バイオセラミック

バイオセラミックスとバイオグラスは、生体適合性のあるセラミック材料です。^{[1]バイオセラミックスは、}生体材料の重要なサブセットです。^{[2] [3]}バイオセラミックスの生体適合性は、体内で不活性なセラミック酸化物から、修復を助けた後に最終的に体内で置き換えられる吸収性材料の反対の極端なものまで多岐にわたります。バイオセラミックスは多くの種類の医療処置で使用されます。バイオセラミックスは通常、外科用インプラントの剛性材料として使用されますが、柔軟なバイオセラミックスもあります。使用されるセラミック材料は、磁器タイプのセラミック材料と同じではありません。むしろ、バイオセラミックスは、体自身の材料に密接に関連しているか、非常に耐久性のある金属酸化物です。

1925 年以前は、インプラント手術に使用されていた材料は主に比較的純粋な金属でした。比較的原始的な手術技術を考慮すると、これらの材料の成功は驚くべきものでした。1930 年代は、手術技術の向上と、ビタリウムなどの合金の初使用の時代の始まりでした。

1969年、LLヘンチらは、さまざまな種類のガラスやセラミックが生体骨に結合できることを発見した。^{[4] [5]}ヘンチは材料に関する会議に向かう途中でこのアイデアに触発された。彼はベトナム戦争から戻ったばかりの大佐の隣に座っていた。大佐は、兵士の体は負傷後、インプラントを拒絶することが多いと話した。ヘンチは興味をそそられ、生体適合性のある材料の研究を始めた。最終製品は、彼がバイオガラスと名付けた新素材だった。この研究は、バイオセラミックスと呼ばれる新しい分野に影響を与えた。^[6]バイオガラスの発見により、バイオセラミックスへの関心が急速に高まった。

1988年4月26日、バイオセラミックスに関する第1回国際シンポジウムが京都で開催されました。^[7]

セラミックは現在、歯科インプラントや骨 インプラントとして医療分野で広く使用されています。^{[8] [9]}外科用サーメットは定期的に使用されています。関節置換術では、摩耗や炎症反応を軽減するためにバイオセラミック材料でコーティングされることがよくあります。バイオセラミックの医療用途の他の例としては、ペースメーカー、腎臓透析装置、人工呼吸器などがあります。 ^[6]

バイオセラミックスは体外循環システム（例えば透析）や人工バイオリアクターでの使用を想定しているが、インプラントとして最も一般的に使用されている。^[10]セラミックスはその物理化学的特性から生体材料として多くの用途がある。人体に対して不活性であるという利点があり、硬度と耐摩耗性により骨や歯の置換に有用である。一部のセラミックスは耐摩擦性に優れているため、機能不全の関節の置換材料としても有用である。外観や電気絶縁性などの特性も、特定の生物医学的用途における懸念事項である。

一部のバイオセラミックには、患者の寿命よりも長い寿命を持つアルミナ（Al ₂ O _{3 ）が組み込まれています。この材料は、}中耳小骨、眼球プロテーゼ、ペースメーカーの電気絶縁体、カテーテル開口部、心臓ポンプなどのインプラントシステムの多数のプロトタイプに使用できます。^[11]

アルミノケイ酸塩は、純粋またはセラミックポリマー複合材の形で歯科補綴物によく使用されます。セラミックポリマー複合材は、毒性があると疑われるアマルガムの代わりに虫歯を充填する方法として有望です。アルミノケイ酸塩はガラス構造も持っています。樹脂製の人工歯とは異なり、歯のセラミックの色は安定しています^{[10] [12]}酸化イットリウムを添加したジルコニアは、骨関節補綴物のアルミナの代替品として提案されています。主な利点は、破壊強度が高く、疲労に強いことです。

ガラス質炭素も軽量で耐摩耗性があり、血液との適合性があるため使用されています。主に心臓弁置換に使用されます。ダイヤモンドも同様の用途に使用できますが、コーティングの形で使用されます。^[11]

