JP2008279138A - 皮膚ボタン - Google Patents

Abstract

【課題】長尺部材に加わる外力および皮膚が動くことで発生する外力に対し、貫通部材と皮膚組織との境界にかかる応力を緩和させることができる皮膚ボタンを提供する。
【解決手段】生体の皮下組織内において皮膚組織側に固着され、生体内臓器もしくは人工臓器と外部機器との接続に使用される皮膚ボタンであり、軸部１１およびその軸部の一端に設けられるフランジ１２からなる純チタンまたはチタン合金製の基材１３と、フランジ１２の軸部１１側の面に接合される金属不織布１６とを備えた皮膚ボタン１０。軸部１１は、生体内臓器もしくは人工臓器と外部機器とを結ぶ長尺部材が保持される貫通孔１４を備え、金属不織布１６が１辺もしくは径が100μm未満の金属繊維からなり、かつ、100〜400μmの連通したポアを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は生体皮下組織内に固着され、生体内の臓器・組織・細胞もしくは植え込み型人工臓器（人工心臓、人工膵臓など）と生体外の機器（人工臓器駆動源、人工臓器制御装置、薬液注入装置、体内物質サンプリング装置、生体信号計測装置など）との接続などに使用される皮膚ボタンに関する。

特開平１０−３０９３２１号公報

従来、人工材料を生体内に植え込むと生体は異物の侵入と判断し、線維性の被膜（線維性カプセル）で包んで（カプセル化）正常細胞から隔離し、異物から生体を守ろうとする反応が起こることが知られている。この反応はとくに皮膚部においては、皮膚を貫通した人工材料の周辺皮膚組織が材料に沿って下降性の成長（ダウングロース）をおこし、人工材料を生体外に排出するように働く。このダウングロースした生体組織と人工材料の境界部位には強固な密着性はなく、この部位からの細菌感染の危険性は非常に大きい。

また、植え込み型の人工心臓などの人工臓器からケーブル（電線）を外部の電源などの機器に接続するものとして、皮膚に平盤状の部材を貼り付け、生体内から延びたケーブルを平盤状の部材に貫通させ、外部の機器に接続する方法がとられていた。この方法は貫通部材と生体組織との密着強度が弱く、ケーブルに外力がかかったり身体の動きに応じて皮膚が動いて貫通部材と生体組織との境界に負荷がかかった際に、その境界組織が損傷を受けたり、痛みを感じたりすることがあった。また、ケーブルのほか、カテーテルやチューブ、ガイドワイヤなどの可撓性を有する長尺部材を上記の平盤状の部材に貫通させることもある。

上記の問題を解消するために、特許文献1では、生体親和性がよく、かつ多層構造を有する炭素質材料（組織導入部材）を、皮下組織層に対し垂直に位置するよう設けられた管状部材の周囲に巻きつけて皮下組織との結合力を向上させた皮膚ボタンを提案している。ところで皮膚（表皮、真皮）は皮下組織（筋、骨など）と直接的に結合しているわけでなく、皮下の組織の動きに関係なく皮膚に加わった外力によって動くことが知られている。このため、身体を動かした際など、皮膚と皮下組織とは各々別々の変位で動くため、例えば身体を伸ばしたときと曲げたときでは皮膚と皮下組織との間に位置ずれが生じる。

しかし特許文献1の技術は、ケーブルなどが貫通する皮下組織全体（表皮、真皮、筋）を貫通部材の周囲に巻きつけた組織導入部材によって一度に固着させてしまうため、皮膚の自由な動きを阻害してしまう。これにより身体を動かした際には、違和感や痛みを感じることもある。さらに、皮膚面と垂直に組織導入部材を設けており、皮膚組織は０．５〜数ミリメートルと非常に薄いことから皮膚組織と組織導入部材との接触面積は非常に小さく、皮膚のみに大きな外力が加わった場合に、接触境界の組織が損傷を受けることは容易に想像される。

