●特集「運動器領域の人工臓器の進歩 ─ 人工骨と人工股関節 ─」複合体人工骨材料独立行政法人物質・材料研究機構菊池正紀 Masanori KIKUCHI 1. calcium phosphate とでは異なっているなど，機能面においはじめにて不明な点がまだ残っている 1) 。骨は主として非化学量論的な炭酸含有水酸アパタイトを骨は前述した通り，無機 / 有機のナノ複合体であり，そ無機成分に，Ⅰ型のコラーゲンを有機成分に持つ，典型的れ故に無機材料，有機材料単体に比べて優れた機械的性質なナノ複合体である。骨に自然治癒できないほどの欠損がを示す。したがって，機械的な性質を骨と同等にするためできた場合，何らかの材料が移植される。には，人工骨材料にも無機材料と有機材料の複合化が必要自家骨が移植された場合，骨リモデリングプロセスに旺であると考えるのは理にかなっている。そこで本稿では，盛に取り込まれるので，これが最もよく使われているが，骨組織となじみの良いリン酸カルシウムと各種有機高分子採取部位である健常部への侵襲と採取後の疼痛などに加の複合体による人工骨材料について概説する。え，採取量が限られること，複数回の採取が難しいことなどの欠点がある。 2. 生体内残存型複合体一方，他家骨は移植されても長期にわたり残存し，拒絶市販材料には HAPEX TM（Queen Mar y University of 反応は示さないものの生体反応が必ずしもよくないという London）がある。HAp 粉末を高分子ポリエチレンに均一に報告もあり，感染の危険性なども考慮すると，自家骨の代分散させ，HAp の持つ骨親和性とポリエチレンの優れた機替材料としては甚だ心許ない。械的特性を組み合わせたもので，複合化によりヤング率もそこで，人工骨の材料として水酸アパタイト（HAp）セラ骨に近くなり，材料と骨が直接結合することが示されていミックスが用いられる。HAp セラミックスはわずかに破骨る 2) 。しかし，生体内残存型人工骨として長期的に骨の代細胞で貪食され，かつ骨と直接結合する。しかし，HAp 系替が可能な強度を示すことはできず，人工耳小骨として商のセラミックス人工骨は機械的強度に難があり，体内に残品化されている。混練型の複合体について，研究レベルで存するため，骨折の起点となる可能性が否定できない。最は，他にもポリメチルメタクリレート骨セメントに HAp 粒近多く用いられるようになったβ- リン酸 3 カルシウム子を混練した例などがある。（TCP）製生体吸収性人工骨は，通常使用では体内で残存し一方，生体活性セラミックスが擬似体液中において非化ないという報告がある反面，大量に使用した場合は体内で学量論的微結晶 HAp を形成する機序を応用し，シリカハイの残存報告があり，また，研究レベルでの骨形成能に対すドロゲルなどの表面に HAp 析出能（生体活性）を持たせるる疑問もある。さらに，骨芽細胞の培養時において，TCP 研究が進んでいる 3) 。これは，混練による均一な複合体での骨関連遺伝子の発現様式が，骨系性能が高いと考えられはほとんどの生体活性粒子がポリマー内に埋め込まれ，生ている HAp や，HAp と TCP の複合体である biphasic 体活性が抑制されてしまうので，ポリマー表面に生体活性能を与えることで高い生体活性を担保するという考え方で ■著者連絡先独立行政法人物質・材料研究機構（〒 305-0044 茨城県つくば市並木 1-1） E-mail. [email protected] ある。人工臓器 40 巻 1 号 2011 年 81 3. り，これらとリン酸カルシウムを複合化した材料も数多く生体溶解性複合体研究されている。特に，キトサンは強度と生体活性が高い 1）合成高分子を用いた複合体ことから，数多くの研究が進められている。これら複合体生分解性の合成高分子であるポリ乳酸，ポリグリコールのほとんどは，リン酸カルシウム粒子とキトサン溶液の混酸，ポリカプロラクトンなどをマトリックスとして用い，練によって作製されているが，他にもキトサン溶液中でそれにリン酸カルシウムを分散させた複合体が数多く研究 HAp 微結晶を析出させる研究 5) や，HAp とキトサンをナノされている。スーパーフィクソーブ ® 30（タキロン）あるいレベルから複合化させる研究 6) などがある。多糖類は，タ（ポリ乳酸とはオステオトランス・プラス ®（タキロン）ンパク質であるコラーゲンと比較して熱や化学的環境の変 HAp の複合体）のように，既に市販されている材料もある。化に強いため，潜在能力は高いと言える。また，マトリッまた，マトリックス部分の最適化を目指した生分解性高分クスにアルギン酸などの生分解性高分子を用い，架橋剤に子の共重合体を用いた研究も数多くなされている。これらシランカップリング剤を用いた生分解性の生体活性ハイドの材料の特徴は，骨に近い強度を実現できること，ある程ロゲルを合成する研究がある 7) 。これらの材料は，分解生度の生体活性を持つこと，生体内で溶解してなくなるため，成物に毒性の高いシランカップリング剤を含むため，注意人工骨としては長期強度や疲労破壊などを考慮しなくても深い検討が必要である。良いことなどがあげられる。しかし，いずれの材料も表面一方，リン酸カルシウムセメントにおいては，操作性のに露出しているリン酸カルシウム量は低く，骨再生の足場向上や生体内での硬化中の崩壊を抑制する目的で，バイオとしての性能はセラミックス製人工骨に劣っている。ペックス ® -R（HOYA）にはコンドロイチン硫酸が，セラ近年，この種の合成生分解性高分子と生体活性セラミックスの複合体からなる膜を組織誘導再生法（神経，骨，歯ペースト ®（NTK）にはデキストラン硫酸が混練液に含まれており，これもある種の複合体と言える。