(57)【要約】【課題】多量のヨウ素イオンを担持していることにより生体内で長期に亘って安定して高い抗菌性を示し、且つアパタイト形成能及び保存性に優れた安全性の高い骨修復材料を安価に提供する。【解決手段】チタンまたはチタン合金からなる基材と、その基材表面にあってカルシウムイオン及びヨウ素イオンを含んだ結晶構造を有する多数の結晶塊からなるチタン酸塩の膜とを備え、前記結晶塊が、Ｔｉ−Ｏ骨格からなる複数の層とそれらの層間に吸着された前記カルシウムイオン及びヨウ素イオンとを有することを特徴とする。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
チタンまたはチタン合金からなる基材と、その基材表面にあってカルシウムイオン及びヨウ素イオンを含んだ結晶構造を有する多数の結晶塊からなるチタン酸塩の膜とを備えることを特徴とする骨修復材料。
【請求項２】
前記結晶塊が、Ｔｉ−Ｏ骨格からなる複数の層とそれらの層間に吸着された前記カルシウムイオン及びヨウ素イオンとを有する請求項１に記載の骨修復材料。
【請求項３】
前記ヨウ素イオンの少なくとも一部が正電荷を帯びている請求項１に記載の骨修復材料。
【請求項４】
前記チタン酸塩の膜におけるカルシウムイオン濃度が０．１〜１０質量％の範囲にあり、且つヨウ素イオン濃度が０．１〜１５質量％の範囲にある請求項１に記載の骨修復材料。
【請求項５】
カルシウムイオン及びヨウ素イオンを含まずナトリウムイオン及びカリウムイオンのうち１つ以上の陽イオンを含むアルカリ性の第１の水溶液に、チタンまたはチタン合金からなる基材を浸漬する工程と、カルシウムイオンを含む第２の水溶液に基材を浸漬する工程と、基材を大気中で加熱する工程と、ヨウ素イオンを含む第３の水溶液に浸漬する工程を備えることを特徴とする骨修復材料の製造方法。
【請求項６】
前記ヨウ素イオンが、正電荷を帯びている請求項５に記載の製造方法。
【請求項７】
第３の水溶液が、一塩化ヨウ素、三塩化ヨウ素、次亜ヨウ素酸、一フッ化ヨウ素、三フッ化ヨウ素、五フッ化ヨウ素、七フッ化ヨウ素、一臭化ヨウ素及び三臭化ヨウ素のうちから選ばれる一種以上の化合物の水溶液である請求項５に記載の製造方法。
【請求項８】
第３の水溶液におけるヨウ素イオンの濃度が１〜５０００ｍＭの範囲にある請求項５に記載の製造方法。
【請求項９】
第３の水溶液の温度が２０℃以上であり、前記基材を第３の水溶液に浸漬する時間が３時間以上である請求項５に記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ヨウ素担持骨修復材料及びその製造方法に関する。この骨修復材料は、大腿骨、股関節、脊椎、歯根等のように大きな荷重の加わる部分における骨修復のために好適に利用され得る。
【背景技術】
【０００２】
チタンまたはチタン合金は、大きな破壊靱性を有し、生体に適合することから、人工関節、人工椎体などの大きな荷重の加わる部分における骨修復材料として広く使用されている。そして、チタンまたはチタン合金に骨結合能を付与するために、チタンまたはチタン合金からなる基材の表面にアパタイト層を形成する方法が種々検討されてきた。このうち、アパタイト形成能を有するチタン酸塩層や酸化チタン層を表面に形成させたチタンまたはその合金の骨修復材料は、体内でアパタイトを形成するので、形成されたアパタイトが乾燥や基材との熱膨張差による亀裂を生じない点で優れていると言われている（特許文献１、２）。【０００３】
