JPH0575422B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は人体において疾病などにより失なわれ
た機能を修復するための人工関節及び硬組織を修
復するための生体部材とその製造方法に関するも
のである。 現在、変形性関節症や慢性関節リウマチなどの
ために手足の関節機能が失なわれた場合、外科的
療法の１つとして人工関節置換術が行なわれてお
り、その数は全世界で年間数万件に達している。 人工関節は、金属、プラスチツク、セラミツク
などを材料として作られ、人工股関節を筆頭に人
工膝関節、人工足関節、人工肘関節など多岐に渡
る。これらの人工関節において共通した最大の問
題点はルーズニング（使用中の「ゆるみ」）であ
る。即ち、人工関節置換術後数年経た後、人工関
節と生体骨との間にゆるみを生じて疼痛と関節機
能の低下を来たす結果、抜去再手術を余儀なくさ
れるケースがしばしば見られるのである。 人工関節置換手術においては、人工関節と人体
の骨関節端とを接着させるため、手術中に骨セメ
ントと称するアクリル系樹脂が用いられている
が、重合時に70〜80℃に発熱するため、この重合
熱で骨や軟部組織の蛋白が凝固、壊死を生じ、ま
た重合時に残留するモノマーも毒性を持つ。従つ
てこの骨セメントは手術中短時間で骨に強固に接
合できるものの、後でルーズニングを生じる一因
となつていると考えられる。さらに金属製人工関
節の場合には、生体中での金属素材の腐食は避け
難いものであり、溶出した金属イオンは生体への
悪影響を及ぼす。 これらのことから、生体中で腐食すること無
く、又、骨との親和性が良いため骨セメント無し
で骨と癒着一体化することのできるアルミナセラ
ミツク製人工関節が開発され、すでに実用に供さ
れている。ところがアルミナセラミツクは生体内
での優れた安定性と大きな機械的強度を持つてい
る反面、不活性な材料であるため生体へ埋入した
後の天然骨の増生による該天然骨との癒着固定に
至るまでに相当長期間を要する。そこで機械的強
度は弱いが生体中で活性であり、骨と短期間で直
に結合することのできるヒドロキシアパタイトを
アルミナセラミツクと組み合わせることにより、
生体活性を有しかつ強度の大きな人工関節をもた
らすことが考えられており、例えば、特開昭54−
50194に見られる如く、高強度基体表面にリン酸
カルシウム系材料の表面層を被着したものなどが
すでに提案されている。この場合、高強度基体の
表面にはリン酸カルシウム系材料をプラズマ溶射
したり、いわゆるスラリー中にドブ浸けするなど
の方法によつて被着したものであることから、高
強度基体表面に被着したリン酸カルシウムなどコ
ート層は0.1mm程度の厚さのもので、薄く、しか
も微細粒子が多孔質状に並んだものとなる。この
ように、多孔質状を成しているため、高強度基体
との熱膨張差はある程度吸収され、コート層の内
部応力も若干緩和されるものの、依然として熱膨
張差が大きいことによつて高強度基体からコート
層が剥離し易い。しかも、コート層を成す燐酸カ
ルシウムの粒子径が数μ程度で、極めて小さく、
かつ密集したものであることから、多孔質とはい
うものの空隙の大きさは数μ以下であり、このよ
うに小さい空隙では生体中において骨の増生侵入
が不可能である。従つて、生体活性の材料が生体
と直に接しているため、骨細胞との化学的な結合
は比較的早く行なわれるものの、骨との機械的結
合が行なわれないため強力なる結合力が得られな
いという大きな欠点があつた。 本発明は上記の如き従来の各種人工骨、人工関
節などの生体部材の有する諸問題並びにコーテイ
ング材の欠点に鑑みて開発されたもので、以下、
実験例により具体的に説明する。 先づ、本発明を成す試験片の製作法について述
べると、アルミナ（Al₂O₃）を99％含むアルミナ
セラミツク基板上に生体に無害なシリカ系ガラス
粉末（平均粒径8μ）に有機粘結剤を混ぜ合わせ
たスラリーを塗布し、その後ヒドロキシアパタイ
トのブロツク体を粉砕、分級して成した不定形状
