(57)【要約】  本開示は、足場内への軟部組織の成長を阻止し、足場の機械的強度を増大させる、皮質壁として機能できるナノ多孔性外層が設けられる二酸化チタン足場を対象とする。本開示はまた、そのようなナノ多孔性外層を製造するための方法、およびナノ多孔性外層を有する二酸化チタン足場の、医療用インプラントとしての適用を対象とする。
2015529526.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
二酸化チタン足場であって、前記二酸化チタン足場の外表面の少なくとも一部に、二酸化チタンを含むナノ多孔性外層が設けられ、前記ナノ多孔性外層の細孔が1nm〜5000nm、例えば、10nm〜1000nmの平均細孔径を有する、二酸化チタン足場。
【請求項２】
前記ナノ多孔性外層が、10〜1000μm、例えば、50〜500μmの厚さを有する、請求項1に記載の二酸化チタン足場。
【請求項３】
前記ナノ多孔性外層が、1〜50%、例えば、3〜25%の空隙率を有する、請求項1または2に記載の二酸化チタン足場。
【請求項４】
請求項1から3のいずれか一項に記載の二酸化チタン足場を製造するための方法であって、
a)二酸化チタン足場を用意する工程と、
b)場合により、二酸化チタン足場の少なくとも一部を二酸化チタンスラリーで被覆する工程と、
c)場合により、遠心分離などによって、工程b)の二酸化チタン足場から過剰なスラリーを除去する工程と、
d)二酸化チタンおよび少なくとも1種のポリマーを含む粉末を、二酸化チタン足場の外表面の少なくとも一部上に与える工程と、
e)工程d)の二酸化チタン足場を焼結する工程と、
f)場合により、工程b)から工程e)を繰り返す工程と
を含む、方法。
【請求項５】
工程b)の前に、二酸化チタン足場の少なくとも一部に二酸化チタンスラリーを与える工程、その後、二酸化チタン足場を焼結する工程が行われる、請求項4に記載の方法。
【請求項６】
工程e)またはf)の後に、二酸化チタン足場の少なくとも一部に二酸化チタンスラリーを与える工程、その後、二酸化チタン足場を焼結する工程が行われる、請求項4または5に記載の方法。
【請求項７】
工程e)が、約1300〜1800℃で、約2時間以上、例えば、30〜50時間、例えば、約1500℃で40時間行われる、請求項4から6のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
二酸化チタンおよび少なくとも1種のポリマーを含む工程d)の前記粉末が、2〜50wt%のポリマー、例えば、2〜10wt%のポリマー、例えば、10wt%のポリマーを含有する、請求項4から7のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
二酸化チタンおよび少なくとも1種のポリマーを含む工程d)の前記粉末の前記ポリマーが、5〜250nm、例えば、50〜250nmの平均粒子径を有する、請求項4から8のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
工程a)で用意される二酸化チタン足場が、多孔性ポリマー構造体上に二酸化チタンスラリーを適用し、多孔性ポリマー構造体を燃やし尽くし、多孔性ポリマー構造体を燃やし尽くした後に得られたセラミック材料を焼結することによって作製される、請求項4から9のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
請求項4から10のいずれか一項に記載の方法によって得ることができるまたは得られる、二酸化チタンを含むナノ多孔性外層が設けられた、二酸化チタン足場。
【請求項１２】
請求項1から3または11のいずれか一項に記載の二酸化チタン足場を含む、医療用インプラント。
【請求項１３】
骨などの組織の再生、修復、代替、および/または回復のための使用のための、請求項1から3または11のいずれか一項に記載の二酸化チタン足場、または請求項12に記載の医療用インプラント。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本文書は、医療用インプラント、特に、骨組織を修復または代替するために使用されるインプラントを対象とする。該インプラントは足場（scaffold）構造を有し、ここで、インプラントの外表面の少なくとも一部には、足場内に上皮組織などの軟部組織が成長することに対するバリアとして機能する二酸化チタンを含む、ナノ多孔性外層が設けられる。
【背景技術】
【０００２】
骨は、皮質骨または緻密骨と、小柱骨または海綿骨という2種類の組織から成り立っている。皮質骨はより密な構造であり、典型的には5〜30%の空隙率（porosity）を有する。皮質骨は、骨質量の約80%を占める。その一方で、小柱骨はそれほど密ではなく、一般的に30〜90%の空隙率を有する。
【０００３】
外傷、腫瘍、癌、歯周炎、および骨粗鬆症などの状態は、骨の喪失、骨成長および骨量の低下につながりうる。これらおよびその他の理由から、骨の成長を高め、骨の構造を回復させるための方法を見出すことが非常に重要である。足場は、骨再生過程に関与する細胞のための枠組みとしてだけではなく、失われた骨構造の代替物としての枠組みとしても使用することができる。
【０００４】
整形外科用インプラントは、筋骨格系、特に、関節および骨における機能の維持および回復(これらの構造における疼痛の緩和を含む)のために利用される。整形外科用インプラントは、一般的に、生体環境において安定であり、最小の変形で物理的ストレスに耐える材料から構成される。これらの材料は、強度、耐腐食性、良好な生体適合性、および良好な摩耗特性を有していなければならない。これらの要件を満たす材料としては、チタンおよびコバルト-クロム合金などの生体適合性材料が挙げられる。
【０００５】
歯科用インプラントは、1本またはそれ以上の歯を失った患者における、歯の修復処置に利用される。歯科用インプラントは、人工の歯根代替品として利用される歯科用器具を含む。したがって、歯科用インプラントは、新しい歯のための歯根として働く。歯科用インプラントは、通常、ネジである。すなわち、歯科用インプラントは、ネジの形状を有し、一般的には、チタン、チタン合金、ジルコニウム、またはジルコニウム合金製である。そのネジは、外科的に顎骨に埋め込まれ、そこでは、骨組織がインプラント表面と密着して成長した後、ネジが骨の中で固定される。このプロセスは、骨芽細胞が、埋め込まれたネジの表面上でおよび表面内に成長し、そのネジが、光学顕微鏡レベルで測定されるように骨と一体化するので、オッセオインテグレーションと呼ばれる。オッセオインテグレーションにより、ネジがしっかりと取り付けられる。
【０００６】
組織工学の目的で、細胞の増殖を支持する足場を使用することが以前から知られている。足場の細孔サイズ、空隙率および相互連結性は、細胞の振舞いおよび再生される組織の質に影響する重要な要素であると考えられている。先行技術の足場は、典型的には、リン酸カルシウム、ヒドロキシルアパタイト、および異なる種類のポリマーで作製されている。
【０００７】
組織工学の一原則は、細胞を採取し、必要に応じてin vitroで細胞集団を拡大させ、細胞が完全な組織または器官に成長できる三次元の支持足場上にそれらを植えつけることである。ほとんどの臨床用途にとって、足場の材料および構造の選択は非常に重要である。足場内での高い細胞密度を実現するために、材料は、高い表面積対体積比を有することが必要である。細孔は、細胞が足場に移動できるように十分に開いた大きなものでなければならない。細胞が材料表面に付着したときには、栄養分の送達、老廃物の除去、材料または細胞の除外およびタンパク質輸送を可能にするのに十分な空間およびチャネルがなければならず、そのような空間およびチャネルは、細孔の相互連結されたネットワークによってのみ得ることができる。埋め込まれた足場に対する生体応答は、三次元のミクロ構造などの、足場の設計要素によっても影響される。材料の構造特性に加え、細胞を付着させるための材料表面の物理的特性も極めて重要である。
【０００８】
骨の内方成長は、セルサイズが小柱骨のものと大体同じ(約0.25〜0.5mm)で、直径約100μm(0.1mm)の支柱を有する、非常に多孔性のオープンセル構造において優先的に起こることが知られている。したがって、空隙率が高く、制御されたミクロ構造を有する材料は、整形外科用インプラントの製造業者および歯科用インプラントの製造業者の両方にとって関心のあるものである。整形外科市場の場合、骨の内方成長および表面成長の選択肢については、現在のところ以下のものが挙げられる:(a)DePuy社は、金属製のビーズをインプラント表面に焼結させ、それにより、骨の内方成長のために制御され、それに適した細孔サイズであるミクロ構造がもたらされるが、それは、骨の内方成長に最適な空隙率よりも低い;(b)Zimmer社は、目の粗い繊維を拡散結合させることにより製造された繊維金属パッドを使用し、このパッドは次いでインプラントに拡散結合されるか、複合構造体中でインサート射出成型され、これも骨の内方成長に最適な密度には満たない;(c)Biomet社は、結果的に粗表面となるプラズマ溶射表面を使用し、これにより表面成長は生じるが、骨の内方成長は生じない;および(d)Implex社は、化学蒸着プロセスを使用して、タンタル被覆炭素のミクロ構造体(金属発泡体とも呼ばれている)を製造する。調査によれば、この「小柱状金属」は、質の高い、骨の内方成長をもたらすことが示されている。小柱状金属は、骨の内方成長を促す、高い空隙率、オープンセル構造およびセルサイズという利点を有する。しかし、小柱状金属は、制御が困難である化学的性質およびコーティング厚を有する。小柱状金属は、材料およびプロセスにコストがかかり、処理時間が長く、主に化学蒸着(CVD)を伴うことから、非常に高価である。さらに、CVDは、非常に有毒な化学薬品の使用を必要とし、このことは、製造においても生物医学的な用途にも敬遠される。
