生体インプラント
【課題】力学的特性が骨に近く、骨に対して強固にかつ短時間で結合することのできる生体インプラントを提供すること。
【解決手段】エンジニアリングプラスチックで形成された生体インプラントであって、
少なくとも一種の親水性官能基が付与されて成る親水性表面を有し、
前記親水性表面における前記親水性官能基の少なくとも一種の割合が、前記親水性官能基における中心原子についてＸ線光電子分光法測定で得られるピークを波形分離したときに、前記親水性官能基に相当するピークの面積比率として３０％以上であることを特徴とする生体インプラント。
【解決手段】エンジニアリングプラスチックで形成された生体インプラントであって、
少なくとも一種の親水性官能基が付与されて成る親水性表面を有し、
前記親水性表面における前記親水性官能基の少なくとも一種の割合が、前記親水性官能基における中心原子についてＸ線光電子分光法測定で得られるピークを波形分離したときに、前記親水性官能基に相当するピークの面積比率として３０％以上であることを特徴とする生体インプラント。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は生体インプラントに関し、更に、力学的特性が骨に近く、骨との強固な結合を短時間で形成することのできる生体インプラントに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来において、生体に埋入することができる素材、例えば生体インプラントの開発が行われてきた。具体的な素材として、セラミック材料、チタン等の金属材料、及びエンジニアリングプラスチック等が採用されている。特に、近来では、エンジニアリングプラスチックが、生体骨の特性に近いので、注目されている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、ポリエーテルエーテルケトン等のエンジニアリングプラスチックを主材料として採用し、生体骨との結合性を得ることを目的として、表面の一部が少なくとも２μｍの表面粗さを有することを特徴とする椎間インプラントを開示している。
【０００４】
特許文献２には、ポリエーテルエーテルケトン等のエンジニアリングプラスチックを人工骨主材料として採用し、生体骨との結合性を得ることを目的として、生物活性微粒子セラミックを混合した整形外科用組成物を開示している。
【０００５】
しかしながら、いずれの先行技術においても、エンジニアリングプラスチックの親水性が十分ではなかったので、生体との親和性に向上の余地があった。更に、先行技術においては、生体骨との結合にも長時間を要していた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第４３３１４８１号
【特許文献２】特表２００４−５２１６８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
この発明が解決しようとする課題は、骨に対して強固にかつ短時間で結合することができるように、基材の表面に高い親水性を有し、更に力学的特性が骨に近い生体インプラントを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決するための手段としては、
（１）エンジニアリングプラスチックで形成された生体インプラントであって、
少なくとも一種の親水性官能基が付与されて成る親水性表面を有し、
前記親水性表面における前記親水性官能基の少なくとも一種の割合が、前記親水性官能基における中心原子についてＸ線光電子分光法測定で得られるピークを波形分離したときに、前記親水性官能基に相当するピークの面積比率として３０％以上であることを特徴とする生体インプラント、
（２）前記エンジニアリングプラスチックは、ポリエーテルエーテルケトンである（１）に記載の生体インプラント、
（３）前記親水性表面が、大気圧プラズマ処理により形成される（１）又は（２）に記載の生体インプラント、
（４）前記親水性表面に生体活性物質が担持されている（１）〜（３）のいずれか一つに記載の生体インプラント、
（５）前記生体活性物質がリン酸カルシウム化合物である（４）に記載の生体インプラント、及び、
（６）前記リン酸カルシウム化合物がヒドロキシアパタイトである（５）に記載の生体インプラントを挙げることができる。
【発明の効果】
【０００９】
この発明によると、骨に対して強固にかつ短時間で結合することができるように、基材表面に高い親水性を有し、更に力学的特性が骨に近い生体インプラントを提供することができる。つまり、この発明によれば、生体インプラントの基材表面に高い親水性を付与することによって、生体内の体液と基材表面との親和性が高くなるので、骨形成に寄与する細胞及びタンパク質が基材表面に接着し易くなり、結果として骨に対して短時間で結合することができる。また、親水性官能基が体液中のカルシウムイオンを基材表面に誘引し、続いて誘引されたカルシウムイオンがリン酸イオンを誘引することで、骨形成の起点となるアパタイト核の生成を誘起することができ、骨に対して強固にかつ短時間で結合することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、この発明の一実施態様である生体インプラントを示す概略図である。
【図２】図２は、図１に示す生体インプラントとカルシウムイオンと細胞とを示す概略図である。
【図３】図３は、図１に示す生体インプラントとカルシウムイオンと細胞とリン酸イオンとを示す概略図である。
【図４】図４は、図１に示す生体インプラントと細胞とアパタイト核とを示す概略図である。
【図５】図５は、第１実施例のＣ１ｓピーク及びＯ１ｓピークの波形分離結果である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
