JPH05146501A

JPH05146501A - 骨接合用デバイス

Info

Publication number: JPH05146501A
Application number: JP3341894A
Authority: JP
Inventors: Yasuo Shikinami; 保夫敷波; Kunihiro Hata; 邦広畑; Hidekazu Bouya; 英和棒谷
Original assignee: Takiron Co Ltd
Current assignee: Takiron Co Ltd
Priority date: 1991-11-29
Filing date: 1991-11-29
Publication date: 1993-06-15
Anticipated expiration: 2015-08-07
Also published as: JP3074410B2

Abstract

(57)【要約】【目的】初期強度、初期弾性率に優れ、芯材が生体適
合性を有し、被覆材が生体内分解吸収性でバースト的な
吸収による炎症の可能性が極めて低く、吸収後の空洞が
新生骨により早期に埋まる、抜釘のための再手術が不要
な骨接合用デバイスを提供する。【構成】生体適合性のある酸化物系セラミックスまた
は燐酸カルシウム系セラミックスの成形体を芯材とし、
この芯材を生体内分解吸収性のポリ乳酸、望ましくは一
軸延伸したポリ乳酸で被覆した構成とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、骨の損傷や骨折時ある
いは骨移植時に、骨が形成されるまでその部分を固定、
補助および補綴する骨接合用デバイスに関する。更に詳
しくは、芯材として生体骨と同等の組成を有する酸化物
系セラミックスまたは燐酸カルシウム系セラミックスの
成形体を使用し、これを生体内吸収性のポリ乳酸で被覆
した骨接合用デバイスに関する。

【０００２】

【従来の技術】整形外科、形成外科、胸部外科、口腔外
科等の外科分野では、生体骨の固定、接合を目的とした
人工整復材として、従来より金属製（Ｃｒ−Ｎｉ合金
系、Ｔｉ合金系など）とセラミックス製（アルミナ，ジ
ルコニアなどの酸化物系セラミックスや、ハイドロキシ
アパタイト、燐酸三カルシウムなどの燐酸カルシウム系
セラミックスなど）の無機材料が使用されるようになっ
ている。

【０００３】また最近では、ポリ乳酸、ポリグリコール
酸、ポリジオキサノン或はこれらの共重合体からなる生
体内分解吸収性材料を用いた整復材に関する研究も盛ん
で、臨床試験の段階を経て実用化されつつある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記の金属製材料は長
期の実績があり、よく用いられているが、弾性率が非常
に高いため周囲骨の強度を低下させたり、また金属イオ
ンの溶出によって生体を損傷する可能性があるなどの問
題点を有している。更に、金属製材料の最大の欠点は、
骨折や骨の損傷が治癒した時点で、それを生体内から取
り出すために再手術をしなければならず、そのことが患
者に肉体的、経済的な負担を強いる点にある。

【０００５】一方、セラミックス製材料は、生体適合性
が良好なことから、近年盛んに試用されているが、これ
らもまた金属製材料と同様に弾性率が高いことに起因す
る弊害を問題点として残している。また、セラミックス
製材料は他の材料と比較して脆いという点にも問題があ
る。

【０００６】このような骨接合用デバイスとして、近
年、生体吸収性高分子を用いる研究が盛んであり、特に
ポリ乳酸、ポリグリコール酸、グリコール−乳酸コポリ
マーを成形することにより骨接合用デバイスを得るとい
う研究が多く、特開昭５９−９７６５４号、特開平１−
１９８５５２号、特開平１−１９８５５３号、特開平３
−２９６６３号、特開平３−１０３４２９号などはその
例である。なかでも、本発明者らは、特開平１−１９８
５５３号において、粘度平均分子量が３０万以上のポリ
乳酸を成形し、その後延伸操作を加えることにより、初
期強度及び初期弾性率が生体骨と同程度で、且つ骨折及
び損傷を受けた骨の強度と機能がほぼ回復するまでの
間、生体骨に近い強度を維持しており、最終的に骨の形
成が完了する頃には、生体内に完全に吸収されていると
いう理想的な骨接合材を提供した。更に本発明者らは、
特開平３−２９６６３号において、生体の各部位におけ
る骨の必要強度と強度保持期間を明確にし、各部位に好
適に使用される骨接合材を提供した。

