JP2001293080A

JP2001293080A - 生体活性セメント組成物

Info

Publication number: JP2001293080A
Application number: JP2000109605A
Authority: JP
Inventors: Yoshiaki Kitamura; 嘉朗北村; Kiyoyuki Okunaga; 清行奥長; Satoshi Yoshihara; 聡吉原; Seiichi Morita; 誠一森田
Original assignee: Nippon Electric Glass Co Ltd
Current assignee: Nippon Electric Glass Co Ltd
Priority date: 2000-04-11
Filing date: 2000-04-11
Publication date: 2001-10-23

Abstract

(57)【要約】【課題】生体活性が高く、長期信頼性に優れた生体活
性セメント組成物を提供することである。【解決手段】平均粒子径が３μｍ以下の生体活性フィラ
ー粉末と、メタクリレート系ポリマー粉末と、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、補
強材とからな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、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骨欠損
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骨欠損部の再建等に使
用されるセメント材料として、ＰＭＭＡセメントが広く
知られている。ところがこのセメントには生体活性がな
いため、自然骨と化学的に直接結合することができな
い。そこで近年、ＰＭＭＡセメントに生体活性を付与す
るために、Ｃａ含有ガラス等の生体活性フィラーを添加
した生体活性セメントが提案されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記生体活性セメント
は、生体内で硬化すると、硬化体表面に露出したフィラ
ー粉末から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
直接結合することができる。ところが、十分に生体活性
が高く、しかも作業性の良い生体活性セメントは、まだ
得られていないのが現状である。また、Ｃａ含有化合物
は長期間にわたってＣａイオンを放出するのでそれ自体
が劣化し、セメント硬化体の機械的強度が劣化する。そ
のため、長期間体内に埋入されても強度劣化が生じな
い、長期信頼性に優れているものは得られていない。

【０００４】本発明の目的は、生体活性が高く、長期信
頼性に優れた生体活性セメント組成物を提供することで
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、平均粒子径が３μｍ以下の生体活性フィラ
ー粉末と、メタクリレート系ポリマー粉末と、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、補
強材とからなることを特徴とする。

【０００６】

【発明の実施の形態】本発明においては、平均粒子径が
３μｍ以下の生体活性フィラー粉末を使用する。生体活
性セメントの生体活性及び作業性は、生体活性フィラー
粉末の平均粒子径及びその含有量によって大幅に変化す
る。つまり、生体活性フィラー粉末の平均粒子径が３μ
ｍ以下にすると、粉体などの充填空間を含めた密度いわ
ゆる嵩密度が小さくなって比表面積が大きくなるため、
生体活性フィラー粉末がセメント硬化体表面に露出し易
くなり、少量の添加でも十分な生体活性が得られる。こ
のため、生体活性フィラー粉末の含有量を少なくするこ
とができ、フィラー粉末の劣化による強度劣化を大幅に
低減することができる。また相対的に樹脂成分を多くす
ることができるため、セメントの作業性が良くなる。

【０００７】特に平均粒子径を０．１〜２．６μｍにす
ると生体活性が更に高くなり好ましい。しかしながら平
均粒子径が３μｍを超えると少量の使用では十分な生体
活性が得られなくなり、また十分な生体活性を得るため
に含有量を多くすると、セメントの混練時に、ざらざら
感が発生して作業性が悪くなる。生体活性フィラー粉末
は、平均粒径が３μｍよりも大きな二次粒子でも容易に
解砕され微粉末状になるものであれば使用することがで
きる。

【０００８】生体活性フィラー粉末として、リン酸カル
シウム化合物は、ハイドロキシアパタイト（ＨＡｐ）又
はβ−リン酸三カルシウム（β―ＴＣＰ）あるいはその
複合体であり、特にハイドロキシアパタイトは生体適合
性に優れているため好ましい。リン酸カルシウム化合物
は、液相法で合成した未焼成の粉末あるいはその焼成物
の破砕物が使用できる。一方、Ｃａ含有ガラス又は結晶
化ガラス粉末の好適な組成範囲は、質量％でＣａＯ３
０〜７０％、ＳｉＯ₂ ３０〜７０％、Ｐ₂ Ｏ₅０〜４０
％、ＭｇＯ０〜２０％、ＣａＦ₂ ０〜５％、好ましく
はＣａＯ４０〜５０％、ＳｉＯ₂ ３０〜４０％、Ｐ₂
Ｏ₅ １０〜２０％、ＭｇＯ０．５〜１０％、ＣａＦ₂
０〜２％である。

