多成分ガラス
本発明は、ＳｉＯ２−Ｎａ２Ｏ−ＣａＯ−Ｋ２Ｏ−ＳｒＯ−ＭｇＯ−ＺｎＯ−Ｐ２Ｏ５−Ｂ２Ｏ３−ＭＦｘ（式中、Ｍは１価または２価の陽イオンであり、ｘは１または２である）系の少なくとも６つの成分を含む多成分ガラス、およびコーティングとしてのそれらの使用に関する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＳｉＯ２−Ｎａ２Ｏ−ＣａＯ−Ｋ２Ｏ−ＳｒＯ−ＭｇＯ−ＺｎＯ−Ｐ２Ｏ５−Ｂ２Ｏ３−ＭＦｘ（式中、Ｍは１価または２価の陽イオンであり、ｘは１または２である）系の少なくとも６つの成分を含む多成分ガラス、およびコーティングとしてのそれらの使用に関する。
【背景技術】
【０００２】
生体的に活性な（または生体活性のある）材料は、生きている組織に移植されると、該材料および周囲の組織との間に界面結合の形成を誘発する材料である。生体活性ガラスは、生体活性ガラスと骨などの生きている組織との間に強固な結合形成をもたらす生体的活性を誘発するように設計された表面反応性ガラスおよびガラス−セラミックのグループである。生体活性ガラスの生体活性とは、生理的条件下におけるガラス表面上での一連の複雑な生理化学的反応の結果であり、炭酸ヒドロキシアパタイト（ＨＣＡ）相の沈殿および結晶化をもたらす。
【０００３】
生きている組織と相互作用する生体活性ガラスの能力のために、これらは多くの医療的用途で利用されており、これらの１つは、整形外科用インプラントを含む医療用補綴物向けのコーティングを提供することである。
【０００４】
金属製の補綴物は通常、チタン（Ｔｉ）、Ｔｉ合金（Ｔｉ６Ａｌ４Ｖ）、Ｃｒ−Ｃｏ合金およびステンレス鋼（３１６Ｌ）などの金属または金属合金から作製される。これらは優れた機械的特性を有しており、また非毒性であるが、生体的に不活性である。インプラントは生体的に不活性な性質のために、移植後、体は密集した線維性組織層にインプラントを被包する。これは貧弱な応力分布をもたらす恐れがあり、かつ最後には骨−インプラント界面に追加的な外科的手段を必要とするという失敗に至る恐れがある。
【０００５】
インプラントを生体活性層で被覆すると、線維性組織の形成をなくすことによって骨−インプラント界面が改善されて、骨への直接的な結合に至る可能性がある。これはまた、インプラントの固定を改善するために使用されてきたが、ＰＭＭＡセメントで固定したインプラントに起因する多くの死亡のために日本においてある議論を引き起こした、ＰＭＭＡ系セメントの必要性を排除する。
【０００６】
ヒドロキシアパタイト（ＨＡ）は、無機の石灰化した骨と類似の生体活性のあるセラミックである。ＨＡ系のコーティングは、金属製インプラント上にプラズマ溶射されるが、プラズマ溶射工程はアモルファス性および結晶性の相の混合物をもたらし、また複雑な形状を被覆するのは困難である。この組成面における不確実性は、体内における不安定な分解状態をもたらす恐れがある。さらに、ＨＡと金属製基材の間に、界面に失敗をもたらす恐れがある熱膨張の大きな不釣合いがある。
【０００７】
１９７０年代にＨｅｎｃｈらによって開発され、ＦＤＡ承認された４５Ｓ５ Ｂｉｏｇｌａｓｓ（登録商標）は、多段階溶出工程によってインビトロおよびインビボでのＨＣＡ形成を誘発する。しかし、４５Ｓ５は、ガラス転移温度（Ｔｇ）より高く加熱すると、容易に結晶化する傾向を有する。この材料の熱膨張係数（ＴＥＣ）はまた、生体医療用インプラントを作製するために一般に使用される金属のＴＥＣよりも大きい。この大きな熱膨張の不釣合いおよび脱ガラス化に向かう傾向は、ガラス粉末を金属製基材に施用してＴｇより高い温度で焼結して均質な固体コーティングを形成する、エナメル加工によって製造するコーティングとして、Ｂｉｏｇｌａｓｓ（登録商標）の使用を排除する。
【０００８】
熱安定性の向上およびより一層低いＴＥＣとするために、４５Ｓ５のガラス組成物の改変に関する研究が、Ｔｏｍｓｉａらによって実施された（ＵＳ２００２／００７６５２８）。通常、ガラスの二酸化ケイ素含量が増加され、アルカリ金属（例えば、ＮａおよびＫ）含量が減量されて、かつ酸化マグネシウムおよび三酸化ホウ素などの他の成分が添加される。ガラス構造がメタケイ酸塩構造（５０ｍｏｌ％のＳｉＯ２、直線性ケイ酸塩の鎖）から遠ざかるので、二酸化ケイ素含量の増加が支配的となり、また生体活性応答を低下させるにつれて、これらの改変は４５Ｓ５に比べて、コーティングの生体活性を低下させる傾向を有する。チタンをうまく被膜する２つの組成物、それぞれ５７重量％および６１重量％のＳｉＯ２を含有する６Ｐ５７および６Ｐ６１が特定されている。しかし、前者のガラスは人工体液（simulated body fluid）（ＳＢＦ）において、ＨＣＡの形成に１カ月かかり、また後者のガラスは、ＳＢＦにおいて２カ月間でも、ＨＣＡを全く形成しない。その結果、被覆基材の表面は、生体活性応答を向上させるためのヒドロキシアパタイト（ＨＡ）または４５Ｓ５の粒子によって充填される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ガラス組成物を調節する（tailoring）、特に３ｍｏｌ％を超える含量のリン酸塩を配合し、かつ多成分ガラス系内の他の酸化物の含量を調節することによって、ガラス組成物は、脱ガラスについて安定化することにより該ガラスをコーティングとして首尾よく使用するのに適したものとし、また熱膨張係数（ＴＥＣ）を制御し、さらに優れた生体活性を示す熱特性を有することを示す。ある種の多成分ガラス組成物は、練り歯磨きなどの個人ケア製品中の活性成分としての使用に有益なものとする抗微生物特性、生体適合特性および生体活性特性を示すこともまた、明らかにされた。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
したがって、第１の態様では、本発明は
ＳｉＯ２ ３５〜５５．９ｍｏｌ％、
Ｎａ２ＯおよびＫ２Ｏの合わせた含量が４〜３４ｍｏｌ％、
ＭｇＯ ０．５〜９ｍｏｌ％、
ＺｎＯ ０．５〜４ｍｏｌ％、
Ｐ２Ｏ５ ３．１〜１０ｍｏｌ％、
Ｂ２Ｏ３ ０〜５ｍｏｌ％、
金属フッ化物 ０〜５ｍｏｌ％、ならびに
ＣａＯおよびＳｒＯの合わせたｍｏｌ％が８〜３７ｍｏｌ％の組成を有し、
Ｎａ２ＯおよびＫ２Ｏの各々が、少なくとも２ｍｏｌ％存在する、
アルミニウムフリー（alminium-free）のガラスを提供する。
【００１１】
本発明のガラス組成物において、ＳｉＯ２含量は４０〜５０ｍｏｌ％、好ましくは４３．５〜４７ｍｏｌ％、より好ましくは４４〜４６ｍｏｌ％、４４〜４５．５ｍｏｌ％、さらにより好ましくは４４．５〜４５ｍｏｌ％とすることができる。
【００１２】
Ｎａ２ＯおよびＫ２Ｏの合わせたｍｏｌ％含量は５〜３１ｍｏｌ％とすることができる。
【００１３】
本発明のガラスのＮａ２ＯおよびＫ２Ｏ含量は、各々独立に、２〜１７ｍｏｌ％、好ましくは２．５〜１５．５ｍｏｌ％とすることができる。ある実施形態では、必ずしもそうではないが、Ｎａ２ＯおよびＫ２Ｏのｍｏｌ％含量は等量である。ガラス組成物内の成分数を増加すると、熱安定性に有利となる。したがって、一般的な原理として、アルカリ金属含量を増加すると熱安定性は低下しても、Ｎａ２ＯおよびＫ２Ｏの両方を含むことが有利である。
【００１４】
本発明のガラスにおけるＣａＯ＋ＳｒＯの合わせたｍｏｌ％含量は１０〜３５．５ｍｏｌ％とすることができる。本発明のガラスでは、ＣａＯ＋ＳｒＯ含量は、全量がＣａＯ、全量がＳｒＯ、またはＣａＯおよびＳｒＯを組み合わせて占められてよい。好ましくは、ＣａＯおよびＳｒＯの両方が、少なくとも０．５ｍｏｌ％、好ましくは少なくとも１ｍｏｌ％の含量で存在する。一部の実施形態では、ｍｏｌ基準において、総ＣａＯ＋ＳｒＯ含量の最大半分がＳｒＯである。
【００１５】
本発明のガラスにおいて、ＭｇＯは２ｍｏｌ％から９ｍｏｌ％、好ましくは３ｍｏｌ％から８．５ｍｏｌ％、好ましくは３ｍｍｏｌ％から８．２５ｍｍｏｌ％で存在することができる。
【００１６】
本発明のガラスにおいて、ＺｎＯは０．５ｍｏｌ％から４ｍｏｌ％、好ましくは２ｍｏｌ％から４ｍｏｌ％で存在することができる。
【００１７】
本発明のガラスにおけるＰ２Ｏ５の含量は、３．１ｍｏｌ％から７ｍｏｌ％、または３．１ｍｏｌ％から６ｍｏｌ％とすることができる。ある実施形態では、Ｐ２Ｏ５は少なくとも３．５ｍｏｌ％である。したがって、Ｐ２Ｏ５含量は３．５ｍｏｌ％から１０ｍｏｌ％、３．５ｍｏｌ％から７ｍｏｌ％、または３．５ｍｏｌ％から６ｍｏｌ％とすることができる。
【００１８】
本発明のガラスはまた、Ｂ２Ｏ３を０ｍｏｌ％から３ｍｏｌ％、好ましくは０ｍｏｌ％から２ｍｏｌ％含んでよく、および／または金属フッ化物、例えばＣａＦ２、ＳｒＦ２、ＺｎＦ２、ＮｇＦ２、ＫＦまたはＮａＦ、好ましくはＣａＦ２を０ｍｏｌ％から３ｍｏｌ％、好ましくは０ｍｏｌ％から２ｍｏｌ％含んでもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】ガラスＨＰ１、ＨＰ２、ＨＰ３、ＨＰ５、ＨＰ７、ＢＰＳ１、ＦＰＳ１、６Ｐ５７、６Ｐ６１および４５Ｓ５の示差走査熱量測定（ＤＳＣ）トレースを示す図である。
【図２ａ】本発明のガラス粉末およびこれらのガラスを含む焼結コーティングのラマンスペクトルを示す図である。粉末形態、およびＴｉ合金に被覆して７００℃、７２５℃および７５０℃で焼結したガラスＨＰ３のスペクトルを示す図である。
【図２ｂ】本発明のガラス粉末およびこれらのガラスを含む焼結コーティングのラマンスペクトルを示す図である。粉末形態、およびＴｉ合金に被覆して７００℃、７２５℃および７５０℃で焼結したガラスＢＰＳ１のスペクトルを示す図である。
【図２ｃ】本発明のガラス粉末およびこれらのガラスを含む焼結コーティングのラマンスペクトルを示す図である。粉末形態、および６００℃、７００℃、７５０℃および８００℃で熱処理した焼結ガラスＦＰＳ１のスペクトルを示す図である。
【図３ａ】ＳＢＦ中における１日後、１週間後および２週間後のガラスＨＰ２、比較のための結晶性Ｃａ−ヒドロキシアパタイトのラマンスペクトルを示す図である。
【図３ｂ】ＳＢＦ中における１日後、１週間後および２週間後のガラス６Ｐ５７のラマンスペクトルを示す図である。
【図４】４５Ｓ５、ＨＰ１、ＨＰ２およびＨＰ５のガラスを用いて実施したＡＬＰアッセイの結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
一実施形態では、本発明のガラスは、ＳｉＯ２が４０〜５０ｍｏｌ％、Ｎａ２ＯおよびＫ２Ｏを合わせた含量が４〜１６ｍｏｌ％、ＭｇＯが２〜９ｍｏｌ％、ＺｎＯが０．５〜４ｍｏｌ％、Ｐ２Ｏ５が３．１〜１０ｍｏｌ％、Ｂ２Ｏ３が０〜５ｍｏｌ％、金属フッ化物が０〜５ｍｏｌ％、ならびにＣａＯおよびＳｒＯを合わせた含量が２６〜３７ｍｏｌ％の組成を有することができる。本組成のガラスは２〜８ｍｏｌ％のＮａ２Ｏ、および２〜８ｍｏｌ％のＫ２Ｏを含むことができる。本組成のガラスは、ＴｉまたはＴｉ合金のコーティングとしての使用に特に適する。
【００２１】
ガラス組成はＳｉＯ２を４０〜５０ｍｏｌ％、Ｎａ２ＯおよびＫ２Ｏを合わせた含量を４〜１６ｍｏｌ％、ＭｇＯを２〜９ｍｏｌ％、ＺｎＯを２〜３．５ｍｏｌ％、Ｐ２Ｏ５を３．５〜６ｍｏｌ％、Ｂ２Ｏ３を０〜２ｍｏｌ％、金属フッ化物を０〜２ｍｏｌ％、ならびにＣａＯおよびＳｒＯを合わせたｍｏｌ％を２９〜３６ｍｏｌ％とすることができる。ある実施形態では、ＳｉＯ２の含量は４４〜４６ｍｏｌ％、好ましくは４４〜４５．５ｍｏｌ％、より好ましくは４４．５〜４５ｍｏｌ％である。Ｋ２ＯおよびＮａ２Ｏの含量は、独立に、２〜８ｍｏｌ％、好ましくは２．５〜６．８５ｍｏｌ％とすることができる。ＭｇＯ含量は３〜９ｍｏｌ％、好ましくは３．２５〜８．２５ｍｏｌ％とすることができる。ＺｎＯ含量は２．５〜３ｍｏｌ％とすることができる。ある実施形態では、ＣａＯおよびＳｒＯの合わせたｍｏｌ％は、２９．２５〜３５．５ｍｏｌ％である。
【００２２】
別の実施形態では、本発明のガラスは、ＳｉＯ２が４０〜５０ｍｏｌ％、Ｎａ２ＯおよびＫ２Ｏを合わせた含量が１６〜３４ｍｏｌ％、ＭｇＯが２〜９ｍｏｌ％、ＺｎＯが０．５〜４ｍｏｌ％、Ｐ２Ｏ５が３．１〜１０ｍｏｌ％、Ｂ２Ｏ３が０〜５ｍｏｌ％、金属フッ化物が０〜５ｍｏｌ％、ならびにＣａＯおよびＳｒＯを合わせた含量が８〜２６ｍｏｌ％の組成を有することができる。本組成のガラスは、８〜１７ｍｏｌ％のＮａ２Ｏ、および８〜１７ｍｏｌ％のＫ２Ｏを含むことができる。本組成のガラスは、クロム−コバルト合金またはステンレス鋼（例えば、３１６Ｌ）のコーティングとしての使用に特に適する。
【００２３】
