DE60318613T2

DE60318613T2 - Apatit/collagen-vernetztes poröses material mit selbstorganisiertem apatit/collagen-verbundstoff und herstellungsverfahren dafür

Info

Publication number: DE60318613T2
Application number: DE60318613T
Authority: DE
Inventors: Masanori Tsukuba-shi KIKUCHI; Junzo Tsukuba-shi TANAKA; Hisatoshi Tsukuba-shi KOBAYASHI; Daisuke Itabashi-ku SHOJI
Original assignee: Hoya Corp; National Institute for Materials Science
Current assignee: National Institute For Materials Science Tsuk Jp; Hoya Corp
Priority date: 2002-11-06
Filing date: 2003-10-27
Publication date: 2008-12-24
Anticipated expiration: 2023-10-28
Also published as: AU2003275684A1; WO2004041320A1; AU2003275684A8; US7153938B2; JPWO2004041320A1; KR100872079B1; JP4699759B2; CN100372579C; KR20050083797A; EP1566186A1; US20050271695A1; EP1566186B1; EP1566186A4; DE60318613D1; CN1711113A

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft einen porösen Körper aus vernetztem Apatit/Kollagen mit einem Apatit-Kollagen-Verbundstoff zur Verwendung in künstlichen Knochen, Zellgerüsten und sein Herstellungsverfahren.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Aufgrund seiner exzellenten Kompatibilität mit dem menschlichen Knochen, kann künstlicher Knochen aus Apatit direkt mit dem menschlichen Knochen verbunden werden. Dementsprechend wird der künstliche Knochen aus Apatit heute wegen seiner Effektivität geschätzt und findet klinische Anwendungen in der Schönheitschirurgie, der Neurochirurgie, der plastischen Chirurgie und der Kieferchirurgie. Künstlicher Keramikknochen wie beispielsweise Apatit ist jedoch nicht unbedingt völlig identisch mit menschlichem Knochen was die mechanischen Eigenschaften und die physiologischen Eigenschaften betrifft. Beispielsweise ist ein so genannter künstlicher Keramikknochen, der nur aus Apatit besteht, härter und bruchempfindlicher als der menschliche Knochen. Während der menschliche Knochen wiederholt dem Metabolismus von Absorption und Regeneration ausgesetzt ist, wird der künstliche Knochen aus Apatit nicht wesentlich gelöst, sondern verbleibt halbpermanent im menschlichen Körper. Der verbleibende künstliche Knochen bricht menschlichen Knochen an einer Schnittstelle mit dem menschlichen Knochen, wodurch einen Knochenbruch bewirken kann.
In jüngster Zeit wurde aktiv Forschung an im menschlichen Körper auflösbarem künstlichem Knochen betrieben, der in seiner Zusammensetzung dem menschlichen Knochen näher kommt als der künstliche Apatitknochen, und verschiedene Vorschläge wurden gemacht.
Die JP-11-513590 A beispielsweise offenbart einen porösen Körper aus vernetztem Apatit/Kollagen mit einer Netzwerkstruktur, bei dem Kollagen und, falls notwendig, andere Bindemittel an Hydroxyapatit gebunden werden. Da dieser poröse Körper aus vernetztem Apatit-Kollagen im menschlichen Körper auflösbar ist, wird menschlicher Knochen in dem porösen Körper aus vernetztem Apatit/Kollagen gebildet, und der poröse Körper aus vernetztem Apatit/Kollagen als solcher wird in einem menschlichen Körper absorbiert. Folglich kann der poröse Körper aus vernetztem Apatit/Kollagen für die Fixierung von Wirbeln, das Füllen von Knochendefekten, das Wiederherstellen von gebrochenem Knochen und das Implantieren in der Zahnmedizin verwendet werden. Dieser poröse Körper aus vernetztem Apatit/Kollagen ist jedoch ein einfaches Gemisch aus Kollagen und Apatit, das nicht die Struktur eines lebenden menschlichen Knochens aufweist, wobei die C-Achse des Apatit entlang Kollegenfasern ausgerichtet ist. Ferner weist dieser poröse Körper aus vernetztem Apatit/Kollagen ungenügende mechanische Festigkeit und schlechte Knochenneubildung aus.
