JP3656756B2 - 所定の細孔構造を有する成形品の製造方法 - Google Patents

所定の細孔構造を有する成形品の製造方法 Download PDF

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Description

【０００１】
本発明は所定の細孔構造を有する成形品の製造方法に関する。この方法は３次元的に相互に結合した細孔システムを有する成形品の製造に使用することができ、特に天然骨の細孔システムを有する成形インプラントの製造に好ましく使用することができる。
【０００２】
その物質および素材にかかわらず、所定の細孔構造を有する成形物品の製造は勿論種々の問題を提供している。素材および方法に関係する統計的に均一な多孔性の代わりにあるいは１次元的な細孔配向の代わりに、局所的に異なった構造および／またはいろいろな大きさの所定の細孔システムが希望されているならば、事実はその通りである。かくして、多孔性の素材あるいは物体の製造のための既知の技術、例えば適当な素材の発泡、可溶性のあるいはガス−発生物質を対応するマトリックス内への組み入れによって、本質的に統計的に均一な細孔構造が得られるのである。プラスチック素材あるいは可塑化可能な素材の押出し操作では、本質的に１次元的に配向した細孔システムを精々製造することができる。
【０００３】
これらの一般的に適用可能な問題は骨代替用の成形インプラントの例およびこの問題における決定的な必要条件によってもっと詳細に説明することができる。
【０００４】
成形インプラントの製造用の骨代替素材は２種の主な生体活性のない素材および生体活性のある素材に分類することができる。生体活性のない素材には生理学的に容認可能な金属、酸化セラミック、ある種のプラスチックが含まれる。どのような生体にあろうとも、正の生理学的効果を生ずる生体活性のある素材にはカルシウム無機物、バイオポリマーおよびそれらの素材を基づく複合材料が含まれる。生体が吸収可能な素材はこれらのサブグループを形成している。
【０００５】
生体活性のあるインプラント素材は好ましい関心を呼び起こしており、その理由はこれらが骨の成長を促し、かつそれによって、骨および内生的な組織へのインプラントによって改善された治癒の原因になっているからである。
【０００６】
セラミック素材の成形品は主に高い機械的な力に耐えなければならない負荷に耐える骨構造の代わりに使用されている。これらの例は骨補綴部分および骨髄釘、骨螺子、骨合成用板のような骨接合素子である。
【０００７】
この問題は化学的には天然骨の無機物相に関係するので、燐酸カルシウムセラミックスを主成分とする骨代替素材は生体活性があると考えられる。天然骨の無機物相は主に燐酸カルシウム化合物ヒドロキシ燐灰石から成っている。合成によるあるいは例えば天然骨素材由来の有機体のヒドロキシ燐灰石は従って骨代替品用のインプラント製造用にしばしば使用される原料である。
【０００８】
経験が示すところによると、密な燐酸カルシウムセラミックを現存の骨と融解するその強さは概ね不満足である。多孔燐酸カルシウムセラミックはもっと好ましい成長特性を持っている。
【０００９】
燐酸カルシウムを主成分とする現在入手可能なセラミックインプラント素材は２種の基礎的なグループに分類することができる。
【００１０】
第一のグループは合成燐酸カルシウムを使用しており、これは密なあるいは多孔性の物体に成形され、かつその後にセラミックを生成するように燒結される。勿論これらの素材の長所は、合成によって作製したものは高い精度および高い再現性を有し、かつ問題なく得られる選ばれた化学的組成を可能にしていると言う点にある。組成の標準化は医学用途には基本的な問題である。
【００１１】
合成素材の決定的な短所は多孔体の製造が極めて困難かつ多大な努力を要することである。例えば有機繊維、織物あるいは編物あるいは有機素材のスポンジ構造体を無機物マトリックス内に入れ、セラミックに成るように燒結前あるいは燒結中に完全に焼くという操作によって、多孔質成形品を燐酸カルシウムセラミックから、製造するという試みは今迄に極めて多かった。このような方法は、例えばEP 235 506に記載されている。天然の骨との構造上の相違、複雑な製造方法および快癒に関する大して改善されてもない特性のために、そのような成形インプラントは今迄に承認されていない。従って、今日まで天然骨の多孔性特性、特に例えば海綿質骨の多孔性を合成素材の成形品でまねることはは不可能であった。しかしながら、骨に典型的であるこの多孔性が内生的な骨とインプラントの急速な、硬い耐久性の結合には不可欠であることが見出されたのである。
