(57)【要約】【課題】血液や体液が通過できるような連通孔のポーラス構造体であって、関節や脊椎の欠損部に適用できるような圧縮強度を有し、欠損部の複雑な形状に整形することが容易に作製可能なスカフォールドとその製造方法を提供する。【解決手段】本スカフォールドは、ポリ乳酸、ポリグリコール酸、乳酸とグリコール酸のコポリマー、ポリカプロラクトン、乳酸とカプロラクトンのコポリマーからなる群より選択されたいずれか生分解性樹脂シートから成り、表面に縦横格子状に配列された支柱と、裏面に同じく縦横格子状に配列された支柱の頭部を嵌合し得る凹部とを備えた平板状のスカフォールド断片を、それぞれ支柱の頭部を上部のスカフォールド断片の凹部に嵌合させて積層して作製する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポリ乳酸、ポリグリコール酸、乳酸とグリコール酸のコポリマー、ポリカプロラクトン、乳酸とカプロラクトンのコポリマーからなる群より選択されたいずれか生分解性樹脂シートから成り、表面に縦横格子状に配列された支柱と、裏面に同じく縦横格子状に配列された前記支柱の頭部を嵌合し得る凹部とを備えた平板状のスカフォールド断片を、それぞれ前記支柱の頭部を上部のスカフォールド断片の凹部に嵌合させて積層したことを特徴とする積層三次元スカフォールド。
【請求項２】
前記スカフォールド断片が、組織欠損部の断層撮像データに基づき整形されたものであることを特徴とする請求項１に記載の積層三次元スカフォールド。
【請求項３】
最上部のスカフォールド断片には、前記支柱が設けられていないことを特徴とする請求項１又は２に記載の積層三次元スカフォールド。
【請求項４】
ポリカプロラクトン樹脂、乳酸とグリコール酸の共重合体、ポリグリコール酸のいずれかを前記凹部及び／又は前記支柱頭部に塗布し、前記支柱と凹部のバインダーとして用いることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の積層三次元スカフォールド。
【請求項５】
ポリ乳酸をアセトンに溶解したものを前記凹部及び／又は前記支柱頭部に塗布し、前記支柱と凹部のバインダーとして用いることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の積層三次元スカフォールド。
【請求項６】
請求項１に記載の積層三次元スカフォールドを成型するための金型であって、前記支柱若しくは前記凹部を成型するための金型形状が丸棒の表面上に形成され、ロールによる圧延方式で前記生分解性樹脂シートを成型することを特徴とする金型。
【請求項７】
下記工程を含むことを特徴とする積層三次元スカフォールドの作製方法。
（１）ポリ乳酸樹脂ペレットを所定温度で溶解して、ホットプレスし直後に冷却して生分解性樹脂シートを作製する。
（２）支柱と成型する第１の金型と、凹部を成型する第２の金型を所定温度に加熱し、前記生分解性樹脂シートを挟み込み加圧してプレス成形し、表面に縦横格子状に配列された支柱と、裏面に同じく縦横格子状に配列された前記支柱の頭部を嵌合し得る凹部とを備えた平板状のスカフォールド断片を作製する。
（３）前記スカフォールド断片を組織欠損部の断層撮像データに基づき整形する。
（４）ポリ乳酸をアセトンに溶解したものを前記凹部及び／又は前記支柱頭部に塗布する。
（５）整形されたスカフォールド断片を、それぞれ前記支柱の頭部を上部のスカフォールド断片の凹部に嵌合させて積層する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、医療用の組織再生用の足場（スカフォールド）に関するものであり、特に、生分解性の樹脂からなる複合材によるスカフォールド及びその作製方法に関するものである。スカフォールドの構造体内部に幹細胞や骨芽細胞などを注入して、組織の欠損部に施術することで骨組織や神経組織の再生を図るものである。
【背景技術】
【０００２】
人体に何らかの欠損が生じた場合、自然治癒される場合が多い。しかし、欠損が大きくなると自然治癒力では修復できない場合がでてくる。このような時に未分化細胞である幹細胞などで組織を再生する再生医療技術は、人体のあらゆる場所にその適用を広げつつある。その際、必要となるものは組織再生を誘導するための足場（スカフォールド）であり、このスカフォールドには、組織再生に従い体内で分解する生分解性樹脂が用いられている。
【０００３】
