JP4859315B2

JP4859315B2 - 関節軟骨欠損修復材およびこれを用いた関節欠損修復部材

Info

Publication number: JP4859315B2
Application number: JP2001294056A
Authority: JP
Inventors: 雄祐吉原; 和明村松; 健向
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2001-09-26
Filing date: 2001-09-26
Publication date: 2012-01-25
Anticipated expiration: 2021-09-26
Also published as: JP2003093494A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、関節疾患や事故などの原因により欠損した関節組織を修復する目的で外科的治療に用いられる医用材料に関するものであり、特に関節軟骨修復材とこれを用いた関節欠損修復部材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、変形性関節症を代表とする各種の関節疾患やスポーツ外傷などで喪失あるいは損傷した関節軟骨層の治療には軟骨下骨を穿孔し、骨髄組織内に存在する未分化な間葉系細胞を欠損部に満たして自然治癒を促す処置や、自己の関節組織から採取した骨軟骨片を患部に移植する処置（モザイクプラスティー）が実施されてきた。
【０００３】
また、近年では自己の関節軟骨から採取した組織片より軟骨細胞を単離し、コラーゲンゲル培地などで３次元培養した培養細胞を患部に移植する治療方法も開発さている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、軟骨下骨穿孔術で再生される軟骨様組織の大半は繊維性軟骨で、経年的には外因性あるいは内因性のストレスにより繊維性結合組織に変性し、術前の状態に回帰してしまう可能性が強い。
【０００５】
また、上記モザイクプラスティーでも、再生された組織は繊維性軟骨が大半で、経年的には繊維性結合組織に変性する可能性が強いばかりか、移植するための骨軟骨片を健全な関節組織から採取するため、患者に余計な外科的侵襲を与えることになり好ましくない。
【０００６】
さらに、培養細胞移植術では患者の関節軟骨より採取した軟骨片から軟骨細胞を抽出し、数週間の細胞培養操作が必要となり手間と時間がかかるため緊急性に欠ける。また、その適応が比較的小さな関節軟骨欠損症例に限られ、広範囲な関節軟骨欠損症例では十分な軟骨再生効果が得られない場合が多く、欠損が小さくても軟骨下骨の欠損を伴う症例には適用できないなどの課題があった。
【０００７】
本発明は、これら従来技術の課題を解決するためになされたものであって、関節軟骨の欠損部を正常な軟骨組織で修復すること、並びに、軟骨下骨の欠損を伴う症例において、軟骨下骨と軟骨の欠損部を正常な組織で修復することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は鋭意研究の結果、硬質の骨の欠損部修復材として研究されてきたカルボキシルメチルキチン（以下ＣＭキチンと略称する）が、関節軟骨の再生を非常に良好に促進する作用を有することを見出し本発明に至った。
【０００９】
すなわち、本発明の関節軟骨欠損修復材は、人体の関節摺動面における軟骨欠損部に設置固定されるものであって、ＣＭキチンからなる本体部を備える関節軟骨欠損修復材であって、前記本体部の下にカルボキシルメチルキチンとリン酸カルシウム系材料との複合体が固着一体化されており、前記複合体は、前記カルボキシルメチルキチン１重量部に対して前記リン酸カルシウム系材料１／１０〜１重量部で混合して得られることを特徴とする。
【００１０】
このCMキチンは骨髄組織由来の未分化間葉系細胞を浸潤させ、組織欠損修復用の足場を提供するだけではなく、内軟骨性骨化を促進する作用を有する。したがって、再生される軟骨様組織に繊維性軟骨が少なく、経年的に外因性あるいは内因性のストレスを受けても、欠損部が、術前の状態に回帰してしまうことがない。これにより、関節軟骨の欠損部を正常な軟骨組織で修復することが可能である。なお、骨髄組織由来の未分化間葉系細胞を浸潤させるため、この関節軟骨欠損修復材を欠損部に設置する前に軟骨欠損部に露出する軟骨下骨の表面に小孔を穿孔しておく。