この発明に係る生体インプラントは、エンジニアリングプラスチックで形成された生体インプラントであって、少なくとも一種の親水性官能基が付与されて成る親水性表面を有し、前記親水性表面における少なくとも一種の前記親水性官能基の割合が、前記親水性官能基における中心原子についてＸ線光電子分光法測定で得られるピークを波形分離したときに、前記親水性官能基に相当するピークの面積比率として３０％以上である。
【００１２】
生体内に埋入され得る生体インプラントは、通常、種々の金属、セラミック、樹脂化合物又はそれらの混合物を成形加工することにより形成される。生体インプラントは、生体の埋入する箇所に応じて形状を決定すれば良く、例えば塊状、棒状及び粒状等を採用することができる。
【００１３】
この発明に係る生体インプラントは、エンジニアリングプラスチック、好ましくはポリエーテルエーテルケトン（以下、「ＰＥＥＫ」と略称することがある。）で形成されている。ＰＥＥＫが高い生体適合性を有していること、ＰＥＥＫの力学的特性がヒトの骨の力学的特性に近似していること、ＰＥＥＫが、放射線に対する耐性、オートクレーブ等に対する耐熱性、及び種々の薬品に対する耐薬品性を有していること、並びに、生体の体液等に対してＰＥＥＫからの溶出物が少ないこと等に鑑みると、ＰＥＥＫが生体インプラントの材料として最適である。ＰＥＥＫで生体インプラントを形成する方法としては、例えば射出成形、押出成形、圧縮成形、トランスファー成形、ブロー成形又は注型成形等を挙げることができる。ＰＥＥＫを用いて所望の形状に成形した成形体を生体インプラントとしても良く、成形体を粉砕するなどして形成された粒状体を生体インプラントとしても良い。
【００１４】
なお、この発明に係る生体インプラントにおいては、ＰＥＥＫと種々の繊維とを混合することにより、ＰＥＥＫの機械的強度を向上させることができる。上記繊維としては、炭素繊維、ガラス繊維、セラミック繊維、金属繊維及び有機繊維等を挙げることができる。炭素繊維としては、カーボンナノチューブ等を挙げることができる。ガラス繊維としては、ホウケイ酸ガラス、高強度ガラス及び高弾性ガラス等の各繊維を挙げることができる。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及びホウ素等の各繊維を挙げることができる。金属繊維としては、タングステン、モリブデン、ステンレス、スチール及びタンタル等の各繊維を挙げることができる。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、ポリエステル及びアラミド等の各繊維を挙げることができる。種々の繊維は混合して用いても良い。
【００１５】
この発明に係る生体インプラントは、その表面に親水性官能基が付与されて成る親水性表面を有する。前記親水性表面は、親水性官能基が付与されない生体インプラントの表面に比べて、親水性官能基により親水性が向上している。したがって、親水性表面を有する生体インプラントは、生体の体液に対しても親和性を有し、骨形成に関与する細胞及びタンパク質とも親和性が高くなるので、生体に埋入するのに適している。親水性表面を形成する方法としては、例えば低圧プラズマ処理、ＵＶオゾン処理及び大気圧プラズマ処理等を挙げることができる。親水性表面の形成方法の詳細については、後述する。
【００１６】
前記親水性官能基としては、親水性を有する限り、アニオン性及びカチオン性のいずれの性質を有する官能基であっても良い。なお、この発明に係る生体インプラントにおいて、親水性官能基がアニオン性の官能基であると、生体内において表面が府に帯電することにより体液中のカルシウムイオンを基材表面に誘引し、続いて体液中のカルシウムイオンがリン酸イオンを誘引することで、骨形成の起点となるアパタイト核の生成を誘起することができるので、特に好ましい。親水性であってかつアニオン性の官能基としては、例えば水酸基、カルボキシル基、リン酸基及びスルホ基等を挙げることができる。
【００１７】
なお、この発明に係る生体インプラントにおいては、前記親水性官能基、例えば水酸基、カルボキシル基、リン酸基、及びスルホ基がＰＥＥＫの表面に付与されていても良く、前記親水性官能基が塩の状態であっても良い。
【００１８】
前記親水性官能基が付与されていることの確認、及び前記親水性官能基の種類及び量の同定をすることのできる方法としては、例えばＸ線光電子分光法、フーリエ変換赤外吸収分光法及び水接触角測定等を挙げることができる。特に、Ｘ線光電子分光法（以下、「ＸＰＳ」と称することがある。）は様々な原子の結合状態の同定が容易であるので好ましい。
【００１９】
この発明に係る生体インプラントの親水性表面をＸＰＳにより測定することにより、親水性官能基由来のピークを検出することができる。詳述すると、親水性官能基、例えばカルボキシル基における中心原子の炭素原子についてＸＰＳ測定で得られるピークの波形分離をした上で、親水性官能基であるカルボキシル基に相当するピーク面積比率を算出することにより、前記親水性表面における親水性官能基であるカルボキシル基の割合を算出することができる。前記中心原子は、親水性官能基に含まれる原子のうち、ＰＥＥＫの主鎖に直接結合する原子である。前記中心原子としては、例えば親水性官能基が水酸基である場合は酸素原子であり、カルボキシル基である場合は上述したように炭素原子であり、リン酸基である場合はリン原子であり、スルホ基である場合は硫黄原子である。このように、親水性官能基の種類に従って、各々の割合を算出することができる。
【００２０】
例えば、ＸＰＳ測定について、親水性官能基がカルボキシル基である場合は、図５に示すように、先ず、カルボキシル基の中心原子であるところの炭素原子についての１ｓ軌道電子に関するピーク、すなわちＣ１ｓ波形のみを抽出する。次いで、Ｃ１ｓ波形分離をすることにより、カルボキシル基のピークを特定する。続いて、Ｃ１ｓ波形分離で得られた、π結合ピークを除く全ピークの面積の総和を求め、この総和に対するカルボキシル基のピーク面積の割合を算出する。この算出したピーク面積の割合が、前記親水性表面における親水性官能基、例えばカルボキシル基の割合である。
