WO2009095960A1 - 表面発泡体、生体インプラント及びそれらの製造方法 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a surface foam, a bioimplant, and a method for producing the same, and in particular, when the surface foam is used as a bioimplant, it has mechanical properties close to bones or teeth, and the surface foam is contained in the body.
- the present invention relates to a surface foam having a surface structure into which bone tissue easily invades, a biological implant, and methods for producing them.
- autologous bone transplantation in which a part of a patient's own normal bone is cut out and transplanted to an affected area, or an artificial bone transplantation in which an artificial bone made of an artificial material is transplanted is performed.
- autologous bone transplantation limits the amount of bone that can be collected and damages normal cells, so the burden on the patient is heavy and the bone for autologous bone transplantation used for autologous bone transplantation is the patient's own. Since a new defect is generated by cutting from a normal bone, it cannot be said to be an essential treatment method when the bone is largely lost.
- Artificial bone transplantation uses industrially produced artificial bone, so there is no problem like autologous bone transplantation, but the mechanical and biological characteristics of the artificial bone differ from the original bone. There is a problem that the use is limited according to the above-mentioned characteristics.
- the metal material is usually high in strength, but has a high modulus of elasticity and lacks toughness. Then, there is a problem that stress shielding occurs due to a difference in mechanical characteristics with surrounding bones, and a problem that it does not directly bond to bones.
- bioceramics such as hydroxyapatite are selected as the material for the artificial bone
- the bioceramics usually have good biocompatibility, high bioactivity, and excellent bone binding properties, but external Since it is vulnerable to impact, there is a problem that it cannot be used for a part where a large load is applied instantaneously.
- PEEK polyether ether ketone
- an artificial bone in addition to chemical properties such as biocompatibility and biological activity, and physical properties such as strength and elastic modulus, it is well known that the structure of an artificial bone is an important factor in terms of its ability to bind to bone.
- Many artificial bones having a porous surface or entire structure have been developed so that a living tissue can easily enter into the living body when it is implanted in the living body.
- Several attempts have been made to provide a porous layer or an uneven surface on an artificial bone made of a polymer material such as PEEK, in order to make use of its strength and to have the ability to bind to bone. Yes.
- Japanese Patent Laid-Open No. 2004-228688 discloses an artificial basin formed by forming a backing layer having a porous structure by sputtering PEEK particles with a plasma torch on the surface of a support surface layer formed of a composite material of PEEK and carbon short fibers. An acetabular cup is described.
- Patent Document 2 describes a sponge-like structure formed by laminating and adhering a plurality of polymer sheets having at least one opening while shifting the positions of the holes.
- Patent Document 3 discloses a porous organic polymer layer in which a pore-forming material is embedded in a polymer material, and the pore-forming material is eluted by contacting with a solvent of the pore-forming material to form desired pores.
- An implantable orthopedic instrument having is described.
- Patent Document 4 describes that in an orthopedic implant in which irregularities are formed on the surface of a thermoplastic polymer, the irregularities are formed by etching, sandblasting, polishing, or the like.
- Patent Document 5 describes a method of heat-molding a thermoplastic material using a mold having a concavo-convex shape in advance.
- Patent Document 6 an acid-soluble metal plate having a desired shape is press-fitted onto a surface of a surgical implant formed of a thermoplastic resin, and dissolved to obtain a surface of the surgical implant. Describes a method for transferring irregularities.
- Patent Document 1 an expensive device is required as in Patent Document 1, or, as in Patent Document 2, it is porous separately from a substantial part of the polymer material that expresses the strength of an artificial bone. It is necessary to prepare a sheet material for forming a structure, or to prepare a pore-forming material-containing polymer as in Patent Document 3.
- Patent Document 4 it can be easily guessed that the uneven surface suitable for invading a living tissue is not sufficiently formed, and the methods of Patent Documents 5 and 6 are polymer materials having complicated shapes. It is not suitable for forming a porous structure on the surface.
- a method of forming a porous structure by foaming a polymer material there is also a method of forming a porous structure by foaming a polymer material.
- a low boiling point solvent is dispersed in a polymer compound as a foaming agent, and then heated.
- a method is known in which a gas is generated by volatilizing or thermally decomposing a foaming agent to form many bubbles inside the polymer compound.
- Patent Document 7 discloses that after an inert gas such as nitrogen and carbon dioxide is dissolved in a thermoplastic polymer at a high pressure, the pressure is released and the thermoplastic polymer is heated to near the glass transition temperature. Describes a method of obtaining a foam by foaming dissolved gas in a thermoplastic polymer.
- an inert gas such as nitrogen and carbon dioxide
- both methods are methods for making the entire polymer compound have a porous structure, and the pores are dispersed throughout the entire structure. Therefore, the strength may be lowered depending on the pore diameter, the porosity, and the like. There is. Therefore, the above method is not suitable for a biological implant used at a site where high strength is required.
- An object of the present invention is to provide a surface foam having a porous structure on the surface of a plastic substrate, and in particular, when this surface foam is used as a biological implant, it is applied to bones or teeth. It is an object to provide a surface foam and a bioimplant having close mechanical properties and having a surface structure into which bone tissue easily invades after being embedded in the body.
- Another object of the present invention is to provide a surface foam manufacturing method and a bioimplant manufacturing method capable of manufacturing a surface foam and a bioimplant having a complicated shape by a simple method.
- a surface foam comprising a substantial part and a small-diameter pore formed on a surface thereof and a surface layer having a large-diameter pore, wherein the surface foam is formed of plastic, and the small-diameter pore And part of the large pores form open pores that open to the surface of the surface layer.
- the open pores are small pores having an average pore size of 5 ⁇ m or less and large pores having an average pore size of 10 to 200 ⁇ m.
- a large-diameter open pore having a diameter-open pore and opening on the surface of the surface layer is characterized in that a small-diameter pore and a communication hole communicating with the large-diameter pore are formed on the inner wall surface thereof.
- the surface foam described in one can be mentioned, (6) The surface foam according to any one of (1) to (5) has a bioactive substance on the inner wall surface of the open pores in the surface layer and / or the surface of the surface layer. Can be mentioned.
- Step 1 of obtaining a microporous substrate by forming micropores on the surface of a substrate formed of plastic Step 2 of obtaining a foaming agent holding base material by immersing the microporous base material obtained in Step 1 above in a solution containing a foaming agent; Step 3 of obtaining the foamed base material by immersing the foaming agent-holding base material obtained in Step 2 above in a foaming solution that swells the plastic and foams the foaming agent; Step 4 of immersing the foamed base material obtained in Step 3 in a coagulation solution for coagulating the swollen plastic; And a method for producing a surface foam characterized by having: As a preferred embodiment of the above (7), (8) The method for producing a surface foam according to (7), wherein the surface foam is used as a biological implant.
- a method for producing the surface foam according to one, (12) The method for producing a surface foam according to any one of (7) to (11), wherein the foaming solution used in the step 3 is concentrated sulfuric acid, (13) By changing at least one selected from the type of the coagulation solution, the concentration of the coagulation solution, and the immersion time of the foaming base material in the coagulation solution, the surface layer of the surface foam.
- the coagulation solution is at least one selected from water and a low coagulation solution that takes a longer time than water to coagulate the swollen plastic (7) to (13)
- a method for producing a surface foam according to any one of (15) The method for producing a surface foam according to any one of (7) to (14), wherein the low coagulation solution is sulfuric acid having a concentration of less than 90%, (16)
- the carbonate includes at least one carbonate selected from the group consisting of sodium bicarbonate, sodium carbonate, and potassium carbonate.
- the manufacturing method of the biological implant characterized by immersing can be mentioned.
- a surface foam according to the present invention is a surface foam comprising a substantial part and a surface layer having a small diameter pore and a large diameter pore formed on the surface thereof, wherein the surface foam is made of plastic.
- the small pores and a part of the large pores form open pores that open on the surface of the surface layer, and the open pores are small pores having an average pore size of 5 ⁇ m or less and average pore pore sizes.
- the surface foam according to the present invention is formed in a large number of open pores opened on the surface of the surface layer and inside the open pores and the surface layer. Since the small pores and the large pores that are formed communicate with each other, the bone foam can be penetrated into the surface layer after the surface foam is embedded in the body. As a result, new bone is formed so as to fill the space existing inside the surface layer, so that the bone and the surface foam can be combined.
- the surface foam according to the present invention does not have pores in the entire volume, but has a large number of pores on the surface of the surface foam, so that it is easy to maintain strength according to the application site.
- the material forming the surface foam is preferably engineering plastic, more preferably polyetheretherketone, and these plastics are selected from the group consisting of carbon fiber, glass fiber, ceramic fiber, metal fiber, and organic fiber. It is particularly preferred to include at least one fiber.
- a surface foam is formed of such a material, a high-strength surface foam can be provided.
- a bio-implant a bio-implant having mechanical properties close to bone or teeth can be provided. Therefore, when this surface foam is applied as an artificial bone to a site that needs to be bonded to the bone and a large load is continuously applied over a long period of time, stress shielding, that is, shielding of stress applied to the bone. It is possible to provide a high-strength bio-implant that does not cause bone loss and bone density reduction that may occur.
- the inner surface of the open pores in the surface layer of the surface foam and / or the surface of the surface layer has a bioactive substance
- a chemical reaction between the bioactive substance and the bone tissue of the living body starts. Since new bone is rapidly formed, the bone and the biological implant can be combined at an early stage.
- the method for producing a surface foam according to the present invention comprises a step 1 of obtaining a microporous substrate by forming micropores on the surface of a substrate formed of plastic, and a microporous group obtained in the step 1.
- Step 2 to obtain a foaming agent holding base material by immersing the material in a solution containing the foaming agent, and the foaming agent holding base material obtained in the step 2 to swell the plastic and foam the foaming agent
- the material forming the substrate is preferably engineering plastic, more preferably polyetheretherketone, and these plastics are at least selected from the group consisting of carbon fiber, glass fiber, ceramic fiber, metal fiber, and organic fiber. It is particularly preferred to include one fiber. When the substrate is formed of such a material, a high-strength surface foam can be easily produced.
- the surface layer of the surface foam has a desired porous structure only by changing at least one selected from the type of the coagulation solution, the concentration of the coagulation solution, and the immersion time of the foaming base material in the coagulation solution. It is possible to easily provide a surface foam having the following.
- the method for producing a biological implant according to the present invention is the same as the method for producing a surface foam since the surface foam is used as it is as a biological implant, or the surface foam is treated with a solution containing calcium ions and phosphoric acid. It is a method further comprising a step of immersing in both of the solutions containing ions. Since any method can be processed in the liquid phase, it is not necessary to use a special device, and even a biological implant having a complicated shape can be easily manufactured. it can.
- a surface foam 1 according to the present invention comprises a surface foam comprising a substantial portion 2 and a surface layer 5 having a large number of small diameter pores 3 and a large diameter pore 4 formed on the surface thereof.
- the surface foam 1 is made of plastic, and the small-diameter pores 3 and a part of the large-diameter pores 4 form open pores 6 that open on the surface of the surface layer 5.
- the open pore 6 has a small open pore 13 having an average open pore diameter A of 5 ⁇ m or less and a large open pore 14 having an average open pore diameter B of 10 to 200 ⁇ m, and has a large diameter opening on the surface of the surface layer 5.
- the open hole 14 is formed with a communication hole 7 communicating with the small diameter hole 3 and the large diameter hole 4 on the inner wall surface thereof.
- the surface layer 5 has a plurality of small-diameter pores 3 and large-diameter pores 4 having different sizes, and these pores are formed by independent pores 8 and two or more independent pores communicating with each other.
- the formed continuous ventilation hole 9 is formed.
- Some of the small-diameter pores 3 and large-diameter pores 4 form open pores 6 that open on the surface of the surface layer 5, and these open pores 6 have an average open pore size A of 5 ⁇ m or less, preferably 3 ⁇ m or less. It has pores 13 and large-diameter open pores 14 having an average open pore diameter B of 10 to 200 ⁇ m, preferably 30 to 150 ⁇ m.
- a communication hole 7 formed so as to communicate with the small-diameter hole 3 and the large-diameter hole 4 is formed.
- the communication hole 7 is preferably formed with a plurality of communication holes 7 with respect to one open hole 6, and the small diameter communication hole diameter C formed in communication with the small diameter hole 3 is 5 ⁇ m or less, preferably 3 ⁇ m or less.
- the small-diameter communication hole 15 and the large-diameter communication hole 16 formed to communicate with the large-diameter pore 4 have a large-diameter communication hole diameter D of 10 to 200 ⁇ m, preferably 30 to 150 ⁇ m.
- the small diameter pores 3 and the large diameter pores 4 have a spherical shape and / or an oblate shape and / or an oblong shape and / or a shape formed by combining these shapes.
- the surface layer having such pores for example, when the surface foam 1 according to the present invention is used as a living body implant, if the surface foam 1 is embedded in the body, the surface layer 5 has a surface. Bone through a large number of open pores 6 that are open and communication holes 7 that are formed by communicating the open pores 6 with the small-diameter pores 3 and the large-diameter pores 4 formed inside the surface layer. Bone tissues such as blasts and osteoclasts can enter the surface layer 5.
- new bone is formed so as to fill the space existing inside the surface layer 5, so that a biological implant that can be combined with bone can be provided.
- the average open pore diameter of the small diameter open pores 13 and the average open pore diameter of the large open pores 14 opened on the surface of the surface layer 5 are determined by observing the surface of the surface layer 5 with a scanning electron microscope. It can be obtained using the image shown.
- the major and minor diameters of the open pores in the outermost part of the relatively large surface in the entire field of view of the SEM image for example, open pores having an average diameter of about 10 ⁇ m or more are measured.
- the average open pore diameter of the large-diameter open pores 14 can be obtained by calculating the arithmetic average of these measured values.
- the small-diameter open pores 13 are usually present in the skeleton portion between the large-diameter open pores 14 and the large-diameter open pores 14.
- the major axis and minor axis of the open pores formed in the skeleton portion are measured. That is, the major and minor diameters of all the open pores except the large-diameter open pores 14 previously measured are measured.
- the average open pore diameter of the small-diameter open pores 13 can be obtained by calculating the arithmetic average of these measured values.
- large-diameter open pores 14 or small-diameter open pores 13 When there are a large number of large-diameter open pores 14 or small-diameter open pores 13 on the SEM image, for example, 50 or more, five straight lines are drawn at random so as to cross the SEM image.
- the diameter open hole 14 or the small diameter open hole 13 is selected according to the above-mentioned criteria, and the major axis and the minor axis are measured. Subsequently, the average open pore diameter of the large-diameter open pores 14 and the small-diameter open pores 13 can be obtained by calculating the arithmetic average of these measured values.
- the diameter of the communication hole 7 in which the small diameter pore 3 and the large diameter pore 4 are formed in communication with the open pore 6 opened on the surface of the surface layer 5 is obtained from an SEM image taken at a predetermined magnification as described above. Alternatively, it can be determined using a mercury porosimeter.
- the area ratio of the large-diameter open pores 14 when the outermost surface of the surface layer 5 is projected is not particularly limited, but is 10 to 95% when the surface foam according to the present invention is used as a biological implant. Of these, 20 to 85% is particularly preferable.
- the area ratio of the large-diameter open pores 14 is within the above range, the bone tissue can be infiltrated into the surface layer 5, so that new bone is formed inside the surface layer 5. It is possible to provide a biological implant that can be combined with a living body.
- the area ratio of the large-diameter open pores 14 when the outermost surface of the surface layer 5 is projected is obtained by using image analysis software (for example, Scion® Image, manufactured by Scion) by photographing the surface of the surface layer 5 with a scanning electron microscope. Then, it is obtained by binarizing the large-diameter open pores 14 formed by the large-diameter pores 4 and other portions, and then calculating the area ratio of the large-diameter open pores with respect to the area of the entire photograph. it can.
- image analysis software for example, Scion® Image, manufactured by Scion
- the porosity of the small-diameter pores 3 and the large-diameter pores 4 in the surface layer 5 is not particularly limited, but the pores of the small-diameter pores 3 are within a range where the total porosity of the small-diameter pores 3 and the large-diameter pores 4 is 99% or less.
- the ratio is preferably 5 to 50%, particularly preferably 10 to 40%, the porosity of the large-diameter pores 4 is preferably 20 to 90%, particularly 30 to 80%. preferable.
- the bone 1 and the bone can be firmly bonded.
- the porosity of the large-diameter pore 4 is in the above range, the bone tissue is easily retained after entering the inside of the surface layer 5, and a space for forming new bone is sufficiently secured. Since a new bone is formed so as to be buried, the bone and the biological implant can be combined more firmly.
- the porosity of the small-diameter pores 3 and the porosity of the large-diameter pores 4 of the surface layer 5 are obtained by image analysis software (for example, Scion manufactured by Scion, Inc.) obtained by photographing a cross section orthogonal to the surface of the surface layer 5 with a scanning electron microscope. Image) can be used to calculate the areas of the large pores 4 and the small pores 3 respectively. As in the case of calculating the average open pores described above, the scanning electron microscope image is displayed at an appropriate magnification for measuring the areas of the large diameter pores 4 and the small diameter pores 3.
- the porosity (a ⁇ 100 (%)) of the large diameter pores is calculated from the area ratio (a) of the large diameter pores to the area of the entire image.
- the porosity ((1 ⁇ a) ⁇ b ⁇ 100 (%)) of the small-diameter pores is calculated from the area ratio (b) of the small-diameter pores to the area excluding the large-diameter pores from the entire image.
- the thickness of the surface layer 5 can be appropriately selected depending on the place where the surface foam 1 according to the present invention is applied.
- the surface foam 1 according to the present invention is used as a biological implant, It is preferably 1000 ⁇ m, particularly preferably 20 to 200 ⁇ m. If it is within the above range, a large number of open pores 6 opened on the surface of the surface layer 5 and the small pores 3 formed inside the open pores 6 and the surface layer 5 after the living body implant is embedded in the body.
