(57)【要約】【課題】有機高分子を主成分とするいかなる形状の基材でも少なくともその表面に、シランカップリング剤による処理などの特別な前処理操作をする必要なく、温和な条件で生体活性なナノサイズのアパタイトを均一に効率よく被覆して生体活性材料を製造する方法を提供する。【解決手段】基材を、オルガノアルコキシシランＳｉＲ´ｎ（ＯＲ）４−ｎとカルシウムイオンを含有する溶液と接触させた後、カルシウムイオンとリン酸イオンを含有する水溶液と接触させて該基材上に生体活性なアパタイト被覆層を形成することを特徴とする生体活性材料の製造方法。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材を、オルガノアルコキシシランＳｉＲ´ｎ（ＯＲ）４−ｎ〔Ｒはアルキル基、Ｒ’はアルコキシ基、ｎ＝１〜３〕とカルシウムイオンを含有する溶液と接触させた後、カルシウムイオンとリン酸イオンを含有する水溶液と接触させて該基材上に生体活性なアパタイト被覆層を形成することを特徴とする生体活性材料の製造方法。
【請求項２】
オルガノアルコキシシランＳｉＲ´ｎ（ＯＲ）４−ｎが、テトラエトキシシラン〔Ｒはエチル基、Ｒ’はエトキシ基、ｎ＝１〕であることを特徴とする請求項１記載の生体活性材料の製造方法。
【請求項３】
カルシウムイオンとリン酸イオンを含有する水溶液が、擬似体液であることを特徴とする請求項１または２記載の生体活性材料の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、生体活性に優れるアパタイトを、有機高分子からなる材料表面に被覆する方法に関するものであり、生体適合性に優れた医療用材料が要望される分野に好適に利用されるものである。
【０００２】
【従来の技術】
生体とほぼ同じ組成のアパタイトが優れた生体活性を有することから、そのようなアパタイト、すなわち骨類似アパタイトを各種医療用材料の表面に該材料と強固に結合した形で緻密で均一に形成させる試みが行われてきている。
例えば有機高分子を主成分とする基材表面をシランカップリング剤で処理をして、その後、カルシウムイオンとリン酸イオンを含有する水溶液に浸漬して基材表面にアパタイトを被覆する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。この場合、有機高分子成分によってシランカップリング剤を適宜選択すれば、シランカップリング剤処理後の該基材表面の最表面側は、アパタイトの核形成に必要なシラノール基で覆われることが記載されている。
【０００３】
さらに、エチレン−ビニルアルコール共重合体からなる基板ないしは繊維基材にシランカップリング処理を施して後、カルシウムシリケート溶液に浸漬し、得られた該基材をヒトの体液とほぼ等しい無機イオン濃度、ｐＨを有する擬似体液に浸漬して基材表面にアパタイトを形成する方法が知られている（例えば、非特許文献１〜４参照）。
これら（非特許文献１〜４）ではシランカップリング剤による処理が施されて基材の最表面側がシラノール基で覆われた後、その上層にカルシウムイオンを含むシリケート層を形成させることによって、アパタイトの形成が促進されると記述されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平６−２９３５０４号公報
【非特許文献１】
日本バイオマテリアル学会シンポジウム２０００  予稿集、川口春馬発行（シンポジウム主催者  慶應義塾大学理工学部応用化学科）、１１８頁、Ｐ７３２（２０００年１１月）
【非特許文献２】
第４回生体関連セラミックス討論会  講演予稿集、奈良先端大学院大学物質創成科学研究科主催、３６頁、ＩＩ―１０（２０００年１１月）
【非特許文献３】
２００１年日本セラミックス協会年会  講演予稿集、社団法人日本セラミックス協会発行、９７頁、１Ｈ３３（２００１年３月）
