JP2002085548A - 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り、し
かも作業性がよく、経時的な強度劣化が殆どない生体活
性セメント組成物を提供することである。 【解決手段】 平均粒径が３μｍ以下の生体活性材料粉
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、重合促進剤とからな
り、生体活性材料粉末の含有量が２０質量％以下で、メ
タクリレート系ポリマー粉末が、平均分子量が１１万未
満の低分子量粉末と平均分子量が５５万以上の高分子量
粉末の混合物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、メタクリレート系ポリマ
ー粉末（ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）等）と
メタクリレート系モノマー（メチルメタクリレート（Ｍ
ＭＡ）等）からなるＰＭＭＡセメントが広く知られてい
る。ところがこのセメントは生体活性がなく、長期間に
亘る埋入によって、ルースニングの問題が生じるという
欠点を有している。

【０００３】一方、生体活性を示す材料として、ハイド
ロキシアパタイトやβ−ＴＣＰ等のリン酸カルシウム化
合物が知られている。この材料は、生体内に埋入すると
自然骨と化学的に結合するという特徴を有しており、イ
ンプラント材料として使用されている。

【０００４】そこで、ＰＭＭＡセメントに生体活性を付
与するために、セメント中に粉末状や繊維状の生体活性
材料を添加することが検討されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら生体活性
材料粉末を添加したＰＭＭＡセメントは、生体活性材料
粉末の含有量が少ない場合、硬化体表面に露出し難いた
めに生体活性を示すことが困難であり、また、表面に露
出し易いように生体活性材料粉末を多量に添加するとセ
メントの作業性が悪くなったり、経時的な強度劣化が大
きくなるという問題が生じている。

【０００６】本発明の目的は、自然骨と直接結合するこ
とが可能であり、しかも作業性がよく、経時的な強度劣
化が殆どない生体活性セメント組成物を提供することで
ある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者等は種々の実験
を行った結果、微細な生体活性材料粉末の少量添加と、
高分子量及び低分子量のメタクリレート系ポリマー粉末
を併用することにより、上記目的が達成できることを見
いだし、本発明として提案するものである。

【０００８】即ち、本発明の生体活性セメント組成物
は、平均粒径が３μｍ以下の生体活性材料粉末と、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、重合促進剤とからなり、生体活性
材料粉末の含有量が２０質量％以下で、メタクリレート
系ポリマー粉末が、平均分子量が１１万未満の低分子量
粉末と平均分子量が５５万以上の高分子量粉末の混合物
からなることを特徴とする。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明において使用する生体活性
材料粉末は、ハイドロキシアパタイトやβ−ＴＣＰある
いはその複合体等のリン酸カルシウム化合物であり、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。

【００１０】生体活性材料粉末としてのリン酸カルシウ
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。

【００１１】本発明においては、平均粒径が３μｍ以下
の生体活性材料粉末を使用する。

【００１２】生体活性セメントの生体活性及び作業性
は、生体活性材料粉末の平均粒径及びその含有量によっ
て大幅に変化する。つまり、生体活性材料粉末の平均粒
径を３μｍ以下にすると比表面積が大きくなるため、少
量の添加でも十分な生体活性が得られる。また、生体活
性材料粉末の含有量が少ないほど樹脂成分が多くなり作
業性が良くなる。

【００１３】特に平均粒径を０．１〜２．６μｍにする
と生体活性が更に高くなり好ましい。平均粒径が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、セメント混練時に、ザラつき感が発生して作業性
が悪くなる。生体活性材料粉末は、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。

【００１４】生体活性材料粉末の含有量は２０質量％以
下であることが望ましい。これは生体活性材料粉末の含
有量が２０質量％より多くなるとセメントの作業性が悪
くなり、また経時的な強度劣化が大きくなるためであ
る。なお生体活性材料粉末の表面はシランカップリング
処理することが好ましく、これによりメタクリレート系
モノマーとの親和性が良くなり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。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（ｐ
Ｈ５〜８程度）で行うことが好ましい。これは、ｐＨが
５より低いと生体活性材料粉末が浸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。

【００１５】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、１１万
未満、好ましくは１万以上１０万未満の平均分子量を有
する低分子量粉末と、５５万以上、好ましくは６０万以
上１３０万以下の平均分子量を有する高分子量粉末を使
用する。

【００１６】低分子量粉末はセメントの作業性を向上さ
せる働きがあり、また高分子量粉末は生体活性材料粉末
を硬化体表面に露出し易くさせる働きがある。そのた
め、上記の範囲で低分子量粉末又は高分子量粉末を単独
で用いると作業性又は生体活性に問題が生じ易いので、
それらを混合することによって単独での欠点を打ち消し
て良好な作用が生じる。

【００１７】ところで、平均分子量が１万より小さくな
るとセメントの混合初期の作業性が悪くなり易い。一
方、高分子量粉末の平均分子量が１３０万を越えると作
業時間が短くなって操作性が悪くなりやすい。

