(57)【要約】【課題】健全な状態で生体組織欠損部に補填し得る生体組織補填体を簡易かつ無駄なく製造する。【解決手段】患部の画像データを取得するデータ取得手段２と、得られた画像データに基づいて生体組織欠損部の３次元形状データを作成する３次元データ作成手段３と、得られた３次元形状データに基づいて、前記生体組織欠損部に適合する３次元形状を有する生体組織補填材を成形する成形手段４とを備える生体組織補填体の製造システム１を提供する。【選択図】　　図１
2004008536.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
患部の画像データを取得するデータ取得手段と、
得られた画像データに基づいて生体組織欠損部の３次元形状データを作成する３次元データ作成手段と、
得られた３次元形状データに基づいて、前記生体組織欠損部に適合する３次元形状を有する生体組織補填材を成形する成形手段とを備える生体組織補填体の製造システム。
【請求項２】
患部の画像データを取得するデータ取得手段と、
得られた画像データに基づいて生体組織欠損部の容積を計算する容積計算手段と、
得られた生体組織欠損部の容積に等しい容積の生体組織補填材に培養細胞を加えて培養する培養手段とを備える生体組織補填体の製造システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、骨等の生体組織の欠損部を再生する際に使用する生体組織補填体の製造システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、骨腫瘍摘出や外傷等により生じた骨の欠損部に、骨補填材を補填することにより、骨を再生させて欠損部を修復することが可能になってきている。骨補填材としては、ハイドロキシアパタイト（ＨＡＰ）やリン酸三カルシウム（ＴＣＰ）が知られているが、体内に異物を残さないとする考え方から、例えば、β−ＴＣＰのようなリン酸カルシウム多孔体からなる足場材が使用される。β−ＴＣＰを骨欠損部の骨細胞に接触させておくと、破骨細胞がβ−ＴＣＰを食べ、骨芽細胞が新しい骨を形成する、いわゆるリモデリングが行われる。すなわち、骨欠損部に補填された骨補填材は、経時的に自家骨に置換されていくことになる。
【０００３】
従来より、骨欠損部に補填する骨補填材としては、例えば、適当な大きさを有する直方体状に形成されたもの、または、顆粒状のものが存在する。このような骨補填材を医療現場において実際に使用する場合には、レントゲン撮影等により得られた患部の映像に基づいて、医師が、骨欠損部の形状や容積を推定し、相応する量の骨補填材を準備していた。実際には、手術中に骨補填材が不足することを防止するために、推定した形状や容量より多めの骨補填材を準備する。そして、手術中に骨欠損部の形状に合わせて直方体状の骨補填材を適宜削り、あるいは顆粒状の骨補填材を隙間に補填することなどが行われている。
【０００４】
一方、術後の骨欠損部の修復速度を高めるために、患者から採取した骨髄間葉系細胞を骨補填材とともに培養することにより製造される培養骨を使用することが提案されている。培養されることにより骨補填材を足場にして増殖した多くの骨髄間葉系細胞を含む培養骨を骨欠損部に補填するので、手術後に体内で細胞を増殖させる方法と比較すると、自家骨に置換されるまでの日数を大幅に短縮することができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような培養骨により骨欠損部を補填する場合には、以下の問題がある。
第１に、骨欠損部を完全に補填するのに十分な培養骨を用意するために、医師が使用量を多めに見積もると、医師は手術中に培養骨を削らなければならないが、培養骨を削ると細胞が切断され損傷するので好ましくない。
第２に、医師が使用量を多めに見積もる結果、培養骨が必要以上に製造されることになるが、不要な培養骨の培養に時間がかかる上に、手術において使用されなかった培養骨は再利用できず無駄が多い。
【０００６】
この発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、健全な状態で生体組織欠損部に補填し得る生体組織補填体を簡易かつ無駄なく提供することができる生体組織補填体の製造システムを提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、この発明は、以下の手段を提供する。
請求項１に係る発明は、患部の画像データを取得するデータ取得手段と、得られた画像データに基づいて生体組織欠損部の３次元形状データを作成する３次元データ作成手段と、得られた３次元形状データに基づいて、前記生体組織欠損部に適合する３次元形状を有する生体組織補填材を成形する成形手段とを備える生体組織補填体の製造システムを提供する。
【０００８】