【非特許文献４】
Ａｙａｋｏ  Ｏｙａｎｅ  ｅｔ．ａｌ．  Ｂｉｏｍａｔｅｒｉａｌｓ，２４，２００３，１７２９−１７３５
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、基材成分の有機高分子によりシランカップリング剤は、特開平６−２９３５０４号公報に記述されているごとく、より反応性に優れたものを適宜選択することが必要であった。またイソシアナート基等の反応性の高い官能基を有するシランカップリング剤は、希釈して使用する場合に特殊な有機溶媒を必要とする場合があり、さらに容易に不純物などとも反応するためその取り扱いに注意が必要で、工程管理が非常に煩雑となり、人体に対しても有害である等の問題を有していた。
【０００６】
本発明は、有機高分子を主成分とするいかなる形状の基材も少なくともその表面に、シランカップリング剤による処理などの特別な前処理操作をする必要なく、温和な条件で生体活性なナノサイズのアパタイトを均一に効率よく被覆することができる方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、前記課題を解決すべく鋭意検討の結果、以外にも基材に直接カルシウムシリケート層を形成させることができることを見出し、本発明に到達した。
【０００８】
すなわち本発明は、基材を、オルガノアルコキシシランＳｉＲ´ｎ（ＯＲ）４−ｎ〔Ｒはアルキル基、Ｒ’はアルコキシ基、ｎ＝１〜３〕とカルシウムイオンを含有する溶液と接触させた後、カルシウムイオンとリン酸イオンを含有する水溶液と接触させて該基材上に生体活性なアパタイト被覆層を形成することを特徴とする生体活性材料の製造方法を要旨とするものであり、好ましくは、オルガノアルコキシシランＳｉＲ´ｎ（ＯＲ）４−ｎが、テトラエトキシシラン〔Ｒはエチル基、Ｒ’はエトキシ基、ｎ＝１〕であり、また好ましくは、カルシウムイオンとリン酸イオンを含有する水溶液が、擬似体液であるものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明で用いられる基材は有機高分子を主成分とするものが好ましい。有機高分子とは、天然の有機高分子、合成の有機高分子あるいはそれらを組み合わせた高分子のいずれでもよい。
天然の有機高分子としては、コラーゲン、アルギン酸、カラギーナン、セルロース、キチン・キトサン、絹、ヒアルロン酸、グアガムなどの植物性ガム等が挙げられる。
【００１０】
合成の有機高分子としては、ポリエステル系高分子、ポリオレフィン系高分子、ポリアミド系高分子  脂肪族ポリエステルアミド系高分子、エチレン−酢酸ビニル系高分子やポリビニルアルコールなどの高分子が挙げられる。
【００１１】
ポリエステル系高分子としては芳香族ポリエステル系重合体、脂肪族ポリエステル系重合体が用いられる。
芳香族ポリエステル系重合体の例としては、酸成分にテレフタル酸、イソフタル酸、ナフタリン−２，６−ジカルボン酸などの芳香族ジカルボン酸またはこれらのエステル類を使用し、アルコール類にエチレングリコール、ジエチレングリコール、１，４−ブタンジオール、ネオペンチルグリコール、１，４−シクロヘキサンジメタノール等のジオール化合物を使用するホモポリエステル重合体、あるいはポリエステル共重合体が挙げられる。なおこれらの芳香族ポリエステル系重合体には、パラオキシ安息香酸、５−ナトリウムスルフォイソフタール酸、ポリアルキレングリコール、ペンタエリスリトール、ビスフェノールＡなどが添加されていてもよい。
【００１２】
