JP2004290278A - 生体組織補填材の製造装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】液状の生体高分子とカルシウム化合物とを混合して、第1の混合液を生成する第1の混合部10と、架橋剤を供給する架橋剤供給装置21と、第1の混合液と架橋剤とを混合して、第2の混合液を生成する第2の混合部20と、生成された第2の混合液をゲル化させる架橋部30とを備え、第1の混合部10に、第2の混合部20への第1の混合液の供給量を検出する検出部46が設けられ、架橋剤供給装置21に、検出部46に検出された供給量に基づいて架橋剤の滴下量を制御する架橋剤滴下制御装置47が設けられ、第2の混合部に架橋反応を抑える架橋防止手段24が設けられている生体組織補填材の製造装置を提供する。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、生体高分子ゲル中に含まれるカルシウム化合物の含有濃度を傾斜させて生成する、生体組織補填材の製造装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
骨肉腫などの手術により、骨が欠損した部分の再生や、関節症により骨がすり減った部分の固定などには、補填材として人工骨が用いられている。このような人工骨の材料としては、人工骨が体内中において、人体の負荷にならず、骨の細胞にすばやく吸収され、骨の再生の促進に寄与する部分と、細胞再生の足場として長期の間体内に残存し、自家骨に置換する部分とを持ち合わせた生体組織補填材が必要である。この問題を解決するために、熱可塑性の生体内分解吸収性高分子内に、バイオセラミックスの粉体を含有させ含有濃度を傾斜化させたものを、生体内に移植させて、数年後には吸収分解されるものが提案されている(例えば、特許文献1参照。)。
【0003】
このように、含有濃度を傾斜させた補填材を製造する装置を開示する文献は見あたらない。しかし、食品の分野では、冷却することによりゲル化または固化する流動状態にある2種類の食品材料を、2層構造の層状食品として製造する装置(例えば、特許文献2参照。)や、増粘多糖類を含有する溶液と、ゲル化剤およびカルシウム化合物を含有する溶液とを混合させることによりゲル化を生じさせ、不連続であるゼリー状の食品を製造する装置が提案されている。(例えば、特許文献3参照。)。
【0004】
【特許文献1】
特開2000−157626号公報
【特許文献2】
特開2001−95409号公報
【特許文献3】
特開2002−209532号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献2の製造装置は、2枚の薄板状の半固形化食品材料を単に2層構造に形成するものであり、3層以上の構造に形成することは困難である。また、特許文献3の製造装置は、不連続な組織を有する食品を製造するため、各層を均一な濃度にすることは困難である。
【0006】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、層ごとにカルシウム化合物の含有濃度が異なり、各層が均一なカルシウム化合物の含有濃度を有する多層構造の生体組織補填材の製造装置を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
液状の生体高分子とカルシウム化合物とを混合し、第1の混合液を生成する第1の混合部と、架橋剤を供給する架橋剤供給装置と、前記第1の混合部において生成された第1の混合液と前記架橋剤供給装置から供給された架橋剤とを混合し、第2の混合液を生成する第2の混合部と、生成された第2の混合液をゲル化させる架橋部とを備え、前記第1の混合部に、前記第2の混合部への第1の混合液の供給量を検出する検出部が設けられ、前記架橋剤供給装置に、検出された第1の混合液の供給量に基づいて架橋剤の滴下量を制御する架橋剤滴下制御装置が設けられ、前記第2の混合部に、架橋反応を抑える架橋防止手段が設けられている生体組織補填材の製造装置を提供する。
【0008】
