JP3162375B2 - 人工椎間板 - Google Patents

人工椎間板

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JP3162375B2 JP51016991A JP51016991A JP3162375B2 JP 3162375 B2 JP3162375 B2 JP 3162375B2 JP 51016991 A JP51016991 A JP 51016991A JP 51016991 A JP51016991 A JP 51016991A JP 3162375 B2 JP3162375 B2 JP 3162375B2
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アール． ストーン，ケビン
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Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 本発明は移植可能医療装置分野、より詳細には人工椎
間板として有用な装置を指向するものである。
人工椎間板は脊椎中に在って重要な安定装置及び椎体
間の力分配機構として働く。椎間板無しでは関節構造異
常及び関節炎の早期進行と共に脊椎間隙の崩壊（collap
se）が起こる。
従来の技術方法に於ける負傷若しくは疾患椎間板の治
療には、化学分解方法及び後に脊椎崩壊若しくは不安定
性を防ぐ為の骨融合がしばしば行われる外科的切除が含
まれる。切除によっては脊椎組織の意味ある再生が起こ
らない。他の点では異状のない脊椎中の疾患椎間板の取
替えは、関節炎を防ぎ脊椎分節を安定することができ
る。疾患脊椎に於ける椎間板の取替えは病気の進行を遅
くし又痛みの緩和を提供することができる。
他の従来の技術の取替え方法に於て、椎間板は人工物
質からなる人工装具により取替えられる。脊椎に於ける
完全な人工物質の使用は免疫拒絶反応の可能性を最小限
にする。更にかかる物質は、脊椎関節に繰り返しかかる
高い負荷に耐えることができる構造物を作り出すことを
可能にし、関節機構を生物物質では耐えられない有益な
方法をもって変化させることもできる。例えば、チタン
（Albrektsson等（1981）Acta Ortop.Scan.52:155−17
0）、アクリル（Cleveland（1955）Marquette Med.Rev.
20:62;Hamby等（1959）J.Neurosurg.16:311）、ポリテ
トラフロロエチレン−炭素繊維（Alitalo（1979）Acta
Veterinaria Scandinavica Suppl.71:1−58）、及びス
チール円板（Fenstorm（1973）Acta Chir.Scand.４:165
−186;仏特許第４、349、921号）が切除された椎間板の
代わりに用いられている。これらの努力のそれぞれは続
いて起こる椎間板間隙の崩壊若しくは金属人工装具の周
囲の骨への侵食により失敗に終わっている。
人工椎間板は又シリコーンゴム（例、Edeland（198
5）J.Biomed Eng.７:57−62;Schneider等（1974）Z.Ort
hop.112:1078−1086;Urbaniak等（1973）J.Biomed.Mate
r.Res.Symposium ４:165−186）等の弾力性のある物質
から製造されている。円板は又米国特許第３、875、595
号及び第４、772、287号に公開されているような袋状物
質を形成する為に弾力性プラスチック材料からも作られ
ている。しかしながら、十分な安定性及び通常の生体関
節機構を回復することができない為に成功には至ってい
ない。米国特許第４、349、921号に開示された多孔性エ
ラストマー材料は通常の椎体機構を再現することに失敗
している。
一般に椎間組織を人工材料からなる構成物により置き
換えることは、主にヒト及び造物の関節の対向する椎骨
終板（end plates）が壊れ易いという理由から成功して
いない。脊椎中の終板は、従来の技術による人工円板の
植え込みに起因する証拠がある摩擦界面及び通常のコン
プライアンスからの変動に耐えることができない。付け
加えれば、関節にかかる負荷は体重の何倍にもなり、背
骨の場合は、年間に典型的には百万サイクルを越えるも
のになる。これまでのところ従来の技術による人工円板
は、かかる日常的負荷に耐え得るほどの十分な柔軟性若
しくは耐久力は無く、かかる負荷に耐えるのに十分に安
全な位置に設置することもできない。
一般に人工装具は、それが置き替わる組織の少なくと
も幾つかの構成要素若しくは身体に免疫原性が無いと思
われる原料から案出される。例えばYannas等は移植用血
管（米国特許第４、350、629号）、合成皮膚（米国特許
第４、448、718号）、及び座骨神経誘導装置（WO 89/10
728;Yannas（1979）Am.Chem.Soc.16:209）を多くの身体
臓器の生化学的構成要素であるコラーゲン及びグリコサ
ミノグリカンから作り出している。これらの組織物を構
成する孔経並びに孔及び繊維の軸を調節することにより
体内組織の再生を誘発することができる。更なる再生は
植え込みに先立ち神経誘導装置のシュバン細胞と共に接
種（seeding）することにより進歩した。しかしながら
解剖学に根ざした椎間板以外の構造物の復元に用いられ
る従来の技術をもってしても、人工円板の構造に適して
いて自然材料から作られるものは未だ成功裡に発達して
いない。
