JP4790625B2 - 軟骨修復用人工器官 - Google Patents

Description

本発明は、軟骨、又は軟骨状組織を修復若しくは置換するための３相性人工器官を対象とする。人工器官は、関節軟骨置換材料、及び関節軟骨組織の再生用足場として有用である。

関節軟骨組織は、可動関節を形成する全ての骨端を覆う。弾性組織は、関節において重要な摩擦、潤滑、及び摩耗特性を提供する。更に、緩衝器として作用し、下骨に負荷を分散する。関節軟骨が無いと応力及び摩擦が起こり、関節を動かすことができない。関節軟骨の再生能力は非常に限定されている。この組織が、外傷的事象、又は慢性変性及び進行性変性により損傷、又は損失されると、大抵、有痛性の関節症になり、関節運動の範囲が減少する。

近年、ウサギ関節軟骨の構造が、非特許文献１により更に解明された。脛骨関節軟骨は、細胞外マトリクスのアグレカンが、概して放射方向に配向整列するよう配列された放射帯を含むことが示された。終端部として、表面帯が脛骨プラトーに隣接して備わり、吸収性コラーゲン構造を有する。

関節軟骨の損傷、及び変性に対する治療のための方法がいくつかこの数十年で確立されている。今日の整形外科手術で適用される一般的な技術には、骨軟骨移植、マイクロフラクチャー法、表面密封加熱処理、シェービング、自家軟骨細胞移植（ＡＣＴ）、又は関節全置換がある。

関節置換術では、金属、セラミック及び／又はプラスチック部品が部分的乃至全体的に損傷、又は変性関節の置換に使用され、既に長期間にわたりかなり成功している流儀である。同種移植材料の使用は、ある程度小規模な移植には成功しているが、優れた品質の同種移植片はほとんど無い。

骨軟骨移植（即ち、自家骨軟骨移植)、又は自家軟骨細胞移植（ＡＣＴ）は、関節全置換がまだ必要とされていなければいつでも適用される。これらの方法は、関節の小さな部分的欠損を治療するために使用できる。自家骨軟骨移植では、非加重領域で採取された骨軟骨プラグで欠損が充填される。自家軟骨細胞移植では、軟骨細胞が生検により採取されて生体外（ｉｎ-ｖｉｔｒｏ）で培養され、高濃縮の細胞浮遊液が欠損領域を覆う（人工、又は自己の）膜の下に注入される。

通例、軟骨組織を永久的に固体の人工挿入物と置換しても対峙する関節接合面が凹凸、又は挿入物の硬さで損傷されるため、十分でなかった。従って移植技術は、関節軟骨置換用の、生体適合性材料などの代用軟骨材料及び構造等の研究を更に進めなければならなかった。

例えば、特許文献１は、生体適合性の乾燥多孔性体積マトリクス及び、少なくとも生体吸収性繊維、及び基底成分を含む人工関節軟骨を開示する。該マトリクスは、関節軟骨細胞の内殖、及び本来の関節力の支援に適応した生体吸収性足場を定着させる。有効な繊維は、コラーゲン、レチクリン、エラスチン、セルロース、アルギン酸、キトサン、又はこれらの合成、及び生合成相似器官を含む。繊維は、ほぼ周囲に伸長し、又はほぼ放射状に伸長する方向に整えられる。基底成分は、繊維マトリクスを用いる支持体として提供される。そのような人工器官を骨に確実に配置するために欠損骨の相補的開口に適合するよう構成される。基底成分は、コラーゲン分散体、及びリン酸三カルシウムとヒドロキシアパタイトからなる組成物を含む複合材料である。

しかしながら、上記構成の機能は、常に十分ではないことが示されている。既知の人工関節軟骨は、その構造のために、しばしば不安定であるので、よって、膝、及び股関節等の軟骨関節を再度修復するために、別に外科手術を行って関節領域を置換しなければならなかった。

Ｉ. ａｐ Ｇｗｙｎｎ他, Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｃｅｌｌｓ ａｎｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ, Ｖｏ. ４, ｐｐ. １８−２９, ２００２ 米国特許第５，６２４，４６３号明細書

この状況を考慮して、関節軟骨置換材料の分野において、改善された構造安定性を有し、及び骨において的確に位置決めする天然の吸収性材料、又はそれらの相似物からなる、人工関節軟骨として適切な構造が必要とされている。同時に、人工器官は生体力学的に通常の関節力に耐えることができ、軟骨組織、又は軟骨状組織の修復、及び置換を促進できるべきである。
これらの目的は請求項１に記載の人工器官により解決される。

本発明は、複数の配向中空体を有する高分子中空部材３、高分子中空部材３を骨軟骨環境中又は該環境上に固定する基底部材４、及び高分子中空部材３上に提供されるランダムな配向繊維を含む少なくとも１つの表層２を含む軟骨又は軟骨状組織を修復若しくは置換するための人工器官に関し、高分子中空部材３の複数の高配向中空体は、該人工器官の挿入軸に原則的に平行に、即ち、関節面の平面に垂直に配列される。
従属項は、本発明の人工器官の好適な実施形態に関する。

人工関節軟骨の安定化は、中空体を人工器官の挿入軸に原則的に平行に配列されるように複数の高配向中空体を高分子中空部材３に備えることで改善可能であることが意外にも分かった。本発明の人工器官の３相性構造を形成するために、基底部材及び表層が高分子中空部材の側面に位置する。層中の中空体の特定配列は、優れた力学的安定性を提供する軟骨、及び軟骨状組織に完全に似ている。同時に、軟骨の速い内成長の基礎が提供され、よって長期間にわたる軟骨置換が保障される。