この生分解性樹脂は生体内または通常の環境下で自ら分解していくため、再生医療において重要な位置を占めている。医療用に使用されている生分解性樹脂としては、ポリ乳酸 (Polylactic acid; ＰＬＡ) 樹脂やポリカプロラクトン(Ｐolycaprolacton；ＰＣＬ) 樹脂などがある。特に、ＰＬＡ樹脂は生体内分解吸収性に優れており、高強度と生体適合性、さらに自己分解性を兼ね備えた新しい医療用材料として期待されている。
【０００４】
既に本発明者は、生分解性樹脂からなるスカフォールドを開発している（特許文献１）。かかるスカフォールドは構造的に開口部を有し、臨床時に注射による播種が可能であるとともに、ＰＬＡ樹脂から成る繊維とバインダーとして用いるＰＣＬ樹脂の複合化により、剛性に優れ、人体活動による荷重の支持が可能であるものである。
また、欠損部への上皮進入や細菌性プラークの堆積を防ぐ構造を設けたり、施術後に欠損部との界面でただちに生分解させる構造を設けて、速やかにスカフォールド内に体液を循環させて、組織再生によりよい環境を整えることができるなど多くの機能を有している。
【０００５】
また、三次元プリンタ（3DP：3D−printer），光重合成形法（SLA：Stereo-lithography）、レーザー焼結法（SLS：Selective laser sintering），衝撃粒子造形法（BPM：Ballistic particle manufacturing），溶融積層造形法（ＦＤＭ: Fusion Deposition Modeling）などの方法により、生分解性樹脂を直接目的とする欠損部の形状に成形でき、個々の患者の状態に応じたスカフォールドの作製が可能となっている（例えば、特許文献２〜特許文献４を参照）。
【０００６】
こういった個々の患者の状態に応じたスカフォールドの作製は、特に再生医療において、患者の個々の組織の患部・欠損部に対してオーダーメードの先端的医療を進めるに際し重要なプロセスである。つまり、スカフォールドとして、関節や脊椎などの組織、あるいは傷害または外科的切除による欠損の形状や大きさを三次元的に正確に修復するため、ポーラスな構造体を有するスカフォールドの作製が必要となっている。
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−１６９８４５号公報
【特許文献２】特許第２９３０４２０号公報
【特許文献３】米国特許第５５１８６８０号公報
【特許文献４】米国特許第６７３０２５２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明が解決しようとする課題は、血液や体液が通過できるような連通孔のポーラス構造体であって、関節や脊椎の欠損部に適用できるような圧縮強度を有し、欠損部の複雑な形状に整形することが容易に作製可能なスカフォールドとその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため、本発明の積層構造三次元スカフォールドは、ポリ乳酸、ポリグリコール酸、乳酸とグリコール酸のコポリマー、ポリカプロラクトン、乳酸とカプロラクトンのコポリマーからなる群より選択されたいずれか生分解性樹脂シートから成り、表面に縦横格子状に配列された支柱と、裏面に同じく縦横格子状に配列された前記支柱の頭部を嵌合し得る凹部とを備えた平板状のスカフォールド断片を、それぞれ支柱の頭部を上部のスカフォールド断片の凹部に嵌合させて積層したことを特徴とする。
【００１０】
ここで、上記スカフォールド断片が、組織欠損部の断層撮像データに基づき整形されたものであることが好ましい。スカフォールド断片を積層しただけで、欠損部形状に適合するスカフォールドができるからである。
また、支柱の頭部は緩いテーパー状に、凹部は底部にくらべ開口部がやや広い逆テーバー状にすることで、積層工程が容易となる。
【００１１】
隣接する支柱の間隙と隣接するスカフォールド断片の層隙とに生じる空隙に、血液や体液が通過できるため、細胞に好ましい環境を提供することができる。生体吸収性材料であるポリ乳酸等の生分解性樹脂シートから、微細構造の金型によって一層の平板状のスカフォールド断片を作製し、患者の欠損部の断層撮像データを基づきスカフォールド断片を切断して、その断片をブロックのように積層して組織再生用の三次元構造のスカフォールドを製作しようとするものである。
【００１２】
