(57)【要約】    【課題】治療に必要十分な量の物質を材料内部に均一に拡散分布させることができる構造を有する医用材料を提供する。    【解決手段】空隙率が２０〜９７％である直方体状の多孔質三次元構造体１１と、その本体内部に形成される中空孔１２、１３、１４、１５とから構成されている医用材料１０。また、この中空孔１２からリン酸カルシウム、セラミックスアパタイトなどの物質および／または生理活性を持つ細胞や組織、蛋白、それにそれらの機能を発揮させるにふさわしい物質が導入されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
空隙率が20〜97%である多孔質三次元構造体で、該構造体内部に中空孔、及び/又は、中空部を持つことを特徴とする医用材料。
【請求項２】
空隙率が20〜97%である多孔質三次元構造体を複数個合わせることによって、それらの間隙に中空孔、及び/又は、中空部を持つことを特徴とする医用材料。
【請求項３】
空隙率が97％以下の少なくとも２つ以上の三次元体から形成された多孔質三次元構造体で、該多孔質三次元構造体を形成する三次元体の空隙率が異なることを特徴とする医用材料。
【請求項４】
該多孔質三次元構造体の内部に中空孔及び／又は中空部を持つことを特徴とする請求項３記載の医用材料。
【請求項５】
空隙率が97％以下の多孔質三次元構造体で、傾斜的に空隙率が変化する構造を有することを特徴とする医用材料。
【請求項６】
該多孔質三次元構造体の内部に中空孔、及び／又は中空部を持つことを特徴とする請求項５記載の医用材料。
【請求項７】
該中空孔、及び/又は、中空部が該構造体内で樹枝状に分布していることを特徴とする請求項1、２、４または６記載の医用材料。
【請求項８】
該構造体内を貫通する中空孔、及び/又は、中空部を少なくとも一つ以上を持つことを特徴とする請求項１、２、４、６または７記載の医用材料。
【請求項９】
該構造体に表面から内部へ空隙率勾配があることを特徴とする請求項1から８のいずれか記載の医用材料。
【請求項１０】
該構造体の中空孔、及び/又は、中空部を貫通する少なくとも一つ以上の脱着可能な硬質棒を持つことを特徴とする請求項1、２、４、６、７、８または９記載の医用材料。
【請求項１１】
該硬質棒の太さが、断面積0.5平方センチメートル以下であることを特徴とする請求項１０に記載の医用材料。
【請求項１２】
該硬質棒の断面形状が円形、楕円形、円の一部が欠けた変円形、多角形、L形やH形などの変形、中空形、などから選ばれるいずれかの形態を持つことを特徴とする請求項１０または１１に記載の医用材料。
【請求項１３】
該中空孔、及び/又は、中空部に物質を注入することによって、該構造体内に該物質を拡散分布させ得る事を特徴とする請求項１、２、４、６、７、８、９、１０、１１または１２記載の医用材料。
【請求項１４】
リン酸カルシウム、セラミックスアパタイトのいずれかを該構造体の少なくとも一部に含む事を特徴とする請求項1から１３いずれか記載の医用材料。
【請求項１５】
純チタン、チタン合金、コバルトクロム合金、合成高分子、天然高分子、ステンレス、ステンレス合金、アルミニューム、アルミニューム合金、等のグループから選ばれる一つ以上の素材からなり、それが太さ100μm以下の細繊維形状を少なくともその一部に有する事を特徴とする請求項1から１４いずれか記載の医用材料。
【請求項１６】
三次元構造体を構成する繊維の外周にセラミックスアパタイトがコートされている請求項１５記載の医用材料。
【請求項１７】
該構造体が厚さ0.1〜10mmのシートを積層し、加圧あるいは焼結によって固化されていることを特徴とする請求項１から１６いずれか記載の医用材料。
【請求項１８】
該構造体の内部に注入する物質は生理機能を持ち、各種細胞、骨髄細胞、骨髄液、骨髄液から分離された幹細胞、臍帯血由来細胞、末梢血由来細胞、組織細切片、各種蛋白、脂質、多糖類、酵素、抗生物質、抗菌物質、ホルモン、サイトカイン、血液凝固促進剤、細胞成長因子、遺伝子操作された細胞からの抽出物、遺伝子操作された細胞から産生される物質、血管内皮細胞増殖因子（ＶＥＧＦ）, platelet-induced growth factor(PIGF) ＰＩＧＦ, 治療効果因子ベータ１（ＴＧＦ．ｂｅｔａ．1）、酸性繊維芽細胞（ａＦＧＦ）、塩基性繊維芽細胞（ｂＦＧＦ）、治療効果因子アルファ（ＴＧＦ．ａｌｐｈ．）、上皮細胞増殖因子、オステオネクチン、アンティオポエチン（ＡＮＧ１）、ＡＮＧ２、血小板由来増殖因子ＡＢ、血小板由来増殖因子ＢＢ、骨形成蛋白質（ＢＭＰ）、肝細胞増殖因子（ＨＧＦ）、細胞外マトリックス、コラーゲンあるいはそれらのいずれかの複合体もしくは誘導体、等のグループから選ばれた少なくとも一つ以上であることを特徴とする請求項１から１７のいずれかに記載の医用材料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、医用材料に関するものであり、更に詳しくは歯や骨などの硬組織や軟部組織の欠損部に使用する生体用移植材、球状乃至はブロックなどの構造体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
【特許文献１】２００４−１６３９８号公報
【特許文献２】２００４−６７５４７号公報
【０００３】
従来では外科手術に伴う組織切除欠損部には、周辺の組織を移植する事が多く行われている。そのうち、軟部組織の補填は力学的強度が必須でないが、骨切除を伴う手術による骨欠損では力学的強度を持つ補填材、いわゆる構造体が必要となる。これらの欠損部への治療にはα―リン酸3カルシウム(α-TCP)、β―リン酸3カルシウム(β-TCP)、ハイドロキシアパタイトなどの骨組織親和性充填材が用いられている。