図１は、本発明を具象化する人工器官１の好適な形体である縦断面図を示す。人工器官１は、生体適合性、及び／又は少なくとも部分的に吸収性がある材料のランダムな配向繊維を含む少なくとも１つの表層２、高分子中空部材３、及び骨置換材料の基底部材４を含む。

原理上、生体適合性がある限りいずれの材料も本発明の人工器官の構造に使用可能である。材料は生分解性でもあることが好ましい。本発明の好適な実施形態において、中空部材３及びランダムな繊維部材２は、合成高分子、天然高分子、生物工学由来の高分子、生体高分子、又はこれらの組合せを含み、基底部材４はリン酸カルシウム材料に基づく。

図１から分かるように、高分子中空部材３の中空体は、中空体に面する基底部材４の上面に対して原則的に垂直方向に配列される。従って、中空体は、基底部材４に対して垂直方向にブラシのような構造を形成する。
中空体の５０％超が、基底部材４の上面に対して垂直方向に配列可能である。好ましくは、中空体の９０％超が、基底部材４に対して垂直方向に配列され、特に好ましくは、中空体の９５％超が、基底部材４に対して垂直方向に配列される。中空体は、配列方向を変更可能であり、ブラシのような構造の最上端で自己組織化し得る。これは、移植後の圧力下で起こり得る。

本発明の人工器官の中空部材３の中空体として使用される材料は、生体適合性であれば特に特定の材料に限定されない。好ましくは、生体適合性固体高分子に中空部が設けられているという条件であれば、どのような形状でも可能である。より好ましくは、例えば、押出しによるストランド状固体高分子が使用される。一旦、固体高分子が所望の形状になると、溝等の中空空間が機械的、物理的、及び／又は化学的方法で形成される。この方法の例としては、当業者に公知である鋳込、穴あけ、及びエッチング等が挙げられる。

いくつかの理由で、固体高分子は多孔性であるのが適切である。高分子の多孔率は、高分子製造時に得られる。
本発明の人工器官において、好ましくは、高分子中空部材３の中空体内部の中空部径は５００ｎｍから５００μｍの範囲内であり、より好ましくは５μｍから１５０ｍｍの範囲内である。
本発明の人工器官１の部材３の中空部の壁厚が、通常１ｎｍから５００μｍの範囲内であり、好ましくは、１００ｎｍから２５０μｍの範囲内である。
中空体そのものは、高さが、通常５０μｍから１０ｍｍでなければならない。特に好ましくは、１００μｍから２ｍｍである。

特に、本発明の人工器官は、配向管状体の集合体により形成される高分子中空部材を含む。この場合、集合管の間の空間は中空であるか、又は少なくとも１つの合成高分子、天然高分子、生物工学由来の高分子、生体高分子、又はこれらの組合せから選択される物質で充填される。

図２は、部材３の中空体のいくつかあり得る配列の様々な断面図を示す。部材３の中空体の横分布に関して、いかなる分布型も可能であり、均一分布、ランダム分布、又は特定パターン分布等が挙げられる。更に、中空体の直径及び肉厚は中空部材３内で均一、又は変化し得る。

図３は、本発明を具象化する人工器官１の第２の好適な形体を示す。これは、中空部材３として製造された中空部を有する固体又は多孔質高分子ブロックの使用に適している。当業者に公知であるこれらの中空部を形成する様々な方法がある。技術としては、侵食、穴あけ、エッチング、及び鋳込等が挙げられる。中空部の直径及び分布もまた、均一、又は変化し得る。

これは、部材３を、管状中空体構造を形成する自己集合の分子から最終高分子部材３に作製するのに適している。安定化の理由のために、その構造は架橋していてもよい。

原理上、いずれの材料も生体適合性である限り、あらゆる種類の三次元構造を形成するためにランダムに配向する表層２の繊維に使用可能である。構造２の安定性を向上するために、繊維材料の少なくとも一部が架橋していてもよい。本発明の好適な実施形態において、繊維２は、合成高分子、天然高分子、生物工学由来の高分子、生体高分子、又はこれらの組合せを含む。

表層２の繊維そのものは、構造に限定されない。構造は、一直線、ひねり、カール、又は三次構造であり得る。これらの組合せもまた使用可能である。さらに、繊維そのものは、直線状、分岐状、又はグラフト状が可能である。
表層２の繊維は、単一高分子、又は複数の分子集合体から構成され得る。

本発明により、表層２の繊維の形状、及び特徴は、均質であり、又は化学的、物理的組成、及び由来を含む、既に示した様々な形態の各種繊維の組合せからなり得る。繊維は、緻密な、又は疎性のランダムな網状構造、又は少なくとも部分的に配向集合体を形成可能である。繊維間の固定間隔は、広範囲内、即ち、１ｎｍから１ｍｍの間で変化可能であり、好適な繊維間の固定間隔は、１ｎｍから１００μｍである。間隔は、均一、又は不均一であり得る。不均一間隔の例としては、勾配状分布、ランダム分布、特定パターン配列、又はこれらの組合せが挙げられる。

本発明の人工器官の表層２の繊維は、任意の長さの単繊維、又は多繊維として提供可能である。繊維配置は、織る、織らない、ねじる、編む、又はこれらの組合せが可能である。必要であれば、繊維２の横断面は中実、又は中空でもよい。
本発明により、繊維径は広範囲に変化し得る。５０ｎｍから１ｍｍの範囲が有利に提案される。好ましくは、繊維径は１μｍから２５０μｍの範囲である。

