JPWO2009084559A1 - 人工軟骨用生体材料 - Google Patents

Abstract

本発明の課題は、生体内分解吸収性ポリマーの破片飛散による為害性発現の虞れを解消し、椎体等との密着性を高めて強固に結合される人工軟骨用生体材料の提供にある。本発明の人工軟骨用生体材料は、有機繊維を３軸以上の多軸三次元織組織もしくは編組織又はこれらの複合組織とした組織構造体の内部に、生体内分解吸収性のピンを、該組織構造体を上下から圧迫するとピンの両端が組織構造体の上下両面から突き出すように設け、組織構造体の上下両面又はいずれか片面の表層部を組織構造体の他の部分よりも柔軟な柔軟層に形成すると共に、該表層部の有機繊維の一部又は全部を生体活性なバイオセラミックス粉体を含んだ生体内分解吸収性ポリマー複合体でコーティングしたものである。組織構造体の表層部を柔軟層として椎体等との密着性を高め、上記複合体で表層部の有機繊維をコーティングしてポリマーの破片飛散の防止、椎体等との強固な結合を可能にする。

Description

本発明は、人工椎間板や人工半月板あるいは種々の線維性関節軟骨などとして使用が見込まれる人工軟骨用生体材料に関する。

本出願人は、この種の人工軟骨用生体材料として、有機繊維を３軸以上の多軸三次元織組織もしくは編組織又はこれらの複合組織とした組織構造体よりなるコア材の片面又は両面に、生体活性なバイオセラミックス粉体を含んだ生体内分解吸収性ポリマーからなる孔開きのプレートを積層し、このコア材とプレートにピンを貫通させてピンの両端を突出させた生体材料を提案した（特許文献１）。

上記の人工軟骨用生体材料は、これを例えば人工椎間板として上下の椎体の間に挿入すると、ピンの両端が上下の椎体に僅かに食い込んで、位置ズレ・脱転を生じることなく椎体間に固定される自立型の生体材料であり、しかも、コア材に積層されたプレートの加水分解に伴って、生体の骨組織がバイオセラミックス粉体の骨伝導能ないし骨誘導能によりプレートの内部へ伝導（誘導）形成され、最終的にプレートが骨組織と置換して椎体と直接結合固定されるものである。そして、有機繊維の組織構造体よりなるコア材が、椎間板等の軟骨と同様の機械的強度と柔軟性（挙動）を備え、その変形が極めてバイオミメティック（生体模倣的）であるため、人工椎間板としての役目を十分に果たす優れた生体材料である。
特開２００５−１４３８００号公報

上記特許文献１の人工軟骨用生体材料は、これを挿入、設置すべき椎体間に合致したサイズのものを使用する限り、何の問題も生じることはないのであるが、人工軟骨用生体材料のサイズ（特に高さと形状）が椎体間スペースのそれらと一致しない場合には、プレートと椎体との間に隙間が生じ、椎体の圧力と動きによってプレートに複雑荷重がかかってプレートが割れる可能性のあることが分かった。このようにプレートが割れて破片が飛散すると、神経根や硬膜髄腔に刺激を及ぼすなどの為害性を発現する虞れがあるので、その対策が望まれる。

本発明は上記事情の下になされたもので、その解決しようとする課題は、特許文献１の人工軟骨用生体材料が有する長所を維持しつつ、プレートの破片飛散による為害性発現の虞れを解消し、椎体などの生体骨との密着性を高めて更に強固な結合を可能にし、設置位置からの移動や脱転を回避する人工軟骨用生体材料を提供することにある。

上記の課題を解決するため、本発明の人工軟骨用生体材料は、有機繊維を３軸以上の多軸三次元織組織もしくは編組織又はこれらの複合組織とした組織構造体の内部に、生体内分解吸収性のピンが、該組織構造体を上下から圧迫すると該ピンの両端が該組織構造体の上下両面から突き出すように設けられており、該組織構造体の上下両面又はいずれか片面の表層部が該組織構造体の他の部分よりも柔軟な柔軟層に形成されていると共に、該表層部の有機繊維の一部又は全部が生体活性なバイオセラミックス粉体を含んだ生体内分解吸収性ポリマー複合体でコーティングされていることを特徴とするものである。

本発明の人工軟骨用生体材料においては、生体内分解吸収性ポリマー複合体でコーティングされた層の厚さが０．２〜３ｍｍであること、また、組織構造体の上面の表層部が下面の表層部と同程度又はそれ以上に柔軟であること、そして、少なくとも上面の表層部が複数の柔軟層で構成され、最も表側の柔軟層が最も柔軟であること、更に、組織構造体の上下両面又はいずれか片面の表層部が生体の接触面の地形に沿うように隆起又は陥没していることが好ましい。

また、本発明の人工軟骨用生体材料においては、生体内分解吸収性ポリマー複合体に含まれるバイオセラミックス粉体の含有率が５０〜９０体積％であり、生体内分解吸収性ポリマーが、ポリ−Ｄ，Ｌ−乳酸、Ｌ−乳酸とＤ，Ｌ−乳酸の共重合体、乳酸とグリコール酸の共重合体、乳酸とｐ−ジオキサノンの共重合体、乳酸とエチレングリコールの共重合体、乳酸とカプロラクトンの共重合体のいずれか単独又は二種以上の混合物であることが好ましい。但し、条件として、この生体内分解吸収性ポリマー複合体は、バイオセラミックス粉体（粒径は３０μｍ以下、好ましくは１０μｍ以下、更に好ましくは０．１〜５μｍ程度）の比率が多くても複合体から容易に離脱しないこと、また、ポリマーの比率が大きくて、繊維にコーティングされたときに硬くなって柔軟性を損なうことのない範囲に限定されなければならない。この条件は、粒径によって異なるが、バイオセラミックス粉体を５０〜９０体積％の範囲で生体内分解吸収性ポリマーに含有させた場合に満たされる。

このような本発明の人工軟骨用生体材料は、人工椎間板、人工半月板、種々の関節軟骨などとして使用されるが、代表例は人工椎間板として椎体間に挿入、設置されるものである。

