JP2008114029A - 細胞融合による組織結合型人工骨 - Google Patents

Abstract

【課題】人工骨、人工関節用部材に関し、生体骨組織との強固な結合を早期に実現することを目的とした、細胞・組織の生着が速やかに生じる人工骨を提供する。
【解決手段】骨と接する人工骨の界面に、間葉系幹細胞もしくは骨芽細胞が担持される空間として孔の直径が７５μｍから５００μｍの範囲の開孔が開孔面積全体の７０％以上の比率、もしくは曲率半径が３７．５μｍから２５０μｍの範囲に相当する窪みが窪み全体の面積の７０％以上の比率、もしくは直径が７５μｍから５００μｍの範囲の開孔及び曲率半径が３７．５μｍから２５０μｍの範囲に相当する窪みの合計が開孔及び窪み全体面積の７０％以上を設けた人工骨部材。
【選択図】図３

Description

本発明は、人工骨、人工関節として使用される生体用インプラント部材に関し、生体骨組織との強固な結合を早期に実現することを目的として、細胞融合が速やかに生じる人工骨に関するものである。

骨や関節の重い疾病で骨組織を切除した場合、切除部分を補填するために患者の腸骨などを切り取り、移植骨として用いる方法や、もし切除が広範な場合にはセラミックスや金属、あるいはポリマーなどの生体材料で作られた人工骨・人工関節が広く用いられている。

このような人工骨や人工関節を固定する方法としては、ポリメチルメタアクリレート骨セメントを練和し、骨と人工骨の境界部に練り込み、骨セメントを１０〜１５分の短時間で重合・硬化させることによって、短時間で骨に固定する方法と、周囲の骨組織から人工骨の界面に新生骨の骨進入を図り、これによって固定する方法に大別される。

骨セメントを用いる前者の方法では、人工骨の再手術の場合には骨セメントを全て除去する必要があり、骨欠損部がさらに大きくなるという欠点があり、一方新生骨の骨癒合に期待する後者の場合、新生骨の成長と進入には通常数ヶ月を要し、この間は患部を固定する必要があり、長期間の安静治療が必要となることから患者の大きな負担が生じる。

新生骨の成長を早めるために燐酸カルシウム系の材料のコーティングや骨との固定性向上の目的で、骨と接する人工骨の界面に多孔構造を設けるなどの工夫が永年実行されてきたが、速やかな骨との固定は未だ得られていない。

近年、ヒト細胞を体外で培養し、これを培養骨、もしくは培養骨芽細胞として骨の切除部分に移植する方法が研究され、本発明者が共同発表者として発表している。（非特許文献１）また効率的なヒト細胞培養法に関しても特許出願がされており、本発明者が細胞培養に関する特許の発明者の１人として既に公開されている。（特許文献１）

また人工骨に関してはいくつかの特許出願がされており、特開２００３−１６４５１６では純度９５％以上の緻密質セラミックスから成る人工骨基材の表面に表面粗さＲａ４〜４０μｍの丸みを帯びた凹凸が形成されていること、さらに二次的なＲａ０．１〜３．９μｍの凹凸が形成されていることを特長としており、明らかに本発明とは異なる。また特開２００３−３８６３６では燐酸カルシウム系焼結体からなる生体用セラミックス多孔質部材で多数の気孔が三次元的に密に分布し、孔径５μｍ以上の開気孔の気孔体積が８０％以上占めることを特長とすることから本発明とは異なる。特開２００３−９３０５２では繊維状リン酸カルシウム化合物の係合により形成された直径が１００〜５００μｍの範囲にある気孔から構成される気孔連続体を含み、かつ全体の気孔率が７０〜９０％の範囲にある多孔質リン酸カルシウム化合物シートを用いて骨芽細胞を培養することを特長とする骨芽細胞の培養方法、及び培養シートであり、本発明とは異なる。また、特開２００３−８８５７８では、リン酸カルシウム系の多孔質セラミックからなる人工骨で表面の骨組織との接合面をなす部分の表面粗さをＲａ０．５〜５０μｍの範囲とすることを特長としており、これも本発明とは異なる。
特開２００６−５５１０６ 特開２００３−１６４５１６ 特開２００３−３８６３６ 特開２００３−９３０５２ 特開２００３−８８５７８ Ｈ．Ｏｈｇｕｓｈｉ，Ｈ．Ｍａｃｈｉｄａ，Ａ，Ｏｓｈｉｍａ，Ｎ．Ｋｏｔｏｂｕｋｉ，Ｍ．Ｈｉｒｏｓｅ，Ａ．Ｆｕｊｉｓａｗａ，Ｙ．Ｔａｎａｋａ，ａｎｄ Ｙ．Ｔａｋａｋｕｒａ：Ｏｓｔｅｏｇｅｎｉｃ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｔｉｏｎ ｏｆ Ｍａｒｒｏｗ Ｍｅｓｅｎｃｈｙｍａｌ Ｓｔｅｍ Ｃｅｌｌｓ（ＭＳＣｓ）ｏｎ Ｃｅｒａｍｉｃ Ｔｏｔａｌ Ｊｏｉｎｔｓ−Ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ ｏｆ Ｐａｔｉｅｎｔ’ｓ Ｓｅｒｕｍ ｆｏｒ Ｐｒｏｌｉｆｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｔｉｏｎ ｏｆ ＭＳＣｓ、Ｋｅｙ Ｅｎｇ．Ｍａｔｅｒ．２００６；３０９−３１１：１３８３−１３８６．