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、皮膚貫通部において貫通するケーブルなどの長尺部材による外力および身体を動かした際に皮膚が動くことで発生する外力などに対して、貫通部材と皮膚組織との境界にかかる応力を緩和させることができ、感染の原因となる皮膚の大きいダウングロースを防止しうる皮膚ボタンを提供することを目的とする。

本発明の皮膚ボタンは、生体の皮下組織内において皮膚組織側に固着され、生体内臓器もしくは人工臓器と外部機器との接続に使用される皮膚ボタンであり、皮膚を貫通するように配置される軸部およびその軸部の一端に設けられて生体内に埋め込まれるフランジを有する純チタンまたはチタン合金製の基材と、前記フランジの軸部側の面に接合される金属不織布とを備えており、前記軸部が、前記生体内臓器もしくは人工臓器と外部機器とを結ぶ長尺部材が保持される、少なくとも１個以上の軸方向の貫通孔を備え、前記金属不織布が、１辺もしくは径が１００μｍ未満の金属繊維からなり、かつ、１００〜４００μｍの連通したポアを有することを特徴としている。長尺部材には、ケーブル、チューブのほか、ガイドワイヤなど、体内に植え込まれる人工臓器と外部機器とを連結する種々のものが含まれる。

このような皮膚ボタンにおいては、前記金属不織布が、１辺もしくは径が５〜１００μｍ範囲内で複数のサイズからなる金属繊維を絡合させることで構成されているものが好ましい。さらに前記金属不織布が純チタン、チタン合金、コバルト−クロム合金からなる群から選ばれたいずれか１種または２種以上の金属の繊維からなり、前記基材のフランジの表面に対して前記金属不織布が、融点（Ｔｍ）の０．３〜０．９倍の温度で焼結接合されたものが好ましい。

前記基材の外周表面が、ヒドロキシアパタイト又は炭酸アパタイトを含むリン酸カルシウム化合物によってコートされているものが良い。また、金属繊維の少なくとも表面がヒドロキシアパタイト又は炭酸アパタイトを含むリン酸カルシウム化合物によってコートされたものが良い。さらに前記金属不織布の内部ないし表面に、細胞成長因子、サイトカイン、抗生物質、細胞成長制御因子、酵素、蛋白、多糖類、燐脂質、リポ蛋白、ムコ多糖類よりなる群から選択される１種又は２種以上の生理活性物質あるいは生理活性助剤が保持されているものが好ましい。さらに前記金属不織布の内部ないし表面に細胞が接着されているものが好ましい。

本発明の皮膚ボタンは、表皮面を向いたフランジの表面に、１辺もしくは径が１００μｍ未満の金属繊維からなり、１００〜４００μｍの連通したポアを有する金属不織布を備えていることで、金属不織布に対して生体組織がポアを介して強固に結合する。

また金属不織布が１００〜４００μｍの連通したポアを有しているため、金属不織布が生体組織と固着した際に新生血管の侵入が期待され、優れた長期生体適合性を得ることができる。

さらに金属不織布が基材のフランジの軸部側の表面に配置されているので、生体内に埋め込んだときは、金属不織布が皮膚組織層に対して水平方向に位置する。よって皮膚が動いた場合に皮膚ボタンは皮膚の動きに容易に追従し、かつ皮膚組織層に対して垂直方向に取りつけられた場合よりも皮膚組織と不織布との接触面積が大幅に増加するため、この境界面にかかる単位面積当たりの負荷を大幅に低減させることができる。また、皮膚組織層を貫通する軸部の表面には不織布が配備されないため、この軸部に沿ってわずかなダウングロースをおこさせることができ、軸部の皮膚組織に凹状の立体構造を持たせることができる。この表皮の立体的な構造によって、皮膚ボタン近傍の皮膚表面に外力がかかった場合でも、表皮組織と皮膚ボタンとの結合部にかかる力を緩衝させることが可能となる。