本発明の人工軟骨用生体材料を、例えば人工椎間板として上下の椎体の間に挿入すると、上下の椎体によって上下から圧迫された組織構造体の上下両面から生体内分解吸収性のピンの両端が突き出して上下の椎体に僅かに食い込み、位置ズレ・脱転を生じることなく上下の椎体間に自立固定される。そして、圧迫された組織構造体の上下両面又はいずれか片面の柔軟層（柔軟な表層部）が、上下の椎体又はいずれか片方の椎体の接触面の地形に沿って容易に凹凸変形して椎体と密着する。このように人工軟骨用生体材料が上下の椎体間に自立固定されて椎体に密着すると、有機繊維を３軸以上の多軸三次元織組織もしくは編組織又はこれらの複合組織とした組織構造体は、椎間板等の軟骨と同程度の機械的強度と柔軟性と動的変形挙動を示すため、椎体の動きに追従して極めて生体模倣的（バイオミメティック）に変形して人工椎間板としての役目を十分に果たす。その挙動は、５０年間の生体のそれの動きを持続することも確認できている。

一方、組織構造体の上下両面又はいずれか片面の表層部の有機繊維にコーティングしたバイオセラミックス粉体入りの生体内分解吸収性ポリマー複合体は、この表層部に浸透する体液と接触して加水分解が進行し、それに伴って除放的に露出してくるバイオセラミックス粉体の骨誘導能ないし骨伝導能によって骨組織が椎体から組織構造体の表層部に誘導（伝導）形成され、最終的に生体内分解吸収性ポリマーが骨組織と置換して組織構造体の表層部が椎体と強固に結合固定される。そして、組織構造体と椎体が強固に結合された以後には、ピンも分解吸収されて消失する。しかし、生体内分解吸収性ポリマー複合体でコーティングされていない組織構造体の内層部は、例えばポリエチレン等の有機繊維自体が生体不活性であるため、骨組織の侵入はなく（一部、線維組織の侵入は考えられるが）、硬化しないので、いつまでも元のままの動的変形挙動を維持する。

本発明の人工軟骨用生体材料は、バイオセラミックス粉体を含んだ生体内分解吸収性ポリマー複合体のプレートが両面に積層される構造でなく、組織構造体の柔軟な表層部の有機繊維の一部又は全部がバイオセラミックス粉体を含んだ生体内分解吸収性ポリマー複合体でコーティングされたものであり、しかも組織構造体がバイオミメティックな動的変形挙動を示し、その上下両面又はいずれか片面の柔軟層（柔軟な表面層）が椎体に密着するものであるから、椎体の圧力や動きによって生体内分解吸収性ポリマー複合体の分解時に破片（細片）を発生することがなく、従って、破片（細片）が飛散して神経根や硬膜髄腔にて悪影響（異物反応）を及ぼすなどの為害性が発現する虞れを解消することができる。そして、上記のように生体内分解吸収性ポリマー複合体でコーティングされた組織構造体の柔軟層（柔軟な表面層）が椎体に密着すると、組織構造体の表層部への骨組織の誘導（伝導）形成が速やかに行われ、誘導（伝導）形成された骨組織と表層部の有機繊維が絡むので、組織構造体と椎体を早期に大きい結合強度で結合させることができる。

本発明の人工軟骨用生体材料において、組織構造体の表層部の生体内分解吸収性ポリマー複合体でコーティングされている層の厚さが０．２〜３ｍｍであるものは、上記のように椎体間に挿入して設置すると椎体と強固に結合し、しかも、生体の骨組織が組織構造体の内層部（芯層部）まで誘導（伝導）形成されて組織構造体が内層部まで硬化することがないので、バイオミメティックな動的変形挙動を維持して人工椎間板としての役目を充分に果たす。表層部におけるコーティング層の厚さが０．２ｍｍ未満であると、誘導（伝導）形成される骨組織の層が薄く、有機繊維と骨組織の絡み合いが不充分となるので、組織構造体と椎体との結合強度が低下し、一方、表層部におけるコーティング層の厚さが３ｍｍより厚くなると、骨組織が誘導（伝導）形成されない内層部の厚みが相対的に薄くなって、人工椎間板としての物理的挙動に支障をきたすようになり、組織構造体がバイオミメティックに変形し難くなる。

本発明の人工軟骨用生体材料をヒトの上下の椎体間に挿入、設置したときに、その組織構造体の上面が圧接する椎体の下面（上側の椎体の下面）は、組織構造体の下面が圧接する椎体の上面（下側の椎体の上面）に比べて大きく凹んでいるのが普通であり、椎体の上面は椎体の下面と比べて平面状に近いのが普通である。従って、本発明の人工軟骨用生体材料において、組織構造体の上面の表層部が下面の表層部と同程度又はそれ以上に柔軟であるものは、組織構造体の上面の表層部が椎体の大きく凹んだ下面の形状に追従して大きく変形できるため、上側の椎体の下面との密着性が向上する。また、組織構造体の下面の表層部は、柔軟性が上面の表層部以下であるが、椎体の平面状に近い上面の形状に追従して小さく変形できるため、下側の椎体の上面と密着する。

そして、組織構造体の少なくとも上面の表層部が複数の柔軟層で構成され、最も表側の柔軟層が最も柔軟である人工軟骨用生体材料は、これを上下の椎体間に挿入、設置すると、上面の表層部を構成する複数の柔軟層全体が、上側の椎体の大きく凹んだ下面に追従して大きく変形すると共に、最も表側の最も柔軟な柔軟層が、椎体の大きく凹んだ下面の細かい凹凸地形に追従して小さく変形するため、椎体の下面との密着性がより一層向上する。

更に、組織構造体の上下両面又はいずれか片面の表層部が、椎体の上面や下面などの生体の接触面の地形に沿うように隆起又は陥没している人工軟骨用生体材料は、例えば、隆起した表層部を上側にして上下の椎体間に挿入、設置すると、隆起した表層部が上側のヒトによって異なる形状の椎体の凹んだ下面にほぼ合致して柔軟に接触するため、上側の椎体の圧力が組織構造体に略均等にかかるようになり、また、隆起した表層部が組織構造体の位置ズレ・脱転を防止する役目も果たすようになる。一方、組織構造体の下面と接触する椎体の上面は、前記のように下面と比べると平面状に近いのが普通の形状であるので、組織構造体の下面の表面層は、上面の表面層ほど隆起した（場合によって陥没した）ものでなくてもよく、ほぼ平坦なものでよい。