本発明は、ヒトに移植するために培養した間葉系幹細胞もしくは間葉系幹細胞から分化させた骨芽細胞の活性を維持したまま人工骨に搭載し、これを移植することにより移植部位の骨に対する、人工骨の早期の生着固定を得ることを目的とする。

培養した間葉系幹細胞、もしくは間葉系幹細胞を分化し得られた骨芽細胞を、その活性を維持したまま人工骨に搭載する場合に、人工骨の界面にこれらの細胞の大きさよりやや大きな直径を有する開孔、もしくは窪みを設けることにより、細胞を担持することができる。
すなわち、培養した間葉系幹細胞は、培養皿の底面に付着しており、トリプシンあるいは同様の作用を持つプロテアーゼ等の細胞解離剤を用いて細胞を培養皿の底面から全て剥離し、細胞相互の凝着も解かれた浮遊状態で、洗浄を繰り返し行い、リンゲル液、生理的食塩水等の液に懸濁された状態に置かれる。骨芽細胞に分化させるには、このような間葉系幹細胞を人工骨に播種し、デキサメサゾン等を添加してさらに培養を行うことにより得ることができる。

間葉系幹細胞は、紡錘形を成しており培養皿に付着している状態では、その中央部の直径は１０μｍ〜２０μｍ、長さは５０μｍ〜１００μｍの大きさであり、浮遊状態ではやや丸みを帯びて形で１５〜２０μｍの大きさである。

図１に培養皿の底面に付着した間葉系幹細胞の顕微鏡による拡大写真を示す。
間葉系幹細胞が人工骨に付着した状態は、培養皿底面に付着した状態と同一と考えることができる。また、骨芽細胞が成長するのに必要なスペースは、動物実験により少なくとも１００μｍ、望ましくは１５０μｍ以上必要であり、従って、間葉系幹細胞を人工骨に担持するスペースとして骨芽細胞への分化を考慮すれば直径が７５μｍから５００μｍの範囲の開孔、もしくは曲率半径が３７．５μｍから２５０μｍの範囲の窪みが最適である。

なお、培養過程で骨芽細胞に分化させてから移植する方法と、間葉系幹細胞を人工骨と共に骨に移植し、骨内において骨芽細胞を経て骨組織に成長させる方法の２つの方法があるが、人工骨の担持スペースは共通の数値範囲である。
また、上記の範囲の開孔、もしくは窪みの割合が、骨を生着させる面積の７０％以上を占めることにより、人工骨は周囲の骨に確実に生着固定することができる。

人工骨の孔、もしくは窪みに搭載される間葉系幹細胞、もしくは骨芽細胞は、骨に移植後に速やかに増殖、及び分化することが望まれる。従ってこれらの移植直前の培養間葉系幹細胞、もしくは培養骨芽細胞は、高いｖｉａｂｉｌｉｔｙを持つことが必要とされる。
５０％以上のｖｉａｂｉｌｉｔｙ、望ましくは８０％以上のｖｉａｂｉｌｉｔｙを持つことにより、移植後にこれらの細胞の増殖、及び分化による人工骨の生着効果が発揮される。

人工骨の材料として、アルミナ、ジルコニア、水酸アパタイト焼結体、燐酸三カルシウムなどの生体セラミックスや、チタン、チタン合金、ステンレス鋼等の生体用金属材料、もしくはポリメチルメタアクリレート、ポリスチレン、ポリエーテルサルホン、ポリエーテルエーテルケトン等の生体用ポリマー材が移植後の新生骨の生着に効果を発揮する。

