JP5171090B2 - 生体インプラント及びその製造方法 - Google Patents
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Description
例えば、ポリマーの中でもポリエーテルエーテルケトン(PEEK)は、その力学的特性が本来の骨と近く、また生体適合性も優れていることから、高強度が要求される部位での整形外科材料としての応用が期待されている。ただし、PEEK自身は生体活性に欠けることから骨との結合性を有さない。骨との結合性が要求される部位への生体インプラントとしてPEEKを利用するためには、生体活性を有している必要があることから、PEEK表面に生体活性を有する水酸アパタイトを被覆する試みが幾つかされている。
(A)表面層の可変部分がリン酸カルシウム相からなり、
(B)層の厚さが0.1〜50.0μmであり、そして
(C)表面層が多孔質に構成されている生体活性表面層において、
(D)表面層が無定形またはナノ結晶質リン酸カルシウムを含有し、
(E)Ca/P比が表面層全体にわたって0.5〜2.0の範囲内であり、
(F)表面層内に沈着されたCaイオンとPO4イオンが金属酸化物層全体に分布しており、
(G)表面層の表面の細孔密度が104〜108細孔/mm2であり、
(H)表面層が25〜95原子百分率の割合の金属酸化物を含有することを特徴とする表面層。」(特許文献2の請求項1参照)
「基質がプラスチック、主にポリオキシメチレン(POM)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、ポリアリルエーテルケトン(PAEK)、ポリエーテルイミド(PEI)または液晶高分子(LCP)、ポリメチルペンテン(PMP)、ポリスルホン(PSU)、ポリエーテルスルホン(PESUまたはPES)、ポリエチレンテレフタレート(PETP)、ポリメタクリル酸メチル(PMMA)または超高分子ポリエチレン(UHMW−PE)からなり、基質がバルブメタルからなる金属層を備えていることを特徴とする、請求項1〜11のいずれか1項記載の表面層を有する基質。」(特許文献2の請求項15参照)が提案されている。
請求項1は、
エンジニアリングプラスチックからなる基材と、前記基材の表面に形成されたリン酸カルシウム化合物からなる生体活性被膜と、を備え、
前記基材は、前記基材全体が多孔質でなく、その表面に多孔質である多孔質層を含み、前記多孔質層の気孔に前記リン酸カルシウム化合物が侵入することにより、前記多孔質層において前記基材と前記生体活性被膜とが係合してなることを特徴とする生体インプラントであり、
請求項2は、
前記基材を形成する材料がポリエーテルエーテルケトンであることを特徴とする生体インプラントであり、
請求項3は、
前記基材が炭素繊維、ガラス繊維、金属繊維及び有機繊維により選択される少なくとも1つの繊維を含むことを特徴とする生体インプラントであり、
請求項4は、
前記リン酸カルシウム化合物が水酸アパタイトであることを特徴とする生体インプラントであり、
請求項5は、
前記リン酸カルシウム化合物が低結晶質であることを特徴とする生体インプラントであり、
請求項6は、
前記生体活性被膜の厚さが1〜100μmであることを特徴とする生体インプラントであり、
請求項7は、
前記基材の表面に形成された多孔質層の厚さが1〜1000μmであることを特徴とする生体インプラントである。
請求項8は、
請求項1〜7のいずれか一項に記載の生体インプラントを製造する方法であって、
前記多孔質層は、エンジニアリングプラスチックをそれを腐食する腐食性溶液に浸漬することにより形成することを特徴とする生体インプラントの製造方法である。
図1に示すように、本発明の一例である生体インプラントは、基材1と生体活性被膜2とを具えている。この基材1の表面は多孔質であり多孔質層3を形成している。この多孔質層3は表面に開口した気孔を有している。この気孔の存在により多孔質層3の表面積が増大するので、多孔質層3と生体活性被膜2とは接着面積が大きくなり、多孔質層3と生体活性被膜2とは強固に密着している。さらに、多孔質層3の表面に開口した気孔は、複数の気孔が連通してなる連通孔を形成している。この連通孔が多孔質層の表面から深さ方向に形成している場合には、生体活性被膜2を形成する生体活性物質がこの連通孔を通して多孔質層3に侵入しており、基材1と生体活性被膜2とが多孔質層において係合している。基材1と生体活性被膜2とはこの点からしても強固に密着している。このように基材1と生体活性被膜2とが強固に密着しているので、生体内に生体インプラントが埋設されている間に生体活性被膜2が剥離してしまうといった問題を解消することができる。
