JP2010233913A - 人工骨とその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】補填時に比較的自由に形状を変えることができて折り曲げても破断しにくい人工骨と製造方法を提供する。
【解決手段】直径略１０μｍ〜１ｍｍの糸状に成形された複数のリン酸カルシウム／コラーゲン複合体２を編み込みまたは織り込むことにより、紐状または織物状に形成されている人工骨１を提供する。本発明によれば、リン酸カルシウム／コラーゲン複合体２を直径略１０μｍ〜１ｍｍの糸状に成形することで、折り曲げたときの曲率半径が湾曲の内側と外側とで大きく変化しないので、横断面内において発生する歪みが小さく、破断せずに折り曲げることができる。さらに、そのような糸状のリン酸カルシウム／コラーゲン複合体２を編み込みまたは織り込むことで、立体的または平面的な人工骨１を構成することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、人工骨とその製造方法に関するものである。

従来、アパタイトのようなリン酸カルシウムを含む人工骨は自家骨に対して生体親和性を有するので、整形外科を初めとする種々の分野において臨床応用されている。
しかし、アパタイトのようなセラミックス系の人工骨の機械的特性および生理的性質は、自家骨と同じではなく、セラミックス系人工骨は、自家骨より硬くて脆いという不都合がある。

この問題を解決するために、セラミックス系の人工骨内にコラーゲンを含ませたアパタイト／コラーゲン複合体が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。このアパタイト／コラーゲン複合体は、該アパタイト／コラーゲン複合体を構成する材料を水に分散させたスラリーを成形型に入れ、凍結及び乾燥した後に、架橋することにより形成し、その後、所望の形状に切断して使用するようになっている。

国際公開第２００４／０４１３２０号パンフレット

しかしながら、アパタイト／コラーゲン複合体は、コラーゲンとアパタイトとの混合物でしかないため、コラーゲンの柔軟性を生かし切れず、湾曲はするものの脆く、折り曲げると破断してしまうという問題がある。
本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、補填時に比較的自由に形状を変えることができて折り曲げても破断しにくい人工骨と製造方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
本発明は、直径略１０μｍ〜１ｍｍの糸状に成形された複数のリン酸カルシウム／コラーゲン複合体を編み込みまたは織り込むことにより、紐状または織物状に形成されている人工骨を提供する。
本発明によれば、リン酸カルシウム／コラーゲン複合体を直径略１０μｍ〜１ｍｍの糸状に成形することで、折り曲げたときの曲率半径が湾曲の内側と外側とで大きく変化しないので、横断面内において発生する歪みが小さく、破断せずに折り曲げることができる。さらに、そのような糸状のリン酸カルシウム／コラーゲン複合体を編み込みまたは織り込むことで、立体的または平面的な人工骨を構成することができる。

このようにして構成された人工骨は、上述した糸状のリン酸カルシウム／コラーゲン複合体を複数編み込みまたは織り込んでいるので、折り曲げたときに、糸状のリン酸カルシウム／コラーゲン複合体が相互に移動してずれる。これにより、人工骨を構成する各リン酸カルシウム／コラーゲン複合体の横断面内において発生する歪みは過大とならず、破断せずに折り曲げることが可能となる。したがって、骨欠損部の形状に合わせて折り曲げても、破断することなく変形することができ、骨欠損部に適合させることができる。

また、本発明は、厚さ略１０μｍ〜１ｍｍのシート状に成形された複数のリン酸カルシウム／コラーゲン複合体を厚さ方向に積層してなる人工骨を提供する。
本発明によれば、リン酸カルシウム／コラーゲン複合体を厚さ略１０μｍ〜１ｍｍのシート状に成形することで、厚さ方向に折り曲げたときの曲率半径が湾曲の内側と外側とで大きく変化しないので、横断面内において発生する歪みが小さく、破断せずに折り曲げることができる。さらに、そのようなシート状のリン酸カルシウム／コラーゲン複合体を積層することで、立体的または平面的な人工骨を構成することができる。

このようにして構成された人工骨は、上述したシート状のリン酸カルシウム／コラーゲン複合体を複数積層しているので、厚さ方向に折り曲げたときに、シート状のリン酸カルシウム／コラーゲン複合体が相互に移動してずれる。これにより、人工骨を構成する各リン酸カルシウム／コラーゲン複合体の横断面内において発生する歪みは過大とならず、破断せずに折り曲げることが可能となる。したがって、骨欠損部の形状に合わせて折り曲げても、破断することなく変形することができ、骨欠損部に適合させることができる。