周組織などの欠損部を細胞不透過性の膜で覆うことで瘢痕 3）コラーゲンを用いた複合体組織の侵入を防ぎ，目的組織を再生する手法）へ応用する骨の主成分が HAp とコラーゲンであることから，HAp と試みがなされている。この場合，合成高分子の熱可塑性をコラーゲンの複合体に関する研究は数多くあり，既に市販うまく利用し，体温付近では外圧に充分に耐えうる弾性率，Collagraft ®（Zimmer），の製品〔ボーンジェクト ®（高研）と強度を持ち，加熱することで組織欠損部に適した形に変 Healos ®（OraPharma）など〕が存在する。主要な複合体の形可能という材料設計ができる。例えば筆者らのグループ合成法は以下の二つに大別できる。は，イヌ顎骨や脛骨の巨大骨欠損を TCP/ ポリ乳酸共重合体（PLGC）複合体膜のみで再生可能であることを示してい ① リン酸カルシウムの粒子をコラーゲン溶液と混練し，複合体を得る方法 8) る 4) 。この TCP/PLGC は，溶融した PLGC に TCP 粉末を ② コラーゲンスポンジやシートをリン酸とカルシウム加えて混練することで作製されているが，この条件で複合を含んだ溶液中に浸し，コラーゲン上に HAp を析出化を行うと，TCP 表面の Ca イオンと PLGC 分子上のカルさせる方法 9) ボニル基の間に静電的相互作用が生じる。これによって ①の手法では，リン酸カルシウムのナノ粒子を用いたと TCP を重量比で 85％加えても強度が低下せず，TCP 粒子がしてもコラーゲン線維と粒子の間に配向性は生じないが， PLGC マトリックス中に一様分散している材料が作製でき簡便な手法であり，骨の HAp/ コラーゲン重量比（約 7：3）る。このようなことは，一般的に行われている有機溶媒には簡単に実現できる。ボーンジェクト ® や Collagraft® はこ溶解した高分子に TCP を加える手法では起こらない。乳の手法で作製された複合体である。この手法で得られた材酸系合成高分子とリン酸カルシウムの複合体でもう一つ特料は，リン酸カルシウム – コラーゲン間の界面相互作用に徴的なのは，リン酸カルシウムが酸性で溶解するためにポ乏しく，湿潤状態ではコラーゲンのように腰のない粘土にリマー分解産生物である酸を中和し，ポリマーの分解速度近いスポンジ状となる。これら複合体の生体反応は，コラーを低減すると同時に，周囲組織の酸による炎症を抑制できゲンに対するもの（マクロファージによる吸収）と，HAp ることである。顆粒に対するもの（骨伝導性）が個別に起こると考えられ 2）生物由来高分子（コラーゲン以外）を用いた複合体ている。キトサン・ヒアルロン酸・コンドロイチン硫酸・アルギ ②の手法では，ごく初期にはコラーゲンと HAp の配向がン酸・カルボキシメチルセルロースなどの多糖類は，単体認められるが，HAp 量が増えるに従い，予め形成されていでも生体吸収性の生体材料として研究や応用が進んでおる太いコラーゲン線維上に HAp が堆積していき，最終的に 82 人工臓器 40 巻 1 号 2011 年は配向性が認められなくなる。Healos ® はこの手法で作製された複合体である。一般に HAp の堆積量が少ないうちはコラーゲンに近く，堆積量が多くなると HAp に近い機械的性質と生体反応を示す。また，骨の HAp/ コラーゲン重量比の材料を得るためには数日から数週間と長い時間がかかる。近年，この手法に polymer-induced liquid precursor を応用したバイオミメティックな複合体合成法が報告されている 10) 。この手法は生体内での骨形成をかなりの部分で模倣しているため，配向を含めたナノ構造は非常に骨に近い。この手法を更に改善したと考えても良いのが，コラーゲン，リン酸源，カルシウム源を同一の酸性の溶液に溶解し，容器内の pH をアルカリ側にすることでコラーゲンの線維化と HAp の析出を同時に行うものである 11) 。この手法では，骨のナノ∼ミクロ構造を再現することができると報告されている。最後に紹介するのは，筆者らが開発した同時滴下法による HAp/ コラーゲン骨類似ナノ複合体（HAp/Col）の合成である 12) 。この手法の良い点は，充分に骨とよく似たナノ構造と HAp/ コラーゲン比を持つ材料を簡便かつ大量に合成できるところである。また，HAp/Col は比較的簡単な方法で緻密体 12)・多孔体 13)・シート 14) などに成型することが可能である。骨内に埋入した HAp/Col は破骨細胞により吸収され，その吸収窩に骨新生が起こる，骨リモデリング代謝に完全に取り込まれる世界初の材料である 12) 。細胞培養試験では，HAp/Col 上で培養することで，骨芽細胞様細胞 MG63 が骨形成因子の添加なしでも骨形成活性を上昇させること 14)，マウスの骨芽細胞と共培養した骨髄細胞が分化因子の添加なしで破骨細胞に分化すること 15) など， HAp/Col が細胞の機能発現に直接影響を与えることが示唆されている。また，HAp/Col には HAp ナノ結晶が含まれていることから，BMP などの薬剤を担持することも可能である 16) 。HAp/Col 多孔体は，現在企業が実用化中であり，近い将来市販されるであろう。文　献 1) Z h a n g L , H a n a g a t a N , M a e d a M , e t a l : P o r o u s hydroxyapatite and biphasic calcium phosphate ceramics promote ectopic osteoblast dif ferentiation from mesenchymal stem cells. 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