- the bone tissue can enter the surface layer 5 through the communication hole 7 formed by the communication with the large-diameter pores 4. As a result, since new bone is formed inside the surface layer 5, a living body implant that can be combined with living bone can be provided.
- the substance forming the surface foam 1 according to the present invention is formed of a commonly used plastic.
- the material forming the surface foam 1 is a plastic whose mechanical properties are close to bones or teeth, that is, an elastic modulus of 1 to 50 GPa, bending The strength is preferably 100 MPa or more.
- Engineering plastics or fiber reinforced plastics are examples of plastics that have mechanical properties close to bone or teeth.
- Engineering plastics include, for example, polyamide, polyacetal, polycarbonate, polyphenylene ether, polyester, polyphenylin oxide, polybutylene terephthalate, polyethylene terephthalate, polysulfone, polyethersulfone, polyphenylene sulfide, polyarylate, polyetherimide, polyetherether Examples include ketones, polyamideimides, polyimides, fluororesins, ethylene vinyl alcohol copolymers, polymethylpentene, phenol resins, epoxy resins, silicone resins, diallyl phthalate resins, polyoxymethylenes, polytetrafluoroethylenes, and the like.
- plastics used as a fiber reinforced plastic matrix include polyethylene, polyvinyl chloride, polypropylene, EVA resin, EEA resin, 4-methylpentene-1 resin, ABS resin, AS resin, ACS resin in addition to the engineering plastics. , Methyl methacrylate resin, ethylene vinyl chloride copolymer, propylene vinyl chloride copolymer, vinylidene chloride resin, polyvinyl alcohol, polyvinyl formal, polyvinyl acetoacetal, polyfluorinated ethylene propylene, polytrifluoroethylene chloride, methacrylic resin, renor Resin, polyallyl ether ketone, polyether sulfone, polyketone sulfide, polystyrene, polyamino bismaleimide, urea resin, melamine resin, xylene resin, isophthalic acid Resins, aniline resins, furan resins, polyurethane, alkylbenzene resin, guanamine resin, poly ure
- polyether ether ketone PEEK
- PEEK polyether ether ketone
- the surface foam is applied to a site where a large load is continuously applied for a long period of time. It is possible to provide a high-strength biomedical implant that does not cause stress reduction, that is, bone loss and bone density reduction that may occur due to shielding of stress applied to the bone.
- Examples of the fiber in the fiber reinforced plastic include carbon fiber, glass fiber, ceramic fiber, metal fiber, and organic fiber.
- carbon fibers carbon nanotubes are also included here.
- glass fibers include fibers such as borosilicate glass (E glass), high strength glass (S glass), and high elasticity glass (YM-31A glass).
- Ceramic fibers include silicon carbide, silicon nitride, alumina, potassium titanate, boron carbide, magnesium oxide, zinc oxide, aluminum borate, boron and other fibers, As metal fibers, tungsten, molybdenum, stainless steel, steel, tantalum fibers, As the organic fiber, fibers such as polyvinyl alcohol, polyamide, polyethylene terephthalate, polyester, aramid, or a mixture thereof can be used.
- an antistatic agent an antioxidant, a light stabilizer such as a hindered amine compound, a lubricant, an antiblocking agent, an ultraviolet absorber, an inorganic filler, a pigment and the like as necessary.
- a light stabilizer such as a hindered amine compound
- a lubricant such as a lubricant
- an antiblocking agent such as a hindered amine compound
- an ultraviolet absorber such as an inorganic filler
- a pigment and the like such as necessary.
- additives such as coloring agents may be contained.
- the inner wall surface of the open pores 6 and / or the surface of the surface layer 5 in the surface layer 5 have a bioactive substance.
- the bioactive substance is carried on the inner wall surface and / or the surface of the surface layer 5 in the surface layer 5, the chemical reaction between the bioactive substance and the bone tissue of the living body after the living body implant is embedded in the living body. Since a new bone is rapidly formed, the bone and the biological implant can be combined at an early stage.
- the bioactive substance 210a may be formed on the entire surface of the inner wall surface 211a of the open pores 206a and the surface of the surface layer 205a in the surface layer 205a.
- the bioactive substance 210b may be formed on a part of the inner wall surface 211b of the open pore 206b and / or a part of the surface of the surface layer 205b.
- the bioactive substances 210a and 210b are formed so as to fill all the open pores 206a and 206b.
- a bioactive substance 210a, a part of or the entire inner wall surface 211a, 211b of the open pores 206a, 206b opened on the surface of the surface layer 205a, 205b, 210b is preferably formed.
- FIG. 2 (a) and 2 (b) a bioactive substance 210a, a part of or the entire inner wall surface 211a, 211b of the open pores 206a, 206b opened on the surface of the surface layer 205a, 205b, 210b is preferably formed.
- FIG. 1 As shown in FIG.
- all of the small-diameter open pores 213a may be filled with the bioactive substance 210a, but the large-diameter open pores 214a hold the volume of the large-diameter open pores 214a.
- the bioactive substance 210a is formed on the inner wall surface 211a.
- the large-diameter communication hole 216a formed in communication with the large-diameter pore 204a is also blocked by the bioactive substance 210a, and has a large-diameter communication hole D having such a large-diameter communication hole diameter D that allows bone tissue to enter. 216a is preferably formed.
- the living implant 212a is embedded in the living body, and then the inside of the surface layer 205a is opened from the open pores 206a. Can invade bone tissue. As a result, a chemical reaction between the bioactive substance 210a existing on the inner wall surface 211a of the open pore 206a and the bone tissue of the living body starts, and new bone can be formed.
- this new bone is bone-formed so as to fill the space formed by the large-diameter open pores 214a and the small-diameter pores 203a and the large-diameter pores 204a communicating with the large-diameter open pores 214a
- the bioactive substance 210a and new bones are formed in the surface layer 205a in a complex dendritic manner. Therefore, the open hole 206a that opens to the surface of the surface layer 205a and the communication hole 207a that communicates with the open hole 206a, particularly the large-diameter communication hole 216a, and the bioactive substance 210a exists on the inner wall surface 211a of the open hole 206a. Then, the living body implant 212a and the bone can be bonded early and firmly.
- the area ratio of the bioactive substances 210a and 210b when the surface layers 205a and 205b are projected is preferably at least 5% or more, and particularly preferably 20% or more.
- the bioactive substances 210a and 210b exist not only on the bioactive substances 210a and 210b existing on the surfaces of the surface layers 205a and 205b but also on the inner wall surfaces 211a and 211b of the open pores 206a and 206b, and the surface layers 205a and 205b. Also included are bioactive substances 210a and 210b that are visible from the outside.
- the bioimplants 212a and 212b are formed. After being embedded in the living body, the chemical reaction between the bioactive substances 210a and 210b and the bone tissue of the living body starts, and new bone is rapidly formed. Can be combined.
- the area ratio of the bioactive substances 210a and 210b when the surface layers 205a and 205b are projected is based on image analysis software (for example, Scion® Image manufactured by Scion) obtained by photographing the surfaces of the surface layers 205a and 205b with a scanning electron microscope. Can be obtained by binarizing the bioactive substances 210a and 210b and other parts, and then calculating the area ratio of the bioactive substance to the total area of the image.
- image analysis software for example, Scion® Image manufactured by Scion
- the bioactive substances 210a and 210b are preferably contained in an amount of 0.5 to 30% with respect to the volume of the surface layers 205a and 205b.
- the bioactive substances 210a and 210b are in an independent state on the inner wall surfaces 211a and 211b of the open pores 206a and 206b in the surface layers 205a and 205b and / or the surface of the surface layers 205a and 205b and / or the inside of the surface layers 205a and 205b.
- These bioactive substances 210a and 210b are combined and exist in a state of being stretched inside the surface layers 205a and 205b in a dendritic shape.
- the bioactive substances 210a and 210b within the above range are present in the surface layers 205a and 205b, after the bioimplants 212a and 212b are embedded in the living body, the chemicals between these bioactive substances 210a and 210b and the bone tissue of the living body Since a new reaction starts and a new bone is rapidly formed, the bone and the biological implants 212a and 212b can be combined at an early stage.
- the volume ratio of the bioactive substances 210a and 210b included in the surface layers 205a and 205b can be obtained in the same manner as the method for measuring the area ratio of the bioactive substances 210a and 210b described above. That is, if the area ratio of the bioactive substances 210a and 210b in the cross section orthogonal to the surfaces of the surface layers 205a and 205b can be calculated, the volume ratio of the bioactive substances 210a and 210b can be estimated from the calculated values.
- the bioactive substances 210a and 210b are not particularly limited as long as they have a high affinity with a living body and have a property of chemically reacting with bone tissue including teeth.
- calcium phosphate materials, bioglass, crystallization Examples thereof include glass (also referred to as glass ceramics), calcium carbonate, and the like.
- Examples of calcium phosphate materials include calcium hydrogen phosphate, calcium hydrogen phosphate hydrate, calcium dihydrogen phosphate, calcium dihydrogen phosphate hydrate, ⁇ -type tricalcium phosphate, ⁇ -type tricalcium phosphate, Examples thereof include dolomite, tetracalcium phosphate, octacalcium phosphate, hydroxyapatite, fluorapatite, carbonate apatite, and chlorapatite.
- Examples of bioglass include SiO 2 —CaO—Na 2 O—P 2 O 5 glass, SiO 2 —CaO—Na 2 O—P 2 O 5 —K 2 O—MgO glass, and SiO 2 —.
- Examples thereof include CaO—Al 2 O 3 —P 2 O 5 glass.
- Examples of crystallized glass include SiO 2 —CaO—MgO—P 2 O 5 glass (also referred to as apatite wollastonite crystallized glass), CaO—Al 2 O 3 —P 2 O 5 glass, and the like. Is mentioned. These calcium phosphate materials, bioglass, and crystallized glass are, for example, “Chemical Handbook Applied Chemistry 6th Edition” (The Chemical Society of Japan, published on January 30, 2003, Maruzen Co., Ltd.), “Development of Bioceramics” And Clinical "(edited by Hideki Aoki et al., Published on April 10, 1987, Quintessence Publishing Co., Ltd.).
- bioactive substances 210a and 210b calcium phosphate-based materials are preferable in that they are excellent in bioactivity. Furthermore, since the composition, structure, and properties are similar to actual bones, the stability in the body environment is excellent. Hydroxyapatite is particularly preferred because it does not show significant solubility in the body.
- the bioactive substances 210a and 210b are preferably low crystalline.
- the crystallinity of the bioactive substances 210a and 210b is determined by, for example, the type and composition ratio and / or the immersion temperature of the components of the solution when the bioactive substance is formed by a method of immersing in a solution containing calcium or phosphorus. Can be adjusted.
- a microporous substrate having a large number of micropores on the surface of a plastic substrate formed into a desired shape is prepared.
- a method for forming micropores on the surface of a plastic substrate a known method can be adopted.
- a plastic substrate is used as a corrosive solution such as concentrated sulfuric acid, concentrated nitric acid, or chromic acid.
- a method of immersing the substrate in a cleaning solution in which the plastic does not elute, for example, pure water for example, pure water.
- PEEK polyether ether ketone
- micropores can be formed by immersing PEEK in concentrated sulfuric acid for a predetermined time and then immersing it in pure water.
- the pore size of the micropores formed on the surface of the plastic substrate may be a pore size that allows the foaming agent used in step 2 to enter the plastic substrate. It can select suitably according to the kind of agent. For example, when sodium carbonate is used as the foaming agent, the pore diameter of the micropores is preferably 0.1 to 200 ⁇ m. The porosity of the micropores formed on the surface of the plastic substrate is sufficient if the foaming agent used in step 2 can be sufficiently retained. For example, when sodium carbonate is used as the foaming agent, The porosity of the layer in which the micropores of the plastic substrate are formed is preferably 10 to 90%.
- the porosity is in a low range within the range of the porosity, for example, pores are formed to communicate from the surface of the plastic base material in the internal direction or from the surface of the plastic base material. It is preferable that the hole is formed so that the foaming agent is held at a desired depth from the surface of the plastic base material, such as a columnar hole formed perpendicular to the direction.
- the thickness of the layer in which a large number of micropores are formed may be equal to the thickness of the surface layer in the surface foam as the final product, and is preferably 10 to 1000 ⁇ m.
- the thickness, pore diameter, and porosity of the layer having a large number of micropores are determined depending on the time and / or temperature at which PEEK is immersed in concentrated sulfuric acid when, for example, concentrated sulfuric acid is used as the PEEK corrosive solution.
- the thickness can be adjusted.
- the pore diameter and the porosity can be adjusted by the type and / or temperature of the cleaning solution that is subsequently immersed in concentrated sulfuric acid.
- step 2 the microporous substrate obtained in step 1 is immersed in a solution containing a foaming agent for a predetermined time, and the foaming agent is held on the surface of the microporous substrate having a large number of micropores.
- a foaming agent holding substrate is produced.
- the foaming agent may be any substance that can form a desired porous structure on the surface of a plastic substrate, and as such a foaming agent, an inorganic foaming agent such as carbonate or aluminum powder, Examples thereof include organic foaming agents such as azo compounds and isocyanate compounds.
- the foaming agent is preferably a substance that does not adversely affect the living body, and as such a foaming agent, a carbonate is preferable, for example, hydrogen carbonate. Examples thereof include sodium, sodium carbonate, and potassium carbonate.
- step 3 the foaming agent holding substrate obtained in step 2 is immersed in a foaming solution for swelling the plastic and foaming the foaming agent for a predetermined time, so that the swelling of the plastic and the foaming of the foaming agent are performed.
- a foamed substrate formed by proceeding simultaneously is prepared.
- the foaming solution include acidic solutions such as concentrated sulfuric acid, hydrochloric acid, and nitric acid.
- the foaming solution is preferably concentrated sulfuric acid having a concentration of 90% or more.
- a foamed surface is produced by immersing the foamed base material obtained in step 3 in a coagulation solution that solidifies the swollen plastic.
- a coagulation solution that is, a solution from which the plastic does not elute
- examples of the coagulation solution include aqueous solutions such as water, acetone, and ethanol.
- aqueous solutions such as water, acetone, and ethanol.
- inorganic acids such as sulfuric acid, nitric acid, phosphoric acid, hydrochloric acid and the like, water-soluble organic solvents having a concentration of less than 90%.
- water-soluble organic solvent examples include N-methyl-2-pyrrolidone, dimethylformamide, dimethylacetamide, dimethyl sulfoxide, tetrahydrofuran, ethylene glycol, diethylene glycol, trietylene glycol, propylene glycol, diester Alcohols such as propylene glycol, glycerol ethanol, propanol, butanol, pentanole, hexanole and their aqueous solutions, liquids such as polyethylene glycol, polypropylene glycol, polyvinylpyrrolidone Mention may be made of molecules or their aqueous solutions and mixtures thereof.
- the foamed substrate obtained in step 3 may be immersed in at least one solution selected from a plurality of types of solutions that can be used as a coagulation solution, or may be sequentially immersed in a plurality of types of solutions. Further, a mixture of at least two kinds of solutions may be used.
- step 4 it is preferable to wash the foaming agent and coagulation solution remaining on the surface foam with pure water.
- a porous structure formed on the surface of a plastic substrate that is, a large-diameter open pore diameter, a small-diameter open pore diameter, a communicating pore diameter, a porosity, etc. that define the porous structure of the surface layer of the surface foam is a foaming agent. It can be adjusted by appropriately selecting the type and concentration of the foaming solution, the type and concentration of the foaming solution, the immersion time in the foaming solution, the type and concentration of the coagulation solution, the immersion time in the coagulation solution, the temperature in each step, and the like.
- the surface layer of the surface foam has a desired porous structure by changing at least one selected from the type of coagulation solution, the concentration of the coagulation solution, and the immersion time in the coagulation solution.
- the surface foam which has can be obtained easily. By changing these parameters, the solidification rate of the swollen plastic on the surface of the foam substrate can be controlled.
- the type and concentration of the coagulation solution it is preferable to appropriately select at least one of water and a low coagulation solution that requires a longer time than water to coagulate the swollen plastic.
- the material forming the foamed substrate is PEEK, sulfuric acid having a concentration of less than 90% can be used as the low coagulation solution.
- the large-diameter pores 4 and the large-diameter pores 4 defined in the above-mentioned surface foam 1 communicate with the surface structure of the foam substrate due to the difference in the immersion time of the foam substrate in the low coagulation solution.
- the large-diameter communication holes 16 and the small-diameter pores 3 formed as described above will be described separately.
- the hole diameters of the large-diameter open pores 14 and the large-diameter communication holes 16 where the large-diameter pores 4 open on the surface gradually increase as the immersion time elapses. When a predetermined time or more elapses, these pore sizes become smaller. Further, the number of large-diameter open holes 14 and large-diameter communication holes 16 gradually decreases as the immersion time elapses. It is understood that the pore diameter increases as the immersion time elapses, and a plurality of pores formed by the foaming agent are connected and enlarged while the swollen PEEK is gradually solidified.
- the pore diameter becomes small because the foaming agent is weakened while the swollen PEEK is slowly solidified, and all the pores including the pores that are connected and enlarged are included. Is considered to be reduced in diameter.
- the number of large-diameter open holes 14 and large-diameter communication holes 16 decreases as the immersion time elapses because the plurality of large-diameter open holes 14 and large-diameter communication holes are formed while the swollen PEEK is slowly solidified. It is understood that 16 is connected and integrated.
- the pore diameter and the porosity of the small-diameter open pores 13 where the small-diameter pores 3 open on the surface gradually decrease as the immersion time elapses.
- the large pores are formed by the action of the foaming agent, whereas the small pores 3 are thought to be formed based on the phase separation phenomenon of the swollen PEEK.
