JPH10234841A - 生体活性セメント組成物 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 自然骨と直接結合することが可能であるとと
もに、生体内に長期間埋入した場合でも機械的特性が劣
化し難く、また操作性のよい生体活性セメントを提供す
る。 【解決手段】 アルミナ粉末、ポリメチルメタクリレー
ト粉末、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、アルミナ粉末は少なくともδ−Ａｌ
₂ Ｏ₃ 結晶、γ−Ａｌ₂ Ｏ₃ 結晶又は非結晶性アルミナ
を含むことを特徴とする。

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、自然骨と直接結合する生体
活性セメントが提案されている。例えば、Ｃａを含む無
機材料粉末（アパタイト、Ｃａ含有ガラス等）とジメタ
クリレート系モノマー（Ｂｉｓ−ＧＭＡ等）からなるセ
メントが提案されている。この生体活性セメントは生体
内で硬化すると、硬化体表面に露出したＣａ含有無機材
料粉末からＣａイオンが溶出し、体液と反応して硬化体
表面にアパタイト層を形成する結果、自然骨と化学的に
結合することができる。

【０００３】

【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、Ｃａ含有無機材料粉末が長期間に亙って連続的
にＣａイオンを放出するために粉末自体が劣化し、セメ
ント硬化体の機械的特性が著しく低下する。また硬化が
急激に起こるために成形し難く、操作性があまり良くな
いという欠点を有している。

【０００４】本発明の目的は、自然骨と直接結合するこ
とが可能であるとともに、生体内に長期間埋入した場合
でも機械的特性が劣化し難く、また操作性のよい生体活
性セメントを提供することである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の生体活性セメン
ト組成物は、アルミナ粉末、ポリメチルメタクリレート
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、アルミナ粉末は少なくともδ−Ａｌ₂
Ｏ₃ 結晶、γ−Ａｌ₂ Ｏ₃ 結晶又は非結晶性アルミナを
含むことを特徴とする。

【０００６】本発明において粉末成分の一種であるアル
ミナ粉末は、従来より広く使用されている生体活性のな
いアルミナ粉末とは異なるものである。即ち、従来のア
ルミナ粉末は、安定なα−Ａｌ₂ Ｏ₃ の結晶構造を有し
ているが、本発明で使用するアルミナ粉末は少なくとも
δ−Ａｌ₂ Ｏ₃ 結晶、γ−Ａｌ₂ Ｏ₃ 結晶又は非結晶性
アルミナが存在する活性なアルミナである。なお生体活
性の点から、アルミナ粉末中のδ−Ａｌ₂ Ｏ₃ 結晶、γ
−Ａｌ₂ Ｏ₃ 結晶及び非結晶性アルミナの占める割合が
３０重量％以上であることが望ましい。またアルミナ粉
末は、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１０μｍ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
硬化体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。またアルミナ粉末は球状であることが望ま
しい。なおアルミナ粉末の含有量は、粉末成分中３０〜
９０重量％であることが好ましい。

【０００７】上記アルミナ粉末は次のようにして作製す
ることができる。まず結晶構造がα−Ａｌ₂ Ｏ₃ である
通常のアルミナ粉末を用意する。このアルミナ粉末は平
均粒径Ｄ₅₀が１０μｍ以下のものを使用する。次いで、
アルミナ粉末を１５００℃以上、好ましくは２０００℃
以上に急加熱して溶融、ガラス化した後、急冷する。こ
のようにして少なくともδ−Ａｌ₂ Ｏ₃ 結晶、γ−Ａｌ
₂ Ｏ₃ 結晶又は非結晶性アルミナを含む化学的に不安定
な、即ち生体活性のあるアルミナ粉末を得ることができ
る。なおアルミナ粉末の粒径を１０μｍ以下としたの
は、粒径が大きくなると急熱急冷が困難になって安定な
α−Ａｌ₂ Ｏ₃ が析出し易くなり、１０μｍを超えると
α−Ａｌ₂ Ｏ₃ 結晶の析出量が３０重量％以上を占め、
化学的に安定な、即ち生体活性の低いアルミナ粉末とな
ってしまうためである。

