JP2004511320A

JP2004511320A - 反応性リン酸カルシウムナノ粒子を含む生体適合性セメント並びに前記セメントの製造及び使用方法

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Publication number: JP2004511320A
Application number: JP2002536018A
Authority: JP
Inventors: ジエンジ，ブライアン・アール; ウー，リシア; サウアー，グレン・アール; ワジアー，ロイ・イー; ジエンジ，ロナルド
Original assignee: ユニバーシテイ・オブ・サウス・カロライナ
Priority date: 2000-10-16
Filing date: 2001-10-16
Publication date: 2004-04-15
Also published as: US6808561B2; US7081161B2; EP1335887A4; CN1481343A; AU1331302A; CA2425612A1; ZA200302783B; EP1335887A1; US20060118007A1; AU2002213313B2; WO2002032827A1; US7527687B2; KR20030084891A; US20020073894A1; US20060260511A1

Abstract

反応性リン酸三カルシウムナノ粒子及びセメント状材料を形成するために必要な他の成分を含むセメント粉末を開示する。反応性リン酸三カルシウムナノ粒子、セメント粉末、セメントペースト及び硬化セメントの製造方法と、前記セメントの使用方法及び製品も提供する。

Description

【０００１】
発明の背景
（１）発明の分野
本発明は生体用途に使用可能なセメント型材料の製造と使用、より詳細には生体用途に使用可能なリン酸カルシウムセメント型材料の製造と使用に関する。
【０００２】
（２）関連技術の説明
これまでに骨を修復、復元及び補強するために多種多様なインプラント材料が使用されている。最も一般に使用されているインプラントとしては、自家骨、合成ポリマー及び不活性金属が挙げられる。これらの材料を使用するプロトコールは患者の苦痛、手術中の感染の危険、生体適合性の欠如、費用、及び挿入した装置が骨を更に損傷する危険等の大きな欠点がある。従って、生体材料科学者や形成及び再建整形外科医はこれらの従来の骨格修復技術に代用可能な新規骨代用品を開発することを大きな目標にしている。例えば骨折等の怪我の治療は骨折を解剖学的に整復し、不要な組織損傷を避け、治癒するまで一時的に固定することが理想的である。
【０００３】
このために、１９８０年代初期は骨格欠損の増強や、補綴インプラントのコーティング用としてヒドロキシアパタイト［Ｃａ_１０（ＰＯ_４）_６（ＯＨ）_２］の使用が注目された。焼結ヒドロキシアパタイトは損傷した骨や歯の主要無機成分と化学的及び結晶学的に類似しているため、これらの硬組織の代用品として大きく注目された生体材料である。しかし、既製焼結ヒドロキシアパタイト人工器官にはいくつかの欠点があり、例えば、外科医が物理的に成形及び装着しにくく、大きな荷重を支持するには強度が不十分であり、宿主による再吸収が非常に遅く、一般に１％／年未満である。
【０００４】
ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）をベースとするセメント等の骨セメントは固体インプラントを使用しないという点で所定の利点があるが、欠点もいくつかある。メタクリル酸塩及びメタクリル酸は生体組織に刺激性であることが知られており、ＰＭＭＡをベースとするセメントをｉｎ　ｖｉｖｏ硬化させると、フリーラジカルが発生して周囲組織を損傷しかねない。更に、これらの材料の重合反応は非常に発熱性であり、硬化中に発生した熱が組織を損傷しかねない。
【０００５】
より最近では、カルシウムとリン酸をベースとする骨セメント（ＣＰＣ）及びペーストが優れた生体適合性を示すと共に再吸収されると思われることから潜在的に優秀な骨代用品として非常に注目されている。ＣＰＣは第三世代骨代用品として急速に浮上しつつあり、整形、頭蓋顔面及び再建外科の多様な分野に潜在的にプラスの効果があると思われる。しかし、現在のリン酸カルシウムをベースとする骨セメントは圧縮強度が不十分であると思われ、従って、手首骨折等の重量のかからない骨の損傷の治療や、頭蓋／顔面増強手術での使用にしか適さないと考えられる。
【０００６】
従って、非毒性であり、その使用部位の周囲の組織に生体適合性の骨セメントとして使用可能な材料を提供できるならば有用である。このような材料が自己硬化性であり、即ち硬化を助長するために刺激性の開始剤や促進剤を必要とせず、更には硬化自体が周囲組織を損傷させるに十分なフリーラジカルや熱を発生しないことも有用である。また、侵襲的外科処置を最小限にし、結合しようとする部分にセメントを密着させるように作用部位に注入、流入又は塗布できるような物理的形態でこのような材料を提供できることも有用である。このような材料が短時間で硬化し、硬化後に高い圧縮強度を生じることも有用である。このような材料が宿主に生体吸収性であることも有用である。
【０００７】
発明の要約
従って、要約すると、本発明は反応性リン酸三カルシウムナノ粒子及びセメント状材料を形成するために必要な他の成分を含む新規セメント粉末に関する。
【０００８】
本発明は反応性リン酸三カルシウムナノ粒子及びセメント状材料を形成するために必要な他の成分を含むセメント粉末と混合した潤滑液を含む新規セメントペーストにも関する。
【０００９】
本発明は反応性リン酸三カルシウムナノ粒子及びセメント状材料を形成するために必要な他の成分を含むセメント粉末と混合した潤滑液を含むセメントペーストの硬化形態を含む新規生体適合性硬化セメントにも関する。
【００１０】
本発明は反応性リン酸三カルシウムナノ粒子を含むセメント粉末の新規製造方法として、溶液から沈殿させることにより反応性リン酸三カルシウムナノ粒子を形成する段階、及び、セメント状材料を形成するために必要な他の成分と前記ナノ粒子とを混合する段階を含む方法にも関する。
【００１１】
本発明は反応性リン酸三カルシウムナノ粒子を含むセメントペーストの新規製造方法として、反応性リン酸三カルシウムナノ粒子及びセメント状材料を形成するために必要な他の成分を含むセメント粉末を潤滑液と混合する段階を含む方法にも関する。
【００１２】
本発明は対象間の新規結合方法として、反応性リン酸三カルシウムナノ粒子及びセメント状材料を形成するために必要な他の成分を含むセメント粉末と混合した潤滑液を含むセメントペーストを提供する段階と、結合しようとする対象間の境界面にセメントペーストを配置する段階と、セメントペーストを硬化させて対象間に結合を形成する段階とを含む方法にも関する。
【００１３】
本発明は反応性リン酸三カルシウムナノ粒子及びセメント状材料を形成するために必要な他の成分を含むセメント粉末と混合した潤滑液を含むセメントペーストの硬化形態を含む生体適合性硬化セメントから形成される新規物品にも関する。
【００１４】
本発明はリン酸カルシウム型セメントペーストの新規保存方法として、セメントペーストを周囲温度まで再加熱するとセメントペーストの流動性と硬化性が実質的に冷却前のペーストの状態に戻るようにこれらの性質を維持するために十分低い温度までセメントペーストを冷却する方法にも関する。
【００１５】