【０００９】生体活性フィラー粉末の含有量は２０質量
％以下、特に０．５〜１８質量％が好ましい。生体活性
フィラー粉末の含有量が２０質量％を超えるとセメント
の強度劣化が起こり易く、また作業性も悪くなる。また
生体活性フィラー粉末をシランカップリング処理してお
くと、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。なおシランカップリング処理を
施すに当たっては、弱酸〜中性領域（ｐＨ５〜８程度）
で行うことが好ましい。これは、ｐＨが５より低いとガ
ラス表面が侵食されて生体活性が低くなり、ｐＨが８よ
り高いとシランカップリング処理が困難になるためであ
る。

【００１０】ところで、セメントの硬化体で一番重要な
ことは、長期信頼性に優れていることである。すなわち
セメントの硬化体が長期間体内に埋入されていても強度
劣化が生じないことである。そのため、本発明において
は補強材を使用する。なお補強材の形態は、球状、ウイ
スカー状、フレーク状等と特に限定されないが、球状の
形態を有する補強材を使用すると、セメント内に発生し
た応力集中を防止することができるので、更にセメント
硬化体の機械的強度を向上させることができる。また球
状であるがゆえにモノマーとの馴染みがよく良好な流動
性を示すため、操作性のよいセメント材料を得ることが
できる。補強材の含有量は１〜７０重量％、好ましく
は、１０〜６０重量％である。補強材の含有量が１重量
％より少ないと補強材としての効果が得難くなり、また
７０重量％を越えると相対的にメタクリレート系ポリマ
ー粉末が少なくなるためにメタクリレート系モノマーが
重合し難くなって機械的強度が低下する。また強度劣化
も大きくなる。補強材としては機械的強度が高く化学的
に安定なアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、ジルコニア（Ｚｒ
Ｏ ₂）、チタニア（ＴｉＯ₂）、シリカ（ＳｉＯ₂）等を
使用する。なおアルミナは、α、γ、δ、θ、ε型があ
るが何れのアルミナも補強材として使用することができ
る。

【００１１】本発明において使用するメタクリレート系
ポリマー粉末は、メタクリレート系モノマーの重合に必
要な成分であり、モノマーによる溶解が起こって、硬化
体を形成するのに有効に働く。ポリマー粉末としては、
ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）が好ましいが、
これ以外にもポリエチルメタクリレート（ＰＥＭＡ）、
メチルメタクリレートとスチレン又はメタクリレートの
共重合体等を単独で、あるいは２種以上を組み合わせて
使用することができる。

【００１２】ところで、ポリマー粉末は、質量平均分子
量が６万〜１３０万、好ましくは１０万〜１００万のメ
タクリレート系ポリマーを使用する。ポリマー粉末の質
量平均分子量が大きいほど、モノマーによる溶解度は小
さくなり、セメント表面に生体活性フィラーが露出し易
いため、生体活性が高くなる。また、ポリマーの質量平
均分子量は大きいほど樹脂自体の強度が高くなる。しか
もセメント重合時のモノマーへの溶解が表面のみに止ま
り、芯の部分の殆どが硬化体中に残ってフィラーとして
作用し、機械的強度の向上に寄与するものと考えられ
る。一方、質量平均分子量が６万より小さいポリマーを
使用すると、重合時にほとんど溶解してしまい、生体活
性フィラーが樹脂に覆われて生体活性が低くなり、しか
も、樹脂自体の強度が低く、また重合時に殆ど溶解して
しまい、十分に高い機械的強度が得られなくなる。なお
ポリマー粉末の質量平均分子量は大きいほど好ましい
が、１３０万を超えるポリマーを使用すると溶解しにく
くなり、作業性が悪くなるため好ましくない。

