(57)【要約】【課題】優れた機械的強度と柔軟性を兼ね備えた生体骨に近い力学的特性を有し、さらにその表面が優れた骨結合性を有する骨修復材料を提供する。【解決手段】短繊維と長繊維が熱接着することにより得られる三次元構造体からなり、該三次元構造体の少なくとも表面にアパタイトが形成されていることを特徴とする骨修復材料であり、好ましくは、三次元構造体が、短繊維からなる部分を内部とし、その周囲を長繊維からなる部分が取り囲んだ構造をしていることを特徴とする骨修復材料。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
短繊維から構成され、少なくともその一部が熱接着することにより得られる三次元構造体からなり、該三次元構造体の少なくとも表面にアパタイトが形成されていることを特徴とする骨修復材料。
【請求項２】
短繊維が、三次元的に交絡されていることを特徴とする請求項１記載の骨修復材料。
【請求項３】
短繊維のうち少なくとも一部が熱可塑性高分子からなる短繊維であるものからウェブを作製した後、三次元的に交絡し、次いで熱接着することにより全体として一体化された三次元構造体を得、次いで該構造体表面にカルシウムイオンを担持させて後、アパタイトを形成することを特徴とする請求項１記載の骨修復材料の製造方法。
【請求項４】
短繊維と長繊維から構成され、構成繊維の少なくとも一部が熱接着することにより得られる三次元構造体からなり、該三次元構造体の少なくとも表面にアパタイトが形成されていることを特徴とする骨修復材料。
【請求項５】
三次元構造体が、短繊維からなる部分を内部とし、その周囲を長繊維からなる部分が取り囲んだ構造をしていることを特徴とする請求項４記載の骨修復材料。
【請求項６】
三次元構造体が、短繊維が三次元的に交絡している部分を内部とし、その周囲を長繊維が編組されている部分が取り囲んだ構造をしていることを特徴とする請求項４記載の骨修復材料。
【請求項７】
短繊維と長繊維が、少なくとも一部が熱可塑性高分子からなることを特徴とする請求項４記載の骨修復材料。
【請求項８】
短繊維を三次元的に交絡して熱処理をおこない短繊維からなる部分を形成した後、該部分の周囲に長繊維を編組し、その後、構成繊維を熱接着して全体として一体化された三次元構造体を得、次いで、該三次元構造体の少なくとも表面にアパタイトを形成することを特徴とする請求項４ないし６のいずれかに記載の骨修復材料の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、骨修復材料に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から各種の生体活性セラミックス材料が骨修復材料として臨床使用されてきている。ここでいう生体活性とは、骨欠損部に埋入後、生体骨と直接結合できることを意味し、その様なセラミックスには例えばNa2O-CaO-SiO2-P2O5系のバイオガラス（登録商標）、焼結水酸アパタイト、結晶化ガラスＡ-Ｗなどがある（非特許文献１参照）。これらセラミックスは様々な形状付けが容易であり、しかも焼結水酸アパタイトや結晶化ガラスＡ-Ｗは優れた機械的強度を有しているため、高い曲げ強度や圧縮強度が求められる部位においてはよい効果をあげている。
【０００３】
また、有機繊維を三次元織組織もしくは編組織、またはこれらを組み合わせた複合組織としてなる生体適合性を備えたバルク状の構造体を基材とし、これにバイオグラス、セラバイタル、ハイドロキシアパタイト、ＡＷガラスセラミックスなどの生体活性物質により処理したインプラント材料が知られている（特許文献１参照）。さらに、同文献には、三次元方向での高い機械的強度、耐久性および周囲の生体組織の変形特性に同調できる性質を具備するために、長繊維からなる多軸−三次元織組織を中心にした三次元織組織、編組織が記載されている。
【０００４】
さらに、多糖類である固形体あるいはゲル状体に、カルシウムイオンが結合処理された材料の表面にアパタイト層が形成された人工骨構造が知られている（特許文献２参照）。
【０００５】
一方、ポリエチレンテレフタレートの極細繊維織物の表面にアパタイト層を形成させることを行い、この複合体を骨と同様の三次元構造に組み上げることができれば生体骨に近い理想的な骨修復材料が得られるはずであるとの記載も見られる（非特許文献２参照）が、現在のところそのようなものは知られていない。
【０００６】
【非特許文献１】
小久保著「病を癒すセラミックスー現状と展望」セラミックス、（社）日本セラミックス協会、３４巻、７月号、１９９９年、ｐ．５０７〜５１５
【特許文献１】
特許第３２４３６７９号公報
【特許文献２】
特開２０００−７９１６０号公報
【非特許文献２】
小久保著「アパタイト／高分子複合体−柔らかい人工骨−」高分子、（社）高分子学会、４４巻、８月号、１９９５年、ｐ．５６８
