(57)【要約】【解決手段】本発明によれば、ヒドロキシアパタイトで被覆可能で、液相温度が低く、紡糸可能な粘度を有し、広い作業温度を有するガラス繊維用ガラス組成物、生体活性のあるヒドロキシアパタイト被覆ガラス繊維が提供される。また、本発明によれば、前記ガラス繊維上にヒドロキシアパタイトを析出する方法が提供される。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＳｉＯ２を６５〜９３質量％、及びＮａ２Ｏを含む１以上のアルカリ金属の酸化物を７〜３０質量％含み、残部はガラス組成物に許容される材料であり、Ａｌ２Ｏ３及びＰ２Ｏ５を含まないことを特徴とする生体利用可能なガラス繊維用ガラス組成物。
【請求項２】
アルカリ金属の酸化物としてＮａ２Ｏと、Ｋ２Ｏ又はＬｉ２Ｏのどちらか一方もしくは両方を７〜３０質量％含むことを特徴とする請求項１記載の生体利用可能なガラス繊維用ガラス組成物。
【請求項３】
アルカリ金属の酸化物として、Ｎａ２Ｏに加え、Ｋ２ＯとＬｉ２Ｏを合わせて０〜１０質量％含むことを特徴とする請求項２記載の生体利用可能なガラス繊維用ガラス組成物。
【請求項４】
ＣａＯ又はＭｇＯのどちらか一方もしくは両方を、合計して０〜２７質量％含むことを特徴とする請求項1〜３記載の生体利用可能なガラス繊維用ガラス組成物。
【請求項５】
ＣａＯを２〜２０質量％含むことを特徴とする請求項１〜４記載の生体利用可能なガラス繊維用ガラス組成物。
【請求項６】
ＭｇＯを０〜７質量％含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の生体利用可能なガラス繊維用ガラス組成物。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の生体利用可能なガラス繊維用ガラス組成物からなることを特徴とするヒドロキシアパタイト形成能を有する生体利用可能なガラス繊維。
【請求項８】
請求項７に記載の生体利用可能なガラス繊維にヒドロキシアパタイトを被覆したことを特徴とするヒドロキシアパタイト被覆ガラス繊維。
【請求項９】
請求項７に記載の生体利用可能なガラス繊維を、少なくともＣａ２＋を２．５〜２０．０ｍＭ、かつＨＰＯ４２−を１．０〜１０．０ｍＭ含み、ｐＨが５．０〜７．５である処理溶液に、０〜９０℃の範囲の温度で、５分〜１週間の間浸漬させることにより、ヒドロキシアパタイトを該ガラス繊維表面に析出させることを特徴とするヒドロキシアパタイト被覆ガラス繊維の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生体利用可能なガラス繊維用ガラス組成物、ガラス繊維、ヒドロキシアパタイトで被覆されたガラス繊維及びヒドロキシアパタイト被覆ガラス繊維の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
人工靭帯や人工軟骨、メンブレン等の生体材料に用いられている材料として、シリコーン樹脂、ポリウレタン等の合成樹脂フィルムやコラーゲン、ポリ乳酸、ポリグリコール酸等の天然高分子が知られている（特許文献１）。【０００３】
これらの材料には、生体活性と柔軟性が求められる。しかし、合成樹脂フィルムは生体活性を有せず、生体になじまないために完治後摘出手術が必要である。一方、天然高分子は生体活性を有するが、完治前に吸収されやすい。また、これら合成樹脂フィルム、天然高分子とも患部を補強するには機械的強度が低いという問題点があった。そこで患部を十分に補強できる強度を持つ生体材料が求められている。【０００４】
前記生体材料として、生体活性を有するガラス繊維を得ることができれば、摘出手術の必要も無く、十分な強度と柔軟性を備える材料を提供することが可能になると考えられる。【０００５】
人工骨としてリンやカルシウムを含み，生体液中でヒドロキシアパタイトを形成することができるバイオガラスや、水酸化アパタイト焼結体を生体材料に応用する試みが図られている。しかし、バイオガラスや水酸化アパタイト焼結体は紡糸して繊維化することが非常に困難なことから、人工靭帯や人工軟骨、メンブレン等の用途として、現在実用化されているガラス繊維製品はない。【０００６】
従来、生体活性を持つガラス繊維として、ＳｉＯ２を４０〜６０モル％、ＣａＯを１０〜２１モル％、Ｐ２Ｏ５を０〜４モル％、Ｎａ２Ｏを少なくとも１９モル％、及びＡｌ２Ｏ３を０．２モル％を超えて含むものが、知られている（特許文献２）。【０００７】
しかしながら、前記従来の生体活性を持つガラス繊維は、その組成の紡糸性が悪く繊維を連続生産するには不向きであり、ガラス繊維自体患部を補強するのに十分な強度ではなく、実用に耐えるレベルの生体活性ガラス繊維は得られていない。そこで生体活性を持ち、柔軟で、強度の高いガラス繊維が望まれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００２−１４３２９０号公報
【特許文献２】特表平１１−５０６９４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、生体液又は疑似体液中においてその表面にヒドロキシアパタイトを形成し、生体材料として用いることが可能なガラス繊維を紡糸することができるガラス組成物を提供することを目的とする。【００１０】
