JP2005211353A - Artificial vertebral pulp disk and method for improving its wear resistance - Google Patents

Artificial vertebral pulp disk and method for improving its wear resistance Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To raise load supporting property in an artificial vertebral pulp disk made of a PVA hydrogel. <P>SOLUTION: The artificial vertebral pulp disk made of the polyvinyl alcohol hydrogel is for performing prosthesis of the vertebral pulp of the intervertebral disk, and has two upper and lower sliding faces arranged mutually nearly back to back which slide with the vertebral body cartilage and side faces arranged between these sliding faces. The moisture content at the portion near the sliding faces is 20-50%. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、整形外科及び脳神経外科等の分野で使用される人工髄核ディスク、特に、椎間板ヘルニア等の疾患や事故等によって障害を受けた椎間板に対し、椎間板の主構成部位である髄核のみを補綴するポリビニルアルコール(PVA)ハイドロゲル製の人工髄核ディスクおよびその製造方法に関するものである。   The present invention relates to an artificial nucleus pulposus disk used in fields such as orthopedics and neurosurgery, in particular, an intervertebral disc that has been damaged due to a disease or accident such as an intervertebral disc herniation, and only the nucleus pulposus that is the main component of the intervertebral disc. The present invention relates to an artificial nucleus pulposus disk made of polyvinyl alcohol (PVA) hydrogel for prosthesis and a method for producing the same.

椎間板は、機能的にみても、解剖学的にみても、非常に複雑な機能、構造を有した関節である。これらは、繊維輪、椎体終板、髄核の機能構造体から成り立っている。   The intervertebral disc is a joint having a very complicated function and structure, both functionally and anatomically. These consist of functional structures of the annulus fibrosus, the vertebral endplate, and the nucleus pulposus.

椎間板において、外傷、疾病、老化により変性、損傷を生じる場合がある。この場合、髄核がヘルニアを形成し、椎間孔へ突出してしまう。突出した髄核は、脊髄神経を圧迫し、それら周辺組織の痛み、麻痺、または、下肢の痛み、麻痺を引き起こす。   In the intervertebral disc, degeneration or damage may occur due to trauma, disease, or aging. In this case, the nucleus pulposus forms a hernia and protrudes into the intervertebral foramina. The protruding nucleus pulposus compresses the spinal nerve and causes pain and paralysis of the surrounding tissues, or pain and paralysis of the lower limbs.

現在、生体内で重要な役割を担う椎間板において椎間板ヘルニア等の疾病は発生した患者に対しては、患部椎間板の摘出後、自家移植骨、骨セメントまたは人工椎体スペーサー等を用いた椎体間固定術が行なわれている。   For patients with intervertebral disc herniation and other diseases that currently play an important role in vivo, intervertebral bodies using autograft bone, bone cement, or artificial vertebral spacers after removal of the affected disc Fixation is being performed.

しかし、これらの治療法は椎体の固定を目的としており、本来、椎間板が有する柔軟性や負荷緩衝作用といった力学的特性を無視している。そのため、隣接する上下椎体に悪影響を及ぼし、二次的な椎間板障害を引き起こしている。   However, these treatments are aimed at fixing the vertebral body and inherently ignore the mechanical properties of the intervertebral disc such as flexibility and load buffering action. This adversely affects the adjacent upper and lower vertebral bodies, causing secondary disc damage.

一方、椎間板ヘルニアは、髄核の老化等により引き起こされることが知られている。比較的軽度な症例の場合には、椎体の固定術より、老化した髄核のみを置換する治療の方が望ましい。つまり、椎間板の自然生理機能を模倣しつつ、正常な椎体間のスペースを維持し、椎間板の十分な可動性を補う機能を持つ人工の補綴物により、部分的、全体的な置換治療を行なうことが望ましい。   On the other hand, intervertebral disc herniation is known to be caused by aging of the nucleus pulposus. For relatively mild cases, treatment that replaces only the aging nucleus pulposus is preferable to vertebral body fusion. In other words, partial and total replacement treatment is performed with an artificial prosthesis that has the function of maintaining normal intervertebral body space and supplementing the sufficient mobility of the intervertebral disc while imitating the natural physiological function of the intervertebral disc. It is desirable.

そこで、Bao Qi-Bin等は、ハイドロゲルによる生体髄核の補綴を試みている(特許文献1,2,3参照)。また、Charles D. Ray等もポリエチレンとハイドロゲルを組み合わせた生体髄核の置換を目的とする補綴物を作製している(特許文献4,5参照)。   Therefore, Bao Qi-Bin et al. Have attempted a prosthesis of living nucleus pulposus with hydrogel (see Patent Documents 1, 2, and 3). Charles D. Ray and others have also produced a prosthesis for the purpose of replacing the nucleus pulposus in combination with polyethylene and hydrogel (see Patent Documents 4 and 5).

PVAハイドロゲルは、ハイドロゲル中の構造水の吐出、吸引といったポンプ作用による耐繰り返し荷重性、衝撃緩和性を具備しており、人工髄核ディスク材料として好適である。   The PVA hydrogel is suitable as an artificial nucleus pulposus disk material because it has a repeated load resistance and a shock relaxation property due to a pump action such as discharge and suction of structural water in the hydrogel.

これらの人工髄核ディスクは、疾患椎間板部位において、繊維輪と椎体終板と呼ばれる椎体軟骨に囲まれた部位に挿入される。挿入された人工髄核ディスクは、生体内において、ときには体重の数倍の荷重を受けながら、上下に隣接する椎体軟骨を激しく摩擦する。   These artificial nucleus pulposus discs are inserted into a region surrounded by vertebral body cartilage called an annulus fibrosus and a vertebral body end plate in a diseased intervertebral disc region. The inserted artificial nucleus pulposus disc vigorously rubs the adjacent vertebral body cartilage while receiving a load several times the body weight in vivo.