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した生体活性セラミックスは、高い圧縮強度や曲げ強度を有するものの、生体骨に比べ、破壊靭性に劣り柔軟性に欠けるため、それらの埋入部位ではかえって周囲組織が損傷を受けるといった問題が指摘されている。このことから埋入部位の周囲組織との間でスムーズな力学伝達が可能で、周囲組織と一体化した動きをとり得る材料に大きな期待が寄せられている。
【０００８】
また、上記した有機繊維を三次元組織としたインプラント材料に関しては、主に述べられている三軸−三次元織組織を作製するには、非常に特殊で高価な織機が不可欠であり、しかも織機の運転や装置の保守点検には熟練した非常に高度の技術が必要とされる。そのような装置は大規模なものであり、そのため設置するに広いスペースを確保しなければならず、しかも良好な状態で高度な運転をスムーズにおこなうためには、特別な空調設備を設けて厳密に温湿管理をおこなわねばならない。また作製する三次元構造体の種類によって使用する糸を変更する場合、その都度、運転までの準備に多くの時間が費やされる。このようなことから三軸―三次元織組織の製造コストは非常に高いものとなっている。
【０００９】
さらに、多糖類である固形体あるいはゲル状体の表面にアパタイト層が形成された人工骨構造に関しては、効率的なアパタイト層の形成に主眼が置かれ、得られたものの力学的性質については何ら記載がなされていない。
【００１０】
本発明は、優れた機械的強度と柔軟性を兼ね備えた生体骨に近い力学的特性を有し、さらにその表面が優れた骨結合性を有する骨修復材料を提供することを目的とするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、前記課題を解決すべく鋭意検討の結果、短繊維を熱接着して得た三次元構造体を基材として用いることにより、機械的強度と柔軟性の両方を併せ持つ材料とすることができることを見出した。さらには短繊維と長繊維を熱接着して得た三次元構造体を基材として用いることにより、機械的強度と柔軟性の両方を併せ持つ材料とすることができることを見出し、本発明に到達した。
【００１２】
すなわち本発明の第一は、短繊維から構成され、少なくもその一部が熱接着することにより得られる三次元構造体からなり、該三次元構造体の少なくとも表面にアパタイトが形成されていることを特徴とする骨修復材料を要旨とするものであり、好ましくは、前記短繊維が三次元的に交絡されていることを特徴とする骨修復材料である。
本発明の第二は、短繊維のうち少なくとも一部が熱可塑性高分子からなる短繊維であるものからウェブを作製した後、三次元的に交絡し、次いで熱接着することにより全体として一体化された三次元構造体を得、次いで該構造体表面にカルシウムイオンを担持させて後、アパタイトを形成することを特徴とする前記した骨修復材料の製造方法を要旨とするものである。
また本発明の第三は、短繊維と長繊維から構成され、構成繊維の少なくとも一部が熱接着することにより得られる三次元構造体からなり、該三次元構造体の少なくとも表面にアパタイトが形成されていることを特徴とする骨修復材料を要旨とするものであり、好ましくは、三次元構造体が、短繊維からなる部分を内部とし、その周囲を長繊維からなる部分が取り囲んだ構造をしていることを特徴とするものであり、さらに好ましくは、三次元構造体が、短繊維が三次元的に交絡している部分を内部とし、その周囲を長繊維が編組されている部分が取り囲んだ構造をしていることを特徴とするものであり、さらに好ましくは、短繊維および長繊維が、少なくとも一部が熱可塑性高分子からなることを特徴とするものである。
さらに本発明の第四は、短繊維を三次元的に交絡して熱処理をおこない短繊維からなる部分を形成した後、該部分の周囲に長繊維を編組し、その後、構成繊維を熱接着して全体として一体化された三次元構造体を得、次いで、該三次元構造体の少なくとも表面にアパタイトを形成することを特徴とする前記した骨修復材料の製造方法を要旨とするものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明において用いられる長繊維は、連続してなる繊維であり、本発明において用いられる短繊維は、長繊維を一定の長さに切断された繊維であり、切断された繊維長は特に制限するものでないが、５〜100ｍｍであることが取り扱う上で好ましい。このような短繊維ならびに長繊維は、天然高分子、合成高分子およびそれらを組み合わせた高分子の少なくともいずれかの高分子で構成されてなる繊維を単独およびそれらを組み合わせた中から適宜選択される。
【００１４】
天然高分子で構成される短繊維ならびに長繊維としては、天然の高分子物質が繊維状になったものであればいずれでもよく、例えばコラーゲン繊維、キチン繊維、キトサン繊維、セルロース繊維、絹繊維、アルギン酸繊維などの繊維がある。これらは従来周知の方法により製造することができる。
【００１５】
