JP4163854B2 - 骨内移植片のための表面構造 - Google Patents

Description

【０００１】
技術分野
本発明は、骨、好適には人骨に外科的に取り付けられる移植片に関し、骨接合、補綴（手、足、尻、四肢の手術における）、および上顎顔面および歯の移植などの領域にわたっている。本発明は、特に、速やかな一次安定性と、迅速な骨形成を達成することを目的とした、移植片の、そしてその表面の設計に関する。
【０００２】
従来技術
移植片の安定性に関しては２つの要件：
ａ）機械的な原理に基づく術後のできるだけ速やかな支持能力、即ち、速やかな一次安定性と、
ｂ）生物学的な原理に従う、骨形成によるできるだけ迅速な二次安定性と
がある。
【０００３】
移植の品質、および移植部位の回りの領域の状態は別として、移植の一次安定性に関する重要な要素はその設計であり、外側にねじを切るのが即時安定性に最もよい結果をもたらす。これに対して骨形成は、材料の選定（この関連でチタン、チタン合金、および磁器的物質を使うことが増加している）と、移植片の表面性状とに決定的に依存している。
【０００４】
ＧＢ−Ａ−２，０４５，０８３においては、０．０１μｍないし０．３μｍのオーダーの表面粗さを推奨している。ＥＰ−Ｂ−０，３８８，５７６では、理想として１０μｍ以上、好適には２０μｍ以上の巨視的粗さで、２μｍおよびこれ以下のオーダーの細かさの微視的粗さを重畳した移植片の表面を提案している。巨視的粗さを作り出すのに移植片の表面を研磨材で処理することを提案し、微視的粗さを作り出すのに酸でエッチングすることを提案している。ＷＯ−Ａ−９７／２８７６０では、骨接合ねじとして、おおよそのＲｔ≧１０μｍ（頂部−谷部の最高高さ）の粗さ値を開示している。Ａ．シュレーダー、Ｆ．スッター、Ｄ．ビューザー、Ｇ．クレッケラー（ストゥットガルト市 ゲオルグ・チーメ・フェアラーク社 １９９４年 出版、口腔移植学 第２版 １８ページ以降）によれば、約２０−４０μｍの膜厚で約１５μｍの頂部−谷部高さの層のプラズマ被覆を移植片表面に施して、表面積を増やし骨形成を促進している。概して、この分野の専門家は、巨視的および微視的粗さ、特にこれらを組み合わせることが、骨内移植片を骨の中に定着させるのを促進するのだという確信を持っている。
ＵＳ−Ａ−４，８６５，６０３は、ある構造の表面を持っている補綴移植片を開示している。この構造は、第１および第２凹みを有しており、第２凹みの寸法が第１凹みの寸法の２５％ないし７５％の範囲になっている。第１凹みの寸法、特に幅は、２００μｍと１０００μｍの間、好ましくは３００μｍと７００μｍの間の範囲にあり、従って、第２凹みの寸法は、５０μｍと７５０μｍの間、好ましくは７５μｍと５２５μｍの間の範囲にある。第１凹みの深さと、第２凹みのそれとは、原則として、それぞれの凹みの寸法、特に幅の範囲にある。第２凹みは、その構成が溝形であっても菱形であってもよい。
【０００５】
従来の方法も、骨の移植部位における骨内移植片の一次および二次定着という点でいくらかの発展をもたらしたが、移植の成功率を高め、手術全体を短時間にし、これらによって患者に与える緊張を軽減し、全般的に見れば通常のライフスタイルにより早く患者が戻れることを確実にするために、更なる改善が求められている。
【０００６】
発明の目的
上記の狙いから、骨内移植片のために、手術直後から高度な一次安定性を与え、そして取り付けた移植片が、迅速に、可能な限り強力な生物学的な骨形成を促進する表面構造を作り出すことが本発明の目的である。
【０００７】
発明の要旨
本発明の主たる特徴は次の通りである。
【０００８】