【００１３】なおメタクリレート系ポリマー粉末の含有
量は１０〜８０質量％であることが好ましく、これより
多くなると相対的に生体活性フィラー粉末が少なくなる
ために生体活性が低下し、逆に少なすぎると作業性が悪
くなるとともに、メタクリレート系モノマーが重合し難
くなって機械的強度が低下する。

【００１４】本発明において使用す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、硬化時に
急激に粘度が増大しないため作業性に優れる。また硬化
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（ＭＭ
Ａ）が最も好ましいが、これ以外にもエチルメタクリレ
ート（ＥＭＡ）等が使用可能である。なおメタクリレー
ト系モノマーの含有量は２０〜７０質量％が好ましい。
メタクリレート系モノマーが２０質量％より少ないと重
合し難くなって機械的強度が低下し、７０質量％より多
くなると生体活性が低下する。

【００１５】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。
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）、２、２−ビス
（４−メタクリロキシエトキシフェニル）プロパン（Ｂ
ｉｓ−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。

【００１６】なお、生体活性フィラー粉末、メタクリレ
ート系ポリマー粉末、補強材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、質量比で粉末：液体が３
０：７０〜９０：１０であることが望ましい。

【００１７】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。

【００１８】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質量部に対して０．１〜８
質量部が好ましく、０．１質量部より少ないと効果が殆
どなく、８質量部より多いと硬化時間が速くなり過ぎて
作業性が悪くなりやすい。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。

【００１９】重合促進剤は液体成分に添加して使用す
る。添加量は液体成分１００質量部に対して０．１〜８
質量部が好ましい。重合促進剤が０．１質量部より少な
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、実際の手術では使用できない。
また８質量部より多いと硬化時間が速くなり過ぎて作業
性が悪くなりやすい。なお重合促進剤としては、Ｎ、Ｎ
−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。

【００２０】また本発明の生体活性セメント組成物は、
上記成分以外にも薬剤、骨形成因子、重合抑制剤、重合
禁止剤、酸化防止剤等種々の成分を必要に応じて添加す
ることができる。

【００２１】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。

【００２２】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
が起こり、３〜１５分程度の時間で硬化が完了する。硬
化までの時間内はセメントを所望の形状に自由に成形で
きる。

【００２３】

【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。表１及び２は本発明の実施例（試料Ｎ
ｏ．１〜８）、表３は比較例（試料Ｎｏ．９〜１２）を
示すものである。

【００２４】

【表１】

【００２５】

【表２】

【００２６】

【表３】

【００２７】各試料は次のようにして調製した。

【００２８】まず表に示すような平均粒径を有するハイ
ドロキシアパタイト粉末、Ｃａ含有ガラス粉末、Ｃａ含
有結晶化ガラス粉末、及びメタクリレート系ポリマー粉
末、及び補強材粉末を用意した。

【００２９】ハイドロキシアパタイト粉末としては、液
相法で合成した未焼成の粉末、及びこの粉末を１２００
℃で焼成したものを使用した。

【００３０】Ｃａ含有ガラス粉末としては、重量％でＣ
ａＯ４５％、ＳｉＯ₂ ３４％、Ｐ₂Ｏ₅ １６％、Ｍ
ｇＯ４．５％、ＣａＦ₂ ０．５％の組成を有するガ
ラスを溶融後、粉砕したものを使用し、またＣａ含有結
晶化ガラス粉末には、上記の粉砕したガラス粉末を１０
５０℃で５時間熱処理して結晶化させたものを使用し
た。

【００３１】なおこれらの粉末は、ｐＨ６に調製したシ
ランカップリング剤を用いて表面処理を施した。

【００３２】メタクリレート系ポリマー粉末としては、
質量平均分子量が３０万のＰＭＭＡ粉末を用意した。

【００３３】補強材としては、α―アルミナ、δ―アル
ミナ、ジルコニア、チタニア、及びシリカを用意した。

【００３４】次に２種類のハイドロキシアパタイト粉
末、Ｃａ含有ガラス粉末、Ｃａ含有結晶化ガラス粉末、
メタクリレート系ポリマー粉末及び補強材粉末を表に示
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。

