JPWO2012036286A1 - 人工骨、人工骨製造装置及び人工骨製造方法 - Google Patents

Abstract

構造の性質を改善（改質）することで骨再生活性化された人工骨を提供することを目的とする。本発明による人工骨１００は、バイオセラミックスを含む人工骨１００であって、バイオセラミックスは、骨再生活性化された改質構造を有する。改質構造は、プラズマ改質構造であり得る。バイオセラミックスは多孔質であり得る。バイオセラミックスは連球状開気孔を有する。バイオセラミックスは、リン酸カルシウム含有セラミックス又はガラスセラミックスを含有し得る。

Description

本発明は、バイオセラミックスを含む人工骨、人工骨製造装置及び人工骨製造方法に関する。

従来から外科、整形外科等の医療分野において、疾病、事故、手術等によって生じた骨の欠損部及び空隙に対して、自分の他の身体部分の骨を採取、充填することで骨組織の再建を図ることが広く行われてきた。しかし、骨採取のための手術は合併症が多く大きな苦痛を伴う上に、骨採取に要する費用や労力も多大である。また、欠損部が広範囲に及ぶ場合、欠損部を人骨だけで補綴するには十分な量が確保できないことも多い。このため、近年、補綴用人工骨材に関する研究が盛んに行われている。例えば、ハイドロキシアパタイトは、骨補填材として生体内に埋入した場合、これを足場として速やかに骨修復が行われ、新生骨と直接結合するという優れた骨伝導能を発揮する。また、β−リン酸三カルシウム（β−ＴＣＰ）も、生体内で分解され易く、徐々に新生骨に置換するという特徴を有している。

しかし、無気孔で緻密なリン酸カルシウム系焼結材を埋入した場合には、生体内での骨組織形成が遅く、治癒までに長期間を要する。そのため、開気孔を有する多孔質体とし、開気孔内に骨組織が入り込み易くしたリン酸カルシウム系焼結材が提案されている（特許文献１）。

このように、従来の人工骨はハイドロキシアパタイトを含む人工骨であって、ハイドロキシアパタイトの多孔を緻密連通させることで骨再生活性化するよう構造改善されていた。バイオセラミックスの特殊多孔質構造においては、骨組織細胞（骨芽細胞）や血管が孔内に入り込み、骨組織形成が早期になされる。

特開２００２−１７８４６号公報

しかし、人工骨の構造を特殊多孔質構造に改善するには、人工骨を形成する段階で特殊な工程が必要であった。また、人工骨の構造を改善させるのみならず、さらに容易な改良をすることで、骨伝導能を向上させる技術が求められている。

本発明は、上記技術的課題を解決するためになされたものであり、構造を改善（改造）することなく性質を改善（改質）することで、骨再生活性化された人工骨、人工骨製造装置及び人工骨製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の人工骨の特徴的な構成は、バイオセラミックスを含む人工骨であって、バイオセラミックスは、骨再生活性化された改質構造を有する。従って、構造を改善（改造）させることなく性質を改善（改質）させることで、骨再生活性化された人工骨を得ることができる。

本発明に係る人工骨の好適な実施形態によれば、改質構造は、プラズマ改質構造である。例えば大気圧プラズマは、大気中で照射し得る。従って、真空装置が不要となり、改質プロセスが安易である。その結果、術中での使用も可能となる。

本発明に係る人工骨の好適な実施形態によれば、バイオセラミックスは多孔質である。従って、多孔質でないバイオセラミックスと比較して、骨再生活性化された改質面積が広く、骨伝導能が向上する。その結果、骨欠損部における早期治癒が可能となる。

本発明に係る人工骨の好適な実施形態によれば、バイオセラミックスは連球状開気孔を有する。連球状開気孔は、球状であり、３次元的に連通している。従って、プラズマ照射によって骨再生活性化する場合は、燃焼ガスを気孔内に導入し易く、広範囲なプラズマ改質が可能となる。さらに、連球状開気孔は、粒界空隙状開気孔や閉気孔と比べ、気孔径が大きいため、気孔内にまで生体液や骨組織細胞（骨芽細胞）が侵入し得、骨伝導能を向上し得る。

本発明に係る人工骨の好適な実施形態によれば、バイオセラミックスは、リン酸カルシウム含有セラミックス又はガラスセラミックスを含有する。リン酸カルシウム含有セラミックス又はガラスセラミックスは、人工骨の材料として一般に使用されているので、入手が容易である。さらに、リン酸カルシウム含有セラミックス（例えば、ハイドロキシアパタイト）は生体骨の成分でもあり、再生骨に馴染みやすい。

本発明に係る人工骨の好適な実施形態によれば、改質構造は、液滴の接線とバイオセラミックの表面とのなす角度が０度〜１５度であり得る。

本発明に係る人工骨の好適な実施形態によれば、バイオセラミックの表面において、酸素（Ｏ）とリン（Ｐ）との組成比（Ｏ／Ｐ）は６．０〜７．０であり、酸素（Ｏ）とカルシウム（Ｃａ）との組成比（Ｏ／Ｃａ）は４．０〜５．０であり得る。

上記課題を解決するために、本発明に係る人工骨製造装置の特徴的な構成は、バイオセラミックスを含む人工骨の製造装置であって、バイオセラミックスに骨再生活性化のための改質処理をする処理装置を備える。本発明に係る人工骨製造装置によれば、上記説明した本発明の人工骨を製造することができる。従って、構造を改善させることなく改質させることで骨再生活性化された人工骨を製造し得る。