- the swollen PEEK is less likely to cause phase separation with a low-coagulation solution that gradually solidifies, and the longer the dipping time of the low-coagulation solution, the more the coagulation proceeds while the swollen PEEK and the low-coagulation solution are homogenized. For this reason, it is considered that the number and the pore diameter of the small-diameter open pores 13 are reduced and the porosity is also lowered.
- the surface foam 1 in which the porous structure of the surface layer 5 of the surface foam 1 is different can be obtained due to the difference in the immersion time of the foamed base material in the low coagulation solution.
- the surface has good communication properties to the inside of the surface layer 5.
- the foam 1 can be provided.
- the sulfuric acid having a concentration of 86% has been described as an example of the low coagulation solution.
- the situation is different.
- sulfuric acid having a lower concentration is used, PEEK swollen in a shorter time than when sulfuric acid having a concentration of 86% is solidified, so that the large pores 4 are solidified before the effectiveness of the foaming agent is weakened.
- the diameters of the large-diameter open holes 14 and the large-diameter communication holes 16 do not decrease or decrease in number.
- the method of changing the structure of the surface of the foamed substrate with the lapse of the immersion time is different. Therefore, select the desired low coagulation solution, immerse the foam substrate for a predetermined time, and when the surface structure of the foam substrate has the desired porous structure, soak in water and quickly swell Since the plastic can be solidified, a surface foam in which the surface layer 5 has a desired porous structure can be obtained.
- the swollen plastic in addition to immersing the foamed substrate in water, the swollen plastic may be dipped in a low coagulation solution for a sufficient time to solidify.
- the bioactive substance can be formed by any method as long as it is formed by being fixed to the inner wall surface of the open pores in the surface layer and / or the surface of the surface layer, for example, formed by steps 1 to 4. It is possible to employ a liquid phase method in which the surface foam 1 is first immersed in both a solution containing at least 10 mM calcium ions and a solution containing at least 10 mM phosphate ions.
- a liquid phase method in which the surface foam 1 is first immersed in both a solution containing at least 10 mM calcium ions and a solution containing at least 10 mM phosphate ions.
- the surface foam formed by the steps 1 to 4 is immersed in a solution containing at least 10 mM calcium ions for a predetermined time.
- the solution containing calcium ions only needs to contain at least calcium ions, and includes sodium ions, potassium ions, magnesium ions, carbonate ions, silicate ions, sulfate ions, nitrate ions, chloride ions, hydrogen ions, and the like.
- the phosphate ion is not substantially contained.
- Examples of the solution containing calcium ions usually include aqueous solutions of compounds that are highly water-soluble and do not adversely affect the human body.
- calcium chloride for example, calcium chloride, calcium hydroxide, calcium nitrate, calcium formate, calcium acetate, propionic acid
- examples thereof include calcium, calcium butyrate, calcium lactate, and a mixed solution thereof, and an aqueous solution of calcium chloride is preferable.
- the surface foam After immersing in a solution containing calcium ions for a predetermined time, the surface foam is immersed in a solution containing at least 10 mM phosphate ions.
- the solution containing phosphate ions is required to contain at least phosphate ions, and includes sodium ions, potassium ions, magnesium ions, carbonate ions, silicate ions, sulfate ions, nitrate ions, chloride ions, hydrogen ions, and the like. However, it is preferable that calcium ions are not substantially contained.
- the solution containing phosphate ions include aqueous solutions of compounds that are usually highly water-soluble and do not adversely affect the human body.
- phosphoric acid disodium hydrogen phosphate, sodium dihydrogen phosphate, phosphoric acid
- examples thereof include dipotassium hydrogen, potassium dihydrogen phosphate, and a mixed solution thereof, and an aqueous solution of dipotassium hydrogen phosphate is preferable.
- the order in which the surface foam is immersed in the above two types of aqueous solutions is not particularly limited.
- hydroxyapatite is produced as a bioactive substance in the surface layer, that is, in the porous structure.
- the production reaction proceeds in an alkaline region having a lower solubility. Therefore, the pH of the solution immersed in the latter half is preferably an alkaline region having a pH of 8 to 10.
- the time for immersing the surface foam in the solution containing at least 10 mM calcium ions and the solution containing at least 10 mM phosphate ions is preferably 1 minute to 5 hours, and particularly preferably 3 minutes to 3 hours. If it is within the range of 1 minute to 5 hours, calcium ions and phosphate ions are sufficiently soaked into the inside of the surface foam, and a bioactive substance is generated on the inner wall surface of the open pores and the continuous vents in the surface layer of the surface foam. It is because it is fixed. Moreover, when it is desired to increase the production amount of the bioactive substance, the operation of immersing in each solution may be repeated a plurality of times.
- the surface foam formed with the bioactive substance obtained in the above step is appropriately immersed in pure water, washed, and then dried, so that at least open pores in the surface layer of the surface foam are obtained.
- a biological implant having a bioactive substance on the inner wall surface and / or the surface of the surface layer can be obtained.
- the formation of the bioactive substance is not limited to the above method.
- the surface foam has a porous structure in the surface foam by immersing the foam in a solution containing a large amount of the bioactive substance in advance and drying it. It can also be carried out by fixing the bioactive substance inside the layer, immersing it in pure water, washing it, and drying it again.
- the production method according to the present invention can also produce a surface foam other than the surface foam 1 according to the present invention, and the surface foam has various uses, for example, used as a biological implant. be able to.
- the surface foam is used as a biological implant, it is used in various shapes, for example, a particle shape, a fiber shape, a block shape, a film shape, or the like according to the use site in the living body.
- the shape similar to the shape of the bone defect portion or the tooth defect portion or the like, or the shape corresponding to the shape of the bone defect portion or the tooth defect portion, etc. to which the living body implant is compensated for example, a similar shape, Used after being shaped and / or prepared.
- the surface foam may be formed by shaping, shaping and / or preparing a plastic such as PEEK into a desired shape, and then forming a surface layer having a porous structure on the surface of a plastic substrate. After the surface layer having a porous structure is formed on the surface of the manufactured substrate, the surface foam can be formed, shaped and / or prepared into a desired shape.
- a surface foam is formed by the liquid phase method, a surface layer having a porous structure is formed on the surface portion of a plastic substrate after molding, shaping and / or preparing a plastic such as PEEK into a complicated shape. It can be made easy.
- the surface layer may be formed on the entire surface portion of the plastic substrate, and when the surface foam is used as a biological implant, it is formed only on the surface that needs to be bonded to bone or teeth. You may let them. It can also be used as a biological implant having a bioactive substance on at least the inner wall surface of the open pores in the surface layer and / or the surface of the surface layer.
- the bio-implant having the surface foam and the bioactive substance can be applied to bone filling materials, artificial joints, osteosynthesis materials, artificial vertebral bodies, interbody spacers, vertebral body cages, artificial tooth roots, and the like.
- Example 1 It is an Example at the time of using PEEK as a substance which forms a surface foam.
- a surface foam was produced by the following procedure.
- the surface of a disk (diameter 10 mm, thickness 2 mm, Victrex 450G) formed of PEEK was polished with sandpaper (# 1000) and immersed in concentrated sulfuric acid (concentration: 97%) for 5 minutes.
- the disc body pulled up from the concentrated sulfuric acid was immersed in pure water for 5 minutes, and then repeatedly washed until the pH of the pure water became neutral to obtain a microporous substrate having micropores on the surface.
- the surface of this microporous substrate was observed with a scanning electron microscope, it had a large number of pores, the pore diameter of these pores was 1 to 2 ⁇ m, and the inside was a network structure.
- this microporous substrate was immersed in an aqueous sodium hydrogen carbonate solution (concentration: 500 mM) for 60 minutes, whereby sodium bicarbonate was held on the surface of the microporous substrate to obtain a foaming agent-holding substrate.
- aqueous sodium hydrogen carbonate solution concentration: 500 mM
- the surface of PEEK is solidified by lifting the foamed base material from concentrated sulfuric acid and immersing in pure water for 10 minutes, repeatedly washing until the pH of the pure water becomes neutral, and then drying at 120 ° C. for 3 hours. Thus, a surface foam was obtained.
- FIG. 3 The result of having observed the surface of the produced surface foam with a scanning electron microscope is shown in FIG. 3 (magnification rate 300 times). A large number of small pores formed by small pores having an open pore diameter of 1 to 5 ⁇ m and large pores formed by large pores having an open pore diameter of 50 to 100 ⁇ m were confirmed on the surface of the surface foam. . Moreover, many small diameter communication holes and large diameter communication holes formed by communicating with the small diameter pores and the large diameter pores were confirmed on the inner wall surface of the large diameter open pores formed by the large diameter pores.
- the average open pore diameter of the small diameter open pores was 2 ⁇ m, and the average open pore diameter of the large diameter open pores was 73 ⁇ m.
- the photograph of the surface foam surface taken with a scanning electron microscope is binarized into large-diameter open pores and other parts using image analysis software (Scion® Image, manufactured by Scion).
- the area ratio of the large open pores having an open pore size of 50 to 100 ⁇ m to the total area was calculated to be 78%.
- FIG. 4 The result of having observed the cross section orthogonal to the surface of the produced surface foam with a scanning electron microscope is shown in FIG. 4 (magnification factor 500 times). A layer having a large number of pores having a thickness of about 70 ⁇ m was confirmed on the surface of the surface foam.
- the surface layer of the surface foam formed with a large number of pores was measured with a mercury porosimeter to measure the pore size of the communicating holes.
- more mercury intrusion than that of untreated PEEK was observed between 1 to 100 ⁇ m in pore size. It was. Therefore, it was found that the communication holes were formed with a wide pore size distribution within this range. This coincided with the observation result of the surface layer with a scanning electron microscope.
- Example 2 A surface foam was obtained in the same manner as in Example 1 except that an aqueous sodium carbonate solution (concentration: 500 mM) was used instead of the aqueous sodium hydrogen carbonate solution. The result of having observed the surface of the produced surface foam with a scanning electron microscope is shown in FIG. 5 (magnification rate 300 times). As in Example 1, a large number of open pores and communication holes formed on the inner wall surface of the open pores were confirmed on the surface of the surface foam. The open pore diameter of the small diameter open pores formed by the small diameter pores was 2 to 4 ⁇ m. The open pore diameter of the large open pores formed by the large pores was 30 to 80 ⁇ m.
- Example 2 In the same manner as in Example 1, the average open pore diameters of the large diameter open pores and the small diameter open pores were calculated.
- the average open pore diameter of the small diameter open pores was 3.1 ⁇ m, and the average open pore diameter of the large diameter open pores was It was 45 ⁇ m.
- the area ratio of the large-diameter open pores to the entire photo area was calculated to be 39%.
- Example 3 A surface foam was obtained in the same manner as in Example 1 except that an aqueous potassium carbonate solution (concentration: 500 mM) was used instead of the aqueous sodium hydrogen carbonate solution. The result of having observed the surface of the produced surface foam with the scanning electron microscope is shown in FIG. 6 (magnification rate 300 times). As in Example 1, a large number of open pores and communication holes formed on the inner wall surface of the open pores were confirmed on the surface of the surface foam. The open pore diameter of the small-diameter open pores formed by the small-diameter pores was 1 to 2 ⁇ m. The open pore diameter of the large open pores formed by the large pores was 20 to 30 ⁇ m.
- Example 2 In the same manner as in Example 1, the average open pore diameters of the large diameter open pores and the small diameter open pores were calculated.
- the average open pore diameter of the small diameter open pores was 1.6 ⁇ m, and the average open pore diameter of the large diameter open pores was It was 23 ⁇ m.
- the area ratio of the large-diameter open pores to the entire photo area was calculated to be 15%.
- Example 4 A surface foam was obtained in the same manner as in Example 3 except that the concentration of the aqueous potassium carbonate solution was 3M. The result of having observed the surface of the produced surface foam with a scanning electron microscope is shown in FIG. 7 (300 times magnification). As in Example 3, a large number of open pores and communication holes formed on the inner wall surface of the open pores were confirmed on the surface of the surface foam.
- the open pore diameter of the small-diameter open pores formed by the small-diameter pores was 1 to 4 ⁇ m.
- the open pore diameter of the large open pores formed by the large pores was 100 to 200 ⁇ m.
- Example 2 In the same manner as in Example 1, the average open pore sizes of the large open pores and the small open pores were calculated.
- the average open pore size of the small open pores was 2.4 ⁇ m, and the average open pore size of the large open pores was It was 106 ⁇ m.
- the area ratio of the large-diameter open pores to the area of the entire photo was calculated and found to be 64%.
- Example 5 A surface foam was obtained in the same manner as in Example 4 except that the foamed base material was pulled up from concentrated sulfuric acid and immersed in pure water for 10 minutes before being immersed in sulfuric acid having a concentration of 63%.
- FIGS. 8A and 8B The results of observing the surface of the produced surface foam with a scanning electron microscope are shown in FIGS. 8A and 8B (FIG. 8A: magnification factor 100 times, FIG. 8B: magnification factor 3000 times).
- FIG. 8 (a) As shown in FIG. 8 (a), a large number of open pores and communication holes formed on the inner wall surface of the open pores were confirmed on the surface of the surface foam as in Example 4. The number of communication holes was the same as in Example 4.
- the open pore diameter of the large open pores formed by the large pores was 10 to 100 ⁇ m.
- the open pore diameter of the small-diameter open pores formed by the small-diameter pores was 0.2 to 4 ⁇ m.
- Example 2 In the same manner as in Example 1, the average open pore size of the large open pores and the small open pores were calculated.
- the average open pore size of the small open pores was 1.4 ⁇ m, and the average open pore size of the large open pores was It was 39 ⁇ m.
- the area ratio of the large-diameter open pores to the entire photo area was calculated to be 61%.
- Example 6 A surface foam was obtained in the same manner as in Example 5 except that the immersion time in 63% sulfuric acid was changed to 5 minutes. The results of observing the surface of the produced surface foam with a scanning electron microscope are shown in FIGS. 9A and 9B (FIG. 9A: enlargement ratio 100 times, FIG. 9B: enlargement ratio 3000 times). ).
- FIG. 9 (a) As in Example 5, a large number of open pores and communication holes formed on the inner wall surface of the open pores were confirmed on the surface foam surface. The number of communication holes was slightly smaller than in Example 5. Further, the open pore diameter of the large open pores formed by the large pores was 30 to 300 ⁇ m, which was larger than the open pore diameter in Example 5. As shown in FIG. 9B, the open pore diameter of the small-diameter open pores formed by the small-diameter pores was 0.5 to 5 ⁇ m.
- Example 7 In the same manner as in Example 1, the average open pore diameters of the large open pores and the small open pores were calculated. The average open pore size of the small open pores was 1.4 ⁇ m, and the average open pore size of the large open pores was It was 118 ⁇ m. In the same manner as in Example 1, the area ratio of the large-diameter open pores to the entire photo area was calculated to be 67%.
- Example 7 A surface foam was obtained in the same manner as in Example 5 except that the immersion time in sulfuric acid having a concentration of 63% was changed to 15 minutes. The results of observing the surface of the produced surface foam with a scanning electron microscope are shown in FIGS. 10A and 10B (FIG. 10A: magnification factor 100 times, FIG.
- FIG. 10B magnification factor 3000 times).
- a large number of open pores and communication holes formed on the inner wall surfaces of the open pores were confirmed on the surface of the surface foam as in Example 5.
- the number of communication holes was the same as in Example 6.
- the open pore diameter of the large open pores formed by the large pores was about the same as the open pore diameter in Example 6, and was 30 to 300 ⁇ m.
- the reason why the large-diameter open pores and the communication holes were almost the same as in Example 6 was that the foamed base material was almost completely solidified at the stage where the foamed base material was immersed in sulfuric acid having a concentration of 63% for 10 minutes. It is thought that.
- the open pore diameter of the small-diameter open pores formed by the small-diameter pores was 0.5 to 5 ⁇ m.
- Example 8 A surface foam was obtained in the same manner as in Example 5 except that 86% sulfuric acid was used instead of 63% sulfuric acid. The results of observing the surface of the produced surface foam with a scanning electron microscope are shown in FIGS. 11 (a) and 11 (b) (FIG. 11 (a): magnification factor 100 times, FIG.
- FIG. 11 (b) magnification factor 3000 times).
- the large-diameter communication holes formed by communicating the large-diameter pores had large-diameter communication holes larger than those in Example 5, and were 10 to 20 ⁇ m.
- the open pore diameter of the large open pores formed by the large pores was 50 to 180 ⁇ m, which was larger than the open pore diameter in Example 5.
- the open pore diameter of the small-diameter open pores formed by the small-diameter pores was 0.3 to 4 ⁇ m.
- Example 9 A surface foam was obtained in the same manner as in Example 6 except that sulfuric acid having a concentration of 86% was used instead of sulfuric acid having a concentration of 63%. The results of observing the surface of the produced surface foam with a scanning electron microscope are shown in FIGS. 12A and 12B (FIG. 12A: magnification factor 100 times, FIG.
- FIG. 12B magnification factor 3000 times).
- a large number of open pores and communication holes formed on the inner wall surface of the open pores were confirmed on the surface of the surface foam as in Example 5.
- the diameter of the large-diameter communication hole formed by communicating the large-diameter pores was clearly larger than that of the large-diameter communication hole of Example 8, and was 20 to 40 ⁇ m.
- the number of large-diameter communication holes was reduced as compared with Example 8.
- the open pore diameter of the large open pores formed by the large pores was approximately the same as the large open pore diameter in Example 8, and was 60 to 170 ⁇ m.
- the open pore diameter of the small-diameter open pores formed by the small-diameter pores was 0.5 to 1 ⁇ m.
- Example 2 In the same manner as in Example 1, the average open pore size of the large open pores and the small open pores was calculated.
- the average open pore size of the small open pores was 0.6 ⁇ m, and the average open pore size of the large open pores was It was 92 ⁇ m.