前記特許文献1, 2, 3に示される人工髄核ディスクにおける椎体軟骨との摺動面の表面粗さは2〜5μm程度であり、摺動面近傍における含水率は70〜99%程度であった。一方、前記特許文献4,5に示される人工髄核ディスクにおける椎体軟骨との摺動面は、ポリエチレン等の高分子織物ジャケットにより具現されており表面粗さは、0.5mm程度であり、更には近傍における含水状態も望めない。
米国特許発行公報第5047055号 米国特許発行公報第5192326号 米国特許発行公報第5976186号 米国特許発行公報第5824903号 米国特許発行公報第6132465号
The surface roughness of the sliding surface with the vertebral body cartilage in the artificial nucleus pulposus disc shown in Patent Documents 1, 2, and 3 is about 2 to 5 μm, and the moisture content in the vicinity of the sliding surface is about 70 to 99%. there were. On the other hand, the sliding surface with the vertebral body cartilage in the artificial nucleus pulposus disc shown in Patent Documents 4 and 5 is embodied by a polymer fabric jacket such as polyethylene, and the surface roughness is about 0.5 mm, Furthermore, the water content in the vicinity cannot be expected.
US Patent Publication No. 5047055 US Patent Publication No. 5192326 US Patent Publication No. 5976186 US Patent Publication No. 5824903 US Patent Publication No. 6132465

しかし、前述の人工髄核ディスクは、含水率が70〜99%程度であったため、荷重支持性が低く、高荷重負荷による変形によりヘルニア状態の再現の恐れがあった。そして、組織の再建を周囲の繊維輪の状態に依存していた。つまり、繊維輪の状態が不完全な場合、椎間板としての機能を果たすことなく、脱落による障害の恐れがあった。加えて、荷重支持性が不十分である場合には、それを補うための椎体固定用のインストゥルメントが必要となり、患者への負担を増大させる恐れがあった。   However, since the artificial nucleus pulposus disk described above had a moisture content of about 70 to 99%, the load supporting ability was low, and there was a fear that the hernia state could be reproduced due to deformation caused by a high load load. The reconstruction of the tissue relied on the condition of the surrounding fiber ring. That is, when the state of the annulus is incomplete, the function as an intervertebral disc is not achieved, and there is a risk of failure due to dropout. In addition, if the load supportability is insufficient, an instrument for vertebral body fixation is required to make up for it, which may increase the burden on the patient.

かかる従来技術の課題に鑑み本発明は、PVAハイドロゲルからなる人工髄核ディスクにおいて荷重支持性を高め、それにより周囲の繊維輪の状態に依存することなく、単独でも十分な椎間板荷重支持機能を有する人工髄核ディスクを提供することを目的とする。   In view of the problems of the prior art, the present invention increases the load support in an artificial nucleus pulposus disk made of PVA hydrogel, and thereby has a sufficient intervertebral disc load support function without depending on the state of the surrounding annulus. An object of the present invention is to provide an artificial nucleus pulposus disk having the same.

前記課題を解決するため本発明の人工髄核ディスクは、椎間板の疾患により損傷した髄核を補綴するポリビニルアルコールハイドロゲル製の人工髄核ディスクであって、椎体軟骨と摺動する概略互いに背中合わせに配置された上下2個の摺動面とこれら摺動面間に配置された側面とを有するとともに、前記摺動面近傍部位の含水率が20〜50%であることを特徴とする。   In order to solve the above problems, the artificial nucleus pulposus disk of the present invention is an artificial nucleus pulposus disk made of polyvinyl alcohol hydrogel for prosthetic nucleus pulposus damaged by intervertebral disc disease, and slides back to back with vertebral body cartilage. The upper and lower two sliding surfaces and the side surface arranged between these sliding surfaces are disposed, and the water content in the vicinity of the sliding surface is 20 to 50%.

かかる本発明の構成によれば、20〜50%の含水率によって十分な荷重支持性を発揮することができる。十分な荷重支持性を発揮することにより、ヒトが生活する上で発生する体重の数倍の荷重を人工髄核ディスク単独で、支えることができる。従って、荷重負荷の際の破損、過度の変形、脱落等の恐れを回避できる。併せて、椎体補助固定用インストゥルメントの必要もなく、患者への負担を軽減できるのである。   According to the configuration of the present invention, sufficient load supporting ability can be exhibited with a moisture content of 20 to 50%. By exhibiting sufficient load supportability, the artificial nucleus pulposus disk alone can support a load several times the weight generated when a human lives. Therefore, it is possible to avoid the risk of breakage, excessive deformation, dropout and the like during load application. In addition, there is no need for a vertebral body assisting instrument and the burden on the patient can be reduced.

また、前記範囲の含水率によれば、摩耗特性を向上させるために照射するガンマ線による架橋効率に、良い影響を与えることができる。なお、PVAハイドロゲルの含水率は25〜35%であることがさらに好ましい。   Moreover, according to the moisture content in the above range, it is possible to positively influence the crosslinking efficiency by gamma rays irradiated to improve the wear characteristics. The water content of the PVA hydrogel is more preferably 25 to 35%.

前記含水率が20%未満の場合、接触する椎体終板軟骨との界面において、十分な水分量が得られず、潤滑摩耗状態をつくりだせない。また、飽和含水量が20%以下の均質なハイドロゲルの作製は、極めて困難であり、工業的に不利である。   When the moisture content is less than 20%, a sufficient amount of water cannot be obtained at the interface with the vertebral body endplate cartilage that is in contact, and a lubricated wear state cannot be created. In addition, it is extremely difficult to produce a homogeneous hydrogel having a saturated water content of 20% or less, which is industrially disadvantageous.

他方、前記含水率が50%を超える場合、ヒトの椎間板が持つ圧縮剛性、軸ヤング率、ねじり剛性、ねじりヤング率等の機械的特性を満たすことが困難であり、椎間板本来の機能を果たすことが困難になる。   On the other hand, when the water content exceeds 50%, it is difficult to satisfy the mechanical properties such as compression stiffness, axial Young's modulus, torsional stiffness, and torsional Young's modulus of human intervertebral disc, and fulfill the original function of the intervertebral disc. Becomes difficult.

本発明において、PVAハイドロゲルの含水率の測定方法は次のように行う。PVAハイドロゲルを真空中、40〜60℃にて十分に乾燥させ、その乾燥時の重量(W1)を測定する。乾燥重量測定後、40℃の温水に48時間以上浸漬する。ハイドロゲルの含水が飽和に達した後、素早く秤量瓶に移し蓋をし、含水時の重量(W2)を測定し、以下の式により算出する。 In this invention, the measuring method of the moisture content of PVA hydrogel is performed as follows. The PVA hydrogel is sufficiently dried at 40 to 60 ° C. in a vacuum, and the weight (W 1 ) at the time of drying is measured. After dry weight measurement, immerse in warm water at 40 ° C for 48 hours or more. After the water content of the hydrogel reaches saturation, it is quickly transferred to a weighing bottle, capped, and the weight (W 2 ) at the time of water content is measured and calculated according to the following formula.


