(57)【要約】【課題】多方向性を有し、かつ表面積が増大する構造体であって、特に人工骨、骨補填材、細胞培養担体など細胞を定着、担持させ、多方向からの細胞侵入を容易とし、より一層の増殖、培養させるのに適するセラミックス構造体１を提供する。【解決手段】  貫通孔２Ａの方向が一方向に位置されてなるハニカム状構造体２と、少なくとも１つの貫通孔４Ａを有する微小成形物４の集合体であって、この貫通孔４Ａの方向が三次元方向にランダムに位置されたランダム状構造体３との組み合わせからなるセラミックス構造体であって、前記ハニカム状構造体２の外部又は内部に前記ランダム状構造体３を配置するか、あるいは層状に形成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
貫通孔の方向が一方向に位置されてなるハニカム状構造体と、少なくとも１つの貫通孔を有する微小成形物の集合体であって該貫通孔の方向が三次元方向にランダムに位置されてなるランダム状構造体との組み合わせからなることを特徴とするセラミックス構造体。
【請求項２】
ハニカム状構造体の外部又は内部にランダム状構造体が配置されてなることを特徴とする請求項１記載のセラミックス構造体。
【請求項３】
ハニカム状構造体とランダム状構造体とが多層状に配置されてなることを特徴とする請求項１記載のセラミックス構造体。
【請求項４】
ランダム状構造体の微小成形物どうしが自己固着してなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載のセラミックス構造体。
【請求項５】
セラミックス構造体が生体用であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載のセラミックス構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、貫通孔を有するセラミックス構造体に関し、特に生体用の場合には骨補填材などの生体組織補填材や細胞培養担体などに用いられ、骨や血管となる細胞を定着、担持させ、増殖、培養させるのに適するセラミックス構造体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来セラミックス構造体は、その気孔を利用して触媒担体や濾過材、蓄熱材など種々の用途に利用されており、例えばその一つとして骨腫瘍摘出や外傷などによる骨の欠損や細胞の培養にかかる生体組織補填材あるいは細胞培養基盤として検討されている。このとき用いられる気孔形状としては、一般的な多孔質体や三次元網状の気孔を有するフォーム状のもの、あるいは貫通孔を設けたり、ハニカム状にするなど各種挙げられる。しかし、多孔質体は気孔の多方向性はあるもののその大きさや分布を制御することが製造上困難であるため、細胞の侵入がスムーズにいかない場合が多々生じて十分に生長が促進されないという問題があり、またフォーム状のものは気孔径がある程度設定でき、しかも多方向性を有するという特徴があるが、製造上骨格部にクラックが発生し易く強度が極端に低くなると同時に、一通の貫通孔が全くないため細胞の増殖を促進させるのに今一つ十分ではない。またハニカム状のものは気孔の制御が容易であり、かつ均一な径を有する一通の貫通孔が得られるため、表面積の向上により細胞の十分な生長が望まれ、強度も安定したものであるが、貫通孔がすべて一定方向に向いているため他方向からの細胞侵入が困難となり、場所によっては十分な効果が得られ難い。こうした状況の中で、生体との親和性および融合力を高めるために上記構造を組み合わせたものも考えられ、例えば多孔質中に貫通孔を設ける方法などが知られている（特許文献１参照）。この構造とすることにより、表面積が増加すると同時に、一方向ばかりでなく多方向からの細胞侵入が可能となるのである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−２７５２０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記構造においては多孔質体を用いているため前記したような多孔質の問題点がそのまま生じ、さらに多孔質体中に貫通孔を設けると強度上の問題が生じるため多数設けるのは難しく、特に生体との親和性や融合力向上のための適切な数や径を有する貫通孔と、適度の気孔を有する多孔質体との組み合わせを求めるためには種々の問題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上記問題を解消したセラミックス構造体にあり、貫通孔の方向が一方向に位置されてなるハニカム状構造体と、少なくとも１つの貫通孔を有する微小成形物の集合体であって該貫通孔の方向が三次元方向にランダムに位置されてなるランダム状構造体との組み合わせからなることを第１の要旨とする。