従って、代置椎間板若しくは人工椎間板を提供するこ
とが本発明の目的である。
他の目的は、通常の椎分節の動きを邪魔しない（とい
うのはそれが動きの範囲の限定若しくは脊椎内の他の場
所への力の集中若しくは対向する椎体の不安定性につな
がり進行性関節炎による破壊の機会を増大するからであ
るが）向上した代置椎間板若しくは人工椎間板を提供す
ることである。
また他の目的は、脊柱にかかる通常の力に生体力学的
に耐えることができ、そのような負荷に於て対向する終
板を保護し関節を安定するように機能する向上した代置
椎間板若しくは人工椎間板を提供することである。
また他の目的は、椎間板物質の再生を促進し線維軟骨
侵入の為の骨組みとなる向上した代置椎間板若しくは人
工椎間板を提供することである。
更なる目的は、免疫拒絶反応を誘発しない若しくは他
の関節組織を悪化させない向上した代置椎間板若しくは
人工椎間板を提供することである。
また更なる目的は、標準的外科技術により容易に植え
込みができる向上した代置関節間軟骨若しくは人工関節
間軟骨を提供することである。
発明の要約 本発明は椎間板の形態及び役割を担う脊椎埋め込み用
生体適合性及び性内分解吸収性製造物を提供する。この
基質（matrix）は椎間線維軟骨細胞の再生を促進し椎間
板組織の再生の為の骨組みを提供する。
人工円板は生体適合性及び生体分解吸収性繊維の乾燥
多孔性容積基質からなる。基質は生体内で実質的に通常
の椎間板と同じ外表面輪郭を持つように適応できる。繊
維の一部は架橋していることがある。
繊維は、天然繊維若しくは天然繊維類似物質（例え
ば、生合成による天然繊維類似物質）若しくは合成繊
維、又はこれらの混合物である。生合成による繊維は、
例えばコラーゲンのような組換えたんぱく質をコード化
する遺伝子を用いるたんぱく質発現可能な適切な宿主細
胞のトランスフェクションを含む組換えDNA技術により
生産されるものである。合成繊維は自動ペプチド合成法
のような化学的方法により生産されるものである。本発
明の１つの具体例に於て、基質繊維は例えば動物若しく
はヒト組織から得られる天然分子のポリマーである。同
じ目的に有益な天然繊維には好ましくはコラーゲン、エ
ラスチン、レチクリン、及びその混合物が含まれる。
本発明のある形態に於て繊維は、基質中不揃いに配列
されることもあれば、ある部分だけ秩序づけられること
もある。繊維はあるいはまた、人工円板中を通し実質的
に円周状に伸びる配列であることもあり実質的に放射状
に伸びる配列であることもある。
基質は又繊維の間に散在させられたグリコサミノグリ
カン分子（GAGs）を含む場合がある。GAGsは潤滑性を与
えるムコ多糖体分子で人工円板の架橋中に含まれること
がある。本発明の一つの好ましい面に於て、コンドロイ
チン４−サルフェート、コンドロイチン６−サルフェー
ト、ケラチンサルフェート、デルマタンサルフェート、
ヘパラン−サルフェート、ヘパリン、ヒアルロン酸、及
びそれらの混合物等のGAGsが円板の構成要素を形成す
る。GAGsは個々の分子として人工円板中に均一に分散さ
せられるか若しくはその構造物中の異なる部分に異なる
量で存在する。
本発明の様々な形態に於て、GAGsは直接繊維との共役
架橋に関与するか、若しくはもつれさせるもの（entang
lement）の形態若しくは連動機構により繊維と機械的に
相互作用し、それにより様々の安定な繊維−GAG錯体を
作る。
基質は乾燥重量にして約75〜100％の天然及び（又
は）合成繊維並びに約０〜25％のGAGsを含むことがあ
り、その比率は構造物中で一定若しくは不定である。
本発明の好ましい具体例に於て基質は約0.07〜0.50g
matrix/cm3の密度を有する（ここで“g matrix/cm3"は
基質１立方センチメートル当たりのグラム数を意味する
単位である）。更に基質は、繊維間及び繊維内間隙とし
て約２〜25cm3g matrixを有することがある。
本発明の他の形態に於て人工円板は更に、基質の外表
面の側面に付着する生体分解吸収性及び生体適合性物質
から構成されるメッシュを包含することがある。メッシ
ュは一時的な固定機能を提供することにより人工椎間板
の脊椎間隙への成功裡の植え込みを援助する。
本願発明は又生体内での椎間板組織再生方法も包含す
る。この方法は上述した型式の人工椎間板を製造するこ
と及びそれを外科的方法により脊椎中に植え込むことを
包含する。人工円板の存在が椎間板組織の成長を刺激す
る。
更に本発明は上述した様式の人工椎間板を製造する方
法を包含する。本方法は、一般的に言って複数の繊維若
しくは繊維及びGAGsを脊椎機能に有益な形状を持つ鋳型
内に設置し、鋳型中の繊維（及びGAGs）に２サイクルの
凍結及び解凍を為し、繊維若しくは繊維及びGAGsをそれ
らが鋳型の形状になるように架橋用化学溶剤と接触さ
せ、結果として得られた製造物を凍結乾燥し乾燥多孔性
容積基質を得ることを包含する。
繊維はそれらが鋳型中に置かれる時に鋳型を回転する
ことにより円周配列状に形作ることができる。あるいは
また、鋳型中の繊維を回転ピストンにより圧縮すること
もできる。繊維の放射状配列は繊維を手動式に直線放射
状様式に塗る（paint）することにより生み出される。
基質の様々な部分の比密度（specific densities）及
び孔経は、２回目の凍結−解凍サイクルの前、及び化学
的架橋段階のすぐ後、に鋳型中の繊維若しくは繊維及び
GAGsを圧縮することにより得ることができる。これは基
質のある部分にあらかじめ決められた形状のピストンに
より圧力を加えることにより為すことができる。
