JP3817966B2 - 高剪断強度を有する医療材料及び製造方法 - Google Patents
高剪断強度を有する医療材料及び製造方法 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は医療材料およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術及びその課題】
手術時に用いられる生体内吸収性ポリマーからなる医療材料は、生体内で加水分解されて吸収されるため、手術時に取り出す必要がない利点があるが、Ｘ線撮影時に造影されないことや分解吸収された後も再生骨に置換されるのに多くの時間がかかる問題点がある。そのため、生体吸収性高分子に骨の無機成分であるハイドロキシアパタイトを混ぜることにより、Ｘ線造影化を向上させて、同時に生体骨との表面接着性を向上させることが試みられている。同様に骨成長因子を混ぜて、新生骨の形成を促進させることも行われている。しかし、通常の射出成形法などによる方法では、生体骨の強度に劣るため実用化レベルに達しなかった。
【０００３】
そのため、生体吸収性ポリマー素材の強度を向上させるのに分子量を大きくする方法がなされたが、分子量が大きくなりすぎると熱加工性に劣り、例えば成型のために融点以上に加熱したときにポリラクタイドが熱分解されて分子量の大幅な低下が起こるため、分子量を維持したまま加熱により強度を維持するには限界があった。その後、生体内吸収性ポリマー内の分子鎖を配向させて、強度を向上させることが提案された。しかし、二次成形時に切削加工を行なってしまうと、分子配向が切断されて初期強度が低下し、切削面からの体液の侵入により加水分解が促進され、生体内で比較的短期間で強度低下をきたしてしまう。特に、スクリューなど溝を有する医療材料では、配向で強度を向上させても逆にネジ頭やネジ山などの凹凸溝がある部分の強度低下が著しくなる。同様に溝付ピンなど表面に凹凸溝がある医療材料も同様である。実際のヒト皮質骨において、皮質骨部の厚みが薄いと、骨へのネジ山引っかかり部がわずか１〜３個所となり、ネジ山強度が低いと十分な固定力が得られないという問題がある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題に鑑み検討を重ねた結果、分子配向した高密度複合材料の二次成形時にプレス加工をおこなうことにより、ポリマーマトリックス中の配向分子鎖を切断することなく、凹凸溝の凸部における初期剪断強度と強度保持性および耐疲労強度を向上することを見い出した。
【０００５】
本発明は、下記の医療材料およびその製法を提供するものである。
項１． 分子鎖が配向した生体内分解吸収性ポリマー単独あるいは、バイオセラミックスとの組合せからなる複合体を軸芯に対し直交する方向よりプレスして成型される溝を有する、ポリマーマトリックス中の配向分子鎖が切断されずに連続化していることを特徴とする医療材料。
項２． 軸芯に対し対面する方向よりプレスして成型した頭部を有する項１記載の医療材料。
項３． 据え込みパンチにてプレスして得た頭部である項２記載の医療材料。
項４． 凹凸溝を有する据え込みパンチにてプレスし、凹凸溝を形成した項１〜３のいずれかに記載の医療材料。
項５． 項１〜４において、凹凸溝の凸部における初期剪断強度が１９ｋｇｆ／ｍｍ2以上及び３７℃のリン酸緩衝液（ｐＨ７.４）に９０日間浸漬したときの剪断強度保持率が６０％以上である医療材料。
項６． 項１〜５において、凹凸溝の凸部における引張疲労試験の初期繰り返し破断回数が３×１０4〜１×１０7及び３７℃のリン酸緩衝液（ｐＨ７.４）に９０日間浸漬したときの繰り返し破断回数が投入前の６０％以上である医療材料。
項７． 項１〜６記載において、ネジ山形状に沿って分子配向した高剪断ネジ山強度を有する外科用スクリュー。
項８． 項７記載において、スクリューの軸の垂線に対するネジ山頂部のスクリュー後端側斜面の傾斜角を８〜４０°としたことを特徴とする外科用スクリュー。
項９． 傾斜角を２５°〜３５°としたことを特徴とする項８に記載の外科用スクリュー。
項１０． 項１〜９記載の生体内分解性ポリマーがポリ-Ｌ-乳酸である医療材料。
項１１． 項１〜９記載のバイオセラミックスがハイドロキシアパタイトである医療材料。
項１２． バイオセラミックスとして、焼成温度８５０〜９５０℃で焼成した平均粒度２０〜４０μｍのハイドロキシアパタイトを２０〜４０重量％添加してなる項１１に記載の医療材料。
項１３． 分子鎖が配向した生体内分解吸収性ポリマー単独あるいは、バイオセラミックスとの組合せからなる複合体を軸芯に対し直交する方向よりプレスして溝を成形する工程によって、ポリマーマトリックス中の配向分子鎖が切断されずに連続化していることを特徴とする医療材料の製造法。
項１４． 軸芯に対し対面する方向よりプレスして頭部を成形する工程をさらに有する項１３記載の医療材料。
項１５． 据え込みパンチにてプレスして頭部を成形することを特徴とする項１４記載の医療材料の製造法。
項１６． 凹凸溝を有する据え込みパンチにてプレスし、凹凸溝を形成することを特徴とする項１４又は１５に記載の医療材料の製造法。
項１７． 複数に分割された溝を有する金型にてプレスして溝を形成することを特徴とする項１６記載の医療材料の製造法。
項１８． 溝の形成を４つに分割された金型を用いて行うことを特徴とする項１３または１４に記載の医療材料の製造法。
項１９． 複数に分割された溝を有する金型にてプレスして溝を形成するに際し、少なくとも２度以上プレスし、２度目以降は分割された金型の接合部を避けてプレスすることを特徴とする項１６記載の医療材料の製造法。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明の医療材料は、各種成形体等の種々の形態で、骨接合材（ピン、溝付ピン、クサビ付ピン、タグ付ピン、テーパードピン、肋骨ピン、胸骨ピン、スクリュー、中空スクリュー、ヘッドレススクリュー、ＡＣＬスクリュー、ハーバードスクリュー、ＴＨＲスクリュー、ＴＫＲスクリュー、ボルト、釘、髄内釘、リベット、ビス、ステープル、プレート、ボタン、ワッシャー、スパイクワッシャー、アンカー、ワイヤー）、骨充填材、骨補綴材などに用いられる。
【０００７】
生体内分解吸収性ポリマーは、生体内に於いて加水分解され吸収される性質を有する各種ポリマーで、ポリグリコール酸（ＰＧＡ）、ポリジオキサノン（ＰＤＳ）、ラクタイド含有ポリマーを含む。ラクタイド含有ポリマーは、ポリＬ−ラクタイド（ＰＬＬＡ）、ポリＤ−ラクタイド（ＰＤＬＡ）、ポリＤ,Ｌ−ラクタイド（ＰＤＬＬＡ）、Ｌ−及びＤ−ラクタイド／グリコライド共重合体（Ｐ（ＬＡ／ＧＡ））、Ｌ−及びＤ−ラクタイド／カプロラクトン共重合体（Ｐ（ＬＡ／ＣＬ））を含む。
【０００８】
また、ラクタイド含有ポリマー主鎖中の（ＤまたはＬ）ラクタイドの組成比率は、３０モル％以上、好ましくは５０モル％以上、より好ましくは７０モル％以上、より好ましくは８０モル％以上、特に９０モル％以上である。好ましいラクタイド含有ポリマーはＰＬＬＡである。
【０００９】
ラクタイド含有ポリマーのＧＰＣ法による重量平均分子量は１００万以下、好ましくは４０万未満、好ましくは５万〜３５万；より好ましくは１０万〜２５万；特に好ましくは１３万〜２１万である。
【００１０】
