JP2008272385A - Biological implant material, its production method, and application - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a biological implant material, its production method, and application. <P>SOLUTION: A biomaterial having a surface structure having controlled size, shape and connection of surface microspaces, has (1) a surface structure in which spaces formed by connecting groove-like spaces or hole-like spaces are connected by grooves narrower than the hole-like spaces, and which has a recessed/projecting structure of not less than 50 μm and not more than 1000 μm for introducing bone tissue, and (2) an axial symmetric property of luminescent spots corresponding to a spatial frequency to the periodicity of the recessed/projecting structure to luminescent spots corresponding to a wave number 0 in a power spectrum of height information of the recessed/projecting structure of the surface relative to a binarized image of a two-dimensional map; and further its manufacturing method, and biological implant and a cell culture carrier as its applications are provided. Thus, biomaterials such as the biological implant having the surface structure suitable for the intrusion of osseous tissue and the blood vessel are provided. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、生体インプラント材及びその作製方法と用途に関するものであり、更に詳しくは、表面微細空間の大きさ、形状ならびにそれらの連結構造が制御された表面構造を有し、例えば、新生血管を伴った組織を表面の微細空間内に効率よく誘導し得る特定の表面構造を有し、かつデザインされた表面構造を設計通りに再現することが容易である生体インプラント材等の生体材料及びその作製方法と用途に関するものである。   The present invention relates to a biological implant material and a method for producing the same, and more specifically, and more specifically, has a surface structure in which the size and shape of a surface microspace and the connection structure thereof are controlled. A biomaterial such as a bioimplant material having a specific surface structure capable of efficiently guiding the accompanying tissue into the surface fine space, and easily reproducing the designed surface structure as designed, and its production It relates to methods and applications.

骨侵入を目的とした表面構造を形成する方法として、例えば、粒子径の異なる粉末を溶射し、多孔質皮膜を得る方法(特許文献1、2参照)や、アークスプレーにより粗面を得る方法(特許文献3参照)、チタン繊維の不繊材又は焼結体を用いる方法(特許文献4参照)、チタンビーズを人工関節表面に拡散融着する方法(特許文献5参照)、リン酸カルシウム系焼結体からなる球状の気孔を有する多孔質を人工関節表面に固定する方法(特許文献6参照)等が提案されているが、これらの表面構造の形成方法は、間接的、確率的な構造制御法であるため、デザインされた表面構造を設計通りに再現することが非常に困難である。メッシュを積層する方法(特許文献7参照)も提案されているが、デザインされた孔を表面に形成することは可能であるが、連続した溝構造を表面に形成できない。   As a method of forming a surface structure for the purpose of bone penetration, for example, a method of spraying powders having different particle diameters to obtain a porous coating (see Patent Documents 1 and 2), or a method of obtaining a rough surface by arc spray ( Patent Document 3), a method using a titanium fiber non-woven material or sintered body (see Patent Document 4), a method in which titanium beads are diffused and fused to the artificial joint surface (see Patent Document 5), a calcium phosphate-based sintered body A method of fixing a porous material having spherical pores composed of the above to the surface of an artificial joint has been proposed (see Patent Document 6). However, these surface structures are formed by an indirect and stochastic structure control method. Therefore, it is very difficult to reproduce the designed surface structure as designed. A method of laminating meshes (see Patent Document 7) has also been proposed, but a designed hole can be formed on the surface, but a continuous groove structure cannot be formed on the surface.

また、表面の凹凸形状は確率的に形成されるため、偶然的に組織形成に適した大きさの穴が形成されることもあるが、組織形成に適さない大きさの穴が多数形成されるという問題がある。このような組織形成に適さない大きさの穴において、特に組織侵入に適さない小さな穴には血管を伴った組織が侵入できず、この部分で血流が低下する恐れがある。   In addition, since the uneven shape on the surface is formed stochastically, a hole having a size suitable for tissue formation may be formed by chance, but many holes having a size not suitable for tissue formation are formed. There is a problem. In such a hole having a size unsuitable for tissue formation, a tissue with a blood vessel cannot enter into a small hole particularly unsuitable for tissue invasion, and there is a possibility that blood flow may decrease in this portion.

人工関節置換術は、クリーンルームを用いた場合においても、2−4%程度の割合で、初期感染を発症するという統計があるが、このような感染の原因は、人工物の周囲で血流が不足して、免疫機能が低下することも一因とされている。また、骨セメントを用いないセメントレスの場合は、抗生物質を骨セメントとともに注入することができず、血管からの薬剤投与に頼らざるを得ないが、インプラントの周囲で血流が不足している場合は、血管を経由した薬剤の輸送が有効に機能せず、その効果が限定的なものになる。   There is a statistic that artificial joint replacement has an initial infection rate of about 2-4% even when a clean room is used. The cause of such infection is blood flow around the artificial object. This is also due to the lack of immune function. In addition, in the case of cementless without using bone cement, antibiotics cannot be injected together with bone cement, and it is necessary to rely on drug administration from blood vessels, but there is insufficient blood flow around the implant. In this case, the transport of the drug via the blood vessel does not function effectively, and the effect is limited.

このように、これまで、生体インプラント等の生体材料の表面に骨形成や新生血管を伴った生体組織の侵入に好適となるような表面の微構造を有するような生体インプラント材等の生体材料は、知られていなかったのが実情である。   Thus, until now, biomaterials such as bioimplant materials that have a surface microstructure that is suitable for bone formation and invasion of biotissues with new blood vessels on the surface of biomaterials such as bioimplants have been The fact is that it was not known.

特許第2710849号公報Japanese Patent No. 2710849 特開平5−056990号公報JP-A-5-056990 特開平5−146504号公報JP-A-5-146504 特開2004−16398号公報JP 2004-16398 A 特開2004−141234号公報JP 2004-141234 A 特開2002−102329号公報JP 2002-102329 A 特開平6−7388号公報JP-A-6-7388

このような状況の中で、本発明者らは、上記従来技術に鑑みて、生体組織の侵入に好適な表面構造を有する生体インプラント材を開発することを目標として鋭意研究を積み重ねた結果、例えば、少なくとも、表面微細空間の大きさ、形状ならびにその連結が制御された表面構造を有する生体インプラント材等において、新生血管を伴った組織を表面の微細空間内に効率よく誘導し得ることを見出し、本発明を完成するに至った。本発明は、表面微細空間の大きさ、形状ならびにそれらの連続構造が制御された表面構造を有し、新生血管を伴った組織を表面の微細空間内に効率よく誘導し得る特定の表面構造を有し、かつデザインされた表面構造を設計通りに再現することが容易である生体インプラント材等を提供することを目的とするものである。   In such a situation, in view of the above prior art, the present inventors have conducted extensive research with the goal of developing a biological implant material having a surface structure suitable for invasion of biological tissue. At least, in a biological implant material having a surface structure in which the size, shape and connection of the surface microspace are controlled, it has been found that a tissue with new blood vessels can be efficiently guided into the surface microspace, The present invention has been completed. The present invention provides a specific surface structure having a surface structure in which the size, shape, and continuous structure of the surface microspace are controlled, and can efficiently induce a tissue with new blood vessels into the surface microspace. It is an object of the present invention to provide a living body implant material and the like that can be easily reproduced as designed and have a designed surface structure.

