JPH10512227A - 新規な生物活性ガラス及びそれらの使用 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明はガラス加工のための適切な作業温度範囲を有する生物活性ガラスに関する。前記生物活性ガラスはケイ素の酸化物、リンの酸化物、アルカリの酸化物、アルカリ土の酸化物及び任意に他の元素の酸化物、たとえばホウ素の酸化物を含む。本発明によると、前記酸化物は次の量：すなわち、SiO₂ 53〜60重量％、Na₂O ０〜34重量％、K₂O １〜20重量％、MgO ０〜５重量％、CaO ５〜25重量％、B₂O₃ ０〜４重量％、P₂O₅ 0.5〜６重量％であって、かつNa₂O＋K₂O ＝16〜35重量％、K₂O＋MgO ＝５〜20重量％及びMgO＋CaO ＝10〜25重量％で存在する。

Description

【発明の詳細な説明】 新規な生物活性ガラス及びそれらの使用 発明の分野 この発明は大きな作業温度範囲及び制御された耐久性を有する新規な生物活性 ガラスに関する。さらに本発明は医療用及び歯科用分野における組織を結合する 目的のための、生物工学で用いるための、薬剤の制御された放出のための及び組 織の誘導のための前記ガラスの使用に関する。 発明の背景 本発明の背景を明らかにするために本明細書に用いられた出版物及び他の資料 並びに特に実施に関してさらに詳細をもたらすための事例は参照により本明細書 に組み込まれる。 近年、人体の損傷を修復するために人体に組み込まれる生体適合物質と呼ばれ る人工物質に集中的な研究がなされてきた。体の条件はこれらの物質に苛酷な環 境をもたらす。体内の上昇した温度、塩溶液、破壊的な酵素、いろいろな錯体を 生成し得る有機酸、タンパク質及び溶解した酸素の組み合わせは最も腐食性の環 境をもたらす。体は外来性の物質に対して極端に過敏でもあり、すぐに毒性反応 、拒否反応及びアレルギー性応答の徴候を示す。 非常に限定された数の物質のみが基体として軟組織または硬組織に受け入れら れる。これらの物質はたとえば歯科医術において歯冠及び固定されたブリッジを 支える人工インプラントとして並びに顎堤の維持及び増加に用い得る（１）。そ れらは、骨の欠損及び歯周ポケットの充てん材として、歯内治療学におけるかぶ せる材料とし て、並びに整形外科、形成において、耳、鼻及びのどの外科手術にも用い得る（ ２）。前記物質は、微粒子及びバルク物質として、骨の腔及び欠損を充てんする のに、及びコーティング及びバルク物質として人工関節に用いることができる。 口腔インプラントは硬組織及び軟組織の両方と絶えず接触しており、したがって 、インプラント物質は、硬組織及び軟組織の両方との心地よい接触を発現させる べきである。 生体適合物質は人体で用いられ、そして異なる生物学的系と相互作用すること を目指している非−生存物質と定義される。これらの物質は、不活性であるか、 再吸収性であるか、生物活性であるかのいずれかであり得る（１）。 不活性の生体適合物質、たとえば、炭素、いくらかのセラミックス、金属、合 金及び特定のポリマーは、体にいかなる測定できる反応も引き起こさない。炭素 はたとえば、熱分解炭素、ガラス状炭素、炭素繊維及び複合体であって、それら は心臓弁ステントとして及び整形外科手術に用いられる（１）。不活性セラミッ クスの例は Al₂O₃及びZrO₂である。生体適合物質として用いられる金属及び合金 は、たとえば、ステンレススチール、チタニウム、タンタル及び特定の合金であ る。これらの金属及び合金は表面活性ではない。すなわち、化学結合はその物質 と体組織の間に進展しない。それらの耐久性は体内で制御しにくく、それらは主 に整形外科及び顎顔面の手術に用いられる（１）。 再吸収性生体適合物質は典型的には有機ポリマー、たとえば、PGA(ポリグリコ ール酸)及びPLA(ポリ乳酸)であって、次第に体内で分解して、消滅する（１）。 生物活性物質は化学的に体組織に結合し得る表面活性物質である。この群は生 物活性ガラス、ガラスセラミックス及びセラミックス を包含する。生物活性ガラスは無定形である。生物活性ガラスセラミックスは無 定形ガラス相中に埋め込まれた結晶性粒子を有する物質である。生物活性セラミ ックスは結晶構造を有する。生物活性物質及び体組織の間の結合が成功したもの である時、シリカに富んだゲル層がガラスの表面に見い出される。骨様のアパタ イトの蓄積がこのシリカゲルの表面に生じた時に骨結合が生じる（５，７，８， ９）。これらの生物活性物質はバルク物質、微粒子及びコーティングとして用い られる。 生体適合物質としてのセラミックスは、不活性であるか、再吸収性であるか、 生物活性であるかのいずれかであり得る（１）。生物活性セラミックスは、たと えばリン酸カルシウム及びリン酸アルミニウムカルシウムであって、それらは整 形外科手術に用いられ、そして歯科用インプラントとして用いられる。これらの 物質の有する最も普通の問題は結晶化に関する。結晶構造はそれらを機能しにく くさせ、そして結晶化を制御することはめんどうである。