また、本発明の目的は、生体材料として用いることが可能なガラス繊維、ヒドロキシアパタイトで被覆されたガラス繊維及びその製造方法を提供することにもある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記目的を達成するために、本発明の生体利用可能なガラス繊維用ガラス組成物は、ＳｉＯ２を６５〜９３質量％、及びＮａ２Ｏを７〜３０質量％含み、Ｎａ２Ｏの一部をＫ２Ｏ又はＬｉ２Ｏで代替してもよく、残部はガラス組成物に許容される材料であり、Ａｌ２Ｏ３及びＰ２Ｏ５を含まないことを特徴とする。ここで、「Ａｌ２Ｏ３及びＰ２Ｏ５を含まない」とは、Ａｌ２Ｏ３及びＰ２Ｏ５を添加しないことを意味し、実質的にＡｌ２Ｏ３及びＰ２Ｏ５の濃度が、０〜０．１質量％であることを意味する。【００１２】
本発明のガラス組成物によれば、十分な強度のガラス繊維を紡糸することができる。【００１３】
本発明のガラス組成物は、ガラスの主骨格となる成分として、６５〜９３質量％のＳｉＯ２を含む。ＳｉＯ２の含有量が６５質量％未満では、該ガラス組成物からガラス繊維を得たときに、該ガラス繊維において所要の機械的強度を得ることができない。また、ＳｉＯ２の含有量が９３質量％を超えると、前記ガラス組成物の溶融温度が高くなり、ガラス繊維を得ることができなくなる。【００１４】
また、本発明のガラス組成物は、Ｎａ２Ｏを含む１以上のアルカリ金属の酸化物を７〜３０質量％含む。【００１５】
本発明のガラス組成物に含まれるＮａ２Ｏを含む１以上のアルカリ金属の酸化物が、７質量％未満では、該ガラス組成物からガラス繊維を得たときに、Ｃａ２＋とＨＰＯ４２−とを含む生体液中、又は疑似体液中において、該ガラス表面をアルカリ性にすることができない。したがって、ヒドロキシアパタイトによって被覆することができない。また、Ｎａ２Ｏ等の含有量が３０質量％を超えると、前記ガラス組成物からガラス繊維を得たときに、該ガラス繊維において所要の機械的強度を得ることができない。【００１６】
また、本発明のガラス繊維用ガラス組成物は、実質的にＰ２Ｏ５、Ａｌ２Ｏ３を含まない。【００１７】
本発明のガラス組成物は、Ｐ２Ｏ５を実質的に含まないことから、低い液相温度、広い作業温度範囲及び紡糸可能な粘度を同時に実現することができる。【００１８】
さらに、本発明のガラス組成物は、Ａｌ２Ｏ３を実質的に含まないことから、生体に利用可能なガラス繊維を得ることができる。【００１９】
また、Ｎａ２Ｏと同様のアルカリ金属の酸化物であるＫ２Ｏ又はＬｉ２Ｏは、Ｃａ２＋とＨＰＯ４２−とを含む溶液中において、該溶液中にＫ＋又はＬｉ＋を溶出させ、ガラス繊維表面をアルカリ性とすることができる。そこで、本発明のガラス組成物において、前記Ｎａ２Ｏの一部をＫ２Ｏ又はＬｉ２Ｏで代替するようにしてもよい。【００２０】
前記Ｎａ２Ｏの一部をＫ２Ｏ又はＬｉ２Ｏで代替する場合、本実施形態のガラス繊維用ガラス組成物は、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ及びＬｉ２Ｏを合計で７〜３０質量％含むことが好ましい。【００２１】
また、本発明のガラス繊維用ガラス組成物において、Ｋ２Ｏが０〜１０質量％の範囲で含まれていることが好ましい。１０質量％以下のＫ２Ｏを含むことにより溶融温度を下げることができるため溶融性、紡糸性が向上するからである。【００２２】
本発明のガラス繊維用ガラス組成物において、０〜１０質量％のＬｉ２Ｏを含むことが好ましい。１０質量％以下のＬｉ２Ｏを含むことにより、溶融温度の低下と粘度を低下させることができるからである。【００２３】
また、本発明のガラス組成物においては、ＣａＯ又はＭｇＯが０〜２７質量％の範囲で含まれていることが好ましい。【００２４】
ＣａＯ又はＭｇＯを含むことにより、該ガラス組成物からガラス繊維を得たときに、前記Ｃａ２＋とＨＰＯ４２−とを含む処理溶液中において、ガラス繊維表面にヒドロキシアパタイトを均一に形成させることができるからである。【００２５】
また、このとき、前記ガラス組成物は、ＣａＯを２〜２０質量％の範囲で含むことが好ましい。前記ガラス組成物は、ＣａＯを２〜２０質量％含むことにより、該ガラス組成物からガラス繊維を得たときに、該ガラス表面に均一にヒドロキシアパタイトを析出することができるからである。【００２６】
また、このとき、前記ガラス組成物は、ＭｇＯを０〜７質量％の範囲で含むことが好ましい。前記ガラス組成物は、ＭｇＯを加えることでガラス中の成分の偏りである分相現象（ガラスの相分離現象）を抑えることができるため溶融性・紡糸性の向上という効果が得られるからである。【００２７】
さらに、本発明の生体利用可能なガラス繊維は、前記生体利用可能なガラス繊維用ガラス組成物からなるヒドロキシアパタイト形成能を有するガラス繊維であることを特徴とする。【００２８】