上記課題を解決する本発明は、以下の技術的手段から構成される。
(1)表面微細空間の大きさ、形状ならびに連結が制御された表面構造を有する生体材料であって、1)溝状の空間が連結された又は穴状の空間が、当該穴状の空間の幅より狭い溝で連結された、骨組織侵入のための50μm以上、1000μm以下の凹凸構造からなる表面構造を有し、2)当該表面の凹凸構造の高さ情報の2次元マップの2値化像に対するパワースペクトルにおいて、凹凸構造の周期性に対する空間周波数に対応する輝点が波数0に対応する輝点を軸に対称性を有する、ことを特徴とする生体材料。
(2)上記凹凸構造の高さ情報の2次元マップの2値化像に対するパワースペクトルが異なる複数の表面構造を有する、前記(1)記載の生体材料。
(3)連続した溝状の表面微細空間構造を有する生体材料であって、0.05μm〜30μmの表面粗さを有し、50〜500μmの幅と50〜500μmの深さを有する溝状の空間が連結された凹凸構造からなる表面構造を有する、前記(1)又は(2)記載の生体材料。
(4)連続した溝状の表面微細空間構造を有する生体材料であって、0.05μm〜30μmの表面粗さを有し、50〜1000μmの幅と500〜1000μmの深さを有する穴状の空間が、該穴状の空間の幅より狭い溝で連結された凹凸構造からなる表面構造を有する、前記(1)又は(2)記載の生体材料。
(5)溝状の空間が配向して形成されている、前記(1)から(4)のいずれかに記載の生体材料。
(6)緻密骨レベルにある溝状の空間又は穴状の空間が配向して形成されている、前記(1)から(5)のいずれかに記載の生体材料。
(7)前記(1)から(6)のいずれかに記載の生体材料からなることを特徴とする生体インプラント。
(8)前記(1)から(6)のいずれかに記載の生体材料からなることを特徴とする細胞培養担体。
(9)前記(1)から(6)のいずれかに記載の生体材料を製造する方法であって、所定の幅、長さのスリットが形成されたマスクをインプラント基材のコーティング層形成面上に設置して、平均粒径が10〜150μmのチタン粒子を溶射することを特徴とする生体材料の製造方法。
(10)前記(1)から(6)のいずれかに記載の生体材料を製造する方法であって、所定の幅、長さのスリットが形成されたマスクをインプラント基材又はコーティング層の凹凸構造形成面上に設置して、ブラスト処理することを特徴とする生体材料の製造方法。
(11)生体材料が、生体インプラントである、前記(9)又は(10)に記載の生体材料の製造方法。
(12)生体材料が、細胞培養担体である、前記(9)又は(10)に記載の生体材料の製造方法。
The present invention for solving the above-described problems comprises the following technical means.
(1) A biomaterial having a surface structure in which the size, shape, and connection of a surface fine space are controlled, and 1) a groove-like space connected or a hole-like space It has a surface structure consisting of concavo-convex structures of 50 μm or more and 1000 μm or less for invasion of bone tissue connected by narrower grooves. 2) Binarization of a two-dimensional map of height information of the concavo-convex structure on the surface A biomaterial characterized in that, in a power spectrum for an image, a bright spot corresponding to a spatial frequency relative to the periodicity of the concavo-convex structure has symmetry with respect to a bright spot corresponding to a wave number of 0.
(2) The biomaterial according to (1), wherein the biomaterial has a plurality of surface structures having different power spectra with respect to a binarized image of a two-dimensional map of the height information of the uneven structure.
(3) A biomaterial having a continuous groove-like surface fine space structure, having a surface roughness of 0.05 μm to 30 μm, a width of 50 to 500 μm and a depth of 50 to 500 μm The biomaterial according to (1) or (2), wherein the biomaterial has a surface structure composed of an uneven structure in which spaces are connected.
(4) A biomaterial having a continuous groove-like surface fine space structure, having a surface roughness of 0.05 μm to 30 μm, a hole shape having a width of 50 to 1000 μm and a depth of 500 to 1000 μm. The biomaterial according to (1) or (2), wherein the space has a surface structure composed of a concavo-convex structure connected by grooves narrower than the width of the hole-shaped space.
(5) The biomaterial according to any one of (1) to (4), wherein the groove-like space is oriented and formed.
(6) The biomaterial according to any one of (1) to (5), wherein a groove-like space or a hole-like space at a dense bone level is oriented and formed.
(7) A biological implant comprising the biological material according to any one of (1) to (6).
(8) A cell culture carrier comprising the biomaterial according to any one of (1) to (6).
(9) A method for producing the biomaterial according to any one of (1) to (6) above, wherein a mask in which a slit having a predetermined width and length is formed on a coating layer forming surface of an implant base material A method for producing a biomaterial, characterized in that it is sprayed with titanium particles having an average particle diameter of 10 to 150 μm.
(10) The method for producing the biomaterial according to any one of (1) to (6) above, wherein a mask having a slit having a predetermined width and length is used as an uneven structure of an implant substrate or a coating layer A method for producing a biomaterial, characterized in that the biomaterial is placed on a forming surface and blasted.
(11) The method for producing a biomaterial according to (9) or (10), wherein the biomaterial is a bioimplant.
(12) The method for producing a biomaterial according to (9) or (10), wherein the biomaterial is a cell culture carrier.

次に、本発明について更に詳細に説明する。
本発明は、表面微細空間の大きさ、形状ならびに連結が制御された表面構造を有する生体材料であって、溝状の空間が連結された又は穴状の空間が、当該穴状の空間の幅より狭い溝で連結された、骨組織侵入のための50μm以上、1000μm以下の凹凸構造からなる表面構造を有し、当該表面の凹凸構造の高さ情報の2次元マップの2値化像に対するパワースペクトルにおいて、凹凸構造の周期性に対する空間周波数に対応する輝点が波数0に対応する輝点を軸に対称性を有することを特徴とするものである。
Next, the present invention will be described in more detail.
The present invention relates to a biomaterial having a surface structure in which the size, shape, and connection of a surface fine space are controlled, and a groove-like space connected or a hole-like space has a width of the hole-like space. Power for the binarized image of the two-dimensional map of the height information of the concavo-convex structure on the surface, which has a concavo-convex structure of 50 μm or more and 1000 μm or less for invasion of bone tissue connected by a narrower groove The spectrum is characterized in that the bright spot corresponding to the spatial frequency with respect to the periodicity of the concavo-convex structure has symmetry with respect to the bright spot corresponding to wave number 0.

そして、本発明では、上記凹凸構造の高さ情報の2次元マップの2値化像に対するパワースペクトルが異なる複数の表面構造を有すること、連続した溝状の表面微細空間構造を有する生体材料であって、0.05〜30μmの表面粗さを有し、50〜300μmの幅と50〜300μmの深さを有する溝状の空間が連結された凹凸構造からなる表面構造を有すること、また、連続した溝状の表面微細空間構造を有する生体材料であって、0.05μm〜30μmの表面粗さを有し、50〜1000μmの幅と50〜1000μmの深さを有する穴状の空間が、穴状の空間の幅より狭い溝で連結された凹凸構造からなる表面構造を有すること、を好ましい実施の態様としている。   In the present invention, the biomaterial has a plurality of surface structures having different power spectra with respect to a binarized image of the two-dimensional map of the height information of the concavo-convex structure, and a continuous groove-shaped surface fine space structure. And having a surface structure composed of a concavo-convex structure in which groove-like spaces having a surface roughness of 0.05 to 30 μm and a width of 50 to 300 μm and a depth of 50 to 300 μm are connected. A hole-shaped space having a groove-like surface fine space structure, having a surface roughness of 0.05 μm to 30 μm, a width of 50 to 1000 μm and a depth of 50 to 1000 μm, A preferred embodiment is to have a surface structure composed of an uneven structure connected by grooves narrower than the width of the space.

本発明において、「表面微細空間」とは、本発明の生体材料の生体インプラント等の表面に形成された微細空間を意味する。本発明において、「溝状の空間が連結された」表面構造を有するとは、表面において溝状の凹部が形成され、それらが互いに連結された構造と定義され、「穴状の空間が、該穴状の空間の幅より狭い溝で連結された」表面構造を有するとは、表面において穴状の凹部が形成され、その穴状の構造が溝状の構造で互いに連結された構造と定義される。また、上記溝状の空間とは、細長い窪みで床と2枚の壁に挟まれた形状を意味し、また、穴状の空間とは、連結がなければ、上方向以外は全ての方向が壁に囲まれた形状を意味する。また、溝状の空間が連結されたとは、細長い窪みが連結されて形成される形状であり、穴状の空間が溝で連結されたとは、2つ以上の穴状の空間が溝状の空間でつながった状態の形状である。穴状の空間は、幅は溝状の空間の幅より大きい。   In the present invention, the “surface fine space” means a fine space formed on the surface of the biomaterial implant of the biomaterial of the present invention. In the present invention, having a surface structure in which “groove-like spaces are connected” is defined as a structure in which groove-like recesses are formed on the surface and they are connected to each other. “Surface structure connected by grooves narrower than the width of the hole-shaped space” is defined as a structure in which hole-shaped recesses are formed on the surface and the hole-shaped structures are connected to each other by the groove-shaped structure. The In addition, the groove-like space means a shape sandwiched between a floor and two walls by an elongated depression, and the hole-like space means that all directions except the upward direction are not connected unless there is a connection. It means a shape surrounded by walls. In addition, the groove-shaped space connected is a shape formed by connecting elongated recesses, and the hole-shaped space is connected by a groove. Two or more hole-shaped spaces are groove-shaped spaces. It is the shape of the state connected by. The width of the hole-shaped space is larger than the width of the groove-shaped space.

また、「緻密骨レベルにある溝状の空間」とは、緻密骨組織に接する表面の溝状の空間を意味する。「緻密骨レベルにある穴状の空間」とは、緻密骨組織に接する表面の穴状の空間を意味する。尚、製造過程において、溝の幅の揺らぎや、構造の欠陥が形成された場合においても、表面構造の高さ情報に対するパワースペクトルにおいて、周期性が消失しない程度であれば許容される。   Further, the “grooved space at the level of the dense bone” means a grooved space on the surface in contact with the dense bone tissue. The “hole-like space at the compact bone level” means a hole-like space on the surface in contact with the dense bone tissue. In the manufacturing process, even when a groove width fluctuation or a structural defect is formed, the power spectrum corresponding to the height information of the surface structure is acceptable as long as the periodicity is not lost.