【０００９】
足場体積全体にわたる、生細胞の付着、栄養素および老廃物の輸送、血管新生、ならびに新しく形成された骨組織の通過を確実にするために、骨の足場は、細孔体積が大きく、平均の細孔連結サイズが好ましくは100μmを超える、十分に相互連結された細孔ネットワークを有することが必要とされる。網状の細孔空間に加えて、適切な細孔形態、および300μmより大きい平均細孔サイズが、非再吸収性（non-resorbable）足場構造体における生きた骨の形成に十分な空間および浸透性をもたらすために必要である。しかし、足場構造体に最も重要な必要条件の1つは、足場材料自体が、十分に生体適合性であり、骨と足場との直接の接触面の形成を促進するために、足場材料表面での骨細胞の付着および分化に有利に働くことである。
【００１０】
セラミックTiO2は、足場をベースとする骨組織修復のための有望な材料として特定されており、非常に多孔性のTiO2足場は、in vivoの周辺の骨組織からの生きた骨の内方成長に好ましい、ミクロ環境をもたらすことが以前から示されている。これらのTiO2足場の優れた骨伝導能力は、TiO2発泡体構造の大きく高度に相互連結された細孔体積のおかげであると考えられている。しかし、足場の機械的特性は、足場材料によってだけでなく、足場構造体の細孔構造によっても左右され、細孔サイズおよび空隙率を増大させることはセル固体の機械的特性に有害な影響を与え、結果的に、足場構築物の構造的完全性を低下させることが知られている。骨の足場の主要な特徴の1つが、骨組織再生の間に、欠損部位を機械的に支持することなので、十分な機械的強度がないと、TiO2足場構造体の使用は、中程度の生理的負荷にしか耐えられない骨格部位に限定される。したがって、そのようなセラミックTiO2発泡体の機械的特性は、非常に多孔性のTiO2骨足場の所望の細孔構造特徴を損なうことなく、整形外科用途のために十分な耐負荷能力を有する骨足場をもたらすように、最適化された処理によって改善されるべきである。
【００１１】
網状セラミック発泡体、例えば、WO08078164のものは、治癒しないまたは危険な大きさの骨欠損の修復において、自然な骨再生を刺激し誘導する多孔性足場として、近年ますます関心を集めている。そのような骨足場の目的は、組織再生のための最適な状態を与えることであり、発泡構造体は、その構造体の表面への骨細胞の付着を可能にし、かつ、細胞増殖および妨げのない組織の内方成長のための十分な空間を与えなければならない。したがって、3D骨足場構築物の構造特性、例えば、空隙率および細孔形態が、足場をベースとする骨再生の成功に極めて重要な役割を果たす。
【００１２】
複製法により作製される網状セラミック発泡体の機械的特性は、発泡体構造における亀裂および傷の大きさおよび分布に大きく左右され、通常、それらによって発泡体支柱の強度が決定される(Breznyら、1989)。しかし、複製プロセスに含まれる様々な処理工程を最適化することによって、機械的強度を高めようとすることが、多くの研究における目的となっている。
【００１３】
バリア膜は、比較的早く再生する上皮が、別のよりゆっくり成長する組織の種類(例えば、骨)が望まれている領域内に成長することを防ぐために、インプラントで使用できる道具である。特定の領域への上皮の移動を防ぐそのような方法は、組織再生誘導(GTR)として知られている。
【００１４】
バリア膜が利用された場合、表面の軟部組織弁は、初期の治癒期間の間、その下部の骨と隔てられたままとなり、その軟部組織弁の血管供給で生存しなければならず、その下部の骨に由来する肉芽組織に依存することができない。
【００１５】
バリア膜は、一般的に、2種類の骨欠損、すなわち、空間形成欠損および非空間形成欠損に使用される。無傷の骨壁を有する抜歯窩などの空間形成欠損は、歯肉増大術の部位などの非空間形成欠損ほど困難ではなく、非空間形成欠損では、バリア膜への支持が存在できず、軟部組織による覆いが治癒の間にバリア膜の崩壊を引き起こしうる。バリア膜は、天然および合成の両方の様々な供給源から得られており、様々な商品名で販売されている。
【００１６】
この目的のために開発された最初の膜は、再吸収性ではなかった。したがって、それらの使用により、埋め込みして数週間後に、膜を除去するための別の外科手術が必要となる。歴史的には、GTRおよび移植法は、非実用的なミリポア(紙)フィルターバリアから始まった。延伸ポリテトラフルオロエチレン(ePTFE)膜は1984年に初めて使用され、再吸収性ではないが、ヒトに適合し、感染をもたらさなかった。ePTFEは膜の基準とみなされ、この材料により優れた結果が実現されているが、これらは細菌で汚染されることが多く(発生する骨の再成長の量を制限する)、結局、組織が再成長して4〜6週間後以内に、少なくとも1回の追加の外科手術によって除去されなければならない。非吸収性（Non-absorbable）ePTFE膜は、依然として、定期的に臨床で使用され、長期研究は、骨が、ePTFEの機能、ならびに増大していない未熟な骨により再成長することを示唆している。
【００１７】
別の外科的処置の必要性は、無論、これらの非再吸収性膜の使用に関連する欠点であり、それは、再吸収性膜の開発につながった。
【００１８】
再吸収性膜は、動物由来のまたは合成のポリマーである。それらは、徐々に、体内で加水分解または酵素分解され、したがって、膜除去の別の外科手術工程を必要としない。それらの供給源は、初期にラットまたはウシのコラーゲン、カーガイル(cargile)膜、ポリ乳酸、ポリグリコリド、Vicryl、人工皮膚、および凍結乾燥硬膜から始まって、様々である。最近開発された合成膜は、異なる材料を組み合わせていることが多い。
【００１９】
コラーゲンの再吸収性膜は、ウシまたはブタ由来のIまたはII型コラーゲンのものである。それらは、架橋されることが多く、型に応じて、吸収するのに4週間から40週間かかる。コラーゲンの吸収性バリア膜は、外科手術による除去を必要とせず、上皮細胞の移動を阻止し、新しい結合組織の付着を促進し、抗原性が強くなく、血小板凝集を促進して早期の血餅形成および傷の安定化をもたらすことにより血液減少を防ぐ。コラーゲンの膜は、膜露出の後でさえも、線維芽細胞化学走性による一次創傷閉鎖を容易にすることもできる。ePTFE膜と比較して、再吸収性バリアは、露出をより少なくすることができ、したがって、新しく形成された骨への感染の影響を減らす。コラーゲンの膜を、特に、支持物および空間維持物としての骨ミネラルと使用することにより、予測通りの治療結果が実現されている。しかし、動物由来であるので、コラーゲンの膜が使用されたときに、アレルギー反応のリスクが常に存在する。
【００２０】
合成の再吸収性膜は、乳酸またはグリコール酸のポリマーでありうる。それらのエステル結合は、30〜60日をかけて分解され、炎症を起こしうる遊離酸が残る。大半の研究は、合成物を、ePTFEおよびコラーゲンのような他の膜に少なくとも匹敵するものと考えている。治癒期間にわたる再吸収性膜の完全性は、ePTFE膜と比較して、疑問視されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２１】
【特許文献１】WO08078164
【特許文献２】US2006/0155384
【特許文献３】WO02/45764
【特許文献４】WO03/086495
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
上記から明らかなように、バリア膜として機能することができる新しい構造体の必要性が、当分野において依然として存在する。
【００２３】
本発明の目的は、先行技術に関連する問題のいくつかを克服または少なくとも軽減することである。
【００２４】
本文書の一目的は、医療用インプラントとして適切な二酸化チタン足場であって、足場内に軟部組織が成長することを防ぐ、ナノ多孔性外層が設けられる二酸化チタン足場を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
