JP6253528B2 - インプラント - Google Patents

Description

本発明は、インプラントに関し、特に、骨固定用のスクリュ型生分解性インプラントに関するものである。

従来、生体吸収性の純マグネシウムまたはマグネシウム合金を基材とする骨固定用のインプラントが知られている（例えば、特許文献１，２参照。）。マグネシウムは、水と容易に反応して分解してしまうため、移植後のインプラントの生分解速度を制御する目的で、インプラントの外表面には陽極酸化皮膜が形成される。

特表２０１４−５０５５２８号公報 特開２００８−１４２５２３号公報

生分解性のインプラントは、骨治癒までの期間は骨に対する高い固定力が要求される一方、骨治癒の後には速やかに生分解されて消滅することが理想的である。しかしながら、陽極酸化皮膜によって覆われたマグネシウム製のインプラントが生分解によって消滅するまでには、一般に５年から１０年の長い期間を要するという問題がある。

また、マグネシウム製のインプラントの生分解は、陽極酸化皮膜が生分解されて消滅することによって生じた基材の露出部位を起点に始まり、この起点からインプラントの強度が低下していく。しかしながら、特許文献１，２のインプラントは、どの部分の陽極酸化皮膜が最初に消滅するかが不明である。したがって、インプラントが固定力を発揮するために必要な部分から生分解が始まり、その結果、骨治癒までの期間にわたって十分な固定力を維持することができない可能性があるという問題がある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、骨治癒までの期間は骨に対する高い固定力を維持しながらも、骨治癒の後は速やかに消滅することができるインプラントを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は以下の手段を提供する。
本発明は、純マグネシウムまたはマグネシウム合金からなり、雄ねじを有するねじ本体と、該ねじ本体の外表面を被覆する陽極酸化皮膜とを備え、前記雄ねじが、前記ねじ本体のねじ込み時に進行方向前方を向く遊び側フランクと、進行方向後方を向く圧力側フランクとを有し、前記遊び側フランク上の陽極酸化皮膜の生分解期間が、前記圧力側フランク上の陽極酸化皮膜の生分解期間よりも短いインプラントを提供する。

本発明によれば、生体内の骨にねじ込まれたねじ本体は、該ねじ本体を被覆する陽極酸化皮膜によって生分解から保護されるので、一定期間にわたって雄ねじによる骨への固定力を発揮し続けることができる。

この場合に、雄ねじの遊び側フランク上の陽極酸化皮膜が早期に生分解によって消滅することにより、ねじ本体は、遊び側フランクを起点に生分解され始める。ただし、遊び側フランクは骨への固定力に寄与せず、かつ、圧力側フランク上の陽極酸化膜は未だ存在するので、遊び側フランクにおいて生分解が始まったとしても雄ねじによる骨への固定力は維持される。これにより、骨治癒までの期間は骨に対する高い固定力を維持しながらも、骨治癒の後は速やかに消滅することができる。

上記発明においては、前記遊び側フランク上の陽極酸化皮膜の平均孔径が、前記圧力側フランク上の陽極酸化皮膜の平均孔径よりも大きいことが好ましい。さらに、前記遊び側フランク上の陽極酸化皮膜の平均孔径が、１μｍ以上１００μｍ以下であり、前記圧力側フランク上の陽極酸化皮膜の平均孔径が、０．１μｍ以上１０μｍ以下であることがより好ましい。

陽極酸化皮膜の平均孔径が大きい程、体液が陽極酸化皮膜内に浸透し易いために、陽極酸化皮膜の生分解速度が速くなる。一方、陽極酸化皮膜の平均孔径が小さい程、その表面にフィブリン繊維を保持し易く、骨との結合力が高くなる。したがって、各フランク上の陽極酸化皮膜の平均孔径を上記のように設計することによって、遊び側フランク上の陽極酸化皮膜の生分解期間を短縮しつつ、圧力側フランクと骨との結合力を向上することができる。