骨の中に取り付けるための骨内移植片には、その表面に特定の表面粗さが与えられており、この移植片の表面は、垂直方向に測定した深さが約２０μｍないし約６０μｍの複数の凹みを持ち、これらの凹みの間にはプラトー面がある。この凹みの底には底面と、そしてプラトー面から底面まで延在している側面がある。これら底面とプラトー面は、約１０μｍないし約２０μｍの水平方向延在部を持っている。これらの凹みとプラトー面は滑らか、即ち、骨細胞の細胞寸法以下の、あるいは同じオーダーの大きさの表面粗さにはなっていない。
【０００９】
凹みの側面は、水平に対して最大約３０°の傾斜角度をなしているのが好ましい。この移植片は、上部首部と、上部の首部の下にタッピングねじとを持っているのが好ましい。移植片の首部には磁器的な被覆を施してもよい。移植片の表面エネルギー、即ち「ゼータ電位」と表面張力は可能な限り低く保つのが好ましい。この移植片に使用する材料は、チタン、チタン合金、あるいは磁器的な物質が好ましい。凹みは、お互いに平行に延伸している対称形の台形の溝として設計し、これらの溝は機械的に作り出すことが好ましい。
【００１０】
本発明によって、健全な即時術後一次安定性を与えつつ、骨と移植片表面との生物学的な結合を行う骨形成が改善されるが故に、二次的な定着における耐力が付くのが加速され増強されるということで特徴づけられる移植片が入手できるようになった。
【００１１】
発明の詳細な説明
移植片の使用材料の表面性状は、移植片が移植片の表面を介して移植部位と接触するのであるし、また、この接触がどのように成長し維持されるかということにおける決定的要因ともなるので、骨形成の時間と強度に重大な影響を与える。骨形成にとって移植片の表面が重要であるという観点で、移植片の表面と取り付けられた移植片の周囲の骨との間の定着接触を最高のレベルにしようと、さまざまな表面構造が提案されてきた。広範に繰り返し生体組織レベルの研究がなされた結果、ある度合いの粗さを持った移植片の表面の方が、表面が滑らかなものよりも骨との接触がより大きいという知見が得られている。
【００１２】
反面、骨形成細胞の異なる表面の微視的構造に対する反応に関する研究はこれまで殆ど行われなかった。特に、生物学的細胞挙動といろいろな表面構造との間の原因分子の関係に関する従来の研究は、非常に不十分であった。それは、就中、細胞活動と組織の反応の基礎をなす分子要因であるので、本発明はこれを指向した研究を基礎にしている。新たな骨移植部位においては、プロテインとイオンが循環し、最初の数分、数時間において細胞の反応を決定する。細胞の反応が遅れれば遅れる程、移植した材料の毒性効果による影響が大きくなる。移植材料の存在下での移植部位での細胞の長期の反応は、材料の分子反応電位とその毒性効果との組み合わせに対する応答である。
【００１３】
一連の試験によって、滑らかに研磨した材料表面と粗い材料表面と（コランダム研磨とプラズマ被覆）の間には細胞の反応に著しい相違があることが明らかになった。滑らかな表面には、粗い移植片表面にあるよりも高いレベルの、平面状に細胞が増殖している細胞成長がある。より多くのフィブロネクチンが滑らかな表面に吸収され、広い範囲に分布している。粗い面においては、フィブロネクチン吸収は無視可能から検出不可能の範囲である。滑らかな試料上の細胞は、いろいろな方向を向いた糸状仮足および層状足を呈しているが、粗い表面上の多数の細胞は紡錘形の形態をとっている。チタンの表面構造が、増殖中、成長中、および局所接合形成中の繊維芽細胞の挙動に与える影響は、従来から研究のテーマになっていた（Ｍ．ケネネン等 「人の歯肉繊維芽細胞のチタン上での定着、配向および増殖に対する表面処理の効果」 ジャーナル・オブ・バイオメディカル・マテリアル・リサーチ ２６巻 １３２５−１３４１ １９９２年 を参照）。また、上記によれば、繊維芽細胞は、粗い表面よりもむしろ滑らかな表面に定着・成長しやすい傾向がある。局所接合は、滑らかな表面と結びついたときにのみ観測された。軟骨細胞の場合も、平坦にすることと滑らかな表面での成長との間の関係は、粗い表面に対するそれよりも強かった。細胞現象学は勿論材料に依存するが、それ以上に表面の微視的構造によって決定される。鋼とチタンは、フィブロネクチンの結合において同等の能力ある。このことは、細胞培養基の中で、フィブロネクチンと細胞成長の分布が鋼とチタンの滑らかな表面上において同等であるということを示す研究結果によって確認されている。チタンの粗い表面上では、対応するフィブロネクチン結合と細胞成長は少なかった。違うチタン表面でのフィブロネクチン分布との相関関係では、粗いものの上よりも滑らかな表面の方が、より多くの細胞増殖が見られ、単層成長がより進展していた。
