JP6777725B2 - 抗菌性生体内埋込用器具 - Google Patents

Description

本発明は生体内埋込用器具に関し、特に生体内に埋め込まれて使用されている状態で抗菌性を発現する生体内埋込用器具に関する。

整形外科用の生体内埋込用器具としては、ケージ、ワイヤー、プレート、スクリュー、ロッド、コネクター、クロスリンク、フック、セットスクリュー、人工椎体、人工椎間板など種々の器具が用いられている。これらの器具は、生体内に埋め込まれて使用される際に、菌により汚染される場合がある。生体内埋込用器具に菌が定着すると、菌の繁殖を防止することは非常に困難である。体内での菌の繁殖及び感染を防止するためには、生体内埋込用器具を取り出して取り替えるために外科的手術を行う必要があり、患者に対する負荷が非常に大きい。抗菌性生体内埋込用器具の提供が要望されている。

生体内埋込用器具に抗菌性を付与する技術としては、インプラント本体の外面上に設けられた抗菌性金属を含む金属コンポーネントと、第１の端子及び第２の端子を備えた電源と、を有し、前記端子のうち一方は、前記金属コンポーネントと電気的連絡状態にあり、更に、前記電源の第１の端子と前記電源の第２の端子との間の電流路中に配置された絶縁体を有し、前記絶縁体は、植え込み時、前記インプラントシステムの外面に隣接して位置する導電性体組織又は体液を含む回路を構成することなしに前記第１の端子から流れる電流が前記第２の端子に到達するのを阻止する、医用インプラントシステムが提案されている（特許文献１）。特許文献１では、抗菌性金属として、銀、銅、銀と銅の両方、銀とカドミウムの両方、又は銀、銅及びカドミウムの組合せが挙げられている。特許文献１において、抗菌性を発現するためには、インプラント本体に加えて、外部の電源設備及び端子が必要であり、抗菌性を付与するために施術又は外部からの操作が必要となる。患者の負荷低減の観点からさらなる改良が求められる。

特許第5175185号公報

本発明は、患者の負荷軽減のため、生体内に埋め込むだけで抗菌性を発現できる生体内埋込用器具を提供することを目的とする。

本発明の具体的態様は以下のとおりである。
［１］第一の材料と第二の材料から構成される生体内埋込用器具であって、
第一の材料の少なくとも表面は抗菌性金属を含み、
第二の材料の少なくとも表面は第一の材料より貴であり、
生体内に埋め込んで使用される際に当該第一の材料と当該第二の材料との間で電気回路が構成され、
電解質存在下において当該第一の材料から当該抗菌性金属のイオンが溶出して、当該第一の材料表面及び／又は近傍を抗菌性とすることを特徴とする抗菌性生体内埋込用器具。
［２］前記第一の材料は、コバルト、銀、亜鉛、銅、タングステン、マグネシウム、ニッケル、リンの少なくともいずれか一つの抗菌性金属を含むことを特徴とする［１］の抗菌性生体内埋込用器具。
［３］前記第一の材料は、コバルト基含有合金である［１］又は［２］の抗菌性生体内埋込用器具。
［４］前記コバルト基含有合金は、コバルト：２９〜６９ｍａｓｓ％を含む、［３］に記載の抗菌性生体内埋込用器具。
［５］前記コバルト基含有合金が、コバルトクロム合金である［３］又は［４］に記載の抗菌性生体内埋込用器具。
［６］前記コバルトクロム合金は、クロム：１８〜３０ｍａｓｓ％を含む、［５］に記載の抗菌性生体内埋込用器具。
［７］前記第二の材料は、チタンあるいはチタン基含有合金である［１］〜［６］のいずれか１に記載の抗菌性生体内埋込用器具。
［８］前記チタンあるいはチタン合金は、チタン：６８〜１００ｍａｓｓ％を含む、［７］に記載の抗菌性生体内埋込用器具。
［９］前記第一の材料の表面積と第二の材料の表面積との比率が、第二の材料／第一の材料＝０．２〜１０．８の範囲にあることを特徴とする［１］〜［８］のいずれか１に記載の抗菌性生体内埋込用器具。
［１０］前記第一の材料からコバルトイオンが７ｎｍｏｌ／ｌ〜８１μｍｏｌ／ｌの範囲で溶出することを特徴とする［２］〜［９］のいずれか１に記載の抗菌性生体内埋込用器具。
［１１］前記抗菌性生体内埋込用器具はスクリュー部及び頭部を含むスクリューであり、
スクリューの頭部が前記第一の材料を含み、
スクリューのスクリュー部が前記第二の材料を含む、［１］〜［１０］のいずれか１に記載の抗菌性生体内埋込用器具。なお、スクリューとしては、スクリュー部と頭部とが一体的に構成されている固定タイプ、又は頭部に対してスクリュー部が可動的に接合されている可動タイプのいずれでもよい。
［１２］前記スクリュー部は、内部に中空部を有する中空スクリューである、［１１］に記載の抗菌性生体内埋込用器具。
［１３］前記スクリュー部は、内部に中空部を有し、当該内部の中空部と外部とを連通する窓を有する中空スクリューである、［１１］又は［１２］に記載の抗菌性生体内埋込用器具。
［１４］前記スクリュー部は、
前記第二の材料を含む多孔質部と、
前記第二の材料を含む中実部と、
を有する、［１１］〜［１３］のいずれか１に記載の抗菌性生体内埋込用器具。
［１５］前記抗菌性生体内埋込用器具はスクリュー部及び頭部を含むスクリューであり、
スクリューの頭部が前記第二の材料を含み、
前記第一の材料を含み、頭部に螺合するセットスクリュー及び／又は頭部に嵌合するキャップをさらに有する、［１］〜［１０］のいずれか１に記載の抗菌性生体内埋込用器具。
［１６］前記頭部は、
前記第二の材料を含む多孔質部と、
前記第二の材料を含む中実部と、
を有する、［１５］に記載の抗菌性生体内埋込用器具。