本発明は炭酸塩を含まず、カルシウム：リン酸塩比が約１．５：１未満の硫酸塩含有溶液から沈殿させることにより製造された新規反応性リン酸三カルシウムナノ粒子にも関する。
【００１６】
従って、本発明により達成されることが判明したいくつかの利点を挙げると、非毒性であり、その使用部位の周囲の組織に生体適合性の骨セメントとして使用可能な材料が提供され、自己硬化性であり、即ち硬化を助長するために刺激性の開始剤や促進剤を必要とせず、更には硬化自体が周囲組織を損傷させるに十分なフリーラジカルや熱を発生しないこのような材料が提供され、侵襲的外科処置を最小限にし、結合しようとする部分にセメントを密着させるように作用部位に注入、流入又は塗布できるような物理的形態でこのような材料が提供され、短時間で硬化し、硬化後に高い圧縮強度を生じるこのような材料が提供され、宿主に生体吸収性であるこのような材料が提供され、更にはこのような材料の製造及び使用方法が提供される。
【００１７】
図面の簡単な説明
図１は反応性リン酸三カルシウムナノ粒子の走査型電子顕微鏡写真を示し、粒子が実質的に球形であり、離散粒子の平均直径が１μｍ未満であることを例証する。
【００１８】
図２は硬化に伴う本発明のセメントの微細構造の成長を例証する走査型電子顕微鏡写真を示し、Ｔ＝０の図は血清への添加直後のセメントを示し、セメントが最初はばらばらの顆粒状であることを示し、血清中で１５分間の硬化時間後に撮影したＴ＝１５分（血清中）の図はより小さいセメント粒子が溶解及び再沈殿し、半多孔質材料で間隙を埋めていることを示し、血清中で２４時間の硬化時間後に撮影したＴ＝２４時間（血清中）の図はより大きな粒子がより緻密形態のリン酸カルシウムに包囲されていることを示す。
【００１９】
図３は血清と接触させた状態で硬化中の本発明のセメントの圧縮強度を時間の関数として示す曲線であり、最初に圧縮強度が生じるのが非常に早いことを例証する。
【００２０】
図４は本発明のセメントのＸ線回折パターン（図４（ａ）及び４（ｂ）の上段パターン）と純α−リン酸三カルシウム（図４（ａ）の下段Ｘ線パターン）及びヒドロキシアパタイト（図４（ｂ）の下段回折パターン）のＸ線回折パターンの比較を示し、本発明の硬化セメントがヒドロキシアパタイトの特性ピークではなく、α−ＴＣＰの主要特性ピークと共通のピークを示すことを例証する。
【００２１】
図５はニワトリ軟骨細胞接種前（左側顕微鏡写真）と２５℃で３０日間培養後（右側顕微鏡写真）の本発明のセメントの表面を２５０倍（上段顕微鏡写真）と１０００倍（下段顕微鏡写真）の倍率で示し、本発明のセメントが生体細胞に対して生体適合性であり、硬化セメントの表面に結合した細胞の増殖を助長することを例証する。
【００２２】
図６は次亜塩素酸塩温浸前のニワトリ軟骨生細胞で覆われた本発明の硬化セメントの表面（左側）と２４時間次亜塩素酸塩温浸後の同一表面（右側）の１０００倍顕微鏡写真を示し、軟骨細胞除去後のセメントの露出表面が軟骨細胞によりセメントをある程度の再吸収及び再構成していることを例証する。
【００２３】
図７は、新規に得たニワトリ中足骨をそのほぼ中間点で折り（左上）、本発明のセメントを注入し（右上）、約１時間硬化させた後に（下段写真に示すように）足肉を除去して中足骨を露出させた様子を示し、セメントが骨を固定するために十分な強度を生じていることを例証する。
【００２４】
好適態様の詳細な説明
本発明によると、リン酸三カルシウムから主に構成されるナノ粒子を新規方法により製造できることが発見された。ナノ粒子はヒドロゾル沈殿法により形成され、好適態様では純ヒドロキシアパタイト結晶の形成に化学量論的に必要とされるよりも低いカルシウム対リン酸モル比をもつ溶液から形成される。
【００２５】
新規リン酸三カルシウムナノ粒子は当分野で公知のリン酸カルシウム粒子よりも所定用途で高反応性であると思われる。特に、新規ナノ粒子をセメント型材料の主成分として使用すると、このセメントは生体用途に有利な多数の性質を示す。このセメントの非常に有望な用途の１つは骨折又は他の身体硬組織の修復における使用であると思われる。
【００２６】
反応性リン酸三カルシウムナノ粒子とセメント状材料を形成するために必要な他の成分（例えば炭酸カルシウムやビス（リン酸二水素）カルシウム・１水和物）から製造したセメント粉末を水性液体と混合すると、セメントペーストを形成することができる。ペーストは流動性コンシステンシーをもち、使用部位に容易に注入できるか、又は手で塗布できることが好ましい。セメントペーストと硬化セメントは放射線不透過性であるため、注入パターンを外部から追跡することができる。セメントペーストは非毒性であり、自己硬化性であり、硬化中に有害な熱やフリーラジカルを発生しないので、生体組織と接触させた状態で使用するのに非常に適していると考えられる。この高度の生体適合性に加え、セメントは硬化するにつれて短時間で強度を生じ、最終的に非常に高度の圧縮強度を生じる。実際に、圧縮強度が十分高いため、重量のかからない骨と共に重量のかかる骨の修復にもセメントを使用できると考えられる。
【００２７】
本発明のセメントは更に生体吸収性であり、即ち宿主の自然循環体液及び組織に吸収できると考えられる。更に、本発明のセメントは従来のヒドロキシアパタイトセメントよりも著しく迅速に吸収できるので、より迅速な正常骨再成長を促進できると考えられる。
【００２８】
他のリン酸カルシウム系骨セメントは外来汚染物質として酸化カルシウムを含有する恐れのあるミクロン寸法固体状態から合成されるα−ＴＣＰ、β−ＴＣＰ又はリン酸四カルシウムをベースとする。酸化カルシウムの存在はこのようなセメントのいくつかの不利な性質の原因になると考えられる。他方、本発明のセメントの反応性リン酸三カルシウムはセメント中の酸化カルシウム混入を最小限にするヒドロゾル沈殿法により製造される。
【００２９】
本発明のセメントは生体適合性であり、用途が広く、医療、整形外科、歯科及び獣医学分野で有益となるように設計した。例えば、現在入手可能な骨セメントは一般に多数の成分を含むキットとして提供されるため、手術室看護婦及び外科医師はセメント製造の工程と注意事項に精通していなければならず、時間に敏感にセメントを形成する反応体を手術中に混合することができなければならない。これに対して、本発明のセメントは極低温保存注射器に入れて頒布できるので、単に解凍するだけですぐに使用できる。
【００３０】
本明細書には数種の物理的形態の本発明の組成物及び製品を記載する。新規「反応性リン酸三カルシウムナノ粒子」を「反応性ＴＣＰナノ粒子」又は「本発明のナノ粒子」と言う場合もある。ＴＣＰナノ粒子を主に乾燥状態の他の成分と混合すると、セメント粉末を形成することができる。セメント粉末を水性液体と混合すると、セメントペーストを形成することができる。セメントペーストは硬化すると、硬化セメントを形成する。所望により、セメントを型又は他の成形装置もしくは方法で硬化させ、ねじ、ボルト、添え木等の物品を形成することもできる。
【００３１】
本発明のセメント粉末は反応性リン酸三カルシウムナノ粒子及びセメント状材料を形成するために必要な他の成分を含む。本明細書で使用する「セメント状材料」とは、水と混合すると、水が他の成分と化合して水和物を形成することにより、硬化物となる任意材料である。
【００３２】
反応性リン酸三カルシウムナノ粒子はヒドロキシアパタイト形態ではなく、主にリン酸三カルシウム（ＴＣＰ）形態でカルシウムとリンを含む。しかし、本発明のナノ粒子は純ＴＣＰである必要はなく、本発明のナノ粒子から製造した硬化セメントがヒドロキシアパタイトに典型的なＸ線回折パターンを示さない限り、実質的量の他の形態のリン酸カルシウムも含んでいてもよい。