【０００７】本発明者らが提供したこれらの骨接合材
は、強度的には骨接合材として要求される特性を全て満
たしており、現在に至っても問題点のない優れた材料で
ある。しかし、一方で、ポリ乳酸からなる径の太いスク
リュー等を用いた場合には、その吸収速度がスローであ
り、完全に吸収されるまでに１〜２年、場合によっては
３年程度かかるものがあることが判ってきた。

【０００８】また、生体吸収性材料を用いた複合体の研
究も行われており、特開昭６３−６８１５５号ではポリ
乳酸にハイドロキシアパタイトを混合し、溶融押出によ
り成形したピン状成形物が開示されている。しかし、こ
の場合には吸収性材料の部分が分解吸収されるにつれて
ポーラスな構造になり、ある時点でより加速度的に分解
吸収が促進される傾向が不可避である。そのため、局部
的にｐＨが上昇し、炎症を起こす可能性が大きい。

【０００９】更に、ＵＳＰ４７４３２５７号において
は、生体吸収性高分子からなるマトリックスを同じ成分
からなるファイバーで補強する所謂ｓｅｌｆ−ｒｅｉｎ
ｆｏｒｃｅした複合体からなる骨接合材が示されている
が、これも繊維状にほぐれて表面積が大きくなるので、
ある時期に急激にバースト的吸収を起こす可能性が大き
く、それにより炎症を引き起こす場合が考えられる。

【００１０】本発明は上記のような問題点に鑑みてなさ
れたもので、初期強度、初期弾性率に優れ、生体内に埋
入後数ケ月程度で周囲のポリ乳酸の被覆部分が吸収さ
れ、その後はセラミックスの芯材が生体組織と適合する
ため、抜釘のための再手術の必要性がなく、また生体吸
収性のポリ乳酸の占める割合が低いため、吸収される絶
対量が少なく、炎症を引き起こす可能性が極めて低く、
新生骨により吸収された後の空洞が早期に埋まるという
理想的な骨接合用デバイスを提供することを目的とす
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の骨接合用デバイ
スは、酸化物系セラミックスまたは燐酸カルシウム系セ
ラミックスの成形体を芯材とし、該芯材をポリ乳酸で被
覆したことを特徴とする。

【００１２】本発明に用いる芯材は、酸化物系セラミッ
クスまたは燐酸カルシウム系セラミックスの成形体で生
体適合性の良いものであればよく、例えば酸化物系セラ
ミックスとしてはアルミナ、ジルコニアなどが、燐酸カ
ルシウム系セラミックスとしてはハイドロキシアパタイ
ト、燐酸三カルシウムなどが好ましく使用される。これ
らのセラミックス材料は、従来法によって成形した後、
所定の外径を有する円柱状に精密加工して用いればよ
い。尚、これらのセラミックスの他に生体活性のある脱
灰骨を充填したり、ＢＭＰ（ＢｏｎｅＭｏｒｐｈｏｒ
ｏｇｅｎｅｔｉｃＰｒｏｔｅｉｎ）を混合して用いても
よい。

【００１３】一方、被覆材として使用する生体内吸収性
のポリ乳酸（以下、ＰＬＡと記す）は、光学活性を有す
るＬ体またはＤ体の乳酸から常法（Ｃ．Ｅ．Ｌｏｖｅ，
米国特許第２６６８１８２号明細書）に従って乳酸の環
状二量体であるラクチドを合成したあと、そのラクチド
を開環重合することによって得られるもので、Ｌ体のポ
リ乳酸（以下、ＰＬＬＡと記す）の方がより好適であ
る。このＰＬＬＡは、分子量と結晶化度を適度に調整す
ることが重要である。即ち、ＰＬＬＡは分子量が高いも
のほど高強度の材料となるが、あまり分子量が高すぎる
と、溶融成形の際に高温、高圧が必要となるため大幅な
分子量低下を招き、結果として溶融成形後の分子量は低
いものとなり、当然のことながら強度も低いものとな
る。他方、結晶性材料は非晶性材料に比べて曲げ強度、
弾性率が高く、また体液の浸透は結晶相の方が遅く、見
掛け上の加水分解も遅い。しかし、熱処理により結晶化
度を上げていくと、強度は向上するが、ＰＬＬＡが熱的
に不安定であるため劣化が進行して分子量低下が生じ、
加水分解速度が速くなり、強度劣化が急激に起こるよう
になる。このような理由から、被覆材料のＰＬＬＡは粘
度平均分子量が３０万〜６０万、なかんずく３５万〜５
５万程度で、結晶化度が１０〜６０％程度のものが好適
に使用される。