【００１１】
また、ある実施態様においては、少なくとも表面にインテグリンタンパク質に対するリガンドタンパク質から選ばれる１つあるいは複数のリガンドタンパク質を配したことを特徴とする。
【００１２】
かかる構成によれば、インテグリンタンパク質に対するリガンドタンパク質から選ばれる１つあるいは複数のリガンドタンパク質に対して骨髄組織由来の未分化間葉系細胞がより積極的に接着するので、このインテグリンタンパク質に対するリガンドタンパク質から選ばれる１つあるいは複数のリガンドタンパク質を少なくとも表面に配することで、軟骨の再生をより活発にすることができる。
【００１３】
この接着効果は、細胞が細胞外基質に接着する際に機能する。細胞の膜表面に存在するインテグリンタンパク質と、細胞外基質に存在するインテグリンに対するリガンドタンパク質の相互作用に基づくものである。ここで述べるインテグリンに対するリガンドタンパク質とは、ＲＧＤ配列（アルギニン−グリシン−アスパラギン酸）に代表される細胞接着性機能を示す特異的なアミノ酸配列を有するタンパク質であり、ビトロクネクチン、ラミニン、フィブロネクチン、コラーゲン、及びその変性タンパク質であるゼラチン等が挙げられる。しかも、これらインテグリンに対するリガンドタンパク質は、動物細胞から得られる精製タンパク質やリコンビナントタンパク質、或いは、合成された部分、ポリペプチドであっても良い。
【００１４】
なお、インテグリンタンパク質に対するリガンドタンパク質から選ばれる１つあるいは複数のリガンドタンパク質を表面に配するのみでなく内部にも存在させることがより好ましい。
【００１５】
このような本発明の関節軟骨欠損修復材は以下のように作製することができる。
【００１６】
ＣＭキチンを１重量％〜５重量％濃度範囲で溶解して調製した水溶液をプラスチック製の容器に流し込み、急速に冷凍後、凍結乾燥することによりスポンジ状の成形物を得る。
【００１７】
さらに、このスポンジ状成形物に真空中にて１２０℃から１８０℃の温度範囲で熱処理を施すことにより、CMキチン分子鎖間に存在していた水分子の脱水が起こり、分子鎖同士が強固に絡み合うことによって水溶解性が格段に抑制され、請求項１の発明に係る関節軟骨欠損修復材が得られる。
【００１８】
さらに、この関節軟骨欠損修復材を０．１重量％〜２重量％濃度範囲の上記リガンドタンパク質の水溶液中に浸漬させ、急速に冷凍後、凍結乾燥することにより上記リガンドタンパク質を複合化させたスポンジ状成形物を作製し、再度、真空中にて１２０℃から１８０℃の温度範囲で熱処理を施すことによって請求項２の発明に係る関節軟骨欠損修復材を得ることができる。
【００１９】
また、１重量％〜５重量％濃度範囲のCMキチン水溶液に上記リガンドタンパク質が０．１重量％〜２重量％濃度範囲となるように溶解させた混合水溶液を急速に冷凍後、凍結乾燥する事により上記リガンドタンパク質を複合化させたスポンジ状成形物を作製し、再度、真空中にて１２０℃から１８０℃の温度範囲で熱処理を施す方法によって、表面および内部にも上記リガンドタンパク質を配した請求項２の発明に係る関節軟骨欠損修復材を得ることができる。
【００２０】
次に、ある実施態様においては前記本体部の下にＣＭキチンとリン酸カルシウム系材料との複合体が固着一体化されていることを特徴とする。
【００２１】
かかる構成の部材を使用するにあたって、軟骨下骨の欠損部にＣＭキチンとリン酸カルシウム系材料との複合体を、その上の軟骨欠損部に上記請求項１記載のＣＭキチンからなる関節軟骨欠損修復材を位置させる。
【００２２】
このとき、上記ＣＭキチンとリン酸カルシウム系材料との複合体によって、軟骨下骨の欠損部が良好に修復される。ここでも、ＣＭキチンが骨髄組織由来の未分化間葉系細胞を浸潤させ、新生骨形成の足場を提供するとともに、リン酸カルシウム系材料が新生骨の生成を誘導することにより、軟骨下骨が良好に修復される。他方、上記関節軟骨欠損修復材により前述のように関節軟骨の欠損部が同時に修復される。これにより、関節欠損部を正常な組織により修復することが可能である。