脂肪族ポリエステル系重合体の例としては、α−ヒドロキシ酸や乳酸を重合させてなるポリグリコール酸やポリ乳酸、またはこれらの共重合体を用いることができる。また、ポリ（ε−カプロラクトン）やポリ（β−プロピオラクトン）等のポリ（ω−ヒドロキシアルカノエート）も用いることができる。さらに、ポリ−３−ヒドロキシプロピオネート、ポリ−３−ヒドロキシブチレート、ポリ−３−ヒドロキシカプロレート、ポリ−３−ヒドロキシヘプタノエート等のポリ（β−ヒドロキシアルカノエート）、またはこれらにポリ−３−ヒドロキシバリレートやポリ−４−ヒドロキシブチレート等を構成モノマー成分に共重合させたものを用いることができる。さらには、アジピン酸やセバチン酸等の脂肪族ジカルボン酸またはこれらのエステル類を酸成分としてエチレングリコール、ジエチレングリコール、ポリエチレングリコール、１，４−ブタンジオール、ネオペンチルグリコール、シクロヘキサン−１，４−ジメタノール等のジオール化合物をグリコール成分とする重合体または共重合体を用いることもできる。
【００１３】
ポリオレフィン系高分子としては、炭素数２〜１８の脂肪族α−モノオレフィン、例えばエチレン、プロピレン、１−ブテン、１−ペンテン、３−メチル−１−ヘキセン、１−オクテン、１−オクタデセンからなるポリオレフィン系重合体が挙げられる。これらの脂肪族α−モノオレフィンは多くのエチレン系不飽和モノマー、例えばブタジエン、イソプレン、１，３−ペンタジエン、スチレン、α−メチルスチレンのような類似のエチレン系不飽和モノマーが共重合されたポリオレフィン系重合体であってもよい。
【００１４】
ポリアミド系高分子としては、ポリイミノ−１−オキソテトラメチレン（ナイロン４）、ポリテトラメチレンアジパミド（ナイロン４６）、ポリカプラミド（ナイロン６）、ポリヘキサメチレンアジパミド（ナイロン６６）、ポリウロララクタミド（ナイロン１２）ポリメタキシレンアジパミド、ポリパラキシリレンデカナミド、ポリビスシクロヘキシルメタンデカナミド、またはこれらのモノマーを構成単位とするポリアミド系共重合体などが挙げられる。
【００１５】
脂肪族ポリエステルアミド系高分子としては、例えば前記した脂肪族ポリエステル系重合体と、ナイロン６、ナイロン４６、ナイロン６６、ナイロン１２等の脂肪族系ポリアミド重合体とを共重合したものを用いることができる。
【００１６】
これら有機高分子を主成分とする基材は、フィルム状、プレート状、スポンジ状、繊維状、織・編み形状、チューブ状などいずれの形状であってもよい。
【００１７】
これら基材は、予め該基材そのものに悪影響を及ぼさない範囲で、プラズマや放射線などの照射、あるいは酸やアルカリによるエッチングなどの手段を施してもよい。
【００１８】
本発明の生体活性材料の製造方法においては、先ず基材をオルガノアルコキシシランとカルシウムイオンを含有する溶液と接触させることが必要である。ここで用いるオルガノアルコキシシランは、化学式ＳｉＲ´ｎ（ＯＲ）４−ｎで表され、式中Ｒはアルキル基、Ｒ’はアルコキシ基、ｎ＝１〜３であるものを含むものである。これらのうち本発明においては、テトラエトキシシラン〔上記式中Ｒはエチル基、Ｒ’はエトキシ基、ｎ＝１〕（以下、「ＴＥＯＳ」という。）が常温で安定な液体であり、適当な加水分解速度を有する点で好ましい。
【００１９】
またカルシウムイオンは、カルシウムを含む無機系化合物がオルガノアルコキシシランを含有する溶液に可溶性であって、該溶液中でカルシウムイオンを形成しうる化合物であればいずれでもよく、例えば硝酸カルシウムなどが挙げられる。
【００２０】
オルガノアルコキシシランとカルシウムイオンを含有する溶液の溶媒としては、オルガノアルコキシシランと、前述のカルシウムを含む無機系化合物を溶解しうる溶媒であればいずれでもよく、水とアルコールの混合溶媒が取り扱う上で好ましい。
【００２１】
この溶液において、オルガノアルコキシシランは、含有量が高くなると溶液が粘稠となり、基材内部への十分な浸透が難しくなると同時に、基材の表面に形成されるカルシウムシリケートの層に厚み斑が生じることなどから、前述の混合溶媒とのモル比で１／４以下が好ましく、さらには１／８以下がより好ましい。