本発明の好ましい面に於て、架橋段階には分子内及び
分子間架橋を形成する化学薬剤が用いられる。有益な化
学薬剤には、例えばグルタルアルデヒド、ホルムアルデ
ヒド、生体適合二機能性アルデヒド、カルボジイミド、
ヘキサメチレンジイソシアネート、ビス−イオニデー
ト、グリオキサル、ポリグリセロールポリグリシジルエ
ーテル、グリオキサル、及びそれらの混合物が含まれ
る。特に有用な架橋剤は１−エチル−３−（３−ジメチ
ルアミノプロピル）ポリグリセロールポリグリシジルエ
ーテル、アシルアジド、グルタルアルデヒドである。
本発明の他の面に於て、追加架橋段階は化学的に架橋
された円板を凍結乾燥し、次にそれを脱水素加熱架橋
（dehydrothermal cross−linking）方法にかけること
により為される。
本発明は次に確実に例証された具体例に関連づけて説
明される。しかしながら様々な修正、追加、及び削除が
本発明の精神及び範囲から逸脱せずに為すことができる
ことは明らかである。
図面の簡単な説明 本発明の前述した及び他の目的、それらの様々な特徴
は本発明そのものと同様に、添付された図面つまり、 図１はヒト脊椎中の本来の位置にある椎間板の通常の
在り様を示す簡単な図面であり、 図２は本願発明に従った典型的な人工椎間板の透視画
であり、 図３は図２の人工椎間板の３−３のラインに沿った断
面図であり、 図４は別の典型的人工椎間板の斜視画であり、 図5Aはメッシュ構材を含む別の典型的人工椎間板の斜
視画であり、図5Bは図5Aの人工椎間板の5B−5Bのライン
に沿った断面図であり、 図６は人工椎間板を作る為の典型的鋳型の断面図であ
り、 図７は人工椎間板を作る為の代わりとなる鋳型の断面
図である、 と共に以下の説明を読むことからより十分に理解される
だろう。
発明の詳細な説明 生体適合性及び生体分解吸収性繊維から作られた人工
椎間板は通常の関節動作及び強度を提供するように椎間
間隙に外科的に植え込むことができることが発見され
た。この人工椎間板はまた、植え込まれた装置の物理的
特徴によりその内部成長が助長される椎間板組織再生の
為の骨組みとしても働く。植え込みに続き、組織の内部
成長、再生、そして最終的には骨組みが再吸収され自然
の椎間組織が残る。
図１はヒトの椎体120及び130間の椎間間隙110中の椎
間板100の通常の位置を示している。典型的人工椎間板2
00は図２に示されている。円板200は普通中心軸10の回
りに円周状に延びる乾燥多孔性容積基質である。ここに
使われる『容積基質』という言葉は、（２次元方向に互
いに比較できる大きさ（dimensions）を持つが３番目の
方向には比較的僅かな大きさした持たないシート状基質
と比較して）３次元方向に互いに比較できる（しかし必
ずしも等しいとは限らない）外容積（outer dimension
s）により特徴づけられる多孔性の配列（array）を言
う。
好ましい形態に於て、植え込み以前の人工椎間板200
は、軸10の回りに円周状に延びる円筒パッドの形をして
おり、比較的低コンプライアンスの周囲部分14が回りに
配置された比較的高コンプライアンスの中心部分12から
なる。図２に於て部分14及び16の分離地点は、普通その
移り変りは緩やかであるけれども破線17により一般的に
示されている。好ましい形に於て、（示されているよう
に）円板200の上表面及び下表面はそれが円周の端に於
て最大高さＡ（凡そ8mm）並びに最大半径Ｃ（凡そ35m
m）を持つように凹面になっている。図３は図２に示さ
れた人工椎間板の３−３のラインに沿った断面図であ
る。
図４は図２に描写された人工円板200に構成状類似し
た本願発明の追加具体例220を示すものである。人工椎
間板220は円板200に似ているが、上下表面は凸面であり
更にその側面から延びるメッシュ構材20を包含する。メ
ッシュ構材20は生体適合性及び生体分解吸収性物質から
構成される。植え込みに引き続き、円板220をその場に
固定する為にメッシュ構材20を周囲の組織と縫合するこ
とができる。メッシュ構材20は十分な組織の内部成長が
起こりその役目を果たすことができるようになるまでそ
の代わりをすることができる。メッシュ構材20の固定機
能は一時的なものに過ぎないので、メッシュ構材20はポ
リグリコナート、デクソン、ポリジオキサン（PDS）の
ような吸収性縫合物質をメッシュに縫い込んだものから
なる＃１メッシュスクリーンでもよい。あるいはまた、
引き伸ばされたポリテトラフロロエチレン（PTFE）のよ
うな非吸収性縫合物質を用いることも可能である。
図5A及び5Bは、図１の具体例に似てはいるが凹面の上
表面及び平らな下表面を持つまた別の具体例230を示し
ている。他の組み合わせもまた用いることができる。
本発明の他の形態に於て、完全円筒形以外の形をさら
に用いることができる。例えば、もし円板の部分的取替
えを試みるならば（軸10の回りに）完全に360゜のパッ
ドを使用することは要求されない。角のある分節様式の
円板の為に、円筒形は軸10の回りの０から360度のどの
角度にも対応することができる。しかしながら基質は、
植え込まれた際に少なくとも上下表面が実質的に自然の
椎間板の形態若しくは輪郭を帯びるような特徴を持って
いることが重要である。
本発明の様々な具体例は一定のコラーゲン繊維の密度
及びGAG分子の分散度及び異なる圧縮レベル、内部成長
速度、弾性に耐える架橋を有する。異なる密度は、均一
の密度を持つ装置が植え込まれ、身体の負荷が不均一の
圧縮を装置に与える生体内で得られる場合がある。ある
