(57)【要約】【課題】生体構成材料を三次元造形をして、生体の欠損、変形部位に移植することができる三次元造形物を作製する生体構成材料の三次元造形方法を提供すること。【解決手段】生体構成材料を生体の欠損、変形などの患部に適合する形状に三次元造形をして三次元造形物を作製し、得られた三次元造形物を患部に移植することによって患部の組織を再生することができる。この発明の三次元造形方法によれば、移植する三次元造形物を、手術現場において短時間で迅速に作製することができ、再手術を必要とせずに移植ができることになり、患者にとっては再度苦痛を経験する必要が無くなり、手術現場などにおいては極めて有用である。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
生体構成材料に対してレーザーを照射して三次元構築物を作製することを特徴とする生体構成材料の三次元造形方法。
【請求項２】
請求項１に記載の生体構成材料の三次元造形方法において、前記生体構成材料が、動物の組織または器官由来であって、該組織または器官を構成する細胞を含んでいることを特徴とする生体構成材料の三次元造形方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載の生体構成材料の三次元造形方法において、前記生体構成材料が自家組織または器官由来であることを特徴とする生体構成材料の三次元造形方法。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の生体構成材料の三次元造形方法において、前記動物がヒトまたは愛玩動物であることを特徴とする生体構成材料の三次元造形方法。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか１項に記載の生体構成材料の三次元造形方法において、前記生体構成材料が、骨、軟骨、皮膚、筋肉もしくは神経組織由来のものであることを特徴とする生体構成材料の三次元造形方法。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれか１項に記載の生体構成材料の三次元造形方法において、前記生体構成材料が、骨、軟骨、皮膚、筋肉もしくは神経組織由来の細胞を含んでいることを特徴とする生体構成材料の三次元造形方法。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれか１項に記載の生体構成材料の三次元造形方法において、前記生体構成材料が、細胞同士を接合する細胞接着分子、細胞外基質もしくは細胞と細胞外基質との接着に関与する細胞−細胞外基質接着関与物質であることを特徴とする生体構成材料の三次元造形方法。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれか１項に記載の生体構成材料の三次元造形方法において、前記細胞接着分子がセレクチン、カドヘリンもしくは免疫グロブリンスーパーファミリーであること；前記細胞外基質がコラーゲン、グリコサノグリカンもしくは糖タンパク質であること；または前記細胞−細胞外基質接着関与物質がインテグリンであることを特徴とする生体構成材料の三次元造形方法。
【請求項９】
請求項１ないし８のいずれか１項に記載の生体構成材料の三次元造形方法において、前記レーザーが、前記細胞または組織の本来の機能を損なわない波長または強度を有することを特徴とする生体構成材料の三次元造形方法。
【請求項１０】
請求項１ないし９のいずれか１項に記載の生体構成材料の三次元造形方法において、前記レーザーがヘリウム、アルゴンなどのレーザーであることを特徴とする生体構成材料の三次元造形方法。
【請求項１１】
請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の生体構成材料の三次元造形方法において、前記レーザーの波長が、５８０〜６５５ｎｍであることを特徴とする生体構成材料の三次元造形方法。
【請求項１２】
請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の生体構成材料の三次元造形方法において得られる三次元造形物が生体修復部位の形状に適合するように作製されることを特徴とする生体構成材料の三次元造形方法。
【請求項１３】
請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の生体構成材料の三次元造形方法によって作製されることを特徴とする生体構成材料の三次元造形物。
【請求項１４】
請求項１３に記載の生体構成材料の三次元造形物において、前記三次元造形物が生体修復部位の形状に適合することを特徴とする生体構成材料の三次元造形物。
【請求項１５】