で平均粒径100〜2000μ（145〜９メツシユ）の小
粒体を分布密度25〜10000個／cm²の範囲で上記ア
ルミナセラミツク基板上に散布し、900〜1300℃
酸化雰囲気中にて１時間焼成することにより試験
片を作つた。 実験例 １ アルミナを99％含むセラミツク基板（10mm×10
mm×３mm）上にシリカ系ガラススラリーを塗布
し、その後ヒドロキシアパタイトのブロツク体を
粉砕、分級して成した不定形状で平均粒径250〜
350μ（60メツシユ〜42メツシユ）の小粒体を分布
密度800〜1600個／cm²の範囲で上記アルミナセラ
ミツク基板上に散布し、1100℃酸化雰囲気中にて
１時間焼成する事により試験片を製作した。これ
を第１群とする。次に同様な方法にて平均粒径
1000〜1500μ（16〜10メツシユ）の小粒体を分布
密度40〜100個／cm²の範囲でセラミツク基板上に
固定した。これを第２群とする。又、ヒドロキシ
アパタイトの小粒体を付着していない基準片とし
てアルミナ基板を比較片として用い、これを第３
群とした。 以上の様な方法にて作成した試験片をオートク
レーブにて滅菌しそれぞれ家兎の脛骨顆部に埋入
し、術後８週、12週、24週にて屠殺して試験片を
含む生骨を採り出し、試験片近傍をデンタルバー
にて削り落としてフツクを係合できる様な形状の
検体とした。次に試験片と骨の各々にフツクをか
け、インストロン型オートグラフを用いてクロス
ヘツドスピード５mm／分にて引張試験を行ない、
試験片に対する天然骨の接合強度を測定した。検
体数は各々10例であつた。又、試験後検体をホル
マリン固定し、非脱灰標本として光学顕微鏡など
を用いて天然骨の接合状態及び骨細胞の生育状態
を詳しく観察した。 引張試験の結果は下表の如くであつた。

【表】 先づ術後８週の結果では、平均粒径250〜350μ
のヒドロキシアパタイト小粒体を固定したアルミ
ナ基板にあつては、アルミナ基板単体のものに比
較して約15倍もの大きな接着強度で天然骨と接合
することが判明した。これは平均粒径250〜350μ
の不定形の小粒体の形成する隙間が骨細胞が増生
して入り込むのに適した100〜150μの間隙となつ
ているためであり、同時に実施した平均粒径1000
〜1500μの小粒体を付着した第２群にあつては、
形成される間隙は400〜600μと広いため、ヒドロ
キシアパタイト表面は新生骨に覆われるものの、
骨形成が疎であるため接着強度は第１群の1/2弱
であつた。一方顕微鏡的観察では、新生骨がヒド
ロキシアパタイト小粒体とダイレクトに結合しヒ
ドロキシアパタイトの小粒体の形状に応じて細部
にまで骨細胞が入り込んでいる様子が見られた。 この実験例の如く平均粒径250〜350μのヒドロ
キシアパタイトを固定したアルミナ基板では、間
隙への骨細胞の増生侵入によるアンカー効果とヒ
ドロキシアパタイト天然骨との緊密な結合により
術後短期間において大きな接合力が得られた。従
つて骨セメントを用いないセラミツク製人工関節
への応用において、術後短期間での初期固定性を
与える優れたものであることが確認された。 次に術後12週の結果を８週のものと比較検討す
ると、平均粒径250〜350μの小粒体を固定した第
１群ではわずか8.3％の接着強度の増加に留まつ
ているのに対し、平均粒径1000〜1500μの小粒体
を固定した第２群は126％、基準アルミナ基板の
第３群は120％の接着力の増加を示した。この原
因は顕微鏡観察結果によつて明らかにされた。即
ち、第１群においては短期間にて小粒体の形成す
る間隙に骨細胞が増生侵入するが、これらの骨細
胞は多数の骨芽細胞を含む未成熟の骨細胞であ
り、間隙が狭いため十分な生育ができない状態で
あつた。一方、第２群では骨の増生が経時的に進
み、間隙を埋める新生骨もしだいに密なものにな
つてきている。また第３群の接着強度の増加は、
アルミナ基板表面を覆う新生骨量の増加によるも
のであつた。 以上の様な術後12週での接着強度及び組織学的
な骨の増成状況は術後24週の結果によつて、より
顕著なものになつている。接着強度では術後12週