低分子量乳酸成分には、重合原料であるラクタイドの他に溶融成形時の熱分解によって生じる乳酸や乳酸の２量体、３量体等が包含される。
【００１１】
かかるラクタイドの含有量は、４０００ｐｐｍ以下、好ましくは３５００ｐｐｍ以下、より好ましくは３０００ｐｐｍ以下、さらに好ましくは２０００ｐｐｍ以下、特に１０００ｐｐｍ以下、さらに１〜１００ｐｐｍである。
【００１２】
バイオセラミックスは、ハイドロキシアパタイト（ＨＡＰ）、ストロンチウムアパタイト（ＳｔＡＰ）、α−リン酸三カルシウム（α−ＴＣＰ）、β−リン酸三カルシウム（β−ＴＣＰ）などのリン酸カルシウム系化合物、Ａ−Ｗ結晶化ガラス、アルミナ、ジルコニア、カーボン、バイオガラスを含み、好ましいバイオセラミックスはハイドロキシアパタイトである。これらは１〜９０ｗｔ％、好ましくは２０〜４０ｗｔ％含有できる。ポリマーとの均一な混練法としては、バッチ式混練機、連続式混練機、２軸混練機があり、表面にコーティング法にはスパッタリング法、プラズマスプレー法、電気泳動法、ディップコーティング法、コンポジットコーティング法、バイオミメテック法、ゾルゲル法を選択するにより適用することができる。
【００１３】
ハイドロキシアパタイトのＣａ／Ｐ比は１.０〜２.０が好ましい。ハイドロキシアパタイトの焼結温度は未焼成〜１４００℃、好ましくは８００℃〜１２００℃、より好ましくは８５０〜９５０℃、特に９００℃である。ハイドロキシアパタイトの粒径は０.１〜３００μｍ、好ましくは１〜１００μｍ、より好ましくは３〜３０μｍ、特に２５〜３０μｍである。
【００１４】
バイオセラミックスとして、焼成温度８５０〜９５０℃で焼成した平均粒度２０〜４０μｍのハイドロキシアパタイトを２０〜４０重量％添加すると、医療材料の強度及び骨との接着性に優れ、Ｘ線造影により確認できるため好ましい。
【００１５】
成長因子であるＢＭＰ（骨成長誘導蛋白）、ＴＧＦ−β、ＩＧＦ−Ｉ、ＩＧＦ−II（インシュリン様成長因子Ｉ，II）、ｂＦＧＦ（塩基性繊維芽細胞増殖因子）、ＣＩＦ（軟骨誘導因子）、ＣＤＧＦ（軟骨由来成長因子）、ＣＤＦ（軟骨由来因子）などを少量複合化してもよい。好ましい成長因子はＢＭＰである。これらは０.０１〜１０００ｐｐｍ、好ましくは０.１〜１００ｐｐｍ程度含有できる。ポリマーやバイオセラミックスとの混合は、ディップコーティング法により適応することができる。また、ゼラチン、コラーゲンと混ぜて、複合材料表面にコーティングしてもよい。
【００１６】
Ｘ線造影剤である硫酸バリウム、炭酸水素ナトリウム、酒石酸、ヨード、イットリウムなどを複合材料に混練するか、表面にコーティングしてもよい。
【００１７】
複合材料のマトリックスである生体内吸収性ポリマーの分子鎖を配向させる方法としては、一軸、二軸または多軸の引張延伸法や静水圧押出し、ラム押出しなどの固相押出法を含む延伸加工によって行うことができる。延伸倍率もしくは変形倍率は２〜２０倍程度、好ましくは２〜１５倍程度、より好ましくは２〜１２倍程度で行われる。延伸倍率は、ネジの場合には２〜３倍程度が好ましく、ピンの場合には２〜８倍程度が好ましい。
【００１８】
本発明の医療材料は、例えばラクタイド含有量が４０００ｐｐｍ以下のラクタイド含有ポリマーにハイドロキシアパタイト粒を３０ｗｔ％混ぜたものを混練機にて均一なペレットにし、射出成型機にて成形物を得た後、ガラス転移点以上融点以下の温度で静水圧押出して延伸し、アニール後、成形プレス機にてプレス加工して得ることができる。ＢＭＰを加える場合は、ディップ、コーティングすることにより成形物表面に付加できる。
【００１９】
本発明の医療材料の凹凸溝の凸部における初期剪断強度は１５〜５０ｋｇｆ／ｍｍ2、好ましくは１９〜３０ｋｇｆ／ｍｍ2程度である。
【００２０】
本発明の医療材料の３７℃のリン酸緩衝液（ＰＢＳ）に９０日間浸漬したときの剪断強度が初期強度の５０％以上、好ましくは７０％以上、より好ましくは８０％以上の保持率である。
【００２１】
本発明の医療材料のＪＩＳ−Ｋ７１１８、７０８３を参照とした引張疲労試験（つかみ距離３０ｍｍ、繰り返し最大荷重５０ｋｇｆ、繰り返し最小荷重５ｋｇｆ、周波数３Ｈｚ）の繰り返し破断回数が２×１０4〜１０7、好ましくは３×１０4〜１×１０6である。
【００２２】
本発明の医療材料における低分子量ラクタイドは、（１）真空熱乾燥工程、（２）溶媒洗浄工程（３）重合時の減圧工程の少なくとも１つの工程により、所定濃度に低減される。
・真空熱乾燥工程は、１〜１０ｍｍＨｇ程度で、１０〜２０時間程度、１００〜１２０℃程度で行うことができる。
・溶媒洗浄工程は、アセトン、酢酸エチル、ブタノール等の有機溶媒中にラクタイド含有ポリマーを浸漬し、ソックスレー抽出で５〜１２時間処理し、次いで有機溶媒を蒸発させることにより行うことができる。
・重合時の減圧工程は、重合がある程度進んだ段階で、数十ｍｍＨｇ以下で数時間減圧にして行うことができる。
【００２３】
医療材料の製造に関し、ラクタイドの量を調整することにより、分解保持率を各用途に最適化することができる。
・ラクタイド１００〜４０００ｐｐｍは、骨など８〜１６週間で治癒する部位（骨接合材、骨充填材）の用途に好適である；
・ラクタイド１〜１００ｐｐｍは、１６週間以上強度保持が必要な特殊な外科手術（例えば脚延長術）で用いる骨接合材、骨充填材の用途に各々好適である。
【００２４】
本発明におけるプレス加工は、少なくとも成形物に塑性変形を生じさせるため成形物のガラス転移点以上融点以下の温度、１００〜５００kg/cm2の圧力で行われる。プレス加工時の温度は、配向及びプレス後の形状を維持するため、例えばＰＬＬＡの場合１００〜１３０℃程度が好ましい。
【００２５】
プレス加工は、加圧によって初期の目的とする形状に加工することを指し、１乃至多面的に押圧して形状を整えてネジ、ピン、ロッド、プレート、クギ状等に加工することを指す。例えば、加熱された金型に生体内分解吸収性樹脂の成形物を入れて加圧したり、或いは、成形物の両面より加熱された成型型を押しつけて所望の形状に加工することである。
【００２６】
プレス成型による加工の好ましい態様として、据え込みパンチによるネジ頭部のプレス成型を図１、２に例示する。また、ネジ溝の形成を図３に例示する。
【００２７】
なお、図１（Ａ）〜（Ｃ）に示す手順により、図２（Ａ）〜（Ｃ）に示す形状のネジ頭部が成形される。
【００２８】
該ネジ頭部の成形装置は、３つの据え込みパンチ５，６，７を固定して設けたプレス装置３と、成形物を収容する金型４よりなり、第１の据え込みパンチ５には長寸の略台形状の窪み８が、また、第２の据え込みパンチ６にはこれより短寸で直径の大きい台形状の窪み９が、さらに、第３の据え込みパンチ７には所望のネジ頭のサイズ形状に等しい形状の窪み１０が、各々設けられている。一方、金型４には成形される円柱状の成形物１を収容する、これと略同径の筒状部１１と、前記据え込みパンチを挿入させ、ネジ頭部をさせるための大径の筒状部１２が形成されている。
【００２９】
かかる装置において、先ず、図１(A)で示すように生体内分解吸収性樹脂（例えばポリＬ−乳酸）を円柱状に成形してなる長尺の成形物１を小径の筒状部１１に挿入し、ストッパー１３で端部を固定した後、加熱された第１の据え込みパンチ５を作用させて成形物１の先端を加圧、すなわち、成形物の軸芯に対し対面する方向より一定時間加圧し、冷却した後抜去して第１のプレス加工とする。