- the result of having observed the longitudinal cross section of the produced surface foam with a microscope is shown in FIG. 13 (magnification ratio 500 times). Large pores having a pore diameter of 30 to 50 ⁇ m were observed in the entire surface layer having a thickness of about 120 ⁇ m from the surface of the test specimen.
- the area ratio of the large-diameter open pores to the entire photo area was calculated to be 65%.
- Example 10 A surface foam was obtained in the same manner as in Example 7 except that 86% sulfuric acid was used instead of 63% sulfuric acid.
- FIGS. 14A and 14B The results of observing the surface of the produced surface foam with a scanning electron microscope are shown in FIGS. 14A and 14B (FIG. 14A: magnification factor 100 times, FIG. 14B: magnification factor 3000 times).
- FIG. 14 (a) a large number of open pores and communication holes formed on the inner wall surface of the open pores were confirmed on the surface of the surface foam as in Example 5.
- the hole diameter of the large-diameter communication hole formed by communicating the large-diameter pores is about the same as the hole diameter in Example 9, and was 20 to 40 ⁇ m.
- the open pore diameter of the large open pores formed by the large pores was 30 to 80 ⁇ m, which was smaller than the large open pore diameter in Example 9. As shown in FIG. 14B, the open pore diameter of the small-diameter open pores formed by the small-diameter pores was 0.2 to 1 ⁇ m.
- Example 2 In the same manner as in Example 1, the average open pore size of the large open pores and the small open pores was calculated.
- the average open pore size of the small open pores was 0.6 ⁇ m, and the average open pore size of the large open pores was It was 42 ⁇ m.
- the area ratio of large-diameter open pores to the entire photo area was calculated to be 54%.
- Example 11 The surface foam produced in Example 1 was immersed in an aqueous calcium chloride solution having a calcium ion concentration of 2M for 60 minutes, and then immersed in an aqueous solution of dipotassium hydrogen phosphate having a phosphate ion concentration of 2M for 60 minutes. The material was obtained.
- this solution-immersed substrate is immersed in pure water for 3 hours, and then immersed in pure water for 10 minutes with ultrasonic irradiation and washed, and then dried at 120 ° C. for 3 hours to obtain a bioactive substance.
- a biological implant having
- FIG. 15 The result of observing the surface of the biological implant having a biologically active substance with a scanning electron microscope is shown in FIG. 15 (magnification: 3000 times). Particles deposited by immersion in an aqueous solution of calcium chloride and an aqueous solution of dipotassium hydrogen phosphate were adhered to the surface of the biological implant and the inner wall surface of the open pores formed on the surface. As a result of analyzing the particles with an X-ray diffractometer, a peak attributed to hydroxyapatite was confirmed. Moreover, these peaks were broad, and it was confirmed that low crystalline hydroxyapatite was produced.
- FIG. 1 is a schematic view of a surface foam according to the present invention.
- FIG. 2A and FIG. 2B are schematic views of a biological implant including a bioactive substance.
- FIG. 3 is a scanning electron micrograph of the surface of the surface foam in Example 1.
- FIG. 4 is a scanning electron micrograph of a cross section of the surface foam in Example 1.
- FIG. 5 is a scanning electron micrograph of the surface of the surface foam in Example 2.
- 6 is a scanning electron micrograph of the surface of the surface foam in Example 3.
- FIG. FIG. 7 is a scanning electron micrograph of the surface of the surface foam in Example 4.
- FIG. 8A and FIG. 8B are scanning electron micrographs obtained by photographing the surface of the surface foam in Example 5.
- FIG. 9A and 9B are scanning electron micrographs obtained by photographing the surface of the surface foam in Example 6.
- FIG. 10 (a) and 10 (b) are scanning electron micrographs obtained by photographing the surface of the surface foam in Example 7.
- FIG. 11 (a) and 11 (b) are scanning electron micrographs obtained by photographing the surface of the surface foam in Example 8.
- FIG. 12 (a) and 12 (b) are scanning electron micrographs obtained by photographing the surface of the surface foam in Example 9.
- FIG. 13 is a scanning electron micrograph of a cross section of the surface foam in Example 9.
- 14 (a) and 14 (b) are scanning electron micrographs obtained by photographing the surface of the surface foam in Example 10.
- FIG. FIG. 15 is a scanning electron micrograph of the surface of a biological implant comprising a bioactive substance in Example 11.
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Abstract
本発明は、プラスチック製の基材の表面に多孔質構造を有する表面発泡体、生体インプラント及びそれらの製造方法を提供することを目的とし、プラスチックにより形成されて成り、実質部とその表面に形成されて成る小径気孔及び大径気孔を有し、これらの気孔の一部は前記表面層の表面に開口する開気孔を形成しており、前記開気孔は平均開気孔径が5μm以下の小径開気孔と平均開気孔径が10~200μmの大径開気孔とを有し、前記表面層の表面に開口する大径開気孔はその内壁面に小径気孔及び大径気孔と連通する連通孔が形成されて成る表面発泡体、前記表面発泡体そのものから成る、あるいは、前記表面発泡体の前記表面層に生体活性物質を有して成る生体インプラント、前記表面発泡体及び生体インプラントの製造方法の一例であるこれらの製造方法である。
Description
本発明は、表面発泡体、生体インプラント及びそれらの製造方法に関し、特に表面発泡体を生体インプラントとして使用した場合に、骨又は歯に近い力学的特性を有し、かつ、表面発泡体を体内に埋設した際に、骨組織が侵入し易い表面構造を有する表面発泡体、生体インプラント及びそれらの製造方法に関する。
骨が大きく欠損した場合の治療方法として、患者自身の正常な骨を一部切り取って患部に移植する自家骨移植、又は人工材料から成る人工骨を移植する人工骨移植が行われている。しかし、自家骨移植は、採取できる骨量に制限があり、さらに正常な細胞を傷つけることになるので、患者の身体的負担は大きいうえ、自家骨移植に用いる自家骨移植用骨を患者自身の正常な骨から切り取ることによって新たな欠損部が生じるから、骨が大きく欠損した場合の本質的な治療方法とはいえない。また、人工骨移植では、工業的に生産される人工骨を使用するから自家骨移植の様な問題はないが、人工骨の力学的及び生物学的特性は本来の骨と異なるから、人工骨の前記特性に応じて用途が限定されるという問題を有する。例えば、人工骨の材料としてチタン合金の金属材料を選択すると、金属材料は、通常、高強度である反面、弾性率が高く靭性に欠けるので、大きな荷重が連続的にかかるような部位に埋入すると、周りの骨との力学的特性の差によりストレスシールディングが生じるといった問題や、骨と直接に結合しないといった問題がある。また、人工骨の材料として水酸アパタイト等のバイオセラミックスを選択すると、バイオセラミックスは、通常、生体適合性が良いうえに、生体活性が高くて、骨との結合性に優れている反面、外部衝撃に弱いので、大きな荷重が瞬間的にかかるような部位には用いることができないという問題がある。
人工骨の材料として超高分子量ポリエチレン等のポリマーを選択すると、金属材料及びバイオセラミックスが有する問題を解決することができ、特に、ポリマーの中でもポリエーテルエーテルケトン(PEEK)は、その力学的特性が本来の骨と近く、また生体適合性も優れていることから、高強度が要求される部位での整形外科材料としての応用が期待されている。さらに、ポリマーと生体活性を有するバイオセラミックスとを組み合わせることにより、骨と直接に結合する人工骨の開発も行われている。
一方、生体適合性や生体活性といった化学的特性や、強度や弾性率といった物理的特性以外にも、人工骨にとってその構造が骨との結合能の面で重要な因子であることは良く知られており、生体内に埋入した際に、生体組織が内部に侵入しやすいように、表面又は構造全体を多孔質化した人工骨が多く開発されている。PEEKをはじめとする高分子材料により形成される人工骨も、その強度を活かし、かつ、骨との結合能を持たせるべく、表面に多孔質層又は凹凸表面を付与する試みが幾つかなされている。
特許文献1には、PEEKとカーボン短繊維との複合材料により形成されて成る支承表面層の表面にPEEK粒子をプラズマ・トーチによりスパッタすることで多孔構造を有する裏打ち層を形成して成る人工寛骨臼カップが記載されている。
特許文献2には、少なくとも1つの開口を有している複数のポリマーシートを、孔の位置をずらして重ねて接着することにより形成されて成る海綿状の構造体が記載されている。
特許文献3には、高分子材料に気孔形成材を埋め込んでおき、気孔形成材の溶媒に接触させることにより気孔形成材を溶出させ、所望の孔が形成されて成る多孔性の有機ポリマー層を有する移植可能な整形外科的器具が記載されている。
特許文献4には、熱可塑性ポリマーの表面に凹凸が形成されている整形インプラントにおいて、この凹凸がエッチング、サンドブラスト、研磨などにより形成されることが記載されている。
特許文献5には、予め凹凸形状を付与した金型を使用して、熱可塑性プラスチック材料を加熱成型する方法が記載されている。
特許文献6には、熱可塑性樹脂により形成されて成る外科的移植体の表面上に、所望の形状を有する酸溶解性金属板を圧入し、これを溶解することにより、外科的移植体の表面に凹凸を転写する方法が記載されている。
しかし、上記の従来技術においては、特許文献1のように、高価な装置が必要であったり、特許文献2のように、人工骨の強度を発現する実質部の高分子材料とは別に多孔質構造を形成させるためのシート材料が必要であったり、特許文献3のように、気孔形成材含有高分子を準備したりする必要があった。特許文献4においては、生体組織を侵入させるのに適した凹凸面が十分に形成されていないことが容易に推測でき、また、特許文献5及び6の方法は、複雑な形状をした高分子材料の表面に多孔質構造を形成させるのには適さない。
また、高分子材料を発泡させることにより、多孔質構造を形成させる方法があり、そのような方法として、低沸点の溶媒を発泡剤として高分子化合物中に分散させ、次にこれを加熱することにより発泡剤を揮発又は熱分解させることによりガスを発生させて、高分子化合物内部に多くの気泡を形成させる方法が一般的に知られている。
別の方法として、特許文献7には、窒素及び二酸化炭素といった不活性ガスを高圧にて熱可塑性ポリマー中に溶解させた後、圧力を開放し、熱可塑性ポリマーをガラス転移温度付近まで加熱することにより、熱可塑性ポリマー中の溶存ガスを発泡させて発泡体を得る方法が記載されている。
しかし、いずれの方法も高分子化合物全体を多孔質構造とするための方法であって、構造全体に渡って気孔が分散していることから、気孔径及び気孔率等によっては強度が低下するおそれがある。したがって、上記方法は、高強度が要求される部位で使用される生体インプラントには適さない。
本発明の課題は、プラスチック製の基材の表面に多孔質構造を有する表面発泡体を提供することであり、特に、この表面発泡体が生体インプラントとして使用される場合には、骨又は歯に近い力学的特性を有し、かつ、体内に埋設した後に骨組織が侵入し易い表面構造を有する表面発泡体及び生体インプラントを提供することである。
本発明の他の課題は、複雑な形状を有する表面発泡体及び生体インプラントを簡易な方法で製造可能な表面発泡体の製造方法及び生体インプラントの製造方法を提供することである。
前記課題を解決するための手段として、
(1)実質部とその表面に形成されて成る小径気孔及び大径気孔を有する表面層とを備えて成る表面発泡体であって、前記表面発泡体はプラスチックにより形成されて成り、前記小径気孔及び大径気孔の一部は前記表面層の表面に開口する開気孔を形成しており、前記開気孔は平均開気孔径が5μm以下の小径開気孔と平均開気孔径が10~200μmの大径開気孔とを有し、前記表面層の表面に開口する大径開気孔は、その内壁面に小径気孔及び大径気孔と連通する連通孔が形成されていることを特徴とする表面発泡体を挙げることができ、
前記(1)の好ましい態様として、
(2)前記表面発泡体が、生体インプラントとして使用されることを特徴とする(1)に記載の表面発泡体、
(3)前記プラスチックは、エンジニアリングプラスチックであることを特徴とする(1)又は(2)に記載の表面発泡体、
(4)前記プラスチックは、ポリエーテルエーテルケトンであることを特徴とする(1)~(3)のいずれか1つに記載の表面発泡体、