本発明のガラス組成物から得られたガラス繊維は、組成にＮａ２Ｏを含む１以上のアルカリ金属の酸化物を含むことから、例えば生体液又は疑似体液等のＣａ２＋とＨＰＯ４２−とを含む溶液中において、該溶液中にＮａ＋を溶出させ、ガラス繊維表面をアルカリ性とすることができる。この結果、前記溶液中のＣａ２＋が、ＨＰＯ４２−及びＯＨ−と反応してヒドロキシアパタイトを生成し、前記ガラス繊維の表面にヒドロキシアパタイトが析出する。従って、その表面がヒドロキシアパタイトにより被覆されたガラス繊維を得ることができる。【００２９】
なお、前記疑似体液とは、ヒトの血漿に近い無機イオン組成を有する水溶液である。【００３０】
本発明のヒドロキシアパタイト被覆ガラス繊維は、前記ヒドロキシアパタイト形成能を有するガラス繊維にヒドロキシアパタイトを被覆したことを特徴とする。【００３１】
これによれば、ヒドロキシアパタイトで被覆されていることによりヒドロキシアパタイトと骨が結合する骨伝導性を付与することができるため、より生体適合性が高いガラス繊維が得られる。【００３２】
本発明のガラス繊維の形態としては、チョップドストランド、ヤーン、ロービング、マット、クロス、ミルドファイバー、編物、ガラスパウダー等が挙げられる。本発明のガラス繊維のフィラメント径としては、特に制限は無いが、３〜３０μｍで使用される。【００３３】
本発明のヒドロキシアパタイト被覆ガラス繊維は、前記ヒドロキシアパタイト形成能を有するガラス繊維を、少なくともＣａ２＋を２．５〜２０．０ｍＭ、かつＨＰＯ４２−を１．０〜１０．０ｍＭ含み、ｐＨが５．０〜７．５である処理液に０〜９０℃の範囲の温度で、５分〜1週間の間浸漬させることによりヒドロキシアパタイトを該ガラス繊維表面に析出させることを特徴とする製造方法により有利に製造することができる。【００３４】
前記処理液は、Ｃａ２＋を２．５〜２０．０ｍＭ、ＨＰＯ４２−を１．０〜１０．０ｍＭ含むことにより、前記ガラス繊維表面に均一にヒドロキシアパタイトを生成させることができ、ヒドロキシアパタイトを沈殿物として液中に過剰に生成させることがない。処理温度は０〜９０℃、時間は５分〜１週間である。【００３５】
前記製造方法によれば、生体外で処理することができるので、高温処理により迅速にアパタイトを形成させることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】図１はヒドロキシアパタイト形成メカニズムを示す図である。
【図２】図２は本発明の実施例１のヒドロキシアパタイト析出試験の結果を示す図である。
【図３】図３は本発明の実施例２のヒドロキシアパタイト析出試験の結果を示す図である。
【図４】図４はＥガラス繊維のヒドロキシアパタイト析出試験の結果を示す図である。
【図５】図５はラットの骨再生におけるガラスクロスの効果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。
【００３８】
本実施形態のガラス繊維用ガラス組成物は６５〜９０質量％のＳｉＯ２を含む。さらに、本実施形態のガラス繊維用ガラス組成物は、好ましくは７０〜８７質量％のＳｉＯ２を含む。ＳｉＯ２の含有量が７０質量％以上の方が機械的強度の強いガラス繊維組成物を得やすいからである。また、ＳｉＯ２の含有量が８７質量％を超えると溶融に長時間を要するなど、組成によって溶融性が悪くなる場合がある。
【００３９】
本実施形態のガラス繊維用ガラス組成物は、さらに好ましくは、７２〜８０質量％のＳｉＯ２を含む。ＳｉＯ２の含有量が前記範囲であることにより、良好な溶融性を得ることができると共に、本実施形態のガラス繊維用ガラス組成物からガラス繊維を得たときに、十分な機械的強度を得ることができる。
【００４０】
また、本発明のガラス繊維用ガラス組成物は、実質的にＰ２Ｏ５、Ａｌ２Ｏ３を含まない。
【００４１】
本発明のガラス組成物は、Ｐ２Ｏ５を実質的に含まないことから、低い液相温度、広い作業温度範囲及び紡糸可能な粘度を同時に実現することができる。前記ガラス組成物は、Ｐ２Ｏ５を含むときには溶融粘度が著しく低下し、ガラス繊維を得ることができなくなる。
【００４２】
また、Ｐ２Ｏ５は、ガラスの溶融温度を著しく低下させることが知られており、本発明者らの検討により、ガラス繊維におけるヒドロキシアパタイト形成に必須ではないことが明らかとなった。
【００４３】
さらに、本発明のガラス組成物は、Ａｌ２Ｏ３を実質的に含まないことから、生体に利用可能なガラス繊維を得ることができる。前記ガラス組成物は、Ａｌ２Ｏ３を含むときには、Ａｌ２Ｏ３が生体に同化できないことから、得られたガラス繊維を生体に利用した場合、十分な骨伝導性を付与することができない。また、前記Ｃａ２＋とＨＰＯ４２−とを含む処理溶液中において、アルカリ成分の溶出を阻害するため、ガラス繊維表面がアルカリ性となることを阻害し、ヒドロキシアパタイト形成能を低下させる。
【００４４】
また、本実施形態のガラス組成物は、Ｎａ２Ｏを含む１以上のアルカリ金属の酸化物を７〜３０質量％含む。
【００４５】
本実施形態のガラス繊維用ガラス組成物は、好ましくは１０〜２５質量％のＮａ２Ｏを含む。Ｎａ２Ｏの含有量が１０質量％未満では、本実施形態のガラス繊維用ガラス組成物からガラス繊維を得たときに、前記Ｃａ２＋とＨＰＯ４２−とを含む処理溶液中において、該ガラス表面をアルカリ性にする作用が得られにくくなる。また、Ｎａ２Ｏの含有量が２５質量％を超えると、本実施形態のガラス繊維用ガラス組成物からガラス繊維を得たときに、十分な機械的強度が得られない場合がある。