【００３０】
さらに、同様に図１（Ｂ）、（Ｃ）で示す順に加熱された第２、第３の据え込みパンチ６、７を作用させ、冷却して最終的に所望とするネジ頭部を成形する。形成されるネジ頭部は図２（Ａ）〜（Ｃ）に示す順に変形し、図１（Ａ）の工程により図２（Ａ）の、図１（Ｂ）の工程により図２（Ｂ）の、図１（Ｃ）の工程により図２（Ｃ）のように変化する。
【００３１】
図１における（Ｃ）工程を最終とし、これによって図２（Ｃ）で示すようなサイズ、形状のネジ頭部１４が形成される。
【００３２】
なお、図２（Ｃ）において１５は身部であり、例えば該身部をネジ溝を有する金型によりプレスしてネジ溝を形成する。なお、かかる身部の加工、すなわち、ネジ溝の形成は、前記したネジ頭部を形成した後であっても、それに先立つ工程であってもよい。
【００３３】
また、かかる身部１５については、ネジ溝を構成することなく滑り止め溝（凹凸）、タグ、くさび等を形成したピン状としてもよく、その形状は任意である。また、前記した据え込みパンチの数、窪みの形状、大きさ、或いは、これにドライバー先端に符合する＋或いは−、角状等のねじ込み用ネジ溝を形成することも任意である。かかるねじ込み溝については、例えば、据え込みパンチの窪みに前記＋、−に符合する凸部を形成することにより可能となり、前記した加圧加工により同時にかかるねじ込み溝を形成できる。
【００３４】
なお、前記成形に際し、その加圧条件、手段は任意であるが、少なくとも成形物に塑性変形を生じさせるため成形物のガラス転移点以上、融点以下の温度を据え込みパンチ、或いは、金型に加え、またその形状を固定するために、冷却工程を適宜設けるのが好ましい。
【００３５】
また、前記の例では、加工物の取り出しが容易であるように、金型４を分割可能とするのが好ましい。
【００３６】
なお、図２（Ｃ）において、１５は以下に述べるネジ溝形成部分となる。
【００３７】
すなわち、図３において、１６は均等に４分割された金型であり、それぞれに４分割されたネジ溝１７を有する。かかる金型は、接合して一体化したとき完成された１つのネジ溝を有する金型となるよう構成されている。
【００３８】
一方、１は生体内分解吸収性樹脂を円柱状に成形してなる成形物であり、図３（Ｂ）で示すように、これを各金型１６を４方向から押し当てて加圧し、すなわち、軸芯に対して直交する方向より加圧し、所定時間経過した後、かかる状態を維持したまま冷却し、次いで、図３（Ｃ）のように金型１６をリリースすることにより、成形物１にネジ溝１８を形成する。更に好ましくは、かかる成形物を４５°回転させ、再度図３（Ｂ）で示す加圧を行うことにより、一度目の加圧により生じたバリ（凸部）、すなわち、金型−金型接合部に生じたバリを除去する。かかる操作を繰り返すことにより、バリの除去が完全となる。なお、この際の金型の加熱温度は一度目の金型の温度よりも低め、例えば、ガラス転移点よりやや高めに設定することが望ましい。
【００３９】
【発明の効果】
本発明は、分子配向した高密度複合材料の二次成形時にプレス加工をおこなうことにより、ポリマーマトリックス中の配向分子鎖を切断することなく、凹凸溝の凸部における初期剪断強度と強度保持性および疲労強度を向上することである。また、製造が容易で大量生産に適し、切削のような固有技術も必要としない。従って、品質のバラツキもなく、切削に伴うロスも生じない。また、凹凸溝の成形においては、分割された金型を用いることにより精度の高い凹凸溝を構成することが可能となり、これによるバリの発生も、かかる金型による加圧を場所を変えて複数回行うことにより解消される。
【００４０】
また、本発明の医療材料はラクタイドの含有量を４０００ｐｐｍ以下に抑えることにより、低分子量の重合物であっても曲げ強度の他、引張強度、剪断強度等の種々の強度保持性を著しく改善することができる。
【００４１】
【実施例】
以下、本発明を実施例に基づいて説明するが、本発明はこれら実施例には限定されない。
【００４２】
【実施例１】
ＰＬＬＡネジ山強度試験（切削加工品とプレス加工品の比較）
重量平均分子量が２５万のポリＬ乳酸原料を射出成型器を用いて、成形温度２００〜２１０℃の条件でφ１６ｍｍの円柱状のＰＬＬＡビュレットを得た。得られたＰＬＬＡビュレットを真空熱乾燥工程（１〜１０ｍｍＨｇの減圧下に１２０℃、１０時間）に供し、ラクタイド含量の低減されたＰＬＬＡビュレットを得た。このＰＬＬＡビュレットを、さらに静水圧押出装置を用いて成形温度１２０〜１４０℃の条件下で２.５倍延伸してφ１０ｍｍのＰＬＬＡ棒を作製した。このＰＬＬＡ延伸棒を旋盤を用いて切削加工を行い、山径φ４.５ｍｍ、全長３０ｍｍのＰＬＬＡスクリューサンプル（山形状Ａ、Ｂ）を作製した。またプレス成型器（図１〜３）を用いて、加熱温度１２０±５℃、加熱時間１０秒、プレス圧力２〜１０kg／mm2、冷却時間６０秒の条件下でプレス加工を行い、同様に山径φ４.５ｍｍ、全長３０ｍｍのＰＬＬＡスクリューサンプル（山形状Ａ、Ｂ）を作製した。
（剪断強度試験方法）：テストスピード５ｍｍ/ｍｉｎの試験方法を図４に示す。これは、ネジ頭部とネジ部の一部を固定し前記の速度で矢印方向に引張る試験である。
【００４３】
ネジ山形状Ａ及びネジ山形状Ｂを図５に示す。
＜ネジ山形状Ａ＞
ＰＬＬＡの切削加工及びプレス加工サンプルのネジ山形状Ａのサンプルの山径、谷径、有効径、剪断長、剪断面積、ネジ山強力及びネジ山剪断強度を以下の表１及び図６に示す。
【００４４】
【表１】
【００４５】
ネジ山形状Ａにおいて、ネジ山強度は切削加工からプレス加工により、増加率が１.３４倍と強くなる傾向を示した。
【００４６】
【実施例２】
ＰＬＬＡネジ山強度試験（切削加工品とプレス加工品の比較）
実施例１と同様にネジ山形状Ｂについても、ＰＬＬＡの切削加工とプレス加工のネジ山強度を比較した。ＰＬＬＡの切削加工及びプレス加工サンプルのネジ山形状Ｂのサンプルの山径、谷径、有効径、剪断長、剪断面積、ネジ山強力及びネジ山剪断強度を以下の表２及び図７に示す。
＜ネジ山形状Ｂ＞
【００４７】
【表２】
【００４８】
ネジ山形状Ｂにおいても、ネジ山剪断強度は切削加工からプレス加工により、19.4kgf/mm2から27.10kgf/mm2と増加率が１.６６倍と強くなる傾向を示した。また、ネジ山形状Ｂは、形状Ａに比べてネジ山剪断強度が向上しており、よりプレス成形に適した形状であることが判明した。
【００４９】
【試験例】
ＰＬＬＡ通常引張強度試験（切削加工品とプレス加工品の比較）
ネジ山強度試験は下部引張治具のネジ山かかり部が２ｍｍであり、ネジ山部に応力集中するため、試験片はすべてネジ山部のみが破壊する。これに対して、通常の引張試験はネジ部全体を把持して試験を行い、ネジ谷部に応力が集中するため試験片は上下に破壊される。
１.通常の強度試験（切削加工品とプレス加工品の比較）
（通常の引張試験方法）：テストスピード５ｍｍ/ｍｉｎで図８に示すように行った。これは、ネジ頭部とネジ部を固定し、前記の速度で矢印方向に引張る試験である。結果を表３及び図９に示す。
【００５０】
【表３】
【００５１】
