JPH0773601B2 - 生体の補填補綴材料 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、生体の欠損部分を補填・補綴するのに適した
材料に関するものであり、特に生体拒否反応が少なく生
体組織とよくなじみ、かつ生体と強固な硬組織でもって
結合する性質を有する耐久性に優れた補填補綴材料につ
いて提案する。

〔従来の技術〕

歯や骨の欠損部を補填補綴するには、昔から人工材料を
用いるのが普通であるが、多年の努力にもかかわらず、
既知の補填補綴材料についてはなお多くの問題点を残し
ているのが実情である。即ち、生体の歯や骨の代替材料
としてはこれまでにSUS316系のステンレス鋼、コバルト
−クロム合金、チタン及びチタン合金、タンタル，ジル
コニウム，金，銀，白金などの金属材料、高密度ポリエ
チレンやポリテトラフルオロエチレン，ポリメタクリル
酸メチルなどの有機硬質材料、コンポジットレジンその
他の複合材料、セラミックス，バイオガラス，炭素など
の無機材料が開発され、すでにある種のものは実用化さ
れつつある。

さて、かかる補填，補綴材料は、生体への使用部位、形
状、寸法などによって要求される性能が様々であり、そ
れに対する適合性も材料によりまちまちである。

従来の人工補填補綴材料は、これを生体内で使用する場
合長期間使用すると、ゆるみが不可避に生じるという問
題点があった。例えば、骨折部位の修復や人工関節など
では硬質の人工補填補綴材料を骨に固着させる方法とし
て、 （１） 補填材料と骨組織を構造的にあるいは形状的に
工夫して固定させるセルフロッキング法、 （２） ネジやスパイクによって機械的に固定する方
法、 （３） 補綴材料と骨とを骨セメントを用いて接着する
方法、 などが知られている。

しかしこれらの方法では長い年月の間に必ずゆるみが生
じて、たとえ補綴材料それ自体に欠陥が生じなくとも取
り替えなければならなかったのである。

また、他の例として、歯科治療の分野ではインプラント
を歯槽骨内に埋入嵌植してそれに歯冠を被せて固定し、
咀嚼機能を回復させる方法がある。インプラントの材料
としては、前述の各種硬質材料を用い、これを、ネジ
形、円柱形、ピン形、天然歯根形、ブレード形などの各
種形状と素材の性質に応じて使い分けていた。こうした
工夫は、生体内で最も強大な力を発揮する咀嚼圧を負担
しなければならないために必要であり、例えばイソプラ
ントと骨との接触面積をより大きくするような工夫が必
要であった。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、上述の如き従来知られた人工補填補綴材
料は、周囲に十分な量の骨組織を形成することが困難
で、いずれも骨と人工補填補綴材料とを早期にかつ十分
な強度で接合することが困難であった。

ところで、このような在来技術の抱える問題点を解決す
ることを目的とする技術として、特開昭60−253455号公
報には「支持体としてのコラーゲンもしくは、その誘導
体に骨形成因子を含有したことを特徴とする生体材料」
とその製造方法にかかる発明を開示している。

しかしながら、かかる従来技術には、骨形成因子を含有
する生体材料を付着させ得る生体親和性材料についての
一般的な記述はあるものの、具体的に何が好適な素材か
ということまでは何ら記載されていない。しかも、例示
されている骨形成因子は、ヒト骨肉腫から分離精製され
たヒト骨形成因子であって、実用化の面で信頼性に欠け
るものであった。

〔問題点を解決するための手段〕

そこで、本発明者らは先に特願昭61−171760号におい
て、生体適合性に極めて優れた材料として、「少なくと
も表面に厚さ0.1mm以上の多孔構造層を有する炭化珪素
質材料よりなる生体の補填補綴材料」を提案したが、こ
の炭化珪素質材料について、 上記問題意識をもって、さらに骨形成因子を含有する生
体材料を付着させるための素材としての適合性を検討し
たところ、 正常な子牛、ラット、兎あるいは人骨から抽出した骨形
成タンパクとの適合性に優れ、かつ生体との適合性につ
いても優れていることを新規に知見し、極めて優れた補
填補綴材料の開発に成功し、本発明を完成した。

すなわち本発明は、厚さ0.1mm以上の多孔構造層を少な
くとも表層部に有する炭化けい素質材料の該多孔構造層
の空隙部分に、骨形成複合体を付着させてなる生体の補
填補綴材料であって、この炭化けい素質材料の芯部は、
密度が2.75g/cm³以上の緻密質焼結体であり、一方、前
記多孔構造層は、10〜500μｍの平均空隙径を有し、か
つその平均空隙径は表面層から内部に至るに従って次第
に小さくなる構造を有することを特徴とする生体の補綴
補填材料である。