セラミックスの摩滅及 び分解メカニズム並びに耐久性は非常によくは分かっていない。 生物活性ガラスセラミックスは無定形ガラス相中に埋め込まれた結晶を含む複 合体である。ガラスセラミックスは、その物質中にいろいろな結晶相を制御され た量で含有する。これらの相は主に熱処理により制御する。Ceravital(商標)は ドイツ国で開発されたガラスセラミックスの商標であって、それはガラス相とア パタイト相を含有する。Cerabone（商標）A-W は日本で開発されたガラスセラミ ックスの商標である。この物質はアパタイト相、ケイカイ石及びガラスを含有す る（９）。 生物活性ガラスは約20年間、骨充てん物質及びプロテーゼとして、歯科学、整 形外科学及び眼科学で用いられてきた。現存する生物 活性ガラスのいくつかは軟組織及び硬組織の両方と結合できる（４，５，８，９ ）。しかしながら、生物活性ガラスの使用は、それらが砕けやすいという理由で 制限される。砕けやすい性質による不利益を克服するためにガラスセラミックス を作ることによりガラスを強化できる。他の可能性はガラスを金属基体上のコー ティングとして用いることだろう。この方法で、金属の機械的特性及びガラスの 特異的な骨結合特性(bone-bonding property)の両方を得ることができるだろう 。この方法で製造されたプロテーゼでは、金属は機械的負荷を担当するのに対し 、ガラスはプロテーゼを周囲の組織に固定することを可能とする。しかしながら 、ガラスの熱膨張を金属の熱膨張と調和させなければならないし、ガラスの溶解 性を数年間の結合をもたらすのに十分なように低くしなければならない（３）。 現存する生物活性ガラスは許容し得る粘度−温度依存性を持たず、したがって、 ここに記載した生物活性ガラスは、たとえばコーティングとして適切でない。 しかしながら、生物活性ガラスは、ガラス繊維薄葉紙、球状の微粒子及びコー ティングされたプロテーゼが利用できるなら、もっと大きな使用分野を見い出す だろう。歯科学では、上記ガラス繊維薄葉紙をほぼ骨の強化に用いることができ るだろうし、コーティングされた金属プロテーゼは整形外科学により、たとえば 腰の手術に用いて、具合が良いことを保証するであろう。 公知の生物活性ガラスは骨充てん物質として一定の臨床的用途を獲得した。し かしながら、それらは失透する（結晶化する）傾向があり、それらの実用的範囲 は狭い。したがって、それらは、たとえば金属プロテーゼのコーティングとして 、またはガラス繊維として、満足すべき結果で用いることはできない。それらの 粘度−温度依存性を描写するカーブがほとんどのガラス生成機械には急勾配すぎ るという理由で、それらを慣用の方法を用いて製造することはできない。このよ うに、現存する生物活性ガラスに関する主な欠点は、それらの結晶化する傾向に 由来する。ガラスは粘性の物質であるけれども、それらの内のあるものは低温（ 約 600℃）で結晶化する。これはそれらをたとえば焼結して製品にするか、また は球状の微粒子を製造するのに用いることを困難にする。それらはしばしばシリ カの低含有量のせいで相分離もし、したがってガラスの組成がバッチからバッチ へと異なる。それらは狭い作業温度範囲を有する。図１は狭い作業温度範囲を示 す、２−92型の生物活性ガラス（表１の下の番号39）についてのlog ηを温度の 関数として（ηは dPa・sで表わされる）示す。前記ガラスは、1000℃より高い 、粘度カーブの急勾配の部分によって表示する時に結晶化する。狭い作業温度範 囲は、ガラスをガラス繊維及び他の繊維製品に製造すること並びに種々の型に注 型することを不可能または極端に困難にする。組織中の反応は急速で、それはあ る場合には体の中での強すぎる反応をもたらすことがある。したがって、これら のガラスから作ることができる唯一の残りの製品は微粒子である。 発明の概要 この発明の目的は硬組織及び軟組織に化学的に結合する生物活性ガラスを提供 することである。さらなる必要条件は、生物活性ガラスが急速な治癒方法を提供 し、骨の構造を維持することができ、制御された短期または長期耐久性を持つこ とである。生物活性物質はさらに必要な機械的性質を持ち、所望により再吸収性 であるべきである。さらに、前記生物活性ガラスは製造または生成しやすくなけ ればならず、したがって、それらは大きな作業温度範囲を持たねばならない。前 記ガラスは失透してはならず、それらの滅菌が問題を 生ずるべきではない。 いまや驚くべきことに、上記必要条件を満たす生物活性ガラスがガラス生成組 成物にカリウム及び任意にマグネシウムも加えることにより得られることを見い 出した。そうすることにより適切な粘度−温度依存性が得られ、そのガラスは失 透しない。しかしながら、生物活性は維持される。 