【００１４】また、被覆材料のＰＬＬＡは、溶融成形後
に２〜５倍程度の延伸倍率で一軸延伸することが好まし
い。このように一軸延伸するとＰＬＬＡ成形物の強度が
向上し、圧縮曲げ強度が１６０〜２５０ＭＰａ、圧縮曲
げ弾性率が５５００〜２４０００ＭＰａの値を示す強靱
なものとなり、また、延伸後の若干の戻りが生じること
によって芯材を締付ける力が大幅に増大するからであ
る。

【００１５】上記の如き延伸または無延伸のＰＬＬＡ被
覆材で前記のセラミックス芯材を被覆した本発明の骨接
合用デバイスは、一般的な外科手術で用いられているよ
うなロッド、スクリュー、ピンなど種々の形状で利用さ
れる。ロッドやピンの場合は芯材の直径を１〜３．５ｍ
ｍ（好ましくは１．２〜３ｍｍ）程度、ＰＬＬＡ被覆材
の厚みを０．７５〜２ｍｍ（好ましくは１〜１．５ｍ
ｍ）程度、全体の直径を２．５〜８ｍｍ（好ましくは３
〜６ｍｍ）程度に設定したものが使用され、またスクリ
ューの場合もほぼ同寸法のものが使用されるが、スクリ
ューのＰＬＬＡ被覆材の厚みは溝切り分を考慮してやや
厚くするのが望ましい。

【００１６】本発明の骨接合用デバイスは、例えばＰＬ
Ａ（ＰＬＬＡ）を溶融成形し、望ましくは一軸延伸した
後、ドリル加工により孔をあけて中空パイプとし、これ
を窒素雰囲気中８０℃前後で加熱した状態で芯材を孔に
挿入することにより製造される。この際、ドリル加工で
発生する熱がＰＬＬＡに蓄熱しないように注意すること
が肝要である。尚、上記の製造方法は一例であり、これ
以外にも、例えばクロスヘッド金型を用いて芯材にＰＬ
Ａを被覆する方法など、種々の製造方法が採用可能であ
る。

【００１７】

【作用】本発明の骨接合用デバイスを体内に埋入する
と、表面のＰＬＡ（ＰＬＬＡ）が体液と接触して徐々に
加水分解を始め、表面から内側に穏やかに進行するが、
本発明のデバイスはＰＬＡを被覆材部分にのみ用いてい
るため、全体をＰＬＡで成形した従来のデバイスに比較
すると、ＰＬＡの吸収が早期に完了し、吸収される絶対
量も少ない。従って、本発明の骨接合用デバイスは炎症
を起こす可能性が極めて低い。そして、ＰＬＡの被覆材
が完全に吸収された後には生体適合性に優れたハイドロ
キシアパタイト等のセラミックスの芯材が残り、骨折部
分や損傷部分が完全に治癒するまでの間、骨接合用デバ
イスとしての機能を果たす。

【００１８】このように本発明の骨接合用デバイスは、
ＰＬＡ製デバイスに比べると、ＰＬＡの吸収速度が速く
吸収される絶対量が少ないため、炎症を起こしにくいも
のであり、しかも、セラミックス製の芯材をＰＬＬＡで
被覆しているため、従来のセラミックス製デバイスに見
られるような脆さの欠点を充分カバーできるものであ
る。つまり初期強度がＰＬＡと芯材の中間的な値を示
し、その表面特性はＰＬＡの性質に依存する。ＰＬＡは
有機ポリマーとしての靱性を与え、芯材であるセラミッ
クスは弾性率の高さと剛性が強いことの利点を与える。
芯材に用いるセラミックスの粉体を混合した場合には、
このような物理的強度は改善されない。