一方、骨修復材料を生体内に埋入した後、感染症が発生すると、抗生物質による治療も困難である。そこで、骨修復材料に抗菌性を付与する様々な技術が提案されている。例えば、古くから著しく高い抗菌性を示す元素として銀が知られていることから、チタン酸塩層中のアルカリ成分を銀イオンで置換したり（特許文献３）、チタン基材表面にリン酸カルシウムと酸化銀の混合物の被膜を形成したり（特許文献４）する技術が公開されている。銀を金属粒子の形態で骨修復材料に導入すると、銀粒子が材料の表面から脱落して予期しない臓器に蓄積し、細胞毒性を示す懸念があるので、イオンまたは酸化物の形態で導入するのである。銀微粒子を含む医薬品はかつて米国保健福祉省（ＦＤＡ）に認可されたことがあったが、大量に摂取すると銀皮症を引き起こすので、現在は禁止されている。また、ＭＲＳＡや大腸菌に対してヨウ素が銀と同程度に高い抗菌性を示すと報告されていることから（非特許文献１）、金属表面に形成した微細孔に電着処理でヨウ素を含包させる技術も公開されている（特許文献５）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許５４９９３４７号公報
【特許文献２】ＷＯ２０１０／０８７４２７号公報
【特許文献３】ＷＯ２００８／０８１８６１号公報
【特許文献４】特開２００８‐７３０９８号公報
【特許文献５】特許２９３２４３７号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】K.Hashimoto et al., Inorganic Materials, 6(1999)457-462
【非特許文献２】S.Spriano, et al., Acta Biomater. 10(2018)557
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献３に記載のように銀をイオンの形態で導入するにしても、銀を導入したチタン金属またはチタン合金が高い抗菌性を示し且つ細胞毒性を示さない銀イオン濃度範囲は０．２７〜０．６％と狭く（非特許文献２）、大量生産に適していない。特許文献４に記載の方法で得られる材料は、コーティング部材のリン酸カルシウムを溶解させながら抗菌剤を溶出するので、この間に骨組織と強固に結合することができない。そのため、初期固定能に劣り、骨修復治療に長期間を要する。【０００７】
特許文献５に記載の方法で得られる材料は、電着処理によりヨウ素を基材の微細孔に泳動させねばならず、高価な装置を必要とする。さらに、同方法で得られる材料は０．１質量％程度という少量のヨウ素しか表面に担持していないため、長期間保管すると失活する恐れがあるし、失活する前に体内に埋め込んだとしても、長期の抗菌効果を望めない。また、同方法は基材が多孔質や複雑形状である場合、静電遮蔽により凹部内面に電荷が分布しないことから、ヨウ素を均一に担持させることが難しい。【０００８】
それ故、この発明の課題は、多量のヨウ素イオンを担持していることにより生体内で長期に亘って安定して高い抗菌性を示し、且つアパタイト形成能及び保存性に優れた安全性の高い骨修復材料を安価に提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
その課題を解決するために、この発明の骨修復材料は、チタンまたはチタン合金からなる基材と、その基材表面にあってカルシウムイオン及びヨウ素イオンを含んだ結晶構造を有する多数の結晶塊からなるチタン酸塩の膜とを備えることを特徴とする。前記結晶塊は、柱状、薄片状、鱗状、粒状、針状などであってよい。ヨウ素イオンは、陰イオンすなわちヨウ化物イオンであってもよいし、陽イオンであってもよい。【００１０】
この骨修復材料によれば、チタン酸塩の膜がカルシウムイオン及びヨウ素イオンの両方を含むので、チタン酸塩の膜に含まれるヨウ素イオンが生体内で抗菌性を示し、同時にカルシウムイオンが生体内でアパタイト形成能を示して骨と結合することを可能にする。【００１１】
前記結晶塊は、通常Ｔｉ−Ｏ骨格からなる複数の層とそれらの層間に吸着された前記カルシウムイオン及びヨウ素イオンとを有する。結晶塊が柱状である場合を例として詳述すると、この発明の好ましい骨修復材料においては、図１（ａ）に示すように基材の主面と交差する方向に伸びた多数の柱状結晶塊の各々が、図１（ｂ）に示すように重なる複数の層からなり、それらの層間にカルシウムイオン及びヨウ素イオンの両方を含むので、これらのイオンは結晶内の拡散を通じて徐放され、長期間にわたり抗菌性及び骨結合性を示すことを可能にする。【００１２】