本発明に係る人工骨製造装置の好適な実施形態によれば、処理装置は、バイオセラミックスにプラズマを照射する。例えば大気圧プラズマは、大気中で照射し得る。従って、真空装置が不要となり、改質プロセスが安易である。その結果、術中での使用も可能となる。

本発明に係る人工骨製造装置の好適な実施形態によれば、改質処理の領域を制御する領域制御装置を更に備える。その結果、処理領域の位置、大きさ、範囲を精度よく制御し得る。

本発明に係る人工骨製造装置の好適な実施形態によれば、領域制御装置は、バイオセラミックスへのプラズマ照射時間を制御する。バイオセラミックスへのプラズマ照射時間を長くする場合には、人工骨の内部の非改質層に至るまでプラズマが到達し、人工骨の内部の非改質層を骨再生活性化した改質構造にし得る。また、プラズマ照射時間を短くする場合には、人工骨の表面付近の非改質層を骨再生活性化した改質構造にし得る。その結果、改質部分を選択的に形成し得、目的に応じた人工骨を製造し得る。

本発明に係る人工骨製造装置の好適な実施形態によれば、領域制御装置は、人工骨を含む周辺空間の圧力の加減を制御する。周辺空間を減圧することで、バイオセラミックスの多孔内部にプラズマを導入し得る。その結果、バイオセラミックスの多孔内部を骨再生活性化した改質構造にし得る。また、周辺空間の圧力の加減を繰り返すことで、多孔内の隅々までプラズマを導入し得る。その結果、バイオセラミックスの多孔内部をより確実に改質構造にし得る。

上記課題を解決するために、本発明に係る人工骨製造方法の特徴的な構成は、バイオセラミックスを含む人工骨の製造方法であって、バイオセラミックスに骨再生活性化のための改質処理をする処理工程を包含する。本発明に係る人工骨製造方法によれば、上記説明した本発明の人工骨を製造することができる。従って、構造を改善させることなく改質させることで骨再生活性化された人工骨を製造し得る。

本発明に係る人工骨製造方法の好適な実施形態によれば、処理工程は、バイオセラミックスにプラズマを照射することにより実行される。

本発明に係る人工骨製造方法の好適な実施形態によれば、改質処理の領域を制御する領域制御工程を更に包含する。

本発明に係る人工骨製造方法の好適な実施形態によれば、処理工程において、バイオセラミックスを酸化し、バイオセラミックスの酸素組成比を増加させる。

本発明の実施形態１に係る人工骨及び従来の人工骨を示す写真である。 本発明の実施形態１に係る人工骨の多孔質を示す写真又は模式図である。 従来の人工骨の例を示す表である。 実験動物への人工骨の移植部位を示す模式図である。 本発明の実施形態１に係る人工骨と従来の人工骨とにおける骨再生の程度を示す写真である。 本発明の実施形態１に係る人工骨のＺｏｎｅ３と従来の人工骨のＺｏｎｅ３とにおける骨再生の程度を示す写真である。 本発明の実施形態２に係る人工骨製造装置を示す模式図である。 本発明の実施形態２に係る他の人工骨製造装置を示す模式図である。 様々な厚みの改質層を有する人工骨を示す写真である。 従来の人工骨へのプラズマ照射時間と改質層の厚みとの関係を示すグラフである。 本発明の実施形態２に係る更に他の人工骨製造装置を示す模式図である。 本発明の実施形態２に係る更に他の人工骨製造装置を示す模式図である。 人工骨表面処理による濡れ性の変化を説明する図である。 人工骨表面におけるＸ線光電子分析（ＸＰＳ）の結果を示すグラフである。

図１〜図１４を参照して、本発明の人工骨、人工骨製造装置及び人工骨製造方法に関する実施形態を説明する。本発明は、以下に説明する実施形態や図面に記載される構成に限定されることを意図せず、当該構成と均等な構成も含む。
[実施形態１]
[人工骨]
図１は、本発明の実施形態１に係る人工骨１００及び従来の人工骨２００を示す写真である。図１（ａ１）は、人工骨１００を示す写真であり、図１（ａ２）は、人工骨１００の断面の一部を拡大した写真である。人工骨１００は、生体骨の欠損部分を補う人工的な素材である。人工骨１００は、非改質層１１０と改質層１２０とを含む。

改質層１２０は、骨再生活性化された改質構造を有する。改質層１２０は、バイオセラミックスを含む。骨再生活性化された改質構造の一例は、プラズマ改質構造である。プラズマ改質は、バイオセラミックスにプラズマを照射することで起こし得る。プラズマ改質によって、改質層１２０の親水性、細胞接着性及び細胞増殖性が改善され得る。改質層１２０に含まれるバイオセラミックスは、多孔質である。改質層１２０は複数の気孔を有する。気孔と気孔とを区分するのは、壁部である。気孔には複数の種類がある。例えば、連球状開気孔、粒界空隙状開気孔及び閉気孔である。気孔の詳細は、図２を参照して後述する。プラズマ改質によって改質層１２０の親水性が改善されるため、改質層１２０の多孔質内に液体が吸収される。従って、図１（ａ２）は、人工骨１００ の上に水滴を垂らした時の、水の侵入深さをも表す。改質層１２０は水の侵入し易い個所（侵入容易層）であり、非改質層１１０は、水の侵入し難い個所（侵入非容易層）を表す。

