JPH09505345A - 骨生物活性ガラス及びセラミック繊維からなるコンポジット材料 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 骨生物活性ガラス又はセラミック繊維から形成されたコンポジット材料が開示される。好ましい態様に於いて、交織された骨生物活性ガラス又はセラミック繊維及び構造繊維の組み紐又はメッシュに、ポリマー材料を含浸させて、適当な生体適合性及び構造一体性のコンポジットを提供する。最も好ましくは、この網又は組み紐は、生物活性繊維がインプラント（２００）の表面で濃縮されて、少なくとも３０％の生物活性材料からなる表面を作り、それによって増大された骨内方成長を与えるように設計されている。骨生物活性ガラス又はセラミック繊維と構造繊維のコアとの間の交織によって、生物活性材料がポリマーから層剥離するという先行技術のコンポジットシステムに於いて見られる問題点を克服する。好ましい生物活性材料にはリン酸カルシウムセラミックスが含まれ、好ましい構造繊維には炭素繊維が含まれる。改良されたプロテーゼインプラント（２００）及びインプラント（２００）の固定方法も開示される。

Description

【発明の詳細な説明】 骨生物活性ガラス及びセラミック繊維からなるコンポジット材料技術分野 本発明は、生物活性ガラスからなる繊維から製造されたコンポジット（compos ite）及び埋没可能な表面を形成するためのこのようなコンポジットの使用に関 する。特に、本発明は、ポリマー材料のマトリックス中で炭素繊維のような構造 繊維（structural fiber）と交織した骨生物活性（bone bioactive）ガラス又は セラミック繊維からなるコンポジットに関する。背景技術 低モジュラスコンポジット材料が、骨の応力遮蔽を低下させ、その結果骨組織 吸収を減少させるために、股関節インプラント（hip implant）の大腿成分とし て使用されてきた。現在、コンポジットインプラントは圧入によってその骨床内 で安定化されている。しかしながら、この安定化の方法では、最適応力分布効果 は完全には実現されない。 骨へのコンポジット大腿インプラントの固定を改良するために、幾つかの試み がなされてきた。これらには、多孔質ポリマー被覆物及び特定の生物活性被覆物 が含まれる。多孔質ポリマー被覆物を使用するインプラントは、インプラントと 周りの骨組織との間の機械的絡み合いによる固定を達成しようとし、他方、生物 活性被覆物はインプラントと骨との間の化学結合による固定に到達するために設 計されている。 多孔質金属被覆物と同様に挙動する多孔質被覆物を作る努力に於いてポリスル ホン粒子で被覆したインプラント表面は、M．Spector他、「生物学的固定用の多 孔質ポリマー」、Clin．Ortho．Rel．Res.，２３５：２０７−２１８頁（１９８ ８年）に開示されている。幾らかの骨の成長が明白であることが開示されている けれども、インプラント表面の周りの組織の大部分は繊維状である。この多孔質 ポリマーは骨組織の成長をどのようにも増強しなかった。 ポリマー表面上に押しつけ、次いで硬化させたリン酸カルシウムセラミック粉 末のコンポジットシステムも知られている。P．Boone他、「ＨＡ被覆ポリマーの 骨結合」、J．Biomed．Mater．Res．２３，Ｎｏ．Ａ２：１８３−１９９頁（１ ９８９年）及びM．Zimmerman他、「ヒドロキシアパタイト被覆ポリスルホンの骨 への結合」、J．Appl．Biomat.，１：２９５−３０５頁（１９９０年）参照。こ れらのシステムは二つの様式で提供されている。最初に、セラミックはポリマー 表面でのフラッシュであり、それで結合のみが生じている。第二に、リン酸カル シウム粒子がポリマー表面から伸びている。界面結合を試験するとき、ポリマー とリン酸カルシウム粒子との間に欠陥がある。それで、リン酸カルシウム粒子と ポリマーとの間の界面はシステムに於いて弱い結合である。これらの引用文献に は、ポリウレタン熱硬化性ポリマー及びポリスルホン熱可塑性ポリマーを使用す ることが開示されており、Reiner他の米国特許第４，２０２，０５５号に於いて 、多数の他のポリマーが、リン酸カルシウムセラミック粉末の充填材用のマトリ ックスとして同様に使用されている。このインプラントの表面のセラミック粒子 は再び吸収され、骨組織によって置き換わっている。構造繊維は存在しておらず 、ポリマー単独で荷重に耐えることが意図されている。これによって、この材料 の耐力応用はポリマーのものに制限される。吸収性ポリマー及びリン酸カルシウ ムセラミック粉末充填材料からなる埋め込み可能な骨固定デバイスは、Casey他 の米国特許第４，７８１，１８３号に開示されている。開示されているこのデバ イスは、埋め込みの際に再吸収される一時的な耐力デバイスである。