JP3214969B2 - 人工補綴部材 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、種々の疾患により機能
が著しく低下もしくは喪失した人体の骨または関節等の
硬組織を置換する人工補綴部材に係り、更に詳細には人
工補綴部材と生体組織との接合における支持固定特性を
高めるべく、骨組織が侵入するための多孔性の表面構造
を有する人工補綴部材とその製造方法に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】骨組織が侵入するための多孔性の表面構
造を備える従来の人工補綴部材としては、例えば、 ＵＳＰ３８５５６３８号やＵＳＰ４６４４９４２号の
発明の如く、金属製ビーズを表面に焼結固着させた金属
製人工補綴部材、 ＥＰ０１７８６５０号やＵＳＰ４６６０７５５号の発
明の如く、金属製の網状体を圧縮加工し、高温加熱によ
り表面に拡散結合させた金属製人工補綴部材、 ＧＢ２１４２８３０Ａ号の発明の如く、多孔質の金属
製板状体を表面に機械的な方法で固定した人工補綴部
材、 ＵＳＰ４６０８０５２号の発明の如く、レーザ加工に
より細かい孔を表面に設け、多孔質の表面構造を形成し
た人工補綴部材、 特開平３−１２３５４６号公報に記載される如く、鋳
造してなる多孔質体を表面に固定した人工補綴部材、 特開平３−２９６４６号公報に記載される如く、海綿
骨組織とほぼ同等の形状の孔を備えた表面構造を有する
金属製人工補綴部材、 特開平３−４９７６６号公報では、パンチングやエッ
チングにより孔を形設した１５０〜５００μm の厚さの
薄板を積層し、これに圧縮荷重を加えた後、加熱してな
る多孔質体である人工補綴部材、あるいは該多孔質体で
表面の一部、または全部を被覆した人工補綴部材などが
多く提案されている。

【０００３】

【従来技術の課題】しかしながら、上記の人工補綴部材
は以下のような問題を有していた。

【０００４】の人工補綴部材では、空隙が多孔質体に
占める体積比率、即ち体積空隙率は約３５％程度と低率
であった。この体積空隙率が小さい場合には、たとえ骨
組織が空隙内を埋め尽くしたとしてもその相対的体積が
小さく、したがって人工補綴部材と骨の接合強度は十分
大きいとは言えなかった。また、金属製ビーズを表面に
付着せしめてあるが、ビーズを付着せしめる焼結工程
で、高温処理が行われるため人工補綴部材を成す基体の
機械強度が著しく低下することが判明しており、１例と
して、疲労強度が母材強度の約１／５まで低下するとの
報告もあり、焼結工程は人工補綴部材の生体での耐久性
に大きな悪影響を及ぼしていた。さらに、上記ビーズど
うしの接合強度が小さいため焼結後にビーズが脱落し、
関節摺動面などに侵入する恐れがあった。

【０００５】上記の人工補綴部材では、多孔質体の体
積空隙率は約５０％、疲労強度が母材強度の約７０％と
上記の人工補綴部材に比して改善されているが、圧縮
加工において細孔の大きさや形状を所望の範囲に制御す
ることが困難であった。その結果、形成される細孔の
径、形状は骨組織の増生侵入に最適なものとはならず、
また上記多孔質体を複雑な人工補綴部材の表面形状に適
合させようとする場合、圧縮荷重の差によって平面と曲
面で孔の寸法、形状に大きな差が生じるという欠点があ
った。このことにより細孔内への骨組織の侵入度合いが
部位によって異なり、その結果、上記多孔質体と骨との
接合強度が部位によって異なるという不具合があった。

【０００６】上記の人工補綴部材では、前記板状体と
本体とが機械的に結合されていたため板状体に微小な動
きが起こり、金属組織の摩耗や溶解を起こしたり、ひど
い時には板状体が離脱してしまったり、または、複雑な
曲面を有する部位には応用しにくい、あるいは製造コス
トも安価でないという不具合があった。