図１（ｂ１）は、従来の人工骨２００を示す写真であり、図１（ｂ２）は、従来の人工骨２００の一部を拡大した写真である。人工骨１００と同様、人工骨２００もバイオセラミックスを含み、多孔質である。しかし、人工骨２００は骨再生活性化された改質構造を有しない。従って、人工骨２００の表面は親水性が悪く、液体を弾く。

図２は、人工骨１００の多孔質を示す写真又は模式図である。図２を参照して、種々の気孔を説明する。

図２（ａ１）は、人工骨１００ａを示す写真であり、図２（ａ２）は、人工骨１００ａの断面の一部を拡大した写真である。人工骨１００ａは、連球状開気孔を有する。ここで、気孔とは、ひとまとまりの物体に含まれる微小な空洞であり、開気孔は、外気と接続している気孔である。連球状開気孔は、複数の開気孔であって、それらの各々が球状であり、３次元的に連通している複数の開気孔である。

図２（ｂ１）は、人工骨１００ｂを示し、図２（ｂ２）は、人工骨１００ｂの一部を拡大した模式図であり、図２（ｂ３）は、人工骨１００ｂの一部を更に拡大した模式図である。人工骨１００ｂは、人工骨１００ａと異なる内部構造を有する。すなわち、人工骨１００ｂは、微小粒子（個体）の集合体であり、隣接する微小粒子の間に隙間を有し、これが細孔をなす。すなわち、人工骨１００ｂは、粒界空隙状開気孔を有する。ここで、粒界空隙状開気孔とは、粒子と粒子との間に生じる空隙が連なる開気孔である。

図２（ｃ１）は、人工骨１００ｃを示す写真であり、図２（ｃ２）は、人工骨１００ｃの断面の一部を拡大した写真である。人工骨１００ｃは、閉気孔を有する。閉気孔は物体内部に孤立している気孔である。従って、外気と接続していない。人工骨１００ｃに含まれる複数の気孔の各々は、壁部によって区分されている。

図３は、従来の人工骨２００の例を示す表である。人工骨２００は、人工骨１００と同様にバイオセラミックスを含むが、人工骨２００は骨再生活性化された改質構造を有しない。しかし、人工骨２００に含まれるバイオセラミックスに骨再生活性化のための改質処理を施すことによって、人工骨１００を製造し得る。人工骨２００は改質処理されていない改質未処理人工骨であり、人工骨１００は改質処理されている改質処理済人工骨である。骨再生活性化のための改質処理の具体例は、プラズマ改質処理であり、バイオセラミックスにプラズマを照射することで実行し得る。

人工骨２００ａは、ペンタックスＨＯＹＡから販売名ボンフィルで販売されている人工骨である。人工骨２００ａの組成は、ハイドロキシアパタイトである。人工骨２００ａは、閉気孔を有し、連通性はない。製品に応じて気孔径は９０、２００、３００μｍ、気孔率は６０、７０％である。

人工骨２００ｂは、コバレントマテリアルから販売名ネオボーンで販売されている人工骨である。人工骨２００ｂの組成は、ハイドロキシアパタイトである。人工骨２００ｂは、連球状開気孔を有し、連通性がある。気孔径は、約１５０μｍであり、気孔率７５％を有する。連通径は、５０μｍである。

なお、人工骨の内部にまで骨再生のための細胞や栄養を導入し易くする等の観点から、人工骨２００ｂの平均気孔径は９０μｍ以上６００μｍ以下であることが好ましい。また、気孔率は５０％以上９０％以下であり、特に、６５％以上８５％以下が好ましい。また、人工骨２００ｂの連球状開気孔の連通部分の平均孔径は２０μｍ以上であることが好ましく、４０μｍ以上であることがより好ましい。

人工骨２００ｂは、撹拌起泡により製造し得る。具体的には、下記に示すステップ１〜ステップ４を実行することで人工骨２００ｂを製造することができる。

ハイドロキシアパタイト粉末に、架橋重合性樹脂としてポリエチレンイミン等を添加し、分散媒として水を用いて、混合、解砕し、スラリーを調製する（ステップ１）。スラリーに、起泡剤としてポリオキシエチレンラウリルエーテル等を添加し、撹拌して起泡させる（ステップ２）。スラリーに、架橋剤としてソルビトールグリシジルエーテル等を添加し、得られた泡沫状スラリーを注型して、泡構造を固定した状態で乾燥させる（ステップ３）。泡沫状スラリーを８００〜１３００℃程度で焼結する（ステップ４）。

人工骨２００ｃは、日本特殊陶業から販売名セラタイトで販売されている人工骨である。人工骨２００ｃの組成は、ハイドロキシアパタイト７０％、β−ＴＣＰ（β−リン酸三カルシウム）３０％である。人工骨２００ｃは多孔質であり、気孔径は１５０〜２００μｍであるが、連通性はあまり良くない。連通径は、４０〜８０μｍである。

人工骨２００ｄは、オリンパステルモバイオマテリアルから販売名ボーンセラムPで販売されている人工骨である。人工骨２００ｄの組成は、ハイドロキシアパタイトである。人工骨２００ｄは多孔質であり、気孔径は３０〜４００μｍであるが、連通性はない。

