生分解性高分子からなるポリウレタンを利用した自己修復性軟骨材料の開発
北 有紗 1・竹岡裕子 11 上智大学

〒102-8554 東京都千代田区紀尾井町 7-1

Fabrication of self-healing cartilage material using
polyurethane-based biodegradable polymers

Arisa Kita1 and Yuko Takeoka1
1Sophia University
7-1 Kioi-cho, Chiyoda-ku, Tokyo 102-8554, JapanFor the application to artificial bone materials, poly(urethane)/hydroxyapatite composites were prepared byintroducing hard poly(L-lactic acid) and flexible poly(caprolactone) with poly(isocyanate) as a crosslinker into poroushydroxyapatite. Urethane bonds in the polymerization products and the composites were confirmed by ATR-IRmeasurements. The mechanical properties of the composites can be controlled by changing the introduction ratio ofpoly(L-lactic acid) and poly(caprolactone).

KEYWORDS: organic-inorganic hybrid, biodegradable polymer, artificial bone material

1.

はじめに量の PLLA を HAp 多孔体に導入し，isocianate を反応させることにより，弾性率が適度に調整された人工骨

近年，様々な生体組織代替材料が開発され，その応が得られることがわかった 3)。本研究では、これまで用範囲が広がっている。機能低下や喪失した骨を人工行ってきた硬組織への応用のみならず，応用範囲をさ骨で補う機会も増加しつつある。使用部位に応じて適らに広げることを目的として，複合体への柔軟性の付切な強度や弾性率が異なるため，人工骨の力学的特性与を検討した。具体的には，柔軟性の高いは特に重要である。例えば，荷重部位に用いられる硬poly(caprolactone) (PCL)と PLLA を isocyanate と反応さ組織用の人工骨と，関節間に用いる人工軟骨では求めせることで，urethane 化し，PLLA と PCL の比率が複られる性能が異なる。人工骨材料としては，生体骨の合体の機械的特性に与える影響を調査した。さらに，主成分である hydroxyapatite (HAp)と，生体適合性を有この生分解性ポリウレタンに HAp を複合化し，その特する poly(L-lactic acid) (PLLA)の複合体(PLLA/HAp 複性を調べた。

合体)が期待されている。私たちはこれまでに開放気孔2.

を有する HAp 多孔体に，PLLA など生分解性高分子の結果と考察

モノマーを導入し、触媒を用いて生分解性高分子の2.1 PLLA/PCL からなるポリウレタン膜の作製

in-situ 合成を行う手法で HAp と生分解性高分子を複合

1,6-Hexanediol を開始剤に，Sn(Oct)2 を触媒に用いた化してきた。得られた複合体は生体骨と同等の初期曲L-lactide，及び -caprolactone の開環重合により，diolげ強度を有し，良好な細胞増殖性を有することを報告

型 PLLA (Diol PLLA)と diol 型 PCL (Diol PCL)をそれぞしている 1,2)。さらに，両末端に水酸基を有する低分子れ合成した。Diol PLLA と Diol PCL の数平均モル質量
Mn は 5,000-5,500 g mol1，モル質量分散度 Mw/Mn はE-mail: y-tabuch@sophia.ac.jp

1.1-1.2 であった。Diol PLLA，Diol PCL，及び polymeric―1―

PIC/HAp (p1.0)の 5%重量減少温度は約 300C であり，PCL の熱分解点と比較して，50C 程度の耐熱性の向上が確認された。TG 測定の結果，PIC/HAp (p1.0)の熱分解は 2 段階であり，PIC 膜の熱分解挙動と同様であったのに対し，PIC/HAp (f1.0)では PIC/HAp (p1.0)と比較して，高温側に 3 段階の熱分解が観察された。このことから，PIC/HAp (f1.0)ではより強固な構造が形成されScheme. Synthesis of PILCていることが示唆された。PIC 膜と PIC/HAp (f1.0)，
PIC/HAp (p1.0)複合膜の引張試験を行った結果，PIC 膜

Stress / MPa

30の伸び率を 1 とすると，PIC/HAp (f1.0)，PIC/HAp(p1.0)