【００１９】また、ＰＬＡが完全に吸収された時には、
骨折及び損傷部位の治癒がある程度進行しており、セラ
ミックス材料の欠点である周囲骨の強度低下の現象も最
小限に抑えることができる。更に、ＰＬＡにハイドロキ
シアパタイトを粉末あるいはフレーク状で混合したり、
繊維補強したものと比較しても、バースト状の吸収がな
く、炎症を起こす可能性が低いなど、現在使用あるいは
検討されている骨接合デバイスに比べても極めて優れた
骨接合用デバイスであると言える。

【００２０】また、本発明者らは、被覆材として好適に
使用されるＰＬＡを延伸すると圧電性を生じるという事
実を見出した。この圧電性の効果により仮骨の生成が促
進されることが判っており、その点からも本発明の骨接
合用デバイスは理想的なものと言える。

【００２１】更に、ＰＬＡからなる従来のデバイスはＸ
線によるレントゲン撮影には写らないという欠点があ
り、埋入後の分解挙動などを把握しにくいという問題が
あったが、本発明の骨接合用デバイスでは、芯材として
用いるセラミックス系成形物がＸ線撮影可能であり、レ
ントゲン撮影時のマーカーにもなり得る。

【００２２】

【実施例】以下、本発明の実施例を詳述する。

【００２３】直径１．５ｍｍのハイドロキシアパタイト
（以下、ＨＡと記す）の焼結ロッドに対し、粘度平均分
子量（クロロホルム中、２５℃にて測定）が４０万のＰ
ＬＬＡを押出成形により被覆してＨＡ／ＰＬＬＡの複合
ロッドを作り、次いで１０５℃の温度でＰＬＬＡの被覆
部分を長軸方向に４倍に延伸することにより、外径が
３．２ｍｍ，長さ５．５ｃｍの複合ロッドを作製した
（サンプル１）。

【００２４】また、同様の方法で、ＨＡ及びウォラスト
ナイトを含有する結晶化ガラスよりなる直径２ｍｍのロ
ッドをＰＬＬＡで被覆して、外径６．５ｍｍ長さ５ｃｍ
の複合ロッドを作り、これを切削加工して海綿骨用スク
リュー（スクリューの谷径は４ｍｍ、ＰＬＬＡの肉厚は
谷径の部分で１ｍｍ、山径の部分で２．２５ｍｍ）を作
製した（サンプル２）。

【００２５】これらの物理的強度を測定したところ、曲
げ強度及び曲げ弾性率は芯材が支配的であり、サンプル
１でそれぞれ２４００ｋｇ／ｃｍ²と２１００ｋｇ／ｍ
ｍ²、サンプル２でそれぞれ２５００ｋｇ／ｃｍ²と４０
００ｋｇ／ｍｍ²であった。また、表面はＰＬＬＡの物
性に依存し、セラミックスの脆さはなく、靱性を有して
いた。しかも、ＰＬＬＡのような可撓性はなく、芯材の
セラミックスの剛性を有しているので、スクリューを埋
入するに都合のよい強度を有していた。また、芯材とＰ
ＬＬＡ被覆材の界面は、ＰＬＬＡの延伸時に一度伸長し
た後、加熱下に戻りが生じて芯材を締め付けた状態が生
ずるので、単にセラミックスロッドを熱被覆した状態と
は異なっており、物理的な密着が非常に強く、容易に剥
離できるものではなかった。これは密着力を上げるため
に接着剤として第三物質を要しないので好都合であっ
た。

【００２６】次いで、サンプル１のロッドを、５頭のネ
コの脛・腓骨骨幹部中央を実験的に横骨折を作り、その
髄内に挿入して整復、固定した。外部は硬化帯を装着
し、各固体ともにケージレストを行った。

【００２７】一方、サンプル２のスクリューは５羽の家
兎の脛骨近位部に実験的に骨切り術を行い、内固定し
た。即ち、体重約３ｋｇの家兎の右脛骨近位部に関節面
約１／３を含む縦割れ骨折を作成し、スクリュー一本に
て内固定した。外固定はせずケージレストを行った。

