JP2001046489A

JP2001046489A - 骨補填材

Info

Publication number: JP2001046489A
Application number: JP11224781A
Authority: JP
Inventors: Shunsuke Komatsudani; 俊介小松谷
Original assignee: Nippon Electric Glass Co Ltd
Current assignee: Nippon Electric Glass Co Ltd
Priority date: 1999-08-09
Filing date: 1999-08-09
Publication date: 2001-02-20

Abstract

(57)【要約】【課題】生体骨と早期に結合し、しかも欠損部位への
材料の初期固定性に優れるとともに機械的強度の高い骨
補填材を提供する。【解決手段】アパタイト、ウオラストナイト、ジオプ
サイトから選ばれる少なくとも１種が析出したＳｉＯ₂
−Ｐ₂Ｏ₅−ＣａＯ−ＭｇＯ系結晶化ガラスからなる骨補
填材であって、緻密な基体部と多孔質な表層部とが一体
的に形成されてなり、該表層部は、直径１００μｍ以上
の球状気孔と、直径１００μｍ以下の連続気孔を有する
ことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は骨補填材に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】従来、欠損した骨の補填には、患者本人
の正常部位から採取した自家骨が用いられていたが、こ
の方法では損傷箇所以外の骨組織を切除するため、患者
の苦痛が大きいこと、その手術を行うに当たって多大な
労力を要すること、自家骨の採取量に限界があること等
の問題を有している。このような事情から、自家骨に代
わって人工的に作製した骨補填材を使用することが盛ん
に行われるようになってきている。

【０００３】骨補填材として種々の材料が提案されてい
るが、高強度で生体骨と化学的に結合することのできる
生体活性結晶化ガラスが近年注目を集めている。この種
の結晶化ガラスとしては、アパタイト（Ｃａ₁₀（Ｐ
Ｏ₄）₆Ｏ）、ウオラストナイト（ＣａＯ・ＳｉＯ₂）、
ジオプサイト（ＣａＯ・ＭｇＯ・２ＳｉＯ₂）から選ば
れる少なくとも１種を析出したＳｉＯ₂−Ｐ₂Ｏ₅−Ｃａ
Ｏ−ＭｇＯ系の組成を有するものが知られている。

【０００４】ところで骨補填材を使用する場合、生体骨
と結合するまでの期間における材料の固定性、即ち初期
固定性が非常に重要である。初期固定性が悪い場合、い
かに材料が優れていても、骨補填材が生体内で移動して
しまい、結果的に生体骨と結合できずに脱転してしま
う。良好な初期固定性を得る方法として、少なくとも材
料表層部を多孔質にして表面に凹凸をもたせ、生体骨に
引っかかり易くすることが考えられる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、材料表
層部を多孔質にして十分な初期固定性を得るには、多孔
質部分の気孔率を高くする必要があるが、この場合には
多孔質部分の機械的強度が著しく低下するため、例えば
椎体等の大きな荷重のかかる部位には使用することがで
きない。

【０００６】本発明の目的は、生体骨と早期に結合し、
しかも欠損部位への材料の初期固定性に優れるとともに
機械的強度の高い骨補填材を提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者は種々の研究を
行った結果、機械的強度を低下させずに初期固定性を良
好にするためには、体液を素早く吸い込むことができる
微細な連続気孔を表層の多孔質部分に形成し、これによ
って材料を生体骨に吸着させるようにすればよいことを
見いだし、本発明として提案するものである。

【０００８】即ち本発明の骨補填材は、アパタイト、ウ
オラストナイト、ジオプサイトから選ばれる少なくとも
１種が析出したＳｉＯ₂−Ｐ₂Ｏ₅−ＣａＯ−ＭｇＯ系結
晶化ガラスからなる骨補填材であって、緻密な基体部と
多孔質な表層部とが一体的に形成されてなり、該表層部
は、直径１００μｍ以上の球状気孔と、直径１００μｍ
以下の連続気孔を有することを特徴とする。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明の骨補填材は、表層部が球
状気孔と微細な連続気孔とを含む多孔質体からなる。本
発明においては、球状気孔の存在によって材料表面に凹
凸が現れ、機械的な噛合力で骨補填材が生体骨に引っか
かり易くなる。また微細な連続気孔の存在により、直ち
に体液が材料内部に吸い込まれて気孔内が体液で満たさ
れる。その結果、材料と生体骨との間に空気層が介在し
なくなり、材料と生体骨とが互いに吸着する。このよう
にして噛合力と吸着力との相乗効果により、優れた初期
固定性を得ることができる。

