(57)【要約】【課題】従来の金属製乃至セラミックス製人工骨材料に比べ、生体親和性に優れ、一方、ハイドロキシアパタイト製乃至β−ＴＣＰ製の骨再生用足場材に比べ、その治癒期間が短く、その耐久性についても大幅に改善した、骨治療用材料、具体的には骨再生用チタン製足場材の提供。【解決手段】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り、所定の形状を有する不織材またはその焼成体であることを特徴とする生体親和性に優れた骨再生用チタン製足場材およびその製造方法。【選択図】　図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、所定形状に成形したことを特徴とする生体親和性に優れた骨再生用チタン製足場材の製造方法。
【請求項２】
請求項１記載の骨再生用チタン製足場材の製造方法において、該繊維がコイル端面の回転切削により製造されることを特徴とする骨再生用チタン製足場材の製造方法。
【請求項３】
請求項１又は２の何れか１項記載の骨再生用チタン製足場材の製造方法において、該不織材の空隙率が７０〜９０％であることを特徴とする骨再生用チタン製足場材の製造方法。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか１項記載の再生骨用チタン製足場材の製造方法において、さらに該形状を崩すことなくこれを焼成したことを特徴とする生体親和性に優れた骨再生用チタン製足場材の製造方法。
【請求項５】
請求項４記載の再生骨用チタン製足場材の製造方法において、該形状が、チタン製ステムの外周に該不織材を巻き付けることにより形成されるものであり、該チタン製ステムと該不織材とが一体に焼成されていることを特徴とする再生骨用チタン製足場材の製造方法。
【請求項６】
請求項１〜５の何れか１項記載の骨再生用チタン製足場材の製造方法において、該足場材がコーティング処理を施すことなくことを特徴とする骨再生用チタン製足場材の製造方法。
【請求項７】
請求項６記載の骨再生用チタン製足場材の製造方法において、コーティング処理を施していない該足場材を被移植者より採取された骨髄中の未分化間葉系幹細胞を培養して作製した細胞浮遊液に浸漬する播種処理と、この播種処理後、足場材内にて該幹細胞を骨芽細胞に分化誘導しながら３次元培養する培養処理をさらに含むことを特徴とする骨再生用チタン製足場材の製造方法。
【請求項８】
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り、所定の形状を有する不織材であることを特徴とする生体親和性に優れた骨再生用チタン製足場材。
【請求項９】
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り、所定形状を有する焼成不織材であることを特徴とする生体親和性に優れた骨再生用チタン製足場材。
【請求項１０】
請求項８又は９の何れか１項記載の骨再生用チタン製足場材において、該不織材の空隙率が７０〜９０％であることを特徴とする骨再生用チタン製足場材。
【請求項１１】
請求項９又は１０の何れか１項記載の再生骨用チタン製足場材において、該形状が、チタン製ステムの外周に巻き付けられた該不織材により形成されるものであって、該チタン製ステムと該不織材とが焼成一体化していることを特徴とする再生骨用チタン製足場材。
【請求項１２】
請求項９〜１１の何れか１項記載の骨再生用チタン製足場材において、該足場材がコーティング処理を介すことなく幹細胞の被播種処理材とされることを特徴とする骨再生用チタン製足場材。
【請求項１３】
請求項１２記載の骨再生用チタン製足場材において、播種、３次元培養された骨芽細胞が該足場材中のチタン表面に均一に分布し、細胞−チタンの複合体となっていることを特徴とする骨再生用チタン製足場材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、生体親和性に優れた再生骨用足場材及びその製造方法に関し、特に、Ｔｉ製繊維の成形・焼成体からなる生体親和性に優れた再生骨用足場材及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