【００１４】
これらの結果から、滑らかなチタン表面と粗いものとの間の細胞挙動の食い違いは、１０μｍ以下、即ち、１０μｍというのは細胞の寸法オーダーの大きさの表面のトポロジー／形態学に帰されるという仮説に達した。細胞が滑らかな面に接近すると、総ての点で局所接合ができるのである。逆に、粗い面の場合、突き出した領域でしか細胞の接触ができない。局所接触を形成するための領域がなければ、細胞の接合や増殖は実現できない。
【００１５】
実施した一連の試験によって、最も粗い表面（プラズマ被覆とコランダム研磨とエッチングを施して）が吸収されたフィブロネクチンの量が最も少ないということに関連し、おそらく、フィブロネクチンが細胞にとって限られた場所にしか吸収されていないということが分かった。逆に、滑らかな表面の面積が広ければ、それだけより大量のフィブロネクチンの吸収が検出された。また、粗い表面では滑らかなそれよりも細胞移動がより広範囲にわたっていた。このことは、特に細胞の動きのモードから推論できる。長い距離を移動する細胞は、長い探査糸状仮足を送り出し、双極であるが、ゆっくり移動する細胞は多極の外見をしている。
【００１６】
フィブロネクチンの微細繊維の形成は磨いた鋼およびチタンの上でのみ検出できたが、より粗い表面では、アクチンは、無視できるか検出できない量しか存在しないということが分かった。このことは、局所接合が粗い表面で形成されてもこれらは不十分な安定性しか持っておらず、アクチン繊維形成を助長することはできないということを示している。これらの知見とこれまでの研究とを比較することが基本的に重要である。これまでの研究によって、繊維芽細胞は、滑らかなチタンの表面の方が粗いものよりも好適に定着し成長するということが分かっている。局所接合は滑らかな表面を伴っているときにのみ観測された（Ｍ．ケネネン等 上記の引用文献を参照）。滑らかな表面では、粗いそれと比較して軟骨細胞も平坦化と成長との関係が強いのである。
【００１７】
本発明に至らせるための研究によって、繊維芽細胞と軟骨細胞の挙動と、細胞の寸法の範囲の粗さの表面が細胞接合に不利な効果を与えるという事実とに対する説明がついた。逆に、可能な限り滑らかで細胞の寸法の範囲にある移植片の表面なら骨形成を促進するのである。
【００１８】
細胞現象学、即ち、接合、増殖および基板への定着の形成は、細胞の機能にとって、そしてまた、移植片の骨形成にとっても非常に重要である。骨内部への情報伝達は、細胞／基板定着によって行われる。この関連において、局所接触は移動に寄与し、局所接合は平坦化に寄与している。局所接触は、寸法が０．２５−０．５×２−１０μｍの直線的な構造であり、４ないし２０分後には壊れてしまう。局所接合は構造的、時間的にもう少し安定していて空間的にもっと広がりがあり、それらは、細胞外基質の合成と沈着にとって必須条件である（Ａ．ウッド等 「細胞外基質の繊維芽細胞の接合と沈着の分化の段階」 ユーロピアン・ジャーナル・オブ・セル・バイオロジー ３２巻 １０８−１１６ １９８３年を参照）。平坦化に関してのみ細胞はＤＮＡ合成に入らせ、逆に、細胞の丸み付けはＤＮＡ合成を中止させる。
【００１９】
局所接合の細胞側では、細胞骨格アクチンが、ビンキュリン、タリン、およびｃｘアクチニンを介して束（張線維）に組織化される。これによって、特に、細胞外基質を合成するように基板から細胞内部へ信号導入がなされる。基板と局所接合の複合体は、ポリリボゾームとｍＲＮＡとを介して、プロテインの合成速度と組織特有のプロテインの放出を調節する。