【００１０】球状気孔は、平均直径が１００μｍ以上
（好ましくは２５０〜４０００μｍ）であり、また表層
部に占める気孔率が１０〜４０体積％（特に１５〜３０
％）であることが好ましい。気孔直径が１００μｍより
小さくなると、或いは気孔率が１０体積％より低くなる
と機械的な噛合力が不十分となる。一方、気孔直径が４
０００μｍより大きくなると、或いは気孔率が４０体積
％より高くなると多孔質部分の機械的強度が低下し易く
なる。なお球状気孔は、必ずしも連通している必要はな
いが、球状気孔同士が直接、或いは連続気孔を介して連
通している方が、気孔内部にまで新生骨が増生侵入する
ため好ましい。

【００１１】連続気孔の気孔径は平均１００μｍ以下
（好ましくは８０μｍ以下）であり、また表層部に占め
る気孔率が１０〜４０体積％（特に１５〜３０％）であ
ることが好ましい。気孔直径が１００μｍより大きくな
ると、或いは気孔率が１０体積％より小さくなると体液
を十分に吸い込み難くなる。一方、気孔率が４０体積％
より高くなると表層部の機械的強度が著しく低下する。

【００１２】また本発明の骨補填材は、アパタイト、ウ
オラストナイト、ジオプサイト等を析出したＳｉＯ₂−
Ｐ₂Ｏ₅−ＣａＯ−ＭｇＯ系結晶化ガラスからなる。この
系の結晶化ガラスは生体活性があり、自然骨と化学的に
結合することができる。また高い機械的強度を有してい
る。この系の結晶化ガラスとしては、例えば重量％でＳ
ｉＯ₂ ２２〜５０％、Ｐ₂Ｏ₅ ８〜３０％、ＣａＯ
２０〜５３％、ＭｇＯ１〜１６％、Ａｌ₂Ｏ₃ ０〜９
％、Ｆ₂ ０〜２％、Ｂ₂Ｏ₃ ０〜５％の組成を有する
ものが機械的強度が高く、しかも生体親和性や生体活性
に優れているために特に好ましい。

【００１３】なお本発明の骨補填材は、上記特徴を有す
るものであれば、その形状は特に限定されるものではな
く、例えば図１に示すように、緻密な基体部１１の上下
に多孔質な表層部１２ａ、１２ｂが設けられた矩形状の
補填材１や、図２に示すように、緻密な円柱状の基体部
２１の周囲に多孔質な表層部２２が設けられた円柱状の
補填材２等の形状が採用できる。なお図１、２中、１２
１及び２２１は球状気孔を、１２２及び２２２は連続気
孔をそれぞれ示している。

【００１４】次に本発明の骨補填材を製造する方法につ
いて、図１の形状を有する補填材を例にあげて説明す
る。

【００１５】まずアパタイト、ウオラストナイト、ジオ
プサイト等を析出する性質を有するＳｉＯ₂−Ｐ₂Ｏ₅−
ＣａＯ−ＭｇＯ系結晶性ガラス粉末を用意する。なおガ
ラス粉末は、平均粒径３〜１０μｍ程度のものを使用す
ることが好ましい。

【００１６】また球状気孔形成用有機物粒子及び連続気
孔形成用有機物粒子を用意する。球状気孔形成用有機物
粒子としては、焼失温度が２００〜７００℃で、３００
〜５０００μｍ程度の平均粒子径を有する球状粒子を使
用する。具体的にはポリスチレン、ポリメチルメタクリ
レート、パラフィンワックス等が入手が容易であるため
好ましい。連続気孔形成用有機物粒子としては、焼失温
度が２００〜７００℃で、約１００μｍ以下の平均粒子
径を有するものを使用する。具体的には結晶セルロー
ス、メチルセルロース、澱粉、ポリビニルアルコール、
ポリビニルブチラール等が入手が容易であるため好まし
い。

【００１７】次いで、ガラス粉末と有機物粒子を均一に
混合し、表層部用混合粉末を得る。なおガラス粉末と有
機物粒子の混合割合は、重量％でガラス粉末５０〜８０
％、球状気孔形成用有機物粒子１０〜２５％、連続気孔
形成用有機物粒子１０〜２５％の範囲が好適である。

【００１８】続いて、金型内に混合粉末、ガラス粉末、
混合粉末の順に充填してプレスし、必要に応じてさらに
ＣＩＰ成形して成形体を得る。

【００１９】その後、成形体を約１０００〜１２００℃
で２〜８時間程度焼成し、有機物粒子を焼失させるとと
もに、ガラス粉末を焼結及び結晶化させる。このように
して基体部１１と表層部１２ａ、１２ｂとが一体的に形
成されるとともに、表層部１２ａ、１２ｂが、球状気孔
１２１と連続気孔１２２を有する多孔質体からなる骨補
填材１０を得る。なお表層部表面の気孔が開口していな
い場合は、その部分を研磨すればよい。