繊維強化プラスチックのマトリックスとなるプラスチックとしては、前記エンジニアリングプラスチックに加えて、例えば、ポリエチレン、ポリ塩化ビニル、ポリプロピレン、EVA樹脂、EEA樹脂、4−メチルペンテン−1樹脂、ABS樹脂、AS樹脂、ACS樹脂、メタクリル酸メチル樹脂、エチレン塩化ビニル共重合体、プロピレン塩化ビニル共重合体、塩化ビニリデン樹脂、ポリビニルアルコール、ポリビニルホルマール、ポリアビニルアセトアセタール、ポリフッ化エチレンプロピレン、ポリ三フッ化塩化エチレン、メタクリル樹脂、リノル樹脂、ポリアリルエーテルケトン、ポリエーテルスルホン、ポリケトンスルフィド、ポリスチレン、ポリアミノビスマレイミド、ユリア樹脂、メラミン樹脂、キシレン樹脂、イソフタル酸系樹脂、アニリン樹脂、フラン樹脂、ポリウレタン、アルキルベンゼン樹脂、グアナミン樹脂、ポリジフェニルエーテル樹脂等が挙げられる。
炭素繊維ついては、ここではカーボンナノチューブも含まれる。
ガラス繊維としては、ホウケイ酸ガラス(Eガラス)、高強度ガラス(Sガラス)、高弾性ガラス(YM−31Aガラス)等の繊維、
セラミック繊維としては、炭化ケイ素、窒化ケイ素、アルミナ、チタン酸カリウム、炭化ホウ素、酸化マグネシウム、酸化亜鉛、ホウ酸アルミニウム、ホウ素等の繊維、
金属繊維としては、タングステン、モリブデン、ステンレス、スチール、タンタル等の繊維、
有機繊維としては、ポリビニルアルコール、ポリアミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリエステル、アラミド等の繊維、又はこれらの混合物を用いることができる。
生体活性被膜の結晶度は、例えば、擬似体液に浸漬する方法により生体活性物質から生体活性被膜を生成する場合は、擬似体液の組成成分の種類や組成比率及び/又は浸漬温度により調整することができる。
有機溶媒に生体活性を示す生体活性物質を分散させ、生体活性物質の懸濁液を調整する。有機溶媒は、エタノール、エーテル、アセトン等を用いることができる。また、この生体活性物質の懸濁液の濃度は、基材表面に開口する気孔内に生体活性物質を十分に侵入させ、定着させることができれば良く、1〜10質量%が好ましい。
生体活性被膜は、基材の全表面に形成させても良いし、また骨との結合が必要な面のみに形成させても良い。
基材としてポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、生体活性被膜を形成するための生体活性物質として水酸アパタイトを使用した場合の実施例である。
下記の手順により生体活性インプラントの試験体を作製した。
PEEKで構成される円盤状の基材(直径10mm、厚さ2mm、Victrex製450G)の表面をサンドペーパー(#1000)で研磨し、濃硫酸に5分間浸漬した。濃硫酸から取り出した基材を純水に10分間浸漬し、その後純水のpHが中性になるまで繰り返し洗浄し、表面に多孔質層を有する基材を得た。
水酸アパタイト(太平化学産業株式会社製 HAP−100)5gとエタノール100mlを混合し、水酸アパタイトのエタノール懸濁液を調製した。
多孔質層を有する基材を水酸アパタイトのエタノール懸濁液に超音波照射しながら10分間浸漬し、常温で自然乾燥して、水酸アパタイトが付着した基材を得た。
水酸アパタイトが付着した基材を擬似体液に37℃環境下で7日間浸漬後、新規な擬似体液中で更に7日間(合計14日間)浸漬した。擬似体液から取り出した基材を純水に10分間浸漬し、その後同様に3回繰り返し洗浄した後、120℃で3時間乾燥し、生体インプラントを得た。
濃硫酸に浸漬処理した後の基材の表面を図2に示す。基材は表面に多数の気孔を有し、内部は網目構造となっており、最表面に認められる気孔径はほとんどが2μm以下で極微細であった。また、気孔面積比率から、最表面部の気孔率は43%と見積もられた。さらに、水銀ポロシメーター(島津製作所製、オートポアIV9510)により気孔径分布を測定したところ、細孔直径が0.1μmの位置に明確なピークが認められた。(図11)
水酸アパタイトのエタノール懸濁液に浸漬した後の基材の表面を図3に示す。基材の表面に形成された網目構造に水酸アパタイトの粒子が付着していることがわかる。
擬似体液に浸漬した後の基材の表面を図4に示す。基材の表面全体に一様に燐片状の結晶が形成されていた。