請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の生体構成材料の三次元造形方法によって得られる生体構成材料の三次元造形物または請求項１３もしくは１４に記載の生体構成材料の三次元造形物を生体修復部位に装着することを特徴とする三次元造形物の使用方法。
【請求項１６】
請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の生体構成材料の三次元造形方法によって得られる生体構成材料の三次元造形物または請求項１３もしくは１４に記載の生体構成材料の三次元造形物を生体修復部位に装着することによって生体修復部位を修復することを特徴とする生体修復方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  この発明は、生体構成材料の三次元造形方法ならびにその三次元造形物およびそれを用いた生体修復方法に関するものである。さらに詳細には、この発明は、特にヒトを含む動物などの生物由来の生体構成材料を三次元造形して三次元立体造形物を作成することからなる生体構成材料の三次元造形方法ならびにその三次元造形物およびそれを用いた使用方法ならびに生体修復方法に関するものである。この発明で得られる三次元立体造形物は、生体の欠損部位などの修復部位や、変形部位などに移植することができ、特に再生医療分野に有用に適用することができる。
【背景技術】
【０００２】  ヒトや、イヌ、ネコなどの動物は、多細胞生物であり、例えば、各種細胞から構成されている皮膚、骨、神経などの様々な組織や、各種臓器などの器官などによって構築されている。生体の組織や器官などが損傷したり、変形すると、それら組織や器官は、それらの生来の機能を果たすことができなくなるが、多くの場合、かかる組織や器官などは自己修復力によって、それらの機能を回復できるようになっている。しかし、場合によっては、自己修復力だけでは、修復や復元などできないこともあり、そのまま放置すると、それらの機能が失われてしまう恐れもある。このような場合には、損傷や変形などした部分を、新たな組織や器官などを移植し修復や復元などでき、かつ、それらの本来の機能を回復することができれば、損傷を受けた人にとってはこの上ない喜びとなる。【０００３】  最近、再生医療の一環として、損傷などを受けたり、変形したりして、その機能を損失したり、または機能不全になったヒトや動物の組織を修復したり、再生などをする技術が急速に進歩している。例えば、骨や軟骨の損傷の場合、かかる損傷を治療するために、従来は、体内の別の部分から骨や軟骨の一部を摘出してきて損傷部分に移植する方法や、人工骨や人工関節などの生体材料に置換する方法などが適用されてきた。しかしながら、これらの従来方法は、身体の健常部分を傷つけたり、また人工骨や人工関節などの場合にはその耐用年数を考慮しなければならないという大きな欠点がある。【０００４】  また、生体適合もしくは生分解する生体複合材料を培養した後に、生体修復部位に移植して、移植した生体複合材料を組織として生体適合させる技術が開発されている。例えば、生分解性の繊維強化複合材料を射出成型法で造形・加工した医療用インプラントを生体欠損部に移植する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。【０００５】  さらに、生体の損傷部分を修復するために、損傷部分と同じ細胞を試験管内などで培養・再生した後、損傷部分に移植する試みがなされている。細胞のなかでも、受精卵から得られるいわゆるＥＳ細胞といわれる胚性幹細胞の他に、骨髄中にある間葉性幹細胞は、適切な分化誘導因子と共に培養すると、骨や軟骨ばかりではなく、神経やあらゆる組織や臓器などに分化する可能性があることが知られている。しかしながら、現在の技術では、かかる細胞だけを試験管内で培養して、損傷部分に適合するだけの立体的な構造を有すると共に、移植可能な生体機能を保持する塊もしくは組織の大きさまでの増殖することはできない。【０００６】  したがって、細胞を培養するためには、培養した細胞が生体内に移植したときにもその生体機能を失わないように、細胞や組織などの生体と適合する生体材料を使用することが必要である。かかる生体材料のうち、骨再生用生体材料としては、例えば、ハイドロキシアパタイト、リン酸カルシウム、アルミナなど、また軟骨再生用生体材料としては、コラーゲン、生分解性ポリ乳酸などが使用されている。これらの生体材料は、細胞が増殖し分化するためのスカフォールド（足場）としても利用することができる。これらの表面や細孔中に細胞を増殖させる方法が開発されている（非特許文献１）。