(5)前記プラスチックは、炭素繊維、ガラス繊維、セラミック繊維、金属繊維、及び有機繊維からなる群より選択される少なくとも1つの繊維を含むことを特徴とする(1)~(4)のいずれか1つに記載の表面発泡体を挙げることができ、
(6)前記(1)~(5)のいずれか1つに記載の表面発泡体の前記表面層における開気孔の内壁面及び/又は前記表面層の表面に生体活性物質を有していることを特徴とする生体インプラントを挙げることができる。
(1)実質部とその表面に形成されて成る小径気孔及び大径気孔を有する表面層とを備えて成る表面発泡体であって、前記表面発泡体はプラスチックにより形成されて成り、前記小径気孔及び大径気孔の一部は前記表面層の表面に開口する開気孔を形成しており、前記開気孔は平均開気孔径が5μm以下の小径開気孔と平均開気孔径が10~200μmの大径開気孔とを有し、前記表面層の表面に開口する大径開気孔は、その内壁面に小径気孔及び大径気孔と連通する連通孔が形成されていることを特徴とする表面発泡体を挙げることができ、
前記(1)の好ましい態様として、
(2)前記表面発泡体が、生体インプラントとして使用されることを特徴とする(1)に記載の表面発泡体、
(3)前記プラスチックは、エンジニアリングプラスチックであることを特徴とする(1)又は(2)に記載の表面発泡体、
(4)前記プラスチックは、ポリエーテルエーテルケトンであることを特徴とする(1)~(3)のいずれか1つに記載の表面発泡体、
(5)前記プラスチックは、炭素繊維、ガラス繊維、セラミック繊維、金属繊維、及び有機繊維からなる群より選択される少なくとも1つの繊維を含むことを特徴とする(1)~(4)のいずれか1つに記載の表面発泡体を挙げることができ、
(6)前記(1)~(5)のいずれか1つに記載の表面発泡体の前記表面層における開気孔の内壁面及び/又は前記表面層の表面に生体活性物質を有していることを特徴とする生体インプラントを挙げることができる。
また、前記他の課題を解決するための手段として、
(7)プラスチックにより形成されて成る基材の表面に微小気孔を形成することにより微小気孔基材を得る工程1と、
前記工程1で得られた微小気孔基材を、発泡剤を含有する溶液に浸漬することにより発泡剤保持基材を得る工程2と、
前記工程2で得られた発泡剤保持基材を、プラスチックを膨潤させ、かつ、発泡剤を発泡させる発泡溶液に浸漬することにより発泡基材を得る工程3と、
前記工程3で得られた発泡基材を、膨潤したプラスチックを凝固させる凝固溶液に浸漬する工程4と、
を有することを特徴とする表面発泡体の製造方法を挙げることができ、
前記(7)の好ましい態様として、
(8)前記表面発泡体が、生体インプラントとして使用されることを特徴とする(7)に記載の表面発泡体の製造方法、
(9)前記プラスチックは、エンジニアリングプラスチックであることを特徴とする(7)又は(8)に記載の表面発泡体の製造方法、
(10)前記プラスチックは、ポリエーテルエーテルケトンであることを特徴とする(7)~(9)のいずれか1つに記載の表面発泡体の製造方法、
(11)前記プラスチックは、炭素繊維、ガラス繊維、セラミック繊維、金属繊維、及び有機繊維からなる群より選択される少なくとも1つの繊維を含むことを特徴とする(7)~(10)のいずれか1つに記載の表面発泡体の製造方法、
(12)前記工程3で使用される発泡溶液が、濃硫酸であることを特徴とする(7)~(11)のいずれか1つに記載の表面発泡体の製造方法、
(13)前記凝固溶液の種類と、前記凝固溶液の濃度と、前記発泡基材の前記凝固溶液への浸漬時間とから選択される少なくとも1つを変化させることにより、表面発泡体の表面層の多孔質構造を制御することを特徴とする(7)~(12)のいずれか1つに記載の表面発泡体の製造方法、
(14)前記凝固溶液が、水と、膨潤したプラスチックを凝固させるのに水よりも長時間を要する低凝固溶液から選択される少なくとも1つであることを特徴とする(7)~(13)のいずれか1つに記載の表面発泡体の製造方法、
(15)前記低凝固溶液が、濃度90%未満の硫酸であることを特徴とする(7)~(14)のいずれか1つに記載の表面発泡体の製造方法、
(16)前記発泡剤が、炭酸塩であることを特徴とする(7)~(15)のいずれか1つに記載の表面発泡体の製造方法、
(17)前記炭酸塩が、炭酸水素ナトリウム、炭酸ナトリウム、及び炭酸カリウムからなる群より選択される少なくとも1つの炭酸塩を含むことを特徴とする(7)~(16)のいずれか1つに記載の表面発泡体の製造方法を挙げることができ、
(18)前記(7)~(17)のいずれか1つに記載の方法により形成されて成る表面発泡体を、カルシウムイオンを含む溶液及びリン酸イオンを含む溶液の両方に、いずれか先に浸漬することを特徴とする生体インプラントの製造方法を挙げることができる。
(7)プラスチックにより形成されて成る基材の表面に微小気孔を形成することにより微小気孔基材を得る工程1と、
前記工程1で得られた微小気孔基材を、発泡剤を含有する溶液に浸漬することにより発泡剤保持基材を得る工程2と、
前記工程2で得られた発泡剤保持基材を、プラスチックを膨潤させ、かつ、発泡剤を発泡させる発泡溶液に浸漬することにより発泡基材を得る工程3と、
前記工程3で得られた発泡基材を、膨潤したプラスチックを凝固させる凝固溶液に浸漬する工程4と、
を有することを特徴とする表面発泡体の製造方法を挙げることができ、
前記(7)の好ましい態様として、
(8)前記表面発泡体が、生体インプラントとして使用されることを特徴とする(7)に記載の表面発泡体の製造方法、
(9)前記プラスチックは、エンジニアリングプラスチックであることを特徴とする(7)又は(8)に記載の表面発泡体の製造方法、
(10)前記プラスチックは、ポリエーテルエーテルケトンであることを特徴とする(7)~(9)のいずれか1つに記載の表面発泡体の製造方法、
(11)前記プラスチックは、炭素繊維、ガラス繊維、セラミック繊維、金属繊維、及び有機繊維からなる群より選択される少なくとも1つの繊維を含むことを特徴とする(7)~(10)のいずれか1つに記載の表面発泡体の製造方法、
(12)前記工程3で使用される発泡溶液が、濃硫酸であることを特徴とする(7)~(11)のいずれか1つに記載の表面発泡体の製造方法、
(13)前記凝固溶液の種類と、前記凝固溶液の濃度と、前記発泡基材の前記凝固溶液への浸漬時間とから選択される少なくとも1つを変化させることにより、表面発泡体の表面層の多孔質構造を制御することを特徴とする(7)~(12)のいずれか1つに記載の表面発泡体の製造方法、
(14)前記凝固溶液が、水と、膨潤したプラスチックを凝固させるのに水よりも長時間を要する低凝固溶液から選択される少なくとも1つであることを特徴とする(7)~(13)のいずれか1つに記載の表面発泡体の製造方法、
(15)前記低凝固溶液が、濃度90%未満の硫酸であることを特徴とする(7)~(14)のいずれか1つに記載の表面発泡体の製造方法、
(16)前記発泡剤が、炭酸塩であることを特徴とする(7)~(15)のいずれか1つに記載の表面発泡体の製造方法、
(17)前記炭酸塩が、炭酸水素ナトリウム、炭酸ナトリウム、及び炭酸カリウムからなる群より選択される少なくとも1つの炭酸塩を含むことを特徴とする(7)~(16)のいずれか1つに記載の表面発泡体の製造方法を挙げることができ、
(18)前記(7)~(17)のいずれか1つに記載の方法により形成されて成る表面発泡体を、カルシウムイオンを含む溶液及びリン酸イオンを含む溶液の両方に、いずれか先に浸漬することを特徴とする生体インプラントの製造方法を挙げることができる。
本発明に係る表面発泡体は、実質部とその表面に形成されて成る小径気孔及び大径気孔を有する表面層とを備えて成る表面発泡体であって、前記表面発泡体はプラスチックにより形成されて成り、前記小径気孔及び大径気孔の一部は前記表面層の表面に開口する開気孔を形成しており、前記開気孔は平均開気孔径が5μm以下の小径開気孔と平均開気孔径が10~200μmの大径開気孔とを有し、前記表面層の表面に開口する大径開気孔は、その内壁面に小径気孔及び大径気孔と連通する連通孔が形成されている。このような表面発泡体が生体インプラントとして使用される場合には、本発明に係る表面発泡体は、表面層の表面に開口している多数の開気孔及びこの開気孔と表面層の内部に形成されている小径気孔及び大径気孔とが連通することにより形成される連通孔を有するので、この表面発泡体を体内に埋設した後に、骨組織を表面層の内部に侵入させることができる。その結果、表面層の内部に存在する空間を充填するように新たな骨が形成されるので、骨と表面発泡体とを結合させることができる。また、本発明に係る表面発泡体は、全体積に気孔を有するのではなく、表面発泡体の表面に多数の気孔を有するので、適用部位に合わせた強度を保持することが容易である。
また、この表面発泡体を形成する材料は、エンジニアリングプラスチックが好ましく、ポリエーテルエーテルケトンがさらに好ましく、これらのプラスチックが炭素繊維、ガラス繊維、セラミック繊維、金属繊維、及び有機繊維からなる群より選択される少なくとも1つの繊維を含むのが特に好ましい。このような材料で表面発泡体が形成されると、高強度の表面発泡体を提供することができる。また、この表面発泡体が生体インプラントとして使用される場合には、力学的特性が骨又は歯に近い生体インプラントを提供することができる。従って、この表面発泡体を、骨との結合が必要で、かつ大きな荷重が連続的に長期間かかるような部位に人工骨として適用する場合には、ストレスシールディング、すなわち骨に加わる応力の遮蔽によって起こる可能性のある骨減少及び骨密度の低下などが生じることのない、高強度生体インプラントを提供することができる。
また、表面発泡体の表面層における開気孔の内壁面及び/又は前記表面層の表面に生体活性物質を有していると、この生体活性物質と生体の骨組織との化学的な反応が始まり、新たな骨の形成が速やかに行われるので、骨と生体インプラントとを早期に結合させることができる。
本発明に係る表面発泡体の製造方法は、プラスチックにより形成されて成る基材の表面に微小気孔を形成することにより微小気孔基材を得る工程1と、前記工程1で得られた微小気孔基材を、発泡剤を含有する溶液に浸漬することにより発泡剤保持基材を得る工程2と、前記工程2で得られた発泡剤保持基材を、プラスチックを膨潤させ、かつ、発泡剤を発泡させる発泡溶液に浸漬することにより発泡基材を得る工程3と、工程3で得られた発泡基材を、膨潤したプラスチックを凝固させる凝固溶液に浸漬する工程4とを有し、ほとんどの工程が液相中において処理することのできる方法であるので、特別な装置を使用する必要がなく、また複雑な形状を有する表面発泡体であっても容易に製造することができる。
また、基材を形成する材料は、エンジニアリングプラスチックが好ましく、ポリエーテルエーテルケトンがさらに好ましく、これらのプラスチックが炭素繊維、ガラス繊維、セラミック繊維、金属繊維、及び有機繊維からなる群より選択される少なくとも1つの繊維を含むのが特に好ましい。このような材料で基材が形成されると、高強度の表面発泡体を容易に製造することができる。
また、凝固溶液の種類と、凝固溶液の濃度と、発泡基材の凝固溶液への浸漬時間とから選択される少なくとも1つを変化させるだけで、表面発泡体の表面層が所望の多孔質構造を有する表面発泡体を、容易に提供することができる。
本発明に係る生体インプラントの製造方法は、表面発泡体をそのまま生体インプラントとして用いるので前記表面発泡体の製造方法と同様であるか、もしくは、前記表面発泡体を、カルシウムイオンを含む溶液及びリン酸イオンを含む溶液の両方に、いずれか先に浸漬する工程をさらに有する方法である。いずれの方法であっても、液相中において処理することのできる方法であるので、特別な装置を使用する必要がなく、また複雑な形状を有する生体インプラントであっても容易に製造することができる。
まず、図1を参照しつつ本発明に係る一実施例である表面発泡体の構成について説明する。図1に示すように、本発明に係る表面発泡体1は、実質部2とその表面に形成されて成る小径気孔3及び大径気孔4を多数有する表面層5とを備えて成る表面発泡体1である。前記表面発泡体1はプラスチックにより形成されて成り、前記小径気孔3及び大径気孔4の一部は前記表面層5の表面に開口する開気孔6を形成している。前記開気孔6は平均開気孔径Aが5μm以下の小径開気孔13と平均開気孔径Bが10~200μmの大径開気孔14とを有し、前記表面層5の表面に開口する大径開気孔14は、その内壁面に小径気孔3及び大径気孔4と連通する連通孔7が形成されている。
表面層5は、大きさの異なる小径気孔3及び大径気孔4を複数有しており、これらの気孔は、独立して形成されている独立気孔8及び2つ以上の独立気孔が連通して形成されている連通気孔9を形成している。一部の小径気孔3及び大径気孔4は表面層5の表面に開口する開気孔6を形成しており、この開気孔6は平均開気孔径Aが5μm以下、好ましくは3μm以下の小径開気孔13と平均開気孔径Bが10~200μm、好ましくは30~150μmの大径開気孔14とを有している。この大径開気孔14の内壁面には、小径気孔3及び大径気孔4と連通して形成される連通孔7が形成されている。この連通孔7は、一つの開気孔6に対して複数の連通孔7が形成されているのが好ましく、小径気孔3と連通して形成される小径連通孔径Cが5μm以下、好ましくは3μm以下の小径連通孔15と大径気孔4と連通して形成される大径連通孔径Dが10~200μm、好ましくは30~150μmの大径連通孔16とにより形成されている。小径気孔3及び大径気孔4は、球状及び/又は扁球状及び/又は長球状及び/又はこれらの形状が組み合わされてなる形状を有する。このような気孔を有する表面層とすることにより、例えば、本発明に係る表面発泡体1を生体インプラントとして使用する場合には、この表面発泡体1を体内に埋設すると、表面層5の表面に開口している多数の開気孔6及びこの開気孔6と表面層の内部に形成されている小径気孔3及び大径気孔4とが連通することにより形成される連通孔7とを介して、骨芽細胞及び破骨細胞といった骨組織を表面層5の内部に侵入させることができる。その結果、表面層5の内部に存在する空間を充填するように新たな骨が形成されるので、骨と結合させることのできる生体インプラントを提供することができる。さらに、大径気孔4により形成されている大径開気孔14の内壁面に連通孔7、特に大径連通孔16が多数形成されている程、骨組織を表面層5の表面から深部まで到達させることができ、表面層5の深部において新たな骨を形成させることができるので、骨と生体インプラントとを強固に結合させることができる。
表面層5の表面に開口する小径開気孔13の平均開気孔径と大径開気孔14の平均開気孔径は、表面層5の表面を走査型電子顕微鏡で観察し、表面層5の表面を示す画像を利用して求めることができる。
まず、表面層5の表面を走査型電子顕微鏡により、所定の倍率、例えば300倍に設定したSEM画像を得る。次いで、前記SEM画像の全視野における比較的大型の最表面部の開気孔、例えば平均径が約10μm以上の開気孔の長径と短径とを測定する。次いで、これらの測定値の算術平均を算出することにより、大径開気孔14の平均開気孔径を求めることができる。
小径開気孔13は、通常、大径開気孔14と大径開気孔14との間の骨格部分に存在する。小径開気孔13の平均開気孔径を測定する場合には、測定誤差を小さくするために、さらに走査型電子顕微鏡の倍率を上げるのが好ましい。例えば、走査型電子顕微鏡を3000倍に設定したSEM画像を得る。次いで、骨格部分に形成されている開気孔の長径と短径とを測定する。すなわち、先に測定した大径開気孔14を除くすべての開気孔の長径と短径とを測定する。次いで、これらの測定値の算術平均を算出することにより、小径開気孔13の平均開気孔径を求めることができる。
SEM画像上の大径開気孔14又は小径開気孔13の数が多い場合、例えば50個以上の場合、SEM画像上を横断するようにランダムに5本の直線を引き、この直線上にある大径開気孔14又は小径開気孔13を上述の基準で選択し、長径と短径とを測定する。次いで、これらの測定値の算術平均を算出することにより、大径開気孔14と小径開気孔13との平均開気孔径を求めることができる。
表面層5の表面に開口する開気孔6に小径気孔3及び大径気孔4が連通して形成されている連通孔7の孔径は、上記と同様に、所定の倍率で撮影したSEM画像から求めることができ、その他の方法として、水銀ポロシメータを使用して求めることもできる。
表面層5の最表面を投影した場合の大径開気孔14の面積割合は、特に限定されないが、本発明に係る表面発泡体が生体インプラントとして使用される場合には、10~95%であるのが好ましく、20~85%であるのが特に好ましい。大径開気孔14の面積割合が、前記範囲内にあると、骨組織を表面層5の内部に浸入させることができるので、表面層5の内部に新たな骨が形成され、その結果、骨と結合させることのできる生体インプラントを提供することができる。
表面層5の最表面を投影した場合の大径開気孔14の面積割合は、表面層5の表面を走査型電子顕微鏡により撮影した写真を画像解析ソフト(例えば、Scion社製 Scion Image)を使用して、大径気孔4により形成される大径開気孔14とそれ以外の部分とに2値化し、次いで、写真全体の面積に対する大径開気孔の面積割合を算出することにより、求めることができる。
表面層5における小径気孔3及び大径気孔4の気孔率は、特に限定されないが、小径気孔3と大径気孔4とを合算した気孔率が99%以下になる範囲で、小径気孔3の気孔率は5~50%であるのが好ましく、10~40%であるのが特に好ましく、大径気孔4の気孔率は20~90%であるのが好ましく、30~80%であるのが特に好ましい。小径気孔3の気孔率が、前記範囲内にあると、骨形成に関与するタンパク質や細胞等が付着する足場を多く確保できるため、新たな骨が表面層の内部に形成されやすく、表面発泡体1と骨とを強固に結合することができる。大径気孔4の気孔率が、前記範囲にあると、骨組織が表面層5の内部に侵入した後保持されやすくなると共に、新たな骨が形成される空間が十分に確保され、この空間を埋めるように新たな骨が形成されるので、より一層強固に骨と生体インプラントとを結合させることができる。
前記表面層5の小径気孔3の気孔率及び大径気孔4の気孔率は、表面層5の表面に直交する断面を走査型電子顕微鏡により撮影した画像を画像解析ソフト(例えば、Scion社製 Scion Image)を使用して、大径気孔4及び小径気孔3の面積をそれぞれ算出することにより求めることができる。なお、上述した平均開気孔を算出する場合と同様にして、走査型電子顕微鏡画像は、大径気孔4及び小径気孔3の面積を測定するのに適度な倍率で表示する。画像全体の面積に対する大径気孔の面積割合(a)から大径気孔の気孔率(a×100(%))が算出される。画像全体から大径気孔を除いた面積に対する小径気孔の面積割合(b)から小径気孔の気孔率((1-a)×b×100(%))が算出される。