本発明補填補綴材料は、炭化けい素質材料の多孔構造層
の部分（空隙中）に骨形成複合体を付着させることを特
徴としているが、その理由は前記炭化けい素質材料自体
きわめて生体適合性に優れており、また骨形成複合体を
炭化けい素質材料の多孔構造層の空隙中に付着せしめる
ことにより、前記骨形成複合体は、生体内で骨の増生修
復を促進し、早期にかつ十分な強度をもった状態の骨組
織を形成する。しかも、炭化けい素質材料と生体内の自
家骨とを極めて良好な状態で接合することができるから
である。

本発明において用いる骨形成複合体は、骨形成タンパク
とコラーゲンもしくはその誘導体とからなるものである
ことが好ましい。その理由を述べると、骨形成タンパク
については、生体内で骨誘導作用を発揮するものであ
り、コラーゲンもしくはその誘導体と複合させることに
より、骨形成タンパクの濃度を一定に保持し、かつ局在
させることができるからである。また前記複合体にコラ
ーゲンもしくはその誘導体を用いる理由は、前記コラー
ゲンやその誘導体は、生体内での免疫反応が少なく、骨
との親和性が良好で、骨形成タンパクの特性を損なうこ
となく、最終的に生体に吸収され易く、かつ炭化けい素
質材料に容易に付着させることができるという特性を有
するからである。

本発明においては、前記炭化けい素質材料の少なくとも
表層部について、そしてその表層部の0.1mm以上を多孔
構造層とすることが必要である。

前記表層部が多孔構造層であることが必要な理由は、該
表層部を多孔構造層とすることにより、生体組織とのな
じみが極めて良好でしかも強固に結合させることができ
るためである。また、前記表層部（多孔構造層）の厚さ
が0.1mm以上であることが必要な理由は、前記表層部の
厚さが0.1mmより薄いと生体組織との結合を充分強固に
することができず、使用に耐えないからである。なお前
記表層部の好ましい厚さは、0.3〜1.0mmの範囲である。

次に、本発明材料の基質を構成する炭化けい素質材料
は、その芯部が2.75g/cm³以上の密度を有する緻密質炭
化けい素焼結体であることが好ましい。その理由は、2.
75g/cm³以上の密度を有する炭化けい素焼結体は、極め
て強度が高く、小型で高い応力がかかる部位に対しても
極めて好適に併用することができ、実用性に優れている
からである。

以下に、本発明の特徴の１つである多孔構造層について
詳述する。まず、この多孔構造層の平均気孔径は10〜50
0μｍの大きさであることが好ましい。その理由は、前
記平均気孔径が10μｍより小さいと生体組織が前記多孔
構造層に侵入し難く、生体硬組織との良好な結合を得る
ことができないからであり、一方500μｍより大きいと
前記多孔構造層の強度が低下するばかりでなく、生体組
織との結合箇所が少なくなることに起因して、生体組織
との良好な結合を得ることが困難となるからである。

また、かかる多孔構造層の構造としては表面層から内部
に至るに従って順次平均空隙径が小さくなるものがより
有利である。その理由は、空隙径の大きさにより血管の
空隙内への侵入性が異なることを考えた場合、多孔構造
層の内部に周囲の環境に影響されにくい部分、すなわち
吸収し難い硬組織を形成できるからである。

次に、該多孔構造層は、繊維、ウィスカー、板あるいは
それらの少なくともいずれかの形状の炭化けい素が相互
に絡み合い、かつ結合している構造であることが有利で
あり、なかでも繊維、ウィスカーの炭化けい素より構成
されているのがより有利である。

上述したように、一般に補填補綴材料は相当の衝撃や力
にも耐えうるように十分な強度を備えていることが重要
である。この要求に対して、骨形成複合体を付着させた
多孔構造層を有する本発明は極めて効果的な性能を発揮
する。すなわち、本発明の補填補綴材料は、それ自体が
炭化けい素で構成されているため極めて強固である。加
えて、これを生体内に埋設すると、まず生体組織が該多
孔構造層の孔の中に侵入し、孔の立体構造と炭化けい素
の骨伝導作用との影響を受けて侵入した結合組織が石灰
化して骨組織に変わり易くなる。その結果、炭化けい素
質からなる多孔構造層と生体組織は互いにからみあった
二重網目構造を形成し、生体と強固に合体する。

（作 用） 以下に、本発明の補填補綴材料の製造方法について説明
する。

本発明補填補綴材料の製造に当っては、先ず所望の形
状、例えば粒状，棒状，板状あるいはブレード状に成形
した緻密質炭化けい素焼結体（芯材）を成形する。次い
で、その焼結体表面の必要部分に多孔構造層を形成した
後骨形成複合体を前記多孔構造層の空隙中に付着せしめ
る。

