JP2858141B2 - 人工関節軟骨 - Google Patents

人工関節軟骨

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【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、ポリビニルアルコール(以下PVAと略記)
含水ゲルと多孔性アルミナセラミックス、あるいは金属
メッシュからなる人工関節軟骨およびその製造方法に関
する。
〔従来の技術〕
現在、部分的な関節軟骨の損傷においても、適切な治
療法がないため、人工関節に置き換えられている。この
人工関節は、関節疾患に悩む患者にとって大きな恩恵を
与えている。しかし、一方で人工関節置換術に伴う合併
症、とくにルーズニングの高い発生率や人工関節周囲の
骨破壊に伴う再手術の必要性等の深刻な問題が生じてい
る。
現在の人工関節材料は、金属やセラミックスの硬材質
と超高分子量の高密度ポリエチレン(HDPE)の軟材質ソ
ケットから構成されている。このHDPEは耐摩耗性に優れ
ているものの、関節軟骨の有する低摩耗性、衝撃荷重に
対する優れた応力緩和などの特性に乏しく、また、その
摩耗粉による異物反応性も問題になっている。
関節軟骨は骨関節部の表面に存在し、人間の膝関節や
股関節では2〜4mmの厚みがある。この関節軟骨は体重
負荷による衝撃を吸収するとともに荷重を分散して軟骨
海線骨梁に伝達し、低摩擦下での可動性に重要な役割を
担っている。関節軟骨のもつ大きな特徴の一つは、その
豊富な細胞外水分量であり、含水率は60〜80%で関節軟
骨のもつ弾性や潤滑に大きな役割を果たしている。
これまで、人工関節軟骨材としてHDPE,ポリヒドロキ
シエチルメタクリレート(PHEMA)ゲル、シリコーンお
よびポリビニルアルコール(PVA)ゲル等が検討されて
きたが、力学的特性に満足できる素材ではなかった。
人工関節軟骨材料としての必要条件としては次のよう
な条件が満たされなければならない。
1)生体適合性が優れる。
2)化学的、物理的に安定。
3)力学的特性(耐摩耗性、衝撃緩和効果、潤滑特性
等)に優れる。
〔発明が解決しようとする課題〕
上述したように、これまでの人工関節軟骨材料は力学
特性、特に潤滑特性、衝撃緩和特性および耐摩耗性の点
で問題があった。
本発明は、従来の人工関節軟骨材料の欠点、すなわ
ち、力学特性と生体組織との接合固定を改良することを
目的とした。
〔課題を解決するための手段〕
本発明者らは、生体の関節軟骨の優れた潤滑特性と衝
撃緩和特性を具備し、また生体組織の骨との接合固定を
確実に付与する目的で鋭意、研究を重ねた結果、生体骨
と適合性の良い多孔性セラミックス、あるいはチタニウ
ムメッシュとPVAハイドロゲルを組合わせることにより
上記の目的を達成できることを見い出した。
本発明の人工関節軟骨は、多孔性セラミックス、ある
いはチタニウムメッシュの孔内の一部あるいは大部分を
PVAハイドロゲルで含浸固定化させることにより、両者
間の力学的固定を強固にさせると同時に、PVAハイドロ
ゲルの未含浸固定部分への生体組織の増殖により接合固
定を達成させ、長期にわたる力学的安定性と生体適合性
に優れたものとなる。
本発明に係る人工関節の製造方法は、重合度1700以上
でケン化度が99.5モル%のPVA溶液を多孔性アルミナセ
ラミックスあるいはチタニウムメッシュの一部あるいは
片端にのみ含浸させた後、低温にてゲル化させるゲル化
処理と、PVAを乾燥させた後、120℃〜180℃の高温で熱
処理する工程がある。
このような製造法により得られる人工関節軟骨はPVA
含水ゲルが生体関節軟骨の役割を担い、多孔性アルミナ
セラミックスあるいはチタニウムメッシュが生体組織と
PVA含水ゲルの接合固定を保障することになる。
以下、本発明を具体的に説明する。
本発明に用いるPVAとしては、ケン化度95モル%以
