(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
人体の骨または関節などの硬組織を置換する人工補綴部材であって、該人工補綴部材は純チタン、チタン合金、Cｏ−Ｃｒ−Ｍｏ合金又はＦｅ−Ｎｉ−Ｃｒ合金よりなる多数の孔が穿設された厚み１５０μｍ以下の薄板を積層し、積み重ね合わされた前記薄板を実質的に非荷重下で加熱し融着してなる多孔質体よりなり、前記孔を厚み方向に連通させるとともに、隣接する少なくとも１組の前記薄板の一方に形成されたある１つの孔が平面視において他方に形成された複数個の孔を包含することを特徴とする人工補綴部材。
【請求項２】
純チタン、チタン合金、Cｏ−Ｃｒ−Ｍｏ合金又はＦｅ−Ｎｉ−Ｃｒ合金よりなる多数の孔を穿設した厚さ１５０μｍ以下の薄板を前記孔が厚み方向に連通するように積み重ね合わせ、隣接する少なくとも１組の前記薄板の一方に形成されたある１つの孔が平面視において他方に形成された複数個の孔を包含するようにする工程と、積み重ね合わされた前記薄板を実質的に非荷重下で加熱し融着する工程とを含む人工補綴部材の製造方法。
【請求項３】
人工骨、人工関節などの基体の表面の所要箇所に前記薄板を重ね合わせて加熱することを特徴とする請求項２記載の人工補綴部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、種々の疾患により機能が著しく低下もしくは喪失した人体の骨または関節等の硬組織を置換する人工補綴部材に係り、更に詳細には人工補綴部材と生体組織との接合における支持固定特性を高めるべく、骨組織が侵入するための多孔性の表面構造を有する人工補綴部材とその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
骨組織が侵入するための多孔性の表面構造を備える従来の人工補綴部材としては、例えば、
▲１▼ＵＳＰ３８５５６３８号やＵＳＰ４６４４９４２号の発明の如く、金属製ビーズを表面に焼結固着させた金属性人工補綴部材、
▲２▼ＥＰ０１７８６５０号やＵＳＰ４６６０７５５号の発明の如く、金属製の網状体を圧縮加工し、高温加熱により表面に拡散結合させた金属製人工補綴部材、
▲３▼ＧＢ２１４２８３０Ａ号の発明の如く、多孔質の金属製板状体を表面に機械的な方法で固定した人工補綴部材、
▲４▼ＵＳＰ４６０８０５２号の発明の如く、レーザ加工により細かい孔を表面に設け、多孔質の表面構造を形成した人工補綴部材、
▲５▼特開平３−１２３５４６号公報に記載される如く、鋳造してなる多孔質体を表面に固定した人工補綴部材、
▲６▼特開平３−２９６４６号公報に記載される如く、海綿骨組織とほぼ同等の形状の孔を備えた表面構造を有する金属製人工補綴部材、
▲７▼特開平３−４９７６６号公報では、パンチングやエッチングにより孔を形設した１５０〜５００μm の厚さの薄板を積層し、これに圧縮荷重を加えた後、加熱してなる多孔質体である人工補綴部材、あるいは該多孔質体で表面の一部、または全部を被覆した人工補綴部材などが多く提案されている。
【０００３】
【従来技術の課題】
しかしながら、上記の人工補綴部材は以下のような問題を有していた。
【０００４】
▲１▼の人工補綴部材では、空隙が多孔質体に占める体積比率、即ち体積空隙率は約３５％程度で低率であった。この体積空隙率が小さい場合には、たとえ骨組織が空隙内を埋め尽くしたとしてもその相対的体積が小さく、したがって人工補綴部材と骨の接合強度は十分大きいとは言えなかった。また、金属製ビーズを表面に付着せしめてあるが、ビーズを付着せしめる焼結工程で、高温処理が行われるため人工補綴部材を成す基体の機械強度が著しく低下することが判明しており、１例として、疲労強度が母材強度の約１／５まで低下するとの報告もあり、焼結工程は人工補綴部材の生体での耐久性に大きな悪影響を及ぼしていた。さらに、上記ビーズどうしの接合強度が小さいため焼結後にビーズが脱落し、関節摺動面などに侵入する恐れがあった。