【０００７】  しかし、これらの技術もまた、組織を培養することから、培養に長時間を要するとから、緊急の処置には適用することができず、移植するために再手術も必要となる。再手術は、患者に対して新たな苦痛を与えることになる。したがって、再生医療現場では、例えば、欠損部位などの生体修復部位に、生体組織由来の細胞を含む生体構築物を短時間で移植できることになれば、苦痛を伴う再移植手術などが不必要になり、患者にとってはこの上ない朗報となる。【０００８】  さらに、損傷または変形などしている組織や器官そのものの一部を利用できるのではないかと考えられる。しかしながら、ヒトを含む動物などの生物由来の細胞、組織または器官由来の生体構成材料をそのまま三次元造形により三次元立体構造物を作成する技術は知られていない。そもそも、生体由来の生体構成材料自体を三次元造形して再生医療の分野に応用するという発想もなかった。ましてや、生体の細胞、組織または器官から一旦取り出した生体構成材料をさらに生体の欠損部位や変形部位などの生体修復部位に適用できるように三次元造形して、その生体修復部位に移植して細胞や組織を再生させるなど想像もされていなかった。【０００９】  そこで、本発明者は、プラスチック等の合成樹脂などをレーザー光線や赤外線などを利用して三次元造形する技術が、この生体構成材料の三次元造形方法に応用できるのではないかと鋭意検討した結果、この三次元造形技術が生体構成材料の三次元造形にも適用することができ、生体修復部位に移植できることを見出して、この発明を完成するに至った。
【特許文献１】特表２００１−５１４０４９号公報
【非特許文献１】産総研ＴＯＤＡＹ２００６−０２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】  したがって、この発明は、生体構成材料を三次元造形することによって三次元立体造形物を作成することができる生体構成材料の三次元造形方法を提供することを目的としている。【００１１】  また、この発明は、上記生体構成材料の三次元造形方法によって得られる、生体の欠損や変形部位などの生体修復部位に移植することができる三次元立体造形物を提供することを別の目的としている。【００１２】  この発明の更に別の目的は、上記三次元立体造形物を生体の欠損、変形等の生体部分に移植して修復するために使用することからなる使用方法および生体修復方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】  上記目的を達成するために、この発明は、生体構成材料をレーザーを用いて三次元造形することによって、三次元立体造形物を作成することからなる生体構成材料の三次元造形方法を提供する。【００１４】  この発明は、その好ましい態様として、生体構成材料がヒトや愛玩動物を含む動物の自家組織または器官由来であって、骨、軟骨、皮膚、筋肉もしくは神経組織由来のものを使用することからなる生体構成材料の三次元造形方法を提供する。【００１５】  この発明の更に好ましい態様としては、生体構成材料が、骨、軟骨、皮膚、筋肉もしくは神経組織由来の細胞を含んでいることからなる生体構成材料の三次元造形方法が提供されることである。【００１６】  この発明の更に好ましい態様としては、生体構成材料が、細胞同士を接合する細胞接着分子、細胞外基質もしくは細胞と細胞外基質との接着に関与する細胞−細胞外基質接着関与物質からなる生体構成材料の三次元造形方法が提供されることである。【００１７】  さらにまた、この発明は、その好ましい態様として、生体構成材料の本来の機能を損なわない波長または強度を有するとともに、所定の波長を有するヘリウム、アルゴンなどのレーザーを使用することからなる生体構成材料の三次元造形方法を提供することである。【００１８】  この発明はまた、その別の形態として、上記生体構成材料の三次元造形方法によって生体修復部位の形状に適合するように作製される三次元立体造形物を提供する。【００１９】  さらに、この発明は、その別の形態として、上記生体構成材料の三次元立体形物を生体の組織もしくは器官の欠損や変形などの修復箇所に移植するために使用する方法およびかかる修復箇所に移植して修復する生体修復方法を定期要することである。
【発明の効果】