【０００７】上記の人工補綴部材では、３００μm 程
度の孔径の孔を規則正しく配設した表面構造を備えてい
るが、孔が互いに連通するオープンポアではなく連通し
ないクローズドポアとなっているので骨細胞間の生体液
の流通がおこらず、先端の骨細胞が壊死してしまうとい
う不具合があった。

【０００８】上記の人工補綴部材では、前記多孔質を
鋳造によって作製したため複雑な曲面を有する部位には
応用しにくく、また鋳造工程にコストがかかってしまっ
た。

【０００９】上記の人工補綴部材では、海綿骨の寸
法、形状を模した表面構造を有するが、この構造におけ
る孔の寸法、形状は必ずしも骨組織の侵入に最適なもの
ではなく十分な骨組織の侵入が起こらない不具合があっ
た。

【００１０】上記の人工補綴部材では、前記薄板の厚
さが１５０〜５００μm もあるため、上記多孔質体を複
雑な曲面や径の小さい円柱状表面に適用することができ
ないこと及び積層し圧縮荷重を加えることによって孔の
形成、配置等が著しくずれるため骨組織の侵入のために
最適な孔形状にコントロールすることが困難で、骨組織
の侵入が十分でないという不具合があった。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明は人体の骨または関節などの硬組織と接合す
る部位を有する生体為害性のない金属材料よりなる人工
補綴部材であって、該人工補綴部材は多数の細孔が穿設
されてなる厚み１５０μｍ以下の薄板を積層し、非荷重
下で加熱して融着結合された多孔質体よりなり、上記多
孔質体における上記硬組織と接する表面層に位置する細
孔の平均粒径が５００μｍ〜１０００μｍであり、且
つ、家兎体内埋入２週後の骨との結合強度が４．４６Ｋ
ｇ／ｃｍ²以上であることを特徴とする人工補綴部材を
提供するものである。

【００１２】

【作用】本発明の人工補綴部材は、多数の細孔が穿設さ
れてなる厚み１５０μｍ以下の薄板を積層し、非荷重下
で加熱して融着結合されたものであるので、細孔が三次
元的に連なり、かつ連なりがコントロールされた多孔質
体とすることが可能であり、さらに、複雑な部材表面の
形状に合わせて成形することができる。また、硬組織と
接する表面層に位置する細孔の平均孔径が５００〜１０
００μｍであり、且つ、家兎体内埋入２週後の骨との結
合強度が４．４６Ｋｇ／ｃｍ²以上であるので、体内に
埋入されて骨が多孔質体内部に形成されていったとき
に、多孔質体と骨との境界面での骨の径が大きいので、
骨が破断し難くなる。本発明によれば、こうした特徴に
より、人工補綴部材と骨組織とが強固に固定し、もって
耐久性が向上し、再置換手術の必要のないことから患者
の負担を非常に少なくすることができる。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の実施例を図に基づいて具体的
に説明する。

【００１４】図１は人工補綴部材を構成し、あるいは人
工補綴部材表面の一部又は全部を被覆する本実施例の多
孔質体Ｓの斜視図である。この多孔質体Ｓは、外形の寸
法が１０ｍｍ×１５ｍｍ×２ｍｍであり、厚みが１００
μm で多くの細孔Ｈが穿設された薄板１、２・・・・・
・を順次に積み重ねて２０層の積層構造としたものであ
る。また、この多孔質体Ｓは、骨と接する表面を構成す
る薄板、例えば薄板１において、上記細孔Ｈの平均孔径
が５００〜１０００μm の範囲にある。