【００２１】
なお、親水性官能基が水酸基である場合は、中心原始が酸素原子であり、Ｏ１ｓ波形を波形分離することにより水酸基に相当するピークの面積比率を求める。Ｏ１ｓ波形の場合は、カルボキシル基と水酸基のピークとが同じ箇所に出現し、カルボキシル基に相当するピークと水酸基に相当するピークとを分離することが困難であるので、例えば以下に示すようにして、Ｏ１ｓ波形における水酸基に相当するピークの面積比率を求めることができる。
【００２２】
先ず、カルボキシル基に相当するピークと水酸基に相当するピークとが重複しているピークを単一のピーク（以下、ピークＡと称することがある。）として捉え、Ｏ１ｓ波形分離で得られた各ピーク面積の総和に対するピークＡの面積比率（以下、面積比率ａと称することがある。）と、ケトン結合に相当するピーク（以下、ピークＢと称することがある。）の面積比率（以下、面積比率ｂと称することがある。）とを求める。
【００２３】
次に、同一対象についてＣ１ｓ波形の波形分離をすることによって求められるカルボキシル基に相当するピーク（以下、ピークＣと称することがある。）の面積比率（以下、面積比率ｃと称することがある。）と、ケトン結合に相当するピーク（以下、ピークＤと称することがある。）の面積比率（以下、面積比率ｄと称することがある。）とを求める。
【００２４】
求めた前記面積比率ａ、ｂ、ｃ及びｄと以下の式１とを用いることにより、Ｏ１ｓ波形全体のピーク面積に対する水酸基に相当するピークの面積比率（以下、面積比率ｅと称することがある。）を求めることができる。
【００２５】
【数１】
【００２６】
なお、面積比率ａは、カルボキシル基のピーク面積と水酸基のピーク面積との和をＯ１ｓ波形における全ピーク面積の総和で除して算出される。また、面積比率ｂは、ケトン結合のピーク面積をＯ１ｓ波形における全ピーク面積の総和で除して算出される。更に、面積比率ｃは、カルボキシル基のピーク面積をπ結合を除いたＣ１ｓ波形における全ピーク面積の総和で除して算出される。面積比率ｄは、ケトン結合のピーク面積をπ結合を除いたＣ１ｓ波形における全ピーク面積の総和で除して算出される。面積比率ｅは、Ｏ１ｓ波形における全ピーク面積の総和中の水酸基のピーク面積の割合である。
【００２７】
式１における右辺の「ｂ×（ｃ／ｄ）」は、Ｏ１ｓ波形におけるカルボキシル基に相当するピークの面積比率に相当する。この値を求めることにより、ピークＡに含まれるピーク成分、すなわちカルボキシル基のピークと水酸基のピークとを分離することができ、結果として面積比率ｅ求めることができる。
【００２８】
なお、基材がＰＥＥＫの場合、エーテル結合のピークもＣ１ｓ波形及びＯ１ｓ波形中に含まれるので、ピークＡのピーク成分を分離するには、Ｏ１ｓ波形におけるエーテル結合に相当するピークの、Ｏ１ｓ波形全体のピーク面積に対する面積比率（以下、面積比率ｆと称することがある。）と、Ｃ１ｓ波形におけるエーテル結合に相当するピークの、Ｃ１ｓ波形全体のピーク面積に対する面積比率（以下、面積比率ｇと称することがある。）とを求めて、面積比率ｆ及びｇを面積比率ｂ及びｄに代入することができる。
【００２９】
また、親水性官能基がリン酸基である場合は、中心原子がリン原子であり、Ｐ２ｐ波形に対するリン酸基のピーク面積の割合を算出すると良い。更に、親水性官能基がスルホ基である場合は、中心原子が硫黄原子であり、Ｓ２ｐ波形に対するスルホ基のピーク面積の割合を算出すると良い。
【００３０】
この発明に係る生体インプラントは、前記親水性表面における親水性官能基の少なくとも一種の割合が前記ピーク面積比率で３０％以上、好ましくは３０〜８５％である。前記親水性表面における親水性官能基の少なくとも一種の割合が前記ピーク面積比率で３０％未満であると、骨形成に関与する細胞の親水性表面に対する接着性が充分ではないので、骨との結合強度が強固になり難く、更に骨との結合に長時間を要することもある。前記親水性表面における親水性官能基の少なくとも一種の割合が、前記ピーク面積比率で３０〜８５％であれば、基材表面の親水化処理に長時間を要することが無いので好ましい。
【００３１】
この発明に係る生体インプラントにおいては、前記親水性表面における親水性官能基の内、カルボキシル基の割合が高いほど良い。カルボキシル基には、アパタイト核の生成能があり、カルボキシル基の表面への導入量が多いと、生体内での骨形成が特に促進されることが期待できる。
【００３２】
前記親水性官能基における中心原子についてＸＰＳ測定するとき、例えばＣ１ｓ波形は２８０〜２９４ｅＶ、Ｐ２ｐ波形は１２７〜１４２ｅＶ、Ｓ２ｐ波形は１６０〜１７４ｅＶ、Ｏ１ｓ波形は５２６〜５３６ｅＶの範囲に所望のピーク波形を検出することができる。
【００３３】
ここで、この発明に係る生体インプラントの製造方法及びこの発明に係る生体インプラントの作用について説明する。
【００３４】
先ず、ＰＥＥＫを例えば射出成形により成形する。更に、生体インプラントの形状として塊状、棒状及び粒状等を選択する。粒状の生体インプラントであれば、成形したＰＥＥＫを例えば直径０．３５〜１０ｍｍの粒状に加工すればよい。また、塊状又は棒状の生体インプラントであれば、成形したＰＥＥＫを所望の大きさに成るように加工すればよい。
【００３５】
次いで、親水性官能基をＰＥＥＫに付与する。親水性官能基を付与する方法としては、低圧酸素プラズマ処理、ＵＶオゾン処理及び大気圧プラズマ処理が好ましく、特に優れた親水性表面を得ることのできる大気圧プラズマ処理が特に好ましい。親水性官能基についてＸＰＳ測定したときに、少なくとも一種の親水性官能基の上記ピーク面積比率が３０％以上と成るように、大気圧プラズマ処理を行うと良い。大気圧プラズマ処理の処理条件については、この発明に係る生体インプラントの作用説明の後に説明する。前記大気圧プラズマで親水性官能基をＰＥＥＫの表面に特定の割合で付与することにより、親水性表面を形成することができる。これにより、この発明に係る生体インプラントを得ることができる。