繊維からなる１層の表層２がよい結果をもたらすことが、既に示されている。しかしながら、場合によっては、もちろん、本発明の人工器官１の最終用途次第で２、３の繊維層を備えるのが賢明であり得る。多層構造の組立ては、前端―前端、前端―後端、又は後端―後端、及びこれらの組合せが可能である。また、異なる層の間の明らかな接合境界を失くし、連続的な介在集合体とすることも可能である。
表層２は、通常、厚さが１ｎｍから５ｍｍである。厚さは、好ましくは１０μｍから２ｍｍの範囲内である。しかしながら、場合によっては、層２が無いことがあり、中空体部材３が直接表面に露出する。

特異的な適応として、人工器官を移植して初めて、表層２は、単独で人工器官へ、つまり手術中に付加することが必要とされる。この場合、表層２は、繊維質硬質薄膜の形体で、又は繊維高分子を含むゲル化液体を添加して形成され得る。

繊維層２及び／又は中空体部材３として鉱物性材料を使用する場合、ガラス状構造、結晶性構造、又はその組合せを伴う合成鉱物、天然鉱物から選択され得る。

本発明により、表層２の繊維、及び部材３の中空部は、人工器官１の最終用途次第で、柔構造、又は剛構造であり得る。関節、又は相対する組織の関節接合に適合させる場合、繊維２は柔構造を形成すべきである。

繊維材料は、通常均一である。本発明の人工器官１の最終用途次第で、繊維材料は不均一でもよく、即ち、多様な材料から選択可能であり、又は上記材料の工学的組合せよりなり得る。
しかしながら、時には、繊維２及び／又は部材３の中空体は、既に記載した材料の１つ以上で被覆、又はグラフトされる。

本発明の人工器官１は、更なる本質的な構造部材として基底部材４を含む。基底部材４の機能は、高分子中空部材３を骨軟骨環境中又は該環境上に固定することである。骨軟骨固定機能は、移植時に人工器官１の定位置での保持を支援する。基底部材４は、様々な大きさ及び形状が可能である。基底部材４の形状は、好ましくは略円筒形又は円錐形である。基底部材４の直径は、段階的に、又は連続移行帯内で任意の大きさに変化可能である。実際には、直径は欠損の大きさに対応し４ｍｍから２０ｍｍ、全高は１ｍｍから３０ｍｍの間の範囲である。好ましくは、直径は４ｍｍから２０ｍｍ、高さは１ｍｍから１０ｍｍの範囲である。基底部材４の上面は、通常、平らであるか、又は置換される軟骨下板、若しくは軟骨表面の輪郭を模倣する。

本発明の人工器官１の基底部材４の材料は、通常、代用骨として使用される材料であり得る。例えば、材料としては、表層２の繊維の材料に関連して上記に記載する材料が挙げられる。必要に応じて、基底部材４の材料は合成セラミック等の鉱物材料である。セラミックは、リン酸カルシウム、硫酸カルシウム、炭酸カルシウム、及びこれらの混合物からなる群の１つ、又はいくつかから選択される。

人工器官１の基底部材４がリン酸カルシウムであれば、次の組成物群の１つ以上が好適である：第二リン酸カルシウム（ＣａＨＰＯ_４・２Ｈ_２Ｏ）、無水第二リン酸カルシウム（ＣａＨＰＯ_４）、α−リン酸三カルシウム（α−Ｃａ_３（ＰＯ_４）_２）、β−リン酸三カルシウム（β−Ｃａ_３（ＰＯ_４）_２）、カルシウム欠損ハイドロキシアパタイト（Ｃａ_９（ＰＯ_４）_５（ＨＰＯ_４）ＯＨ）、ハイドロキシアパタイト（Ｃａ_１０（ＰＯ_４）_６（ＯＨ）_２）、炭酸アパタイト（Ｃａ_１０（ＰＯ_４）_３（ＣＯ_３）_３）（ＯＨ）_２）、フルオロアパタイト（Ｃａ_１０（ＰＯ_４）_６（Ｆ，ＯＨ）_２）、クロロアパタイト（Ｃａ_１０（ＰＯ_４）_６（Ｃｌ，ＯＨ）_２）、ホワイトロッカイト（（Ｃａ，Ｍｇ）_３（ＰＯ_４）_２）、リン酸四カルシウム（Ｃａ_４（ＰＯ_４）_２Ｏ）、オキシアパタイト（Ｃａ_１０（ＰＯ_４）_６Ｏ）、β−ピロリン酸カルシウム（β−Ｃａ_２（Ｐ_２Ｏ_７)、α−ピロリン酸カルシウム、γ−ピロリン酸カルシウム、リン酸八カルシウム（Ｃａ_８Ｈ_２（ＰＯ_４）_６・５Ｈ_２Ｏ）。

金属、半金属、及び／又は非金属成分、好ましくはマグネシウム、珪素、ナトリウム、カリウム、ストロンチウム、及び／又はリチウムでドープされた、又は混合された上記鉱物材料を有することもできる。

本発明の他の好適な実施形態において、基底部材４の材料は、少なくとも２つの異なる成分を含む複合材料である。この複合材料としては、鉱物、無機、有機、生物学的、及び／又は生物工学由来の非結晶成分、及び鉱物結晶成分を含む複合材料が挙げられる。非結晶成分は、しばしば高分子性質である。

本発明の好適な実施形態において、基底部材４の材料構造は、連続孔を伴う高多孔性である。これにより任意の物質、及び細胞が軟骨下環境で基底部材４にそれぞれ拡散、又は移動可能となる。