したがって、本発明はガラス加工についての適切な作業温度範囲を有する生物 活性ガラスに関し、前記ガラスは、ケイ素の酸化物、リンの酸化物、アルカリの 酸化物、アルカリ土の酸化物及び任意に他の元素の酸化物、たとえばホウ素の酸 化物を含み、前記酸化物は次の量で存在する： SiO₂ 53〜60重量％ Na₂O 0〜34重量％ K₂O 1〜20重量％ MgO 0〜5 重量％ CaO 5〜25重量％ B₂O₃ 0〜4 重量％ P₂O₅ 0.5〜6 重量％ であって、かつ Na₂O＋K₂O ＝ 16〜35重量％ K₂O ＋MgO ＝ 5〜20重量％ MgO ＋CaO ＝ 10〜25重量％。 好ましくは、前記成分の量は次の範囲内で変化する： SiO₂ 53〜56重量％ Na₂O＋K₂O 18〜30重量％ K₂O ＋MgO 7〜20重量％ MgO ＋CaO 12〜25重量％ 残りの成分は前に定義されたとおりである。 ガラス組成物が P₂O₅ １〜４重量％及び B₂O₃ １〜４重量％であると特に大き い作業温度範囲が得られる。 大きい作業温度範囲を有する生物活性ガラスは次の組成範囲で特に高い耐久性 を有する： SiO₂ 53〜60重量％ Na₂O 0〜19重量％ K₂O 1〜17重量％ MgO 3〜5 重量％ CaO 5〜22重量％ B₂O₃ 0〜4 重量％ P₂O₅ 0.5〜6 重量％ であって、かつ Na₂O＋K₂O ＝ 16〜20重量％ K₂O ＋MgO ＝ 5〜20重量％ MgO ＋CaO ＝ 10〜25重量％。 特に良い結果はSiO₂が54〜56重量％で得られる。 大きい作業温度範囲を有する生物活性ガラスは次の組成範囲で特に低い耐久性 を有する： SiO₂ 53〜56重量％ Na₂O 5〜33重量％ K₂O 2〜20重量％ MgO 0〜3 重量％ CaO 7〜25重量％ B₂O₃ 0〜2 重量％ P₂O₅ 2〜6 重量％ であって、かつ Na₂O＋K₂O ＝ 25〜35重量％ K₂O ＋MgO ＝ 5〜20重量％ MgO ＋CaO ＝ 10〜25重量％。 特に好ましい生物活性ガラスは次の組成、すなわち、SiO₂ 54重量％、Na₂O 12 重量％、K₂O 15重量％、MgO ５重量％、P₂O₅ ２重量％、CaO 11重量％及びB₂O₃ １重量％を特徴とする。 他の特に好ましい生物活性ガラスは SiO₂ 53重量％、Na₂O ６重量％、K₂O 12 重量％、MgO ５重量％、P₂O₅ ４重量％及びCaO 20重量％からなる組成を特徴と する。 本発明はさらに大きな作業温度範囲及び制御された耐久性を有する新規な生物 活性ガラスを、バルク物質（稠密または多孔質）として、コーティングとして、 砕いたもしくは球状の微粒子として、ガラスウール及び他の繊維製品（単繊維、 薄葉紙、コード、織物）として、または上記製品の組み合せとして、医療用また は歯科用に用いることに関する。 本発明は前記新規生物活性ガラスと、合金、金属、ポリマー、ヒドロキシアパ タイト及び他のガラスとの複合体にも関する。 本発明はさらに、前記生物活性ガラスを周囲媒地からのリンもしくはカルシウ ムの吸収剤または吸着剤として生物工学において用いることにも関する。 図面の簡単な説明 図１は、測定の間に結晶化する上記狭い作業温度範囲を有する生物活性ガラス （型２−92、表１の番号39）についての粘度−温度依存性を示す。 図２は大きい作業温度範囲を有する生物活性ガラス（型17−93、表１の番号23 ）についての粘度−温度依存性を示す。 図３〜５は、ウサギの脛骨における８週間後の骨（ｂ）とガラス（ｇ）の間の 接触を図示する。図３は型17−93（表１の番号23）のガラスを示し、図４は型５ −92（表１の番号21）のガラスを示し、図５は型１−92（表１の番号18）のガラ スを示す。 図６は、倍率 250×の生物活性ガラス13−93（表１の番号27）から作った球状 の微粒子を示す。 図７ａ及び７ｂは滑らかな表面（図７ａ）または粗面（図７ｂ）を有する基体 上のコーティングを図示する。 図８は、所望の薬剤のための担体として適切な球状のガラス微粒子のマトリッ クスの製造を図示する。 図９は、異なる薬剤（Ａ〜Ｃ）を入れた異なった生物活性のガラス微粒子（開 環）のマトリックスを示す。 図10は、いくつかの生物活性ガラスについてのタンパク質吸着パターンを示す 。 発明の詳細な説明 本発明の生物活性ガラスは大きな作業温度範囲と制御された耐久性を有する。 制御された耐久性は硬組織及び軟組織におけるゆっくりとした初期反応を伴う生 物活性ガラスの製造を可能にし、このゆっくりとした反応がガラスが埋め込まれ る際のいらいらさせる反応を最少限にする。前記ガラスは高生物活性を有してい るが、それらの吸収速度を予想し、制御することができる。これらのガラスのい くつかは非常にゆっくりとした再吸収性であるが、なお生物活性である。これら の特性は若い患者に用いることを可能とし、過敏な組織及び血液中に大量の前記 物質を埋め込むことも可能にする。生物活性と相まった高耐久性は薄いコーティ ング、細いガラス繊維及び繊維薄葉紙として用いることを可能にする。薄板、並 びに小球形微 粒子及び微粒子凝集塊も用い得る。 大きい作業温度範囲を有するガラスの利点 大きい作業温度範囲を有する生物活性ガラスは注型を容易な方法とし、繊維及 び種々の繊維製品を製造することも可能にする。