【００３６】
この発明に係る生体インプラントは、力学的特性が骨に近く、骨との強固な結合を短時間で形成することができる。この発明に係る生体インプラントと骨との結合が強固であることについては、図面を参照しつつ説明する。
【００３７】
図１には、この発明の一実施態様である生体インプラント１が示されている。生体インプラント１は、ＰＥＥＫ２の表面に親水性官能基３の一例である水酸基及びカルボキシル基が付与されて成る親水性表面４（以下、単に「表面４」と称することがある。）を有する。図１に示す生体インプラント１は、図示しない体液中に設置されているので、カルボキシル基３が電離してプロトンを放出することによりカルボキシラートと成った状態であり、「−ＣＯＯ−」として示し、水酸基を「−ＯＨ」として示した。
【００３８】
図２に示すように、親水性を有する表面４においては、表面４と生体内の体液との親和性が高いので、体液中に含まれる骨形成に寄与することのできる細胞５及びタンパク質（図示せず）が、接着している。親水性を有する表面４は、親水性を有しない基材表面よりも早く上記細胞及びタンパク質等が接着することになる。細胞５及びタンパク質等が接着している、いないに関わらず、図２に示すように、体液中に溶解しているカルシウムイオンが、親水性官能基３に誘引される。
【００３９】
更に、図３に示すように、生体インプラント１における親水性表面４近傍のカルシウムイオン濃度が高くなると、体液中に溶解しているリン酸イオンが誘引される。体液中のリン酸イオンがカルボキシル基近傍のカルシウムイオンに引き寄せられて、カルボキシル基及びカルシウムイオン近傍に留まることになる。
【００４０】
親水性官能基３近傍にカルシウムイオン及びリン酸イオンが留まると、生体インプラント１近傍におけるカルシウムイオン及びリン酸イオンの濃度が上昇する。更に、表面４近傍においてアパタイトの形成可能濃度以上、つまりカルシウムイオン及びリン酸イオンの過飽和度以上に達すると、図４に示すように、アパタイト核６が表面４に生成する。アパタイト核６には、更にカルシウムイオン及びリン酸イオン、またその他の化合物も誘引されることにより、アパタイト核６を核としてヒドロキシアパタイトが形成される。一方、表面４の上に接着した細胞５は、徐々に増殖することとなる。
【００４１】
親水性官能基３と、アパタイト核６に含まれるカルシウムイオン及びリン酸イオンとは、化学結合によって結合している。これにより、生体インプラント１とヒドロキシアパタイトとは、強固に結合することとなる。すなわち、ＰＥＥＫ２の表面４が形成されると、骨形成に寄与する細胞の接着性が増加し、更には化学的にはアパタイト核６が生成するので、この発明に係る生体インプラントは骨との強固な結合を短時間に形成することができる。
【００４２】
更にいうと、この発明に係る生体インプラントは、親水性表面における親水性官能基の少なくとも一種の割合が前記ピーク面積比率で３０％以上の高密度であることによって、高い親水性により生体インプラント１の表面４に細胞５及びタンパク質の接着を早めることができる。また、体液中の多量のカルシウムイオン及びリン酸イオンを化学結合によって親水性表面４近傍に留めておくことができるので、アパタイト核６が生成し、ヒドロキシアパタイトに成長するまでを短時間で達成することができる。
【００４３】
以下に、前記大気圧プラズマ処理について、説明する。
【００４４】
ＰＥＥＫに対して大気圧プラズマ処理をすると、ＰＥＥＫに親水性官能基が付与されて親水性表面が形成される。大気圧プラズマ処理は、密度の高いプラズマを大気圧下で材料の表面に直接衝突させることにより、材料の表面に種々の官能基を付与し、材料の表面を活性化させることのできる処理である。大気圧プラズマ処理において、プラズマ発生部を材料表面上で走査させても良いし、プラズマ発生部を固定し、材料ステージを移動して処理するようにしても良い。材料表面上にプラズマを照射する時間は、照射するプラズマの密度、発生させるラジカルの濃度、及びプラズマの照射幅等と処理する材料表面の面積との関係に応じて適宜に設定すれば良い。なお、材料表面にプラズマを長時間照射することで材料表面の活性化が進行するので、材料表面への親水性官能基の導入量をプラズマの照射時間で調整することも可能である。
【００４５】
前記親水性表面における親水性官能基の少なくとも一種の割合が前記ピーク面積比率で３０％以上の高密度となる大気圧プラズマ処理の処理条件としては、例えばプラズマ電子密度が１０１１〜１０１６個／ｃｍ３であり、ガスの種類がアルゴンと酸素との混合ガスであり、酸素濃度が０．５〜５％であり、ガス流量が１〜２０Ｌ／分であり、照射距離が０．５〜３０ｍｍであり、材料表面上へのプラズマ照射時間が３０秒／ｃｍ２〜３０分／ｃｍ２である条件を挙げることができる。
【００４６】
この発明に係る生体インプラントの更なる好ましい態様としては、親水性官能基を有する表面に生体活性物質が担持されている態様を挙げることができる。前記生体活性物質としては、生体内における骨との化学的結合能を有する物質である限り特に制限はされないが、例えばリン酸カルシウム化合物、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。リン酸カルシウム化合物としては、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、ヒドロキシアパタイト、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。なお、上述した生体活性物質のうち、リン酸カルシウム化合物が好ましく、ヒドロキシアパタイトが特に好ましい。