含水率(%) = (W1 - W2 ) x 100 / W2

次に、本発明の人工髄核ディスクの耐摩耗性向上方法は、前記上下摺動面に対して50〜100 kGyのガンマ線照射により架橋を施す工程を含むことを特徴とする。

Moisture content (%) = (W 1 -W 2 ) x 100 / W 2

Next, the method for improving the wear resistance of an artificial nucleus pulposus disk according to the present invention includes a step of crosslinking the upper and lower sliding surfaces by irradiation with 50 to 100 kGy of gamma rays.

そして、50 〜100 kGyの適度な照射線量によりガンマ線を照射することでPVAハイドロゲル本来の機械的特性、ヤング率、含水率を犠牲にすることなく、PVA分子鎖の架橋を引き起こし、耐摩耗性を向上させるものである。   And by irradiating gamma rays with a moderate irradiation dose of 50-100 kGy, it causes cross-linking of PVA molecular chains without sacrificing the original mechanical properties, Young's modulus, and moisture content of PVA hydrogel, and wear resistance. Is to improve.

このガンマ線照射工程は、窒素置換された低酸素濃度水中で行なうことが好ましい。これは、水中に溶存酸素が存在すると、これら酸素がまず分子鎖の切断を起こすので、PVAハイドロゲルが酸化劣化を引き起こし、耐摩耗特性およびその他の特性が低下する傾向があるためである。   This gamma ray irradiation step is preferably performed in low oxygen concentration water substituted with nitrogen. This is because when dissolved oxygen is present in water, these oxygens first cause molecular chain scission, so that the PVA hydrogel tends to oxidatively deteriorate and wear resistance and other properties tend to deteriorate.

前記ガンマ線照射量が50kGy未満の場合、主に主鎖の切断が起こり、主鎖の再結合および架橋が起こるには至らず、耐摩耗特性の向上への貢献は低い。   When the gamma ray irradiation dose is less than 50 kGy, the main chain is mainly broken, the main chain is not recombined and cross-linked, and the contribution to the improvement of the wear resistance is low.

他方、前記ガンマ線照射量が100kGyを越える場合、PVAハイドロゲルの耐摩耗特性の機能は十分に発揮できるが、その高い剛性のために、接触する上下の椎体終板軟骨を損傷させる恐れがある。   On the other hand, when the gamma ray irradiation dose exceeds 100 kGy, the wear resistance function of the PVA hydrogel can be sufficiently exerted, but due to its high rigidity, the upper and lower vertebral body endplate cartilages may be damaged. .

本発明においてガンマ線照射量の測定は、フィルム線量計、ポリメチルメタクリレート線量計、カロリーメーターを用いて行なう。ガンマ線滅菌を行なうとき、PVAハイドロゲルは、窒素置換された生理食塩水とともに密封容器に梱包される。この密封容器外側近傍に前述の線量計を設置し測定を行なう。   In the present invention, the gamma ray dose is measured using a film dosimeter, polymethyl methacrylate dosimeter, and calorimeter. When performing gamma sterilization, the PVA hydrogel is packaged in a sealed container with a saline solution substituted with nitrogen. The above-mentioned dosimeter is installed in the vicinity of the outside of the sealed container to perform measurement.

更に、本発明は、以上のPVAハイドロゲル人工髄核ディスクに、ヒアルロン酸ナトリウム等のムコ多糖類を、その上下摺動面に添加されることがある。これらは、軟骨摺動の助剤となり、その濃度により弾性流体潤滑状態、境界潤滑状態を作り出すことで、良好な摺動特性を発揮させる。   Furthermore, in the present invention, mucopolysaccharides such as sodium hyaluronate may be added to the above-described PVA hydrogel artificial nucleus pulposus disk on the upper and lower sliding surfaces. These serve as cartilage sliding aids, and exhibit good sliding characteristics by creating an elastohydrodynamic lubrication state and a boundary lubrication state depending on the concentration.

なお、本発明の人工髄核ディスクは、椎体軟骨と摺動する上下摺動面を有するとともに、該上下摺動面の中心線表面粗さRaが0.01μm〜0.15μmであることが好ましい。かかる人工髄核ディスクは、中心線表面粗さRaが0.01μm〜0.5μmの成型面を有する金型により作製することができ。具体的には、図1の作製模式図のように、予め、任意の表面粗さにまで研磨された鋳型に、PVA溶液を流し込み、急冷することでゲル化させる。これにより、金属またはセラミックスに匹敵する表面性状をもったハイドロゲルを作製することができる。   The artificial nucleus pulposus disc of the present invention has an upper and lower sliding surface that slides on the vertebral body cartilage, and a center line surface roughness Ra of the upper and lower sliding surface is 0.01 μm to 0.15 μm. preferable. Such an artificial nucleus pulposus disk can be produced by a mold having a molding surface with a centerline surface roughness Ra of 0.01 μm to 0.5 μm. Specifically, as shown in the production schematic diagram of FIG. 1, the PVA solution is poured into a mold that has been polished to an arbitrary surface roughness in advance, and gelled by rapid cooling. Thereby, the hydrogel with the surface property comparable to a metal or ceramics can be produced.

一般に、人工関節材料の金属やセラミックスは表面研磨により、摺動面を滑らかにし優れた耐摩耗性を実現している。一方、ハイドロゲルはその柔らかく弱い物性のため、ハイドロゲル自身を研磨することはできない。そこで、前述に示すように、予め金属またはセラミックスの鋳型表面を研磨しておき、そこにPVA溶液を流し込み、ゲル化させることで、金属またはセラミックスの鋳型表面の性状が転写されたPVAハイドロゲルを作製することができる。そして、前述のように滑らかな摺動面により優れた対摩耗性が実現する。   In general, metals and ceramics of artificial joint materials have a smooth sliding surface by surface polishing to realize excellent wear resistance. On the other hand, hydrogel cannot be polished due to its soft and weak physical properties. Therefore, as described above, a metal or ceramic mold surface is polished in advance, a PVA solution is poured into the gel, and gelled, whereby a PVA hydrogel to which the properties of the metal or ceramic mold surface are transferred is obtained. Can be produced. As described above, excellent wear resistance is realized by the smooth sliding surface.