これらのガラスは相分離しない ので球状の微粒子の製造も可能であり、これらの微粒子は次いで結晶化せずに焼 結することができる。図２は、大きい作業温度範囲を有する生物活性ガラス、す なわち、型17−93のガラス（下記表１の番号23、ηは dPa・s で表現されている ）についての粘度−温度依存性を示す。カーブの平坦な形は前記ガラスが大きい 作業温度範囲を有していることを示す。大きい作業温度範囲はガラスをいろいろ な形に吹いて作ることを可能にし、そしていろいろな物質上へのコーティング方 法が可能である。前記ガラスを結晶化の危険なしに炉の外で扱うことができる。 大きい作業温度範囲を有する非−生物活性ガラスは周知であるが、大きい作業温 度範囲を有する生物活性ガラスは本発明より前には開示されていない。 制御された耐久性を有するガラスの利点 ガラスの耐久性を形の変化、ガラスの組成（上記）の変化及び材料の取り扱い 、たとえば熱及び表面処理の変化により制御することが可能である。その１つの 例は内部よりも耐久性の表面を備えた球状の微粒子の製造である。熱処理、たと えば個々の粒子をいっしょに焼結して、個々の粒子の合計の比面積よりも小さい 比面積を有する凝集塊を生成することにより耐久性に影響を及ぼすことができる 。熱処理により耐久性に影響を及ぼす他の例は、適当な焼きなまし温度と速度の 選択である。耐久性はさらに表面処理、たとえば、エッチング、化学的もしくは 物理的表面改変及びイオン交換等により影響を与えることができる。これらの手 段により、加工、製造、殺 菌及び貯蔵の間の反応性は、組織及び生体外の両方において制御することが可能 である。 実験 Na₂O-K₂O-MgO-CaO-B₂O₃-P₂O₅-SiO₂系における40の異なったガラスの研究をし た。そのガラスの組成を表１に開示する。これらの40のガラスの中から、生体外 及び生体内の両方における、さらなる研究のために一定のガラスの組成物を選択 した。研究のために選択したガラスにおける個々の成分の量を、表２に示した範 囲で変化させた。ガラスの生体外での粘度と腐食の性質を公知の方法で試験した （６）。生体内研究をウサギの硬組織及びラットの軟組織で行った。耐久性を標 準方法により測定した。タンパク質吸着特性を高速血漿タンパク質吸着試験（fa st plasma proteinadsorption test）を用いて調査した。ガラスの作業性を球状 微粒子、繊維及び吹いて作られた円筒を製造することにより試験した。 原料物質を1300〜1600℃で溶融することによりガラスを製造した。実験では、 原料物質であるNa₂CO₃，K₂CO₃，MgO，CaCO₃，H₃BO₃及 びCaHPO₄2H₂Oは分析級であった。SiO₂を砂として加えた。代替として、市販の原 料物質も用いることができただろう。ガラスにおける均質性を改善するためにガ ラスを急冷及び再溶融物として用いることもできる。ガラスを医療用途に用いる つもりの時は、汚染をさけるためにガラスをPt／Auるつぼで溶融することができ る。物理的性質に影響を及ぼすために、カリウムと任意にマグネシウムを用いて 、大きな作業温度範囲を有するガラスを生成する。 コーティング並びにいろいろな繊維製品の製造を公知の方法で実施する。球状 の微粒子の製造は火炎溶射により行うことができる。ガラスの内のあるものは相 分離しないまたは失透に過敏ではなく、これは必要により熱処理を繰り返して行 うことを可能にする。 特に好ましい大きな作業温度範囲及び制御可能な耐久性を有する生物活性ガラ スを、SiO₂含有量が約53〜54重量％である組成物に見い出した。しかしながら、 魅力的なガラスが見い出されると期待される範囲は、SiO₂が約53〜60重量％と推 定される。 試験方法と結果 すべてにおいて、表２に記載した組成範囲内の40のガラスを試験した。 耐久性を標準方法で測定し、粘度−温度依存性を高温顕微鏡で測定した。硬組 織中の反応が立証され、３つのガラスが軟組織中に埋め込まれた。その結果をガ ラスを模擬体液(SBF)中に浸した時に達成された結果と比較した（７）。11のガ ラスについてのタンパク質吸着特性も測定した。作業性は、生物活性ガラスの球 状の微粒子を火炎溶射で製造することにより試験した。１つの生物活性ガラスを 吹き成形ガラス円筒の製造のためにも選択し、２つの生物活性ガラスの繊維を実 験室規模で製造した。 耐久性 40のガラスの耐久性をスエーデン標準法SS13 63 21を用いて測定した。この方 法によると２ｇのガラス（粒径 300〜500 μｍ）を50mlの98±0.5 ℃の水中に１ 時間保つ。25mlのその溶液を中和し、その結果を１ｇのガラスにつき消費された 0.01Ｍ HClのmlでの量で表現する（Ｐ₉₈）。その結果を表３に示す。 下記の用途については１ｇのガラスにつき0.01Ｍ HClを2.5mlより多く消費す るすべてのガラスが特に重要である。 模擬体液中の腐食（生物活性のための生体外試験） 模擬体液(SBF)中に浸たすことによって40のガラスを試験した（７）。