【００３５】また、メタクリレート系モノマーとしてＭ
ＭＡを用意し、さらに重合促進剤としてＮ，Ｎ−ジメチ
ル−ｐ−トルイジンを添加して攪拌した。

【００３６】このようにして粉末−液体系の試料を得
た。

【００３７】なお過酸化ベンゾイル、Ｎ，Ｎ−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質量部に対して３質
量部及び１質量部とした。

【００３８】以上のような手順にて作製した各試料につ
いて、生体活性フィラー粉末の平均粒子径、周囲骨との
結合の有無、作業性及び曲げ強度について評価した。こ
れらの結果を表１〜３に示す。

【００３９】生体活性フィラー粉末の平均粒子径は、レ
ーザー回折式の粒度分布測定機で測定してＤ₅₀値で示し
た。周囲骨との結合の有無は、ラットの脛骨髄腔内に試
料を埋入した後、８週間後に埋入部位を取り出し、試料
と自然骨が直接結合している部分が試料全周の３０％以
上であるものを「○」、試料全周の３０％未満であるも
のを「×」として評価した。作業性は、セメントを手で
混練したときの作業のし易さを評価した。曲げ強度は、
セメント硬化体から大きさ３×４×２０ｍｍの試料片を
作製し、３点曲げ強度試験によって、初期強度を測定
し、さらに３７℃の生理食塩水に６ヶ月浸漬後の試料片
についても強度測定を行った。

【００４０】表から明らかなように、本発明の実施例で
あるＮｏ．１〜８の試料については、生体活性フィラー
粉末の平均粒子径は０．５〜１．５μｍで、周囲骨との
結合が認められ、作業性も良好であった。また初期強度
は１２５ＭＰａ以上で、補強材を含まないＮｏ．１０に
比べて約３０〜４０ＭＰａと高く、経時的な強度劣化も
ほとんどなかった。

【００４１】一方、比較例である試料Ｎｏ．９は生体活
性フィラー粉末の含有量は実施例と同じであるものの、
平均粒径が大きいために周囲骨との結合が不十分であっ
た。試料Ｎｏ．１０は補強材を含まないため初期強度が
低く、強度の経時変化も大きかった。

【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、自然骨と直接結合し、しかも従来の
生体活性セメントに比べて、経時的な強度劣化がほとん
どない。さらに生体活性フィラーの含有量が少なくても
十分な生体活性を示す。このためフィラー粉末を少なく
して、樹脂量を増やすことができ、より強度劣化が少な
く、しかも作業性のよいセメントを得ることが可能であ
る。それゆえ本発明の生体活性セメント組成物は、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、頭蓋骨欠損部の再建用等として好適である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者森田誠一滋賀県大津市晴嵐２丁目７番１号日本電気硝子株式会社内Ｆターム(参考） 4C081 AB04 AB06 AC04 CA081 CE11 CF012 CF122 CF132 CF142 CF152 DA11 DA15 4C089 AA10 BA04 BA05 BA06 BA12 BA13 BA16 BC06 BC08 BD01 BE03 CA02 CA03 CA06

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】平均粒子径が３μｍ以下の生体活性フィ
ラー粉末と、メタクリレート系ポリマー粉末と、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、
補強材とからなることを特徴とする生体活性セメント組
成物。
【請求項２】生体活性フィラー粉末が、リン酸カルシ
ウム化合物、あるいはＣａを含有するガラス又は結晶化
ガラス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。
【請求項３】生体活性フィラー粉末の含有量が、２０
質量％以下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。
【請求項４】補強材が、アルミナ、ジルコニア、チタ
ニア及びシリカのうち１種或いはそれ以上からなること
を特徴とする請求項１の生体活性セメント組成物。