本発明では、上記の生体材料において、少なくとも一部の壁面がリン酸カルシウム、酸化チタン、アルカリチタネート、高分子、シランカップリング剤、金属アルコキシドの加水分解により生成した化合物、メソポーラス材料、薬剤、あるいは、カルシウム、マグネシウム、ナトリウム、カリウム、リチウム、亜鉛、錫、タンタル、ジルコニウム、硅素、ニオブ、アルミ、鉄、リン及び炭素のうちの1種以上を含む化合物うちの少なくとも1つ以上を含有する、もしくは被覆されていることが可能である。   In the present invention, in the above biomaterial, at least a part of the wall surface is calcium phosphate, titanium oxide, alkali titanate, polymer, silane coupling agent, compound formed by hydrolysis of metal alkoxide, mesoporous material, drug, or calcium Containing, or coated with, at least one of compounds containing at least one of magnesium, sodium, potassium, lithium, zinc, tin, tantalum, zirconium, silicon, niobium, aluminum, iron, phosphorus and carbon It is possible that

また、本発明は、本発明の生体材料の用途発明として、例えば、代表的なものとして、上記の生体材料を構成要素の少なくとも一部に含む生体インプラント、及び上記の生体材料を構成要素の少なくとも一部に含む細胞培養用担体が例示される。   In addition, the present invention provides, for example, as a representative application of the biomaterial of the present invention, as a typical example, a bioimplant containing the biomaterial as at least a part of the component, and the biomaterial described above at least as a component. Examples of the carrier for cell culture contained in part.

本発明において、上記生体材料は、例えば、生体インプラント材、細胞培養用担体の他に、透析用部品、循環装置用部品、フィルター等に適用できるが、それらに限定されるものではない。また、本発明でいう生体インプラント材とは、生体インプラント材用基材における全体又は一部の表面の外側又は内側に、表面微構造を形成したものであって、通常は、人工骨、人工関節あるいは人工歯根などとして生体内で使用するための成形体を意味する。   In the present invention, the biomaterial can be applied to, for example, a dialysis component, a circulation device component, a filter, and the like in addition to a bioimplant material and a cell culture carrier, but is not limited thereto. Further, the biological implant material referred to in the present invention is a material in which a surface microstructure is formed on the outer side or the inner side of the whole or a part of the surface of the base material for a biological implant material. Or the molded object for using in vivo as an artificial tooth root etc. is meant.

生体インプラント材は、生体内で使用するために必要な特性と安全性を有するものであれば、その形状及び使用形態等は特に限定されない。本発明の生体インプラント材の形状としては、例えば、ブロック状、柱状、板状、不定形バルク状など任意の形状のものが例示される。また、本発明の生体インプラント材の使用形態としては、例えば、人工股関節用ステム、人工膝関節、人工椎体、人工椎間板、骨補填材、骨プレート、骨スクリュー、人工歯根などの製品の形態が例示される。   As long as the biological implant material has characteristics and safety necessary for use in vivo, its shape, usage pattern, and the like are not particularly limited. Examples of the shape of the biological implant material of the present invention include those having an arbitrary shape such as a block shape, a column shape, a plate shape, and an amorphous bulk shape. Examples of the use form of the biological implant material of the present invention include, for example, product forms such as an artificial hip joint stem, an artificial knee joint, an artificial vertebral body, an artificial intervertebral disc, a bone prosthetic material, a bone plate, a bone screw, and an artificial tooth root. Illustrated.

本発明でいう細胞培養担体とは、細胞工学や組織工学、再生医工学において細胞や組織を培養するための成形体を意味する。細胞の培養に使用するために必要な特性を有するものであれば形状並びに使用形態等は特に限定されない。例えば、形状としては、板状、シート状、ブロック状、柱状、不定形バルク状、カップ状等の任意の形状のものが使用できる。また、使用形態としては、細胞培養用シャーレ、細胞培養用シート等の製品形態をしていても良い。   The cell culture carrier referred to in the present invention means a molded body for culturing cells and tissues in cell engineering, tissue engineering, and regenerative medical engineering. There are no particular restrictions on the shape and usage as long as it has the characteristics necessary for use in cell culture. For example, the shape may be any shape such as a plate shape, a sheet shape, a block shape, a column shape, an indeterminate bulk shape, and a cup shape. Moreover, as a usage form, you may have product forms, such as a cell culture petri dish and a cell culture sheet.

本発明において生体材料として用いる金属は、好適には、例えば、純チタン、チタン合金、ステンレス鋼、Co又はその合金、Ta、Nb又はそれらの合金、Au、Ag、Cu、Pt等が例示される。また、本発明において生体材料として用いるセラミクスとしては、好適には、例えば、水酸アパタイトや三リン酸カルシウム等のリン酸カルシウム系セラミックス、アルミナ系セラミックス、ジルコニア系セラミックス、Si系セラミックス、チタニア系セラミックス、少なくともカルシウム並びにリンを含有する生体材料用ガラス、生体材料用結晶化ガラス等が例示される。   The metal used as the biomaterial in the present invention is preferably exemplified by pure titanium, titanium alloy, stainless steel, Co or an alloy thereof, Ta, Nb or an alloy thereof, Au, Ag, Cu, Pt and the like. . Further, as ceramics used as a biomaterial in the present invention, preferably, for example, calcium phosphate ceramics such as hydroxyapatite and calcium triphosphate, alumina ceramics, zirconia ceramics, Si ceramics, titania ceramics, at least calcium and Examples thereof include biomaterial glass containing phosphorous and crystallized glass for biomaterial.

本発明において生体材料として用いる高分子としては、好適には、例えば、ポリオレフィン系(共)重合体、ポリスチレン系重合体、ポリ塩化ビニル系又はポリ塩化ビニリデン系重合体、ポリビニルアルコール系、そのエステル又はポリビニルアセタール系重合体、脂肪族鎖に置換基の窒素原子が直接結合している不飽和化合物の重合体、ポリ(メタ)アクリル酸(エステル)系重合体、ポリ(メタ)アクリロニトリル系重合体、ポリ(メタ)アクリルアミド系重合体等の脂肪族鎖にカルボニル基又はニトリル基が直接結合している不飽和化合物の重合体、ポリシアノアクリレート系重合体、ポリジエン系重合体、弗素樹脂、ポリエステル系重合体等が例示される。   The polymer used as the biomaterial in the present invention is preferably a polyolefin (co) polymer, polystyrene polymer, polyvinyl chloride or polyvinylidene chloride polymer, polyvinyl alcohol, ester thereof or the like. Polyvinyl acetal polymer, polymer of unsaturated compound in which nitrogen atom of substituent is directly bonded to aliphatic chain, poly (meth) acrylic acid (ester) polymer, poly (meth) acrylonitrile polymer, Polymers of unsaturated compounds in which carbonyl groups or nitrile groups are directly bonded to aliphatic chains such as poly (meth) acrylamide polymers, polycyanoacrylate polymers, polydiene polymers, fluorine resins, polyester polymers Examples include coalescence.

更に、本発明において生体材料として用いる高分子としては、例えば、ポリ乳酸等のヒドロキシカルボン酸系重合体、ポリエーテル又はポリオキサイド系重合体、ポリエーテルポリエステル系重合体、ポリカーボネート系重合体、ポリウレタン(ウレア)系重合体、セグメント化ポリウレタン(ウレア)系重合体、ポリアミド又はポリイミド系重合体、ポリアミノ酸系重合体、ポリアセタール系重合体、含珪素系重合体、含イオウ系重合体等が例示される。   Furthermore, as a polymer used as a biomaterial in the present invention, for example, a hydroxycarboxylic acid polymer such as polylactic acid, a polyether or polyoxide polymer, a polyether polyester polymer, a polycarbonate polymer, a polyurethane ( (Urea) polymers, segmented polyurethane (urea) polymers, polyamide or polyimide polymers, polyamino acid polymers, polyacetal polymers, silicon-containing polymers, sulfur-containing polymers, etc. .

また、上記高分子としては、例えば、セルロース又はその誘導体、澱粉又はその誘導体、アガロース又はその誘導体、寒天、アルギン酸又はガム類等の多糖類、ヘパリン又はその誘導体、コンドロイチン又はその誘導体、ヒアルロン酸、キチン、キトサン類等のムコ多糖類、アテロペプチドコラーゲンや再構成繊維コラーゲン等のコラーゲン又はその誘導体、ゼラチン類、ケラチン、又は上記高分子の2種類以上からなる共重合体、又はブロック重合体、グラフト重合、又は架橋体やそれらの複合体等が例示される。   Examples of the polymer include cellulose or derivatives thereof, starch or derivatives thereof, agarose or derivatives thereof, polysaccharides such as agar, alginic acid or gums, heparin or derivatives thereof, chondroitin or derivatives thereof, hyaluronic acid, chitin. , Mucopolysaccharides such as chitosans, collagens such as atelopeptide collagen and reconstituted collagen or derivatives thereof, gelatins, keratins, or copolymers comprising two or more of the above polymers, or block polymers, graft polymerization Or a crosslinked body, those composites, etc. are illustrated.