また、本発明の人工軟骨用生体材料において、コーティング用の生体内分解吸収性ポリマー複合体に含有させるバイオセラミックス粉体の含有率を５０〜９０体積％としたものは、適量のバイオセラミックス粉体の骨誘導能ないし骨伝導能によって、速やかに骨組織が組織構造体の表層部に誘導（伝導）形成され、組織構造体と椎体が早期に結合される。含有率が５０体積％未満では、バイオセラミックス粉体が少ないため骨組織の誘導（伝導）形成が遅くなり、９０体積％を超えると、過剰のバイオセラミックス粉体が組織構造体の表層部からこぼれ落ちる虞れがあるので、いずれも好ましくない。

また、本発明の人工軟骨用生体材料において、コーティング用の生体内分解吸収性ポリマー複合体の生体内分解吸収性ポリマーとして前述したポリ−Ｄ，Ｌ−乳酸などを使用したものは、加水分解が比較的速く、しかも、弾力性があって脆くない、非晶質または結晶と非晶の混在したポリマーであるため、椎体の圧力や動きによって破片を生じることがなく、早期に加水分解してバイオセラミックス粉体を露出させ、すみやかに骨組織を組織構造体の表層部に誘導（伝導）形成して椎体と結合する。従って、その分子量はバイオセラミックス粉体をある程度の強度をもって保持できることが必要で、例えばポリ−Ｄ，Ｌ−乳酸の場合は１万〜１０万、好ましくは３万〜５万（粘度平均分子量）である。

本発明の一実施形態に係る人工軟骨用生体材料の斜視図である。 同生体材料の使用状態説明図である。 同生体材料の模式説明図である。 （ａ）は同生体材料を開いた椎体間に挿入した状態を示す模式説明図、（ｂ）は同生体材料が上下の椎体の圧力で圧縮された状態を示す模式説明図、（ｃ）は椎体の前後屈によって同生体材料が変形した状態を示す模式説明図である。 本発明の他の実施形態に係る人工軟骨用生体材料の斜視図である。 本発明の更に他の実施形態に係る人工軟骨用生体材料の斜視図である。 同人工軟骨用生体材料の挿入位置を示す平面図である。 本発明の更に他の実施形態に係る人工軟骨用生体材料の模式説明図である。

符号の説明

１ 有機繊維の組織構造体
１ａ 表層部（柔軟層）
２ 生体内分解吸収性のピン
３ 生体活性なバイオセラミックス粉体を含んだ生体内分解吸収性ポリマー複合体
１０，１１，１２，１３ 人工軟骨用生体材料
１１ａ 柔軟層（表層上部）
１２ａ 柔軟層（表層下部）
２０ 椎体

本発明の一実施形態に係る人工軟骨用生体材料について、図１〜図４を参照しながら説明する。

この人工軟骨用生体材料１０は、図２，図４に示すように、全置換型の人工椎間板として上下の椎体２０，２０間に挿入、設置されるものであって、図１に示すように、前半分が半円形、後半分が長方形に形成された有機繊維の組織構造体１からなる生体材料である。そして、この組織構造体１の内部には、複数本（この実施形態では２本）のピン２が上下方向に設けられており、図１，図３に示すように椎体間に挿入する前の状態や、図４の（ａ）に示すように椎体２０，２０間への挿入時に圧迫をかけない状態では、ピン２の両端が組織構造体１に埋没していて上下両面より突き出していないが、挿入後に上下の椎体２０，２０で組織構造体１が圧迫されると、図２，図４の（ｂ）（ｃ）に示すように、ピン２の両端が組織構造体１の上下両面から突き出して上下の椎体２０，２０に刺さり、柔軟層に形成された上下の表層部１ａ，１ａが椎体２０，２０の表面地形に沿って変形すると共に、厚みが小さくなって、位置ズレ・脱転を生じることなく椎体２０，２０間に自立固定されるようになっている。ピン２の本数は、頸椎用の生体材料の場合で２本、腰椎用の生体材料の場合で３本とするのが一般的である。

上記の人工椎間板として使用される人工軟骨用生体材料１０の大きさは、成人用と子供用、脊椎（腰椎）用と頸椎用とで異なるが、成人用で脊椎用の生体材料の場合は、横幅寸法が３０〜４０ｍｍ程度、前後寸法が２５〜３０ｍｍ程度、厚さが１０〜１５ｍｍ程度である。

人工軟骨用生体材料１０を構成する上記の組織構造体１は、有機繊維を三次元織組織もしくは編組織又はこれらの複合組織とした組織構造体であって、椎間板などの軟骨と同程度の機械的強度と柔軟性を有し、変形がきわめてバイオミメティック（生体模倣的）なものである。

この組織構造体１は、本出願人が既に出願した特願平６−２５４５１５号（特許第３２４３６７９号）に記載された組織構造体と同様のものであって、その幾何学的形状を次元数で表し、繊維配列の方位数を軸数で表すと、３軸以上の多軸−三次元組織よりなる構造体が好ましく採用される。

３軸−三次元組織は、縦、横、垂直の３軸の方向の繊維を立体的に組織したもので、その構造体の代表的な形状は、上記のような厚みのあるバルク状（板状ないしブロック状）であるが、円筒状やハニカム状とすることも可能である。この３軸−三次元組織は、組織の違いによって、直交組織、非直交組織、絡み組織、円筒組織などに分類される。また、４軸以上の多軸−三次元組織の構造体は、４，５，６，７，９，１１軸等の多軸方位を配列することによって、構造体の強度的な等方性を向上させることができるものである。そして、これらの選択によって、より生体の軟骨組織に酷似した、よりバイオミメティックな組織構造体１を得ることができる。このような織、網組織をつくる技術を工夫して、椎間板にふさわしい種々の静的、動的、物理物性をもつ組織構造体１の上面側と下面側に、それよりも柔軟で、凸、凹または平面状の椎体表面と直接接触する表面地形をもつ表層部１ａ，１ａを備えた多層構造の組織構造体１をつくりあげることができる。そのような表層部１ａを形成する方法としては、例えば、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸の糸のうちＺ軸の糸を細くしたり、糸の本数を減らす方法が有力である。