さらに、金属材料を用いる場合には、その表面に水酸アパタイト、燐酸三カルシウム等の燐酸カルシウム化合物の少なくとも１つの種類を厚さ５μｍから７０μｍの範囲のコーティングを施すことによって、金属製人工骨の移植後の新生骨の人工骨周囲への増殖が一層促される。この場合、新生骨の増殖を促すのは、あくまで骨組織と接する表面の物質であり、従って燐酸カルシウム系のコーティング材料の厚さは５μｍから７０μｍの範囲が適切であり、これよりも厚さが大きい場合には、金属材料とセラミックス材料との熱膨張率や弾性率の大きな差によって、コーティング材料の剥離や脱離といった好ましくない現象が生じる。

本発明により、培養した間葉系幹細胞、もしくは骨芽細胞を人工骨に搭載し、骨内に移植するに際して、これらの細胞が脱落することを防止することができ、かつ人工骨を骨内に移植した後にこれらの細胞が速やかに成長、分化することを可能ならしめるスペースを確保することができる。これによって移植した人工骨が周囲の骨に速やかに生着することが可能となる。また一つの開孔もしくは窪みに複数の間葉系幹細胞、もしくは骨芽細胞が収納される場合、培養した細胞を有効に活用するためには骨芽細胞の成長を考慮し１０個以内にとどめることが望ましい。

以下、本発明の一実施形態を、図を用いて説明するが、本発明がこれら実施例に限定されないことはいうまでもない。
図２において、１は骨セメントに用いられるポリメチルメタアクリレートの粉末とメチルメタアクリレートのモノマーの液体を練和して成形した円盤状の人工骨の断面を表しており、２は平均直径３００μｍの球形のワックスで作られており、このワックスは摂氏１００度未満で容易に融解する。
２は、１が練和直後の軟らかい時に直径の約６５％が１に埋め込まれた状態の断面を示している。３は、２と同じワックス製の顆粒が埋め込まれている外観の状態を示し、多数埋め込まれている状態である。この状態で、１５〜３０分間静置することにより、メチルメタアクリレートが重合硬化する。

図３は、硬化後に摂氏１００度の沸騰水に浸し、ワックスが融解し流出したことにより多数の孔が形成された状態を表す。図中の番号は共通で、１は円盤状の人工骨の断面、４はワックスの流出により形成された直径３００μｍの孔の断面、５は孔の外観を表し、多数の孔が形成されている状態を示す。
図３の人工骨の孔が形成されている部分に、培養した間葉系幹細胞、もしくは培養した骨芽細胞を搭載し、骨内に移植する。これによって細胞は人工骨の孔内にしっかりと担持され、脱落することなく骨内に移植後は成長し、人工骨の早期固定が図られる。

図４は人工頭蓋骨に対する実施例で、図中６は、ポリメチルメタアクリレート製の人工頭蓋骨を表し、７はその断面、８は孔の断面、９は孔の外観を表す。人工頭蓋骨の厚さは５〜１０ｍｍあり、孔の大きさは相対的に大きく拡大し、描いている。骨と接する人工頭蓋骨の外周に多数の孔を設け、骨芽細胞、もしくは間葉系幹細胞をこの孔に入れ、患部に装着する。培養細胞を搭載せずに使用した場合も速やかに骨との生着が図られる。

この人工骨を頭蓋骨に固定した場合に、新生骨が人工骨の周囲に生着する間しっかりと固定しておく必要がある。しっかりとした固定を得るためには、人工骨の全周囲が骨に密着すればしっかりした初期固定が得られるが、このためには高精度の計測と人工骨の加工精度が求められ、実用のためには高いコストを要する。人工骨の２〜３点を周囲の骨に強く固定し、他の周囲部分は０．３〜１．０ｍｍの範囲の空間を設けることにより空間に新生骨が増殖し易くなり、また製造のコストも大幅に低減される。

産業状の利用の可能性

本発明は、人工骨に細胞が早期に生着しやすい形態を付与し、これによって人工骨、及び人工関節の性能の改良に大きく貢献する。さらに、人工骨・人工関節に、培養した細胞及び組織を搭載し、治療に用いることにより治療成績を大幅に向上させることが可能で、このような細胞・組織工学技術を実用化、産業化する上でも重要な意味・役割を果たす発明である。