その溶 液の組成を表４に示す。すべてのガラスは72時間、さらにいくつかのガラスはそ れぞれ24時間、７日、14日、28日、90日及び 180日、約37℃で SBF中に溶液容積 に対する表面積比（SA／Ｖ）＝ 0.1〜0.4 cm^-1に維持して、実験を行った。 試料を電子顕微鏡(SEM)及びエネルギー分散Ｘ線分析（EDXA）を走査すること によって検査した。SBF中で72時間の腐食後の表面反応を表５に提示した。ガラ ス表面反応を SBF中の反応にしたがって、Ａ（不活性ガラス）、Ｂ（シリカゲル ）、Ｃ（まばらなCa，Ｐ）及びＤ（シリカゲル及びCa，Ｐ層）で表わす４つの群 のいずれかに分類した。 ガラス中の低シリカ及び高アルカリ含有量はシリカゲルの生成及びそれに続く ガラス表面でのアパタイトの沈殿を促進するようである。表５の各結果は３つの 実験の平均である。 粘度 40のガラスについての粘度−温度依存性をライツ(Leitz)の高温顕微鏡を用い て測定した（10）。この顕微鏡で、ガラスの円筒の変形が加熱の間に観察され、 さらにその変形はガラス溶融物の粘度に関係することがある。粘度−温度依存性 を参照（10）に記載された た。その結果を表６に示す。温度読み取りの再現性は通常±20℃であった。炉の 加熱は最大限12℃／分であった。非−ニュートン性並びに結晶化の兆候を示すガ ラスをその結果のモデル化から排除した 。 大きな温度範囲にわたり、シリカガラスは、まったく正確に式： log η＝Ａ＋Ｂ／Ｔ （式中、ηは dPa・s での粘度、Ａ及びＢは常数で、Ｔはケルビン温度である。 ）にしたがう。上記式において、log ηは１／Ｔの線状関数で、常数Ａ及びＢの 組成依存は線状回帰分析を用いて評価できる。次の結果が得られた： 上記の式において、ガラス成分を重量％で温度はケルビンで示している。モデ ルは有意性レベル95％で試験し、回帰率は 92.54％で、推定残存標準偏差は 0.6 3dPa・s である。52重量％より多くのSiO₂を含有するガラスについての高温顕微 鏡を用いた測定からのすべての結果をモデル化に用いた。モデルについての有効 範囲を表２に示す。しかしながら、モデルの目的についてのSiO₂の含有量は52重 量％を越えるべきである。 硬組織における反応 表１に開示された組成物から選択した26のガラスの円錐体（高さ４〜６mm、横 断面４〜５mm）をニュージーランドウサギの成体に８週間埋め込んだ。殺菌した 塩溶液で洗浄した歯科用ドリルを用いて各脛骨に円錐形の内をあけた。一般的な 麻酔と標準無菌状態で手術を行った。ウサギを殺した後、組織反応を光学顕微鏡 で研究した。皮層部分における骨とインプラントとの間の接触を組織形態計測で 測定した。組織の残りの部分を SEM及びEDXAにより調査して、ガラスと骨の間の 境界面における反応を評価した。 その結果を表７及び図３〜５に示す。図において、「ｂ」は骨、「ｇ」はガラ スを表わす。ガラスと骨の間の反応ゾーンにおけるシリカゲル層並びにカルシウ ム及びリン酸塩（Ca，Ｐ）層の蓄積を生物活性の兆候と解した。反応性を生体外 実験と同様な基準を用いて４つの群（Ａ〜Ｄ）に分類した。表７に示した生物活 性についての値は同じガラスの４または５試料の平均の結果である。図３〜５は ウサギの脛骨における８週間後の骨とガラスの接触を図解する。図３は型17−93 のガラス（表１及び７の番号23）を示す。シリカゲル（ｓ）層とCa，Ｐ（ｃ）層 がガラス（ｇ）と骨（ｂ）の間に蓄積した。図３はガラス17−93が生物活性であ ることを示している。図４は型５−92のガラス（表１及び７の番号21）を表わす 。シリカゲル（暗いしま）及びCa，Ｐ（明るいしま）の外皮でおおった層をガラ ス（ｇ）と骨（ｂ）の間に見ることができる。図４はガラス５−92がある程度の 生物活性を有していることを示す。図５は型１−92のガラス（表１及び７の番号 18）を示す。図５は、この型のガラスは生物活性に関して不活性であることを実 証する。シリカゲルまたはCa，Ｐの層がガラスと骨の間に生成していない。この ガラスはP₂O₅を含有していない。 生体内試験で生物活性を示すガラスであるＤ群は骨髄で単核性の炎症性反応を 引き起こさないか、または非常に穏やかな前記反応を引き起こす。他の生物活性 群Ａ〜Ｃにおける炎症は穏やかから中位まで変化した。すべての生物活性群のい くつかのガラス円錐体に関連して、巨大細胞の小さい集団が見られた。群Ｄでは 壊れやすい繊維状のカプセルが、骨髄空間に突出しているガラス円錐体の先端を 取り囲んでいた。このカプセルは生体内表面反応が低下するにつれガラス円錐体 の先端の周囲に厚くなる傾向があった。 いくつかのガラスは生体で、ガラスと骨の間の反応ゾーンにシリカゲル及びCa ，Ｐを層状構造として発達させた。この現象は図４で見ることができ、50〜55重 量％のSiO₂及び０〜２重量％のP₂O₅を有 するいくつかのガラスに見い出された。生体外における相当する反応はシリカゲ ルのてっぺんにまばらなCa，Ｐの生成を示した。 