いはまた人工円板は、生体内の形状が望まれる機能に必
要とされる望ましい間隙密度及び分散を提供するよう
に、最初から不均一な構造物として製造される場合があ
る。
人工椎間板は天然材料、その類似物質、若しくは合成
材料等の如何様な生体適合性及び生体分解吸収性繊維か
らも作ることができる。その繊維は組織内部成長を助長
する一方で機械的強度、保護、円滑性を提供できるよう
にポリマーの形であることが好ましい。かかるポリマー
繊維には例えば、コラーゲン、レチクリン、エラスチ
ン、セルロース、及びそれらの生合成類似物質が含まれ
る。これらの繊維は、実質的に円周状に延びる若しくは
実質的に放射状に延びる配列に、基質中を通し実質的に
均一な繊維密度で整然と配置される。基質繊維はあるい
はまた不規則に配置されることもある。規則的若しくは
不規則的配置どちらであっても繊維の密度は不均一であ
る場合がある。不均一配置の場合、高圧力が予想される
地点に比較的高密度で線維が配置される。
本発明の他の面に於て、繊維内間隙（つまり１つの繊
維内の間隙）及び繊維間間隙（つまり複数の繊維の間の
間隙）は比較的高く、それは再生椎間板組織の内部成長
を促進するものである。例えば椎間板の密度は約0.1〜
0.25g matrix/cm3の範囲である。あるいはまた繊維内及
び繊維間間隙は比較的低く、それは椎間間間隙に優れた
クッション、円滑性、及び機械的支持を提供し、一方で
組織及び細胞の内部成長を妨げそれにより骨組みの吸収
速度を遅くする（例えば密度は約0.02〜0.1g matrix/cm
3の範囲である）。
生体内に於ける製造物の形状の一時的安定性及び円板
吸収速度は共に、少なくとも繊維の一部分間の架橋形成
の効果性に起因する。上述した繊維材料と共に用いられ
る架橋剤は、１つの分子内架橋を形成する繊維内のアミ
ノ、カルボキシ、若しくはヒドロキシル基、或いは複数
の繊維、或いは繊維及びGAGsと相互作用し結果として隣
接する分子との間で共有結合を形成する（分子間架橋）
どのような生体適合二機能性薬剤でもよい。有益な架橋
剤にはアルデヒド、ヘキサメチレンジイソシアネート、
ビスイミデート、ポリグリセロールポリグリシジルエー
テル、アシルアジド、カルボジイミドである。
架橋された装置は自然の椎間板の特性を模倣するのに
十分な程度の親水性及び弾性を保持する、つまり機械的
強度の繊維並びに関節表面を保護及び円滑にする能力が
ある。加えて、その構造は細胞侵入並びに細胞外基質合
成及び沈着に理想的な環境を提供し、その結果椎間板組
織の再生が起こる。
GAGsは繊維中全体に分散されることがある。あるいは
また、それらは繊維間で分子間架橋として働く場合もあ
る。これらのGAGsには典型的にコンドロイチン４サルフ
ェート、コンドロイチン６−サルフェート、ケラチンサ
ルフェート、デルマタンサルフェート、ヘパラン−サル
フェート、ヘパリン、ヒアルロン酸から成る分子グルー
プのうち少なくとも１つが含まれる。GAG架橋の分散は
均一であることが好ましいが、高圧力が予想される場
所、特に周囲部分14ではより濃縮され、中心部分12では
より分散されている場合がある（図２）。かかる配置に
於て、GAG濃度は末梢部14で約０〜25％の範囲、及び中
心部12で約０〜10％の範囲であることがある。しかしGA
Gsの分散が均一の場合には、それは人工椎間板中を通し
例えば１〜15％の範囲であることがある。
分子間架橋はまた、リジン若しくはヒドロキシリジン
のイプシロンアミノ基並びにアスパラギン酸若しくはグ
ルタミン酸のカルボキシ基間のペプチド結合を生じる脱
水素加熱方法（加熱及び減圧）によっても生じる。
架橋結合された円板は約55〜85℃という比較的高い熱
安定性を有し、これは十分な生体内安定性のためには約
65〜75℃であることが好ましい。これは薬剤濃度、温
度、pH、反応時間を含む架橋条件の操作により得ること
が可能である（例１参照）。
一つの具体例に於て、人工椎間板は主にGAG架橋の無
いＩ型コラーゲン繊維により作られる。Ｉ型コラーゲン
繊維は動物アキレス腱から得ることができる。しかしな
がらこの繊維は動物の皮膚或いはヒトの皮膚若しくは腱
からも得ることができる。この組織は非コラーゲン物質
を全て除去する為若しくはそれらを最小限レベルにまで
減少させる為に幾度もの機械的及び化学的処理を受け
る。好ましい方法に於て腱若しくは皮膚はまず更なるプ
ロセスに有益になるように細かい部分に機械的に分解さ
れる。この分解はその組織を液体窒素温度ですり砕くか
若しくは鋭利な刃物で細断することにより為される。あ
る応用に於て腱は、機械的強度のある繊維長さを保持す
る為に縦方向に機械的に分断される。
中性pHに於ける腱の塩抽出は、新たに合成され未だ安
定した筋原繊維中に組み入れられていないコラーゲン分
子のいくらかを取り除く。塩はまた静電作用によりコラ
ーゲンと結合している糖たんぱく質及びプロテオグリカ
ンのいくらかを取り除く。KClのような他の塩をNaClの
代わりに用いることもできる。
細胞膜若しくはコラーゲン基質と結合している脂質
は、最初にトライトンＸ−100（Sigma Chemical Co.,S
t.Louis,Missouri）等の洗剤、次にエーテル−エタノー
ル混合物、による抽出により除去することができる。ト
ライトンＸ−100の濃度は普通約２〜４％であるが、約
３％であることが好ましい。好ましいエーテル−エタノ
ール混合率は普通約1:1（v/v）である。抽出時間は普通
８〜96時間であり、約24〜48時間であることが好まし
い。
更なる抽出は両極pHで行われる基質膨潤により為され