【００２８】両者のコントロールとしてＰＬＬＡのみか
らなる同径、同長のロッドとスクリューを用いて同様の
整復、固定を行った。

【００２９】その後、２５ケ月を経過した後、各々を屠
殺して、ロッド孔とスクリュー孔を観察したところ、コ
ントロールのロッドはＰＬＬＡが分解、吸収され、固体
としての残存は認められなかったが、ロッド孔は明瞭に
認められ、新生骨が置換するまでには至らなかった。ま
た、スクリューの場合は、約５〜３０％のＰＬＬＡの固
体の残存があり、その分子量は２０００〜３０００以下
に劣化しているもののスクリュー孔は明瞭に認められ
た。

【００３０】これに対し、ＨＡを芯材に有するサンプル
１の複合ロッドの場合は、ＨＡ周囲のＰＬＬＡが分解、
吸収により消滅しており、その部分は新生骨で充填され
て、ロッド孔が残存していなかった。また、バイオアク
ティブな芯材を有するサンプル２のスクリューの場合
も、一部のＰＬＬＡが多孔質な状態で残存しているにも
かかわらず、バイオアクティブな効果により外周のＰＬ
ＬＡの一部は新生骨で旺盛に置換されており、スクリュ
ーの外孔はかなり充填された状態にあった。

【００３１】以上の事実からして、骨接合用のデバイス
は本発明の目的を達成していることが裏付けられる。

【００３２】尚、術後の経過観察における軟Ｘ線像で
は、ロッド、スクリューの芯材によりＸ線観察が可能で
あった。また、４〜８週までの初期経過時点では骨切り
部に両側の骨折端から成長した充分な量の錯着仮骨およ
び橋状仮骨の完成が認められたが、これは延伸ＰＬＬＡ
の圧電性の効果によるものと考えられるので、ここにも
本発明の複合体よりなる骨接合用デバイスの意義があ
る。

【００３３】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の骨接合用デバイスは、埋入直後においては表面が生体
内分解吸収性のＰＬＡ（ＰＬＬＡ）で被覆されており、
セラミックス系芯材の弾性率の高さによる周囲骨の強度
低下を緩和することができる。また、ＰＬＡの被覆材は
表面から徐々に分解吸収されるが、ＰＬＡのみからなる
デバイスに比べると総量が少ないために分解吸収は短期
間で完了し、吸収される絶対量も少ないため、炎症を起
こしたりする可能性は極めて低い。そして、この分解吸
収過程とその終焉時期に新生骨が空洞部分に薄く橋渡し
した状態となって埋まる状態となりやすいので、全てが
吸収性材料である場合に新生骨が完全に埋まる２〜３年
あるいは３〜４年の長期を要せず、短期間に新生骨で埋
まるという最大の利点を有する。

【００３４】また、被覆材料のＰＬＡが完全に分解吸収
された後は、生体適合性に優れたセラミックス系の芯材
が、骨折及び損傷部位が完全に治癒するまでの間、骨接
合用デバイスとしての機能を果たす。そして、ＰＬＡの
被覆材が完全に吸収された時には、新生骨の発生により
骨折及び損傷部位の治癒がある程度進行しており、セラ
ミックス系デバイスの欠点である周囲骨の強度低下の現
象を最小限に抑えることができるという効果もある。

【００３５】更に、セラミックス系の芯材がレントゲン
撮影時のマーカーになるので、ＰＬＡのみからなるデバ
イスがレントゲン撮影で写らないという欠点も解消でき
る。そして、被覆材料として延伸したＰＬＡを用いた場
合には、圧電効果により仮骨の生成が促進されるという
効果もあり、新生骨発生による治癒の促進が見られるも
のである。

【００３６】このように、本発明の骨接合用デバイスは
極めて理想的なものである。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】酸化物系セラミックスまたは燐酸カルシウ
ム系セラミックスの成形体を芯材とし、該芯材をポリ乳
酸で被覆したことを特徴とする骨接合用デバイス。
【請求項２】ポリ乳酸が一軸延伸されていることを特徴
とする請求項１記載の骨接合用デバイス。
【請求項３】芯材がハイドロキシアパタイト又は燐酸三
カルシウムの成形体であることを特徴とする請求項１記
載の骨接合用デバイス。