この発明によれば、第1の混合部において生成された第1の混合液が、第2の混合部に供給されると、その供給量が、検出部において検出される。そして、架橋剤供給装置の作動により、第2混合部に架橋剤が滴下され、第2の混合液が生成される。ここで、第2混合部は、架橋防止手段が設けられているので、架橋反応が起こらない状態で混合が行われる。その後第2の混合液が架橋部に供給されることにより、ゲル化が生じ、架橋部内に層状の生体組織補填材が製造される。そして、第1の混合液内のカルシウム化合物の濃度を、増加あるいは減少させつつ、上記工程を繰り返すことにより、異なるカルシウム化合物の濃度の均一な層が複数積層状態に形成される。すなわち、生体高分子溶液内のカルシウム濃度が傾斜した生体組織補填材が得られることになる。
このとき、各層の製造にあたって架橋剤滴下制御装置が、第2の混合部への第1の混合液の供給量に合わせた適正な滴下量で、架橋剤を滴下させるので、架橋部において第2の混合液を適正な硬度にゲル化させ、生体組織補填材を効率良く製造することができる。
【0009】
請求項2に係る発明は、請求項1に記載の生体組織補填材の製造装置において、前記架橋防止手段が、液状の生体高分子に架橋反応を生じさせる温度以下に、第2の混合液を保持する生体組織補填材の製造装置を提供する。
【0010】
この発明によれば、液状の生体高分子とカルシウム化合物の混合液に、架橋剤を混合して生成された第2の混合液が、第2の混合部において、架橋反応を生じる温度以下で保持されるので、混合中における架橋反応が簡易に防止される。したがって、第2の混合液は、均一に混合した状態で架橋部に供給される。
【0011】
請求項3に係る発明は、請求項1に記載の生体組織補填材の製造装置において、前記架橋部が、第2の混合液を、その内部の生体高分子に架橋反応を生じさせる温度以上に加熱する請求項1または請求項2に記載の生体組織補填材の製造装置を提供する。
【0012】
この発明によれば、第2の混合部から均一な状態で供給された第2の混合液が、架橋部において、架橋反応を生じる温度以上にされることにより、ゲル化することになる。したがって、積層された第2の混合液は、各層ごとに混じり合うことなく固化することができる。
【0013】
請求項4に係る発明は、請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の生体組織補填材の製造装置において、前記カルシウム化合物が、ハイドロキシアパタイト(HAP)、αおよびβ型トリカルシウムフォスフェート(α,β−TCP)、炭酸カルシウム、オクタカルシウムフォスフェート(OCP)のいずれか一種類または二種類以上の混合材料である生体組織補填材の製造装置を提供する。
【0014】
請求項5に係る発明は、請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の生体組織補填材の製造装置において、前記生体高分子が、グルタルアルデヒド、ホルムアルデヒド、1−エチル3−(3ジメチルアミノプロピカルボジイミド)、またはペンタエリトリトールポリエチレングリコールエーテルテトラスクシンイミジルグルタレートによって調製された生体組織補填材の製造装置を提供する。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態に係る生体組織補填材の製造装置1について図面を参照して説明する。
本実施形態に係る生体組織補填材の製造装置1は、例えば、図2に示すような5層構造の生体組織補填材を製造する装置であって、図1に示すように、第1の混合部10と、第1の混合部10に接続された第2の混合部20と、第2の混合部20に接続された架橋部30とを備えている。
【0016】
前記第1の混合部10は、液状の生体高分子を供給する生体高分子供給部11と、カルシウム化合物の粉末を供給するカルシウム化合物供給部12と、液状の生体高分子とカルシウム化合物の粉末を混合し、第1の混合液を生成する第1の混合容器13と、その内部に配され、液状の生体高分子内のカルシウム化合物を攪拌させるミキサ14と、液状の生体高分子とカルシウム化合物とを合成する条件の温度、例えば、4℃に保持する第1の恒温槽15とを備えている。
【0017】
前記第2の混合部20は、架橋剤を供給する架橋剤供給装置21と、架橋剤と第1の混合液を混合し、第2の混合液を生成する第2の混合容器22と、その内部に配され、液状の生体高分子内のカルシウム化合物を攪拌させるミキサ23と、第2の混合容器22の温度を、第2の混合液に架橋反応を生じさせる温度以下、例えば、4℃に保持する第2の恒温槽24とを備えている。
【0018】