リン酸カル シウム粒子は強度のために添加され、そしてまた吸収され、それでこのデバイス は生物活性材料又は多孔質内方成長物の化学結合により骨組織に固定されていな い。 構造繊維はコンポジット材料のある種の機械的性質を改良するであろう。例え ば、Gross他の米国特許第４，２３９，１１３号には、長さが２０ミリメートル よりも短いガラス質の鉱物繊維と組み合わせたメタクリル酸メチルポリマー及び 生物活性セラミック粉末の組成物が開示されている。このデバイスは、インプラ ントを骨組織に結合するためのグラウト材料として使用される。このチョップド ファイバは、機械的性質を最適化するために、特に適応又は設計されてはいない 。 同様の組成物はBluethgen他の米国特許第４，１３１，５９７号に開示されてお り、この特許には、コンポジットに強度を加えるためにガラス繊維又は炭素繊維 を使用することが記載されている。しかしながら、この特許には骨結合を得るた めに繊維を局部的に配置することは記載されていない。また、構造繊維の配列に より材料性質を最適化する方法も示唆されていない。最後に、開示された材料に より得られる固定方法も説明されていない。 リン酸カルシウム粒子で被覆した又は被覆しない、炭素繊維／トリアジンの織 ったデバイスを使用する同様のアプローチが、G．Maistrelli他、「犬に於ける カーボンコンポジット股関節インプラントへのヒドロキシアパタイト被覆」、J ．Bone Jt.Surg.，７４−Ｂ：４５２−４５６頁（１９９２年）に記載されてい る。報告された結果は、６ヶ月後の被覆されたデバイスについての高度の骨接触 を示している。しかしながら、トリアジン／リン酸カルシウム界面での長期疲労 影響を評価するためにはもっと長い研究が必要である。 しかしながら、全てのこれらの先行技術のシステムに於いて、支持体ポリマー と骨との間の結合は界面に生物活性材料を使用することによって得ることができ るけれども、得られるインプラントは未だ不満足であることが見出された。前記 のように、生物活性材料とポリマーとの間の界面結合に顕著な制限が残っている 。 直ぐ上に記載した先行技術の多くは、コンポジットの生物活性成分としてリン 酸カルシウムセラミック粉末を使用していた。生物活性ガラス材料は１９６９年 にHenchによって開発された。L．Hench他、「セラミックプロテーゼ材料の界面 での結合機構」、J．Biomed．Mater．Res.，２：１１７−１４１（１９７１年） 参照。更に最近、長い連続生物活性ガラス繊維が製造された。U．Pazzaglia他、 「生物活性ガラス繊維の骨伝導性(osteoconductive properties)の研究」、J．B iomed．Mater．Res.，２３：１２８９−１２９７（１９８９年）及びH．Tagai他 、「生物材料として適用するためのアパタイトガラス繊維の製造」、Ceramicsin Surgery，Vincenzini，P．（編）、Amsterdam，Esevier Sci．Pub．Co．（１９ ８３年）３８７−３９３頁参照。後者の文献には、再吸収性骨板での生物活性ガ ラス繊維が開示されている。 上記のことからわかるように、骨にぴったり適合している構造モジュラスを与 えるように設計できるプロテーゼデバイスとして使用するためのコンポジット材 料を提供することが望ましいであろう。それで、本発明の目的は、構造繊維と共 にポリマーマトリックス中に生物活性材料を含有して、適当な強度を与えるコン ポジット構造物を提供することである。更に、本発明の別の目的は、先行技術の 欠陥を克服する三次元及びハイブリッドコンポジット材料、特に生物活性材料と ポリマーとの間の適当な界面結合を与える三次元及びハイブリッドコンポジット 材料を提供することである。発明の開示 骨生物活性ガラス又はセラミック繊維が、構造三次元組み繊維支持体と組み合 わせて化学結合ビヒクルとして有用であることが見出された。この生物活性繊維 は骨成長を増大し、周りの骨組織に結合する。これらの骨生物活性ガラス又はセ ラミック繊維は三次元組み紐の中に炭素繊維と共に編み込まれ、熱可塑性ポリマ ーが浸透して、三次元生物活性コンポジット材料を形成する。ガラス繊維は好ま しくはコンポジットの外表面に濃縮されて、埋め込みの際に生理学的液体に曝露 される。これはインプラント材料の中心領域に濃縮された炭素繊維を残して、荷 重の大部分に耐える。 インプラントと骨との間の界面結合により得られる応力伝動は、コンポジット インプラントの「適合したモジュラス」と組合わさって、骨に殆ど最適な応力分 布を与え、それによって長期の安定性及び固定を改良する。更に、適当な固定で 、インプラントと骨との間の微動が減少し、そうしてコンポジット材料の表面の 摩耗の可能性が大きく低下する。結局、しばしばインプラント安定性の損失に至 る、炎症反応を起こすインプラントからの粒子残骸の機会も大きく低下する。