【０００６】
またハニカム状構造体の外部又は内部にランダム状構造体が配置されてなることを第２の要旨とする。
【０００７】
さらにハニカム状構造体とランダム状構造体とが多層状に配置されてなることを第３の要旨とする。
【０００８】
さらにはランダム状構造体の微小成形物どうしが自己固着してなることを第４の要旨とする。
【０００９】
さらにはセラミックス構造体が生体用であることを第５の要旨とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明のセラミックス構造体は、貫通孔の孔方向が一方向性ばかりでなく多方向性も有し、かつ孔径の大きさや分布などが容易に制御でき、さらに表面積がきわめて増大するという顕著な特徴を有するもので、なお特には生体用として用いた場合、一方向のみあるいは多方向からの細胞侵入が同時に可能となり、埋入の仕方や方向を気にすることなく容易に埋め込むことができ、しかも細胞侵入がスムーズに進行され十分な生長が促進されると同時に、細胞の種類や量あるいは骨の補填場所に適した形状に成形でき、さらには表面積が向上するためより多くの細胞を付着させることができるなど、生体との親和性および融合力の飛躍的な向上が見込まれるという面で種々の利点を有するものである。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明のセラミックス構造体を示す斜視概略図である。
【図２】ランダム状構造体を示す部分概略図である。
【図３】本発明の他のセラミックス構造体を示す斜視概略図である。
【図４】本発明のさらに他のセラミックス構造体を示す斜視概略図である。
【図５】本発明のさらに他のセラミックス構造体を示す斜視概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明のセラミックス構造体は、特に生体用として用いた場合一方向および多方向からの細胞の侵入が可能となり、細胞の生成と生長が促進されるという目的を実現した。次に、本発明のセラミックス構造体を図面に沿って説明する。
【００１３】
図１は、本発明のセラミックス構造体１を示す斜視概略図で、図２はランダム状構造体３の構造を示す部分概略図である。セラミックス構造体１は、一通の貫通孔２Ａを有する円柱状のハニカム状構造体２の外部に円筒状のランダム状構造体３が配置された構成となっている。
【００１４】
ハニカム状構造体２は、図１の上から下に向かって一通の貫通孔２Ａが複数個設けられており、押出成形やプレス成形、射出成形あるいは機械的に穿孔することでハニカム状にしたもの、もしくは少なくとも１つの貫通孔を有する棒状体を束ねてハニカム状としてもよい。この場合、棒状体の断面形状は丸、三角、四角、六角など任意である。ハニカム状構造体２の外形形状は円柱状であるが、この他三角柱、四角柱、六角柱等任意である。
【００１５】
貫通孔２Ａの孔径は、細胞、血管、骨などが十分に生成し、生長できる範囲であればよく、使用条件に応じて適宜設定できるが、例えば１０〜１０００μｍ、特には細胞侵入に適切な径である２００〜１０００μｍの範囲が好ましい。さらに孔径の異なった貫通孔を有するものも用いることができる。貫通孔２Ａの断面形状は円形、楕円形、三角形、四角形、六角形など任意であるが、通常は円形が好適に用いられる。
【００１６】
ランダム状構造体３は、図２に示すように円柱状の微小成形物４の長手方向に貫通孔４Ａが設けられ、この貫通孔４Ａの方向を三次元方向にランダムに位置させるように微小成形物４を集合・固着させたものであり、集合・固着された微小成形物４どうしはそれぞれ接触部において接合し、接触部以外の外周面の大部分が接合しないまま三次元的に入り組んだ状態となるため、結果としてその間隙が三次元網状の気孔３Ａとして形成される。したがって、貫通孔４Ａに気孔３Ａが加わることにより表面積が増大することになる。
【００１７】
