JP3023472B2 - 骨形成促進用フィルム - Google Patents

骨形成促進用フィルム

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、骨接合箇所の初期の骨
形成を促進するために用いられる生体内分解吸収性のフ
ィルムに関する。
【0002】
【従来の技術】骨接合箇所の初期の骨の形成は、電気的
な刺激とマイクロムーブメントなどのストレスによって
促進される。これは一つに骨が有する圧電性によるもの
である。電気刺激は臨床的に有効な方法であり、治療法
として確立されている。同じ目的で圧電材料を埋入して
骨の形成を促進することの実験は多からず試みられてい
るが、実証性において十分と言えなかった。その数少な
い研究例としてポリハイドロキシブチレート(PHB)
の延伸フィルムを人為的に骨折部の周囲に巻き付け、初
期の骨形成を促進したものがある。
【0003】PHBは高分子圧電材料であり、その人工
配向フィルムはポーリング処理の不要な圧電フィルムと
して知られている。このフィルムは、配向の制御方法が
力学的延伸であり、保持機構は結晶構造であり、配向の
状態は一軸延伸で無極性であり、xy方向のずりをフィ
ルムに与えるとz方向に分極する圧電性をもつものであ
る。しかし、PHBフィルムの圧電性は低く、初期の骨
形成が真にフィルムの圧電性によるものか、マイクロム
ーブメントによるものかは異議がないわけではない。つ
まり、圧電材料の埋入と初期の骨形成(仮骨の生成)と
の関係の確証性に欠けていた。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】PHBの人工配向フィ
ルムは、長い側鎖が主鎖ヘリックスを取り囲んだ分子構
造であるために、圧電性はあまり強くない。その10H
z、常温での圧電定数d′14は約1.3(pC/N)、
e′14は3.5〜4.0(mC/m2 )であり、あまり
大きくない。従って、このフィルムを骨接合箇所に装着
しても、電気的な刺激が弱いため顕著な骨形成促進効果
を期待し難いと言える。
【0005】また、PHBは生体内での分解が遅いた
め、骨が完全に接合した後も接合箇所に残存し、長期間
吸収されないという問題もあり、その生体内での安全性
は現在のところ確認されていない。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記問題を解決するた
め、本発明の骨形成促進用フィルムは、D体あるいはL
体の乳酸ポリマーの一軸延伸フィルムであって、該フィ
ルムの固定される両端を結ぶ軸線方向に対して延伸方向
が非直角となるようにしたことを特徴とするものであ
る。
【0007】本発明に用いる乳酸ポリマー(ポリ乳酸、
PLA)は、光学活性を有するL体又はD体の乳酸から
常法(C.E.Love、米国特許第2,668,18
2号明細書)に従って乳酸の環状二量体であるラクチド
を合成し、そのラクチドを開環重合することによって得
られる生体内分解吸収性の高分子材料である。このPL
Aは光学活性なL体又はD体の乳酸のホモポリマーであ
る。L体とD体の乳酸のブロックコポリマーであっても
よいが、L体とD体の比率によって圧電性が減衰される
ので、どちらかの比率が圧倒的に大きい場合を除けばホ
モポリマーが有利である。また、PLAの分子量は特に
制限されないが、得られるフィルムの強度や弾性を考慮
すると、粘度平均分子量が5万〜100万、好ましくは
10万〜50万程度のポリ乳酸を使用するのがよい。
【0008】本発明の骨形成促進用フィルムは、上記P
LAを原料として次の方法により製造される。まず、P
LAをジクロロメタン等の有機溶媒に溶解して型枠に注
入し、常温、常圧下に溶媒を蒸発させてベースフィルム
を得る。このベースフィルムはポリマー分子が無配向で
あるため圧電性を示さない。そこでベースフィルムを加
熱窒素気流中で一軸延伸してポリマー分子を配向させる
ことにより、圧電性を付与すると共に機械的強度を向上
させる。この一軸延伸処理は60〜180℃、好ましく
は80〜160℃の温度条件下に行う。また、延伸倍率
については10倍程度まで可能であるが、延伸倍率が小
さすぎるとポリ乳酸の分子配向が不充分であり、圧電率
が低い。延伸倍率が大きすぎるとフィブリル化してポー
ラスな状態となり、フィブリル間での動きが圧電を消失
させるので、技術的にフィブリル化がおきない倍率であ