【００１２】
第二のグループは骨、アルゲー、珊瑚のような生物学的なシステムを出発原料としており、これらシステムは多くの処理によって無機物化され、かつセラミックシステムに変換され、その間に無機物の支持体マトリックス構造を出来るかぎり保持すべきである。特に骨から得られたインプラントは理想的な細孔構造を持っており、これらは全ての面上で相互に接合する多孔と約2.5mmまでの孔サイズをもったバー、横木および結合材の支持マトリックスを有し、また負荷方向に適当な支持マトリックスを作り上げている。これらは天然骨の細孔システムとは優れた適合を持っているので、骨セラミックインプラントは成長特性および生物体内での治癒にはかなりの生物学的長所を持っている。
【００１３】
これらの長所に加えて、骨セラミックインプラントは多くの欠点も持っている。
【００１４】
第一に、天然骨素材からの製造は極端に時間と労力を必要とし、セラミックを生成する無機物化および燒結を実際上構造変換が起らないような穏和な条件で行なわねばならないならば、特にそうである。それに対応する製造方法は例えばEP 141 004およびDE−PS 37 27 606に記載されている。
第二に、出発物質の天然由来のために、インプラント素材はその構造上の大きさに限度があり、全ての形態および大きさを単一の骨セラミックスの形態で製造することは出来ない。インプラントがその構造上の成り立ちから見て、またセラミックシステムへの転換のために、密度、強さおよび弾性からみ見て、代替する骨あるいは骨領域に対応していないので、負荷のもとで不適当な力の分布および力の移動の結果としてインプラントの緩みあるいは破断さえも警戒しなくては成らない。
【００１５】
骨セラミックの他の欠点は出発物質として使用された天然物の骨が無機物相の化学組成にかなり固有の、しかも制御できない変化を受けることである。組成のそのような変化は骨セラミックインプラントの生物学的な活性に極めて明瞭な検出可能な影響を有しており、これは異なる成長および骨再生速度において臨床的に明瞭に示されている。
【００１６】
本発明は従って合成出発物質から形状および大きさについては制限無く組み立てることができ、かつ同時に多孔性および結合システムが出来るだけ人間の骨に一致するような事前に決めた方法で構造化出来る骨代替用の成形インプラントの製造方法を発見すると言う目的に基づいている。
【００１７】
本発明によれば、その目的は成形インプラントを細孔システムに対応する像のようにして、燐酸カルシウムを主原料とし、塑性変形を受け、その後に固化可能な組成物からの構造体化した層の製造およびその固化によって繰返し連続して層状に堆積し、個々の層の像構造はモデルとして役立つ天然骨から転写され、かつ成形品は最終的にはセラミックになるように燒結することにより達成される。
【００１８】
その方法はその素材にも、また成形インプラントの製造のための使用にも限定されないことが見出された。素材の観点からは、燐酸カルシウムセラミックに加えて、酸化物セラミック、ガラスセラミック、非セラミック鉱物質素材、有機ポリマー素材、かつ、適当ならば上記素材の特別の前駆体、さらに上記素材の２種以上の複合剤を使用することも可能である。ただしプラスチック変形を受け、かつその後に固化することができる複合剤の形態でこれらのものが加工できることが条件である。像による方法で構造化された層の製造はそのようの組成物によって可能であるに相違ない。そしてその後の固化は乾燥、化学的硬化、熱処理あるいは燒結、素材の選択によって異なるが、特殊な組成および加工に必要な条件によって実施することができる。原理的には、所定の多孔構造を有するいかなる希望多孔性成形品も考えうるあらゆる形態および大きさでこの方法で製造可能であり、その形態および大きさは究極的には製造技術によってのみ制限を受ける。極めて広範囲の目的とする使用をめざして、そのような成形品を想像することができる。