合成高分子で構成される短繊維ならびに長繊維としては、繊維形成性を有するポリエステル系高分子、ポリオレフィン系高分子、ポリアミド系高分子、脂肪族ポリエステルアミド系高分子などの高分子、さらにはエチレン−酢酸ビニール系高分子やポリビニールアルコールから得られる繊維がある。
繊維形成性を有するポリエステル系高分子としては、芳香族ポリエステル系重合体、脂肪族ポリエステル系重合体が用いられる。
【００１６】
芳香族ポリエステル系重合体の例としては、酸成分にテレフタル酸、イソフタル酸、ナフタリン-2,6-ジカルボン酸などの芳香族ジカルボン酸またはこれらのエステル類を使用し、アルコール類にエチレングリコール、ジエチレングリコール、1,4−ブタンジオール、ネオペンチルグリコール、1,4-シクロヘキサンジメタノール等のジオール化合物を使用するホモポリエステル重合体、あるいはポリエステル共重合体が挙げられる。なおこれらの芳香族ポリエステル系重合体には、パラオキシ安息香酸、5-ナトリウムスルフォイソフタール酸、ポリアルキレングリコール、ペンタエリスリトール、ビスフェノールＡなどが添加されていてもよい。
【００１７】
脂肪族ポリエステル系重合体の例としては、α-ヒドロキシ酸や乳酸を重合させてなるポリグリコール酸やポリ乳酸、またはこれらの共重合体を用いることができる。また、ポリ（ε-カプロラクトン）やポリ(β-プロピオラクトン)等のポリ（ω-ヒドロキシアルカノエート）も用いることができる。さらに、ポリ-3-ヒドロキシプロピオネート、ポリ-3-ヒドロキシブチレート、ポリ-3-ヒドロキシカプロレート、ポリ-3-ヒドロキシヘプタノエート等のポリ（β-ヒドロキシアルカノエート）、またはこれらにポリ-3-ヒドロキシバリレートやポリ-4-ヒドロキシブチレート等を構成モノマー成分に共重合させたものを用いることができる。さらには、アジピン酸やセバチン酸等の脂肪族ジカルボン酸またはこれらのエステル類を酸成分としてエチレングリコール、ジエチレングリコール、ポリエチレングリコール、1,4-ブタンジオール、ネオペンチルグリコール、シクロヘキサン-1,4-ジメタノール等のジオール化合物をグリコール成分とする重合体または共重合体を用いることもできる。
【００１８】
繊維形成性を有するポリオレフィン系高分子としては、炭素数２〜18の脂肪族α-モノオレフィン、例えばエチレン、プロピレン、1-ブテン、1-ペンテン、3-メチル-1-ヘキセン、1-オクテン、1-オクタデセンからなるポリオレフィン系重合体が挙げられる。これらの脂肪族α-モノオレフィンは多くのエチレン系不飽和モノマー、例えばブタジエン、イソプレン、1,3-ペンタジエン、スチレン、α-メチルスチレンのような類似のエチレン系不飽和モノマーが共重合されたポリオレフィン系重合体であってもよい。またポリエチレン系重合体の場合には、エチレンに対してプロピレン、1-ブテン、1-オクテン、1-ヘキサン、または類似の高級α-オレフィンが１０重量％以下共重合されたものであってもよく、ポリプロピレン重合体の場合には、ポリプロピレンに対してエチレンまたは類似の高級α-オレフィンが１０重量％以下共重合されたものであってもよいが、前記の共重合体の共重合率が１０重量％を超えると共重合の融点が低下し、これらの共重合体からなる短繊維あるいは長繊維を用いて構成される三次元構造体は、骨修復材料として使用する場合、滅菌時などで高温に晒されると、形態が容易に変化し、力学特性が損なわれるため好ましくない。
【００１９】
繊維形成性を有するポリアミド系高分子としては、ポリイミノ-1-オキソテトラメチレン（ナイロン４）、ポリテトラメチレンアジパミド（ナイロン４６）、ポリカプラミド（ナイロン６）、ポリヘキサメチレンアジパミド(ナイロン６６)、ポリウロララクタミド（ナイロン１２）、ポリメタキシレンアジパミド、ポリパラキシリレンデカナミド、ポリビスシクロヘキシルメタンデカナミド、またはこれらのモノマーを構成単位とするポリアミド系共重合体が挙げられる。特にナイロン４６の場合、ナイロン４６にポリカプラミドやポリヘキサメチレンアジパミド、ポリウンデカメチレンテレフタラミド等のポリアミド成分が３０モル％以下共重合されたナイロン４６の共重合体であってもよい。前期ポリアミド成分の共重合率が３０モル％を超えると共重合体の融点が低下し、これらの共重合体からなる短繊維あるいは長繊維を用いて構成させる三次元構造体は、骨修復材料として使用する場合、滅菌時などで高温に晒されると、形態が容易に変化し、力学特性が損なわれるため好ましくない。
【００２０】
繊維形成性を有する脂肪族ポリエステルアミド系高分子としては、例えば前記した脂肪族ポリエステル系重合体と、ナイロン６、ナイロン４６、ナイロン６６、ナイロン１２等の脂肪族系ポリアミド重合体とを共重合したものを用いることができる。
【００２１】
繊維形成性を有するエチレン−酢酸ビニール系高分子としては、酢酸ビニルとエチレンの共重合体またはそのケン化物が挙げられる。
【００２２】