る3〜6倍とするのが望ましい。骨形成の促進効果やフ
ィルム強度などの観点から、最良の延伸倍率は4〜5倍
である。この4〜5倍に一軸延伸されたPLAフィルム
の10Hz、常温での圧電定数d′14は約10〜12
(pC/N)、e′14は17〜20(mC/m2 )と高
い。延伸処理が終わると、図1に示すようにベースフィ
ルム1をその延伸方向PQに対して斜め又は平行な形状
にカットし、本発明の骨形成促進用フィルム1a,1b
を得る。従って本発明の骨形成促進用フィルム1a,1
bはいずれも、固定されるフィルム両端を結ぶ軸線方向
RSに対して延伸方向PQが非直角となっている。
【0009】一軸延伸PLAフィルムの圧電性は一軸配
向した光学活性高分子の結晶及び配向分子にみられる固
有のずり圧電効果(Shear piezoelectlicity effec
t) と同種のものであり、結晶のへき界で生ずる緩和型
の圧電である。従って、フィルムの固定される両端に外
力を加えて変形させると、外力に比例して結晶の表面に
電荷を生じて電圧を発生する。逆にその結晶に電圧を加
えると、電圧に比例して結晶が変形する。結晶が延伸方
向に一軸配向している系では、ずり変形の効率の最も高
いのは幾何学的にみて、フィルムの両端を結ぶ軸線方向
RSに対し45°の方向で一軸配向している場合であ
る。
【0010】フィルム両端を結ぶ軸線方向RSと延伸方
向PQが同一方向のフィルムの両端に外力を均一にかけ
た場合には、結晶間でのずり変形は理論的に起きないは
ずであるが、ポリマーの結晶相と非晶相の比率などのモ
ルホロジーの局所的な不均一さ、あるいは実際に両端に
結晶相と平行に均一な外力を与えられないという物理的
な原因のために、わずかに結晶間でのずり変形が生ずる
と考えられる。また、フィルム両端を結ぶ軸線方向RS
と延伸方向PQが90°の角度を持つフィルムの両端に
外力を均一にかけた場合は位置のずれがなく、結晶間の
距離が変わるだけであるから理論的にずり変形は生ぜ
ず、従って、ずり圧電効果が最も期待できない。0°か
ら90°の間の角度の配向軸を有する場合は、ずり効果
の大きい角度ほどずり圧電効果が大きく発現される。
【0011】従って、骨形成促進効果が顕著なフィルム
は、両端を結ぶ軸線方向RSに対して延伸方向PQが鋭
角となるように斜めに切り抜いたフィルム1aであり、
そのなかでも軸線方向RSと延伸方向PQの角度が45
°となるように切り抜いたフィルムは骨形成促進効果が
特に顕著であり、次いで骨形成促進効果が大きいフィル
ムは、軸線方向RSと延伸方向PQが平行(角度0°)
となるように切り抜いたフィルム1bであり、軸線方向
RSと延伸方向PQが直角(90°)となるように切り
抜いた鎖線で示すフィルム1cは骨形成促進効果が殆ど
見られないはずである。
【0012】図1に示すような長方形にカットされるフ
ィルム1a,1bやこれに類似した形状のフィルムで
は、その長手方向の両端を固定して使用されるので、こ
のようなフィルムでは延伸方向PQが長軸線方向RSに
対して非直角になっていればよく、また、長円形や楕円
形にカットされるフィルムの場合も同様に長手方向の両
端が固定されるので、延伸方向PQが長軸線方向RSに
対して非直角になっていればよい。これに対し、正方形
にカットされるフィルムの場合は、相対向する二組の両
端のうちのいずれか一組の両端が固定されるので、その
いずれか一組の両端を結ぶ軸線に対して延伸方向が非直
角になっていればよい。同様に、正6角形や正8角形等
の正多角形にカットされるフィルムの場合も、相対向す
る複数の両端のうちのいずれか一組の両端を結ぶ軸線に
対して延伸方向が非直角になっていればよい。
【0013】また、本発明のフィルムは、その厚さを5
0〜500μm、好ましくは100〜300μmの範囲
内に調節する必要がある。骨が接合するには略8〜12
週間を要するが、フィルムの厚さが50μmより薄くな
ると、この期間内にフィルムが分解されるという不都合
を生じ、逆に500μmより厚くなると、フィルムの剛
性が高くなり、骨接合箇所にフィルムを屈曲させた状態
で装着しにくくなると同時に、小さな外力で容易に変形
を起こし難くなるという不都合を生じるからである。
【0014】以上のような本発明の骨形成促進用フィル
ムは、骨接合箇所を囲むようにして装着し、付近の筋肉
にフィルムが動きやすいように両端を固定して使用され
る。
【0015】
【作用】本発明の骨形成促進用フィルムは、固定される