微小成形物４の外形形状は、例えば球状や、円柱状、三角柱状、四角柱状、六角柱状などの柱状が挙げられ、これらを組み合わせて用いることもできるが、好ましくは柱状、特には円柱状が好適である。つまり、各微小成形物４を三次元方向にランダムに配置させることが容易となり、さらにその結果として微小成形物４間の間隙に気孔３Ａが形成され易くなるのである。なお、柱状の場合において微小成形物４のＬ／Ｄ（Ｌ：長さ、Ｄ：外径）は任意であるが、好ましくは１．５以上がよく、特には３以上が好適である。Ｌ／Ｄが１．５未満だと、限りなく円板状になるため、貫通孔の孔方向をランダムに位置させようとしても密に重なり易くなり、セラミックス構造体１の作製が困難となる。その結果、微小成形物間の間隙に目的とする気孔を得ることも困難となるのである。
【００１８】
微小成形物４の貫通孔４Ａの孔径は、ハニカム状構造体２の貫通孔２Ａと同様に１０〜１０００μｍ、特には２００〜１０００μｍが好ましい。また貫通孔４Ａの数は少なくとも１つであり、代表的には図２のようにパイプ形状のものが好ましいが、複数の貫通孔を有するハニカム状のものも用いることができる。貫通孔４Ａの断面形状は円形、楕円形、三角形、四角形、六角形など任意であるが、特には円形が好適に用いられる。
【００１９】
ランダム状構造体３を得るための微小成形物４間の固着構造としては、例えば塗布固着あるいは自己固着が挙げられ、特には自己固着が好ましい。塗布固着は、微小成形物４の外周面に粘着材あるいは粘着材から炭素を形成させることで微小成形物４どうしを接合させた構造である。自己固着は、粘着材を用いずに微小成形物４自身の有する自己接着力、即ち微小成形物４内に内包された結合材や結合材から焼成して得られる炭素あるいは後述する主材の焼結力を利用して接合させた構造であり、製造上塗布固着のような煩雑さが少なく、かつ微小成形物間の間隙に三次元網状の明瞭な気孔が得られ易くなるという特徴を有する。なお、粘着材あるいは結合材としては天然樹脂、合成樹脂やコラーゲン、ゼラチンなどの生体吸収性高分子物質などが挙げられる。
【００２０】
ハニカム状構造体２およびランダム状構造体３の微小成形物４に用いる主材としてはセラミックが用いられ、特に骨補填材や細胞培養担体などに使用する場合には酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、リン酸カルシウムなどのセラミックが好ましく、さらにはリン酸カルシウム系セラミックが生体材に近い特質を有することから好適であり、具体的には例えば第一リン酸カルシウム、メタリン酸カルシウム、第二リン酸カルシウム、ピロリン酸カルシウム、リン酸三カルシウム、リン酸四カルシウム、リン酸八カルシウム、ハイドロキシアパタイト、Ｃａ不足ハイドロキシアパタイトなどが挙げられる。前記主材のほかに他の材料が添加されていてもよく、例えば主材に用いられる材料以外のセラミックや樹脂が挙げられ、さらにコラーゲン、ゼラチンなどの生体吸収性高分子物質や炭素などの生体用として好適に用いられている材料が挙げられる。なお、ハニカム状構造体とランダム状構造体に用いられる主材は同一であることが好ましいが、異なっていてもよい。
【００２１】
図１のセラミックス構造体１以外に他の組み合わせ構造として、例えば図３、図４、図５の構造が挙げられる。図３はセラミックス構造体５の斜視概略図であり、円筒状のハニカム状構造体６の内部にランダム状構造体７が配置された組み合わせ構造を示す。ここで図１の場合において、ランダム状構造体３の外部にさらにハニカム状構造体を設けてもよいし、図３の場合においてハニカム状構造体６の外部にさらにランダム状構造体を設けてもよい。図４はセラミックス構造体８の斜視概略図であり、セラミックス構造体８はランダム状構造体９の内部に２つのハニカム状構造体１０を設けたものであり、また図示していないが逆にハニカム状構造体の内部に２つ以上のランダム状構造体を設けてもよい。図５は、さらに他の組み合わせ構造を示すセラミックス構造体１１の斜視概略図であって、ハニカム状構造体１２とランダム状構造体１３とがそれぞれ層状に重なったものであり、図５では２層であるが、交互に積み重ねて２以上の層状構造としてもよい。
【００２２】
次に、本発明のセラミックス構造体の製造法について簡単に述べると、まず原材料としてセラミックスなどの主材と樹脂などの結合材を混練して、ハニカム状に押出成形するかもしくはパイプ状に成形して一方向に束ねたものを適宜の形状とし、乾燥又は高温で焼成してハニカム状構造体とする。一方、主材として同一あるいは他の材料を用いて少なくとも１つの貫通孔を有する押出素材を作製し、適宜の長さに切断したのち、得られた微小成形物素材を貫通孔の孔方向が三次元方向にランダムになるように集合・固着させ、乾燥又は焼成してランダム状構造体とする。このランダム状構造体およびハニカム状構造体を所定の型内に充填して互いに外部、内部となるように、あるいは層状に適宜組み合わせて相互に固定し、最終的に乾燥又は焼成してセラミックス構造体とする。次に、本発明の実施例を示す。なお、「部」は「質量部」である。