ガラス組成物及び生体内におけるガラス反応（GR）の間の依存は、ガラス成分 を重量％で、試験された有意性レベル95％で、 と記載することができる。回帰率は 88.50％で、評価された残存標準偏差は0.51 である。このモデルの目的のために、ガラス反応は表７のＡ値がガラス反応＝１ 、Ｂがガラス反応に、Ｃが３、Ｄが４になるように数字で表現した。この式にお ける成分についての限定は表２に示されている。 この実験では生物活性ガラスはシリカ含有量が56重量％より少ない時に見い出 される。生物活性ガラスを見い出す確率は、上記式に見られるように、アルカリ 、アルカリ土及びさらにP₂O₅の含有量に依存する。下記の用途に特に関心を引く ガラスはSiO₂が61重量％よりも少ないものである。 軟組織における反応 大きな作業温度範囲と種々の耐久性を有する生物活性ガラスをラットの皮下に 埋め込んだ。ガラスは９−93，13−93及び17−93であった。ガラス89−９（４， ５）を対照として用いた。80匹のロング−エバンスラット（重さ 200〜400 ｇ） の成体を実験動物として用いた。外科的手順をヒプノルム／ドルミクム(Hypnorm ／Dormicum)麻酔の下に行った。背面部に経皮切開を行い、インプラントのため に皮下空間を作った。３本のガラス棒（直径 0.8〜1.2mm、長さ５mm）を各ラッ トに埋め込んだ。埋め込み期間は３日、７日、14日及び28日、並びに６ケ月であ った。埋め込み期間後、ラットを CO₂で 殺した。インプラントを周囲の組織から除いた。試料をアルコールで固定し、プ ラスチックに埋め込んだ。光学顕微鏡 SEM及びEDXAを用いる分析のために試料を 調製した。 埋め込み後１週間以内にガラスの再吸収が始まった。埋め込み後のガラス反応 を表８に示す。 タンパク質の吸着 11の生物活性ガラス（表９）へのタンパク質の吸着を高速血漿タンパク質吸着 試験を用いて調査した。タンパク質吸着試験の結果をヒドロキシアパタイト（HA ）及び不活性ガラスについてのものと比較した。血漿タンパク質吸着試験を用い てタンパク質プロフィールを得た。アルブミンはすべての生物活性ガラスに吸着 される主要なタンパク質である。生物活性ガラスのタンパク質吸着特性はヒドロ キシアパタイト及び不活性ガラスからのものとかなり異なる。 ヘパリン化した管中に採取した血液からヒト血漿を調製した。血漿を、4000× ｇで10分間遠心分離することにより分離し、−20℃で貯蔵した。使用前に、血漿 をTBS(10mM Tris-HCl、150mM NaCl、pH＝7.4)で１：４に希釈した。ほぼ200μｍ の粒径のHAをBDH Chemicals Ltd(プール，英国)から得、不活性ガラスをHackman -Iittala(フィンランド)から得た。不活性ガラスを破砕し、ふるいにかけた(315 〜500 μｍ)。 ガラス粒子(100mg)及びHA（50mg）を１mlの希釈した血漿と、Nunc Cryo Tubes (Nunk、ロスキルデ，デンマーク)中で室温で30分間のエンド−オーバー−エンド （end-over-end）回転によりインキュベートする。この処理後、この粒子を２ml の TBSを用いてエンド−オーバー−エンド回転により洗浄した。吸着したタンパ ク質をドデシル硫酸ナトリウム ポリアクリルアミド ゲル電気泳動（SDS-PAGE ，Phast System（商標），Pharmacia，スエーデン）で分析した。この粒子を 12 0μｌの蒸留水及び30μｌの変性緩衝液(15％の SDS及び５％のグリコールを含有 する、0.2Ｍリン酸ナトリウム、pH＝7.0)中で、５分間 100℃で加熱した。透明 にした溶液をSDS-PAGEにかけ、製造者の指示にしたがって、銀で染色した。標準 タンパク質をBio Rad(米国，カリフォルニア州，リッチモンド)から得た。 すべての生物活性ガラスは血漿から主にアルブミンを吸着した。図10はいくつ かの生物活性ガラスについてのタンパク質吸着パターンを示す。キロダルトン（ kD）による分子量を左に示す。略語：St＝標準、１＝ガラス９−93、２＝ガラス 13−93、３−ガラス14−93、４＝ガラス17−93、５＝ガラス19−13、Ｗ＝不活性 、Ｐ＝血漿及びHA＝ヒドロキシアパタイトである。不活性ガラスは広い血漿タン パク質吸着プロフィールを示した。アルブミンに加えて、それは免疫グロブリン (MW約150kD)及びフィブリノーゲン(MW約400kD)の分子量（MW）範囲からのタンパ ク質を吸着した。HAも広い血漿タンパク質吸着プロフィールを示した。 タンパク質吸着特性におけるいくらかの相違が生物活性ガラスの間に見られる 。これらの相違は特に免疫グロブリンの分子量範囲に、及びアルブミン（MW約69 kD）の分子量よりも低分子量のタンパク質について生じる。 この発明の生物活性ガラスの用途 本発明の生物活性ガラスは、破砕した、もしくは球状の微粒子、稠密もしくは 多孔質バルク物質、コーティング、ガラス繊維製品、複合体並びに前記のものの 組み合せとして用い得る。異なる物質の 用途は下記する。 