スクリューの引張強度を行ったところ、現在ＡＯスクリューとして主流となっているネジ山形状Ａについては、切削加工は10.14kgf/mm2、プレス加工は9.44kgf/mm2と値が少し低下した。これはネジ山形状が非対象形でスクリュー後端側斜面の傾斜が急であるため、ネジ山形状に沿って分子配向することを特徴とするプレス成形のメリットが十分に反映できないためと思われる。これに対し、形状Ｂはスクリュー後端側斜面の傾斜が緩やかで、切削加工は13.50kgf/mm2、プレス加工は14.22kgf/mm2とプレス加工で値が向上した。ネジ山形状Ｂはプレス成形するのにより、有効な形状である。
【００５２】
【実施例３】
ＰＬＬＡ / ＨＡＰネジ山強度試験（切削加工品とプレス加工品の比較）
重量平均分子量が２５万のポリＬ乳酸（ＰＬＬＡ）原料に燒結温度９００℃、平均粒径３０μｍハイドロキシアパタイト（ＨＡＰ）を３０ｗｔ％含有させたペレットを混練機にて作製した。２００〜２１０℃の条件でφ１６ｍｍの円柱状のＰＬＬＡ/ＨＡＰビュレットを得た。得られたＰＬＬＡ/ＨＡＰビュレットを真空熱乾燥工程（１〜１０ｍｍＨｇの減圧下に１２０℃、１０時間）に供し、ラクタイド含量の低減されたＰＬＬＡ/ＨＡＰビュレットを得た。このＰＬＬＡ/ＨＡＰビュレットを、さらに静水圧押出装置を用いて成形温度１２０〜１４０℃の条件下で２.５倍延伸してφ１０ｍｍのＰＬＬＡ/ＨＡＰ棒を作製した。このＰＬＬＡ/ＨＡＰ延伸棒を旋盤を用いて切削加工を行い、山径φ４.５ｍｍ、全長３０ｍｍのＰＬＬＡ/ＨＡＰスクリューサンプル（山形状Ａ、Ｂ）を作製した。またプレス成型器（図１〜３）を用いて、加熱温度１２０±５℃、加熱時間１０秒、プレス圧力２〜１０kg／mm2、冷却時間６０秒の条件下でプレス加工を行い、同様に山径φ４.５ｍｍ、全長３０ｍｍのＰＬＬＡ/ＨＡＰスクリューサンプル（山形状Ａ、Ｂ）を作製した。ネジ山強度の測定方法は実施例１と同様である。
【００５３】
結果を表４及び図１０に示す。
【００５４】
【表４】
【００５５】
HAP/PLLA複合材料スクリュー形状において、2.5倍延伸物のネジ山部の剪断強度を測定したところ、切削加工品が14.85kgf/mm2に対して、プレス加工品は20.22kgf/mm2となり1.36倍のネジ山強力の向上がみられた。
【００５６】
【実施例４】
ＰＬＬＡ / ＨＡＰネジ山強度試験（切削加工品とプレス加工品の比較）
実施例３と同様にネジ山形状Ｂについても、ＰＬＬＡ/ＨＡＰの切削加工とプレス加工のネジ山強度を比較した。結果を表５及び図１１に示す。
−ネジ山形状Ｂ−
【００５７】
【表５】
【００５８】
HAP/PLLA複合材料スクリュー形状において、2.5倍延伸物のネジ山部の剪断強度を測定したところ、切削加工品が13.73kgf/mm2に対して、プレス加工品は24.93kgf/mm2となり1.8倍のネジ山強力の向上がみられた。同様に3.0倍延伸物では2.4倍、3.5倍延伸物では2.6倍のネジ山強力の大幅な向上が見られた。
【００５９】
【実施例５】
ネジ山強度における分解性試験
実施例３において作製したＰＬＬＡ/ＨＡＰスクリューを３７℃のリン酸バッファー溶液（ｐＨ７.４）に浴比１００の割合で投入し、３ヵ月後に取り出して同様にネジ山試験を行った。結果を表６及び図１２に示す。
−ネジ山形状Ａ−
【００６０】
【表６】
【００６１】
３７℃、ＰＢＳ中におけるＨＡＰ/ＰＬＬＡ複合材料の分解性試験を実施したところ、３ヵ月後の強度保持率は切削加工品が５１％に対して、プレス成形品は９０％となり、大幅な分解保持性の向上が見られた。
【００６２】
【実施例６】
ネジ山疲労試験および分解性試験（切削加工とプレス加工の比較）
実施例１で作製したＰＬＬＡを用いて、ネジ山部の疲労試験を行った。
＜引張疲労試験方法＞を図１３に、ネジ山部の疲労試験結果を表７及び図１４に示す。尚、ネジ山形状はＡのものを用いた。
【００６３】
【表７】
【００６４】
３７℃、ＰＢＳ中におけるＰＬＬＡ複合材料の分解性試験を実施したところ、３ヵ月後の強度保持率は切削加工品が５２％に対して、プレス成形品は８６％となり、大幅な分解保持性の向上が見られた。
【００６５】
【実施例７】
電子顕微鏡によるスクリュー断面拡大写真
実施例１において作製したＰＬＬＡスクリューの電子顕微鏡による拡大写真を図１５に示す。
【００６６】
切削加工したＳＥＭ写真は分子配向が水平方向でネジ山部分で切断されているのに対して、プレス加工したＳＥＭ写真はネジ山形状に沿って配向していた。プレス加工したスクリューは今回記載したネジ山強度、疲労回数、引張強度、分解保持性以外のトルク強度、破断時エネルギー等の物性項目においても、切削加工スクリューよりも高い値を示した。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のネジ頭部の製造法を例示した工程図である。
【図２】図１の工程で形成されるネジ頭部の形状の変化を示す側面図である。
【図３】本発明のネジ溝の製造を例示した工程図である。
【図４】剪断強度試験方法を示す図である。
【図５】ネジ山形状Ａ及びネジ山形状Ｂを示す図である。
【図６】実施例１のサンプル(ネジ山形状Ａ)のネジ山強度試験結果を示す。
【図７】実施例２のサンプル(ネジ山形状Ｂ)のネジ山強度試験結果を示す。
【図８】引張試験方法を示す図である。
【図９】引張強度試験結果を示す図である。
【図１０】実施例３のサンプル(ネジ山形状Ａ)のネジ山強度試験結果を示す。
【図１１】実施例４のサンプル(ネジ山形状Ｂ)のネジ山強度試験結果を示す。
【図１２】実施例５のサンプル(ネジ山形状Ａ)の分解性試験結果を示す。
【図１３】引張疲労試験方法を示す図である。
【図１４】実施例１のサンプル(ネジ山形状Ａ)の分解性試験結果を示す。
【図１５】実施例１のＰＬＬＡスクリューの電子顕微鏡による拡大写真を示す。
【符号の説明】
１ 成形物；３ プレス装置；４ 金型；５ 据え込みパンチ；６ 据え込みパンチ；７ 据え込みパンチ；８ 窪み；９ 窪み；１０ 窪み；１１ 筒状部；１２ 筒状部；１３ ストッパー；１４ ネジ頭部；１５ 身部；１６ 金型；１７ ネジ溝；１８ ネジ溝。
【発明の属する技術分野】
本発明は医療材料およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術及びその課題】
手術時に用いられる生体内吸収性ポリマーからなる医療材料は、生体内で加水分解されて吸収されるため、手術時に取り出す必要がない利点があるが、Ｘ線撮影時に造影されないことや分解吸収された後も再生骨に置換されるのに多くの時間がかかる問題点がある。そのため、生体吸収性高分子に骨の無機成分であるハイドロキシアパタイトを混ぜることにより、Ｘ線造影化を向上させて、同時に生体骨との表面接着性を向上させることが試みられている。同様に骨成長因子を混ぜて、新生骨の形成を促進させることも行われている。しかし、通常の射出成形法などによる方法では、生体骨の強度に劣るため実用化レベルに達しなかった。
【０００３】
