(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
孔の形状や配置が異なる複数種類の生体無害性のセラミックよりなる多孔薄板を積層し、該多孔薄板に設けた多数の孔が位置ズレした状態で互いに連通するように規則的に配してなる人工骨、人工関節、人工歯根等を構成する生体補綴部材において、上記多数の孔が開孔し且つ骨と接する開孔表面における前記孔と孔との間の位置に、外表面が滑らかな表面により構成された複数個の小突起を４〜１５個／ｃｍ２の存在密度で設けるとともに、上記小突起は、高さh＝１００〜３００μｍ、最大径d＝４００〜１０００μｍ、d≧２ｈであり、且つ上記最大径dを直径とした半球の範囲内に存在する形状であることを特徴とする生体補綴部材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、疾病、災害などにより骨機能や手足の関節、あるいは老齢、疾病などによって失われた歯牙を再建するために用いられる人工関節等を構成する生体補綴部材に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、多孔質体を具備した上記生体補綴部材として、金属製のもの或いはセラミック製のものが提案されている。例えば、
（１）有機樹脂粉末や有機樹脂繊維などの有機材料を原料調整時にセラミック原料に分散させ、所定の形状に加圧成形後、焼成により有機材料を消失させたもの、
（２）３次元網目状有機材料を配置した鋳型内部に、セラミックスラリーを流し込み、乾燥後、焼成により有機材料を消失させたもの、
（３）特開平１−３００９４７号の発明の如く、セラミック製ビーズを生体補綴部材に接着したもの、
（４）特開平８−１７３４６３号の発明の如く、規則性を持って多数の孔を形成したセラミック製グリーンシートを多数積層して３次元多孔質体とし、焼成したもの、などが挙げられる。
【０００３】
しかしながら、上記従来技術のうち、セラミック製グリーンシートを積層したもの以外は、いずれも孔形状を正確にコントロールできるものではなく、孔形状にバラツキが生じてしまい、骨が増生進入するのに最適な孔形状が得られない箇所が生じる恐れがあった。
【０００４】
これに対して上記セラミック製グリーンシートを積層して多孔質体を得る手法は、孔形状のコントロールを正確に行うことができる。そのため、骨の進入に最適な孔形状を有する多孔質体が設計可能であり、多孔質体への早期の骨成長と骨との強固な固定が、多孔質体と骨との接触面全体にわたって得ることができる。
【０００５】
【従来技術の課題】
しかしながら、上記セラミック製グリーンシートを積層して得られたた多孔質体は、開孔表面が平面的であるため、骨内埋入時の初期嵌合性に乏しく、また骨治癒後の剪断荷重環境下では骨と多孔質体界面間に繰り返し発生するマイクロモーションに対して充分な骨内固定性が得られず、生体補綴材料と骨との固定に緩みが生じる恐れがあるなどの課題があった。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため本発明の生体補綴部材は、孔の形状や配置が異なる複数種類の生体無害性のセラミックよりなる多孔薄板を積層し、該多孔薄板に設けた多数の孔が位置ズレした状態で互いに連通するように規則的に配してなる人工骨、人工関節、人工歯根等を構成する生体補綴部材において、上記多数の孔が開孔し且つ骨と接する開孔表面における前記孔と孔との間の位置に、外表面が滑らかな表面により構成された複数個の小突起を４〜１５個／ｃｍ２の存在密度で設けるとともに、上記小突起は、高さh＝１００〜３００μｍ、最大径d＝４００〜１０００μｍ、d≧２ｈであり、且つ上記最大径dを直径とした半球の範囲内に存在する形状であることを特徴とする。なお、このような小突起は、例えば、ディスペンサーにより針先から少量のセラミックスラリーを１回乃至１０回重ねて塗布することにより形成することができる。
【０００７】
多数の孔を規則的に形成したセラミック製グリーンシートを複数枚積層し、開孔表面に外表面が滑らかな表面により構成された高さh＝１００〜３００μｍ、最大径d＝４００〜１０００μｍ、d≧２ｈであり、且つ上記最大径dを直径とした半球の範囲内に存在する形状を有する複数個の小突起を４〜１５個／ｃｍ２の存在密度で付与し、焼成することで、一定深さごとに孔の位置が変位し且つ表面に小突起を備えた３次元多孔質体が得られる。