上記組織構造体１の内部空隙率は２０〜９０％の範囲にあることが好ましく、２０％を下回る場合は、組織構造体１が緻密になって柔軟性や変形性が損なわれるため、人工軟骨用生体材料としては不満足なものとなる。また、９０％を上回る場合は、組織構造体１の圧縮強度や保形性が低下するので、やはり人工軟骨用生体材料として不適当である。

組織構造体１を構成する有機繊維としては、生体不活性な合成樹脂繊維、例えばポリエチレン、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレンなどの繊維や、有機の芯繊維を上記の生体不活性な樹脂で被覆して生体不活性とした被覆繊維などが好ましく使用される。特に、超高分子ポリエチレンの芯繊維を直鎖状の低密度ポリエチレンの被膜で被覆した直径が０．２〜０．５ｍｍ程度の被覆繊維は、強度、硬さ、弾力性、織編のしやすさ等の点で最適な繊維である。また、これとは別に、生体活性（例えば骨伝導能や骨誘導能）のある繊維を選ぶこともできる。

なお、この組織構造体１については、前記の特願平６−２５４５１５号に詳細に開示されているので、これ以上の説明は省略する。

図３に示すように、組織構造体１の上下両面の表層部１ａ，１ａには、生体活性なバイオセラミックス粉体を含んだ生体内分解吸収性ポリマー複合体３のコーティング層が形成され、該ポリマー複合体３によって表層部１ａ，１ａの有機繊維の一部（表面沿いに存在する有機繊維）がコーティングされている。この表層部１ａの有機繊維をコーティングする手段としては、エタノール、ジクロロエタン（メタン）、クロロホルムなどの揮発性溶媒に生体内分解吸収性ポリマーを溶解すると共にバイオセラミックス粉体を均一に混合して懸濁液を調製し、この懸濁液を組織構造体１の両面に塗布するか、或いは、この懸濁液を組織構造体１の両面にスプレー（吹き付け）するか、或いは、この懸濁液に組織構造体１の両面を浸漬する、などの手段が採用される。尚、場合によっては、表層部１ａ，１ａの有機繊維の全てを生体内分解吸収性ポリマー複合体３でコーティングしてもよい。

表層部１ａの有機繊維をコーティングする上記複合体３の生体内分解吸収性ポリマーとしては、安全で、分解が比較的速く、弾力性があって脆くない、非晶質又は結晶と非晶の混在したポリ−Ｄ，Ｌ−乳酸、Ｌ−乳酸とＤ，Ｌ−乳酸の共重合体、乳酸とグリコール酸の共重合体、乳酸とｐ−ジオキサノンの共重合体、乳酸とエチレングリコールの共重合体、乳酸とカプロラクトンの共重合体などが適しており、これらは単独で、又は、二種以上混合して使用される。

上記ポリマーの分子量は特に限定されないが、コーティング膜の強度や分解吸収の速さなどを考慮すると、１万〜１０万程度の粘度平均分子量を有するものが好ましく使用される。粘度平均分子量が１万より小さいと、椎体の圧力や動きによってコーティング膜が表層部１ａの有機繊維から剥がれ易くなり、１０万を超えると、分解吸収の期間が長くなって表層部１ａへの骨組織の誘導（伝導）形成が遅くなるので、いずれも好ましくない。コーティングする生体内分解吸収性ポリマーのより好ましい粘度平均分子量は、３万〜５万である。

上記の生体内分解吸収性ポリマー複合体３に含有させるバイオセラミックス粉体としては、生体活性があり、生体内吸収性で骨組織と完全に置換され、良好な骨誘導能ないし骨伝導能と良好な生体親和性を有する、未仮焼かつ未焼成のハイドロキシアパタイト、ジカルシウムホスフェート、トリカルシウムホスフェート、テトラカルシウムホスフェート、オクタカルシウムホスフェート、カルサイト、セラバイタル、ジオプサイト、天然珊瑚などの粉体が好ましく使用される。そして、これらの粉体表面にアルカリ性の無機化合物や塩基性の有機物を付着させたものも使用可能である。これらの中でも、未仮焼かつ未焼成のハイドロキシアパタイト、トリカルシウムホスフェート、オクタカルシウムホスフェートは、生体活性が極めて大きく、骨誘導能ないし骨伝導能に優れ、為害性が低く、短期間で生体に吸収されるので、極めて好ましく使用される。

これらのバイオセラミックス粉体は、生体内分解吸収性ポリマーへの分散性や生体への吸収性を考慮すると、３０μｍ以下、好ましくは１０μｍ以下、更に好ましくは０．１〜５μｍ程度の粒径を有するものが使用される。特に、０．１〜５μｍ程度の粒径を有するバイオセラミックス粉体は、生体への吸収性が良好であることに加えて、コーティング膜を破断する虞れがないので好ましく使用される。

生体内分解吸収性ポリマー複合体３中のバイオセラミックス粉体の含有率は５０〜９０体積％とすることが好ましく、この範囲内で含有させると、バイオセラミックス粉体の骨誘導能ないし骨伝導能によって、速やかに骨組織が組織構造体１の表層部１ａに誘導（伝導）形成され、組織構造体１と椎体２０が早期に結合される。含有率が５０質量％未満では、骨組織の誘導（伝導）形成が遅くなり、９０質量％を超えると、コーティング膜が脆弱化して過剰のバイオセラミックス粉体が組織構造体１の表層部１ａからこぼれ落ちる虞れがあるので、いずれも好ましくない。バイオセラミックス粉体の更に好ましい含有量は６０〜８０体積％である。