まず、ティッシュエンジニアリング（組織工学）とは、生きた細胞と足場材及び生理活性物質（増殖因子など）の組み合わせにより人工的に臓器、組織を作り出す工学のことで、これを利用することで、種々の臓器、組織の欠損や機能障害の根治が可能になる。
【０００３】
以下、骨の再生に絞って説明する。従来、骨の欠損等に対しては、自家骨乃至同種骨といった生物材料を移植する場合と、金属やセラミックからなる人工材料を移植する場合とに大別される。
【０００４】
まず、自家骨移植による場合、採骨部位に侵襲をきたすことがある上、その採骨量には自ずと制限ある。また、同種骨移植の場合には、そもそもドナーを捜す必要がある上、免疫学的拒絶反応や感染症の恐れがつきまとう。
一方、人工材料の場合には、脆弱である材料や骨形成がしにくかったり、骨との接合がしにくかったりと種々の問題がある。
【０００５】
そこで、こういった諸問題を解決するために、いわゆるティッシュエンジニアリング材料の利用が近年注目されている。
具体的には、ハイドロキシアパタイトや生体吸収性セラミックであるβ−ＴＣＰなどの人工材料に幹細胞を加えた複合体が、その代表的なものである。特に、β−ＴＣＰと幹細胞の複合体の場合、その生体親和性から、移植後、吸収により骨と完全に置換されるという良好な骨再生が期待できる。
【０００６】
【解決すべき課題】
しかしながら、これらの材料も、治癒期間、耐久性に問題があり、長期使用には不適当である。
ここで、これらの従来の足場材料を移植した場合の骨再生能について、図１に示す。この図１より明らかなとおり、硬度の経時変化からみて、元々の生体骨の硬度レベルに達するまで（この期間がいわば「治癒期間」ということができる。）には、β−ＴＣＰ製足場を用いてもかなりの長期間を有することになる。増して、ハイドロキシアパタイト製の足場材を用いた場合には、元々の生体骨の硬度に達することは期待できない。
【０００７】
そこで、生体骨に近いあるいはそれ以上の強度を有し、かつ短い治癒期間で済む培養人工骨が求められている。
特に、力学的負荷のかかる顎骨や管状骨などの区域欠損症例、骨粗鬆症などの高齢者特有の疾病や骨折、腫瘍切除後の広範囲にわたる骨欠損についての治療に利用しうる再生骨が求められている。
【０００８】
一方、チタンは、代表的な人工骨材料として知られているように金属材料の中では生体親和性に優れている。しかしながら、集束伸線法を初めとする通常の繊維作成法でチタン繊維を製造する場合、製造中に断線や各条間が結合してしまうこと等、所定の均一性を保ちつつある程度以上の線径に縮めることが難しく、また、その工程も、被覆処理、細線化、焼き入れ、細線化、集束化、被覆材の除去と多工程に及び量産性に乏しい。しかも、伸線加工時に用いる被膜材が、チタン中に拡散することが避けられないことから、繊維の低均一性ともあいまって骨芽細胞の生成能が著しく悪い。
このように従来のチタン繊維をそのまま、骨再生用の足場材料として用いることは困難である。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の技術的課題を解決するためのものであって、次の技術的事項からなる。
本発明（１）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、所定形状に成形したことを特徴とする生体親和性に優れた骨再生用チタン製足場材の製造方法である。
本発明（２）は、発明（１）の製造方法において、該繊維がコイル端面の回転切削により製造されることを特徴とする骨再生用チタン製足場材の製造方法である。
本発明（３）は、発明（１）又は発明（２）の製造方法において、該不織材の空隙率が７０〜９０％であることを特徴とする骨再生用チタン製足場材の製造方法である。
本発明（４）は、発明（１）〜（３）の何れか１発明の製造方法において、さらに該形状を崩すことなくこれを焼成したことを特徴とする生体親和性に優れた骨再生用チタン製足場材の製造方法である。