【０００４】
再生医療的な観点からは、単に骨組織親和性のみならず、骨形成細胞を補填材に付着させ、周囲の骨組織との一体化を期待している。そのため充填材は、単体で使用する場合よりも、骨髄液を充填材表面に塗布したり、あるいは骨髄液から間葉系幹細胞を生体外で培養後、充填材上に播種・培養し、骨芽細胞に分化させた後に充填材に付着させることがある。
【０００５】
上記前述のような骨髄液を充填材表面に付着させると、骨髄細胞から骨細胞への分化によって骨再生が生じ、骨組織との一体化による有効な力学的強度が得られると期待される。しかしながら、塗布だけでは、間葉系幹細胞の付着範囲が構造体の表面付近に留まり、付与可能な間葉系幹細胞の数が限定され、期待した治癒の促進効果が得られない場合がある。
【０００６】
また一方、詳細については後述するが、これらの細胞を構造体に付着させた後に生体外で細胞培養を行ってより強硬で多量の細胞を組み込む手法も再生医療研究では行われている。このような充填材の使用では、間葉系幹細胞を充填材上に播種した後に、足場となる骨充填材に細胞が定着するためには一定期間を要するため、間葉系幹細胞が充填材の下部底面に集まりがちであって、その結果として分布が偏ったり、または充填材から脱落したりするために治療に必要十分な量の間葉系幹細胞数あるいは骨芽細胞数が確保できなくなる事が知られている。
【０００７】
このような不都合を解消する目的で、構造体を多孔質構造にして、細胞を付着させたり、絡ませたり、あるいは培養技術によって構造体表面から細胞侵入を促す工夫も行われている。その具体的先行技術としては特許文献１があげられる。この技術では一定長かつ一定断面寸法のチタン金属又はチタン合金繊維からなる不織布を焼成する事によって多孔質構造体として、それに細胞を塗布している。これによると表面に均質に細胞を播種する事が可能とあるが、内部にまで侵入したとの記載はなく、本発明者の追試でも、このような単純な多孔質の構造体では細胞は表面にのみ留まり、内部に深く入り込み難いことが確認されている。
【０００８】
更なる先行技術としては特許文献２があげられる。この技術ではチタン又はチタン合金繊維より成るスカフォールド材料であって、生体硬組織へのインプラント周囲に焼結固定する事によってスカフォールド内への細胞侵入を容易にし、組織親和性と固定性を向上させている。
【０００９】
この先行技術はスカフォールドの厚みが薄くても効果を発揮しうる歯科材料などでは顕著なる成果を上げている。しかしながら、スカフォールドが厚くなる場での細胞侵入に関する有利性は報告されていない。
【００１０】
細胞の構造体の内部への侵入は、一般に言えば構造体のサイズが大きくなると細胞侵入距離も限られ、内部深くまでの細胞侵入は難しく、構造体全体が細胞組込型の新しい組織へ発展的な変化を来す事は極めて困難であった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
治療に必要十分な量の物質を材料内部に均一に拡散分布させることができる構造を有する医用材料の開発が望まれる。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の医用材料は、空隙率が20〜97%である多孔質三次元構造体で、該構造体内部に中空孔、及び/又は、中空部を持つことを特徴とする。また、このような医用材料であって、空隙率が20〜97%である多孔質三次元構造体を複数個合わせることによって、それらの間隙に中空孔、及び/又は、中空部を持つことものが好ましい。
また、多孔質三次元構造体が、空隙率の異なる少なくとも２つ以上の三次元体で形成されてもよく、さらに、多孔質三次元構造体が、傾斜的に空隙率が変化する構造を有していも良い。いずれの多孔質三次元構造体の内部にも、中空孔、及び／又は、中空孔を持つことが好ましい。
さらに、本発明に医用材料の中空孔、及び/又は、中空部は、多孔質三次元構造体内で樹枝状に分布しているものがよい。
【００１３】
また、このような医用材料であって、該構造体内を貫通する中空孔、及び/又は、中空部を少なくとも一つ以上を持つもの、また、該構造体に表面から内部へ空隙率勾配があるもの、さらに、該構造体の中空孔、及び/又は、中空部を貫通する少なくとも一つ以上の脱着可能な硬質棒を持つものでもよい。
【００１４】
このような硬質棒を備えた医用材料であって、該硬質棒の太さが、断面積0.5平方センチメートル以下であること、該硬質棒の断面形状が円形、楕円形、円の一部が欠けた変円形、多角形、L形やH形などの変形、中空形、などから選ばれるいずれかの形態を持つのが好ましい。
【００１５】
そして、該中空孔、及び/又は、中空部に物質を注入することによって、該構造体内に該物質を拡散分布させているものがよい。また、該中空孔、及び/又は、中空部に注入して構造体内に拡散させる物質が、ゲル状の担体に保持されて、構造体内に注入されるものが好ましい。そして、このゲル状の担体がゼラチンであるものが好ましい。
さらに、リン酸カルシウム、セラミックスアパタイトのいずれかを該構造体の少なくとも一部に含むものがよい。