天然高分子と合成高分子を組み合わせてなる繊維としては、例えば天然高分子からなる繊維の表面に合成高分子が被覆されてなるもの、イオン結合または共有結合で結合されてなるもの、基材繊維に該合成高分子の一部が埋入してなるもの、さらにはそれらの一部を組み合わせてなるものなどがある。また合成高分子からなる繊維の表面に天然高分子が被覆されてなるもの、イオン結合または共有結合で結合されてなるもの、基材繊維に該天然高分子の一部が埋入してなるもの、さらにはそれらの一部を組み合わせてなるものなども挙げられる。
【００２３】
本発明を構成する短繊維ならびに長繊維は、短繊維と長繊維のそれぞれの場合において、少なくとも一部の繊維が熱可塑性高分子から構成される繊維であることが必要である。このことにより、隣接する構成繊維と熱接着させることができ、機械的強度の優れた三次元構造体を得ることができる。そのような熱可塑性高分子の融点としては、60℃以上、好ましくは80℃以上、さらに好ましくは100℃以上であり、三次元構造体に一定の耐熱性を具備させることができて好ましい。さらにそのような熱可塑性高分子のガラス転移温度は、生体温度以上であることが好ましい。
【００２４】
熱可塑性高分子の具体例としては、前記合成高分子の中のポリエステル系高分子、ポリオレフィン系高分子、ポリアミド系高分子脂肪族ポリエステルアミド系高分子、エチレン−酢酸ビニル系高分子を挙げることができ、例えばポリエチレンテレフタレート、ポリエチレン、ポリプロピレン、ナイロン６、ポリ乳酸などが挙げられる。
【００２５】
さらに、本発明を構成する短繊維ならびに長繊維は、短繊維と長繊維のそれぞれの場合において、少なくとも一部の繊維が、芯部が高融点の熱可塑性高分子からなり、鞘部が該高分子より低融点の熱可塑性高分子から構成された複合繊維であることがより好ましい。このような熱可塑性高分子から構成される繊維は、短繊維と長繊維のそれぞれの場合において、その混合比率が30％以上であることが望ましい。
【００２６】
熱可塑性高分子から構成される複合繊維は、前記合成高分子の中から選択された融点を3℃〜150℃の範囲で異にする2種の高分子成分から構成されるもので、芯部が高融点の熱可塑性高分子からなり、且つ鞘部が該高分子より低融点の熱可塑性高分子成分からなるごとく前記両高分子成分が配された同心芯鞘型あるいは偏心芯鞘型の複合形態を有するように接合されたものである。
他に、芯部が低融点の熱可塑性高分子からなり、その円周方向には独立した突起部を複数形成し、該突起部が低融点の熱可塑性高分子よりも高融点の熱可塑性高分子からなる複合形態を有するもの、あるいは低融点の熱可塑性高分子成分と高融点の熱可塑性高分子成分が円周方向に複数に分割された複合形態を有するものなども使用可能であるが、三次元構造体の力学特性を考慮すると芯鞘型複合形態がより好ましい。
これらの複合繊維において、両高分子成分の融点差が3℃未満であると、構成繊維同士が熱接着することにより全体として一体化されてなる三次元構造体を作製するに際して、低融点の高分子のみならず高融点の高分子成分も軟化溶融するため好ましくなく、従って前記融点差を3℃以上、好ましくは5℃以上、さらに好ましくは10℃以上とするのがよい。一方、前記融点差が150℃を超えると両高分子成分の融点差が余りにも大きくなるため両高分子を用いて複合紡糸するに際して紡糸ノズルバック内において紡糸温度の制御が困難となるため好ましくない。
【００２７】
また、このような複合繊維においては、複合比すなわち芯部の高分子成分に対する鞘部の高分子成分の重量比を1/5〜5/1とするのがよい。芯部の高分子成分1に対し鞘部の高分子成分の比が5を超えると繊維の強度が低下したり、あるいはこの繊維を用いて得られる三次元構造体が脆くなって柔軟性が悪化したりするため、一方、芯部の高分子成分5に対し鞘部の高分子成分の比が1未満であると、この繊維を用い繊維同士を熱接着させて得た三次元構造体がその構成繊維間の熱接着部において強度低下を生じるため、いずれも好ましくなく、従って本発明においては、前記複合比を1/5〜5/1、好ましくは1/2〜2/1とする。
【００２８】
上記したような芯鞘型複合繊維の具体例としては、短繊維の場合、ユニチカ社製のポリエステル系芯鞘型複合短繊維（タイプ４０８０、７０８０）やポリエチレン系芯鞘型複合短繊維（タイプ６０８０）、ポリ乳酸系芯鞘型複合短繊維（登録商標テラマック）などが挙げられる。また長繊維の場合、ユニチカ社製のポリエステル系芯鞘型複合長繊維（銘柄：５６０Ｔ４８）やクラレ社製のエバール系芯鞘型複合長繊維（品名：ＣＲ−００１）などが挙げられる。
【００２９】
本発明を構成する短繊維は、少なくとも一部の繊維が捲縮性を有しているものが好ましく、その捲縮度は8個/25mm以上が好ましい。そのような捲縮性を有する繊維は、その混合比率が20％以上、好ましくは30％以上、さらに好ましくは50％以上あると、繊維同士の絡まり度合いが増し、得られる三次元構造体の強靭性を損なうことなく、骨修復材料に適した空隙を付与し、構造体内部にまで骨形成細胞の進入が可能な性状を具備させることができて好ましい。捲縮性を有する短繊維は、連続した繊維を例えばスタツフイングボックスを用いて所定の機械捲縮を付与した後、あるいは加熱収縮処理により所定の捲縮を付与した後、所定長に切断した短繊維を用いることができる。