【００２３】
なお、上記リン酸カルシウム系材料としては、ハイドロキシアパタイトあるいはβ−リン酸３カルシウムなどが好ましく、且つ、顆粒状とし、その顆粒径範囲を５０μｍ〜１０００μｍとしたもの、特に５０μｍ〜４００μｍのものが好ましい。
【００２４】
また、請求項４の発明に係る関節欠損修復部材は、少なくとも表面に上記リガンドタンパク質を配したことを特徴とする。
【００２５】
かかる構成によれば、上記リガンドタンパク質に対して骨髄組織由来の未分化間葉系細胞がより積極的に接着するので、このリガンドタンパク質を少なくとも表面に配することで、軟骨や軟骨下骨の再生をより活発にすることができる。なお、上記リガンドタンパク質を表面に配するのみでなく内部にも存在させることがより好ましい。
【００２６】
このような関節欠損修復部材は以下のように作製することができる。
【００２７】
１重量％〜５重量％濃度範囲のCMキチン水溶液にCMキチン重量と同量以下で１／１０量以上のリン酸カルシウム系材料顆粒を攪拌混合した後、急速に冷凍後、凍結乾燥させ、真空中にて１２０℃から１８０℃の温度範囲で熱処理を施す方法によってリン酸カルシウム系材料顆粒が適度に分散固定されたスポンジ状成形物を作製する。
【００２８】
この成形物と上記関節軟骨欠損修復材とをプラスチック製容器の中で上下に重ね合わせ、この容器中に１重量％〜５重量％濃度範囲のCMキチン水溶液を流し込んで、急速に冷凍後、凍結乾燥させ、再度、真空中にて１２０℃から１８０℃の温度範囲で熱処理を施す方法によって固着、一体化させることにより請求項３に係る関節欠損修復部材が得られる。
【００２９】
この関節欠損修復部材を０．１重量％〜２重量％濃度範囲の上記リガンドタンパク質の水溶液中に浸漬させ、急速に冷凍後、凍結乾燥する事により上記リガンドタンパク質を複合化させたスポンジ状成形物を作製し、再度、真空中にて１２０℃から１８０℃の温度範囲で熱処理を施すことによって請求項４の発明に係る関節欠損修復材が得られる。
【００３０】
【実施例】
次に、本発明の実施例と実験例について説明する。
実施例１（関節軟骨欠損修復材）
室温にて３重量％濃度のCMキチン水溶液を５０ｍｌ（CMキチン重量は１．５ｇ）調製後、ポリプロピレン製の容器内に本水溶液をそそぎ込み、液体窒素を用いて急速に冷凍し、凍結乾燥と真空中での１５０℃の加熱処理を行うことにより関節軟骨欠損修復材を作製した。
実施例２（ゼラチン複合化関節軟骨欠損修復材）
実施例１の関節軟骨欠損修復材料を１重量％濃度のゼラチン水溶液中に浸漬させ、急速に冷凍後、凍結乾燥する事によりゼラチンを複合化させたスポンジ状成形物を作製し、再度、真空中での１５０℃の加熱処理を施すことにより、ゼラチン複合化関節軟骨欠損修復材を作製した。
実施例３（関節欠損修復部材）
室温にて３重量％濃度のCMキチン水溶液を５０ｍｌ（CMキチン重量は１．５ｇ）調製後、CMキチン重量の１／５量に相当する０．３ｇのハイドロキシアパタイト顆粒を水溶液中に投入して充分に攪拌混合した後、ポリプロピレン製の容器内に混合溶液をそそぎ込み、液体窒素を用いて急速に冷凍し、凍結乾燥と真空中での１５０℃の加熱処理を行うことにより関節欠損修復部材を作製した。
実施例４（ゼラチン複合化関節欠損修復部材）
室温にて３重量％濃度のCMキチン水溶液を５０ｍｌ（CMキチン重量は１．５ｇ）調製後、CMキチン重量の１／５量に相当する０．３ｇのハイドロキシアパタイト顆粒を水溶液中に投入して充分に攪拌混合した後、ポリプロピレン製の容器内に混合溶液をそそぎ込み、液体窒素を用いて急速に冷凍し、凍結乾燥と真空中での１５０℃の加熱処理を行うことにより関節欠損修復部材を作製した。
【００３１】
別途、１重量％濃度のゼラチン水溶液を調製し、上記関節欠損修復部材を室温、減圧下で１時間浸漬させた後、液体窒素を用いて急速に冷凍し、凍結乾燥と真空中での１５０℃の加熱処理を行うことにより、ゼラチン複合化関節欠損修復部材を作製した。
実験例１（動物関節欠損への埋入実験）