本発明の生体内埋込用器具は、一旦生体内に埋め込んだ後に、外部からの操作又は施術なしに、抗菌性を発現できるので、患者に対する負荷を著しく軽減することができる。

抗菌性生体内埋込用器具の使用状態を示す概略説明図である。 スクリューである態様の抗菌性生体内埋込用器具の斜視図である。 スクリュー部が中空タイプである態様の抗菌性生体内埋込用器具の断面図である。 スクリュー部が中空タイプであり、中空部と外部とを連通する窓を有する態様の抗菌性生体内埋込用器具の斜視図である。 図４の中空部と外部とを連通する窓を有する態様の抗菌性生体内埋込用器具の断面図である。 スクリュー部が、凝固部と焼結部とを有する態様の抗菌性生体内埋込用器具の断面図（図中左下）及び一部拡大図（図中右上）である。 スクリュー部と頭部は同一合金材料から形成され、頭部に螺合するセットスクリューは異種合金材料から形成される態様の抗菌性生体内埋込用器具の斜視図である。 頭部にキャップを被せる態様の抗菌性生体内埋込用器具の斜視図である。

添付図面を参照しながら、本発明を説明する。

本発明の抗菌性生体内埋込用器具は、第一の材料と第二の材料から構成される生体内埋込用器具であって、第一の材料の少なくとも表面は抗菌性金属を含み、第二の材料の少なくとも表面は第一の材料より貴であり、生体内に埋め込んで使用される際に当該第一の材料と当該第二の材料との間で電気回路が構成され、電解質存在下において当該第一の材料から当該抗菌性金属のイオンが溶出し、当該第一の材料表面及び／又は近傍を抗菌性とすることを特徴とする。本発明の抗菌性生体内埋込用器具は、少なくとも二種類の材料からなり、これら二種類の材料を生体内で接触させるだけで、短絡して電気回路が形成される。

第一の材料は、コバルト、銀、亜鉛、銅、タングステン、マグネシウム、ニッケル、リンの少なくともいずれか一つの抗菌性金属を含み、コバルト基含有合金であることが好ましい。コバルト基含有合金は、コバルト：２９〜６９ｍａｓｓ％を含むことがより好ましい。また、コバルト基含有合金が、クロム：１８〜３０ｍａｓｓ％を含むコバルトクロム合金であることがさらに好ましい。

