JPH07507013A - 所定の細孔構造を有する成形品の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 所定の細孔構造を有する成形品の製造方法本発明は所定の細孔構造を有する成形 品の製造方法に関する。この方法は３次元的に相互に結合した細孔システムを有 する成形品の製造に使用することができ、特に天然骨の細孔システムを有する成 形インブラントの製造に好ましく使用することができる。

その物質および素材にかかわらず、所定の細孔構造を有する成形物品の製造は勿 論種々の問題を提供している。素材および方法に関係する統計的に均一な多孔性 の代わりにあるいは１次元的な細孔配向の代わりに、局所的に異なった構造およ び／またはいろいろな大きさの所定の細孔システムが希望されているならば、事 実はその通りである。かくして、多孔性の素材あるいは物体の製造のための既知 の技術、例えば適当な素材の発泡、可溶性のあるいはガス−発生物質を対応する マトリックス内への組み入れによって、本質的に統計的に均一な細孔構造が得ら れるのである。プラスチック素材あるいは可塑化可能な素材の押出し操作では、 本質的に１次元的に配向した細孔システムを精々製造することができる。

これらの一般的に適用可能な問題は骨代替用の成形インブラントの例およびこの 問題における決定的な必要条件によってもっと詳細に説明することができる。

成形インブラントの製造用の骨代替素材は２種の主な生体活性のない素材および 生体活性のある素材に分類することができる。生体活性のない素材には生理学的 に容認可能な金属、酸化セラミック、ある種のプラスチックが含まれる。どのよ うな生体にあろうとも、正の生理学的効果を生ずる生体活性のある素材にはカル シウム無機物、バイオポリマーおよびそれらの素材を基づく複合材料が含まれる 。生体が吸収可能な素材はこれらのサブグループを形成している。

生体活性のあるインブラント素材は好ましい関心を呼び起こしており、その理由 はこれらが骨の成長を促し、かつそれによって、骨および内生的な組織へのイン ブラントによって改善された治癒の原因になっているからである。

セラミック素材の成形品は主に高い機械的な力に耐えなければならない負荷に耐 える骨構造の代わりに使用されている。これらの例は骨補綴部分および骨髄釘、 骨螺子、骨合成用板のような骨接合素子である。

この問題は化学的には天然骨の無機物相に関係するので、燐酸カルシウムセラミ ックスを主成分とする骨代替素材は生体活性があると考えられる。天然骨の無機 物相は主に燐酸カルシウム化合物ヒドロキシ燐灰石から成っている１合成による あるいは例えば天然骨素材由来の有機体のヒドロキシ燐灰石は従って骨代替品用 のインブラント製造用にしばしば使用される原料である。

経験が示すところによると、密な燐酸カルシウムセラミックを現存の骨と融解す るその強さは概ね不満足である。多孔燐酸カルシウムセラミックはもっと好まし い成長特性を持っている。

燐酸カルシウムを主成分とする現在入手可能なセラミックインブラント素材は２ ｆ！の基礎的なグループに分類することができる。

第一のグループは合成燐酸カルシウムを使用しており、これは密なあるいは多孔 性の物体に成形され、かつその後にセラミックを生成するように焼結される。勿 論これらの素材の長所は、合成によって作製したちのは高い精度および高い再現 性を有し、かつ問題なく得られる選ばれた化学的組成を可能にしていると言う点 にある０組成の標準化は医学用途には基本的な問題である。

合成素材の決定的な短所は多孔体の製造が極めて困難かつ多大の努力を要するこ とである。例えば有機繊維、織物あるいは編物あるいは有機素材のスポンジ構造 体を無機物マトリックス内に入れ、セラミックに成るように焼結前あるいは焼結 中に完全に焼くという操作によって、多孔質成形品を燐酸カルシウムセラミック から、製造するという試みは今迄に極めて多かった。

このような方法は、例えばＥＰ　２３５　５０６に記載されている。天然の骨と の構造上の相違、複雑な製造方法および快癒に関する大して改善されてもない特 性のために、そのような成形インブラントは今迄に承認されていない。従って、 今日まで天然骨の多孔性特性、特に例えば海綿質骨の多孔性を合成素材の成形品 でまねることばは不可能であった。しかしながら、骨に典型的であるこの多孔性 が内生的な骨とインブラントの急速な、硬い耐久性の結合には不可欠であること が見出されたのである。