この発明の骨修復材料を製造する適切な方法は、カルシウムイオン及びヨウ素イオンを含まずナトリウムイオン及びカリウムイオンのうち１つ以上の陽イオンを含むアルカリ性の第１の水溶液に、チタンまたはチタン合金からなる基材を浸漬する工程と、カルシウムイオンを含む第２の水溶液に基材を浸漬する工程と、基材を乾燥雰囲気中で加熱する工程と、ヨウ素イオンを含む第３の水溶液に浸漬する工程を備えることを特徴とする。【００１３】
第１の水溶液に浸けることにより、基材中のチタンと水溶液が反応して基材表面にチタン酸水素ナトリウムあるいはチタン酸水素カリウムの膜が形成される。次いで第２の水溶液に浸けると、チタン酸水素ナトリウムあるいはチタン酸水素カリウム膜中のナトリウムあるいはカリウムイオンが、水溶液中のカルシウムイオンと交換される。【００１４】
これを大気中で加熱することにより、脱水して機械的及び化学的に安定な無水のチタン酸塩の膜となり、引っかき抵抗が著しく向上する。
その後、第３の水溶液に浸けると、膜中のカルシウムイオンの一部がヨウ素イオン及びヒドロニウムイオンに交換されて、抜けたカルシウムイオンの位置に隙間ができて残ったカルシウムイオンが生体内に溶出しやすくなる。その結果、表面がアパタイト形成能を発揮する程度に活性化され、しかも多湿下で長期保存されてもその活性が維持される。この膜に含まれるヨウ素イオンは、通常０．５質量％以上と多いので、長期間の保存に耐えられ、かつ生体内で長期間に亘り抗菌効果を発揮する。【００１５】
第３の水溶液中のヨウ素イオンが正電荷を帯びていると、カルシウムイオンとの交換が進みやすい。正電荷を帯びたヨウ素イオンは、一塩化ヨウ素、三塩化ヨウ素、次亜ヨウ素酸、一フッ化ヨウ素、三フッ化ヨウ素、五フッ化ヨウ素、七フッ化ヨウ素、一臭化ヨウ素、三臭化ヨウ素など化合物を水に溶かすことにより産出される。
【発明の効果】
【００１６】
以上のように、この発明によって得られる骨修復材料は、生体内に埋め込んだ場合、速やかに生体骨と結合して骨欠損部を修復することができ、感染症を予防あるいは治療し、また、保存性に優れることから、手術用に常備しておくことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】（ａ）は本発明の骨修復材料の断面を撮影した電子顕微鏡写真、（ｂ）は同断面における一つの柱状結晶塊の構造の模式図である。
【図２】実施例の試料の表面及び断面の形状を示す電子顕微鏡である。
【図３】実施例の試料の薄膜Ｘ線回折パターンを示す。
【図４】実施例１、６、７及び比較例６の表面に担持されたヨウ素をＸ線光電子分光分析により分析した結果を示す。
【図５】実施例の試料を擬似体液に３日間浸漬した後の表面の電子顕微鏡写真である。
【図６】実施例１及び３の試料のメチシリン耐性黄色ブドウ球菌に対する抗菌性を評価した結果を示す。
【図７】実施例１及び３の試料のＭＣ３Ｔ３−Ｅ１骨芽細胞に対する細胞増殖試験における培養期間と吸光度との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
前記の膜は通常、０．１〜１０μｍの厚さを有する。そして、その厚さの範囲において通常０．１〜１０質量％のカルシウムイオン濃度と０．１〜１５質量％のヨウ素イオン濃度を有し、アパタイト形成と抗菌性を同時に発揮する。十分なアパタイト形成を誘起するために１〜７質量％のカルシウムイオン濃度を有するのが好ましく、生体内で長期に亘って抗菌効果を得るために１〜１５質量％のヨウ素イオン濃度を有するのが好ましい。
【００１９】
第２の水溶液におけるカルシウムイオンの濃度は通常０．０１〜５０００ｍＭの範囲であり、好ましくは０．０１〜１００ｍＭである。好ましい濃度範囲においては前記の膜に前記の好ましい濃度でカルシウムイオン及び骨形成イオンを導入することが容易となる。
【００２０】