【０００８】
この多孔質体は、そのまま生体補綴部材たり得るとともに、生体補綴部材をなす基材の表面に一体焼結もしくは接着により接合し、生体補綴部材の表面構造とすることができる。
【０００９】
３次元多孔質体は、骨が密に増殖し且つ増生進入した骨に栄養補給を行う作用を有し、骨組織はその立体構造により生体内の生体補綴部材を強固に保持することが可能である。さらに、多孔質体の開孔表面に複数個の小突起を備えることで、生体補綴部材の骨内での初期嵌合性が増大し、また長期経過後も抗剪断荷重力が増大する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図を用いて説明する。
【００１１】
図１は板状をなす本実施形態の生体補綴部材をなす多孔質体１であって、骨と接する開孔表面を正面とした正面図を示し、この多孔質体１はアルミナやジルコニアなどの生体無害性のセラミックよりなり、図２の断面図に示す如く多数の孔を設けた薄板２、３を積層固着したものである。また、骨に接する開孔表面に高さｈ＝１００〜３００μｍ  、最大径ｄ＝５００〜１０００μｍ  且つｄ≧２ｈの複数個の小突起６を備える。なお、図２は説明の都合上、断面のみを示している。
【００１２】
図３は、上記多孔質体１を構成する２種類の薄板２、３を示し、（ａ）の薄板２を上から１、３番目の層として、（ｂ）の薄板３を上から２番目の層として、穿孔していない薄板を４番目の層として積層したものが上記多孔質体１をなす。
【００１３】
なお、１番上の層は前記小突起６を備えているが本図では説明の都合上、小突起６を示していない。
【００１４】
図１に示すように、これらの薄板２、３を積層した状態の多孔質体１は正面の開孔表面から見た場合に、見かけの孔径Ｒ＝５００μｍ〜１．５ｍｍを有する大径孔４と見かける孔径ｒ＝１５０〜５００μｍの小径孔５を規則的に配している。なお、図１において正六角形の太線は開孔表面における孔形状を示し、他方、細線は下層において上記太線と重ならない孔の辺縁を示している。
【００１５】
また、図２の断面図に示すように、多孔質体１の大径孔４は厚み方向に同一形状を維持しており、他方、小径孔５は内部で孔径が小さくなるところがある。この違いにより、前記見かけの孔径Ｒとｒの違い、すなわち、大径孔４と小径孔５が生じている。加えて、図２に示す如く、大径孔４と小径孔５は互いに連通するようになっている。
【００１６】
このうち大径孔４は、多孔質体１の内部へ増生進入した骨に栄養補給を行う作用を有する。したがって、骨が孔壁に引っ掛かる程度の増生で、過密な骨の増生が起こらないように大きめの見かけ孔径が必要でる。この見かけ孔径が５００μｍ未満の場合は、栄養補給不十分となる恐れがある。
【００１７】
他方、上記見かけ孔径Ｒが１．５ｍｍを越えると骨の増生が疎となり、骨との結合力不足、骨との剪断強度不足が生じる恐れがある。
【００１８】
次に、前記小径孔５としては、１５０μｍ〜５００μｍの孔径のものが好ましいが、この小径孔５は骨が密に増殖し、なるべく底の方まで到達していく作用がある。なお、この見かけ孔径ｒが１５０μｍ未満、骨が侵入しにくくなり、他方、５００μｍ越えると骨が密にできなくなり、骨との結合力不足、骨との剪断強度不足が生じる恐れがある。
【００１９】
なお、上記小突起６の高さｈが１００μｍ  未満では突起を表面に付与したことによる初期〜長期骨固定力増大の効果が小さく、他方、３００μｍ  以上では初期の骨固定力は向上するが、高さｈに起因する母床骨と多孔質体１との間隙が大き過ぎ、中期〜長期的な固定性の向上が不十分となる恐れがある。
【００２０】
また、小突起６の最大径ｄが高さｈの２倍より小さい場合、突起はより柱状に近い形となり、剪断応力下では破損する恐れがある。
【００２１】
前記小突起６の存在密度は４〜１５個／ｃｍ２  であることが望ましい。この存在密度が４個／ｃｍ２  未満の場合、突起を付与することの前記効果が小さく、他方、１５個／ｃｍ２  を越えると、骨と接する開孔表面における開孔面積が小さくなり、骨のイングロース（補綴部材への内部成長）量が少なくなり、骨との固定性に問題が生ずる恐れがある。