本発明では、薬剤を用いることができる。本発明において、生体材料表面もしくは内部に添加物として用いる薬剤としては、好適には、例えば、抗炎症剤、フイブロネクチン、アルブミン又はラミニン、凝血又は抗凝血因子(アンチトロンビン、プラスミン、ウロキナーゼ、ストレプトキナーゼ、フイブリノーゲンアクチベータ、トロンビン等)、カリクレイン、キニン、ラジキニン拮抗薬、血液に作用しない酵素、ホルモン、骨形成因子や細胞増殖因子等の成長因子、タンパク性骨増殖因子、凝血又は抗凝血薬剤、溶血防止剤、骨粗鬆症治療薬等が例示されるが、これらに制限されるものではない。   In the present invention, a drug can be used. In the present invention, the agent used as an additive on or in the biomaterial is preferably, for example, an anti-inflammatory agent, fibronectin, albumin or laminin, clotting or anticoagulant (antithrombin, plasmin, urokinase, streptokinase). , Fibrinogen activator, thrombin, etc.), kallikrein, kinin, radikinin antagonists, enzymes that do not act on blood, hormones, growth factors such as bone morphogenetic and cell growth factors, proteinaceous bone growth factors, coagulation or anticoagulants Examples thereof include, but are not limited to, hemolysis inhibitors and osteoporosis therapeutic agents.

本発明において、生体材料表面もしくは内部に添加物として用いる充填物は、好適には、例えば、金属、セラミックス、高分子、カーボン系材料又はそれらのいずれかの複合体のうちの1種以上からなる。この複合体としては、互いに物質の異なる2種以上の材料が、物理的、化学的又は機械的に混合、接合することにより強固に結着して一体となっている材料であって、例えば、異なる材質の部材を混練により複合化した材料、前駆溶液等からの析出により複合化した材料等が例示される。   In the present invention, the filler used as an additive on or in the biomaterial is preferably composed of, for example, one or more of metals, ceramics, polymers, carbon-based materials, or any composites thereof. . The composite is a material in which two or more kinds of materials different from each other are firmly bonded and integrated by physical, chemical or mechanical mixing and bonding, for example, Examples include a material obtained by compounding members of different materials by kneading, a material compounded by precipitation from a precursor solution, and the like.

また、充填物は、内部に薬剤等を保持していても良い。薬剤を保持するための充填物としては、好適には、例えば、ポリビニルアルコール、コラーゲン、ゼラチン、寒天、ヒアルロン酸、キチン・キトサン、ポリ酢酸ビニルのうちのいずれか1種以上からなるハイドロゲル又はその乾燥体や、ポリ乳酸系高分子、ポリエチレングリコール系ポリマー等の生分解性ポリマー等や、これらの成分とリン酸カルシウム系セラミックスを複合したものが例示される。   Moreover, the filling may hold | maintain a chemical | medical agent etc. inside. As the filler for holding the drug, preferably, for example, a hydrogel comprising any one or more of polyvinyl alcohol, collagen, gelatin, agar, hyaluronic acid, chitin / chitosan, polyvinyl acetate or the like Examples include dried products, biodegradable polymers such as polylactic acid polymers and polyethylene glycol polymers, and composites of these components and calcium phosphate ceramics.

次に、本発明における生体インプラント材の製造方法について説明する。本発明における生体インプラント材の製造方法としては、好適には、例えば、マスクを設置してチタン粒子を溶射する方法、マスクを設置して基材をブラスト処理する方法、ポリ乳酸などの熱可塑性ポリマーに対してガラス転移点(Tg)以上又は溶融状態の温度域で成形加工する方法等が例示される。   Next, the manufacturing method of the biological implant material in this invention is demonstrated. As a method for producing a living body implant material in the present invention, for example, a method of spraying titanium particles by installing a mask, a method of blasting a substrate by installing a mask, a thermoplastic polymer such as polylactic acid, etc. For example, a method of forming at a glass transition point (Tg) or higher or a temperature range in a molten state is exemplified.

更に、上記製造方法としては、例えば、溝状や穴状の構造をブラストにより形成する方法、歯科用ワックスで形成した鋳型を用いてチタンやタンタルの溶融金属をインベストメントモールド法やフルモールド法で鋳込むことにより金属製の成形体を得る方法、石膏又はウレタン等のポリマー製の鋳型にセラミックススラリーやゾルゲル法の前駆体を鋳込成形した後に、300−1650℃で焼成してセラミックス製の成形体を得る方法等が好適なものとして例示される。本発明の製造方法は、これらの製造方法に制限されるものではなく、前述の材質や温度、圧力は、目的製品に応じて適宜手法を変えることが可能である。   Further, as the above manufacturing method, for example, a method of forming a groove or hole-like structure by blasting, a molten metal of titanium or tantalum using a mold formed of dental wax, and casting by an investment molding method or a full molding method. A method of obtaining a metal molded body by casting, a ceramic slurry or a sol-gel precursor is cast and molded into a polymer mold such as gypsum or urethane, and then fired at 300-1650 ° C. to form a ceramic molded body The method etc. which are obtained are illustrated as a suitable thing. The production method of the present invention is not limited to these production methods, and the above-described materials, temperature, and pressure can be appropriately changed depending on the target product.

人工骨等の生体材料では、規則的な生体組織の形成に寄与し、また、埋植する部位の配向性に好適に適合するように人工骨を形成することが重要であり、そのために、表面微細空間の溝の方向を任意の方向へ配向するように制御すること、また、血管の導入を可能とするために、当該配向溝を互いに繋ぐような溝を形成すること、が重要である。しかし、従来の人工骨等の生体材料では、このような配向した溝の空間配置が制御された構造を有する、生体の組織の侵入や細胞の導入に好適な生体材料は、全く報告例がなかった。   In biomaterials such as artificial bones, it is important to form artificial bones that contribute to the formation of regular biological tissues and that are suitable for the orientation of the site to be implanted. It is important to control the direction of the groove in the minute space to be oriented in an arbitrary direction, and to form a groove that connects the alignment grooves to each other in order to enable introduction of blood vessels. However, there are no reports of biomaterials such as conventional artificial bones that have a structure in which the spatial arrangement of such oriented grooves is controlled and that are suitable for invasion of living tissue and introduction of cells. It was.

これに対し、本発明の生体材料は、配向した溝状の空間の構造群を有し、当該配向した溝は、生体組織の侵入が可能な溝状構造で連結され、埋植する部位の組織の配向性に好適に適合するように空間配置されていることを構成要素とするものである。それらにより、細胞、組織、血管等の侵入が十分となり、かつ、埋植する部位の生体組織の配向性に好適に適合した組織再生が促進されるような、硬組織、軟組織の形成に好適な構造の構築が可能になる。   On the other hand, the biomaterial of the present invention has a structure group of oriented groove-like spaces, and the oriented grooves are connected by a groove-like structure into which living tissue can invade and are implanted at a site to be implanted. It is a constituent element that it is spatially arranged so as to suitably match the orientation of the film. They are suitable for the formation of hard tissue and soft tissue that can sufficiently invade cells, tissues, blood vessels, etc., and promote tissue regeneration suitable for the orientation of the living tissue at the site of implantation. Construction of the structure becomes possible.

本発明の生体材料は、骨細胞のアンカリングのための0.05μm〜30μmの表面粗さを有し、骨組織の侵入のための50〜500μmの幅と50〜500μmの深さを有する溝状の空間が連結された凹凸構造からなる表面構造を有し、緻密骨レベルにある連結された溝状の空間が配向して形成されていること、あるいは、骨組織の侵入のための50〜1000μmの幅と50〜1000μmの深さを有する穴状の空間が溝で連結された凹凸構造からなる表面構造を有し、緻密骨レベルにある穴状の空間が配向して形成されていること、を特徴としている。   The biomaterial of the present invention has a surface roughness of 0.05 μm to 30 μm for anchoring bone cells, a groove having a width of 50 to 500 μm and a depth of 50 to 500 μm for invasion of bone tissue Having a surface structure composed of a concavo-convex structure in which a plurality of spaces are connected, and a connected groove-like space at a dense bone level is oriented or formed, or 50 to 50 for invasion of bone tissue A hole-shaped space having a width of 1000 μm and a depth of 50-1000 μm has a surface structure composed of a concave-convex structure connected by grooves, and the hole-shaped space at the level of dense bone is oriented and formed. It is characterized by.

本発明において、溝状の空間又は穴状の空間が配向して形成されているとは、当該溝状の空間又は穴状の空間が、例えば、大腿骨骨幹部の皮質骨内の骨単位の配列のような生体組織に観察される配向性と同程度の配向性を有することを意味する。この場合、必ずしも骨組織の配向性をそのまま模倣したものでなくても、応力の分散や組織の配向方向を骨組織をモデルとして、これをより単純化したものの方が、設計のし易さ及び製造の容易さやコストの観点からは望ましい。   In the present invention, the groove-shaped space or the hole-shaped space is formed to be oriented, for example, the groove-shaped space or the hole-shaped space is, for example, a bone unit in the cortical bone of the femoral shaft. It means having the same degree of orientation as that observed in a living tissue such as an array. In this case, even if the orientation of the bone tissue is not necessarily imitated as it is, it is easier to design and simplify the distribution of stress and the orientation direction of the tissue using the bone tissue as a model. It is desirable from the viewpoint of manufacturing ease and cost.

