Loading article…
バイオグラス45S5、またはリン酸カルシウムナトリウムは、45重量％のSiO2、24.5重量％のCaO、24.5重量％のNa2O 、および6.0重量％のP2O5で構成される生体活性ガラスです。[ 1 ]バイオグラス45S5の典型的な用途には、骨移植用生体材料、歯周欠損の修復、頭蓋および顎顔面修復、創傷ケア、出血コントロール、血管再生の促進、および神経修復などがあります。[ 2 ]
「バイオグラス」という名称は、フロリダ大学がオリジナルの45S5組成物の名称として商標登録したものです。したがって、バイオグラスは45S5組成物を指す場合にのみ使用し、生体活性ガラスの一般的な用語として使用すべきではありません。[ 3 ]バイオグラス45S5は、製薬会社グラクソ・スミスクラインが所有する登録商標NovaMinで市販されています。NovaMinは、平均粒径が20μm未満の微粒子に粉砕された生体活性ガラスです。開いた象牙細管を塞ぎ、カルシウム（Ca2 +）イオンとリン酸（PO3−4 ）イオンを供給して、哺乳類の骨組織の主要なミネラル成分であるヒドロキシ炭酸アパタイト（HCA）を形成することにより、象牙質知覚過敏を軽減することができます。NovaMinは、米国で販売される場合を除き、 Sensodyne 「Repair & Protect」歯磨き粉の有効成分です。米国では代わりにフッ化第一スズが含まれています。[ 4 ]
45S5バイオアクティブガラスは白色で粉末状であり、粒子の平均サイズは20μm未満です 。重量比の化学組成は、シリカ（SiO₂ ） 43～47%、酸化カルシウム（CaO）22.5～26.5%、五酸化リン（P₂O₅ ） 5～7%、酸化ナトリウム（Na₂O ） 22.5 ～26.5%です。[ 2 ]
ガラスは、一般的にシリカを主成分とし、その他の微量の添加物を含む非結晶性の不規則固体です。ソーダ石灰ガラス（窓やボトルなどに一般的に使用されている）と比較すると、バイオグラス45S5はシリカが少なく、カルシウムとリンの含有量が多くなっています。45S5 という名称は、重量比でSiO2が45%、カルシウムとリンのモル比が5:1のガラスであることを示しています。この高いカルシウムとリンの比率はアパタイト結晶の形成を促進し、カルシウムイオンとシリカイオンは結晶核として機能します。[ 5 ] Ca:P比が低いと骨に結合しません。[ 6 ] [ 7 ]バイオグラス45S5の特定の組成は、骨のミネラル成分であるヒドロキシアパタイトの組成と類似しているため、生物医学用途に最適です。[ 7 ]この類似性により、バイオグラス45S5は生体骨と統合することができます。
この生体活性ガラスの組成物は、他のガラスに比べて機械的に柔らかい。機械加工が可能で、できればダイヤモンド工具を使用するか、粉末に粉砕することができる。バイオグラス45S5は、水分を容易に吸収して反応するため、乾燥した環境で保管する必要がある。[ 6 ]バイオグラス45S5は、骨と化学的に結合することがわかった最初の人工材料の配合であり、その発見は他の一連の生体活性ガラスにつながった。主な医学的利点の1つは、免疫反応や線維性被膜形成を回避できる能力に見られる生体適合性である。主な用途は、自然プロセスでは再生できないほど大きな骨の損傷または欠損の修復である。[ 6 ]
バイオグラス45S5は、骨にシームレスに結合する最初の完全合成材料の1つとして、生体模倣材料の分野で重要です。これは1960年代後半にラリー・L・ヘンチによって開発されました。この材料のアイデアは、1967年のバスの中で彼にひらめきました。フロリダ大学で助教授として働いていたヘンチは、ニューヨーク州サガモアで開催された米国陸軍材料研究会議に出席することに決め、そこで放射線耐性電子材料について発表する予定でした。彼はバスの中で同乗していたクリンカー大佐と研究について話し始めました。クリンカー大佐はベトナムで陸軍医療補給将校として勤務した後、最近米国に帰国したばかりでした。[ 8 ]
ヘンチの研究の説明を聞いた後、大佐は「高エネルギー放射線に耐えられる材料を作れるなら、人体に曝露されても耐えられる材料を作れるだろうか？」と尋ねた。[ 8 ]クリンカーは続けて、ベトナムで目撃した切断手術について説明した。それは、金属やプラスチック製のインプラントが人体に拒絶反応を起こした結果生じたものだった。ヘンチは、体内の組織と生きた結合を形成できる新しい材料が必要だと気づいた。[ 8 ]