【００２０】
従って、これらのプロセス、ひいては表面の微視的構造は、最適な骨移植片の合体や組織形成にとって非常に重要である。材料表面の化学的特性と微視的構造によって、局所接合と局所接触が大きくなるほど、生物学的形成（骨形成）が更に強力に増進されるのである。原則として、かくのごとく、表面と、骨と移植片との間の接触の可能性とがかなり大きくなるので、骨移植片の表面に粗い微細形態を持たせることが望ましい。また、表面を広げることによって崩壊微粒子の放出も増えるが、しかし、得られる表面の面積の増加によって、相互作用の可能性と機械的安定性を高めるのである。しかし、粗さは細胞の寸法範囲以下にしてはならない。
【００２１】
細胞の寸法範囲における不規則性が組織形成に不利な効果をもたらすという、細胞物理的および分子的な理由がある。細胞は、総ての点で基板と密接な関係を維持しながら角を進んでいくことはできないのであるが、細胞と基板との間の密接な物理的関係が形態形成にとっては不可欠なことなのである。更に、この範囲内の微視的な隆起や凹みが、局所接合や局所接触を形成するのに必要な形状および最小寸法になっていなければ、これらによって細胞接合の減少につながるのである。
【００２２】
このことは、また、プラズマ被覆された移植片材料での非最適な骨形成の説明にもなるのであって、プラズマ層は、局所接合や局所接触の形成を減じることがない、比較的滑らかな構造のアイランドを持っている。しかし、表面全体は殆どの部分が平坦ではなく、特に細胞の寸法範囲においては、局所接合や局所接触の形成にとって都合の悪い条件になっている移植片の表面を通常使われている酸エッチングすると表面が多孔質になってしまうが、材料物質、少なくともチタンの場合は、好適には、結晶粒の境界で規定されている結晶方位に沿って除去しなければならない。また、エッチングは結晶内に及ぶので、細胞の寸法範囲の多孔質がまた生じ、局所接合や局所接触の形成に不利となる。コランダム研磨のみが微小な多孔質を材料の表面にあまり作らない。コランダム研磨の後に酸エッチングをすると、直径が約１０ｎｍないし１００ｎｍの微小な凹みができる。しかし、このサイズは細胞の寸法範囲の外側にあり、微小なクレータがそれら自身で滑らかであれば、局所接合や局所接触の形成を損なうことはない。しかし、最初にコランダム研磨して次に酸エッチングしても、細胞の寸法範囲になっている表面は、酸エッチングのみの表面のように粗く、従って、細胞の接合にとっては好ましくないのである。
【００２３】
細胞の機構という点では、動いている細胞は、運動の方向を３２°以上には変えることができない。おそらく、局所接触している細胞の前縁に付いて、細胞のその他の部分を引っ張るはアクチン繊維は、真っ直ぐに引くだけで円くなった角は引っ張れないのである（Ｇ．Ａ．ダン、Ｊ．Ｐ．ヒース 「組織細胞における接触誘導についての新たな仮説」 エクスペリメンタル・セル・リサーチ １０１巻 １−１４ １９７６年を参照）。それで、細胞はこの方向へは動くのを拒否するか、幾つかの状況では細胞体あるいは鞭毛で隙間を乗り越えることができる。一連の試験では、この乗り越え動作は、研磨してエッチングした、プラズマ被覆した、そしてコランダム研磨してエッチングした表面で見られた。しかし、磨いていない燐酸カルシウム・セラミックの場合、細胞以下の範囲の寸法での起伏の顕著な変化はなくても、同様の細胞増殖が起こる。
【００２４】
細胞が平坦でない表面を覆うことができないという事実は、おそらく、細胞の定着器官の形状と最小寸法にも関連している。細胞は、その移動に局所接触を、そして定着と増殖に局所接合を必要とするのである。移動に必要な局所接触は、幅が０．２５μｍないし０．５μｍで、長さが少なくとも２μｍである。基板に小さな寸法の凸凹があると、おそらく、この重要な定着構造が形成できないのである。この理由から、細胞は、小さ過ぎる寸法の部位には居着かず離れて、代わりに、より大きい寸法の表面に移動する。