【００２０】

【実施例】以下、本発明の骨補填材を実施例に基づいて
説明する。

【００２１】表１、２は本発明の実施例（試料Ｎｏ．１
〜９）、及び比較例（試料Ｎｏ．１０、１１）を示して
いる。

【００２２】

【表１】

【００２３】

【表２】

【００２４】試料Ｎｏ．１〜９の試料は次のようにして
調製した。

【００２５】まず、重量％でＳｉＯ₂ ３４．０％、Ｃ
ａＯ４４．７％、ＭｇＯ４．６％、Ｐ₂Ｏ₅ １６．
２％、Ｆ₂ ０．５％の組成になるようにガラス原料を
調合し、白金坩堝に入れて１４００〜１６００℃で３時
間溶融した後、ロール成形し、ボールミルにて粉砕した
粉末を、２００メッシュの篩で分級してガラス粉末を得
た。

【００２６】また、上記と同様にして得られたガラス粉
末１００重量％に対して、ポリスチレンビーズ（平均粒
径６００〜２５００μｍ）を１２．５〜５０％、結晶セ
ルロース粉末（平均粒径１００μｍ以下）を１２．５〜
５０％を加えてボールミルにて混合し、表層部用混合粉
末を得た。

【００２７】次に、８０ｍｍ×１００ｍｍの金型に混合
粉末３０〜５０ｇを充填し、１０〜２０ｋｇ／ｃｍ² の
圧力で加圧した。次いで、この上にガラス粉末７０ｇを
充填し、１０〜２０ｋｇ／ｃｍ² の圧力で再び加圧し
た。更にその上から、混合粉末３０〜５０ｇを充填し、
５０〜１００ｋｇ／ｃｍ² の圧力で一体に成形して予備
成形体を得、得られた予備成形体を１０００〜２０００
ｋｇ／ｃｍ² の静水圧でＣＩＰ成形して成形体を得た。

【００２８】次に、成形体を１時間に３０〜３００℃の
速度で昇温し、１０００〜１２００℃で４時間焼成する
ことにより、ポリスチレンビーズ及び結晶セルロース粉
末を焼失させるとともに、ガラス粉末を焼結、結晶化さ
せて、中央部に厚さ４ｍｍの緻密質部分と、上下に厚さ
２．５ｍｍの多孔質部分を有し、多孔質部分に平均気孔
直径１００〜２０００μｍ、気孔率１０〜４０％の球状
気孔と、平均気孔直径５０〜１００μｍ、気孔率１０〜
４０％の連続気孔を有する６０×８５×９ｍｍの大きさ
の結晶化ガラス体を得た。なおこの結晶化ガラス体は、
Ｘ線回折の結果、アパタイト、ウオラストナイト、ジオ
プサイドを析出していた。

【００２９】次に、得られた結晶化ガラス体の上下多孔
質部分を各０．５ｍｍ研磨して球状気孔を開口させた後
に、８×１２×８ｍｍに切断して、図１に示すような試
料を得た。

【００３０】また試料Ｎｏ．１０は次のようにして作製
した。

【００３１】まず、上記と同様にして作製したガラス粉
末７０ｇを８０ｍｍ×１００ｍｍの金型に充填し、５０
〜１００ｋｇ／ｃｍ² の圧力で加圧して予備成形し、得
られた予備成形体を１０００〜２０００ｋｇ／ｃｍ² の
静水圧でＣＩＰ成形して成形体を得た。次に、成形体を
１時間に３０〜３００℃の速度で昇温し、１０００〜１
２００℃で４時間焼成することにより、ガラス粉末を焼
結、結晶化させて、６０×８５×８ｍｍの大きさの緻密
な結晶化ガラス体を得た。さらに得られた結晶化ガラス
体を切断し、８×１２×８ｍｍの基体部を得た。

【００３２】またガラス粉末１００重量％に対して、水
６０％、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）３％を混合し
てスラリーとし、このスラリーを１０×１５×３ｍｍ
で、平均気孔直径３００μｍのウレタンフォームに適当
量含浸して乾燥させた。次いで、この乾燥物を１時間に
３０〜３００℃の速度で昇温し、１０００〜１２００℃
で４時間焼成することにより、ＰＶＡ及びウレタンフォ
ームを焼失させるとともに、ガラス粉末を焼結、結晶化
させて、平均気孔直径２００μｍ、気孔率７０％で、８
×１２×２ｍｍの大きさを有する多孔質結晶化ガラスか
らなる表層部を作製した。