る。酸性及びアルカリ性膨潤は共に非共有結合分子間作
用を弱め、コラーゲン基質の開孔を通し非共有的に付着
している糖たんぱく質、GAGs、及び他の非コラーゲン分
子を離脱させることを容易にする。アルカリpHに於ける
コラーゲン基質の膨潤は、コラーゲンを高pHでCs（OH）
２、NaOH等と８〜96時間処理することにより遂行され
る。（CH3）NCl若しくはNH3SO4のような三重らせん安定
化用塩（triple−helical stabilizing salts）の存在
下でのアルカリ抽出はコラーゲン変性の潜在的危険性を
減少する。アルカリ処理は非架橋糖たんぱく質及びGAGs
をコラーゲン基質より分離する。アルカリは又鹸化によ
り残留脂質を除去する作用がある。
酸膨潤は酢酸、HCl等の酸存在下の低pHで行われる。
アルカリ処理と同様に、膨潤により非架橋糖たんぱく質
及びGAGsを除去することができる。
分子の非三重らせん部分（テロペプチド）は分子間架
橋形成に関与している。それらは弱い抗原であり、ペプ
チド及びトリプシン等のプロテアーゼによる作用に感受
性がある。かかるプロテアーゼによる長時間の分解は筋
原繊維（繊維）を個々の分子に分離する。しかし、もし
分解プロセスが完全な分離無しに最大限のテロペプチド
を除去するように適切に制御されるならば、機械的強度
を犠牲にすることなしに筋原繊維の免疫原特性を最小レ
ベルにまで減少することができる。例えばコラーゲン分
子を分離する為には普通、ペプシンによる皮膚若しくは
アキレス腱の分解を室温以下で酵素：コラーゲン比約1:
10に於て約24〜96時間に渡り行う。これに比較して筋原
繊維は、４℃で約1:100（酵素：コラーゲン）に於て約2
4〜96時間に渡り行われる制限ペプシン分解により得る
ことができる。
この方法に従って得られるコラーゲン繊維は次に本願
発明の人工椎間板作成の為に使用される。しかしなが
ら、生合成により製造されたコラーゲン若しくはその類
似物質等、他の源から得られるコラーゲンも又人工椎間
板の作製に用いることができることは理解されなければ
ならない。
作製方法の一つには、例えば図６及び７に関連して以
下に説明される鋳型を用いて予め決められた形にコラー
ゲン繊維を型にするものが含まれる。繊維は無作為に、
若しくは特定の構造特性を有する椎間板を作り出すよう
に適応されて、鋳型中に設置される。架橋反応に関与す
るGAGs等の他の成分を、製造物を化学的方法及び（又
は）脱水素加熱方法を含む様々な架橋方法にかける以前
に、無作為若しくは非無作為の様式で繊維と共に混合す
ることができる。
ここから４段落下に記された方法を用いることによ
り、下の表１に記載された特性を持つ図２若しくは３に
示された形状の人工椎間板を作製することができる。
人工円板を生体内及び生体外に於て、その物理的機能
若しくは繊維軟骨細胞（これはその後繊維軟骨性基質の
為の前駆細胞として働くと思われる）の為の再生鋳型と
なる機能を測定した。これらの研究は人工円板が人工材
料を通し繊維軟骨細胞浸潤及び椎間板再生を可能及び誘
発することを証明する。
以下の非制限的実施例は本願発明の人工椎間板の作製
方法及び生体内使用方法を記述する。
実施例 例１ 鋳型作製 人工椎間板を作製するのに有益な鋳型は、植え込み可
能なステンレス鋼或いはポリプロピレン、デルリン、若
しくはこれらを組み合わせたものからできている。模範
的鋳型100及び100′は、図６及び７に見られるように３
つの部品102、104、106から構成される。
図６の鋳型100は、図5A及び5Bに描かれた円形椎間板
の為の例として用いられる。部品102は円形をしており
所望される椎間板と実質的に同じ直径を有している。部
品102は圧力下で液体を通る為に穴が開けられている。
部品102の内面103は所望される椎間板の片側の形状を有
している。
部品104は部品102と同じ内寸法を有する中空のシリン
ダーである。部品106は部品104の内径より僅かに少ない
外径を有する円筒形ピストンである。ピストン106の
『トップ』若しくは最頂部表面は所望される椎間板の片
側の形状を有している。
平らな上及び下表面を有する椎間板の為には、部品10
2及び104が図６の部品102及び104と同一で部品106が図
６の部品106と類似しているが平らな最頂部表面108を有
する図７の鋳型100′が使用される。
人工円板230製作の間に、鋳型部品102は最初に図６に
示されるように部品104の中に組み入れられる。構成成
分である繊維（液体中）は部品102の面103に対向して置
かれる。次にピストン106の最頂部表面108は繊維が圧縮
されるまで圧縮軸に沿って面103に向かって押され、液
体分は部品302を通し排出され、所望される軸寸法の圧
縮繊維配列が得られる。次に鋳型は架橋の準備の為に凍
結される。
例２ Ｉ型コラーゲンの精製方法 ウシ、豚、若しくは羊のアキレス腱は米国農務省承認
屠殺場から入手した。それらの動物の好ましい年齢は12
〜18か月の間である。その組織は精製プロセスの間、バ
クテリア汚染及び組織分解を最小限にする為に明記され
たところを除き低温に保った。
注意深く選別された腱に付着する組織を最初に機械的
にそぎ取った。次に腱を細分若しくは細かい部分に切断
し、血中たんぱく質及び水溶性物質を除去する為に過剰
量（約10倍容）の冷水で洗った。
洗浄した腱を、塩溶性物質を除去する為に10倍容の５
％NaCl、0.01Mトリス、pH7.4で24（±４）時間抽出し
た。塩抽出された腱を約10倍容の水を用いて塩を除去す
る為に繰り返し洗浄した。