破砕されたもしくは球状の微粒子 破砕された微粒子、球状の微粒子、焼結した球状の微粒子及び凝集塊としての 焼結した球状の微粒子を骨の欠損及び軟組織に充てん物質として、特に歯周骨ポ ケットの充てん物として、並びに歯科用歯根充てん物として及び歯髄切除に用い ることができる。焼結微粒子は薬剤の徐放に適切であって、薬剤及び薬品と混ぜ ることができる。微粒子は内部よりも耐久性の表面を有することができ、焼結さ れた時、前記物質を外科手術の間に形づくることができる。微粒子も注射により 埋め込むことができる。表面活性は種々の方法、たとえばエッチング及びコーテ ィングにより変えられる。 図６は、生物活性ガラス13−93（表１の番号27）から作った球状の微粒子の倍 率250×の写真を示す。微粒子のサイズは74〜125 μｍである。 稠密な物質 稠密な物質は上記の破砕されたまたは球状の微粒子として、すなわち、骨欠損 部及び軟組織の充てん剤として、薬剤の徐放に、並びに組織の誘導に用いること ができる。前記材料を、鋳込み、圧縮及び吹きとして製造するとき有用であろう 。 多孔質バルク物質 多孔質バルク物質を破砕された、または球状の微粒子として、上記稠密なバル ク物質のように用いることができる。これらの製品は定義された多孔度を有して いる。 コーティング このガラスをたとえば合金、金属、他のガラス及びセラミックス上にコーティ ングとして用い得る。コーティングは種々の厚さでよく、層は単層コーティング 及び多層コーティングからなることもあ る。上記コーティングされた物質は医療用及び歯科用インプラント（たとえば、 腰関節、骨添加物、装具並びに固定化ピン及びねじ）並びに遺伝子工学用、歯科 用及び医療器具として用いるのに適当である。コーティングは稠密または多孔質 のいずれかであり得る。 ガラス繊維製品 ガラス繊維及びウールは、単繊維、薄葉紙、織物、コード、環、圧縮されたも の、錠剤及びペレットの形で用い得る。これらの物質は、上記の破砕されたもし くは球状の微粒子、稠密バルク物質、多孔質バルク物質及びコーティングと同じ 目的のために用い得る。 物質の組み合わせ 上記物質の組み合わせも混ぜ物のない物質と同じ目的に用い得る。例として、 制御された耐久性のために、コーティング上に、バルク物質上にまたは微粒子上 に焼結して用いられる球状微粒子または繊維に言及することができる。 複合体 １またはそれよりも多い上記物質と、合金、金属、ポリマー及び他のガラスを 含む複合体を製造することができる。種々の形のヒドロキシアパタイトとこれら の物質との複合体は、凝集塊、ペレット、多孔質バルク物質、微粒子またはコー ティングとして用い得る。 図７ａ〜９はこの発明の生物活性ガラスのいくつかの用途を図解する。図７ａ 及び７ｂは、滑面（図７ａ）及び粗面（図７ｂ）を備えた基体上のコーティング の例を図解する。図７ａ及び７ｂにおける第１層Ａは耐久性で、基体の熱膨張係 数と適合する熱膨張係数を持つことができる。この層は、たとえば基体から周囲 の組織へのイオン拡散を防ぐ。考えられる第２層Ｂはまだかなり耐久性であるか もしれないが、それにもかかわらず第３層Ｃが骨と反応するのに対し、軟組織と 結合するだろう。埋め込みのために、１またはそれよ りも多いコーティングを備えた基体も用い得るが、所望なら、球状の生物活性ガ ラス微粒子の層を外側の層としてはりつけることができる。図８は、凝集塊の製 造のために生物活性ガラスを用いることを図解する。破砕されたガラスから作っ たガラス凝集塊は半球状形が得られるまで加熱する。加熱を継続すると、所望の 薬剤、たとえば治療的に活性な薬剤を混ぜることができる球状の微粒子を有する 凝集塊を生ずる。図９は、異なる薬剤Ａ，Ｂ及びＣを混ぜた種々の生物活性ガラ ス微粒子（開環）のマトリックスを示す。このマトリックスは、たとえば組織誘 導のために設計された中空または多孔質のインプラントに用いるのに特に適切で ある。種々のガラス微粒子を種々の耐久性を有する生物活性ガラスから作ること ができる。 本発明を多くの態様の形で組み入れることができ、本明細書にはその内のほん の少しを開示したにすぎないことが分かるであろう。発明の精神から離れること なく、他の態様が存在することが、当業者には明らかであろう。したがって、記 載された態様は説明のためであって、制限するものとして解すべきではない。