JP2005312506A

JP2005312506A - 骨補填用インプラント

Info

Publication number: JP2005312506A
Application number: JP2004130939A
Authority: JP
Inventors: Izumi Wakebe; 泉分部; Daisuke Shibata; 大輔柴田
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2004-04-27
Filing date: 2004-04-27
Publication date: 2005-11-10

Abstract

【課題】術中の微調整加工時の欠けを防止して短時間で微調整加工ができるセラミック材料からなる骨補填用インプラントを提供する。
【解決手段】欠損または切除した生体骨を補填するために挿入埋設される骨補填用インプラント１であって、硬質セラミック材料からなる基体１０の表面を、規則的に配列された第１のセラミック材料からなる核材１１の外周が前記第１のセラミック材料とは異なる材料からなる外皮材１２にて囲まれた複合構造組織１３が外表面に露出した状態で覆われている構成とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、本発明は、欠損または切除した生体骨を代替する骨補填用インプラントに関する。

従来から、骨の欠損部や切除した部分の骨補填用インプラントとしてセラミック系のインプラント材料が採用され、骨のもつ生体の支持機能とか運動機能の回復を図ることが行われている。従来のセラミック系インプラント材料は、角材や丸材などのブロックおよび平板や曲面を有する板材などからなり、所望形状に削り出すことによって使用されている。通常、人の外見に殆ど影響しない部分では細かい形状よりも機能が優先されるため、削り出しもおおまかである程度の形状にすれば足りることから複雑な３次元形状が要求されることは少ない。しかし、頭蓋骨特に額や側頭部にあたる部分の骨は、段差や凹凸などが表面・皮膚に表れ人相を変えたり美貌を損ねるため、厳密な３次元形状の再現が要求されることから、術中に手術室内で手加工によるすり合わせによって微調整することが行われている。

しかし、難削材であるセラミック系インプラント材料は高硬度で脆いという性質から加工が困難であり、手術中に術者が患者の体型に合わせて微調整加工を施す際に誤ってチッピングや欠損が生じやすく、また慎重な加工のために長時間を要して、術者、患者双方の負担を増すという問題があった。

そこで、特許文献１、２には、ＣＴスキャン等の情報から患者の体型を読み取って予め三次元形状に加工し、術中に要する加工量を少なくする方法が開示されている。
特開平７−２３６６４８号公報特表２００２−５４３８６０号公報

しかしながら、特許文献１、２に開示された予め患者の体型を読み取って患者の体型に合った三次元形状のインプラントを作る方法であっても、術中の微調整は必須でありインプラントの加工時の欠けや加工時間が長いという問題を解消することはできなかった。

本発明の目的は、術中の微調整加工時の欠けを防止して短時間で微調整加工ができるセラミック材料からなる骨補填用インプラントを提供することにある。

本発明は、欠損または切除した生体骨を補填するために挿入埋設される骨補填用インプラントとして、硬質セラミック材料からなる基体の表面を、第１のセラミック材料からなる核材の外周が前記第１のセラミック材料とは異なる材料からなる外皮材にて囲まれた複合構造組織が外表面に露出した状態で覆われている構成とした。かかる構成によって、前記複合構造組織部分を術中に微調整加工すれば、加工によるインプラントの欠けが防止されるとともに、安心して加工ができることから加工時間の短縮にもつながる。

ここで、前記複合構造組織の厚みが１００μｍ〜５ｍｍであることが、インプラントの高強度を維持しつつ安定した微調整加工が可能な点で望ましい。

また、前記核材の気孔率が５％以下であり、かつ前記外皮材の気孔率が２５％以上で三次元に連通した気孔を有することが、機械的強度に優れインプラントの変形を防止しつつ、加工の容易性、およびインプラント自体への血液循環性が向上して骨の再生を促すことができる点で望ましい。

さらに、前記複合構造組織の核材の平均直径が１０〜１０００μｍであり、かつ該核材の前記骨頭部表面における面積比率が６０〜９５面積％であることが、機械的強度と摩耗量を最適化する点で望ましい。

さらには、前記前記基体の両主面が前記複合構造組織にて覆われていることが、インプラントの両面についての加工性を向上できる点で望ましい。

上記本発明のインプラントは、硬質セラミック材料からなる基体の表面を、第１のセラミック材料からなる核材の外周が前記第１のセラミック材料とは異なる材料からなる外皮材にて囲まれた複合構造組織が外表面に露出した状態で覆われている構成とし、前記複合構造組織部分を術中に微調整加工することによって、加工によるインプラントの欠けが防止されるとともに、安心して加工ができることから加工時間の短縮にもつながる。

