JP2010005230A - 生体硬組織充填材及び同充填材の製造システム。 - Google Patents

Abstract

【課題】Ｘ線ＣＴスキャナ、ＣＡＤ／ＣＡＭ等の接触的、非接触的な計測装置により得られる骨欠損部のデータに基づいて簡易かつ迅速に骨充填材を得る。
【解決手段】生体における補綴部位の形状を計測して得られた当該計測値に対し、所定の値で調整した形状データを形成し、当該形状データに基づいて補綴用型を形成した後、セラミックス粉末と硬化性樹脂の混合材を補綴用型に充填、硬化後焼成した焼成体により得られ欠損部形状に適合した充填材を得る。

【選択図】図１

Description

本発明は、骨充填材のような硬組織充填材に関する。

光硬化型の樹脂を用いて、3次元形状を形成するように、吐出させて造形し、その際、紫外線、青色光等を照射して固化していくことで、コンピュータ内で形成された3次元情報に基づく仮想模型を、当該樹脂によって造形するいわゆるラピッドプロトタイプによる造形の製造方法は、コンピュータの性能、造形手法の向上から、様々な分野で用いられており、たとえば、特開２００１−１５７６８６号公報によれば、歯科補綴物等に樹脂築盛にレーザ光を照射しながら造形していくラピッドプロトタイプの適用が提案されるに至っている。

模型を作成する程度であれば光造形に適当な材料を用いればよいが、生体補綴物造形のための粘度条件、生体親和性、一定の機械的強度の必要性などにより、たとえば生体に充填できる補綴用材料が利用できない場合も多く、生体用の補綴物については、単に造形だけでなく、生体親和性を備え、機械的強度を保ちながら、所望の形状をもつ必要があるのである。
また、造形の為の装置構成が複雑であり、造形の為に限定された材料しか使用できないために、コスト高となっている。
通常顆粒状のものを、欠損部へ充填するタイプが使用されるが、結局欠損部が凹状のものに限られ、立体形状のものを補綴充填することはその他の容器が必要となるなど、煩雑な処置が必要となる。
リン酸カルシウム化合物の中には、水硬化性、有機酸による硬化性を有するものがあり、リン酸カルシウム化合物に水、有機酸を加え、パテ状にしたものを、造形し、焼成して、リン酸カルシウムセラミックス骨充填材を形成することも提案されているが、
実際、パテ状のもので、しかも経時的に硬化していくものは、硬化速度が大きい場合、十分な造形は、なかなか困難であり、それなりの技量を要する。

特開２００１−１５７６８６号公報

このように、ラピッドプロトタイプは、迅速に意中の模型を形成できるものではあるが、生体との補綴に必要な生体組織と親和性、機械的強度の確保や、継続的に使用した場合の長期安定性を得るまでの材料のラピッドプロトタイプへの適用性、及び手法についてはいまだ未解明な部分が多く、生体材料の分野で、直接利用できるまでには、至らないが、製造の早さ、自在な造形等、利点もあり、この２つの利点を持つような骨充填剤の製造が求められていた。

上記に鑑み本発明は、補綴部位の透明な型をラピッドプロトタイプの手法、ＣＡＤ／ＣＡＭ手法などで形成し、当該型にセラミックスと光硬化樹脂の複合材を供給して、型の中で光を照射して固化させ、造形して焼成することで、適切な生体親和性材料が適用でき、迅速で且つ補綴物としての機能を十分に発揮できる骨充填材の製造方法を実現する。