Die WO 9714376 offenbart eine Knochenimplantiermatrix, die porös ist und nach dem Implantieren ihre strukturelle Integrität und Porosität über eine Zeitraum beibehält, der ausreicht, um den Knochenersetzungsprozess zu verbessern. Die Matrix enthält mineralisiertes fibrillares unlösliches Kollagen, Kollegenderivat oder modifizierte Gelatine, mit einem Bindemittel gebunden. Die Mineralien umfassen in der Matrix immobilisiertes Calciumphosphat und haben eine Teilchengröße von unter ungefähr 5 μm. Das resultierende Produkt wird lyophilisiert, vernetzt, getrocknet und sterilisiert, um eine poröse Matrix zu bilden.
Die so erhaltene Matrix kann als Implantiermaterial und/oder als Trägervehikel für den knochenbildenden Wachstumsfaktor verwendet werden, und die Matrix kann mit autogenem Knochenmark vermischt und zum Zwecke der Knochenregeneration implantiert werden.
Somit offenbart die WO 9714376 Zusammensetzungen mit Kollagen und verschiedenen Formen von Calciumphosphat wie beispielsweise Hydroxyapatit, die für die Wiederherstellung von Knochen nützlich sind. Die immobilisierten Calciumphosphatteilchen werden mit dem Bindemittel vermischt, das zum Binden der Kollagenfibrillen verwendet wird. Das mineralisierte fibrillare Kollagen wird hergestellt, indem die gereinigten unlöslichen Kollagenfibrillen mit Calciumchlorid und dreibasigem Natriumphosphat gemischt werden.
Die US 4795467 offenbart eine Zusammensetzung mit einer Kollagen- und einer Calciumphosphatmineral-Komponente zur Verwendung bei der Wiederherstellung von Knochen, die eines von verschiedenen mit Knochen kompatiblen Calciumphosphatsalzen wie Hydroxyapatit oder Tricalciumphosphat und Kollagen mit einer speziellen Form umfasst: rekonstruiertes fibrillares Atelopeptidkollagen, weswegen die Zusammensetzung wirksam in Implantierverfahren sowohl in Verbindung mit Skelettknochen als auch bei das Periodontium betreffenden Verfahren eingesetzt wird.
Die XP 4245928 offenbart einen Apatit/Kollagen-Verbundkörper, der durch in Richtung der C-Achse orientiertes Apatit entlang den Fasern gekennzeichnet ist.
AUFGABE DER ERFINDUNG
Folglich ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen porösen Körper aus vernetztem Apatit/Kollagen bereitzustellen, der nach dem gleichen Mechanismus wie bei lebendem menschlichem Knochen in einem menschlichen Kör per absorbiert wird und gute Knochenneubildung aufweist und der als künstlicher Knochen verwendet werden kann, sowie sein Herstellungsverfahren.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Als Ergebnis intensiver Forschung angesichts der obigen Aufgabe haben die Erfinder entdeckt, dass, wenn eine einen Apatit-Kollagen-Verbundstoff und Kollagen enthaltende Dispersion vor ihrem Gefriertrocknen geliert wird, der resultierende poröse Körper aus vernetztem Apatit/Kollagen eine gleichmäßige Struktur mit hoher Festigkeit hat. Die vorliegende Erfindung wurde ausgehend von dieser Erkenntnis vollendet.
Das Verfahren zum Herstellen eines porösen Körpers aus vernetztem Apatit/Kollagen enthält also die Schritte des Anspruchs 1.
Das Massenverhältnis des Apatit/Kollagen-Verbundstoffs zu dem Kollagen in der Dispersion beträgt vorzugsweise 97/3 bis 93/7. Das Massenverhältnis von Apatit zu Kollagen in dem Apatit/Kollagen-Verbundstoff beträgt vorzugsweise 9/1 bis 6/4.
Beim Gelieren der Dispersion wird die Temperatur der Dispersion vorzugsweise auf 35 bis 43°C gehalten. Die Dispersion hat einen pH-Wert von 6,8 bis 7,6 und vorzugsweise eine Ionenstärke von 0,2 bis 0,8 vor dem Gelieren.
Der Apatit/Kollagen-Verbundstoff liegt vorzugsweise in Form von Fasern mit einer Länge von 0,01 bis 1 mm vor. Apatit in dem Apatit/Kollagen-Verbundstoff hat vorzugsweise eine C-Achse, die entlang den Kollagenfasern ausgerichtet ist. Apatit in dem porösen Körper aus vernetztem Apatit/Kollagen hat ebenfalls vorzugsweise eine C-Achse, die entlang den Kollagenfasern ausgerichtet ist.