金属またはセラミックスの鋳型としては、チタンあるいはチタン合金、コバルトクロム合金等の金属材料、アルミナ、ハイドロキシアパタイト、石英ガラス等のセラミックス材料等を用いることができる。   As the metal or ceramic mold, a metal material such as titanium or a titanium alloy or a cobalt chromium alloy, a ceramic material such as alumina, hydroxyapatite, or quartz glass can be used.

なお、前記中心線表面粗さRaが0.01μmより小さい場合を再現しても、ハイドロゲル状態においては、その弾性変形により実質的な効果をなさない。併せて、これらを作製するために準備される金型の加工は非常に困難を要し、工業的に不利である。   In addition, even if the case where the centerline surface roughness Ra is smaller than 0.01 μm is reproduced, in the hydrogel state, a substantial effect is not achieved due to the elastic deformation. In addition, the processing of the molds prepared for producing these is very difficult and industrially disadvantageous.

また、前記中心線表面粗さRaが0.15μmより大きい場合、生体内において、ときには体重の数倍の荷重を受けながら、上下に隣接する椎体軟骨を激しく摩擦した際、その椎体軟骨を著しく損傷させる恐れがある。   Further, when the center line surface roughness Ra is larger than 0.15 μm, when the adjacent vertebral cartilage is rubbed vigorously while receiving a load several times the weight in vivo, Risk of significant damage.

前記中心線表面粗さRaの測定は次のように行う。オリンパス光学工業株式会社製走査型共焦点レーザー顕微鏡を用い、粗さ解析により粗さ曲線標高絶対値の平均値を中心線表面粗さRaとして求めた。   The center line surface roughness Ra is measured as follows. Using a scanning confocal laser microscope manufactured by Olympus Optical Co., Ltd., an average value of roughness curve elevation absolute values was obtained as a centerline surface roughness Ra by roughness analysis.

本発明によれば、椎体軟骨と摺動する上下摺動面を有するとともに、該上下摺動面近傍部位の含水率が20〜50%である構成としたことにより、PVAハイドロゲルからなる人工髄核ディスクにおいて荷重支持性を高め、それにより荷重負荷の際の破損、過度の変形、脱落等の恐れを回避させしめ、併せて、椎体補助固定用インストゥルメントの必要もなく、患者への負担を軽減することができる。   According to the present invention, an artificial body made of PVA hydrogel has a vertical sliding surface that slides on the vertebral body cartilage and a moisture content in the vicinity of the vertical sliding surface is 20 to 50%. Increases the load supportability of the nucleus pulposus disc, thereby avoiding the risk of breakage, excessive deformation, dropout, etc. during load application. Can be reduced.

また、本発明によれば、上下摺動面近傍部位の含水率が20〜50%であるPVAハイドロゲル製の人工髄核ディスクにおける前記上下摺動面に対して50〜100 kGyのガンマ線照射により架橋を施すことにより、耐摩耗性を向上させることができる。   According to the present invention, the vertical sliding surface of the artificial nucleus pulposus disk made of PVA hydrogel having a moisture content of 20 to 50% in the vicinity of the vertical sliding surface is irradiated with 50 to 100 kGy of gamma rays. Wear resistance can be improved by crosslinking.

以下に、図を用いて実施例を挙げて本発明を具体的に説明するが、本発明はこれら実施例により限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to the drawings, but the present invention is not limited to these examples.

実施例1
ジメチルスルホキシド(DMSO):水=80:20の重量比で作製した混合溶液に重合度8800のPVAを溶解し、PVA溶液とした。このPVA溶液を120〜140℃で溶融した後、アルミナ製の鋳型に流し込み、−15℃で急冷した。その後、DMSOと水をエタノールで洗浄し、60℃で12時間、140℃で3時間、真空熱処理をした。窒素置換した水中に48時間以上浸漬してPVAをハイドロゲル化させた。この状態にて、50 kGyのガンマ線照射及び滅菌を行なった。このPVAハイドロゲルの含水率は35%であった。
Example 1
PVA having a polymerization degree of 8800 was dissolved in a mixed solution prepared at a weight ratio of dimethyl sulfoxide (DMSO): water = 80: 20 to obtain a PVA solution. After this PVA solution was melted at 120 to 140 ° C., it was poured into an alumina mold and quenched at −15 ° C. Thereafter, DMSO and water were washed with ethanol, and vacuum heat treatment was performed at 60 ° C. for 12 hours and at 140 ° C. for 3 hours. PVA was hydrogelated by immersing in nitrogen-substituted water for 48 hours or more. In this state, 50 kGy of gamma irradiation and sterilization were performed. The water content of this PVA hydrogel was 35%.

得られたPVAハイドロゲルを(L = 30) x (W =40) x (B =6) mmの角板型試験片になるように調整した。この試験片の圧縮強度をインストロン(INSTRON)社製万能試験機(INSTRON 1123)を用いて測定した。25 kNのロードセルを用い、負荷速度1.0 mm/minとして2300 kgfまで圧縮荷重を加えて測定した。試験片は試験直前に37℃の生理食塩水から取り出し、濡れたままの状態で大気中(室温)にて測定した。得られたstress−strain曲線より破断応力、見かけ弾性率及び降伏荷重を計算した。   The obtained PVA hydrogel was adjusted to be a square plate type test piece of (L = 30) × (W = 40) × (B = 6) mm. The compressive strength of the test piece was measured using a universal testing machine (INSTRON 1123) manufactured by INSTRON. Measurement was performed using a 25 kN load cell and applying a compressive load up to 2300 kgf at a load speed of 1.0 mm / min. The test piece was taken out from 37 ° C. physiological saline immediately before the test, and measured in the atmosphere (room temperature) in a wet state. The breaking stress, the apparent elastic modulus, and the yield load were calculated from the obtained stress-strain curve.