前記緻密質炭化けい素焼結体の製造方法としては、従来
公知の常圧焼結法、加圧焼結法あるいは反応焼結法など
種々の方法によることができる。

前記緻密質炭化けい素焼結体の表面に多孔構造層を形成
する方法としては、例えば、炭化けい素質の編織布・不
織布・フェルト、紙などを用い、これらを適当な大きさ
に切断し、必要に応じて接着剤を用いて前記緻密質炭化
けい素焼結体の表面に接着し、さらに必要ならば炭化け
い素繊維からなる糸あるいは炭素繊維からなる糸を巻き
つけて固定してから焼成する。チョップドファイバーを
用いる場合には、緻密質炭化けい粗焼結体の表面に接着
剤を塗布しておき、これにチョップドファイバーをまぶ
すようにして付着させた後焼成する。また、ウィスカー
や微粉末を用いる場合には、これらのウィスカーや微粉
末の懸濁液を前記緻密質炭化けい素焼結体の表面に塗布
した後焼成する方法をとることができる。前記接着剤と
しては種々の物質を使用することができるが、なかでも
有機けい素高分子化合物あるいは金属けい素粉末と有機
質物質との混合物を使用することにより、前記緻密質炭
化けい素焼結体と多孔構造層の結合をさらに強固にする
ことはできる。かくの如き接着剤を使用することによ
り、緻密質炭化けい素焼結体と多孔構造層との結合を強
固にすることができる理由は、前記接着剤は焼成時に炭
化けい素に変化して緻密質炭化けい素焼結体と多孔構造
層の結合点を一体化できるためと考えられる。

なお本発明の炭化けい素質材料は全体が多孔構造組織か
ら構成されている炭化けい素質材料であっても好適に使
用することができる。

（実施例） 例１ 芯材として直径が2mm、長さが20mm、密度が3.07g/cm³の
緻密質炭化けい素焼結体を使用し、その表面にフェノー
ル樹脂と金属けい素粉末を重量比で5:6に混合した混合
物を塗布した後、直径が約0.4μｍ、長さが100〜200μ
ｍの炭化けい素ウィスカーを厚さ0.8mm程度となるよう
にまぶして生成形体とした。

なお、前記芯材は平均曲げ強度が約60kgf/mm²のものを
使用した。

前記生成形体を、外気遮断の可能な黒鉛製るつぼに装入
し、タンマン型焼成炉を使用して１気圧のアルゴンガス
雰囲気中で焼成した。なお、前記黒鉛製るつぼは内容積
が50mlのものを使用した。

焼成は2.5℃/min.で2100℃まで昇温し、最高温度2100℃
で１時間保持した。

得られた焼結体は、気孔率が約70％、平均気孔径が約20
0μｍ、表層部に多孔構造層が約0.8mmの厚さを有し、ま
た前記芯材と多孔構造層の結合強度は18kgf/mm²であっ
た。

次いで、“ひと”由来の１型コラーゲンより製造したア
テロコラーゲン液とラディ（Reddi）らの手法による骨
誘導タンパクを混合した液に前記焼結体を24時間浸漬
し、骨形成複合体を多孔構造層中へ付着せしめた後凍結
乾燥し、滅菌した炭化けい素質インプラントを得た。

前記炭化けい素質インプラントを、猿の大腿骨に埋入手
術し、埋入後２ヶ月および７ヶ月に骨との剪断接着強度
を測定したところ、埋入後２ヶ月で既に平均100kg/cm²
以上、埋入後７ヶ月では平均250kg/cm²の剪断接着強度
を有しており、歯根材として使用された場合の咀嚼圧に
充分に耐え得る接着強度が得られた 例２ 芯材として、実施例１と同様の緻密質炭化けい素焼結体
を使用し、その表面に平均粒度が10μｍ以下の炭化けい
素粉末であってβ型の炭化けい素を少なくとも60重量％
含有する炭化けい素粉末の懸濁液を塗布し、厚さ0.9mm
程度の粉末層が形成された生成形体を得た。前記生成形
体を外気を遮断することのできる黒鉛製るつぼに装入
し、タンマン型焼成炉を使用して１気圧のアルゴンガス
雰囲気中で焼成した。

なお、前記黒鉛製るつぼは内容積が50mlのものを使用し
た。

焼成は2.5℃/min.で2200℃まで昇温し、最高温度2200℃
で６時間保持した。

得られた焼結体は、気孔率が約63％、平均気孔径が約15
0μｍ、表層部に約0.8mmの厚さの多孔構造層を有してお
り、また前記芯材と多孔構造層の結合強度は25kgf/mm²
であった。前記多孔構造層は、平均アスペクト比が約12
で、長軸方向の平均長さ約500μｍの板状結晶が多方向
に複雑に絡み合った三次元網目構造を有しており、多孔
構造層に３〜50のアスペクト比を有する板状結晶が占め
る割合は約98％であった。