本発明の医用材料は純チタン、チタン合金、コバルトクロム合金、合成高分子、天然高分子、ステンレス、ステンレス合金、アルミニューム、アルミニューム合金、等のグループから選ばれる一つ以上の素材からなり、それが太さ100μm以下の細繊維形状を少なくともその一部に有する事が好ましい。この構造体が厚さ0.1〜10mmのシートを積層し、加圧あるいは焼結によって固化されていてもよい。そして、この三次元構造体を構成する繊維の外周にセラミックスアパタイトがコートされているものが好ましい。
【００１６】
本発明の医用材料の該構造体の内部に注入する物質は生理機能を持ち、各種細胞、骨髄細胞、骨髄液、骨髄液から分離された幹細胞、臍帯血由来細胞、末梢血由来細胞、組織細切片、各種蛋白、脂質、多糖類、酵素、抗生物質、抗菌物質、ホルモン、サイトカイン、血液凝固促進剤、細胞成長因子、遺伝子操作された細胞からの抽出物、遺伝子操作された細胞から産生される物質、血管内皮細胞増殖因子（ＶＥＧＦ）, platelet-induced growth factor(PIGF) ＰＩＧＦ, 治療効果因子ベータ１（ＴＧＦ．ｂｅｔａ．1）、酸性繊維芽細胞（ａＦＧＦ）、塩基性繊維芽細胞（ｂＦＧＦ）、治療効果因子アルファ（ＴＧＦ．ａｌｐｈ．）、上皮細胞増殖因子、オステオネクチン、アンティオポエチン（ＡＮＧ１）、ＡＮＧ２、血小板由来増殖因子ＡＢ、血小板由来増殖因子ＢＢ、骨形成蛋白質（ＢＭＰ）、肝細胞増殖因子（ＨＧＦ）、細胞外マトリックス、コラーゲンあるいはそれらのいずれかの複合体もしくは誘導体、等のグループから選ばれた少なくとも一つ以上であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明では空隙率が２０〜９７％である多孔質三次元構造体で該構造体内部に中空孔、及び/又は、中空部を持つ（請求項１）事が基本である。そのため骨芽細胞などの足場依存性細胞をはじめとする各種細胞の誘導性および着床性が優れており、細胞成長性が高い。
【００１８】
構造体内に設けられた中空孔、及び/又は、中空部は単純な一本の孔でも良ければ、枝分かれした樹枝状に分布させていても良い。又更に、平板状の空間であっても構わない。このため、中空孔および／又は中空部を介することで治療に必要十分量の細胞成長物質等の成長因子を構造体内に均一に拡散分布させることを容易にできる。
【００１９】
また、その間隙孔は一つであっても複数個の独立した孔であっても構わない。
【００２０】
更には、その孔や空間部分の一部が、構造体の外表面に開口しても、あるいは開口していなくとも構わない。
【００２１】
具体的にいえば、孔の一部が直線的な孔であって構造体を貫通していると、後述する硬質棒を挿入させやすい。この時、この貫通孔以外に孔や空間があれば、その部位に目的とする物質を注入させることで、構造体内部にその物質を分布させると同時に、直線的な貫通孔を利用して、構造体を固定することも可能となる。
【００２２】
開口していれば、その部分に注射器の先端部分を押しあてて直接物質を注入する事が可能となるが、開口していなければ、注射器の尖端に針をつけて、その針を構造体の中にある中空部や孔の中に挿入し、注射針を介して物質を送り込むことが可能である。
【００２３】
また、開口した一本の孔のみでも細胞を播種することが可能である。例えば、孔の一部を手術中に指で塞ぎ、片端の孔から細胞などを注入することで、構造体内部にまで、十分に細胞などを播種させることが可能となる。
【００２４】
該構造体内でこのような空隙部分が分布した構造を有する構造であれば、細胞のような組織を構成する物質、組織細切片などの組織その物、もしくは組織形成を促進する物質などを懸濁液状態や溶液状態にしておいて、その中空孔、及び/又は、中空部に注入するによって該構造体内にそれらの物質を均一に拡散分布させ得ることが可能（請求項１３）となるので、結果として効率の良い細胞組込型構造体を得る医用材料を完成した。
【００２５】
このような空隙率が２０〜９７％である多孔質三次元構造体で該構造体内部に中空孔、及び/又は、中空部を持たせるためには、多孔質三次元構造体で該構造体内部に孔を穿つ事によって得ることが可能ではあるが、シート状、もしくは塊状の多孔質三次元構造体を少なくとも２つ以上の複数個合わせることによって、それらの間隙に中空部を確保しうるので、結果として容易に「内部に中空孔、及び/又は、中空部を持たせた多孔質三次元構造体」を形成しうる。
【００２６】
上述の多孔質三次元構造体は、使用部位に合わせた形状を持つ構造体をなす。その空隙率は20〜97%（請求項１）であり、使用部位によってそれにかかる力学的強度、細胞分布の必要度などで構造体の形状と、それを構成する素材の選択と空隙率の適正な設定を行う必要がある。また、多孔質三次元構造体が、空隙率の異なる少なくとも２つ以上の三次元体で形成されていれば、さらに、多孔質三次元構造体が傾斜的に空隙率が変化する構造を有していれば、上述の要求性能に幅広く対応可能となる（請求項３、５）。
【００２７】
上述の多孔質三次元構造体は、予め使用部位が決まっていれば、それに合わせた構造体のサイズ、形状、素材、空隙率などを定めた構造体を準備しておくと、使用に際して簡便であるが、手術中に使用部位に合わせたサイズ決定をせざるを得ない場合には、大まかなサイズ決めの基で準備した構造体を裁断したり、張り合わすことで、その場に適した構造体の形状、サイズを整えることが可能である。
【００２８】