この目的は、一態様において、二酸化チタン足場の外表面の少なくとも一部に、二酸化チタンを含むナノ多孔性外層が設けられ、ナノ多孔性外層の細孔が1nm〜5000nmの平均細孔径を有する二酸化チタン足場に関する、本開示によって達成される。
【００２６】
ナノ多孔性外層の細孔は、軟部組織が該外層を超えて二酸化チタン足場内に成長することを該外層が防ぐような直径を有する。また、ナノ多孔性外層は、足場構造体自体と比較して、小さい細孔サイズを有するので、足場の強度を増大させる。さらに、ナノ多孔性外層は、足場の一体部分なので、ナノ多孔性外層は、先に検討した非再吸収性および再吸収性バリア膜と比較して、除去される必要もないし、体内で分解されない。また、ナノ多孔性外層は、ゆっくり成長している骨芽細胞に有益な効果を与えることができる。いかなる理論にも拘束されることを望むものではないが、このことは、ナノ多孔性外層が分解されない、および/またはナノ多孔性外層自体が骨芽細胞の成長促進効果を有するので、ゆっくり成長している骨芽細胞が、ナノ多孔性外層を超えて成長するのに十分な時間を与えられるという事実によるものでありうる。
【００２７】
本文書はまた、二酸化チタン足場の外表面の少なくとも一部に、二酸化チタンを含むナノ多孔性外層が設けられ、ナノ多孔性外層の細孔が1nm〜5000nmの平均細孔径を有する二酸化チタン足場を製造するための方法であって、
a)二酸化チタン足場を用意する工程と、
b)場合により、二酸化チタン足場の少なくとも一部を二酸化チタンスラリーで被覆する工程と、
c)場合により、工程b)の二酸化チタン足場から過剰なスラリーを除去する工程と、
d)二酸化チタンおよび少なくとも1種のポリマーを含む粉末を、二酸化チタン足場の外表面の少なくとも一部に与える工程と、
e)工程d)の二酸化チタン足場を焼結する工程と、
f)場合により、工程b)から工程e)を繰り返す工程と
を含む、またはからなる方法を対象とする。
【００２８】
上記の方法において、工程b)の前に、ナノ多孔性外層が形成されるべき二酸化チタン足場の少なくとも一部に二酸化チタンスラリーを与える工程、その後、二酸化チタン足場を焼結する工程が行われてもよい。あるいは、または加えて、上記の方法における工程e)またはf)の後に、ナノ多孔性外層が形成されるべき二酸化チタン足場の少なくとも一部に二酸化チタンスラリーを与える工程、その後、二酸化チタン足場を焼結する工程が行われてもよい。
【００２９】
本文書はまた、上記の方法によって得ることができるまたは得られる、二酸化チタンを含むナノ多孔性外層が設けられた、二酸化チタン足場に関する。
【００３０】
さらに、本文書は、二酸化チタンを含むナノ多孔性外層が設けられ、ナノ多孔性外層の細孔が1nm〜5000nmの平均細孔径を有する二酸化チタン足場を含む、医療用インプラント、例えば、整形外科用インプラントを対象とする。組織、例えば、骨または軟骨の再生、修復、代替、および/または回復のための、この足場またはこの足場を含む医療用インプラントの使用も開示される。
【００３１】
本発明の他の特徴および利点は、以下の詳細な説明、図面、実施例から、および特許請求の範囲から明らかとなるであろう。
【００３２】
定義
本文脈における「足場」は、開口した多孔性構造体に関する。「二酸化チタン足場」とは、足場構造体の構築材料として主に二酸化チタン(すなわち、50wt%を超える二酸化チタン、例えば、約51wt%、60wt%、70wt%、80wt%、90wt%、95wt%、96wt%、97wt%、98wt%、99wt%または100wt%の二酸化チタン、例えば、約51〜100wt%、60〜100wt%、60〜90wt%、70〜100wt%、70〜90wt%、80〜90wt%、または80〜95wt%の二酸化チタン)を含む足場を意味する。したがって、二酸化チタン足場は、足場の構築材料としての二酸化チタンを含みうる、またはからなりうる。加えて、足場は、他の物質、例えば、生物学的に活性な分子の表面コーティング、および/またはナノ多孔性外層を含みうる。
【００３３】
「フラクタル次元支柱」は、非常に微小な規模まで拡大していくとどれだけ完全にフラクタルが空間を占めるように見えるかの指標となる統計学的な量である。フラクタル次元については多くの具体的な定義があり、そのいずれをも普遍的なものとして扱うべきではない。1という値は、直線に付随する。数字が大きいほど、表面構造はより複雑である。本文書において、フラクタル次元は、コルモゴロフまたは「ボックスカウント」法(Larry S. ら、1989)を使用して算出される。フラクタル次元は、Skyscan CTAn、Kontich、Belgiumにおいて、2Dおよび3Dで算出される。表面または体積は、一連の等しい正方形または立方体の分け、物体表面の一部を含有する正方形の数が数えられる。これは、3〜100ピクセルなどのボックスサイズの範囲にわたって繰り返される。表面を含むボックスの数が、log-logプロットにおいて、ボックスの長さに対してプロットされ、フラクタル次元は、log-log回帰の傾きから得られる。
【００３４】
本文書の文脈において、「細孔径」は、周囲の壁を含まない細孔の水力直径であることを意図する。水力直径は、当業者に周知であり、それを、4×細孔の面積を細孔の円周長さで割ったものと定義する。
【００３５】
本文脈においては、「総空隙率」を、材料ではない本体内のすべての区画、すなわち、いかなる材料によってもふさがれていない空間と定義する。総空隙率は、閉じられた細孔も開いた細孔も含む。
【００３６】
「支柱内部体積」とは、支柱の内腔の体積を意味する。
【００３７】
「焼結」、「焼結する」などは、その粒子が互いに結合(融合)するまで材料を加熱する(その融点未満で)ことにより粉末から物を作製する方法を意味する。焼結は、セラミック物の製造に伝統的に用いられ、粉末冶金のような分野においても用途が見出されている。
【００３８】
本文脈において、「医療用人工器官」、「医療用インプラント」、「インプラント」などは、哺乳類(例えば、ヒト)などの脊椎動物の体内に埋め込むことを意図した器具に関する。本文脈におけるインプラントは、組織を代替するため、および/または、体の任意の機能を回復させるために使用されうる。インプラントの例としては、それらに限定されないが、歯科用インプラントおよび整形外科用インプラントが挙げられる。本文脈において、整形外科用インプラントは、その範囲内に、筋骨格系、特に、関節および骨の機能の維持および回復(これらの構造における疼痛の緩和を含む)のために脊椎動物、特に、ヒトなどの哺乳類の体内に埋め込むことを意図した任意の器具を含む。本文脈において、歯科用インプラントは、歯の回復術において、脊椎動物、特に、ヒトなどの哺乳類の口腔中に埋め込むことを意図した任意の器具を包含する。一般に、歯科用インプラントは、1つまたはいくつかのインプラント部分から構成される。例えば、歯科用インプラントは、橋脚歯などの二次的なインプラント部分、および/または、歯冠、ブリッジまたは義歯などの歯科用修復物に連結される歯科用取付具を通常含む。しかし、歯科用取付具など、埋め込みを意図した任意の器具を、その器具には他の部分が接続されることになっているとしても、単独でインプラントと呼ぶことがある。上記から明らかなように、整形外科用インプラントおよび歯科用インプラントを、整形外科用人工器官および歯科用人工器官と示すことができる。
【００３９】
本文脈において、「対象」は、鳥類、爬虫類、哺乳類、霊長類およびヒトなどの任意の脊椎動物に関する。
【００４０】
本文脈において、セラミックとは、熱で処理されて、固体構造体を形成する無機粉末材料の物体を意味する。
【００４１】
本文書の文脈において、「軟部組織」は、体の他の構造および器官を結合する、支える、または囲む、骨ではない組織であることを意図する。軟部組織としては、靭帯、腱、筋膜、皮膚、線維組織、脂肪、滑膜、上皮、筋肉、神経、および血管が挙げられる。
【００４２】
本文書の文脈において、「硬組織」は、石灰化組織、例えば、骨および歯、ならびに軟骨であることを意図する。石灰化組織は、ミネラルを軟マトリクスに組み込む生体組織である。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】二酸化チタン足場の外表面上のナノ多孔性外層のSEM画像である。ナノ多孔性外層は、画像の下の方の部分の粒状構造である。ナノ多孔性外層を有する二酸化チタン足場を、重量比で1:10の比率の二酸化チタンの乾燥粉末(Kronos社)およびポリエチレンポリマー粉末に浸し、その後、1500℃で2.5時間焼結することによって製造した。
【図２】実施例2による異なった手順後のナノ多孔性外層(皮質壁)のSEM画像:1)乾燥TiO2およびポリマー粉末に浸し、その後、焼結した後のナノ多孔性外層(皮質壁)のSEM画像、2)乾燥TiO2およびポリマー粉末に浸し、その後、焼結してから、濃いTiO2スラリーに浸し、焼結した後のナノ多孔性外層(皮質壁)のSEM画像、3)圧縮した乾燥TiO2およびポリマー粉末に浸し、その後、焼結してから、濃いTiO2スラリーに浸し、焼結した後のナノ多孔性外層(皮質壁)のSEM画像、および4)濃いTiO2スラリーに浸し、焼結し、その後、乾燥TiO2およびポリマー粉末に浸した後のナノ多孔性外層(皮質壁)のSEM画像である。