そのため、生体吸収性ポリマー素材の強度を向上させるのに分子量を大きくする方法がなされたが、分子量が大きくなりすぎると熱加工性に劣り、例えば成型のために融点以上に加熱したときにポリラクタイドが熱分解されて分子量の大幅な低下が起こるため、分子量を維持したまま加熱により強度を維持するには限界があった。その後、生体内吸収性ポリマー内の分子鎖を配向させて、強度を向上させることが提案された。しかし、二次成形時に切削加工を行なってしまうと、分子配向が切断されて初期強度が低下し、切削面からの体液の侵入により加水分解が促進され、生体内で比較的短期間で強度低下をきたしてしまう。特に、スクリューなど溝を有する医療材料では、配向で強度を向上させても逆にネジ頭やネジ山などの凹凸溝がある部分の強度低下が著しくなる。同様に溝付ピンなど表面に凹凸溝がある医療材料も同様である。実際のヒト皮質骨において、皮質骨部の厚みが薄いと、骨へのネジ山引っかかり部がわずか１〜３個所となり、ネジ山強度が低いと十分な固定力が得られないという問題がある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題に鑑み検討を重ねた結果、分子配向した高密度複合材料の二次成形時にプレス加工をおこなうことにより、ポリマーマトリックス中の配向分子鎖を切断することなく、凹凸溝の凸部における初期剪断強度と強度保持性および耐疲労強度を向上することを見い出した。
【０００５】
本発明は、下記の医療材料およびその製法を提供するものである。
項１． 分子鎖が配向した生体内分解吸収性ポリマー単独あるいは、バイオセラミックスとの組合せからなる複合体を軸芯に対し直交する方向よりプレスして成型される溝を有する、ポリマーマトリックス中の配向分子鎖が切断されずに連続化していることを特徴とする医療材料。
項２． 軸芯に対し対面する方向よりプレスして成型した頭部を有する項１記載の医療材料。
項３． 据え込みパンチにてプレスして得た頭部である項２記載の医療材料。
項４． 凹凸溝を有する据え込みパンチにてプレスし、凹凸溝を形成した項１〜３のいずれかに記載の医療材料。
項５． 項１〜４において、凹凸溝の凸部における初期剪断強度が１９ｋｇｆ／ｍｍ2以上及び３７℃のリン酸緩衝液（ｐＨ７.４）に９０日間浸漬したときの剪断強度保持率が６０％以上である医療材料。
項６． 項１〜５において、凹凸溝の凸部における引張疲労試験の初期繰り返し破断回数が３×１０4〜１×１０7及び３７℃のリン酸緩衝液（ｐＨ７.４）に９０日間浸漬したときの繰り返し破断回数が投入前の６０％以上である医療材料。
項７． 項１〜６記載において、ネジ山形状に沿って分子配向した高剪断ネジ山強度を有する外科用スクリュー。
項８． 項７記載において、スクリューの軸の垂線に対するネジ山頂部のスクリュー後端側斜面の傾斜角を８〜４０°としたことを特徴とする外科用スクリュー。
項９． 傾斜角を２５°〜３５°としたことを特徴とする項８に記載の外科用スクリュー。
項１０． 項１〜９記載の生体内分解性ポリマーがポリ-Ｌ-乳酸である医療材料。
項１１． 項１〜９記載のバイオセラミックスがハイドロキシアパタイトである医療材料。
項１２． バイオセラミックスとして、焼成温度８５０〜９５０℃で焼成した平均粒度２０〜４０μｍのハイドロキシアパタイトを２０〜４０重量％添加してなる項１１に記載の医療材料。
項１３． 分子鎖が配向した生体内分解吸収性ポリマー単独あるいは、バイオセラミックスとの組合せからなる複合体を軸芯に対し直交する方向よりプレスして溝を成形する工程によって、ポリマーマトリックス中の配向分子鎖が切断されずに連続化していることを特徴とする医療材料の製造法。
項１４． 軸芯に対し対面する方向よりプレスして頭部を成形する工程をさらに有する項１３記載の医療材料。
項１５． 据え込みパンチにてプレスして頭部を成形することを特徴とする項１４記載の医療材料の製造法。
項１６． 凹凸溝を有する据え込みパンチにてプレスし、凹凸溝を形成することを特徴とする項１４又は１５に記載の医療材料の製造法。
項１７． 複数に分割された溝を有する金型にてプレスして溝を形成することを特徴とする項１６記載の医療材料の製造法。
項１８． 溝の形成を４つに分割された金型を用いて行うことを特徴とする項１３または１４に記載の医療材料の製造法。
項１９． 複数に分割された溝を有する金型にてプレスして溝を形成するに際し、少なくとも２度以上プレスし、２度目以降は分割された金型の接合部を避けてプレスすることを特徴とする項１６記載の医療材料の製造法。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明の医療材料は、各種成形体等の種々の形態で、骨接合材（ピン、溝付ピン、クサビ付ピン、タグ付ピン、テーパードピン、肋骨ピン、胸骨ピン、スクリュー、中空スクリュー、ヘッドレススクリュー、ＡＣＬスクリュー、ハーバードスクリュー、ＴＨＲスクリュー、ＴＫＲスクリュー、ボルト、釘、髄内釘、リベット、ビス、ステープル、プレート、ボタン、ワッシャー、スパイクワッシャー、アンカー、ワイヤー）、骨充填材、骨補綴材などに用いられる。
【０００７】
生体内分解吸収性ポリマーは、生体内に於いて加水分解され吸収される性質を有する各種ポリマーで、ポリグリコール酸（ＰＧＡ）、ポリジオキサノン（ＰＤＳ）、ラクタイド含有ポリマーを含む。ラクタイド含有ポリマーは、ポリＬ−ラクタイド（ＰＬＬＡ）、ポリＤ−ラクタイド（ＰＤＬＡ）、ポリＤ,Ｌ−ラクタイド（ＰＤＬＬＡ）、Ｌ−及びＤ−ラクタイド／グリコライド共重合体（Ｐ（ＬＡ／ＧＡ））、Ｌ−及びＤ−ラクタイド／カプロラクトン共重合体（Ｐ（ＬＡ／ＣＬ））を含む。
【０００８】
また、ラクタイド含有ポリマー主鎖中の（ＤまたはＬ）ラクタイドの組成比率は、３０モル％以上、好ましくは５０モル％以上、より好ましくは７０モル％以上、より好ましくは８０モル％以上、特に９０モル％以上である。好ましいラクタイド含有ポリマーはＰＬＬＡである。
【０００９】
ラクタイド含有ポリマーのＧＰＣ法による重量平均分子量は１００万以下、好ましくは４０万未満、好ましくは５万〜３５万；より好ましくは１０万〜２５万；特に好ましくは１３万〜２１万である。
【００１０】
低分子量乳酸成分には、重合原料であるラクタイドの他に溶融成形時の熱分解によって生じる乳酸や乳酸の２量体、３量体等が包含される。
【００１１】
かかるラクタイドの含有量は、４０００ｐｐｍ以下、好ましくは３５００ｐｐｍ以下、より好ましくは３０００ｐｐｍ以下、さらに好ましくは２０００ｐｐｍ以下、特に１０００ｐｐｍ以下、さらに１〜１００ｐｐｍである。
【００１２】
バイオセラミックスは、ハイドロキシアパタイト（ＨＡＰ）、ストロンチウムアパタイト（ＳｔＡＰ）、α−リン酸三カルシウム（α−ＴＣＰ）、β−リン酸三カルシウム（β−ＴＣＰ）などのリン酸カルシウム系化合物、Ａ−Ｗ結晶化ガラス、アルミナ、ジルコニア、カーボン、バイオガラスを含み、好ましいバイオセラミックスはハイドロキシアパタイトである。これらは１〜９０ｗｔ％、好ましくは２０〜４０ｗｔ％含有できる。ポリマーとの均一な混練法としては、バッチ式混練機、連続式混練機、２軸混練機があり、表面にコーティング法にはスパッタリング法、プラズマスプレー法、電気泳動法、ディップコーティング法、コンポジットコーティング法、バイオミメテック法、ゾルゲル法を選択するにより適用することができる。
【００１３】
ハイドロキシアパタイトのＣａ／Ｐ比は１.０〜２.０が好ましい。ハイドロキシアパタイトの焼結温度は未焼成〜１４００℃、好ましくは８００℃〜１２００℃、より好ましくは８５０〜９５０℃、特に９００℃である。ハイドロキシアパタイトの粒径は０.１〜３００μｍ、好ましくは１〜１００μｍ、より好ましくは３〜３０μｍ、特に２５〜３０μｍである。
【００１４】