この時、それに要する物質を多孔質三次元構造体（該構造体）内部に必要十分な量の物質を注入・充填する事が細胞による組織形成促進には好都合であり、細胞が該構造体内部にまで等しく分布させる必要がある。注入物質を可能な限り構造体内部に均質に分布させつつ留める目的では、該構造体全体がフィルター状態であることが好ましく、その為には構造体の表面から内部へ空隙率勾配が有るものが良く、特に、空隙率が外側に比べて内側のほうが大きくなっている空隙率勾配を持つ事が好ましい（請求項９）。このような空隙率勾配を有する構造体は、空隙率の異なる複数の構造体を用意し、多層構造にすることで実現することができる。これにより、内側と外側の空隙率を容易に変えることができ、構造体の内側は構造体内に注入する物質の充填度に優れ、生体に接する外側は各種細胞の優れた誘導性および着床性を維持することができ、各機能を果たす医用材料の製造が可能である。
【００２９】
該構造体の材質としては、骨組織再生に活用する場合も軟部組織補填に使用する場合でも、三次元多孔質構造を得やすい材料が好まれるので、細胞との親和性を持つ素材であれば特に限定はしない。しかしながら、骨組織との親和性を期待する場合にはリン酸カルシウム、セラミックスアパタイトのいずれかを該構造体の少なくとも一部に含む事で骨細胞との親和性を高めるので好都合である。
【００３０】
さらに該構造体が繊維の絡まり体である場合には強度を高く維持しつつ、同時に空隙率も高める事が可能となる。このような場合は、純チタン、チタン合金、コバルトクロム合金、合成高分子、天然高分子、ステンレス、ステンレス合金、アルミニューム、アルミニューム合金、等のグループから選ばれる一つ以上の素材からなる繊維状材料を少なくとも構造体の一部に用いることで、目的が達する。そして、この繊維状材料の外周にセラミックスアパタイトがコートされているものがよい。
【００３１】
具体的にこのような構造物を作るには、少なくとも上記の繊維を含む、あるいはその様な繊維からなる厚さ0.1〜10mmのシートを積層し、加圧あるいは焼結することにより繊維間を融着する事で、構造物の形を整え、型くずれを防ぐことが可能である（請求項１７）。
【００３２】
このようにして該構造体を作製した後に、その内部に注入する物質としては特に限定する事はないが、生理活性を持つ細胞や組織、蛋白、それにそれらの機能を発揮させるにふさわしい物質が望まれる。具体的には、該構造体の内部に注入する物質は生理機能を持ち、各種細胞、骨髄細胞、骨髄液、骨髄液から分離された幹細胞、臍帯血由来細胞、末梢血由来細胞、組織細切片、各種蛋白、脂質、多糖類、酵素、抗生物質、抗菌物質、ホルモン、サイトカイン、血液凝固促進剤、細胞成長因子、遺伝子操作された細胞からの抽出物、遺伝子操作された細胞から産生される物質、血管内皮細胞増殖因子（ＶＥＧＦ）, platelet-induced growth factor(PIGF) ＰＩＧＦ, 治療効果因子ベータ１（ＴＧＦ．ｂｅｔａ．1）、酸性繊維芽細胞（ａＦＧＦ）、塩基性繊維芽細胞（ｂＦＧＦ）、治療効果因子アルファ（ＴＧＦ．ａｌｐｈ．）、上皮細胞増殖因子、オステオネクチン、アンティオポエチン（ＡＮＧ１）、ＡＮＧ２、血小板由来増殖因子ＡＢ、血小板由来増殖因子ＢＢ、骨形成蛋白質（ＢＭＰ）、肝細胞増殖因子（ＨＧＦ）、細胞外マトリックス、コラーゲンあるいはそれらのいずれかの複合体もしくは誘導体、等のグループから選ばれた少なくとも一つ以上である事が好ましい（請求項１８）。
【００３３】
このようにして細胞や生理活性物質が組み込まれた該構造体を必要とされる体内のある部位に固定する場合、一般手術で用いる縫合糸による固定が容易であるが、その手法のみでは骨組織への固定は困難な事がある。その様な不都合を解消するために、本発明では、該構造体内部の一部に構造体を貫通した孔を少なくとも１つ以上に持たせることを発案した。この孔は一本とは限らず、２本でも３本でも、必要に応じて準備する事が可能である（請求項８）。
【００３４】
このようにして該構造体が貫通孔を持つと、そこを硬質棒によって貫通させ突き出すことによって隣接する骨組織内に刺入し、該構造体を骨組織に固定させる事が可能となる（請求項１０）。
【００３５】
この時の硬質棒と該構造体との関係は、決して一体化させることなく、両者は脱着可能である事が重要である。類似した先行技術として特許文献１がある。それには一定長かつ一定断面寸法のチタン金属又はチタン合金繊維からなる不織布をチタン製ステムの外側に巻き付けて焼成によって一体化させている。従って、この先行技術では両者は脱着不可能である。
【００３６】
本発明では、ある空間を補填材で埋める必要がある場合、いくつもの該構造体を硬質棒に通すことによってその場に応じたサイズの補填材を用意する事が可能となる。その際、硬質棒と該構造体との関係は、決して一体化させることなく、両者は脱着可能である事がそれを可能とする。先行技術である特許文献１ではそれが不可能である。
【００３７】
先行技術である特許文献１には、硬質棒つまりチタン製ステムのサイズ、形態などの記載がないが、一例として大腿骨の欠損部の補填に使用する図が記されている。人における大腿骨補填では、成長期における乳幼児ではこのような状態での骨補填を行うと、患児の成長に合わせた骨形成が不可能な事から、乳幼児には使用不可能であり、成人にしか使用できまい。その場合には、ステムの断面直径は、記載はないが、強度的に１センチメートル前後、あるいはそれを越える太さが必要である。本発明では、硬質棒、ステムは生体にとっての異物であるので、可能な限り細くして、異物総量を少なくし、異物性を低くすると同時に、骨組織との一体化を鋭意検討した結果、硬質棒の太さはできる限り細くして、異物量を減らす必要性を明らかにした。その結果、余りにも細くすると使用する部位に置いては強度的な問題があるので、それとの兼ね合いから、0.5平方センチメートル以下の断面積に限定するのがよい。
【００３８】
