしても作業時間が長くなるのみで、ゲル化開始
から硬化終了までの時間には殆ど影響を与えないため重
合抑制剤として好ましいものである。重合抑制剤の添加
量は、モノマー１００重量部に対して１０ｐｐｍ〜０．
２重量部が適当である。

【００２４】また、本発明の生体活性セメントは、重合
抑制剤以外にもコロイダルシリカ、樹脂粉末、薬剤、骨
形成促進物質等を添加することができる。

【００２５】なお本発明の生体活性セメント組成物の提
供形態には、粉末−液体系（粉末系がガラス粉末と重合
開始剤、液体系がモノマーと重合促進剤）や、２ペース
ト系（一方のペーストがガラス粉末とモノマーと重合開
始剤、他方のペーストがガラス粉末とモノマーと重合促
進剤）等があり、ユーザーは各形態において粉末と液体
とを、またペースト同士を混合して使用すればよい。な
お何れの形態を採用するかは種々の条件を考慮して決定
すればよいが、手術場での粉末と樹脂との混合性を考慮
すれば２ペースト系の方が好ましい。

【００２６】

【作用】本発明の生体活性セメント組成物は、硬化させ
ると硬化体の表面に露出しているガラス粉末からＣａ²⁺
イオンが溶出し、これが体液中のＰＯ^4-イオンと反応し
て水酸アパタイトが析出する。このため硬化体と自然骨
とが容易に結合する。一方、溶融シリカ粉末は、生体内
でイオンを放出しないために劣化が起こらず、硬化体の
骨格として残存し、硬化体の強度の低下を防止する。

【００２７】

【実施例】以下、本発明を実施例に基づいて詳細に説明
する。

【００２８】表１は本発明の実施例（試料Ｎｏ．１〜
５）及び表２は比較例（試料Ｎｏ．６及び７）を示すも
のである。

【００２９】

【表１】

【００３０】

【表２】

【００３１】実施例の各試料は次のようにして調製し
た。

【００３２】まず重量百分率で、ＣａＯ ４４．７％、
ＳｉＯ₂ ３４．０％、Ｐ₂ Ｏ₅ １６．２％、ＭｇＯ
４．６％、ＣａＦ₂ ０．５％の組成を有するガラスとな
るように調合した原料を１５００℃で２時間溶融し、ガ
ラス化した後、ロール成形した。次いでこのガラス成形
体をボールミルで粉砕した後、分級して最大粒径が４４
μｍ以下のガラス粉末を得た。また上記と同様のガラス
成形体を１０５０℃で４時間焼成することによって結晶
化させた後、ボールミルを用いて粉砕し、分級して最大
粒径が４４μｍ以下の結晶化ガラス粉末を得た。次いで
ガラス粉末や結晶化ガラス粉末にγ−メタクリロキシプ
ロピルトリメトキシシランを１重量％添加してボールミ
ルにて混合し、１２０℃で２時間乾燥させることによ
り、粉末表面にシラン処理を施した。

【００３３】また平均粒径が３μｍのビーズ状の溶融シ
リカ粉末を用意した。なお溶融シリカ粉末についてもガ
ラス粉末と同様にして表面にシラン処理を施した。

【００３４】次にモノマーとしてＢｉｓ−ＧＭＡとＴＥ
Ｇ−ＤＭＡを重量比で１：１の割合で混合し、これを２
つに等分した。同様にガラス粉末及び溶融シリカ粉末を
それぞれ２つに等分した。

【００３５】続いて一方のモノマーとガラス粉末の半分
と溶融ガラス粉末の半分と過酸化ベンゾイルを添加して
混練し、第一のペーストとした。また他方のモノマーと
残りの粉末とジメチル−ｐ−トルイジンとフェノチアジ
ンを添加して混練して第二のペーストとし、試料を得
た。

【００３６】なお表中の粉末の構成比はガラス粉末と溶
融シリカ粉末の構成割合を重量％で示したものである。
また約７分で硬化するように、過酸化ベンゾイル、ジメ
チル−ｐ−トルイジン、フェノチアジンの添加量をそれ
ぞれモノマーの総量１００重量部に対して２重量部、
１．４重量部、３００ｐｐｍとした。

【００３７】比較例である試料Ｎｏ．６は、粉末成分と
してガラス粉末のみを用い、他は実施例のＮｏ．５の試
料と同様にして調製した。また試料Ｎｏ．７は、市販の
ＰＭＭＡセメントを使用した。

【００３８】このようにして作製した各試料について、
生体内埋入後３ヵ月及び６ヵ月での曲げ強度、炎症反応
の有無、生体活性についてそれそれ評価した。

【００３９】なお曲げ強度は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、３×４×２０
ｍｍの試料片を作製して初期強度を測定し、さらにラッ
トの皮下に埋入した後、３ヵ月及び６ヵ月経過後に取り
出して測定を行った。炎症反応の有無については、ラッ
トの皮下に埋入した試料片の周囲の軟部組織を顕微鏡で
観察し、腫瘍の発現及び壊死の有無により評価した。生
体活性については、Ｃａ−Ｐリッチな層が生成したかど
うかによって判断した。Ｃａ−Ｐリッチな層は、埋入し
た試料片の表面を電子顕微鏡で観察し、ＥＰＭＡの線分
析にて確認した。