【０００８】またポリメタクリレート系粉末は、メタク
リレート系モノマーの重合に必要な成分であり、その含
有量は、粉末成分中１０〜７０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アルミナ粉末（或い
はさらにＣａ含有無機材料粉末）が少なくなるために生
体活性が低下し、逆に少なすぎるとハンドリング性が悪
くなるとともに、メタクリレート系モノマーが重合し難
くなる。なおポリメタクリレート系粉末としては、ポリ
メチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）粉末を使用すること
ができる。

【０００９】なお本発明においては、粉末成分として上
記以外に例えばＣａ含有無機材料粉末を含有させること
ができる。Ｃａ含有無機材料粉末は、埋入初期の自然骨
との接着性を向上させ、早期の結合を可能にするために
添加する成分であり、例えばＣａを含有するガラスや結
晶化ガラス、燐酸カルシウム化合物、炭酸カルシウム等
からなるものが使用できる。特にＣａを含有するガラス
や結晶化ガラスは、生体内でＣａイオンを溶出して高い
生体活性を示す。このようなガラスとして、特に重量百
分率でＣａＯ ３０〜７０％、ＳｉＯ₂ ３０〜７０
％、Ｐ₂ Ｏ₅ ０〜４０％、ＭｇＯ ０〜２０％、Ｃａ
Ｆ₂ ０〜５％、特にＣａＯ ４０〜５０％、ＳｉＯ₂
３０〜４０％、Ｐ₂ Ｏ₅ １０〜２０％、ＭｇＯ ０
〜１０％、ＣａＦ₂ ０〜２％の組成を有するガラス又
は結晶化ガラスが好ましい。また燐酸カルシウム化合物
としては、ＣａＨＰＯ₄ 、Ｃａ₃ （ＰＯ₄ ）₂ 、Ｃａ₅
（ＰＯ₄ ）₃ ＯＨ、ＣａＰ₄ Ｏ₁₁、Ｃａ（ＰＯ₃ ）₂ 、
Ｃａ₂ Ｐ₂ Ｏ₇ 、Ｃａ₄ Ｏ（ＰＯ₄ ）₂ 、Ｃａ₁₀（ＰＯ
₄ ）₆ （ＯＨ）₂ 、Ｃａ（Ｈ₂ ＰＯ₄ ）₂ ・Ｈ₂ Ｏ等を
主成分とするものである。なおＣａ含有無機材料粉末は
球状であることが好ましい。またＣａ含有無機材料粉末
を含有させる場合、粉末成分中に占める割合は、５〜７
５重量％の範囲にあることが望ましい。

【００１０】本発明において液体成分であるメタクリレ
ート系モノマーは、２次元重合するモノマーであり、ジ
メタクリレート系モノマーほど高い初期強度は得られな
いものの、硬化時に粘性が徐々に高くなっていくため操
作性に優れる。またその硬化後は、体内で長期にわたっ
て安定し、機械的強度が低下し難い。メタクリレート系
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等が使用可能である。

【００１１】メタクリレート系モノマーに加え、ジメタ
クリレート系モノマーを添加することができる。ジメタ
クリレート系モノマーは、３次元的に重合して高強度の
ポリマーとなるモノマーであり、硬化後は体内で長期に
わたって安定し、機械的強度が低下し難いものである。
しかも硬化体表面に未重合層を形成し、硬化体内部へ体
液を浸透させる効果がある。これによって硬化体表面に
露出しているアルミナ粉末（或いはさらにＣａ含有無機
材料粉末）だけでなく、内部に埋没してしまっているア
ルミナ粉末（或いはさらにＣａ含有無機材料粉末）も生
体活性を示すことが可能になる。ジメタクリレート系モ
ノマーとしては２，２−ビス［４−（３メタクリロキシ
−２−ハイドロキシプロポキシ）フェニル］プロパン
（Ｂｉｓ−ＧＭＡ）が好ましいが、これ以外にも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）、トリエチレングリコールジメ
タクリレート（ＴＥＧＤＭＡ）、ジエチレングリコール
ジメタクリレート（ＤＥＧＤＭＡ）、エチレングリコー
ルジメタクリレート（ＥＧＤＭＡ）等を使用することが
できる。ＴＥＧＤＭＡ、ＤＥＧＤＭＡ、ＥＧＤＭＡ等の
モノマーは低粘性であるため、粘度が高すぎて取り扱い
にくい場合に希釈剤として使用できる。