本発明における反応基材は、光硬化型樹脂としてさまざまな工業分野で広範に使用されているもので、アクリル系材料と非アクリル系材料に大別される。アクリル系は、グリセリンプロポキシトリアクリレート、ポリエーテルトリアクリレート、トリプロピレングリコールジアクリレートなどの、１官能アクリレート、２官能アクリレート、３官能アクリレート、４〜６官能アクリレートなどのアクリル系モノマー、エポキシアクリレート、エポキシメタアクリレート、ウレタンアクリレート、ウレタンメタアクリレート、ポリエステルアクリレート、ポリエステルメタアクリレート、ポリエーテルアクリレート、ポリエーテルメタアクリレート、共重合系アクリレート、ポリブタジエンアクリレート、ポリブタジエンメタアクリレート、シリコンアクリレート、シリコンメタアクリレート、ポリアクリルアクリレート、アミノ樹脂アクリレートなどのアクリル系オリゴマーが挙げられる。非アクリル系としては、マレイミド化合物、エン・チオール系材料、脂環式エポキシ樹脂、グリシジルエーテルエポキシ樹脂、ウレタンビニルエーテル、ポリエステルビニルエーテルに分類されるモノマー、あるいはオリゴマーが挙げられる。その配合割合は、１０〜８０％が例示される。

本発明における光硬化反応の重合開始剤は、アクリル系材料には、カンファーキノン、ベンゾインメチルエーテル、ベンジルジメチルケタール、２−クロロチオキサントンに代表される、ベンゾフェノン系、アセトフェノン系、チオキサントン系、フォスフィンオキサイド系などのラジカル重合系反応を利用するものが挙げられ、その配合割合は５〜０．０１％が示される。またラジカル重合促進剤としては、Ｎ，Ｎ−ジメチルアミノエチルメタクリレート、Ｎ−メチルジエタノールアミン、Ｎ，Ｎ−ジメチルアミノ安息香酸エチルに代表される３級アミン系などが挙げられ、配合割合は１〜０．０１％が例示される。非アクリル系材料には、スルホニウム塩、ヨードニウム塩などの、カチオン重合系反応を利用するものが挙げられ、その配合割合は５〜０．０１％が示される。
本発明における、希釈材として、２−エチルヘキシルアクリレート、Ｎ−ビニルピロリドン、アクリロイルモルホリン、Ｎ−ビニルカプロラクタム、イソボルニルアクリレート、ジシクロジヒドロペンタジエニルアクリレート、ジシクロペンタニルアクリレートなどの単官能モノマーが挙げられ、配合割合は６０％以下が例示される。また、水溶性をもつ光硬化型樹脂を選択した場合、希釈材としてポリエチレングリコールのような水溶性高分子材料の水溶液を代用することができる。

本発明におけるセラミックス材には、ハイドロキシアパタイト、炭酸アパタイト、フッ素アパタイト、塩素アパタイト、β−リン酸三カルシウム、α−リン酸三カルシウム、メタリン酸カルシウム、リン酸四カルシウム、リン酸水素カルシウム、第二リン酸カルシウム、リン酸八カルシウム、リン酸水素カルシウム二水和物、リン酸カルシウム系ガラス、これらリン酸カルシウム混合物、アルミナ、ジルコニア、長石等の鉱物などが挙げられ、平均粒径１０ｎｍ〜２００μｍが例示され、配合割合は５〜８０％、好ましくは２０〜５０％が例示される。
なお、本発明は、セラミックス材と樹脂材の配合の割合は、１：１〜１：３で、おおよそ半々程度の配合の割合が例示される。
このようにセラミックス材と樹脂材との割合が半分くらいだと、混合成形後割れやすくなるが、本発明では、単官能モノマーの添加により、成形後でも割れが生じにくくなっている。

本発明で示す照射手段は、青色、白色その他の色の可視光照射装置、紫外線照射装置
による光照射が例示され、波長３００〜７００ｎｍ、その強さは、１０００〜１０万ｌｕｘが例示され、照射時間は、大きさにもよるが、１〜１００００ｓｅｃが例示される。

本発明における焼成は、８００〜１４００℃で、３０ｍｉｎ〜１００ｈで例示される。
本発明は、最終的に樹脂材の消失によって、セラミックスのみの充填材を形成するものであり、焼成前後で、充填材の大きさは、約１０〜７０％減少する。当該減少値は、おおよそであるが、定数的に取り扱うことが可能であり、当該値は、3次元計測値に対し、定数の積をおこなう演算処理を行い、演算処理後の値で透明型を形成する。
この定数の範囲は、約１．１〜３．４で決定可能であるが、樹脂とセラミックスの配合比に応じて適宜調整される場合もある。