本発明の各種形態において、表層２、部材３及び４の少なくとも１つは、溶媒と相互作用することにより液体吸収能力を有する。好ましくは、液体吸収能力は０.１％から９９.９％の範囲内であり、特に好ましくは２０.０％から９５.０％の範囲内である。

通常、吸収される液体は、人工器官１が移植される位置に存在する水、及び／又は体液である。水、及び／又は体液を吸収する際に、繊維２は有利にゲルを形成するか、又はゲル状に変形する。

水、及び／又は、体液の摂取により、成分は膨潤し、従って、繊維成分内で内圧が形成される。圧力は、構造の安定化を助ける。更に、細胞を含む外部から添加される成分は、天然の軟骨として繊維構造内の圧力下で取り込まれる。

必要であれば、本発明の人工器官１は、高分子中空部材３と基底部材４との間に細胞バリア層を含んでも良い。この層は、基底部材４から高分子中空部材３に細胞、及び血液が拡散するのを防ぐためのバリアとして機能する。しかしながら、多孔性であり、及び／又は選択的に、又は非選択的に細胞の通過が可能となる特定の孔を有するバリア層を備えることも可能である。

ランダムな繊維層２と中空部材３との界面、及び中空部材３と基底部材４との界面は、それぞれ、様々な方法で形成可能である。化学的、物理的、若しくは機械的相互作用、又はこれらの組合せのいずれかが、少なくとも１層を含む安定化領域を形成する。安定化領域は、人工器官成分２、３又は４に使用される材料、外部からの追加的材料、及びこれらの組合せのいずれかにより形成可能である。

図４に示す本発明の人工器官１の他の好適な実施形態において、少なくとも１つの外部から添加される成分は、表層２、部材３又は４のいずれかに含まれる。通常、該成分は、表層２及び／又は部材４及び／又は部材３中に分散される。該成分は、様々な源の細胞であり得る。その機能としては、軟骨材料の生成を支援し、人工器官１の癒合促進、一体化、及び機械的性質の向上を強化する。
細胞は、好ましくは、自己細胞、同種異系細胞、外因性細胞、トランスフェクト細胞、及び／又は遺伝子組み換え細胞、及びこれらの組合せである。

特に、高分子中空部材３及び繊維層２中に存在可能な特に好適な細胞は、軟骨細胞、軟骨前駆細胞、多能性幹細胞、全能性幹細胞、又はこれらの組合せである。基底部材４に含まれる細胞の例は、骨芽細胞、骨前駆細胞、多能性幹細胞、全能性幹細胞、及びこれらの組合せが挙げられる。時には、基底部材４に血液、又は血液の一部を含むようにすることもできる。

他の内部に添加される成分の例は、成長因子、改変ペプチド配列、又は抗生物質を含む医薬化合物が挙げられる。

他の内部に添加される成分の例は、タンパク質、グリコアミノグリカン（ｇｌｙｃｏａｍｉｎｏｇｌｙｃａｎｅ）、炭水化物、又はポリエチレンオキサイドを含むゲル化化合物である。これらの成分は、遊離成分として追加可能であり、又は洗い出されるのを防ぐために、化学的、物理的、又は取込方法により請求項１の人工器官内で固定化可能である。
本発明の人工器官の高分子部材は架橋されていてもよい。

本発明の人工器官は、人間、及び動物の関節等の欠損、疾病、又は壊死した軟骨部に直接移植可能である。これらの関節の例として、股関節、肘、及び膝関節における軟骨部が挙げられる。通常、外科手術により人工器官が関節へ移植される。例えば、挿入方法は、次の通りである。
第１工程において、欠損領域は清潔にされ、及び骨軟骨プラグがチゼルで取り除かれる。特別な機器により深さ及び幅に合わせて底部、及び壁部を正確に整えることができる。本発明の人工器官は、基底部材４の上端が軟骨及び骨を分ける石灰化帯域と同じ高さになるような位置に注意深く圧入される。繊維層２の上面は、周囲の軟骨の高さと均等でなければならない。高差は修正し整えても構わない。
手術は、切開、又は関節鏡視下手術のどちらかで実行される。

上述、及び図４に示す通り、本発明の人工器官は細胞を播種しても、又は外部から追加的な物質を添加してもよい。様々な手法が可能である。１つの手法として、効果的な手術前に細胞を採取することが挙げられる。当該分野で確立されている方法により、採取した細胞が清浄され、処置された後、生体外（ｉｎ-ｖｉｔｒｏ）培養するために人工器官１に直接播種するか、又は短期、若しくは長期の生体外（ｉｎ-ｖｉｔｒｏ）増幅及び培養工程後に播種する。

他の好適な手法は、大規模な生体外（ｉｎ-ｖｉｔｒｏ）培養を回避して、手術中の方法として実施する。当該分野で確立されている方法により、手術中に細胞が患者から採取され、清浄され、及び処置される。そして、これらの細胞は、人工器官１に播種され、該人工器官１が欠損部位に迅速に移植される。

特別な適用として、手術中に本発明の人工器官を組み立てることも可能である。即ち、基底部材４がまず初めに移植され、次に中空部材３が基底部材４上に固定される。中空部材３の高さは、固定化処置、例えば、シェービング、又は熱処理の後に、関節の輪郭に調整される。最後に、少なくとも１つの表層２が中空部材３上に備わる。