【００４６】
本実施形態のガラス繊維用ガラス組成物は、さらに好ましくは１５〜２２質量％のＮａ２Ｏを含む。Ｎａ２Ｏの含有量が前記範囲であることにより、本実施形態のガラス繊維用ガラス組成物からガラス繊維を得たときに、十分な機械的強度を得ることができると共に、前記Ｃａ２＋とＨＰＯ４２−とを含む処理溶液中において、該ガラス表面を確実にアルカリ性にすることができる。
【００４７】
本実施形態のガラス繊維用ガラス組成物は、Ｎａ２Ｏと、Ｋ２Ｏ及び／又はＬｉ２Ｏを合計で１０〜２５質量％含むことがより好ましく、１５〜２２質量％含むことがさらに好ましい。本実施形態のガラス繊維用ガラス組成物は、合計で前記範囲のＮａ２Ｏと、Ｋ２Ｏ及び／又はＬｉ２Ｏを含むことにより、該ガラス組成物からガラス繊維を得たときに、前記Ｃａ２＋とＨＰＯ４２−とを含む処理溶液中において、該ガラス表面を確実にアルカリ性にすることができる。また、本実施形態のガラス繊維用ガラス組成物からガラス繊維を得たときに、対薬品性および強度特性を両立させることができる。
【００４８】
また、本実施形態のガラス繊維用ガラス組成物において、Ｋ２Ｏが０〜１０質量％の範囲で含まれていることが好ましい。このとき、前記ガラス組成物は、１０質量％以下のＫ２Ｏを含むことにより溶融温度を下げることができるため溶融性、紡糸性が向上できる。ただし、Ｋ２Ｏの含有量が１０質量％を超えると、溶融温度が下がりすぎてしまい繊維化が困難となる場合がある。
【００４９】
本実施形態のガラス繊維用ガラス組成物は、好ましくは５質量％以下のＫ２Ｏを含む。本実施形態のガラス繊維用ガラス組成物は、前記範囲のＫ２Ｏを含むことにより、溶融性を向上させることができる。
【００５０】
本実施形態のガラス繊維用ガラス組成物は、さらに好ましくは２質量％以下のＫ２Ｏを含む。本実施形態のガラス繊維用ガラス組成物は、前記範囲のＫ２Ｏを含むことにより、溶融性を向上させることができると共に、該ガラス組成物からガラス繊維を得たときに、前記Ｃａ２＋とＨＰＯ４２−とを含む処理溶液中において、該ガラス表面を確実にアルカリ性にすることができる。
【００５１】
また、本実施形態のガラス繊維用ガラス組成物において、Ｌｉ２Ｏは、溶融温度の低下と粘度を低下させるという効果がある。本実施形態のガラス繊維用ガラス組成物は、前記効果を得るために、好ましくは０〜１０質量％のＬｉ２Ｏを含む。このとき、前記ガラス組成物は、１０質量％以下のＬｉ２Ｏを含むことにより、溶融温度の低下と粘度を低下させることができる。ただし、Ｌｉ２Ｏの含有量が１０質量％を超えると、ガラスの成分が均一に混ざりにくくなることから、成分に偏りが出てしまい、結果的にガラス化が困難となることがある。
【００５２】
また、本実施形態のガラス繊維用ガラス組成物は、好ましくは５質量％以下のＬｉ２Ｏを含む。本実施形態のガラス繊維用ガラス組成物は、前記範囲のＬｉ２Ｏを含むことにより、溶融粘度が低くなり、繊維化をしやすくすることができると共に、前記Ｃａ２＋とＨＰＯ４２−とを含む処理溶液中において、該ガラス表面を確実にアルカリ性にすることができる。
【００５３】
本実施形態のガラス繊維用ガラス組成物は、さらに好ましくは３質量％以下のＬｉ２Ｏを含む。本実施形態のガラス繊維用ガラス組成物は、前記範囲のＬｉ２Ｏを含むことにより、溶融粘度及び、結晶析出する温度を低下することができ、非常に繊維化しやすくなると共に、前記Ｃａ２＋とＨＰＯ４２−とを含む処理溶液中において、より効率的にヒドロキシアパタイトを形成するために好適な量である。
【００５４】
本発明のガラス繊維用ガラス組成物は、ＣａＯ又はＭｇＯのどちらか一方もしくは両方を、合計して０〜２７質量％含むことを特徴とする。本実施形態のガラス繊維用ガラス組成物は、より好ましくは、２〜２０質量％、さらに好ましくは４〜１０質量％のＣａＯ及びＭｇＯを含む。本実施形態のガラス繊維用ガラス組成物は、前記範囲のＣａＯ及びＭｇＯを含むことにより、該ガラス組成物からガラス繊維を得たときに、前記Ｃａ２＋とＨＰＯ４２−とを含む処理溶液中において、ガラス繊維表面にヒドロキシアパタイトを均一に形成させることができる。
【００５５】
このとき、前記ガラス組成物は、ＣａＯを２〜２０質量％の範囲で含むことが好ましい。前記ガラス組成物は、ＣａＯを２〜２０質量％含むことにより、該ガラス組成物からガラス繊維を得たときに、該ガラス表面に均一にヒドロキシアパタイトを析出することができる。
【００５６】
ＣａＯの含有量が２質量％未満では、本実施形態のガラス繊維用ガラス組成物の溶融性が低下したり、該ガラス組成物からガラス繊維を得たときに、十分なヒドロキシアパタイト形成能が得られなくなる場合がある。
【００５７】
一方、ＣａＯの含有量が２０質量％を超えるときにはヒドロキシアパタイトの形成量が多すぎ、表面状態の平滑性が損なわれたり、欠陥が増加したりすることで、屈曲に対して弱くなるため、ガラス繊維の持つ柔軟性が損なわれることがある。
【００５８】