Der poröse Körper aus vernetztem Apatit/Kollagen der vorliegenden Erfindung wird durch eines der obigen Verfahren hergestellt.
BESTE ART ZUM AUSFÜHREN DER ERFINDUNG
[1] Herstellen des Apatit/Kollagen-Verbundstoffs
Bei der Herstellung des porösen Körpers aus vernetztem Apatit/Kollagen der vorliegenden Erfindung werden ein Apatit/Kollagen-Verbundstoff und Kollagen als Bindemittel als Ausgangsstoffe verwendet. Der Apatit/Kollagen-Verbundstoff hat vorzugsweise eine Struktur, die derjenigen eines lebenden menschlichen Knochens ähnelt, bei der Hydroxyapatit und Kollagen einer selbstorganisierten Art und Weise ausgerichtet sind. Der Begriff „Selbstorganisation" bedeutet, dass Calciumhydroxyphosphat (Hydroxyapatit) mit einer Apatitstruktur eine Ausrichtung entlang Kollagenfasern hat, die dem menschlichen Knochen eigen ist, nämlich so dass die C-Achse des Hydroxyapatit auf einer Linie mit den Kollagenfasern angeordnet ist.
(1) Ausgangsstoffe
Der Apatit/Kollagen-Verbundstoff wird aus Kollagen, Phosphaten und Calciumsalzen als Ausgangsstoffe hergestellt. Das Kollagen kann aus Tieren gewonnen werden, ohne besonders darauf beschränkt zu sein. Arten, Teile, Alter der Tiere sind nicht speziell eingeschränkt. Im Allgemeinen kann Kollagen verwendet werden, das aus Häuten, Knochen, Knorpeln, Sehnen, inneren Organen von Säugetieren wie Kuh, Schwein, Pferd, Hase und Ratte sowie von Vögeln wie z. B. Huhn gewonnen wurde. Kollagenartige Proteine, die aus Häuten, Gräten, Knorpeln, Flossen, Schuppen, inneren Organen von Fischen wie beispielsweise Kabeljau, Flunder, Plattfisch, Lachs, Forelle, Tunfisch, Makrele, Roter Schnapper (Red Snapper), Sardine, Hai gewonnen wurde, können ebenso verwendet werden. Das Gewinnungsverfahren des Kollagens ist nicht speziell eingeschränkt, sondern kann ein herkömmliches sein. Anstelle von aus Tiergeweben gewonnenem Kollagen kann auch Kollagen verwendet werden, das durch Verfahren der Gentechnologie hergestellt wurde.
Phosphorsäure oder ihr Salz [im Folgenden einfach als „Phosphorsäure (Salz)" bezeichnet] umfasst Phosphorsäure, Dinatriumhydrogenphosphat, Natriumdihydrogenphosphat, Dikaliumhydrogenphosphat Kaliumdihydrogenphosphat. Die Calciumsalze umfassen Calciumcarbonat, Calciumacetat, Calciumhydroxid. Das Phosphat und das Calciumsalz werden vorzugsweise in Form einer einheitlichen wässrigen Lösung oder Suspension zugegeben.
Die Faserlänge des resultierenden Apatit/Kollagen-Verbundstoffs kann durch ein Massenverhältnis des verwendeten Apatit-Ausgangsstoffs [Phosphorsäure (Salz) und Calciumsalz] und des verwendeten Kollagens eingestellt werden. Folglich wird das Massenverhältnis des verwendeten Apatit-Ausgangsmaterials und des verwendeten Kollagens in Abhängigkeit eines angestrebten Zusammensetzungsverhältnisses des Apatit/Kollagen-Verbundstoffs richtig bestimmt. Ein Massenverhältnis von Apatit zu Kollagen in dem bei dem Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendeten Apatit/Kollagen-Verbundstoff beträgt vorzugsweise 9/1 bis 6/4, beispielsweise 8/2.