【００３３】
反応性リン酸三カルシウムナノ粒子はリン酸三カルシウムを沈殿させることが可能な１種以上の水溶液を形成し、水溶液からリン酸三カルシウムを沈殿させ、沈殿したリン酸三カルシウムを溶液の液体部分から分離し、沈殿したリン酸三カルシウムを乾燥し、乾燥したリン酸三カルシウムを焼結し、焼結したリン酸三カルシウムを急冷し、冷却した焼結リン酸三カルシウムを平均粒度１マイクロメーター未満のナノ粒子に細分することにより製造することができる。
【００３４】
ＴＣＰを沈殿させる水溶液を形成する段階では、溶液の少なくとも１種が硫酸ナトリウム（Ｎａ_２（ＳＯ_４））を含有していると好ましいことが判明した。以下の理論又は他の何らかの理論に結びつけるものではないが、ＴＣＰを沈殿させる初期溶液中に硫酸ナトリウムが存在していると、初期に形成される非晶質ＴＣＰ粒子が初期形成スラリー中でヒドロキシアパタイトに変換するのを抑制又は阻止するものと考えられる。従って、後で沈殿を加熱するときに反応性ＴＣＰナノ粒子にヒドロキシアパタイトが混入しにくい。これは本発明の望ましい性質の一因であり、加熱してもヒドロキシアパタイトがα−ＴＣＰに変換せず、非晶質ＴＣＰが変換するためであると考えられる。α−ＴＣＰはヒドロキシアパタイトよりも著しく反応性であるため、本発明のナノ粒子の形成中にヒドロキシアパタイトの形成を抑制することが望ましいと考えられる。従って、沈殿中に形成されるリン酸三カルシウムの少なくとも一部がヒドロキシアパタイトに変換しないようにするために十分な量の硫酸ナトリウムが溶液中に存在していることが好ましい。
【００３５】
更に、溶液中のカルシウム対リン酸塩モル比は約１．５：１以下であることが好ましい。モル比は１．５：１以下であることが好ましい。
【００３６】
以下の理論又は他の何らかの理論に結びつけるものではないが、沈殿溶液中の初期カルシウム対リン酸塩モル比は式Ｃａ_１０（ＰＯ_４）_６（ＯＨ）_２に基づく純ヒドロキシアパタイトの形成に化学量論的に必要なモル比である１．６７：１未満のレベルに維持することが好ましいと考えられる。このようなカルシウム不足比も本発明のナノ粒子がヒドロキシアパタイトを主に形成しない一因であると考えられる。
【００３７】
更に、湿潤ＴＣＰケーキを焼結温度よりも低温（例えば約６５０℃）で乾燥し、ケーキを焼結温度に暴露する前にケーキから水分を除去することが好ましいと考えられる。以下の理論又は他の何らかの理論に結びつけるものではないが、この乾燥段階は約１４２５℃での最終焼結前にＣａ及びリン酸粒子間に捕捉される水分子を減らすように作用すると考えられる。焼結前に水分の大部分を除去することにより、ケーキは主に相互に接触しているＣａ粒子と無機リン酸粒子から構成されるようになるので、より純度の高いα−ＴＣＰ調製物が得られると考えられる。湿潤ケーキを好ましくは約６５０℃の温度の予備乾燥段階を介さずに直接１４２５℃で焼結しようとするならば、多量の水が（主にリン酸ではなく）Ｃａを包囲し、ＣａＯを形成し得ると考えられる。この汚染物質は塩基性であり、セメントペーストのその後の硬化反応に悪影響を与える恐れがあるので望ましくない。
【００３８】
１態様では、反応性リン酸三カルシウムナノ粒子は、
（ａ）例えば１．０Ｍ硝酸カルシウム水溶液を形成し、別に１．３３Ｍオルトリン酸アンモニウム・１水和物水溶液を形成することにより、リン酸三カルシウムを沈殿させることが可能な１種以上の水溶液を形成する段階と、
（ｂ）例えば硝酸カルシウム溶液とオルトリン酸アンモニウム・１水和物溶液を混合した後、混合物を約１０６℃まで加熱撹拌しながら濃厚水酸化アンモニウム溶液を加えることにより、前記水溶液からリン酸三カルシウムを沈殿させる段階と、
（ｃ）例えば濾過後、沈殿したリン酸三カルシウムを０．１８Ｍ硫酸ナトリウム溶液で洗浄することにより、沈殿したリン酸三カルシウムを液体から分離する段階と、
（ｄ）沈殿したリン酸三カルシウムを約６５０℃の乾燥炉に約１〜２時間入れることにより、沈殿したリン酸三カルシウムを乾燥する段階と、
（ｅ）乾燥したリン酸三カルシウムを約１４２５℃の温度で約１〜２時間焼結する段階と、
（ｆ）焼結したリン酸三カルシウムを好ましくは少なくとも約１０００℃／分の冷却速度で急冷する段階と、
（ｇ）冷却した焼結リン酸三カルシウムを粉砕又は細砕により平均粒度１マイクロメーター未満のナノ粒子に細分する段階とを実施することにより製造することができる。
【００３９】
冷却した焼結リン酸三カルシウムを粉砕又は細砕により平均粒度１マイクロメーター未満のナノ粒子に細分する段階を実施するには、ボールミル、ペブルミル、ロッドミル、チューブミル、コンパートメントミル、回転ミル、撹拌ボールミル又は振動ミルで粉砕又は細砕を実施すると好ましいことが判明した。この種のミルは例えばＰｅｒｒｙ’ｓ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ’　Ｈａｎｄｂｏｏｋ，Ｊｏｈｎ　Ｈ．Ｐｅｒｒｙ編，ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ　Ｂｏｏｋ　Ｃｏ．，Ｉｎｃ．ＮＹ，ｐｐ．８−２１−８−２７（１９６３）に記載されている。この種の衝撃ミルの作用は本発明のナノ粒子に望ましい性質を与えると考えられる。
【００４０】
更に、細分段階に使用するボールミル、ペブルミル、ロッドミル、チューブミル、コンパートメントミル、回転ミル、撹拌ボールミル又は振動ミルがジルコニアを含む粉砕媒体を使用すると更に好ましい。
【００４１】
本明細書に記載する反応性リン酸三カルシウムナノ粒子はそれ自体新規であると考えられ、本発明のナノ粒子は本発明の範囲に含まれると考えられる。
【００４２】
本発明のナノ粒子を使用してセメント粉末を製造する場合には、セメント粉末が少なくとも５０重量％の反応性リン酸三カルシウムナノ粒子を含むことが好ましい。粉末は少なくとも６０重量％の本発明のナノ粒子を含むことがより好ましく、７０重量％の反応性ＴＣＰナノ粒子を含むと更に好ましい。
【００４３】
上記と同一の理由からカルシウム対リン酸塩モル比が約１．５：１以下となるようにセメント粉末を処方すると好ましいことも判明した。カルシウム：リン酸塩モル比が１．５：１以下であるとより好ましい。本明細書においてカルシウム：リン酸塩（又はカルシウム対リン酸塩）モル比について記載する場合には、リン酸塩中に存在するリンが数種のリン酸塩形態のいずれで存在してもよいと理解すべきである。例えば、リンはカルシウムと結合したＨ_２ＰＯ_４、ＨＰＯ_４又は単にＰＯ_４として存在することができる。
【００４４】
本発明のＴＣＰ粒子を「ナノ粒子」と言う場合、ナノ粒子は１μｍ未満の平均直径をもつという意味である。本明細書では、１μｍ未満の平均直径をもつ粒子を１μｍ未満の平均粒度をもつと言うこともある。セメント粉末の好適形態では、反応性リン酸三カルシウムナノ粒子の少なくとも約８５重量％が約５００ｎｍ未満の平均粒度をもつ。
【００４５】
本発明のセメント粉末がセメント状材料を形成するために必要な他の成分を含むと言う場合、セメント粉末は本発明のＴＣＰナノ粒子に加え、反応性ＴＣＰナノ粒子と結合してセメント状材料を形成することが可能な成分を含むという意味である。セメント状材料を形成するために必要な他の成分として利用可能な好適成分の例としては、アンモニア、ＩＡ又はＩＩＡ族元素及びその混合物から構成される群から選択される対イオンをもつ炭酸塩と、アンモニア、ＩＡ又はＩＩＡ族元素及びその混合物から構成される群から選択される対イオンをもつリン酸塩が挙げられる。１好適態様では、対イオンはカルシウムであり、リン酸塩はビス（リン酸二水素）カルシウム・１水和物である。