表面層5の厚さは、本発明に係る表面発泡体1を適用する場所により適宜選択することができ、例えば、本発明に係る表面発泡体1を生体インプラントとして使用する場合には、10~1000μmであるのが好ましく、20~200μmであるのが特に好ましい。上記範囲内であれば、生体インプラントを体内に埋設した後に、表面層5の表面に開口している多数の開気孔6及びこの開気孔6と表面層5の内部に形成されている小径気孔3及び大径気孔4とが連通することにより形成される連通孔7を通じて、骨組織を表面層5の内部に侵入させることができる。その結果、表面層5の内部に新たな骨が形成されるので、生体骨と結合させることのできる生体インプラントを提供することができる。
本発明に係る表面発泡体1を形成する物質は、一般に使用されているプラスチックにより形成されて成る。本発明に係る表面発泡体1が生体インプラントとして使用される場合には、表面発泡体1を形成する物質は、力学的特性が骨又は歯に近いプラスチック、すなわち、弾性率が1~50GPa、曲げ強度は100MPa以上であることが好ましい。
力学的特性が骨又は歯に近いプラスチックとしては、エンジニアリングプラスチック又は繊維強化プラスチック等が挙げられる。エンジニアリングプラスチックとしては、例えば、ポリアミド、ポリアセタール、ポリカーボネート、ポリフェニレンエーテル、ポリエステル、ポリフェニリンオキサイド、ポリブチレンテレフタラート、ポリエチレンテレフタレート、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンスルフィド、ポリアリレート、ポリエーテルイミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリアミドイミド、ポリイミド、フッ素樹脂、エチレンビニルアルコール共重合体、ポリメチルペンテン、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、ジアリルフタレート樹脂、ポリオキシメチレン、ポリ四フッ化エチレン等が挙げられる。
繊維強化プラスチックのマトリックスとなるプラスチックとしては、前記エンジニアリングプラスチックに加えて、例えば、ポリエチレン、ポリ塩化ビニル、ポリプロピレン、EVA樹脂、EEA樹脂、4-メチルペンテン-1樹脂、ABS樹脂、AS樹脂、ACS樹脂、メタクリル酸メチル樹脂、エチレン塩化ビニル共重合体、プロピレン塩化ビニル共重合体、塩化ビニリデン樹脂、ポリビニルアルコール、ポリビニルホルマール、ポリビニルアセトアセタール、ポリフッ化エチレンプロピレン、ポリ三フッ化塩化エチレン、メタクリル樹脂、リノル樹脂、ポリアリルエーテルケトン、ポリエーテルスルホン、ポリケトンスルフィド、ポリスチレン、ポリアミノビスマレイミド、ユリア樹脂、メラミン樹脂、キシレン樹脂、イソフタル酸系樹脂、アニリン樹脂、フラン樹脂、ポリウレタン、アルキルベンゼン樹脂、グアナミン樹脂、ポリジフェニルエーテル樹脂等が挙げられる。
本発明に係る表面発泡体1を生体インプラントとして使用する場合には、表面発泡体1を形成する物質としては、これらの中でもポリエーテルエーテルケトン(PEEK)が特に好ましい。PEEKは、生体適合性を有し、力学的特性が骨と近いので、PEEKを表面発泡体1を形成する物質として採用すると、大きな荷重が連続的に長期間かかるような部位にこの表面発泡体を埋設した場合に、ストレスシールディング、すなわち骨に加わる応力の遮蔽によって起こる可能性のある骨減少及び骨密度の低下などが生じることのない高強度生体インプラントを提供することができる。
前記繊維強化プラスチックにおける繊維としては、炭素繊維、ガラス繊維、セラミック繊維、金属繊維又は有機繊維が挙げられる。
炭素繊維については、ここではカーボンナノチューブも含まれる。
ガラス繊維としては、ホウケイ酸ガラス(Eガラス)、高強度ガラス(Sガラス)、高弾性ガラス(YM-31Aガラス)等の繊維、
セラミック繊維としては、炭化ケイ素、窒化ケイ素、アルミナ、チタン酸カリウム、炭化ホウ素、酸化マグネシウム、酸化亜鉛、ホウ酸アルミニウム、ホウ素等の繊維、
金属繊維としては、タングステン、モリブデン、ステンレス、スチール、タンタル等の繊維、
有機繊維としては、ポリビニルアルコール、ポリアミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリエステル、アラミド等の繊維、又はこれらの混合物を用いることができる。
炭素繊維については、ここではカーボンナノチューブも含まれる。
ガラス繊維としては、ホウケイ酸ガラス(Eガラス)、高強度ガラス(Sガラス)、高弾性ガラス(YM-31Aガラス)等の繊維、
セラミック繊維としては、炭化ケイ素、窒化ケイ素、アルミナ、チタン酸カリウム、炭化ホウ素、酸化マグネシウム、酸化亜鉛、ホウ酸アルミニウム、ホウ素等の繊維、
金属繊維としては、タングステン、モリブデン、ステンレス、スチール、タンタル等の繊維、
有機繊維としては、ポリビニルアルコール、ポリアミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリエステル、アラミド等の繊維、又はこれらの混合物を用いることができる。
また表面発泡体1を形成する物質中に、必要に応じて帯電防止剤、酸化防止剤、ヒンダードアミン系化合物などの光安定剤、滑剤、ブロッキング防止剤、紫外線吸収剤、無機充填剤、顔料などの着色料、等の各種添加剤が含有されていても良い。
本発明に係る表面発泡体1を生体インプラントとして使用する場合には、表面層5における開気孔6の内壁面及び/又は表面層5の表面に生体活性物質を有しているのが好ましい。生体活性物質が表面層5における内壁面及び/又は表面層5の表面に担持されていると、生体インプラントを生体内に埋設した後に、この生体活性物質と生体の骨組織との化学的な反応が始まり、新たな骨の形成が速やかに行われるので、骨と生体インプラントとを早期に結合させることができる。
図2(a)、(b)に、生体活性物質を有する生体インプラントの模式図を示す。図2(a)に示すように、生体活性物質210aは、表面層205aにおける開気孔206aの内壁面211aと表面層205aの表面との全面に形成されていても良い。図2(b)に示すように、生体活性物質210bは、開気孔206bの内壁面211bの一部及び/又は表面層205bの表面の一部に形成されていても良い。開気孔206a、206bの内壁面211a、211bに生体活性物質210a、210bが形成されている場合には、生体活性物質210a、210bが開気孔206a、206bをすべて埋めてしまうように形成されているのではなく、図2(a)、(b)に示すように、表面層205a、205bの表面に開口する開気孔206a、206bの内壁面211a、211bの一部又は全面に生体活性物質210a、210bが形成されているのが好ましい。例えば、図2(a)に示すように、小径開気孔213aが生体活性物質210aによってすべて埋められていても良いが、大径開気孔214aは、大径開気孔214aの容積を保持した状態で内壁面211aに生体活性物質210aが形成されているのが好ましい。さらに大径気孔204aと連通して形成される大径連通孔216aも生体活性物質210aにより閉塞されることなく、骨組織を侵入させることができる程度の大径連通孔径Dを有する大径連通孔216aが形成されているのが好ましい。表面層205aに開気孔206aが形成され、さらに開気孔206aに連通する大径連通孔216aが形成されていると、生体インプラント212aを生体内に埋設した後に、開気孔206aから表面層205aの内部に骨組織を侵入させることができる。その結果、開気孔206aの内壁面211aに存在する生体活性物質210aと生体の骨組織との化学的な反応が始まり、新たな骨を形成させることができる。この新たな骨は、大径開気孔214a及びこの大径開気孔214aに連通している小径気孔203a及び大径気孔204aにより形成される空間を充填するように骨形成が進むので、生体活性物質210a及び新たな骨が、表面層205aの内部に複雑に樹枝状に広がって形成されることになる。したがって、表面層205aの表面に開口する開気孔206a及び開気孔206aに連通する連通孔207a、特に大径連通孔216aを有し、かつ、開気孔206aの内壁面211aに生体活性物質210aが存在すると、生体インプラント212aと骨とを早期に、かつ、強固に結合させることができる。
表面層205a、205bを投影した場合の生体活性物質210a、210bの面積割合は、少なくとも5%以上であるのが好ましく、20%以上であるのが特に好ましい。上記生体活性物質210a、210bは、表面層205a、205bの表面に存在する生体活性物質210a、210bだけでなく、開気孔206a、206bの内壁面211a、211bに存在し、かつ表面層205a、205bの外側から視覚できる生体活性物質210a、210bも含む。生体活性物質210a、210bが、表面層205a、205bにおける開気孔206a、206bの内壁面211a、211b及び/又は表面層205a、205bの表面に、前記範囲内で存在すると、生体インプラント212a、212bを生体内に埋設した後に、この生体活性物質210a、210bと生体の骨組織との化学的な反応が始まり、新たな骨の形成が速やかに行われるので、骨と生体インプラント212a、212bとを早期に結合させることができる。
表面層205a、205bを投影した場合の生体活性物質210a、210bの面積割合は、表面層205a、205bの表面を走査型電子顕微鏡により撮影した画像を画像解析ソフト(例えば、Scion社製 Scion Image)を使用して、生体活性物質210a、210bとそれ以外の部分とに2値化し、次いで画像全体の面積に対する生体活性物質の面積割合を算出することにより、求めることができる。
生体活性物質210a、210bは、表面層205a、205bの体積に対して0.5~30%含有するのが好ましい。生体活性物質210a、210bは、表面層205a、205bにおける開気孔206a、206bの内壁面211a、211b及び/又は表面層205a、205bの表面及び/又は表面層205a、205bの内部に独立した状態及び/又はこれらの生体活性物質210a、210bが結合して樹枝状に表面層205a、205b内部に張り巡らされた状態で存在する。上記範囲内の生体活性物質210a、210bが表面層205a、205bに存在すると、生体インプラント212a、212bを生体内に埋設した後に、これらの生体活性物質210a、210bと生体の骨組織との化学的な反応が始まり、新たな骨の形成が速やかに行われるので、骨と生体インプラント212a、212bとを早期に結合させることができる。
表面層205a、205bに含まれる生体活性物質210a、210bの体積割合は、上述した生体活性物質210a、210bの面積割合を測定する方法と同様にして求めることができる。つまり、表面層205a、205bの表面に直交する断面における生体活性物質210a、210bの面積割合を算出することができれば、この算出値から生体活性物質210a、210bの体積割合を推定することができる。
生体活性物質210a、210bは、生体との親和性が高く、歯を含む骨組織と化学的に反応する性質を有する物質であれば特に限定されず、例えば、リン酸カルシウム系材料、バイオガラス、結晶化ガラス(ガラスセラミックスとも称する。)、炭酸カルシウム等が挙げられる。リン酸カルシウム系材料としては、例えば、リン酸水素カルシウム、リン酸水素カルシウム水和物、リン酸二水素カルシウム、リン酸二水素カルシウム水和物、α型リン酸三カルシウム、β型リン酸三カルシウム、ドロマイト、リン酸四カルシウム、リン酸八カルシウム、水酸アパタイト、フッ素アパタイト、炭酸アパタイト及び塩素アパタイト等が挙げられる。バイオガラスとしては、例えば、SiO2-CaO-Na2O-P2O5系ガラス、SiO2-CaO-Na2O-P2O5-K2O-MgO系ガラス、及び、SiO2-CaO-Al2O3-P2O5系ガラス等が挙げられる。結晶化ガラスとしては、例えば、SiO2-CaO-MgO-P2O5系ガラス(アパタイトウォラストナイト結晶化ガラスとも称する。)、及び、CaO-Al2O3-P2O5系ガラス等が挙げられる。これらのリン酸カルシウム系材料、バイオガラス及び結晶化ガラスは、例えば、「化学便覧 応用化学編 第6版」(日本化学会、平成15年1月30日発行、丸善株式会社)、「バイオセラミックスの開発と臨床」(青木秀希ら編著、1987年4月10日発行、クインテッセンス出版株式会社)等に詳述されている。
生体活性物質210a、210bとしては、これらの中でも生体活性に優れる点でリン酸カルシウム系材料が好ましく、さらに、実際の骨と組成や構造、性質が似ているので体内環境における安定性が優れており、体内で顕著な溶解性を示さないことから水酸アパタイトが特に好ましい。
また、生体活性物質210a、210bは、低結晶性であることが好ましい。ここでいう低結晶性とは、結晶の発達程度が低い状態を意味し、水酸アパタイトを例にすると、粉末X線回折測定において2θ=25.878°、面間隔(d値)=3.44Åの回折線における半価幅が0.2°以上のものを示す。骨の水酸アパタイトは低結晶性(上記条件下における半価幅:0.4°程度)であることから、同様の結晶性(同条件下における半価幅:0.2~1.0°)にすることにより生体インプラントと骨とが速やかに結合できる。
生体活性物質210a、210bの結晶性は、例えば、生体活性物質をカルシウム又はリンを含有する溶液に浸漬する方法により形成させる場合は、この溶液の組成成分の種類や組成比率及び/又は浸漬温度により調整することができる。
次に、本発明に係る「表面発泡体の製造方法」の一実施例を説明する。
工程1として、所望の形状に成型させて成るプラスチック製の基材の表面に多数の微小気孔を有する微小気孔基材を作製する。プラスチック製の基材の表面に微小気孔を形成させる方法としては、公知の方法を採用することができ、例えば、プラスチック製の基材を、濃硫酸、濃硝酸、又はクロム酸等の腐食性溶液に所定時間浸漬し、次いで、この基材をプラスチックが溶出しない洗浄用溶液、例えば純水に浸漬させる方法を挙げることができる。プラスチックとして、例えばポリエーテルエーテルケトン(PEEK)を採用した場合には、濃硫酸にPEEKを所定時間浸漬させ、次いで、純水に浸漬させることにより微小気孔を形成させることができる。
プラスチック製の基材の表面に形成される微小気孔の気孔径は、工程2において使用される発泡剤をプラスチック製の基材内に浸入させることのできる気孔径を有していれば良く、発泡剤の種類により適宜選択することができる。発泡剤として、例えば炭酸ナトリウムを採用した場合には、微小気孔の気孔径は、0.1~200μmであるのが好ましい。プラスチック製の基材の表面に形成されている微小気孔の気孔率は、工程2において使用される発泡剤を十分に保持することができれば良く、例えば、発泡剤として炭酸ナトリウムを採用した場合には、プラスチック製の基材の微小気孔が形成されている層の気孔率は、10~90%であるのが好ましい。前記気孔率の範囲の内、気孔率が低い範囲にある場合には、例えばプラスチック製の基材の表面から内部方向に気孔が連通して形成されているか又はプラスチック製の基材の表面から内部方向に垂直に柱状の孔が形成されているなど、発泡剤がプラスチック製の基材の表面から所望の深さに保持されるように孔が形成されているのが好ましい。多数の微小気孔が形成されている層の厚さは、最終生成物である表面発泡体における表面層と同等の厚さがあれば良く、10~1000μmであるのが好ましい。この多数の微小気孔を有する層の厚さ、気孔径及び気孔率は、PEEKの腐食性溶液として例えば濃硫酸を採用する場合には、PEEKを濃硫酸に浸漬する時間及び/又は温度などにより層の厚さを調整することができる。また、濃硫酸に浸漬した後に続いて浸漬する洗浄用溶液の種類及び/又は温度などによって気孔径や気孔率を調整することができる。
次いで、工程2として、工程1で得られた微小気孔基材を、発泡剤を含有する溶液に所定時間浸漬させて、多数の微小気孔を有する微小気孔基材の表面に発泡剤が保持されて成る発泡剤保持基材を作製する。発泡剤としては、プラスチック製の基材の表面に所望の多孔質構造を形成させることのできる物質であれば良く、そのような発泡剤として、炭酸塩、アルミニウム粉末などの無機系発泡剤や、アゾ化合物、イソシアネート化合物などの有機系発泡剤を挙げることができる。最終生成物である表面発泡体を生体インプラントとして使用する場合には、発泡剤は生体に悪影響を与えない物質であるのが好ましく、そのような発泡剤としては炭酸塩が好ましく、例えば、炭酸水素ナトリウム、炭酸ナトリウム、炭酸カリウムを挙げることができる。
次いで、工程3として、工程2で得られた発泡剤保持基材を、プラスチックを膨潤させ、かつ、発泡剤を発泡させる発泡溶液に所定時間浸漬させて、プラスチックの膨潤と発泡剤の発泡とを同時に進行させることにより形成されて成る発泡基材を作製する。前記発泡溶液としては、例えば、濃硫酸、塩酸及び硝酸などの酸性溶液を挙げることができる。発泡剤保持基材を形成する材料がPEEKであり、発泡剤が炭酸塩である場合には、前記発泡溶液としては、濃度が90%以上の濃硫酸が好ましい。
次いで、工程4として、工程3で得られた発泡基材を、膨潤したプラスチックを凝固させる凝固溶液に浸漬することにより表面発泡体を作製する。前記凝固溶液、すなわちプラスチックが溶出しない溶液としては、例えば、水、アセトン、エタノールなどの水性溶液を挙げることができる。発泡基材を形成する材料がPEEKである場合には、上記に挙げた他に、濃度が90%未満の硫酸、硝酸、リン酸、塩酸等の無機酸水溶液、水溶性有機溶剤がある。水溶性有機溶剤としては、例えばN-メチル-2-ピロリドン、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキサイド、テトラヒドロフラン、エチレングリコ-ル、ジエチレングリコ-ル、トリエトレングリコ-ル、プロピレングリコ-ル、ジプロピレングリコ-ル、グリセリンエタノ-ル、プロパノ-ル、ブタノ-ル、ペンタノ-ル、ヘキサノ-ル等のアルコ-ル及びこれらの水溶液、ポリエチレングリコ-ル、ポリプロピレングリコ-ル、ポリビニルピロリドン等液状高分子またはそれらの水溶液及びこれらの混合物を挙げることができる。
工程3で得られた発泡基材は、凝固溶液として使用できる複数種類の溶液から選択される少なくとも1つの溶液に浸漬すれば良く、複数種類の溶液に順次浸漬しても良い。また、少なくとも2つの種類の溶液を混合して使用しても良い。
工程4の後には、表面発泡体に残存している発泡剤及び凝固溶液等を純水で洗浄するのが好ましい。
プラスチック製の基材の表面に形成される多孔質構造、すなわち表面発泡体の表面層の多孔質構造を規定する大径開気孔径、小径開気孔径、連通孔径、気孔率などは、発泡剤の種類及び濃度、発泡溶液の種類及び濃度、発泡溶液への浸漬時間、凝固溶液の種類及び濃度、凝固溶液への浸漬時間、各工程における温度などを適宜選択することにより調整することができる。