(2) Zubereiten der Lösung
Zuerst werden eine wässrige Phosphorsäure(Salz)-Lösung und eine wässrige Calciumsalzlösung oder -suspension zubereitet. Die Konzentrationen der wässrigen Phosphorsäure(Salz)-Lösung und der wässrigen Calciumsalzlösung oder -suspension sind zwar nicht speziell eingeschränkt, so lange Phosphorsäure (Salz) und Calciumsalz jeweils in einem gewünschten Verhältnis vorliegen, jedoch ist es für die leichte Handhabung eines später beschriebenen Tropfverfahrens vorzuziehen, dass die Konzentration der wässrigen Phosphor saure(Salz)-Lösung 15 bis 240 mM ist, z. B. ungefähr 120 mM, und dass die Konzentration der wässrigen Calciumsalzlösung oder -suspension 50 bis 800 mM ist, z. B. ungefähr 400 mM. Der oben beschriebenen wässrigen Phosphorsäure(Salz)-Lösung wird Kollagen im Allgemeinen in Form einer wässrigen Lösung in Phosphorsäure beigefügt. Eine wässrige Lösung von Kollagen in Phosphorsäure kann Kollagen mit einer Konzentration von 0,1 bis 1 Masseprozent, z. B. ungefähr 0,85 Masseprozent und Phosphorsäure mit einer Konzentration von 1 bis 40 mM, z. B. ungefähr 20 mM enthalten.
(3) Herstellen des Apatit/Kollagen-Verbundstoffs
Wasser in im Wesentlichen der gleichen Menge wie in der beizufügenden wässrigen Calciumsalzlösung oder -suspension wird in ein Reaktionsgefäß geladen und im Vorfeld auf ungefähr 40°C aufgeheizt. Eine Kollagen enthaltende wässrige Phosphorsäure(Salz)-Lösung und eine wässrige Calciumsalzlösung oder -suspension werden gleichzeitig dort hinein getropft. Die Faserlänge des synthetisierten Apatit/Kollagen-Verbundstoffs kann durch Regeln der Tropfbedingungen gesteuert werden. Die Tropfgeschwindigkeit beträgt vorzugsweise 1 bis 60 ml/Minute, z. B. 30 ml/Minute. Die Rührgeschwindigkeit ist vorzugsweise 1 bis 400 UpM, z. B. ungefähr 200 Upm.
Die Reaktionslösung wird vorzugsweise auf einem pH-Wert von 8,9 bis 9,1 gehalten. Wenn die Konzentrationen des Calciumions und/oder des Phosphorsäureions die obigen Grenzen überschritten, würde die Selbstorganisation des Verbundstoffs behindert werden. Die obigen Tropfbedingungen ergeben den Apatit/Kollagen-Verbundstoff mit einer Faserlänge von 1 mm oder darunter, der als Ausgangsmaterial für den porösen Körper aus vernetztem Apatit/Kollagen geeignet ist. Der Apatit/Kollagen-Verbundstoff ist selbstorganisiert.
Nach Beendigen des Tropfvorgangs wird eine wässrige Mischung aus dem Apatit/Kollagen-Verbundstoff und Wasser gefriergetrocknet. Das Gefriertrocknen wird durch schnelles Trocknen im Vakuum in gefrorenem Zustand bei –10°C oder darunter ausgeführt.
[2] Herstellen des porösen Körpers aus vernetztem Apatit/Kollagen
(1) Bereiten einer den Apatit/Kollagen-Verbundstoff enthaltenden Dispersion
Der Apatit/Kollagen-Verbundstoff wird mit einer Flüssigkeit wie z. B. Wasser, einer wässrigen Phosphorsäurelösung gemischt und gerührt, um eine gelförmige Dispersion zu bereiten. Die Menge des beigemischten Wassers beträgt vorzugsweise 80 bis 99 Volumenprozent, besser 90 bis 97 Volumenprozent, basierend auf 100 Volumenprozent des Apatit/Kollagen-Verbundstoffs. Der resultierende Körper aus vernetztem Apatit/Kollagen hat eine Porosität P, die von einem Volumenverhältnis des Apatit/Kollagen-Verbundstoffs zu der Fillssigkeit in der Dispersion gemäß folgender Formel (1) abhängt: P = [B/(A + B)] × 100 (1),wobei A das Volumen des Apatit/Kollagen-Verbundstoffs in der Dispersion und B das Volumen einer Flüssigkeit in der Dispersion bezeichnet. Es ist also möglich, die Porosität P des porösen Körpers aus vernetztem Apatit/Kollagen zu regulieren, indem die Menge der zuzugebenden Flüssigkeit eingestellt wird. Der faserige Apatit/Kollagen-Verbundstoff wird durch Rühren der Dispersion nach Zufügen der Flüssigkeit getrennt, wodurch sich ein größerer Verteilungsbereich der Faserlänge ergibt und so dem resultierenden porösen Körper aus vernetztem Apatit/Kollagen eine verbesserte Festigkeit verliehen wird.