以下、本発明のインプラントについて、その要部拡大断面図である図１を基に説明する。

インプラント１は、欠損または切除した生体骨を補填するために挿入埋設される骨補填用インプラントとして、図１に示すように、硬質セラミック材料からなる基体１０の表面を、規則的に配列された第１のセラミック材料からなる核材１１の外周が第１のセラミック材料１１とは異なる材料からなる外皮材１２にて囲まれた複合構造組織１３が外表面に露出した状態で覆われている構成からなることを特徴とする。かかる構成によって、複合構造組織１３部分を術中に微調整加工すれば、加工によるインプラント１の欠けが防止されるとともに、安心して加工ができることから加工時間の短縮にもつながる。

ここで、インプラント１の全体が複合構造組織１３にて構成されている場合、加工性は高いものの機械的強度が低下する場合があり、機械的信頼性が低いという問題がある。

本発明によれば、核材１１が規則的に配列するので、不規則配列と比較して構造上の強度の偏りがなく、骨芽細胞の生成も均一であるという利点がある。また、この核材１１の周囲を生体親和性の高い外皮材１２で囲んでいるので、インプラント表面に衝撃がかかるような場合でも欠損する危険性が小さい。

なお、核材１１は、例えば図３では六角形の断面形状を呈するが、本発明はこれに限定されるものではなく、円形または他の多角形、さらには一方向に長い細長形状をなしていてもよい。

核材１１の構成材料としては、硬度に優れるという理由から、例えば、アルミナ、ジルコニア、窒化ケイ素、炭化ケイ素等のセラミックスを用いることができるが、本発明においては、特に強度が高く安定性のあるアルミナが特に好適である。一方、外皮材１２の構成材料としては、核材１１よりも靭性または生体親和性に富んだ材料が用いられることが望ましく、例えば、ジルコニア、リン酸カルシウム化合物等のセラミック材料、または金属や有機樹脂も用いることができる。

ここで、複合構造組織１３の厚みが１００μｍ〜５ｍｍであることが、インプラント１の高強度を維持しつつ安定した微調整加工が可能な点で望ましい。

さらに、複合構造組織１３の核材１１の平均直径が１０〜１０００μｍであり、かつ核材１１のインプラント１の表面における面積比率が６０〜９５面積％であることが、機械的強度と摩耗量を最適化する点で望ましい。

なお、複合構造組織１３の核材１１の気孔率が５％以下、特に２％以下であり、かつ外皮材１２の気孔率が２５％以上、特に４０〜９０％、さらに４５〜７０％で三次元に連通した気孔を有することが、機械的強度に優れインプラント１の変形を防止しつつ、加工の容易性、およびインプラント１自体の生体骨との生体親和性を高め骨芽細胞の増殖および骨の再生を促す点で望ましい。

なお、基体１０の構成材料としては、例えば、アルミナ、ジルコニア、窒化ケイ素、炭化ケイ素等のセラミックス等の強度および硬度に優れる材料を用いることができるが、本発明においては、基体１０が、特に、上述した核材１１をなす第１の材料にて形成された均一組織からなることが、インプラント１自体の硬度が高く、かつインプラント１の内部と表面組織（複合構造組織１３）との密着力が高める点で望ましい。

ここで、複合構造組織１３の断面における核材１１の面積ｃ１と外皮材１２の面積ｓ１との面積比ｃ１／ｓ１が１〜１０の間であるときに強度に優れるとともに高い生体親和性を有し、望ましくは1〜５であり、さらに望ましくは１〜３である。

本発明において用いる複合構造組織１３の表皮材１２としては生体親和性の多孔質セラミックスとして一般的に知られているリン酸カルシウム化合物が好適で、例えばリン酸三カルシウムＴＣＰ（Ｃａ_３（ＰＯ_４）_２）、リン酸四カルシウム（Ｃａ_４（ＰＯ_４）_２Ｏ）、リン酸八カルシウム（Ｃａ_８Ｈ_２（ＰＯ_４）_６・５Ｈ_２Ｏ）、リン酸一水素カルシウム（ＣａＨＰＯ_４）、リン酸二水素カルシウム（Ｃａ（Ｈ_２ＰＯ_４）・Ｈ_２Ｏ）、ハイドロキシアパタイトＨＡＰ（Ｃａ_１０（ＰＯ_４）_６（ＯＨ）_２）、ジルコニア（ＺｒＯ_２）などの無機材質、または、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリアリルエーテルケトンのようなケトン系樹脂や、ポリフェニレンサルフィド、ポリサルフォン等の熱可塑性樹脂が挙げられる。本発明では、これらのうちの１種または２種以上を任意に組み合せて用いることができる。このような生体用樹脂材料中には、例えば、安定剤、強化材のような各種添加剤が添加されていてもよい。