本発明の積層三次元スカフォールドは、支柱を備えたスカフォールド断片をブロックのように積層して作製されることで、血液や体液が通過できるような連通孔のポーラス構造体を備える。また、生分解樹脂シートに、関節や脊椎の欠損部に適用できるような圧縮強度を有する樹脂を選択することで、関節や脊椎の欠損部に適用できる。さらに、スカフォールド断片を個々に整形して積層することで、欠損部の複雑な形状に適合する三次元形状を容易に構築することができる。
【００１３】
また、最上部のスカフォールド断片には、支柱が設けられていないことが好ましい。最上部のスカフォールド断片に接する周囲の組織を保護するためである。
【００１４】
また、本発明の積層三次元スカフォールドは、上記構成に加え、ポリカプロラクトン樹脂、乳酸とグリコール酸の共重合体、ポリグリコール酸のいずれかを積層三次元スカフォールドの凹部及び／又は支柱頭部に塗布し、支柱と凹部のバインダーとして用いることが好ましい。支柱と凹部のバインダーを設けるのは、接着により三次元構造のスカフォールドの上下方向の伸張に対する強度を高めるためである。
上記のバインダー以外に、ポリ乳酸をアセトンに溶解したものを積層三次元スカフォールドの凹部及び／又は支柱頭部に塗布してもよい。
【００１５】
また、本発明の積層三次元スカフォールドの作製方法の観点からは、上述の積層三次元スカフォールドの支柱若しくは凹部を成型するための金型形状が丸棒の表面上に形成され、ロールによる圧延方式で前記生分解性樹脂シートを成型し得る金型が提供される。
支柱成型のための金型が表面に形成された丸棒と、凹部成型のための金型が表面に形成された丸棒を、並行にして相反回転させ、生分解性樹脂シートを挟み込み加圧しながら送り出すことで、表面に縦横格子状に配列された支柱と、裏面に同じく縦横格子状に配列された凹部とを備えた平板状のスカフォールド断片を作製することができる。
【００１６】
また、本発明の積層三次元スカフォールドの作製方法の観点からは、以下の工程（１）〜（５）の積層三次元スカフォールドの作製方法が提供される。
（１）ポリ乳酸樹脂ペレットを所定温度で溶解して、ホットプレスし直後に冷却して生分解性樹脂シートを作製する。
（２）支柱と成型する第１の金型と、凹部を成型する第２の金型を所定温度に加熱し、前記生分解性樹脂シートを挟み込み加圧してプレス成形し、表面に縦横格子状に配列された支柱と、裏面に同じく縦横格子状に配列された前記支柱の頭部を嵌合し得る凹部とを備えた平板状のスカフォールド断片を作製する。
（３）前記スカフォールド断片を組織欠損部の断層撮像データに基づき整形する。
（４）ポリ乳酸をアセトンに溶解したものを前記凹部及び／又は前記支柱頭部に塗布する。
（５）整形されたスカフォールド断片を、それぞれ前記支柱の頭部を上部のスカフォールド断片の凹部に嵌合させて積層する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の積層三次元スカフォールドは、表面に縦横格子状に配列された支柱と裏面に同じく縦横格子状に配列された支柱の頭部を嵌合し得る凹部とを備えた平板状のスカフォールド断片を、それぞれ支柱の頭部を上部のスカフォールド断片の凹部に嵌合させて積層して三次元形状を形成させることにより、血液や体液が通過できるような連通孔のポーラス構造体で、関節や脊椎の欠損部に適用できるような圧縮強度を有し、欠損部の複雑な形状に整形することが容易に作製できるといった効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明していく。
【実施例１】
【００１９】
以下に、実施例１の積層三次元スカフォールドの作製フローについて、図１を参照しながら説明する。ここで、図１は、実施例１の積層三次元スカフォールドの作製工程を示している。また、図２は、ＣＴ画像を用いて切断されたスカフォールド断片を用いた積層三次元スカフォールドの作製構成を示している。
【００２０】
（１）先ず、ポリ乳酸樹脂ペレットを２００℃で溶解して、ホットプレスにより厚さ０．７ｍｍの生分解性樹脂シートを作製する。この樹脂シートは作製直後に水により急冷却する。作製直後に急冷却することにより、樹脂シートはアモルファスな分子構造となって樹脂シートの強度と靭性が増大するからである。
【００２１】
（２）次に、成型するための金型をあらかじめ１８０℃程度に加熱しておき、上記（１）の工程で作製した樹脂シートを挟み込み加圧してプレス成形する。