ヘンチは会議後フロリダに戻ると、米国陸軍医療研究設計司令部に提案書を提出した。1968年に資金提供を受け、1969年11月、ヘンチは45S5ガラスと名付けた小さな長方形の合成を開始した。フロリダ大学整形外科助教授のテッド・グリーンリーは、ゲインズビルのVA病院でラットの大腿骨にそれらを移植した。6週間後、グリーンリーはヘンチに電話をかけ、「ラリー、君がくれたあのサンプルは何だ？骨から抜けない。引っ張ったり、押したり、骨を割ったりしたが、まだ骨にくっついている」と尋ねた。[ 8 ]
この最初の実験の成功により、バイオグラスが誕生し、最初の組成が研究されました。ヘンチは1971年にこのテーマに関する最初の論文をJournal of Biomedical Materials Researchに発表し、彼の研究室はその後10年間、米国陸軍からの継続的な資金提供を受けてこのプロジェクトに取り組み続けました。2006年までに、世界中のさまざまな研究室や機関から、生体活性ガラスに関する論文が500件以上発表されました。[ 8 ]バイオグラス45S5の最初の外科的使用の成功は、伝音性難聴の治療として中耳の耳小骨の置換であり、この材料は今日でも骨再建用途に使用され続けています。[ 1 ]
その他の用途としては、抜歯後に顎に埋め込むための円錐形インプラントなどがあります。バイオグラス45S5と患者自身の骨で作られた複合材料は、骨の再建に使用できます。[ 5 ]バイオグラスの用途をさらに広げるための新しい加工技術の開発に向けて、さらなる研究が行われています。
バイオグラス45S5は顎や整形外科の用途に使用され、このように溶解して自然な骨の自己修復を刺激することができます。バイオアクティブグラスは優れた骨伝導性と生物活性を持ち、細胞を供給でき、生分解性があります。そのため、組織工学用途に使うのに最適な候補となります。この材料は脆いことが知られていますが、新しい形態のバイオアクティブグラスはホウ酸塩とホウケイ酸塩の組成に基づいているため、骨の成長を促進するために広く使用されています。バイオグラスには、銅、亜鉛、ストロンチウムなどのさまざまな量の元素を添加することもでき、これにより健康な骨の成長と形成が可能になります。軟骨細胞を播種したハイドロゲルのin vitro培養を使用することで、バイオアクティブグラスで新生軟骨の形成を誘導することもでき、組織工学的に作製された骨軟骨構造の軟骨下基質として使用できます。[ 1 ]
ホウ酸塩系生体活性ガラスは、実際の骨形成速度に合わせて分解速度を制御できます。このタイプの材料を使用すると、骨形成が促進されることが示されています。ウサギの大腿骨に移植した場合、45S5生体活性ガラスは合成ヒドロキシアパタイト（HA）よりもはるかに速い速度で骨増殖を誘導できることが示されました。45S5ガラスは、骨とインプラントの界面に沿って、また界面内でも新しい骨の成長を可能にするため、骨伝導性および骨誘導性も有します。骨形成を誘導するプロセスを解明するための研究が行われています。45S5ガラスは分解してナトリウムイオンと可溶性シリカを放出することが示されており、これらのイオンの組み合わせが新しい骨を生成すると言われています。ホウ酸塩バイオガラスは、in vitroおよびin vivoで細胞増殖と分化をサポートできることが証明されています。また、骨感染症の治療における薬剤放出の基質として使用するのに適していることも示されています。しかし、ホウ酸イオンとして溶液中に放出されたホウ素が人体に毒性があるかどうかという懸念があった。静的細胞培養条件下ではホウ酸ガラスは細胞に毒性を示したが、動的培養条件下では毒性を示さなかったことが示されている。[ 9 ]
生体活性ガラスは、1984年にバイオグラス45S5を使用して聴覚障害患者の聴力を回復させるために医療機器に適用されました。患者は中耳の3つの骨のうち2つが損傷した耳の感染症により聴覚を失いました。損傷した骨を置き換え、鼓膜から蝸牛に音を伝えるインプラントが設計され、患者の聴力を回復させました。この材料が利用可能になる前は、体内で反応を起こさないためプラスチックや金属が使用されていましたが、インプラント後に周囲に組織が成長するため、最終的には機能しなくなりました。バイオグラス45S5で作られた補綴物が患者に合わせて作られ、作られた補綴物のほとんどは10年後も機能を維持することができました。[ 10 ]バイオグラス45S5で作られた骨内リッジ維持インプラントは、抜歯部位に挿入して歯根を修復し、義歯のための安定したリッジを可能にする別のデバイスでした。[ 11 ]