尚、上記の生体内分解吸収性ポリマー複合体３には、バイオセラミックス粉体の他に、骨誘導能をもつ各種のサイトカインや薬剤、或いは、骨誘導因子（ＢＭＰ：Bone Morphogenetic Protein、ＰＲＰ：Platelet-Rich-Plasma、ＢＭＣ：Bone Mallow
Cell）などを適量含有させてもよく、その場合は骨誘導が顕著になり、組織構造体１の表層部１ａにおける骨組織の成長，置換が著しく促進されて、組織構造体１と椎体２０が早期に結合する利点がある。また、組織構造体１の両表層部１ａにコロナ放電、プラズマ処理、過酸化水素処理などの酸化処理を行うことによって濡れ特性を改善し、増殖させるべき骨細胞の表層部１ａへの侵入、成長を効果的にすることも好ましい。

生体内分解吸収性ポリマー複合体３のコーティング層の厚さは０．５〜３ｍｍ程度であることが好ましく、この程度の厚さであれば、繊維構造体１と椎体２０が強固に結合し、しかも、生体骨の侵入が組織構造体１の内層部（芯層部）にまで及ぶのを防ぎ、繊維構造体１がバイオミメティックに変形して人工椎間板としての役目を充分に果たす。複合体３のコーティング層の厚さが０．５ｍｍ未満であると、誘導（伝導）形成される骨組織の層が薄くなり、有機繊維と骨組織の絡み合いが不充分となるので、組織構造体１と椎体２０との結合強度が低下する。一方、複合体３のコーティング層の厚さが３ｍｍより厚くなると、骨組織が誘導（伝導）形成されない組織構造体１の内層部、つまりバイオミメティックに変形できる内層部の厚みが相対的に薄くなって生体骨の侵入が組織構造体の芯層部にまで及ぶ虞れがあるため、繊維構造体１が充分に変形し難くなって人工椎間板としての機能が低下する。複合体３のコーティング層の更に好ましい厚さは、１〜２．５ｍｍである。

尚、生体内分解吸収性ポリマー複合体３のコーティング層の厚さの調整は、組織構造体１の両面に塗布等する前述の懸濁液の粘度を調整したり、塗布量等を調整することによって容易に行うことができる。

生体内分解吸収性ポリマー複合体３のコーティング層を形成する組織構造体１の上下両面の表層部１ａ，１ａは１〜４ｍｍ程度の厚さを有し、組織構造体１の他の部分（内層部）よりも柔軟な柔軟層に形成されている。そのため、椎体間を少し開けて人工軟骨用生体材料１０を挿入した後、元の椎体間の高さまで戻して該生体材料１０を椎体間に設置すると、組織構造体１の柔軟な表層部１ａ，１ａ（柔軟層）が上下の椎体の接触面（上側の椎体の下面と下側の椎体の上面）の地形に追従して容易に変形し、上下の椎体と密着できるようになっている。

組織構造体１の上下の表層部１ａ，１ａは、その柔軟性や厚さが同程度であってもよいが、この人工軟骨用生体材料１０では、図３，図４に示すように、上側の椎体２０の大きく凹んだ下面に接触する組織構造体１の上面の表層部１ａの方が、下側の椎体２０の略平坦な上面に接触する下面の表層部１ａに比べて、柔軟性も厚さも大きくなっている。そのため、柔軟性及び厚さが大きい上面の表層部１ａは、上側の椎体２０の大きく凹んだ下面に容易に追従して大きく圧縮変形して密接できるようになっており、下面の表層部１ａは柔軟性及び厚さが小さいけれども、下側の椎体２０の略平坦な上面に追従して小さく変形して密接できるようになっている。尚、上面の表層部１ａの具体的な厚さは２〜４ｍｍ程度、下面の表層部１ａの具体的な厚さは１〜２ｍｍ程度とするのが適当である。

表層部１ａを柔軟にする手段としては、前述したように、例えば、３軸−三次元組織のＸ，Ｙ，Ｚ軸の糸（有機繊維）のうちＺ軸の糸を細くしたり、糸の本数を減らすなどの手段が有力であり、糸をどの程度の細さにするか、或いは、糸をどの程度減らすかによって、上下両面の表層部１ａ，１ａの柔軟性を自由に変えることができる。

組織構造体１の上下両面の表層部１ａ，１ａは、平坦な表面を有するものでもよいが、上側の椎体２０の大きく凹んだ下面に接触する組織構造体１の上面の表層部１ａは、上側の椎体２０の大きく凹んだ下面にほぼ合致するように隆起させて形成することが好ましい。このように組織構造体１の上面の表層部１ａが隆起していると、該表層部１ａが上側の椎体２０の大きく凹んだ下面に合致して嵌まった状態で接触するため、上側の椎体２０の圧力が組織構造体１に略均等にかかるという利点があり、また、隆起した上面の表層部１ａが組織構造体１の位置ズレ・脱転を防止する利点もある。これに対し、下側の椎体２０の上面に接触する組織構造体１の下面の表層部１ａは、椎体２０の上面が下面よりも平面状に近いのが普通であるので、ほぼ平坦でよい。

組織構造体１の内部に設ける前記ピン２は結晶性のポリ−Ｌ−乳酸などの乳酸系の生体内分解吸収性ポリマーからなるものであって、特に、鍛造または延伸によりポリマー分子や結晶を配向させて強度を高めたものが好ましく使用される。このピン２は組織構造体１の厚みと実質的に同じ長さを有し、ピン２の両端は、０．３〜２ｍｍ程度の高さを有する円錐状に形成されている。従って、この組織構造体１からなる人工軟骨用生体材料１０を椎体２０，２０間に挿入する前は、図１，図３に示すように、ピン２の両端は組織構造体１の両面から突き出していないが、椎体２０，２０間に挿入されて組織構造体１が上下から圧縮されると、図２，図４（ｂ）（ｃ）に示すように、ピン２の両端が組織構造体１の両面から１〜２ｍｍほど突き出して椎体２０，２０に食い込み、生体材料１０の位置ズレ・脱転が確実に防止されるようになっている。ピン２の両端の突出寸法は上記のように１〜２ｍｍであることが好ましく、また、ピン２の太さは、椎体の圧力で折損することがないように直径を１〜３ｍｍとすることが好ましい。尚、ピン２の両端は、最初から組織構造体１の上下両面より少し突き出していてもよい。