【図３】培地での7日の培養後の骨芽細胞が播種された、二酸化チタン足場上の皮質壁(ナノ多孔性外層)のSEM画像である。ヒト骨芽細胞を、皮質壁上に20000細胞/mLの濃度の液滴で播種し、37℃のインキュベーターに置いた。
【図４ａ】TiO2とポリマーとの様々な粒子比で作製した皮質壁構造の外観の画像である。
【図４ｂ】TiO2とポリマーとの様々な粒子比、すなわち、1)1:1、2)2:1、3)5:1、4)10:1で作製した皮質壁構造の形態の画像である。
【図４ｃ】1)PE粒子無しで、および2)ポロゲンとしてのPE粒子(TiO2とPEとの粒子比10:1)で作製した、皮質壁構造の形態の画像である。
【図５】TiO2とポリマーとの粒子比10:1を使用して作製した皮質壁構造の画像である。1)約700μmの厚さの皮質壁層構造に形成された、均一かつ均質に分布したナノ細孔およびミクロ細孔ネットワークを示す断面像である。2)組み込まれた皮質壁構造を有するTiO2足場の三次元の外観の画像である。
【図６】埋め込み後の、皮質壁を有する二酸化チタン足場での骨形成の画像である。6か月の治癒後、(偽のものと比較して)皮質壁の上部に実質的により大きい骨が存在しており、皮質壁の上部に新しく形成された骨の厚い壁を見ることができる。
【発明を実施するための形態】
【００４４】
本文書は、ナノ多孔性外層の細孔が1nm〜5000nmの平均細孔径を有する、二酸化チタンを含むナノ多孔性外層の形態で、足場の外表面の少なくとも一部に軟部組織バリアを有する二酸化チタン(TiO2)足場を対象とする。したがって、本文脈において、「ナノ多孔性外層」とは、多孔性層の細孔が1nm〜5000nmの平均細孔径を有する、二酸化チタンを含むまたは二酸化チタンからなる多孔性層を意味する。ナノ多孔性外層の他の特徴、例えば、厚さ、空隙率などが、本文書の他の部分に開示される。そのようなナノ多孔性外層を有する二酸化チタン足場を製造するための方法も開示される。ナノ多孔性外層は、上皮組織などの軟部組織の、足場内への内方成長を少なくとも実質的に防ぐ。したがって、本文脈において、ナノ多孔性外層の細孔が1nm〜5000nmの平均細孔径を有する、二酸化チタンを含むこのナノ多孔性外層を、「皮質壁部分」、「皮質壁」、「ナノ多孔性外層」、または「軟部組織バリア」と示すことができる。ナノ多孔性外層の構造は、天然の皮質骨によく似ている。ナノ多孔性外層の細孔径が二酸化チタン足場構造体の細孔径と比較してより小さいことにより、ナノ多孔性外層が二酸化チタン足場自体よりも強いので、ナノ多孔性外層により、二酸化チタン足場の機械的強度も増大する。加えて、ナノ多孔性外層の二酸化チタン材料は、骨芽細胞が、ナノ多孔性外層の表面上に成長することを促進することができる。これらの効果は、以下でより詳細に説明される。本明細書に開示されるナノ多孔性外層が設けられた二酸化チタン足場を、「皮質壁二酸化チタン足場」と示すことができる。
【００４５】
本文書は、二酸化チタン足場の外表面の少なくとも一部に、二酸化チタンを含むナノ多孔性外層が設けられ、ナノ多孔性外層の細孔が1nm〜5000nmの平均細孔径を有する二酸化チタン足場を開示する。しかし、ナノ多孔性層の細孔の平均細孔径は、約10nm〜1000nm、例えば、10nm〜500nm、50nm〜200nm、または50nm〜100nmであってもよい。典型的には、ナノ多孔性外層は、二酸化チタンからなる。本文書はまた、そのようなものとして本明細書に開示される、二酸化チタンを含むナノ多孔性外層を対象とする。ナノ多孔性外層は、例えば、本文書の他の部分に開示される方法によって製造することができる。
【００４６】
ナノ多孔性外層の総空隙率は、典型的には、約1〜50%、例えば、3〜30%、5〜30%、または5〜10%である。したがって、ナノ多孔性外層の空隙率は、一般的に5〜30%または5〜10%の空隙率を有する天然の皮質骨の空隙率に通常近い。本文書の文脈において、ナノ多孔性外層が、二酸化チタン足場構造体自体の細孔径、細孔構造、および/または空隙率と異なる細孔径、細孔構造、および/または空隙率を有することに留意されたい。
【００４７】
ナノ多孔性外層の細孔径は、小さな物体、例えば、栄養素、イオン、および体液が、ナノ多孔性外層を通過し、足場に入ることができるように選択される。しかし、細胞などのより大きな物体(例えば、直径5μmより大きい)が、ナノ多孔性外層を浸透できないように、直径も選択され、したがって、ナノ多孔性外層は、細胞に対するバリア(例えば、本明細書の他の部分に開示される再吸収性および非再吸収性バリア膜)として機能する。したがって、軟部組織細胞は、実質的に、ナノ多孔性外層を通って、またはその中に成長しない。しかし、骨芽細胞は、ナノ多孔性外層の中にではなく、それを超えて成長することができる。いかなる理論にも拘束されることを望むものではないが、このことは、ナノ多孔性外層による、オッセオインテグレーションへのプラスの効果によるものでありうる。なぜなら、ナノ多孔性外層が、(そのような効果を有することが知られている)二酸化チタンでできているからである。それによって、足場が骨に埋め込まれたとき、足場は、ほぼ十分に骨組織に被包されうる。
【００４８】
本明細書の他の部分に開示される再吸収性および非再吸収性膜と比較して、ナノ多孔性外層は、二酸化チタン足場の一体部分である。したがって、余分な膜を別途設ける必要性が回避され、その代わり、足場にしっかり付着するバリアが設けられる。しかし、非再吸収性膜と比較して、ナノ多孔性外層は、その細胞バリアとしての機能を果たした後に除去される必要がない。また、再吸収性膜とは対照的に、ナノ多孔性外層は足場上に残ったままであり、経時的に分解されることが意図されない。本明細書の他の部分に開示される通り、このことは骨の成長に有益な効果を与えることができ、骨がナノ多孔性外層の表面を超えて成長することを可能にする。さらに、ナノ多孔性外層は、経時的に分解されないので、埋め込み部位に放出される潜在的に有害な分解生成物が存在しない。それに比べて、再吸収性膜が使用されるとき、これは分解されて典型的には二酸化炭素、酸などの分解生成物を残し、この分解生成物が炎症を引き起こし、組織の治癒を妨げる恐れがある。この欠点は、本明細書に開示するナノ多孔性外層では生じない。
【００４９】
ナノ多孔性外層は、典型的には、10〜1000μm、例えば、50〜500μm、75〜200μm、50〜100μm、300〜1000μm、または500〜900μmの厚さを有する。図1で見ることができる通り、ナノ多孔性外層は、二酸化チタン足場の外表面上に位置するが、ある程度、足場の細孔の最も外側の部分に広がっている。しかし、ナノ多孔性外層は、足場のより内部の部分の中に広がらず、その部分を被覆していない。それによって、ナノ多孔性外層は、足場にしっかり付着し、そのことによって、剥がれ落ちるリスクが減る。したがって、ナノ多孔性外層は、足場に一体化される。したがって、ナノ多孔性の他の層は、再吸収性および非再吸収性バリア膜とは対照的に、足場から簡単に除去されることはない。さらに、ナノ多孔性外層は、足場の外表面に明確な層を形成する(例えば、図1を参照されたい)。
【００５０】
ナノ多孔性外層は、天然の皮質骨によく似たバリアを足場に与えるために、任意の二酸化チタン足場の外表面上に設けることができる。二酸化チタン足場の種類および意図される機能に応じて、ナノ多孔性外層は、足場の外表面のより小さいまたは大きい部分に設けることができる。一般的に、二酸化チタン足場の外表面の一部だけに、ナノ多孔性外層が設けられる。なぜなら、足場構造の少なくとも一部を、足場体積全体にわたる、細胞の内方成長(例えば、骨細胞による)、栄養素および老廃物の輸送、血管新生、ならびに新しく形成された骨組織の通過などの事象に開かれた状態にすることがしばしば望まれるからである。したがって、二酸化チタン足場の外表面の典型的には約1〜99%、5〜80%、5〜50%、5〜30%、または5〜10%が、ナノ多孔性外層によって覆われる。無論、ナノ多孔性外層は、足場の1つまたは複数の異なる部分に設けることができる。意図的にまたは一般的には、ナノ多孔性層は、体内に埋め込まれたときに軟部組織細胞と間接的に接触する、足場の表面の一部に設けられる。
【００５１】
ナノ多孔性外層は、皮質骨の構造によく似て、構造が密なので、二酸化チタン足場にさらなる安定性(強度)をもたらす。より足場の表面がナノ多孔性外層に覆われるほど、この効果は、より顕著になる。したがって、ナノ多孔性の他の層は、二酸化チタン足場の強度を増大させるために使用することができる。しかし、上述の通り、二酸化チタン足場の外表面全体が、ナノ多孔性外層に覆われないことが好ましい可能性がある。
【００５２】
さらに、ナノ多孔性外層は、足場の表面にバリアを形成する。このバリアは、足場上でのおよび足場内での上皮組織の成長を防ぐまたは減らす。それによって、よりゆっくり成長する組織は、上皮組織により足場の細孔があらかじめふさがれることなく、(ナノ多孔性外層で被覆されていない足場の部分から)足場上に成長するより良い機会を有する。