第二のグループは骨、アルゲー、珊瑚のような生物学的なシステムを出発原料と しており、これらシステムは多くの処理によって無機物化され、かつセラミック システムに変換され、その間に無機物の支持体マトリックス構造を出来るかぎり 保持すべきである。特に骨から得られたインブラントは理想的な細孔構造を持っ ており、これらは全ての面上で相互に接合する多孔と約２．５ｍｍまでの孔サイ ズをもったバー、横木および結合材の支持マトリックスを有し、また負荷方向に 適当な支持マトリックスを作り上げている。これらは天然骨の細孔システムとは 優れた適合を持っているので、骨セラミックインブラントは成長特性および生物 体内での治癒にはかなりの生物学的長所を持っているこれらの長所に加えて、骨 セラミックインブラントは多くの欠点も持っている。

第一に、天然骨素材からの製造は極端に時間と労力を必要とし、セラミックを生 成する無機物化および焼結を実際上構造変換が起らないような穏和な条件で行な わねばならないならば、特にそうである、それに対応する製造方法は例えばＥＰ 　１４１　００４およびＤＥ−ＰＳ　３７　２７　６０６に記載されている。

第二に、出発物質の天然由来のために、インプラント素材はその構造上の大きさ に限度があり、全ての形態および大きさを単一の骨セラミックスの形態で製造す ることは出来ない、インブラントがその構造上の成り立ちから見て、またセラミ ックシステムへの転換のために、密度、強さおよび弾性からみ見て、代替する骨 あるいは骨領域に対応していないので、負荷のもとて不適当な力の分布および力 の移動の結果としてインブラントの緩みあるいは破断さえも警戒しなくては成ら ない。

骨セラミックの他の欠点は出発物質として使用された天然物の骨が無機均相の化 学組成にかなり固有の、しかも制御できない変化を受けることである１組成のそ のような変化は骨セラミックインブラントの生物学的な活性に極めて明瞭な検出 可能な影響を有しており、これは異なる成長および骨再生速度において臨床的に 明瞭に示されている。

本発明は従って合成出発物質から形状および大きさについては制限無く組み立て ることができ、かつ同時に多孔性および結合システムが出来るだけ人間の骨に一 致するような事前に決めた方法で構造化出来る骨代替用の成形インブラントの製 造方法を発見すると言う目的に基づいている。

本発明によれば、その目的は成形インブラントを細孔システムに対応する像によ る方法で燐酸カルシウムを主原料とし、プラスチック変形を受けることができ、 その後に固化可能な組成物からの構造体化した層の製造およびその固化によって 繰返し連続して層状に組み上げ、個々の層の像構造はモデルとして役立つ天然骨 から転移され、かつ成形品は最終的にはセラミックになるように焼結することに より達成される。

その方法はその素材にも、また成形インブラントの製造のための使用にも限定さ れないことが見出された。

素材の観点からは、燐酸カルシウムセラミックに加えて、酸化物セラミック、ガ ラスセラミック、非セラミック鉱物質素材、有機ポリマー素材、かつ、適当なら ば上記素材の特別の前駆体、さらに上記素材の２種以上の複合剤を使用すること も可能である。ただしプラスチック変形を受け、かつその後に固化することがで きる複合剤の形態でこれらのものが加工できることが条件である。像による方法 で構造化された層の製造はそのようの組成物によって可能であるに相違ない、そ してその後の固化は乾燥、化学的硬化、熱処理あるいは焼結、素材の選択によっ て異なるが、特殊な組成および加工に必要な条件によって実施することができる 、原理的には、所定の多孔構造を有するし）かなる希望多孔性成形品も考えつる あらゆる形態および大きさでこの方法で製造可能であり、究極的には製造技術Ｇ こよってのみ制限を受ける。極めて広範囲の目的とする使用をめざして、そのよ うな成形品を想像することカイできる。

従って本発明はプラスチック変形を受け、力）つその（麦に固体化することがで きる組成物を成形することしこよって多孔性の成形物品を製造する方法に関し、 その特徴とするところは所定の細孔構造を達成するためＧこ、成形物品を次の工 程を繰返して継続することによって層状に組み上げることであり、その各工程は 一多孔システムに対応する像による方法で構造化した組成物　の層の製造および 一屡の固化であり、 個々の層の像構造は対応するモデルから転送される。