好ましくは、ガラス組成は、ＳｉＯ２を４０〜５０ｍｏｌ％、Ｎａ２ＯおよびＫ２Ｏを合わせた含量を１６〜３４ｍｏｌ％、ＭｇＯを２〜９ｍｏｌ％、ＺｎＯを２〜３．５ｍｏｌ％、Ｐ２Ｏ５を３．５〜６ｍｏｌ％、Ｂ２Ｏ３を０〜２ｍｏｌ％、金属フッ化物を０〜２ｍｏｌ％、ならびにＣａＯおよびＳｒＯを合わせた含量を９〜２４ｍｏｌ％とすることができる。ある実施形態では、ＳｉＯ２の含量は４４〜４６ｍｏｌ％、好ましくは４４〜４５．５ｍｏｌ％、より好ましくは４４．５〜４５ｍｏｌ％である。Ｋ２ＯおよびＮａ２Ｏの含量は、独立に、９．７５〜１５．５ｍｏｌ％とすることができる。ＭｇＯ含量は、３〜８ｍｏｌ％、好ましくは３〜７．５ｍｏｌ％とすることができる。ＺｎＯ含量は２．５〜３．５ｍｏｌ％、好ましくは３ｍｏｌ％とすることができる。ＣａＯおよびＳｒＯの合わせたｍｏｌ％は、１０〜２３ｍｏｌ％とすることができる。
【００２４】
ある実施形態では、ガラスは、ＳｉＯ２が４４〜４６ｍｏｌ％（好ましくは４４．５〜４５．５、より好ましくは４５ｍｏｌ％）、Ｎａ２ＯおよびＫ２Ｏを合わせた含量が１８〜２２ｍｏｌ％、Ｐ２Ｏ５が１〜６ｍｏｌ％（好ましくは４〜５ｍｏｌ％、より好ましくは４．５ｍｏｌ％）、Ｂ２Ｏ３が０〜５ｍｏｌ％、金属フッ化物が０〜５ｍｏｌ％、ならびにＣａＯおよびＳｒＯを合わせたｍｏｌ％が１９〜２６ｍｏｌ％（好ましくは、２０〜２３ｍｏｌ％）の組成を有する。本組成のガラスは、独立に、Ｎａ２ＯおよびＫ２Ｏの各々を９〜１１ｍｏｌ％（好ましくは９．５〜１０．５ｍｏｌ％、より好ましくは９．７５〜１０ｍｏｌ％）含むことができる。本組成のガラスは、クロム−コバルト合金のコーティングとしての使用に特に適する。
【００２５】
ある実施形態では、ガラスは、ＳｉＯ２が４４〜４６ｍｏｌ％（好ましくは４４．５〜４５．５、より好ましくは４５ｍｏｌ％）、Ｎａ２ＯおよびＫ２Ｏを合わせた含量が２８〜３４ｍｏｌ％、ＭｇＯが２〜８ｍｏｌ％（好ましくは３〜７ｍｏｌ％）、ＺｎＯが２〜４ｍｏｌ％（好ましくは３ｍｏｌ％）、Ｐ２Ｏ５が３．１〜６ｍｏｌ％（好ましくは４〜５ｍｏｌ％、より好ましくは４．５）、Ｂ２Ｏ３が０〜５ｍｏｌ％、金属フッ化物が０〜５ｍｏｌ％、ならびにＣａＯおよびＳｒＯを合わせたｍｏｌ％が８〜１５ｍｏｌ％（好ましくは１０〜１４．５ｍｏｌ％）の組成を有する。本組成のガラスは、独立に、Ｎａ２ＯおよびＫ２Ｏの各々を１４〜１７ｍｏｌ％（好ましくは１５〜１６ｍｏｌ％、より好ましくは１５．２５〜１５．５ｍｏｌ％）含むことができる。本組成のガラスは、ステンレス鋼（例えば、３１６Ｌ）のコーティングとしての使用に特に適する。
【００２６】
本発明の第１の態様のガラスは、ＭｇＯ含量が８．２５ｍｏｌ％以下、好ましくは７．５ｍｏｌ％以下、ならびにＮａ２ＯおよびＫ２Ｏの合わせた含量が少なくとも８を有するのが好ましい。Ｃｒ−Ｃｏ合金または３１６Ｌの被覆に特に適したものとして記載される本実施形態のガラスでは、Ｎａ２ＯおよびＫ２Ｏを合わせた含量は少なくとも１８ｍｏｌ％であり、３１６Ｌの被覆に特に適したものとして記載されるガラスでは、好ましくは少なくとも２８ｍｏｌ％である。
【００２７】
ガラスは、微粒子の形態、すなわちガラス粉末として提供され得る。
【００２８】
本発明の第１の態様のガラスは、金属製基材または金属合金製基材を被覆するために使用され得る。したがって、第２の態様では、本発明は、本発明の第１の態様のガラスを含む被覆用組成物を提供する。被覆用組成物は、好ましくは医療用または歯科用インプラントであって、かつ例えばＴｉ、Ｔｉ合金、Ｃｒ−Ｃｏ合金またはステンレス鋼から形成され得る金属製基材または金属合金製基材の被覆用途とすることができる。
【００２９】
好ましくは、本発明のガラスは基材上に被覆して、さらに焼結することができる熱特性を有する。ガラス粉末を基材に施用して、かつＴｇより高い温度で焼結して固体のコーティングを形成することによって、コーティングが形成され得る。焼結温度は、例えば６００〜９００℃、好ましくは７００〜８００℃とすることができる。焼結工程時の結晶化を防止するように、ガラス組成物は配合され得る。
【００３０】
コーティングに加えて、本発明のガラスは、繊維（均質構造、またはコア−クラッド構造を有する）、多孔質足場（scaffold）、バルクモノリス（bulk monolith）、生分解性ポリマー製のコンポジット構造物を形成するために、粉末形態（例えば、骨移植片の代替物として）で使用され得る、または凝結反応の間にポリマー中の酸性官能基（例えば、ＰＭＭＡ中のカルボキシレート基）に配位する無機イオンと一緒に、セメントの成分として利用され得る。本発明のガラスは、溶媒中において溶融誘導（melt-derived）ガラス粒子、重合可能なモノマー、架橋剤および開始剤のスラリーを形成するステップ、該スラリーに界面活性剤および触媒を添加するステップ、ガスの存在下でスラリーを震盪して発泡体を製造するステップ、発泡体を乾燥するステップ、および該乾燥発泡体を焼結して多孔質足場を製造するステップを含む工程において、多孔質材料を形成するために使用され得る。本製造工程は、ＷＯ ２００９／１４４４５５に記載されている。
【００３１】
第３の態様では、本発明は金属製基材または金属合金製基材を含む被覆基材、および本発明の第１の態様のガラスから形成されたコーティングを含む。コーティングは、基材表面に施用して、次に焼結して焼結ガラスコーティングを与える本発明の第１の態様のガラスから形成されることになる。コーティングは、単一層コーティングであってもよく、２層コーティングであってもよく、または多層コーティングであってもよいが、少なくとも１つの層が本発明の第１の態様のガラスを含む組成物から形成される。
【００３２】
コーティングは、通常全体で１０〜５００μｍの厚みを有し、約１００μｍが好ましい（すなわち、５０〜１５０μｍ、好ましくは８０〜１２０μｍ）。
【００３３】
基材はチタン金属、チタン合金（例えば、Ｔｉ６Ａｌ４Ｖ）、クロム−コバルト合金またはステンレス鋼（例えば、３１６Ｌ）を含むことができる。
【００３４】
被覆基材は医療用インプラント、例えば、整形外科用インプラントまたは歯科用インプラントとすることができる。基材はコーティングによって完全に被覆された外表面を有してよく、あるいは基材は部分的に被覆されていてもよい。例えば基材がねじの場合、コーティングはねじ溝に存在しているが、ねじ山（thread）には存在しない場合がある。
【００３５】
第４の態様では、本発明は基材を被覆する方法であって、基材が本発明の第３の態様において定義した通りであり、コーティングが本発明の第１の態様のガラスを含む方法を提供する。被覆工程は、粉末ガラス（またはガラスを含む組成物）を基材に施用するステップ、および次に該ガラスを焼結するステップを含む。被覆方法は、スプレーガン、静電式ドライスプレー器、電気泳動堆積、またはそれらの任意の組合せを使用する、浸漬被覆、堆積またはプラズマ溶射とすることができる。被覆基材は熱処理されて、ガラスに焼結される。加熱工程において、界面反応により形成するいかなる気泡もコーティング表面に浮上することを確実とするために、熱処理は真空下で実施されるのが好ましい。
【００３６】
アルミニウムは神経毒であり、かつ非常に低レベルでさえインビボにおいて骨の石灰化の阻害剤となり、したがって、本発明のいかなる態様のガラスもアルミニウムフリーである。
【００３７】
本発明の各態様の好ましい特徴は、組み合わせて存在してもよく、また変更すべきところは変更して、その他のすべての態様に適用してもよい。
【００３８】
本発明は様々な方法で実施することができ、本発明を例示するために、添付の実施例および図面を参照しながら、特定の実施形態のいくつかを実施例によって説明する。
【００３９】
本発明のすべての態様のガラスは、生体活性ガラスとすることができる。生体活性ガラスとは、生きている組織に移植されると、材料と周囲の生きている組織との間に界面結合の形成を誘発することができるガラスのことである。本発明のガラスの生体活性は、ガラス組成物からのイオン放出の結果であり、したがって、本発明のガラスは生理的状態において、イオン放出をもたらすべきである。したがって、本発明のガラスは生理的状態において、少なくとも部分的に吸収性である。
【００４０】
本発明の文脈において、ＳｒＦ２、ＣａＦ２、ＺｎＦ２またはＭｇＦ２などのフッ化金属（ＩＩ）、あるいはＫＦまたはＮａＦなどのフッ化金属（Ｉ）。
【００４１】
本明細書で使用される「チタン」とは医療用グレードのチタン、例えば純チタンＣＰグレード１〜４（ＡＳＴＭ−Ｆ６７）に関する。「Ｔｉ合金」または「Ｔｉ６Ａｌ４Ｖ」とは、ＡＳＴＭ Ｆ１３６において詳述されるような６重量％のアルミニウムおよび４重量％のバナジウム（残りが９０重量％のチタン）と合金されたチタンについて言及する。
【００４２】
本明細書で使用される「クロム−コバルト合金」または「Ｃｒ−Ｃｏ合金」とは、クロムおよびコバルト、また場合によりモリブデンなどの追加の元素を含む合金（例えば、ＡＳＴＭ−Ｆ７５、Ｆ７９９、Ｆ９０またはＦ５６２において規定されている合金）について言及する。
【００４３】
本明細書で使用される「３１６Ｌ」とは、組成がすべて重量％で、Ｃが＜０．０３、Ｍｎが＜２、Ｓｉが＜０．７５、Ｐが＜０．０４５、Ｓが＜０．０３、Ｃｒが１６〜１８、Ｍｏが２〜３、Ｎｉが１０〜１４、Ｎが＜０．１、および残りがＦｅ（例えば、ＡＳＴＭ Ａ２４０／Ａ２４０Ｍ）の低炭素ステンレス鋼合金について言及する。
【００４４】
用語「４５Ｓ５」および「Ｂｉｏｇｌａｓｓ（登録商標）」は、相互交換が可能であり、またｍｏｌ％で４６．１ＳｉＯ２−２４．４Ｎａ２Ｏ−２６．９ＣａＯ−２．６Ｐ２Ｏ５（重量％で４５ＳｉＯ２−２４．５Ｎａ２Ｏ−２４．５ＣａＯ−６Ｐ２Ｏ５）のソーダ石灰リンケイ酸塩組成物について言及する。
【００４５】
本発明および結晶性構造の文脈において、「ガラス」とはアモルファス性の固体であり、また「ガラス−セラミック」とは、焼結後に部分的に結晶化しており、それゆえにアモルファス性構造および結晶性構造が混在しているガラスである。
【００４６】
本出願を通じて、本発明のガラスはある酸化物／フッ化物の組成物を有する、またはこれらの組成物から形成されるものとして記載されるが、ガラス組成物とは、列挙された比の酸化物／フッ化物を含むが、他の成分も含んでよいことを理解されよう。しかし、ガラス組成物が列挙される各例において、本発明は同様に、列挙された酸化物およびフッ化物から本質的に構成される組成物、すなわち他の成分を含むこと無く形成されるガラスをも包含する。成分はバッチ（batch）の組成基準に基づいて、すなわち溶融してガラスを形成する混合物において提供される比で与えられる。
【実施例】
【００４７】
ガラスの製造
本発明のガラスは、従来のメルト−キャスト技法によって製造され得る。ガラスを作製するために使用される試薬は、ガラス組成物の酸化物および／または熱で分解して酸化物を形成する他の化合物、例えば炭酸塩とすることができる。溶融誘導ガラスを、適切な炭酸塩または酸化物を混合するステップ、約１２５０℃から１５００℃の温度で該混合物を溶融して均質化するステップ、該混合物を冷却するステップ、例えば溶融混合物を水に注ぐステップによって調製して、乾燥、粉砕およびふるいにかけてガラス粉末を形成し得るガラスフリットを製造することができる。
【００４８】
以下の実施例において記載されるガラスは、ガラス組成物を構成する種々の酸化物の所望のｍｏｌ％を与える計算量で、試薬ＳｉＯ２、Ｎａ２ＣＯ３、ＣａＣＯ３、Ｋ２ＣＯ３、ＭｇＯ、ＺｎＯ、Ｂ２Ｏ３、Ｐ２Ｏ５、Ｃａ３（ＰＯ４）２、ＮａＰＯ３、Ｎａ３ＰＯ４およびＭｇＦ２の一部またはすべてを混合することによって調製した。リン酸ナトリウムおよびトリリン酸カルシウムがリン酸塩の原料として好ましかった。ＭｇＦ２の代わりに、ＳｒＦ２、ＣａＦ２、ＺｎＦ２、ＮａＦまたはＫＦを使用できることにも留意すべきである。試薬混合物を白金るつぼ中、１３５０〜１４００℃で溶融し、フリットキャストを水に入れてふるいで集め、次に１５０℃で１時間乾燥した。ガラスフリットを回転式ボールミルにおいて３０分間粉砕してガラス粉末を製造し、次に、ふるいにかけて最大粒子サイズが＜３８ミクロンを有するガラス粉末を製造した。平均粒子サイズは、約２０ミクロンであった。
【００４９】
当技術分野においてよく認識されているように、ガラス組成物は、ガラスを形成する溶融混合物中の酸化物（またはフッ化物）成分の比率（ｍｏｌ％）を単位として定義される。
【００５０】
ガラス組成物−コーティング