脂質を抽出する為に、原料を３％トライトンＸ−100
で24（±２）時間抽出した。洗剤を水による入念な洗浄
により取り除いた。次に更に脂質含有量を減少させる為
に、この原料を３〜４倍容のエーテル−エタノール（1:
1 vol/vol）で24（±２）時間抽出した。脂質を抽出さ
れた原料を、エーテル及びエタノールを除去する為に、
入念に洗浄した。
次にこの原料を非コラーゲン物質を取り除く為に両極
pH抽出にかけた。アルカリ抽出を、1.0Mの（CH3）4NCl
の存在下でpH12.5〜13.5の３〜４倍容の0.2MNaOHを用い
攪拌しながら室温で24（±２）時間行った。
アルカリ抽出の後HClを用いてpHを中和し、原料を水
で洗った。次に濃酢酸を最終濃度が0.5Mになるように添
加し、pHを2.5〜3.0に調節した。酸抽出を攪拌しながら
24（±２）時間行った。
次に酸膨潤した腱をペプシンによる制限たんぱく質分
解（酵素：コラーゲン＝1:100）に24（±２）時間かけ
た。ペプシン及び結果として生じたテトペプチドを透析
により除去した。
次に膨潤繊維原料を1MNaOH若しくはHClを用いpHをそ
の等イオン点に調節或いはNaClを用いイオン強度を0.7
に調節することによりコアセルベートした。凝集したコ
ラーゲン繊維をろ過により採取し、そのろ過された物質
を低温りん酸緩衝食塩水で入念に洗浄した。高度に精製
されたこのＩ型コラーゲンは使用するまで−20〜−40で
保存することができる。
例３ 装置１の作製 Ａ）例２からの高度に精製されたＩ型コラーゲン筋原繊
維のコラーゲン含有量は、重量分析方法若しくはＩ型コ
ラーゲン中のヒドロキシプロリンの量を13.5％重量％と
仮定しヒドロキシプロリン含有量を求めることにより決
定された。次に与えられた密度の人工椎間板装置を製作
するのに必要とされる精製原料の量が決定され重さを計
測した。
Ｂ）繊維性コラーゲン溶液を、明記された寸法を持つ所
望される鋳型（鋳型の説明は例１及び図６参照）中に注
意深く設置した。コラーゲン繊維を無作為若しくは規則
的様式で設置した。規則的様式に於て繊維の円周状様式
は、原料が鋳型中に圧縮される際に主軸回りのピストン
の回転により生じ、放射状様式は直線性放射状傾向のコ
ラーゲン繊維の手動塗布により生み出される。
Ｃ）繊維を−20℃で凍結し、鋳型から出し室温で解凍し
た。
Ｄ）次に繊維をりん酸緩衝食塩水中に再び懸濁し、所望
される様式の鋳型に戻しピストンにより圧縮した。
Ｅ）次に圧縮した繊維を−20℃で再び凍結し、次に室温
で解凍した。
Ｆ）結果として得られた製造物を0.2％グルタルアルデ
ヒド溶液、pH7.6に24時間浸すことにより架橋した。次
にそれぞれのグルタルアルデヒド−架橋人工円板をpH7.
4の500mlりん酸緩衝食塩水（PBS）で４、８、24、48時
間に渡り繰り返しゆすいだ。
Ｇ）次にこのゆすいだ基質を凍結乾燥した。
例４（削除） 例５ 装置２の作製 Ａ）〜Ｇ）（例３に同じ） Ｈ）凍結乾燥した基質を減圧及び加熱することにより脱
水素加熱架橋反応にかけた。最初に残余水分量を最小レ
ベルにまで削減する為に減圧を用いた。ある程度（約３
％）の構造水（structual water）は構造安定要素の一
部としてなおコラーゲン三重らせんと結びついている場
合がある。加熱は110℃（±５℃）になるまで段階的に
行い、その後は110℃を減圧状態で24（±２）時間保っ
た。
例６ 装置３の作製 Ａ）（例３に同じ） Ｂ）コラーゲン基質をpH2.0〜2.5の0.01MHCl中に分散し
た。
予め決定した量の様々なGAGsを計量し水に溶かした。
例えば、025g/cm2という与えられた密度の為にはコラー
ゲン含有量は0.244gであり、ヒアルロン酸含有量は0.00
3gであり、2.5％GAG含有量の為のコンドロイチン含有量
は0.003gである。GAG溶液をコラーゲン溶液と混合し、
例２に記されたように所望される配列で鋳型中に設置し
た。
Ｃ）〜Ｇ）（例３に同じ） 例７ 装置４の作製 Ａ）〜Ｃ）（例３に同じ） Ｄ）（設置した繊維を圧縮しない点を除き例３に同じ） Ｅ）〜Ｇ）（例３に同じ） 例８ 装置５の作製 Ａ）〜Ｅ）（例３に同じ） Ｆ）固めたコラーゲンを50％エタノール中の５％ポリグ
リセロールポリグリシジルエーテル及びpH10の0.1MNa2C
O3中で24時間架橋した。架橋した装置をそれぞれpH7.4
の500mlPBSで４、８、24、及び48時間ゆすいだ。
Ｇ）（例３に同じ） 例９ 装置６の作製 Ａ）〜Ｅ）（例３に同じ） Ｆ）固めたコラーゲンを、１−エチル−３−（３−ジメ
チルアミノプロピル）カルボジイミド（10mg/g matri
x）存在下のpH4.7の0.9％NaCl溶液中で室温に於て24
（±２）時間架橋した。カルボジイミドの添加は３〜４
時間毎に行い、それぞれのカルボジイミドの添加後pHを
4.7に調節した。
Ｇ）（例３に同じ） 例10 装置７の作製 Ａ）〜Ｄ）（例２に同じ） Ｅ）取り付け目的の為に、鋳型の大きさに合ったメッシ
ュ状吸収性ポリグリコネート縫合材料を、作製物周辺か
ら押し出て椎体に伸びるスカート状のおおいを形作るよ
うに、分散されたコラーゲン中に置いた。このメッシュ
は直接の取り付け場所及び長期間の繊維内部成長を共に
提供する。
Ａ）〜Ｇ）（例２に同じ） 例11 生体外試験 椎間板を成長したヤギ若しくは犬から無菌的に採取
し、周辺組織を全て取り除きゲイ平衡食塩水（Gey's ba
lanced saline solution）中に浸した。各々の椎間板を
冠状面で２分しそのそれぞれに3mm厚の円状欠損を作っ