上述のように人工骨２００に含まれるバイオセラミックスに骨再生活性化のための改質処理を施すことによって、人工骨１００を製造し得る。人工骨２００ａ、人工骨２００ｂ、人工骨２００ｃ、人工骨２００ｄ以外に、種々の人工骨を採用し得る。人工骨２００は、好適には、生体為害性を有さず、かつ、十分な機械的強度を有する材質のバイオセラミックスを含む。具体的には、アルミナ、ジルコニア、シリカ、ムライト、ディオプサイド、ウォラストナイト、エーライト、べライト、アーケルマナイト、モンティセライト、生体用ガラスおよびリン酸カルシウム系セラミックスのうち、少なくとも１種を含む。リン酸カルシウム系セラミックスは生体適合性に優れ、最も好適である。リン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、リン酸三カルシウム、フッ化アパタイトが挙げられる。特に、骨との同化性、癒着性、強度等の観点から、人工骨２００は骨の主組成成分であるハイドロキシアパタイトを含むことが好ましい。

以下、図４〜図６を参照して本発明の人工骨１００の効果を説明する。

図４は、実験動物への人工骨の移植部位を示す模式図である。実験動物としてウサギを用いた。円柱形の人工骨１００と人工骨２００（共に直径６ｍｍ、長さ１５ｍｍ）をウサギの大腿骨内側顆に移植して、人工骨１００と人工骨２００との骨再生機能を比較した。図３を参照して説明した人工骨２００ｂにプラズマを１時間３０分照射することによって、人工骨１００を作製した。

図５は、人工骨１００と人工骨２００とにおける骨再生の程度を示す写真である。図５（ａ）は、人工骨１００における骨再生の程度を示し、図５（ｂ）は、人工骨２００における骨再生の程度を示す。ウサギに人工骨１００と人工骨２００とを移植してから３週間後の結果である。円柱の円形断面を３つの領域（外周から内部にかけて順番にＺｏｎｅ１、Ｚｏｎｅ２、Ｚｏｎｅ３）に区分して、各々の領域における骨再生の程度を比較した。人工骨１００と人工骨２００との各々の３つの全ての領域において、生体液や未分化細胞は侵入していた。しかし、骨組織細胞（骨芽細胞）の侵入の程度は、人工骨２００よりも人工骨１００の方が好適であった。

図６は、人工骨１００のＺｏｎｅ３と人工骨２００のＺｏｎｅ３とにおける骨再生の程度を示す写真である。図６（ａ）は、人工骨１００における骨再生の程度を示し、図６（ｂ）は、人工骨２００における骨再生の程度を示す。白色部分は、人工骨の壁部（連球状開気孔でない部分）を示す。複数の連球状開気孔の内部には生体液や未分化細胞は侵入しているが、生体液や未分化細胞の侵入の程度は、人工骨２００よりも人工骨１００の方が好適であった。骨組織細胞（骨芽細胞）への分化は、人工骨１００においてのみ確認し得た。

以上、図１〜図６を参照して、本発明の実施形態１の人工骨１００を説明した。本発明の人工骨によれば、バイオセラミックスを含む人工骨であって、バイオセラミックスは、骨再生活性化された改質構造を有する。従って、構造を改善（改造）させることなく性質を改善（改質）させることで、骨再生活性化された人工骨を得ることができる。

また、本発明の好適な人工骨によれば、改質構造は、プラズマ改質構造である。例えば大気圧プラズマは、大気中で照射し得る。従って、真空装置が不要となり、改質プロセスが安易である。その結果、術中での使用も可能となる。更に、本発明の好適な人工骨によれば、バイオセラミックスは多孔質である。従って、多孔質でないバイオセラミックスと比較して、骨再生活性化された改質面積が広く、骨伝導能が向上する。その結果、骨欠損部における早期治癒が可能となる。

更に、本発明の好適な人工骨によれば、バイオセラミックスは連球状開気孔を有する。連球状開気孔は、球状であり、３次元的に連通している。従って、プラズマ照射によって骨再生活性化する場合は、燃焼ガスを気孔内に導入し易く、広範囲なプラズマ改質が可能となる。さらに、連球状開気孔は、粒界空隙状開気孔や閉気孔と比べ、気孔径が大きいため、気孔内にまで生体液や骨組織細胞（骨芽細胞）が侵入し得、骨伝導能を向上し得る。

更に、本発明の好適な人工骨によれば、バイオセラミックスは、リン酸カルシウム含有セラミックス又はガラスセラミックスを含有する。リン酸カルシウム含有セラミックス又はガラスセラミックスは、人工骨の材料として一般に使用されているので、入手が容易である。さらに、リン酸カルシウム含有セラミックスは生体骨の成分でもあり、再生骨に馴染みやすい。

なお、本発明の実施形態１において、人工骨１００の全てがバイオセラミックスで作製されるに限らない。一部がバイオセラミックスであり得る。また、バイオセラミックスの全てが骨再生活性化された改質構造を有するに限定されない。バイオセラミックスの一部が骨再生活性化された改質構造であり得る。従って、改質部分を選択し得、目的に応じて人工骨を使い分け得る。特に、人工骨の深部に至るまで改質構造を有し得る場合には、骨の再生が人工骨の深部にまで及び、骨欠損部における早期治癒が可能となる。

更に、本発明の実施形態１において、非改質層１１０と改質層１２０とを有する人工骨１００について説明したが、人工骨１００は、改質層１２０を有しさえすれば非改質層１１０の有無は限定されない。人工骨２００へのプラズマ照射によって、人工骨２００の全てを改質した場合は、製造された人工骨１００は非改質層１１０と改質層１２０とのうち、改質層１２０のみを有する。