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ， ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，Ｕ Ｇ)，ＵＡ(ＡＺ，ＢＹ，ＫＺ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，Ａ Ｌ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ， ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，Ｋ Ｐ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ， ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，Ｓ Ｋ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ ，ＶＮ (72)発明者 ブリンク，マリア フィンランド国，エフイーエン−20540 オーボウ，スタムベーゲン ４ エー 133 (72)発明者 カールソン，カイ フィンランド国，エフイーエン−20720 オーボウ，ドラゴンベーゲン 48 (72)発明者 ユリ−ウルポ，アンティ フィンランド国，エフイーエン−20660 リットイネン，バルティナガテン 17

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．ガラス加工に適切な作業温度範囲を有する生物活性ガラスであって、前記 生物活性ガラスはケイ素の酸化物、リンの酸化物、アルカリの酸化物、アルカリ 土の酸化物及び任意に他の元素の酸化物、たとえばホウ素の酸化物を含み、前記 酸化物は次の量、 SiO₂ 53〜60重量％ Na₂O 0〜34重量％ K₂O 1〜20重量％ MgO 0〜5 重量％ CaO 5〜25重量％ B₂O₃ 0〜4 重量％ P₂O₅ 0.5〜6 重量％ であって、かつ Na₂O＋K₂O ＝ 16〜35重量％ K₂O ＋MgO ＝ 5〜20重量％及び MgO ＋CaO ＝ 10〜25重量％ で存在することを特徴とする生物活性ガラス。 ２．次の組成を特徴とする請求項１記載の生物活性ガラス： SiO₂ 53〜56重量％ Na₂O 10〜28重量％ K₂O 2〜20重量％ MgO 0〜5 重量％ CaO 7〜25重量％ B₂O₃ 0〜4 重量％ P₂O₅ 0.5〜6 重量％ であって、かつ Na₂O＋K₂O ＝ 18〜30重量％ K₂O ＋MgO ＝ 7〜20重量％及び MgO ＋CaO ＝ 12〜25重量％。 ３．P₂O₅が１〜４重量％で、B₂O₃が１〜４重量％であることを特徴とする請求 項１または２記載の生物活性ガラス。 ４．高耐久性を有する請求項１記載の生物活性ガラスであって、次の組成： SiO₂ 53〜60重量％ Na₂O 0〜19重量％ K₂O 1〜17重量％ MgO 3〜5 重量％ CaO 5〜22重量％ B₂O₃ 0〜4 重量％ P₂O₅ 0.5〜6 重量％ であって、かつ Na₂O＋K₂O ＝ 16〜20重量％ K₂O ＋MgO ＝ 5〜20重量％及び MgO ＋CaO ＝ 10〜25重量％ を特徴とする生物活性ガラス。 ５．SiO₂が54〜56重量％であることを特徴とする請求項４記載の生物活性ガラ ス。 ６．低耐久性を有する請求項１記載の生物活性ガラスであって、次の組成： SiO₂ 53〜56重量％ Na₂O 5〜33重量％ K₂O 2〜20重量％ MgO 0〜3 重量％ CaO 7〜25重量％ B₂O₃ 0〜2 重量％ P₂O₅ 2〜6 重量％ であって、かつ Na₂O＋K₂O ＝ 25〜35重量％ K₂O ＋MgO ＝ 5〜20重量％及び MgO ＋CaO ＝ 10〜25重量％ を特徴とする生物活性ガラス。 ７．次の組成を特徴とする請求項１記載の生物活性ガラス： SiO₂ 54重量％ Na₂O 12重量％ K₂O 15重量％ MgO 5重量％ P₂O₅ 2重量％ CaO 11重量％ B₂O₃ 1重量％。 ８．次の組成を特徴とする請求項１記載の生物活性ガラス： SiO₂ 53重量％ Na₂O 6重量％ K₂O 12重量％ MgO 5重量％ P₂O₅ 4重量％ CaO 20重量％。 ９．破砕されたまたは球状の微粒子の状態の請求項１〜８のいずれか１項記載 の生物活性ガラスの使用であって、骨の欠損、軟組織における充てん物質として の使用、歯髄切除における歯根充てん剤としての使用または薬物の徐放のための 使用。 10．稠密なまたは多孔質バルク物質の状態の請求項１〜８のいずれか１項記載 の生物活性ガラスの使用であって、骨の欠損、軟組織における充てん物質として の使用、歯髄切除における歯根充てん剤としての使用、薬物の徐放のための使用 または組織誘導のための使用。 11．請求項１〜８のいずれか１項記載の生物活性ガラスの使用であって、医療 用または歯科用インプラントとして用いる、合金、金属、ガラス、セラミックス 及びその他類似のもののコーティングのための使用。 12．単繊維、薄葉紙、織物、コード、環、圧縮錠剤もしくはペレット及びその 他類似のものの形にある、ガラス繊維またはグラスウールについての請求項１〜 ８のいずれか１項記載の生物活性ガラスの使用であって、骨の欠損、軟組織にお ける充てん物質のための使用、歯髄切除における歯根充てん剤としての使用、薬 物の徐放のための使用または組織の誘導のための使用。 13．請求項１〜８のいずれか１項記載の生物活性ガラスの使用であって、遺伝 子工学方法における、周囲の媒体からのリン及び／またはカルシウムのための吸 収剤または吸着剤としての使用。