本発明（５）は、発明（４）記載の製造方法において、該形状が、チタン製ステムの外周に該不織材を巻き付けることにより形成されるものであり、該チタン製ステムと該不織材とが一体に焼成されていることを特徴とする再生骨用チタン製足場材の製造方法である。
本発明（６）は、発明（１）〜（５）の何れか１発明の製造方法において、該足場材がコーティング処理を施すことなくことを特徴とする骨再生用チタン製足場材の製造方法である。
本発明（７）は、発明（６）の骨再生用チタン製足場材の製造方法において、コーティング処理を施していない該足場材を被移植者より採取された骨髄中の未分化間葉系幹細胞を培養して作製した細胞浮遊液に浸漬する播種処理と、この播種処理後、足場材内にて該幹細胞を骨芽細胞に分化誘導しながら３次元培養する培養処理をさらに含むことを特徴とする骨再生用チタン製足場材の製造方法である。
本発明（８）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り、所定の形状を有する不織材であることを特徴とする生体親和性に優れた骨再生用チタン製足場材である。
本発明（９）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り、所定形状を有する焼成不織材であることを特徴とする生体親和性に優れた骨再生用チタン製足場材。
本発明（１０）は、発明（８）又は（９）の何れか１発明の骨再生用チタン製足場材において、該不織材の空隙率が７０〜９０％であることを特徴とする骨再生用チタン製足場材である。
本発明（１１）は、発明（９）又は（１０）の何れか１発明の再生骨用チタン製足場材において、該形状が、チタン製ステムの外周に巻き付けられた該不織材により形成されるものであって、該チタン製ステムと該不織材とが焼成一体化していることを特徴とする再生骨用チタン製足場材である。
本発明（１２）は、発明（８）〜（１１）の何れか１発明の骨再生用チタン製足場材において、該足場材がコーティング処理を介すことなく幹細胞の被播種処理材とされることを特徴とする骨再生用チタン製足場材である。
本発明（１３）は、発明（１２）の骨再生用チタン製足場材において、播種、３次元培養された骨芽細胞が該足場材中のチタン表面に均一に分布し、細胞−チタンの複合体となっていることを特徴とする骨再生用チタン製足場材である。
【００１０】
【実施の実施の形態】
まず、足場原料として、一定長、一定断面形状を金属繊維の製造法について、説明する。
図２に、本件発明にかかる、一定長、一定断面形状を金属繊維の製造法として、コイル端面切削法を用いた場合の装置の概要を示す。
【００１１】
チタン等の金属帯材をコイルに巻き取り、該コイル１の巻き取り軸方向端面にコイルの厚みに亘る切削刃２を当て、該コイルを、該巻き取り軸芯を中心として回転させることにより、一定長、一定断面形状の長尺金属繊維を簡便、大量に製造することができる。
なお、この場合、帯材の厚さと１回転当たりの送り量が繊維の断面形状の両辺となる。
【００１２】
ここで、本発明にかかる繊維のプロフィールの例示として、繊維の箔厚２５μｍと３０μｍの回転する耐熱ステンレスコイルを端面切削した場合に得られる繊維について、以下に示す。
・箔厚２５μｍの場合
繊維径：平均２３．７８μｍ（標準偏差：１．４０μｍ）
繊維長：平均６２．５８ｍｍ（標準偏差：１．２９ｍｍ）
・箔厚３０μｍの場合
繊維径：平均２９．３９μｍ（標準偏差：０９３μｍ）
繊維長：平均６６．９９ｍｍ（標準偏差：１．２０ｍｍ）
なお、このデータは、ランダムに抜き取った１００本の繊維で計算したものである。
【００１３】
また、コイル端面切削において、切削加工中の断線はほとんど認められなかったことから、その切削開始時と切削終了時に得られた繊維を破棄し、切削加工中のもののみを供試材として採用することにより、上述の事例のように略完全に繊維長が揃った繊維を得ることができた。
ここで、平均の繊維長は、コイルの箔厚、コイルの内径及びコイルの巻き数を変えることで、相当広範囲に自由に選択できるものである。少なくとも１０〜２００ｍｍ程度の範囲の長さものであれば、自由に取得しうる。また、この切削法によれば、チタンはもちろんのこと、ステンレス鋼、アルミニウムといった各種金属乃至合金の繊維を製造することができる。