【００２０】  この発明に係る生体構成材料の三次元造形方法およびその方法によって得られる三次元造形物は、生体組織の復元、修復などに有用な三次元構築物を簡便にかつ迅速に作成することができるので、特に再生医療分野において非常に有用である。また、この発明の生体構成材料の三次元造形方法によって得られる三次元造形物は、特に生体の欠損や変形などの部位に適用することによって、生体の修復を簡便にかつ迅速に行うことができるという大きな効果を有している。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】  この発明に係る生体構成材料の三次元造形方法は、生体の欠損、変形などの部分に修復、復元などするために、生体構成材料を、かかる修復、復元部位に移植することができる三次元造形して三次元立体造形物を作製する方法である。【００２２】  したがって、この発明に使用することができる生体構成材料は、その由来は特に限定されるものではないが、一般的には、ヒトや、イヌ、ネコなどの愛玩動物由来の材料であるのがよい。【００２３】  また、この発明の生体構成材料は、三次元造形物として生体の欠損や変形などの部位に移植して組織や器官などの生体機能を回復させるためには、その生体構成材料は、自家組織や器官由来であるとともに、それらの組織や器官などを構成する細胞を含んでいるのがよい。さらに、かかる生体構成材料は、由来する組織や器官などの本来の機能を保持しているのが好ましい。【００２４】  生体の欠損や変形などした部分の組織や器官の一部をそのまま生体の欠損・変形部分に移植するだけでは、たとえ欠損や修復部分が復元できたとしても、本来の形状や機能までもが正常に復元することはできない場合が多い。ましてや、かかる欠損や変形などした組織や器官などの部分の細胞が壊死していれば、かかる部分を移植したとしても、再生することはないし、ましてや生体機能を復元することなど不可能である。【００２５】  したがって、この発明に使用することができる生体構成材料は、例えば、治療などの際に摘出した生体組織や器官の一部を、例えば、酵素などにより処理して得ることができる。もちろん、生体構成材料には、移植・復元したときに、本来の機能を回復するためにも、由来する組織、器官などを構成する細胞やその他の組織、器官などを構成する物質が含まれていることになる。【００２６】  したがって、この発明に使用することができる生体構成材料は、各種組織、器官などから由来したものであって、三次元造形をして生体の欠損、変形などの部分に移植することができるものであればいずれも使用することができ、特に特定の材料に限定されるものではない。かかる生体構成材料としては、例えば、骨、軟骨、皮膚、筋肉もしくは神経組織や器官由来であって、これら組織または器官を構築する細胞が含まれていると共に、例えば、細胞同士を接合する細胞接着分子、細胞外基質もしくは細胞と細胞外基質との接着に関与する細胞−細胞外基質接着関与物質などが挙げられる。細胞接着分子としては、例えば、セレクチン、カドヘリンもしくは免疫グロブリンスーパーファミリーなどが挙げられ；細胞外基質としては、例えば、コラーゲン、グリコサノグリカンもしくは糖タンパク質などが挙げられ；細胞−細胞外基質接着関与物質としては、例えば、インテグリンなどが挙げられる。【００２７】  この発明においては、組織や器官などに由来する生体構成材料は、例えば、酵素などによって処理することによって、調製することができる。かかる酵素としては、例えば、組織や器官などを構成する細胞同士を離間させる酵素、例えばトリプシンやその他の酵素、例えばＤＩＳＰＡＳＥ（合同種類（株））を使用することができるが、細胞開離を行うことができ、かつ、細胞の機能を損なわない限り、いずれの酵素を使用することがで���る。【００２８】  次に、上記のようにして得られた生体構成材料は、レーザーによって処理されて三次元立体造形物に造形される。このレーザー処理に使用されるレーザーとしては、生体構成材料を三次元造形することができるものであれば、いずれも使用することができるが、その三次元造形物を生体に移植する場合には、その造形物に含まれている細胞などの生体物を死滅させたり、その機能を損傷させるようなレーザーは使用しない方がよい。【００２９】  したがって、かかるレーザーとしては、細胞または組織の本来の機能を損なわない波長または強度を有し、かつ、ヘリウム、アルゴンなどのレーザーであるのがよい。また、使用するレーザーの波長は、一般的には、例えば、５８０〜６５５ｎｍ、好ましくは、６１５〜６４５ｎｍの範囲であるのがよい。また、使用することができるレーザーの強度としては、一般的には、例えば、５ｍＷ〜２００ｍＷの範囲であるのがよい。【００３０】  この発明の三次元造形方法によって所定の形状に三次元造形する工程の一例について簡単に説明する。まず、患者の欠損や変形患部など再生修復したい部分をＣＴスキャンし、そのスキャンデータを、データ編集ソフトウエア、例えば、Ａｕｔｏｅｄｉｔ２ｋ（アウストラーダ社製）によって所望の形状データに編集する。【００３１】  次に、編集した形状データは、形状データ編集ソフトウエア、例えば、ＭＰＳＥ−ＤＡＲＴＳコントロールソフトウエア（アウストラーダ社製）に読み込まれる。【００３２】  続いて、造形速度、解像度などの造形パラメータを設定し、生体構成材料を造形する。