本発明は、以下の実施例により詳細に説明される。

実施例１
軟骨下アンカー（ｓｕｂｃｈｏｎｄｒａｌ ａｎｃｈｏｒ）としての、直径５ｍｍ、及び高さ１０ｍｍの円柱形のβ−リン酸三カルシウム連続多孔質体と、上記の分解性ポリウレタンの４ｍｍ層とから人工器官を作製する。ポリウレタン層は、中空部の平均中心間距離が１００μｍである直径６０μｍの垂直配向中空体をランダムな横配列で具体化する。高分子層の中空体は、鋳込法で作製される。得られる人工器官は、軟骨修復用の理想的な移植片である。

適切な大きさの管状チゼルが、関節の欠損部位に垂直に導入される。移植の第１工程において、チゼルが軟骨欠損部位、及び欠損部位の骨基部に欠損よりも僅かに大きく（１ｍｍから３ｍｍ大きく）入り込む。欠損寸法は人工器官の特定の大きさに対応する深さ、及び直径に整えられる。続いて、移植片のアンカーが食塩水に浸されてから、人工器官が万能案内具を介して挿入される。ぴったり適合するため、人工器官を追加的に固定する必要はない。そして、必要であれば、人工器官の表面が、関節面の正確な湾曲、及び周囲の関節面高さに適合するように表面再生される。最後に、自家軟骨細胞が高分子層中の中空体に充填され、傷口を閉じる前に、細胞が流れ出るのを防ぎ、及び血液凝固で管が膨らむのを防ぐために、繊維浸透性ポリウレタン膜が中空体上に置かれる。

実施例２
軟骨下アンカー（ｓｕｂｃｈｏｎｄｒａｌ ａｎｃｈｏｒ）としての、直径８ｍｍ、及び高さ１５ｍｍの円柱形のヒドロキシアパタイト連続多孔質体と、ランダムに配列される直径１０μｍから５０μｍの範囲内の中空部を有するポリメタクリル酸ヒドロキシエチル（ｐＨＥＭＡ）の８ｍｍ層とから人工器官を作製する。ｐＨＥＭＡ層中の垂直配向管状中空体は、高分子を適切な形状に鋳込むことで得られる。得られる人工器官は、軟骨修復用の理想的な移植片である。

第１工程において、欠損部位は擦り切れた軟骨組織が清浄され、人工器官の寸法に調整される。適切な大きさの管状チゼルが、関節の欠損部位に垂直に導入される。チゼルが軟骨欠損部位、及び欠損部位の骨基部に入り込む。欠損寸法は人工器官の特定の大きさに対応する深さ、及び直径に整えられる。続いて、採取した骨髄間質細胞がセラミックアンカーに添加される。次に、人工器官が万能案内具を介して挿入される。繊維層がぴったり適合し、膨潤するため、人工器官を追加的に固定する必要はない。最後に、必要であれば、人工器官の表面が、関節面の正確な湾曲、及び周囲の関節面高さに適合するように表面再生される。

実施例３
軟骨下アンカー（ｓｕｂｃｈｏｎｄｒａｌ ａｎｃｈｏｒ）としての、直径１２ｍｍ、及び高さ１０ｍｍの円柱形のβ−リン酸三カルシウムと硫酸カルシウム組成物との連続多孔質体と、中空のポリカプロラクトン（ＰＣＬ）フィラメントとポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）フィラメントとの混合からなる６ｍｍの高分子層とから人工器官を作製する。中空フィラメントの内径は、１０μｍから８０μｍの範囲内である。ＰＥＯフィラメントは、一般的に直径が１μｍから２０μｍである。中空フィラメントの横分布及び配列は、ランダムであり、中空繊維間の空間は、ＰＥＯ材料で充填されている。高分子構造は、化学的架橋により安定化する。高分子層は、溶融法によりセラミックアンカー上に固定される。得られる人工器官は、軟骨修復用の理想的な移植片である。

適切な大きさの管状チゼルが、関節の欠損部位に垂直に導入される。移植の第１工程において、チゼルが軟骨欠損部位、及び欠損部位の骨基部に入り込む。欠損寸法は人工器官の特定の大きさに対応する深さ、及び直径に整えられる。骨髄間質細胞、及び多血小板血漿がアンカーに添加され、続いて、人工器官が万能案内具を介して挿入される。ぴったり適合するため、人工器官を追加的に固定する必要はない。必要であれば、人工器官の表面は、最終的に接合面の正確な湾曲、及び周囲の関節面高さに適合するように表面再生される。最後に、成人幹細胞及び軟骨形成の表現型（ｃｈｏｎｄｒｏｇｅｉｃ ｐｈｅｎｏｔｙｐｅ）の細胞が特定の割合で混合され、高分子層上に塗布される。繊維ゲル化マトリクスは中空体を密封するために使用される。

実施例４
軟骨下アンカー（ｓｕｂｃｈｏｎｄｒａｌ ａｎｃｈｏｒ）としての、直径３０ｍｍ、及び高さ２５ｍｍの凸面湾曲している円柱形のβ−リン酸三カルシウム連続多孔質体と、ランダムな横配列の垂直管状中空体の分解性高分子プルロニック^（Ｒ）の６ｍｍ層とから人工器官を作製する。中空体の直径は５μｍから１５０μｍの範囲にある。セラミックアンカー及び高分子層は、セメント反応により一緒に溶解する。得られる人工器官は、軟骨修復用の理想的な移植片である。