生体活性ガラスの使用が研究されているもう 1 つの分野は、歯科分野で困難な課題であることが証明されている歯のエナメル質の再建です。エナメル質は、炭酸ヒドロキシアパタイトナノ結晶の非常に組織化された階層的微細構造で構成されています。バイオグラス 45S5 リン酸ペーストは、象牙細管の開口部を塞ぐ相互作用層を形成するために使用でき、象牙質知覚過敏症病変の治療に役立つことが報告されています。[ 11 ]この材料は水性環境では抗菌性を持つ可能性があり、歯周外科手術で有利です。45S5 バイオグラスで行われた研究では、不活性ガラス粒子上にStreptococcus sanguinisのバイオフィルムが成長し、バイオグラス上に成長したバイオフィルムは不活性ガラス上のバイオフィルムよりも有意に少なかったです。バイオグラスは細菌のコロニー形成を減少させ、骨統合を助ける可能性があると結論付けられました。非常に効果的な抗菌性バイオアクティブガラスはS53P4であり、高い抗菌活性を示し、試験した微生物株において耐性を選択的に引き起こさないことが報告されている。 [ 12 ] CaPSiOやCaPSiO IIなどのゾルゲル由来のバイオアクティブガラスも抗菌性を示している。バイオアクティブガラスで培養したS. epidermidisとE. coliを用いた研究では、45S5バイオアクティブガラスが非常に高い抗菌耐性を示すことが示された。また、実験では、細菌の細胞壁を破裂させて不活性化させた可能性のある針状のバイオガラス破片が存在することも観察された。[ 13 ]
グラクソ・スミスクラインはこの材料を、NovaMinという商品名で販売されている歯磨き粉の有効成分として使用しており、小さな穴を修復し、歯の知覚過敏を軽減するのに役立ちます。[ 11 ] [ 14 ]バイオグラスのより高度なフッ化物含有製剤が開発されており、知覚過敏に対するより強力で持続的な保護を提供します。歯磨き粉BioMin [ 15 ]のように可溶性添加物としてではなく、ガラス内にフッ化物を含めることで、歯を最大12時間知覚過敏から保護するアパタイトの生成速度が最適化されるとされています。[ 16 ]
バイオグラス45S5は、移植されると周囲の生理液と反応し、材料表面に水酸化炭酸アパタイト（HCA）層を形成します。HCA層は、骨のミネラル相である水酸化アパタイトと類似した組成を持ち、骨との強い相互作用と統合を可能にする性質があります。この反応が起こるプロセスは12のステップに分けられます。最初の5つのステップは、バイオグラスが体内の環境に反応することに関連しており、材料表面で数時間かけて急速に起こります。[ 17 ]反応ステップ6～10は、生体材料の統合に対する身体の反応と、骨との統合プロセスを詳細に説明しています。これらの段階は、数週間または数か月のスケールで起こります。[ 18 ]ステップは次のように分けられます。[ 17 ] [ 18 ]
バイオグラスの合成には主に2つの製造技術が用いられています。1つ目は溶融急冷合成法で、これはラリー・ヘンチが1969年に初めてこの材料を製造した際に用いた従来のガラス製造技術です。この方法では、SiO₂、Na₂O、CaO、P₂O₅などの酸化物の混合物を、一般的に1100～1300℃以上の高温で溶融します。[20] 生体内での製品の化学反応性を妨げる汚染を避けるため、白金または白金合金のるつぼが使用されます。材料の熱膨張率が高いため、焼鈍はバルク部品を形成する上で重要な工程です。バイオグラスの熱処理により、揮発性アルカリ金属酸化物の含有量が減少し、ガラスマトリックス中にアパタイト結晶が析出します。しかし、溶融急冷法で得られる足場は、他の製造方法に比べて多孔性がはるかに低いため、生体内に移植した際に組織統合に欠陥が生じる可能性があります。[ 21 ]
2つ目の方法は、バイオグラスのゾルゲル合成です。このプロセスは、従来の溶融法よりもはるかに低い温度で行われます。このプロセスでは、金属有機化合物と金属塩の前駆体からなる溶液（ゾル）を作成します。次に、加水分解と縮合反応によってゲルが形成され、乾燥、酸化物形成、有機物除去のための熱処理が行われます。この方法では製造温度が低いため、製品の組成と均質性をより細かく制御できます。さらに、ゾルゲルバイオグラスは多孔性が非常に高いため、表面積が大きくなり、体内への統合度が高くなります。[ 22 ] [ 20 ]
近年注目を集めているバイオグラスの新しい方法としては、火炎合成とマイクロ波合成がある。火炎合成は、粉末を火炎反応器で直接焼成することによって機能する。[ 23 ]マイクロ波合成は、前駆体を水に溶解し、超音波浴に移し、照射する、迅速かつ低コストの粉末合成法である。[ 24 ]