【００４０】その結果、表２から明らかなように、溶融
シリカ粉末を含有していない試料Ｎｏ．６の比較例で
は、周囲組織の炎症反応を起こさず、生体活性を示すこ
とが分かった。しかしながら初期強度が１０７ＭＰａ、
生体内埋入後３ヵ月で８５ＭＰａ、６ヵ月経過後には３
６ＭＰａと著しく強度が劣化していた。またＰＭＭＡセ
メントからなる試料Ｎｏ．７は、周囲組織の炎症反応を
起こさず、曲げ強度についても初期強度が９２ＭＰａ、
生体内埋入後３ヵ月が８８ＭＰａ、６ヵ月で８７ＭＰａ
と殆ど強度劣化を起こしていなかった。しかしながらこ
のセメントは、硬化体表面にＣａ−Ｐリッチな層の生成
が全く認められず、生体活性がないことが明らかであ
る。

【００４１】一方、本発明の実施例である試料Ｎｏ．１
〜５は、周囲組織の炎症反応を起こさず、生体活性を示
すことが分かった。曲げ強度についても初期強度が１２
０〜１４２ＭＰａ、生体内埋入後３ヵ月で１１０〜１３
１ＭＰａ、６ヵ月経過後で１０４〜１２０ＭＰａであ
り、試料Ｎｏ．６に比べて強度劣化がかなり少ないこと
が分かる。また６ヵ月経過後の強度が最も低かった試料
Ｎｏ．２についても、ＰＭＭＡセメントからなる試料Ｎ
ｏ．７より高い値を示した。

【００４２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の生体活性
セメント組成物は、生体毒性がないために生体組織に対
して炎症反応を誘起しないのは勿論のこと、高い生体活
性を示し、生体骨と化学結合することができる。また高
い機械的強度を有しており、生体内に長期間埋入しても
機械的特性が殆ど劣化しない。さらに形状維持性に優れ
ており、患部に充填しても液垂れが起こり難い。

【００４３】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人工骨、人工関節、人工
歯根等を適用する際の接着剤、或は骨や歯の欠損部への
充填剤等として好適である。

【００４４】また２ペースト系の形態で提供することに
より、混合作業が容易であり、手術場で効率良く作業で
きる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｃ０８Ｆ 4/34 Ｃ０８Ｆ 4/34 20/26 ＭＭＶ 20/26 ＭＭＶ (72)発明者 渋谷 武宏 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

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｃａ含有無アルカリガラス粉末と、溶融
   シリカ粉末と、ジメタクリレート系モノマーと、重合開
   始剤と、重合促進剤とからなることを特徴とする生体活
   性セメント組成物。
2. 【請求項２】 Ｃａ含有無アルカリガラス粉末が、重量
   百分率でＣａＯ ３０〜７０％、ＳｉＯ₂ ３０〜７０
   ％、Ｐ₂ Ｏ₅ ０〜４０％、ＭｇＯ ０〜２０％、ＣａＦ
   ₂ 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。
3. 【請求項３】 溶融シリカ粉末が、平均粒径１〜１０μ
   ｍのビーズ状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。
4. 【請求項４】 Ｃａ含有無アルカリガラス粉末と溶融シ
   リカ粉末の割合が、重量比で２５：７５〜９５：５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。
5. 【請求項５】 ジメタクリレート系モノマーが、２，２
   ビス［４−（３メタクリロキシ−２−ハイドロキシプロ
   ボキシ）フェニル］プロパンとトリエチレングリコール
   ジメタクリレートからな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。
6. 【請求項６】 重合開始剤が、過酸化ベンゾイルである
   ことを特徴とする請求項１の生体活性セメント組成物。
7. 【請求項７】 重合促進剤が、ジメチル−ｐ−トルイジ
   ン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。
8. 【請求項８】 Ｃａ含有無アルカリガラス粉末と溶融シ
   リカ粉末とジメタクリレート系モノマーと重合開始剤を
   混合してなる第一のペーストと、Ｃａ含有無アルカリガ
   ラス粉末と溶融シリカ粉末とジメタクリレート系モノマ
   ーと重合促進剤を混合してなる第二のペーストからなる
   ことを特徴とする２ペースト系生体活性セメント。
9. 【請求項９】 Ｃａ含有無アルカリガラス粉末が、重量
   百分率でＣａＯ ３０〜７０％、ＳｉＯ₂ ３０〜７０
   ％、Ｐ₂ Ｏ₅ ０〜４０％、ＭｇＯ ０〜２０％、ＣａＦ
   ₂ ０〜５％の組成を有することを特徴とする請求項８の
   ２ペースト系生体活性セメント。
10. 【請求項１０】 溶融シリカ粉末が、平均粒径１〜１０
    μｍのビーズ状であることを特徴とする請求項８の２ペ
    ースト系生体活性セメント。
11. 【請求項１１】 Ｃａ含有無アルカリガラス粉末と溶融
    シリカ粉末の割合が、重量比で２５：７５〜９５：５で
    あることを特徴とする請求項８の２ペースト系生体活性
    セメント。
12. 【請求項１２】 ジメタクリレート系モノマーが、２，
    ２ビス［４−（３メタクリロキシ−２−ハイドロキシプ
    ロボキシ）フェニル］プロパンとトリエチレングリコー
    ルジメタクリレートからなることを特徴とする請求項８
    の２ペースト系生体活性セメント。
13. 【請求項１３】 重合開始剤が、過酸化ベンゾイルであ
    ることを特徴とする請求項８の２ペースト系生体活性セ
    メント。
14. 【請求項１４】 重合促進剤が、ジメチル−ｐ−トルイ
    ジンであることを特徴とする請求項８の２ペースト系生
    体活性セメント。