これらの中でも特に、凝固溶液の種類と、凝固溶液の濃度と、凝固溶液への浸漬時間とから選択される少なくとも1つを変化させることにより、表面発泡体の表面層が所望の多孔質構造を有する表面発泡体を、容易に得ることができる。これらのパラメータを変化させることにより、発泡基材の表面における膨潤したプラスチックの凝固速度を制御することができる。凝固溶液の種類及び濃度としては、水と、膨潤したプラスチックを凝固させるのに水よりも長時間を要する低凝固溶液の少なくとも1つを適宜選択するのが好ましい。発泡基材を形成する材料がPEEKである場合には、低凝固溶液として、濃度が90%未満の硫酸を挙げることができる。
例えば、PEEKにより形成される発泡基材を、低凝固溶液として濃度が86%の硫酸に浸漬すると、水に浸漬する場合に比べて緩やかにPEEKが凝固する。すなわち、凝固速度が遅くなる。そのため、発泡基材を低凝固溶液に浸漬する時間の経過に従って、発泡基材の表面の多孔質構造は変化する。
以下に、発泡基材の低凝固溶液への浸漬時間の違いによる、発泡基材の表面の構造の変化を、上述の表面発泡体1において定義した、大径気孔4と大径気孔4が連通して形成される大径連通孔16と小径気孔3とに分けて説明する。
大径気孔4が表面に開口する大径開気孔14と大径連通孔16との孔径は、浸漬時間の経過に従って次第に大きくなる。所定時間以上経過すると、これらの孔径は逆に小さくなる。また、大径開気孔14と大径連通孔16との数は、浸漬時間の経過に従って次第に少なくなる。浸漬時間の経過に従って、孔径が大きくなるのは、発泡剤により形成された複数の孔が、膨潤したPEEKが緩やかに凝固する間に連結して大きくなるものと理解される。一方、所定時間以上経過すると孔径が小さくなってしまうのは、膨潤したPEEKが緩やかに凝固する間に、発泡剤の効力が弱まってしまい、連結して大きくなった孔も含めて、全ての孔が小径化してしまうと考えられる。また、浸漬時間の経過に従って、大径開気孔14と大径連通孔16の数が少なくなるのは、膨潤したPEEKが緩やかに凝固する間に、複数の大径開気孔14及び大径連通孔16が連結して統合されてしまうためであると理解される。
小径気孔3が表面に開口する小径開気孔13の孔径及び気孔率は、浸漬時間の経過に従って次第に小さくなる。大径気孔が発泡剤の作用により形成されるのに対し、小径気孔3は膨潤したPEEKの相分離現象に基づき形成されていると考えられる。膨潤したPEEKは、緩やかに凝固が進行する低凝固溶液との間では相分離が生じにくく、低凝固溶液の浸漬時間が長いほど、膨潤したPEEKと低凝固溶液とが均質化しながら凝固が進行するため、小径開気孔13の数や孔径が小さくなると共に、気孔率も低下すると考えられる。
以上に説明したように、発泡基材の低凝固溶液への浸漬時間の違いにより、表面発泡体1の表面層5の多孔質構造が異なる表面発泡体1を得ることができる。特に、大径開気孔14及び大径連通孔16の孔径が最大となる時間に、水などに浸漬することにより速やかに凝固を完了させれば、表面層5の内部まで連通性が良好な表面発泡体1を提供することができる。
上記においては、低凝固溶液として濃度が86%の硫酸を例として説明したが、さらに低濃度の硫酸を低凝固溶液として使用した場合には、発泡基材の表面の構造の時間経過による変化の有様は、相違する。例えば、さらに低濃度の硫酸を使用すると、濃度が86%の硫酸を使用する場合よりも短時間で膨潤したPEEKが凝固するので、発泡剤の効力が弱まる前に、大径気孔4が凝固することがある。その場合には、発泡基材を低凝固溶液に長時間浸漬しておいても、大径開気孔14及び大径連通孔16の孔径が小さくなったり、数が少なくなったりすることがない。
低凝固溶液の種類及び濃度により、上述したように、浸漬時間の経過に伴う、発泡基材の表面の構造の変化の仕方は相違する。従って、所望の低凝固溶液を選択し、所定時間発泡基材を浸漬して、発泡基材の表面の構造が所望の多孔質構造を有する時間になったら、水に浸漬すれば、速やかに膨潤したプラスチックを凝固させることができるので、表面層5が所望の多孔質構造を有する表面発泡体を得ることができる。なお、膨潤したプラスチックを凝固させるために、発泡基材を水に浸漬させることの他に、膨潤したプラスチックが凝固するのに十分な時間だけ低凝固溶液に浸漬させておいても良い。
次に、前記方法により製造された表面発泡体を生体インプラントとして使用する場合であって、表面層の表面及び/又は内部に生体活性物質を有している生体インプラントの製造方法の一実施例を説明する。
生体活性物質は、表面層における開気孔の内壁面及び/又は前記表面層の表面に固定されて形成される限り、任意の方法により形成させることができ、例えば、工程1~工程4により形成されて成る表面発泡体1を、少なくとも10mMのカルシウムイオンを含む溶液及び少なくとも10mMのリン酸イオンを含む溶液の両方にいずれか先に浸漬する液相法を採用することができる。
以下においては、前記液相法により生体インプラントを製造する方法の一実施例を説明する。
以下においては、前記液相法により生体インプラントを製造する方法の一実施例を説明する。
まず、工程1~工程4により形成されて成る表面発泡体を、少なくとも10mMのカルシウムイオンを含む溶液に所定時間浸漬する。このカルシウムイオンを含む溶液は、少なくともカルシウムイオンを含んでいれば良く、ナトリウムイオン、カリウムイオン、マグネシウムイオン、炭酸イオン、ケイ酸イオン、硫酸イオン、硝酸イオン、塩素イオン、水素イオンなどを含んでいても良いが、リン酸イオンは実質的に含まないほうが好ましい。カルシウムイオンを含む溶液としては、通常、水溶性が高く、人体に悪影響を与えない化合物の水溶液を挙げることができ、例えば、塩化カルシウム、水酸化カルシウム、硝酸カルシウム、蟻酸カルシウム、酢酸カルシウム、プロピオン酸カルシウム、酪酸カルシウム、乳酸カルシウム、およびこれらの混合溶液等が挙げられ、塩化カルシウムの水溶液が好ましい。
カルシウムイオンを含む溶液に所定時間浸漬した後に、表面発泡体を、少なくとも10mMのリン酸イオンを含む溶液に浸漬する。このリン酸イオンを含む溶液は、少なくともリン酸イオンを含んでいればよく、ナトリウムイオン、カリウムイオン、マグネシウムイオン、炭酸イオン、ケイ酸イオン、硫酸イオン、硝酸イオン、塩素イオン、水素イオンなどを含んでいても良いが、カルシウムイオンは実質的に含まないほうが好ましい。リン酸イオンを含む溶液としては、通常、水溶性が高く、人体に悪影響を与えない化合物の水溶液を挙げることができ、例えば、リン酸、リン酸水素二ナトリウム、リン酸二水素ナトリウム、リン酸水素二カリウム、リン酸二水素カリウム、およびこれらの混合溶液等が挙げられ、リン酸水素二カリウムの水溶液が好ましい。
表面発泡体を、上記2種類の水溶液に浸漬する順序は、特に限定されないが、例えば生体活性物質として水酸アパタイトを表面層の内部、すなわち多孔質構造内に生成させる場合は、水酸アパタイトの溶解度がより低いアルカリ域で生成反応が進むことが生成量の面から好ましく、そのため、後半に浸漬する溶液のpHがpH8~10のアルカリ域であることが好ましい。
少なくとも10mMのカルシウムイオンを含む溶液及び少なくとも10mMのリン酸イオンを含む溶液に、表面発泡体を浸漬する時間は、それぞれ1分~5時間が好ましく、3分~3時間が特に好ましい。1分~5時間の範囲内であれば、十分にカルシウムイオン及びリン酸イオンが表面発泡体の内部まで染み込み、表面発泡体の表面層における開気孔及び連通気孔の内壁面に生体活性物質が生成されて固定されるからである。また、生体活性物質の生成量を増やしたい場合、各溶液に浸漬する操作を複数回繰り返しても良い。
最終工程として、適宜、前記工程で得られた生体活性物質が形成されて成る表面発泡体を、純水に浸漬して洗浄した後に、乾燥させると、表面発泡体の表面層における少なくとも開気孔の内壁面及び/又は前記表面層の表面に生体活性物質を有している生体インプラントを得ることができる。
生体活性物質の形成は、上記の方法に限られず、例えば表面発泡体を、あらかじめ多量の生体活性物質を含む溶液に浸漬し、これを乾燥させることにより、表面発泡体における多孔質構造を有する表面層内部に生体活性物質を固定した後、純水に浸漬して洗浄した後に、再度乾燥させることにより、行うこともできる。
本発明に係る製造方法は、本発明に係る表面発泡体1以外の表面発泡体をも製造することができ、また、この表面発泡体は、各種用途を有し、例えば、生体インプラントとして使用することができる。前記表面発泡体が生体インプラントとして使用される場合には、生体内の使用部位に合わせて様々な形状、例えば、粒子状、繊維状、ブロック状、フィルム状等で用いられる。好ましくは、この生体インプラントが補填される骨欠損部又は歯欠損部等の形状と同様の形状、又は骨欠損部又は歯欠損部等の形状に相当する形状、例えば、相似形等に、成形、整形及び/又は調製されて用いられる。
前記表面発泡体は、PEEKなどのプラスチックを所望の形状に成形、整形及び/又は調製した後に、プラスチック製の基材の表面部に多孔質構造を有する表面層を形成させることもできるし、プラスチック製の基材の表面に多孔質構造を有する表面層を形成させた後に、表面発泡体を所望の形状に成形、整形及び/又は調製することもできる。前記液相法により表面発泡体を形成すると、PEEKなどのプラスチックを、複雑な形状に成形、整形及び/又は調製した後に、プラスチック製の基材の表面部に多孔質構造を有する表面層を形成させることを、容易にすることができる。
前記表面層は、プラスチック製の基材の全表面部に形成させても良いし、また前記表面発泡体を生体インプラントとして使用する場合には、骨又は歯との結合が必要な面のみに形成させても良い。また、表面層における少なくとも開気孔の内壁面及び/又は前記表面層の表面に生体活性物質を有している生体インプラントとして用いることもできる。
前記表面発泡体及び生体活性物質を有する生体インプラントは、骨補填材、人工関節、骨接合材、人工椎体、椎体間スペーサ、椎体ケージ及び人工歯根などに適用することができる。
次に、この発明を実施例を挙げて説明するが、この発明は、以下の実施例に限定されない。
<表面発泡体の作製及び評価>
(実施例1)
表面発泡体を形成する物質としてPEEKを使用した場合の実施例である。
下記の手順により表面発泡体を作製した。
(実施例1)
表面発泡体を形成する物質としてPEEKを使用した場合の実施例である。
下記の手順により表面発泡体を作製した。
PEEKで形成される円盤体(直径10mm、厚さ2mm、Victrex社製450G)の表面をサンドペーパー(#1000)で研磨し、濃硫酸(濃度:97%)に5分間浸漬した。濃硫酸から引き上げた円盤体を純水に5分間浸漬し、その後純水のpHが中性になるまで繰り返し洗浄し、表面に微小気孔を有する微小気孔基材を得た。この微小気孔基材の表面を走査型電子顕微鏡にて観察したところ、多数の気孔を有し、これらの気孔の気孔径は1~2μmであり、内部は網目構造となっていた。
次いで、この微小気孔基材を炭酸水素ナトリウム水溶液(濃度:500mM)に60分間浸漬することにより、微小気孔基材の表面に炭酸水素ナトリウムを保持させて発泡剤保持基材を得た。
次いで、この発泡剤保持基材を発泡溶液である濃硫酸(濃度:97%)に1分間浸漬することにより、発泡剤保持基材におけるPEEKの表面を膨潤させるのと同時に発泡剤保持基材における炭酸水素ナトリウムを発泡させて発泡基材を得た。
次いで、この発泡基材を濃硫酸から引き上げて純水に10分間浸漬することによりPEEKの表面を凝固させ、純水のpHが中性になるまで繰り返し洗浄した後に、120℃で3時間乾燥させて表面発泡体を得た。
作製した表面発泡体の表面を走査型電子顕微鏡で観察した結果を図3に示す(拡大率300倍)。表面発泡体の表面には開気孔径が1~5μmの小径気孔により形成された小径開気孔と開気孔径が50~100μmの大径気孔により形成された大径開気孔とが多数確認された。また、大径気孔により形成された大径開気孔の内壁面には小径気孔及び大径気孔と連通することにより形成される小径連通孔と大径連通孔とが多数確認された。
拡大率3000倍及び300倍で撮影した各写真を利用して、上述したように大径開気孔及び小径開気孔の各長径及び短径を測定し、これらの測定値の算術平均を算出したところ、小径開気孔の平均開気孔径は2μm、大径開気孔の平均開気孔径は73μmであった。
表面発泡体の表面を走査型電子顕微鏡により撮影した写真を画像解析ソフト(Scion社製 Scion Image)を使用して、大径開気孔とそれ以外の部分とに2値化することにより、写真全体の面積に対する開気孔径50~100μmの大径開気孔の面積割合を算出したところ、78%であった。
作製した表面発泡体の表面に直交する断面を走査型電子顕微鏡で観察した結果を図4に示す(拡大率500倍)。表面発泡体の表面には厚さ約70μmの多数の気孔を有する層が確認された。
作製した表面発泡体における多数の気孔が形成されて成る表面層について、試験体の表面に直交する断面を走査型電子顕微鏡により拡大率300倍と拡大率3000倍とで撮影した写真を、画像解析ソフト(Scion社製 Scion Image)を使用して、小径気孔と大径気孔との面積をそれぞれ算出した。上述したように、写真全体の面積に対する小径気孔及び大径気孔の面積割合から、小径気孔の気孔率及び大径気孔の気孔率を算出したところ、それぞれ、18%と64%とであった。
作製した表面発泡体における多数の気孔が形成されて成る表面層について、水銀ポロシメータにより連通孔の孔径を測定したところ、孔径1~100μmの間において未処理のPEEKよりも水銀の圧入が多く認められた。従って、この範囲の間に広い孔径分布で連通孔が形成されていることが分かった。これは走査型電子顕微鏡での表面層の観察結果と一致した。
(実施例2)
炭酸水素ナトリウム水溶液の代わりに炭酸ナトリウム水溶液(濃度:500mM)を使用した以外は、実施例1と同様にして表面発泡体を得た。
作製した表面発泡体の表面を走査型電子顕微鏡で観察した結果を図5に示す(拡大率300倍)。表面発泡体の表面には実施例1と同様に、開気孔及び開気孔の内壁面に形成されている連通孔が多数確認された。小径気孔により形成された小径開気孔の開気孔径は、2~4μmであった。大径気孔により形成された大径開気孔の開気孔径は、30~80μmであった。
炭酸水素ナトリウム水溶液の代わりに炭酸ナトリウム水溶液(濃度:500mM)を使用した以外は、実施例1と同様にして表面発泡体を得た。
作製した表面発泡体の表面を走査型電子顕微鏡で観察した結果を図5に示す(拡大率300倍)。表面発泡体の表面には実施例1と同様に、開気孔及び開気孔の内壁面に形成されている連通孔が多数確認された。小径気孔により形成された小径開気孔の開気孔径は、2~4μmであった。大径気孔により形成された大径開気孔の開気孔径は、30~80μmであった。
実施例1と同様にして、大径開気孔及び小径開気孔の各平均開気孔径を算出したところ、小径開気孔の平均開気孔径は3.1μm、大径開気孔の平均開気孔径は45μmであった。
実施例1と同様にして、写真全体の面積に対する大径開気孔の面積割合を算出したところ、39%であった。
実施例1と同様にして、写真全体の面積に対する大径開気孔の面積割合を算出したところ、39%であった。
(実施例3)
炭酸水素ナトリウム水溶液の代わりに炭酸カリウム水溶液(濃度:500mM)を使用した以外は、実施例1と同様にして表面発泡体を得た。
作製した表面発泡体の表面を走査型電子顕微鏡で観察した結果を図6に示す(拡大率300倍)。表面発泡体の表面には実施例1と同様に、開気孔及び開気孔の内壁面に形成されている連通孔が多数確認された。小径気孔により形成された小径開気孔の開気孔径は、1~2μmであった。大径気孔により形成された大径開気孔の開気孔径は、20~30μmであった。
炭酸水素ナトリウム水溶液の代わりに炭酸カリウム水溶液(濃度:500mM)を使用した以外は、実施例1と同様にして表面発泡体を得た。
作製した表面発泡体の表面を走査型電子顕微鏡で観察した結果を図6に示す(拡大率300倍)。表面発泡体の表面には実施例1と同様に、開気孔及び開気孔の内壁面に形成されている連通孔が多数確認された。小径気孔により形成された小径開気孔の開気孔径は、1~2μmであった。大径気孔により形成された大径開気孔の開気孔径は、20~30μmであった。
実施例1と同様にして、大径開気孔及び小径開気孔の各平均開気孔径を算出したところ、小径開気孔の平均開気孔径は1.6μm、大径開気孔の平均開気孔径は23μmであった。
実施例1と同様にして、写真全体の面積に対する大径開気孔の面積割合を算出したところ、15%であった。
実施例1と同様にして、写真全体の面積に対する大径開気孔の面積割合を算出したところ、15%であった。
(実施例4)
炭酸カリウム水溶液の濃度を3Mにした以外は、実施例3と同様にして表面発泡体を得た。
作製した表面発泡体の表面を走査型電子顕微鏡で観察した結果を図7に示す(拡大率300倍)。表面発泡体の表面には実施例3と同様に、開気孔及び開気孔の内壁面に形成されている連通孔が多数確認された。小径気孔により形成された小径開気孔の開気孔径は、1~4μmであった。大径気孔により形成された大径開気孔の開気孔径は、100~200μmであった。
炭酸カリウム水溶液の濃度を3Mにした以外は、実施例3と同様にして表面発泡体を得た。
作製した表面発泡体の表面を走査型電子顕微鏡で観察した結果を図7に示す(拡大率300倍)。表面発泡体の表面には実施例3と同様に、開気孔及び開気孔の内壁面に形成されている連通孔が多数確認された。小径気孔により形成された小径開気孔の開気孔径は、1~4μmであった。大径気孔により形成された大径開気孔の開気孔径は、100~200μmであった。
実施例1と同様にして、大径開気孔及び小径開気孔の各平均開気孔径を算出したところ、小径開気孔の平均開気孔径は2.4μm、大径開気孔の平均開気孔径は106μmであった。
実施例1と同様にして、写真全体の面積に対する大径開気孔の面積割合を算出したところ、64%であった。
実施例1と同様にして、写真全体の面積に対する大径開気孔の面積割合を算出したところ、64%であった。
(実施例5)
発泡基材を濃硫酸から引き上げて純水に10分間浸漬する前に、濃度が63%の硫酸に1分間浸漬した以外は、実施例4と同様にして表面発泡体を得た。
作製した表面発泡体の表面を走査型電子顕微鏡で観察した結果を図8(a)、(b)に示す(図8(a):拡大率100倍、図8(b):拡大率3000倍)。図8(a)に示されるように、表面発泡体の表面には実施例4と同様に、開気孔及び開気孔の内壁面に形成されている連通孔が多数確認された。連通孔の数は実施例4と同程度であった。大径気孔により形成された大径開気孔の開気孔径は、10~100μmであった。
図8(b)に示されるように、小径気孔により形成された小径開気孔の開気孔径は、0.2~4μmであった。
発泡基材を濃硫酸から引き上げて純水に10分間浸漬する前に、濃度が63%の硫酸に1分間浸漬した以外は、実施例4と同様にして表面発泡体を得た。