【００２２】
ところで、このような多孔質体１の作製方法としては、前記アルミナやジルコニアなどの生体為害性のないセラミック材料よりなる厚さ１００〜１０００μｍ程度のグリーンシートにパンチング等の手段で規則的に多数個の孔を穿設して有孔薄板とし、これを図２の薄板２、薄板３ような孔形状や配置の異なる複数種類を用意し、孔が上下方向に位置ずれした状態で図４の略図に示すように積層する。
【００２３】
また、小突起６は、ディスペンサーにより針先から少量のセラミックスラリーを１回乃至１０回重ねて塗布することにより形成することができる。突起の最大径は、使用する針の外径に大きく依存する。小突起ｈの高さは、スラリーの塗布回数に大きく依存する。スラリーを入れた専用シリンジ内にディスペンサーにより精密に一定圧力で一定時間、エアを注入することで、スラリーの定量吐出を実現している。
【００２４】
また、小突起６のその他の形成方法として、凹部を有する有機材料の凹部にスラリーを注ぎ、多孔質体１の表面に転写したり、球状のセラミックビーズをグリーンシートに加圧して埋め込むといったことが可能である。
【００２５】
小突起６の形状としては、部分球形状等の滑らかな表面により構成されるものが好ましい。小突起６が角部を多く備えていたり、棘状のものである場合は、骨への刺激が強すぎ骨の成長を阻害したり、或いは、大きな剪断荷重によって骨に損傷を与えてしまう等の恐れがある。
【００２６】
最後に、上記積層状態の下、一体焼成することにより、上記多孔質体１を得ることができる。したがって、焼成した多孔質体１の断面は実際には、図２に示すように界面が明瞭に現れるわけではなく、焼結一体化のため不明瞭となる。
【００２７】
また、この多孔質体１はそのまま生体補綴部材たり得るとともに、生体補綴部材をなす基体の表面に一体焼結もしくは接着により接合し、生体補綴部材の表面構造とすることができる。図５の略図は、上記方法にて作製した多孔質体Ｎを表面構造とした備えた人工膝関節大腿骨側コンポーネントＦを示す。また、図６の略図は、骨埋入部分に上記方法にて作製した多孔質体Ｎを接合した歯科用セラミックインプラントＤを示す。なお、図４乃至図６の略図には小突起６を描くと、小さくなり過ぎるので、小突起６を省いて示している。また、貫通穴の形状も概略で示している。
【００２８】
そして、この生体補綴部材を骨内に埋入することで三次元的構造をなす多孔内に新生骨が増生進入し、骨組織はその立体構造により生体内の生体補綴部材を強固に保持することが可能となる。
【００２９】
図７に前記小突起６の他形状例をシルエットで示し、前記小突起６は外表面が最大径を直径とした半球の範囲に存在する形状であることが骨との固定性の上で好ましい。
【００３０】
なお、本発明はこれら実施形態に限定されるものではなく、発明の目的を逸脱しない限り任意の形態とすることができることは言うまでもない。
【００３１】
実施例
以下、本発明の実施例を説明する。
【００３２】
（実施例１）
平均粒径０．４μｍのアルミナ粉末１００重量％に対して分散剤０．７重量％、有機バインダー１２重量％、消泡剤０．２重量％、水１４％を添加しスリップの調整を行った。このスリップを用いてドクターブレード法により厚さ１２０μｍ  、１８０μｍ  、２４０μｍ  、３６０μｍ  の４種のグリーンシートを作製した。
【００３３】
そのうち、厚さ１８０μｍ  、２４０μｍ  、３６０μｍ  のグリーンシートに対してはパンチングによりシートに穿孔を行った。１２０μｍ  、１８０μｍ  、２４０μｍ  、３６０μｍ  の順にグリーンシートを４層に積層して多孔質体を作製し、これを仮焼した。
【００３４】
グリーンシートと同材質のアルミナ粉末１００重量％に対して分散剤１重量％、有機バインダー１４重量％、消泡剤０．２重量％、水４０％を添加しスリップの調整を行った。このスリップを用いて仮焼した多孔質体の開孔表面にディスペンサー（液体精密定量吐出装置）により１突起に対しスリップを８回塗布して突起を作製し、図１乃至図２に示すような多孔質体１とした。これを仮焼した。
【００３５】
この多孔質体１をグリーンシートと同材質のラバープレス材から切り出した板材に接着し、乾燥の後、酸化雰囲気中で１５５０℃焼成を行い、表面構造が多孔質体１で母材が緻密質部からなる２層構造体である本発明の生体補綴部材を得た。