第二の材料は、チタンあるいはチタン基含有合金であることが好ましい。チタンあるいはチタン合金は、チタン：６８〜１００ｍａｓｓ％を含むことがより好ましい。

第一の材料の表面積と第二の材料の表面積との比率は、第二の材料／第一の材料＝０．２〜１０．８の範囲にあることがより好ましい。

コバルト：２９〜６９ｍａｓｓ％を含むコバルト基含有合金から構成される第一の材料と、チタン：６８〜１００ｍａｓｓ％を含むチタン合金から構成される第二の材料との組み合わせを用いる場合には、第一の材料からコバルトイオンが７ｎｍｏｌ／ｌ〜８１μｍｏｌ／ｌの範囲で溶出し、良好な抗菌性を提供する。

図１は、本発明の抗菌性生体内埋込用器具の使用状態を示す概略説明図である。図１には、それぞれ椎骨（椎弓根）に埋め込まれている２個のスクリュー１とその間に架設されているロッド２が示されている。

図２は、例えば図１に示すスクリュー１の斜視図である。スクリュー１は、スクリュー部１０及び頭部２０を有する。スクリュー部１０の上端１１は、頭部２０と共にロッド２を支持する。頭部２０の少なくとも表面は第一の材料から構成され、スクリュー部１０の少なくとも表面は第二の材料から構成されている。第一の材料の少なくとも表面は抗菌性金属を含み、第二の材料の少なくとも表面は第一の材料より貴であり、第一の材料と第二の材料とは電位差を有する材料の組合せであるため、頭部２０とスクリュー部１０とが接触することで短絡により電気回路が形成され、電解質存在下において頭部２０の第一の材料から抗菌性金属のイオンが溶出し、頭部２０の表面及び／又は近傍を抗菌性となる。

図３は、図２のスクリューの変形例であり、スクリュー部１０内部が中空１２である態様の断面図である。中空内部１２は、スクリューを埋め込む際のガイドを通過させるだけでなく、第二の材料の表面積を大きくするために設けられる。

図４及び５は、図２のスクリューの変形例であり、スクリュー部１０内部が中空１２であり、スクリューの中空内部１２と外部とを連通するための窓部１３がスクリュー部１０に設けられている態様を示す。窓部１３は、第二の材料の表面積を大きくするために設けられる。

図６は、スクリュー部１０を構成する第二の材料が異種の合金粉末形態である態様を示す。スクリュー部１０は、図中右上の一部拡大断面図に示すように、第二の材料からなる複数の粉末粒子が溶融されて形成される中実外壁１０ａと、第二の材料からなる複数の粉末粒子から形成される多孔質部１０ｂ及び１０ｃと、が積層されてなる。なお、焼結部１０ｃは、スクリュー部１０の中空内部を通して見える側壁の焼結部である。図示した実施形態において、中実部外壁１０ａの下層に多孔質部１０ｂ及び１０ｃが位置づけられているが、外壁を多孔質部として、外壁の下層に中実部を設けてもよい。多孔質部と中実部とを積層させるには、圧縮成型法や焼結法、拡散接合法、電子ビームやレーザーなどを用いた付加製造法（Ａｄｄｉｔｉｖｅ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）、金属粉末射出成型法（Ｍｅｔａｌ Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ Ｍｏｌｄｉｎｇ）、放電プラズマ焼結（Ｓｐａｒｋ Ｐｌａｓｍａ Ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ）及びこれらの組合せなどを好適に用いることができる。

本態様の場合、第二の材料を粉末粒子のまま含む焼結部が存在することによって、第二の材料の表面積が増大し、第一の材料に対する第二の材料の表面積比率を大きくすることができる。後述する実施例の結果に示されるように、第二の材料の表面積比率が大きいほど抗菌性が向上する。

また、図示した形態において、スクリュー部１０の内部は中空１２となっているが、中実でもよい。スクリュー部１０の内部を中実として、第二の材料からなる複数の粉末粒子が焼結されて形成される焼結部１０ｂとの積層部分を多く含むことによって、第二の材料の表面積をさらに大きくすることができ、抗菌性も向上する。