【００４６】
好適セメント粉末の１例として、セメント粉末重量に対する百分率として表した場合に反応性リン酸三カルシウムナノ粒子は約５０％〜９０％であり、炭酸カルシウムは約０％〜２５％であり、ビス（リン酸二水素）カルシウム・１水和物は約０％〜２５％である。
【００４７】
好適セメント粉末の別の例では、セメント粉末重量に対する百分率として表した場合に反応性リン酸三カルシウムナノ粒子は約７０％〜９０％であり、炭酸カルシウムは約５％〜１５％であり、ビス（リン酸二水素）カルシウム・１水和物は約８％〜１８％である。
【００４８】
本発明のセメント粉末と水とを混合すると、混合物は硬化し、ヒドロキシアパタイトのＸ線回折パターンよりもα−ＴＣＰのＸ線回折パターンに近いＸ線回折パターンをもつ硬質生成物を形成できることが好ましい。本発明の硬化セメントのＸ線回折パターンが「ヒドロキシアパタイトのＸ線回折パターンよりもα−ＴＣＰのＸ線回折パターンに近い」と言う場合、本発明の硬化セメントのＸ線回折パターン中の主要ピークがヒドロキシアパタイトの主要ピークよりもα−ＴＣＰの主要ピークに密接に対応するという意味である。図４（ａ）及び４（ｂ）を参照して更に説明すると、両図の上段Ｘ線回折パターンは本発明の硬化セメントのＸ線回折パターンであり、下段パターンはα−ＴＣＰ（図４（ａ））とヒドロキシアパタイト（ＨＡＰ　ＳＴＤ）（図４（ｂ））のパターンである。本発明の硬化セメントはα−ＴＣＰと同様に２θ＝３０．６の値に主要ピークを示すが、ヒドロキシアパタイトのように２θ＝２５．９の値には主要ピークを示さないことが明らかである。従って、本発明の硬化セメントはヒドロキシアパタイトにより与えられるパターンよりもα−ＴＣＰにより与えられるパターンに近いＸ線回折パターンを示すと言える。
【００４９】
本発明のセメント粉末又はセメントペーストの１態様では、ポリカルボン酸を加えることが好ましい。以下の理論又は他の何らかの理論に結びつけるものではないが、ポリカルボン酸は本発明のセメント粉末、セメントペースト及び硬化セメントの有利な性質の一因であると考えられる。ポリアクリル酸又はポリアクリル酸塩が好ましいポリカルボン酸である。ポリアクリル酸又はその塩を本発明の組成物に加える場合には、乾燥セメント粉末に加えてもよいし、セメントペーストの形成中に加えてもよいし、両者に加えてもよい。１好適態様ではセメントペーストの形成中にポリアクリル酸を加える。
【００５０】
ポリアクリル酸をセメント粉末に加える場合には、乾燥ポリアクリル酸又はポリアクリル酸塩の形態で加えることが好ましい。セメント粉末重量に対して約０．１％〜５％の乾燥ポリアクリル酸をセメント粉末中に加えることも好ましい。セメント粉末がセメント粉末重量に対して約１．５％の乾燥ポリアクリル酸を含むと更に好ましい。１好適態様では、セメント粉末は粉末重量に対する百分率として表した場合に反応性リン酸三カルシウムナノ粒子約８０％と、炭酸カルシウム約９％と、ビス（リン酸二水素）カルシウム・１水和物約１２％を含むことができ、更に、場合によりポリアクリル酸約１．５重量％を含むことができる（それに従って、他の３成分の相対量は減る）。
【００５１】
本発明のセメント粉末を潤滑液と混合すると、セメントペーストを形成することができる。潤滑液はペースト形成を助長し、生体適合性セメントの硬化を開始するように作用可能な生体適合性液体であることが好ましい。
【００５２】
反応性リン酸三カルシウムナノ粒子を含むセメントペーストの製造方法においては、反応性リン酸三カルシウムナノ粒子及びセメント状材料を形成するために必要な他の成分を含むセメント粉末を潤滑液と混合する。混合は約４分間未満、周囲温度よりも低温で実施すると好ましいことが判明した。約１０℃未満の温度がより好ましい。
【００５３】
セメントペースト自体は反応性リン酸三カルシウムナノ粒子及びセメント状材料を形成するために必要な他の成分を含むセメント粉末と混合した潤滑液を含む。セメントペーストの使用と塗布を助長するためには、流動性形態のペーストを製造することが好ましい。ペーストが流動性であると言う場合、周囲構造に合わせてペーストを形成又は成型できるようにペーストを注入又は手動で塗布できることを意味する。例えば、セメントペーストを骨折した骨に注入する場合には、骨折した骨の破損表面に入り込んで結合しようとする表面と密着することができる。ペーストを型に注入する場合には、型の形状に合致することができる。
【００５４】
上記潤滑液は水性液体であることが好ましい。水性液体は純水でもよいし、アンモニア、ＩＡ又はＩＩＡ族元素及びその混合物から構成される群から選択される対イオンをもつリン酸塩、及び、アンモニア、ＩＡ又はＩＩＡ族元素及びその混合物から構成される群から選択される対イオンをもつポリアクリル酸塩を含む水溶液でもよい。１好適態様では、リン酸塩はリン酸アンモニウム又はリン酸三ナトリウム又はその混合物を含み、ポリアクリル酸塩はポリアクリル酸ナトリウムを含む。
【００５５】
別の態様では、潤滑液は約０〜２モルのリン酸アンモニウムと液体溶液重量に対して約０％〜２０％のポリアクリル酸ナトリウムを含む。
【００５６】
潤滑液がポリアクリル酸又はポリアクリル酸塩を含む場合には、ポリアクリル酸又はポリアクリル酸塩は数平均分子量が約１０００〜１，０００，０００のポリアクリル酸を含むことが好ましく、数平均分子量が約３０，０００〜９０，０００であるとより好ましく、数平均分子量が約６０，０００であると更に好ましい。
【００５７】
潤滑液をセメント粉末と混合してセメントペーストを形成する場合には、ペーストはセメント粉末１ｇ当たり約０．２ｍｌ〜約０．２３ｍｌの量の潤滑液を含むことができる。上記成分に加え、セメントペーストは他の材料も含むことができる。このような他の材料としては充填剤が挙げられ、更に生物活性剤を加えてもよい。場合により、生物活性剤が成長因子であると有用である。
【００５８】
潤滑液をセメント粉末と混合してセメントペーストを形成する場合には、ペーストは即時使用可能である。あるいは、セメントペーストを後での使用に備えて極低温保存してもよい。１好適態様では、セメントペーストを極低温保存前に注射器又は他の任意の注入もしくは塗布装置に収容することができる。その後、セメントペーストを保存温度まで冷却し、使用が必要になる時までこの温度に維持する。セメントを使用しようとするときにセメントとその保存容器を周囲温度又は体温まで加熱する。
【００５９】
本発明のセメントペーストについてセメントペーストの極低温保存方法を説明したが、このような極低温保存は本発明のセメントペーストに限定されず、液体を乾燥粉末と混合してからペーストを硬化させようとする場所に塗布するまで任意のリン酸カルシウムセメントペースト（ＣＰＣ）を保存する方法として有用であると考えられる。このような保存方法は上記のように完全な測定及び混合操作を実施するのではなく、単に極低温保存したセメントペーストを解凍又は加温するだけで即時塗布可能なセメントペーストを医師や看護婦等の使用者に供給できるので非常に有利である。
【００６０】
リン酸カルシウムセメントペーストを極低温法により保存しようとする場合には、セメントペーストを周囲温度まで再加熱するとセメントペーストの流動性及び硬化性が実質的に冷却前のペーストの状態に戻るようにこれらの性質を維持するために十分低い温度までセメントペーストをその形成直後に冷却することが好ましい。セメントペーストをこのような保存のために約−２０℃未満の温度まで冷却することが好ましく、約−７０℃未満の温度がより好ましく、約−１５０℃未満が更に好ましく、約−１９０℃未満が一層好ましく、液体窒素の温度（約−１９５℃）がより好ましい。