前記架橋部30は、第2の混合液を積層する蓄積容器31と、第2の混合液に、架橋反応を生じさせる温度以下、例えば、35℃に保持する第3の恒温槽32とを備えている
【0019】
また、第1の混合部10は、生体高分子供給部11から第1の混合容器13への液状の生体高分子の供給量を制御するポンプ41と、供給した量を検出する供給量センサ42と、カルシウム化合物供給部12から第1の混合部へのカルシウム化合物の供給量を制御するポンプ43と、供給した量を検出する供給量センサ44とを備えている。
【0020】
前記第1の混合部10から第2の混合部20には、第2の混合部20への第1の混合液の供給量を制御するポンプ45と、供給した量を検出する供給量センサ(検出部)46とを備えている。第2の混合部20は、架橋剤供給装置21から、第2の混合容器22への架橋剤の滴下量を制御するポンプ(架橋剤滴下制御装置)47と、滴下した量を検出する供給量センサ48とを備えている。
また、第2の混合部20から架橋部30には、積層容器31への第2の混合液の供給量を制御するポンプ49と、供給した量を検出する供給量センサ50とを備えている。
【0021】
上述したポンプ41,43,45,47,49と供給量センサ42,44,46,48,50は制御装置40に接続されている。制御装置40は、図示しない設定部を備え、生体組織補填材の積層数、各層の厚み、カルシウム化合物濃度を設定できるようになっている。また、制御装置40は、これらの設定値に基づいて、混合する生体高分子およびカルシウム化合物供給量、第2混合容器22への第1の混合液および架橋剤の供給量、積層容器31への第2の混合液の供給量を計算して記憶するようになっている。
【0022】
さらに、制御装置40は、前記ポンプ41,43,45,47,49を駆動して、生体高分子,カルシウム化合物,第1の混合液,架橋剤,第2の混合液の供給を行うとともに、前記供給量センサ42,44,46,48,50により検出された供給量と、計算した供給量とを比較して、これらの値が一致すると、前記ポンプ41,43,45,47,49に停止指令を送るようになっている。また、制御装置40は、第1の混合液の供給量に応じて、架橋剤の滴下量を調整するようになっている。
【0023】
このように構成された本実施形態に係る生体組織補填材の製造装置1の作用について、以下に説明する。
本実施形態において使用される生体高分子としては、コラーゲンを、カルシウム化合物としては、β−TCP粒子を、架橋剤としては、グルタルアルデヒドを用いる。ここでは、例えば、図2に示すような、5層構造の生体組織補填材であって、各層ごとのカルシウム化合物の含有濃度が、下から順にA>B>C<D<Eである生体組織補填材を製造する場合について説明する。
【0024】
本実施形態に係る生体組織補填材の製造装置1を用いて、図2に示す、生体組織補填材を製造するのに先立って、生体高分子供給部11にコラーゲン溶液を、カルシウム化合物供給部12にβ−TCP粒子を、架橋剤供給装置21にはグルタルアルデヒドをそれぞれ貯留しておく。また、制御装置40において、生体組織補填材の層数が5層となるように設定し、各層の厚みとカルシウム化合物濃度とを設定しておく。
【0025】
このように準備がなされた後に、まず、積層容器31内に生体組織補填材の第1層目を製造するには、制御装置40の作動により、ポンプ41,43が駆動する。最下層におけるカルシウム化合物濃度Aに基づいて計算されたコラーゲン溶液とβ−TCP粒子の供給量になるまで、第1の混合容器13に、コラーゲン溶液とβ−TCP粒子とを供給する。このとき、第1の混合容器13内において、ミキサ14の作動により、コラーゲン溶液内においてβ−TCP粒子が攪拌される。そして、供給量センサ42,44により検出された供給量と計算された供給量を比較し、一致した時点で、ポンプ41,43が停止される。
ここで、第1の恒温槽15の温度が4℃となっているため、コラーゲン溶液とβ−TCPは混合し、第1の混合液が生成される。
【0026】
次に、制御装置40によりポンプ45,47が駆動され、第2の混合容器22において、第1の混合液と架橋剤供給装置21から滴下されたグルタルアルデヒドとを混合し、第2の混合液を生成する。このとき、第2の混合容器22内のミキサ23の作動により、コラーゲン溶液内においてβ−TCP粒子が攪拌される。そして、ポンプ47は一定の流量となるようにグルタルアルデヒドの滴下量を調整し、また、供給量センサ46,48により検出された供給量と計算された供給量とを常に比較し、一致した時点で、ポンプ45,47が停止される。