【００３０】
本発明を構成する短繊維ならびに長繊維は、その断面形状が丸断面形状に限定されるものではなく異型断面形状、中空断面形状、同心あるいは偏心芯鞘型複合断面形状の繊維のいずれでもよく、またそれら断面形状を有する繊維の混合であってもよく、所望する三次元構造体の形状や機械的特性を考慮して適宜選択すればよい。
【００３１】
本発明を構成する短繊維は、単繊維繊度が、1.0〜50デニールのものが好ましく、単繊維繊度が1.0デニール未満であると、三次元構造体を作製するために例えば予めカードウエブを調製するに際してカード通過性が劣り、一方、単繊維繊度が50デニールを超えるとこの短繊維を用いて得られる三次元構造体の柔軟性が損なわれるため、いずれも好ましくない。
【００３２】
本発明を構成する長繊維は、モノフィラメントないしはマルチフィラメントの何れを用いてもよいが、生体骨に近い破壊靱性と柔軟性を有する三次元構造体を得るにはマルチフィラメントが好ましい。マルチフィラメントは単繊維繊度が0.5〜15デニールが好ましく、引張強度が3ｇ／デニール以上のものが好ましい。単繊維繊度が0.5デニール未満であると得られる三次元構造体の機械的特性が低下したり、溶融紡糸時に紡糸ノズル面で吐出されたフィラメントが糸曲がりを生じるなど長繊維の製糸性が低下することがあるため、一方、単繊維繊度が15デニールを超えると、得られる三次元構造体が粗硬な地合いの粗いものとなることがあるため、好ましくない。
【００３３】
本発明の第一における短繊維から構成される三次元構造体および本発明の第三における短繊維と長繊維から構成される三次元構造体は、上記の構成繊維同士が熱接着することによりなる構造体であり、さらには短繊維から構成される部分は、該繊維同士が三次元的に交絡されていることが好ましい。一方、長繊維からなる部分は、編組されていることが好ましい。
【００３４】
本発明の第二および第四の製造方法における三次元構造体の製造方法としては、このような三次元構造体が所望する力学特性を有する限り何れの製造方法を採用してもよい。短繊維から構成される部分を、比較的低コストで何れの形状にも容易に製造する方法としては、短繊維から構成される不織布を作製する方法が有利である。
【００３５】
すなわち、短繊維を原綿として、梳綿機を用いてカーデイングしてカードウエブを作製し、得られたカードウエブに高圧液体流処理あるいはニードルパンチング処理を施し、機械的に構成繊維同士を三次元的に交絡させる。次いで交絡させたウエブを加熱されたエンボスローラと表面が平滑な金属ローラなどとからなるローラ間を通す方法、熱風乾燥装置を用いる方法あるいは超音波融着装置を用いる方法などにより構成繊維同士を熱接着し、全体として一体化された三次元構造体あるいは短繊維から構成される部分を得ることができる。また繊維密度のより高い三次元構造体あるいは短繊維から構成される部分を得るには、前記の一体化された三次元構造体あるいは短繊維から構成される部分をさらに一軸ないしは多軸方向に一定形状の金属製あるいはゴム製などの型の中で圧縮しながら熱接着をおこなって得ることができる。
【００３６】
また、本発明の短繊維からなる三次元構造体あるいは短繊維から構成される部分は、構成繊維同士を三次元的に交絡させて得た前記カードウエブを、熱接着が可能な雰囲気下で目的のサイズと形状を有する型の中を通過させることによっても容易に製造することができる。
【００３７】
カードウエブは、構成繊維の配列度合いによって種々選択することができ、例えばカード機のパラレルウエブ、パラレルウエブがクロスレイドされたウエブ、ランダムに配列したランダムウエブあるいは両者の中程度に配列したセミランダムウエブなどが挙げられ、適宜それらカードウエブを組み合わせて用いることもできる。２種類以上の短繊維を混合してカードウエブを作製する場合は、カードウエブを繰り返しカーデイングすることで均一なカードウエブを作製することができる。
【００３８】
熱接着させる際の処理温度は、その処理時間にもよるが、通常は例えば芯鞘複合短繊維を一部有する場合、鞘部を構成する低融点の熱可塑性高分子の融点以上で、かつ高融点の熱可塑性高分子の融点より１０℃程度低い温度の範囲内とするのがよい。
【００３９】
本発明において短繊維から構成される部分の繊維密度は、用いられる繊維比重によるが0.5ｇ／ｃｍ3以上が好ましく、より好ましくは0.8ｇ／ｃｍ3以上である。繊維密度が0.5ｇ／ｃｍ3未満であると、短繊維で形成される空間が大きくなり、十分な熱接着効果が望めなく、それによって三次元構造体は生体骨に近い力学的強度が得られないことがあり、好ましくない。
【００４０】