両端を結ぶ軸線方向に対して延伸方向が非直角となるよ
うにカットしたものであり、延伸によるPLAの分子配
向によって隣接する分子主鎖のC=OとC−Hが主鎖と
交叉する方向に水素結合し、しかも側鎖が非極性のメチ
ル基で緩和作用が少ないため、下記実施例のデータによ
って裏付けられるように、従来のポリペプチド型やエレ
クトレット型の圧電材料と同等若しくはそれ以上の圧電
性を示す。単位応力当りの開放電圧を表すg定数、d/
εは、有機ポリマーで最も圧電率の高いポリフッ化ビニ
リデン(PVDF)がd31=24又はd33=−36(p
C/N)であり、g31=0.21、g33=−3.1であ
るのに対し、PLAはεが3.5であるからd′14/ε
=2.9〜3.4であるので、極めて高い値を有してい
る。従って、このような骨形成促進用フィルムを骨接合
箇所に装着してフィルム両端を付近の筋肉に固定すれ
ば、筋肉の運動に伴う該フィルムの圧電効果によりピエ
ゾ電流が生じ、その適度な電気的刺激によって初期の骨
の形成(仮骨の形成)が促進される。しかも、このフィ
ルムは生体内分解吸収性のポリ乳酸から成る厚さ50〜
500μmの延伸フィルムであるため、骨が接合された
後しばらくすると分解、吸収される。PLAは既に骨接
合用の材料として使われ始めており、その安全性も確認
されているポリマーである。
【0016】
【実施例】次に、本発明の実証性を以下の骨形成促進用
フィルムの実施例によって説明する。
【0017】(実施例1)初期の粘度平均分子量(クロ
ロホルム25℃中)が33万のポリ−L−乳酸25gを
ジクロロメタン1000mlに混合し、常温下にマグネ
チックスターラーで6時間攪伴して完全に溶解した。こ
れを方形の型枠に注入し、常温、常圧下で溶媒を蒸発さ
せてポリ−L−乳酸のベースフィルムを得た。
【0018】得られたベースフィルムを3〜4cm巾に
カットし、108℃に設定された恒温室の窒素中に該フ
ィルムをセットして2分間放置した。そして該フィルム
を4倍に延伸した後、2分間アニーリングして厚さ18
0μmの延伸フィルムを得た。
【0019】この延伸フィルムを図1のフィルム1aの
ように矩形状に切り抜いて、延伸方向PQが長手方向両
端を結ぶ軸線方向RSに対し45°の角度をもつ骨形成
促進用フィルムの試験片(長さ1.64cm、巾1c
m)を作製し、圧電性測定装置(株式会社東洋精機製作
所製の「レオログラフリソッドS−1型」)を用いて、
周波数9.76Hzで該試験片の複素圧電率d14=d′
14−id″14およびe14=e′14−ie″14、複素誘電
率ε=ε′−iε″、複素弾性率c=c′+ic″を測
定した。その結果を図2〜図5のグラフに示す。
【0020】図2,図3はそれぞれ圧電d定数及び圧電
e定数の温度スペクトルである。図2より、30〜11
5℃の測定温度域において、応力あたりの圧電率−d′
14はおよそ10〜20×10-12 C/Nの値を示した。
85〜90℃付近で−d′14が増加し、−d″14がピー
クを示しているのは、分子鎖のミクロブラウン運動の開
始による力学的緩和に基づくものである。また、図3よ
り、歪みあたりの圧電率−e′14は常温付近でおよそ1
9〜20×10-3C/m2 の値を示し、−e″14は−
d″14と同様に85〜90℃付近にピークを示した。
【0021】図4は誘電率の温度スペクトルである。誘
電率ε′はおよそ3.5であり、誘電損失ε″は85℃
付近にピークを示した。
【0022】図5は弾性率の温度スペクトルである。常
温付近における弾性率c′はおよそ2×109 N/m2
であり、圧電率、誘電率と同様にc″は85℃付近に力
学的緩和によるピークを示した。
【0023】図2〜図5に示した圧電性、誘電性、動的
粘弾性はいずれも高分子の分子運動と密接に関連してお
り、緩和現象として取り扱うことができる。図2〜図5
においてd″、e″、ε″、c″が85〜90℃の温度
域でピークを示しているのは、いずれもポリ乳酸の分子
鎖のミクロブラウン運動による力学的緩和に基づくもの
であり、同一の現象を異なった測定法によって測定して
いるものである。
【0024】図6にL体のPLAのd定数と延伸倍率の
関係のグラフを、図7にe定数と延伸倍率の関係のグラ
フを示す。これらは全て、延伸方向に対して45°にカ
ットしたフィルムの値であり、d定数は延伸倍率4〜5
倍で、e定数は4〜6倍でピークの大きさを示すことが
わかる。この値はPHBのそれよりも各々約10倍と5