本実施形態のガラス繊維用ガラス組成物は、さらに好ましくは４〜１０質量％のＣａＯを含む。本実施形態のガラス繊維用ガラス組成物は、前記範囲のＣａＯを含むことにより、本実施形態のガラス繊維用ガラス組成物からガラス繊維を得たときに、該ガラス繊維表面に均一にヒドロキシアパタイトを形成することができる。
【００５９】
また、このとき、前記ガラス組成物は、ＭｇＯを０〜７質量％の範囲で含むことが好ましい。前記ガラス組成物は、ＭｇＯを加えることでガラス中の成分の偏りである分相現象（ガラスの相分離現象）を抑えることができるため溶融性・紡糸性の向上という効果が得られる。ＭｇＯの含有量が７質量％を超えるときには、溶融温度の上昇や粘度の上昇による紡糸性の悪化の原因となることがある。
【００６０】
本実施形態のガラス繊維用ガラス組成物は、好ましくは０〜５質量％のＭｇＯを含む。本実施形態のガラス繊維用ガラス組成物は、前記範囲のＭｇＯを含むことにより、溶融性を向上させることができる。
【００６１】
本実施形態のガラス繊維用ガラス組成物は、さらに好ましくは０〜２質量％のＭｇＯを含む。本実施形態のガラス繊維用ガラス組成物は、前記範囲のＭｇＯを含むことにより、溶融性を向上させることができると共に、該ガラス組成物からガラス繊維を得たときに、前記Ｃａ２＋とＨＰＯ４２−とを含む処理溶液中において、ヒドロキシアパタイト形成能を向上させることができる。
【００６２】
本実施形態のガラス繊維用ガラス組成物は、ＳｉＯ２を６５〜９３質量％、及びＮａ２Ｏを含む１以上のアルカリ金属の酸化物を７〜３０質量％含み、実質的にＡｌ２Ｏ３及びＰ２Ｏ５を含まないことを特徴とする。ここで、「Ａｌ２Ｏ３及びＰ２Ｏ５を含まない」とは、Ａｌ２Ｏ３及びＰ２Ｏ５を添加しないことを意味し、実質的にＡｌ２Ｏ３及びＰ２Ｏ５の濃度が、０〜０．１質量％であることを意味する。
【００６３】
ガラスにＮａ２Ｏを含ませることにより、Ｃａ２＋とＨＰＯ４２−とを含む処理溶液、例えば生体液又は疑似体液中にＮａ＋が溶出し、ガラス表面がアルカリ性となり、処理溶液中のＣａ２＋とＨＰＯ４２−がガラス表面で反応することによりヒドロキシアパタイトが形成されると考えられる（図１）。
【００６４】
ＣａＯ及びＭｇＯは、本実施形態のガラス繊維用ガラス組成物からガラス繊維を得たときに、前記Ｃａ２＋とＨＰＯ４２−とを含む処理溶液中において、より効率的にヒドロキシアパタイトを形成するために好適な成分である。
【００６５】
本実施形態のガラス繊維用ガラス組成物によれば、液相温度（溶融ガラス中に結晶が析出しない最低温度）が十分低く、液相温度とガラスの溶融粘度が１００Ｐａ・秒となる温度との差である作業温度の範囲が広いので、該ガラス組成物を溶融して容易にガラス繊維を紡糸することができる。また、本実施形態のガラス繊維用ガラス組成物を用いることにより、ヒドロキシアパタイトをガラス表面に析出させることができる、生体利用可能なガラス繊維を得ることができる。
【００６６】
上記の各組成のガラス繊維用ガラス組成物は当業者に公知のガラスの製造方法により製造することができる。すなわち、原料を計量し、混合後、溶融炉に送って溶融させて溶融ガラスとする。前記溶融ガラスをバブラーによりバブリングし、清澄槽で清澄化した後、作業槽で白金ノズルを通す。前記白金ノズル近傍には冷却プレートが設置してあり、ノズルを通ったガラスは急冷されながら集束剤が塗布され、紡糸機により巻き取られる。この結果、ガラス繊維を得ることができる。
【００６７】
前述のようにして得られた本実施形態のガラス繊維は、例えば、過飽和のＨＰＯ４２−とＣａ２＋を含有する処理溶液中に浸漬することにより、該ガラス繊維表面からＮａ＋、Ｋ＋又はＬｉ＋が溶け出し、該ガラス繊維表面にヒドロキシアパタイトを析出させることができる。
【００６８】
前記処理溶液は、例えば、Ｃａ２＋を２．５〜２０．０ｍＭ、ＨＰＯ４２−を１．０〜１０．０ｍＭを含むことが好ましい。ｐＨは５．０〜７．５が好ましい。前記処理溶液は、より好ましくは、Ｃａ２＋２．５〜１０．０ｍＭ、ＨＰＯ４２−１．０〜６．０ｍＭを含む。
【００６９】
ｐＨを５．０〜７．５に調整するには、一般的な酸・アルカリを使用することができるが、ヒドロキシアパタイト形成への影響を考えると、酸は１Ｍの塩酸（１Ｍ−ＨＣｌ）、アルカリは２８％アンモニア水（ＮＨ４ＯＨ）を使用することが好ましい。
【００７０】
前記処理溶液中には、処理溶液としてヒドロキシアパタイト形成能を損うことがなく、体内に入ったときに、生体に悪影響を示すことのないイオンが含まれていてもよい。このようなイオンとして、例えば、塩素イオン（Ｃｌ−）、炭酸イオン（ＨＣＯ３−）、リン酸イオン（ＨＰＯ４２−）、硫酸イオン（ＳＯ４２−）、ナトリウムイオン（Ｎａ＋）、カリウムイオン（Ｋ＋）、マグネシウムイオン（Ｍｇ２＋）、カルシウムイオン（Ｃａ２＋）、アンモニアイオン（ＮＨ４＋）等を挙げることができる。
【００７１】
前記処理溶液は、例えば生体液であってもよく、疑似体液であってもよい。
【００７２】
次に、図１を参照して、前記処理溶液として疑似体液を用いたときに、該擬似体液中でヒドロキシアパタイトがガラス繊維上に析出するメカニズムについて説明する。図１はヒドロキシアパタイト生成のメカニズムを模式的に表したものである。
【００７３】