Die Verbundstoffdispersion wird mit Kollagen als Bindemittel gemischt und weiter gerührt. Die Menge des zugegebenen Kollagens beträgt vorzugsweise 1 bis 10 Masseprozent, besser 3 bis 6 Masseprozent, basierend auf 100 Masseprozent des Apatit/Kollagen-Verbundstoffs. Wie bei dem Verbundstoff wird Kollagen vorzugsweise in Form einer wässrigen Lösung in Phosphorsäure beigemischt. Zwar ist die Konzentration einer wässrigen Lösung von Kollagen in Phosphorsäure nicht speziell eingeschränkt, doch beträgt aus praktischer Sicht die Konzentration von Kollagen ungefähr 0,85 Masseprozent, und die Konzentration von Phosphorsäure ist ungefähr 20 mM.
(2) Gelieren der Dispersion
Da das Zufügen einer wässrigen Lösung von Kollagen in Phosphorsäure (Salz) die Dispersion sauer macht, wird eine alkalische Lösung wie z. B. eine Natriumhydroxidlösung zugegeben, bis die Lösung einen pH-Wert von ungefähr 7 hat. Der pH-Wert der Lösung beträgt vorzugsweise 6,8 bis 7,6, besser 7,0 bis 7,4. Durch Einstellen des pH-Werts der Dispersion auf 6,8 bis 7,6 kann verhindert werden, dass das als Bindemittel beigemischte Kollagen bei dem später beschriebenen Gelieren zu Gelatine wird.
Die Dispersion wird mit einer ungefähr 10-fach konzentrierten Lösung einer gepufferten physiologischen Kochsalzlösung (PBS) von Phosphorsäure gemischt und gerührt, um die Ionenstärke der Dispersion auf 0,2 bis 0,8 einzustellen. Die bessere Ionenstärke beträgt ungefähr 0,8, auf der gleichen Stufe wie die der physiologischen Kochsalzlösung. Eine erhöhte Ionenstärke der Dispersion kann die Faserbildung durch das als Bindemittel zugegebene Kollagen beschleunigen.
Die in eine Form eingebrachte Dispersion wird zum Gelieren auf einer Temperatur von 35 bis 43°C gehalten. Die Heiztemperatur beträgt vorzugsweise 35 bis 40°C. Zum ausreichenden Gelieren der Dispersion beträgt die Heizzeit vorzugsweise 0,5 bis 3,5 Stunden, besser 1 bis 3 Stunden. Wird die Dispersion auf 35 bis 43°C gehalten, bildet das als Bindemittel zugegebene Kollagen Fasern und verwandelt dadurch die Dispersion in ein Gel. Die gelierte Dispersion kann verhindern, dass der Apatit/Kollagen-Verbundstoff sich darin setzt, wodurch ein gleichmäßiger poröser Körper gebildet wird. Die dem Gelierprozess unterzogene Dispersion befindest sich in einem geleeartigen Zustand.
(3) Gefriertrocknen
Nach dem Gelieren wird die Dispersion gefroren. Die Gefriertemperatur beträgt vorzugsweise –80°C bis –10°C, besser –80°C bis –20°C. Größe und Form der Poren in dem porösen Körper können durch die Gefriergeschwindigkeit geregelt werden. Beispielsweise wird eine höhere Gefriergeschwindigkeit dem resultierenden porösen Körper eine kleinere Porengröße verleihen.
Dann wird die Dispersion gefriergetrocknet, um einen porösen Körper zu bilden. Das Gefriertrocknen wird durch Evakuieren und schnelles Trocknen in gefrorenem Zustand bei –10°C oder darunter ausgeführt, wie im Falle des Verbundstoffs. Das Gefriertrocknen muss nur so lange durchgeführt werden, bis die Dispersion ausreichend getrocknet ist. Zwar bestehen keine speziellen Einschränkungen, doch liegt die Zeit für das Gefriertrocknen im Allgemeinen bei 24 bis 72 Stunden.