また、本発明は、コラーゲンを溶解させた酸性溶液内に、リン酸カルシウムを混合してコラーゲン溶液を調製するステップと、調製されたコラーゲン溶液を、ノズルを介して凝固液中に吐出させ糸状に凝固させるステップと、前記凝固液中において凝固した糸状のリン酸カルシウム／コラーゲン複合体を乾燥させるステップと、該乾燥させるステップにおいて乾燥された糸状のリン酸カルシウム／コラーゲン複合体を編み込みまたは織り込んで整形するステップとを含む人工骨の製造方法を提供する。

本発明によれば、リン酸カルシウムが混合されたコラーゲン溶液を凝固液中に吐出させることにより、ノズルの開口形状に従う横断面を有する糸状にコラーゲンが凝固してリン酸カルシウムを取り込んだ形態の糸状のリン酸カルシウム／コラーゲン複合体が生成される。そして、乾燥ステップにおいて乾燥された糸状のリン酸カルシウム／コラーゲン複合体を整形ステップにおいて編み込みまたは織り込むことにより、折り曲げても破断しにくい立体的または平面的な人工骨を製造することができる。

また、本発明は、コラーゲンを溶解させた酸性溶液内に、リン酸カルシウムを混合してコラーゲン溶液を調製するステップと、調製されたコラーゲン溶液を、ノズルを介して凝固液中に吐出させシート状に凝固させるステップと、前記凝固液中において凝固したシート状のリン酸カルシウム／コラーゲン複合体を乾燥させるステップと、該乾燥させるステップにおいて乾燥されたシート状のリン酸カルシウム／コラーゲン複合体を厚さ方向に複数積層して整形するステップとを含む人工骨の製造方法を提供する。

本発明によれば、リン酸カルシウムが混合されたコラーゲン溶液を凝固液中に吐出させることにより、ノズルの開口形状に従う横断面を有するシート状にコラーゲンが凝固してリン酸カルシウムを取り込んだ形態のシート状のリン酸カルシウム／コラーゲン複合体が生成される。そして、乾燥ステップにおいて乾燥されたシート状の複数のリン酸カルシウム／コラーゲン複合体を整形ステップにおいて厚さ方向に積層することにより、折り曲げても破断しにくい立体的または平面的な人工骨を製造することができる。

上記発明においては、前記リン酸カルシウムが、βリン酸三カルシウムであってもよい。
このようにすることで、吸収性が高く、骨形成能に優れた人工骨を製造することができる。

本発明によれば、補填時に比較的自由に形状を変えることができて折り曲げても破断しにくい人工骨を提供することができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係る人工骨を示す正面図である。 図１の人工骨の製造方法を示すフローチャートである。

本発明の一実施形態に係る人工骨１とその製造方法について、図面を参照して以下に説明する。
本実施形態に係る人工骨１は、図１に示されるように、直径略１０μｍ〜１ｍｍの略円形横断面を有する糸状のリン酸カルシウム／コラーゲン複合体を編むことにより略平面状に整形されている。編み込み方法は、図１の平織りに限定されるものではなく、綾織り、朱子織り等の他の任意に編み込み方法を採用することにしてもよい。

糸状のリン酸カルシウム／コラーゲン複合体は、それ自体が直径略１０μｍ〜１ｍｍであって極めて細いので、折り曲げたときに湾曲の内側と外側との間で発生する歪みの差が過大とはならず、横断面内における歪みを低く抑えることができる。したがって、１ｍｍより大きな太さのリン酸カルシウム／コラーゲン複合体と比較して、折り曲げによる破断の発生を抑制することができる。

そして、本実施形態に係る人工骨は、そのように、折り曲げても破断しにくい糸状のリン酸カルシウム／コラーゲン複合体を複数編み込んで構成されているので、面方向に折り曲げても人工骨を構成する糸状の各リン酸カルシウム／コラーゲン複合体が破断し難く、比較的自由に変形させることができる。

このように構成された本実施形態に係る人工骨は、骨欠損部に補填する際に、折り畳み、あるいは筒状に丸めて骨欠損部の形状に適合する形状に変形して補填することができる。そして、その際に、糸状の各リン酸カルシウム／コラーゲン複合体が破断し難いので、形状を崩さないように一体的に取り扱うことができるという利点がある。