本発明においては、溝状の空間の長て方向が埋設する部位における生体組織に観察される配向性と同一方向を向いていることが望ましいが、ここで、配向性と同一方向を向いているとは、例えば、大腿骨骨幹部の皮質骨内の骨単位の配列のような生体組織に観察される配向性と同程度の配向性を有することを意味する。この場合、本発明は、骨組織の配向性をそのまま模倣するのではなく、応力の分散や組織の配向方向を骨組織をモデルとして抽出し、これをより単純化した方が、設計のし易さ及び製造の容易さやコストの観点からは望ましい。   In the present invention, it is desirable that the long direction of the groove-like space is oriented in the same direction as the orientation observed in the living tissue in the site where the groove is embedded, but here, it is oriented in the same direction as the orientation. The term “for example” means having the same orientation as that observed in living tissue such as an arrangement of bone units in the cortical bone of the femoral shaft. In this case, the present invention does not imitate the orientation of the bone tissue as it is, but it is easier to design by extracting the stress distribution and the orientation direction of the tissue as a model and simplifying this. It is desirable from the viewpoints of ease and manufacturing and cost.

本発明においては、溝状の空間が連結された構造又は穴状の空間が溝で連結された構造を形成するが、設計のし易さ及び製造の容易さやコストの観点からは、より単純化した方が望ましく、相似した凸部が周期的に配置された構造とすることが望ましい。周期性には製造により欠陥や揺らぎが生じた場合においても、インプラントの表面の高さ情報の2次元マップの2値化像に対するパワースペクトルにおいて、空間周波数に対応する輝点が消失しない限りにおいては許容される。   In the present invention, a structure in which groove-like spaces are connected or a structure in which hole-like spaces are connected by grooves is formed. However, in terms of ease of design, ease of manufacture, and cost, the structure is further simplified. It is desirable to have a structure in which similar convex portions are periodically arranged. In the periodicity, even if defects or fluctuations occur due to manufacturing, as long as the bright spot corresponding to the spatial frequency does not disappear in the power spectrum for the binary image of the two-dimensional map of the height information of the implant surface, Permissible.

本発明では、表面に凹凸構造を有するインプラントにおいて、表面の各点における高さに対して、任意に選んだ基準点の高さに対する相対値を計算し、その値を色の濃淡として、2次元平面上に投影したものをインプラントの表面の高さ情報の2次元マップと規定する。上記インプラントの表面の高さ情報の2次元マップにおいて、例えば、表面の高さの全点の平均値をしきい値として、しきい値以上の高さを有する点を「1」、しきい値未満の点を「0」とし、「1」又は「0」の点に「黒」又は「白」を割り当ててプロットし直したものを、インプラントの表面の高さ情報の2次元マップの2値化像と規定する。本発明においては、しきい値に用いる値は特に限定するものではない。   In the present invention, in an implant having a concavo-convex structure on the surface, a relative value with respect to the height of a reference point arbitrarily selected is calculated with respect to the height at each point on the surface, and the value is used as a color shading. The projection on the plane is defined as a two-dimensional map of the height information of the surface of the implant. In the two-dimensional map of the height information of the surface of the implant, for example, the average value of all points of the surface height is set as a threshold value, and a point having a height equal to or higher than the threshold value is set to “1”. The value less than “0” is assigned to “1” or “0” with “black” or “white” and plotted again. This is the binary value of the two-dimensional map of the height information of the implant surface. It is defined as a chemical image. In the present invention, the value used for the threshold value is not particularly limited.

画像を2次元フーリエ変換し、その絶対値の自乗を濃淡で表したのがパワースペクトルであり、輝点の位置が画像の周期性に対する波数(周期構造の距離の逆数で、空間周波数ともいう)を示す。本発明においては、インプラントの表面の高さ情報の2次元マップの2値化像に対するパワースペクトルを得ているので、その意味は、凹凸構造の周期性に対する空間周波数を表す。また、周期構造がないランダムな構造においては、パワースペクトルは波数0(周期構造の距離無限大)に対応する中心の輝点以外に明瞭な輝点は現れない。インプラント表面の凹凸構造の周期性が異なる場合、パワースペクトルが異なるが、これは、投影面積が等しい2つのインプラントの表面の高さ情報の2次元マップの2値化像のパワースペクトルにおいて、波数0の輝点の位置を合せたときに、凹凸構造の周期性に対する空間周波数の輝点の少なくとも一部が重ならないことを意味する。   The power spectrum is a two-dimensional Fourier transform of the image, and the square of the absolute value is expressed in shades, and the position of the bright spot is the wave number with respect to the periodicity of the image (the reciprocal of the distance of the periodic structure, also referred to as spatial frequency) Indicates. In the present invention, since the power spectrum for the binarized image of the two-dimensional map of the height information on the surface of the implant is obtained, the meaning represents the spatial frequency with respect to the periodicity of the concavo-convex structure. In addition, in a random structure having no periodic structure, no clear bright spot appears in the power spectrum other than the central bright spot corresponding to the wave number 0 (the distance of the periodic structure is infinite). When the periodicity of the concavo-convex structure on the implant surface is different, the power spectrum is different. This is because, in the power spectrum of the binarized image of the two-dimensional map of the height information of the two implant surfaces having the same projected area, the wave number is 0. Means that at least a part of the bright spots of the spatial frequency with respect to the periodicity of the concavo-convex structure do not overlap when the positions of the bright spots are aligned.

本発明においては、複数の表面構造が混在している場合にも、パワースペクトルにおいて対称性を有する輝点が得られるが、このときは、個々のパワースペクトルの輝点を重ね合わせた図形になる。すなわち、ランダムな表面構造が一部にあっても、他の部分の周期構造に対応するパワースペクトルで対称性を有する輝点が得られる。本発明は、上述のような単純化した形で配向性を制御した生体材料を構築することで、骨の組織再生に好適で、しかも、生体材料の設計のし易さ、製造の容易さ及びコストの合理性の要件を全て満たすことが可能な新しい生体材料を創製し得たことに最大の特徴を有するものである。上記配向性については、製造上においても、使用上においても誤差が生じるが、これらは、本発明では、配向性を有している、と見なす許容範囲に含まれる。しかし、製造上の誤差による配向性のずれは、生体組織に見られる配向性の程度の範囲内になることが望ましい。   In the present invention, even when a plurality of surface structures are mixed, a luminescent spot having symmetry in the power spectrum is obtained, but in this case, a figure in which the luminescent spots of the individual power spectra are superimposed is obtained. . That is, even if there is a random surface structure, a bright spot having symmetry in the power spectrum corresponding to the periodic structure of the other part can be obtained. The present invention is suitable for bone tissue regeneration by constructing a biomaterial with controlled orientation in the simplified form as described above, and is easy to design and manufacture the biomaterial, and The greatest feature is that a new biomaterial capable of satisfying all cost rationality requirements has been created. Regarding the above-mentioned orientation, errors occur both in production and in use, but these are included in an allowable range that is regarded as having orientation in the present invention. However, it is desirable that the deviation in orientation due to manufacturing errors be within the range of the degree of orientation found in living tissue.

本発明は、生体材料の表面構造について、上述のような高精度の調整を行うことにより、養分補給及び酸素補給を制御し、組織再生、硬組織、軟組織の形成を好適に制御することが可能な生体材料を構築し、提供することを実現することができる。これらは、上記生体材料が、高配向性の上記配向溝と、当該配向溝を連結する連通した溝から構成される所定の高規則的な空間配置を有していること、それを所望の形態に適宜設計し、その空間形態を定量的に制御できること、それらの設計変更が任意にかつ容易になし得ること等の条件がそろってはじめて実現できるものである。   The present invention makes it possible to control nutrient replenishment and oxygen replenishment by adjusting the surface structure of biomaterials with high accuracy as described above, and to suitably control tissue regeneration, hard tissue formation, and soft tissue formation. It is possible to construct and provide a simple biomaterial. In these, the biomaterial has a predetermined highly regular spatial arrangement composed of the orientation grooves with high orientation and the continuous grooves connecting the orientation grooves, and the desired shape is obtained. The space form can be quantitatively controlled and the design changes can be made arbitrarily and easily, and can be realized only when all the conditions are met.