適切な大きさの管状チゼルが、関節の欠損部位に垂直に導入される。移植の第１工程において、チゼルが軟骨欠損部位、及び欠損部位の骨基部に入り込む。欠損寸法は人工器官の特定の大きさに対応する深さ、及び直径に整えられる。軟骨細胞、及び間葉前駆細胞は、手術中に生検により採取されて高分子層上に迅速に添加するために調製される。多血小板血漿がアンカーに添加され、続いて、人工器官が万能案内具を介して挿入される。ぴったり適合するため、人工器官を追加的に固定する必要はない。人工器官の表面は、最終的に関節面の正確な湾曲、及び周囲の関節面高さに適合するように表面再生される。中空体は、繊維高分子の薄層で密封される。

実施例５
軟骨下アンカー（ｓｕｂｃｈｏｎｄｒａｌ ａｎｃｈｏｒ）としての、直径８ｍｍ、及び高さ１０ｍｍの円柱形のβ−リン酸三カルシウム連続多孔質体と、高分子アルギン酸の３ｍｍ層とから人工器官を作製する。セラミックアンカーの上に高分子を鋳込む間に、高分子アルギン酸中に直径５０μｍの垂直な中空体が形成される。得られる人工器官は、軟骨修復用の理想的な移植片である。

適切な大きさの管状チゼルが、関節の欠損部位に垂直に導入される。移植の第１工程において、チゼルが軟骨欠損部位、及び欠損部位の骨基部に入り込む。欠損寸法は人工器官の特定の大きさに対応する深さ、及び直径に整えられる。骨髄間質細胞がアンカーに添加され、続いて、人工器官が万能案内具を介して挿入される。アンカーがぴったり適合するため、人工器官を追加的に固定する必要はない。更に、生体外（ｉｎ-ｖｉｔｒｏ）培養した軟骨形成の表現型（ｃｈｏｎｄｒｏｇｅｉｃ ｐｈｅｎｏｔｙｐｅ）の細胞が加えられると、人工器官は、高分子層の膨潤により安定する。必要であれば、人工器官の表面は、最終的に接合面の正確な湾曲、及び周囲の関節面高さに適合するように表面再生される。

実施例６
軟骨下アンカー（ｓｕｂｃｈｏｎｄｒａｌ ａｎｃｈｏｒ）としての、直径４ｍｍ、及び高さ５ｍｍの円柱形のカルシウム欠損ハイドロキシアパタイト（ＣＤＨＡ）連続多孔質体と、直径２０μｍから１００μｍの範囲を示す垂直配向中空体を有する網状のキトサン繊維の３ｍｍ層とから人工器官を作製する。中空体は、レーザードリルによりランダムな横配列に作製された。高分子層は、高分子層とアンカーとの間に選択的バリアとして機能するセラミック層上にグラフトされる。得られる人工器官は、軟骨修復用の理想的な移植片である。

適切な大きさの管状チゼルが、関節の欠損部位に垂直に導入される。移植の第１工程において、チゼルが軟骨欠損部位、及び欠損部位の骨基部に入り込む。欠損寸法は人工器官の特定の大きさに対応する深さ、及び直径に整えられる。骨髄間質細胞がアンカーに追加され、続いて、人工器官が万能案内具を介して挿入される。ぴったり適合するため、人工器官を追加的に固定する必要はない。必要であれば、人工器官の表面は、最終的に関節面の正確な湾曲、及び周囲の関節面高さに適合するように表面再生される。最終的に、手術中に採取、及び摘出された間葉前駆細胞は、高分子層上に添加され、及び表面は繊維薄膜、又はゲル化繊維マトリクスで密封される。

実施例７
軟骨下アンカー（ｓｕｂｃｈｏｎｄｒａｌ ａｎｃｈｏｒ）としての、直径１０ｍｍ、及び高さ１０ｍｍの円柱形のβ−リン酸三カルシウム連続多孔質体と、ポリ乳酸／ポリカプロラクトン（ＰＬＡ／ＰＣＬ）共重合体の３ｍｍ層とから人工器官を作製する。垂直管状中空体は、直径が３０μｍから３００μｍの範囲内であり、高分子層がセラミックアンカー上にグラフトされる前に機械的に孔が開けられる。中空体は、明確なパターンに従って配列される。得られる人工器官は、軟骨修復用の理想的な移植片である。

適切な大きさの管状チゼルが、関節の欠損部位に垂直に導入される。移植の第１工程において、チゼルが軟骨欠損部位、及び欠損部位の骨基部に入り込む。欠損寸法は人工器官の特定の大きさに対応する深さ、及び直径に整えられる。骨髄間質細胞がアンカーに追加され、続いて、人工器官が万能案内具を介して挿入される。ぴったり適合するため、人工器官を追加的に固定する必要はない。必要であれば、人工器官の表面は、最終的に関節面の正確な湾曲、及び周囲の関節面高さに適合するように表面再生される。最後に、軟骨形成の表現型（ｃｈｏｎｄｒｏｇｅｉｃ ｐｈｅｎｏｔｙｐｅ）の生体外（ｉｎ-ｖｉｔｒｏ）培養した自己細胞が高分子層に対する細胞浮遊液として繊維ゲル化マトリクスに加えられる。

実施例８
軟骨下アンカー（ｓｕｂｃｈｏｎｄｒａｌ ａｎｃｈｏｒ）としての、直径４ｍｍ、及び高さ５ｍｍの円柱形のカルシウム欠損ハイドロキシアパタイト（ＣＤＨＡ）連続多孔質体と、ヒアルロン酸及びコラーゲンと混合してカバー層も形成する中空ＰＣＬフィラメントの２ｍｍ層とから人工器官を作製する。中空フィラメントは、垂直に配列され、内径６０μｍの開口を有する。横配列は、ランダムであり、高分子構造は、高分子架橋により安定化される。高分子層は、繊維層とアンカーとの間の選択的バリアとして機能するセラミック層に包埋される。得られる人工器官は、軟骨修復用の理想的な移植片である。