図2〜3に、試験体のstress−strain曲線及びstress−modulus図を示す。stress−strain曲線は非常に緩やかなS字状を呈していた。このことは図3のstress−modulus図において、応力が変化するにつれて、見かけ弾性率が変化していくことを示している。stress−modulus図において試験片は、低荷重域では見かけ弾性率は非常に低く、荷重を増大させるにつれて次第に剛性を増した。その後ほぼ一定の値を示し、それ以降見かけ弾性率が低下していく傾向を示した。1200 kgfの荷重後、見かけ弾性率は上昇した。また、2300 kgfの荷重負荷後も、試験片は破壊しなかった。つまり、これらの機械的特性は、PVAハイドロゲルが人工髄核ディスクとして、十分な荷重支持性を発揮することを示唆している。   2 to 3 show a stress-strain curve and a stress-modulus diagram of the test body. The stress-strain curve had a very gentle S-shape. This indicates that the apparent elastic modulus changes as the stress changes in the stress-modulus diagram of FIG. In the stress-modulus diagram, the apparent elastic modulus was very low in the low load region, and the rigidity gradually increased as the load was increased. After that, it showed an almost constant value, and thereafter the apparent elastic modulus tended to decrease. After a load of 1200 kgf, the apparent modulus increased. Further, the test piece did not break even after a load of 2300 kgf. That is, these mechanical characteristics suggest that PVA hydrogel exhibits sufficient load supportability as an artificial nucleus pulposus disk.

実施例2
ジメチルスルホキシド(DMSO):水=80:20の重量比で作製した混合溶液にPVAを溶解し、PVA溶液とした。このPVA溶液を120〜140℃で溶融した後、−15℃で急冷した。その後、DMSOと水をエタノールで洗浄し、60℃〜140℃で、真空熱処理をした。窒素置換した水中に48時間以上浸漬してPVAをハイドロゲル化させた。これらの手法により、含水率25%、30%、35%、60%のPVAハイドロゲルを作製した。含水率15%のPVAハイドロゲルの作製も試みたものの、十分な試験片の作製は困難であった。得られたPVAハイドロゲルを、直径20mm、厚さ3mmの円柱状に加工した。これらのPVAハイドロゲルについて、アイコー社製圧縮試験機を用い、負荷速度0.5mm/minで荷重負荷を行なった。表1に圧縮試験により観察された圧縮特性評価を、PVAハイドロゲル作製条件と併記して示す。比較参考として、イヌ腰椎から、長軸径24mm、短軸径16mm、厚さ3mmの生体試験片を採取し、併せて評価を行なった。

Figure 2005211353
Example 2
PVA was dissolved in a mixed solution prepared at a weight ratio of dimethyl sulfoxide (DMSO): water = 80: 20 to obtain a PVA solution. The PVA solution was melted at 120 to 140 ° C and then rapidly cooled at -15 ° C. Thereafter, DMSO and water were washed with ethanol, and vacuum heat treatment was performed at 60 ° C to 140 ° C. PVA was hydrogelated by immersing in nitrogen-substituted water for 48 hours or more. By these methods, PVA hydrogels having a moisture content of 25%, 30%, 35%, and 60% were prepared. Although an attempt was made to produce a PVA hydrogel having a water content of 15%, it was difficult to produce a sufficient test piece. The obtained PVA hydrogel was processed into a cylindrical shape having a diameter of 20 mm and a thickness of 3 mm. These PVA hydrogels were loaded with a load speed of 0.5 mm / min using an Aiko compression tester. Table 1 shows the evaluation of compression characteristics observed by the compression test together with the PVA hydrogel preparation conditions. As a comparative reference, biological specimens having a major axis diameter of 24 mm, a minor axis diameter of 16 mm, and a thickness of 3 mm were collected from the dog lumbar vertebrae and evaluated together.
Figure 2005211353

含水率25〜35%のPVAハイドロゲルは、同等のサイズの生体試験片と比較して、高い圧縮剛性、圧縮ヤング率を示した。つまり、生体内においても、十分な荷重支持性を実現するPVAハイドロゲルが得られたのである。 The PVA hydrogel having a moisture content of 25 to 35% exhibited high compression rigidity and compression Young's modulus compared to a biological specimen having the same size. That is, a PVA hydrogel that achieves sufficient load supportability even in vivo is obtained.

実施例3
ジメチルスルホキシド(DMSO):水=80:20の重量比で作製した混合溶液にPVAを溶解し、PVA溶液とした。このPVA溶液を120〜140℃で溶融した後、−15℃で急冷した。その後、DMSOと水をエタノールで洗浄し、60℃〜140℃で、真空熱処理をした。窒素置換した水中に48時間以上浸漬してPVAをハイドロゲル化させた。これらの手法により、含水率35%のPVAハイドロゲルを作製した。得られたPVAハイドロゲルを窒素置換された低酸素濃度水中にて、25kGy、50kGy、75kGy、100kGy、125kGyのガンマ線照射を行なった。得られたPVAハイドロゲルのゲル分率を測定し、ガンマ線照射による架橋効果を評価した。ゲル分率の測定は、次のように行なった。各々作製されたPVAハイドロゲルを真空中、40〜60℃にて十分に乾燥させ、その乾燥時の重量(Wa)を測定した。重量測定後、煮沸した水中にてPVAゲルを溶解させた。煮沸後、残ったPVAゲル画分を真空中、40〜60℃にて十分に乾燥させ、その乾燥時の重量(Wb)を測定し、以下の式により算出した。
Example 3
PVA was dissolved in a mixed solution prepared at a weight ratio of dimethyl sulfoxide (DMSO): water = 80: 20 to obtain a PVA solution. The PVA solution was melted at 120 to 140 ° C and then rapidly cooled at -15 ° C. Thereafter, DMSO and water were washed with ethanol, and vacuum heat treatment was performed at 60 ° C to 140 ° C. PVA was hydrogelated by immersing in nitrogen-substituted water for 48 hours or more. By these methods, a PVA hydrogel having a water content of 35% was prepared. The obtained PVA hydrogel was irradiated with gamma rays of 25 kGy, 50 kGy, 75 kGy, 100 kGy, and 125 kGy in low oxygen concentration water substituted with nitrogen. The gel fraction of the obtained PVA hydrogel was measured, and the crosslinking effect by gamma ray irradiation was evaluated. The gel fraction was measured as follows. Vacuo each fabricated PVA hydrogel, dried thoroughly at 40 to 60 ° C., measured weight at the drying (W a). After the weight measurement, the PVA gel was dissolved in boiling water. After boiling, the remaining PVA gel fraction was sufficiently dried at 40 to 60 ° C. in vacuum, the weight (W b ) at the time of drying was measured, and calculated by the following formula.