基材を浸漬するときの第２の水溶液の温度および浸漬時間は通常、それぞれ２０℃以上、０．５時間以上であり、好ましくはそれぞれ４０℃以上、２４時間以上である。いずれも好ましい温度及び浸漬時間において、前記の膜に前記の好ましい濃度でカルシウムイオンを導入することが容易となる。
基材を大気中で加熱するときの温度及び保持時間は通常、それぞれ４００℃以上、０．５時間以上で、好ましくは６００℃以上、１時間以上である。好ましい加熱処理温度及び保持時間において、前記の膜のひっかき抵抗を１０ｍＮ以上に高めやすい。
【００２１】
第３の水溶液の調整に用いられるヨウ素化合物の通常のヨウ素イオン濃度は１〜１０００ｍＭであり、好ましくは１０〜１００ｍＭである。好ましい濃度において、膜厚を大きく変化させることなく前記の膜に前記の好ましい濃度でヨウ素イオンを導入することが容易になる。
基材を浸漬するときの第３の水溶液の温度および浸漬時間は通常、それぞれ４０℃以上、３時間以上であり、好ましくはそれぞれ６０℃以上、２４時間以上である。好ましい浸漬温度及び浸漬時間において、前記の膜が３日以内に擬似体液中で表面の５０％以上のアパタイトを形成する程度に活性化されやすい。
第３の水溶液におけるヨウ素イオンの濃度を変えることにより、前記の膜におけるヨウ素濃度を変えることが出来る。
【実施例】
【００２２】
−実施例１−
１０ｍｍ×１０ｍｍ×１ｍｍの大きさの純チタン板（基材）を＃４００のダイヤモンドパッドを用いて研磨し、アセトン、２−プロパノール、越純水で各３０分間越音波洗浄した後、５Ｍの水酸化ナトリウム水溶液５ｍｌに６０℃で２４時間浸漬し（以下、「アルカリ処理」という）、超純水で３０秒間洗浄した。このチタン板を１００ｍＭの塩化カルシウム水溶液１０ｍｌに４０℃で２４時間浸漬し（以下、「カルシウム処理」という）、超純水で３０秒間洗浄した。次いで、チタン板を電気炉中で常温から６００℃まで５℃／ｍｉｎの速度で昇温し、大気中６００℃で１時間保持して、炉内で放冷した（以下、「加熱処理」という。）。その後、１０ｍＭの三塩化ヨウ素水溶液１０ｍｌに８０℃で２４時間浸漬し（以下、「ヨウ素処理」という）、超純水により３０秒間洗浄することにより、試料を製造した。【００２３】
−実施例２−
実施例１のヨウ素処理において、１０ｍＭの三塩化ヨウ素水溶液に代えて１００ｍＭの三塩化ヨウ素水溶液を用いたことを除く他は実施例１と同じ条件で試料を製造した。【００２４】
−実施例３−
実施例２のヨウ素処理において、浸漬温度を６０℃にしたことを除く他は実施例２と同じ条件で試料を製造した。【００２５】
−実施例４−
実施例２のヨウ素処理において、浸漬温度を４０℃にしたことを除く他は実施例２と同じ条件で試料を製造した。【００２６】
−実施例５−
実施例１のヨウ素処理において、１０ｍＭの三塩化ヨウ素水溶液に代えて１８７１ｍＭの一塩化ヨウ素水溶液を用い、浸漬温度を６０℃にしたことを除く他は実施例１と同じ条件で試料を製造した。【００２７】
−実施例６−
実施例１の純チタン板に代えてＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金の板を用い、アルカリ処理における浸漬温度を９５℃にしたことを除く他は実施例１と同じ条件で試料を製造した。【００２８】
−実施例７−
実施例１の純チタン板に代えてＴｉ−１５Ｚｒ−４Ｎｂ−４Ｔａ合金の板を用いたことを除く他は実施例１と同じ条件で試料を製造した。【００２９】
−比較例１−
実施例１のヨウ素処理において、１０  ｍＭの三塩化ヨウ素水溶液に代えて１０００ｐｐｍのポリビニルピロリドンヨウ素水溶液を用い、浸漬温度を６０℃にしたことを除く他は実施例１と同じ条件で試料を製造した。【００３０】
−比較例２−
実施例１のヨウ素処理において、１０ｍＭの三塩化ヨウ素水溶液に代えて１００ｍＭのヨウ化ナトリウム水溶液を用い、浸漬温度を６０℃にしたことを除く他は実施例１と同じ条件で試料を製造した。【００３１】
−比較例３−
実施例１のアルカリ処理の後、カルシウム処理も加熱処理もすることなく１０ｍＭの三塩化ヨウ素水溶液１０  ｍｌに４０℃で２４時間浸漬した試料を製造した。【００３２】