本発明の好ましいガラス組成物を、表１Ａ、表１Ｂ、表２Ａおよび表２Ｂに示す。表１Ａおよび表１Ｂに示されたガラス組成物は、ＴｉおよびＴｉ合金の被覆に特に有用である。表２Ａおよび表２Ｂに示されたガラス組成物は、クロム−コバルト合金（ＨＰ１４〜１９）および３１６Ｌステンレス鋼（ＨＰ２０〜２５）の被覆に特に有用である。溶融混合物において使用される試薬の、表に示されたｍｏｌ％の酸化物組成物を与える各計算量で、上記のメルト−キャスト技法に準拠してガラスを調製した。例えば、７５．５４ｇのＳｉＯ２、１１．９８ｇのＮａ２ＣＯ３、４５．９５ｇのＣａＣＯ３、６７．７８ｇのＳｒＣＯ３、１５．６２ｇのＫ２ＣＯ３、８．５４ｇのＭｇＯ、６．９０ｇのＺｎＯおよび１８．０５ｇのＰ２Ｏ５から、２００ｇのガラスＨＰ１を調製した。
【００５１】
コーティング用途のガラスを設計する場合に考慮される重要な特性には、熱安定性、基材と釣合いのとれた熱膨張係数、および生体活性が含まれる。ガラス組成を調節することによって、優れた被覆用材料を与えるために必要な熱的特徴が、優れた生体活性を示すガラスに組み合わされ得る。具体的に、特性の改善はリン酸塩含量の増加（これまでに公知のガラスの大部分はリン酸塩を有さない、またはリン酸塩含量が非常に低い）およびＳｉＯ２含量の減量により達成された。
【００５２】
さらに、特性の改善は、低含量であるが、マグネシウムおよび亜鉛を含むことによって達成された。ＭｇおよびＺｎは非毒性であり、また亜鉛は殺菌性なので、それらは魅力的な成分である。これは、創感染のリスクを低減、治癒を加速、および有痛性の修正手術の必要性を低減するためのコーティングにおいて有益である。さらに、ＭｇおよびＺｎ（同様に二酸化ケイ素）は、ガラスを熱的に安定化して、コーティングへの焼結を可能にする。
【００５３】
優れた生体活性を達成するためには、ガラスからのイオンの溶出による、生理的環境の、カルシウムイオン、ストロンチウムイオンおよびリン酸イオンでの過飽和を有することが望ましい。これは、アパタイトの沈殿方向への化学平衡を推進するが、急速に分解しないガラスでは観察されないものである。ＭｇおよびＺｎは、アパタイト格子中における溶解度が乏しいために、アパタイトの結晶成長を阻止することが公知である。このように、マグネシウムおよび亜鉛含量が高すぎると、許容できる期間において、インビボで石灰化するガラスを防止することになる。したがって、ガラスの易焼結性（sinterability）および化学的溶解性の間のバランスを見なければならず、また本発明のガラスにおいて規定される量で存在するマグネシウムおよび亜鉛を有することによって、首尾よく被覆するために必要な熱特性と生体活性の間のバランスが達成される。
【００５４】
【表１】
【００５５】
【表２】
【００５６】
【表３】
【００５７】
【表４】
【００５８】
ガラスの主要成分は二酸化ケイ素なので、二酸化ケイ素含量が特性を支配する傾向がある。二酸化ケイ素含量が増加すると、非架橋性の酸素含量が低下し、またより多くのネットワーク結合（network linkage）が存在する。これは、より剛直なガラスネットワークと関係し、そうして化学反応性（溶出および生体活性）が低下し、また熱機械的特性が向上する（結晶化抵抗性、軟化点、機械的強度）。
【００５９】
リン酸塩含量が増加するにつれて、ケイ酸塩相が核形成して結晶化するための不均質な核形成部位（リン酸塩滴（phosphate droplet））の表面積を増加させるリン酸塩相のサイズが増大するので、ガラスは同様に熱的に一層不安定になる。
【００６０】
本発明のガラスの組成面での設計と、Ｔｏｍｓｉａら（ＵＳ２００２／００７６５２８）のガラス、および同様に４５Ｓ５を出発点とするＷＯ２００７／１４４６６２に開示のガラスとの比較として、Ｔｏｍｓｉａは、ＳｉＯ２をかなり増量、Ｐ２Ｏ５を同量に維持、Ｎａ２ＯおよびＣａＯを減量して、かつＫ２ＯおよびＭｇＯを加えている。ＷＯ２００７／１４４６６２では、ＳｉＯ２がわずかに増量し、Ｐ２Ｏ５、Ｎａ２ＯおよびＣａＯが減量し、かつＫ２Ｏ、ＳｒＯ、ＺｎＯおよびＭｇＯが加えられている。
【００６１】
本発明のガラスに到達するために、ＳｉＯ２含量を低下し、かつリン酸塩含量を増加するという、異なる取り組みが取られている。この取り組みによって、良好な熱安定性と相まって優れた生体活性応答が得られた。これは、（ａ）エネルギー障壁のために、原子レベルの再配列およびサイズが重要な核形成に必要な結晶化に対する障壁となる混合エントロピーを増大する、ガラス中における成分数の多さ、および（ｂ）リン酸塩相が［ＰＯ４］３−錯体を形成するので、これらはバランスを変化させるための変更イオン（modifier ion）を必要とすることに起因し得る。これにより、非架橋性の酸素がケイ酸塩層から流出し、そうしてガラスは組成物から始めに見られるよりも、わずかに重合が進んでいる。これは、ガラスを熱的に安定化することになるが、溶出挙動には大きく影響しない。したがって、リン酸塩含量の増加は、溶解性およびその結果の生体活性を減少させること無く、熱安定性の獲得に主要な役割を果たす。
【００６２】
生体活性および結晶化抵抗性により、メタケイ酸塩（５０％のＳｉＯ２）組成物の周囲が急速に変化するので、本発明のガラスは特性において転移の正しい側にちょうど存在する。
【００６３】
まとめると、生体活性は構造依存性を有するが、同様に元素依存性でもある（Ｃａ、Ｐ、Ｓｒ、特につまり鉛−メタケイ酸塩ガラスは、インビボにおいてＨＡを形成しないことになる）。したがって、ケイ酸塩含量及び構造はＨＡ析出を直接引き起こさない、つまり他のイオンが溶液中に放出されてＨＡを形成する速度を制御する。
【００６４】
熱特性
本発明のガラス組成物は、金属製基材（例えば、チタン、Ｔｉ合金、Ｃｒ−Ｃｏ合金または３１６Ｌ）の熱膨張係数と釣り合う、またはそれよりわずかに大きな熱膨張係数を有するように設計された。これにより、最小限の熱応力または圧縮熱応力が、被覆基材に存在するよう確保されることになる。この一実施例として、ガラスＨＰ１をＴｉ６Ａｌ４Ｖの細片上に被覆した。金属細片上に凹曲線が観察され、該ガラスが該金属よりもわずかに大きなＴＦＣを有し、その結果、対象物を圧迫していることを示している。これは、ガラスなどの脆弱な材料に望ましい。
【００６５】
上で設定した熱データ、すなわちガラスのガラス転移温度（Ｔｇ）の開始、結晶化（Ｔｘ）の開始および結晶化ピーク（Ｔｐ）を得るために選択したガラス粉末について、異なる短い走査（ＤＳＣ）を実施した。ガラスサンプルを、２００℃から１０００℃の間において１０℃／分の加熱速度で測定した。
【００６６】
本発明のガラスのガラス転移温度（Ｔｇ）は十分低く、また粘性流焼結（viscous flow sintering）が金属製基材のアルファ相からベータ相への転移より低く起こることを確実とするためにＴｘ−Ｔｇを最大化するが、これには大きな体積変化を伴う。
【００６７】
ある一般的な生体医療用材料の熱膨張係数は、純チタンおよびＴｉ６Ａｌ４Ｖでは９．２ｘ１０−６℃−１、ＣｒＣｏ（ビタリウム−ＡＳＴＭ Ｆ７５）では１４．０ｘ１０−６℃−１、４５Ｓ５では１５．１ｘ１０−６℃−１、および３１６Ｌでは１７．５ｘ１０−６℃−１である。
【００６８】
チタンおよびＴｉ合金を特定の例として挙げると、上記のように、純チタンおよびＴｉ６Ａｌ４Ｖの熱膨張係数は、９．２ｘ１０−６℃−１である。本発明の様々なガラスの熱特性を表３に示す。
【００６９】
【表５】
【００７０】
上に示されたデータからわかるように、表３に示されたガラスは、ＴｉおよびＴｉ合金よりもわずかに大きいＴＥＣを有する。本発明の第１の態様のガラスすべての操作範囲（Ｔｘ−Ｔｇ）は、＞１００℃である。さらに、これらのガラスの最適焼結温度は、７００〜８００℃の範囲である。これは、９５５℃から１０１０℃（Ｔｉ６Ａｌ４Ｖの場合）の範囲で起こるチタンのアルファ相からベータ相への転移より十分低い。７５０℃では、有意な界面反応が起こることなく、チタンまたはＴｉ合金上にガラス粉末を３０分間焼結することができる。金属製基材または金属合金製基材（例えば、Ｔｉ、Ｖ、Ａｌ）からの金属イオンの拡散は、７５０℃での焼結時には、５ミクロンの界面領域周辺に限られる。
【００７１】
ＴｉまたはＴｉ合金を被覆するために特に適したものとして記載される本発明のガラスは、９〜１１．５（ｘ１０−６℃）の範囲のＴＥＣを有するのが好ましく、Ｃｒ−Ｃｏ合金を被覆するために特に適したものとして記載されるガラスは、１３．５〜１６（ｘ１０−６℃）の範囲のＴＥＣを有するのが好ましく、またステンレス鋼を被覆するために特に適したものとして記載されるガラスは、１７〜１９．５（ｘ１０−６℃）の範囲のＴＥＣを有するのが好ましい。
【００７２】
被覆基材の調製
上記のように調製されたガラス粉末を、浸漬被覆（クロロホルム−ＰＭＭＡ溶液中の懸濁液またはエタノール−ガラススラリーを使用）、および堆積（エタノール中の懸濁液）によって、基材を被覆するために使用した。４２０℃で予備加熱して、その温度で真空にして３０分間保持した歯科向けの陶材焼結炉（Ｊｅｌｒｕｓ社 Ｖ．Ｉ．Ｐ． Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ）で、コーティングを焼結した。次に、炉を６０℃／分で７５０℃まで加熱して、３０分間保持した。次に、真空を解除してサンプルをゆっくり１２０℃まで冷却し、この温度において、サンプルを炉から取り出した。この焼結計画によって、チタンまたはＴｉ合金の粒成長はなんら生じることはなく、したがって金属の疲労強度の低下は何ら予期されないことになる。一実験では、歯科用ねじはガラスＨＰ５で首尾よく被覆された。ガラス層の厚みを制御することができ、製造したねじは、ねじ溝にコーティング（この場合、骨は一般に骨結合する（osseointegrate）ことはない）、およびねじの切断の先端を保つために非被覆ねじ山を含むことになる。
【００７３】
ガラスおよびコーティングのアモルファス性質は、２００ｃｍ−１から１２００ｃｍ−１の間における顕微ラマン分光法を利用して評価した。割れおよび他の欠陥がないか、サンプルを目視検査した。エポキシ樹脂中での断面測定（cross-sectioning）、および走査型電子顕微鏡による検査、およびエネルギー分散型Ｘ線分析（ＳＥＭ−ＥＤＸ）によるさらなる研究のために、良好に結合しているサンプルを選別した。これにより、被覆ガラスと金属製基材間の界面領域の品質および化学的性質の評価が可能となる。
【００７４】
加熱処理中に結晶性成分の形成を少量にしながら、ホウ酸塩およびフッ素含有ガラスからガラス−セラミックコーティングを調製した。ガラスコーティングにおける結晶化は、生体活性に悪影響を及ぼす恐れがあるので、一般に、回避すべきである。したがって、本発明の焼結コーティング内に、ガラスのアモルファス構造を維持することが好ましい。しかし、結晶性成分が、良くない細胞応答をなんら誘発しない、ガラスの分解性を妨害しない、およびガラスのオルトリン酸塩相内でのみ起こるのであれば、ホウ酸塩およびフッ素ガラスにおけるオルトリン酸塩相の一部の結晶化は、コーティング特性に悪影響を及ぼさなかった。実際に、ナノスケールのオルトリン酸塩相が低レベルで存在するフッ素含有ガラスで形成され得るアパタイト様フルオロアパタイト結晶は、コーティングを強固にして、ＨＡ結晶のためのエピタキシャル成長部位をもたらした。
【００７５】
粉末ガラスおよび焼結ガラスコーティングに、ラマンスペクトルを実施した。これらを図２（ａ）、図２（ｂ）および図２（ｃ）に示す。これらのスペクトルからわかるように、焼結ガラスコーティングは、未焼結ガラス粉末と同一のラマンスペクトルを示し、加工時に構造的変化が起こらなかったことを示している。ホウ酸塩または塩化物を含むコーティングにおいては、小さな変化が観察される。主要なｖ１のオルトリン酸塩（Ｑ０）のリン酸塩の９６０ｃｍ−１における振動バンドが鋭くなり、かつ長波長数にわずかにシフトしており、アパタイトに構造が近い、リン酸塩相のナノ結晶性を示している。このバンドは、非縮退のＰ−Ｏ対称伸縮モードの結果である。
【００７６】
生体活性の測定
人工体液（ＳＢＦ）に暴露されるガラス表面上への、炭酸ヒドロキシアパタイト（ＨＣＡ）層の成長速度は、生体活性のインビトロ指標を提供する。本発明の文脈において、以下の手順に準拠してＳＢＦに暴露したときに、結晶性ＨＣＡ層の析出が起これば、ガラスは生体活性であると見なされる。ガラスＨＰ２について本手順に続き、ＨＣＡ形成をインビトロで２週間観察したが、これはＢｉｏｇｌａｓｓ（登録商標）と比較できる。
【００７７】
人工体液の調製
ＫｏｋｕｂｏおよびＴａｋａｄａｍａの方法（Biomaterials 27 (2006)、2907-2915）に準拠してＳＢＦの調製を行い、ＳＢＦ１リットルは蒸留水に溶解した以下の試薬を含有した。
【００７８】
【表６】
【００７９】
生体活性の測定アッセイ