バイオグラス45S5を使用する際の難点は、多孔質3D足場への加工が難しいことです。これらの多孔質足場は通常、すでに3D形状に成形されたガラス粒子を焼結し、粒子同士を結合させて、細孔のネットワークからなる強固なガラス相を形成することによって作製されます。この特定のタイプのバイオグラスは、 Tg以上の粘性流動によって完全に焼結することができず、Tgが結晶化の開始点に近いため、この材料を緻密なネットワークに焼結することは困難です。[ 1 ]
45S5ガラスは分解速度が遅く、HA様の材料への変換速度も遅い。この欠点により、足場の分解速度と組織形成速度を一致させることが難しくなる。もう一つの制限は、その分解によって生体環境が容易に影響を受ける可能性があることである。ナトリウムイオンとカルシウムイオンの増加およびpHの変化は、その分解によるものである。しかし、これらのイオンの役割と人体への毒性については十分に研究されていない。[ 1 ]
Several studies have investigated methods to improve the mechanical strength and toughness of Bioglass 45S5. These include creating polymer–glass composites, which combine the bioactivity of Bioglass with the relative flexibility and wear resistance of different polymers. Another solution is coating a metallic implant with Bioglass, which takes advantage of the mechanical strength of the implant's bulk material while retaining bioactive effects at the surface. Some of the most notable modifications have used various forms of carbon to improve the properties of 45S5 glass.[25]
For example, Touri et al. developed a method to incorporate carbon nanotubes (CNTs) into the structure without interfering with the material's bioactive properties. CNTs were chosen because of their large aspect ratio and high strength. By synthesizing Bioglass 45S5 on a CNT scaffold, the researchers were able to create a composite that more than doubled the compressive strength and the elastic modulus when compared to the pure glass.[26]
Another study carried out by Li et al. looked into different properties, such as the fracture toughness and wear resistance of Bioglass 45S5. The authors loaded graphene nanoplatelets (GNP) into the glass structure through a spark plasma sintering method. Graphene was chosen because of its high specific surface area and strength, as well as its cytocompatibility and lack of interference with Bioglass 45S5's bioactivity. The composites that were created in this experiment achieved a fracture toughness of more than double the control. In addition, the tribological properties of the material were greatly improved.[25]