また、上記発明においては、前記圧力側フランク上の陽極酸化皮膜のリン含有率が、前記遊び側フランク上の陽極酸化皮膜のリン含有率よりも高いことが好ましい。さらに、前記圧力側フランク上の陽極酸化皮膜のリン含有率が、１０重量％以上３０重量％以下であり、前記遊び側フランク上の陽極酸化皮膜のリン含有率が、２重量％以上２０重量％以下であることがより好ましい。

陽極酸化皮膜のリン含有率が高い程、陽極酸化皮膜上でハイドロキシアパタイト（ＨＡ）の生成が盛んになり、ＨＡを介してフランクと骨との結合力が高くなる。したがって、各フランク上の陽極酸化皮膜のリン含有率を上記のように設計することによって、圧力側フランクと骨との結合力を高めつつ、遊び側フランクと骨との結合を抑制することができる。

本発明によれば、骨治癒までの期間は骨に対する高い固定力を維持しながらも、骨治癒の後は速やかに消滅することができることができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係るインプラントの部分的な縦断面図である。 骨にねじ込まれた図１のインプラントを示す図である。 図１のインプラントの製造方法における陽極酸化処理を説明する図である。 高い電流密度（電圧４００Ｖ）で形成された陽極酸化皮膜の断面の走査型電子顕微鏡写真である。 低い電流密度（電圧３５０Ｖ）で形成された陽極酸化皮膜の断面の走査型電子顕微鏡写真である。

以下に、本発明の一実施形態に係るインプラント１について図面を参照して説明する。
本実施形態に係るインプラント１は、図１に示されるように、雄ねじ２を有するねじ本体３と、該ねじ本体３の外表面全体を被覆する陽極酸化皮膜４とを備えている。
ねじ本体３は、純マグネシウム（Ｍｇ）、または、Ｍｇを主成分とするＭｇ合金からなる。

雄ねじ２は、山の頂と谷底とを連絡する遊び側フランク２１と圧力側フランク２２とを有している。遊び側フランク２１は、ねじ本体３のねじ込みの際に進行方向前方を向く面であり、圧力側フランク２２は、ねじ本体３のねじ込みの際に進行方向後方を向く面である。本実施形態においては、雄ねじ２として、ねじ軸Ａに対して傾斜する遊び側フランク２１と、ねじ軸Ａに対して略垂直な圧力側フランク２２とを有するのこ歯ねじを想定しているが、雄ねじ２の形状はこれに限定されるものではない。

図２は、骨Ｂにねじ込まれたインプラント１を示している。図２に示されるように、インプラント１が骨Ｂにねじ込まれた状態において、圧力側フランク２２は、ねじ軸Ａ方向の荷重（図中、矢印参照。）を骨Ｂから受ける。すなわち、雄ねじ２による骨Ｂへの固定力は、遊び側フランク２１と骨Ｂとの密着によって発揮されるようになっている。

陽極酸化皮膜４は、遊び側フランク２１上と圧力側フランク２２上とで互いに異なる特性を有し、遊び側フランク２１上の陽極酸化皮膜４（以下、陽極酸化皮膜４１ともいう。）の生分解期間が、圧力側フランク２２上の陽極酸化皮膜４（以下、陽極酸化皮膜４２ともいう。）の生分解期間よりも短くなっている。具体的には、陽極酸化皮膜４１と陽極酸化皮膜４２とは、膜厚、平均孔径、表面粗さ、リン（Ｐ）含有率および炭素（Ｃ）含有率において、互いに異なっている。

膜厚に関して、遊び側フランク２１上の陽極酸化皮膜４１の膜厚は、圧力側フランク２２上の陽極酸化皮膜４２の膜厚よりも小さくなっている。

平均孔径および表面粗さに関して、遊び側フランク２１上の陽極酸化皮膜４１の平均孔径および最大表面粗さは、圧力側フランク２２上の陽極酸化皮膜４２の最大平均孔径および表面粗さよりもそれぞれ大きくなっている。具体的には、陽極酸化皮膜４１は、１μｍ以上１００μｍ以下の平均孔径と、０．４μｍ以上１０μｍ以下の最大表面粗さとを有し、陽極酸化皮膜４２は、０．１μｍ以上１０μｍ以下の平均孔径と、０．０１μｍ以上１．０μｍ以下の最大表面粗さとを有することが好ましい。