更に、本発明の実施形態１において、骨再生活性化された改質構造は、プラズマ改質構造に限定されない。骨再生活性化された改質構造である限りは、希塩酸処理による改質構造であり得る。

更に、本発明の実施形態１において、プラズマ処理の対象として、人工骨２００ｂを選択したが、骨再生活性化のための改質処理を実行して人工骨１００を製造し得る限りは、プラズマ処理の対象は人工骨２００ｂに限定されない。人工骨２００ｂ以外にも、図３を参照して説明した人工骨２００ａ、人工骨２００ｃ、人工骨２００ｄやその他種々の人工骨を活用し得る。
[実施形態２]
[人工骨製造装置及び人工骨製造方法]
図７は、本発明の実施形態２に係る人工骨製造装置３００を示す模式図である。人工骨製造装置３００によって、人工骨１００が製造される。人工骨製造装置３００は、人工骨２００に含まれるバイオセラミックスに対してプラズマＡを照射し、骨再生活性化のための改質処理をする処理装置として機能する。人工骨製造装置３００による製造方法は、バイオセラミックスに骨再生活性化のための改質処理をする処理工程を包含する。処理工程は、バイオセラミックスにプラズマを照射することにより実行される。

人工骨製造装置３００は、ガス供給管３１２と第１電極３１４ａと第２電極３１４ｂと電圧印加装置３１６とを備える。ガス供給管３１２は内径が２〜５ｍｍ程度の絶縁体（たとえば、石英、ガラス、プラスチックなど）からなるガス供給管である。ガス供給管３１２は、噴出口３１２ａを有する。噴出口３１２ａからは、ガス供給管３１２の内腔を通ったヘリウムガスＢが噴出される。第１電極３１４ａと第２電極３１４ｂとは、同軸状の一対のプラズマ発生用の電極である。第１電極３１４ａと第２電極３１４ｂとは、ガス供給管３１２の噴出口３１２ａ側の端部の外周上の上流側と下流側とに各々設置されている。第１電極３１４ａにパルス電圧を印加し、第２電極３１４ｂをグラウンド電位とする。電圧印加装置３１６は、１０〜１００ｋＨｚ程度の低周波のパルス電圧（例えば、６〜１２ｋＶ、１３ｋＨｚ）を第１電極３１４ａと第２電極３１４ｂとの間に印加してパルス放電させることにより、噴出口３１２ａから細く伸びるプラズマジェット（以下、ＬＦ（Ｌｏｗｅｒ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）プラズマジェットとも称する）を生成する。なお、第１電極３１４ａをグラウンド電位にして、第２電極３１４ｂにパルス電圧を印加しても、プラズマジェットを生成し得る。

ＬＦプラズマジェットは、２つの点で希有な特徴を有している。まず、他の種類の大気圧プラズマ生成装置とは異なり、直径に対する長さの比すなわちアスペクト比が大きい形状のプラズマジェットが得られる。また、高時間分解能測定によると、柱状の放電が維持されているのではなく、小さなプラズマの塊（プラズマ・ブレット）が電源周波数と同期して、媒質ガス流に比べてきわめて大きな速度（たとえば、ガス流速の１万倍程度：１０ｋｍ／ｓ程度）で移動している。したがって、プラズマ・ブレットは媒質ガス流によって流されているわけではなく、電場により駆動されて移動している。

ＬＦプラズマジェットではパルス状にプラズマ塊（プラズマ・ブレット）が射出されるため、時間的に非平衡となることによって、熱的に非平衡の状態が作り出される。熱非平衡なプラズマであるので、対象物の温度上昇をもたらすことなく高エネルギー成分を照射することができる。

図８は、本発明の実施形態２に係る他の人工骨製造装置３２０を示す模式図である。人工骨製造装置３２０は、人工骨製造装置３００と第１領域制御装置３３０とを備える。第１領域制御装置３３０は、改質処理の領域を制御する。第１領域制御装置３３０の機能の詳細は、図９を参照して説明する。人工骨製造装置３００が備える構成要素については、図７を参照して説明したので、その説明は省略する。人工骨製造装置３２０による製造方法は、バイオセラミックスに骨再生活性化のための改質処理をする処理工程と改質処理の領域を制御する領域制御工程を包含する。領域制御工程は、バイオセラミックスへのプラズマ照射時間を制御することにより実行される。

図９は、様々な厚みの改質層１２０を有する人工骨１００を示す写真である。第１領域制御装置３３０がバイオセラミックスへのプラズマ照射時間を制御することで、改質層１２０の厚さを制御し得る。図９（ａ）は、プラズマ照射されていない人工骨（即ち人工骨２００）を示す。図９（ｂ）は、１０秒間プラズマ照射された人工骨１００を示す。図９（ｃ）は、１分間プラズマ照射された人工骨１００を示す。図９（ｄ）は、５分間プラズマ照射された人工骨１００を示す。図９（ｅ）は、１０分間プラズマ照射された人工骨１００を示す。図９（ｆ）は、３０分間プラズマ照射された人工骨１００を示す。図９（ｇ）は、６０分間プラズマ照射された人工骨１００を示す。照射時間の増加に伴って人工骨の改質層１２０の厚みが増加する。