自家軟骨細胞が層に添加され、人工器官が生体外（ｉｎ-ｖｉｔｒｏ）で予備培養される。移植のため、適切な大きさの管状チゼルが、関節の欠損部位に垂直に導入される。チゼルが軟骨欠損部位、及び欠損部位の骨基部に入り込む。欠損寸法は人工器官の特定の大きさに対応する深さ、及び直径に整えられる。多血小板血漿がアンカーに添加され、続いて、人工器官が特別な案内具を介して挿入される。

実施例９
平均直径が１００μｍである垂直に配列された中空体を有する繊維高分子シートからなる人工器官を作製する。中空体を有する高分子シートは、ＰＣＬ／ＰＬＡフィラメントから最先端の繊維技術により作製される。中空体は、極薄繊維織布により作製される。人工器官の組立ては、以下の手順に従い手術中に実施される。

移植のために、欠損部位は、チゼルが軟骨欠損部位、及び欠損部位の骨基部に入り込むのを活用して整えられる。中空体を有する繊維高分子シートが適当な大きさに切られる。人工器官の取り付けは、軟骨下空間にリン酸カルシウム系セメントを添加することで達成される。次に、切り取った織布はセメントの表面に置かれ、硬化により固定される。織布の下側の緻密な高分子層側はセメントが中空体を充填することを防ぐ。高分子層の高さは、高分子を削って、及びセメントアンカーに押し込んで周囲の軟骨に適合させる。最後に、手術中に採取、並びに摘出された軟骨細胞、及び前駆細胞は、ゲル化マトリクスと混合され、中空体含有織布に添加される。繊維ゲル化マトリクスは、また、ランダムな配向繊維層により中空体を密封するのに使用される。手術は、観血療法、又は最小侵襲手術による関節鏡検査として実施され得る。

発明を実施するための最良の形態以降の記載を、添付の図面と一緒に読むことで、本発明に対する理解を深めることができる。
図１は、本発明の人工器官の実施形態の縦断面図を示す。 図２は、様々な充填及び大きさの高分子中空部材３の中空体の横断面図を示す。 図３は、物理的／機械的に作られた溝が固体高分子部材３に組み込まれる本発明の人工器官の実施形態の縦断面図を示す。 図４は、細胞を表層２、高分子中空部材３及び基底部材４に播種した本発明の人工器官の他の実施形態の縦断面図を示す。

符号の説明

１ 人工器官
２ 表層
３ 高分子中空部材
４ 基底部材

Claims (42)