本発明の第三における短繊維と長繊維から構成される三次元構造体は、長繊維から構成される部分が短繊維から構成される部分を芯材にしてその周囲に編組されている構造であることが好ましい。編組の方法としては、例えば丸打ち、角打ち、平打ちなどと４打ち、８打ち、１６打ちなどの周知の方法の組合せで製紐すればよく、その後、熱風乾燥装置などを用いて構成繊維同士を熱接着し、三次元構造体を得ることができる。また、長繊維からなる編組層は、必要に応じてその周囲にさらに長繊維を編組して積層することも可能である。
【００４１】
三次元構造体の繊維密度は、用いられる繊維比重によるが0.5ｇ／ｃｍ3以上が好ましく、より好ましくは0.8ｇ／ｃｍ3以上である。繊維密度が0.5ｇ／ｃｍ3未満であると、構成繊維で形成される空間が大きくなり、十分な熱接着効果が望めなく、それによって三次元構造体は生体骨に近い力学的強度が得られないことがあり、好ましくない。
【００４２】
本発明の第一および第三の骨修復材料は、上記した三次元構造体の少なくとも表面にアパタイトが形成されているものである。これにより、三次元構造体の表面が骨結合性を有することになる。
ここでいう、アパタイトとは、生体骨のアパタイトと構造、組成が類似のアパタイトであり、ミクロンオーダーで三次元構造体の表面にアパタイト層を形成していることが望ましい。
しかも、アパタイトは、表面に限らず、その三次元構造体の内部においても形成されていることが好ましい。
【００４３】
本発明において、三次元構造体にこのようなアパタイトを形成させる方法は特に限定されないが、例えば次のような方法により形成させることができる。すなわち、三次元構造体の表面にカルシウムイオンを予め担持させた後、擬似体液に浸漬する方法である。
【００４４】
三次元構造体の表面にカルシウムイオンを担持させるには、カルシウムイオンを含み、且つ三次元構造体そのものに悪影響を及ぼさない溶液に直接浸漬すればよい。そのような溶液の具体例としては、例えば飽和水酸化カルシウム溶液を挙げることができ、浸漬温度は特に限定されないが、三次元構造体への影響を考慮して50℃以下で1時間〜２週間浸漬すればよい。
【００４５】
三次元構造体がその表面にカルシウムイオンと結合可能な反応性官能基を有していない場合は、予め反応性官能基を表面に付与した後、カルシウムイオンを含む溶液に浸漬する逐次的方法、または反応性官能基とカルシウムイオンの両者を含有する溶液に浸漬して同時に付与する方法がある。カルシウムイオンと結合可能な反応性官能基としては、例えばSi-OH基、Ti-OH基、Zr-OH基、Nb-OH基、Ta-OH基、COOH基、PO4H2基があり、それらの中から適宜選択すればよいが、好ましくはCOOH基、Si-OH基、さらにはTi-OH基である。これら反応性官能基は繊維から構成される三次元構造体の表面に付与することが比較的容易であり、且つ浸漬された擬似体液中で骨類似アパタイトの形成能に優れている。
【００４６】
三次元構造体表面にそれら反応性官能基を付与するには、該構造体を構成する繊維材料に直接ないしはプライマーを介して結合させる方法、予めUVやプラズマ、放射線などの照射、あるいは酸、アルカリなどによるエッチングなどの手段によって三次元構造体の表面を活性化した後に結合する方法、反応性官能基を繊維材料内に含浸する方法など、三次元構造体の形態変化や力学特性変化を伴わない方法であれば何れの方法を採用してもよく、また必要であれば適宜それらの方法を組み合わせておこなうこともできる。
反応性官能基を三次元構造体の表面に付与するためには、上記の方法を用いて液相中あるいは気相中、ゾルーゲル中等何れの条件でもおこなうことができる。
【００４７】
反応性官能基COOH基を三次元構造体の表面に付与するための具体的な方法としては、三次元構造体が表面に水酸基を有している場合、5〜50重量％水酸化ナトリウム水溶液に0.5〜48時間浸漬後、取り出して蒸留水に浸漬し、2〜10重量％モノクロル酢酸溶液を中性になるまで添加して室温下で0.5〜48時間反応性官能基の付加反応をおこなえばよい。
一方、三次元構造体が表面に水酸基を有していない場合は、例えばプラズマ照射器（（株）キーエンス製  ST-7000）を用いて三次元構造体の表面にプラズマ照射を1秒〜60秒の範囲でおこない、その後蒸留水で洗浄することによって、予め三次元構造体の表面に水酸基を導入することができる。
【００４８】
また、本発明の三次元構造体は、その表面に予め多糖類を被覆ないしは結合して後、前記記載のカルシウムを担持させる手段を行うことがより好ましい。多糖類にはセルロース、アルギン酸、キチン・キトサン、コラーゲンおよびそれらの誘導体があり、中でもキチン・キトサンおよびその誘導体が好ましい。
多糖類を被覆ないし結合する方法は、例えばカルボキシメチルセルロースやカルボキシメチルキチン10重量％までの水溶液に三次元構造体を室温下で浸漬することによっても可能であり、またそれら溶液に多官能性試薬、例えばグルタルアルデヒドやグリシジルエーテルなどを加えて被覆後、熱処理などによって三次元構造体に結合することも可能である。またこれら多糖類を使用するとカルシウムイオンと結合可能な反応性官能基も同時に付与することができて好ましい。
【００４９】