図１０は、人工骨２００へのプラズマ照射時間と改質層１２０の厚みとの関係を示すグラフである。縦軸は人工骨１００の改質層１２０の厚みを示し、横軸は人工骨１００の表面へのプラズマ照射時間を示す。改質層１２０の厚みは照射時間が１０秒の場合は約１２０μｍであり、照射時間が１分の場合は約３００μｍであり、照射時間が５分の場合は約３５０μｍであった。さらに、照射時間が１０分の場合は人工骨の改質層１２０の厚みは約４６０μｍであり、照射時間が３０分の場合は約８２０μｍであり、照射時間が６０分の場合は約８９０μｍであった。照射時間の増加に伴って人工骨の改質層１２０の厚みが増加する。

図１１は、本発明の実施形態２に係る更に他の人工骨製造装置４００を示す模式図である。人工骨製造装置４００は人工骨製造装置３００と改質処理の領域を制御する第２領域処理装置４２０とを備える。人工骨製造装置３００が備える構成要素については、図７を参照して説明したので、その説明は省略する。人工骨製造装置４００による製造方法は、バイオセラミックスに骨再生活性化のための改質処理をする処理工程と改質処理の領域を制御する領域制御工程を包含する。領域処理工程は、人工骨を含む周辺空間の圧力の加減を制御することにより実行される。

第２領域処理装置４２０は、人工骨を含む周辺空間の圧力の加減を制御することによって、改質処理の領域を制御する。第２領域処理装置４２０は、チャンバ４０２と加減圧装置４０４とを備える。チャンバ４０２の内部に人工骨２００が配置されており、人工骨２００を含む周辺空間を定義する。加減圧装置４０４は、人工骨２００の連通性の程度に応じて、増圧と減圧との繰り返し回数を調整し得る。増圧と減圧とを繰り返すことによって、人工骨２００の内部にまでプラズマＡが侵入し、人工骨２００の内部がプラズマ処理される。その結果、増圧と減圧との繰り返し回数の増加に伴って人工骨の改質層１２０の厚みが増加する。

なお、人工骨を含む周辺空間の圧力の加減を制御し得る人工骨製造装置の構成は、人工骨製造装置４００の構成に限定されない。例えば、図１２を参照して下記に説明する人工骨製造装置６００も、人工骨を含む周辺空間の圧力の加減を制御し得る。

図１２は、本発明の実施形態２に係る更に他の人工骨製造装置６００を示す模式図である。人工骨製造装置６００は、プラズマ発生装置６１０とプラズマチャンバ６２０と第３領域処理装置６３０とを備える。

プラズマ発生装置６１０は、誘電体バリア放電を形成することでプラズマＡを発生する。プラズマ発生装置６１０は、上部電極と誘電体（たとえば、ガラス板）とを備える。プラズマ発生装置６１０への印加電圧は１０〜１００ｋＨｚの周期的に時間変動する電圧（正弦波電圧、パルス電圧を含む）である。プラズマチャンバ６２０は、プラズマ発生ガスＢ（空気、ヘリウムガス等）を導入する第１ゲート６２２と、プラズマチャンバ６２０から減圧チャンバ６３０に排気ガスを導出する第２ゲート６２４と、人工骨製造装置６００の外部に排気ガスＣを排出する排出手段６２６とを含む。プラズマチャンバ６２０内には、人工骨２００が配置された試料ステージ６２８とプラズマ発生装置６１０とが設けられており、人工骨を含む周辺空間を定義する。プラズマ発生装置６１０とプラズマチャンバ６２０とは、バイオセラミックスに骨再生活性化のための改質処理をする処理装置として機能する。

第３領域処理装置６３０は、人工骨を含む周辺空間の圧力の加減を制御することによって、改質処理の領域を制御する。第３領域処理装置６３０は、チャンバ６３２と加減圧装置６３４とを備える。例えば、加減圧装置６３４は、減圧チャンバ６３２内の圧力を調整する排気ポンプ、ピストン、ダイヤフラム等である。加減圧装置６３４によって減圧チャンバ６３２内の排気ガスＤの排出スピードを調整し、人工骨を含む周辺空間の圧力の加減を制御し得る。

誘電体を含む電極系は一種のコンデンサとみなせるため、プラズマ発生装置６１０へは交流電圧を印加しなければならない。商用から高周波仕様まで様々な電源を使って簡単に誘電体バリア放電を形成し、プラズマを発生し得る。

なお、図１１及び図１２を参照して説明したように、人工骨製造装置４００や人工骨製造装置６００によれば、プラズマチャンバ内に人工骨２００を入れて、プラズマチャンバ内の圧力を低下することができる。従って、人工骨２００が有する気孔内（人工骨２００の内部）にまでプラズマを侵入させ、人工骨２００の内部を改質することができる。

図１３は、人工骨表面処理による濡れ性の変化を説明する図である。図１３（ａ）は、人工骨２００（従来の人工骨）の濡れ性を示す写真である。図１３（ｂ）は、人工骨１００（本発明の人工骨）の濡れ性を示す写真である。図１３（ｃ）は、人工骨の接触角を示すグラフである。

人工骨１００は、人工骨２００にプラズマを５分照射することにより製造された。人工骨表面処理による濡れ性の変化を調べるため、人工骨１００と人工骨２００との表面に液滴を垂らし、液滴と人工骨との接触角（液滴の接線と固体表面（人工骨表面）とのなす角度θ）を計測した。人工骨２００の接触角度は、約７０度であった。人工骨１００の接触角度は、約１２度であった。プラズマ照射による人工骨表面改質によって、液滴と人工骨との接触角が１０度〜１５度になり、濡れ性が増した。プラズマ照射によって人工骨の表面が改質され、親水性が増したと判断し得る。