図面の簡単な説明 図１は、本発明で使用される骨生物活性ガラス又はセラミック繊維を延伸する ために使用される装置の説明図である。 図２は、インプラントで得られる内方成長を示す骨の断面の顕微鏡写真である 。 図３は、図２と同様の骨の断面の顕微鏡写真であるが、高倍率で撮ったもので ある。 図４は、本発明により製造したコンポジット繊維組み紐の横断面図である。 図５は、本発明により骨生物活性ガラス又はセラミック繊維及び構造繊維から 織った織物の繊維の配列及び配置を示す略図である。 図６は、本発明により製造した股関節プロテーゼの立面図である。好ましい態様の詳細な記述 本発明の独特に構成されたコンポジット材料は、構造支持体と炭素繊維／ポリ マー界面との界面から、生物活性表面と生物活性ガラス繊維／ポリマー界面との 間の界面までの連続性を維持することができる。以下に説明するように、インプ ラント材料の生物活性部分は、組み界面により支持体の中に一体に含有されてい る。この構成のために、先行技術に見られるもののようなポリマーコンポジット の表面の粒子皮膜に比較して、より高い生物活性コンポジット材料に対する一体 度を与える、生物活性材料とポリマーとの間の増加した結合表面が存在している 。それで、ポリマー材料からの生物活性材料の層剥離の可能性が非常に減少する 。それで、本発明は、ポリマーと生物活性被覆物との間の界面結合を与え、先行 技術の主な制限を克服する。 この繊維構造の立体配置によって、荷重がコンポジットの中央部分にかかるこ とになり、このコンポジットは好ましくは生物活性繊維表面と一体化した、炭素 繊維又は他の生体適合性繊維のような強い不活性繊維からなっている。それで応 力が、不活性構造繊維からインプラント表面の生物活性繊維の方に移される。こ の一体化は材料システムの機械的一体性を増大させる機能を果たし、コンポジッ ト構造物内の層剥離を防止する。 生物活性ガラス繊維の局部環境下では、部分的な分解が生じる。生物活性ガラ ス繊維は再吸収されるので、これは骨組織によって置き換わり、骨組織はガラス 繊維に化学的に結合し、またこれらの繊維とかみ合う。更に、ガラス表面で起こ る生物活性反応によってポリマー上に沈殿層が形成されることになる。次いで、 この層は骨組織形成及び結合を促進する。界面結合の三重手段によって、インプ ラントをその骨床内に安定化させ、インプラントから結合界面を経て骨組織への 応力移動を与える界面が形成されることになる。骨は応力を受け、そうして応力 遮蔽のために骨組織再吸収を制限する。この重要な出来事は、固定及び安定性が 骨組織再吸収のために失われないのでインプラントの寿命を延長する。骨組織再 吸収は、プロテーゼ弛緩に至る事象のカスケードの開始剤である。 本発明に於いて、骨生物活性ガラス又はセラミック繊維のコンポジットが好ま しい。この種類の場合に、好ましい組成物は製造される能力を維持しながらゆっ くり反応するガラスになる。繊維状立体配置のガラスで埋め込む間に、ガラスの 大きな表面積が生理学的溶液に曝露されるので、遅い反応速度が望ましい。急速 に分解する生物活性ガラスは、不利な炎症反応になり、骨成長及び結合を妨げる 。交換条件は、ガラスを連続繊維に引き取らなくてはならないので、ガラスが粘 稠過ぎもせず流れ過ぎもしないことであり、そうしないと繊維が延伸時に破断す る。それで生物学的活性ガラス又はセラミック繊維に延伸することができる材料 についての組成範囲の記載には、生物活性対製造能力が含まれる。生物活性を維 持しながら成功裡に繊維に延伸することができる最も好ましい組成物は、５２％ のＳｉＯ₂、３０％のＮａ₂Ｏ、１５％のＣａＯ、３％のＰ₂Ｏ₅である。この範囲 を明らかにする際に、実験試行により５２％のＳｉＯ₂、３２％のＣａＯ、３％ のＰ₂Ｏ₅、１３％のＮａ₂Ｏの組成物が生物活性であることが示されたが、この ガラスの組成物を繊維に延伸することは困難である。それは、Ｎａ₂Ｏ及びＳｉ Ｏ₂は繊維化するように挙動するが、ＣａＯ及びＰ₂Ｏ₅は繊維化に逆らうように 挙動するためである。５２％のＳｉＯ₂、２７％のＣａＯ、２％のＰ₂Ｏ₅、１９ ％のＮａ₂Ｏの組成物が繊維化に関して同じ困難性になることも見出された。実 験群の中で下記の傾向が見られた。 したがって好ましい態様に於いて、本発明で使用されるガラス組成物は、４０ 〜６０％のＳｉＯ₂、１０〜２１％のＣａＯ、０〜４％のＰ₂Ｏ₅及び１９〜３０ ％のＮａＯからなる。更に好ましい範囲は、４５〜５５モル％のＳｉＯ₂、１５ 〜２０モル％のＣａＯ、２５〜３５モル％のＮａ₂Ｏ及び０〜３モル％のＰ₂Ｏ₅ からなる。前記のように、遅い反応速度及び生産能力の規準で最も好ましい組成 物は、５２モル％のＳｉＯ₂、３０モル％のＮａ₂Ｏ、１５モル％のＣａＯ及び３ モル％のＰ₂Ｏ₅からなる。ベースの組成物に添加することができる改質剤は（モ ル単位で）０〜３％のＫ₂Ｏ、０〜２％のＭｇＯ、０〜０．２％のＡｌ₂Ｏ₃及び ０〜３％のＦ₂を含む。