【００５３】
本明細書に開示されるナノ多孔性外層を有する二酸化チタン足場による別の利点は、二酸化チタンセラミックを含有するナノ多孔性外層が、とても強いので、(例えば、水平的歯槽堤増大術(lateral augmentation)または歯肉増大術の間に、ネジを足場に固定すべき場合などに)壊すことなくそれに穴をあけることを可能にすることである。
【００５４】
二酸化チタン足場
本文書の二酸化チタン足場は、細胞の付着および内方成長のための三次元空間を作ることにより組織形成を可能にする構造支持体として機能できる、網状の足場である。足場の二酸化チタンは、生体適合性である、ならびに、機械的支持、および細胞成長のための枠組みを与えるように異なる形状に加工できる、足場をもたらす。したがって、ナノ多孔性外層が設けられた二酸化チタン足場は、例えば、骨の再生のために、組織工学において使用されるのに適した構造を与える。
【００５５】
本明細書に開示されるナノ多孔性外層が設けられるのに適した二酸化チタン足場は、基本的に二酸化チタンで形成された足場である。すなわち、二酸化チタンが、二酸化チタン足場の主要な構造構成成分である。二酸化チタン足場は、開いた細孔構造をとるべきである。
【００５６】
しかし、二酸化チタン足場は、異なる種類のコーティング、例えば、生体分子を含むコーティングで被覆されてもよい(下記参照)。それでも、典型的には、二酸化チタンが、足場構造を作り上げることに関与する主要な構造構成成分である。二酸化チタン足場は、二酸化チタンからなっていてもよい。
【００５７】
典型的には、二酸化チタン足場は、可燃性の多孔性構造体、例えば、ポリマースポンジ構造体を、二酸化チタンスラリーに浸し、スラリーをスポンジ上で固まらせて、1つまたは複数の焼結工程を行い、スポンジを除去し、強い足場構造体を作る方法によって製造される(例えば、WO08078164に開示されている方法を参照されたい)。
【００５８】
二酸化チタン足場は、典型的には、マクロ細孔および相互連結を含むマクロ多孔性足場である。二酸化チタン足場のマクロ細孔は、約10〜3000μm、例えば、20〜2000μm、約30〜1500μm、または約30〜700μmの間の範囲の細孔径を有する。二酸化チタン足場は、より大きな構造体、例えば、血管および小柱骨の内方成長を可能にする、すなわち、約100μm以上の細孔も含むことが重要である。細孔の少なくとも一部は、相互連結している、および/または部分的に相互連結していることが重要である。それに対して、ナノ多孔性外層の細孔は、はるかに小さく、したがって、細胞に内方成長させない。したがって、細胞は、ナノ多孔性外層が設けられていない足場の部分から、二酸化チタン足場内に成長する。
【００５９】
細孔径は、二酸化チタン足場内への細胞の成長の速度および程度、したがって、得られる組織の構成に影響を与えうる。マクロ多孔系は、典型的には、二酸化チタン足場の少なくとも50%の体積を占める。二酸化チタン足場におけるマクロ細孔およびミクロ細孔の体積は、二酸化チタン足場の機能に応じて変動しうる。治療による目標が、多くの骨構造を置きかえることであり、二酸化チタン足場を、治癒期間の間に、無負荷状態に保つことができる場合、二酸化チタン足場を、足場の総体積の90%までを占めるマクロ多孔系で作ることができる。
【００６０】
二酸化チタン足場は、典型的には、約40〜99%、例えば、70〜90%、例えば、80〜90%の総空隙率を有する。
【００６１】
二酸化チタン足場のフラクタル次元支柱は、典型的には、約2.0〜3.0、例えば、約2.2〜2.3である。支柱の厚さは、二酸化チタン足場の強度に影響を与え、二酸化チタン足場の支柱が厚ければ厚いほど、二酸化チタン足場は、強くなる。
【００６２】
二酸化チタン足場は、典型的には、約0.001〜3.0μm3、例えば、約0.8-1.2μm3の支柱内部体積を有する。より小さい体積およびより高いフラクタル数によって、より強い足場がもたらされる。
【００６３】
二酸化チタン足場は、ミクロレベルおよびナノレベルの構造も有することが、当業者によって理解される。このミクロおよびナノ構造は、製造条件によって変更されうる。ミクロレベルでの細孔径は、典型的には、1〜10μmの範囲にある。ナノレベルでの細孔は、典型的には、直径1μm未満である。足場は、細胞の内方成長を可能にする約100μm程度の細孔径をもつ、マクロ多孔構造も有することに留意されたい。
【００６４】
本文脈における二酸化チタン足場(ナノ多孔性外層を有しない)は、典型的には、約10〜3000μm、例えば、20〜2000μm、30〜1500μm、または30〜700μmのミクロおよびマクロ細孔径の組み合わせを有する。細孔径は、40μm超であってもよく、相互連結細孔は、少なくとも20μmである。
【００６５】
二酸化チタン足場の大きさおよび形状は、目的の用途に応じて決定される。二酸化チタン足場の大きさおよび形状は、製造段階によって、または準備ができた足場の後の修正によって調整することができる。したがって、二酸化チタン足場を、特定の対象における特定の使用に簡単に合わせることができる。
【００６６】
二酸化チタン足場は、例えば、WO08078164に開示されている二酸化チタン足場であってもよい。
【００６７】
また、生体分子が、二酸化チタン足場の表面に与えられてもよい。生体分子が、二酸化チタン足場に与えられる場合、これらは、二酸化チタンを含むナノ多孔性外層を足場に設けた後、与えられうる。生体分子の存在は、さらに、二酸化チタン足場の生体適合性を高め、細胞成長および付着の速度を速めることができる。本文脈において、生体分子は、天然生体分子(すなわち、天然の供給源から得られる天然に存在する分子)、合成生体分子(すなわち、合成的に作製される天然に存在する生体分子、および天然に存在しない分子、または合成的に作製される分子の形態)、または組換え生体分子(組換え技術の使用によって作製される)を含めた、様々な生物学的に活性な分子を含む。目的の生体分子の例としては、それらに限定されないが、US2006/0155384に開示されている生体分子、例えば、生体接着物質、細胞接着因子、バイオポリマー、血液タンパク質、酵素、細胞外基質タンパク質および生体分子、成長因子およびホルモン、核酸(DNAおよびRNA)、受容体、合成生体分子、ビタミン、薬物、生物学的に活性なイオン、マーカー生体分子など(スタチンなどのタンパク質およびペプチド、ならびに、バイオミネラル化および骨形成を促進するタンパク質またはペプチドを含む)が挙げられる。生体分子の他の例としては、生物学的に活性な無機イオン、例えば、カルシウム、クロム、フッ化物、金、ヨウ素、鉄、カリウム、マグネシウム、マンガン、セレン、硫黄、スズ、スズを含む銀(stannic silver)、ナトリウム、亜鉛、ストロンチウム、硝酸塩、亜硝酸塩、リン酸塩、塩化物、硫酸塩、炭酸塩、カルボキシル、または酸化物のイオンが挙げられる。生体分子は、例えば、生体分子を含む溶液に浸すことによって、または電気化学プロセスによって、二酸化チタン足場の表面に付着させることができ、そのような電気化学プロセスは、当業者に既知であり、例えばWO02/45764またはWO03/086495に開示されている。
【００６８】
ナノ多孔性外層を有する二酸化チタン足場を製造するための方法
本文書はまた、二酸化チタンを含むナノ多孔性外層が設けられ、前記ナノ多孔性外層の細孔が、1nm〜5000nm、例えば、10nm〜1000nm、10nm〜500nm、50nm〜200nm、または50nm〜100nmの平均細孔径を有する二酸化チタン足場を製造するための方法であって、
a)二酸化チタン足場を用意する工程と、
b)場合により、二酸化チタン足場の少なくとも一部を二酸化チタンスラリーで被覆する工程と、
c)場合により、工程b)の二酸化チタン足場から過剰なスラリーを除去する工程と、
d)二酸化チタンおよび少なくとも1種のポリマーを含む粉末を、二酸化チタン足場の少なくとも一部に与える工程と、
e)工程d)の二酸化チタン足場を焼結する工程と、
f)場合により、工程b)から工程e)を繰り返す工程と
を含む方法を対象とする。
【００６９】
二酸化チタンを含むナノ多孔性外層を有する二酸化チタン足場を製造するための方法において、ナノ多孔性外層が設けられる足場の部分は、二酸化チタンおよび少なくとも1種のポリマーを含む粉末が与えられる。あるいは、ナノ多孔性外層が設けられる足場の部分の少なくとも一部は、工程d)における二酸化チタンおよび少なくとも1種のポリマーを含む粉末が与えられる前に、二酸化チタンスラリーで被覆される(工程b))。これは、例えば、ナノ多孔性外層が設けられる、工程a)の二酸化チタン足場の部分を、二酸化チタンスラリーに浸す(十分に浸漬する)ことによって行うことができる。したがって、工程b)が行われる場合、足場全体が、工程b)において、二酸化チタンスラリーに被覆される必要はない。次いで、過剰な二酸化チタンスラリーは、例えば、足場を慎重に遠心分離機にかけることによって、足場から除去することができる。この遠心分離は、加速が遅いゆっくりな速度で、例えば、500〜1500rpmなどの速度、例えば、1300rpmの速度で、0.5〜5分、1〜5分、1〜3分、または約1分間行うことができる(Biofuge 22R、Heraeus Sepatec社の遠心分離機に適した、ローターの大きさに基づく)。