ゲル分率(%) = Wb x 100 / Wa
表2に、ガンマ線照射量とPVAハイドロゲルのゲル分率の関係を示す。

Figure 2005211353

Gel fraction (%) = W b x 100 / W a
Table 2 shows the relationship between the gamma ray irradiation dose and the gel fraction of the PVA hydrogel.
Figure 2005211353

ガンマ線照射量の増加と共に、ゲル分率は上昇し、50kGy以上にて、約90%と飽和する傾向を示した。つまり、50kGy以上のガンマ線照射により、高度に架橋されたPVAハイドロゲルが作製されるといえる。 As the amount of gamma irradiation increased, the gel fraction increased and showed a tendency to saturate at about 90% at 50 kGy or more. That is, it can be said that highly cross-linked PVA hydrogel is produced by gamma ray irradiation of 50 kGy or more.

実施例4
ジメチルスルホキシド(DMSO):水=80:20の重量比で作製した混合溶液にPVAを溶解し、PVA溶液とした。このPVA溶液を120〜140℃で溶融した後、−15℃で急冷した。その後、DMSOと水をエタノールで洗浄し、60℃〜140℃で、真空熱処理をした。窒素置換した水中に48時間以上浸漬してPVAをハイドロゲル化させた。得られたPVAハイドロゲルを窒素置換された低酸素濃度水中にて、75kGyのガンマ線照射を行なった。このPVAハイドロゲルを、直径20mm、厚さ3mmの円柱状に加工した。これらのPVAハイドロゲルについて、アイコー社製圧縮試験機を用い、負荷速度0.5mm/minで荷重負荷を行なった。図4に圧縮試験により観察された圧縮特性評価を示す。評価した全ての含水率のPVAハイドロゲルにおいて、ガンマ線を照射することにより、圧縮ヤング率の増加が観察された。ガンマ線照射による架橋において、更なる荷重支持性の付与が実現された。
Example 4
PVA was dissolved in a mixed solution prepared at a weight ratio of dimethyl sulfoxide (DMSO): water = 80: 20 to obtain a PVA solution. The PVA solution was melted at 120 to 140 ° C and then rapidly cooled at -15 ° C. Thereafter, DMSO and water were washed with ethanol, and vacuum heat treatment was performed at 60 ° C to 140 ° C. PVA was hydrogelated by immersing in nitrogen-substituted water for 48 hours or more. The obtained PVA hydrogel was irradiated with 75 kGy of gamma rays in low oxygen concentration water substituted with nitrogen. This PVA hydrogel was processed into a cylindrical shape having a diameter of 20 mm and a thickness of 3 mm. These PVA hydrogels were loaded with a load speed of 0.5 mm / min using an Aiko compression tester. FIG. 4 shows the compression characteristic evaluation observed in the compression test. In all the water content PVA hydrogels evaluated, an increase in compressive Young's modulus was observed upon irradiation with gamma rays. In the cross-linking by gamma irradiation, further load support was realized.

実施例5
ジメチルスルホキシド(DMSO):水=80:20の重量比で作製した混合溶液に重合度8800のPVAを溶解し、PVA溶液とした。このPVA溶液を120〜140℃で溶融した後、アルミナ製の鋳型に流し込み、-15℃で急冷した。その後、DMSOと水をエタノールで洗浄し、60℃〜140℃で、真空熱処理をした。窒素置換した水中に48時間以上浸漬してPVAをハイドロゲル化させた。この状態にて、100 kGyのガンマ線照射及び滅菌を行なった。これらの手法により、含水率25%、45%、60%のPVAハイドロゲルを作製した。含水率15%のPVAハイドロゲルの作製も試みたものの、十分な試験片の作製は困難であった。また、生後6ヶ月、体重100 kgの食用ブタの膝蓋骨より生体軟骨試料切り出し、これを直径10 mm、高さ10 mmの円柱状に加工した。
Example 5
PVA having a polymerization degree of 8800 was dissolved in a mixed solution prepared in a weight ratio of dimethyl sulfoxide (DMSO): water = 80: 20 to obtain a PVA solution. The PVA solution was melted at 120 to 140 ° C., poured into an alumina mold, and rapidly cooled at −15 ° C. Thereafter, DMSO and water were washed with ethanol, and vacuum heat treatment was performed at 60 to 140 ° C. PVA was hydrogelated by immersing in nitrogen-substituted water for 48 hours or more. In this state, 100 kGy of gamma irradiation and sterilization were performed. By these methods, PVA hydrogels having a moisture content of 25%, 45% and 60% were prepared. Although an attempt was made to produce a PVA hydrogel having a water content of 15%, it was difficult to produce a sufficient test piece. In addition, a living cartilage sample was cut out from the patella of an edible pig having a weight of 100 kg at 6 months of age and processed into a cylindrical shape having a diameter of 10 mm and a height of 10 mm.

過酷な潤滑条件で試験を行うために図6に示す一方向端面型摩擦試験機を用いた。試験機の上側に生体軟骨試料を、下側にPVAハイドロゲルを設置した。面圧を1.0 MPa、すべり速度20 mm/secとし、牛血清とリン酸緩衝液より調整した37℃の潤滑液を用いて、前述の試験機を用いて摩擦・摩耗試験を行った。   A unidirectional end face type friction tester shown in FIG. 6 was used to perform the test under severe lubrication conditions. A living cartilage sample was placed on the upper side of the testing machine, and a PVA hydrogel was placed on the lower side. A friction / wear test was conducted using the above-mentioned testing machine, using a 37 ° C. lubricating liquid prepared from bovine serum and a phosphate buffer solution with a surface pressure of 1.0 MPa and a sliding speed of 20 mm / sec.

図7に摩擦試験を開始した直後の25%と45%含水率PVAハイドロゲルの摩擦係数の比較を示す。起動時の摩擦係数は、25%含水率PVAハイドロゲルの方が低い値を示した。   FIG. 7 shows a comparison of the friction coefficients of 25% and 45% water content PVA hydrogel immediately after the start of the friction test. The coefficient of friction at start-up showed a lower value for the 25% water content PVA hydrogel.