次いで、実施例１と同様の方法で多孔構造層に骨形成複
合体を付着せしめた後猿の大腿骨との剪断接着強度を測
定したところ、埋入後２ヶ月で平均80kg/cm²以上、埋入
後７ヶ月後で平均230kg/cm²の剪断接着強度が得られて
おり、歯根材として充分に耐え得る接着強度が得られ
た。

例３ 芯材として実施例１と同様であるが寸法が20×20×2mm
である緻密質炭化けい素焼結体を使用し、有機珪素高分
子化合物を塗布した後、繊維径約13μｍの炭化けい素繊
維で作成された不織布を貼付して生成形体とした。

前記生成形体を実施例１と同様の方法で焼成し、焼結体
を得た。

得られた焼結体を気孔率が約70％、平均気孔径が約200
μｍ、表層部に厚さが約0.7mmの多孔構造層が形成され
ており、また、前記芯材と多孔構造層の結合強度は、24
kgf/mm²であった。

次いで、実施例１と同様の方法で多孔構造層に骨形成複
合体を付着せしめた後、猿の大腿骨との剪断接着強度を
測定したところ、埋入後２ヶ月で平均100kg/cm²以上、
埋入後７ヶ月後では平均250kg/cm²の剪断接着強度を達
成しており、体重を支持するに充分な接着強度を有して
いることが認められた。

例４ 牛骨を原料として、通常の石灰処理法で得たゼラチン
（粘度:44mp、ゼリー液度:253Bloom、pH:5.8、水分:11.
0％）を水に溶解し、濃度50mg/mlのゼラチン溶液を得
た。

次に骨形成タンパクを0.01規定の塩酸に溶解し、濃度1.
0mg/mlの骨形成タンパク溶液を得た。

前記ゼラチン溶液1.0mlに対して骨形成タンパク溶液0.2
mlを加えてよく混合した液に前記実施例１で製造した炭
化けい素質材料を浸漬し、４℃で約20時間放置して炭化
けい素質材料の多孔構造層の空隙中に混合液のゲル化物
を付着せしめた。

前記ゲル化物が付着した炭化けい素質材料をグルタルア
ルデヒド0.1％を含む0.02Mリン酸緩衝液（pH:7.2）中に
５℃で16時間浸漬し、架橋処理を行った。

次いで、前記架橋処理を行った炭化けい素質材料を充分
に洗浄し、凍結乾燥した後ガス滅菌して生体の補填補綴
材料を得た。

前記補填補綴材料を前記実施例１と同様に骨との適合性
を調べたところ、補填補綴材料として充分耐え得る接着
強度が得られた。

〔発明の効果〕

以上の説明ならびに実施例の結果に明らかなように、本
発明の補填補綴材料は以下に述べる如き特性を有し、実
用上の効果が顕著である。

（１） 緻密質炭化けい素焼結体よりなる強固な芯材の
表面に炭化けい素質の多孔構造層が形成し、かつその多
孔構造層の空隙中に骨形成複合体を付着せしめたので、
この多孔構造層内部に生体組織が生成し易く、内部にお
いて石灰化による硬骨組織化（骨化）が起こり易い。

（２） 前記多孔構造層内部におけるコラーゲン繊維組
織先端は骨化して一体となり、多孔構造層中層部は軟骨
化し、多孔構造層の表面は新生したコラーゲン繊維組織
に覆われて生体骨組織と一体化するので、補填補綴材料
がアンカー効果により強固に接合され、あたかも生体骨
の如き様相を呈する。

（３） 上述のように生体骨のような様相を呈するの
で、抗血栓性を示し、かつ生体組織刺激性が極めて少な
く、生体との親和性に優れる。

（４） 全体が炭化けい素質の材料で構成されているた
め腐食することがなく、また生体環境内においてその機
械的性質が経時劣化することがない。

（５） 埋入型人工臓器、例えば、心臓のペースメーカ
ーを本発明にかかる補填補綴材料で被覆して生体骨の近
傍に埋込むことにより生体骨と一体化させて固定させる
ことも可能である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】厚さ0.1mm以上の多孔構造層を少なくとも
   表層部に有する炭化けい素質材料の該多孔構造層の空隙
   部分に、骨形成複合体を付着させてなる生体の補填補綴
   材料であって、この炭化けい素質材料の芯部は、密度が
   2.75g/cm³以上の緻密質焼結体であり、一方、前記多孔
   構造層は、10〜500μｍの平均空隙径を有し、かつその
   平均空隙径は表面層から内部に至るに従って次第に小さ
   くなる構造を有することを特徴とする生体の補綴補填材
   料。