この発明によれば、データ取得手段の作動により、患部の画像データが取得される。データ取得手段は、例えば、ＣＴ（Ｃｏｍｐｕｔｅｄ　Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）装置あるいはＭＲＩ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ　Ｉｍａｇｉｎｇ）装置など、患部の断面の画像データを得ることができる手段であることが好ましい。次いで、３次元データ作成手段の作動により、データ取得手段によって得られた患部の画像データから生体組織欠損部の３次元的形状が作成される。例えば、データ取得手段により得られた画像データが患部の断面データである場合には、当該断面データを２値化するなどして生体組織欠損部の境界を示す２次元的な形状データを取得し、全ての断面について得られた２次元的な形状データをつなぎ合わせることにより、３次元形状データが構築される。
【０００９】
そして、成形手段の作動により、生体組織欠損部の３次元形状データに基づいて、生体組織欠損部に適合する３次元形状を有する生体組織補填材が成形される。生体組織補填材は、生体材料ではないので、これを削り、あるいは切断することについては問題がない。また、生体組織補填材としては、生体組織欠損部の形状に適合する一体的なものの他、組み合わせることにより生体組織欠損部の形状に適合する３次元的形状となる複数の生体組織補填材片でもよい。
【００１０】
このようにして構成された生体組織補填材に培養細胞を加えて培養を行うことにより、生体組織補填体が製造される。この生体組織補填体は、生体組織欠損部に適合する形状の生体組織補填材を基にして製造されているので、生体組織欠損部に適合する３次元的形状を有している。したがって、医師が手術に際して余分な部分を削る等の作業を行う必要がなく、生体組織補填体に損傷を与えることなく生体組織欠損部に補填することが可能となる。
【００１１】
請求項２に係る発明は、患部の画像データを取得するデータ取得手段と、得られた画像データに基づいて生体組織欠損部の容積を計算する容積計算手段と、得られた生体組織欠損部の容積に等しい容積の生体組織補填材に培養細胞を加えて培養する培養手段とを備える生体組織補填体の製造システムを提案している。
この発明によれば、データ取得手段の作動により、患部の画像データが取得され、次いで、容積計算手段の作動により、データ取得手段によって得られた患部の画像データから生体組織欠損部の容積が計算される。そして、培養手段の作動により、生体組織補填材に培養細胞を加えて培養が行われ、生体組織補填体が製造される。このようにして構成された生体組織補填体は、生体組織欠損部に適合する容積を有しているので、医師が手術に際して余分な部分を削る等の作業を行う必要がなく、生体組織補填体に損傷を与えることなく、かつ、不足することなく、生体組織欠損部に補填することが可能となる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
この発明の一実施形態に係る生体組織補填体の製造システムについて、図面を参照して以下に説明する。
本実施形態に係る製造システム１は、生体組織補填体としての培養骨の製造システム１であって、図１に示されるように、患部のデータ取得手段２と、３次元データ作成手段３と、成形手段４とを備えている。図中、符号５は、成形手段４において成形された骨補填材を用いて細胞の培養を行う培養手段である。また、これらの手段には、データを記憶し、管理する管理サーバ６がデータバス７を介して接続されている。
【００１３】
前記データ取得手段２は、例えば、患部の断層写真を画像データとして取得するＣＴ装置やＭＲＩ装置等である。得られる画像データは、例えば、それぞれが輝度情報を有する複数の画素の集合体として取得され、管理サーバ６に記憶されるようになっている。
前記３次元データ作成手段３は、前記データ取得手段２により取得した各画像データにおいて、各画素の輝度情報により、患部の画像データから、当該断面における骨欠損部の２次元的な輪郭形状を抽出する。２次元的な輪郭形状の抽出は、例えば、所定の輝度をしきい値として画像データを２値化し、その輝度の変化する境界を輪郭形状とする方法が採用される。
そして、患部の全ての断面における画像データに対して、患部の輪郭形状の抽出を行うとともに、それらの輪郭形状を断面間隔に等しい間隔で並べることにより、骨欠損部の３次元的な輪郭形状が再構築されることになる。再構築された骨欠損部の３次元データは管理サーバ６に送られ記憶される。
【００１４】