(4) Vernetzten des Kollagens
Das Vernetzen des Kollagens kann durch jedes beliebige Verfahren durchgeführt werden, beispielsweise durch physikalische Vernetzungsverfahren unter Verwendung von γ-Strahlen, UV-Strahlen, Elektronenstrahlen, thermische Dehydratation oder durch chemische Vernetzungsverfahren unter Verwendung von Vernetzungsmitteln, Kondensierungsmitteln. Im Falle der chemischen Vernetzung wird der gefriergetrocknete poröse Körper in eine Vernetzungsmittel-Lösung des eingetaucht, um Kollagen in dem porösen Körper zu vernetzen.
Die Vernetzungsmittel können z. B. Aldehyde wie Glutaraldehyd, Formaldehyd, Isocyanate wie Hexamethylendiisocyanat, Carbodiimide wie ein Chlorwasserstoffsäuresalz von 1-Ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)carbodiimid, Epoxide wie Ethylenglycoldiethyl, Transglutaminase sein. Von diesen Vernetzungsmitteln ist Glutaraldehyd besonders vorzuziehen, und zwar wegen der Leichtigkeit den Vernetzungsgrad zu steuern und der Kompatibilität des resultierenden porösen Körpers aus vernetztem Apatit/Kollagen mit dem menschlichen Körper.
Wenn Glutaraldehyd als Vernetzungsmittel verwendet wird, ist die Konzentration einer Glutaraldehydlösung vorzugsweise 0,005 bis 0,015 Masseprozent, besser 0,005 bis 0,01% Masseprozent. Der poröse Körper aus vernetztem Apatit/Kollagen sollte entwässert werden. Wenn Alkohol wie Ethanol als Lösungsmittel für eine Glutaraldehydlösung verwendet wird, kann die Dehydratation des porösen Körpers aus vernetztem Apatit/Kollagen gleichzeitig mit dem Vernetzen des Kollagens ausgeführt werden. Eine Vernetzungsreaktion findet in einem Zustand statt, in dem der Apatit/Kollagen-Verbundstoff kontrahiert ist, indem die Dehydratation und das Vernetzten gleichzeitig ausgeführt werden, so dass der resultierende poröse Körper aus vernetztem Apatit/Kollagen eine verbesserte Elastizität haben kann.
Nach dem Vernetzen wird der poröse Körper aus vernetztem Apatit/Kollagen in eine wässrige Lösung von ungefähr 2 Masseprozent von Glycin getaucht, um unreagiertes Glutaraldehyd zu entfernen, und dann mit Wasser gewaschen. Der poröse Körper aus vernetztem Apatit/Kollagen wird ferner zwecks Dehydratation in Ethanol getaucht und dann bei Raumtemperatur getrocknet.
[3] Eigenschaften und Anwendungen des porösen Körpers aus vernetztem Apatit/Kollagen
Der poröse Körper aus vernetztem Apatit/Kollagen der vorliegenden Erfindung, der einen selbstorganisierten Apatit/Kollagen-Verbundstoff enthält, hat bessere Wasserabsorptionseigenschaften und bessere Elastizität als herkömmliche poröse Körper aus vernetztem Apatit/Kollagen. Er weist auch in einem Zustand, in dem er Wasser enthält, Elastizität auf, wodurch er eine exzellente Kompatibilität mit dem menschlichen Körper und exzellentes Knochenverhalten hat.
Da die oben beschriebenen Eigenschaften als biologisches Material bevorzugt sind, kann der poröse Körper aus vernetztem Apatit/Kollagen der vorliegenden Erfindung, der durch γ-Strahlen, Elektronenstrahlen, Trockenerwärmung sterilisiert ist, als ein Knochen regenerierendes Material als Ersatz für einen lebenden menschlichen Knochen verwendet werden. Insbesondere ist er als künstlicher Knochen, künstliche Gelenke, Materialien zum Befestigen von Sehnen an Knochen, Zahnimplantate geeignet.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf Beispiele ausführlicher beschrieben, ohne dass der Umfang der vorliegenden Erfindung eingeschränkt werden soll.