陽極酸化皮膜４が粗くその平均孔径および最大表面粗さが大きい程、陽極酸化皮膜４の内部へ体液が進入し易いため、陽極酸化皮膜４の体内での腐食速度が速くなる。したがって、圧力側フランク２２上の陽極酸化皮膜４２よりも、遊び側フランク２１上の陽極酸化皮膜４１の方が速く腐食が進むようになっている。

一方、陽極酸化皮膜４が緻密でありその平均孔径および最大表面粗さが小さい程、陽極酸化皮膜４の表面に、骨Ｂとの接着剤として働くフィブリン繊維が形成され易い。特に、表面粗さが１μｍ〜２μｍである陽極酸化皮膜４の表面は、濡れ性が向上し、フィブリン繊維が維持され易い。さらに、表面粗さが数十ｎｍ〜数百ｎｍである陽極酸化皮膜４の表面は、細胞接着を促進し、骨芽細胞からの骨活性物質の分泌およびカルシウム沈着を増大する効果を有することが知られている。すなわち、フィブリン繊維と骨形成とによって、圧力側フランク２２が、陽極酸化皮膜４２を介して隣接する骨Ｂに対して強固に結合するようになっている。

Ｐ含有率に関して、圧力側フランク２２上の陽極酸化皮膜４２のＰ含有率は、遊び側フランク２１上の陽極酸化皮膜４１のＰ含有率よりも高くなっている。具体的には、陽極酸化皮膜４２は、１０重量％以上３０重量％以下のＰ含有率を有し、陽極酸化皮膜４１は、１重量％以上２０重量％以下のＰ含有率を有することが好ましい。

陽極酸化皮膜４中のＰは、リン酸に由来するものであり、陽極酸化皮膜４のＰ含有率が高い程、陽極酸化皮膜４の表面においてリン酸イオンと体液中のカルシウムイオンとの反応によってハイドロキシアパタイト（ＨＡ）の生成が促進される。すなわち、高いＰ含有率を有する圧力側フランク２２上の陽極酸化皮膜４２上においてＨＡの生成が促進され、該ＨＡによって圧力側フランク２２と骨Ｂとの高い結合力が得られるようになっている。なお、Ｐ含有率が３０重量％よりも高い場合、塩素イオンのアタックを防ぐ作用を有する酸化Ｍｇおよび水酸化Ｍｇの含有率が低くなり過ぎ、その結果、陽極酸化皮膜４の耐食性が低くなる可能性がある。

一方、陽極酸化皮膜４のＰ含有率が低い遊び側フランク２１は、骨Ｂと結合し難いため、インプラント１の移植初期において、インプラント１を抜去しなければならない事情が生じた場合に、インプラント１を容易に抜去することができる。なお、Ｐ含有率が２重量％未満である場合、リン酸による十分な犠牲防食作用を得ることが難しい。

Ｃ含有率に関し、遊び側フランク２１上の陽極酸化皮膜４１のＣ含有率は、圧力側フランク２２上の陽極酸化皮膜４２のＣ含有率よりも高くなっている。具体的には、陽極酸化皮膜４１は、０重量％を超え３重量％未満のＣ含有率を有し、陽極酸化皮膜４２は、０重量％を超え１重量％未満のＣ含有率を有することが好ましい。

陽極酸化皮膜４に含まれるＣは、陽極酸化皮膜４に残存する水分が空気中の二酸化炭素と反応して生成される炭化物に由来する。インプラント１の外表面に炭化物が存在していると、インプラント１の外表面の親水性が低下し、生体内の血液がインプラント１に接触し難くなるため、骨伝導性の低下を招くことが知られている。すなわち、より高い親水性を有する陽極酸化皮膜４２において骨形成が促進されることによって、圧力側フランク２２が、隣接する骨Ｂに対して陽極酸化皮膜４２を介して強固に結合するようになっている。