【００６１】
上述のように、本発明のセメントペーストは自己硬化性である。硬質の硬化セメント形態に硬化するために外部開始剤、触媒又は他の材料を必要としない。これは、当分野で公知の所定製品に必要な毒性触媒又は有害な電離放射線が硬化に不要であることを意味する。セメントペーストは硬化すると、反応性リン酸三カルシウムナノ粒子及びセメント状材料を形成するために必要な他の成分を含むセメント粉末と混合した潤滑液を含むセメントペーストの硬化形態を含む生体適合性硬化セメントを形成する。
【００６２】
上述のように、硬化セメントは生体吸収性である。更に、硬化セメントはヒドロキシアパタイトの回折パターンよりもα−ＴＣＰのＸ線回折パターンに近いＸ線回折パターンをもつ構造をもつ。
【００６３】
１態様において、硬化セメントはカルシウム：リン酸塩モル比が約１．５：１以下である。１好適態様において、硬化セメントのカルシウム：リン酸塩モル比は１．５：１以下である。
【００６４】
本発明のセメントの有利な性質の１つは、初期硬化において非常に短時間で圧縮強度を生じることである。修復した骨が従来の骨セメントよりも短時間で荷重に耐えられ、有効になるため、この点は骨折治療等の用途に非常に有用である。１好適態様では、本発明の硬化セメントは硬化開始から１０分後の圧縮強度が少なくとも約４０ＭＰａである。
【００６５】
更に、本発明の硬化セメントは完全に硬化すると非常に高い圧縮強度を生じる。１態様では、硬化セメントは硬化開始から１２時間後の圧縮強度が少なくとも約８０ＭＰａである。
【００６６】
本発明の生体適合性セメントは他の骨セメント又は生体適合性硬組織セメントを使用可能な任意方法で任意目的に使用することができる。このような用途は当業者に周知であり、例えば骨折したか、ひびが入った骨の治療、硬組織部分の置換、及び移植用器具（即ちねじ、ボルト等）の製造が挙げられるが、これらに限定されない。
【００６７】
本発明のセメントは骨セメントとして非常に有利に使用することができるが、この用途に限定されない。実際に、その性質により有用に利用可能な任意用途で接着剤又はセメントとしてより一般に使用することができる。対象間の結合方法の１例では、反応性リン酸三カルシウムナノ粒子及びセメント状材料を形成するために必要な他の成分を含むセメント粉末と混合した潤滑液を含むセメントペーストを提供する段階と、結合しようとする対象間の境界面にセメントペーストを配置する段階と、セメントペーストを硬化させて対象間に結合を形成する段階とを含むことができる。
【００６８】
上述のように、前記方法を使用する場合に特に適切な用途は、結合しようとする対象が骨折したかひびが入った骨の部分を含み、セメントペーストの硬化により骨折したかひびが入った骨を結合する用途である。
【００６９】
本発明のセメントは硬化段階にセメントペーストに生じる昇温が正常生体組織に無害なのでこのような用途に有利である。実際に、昇温は約１０℃未満であることが好ましい。更に、硬化段階がフリーラジカルを発生せず、硬化が毒性又は生体に有害な開始剤又は促進剤を必要としないことも好ましい。
【００７０】
上述のように、本発明のセメントは生体用途及び他の用途で有用であり得る物品を形成するために使用することができる。１態様では、本発明のセメントは反応性リン酸三カルシウムナノ粒子及びセメント状材料を形成するために必要な他の成分を含むセメント粉末と混合した潤滑液を含むセメントペーストの硬化形態を含む生体適合性硬化セメントから形成される物品を形成するために使用することができる。物品はボルト、ナット、ワッシャー、ねじ、添え木、ロッド、シート、シリンダー及び任意の他の所望形態とすることができる。
【００７１】
上記使用に加え、本発明のセメントは従来のセメント又はコンクリートが使用される任意用途にも使用することができる。例えば、本発明のセメントは建設及び建築用途や、道路、歩道、橋及びデッキ建設に使用することができる。これらの用途における本発明のセメントの利点としてはその速硬性や高い硬化強度が挙げられる。
【００７２】
以下、実施例により本発明の好適態様を説明する。本明細書に開示する発明の詳細又は実施に鑑み、請求の範囲に含まれる他の態様も当業者に想到されよう。詳細な説明と実施例は単に代表例とみなすべきであり、本発明の範囲と趣旨は請求の範囲に示す通りである。実施例中、特に指定しない限り、全百分率は重量に基づく。
【００７３】
実施例１
本実施例は高反応性リン酸三カルシウムナノ粒子の製造を説明する。
【００７４】
以下の溶液を調製する。
【００７５】
溶液Ａ：Ｃａ（ＮＯ_３）_２・４Ｈ_２Ｏ２３６ｇを蒸留脱イオン水１．０リットルに１５分間かけて溶かした後、溶液を０．２２μｍフィルターで濾過することによりＣａ（ＮＯ_３）_２の１．０モル溶液を調製する。場合により、溶液を濾過前にピロリジンジチオカルバメート（ＰＤＤＣ）で処理してもよい。ＰＤＤＣは亜鉛、銅、ニッケル等の２価不純物を捕捉するための一般キレート剤として使用する。これらのイオンは高反応性α−リン酸三カルシウムの形成に悪影響を与える恐れがある。
【００７６】
溶液Ｂ：（ＮＨ_４）_２ＨＰＯ_４１７６ｇを蒸留脱イオン水１．０リットルに１５分間かけて溶かした後、溶液を０．２２μｍフィルターで濾過することにより（ＮＨ_４）_２ＨＰＯ_４の１．３３モル溶液を調製する。場合により、溶液を濾過前にピロリジンジチオカルバメートで処理してもよい。
【００７７】
溶液Ｃ：無水Ｎａ_２（ＳＯ_４）３２０ｇを蒸留脱イオン水１．０リットルに２０分間かけて溶かした後、溶液を０．２２μｍフィルターで濾過することによりＮａ_２（ＳＯ_４）の２．２５モル溶液を調製する。
【００７８】
溶液Ｄ：無水Ｎａ_２（ＳＯ_４）２５ｇを蒸留脱イオン水１．０リットルに２０分間かけて溶かした後、溶液を０．２２μｍフィルターで濾過することによりＮａ_２（ＳＯ_４）の０．１８モル溶液を調製する。
【００７９】
１．０リットルビーカーで溶液Ａ５００ｍｌ（Ｃａ（ＮＯ_３）_２１１８ｇ）をヒュームフード内で「１０」の最大加熱速度に設定したＣｏｒｎｉｎｇ　ＰＣ−４２０　Ｓｔｉｒｒｅｒ／Ｈｏｔ　Ｐｌａｔｅで１０分間かけて７０℃まで加熱する。電動Ｆｉｓｈｅｒ　Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ　Ｓｔｅｄｉ−Ｓｐｅｅｄ撹拌機により駆動するポリプロピレン被覆シャフトに固定したポリプロピレンプロペラを使用してビーカー内の溶液を７５０ＲＰＭで撹拌する。この溶液Ａに２５℃の溶液Ｂ２５０ｍｌ（（ＮＨ_４）_２ＨＰＯ_４４４ｇ）を迅速に加え、無色透明ゼラチン状沈殿を迅速に形成する。混合物を撹拌下に更に１分間加熱し続ける。濃厚ＮＨ_４ＯＨ（２５℃）１２５ｍｌを２０秒間かけて加える。次に、混合物を更に５分間加熱撹拌した後、溶液Ｃ５０ｍｌ（Ｎａ_２（ＳＯ_４）１６ｇ）を加える。その後、混合物を更に３分間加熱撹拌し、溶液Ａへの溶液Ｂの添加から合計９分間経過させる。この時間後に不均質溶液は約１０６℃でぐらぐら沸騰し始める。次に、ビーカーの加熱を停止し、その内容物をすぐに減圧下（２８．２”Ｈｇ）に１１．０ｃｍ，ＶＷＲブランドセルロース濾紙（５μｍ粒子保持寸法、カタログ＃２８３１０−０８１）で濾過する。次に、保持物を室温で溶液Ｄ３００ｍｌで洗浄する。濾過と洗浄の合計時間は２５〜５０分間とする。湿潤ケーキを濾過漏斗から傷つけないように注意深く取出し、１２５×６５ｍｍ　Ｐｙｒｅｘ皿に入れた後、６５０℃まで予熱したＢａｒｎｓｔｅａｄ−Ｔｈｅｒｍｏｌｙｎｅ炉（Ｍｏｄｅｌ　４７９００）に入れ、この温度に１時間維持する。ケーキを炉から取出し、１” 直径ステンレス鋼ロッドを使用してステンレス鋼容器で手動で粉砕して白色微粉末とする。次に白色粉末を再びＰｙｒｅｘ皿に入れ、更に３０分間６５０℃に再加熱する。粉末を炉から取出し、１”直径ステンレス鋼ロッドを使用してステンレス鋼容器で再粉砕した後、１００ｍｌ縦長Ｃｏｏｒｓ（登録商標）冶金高純度再結晶アルミナるつぼ（Ｃｏｏｒｓ　＃６５５０５）に充填する。充填したるつぼを１４２５℃に予熱したＢａｒｎｓｔｅａｄ−Ｔｈｅｒｍｏｌｙｎｅ炉（Ｍｏｄｅｌ　４６１００）に直接入れる。１４２５℃で１．３時間後にるつぼを熱炉から迅速に取出し、その内容物をステンレス鋼容器に集め、１”直径ステンレス鋼ロッドを使用して焼結クリンカーを手動で粉砕し、室温まで冷却する。粉砕及び細砕工程中はステンレス鋼容器を１０秒毎に水冷する。クリンカーの冷却速度は１０００℃／分を越えることが好ましい。