図１において、前記疑似体液は、２.５〜２０．０ｍＭのＣａ２＋と、１．０〜１０．０ｍＭのＨＰＯ４２−との他、Ｃｌ−、ＨＣＯ３−、Ｎａ＋、ＳＯ４２−を含んでおり、ｐＨは５．０〜７.５の範囲に調整されている。一方、ガラス繊維（図１には単に「ガラス」として示す）は、６５〜９３質量％のＳｉＯ２と、７〜３０質量％のＮａ２Ｏとを含んでいる。ＳｉＯ２は主骨格を形成し、ガラス繊維組成物中のＳｉＯ２以外の他の成分である、ＮａやＣａはＮａ+、Ｃａ２+して主骨格の間に存在すると考えられている。
【００７４】
ここで、図１に示すように、ガラス中に含まれるＮａ＋はアルカリ土類金属であるＣａ２＋等よりも、酸素を引きつける力が小さい。また電気陰性度が小さく、酸素との結合は、イオン結合的であり、結合力が弱いため、主骨格であるＳｉＯ２の酸素原子との結合が弱く、溶媒中に容易に溶出する。ガラスに含まれるＮａ＋が溶出することによって、ガラス表面にＳｉ−ＯＨ基が形成され、ガラス表面はアルカリ性となる。
【００７５】
また、ガラス組成中のカルシウムイオンの擬似体液中への溶出によるカルシウムイオンの過飽和度の上昇と、ガラス表面のＳｉ−ＯＨ基の存在がヒドロキシアパタイトの核形成を誘起し、核が材料表面のＳｉ−ＯＨ基の位置に選択的に生成される。
【００７６】
ヒドロキシアパタイト生成のメカニズムは、少なくともＣａ２＋を２．５〜２０．０ｍＭ、ＨＰＯ４２−を１．０〜１０．０ｍＭ含む処理溶液であれば、どのような処理溶液であっても同様と考えられる。
【００７７】
また、このヒドロキシアパタイトの組成は、主としてＣａ１０（ＰＯ４）６（ＯＨ）２（Ｃａ／Ｐ＝１．６７）である。しかしながら、体液、あるいは疑似体液の組成によって、Ｃａの一部がＭｇに置換されているものや、ＰＯ４２−の一部がＣＯ３２-に置き換わったもの等も存在し、例えば、Ｃａ９Ｍｇ（ＰＯ４）６（ＯＨ）２のような組成でも存在するものと考えられる。また、Ｃａ/Ｐの比も１．６７に限らない。例えば、Ｃａ８（ＰＯ４）５（ＯＨ）２のような組成が存在していても良く、疑似体液中でヒドロキシアパタイトを生成させる場合には、Ｃａ/Ｐ＝１．６０〜１．７４の範囲になるように、疑似体液を調整すればよい。
【００７８】
前記処理溶液中で、ガラス繊維の表面にヒドロキシアパタイトを析出させる温度は、０〜９０℃であればよく、３０〜８０℃がより好ましい。更に好ましくは３６〜６０℃である。
【００７９】
従来のバイオガラスは生体中でヒドロキシアパタイトを析出させていたため、生体で可能な温度範囲でしか析出させることができなかった。しかし、本発明においては、生体外の処理溶液中でヒドロキシアパタイトを析出させることができる。したがって、体内環境よりも高温で反応させることもでき、より短時間でヒドロキシアパタイトを析出させることができる。
【００８０】
本実施形態において、前記ガラス繊維を前記処理溶液に浸漬する時間は、特に限定は無いが、温度条件によって５分〜１週間程度であればよい。前記ガラス繊維を前記処理溶液に浸漬する時間は、好ましくは３０分〜２４時間である。
【００８１】
ヒドロキシアパタイトで被覆するガラス繊維の形態としては、例えば、チョップドストランド、ヤーン、ロービング、マット、クロス、ミルドファイバー、編物、ガラスパウダー等が挙げられるがこれらに限られない。ガラス繊維の太さとしては、３〜３０μｍが好ましい。
【００８２】
次に、本発明の実施例を示す。
【実施例】
【００８３】
〔実施例１〜１５〕
まず、表１に示す各試料のガラス組成になるように調合したバッチを、白金ルツボに入れ電気炉中で１４００〜１６００℃で８時間の条件で、攪拌を加えながら溶融した。次にこの溶融ガラスをカーボン板に流し出し、ガラスカレットを作製した。いずれのガラス組成においても、結晶物の析出や溶け残りは無く、ガラスを得ることができた。結果を「ガラス化」として、表１に示す。【００８４】
次に、前記ガラスカレットをガラス繊維製造炉に投入し、１０８０〜１２００℃で溶融し、紡糸を行なうことで３〜３０μｍの径を有する繊維を得た。いずれのガラス組成においても、結晶物の析出による切断や繊維径のばらつきは見られず、容易に繊維化することできた。結果を「繊維化」として、表１に示す。【００８５】
次に、前記ガラス繊維２ｇを、表２に示す組成を備え、ｐＨが７．３〜７．４の範囲である擬似体液（ＳＢＦ）に１００ｍＬに浸漬し、３７℃で２４時間保温することにより、ヒドロキシアパタイトの析出の有無を評価した（ヒドロキシアパタイト析出実験１）。【００８６】
次に、前記ガラス繊維２ｇを、表３に示す組成を備え、ｐＨが５．５〜５．８の範囲である、硝酸カルシウム（Ｃａ（ＮＯ３）２）及びリン酸二水素アンモニウム（ＮＨ４Ｈ２ＰＯ４）を含む溶液（ＣＰ溶液）１００ｍＬに浸漬し、６０℃で３０分間保温することにより、ヒドロキシアパタイトの析出の有無を評価した（ヒドロキシアパタイト析出実験２）。【００８７】
次に、前記ヒドロキシアパタイト析出実験により得られたガラス繊維の表面を、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）（株式会社日立ハイテクノロジーズ製；商品名Ｓ−３４００Ｎ）により、観察した。また、エネルギー分散型分光分析装置（ＥＤＳ）（株式会社堀場製作所製；商品名ＥＭＡＸ）にて表面元素分析を行った。【００８８】