【００１８】低分子量粉末と高分子量粉末の混合割合
は、質量比で１：９〜９：１、特に３：７〜７：３であ
ることが望ましい。

【００１９】メタクリレート系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）、
ポリブチルメタクリレート（ＰＢＭＡ）、メチルメタク
リレートとスチレン、エチルメタクリレート、メチルア
クリレートの共重合体等を単独で、或いは２種以上を組
み合わせて使用することができる。

【００２０】なおメタクリレート系ポリマー粉末の含有
量は３０〜８０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メタクリレート系モノマーが少なく
なるためにセメントが粉状のままで作業ができない。逆
に、少なすぎるとセメントの粘度が低くなるため充填可
能になるまでの時間がかかり、また、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。

【００２１】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（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重量％が好ま
しい。

【００２２】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も可能である。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
（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。

【００２３】なお、生体活性材料粉末、メタクリレート
系ポリマー粉末等からなる粉末成分と、メタクリレート
系モノマー等からなる液体成分の粉液比は、質量比で粉
末：液体が３０：７０〜８０：２０であることが望まし
い。

【００２４】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。

【００２５】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。

【００２６】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
ければならないので、実際の手術場では使用できない。
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。

【００２７】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、Ｘ線造影剤、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。

【００２８】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。

【００２９】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。

【００３０】また生体内で硬化したセメントは、表面に
微粉末状の生体活性材料粉末が露出しており、セメント
硬化体が自然骨と化学的に結合することができる。

【００３１】

【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。

【００３２】表１及び２は本発明の実施例（試料Ｎｏ．
１〜４）、及び比較例（試料Ｎｏ．５〜８）を示すもの
である。

【００３３】

【表１】

【００３４】

【表２】

【００３５】各試料は次のようにして調製した。

【００３６】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、及びメタクリレート系ポリマ
ー粉末を用意した。

【００３７】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
℃で焼成した後破砕して、それを破砕物として使用し
た。

【００３８】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。

【００３９】メタクリレート系ポリマー粉末としては、
低分子量粉末として質量平均分子量が５万のＰＭＭＡ粉
末を、高分子量粉末として質量平均分子量が７０万のＰ
ＭＭＡ粉末を使用した。

【００４０】次に２種類のハイドロキシアパタイト粉
末、及びメタクリレート系ポリマー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。

【００４１】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。

【００４２】このようにして粉末−液体系の試料を得
た。

【００４３】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。

【００４４】作製した各試料について、生体活性材料粉
末の平均粒径、作業時間、周囲骨との結合率及び曲げ強
度について評価した。それらの結果を表１、２に示す。

【００４５】生体活性材料粉末の平均粒径は、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。作
業時間は、レオメーターを用いて粘度の経時変化を測定
し、見かけ粘度が５０００〜２００００Ｐａ・ｓの範囲
にある時間（作業時間≧１２０秒）で評価した。周囲骨
との結合率は、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、電子顕微鏡で試料
と自然骨が直接結合しているかを観察し、試料全周に対
して骨と結合している部分の割合を画像解析装置で計測
することによって評価した。また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。曲げ強度は、セメント硬化体から３×４×
２０ｍｍの試料片を作製し、３点曲げ試験によって、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測定を行った。

【００４６】表から明らかなように、本発明の実施例で
あるＮｏ．１〜４の試料は、作業時間が１７０〜１９０
秒で作業性もよく、また周囲骨との結合率が４５〜５５
％と十分な生体活性が認められ、しかも初期強度が９７
ＭＰａ以上と実用上十分な強度を有しており、経時的な
強度劣化もほとんどなかった。

【００４７】一方、比較例である試料Ｎｏ．５は、作業
時間及び曲げ強度は実用上十分であったものの、平均粒
径が５μｍの生体活性材料粉末を使用したために、周囲
骨との結合率が１０％と不十分であった。試料Ｎｏ．６
は、作業時間が１２０秒で、また周囲骨との結合率が５
５％と十分であるものの、生体活性材料粉末の含有量が
３０質量％と多かったために、経時的な強度劣化が大き
かった。試料Ｎｏ．７は、作業時間及び曲げ強度は実用
上十分であったものの、周囲骨との結合率が５％と不十
分であった。試料Ｎｏ．８は、周囲骨との結合率が５０
％で、また初期強度が９８ＭＰａと高かったものの、作
業時間が９０秒と短く作業性が悪かった。

【００４８】

【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、しかも十分な
作業時間があるため操作性も良好である。また生体活性
材料粉末の添加量が少量であるため、経時的な強度劣化
も殆どない。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 CA081 CF022 CF032 DA13 4C089 AA10 AA13 BA16 BD01 BE03

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 平均粒径が３μｍ以下の生体活性材料粉
   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、重合促進剤とからな
   り、生体活性材料粉末の含有量が２０質量％以下で、メ
   タクリレート系ポリマー粉末が、平均分子量が１１万未
   満の低分子量粉末と平均分子量が５５万以上の高分子量
   粉末の混合物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】 生体活性材料粉末が、ハイドロキシアパ
   タイト、β−リン酸三カルシウム（β―ＴＣＰ）のリン
   酸カルシウム化合物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。