ピン２の本数は１本でもよいが、１本の場合は、生体材料１０の横方向の位置ずれを防止できても、生体材料１０の回転を防止できないという不都合があるので、例えば、頸椎用の生体材料の場合は２本、腰椎用の生体材料の場合は３本とするのが好ましい。特に、３本のピン２を設けると、３点支持により生体材料１０を安定良く上下の椎体２０，２０間に設置できる利点がある。

尚、このピン２にも、前述のバイオセラミックス粉体、各種サイトカインなどを適量含有させてもよい。

以上のような構成の人工軟骨用生体材料１０を全置換型の人工椎間板として使用し、図２，図４に示すように脊椎（腰椎）の上下の椎体２０，２０の間に腹側から挿入すると、上下の椎体２０，２０の圧迫により組織構造体１の柔軟な表層部１ａ，１ａが圧縮され、そのとき組織構造体１の両面から突き出たピン２の両端が上下の椎体２０，２０に食い込んで、位置ズレ・脱転を生じることなく椎体２０，２０間に自立固定される。このように自立固定された人工軟骨用生体材料１０は、組織構造体１の上面の柔軟な表層部１ａ（柔軟層）が上側の椎体２０の大きく凹んだ下面に追従して該下面に嵌まり込むように大きく変形すると共に、柔軟な上下の表層部１ａ，１ａが上下の椎体２０，２０の接触面（下面と上面）の細かい凹凸に沿って小さく変形しながら上下の椎体２０，２０に密着し、図４の（ｃ）に示すように、組織構造体１が椎体２０，２０の前後屈曲げや側方曲げなどの動きに追従してバイオミメティックに変形するため、人工椎間板としての役目を十分に果たす。

一方、組織構造体１の両面の表層部１ａ，１ａの有機繊維にコーティングされた生体内分解吸収性ポリマー複合体３は、その表面に露出したバイオセラミックス粉体が直接的骨伝導に作用し、また、該表層部１ａ，１ａに浸透する体液と接触して生体内分解吸収性ポリマーの加水分解が進行し、それに伴って露出してくるバイオセラミックス粉体の骨誘導能ないし骨伝導能によって骨組織が椎体２０，２０から組織構造体１の表層部１ａ，１ａに誘導（伝導）形成され、最終的に生体内分解吸収性ポリマーが骨組織と置換して組織構造体１の表層部１ａ，１ａが椎体２０，２０と強固に結合固定される。そして、組織構造体１と椎体２０，２０が強固に結合された以後には、ピン２も分解吸収されて消失する。

この人工軟骨用生体材料１０は、特許文献１の生体材料に見られるようなバイオセラミックス粉体を含んだ生体内分解吸収性ポリマー複合体のプレートが両面に積層されておらず、上記のように組織構造体１の表層部１ａ，１ａの有機繊維がバイオセラミックス粉体を含んだ生体内分解吸収性ポリマー複合体３でコーティングされたものであり、且つ、組織構造体１の表層部１ａ，１ａが柔軟で上下の椎体２０，２０に密着するものであるから（換言するならば本生体材料１０と椎体、特に上部の椎体２０の下面の凹部との間に間隙（Dead Space）をつくらないものであるから）、椎体２０，２０の圧力や動きによって破片を発生することがなく、従って、破片が飛散して神経根に悪影響を及ぼすなどの為害性の発現の虞れを確実に解消することができる。そして、上記のように組織構造体１の両面の表層部１ａ，１ａが上下の椎体２０，２０に密着すると、組織構造体１の表層部１ａ，１ａへの骨組織の誘導（伝導）形成が速やかに行われ、誘導（伝導）形成された骨組織と表層部１ａ，１ａの有機繊維が絡むので、組織構造体１と椎体２０，２０を早期に大きい結合強度で結合させることができる。

次に、図５を参照して、本発明の他の実施形態に係る人工軟骨用生体材料を説明する。

この人工軟骨用生体材料１１は、脊椎（腰椎）の椎間板の半分を置換する部分置換型の人工椎間板として使用されるものであって、前述した全置換型の人工軟骨用生体材料１０を左右に二分割した形状を有している。この人工軟骨用生体材料１１の構成は、前述の人工軟骨用生体材料１０と実質的に同一であって、組織構造体１の両面の柔軟な表層部１ａ，１ａの有機繊維を、生体活性なバイオセラミックス粉体を含んだ生体内分解吸収性ポリマー複合体でコーティングし、生体内分解吸収性の２本のピン２を組織構造体１の内部に設けて、組織構造体１が上下の椎体で圧迫されるとピン２の両端が組織構造体１の両面から突き出して上下の椎体に刺さるようにしたものである。

このような部分置換型の人工軟骨用生体材料１１は、脊椎（腰椎）の背後から椎体間の片側に挿入できるので、全置換型の人工軟骨用生体材料１０のように脊椎（腰椎）の腹側から椎体間に挿入するものに比べると、簡単に手術を行うことができる。そして、椎体間に挿入された人工軟骨用生体材料１１は、前述した人工軟骨用生体材料１０と同様にピン２によって位置ズレ・脱転がないように自立固定され、組織構造体１が生体の椎間板に近いバイオミメティックな変形特性を備え、バイオセラミックス粉体を含んだ生体内分解吸収性ポリマー複合体で有機繊維をコーティングした組織構造体１の両面の柔軟な表層部１ａ，１ａが上下の椎体に密着し、早期に骨組織が表層部１ａ，１ａに誘導（伝導）形成されて椎体と強固に直接結合し、破片の発生やその飛散による為害性の発現がない等、前記の生体材料１０と同様の多くの利点を有し、部分置換型の人工椎間板として極めて好適である。