ここで、第2の恒温槽24の温度が4℃に保たれているため、架橋反応は起らずに保持されている。
【0027】
次に、制御装置40によりポンプ49が駆動され、第2の混合液が蓄積容器31に供給される。制御装置40は、供給量センサ50により検出された第2の混合液の供給量と計算された供給量とを比較し、一致した時点で、ポンプ49を停止させる。第3の恒温槽32の温度は35℃に保たれているため、恒温槽32に収容された第2の混合液においては架橋反応が生じ、β−TCP粒子を含有したコラーゲン溶液がゲル化させられる。これにより、第1層目の生体組織補填材が製造される。
【0028】
次に、生体組織補填材の第2層目を製造するには、制御装置40の作動によりポンプ41が駆動される。制御装置40は、第2層におけるカルシウム化合物の濃度Bに基づいて計算されたコラーゲン溶液の供給量に達するまで、第1の混合容器13に、コラーゲン溶液を供給して、コラーゲン溶液内のβ−TCP粒子の含有濃度を希釈する。そして、供給量センサ42により検出された供給量と計算された供給量が比較され、一致した時点で、ポンプ41が停止される。そして、第1層目の製造時と同様の工程を繰り返すことにより、蓄積容器31内の第1層目の上に、濃度Bの第2の混合液が供給されて、ゲル化される。これにより、コラーゲン溶液内のβ−TCP粒子の含有濃度が下から順にA,Bとなるような生体組織補填材が製造される。このとき、第1層目はすでにゲル化されているので、1層目と2層目は混じり合うことなく積層される。
【0029】
次いで、生体組織補填材の第3層目を製造するには、第2層目と同様に、制御装置40によりポンプ41が駆動され、第3層におけるカルシウム化合物の濃度Cに基づいて計算されたコラーゲン溶液の供給量に達するまで、第1の混合容器13に、コラーゲン溶液を供給する。これにより、コラーゲン溶液内のβ−TCP粒子の含有濃度が下から順にA,B,Cとなるような生体組織補填材が製造される。
【0030】
次いで、生体組織補填材の第4層目を製造するには、制御装置40の作動によりポンプ43が駆動される。第4層におけるカルシウム化合物の濃度Dに基づいて計算されたβ−TCP粒子の供給量に達するまで、第1の混合容器13に、β−TCP粒子を供給して、コラーゲン溶液内のβ−TCP粒子の含有濃度を濃くする。ここで、供給量センサ44により検出された供給量と計算された供給量を比較し、一致した時点で、ポンプ43が停止される。そして、第1層目の製造時と同様の工程を繰り返すことにより、蓄積容器31内に、コラーゲン溶液内のβ−TCP粒子の含有濃度が下から順にA,B,C,Dとなるような生体組織補填材が製造される。
【0031】
さらに、生体組織補填材の第5層目を製造するには、第4層目と同様に、制御装置40によりポンプ43が駆動され、第5層におけるカルシウム化合物の濃度Eに基づいて計算されたβ−TCP粒子の供給量に達するまで、第1の混合容器13に、β−TCP粒子を供給する。これにより、コラーゲン溶液内のβ−TCP粒子の含有濃度が下から順にA,B,C,D,Eとなるような生体組織補填材が製造される。
【0032】
このように本実施形態の生体組織補填材の製造装置によれば、図2に示すように、最上位層および最下位層において、コラーゲン溶液内のβ−TCP粒子の含有濃度が高く、中心に向かってβ−TCP粒子の含有濃度が低くなるように傾斜した5層構造の生体組織補填材を簡易に得ることができる。
【0033】
この場合において、制御装置40により、第1の混合液の供給量に基づいて、架橋剤の滴下量が調整されているので、コラーゲン溶液とβ−TCP粒子を混合した量に合わせて、架橋剤を滴下させているため、適正な状態でゲル化することが可能となる。
また、第2の混合容器22は、架橋反応温度以下に保持して架橋反応を防止し、積層容器31において初めて架橋反応をさせるので、コラーゲン溶液とβ−TCP粒子とが、ムラなく均一状態でゲル化されることになる。
【0034】
なお、本実施形態において、5層構造の生体組織補填材として説明したが、これに限るものではなく、制御装置40において任意の層数を設定することにより、複数の層を成した生体組織補填材を得ることができる。このように、層数を可変できる装置ではなく、層数を固定した装置であっても良い。また、第2の混合液をすべて蓄積容器31に供給し、その供給量に合わせた架橋剤を滴下したが、第2の混合液の一部を蓄積容器31に供給し、第2の混合容器22に残っている第2の混合液の量を加味して架橋剤を滴下しても良い。また、ミキサ14,23は、第1の混合容器13,第2の混合容器22内に、第1の混合液,第2の混合液が供給されたと同時に作動するようにしたが、制御装置40により所定の量が検出されると作動するようになっていても良い。