これら、摩擦試験により観察された摩擦摩耗評価を、PVAハイドロゲル作製条件と併記して表3に示す。

Figure 2005211353
The friction and wear evaluations observed in these friction tests are shown in Table 3 together with the PVA hydrogel preparation conditions.
Figure 2005211353

図8に、代表的な摩擦試験後のPVAハイドロゲル表面を示す。ガンマ線を照射した45%含水率のPVAハイドロゲルでは、ガンマ線未照射のハイドロゲルと同様に若干の摩耗痕がその表面に観察された。一方、25%含水率PVAハイドロゲルでは、ガンマ線照射により、摩耗が抑制されている様子が観察された。比較的高い60%含水率のPVAハイドロゲル表面は、多くの摩耗痕が観察された。   FIG. 8 shows a PVA hydrogel surface after a typical friction test. In the PVA hydrogel irradiated with gamma rays and having a moisture content of 45%, some wear marks were observed on the surface in the same manner as the hydrogel not irradiated with gamma rays. On the other hand, in the 25% water content PVA hydrogel, it was observed that wear was suppressed by gamma ray irradiation. Many wear marks were observed on the surface of PVA hydrogel having a relatively high 60% water content.

表3の条件5〜8においては、次に示す実施例6と同様の作製方法にて準備したPVAハイドロゲルであり、その表面性状により接触する生体軟骨試料との親和性が非常に高く、PVAハイドロゲルのみならず、対合生体軟骨試料表面の状態も良好であった。   In conditions 5-8 of Table 3, it is a PVA hydrogel prepared by the same production method as in Example 6 shown below, and has a very high affinity with a living cartilage sample in contact with its surface properties. Not only the hydrogel but also the surface condition of the paired biological cartilage sample was good.

実施例6
鋳型をアルミナセラミックにより作製し、表面を研磨した。成型面の中心線表面粗さRaは0.020 mmであった。
Example 6
The mold was made of alumina ceramic and the surface was polished. The center line surface roughness Ra of the molding surface was 0.020 mm.

ジメチルスルホキシド(DMSO):水=80:20の重量比で作製した混合溶液に重合度8800のPVAを溶解し、PVA溶液とした。   PVA having a polymerization degree of 8800 was dissolved in a mixed solution prepared at a weight ratio of dimethyl sulfoxide (DMSO): water = 80: 20 to obtain a PVA solution.

このPVA溶液を120〜140℃で溶融した後、アルミナセラミックス鋳型に流し込み、-15℃で急冷した。その後、DMSOと水をエタノールで洗浄し、60℃で12時間、140℃で3時間、真空熱処理をした。窒素置換した水中に48時間以上浸漬してPVAをハイドロゲル化させた。この状態にて、50kGyのガンマ線照射及び滅菌を行なった。このPVAハイドロゲルの含水率は35.4%であった。   The PVA solution was melted at 120 to 140 ° C., then poured into an alumina ceramic mold, and rapidly cooled at −15 ° C. Thereafter, DMSO and water were washed with ethanol, and vacuum heat treatment was performed at 60 ° C. for 12 hours and at 140 ° C. for 3 hours. PVA was hydrogelated by immersing in nitrogen-substituted water for 48 hours or more. In this state, 50 kGy of gamma irradiation and sterilization were performed. The water content of this PVA hydrogel was 35.4%.

得られたハイドロゲルの表面性状について、共焦点レーザー顕微鏡を用いて観察した。図2に、アルミナセラミック表面転写PVAハイドロゲルの共焦点レーザー顕微鏡イメージを示す。アルミナセラミック表面転写PVAハイドロゲルの表面粗さ(Ra)は、0.045 mmであった。   The surface properties of the obtained hydrogel were observed using a confocal laser microscope. FIG. 2 shows a confocal laser microscope image of an alumina ceramic surface transfer PVA hydrogel. The surface roughness (Ra) of the alumina ceramic surface transfer PVA hydrogel was 0.045 mm.

実施例7
実施例1と同様、鋳型表面性状を転写しガンマ線架橋を施したPVAハイドロゲルについての実施例であるが、鋳型をコバルトクロム合金により作製したのが本例である。成型面の中心線表面粗さRaは0.026 mmであった。このPVAハイドロゲルの含水率は34.8%であった。実施例1と同様に共焦点レーザー顕微鏡によりPVAハイドロゲル表面性状を評価した。図3に、コバルトクロム合金表面転写PVAハイドロゲルの共焦点レーザー顕微鏡イメージを示す。コバルトクロム合金表面転写PVAハイドロゲルの表面粗さ(Ra)は、0.071 mmであった。
Example 7
Similar to Example 1, this is an example of a PVA hydrogel obtained by transferring the surface properties of a mold and subjected to gamma ray crosslinking. In this example, the mold was made of a cobalt chromium alloy. The center line surface roughness Ra of the molding surface was 0.026 mm. The water content of this PVA hydrogel was 34.8%. In the same manner as in Example 1, the surface properties of the PVA hydrogel were evaluated with a confocal laser microscope. FIG. 3 shows a confocal laser microscope image of the cobalt chrome alloy surface transfer PVA hydrogel. The surface roughness (Ra) of the cobalt chrome alloy surface transfer PVA hydrogel was 0.071 mm.

実施例8
実施例1と同様、鋳型表面性状を転写しガンマ線架橋を施したPVAハイドロゲルについての実施例であるが、鋳型を石英ガラスにより作製したのが本例である。成型面の中心線表面粗さRaは0.020 mmであった。このPVAハイドロゲルの含水率は35.1%であった。実施例1と同様に共焦点レーザー顕微鏡によりPVAハイドロゲル表面性状を評価した。石英ガラス表面転写PVAハイドロゲルの表面粗さ(Ra)は、0.021 mmであった。
Example 8
Similar to Example 1, this is an example of a PVA hydrogel obtained by transferring the template surface properties and subjected to gamma-ray crosslinking. In this example, the template was made of quartz glass. The center line surface roughness Ra of the molding surface was 0.020 mm. The water content of this PVA hydrogel was 35.1%. In the same manner as in Example 1, the surface properties of the PVA hydrogel were evaluated with a confocal laser microscope. The surface roughness (Ra) of the quartz glass surface transfer PVA hydrogel was 0.021 mm.