また、表皮材１２をなすセラミックスの結晶粒子の平均二次粒径は、骨芽細胞を成長させるに必要な気孔を保持する為に１０〜３００μｍ、望ましくは５０〜２００μｍであることがよい。一方、芯材１１をなす緻密なセラミックスあるいは金属は靭性および強度向上の点で０．１〜１０μｍ、特に０．５〜３μｍであることが望ましい。

さらに本発明の芯材ｃと表皮材ｓの面積比およびそれぞれの気孔率を制御することにより複合構造体のヤング率を調節することも可能であり、例えば生体骨のヤング率３０ＧＰａ程度に制御することにより、骨補填材料としてより好適なものとなる。

なお、本発明のインプラントは、例えば、頭蓋骨、骨盤、大腿骨等の一部が欠損した場合の補填用として好適に適用することができる。

（製造方法）
次に、本発明の骨補填用インプラントを製造する方法について、好適例を挙げて説明する。

まず、骨頭部の表面を形成する複合表面組織を作製する方法について、核材がアルミナ、外皮材がハイドロキシアパタイトの場合を例として図４の模式図をもとに説明する。

まず、平均粒径０．０１〜３．５μｍのアルミナ粉末に適宜助剤を添加・混合し、これにパラフィンワックス、ポリスチレン、ポリエチレン、エチレン−エチルアクリレ−ト、エチレン−ビニルアセテート、ポリブチルメタクリレート、ポリエチレングリコール、ジブチルフタレート等の有機バインダを添加、混錬して、プレス成形、押出成形または鋳込成形等の成形方法により円柱形状に核材用成形体２１を作製する。

一方、平均粒径０．１〜１００μｍのハイドロキシアパタイト原料粉末に前述のバインダ等に加え適宜、分散剤・発泡剤・消泡剤を添加、混錬して、プレス成形、押出成形または鋳込成形等の成形方法により半割円筒形状の２本の外皮材用成形体２２を作製する。

本発明によれば、外皮材１２の気孔率を２５％以上に制御するために上記外皮材用成形体２２用の原料を混合するに際して、前記有機バインダの添加量を１００〜２００体積部、特に１２０〜１５０体積部とすることが望ましい。また、前記ハイドロキシアパタイト原料粉末は二次粒子径が２０〜４００μｍ、特に５０〜２００μｍに造粒しておいたほうが均一な気孔径および組織を作製する点で望ましい。

次に、核材用成形体２１の外周に２本の外皮材用成形体２２を配した複合成形体２３を作製し、この複合成形体２３を共押出成形する（核材用成形体２１、および外皮材用成形体２２を同時に押出成形する）ことにより核材用成形体２１の外周に外皮材用成形体２２が被覆され細い径に伸延された単芯成形体２４を作製する（工程（ｂ）参照）。また、マルチ繊維（フィラメント）タイプの多芯成形体２５を作製するには、上記共押出しした長尺状の単芯成形体２４を複数本収束して再度共押出し成形すればよく、この方法によれば、成形体中の単芯成形体２４同士のより強固な密着性を得ることができる。（図４（ｃ）参照）。

なお、上記共押出成形においては、口金を変えること等により、上記伸延された長尺状の単芯成形体２４または多芯成形体２５の断面形状を、円形、三角形、四角形または六角形等の所望の形状に成形することも可能である。

また、本発明によれば、図３に示したような、複合繊維体１８、または単芯繊維体１７をシート状に集束した複合繊維体１８を形成する場合には、前述のようにして作製した複合繊維体１８、または単芯繊維体１７を束ねて集合成形体２８を形成する。さらには、シート状成形体を作製する場合には単芯成形体２４または多芯成形体２５を整列させる際に公知のラピッドプロトタイピング法などの成形法を用いて予め所望の複雑な形状に成形することも可能である。

そして、上記集合成形体２８を前記繊維体の繊維方向と直交する方向に切断してシート状の成形体とする。その場合、複合成形体１、または単芯繊維体１７間に所望により上記バインダなどの接着材を介在させ、さらに、このシート状成形体に冷間静水圧プレス（ＣＩＰ）などによって圧力を印加するものであってもよいが、必要に応じ、ロール等を用いてシート状成形体をロール圧延成形することも可能である。

その後、別途準備したセラミック基体、またはその成形体の表面に前記成形体を貼り付けた状態で脱バインダ処理した後、焼成することにより上記骨頭部を作製することができる。焼成方法は、芯材および表皮材によって、真空または雰囲気焼成、ガス圧焼成、ホットプレス、放電プラズマ焼結法などが用いられる。焼成温度は７５０℃〜１３００℃とすることが望ましい。