造形は、生体構成材料に対してレーザー走査方式でレーザーを露出することによって行うことができるが、その他の方式でも露出することができる。【００３３】  なお、生体材料を三次元造形するに当たっては、必要に応じて、組織形成剤として、例えば、ポリエチレングリコールなどの細胞接着促進剤や、ウシ血清アルブミンなどの細胞接着抑制剤などを使用することができる。かかる細胞形成剤としては、例えば、光反応性バイダーなどを使用することができる。【００３４】  この発明の三次元造形方法にて得られる三次元造形物は、特に再生医療分野で有用に使用することができる。三次元造形物を再生医療分野に使用する場合には、生体の患部に装着、例えば、貼付、挿入、付着および固定などすることによって、生体の欠損、機能不能などの部位を復元、再生、修復などすることができる。【００３５】  なお、この発明は、生体構成材料と類似の性質を有する人工的細胞間基質にも、上記同様に適用することができる。したがって、この発明には、下記態様も包含されるものと理解することができる。【００３６】  同様に、培養した細胞が生体内に移植したときにもその生体機能を失わないように、細胞や組織などの生体と適合する生体材料も使用することができる。かかる生体材料のうち、例えば、骨再生用生体材料としては、例えば、ハイドロキシアパタイト、リン酸カルシウム、アルミナなど、また軟骨再生用生体材料としては、コラーゲン、生分解性ポリ乳酸などが使用されている。また、その他の生体材料としては、例えば、アガロースゲル、アルジネートゲル、ヒアルロン酸−コラーゲン２スポ���ジ、フィブリンゲル、ポリ乳酸グリコール酸、ポリグリコール、ｂＦＧＦ含有キトサン、ＦＧＦ含有フィブリン糊などが挙げられる。また、人工的細胞間基質としては、例えば、ポリ乳酸、加水分解型ポリロタキシン、還元型もしくは酸化型コーエンザイムＱ１０、感温性ゼラチン（ポリＮ−イソプロピルアクリルアミド）、グリコサミノグリカン−ポリカチオン重合体、ヒアルロン酸ゲルなどが挙げられる。【００３７】  これらの生体材料は、細胞が増殖し分化するためのスカフォールド（足場）としても利用することができる。これらの表面や細孔中に細胞を増殖させる方法が開発されている。
【実施例１】
【００３８】  輪切りした大根をおろして、おろし大根に酵素（ディスパーゼ）を添加して、各細胞間を開離した。このおろし大根をろ過して、ろ液を採集した。このろ液を、下記例に従って、所定の形状に三次元造形した。【００３９】  一方、生体材料として、ビスフェノールＡ型ポリエステルアクリレートまたはポリ乳酸を用いた。この生体材料に、重合開始剤としてメタロセン化合物を、また増感剤として過酸化物を添加して、生体材料組成物を調製した。【００４０】  上記のようにして調製した生体材料組成物に上記ろ液を添加して作製した造形用材料を光造型機ソリッドプリンターＥ−ＤＡＲＴＳ（アウストラーダ社製）を使用して所定の三次元形状に造形した。【００４１】  まず、患者の欠損や変形患部など再生修復したい部分をＣＴスキャンし、そのスキャンデータを、データ編集ソフトウエア、例えば、Ａｕｔｏｅｄｉｔ２ｋ（アウストラーダ社製）によって所望の形状データに編集した。次に、編集した形状データは、形状データ編集ソフトウエア、例えば、ＭＰＳＥ−ＤＡＲＴＳコントロールソフトウエア（アウストラーダ社製）に読み込んだ。この材料に対して、コンピュータ制御したレーザー光（波長６３５ｎｍ）を露光して、上記のようにスキャンした形状に三次元造形した。なお、造形パラメータとして、造形速度は２０ｍｍ／秒、解像度は０．１ｍｍに設定した。また、三次元造形は、生体構成材料に対してレーザー走査方式でレーザーを露出することによって行うことができるが、その他の方式でも露出することができる。【００４２】  光造型機の操作を簡単に説明する。まず、光造型機の樹脂槽に、上記造形用材料を１ｍｍの厚さに均一になるように充填した。次いで、光造型機の造形ベースを樹脂槽まで下降させ、スライスデータの最上部から樹脂成型を開始した。スライスデータの内部をレーザーがトレースすると、その部分の樹脂が硬化した。最初のスライスデータの硬化が終了すると、造形ベースを樹脂槽から引き上げ、固化した樹脂が１層目の固化樹脂層として造形ベースに固着した。硬化した造形物を樹脂槽から引き上げると、その部分に未硬化の樹脂が流入し、樹脂槽の表面を平らにした。
続いて、１層目の固化樹脂層の面まで樹脂槽に造形ベースを下降させ、２層目のスライスデータに従って樹脂を硬化させて、２層目の固化樹脂層を１層目の固化樹脂層の下面に形成し、固着させた。これらの操作を繰り返して、樹脂を所定の形状に形成した。
【産業上の利用可能性】
【００４３】  この発明の三次元造形方法にて得られる三次元造形物は、特に再生医療分野で有用に使用することができる。