軸部を貫通する長尺部材に急に外力が加わった場合においては、皮膚ボタンはその周辺の皮膚ごと動くことが可能なため、皮膚組織と不織布との接触面にかかる瞬間的な力を緩衝させることができる。これらの効果から、感染抑止にもっとも重要となる表皮と人工材料との境界面にかかる負荷を小さく抑え、ダウングロースを防止し、長期に安定した皮膚ボタンを得ることができる。

前記金属不織布が、１辺もしくは径が５〜１００μｍの範囲内で複数のサイズからなる金属繊維を絡合させることで構成されている場合は、生体組織と固着した際に感染予防となる新生血管の侵入に必要な１００〜４００μｍの連通したポアを容易に構築でき、また使用目的にあわせたポアサイズのコントロールが容易となる。

前記金属不織布が純チタン、チタン合金、コバルト−クロム合金からなる群から選ばれたいずれか１種または２種以上の金属の繊維からなり、前記基材のフランジの表面に対して前記金属不織布が、融点（Ｔｍ）の０．３〜０．９倍の温度で焼結接合されている場合は、金属不織布の生体適合性が高く、しかも焼結接合により強固に接合されているので、長期間にわたって安定した皮膚ボタンを得ることができる。

前記基材の外周表面が、ヒドロキシアパタイトまたは炭酸アパタイトを含むリン酸カルシウム化合物によってコートされている場合、あるいは金属繊維の少なくとも表面にヒドロキシアパタイト又は炭酸アパタイトを含むリン酸カルシウム化合物によってコートする場合は、生体適合性が向上し、金属単体よりも生体組織との早期固着が期待できる。

また前記金属不織布の内部ないし表面に、細胞成長因子、サイトカイン、抗生物質、細胞成長制御因子、酵素、蛋白、多糖類、燐脂質、リポ蛋白、ムコ多糖類よりなる群から選択される１種又は２種以上の生理活性物質あるいは生理活性助剤が保持されている場合は、生理活性物質あるいは生理活性助剤の作用で金属不織布の早期固着をさらに期待できる。また金属不織布の内部ないし表面に繊維芽細胞などの細胞を接着させる場合は、生体埋設後に生体組織との早期一体化が得られる。

図１および図２は本発明の皮膚ボタンの実施形態を示す平面図および断面図であり、図２では皮下組織下に装着した状態を示す。なお、これらの実施形態は、本発明の理解を容易にするため一助としての具体例を開示するものであり、これによって、本発明を限定するものではない。

図１および図２に示す皮膚ボタン１０は、軸部１１と、その軸部の下端外周に設けたフランジ１２とを備えた、純チタン製の基材１３を有する。軸部１１には、生体内臓器もしくは人工臓器と外部機器とを結ぶケーブルやチューブなどの長尺部材が保持される１つの貫通孔１４を設けている。この実施形態では軸部１１および貫通孔１４は円形断面であり、この場合は軸部１１は円筒状である。ただし軸部１１や貫通孔１４の断面形状は四角形や楕円など、円形以外であってもよい。また、２個以上の貫通孔１４を設けることもできる。貫通孔１４には、ケーブルやチューブなどの長尺部材のうち、同種類のものを複数本挿入したり、あるいはケーブルとチューブの両方など、異なる種類の長尺部材を挿入することもできる。フランジ１２の上面（軸部側の表面）には、環状溝１５が形成され、その環状溝１５に金属不織布１６を充填している。環状溝１５の内面側は軸部１１の表面と連続している。また図２の符号２０は表皮を、符号２１は真皮を、符号２２は皮下組織をそれぞれ示す。

金属不織布１６は、１辺もしくは径が100μm未満の純チタンからなる金属繊維を絡合させたものであり、１００〜４００μｍの連通したポアを有している。金属繊維の断面形状は、円形であってもよく、四角形ないし多角形や楕円などであってもよい。また基材の外周面は、ヒドロキシアパタイトまたは炭酸アパタイトを含むリン酸カルシウム化合物によってコートされている。ただし部分的にコートしてもよい。さらに金属不織布１６の表面または内部についても、ヒドロキシアパタイトまたは炭酸アパタイトを含むリン酸カルシウム化合物によってコートするのが好ましい。