【００８０】
得られたナノ粒子は図１の走査型電子顕微鏡写真に示すように粒子が実質的に球形であり、離散粒子の平均直径は１μｍ未満である。顕微鏡写真では、実際に平均直径は約２００〜約６００ｎｍであると思われる。
【００８１】
得られた反応性リン酸三カルシウム（ＴＣＰ）ナノ粒状粉末は将来の使用に備えて保存してもよいし、本発明のセメント粉末の製造に直接使用してもよい。
【００８２】
実施例２
本実施例は高反応性リン酸三カルシウムナノ粒子を含むセメント粉末の製造を説明する。
【００８３】
新規に合成したナノ粒状ＴＣＰ粉末約９．０ｇにＣａＣＯ_３（炭酸カルシウム、Ｍａｌｌｉｎｃｋｒｏｄｔ　Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ試薬＃４０７２）１．０ｇ及びＣａ（Ｈ_２ＰＯ_４）_２・Ｈ_２Ｏ（ビス（リン酸二水素）カルシウム・１水和物、Ｆｌｕｋａ　Ｃｈｅｍｉｋａ，＃２１０５３）１．３ｇを混合し、１／２”ジルコニアボール（Ｓｐｅｘ−Ｃｅｒｔｉｐｒｅｐ，＃８００５）を加えた５０ｍｌジルコニアセラミックバイアルセットに入れ、Ｓｐｅｘ−Ｃｅｒｔｉｐｒｅｐ　８００　Ｍｉｘｅｒ／Ｍｉｌｌ（登録商標）で１時間粉砕する。
【００８４】
この時点のＴＣＰナノ粒子をセメントの製造に直接使用してもよいし、後期混合及び使用に備えて保存してもよい。
【００８５】
実施例３
本実施例は本発明のセメントペースト及び生体適合性セメントの製造に使用可能な潤滑液の製造を説明する。
【００８６】
以下の溶液を調製する。
【００８７】
溶液Ｅ：（ＮＨ_４）_２ＨＰＯ_４７９．２ｇとポリアクリル酸ナトリウム（平均分子量６０，０００）７５ｇを蒸留脱イオン水１．０リットルに溶かすことにより１．０ｍｌ溶液当たりポリアクリル酸０．０７５ｇを含有する（ＮＨ_４）_２ＨＰＯ_４の０．６モル溶液を調製した後、溶液を０．２２μｍフィルターで濾過する。別法として、ポリアクリル酸を乾燥粉末としてＴＣＰ粉末に加えてもよい。セメント粉末中のポリアクリル酸の濃度は１．５重量／重量％とする。
【００８８】
溶液Ｆ：Ｎａ_３（ＰＯ_４）・１２Ｈ_２Ｏ１７５ｇを温蒸留脱イオン水１．０リットルに溶かすことによりリン酸三ナトリウムの０．７５モル溶液を調製する。その後、溶液を０．２２μｍフィルターで濾過する。
【００８９】
実施例４
本実施例は本発明のセメントペーストの製造を説明する。
【００９０】
実施例３に記載したように製造したセメント粉末３．０ｇに溶液Ｅ６００〜６５０μｌを加え、混合物を瑪瑙乳鉢乳棒で過圧下に２〜４分間よく混合する。生成物は最初は非常に乾燥しているように見えるが、手の力を強く加えて連続混合し、反応体を合着させると、通常は２〜３分後に粘性ペーストが形成される。セメントペーストに最適な物理化学的特性と硬化特性に達してこれを維持するためには強く迅速に操作することが肝要である。セメントペーストの「液化」が生じるや否や、溶液Ｆ１０〜５０μｌを加え、ペーストを更に３０〜４５秒間混合する。混合装置は混合物を冷却できるものが好ましい。混合段階中には混合物を約４℃まで冷却することが好ましい。これは冷却した（４℃）瑪瑙乳鉢乳棒でセメント粉末を潤滑液と混合することにより達成できる。
【００９１】
この混合段階は１〜２分以内の短時間で実施することが好ましい。この混合が完了したら、セメントペーストはすぐに使用できる。体内に直接注入又は配置してもよいし、型に注入してもよいし、すぐに使用（Ｘ線間接撮影を用いるか又は用いずに体内に注入）可能な場合には注射器等の容器に分配してもよいし、ペーストを冷却し、後期使用に備えて極低温保存してもよい。
【００９２】
実施例５
本実施例はセメントの硬化と硬化後の本発明のセメントの性質を説明する。
【００９３】
本発明のセメントペーストは自己硬化性であり、即ち硬化を開始するのに外部又は付加的開始剤又は促進剤を必要としない。従って、注入又は配置後にほぼ体温（３７℃）で所定時間セメントペーストを単に静置させる。血清等の体液の存在下に硬化させる場合でも５〜１５分間の短時間後にセメントは相当な圧縮強度を生じる。硬化は２４時間まで続く。
【００９４】
実施例４に記載した方法により製造したセメントペーストのサンプルを血清と接触させた状態で硬化させた。図２は硬化に伴うセメントの微細構造の前進的成長を示すＳＥＭ顕微鏡写真である。Ｔ＝０の図は血清への添加直後のセメントを示し、セメントが最初はばらばらの顆粒状であることがわかる。血清中で１５分間の硬化時間後に撮影したＴ＝１５分（血清中）の図では、より小さいセメント粒子が溶解及び再沈殿し、半多孔質材料で間隙を埋めているように見える。血清中で２４時間の硬化時間後に撮影したＴ＝２４時間（血清中）の図では、より大きな粒子がより緻密形態のリン酸カルシウムに包囲されている。
【００９５】
血清の存在下に硬化させたセメントについて時間の関数として本発明のセメントの圧縮強度試験を実施し、結果を図３に示す。ここでは、最初の圧縮強度が１時間以内の短時間で生じ、図に示す１２時間にわたって増加し続けることがわかる。
【００９６】
本発明の硬化セメントについてＸ線回折パターンを得、そのパターンを純α−リン酸三カルシウム及びヒドロキシアパタイトのＸ線回折パターンと比較した。図４（ａ）に示すように、本発明の硬化セメントと純α−リン酸三カルシウムの回折パターンと比較すると、本発明のセメントはα−ＴＣＰの実質的に全主要特性ピークと共通であることがわかる。他方、図４（ｂ）に示すように、本発明のセメントの回折パターンをヒドロキシアパタイトのパターンと比較すると、特に反射角２５．９°、３０．６°、及び３１．８°の相対ピーク強度に有意差がある。従って、本発明のセメントにおけるリン酸カルシウムの一次構造はヒドロキシアパタイト（２θ＝２５．９°）ではなく、リン酸三カルシウム（２θ＝３０．６°）の形態であると考えられる。この特徴はセメントの生体適合性に効果があり、本発明のセメントがヒドロキシアパタイトよりも生体吸収性である少なくとも一因は構造差にあると考えられる。
【００９７】
実施例６
本実施例は本発明のセメントの生体適合性と生体吸収性を説明する。
【００９８】
実施例４に記載したように本発明のセメントのサンプルを製造し、血清の存在下に硬化させた。セメントが完全に硬化したら、セメントの表面にニワトリ初代成長板軟骨細胞と、１０％血清を加えたダルベッコの改変イーグル培地の混合物とを接種した。セメントと軟骨細胞を３７℃の培地で３０日間培養した。
【００９９】