しかしながら、細くするだけでは強度的に不十分となるので、その断面をL字型にしたり、H型にするなどの機械工学的な工夫を組み込むことを本発明では採用した。又更に、円形断面では該構造体が硬質棒を中心にして回転する可能性があるので、硬質棒に非円形性（例えば、楕円形、多角形など）を持たすことによって、その様な不要な動きを防止するのが好ましい。
【００３９】
使用部位によっては、このような回転が問題にならない場合もある。その様な部位においては硬質棒の断面が円形、円の一部が欠けた変円形であっても構わない。従って本発明では円形断面を排除するものではない。
【００４０】
使用部位によっては、このような竹輪状の構造体を継ぎ合わせる事で欠損部のサイズに合わせた補填が可能であるが、更に複雑なサイズ合わせが要求される場も手術の現場では遭遇する。
【００４１】
例えば、整形外科領域では自家骨を移植する際に腸骨から移植用の骨片を採取する。その時に腸骨部分に欠損が生じるので、プラスチック材による補填がなされる。しかしながら、親和性において安定性が問題視されている。
【００４２】
このような場合には、腸骨欠損部に前述の硬質棒を少なくとも１本以上用いて、欠損部に橋かけをするが如く渡しておく。その様にした後にシート状の多孔質三次元構造体を２枚、欠損部のサイズに合わせて裁断し、それらを硬質棒を挟むような形で、張り合わせる、もしくは一枚の大きな多孔質三次元構造体シートを折り畳むようにして硬質棒を挟み込み、シート同志を縫合糸やワイヤーなどで括り合わせて固定することで、その場に最適のサイズと形態を持つ多孔質三次元構造体を用意することが可能となる。
【００４３】
このような作業を行うと、２枚の多孔質三次元構造体シート間隙には中空部分ができる。少なくとも硬質棒付近には中空孔が形成される。この状態は本発明に唄う「多孔質三次元構造体構造体内部に中空孔、及び/又は、中空部を持つ」という状態に合致する。
【００４４】
そしてこの状態となれば、その中空孔や中空部に細胞や細胞成長因子などを注入し、多孔質三次元構造体シートの内部からそれらを均質に分布させることが可能となる。
【００４５】
このようなシートの張り合わせによる細胞播種や物質浸透には、張り合わす前にシートの片面から処置を行っていて、その後に処置面同志を張り合わす事により、より簡便かつ広範囲に処置が行われる利点もある。
【００４６】
本発明では、前述したとおりの手術中に各種細胞や細胞成長因子などを構造体内部に分布させる事を可能としているのみならず、手術前においてもそれが可能であり、また、細胞培養等の体外でそれを行うことも可能である。
【００４７】
例えば、手術前に構造体内部に均質にハイドロオキシアパタイトを分布させる場合、それを含んだ溶液を繰り返し該中空孔や中空部に注入することによって、重層的にそれらを構造体内部に沈着させ得る。
【００４８】
又一方、細胞や組織細切片の懸濁液を繰り返し該中空孔や中空部に注入することによって、重層的にそれらを構造体内部に沈着させ得て、それを細胞培養することによって急激に構造体内部に三次元的な細胞集合体を形成させることが可能となる。
【００４９】
このようにして作製した三次元的な細胞集合体は、そこで増殖させた細胞種類によっては、細胞に各種物質を産生させるのに有利な構造体として活用可能となる。従って、各種遺伝子操作を行った細胞の特殊機能を発揮させるには好都合な多孔質三次元構造体となる。
【００５０】
このように大量の細胞を三次元的に培養し、細胞機能を活用すると共に、細胞への培養液環流にも好都合なように、多孔質で三次元的構造を維持する工夫はこれまでにも行われてきた。例えば、コラーゲンなどで多孔質構造を立体的に作製し、細胞親和性を持たせた工夫が先行技術として報告されている。
【００５１】
それらは多量の細胞を培養可能であって、目的を達成しているが、問題点として、長期間の培養によって、三次元構造が変形する事にある。そしてその結果として細胞間隙が狭くなり、細胞培養用の環流液が細胞間にまんべんなく流れ難くなって、細胞の増殖のみならず、機能発揮に支障を来すことがある。
【００５２】
その原因としては、培養細胞が細胞周囲にコラーゲンなどの細胞にとって快適な線維を分泌し、それらの線維が徐々に収縮する事によって、あるいは細胞がそれらの線維を引き手繰る事によって組織全体に収縮力が働く結果であると理解されている。
【００５３】
その為に、コラーゲンでその様な三次元的構造を形成した場合、収縮によって変形し、最終的には目的を達成しない場合が起きうる。
【００５４】
その点に置いては、本発明では、チタンやチタン合金繊維などを用いて、更にはそれを焼結する事によって三次元構造が変形し難い状況を作りうるので、その様な不利な状況にはなりにくい利点がある。
【００５５】
それと同時に、本発明では、チタンやチタン合金繊維などを用いて、更にはそれを焼結する事によってしっかりした形態維持が得られた三次元構造を得ることから、この構造内部に超極細ポリエステル繊維のような合成高分子材料、もしくはコラーゲン線維のような天然高分子材料を含浸させたり交絡させることによって、細胞親和性を向上させると同時に、形態維持性を確保した細胞用のマトリックスを準備しうる。また、この三次元構造を構成する繊維の外周にアパタイトによるコーティングを施してもよい。これにより、細胞との親和性が一層向上し、細胞の早期誘導を実現する。
【００５６】
このようにして大量の細胞を含んだ三次元多孔質構造体は、細胞の種類と手術の目的に合致すればそのまま生体内に植え込むことが可能である。
【００５７】