当該技術分野で公知のように、製造される材料の生物活 性及び能力に厳しく影響を与えることなく性質及びプロセスパラメータを変える ために、このような改質剤を少量添加することができる。 下記の実施例により、組み繊維及び織った布帛に使用するための生物活性ガラ スの連続繊維の形成を記載し、説明する。組み繊維及び織った布帛は共に、ポリ スルホンのようなポリマー材料を含有させて、三次元コンポジット材料を作る。 実施例Ｉ 直ぐ上に開示した最も好ましいガラス繊維組成物（５２％のＳｉＯ₂、３０％ のＮａ₂Ｏ、１５％のＣａＯ及び３％のＰ₂Ｏ₅（モル％で））を、粉末から製造 した。粉末を秤量し、混合し、１３５０℃で２時間シリカ坩堝内で溶融した。こ の実施例で使用したガラス延伸装置を図１に示す。この装置には、底にオリフィ スを有する抵抗加熱白金坩堝５０が含まれている。ガラス破片を坩堝５０の中に 入れ、約１１５０℃で溶融した。粘稠な溶融物は、坩堝オリフィス５２にメニス カスを形成した。繊維１００を形成するために、ガラスメニスカスにガラス棒を 軽く触れさせ、ガラス棒を急速であるが滑らかに坩堝オリフィス５２から引っ張 って、溶融物からガラス繊維１００を形成させた。繊維１００を手で引っ張って 、巻取りホイール６０を回転させるモータ７０に取り付けられた速度調節器７２ によって測定したとき、３００〜５００ｒｐｍで回転している巻取りホイール６ ０に付着させた。直径が１０〜１３ミクロンである平滑で連続したガラス繊維を 得た。 密閉式ダイ及びホットプレスを使用して、ポリマー板を製造した。ポリマー（ ポリスルホン）を秤量し、オーブン中で１６３℃で２時間乾燥して、過剰の水分 を追い出した。金型をエタノールできれいにし、テフロン離型剤をスプレーした 。この熱可塑性粉末を金型の中に入れ、金型をホットプレス内に置いた。プレス を２６０℃に加熱し、次いで１４，０００ポンドまで圧力をかけ、解放した。こ の操作を２回繰り返した。次いで金型を３００℃に加熱し、６２０ｐｓｉの圧力 を３０分間維持した。この時点で、圧力を解放し、金型を空冷した。 コンポジット材料の板を製造するために、同じプロセスパラメータを使用した 。上記のようにして、ポリマーを最初にチョップドガラス繊維と混合し、次いで ホットプレス内の密閉ダイで処理した。 直径４ｍｍ及び厚さ３ｍｍのプラグを、ポリマー板とチョップドガラス繊維を 含有する板との両方からコアドリルチップを使用して機械加工した。次いで試料 を石鹸及び水で洗浄して切削油剤を除去し、そしてエタノール及び脱イオン水中 で超音波で洗浄し、各洗浄後に乾燥した。インプラントはエチレンオキシドで滅 菌した。 １個の生物活性ガラス繊維／ポリスルホンプラグ及び１個の対照ポリスルホン プラグを、無菌技術を使用して脛骨の中間基部側の双方に埋め込んだ。各ウサギ はそれ自体の対照として機能した。５匹のウサギは３週間で安楽死させ、５匹の ウサギは６週間で安楽死させた。 回収した脛骨をホルマリン固定液中に２週間浸漬させた。これらを脱イオン水 で濯ぎ、切削油剤として７０％エタノールを使用して低速板のこぎりで全体を切 断した。２週間かけて、７０％エタノールから１００％無水エタノールまでの段 階付きアルコール浸漬計画に従って、断片を脱水した。脱水に続いて、標本をイ ンプラント長軸に対して垂直に切断して、厚さ約１ｍｍの断片にした。この断片 を、ポリエチレン包埋金型を使用して真空デシケータ内で段階付き浸透系列（gr aded infiltration sequence）に従ってスプルの包埋媒体（Spurr's embedding media）で浸透させた。スプルの浸透サイクル（Spurr's infiltration cycle） は下記の通りであった。 ２５％スプルの媒体^*/７５％エタノール ２日（１日２回交換） ５０％スプルの媒体^*/５０％エタノール ２日（１日２回交換） ７５％スプルの媒体^*/２５％エタノール ２日 １００％スプルの媒体^* １日 １００％スプルの媒体（０．０４ＤＭＡＥ） １日 ^*ＤＭＡＥ（Ｎ，Ｎ−ジメチルアミノエタノール）添加せず。 次いで標本を２日間オーブン中で２１℃で硬化させた。包埋に続いて、低速ダイ ヤモンド張り回転板のこぎりを使用して厚さ約０．５ｍｍの断片に切断した。こ れらの断片を８００及び１２００グリットペーパーを使用して、約５０μｍの最 終断片厚さまで研磨した。Villanueva Mineralized骨染料（Polyscientific、ニ ューヨーク）を使用して染色した。 図２に見られるように、４００Ｘで写真に撮った。このコンポジット材料は、 高繊維濃度の領域で骨に非常に近い付着成長を示している。これらの領域で、骨 生物活性ガラス又はセラミック繊維は、１０００Ｘで撮った図３に一層明瞭に見 られるように、部分的に再吸収されている。更に、繊維が一緒に近づき、骨付着 成長が得られる領域では、隣接するポリスルホンマトリックスへの骨付着成長も 存在している。