本発明により、次のような効果が奏される。
(1)生体材料の溝の配向性、大きさ並びに形状が直接的に制御された連通溝が形成された生体材料を形成させることができる。
(2)それにより、骨組織や血管の形成に不都合な形状を排除した、骨組織や血管の侵入に好適な足場構造のみを提供できる。
(3)それにより、形成される溝の幾何学的な形状により、そこに形成される生体組織の形態を制御することが可能となる。
(4)溝の形状や配向性などの幾何学的な形状の制御とその分布の制御により、形成される組織の配向性及び周期性を制御することができる。
The present invention has the following effects.
(1) It is possible to form a biomaterial having communication grooves in which the orientation, size and shape of the grooves of the biomaterial are directly controlled.
(2) Thereby, it is possible to provide only a scaffold structure suitable for the invasion of bone tissue and blood vessels, in which a shape unfavorable for the formation of bone tissue and blood vessels is eliminated.
(3) Thereby, it becomes possible to control the form of the biological tissue formed there by the geometric shape of the groove formed.
(4) The orientation and periodicity of the formed tissue can be controlled by controlling the geometric shape such as the shape and orientation of the grooves and the distribution thereof.

次に、本発明を実施例に基づいて具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例により何ら限定されるものではない。   EXAMPLES Next, although this invention is demonstrated concretely based on an Example, this invention is not limited at all by the following Examples.

(連続した溝状の表面微細空間構造を有するインプラントの作製)
幅300μm、長さ1200μmのスリットが150μmの間隔で六方細密状に配置されたマスクをインプラント基材のコーティング層形成面上に設置して、平均粒径約70μmのチタン粒子を溶射した。平均約180μmの幅と深さ約230μmを有する溝状の空間が連結された表面構造(図1)を有するインプラントを形成できた。溶射等を用いて、表面に水酸アパタイト等のリン酸カルシウム系生体活性セラミックスを被覆することも可能であった。
(Preparation of implants with continuous groove-like surface fine space structure)
A mask in which slits having a width of 300 μm and a length of 1200 μm were arranged in a hexagonal close-packed pattern at intervals of 150 μm was placed on the coating layer forming surface of the implant substrate, and titanium particles having an average particle diameter of about 70 μm were sprayed. An implant having a surface structure (FIG. 1) in which groove-like spaces having an average width of about 180 μm and a depth of about 230 μm were connected could be formed. It was also possible to coat the surface with calcium phosphate-based bioactive ceramics such as hydroxyapatite using thermal spraying or the like.

(穴状の空間が連結された表面微細空間構造を有するインプラントの作製)
φ300μmの円形状スリットが150μmの間隔で正方配列に配置されたマスクをインプラント基材のコーティング層形成面上に設置して、平均粒径約70μmのチタン粒子を溶射した。平均約390μmの幅と約230μmの深さを有する穴状の空間が幅約200μm、深さ約230μmの溝で連結された表面構造(図2)を有するインプラントを形成できた。溶射等を用いて、表面に水酸アパタイト等のリン酸カルシウム系生体活性セラミックスを被覆することも可能であった。
(Manufacture of implants having a surface fine space structure in which hole-like spaces are connected)
A mask in which circular slits of φ300 μm were arranged in a square array at intervals of 150 μm was placed on the coating layer forming surface of the implant base material, and titanium particles having an average particle diameter of about 70 μm were sprayed. An implant having a surface structure (FIG. 2) in which hole-like spaces having an average width of about 390 μm and a depth of about 230 μm were connected by grooves having a width of about 200 μm and a depth of about 230 μm could be formed. It was also possible to coat the surface with calcium phosphate-based bioactive ceramics such as hydroxyapatite using thermal spraying or the like.

(連続した溝状の表面微細空間構造を有するインプラントの動物実験)
実施例1で作製した4×3mmのインプラントを、12週齢の健康雄SPFウサギの頸骨近位付近に作製した径5mm、深さ5mmの骨欠損孔に埋植し、骨膜、皮下組織、及び皮膚を縫合した。インプラント埋植後、7日、2週、4週後のそれぞれに、動物をSodium pentbarbital約50ml/kg(i.v.)麻酔下に放血により安楽死させ、頸部埋植部を摘出し、10%の中性緩衝ホルマリンに固定した。固定後に埋植部をイオン交換法により半脱灰状態にした後、厚さ約3μmの切片を作製し、Hematoxylin・eosin染色を施し、形態学的な評価を行った。
(Animal experiment of implant having continuous groove-like surface fine space structure)
The 4 × 3 mm implant prepared in Example 1 was implanted in a bone defect hole having a diameter of 5 mm and a depth of 5 mm prepared in the vicinity of the proximal tibia of a 12-week-old healthy male SPF rabbit, and the periosteum, subcutaneous tissue, and The skin was sutured. After 7 days, 2 weeks and 4 weeks after implant implantation, the animals were euthanized by exsanguination under an anesthesia of about 50 ml / kg (iv) of sodium pendbarbital, and the cervical implant was removed, Fixed in 10% neutral buffered formalin. After fixation, the implanted part was made into a semi-decalcified state by an ion exchange method, and then a section having a thickness of about 3 μm was prepared, and hematoxylin / eosin staining was performed, and morphological evaluation was performed.

当該評価において、埋植7日目に緻密骨レベルにある連結された溝状の空間内に新生血管を伴う肉芽組織が侵入し(図3a)、2週目には溝状の構造壁面に沿って新生骨の形成が起こり(図3b)、4週目には血管を伴った骨組織が溝状の構造内部に形成される様子が観察された(図3c)。形成された骨組織は、インプラントの溝状の空間の配向構造をテンプレートとして、配向した組織が形成された。   In the evaluation, granulation tissue with new blood vessels invaded into the connected groove-like space at the dense bone level on the seventh day of implantation (FIG. 3a), and along the groove-like structure wall at the second week. New bone formation occurred (FIG. 3b), and it was observed that bone tissue with blood vessels was formed inside the groove-like structure at 4 weeks (FIG. 3c). With respect to the formed bone tissue, an oriented tissue was formed using the orientation structure of the groove-like space of the implant as a template.

(穴状の空間が連結された表面微細空間構造を有するインプラントの動物実験)
実施例2で作製した4×3mmのインプラントを、12週齢の健康雄SPFウサギの頸骨近位付近に作製した径5mm、深さ5mmの骨欠損孔に埋植し、骨膜、皮下組織、及び皮膚を縫合した。インプラント埋植後、4週後に、動物をSodium pentbarbital約50ml/kg(i.v.)麻酔下に放血により安楽死させ、頸部埋植部を摘出し、10%の中性緩衝ホルマリンに固定した。固定後に埋植部をイオン交換法により半脱灰状態にした後、厚さ約3μmの切片を作製し、Hematoxylin・eosin染色を施し、形態学的な評価を行った。
(Animal experiments of implants having a surface fine space structure in which hole-like spaces are connected)
The 4 × 3 mm implant prepared in Example 2 was implanted in a bone defect hole having a diameter of 5 mm and a depth of 5 mm prepared in the vicinity of the proximal tibia of a 12-week-old healthy male SPF rabbit, and the periosteum, subcutaneous tissue, and The skin was sutured. Four weeks after implant implantation, the animals were euthanized by exsanguination under an anesthesia of about 50 ml / kg (iv) of sodium pendant barbital, and the cervical implant was removed and fixed in 10% neutral buffered formalin. did. After fixation, the implanted part was made into a semi-decalcified state by an ion exchange method, and then a section having a thickness of about 3 μm was prepared, and hematoxylin / eosin staining was performed, and morphological evaluation was performed.

当該評価においては、緻密骨レベルにある穴状の空間とそれを連結する溝状の空間内に新生血管を伴う骨組織と骨髄組織が形成される様子が観察された(図4)。等方的な構造を有する穴状の空間とそれを連結する溝状の空間では、配向した組織は形成されなかった。   In this evaluation, it was observed that bone tissue and bone marrow tissue with new blood vessels were formed in a hole-like space at a dense bone level and a groove-like space connecting the holes (FIG. 4). An oriented structure was not formed in the hole-like space having an isotropic structure and the groove-like space connecting the holes.

(連続した溝状の表面微細空間構造を有するインプラントの周期性)
図6−図11は、溝状の空間が連結された表面構造を有するインプラントの表面の高さ情報の2値化像とそのパワースペクトルを示す。凹凸の繰り返し方向に、繰り返し周期の波数に対応する輝点が見られる。
(Periodicity of implants with continuous groove-like surface microstructure)
6 to 11 show a binarized image of the height information of the surface of an implant having a surface structure in which groove-like spaces are connected and its power spectrum. Bright spots corresponding to the wave number of the repetition period can be seen in the repeating direction of the unevenness.

(穴状の空間が溝で連結された表面微細空間構造を有するインプラントの周期性)
図12−図13は、穴状の空間が溝で連結された表面構造を有するインプラントの表面の高さ情報の2値化像とそのパワースペクトルを示す。凹凸の繰り返し方向に、繰り返し周期の波数に対応する輝点が見られる。
(Periodicity of implants having a surface fine spatial structure in which hole-like spaces are connected by grooves)
12 to 13 show a binarized image of the height information of the surface of an implant having a surface structure in which hole-like spaces are connected by grooves and its power spectrum. Bright spots corresponding to the wave number of the repetition period can be seen in the repeating direction of the unevenness.