【０００５】
上記▲２▼の人工補綴部材では、多孔質体の体積空隙率は約５０％、機械強度で疲労強度が母材強度の約７０％と上記▲１▼の人工補綴部材に比して改善されているが、圧縮加工において細孔の大きさや形状を所望の範囲に制御することが困難であった。その結果、形成される細孔の径、形状は骨組織の増生侵入に最適なものとはならず、また上記多孔質体を複雑な人工補綴部材の表面形状に適合させようとする場合、圧縮荷重の差によって平面と曲面で孔の寸法、形状に大きな差が生じるという欠点があった。このことにより細孔内への骨組織の侵入度合いが部位によって異なり、その結果、上記多孔質体と骨との接合強度が部位によって異なるという不具合があった。
【０００６】
上記▲３▼の人工補綴部材では、前記板状体と本体とが機械的に結合されていたため板状体に微小な動きが起こり、金属組織の摩耗や溶解を起こしたり、ひどい時には板状体が離脱してしまったり、複雑な曲面を有する部位には応用しにくい、あるいは製造コストも安価でないという不具合があった。
【０００７】
上記▲４▼の人工補綴部材では、３００μm 程度の孔径の孔を規則正しく配設した表面構造を備えているが、孔が互いに連通するオープンポアではなく連通しないクローズドポアとなっているので骨細胞間の生体液の流通がおこらず、先端の骨細胞が壊死してしまうという不具合があった。
【０００８】
上記▲５▼の人工補綴部材では、前記多孔質を鋳造によって作製したため複雑な曲面を有する部位には応用しにくく、また鋳造工程にコストがかかってしまった。
【０００９】
上記▲６▼の人工補綴部材では、海綿骨の寸法、形状を模した表面構造を有するが、この構造における孔の寸法、形状は必ずしも骨組織の侵入に最適なものではなく十分な骨組織の侵入が起こらない不具合があった。
【００１０】
上記▲７▼の人工補綴部材では、前記薄板の厚さが１５０〜５００μm もあるため、上記多孔質体を複雑な曲面や径の小さい円柱状表面に適用することができないこと及び積層し圧縮荷重を加えることによって孔の形成、配置等が著しくずれるため骨組織の侵入のために最適な孔形状にコントロールすることが困難で、骨組織の侵入が十分でないという不具合があった。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は人体の骨または関節などの硬組織を置換する人工補綴部材であって、該人工補綴部材は純チタン、チタン合金、Cｏ−Ｃｒ−Ｍｏ合金又はＦｅ−Ｎｉ−Ｃｒ合金よりなる多数の孔が穿設された厚み１５０μｍ以下の薄板を積層し、積み重ね合わされた前記薄板を実質的に非荷重下で加熱し融着してなる多孔質体よりなり、前記孔を厚み方向に連通させるとともに、隣接する少なくとも１組の前記薄板の一方に形成されたある１つの孔が平面視において他方に形成された複数個の孔を包含することを特徴とする人工補綴部材、及び、純チタン、チタン合金、Cｏ−Ｃｒ−Ｍｏ合金又はＦｅ−Ｎｉ−Ｃｒ合金よりなる多数の孔を穿設した厚さ１５０μｍ以下の薄板を前記孔が厚み方向に連通するように積み重ね合わせ、隣接する少なくとも１組の前記薄板の一方に形成されたある１つの孔が平面視において他方に形成された複数個の孔を包含するようにする工程と、積み重ね合わされた前記薄板を実質的に非荷重下で加熱し融着する工程とを含む人工補綴部材の製造方法を提供するものである。