ＳＥＭの表面分析の結果、析出物が付着していることが確認できる。また、ＥＤＳによりこの付着物の元素分析を行なったところ、ガラス組成物には含まれないＰ原子の存在が確認できたことからヒドロキシアパタイトがガラス繊維表面に析出していることが確認された。結果を表１、ＨＡｐ析出実験の欄に、ヒドロキシアパタイトが析出したものを○で示す。【００８９】
また、実施例１のガラス組成物から得られたガラス繊維に対して、ヒドロキシアパタイト析出実験１の方法によりヒドロキシアパタイトが被覆されたガラス繊維表面のＳＥＭ写真を、図２に示す。実施例２のガラス組成物から得られたガラス繊維に対して、ヒドロキシアパタイト析出実験１の方法によりヒドロキシアパタイトが被覆されたガラス繊維表面のＳＥＭ写真を、図３に示す。【００９０】
図２、３の表面には、疑似体液に浸漬前には観察されない微小な析出物が付着しているのが確認される。【００９１】
【表１】
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【００９２】
なお、表中ＨＡはヒドロキシアパタイト示し、温度は摂氏（℃）、引張強度はＧＰａを単位としている。【００９３】
【表２】
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【００９４】
【表３】
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【００９５】
〔比較例１〜１０〕
表４に示す各試料のガラス組成になるように調合したバッチを用いた以外は、実施例１〜１５と全く同一にして、ガラスカレットを作製した。比較例１〜３、９、1０においては、溶け残りのあるものや、結晶析出するものがあり、ガラス化することができなかった。結果を「ガラス化」として、表４に示す。【００９６】
ガラス化できた比較例４〜８について、作製したガラスカレットをガラス繊維製造炉に投入後、１０８０〜１４００℃で溶融し、紡糸を行なうことで繊維を得た。比較例７においてはガラス化、繊維化とも可能であったが、比較例４〜６においては、紡糸作業に最適な粘度である１００Ｐａ・秒の温度（表４に「１０００ポイズ温度」として示す）が、結晶が析出する温度である液相温度に近く、紡糸中に結晶の析出が起こるため連続的に繊維を得ることは非常に困難であり、繊維化することができなかった。結果を「繊維化」として、表４に示す。【００９７】
次に、比較例７で得られたガラス繊維を用いた以外は、実施例１〜１５と全く同一にしてヒドロキシアパタイトの析出実験１，２を行い、得られたガラス繊維の表面を実施例１〜１５と全く同一にして観察すると共に、表面元素分析を行った。【００９８】
ＳＥＭによる表面分析の結果、析出物は確認されなかった。また、ＥＤＳによりガラス繊維表面の元素分析を行なったが、検出された元素はガラス組成元素のみであり、ヒドロキシアパタイトの析出は確認することができなかった。結果を表４に示す。【００９９】
また、比較例７のガラス組成物から得られたガラス繊維に対して、ヒドロキシアパタイト析出実験１の方法によりヒドロキシアパタイトの被覆を試みたガラス繊維表面のＳＥＭ写真を、図４に示す。【０１００】
ヒドロキシアパタイトが析出していることが確認された図２、３のガラス繊維表面と比較して、図４のガラス繊維表面は平滑なままであり、ヒドロキシアパタイトの析出が観察されない。【０１０１】
【表４】
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【０１０２】
次に細胞毒性を解析した。生体内で用いるためには、ガラス繊維が毒性を持たないことが必要条件である。そこで、生体活性を解析する前に、培養細胞を用いた細胞毒性評価を行った。【０１０３】
実施例２及び比較例７のガラス繊維を用いてガラスクロスを作成し、１０ｍＬあたり１ｇのガラスクロスを培地に２４時間浸漬した。この培地を用いてチャイニーズハムスター由来細胞株Ｖ７９を培養し、６日後に細胞がコロニー形成能を有するか否かにより、毒性の有無の評価を行った。【０１０４】
結果を表５に示す。【０１０５】
【表５】
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【０１０６】
ガラスクロスを浸漬していない培地をコントロール培地とし、ガラスクロス浸漬培地で形成されたコロニー数を、コントロール培地で形成されたコロニー数の割合（コロニー数比％）として表している。実施例２、比較例７のガラスクロスを浸漬した培地でも、コントロール培地と同程度以上のコロニー数が観察された。したがって、実施例、比較例ともに細胞毒性は認められず、本願発明のガラス繊維は生体内でも安全に使用可能であることが確かめられた。【０１０７】
さらに、これらガラス繊維の生体活性を解析するために、ラットに、上記生体毒性の見られなかった実施例２、比較例７のガラスクロスを埋入し、骨再生及び周囲の細胞への影響を調べた。【０１０８】