反対に、ポリスルホンインプラントは、プラグの周りの骨組織を 示しているが、インプラントと骨組織との間に介在層を有している。 したがって、上記の実施例は、本発明により製造された生物活性ガラス繊維／ ポリスルホンプラグにより、インプラント表面で周りの骨組織とガラス繊維との 間の結合が得られることを示している。結合した繊維は骨組織で部分的に再吸収 されガラスを置き換えている。結局、骨へのガラス繊維固定の方法は、化学結合 によるのみならず、微小機械的絡み合いにもよっている。更に、隣接するポリマ ーと周りの骨組織との間の結合が存在しているようである。これによって、繊維 自体の面積を超えてコンポジットと骨との間の固定の面積が増加することになる であろう。 ポリスルホンと骨との間の結合は、リン酸カルシウム層がガラス繊維の上に沈 殿したように、リン酸カルシウム層が隣接するポリマーの表面上に沈殿するため であろう。このリン酸カルシウム層が形成されると、ポリマー自体は骨成長のた めの支持体として作用し得る。犬へのチタン繊維／生物活性ガラスコンポジット の埋め込みの後の同様の発見が、最近報告されるであろう。L．VanHove，E．Sch epers及びP．Ducheyne、「チタン繊維強化生物活性ガラスコンポジットインプラ ント」、Bioseramics，6巻、（P．Ducheyne及びD．Christiansen編）、Butter-w orth-Heinemann Ltd．（印刷中）。この研究は、生物活性ガラスの２個の島の間 に存在しているチタン繊維を越えて骨が成長したことを示している。ガラスの間 の分離が５０ミクロンより小さいと、チタンは骨で覆われたが、この分離が１０ ０ミクロン（２本の繊維直径）よりも大きいと、不完全な骨被覆が存在した。イ ンビトロの研究によって、模擬体液中でポリマーが生物活性ガラスから１ｍｍ以 下離れて対面しているとき、リン酸カルシウム層はポリマー表面上に沈殿すると 結論づけられた。T．Kokubo他、「医学に於けるセラミックに関する国際シンポ ジウム」Butterworth-Heinemann Ltd.,ロンドン（１９９１年）参照。 上記の実施例の組織学的観察は、ポリスルホンポリマーと組み合わせた骨生物 活性ガラス又はセラミック繊維が骨組織に結合することを示している。この発見 は、股関節茎及び骨板のような低モジュラスコンポジットインプラントの表面領 域での骨生物活性ガラス又はセラミック繊維が、改良された結果を達成するであ ろうことを示している。 本発明の他の面は、コンポジットに使用される繊維の量の最適化である。前記 説明したように、以前の生物活性ポリマーコンポジットでは、ポリマーマトリッ クスにより分散された生物活性粉末を有するポリマー又はポリマーコンポジット の表面に連続粒子皮膜が使用された。コンポジット形で生物活性ガラスによって 部分的に覆われた表面積を有することはインビボで骨結合になることが決定され た。リン酸カルシウム層は骨成長のための支持体である。上記説明したように、 非生物活性材料上のリン酸カルシウム層の望ましい発達は、この材料が生物活性 ガラスに近い付着成長性であるならば可能である。結局、部分的生物活性表面の みを有するコンポジットがやはり結合を達成することが見出された。好ましくは 、曝露される生物活性表面積の割合を全表面積の３０％より高くすべきであり、 生物活性材料をコンポジットの表面にわたって均一に分布させて、固定のために 望ましい生物活性材料の３０％表面積を全表面にわたって維持すべきである。 上記のことに基づいて、実施例Ｉによって製造した繊維及び同様の繊維を、ポ リマー及び生物活性繊維と共に構造繊維を含有するコンポジット材料に有利に使 用できることが見出された。それで、本発明はまた、生物活性材料及びその構造 特性のために選択された他の繊維の両方の、織り、混ぜ合わせた又は近接させた 長い繊維から形成したコンポジット材料に関する。これらの２種の繊維はポリマ ーマトリックス内で組み合わされる。下記の実施例は本発明のこの面の態様を示 す。 実施例ＩＩ コンポジット内の繊維の配置及び密度を調節することができる一つの方法は、 １種又は２種以上の繊維の組み紐を形成し、この組み紐にポリマーのような充填 材量を含浸させることによるものである。本発明の好ましい態様に於いて、連続 骨生物活性ガラス又はセラミック繊維は、５０００本のフィラメント繊維束に集 められる。この繊維束（すなわち「トウ（tow）」）は、炭素繊維と共に組み織 物プリフォーム（preform）に交織される。最も好ましくは、骨生物活性ガラス 又はセラミック繊維は、前記の組成配合物によって製造される。図４に示すよう に、好ましい構成は、中央の分離した炭素繊維コア１１０の周りに三次元チュー ブ状に織ったガラス繊維１００を有する。２個の組み紐が、コア１１０の炭素繊 維と炭素／ガラス界面のガラス繊維１１０とが交織されるか、重ねられるか又は 他の方法で混ぜ合わされながら、同時に織られる。