また、そのままの状態で長期間の細胞培養を行うことによって、細胞を利用したリアクターとしての機能を行わせることも可能となる。
さらに、本発明では細胞や細胞細切片及び/又は生理活性物質等をゲル状の担体に含有させて、構造体内の中空孔及び/又は中空部に注入してもよい。これにより注入された細胞や生理活性物質等は構造体内にて保持されると共に、徐々に構造体内全体に拡散される。そのため、これらの物質を構造体内に均一に効率良く拡散分布させることができる。
【００５８】
このようなゲル状の担体として、生体内で分解される高分子で、例えば天然あるいは合成ポリペプチドからなるポリ乳酸、ポリグリコール酸、ポリオルソエステル、ポリ酸無水物、あるいはゼラチン、キチン、コラーゲン、アガロース、微生物多糖類（プルラン、カードラン）、化学合成系では、ポリペプチド、合成多糖類、脂肪系ポリエステル（ポリカプロラクトン、ポリブチレンサクチレンサクシネート、ポリグリコール酸、ポリ乳酸）、ポリビニールアルコール、ポリアミノ酢酸（ＰＭＬＧ）、天然系では動物系としてキトサンなど、植物系としてデンプン、セルロース、酢酸セルロースなどが挙げられ、これらを１種または２種以上で混合して用いても良い。特に、ゼラチンやコラーゲンは生体親和性が高いため好ましい。また、ゼラチンやコラーゲンは、架橋することによりハイドロゲルを作製することができ、このハイドロゲル内には、細胞成長因子の水溶液を容易に固定することができる。さらにハイドロゲルは生体内で時間とともに分解し、その分解速度はハイドロゲルの架橋の程度によってコントロールできるため、ハイドロゲル内に固定した細胞成長因子を効果的に徐放できる。
【００５９】
以上に説明した如く、本発明では従来技術の問題点を解決したのみならず、新しい領域への応用も拡げることが可能となった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６０】
図１ａに示す医用材料１０は、空隙率が２０〜９７である直方体状の多孔質三次元構造体１１と、その本体内部に形成される中空孔１２、１３、１４、１５とから構成されている。
構造体１１は、２つの向かい合う小側面１１ａと、２つの向かい合う大側面１１ｂと、天面１１ｃと、底面１１ｄとを備えたものである。
この構造体１１は純チタン、チタン合金、コバルトクロム合金、合成高分子、天然高分子、ステンレス、ステンレス合金、アルミニウム、アルミニウム合金等の素材からなっており、複数のものからなっていても構わない。また、この空隙率が２０〜９７％の多孔質三次元構造体は、太さが１００μｍ以下の細繊維形状のものを絡合することによって形成している。この構造体の厚さは０．１〜１０ｍｍのシート状に形成しており、上述の金属で形成されている場合は、加圧または焼結によって固化するのがよい。また、この繊維の外周に炭酸アパタイトを含むヒドロキシアパタイト、その他リン酸カルシウム化合物からなるアパタイトによってコーティングを行ってもよい。これにより細胞との親和性が一層高まり、細胞の誘導性、および、細胞との結合性が高い医用材料を得ることができる。
【００６１】
この中空孔１５は、大側面１１ｂと平行に、そして、両小側面１１ａの中心を貫通して形成されている円筒状のものである。また、中空孔１２、１３、１４は、短側面１１ａと平行に、そして、両大側面１１ｂを貫通して形成されているものであり、前記中空孔１５とそれらの中心部において連結している円筒状のものである。これら中空孔１２、１３、１４、１５は全て構造体１１を貫通している。また、この医用材料１０は中空孔１５を軸にして中空孔が樹枝状に分布しているもので、本発明では中空孔１２、１３、１４、１５の全部をあわせて一つの中空孔と見てもよい。
【００６２】
このようにして形成された医用材料１０は、その内部に外部と連通する中空孔を備えているため、リン酸カルシウム、セラミックスアパタイトなどの生体親和性に優れており、細胞の成長を促す物質をその中空孔から導入あるいは注入することができる。そのため、従来とは異なり構造体内に導入物質を拡散させることができる。また、導入あるいは注入物質として、生理活性を持つ細胞や組織、蛋白、それにそれらの機能を発揮させるにふさわしい物質を用いてもよい。具体的には、該構造体の内部に注入する物質は生理機能を持ち、各種細胞、骨髄細胞、骨髄液、骨髄液から分離された幹細胞、臍帯血由来細胞、末梢血由来細胞、組織細切片、各種蛋白、脂質、多糖類、酵素、抗生物質、抗菌物質、ホルモン、サイトカイン、血液凝固促進剤、細胞成長因子、遺伝子操作された細胞からの抽出物、遺伝子操作された細胞から産生される物質、血管内皮細胞増殖因子（ＶＥＧＦ）, platelet-induced growth factor(PIGF) ＰＩＧＦ, 治療効果因子ベータ１（ＴＧＦ．ｂｅｔａ．1）、酸性繊維芽細胞（ａＦＧＦ）、塩基性繊維芽細胞（ｂＦＧＦ）、治療効果因子アルファ（ＴＧＦ．ａｌｐｈ．）、上皮細胞増殖因子、オステオネクチン、アンティオポエチン（ＡＮＧ１）、ＡＮＧ２、血小板由来増殖因子ＡＢ、血小板由来増殖因子ＢＢ、骨形成蛋白質（ＢＭＰ）、肝細胞増殖因子（ＨＧＦ）、細胞外マトリックス、コラーゲン等が挙げられる。
【００６３】
また、構造体内に導入させる物質をゲル状の担体に含有あるいは保持させて、構造体内の中空孔に注入してもよい。これにより、液状の導入物質が構造体内から流れ出ることがない。また、構造体内全体に徐放性をもって均一に拡散されるため、導入物質を効率良く働かせることができる。