【実施例１】
【００２３】
主材としてリン酸三カルシウム８０部と結合材であるポリビニルアルコール２０部に水１００部を加え、混練後に押出成形して、長さ５．０ｍｍ、外径２．０ｍｍで、孔径が３００μｍの貫通孔を１４個有する円柱状のハニカム状素材を作製した。この素材を内径８ｍｍの円筒状の型内中央に固定した。次に、上記と同様の原材料および配合を用い、混練後に押出成形して長さ１．６ｍｍ、外径０．５ｍｍで孔径が３００μｍの貫通孔を有する円柱状の微小成形物の素材を多数作製した。この微小成形物素材を型内においてハニカム状素材の周囲にランダムに集合させてランダム状素材とし、水を散布して軽く押圧した。このとき、ハニカム状素材および微小成形物素材内部の結合材が水に濡れて素材表面が活性化され、微小成形物素材どうしおよび微小成形物素材とハニカム状素材とが接合された組み合わせ素材が得られた。この組み合わせ素材を酸素雰囲気中において最高温度１１００℃で焼成し、ハニカム状構造体の外部に貫通孔の方向が三次元方向にランダムになるように微小成形物が集合・固着されたランダム状構造体が円筒状に配置された構造を有するリン酸三カルシウムからなるセラミックス構造体が得られた。このとき、ハニカム状素材および微小成形物素材どうしの接触部において、内包された結合材どうしが表面で接合し、焼成により結合材が酸素中で昇華すると同時に、主材の焼結力によって各素材どうしが固着されている。得られたセラミックス構造体は、白色でハニカム構造体の周囲に配置されたランダム状構造体のランダムさの程度がきわめて良好であり、また破壊しにくく、さらに微小成形物間の間隙には三次元網状の構造を有する気孔も明瞭に形成された。このセラミックス構造体を生体用としてウサギに対する骨補填材として埋設し、４週間後に取り出したところハニカム状構造体およびランダム状構造体の貫通孔、さらには間隙の三次元網状気孔内にも多くの骨芽細胞が増殖し、十分な生長がみられた。
【実施例２】
【００２４】
実施例１と同じ原材料、配合を用い、押出成形して長さ６．０ｍｍ、高さ６．０ｍｍ、厚さが２．０ｍｍで孔径３００μｍの貫通孔を２０個有するハニカム状素材とした。ここで、貫通孔は高さ方向に連通している。また微小成形物素材は、実施例１と同様のものを用いた。次に内部が長さ６．０ｍｍ、高さ６．０ｍｍ、厚さ８．０ｍｍの直方体状の型内の中央にハニカム状素材を配置し、その両側の３ｍｍ厚部に微小成形物の素材を充填し、ランダムに集合させてランダム状素材とし、水を散布して軽く押圧し、実施例１と同様に微小成形物素材どうしおよび微小成形物とハニカム状素材とが接合された組み合わせ素材が得られた。この素材を酸素雰囲気中において最高温度１１００℃で焼成し、ハニカム状構造体とランダム状構造体とが３層状に配置されたセラミックス構造体が得られた。このセラミックス構造体は、実施例１と同様の特徴が得られた。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
本発明のセラミックス構造体は、気孔の有する表面積がきわめて大きく、しかも多方向性を有することから触媒担体や濾過材、蓄熱材など種々の用途に応用でき、特には生体用として血管の形成や細胞の増殖を促進し、かつ多方向からの細胞侵入が容易となるため、良好な骨補填材あるいは細胞培養担体となり、医療分野の要請に対して十分適用できる。
【符号の説明】
【００２６】
１  セラミックス構造体
２  ハニカム状構造体
２Ａ  ハニカム状構造体２の貫通孔
３  ランダム状構造体
３Ａ  ランダム状構造体３の気孔
４  微小成形物
４Ａ  微小成形物４の貫通孔
５  セラミックス構造体
６  ハニカム状構造体
７  ランダム状構造体
８  セラミックス構造体
９  ランダム状構造体
１０  ハニカム状構造体
１１  セラミックス構造体
１２  ハニカム状構造体
１３  ランダム状構造体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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