インビトロでのアパタイト形成能、すなわちインビボでの挙動指標を測定するために、規格（ＩＳＯ２３３１７）の人工体液（ＳＢＦ）試験を利用して、ガラス粉末を解析した。本解析では、ガラス粉末は固体のディスク形状の試料以外のものを使用した。使用したガラス粉末の量は、規格において所与の比に相当するＳＢＦ体積に対する該粉末の表面積比を与えるように算出し、これはＳＢＦ６０ｍｌに対して２２５ミクロンの直径のガラス粉末６７．５ｍｇであった。
【００８０】
ＨＣＡの形成は、顕微ラマン分光法によって測定することができる。ＳＢＦに１日、１、２、３および４週間浸漬した後、乾燥粉末を顕微ラマン分光法を用いて解析して、およそ９６０ｃｍ−１におけるＨＣＡリン酸塩の特徴的なｖ１振動バンドの出現を観察した。
【００８１】
ＡＬＰアッセイ
生体活性はまた、以下に記載したようなインビトロのヒト骨芽細胞ＡＬＰアッセイでも測定することができ、この場合、アルカリホスファターゼ（ＡＬＰ）が骨の石灰化のマーカーとなる。本アッセイでは、ヒト骨芽細胞を、ガラス溶出製品中で培養する。
【００８２】
培養培地の調製：ガラス粉末をＵＶ光によって滅菌した（６ウェルプレートに３ｍｇ）。１％のＡ／Ａを含むＤＭＥＭ／Ｆ−１２ ＮＵＴ培地１００ｍｌ中１ｇのガラス粒子を、３７８Ｃ、５％ＣＯ２で一晩インキュベートすることによって、ガラス状態の培地を調製した。ろ過後に、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）発光分析法を用いて、元素濃度を測定した。
【００８３】
細胞培養：ＲＰＭＩ １６４０＋１０％のＦＢＳ＋２ｍＭのＬ−グルタミン中で、ＳＡＯＳ２細胞を培養した。ウェルの組織培養用プラスチック上に、ｃｍ２当たり３０，０００個の細胞を、サンプルと共に播種した。細胞を３０分間かけて付着させた。ウェルを培地と共に引き上げて、１日おきに変えた。
【００８４】
アッセイ：
ＭＴＴ：５ｍｇ／ｍｌのＭＴＴ（Ｓｉｇｍａ社 Ｍ２１２８）５０μｌを各ウェルに加えて、３７Ｃで１時間インキュベートする。培地をすべて除去して５００μｌのＤＭＳＯを加え、その１００μｌを新しいウェルに移注して、６２０ｎｍにおいて読取りを行った（本アッセイは代謝活性を示す）。
【００８５】
ＡＬＰ：培地をすべて除去し、５００μｌのｄｄＨ２Ｏを添加し、凍結融解して、５０μｌの細胞溶解物を５０μｌのＡＬＰ溶液（０．１Ｍ グリシン、０．１Ｍ ＺｎＣｌ２、０．１Ｍ ＭｇＣｌ２、５ｍｌ当たり１錠のニトロフェニルリン酸錠剤）と混合する。ウェルあたり５０μｌの１ＭのＮａＯＨで反応を停止する。４０５ｎｍにおいて読取りを行う。
【００８６】
全ＤＮＡ：同一の細胞溶解物由来とし、５０μｌの細胞溶解物を５０μｌのＨｏｅｃｈｓｔ Ｄｙｅ（１０ｍＭのＴｒｉｓ、１ｍＭのＥＤＴＡ、２ＭのＮａＣｌ、ｐＨ ７．４のＴＮＥバッファー中、２０μｇ／ｍｌ）と混合する。ｅｘｃ．３６０ｎｍ、ｅｍ．４６０ｎｍにおいて読取りを行う（Rago R, Mitchell J, Wilding G, Analytical Biochemistry 191,31-34,1990）。
【００８７】
ＡＬＰアッセイの結果（ＤＮＡに規格化）を図４に示す。図４において、ガラスは、左から右へ、Ｓｒ含量の順、すなわち４５Ｓ５、ＨＰ２、ＨＰ５およびＨＰ１の順にプロットする。ＡＬＰは、本発明のガラスについて一般により高く、またＳｒ含量とともに増加する。
【００８８】
追加の細胞アッセイ結果
ガラスＨＰ５、ＨＰ２およびＨＰ１を、メルト−クエンチ法（melt-quench route）によって製造した。１．５ｇ／Ｌのガラス粉末（＜３８μｍ）を、ＲＰＭｌ １６４０培養培地に加えて、３７℃で４時間、ローラー上でインキュベートして、次に過剰のガラスをろ過した。溶解しているイオン濃度を、誘導結合プラズマ−質量分析法（ＩＣＰ−ＭＳ）によって確認した。富培養培地には、１０％（ｗ／ｖ）のＦＢＳ、２ｍＭのＬ−グルタミン、１％（ｗ／ｖ）のペニシリン−ストレプトマイシン、および骨石灰化剤（５ｍＭのβ−グリセロリン酸および５０μｇ／ｍＬのアスコルビン酸）を補給した。代謝活性（ＭＴＴ）およびアルカリホスファターゼ（ＡＬＰ）解析用に、Ｓａ Ｏｓ−２ヒト骨肉腫細胞を３０，０００／ｃｍ２でプレートし、一方、テトラサイクリン染色用には３４，４００／ｃｍ２の密度を用いた。４５Ｓ５をすべての実験における対照に使用した。テトラゾリム塩の減少に基づくＭＴＴ活性を、プレーティングの１、７、１４および２１日後に測定した。基質としてｐ−ニトロフェニルリン酸を用いてＡＬＰ活性を測定し、テトラゾリウム塩（ＩＮＴ）の赤色ホルマザンへの変換を測定するラクテートデヒドロゲナーゼ（ＬＤＨ）酵素活性に対する細胞数に規格化（normalize）した。新しく形成した無機物を可視化するために、２０日後培養物に１０μｇ／ｍＬのテトラサイクリンＨＣｌを加えて、２４時間後に蛍光画像を撮影した。画像の半定量的解析を実施した。
【００８９】
ＨＰ１、ＨＰ２およびＨＰ５のすべてが、４５Ｓ５と同様のレベルの代謝活性を示した。４５Ｓ５と比較すると、７日後の培養物中におけるＡＬＰ活性は、すべての被覆用ガラスにおいて増強された。４５Ｓ５と比較すると、ＨＰ１、ＨＰ２およびＨＰ５に暴露したＳａＯｓ−２は、１４日後の培養物では、一層大きなＡＬＰ活性を示した。２１日後に４５Ｓ５を含むすべての群と比較すると、溶出イオンで処理したＳａＯｓ−２は、テトラサイクリン染色について明るい染色を示した。Ｓｒ置換とテトラサイクリン染色との間の正の相関は、染色領域の半定量的解析によって裏付けられた。
【００９０】
Ｂｉｏｇｌａｓｓ（登録商標）４５Ｓ５と比較すると、細胞あたりのＡＬＰ活性、すなわち活発に石灰化する細胞のマーカーは、ＨＰ１、ＨＰ２およびＨＰ５で処理した培養物において一層高かった。Ｓｒの添加を増量すると、ＡＬＰ活性の比例的な増加をもたらした。これは、ＨＰ１で処理した培養物において、骨小節形成に対する最も明るい染色を示すテトラサイクリン染色の結果と一致する。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＳｉＯ２−Ｎａ２Ｏ−ＣａＯ−Ｋ２Ｏ−ＳｒＯ−ＭｇＯ−ＺｎＯ−Ｐ２Ｏ５−Ｂ２Ｏ３−ＭＦｘ（式中、Ｍは１価または２価の陽イオンであり、ｘは１または２である）系の少なくとも６つの成分を含む多成分ガラス、およびコーティングとしてのそれらの使用に関する。
【背景技術】
【０００２】
生体的に活性な（または生体活性のある）材料は、生きている組織に移植されると、該材料および周囲の組織との間に界面結合の形成を誘発する材料である。生体活性ガラスは、生体活性ガラスと骨などの生きている組織との間に強固な結合形成をもたらす生体的活性を誘発するように設計された表面反応性ガラスおよびガラス−セラミックのグループである。生体活性ガラスの生体活性とは、生理的条件下におけるガラス表面上での一連の複雑な生理化学的反応の結果であり、炭酸ヒドロキシアパタイト（ＨＣＡ）相の沈殿および結晶化をもたらす。
【０００３】
生きている組織と相互作用する生体活性ガラスの能力のために、これらは多くの医療的用途で利用されており、これらの１つは、整形外科用インプラントを含む医療用補綴物向けのコーティングを提供することである。
【０００４】
金属製の補綴物は通常、チタン（Ｔｉ）、Ｔｉ合金（Ｔｉ６Ａｌ４Ｖ）、Ｃｒ−Ｃｏ合金およびステンレス鋼（３１６Ｌ）などの金属または金属合金から作製される。これらは優れた機械的特性を有しており、また非毒性であるが、生体的に不活性である。インプラントは生体的に不活性な性質のために、移植後、体は密集した線維性組織層にインプラントを被包する。これは貧弱な応力分布をもたらす恐れがあり、かつ最後には骨−インプラント界面に追加的な外科的手段を必要とするという失敗に至る恐れがある。
【０００５】
インプラントを生体活性層で被覆すると、線維性組織の形成をなくすことによって骨−インプラント界面が改善されて、骨への直接的な結合に至る可能性がある。これはまた、インプラントの固定を改善するために使用されてきたが、ＰＭＭＡセメントで固定したインプラントに起因する多くの死亡のために日本においてある議論を引き起こした、ＰＭＭＡ系セメントの必要性を排除する。
【０００６】
ヒドロキシアパタイト（ＨＡ）は、無機の石灰化した骨と類似の生体活性のあるセラミックである。ＨＡ系のコーティングは、金属製インプラント上にプラズマ溶射されるが、プラズマ溶射工程はアモルファス性および結晶性の相の混合物をもたらし、また複雑な形状を被覆するのは困難である。この組成面における不確実性は、体内における不安定な分解状態をもたらす恐れがある。さらに、ＨＡと金属製基材の間に、界面に失敗をもたらす恐れがある熱膨張の大きな不釣合いがある。
【０００７】
１９７０年代にＨｅｎｃｈらによって開発され、ＦＤＡ承認された４５Ｓ５ Ｂｉｏｇｌａｓｓ（登録商標）は、多段階溶出工程によってインビトロおよびインビボでのＨＣＡ形成を誘発する。しかし、４５Ｓ５は、ガラス転移温度（Ｔｇ）より高く加熱すると、容易に結晶化する傾向を有する。この材料の熱膨張係数（ＴＥＣ）はまた、生体医療用インプラントを作製するために一般に使用される金属のＴＥＣよりも大きい。この大きな熱膨張の不釣合いおよび脱ガラス化に向かう傾向は、ガラス粉末を金属製基材に施用してＴｇより高い温度で焼結して均質な固体コーティングを形成する、エナメル加工によって製造するコーティングとして、Ｂｉｏｇｌａｓｓ（登録商標）の使用を排除する。
【０００８】
熱安定性の向上およびより一層低いＴＥＣとするために、４５Ｓ５のガラス組成物の改変に関する研究が、Ｔｏｍｓｉａらによって実施された（ＵＳ２００２／００７６５２８）。通常、ガラスの二酸化ケイ素含量が増加され、アルカリ金属（例えば、ＮａおよびＫ）含量が減量されて、かつ酸化マグネシウムおよび三酸化ホウ素などの他の成分が添加される。ガラス構造がメタケイ酸塩構造（５０ｍｏｌ％のＳｉＯ２、直線性ケイ酸塩の鎖）から遠ざかるので、二酸化ケイ素含量の増加が支配的となり、また生体活性応答を低下させるにつれて、これらの改変は４５Ｓ５に比べて、コーティングの生体活性を低下させる傾向を有する。チタンをうまく被膜する２つの組成物、それぞれ５７重量％および６１重量％のＳｉＯ２を含有する６Ｐ５７および６Ｐ６１が特定されている。しかし、前者のガラスは人工体液（simulated body fluid）（ＳＢＦ）において、ＨＣＡの形成に１カ月かかり、また後者のガラスは、ＳＢＦにおいて２カ月間でも、ＨＣＡを全く形成しない。その結果、被覆基材の表面は、生体活性応答を向上させるためのヒドロキシアパタイト（ＨＡ）または４５Ｓ５の粒子によって充填される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ガラス組成物を調節する（tailoring）、特に３ｍｏｌ％を超える含量のリン酸塩を配合し、かつ多成分ガラス系内の他の酸化物の含量を調節することによって、ガラス組成物は、脱ガラスについて安定化することにより該ガラスをコーティングとして首尾よく使用するのに適したものとし、また熱膨張係数（ＴＥＣ）を制御し、さらに優れた生体活性を示す熱特性を有することを示す。ある種の多成分ガラス組成物は、練り歯磨きなどの個人ケア製品中の活性成分としての使用に有益なものとする抗微生物特性、生体適合特性および生体活性特性を示すこともまた、明らかにされた。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
したがって、第１の態様では、本発明は
ＳｉＯ２ ３５〜５５．９ｍｏｌ％、
Ｎａ２ＯおよびＫ２Ｏの合わせた含量が４〜３４ｍｏｌ％、
ＭｇＯ ０．５〜９ｍｏｌ％、
ＺｎＯ ０．５〜４ｍｏｌ％、
Ｐ２Ｏ５ ３．１〜１０ｍｏｌ％、
Ｂ２Ｏ３ ０〜５ｍｏｌ％、
金属フッ化物 ０〜５ｍｏｌ％、ならびに
ＣａＯおよびＳｒＯの合わせたｍｏｌ％が８〜３７ｍｏｌ％の組成を有し、
Ｎａ２ＯおよびＫ２Ｏの各々が、少なくとも２ｍｏｌ％存在する、
アルミニウムフリー（alminium-free）のガラスを提供する。
【００１１】
本発明のガラス組成物において、ＳｉＯ２含量は４０〜５０ｍｏｌ％、好ましくは４３．５〜４７ｍｏｌ％、より好ましくは４４〜４６ｍｏｌ％、４４〜４５．５ｍｏｌ％、さらにより好ましくは４４．５〜４５ｍｏｌ％とすることができる。
【００１２】
Ｎａ２ＯおよびＫ２Ｏの合わせたｍｏｌ％含量は５〜３１ｍｏｌ％とすることができる。
【００１３】
本発明のガラスのＮａ２ＯおよびＫ２Ｏ含量は、各々独立に、２〜１７ｍｏｌ％、好ましくは２．５〜１５．５ｍｏｌ％とすることができる。ある実施形態では、必ずしもそうではないが、Ｎａ２ＯおよびＫ２Ｏのｍｏｌ％含量は等量である。ガラス組成物内の成分数を増加すると、熱安定性に有利となる。したがって、一般的な原理として、アルカリ金属含量を増加すると熱安定性は低下しても、Ｎａ２ＯおよびＫ２Ｏの両方を含むことが有利である。
【００１４】