【００７０】
工程a)の二酸化チタン足場は、本明細書の別の部分に開示される二酸化チタン足場である。
【００７１】
二酸化チタン足場およびナノ多孔性外層を作製するための、本文書で使用される二酸化チタンスラリーは、通常、二酸化チタン粉末を水に分散させることによって調製される。使用される二酸化チタン粉末は、非晶質、アナターゼ、ブルッカイト、またはルチル結晶相の状態であってもよい。二酸化チタン粉末は、第二または第三リン酸塩の不純物などの不純物を除去するために、NaOH(例えば、1MのNaOH)で前もって洗うことができる。あるいは、第二および/または第三リン酸塩の不純物を含まない二酸化チタン粉末が望ましい場合、そのような不純物を含まない二酸化チタン粉末が、商業的に入手可能である(例えば、Sachtleben社製の二酸化チタン)。第二および/または第三リン酸塩の不純物をほぼ10ppm有する二酸化チタン粉末を使用することが有利でありうる。スラリーを調製するときに、第二および/または第三リン酸塩の不純物を約10ppm未満含有する二酸化チタンを使用することによって、二酸化チタン粒子は、抗凝集(antiagglomerating)有機化合物および/または界面活性剤を添加することなく、適切な焼結を可能にするのに十分小さい。二酸化チタンスラリーは、凝固を避け、粘度を制御するために、典型的には、約1.0〜約4.0、好ましくは約1.5〜2.0のpH値を有する。スラリーのpHは、好ましくは、二酸化チタン粉末が溶媒に分散する時間の間ずっと、HCI(例えば、1MのHCI)の少量添加により、このpHに保たれる。二酸化チタンの理論的等電点を与えるpH値にできるだけ近づけて、二酸化チタン粒子の大きさを小さくすることが好ましい。TiO2の場合、そのpH値は、1.7である。二酸化チタン粒子の平均粒子径は、10μm以下、例えば、1.4μm以下でありうる。二酸化チタン粒子は、単分散させることができる。二酸化チタン粉末は、典型的には、撹拌下で、水に分散させ、pHは、HCIなどの酸の添加により再調整される。撹拌は、すべての二酸化チタン粉末が分散した後、例えば、約2〜8時間、継続することができる。スラリーは、例えば、金属ブレード、好ましくはチタンブレードを有する回転式分散機で分散させる。例えば、撹拌は、少なくとも4000rpmの速度で、少なくとも2時間、例えば、5000rpmで2時間またはそれ以上行うことができる。スラリーのpHは、選択されたpH値に定期的に調製される。
【００７２】
工程b)の二酸化チタンスラリーは、典型的には、H2O1mlあたり約2〜20gのTiO2という二酸化チタン濃度を有する。
【００７３】
該方法の工程d)において、好ましくは湿ったままである、二酸化チタンスラリーで場合により被覆される二酸化チタン足場は、ナノ多孔性外層が設けられる表面に、二酸化チタンおよび少なくとも1種のポリマーを含む粉末が与えられる。これは、例えば、二酸化チタン足場を、二酸化チタンおよび少なくとも1種のポリマーを含む粉末に浸すことによって行うことができる。二酸化チタン足場は、少なくとも、ナノ多孔性外層が設けられる部分上を、水溶液、例えば、水を使用して、例えば、水溶液に、二酸化チタン足場の少なくともこの部分を浸すことによって、湿らすことができる。粉末は、足場がそれに浸される前に、広がって薄層になっていてもよい。二酸化チタン足場上を粉末が均等に覆っていることを確かめるために、粉末が与えられた足場の部分を、例えば、シリコーン製手袋を使用して、こすることができる。これによって、過剰な粉末が除去され、足場の表面上に均等で薄い粉末層がもたらされる。二酸化チタンおよび少なくとも1種のポリマーを含む粉末は、浸す手順の前に、機械プレスで圧縮することができる。この結果として、ナノ多孔性外層の厚さがより均等となり、その構造の多孔性が低下する。
【００７４】
二酸化チタン足場が、二酸化チタンスラリーで被覆された場合(工程b)、二酸化チタンスラリーで被覆された足場の表面の少なくとも一部には、二酸化チタンおよび少なくとも1種のポリマーを含む粉末が与えられること(工程d)が理解されるべきである。
【００７５】
二酸化チタンおよびポリマーを含む工程d)の粉末は、約2〜50wt%、例えば、2〜10wt%または約10wt%のポリマーを含有することができる。二酸化チタンよりもポリマーの量が多いと、外層がより多孔性になる。
【００７６】
ポリマーは、原則として、任意のポリマー、または2種以上のポリマーの混合物であってもよい。なぜなら、ポリマーは焼結工程e)(下記参照)の間に燃えてなくなり、それによって細孔を形成するからである。しかし、所望の範囲の細孔径を得るために、ポリマーの粒子は大きすぎる粒子径を有することができない。なぜなら、大きすぎる粒子によって細孔が大きくなり、それによよってナノ多孔性外層のバリア機能が損なわれるからである。したがって、ポリマーの粒子は、典型的には、5〜250nm、例えば、50〜250nm、例えば、50〜75nmの平均粒子径を有する。
【００７７】
ポリマーの量および粒子径を変えることによって、ナノ多孔性外層の細孔径を、所望の細孔径に調整することができる。
【００７８】
ポリマーは、典型的には、1000〜10000000g/molの平均ポリマー分子量を有する。
【００７９】
二酸化チタンおよびポリマーを含む工程d)の粉末におけるポリマーは、アクリロニトリル-ブタジエン-スチレン(ABS)、アリル樹脂(allyl)、セルロース系、改質天然ポリマー物質、エポキシ、熱硬化性重付加物(thermoset polyadduct)、エチレンビニルアルコール(E/VAL)、フッ素プラスチック(PTFE、FEP、PFA、CTFE、ECTFE、ETFE)、イオノマー、液晶ポリマー(LCP)、メラミンホルムアルデヒド(MP)、フェノール-ホルムアルデヒドプラスチック(PF、フェノール類)、ポリアセタール(アセタール)、ポリアクリレート(アクリル)、ポリアクリロニトリル(PAN、アクリロニトリル)、ポリアミド(PA、ナイロン)、ポリアミド-イミド(PAI)、ポリアリールエーテルケトン(PAEK、ケトン)、ポリブタジエン(PBD)、ポリブチレン(PB)、ポリカーボネート(PC)、ポリジシロロペンタジエン(PDCP)、ポリケトン(PK)、ポリエステル、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、ポリエーテルイミド(PEI)、ポリエーテルスルホン(PES)、ポリエチレン(PE)、ポリエチレンクロリネート(polyethylenechlorinate)(PEC)、ポリイミド(PI)、ポリメチルペンテン(PMP)、ポリフェニレンオキシド(PPO)、ポリフェニレンスルフィド(PPS)、ポリフタルアミド(PTA)、ポリプロピレン(PP)、ポリスチレンポリマー(PS)、ポリスルホン(PSU)、ポリウレタン(PU)、ポリ塩化ビニル(PVC)、ポリ塩化ビニリデン(PVDC)、フェノール-ホルムアルデヒド、ポリヘキサメチレン、ポリエポキシ、ポリフェノール類、またはそれらの任意のコポリマーからなる群から選択することができる。
【００８０】
特に、ポリマーは、ポリエチレン(PE)、ポリスチレン(PS)、ポリ塩化ビニル(PVC)、およびポリプロピレン(PP)からなる群から選択することができる。
【００８１】
二酸化チタンおよび少なくとも1種のポリマーを含む粉末における二酸化チタン粒子は、典型的には、200μm以下(しかし、少なくとも5nm)、例えば、150μm以下、50μm以下、1μm以下、500nm以下、100nm以下、50nm以下、5nm〜200μm、5nm〜150μm、5nm〜50μm、5nm〜1μm、5〜500nm、5〜100nm、または5〜50nmの平均粒子径を有する。
【００８２】
焼結工程、工程e)は、典型的には、約1300〜1800℃、例えば、1500℃で、約2時間以上、例えば、2〜40時間、例えば、30〜50時間、例えば、30〜40時間、例えば、35〜45時間、または、例えば、約40時間行われる。典型的には、焼結は、約1500℃で約40時間行われる。焼結の間にポリマーは燃えてなくなり、それによって細孔を形成する。したがって、ポリマーの量および粒子径は、本明細書の他の部分に記載したナノ多孔性外層の細孔径に影響を与える。また、焼結の間、形成されるナノ多孔性の他の層における二酸化チタン粒子は、融合し、より大きい円形構造を形成し、その円形構造は、骨芽細胞の成長に有益であると信じられている。また、焼結の間、形成されるナノ多孔性外層の二酸化チタン粒子は、足場の二酸化チタンと融合し、したがって、ナノ多孔性外層が二酸化チタン足場にしっかり付着する。
【００８３】