前記成形手段４は、例えば、光造形装置８および加熱装置９である。この光造形装置８は、β−ＴＣＰやＨＡＰなどの骨基材を含有する紫外線硬化樹脂に紫外線を当てることにより、骨基材を所定の比率で含んだ紫外線硬化樹脂を所望の形状に硬化させるようになっている。紫外線硬化樹脂を硬化させて形成する形状は、上述した３次元データ作成手段３により作成され、管理サーバ６に記憶されている骨欠損部の３次元データに基づいている。すなわち、骨欠損部に補填するために、骨欠損部にぴったりと適合する形状の骨補填材を製造することが可能となる。また、前記加熱装置９は、上記のようにして骨欠損部に適合する形状に形成された骨補填材を所定の温度に加熱することにより、紫外線硬化樹脂を溶融させて流出させる。これにより、所望の形状を有する多孔質の骨補填材を構成することが可能となる。
【００１５】
前記培養手段５は、例えば、患者の腸骨から採取した骨髄細胞を適当な培地で培養（一次培養）した後に、上記のようにして構成された骨補填材を、一次培養により得られた骨髄間葉系幹細胞とともに培養液中に沈下させて、適当な培養温度で培養（二次培養）するようになっている。培養期間等の培養条件については、上記データ作成手段３により作成され、管理サーバ６に記憶されている骨欠損部の３次元データから求められる骨欠損部の容積、使用される骨基材等の情報に基づいて決定される。
【００１６】
このように構成された本実施形態に係る培養骨製造システム１の作用について、以下に説明する。
本実施形態に係る培養骨製造システム１によれば、まず、データ取得手段２の作動により、所定の平行間隔をおいた複数枚の平面位置における患部の断面を表す複数枚の画像データが取得される。画像データは、それぞれが輝度情報を有する複数の画素データとして取得される。
【００１７】
次いで、３次元データ作成手段３の作動により、前記データ取得手段２によって取得された画像データに対して適当な画像処理が施され、当該画像データ内に含まれる骨欠損部の輪郭が抽出される。抽出された輪郭データは、例えば、複数の点の集合として、各点の座標値に変換されて記憶される。各断面の画像データ毎に抽出した骨欠損部の２次元的な輪郭形状を断面の間隔に合わせて配置し直すことにより、骨欠損部の３次元的な形状データが作成されることになる。
【００１８】
このようにして再構築された骨欠損部の３次元的な形状データは、管理サーバ６を介して成形手段４に引き渡され、そこで、骨補填材の成形作業が行われる。
すなわち、成形手段４では、光造形装置８の作動により、管理サーバ６に記憶されている骨欠損部の３次元形状データに基づいて、紫外線が照射され、骨基材を含む紫外線硬化樹脂が骨欠損部の３次元形状と同一の形状に硬化される。そして、その後、加熱手段９の作動により、骨基材の間の紫外線硬化樹脂が溶融させられて流出し、骨基材からなる多孔質の骨補填材が整形されることになる。この多孔質の骨補填材は、上述したように骨欠損部の３次元形状と同一の形状を有している。
【００１９】
成形された骨補填材は、培養手段５の作動により、骨髄細胞とともに培養される。骨髄細胞には、骨補填材を足場にして骨を形成する間葉系幹細胞が多く含まれているので、培養によって当該間葉系幹細胞を増殖させて、培養骨を製造することが可能となる。この際に、上記３次元形状データに基づいて算出される骨欠損部の容積から培養期間等の培養条件を決定することにより、骨補填材の容積に関わらず、骨補填材の内部まで十分に間葉系幹細胞を増殖させた培養骨を製造することができる。
【００２０】
このようにして製造された培養骨は、骨欠損部に適合する形状を有しているので、手術に際して、過不足を生ずることがない。すなわち、培養骨が足りなくなることがないので、未培養の骨補填材を補充する必要がなく、また、培養骨が多過ぎることがないので、医師が培養骨を削り取ったりする必要がない。したがって、培養骨を骨欠損部に必要充分な量で補填することが可能となる。
【００２１】
次に、この発明の第２の実施形態に係る培養骨製造システムについて、図２を参照して以下に説明する。
本実施形態に係る製造システム１０も培養骨の製造システム１０であって、患部のデータ取得手段１１と、容積計算手段１２と、培養手段１３とを備えている。データを管理、記憶する管理サーバ１４を備え、これらがデータバス１５を介して相互に接続されている点は第１実施形態と同様である。
【００２２】
前記データ取得手段１１は、第１実施形態と同じものであり同様に機能する。
前記容積計算手段１２は、データ取得手段１１の作動により得られた患部の断層の画像データを、各画素の輝度情報によって２値化処理などすることにより当該断面における骨欠損部の２次元的な輪郭形状を抽出するようになっている。そして、得られた２次元輪郭形状に基づいて、例えば、その断面における骨欠損部の断面積を求め、それを断層の間隔方向に積算することにより骨欠損部の容積を計算するようになっている。
【００２３】
前記培養手段１３は、前記容積計算手段１２によって演算された骨欠損部の容積情報を管理サーバ１４から受信して、その容積に応じた骨補填材を用意する。骨補填材としては、骨欠損部を細分した単位ブロック状のものを容積分用意することにしてもよいし、その容積に相当する分量の顆粒状のものを用意することにしてもよい。この際に、単位ブロック状の骨補填材として、既知の容積を有する種々の形状のものを用意しておき、これらを組み合わせて必要な容積分の骨補填材を用意するようにしてもよい。