リン酸カルシウム系セラミックは、構造および化学組成が骨の主要ミネラル相に類似しているため、現在、整形外科および顎顔面外科用途で好まれる骨代替材料となっている。このような合成骨代替物または足場材料は一般に多孔質であり、表面積が増大して細胞コロニー形成および血管再生を伴う骨結合が促進される。しかし、このような多孔質材料は一般に骨に比べて機械的強度が低いため、高多孔質インプラントは非常に脆弱になる。セラミック材料の弾性係数値は一般に周囲の骨組織の弾性係数値よりも高いため、インプラントは骨界面に機械的応力を引き起こす可能性がある。^[10]バイオセラミックスに通常含まれるリン酸カルシウムには、ハイドロキシアパタイト (HAP) Ca ₁₀ (PO ₄ ) ₆ (OH) ₂、リン酸三カルシウム β (β TCP): Ca ₃ (PO ₄ ) ₂、および HAP と β TCP の混合物がある。

表1：バイオセラミックスの用途^[11]

表2：セラミックバイオマテリアルの機械的性質^[11]

インプラント用セラミックの多くは、実際には特定の生物医学的用途向けに設計されたものではありません。しかし、その特性と優れた生体適合性により、さまざまなインプラントシステムに採用されています。これらのセラミックには、炭化ケイ素、窒化チタン、炭化チタン、窒化ホウ素などがあります。TiNは人工股関節の摩擦面として提案されています。細胞培養試験では優れた生体適合性を示していますが、インプラントの分析ではTiN層の剥離に関連する著しい摩耗が見られます。炭化ケイ素は、優れた生体適合性を提供し、骨インプラントに使用できると思われるもう1つの現代のセラミックです。^[10]

生体活性セラミックスは、従来の特性のために使用されるだけでなく、その生物学的活性のために特定の用途が見られています。リン酸カルシウム、酸化物、水酸化物は一般的な例です。バイオグラスやその他の複合材料などの他の天然材料（通常は動物由来）は、HAP、アルミナ、二酸化チタンなどの鉱物有機複合材料と生体適合性ポリマー（ポリメチルメタクリレート）：PMMA、ポリ（L-乳酸）：PLLA、ポリ（エチレン）の組み合わせを特徴としています。複合材料は、生体吸収性と非生体吸収性として区別することができ、後者は生体吸収性リン酸カルシウム（HAP）と非生体吸収性ポリマー（PMMA、PE）の組み合わせの結果です。これらの材料は、多くの組み合わせの可能性と、生物学的活性と骨に似た機械的特性を組み合わせる能力のために、将来さらに普及する可能性があります。^[11]

バイオセラミックは、耐腐食性、生体適合性、美観という特性を備えているため、医療用途に非常に適しています。ジルコニア セラミックは生体不活性で細胞毒性がありません。炭素も骨と同様の機械的特性を持つ別の代替品で、血液適合性、組織反応なし、細胞に対する非毒性という特徴もあります。生体不活性セラミックは、骨との結合、いわゆるオッセオインテグレーションを示しません。しかし、生体不活性セラミックの生体活性は、生体活性セラミックとの複合材料を形成することで実現できます。バイオガラスを含む生体活性セラミックは、非毒性で、骨と結合する必要があります。骨修復用途、つまり骨再生の足場においては、バイオセラミックの溶解性が重要なパラメータであり、骨の成長速度に比べてほとんどのバイオセラミックの溶解速度が遅いことが、治療用途における課題となっています。当然のことながら、バイオセラミックの機械的特性を維持または改善しながら溶解特性を改善することに多くの焦点が当てられています。ガラスセラミックは骨誘導特性を引き出し、結晶性材料に比べて溶解速度が速い一方、結晶性リン酸カルシウムセラミックは組織に対する無毒性と生体吸収性も示す。セラミック粒子強化により、インプラント用途ではセラミック/セラミック、セラミック/ポリマー、セラミック/金属複合材など、より多くの材料が選択されるようになった。これらの複合材の中で、セラミック/ポリマー複合材は周囲の組織に有毒元素を放出することがわかっている。金属は腐食関連の問題に直面し、金属インプラントのセラミックコーティングは長期間の使用で時間とともに劣化する。セラミック/セラミック複合材は骨ミネラルとの類似性、生体適合性、成形の容易さにより優れている。バイオセラミックの生物学的活性は、さまざまなin vitroおよびin vivo研究で考慮する必要がある。特定のインプラント部位に応じて、パフォーマンスのニーズを考慮する必要がある。^[11]