二酸化チタン足場に、二酸化チタンおよび少なくとも1種のポリマーを含む粉末を与える(工程b)〜d)、または工程d))前に、二酸化チタン足場は、i)二酸化チタンスラリーを、二酸化チタン足場の少なくとも一部に与える工程、その後の、ii)二酸化チタン足場を焼結する工程という手順にかけることができる。この手順は、代わりにまたは加えて、工程e)またはf)を行った後に行うことができる。工程e)またはf)を行った後に、この手順を行うことが好ましい可能性がある。ナノ多孔性外層が設けられる二酸化チタン足場の外表面の部分の少なくとも一部は、この手順において、二酸化チタンスラリーが与えられることが理解されるべきである。二酸化チタンスラリーは、例えば、スラリーに十分に浸漬する(または浸す)ことによって、与えることができる。この手順で使用される二酸化チタンスラリーは、典型的には、H2Oに分散している>50wt%、例えば、50〜80wt%のTiO2を含有する、粘度の高いTiO2スラリーである。この手順における焼結は、典型的には、約1300〜1800℃、例えば、1500℃で、約2時間以上、例えば、4〜50時間、例えば、10〜30時間、例えば、5〜20時間、例えば、7〜13時間、例えば、約5時間、10時間、20時間、30時間、または40時間行われる。典型的には、焼結は、約1500℃で約10時間行われる。工程i)〜ii)という手順を行うことによって、ナノ多孔性外層の空隙率が低下する。また、表面の粗さも変化し、もともとの二酸化チタン粒子の表面と比較して、より滑らかな表面がもたらされる。
【００８４】
工程a)で用意される二酸化チタン足場は、可燃性の多孔性構造体、例えば、多孔性ポリマー構造体上に二酸化チタンスラリーを適用し、可燃性の多孔性構造体を燃やし尽くし、可燃性の多孔性構造体を燃やし尽くした後に得られたセラミック材料を焼結することによって作製することができる。二酸化チタン足場を製造するためのそのようなプロセスは、参照により本明細書に組み込まれるWO08078164により詳細に開示されている。そのような方法は、
a)二酸化チタンスラリーを調製する工程、
b)工程a)の二酸化チタンスラリーを、可燃性の多孔性構造体、例えば、ポリマースポンジ構造体に与える工程、
c)可燃性の多孔性構造体上でスラリーを固まらせる工程、
d)固まった二酸化チタンスラリーから可燃性の多孔性構造体を除去する工程
を含み、ここで、工程d)は、
i)固まった二酸化チタンスラリーを有する可燃性の多孔性構造体を、約500℃にゆっくり焼結して、この温度を少なくとも30分間保持し、
ii)約3K/分で、最低でも約1500℃、または約1750℃に速く焼結し、この温度を少なくとも10時間保持し、少なくとも3K/分で、速く室温に冷却することによって、行うことができる。
【００８５】
この方法について、この方法の工程、スラリーにおける二酸化チタンの濃度などに関する詳細は、WO08078164で見つかる。
【００８６】
本文書はまた、本明細書に開示される二酸化チタン足場上にナノ多孔性外層を製造するための方法によって得ることができるまたは得られる、二酸化チタンを含むナノ多孔性外層が設けられ、前記ナノ多孔性外層の細孔が、1nm〜5000nm、例えば、10nm〜1000nm、10nm〜500nm、50nm〜200nm、または50nm〜100nmの平均細孔径を有する、二酸化チタン足場を対象とする。
【００８７】
二酸化チタンを含むナノ多孔性外層が設けられた二酸化チタン足場の使用
二酸化チタンを含むナノ多孔性外層が設けられた二酸化チタン足場は、ナノ多孔性外層が設けられていない足場の部分の足場構造内に細胞が成長する対象に埋め込むことができ、埋め込む前に、ナノ多孔性外層を有する二酸化チタン足場に細胞を接種し、成長させることもできる。二酸化チタン足場の相互連結したマクロ多孔構造は、特に、組織工学、とりわけ、現在利用できる骨修復治療法の魅力的な代替である骨組織工学に適している。ここの関連で、ナノ多孔性外層を有する二酸化チタン足場の骨髄由来細胞接種は、当業者に周知である(例えば、Maniatopoulosら、1988を参照されたい)従来の方法を使用して行われる。細胞は、ナノ多孔性外層を有する二酸化チタン足場上に接種され、適切な成長条件下で培養される。培養物には、それらの成長を確立するのに適した培地を与えられる。
【００８８】
上述の通り、様々な種類の細胞が、二酸化チタン足場全体に成長することができる。より正確には、細胞の種類には、造血幹細胞または間充織幹細胞が含まれ、心臓血管組織、筋肉組織、または任意の結合組織をもたらす細胞も含まれる。細胞は、ヒトのものであってもよいし、他の動物由来のものであってもよい。しかし、ナノ多孔性外層を有する二酸化チタン足場は、骨形成原細胞、とりわけ、骨マトリクスを産生する細胞の成長に特に適している。組織工学について、細胞は、いかなる源であってもよい。細胞は、ヒト由来のものが好都合である。二酸化チタン足場において細胞を成長させる方法は、接種された骨形成原細胞が、例えば、in vitro段階の間に、二酸化チタン足場の構造において広く分布しながら、二酸化チタン足場に浸透して骨マトリクスを産生することを可能にする。骨形成原細胞の浸透、その結果としての骨マトリクスの産生は、機械的、超音波、電界、または電子的手段によって高めることができる。
【００８９】
二酸化チタンを含むナノ多孔性外層が設けられた二酸化チタン足場は、細胞の成長、例えば、組織の再生の枠組みとして働く構造体が必要とされるときはいつでも有用である。ナノ多孔性外層を有する二酸化チタン足場は、特に、骨および軟骨構造の再生に有用である。そのような構造の再生が必要となりうる状況の例としては、外傷、外科手術による骨または歯の除去、または癌治療に関連したものが挙げられる。
【００９０】
完全にまたは部分的に代替できる、対象における構造の例としては、それらに限定されないが、頭蓋顔面の骨(頬骨弓を含む)、内耳の骨(特に、つち骨、あぶみ骨およびきぬた骨)、上顎および下顎の歯槽隆線、眼窩壁および眼窩床、洞壁および洞床、頭蓋骨および頭蓋骨における欠損、例えば、股関節形成異常の症例における股関節窩(寛骨臼窩)、長骨の複雑骨折(上腕骨、橈骨、尺骨、大腿骨、脛骨および腓骨、脊椎骨、手足の骨、手足の指の骨を含むが、これらに限られない)、摘出窩(抜歯による)の充填、歯周部欠損の修復および歯周インプラント欠損の修復が挙げられる。加えて、二酸化チタンを含むナノ多孔性外層を有する二酸化チタン足場は、腫瘍、癌、感染症、外傷、外科手術、先天性奇形、遺伝性病態、代謝疾患(例えば、骨粗鬆症および糖尿病)(の除去)によるすべてのタイプの骨欠損部の充填に有用である。
【００９１】
本文書はまた、本明細書に規定した通り、二酸化チタンを含むナノ多孔性外層が設けられ、前記ナノ多孔性外層の細孔が、1nm〜5000nm、例えば、10nm〜1000nm、10nm〜500nm、50nm〜200nm、または50nm〜100nmの平均細孔径を有する、二酸化チタン足場であって、医療用人工器官としての使用のための二酸化チタン足場を対象とする。
【００９２】
したがって、本文書は、本明細書に規定した通り、二酸化チタンを含むナノ多孔性外層が設けられ、前記ナノ多孔性外層の細孔が、1nm〜5000nmの平均細孔径を有する二酸化チタン足場を含む、医療用インプラント、例えば、整形外科用もしくは歯科用インプラント、または他の固定用器具を対象とする。ナノ多孔性外層が設けられる二酸化チタン足場は、医療用インプラント構造体、例えば、整形外科用、歯科用、または任意の他の固定用器具またはインプラントの一部にすることができる。あるいは、インプラントは、二酸化チタンを含むまたは二酸化チタンからなるナノ多孔性外層が設けられる、二酸化チタン足場からなっていてもよい。
【００９３】
さらに、本文書は、二酸化チタンを含むナノ多孔性外層が設けられ、前記ナノ多孔性外層の細孔が、1nm〜5000nmの平均細孔径を有する、二酸化チタン足場であって、または、骨などの組織の再生、修復、代替、および/または回復のための使用のための、そのような足場を含む医療用インプラントを対象とする。
【００９４】
また、骨などの組織の再生、修復、代替、および/または回復のための方法であって、二酸化チタンを含むナノ多孔性外層が設けられ、前記ナノ多孔性外層の細孔が、1nm〜5000nmの平均細孔径を有する、二酸化チタン足場、または、医療用インプラントを必要とする対象へのそのような足場を含む医療用インプラントを埋め込む工程を含む方法も開示される。
【００９５】
さらに、本文書は、二酸化チタンを含んだナノ多孔性外層を含み、前記ナノ多孔性外層の細孔が、1nm〜5000nm、例えば、10nm〜1000nm、10nm〜500nm、50nm〜200nm、または50nm〜100nmの平均細孔径を有する二酸化チタン足場、または、そのような足場を含む医療用インプラントの使用であって、骨などの組織の再生、修復、代替、および/または回復のためのその使用を対象とする。
【００９６】
本発明を、以下の実施例でさらに説明するが、これは特許請求の範囲に記載の発明の範囲を限定するものではない。