次に、本実施形態に係る人工骨の製造方法について説明する。
本実施形態に係る人工骨の製造方法は、図２に示されるように、コラーゲン溶液を調製するステップＳ１と、調製されたコラーゲン溶液を凝固液中に吐出して糸状のリン酸カルシウム／コラーゲン複合体を凝固させるステップＳ２と、凝固した糸状のリン酸カルシウム／コラーゲン複合体を回収するステップＳ３と、回収された糸状のリン酸カルシウム／コラーゲン複合体を乾燥するステップＳ４と、乾燥して得られた糸状のリン酸カルシウム／コラーゲン複合体を洗浄するステップＳ５と、洗浄して得られた糸状のリン酸カルシウム／コラーゲン複合体を編み込んで人工骨を整形するステップＳ６とを含んでいる。

凝固液は、例えば、リン酸水素二ナトリウムと、塩化ナトリウムとを蒸留水に溶解させ、得られた溶液にエチレングリコールジグリシジルエーテルを溶解させることにより調製されている。
また、ステップＳ１において、コラーゲン溶液は、コラーゲンを酸性溶液に溶解させて得られたものに、さらにβリン酸三カルシウム粉末を混合して構成される。

ステップＳ２は、ノズルを介してコラーゲン溶液を凝固液内に吐出することにより行われる。ノズルは、１ｍｍ以下の内径寸法を有しており、該ノズルを介して凝固液内に吐出されたコラーゲン溶液を、吐出されたままの形態、すなわち糸状の形態に凝固させることができる。

ステップＳ３は、例えば、凝固液内に配置した円筒部材によって糸状のリン酸カルシウム／コラーゲン複合体を巻き取ることにより行われる。円筒部材に巻き取られた状態のリン酸カルシウム／コラーゲン複合体は、そのまま凝固液内に浸漬されることにより、形態が安定させられる。

ステップＳ４は、円筒部材に巻き取られた状態のリン酸カルシウム／コラーゲン複合体を乾燥する。
ステップＳ５は、例えば、乾燥された糸状のリン酸カルシウム／コラーゲン複合体を洗浄する。
ステップＳ６は、得られた糸状のリン酸カルシウム／コラーゲン複合体を編み込んで平面的な布状に整形する。

次に、本実施形態に係る人工骨の製造方法の実施例について説明する。
まず、リン酸水素二ナトリウム１０ｇ、塩化ナトリウム５ｇを計量し、蒸留水１００ｍＬに溶解させた。次いで、この溶液にエチレングリコールジグリシジルエーテル１ｍＬを溶解させることにより凝固液を調製した。

次に、ブタ由来コラーゲン２．５ｇを計量し、３ｍＭ塩酸水溶液５０ｍＬに溶解させた（５重量％コラーゲン溶液）。コラーゲン溶液にコラーゲン／βリン酸三カルシウム＝１／２（重量％）となるようにβリン酸三カルシウム粉末を混合した。

そして、３７℃に加温した上記凝固液内に、βリン酸三カルシウム粉末を混合した５重量％コラーゲン溶液を吐出した。吐出は、空気圧（３００ＭＰａ）を利用し、２８Ｇ（ゲージ）の内径を有するノズルを介して行った。吐出されることにより凝固液中で凝固されたリン酸カルシウム／コラーゲン複合体を１１ｒｐｍで回転する直径約１００ｍｍの円筒部材に凝固液中において巻き取った。

この状態で約１時間にわたって凝固液中に浸漬することにより、凝固、繊維化を完了させた。円筒部材ごと凝固液から引き上げて回収し２４時間風乾した。得られた糸状のリン酸カルシウム／コラーゲン複合体を５０℃の蒸留水で３時間洗浄した。
得られた糸状のリン酸カルシウム／コラーゲン複合体を１０本一纏めにして紐状に加工し、さらに得られた紐状のリン酸カルシウム／コラーゲン複合体を織り機を用いて織布し、厚さ１ｍｍの布状のリン酸カルシウム／コラーゲン複合体からなる人工骨を得た。

得られた布状の人工骨と、同厚同組成のコラーゲン／βリン酸三カルシウム複合体スポンジ（１０ｍｍ×１０ｍｍ×１ｍｍ）とを、中心角が９０°となるように材料の両端を持ち折り曲げた。スポンジは、目測で約６０°の位置で破断したが、本実施例に係る人工骨によれば、２０回の同様の折り曲げ試験後においても破断しなかった。