擬似体液に浸漬した後の基材、つまり得られた生体インプラントの断面を走査型電子顕微鏡で観察した(拡大率1000倍)結果を図5に示す。生体インプラントは気孔を有さないPEEK部分(図示せず)と気孔を有するPEEK部分と水酸アパタイト結晶であると思われる層とが順に積層して形成されていた。気孔を有するPEEK部分は多孔質となっており、独立した複数の気孔及び複数の気孔が連通して形成された微細な連通孔が観察された。その気孔径は1〜30μmであった。この気孔を有するPEEK部分の表面に水酸アパタイト結晶であると思われる厚さ約15μmの層が密着して形成されていた。
PEEKで構成される基材を濃硫酸で処理しなかったこと以外は、実施例1と同様にして生体インプラントを得た。
生体インプラントを走査型電子顕微鏡で観察することにより、PEEKで形成された基材と水酸アパタイトで形成された生体活性被膜との密着性を評価した。
(1)実施例1で得られた生体インプラントの断面を走査型電子顕微鏡で観察した(拡大率1000倍)結果を図5に示す。気孔を有するPEEK部分の表面に厚さ約15μmの水酸アパタイト結晶の層が密着して形成されていた。
(2)実施例1及び比較例1で得られた生体インプラントを純水中で10分間超音波を照射した。超音波照射した生体インプラントを常温で自然乾燥後、走査型電子顕微鏡で観察した(拡大率100倍)結果を図7、8に示す。実施例1で得られた生体インプラントについては、生体インプラントの基材表面から水酸アパタイトの被膜が脱離せず、表面全体に一様に形成されたままとなっていた。一方、比較例1で得られた生体インプラントについては、基材表面から水酸アパタイトの被膜が脱離しているのが認められた。
(3)実施例1及び比較例1で得られた生体インプラントにカッターでクロス状に切り込みを入れた。この生体インプラントを走査型電子顕微鏡で観察した(拡大率100倍)結果を図9、10に示す。実施例1で得られた生体インプラントについては、カッターによる切り込みライン周囲において、水酸アパタイトの被膜が脱離しているのは認められなかった。一方、比較例1で得られた生体インプラントについては、カッターによる切り込みライン周囲において、水酸アパタイトの被膜が脱離しているのが認められた。
以上いずれの試験においても、濃硫酸処理を行うことにより基材の表面に多孔質層を形成させた場合は、基材と水酸アパタイトの被膜とは強固に密着していることが確認された。
2 生体活性被膜
3 多孔質層
Claims (8)
- エンジニアリングプラスチックからなる基材と、前記基材の表面に形成されたリン酸カルシウム化合物からなる生体活性被膜と、を備え、
前記基材は、前記基材全体が多孔質でなく、その表面に多孔質である多孔質層を含み、前記多孔質層の気孔に前記リン酸カルシウム化合物が侵入することにより、前記多孔質層において前記基材と前記生体活性被膜とが係合してなることを特徴とする生体インプラント。 - 前記基材を形成する材料がポリエーテルエーテルケトンであることを特徴とする請求項1記載の生体インプラント。
- 前記基材が炭素繊維、ガラス繊維、セラミック繊維、金属繊維、及び有機繊維から選択される少なくとも1つの繊維を含むことを特徴とする請求項1又は2に記載の生体インプラント。
- 前記リン酸カルシウム化合物が水酸アパタイトであることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の生体インプラント。
- 前記リン酸カルシウム化合物が低結晶質であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の生体インプラント。
- 前記生体活性被膜の厚さが1〜100μmであることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の生体インプラント。
- 前記基材の表面に形成された多孔質層の厚さが1〜1000μmであることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の生体インプラント。
- 請求項1〜7のいずれか一項に記載の生体インプラントを製造する方法であって、
前記多孔質層は、エンジニアリングプラスチックをそれを腐食する腐食性溶液に浸漬することにより形成することを特徴とする生体インプラントの製造方法。
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