図７は、頭部２０に、セットスクリュー２２が螺合して、ロッド２を支持する態様を示す。スクリューの頭部２０が第二の材料を含み、頭部２０に螺合するセットスクリュー２２が第一の材料を含む。頭部２０とセットスクリュー２２とが接触することで、電位差のある合金の短絡による電気回路が形成される。本態様において、スクリュー部１０は、頭部２０と同一材料で一体に形成された一体型でもよく、あるいはスクリュー部１０を頭部２０と同一又は異種の材料で独立して構成された枢軸自在な可動型としてもよい。

図８は、頭部２０にロッド２を支持するセットスクリュー２２を螺合させ、頭部２０の上にキャップ２３を被せる態様を示す。キャップ２３は頭部２０とは異種の材料とすることが好ましく、たとえば頭部２０が第一の材料から構成されている場合には、キャップ２３の少なくとも頭部２０と接触する表面は第二の材料とすることが好ましい。図示した態様において、キャップ２３は、頭部２０の嵌合穴２０ａに嵌合する凸部２４ａを有する脚部２４を有し、脚部２４の表面を第二の材料とすることが好ましい。

以下、実施例により本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

［実施例１］
（試験片作製）
市販の生体適合性チタン合金（チタン含有量：８８〜９１mass%）及び生体適合性コバルトクロム合金（コバルト含有量：５８〜６９mass%、クロム含有量：２６〜３０mass%）を表１に示す種々の面積を有する厚さ３ｍｍのコイン形状の試験片（試験片番号３のチタン合金のみ平板形状）に加工し、表１に示す種々の組合せで積層させて短絡させた。比較対象として、厚さ１ｍｍの平板形状のポリエチレン製試験片（対照）、厚さ３ｍｍのコイン形状のコバルトクロム合金製試験片（比較１）及び厚さ３ｍｍのコイン形状のチタン合金性試験片（比較２）も同様に作製した。

（抗菌性試験）
JIS Z2801抗菌加工製品−抗菌性試験方法・抗菌効果を参考に抗菌性評価を行った。

表１に示す各試験片をペトリディッシュに設置し、普通ブイヨン培地（１／１００）に懸濁させたStaphylococcus aureus（NBRC12732）を４０μｌ滴下した。滴下した試験菌液の上にポリエチレンフィルムを被せ、３５°Ｃにて２４時間培養後、試験片から菌体を洗い出した。得られた洗い出し液を１０倍希釈系列で段階希釈し、寒天平板培養法に供して３５°Ｃにて２４時間培養し、形成されたコロニー数（CFU: Colony Forming Unit）から生菌数を算出した。２４時間接触後の対照のポリエチレン製試験片上の生菌数（Nc）と各試験片の生菌数（N）の対数値の差を抗菌活性値とした。

表２に、各試験片の生菌数及び抗菌活性値を示す。抗菌活性値が２．０以上のとき、抗菌効果があるものと判断した。面積比（チタン合金製試験片の表面積／コバルトクロム合金製試験片の表面積）が大きくなるに従い、生菌数が小さくなった（抗菌活性値は大きくなった）。

［実施例２］
（試験片作製）
チタン合金及びコバルトクロム合金からなる生体内埋込用器具（コバルトクロム合金に対するチタン合金の面積比を０．８９に設計した）を作製した（生体内埋込用器具１）。比較例として、全く同じ形状のチタン合金のみからなる生体内埋込用器具も同様に作製した（生体内埋込用器具２）。

（抗菌性試験）
ポリプロピレン製チューブに生体内埋込用器具を設置し、普通ブイヨン培地（１／１００）に懸濁させたStaphylococcus aureus（NBRC12732）１ｍｌに浸漬した。３５°Ｃにて２４時間培養後に溶液を回収した。得られた回収液を１０倍希釈系列で段階希釈し、寒天平板培養法に供して３５°Ｃにて２４時間培養し、形成されたコロニー数（CFU: Colony Forming Unit）から生菌数を求めた。

表４に各生体内埋込用器具の生菌数及び抗菌活性値を示す。チタン合金及びコバルトクロム合金の面積比を適切に設計した生体内埋込用器具１は、生菌数が著しく減少した。これに対して、チタン合金のみからなる生体内埋込用器具２では、生菌数の減少は認められなかった。