【実施例１】
【００９７】
実験の部
二重に被覆された二酸化チタン足場上での皮質壁部分の作製
人工骨の材料として使用されるTiO2足場の表面で、天然の骨の密な皮質壁構造を複製するために、TiO2およびポリエチレンを含む粉末をTiO2足場に適用した。
【００９８】
重量比で10:1のTiO2粉末(<100ミクロン)とポリエチレン粉末(53〜75ミクロン)との乾燥混合物を、広げて薄層にした。TiO2スラリーをポリエチレン発泡体上に適用し、ポリマーを燃やし尽くし、セラミックを焼結すること(1500℃で40時間)によって製造された二酸化チタン足場を、61.5wt%の二酸化チタンを含有する新たなスラリーで被覆した。過剰なスラリーを、遠心分離機(1300RPM、ゆっくりした加速、1分)によって除去した。次いで、湿ったままの足場を薄い粉末層に浸した。処理された表面上を粉末が均等に覆っていることを確実にするために、処理された表面を、シリコーン製手袋を使用してこすった。これによって、過剰な粉末が除去され、足場の表面上に均等で薄い層がもたらされた。次いで、足場を再び焼結し(40時間、1500℃)、粉末粒子をナノ多孔性の皮質壁に固め、皮質壁をTiO2足場構造に統合した。このようにして、天然の皮質骨によく似た、小さな細孔を有する均等で薄い皮質壁様表面が、足場表面で得られた。被覆の手順は、より密でより厚い皮質壁が望まれる場合に繰り返すことができる。断面のSEM画像(図1)は、多孔性足場の上部で、より密なバリアであるナノ多孔性外層を融合することができることを示している。使用したTiO2粒子は、多孔性TiO2足場に付着し、それと融合した。この層は、数ミクロンの厚さであり、二酸化チタン足場自体よりもはるかに小さい細孔であることを見ることができる。焼結前にTiO2とブレンドされたPE粉末は、蒸発し、ナノ多孔性構造を残したことも観察することができる。
【実施例２】
【００９９】
ナノ多孔性外層を製造する異なる方法の比較
この実施例は、ナノ多孔性外層(皮質壁)の細孔径および空隙率をどのように調節できるできるかを示す。行った4つの異なる手順:1)乾燥TiO2およびポリマー粉末に浸した後に、焼結すること、2)乾燥TiO2およびポリマー粉末に浸した後に、焼結し、それから、H2Oに分散した>50wt%のTiO2を含有する粘度の高いTiO2スラリーに浸し、焼結すること、3)圧縮された乾燥TiO2およびポリマー粉末に浸した後に、焼結し、それから、H2Oに分散した>50wt%のTiO2を含有する粘度の高いTiO2スラリーに浸し、焼結すること、4)H2Oに分散した>50wt%のTiO2を含有する粘度の高いTiO2スラリーに浸し、焼結し、その後、乾燥TiO2およびポリマー粉末に浸すこと。すべての実験について、二酸化チタン足場の表面を、水溶液(すなわち、水のみ)によって湿らせて、その後に、小さい(50〜80μm)PE(ポリエチレン)粒子が分散した、TiO2粉末(粒子径<100μm)(各物質の重量に対して、二酸化チタンとポリマーとの比は、10:1である)の薄層に浸した。次いで、すべての足場を焼結にかけ(1500℃、>2時間)、作製した皮質壁(ナノ多孔性外層)を固めた(図2(1〜4))。二酸化チタン足場を浸したTiO2およびポリマー粉末を、機械プレスによって、浸す手順の前に圧縮させて、ナノ多孔性外層の均等な厚さ、および多孔性が低下した構造を実現することができる。浸すおよび焼結手順は、所望の密度および厚さの皮質壁(100〜500μm)、ならびに<5μmの細孔径を有するために、1〜3回繰り返すことができる。
【０１００】
次いで、上記の通りに作製した皮質壁のいくつかを、H2Oに分散した>50wt%のTiO2を含有する粘度の高いTiO2スラリーで被覆した。そのようなセラミックスラリーの薄層を、存在する密な壁、すなわち、二酸化チタン足場の皮質壁に均等に広げて、大きな空隙を減らし、骨芽細胞の付着する表面をより滑らかにした。次いで、再度、被覆された足場を焼結にかけ(1500℃、>2時間)、作製した皮質壁を固めた(図2(2〜3))。異なる製造法によって、細孔径および空隙率を変えることができることを見ることができる(図2(1〜4))。
【０１０１】
上記の2つの手順の順番を逆にすることもできる(図2(4))。
【実施例３】
【０１０２】
ナノ多孔性外層での骨芽細胞の成長
ヒト骨芽細胞を、20000細胞/mLの濃度で、皮質壁(実施例2に開示する通り、二酸化チタン足場を、圧縮された乾燥TiO2およびポリマー粉末に浸した後に、焼結し、それから、濃いTiO2スラリーに浸し、焼結することにより作製した)に接種した。骨芽細胞を有する皮質壁を、37℃および5%CO2のインキュベーター内で、DMEM溶液中に7日間入れておいた。DMEM溶液を、2日おきに取りかえた。培養後、皮質壁の細胞を固定して、アルコールで乾燥させた。次いで、SEM画像のように、Fostadら、2009に記載されている通り、サンプルを金でスパッタコーティングした。細胞は、二酸化チタン足場を圧縮された乾燥TiO2およびポリマー粉末に浸した後に、焼結し、それから、濃いTiO2スラリーに浸し、焼結することにより作製したナノ多孔性外表面にかなり広がる。穴および縁は、細胞の定着点として働き、それは、骨芽細胞がその下部の多孔性構造に入ることを防いだ(図3を参照されたい)。
【実施例４】
【０１０３】
ポリマー粒子含有量の皮質壁構造の特性への影響
ポリマー粒子含有量の皮質壁様構造の特性への影響を評価するために、実施例1で示した皮質壁構造を、異なるTiO2粉末対PE粒子比で製造した。
【０１０４】
重量比で10:0、10:1、および5:1、2:1、および1:1のTiO2粉末(<100ミクロン)とポリエチレン粉末(53〜75ミクロン)との乾燥混合物を、広げて薄層にした。TiO2スラリーをポリエチレン発泡体上に適用し、ポリマーを燃やし尽くし、セラミックを焼結すること(1500℃で40時間)によって製造された二酸化チタン足場を、61.5wt%の二酸化チタンを含有する新たなスラリーで被覆した。過剰なスラリーを、遠心分離機(1300RPM、ゆっくりした加速、1分)によって除去した。次いで、湿ったままの足場を薄い粉末層に浸した。処理された表面上を粉末が均等に覆っていることを確実にするために、処理された表面を、シリコーン製手袋を使用してこすった。これによって、過剰な粉末が除去され、足場の表面上に均等で薄い層がもたらされた。次いで、足場を再び焼結し(40時間、1500℃)、粉末粒子をナノ多孔性の皮質壁に固め、皮質壁をTiO2足場構造に統合した。図4に示す通り、ポリマー粒子の含有量は、皮質壁構造の形態に影響を及ぼした。粉末混合物におけるPE粒子の比率が高くなると、融合TiO2粒子によって形成された細孔ネットワークの均一性は、PE粒子が蒸発した後、顕著に低下した一方で、皮質壁構造の空隙率が増大した。この不均一な細孔分布の低下が、足場構造内への軟部組織の内方成長を阻止する皮質壁の能力を低下させると考えられる。1:1というTiO2対ポリマー比の使用により、焼結されてない皮質壁において、ポリマー含有量が多かったので、皮質壁が形成されなかった。ポリマー粒子の蒸発後、ゆるく詰められたTiO2粒子は、融合して壁構造を形成するには、互いに遠く離れすぎていたままであった。さらに、ポリマー粒子がないと(10:0比)、10:1というTiO2対ポリマー比と比較して、皮質壁構造におけるナノおよびミクロ細孔の分布の均一性が低くなり、細孔ネットワークは、TiO2粉末にPE粒子を添加しなかったとき、連結が少なかった。10:1というTiO2対ポリマー比を使用して作製した皮質壁構造の三次元構造を、図5に示した。
【実施例５】
【０１０５】
実施例1に記述した足場を、水平的歯槽堤増大術において、小型ブタのあごに置いた。小臼歯のP1〜4を、手術の14週前に抜歯した。皮質骨をトレフィンバーで研削し、2つのチタン製ネジで固定した。陰性対照は、空の部位であった。6か月の治癒後、偽処置と比較して、皮質壁に実質的により多くの骨が存在した(図6)。マイクロCT(Skycan1172、Bruker社、Kontich、Belgium)および組織学を用いて、評価を行った。
【０１０６】
本発明を、その詳細な説明と共に説明してきたが、前述の説明は例示することを意図するものであり、添付の特許請求の範囲によって規定される本発明の範囲を限定することを意図するものではないことを理解すべきである。他の態様、利点、および変更は、以下の特許請求の範囲の範囲内である。
【０１０７】
明らかに反対のことが記載されていない限り、本明細書に記載するそれぞれの好ましい特徴を、本明細書に記載する他のありとあらゆる好ましい特徴と組み合わせて使用することができる。
【０１０８】
【表１】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図４ｃ】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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