なお、プラズマ照射時間を更に増すことで、人工骨の表面や内部の改質程度が進み、人工骨の濡れ性を増すことができた。例えばプラズマ照射時間が３０分を越えた場合、接触角は０度になった。プラズマ照射による人工骨表面改質によって、濡れ性（親水性）が増し、液滴と人工骨との接触角が狭くなり、液滴と人工骨との接触角は０度〜１５度になった。

また、連球状開気孔を有する人工骨２００にプラズマ照射して作製した人工骨１００を用いる場合は、粒界空隙状開気孔を有する人工骨２００や閉気孔を有する人工骨２００にプラズマ照射して作製した人工骨１００の場合と比較してプラズマが人工骨内部に侵入し易い。連球状開気孔は、粒界空隙状開気孔や閉気孔と比較して、気孔の連通性が高いからである。従って、連球状開気孔を有する人工骨２００にプラズマ照射して作製した人工骨１００によれば、人工骨の内部の改質程度が進み、人工骨の濡れ性を増すことができる。

図１４は、人工骨表面におけるＸ線光電子分析（ＸＰＳ：Ｘ−ｒａｙ Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）の結果を示すグラフである。グラフの横軸は結合エネルギーを示し、グラフの縦軸は吸収強度（相対強度）を示す。（ａ）は人工骨２００の表面におけるＸ線光電子分析の結果であり、（ｂ）は人工骨１００の上表面におけるＸ線光電子分析の結果であり、（ｃ）は人工骨１００の下表面におけるＸ線光電子分析の結果である。人工骨１００の上表面は、プラズマ処理時のチャンバ中で、プラズマ密度が高い側に位置し、人工骨１００の下表面は、プラズマ処理時のチャンバ中で、プラズマ密度が低い側に位置していた。

ＨｅとＯ₂との混合ガス（Ｈｅ８０％程度、Ｏ₂２０％程度）を用いてプラズマを発生させ、人工骨２００の表面をプラズマ照射することによって人工骨１００を作製した。Ｘ線光電子分析には、Ｘ線光電子分析装置（品番：ＥＳＣＡ−８５０Ｍ／島津製作所製）を用いた。

表１は、人工骨表面におけるＸ線光電子分析の結果（人工骨表面の組成比）を示す表である。分析対象の人工骨は、バイオセラミックとしてハイドロキシアパタイトを含む。

人工骨２００の表面において、カルシウム（Ｃａ）とリン（Ｐ）との比率（Ｃａ／Ｐ）は、１．２９であった。同様に人工骨２００の表面において、酸素（Ｏ）とリン（Ｐ）との比率（Ｏ／Ｐ）は、４．４９であり、酸素（Ｏ）とカルシウム（Ｃａ）との比率（Ｏ／Ｃａ）は、３．４７であった。人工骨１００の上表面において、Ｃａ／Ｐは、１．３３であり、Ｏ／Ｐは、６．４５であり、Ｏ／Ｃａは、４．８５であった。人工骨１００の下表面において、Ｃａ／Ｐは、１．２８であり、Ｏ／Ｐは、６．０９であり、Ｏ／Ｃａは、４．７５であった。

ＨｅとＯ₂との混合ガスを用いて発生させたプラズマを照射することで、Ｃａ／Ｐに大きな変化はなかったが、Ｏ／ＰとＯ／Ｃａとはプラズマを照射することによって増加し、人工骨表面の組成比に変化が見られた。ＨｅとＯ₂との混合ガスを用いて発生させたプラズマを人工骨２００の表面に照射することによって人工骨表面（バイオセラミックス）が酸化し、人工骨表面（バイオセラミックス）の酸素組成比が増えた。人工骨２００の表面において、酸素（Ｏ）とリン（Ｐ）との組成比（Ｏ／Ｐ）が約４．５であり、酸素（Ｏ）とカルシウム（Ｃａ）との組成比（Ｏ／Ｃａ）が約３．５の場合、人工骨１００の表面において、Ｏ／Ｐは６．０〜７．０であり、Ｏ／Ｃａは４．０〜５．０であった。

なお、分析対象の人工骨にハイドロキシアパタイトではなく他のバイオセラミックスが含まれる場合は、元素の種類や元素の構成比が異なることもあり得る。例えば、バイオセラミックスとしてβ−ＴＣＰ（β―リン酸三カルシウム）が含まれる場合は、ハイドロキシアパタイトが含まれる場合と比較して、元素の構成比が異なる。さらに、バイオセラミックスとしてガラスセラミックスが含まれる場合も、ハイドロキシアパタイトが含まれる場合と比較して、元素の種類、構成比は異なる。

Ｘ線光電子分析のために、ＨｅとＯ₂との混合ガス（Ｈｅ８０％程度、Ｏ₂２０％程度）を用いてプラズマを発生させ、人工骨２００の表面をプラズマ照射することによって人工骨１００を作製したが、プラズマ照射によって人工骨表面が酸化し、人工骨表面の酸素組成比が増える限りは、ＨｅとＯ₂との混合ガスによるプラズマ発生に限定されない。混合ガスは、アルゴン（Ａｒ）と酸素との混合ガスや窒素と酸素との混合ガス等、酸素を含んだ混合ガスであり得る。