本発明のガラスにおけるＣａＯ＋ＳｒＯの合わせたｍｏｌ％含量は１０〜３５．５ｍｏｌ％とすることができる。本発明のガラスでは、ＣａＯ＋ＳｒＯ含量は、全量がＣａＯ、全量がＳｒＯ、またはＣａＯおよびＳｒＯを組み合わせて占められてよい。好ましくは、ＣａＯおよびＳｒＯの両方が、少なくとも０．５ｍｏｌ％、好ましくは少なくとも１ｍｏｌ％の含量で存在する。一部の実施形態では、ｍｏｌ基準において、総ＣａＯ＋ＳｒＯ含量の最大半分がＳｒＯである。
【００１５】
本発明のガラスにおいて、ＭｇＯは２ｍｏｌ％から９ｍｏｌ％、好ましくは３ｍｏｌ％から８．５ｍｏｌ％、好ましくは３ｍｍｏｌ％から８．２５ｍｍｏｌ％で存在することができる。
【００１６】
本発明のガラスにおいて、ＺｎＯは０．５ｍｏｌ％から４ｍｏｌ％、好ましくは２ｍｏｌ％から４ｍｏｌ％で存在することができる。
【００１７】
本発明のガラスにおけるＰ２Ｏ５の含量は、３．１ｍｏｌ％から７ｍｏｌ％、または３．１ｍｏｌ％から６ｍｏｌ％とすることができる。ある実施形態では、Ｐ２Ｏ５は少なくとも３．５ｍｏｌ％である。したがって、Ｐ２Ｏ５含量は３．５ｍｏｌ％から１０ｍｏｌ％、３．５ｍｏｌ％から７ｍｏｌ％、または３．５ｍｏｌ％から６ｍｏｌ％とすることができる。
【００１８】
本発明のガラスはまた、Ｂ２Ｏ３を０ｍｏｌ％から３ｍｏｌ％、好ましくは０ｍｏｌ％から２ｍｏｌ％含んでよく、および／または金属フッ化物、例えばＣａＦ２、ＳｒＦ２、ＺｎＦ２、ＮｇＦ２、ＫＦまたはＮａＦ、好ましくはＣａＦ２を０ｍｏｌ％から３ｍｏｌ％、好ましくは０ｍｏｌ％から２ｍｏｌ％含んでもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】ガラスＨＰ１、ＨＰ２、ＨＰ３、ＨＰ５、ＨＰ７、ＢＰＳ１、ＦＰＳ１、６Ｐ５７、６Ｐ６１および４５Ｓ５の示差走査熱量測定（ＤＳＣ）トレースを示す図である。
【図２ａ】本発明のガラス粉末およびこれらのガラスを含む焼結コーティングのラマンスペクトルを示す図である。粉末形態、およびＴｉ合金に被覆して７００℃、７２５℃および７５０℃で焼結したガラスＨＰ３のスペクトルを示す図である。
【図２ｂ】本発明のガラス粉末およびこれらのガラスを含む焼結コーティングのラマンスペクトルを示す図である。粉末形態、およびＴｉ合金に被覆して７００℃、７２５℃および７５０℃で焼結したガラスＢＰＳ１のスペクトルを示す図である。
【図２ｃ】本発明のガラス粉末およびこれらのガラスを含む焼結コーティングのラマンスペクトルを示す図である。粉末形態、および６００℃、７００℃、７５０℃および８００℃で熱処理した焼結ガラスＦＰＳ１のスペクトルを示す図である。
【図３ａ】ＳＢＦ中における１日後、１週間後および２週間後のガラスＨＰ２、比較のための結晶性Ｃａ−ヒドロキシアパタイトのラマンスペクトルを示す図である。
【図３ｂ】ＳＢＦ中における１日後、１週間後および２週間後のガラス６Ｐ５７のラマンスペクトルを示す図である。
【図４】４５Ｓ５、ＨＰ１、ＨＰ２およびＨＰ５のガラスを用いて実施したＡＬＰアッセイの結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
一実施形態では、本発明のガラスは、ＳｉＯ２が４０〜５０ｍｏｌ％、Ｎａ２ＯおよびＫ２Ｏを合わせた含量が４〜１６ｍｏｌ％、ＭｇＯが２〜９ｍｏｌ％、ＺｎＯが０．５〜４ｍｏｌ％、Ｐ２Ｏ５が３．１〜１０ｍｏｌ％、Ｂ２Ｏ３が０〜５ｍｏｌ％、金属フッ化物が０〜５ｍｏｌ％、ならびにＣａＯおよびＳｒＯを合わせた含量が２６〜３７ｍｏｌ％の組成を有することができる。本組成のガラスは２〜８ｍｏｌ％のＮａ２Ｏ、および２〜８ｍｏｌ％のＫ２Ｏを含むことができる。本組成のガラスは、ＴｉまたはＴｉ合金のコーティングとしての使用に特に適する。
【００２１】
ガラス組成はＳｉＯ２を４０〜５０ｍｏｌ％、Ｎａ２ＯおよびＫ２Ｏを合わせた含量を４〜１６ｍｏｌ％、ＭｇＯを２〜９ｍｏｌ％、ＺｎＯを２〜３．５ｍｏｌ％、Ｐ２Ｏ５を３．５〜６ｍｏｌ％、Ｂ２Ｏ３を０〜２ｍｏｌ％、金属フッ化物を０〜２ｍｏｌ％、ならびにＣａＯおよびＳｒＯを合わせたｍｏｌ％を２９〜３６ｍｏｌ％とすることができる。ある実施形態では、ＳｉＯ２の含量は４４〜４６ｍｏｌ％、好ましくは４４〜４５．５ｍｏｌ％、より好ましくは４４．５〜４５ｍｏｌ％である。Ｋ２ＯおよびＮａ２Ｏの含量は、独立に、２〜８ｍｏｌ％、好ましくは２．５〜６．８５ｍｏｌ％とすることができる。ＭｇＯ含量は３〜９ｍｏｌ％、好ましくは３．２５〜８．２５ｍｏｌ％とすることができる。ＺｎＯ含量は２．５〜３ｍｏｌ％とすることができる。ある実施形態では、ＣａＯおよびＳｒＯの合わせたｍｏｌ％は、２９．２５〜３５．５ｍｏｌ％である。
【００２２】
別の実施形態では、本発明のガラスは、ＳｉＯ２が４０〜５０ｍｏｌ％、Ｎａ２ＯおよびＫ２Ｏを合わせた含量が１６〜３４ｍｏｌ％、ＭｇＯが２〜９ｍｏｌ％、ＺｎＯが０．５〜４ｍｏｌ％、Ｐ２Ｏ５が３．１〜１０ｍｏｌ％、Ｂ２Ｏ３が０〜５ｍｏｌ％、金属フッ化物が０〜５ｍｏｌ％、ならびにＣａＯおよびＳｒＯを合わせた含量が８〜２６ｍｏｌ％の組成を有することができる。本組成のガラスは、８〜１７ｍｏｌ％のＮａ２Ｏ、および８〜１７ｍｏｌ％のＫ２Ｏを含むことができる。本組成のガラスは、クロム−コバルト合金またはステンレス鋼（例えば、３１６Ｌ）のコーティングとしての使用に特に適する。
【００２３】
好ましくは、ガラス組成は、ＳｉＯ２を４０〜５０ｍｏｌ％、Ｎａ２ＯおよびＫ２Ｏを合わせた含量を１６〜３４ｍｏｌ％、ＭｇＯを２〜９ｍｏｌ％、ＺｎＯを２〜３．５ｍｏｌ％、Ｐ２Ｏ５を３．５〜６ｍｏｌ％、Ｂ２Ｏ３を０〜２ｍｏｌ％、金属フッ化物を０〜２ｍｏｌ％、ならびにＣａＯおよびＳｒＯを合わせた含量を９〜２４ｍｏｌ％とすることができる。ある実施形態では、ＳｉＯ２の含量は４４〜４６ｍｏｌ％、好ましくは４４〜４５．５ｍｏｌ％、より好ましくは４４．５〜４５ｍｏｌ％である。Ｋ２ＯおよびＮａ２Ｏの含量は、独立に、９．７５〜１５．５ｍｏｌ％とすることができる。ＭｇＯ含量は、３〜８ｍｏｌ％、好ましくは３〜７．５ｍｏｌ％とすることができる。ＺｎＯ含量は２．５〜３．５ｍｏｌ％、好ましくは３ｍｏｌ％とすることができる。ＣａＯおよびＳｒＯの合わせたｍｏｌ％は、１０〜２３ｍｏｌ％とすることができる。
【００２４】
ある実施形態では、ガラスは、ＳｉＯ２が４４〜４６ｍｏｌ％（好ましくは４４．５〜４５．５、より好ましくは４５ｍｏｌ％）、Ｎａ２ＯおよびＫ２Ｏを合わせた含量が１８〜２２ｍｏｌ％、Ｐ２Ｏ５が１〜６ｍｏｌ％（好ましくは４〜５ｍｏｌ％、より好ましくは４．５ｍｏｌ％）、Ｂ２Ｏ３が０〜５ｍｏｌ％、金属フッ化物が０〜５ｍｏｌ％、ならびにＣａＯおよびＳｒＯを合わせたｍｏｌ％が１９〜２６ｍｏｌ％（好ましくは、２０〜２３ｍｏｌ％）の組成を有する。本組成のガラスは、独立に、Ｎａ２ＯおよびＫ２Ｏの各々を９〜１１ｍｏｌ％（好ましくは９．５〜１０．５ｍｏｌ％、より好ましくは９．７５〜１０ｍｏｌ％）含むことができる。本組成のガラスは、クロム−コバルト合金のコーティングとしての使用に特に適する。
【００２５】
ある実施形態では、ガラスは、ＳｉＯ２が４４〜４６ｍｏｌ％（好ましくは４４．５〜４５．５、より好ましくは４５ｍｏｌ％）、Ｎａ２ＯおよびＫ２Ｏを合わせた含量が２８〜３４ｍｏｌ％、ＭｇＯが２〜８ｍｏｌ％（好ましくは３〜７ｍｏｌ％）、ＺｎＯが２〜４ｍｏｌ％（好ましくは３ｍｏｌ％）、Ｐ２Ｏ５が３．１〜６ｍｏｌ％（好ましくは４〜５ｍｏｌ％、より好ましくは４．５）、Ｂ２Ｏ３が０〜５ｍｏｌ％、金属フッ化物が０〜５ｍｏｌ％、ならびにＣａＯおよびＳｒＯを合わせたｍｏｌ％が８〜１５ｍｏｌ％（好ましくは１０〜１４．５ｍｏｌ％）の組成を有する。本組成のガラスは、独立に、Ｎａ２ＯおよびＫ２Ｏの各々を１４〜１７ｍｏｌ％（好ましくは１５〜１６ｍｏｌ％、より好ましくは１５．２５〜１５．５ｍｏｌ％）含むことができる。本組成のガラスは、ステンレス鋼（例えば、３１６Ｌ）のコーティングとしての使用に特に適する。
【００２６】
本発明の第１の態様のガラスは、ＭｇＯ含量が８．２５ｍｏｌ％以下、好ましくは７．５ｍｏｌ％以下、ならびにＮａ２ＯおよびＫ２Ｏの合わせた含量が少なくとも８を有するのが好ましい。Ｃｒ−Ｃｏ合金または３１６Ｌの被覆に特に適したものとして記載される本実施形態のガラスでは、Ｎａ２ＯおよびＫ２Ｏを合わせた含量は少なくとも１８ｍｏｌ％であり、３１６Ｌの被覆に特に適したものとして記載されるガラスでは、好ましくは少なくとも２８ｍｏｌ％である。
【００２７】
ガラスは、微粒子の形態、すなわちガラス粉末として提供され得る。
【００２８】
本発明の第１の態様のガラスは、金属製基材または金属合金製基材を被覆するために使用され得る。したがって、第２の態様では、本発明は、本発明の第１の態様のガラスを含む被覆用組成物を提供する。被覆用組成物は、好ましくは医療用または歯科用インプラントであって、かつ例えばＴｉ、Ｔｉ合金、Ｃｒ−Ｃｏ合金またはステンレス鋼から形成され得る金属製基材または金属合金製基材の被覆用途とすることができる。
【００２９】
好ましくは、本発明のガラスは基材上に被覆して、さらに焼結することができる熱特性を有する。ガラス粉末を基材に施用して、かつＴｇより高い温度で焼結して固体のコーティングを形成することによって、コーティングが形成され得る。焼結温度は、例えば６００〜９００℃、好ましくは７００〜８００℃とすることができる。焼結工程時の結晶化を防止するように、ガラス組成物は配合され得る。
【００３０】
コーティングに加えて、本発明のガラスは、繊維（均質構造、またはコア−クラッド構造を有する）、多孔質足場（scaffold）、バルクモノリス（bulk monolith）、生分解性ポリマー製のコンポジット構造物を形成するために、粉末形態（例えば、骨移植片の代替物として）で使用され得る、または凝結反応の間にポリマー中の酸性官能基（例えば、ＰＭＭＡ中のカルボキシレート基）に配位する無機イオンと一緒に、セメントの成分として利用され得る。本発明のガラスは、溶媒中において溶融誘導（melt-derived）ガラス粒子、重合可能なモノマー、架橋剤および開始剤のスラリーを形成するステップ、該スラリーに界面活性剤および触媒を添加するステップ、ガスの存在下でスラリーを震盪して発泡体を製造するステップ、発泡体を乾燥するステップ、および該乾燥発泡体を焼結して多孔質足場を製造するステップを含む工程において、多孔質材料を形成するために使用され得る。本製造工程は、ＷＯ ２００９／１４４４５５に記載されている。
【００３１】
第３の態様では、本発明は金属製基材または金属合金製基材を含む被覆基材、および本発明の第１の態様のガラスから形成されたコーティングを含む。コーティングは、基材表面に施用して、次に焼結して焼結ガラスコーティングを与える本発明の第１の態様のガラスから形成されることになる。コーティングは、単一層コーティングであってもよく、２層コーティングであってもよく、または多層コーティングであってもよいが、少なくとも１つの層が本発明の第１の態様のガラスを含む組成物から形成される。
【００３２】
コーティングは、通常全体で１０〜５００μｍの厚みを有し、約１００μｍが好ましい（すなわち、５０〜１５０μｍ、好ましくは８０〜１２０μｍ）。
【００３３】
基材はチタン金属、チタン合金（例えば、Ｔｉ６Ａｌ４Ｖ）、クロム−コバルト合金またはステンレス鋼（例えば、３１６Ｌ）を含むことができる。
【００３４】
被覆基材は医療用インプラント、例えば、整形外科用インプラントまたは歯科用インプラントとすることができる。基材はコーティングによって完全に被覆された外表面を有してよく、あるいは基材は部分的に被覆されていてもよい。例えば基材がねじの場合、コーティングはねじ溝に存在しているが、ねじ山（thread）には存在しない場合がある。
【００３５】
第４の態様では、本発明は基材を被覆する方法であって、基材が本発明の第３の態様において定義した通りであり、コーティングが本発明の第１の態様のガラスを含む方法を提供する。被覆工程は、粉末ガラス（またはガラスを含む組成物）を基材に施用するステップ、および次に該ガラスを焼結するステップを含む。被覆方法は、スプレーガン、静電式ドライスプレー器、電気泳動堆積、またはそれらの任意の組合せを使用する、浸漬被覆、堆積またはプラズマ溶射とすることができる。被覆基材は熱処理されて、ガラスに焼結される。加熱工程において、界面反応により形成するいかなる気泡もコーティング表面に浮上することを確実とするために、熱処理は真空下で実施されるのが好ましい。
【００３６】
アルミニウムは神経毒であり、かつ非常に低レベルでさえインビボにおいて骨の石灰化の阻害剤となり、したがって、本発明のいかなる態様のガラスもアルミニウムフリーである。
【００３７】
本発明の各態様の好ましい特徴は、組み合わせて存在してもよく、また変更すべきところは変更して、その他のすべての態様に適用してもよい。