バイオセラミックスとして、焼成温度８５０〜９５０℃で焼成した平均粒度２０〜４０μｍのハイドロキシアパタイトを２０〜４０重量％添加すると、医療材料の強度及び骨との接着性に優れ、Ｘ線造影により確認できるため好ましい。
【００１５】
成長因子であるＢＭＰ（骨成長誘導蛋白）、ＴＧＦ−β、ＩＧＦ−Ｉ、ＩＧＦ−II（インシュリン様成長因子Ｉ，II）、ｂＦＧＦ（塩基性繊維芽細胞増殖因子）、ＣＩＦ（軟骨誘導因子）、ＣＤＧＦ（軟骨由来成長因子）、ＣＤＦ（軟骨由来因子）などを少量複合化してもよい。好ましい成長因子はＢＭＰである。これらは０.０１〜１０００ｐｐｍ、好ましくは０.１〜１００ｐｐｍ程度含有できる。ポリマーやバイオセラミックスとの混合は、ディップコーティング法により適応することができる。また、ゼラチン、コラーゲンと混ぜて、複合材料表面にコーティングしてもよい。
【００１６】
Ｘ線造影剤である硫酸バリウム、炭酸水素ナトリウム、酒石酸、ヨード、イットリウムなどを複合材料に混練するか、表面にコーティングしてもよい。
【００１７】
複合材料のマトリックスである生体内吸収性ポリマーの分子鎖を配向させる方法としては、一軸、二軸または多軸の引張延伸法や静水圧押出し、ラム押出しなどの固相押出法を含む延伸加工によって行うことができる。延伸倍率もしくは変形倍率は２〜２０倍程度、好ましくは２〜１５倍程度、より好ましくは２〜１２倍程度で行われる。延伸倍率は、ネジの場合には２〜３倍程度が好ましく、ピンの場合には２〜８倍程度が好ましい。
【００１８】
本発明の医療材料は、例えばラクタイド含有量が４０００ｐｐｍ以下のラクタイド含有ポリマーにハイドロキシアパタイト粒を３０ｗｔ％混ぜたものを混練機にて均一なペレットにし、射出成型機にて成形物を得た後、ガラス転移点以上融点以下の温度で静水圧押出して延伸し、アニール後、成形プレス機にてプレス加工して得ることができる。ＢＭＰを加える場合は、ディップ、コーティングすることにより成形物表面に付加できる。
【００１９】
本発明の医療材料の凹凸溝の凸部における初期剪断強度は１５〜５０ｋｇｆ／ｍｍ2、好ましくは１９〜３０ｋｇｆ／ｍｍ2程度である。
【００２０】
本発明の医療材料の３７℃のリン酸緩衝液（ＰＢＳ）に９０日間浸漬したときの剪断強度が初期強度の５０％以上、好ましくは７０％以上、より好ましくは８０％以上の保持率である。
【００２１】
本発明の医療材料のＪＩＳ−Ｋ７１１８、７０８３を参照とした引張疲労試験（つかみ距離３０ｍｍ、繰り返し最大荷重５０ｋｇｆ、繰り返し最小荷重５ｋｇｆ、周波数３Ｈｚ）の繰り返し破断回数が２×１０4〜１０7、好ましくは３×１０4〜１×１０6である。
【００２２】
本発明の医療材料における低分子量ラクタイドは、（１）真空熱乾燥工程、（２）溶媒洗浄工程（３）重合時の減圧工程の少なくとも１つの工程により、所定濃度に低減される。
・真空熱乾燥工程は、１〜１０ｍｍＨｇ程度で、１０〜２０時間程度、１００〜１２０℃程度で行うことができる。
・溶媒洗浄工程は、アセトン、酢酸エチル、ブタノール等の有機溶媒中にラクタイド含有ポリマーを浸漬し、ソックスレー抽出で５〜１２時間処理し、次いで有機溶媒を蒸発させることにより行うことができる。
・重合時の減圧工程は、重合がある程度進んだ段階で、数十ｍｍＨｇ以下で数時間減圧にして行うことができる。
【００２３】
医療材料の製造に関し、ラクタイドの量を調整することにより、分解保持率を各用途に最適化することができる。
・ラクタイド１００〜４０００ｐｐｍは、骨など８〜１６週間で治癒する部位（骨接合材、骨充填材）の用途に好適である；
・ラクタイド１〜１００ｐｐｍは、１６週間以上強度保持が必要な特殊な外科手術（例えば脚延長術）で用いる骨接合材、骨充填材の用途に各々好適である。
【００２４】
本発明におけるプレス加工は、少なくとも成形物に塑性変形を生じさせるため成形物のガラス転移点以上融点以下の温度、１００〜５００kg/cm2の圧力で行われる。プレス加工時の温度は、配向及びプレス後の形状を維持するため、例えばＰＬＬＡの場合１００〜１３０℃程度が好ましい。
【００２５】
プレス加工は、加圧によって初期の目的とする形状に加工することを指し、１乃至多面的に押圧して形状を整えてネジ、ピン、ロッド、プレート、クギ状等に加工することを指す。例えば、加熱された金型に生体内分解吸収性樹脂の成形物を入れて加圧したり、或いは、成形物の両面より加熱された成型型を押しつけて所望の形状に加工することである。
【００２６】
プレス成型による加工の好ましい態様として、据え込みパンチによるネジ頭部のプレス成型を図１、２に例示する。また、ネジ溝の形成を図３に例示する。
【００２７】
なお、図１（Ａ）〜（Ｃ）に示す手順により、図２（Ａ）〜（Ｃ）に示す形状のネジ頭部が成形される。
【００２８】
該ネジ頭部の成形装置は、３つの据え込みパンチ５，６，７を固定して設けたプレス装置３と、成形物を収容する金型４よりなり、第１の据え込みパンチ５には長寸の略台形状の窪み８が、また、第２の据え込みパンチ６にはこれより短寸で直径の大きい台形状の窪み９が、さらに、第３の据え込みパンチ７には所望のネジ頭のサイズ形状に等しい形状の窪み１０が、各々設けられている。一方、金型４には成形される円柱状の成形物１を収容する、これと略同径の筒状部１１と、前記据え込みパンチを挿入させ、ネジ頭部をさせるための大径の筒状部１２が形成されている。
【００２９】
かかる装置において、先ず、図１(A)で示すように生体内分解吸収性樹脂（例えばポリＬ−乳酸）を円柱状に成形してなる長尺の成形物１を小径の筒状部１１に挿入し、ストッパー１３で端部を固定した後、加熱された第１の据え込みパンチ５を作用させて成形物１の先端を加圧、すなわち、成形物の軸芯に対し対面する方向より一定時間加圧し、冷却した後抜去して第１のプレス加工とする。
【００３０】
さらに、同様に図１（Ｂ）、（Ｃ）で示す順に加熱された第２、第３の据え込みパンチ６、７を作用させ、冷却して最終的に所望とするネジ頭部を成形する。形成されるネジ頭部は図２（Ａ）〜（Ｃ）に示す順に変形し、図１（Ａ）の工程により図２（Ａ）の、図１（Ｂ）の工程により図２（Ｂ）の、図１（Ｃ）の工程により図２（Ｃ）のように変化する。
【００３１】
図１における（Ｃ）工程を最終とし、これによって図２（Ｃ）で示すようなサイズ、形状のネジ頭部１４が形成される。
【００３２】
なお、図２（Ｃ）において１５は身部であり、例えば該身部をネジ溝を有する金型によりプレスしてネジ溝を形成する。なお、かかる身部の加工、すなわち、ネジ溝の形成は、前記したネジ頭部を形成した後であっても、それに先立つ工程であってもよい。
【００３３】
また、かかる身部１５については、ネジ溝を構成することなく滑り止め溝（凹凸）、タグ、くさび等を形成したピン状としてもよく、その形状は任意である。また、前記した据え込みパンチの数、窪みの形状、大きさ、或いは、これにドライバー先端に符合する＋或いは−、角状等のねじ込み用ネジ溝を形成することも任意である。かかるねじ込み溝については、例えば、据え込みパンチの窪みに前記＋、−に符合する凸部を形成することにより可能となり、前記した加圧加工により同時にかかるねじ込み溝を形成できる。
【００３４】
なお、前記成形に際し、その加圧条件、手段は任意であるが、少なくとも成形物に塑性変形を生じさせるため成形物のガラス転移点以上、融点以下の温度を据え込みパンチ、或いは、金型に加え、またその形状を固定するために、冷却工程を適宜設けるのが好ましい。