本発明は、補綴部位に適当な補綴がされる形状でしかも迅速な骨充填材の製造を可能とする。また本発明は、焼成することでリン酸カルシウム系のセラミックス製の骨充填材となることから、樹脂からの溶出物の心配が無いものである。

本発明の製法は以下のとおりである。

光硬化体作製用の型の作製

生体の補綴部位には、例えばＸ線ＣＴ、ＭＲＩ等の断層撮影装置によって得られる電子情報を連結して構成され、当該データの3次元構造補綴材の凸形状を得る。
例えば、この場合、少なくとも欠損部の形状と、欠損部を修復した後の表面形状の２つの3次元情報が用いられる。当該手法は、修復部位を非接触で測定する方法であり、手術時に修復部位から、硬化性材料をあてがって、型取りをしてもよい場合もある。

当該凸形状の3次元データを接触式、非接触式の3次元形状計測器を用いて取得する。得られた3次元構造補綴材形状データを焼成前の造形用データに変換する。図1は、パーソナルコンピュータのモニター画面の一部を示すものであり、１１は、Ｘ線ＣＴスキャン、ＭＲＩ等、生体内の骨欠損部の周辺を検出し、その形状をデータ化したものをモニター上のウィンドウに表示した骨欠損部仮想形状である。１２は、当該欠損部に仮に補綴した場合の表面状態を別のウィンドウに表示した補綴後仮想形状である。当該データを形成する手法は、Ｘ線ＣＴスキャニング装置における公知の手法によるものであれば足りるものである。
当該データは、補綴形状を示すものであるが、本発明では、混合樹脂による成形後、焼成処理を行うために、収縮変形するためこの収縮変形前の形状に、データを変換する。３次元構造体を規格形状に成型し焼成を行い、収縮率を測定しておく。この得られた数値をもとに、当該変換データは収縮率の逆数倍へ拡大する処理であればよい。
当該変換処理を行った後、この変換処理に基づいて、凸形状を形成する。

当該鋳型の製造方法は、賦形性と硬化性を有する材料に静置させ凸形状から凹型を得る方法、特開２００１−１５７６８６号公報等のいわゆるラピッドプロトタイプによる作製、光透過性のある透明あるいは半透明な樹脂ブロックを切削、研削加工するCAD／CAM手法が例示される。これらの手法によって得られる透明又は半透明な鋳型を図２に示す。
上部２１と下部２２に分かれた鋳型を重ね合わせることで、内部に焼成前の補綴物形状２３が形成される。なお、上下に分かれた鋳型は、少なくとも上部または下部の一方において、単純な形状な場合は、どちらか一方の鋳型で良い場合もある。
当該変換は、リン酸カルシウム粉末と光硬化材との配合と焼成前後の収縮率によって、得られる所定の値であり、焼成前の形状は、焼成後の大きさに比べ、光硬化樹脂等のいわゆるバインダーとして存在するため大きくなる。

具体的な倍率は配合比率が１：１の場合１．７倍に設定されることが好ましい。この拡大した凸型データを凹状の造形用型データに変換する。
シリコーン樹脂を用いて凹型を得る場合は、凸型の周囲に流し込めるような溝をもつ型を作製する。アクリル等の透明ブロックを加工して凹型を得る場合は、エンドミル等の研削切削加工具による加工用の凹状データから作製する。
アクリル系モノマーであるグリセリンプロポキシトリアクリレート、重合開始剤としてカンファーキノンと、重合促進剤としてN，N-ジメチルアミノエチルメタクリレートを自転公転式攪拌機で攪拌し、青色光で硬化する光硬化性樹脂を作製する。この樹脂と、単官能モノマーの2-エチルヘキシルアクリレートを混合し、バインダーの代用とする。リン酸カルシウム粉末、と上記バインダーを重量比1:2となるように混ぜ、スラリーを得る。