【００４７】
親水性表面に生体活性物質、例えばヒドロキシアパタイトを担持する方法としては、例えばカルシウムイオンを含む溶液とリン酸イオンを含む溶液とに、この発明に係る生体インプラントを交互に一定時間ずつ浸漬する方法を挙げることができる。カルシウムイオンを含む溶液とリン酸イオンを含む溶液とに、生体インプラントを浸漬する順序は、特に限定されない。浸漬時間は、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良く、この浸漬時間であると、親水性表面に充分量のカルシウムイオン及びリン酸イオンが担持される。
【００４８】
前記カルシウムイオンを含む溶液としては、例えば１０ｍＭのカルシウムイオンを含む溶液を挙げることができる。前記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。具体的に、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、酪酸カルシウム又は乳酸カルシウムの各水溶液、及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。
【００４９】
前記リン酸イオンを含む溶液としては、例えば１０ｍＭのリン酸イオンを含む溶液を挙げることができる。前記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、カルシウムイオンは実質的に含まないほうが好ましい。具体的に、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又はリン酸二水素カリウムの各水溶液、及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。
【００５０】
なお、カルシウムイオンを含む溶液とリン酸イオンを含む溶液とに基材を浸漬した後で、例えば大気圧プラズマ処理等で基材表面に親水性官能基を導入することが好ましい。この順番での処理を行うと、導入される親水性官能基の末端部分に多量のヒドロキシアパタイトが吸着することによって基材表面の親水性が低下するという状態を生じ難くすることができると共に、充分な親水性官能基を確保することができる。
【００５１】
生体活性物質の担持は、上記の方法に限られず、例えば基材を、予め多量の生体活性物質を含む溶液に浸漬し、これを乾燥させた後、例えば大気圧プラズマ処理によって基材表面に親水性官能基を導入しても良い。
【００５２】
上記のように、この発明に係る生体インプラントの表面に親水性官能基と生体活性物質とを共存させた場合、親水性官能基自身のアパタイト核形成能の寄与に加えて、生体活性物質が生体インプラントの表面近傍のカルシウムイオンの上昇に寄与し、結果として親水性官能基及び生体活性物質におけるアパタイト核形成能が高まるので、骨との強固な結合がより一層早く進行することになる。
【実施例１】
【００５３】
（試料の作製）
棒状のＰＥＥＫ（φ１０×１０００ｍｍ、ＶＩＣＴＲＥＸ社製）からφ１０×２ｍｍの大きさの成形体を複数個切り出し、表面を♯１０００のサンドペーパーで研磨して試料とした。実施例として、プラズマ電子密度が１０１１〜１０１６個／ｃｍ３であり、ガスの種類がアルゴンと酸素との混合ガスであり、酸素濃度が１％であり、ガス流量が５Ｌ／分であり、照射距離が１ｍｍであり、材料表面上へのプラズマ照射時間が１分／ｃｍ２である条件で大気圧プラズマ処理をＰＥＥＫ表面に対して行った。
【００５４】
（ＸＰＳ測定）
ＸＰＳ測定装置として、アルバックファイ社製の走査型Ｘ線光電子分光分析装置（装置名：Ｑｕａｎｔｅｒａ ＳＸＭ）を用い、Ｘ線ビーム径は１００μｍφ、信号取り込み角は４５．０°、パスエネルギーは２８０．０ｅＶという測定条件で測定を行った。ＸＰＳ測定で得られるＣ１ｓピークについて例えば図５に示すように波形分離したときに、ＰＥＥＫに形成された親水性表面におけるカルボキシル基の割合は、表１に示すように、Ｃ１ｓのピーク面積比率で７．９％であった。Ｏ１ｓピークについて例えば図５に示すように波形分離したときに、ＰＥＥＫに形成された親水性表面における水酸基の割合は、表１に示すように、Ｏ１ｓのピーク面積比率で４５．３％であった。また、大気圧プラズマ処理直後の材料表面の水接触角は、表１に示すように、１２．３°であった。なお、以下に示す実施例２及び比較例１〜４についても、実施例１と同様に、試料の測定結果を表１に示す。
【実施例２】
【００５５】
実施例２では、大気圧プラズマ処理の処理条件において、材料表面上へのプラズマ照射時間を３０秒／ｃｍ２としたこと以外は、実施例１と同様に処理を行った。実施例１と同様にＸＰＳ測定を実施例２についても行った結果、ＰＥＥＫに形成された親水性表面におけるカルボキシル基の割合は、Ｃ１ｓのピーク面積比率で３．９％であった。また、ＰＥＥＫに形成された親水性表面における水酸基の割合は、Ｏ１ｓのピーク面積比率で３１．４％であった。大気圧プラズマ処理直後の材料表面の水接触角は３５．４°であった。
【比較例１】
【００５６】
比較例１では、大気圧プラズマ処理の処理条件において、材料表面上へのプラズマ照射時間を１０秒／ｃｍ２としたこと以外は、実施例１と同様に処理を行った。実施例１と同様にＸＰＳ測定を比較例１についても行った結果、ＰＥＥＫに形成された親水性表面におけるカルボキシル基の割合は、Ｃ１ｓのピーク面積比率で１．９％であった。また、ＰＥＥＫに形成された親水性表面における水酸基の割合は、Ｏ１ｓのピーク面積比率で２９．４％であった。大気圧プラズマ処理直後の材料表面の水接触角は４１．０°であった。
【比較例２】
【００５７】
