高分子材料

生体材料

(※本記事は2004年に発行された弊社「Materials Scienceカタログ(英語版)52」に掲載された内容に加筆・修正したものです。)

 

はじめに

過去20年以上にわたって、生物医学に応用される生体適合性材料生分解性材料の開発には目覚ましい進歩が見られ、特に生分解性材料は工業的な応用も進んでいます。生物医学分野では、人工材料、つまり人体に対する生理作用を評価、回復、および改善するための「スペア・パーツ」1の開発と特性評価、および延命効果と生活の質(QOL)の向上が目標となっています。通常は、無機(金属、セラミックス、およびガラス)や高分子(合成および天然)材料が、人工心臓弁(高分子または炭素系)や合成血管、人工股関節(金属またはセラミックス)、医療用接着剤、縫合糸、歯科用複合材料、および制御された徐放薬物送達用高分子などに使用されています。新しい生体適合性材料の開発では、非毒性はもちろんのこと、生体活性についての検討が行われています。なぜなら、これらの材料は、生物学的環境だけでなくさまざまな生体内用途に応じた特性との相互作用と関連しており、しかもやがてそれらに組み込まれるためです2

類似した分野である「バイオミメティクス(biomimetics)」とは、「自然の優れたデザインの抽出」、端的に言えば「自然からアイデアを学ぶ」ことであり、その目標は、自然界からのインスピレーションをもとに、非生体デバイスやプロセスとを人工的に組み合わせて非生物学的用途で使用されるような材料を作製することです。この分野は、急速に最先端の研究分野になりつつあります。

 

生体適合性高分子

薬物送達の制御に関する生体適合性高分子の利用について、活発な研究が行われています。この分野は、薬物投与を長期的かつより適切な方法で管理したいというニーズから発展してきました。放出制御デバイスの目標は、1回の薬剤服用だけで体内の薬物濃度を望ましい範囲に維持することです。薬物を体内の特定部位に局所的に送り込むことができれば、全身の薬物濃度が減少し、フォローアップ治療の必要性が低下します。さらに、体内で急速に分解される薬物が維持されることで、患者の快適度が増し、コンプライアンスが改善されます。一般に放出速度はシステム設計によって調整され、周囲の条件とはほとんど無関係です3

放出制御システムは、当該物質(薬物)の放出をコントロールする方法によって分類されます。最も一般的なメカニズムは拡散であり、2種類の拡散制御システムが開発されています。一つは貯蔵型デバイスです。生体活性物質(薬物)が核となり、その周囲を不活性の拡散障壁が覆う構造になっています(図1)。このシステムには、膜、カプセル、マイクロカプセル、リポソーム、および中空糸があります。2つ目のシステムは一体型デバイスで、活性物質は不活性高分子中に分散または溶解しています(図2)。貯蔵型の場合、高分子マトリクス内部の薬物拡散が律速段階であり、放出速度は高分子の種類と、その材料特性に依存した放出薬物の拡散および分配係数によって決まります3, 4

化学的に制御されたシステムでは、生体内の分解性高分子鎖またはペンダント鎖を使用して化学制御を行います。生体内分解性(生分解性)システムを使用する利点は、用いた材料はいずれ体内に吸収されるため、外科的に取り除く必要がないという点です。高分子の生体内分解は、非水溶性材料の水溶性材料への変換であると考えられます。生体内分解性システムでは、前述の一体型システムの場合と同様に、薬物は理想的に高分子中に均一に分布しており、薬物を覆う高分子が分解するにつれて薬物が放出されます(図3)。一方、ペンダント鎖システムでは、薬物は高分子と共有結合しており、水や酵素によって結合が切断されることによって放出されます5, 6。溶媒で活性化される制御システムでは、活性物質は高分子マトリクス中に溶解または分散していますが、マトリクスから拡散することはできません。ある種の溶媒制御システムでは、周囲の流体(水など)がマトリクス内に浸透するにつれて高分子が膨潤し、高分子のガラス転移温度が周囲(ホスト)の温度未満になります7。こうして、膨潤した高分子はゴム状になり、そこに含まれる薬物はカプセルを通り抜けて拡散できるようになります。

(アルドリッチでは、デンドリマーデンドロン、超分岐ポリマーなどの樹枝状高分子化合物を多数取り扱っております。)

貯蔵型拡散制御による薬物送達デバイスの概略図

図1 貯蔵型拡散制御による薬物送達デバイスの概略図

 