【００３８】
本発明は様々な方法で実施することができ、本発明を例示するために、添付の実施例および図面を参照しながら、特定の実施形態のいくつかを実施例によって説明する。
【００３９】
本発明のすべての態様のガラスは、生体活性ガラスとすることができる。生体活性ガラスとは、生きている組織に移植されると、材料と周囲の生きている組織との間に界面結合の形成を誘発することができるガラスのことである。本発明のガラスの生体活性は、ガラス組成物からのイオン放出の結果であり、したがって、本発明のガラスは生理的状態において、イオン放出をもたらすべきである。したがって、本発明のガラスは生理的状態において、少なくとも部分的に吸収性である。
【００４０】
本発明の文脈において、ＳｒＦ２、ＣａＦ２、ＺｎＦ２またはＭｇＦ２などのフッ化金属（ＩＩ）、あるいはＫＦまたはＮａＦなどのフッ化金属（Ｉ）。
【００４１】
本明細書で使用される「チタン」とは医療用グレードのチタン、例えば純チタンＣＰグレード１〜４（ＡＳＴＭ−Ｆ６７）に関する。「Ｔｉ合金」または「Ｔｉ６Ａｌ４Ｖ」とは、ＡＳＴＭ Ｆ１３６において詳述されるような６重量％のアルミニウムおよび４重量％のバナジウム（残りが９０重量％のチタン）と合金されたチタンについて言及する。
【００４２】
本明細書で使用される「クロム−コバルト合金」または「Ｃｒ−Ｃｏ合金」とは、クロムおよびコバルト、また場合によりモリブデンなどの追加の元素を含む合金（例えば、ＡＳＴＭ−Ｆ７５、Ｆ７９９、Ｆ９０またはＦ５６２において規定されている合金）について言及する。
【００４３】
本明細書で使用される「３１６Ｌ」とは、組成がすべて重量％で、Ｃが＜０．０３、Ｍｎが＜２、Ｓｉが＜０．７５、Ｐが＜０．０４５、Ｓが＜０．０３、Ｃｒが１６〜１８、Ｍｏが２〜３、Ｎｉが１０〜１４、Ｎが＜０．１、および残りがＦｅ（例えば、ＡＳＴＭ Ａ２４０／Ａ２４０Ｍ）の低炭素ステンレス鋼合金について言及する。
【００４４】
用語「４５Ｓ５」および「Ｂｉｏｇｌａｓｓ（登録商標）」は、相互交換が可能であり、またｍｏｌ％で４６．１ＳｉＯ２−２４．４Ｎａ２Ｏ−２６．９ＣａＯ−２．６Ｐ２Ｏ５（重量％で４５ＳｉＯ２−２４．５Ｎａ２Ｏ−２４．５ＣａＯ−６Ｐ２Ｏ５）のソーダ石灰リンケイ酸塩組成物について言及する。
【００４５】
本発明および結晶性構造の文脈において、「ガラス」とはアモルファス性の固体であり、また「ガラス−セラミック」とは、焼結後に部分的に結晶化しており、それゆえにアモルファス性構造および結晶性構造が混在しているガラスである。
【００４６】
本出願を通じて、本発明のガラスはある酸化物／フッ化物の組成物を有する、またはこれらの組成物から形成されるものとして記載されるが、ガラス組成物とは、列挙された比の酸化物／フッ化物を含むが、他の成分も含んでよいことを理解されよう。しかし、ガラス組成物が列挙される各例において、本発明は同様に、列挙された酸化物およびフッ化物から本質的に構成される組成物、すなわち他の成分を含むこと無く形成されるガラスをも包含する。成分はバッチ（batch）の組成基準に基づいて、すなわち溶融してガラスを形成する混合物において提供される比で与えられる。
【実施例】
【００４７】
ガラスの製造
本発明のガラスは、従来のメルト−キャスト技法によって製造され得る。ガラスを作製するために使用される試薬は、ガラス組成物の酸化物および／または熱で分解して酸化物を形成する他の化合物、例えば炭酸塩とすることができる。溶融誘導ガラスを、適切な炭酸塩または酸化物を混合するステップ、約１２５０℃から１５００℃の温度で該混合物を溶融して均質化するステップ、該混合物を冷却するステップ、例えば溶融混合物を水に注ぐステップによって調製して、乾燥、粉砕およびふるいにかけてガラス粉末を形成し得るガラスフリットを製造することができる。
【００４８】
以下の実施例において記載されるガラスは、ガラス組成物を構成する種々の酸化物の所望のｍｏｌ％を与える計算量で、試薬ＳｉＯ２、Ｎａ２ＣＯ３、ＣａＣＯ３、Ｋ２ＣＯ３、ＭｇＯ、ＺｎＯ、Ｂ２Ｏ３、Ｐ２Ｏ５、Ｃａ３（ＰＯ４）２、ＮａＰＯ３、Ｎａ３ＰＯ４およびＭｇＦ２の一部またはすべてを混合することによって調製した。リン酸ナトリウムおよびトリリン酸カルシウムがリン酸塩の原料として好ましかった。ＭｇＦ２の代わりに、ＳｒＦ２、ＣａＦ２、ＺｎＦ２、ＮａＦまたはＫＦを使用できることにも留意すべきである。試薬混合物を白金るつぼ中、１３５０〜１４００℃で溶融し、フリットキャストを水に入れてふるいで集め、次に１５０℃で１時間乾燥した。ガラスフリットを回転式ボールミルにおいて３０分間粉砕してガラス粉末を製造し、次に、ふるいにかけて最大粒子サイズが＜３８ミクロンを有するガラス粉末を製造した。平均粒子サイズは、約２０ミクロンであった。
【００４９】
当技術分野においてよく認識されているように、ガラス組成物は、ガラスを形成する溶融混合物中の酸化物（またはフッ化物）成分の比率（ｍｏｌ％）を単位として定義される。
【００５０】
ガラス組成物−コーティング
本発明の好ましいガラス組成物を、表１Ａ、表１Ｂ、表２Ａおよび表２Ｂに示す。表１Ａおよび表１Ｂに示されたガラス組成物は、ＴｉおよびＴｉ合金の被覆に特に有用である。表２Ａおよび表２Ｂに示されたガラス組成物は、クロム−コバルト合金（ＨＰ１４〜１９）および３１６Ｌステンレス鋼（ＨＰ２０〜２５）の被覆に特に有用である。溶融混合物において使用される試薬の、表に示されたｍｏｌ％の酸化物組成物を与える各計算量で、上記のメルト−キャスト技法に準拠してガラスを調製した。例えば、７５．５４ｇのＳｉＯ２、１１．９８ｇのＮａ２ＣＯ３、４５．９５ｇのＣａＣＯ３、６７．７８ｇのＳｒＣＯ３、１５．６２ｇのＫ２ＣＯ３、８．５４ｇのＭｇＯ、６．９０ｇのＺｎＯおよび１８．０５ｇのＰ２Ｏ５から、２００ｇのガラスＨＰ１を調製した。
【００５１】
コーティング用途のガラスを設計する場合に考慮される重要な特性には、熱安定性、基材と釣合いのとれた熱膨張係数、および生体活性が含まれる。ガラス組成を調節することによって、優れた被覆用材料を与えるために必要な熱的特徴が、優れた生体活性を示すガラスに組み合わされ得る。具体的に、特性の改善はリン酸塩含量の増加（これまでに公知のガラスの大部分はリン酸塩を有さない、またはリン酸塩含量が非常に低い）およびＳｉＯ２含量の減量により達成された。
【００５２】
さらに、特性の改善は、低含量であるが、マグネシウムおよび亜鉛を含むことによって達成された。ＭｇおよびＺｎは非毒性であり、また亜鉛は殺菌性なので、それらは魅力的な成分である。これは、創感染のリスクを低減、治癒を加速、および有痛性の修正手術の必要性を低減するためのコーティングにおいて有益である。さらに、ＭｇおよびＺｎ（同様に二酸化ケイ素）は、ガラスを熱的に安定化して、コーティングへの焼結を可能にする。
【００５３】
優れた生体活性を達成するためには、ガラスからのイオンの溶出による、生理的環境の、カルシウムイオン、ストロンチウムイオンおよびリン酸イオンでの過飽和を有することが望ましい。これは、アパタイトの沈殿方向への化学平衡を推進するが、急速に分解しないガラスでは観察されないものである。ＭｇおよびＺｎは、アパタイト格子中における溶解度が乏しいために、アパタイトの結晶成長を阻止することが公知である。このように、マグネシウムおよび亜鉛含量が高すぎると、許容できる期間において、インビボで石灰化するガラスを防止することになる。したがって、ガラスの易焼結性（sinterability）および化学的溶解性の間のバランスを見なければならず、また本発明のガラスにおいて規定される量で存在するマグネシウムおよび亜鉛を有することによって、首尾よく被覆するために必要な熱特性と生体活性の間のバランスが達成される。
【００５４】
【表１】
【００５５】
【表２】
【００５６】
【表３】
【００５７】
【表４】
【００５８】
ガラスの主要成分は二酸化ケイ素なので、二酸化ケイ素含量が特性を支配する傾向がある。二酸化ケイ素含量が増加すると、非架橋性の酸素含量が低下し、またより多くのネットワーク結合（network linkage）が存在する。これは、より剛直なガラスネットワークと関係し、そうして化学反応性（溶出および生体活性）が低下し、また熱機械的特性が向上する（結晶化抵抗性、軟化点、機械的強度）。
【００５９】
リン酸塩含量が増加するにつれて、ケイ酸塩相が核形成して結晶化するための不均質な核形成部位（リン酸塩滴（phosphate droplet））の表面積を増加させるリン酸塩相のサイズが増大するので、ガラスは同様に熱的に一層不安定になる。
【００６０】
本発明のガラスの組成面での設計と、Ｔｏｍｓｉａら（ＵＳ２００２／００７６５２８）のガラス、および同様に４５Ｓ５を出発点とするＷＯ２００７／１４４６６２に開示のガラスとの比較として、Ｔｏｍｓｉａは、ＳｉＯ２をかなり増量、Ｐ２Ｏ５を同量に維持、Ｎａ２ＯおよびＣａＯを減量して、かつＫ２ＯおよびＭｇＯを加えている。ＷＯ２００７／１４４６６２では、ＳｉＯ２がわずかに増量し、Ｐ２Ｏ５、Ｎａ２ＯおよびＣａＯが減量し、かつＫ２Ｏ、ＳｒＯ、ＺｎＯおよびＭｇＯが加えられている。
【００６１】
本発明のガラスに到達するために、ＳｉＯ２含量を低下し、かつリン酸塩含量を増加するという、異なる取り組みが取られている。この取り組みによって、良好な熱安定性と相まって優れた生体活性応答が得られた。これは、（ａ）エネルギー障壁のために、原子レベルの再配列およびサイズが重要な核形成に必要な結晶化に対する障壁となる混合エントロピーを増大する、ガラス中における成分数の多さ、および（ｂ）リン酸塩相が［ＰＯ４］３−錯体を形成するので、これらはバランスを変化させるための変更イオン（modifier ion）を必要とすることに起因し得る。これにより、非架橋性の酸素がケイ酸塩層から流出し、そうしてガラスは組成物から始めに見られるよりも、わずかに重合が進んでいる。これは、ガラスを熱的に安定化することになるが、溶出挙動には大きく影響しない。したがって、リン酸塩含量の増加は、溶解性およびその結果の生体活性を減少させること無く、熱安定性の獲得に主要な役割を果たす。
【００６２】
生体活性および結晶化抵抗性により、メタケイ酸塩（５０％のＳｉＯ２）組成物の周囲が急速に変化するので、本発明のガラスは特性において転移の正しい側にちょうど存在する。
【００６３】
まとめると、生体活性は構造依存性を有するが、同様に元素依存性でもある（Ｃａ、Ｐ、Ｓｒ、特につまり鉛−メタケイ酸塩ガラスは、インビボにおいてＨＡを形成しないことになる）。したがって、ケイ酸塩含量及び構造はＨＡ析出を直接引き起こさない、つまり他のイオンが溶液中に放出されてＨＡを形成する速度を制御する。
【００６４】
熱特性
本発明のガラス組成物は、金属製基材（例えば、チタン、Ｔｉ合金、Ｃｒ−Ｃｏ合金または３１６Ｌ）の熱膨張係数と釣り合う、またはそれよりわずかに大きな熱膨張係数を有するように設計された。これにより、最小限の熱応力または圧縮熱応力が、被覆基材に存在するよう確保されることになる。この一実施例として、ガラスＨＰ１をＴｉ６Ａｌ４Ｖの細片上に被覆した。金属細片上に凹曲線が観察され、該ガラスが該金属よりもわずかに大きなＴＦＣを有し、その結果、対象物を圧迫していることを示している。これは、ガラスなどの脆弱な材料に望ましい。
【００６５】
上で設定した熱データ、すなわちガラスのガラス転移温度（Ｔｇ）の開始、結晶化（Ｔｘ）の開始および結晶化ピーク（Ｔｐ）を得るために選択したガラス粉末について、異なる短い走査（ＤＳＣ）を実施した。ガラスサンプルを、２００℃から１０００℃の間において１０℃／分の加熱速度で測定した。
【００６６】
本発明のガラスのガラス転移温度（Ｔｇ）は十分低く、また粘性流焼結（viscous flow sintering）が金属製基材のアルファ相からベータ相への転移より低く起こることを確実とするためにＴｘ−Ｔｇを最大化するが、これには大きな体積変化を伴う。
【００６７】
ある一般的な生体医療用材料の熱膨張係数は、純チタンおよびＴｉ６Ａｌ４Ｖでは９．２ｘ１０−６℃−１、ＣｒＣｏ（ビタリウム−ＡＳＴＭ Ｆ７５）では１４．０ｘ１０−６℃−１、４５Ｓ５では１５．１ｘ１０−６℃−１、および３１６Ｌでは１７．５ｘ１０−６℃−１である。
【００６８】
チタンおよびＴｉ合金を特定の例として挙げると、上記のように、純チタンおよびＴｉ６Ａｌ４Ｖの熱膨張係数は、９．２ｘ１０−６℃−１である。本発明の様々なガラスの熱特性を表３に示す。
【００６９】
【表５】
【００７０】