−比較例４−
比較例３と同一の試料を加熱処理した試料を製造した。【００３３】
−比較例５−
実施例１のアルカリ処理の後、カルシウム処理も加熱処理もすることなく１０００ｐｐｍのポリビニルピロリドンヨウ素水溶液１０ｍｌに４０℃で２４時間浸漬した試料を製造した。【００３４】
−比較例６−
実施例１のアルカリ処理の後、５０ｍＭの塩酸１０ｍｌに４０℃で２４時間浸漬し（以下、酸処理という）、実施例１の加熱処理を施した後、１０００ｐｐｍのポリビニルピロリドンヨウ素水溶液に試料が陽極となるように浸漬し、１５０Ｖの電圧を３分間加えて（以下、電着処理という）試料を製造した。本例の試料は、特許文献２に記載のアルカリ、酸、加熱処理を施した後、特許文献５に記載の電着処理を施したものに相当する。【００３５】
以上の実施例及び比較例の試料の製造条件をまとめて表１に記載する。
【表１】
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【００３６】
［組成分析］
実施例１〜７及び比較例１〜５の試料表面の組成をＸ線光電子分光法により測定角４５°で分析した。その結果、表２に示すように、実施例の試料表面には１．４〜７．５質量％のカルシウムと０．７〜１０．５質量％のヨウ素が検出された。カルシウムの一部がヨウ素と交換されたものと認められる。一方、比較例１、２、５の試料の表面にはヨウ素が検出されなかった。カルシウムとヨウ素の交換は生じなかったものと認められる。比較例３の試料の表面には、１０．２質量％のヨウ素が検出された。ナトリウムの一部がヨウ素と交換されたものと認められる。しかし、比較例４の試料の表面にはヨウ素は検出されなかった。加熱によりヨウ素が飛散したと認められる。【００３７】
［ひっかき抵抗評価］
実施例１〜７及び比較例１〜５の試料のひっかき抵抗をスクラッチテスターにより測定したところ、表２に示すように加熱処理を施さなかった試料のひっかき抵抗は１０ｍＮ未満と低かったが、６００℃で加熱処理された試料のひっかき抵抗は２０ｍＮ以上と高かった。【００３８】
【表２】
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【００３９】
実施例の試料の表面及び断面を電子顕微鏡で観察したところ、図２に示すように、実施例１、３、４、５、６、７の試料の表面には基材の主面と交差する方向に延びる多数の柱状結晶塊が網目状に絡み合った約１μｍの膜が形成されていた。実施例２の試料の表面膜の厚さは約０．１μｍであった。
ヨウ素処理をしていない以外は実施例１と同一条件で得られた対照試料と実施例１〜７の試料の表面の結晶構造を薄膜Ｘ線回折により調べると、図３に示すように対照試料にチタン酸カルシウム及びルチル型酸化チタンのピークが認められ、これらのピークは実施例の試料においても同様に認められた。従って、チタン酸カルシウム中のカルシウムの一部がヨウ素と交換されてヨウ素含有チタン酸カルシウムが形成されていることがわかった。【００４０】
実施例１、６、７及び比較例６の試料の表面に導入されたヨウ素の化学状態をＸ線光電子分光分析（ＸＰＳ）により調べた。図４に示すように実施例１、６、７の表面には負のヨウ素イオンに起因する６１９及び６３１ｅＶのピークとともに、それらより高結合エネルギーの６２３及び６３５ｅＶに正のヨウ素イオンに起因するピークが検出された。一方、比較例６の表面には負のヨウ素イオンに起因するピークのみが検出され、その強度は実施例のそれよりも低く量が少なかったと認められた。【００４１】
［アパタイト形成能評価］
実施例の試料を３６．５℃に保たれたＩＳＯ規格２３３１７の擬似体液（ＳＢＦ）に浸漬したところ、表２及び図５に示すようにすべての実施例でＳＢＦ浸漬３日以内にアパタイトが表面の５０％以上を覆うように析出した。したがって、これらの試料は生体内で高いアパタイト形成能を示すことが確かめられた。【００４２】
［抗菌性評価１］