金型の一実施形態を図２に示す。この金型は、支柱を型取る縦横５．０ｍｍ、厚み１．０ｍｍのものと、凹部を型取る縦横５．０ｍｍ、厚み２．０ｍｍのものがある。それぞれ詳細な金型形状の仕様を図３と図４に示す。
この２種の金型を用いて、樹脂シートを挟み込み加圧してプレス成形すると、図５の模式図に示すようなスカフォールド断片が作製できる。
実際に作製したスカフォールド断片の外観写真を図６に示す。
【００２２】
（３）作製された一層のスカフォールドは、樹脂が直径０．２ｍｍの円柱で、円柱と円柱の間隙幅が０．５ｍｍの縦横の格子でできており、格子の交点には高さ０．７ｍｍ、直径０．２ｍｍの柱があり、交点部の下側（裏側）には直径０．２ｍｍ、深さ０．２ｍｍの円孔が成形されている。本実施例では、海綿骨構造に近い構造を作成するために，0.2ｍｍ径の支柱を備えるスカフォールド断片を作製する。なお円柱の直径や間隔および円柱の高さは、再生医療に使用する部位によって任意に変更可能である。
作製した一層のスカフォールド断片は、圧縮試験において０．２ｍｍ変形させるために３００Ｎ/cｍ2の圧縮力に耐えることを確認した。これにより、本スカフォールド断片を積層した積層三次元スカフォールドは、負荷荷重が大きな顎や膝の関節に使用可能であることがわかる。
【００２３】
（４）ここで、組織を再生する欠損部での負荷荷重方向をＺ軸にとり、欠損の空間をＸ−Ｙ−Ｚ軸で表現したとする。Ｚ軸にピッチを０．５ｍｍ程度に取った時のそれぞれのＸ−Ｙ平面に合わせてシート状のスカフォールド断片を切断する。この切断する際、患者のＣＴスキャン像による患部の断層撮影写真をデータとして切断してもよい。
【００２４】
（５）そして、切断したシート状のスカフォールド断片を、ブロックを積層するように各シート状のスカフォールド断片の縦柱を上部のシート状のスカフォールド断片の円孔に挿入して積み重ね、積層三次元スカフォールドを成形する。
【００２５】
（６）この積み重ねる際に、ポリ乳酸をアセトンに溶解したバインダーを円孔に塗布して積層することで、接着によりスカフォールドの強度を高めることが可能である。
なお、縦柱方向のみ圧縮荷重が負荷される場合には、バインダーによる接着は必須ではない。
【００２６】
（７）また最上部のシート状のスカフォールド断片には支柱の無いものを用いることにより、最上部のスカフォールド断片に隣接した周囲の組織に、過度に刺激を与えることを回避することができる。
【００２７】
（８）一般的にスカフォールドは、ガンマ線などで滅菌処理した後に、予め患者自身の幹細胞を培養したものを播種しておき、その細胞を播種した状態で接着・増殖させてから患部に移植するのであるが、欠損が大きくてスカフォールドに予めの細胞増殖ができない場合には、移植時の手術の際にスカフォールドをいくつかのブロックに分割しておいて、これに増殖した幹細胞を各ブロック上に播種した後、組み合わせて積層して成形した後に移植することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
本発明の積層三次元スカフォールドは、負荷荷重が大きな顎や膝の関節に使用できるスカフォールドとして、すなわち、幹細胞や骨芽細胞などを本発明のスカフォールド構造体の内部に注入し、組織の欠損部に施術することで、顎や膝の関節組織の再生材料として利用が期待される。
また、細胞を培養するバイオリアクターとしても有用である。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】実施例１の積層三次元スカフォールドの作製フロー図
【図２】ＣＴ画像を用いて切断されたスカフォールド断片を用いた積層三次元スカフォールドの作製フロー図
【図３】金型の一実施形態の図面（支柱を型取る金型図面）
【図４】金型の一実施形態の図面（凹部を型取る金型図面）
【図５】一層のスカフォールド断片の模式図
【図６】実際に作製したスカフォールド断片の外観写真
【符号の説明】
【００３０】
１  積層三次元スカフォールド
２  スカフォールド断片
３  支柱
４  凹部
１０  支柱を成型するための金型
１１  凹部を成型するための金型
【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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【図６】
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