技術的には、セラミックスは粉末や天然または合成の化学添加物などの原材料で構成されており、圧縮（高温、低温、または静水圧）、硬化（水圧または化学）、または焼結プロセスの促進のいずれかに有利です。使用される配合と成形プロセスに応じて、バイオセラミックスは、セメント、セラミック堆積物、またはセラミック複合材として、密度と多孔性が異なります。バイオセラミックス、特にバイオガラスでは、多孔性が求められることがよくあります。移植された多孔質バイオセラミックスの性能を向上させるために、多孔性、細孔サイズ分布、および細孔配列を制御するための処理技術が数多くあります。結晶性材料の場合、粒径と結晶欠陥は、生分解性と骨結合を強化するためのさらなる経路を提供し、これらは効果的な骨移植片および骨移植材料にとって重要です。^[10]これは、粒子微細化ドーパントを含め、さまざまな物理的手段で結晶構造に欠陥を付与することによって実現できます。

バイオミメティックプロセスに基づく開発中の材料処理技術は、自然および生物学的プロセスを模倣し、従来のプロセスや水熱プロセスではなく、室温でバイオセラミックスを製造する可能性を提供することを目指しています [GRO 96]。これらの比較的低い処理温度を使用する見通しは、タンパク質や生物学的に活性な分子（成長因子、抗生物質、抗腫瘍剤など）の添加により、生物学的特性が向上した鉱物有機化合物の可能性を開きます。ただし、これらの材料は機械的特性が悪いため、結合タンパク質と組み合わせることで部分的に改善できます。^[10]

臨床使用のために市販されている一般的な生体活性材料には、45S5生体活性ガラス、A/W生体活性ガラスセラミック、高密度合成HA、ポリエチレン-HA混合物などの生体活性複合材料などがあります。これらの材料はすべて、隣接する組織と界面結合を形成します。^[12]

高純度アルミナバイオセラミックは現在、さまざまなメーカーから市販されています。英国のメーカーであるMorgan Advanced Ceramics (MAC)は、1985年に整形外科用機器の製造を開始し、すぐに人工股関節置換用のセラミック大腿骨頭のサプライヤーとして認知されました。MAC Bioceramicsは、アルミナセラミック材料の臨床歴史が最も長く、1985年からHIP Vitox®アルミナを製造しています。^[13]アパタイト構造を持つカルシウム欠乏リン酸塩の中には、リン酸三カルシウムの予想される結晶構造を示さないものもあったにもかかわらず、「リン酸三カルシウム」として商品化されたものもありました。^[13]

現在、HAと呼ばれる多くの市販製品が様々な物理的形態（例えば、顆粒、特定の用途向けに特別に設計されたブロック）で入手可能である。HA/ポリマー複合材（HA/ポリエチレン、HAPEXTM）も耳のインプラント、研磨剤、整形外科用および歯科用インプラントのプラズマ溶射コーティング用に市販されている。^[13]

バイオセラミックスは、大麻やデルタ8のデバイスで、そのような抽出物を蒸発させるための芯としても使用されています。^[14]

バイオセラミックスは癌の治療に有効であると提案されている。治療法としては、温熱療法と放射線療法の2つが提案されている。温熱療法では、フェライトなどの磁性材料を含むバイオセラミックス材料を移植する。^[15]次に、移植部位を交流磁場にさらし、移植部位とその周囲を加熱する。あるいは、バイオセラミックス材料にβ線放出材料を添加し、癌部位に移植することもできる。^[2]

その他のトレンドとしては、特定の用途向けにバイオセラミックスをエンジニアリングすることが挙げられる。現在行われている研究では、生体適合性を向上させるために、材料の化学、組成、マイクロ構造、ナノ構造に関する研究が行われている。^{[16] [17] [18]}

• セラミック含浸布