またこの溶液において、カルシウムイオンは、出来るだけ高い濃度であることが基材表面に生体活性なアパタイトを早期に形成する上で有利であり、オルガノアルコキシシランに対してモル比で０．０５以上であることが好ましい。
【００２２】
本発明において基材を上記の溶液に接触させる方法としては、少なくとも該基材表面にカルシウムシリケートの下地層が形成されればいかなる方法で接触させてもよいが、例えば、オルガノアルコキシシランとカルシウムイオンを含有する溶液中に基材を浸漬し、引き上げて風乾後に、加熱処理する方法が採用できる。
基材の浸漬時間は、オルガノアルコキシシランとカルシウムイオンを含有する溶液が基材に十分浸透しさえすれば特に時間に制限はなく、数秒から４８時間、好ましくは数分から２４時間の範囲で行えばよい。また浸漬時間を短くするために、基材を浸漬しながら超音波処理や減圧処理などを一時的に行ってもよい。基材の浸漬温度は、オルガノアルコキシシランとカルシウムイオンを含有するゾル溶液が基材に浸透しやすい粘稠度を保持しうる温度であり、さらにはオルガノアルコキシシランが安定な温度範囲であれば特に制限はなく、１０℃から３７℃の範囲で行うのが好ましい。また加熱処理の温度と時間は、基材を構成する有機高分子によって異なるが、通常１００℃以下で数時間から４８時間の範囲で行えばよい。
【００２３】
本発明においては、上記の処理により基材表面にカルシウムシリケート層が形成された後、次いで、カルシウムイオンとリン酸イオンを含有する水溶液と接触させることが必要である。
この場合、カルシウムイオンとリン酸イオンを含有する水溶液中のそれぞれのイオン濃度は、アパタイトに対して過飽和な濃度であることがアパタイトの形成を促進する上で好ましく、また該水溶液のｐＨは、生体活性なアパタイトを形成するために体液に類似したｐＨが好ましい。
【００２４】
このようなカルシウムイオンとリン酸イオンを含有する水溶液としては、ヒトの体液にほぼ等しい無機イオン濃度とｐＨを有する擬似体液が好ましく、例えば、Ｊ．Ｂｉｏｍｅｄ．Ｍａｔｅｒ．Ｒｅｓ．２４、７２１−７３４（１９９０）に示されているものなどが挙げられる。
【００２５】
基材を上記の水溶液に接触させる方法としては、少なくとも該基材表面のカルシウムシリケート層の上にアパタイト被覆層が形成されればいかなる方法で接触させてもよいが、例えば、カルシウムイオンとリン酸イオンを含有する水溶液に基材を浸漬する方法が採用できる。この場合、浸漬時間は６時間から１週間、浸漬温度は生体温度に近い３６．５℃が好ましい。
【００２６】
基材表面におけるカルシウムシリケート層の形成確認および生体活性なアパタイト被覆層の形成確認は、それぞれエネルギー分散型Ｘ線分光分析（ＥＤＸ）および電界放出型走査電子顕微鏡（ＦＥ−ＳＥＭ）によって行うことができる。
【００２７】
【実施例】
次に、実施例に基づき本発明を具体的に説明するが、本発明は、これら実施例によって何ら限定されるものではない。
実施例１〜４
ＴＥＯＳ／蒸留水／硝酸カルシウム／塩酸／エタノールの混合モル比が１．０／４．０／０．２０／０．０１４／４．０のカルシウムシリケートのゾル溶液を調製し、同溶液５ｍｌにエチレンービニルアルコール共重合体（ＥＶＯＨ、株式会社クラレ製、実施例１）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ、東洋紡株式会社製、実施例２）およびナイロン６（株式会社ゼネラルサイエンスコーポレーション製、実施例３）とナイロン６６（株式会社ゼネラルサイエンスコーポレーション製、実施例４）それぞれからなるプレート（１０×１０×１ｍｍ）を２５℃で２４時間浸漬した。その後、該試料を１０ｍｍ／ｍｉｎの速度で引き上げ、風乾後、１００℃で２４時間熱処理をおこなって基材表面にカルシウムシリケートの下地層を形成した。