のものに比べ、第１群ではわずか３％の増加に留
まつているが、第２群では151％と著しい増加が
見られ、又第３群でも36％の接着強度の増加を示
している。顕微鏡観察結果においても第１群の骨
の状況は術後12週のものと比べ大きな進展はない
が、第２群のものでは骨の改変が進んで骨細胞が
十分に成育し層状の健康な骨が密に形成されてい
た。巨細胞等の破骨細胞もほとんどなく、骨との
一体化は理想的な状態にあり、接着力も極限に近
いものと考えられる。第３群においてもアルミナ
基板表面はびつしりと新生骨に覆われ良好な接合
状態であると考えられるが、小粒体の固定が行な
われていないためアンカー効果は期待できず、又
骨細胞とアルミナ基板の界面においては、天然骨
とヒドロキシアパタイト界面に見られる様な化学
的結合も行なわれているため、術後24週以降の接
着力の大きな増加は期待できなかつた。 以上の実験例に示した第２群の如き平均粒径
1000〜1500μの小粒体を固定した場合には、第１
群の様な初期的な接着性向上の効果は小さいもの
の、後期的な接着力の向上に大きく寄与すること
が判明した。これは、天然骨とヒドロキシアパタ
イトとの化学的な結合に加え、小粒体の間隙に成
育した骨の大きなアンカー効果によるものであ
る。この様な平均粒径1000〜1500μの小粒体の固
定による後期的な接着性の向上は、骨セメントを
用いないセラミツク製人工関節への応用に際して
その長期的な接着力の向上と共に生体内での長期
的な安定性をもたらし、現在の人工関節の最大の
問題点である長期使用時のルーズニングの対策と
して非常に有効なものとなる。 骨セメントにより骨端に固定された人工関節と
生骨との界面は、毒性のあるモノマーが残留しや
すい骨セメント面と、骨セメントの重合熱によつ
て壊死した骨細胞との死んだ界面であるのに対
し、本発明の如きヒドロキシアパタイト小粒体を
セラミツク基板上に固定したセラミツク製生体部
材においては、ヒドロキシアパタイトと骨細胞が
直に結合した生きた界面を持たらすことも大きな
特徴の１つである。 実験例 ２ 実験例１の結果に基づき、平均粒径250〜350μ
の小粒体による初期固定性と平均粒径1000〜
1500μの小粒体による後期固定性を複合化すれ
ば、より理想的な補綴材が得られると考え、以下
の実験を行なつた。 アルミナを99％含むセラミツク基板（10mm×10
mm×３mm）上に、平均粒径250〜350μの小粒体と
平均粒径1000〜1500μの小粒体を一定比率で混合
し、実験例１と同様な方法で固定した。これらの
試験片をオートクレーブにて滅菌し、それぞれ家
兎の脛骨顆部に埋入し、術後８週、12週、24週に
て屠殺し、試験片を含む生骨を取り出して試験片
近傍をデンタルパーにて削り落としてフツクを係
合できる様な形状の検体とした。次に試験片と骨
の各々にフツクをかけ、インストロン型オートグ
ラフを用いてクロスヘツドスピード５mm／分にて
引張試験を行ない、試験片に対する天然骨の接合
強度を測定した。検体数は各々10例であつた。 平均粒径250〜350μの小粒体と1000〜1500μの
小粒体の混合比Ａ＝（平均粒径250〜350μの小粒
体量）／（1000〜1500μの小粒体量）が、10.0〜
0.001の範囲でそれぞれの効果が確認されたが、
最適混合比は0.1であつた。この場合の接着強度
は、術後８週で5.2Kg、12週で7.1Kg、24週で16.0
Kgを示し、２種の粒度分布の小粒体の形成する間
隔がそれぞれ有効に作用していることが確認され
た。その結果から骨セメントを用いないセラミツ
ク製人工関節への適用に際しては、実験例２の様
な混合小粒体を用いる方が好ましいと考えられ
る。 ところでアルミナ基板表面上にガラス固定する
ヒドロキシアパタイトの小粒体の大きさ（平均粒
径）としては骨細胞が増生し入り込むに適した間
隙が100〜300μ（最適は100〜150μ）である事が知
られており、かかる間隙が形成されるのに最も適
した小粒体の平均粒径は計算により44〜600μと