このスラリーを上述した製法によって製造された光が透過する半透明シリコーン型に流し込み、青色光照射により１〜１０ｍｉｎ硬化させる。得られた硬化体を１０００〜１１００℃で焼成し、リン酸カルシウムセラミックスが得られる。
焼成により起こる収縮率をあらかじめ測定し、造形したいモデル、またはその3次元データがあれば、そこから収縮率の逆数倍のモデルを、3次元造形装置により作製し、メス型のシリコーン型を作製すれば任意形状のリン酸カルシウムセラミックスの作製が可能になる。
以下本発明の実施例について詳細に説明する。

光硬化型樹脂グリセリンプロポキシトリアクリレート５ｇ、重合開始剤カンファーキノンを０．０２ｇ、重合促進剤N，N−ジメチルアミノエチルメタクリレート０．０２ｇを自転公転式攪拌機（あわとり練太郎(商標)(ＡＲＶ−３１０) 株式会社シンキー製）で攪拌し、青色光で硬化する樹脂を作製する。そこに、８００℃で仮焼したリン酸三カルシウム粉末を５ｇ、２−エチルヘキシルアクリレートを５ｇ加え、さらに自転公転式攪拌機で攪拌し、スラリーとする。
歯科用の顎骨模型を鋳型として用い、シリコーン樹脂に圧着させ、半透明のシリコーン製凹型を得た。このスラリーを、この鋳型に充填した後、 強さ２万ｌｕｘの青色光を３０ｍｉｎ, 十分に硬化が起こるまで照射する。得られた硬化体を１１００℃で５時間焼成して、図３のような焼結体を得た。当該焼結体の走査型電子顕微鏡像を撮影したところ図４で見られるように、セラミックス粒子が焼結している様子が観察された。
図４からは、焼成して得られる補綴物が緻密であることが示される。
Ｘ線回折を測定し、図５で示すような純粋なβ−リン酸三カルシウム焼結体であることが確認できた。図６で示す赤外分光測定により、光硬化性樹脂の残存はなく、骨充填に用いることのできる純度を有していた。

光硬化型樹脂グリセリンプロポキシトリアクリレート５ｇ、重合開始剤カンファーキノンを０．０２ｇ、重合促進剤N，N−ジメチルアミノエチルメタクリレート０．０２ｇを自転公転式攪拌機で攪拌し、青色光で硬化する樹脂を作製する。そこに、８００℃で仮焼したリン酸三カルシウム粉末を５ｇ、２−エチルヘキシルアクリレートを５ｇ加え、さらに自転公転式攪拌機で攪拌し、スラリーとする。
このスラリーを、例えば図１、図２で示す手法により製造された鋳型に充填した後、 強さ２万ｌｕｘの青色光を３０ｍｉｎ, 十分に硬化が起こるまで照射する。得られた硬化体を１４００℃で５時間焼成して、焼結体を得た。当該焼結体のＸ線回折測定したところ、図７で示すような純粋なα−リン酸三カルシウム焼結体であることが確認できた。

光硬化型樹脂グリセリンプロポキシトリアクリレート５ｇ、重合開始剤カンファーキノンを０．０２ｇ、重合促進剤N，N−ジメチルアミノエチルメタクリレート０．０２ｇを自転公転式攪拌機で攪拌し、青色光で硬化する樹脂を作製する。そこに、８００℃で仮焼したリン酸三カルシウム粉末を５ｇ、２−エチルヘキシルアクリレートを５ｇ加え、さらに自転公転式攪拌機で攪拌し、スラリーとする。このスラリーを、シリコンチューブで結び目を作り、その内部に装填し、強さ２万ｌｕｘの青色光を全体に照射し、硬化させる。チューブから硬化体を破壊しないように取り出し、１１００℃で５時間焼成して、図８のようなβ−ＴＣＰからなる結び目をもつ焼結体が得られた。