また、生体高分子としてコラーゲンを用いて説明したが、コラーゲンの変性体であるゼラチン、ポリリジン、キトサン(脱アセチル化度)、グリコサミノグリカン(タイプによらない)およびその誘導体あるいはこれらの二種類以上からなる複合体等が挙げられる。これらの生体高分子の分子量は、特に限定されるものではない。また、カルシウム化合物としてβ−TCPを用いて説明したが、これに限るものではなく、HAP,α−TCP,OCPのような他のリン酸カルシウムや、CaCO3のような炭酸カルシウムを含有させることにしても良い。なお、積層容器の形状は図1に記載したものに限らず、所望の形を成した容器であって良い。
【0035】
また、図3に示すように、配管C内において、第1の混合液と架橋剤とを混合するように架橋剤供給装置21を配置させ、配管内に配されている攪拌スクリュー51(第2の混合部)により、コラーゲン溶液内のβ−TCP粒子を均一に攪拌させ、積層させる構成にしても良い。このような装置により、第1の混合液にさらに効率良く架橋剤を混合することができるという利点がある。
【0036】
【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材の製造装置によれば、各層が均一な濃度分布を有し、かつ層ごとに濃度の異なる複数の層からなる生体組織補填材を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態に係る生体組織補填材の製造装置の全体図である。
【図2】本発明の一実施形態に係る生体組織補填材の製造装置より生成した生体組織補填材の断面図である。
【図3】図1の生体組織補填材の製造装置の変形例を示す全体図である。
【符号の説明】
1 生体組織補填材の製造装置
10 第1の混合部
20 第2の混合部
21 架橋剤供給装置
24 第2の恒温槽(架橋防止手段)
30 架橋部
46 供給量センサ(検出部)
47 ポンプ(架橋剤滴下制御装置)
51 攪拌スクリュー(第2の混合部)
Claims (5)
- 液状の生体高分子とカルシウム化合物とを混合し、第1の混合液を生成する第1の混合部と、架橋剤を供給する架橋剤供給装置と、前記第1の混合部において生成された第1の混合液と前記架橋剤供給装置から供給された架橋剤とを混合し、第2の混合液を生成する第2の混合部と、生成された第2の混合液をゲル化させる架橋部とを備え、
前記第1の混合部に、前記第2の混合部への第1の混合液の供給量を検出する検出部が設けられ、
前記架橋剤供給装置に、検出された第1の混合液の供給量に基づいて架橋剤の滴下量を制御する架橋剤滴下制御装置が設けられ、
前記第2の混合部に、架橋反応を抑える架橋防止手段が設けられている生体組織補填材の製造装置。 - 前記架橋防止手段が、液状の生体高分子に架橋反応を生じさせる温度以下に、第2の混合液を保持する請求項1に記載の生体組織補填材の製造装置。
- 前記架橋部が、第2の混合液を、その内部の生体高分子に架橋反応を生じさせる温度以上に加熱する請求項1または請求項2に記載の生体組織補填材の製造装置。
- 前記カルシウム化合物が、ハイドロキシアパタイト(HAP)、αおよびβ型トリカルシウムフォスフェート(α,β−TCP)、炭酸カルシウム、オクタカルシウムフォスフェート(OCP)のいずれか一種類または二種類以上の混合材料である請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の生体組織補填材の製造装置。
- 前記生体高分子が、グルタルアルデヒド、ホルムアルデヒド、1−エチル3−(3ジメチルアミノプロピカルボジイミド)、またはペンタエリトリトールポリエチレングリコールエーテルテトラスクシンイミジルグルタレートによって調製された請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の生体組織補填材の製造装置。
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