３０日後に走査型電子顕微鏡写真を撮影した処、セメントの表面はセメントの表面に結合していると思われる軟骨細胞の増殖によりコロニーを形成していた。図５は軟骨細胞接種前（左側顕微鏡写真）と３０日間培養後（右側顕微鏡写真）のセメントの表面を２５０倍（上段顕微鏡写真）と１０００倍（下段顕微鏡写真）の倍率で示す。このことから、本発明のセメントは生体細胞と生体適合性であり、実際に硬化セメントの表面に結合した細胞の増殖を助長すると考えられた。
【０１００】
軟骨細胞の表面層で覆われたセメントの１サンプルを５％次亜塩素酸ナトリウム（ＮａＯＣｌ）溶液で２５℃で２４時間処理し、無機材料から軟骨細胞を除去した。図６は次亜塩素酸塩温浸前の軟骨細胞で覆われた表面（左側）と２４時間次亜塩素酸塩温浸後の同一表面（右側）の１０００倍顕微鏡写真を示す。軟骨細胞除去後のセメントの露出表面（黒線内の領域）は軟骨細胞によりセメントをある程度の再吸収及び再構成していると考えられる。従って、本発明のセメントはかなり高率で生体細胞に再吸収できると考えられる。
【０１０１】
実施例７
本実施例は骨折したニワトリ中足骨の修復における本発明の生体適合性セメントの使用を説明する。
【０１０２】
図７の左上写真に示すように、新規に得たニワトリ中足骨をそのほぼ中間点で折った。実施例４に記載したように製造した本発明のセメントを図７の右上写真に示すように中足骨の内部に注入し、骨を適正な解剖学的位置に整復した。５９分後に足肉を除去して中足骨を露出させた。図７（下段写真）に示すように、セメントは骨を固定するために十分な強度を生じており、実際に、結合した骨は生きたニワトリによる通常の使用に十分な強度を生じていると考えられる。従って、本発明のセメントは骨修復用セメントとして有用であると共に多種の身体硬組織の修復に有用であると考えられる。
【０１０３】
全学術論文、刊行物、特許、特許出願、研究発表、教科書、報告書、原稿、パンフレット、書籍、インターネット資料、雑誌論文、定期刊行物等の種類を問わずに本明細書に引用する全文献はその内容全体を参考資料として本明細書に組込む。本明細書で文献に言及する場合には単にその著者の主張を要約することを意図しており、いずれの文献も従来技術であると認めるものではない。出願人は引用文献の正確性と妥当性に異論を唱える権利を留保する。
【０１０４】
上記に鑑み、本発明のいくつかの利点が達成され、他の有利な結果も得られることが理解されよう。
【０１０５】
本発明の範囲から逸脱せずに上記方法及び組成に種々の変更を加えることができるので、上記記載に含まれ、添付図面に示す全事項は限定的な意味でなく、例証であると解釈すべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】
反応性リン酸三カルシウムナノ粒子の走査型電子顕微鏡写真を示し、粒子が実質的に球形であり、離散粒子の平均直径が１μｍ未満であることを例証する。
【図２】
硬化に伴う本発明のセメントの微細構造の成長を例証する走査型電子顕微鏡写真を示し、Ｔ＝０の図は血清への添加直後のセメントを示し、セメントが最初はばらばらの顆粒状であることを示し、血清中で１５分間の硬化時間後に撮影したＴ＝１５分（血清中）の図はより小さいセメント粒子が溶解及び再沈殿し、半多孔質材料で間隙を埋めていることを示し、血清中で２４時間の硬化時間後に撮影したＴ＝２４時間（血清中）の図はより大きな粒子がより緻密形態のリン酸カルシウムに包囲されていることを示す。
【図３】
血清と接触させた状態で硬化中の本発明のセメントの圧縮強度を時間の関数として示す曲線であり、最初に圧縮強度が生じるのが非常に早いことを例証する。
【図４】
本発明のセメントのＸ線回折パターン（図４（ａ）及び４（ｂ）の上段パターン）と純α−リン酸三カルシウム（図４（ａ）の下段Ｘ線パターン）及びヒドロキシアパタイト（図４（ｂ）の下段回折パターン）のＸ線回折パターンの比較を示し、本発明の硬化セメントがヒドロキシアパタイトの特性ピークではなく、α−ＴＣＰの主要特性ピークと共通のピークを示すことを例証する。
【図５】
ニワトリ軟骨細胞接種前（左側顕微鏡写真）と２５℃で３０日間培養後（右側顕微鏡写真）の本発明のセメントの表面を２５０倍（上段顕微鏡写真）と１０００倍（下段顕微鏡写真）の倍率で示し、本発明のセメントが生体細胞に対して生体適合性であり、硬化セメントの表面に結合した細胞の増殖を助長することを例証する。
【図６】
次亜塩素酸塩温浸前のニワトリ軟骨生細胞で覆われた本発明の硬化セメントの表面（左側）と２４時間次亜塩素酸塩温浸後の同一表面（右側）の１０００倍顕微鏡写真を示し、軟骨細胞除去後のセメントの露出表面が軟骨細胞によりセメントをある程度の再吸収及び再構成していることを例証する。
【図７】
新規に得たニワトリ中足骨をそのほぼ中間点で折り（左上）、本発明のセメントを注入し（右上）、約１時間硬化させた後に（下段写真に示すように）足肉を除去して中足骨を露出させた様子を示し、セメントが骨を固定するために十分な強度を生じていることを例証する。

Claims

反応性リン酸三カルシウムナノ粒子及びセメント状材料を形成するために必要な他の成分を含むセメント粉末。
セメント粉末が少なくとも５０重量％の反応性リン酸三カルシウムナノ粒子を含む請求項１に記載のセメント粉末。
セメント粉末のカルシウム：リン酸塩モル比が約１．５：１以下である請求項１に記載のセメント粉末。
反応性リン酸三カルシウムナノ粒子の平均粒度が１マイクロメーター未満である請求項１に記載のセメント粉末。
反応性リン酸三カルシウムナノ粒子の少なくとも約８５重量％の平均粒度が約５００ナノメーター未満である請求項４に記載のセメント粉末。
セメント状材料を形成するために必要な他の成分がアンモニア、ＩＡ又はＩＩＡ族元素及びそれらの混合物から構成される群から選択される対イオンをもつ炭酸塩、及び、アンモニア、ＩＡ又はＩＩＡ族元素及びそれらの混合物から構成される群から選択される対イオンをもつリン酸塩を含む請求項１に記載のセメント粉末。
対イオンがカルシウムであり、リン酸塩がビス（リン酸二水素）カルシウム・１水和物である請求項６に記載のセメント粉末。
セメント粉末重量に対する百分率として表した場合に、反応性リン酸三カルシウムナノ粒子が約５０％〜９０％、炭酸カルシウムが約０％〜２５％、ビス（リン酸二水素）カルシウム・１水和物が約０％〜２５％の量で存在する請求項７に記載のセメント粉末。
セメント粉末重量に対する百分率として表した場合に、反応性リン酸三カルシウムナノ粒子が約７０％〜９０％、炭酸カルシウムが約５％〜１５％、ビス（リン酸二水素）カルシウム・１水和物が約８％〜１８％の量で存在する請求項８に記載のセメント粉末。
セメント状材料が水を加えると硬化し、ヒドロキシアパタイトのＸ線回折パターンよりもα−リン酸三カルシウムのＸ線回折パターンに近いＸ線回折パターンをもつ硬質製品を形成することが可能である請求項１に記載のセメント粉末。
乾燥ポリアクリル酸を含む請求項１に記載のセメント粉末。
セメント粉末重量に対して約０．１％〜５％の乾燥ポリアクリル酸を含む請求項１１に記載のセメント粉末。
セメント粉末重量に対して約１．５％の乾燥ポリアクリル酸を含む請求項１２に記載のセメント粉末。
粉末重量に対して百分率として表した場合に、反応性リン酸三カルシウムナノ粒子約８０％、炭酸カルシウム約９％、及び、ビス（リン酸二水素）カルシウム・１水和物約１２％を含む請求項１３に記載のセメント粉末。
反応性リン酸三カルシウムナノ粒子及びセメント状材料を形成するために必要な他の成分を含むセメント粉末と混合した潤滑液を含むセメントペースト。
セメントペーストが流動性である請求項１５に記載のセメントペースト。