なる。しかしながら、各粒径毎の小粒体をアルミ
ナ基板上に付着固定して術後短期間（８週）で接
着強度の測定を行なつた所、100μ未満の小粒体
を用いたものでは、最高値の半分以下の値しか得
られなかつた。一方、術後長期間（24週）での接
合強度の測定試験では600μ以上の小粒体を固定
したもので10Kgを越す結果が得られており、最適
の粒度範囲は1000〜1500μであつた。（この時の
接着強度は17.1Kg）。しかし2000μを越す粒度の小
粒体にあつては、ヒドロキシアパタイトとアルミ
ナの熱膨張差のために小粒体にクラツクが入り、
十分な接着力が得られなかつた。 また、固定する小粒体の分布密度については、
初期固定性に寄与する骨増生に適した100〜300μ
に間隙が形成される範囲においてできるだけ密に
分布していることが望ましいが、これを成し得る
平均粒径100〜600μの小粒体による実験では、１
cm²当り800〜1600個が最適であつた。 一方、ヒドロキシアパタイト小粒体をアルミナ
基板をガラス付けする際のガラス層の厚さとして
は、厚さが増すに伴い小粒体に対する付着力を増
大することができるが、小粒体の径に対して50％
以上を埋没させた場合には複雑に入り込んだ不定
形状をした小粒体であつたとしても増生した天然
骨との機械的結合力が減少することとなり、ま
た、ガラス層が小粒体の径に対して薄い場合には
小粒体自体がセラミツク基板表面から剥離、脱落
する結果、天然骨との接合力は小粒体を固定して
いるにも拘らず増大しない。したがつて、種々の
実験を繰り返した所、上記小粒体の平均粒径100
〜600μに対するガラス層の厚みは100〜200μが最
適であつが、600〜2000μの小粒体に対しては、
200〜500μが良好な結果を示した。 なお、上記においてはアルミナ基板表面上にヒ
ドロキシアパタイトの小粒体を固定する例を挙げ
たが、生体部材の基体を成す場合、生体親和性が
あり機械的強度の大きなジルコニアセラミツク体
の表面に付着したものであつて良いことはもちろ
んである。 以上の様に、本発明によれば基体を成すセラミ
ツク体の表面に、ヒドロキシアパタイトなどのリ
ン酸カルシウム系物質からなる小粒体を固定した
ものであることから、製作が容易であり、基体と
小粒体の熱膨張差を吸収することができ、さらに
固定する小粒体の粒径及び分布密度をそれぞれの
使用個所、目的に応じて適宜選択することによ
り、即ち平均粒径250〜350μの小粒体を用いれ
ば、骨細胞が増生、侵入しやすく、早期かつ強固
なる接合固定を図ることができ、一方、平均粒径
1000〜1500μの小粒体を用いれば、骨細胞が成熟
することによつて、後期的にさらに大きな接合固
定及び長期安定性が得られ、人工関節の最大の問
題点たるルーズニング防止に効果を発揮するな
ど、優れた人工関節、人工骨などの生体部材を提
供することができる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ アルミナ、ジルコニアなどのセラミツク基体
   の表面に不定形をしたセラミツク小粒体がガラス
   付着してあることを特徴とするセラミツク製生体
   部材。 ２ 上記のセラミツク小粒体がアルミナ、アパタ
   イト、ジルコニアの少なくとも一種から成り、平
   均粒径が100〜2000μの範囲にあることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項記載のセラミツク製生
   体部材。 ３ 上記のセラミツク基体の表面には25〜10000
   個／cm²の分布密度でセラミツク小粒体が固定して
   あることを特徴とする特許請求の範囲第１項ない
   し第２項記載のセラミツク製生体部材。 ４ セラミツク基体上の骨との接触部のみにガラ
   ス材を塗布し、該ガラス材塗布面上にセラミツク
   小粒体を散在せしめた後、焼成し、上記セラミツ
   ク小粒体をセラミツク基体表面にガラス付けする
   ことを特徴とするセラミツク製生体部材の製造方
   法。