【００３５】
また、前記の例では、加工物の取り出しが容易であるように、金型４を分割可能とするのが好ましい。
【００３６】
なお、図２（Ｃ）において、１５は以下に述べるネジ溝形成部分となる。
【００３７】
すなわち、図３において、１６は均等に４分割された金型であり、それぞれに４分割されたネジ溝１７を有する。かかる金型は、接合して一体化したとき完成された１つのネジ溝を有する金型となるよう構成されている。
【００３８】
一方、１は生体内分解吸収性樹脂を円柱状に成形してなる成形物であり、図３（Ｂ）で示すように、これを各金型１６を４方向から押し当てて加圧し、すなわち、軸芯に対して直交する方向より加圧し、所定時間経過した後、かかる状態を維持したまま冷却し、次いで、図３（Ｃ）のように金型１６をリリースすることにより、成形物１にネジ溝１８を形成する。更に好ましくは、かかる成形物を４５°回転させ、再度図３（Ｂ）で示す加圧を行うことにより、一度目の加圧により生じたバリ（凸部）、すなわち、金型−金型接合部に生じたバリを除去する。かかる操作を繰り返すことにより、バリの除去が完全となる。なお、この際の金型の加熱温度は一度目の金型の温度よりも低め、例えば、ガラス転移点よりやや高めに設定することが望ましい。
【００３９】
【発明の効果】
本発明は、分子配向した高密度複合材料の二次成形時にプレス加工をおこなうことにより、ポリマーマトリックス中の配向分子鎖を切断することなく、凹凸溝の凸部における初期剪断強度と強度保持性および疲労強度を向上することである。また、製造が容易で大量生産に適し、切削のような固有技術も必要としない。従って、品質のバラツキもなく、切削に伴うロスも生じない。また、凹凸溝の成形においては、分割された金型を用いることにより精度の高い凹凸溝を構成することが可能となり、これによるバリの発生も、かかる金型による加圧を場所を変えて複数回行うことにより解消される。
【００４０】
また、本発明の医療材料はラクタイドの含有量を４０００ｐｐｍ以下に抑えることにより、低分子量の重合物であっても曲げ強度の他、引張強度、剪断強度等の種々の強度保持性を著しく改善することができる。
【００４１】
【実施例】
以下、本発明を実施例に基づいて説明するが、本発明はこれら実施例には限定されない。
【００４２】
【実施例１】
ＰＬＬＡネジ山強度試験（切削加工品とプレス加工品の比較）
重量平均分子量が２５万のポリＬ乳酸原料を射出成型器を用いて、成形温度２００〜２１０℃の条件でφ１６ｍｍの円柱状のＰＬＬＡビュレットを得た。得られたＰＬＬＡビュレットを真空熱乾燥工程（１〜１０ｍｍＨｇの減圧下に１２０℃、１０時間）に供し、ラクタイド含量の低減されたＰＬＬＡビュレットを得た。このＰＬＬＡビュレットを、さらに静水圧押出装置を用いて成形温度１２０〜１４０℃の条件下で２.５倍延伸してφ１０ｍｍのＰＬＬＡ棒を作製した。このＰＬＬＡ延伸棒を旋盤を用いて切削加工を行い、山径φ４.５ｍｍ、全長３０ｍｍのＰＬＬＡスクリューサンプル（山形状Ａ、Ｂ）を作製した。またプレス成型器（図１〜３）を用いて、加熱温度１２０±５℃、加熱時間１０秒、プレス圧力２〜１０kg／mm2、冷却時間６０秒の条件下でプレス加工を行い、同様に山径φ４.５ｍｍ、全長３０ｍｍのＰＬＬＡスクリューサンプル（山形状Ａ、Ｂ）を作製した。
（剪断強度試験方法）：テストスピード５ｍｍ/ｍｉｎの試験方法を図４に示す。これは、ネジ頭部とネジ部の一部を固定し前記の速度で矢印方向に引張る試験である。
【００４３】
ネジ山形状Ａ及びネジ山形状Ｂを図５に示す。
＜ネジ山形状Ａ＞
ＰＬＬＡの切削加工及びプレス加工サンプルのネジ山形状Ａのサンプルの山径、谷径、有効径、剪断長、剪断面積、ネジ山強力及びネジ山剪断強度を以下の表１及び図６に示す。
【００４４】
【表１】
ネジ山形状Ａにおいて、ネジ山強度は切削加工からプレス加工により、増加率が１.３４倍と強くなる傾向を示した。
【００４６】
【実施例２】
ＰＬＬＡネジ山強度試験（切削加工品とプレス加工品の比較）
実施例１と同様にネジ山形状Ｂについても、ＰＬＬＡの切削加工とプレス加工のネジ山強度を比較した。ＰＬＬＡの切削加工及びプレス加工サンプルのネジ山形状Ｂのサンプルの山径、谷径、有効径、剪断長、剪断面積、ネジ山強力及びネジ山剪断強度を以下の表２及び図７に示す。
＜ネジ山形状Ｂ＞
【００４７】
【表２】
ネジ山形状Ｂにおいても、ネジ山剪断強度は切削加工からプレス加工により、19.4kgf/mm2から27.10kgf/mm2と増加率が１.６６倍と強くなる傾向を示した。また、ネジ山形状Ｂは、形状Ａに比べてネジ山剪断強度が向上しており、よりプレス成形に適した形状であることが判明した。
【００４９】
【試験例】
ＰＬＬＡ通常引張強度試験（切削加工品とプレス加工品の比較）
ネジ山強度試験は下部引張治具のネジ山かかり部が２ｍｍであり、ネジ山部に応力集中するため、試験片はすべてネジ山部のみが破壊する。これに対して、通常の引張試験はネジ部全体を把持して試験を行い、ネジ谷部に応力が集中するため試験片は上下に破壊される。
１.通常の強度試験（切削加工品とプレス加工品の比較）
（通常の引張試験方法）：テストスピード５ｍｍ/ｍｉｎで図８に示すように行った。これは、ネジ頭部とネジ部を固定し、前記の速度で矢印方向に引張る試験である。結果を表３及び図９に示す。
【００５０】
【表３】
スクリューの引張強度を行ったところ、現在ＡＯスクリューとして主流となっているネジ山形状Ａについては、切削加工は10.14kgf/mm2、プレス加工は9.44kgf/mm2と値が少し低下した。これはネジ山形状が非対象形でスクリュー後端側斜面の傾斜が急であるため、ネジ山形状に沿って分子配向することを特徴とするプレス成形のメリットが十分に反映できないためと思われる。これに対し、形状Ｂはスクリュー後端側斜面の傾斜が緩やかで、切削加工は13.50kgf/mm2、プレス加工は14.22kgf/mm2とプレス加工で値が向上した。ネジ山形状Ｂはプレス成形するのにより、有効な形状である。
【００５２】
【実施例３】
ＰＬＬＡ / ＨＡＰネジ山強度試験（切削加工品とプレス加工品の比較）
重量平均分子量が２５万のポリＬ乳酸（ＰＬＬＡ）原料に燒結温度９００℃、平均粒径３０μｍハイドロキシアパタイト（ＨＡＰ）を３０ｗｔ％含有させたペレットを混練機にて作製した。２００〜２１０℃の条件でφ１６ｍｍの円柱状のＰＬＬＡ/ＨＡＰビュレットを得た。得られたＰＬＬＡ/ＨＡＰビュレットを真空熱乾燥工程（１〜１０ｍｍＨｇの減圧下に１２０℃、１０時間）に供し、ラクタイド含量の低減されたＰＬＬＡ/ＨＡＰビュレットを得た。このＰＬＬＡ/ＨＡＰビュレットを、さらに静水圧押出装置を用いて成形温度１２０〜１４０℃の条件下で２.５倍延伸してφ１０ｍｍのＰＬＬＡ/ＨＡＰ棒を作製した。このＰＬＬＡ/ＨＡＰ延伸棒を旋盤を用いて切削加工を行い、山径φ４.５ｍｍ、全長３０ｍｍのＰＬＬＡ/ＨＡＰスクリューサンプル（山形状Ａ、Ｂ）を作製した。またプレス成型器（図１〜３）を用いて、加熱温度１２０±５℃、加熱時間１０秒、プレス圧力２〜１０kg／mm2、冷却時間６０秒の条件下でプレス加工を行い、同様に山径φ４.５ｍｍ、全長３０ｍｍのＰＬＬＡ/ＨＡＰスクリューサンプル（山形状Ａ、Ｂ）を作製した。ネジ山強度の測定方法は実施例１と同様である。
【００５３】
結果を表４及び図１０に示す。
【００５４】