【００１４】
かかるコイル端面の回転切削により製造された金属繊維の不織布を、骨欠損部に所定形状に成形したものをそのまま骨再生用の足場材料として用いることができる。不織布形態のほか、焼結不織布形態、織布形態、フェルト形態等にさらに加工したものも足場材料とすることができる。骨再生用足場材は、骨欠損部を補う目的からして、その骨欠損部形状への形成の簡便性が求められており、不織布形態のもの又はそれを焼結したものが望ましい。
【００１５】
これらの繊維材料は、切削後特段の処理を施すことなく、７０〜９０％という極めて高い空隙率が得られる点で、骨再生用足場材として有利である。また、その孔径分布を精緻に制御できる点でも優れている。さらに、焼結材を用いた場合、重量に対する機械的強度が優れている点で、適用部位が広い。
【００１６】
ここで、これらの足場材を移植して骨再生治療する場合のフローを図３に示す。まず第１ステップとして、移植部位形状に合わせて該チタン製繊維を成形する。必要により、焼成して形状維持強度を改善することもできる。次に、第２ステップは、患者の自家幹細胞を採取し、得られた幹細胞をｉｎ　ｖｉｔｒｏで培養、増殖する工程である。これは第１ステップと並行して行うことができる。次に、第３ステップとして、第１ステップで製造された移植部位に形状に成形された前記チタン製繊維の足場に、前記第２ステップで培養、増殖された幹細胞を播種する。第４ステップとして、第３ステップで播種された幹細胞を骨芽細胞へと分化誘導させながら、足場材全体に行き渡るように３次元的培養を行う。第５ステップとして、第４ステップで３次元培養された骨芽細胞を含む足場材を移植部位に移植する。第６ステップとして、ｉｎ　ｖｉｖｏで骨組織の再生を進める。以上が骨再生治療の概略である。
【００１７】
また図４に別の態様を示す。この態様では、帯状の不織布としたチタン製ファイバー３を用意し、チタンステム４の周面に該帯状不織布を巻き付け、移植部位外形に略沿った形状に成形する。このチタンステムに巻き付けた不織布を焼成して一体化した複合体を本発明における骨再生用足場材として用いることもできる。この態様の足場材であれば、大腿骨等の強負荷部位にも適用可能である。なお、図４の右図中に○印で模式的に表したものが、幹細胞５を表す。
【００１８】
【実施例１】
ラットに対して行った動物移植実験の概要を、図５に示す。まず、被験ラットから採取した骨髄中の未分化間葉系幹細胞をｉｎ　ｖｉｔｒｏで培養した。
上述の図２に示す回転切削による金属繊維製造装置を用いて、次のＡ，Ｂ，Ｃの三種類のチタン繊維のサンプルを用意した。各サンプルの内容は、以下のとおりである。
サンプルＡは、板厚＝１００μｍ，１回転当たりの切削刃の送り＝２０μｍ／ｒｅｖ，空隙率＝９０％，換算繊維径＝７０μｍ。
サンプルＢは、板厚＝２００μｍ，１回転当たりの切削刃の送り＝３８μｍ／ｒｅｖ，空隙率＝９０％，換算繊維径＝１４０μｍ。
サンプルＣは、板厚＝２００μｍ，１回転当たりの切削刃の送り＝３８μｍ／ｒｅｖ，空隙率＝８６％，換算繊維径＝１４０μｍ。
【００１９】
なお、それぞれ、計算上の最大孔径は、次のとおりである。
サンプルＡ：３５０μｍ
サンプルＢ：７００μｍ
サンプルＣ：５００μｍ
【００２０】
ここで、最大孔径と空隙率の間には、一般に、次式の関係が成り立つことが知られており、上述の最大孔径はこの式に基づいて算出されたものである。
最大孔径＝使用繊維径×５０／（１００−空隙率（％））
【００２１】
これらの、各チタンファイバーのサンプルを、ブロック６に成形した（各ブロックを「チタンＡ」、「チタンＢ」、「チタンＣ」と呼ぶ。）。この時点での各ブロック表面の走査型顕微鏡写真（それぞれ、倍率は、×６０，×３００，×１５００である。）をそれぞれ図６〜図８（上部）に示す。
【００２２】
一方、Ｆｉｓｃｈｅｒ系６−８週齢雄性ラットの大腿骨より骨髄細胞の採取を行った。