【００１２】
【作用】
純チタン、チタン合金、Cｏ−Ｃｒ−Ｍｏ合金又はＦｅ−Ｎｉ−Ｃｒ合金よりなる多数の孔を穿設してなる複数の薄板を含む厚さ１５０μm の薄板を、前記孔が厚み方向に連通するように積み重ね合わせ、隣接する少なくとも１組の前記薄板の一方に形成されたある１つの孔が平面視において他方に形成された複数個の孔を包含するようにし、その状態で実質的に非荷重下で加熱して融着結合することによって、上記孔が三次元的に連がり、かつ連なりが適宜コントロールされた多孔質体が得られる。この多孔質体はそのまま人工補綴材となしたり、あるいはこれを人工補綴部材をなす基体の平面あるいは曲面の表面に固定して人工補綴部材表面とすることができる。この多孔質体内部において三次元的構造をなす空隙に増生侵入した骨組織はその立体構造により生体内の人工補綴部材を強固に支持し、その微小な動き（Ｍｉｃｒｏ Ｍｏｖｅｍｅｎｔ）を防止することができる。また、上記多孔質体において、隣接する少なくとも１組の前記薄板の一方に形成されたある１つの孔が平面視において他方に形成された複数個の孔を包含するので、多孔質体内部において骨組織、骨髄組織、血管像が侵入し、これにより栄養補給が容易となって、健全な骨組織を維持する。
【００１３】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図に基づいて具体的に説明する。
【００１４】
図１は人工補綴部材を構成し、あるいは人工補綴部材表面の一部又は全部を被覆する本実施例の多孔質体Ｓの斜視図である。この多孔質体Ｓは、外形の寸法が１０ｍｍ×１５ｍｍ×２ｍｍであり、厚みが１００μm で多くの孔Ｈが穿設された薄板１、２・・・・・・を順次に積み重ねて２０層の積層構造としたものである。薄板１、２・・の材質は純チタンで、各薄板１、２・・・を積み重ねながら位置決めし、軽い重しや接着材で仮固定したあと、真空焼結炉中において実質的非荷重下でで約９００度程度に加熱し、各薄板１、２・・・を互いに融着させた。焼結炉はヒータがモリブデン製のものを使用し、加熱はアルゴンなどの不活性ガス雰囲気中で行っても良い。各薄板１、２・・・同士の融着は金属原子の拡散結合により行われている。各薄板１、２・・の位置決めは平面視長方形をなす薄板の各片を利用して行った。
【００１５】
真空炉内での工程で孔Ｈはその重なりにわずかの変位を生ずる事があるが、変位量は約２０μm 程度であって製作上はほとんど無視できる。なお、より精度良く積み重ねる必要のある場合や、多孔質体Ｓの外形において基準にできる平面部分のない形状の場合は、位置決めのための孔（不図示）を各薄板１、２・・・の四隅に穿設し、ここに位置決め用の棒を挿入しておいてもよい。このようにして薄板１、２・・・を相互に融着したが、多孔質体Ｓ１の外観や寸法には特に変化はなく、変質層も見られなかった。
【００１６】
図２は、上記多孔質体Ｓを構成する最外層の薄板１の部分拡大図である。正六角形の孔Ｈは、骨細胞の最小単位であるオステオンが侵入しやすく、かつ密に増生するに適した形状の一つであり、蜂の巣や結晶構造における如く、最密充填を可能とする形状である。
【００１７】
この正六角形の孔Ｈは、エッチング法によって形成されており、薄板の表面部分における内接円の直径は約３５０μm であるが、孔Ｈの断面中央部分が盛り上がり、その盛り上がり幅が最大な所では、その内接円直径が、すなわち孔Ｈの有効孔径が３００μm 程度になる。
【００１８】