Claims (15)

1. 第一の材料と第二の材料とから構成される抗菌性生体内埋込用器具であって、
   第一の材料の少なくとも表面は抗菌性金属を含み、
   第二の材料の少なくとも表面は第一の材料より貴であり、
   生体内に埋め込んで使用される際に当該第一の材料と当該第二の材料との間で電気回路が構成され、
   電解質存在下において当該第一の材料から当該抗菌性金属のイオンが溶出して、当該第一の材料表面及び／又は近傍を抗菌性とすること、及び
   前記抗菌性生体内埋込用器具はスクリュー部及び頭部を含むスクリューであり、
   スクリューの頭部が前記第一の材料を含み、
   スクリューのスクリュー部が前記第二の材料を含むこと
   を特徴とする抗菌性生体内埋込用器具。
2. 前記スクリュー部は、内部に中空部を有する中空スクリューである、請求項１に記載の抗菌性生体内埋込用器具。
3. 前記スクリュー部は、内部に中空部を有し、当該内部の中空部と外部とを連通する窓を有する中空スクリューである、請求項１又は２に記載の抗菌性生体内埋込用器具。
4. 前記スクリュー部は、
   前記第二の材料を含む多孔質部と、
   前記第二の材料を含む中実部と、
   を有する、請求項１〜３のいずれか１に記載の抗菌性生体内埋込用器具。
5. 第一の材料と第二の材料とから構成される抗菌性生体内埋込用器具であって、
   第一の材料の少なくとも表面は抗菌性金属を含み、
   第二の材料の少なくとも表面は第一の材料より貴であり、
   生体内に埋め込んで使用される際に当該第一の材料と当該第二の材料との間で電気回路が構成され、
   電解質存在下において当該第一の材料から当該抗菌性金属のイオンが溶出して、当該第一の材料表面及び／又は近傍を抗菌性とすること、及び
   前記抗菌性生体内埋込用器具はスクリュー部及び頭部を含むスクリューであり、
   スクリューの頭部が前記第二の材料を含み、
   前記第一の材料を含み、頭部に螺合するセットスクリュー及び／又は頭部に嵌合するキャップをさらに有すること
   を特徴とする抗菌性生体内埋込用器具。
6. 前記頭部は、
   前記第二の材料を含む多孔質部と、
   前記第二の材料を含む中実部と、
   を有する、請求項５に記載の抗菌性生体内埋込用器具。
7. 前記第一の材料は、コバルト、銀、亜鉛、銅、タングステン、マグネシウム、ニッケル、リンの少なくともいずれか一つの抗菌性金属を含むことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１に記載の抗菌性生体内埋込用器具。
8. 前記第一の材料は、コバルト基含有合金である請求項１〜７のいずれか１に記載の抗菌性生体内埋込用器具。
9. 前記コバルト基含有合金は、コバルト：２９〜６９ｍａｓｓ％を含む、請求項８に記載の抗菌性生体内埋込用器具。
10. 前記コバルト基含有合金が、コバルトクロム合金である請求項８又は９に記載の抗菌性生体内埋込用器具。
11. 前記コバルトクロム合金は、クロム：１８〜３０ｍａｓｓ％を含む、請求項１０に記載の抗菌性生体内埋込用器具。
12. 前記第二の材料は、チタンあるいはチタン基含有合金である請求項１〜１１のいずれか１に記載の抗菌性生体内埋込用器具。
13. 前記チタンあるいはチタン合金は、チタン：６８〜１００ｍａｓｓ％を含む、請求項１２に記載の抗菌性生体内埋込用器具。
14. 前記第一の材料の表面積と第二の材料の表面積との比率が、第二の材料／第一の材料＝０．２〜１０．８の範囲にあることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１に記載の抗菌性生体内埋込用器具。
15. 前記第一の材料からコバルトイオンが７ｎｍｏｌ／ｌ〜８１μｍｏｌ／ｌの範囲で溶出することを特徴とする請求項７〜１４のいずれかに１に記載の抗菌性生体内埋込用器具。