【００１９】
本発明は、塑性成形可能であり、かつ塑性成形後に固化可能である組成物を用いて、３次元に連続している細孔 構造を有する成形体を製造する方法であって、コピーさ れるべき３次元に連続している細孔構造を有するモデル を多層に分割した各層の層像情報を予め記録し、前記予 め記録された層像情報に従った構造を有する前記組成物 の層を、スクリーン印刷技法によって堆積する工程、お よび前記堆積した組成物の層を固化する工程、の各工程 を、前記予め記録した層像情報ごとに繰返すことにより 前記固化した組成物の層を組み上げて、３次元に連続し ている細孔構造を形成することを特徴とする多孔性の成形体の製造方法に関する。
【００２０】
また、本発明は、塑性成形可能であり、かつ塑性成形後 に固化可能である組成物を用いて、３次元に連続してい る細孔構造を有する成形体を製造する方法であって、コ ピーされるべき３次元に連続している細孔構造を有する モデルを多層に分割した各層の層像情報を予め記録し、 前記予め記録された層像情報に従った構造を有する前記 組成物の層を、スプレー技法によって堆積する工程、お よび前記堆積した組成物の層を固化する工程、の各工程 を、前記予め記録した層像情報ごとに繰返すことにより 前記固化した組成物の層を組み上げて、３次元に連続し ている細孔構造を形成することを特徴とする多孔性の成 形体の製造方法に関する。
【００２１】
本発明は、さらに、層像情報の転送および層の堆積がプ ログラム制御されていることが好ましい。
本発明は、さらに、層像情報の転送をディジタル化形式 で実施することが好ましい。
【００２２】
本発明は、さらに、セラミック組成物を使用し、層を固化する工程を乾燥によって行ない、生産された成形体を最終工程で燒結することが好ましい。
本発明は、さらに、重合可能な有機化合物および／また は有機ポリマー素材を主原料とする組成物を使用するこ とが好ましい。
本発明は、さらに、セラミック粒子および有機ポリマー 素材の複合材をベースとする組成物を使用することが好 ましい。
【００２３】
本発明、さらに、成形体が天然骨の細孔システムを有する成形インプラントであることが好ましい。
本発明は、さらに、成形体が、セラミック触媒キャリヤ ーであることが好ましい。
本発明は、さらに、成形体が、セラミックフィルター媒 体であることが好ましい。
本発明は、さらに、成形体が、クロマトグラフィー用の 成形セラミック吸収体であることが好ましい。
【００２４】
所定の細孔構造を有する多孔性の成形品の製造のための本発明による方法は、その全ての可能な実施態様において、先ずモデル構造の像情報、すなわち試料として役に立つ多孔性物体およびコピーされるべき細孔構造を基本的には層のなかに記録し、かつ特別な製造技術に適した形態で蓄積し、その後に成形品を層に組み上げることにコントロールする様に使用すると言う工程原理に基づいている。モデルとして役立っている実際の物体の場合には、像情報の記録および保管は、例えば切ること、鋸で切ることあるいは削ることによって層をなしている物体から素材を除去することによって、および特殊な層表面の写真記録によって行なうことができる。しかしながら、多孔システム像を人工的に組み上げることが出来て、層像の技術図面の形態あるいは対応する像の代表の形態であることも出来る。
【００２５】
コンピューター支援およびディジタル形態で層像情報の記録および保管の工程を実施実行できることは特に有利である。従って、例えば写真層記録あるいは他の方法で作製された層像をコンピューターに、有利なことにはCAD/CAMシステムに、レーザースキャナーを使って転送することができる。コンピュータートモグラフィー（CT）を使用して層構造像を記録すること、およびこれらをコンピューターシステムに転送することも可能である。後者の方法はとくに成形インプラントの製造用の骨構造の転送には適している。
【００２６】