本発明は特にセラミック組成物を使用し、層の固化工程を転像によって行ない、 生産された成形品を最終工程で焼結する方法に関する。

本発明はさらに３次元に相互に接合している細孔システムを有する成形品の製造 、特に天然骨の細孔システムを有する成形インブラントの製造のためにこのよう な方法の使用に関する。

所定の細孔構造を有する多孔性の成形品の製造のための本発明による方法は、そ の全ての可能な実施態様において、先ずモデル構造の像情報、すなわち試料とし て役に立つ多孔性物体およびコピーされるべき細孔構造を基本的には層のなかに 記録し、かつ特別な製造技術に適した形態で蓄積し、その後に成形品を層に組み 上げることにコントロールする様に使用すると言う工程原理に基づいている。モ デルとして役立っている実際の物体の場合には、像情報の記録および保管は、例 えば切ること、鋸で切ることあるいは削ることによって層をなしている物体から 素材を除去することによって、および特殊な層表面の写真記録によって行なうこ とができる。しかしながら、多孔システム像を人工的に組み上げることが出来て 、層像の技術図面の形態あるいは対応する像の代表の形態であることも出来る。

コンピューター支援およびディジタル形態で層像情報の記録および保管の工程を 実施実行できることは特に有利である。従って、例えば写真屡記録あるいは他の 方法で作製された層像をコンピューターに、有利なことにはＣＡＤ／ＣＡＭシス テムに、レーザースキャナーを使って転送することができる。コンピュータート モグラフィー（ＣＴ）を使用して層構造像を記録すること、およびこれらをコン ピューターシステムに転送することも可能である。後者の方法はとくに成形イン ブラントの製造用の骨構造の転送には適している。

事前に選別した適当な素材から層状に多孔性の成形品を組み上げるための像情報 の転送は、最も簡単な場合にはスクリーン印刷技術の形態で実施でき、写真層記 録あるいは他の方法で作製した層像はそれ自身公知の方法でスクリーン印刷構造 あるいはスクリーン印刷フィルムに転送される。スクリーン印刷可能でなくては ならない素材を、すなわち、その素材はそれ相当のプラスチック変形を受け、そ の後に固化しなければならない、第一のスクリーンを通して基体上に印刷する。

固化後には、成形品が完成するまで、印刷を第二などのスクリーンを通して行な う。

この方法は勿論コンピューター支援方法で実現可能であり、その場合例えば層像 情報は再びＣＡＤ／ＣＡＭシステムで使用可能になり、両スクリーン印刷フィル ムを製造し、かつ成形品の組上げのための対応するスクリーン印刷ユニットはプ ログラムコントロールにょって操作される。

噴霧可能な素材も噴霧技術で処理することができ、個々の層は３次元に制御可能 なノズルあるいはノズルシステムによって組み上げられている。正確にこの技術 によって、特にＣＡＤ／ＣＡＭシステムを使用して、コンピューター支援および プログラム制御することがノズルの制御に有利である。ディジタル像記録、制御 および処理とプログラム制御スプレィノズル制御とを組合せることにより本発明 による工程に対する簡潔な、完全オートマチック処理が可能となる０本発明によ る方法の特異な要求に対して適切な専門家が容易に組み立てることができる慣用 のシステムおよびそれに対応する制御プログラムをこの目的のために容易に採用 することができる。

この工程の原理はプラスチック変形を受け、その後に固化されつる。すなわち層 として加工されつる実質的に全ての素材に適用することが出来ることは言うまで もない、これらの素材は好ましくは乾燥によって層組み上げ工程の間で固化され 、かつ最終段階で焼結された可塑化あるいは液化したセラミック組成物でもある こともできる。

これらの物の例は燐酸カルシウムセラミック、酸化物セラミック、ガラスセラミ ック、あるいはそれらの対応する前駆体である。層組み上げおよび微細構造の大 きさを計算するときには、セラミック組成物に特有の収縮を考慮に入れなければ ならない。

例えば、水硬セメントおよび類似の素材のような非セラミック無機物組成物も本 発明により処理することができる。

本発明によって加工することができるその他の素材は高分子量のポリマー化合物 および／または重合可能な有機化合物を主成分とすることができる。これらの物 質の例としては溶媒乾燥可能あるいは融解性合成樹脂および反応性樹脂システム をベースとするワックスおよび処方物が挙げられる。