【００１２】なお、アルミナ粉末、ポリメタクリレート
系粉末、Ｃａ含有無機材料粉末等からなる粉末成分と、
メタクリレート系モノマーやジメタクリレート系モノマ
ーからなる液体成分の粉液比は、重量比で粉末：液体が
５０：５０〜９０：１０であることが望ましい。

【００１３】さらに本発明の生体活性セメント組成物
は、重合開始剤と重合促進剤を含有する。

【００１４】重合開始剤は粉末成分に添加して使用す
る。添加量は粉末成分１００重量部に対して０．１〜２
重量部であり、０．１重量部より少ないと効果が殆どな
く、２重量部より多いと硬化時間が速くなり過ぎて作業
性が悪くなる。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。

【００１５】重合促進剤は液体成分に添加して使用す
る。添加量はモノマー１００重量部に対して０．１〜２
重量部である。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できない。ま
た２重量部より多いと硬化時間が速くなり過ぎて作業性
が悪くなる。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。

【００１６】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、溶融シリカ粉末、コロイダルシリ
カ、薬剤、骨形成因子、重合抑制剤等種々の成分を必要
に応じて添加することができる。

【００１７】なお、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。

【００１８】

【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が、メタ
クリレート系モノマーを含むためにジメタクリレート系
モノマー単独の場合に比べて重合時の粘性変化が緩やか
に起こる。従って操作性がよく、硬化までの時間内に所
望の形状に自由に成形できる。

【００１９】また自然骨を誘導する能力がある特殊なア
ルミナ粉末を含有しているため、自然骨と結合すること
ができる。しかもこのアルミナ粉末は生体内でイオンを
放出しないために粉末の劣化が起こらず、強度が低下し
難い。

【００２０】さらにジメタクリレート系モノマーを含む
場合は、硬化体表面に未重合層が生じ、硬化体内部に体
液が浸透するため、内部に埋没しているアルミナ粉末
（或いはさらにＣａ含有無機材料粉末）も体液と接触す
ることができ、周囲骨との結合が短期間に行える。

【００２１】

【実施例】以下、本発明を実施例及び比較例に基づいて
詳細に説明する。

【００２２】表１及び表２は本発明の実施例（試料Ｎ
ｏ．１〜６）、及び比較例（試料Ｎｏ．７及び８）を示
すものである。

【００２３】

【表１】

【００２４】

【表２】

【００２５】［試料の調製］試料Ｎｏ．１〜６は次のよ
うにして調製した。

【００２６】まずアルミナ粉末、ポリメタクリレート系
粉末及びＣａ含有無機材料粉末を用意した。

【００２７】アルミナ粉末は次のようにして作製した。
まず結晶構造がα−Ａｌ₂ Ｏ₃ である通常のアルミナ粉
末（平均粒径１０μｍ）を用意した。次いでこの粉末を
２０００℃以上の火炎中に供給して溶融しながら吹き飛
ばした後、水中で急冷することによって、δ−Ａｌ₂ Ｏ
₃ 結晶、γ−Ａｌ₂ Ｏ₃ 結晶及び非結晶性アルミナを含
むアルミナ粉末を得た。このようにして得られたアルミ
ナ粉末は、表面張力により球状になっていた。またＸ線
回折の結果、粉末中にはさらにα−Ａｌ₂ Ｏ₃結晶が含
まれていたが、その含有量は５〜１０重量％程度であっ
た。さらにアルミナ粉末の表面にカップリング処理を施
した。