この結果、ポリマーが浸透さ れる前でも、構造的な絡み合いになり、構造に一体性をもたらす。 本発明のこの態様によるコンポジットを作るために、コア１１０の炭素繊維を ポリマーと混合し、一方向に厚いポリマー繊維をプリフォームの外側領域のガラ ス繊維１００と混ぜ合わせる。次いでハイブリッドプリフォームを前記のように してホットプレスを使用する密閉金型内で処理する。ポリマーの量は所望の最終 合計体積分率を与えるように計算し、そうして処理の前に追加のポリマーを添加 しない。また、繊維状プリフォーム全体に均一なポリマー分布を得るようにポリ マー繊維を置換するために、得られたコンポジットを射出成形する必要はない。 最終コンポジットを機械加工して、生物活性ガラス繊維１００を表面に露出させ る。 本発明はまた、繊維状の生物活性相を炭素繊維三次元構造強化ネットワーク内 に一体化させることに指向している。この結果、骨組織内方成長を可能にする耐 層剥離性浸透繊維状ネットワークになる。 実施例ＩＩＩ コンポジット処理を容易にするために、繊維形状の熱可塑性マトリックスを強 化繊維と混合する。その結果、熱可塑性繊維が構造物全体に均一に分布される。 コンポジットは生物活性繊維で、当該技術分野で十分確立された処方により熱可 塑性物を溶融するために熱及び圧力をかけることによって形成することができる 。 繊維構造及び織物処理技術を適当に選択することによって、生物活性相の量及 び分布を、生物活性繊維の好ましい濃度が構造物の表面付近に配置されるように 制御することができる。コンポジットシステムの熱的性質及び機械的性質を、繊 維体積分率及び繊維配列分布を変えることによって更に適合させることができる 。インプラントの種類に依存して、二次元又は三次元繊維構造物を選択し、F．K ．Ko、「セラミックマトリックスコンポジット用のプリフォーム繊維構造物」、 Bull．Am．Cer．Soc．（１９８９年２月）に開示されているもののような、織り 、 編み又は組み技術により網形状又は近似網形状繊維アセンブリに製造することが できる。 例示目的のために、三次元ハイブリッドメッシュを特別の実施例として示す。 しかしながら、同じ原理を円筒形状及び図５に示される三次元組み織機デザイン ダイヤグラムに見られるような他の複雑な構造形状に適用することができること に注目すべきである。 図５に於いて、Ｘは骨生物活性ガラス又はセラミック繊維を表わし、その数及 び分布は変化させることができ、Ｏは構造繊維、好ましくは炭素繊維であり、こ れも大きな及び小さい束で与えられることができる。織機の垂直列は「トラック （track）」と呼ばれ、織機の水平列は「カラム（column）」と呼ばれる。当該 技術分野で公知のように、三次元組み構造物は、交互様式でトラック及びカラム 方向に示された移動指示に基づく、キャリヤーに取り付けられた繊維の束のトラ ック及びカラムの交互移動で製造される。「０」は移動無しを意味し、「１」は １個のキャリヤー位置による正方向への移動を意味し、「−１」は同じ方向のキ ャリヤーの他の半分の反対方向のキャリヤーの移動を意味する。当然、「２」は ２個のキャリヤー位置の移動を意味する。 好ましい態様に於いて、骨生物活性ガラス又はセラミック繊維の界面領域での 炭素繊維の中への一体化は、トラック／カラム移動の各サイクルの後で交替する 、トラック／カラム座標６／６，６／７；７／７，７／８；８／６，８／７；９ ／７，９／８；１０／６，１０／７；１１／７，１１／８；１２／６，１２／７ ；１３／７，１３／８に於けるキャリヤーの位置により順応される。 前記のことから、所定のヤーン束サイズについて繊維配列及び繊維体積分率を 設計できることがわかる。繊維及びマトリックス材料の性質を知ることによって 、剛性マトリックス［Ｃ］の形状の弾性をコンポジットについて確立することが できる。一組の境界条件下でインプラントの応力−歪反応を評価するために、有 限要素分析を行うこともできる。このプリフォーム設計、微小力学分析及び構造 力学分析は、インプラントの設計を最適化し、構造物の性能能力を予測するため に反復方法で行うことができる。 本発明の追加の面は図６を参照して最も良く理解されるであろう。図６は、本 発明を用いて構成することができるコンポジット構造体の実施例としての股関節 インプラントプロテーゼ２００を示す。先ず、プロテーゼ２００の表面又は表面 の一部を溝２１０又はその他の表面不規則性で覆うことができることが当業者に 理解されるであろう。例えば、図６に見られるように、プロテーゼの基部外周の 三分の一２２０に溝が設けられていることが好ましい。これらの特徴は骨固定の 巨視的な面で助けとなり、有利であることが示された。本発明により、溝２１０ は、平滑な表面を機械加工するのではなくて、プリフォームを所望の外見形状に 成形することによって最も好ましく形成される。 