Beispiel 1
(A) Synthese des Apatit/Kollagen-Verbundstoffs
168 ml einer wässrigen Phosphorsäurelösung (120 mM) wurden 235 g einer wässrigen Lösung von Kollagen in Phosphorsäure (Kollagenkonzentration: 0,85 Masseprozent, Phosphorsäurekonzentration: 20 mM) zugegeben und gerührt, um eine verdünnte wässrige Lösung von Kollagen in Phosphorsäure zu bereiten. 200 ml einer Calciumhydroxidsuspension (400 mM) wurden ebenfalls bereitet. 200 ml reinen Wassers wurden in ein Reaktionsgefäß eingebracht und auf 40°C aufgeheizt. Die verdünnte wässrige Lösung von Kollagen in Phosphorsäure und die Calciumhydroxidsuspension wurden mit einer Geschwindigkeit von 30 ml/Minute gleichzeitig in dieses Reaktionsgefäß getropft, und die resultierende Reaktionslösung wurde mit 200 UpM gerührt, um eine wässrige Mischung mit Apatit/Kollagen-Verbundfasern zu bereiten. Während des Tropfvorgangs wurde die Reaktionslösung auf einem pH-Wert von 8,9 bis 9,1 gehalten. Die resultierenden Apatit/Kollagen-Verbundfasern hatten eine Länge von ungefähr 1 mm oder darunter. Die wässrige Lösung mit dem Apatit/Kollagen-Verbundstoff wurde gefriergetrocknet. Das Massenverhältnis von Apatit zu Kollagen in dem Apatit/Kollagen-Verbundstoff war 8/2.
(B) Herstellen des porösen Körpers aus vernetztem Apatit/Kollagen
1 g des gefriergetrockneten Apatit/Kollagen-Verbundstoffs wurde zu 3,6 ml reinen Wassers zugegeben und gerührt, um eine gelförmige Dispersion zu bilden. Diese gelförmige Dispersion wurde mit 4 g einer wässrigen Lösung aus Kollagen in Phosphorsäure vermischt und gerührt, und eine wässrige NaOH-Lösung (1 N) wurde zugegeben, bis der pH-Wert ungefähr 7 erreichte. Das Massenverhältnis des Apatit/Kollagen-Verbundstoffs zu dem Kollagen war 97/3. Zehnfach konzentrierte physiologische Kochsalzlösung wurde dann der Dispersion beigegeben bis die Ionenstärke der Dispersion 0,8 erreichte. Die Menge der zugegebenen Flüssigkeit (reines Wasser + verdünnte wässrige Lösung von Kollagen in Phosphorsäure + wässrige NaOH-Lösung + physiologische Kochsalzlösung) betrug 95 Volumenprozent des Apatit/Kollagen-Verbundstoffs.
Die resultierende Dispersion wurde in eine Form eingebracht und zum Gelieren für 2 Stunden auf 37°C gehalten, um einen geleeartigen geformten Körper zu erzeugen. Dieser geformte Körper wurde bei –20°C gefroren und dann durch einen Gefriertrockner getrocknet. Der getrocknete geformte Körper wurde in eine Lösung mit 0,01 Masseprozent von Glutaraldehyd in Ethanol (Konzentration: 99,5%) getaucht und bei 25°C für eine Stunde vernetzt, um einen porösen Körper aus vernetztem Apatit/Kollagen zu erzeugen. Nach dem Waschen mit Wasser wurde der poröse Körper aus vernetztem Apatit/Kollagen in eine wässrige Glycinlösung (2 Masseprozent) getaucht, um unreagiertes Glutaraldehyd zu entfernen, und danach erneut mit Wasser gewaschen. Er wurde ferner zwecks Dehydratation in Ethanol (Konzentration: 99,5%) getaucht und dann bei Raumtemperatur getrocknet.
Ein Teststück in Form eines rechtwinkligen Prismas von 5 mm × 5 mm × 10 mm wurde aus dem resultierenden porösen Körper aus vernetztem Apatit/Kollagen geschnitten, um seine Reißfestigkeit bei einer Ziehgeschwindigkeit von 0,1 mm/Sekunde zu messen. Als Ergebnis betrug die Reißfestigkeit des porösen Körpers aus vernetztem Apatit/Kollagen ungefähr 0,8 N.
Beispiel 2
Ein poröser Körper aus vernetztem Apatit/Kollagen wurde auf die gleiche Weise wie bei Beispiel 1 hergestellt, außer dass die Geliertemperatur auf 40°C geändert wurde, und hinsichtlich seiner Reißfestigkeit gemessen. Als Ergebnis betrug die Reißfestigkeit ungefähr 0,8 N.
Vergleichsbeispiel 1
Ein poröser Körper aus vernetztem Apatit wurde auf die gleiche Weise wie bei Beispiel 1 hergestellt, außer dass kein Gelieren durchgeführt wurde, und hinsichtlich der Reißfestigkeit gemessen. Als Ergebnis betrug die Reißfestigkeit ungefähr 0,4 N.