潤滑液が水性液体を含む請求項１６に記載のセメントペースト。
潤滑液がアンモニア、ＩＡ又はＩＩＡ族元素及びそれらの混合物から構成される群から選択される対イオンをもつリン酸塩、及び、ポリアクリル酸又はアンモニア、ＩＡ又はＩＩＡ族元素及びそれらの混合物から構成される群から選択される対イオンをもつポリアクリル酸塩を含む請求項１７に記載のセメントペースト。
ポリアクリル酸又はポリアクリル酸塩の数平均分子量が約１０００〜１，０００，０００である請求項１８に記載のセメントペースト。
ポリアクリル酸又はポリアクリル酸塩の数平均分子量が約３０，０００〜約９０，０００である請求項１９に記載のセメントペースト。
ポリアクリル酸又はポリアクリル酸塩の数平均分子量が約６０，０００である請求項１８に記載のセメントペースト。
リン酸塩がリン酸アンモニウム又はリン酸三ナトリウム又はそれらの混合物を含み、ポリアクリル酸塩がポリアクリル酸ナトリウムを含む請求項１８に記載のセメントペースト。
潤滑液が約０〜２モルのリン酸アンモニウム及び溶液重量に対して約０〜２０％のポリアクリル酸ナトリウムを含む請求項１９に記載のセメントペースト。
セメント粉末１ｇ当たり約０．２ｍｌ〜約０．２３ｍｌの潤滑液を含む請求項１５に記載のセメントペースト。
充填剤を含む請求項１５に記載のセメントペースト。
生物活性剤を含む請求項１５に記載のセメントペースト。
生物活性剤が成長因子を含む請求項２６に記載のセメントペースト。
反応性リン酸三カルシウムナノ粒子及びセメント状材料を形成するために必要な他の成分を含むセメント粉末と混合した潤滑液を含むセメントペーストの硬化形態を含む生体適合性硬化セメント。
硬化セメントが生体吸収性である請求項２８に記載の硬化セメント。
ヒドロキシアパタイトのＸ線回折パターンよりもα−ＴＣＰのＸ線回折パターンに近いＸ線回折パターンをもつ構造をもつ請求項２８に記載の硬化セメント。
カルシウム：リン酸塩モル比が約１．５：１以下である請求項２８に記載の硬化セメント。
硬化開始から１０分後の圧縮強度が少なくとも約４０ＭＰａである請求項２８に記載の硬化セメント。
硬化開始から１２時間後の圧縮強度が少なくとも約８０ＭＰａである請求項２８に記載の硬化セメント。
反応性リン酸三カルシウムナノ粒子を含むセメント粉末の製造方法であって、溶液から沈殿させることにより反応性リン酸三カルシウムナノ粒子を形成する段階、及び、セメント状材料を形成するために必要な他の成分と前記ナノ粒子とを混合する段階を含む前記方法。
反応性リン酸三カルシウムナノ粒子を形成する段階が、
リン酸三カルシウムを沈殿させることが可能な１種以上の水溶液を形成する段階と、
前記水溶液又は溶液からリン酸三カルシウムを沈殿させる段階と、
沈殿したリン酸三カルシウムを溶液の液体部分から分離する段階と、
沈殿したリン酸三カルシウムを乾燥する段階と、
乾燥したリン酸三カルシウムを焼結する段階と、
焼結したリン酸三カルシウムを急冷する段階と、
冷却した焼結リン酸三カルシウムを平均粒度１マイクロメーター未満のナノ粒子に細分する段階とを含む請求項３４に記載の方法。
リン酸三カルシウムを沈殿させることが可能な１種以上の水溶液を形成する段階が硫酸ナトリウムを含有するように溶液の１種を形成する段階を含む請求項３５に記載の方法。
硫酸ナトリウムが沈殿中に形成されるリン酸三カルシウムの少なくとも一部をヒドロキシアパタイトに変換させないために十分な量で存在する請求項３６に記載の方法。
形成される溶液が約１．５：１以下のモル比でカルシウムとリンを含む請求項３５に記載の方法。
反応性リン酸三カルシウムナノ粒子を形成する段階が、
１．０Ｍ硝酸カルシウム水溶液を形成すると共に１．３３Ｍオルトリン酸アンモニウム・１水和物水溶液を形成することにより、リン酸三カルシウムを沈殿させることが可能な１種以上の水溶液を形成する段階と、
硝酸カルシウム溶液とオルトリン酸アンモニウム・１水和物溶液とを混合した後、混合物を約１０６℃まで加熱撹拌しながら濃厚水酸化アンモニウム溶液を加えることにより、前記水溶液からリン酸三カルシウムを沈殿させる段階と、
濾過後、沈殿したリン酸三カルシウムを０．１８Ｍ硫酸ナトリウム溶液で洗浄することにより、沈殿したリン酸三カルシウムを分離する段階と、
沈殿したリン酸三カルシウムを約６５０℃の乾燥炉に約１〜２時間入れることにより、沈殿したリン酸三カルシウムを乾燥する段階と、
乾燥したリン酸三カルシウムを約１４２５℃の温度で約１〜２時間焼結する段階と、
焼結したリン酸三カルシウムを少なくとも約１０００℃／分の冷却速度で急冷する段階と、
冷却した焼結リン酸三カルシウムを粉砕又は細砕により平均粒度１マイクロメーター未満のナノ粒子に細分する段階とを含む請求項３８に記載の方法。
冷却した焼結リン酸三カルシウムを粉砕又は細砕により平均粒度１マイクロメーター未満のナノ粒子に細分する段階がボールミル、ペブルミル、ロッドミル、チューブミル、コンパートメントミル、回転ミル、撹拌ボールミル又は振動ミルで粉砕又は細砕することを含む請求項３６に記載の方法。
細分に使用するボールミル、ペブルミル、ロッドミル、チューブミル、コンパートメントミル、回転ミル、撹拌ボールミル又は振動ミルがジルコニアを含む粉砕媒体を使用する請求項４０に記載の方法。
反応性リン酸三カルシウムナノ粒子を含むセメントペーストの製造方法であって、反応性リン酸三カルシウムナノ粒子及びセメント状材料を形成するために必要な他の成分を含むセメント粉末を潤滑液と混合する段階を含む前記方法。
約１０℃未満の温度で約４分間未満の時間、成分との混合を実施する請求項４２に記載の方法。
対象間の結合方法であって、
反応性リン酸三カルシウムナノ粒子及びセメント状材料を形成するために必要な他の成分を含むセメント粉末と混合した潤滑液を含むセメントペーストを提供する段階と、
結合しようとする対象間の境界面にセメントペーストを配置する段階と、
セメントペーストを硬化させて対象間に結合を形成する段階とを含む前記方法。
結合しようとする対象が骨折したかひびが入った骨の部分であり、セメントペーストの硬化により骨折したかひびが入った骨を結合する請求項４４に記載の方法。
硬化段階にセメントペーストに生じる昇温が正常生体組織に無害である請求項４４に記載の方法。
昇温が約１０℃未満である請求項４４に記載の方法。
硬化段階がフリーラジカルを発生せず、硬化が毒性があるか生体に有害な開始剤又は促進剤を必要としない請求項４７に記載の方法。
反応性リン酸三カルシウムナノ粒子及びセメント状材料を形成するために必要な他の成分を含むセメント粉末と混合した潤滑液を含むセメントペーストの硬化形態を含む生体適合性硬化セメントから形成される物品。
物品がボルト、ナット、ワッシャー、ねじ、添え木、ロッド、シート及びシリンダーから構成される群から選択される請求項４９に記載の物品。
リン酸カルシウム型セメントペーストの保存方法であって、セメントペーストを周囲温度まで再加熱するとセメントペーストの流動性及び硬化性が実質的に冷却前のペーストの状態に戻るようにこれらの性質を維持するために十分低い温度までセメントペーストを冷却することを含む前記方法。
セメントペーストを前記保存のために約−２０℃未満の温度まで冷却する請求項５１に記載の方法。
セメントペーストを約−１９０℃未満の温度まで冷却する請求項５２に記載の方法。
セメントペーストを大気圧で液体窒素の温度まで冷却する請求項５１に記載の方法。
炭酸塩を含まず、カルシウム：リン酸塩比が約１．５：１未満の硫酸塩含有溶液から沈殿させることにより製造された反応性リン酸三カルシウムナノ粒子。