一体型拡散制御による薬物送達デバイスの概略図

図2 一体型(マトリクス)拡散制御による薬物送達デバイスの概略図

 

生分解性薬物送達デバイスの概略図

図3 生分解性(生体内分解性)薬物送達デバイスの概略図

 

生分解性高分子

さまざまな天然、合成、および生合成高分子は、生分解性と環境分解性を有しています。ヘテロ原子を含む高分子骨格は生分解性を示し、C-C骨格をベースとする高分子は非生分解性の傾向を持ちます。したがって、生分解性ポリマーを合成するには、高分子構造中に無水、エステル、アミド結合といった化学的結合を導入することがひとつの方法といえます。図4は、高分子の分解タイプの模式図です。加水分解または酵素による開裂によって高分子骨格が切断されます。微生物以外の生物(macroorganism)は高分子を「食べる」ことが可能で、時には消化し、機械的、化学的、または酵素的劣化も引き起こします8

高分子の分解タイプの模式図

図4 高分子の分解タイプの模式図9

加水分解可能な化学結合を持つ生分解性高分子は、生物医学、製薬、農業、および包装分野での応用が幅広く研究されています10。医療用デバイスや制御された薬物放出に使用される生分解性高分子は、生体適合性を有するほか、ある基準も満たしていなければなりません。その条件とは、生体材料処理と滅菌が可能であり、生物学的状況に応じて制御された安定性または分解性を持つことです11, 12。高分子の生体適合性は、必ずしも高分子そのものではなく、その分解生成物から定義されることも数多くあります。ポリラクチド(PLA)、ポリグリコリド(PGA)、ポリカプロラクトン(PCL)、およびそれらの共重合体をベースとするポリ(エステル)は、生体材料として広く使用されています13, 14。これらの材料が分解するとヒドロキシ酸が生成されるため、in vivoで安全に使用できます。その他の生分解性・環境分解性高分子には、PHB-PHV系のポリ(ヒドロキシアルカン酸)類、その他のポリ(エステル)類、天然高分子、特にデンプン、セルロース、キトサンなどの変性多糖類があります。(生分解性高分子に関するUSサイトの製品リストはこちら

(アルドリッチでは、Evonik Röhm GmbHが製造する生分解性ポリマー「PLA/PGA RESOMER®ポリマー」を試験研究用途で販売しております。)

キトサン(chitosan)は重要な生体材料のひとつです。キチン(chitin)は、セルロースに次いで世界中で2番目に豊富に存在する天然高分子で、脱アセチル化によりキトサンを生成します。これをさらに加水分解すると、分子量の非常に小さなオリゴ糖になります(スキーム1)。キトサンは幅広い有用な特性を持ち、特に、生体適合性と抗菌性を備えた環境に優しい高分子電解質であるため、水処理、クロマトグラフィー、化粧品用添加剤、布地の抗菌処理16、新規繊維、印画紙、生分解性フィルム17、生物医学デバイス、薬物送達での制御放出用マイクロカプセル・インプラント18-20など、さまざまな用途15があります。(キトサンやキチンに関するUSサイトの製品リストはこちら

キチンの脱アセチル化および加水分解

スキーム1 キチンの脱アセチル化によるキトサンの生成およびその加水分解によるオリゴ糖の生成

ポリエチレンオキシド(PEO)は反復構造単位-CH2CH2O-を持つ高分子であり、薬物送達に利用されます。ポリエチレングリコール(PEG)として知られる物質は、実際は各PEO分子の末端にヒドロキシル基が付加されたものです。重合度nが103~105の範囲になることがある高分子量のPEOとは対照的に、生体材料として最も頻繁に使用される重合度の範囲は一般に12~200(PEG 600~PEG 9000)であり、20,000までのグレードが市販されています。ポリエチレンオキシドの生体適合性、親水性、および汎用性などの点が生体材料としての優れた特性です。化学的相互作用によってこの単純な水溶性の直鎖高分子が変化することで、エチレンオキシド部分に関連する特性を維持したまま、非水溶性ではあるものの水によって膨潤性を持つヒドロゲル(ハイドロゲル)を形成することができます。なお、ポリエチレングリコールは1950年に米国薬局方(USP)に初めて収載され、それ以降、さまざまな製薬用途での利用が増加しています。(PEGやPEOに関するUSサイトの製品リストはこちら