【００２５】
骨芽細胞の形態形成活動が、上記の分子的そして細胞的な法則に影響されていると仮定すれば、このことも、また、必然的にインターフェイス骨の開発の指針に、従って骨形成の指針になるであろう。表面化学と表面微細形態学とによって材料の主要なパラメータを示さなければならない。移植片表面が骨の結合と形態形成にとって重要な分子を自分に結合させることができると、移植の成功率が特に長期にわたって高くなっていくことを約束する。特定の表面と、そしてまたインターフェイスの細胞活動に関する要件によって、２０μｍないし約６０μｍの凹みを持つ表面の微細形態が成功の見込みがある。平らな区域は、水平に１０μｍないし約２０μｍの広がりを持っていなければならない。これらの凹みは可能な限り滑らかであることが理想であり、移植片の表面での角度は最大で約３０°になっている。表面エネルギー（ゼータ電位）と表面張力とはできるだけ低く保たなければならない。磁器的被覆を移植片の首部に施せば理想的であろう。
【００２６】
好適な実施態様
添付第１図を参照して、好適な実施態様を説明する。移植片の表面は複数の凹み１を持っている。この凹み１の底には底面２があり、これらの凹み１の間に延在してプラトー面３がある。上行側面４が底面２からプラトー面３まで上方に延伸している。これらの凹み１は、プラトー面と底面３、２との間で垂直に測定して約２０μｍないし約６０μｍの深さｃがある。底面２は、約１０μｍないし約２０μｍの幅に達する水平な延在部ａを持っている。プラトー面３の水平延在部ｂも同様に約１０μｍないし約２０μｍの幅がある。底面とプラトー面２、３は、凹み１が移植片の回りに放射状方向に延在しているときは、長さが無限大である。凹み１とプラトー面３は、研磨によって可能な限り滑らかにするのが理想的、つまり、細胞の寸法より小さい表面粗さにはなっていないということである。
【００２７】
凹み１の側面４は、水平に対して最大約３０°の傾斜角αをなしている。凹み１は、相互に平行に延在している対称になった台形の溝として設計し、材料の除去あるいは型打ちによって機械的に作り出すのが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 骨内移植片の、本発明による表面構造の略断面図である。

Claims (6)

1. 移植片の耐力を増進させるために特定の表面粗さが与えられた移植片表面を持つ骨内移植片であって、前記移植片表面が、垂直方向に測定した深さ（ｃ）が２０μｍないし６０μｍの複数の凹み（１）を持ち、前記凹み（１）の間にプラトー面（３）がある骨内移植片において、前記凹み（１）の底に底面（２）があり、側面（４）がプラトー面（３）から底面（２）まで延在し、前記底面（２）とプラトー面（３）とがいずれの場合も１０μｍないし２０μｍの水平方向延在部（ａ、ｂ）を持っており、そして前記凹み（１）とプラトー面（３）とは、骨細胞の細胞寸法以下の、あるいは同じオーダーの大きさの表面粗さにはならない程度に滑らかに構成されている骨内移植片。
2. 前記凹み（１）の側面（４）が水平に対して最大で約３０°の傾斜角度（α）をなしている請求項１に記載の移植片。
3. 上部の首部及び前記首部の下部に設けられたタッピングねじを有している請求項１または２に記載の移植片。
4. チタン、あるいはチタン合金で構成されている請求項１から３の内の１つに記載の移植片移植片。
5. 前記凹み（１）がお互いに平行に延伸している対称形の台形の溝であり、その間にプラトー面がある請求項１から４の内の１つに記載の移植片。
6. 前記凹み（１）が機械的に作られている請求項５に記載の移植片。

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