更に、本発明はまた生物活性繊維及び構造繊維を局在化させて、生物活性表面 を用いて局部固定を得ることができる。換言すると、生物活性がインプラント、 デバイス又はプロテーゼ（prosthesis）の特定の面又は部分で濃縮されるように 、繊維を変えることができる。更に図６を参照して、股関節プロテーゼ２００は 最も好ましくは、インプラントデバイスの基部の三分の一２２０に濃縮された生 物活性繊維を有する。全股関節形成に於ける基部応力移動は、この領域で骨に固 定された材料を使用して更に良く行われることが示された。 したがって、本発明はそのパラメーターの多くについて非常に融通性があるこ とが認められるであろう。骨生物活性ガラス又はセラミック繊維は、リン酸カル シウムセラミック繊維を含む生物活性ガラス又はガラス−セラミック材料から選 択することができる。使用するポリマーシステムは、骨生物活性ガラス又はセラ ミック繊維に結合し、生物適応性であり、インビボで繊維の生物活性を阻害しな いどのようなポリマーであってもよい。このようなポリマーシステムの例は、ポ リスルホン、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）及びポリエーテルケトン ケトン（ＰＥＫＫ）である。構造繊維は、生体適合性の拘束に合致し、選択され たポリマーに結合する能力を示すどのような不活性の繊維であってもよい。上記 開示された炭素繊維に加えて、このような繊維には不活性高強度ガラス繊維、ア ラミド繊維及びアルミナのような不活性セラミック繊維が含まれる。繊維配列及 び織りの種類は異なった適用について変えることができ、公知の分析技術を使用 して予め選択し最適化することができる。更に、開示されたハイブリッド編織生 物活性コンポジットは、上記の三次元組み織物構造物のみならず、とりわけ二次 元組み紐、繊維絡み合い織物又は積層コンポジットのような全ての織物構造物と して構成することができる。最後に、当業者は、材料形状、強度、剛性及び骨に 対する固定が設計パラメータの中である多くの適用に本発明を採用することがで きることを理解するであろう。本発明により、生体適合性材料の繊維状コンポジ ットは、骨生物活性ガラス又はセラミック繊維を骨接触表面で織物の中に含有さ せることによって生物活性コンポジットに製造することができる。 上記のことに基づいて、上記に詳細に記載したものを超える本発明の多数の態 様が可能であることが実現されるであろう。しかしながら、このような態様は尚 も本発明の精神を使用しており、従って、本発明の全範囲を決定するために付属 の特許請求の範囲を参照すべきである。

【手続補正書】特許法第１８４条の８ 【提出日】１９９５年６月１４日 【補正内容】 英文明細書第１８頁第１行から同頁最終行迄 （翻訳文明細書第１６頁第１行から同頁第２１行迄） 請求の範囲 １．非生物吸収性ポリマーマトリックス中で、構造繊維のトウと交織された少 なくとも１９モル％のＮａ₂Ｏを含む骨生物活性繊維のトウの生体適合性コンポ ジット。 ２．骨生物活性繊維が所定の分布で配列され、骨に固定するコンポジットの表 面の部分が約３０％以上の骨生物活性繊維からなる請求の範囲第１項記載のコン ポジット。 ３．（削除） ４．コンポジットが （ａ）コンポジットの内部に配置された生体適合性構造繊維、 （ｂ）骨生物活性ガラス又はセラミック繊維と交織された生体適合性構造繊維 、及び （ｃ）骨生物活性繊維を含む骨に固定されるべき部分を規定する表面部分 を含む請求の範囲第２項記載のコンポジット。 ５．（削除） ６．構造繊維が炭素繊維である請求の範囲第１項記載のコンポジット。 ７．非生物吸収性ポリマー材料がポリスルホン、ＰＥＥＫ及びＰＥＫＫからな る群から選択される請求の範囲第１項記載のコンポジット。 ８．骨生物活性繊維が、４０〜６０モル％のＳｉＯ₂、１９〜３０モル％のＮ ａ₂Ｏ、１０〜２１モル％のＣａＯ及び０〜４モル％のＰ₂Ｏ₅からなる請求の範 囲第１項記載のコンポジット。 ９．骨生物活性繊維が、４５〜５５モル％のＳｉＯ₂、１９〜３０モル％のＮ ａ₂Ｏ、１５〜２０モル％のＣａＯ及び０〜３モル％のＰ₂Ｏ₅からなる請求の範 囲第１項記載のコンポジット。