次に、図６，図７を参照して、本発明の更に他の実施形態に係る人工軟骨用生体材料を説明する。

この部分置換型の人工軟骨用生体材料１２は、図６に示すような円弧状の生体材料であって、その一端（先端）が丸く形成されており、図７に示すように脊椎（特に腰椎）の椎体間に左右一対挿入されるものである。この人工軟骨用生体材料１２の標準的な大きさは、例えば成人の腰椎用の人工椎間板として使用する場合には、横幅寸法が９ｍｍ程度、厚み寸法が１１ｍｍ程度、円弧状の中心線の曲率半径が２２〜２３ｍｍ程度、円弧状の中心線に沿った長さ寸法が３０ｍｍ程度である。

この人工軟骨用生体材料１２は、前述した全置換型の人工軟骨用生体材料１０とは形状が異なるけれども、その構造は実質的に同様である。即ち、組織構造体１の両面の柔軟な表層部１ａ，１ａの有機繊維を、生体活性なバイオセラミックス粉体を含んだ生体内分解吸収性ポリマー複合体でコーティングすると共に、生体内分解吸収性の３本のピン２を組織構造体１の内部に設け、組織構造体１が上下の椎体で圧迫されるとピン２の両端が組織構造体１の両面から突き出して上下の椎体に刺さるようにしたものである。

このような部分置換型の人工軟骨用生体材料１２は、脊椎（腰椎）の背後から図７に示すように椎体２０間に左右一対挿入されるので、全置換型の人工軟骨用生体材料１０に比べると手術が簡単であり、しかも、人工軟骨用生体材料１２の先端が丸く形成されているので、先端が椎体２０に引掛かることなくスムーズに挿入することができる。そして、この人工軟骨用生体材料１２も、前記の人工軟骨用生体材料１０，１１と同様に、ピン２によって位置ズレ・脱転がないように自立固定され、組織構造体１が生体の椎間板に近いバイオミメティックな変形をし、バイオセラミックス粉体を含んだ生体内分解吸収性ポリマー複合体で有機繊維をコーティングした組織構造体１の両面の柔軟な表層部１ａ，１ａが上下の椎体に密着し、早期に骨組織が表層部１ａ，１ａに誘導（伝導）形成されて椎体と強固に直接結合し、破片の発生やその飛散による為害性の発現がないなど、前記の生体材料１０，１１と同様の多くの利点を有し、部分置換型の人工椎間板としての役割を充分に果たすことができる。

次に、図８を参照して、本発明の更に他の実施形態に係る人工軟骨用生体材料を説明する。

この人工軟骨用生体材料１３は全置換型の人工椎間板として使用されるものであって、組織構造体１の上面の柔軟な表層部１ａが２つの柔軟層１１ａ，１２ａで構成されており、表側の柔軟層１１ａ（表層上部）は内側の柔軟層１２ａ（表層下部）よりも更に柔軟になっている。そして、この内側の柔軟層１２ａと、組織構造体１の下面の柔軟な表層部１ａは、同等の柔軟性を有している。これらの柔軟層１１ａ，１２ａや組織構造体１下面の表層部１ａは、例えば、３軸−三次元組織のＸ，Ｙ，Ｚ軸の糸（有機繊維）のうちＺ軸の糸をどの程度の細さにするか、或いは、糸の本数をどの程度減らすかによって、柔軟性が調節されている。

柔軟層１１ａ，１２ａの厚さは限定されないが、それぞれ１〜２ｍｍ程度（合計２〜４ｍｍ程度）とするのが適当であり、この程度の厚さであれば、人工軟骨用生体材料１３を上下の椎体間に挿入、設置したとき、柔軟層１１ａ，１２ａが上側の椎体の下面の凹部に嵌まり込むように大きく変形して密着することができる。一方、組織構造体１の下面の表層部１ａは、前記人工軟骨用生体材料１０の場合と同様に１〜２ｍｍ程度の厚さとするのが適当であり、この程度の厚さであれば、下側の椎体のほぼ平坦な上面の地形に追従、変形して密着することができる。また、組織構造体１の内層部（柔軟層１１ａ，１２ａと下面の表層部１ａを除いた部分）は２〜８ｍｍ程度の厚さとするのが適当であり、この程度の厚さであれば、上下の椎体の間隔を保ちつつバイオミメティックに変形して人工椎間板の役目を充分に果たすことができる。

この人工軟骨用生体材料１３の他の構成は、前記人工軟骨用生体材料１０と同様であるから、図８において同一部材に同一符号を付し、重複する説明を省略する。

この人工軟骨用生体材料１３は、前記人工軟骨用生体材料１０と同様の優れた作用効果が得られることに加えて、上下の椎体間に挿入、設置したときに、上面の表層部１ａを構成する２つの柔軟層１１ａ，１２ａが上側の椎体の大きく凹んだ下面に追従して大きく変形すると共に、表側の最も柔軟な柔軟層１１ａが、椎体の大きく凹んだ下面の細かい凹凸地形に追従して小さく変形するため、椎体の下面との密着性がより一層向上し、組織構造体１上面の表層部１ａへの骨組織の誘導（伝導）形成が一層速やかに行われて早期に椎体と結合するという効果が得られる。

上記の人工軟骨用生体材料１３では、組織構造体１の上面の表層部１ａを２つの柔軟層１１ａ，１２ａで構成しているが、３つ以上の柔軟層で表層部１ａを構成し、最も表側の柔軟層が最も柔軟で、内側の柔軟層ほど柔軟性が低下するように、各柔軟層の柔軟性を調節しても勿論よい。また、組織構造体１の下面の表層部１ａを同様に複数の柔軟層で構成し、最も表側の柔軟層を最も柔軟にしてもよい。

以上説明した人工軟骨用生体材料１０，１１，１２，１３はいずれも、組織構造体１の下面に柔軟な表層部１ａ（柔軟層）を有するものであるが、この下面の柔軟な表層部１ａは省略してもよい。このように省略しても、組織構造体１の下面が接触する椎体の上面は略平面状であり、組織構造体１は本来有する柔軟性によって多少変形しながら椎体の略平面状の上面にほぼ密着できるので、骨組織の誘導（伝導）形成が妨げられる心配はない。