【００３３】次に、基体部の上下面に、ガラス粉末、
水、及びＰＶＡを混合して得たスラリーを塗布し、これ
に表層部を接着した後、１時間に３０〜３００℃の速度
で昇温し、１０００〜１２００℃で４時間焼成すること
により、ガラス粉末を軟化させて基体部と表層部を結合
させるとともに、軟化した該ガラス粉末を結晶化させ
た。このようにして中央部に厚さ４ｍｍの緻密な基体部
と、その上下に厚さ２ｍｍで、平均気孔直径２００μ
ｍ、気孔率７０％の連続気孔を有する表層部とが一体的
に形成された大きさ８×１２×８ｍｍの試料Ｎｏ．１０
を得た。なお、この結晶化ガラスも実施例と同様に、ア
パタイト、ウオラストナイト、ジオプサイドを析出して
いた。

【００３４】また試料Ｎｏ．１１は次のようにして作製
した。

【００３５】まず、上記と同様にして作製したガラス粉
末１４０ｇを８０ｍｍ×１００ｍｍの金型に充填し、５
０〜１００ｋｇ／ｃｍ² の圧力で加圧して予備成形し、
得られた予備成形体を１０００〜２０００ｋｇ／ｃｍ²
の静水圧でＣＩＰ成形して成形体を得た。次に、成形体
を１時間に３０〜３００℃の速度で昇温し、１０００〜
１２００℃で４時間焼成することにより、ガラス粉末を
焼結、結晶化させて、６０×８５×８ｍｍの緻密な結晶
化ガラス体を得た。さらに得られた結晶化ガラスを切断
加工し、８×１２×８ｍｍの大きさの試料Ｎｏ．１１を
得た。なお、この結晶化ガラスも実施例と同様に、アパ
タイト、ウオラストナイト、ジオプサイドを析出してい
た。

【００３６】次に各試料について曲げ強度、脱転率及び
自然骨との結合力を評価した。結果を各表に示す。

【００３７】表から明らかなように、本発明の実施例で
ある試料Ｎｏ．１〜９は、曲げ強度が１３０〜１８６
ＭＰａであり、表層部の気孔率が同等である比較例（試
料Ｎｏ．１０）の曲げ強度（１１０ＭＰａ）と比べて
高い値を示した。またＮｏ．１〜９の試料は、何れも埋
入後の固定力不足による脱転が全く無かったのに対し
て、比較例である試料Ｎｏ．１０、１１は、２週経過後
で２０％以上、４週経過後で４０％以上の脱転が認めら
れた。さらに実施例の各試料は、初期固定性が良好であ
るため、比較例に比べて自然骨と早期に、かつ強固に結
合することが分かった。

【００３８】これらの事実は、本発明の骨補填材が、機
械的強度が高く、椎体のような荷重部にも使用可能であ
ること、また埋入時の初期固定性に優れ、脱転しないこ
と、さらに埋入初期から自然骨と強固に結合することを
示している。

【００３９】なお球状気孔及び連続気孔の平均気孔径
は、試料断面の各気孔面積を画像解析処理することによ
って求めた。自然骨との結合力は、ビーグル犬脊椎の椎
間板を除去して人工的に作製した欠損部に試料を埋入
し、２週及び４週経過後に取り出して、自然骨との引き
剥し強度を測定したものであり、脱転率は各取り出し時
において、試料が埋入部位より移動し、生体骨と全く結
合していないものの割合を示した。また曲げ強度はオー
トグラフ（３点曲げ法）によって測定したものであり、
試料Ｎｏ．１〜１０については表層部分の破壊に要した
荷重で評価した。

【００４０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の骨補填材
は、埋入時の初期固定性に優れるとともに、早期に自然
骨と強固に結合する。しかも実用上十分な機械的強度を
有している。それゆえ骨欠損部の代替材料として好適で
あり、特に椎体等の大きな荷重がかかる部位の骨代替材
料として有用である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の骨補填材の一例を示す説明図である。

【図２】本発明の骨補填材の別の一例を示す説明図であ
る。

【符号の説明】

１、２骨補填材１１、２１基体部１２ａ、１２ｂ、２２表層部１２１、２２１球状気孔１２２２２２連続気孔

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】アパタイト、ウオラストナイト、ジオプ
サイトから選ばれる少なくとも１種が析出したＳｉＯ₂
−Ｐ₂Ｏ₅−ＣａＯ−ＭｇＯ系結晶化ガラスからなる骨補
填材であって、緻密な基体部と多孔質な表層部とが一体
的に形成されてなり、該表層部は、直径１００μｍ以上
の球状気孔と、直径１００μｍ以下の連続気孔を有する
ことを特徴とする骨補填材。
【請求項２】表層部に占める球状気孔の割合が、１０
〜４０体積％である請求項１の骨補填材。
【請求項３】表層部に占める連続気孔の割合が、１０
〜４０体積％である請求項１の骨補填材。