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ Ｄ０４Ｈ 13/00 7633−3Ｂ Ｄ０４Ｈ 13/00 (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ， ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ)，ＡＭ， ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，Ｃ Ｎ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ ，ＨＵ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ， ＬＲ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＮ，ＭＷ，Ｎ Ｌ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＺ，ＶＮ (72)発明者 ダッチェイン，ポール アメリカ合衆国ペンシルバニア州19010, ローズモント，アップルゲート・レーン 763 (72)発明者 コー，フランク アメリカ合衆国ペンシルバニア州19124, フィラデルフィア，カスター・アベニュー 5144 (72)発明者 ラコース，ウィリアム アメリカ合衆国ニューヨーク州14802，ア ルフレッド，レイノルズ・ストリート 15

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．ポリマーマトリックス中で構造繊維と混ぜ合わせた骨生物活性繊維のコン ポジット。 ２．骨生物活性繊維が所定の分布で配列され、コンポジットの表面部分が実質 的な部分の骨生物活性繊維からなる請求の範囲第１項記載のコンポジット。 ３．表面部分が約３０％の骨生物活性繊維からなる請求の範囲第２項記載のコ ンポジット。 ４．内部部分が構造繊維からなり、段階部分が骨生物活性ガラス又はセラミッ ク繊維と交織された炭素繊維からなり、そして表面部分が実質的な部分の骨生物 活性繊維を含む請求の範囲第２項記載のコンポジット。 ５．表面部分が約３０％の骨生物活性繊維からなる請求の範囲第４項記載のコ ンポジット。 ６．構造繊維が炭素繊維である請求の範囲第１項記載のコンポジット。 ７．ポリマー材料がポリスルホン、ＰＥＥＫ及びＰＥＫＫからなる群から選択 される請求の範囲第１項記載のコンポジット。 ８．骨生物活性繊維が、４０〜６０モル％のＳｉＯ₂、１９〜３０モル％のＮ ａ₂Ｏ、１０〜２１モル％のＣａＯ及び０〜４モル％のＰ₂Ｏ₅を含む請求の範囲 第１項記載のコンポジット。 ９．骨生物活性繊維が、４５〜５５モル％のＳｉＯ₂、１９〜３０モル％のＮ ａ₂Ｏ、１５〜２０モル％のＣａＯ及び０〜３モル％のＰ₂Ｏ₅を含む請求の範囲 第１項記載のコンポジット。 １０．骨生物活性繊維が、５２モル％のＳｉＯ₂、３０モル％のＮａ₂Ｏ、１５ モル％のＣａＯ及び３モル％のＰ₂Ｏ₅を含む請求の範囲第９項記載のコンポジッ ト。 １１．骨生物活性繊維が約５〜２５ミクロンの直径を有する請求の範囲第９項 記載のコンポジット。 １２．構造繊維と交織された骨生物活性繊維からなるメッシュ。 １３．表面のかなりの割合が骨生物活性繊維からなる表面を作るために骨生物 活性繊維が交織されている請求の範囲第１２項記載のメッシュ。 １４．表面が約３０％の骨生物活性繊維からなる請求の範囲第１３項記載のメ ッシュ。 １５．更にポリマー材料を含む請求の範囲第１１項記載のメッシュ。 １６．骨生物活性繊維及び構造繊維が重合した樹脂で含浸されている請求の範 囲第１４項記載のメッシュ。 １７．構造繊維が、炭素、アラミド並びに非生物活性ガラス及びセラミック材 料からなる群から選択された材料からなる請求の範囲第１１項記載のメッシュ。 １８．骨生物活性繊維が、４０〜６０モル％のＳｉＯ₂、１９〜３０モル％の Ｎａ₂Ｏ、１０〜２１モル％のＣａＯ及び０〜４モル％のＰ₂Ｏ₅を含む請求の範 囲第１１項記載のメッシュ。 １９．骨生物活性繊維が、４５〜５５モル％のＳｉＯ₂、１９〜３０モル％の Ｎａ₂Ｏ、１５〜２０モル％のＣａＯ及び０〜３モル％のＰ₂Ｏ₅を含む請求の範 囲第１８項記載のメッシュ。 ２０．骨生物活性繊維が、５２モル％のＳｉＯ₂、３０モル％のＮａ₂Ｏ、１５ モル％のＣａＯ及び３モル％のＰ₂Ｏ₅を含む請求の範囲第１９項記載のメッシュ 。 ２１．骨内方成長を受容するための固定部分を含むインプラントを置く工程を 含み、１個又は２個以上の該固定部分の少なくとも３０％が骨生物活性繊維を含 む、骨組織へのインプラントの固定方法。 ２２．末端及び基部端を含み、ポリマーを含浸させた、生物活性繊維及び構造 繊維の織ったメッシュからなる、全股関節形成用のプロテーゼ。 ２３．基部端が更に外周の溝を含む請求の範囲第２２項記載のプロテーゼ。 ２４．生物活性繊維が基部端で濃縮されるべき構造繊維内に選択的に織り込ま れている請求の範囲第２２項記載のプロテーゼ。 ２５．更に少なくとも１種の改質剤を含む請求の範囲第８項記載のコンポジッ ト。 ２６．改質剤がＫ₂Ｏ、ＭｇＯ、Ａｌ₂Ｏ₃及びＦ₂からなる群から選択される請 求の範囲第２５項記載のコンポジット。 ２７．更に少なくとも１種の改質剤からなる請求の範囲第１８項記載のメッシ ュ。 ２８．改質剤がＫ₂Ｏ、ＭｇＯ、Ａｌ₂Ｏ₃及びＦ₂からなる群から選択される請 求の範囲第２７項記載のメッシュ。 ２９．骨生物活性繊維が１０〜１３ミクロンの直径を有する請求の範囲第１１ 項記載のコンポジット。