最終的には、上記の素材の２種以上の対応する加工可能な複合材、好ましくはセ ラミック粒子および有機ポリマー素材の複合材も使用されつる。

本発明が基礎とする処理原理は実際上いかなる希望する大きさおよび形態、いか なる希望する細孔構造の成形品の製造にも使用可能であることは申すまでもない 。後者の積極的な使用には如何なる限定も受けるものではない、好ましい使用分 野は３次元におたがいに接合している細孔システムを有する成形品の製造であっ て、特に天然骨の多孔システムを有する成形インブラントの製造である。

対応するモデルを使用して、多孔性の成形品を人工的に組上げる場合には、選別 した構造上の変化が提供されておりかつ、必要ならばそれを行なうことができる ことが本発明による方法の特に有利な点である。そのような構造上の変化とは例 えば選別した局部的な強化の意味である。

骨代替用の成形インブラントには医薬品としての活性化合物との適合のためにさ らに追加の中空のスペースが備わっていてもよい。この方法では、例えば、抗生 物質あるいは成長制御剤を医薬品として定義された局所方法でインブラントのな かに入れることができ、その量比は治療方法の要求に合致する。先行技術にした がって、自動的に必要な過ドーズで全体積に渡って本質的に均一にインブラント に負荷を掛けることは回避することができる。

本発明による方法のための手順は骨代替用の成形インブラントの製造による実施 例によって以下にもっと詳細に説明することができる。

成形インブラントは代替する骨あるいは骨領域の正のあるいは負のイメージの形 態で製造することができるそのインブラントが、特にヒドロキシ燐灰石セラミッ クのような吸収性のない燐酸カルシウムセラミックから出来ているならば、正の 形態が好ましい。その時にはそのインブラントは天然骨に極めて良く一致する成 形インブラントの細孔中空スペース中に成長する内生的な組織によって実質的に 癒合する。成形品インブラントの製造は一般的には上記の方法原理にしたがって 例えば以下の変法で製造することができる。

変法例１ 公知の方法で有機物を含有しなくなった天然骨から層状に素材を取り出す。各層 表面の写真記録を行なう。

これらの記録あるいは層表面を直接ＣＡＤ／ＣＡＭシステムにレーザースキャナ ーを使って転送する。層記録の配列および複製をコンピューターシステム内で行 なう、これらの個々の層をポジフィルムに転送し、対応するプリントスクリーン をこれを使って製造する。

合成によって沈殿させたヒドロキシ燐灰石を慣用の有この組成物を第一のスクリ ーンを使用して基体上の層に印刷する。その後に熱風で乾燥する。第二層を第一 の乾燥したセラミック層に第二の多孔層記録のスクリーンを使って適用し、再び 乾燥する。全ての層を印刷し、セラミック製の未焼成の成形体が得られるまでこ の工程が続く、得られた未焼成の成形体はさらに同じ組成のセラミックスリップ を使用して、層の転移部分を平滑にするために、リンスされる。

未焼成の成形体をその後にセラミックに、例えば約１３００℃まで５０に７分の 加熱速度、その後に２時間の維持時間を与える焼結プログラムで焼結する。冷却 後にセラミック製の成形品が完成する。

必要ならば、慣用の方法（研磨、折曲げ、粉砕、穴開けなど）で全ての希望する インブラント形態を作ることが出来る機械的な最終成形もこれに続いてもよい。

変法例２ 変更例１によるコンピューターシステム中に貯蔵した層像を中間の乾燥相をつけ て、ＣＡＤ／ＣＡＭで制御したセラミックスリップを入れたスプレィまたは放出 ノズルによって層に適用する。このようにして得られた未焼成の成形体を変法例 １と同様にしてさらに加工する。

生体吸収可能な素材を使用するならば、骨構造の負の像の形態をした成形インブ ラントが適している。そのような成形インブラントは本質的に生体吸収メカニズ ムによって徐々に磨り減っていき、同時に内生的な組織成長、特に再生した無機 物化された骨マトリックスによって置換される素材によって治癒する。

そのような成形インブラントを一般的に記載した方法原理に従って、例えば以下 の方法変法例に従って製造することができる。

変法例３ 仮の正の成形品を先ずスクリーン印刷あるいはスプレィ方法でコンピューターシ ステム内に蓄積した層像にしたがって製造する。容易に融解するか、あるいは容 易に溶解する組成物、例えばワックス、を有利なことにはここの素材として使用 する。この成形品をその後に生体吸収可能な燐酸三石灰を主成分とする高度に液 化したセラミックスリップで含浸し、乾燥する。この成形品をワックスの融点以 上に加熱し、その結果ワックスがこの成形品から流出する。天然骨の負の多孔お よび接合システムを有する得られたセラミック製の未焼成の成形体をさらに変法 例１と同様にセラミックに加工する。燐酸三石灰を主原料とする生体吸収可能な 成形インブラントが得られる。