このようなゲル状の担体として、ゼラチンやコラーゲンなど前述した生体内で分解される高分子が挙げられる。また、特に、ゼラチンやコラーゲンを架橋により作製したハイドロゲルは、細胞成長因子の水溶液を高分子ハイドロゲル内に固定できる。さらに、生体内でハイドロゲルは時間とともに分解し、その分解速度はハイドロゲルの架橋の程度によってコントロールできるため、好ましい。
また、繊維形状からなる三次元構造体の繊維外周に水酸化アパタイトのコーティングを行っている構造体には、ゼラチンマイクロスフェアの組み込み量を多くすることができるため、導入物質の注入量を増やすことができる。
また、図１ｂに示す医用材料１０ｂは、多孔質三次元構造体が空隙率の異なる三次元体Ｘ、Ｙから形成されたものである。この医用材料１０ｂの三次元体Ｘの空隙率が三次元体Ｙよりも大きい場合、三次元体Ｙが構造体の支柱として働き、構造体の力学的強度を向上させることが可能となる。また、三次元体Ｘの空隙率が三次元体Ｙよりも小さい場合には、三次元体Ｙに細胞や細胞成長因子を含ませることが可能となり、構造体内部からの再生と外部からの細胞誘導により、早期組織形成する。さらに、図１ｂに示す構造体を形成する空隙率の異なる三次元体Ｘ、Ｙは、三次元体Ｘから三次元体Ｙに向けて、傾斜的に空隙率が変化して形成されてもよい。なお、この場合、空隙率が滑らかに変化するため、空隙率の低い方へ細胞を成長させやすい。さらに、図１ｃに示す医用材料１０ｃのように、この空隙率の異なる三次元体Ｘ、Ｙから形成された多孔質三次元構造体に中空孔Ｈが形成されてもよい。
【００６４】
図２に示す医用材料２０は、多孔質三次元構造体２１と、その本体内部に形成される中空孔２２、２３とから構成されている。ここで、中空孔２２と中空孔２３とは互いに独立しているものである。他の構成は図の医用材料１０と実質的に同じものである。ここでは、これらは互いに平行するように独立して形成されているが、異なる向きを向いていても良い。このように独立して中空孔を有することにより、構造体内に前記導入物質を拡散させることができる。
【００６５】
図３に示す医用材料３０は、多孔質三次元構造体３１と、その本体内部に形成される中空孔３２、３３とから構成されている。このものも中空孔３２と中空孔３３とは互いに独立している。また、中空孔３３は、図１ａの中空孔と同様に樹枝状に分布しているものであり、小空孔３３ａと、その小空孔３３ａと垂直に設けられており、小空孔３３ａの中心部で連結する小空孔３３ｂ、３３ｃとからなる。他の構成は実質的に図１ａに示す医用材料１０と同じものである。
【００６６】
図４に示す医用材料４０は、多孔質三次元構造体４１を貫通する中空孔４２を備えているものである。これまでの実施形態では中空孔はすべて直線状のものであったが、この中空孔４２は逆Ｓ字状に湾曲しているものである。このように本発明の医用材料の中空孔はどのような形状をしていてもよく、これにより構造体内に導入物質を拡散させることができる。
【００６７】
図５に示す医用材料は、直方体状の多孔質三次元構造体５１の中心に円筒状の中空孔５２が形成されているものである。
【００６８】
図６ａに示す医用材料６０は、円柱状の多孔質三次元構造体６１の中心に円筒状の中空孔６２が形成されているものである。また、図６ｂに示す医用材料６３は、その多孔質三次元構造体６１の中心に断面が三角形となるような中空孔６４が形成されているものである。
図６ｃに示す医用材料６５は、医用材料６０または６３を硬質棒６６にて連結させたものである。この医用材料６５では、硬質棒６６が脱着自在に備え付けられており、手術などの現場において、その場に応じたサイズの医用材料に調整することができる。また、肋骨や腓骨の手術の場合には、硬質棒６６により、容易に医用材料６５を固定することが可能である。
【００６９】
図７ａ〜図７ｄには医用材料６５に用いることができる硬質棒の他の実施形態を示す。図７ａに示す硬質棒６７はその断面が円形のものであり、図７ｂに示す硬質棒６８はその断面が長方形のものであり、図７ｃに示す硬質棒６９はその断面がＬ字状のものであり、図７ｄに示す硬質棒７０はその断面がＨ字状のものである。これらの硬質棒はその医用材料の配置場所によって随時選択していくものであり、強度が高い医用材料が必要な場合は、硬質棒６９、７０が好ましい。ここで医用材料６５は硬質棒が脱着可能であるため、医用材料６０および６３に導入物質を導入し、硬質棒６６を挿入すればよい。また、硬質棒の形状を医用材料の貫通中空孔と異なる形状あるいはその間に隙間ができる形状にすることにより、硬質棒を医用材料に挿入後その形状の相違によって形成される隙間から注射器などを挿入して導入物質を送り込むこともできる。
【００７０】
図８〜図１０は前述した整形外科領域で自家骨を移植することによって腸骨部分に欠損が生じたときの本発明の医用材料の使用方法を示すものである。
図８ａの符号８０は健康な腸骨部分になる。この健康な腸骨部分から自家骨を移植することによって図８ｂに示すように欠損部８１形成される。ここで硬質棒８２を欠損部８１に橋かけをするように固定する（図９ａ参照）。ここでは硬質棒８２を二本用いているが、その数は欠損部の大きさによって選択される。
次にシート状に形成された空隙率が２０〜９７％の多孔質三次元構造体８３を欠損部のサイズに合わせて裁断し（図１０ａ参照）、その多孔質三次元構造体８３を欠損部８１を覆うように、そして、硬質棒８２を挟むようにして折り畳む（図１０ｂ参照）。ここで、折り畳んだ多孔質三次元構造体８３は縫合糸あるいはワイヤーなどの線８４で縫い合わせて固定する（図９ｃ、図１０ｃ参照）。