なお、上記孔Ｈはエッチング法の他にも、レーザ加工やパンチングなどによっても形成することができる。
【００１９】
図２に示すように、多孔質体Ｓにおいて、横無孔縁の幅Ｐ１＝１．０５ｍｍ、縦無孔縁の幅Ｐ２＝１．２７ｍｍとし孔と孔の間隙は横方向にＰ１＝５００μm、縦方向にはＰｍ＝４３３μm として、表面での内接円直径が３５０μm の孔Ｈが最密に配置されるようにデザインした。
【００２０】
孔Ｈを形成すべくエッチング（腐食）液をシャワーする工程において、薄板を両面から腐食させると、その断面は図３に示す如く孔Ｈの中心方向に突出する突出部ｈにより菱型に近い形状となり斜面の角度が約３０度から約４５度の範囲となる。また、エッチングを片面から行うと、その断面は二等辺三角形に近い形状となる。
【００２１】
両面側からエッチングをするか、片面からエッチングをするかは人工補綴部材の形状や置換される硬組織の部位の生体工学的な条件などを考慮して決定される。即ち、多孔質体Ｓの表面にどのような応力が残留するか、その大きさがどれぐらいか等を考察する必要がある。また、骨セメントを使用して固定する場合は、骨セメントが孔Ｈ内に入りやすく重合後は抜けにくいデザインの方が良い。
【００２２】
図３に断面を示す多孔質体Ｓ１は、図１に示すような多孔質体Ｓの外観を有し、強度補強のため中心に稠密体薄板ＮＰを２枚積層するとともに、その両側それぞれには小さめの孔Ｈ1 を多数穿設してなる薄板ｎ（ｎ＝奇数）、及び大きめの孔Ｈ2 を多数穿設してなる薄板ｎ＋１を交互に９枚積層したものである。この多孔質体Ｓ１を構成する上記薄板ＮＰ、ｎ、ｎ＋１はすべて厚み１００μm である。また、図４は、この多孔質体Ｓ１の上下に重なりあった２枚の薄板ｎ、ｎ＋１の平面図を示し、同図に示すように、平面視において大きめの孔Ｈ2 は、小さめの孔Ｈ1 ３つを包含しているとともに、この３つの孔Ｈ1 を含めて小さめの孔Ｈ1 １１個に連通している。なお、ここで包含するというのは上記大きめの孔Ｈ2 が上記小さめの孔Ｈ1に対して完全に開口していることを意味している。
【００２３】
このように形成された多孔質体Ｓ１は、より多くの組織、特に、骨組織と骨髄組織と血管像とが形成される。これにより骨組織への栄養補給が活発に行われ、健全な骨組織の形成と維持が達成できる。
【００２４】
本実施例の多孔質体Ｓを構成する金属製の薄板１、２・・・は、１５０μm 以下の厚みであるため、容易に成形でき、これを実質的に非荷重下で加熱して融着結合することによって、上記孔が三次元的に連がり、かつ連なりが適宜コントロールされた多孔質体多孔質体Ｓを人工補綴材の複雑な表面に合わせて成形し固定したり、これと一体に加熱して融着結合することができる。なお、孔Ｈの平面形状は好ましく正六角形のように最密充填に効果的な形を選択し、出来るだけ体積空隙率を増すような形状とし、上下に隣接する薄板に形成した孔Ｈが垂直方向のみでなく、水平方向にも連なっていくオープンな三次元構造であることが望ましい。
【００２５】
また、骨組織の侵入を促進するために、骨組織に対する親和性を有し、生体活性な生体材料を被覆することが望まく、被覆する材料はアパタイト、生体ガラスセラミックス、キチン、キトサン、ゼラチン又はそれらの誘導体などとともに、生体内で耐蝕性に優れた酸化チタンや窒化チタンのコーティングを行うことが望ましい。また、人工補綴部材を骨セメントにて固定する場合は、シランカップリング剤などの骨セメントとの接着力を強化する薬剤を被覆することが望ましい。
【００２６】
なお、上記薄板１、２・・・を構成する金属材料としては純チタン、チタン合金、ＣｏーＣｒ−Ｍｏ合金又はＦｅ−Ｎｉ−Ｃｒ合金を用いることが好ましい。