変法例４ 天然骨の細孔および接合システムのネガに対応する成形品をスクリーン印刷ある いはスプレィ方法でコンピューターシステム内に蓄積した層像にしたがって燐酸 三石灰を主成分とするセラミックスリップを使用して組み上げる。セラミック製 の未焼成の成形体をさらにセラミック製の成形インブラントに公知の方法で加工 する。

生体吸収可能な燐酸カルシウムを主原料とするセラミック製の組成物に加えて、 その他の生体吸収可能な素材についても、この変法例で加工することが可能であ る。これらの素材は生体吸収可能なポリマー、例えばポリアクタイド、ポリグリ コライドであり、燐酸カルシウム粒子および上記のポリマーを主原料にする一部 分あるいは完全に吸収可能な複合材である。

あらゆる希望する使用目的のための成形品は所定の細孔構造を有する多孔性成形 品の製造のための本発明の方法により製造することも出来る。

これらの成形品の例は自動車の排気精製用のセラミック触媒支持体である。現在 の技術によると、射出成形された蜂の巣状の形態をした物品は長さ方向のみの細 孔を有し、その製造方法にしたがって、この目的のために使用される。３次元に 接合している細孔構造を有し、本発明による方法で製造されるセラミック製の触 媒支持体はかなり高い内部表面積故にその有効性が増大し、かつ構造上の大きさ が減少している。

他の使用分野は濾過技術のためのあるいは気体あるいは液体用の静止型混合器と しての多孔製物体である。

その流動特性は多孔性を良くコントロールして組上げることによって最適化する ことができる。

他の例は多孔性のセラミック製の成形品であって、クロマトグラフィーカラム用 の吸着媒として使用することである。ここでも、流動特性と有効性を事前に選択 した細孔構造によって最適化することができる。既製の固体状、多孔、セラミッ ク製の成形吸着媒の形態をした充填剤を充填したクロマトグラフィーカラムは高 価なカラム充填操作を余分なものにし、密度の変化を受けないのである。セラミ ック製の吸着媒は、例えば、原料素材によって変動するが、対応する高温での完 全な焼成によって問題なく再生可能である。

Ｉｕ、、、ｍｍｌ。ア＋５ｎａｅｈ−ρＣＴ／ＥＰ　９３１００３４４

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. １．所定の細孔構造を達成するために、成形品を−多孔システムに対応する像に よる方法で構造化した組成物の層の製造、および −層の固化 の各工程を繰返し継続することによって層状に組上げ個々の層の像構造を対応す るモデルから転移することを特徴とする、プラスチック変形を受け、かつその後 に固化することができる粗成物を成形することによって多孔性の成形物品を製造 する方法。
2. ２．層をスクリーン印刷技術によって形成することを特徴とする請求項１による 方法。
3. ３．層をスプレイ技術によって形成することを特徴とする請求項１による方法。
4. ４．像構造の転移および層の形成がプログラム制御されていることを特徴とする 請求項１ないし３の１項による方法。
5. ５．像構造の転移をディジタル化形式で実施することを特徴とする請求項４によ る方法。
6. ６．セラミック組成物を使用し、層の固化工程を乾燥によって行ない、生産され た成形品を最終工程で焼結するすることを特徴とする請求項１ないし５の１項に よる方法。
7. ７．重合可能な有機化合物および／または有機ポリマー素材を主原料とする組成 物を使用することを特徴とする請求項１ないし５の１項による方法。
8. ８．セラミック粒子および有機ポリマー素材の複合材をベースとする組成物を使 用することを特徴とする請求項１ないし５の１項による方法。
9. ９．３次元に相互に接合している細孔システムを有する成形品を製造するための 請求項１ないし８の１項による方法の使用。
10. １０．天然骨の細孔システムを有する成形インプラントの製造のための請求項９ による使用。
11. １１．セラミック触媒支持体の製造のための請求項９による使用。
12. １２．セラミックフィルターメディアの製造のための請求項９による使用。
13. １３．クロマトグラフィー用の成形セラミック吸収体の製造のための請求項９に よる使用。