図１は、ヒト骨髄由来の間葉系幹細胞の培養皿底面に付着した状態の１００倍拡大像を示す。 図２は、本発明に係る製造工程の一例を示し、図中１はポリメタアクリレート骨セメントを練和し、円盤状に成形した人工骨、２は摂氏１００度以下で融解するワックスで作成した直径３００μｍの顆粒を，１に押し込んだ状態の断面を示し、３は顆粒の外面で多数が埋め込まれている状態を示す。 図３は、図２に示す人工骨を摂氏１００度の熱水中に２０〜３０分間浸してワックス製の顆粒を除き、この部分に多くの孔ができた状態の断面図を示す。図中の４は直径３００μｍの孔の断面、５はこのような孔の開孔部を示す。なお１は共通である。 図４は、本発明に係る頭蓋骨の一例である。図中の６はポリメタアクリレート製の人工頭蓋骨、７はその断面、８は骨と接する部分に本発明に係る方法で作成した直径３００μｍの孔の断面、９はこの開孔部を表す。孔の大きさは頭蓋骨の厚さに比べて相対的に大きく拡大し、描いている。骨と接する人工頭蓋骨の外周に多数の孔を設け、骨芽細胞、もしくは間葉系幹細胞をこの孔に入れた状態で患部に装着する。

Claims (8)

1. 骨と接する人工骨の界面に、間葉系幹細胞もしくは間葉系幹細胞から分化した骨芽細胞が担持される空間として、孔の直径が７５μｍから５００μｍの範囲の開孔が、開孔面積全体の７０％以上の比率、もしくは曲率半径が３７．５μｍから２５０μｍの範囲に相当する窪みが窪み全体の面積の７０％以上の比率、もしくは直径が７５μｍから５００μｍの範囲の開孔及び曲率半径が３７．５μｍから２５０μｍの範囲に相当する窪みの合計が、開孔及び窪み全体面積の７０％以上を設けたことを特徴とする人工骨。
2. 前記請求項１で、アルミナ、ジルコニア、水酸アパタイト、燐酸三カルシウム等の中の少なくとも一つの生体用セラミックスから構成されることを特徴とする人工骨。
3. 前記請求項１で、チタン、チタン合金、ステンレス鋼等の生体用金属材料の中の少なくとも１つから構成されることを特徴とする人工骨。
4. 前記請求項１で、チタン、チタン合金、ステンレス鋼等の生体用金属材料の骨と接する界面に水酸アパタイト、燐酸三カルシウム等の燐酸カルシウム化合物の少なくとも１つの種類を厚さ５μｍから７０μｍの範囲のコーティングを行ったことを特徴とする人工骨。
5. 前記請求項１で、ポリメチルメタアクリレート、ポリスチレン、ポリエーテルサルホン、ポリエーテルエーテルケトン等の生体用ポリマー材の少なくとも１種類から構成されることを特徴とする人工骨。
6. 人工骨と骨との接触に関して、人工骨の２点、もしくは３点で骨と直接的に強く接して固定性を確保し、その他の接触部位は、０．３〜１．０ｍｍの範囲の空間を設けることにより緩やかな接触とすることにより、緩やかな接触部位に新生骨の増殖進入を容易ならしめ、かつ初期の固定性を確保したことを特長とする前記請求項２，３，４，もしくは５のいずれかに記載の人工骨。
7. 摂氏１００度未満で融解、蒸散もしくは昇華するワックス、樟脳等の易熱消失性材料にて平均直径７５μｍから５００μｍの範囲の顆粒を作成し、骨セメントを材料とする人工骨の製造の目的でポリメチルメタアクリレート骨セメントを練和し、骨と接する人工骨の部分に、前記の顆粒を顆粒直径の９０〜５０パーセントを圧入することにより固定し、その状態で自己重合硬化させた後、摂氏８５〜１００度の温水に浸すことにより熱消失性材料を消去することにより平均径７５μｍから５００μｍの範囲の開孔、もしくは平均曲率半径が３７．５μｍから２５０μｍの範囲の窪みを得ると共に、加熱により未重合のモノマーを減じたことを特長とする前記請求項１記載の人工骨。
8. ｖｉａｂｉｌｉｔｙが５０％以上、望ましくは８０％以上の培養した間葉系幹細胞、もしくは間葉系幹細胞から分化した骨芽細胞を搭載したことを特徴とする前記請求項１，２，３，４，５，６，もしくは７のいずれかに記載の人工骨

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