上に示されたデータからわかるように、表３に示されたガラスは、ＴｉおよびＴｉ合金よりもわずかに大きいＴＥＣを有する。本発明の第１の態様のガラスすべての操作範囲（Ｔｘ−Ｔｇ）は、＞１００℃である。さらに、これらのガラスの最適焼結温度は、７００〜８００℃の範囲である。これは、９５５℃から１０１０℃（Ｔｉ６Ａｌ４Ｖの場合）の範囲で起こるチタンのアルファ相からベータ相への転移より十分低い。７５０℃では、有意な界面反応が起こることなく、チタンまたはＴｉ合金上にガラス粉末を３０分間焼結することができる。金属製基材または金属合金製基材（例えば、Ｔｉ、Ｖ、Ａｌ）からの金属イオンの拡散は、７５０℃での焼結時には、５ミクロンの界面領域周辺に限られる。
【００７１】
ＴｉまたはＴｉ合金を被覆するために特に適したものとして記載される本発明のガラスは、９〜１１．５（ｘ１０−６℃）の範囲のＴＥＣを有するのが好ましく、Ｃｒ−Ｃｏ合金を被覆するために特に適したものとして記載されるガラスは、１３．５〜１６（ｘ１０−６℃）の範囲のＴＥＣを有するのが好ましく、またステンレス鋼を被覆するために特に適したものとして記載されるガラスは、１７〜１９．５（ｘ１０−６℃）の範囲のＴＥＣを有するのが好ましい。
【００７２】
被覆基材の調製
上記のように調製されたガラス粉末を、浸漬被覆（クロロホルム−ＰＭＭＡ溶液中の懸濁液またはエタノール−ガラススラリーを使用）、および堆積（エタノール中の懸濁液）によって、基材を被覆するために使用した。４２０℃で予備加熱して、その温度で真空にして３０分間保持した歯科向けの陶材焼結炉（Ｊｅｌｒｕｓ社 Ｖ．Ｉ．Ｐ． Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ）で、コーティングを焼結した。次に、炉を６０℃／分で７５０℃まで加熱して、３０分間保持した。次に、真空を解除してサンプルをゆっくり１２０℃まで冷却し、この温度において、サンプルを炉から取り出した。この焼結計画によって、チタンまたはＴｉ合金の粒成長はなんら生じることはなく、したがって金属の疲労強度の低下は何ら予期されないことになる。一実験では、歯科用ねじはガラスＨＰ５で首尾よく被覆された。ガラス層の厚みを制御することができ、製造したねじは、ねじ溝にコーティング（この場合、骨は一般に骨結合する（osseointegrate）ことはない）、およびねじの切断の先端を保つために非被覆ねじ山を含むことになる。
【００７３】
ガラスおよびコーティングのアモルファス性質は、２００ｃｍ−１から１２００ｃｍ−１の間における顕微ラマン分光法を利用して評価した。割れおよび他の欠陥がないか、サンプルを目視検査した。エポキシ樹脂中での断面測定（cross-sectioning）、および走査型電子顕微鏡による検査、およびエネルギー分散型Ｘ線分析（ＳＥＭ−ＥＤＸ）によるさらなる研究のために、良好に結合しているサンプルを選別した。これにより、被覆ガラスと金属製基材間の界面領域の品質および化学的性質の評価が可能となる。
【００７４】
加熱処理中に結晶性成分の形成を少量にしながら、ホウ酸塩およびフッ素含有ガラスからガラス−セラミックコーティングを調製した。ガラスコーティングにおける結晶化は、生体活性に悪影響を及ぼす恐れがあるので、一般に、回避すべきである。したがって、本発明の焼結コーティング内に、ガラスのアモルファス構造を維持することが好ましい。しかし、結晶性成分が、良くない細胞応答をなんら誘発しない、ガラスの分解性を妨害しない、およびガラスのオルトリン酸塩相内でのみ起こるのであれば、ホウ酸塩およびフッ素ガラスにおけるオルトリン酸塩相の一部の結晶化は、コーティング特性に悪影響を及ぼさなかった。実際に、ナノスケールのオルトリン酸塩相が低レベルで存在するフッ素含有ガラスで形成され得るアパタイト様フルオロアパタイト結晶は、コーティングを強固にして、ＨＡ結晶のためのエピタキシャル成長部位をもたらした。
【００７５】
粉末ガラスおよび焼結ガラスコーティングに、ラマンスペクトルを実施した。これらを図２（ａ）、図２（ｂ）および図２（ｃ）に示す。これらのスペクトルからわかるように、焼結ガラスコーティングは、未焼結ガラス粉末と同一のラマンスペクトルを示し、加工時に構造的変化が起こらなかったことを示している。ホウ酸塩または塩化物を含むコーティングにおいては、小さな変化が観察される。主要なｖ１のオルトリン酸塩（Ｑ０）のリン酸塩の９６０ｃｍ−１における振動バンドが鋭くなり、かつ長波長数にわずかにシフトしており、アパタイトに構造が近い、リン酸塩相のナノ結晶性を示している。このバンドは、非縮退のＰ−Ｏ対称伸縮モードの結果である。
【００７６】
生体活性の測定
人工体液（ＳＢＦ）に暴露されるガラス表面上への、炭酸ヒドロキシアパタイト（ＨＣＡ）層の成長速度は、生体活性のインビトロ指標を提供する。本発明の文脈において、以下の手順に準拠してＳＢＦに暴露したときに、結晶性ＨＣＡ層の析出が起これば、ガラスは生体活性であると見なされる。ガラスＨＰ２について本手順に続き、ＨＣＡ形成をインビトロで２週間観察したが、これはＢｉｏｇｌａｓｓ（登録商標）と比較できる。
【００７７】
人工体液の調製
ＫｏｋｕｂｏおよびＴａｋａｄａｍａの方法（Biomaterials 27 (2006)、2907-2915）に準拠してＳＢＦの調製を行い、ＳＢＦ１リットルは蒸留水に溶解した以下の試薬を含有した。
【００７８】
【表６】
【００７９】
生体活性の測定アッセイ
インビトロでのアパタイト形成能、すなわちインビボでの挙動指標を測定するために、規格（ＩＳＯ２３３１７）の人工体液（ＳＢＦ）試験を利用して、ガラス粉末を解析した。本解析では、ガラス粉末は固体のディスク形状の試料以外のものを使用した。使用したガラス粉末の量は、規格において所与の比に相当するＳＢＦ体積に対する該粉末の表面積比を与えるように算出し、これはＳＢＦ６０ｍｌに対して２２５ミクロンの直径のガラス粉末６７．５ｍｇであった。
【００８０】
ＨＣＡの形成は、顕微ラマン分光法によって測定することができる。ＳＢＦに１日、１、２、３および４週間浸漬した後、乾燥粉末を顕微ラマン分光法を用いて解析して、およそ９６０ｃｍ−１におけるＨＣＡリン酸塩の特徴的なｖ１振動バンドの出現を観察した。
【００８１】
ＡＬＰアッセイ
生体活性はまた、以下に記載したようなインビトロのヒト骨芽細胞ＡＬＰアッセイでも測定することができ、この場合、アルカリホスファターゼ（ＡＬＰ）が骨の石灰化のマーカーとなる。本アッセイでは、ヒト骨芽細胞を、ガラス溶出製品中で培養する。
【００８２】
培養培地の調製：ガラス粉末をＵＶ光によって滅菌した（６ウェルプレートに３ｍｇ）。１％のＡ／Ａを含むＤＭＥＭ／Ｆ−１２ ＮＵＴ培地１００ｍｌ中１ｇのガラス粒子を、３７８Ｃ、５％ＣＯ２で一晩インキュベートすることによって、ガラス状態の培地を調製した。ろ過後に、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）発光分析法を用いて、元素濃度を測定した。
【００８３】
細胞培養：ＲＰＭＩ １６４０＋１０％のＦＢＳ＋２ｍＭのＬ−グルタミン中で、ＳＡＯＳ２細胞を培養した。ウェルの組織培養用プラスチック上に、ｃｍ２当たり３０，０００個の細胞を、サンプルと共に播種した。細胞を３０分間かけて付着させた。ウェルを培地と共に引き上げて、１日おきに変えた。
【００８４】
アッセイ：
ＭＴＴ：５ｍｇ／ｍｌのＭＴＴ（Ｓｉｇｍａ社 Ｍ２１２８）５０μｌを各ウェルに加えて、３７Ｃで１時間インキュベートする。培地をすべて除去して５００μｌのＤＭＳＯを加え、その１００μｌを新しいウェルに移注して、６２０ｎｍにおいて読取りを行った（本アッセイは代謝活性を示す）。
【００８５】
ＡＬＰ：培地をすべて除去し、５００μｌのｄｄＨ２Ｏを添加し、凍結融解して、５０μｌの細胞溶解物を５０μｌのＡＬＰ溶液（０．１Ｍ グリシン、０．１Ｍ ＺｎＣｌ２、０．１Ｍ ＭｇＣｌ２、５ｍｌ当たり１錠のニトロフェニルリン酸錠剤）と混合する。ウェルあたり５０μｌの１ＭのＮａＯＨで反応を停止する。４０５ｎｍにおいて読取りを行う。
【００８６】
全ＤＮＡ：同一の細胞溶解物由来とし、５０μｌの細胞溶解物を５０μｌのＨｏｅｃｈｓｔ Ｄｙｅ（１０ｍＭのＴｒｉｓ、１ｍＭのＥＤＴＡ、２ＭのＮａＣｌ、ｐＨ ７．４のＴＮＥバッファー中、２０μｇ／ｍｌ）と混合する。ｅｘｃ．３６０ｎｍ、ｅｍ．４６０ｎｍにおいて読取りを行う（Rago R, Mitchell J, Wilding G, Analytical Biochemistry 191,31-34,1990）。
【００８７】
ＡＬＰアッセイの結果（ＤＮＡに規格化）を図４に示す。図４において、ガラスは、左から右へ、Ｓｒ含量の順、すなわち４５Ｓ５、ＨＰ２、ＨＰ５およびＨＰ１の順にプロットする。ＡＬＰは、本発明のガラスについて一般により高く、またＳｒ含量とともに増加する。
【００８８】
追加の細胞アッセイ結果
ガラスＨＰ５、ＨＰ２およびＨＰ１を、メルト−クエンチ法（melt-quench route）によって製造した。１．５ｇ／Ｌのガラス粉末（＜３８μｍ）を、ＲＰＭｌ １６４０培養培地に加えて、３７℃で４時間、ローラー上でインキュベートして、次に過剰のガラスをろ過した。溶解しているイオン濃度を、誘導結合プラズマ−質量分析法（ＩＣＰ−ＭＳ）によって確認した。富培養培地には、１０％（ｗ／ｖ）のＦＢＳ、２ｍＭのＬ−グルタミン、１％（ｗ／ｖ）のペニシリン−ストレプトマイシン、および骨石灰化剤（５ｍＭのβ−グリセロリン酸および５０μｇ／ｍＬのアスコルビン酸）を補給した。代謝活性（ＭＴＴ）およびアルカリホスファターゼ（ＡＬＰ）解析用に、Ｓａ Ｏｓ−２ヒト骨肉腫細胞を３０，０００／ｃｍ２でプレートし、一方、テトラサイクリン染色用には３４，４００／ｃｍ２の密度を用いた。４５Ｓ５をすべての実験における対照に使用した。テトラゾリム塩の減少に基づくＭＴＴ活性を、プレーティングの１、７、１４および２１日後に測定した。基質としてｐ−ニトロフェニルリン酸を用いてＡＬＰ活性を測定し、テトラゾリウム塩（ＩＮＴ）の赤色ホルマザンへの変換を測定するラクテートデヒドロゲナーゼ（ＬＤＨ）酵素活性に対する細胞数に規格化（normalize）した。新しく形成した無機物を可視化するために、２０日後培養物に１０μｇ／ｍＬのテトラサイクリンＨＣｌを加えて、２４時間後に蛍光画像を撮影した。画像の半定量的解析を実施した。
【００８９】
ＨＰ１、ＨＰ２およびＨＰ５のすべてが、４５Ｓ５と同様のレベルの代謝活性を示した。４５Ｓ５と比較すると、７日後の培養物中におけるＡＬＰ活性は、すべての被覆用ガラスにおいて増強された。４５Ｓ５と比較すると、ＨＰ１、ＨＰ２およびＨＰ５に暴露したＳａＯｓ−２は、１４日後の培養物では、一層大きなＡＬＰ活性を示した。２１日後に４５Ｓ５を含むすべての群と比較すると、溶出イオンで処理したＳａＯｓ−２は、テトラサイクリン染色について明るい染色を示した。Ｓｒ置換とテトラサイクリン染色との間の正の相関は、染色領域の半定量的解析によって裏付けられた。
【００９０】
Ｂｉｏｇｌａｓｓ（登録商標）４５Ｓ５と比較すると、細胞あたりのＡＬＰ活性、すなわち活発に石灰化する細胞のマーカーは、ＨＰ１、ＨＰ２およびＨＰ５で処理した培養物において一層高かった。Ｓｒの添加を増量すると、ＡＬＰ活性の比例的な増加をもたらした。これは、ＨＰ１で処理した培養物において、骨小節形成に対する最も明るい染色を示すテトラサイクリン染色の結果と一致する。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
以下の成分：
ＳｉＯ２ ３５〜５５．９ｍｏｌ％、
Ｎａ２ＯおよびＫ２Ｏの合わせた含量が４〜３４ｍｏｌ％、
ＭｇＯ ０．５〜９ｍｏｌ％、
ＺｎＯ ０．５〜４ｍｏｌ％、
Ｐ２Ｏ５ ３．１〜１０ｍｏｌ％、
Ｂ２Ｏ３ ０〜５ｍｏｌ％、
金属フッ化物 ０〜５ｍｏｌ％、ならびに
ＣａＯおよびＳｒＯの合わせたｍｏｌ％が８〜３７ｍｏｌ％
から形成され、
Ｎａ２ＯおよびＫ２Ｏの各々が、少なくとも２ｍｏｌ％存在する、
アルミニウムフリーのガラス。
【請求項２】
ＳｉＯ２含量が、４０〜５０ｍｏｌ％、好ましくは４３．５〜４７ｍｏｌ％、より好ましくは４４〜４６ｍｏｌ％、４４〜４５．５ｍｏｌ％、さらにより好ましくは４４．５〜４５ｍｏｌ％である、請求項２に記載のガラス。
【請求項３】
含量が、それぞれ独立に、２〜１７ｍｏｌ％、好ましくは２．５〜１５．５ｍｏｌ％である、請求項１または請求項２に記載のガラス。
【請求項４】
ＣａＯおよびＳｒＯの両方が、少なくとも０．５ｍｏｌ％、好ましくは少なくとも１ｍｏｌ％の含量で存在する、請求項１から３のいずれかに記載のガラス。
【請求項５】
ａ）ＭｇＯ含量が２ｍｏｌ％から９ｍｏｌ％、好ましくは３ｍｏｌ％から８．５ｍｏｌ％、好ましくは３ｍｏｌ％から８．２５ｍｏｌ％、
ｂ）ＺｎＯ含量が２ｍｏｌ％から４ｍｏｌ％、
ｃ）Ｐ２Ｏ５の最低含量が３．５ｍｏｌ％、および／またはＰ２Ｏ５の最大含量が１０ｍｏｌ％、７ｍｏｌ％または６ｍｏｌ％、