【００２８】ポリメタクリレート系粉末としては、ＰＭ
ＭＡ粉末（粒径３０μｍ、平均分子量１３００００）を
用意した。

【００２９】またＣａ含有無機材料粉末としては、重量
％でＣａＯ ４６．７％、ＳｉＯ₂３５．６％、Ｐ₂ Ｏ₅
１７．０％、ＣａＦ₂ ０．７％の組成を有し、平
均粒径４μｍの球状のＣａ含有ガラス粉末を使用した。

【００３０】次にアルミナ粉末、ＰＭＭＡ粉末及びＣａ
含有ガラス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。

【００３１】また、メタクリレート系モノマーとしてＭ
ＭＡを、ジメタクリレート系モノマーとしてＢｉｓ−Ｇ
ＭＡとＴＥＧＤＭＡを用意した。

【００３２】次に、ＭＭＡ、Ｂｉｓ−ＧＭＡ及びＴＥＧ
ＤＭＡを表に示す割合で秤量し、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。

【００３３】このようにして粉末−液体系の試料を得
た。

【００３４】試料Ｎｏ．７は次のようにして調製した。

【００３５】まず上記と同様にしてＣａ含有ガラス粉
末、Ｂｉｓ−ＧＭＡ、ＴＥＧＤＭＡ、過酸化ベンゾイル
及びジメチル−ｐ−トルイジンを用意した。次いでＣａ
含有ガラスと過酸化ベンゾイルを混合し、またＢｉｓ−
ＧＭＡ、ＴＥＧＤＭＡ及びジメチル−ｐ−トルイジンを
混練して、粉末−液体系の試料を得た。

【００３６】試料Ｎｏ．８は、市販のＰＭＭＡセメント
を使用した。

【００３７】なお、粉末及びモノマーの構成比、及び粉
液比はそれぞれ重量比で表した。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
２重量部及び１．４重量部とした。

【００３８】［評価］続いて、各試料について初期及び
生体内埋入後６ヵ月での曲げ強度と、周囲骨との結合時
期及び操作性について評価した。

【００３９】表２から明らかなように、比較例である試
料Ｎｏ．７は、２週経過後に周囲骨との結合が認められ
たが、初期強度が１１０ＭＰａ、生体内埋入後６ヵ月で
３５ＭＰａであり、曲げ強度が著しく低下していた。ま
た操作性もあまり良くなかった。試料Ｎｏ．８は、操作
性が良好であり、また初期強度が９５ＭＰａ、６ヵ月経
過後で８０ＭＰａと曲げ強度の低下は少なかったが、初
期強度が不十分であった。しかも周囲骨との結合は全く
認められなかった。

【００４０】一方、本発明の実施例であるＮｏ．１〜６
の試料は、初期強度が１１０ＭＰａ以上、生体内埋入後
６ヵ月で８５ＭＰａ以上であり、十分な曲げ強度を有
し、また強度劣化し難いことが分かった。また周囲骨と
の結合が認められ、しかも操作性が良好であった。

【００４１】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、６ヵ月経過後に取り出して測定
を行った。周囲骨との結合時期については、ラットの脛
骨髄腔内に試料を埋入した後、埋入部位を定期的に取り
出し、試料と自然骨が直接結合している部分が存在する
かどうかを評価した。これ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。

【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、自然骨と直接結合するとともに、実
用上十分な機械的強度を長期間維持することができる。
しかも操作性がよい。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。

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 アルミナ粉末、ポリメタクリレート系粉
   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、アルミナ粉末は少なくともδ−Ａｌ₂ Ｏ
   ₃ 結晶、γ−Ａｌ₂ Ｏ₃ 結晶又は非結晶性アルミナを含
   むことを特徴とする生体活性セメント組成物。
2. 【請求項２】 ポリメタクリレート系粉末が、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。
3. 【請求項３】 メタクリレート系モノマーが、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。
4. 【請求項４】 ジメタクリレート系モノマーが添加され
   て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。
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］プロパンであることを特徴とする請
   求項４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含有無機材料粉末が添加されてなる
   ことを特徴とする請求項１の生体活性セメント組成物。
9. 【請求項９】 粉末−液体系で提供されることを特徴と
   する請求項１の生体活性セメント組成物。