次に、本実施形態に係るインプラント１の製造方法について説明する。
本実施形態に係るインプラント１の製造方法は、図３に示されるように、ねじ本体３を陽極酸化処理することによってねじ本体３の外表面全体に陽極酸化皮膜４を形成する陽極酸化工程を含む。陽極酸化工程は、リン酸イオンを含む電解液Ｅ中に、ねじ本体３と、ステンレス材等からなる陰極５とを浸漬し、ねじ本体３を陽極としてねじ本体３と陰極５との間に電圧を印加することによって行われる。

ここで、陰極５は、ねじ軸Ａとの距離がねじ本体３の先端（ねじ先）に向かって漸次短くなるように、ねじ本体３のねじ軸Ａに対して傾斜しており、遊び側フランク２１と陰極５との成す角度αが、圧力側フランク２２と陰極５との成す角度βよりも小さくなっている。このような陰極５は、ねじ本体３を径方向に挟んで対向配置された複数枚の板状の電極から構成されていてもよく、一端から他端に向かって直径が漸次小さくなる円錐筒状の電極から構成されていてもよい。

具体的には、遊び側フランク２１と陰極５との成す角度αは、０°以上４５°以下であることが好ましい。陰極５に対して略平行である遊び側フランク２１においては、電流が収束し易いために電流密度が高くなり、陽極酸化皮膜４１の成長速度が速くなる。陽極酸化皮膜４１が速く成長する過程においては、電解液Ｅ中の気泡が陽極酸化皮膜４１中に取り込まれ易いため、孔径が大きく粗い陽極酸化皮膜４１が形成される。また、陽極酸化皮膜４は、Ｍｇ、Ｏ（酸素）およびＰを主成分とするが、Ｏの電気陰性度はＰのそれよりも大きいため、電解液Ｅ中のＰおよびＯのうち、Ｏの方がより多く遊び側フランク２１に引き寄せられ、その結果、陽極酸化皮膜４１の成分比（Ｍｇ＋Ｏ）／Ｐは、陽極酸化皮膜４２のそれよりも大きくなる。

一方、圧力側フランク２２と陰極５との成す角度αは、４５°以上９０°以下であることが好ましい。陰極５から見て遊び側フランク２１の背後に位置する圧力側フランク２２においては、電流密度が、遊び側フランク２１におけるそれに比べて低くなり、陽極酸化皮膜４２の成長速度が遅くなる。陽極酸化皮膜４２がゆっくり成長する過程においては、電解液Ｅ中の気泡が陽極酸化皮膜４２に取り込まれ難いため、孔径が小さく緻密な陽極酸化皮膜４２が形成される。また、電流が収束し難い圧力側フランク２２においては電解液Ｅ中のＯを取り込み難いため、陽極酸化皮膜４２の成分比（Ｍｇ＋Ｏ）／Ｐは、陽極酸化皮膜４１のそれよりも小さくなる。

ここで、電解液Ｅのリン酸濃度を０．０５ｍｏｌ／Ｌ以上０．２ｍｏｌ／Ｌ以下、電流密度を１０Ａ／ｄｍ^２以上３０Ａ／ｄｍ^２以下とし、電圧が３５０Ｖ以上４００Ｖ以下になったときに、電極間の電流を停止することによって、上述した特性を有する陽極酸化皮膜４１，４２を、遊び側フランク２１上および圧力側フランク２２上にそれぞれ形成することができる。

図４および図５は、印加する電圧を異ならせることによって互いに異なる電流密度の下で形成した陽極酸化皮膜の走査型電子顕微鏡写真であり、図４は４００Ｖの電圧を、図５は３５０Ｖの電圧をそれぞれ用いた結果である。図４および図５に示されるように、４００Ｖの電圧を印加した場合よりも３５０Ｖの電圧を印加した場合の方が、すなわち電流密度が低い方が、孔径が小さく緻密な陽極酸化皮膜が形成される。この結果から、電流密度が互いに異なる遊び側フランク２１と圧力側フランク２２とでは、互いに異なる陽極酸化皮膜４１，４２が形成されることが分かる。