(表面微細空間構造の欠陥又はゆらぎを伴った周期性)
図14−図19は、欠陥又はゆらぎを伴った溝状の空間が連結された表面構造又は穴状の空間が溝で連結された表面構造を有するインプラントの表面の高さ情報の2値化像とそのパワースペクトルを示す。欠陥の存在や溝状の空間の大きさのゆらぎに関わらず、基本的な凹凸の繰り返し構造に対する繰り返し周期の波数に対応する輝点が見られる。
(Periodicity with defects or fluctuations in the surface fine spatial structure)
FIGS. 14 to 19 are binary images of height information of the surface of an implant having a surface structure in which groove-like spaces with defects or fluctuations are connected or a surface structure in which hole-like spaces are connected by grooves. And its power spectrum. Regardless of the presence of defects and the fluctuation of the size of the groove-like space, bright spots corresponding to the wave number of the repetition period for the basic uneven structure are seen.

比較例1
(ランダムな表面構造を有するインプラントの作製)
インプラント基材に、平均粒径約70μmのチタン粒子を溶射し、更に、平均粒径約80μmの水酸アパタイト粒子を溶射した。表面には、不定形な凹凸構造が形成された。
Comparative Example 1
(Preparation of an implant having a random surface structure)
Titanium particles having an average particle size of about 70 μm were sprayed on the implant base material, and further, hydroxyapatite particles having an average particle size of about 80 μm were sprayed. An irregular concavo-convex structure was formed on the surface.

比較例2
比較例1で作製した4×3mmのインプラントを、12週齢の健康雄SPFウサギの頸骨近位付近に作製した径5mm、深さ5mmの骨欠損孔に埋植し、骨膜、皮下組織、及び皮膚を縫合した。インプラント埋植後、4週後に、動物をSodium pentbarbital約50ml/kg(i.v.)麻酔下に放血により安楽死させ、頸部埋植部を摘出し、10%の中性緩衝ホルマリンに固定した。固定後に埋植部をイオン交換法により半脱灰状態にした後、厚さ約3μmの切片を作製し、Hematoxylin・eosin染色を施し、形態学的な評価を行った。
Comparative Example 2
The 4 × 3 mm implant prepared in Comparative Example 1 was implanted in a bone defect hole having a diameter of 5 mm and a depth of 5 mm prepared in the vicinity of the proximal tibia of a 12-week-old healthy male SPF rabbit, and the periosteum, subcutaneous tissue, and The skin was sutured. Four weeks after implant implantation, the animals were euthanized by exsanguination under an anesthesia of about 50 ml / kg (iv) of sodium pendant barbital, and the cervical implant was removed and fixed in 10% neutral buffered formalin. did. After fixation, the implanted part was made into a semi-decalcified state by an ion exchange method, and then a section having a thickness of about 3 μm was prepared, and hematoxylin / eosin staining was performed, and morphological evaluation was performed.

当該評価においては、緻密骨レベルにある窪み部分のインプラント表面に偶然的にできた不定形な窪み状の構造の微細空間内に骨組織が形成される様子が観察された(図5)が、形成された組織には、新生血管の形成は認められなかった。   In the evaluation, it was observed that a bone tissue was formed in a minute space of an irregular depression-like structure formed by chance on the implant surface of the depression portion at the dense bone level (FIG. 5). Formation of new blood vessels was not observed in the formed tissue.

比較例3
(ランダムな構造)
図20−図22は、ランダムな空間構造有するインプラントの表面の高さ情報の2値化像とそのパワースペクトルを示す。中心の波数0に対応する輝点の周囲に薄いハロパターンが見られ、明らかな構造の周期性は見られない。
Comparative Example 3
(Random structure)
20 to 22 show a binarized image of the height information of the surface of an implant having a random spatial structure and its power spectrum. A thin halo pattern is seen around the bright spot corresponding to the central wave number of 0, and no obvious periodicity of the structure is seen.

以上詳述したように、本発明は、生体インプラント材及びその作製方法と用途に係るものであり、本発明により、生体材料の溝の配向性、大きさ並びに形状が直接的に制御された連通溝が形成された生体材料を形成させることができる。また、本発明により、形成された溝により、体液や気泡の導通が容易で、かつ骨組織や血管の侵入に好適な足場を提供でき、更に、形成される溝の幾何学的な形状により、そこに形成される生体組織の形態を制御できる、生体インプラント等の生体材料を作製し、提供することができる。本発明は、表面の凹凸構造の高さ情報の2次元マップの2値化像に対するパワースペクトルによって規定される骨組織や血管の侵入に好適な特定の表面構造を有する生体材料を提供するものとして有用である。   As described above in detail, the present invention relates to a bioimplant material, a method for producing the bioimplant material, and a use thereof. According to the present invention, the orientation, size, and shape of the groove of the biomaterial are directly controlled. A biomaterial in which grooves are formed can be formed. Further, according to the present invention, due to the formed groove, it is easy to conduct body fluids and bubbles, and can provide a scaffold suitable for invasion of bone tissue and blood vessels, and further, due to the geometric shape of the formed groove, A biological material such as a biological implant that can control the form of the biological tissue formed there can be produced and provided. The present invention provides a biomaterial having a specific surface structure suitable for invasion of bone tissue or blood vessels defined by a power spectrum for a binarized image of a two-dimensional map of height information of a surface uneven structure. Useful.