本発明の好適な人工骨製造装置及び人工骨製造方法によれば、バイオセラミックスへのプラズマ照射時間を長くする場合には、人工骨の内部の非改質層に至るまでプラズマが到達し、人工骨の内部の非改質層を骨再生活性化した改質構造にし得る。また、プラズマ照射時間を短くする場合には、人工骨の表面付近の非改質層を骨再生活性化した改質構造にし得る。その結果、改質部分を選択的に形成し得、目的に応じた人工骨を製造し得る。

本発明の好適な人工骨製造装置及び人工骨製造方法によれば、周辺空間を減圧することで、バイオセラミックスの多孔内部にプラズマを導入し得る。その結果、バイオセラミックスの多孔内部を骨再生活性化した改質構造にし得る。また、周辺空間の圧力の加減を繰り返すことで、多孔内の隅々までプラズマを導入し得る。その結果、バイオセラミックスの多孔内部をより確実に改質構造にし得る。

なお、本発明の実施形態２において、改質処理の領域を制御し得る限りは、領域制御装置による制御対象は、バイオセラミックスへのプラズマ照射時間や人工骨を含む周辺空間の圧力の加減に限らない。例えば、領域制御装置は、プラズマ処理装置の位置を移動してバイオセラミックスへの照射位置を変更する移動装置を備え得る。

更に、本発明の実施形態２において、照射するプラズマの圧力および種類は限定されない。例えば、プラズマ温度が、バイオセラミックスの焼結温度以下であれば、バイオセラミックスの構造を変更することなく、骨再生活性化された改質が可能となる。

更に、本発明の実施形態２において、プラズマ照射時間を制御する第１領域制御装置、周辺空間の圧力の加減を制御する第２領域制御装置及び第３領域制御装置の各々を備える人工骨製造装置を説明したが、本発明の人工骨製造装置が備える領域制御装置の数は、１つに限定されない。例えば、人工骨製造装置４００は、人工骨製造装置３００にプラズマ照射時間を制御する第１領域制御装置を更に備え得る。また、人工骨製造装置６００は、プラズマ発生装置６１０に第１領域制御装置を更に備え得る。この場合、人工骨製造装置４００及び人工骨製造装置６００は、プラズマ照射時間の制御及び周辺空間の圧力の加減の制御が可能となり、バイオセラミックスに占める処理領域の位置、大きさ、範囲を精度よく制御し得る。

本発明の人工骨、人工骨製造装置及び人工骨製造方法によれば、主に、外科、整形外科等の医療分野において、骨の欠損部及び空隙への欠損補填の実現に利用可能である。

１００ 人工骨
１１０ 非改質層
１２０ 改質層
２００ 従来の人工骨
３００ 人工骨製造装置
３２０ 人工骨製造装置
３３０ 第１領域制御装置
４００ 人工骨製造装置
４２０ 第２領域処理装置
６００ 人工骨製造装置
６１０ プラズマ発生装置
６２０ プラズマチャンバ
６３０ 第３領域処理装置

Claims (15)

1. バイオセラミックスを含む人工骨であって、
   前記バイオセラミックスは、骨再生活性化された改質構造を有する、人工骨。
2. 前記改質構造は、プラズマ改質構造である、請求項１に記載の人工骨。
3. 前記バイオセラミックスは多孔質である、請求項１又は請求項２に記載の人工骨。
4. 前記バイオセラミックスは連球状開気孔を有する、請求項１から請求項３のうちの一項に記載の人工骨。
5. 前記バイオセラミックスは、リン酸カルシウム含有セラミックス又はガラスセラミックスを含有する、請求項１から請求項４のうちの一項に記載の人工骨。
6. 前記改質構造は、液滴の接線と前記バイオセラミックの表面とのなす角度が０度〜１５度である、請求項１から請求項５のうちの一項に記載の人工骨。
7. 前記バイオセラミックの表面において、酸素（Ｏ）とリン（Ｐ）との組成比（Ｏ／Ｐ）は６．０〜７．０であり、酸素（Ｏ）とカルシウム（Ｃａ）との組成比（Ｏ／Ｃａ）は４．０〜５．０である、請求項１から請求項６のうちの一項に記載の人工骨。
8. バイオセラミックスを含む人工骨の製造装置であって、
   前記バイオセラミックスに骨再生活性化のための改質処理をする処理装置を備えた、人工骨製造装置。
9. 前記処理装置は、前記バイオセラミックスにプラズマを照射する、請求項８に記載の人工骨製造装置。
10. 前記改質処理の領域を制御する領域制御装置を更に備えた、請求項８又は請求項９に記載の人工骨製造装置。
11. 前記領域制御装置は、前記バイオセラミックスへのプラズマ照射時間を制御する、請求項１０に記載の人工骨製造装置。
12. 前記領域制御装置は、前記人工骨を含む周辺空間の圧力の加減を制御する、請求項１０又は請求項１１に記載の人工骨製造装置。
13. バイオセラミックスを含む人工骨の製造方法であって、
    前記バイオセラミックスに骨再生活性化のための改質処理をする処理工程を包含する、人工骨製造方法。
14. 前記処理工程は、前記バイオセラミックスにプラズマを照射することにより実行される、請求項１３に記載の人工骨製造方法。
15. 前記処理工程において、前記バイオセラミックスを酸化し、前記バイオセラミックスの酸素組成比を増加させる、請求項１３又は請求項１４に記載の人工骨製造方法。

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