【表４】
HAP/PLLA複合材料スクリュー形状において、2.5倍延伸物のネジ山部の剪断強度を測定したところ、切削加工品が14.85kgf/mm2に対して、プレス加工品は20.22kgf/mm2となり1.36倍のネジ山強力の向上がみられた。
【００５６】
【実施例４】
ＰＬＬＡ / ＨＡＰネジ山強度試験（切削加工品とプレス加工品の比較）
実施例３と同様にネジ山形状Ｂについても、ＰＬＬＡ/ＨＡＰの切削加工とプレス加工のネジ山強度を比較した。結果を表５及び図１１に示す。
−ネジ山形状Ｂ−
【００５７】
【表５】
HAP/PLLA複合材料スクリュー形状において、2.5倍延伸物のネジ山部の剪断強度を測定したところ、切削加工品が13.73kgf/mm2に対して、プレス加工品は24.93kgf/mm2となり1.8倍のネジ山強力の向上がみられた。同様に3.0倍延伸物では2.4倍、3.5倍延伸物では2.6倍のネジ山強力の大幅な向上が見られた。
【００５９】
【実施例５】
ネジ山強度における分解性試験
実施例３において作製したＰＬＬＡ/ＨＡＰスクリューを３７℃のリン酸バッファー溶液（ｐＨ７.４）に浴比１００の割合で投入し、３ヵ月後に取り出して同様にネジ山試験を行った。結果を表６及び図１２に示す。
−ネジ山形状Ａ−
【００６０】
【表６】
３７℃、ＰＢＳ中におけるＨＡＰ/ＰＬＬＡ複合材料の分解性試験を実施したところ、３ヵ月後の強度保持率は切削加工品が５１％に対して、プレス成形品は９０％となり、大幅な分解保持性の向上が見られた。
【００６２】
【実施例６】
ネジ山疲労試験および分解性試験（切削加工とプレス加工の比較）
実施例１で作製したＰＬＬＡを用いて、ネジ山部の疲労試験を行った。
＜引張疲労試験方法＞を図１３に、ネジ山部の疲労試験結果を表７及び図１４に示す。尚、ネジ山形状はＡのものを用いた。
【００６３】
【表７】
３７℃、ＰＢＳ中におけるＰＬＬＡ複合材料の分解性試験を実施したところ、３ヵ月後の強度保持率は切削加工品が５２％に対して、プレス成形品は８６％となり、大幅な分解保持性の向上が見られた。
【００６５】
【実施例７】
電子顕微鏡によるスクリュー断面拡大写真
実施例１において作製したＰＬＬＡスクリューの電子顕微鏡による拡大写真を図１５に示す。
【００６６】
切削加工したＳＥＭ写真は分子配向が水平方向でネジ山部分で切断されているのに対して、プレス加工したＳＥＭ写真はネジ山形状に沿って配向していた。プレス加工したスクリューは今回記載したネジ山強度、疲労回数、引張強度、分解保持性以外のトルク強度、破断時エネルギー等の物性項目においても、切削加工スクリューよりも高い値を示した。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のネジ頭部の製造法を例示した工程図である。
【図２】図１の工程で形成されるネジ頭部の形状の変化を示す側面図である。
【図３】本発明のネジ溝の製造を例示した工程図である。
【図４】剪断強度試験方法を示す図である。
【図５】ネジ山形状Ａ及びネジ山形状Ｂを示す図である。
【図６】実施例１のサンプル(ネジ山形状Ａ)のネジ山強度試験結果を示す。
【図７】実施例２のサンプル(ネジ山形状Ｂ)のネジ山強度試験結果を示す。
【図８】引張試験方法を示す図である。
【図９】引張強度試験結果を示す図である。
【図１０】実施例３のサンプル(ネジ山形状Ａ)のネジ山強度試験結果を示す。
【図１１】実施例４のサンプル(ネジ山形状Ｂ)のネジ山強度試験結果を示す。
【図１２】実施例５のサンプル(ネジ山形状Ａ)の分解性試験結果を示す。
【図１３】引張疲労試験方法を示す図である。
【図１４】実施例１のサンプル(ネジ山形状Ａ)の分解性試験結果を示す。
【図１５】実施例１のＰＬＬＡスクリューの電子顕微鏡による拡大写真を示す。
【符号の説明】
１ 成形物；３ プレス装置；４ 金型；５ 据え込みパンチ；６ 据え込みパンチ；７ 据え込みパンチ；８ 窪み；９ 窪み；１０ 窪み；１１ 筒状部；１２ 筒状部；１３ ストッパー；１４ ネジ頭部；１５ 身部；１６ 金型；１７ ネジ溝；１８ ネジ溝。
Claims (19)
- 分子鎖が配向したラクタイド含有ポリマー単独あるいは、バイオセラミックスとの組合せからなる複合体を軸芯に対し直交する方向よりプレスして成型される溝を有する、ポリマーマトリックス中の配向分子鎖が切断されずに連続化しており、かつラクタイド含有量が４０００ｐｐｍ以下であることを特徴とする医療材料。
- 軸芯に対し対面する方向よりプレスして成型した頭部を有する請求項１記載の医療材料。
- 前記頭部が据え込みパンチにてプレスして得た頭部である請求項２記載の医療材料。
- 凹凸溝を有する据え込みパンチにてプレスし、凹凸溝を形成した請求項１〜３のいずれかに記載の医療材料。
- 請求項１〜４において、凹凸溝の凸部における初期剪断強度が１９ｋｇｆ／ｍｍ2以上及び３７℃のリン酸緩衝液（ｐＨ７.４）に９０日間浸漬したときの剪断強度保持率が６０％以上である医療材料。
- 請求項１〜５において、凹凸溝の凸部における引張疲労試験の初期繰り返し破断回数が３×１０4〜１×１０7及び３７℃のリン酸緩衝液（ｐＨ７.４）に９０日間浸漬したときの繰り返し破断回数が投入前の６０％以上である医療材料。
- 請求項１〜６記載において、ネジ山形状に沿って分子配向した高剪断ネジ山強度を有する外科用スクリュー。
- 請求項７記載において、スクリューの軸の垂線に対するネジ山頂部のスクリュー後端側斜面の傾斜角を８〜４０°としたことを特徴とする外科用スクリュー。
- 傾斜角を２５°〜３５°としたことを特徴とする請求項８に記載の外科用スクリュー。
- 請求項１〜９記載のラクタイド含有ポリマーがポリ-Ｌ-乳酸である医療材料。
- 請求項１〜９記載のバイオセラミックスがハイドロキシアパタイトである医療材料。
- バイオセラミックスとして、焼成温度８５０〜９５０℃で焼成した平均粒度２０〜４０μｍのハイドロキシアパタイトを２０〜４０重量％添加してなる請求項１１に記載の医療材料。
- 分子鎖が配向しておりかつラクタイド含有量が４０００ｐｐｍ以下であるラクタイド含有ポリマー単独あるいは、バイオセラミックスとの組合せからなる複合体を軸芯に対し直交する方向よりプレスして溝を成形する工程によって、ポリマーマトリックス中の配向分子鎖が切断されずに連続化していることを特徴とする医療材料の製造法。
- 軸芯に対し対面する方向よりプレスして頭部を成形する工程をさらに有する請求項１３記載の医療材料の製造法。
- 据え込みパンチにてプレスして頭部を成形することを特徴とする請求項１４記載の医療材料の製造法。
- 凹凸溝を有する据え込みパンチにてプレスし、凹凸溝を形成することを特徴とする請求項１４又は１５に記載の医療材料の製造法。
- 複数に分割された溝を有する金型にてプレスして溝を形成することを特徴とする請求項１６記載の医療材料の製造法。
- 溝の形成を４つに分割された金型を用いて行うことを特徴とする請求項１３または１４に記載の医療材料の製造法。
- 複数に分割された溝を有する金型にてプレスして溝を形成するに際し、少なくとも２度以上プレスし、２度目以降は分割された金型の接合部を避けてプレスすることを特徴とする請求項１６記載の医療材料の製造法。
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