た。その欠損をコラーゲンを基とした複合基質の２つの
うちの１つの原型の凝固物（直径3mm）で満たした。そ
れぞれの円板を10％ウシ胎児血清、アスコルビン酸ナト
リウム及び0.1％ペニシリン／ストレプトマイシンで補
充した6mlのダルベッコ修正イーグル培養液（Dulbecco'
s Modified Eagle's Medium）を含有する6uqru培養プレ
ート中に入れた。培養物を10％CO2/90％空気の湿った大
気中で37℃に保ち、１週間に３度栄養分を与え、培養細
胞移植片の形成を妨げる為に毎週新しい培養ウェルに入
れ替えた。培養開始から１、４、及び６週間のインター
バル後、それぞれのグループから３個の椎間板を取り除
き、固定し、連続切片及び染色により評価した。新しい
コラーゲン及びグリコサミノグリカンの形成がアルシア
ンブルー及びマッソン三色染色により組織学的に証拠づ
けられた。
この結果は時間経過につれ増加する細胞移動及び侵入
を証明する。原料からの明らかな毒性は無い。骨組み中
への細胞侵入の深さは人工複合物の密度により限定され
ると思われる。
例12 生体内試験 最初に成長したヤギの頸椎板を切除し、外科的に人工
板と取り替えた。このヤギは手術後１日のうちにフルケ
ージ活力（full cage activities）まで回復した。連続
放射線写真は椎間関節間隙の保持を記録している。
本願発明はこの精神若しくは本質的特長から逸脱する
こと無しに他の特有な形状に具体化できる。それ故これ
らの具体例は全ての面に於て限定的なものではなく例証
的なものと考えられるべきであり、本発明の範囲は先の
説明というよりはむしろ添付された請求の範囲に示され
ており、それ故請求項に等価の趣意及び範囲内での全て
の変更はその内に包含されるものとする。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭52−30885（ＪＰ，Ａ) 特表 昭60−501540（ＪＰ，Ａ) 特表 平４−504968（ＪＰ，Ａ) 米国特許4911718（ＵＳ，Ａ) 国際公開89／413（ＷＯ，Ａ１) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) A61L 27/00 - 27/60 A61F 2/28

Claims (41)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】生体適合性及び生体分解吸収性繊維の乾燥
    多孔性容積基質からなり、 上記基質が生体内で自然の椎間板と実質的に同じ外表面
    輪郭を持つように適応され、 上記基質が椎骨繊維軟骨細胞の内部成長の為に適応され
    た少なくとも部分的に生体分解吸収性の骨組みを生じる
    ところの人工椎間板。
  2. 【請求項２】上記繊維がポリマーからなる請求項１記載
    の椎間板。
  3. 【請求項３】上記繊維が天然繊維、天然繊維類似物質、
    合成繊維、及びそれらの混合物からなるグループから選
    択される請求項１記載の椎間板。
  4. 【請求項４】上記天然繊維がコラーゲン、エラスチン、
    レチクリン、セルロース、これらの天然の類似物質、及
    びこれらの混合物からなるグループから選択される請求
    項３記載の椎間板。
  5. 【請求項５】上記天然ポリマーがコラーゲンからなる請
    求項４記載の椎間板。
  6. 【請求項６】更に上記繊維の少なくとも一部分間の架橋
    からなる請求項１記載の椎間板。
  7. 【請求項７】更に上記繊維間に散在する複数のグリコサ
    ミノグリカン分子からなる請求項１記載の椎間板。
  8. 【請求項８】上記グリコサミノグリカン分子がコンドロ
    イチン４−サルフェート、コンドロイチン６−サルフェ
    ート、ケラチンサルフェート、デルマタンサルフェー
    ト、ヘパラン−サルフェート、ヘパリン、ヒアルロン
    酸、及びこれらの混合物からなるグループから選択され
    る請求項７記載の椎間板。
  9. 【請求項９】上記分子の少なくとも一部が上記繊維間の
    架橋を提供する請求項７記載の椎間板。
  10. 【請求項１０】上記繊維が乾量にして75〜100％の濃
    度、及び上記グリコサミノグリカン分子が乾量にして０
    〜25％で存在する請求項７記載の椎間板。
  11. 【請求項１１】上記架橋が化学的架橋剤により形成され
    る請求項６記載の人工椎間板。
  12. 【請求項１２】上記架橋剤がグルタルアルデヒド、ホル
    ムアルデヒド、生体適合二機能性アルデヒド、カルボジ
    イミド、ヘキサメチレンジイソシアネート、ビス−イオ
    ニデート、ポリグリセロールポリグリシジルエーテル、
    グリオキサル、アシルアジド、及びこれらの混合物から
    なるグループから選択される請求項11記載の人工椎間
    板。
  13. 【請求項１３】上記架橋剤が１−エチル−３−（３−ジ
    メチルアミノプロピル）カルボジイミドである請求項12
    記載の人工椎間板。
  14. 【請求項１４】上記椎間板が0.07から0.50グラム基質毎
    立方センチメートルの密度を有する請求項１記載の椎間
    板。
  15. 【請求項１５】上記椎間板が２〜25cm3/g matrixの繊維
    内及び繊維間間隙を有する請求項１記載の椎間板。
  16. 【請求項１６】上記繊維が上記基質中に実質的に無秩序
    な様式で配列される請求項１記載の椎間板。