倍の大きさである。
【0025】(実施例2)圧電性の大きさの違いにより
仮骨の発現の程度が異なることの証明を行った。図8の
脛骨の側面図、図9の脛骨を有する家兎の下肢の断面図
にみられるように脛骨の中間部に骨膜を介して4倍延伸
のポリ−L−乳酸フィルムを各々延伸方向に対して45
°、0°、90°にカットしてから、図9の如く、フィ
ルムが動きやすいように少したるみをもたして長方形の
長手の両端を前脛骨筋3の筋膜と長母趾屈筋4の筋膜に
ナイロン糸を使って縫合固定した。6週後にフィルム下
の骨の形成の状況をX線で観察したところ、最も圧電性
の発現する45°カットのフィルムは骨膜上に骨形成が
見られ、フィルム上に軟骨状の腫瘤が見られた。0°カ
ットのフィルムの場合は、軟骨状の腫瘤のみで骨の形成
は見られず、90°カットのフィルムの場合は、全く何
も形成されていなかった。この事実はフィルムの両端を
固定した筋肉の動きにつれて、フィルムがずりを起こす
程度と相関するものであり、先述の課題を解決するため
の手段に記載した事実と一致した。
【0026】(実施例3)初期の粘度平均分子量が32
万のポリ−D−乳酸を用いた以外は実施例1と同様にし
て、延伸方向PQが長手方向RSに対し45°の角度を
もつ骨形成促進用フィルムの試験片(長さ1.64c
m、巾1cm、厚さ180μm)を得た。この試験片に
ついて圧電率、誘電率、及び弾性率を測定したところ、
実施例1とほぼ同様の結果が得られた。但し圧電率d14
及びe14の符号はポリ−L−乳酸と反対であった。
【0027】(実施例4)高位脛骨骨切り術において、
L体の4倍一軸延伸、45°カットの長方形フィルムの
両端を下腿の脛骨を巻くように、前脛骨筋3の筋膜と長
母趾屈筋4の筋膜にナイロン糸を使って縫合固定した。
そして、フィルムを使用しない場合との比較を行った。
X線による判定の結果、4〜8週後において骨切り部の
周囲は、フィルム使用した場合は旺盛な仮骨が生成して
骨切り部の骨折線が消失していたのに対し、フィルムを
使用しない場合は骨折線が未だ残っていた。この事実よ
り延伸PLAはその圧電作用により骨接合時の初期の骨
形成(仮骨の形成)を促進していることが明らかになっ
た。従って、D体あるいはL体の光学活性乳酸ポリマー
(PLA)の一軸延伸フィルムを延伸方向が非直角とな
るようにカットしたフィルムは骨形成促進(仮骨形成)
用のフィルムとして有用である。
【0028】
【発明の効果】以上より明らかなように、本発明の骨形
成促進用フィルムは、エレクトレット型やポリペプチド
型の圧電材料と同等もしくはそれ以上の圧電性を有し、
骨接合箇所に装着するとフィルムの伸縮や曲げの応力に
より電気を発生するので骨の形成を促進することがで
き、しかも骨が接合された後しばらくすると分解吸収さ
れて体内に残存しないという顕著な効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】延伸処理したベースフィルムから本発明の骨形
成促進用フィルムをカットする仕方を説明した図であ
る。
【図2】本発明の骨形成促進用フィルムの圧電d定数と
温度の関係を示すグラフである。
【図3】本発明の骨形成促進用フィルムの圧電e定数と
温度の関係を示すグラフである。
【図4】本発明の骨形成促進用フィルムの誘電率と温度
の関係を示すグラフである。
【図5】本発明の骨形成促進用フィルムの弾性率と温度
の関係を示すグラフである。
【図6】本発明の骨形成促進用フィルムの圧電d定数と
延伸倍率の関係を示すグラフである。
【図7】本発明の骨形成促進用フィルムの圧電e定数と
延伸倍率の関係を示すグラフである。
【図8】中間部で切断した兎の脛骨の接合箇所に本発明
の骨形成促進用フィルムを装着したところを示す斜視図
である。
【図9】中間部で切断した兎の脛骨の接合箇所に本発明
の骨形成促進用フィルムを装着した状態を示す断面図で
ある。
【符号の説明】
1 ベースフィルム 1a,1b 骨形成促進用フィルム

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】D体あるいはL体の乳酸ポリマーの一軸延
    伸フィルムであって、該フィルムの固定される両端を結
    ぶ軸線方向に対して延伸方向が非直角となるようにした
    骨形成促進用フィルム。
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