実験例
過酷な潤滑条件で試験を行うために図5に示す一方向端面型摩擦試験機を用いた。試験機の上側に生体軟骨試料を、下側にPVAハイドロゲルを設置した。面圧を1.0 MPa、すべり速度20 mm/secとし、牛血清とリン酸緩衝液より調整した37℃の潤滑液を用いて、前述の試験機を用いて摩擦・摩耗試験を行った。PVAハイドロゲル、対合する生体軟骨ともに摩耗傷が観察された。
Experimental Example A unidirectional end face type friction tester shown in FIG. 5 was used to perform a test under severe lubrication conditions. A living cartilage sample was placed on the upper side of the testing machine, and a PVA hydrogel was placed on the lower side. A friction / wear test was performed using the above-described testing machine, using a 37 ° C. lubricating liquid prepared from bovine serum and a phosphate buffer solution with a surface pressure of 1.0 MPa and a sliding speed of 20 mm / sec. Abrasion wounds were observed for both PVA hydrogel and the living biological cartilage.

その結果、実施例6〜8はPVAハイドロゲル、対合する生体軟骨ともに、摩耗跡が残らず良好な摺動状態であった。これに対して、比較例はハイドロゲル、対合する生体軟骨ともに、摩耗跡が残った。この結果から、本発明が比較例に対して大きな優位性があることが判る。   As a result, in Examples 6 to 8, both the PVA hydrogel and the biological cartilage to be paired were in a good sliding state with no trace of wear. On the other hand, in the comparative example, both the hydrogel and the paired living cartilage remained worn. From this result, it can be seen that the present invention has a great advantage over the comparative example.

本発明によるPVAハイドロゲル人工髄核ディスクの作製方法の概要である。It is the outline | summary of the preparation methods of the PVA hydrogel artificial nucleus pulposus disk by this invention. 実施例1のPVAハイドロゲルのstress−strain曲線図である。2 is a stress-strain curve diagram of the PVA hydrogel of Example 1. FIG. 実施例1のPVAハイドロゲルのstress−modulus図である。2 is a stress-modulus diagram of the PVA hydrogel of Example 1. FIG. 実施例4のPVAハイドロゲルのガンマ線照射量による圧縮ヤング率の変化を示した図である。6 is a graph showing changes in compressive Young's modulus depending on the amount of gamma ray irradiation of the PVA hydrogel of Example 4. FIG. 実施例5に使用した一方向端面型摩擦試験機の概要図である。6 is a schematic diagram of a unidirectional end face type friction tester used in Example 5. FIG. 実施例5のPVAハイドロゲルの試験開始直後の摩擦係数を示す図である。It is a figure which shows the friction coefficient immediately after the test start of the PVA hydrogel of Example 5. FIG. 実施例5における摩擦試験前後のPVAハイドロゲルの表面顕微鏡写真である。(a)は摩擦試験前のPVAハイドロゲル表面の顕微鏡写真、(b)は摩擦試験後の25%含水率、ガンマ線未照射PVAハイドロゲル表面の顕微鏡写真、(c)は摩擦試験後の45%含水率、ガンマ線未照射のPVAハイドロゲル表面の顕微鏡写真、(d)は摩擦試験後の25%含水率、100 kGyガンマ線照射PVAハイドロゲル表面の顕微鏡写真、(e)は摩擦試験後の45%含水率、100 kGyガンマ線照射のPVAハイドロゲル表面の顕微鏡写真である。2 is a surface micrograph of a PVA hydrogel before and after a friction test in Example 5. (a) is a photomicrograph of the surface of the PVA hydrogel before the friction test, (b) is a microphotograph of the surface of the PVA hydrogel not irradiated with gamma rays, 25% after the friction test, and (c) is 45% after the friction test. Micrograph of PVA hydrogel surface without moisture content and gamma irradiation, (d) 25% moisture content after friction test, micrograph of 100 kGy gamma irradiation PVA hydrogel surface, (e) 45% after friction test It is a microscope picture of the surface of PVA hydrogel of moisture content and 100 kGy gamma ray irradiation. 実施例6に示す、アルミナ鋳型により作製されたPVAハイドロゲル人工髄核ディスクの表面の共焦点レーザー顕微鏡イメージである。It is a confocal laser microscope image of the surface of the PVA hydrogel artificial nucleus pulposus disk produced by the alumina casting_mold | template shown in Example 6. FIG. 実施例7に示す、コバルトクロム合金鋳型により作製されたPVAハイドロゲル人工髄核ディスクの表面の共焦点レーザー顕微鏡イメージである。It is a confocal laser microscope image of the surface of the PVA hydrogel artificial nucleus pulposus disk produced by the cobalt chromium alloy casting_mold | template shown in Example 7. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1・・・・・試験の荷重方向
2・・・・・ロードセル
3・・・・・上部試験片, 生体軟骨試料
4・・・・・潤滑液
5・・・・・下部試験片, PVAハイドロゲル試料
6・・・・・試験回転運動
1. Test load direction 2. Load cell 3. Upper test piece, living cartilage sample 4. Lubricating fluid 5. Lower test piece, PVA hydro Gel sample 6 ... Rotating motion of test

Claims (3)

椎間板の髄核を補綴するポリビニルアルコールハイドロゲル製の人工髄核ディスクであって、椎体軟骨と摺動する概略互いに背中合わせに配置された上下2個の摺動面とこれら摺動面間に配置された側面とを有するとともに、前記摺動面近傍部位の含水率が20〜50%であることを特徴とする人工髄核ディスク。 An artificial nucleus pulposus disk made of polyvinyl alcohol hydrogel for prosthesis of the nucleus pulposus of the intervertebral disc, which is arranged between the two upper and lower sliding surfaces that are arranged back-to-back relative to the vertebral body cartilage. And an artificial nucleus pulposus disk characterized by having a moisture content in the vicinity of the sliding surface of 20 to 50%. 前記含水率が25〜35%であることを特徴とする請求項1記載の人工髄核ディスク。 The artificial nucleus pulposus disk according to claim 1, wherein the moisture content is 25 to 35%. 前記上下摺動面に対して50〜100 kGyのガンマ線を照射する工程を含む請求項1又は2記載の人工髄核ディスクの耐摩耗性向上方法。

The method for improving the wear resistance of an artificial nucleus pulposus disk according to claim 1 or 2, comprising a step of irradiating the vertical sliding surface with gamma rays of 50 to 100 kGy.

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