事前に選別した適当な素材から層状に多孔性の成形品を組み上げるための像情報の転送は、最も簡単な場合にはスクリーン印刷技術の形態で実施でき、写真層記録あるいは他の方法で作製した層像はそれ自身公知の方法でスクリーン印刷構造あるいはスクリーン印刷フィルムに転送される。スクリーン印刷可能でなくてはならないを、すなわち、それ相当の塑性変形を受け、その後に固化しなければならない素材を、第一のスクリーンを通して基体上に印刷する。固化後には、成形品が完成するまで、印刷を第二などのスクリーンを通して行なう。
【００２７】
この方法は勿論コンピューター支援方法で実現可能であり、その場合例えば層像情報は再びCAD/CAMシステムで使用可能になり、両スクリーン印刷フィルムを製造し、かつ成形品の組上げのための対応するスクリーン印刷ユニットはプログラムコントロールによって操作される。
【００２８】
噴霧可能な素材も噴霧技術で処理することができ、個々の層は３次元に制御可能なノズルあるいはノズルシステムによって組み上げられている。正確にこの技術によって、特にCAD/CAMシステムを使用して、コンピューター支援およびプログラム制御することがノズルの制御に有利である。ディジタル像記録、制御および処理とプログラム制御スプレイノズル制御とを組み合せることにより本発明による工程に対する簡潔な、完全オートマチック処理が可能となる。本発明による方法の特異な要求に対して適切な専門家が容易に組み立てることができる慣用のシステムおよびそれに対応する制御プログラムをこの目的のために容易に採用することができる。
【００２９】
この工程の原理は塑性変形を受け、その後に固化されうる、すなわち層として加工されうる実質的に全ての素材に適用することが出来ることは言うまでもない。これらの素材は好ましくは乾燥によって層組み上げ工程の間で固化され、かつ最終段階で燒結された可塑化あるいは液化したセラミック組成物でもあることもできる。
【００３０】
これらの物の例は燐酸カルシウムセラミック、酸化物セラミック、ガラスセラミック、あるいはそれらの対応する前駆体である。層組み上げおよび微細構造の大きさを計算するときには、セラミック組成物に特有の収縮を考慮に入れなければならない。
【００３１】
例えば、水硬セメントおよび類似の素材のような非セラミック無機物組成物も本発明により処理することができる。
【００３２】
本発明によって加工することができるその他の素材は高分子量のポリマー化合物および／または重合可能な有機化合物を主成分とすることができる。これらの物質の例としては溶媒乾燥可能あるいは融解性合成樹脂および反応性樹脂システムをベースとするワックスおよび配合物が挙げられる。
【００３３】
最終的には、上記の素材の２種以上の対応する加工可能な複合材、好ましくはセラミック粒子および有機ポリマー素材の複合材も使用されうる。
【００３４】
本発明が基礎とする処理原理は実際上いかなる希望する大きさおよび形態、いかなる希望する細孔構造の成形品の製造にも使用可能であることは申すまでもない。後者の積極的な使用には如何なる限定も受けるものではない。好ましい使用分野は３次元に連続している細孔システムを有する成形品の製造であって、特に天然骨の多孔システムを有する成形インプラントの製造である。
【００３５】
対応するモデルを使用して、多孔性の成形品を人工的に組上げる場合には、選ばれた構造上の変化が提供されておりかつ、必要ならばそれを行なうことができることが本発明による方法の特に有利な点である。そのような構造上の変化とは例えば選ばれた局部的な強化の意味である。
【００３６】
骨代替用の成形インプラントには医薬品としての活性化合物との適合のためにさらに追加の中空のスペースが備わっていてもよい。この方法では、例えば、抗生物質あるいは成長制御剤を医薬品として定義された局所方法でインプラントのなかに入れることができ、その量比は治療方法の要求に合致する。先行技術にしたがって、自動的に必要な過ドーズで全体積に渡って本質的に均一にインプラントに負荷を掛けることは回避することができる。
【００３７】
本発明による方法のための手順は骨代替用の成形インプラントの製造による実施例によって以下にもっと詳細に説明することができる。
【００３８】
成形インプラントは代替する骨あるいは骨領域のポジティブあるいはネガティブのイメージの形態で製造することができる。