家兎（ニュージーランドホワイトラビット、オス）の右大腿膝関節面中央部に径４mm、深さ２mmの人工的な関節欠損を形成し、実施例１と実施例２の材料を周囲の関節面と面一となるように埋入し、４週間後に犠牲死させ組織学的な検討を実施した。
【００３２】
比較例として左大腿膝関節面に同形状の欠損を形成し、そのまま縫合した。
【００３３】
また、別の家兎に大腿膝関節面に形成した径４ｍｍ、深さ５ｍｍの人工欠損には実施例３と実施例４の材料を周囲の関節面と面一となるように埋入し、４週間後に犠牲死させ組織学的な検討を実施した。
【００３４】
比較例として左大腿膝関節面に同形状の欠損を形成し、そのまま縫合した。
【００３５】
組織学的な検討の結果、関節欠損深さ２ｍｍ（軟骨層厚み約１ｍｍ、軟骨下骨穿孔深さ約１mm）への実施例１の材料埋入例においては、両端の既存軟骨層と連続する新生の軟骨様組織が中央部に向かって水平に成長し、軟骨下骨穿孔部からは上方に向かって新生骨形成が進行し、その最前線では軟骨様の組織が各所に形成され、欠損の中央部に少量の繊維性結合組織が見られ、その中に材料の一部が残存していた。また、関節欠損上部は既存の関節軟骨面とほぼ面一を保持していた。
【００３６】
一方、実施例２の材料埋入例においても実施例１の材料埋入例とほぼ同等の組織所見が得られたが、関節欠損中央部での繊維性結合組織内に材料の残存は認められなかった。以上のようにこれら実施例品（実施例１、２）は非常に良好な結果であった。
【００３７】
これに対して、比較例では材料埋入例と類似する組織反応ではあるが、両端の既存軟骨層と連続する新生の軟骨様組織が下方に向かって伸展し、中央部には繊維性結合組織が充満していた。関節欠損上部が全体的に下方に陥没し、両関節軟骨面との段差が大きく、不良であった。
【００３８】
次に、関節欠損深さ５ｍｍ（軟骨層厚み約１ｍｍ、軟骨下骨穿孔深さ約４mm）への実施例３の材料埋入例においては、両端の既存軟骨層と連続する新生の軟骨様組織が中央部に向かって水平に成長し、中央部にも軟骨様の組織が島状に点在し、繊維性結合組織は極わずかに存在するのみであった。なお、材料の残存は認めなかった。
【００３９】
軟骨下骨穿孔部では残存する材料の周辺部において新生骨がハイドロキシアパタイト顆粒をその骨梁内に包含しながら、中央部に向かって形成されていた。
【００４０】
但し、軟骨下骨の中央部分は完全には新生骨では満たされていない状況であった。
【００４１】
一方、実施例４の材料埋入例では実施例３とほぼ同等の組織所見であったが、軟骨下骨欠損の中央部において新生骨の形成スピードがやや早く、より完全に近い状態で新生骨が生成していた。
【００４２】
実施例３と実施例４間で関節軟骨欠損部における組織反応には差を認めなかった。また、両者ともに関節欠損上部は既存の関節軟骨面とほぼ面一を保持しており、非常に良好な結果であった。
【００４３】
これに対して、比較例では上記実施例と類似する組織反応はあるが、両端の既存軟質層と連続する新生の軟骨組織が極端に下方に向かって伸展し、中央部には繊維性結合組織が充満していた。関節欠損上部が全体的に下方に陥没し、両関節軟骨面との段差がかなり大きく、不良であった。
【００４４】
【発明の効果】
以上のように請求項１および２の発明によれば、疾患や事故などの原因によって失われた関節軟骨欠損に対して、周囲の健全な関節軟骨面と同等の正常な組織の欠損部修復が可能である。
【００４５】
また、請求項３および４の発明によれば、軟骨下骨欠損を伴う関節欠損に対して、周囲の健全な軟骨下骨および関節軟骨面と同等の正常な組織の欠損部修復が可能である。

Claims

人体の関節摺動面における軟骨欠損部に設置固定されるカルボキシルメチルキチンからなる本体部を備える関節軟骨欠損修復材であって、
前記本体部の下にカルボキシルメチルキチンとリン酸カルシウム系材料との複合体が固着一体化されており、
前記複合体は、前記カルボキシルメチルキチン１重量部に対して前記リン酸カルシウム系材料１／１０〜１重量部で混合して得られることを特徴とする関節欠損修復部材。
少なくともその表面に、ビトロクネクチン、ラミニン、フィブロネクチン、コラーゲン、およびゼラチンからなる群より選ばれる１つを配してなる請求項１記載の関節軟骨欠損修復材。