１１週齢のラットの両後脚の脛骨に直径２ｍｍの貫通孔を開け、右後脚骨欠損部には実施例２のガラスクロス、左後脚骨欠損部には比較例７のガラスクロスを孔を覆うように設置した。ガラスクロス埋入から２週間経過後、被験部を摘出し、切片を作成し、細胞染色を行い光学顕微鏡により観察した。図５の(Ａ)〜（Ｃ）は実施例を、（Ｄ）〜（Ｆ）は比較例を示す。【０１０９】
図５に示すように、実施例２のガラスクロスを巻いた骨は、新生骨の形成が見られるとともに、骨形成を促す赤色骨髄が豊富であることが観察された。それに対し、比較例７のガラスクロスを巻いた骨は、新生骨の形成がほとんど見られなかった。図（Ａ）、（Ｂ）（Ｄ）、（Ｅ）中、矢印で示したのは、骨欠損部である。骨欠損から２週間経過後も、比較例のガラスクロスを埋入したものでは、骨の再生が見られないのに対し、実施例２のガラスクロスを用いたものでは、骨が再生しているのが観察される。さらに、拡大して観察すると、実施例のガラスクロスを埋入したものでは（図５（Ｃ））、骨形成骨髄である赤色骨髄が観察されるのに対し、比較例のガラスクロスを埋入したものでは（図５（Ｆ））、線維性組織が観察されることから、ガラスクロスを異物として認識しているものと考えられる（各図矢印で示した箇所）。【０１１０】
ラット埋入試験の結果からも、生体内でもヒドロキシアパタイトを形成することから、本願発明によるガラス繊維は生体適合性に優れ、生体材料として患部を補強する目的で使用可能であることが確認された。【０１１１】
上述のように、本願発明によるガラス繊維は、十分な強度を有し、紡糸性に優れ、また、生体液又は疑似体液中においてその表面にヒドロキシアパタイトを形成することから、生体適合性を有するものである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【手続補正書】
【提出日】平成25年11月27日(2013.11.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＳｉＯ２を６５〜９３質量％、及びＮａ２Ｏを含む１以上のアルカリ金属の酸化物を７〜３０質量％含み、残部はガラス組成物に許容される材料であり、Ａｌ２Ｏ３及びＰ２Ｏ５を含まないことを特徴とする生体利用可能なガラス繊維。
【請求項２】
アルカリ金属の酸化物としてＮａ２Ｏと、Ｋ２Ｏ又はＬｉ２Ｏのどちらか一方もしくは両方を７〜３０質量％含むことを特徴とする請求項１記載の生体利用可能なガラス繊維。
【請求項３】
アルカリ金属の酸化物として、Ｎａ２Ｏに加え、Ｋ２ＯとＬｉ２Ｏを合わせて０〜１０質量％の含むことを特徴とする請求項１記載の生体利用可能なガラス繊維。
【請求項４】
ＣａＯ又はＭｇＯのどちらか一方もしくは両方を、合計して０〜２７質量％含むことを特徴とする請求項1〜３のいずれか１項に記載の生体利用可能なガラス繊維。
【請求項５】
ＣａＯを２〜２０質量％含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の生体利用可能なガラス繊維。
【請求項６】
ＭｇＯを０〜７質量％含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の生体利用可能なガラス繊維。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の生体利用可能なガラス繊維の直径が３〜３０μｍであることを特徴とする生体利用可能なガラス繊維。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の生体利用可能なガラス繊維にヒドロキシアパタイトを被覆したことを特徴とするヒドロキシアパタイト被覆ガラス繊維。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項に記載の生体利用可能なガラス繊維からなる製品であって、該製品がチョップドストランド、ヤーン、ロービング、マット、クロス、ミルドファイバー、編物、ガラスパウダーの形態であることを特徴とする生体利用可能なガラス繊維製品。
【請求項１０】
請求項９記載の生体利用可能なガラス製品にヒドロキシアパタイトを被覆したことを特徴とするヒドロキシアパタイト被覆ガラス繊維製品。
【請求項１１】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の生体利用可能なガラス繊維を、少なくともＣａ２＋を２．５〜２０．０ｍＭ、かつＨＰＯ４２−を１．０〜１０．０ｍＭ含み、ｐＨが５．０〜７．５である処理溶液に、０〜９０℃の範囲の温度で、５分〜１週間の間浸漬させることにより、ヒドロキシアパタイトを該ガラス繊維表面に析出させることを特徴とするヒドロキシアパタイト被覆ガラス繊維の製造方法。
【請求項１２】
請求項９に記載の生体利用可能なガラス繊維製品を、少なくともＣａ２＋を２．５〜２０．０ｍＭ、かつＨＰＯ４２−を１．０〜１０．０ｍＭ含み、ｐＨが５．０〜７．５である処理溶液に、０〜９０℃の範囲の温度で、５分〜１週間の間浸漬させることにより、ヒドロキシアパタイトを該ガラス繊維表面に析出させることを特徴とするヒドロキシアパタイト被覆ガラス繊維製品の製造方法。
【国際調査報告】
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