そのインプラントが、特にヒドロキシ燐灰石セラミックのような吸収性のない燐酸カルシウムセラミックから出来ているならば、ポジティブの形態が好ましい。その時にはそのインプラントは天然骨に極めて良く一致する成形インプラントの細孔中空スペース中に成長する内生的な組織によって実質的に癒合する。成形品インプラントの製造は一般的には上記の方法原理にしたがって例えば以下の変法で製造することができる。
【００３９】
実施例１
公知の方法で有機物を含有しなくなった天然骨から層状に素材を取り出す。各層表面の写真記録を行なう。これらの記録あるいは層表面を直接CAD/CAMシステムにレーザースキャナーを使って転送する。層記録の配列および複製をコンピューターシステム内で行なう。これらの個々の層をポジフィルムに転送し、対応するプリントスクリーンをこれを使って製造する。
【００４０】
合成によって沈殿させたヒドロキシ燐灰石を慣用の有機物液化器を使って、液化セラミック組成物に加工する。
【００４１】
この組成物を第一のスクリーンを使用して基体上の層に印刷する。その後に熱風で乾燥する。第二層を第一の乾燥したセラミック層に第二の多孔層記録のスクリーンを使って適用し、再び乾燥する。全ての層を印刷し、セラミック製の未焼成の成形体が得られるまでこの工程が続く。得られた未焼成の成形体はさらに同じ組成のセラミックスリップセラミック分散液を使用して、層の転移部分を平滑にするために、リンスされる。
【００４２】
未焼成の成形体をその後にセラミックに、例えば約1300℃まで50K/分の加熱速度、その後に２時間の維持時間を与える燒結プログラムで燒結する。冷却後にセラミック製の成形品が完成する。
【００４３】
必要ならば、慣用の方法（研磨、折曲げ、粉砕、穴開けなど）で全ての希望するインプラント形態を作ることが出来る機械的な最終成形もこれに続いてもよい。
【００４４】
実施例２
実施例１によるコンピューターシステム中に貯蔵した層像を中間の乾燥相をつけて、CAD/CAMで制御したセラミックスリップを入れたスプレイまたは放出ノズルによって層に適用する。このようにして得られた未焼成の成形体を変法例１と同様にしてさらに加工する。
【００４５】
生体吸収可能な素材を使用するならば、骨構造の負の像の形態をした成形インプラントが適している。そのような成形インプラントは本質的に生体吸収メカニズムによって徐々に磨り減っていき、同時に内生的な組織成長、特に再生した無機物化された骨マトリックスによって置換される素材によって治癒する。
【００４６】
そのような成形インプラントを一般的に記載した方法原理に従って、例えば以下の方法変法例に従って製造することができる。
【００４７】
実施例３
仮のポジティブの成形品を先ずスクリーン印刷あるいはスプレイ方法でコンピューターシステム内に保存した層像にしたがって製造する。容易に融解するか、あるいは容易に溶解する組成物、例えばワックス、を有利なことにはここの素材として使用する。この成形品をその後に生体吸収可能な燐酸三石灰を主成分とする高度に液化したセラミックスリップで含浸し、乾燥する。この成形品をワックスの融解以上に加熱し、その結果ワックスがこの成形品から流出する。天然骨のネガティブの多孔および接合システムを有する得られたセラミック製の未焼成の成形体をさらに実施例１と同様にセラミックに加工する。燐酸三石灰を主原料とする生体吸収可能な成形インプラントが得られる。
【００４８】
実施例４
天然骨の細孔および接合システムのネガに対応する成形品をスクリーン印刷あるいはスプレイ方法でコンピューターシステム内に保存した層像にしたがって燐酸三石灰を主成分とするセラミックスリップを使用して組み上げる。セラミック製の未焼成の成形体をさらにセラミック製の成形インプラントに公知の方法で加工する。
【００４９】
生体吸収可能な燐酸カルシウムを主原料とするセラミック製の組成物に加えて、その他の生体吸収可能な素材についても、この実施例で加工することが可能である。これらの素材は生体吸収可能なポリマー、例えばポリアクタイド、ポリグリコライドであり、燐酸カルシウム粒子および上記のポリマーを主原料にする一部分あるいは完全に吸収可能な複合材である。
【００５０】