【００３６】
（実施例２）
平均粒径０．６μｍのジルコニア粉末１００重量％に対して分散剤２重量％、有機バインダー１０重量％、可塑剤４重量％、トルエン４０重量％を添加し、スリップの調整を行い、このスリップを用いてドクターブレード法により厚さ１８０μｍ  、３６０μｍ  の２種のグリーンシートを作製した。厚さ１８０μｍ  のグリーンシートに、パンチングによりシートに穿孔した１８０μｍ  のグリーンシートを３層積層し、更に穿孔した厚さ３６０μｍ  のグリーンシートを１層積層して多孔質体を作製した。
【００３７】
多孔質体の開孔表面にディスペンサー（液体精密定量吐出装置）により１突起に対しグリーンシートの作製に用いた組成のスリップを６回塗布して突起を作製した。
【００３８】
この多孔質体１をグリーンシートと同材質のラバープレス材から切り出した板材に接着し、乾燥の後、酸化雰囲気中で１４５０℃焼成を行い、表面構造が多孔質体１で母材が緻密質部からなる２層構造体である本発明の生体補綴部材を得た。
【００３９】
（実施例３）
平均粒径１μｍのハイドロキシアパタイト粉末１００重量％に対して分散剤３重量％、有機バインダー１２重量％、可塑剤３重量％、水４０％を添加しスリップの調整を行った。このスリップを用いて真空押し出し成形法により厚さ３００μｍ  のグリーンシートを作製した。このグリーンシートをパンチングにより穿孔を行った。そして、このグリーンシートを６層までに積層し、多孔質体を作製した。
【００４０】
グリーンシートと同材質のアルミナ粉末１００重量％に対して分散剤３重量％、有機バインダー１４重量％、消泡剤０．５重量％、水６０％を添加しスリップの調整を行った。このスリップを用いて仮焼した多孔質体の片側開孔表面にディスペンサー（液体精密定量吐出装置）により１突起に対しスリップを４回塗布して突起を作製した。これを酸化雰囲気中で１３００℃焼成を行った。この多孔質体を板状のジルコニア焼結体と接着し、表面構造がハイドロキシアパタイト多孔質体で母材がジルコニア緻密体からなる２層構造体である本発明の生体補綴部材を得た。
【００４１】
実験例
（実験例１）
付与した突起の破損の有無を調べるため、剪断荷重試験を行った。
【００４２】
この実験に供した多孔質体１０は、材質がアルミナでなり、図８に示すように、中央が緻密部１１でその上下が多孔質部１２で、かつ片側開孔表面部に規則的に小突起６を付与した構造である。
【００４３】
小突起６の付与数を９個／ｃｍ２  とし、突起の高さを２００μｍ  、３００μｍ  、４００μｍ  の３種類、小突起６の最大径ｄを高さの１．５倍、２倍、３倍の３種類、合計で８種類（突起最大径４００μｍ  未満のものは突起の作製が困難であった）の試験片を準備した。各突起の略図を図９にシルエットで示す。小突起６の最大径ｄ、最大高さをｈとする。板状牛骨片は、屠殺直後に冷凍保存された牛膝関節骨を解凍後、マイクロカッティングマシンで連続スライスして作製された。
【００４４】
試験は、２枚の牛骨片の間に試験片を挿入する方法で行った。この時の小突起６の破損の有無をもとに評価を行った。
【００４５】
図１０は、多孔質体の開孔表面部に付与した突起が初期骨内固定性に与える効果を評価するために行った実験の模式図である。
【００４６】
この試験の結果を表１に示す。
【００４７】
【表１】
0003634974.tif 000002
【００４８】
ｄ／ｈが１．５倍の群にのみ、小突起の破損が認められた。破損は、多孔質部と突起部との界面、或いは多孔質部と小突起の接合端部を起点とした突起内部で生じた。
【００４９】
この比が２倍、３倍の群では、小突起の破損は認められなかった。ｄ／ｈが小さくなるにつれ、小突起の形状は柱状に近くなり、多孔質部と小突起の接合部により高い剪断応力を受けるためではないかと推察できる。この結果より、工学的観点からは小突起の最大径は突起高さの２倍以上あることが好ましい。
【００５０】
（実験例２）