次に、インプラント１の作用について以下に説明する。
本実施形態に係るインプラント１は、骨折部分を固定する骨折固定具であり、骨Ｂに形成された孔にねじ込まれる。骨Ｂに留置されたインプラント１は、該インプラント１の最も外側を被覆する陽極酸化皮膜４によって急激な腐食から保護され、徐々に生分解される。

この場合に、圧力側フランク２２上の陽極酸化皮膜４２は、厚く、かつ、小さな孔径を有するため、生分解期間が長い。したがって、陽極酸化皮膜４２は、少なくとも骨折部分が治癒するまでは、消滅することなく存在し続ける。さらに、陽極酸化皮膜４２が骨Ｂと結合し易い化学的組成を有するため、圧力側フランク２２は、隣接する骨Ｂと強固に結合する。

一方、遊び側フランク２１上の陽極酸化皮膜４１は、薄く、かつ、大きな孔径を有するため、生分解期間が短く、生分解によって早期に消滅する。陽極酸化皮膜４１の消滅によってねじ本体３の遊び側フランク２１が露出すると、この遊び側フランク２１の露出部分（図２中、一点鎖線で囲まれる部分）を起点にしてねじ本体３の生分解が始まる。ただし、遊び側フランク２１は、雄ねじ２による骨Ｂに対する固定力に寄与しないので、遊び側フランク２１の生分解が進んだとしても、インプラント１の骨Ｂに対する固定力は維持される。

このように、本実施形態に係るインプラント１によれば、骨Ｂへの固定力に影響しない遊び側フランク２１上の陽極酸化皮膜４１の生分解期間を短くし、遊び側フランク２１を起点にねじ本体３の生分解が早期に開始されるようにすることで、インプラント１の骨への固定力を維持しながらも、インプラント１全体の生分解に要する期間を短縮することができ、骨治癒後にはインプラント１を早期に消滅させることができるという利点がある。特に、インプラント１の骨Ｂへの固定力を発揮する圧力側フランク２２において、骨Ｂとの強固な結合が形成されるようにすることで、インプラント１の骨Ｂに対する固定力を高い状態に維持することができるという利点がある。

１ インプラント
２ 雄ねじ
２１ 遊び側フランク
２２ 圧力側フランク
３ ねじ本体
４，４１，４２ 陽極酸化皮膜
５ 陰極
Ａ ねじ軸
Ｂ 骨
Ｅ 電解液

Claims (5)

1. 純マグネシウムまたはマグネシウム合金からなり、雄ねじを有するねじ本体と、
   該ねじ本体の外表面を被覆する陽極酸化皮膜とを備え、
   前記雄ねじが、前記ねじ本体のねじ込み時に進行方向前方を向く遊び側フランクと、進行方向後方を向く圧力側フランクとを有し、
   前記遊び側フランク上の陽極酸化皮膜の生分解期間が、前記圧力側フランク上の陽極酸化皮膜の生分解期間よりも短いインプラント。
2. 前記遊び側フランク上の陽極酸化皮膜の平均孔径が、前記圧力側フランク上の陽極酸化皮膜の平均孔径よりも大きい請求項１に記載のインプラント。
3. 前記遊び側フランク上の陽極酸化皮膜の平均孔径が、１μｍ以上１００μｍ以下であり、
   前記圧力側フランク上の陽極酸化皮膜の平均孔径が、０．１μｍ以上１０μｍ以下である請求項２に記載のインプラント。
4. 前記圧力側フランク上の陽極酸化皮膜のリン含有率が、前記遊び側フランク上の陽極酸化皮膜のリン含有率よりも高い請求項１から請求項３のいずれかに記載のインプラント。
5. 前記圧力側フランク上の陽極酸化皮膜のリン含有率が、１０重量％以上３０重量％以下であり、
   前記遊び側フランク上の陽極酸化皮膜のリン含有率が、２重量％以上２０重量％以下である請求項４に記載のインプラント。