【００２７】
（動物実験）
図１に示すような外観を有し、前記図３および図４に示す構成である前記純チタン製多孔質体Ｓ１を動物実験に供する。この多孔質体Ｓ１を構成する上記薄板ＮＰ、ｎ、ｎ＋１はすべて厚み１００μm である。小さめの孔Ｈ1 は平面視で正六角形で、その直径は３５０μm であり、他方、大きめの孔Ｈ2 はその内接円の直径が１，０００μm である。また、上記多孔質体Ｓ１の体積空隙率は７０％であった。
【００２８】
また、上記多孔質体Ｓ１とほぼ同一であるが、図５に示すように上下に隣接する２枚の薄板ｎ、ｎ＋１には直径３５０μm の正六角形で同一の孔Ｈがそれぞれ設けられとともに、一方の薄板ｎに設けられた１つの孔Ｈが他方の薄板ｎ−１に設けられた３つの孔Ｈに均等に連通するようにデザインされた多孔質体Ｓ２（体積空隙率＝約６０％）：及び、図６に示すように上下に隣接する２枚の薄板ｎ、ｎ＋１に設けられた直径３５０μm の正六角形で同一の孔Ｈが平面視においてほぼ完全に重なり合うようになした多孔質体Ｓ３（体積空隙率＝約６０％）を動物実験に供する。
【００２９】
さらに、図７に示すような外径が多孔質体Ｓ１〜Ｓ３にほぼ等しく、チタン−６アルミニウム−４バナディウム合金製の基体ＢＰの上下に設けられた凹部ＢＰ1 に、直径約５００μm の純チタン製ビーズＢを敷き詰め、これを高温で融着した多孔質体Ｓ４（体積空隙率＝約４０％）を動物実験に供する。この多孔質体Ｓ４に形成されるビーズ間ポアは最も狭いところで約１００μm であった。
【００３０】
図８は上述のようにして製作した多孔質体Ｓの有効性を検討するため行った動物実験の模式図である。実験方法としてはＪｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ（以下、ＪＢＭＲと略す），Ｖｏｌ，２０，１２９５−１３０７（１９８６）に記載された方法に準拠して行った。
【００３１】
すなわち、家兎の下肢脛骨Ｔの近位端から約３ｃｍの位置に多孔質体Ｓを埋入した。多孔質体Ｓは、洗浄、オートクレーブ滅菌し、さらに抗生剤（ビクシリン）を溶解した生理食塩水溶液を浸潤させ、予め下肢脛骨Ｔに形成した溝に槌打し埋入した。骨膜、筋肉、筋膜、皮膚を通法に従い縫合し、抗生剤を投与した後、安静に静置した。家兎はケージ（５０ｃｍ×８０ｃｍ×４０ｃｍ）内で自由に運動させ、食餌は固形食を水と共に与えた。
【００３２】
家兎は術後４週と６週で屠殺し、図９に示すように多孔質体Ｓとその周囲の脛骨Ｔの一部を取り出し、ホルマリン固定なしで約２時間後に、図１０に示す如く脛骨ＴにワイヤーＷを通し、インストロン試験機で接着強度Ｄを測定した。インストロン試験機の荷重条件は前述の方法に従いクロスヘッドスピード３．５ｃｍ／ｍｉｎで行った。
【００３３】
次に、接着強度試験後得られた骨組織と多孔質体Ｓを通法に従い脱水、樹脂包理を行い、脛骨Ｔの長軸と垂直な方向に薄切りし、用手的に厚さ約５０μm までの研摩標本Ｚとした。観察は光学顕微鏡を用いて行い、通常光視野と蛍光反射観察を行った。
【００３４】
図１１の接着強度Ｔの測定結果に示すように、各多孔質体Ｓ１〜４はいずれも６週後には約７ｋｇ／ｃｍ2 に達し、有意差を示さなかったが、２週後には多孔質体Ｓ１がＳ２〜４に対し、有意差を示した。
【００３５】
表１には、各多孔質体２群間のそれぞれ２週後、６週後での接着強度の有意差検定値ｐを示し〔ｐ：Ｚ標本ｔ検定（パラメトリック法）にて求めた）、この表２の判定欄には、０．０１≦ｐ＜０．０５：＊、０．００５≦ｐ＜０．０１：＊＊、０．００１≦ｐ＜０．００５：＊＊＊、Ｐ＜０．００１：＊＊＊＊、及び統計的有意差が顕著でない場合、すなわちｐ≧０．０５の場合：ｎｓで判定を記載した。