比較例２では、基材としては実施例１と同様の材料を用いると共に、大気圧プラズマ処理の代わりに低圧酸素プラズマ処理装置（プラズマドライクリーナー、型式：ＰＸ−１０００、ＳＡＭＣＯ社製）を用い、出力５００Ｗで処理時間１０分の条件に設定して、低圧酸素プラズマ処理を行った。この低圧酸素プラズマ処理により付与された親水性官能基は、大気圧プラズマ処理した試料と同様に、水酸基及びカルボキシル基であった。実施例１と同様にＸＰＳ測定を比較例２についても行った結果、ＰＥＥＫに形成された親水性表面におけるカルボキシル基の割合は、Ｃ１ｓのピーク面積比率で１４．９％であった。また、ＰＥＥＫに形成された親水性表面における水酸基の割合は、Ｏ１ｓのピーク面積比率で１９．９％であった。低圧酸素プラズマ処理直後の材料表面の水接触角は１４．１°であった。
【比較例３】
【００５８】
比較例３では、基材としては実施例１と同様の材料を用いると共に、大気圧プラズマ処理の代わりにＵＶオゾン処理装置（卓上型光表面処理装置、型式：ＰＬ１６−１１０、セン特殊光源株式会社製）を用い、２５４ｎｍの照度が３０ｍＷ／ｃｍ２と成るように調整された光源と試料との距離を維持しつつ処理時間１０分の条件に設定して、ＵＶオゾン処理を行った。このＵＶオゾン処理により付与された親水性官能基は、大気圧プラズマ処理した試料及び低圧酸素プラズマ処理した試料と同様に、水酸基及びカルボキシル基であった。実施例１と同様にＸＰＳ測定を比較例３についても行った結果、ＰＥＥＫに形成された親水性表面におけるカルボキシル基の割合は、Ｃ１ｓのピーク面積比率で１８．９％であった。また、ＰＥＥＫに形成された親水性表面における水酸基の割合は、Ｏ１ｓのピーク面積比率で３．１％であった。ＵＶオゾン処理直後の材料表面の水接触角は１８．３°であった。
【比較例４】
【００５９】
比較例４では、大気圧プラズマ処理をしなかったこと以外は、実施例１と同様にして試料を作製した。実施例１と同様にＸＰＳ測定を比較例４についても行った結果、ＰＥＥＫの表面におけるカルボキシル基の割合は、Ｃ１ｓのピーク面積比率で０％であった。また、ＰＥＥＫの表面における水酸基の割合は、Ｏ１ｓのピーク面積比率で０％であった。この測定結果は、基材中に親水性官能基を含まないＰＥＥＫの理論値通りの結果であった。また、材料表面の水接触角は９０．６°であった。
【００６０】
【表１】
【００６１】
（細胞接着性評価）
【００６２】
実施例及び比較例の試料の表面における骨形成に関与する細胞の接着性を、マウス骨芽細胞様細胞（ＭＣ３Ｔ３−Ｅ１）を用いて評価することとした。具体的には、９０％コンフルエントな状態になるようにＭＣ３Ｔ３−Ｅ１を、１０％の牛胎児血清及び抗生物質を含むα−ＭＥＭ培地を用いて培養し、これを２４穴の細胞培養用プレートに配置した各試料に細胞数４×１０４個／ウェルとなるように播種した。これを、３７℃の５％ＣＯ２インキュベータ内で４時間培養後、試料を新たな２４穴の細胞培養用プレートに移し、培養時と同量の培地を添加後、さらに、２４時間培養し、Ｃｅｌｌ Ｃｏｕｎｔｉｎｇ Ｋｉｔ−８（株式会社同仁化学研究所製）を用いて、試料表面に接着している細胞数を計数した。結果は、表２に示す。
【００６３】
細胞数を計数した結果、試料として未処理のＰＥＥＫを用いた比較例４の試料表面に接着している細胞数を１００％としたときに、実施例１の試料表面に接着している細胞数は１１８％、実施例２の試料表面に接着している細胞数は１１１％、比較例１の試料表面に接着している細胞数は１０４％、比較例２の試料表面に接着している細胞数は１０５％、比較例３の試料表面に接着している細胞数は１０４％であった。
【００６４】
【表２】
【００６５】
以上の結果から、親水性表面における親水性官能基の少なくとも一種の割合が、その中心原子についてＸ線光電子分光法測定で得られるピークを波形分離したときに、親水性官能基に相当するピークの面積比率が３０％以上であるこの発明に係る生体インプラントの実施例は、比較例よりも、細胞の初期接着性の面で優位である。更に、生体インプラントとして生体内に埋入したときに、試料表面へ細胞が速やかに接着することで比較例よりも骨形成が早く進行し、骨との強固な結合を短時間で形成することが示唆された。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
この発明に係る生体インプラントは、例えば骨補填材、人工関節部材、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等に利用することができる。
【符号の説明】
【００６７】
１ 生体インプラント
２ ポリエーテルエーテルケトン
３ 親水性官能基
４ 親水性表面
５ 細胞
６ アパタイト核
【技術分野】
【０００１】
この発明は生体インプラントに関し、更に、力学的特性が骨に近く、骨との強固な結合を短時間で形成することのできる生体インプラントに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来において、生体に埋入することができる素材、例えば生体インプラントの開発が行われてきた。具体的な素材として、セラミック材料、チタン等の金属材料、及びエンジニアリングプラスチック等が採用されている。特に、近来では、エンジニアリングプラスチックが、生体骨の特性に近いので、注目されている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、ポリエーテルエーテルケトン等のエンジニアリングプラスチックを主材料として採用し、生体骨との結合性を得ることを目的として、表面の一部が少なくとも２μｍの表面粗さを有することを特徴とする椎間インプラントを開示している。
【０００４】
特許文献２には、ポリエーテルエーテルケトン等のエンジニアリングプラスチックを人工骨主材料として採用し、生体骨との結合性を得ることを目的として、生物活性微粒子セラミックを混合した整形外科用組成物を開示している。