作製した表面発泡体の表面を走査型電子顕微鏡で観察した結果を図8(a)、(b)に示す(図8(a):拡大率100倍、図8(b):拡大率3000倍)。図8(a)に示されるように、表面発泡体の表面には実施例4と同様に、開気孔及び開気孔の内壁面に形成されている連通孔が多数確認された。連通孔の数は実施例4と同程度であった。大径気孔により形成された大径開気孔の開気孔径は、10~100μmであった。
図8(b)に示されるように、小径気孔により形成された小径開気孔の開気孔径は、0.2~4μmであった。
実施例1と同様にして、大径開気孔及び小径開気孔の各平均開気孔径を算出したところ、小径開気孔の平均開気孔径は1.4μm、大径開気孔の平均開気孔径は39μmであった。
実施例1と同様にして、写真全体の面積に対する大径開気孔の面積割合を算出したところ、61%であった。
実施例1と同様にして、写真全体の面積に対する大径開気孔の面積割合を算出したところ、61%であった。
(実施例6)
濃度が63%の硫酸への浸漬時間を5分間とした以外は、実施例5と同様にして表面発泡体を得た。
作製した表面発泡体の表面を走査型電子顕微鏡で観察した結果を図9(a)、(b)に示す(図9(a):拡大率100倍、図9(b):拡大率3000倍)。図9(a)に示されるように、表面発泡体の表面には実施例5と同様に、開気孔及び開気孔の内壁面に形成されている連通孔が多数確認された。連通孔の数は実施例5よりも若干減っていた。また、大径気孔により形成された大径開気孔の開気孔径は、実施例5における開気孔径よりも大きく、30~300μmであった。
図9(b)に示されるように、小径気孔により形成された小径開気孔の開気孔径は、0.5~5μmであった。
濃度が63%の硫酸への浸漬時間を5分間とした以外は、実施例5と同様にして表面発泡体を得た。
作製した表面発泡体の表面を走査型電子顕微鏡で観察した結果を図9(a)、(b)に示す(図9(a):拡大率100倍、図9(b):拡大率3000倍)。図9(a)に示されるように、表面発泡体の表面には実施例5と同様に、開気孔及び開気孔の内壁面に形成されている連通孔が多数確認された。連通孔の数は実施例5よりも若干減っていた。また、大径気孔により形成された大径開気孔の開気孔径は、実施例5における開気孔径よりも大きく、30~300μmであった。
図9(b)に示されるように、小径気孔により形成された小径開気孔の開気孔径は、0.5~5μmであった。
実施例1と同様にして、大径開気孔及び小径開気孔の各平均開気孔径を算出したところ、小径開気孔の平均開気孔径は1.4μm、大径開気孔の平均開気孔径は118μmであった。
実施例1と同様にして、写真全体の面積に対する大径開気孔の面積割合を算出したところ、67%であった。
(実施例7)
濃度が63%の硫酸への浸漬時間を15分間とした以外は、実施例5と同様にして表面発泡体を得た。
作製した表面発泡体の表面を走査型電子顕微鏡で観察した結果を図10(a)、(b)に示す(図10(a):拡大率100倍、図10(b):拡大率3000倍)。図10(a)に示されるように、表面発泡体の表面には実施例5と同様に、開気孔及び開気孔の内壁面に形成されている連通孔が多数確認された。連通孔の数は実施例6と同程度であった。また、大径気孔により形成された大径開気孔の開気孔径は、実施例6における開気孔径と同程度であり、30~300μmであった。大径開気孔及び連通孔が実施例6の場合とほぼ同程度であったのは、発泡基材を濃度が63%の硫酸に10分間浸漬した段階で、発泡基材の凝固がほぼ完了したためであると考えられる。
図10(b)に示されるように、小径気孔により形成された小径開気孔の開気孔径は、0.5~5μmであった。
実施例1と同様にして、写真全体の面積に対する大径開気孔の面積割合を算出したところ、67%であった。
(実施例7)
濃度が63%の硫酸への浸漬時間を15分間とした以外は、実施例5と同様にして表面発泡体を得た。
作製した表面発泡体の表面を走査型電子顕微鏡で観察した結果を図10(a)、(b)に示す(図10(a):拡大率100倍、図10(b):拡大率3000倍)。図10(a)に示されるように、表面発泡体の表面には実施例5と同様に、開気孔及び開気孔の内壁面に形成されている連通孔が多数確認された。連通孔の数は実施例6と同程度であった。また、大径気孔により形成された大径開気孔の開気孔径は、実施例6における開気孔径と同程度であり、30~300μmであった。大径開気孔及び連通孔が実施例6の場合とほぼ同程度であったのは、発泡基材を濃度が63%の硫酸に10分間浸漬した段階で、発泡基材の凝固がほぼ完了したためであると考えられる。
図10(b)に示されるように、小径気孔により形成された小径開気孔の開気孔径は、0.5~5μmであった。
実施例1と同様にして、大径開気孔及び小径開気孔の各平均開気孔径を算出したところ、小径開気孔の平均開気孔径は1.8μm、大径開気孔の平均開気孔径は122μmであった。
実施例1と同様にして、写真全体の面積に対する大径開気孔の面積割合を算出したところ、68%であった。
(実施例8)
濃度が63%の硫酸の代わりに、濃度が86%の硫酸を使用したこと以外は、実施例5と同様にして表面発泡体を得た。
作製した表面発泡体の表面を走査型電子顕微鏡で観察した結果を図11(a)、(b)に示す(図11(a):拡大率100倍、図11(b):拡大率3000倍)。図11(a)に示されるように、表面発泡体の表面には実施例5と同様に、開気孔及び開気孔の内壁面に形成されている連通孔が多数確認された。大径気孔が連通して形成される大径連通孔の孔径は、実施例5の場合よりも大きい大径連通孔が認められ、10~20μmであった。また、大径気孔により形成された大径開気孔の開気孔径は、実施例5における開気孔径よりも大きく、50~180μmであった。
図11(b)に示されるように、小径気孔により形成された小径開気孔の開気孔径は、0.3~4μmであった。
実施例1と同様にして、写真全体の面積に対する大径開気孔の面積割合を算出したところ、68%であった。
(実施例8)
濃度が63%の硫酸の代わりに、濃度が86%の硫酸を使用したこと以外は、実施例5と同様にして表面発泡体を得た。
作製した表面発泡体の表面を走査型電子顕微鏡で観察した結果を図11(a)、(b)に示す(図11(a):拡大率100倍、図11(b):拡大率3000倍)。図11(a)に示されるように、表面発泡体の表面には実施例5と同様に、開気孔及び開気孔の内壁面に形成されている連通孔が多数確認された。大径気孔が連通して形成される大径連通孔の孔径は、実施例5の場合よりも大きい大径連通孔が認められ、10~20μmであった。また、大径気孔により形成された大径開気孔の開気孔径は、実施例5における開気孔径よりも大きく、50~180μmであった。
図11(b)に示されるように、小径気孔により形成された小径開気孔の開気孔径は、0.3~4μmであった。
実施例1と同様にして、大径開気孔及び小径開気孔の各平均開気孔径を算出したところ、小径開気孔の平均開気孔径は0.8μm、大径開気孔の平均開気孔径は97μmであった。
実施例1と同様にして、写真全体の面積に対する大径開気孔の面積割合を算出したところ、67%であった。
(実施例9)
濃度が63%の硫酸の代わりに、濃度が86%の硫酸を使用したこと以外は、実施例6と同様にして表面発泡体を得た。
作製した表面発泡体の表面を走査型電子顕微鏡で観察した結果を図12(a)、(b)に示す(図12(a):拡大率100倍、図12(b):拡大率3000倍)。図12(a)に示されるように、表面発泡体の表面には実施例5と同様に、開気孔及び開気孔の内壁面に形成されている連通孔が多数確認された。大径気孔が連通して形成される大径連通孔の孔径は、実施例8の大径連通孔よりも明らかに大きく、20~40μmであった。大径連通孔の数は、実施例8の場合に比べて減少していた。また、大径気孔により形成された大径開気孔の開気孔径は、実施例8における大径開気孔径と同程度であり、60~170μmであった。
図12(b)に示されるように、小径気孔により形成された小径開気孔の開気孔径は、0.5~1μmであった。
実施例1と同様にして、写真全体の面積に対する大径開気孔の面積割合を算出したところ、67%であった。
(実施例9)
濃度が63%の硫酸の代わりに、濃度が86%の硫酸を使用したこと以外は、実施例6と同様にして表面発泡体を得た。
作製した表面発泡体の表面を走査型電子顕微鏡で観察した結果を図12(a)、(b)に示す(図12(a):拡大率100倍、図12(b):拡大率3000倍)。図12(a)に示されるように、表面発泡体の表面には実施例5と同様に、開気孔及び開気孔の内壁面に形成されている連通孔が多数確認された。大径気孔が連通して形成される大径連通孔の孔径は、実施例8の大径連通孔よりも明らかに大きく、20~40μmであった。大径連通孔の数は、実施例8の場合に比べて減少していた。また、大径気孔により形成された大径開気孔の開気孔径は、実施例8における大径開気孔径と同程度であり、60~170μmであった。
図12(b)に示されるように、小径気孔により形成された小径開気孔の開気孔径は、0.5~1μmであった。
実施例1と同様にして、大径開気孔及び小径開気孔の各平均開気孔径を算出したところ、小径開気孔の平均開気孔径は0.6μm、大径開気孔の平均開気孔径は92μmであった。
作製した表面発泡体の縦断面をマイクロスコープで観察した結果を図13に示す(拡大率500倍)。試験体の表面から厚さ約120μmの表面層全体において、孔径が30~50μmの大径気孔が認められた。
実施例1と同様にして、写真全体の面積に対する大径開気孔の面積割合を算出したところ、65%であった。
(実施例10)
濃度が63%の硫酸の代わりに、濃度が86%の硫酸を使用したこと以外は、実施例7と同様にして表面発泡体を得た。
作製した表面発泡体の表面を走査型電子顕微鏡で観察した結果を図14(a)、(b)に示す(図14(a):拡大率100倍、図14(b):拡大率3000倍)。図14(a)に示されるように、表面発泡体の表面には実施例5と同様に、開気孔及び開気孔の内壁面に形成されている連通孔が多数確認された。大径気孔が連通して形成される大径連通孔の孔径は、実施例9の場合の孔径と同程度であり、20~40μmであった。また、大径気孔により形成された大径開気孔の開気孔径は、実施例9における大径開気孔径より小さく、30~80μmであった。
図14(b)に示されるように、小径気孔により形成された小径開気孔の開気孔径は、0.2~1μmであった。
作製した表面発泡体の縦断面をマイクロスコープで観察した結果を図13に示す(拡大率500倍)。試験体の表面から厚さ約120μmの表面層全体において、孔径が30~50μmの大径気孔が認められた。
実施例1と同様にして、写真全体の面積に対する大径開気孔の面積割合を算出したところ、65%であった。
(実施例10)
濃度が63%の硫酸の代わりに、濃度が86%の硫酸を使用したこと以外は、実施例7と同様にして表面発泡体を得た。
作製した表面発泡体の表面を走査型電子顕微鏡で観察した結果を図14(a)、(b)に示す(図14(a):拡大率100倍、図14(b):拡大率3000倍)。図14(a)に示されるように、表面発泡体の表面には実施例5と同様に、開気孔及び開気孔の内壁面に形成されている連通孔が多数確認された。大径気孔が連通して形成される大径連通孔の孔径は、実施例9の場合の孔径と同程度であり、20~40μmであった。また、大径気孔により形成された大径開気孔の開気孔径は、実施例9における大径開気孔径より小さく、30~80μmであった。
図14(b)に示されるように、小径気孔により形成された小径開気孔の開気孔径は、0.2~1μmであった。
実施例1と同様にして、大径開気孔及び小径開気孔の各平均開気孔径を算出したところ、小径開気孔の平均開気孔径は0.6μm、大径開気孔の平均開気孔径は42μmであった。
実施例1と同様にして、写真全体の面積に対する大径開気孔の面積割合を算出したところ、54%であった。
実施例1と同様にして、写真全体の面積に対する大径開気孔の面積割合を算出したところ、54%であった。
<生体活性物質を有して成る生体インプラントの作製及び評価>
(実施例11)
実施例1において作製した表面発泡体を、カルシウムイオン濃度2Mの塩化カルシウム水溶液に60分間浸漬して、続けて、リン酸イオン濃度2Mのリン酸水素ニカリウム水溶液に60分間浸漬して、溶液浸漬基材を得た。
(実施例11)
実施例1において作製した表面発泡体を、カルシウムイオン濃度2Mの塩化カルシウム水溶液に60分間浸漬して、続けて、リン酸イオン濃度2Mのリン酸水素ニカリウム水溶液に60分間浸漬して、溶液浸漬基材を得た。
次いで、この溶液浸漬基材を純水中に3時間浸漬し、続けて、純水中に超音波照射しながら10分間浸漬して洗浄した後に、120℃で3時間乾燥して、生体活性物質を有する生体インプラントを得た。
生体活性物質を有する生体インプラントの表面を走査型電子顕微鏡で観察した結果を図15に示す(拡大率3000倍)。生体インプラントの表面及びこの表面に形成された開気孔の内壁面に、塩化カルシウム水溶液及びリン酸水素ニカリウム水溶液に浸漬したことにより析出した粒子が付着していた。この粒子をX線回折装置により分析した結果、水酸アパタイトに帰属するピークが確認された。また、これらのピークはブロードであり、低結晶質の水酸アパタイトが生成していることが確認された。
生体インプラントの表面及びこの表面に形成された開気孔の内壁面に形成されていた水酸アパタイトの面積割合を、走査型電子顕微鏡により撮影した写真を画像解析ソフト(Scion Image)を使用して、水酸アパタイトの粒子とそれ以外の部分とに2値化することにより、写真全体の面積に対する水酸アパタイトの粒子の面積割合を算出したところ、23%であった。
1 表面発泡体
2、202a、202b 実質部
3、203a、203b 小径気孔
4、204a、204b 大径気孔
5、205a、205b 表面層
6、206a、206b 開気孔
7、207a、207b 連通孔
8 独立気孔
9 連通気孔
13、213a、213b 小径開気孔
14、214a、214b 大径開気孔
15 小径連通孔
16、216a、216b 大径連通孔
210a、210b 生体活性物質
211a、211b 内壁面
212a、212b 生体インプラント
A 小径気孔の平均開気孔径
B 大径気孔の平均開気孔径
C 小径連通孔径
D 大径連通孔径
2、202a、202b 実質部
3、203a、203b 小径気孔
4、204a、204b 大径気孔
5、205a、205b 表面層
6、206a、206b 開気孔
7、207a、207b 連通孔
8 独立気孔
9 連通気孔
13、213a、213b 小径開気孔
14、214a、214b 大径開気孔
15 小径連通孔
16、216a、216b 大径連通孔
210a、210b 生体活性物質
211a、211b 内壁面
212a、212b 生体インプラント
A 小径気孔の平均開気孔径
B 大径気孔の平均開気孔径
C 小径連通孔径
D 大径連通孔径
Claims (18)
- 実質部とその表面に形成されて成る小径気孔及び大径気孔を有する表面層とを備えて成る表面発泡体であって、前記表面発泡体はプラスチックにより形成されて成り、前記小径気孔及び大径気孔の一部は前記表面層の表面に開口する開気孔を形成しており、前記開気孔は平均開気孔径が5μm以下の小径開気孔と平均開気孔径が10~200μmの大径開気孔とを有し、前記表面層の表面に開口する大径開気孔は、その内壁面に小径気孔及び大径気孔と連通する連通孔が形成されていることを特徴とする表面発泡体。
- 前記表面発泡体が、生体インプラントとして使用されることを特徴とする請求項1に記載の表面発泡体。
- 前記プラスチックは、エンジニアリングプラスチックであることを特徴とする請求項1又は2に記載の表面発泡体。
- 前記プラスチックは、ポリエーテルエーテルケトンであることを特徴とする請求項1~3のいずれか一項に記載の表面発泡体。
- 前記プラスチックは、炭素繊維、ガラス繊維、セラミック繊維、金属繊維、及び有機繊維からなる群より選択される少なくとも1つの繊維を含むことを特徴とする請求項1~4のいずれか一項に記載の表面発泡体。
- 請求項1~5のいずれか一項に記載の表面発泡体の前記表面層における開気孔の内壁面及び/又は前記表面層の表面に生体活性物質を有していることを特徴とする生体インプラント。
- プラスチックにより形成されて成る基材の表面に微小気孔を形成することにより微小気孔基材を得る工程1と、
前記工程1で得られた微小気孔基材を、発泡剤を含有する溶液に浸漬することにより発泡剤保持基材を得る工程2と、
前記工程2で得られた発泡剤保持基材を、プラスチックを膨潤させ、かつ、発泡剤を発泡させる発泡溶液に浸漬することにより発泡基材を得る工程3と、
前記工程3で得られた発泡基材を、膨潤したプラスチックを凝固させる凝固溶液に浸漬する工程4と、
を有することを特徴とする表面発泡体の製造方法。 - 前記表面発泡体が、生体インプラントとして使用されることを特徴とする請求項7に記載の表面発泡体の製造方法。
- 前記プラスチックは、エンジニアリングプラスチックであることを特徴とする請求項7又は8に記載の表面発泡体の製造方法。
- 前記プラスチックは、ポリエーテルエーテルケトンであることを特徴とする請求項7~9のいずれか一項に記載の表面発泡体の製造方法。
- 前記プラスチックは、炭素繊維、ガラス繊維、セラミック繊維、金属繊維、及び有機繊維からなる群より選択される少なくとも1つの繊維を含むことを特徴とする請求項7~10のいずれか一項に記載の表面発泡体の製造方法。
- 前記工程3で使用される発泡溶液が、濃硫酸であることを特徴とする請求項7~11のいずれか一項に記載の表面発泡体の製造方法。
- 前記凝固溶液の種類と、前記凝固溶液の濃度と、前記発泡基材の前記凝固溶液への浸漬時間とから選択される少なくとも1つを変化させることにより、表面発泡体の表面層の多孔質構造を制御することを特徴とする請求項7~12のいずれか一項に記載の表面発泡体の製造方法。
- 前記凝固溶液が、水と、膨潤したプラスチックを凝固させるのに水よりも長時間を要する低凝固溶液とから選択される少なくとも1つであることを特徴とする請求項7~13のいずれか一項に記載の表面発泡体の製造方法。
- 前記低凝固溶液が、濃度90%未満の硫酸であることを特徴とする請求項7~14のいずれか一項に記載の表面発泡体の製造方法。
- 前記発泡剤が、炭酸塩であることを特徴とする請求項7~15のいずれか一項に記載の表面発泡体の製造方法。
- 前記炭酸塩が、炭酸水素ナトリウム、炭酸ナトリウム、及び炭酸カリウムからなる群より選択される少なくとも1つの炭酸塩を含むことを特徴とする請求項7~16のいずれか一項に記載の表面発泡体の製造方法。
- 請求項7~17のいずれか一項に記載の方法により形成されて成る表面発泡体を、カルシウムイオンを含む溶液及びリン酸イオンを含む溶液の両方に、いずれか先に浸漬することを特徴とする生体インプラントの製造方法。
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