上、好ましくは97モル%以上、特に99モル%以上のもの
が望ましい。これより低いケン化度ではゲルの強度が軟
弱になる傾向がある。平均重合度は粘度平均で1700以
上、特に3300以上が好ましい。PVAの重合度が低下する
とともに得られるゲルの強度も低下する。また、低分子
量PVAの溶出を防止するためには、出発原料PVAを分子量
分別して用いるとよい。
PVA溶液を得るための溶媒としては、水だけを用いて
もよいが、水と親和性のある有機溶媒との混合溶媒を用
いるのが好ましい。水と親和性のある有機溶媒として
は、ジメチルスルホキシド(DMSO)、エチレングリコー
ル(EG)、グリセリン(GC)、プロピレングリコール
(PG)、プロピルアルコール(POH)、エチルアルコー
ル(EOH)、1.3−ジメチル−2−イミダゾリジノン(DM
I)などを挙げることができる。また、これら溶媒は二
種以上の混合物であってもよい。
本発明においては、上記有機溶媒のなかでも特にPVA
に対する溶解性や水との混合割合と凝固点降下の関係な
どからDMSOを使用するのが好ましい。
上記有機溶媒と水との混合割合は任意であり、通常は
水と有機溶媒との混合比は5:95〜95:5の範囲で用いるの
がよい。
本発明においては、まず、PVA溶液を調整するのであ
るが、温度としては目的とする強度や含水率に応じて2
〜30重量%の範囲にするのがよい。このような溶液の調
製には一般にPVAを加熱溶解させることにより行われる
が、単に撹拌下での加熱でもよいし、あるいはオートク
レーブや電子レンジを使用して溶解させてもよい。
次に、完全に溶解させたPVA溶液を多孔性アルミナセ
ラミックス、あるいはチタニウムメッシュに含浸させる
わけであるが、目的とする部分にだけPVAハイドロゲル
を固定化させるため、あらかじめシアノアクリレートや
ゼラチンにより生体組織の増殖を望む部位に充填し、固
化後にPVA溶液を含浸させ、常温以下の低温にて放置す
ることによりゲル化させてPVAハイドロゲル人工関節軟
骨を得る。その場合、温度が低ければ低いほど短時間
で、ゲル化が完了するので−10℃以下、とくに−20℃以
下のフリーザー中にて行うのが好ましい。
このようにして得られる、多量の水と有機溶媒が共存
するPVAゲルを乾燥処理した後、高温下で熱処理を施
す。この熱処理は空気中でもよいが、酸化分解を防止す
るため真空中、窒素気流中あるいはシリコーンオイル中
にて行うのが好ましく、また、熱処理温度としてはPVA
の結晶化が促進できる100℃以上であればよいが、特に1
20〜160℃の温度範囲が好ましい。また、熱処理時間は
温度にもよるが、通常1時間〜10時間程度で十分であ
る。
以上の如く製造されるPVAハイドロゲル人工関節軟骨
は含水率が10〜60重量%と大幅に変えられ、目的とする
力学的物性のものが調製できる。
〔実施例〕
次に実施例により本発明を具体的に説明するが、本発
明による技術思想はこれら実施例のみに何等制限される
ものではない。
実施例1 (PVA溶液の調製) 重合度5000、ケン化度99.9モル%のPVA10gを90gのジ
メチルスルホキシド(DMSO)/水混合溶媒(8/2重量
比)に加えて130℃で2時間マグネチックスターラーに
て撹拌しながら溶解して溶液を得た。
(多孔製アルミナセラミックスへのPVAゲル固定化) 直径5cm、高さ10cmの円柱状アルミナセラミックス
(有孔率40%)にあらかじめ長さの約半分の部分に瞬間
接着剤シアノアクリレートを含浸固化させた後、上述の
PVA溶液中に浸漬しアスピレーターにて脱気することに
よりアルミナセラミックスの内部にPVA溶液を含浸させ
た。その後、−20℃のフリーザー中にて一昼夜放置する
ことによりPVAをゲル化させることによりアルミナセラ
ミックスにPVAゲルを固定化させた。
(PVAゲルの熱処理) 上述のアルミナセラミックス/PVAゲル複合体から、あ
らかじめ含浸固化させたシアノアクリレートの除去と溶