次に、カルシウムイオンを担持した三次元構造体を擬似体液に浸漬する。
擬似体液とは、ヒトの体液にほぼ等しい無機イオン濃度を有する水溶液であり、例えば、J.Biomed.Mater.Res.24、721-734（1990）に示されているものなどが挙げられる。浸漬温度は生体温度に近い36.5℃、浸漬期間は三次元構造体の少なくとも表面にアパタイト層が形成されればよく、通常、1日〜10日間浸漬が行われる。アパタイトの形成確認は、薄膜Ｘ線回折測定(TF-XRD)および電界放出型走査電子顕微鏡(FE-SEM)によって行なうことができる。
【００５０】
本発明の短繊維が熱接着することにより得られる三次元構造体あるいは短繊維と長繊維が熱接着することにより得られる三次元構造体は、それ自身が海綿骨や緻密骨に近い広い範囲の機械的強度と柔軟性を併せ持つものである。圧縮強度試験はJIS K 7220に記載の方法に準じておこなった。また曲げ弾性試験はJIS K 7171に記載の方法に準じておこなった。
【００５１】
【実施例】
次に、実施例に基づき本発明を具体的に説明するが、本発明は、これら実施例によって何ら限定されるものではない。
【００５２】
実施例において、各特性値の測定を次の方法により実施した。
融点（℃）：パーキンエルマ社製示差走査型熱量計DSC-2型を用い、昇温温度20℃／分の条件で測定し、得られた融解吸熱曲線において極値を与える温度を融点とした。
【００５３】
繊維の捲縮数：走査型電子顕微鏡を用いて繊維の拡大写真を撮影し、捲縮数を求めた。
【００５４】
目付量（ｇ/ｃｍ3）：カードウエブが35ｍｍ厚の密度
【００５５】
実施例１〔短繊維からなる骨修復材料〕
ポリエステル系中空短繊維（日本エステル社製、タイプH71F、単繊維繊度13デニール、繊維長76ｍｍ、融点256℃中空率17％）とポリエチレン系同心芯鞘型複合短繊維（日本エステル社製、タイプ6080、単繊維繊度2デニール、繊維長51ｍｍ、鞘成分重合体の融点130℃  捲縮数14個/25ｍｍ）とを重量比率50／50の割合で均一に混綿し、ランダムカード機を用いてクロスラツパーで積層して目付55ｋｇ／ｍ3のウエブとし、バーブ付ニードルを有するニードルロッカールームを通じて針密度50本／ｃｍ2にてニードリングをおこなった。さらにこのウエブを20ｍｍの厚さのスペーサに挟んだ金網の間に入れ、厚さを規制しつつ、140℃の熱風循環ドライヤー中で5分間熱処理をおこない、厚さ20ｍｍの短繊維からなる構造体を得た。
【００５６】
続いて、構造体は140℃に加熱したプレス版で圧縮成形をおこない、厚み2mmの三次元構造体を得た。得られた三次元構造体の繊維密度は0.9ｇ／ｃｍ3であった。このようにして作製した三次元構造体を縦10ｍｍ、幅15ｍｍ、厚さ2ｍｍのサイズに加工後、カルボキシメチル化キチン２wt％の水溶液に浸漬して減圧下で１時間放置した。その後、取り出して蒸留水で濯いで凍結乾燥をおこなった。次に凍結乾燥品を飽和水酸化カルシウム水溶液に3日間浸漬してカルシウムイオンを表面に担持した。
【００５７】
次いで、表１に示した組成の擬似体液（ｐH7.40）に36.5℃の温度で3日間浸漬した。
【００５８】
【表１】
2004160157.tif 000002
【００５９】
その後、三次元構造体を擬似体液から取り出し、蒸留水で洗浄後に凍結乾燥をおこなって、本発明の第一の骨修復材料を得た。それを、ＴＦ−ＸＲＤ測定したところ、材料表面に形成されたアパタイトのピークを確認した（図１）。またSＥＭ観察の結果は、図２に示すごとく表面にアパタイト層を有する三次元構造体であることが確認できた。
【００６０】
実施例２〔短繊維からなる骨修復材料〕
実施例１で用いたポリエステル系中空短繊維（日本エステル社製）とポリエステル系芯鞘型複合繊維（日本エステル社製、タイプ7080、単繊維繊度4デニール、繊維長51ｍｍ、鞘成分重合体の融点110℃、捲縮数20個／25mm）を重量比率で40/60の割合で均一に混綿し、ランダムカード機を用いてカーデイングをおこない、得られたカードウエブを針密度３０本/ｃｍ2にてニードリングを施した。その後、カードウエブは130℃の熱風循環ドライヤーで熱処理して円筒内を通過させることにより、外径４ｍｍの円柱形状をした繊維密度が0.55ｇ/ｃｍ3と0.83ｇ/ｃｍ3の短繊維からなる三次元構造体を得た。
このようにして作製した三次元構造体を、実施例１と同様の方法で処理をして、表面にアパタイト層を有する本発明の第一の骨修復材料を得た。
【００６１】
ここで作製した三次元構造体について、強度特性を確認するために島津製作所製のオートグラフ  AGS-100Gを用いて圧縮強度試験をおこなった。繊維密度が0.55ｇ/ｃｍ3および0.83ｇ/ｃｍ3の試料は、最大圧縮強度がそれぞれ15ＭＰａ、30ＭＰａと、海綿骨の強度と同等ないしはそれ以上の値を有していた。
【００６２】
実施例３〔短繊維からなる骨修復材料〕