1. 軟骨、又は軟骨状組織を修復若しくは置換するための３相性人工器官（１）であって、
   複数の高配向中空体を有する高分子中空部材（３）、
   前記高分子中空部材（３）を骨軟骨環境中又は該環境上に固定する、合成セラミックである基底部材（４）、及び
   前記高分子中空部材（３）上に提供されるランダムな配向繊維を含む少なくとも１つの表層（２）
   を含み、前記高分子中空部材（３）が、高配向中空体としての中空部を有する高分子の固体ブロックであり、該中空部が、固体高分子中で機械的、物理的、及び／又は化学的方法で形成され、前記高分子中空部材（３）の複数の高配向中空体の５０％超が、前記人工器官の挿入軸に平行に、配列されることを特徴とする軟骨、又は軟骨状組織を修復若しくは置換するための３相性人工器官（１）。
2. 前記中空体の９０％超が、人工器官の挿入軸に平行に、配列される請求項１に記載の人工器官。
3. 前記中空体の９５％超が、人工器官の挿入軸に平行に、配列される請求項１に記載の人工器官。
4. 前記高分子中空部材（３）の中空体の中空部径は５００ｎｍから５００μｍの範囲内である請求項１から３の少なくとも１つに記載の人工器官。
5. 前記中空部径は、５μｍから１５０μｍの範囲内である請求項４に記載の人工器官。
6. 前記高分子中空部材（３）は、配向管状体の集合体により形成される請求項１から５の少なくとも１つに記載の人工器官。
7. 集合管の間の空間は中空であるか、又は合成高分子、天然高分子、生物工学由来の高分子、生体高分子、及びこれらの組合せからなる群から選択される物質で充填される請求項６に記載の人工器官。
8. 前記中空部の壁厚が１ｎｍから５００μｍの範囲内である請求項４から７の少なくとも１つに記載の人工器官。
9. 前記壁厚が１００ｎｍから２５０μｍの範囲内である請求項８に記載の人工器官。
10. 前記固体高分子は多孔性である請求項１から９の少なくとも１つに記載の人工器官。
11. 前記高分子中空部材（３）の中空体の横分布は、均一、ランダム、又は特定パターンである請求項１から１０の少なくとも１つに記載の人工器官。
12. 前記高分子中空部材（３）の中空体は高さが５０μｍから１０ｍｍである請求項１から１１の少なくとも１つに記載の人工器官。
13. 前記高さは、１００μｍから２ｍｍである請求項１２に記載の人工器官。
14. 前記表層（２）の繊維は、合成高分子、天然高分子、生物工学由来の高分子、生体高分子、及びこれらの組合せからなる群から選択される材料を含む請求項１から１３の少なくとも１つに記載の人工器官。
15. 前記基底部材（４）は、代用骨を含む請求項１から１４の少なくとも１つに記載の人工器官。
16. 前記代用骨は、合成高分子、天然高分子、生物工学由来の高分子、生体高分子、及びこれらの組合せからなる群から選択される材料である請求項１５に記載の人工器官。
17. 前記代用骨は、鉱物である請求項１５に記載の人工器官。
18. 前記合成セラミックは、リン酸カルシウム、硫酸カルシウム、及び炭酸カルシウムの少なくとも１つを含む請求項１から１７の少なくとも１つに記載の人工器官。
19. 前記リン酸カルシウムは、第二リン酸カルシウム（ＣａＨＰＯ _４ ・２Ｈ _２ Ｏ）、無水第二リン酸カルシウム（ＣａＨＰＯ _４ ）、α−リン酸三カルシウム（α−Ｃａ _３ （ＰＯ _４ ） _２ ）、β−リン酸三カルシウム（β−Ｃａ _３ （ＰＯ _４ ） _２ ）、カルシウム欠損ハイドロキシアパタイト（Ｃａ _９ （ＰＯ _４ ） _５ （ＨＰＯ _４ ）ＯＨ）、ハイドロキシアパタイト（Ｃａ _１０ （ＰＯ _４ ） _６ （ＯＨ） _２ ）、炭酸アパタイト（Ｃａ _１０ （ＰＯ _４ ） _３ （ＣＯ _３ ） _３ ）（ＯＨ） _２ ）、フルオロアパタイト（Ｃａ _１０ （ＰＯ _４ ） _６ （Ｆ，ＯＨ） _２ ）、クロロアパタイト（Ｃａ _１０ （ＰＯ _４ ） _６ （Ｃｌ，ＯＨ） _２ ）、ホワイトロッカイト（（Ｃａ，Ｍｇ） _３ （ＰＯ _４ ） _２ ）、リン酸四カルシウム（Ｃａ _４ （ＰＯ _４ ） _２ Ｏ）、オキシアパタイト（Ｃａ _１０ （ＰＯ _４ ） _６ Ｏ）、β−ピロリン酸カルシウム（β−Ｃａ _２ （Ｐ _２ Ｏ _７ )、α−ピロリン酸カルシウム、γ−ピロリン酸カルシウム、リン酸八カルシウム（Ｃａ _８ Ｈ _２ （ＰＯ _４ ） _６ ・５Ｈ _２ Ｏ）及びこれらの混合物からなる群から選択される請求項１８に記載の人工器官。
20. 前記合成セラミックは、金属、半金属、及び／又は非金属成分を含む請求項１から１７の少なくとも１つに記載の人工器官。
21. 前記合成セラミックは、マグネシウム、珪素、ナトリウム、カリウム、ストロンチウム、及び／又はリチウムを含む請求項２０に記載の人工器官。
22. 前記代用骨は、少なくとも２つの異なる成分を含む複合材料である請求項１６から２１のいずれかに記載の人工器官。
23. 前記代用骨は、連続孔を伴う高多孔性である請求項１５から２２のいずれかに記載の人工器官。
24. 前記基底部材（４）の形状は、円筒形又は円錐形である請求項１６から２３のいずれかに記載の人工器官。
25. 前記基底部材（４）の直径は４ｍｍから２０ｍｍ、高さは１ｍｍから３０ｍｍの間の範囲である請求項２４に記載の人工器官。
26. 前記基底部材（４）の直径は４ｍｍから２０ｍｍ、高さは１ｍｍから１０ｍｍの間の範囲である請求項２５に記載の人工器官。
27. 前記表層（２）は、厚さが１ｎｍから５ｍｍである請求項１から２６の少なくとも１つに記載の人工器官。
28. 前記厚さが１０μｍから２ｍｍの範囲内である請求項２７に記載の人工器官。
29. 前記表層（２）が高分子中空部材の最上端により形成される請求項２７及び２８の少なくとも１つに記載の人工器官。
30. 前記表層（２）、高分子中空部材（３）及び基底部材（４）の少なくとも１つは、液体吸収能力が０.１％から９９．９％の範囲内である請求項１から２９の少なくとも１つに記載の人工器官。
31. 前記液体吸収能力が、２０.０％から９５.０％の範囲内である請求項３０に記載の人工器官。
32. 液体は、水媒体、及び／又は体液である請求項３０及び３１のいずれかに記載の人工器官。
33. 前記ランダムな配向繊維は架橋体である請求項１から３２の少なくとも１つに記載の人工器官。
34. 少なくとも１つの外部から添加される成分を更に含む請求項１から３３の少なくとも１つに記載の人工器官。
35. 前記外部から添加される成分は、様々な起源の細胞である請求項３４に記載の人工器官。
36. 前記細胞は、自己細胞、同種異系細胞、外因性細胞、トランスフェクト細胞、及び／又は遺伝子組み換え細胞である請求項３５に記載の人工器官。
37. 軟骨細胞、軟骨前駆細胞、多能性細胞、全能性細胞、又はこれらの組合せは、前記表層（２）及び／又は高分子中空部材（３）中に存在する請求項３４、３５、又は３６に記載の人工器官。
38. 骨芽細胞、骨前駆細胞、多能性幹細胞、全能性幹細胞、又はこれらの組合せは、基底部材（４）中に存在する請求項３４、３５、又は３６に記載の人工器官。
39. 血液、又は血液の一部は基底部材（４）中に存在する請求項３４、３５、又は３６に記載の人工器官。
40. 医薬化合物が含まれる請求項３４に記載の人工器官。
41. 細胞バリア層が前記高分子中空部材（３）と前記基底部材（４）との間に更に設けられる請求項１から４０の少なくとも１つに記載の人工器官。
42. 前記細胞バリア層は、選択的細胞バリア層である請求項４１に記載の人工器官。