【００１５】上記薄板１、２・・の材質は純チタンで、
各薄板１、２・・・を積み重ねながら位置決めし、軽い
重しや接着材で仮固定したあと、真空焼結炉中において
実質的非荷重下で約９００度程度に加熱し、各薄板１、
２・・・を互いに融着させた。焼結炉はヒータがモリブ
デン製のものを使用し、加熱はアルゴンなどの不活性ガ
ス雰囲気中で行っても良い。各薄板１、２・・・同士の
融着は金属原子の拡散結合により行われている。なお、
各薄板１、２・・の位置決めは平面視長方形をなす薄板
の各片を利用して行った。

【００１６】また、真空炉内での工程で細孔Ｈはその重
なりにわずかの変位を生ずる事があるが、変位量は約２
０μm 程度であって製作上はほとんど無視できる。な
お、より精度良く積み重ねる必要のある場合や、多孔質
体Ｓの外形において基準にできる平面部分のない形状の
場合は、位置決めのための孔（不図示）を各薄板１、２
・・・の四隅に穿設し、ここに位置決め用の棒を挿入し
ておいてもよい。このようにして薄板１、２・・・を相
互に融着したが、多孔質体Ｓ１の外観や寸法には特に変
化はなく、変質層も見られなかった。

【００１７】正六角形をした上記細孔Ｈは、エッチング
法によって形成されているが、その他にも、レーザ加工
やパンチングなどによっても形成することができる。

【００１８】図２は、図１のＩ−Ｉ線断面図である。細
孔Ｈの分布をデザインするため、第１層のｎ行ｍ列目に
ある細孔Ｈを１Ｈｎｍと記述すると定義すると１Ｈ１１
は第１層の１行１列目の細孔となる。厚み１００μm の
薄板１、２・・・・が積み重なり細孔１Ｈ１１、２Ｈ１
１が連通している。但し、実際の多孔質体Ｓは、前述の
通り各層がわずかにずれていることが多い。

【００１９】細孔Ｈを形成すべくエッチング（腐食）液
をシャワーする工程において、薄板を両面から腐食させ
ると、その断面は同図に示す如く細孔Ｈの中心方向に突
出する突出部ｈにより菱型に近い形状となり斜面の角度
が約３０度から約４５度の範囲となる。また、エッチン
グを片面から行うと、その断面は二等辺三角形に近い形
状となる。

【００２０】両面側からエッチングをするか、片面から
エッチングをするかは人工補綴部材の形状や置換される
硬組織の部位の生体工学的な条件などを考慮して決定さ
れる。即ち、多孔質体Ｓの表面にどのような応力が残留
するか、その大きさがどれぐらいか等を考察する必要が
ある。また、骨セメントを使用して固定する場合は、骨
セメントが細孔Ｈ内に入りやすく重合後は抜けにくいデ
ザインの方が良い。

【００２１】本実施例の多孔質体Ｓを構成する金属製の
薄板１、２・・・は、１５０μm 以下の厚みであるた
め、容易に成形でき、これを実質的に非荷重下で加熱し
て融着結合することによって、上記細孔Ｈが三次元的に
連がり、かつ連なりが適宜コントロールされた多孔質体
多孔質体Ｓを人工補綴部材の複雑な表面に合わせて成形
し固定することができる。なお、細孔Ｈの平面形状は好
ましくは正六角形のように最密充填に効果的な形を選択
し、出来るだけ体積空隙率を増すような形状とし、上下
に隣接する薄板に形成した細孔Ｈが垂直方向のみでな
く、水平方向にも連なっていくオープンな三次元構造で
あることが望ましい。

【００２２】また、骨と接する表面を構成する薄板、例
えば薄板１において、上記細孔Ｈの平均孔径が５００〜
１０００μm の範囲にあるので、十分な量の骨が内部に
侵入するとともに、侵入部位における骨の径が大きいの
で、多孔質体Ｓと骨との境界面で骨の破断しにくくな
り、骨との結合力が大きい。他方、上記孔径が５００μ
m 未満であると、多孔質体Ｓと骨との境界面で骨が破断
する恐れがあり、また１０００μm より大きいと、骨の
増生侵入には適さない大きさになってしまうという問題
がある。