キチン短繊維（ユニチカ社製、短繊維繊度4デニール、繊維長51ｍｍ、融点200℃以上）とポリ乳酸系芯鞘型複合短繊維（ユニチカ社製、商標テラマック、単繊維繊度2デニール、繊維長51ｍｍ、鞘成分重合体の融点130℃、捲縮数17個／25ｍｍ）を重量比率30/70の割合で均一に混綿し、ランダムカード機を用いてカーデイングして目付が50ｋｇ/ｍ3のカードウエブを作製した後、圧縮成形温度を150℃とした以外は実施例２と同様の方法にて短繊維からなる三次元構造体を得た。このようにして作製した三次元構造体を、実施例１と同様の方法で処理をして、表面にアパタイト層を有する本発明の第一の骨修復材料を得た。
【００６３】
実施例４〔短繊維と長繊維からなる骨修復材料〕
実施例２で用いた繊維を使用して、実施例２と同様の方法で成形をおこない、外径3.9ｍｍの円柱形状をした繊維密度が0.9ｇ/ｃｍ3の短繊維からなる柱状体を得た。
【００６４】
次にポリエステル系長繊維240デニール48フィラメント（ユニチカファイバー社製、融点256℃、引張強度8ｇ／デニール）とポリエステル系芯鞘型複合長繊維560デニール48フィラメント（ユニチカファイバー社製、鞘成分重合体の融点160℃、引張強度8ｇ／デニール）を50/50の割合で混繊し、得られた混繊糸を前記短繊維からなる柱状体の周囲に16打ちの丸打製紐機を使って製紐し、その後175℃の熱風乾燥機の中を通過させて、短繊維と長繊維からなる外径4ｍｍ、繊維密度1.1ｇ/ｃｍ3の三次元構造体を得た。製紐された組紐部分の組紐角は30°であった。
【００６５】
このようにして作製した三次元構造体を、実施例１と同様の方法で処理をして本発明の第三の骨修復材料を得た。このものについて、ＴＦ−ＸＲＤ測定の結果（図３）およびSＥＭ観察の結果（図４）から、表面にアパタイト層を有する三次元構造体であることが確認できた。
【００６６】
本実施例で作製した短繊維と長繊維からなる三次元構造体について、力学特性を確認するために島津製作所製のオートグラフ  AGS-100Gを用いて圧縮強度試験を、また（株）インテスコ製インテスコ  モデル2020を用いて３点曲げ試験をおこなった。その結果、三次元構造体の最大圧縮強度は60ＭＰａと海綿骨以上の大きな値を示し、また曲げ強度115ＭＰａは緻密骨並の強さであった。さらに曲げ弾性率は4.5ＧＰａであり、この値は、焼結水酸アパタイトや結晶化ガラスA-Wよりも緻密骨に非常に近く、生体骨に類似の柔軟性を有していることが示された（セラミックス34巻（1999）No.7  507〜515参照）。
【００６７】
実施例５〔短繊維と長繊維からなる骨修復材料〕
キチン短繊維（ユニチカ社製、単繊維繊度3.5デニール、繊維長51ｍｍ、融点200℃以上）とポリエチレン−ポリビニルアルコール系芯鞘型複合短繊維（クラレ社製、単繊維繊度2デニール、繊維長51ｍｍ、鞘成分重合体の融点130℃、捲縮数10個／25ｍｍ）を重量比率30/70の割合で均一に混綿し、ランダムカード機を用いてカーデイングをおこない、得られたウエブをカードウエブの熱処理温度が150℃である以外は実施例２と同様におこなって、外径3.9mm、繊維密度が0.93ｇ/ｃｍ3の円柱形状をした短繊維からなる柱状体を得た。次に得られた柱状体の周囲に実施例４の混繊糸を16打ちの丸打製紐機を使って製紐し、その後175℃の熱風乾燥機の中を通過させて、短繊維と長繊維からなる外径4ｍｍの三次元構造体を得た。製紐された組紐部分の組紐角は35°であった。
【００６８】
このようにして作製した三次元構造体を、実施例１と同一の条件でアパタイト形成処理をおこない、表面にアパタイト層を有する本発明の第三の骨修復材料を得た。
【００６９】
【発明の効果】
本発明によれば、繊維から構成されて機械的強度と柔軟性を併せ持つ各種形状の三次元構造体を効率よく安価に製造でき、しかも三次元構造体表面は優れた骨結合性を有することで、骨欠損部における修復材料として好適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１で得られた本発明の第一の骨修復材料の表面構造変化を示す薄膜Ｘ線回折（ＴＦ−ＸＲＤ）パターン図であり、擬似体液浸漬後のパターンにおいて○印を付記したピークがアパタイトである。
【図２】実施例１で得られた本発明の第一の骨修復材料の表面にアパタイトが形成されている状態を示す電界放出型走査電子顕微鏡写真（ＦＥ−ＳＥＭ）である。
【図３】実施例４で得られた本発明の第二の骨修復材料の表面構造変化を示す薄膜Ｘ線回折（ＴＦ−ＸＲＤ）パターン図であり、擬似体液浸漬後のパターンにおいて○印を付記したピークがアパタイトである。
【図４】実施例４で得られた本発明の第二の骨修復材料の表面にアパタイトが形成されている状態を示す電界放出型走査電子顕微鏡写真（ＦＥ−ＳＥＭ）である。
【図１】
2004160157.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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