ポリエチレンオキシド(PEO)とポリ(テレフタル酸ブチレン)(PBT)のマルチブロック共重合体もまた、人工装具デバイス、人工皮膚、および再生医療用足場として開発が進められています21。この物質の場合、加水分解(エステル結合による)と酸化(エーテル結合による)の両方が起こります。分解速度はPEOの分子量と含有量に影響されます。さらに、吸水性が最も高い共重合体が最も速く分解します。

エチレン - 酢酸ビニル共重合体」は、広く使用されている非分解性高分子で、優れた生体適合性、物理的安定性、生物学的不活性、およびプロセス加工性を有しています。薬物送達に使用される共重合体の場合、一般に30~50 wt.%の酢酸ビニルを含有しています。エチレン - 酢酸ビニル共重合体膜は薬物拡散に対する律速バリアとして機能します。タイプII(図4)の分解性高分子では、疎水性置換基から親水性側基への転換が分解プロセスの第1段階です。ある研究チームが、細胞播種(cell seeding)やその他の再生医療用途で、開気孔を持つ(多孔質)生分解性高分子を利用した足場の作製について報告しています22。用いた材料は、チロシン由来のポリカーボネートであるポリ(DTE – co - DTカーボネート)で、アミノ酸であるチロシンを介したペンダント基は、エチルエステル(DTE)か遊離カルボン酸塩(DT)のいずれかです。DTEとDTの比率を変えることによって、材料の疎水性と親水性のバランスやin vivo分解速度を調節できます。DT含有量の増加に伴って、細孔径の減少、高分子の疎水性とアニオン性の向上、および細胞の付着性の向上が見られることが明らかになっています。

水膨潤性高分子の網目構造は、ある状況ではヒドロゲルとして、また反対に、状況によっては超吸収材として機能する場合もあります。ヒドロゲルは、水溶液に溶解ではなく膨潤するという、水溶液に対して顕著な親和性を示す化学構造を持つことが特徴です。このような高分子網目構造には、通常30 wt.%の水を保持するものから、自らの重量の何倍もの水溶液を保持する超吸収性のものまであります。吸収性高分子の合成には以下のような方法23が提案されています。(ハイドロゲルに関するUSサイトの製品リストはこちら

  • 共有結合性架橋を作りやすい高分子電解質24
  • 疎水性部位と親水性部位を併せ持つ、会合性高分子(水素結合による「事実上」の架橋)25-27
  • 物理的に相互貫入した高分子網目構造による、機械強度の高い吸水性高分子の生成28

これらの方法はお互い相容れないというものではなく、温度やpH、イオン強度、溶媒、濃度、圧力、ストレス、光の強度、電場や磁場のなどのさまざまな刺激(変化)に対して、高分子 - 高分子間および高分子 - 溶媒間相互作用のバランスが非常に敏感に反応する複合体ゲルの研究開発が精力的に行われています29, 30スマートゲルと呼ばれるこのような刺激応答性高分子は、これからもさまざまな分野での応用が期待されています。たとえば、生物医学(薬物の制御放出、眼に関するデバイス(ocular device)、バイオミメティクス)31-33、農業(水を節約するための土壌添加剤、水の利用効率を高めるための植物の根への塗布剤、発芽率を高める種用塗布剤)、パーソナルケア(おむつや生理用品)24, 34、工業(増粘剤、ゲル化剤、ケーブル被覆、特殊梱包、天然ゴムの粘着性低下、および粉炭の脱水)などが考えられます35-38

吸水性高分子は、その形態や多孔性が吸水特性に影響するため39、合成(石油化学を起源)化合物であると考えられます。アルドリッチでは、多成分ヒドロゲルの合成に使用するための天然物由来(デンプンなど)または半合成物由来(セルロースエーテルなど)の高分子も多数取り揃えています40。(天然ポリマーに関するUSサイトの製品リストはこちら

 

<導電性生分解性ポリマー>

735817
Polypyrrole-block-poly(caprolactone)
0.3-0.7 wt.% (dispersion in nitromethane), contains p-toluenesulfonate as dopant

ニトロメタンに分散した導電性ポリピロールのブロック共重合体で、生分解特性を持ちます。スピンコートによって薄膜を作製することができます。

 
溶媒成分:

導電性:
分解特性:
平均透過率:
ethanol, 4-8 wt. %
nitromethane, 90-95 wt. %
10-40 S/cm (bulk)
200日で40%の重量減少(pH=7 buffer)
70-90%
pcl_block_ppy構造式

 

架橋剤

架橋とは、分子鎖間の化学結合によって分子の3次元網目構造を形成することです。硫黄を用いたゴムへの加硫は架橋の一例であり、天然ゴムを弱い樹脂から弾力性に優れたエラストマーに変換することができます。共有結合性架橋は、商業的および学術的に注目されているいくつかの技術において、高分子や界面(熱硬化性樹脂や塗布剤など)の特性を制御・強化するために用いられています41-43

架橋は、イオン交換樹脂44や、極性基を含む高分子からなる刺激応答性ヒドロゲル45の合成に使用されています。ヒドロゲルは、高分子電解質として本来水に溶けやすい性質を持っています。これを不溶性にするために、合成中に化学的な架橋を行うか、または開始モノマーの重合反応後に第2の反応を行います。架橋密度によって定量化される架橋の度合いは、分子の微細構造と高分子の膨潤特性に大きな影響を与えます。図4に、特定の生物学的条件に反応して架橋が消失し、高分子分解が起こる様子(タイプIII)を示しました。

 

生体適合性無機材料

セラミックスと聞くと、ティーポットやタイル張りの床を思い浮かべるかもしれませんが、生物医学分野を初めとするさまざまな応用分野で注目されています。バイオセラミックスは、関節や組織の代替物になる構造機能を持ったり、塗布剤として金属製インプラントの生体適合性を改善したり、一時的な構造や骨組み(体内で組織が再生されるにつれて吸収され、置き換えられる)となる吸収性格子として機能することができます。また、セラミックスは熱的・化学的安定性、および、高い強度、摩耗抵抗、耐性などの特性を有するため、外科的なインプラント材料の優れた候補材料です。さらに、薬物送達特性を持つセラミックスも存在します。

外科的なインプラントや医療用デバイスに使用される材料には当然、何よりもまず毒性があってはなりません。バイオセラミックスはこの点を満たす上、生体不活性(生体系と相互作用しない)、生理(生物)活性(長期間にわたって周囲の組織と界面相互作用を持つ)、生分解性、溶解性、または吸収性(やがて組織によって置き換えられるか、組織内に取り込まれる)を持たせることもできます。糖やタンパク質と結合するセラミックスも存在します。例えば、セラミック製人工装具の中に血管を通すことが可能で、セラミックスの人工骨材料としての利用が始まっています46-48

チタン合金は、高い強度、柔軟性、および生体適合性を持つため、関節や骨のインプラント材として使用されています。クロムやコバルトの合金およびステンレス鋼もまた、チタン合金ほど一般的ではないものの、同様に骨のインプラントとして使用される場合があり、形状記憶合金は、生物医学用途では血管形成などの手術に使用されて血管の再閉塞を防ぎます49

ごく最近になって、骨インプラント用にナノ結晶チタン粉末を使用する研究に注目が集まっています。この超微細粒状材料はチタンの生体適合性を利用したもので、従来のチタン・インプラントの約10倍の強度を持っています。そのため、実際の骨とより適合し、空洞構造を持つ股関節インプラントを作製することが可能になりました50

優れた医療用材料とは、生体適合性だけでなく、交換または修復する組織や生体システムと同様の物理特性を持たなくてはなりません。例えば、義歯を作製する際に、実際の歯の質感や外観を模倣するために金属下地に施されるセラミック・コーティング51がその例です。セラミックスは、化学耐性や腐食耐性に優れているものの、脆いことでもよく知られています。そのため、セラミックスと他の材料を組み合わせる(複合体、傾斜機能材料、塗布剤など)ことで強度や弾性などの特性を調節する方法が用いられています。セラミックを塗布した生体適合性金属は、金属が持つ強度および柔軟性と生体システムに対するセラミックス特性とを併せ持つ、非常に優れた複合材料といえます。

骨や歯を構成するセラミック成分であるヒドロキシアパタイトと生体系との界面における反応に関して、多くの研究が行われています。ヒドロキシアパタイトは、金属製外科インプラント(多くの場合、チタン、チタン合金、またはステンレス鋼製)の塗布剤として使用され、近年では、高分子とセラミックまたは金属とセラミックを組み合わせた複合材料への利用が検討されています。コーティング方法やアパタイトのin-situ合成、およびセラミック特性やミクロ構造の影響についての研究も行われています。