【００２３】また、骨組織の侵入を促進するために、骨
組織に対する親和性を有し、生体活性な生体材料を被覆
することが望まく、被覆する材料はアパタイト、生体ガ
ラスセラミックス、キチン、キトサン、ゼラチン又はそ
れらの誘導体などとともに、生体内で耐蝕性に優れた酸
化チタンや窒化チタンをコーティングを行うことが望ま
しい。また、人工補綴部材を骨セメントにて固定する場
合は、シランカップリング剤などの骨セメントとの接着
力を強化する薬剤を被覆することが望ましい。

【００２４】なお、上記薄板１、２・・・を構成する金
属材料としては純チタン、チタン合金、Ｃｏ Ｃｒ Ｍ
ｏ合金又はＦｅ Ｎｉ Ｃｒ合金を用いることが好まし
い。

【００２５】図３乃至図５の断面図には、多孔質体Ｓの
異なる断面構造を示している。図３は薄板１、２・・・
に開けられる細孔Ｈの有効寸法が、骨組織側Ｂから人工
補綴部材基体Ｉに近づくに連れて小さくなる多孔質体Ｓ
の断面構造を示している。図４は図３と逆の断面構造を
示している。特に多孔質体Ｓの表面に垂直方向の引っ張
り応力が発生する場合に効果的な断面構造である。図５
は上から２つめの薄板２及び４つめの薄板４に形成した
細孔Ｈがその他の薄板比べて格段に大きい断面構造を示
している。

【００２６】動物実験 動物実験には、１０×１５×２．０ｍｍの外形形状を持
つ５種類の多孔質体Ｓを用いた。

【００２７】これらの多孔質体Ｓは、２枚の無孔質薄板
を中央に挟んで、その両側に各９枚、合計１８枚の、そ
れぞれ規則的にエッチングされた純チタンの薄板（１０
×１５×０．１ｍｍ）を前述の方法に準じて作製し、最
表層孔径５００μm から最深層（すなわち、中央の無孔
質薄板に隣接する薄板）孔径１５０μm に狭窄していく
もの（試料１）、これとは逆のパターンで最表層孔径１
５０μm から最深層孔径５００μm に拡大していくもの
（試料２）、孔径５００μm の薄板を積層したもの（試
料３）、孔径１５０μm の薄板を積層したもの（試料
４）、そして孔径８００μm の薄板を積層したもの（試
料５）であった。

【００２８】なお、これら試料１〜試料５は、細孔Ｈが
連通する構造とするため、表面側から複数順番目に孔径
１０００μm の薄板を積層した。

【００２９】図６乃至図８は上述のようにして製作した
多孔質体Ｓの有効性を検討するため行った動物実験の模
式図である。実験方法としてはＪｏｕｒｎａｌ ｏｆ
Ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｒｅｓｅ
ａｒｃｈ，Ｖｏｌ，１９，ｐｐ．６８５−６９８（１９
８５）に記載された方法に準拠して行った。

【００３０】すなわち、ＮＺＷ家兎（１２週齢；♂）３
０羽を用い、通法に従いネンブタール麻酔後、脛骨Ｔ近
位端内側より切開、骨面を露出した後、図６に示すよう
に皮質骨を貫通する２×１５ｍｍの窩洞を形成し、試料
Ｓを槌打、埋入後、通法通り縫合し、ケージ内に静置し
た。

【００３１】動物は、術後２、６週間で過剰のネンブタ
ール麻酔下で屠殺し、図７のような試料Ｓを含む脛骨Ｔ
の骨ブロックを切り出した。

【００３２】骨ブロックは組織固定を行わないまま、ト
リミング後、図８の模式図に示すようにインストロン試
験機に取付、荷重条件としてクロスヘッドスピード３．
５ｃｍ／ｍｉｎで脛骨Ｔと試料Ｓの結合強度を測定し
た。なお、この結合強度は、各試料Ｓ表面と骨質が接し
ていた面積を切片より計測し、単位面積あたりに換算し
て求めた。その結果を表１に示す。