【０００５】
しかしながら、いずれの先行技術においても、エンジニアリングプラスチックの親水性が十分ではなかったので、生体との親和性に向上の余地があった。更に、先行技術においては、生体骨との結合にも長時間を要していた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第４３３１４８１号
【特許文献２】特表２００４−５２１６８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
この発明が解決しようとする課題は、骨に対して強固にかつ短時間で結合することができるように、基材の表面に高い親水性を有し、更に力学的特性が骨に近い生体インプラントを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決するための手段としては、
（１）エンジニアリングプラスチックで形成された生体インプラントであって、
少なくとも一種の親水性官能基が付与されて成る親水性表面を有し、
前記親水性表面における前記親水性官能基の少なくとも一種の割合が、前記親水性官能基における中心原子についてＸ線光電子分光法測定で得られるピークを波形分離したときに、前記親水性官能基に相当するピークの面積比率として３０％以上であることを特徴とする生体インプラント、
（２）前記エンジニアリングプラスチックは、ポリエーテルエーテルケトンである（１）に記載の生体インプラント、
（３）前記親水性表面が、大気圧プラズマ処理により形成される（１）又は（２）に記載の生体インプラント、
（４）前記親水性表面に生体活性物質が担持されている（１）〜（３）のいずれか一つに記載の生体インプラント、
（５）前記生体活性物質がリン酸カルシウム化合物である（４）に記載の生体インプラント、及び、
（６）前記リン酸カルシウム化合物がヒドロキシアパタイトである（５）に記載の生体インプラントを挙げることができる。
【発明の効果】
【０００９】
この発明によると、骨に対して強固にかつ短時間で結合することができるように、基材表面に高い親水性を有し、更に力学的特性が骨に近い生体インプラントを提供することができる。つまり、この発明によれば、生体インプラントの基材表面に高い親水性を付与することによって、生体内の体液と基材表面との親和性が高くなるので、骨形成に寄与する細胞及びタンパク質が基材表面に接着し易くなり、結果として骨に対して短時間で結合することができる。また、親水性官能基が体液中のカルシウムイオンを基材表面に誘引し、続いて誘引されたカルシウムイオンがリン酸イオンを誘引することで、骨形成の起点となるアパタイト核の生成を誘起することができ、骨に対して強固にかつ短時間で結合することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、この発明の一実施態様である生体インプラントを示す概略図である。
【図２】図２は、図１に示す生体インプラントとカルシウムイオンと細胞とを示す概略図である。
【図３】図３は、図１に示す生体インプラントとカルシウムイオンと細胞とリン酸イオンとを示す概略図である。
【図４】図４は、図１に示す生体インプラントと細胞とアパタイト核とを示す概略図である。
【図５】図５は、第１実施例のＣ１ｓピーク及びＯ１ｓピークの波形分離結果である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
この発明に係る生体インプラントは、エンジニアリングプラスチックで形成された生体インプラントであって、少なくとも一種の親水性官能基が付与されて成る親水性表面を有し、前記親水性表面における少なくとも一種の前記親水性官能基の割合が、前記親水性官能基における中心原子についてＸ線光電子分光法測定で得られるピークを波形分離したときに、前記親水性官能基に相当するピークの面積比率として３０％以上である。
【００１２】
生体内に埋入され得る生体インプラントは、通常、種々の金属、セラミック、樹脂化合物又はそれらの混合物を成形加工することにより形成される。生体インプラントは、生体の埋入する箇所に応じて形状を決定すれば良く、例えば塊状、棒状及び粒状等を採用することができる。
【００１３】
この発明に係る生体インプラントは、エンジニアリングプラスチック、好ましくはポリエーテルエーテルケトン（以下、「ＰＥＥＫ」と略称することがある。）で形成されている。ＰＥＥＫが高い生体適合性を有していること、ＰＥＥＫの力学的特性がヒトの骨の力学的特性に近似していること、ＰＥＥＫが、放射線に対する耐性、オートクレーブ等に対する耐熱性、及び種々の薬品に対する耐薬品性を有していること、並びに、生体の体液等に対してＰＥＥＫからの溶出物が少ないこと等に鑑みると、ＰＥＥＫが生体インプラントの材料として最適である。ＰＥＥＫで生体インプラントを形成する方法としては、例えば射出成形、押出成形、圧縮成形、トランスファー成形、ブロー成形又は注型成形等を挙げることができる。ＰＥＥＫを用いて所望の形状に成形した成形体を生体インプラントとしても良く、成形体を粉砕するなどして形成された粒状体を生体インプラントとしても良い。
【００１４】
なお、この発明に係る生体インプラントにおいては、ＰＥＥＫと種々の繊維とを混合することにより、ＰＥＥＫの機械的強度を向上させることができる。上記繊維としては、炭素繊維、ガラス繊維、セラミック繊維、金属繊維及び有機繊維等を挙げることができる。炭素繊維としては、カーボンナノチューブ等を挙げることができる。ガラス繊維としては、ホウケイ酸ガラス、高強度ガラス及び高弾性ガラス等の各繊維を挙げることができる。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及びホウ素等の各繊維を挙げることができる。金属繊維としては、タングステン、モリブデン、ステンレス、スチール及びタンタル等の各繊維を挙げることができる。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、ポリエステル及びアラミド等の各繊維を挙げることができる。種々の繊維は混合して用いても良い。