さまざまな形態または組成のセラミックスが現在利用されており、さらに多くのセラミックスが開発中です。数千年前に安定なSiO2 - Na2O - CaOセラミックが発見されて以来、人類が使用してきたケイ酸塩セラミックスの大部分は65 wt.%以上のSiO2を含有した物質です。このようなSiO2 - Na2O - CaOセラミックスは、一般にガラスと呼ばれています。この65 wt.%シリカガラスは生体に対して極めて不活性ですが、いくつかの魅力的な性質を備えています。ただし、このガラスは弱く、簡単に粉々になってしまいます。最初の生体活性ガラスは、Na2O:20~25 wt.%、CaO:20~25 wt.%、SiO2:45~55 wt.%の成分比を持っていましたが、残念なことに、この新しいタイプのガラスは非常に弱くて脆いものでした。SiO2 - Na2O - CaOマトリクスにP2O5を添加することで、ガラスの生体活性度が大幅に向上します。

生体活性ガラスと機械加工可能なガラス - セラミックスは、さまざまな商品名で現在市販されています。「Ceravital」や「Bioglass 45S5」などのセラミックスは、生理活性度が非常に高く、埋め込んでから1時間以内にほぼ500 nmの厚さのHCA層(骨成長の前駆体)が形成されます。また、「Bioglass 45S5」の表面で軟組織成長が観察されたとの報告もあります。人工装具デバイスに使用される生体不活性セラミックスには、アルミナやジルコニアなどがあり、リン酸カルシウムを用いた材料などの多孔性セラミックスは、骨の欠損を埋めるのに使用されます。セラミック材料の気孔率と溶解性を制御できれば、薬物送達システムに利用できる可能性があります。たとえば、ガラスミクロスフェア(微小球)は放射性治療薬の送達システムなどに使用されています。

材料選択の際には、厳しい寸法公差を持つ複雑な形状を作製する必要があることも考慮しなければなりません。体内で使用するデバイスは、生体環境中での腐食に耐え、摩耗が少なく(また、周囲の組織を傷めることもなく)、長期間にわたって使用できなければなりません。使用前に、保管中の変質が見られないこと、および損傷なしに滅菌できることも欠かすことのできない非常に重要な条件です。患者の生活改善のための材料を研究開発する上で、こうした多くの特性を考慮しなければなりません。

生体材料分野の進歩とともに、過去数年間のゲノミクス、プロテオミクス、さまざまなハイスループット細胞処理技術、超分子化学、置換化学(permutational chemistry)、情報技術、およびバイオインフォマティクス分野での驚くべき進歩によって、新材料の探索が今後も活発に行われることでしょう。

アルドリッチで販売している生体材料関連製品の製品リストをWebカタログ(USサイト)でご覧いただけます。また、生体材料や高分子材料については、弊社季刊誌「Material Matters」の各論文をご参考ください。

  • Vol.1 No.1「高分子材料」:バイオアクティブ - ハイドロゲル
  • Vol.3 No.3「生体材料」:生体模倣型の防汚性PEG被膜、交互積層法、(生体)材料科学における「クリック」ケミストリー、自己組織化単分子層と表面化学、骨組織再生工学
  • Vol.5 No.1「最新高分子合成」:可逆的付加開裂連鎖移動(RAFT)重合、ニトロキシドを介したラジカル重合(NMP)、原子移動ラジカル重合(ATRP)、キラル液晶反応場での不斉重合
  • Vol.5 No.3「生物医学用材料」:細胞シート組織工学のためのPNIPAMスマート表面、PEG構造を基盤としたヒドロゲルを用いたパターニング、デバイス/組織境界面のエンジニアリングに使用される共役ポリマー、歯科用修復材料開発の進展、ナノ材料の毒性スクリーニング方法
  • Vol.6 No.3「先端高分子材料」: RESOMER、2次元および3次元細胞培養用生分解性ポリエチレングリコール、高分子電解質多層膜とその機能化、ナノスケールパターニングにおけるブロック共重合体の利用
  • Vol.7 No.3「薬物送達および組織工学用革新的高分子材料」: 生分解性ナノ粒子の合成、細胞培養足場の作製、キトサンを基盤とした生体材料、生体適合性樹枝状ビルディングブロック

 

References

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