【００２８】
得られた基材の表面をＥＤＸで解析した結果、何れの基材表面にもＳｉとＣａに帰属されるピークが検出され（図１、図２）、アパタイトの核形成を誘起するシラノール基とカルシウムイオンを有するカルシウムシリケート層であることが確認された。
【００２９】
次に、基材表面にカルシウムシリケート層を有する各プレートを、表１に示した組成の擬似体液（ｐＨ７．４０）３０ｍｌに３６．５℃で２日間浸漬した。
【００３０】
【表１】
2004283324.tif 000002
【００３１】
その後、基材を擬似体液から取り出し、蒸留水で洗浄後に、乾燥をおこなって生体活性材料を得た。これら各材料のＦＥ−ＳＥＭによる表面構造を図３、４、５および図６に示すが、いずれも生体活性なアパタイトの被覆層が確認された。
【００３２】
比較例１
実施例１で使用した同じＥＶＯＨプレートを、触媒として０．２５重量％のジラウリン酸ジーｎ−ブチルスズを含む５０重量％３−イソシアナートプロピルトリエトキシシランのトルエン溶液に、窒素雰囲気下で２時間浸漬した後取り出し、テトラヒドロフラン、２−プロパノール続いてトルエンの順に洗浄して真空乾燥した。得られたシランカップリング剤処理の試料は、実施例１と全く同様にして、カルシウムシリケートのゾル液に浸漬、その後、風乾、加熱処理を経て擬似体液に浸漬した。得られた生体活性試料のＦＥ−ＳＥＭ結果を図７に示すが、図３と比較して、基材表面を予めシランカップリング剤で処理することによるアパタイト被覆層の形成効果は認められなかった。
【００３３】
【発明の効果】
本発明によれば、有機高分子を主成分とするいかなる形状の基材も少なくともその表面に、シランカップリング剤による処理などの特別な前処理操作をする必要なく、温和な条件で生体活性なナノサイズのアパタイトを均一に効率よく被覆することができ、生体適合性に優れた医療用材料の製造方法として好適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１、２のＥＶＯＨ、ＰＥＴから得られた各種基材の表面について、カルシウムシリケート層が形成されていることを示す表面構造のエネルギー分散型Ｘ線分光分析（ＥＤＸ）スペクトルである。
【図２】実施例３、４のナイロン６及びナイロン６６から得られた各種基材の表面について、カルシウムシリケート層が形成されていることを示す表面構造のエネルギー分散型Ｘ線分光分析（ＥＤＸ）スペクトルである。
【図３】実施例１で得られた生体活性材料の表面にアパタイトが形成されている状態を示す電界放出型走査電子顕微鏡写真（ＦＥ−ＳＥＭ）である。
【図４】実施例２で得られた生体活性材料の表面にアパタイトが形成されている状態を示す電界放出型走査電子顕微鏡写真（ＦＥ−ＳＥＭ）である。
【図５】実施例３で得られた生体活性材料の表面にアパタイトが形成されている状態を示す電界放出型走査電子顕微鏡写真（ＦＥ−ＳＥＭ）である。
【図６】実施例４で得られた生体活性材料の表面にアパタイトが形成されている状態を示す電界放出型走査電子顕微鏡写真（ＦＥ−ＳＥＭ）である。
【図７】比較例１で得られた基材表面にアパタイトが形成されている状態を示す電界放出型走査電子顕微鏡写真（ＦＥ−ＳＥＭ）である。
【図１】
2004283324.tif 000003
【図２】
2004283324.tif 000004
【図３】
2004283324.tif 000005
【図４】
2004283324.tif 000006
【図５】
2004283324.tif 000007
【図６】
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【図７】
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