あらゆる希望する使用目的のための成形品は所定の細孔構造を有する多孔性成形品の製造のための本発明の方法により製造することも出来る。
【００５１】
これらの成形品の例は自動車の排気精製用のセラミック触媒支持体である。現在の技術によると、射出成形された蜂の巣状の形態をした物品は長さ方向のみの細孔を有し、その製造方法にしたがって、この目的のために使用される。３次元に連続している細孔構造を有し、本発明による方法で製造されるセラミック製の触媒支持体はかなり高い内部表面積故にその有効性が増大し、かつ構造上の大きさが減少している。
【００５２】
他の使用分野は濾過技術のためのあるいは気体あるいは液体用の静止型混合器としての多孔製物体である。その流動特性は多孔性を良くコントロールして組上げることによって最適化することができる。
【００５３】
他の例は多孔性のセラミック製の成形品であって、クロマトグラフィーカラム用の吸着媒として使用することである。ここでも、流動特性と有効性を事前に選択した細孔構造によって最適化することができる。既製の固体状、多孔、セラミック製の成形吸着媒の形態をした充填剤を充填したクロマトグラフィーカラムは高価なカラム充填操作を余分なものにし、密度の変化を受けないのである。セラミック製の吸着媒は、例えば、原料素材によって変動するが、対応する高温での完全な焼成によって問題なく再生可能である。

Claims (11)

  1. 塑性成形可能であり、かつ塑性成形後に固 化可能である組成物を用いて、３次元に連続している細 孔構造を有する成形体を製造する方法であって、コピー されるべき３次元に連続している細孔構造を有するモデ ルを多層に分割した各層の層像情報を予め記録し、
    前記予め記録された層像情報に従った構造を有する前記 組成物の層を、スクリーン印刷技法によって堆積する工 程、および
    前記堆積した組成物の層を固化する工程、
    の各工程を、前記予め記録した層像情報ごとに繰返すこ とにより前記固化した組成物の層を組み上げて、３次元 に連続している細孔構造を形成することを特徴とする多孔性の成形体の製造方法。
  2. 塑性成形可能であり、かつ塑性成形後に固 化可能である組成物を用いて、３次元に連続している細 孔構造を有する成形体を製造する方法であって、コピー されるべき３次元に連続している細孔構造を有するモデ ルを多層に分割した各層の層像情報を予め記録し、
    前記予め記録された層像情報に従った構造を有する前記 組成物の層を、スプレー技法によって堆積する工程、お よび
    前記堆積した組成物の層を固化する工程、
    の各工程を、前記予め記録した層像情報ごとに繰返すこ とにより前記固化した組成物の層を組み上げて、３次元 に連続している細孔構造を形成することを特徴とする多孔性の成形体の製造方法。
  3. 層像情報の転送および層の堆積がプログラム制御されている請求項１または２記載の多孔性の成形 体の製造方法。
  4. 層像情報の転送をディジタル化形式で実施する請求項３記載の多孔性の成形体の製造方法。
  5. セラミック組成物を使用し、層を固化する工程を乾燥によって行い、生産された成形体を最終工程で焼結する請求項１から４のいずれかに記載の多孔性の 成形体の製造方法。
  6. 重合可能な有機化合物および／または有機ポリマー素材を主原料とする組成物を使用する請求項１から４のいずれかに記載の多孔性の成形体の製造方法。
  7. セラミック粒子および有機ポリマー素材の複合材をベースとする組成物を使用する請求項１から４のいずれかに記載の多孔性の成形体の製造方法。
  8. 成形体が、天然骨の細孔システムを有する成形インプラントである請求項１から７のいずれかに記載の多孔性の成形体の製造方法。
  9. 成形体が、セラミック触媒キャリヤーであ る請求項１から７のいずれかに記載の多孔性の成形体の 製造方法。
  10. 成形体が、セラミックフィルター媒体で ある請求項１から７のいずれかに記載の多孔性の成形体 の製造方法。
  11. 成形体が、クロマトグラフィー用の成形セラミック吸収体である請求項１から７のいずれかに記載の多孔性の成形体の製造方法。
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