ANWENDBARKEIT IN DER INDUSTRIE
Wie vorstehend ausführlich beschrieben kann das Verfahren der vorliegenden Erfindung einen einen selbstorganisierten Apatit/Kollagen-Verbundstoff enthaltenden porösen Körper aus vernetztem Apatit/Kollagen erzeugen, der exzellente Kompatibilität mit dem menschlichen Körper und exzellentes Knochenverhalten sowie große mechanische Festigkeit, wie zum Beispiel Reißfestigkeit aufweist. Der poröse Körper aus vernetztem Apatit/Kollagen mit diesen Eigenschaften ist als biologisches Material für künstliche Knochen, künstliche Gelenke geeignet.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines porösen Körpers aus vernetztem Apatit/Kollagen, umfassend das Mischen einer Dispersion eines Apatit/Kollagen-Verbundstoffs mit einer wässrigen Lösung aus Kollagen in Phosphorsäure oder deren Salzen; das Gelieren der resultierenden Dispersion nach Einstellen ihres pH-Werts auf 6,8 bis 7,6; das Gefriertrocknen der gelierten Dispersion zum Bilden eines porösen Körpers; und das anschließende Vernetzen von Kollagen in dem porösen Körper.
Verfahren zum Herstellen eines porösen Körpers aus vernetztem Apatit/Kollagen nach Anspruch 1, wobei der Apatit/Kollagen-Verbundstoff durch gleichzeitiges Tropfen einer Kollagen enthaltenden wässrigen Lösung aus Phosphorsäure oder ihrem Salz und einer wässrigen Lösung oder einer Suspension eines Calciumsalzes in Wasser hergestellt wird.
Verfahren zum Herstellen eines porösen Körpers aus vernetztem Apatit/Kollagen nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein Massenverhältnis des Apatit/Kollagen-Verbundstoffs zu dem Kollagen in der Dispersion 97/3 bis 93/7 beträgt.
Verfahren zum Herstellen eines porösen Körpers aus vernetztem Apatit/Kollagen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei ein Apatit/Kollagen-Massenverhältnis in dem Apatit/Kollagen-Verbundstoff 9/1 bis 6/4 beträgt.
Verfahren zum Herstellen eines porösen Körpers aus vernetztem Apatit/Kollagen nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Dispersion zum Gelieren auf einer Temperatur von 35°C bis 43°C gehalten wird.
Verfahren zum Herstellen eines porösen Körpers aus vernetztem Apatit/Kollagen nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Dispersion nach Einstellen ihres pH-Werts auf 7,0 bis 7,4 geliert wird.
Verfahren zum Herstellen eines porösen Körpers aus vernetztem Apatit/Kollagen nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Dispersion nach Einstellen der Ionenstärke der Dispersion auf 0,2 bis 0,8 geliert wird.
Verfahren zum Herstellen eines porösen Körpers aus vernetztem Apatit/Kollagen nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Apatit/Kollagen-Verbundstoff in Form von Fasern mit einer Länge von 1 mm oder weniger vorliegt.
Verfahren zum Herstellen eines porösen Körpers aus vernetztem Apatit/Kollagen nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei Apatit in dem Apatit/Kollagen-Verbundstoff eine C-Achse hat, die entlang den Kollagenfasern ausgerichtet ist.
Verfahren zum Herstellen eines porösen Körpers aus vernetztem Apatit/Kollagen nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei Apatit in dem porösen Körper aus vernetztem Apatit/Kollagen eine C-Achse hat, die entlang den Kollagenfasern ausgerichtet ist.
Verfahren zum Herstellen eines porösen Körpers aus vernetztem Apatit/Kollagen nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei Apatit in dem Apatit/Kollagen-Verbundstoff Hydroxyapatit ist.
Verfahren zum Herstellen eines porösen Körpers aus vernetztem Apatit/Kollagen nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei der Apatit/Kollagen-Verbundstoff durch Gefriertrocknen eines durch gleichzeitiges Tropfen einer Kollagen enthaltenden wässrigen Lösung aus Phosphorsäure oder ihrem Salz und einer wässrigen Lösung oder einer Suspension eines Calciumsalzes gewonnenen Gemischs hergestellt wird.