【００３３】

【表１】

【００３４】表１に示すとおり、２週埋入例では、表面
層の孔径が５００μm 未満である試料２、４がそれぞれ
２．８７±０．３６Ｋｇ／ｃｍ² 、２．９３±０．３５
Ｋｇ／ｃｍ² であったのにに比して表面層の孔径が５０
０μm 以上である試料１，３，５がそれぞれ、４．９９
±０．５３Ｋｇ／ｃｍ² 、６．１３±０．７９Ｋｇ／ｃ
ｍ² 、７．２７±０．８６Ｋｇ／ｃｍ² という非常に高
い値を示した。

【００３５】この試験後、試料Ｓの一端と固着している
骨ブロックを１０％中性緩衝ホルマリン水溶液で組織固
定、上昇列エタノールで脱水後、ポリエステス樹脂に包
理した。包理ブロックは骨長軸に垂直に試料Ｓの中央
部、またそれぞれ中央部から４ｍｍ離れた位置で薄切
し、厚さ約７０〜８０μm に研磨した。

【００３６】得られた非脱灰研磨切片をＴＢ染色し、新
生骨組織の増生侵入の程度を観察した。

【００３７】この結果、２週例では早くも試料１〜５内
全体に未成熟な新生骨の侵入が見られるが、６週例では
骨質の成熟化が進み、既存皮質骨との一体化が見られる
反面、表面層の孔径が５００μm 未満である試料２、４
では成熟骨の侵入が表層付近に限られていた。

【００３８】

【発明の効果】以上のように本発明の人工補綴部材は、
多数の細孔が穿設されてなる厚み１５０μｍ以下の薄板
を積層し、非荷重下で加熱して融着結合された多孔質体
よりなるので、細孔が三次元的に連なり、かつ連なりが
コントロールされた多孔質体とすることが可能であり、
さらに、複雑な部材表面の形状に合わせて成形すること
ができる。また、硬組織と接する表面層に位置する細孔
の平均孔径が５００〜１０００μｍであり、且つ、家兎
体内埋入２週後の骨との結合強度が４．４６Ｋｇ／ｃｍ
²以上であるので、体内に埋入されて骨が多孔質体内部
に形成されていったときに、多孔質体と骨との境界面で
の骨の径が大きいので、骨が破断し難くなる。本発明に
よれば、こうした特徴により、人工補綴部材と骨組織と
が強固に固定し、もって耐久性が向上し、再置換手術の
必要のないことから患者の負担を非常に少なくすること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明実施例の生体補綴部材としての多孔質体
の斜視図である。

【図２】図１の多孔質体のＩ−Ｉ線図である。

【図３】図１の多孔質体の垂直断面図である。

【図４】図１の多孔質体の垂直断面図である。

【図５】図１の多孔質体の垂直断面図である。

【図６】動物実験１の模式図である。

【図７】動物実験１の模式図である。

【図８】動物実験１の模式図である。

【符号の説明】

Ｓ 多孔質体 １〜２０ 薄板 Ｈ 細孔 Ｂ 骨組織、骨髄組織 Ｔ 脛骨 Ｆ 大腿骨 Ｗ ワイヤー

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 人体の骨または関節などの硬組織と接合
   する部位を有する生体為害性のない金属材料よりなる人
   工補綴部材であって、該人工補綴部材は多数の細孔が穿
   設されてなる厚み１５０μｍ以下の薄板を積層し、非荷
   重下で加熱して融着結合された多孔質体よりなり、上記
   多孔質体における上記硬組織と接する表面層に位置する
   細孔の平均粒径が５００μｍ〜１０００μｍであり、且
   つ、家兎体内埋入２週後の骨との結合強度が４．４６Ｋ
   ｇ／ｃｍ ² 以上であることを特徴とする人工補綴部材。