そして、培養手段は、患者の腸骨から採取されて一次培養された骨髄間葉系幹細胞を、上記のようにして用意された骨補填材とともに培養液中に沈下させて、適当な培養温度で培養するようになっている。
【００２４】
本実施形態に係る培養骨製造システム１０によれば、骨欠損部の画像データに基づいて算出した容積に応じた培養骨が製造されるので、手術に際して培養骨の過不足を生ずることがない。したがって、多すぎて切除することによる細胞の死滅や、培養に要した工数、材料の無駄、少なすぎて骨補填材のみを補充することによる術後の修復速度の低下等の不都合の発生を防止することができる。また、顆粒状の骨補填材を用いて製造された培養骨は、ある程度の形状融通性を有するので、手術に際して、医師が骨欠損部の形状に合わせて適宜変形させるだけで、骨欠損部にぴったり適合するように補填することができるという効果もある。
【００２５】
なお、上記実施形態においては、データ取得手段２，１１を、ＣＴ装置やＭＲＩ装置としたが、これに限定されるものではなく、Ｘ線装置や超音波装置など、任意の画像データ取得手段を採用することができる。
また、成形手段４として、光造形装置８および加熱装置９を例示したが、これに限定されるものではなく、加工機を用いて切削加工することにしてもよい。この場合に、骨補填材を骨欠損部と相補的な形状に削り、あるいは、同容積の任意の形状に成形することにしてもよい。同容積の任意の形状の骨補填材を製造した場合には、これを砕いて培養することにすれば、骨欠損部に過不足無く補填可能な培養骨を製造することができる。
【００２６】
また、骨欠損部が大きいために、加工された骨補填材が大きなものとなる場合には、例えば、図３に示されるように、骨欠損部と相補的な形状を有するような骨補填材２０を形成した後に、これを一旦分割して複数の骨補填材片２１ａ，２１ｂを製造し、これら骨補填材片２１ａ，２１ｂを培養し、培養後にこれらを組み合わせながら骨欠損部に補填することにしてもよい。この場合に、組み合わせる骨補填材片２１ａ，２１ｂのうち、骨欠損部に沿う表面形状を有する骨補填材片２１ａのみを成形し、それ以外の骨補填材片２１ｂ（図中に斜線で示すもの）については、例えば、立方体等の規定形状の骨補填材を使用することにしてもよい。
【００２７】
また、上記各実施形態においては、生体組織補填体として培養骨を例に挙げて説明したが、生体組織補填材に付加する細胞としては、ＥＳ細胞、体性幹細胞、間葉系幹細胞、骨細胞や軟骨細胞等の体細胞でもよい。また、自家細胞でも、他家細胞でもよい。
また、生体組織補填材には、成長因子を付加してもよい。付加する成長因子としては、ＢＭＰ、ＦＧＦ、ＴＧＦ−β、ＶＥＧＦ、ＩＧＦ、ＰＤＧＦまたはＨＧＦ等があるが、これら以外のものを使用してもよい。
【００２８】
さらに、生体組織補填材としては、生体組織に親和性のある材料であれば任意のものを使用することができ、生体吸収性を有する材料であればなおよい。また、多孔体でも顆粒でもよい。多孔体としては、生体適合性を有する多孔性のセラミックスや、コラーゲン、ポリ乳酸または多孔性の金属等であり、多数の気孔を有するものであればこれらに限定されるものではない。多孔体としては、一般に、ＨＡＰやβ−ＴＣＰの他、リン酸カルシウム系セラミックスや、コラーゲン、ポリ乳酸等を使用することができる。また、リン酸カルシウム系セラミックスとコラーゲンとを組み合わせたり、リン酸カルシウム系セラミックスとポリ乳酸とを組み合わせたりしてもよい。β−ＴＣＰ、コラーゲン、ポリ乳酸は生分解性があり、生体に吸収される特徴を有する一方、ＨＡＰ等は強度が高いという特徴を有する。当業者であれば、移植する部位等に応じて、適切な種類の多孔体を適宜選択して使用することができることは言うまでもない。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明に係る生体組織補填体の製造システムによれば、医師が手術に際して余分な部分を削る等の作業を行う必要がないので、健全な状態の生体組織補填体を生体組織欠損部に補填することを可能とし、生体組織欠損部を迅速に修復可能な生体組織補填体を製造することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施形態に係る製造システムを示すブロック図である。
【図２】この発明の第２の実施形態に係る製造システムを示すブロック図である。
【図３】この発明の製造システムによる製造途中の骨補填材の形態の一例を示す斜視図である。
【符号の説明】
１，１０　製造システム
２，１１　データ取得手段
３　３次元データ作成手段
４　成形手段
１２　容積計算手段
１３　培養手段
【図１】
2004008536.tif 000003
【図２】
2004008536.tif 000004
【図３】
2004008536.tif 000005