金属不織布１６の成形およびフランジ１２の表面部への貼り付けは、例えば、金属繊維をフランジ１２の環状溝１５に詰め込み、金型に入れ、融点（純チタン：１６６８度）の０．３〜０．９倍の温度で、真空焼結することによって行うことができる。ただしあらかじめリング状に成形して仮焼結しておき、その後に環状溝１５に嵌入し、焼結して接合してもよい。基材１３の外周面へのリン酸カルシウム化合物のコートは、スパッタやレーザーアブレーション法などによって行うことができる。

このように皮膚ボタン１０は、図２に示すように、フランジ１２の金属不織布１６が皮膚組織側になるよう皮下組織２２に配置し、軸部１１を表皮２０に貫通させるように生体に埋め込んで使用する。皮膚ボタン１０は、１００〜４００μｍの連通したポアを有する金属不織布１６を備えていることで、埋め込み施術後、生体組織が金属不織布１６のポアを介して強固に結合する。また純チタン不織布１６が純チタン製の基材１３のフランジ１２の表面部に融点（Ｔｍ）の０．３〜０．９倍の温度で焼結接合により強固に接合されており、かつ、金属不織布１６が表皮２０および真皮２１からなる皮膚組織層に対して水平方向に位置する。よって皮膚が動いた場合に皮膚ボタン１０は皮膚の動きに容易に追従する。

また、基材１３の軸部１１には金属不織布１６が配備されないため、この軸部１１に沿ってわずかなダウングロース（図２の符号２３）をおこさせることができ、貫通部の皮膚組織に凹状の立体構造を持たせることができる。この表皮２０の立体的な構造によって、皮膚ボタン１０近傍の皮膚表面に外力がかかった場合でも、表皮組織と皮膚ボタン１０との結合部にかかる力を緩衝させることが可能となる。

貫通孔１４を貫通するケーブルに急に外力が加わった場合においては、皮膚ボタン１０はその周辺の皮膚ごと動くことが可能なため、皮膚組織と金属不織布１６との接触面にかかる瞬間的な力を緩衝させることができる。これらの効果から、感染抑止にもっとも重要となる表皮２０と人工材料との境界面にかかる負荷を小さく抑え、感染の原因となる大きいダウングロースを防止し、長期に安定した皮膚ボタンを得ることができる。

前記実施形態では、基材１３を純チタン製としているが、α＋β型、β型などのチタン合金製とすることもできる。また、前記実施形態では、金属不織布として純チタン繊維を用いているが、これについてもα＋β型、β型などのチタン合金あるいはコバルト−クロム合金の金属繊維からなる金属不織布を用いることもできる。さらに金属不織布１６の内部または表面に、細胞成長因子、サイトカイン、抗生物質、細胞成長制御因子、酵素、蛋白、多糖類、燐脂質、リポ蛋白、ムコ多糖類よりなる群から選択される１種又は２種以上の生理活性物質あるいは生理活性助剤を保持させるのが好ましい。また、金属不織布の内部ないし表面に、繊維芽細胞、間葉系幹細胞などの細胞を接着させるのが好ましい。

［実験例］生体内植え込みによる本発明の効果を実証するために、以下の実験を行った。
［実験例１］純チタン円柱（外径：１０ｍｍ、表面積７８．５ｍｍ^２フランジなし、貫通孔なし）の表面に１辺が８０μｍの断面四角形の純チタン繊維からなる不織布（ポアサイズ：２００μｍ）を焼結により貼り付けた実験材料を作成し、その実験材料をラットの皮下に埋植し、一定期間後の皮下組織と不織布の引っ張り強度を測定した。