【００３６】
【表１】
0003544550.tif 000002
【００３７】
次に、上記骨／多孔質体の研磨標本を作り、これを５０倍の拡大率で観察した。その結果、実施例２の多孔質体Ｓ１〜Ｓ３及び多孔質体Ｓ４は、内部に骨組織と骨髄組織が共存し、特に多孔質体Ｓ１については血管像も存在しており、健全な骨組織が維持される永続性が期待できることが判った。なお、多孔質体Ｓ２については侵入度合いが浅く、多孔質体Ｓ３、Ｓ４については横方向の連続性に欠けており、十分な栄養補給を行いにくいことを示唆していた。
【００３８】
上記の結果から、多孔質体内部における健全な骨組織の維持には血管などの組織の侵入に伴う栄養補給が重要であることが推測できる。
【発明の効果】
本発明の製造方法によればによれば、（１）圧縮をせずに多孔質の薄板を積層しているため細孔の径、大きさのコントロールが容易であり；かつ、（２）薄板相互を拡散結合（融着）させたので生体内での微小な移動がなく；（３）１５０μm 以下の厚みの薄板を用いたので、多孔質体の曲面加工が容易にでき、よって基体の任意の表面に上記多孔質体を固定することができ；（４）細孔を厚み方向に連通する際、孔の中心位置等をズラしたりすることによって空隙の３次元的立体構造を任意にデザインすることができ、骨組織を迅速かつ多量に増生、侵入させるようにすることができる；等の特徴により、骨組織と強固に固定する。もって耐久性が向上し、再置換手術の必要のないことから患者の負担が非常に少ないものである。
また、本発明の人工補綴部材は、
（５）隣接する少なくとも１組の前記薄板の一方に形成されたある１つの孔が平面視において他方に形成された複数個の孔を包含することを本発明の人工補綴部材は、多孔質体内部において血管組織の侵入して栄養補給が容易となり、健全な骨組織を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明実施例の生体補綴部材としての多孔質体の斜視図である。
【図２】図１の多孔質体を構成する最外層の薄板の部分平面図である。
【図３】動物実験に供した多孔質体Ｓ１の断面図である。
【図４】図３の多孔質体Ｓ１を構成する上下に隣接する２枚の薄板の部分平面図である。
【図５】動物実験に供した多孔質体Ｓ２を構成する上下に隣接する２枚の薄板の部分平面図である。
【図６】動物実験に供した多孔質体Ｓ３を構成する上下に隣接する２枚の薄板の部分平面図である。
【図７】動物実験に供した多孔質体Ｓ４の斜視図である。
【図８】動物実験の模式図である。
【図９】動物実験の模式図である。
【図１０】動物実験の模式図である。
【図１１】動物実験の接着強度測定結果を示すグラフである。
【符号の説明】
Ｓ、Ｓ１〜Ｓ３ 多孔質体
Ｓ４ 生体補綴部材
１〜９ 薄板
Ｈ 孔
Ｔ 脛骨
Ｆ 大腿骨
Ｗ ワイヤー
【図１】
0003544550.tif 000003
【図２】
0003544550.tif 000004
【図３】
0003544550.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0003544550.tif 000009
【図８】
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【図９】
0003544550.tif 000011
【図１０】
0003544550.tif 000012
【図１１】
0003544550.tif 000013