平均粒径０．３μｍのアルミナ粉末に対して、バインダ、および滑剤を合計で８５質量部の割合で添加、混錬した後、プレス成形により円柱形状の核材用成形体を作製した。一方、平均粒径０．２μｍのアパタイト粉末に対して、バインダ、および滑剤を合計で１２０質量部の割合で添加、混錬した後、プレス成形により半割円筒状の外皮材用成形体を２本作製し、核材用成形体の周囲に図４に示すように外皮材用成形体を被覆した複合成形体を作製した。

次に、前記複合成形体を共押出して伸延された単芯形成体を並列に並べて集合成形体を作製しＣＩＰ加圧した後、この集合成形体を繊維方向と直交する方向に０．３ｍｍの厚さでスライスしてシート状成形体を得た。

そして、このシート状成形体を、別途成形したアルミナ粉末からなる基体用の成形体の両主面に貼り合わせて、３００〜７００℃まで７２時間で昇温させることによって脱バインダ処理を行った後、昇温速度２．５℃／分でさらに昇温し、真空中、１２００℃で２時間焼成し、さらに３℃／分で降温した。得られたインプラントはクラックや剥離もなく良好な組織状態を呈していた。

得られた焼結体（試験片）をφ１０×３０ｍｍのサイズに加工し、ＪＩＳＲ１６０１に基づく３点曲げ試験に供し曲げ強度を測定したところ、６５０ＭＰａであった。

さらに、得られた複合構造体の研磨した横断面を金属顕微鏡または走査型電子顕微鏡にて観察し、画像解析法にて核材と外皮材との面積比率ｃ／ｓを算出したところ、面積比率ｃ／ｓは５であった。また、この組織観察写真から核材中に含まれる気孔の面積比率を測定して芯材中の気孔率を算出したところ０．２％であった。さらには、水銀圧入法にて気孔率を算出し、上記核材と外皮材との面積比率および核材の気孔率の見積もりと併せて外皮材の気孔率を算出した結果、外皮材の気孔率は０．１％であった。

さらに、上記成形体形状を、想定した模擬的な頭蓋骨形状として焼成し、表面を粗く研磨した後、形状の微調整加工を施して加工に要した時間を測定したところ、１０分であった。また、加工面はクラックもなく良好な表面状態であった。

（比較例１）
実施例１のシート状成形体を基体の表面に貼り合わせることなく、均一なアルミナ成形体のみを用いてインプラントおよび試験片を作製した。実施例１と同様に評価した結果、３点曲げ強度が６６０ＭＰａとなった。

また、実施例１と同様に模擬的な頭蓋骨形状の成形体を焼成したところ、焼結体は若干の補正が必要な形状であったが、焼結体の硬度が高すぎて加工が困難であることから成形体形状を補正する必要があることがわかった。

（比較例２）
実施例１のインプラントおよび試験片をシート状成形体のみにて作製し、実施例１と同様の評価を行った結果、３点曲げ強度が５０ＭＰａとなった。また、得られた焼結体について微調整加工を行ったところ、加工中にクラックが発生して割れてしまった。

本発明のインプラントの好適例を説明するための模式図である。本発明のインプラントの要部拡大図である。本発明のインプラントに含有される複合構造組織の構成を説明するための図であり、（ａ）断面（表面）図、（ｂ）斜視図である。本発明のインプラントに含有される複合構造組織の製造方法の一例を説明するための工程図である。

符号の説明

１インプラント
１０基体
１１核材
１２外皮材
１３複合繊維組織
２１核材用成形体
２２外皮材用成形体
２３複合成形体
２４単芯成形体
２５多芯成形体
２８集合成形体

Claims

欠損または切除した生体骨を補填するために挿入埋設される骨補填用インプラントであって、硬質セラミック材料からなる基体の表面を、第１のセラミック材料からなる核材の外周が前記第１のセラミック材料とは異なる材料からなる外皮材にて囲まれた複合構造組織が外表面に露出した状態で覆われている骨補填用インプラント。
前記複合構造組織の厚みが１００μｍ〜５ｍｍである請求項１記載の骨補填用インプラント。
前記核材の気孔率が５％以下であり、かつ前記外皮材の気孔率が２５％以上で三次元に連通した気孔を有する請求項１または２記載の骨補填用インプラント。
前記複合構造組織の核材の平均直径が１０〜１０００μｍであり、かつ該核材の前記骨頭部表面における面積比率が６０〜９５面積％である請求項１乃至３のいずれか記載の骨補填用インプラント。
前記基体の両主面が前記複合構造組織にて覆われている請求項１乃至４のいずれか記載の骨補填用インプラント。