本発明の人工軟骨用生体材料は、ピンによって椎体間に自立固定され、椎体の接触面に密着して早期に椎体と直接結合し、長期間に亘ってバイオミメティックな動的変形挙動を維持し、生体内分解吸収性ポリマーの破片飛散による為害性発現の虞れがないものであり、生体の椎間板などの代替材料として頗る有用なものである。

また、本発明の人工軟骨用生体材料においては、生体内分解吸収性ポリマー複合体に含まれるバイオセラミックス粉体の含有率が５０〜９０質量％であり、生体内分解吸収性ポリマーが、ポリ−Ｄ，Ｌ−乳酸、Ｌ−乳酸とＤ，Ｌ−乳酸の共重合体、乳酸とグリコール酸の共重合体、乳酸とｐ−ジオキサノンの共重合体、乳酸とエチレングリコールの共重合体、乳酸とカプロラクトンの共重合体のいずれか単独又は二種以上の混合物であることが好ましい。但し、条件として、この生体内分解吸収性ポリマー複合体は、バイオセラミックス粉体（粒径は３０μｍ以下、好ましくは１０μｍ以下、更に好ましくは０．１〜５μｍ程度）の比率が多くても複合体から容易に離脱しないこと、また、ポリマーの比率が大きくて、繊維にコーティングされたときに硬くなって柔軟性を損なうことのない範囲に限定されなければならない。この条件は、粒径によって異なるが、バイオセラミックス粉体を５０〜９０質量％の範囲で生体内分解吸収性ポリマーに含有させた場合に満たされる。

また、本発明の人工軟骨用生体材料において、コーティング用の生体内分解吸収性ポリマー複合体に含有させるバイオセラミックス粉体の含有率を５０〜９０質量％としたものは、適量のバイオセラミックス粉体の骨誘導能ないし骨伝導能によって、速やかに骨組織が組織構造体の表層部に誘導（伝導）形成され、組織構造体と椎体が早期に結合される。含有率が５０質量％未満では、バイオセラミックス粉体が少ないため骨組織の誘導（伝導）形成が遅くなり、９０質量％を超えると、過剰のバイオセラミックス粉体が組織構造体の表層部からこぼれ落ちる虞れがあるので、いずれも好ましくない。

生体内分解吸収性ポリマー複合体３中のバイオセラミックス粉体の含有率は５０〜９０質量％とすることが好ましく、この範囲内で含有させると、バイオセラミックス粉体の骨誘導能ないし骨伝導能によって、速やかに骨組織が組織構造体１の表層部１ａに誘導（伝導）形成され、組織構造体１と椎体２０が早期に結合される。含有率が５０質量％未満では、骨組織の誘導（伝導）形成が遅くなり、９０質量％を超えると、コーティング膜が脆弱化して過剰のバイオセラミックス粉体が組織構造体１の表層部１ａからこぼれ落ちる虞れがあるので、いずれも好ましくない。バイオセラミックス粉体の更に好ましい含有量は６０〜８０質量％である。

生体内分解吸収性ポリマー複合体３のコーティング層の厚さは０．５〜３ｍｍ程度であることが好ましく、この程度の厚さであれば、組織構造体１と椎体２０が強固に結合し、しかも、生体骨の侵入が組織構造体１の内層部（芯層部）にまで及ぶのを防ぎ、組織構造体１がバイオミメティックに変形して人工椎間板としての役目を充分に果たす。複合体３のコーティング層の厚さが０．５ｍｍ未満であると、誘導（伝導）形成される骨組織の層が薄くなり、有機繊維と骨組織の絡み合いが不充分となるので、組織構造体１と椎体２０との結合強度が低下する。一方、複合体３のコーティング層の厚さが３ｍｍより厚くなると、骨組織が誘導（伝導）形成されない組織構造体１の内層部、つまりバイオミメティックに変形できる内層部の厚みが相対的に薄くなって生体骨の侵入が組織構造体の芯層部にまで及ぶ虞れがあるため、組織構造体１が充分に変形し難くなって人工椎間板としての機能が低下する。複合体３のコーティング層の更に好ましい厚さは、１〜２．５ｍｍである。

Claims (8)

1. 有機繊維を３軸以上の多軸三次元織組織もしくは編組織又はこれらの複合組織とした組織構造体の内部に、生体内分解吸収性のピンが、該組織構造体を上下から圧迫すると該ピンの両端が該組織構造体の上下両面から突き出すように設けられており、該組織構造体の上下両面又はいずれか片面の表層部が該組織構造体の他の部分よりも柔軟な柔軟層に形成されていると共に、該表層部の有機繊維の一部又は全部が生体活性なバイオセラミックス粉体を含んだ生体内分解吸収性ポリマー複合体でコーティングされていることを特徴とする人工軟骨用生体材料。
2. 上記生体内分解吸収性ポリマー複合体でコーティングされた層の厚さが０．２〜３ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載の人工軟骨用生体材料。
3. 上記組織構造体の上面の表層部が下面の表層部と同程度又はそれ以上に柔軟であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の人工軟骨用生体材料。
4. 上記組織構造体の少なくとも上面の表層部が複数の柔軟層で構成されており、最も表側の柔軟層が最も柔軟であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の人工軟骨用生体材料。
5. 上記組織構造体の上下両面又はいずれか片面の表層部が、生体の接触面の地形に沿うように隆起又は陥没していることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の人工軟骨用生体材料。
6. 上記生体内分解吸収性ポリマー複合体に含まれるバイオセラミックス粉体の含有率が５０〜９０体積％であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の人工軟骨用生体材料。
7. 上記生体内分解吸収性ポリマー複合体の生体内分解吸収性ポリマーが、ポリ−Ｄ，Ｌ−乳酸、Ｌ−乳酸とＤ，Ｌ−乳酸の共重合体、乳酸とグリコール酸の共重合体、乳酸とｐ−ジオキサノンの共重合体、乳酸とエチレングリコールの共重合体、乳酸とカプロラクトンの共重合体のいずれか単独又は二種以上の混合物であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の人工軟骨用生体材料。
8. 人工椎間板として椎体間に挿入、設置され、隣接する上下の椎体と直接結合することを特徴とする請求項１に記載の人工軟骨用生体材料。
   

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