このように、糸状のリン酸カルシウム／コラーゲン複合体を編み込んで、あるいは、織ることによって形成した人工骨は、折り曲げられたときに破断し難い性質を有する。すなわち、折り曲げられたときに、糸状の各リン酸カルシウム／コラーゲン複合体が相互に移動して、各々の横断面に発生する歪みを最小化するので、折り曲げに対して高い耐性を有するという利点がある。

なお、本実施形態においては、５重量％コラーゲン溶液を凝固剤中に吐出することで糸状のリン酸カルシウム／コラーゲン複合体を凝固させることとしたが、これに代えて、３〜７重量％の濃度のコラーゲン溶液を吐出することにしてもよい。３重量％より低い濃度では、コラーゲンが凝固せず、また７重量％より高い濃度ではノズルから吐出できないため、３〜７重量％の濃度に設定することで、容易に凝固剤中に吐出して凝固させることができる。

また、本実施形態の実施例においては、１０本の糸状のリン酸カルシウム／コラーゲン複合体を庵で紐状に構成したものを織ることによって、布状のリン酸カルシウム／コラーゲン複合体からなる人工骨を生成したが、これに代えて、１列の糸状のリン酸カルシウム／コラーゲン複合体を織って布状のリン酸カルシウム／コラーゲン複合体を構成してもよい。
また、シート状の人工骨を生成したが、これに代えて、立体的な人工骨を生成することにしてもよい。

断面円形の開口を有するノズルにより糸状のリン酸カルシウム／コラーゲン複合体を吐出させ凝固させることとしたが、これに代えて、スリット状の開口を有するノズルにより、シート状のリン酸カルシウム／コラーゲン複合体を生成してもよい。そして、このようにして生成されたシート状のリン酸カルシウム／コラーゲン複合体は、厚さ方向に複数積層することにより、容易に立体的な人工骨を製造することができる。この場合においても、厚さ方向に湾曲させると、シート状の各リン酸カルシウム／コラーゲン複合体が相互にずれて歪みを低減するので、折り曲げても破断し難い人工骨を構成することができる。

また、コラーゲン／βリン酸三カルシウム粉末の混合比を１／２として説明したが、これに代えて、１／０〜１／１０としてもよい、このような濃度範囲に設定することで、糸状のリン酸カルシウム／コラーゲン複合体を製造することができる。
また、ノズルの開口の直径は、１０μｍ〜１ｍｍの範囲であれば任意でよい。

１ 人工骨
２ 糸状のリン酸カルシウム／コラーゲン複合体
Ｓ１ 調製するステップ
Ｓ２ 凝固させるステップ
Ｓ４ 乾燥させるステップ
Ｓ６ 整形するステップ

Claims (5)

1. 直径略１０μｍ〜１ｍｍの糸状に成形された複数のリン酸カルシウム／コラーゲン複合体を編み込みまたは織り込むことにより、紐状または織物状に形成されている人工骨。
2. 厚さ略１０μｍ〜１ｍｍのシート状に成形された複数のリン酸カルシウム／コラーゲン複合体を厚さ方向に積層してなる人工骨。
3. コラーゲンを溶解させた酸性溶液内に、リン酸カルシウムを混合してコラーゲン溶液を調製するステップと、
   調製されたコラーゲン溶液を、ノズルを介して凝固液中に吐出させ糸状に凝固させるステップと、
   前記凝固液中において凝固した糸状のリン酸カルシウム／コラーゲン複合体を乾燥させるステップと、
   該乾燥ステップにおいて乾燥された糸状のリン酸カルシウム／コラーゲン複合体を編み込みまたは織り込んで整形するステップとを含む人工骨の製造方法。
4. コラーゲンを溶解させた酸性溶液内に、リン酸カルシウムを混合してコラーゲン溶液を調製するステップと、
   調製されたコラーゲン溶液を、ノズルを介して凝固液中に吐出させシート状に凝固させるステップと、
   前記凝固液中において凝固したシート状のリン酸カルシウム／コラーゲン複合体を乾燥させるステップと、
   該乾燥ステップにおいて乾燥されたシート状のリン酸カルシウム／コラーゲン複合体を厚さ方向に複数積層して整形するステップとを含む人工骨の製造方法。
5. 前記リン酸カルシウムが、βリン酸三カルシウムである請求項３に記載の人工骨の製造方法。

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