光硬化型樹脂で、水溶性をもつポリエーテルトリアクリレートを５ｇ、重合開始剤カンファーキノンを０．０２ｇ、重合促進剤N，N−ジメチルアミノエチルメタクリレート０．０２ｇを自転公転式攪拌機で攪拌し、青色光で硬化する樹脂を作製する。そこに、８００℃で仮焼したリン酸三カルシウム粉末を５ｇ、５０％ポリエチレングリコール水溶液を５ｇ加え、さらに自転公転式攪拌機で攪拌し、スラリーとする。このスラリーを、例えば図１、図２で示す手法により製造された鋳型に充填した後、 強さ２万ｌｕｘの青色光を３０ｍｉｎ, 十分に硬化が起こるまで照射する。硬化して得られた充填材を１１００℃で５時間焼成して、焼結体を得た。水溶性樹脂を用いることで、有機溶剤を減らし、環境保全に適した方法でも焼結体の作製が可能である。

本発明は、顆粒状の充填材とは異なりより正確な形状で充填でき、しかも迅速に充填材の製造が可能であって、手軽なリン酸カルシウム化合物よりなる骨充填材の製造が可能であり骨欠損部の処方に新しい材料が提案できる。

本発明の実施例における型の製造等を説明する為の図。 本発明の実施例における型の製造等を説明する為の図。 本発明の実施例を説明する為の図。 本発明の実施例を説明する為の図。 本発明の実施例を説明する為の図。 本発明の実施例を説明する為の図。 本発明の実施例を説明する為の図。 本発明の実施例を説明する為の図。

符号の説明

１１ 骨欠損部仮想形状
１２ 充填後仮想形状
２１ 上部
２２ 下部
２３ 補綴物形状

Claims (8)

1. 生体における補綴部位の形状を計測して得られた当該計測値に対し、所定の値で調整した形状データを形成し、当該形状データに基づいて補綴用型を形成した後、セラミックス粉末と硬化性樹脂の混合材を補綴用型に充填、硬化後焼成した焼成体よりなる生体硬組織充填材。
2. セラミックス粉末と硬化性樹脂の複合材を補綴用型に供給するとともに硬化させて型内に充填して成形し、焼成する生体硬組織充填材の製造方法。
3. 前記型の大きさが焼成後の充填材よりも所定値だけ大きい請求項１、２に記載の生体硬組織充填材及び同充填材の製造方法。
4. 前記硬化が光硬化であり、前記型が透光性部材より形成されている請求項１から２に記載の生体硬組織充填材及び同充填材の製造方法。
5. 前記セラミックスが、ハイドロキシアパタイト、炭酸アパタイト、フッ素アパタイト、塩素アパタイト、β−リン酸三カルシウム、α−リン酸三カルシウム、メタリン酸カルシウム、リン酸四カルシウム、リン酸水素カルシウム、第二リン酸カルシウム、リン酸八カルシウム、リン酸水素カルシウム二水和物、リン酸カルシウム系ガラス、これらリン酸カルシウム混合物、アルミナ、ジルコニア、長石等の鉱物などから選ばれる請求項１，２に記載の生体硬組織充填材及び同充填材の製造方法。
6. 前記混合材に希釈材として単官能モノマーがふくまれている請求項１、２に記載の生体硬組織充填材及び同充填材の製造方法。
7. 前記硬化性樹脂が、反応基材、重合開始剤、重合促進剤を、自転と公転とを組み合わせて行う回転攪拌により形成する請求項１，２に記載の生体硬組織充填材及び同充填材の製造方法。
8. 生体補綴物形成部位の形状を型取りした凸モデルを形成する凸モデル形成手段、
   前記凸モデルの表面形状を計測して3次元データを形成する3次元データ形成手段、
   前記3次元データに基づき、透明で、凸モデルの所定倍の大きさを有する凹状の型を形成する形状変換手段、
   前記、凹状の型に前記混合材を注入し、前記混合材に対し、硬化用光を、型を介して照射して硬化させる照射手段、
   前記混合材が硬化した後、焼成する焼成手段よりなる生体硬組織充填剤の製造システム。

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