その結果を図３のグラフに示す。このグラフによれば、２週間で１０Ｎ、１０週で１７Ｎと、良好な引っ張り強さを示すことが分かる。この引っ張り強さは、図３のグラフから分かるように、基材である純チタン円柱と不織布の接合強度の１／１０程度である。このことから、不織布が生体と固着した際に不織布にかかる応力により、不織布が基材から剥がれることがないことがうかがえる。

本発明の皮膚ボタンの効果を実証するために以下の実験を行った。
［実験例２］フランジを有する純チタンの基材（軸部外径：６ｍｍ、長さ１１ｍｍ、フランジ外径：１５ｍｍ、厚さ３ｍｍ、ただし貫通孔なし）のフランジ表面に１辺が８０μｍの純チタン繊維からなる不織布（ポアサイズ：２００μｍ、厚さ２ｍｍ）を接合した実験材料をラットの皮膚に埋植した。

埋植期間５週後の一例を図４および図５に示す。不織布近傍の組織観察を実施した結果、顕著な異物反応や炎症は観られなかった。また不織布内に新生血管の侵入が確認され、血流を十分に確保でき、長期に安定した成績が得られた。

本発明の皮膚ボタンの一実施形態を示す平面図である。 図１の皮膚ボタンの皮膚への埋植状態を示す縦断面図である。 実験例１による埋設期間と引っ張り強度の関係を示すグラフである。 実験例２による埋設状態を示す写真である。 実験例２による結果を示す顕微鏡写真である。

符号の説明

１０ 皮膚ボタン
１１ 軸部
１２ フランジ
１３ 基材
１４ 貫通孔
１５ 環状溝
１６ 金属不織布
２０ 表皮
２１ 真皮
２２ 皮下組織
２３ ダウングロース

Claims (7)

1. 生体の皮下組織内において皮膚組織側に固着され、生体内臓器もしくは人工臓器と外部機器との接続に使用される皮膚ボタンであり、
   皮膚を貫通するように配置される軸部およびその軸部の一端に設けられて生体内に埋め込まれるフランジを有する純チタンまたはチタン合金製の基材と、
   前記フランジの軸部側の面に接合された金属不織布とを備えており、
   前記軸部が、前記生体内臓器もしくは人工臓器と外部機器とを結ぶ長尺部材が保持される、少なくとも１個以上の軸方向の貫通孔を備え、
   前記金属不織布が、１辺もしくは径が１００μｍ未満の金属繊維からなり、かつ、１００〜４００μｍの連通したポアを有することを特徴とする皮膚ボタン。
2. 前記金属不織布が、1辺もしくは径が５〜１００μmの範囲内で複数のサイズからなる金属繊維を絡合させることで構成されていることを特徴とする請求項１記載の皮膚ボタン。
3. 前記金属不織布が純チタン、チタン合金、コバルト−クロム合金からなる群から選ばれたいずれか１種または２種以上の金属の繊維からなり、前記基材のフランジの表面に対して前記金属不織布が、融点（Ｔｍ）の０．３〜０．９倍の温度で焼結接合されたことを特徴とする請求項１または２記載の皮膚ボタン。
4. 前記基材の外周表面が、ヒドロキシアパタイトまたは炭酸アパタイトを含むリン酸カルシウム化合物によってコートされていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の皮膚ボタン。
5. 前記金属繊維の少なくとも表面が、ヒドロキシアパタイトまたは炭酸アパタイトを含むリン酸カルシウム化合物によってコートされていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の皮膚ボタン。
6. 前記金属不織布の内部ないし表面に、細胞成長因子、サイトカイン、抗生物質、細胞成長制御因子、酵素、蛋白、多糖類、燐脂質、リポ蛋白、ムコ多糖類よりなる群から選択される１種又は２種以上の生理活性物質あるいは生理活性助剤が保持されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の皮膚ボタン。
7. 前記金属不織布の内部ないし表面に細胞が接着されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の皮膚ボタン。