PIL50C50
PIL30C7020

PIL20C80

PIL10C90
PIL0C100複合膜の伸び率はそれぞれその 3.13 倍、4.13 倍に増加し，PIC と HAp の複合化による膜の柔軟性の向上が確認された。PIC/HAp (p1.0)複合膜のヤング率は低くなった。一方，PIC/HAp (f1.0)複合膜の強度，及び伸び率は，10PIC/HAp (p1.0)複合膜と比較して大きくなった。繊維状00150300450
Strain / %構造体である f-HAp は，より強固に PIC と結合してい600ることがこの結果からも示唆された。

Figure 1. S-S curves of PILpCq membranes.

3.

diphenylmethane diisocyanate (PMDI)を dichloromethane

まとめに溶解し，ガラス基板上にキャストし，PLLA と PCL

生分解性高分子 PLLA、PCL からなるポリウレタンの物質量比が異なるウレタン膜 PILpCq (p, q はそれぞ

薄膜，および HAp との複合化を行った。PCL を含む

れ PLLA と PCL の仕込みの mol%を示す)を作製したポリウレタン膜は優れた機械的特性を示し，形状回復(式)。ウレタン膜の ATR-IR 測定の結果，urethane 結の性質を示すことが分かった。さらに繊維状 HAp との合の N-H に起因するピークが観測され，urethane 結合の形成を確認した。図 1 に PILpCq 膜の引張試験の複合化により，強度と柔軟性を併せ持った材料が得られることが分かった。今後、骨芽細胞様細胞 MCT-3E1結果を示す。PLLA 含有率が 100%の PIL100 膜は非常に細胞を用いて得られた PIC/HAp (f1.0)複合膜の生体適脆いのに対し，Diol-PCL の導入率の増加につれて柔軟合性を評価により，人工骨材料としての応用を検討し性が向上し、PCL 含有率 50～100mol%において、良質たい。

なウレタン膜が得られた。PIL0C100 膜は 660%の伸び率を示した。また，延伸後の PIL0C100 膜の加熱により，4.

謝辞

延伸前の長さに戻り，形状回復の性質が示された。
本研究はポリウレタン公益財団法人ポリウレタン
PCL からなるポリウレタンと HAp の複合化

国際技術振興財団の支援を受けて行われた。

上記の検討により，PIL0C100 膜が優れた特性を示し

文

2.2

た た め ， さ ら に HAp の 複 合 化 を 検 討 し た 。 1,21)

Dichloroethane に Mn = 5400 gmol-1 の Diol PCL と PMDIを 溶 解 さ せ た 後 ， 乳 鉢 で す り 潰 し た 繊 維 状 HAp(f-HAp)、または HAp 粉体(p-HAp)を加え，ガラス基板上にキャストし，PIC/HAp 複合膜を作製した。f-HAp2)

は均一沈殿法により作製し，p-HAp は f-HAp を 1200°Cで焼 成後 ， 粉砕 して 調 整し た。PIC/HAp 複 合体 のATR-IR 測定の結果、urethane 結合の N-H に起因する振3)動ピークと HAp の phosphate 基に起因する伸縮振動ピークが観測され，PIC と HAp の複合化を確認した。

4)

PIC，PIC/HAp 膜の TG 測定の結果，PIC/HAp (f1.0)と―2―

献

N. Sugiyama, R. Kunibu, M. Yoshizawa-Fujita, Y.
Takeoka, M. Aizawa, and M. Rikukawa,“Ring-opening bulk polymerization of L-lactide inporous hydroxyapatite”, Chem. Lett., 36, 12,1476-1477 (2007).
Y. Takeoka, M. Hayashi, N. Sugiyama, M.
Yoshizawa-Fujita, M. Rikukawa, Polymer Journal,
47, 2, 164 (2015).
竹岡裕子、陸川政弘、佐藤信吾、「人工骨材料」、
特願 2016-120278、特開 2017-221524
M. Aizawa, A. Porter, S. Best, W. Bonfield,
Biomaterials, 26, 3427, (2005).