このようにシート状の多孔質三次元構造体８３の折り畳んだ間隙には中空部分ができる。そして、少なくとも硬質棒付近には中空孔が形成される。
【００７１】
図１１ａ、ｂは本発明の医用材料を頭骨の再建に使用するものである。
図１１ａの符号９０は頭骨を示し、符号９１はその欠損部を示す。そして、この欠損部９１に中空孔を有する医用材料９２を一枚挿入したものを図１１ｂに示す。ここで医用材料９２は、図１ａの医用材料１０と実質的に同じものである。しかし、この医用材料９２に形成された中空孔の形状は特に限定されるものではない。その欠損部の大きさ等によって任意に決められる。また、治療に必要十分量の細胞成長物質等の成長因子を中空孔に充填して医用材料９２を頭骨に挿入することにより、構造体内に均一に成長因子が拡散分布されるため、欠損部の早期再建が望める。
【００７２】
図１２ａ、ｂは本発明の医用材料を歯に詰め、その虫歯の部位の再建を行う方法を示す。
図１２ａの符号９４は歯のエナメル質の部位を示し、９５は歯の象牙質の部位を示し、符号９６は歯の歯髄を示し、符号９７は歯のセメント質の部位を示す。また、符号９８は、虫歯の部位を示す。従来、歯髄まで進行している重度の虫歯の治療としては、虫歯の部位を削り、水酸化カルシウム（アルカリ性）を虫歯部分に詰め、虫歯菌を殺し、その死んだ菌で歯髄の漏れを防止している。また、この虫歯部分に詰めた水酸化カルシウムを覆うように、さらにクラウンを設けたりしている。
【００７３】
図１２ｂでは、中空孔９９ａを有する医用材料９９を虫歯の部位の形状に形成して、虫歯の部位９８に詰めている。医用材料９９の他の構成は図１ａの医用材料と実質的に同じである。この三次元構造体の医用材料９９を用いることにより、医用材料９９の中空孔９９ａに注入した、骨再生因子や細胞によって、医用材料９９の内部からの歯形成と歯髄９６による外部からの歯形成によって、早期に歯（象牙質、エナメル質、（さらに、図１２ａの想像線で示すように重度の虫歯の場合、あるいは、歯の側部の虫歯の場合はセメント質））を形成し、虫歯の部位９８の再建をする。また、医用材料の中空孔９９ａには、治療に必要十分量の細胞成長物質等の成長因子の他に虫歯の治療に用いられる虫歯菌の殺菌剤等を注入して虫歯の部位９８に詰めてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】図１ａ、図１ｂ、図１ｃは本発明の医用材料の一実施形態を示す斜視図である。
【図２】本発明の医用材料の他の実施形態を示す斜視図である。
【図３】本発明の医用材料のさらに他の実施形態を示す斜視図である。
【図４】本発明の医用材料のさらに他の実施形態を示す斜視図である。
【図５】本発明の医用材料のさらに他の実施形態を示す斜視図である。
【図６】図６ａ、図６ｂ、図６ｃはそれぞれ本発明の医用材料のさらに他の実施形態を示す斜視図である。
【図７】図７ａから図７ｄは本発明の医用材料に用いることができる硬質棒の実施形態を示す斜視図である。
【図８】図８ａは健康な腸骨部分を示す斜視図であり、図８ｂは欠損部が形成された腸骨部分を示す斜視図である。
【図９】図９ａは図８ｂの腸骨部分の欠損部に硬質棒を固定した状態の斜視図であり、図９ｂは図９ａの欠損部にシート状の三次元構造体を折り畳む直前の斜視図であり、図９ｃは図９ａの欠損部に三次元構造体を固定した後の斜視図である。
【図１０】図１０ａは図９ａの欠損部にシート状の三次元構造体を折り畳む直前の側面断面図であり、図１０ｂは図９ａの欠損部に三次元構造体を折り畳んだ後の側面断面図であり、図１０ｃは図９ａの欠損部に三次元構造体を固定した後の側面断面図である。
【図１１】図１１ａ、図１１ｂは本発明の医用材料を頭骨の再建に使用したときを示す概略図である。
【図１２】図１２ａ、図１２ｂは本発明の医用材料を虫歯部位の歯の再建に使用したときを示す概略図である。
【符号の説明】
【００７５】
Ｘ、Ｙ  三次元体
Ｈ  中空孔
１０、１０ａ、１０ｂ  医用材料
１１、１１ｃ  三次元構造体
１１ａ  小側面
１１ｂ  大側面
１２、１３、１４、１５  中空孔
２０  医用材料
２１  三次元構造体
２２、２３  中空孔
３０  医用材料
３１  三次元構造体
３２、３３  中空孔
３３ａ、３３ｂ、３３ｃ  小空孔
４０  医用材料
４１  三次元構造体
４２  中空孔
５０  医用材料
５１  三次元構造体
５２  中空孔
６０  医用材料
６１  三次元構造体
６２  中空孔
６３  医用材料
６４  中空孔
６５  医用材料
６６  硬質棒
６７、６８、６９、７０  硬質棒
８０  腸骨部分
８１  欠損部
８２  硬質棒
８３  三次元構造体
８４  線
９０  頭骨
９１  欠損部
９２  医用材料
９４  エナメル質の部位
９５  象牙質の部位
９６  歯髄
９７  セメント質の部位
９８  虫歯の部位
９９  医用材料
９９ａ  中空孔
【図１】
2006263445.tif 000003
【図２】
2006263445.tif 000004
【図３】
2006263445.tif 000005
【図４】
2006263445.tif 000006
【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2006263445.tif 000010
【図９】
2006263445.tif 000011
【図１０】
2006263445.tif 000012
【図１１】
2006263445.tif 000013
【図１２】
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