ｄ）Ｂ２Ｏ３含量が０ｍｏｌ％から３ｍｏｌ％、好ましくは０ｍｏｌ％から２ｍｏｌ％、および
ｅ）金属フッ化物の含量が０ｍｏｌ％から３ｍｏｌ％、好ましくは０ｍｏｌ％から２ｍｏｌ％
の１つ、２つ以上またはすべてを含む、請求項１から４のいずれかに記載のガラス。
【請求項６】
ＳｉＯ２が４０〜５０ｍｏｌ％、Ｎａ２ＯおよびＫ２Ｏを合わせた含量が４〜１６ｍｏｌ％、ＭｇＯが２〜９ｍｏｌ％、ＺｎＯが０．５〜４ｍｏｌ％、Ｐ２Ｏ５が３．１〜１０ｍｏｌ％、Ｂ２Ｏ３が０〜５ｍｏｌ％、金属フッ化物が０〜５ｍｏｌ％、ならびにＣａＯおよびＳｒＯを合わせた含量が２６〜３７ｍｏｌ％の組成を有する、請求項１から５のいずれかに記載のガラス。
【請求項７】
ａ）Ｎａ２Ｏ ２〜８ｍｏｌ％、
ｂ）Ｋ２Ｏ ２〜８ｍｏｌ％、
ｃ）ＺｎＯ ２〜３．５ｍｏｌ％、
ｄ）Ｐ２Ｏ５ ３．５〜６ｍｏｌ％、
ｅ）Ｂ２Ｏ３ ０〜２ｍｏｌ％、
ｆ）金属フッ化物 ０〜２ｍｏｌ％、
ｇ）ＣａＯおよびＳｒＯの合わせたｍｏｌ％が２９〜３６ｍｏｌ％、ならびに
ｈ）ＳｉＯ２含量 ４４〜４６ｍｏｌ％
の１つ、２つ以上またはすべてを含む、請求項６に記載のガラス。
【請求項８】
ＳｉＯ２が４０〜５０ｍｏｌ％、Ｎａ２ＯおよびＫ２Ｏを合わせた含量が１６〜３４ｍｏｌ％、ＭｇＯが２〜９ｍｏｌ％、ＺｎＯが０．５〜４ｍｏｌ％、Ｐ２Ｏ５が３．１〜１０ｍｏｌ％、Ｂ２Ｏ３が０〜５ｍｏｌ％、金属フッ化物が０〜５ｍｏｌ％、ならびにＣａＯおよびＳｒＯを合わせた含量が８〜２６ｍｏｌ％の組成を有する、請求項１から５のいずれか一項に記載のガラス。
【請求項９】
ａ）Ｎａ２Ｏ ８〜１７ｍｏｌ％、
ｂ）Ｋ２Ｏ ８〜１７ｍｏｌ％、
ｃ）ＺｎＯ ２〜３．５ｍｏｌ％、
ｄ）Ｐ２Ｏ５ ３．５〜６ｍｏｌ％、
ｅ）Ｂ２Ｏ３ ０〜２ｍｏｌ％、
ｆ）金属フッ化物 ０〜２ｍｏｌ％、
ｇ）ＣａＯおよびＳｒＯの合わせたｍｏｌ％が９〜２４ｍｏｌ％、ならびに
ｈ）ＳｉＯ２ ４４〜４６ｍｏｌ％
の１つ、２つ以上またはすべてを含む、請求項８に記載のガラス。
【請求項１０】
ＳｉＯ２が４４〜４６ｍｏｌ％、Ｎａ２ＯおよびＫ２Ｏを合わせた含量が１８〜２２ｍｏｌ％、Ｐ２Ｏ５が１〜６ｍｏｌ％、Ｂ２Ｏ３が０〜５ｍｏｌ％、金属フッ化物が０〜５ｍｏｌ％、ならびにＣａＯおよびＳｒＯを合わせたｍｏｌ％が１９〜２６ｍｏｌ％の組成を有する、請求項８または９に記載のガラス。
【請求項１１】
ＳｉＯ２が４４〜４６ｍｏｌ％、Ｎａ２ＯおよびＫ２Ｏを合わせた含量が２８〜３４ｍｏｌ％、ＭｇＯが２〜８ｍｏｌ％、ＺｎＯが２〜４ｍｏｌ％、Ｐ２Ｏ５が３．１〜６ｍｏｌ％、Ｂ２Ｏ３が０〜５ｍｏｌ％、金属フッ化物が０〜５ｍｏｌ％、ならびにＣａＯおよびＳｒＯを合わせたｍｏｌ％が８〜１５ｍｏｌ％の組成を有する、請求項８または９に記載のガラス。
【請求項１２】
ＭｇＯ含量が８．２５ｍｏｌ％以下であり、Ｎａ２ＯおよびＫ２Ｏの合わせた含量が少なくとも８ｍｏｌ％有する、請求項１から１１のいずれかに記載のガラス。
【請求項１３】
微粒子形態である、請求項１から１２のいずれかに記載のガラス。
【請求項１４】
請求項１から１３のいずれか一項に記載のガラスを含む被覆用組成物。
【請求項１５】
金属製基材または金属合金製基材、および請求項１から１３のいずれか一項に記載のガラスから形成される焼結コーティングを含む被覆基材。
【請求項１６】
チタン金属、チタン合金、クロム−コバルト合金またはステンレス鋼を含む、請求項１５に記載の被覆基材。
【請求項１７】
医療用または歯科用インプラント、例えば、外科成形用または歯科用インプラントである、請求項１５または１６に記載の被覆基材。
【請求項１８】
ａ）基材がＴｉまたはＴｉ合金を含み、かつコーティングが請求項１から７、１２または１３のいずれか一項に記載のガラスから形成される、
ｂ）基材がＣｒ−Ｃｏ合金を含み、かつコーティングが請求項１から５、８から１０、１２または１３のいずれか一項に記載のガラスから形成される、
ｃ）基材がステンレス鋼を含み、かつコーティングが請求項１から５、８、９または１１から１３のいずれか一項に記載のガラスから形成される、
請求項１５から１７のいずれか一項に記載の被覆基材。
【請求項１９】
金属製基材または金属合金製基材を被覆する方法であって、請求項１から１３のいずれかに記載のガラスを前記基材に施用して、次にガラスを焼結することを含む方法。
【請求項２０】
金属製基材または金属合金製基材の被覆に使用するための、請求項１から１３のいずれか一項に記載のガラス、または請求項１４に記載の組成物。
【請求項２１】
請求項１から１３のいずれか一項に記載のガラスを含む多孔質足場。
【請求項２２】
１つまたは複数の実施例および／または図を参照して、本明細書中に実質的に記載された、ガラス、コーティング、被覆基材、ガラス粉末または方法。
【請求項１】
以下の成分：
ＳｉＯ２ ３５〜５５．９ｍｏｌ％、
Ｎａ２ＯおよびＫ２Ｏの合わせた含量が４〜３４ｍｏｌ％、
ＭｇＯ ０．５〜９ｍｏｌ％、
ＺｎＯ ０．５〜４ｍｏｌ％、
Ｐ２Ｏ５ ３．１〜１０ｍｏｌ％、
Ｂ２Ｏ３ ０〜５ｍｏｌ％、
金属フッ化物 ０〜５ｍｏｌ％、ならびに
ＣａＯおよびＳｒＯの合わせたｍｏｌ％が８〜３７ｍｏｌ％
から形成され、
Ｎａ２ＯおよびＫ２Ｏの各々が、少なくとも２ｍｏｌ％存在する、
アルミニウムフリーのガラス。
【請求項２】
ＳｉＯ２含量が、４０〜５０ｍｏｌ％、好ましくは４３．５〜４７ｍｏｌ％、より好ましくは４４〜４６ｍｏｌ％、４４〜４５．５ｍｏｌ％、さらにより好ましくは４４．５〜４５ｍｏｌ％である、請求項２に記載のガラス。
【請求項３】
含量が、それぞれ独立に、２〜１７ｍｏｌ％、好ましくは２．５〜１５．５ｍｏｌ％である、請求項１または請求項２に記載のガラス。
【請求項４】
ＣａＯおよびＳｒＯの両方が、少なくとも０．５ｍｏｌ％、好ましくは少なくとも１ｍｏｌ％の含量で存在する、請求項１から３のいずれかに記載のガラス。
【請求項５】
ａ）ＭｇＯ含量が２ｍｏｌ％から９ｍｏｌ％、好ましくは３ｍｏｌ％から８．５ｍｏｌ％、好ましくは３ｍｏｌ％から８．２５ｍｏｌ％、
ｂ）ＺｎＯ含量が２ｍｏｌ％から４ｍｏｌ％、
ｃ）Ｐ２Ｏ５の最低含量が３．５ｍｏｌ％、および／またはＰ２Ｏ５の最大含量が１０ｍｏｌ％、７ｍｏｌ％または６ｍｏｌ％、
ｄ）Ｂ２Ｏ３含量が０ｍｏｌ％から３ｍｏｌ％、好ましくは０ｍｏｌ％から２ｍｏｌ％、および
ｅ）金属フッ化物の含量が０ｍｏｌ％から３ｍｏｌ％、好ましくは０ｍｏｌ％から２ｍｏｌ％
の１つ、２つ以上またはすべてを含む、請求項１から４のいずれかに記載のガラス。
【請求項６】
ＳｉＯ２が４０〜５０ｍｏｌ％、Ｎａ２ＯおよびＫ２Ｏを合わせた含量が４〜１６ｍｏｌ％、ＭｇＯが２〜９ｍｏｌ％、ＺｎＯが０．５〜４ｍｏｌ％、Ｐ２Ｏ５が３．１〜１０ｍｏｌ％、Ｂ２Ｏ３が０〜５ｍｏｌ％、金属フッ化物が０〜５ｍｏｌ％、ならびにＣａＯおよびＳｒＯを合わせた含量が２６〜３７ｍｏｌ％の組成を有する、請求項１から５のいずれかに記載のガラス。
【請求項７】
ａ）Ｎａ２Ｏ ２〜８ｍｏｌ％、
ｂ）Ｋ２Ｏ ２〜８ｍｏｌ％、
ｃ）ＺｎＯ ２〜３．５ｍｏｌ％、
ｄ）Ｐ２Ｏ５ ３．５〜６ｍｏｌ％、
ｅ）Ｂ２Ｏ３ ０〜２ｍｏｌ％、
ｆ）金属フッ化物 ０〜２ｍｏｌ％、
ｇ）ＣａＯおよびＳｒＯの合わせたｍｏｌ％が２９〜３６ｍｏｌ％、ならびに
ｈ）ＳｉＯ２含量 ４４〜４６ｍｏｌ％
の１つ、２つ以上またはすべてを含む、請求項６に記載のガラス。
【請求項８】
ＳｉＯ２が４０〜５０ｍｏｌ％、Ｎａ２ＯおよびＫ２Ｏを合わせた含量が１６〜３４ｍｏｌ％、ＭｇＯが２〜９ｍｏｌ％、ＺｎＯが０．５〜４ｍｏｌ％、Ｐ２Ｏ５が３．１〜１０ｍｏｌ％、Ｂ２Ｏ３が０〜５ｍｏｌ％、金属フッ化物が０〜５ｍｏｌ％、ならびにＣａＯおよびＳｒＯを合わせた含量が８〜２６ｍｏｌ％の組成を有する、請求項１から５のいずれか一項に記載のガラス。
【請求項９】
ａ）Ｎａ２Ｏ ８〜１７ｍｏｌ％、
ｂ）Ｋ２Ｏ ８〜１７ｍｏｌ％、
ｃ）ＺｎＯ ２〜３．５ｍｏｌ％、
ｄ）Ｐ２Ｏ５ ３．５〜６ｍｏｌ％、
ｅ）Ｂ２Ｏ３ ０〜２ｍｏｌ％、
ｆ）金属フッ化物 ０〜２ｍｏｌ％、
ｇ）ＣａＯおよびＳｒＯの合わせたｍｏｌ％が９〜２４ｍｏｌ％、ならびに
ｈ）ＳｉＯ２ ４４〜４６ｍｏｌ％
の１つ、２つ以上またはすべてを含む、請求項８に記載のガラス。
【請求項１０】
ＳｉＯ２が４４〜４６ｍｏｌ％、Ｎａ２ＯおよびＫ２Ｏを合わせた含量が１８〜２２ｍｏｌ％、Ｐ２Ｏ５が１〜６ｍｏｌ％、Ｂ２Ｏ３が０〜５ｍｏｌ％、金属フッ化物が０〜５ｍｏｌ％、ならびにＣａＯおよびＳｒＯを合わせたｍｏｌ％が１９〜２６ｍｏｌ％の組成を有する、請求項８または９に記載のガラス。
【請求項１１】
ＳｉＯ２が４４〜４６ｍｏｌ％、Ｎａ２ＯおよびＫ２Ｏを合わせた含量が２８〜３４ｍｏｌ％、ＭｇＯが２〜８ｍｏｌ％、ＺｎＯが２〜４ｍｏｌ％、Ｐ２Ｏ５が３．１〜６ｍｏｌ％、Ｂ２Ｏ３が０〜５ｍｏｌ％、金属フッ化物が０〜５ｍｏｌ％、ならびにＣａＯおよびＳｒＯを合わせたｍｏｌ％が８〜１５ｍｏｌ％の組成を有する、請求項８または９に記載のガラス。
【請求項１２】
ＭｇＯ含量が８．２５ｍｏｌ％以下であり、Ｎａ２ＯおよびＫ２Ｏの合わせた含量が少なくとも８ｍｏｌ％有する、請求項１から１１のいずれかに記載のガラス。
【請求項１３】
微粒子形態である、請求項１から１２のいずれかに記載のガラス。
【請求項１４】
請求項１から１３のいずれか一項に記載のガラスを含む被覆用組成物。
【請求項１５】
金属製基材または金属合金製基材、および請求項１から１３のいずれか一項に記載のガラスから形成される焼結コーティングを含む被覆基材。
【請求項１６】
チタン金属、チタン合金、クロム−コバルト合金またはステンレス鋼を含む、請求項１５に記載の被覆基材。
【請求項１７】
医療用または歯科用インプラント、例えば、外科成形用または歯科用インプラントである、請求項１５または１６に記載の被覆基材。
【請求項１８】
ａ）基材がＴｉまたはＴｉ合金を含み、かつコーティングが請求項１から７、１２または１３のいずれか一項に記載のガラスから形成される、
ｂ）基材がＣｒ−Ｃｏ合金を含み、かつコーティングが請求項１から５、８から１０、１２または１３のいずれか一項に記載のガラスから形成される、
ｃ）基材がステンレス鋼を含み、かつコーティングが請求項１から５、８、９または１１から１３のいずれか一項に記載のガラスから形成される、
請求項１５から１７のいずれか一項に記載の被覆基材。
【請求項１９】
金属製基材または金属合金製基材を被覆する方法であって、請求項１から１３のいずれかに記載のガラスを前記基材に施用して、次にガラスを焼結することを含む方法。
【請求項２０】
金属製基材または金属合金製基材の被覆に使用するための、請求項１から１３のいずれか一項に記載のガラス、または請求項１４に記載の組成物。
【請求項２１】
請求項１から１３のいずれか一項に記載のガラスを含む多孔質足場。
【請求項２２】
１つまたは複数の実施例および／または図を参照して、本明細書中に実質的に記載された、ガラス、コーティング、被覆基材、ガラス粉末または方法。
【図１】
【図２ａ】
【図２ｂ】
【図２ｃ】
【図３ａ】
【図３ｂ】
【図４】
【図２ａ】
【図２ｂ】
【図２ｃ】
【図３ａ】
【図３ｂ】
【図４】
【公表番号】特表２０１２−５３１３７７（Ｐ２０１２−５３１３７７Ａ）
【公表日】平成２４年１２月１０日（２０１２．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５１８０８５（Ｐ２０１２−５１８０８５）
【出願日】平成２２年６月３０日（２０１０．６．３０）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２０１０／０５９２７７
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０００８６５
【国際公開日】平成２３年１月６日（２０１１．１．６）
【出願人】（５１２００２４９３）リプレゲン リミテッド (1)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２４年１２月１０日（２０１２．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年６月３０日（２０１０．６．３０）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２０１０／０５９２７７
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０００８６５
【国際公開日】平成２３年１月６日（２０１１．１．６）
【出願人】（５１２００２４９３）リプレゲン リミテッド (1)
【Ｆターム（参考）】
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