  17. 【請求項１７】上記繊維が上記基質中に実質的に規則的
    な様式で配列される請求項１記載の椎間板。
  18. 【請求項１８】上記基質が実質的に円周状に延びる繊維
    からなる請求項17記載の椎間板。
  19. 【請求項１９】上記基質が実質的に放射状に延びる繊維
    からなる請求項17記載の椎間板。
  20. 【請求項２０】上記繊維の密度が上記基質全体で実質的
    に均一である請求項１記載の椎間板。
  21. 【請求項２１】上記繊維が上記椎間板の端周辺に隣接す
    る箇所で実質的に規則的な様式で配置され、かかる配置
    が実質的に円周状である請求項１記載の椎間板。
  22. 【請求項２２】上記繊維が上記椎間板の中心部に実質的
    に無秩序な様式で配置される請求項21記載の椎間板。
  23. 【請求項２３】上記グリコサミノグリカン分子が基質全
    体に実質的に均一に分散される請求項７記載の椎間板。
  24. 【請求項２４】上記グリコサミノグリカン分子が基質全
    体に不均一に分散される請求項７記載の椎間板。
  25. 【請求項２５】更に上記基質の外表面の一部から延びる
    メッシュからなり、かかるメッシュが分解吸収性及び生
    体適合性である請求項１記載の椎間板。
  26. 【請求項２６】（ａ）複数の生体適合性及び生体分解吸
    収性繊維を鋳型内に設置し、かかる鋳型が、被成形物が
    椎間板間隙を保持する機能を果たすことを可能にする形
    状を有しており、 （ｂ）上記繊維を最初の及び二回目の凍結及び解凍サイ
    クルにかけ、 （ｃ）上記繊維が上記鋳型の形状になるようにかかる繊
    維を化学架橋剤に接触させ、 （ｄ）上記架橋繊維を凍結乾燥させる、 という段階からなり、 このように形成された上記人工椎間板が生体内で自然の
    椎間板と実質的に同じ外表面輪郭を持つように適応され
    た乾燥多孔性容積基質からなり、 上記基質が椎骨繊維軟骨細胞の内部成長の為に適応され
    た少なくとも部分的に生体分解吸収性の骨組みを生じる
    ところの人工椎間板作製方法。
  27. 【請求項２７】上記設置段階が複数の繊維を鋳型内に設
    置することからなり、かかる繊維が天然繊維、天然繊維
    類似物質、若しくは合成繊維を含む請求項26記載の方
    法。
  28. 【請求項２８】上記天然繊維類似物質が、組換えDNA技
    術により生産された、生合成による天然繊維類似物質で
    ある請求項27記載の方法。
  29. 【請求項２９】上記設置段階が更に、複数の合成繊維を
    上記鋳型内に設置することからなる請求項26記載の方
    法。
  30. 【請求項３０】上記繊維がコラーゲン、エラスチン、レ
    チクリン、セルロース、これらの天然の類似物質、及び
    これらの混合物からなるグループから選択される請求項
    26記載の方法。
  31. 【請求項３１】上記設置段階が更に、複数のグリコサミ
    ノグリカン分子を上記鋳型内に設置することからなる請
    求項26記載の方法。
  32. 【請求項３２】上記グリコサミノグリカン分子がコンド
    ロイチン４−サルフェート、コンドロイチン６−サルフ
    ェート、ケラチンサルフェート、デルマタンサルフェー
    ト、ヘパリン、ヘパラン−サルフェート、ヒアルロン
    酸、及びこれらの混合物からなるグループから選択され
    る請求項31記載の方法。
  33. 【請求項３３】上記設置段階が更に、上記繊維を実質的
    に円周状に配列する段階からなる請求項26記載の方法。
  34. 【請求項３４】上記配列段階が、上記圧縮の間にピスト
    ンが上記鋳型に対する圧縮軸の回りを回転する間に、上
    記繊維を上記鋳型中で上記圧縮軸に沿って方向づけられ
    た上記ピストンにより圧縮することからなる請求項33記
    載の方法。
  35. 【請求項３５】上記配列段階が、上記繊維が上記鋳型中
    に設置された時にかかる鋳型を回転することからなる請
    求項33記載の方法。
  36. 【請求項３６】上記設置段階が更に上記繊維を実質的に
    放射状に配列する段階からなる請求項26記載の方法。
  37. 【請求項３７】更に上記２回目の凍結及び解凍サイクル
    の前に上記繊維を圧縮する段階からなる請求項26記載の
    方法。
  38. 【請求項３８】更に上記２回目の凍結及び解凍サイクル
    の前に上記繊維及び上記グリコサミノグリカン分子を圧
    縮する段階からなる請求項31記載の方法。
  39. 【請求項３９】上記圧縮段階が予め決められた量の圧力
    をピストンにより上記基質のある箇所にかけることから
    なり、上記ピストンが予め決められた形状を有している
    請求項37記載の方法。
  40. 【請求項４０】上記化学架橋剤がグルタルアルデヒド、
    ホルムアルデヒド、生体適合二機能性アルデヒド、カル
    ボジイミド、ヘキサメチレンジイソシアネート、ビスイ
    ミデート、ポリグリセロールポリグリシジルエーテル、
    グリオキサル、アシルアジド、及びこれらの混合物から
    なるクループから選択される請求項26記載の方法。
  41. 【請求項４１】更に上記凍結乾燥された基質を脱水素加
    熱架橋反応にかける追加段階からなる請求項26記載の方
    法。
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