実施例１、３の試料及び未処理のチタン板についてＪＩＳ  Ｚ  ２８０１：２０１２の規定に準拠してメチシリン耐性黄色ブドウ球菌に対する抗菌性試験を実施した。試験回数は繰返し各２回とし、２回の平均コロニー数を算出した。当初平均４．２×１０４個／ｃｍ２であったコロニー数が、２４時間経過後に、１０個／ｃｍ２未満となっている場合を評価値４とし、１０個／ｃｍ２以上１００個／ｃｍ２未満となっている場合を評価値３とし、１００個／ｃｍ２以上１０００個／ｃｍ２未満となっている場合を評価値２とし、１０００個／ｃｍ２以上１００００個／ｃｍ２未満となっている場合を評価値１とし、１００００個／ｃｍ２以上である場合を評価値０とした。評価値が大きいほど抗菌性に優れることを示す。【００４３】
表３及び図６に示すように、未処理のチタン板は評価値０であり、抗菌性を示さなかったが、実施例１及び３の試料はいずれも評価値４となり、強い抗菌性を示した。さらに、抗菌効果の安定性を調べるために、実施例１及び３の試料を８０℃、相対湿度９５％の環境下で１週間保持する耐湿試験とリン酸緩衝生理食塩水中に３６．５℃で５０ストローク／分の速度で揺らしながら１週間保持する耐水試験を実施した。実施例１の試料は耐湿・耐水いずれの試験後も評価値３以上の強い抗菌性を示し、長期保管、生体内での安定性に優れることがわかった。実施例３の試料は耐湿・耐水試験後に評価値２あるいは１に下がるものの、依然として抗菌性を示すことがわかった。【００４４】
【表３】
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【００４５】
［抗菌性評価２］
実施例１の試料及び未処理のチタン板についてＪＩＳ  Ｚ  ２８０１：２０１２の規定に準拠して大腸菌に対する抗菌性試験を実施し、抗菌性評価１と同様に評価した。当初平均コロニー数は４．1×１０３個／ｃｍ２であった。【００４６】
表４に示すように、未処理のチタン板は評価値０であり、抗菌性を示さなかったが、実施例１の試料は評価値４となり、強い抗菌性を示した。さらに、抗菌効果の安定性を調べるために、実施例１の試料に前記耐湿試験と耐水試験を実施した。実施例１の試料は耐湿・耐水いずれの試験後も評価値２以上の抗菌性を示し、長期保管、生体内での安定性に優れることがわかった。【００４７】
【表４】
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【００４８】
［細胞毒性試験］
実施例１、３の試料及び未処理のチタン板にＭＣ３Ｔ３−Ｅ１骨芽細胞を８×１０３個／ｃｍ２播種し、１、３、７日間培養した後に生細胞数測定試薬ＳＦ（ナカライテスク株式会社、京都）を１００μｌ／ｍｌの濃度で滴下し、３６．５℃の５％ＣＯ２インキュベータ内で２時間保持した。その後、生成したホルマザンの量を波長４５０ｎｍのフィルターを備えた吸光度計により定量した。なお、試験条件ごとに４つの試料を使用し、その平均をとった。各試料群の細胞増殖性における有意差をスチューデントのｔ検定により評価した。図７に示すように、実施例の試料はいずれも未処理のチタン板に比べて培養期間１日後には有意な差は見られなかったが、培養期間３日後に有意に高い増殖性を示した。培養期間７日後には有意な差は見られなかった。これらの結果より、実施例１及び３の試料は細胞毒性を示さないことがわかった。従って、生体内で安全に使用できると認められる。なお、培養期間３日後に有意に高い増殖性を示したのに、７日後に有意差がないのはコンフルエントに達したからであると考えられる。
【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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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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