媒として用いたDMSOの除去のため、アセトン中にて約3
時間50℃で加熱下で洗浄した。次に、これを室温で風
乾、真空乾燥器により一昼夜乾燥した。その後、この乾
燥させたPVAゲルを温度140℃のシリコーンオイル中に入
れて1時間熱処理を施すことにより低含水率PVAゲルを
得た。
このPVA含水ゲルを37℃の水中にて3日間浸漬して平
衡状態となったものの飽和含水率を測定したところ、約
20重量%であった。
(PVAゲルの剪断剥離強度) アルミナセラミックス/PVA含水ゲル複合体の剪断剥離
強度を島津製作所製オートグラフS−100にて測定とこ
ろ約3MPaであった。
(家兎膝関節内への埋入) 上記のように製作したPVA含水ゲル人工関節軟骨を直
径4mm、高さ4mmの円柱形にて切断成形し、ネンブタール
静脈内麻酔下で内側傍膝蓋皮切により家兎膝関節を展開
し、大腿骨膝蓋面にドリルで軟骨下骨まで穿孔し、ここ
に上記による人工関節軟骨を埋入した。
比較例として、現在人工関節のソケット部分に使用さ
れている超高分子量ポリエチレン(HDPE)を同じように
埋入した。各材料につき3匹づつ実施した。
術後2週において、肉眼的には各群とも軟骨の変性滑
膜の炎症の所見は認められなかった。組織学的には未熟
な瘢痕組織を生じ、一部では少数の炎症細胞が見受けら
れたが炎症細胞浸潤の程度はどの材料においても軽度
で、各材料ごとにはあきらかな差異は認められなかっ
た。
4週間後には、各材料とも材料周囲の炎症反応は消退
し、瘢痕組織の成熟が認められた。
8週以後は、各材料とも瘢痕組織の成熟が徐々に進行
するのみであったが、PVA含水ゲル固定化アルミナセラ
ミックスの人工関節軟骨では、PVA含水ゲル未固定のア
ルミナセラミックスの部分に骨の増殖が生じ関節にしっ
かりと固定されていた。一方、HDPE材のものは関節より
簡単に脱離してしまった。
〔発明の効果〕
本発明の人工関節軟骨は、生体の関節軟骨のもつ優れ
た力学的性質、即ち潤滑特性と衝撃緩和特性に類似した
物性を有すると同時に生体骨との接合固定を強固にでき
る。従って、膝関節や股関節の軟骨として用いることが
できることによって生体本来のすぐれた関節特性を奏す
ることとなり人類福祉に寄与するところ大である。

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】ポリビニルアルコール含水ゲルと、多孔性
    アルミナセラミックスあるいは金属メッシュからなる人
    工関節軟骨。
  2. 【請求項2】ポリビニルアルコールの重合度が1700以
    上、ケン化度が99.5モル%以上である特許請求の範囲第
    1項記載の人工関節軟骨。
  3. 【請求項3】ポリビニルアルコール含水ゲルの含水率が
    10〜60重量%である特許請求の範囲第1項記載の人工関
    節軟骨。
  4. 【請求項4】金属メッシュがチタニウムメッシュである
    ことを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の人工関節
    軟骨。
  5. 【請求項5】多孔性アルミナセラミックスの有孔率が20
    〜80%であることを特徴とする特許請求の範囲第1項記
    載の人工関節軟骨。
  6. 【請求項6】多孔性アルミナセラミックスあるいは金属
    メッシュの一部、あるいは大部分にPVA溶液を含浸させ
    た後、低温にてゲル化させることを特徴とする人工関節
    軟骨の製造方法。
  7. 【請求項7】前項記載の多孔性アルミナセラミックスあ
    るいは金属メッシュに固定したPVA含水ゲルを乾燥させ
    た後、120〜180℃で熱処理することを特徴とする特許請
    求の範囲第6項記載の人工関節軟骨の製造方法。
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