第1図は実施例1に係わる表面微細空間構造を示すものである。FIG. 1 shows a surface fine space structure according to the first embodiment. 第2図は実施例2に係わる表面微細空間構造を示すものである。FIG. 2 shows a surface fine space structure according to the second embodiment. 第3図は実施例3に係わる表面微細空間構造内に誘導された組織を示すものである。FIG. 3 shows the structure induced in the surface fine space structure according to Example 3. 第4図は実施例4に係わる表面微細空間構造内に誘導された組織を示すものである。FIG. 4 shows the structure induced in the surface fine space structure according to Example 4. 第5図は比較例2に係わるランダムな表面微細空間構造内に誘導された組織を示すものである。FIG. 5 shows a structure induced in a random surface fine space structure according to Comparative Example 2. 第6図(a)は実施例5に係わる表面凹凸構造の凸部が六方格子に配置されて形成された溝状の空間を示すものである。(b)はパワースペクトルを示すものである。FIG. 6 (a) shows a groove-like space formed by arranging convex portions of the surface uneven structure according to Example 5 in a hexagonal lattice. (B) shows a power spectrum. 第7図(a)は実施例5に係わる表面凹凸構造の凸部が面心格子に配置されて形成された溝状の空間を示すものである。(b)はパワースペクトルを示すものである。FIG. 7 (a) shows a groove-like space formed by arranging convex portions of the surface concavo-convex structure according to Example 5 in a face-centered lattice. (B) shows a power spectrum. 第8図(a)は実施例5に係わる表面凹凸構造の凸部により形成された溝状空間のドメインが90度の角をなすように配置されて形成された溝状の空間を示すものである。(b)はパワースペクトルを示すものである。FIG. 8 (a) shows a groove-like space formed by arranging the groove-like space domains formed by the convex portions of the surface concavo-convex structure according to Example 5 to form an angle of 90 degrees. is there. (B) shows a power spectrum. 第9図(a)は実施例5に係わる表面凹凸構造の凸部がジグザグに配置されて形成された溝状の空間を示すものである。(b)はパワースペクトルを示すものである。FIG. 9 (a) shows a groove-like space formed by projecting convex portions of the surface uneven structure according to Example 5 in a zigzag manner. (B) shows a power spectrum. 第10図(a)は実施例5に係わる表面凹凸構造の凸部により形成された溝状空間のドメインが60度の角をなすように配置されて形成された溝状の空間を示すものである。(b)はパワースペクトルを示すものである。FIG. 10 (a) shows the groove-like space formed by arranging the groove-like space domains formed by the convex portions of the surface uneven structure according to Example 5 to form an angle of 60 degrees. is there. (B) shows a power spectrum. 第11図(a)は実施例5に係わる表面凹凸構造の凸部が六方格子に配置されて形成された溝状の空間を示すものである。(b)はパワースペクトルを示すものである。FIG. 11 (a) shows a groove-like space formed by arranging convex portions of the surface concavo-convex structure according to Example 5 in a hexagonal lattice. (B) shows a power spectrum. 第12図(a)は実施例6に係わる表面凹凸構造の凸部が立方格子に配置されて形成された穴状の空間が溝で連結された空間を示すものである。(b)はパワースペクトルを示すものである。FIG. 12 (a) shows a space in which hole-like spaces formed by arranging convex portions of the surface concavo-convex structure according to Example 6 in a cubic lattice are connected by grooves. (B) shows a power spectrum. 第13図(a)は実施例6に係わる表面凹凸構造の凸部により形成された溝状空間のドメインが60度の角をなすように配置されて形成された溝状の空間と穴状の空間からなる表面構造を示すものである。(b)はパワースペクトルを示すものである。FIG. 13 (a) shows a groove-like space and a hole-like shape formed by arranging the groove-like space domains formed by the convex portions of the surface concavo-convex structure according to Example 6 to form an angle of 60 degrees. The surface structure which consists of space is shown. (B) shows a power spectrum. 第14図(a)は実施例7に係わる表面凹凸構造の凸部が六方格子に配置されて形成された溝状の空間をに欠陥が形成された構造を示すものである。(b)はパワースペクトルを示すものである。FIG. 14A shows a structure in which a defect is formed in a groove-like space formed by arranging convex portions of the surface uneven structure according to Example 7 in a hexagonal lattice. (B) shows a power spectrum. 第15図(a)は実施例7に係わる表面凹凸構造の凸部が六方格子に配置されて形成された溝状の空間をに欠陥が形成された構造を示すものである。(b)はパワースペクトルを示すものである。FIG. 15 (a) shows a structure in which a defect is formed in a groove-like space formed by arranging convex portions of the surface uneven structure according to Example 7 in a hexagonal lattice. (B) shows a power spectrum. 第16図(a)は実施例7に係わる表面凹凸構造の凸部が六方格子に配置されて形成された溝状の空間において溝の幅にゆらぎを有する構造を示すものである。(b)はパワースペクトルを示すものである。FIG. 16 (a) shows a structure in which the groove width fluctuates in a groove-like space formed by arranging convex portions of the surface uneven structure according to Example 7 in a hexagonal lattice. (B) shows a power spectrum. 第17図(a)は実施例7に係わる表面凹凸構造の凸部が立方格子に配置されて形成された穴状の空間が溝で連結された空間において欠陥が形成された構造を示すものである。(b)はパワースペクトルを示すものである。FIG. 17 (a) shows a structure in which a defect is formed in a space in which hole-like spaces formed by arranging convex portions of the surface concavo-convex structure according to Example 7 in a cubic lattice are connected by grooves. is there. (B) shows a power spectrum. 第18図(a)は実施例7に係わる表面凹凸構造の凸部が立方格子に配置されて形成された穴状の空間が溝で連結された空間において欠陥が形成された構造を示すものである。(b)はパワースペクトルを示すものである。FIG. 18 (a) shows a structure in which defects are formed in a space in which hole-like spaces formed by arranging convex portions of the surface concavo-convex structure according to Example 7 in a cubic lattice are connected by grooves. is there. (B) shows a power spectrum. 第19図(a)は実施例7に係わる表面凹凸構造の凸部が立方格子に配置されて形成された穴状の空間が溝で連結された空間において窪の大きさや久窪を連結する溝の幅にゆらぎを有する構造を示すものである。(b)はパワースペクトルを示すものである。FIG. 19 (a) shows the size of the recesses and the grooves for connecting the recesses in the space in which the hole-shaped spaces formed by arranging the convex portions of the surface uneven structure according to Example 7 in a cubic lattice are connected by the grooves. This shows a structure having fluctuations in the width. (B) shows a power spectrum. 第20図(a)は比較例3に係わる表面凹凸構造の凸部が比較的粗にランダムに配置されて形成された空間を示すものである。(b)はパワースペクトルを示すものである。FIG. 20 (a) shows a space formed by randomly and randomly arranging convex portions of the surface uneven structure according to Comparative Example 3. (B) shows a power spectrum. 第21図(a)は比較例3に係わる表面凹凸構造の凸部が比較的密にランダムに配置されて形成された空間を示すものである。(b)はパワースペクトルを示すものである。FIG. 21 (a) shows a space formed by randomly arranging convex portions of the surface uneven structure according to Comparative Example 3 in a relatively dense manner. (B) shows a power spectrum. 第22図(a)は比較例3に係わるワイヤ状の凸部がランダムに配置されて形成された空間を示すものである。(b)はパワースペクトルを示すものである。FIG. 22 (a) shows a space formed by randomly arranging wire-like convex portions according to Comparative Example 3. FIG. (B) shows a power spectrum.

Claims (12)

表面微細空間の大きさ、形状ならびに連結が制御された表面構造を有する生体材料であって、1)溝状の空間が連結された又は穴状の空間が、当該穴状の空間の幅より狭い溝で連結された、骨組織侵入のための50μm以上、1000μm以下の凹凸構造からなる表面構造を有し、2)当該表面の凹凸構造の高さ情報の2次元マップの2値化像に対するパワースペクトルにおいて、凹凸構造の周期性に対する空間周波数に対応する輝点が波数0に対応する輝点を軸に対称性を有する、ことを特徴とする生体材料。   A biomaterial having a surface structure in which the size, shape and connection of the surface fine space are controlled, and 1) the groove-like space is connected or the hole-like space is narrower than the width of the hole-like space. It has a surface structure composed of a concavo-convex structure of 50 μm or more and 1000 μm or less for invasion of bone tissue connected by a groove. A biomaterial characterized in that, in the spectrum, a bright spot corresponding to a spatial frequency relative to the periodicity of the concavo-convex structure has symmetry with respect to a bright spot corresponding to a wave number of 0. 上記凹凸構造の高さ情報の2次元マップの2値化像に対するパワースペクトルが異なる複数の表面構造を有する、請求項1記載の生体材料。   The biomaterial according to claim 1, wherein the biomaterial has a plurality of surface structures having different power spectra with respect to a binarized image of a two-dimensional map of height information of the uneven structure. 連続した溝状の表面微細空間構造を有する生体材料であって、0.05μm〜30μmの表面粗さを有し、50〜500μmの幅と50〜500μmの深さを有する溝状の空間が連結された凹凸構造からなる表面構造を有する、請求項1又は2記載の生体材料。   A biomaterial having a continuous groove-like surface fine space structure, having a surface roughness of 0.05 μm to 30 μm, and a groove-like space having a width of 50 to 500 μm and a depth of 50 to 500 μm. The biomaterial according to claim 1, wherein the biomaterial has a surface structure composed of an uneven structure. 連続した溝状の表面微細空間構造を有する生体材料であって、0.05μm〜30μmの表面粗さを有し、50〜1000μmの幅と500〜1000μmの深さを有する穴状の空間が、該穴状の空間の幅より狭い溝で連結された凹凸構造からなる表面構造を有する、請求項1又は2記載の生体材料。   A biomaterial having a continuous groove-shaped surface fine space structure, having a surface roughness of 0.05 μm to 30 μm, a hole-shaped space having a width of 50 to 1000 μm and a depth of 500 to 1000 μm, The biomaterial according to claim 1, wherein the biomaterial has a surface structure composed of a concavo-convex structure connected by grooves narrower than the width of the hole-shaped space. 溝状の空間が配向して形成されている、請求項1から4のいずれかに記載の生体材料。   The biomaterial according to any one of claims 1 to 4, wherein the groove-like space is oriented. 緻密骨レベルにある溝状の空間又は穴状の空間が配向して形成されている、請求項1から5のいずれかに記載の生体材料。   The biomaterial according to any one of claims 1 to 5, wherein a groove-like space or a hole-like space at a compact bone level is oriented. 請求項1から6のいずれかに記載の生体材料からなることを特徴とする生体インプラント。   A living body implant comprising the living body material according to claim 1. 請求項1から6のいずれかに記載の生体材料からなることを特徴とする細胞培養担体。   A cell culture carrier comprising the biomaterial according to any one of claims 1 to 6. 請求項1から6のいずれかに記載の生体材料を製造する方法であって、所定の幅、長さのスリットが形成されたマスクをインプラント基材のコーティング層形成面上に設置して、平均粒径が10〜150μmのチタン粒子を溶射することを特徴とする生体材料の製造方法。   A method for producing the biomaterial according to any one of claims 1 to 6, wherein a mask having slits of a predetermined width and length is placed on the coating layer forming surface of the implant base material, A method for producing a biomaterial, comprising spraying titanium particles having a particle diameter of 10 to 150 μm. 請求項1から6のいずれかに記載の生体材料を製造する方法であって、所定の幅、長さのスリットが形成されたマスクをインプラント基材又はコーティング層の凹凸構造形成面上に設置して、ブラスト処理することを特徴とする生体材料の製造方法。   A method for producing a biomaterial according to any one of claims 1 to 6, wherein a mask having a slit having a predetermined width and length is placed on the surface of the implant substrate or coating layer on which the concavo-convex structure is formed. And a blasting process for producing a biomaterial. 生体材料が、生体インプラントである、請求項9又は10に記載の生体材料の製造方法。   The method for producing a biomaterial according to claim 9 or 10, wherein the biomaterial is a bioimplant. 生体材料が、細胞培養担体である、請求項9又は10に記載の生体材料の製造方法。   The method for producing a biomaterial according to claim 9 or 10, wherein the biomaterial is a cell culture carrier.
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