採取した骨髄細胞は１５％ウシ胎仔血清および抗生剤（ペニシリン１０００Ｕ／ｍｌ、ストレプトマイシン０．１ｍｇ／ｍｌ、アンホテリシンＢ　０．２５μｇ／ｍｌ）を添加したＭｉｎｉｍｕｍ　Ｅｓｓｅｎｔｉａｌ　Ｍｅｄｉｕｍ（ＭＥＭ培地）　中にて１０日間初代培養を行った。培養は３７℃、５％ＣＯ２下にて行った。その後、トリプシン‐ＥＤＴＡ処理により細胞浮遊液を作製した。４８穴プレートにおいてチタン繊維を作製した細胞浮遊液に浸漬することにより、細胞‐チタン複合体を作製した。
細胞‐チタン複合体は上記培地に１０−８Ｍデキサメタゾン、１０ｍＭ　β−グリセロフォスフェート、５０μｇ／ｍｌアスコルビン酸を加えた培地において２０日間継代培養を行った。培養中、培地交換は週に３回行った。
この時点での各ブロック表面の走査型顕微鏡写真（それぞれ、倍率は、×６０，×３００，×１５００である。）をそれぞれ図６〜図８（下部）に示す。
【００２３】
そして、培養が終了した細胞‐チタン複合体７は同系ラットの背部皮下に移植し、２週、４週、８週後にそれぞれ摘出し、評価した。また、コントロールとして細胞を含まないチタン繊維を同系ラットの背部皮下に移植し、２週、４週、８週後に同様に評価した。
【００２４】
この結果を、図９〜１１に示す。これは、移植後８週後に摘出したチタン繊維の組織像（倍率は、×８０倍である。（なお、図１１の左側は、３０倍である。））であって、赤く染色されている部分（図中では、濃いめの灰色部分）が骨組織が認められる部分である。なお、紫色の部分（図中、薄い灰色部分（前述の染色された部分と後述のチタン繊維の黒色部分を除く全域）は結合組織、黒色の部分（図中、黒色）はチタン繊維に相当する。
【００２５】
特に、チタンＢ、チタンＣのやや大きめの最大孔径を有するサンプルに特に良好な骨形成が認められた。
よって、最大孔径が５００μｍ以上のチタン繊維の不織材を用いることが、骨形成にとって望ましい。
なお、コイル端面切削法は幅広い箔厚のコイル材に対し、適用可能であるので、特に上限はないが、敢えて、こういった製法により製造されたチタン繊維の不織布を用いることの技術的優位性からすれば、最大孔径の上限は、１０００μｍ程度であることが望ましい。
【００２６】
【発明の効果】
本発明は、骨再生用足場材として、一定長、一定断面寸法を有するチタン製繊維の成形、焼成物を用いていることから、元々の強度を超える強度を持たせることが可能になったばかりでなく、均一な孔の分布と高い空隙率であることから、良好な骨組織の再生が可能となった。
結果として、短い治癒期間とできる上、少なくとも再生骨表面は、再生した自身の骨組織からなることから、拒絶反応等の問題を完全に解消することができるようになった。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の足場材料による骨再生能を示す模式図
【図２】本発明にかかる金属繊維製造装置の一例を示す図
【図３】本発明にかかる標準的な骨再生治療のフローを示す図
【図４】チタンステムを用いた本発明にかかる骨再生用足場材の一例を示す図
【図５】ラットに対し本発明にかかる骨再生用足場材を移植する実験の概要を示す図
【図６】本発明にかかるチタン繊維（チタンＡ）及びその骨芽細胞誘導後の走査型顕微鏡写真
【図７】本発明にかかるチタン繊維（チタンＢ）及びその骨芽細胞誘導後の走査型顕微鏡写真
【図８】本発明にかかるチタン繊維（チタンＣ）及びその骨芽細胞誘導後の走査型顕微鏡写真
【図９】本発明にかかるチタン繊維（チタンＡ）の移植後（８週間）の組織写真
【図１０】本発明にかかるチタン繊維（チタンＢ）の移植後（８週間）の組織写真
【図１１】本発明にかかるチタン繊維（チタンＣ）の移植後（８週間）の組織写真
【符号の説明】
１　　　金属帯材のコイル
２　　　切削刃
３　　　チタンファイバー
４　　　チタンステム
５　　　幹細胞
６　　　チタンファイバーブロック
７　　　細胞−チタン複合体
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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