この実験に供した多孔質体は、材質がアルミナでなり、図８に示すように、中央が緻密部でその両面が多孔質部でかつ片側開孔表面部に規則的に突起を付与した構造である。突起の高さは１００μｍ  、２００μｍ  、３００μｍ  の３種類とし、それぞれ突起の付与数を９個／ｃｍ２  または５個／ｃｍ２  とした合計６種類の試験片（ｎ＝５）を準備した。板状牛骨片は、屠殺直後に冷凍保存された牛膝関節骨を解凍後、マイクロカッティングマシンで連続スライスして作製した。
【００５１】
試験は、実験例１と同様に２枚の牛骨片の間に試験片を挿入する方法で行った。この時の小突起６の破損の有無をもとに評価を行った。
【００５２】
この時の結果を図１１に示す。
【００５３】
各群内における挿入と引き抜き荷重の関係を見ると、突起付与数５個／ｃｍ２  且つ突起高さ１００μｍ群を除く５群で「挿入荷重値＞引き抜き荷重値」の関係が認められた。挿入時の摩擦抵抗により海綿骨梁の破壊されるため、垂直方向への引き抜き荷重が減少するのが一般的であるが、突起の高さが大きくなるにつれて両荷重値の差が開き、３００μｍ群は２００μｍ群の引き抜き荷重値を下回る結果であった。３００μｍの突起高さでは微細な海綿骨梁の破壊の恐れがあり、埋入後の初期固定性にマイナスに働く危険性が高い。従って、突起付与数９個／ｃｍ２  且つ突起高さ２００μｍ程度の突起を付与することが最も好ましい結果であった。
【００５４】
【発明の効果】
叙上のように本発明によれば、生体無害性のセラミックよりなり、所望箇所に規則性もって多数の孔を形成したことにより、骨内に埋入、固定される際に三次元的構造をなす多孔内に新生骨が増生進入し、骨組織はその立体構造により生体内の生体補綴部材を強固に保持することが可能となる。
【００５５】
さらに加えるに、骨と接する開孔表面に外表面が滑らかな表面により構成された高さh＝１００〜３００μｍ、最大径d＝４００〜１０００μｍ、d≧２ｈであり、且つ上記最大径dを直径とした半球の範囲内に存在する形状を有する複数個の小突起を４〜１５個／ｃｍ２の存在密度で備えることにより、初期固定力（手術直後の骨との固定力）が増大し、また、長期経過後も抗剪断荷重力が飛躍的に増大する。
【００５６】
以上のように本発明によればセラミックを用いた生体補綴部材において最適な表面構造を提供するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の生体補綴部材をなす多孔質体の正面図である。
【図２】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ図１のＡ−Ａ、Ｂ−Ｂ、Ｃ−Ｃ線断面図である。
【図３】（ａ）、（ｂ）は図１の多孔質体を構成する薄板の平面図である。
【図４】図１の多孔質体の製造方法の説明図である。
【図５】他実施形態による生体補綴部材の斜視図である。
【図６】他実施形態による生体補綴部材の斜視図である。
【図７】（ａ）〜（ｆ）は小突起の形状例を示すシルエット図である。
【図８】実験例に供した多孔質体を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ線図である。
【図９】（ａ）〜（Ｃ）は小突起の形状を示すシルエット図である。
【図１０】多孔質体の開孔表面部に付与した突起が初期骨内固定性に与える効果を評価するために行った実験の模式図である。
【図１１】実験例２の結果を示す棒グラフ図である。
【符号の説明】
１、Ｎ        多孔質体
２、３        薄板
４            大径孔
５            小径孔
６            小突起
Ｆ            人工膝関節大腿骨側コンポーネント
Ｄ            歯科用セラミックインプラント
【図１】
0003634974.tif 000003
【図２】
0003634974.tif 000004
【図３】
0003634974.tif 000005
【図４】
0003634974.tif 000006
【図５】
0003634974.tif 000007
【図６】
0003634974.tif 000008
【図７】
0003634974.tif 000009
【図８】
0003634974.tif 000010
【図９】
0003634974.tif 000011
【図１０】
0003634974.tif 000012
【図１１】
0003634974.tif 000013