【００１５】
この発明に係る生体インプラントは、その表面に親水性官能基が付与されて成る親水性表面を有する。前記親水性表面は、親水性官能基が付与されない生体インプラントの表面に比べて、親水性官能基により親水性が向上している。したがって、親水性表面を有する生体インプラントは、生体の体液に対しても親和性を有し、骨形成に関与する細胞及びタンパク質とも親和性が高くなるので、生体に埋入するのに適している。親水性表面を形成する方法としては、例えば低圧プラズマ処理、ＵＶオゾン処理及び大気圧プラズマ処理等を挙げることができる。親水性表面の形成方法の詳細については、後述する。
【００１６】
前記親水性官能基としては、親水性を有する限り、アニオン性及びカチオン性のいずれの性質を有する官能基であっても良い。なお、この発明に係る生体インプラントにおいて、親水性官能基がアニオン性の官能基であると、生体内において表面が府に帯電することにより体液中のカルシウムイオンを基材表面に誘引し、続いて体液中のカルシウムイオンがリン酸イオンを誘引することで、骨形成の起点となるアパタイト核の生成を誘起することができるので、特に好ましい。親水性であってかつアニオン性の官能基としては、例えば水酸基、カルボキシル基、リン酸基及びスルホ基等を挙げることができる。
【００１７】
なお、この発明に係る生体インプラントにおいては、前記親水性官能基、例えば水酸基、カルボキシル基、リン酸基、及びスルホ基がＰＥＥＫの表面に付与されていても良く、前記親水性官能基が塩の状態であっても良い。
【００１８】
前記親水性官能基が付与されていることの確認、及び前記親水性官能基の種類及び量の同定をすることのできる方法としては、例えばＸ線光電子分光法、フーリエ変換赤外吸収分光法及び水接触角測定等を挙げることができる。特に、Ｘ線光電子分光法（以下、「ＸＰＳ」と称することがある。）は様々な原子の結合状態の同定が容易であるので好ましい。
【００１９】
この発明に係る生体インプラントの親水性表面をＸＰＳにより測定することにより、親水性官能基由来のピークを検出することができる。詳述すると、親水性官能基、例えばカルボキシル基における中心原子の炭素原子についてＸＰＳ測定で得られるピークの波形分離をした上で、親水性官能基であるカルボキシル基に相当するピーク面積比率を算出することにより、前記親水性表面における親水性官能基であるカルボキシル基の割合を算出することができる。前記中心原子は、親水性官能基に含まれる原子のうち、ＰＥＥＫの主鎖に直接結合する原子である。前記中心原子としては、例えば親水性官能基が水酸基である場合は酸素原子であり、カルボキシル基である場合は上述したように炭素原子であり、リン酸基である場合はリン原子であり、スルホ基である場合は硫黄原子である。このように、親水性官能基の種類に従って、各々の割合を算出することができる。
【００２０】
例えば、ＸＰＳ測定について、親水性官能基がカルボキシル基である場合は、図５に示すように、先ず、カルボキシル基の中心原子であるところの炭素原子についての１ｓ軌道電子に関するピーク、すなわちＣ１ｓ波形のみを抽出する。次いで、Ｃ１ｓ波形分離をすることにより、カルボキシル基のピークを特定する。続いて、Ｃ１ｓ波形分離で得られた、π結合ピークを除く全ピークの面積の総和を求め、この総和に対するカルボキシル基のピーク面積の割合を算出する。この算出したピーク面積の割合が、前記親水性表面における親水性官能基、例えばカルボキシル基の割合である。
【００２１】
なお、親水性官能基が水酸基である場合は、中心原始が酸素原子であり、Ｏ１ｓ波形を波形分離することにより水酸基に相当するピークの面積比率を求める。Ｏ１ｓ波形の場合は、カルボキシル基と水酸基のピークとが同じ箇所に出現し、カルボキシル基に相当するピークと水酸基に相当するピークとを分離することが困難であるので、例えば以下に示すようにして、Ｏ１ｓ波形における水酸基に相当するピークの面積比率を求めることができる。
【００２２】
先ず、カルボキシル基に相当するピークと水酸基に相当するピークとが重複しているピークを単一のピーク（以下、ピークＡと称することがある。）として捉え、Ｏ１ｓ波形分離で得られた各ピーク面積の総和に対するピークＡの面積比率（以下、面積比率ａと称することがある。）と、ケトン結合に相当するピーク（以下、ピークＢと称することがある。）の面積比率（以下、面積比率ｂと称することがある。）とを求める。
【００２３】
次に、同一対象についてＣ１ｓ波形の波形分離をすることによって求められるカルボキシル基に相当するピーク（以下、ピークＣと称することがある。）の面積比率（以下、面積比率ｃと称することがある。）と、ケトン結合に相当するピーク（以下、ピークＤと称することがある。）の面積比率（以下、面積比率ｄと称することがある。）とを求める。
【００２４】
求めた前記面積比率ａ、ｂ、ｃ及びｄと以下の式１とを用いることにより、Ｏ１ｓ波形全体のピーク面積に対する水酸基に相当するピークの面積比率（以下、面積比率ｅと称することがある。）を求めることができる。
【００２５】
【数１】
【００２６】
なお、面積比率ａは、カルボキシル基のピーク面積と水酸基のピーク面積との和をＯ１ｓ波形における全ピーク面積の総和で除して算出される。また、面積比率ｂは、ケトン結合のピーク面積をＯ１ｓ波形における全ピーク面積の総和で除して算出される。更に、面積比率ｃは、カルボキシル基のピーク面積をπ結合を除いたＣ１ｓ波形における全ピーク面積の総和で除して算出される。面積比率ｄは、ケトン結合のピーク面積をπ結合を除いたＣ１ｓ波形における全ピーク面積の総和で除して算出される。面積比率ｅは、Ｏ１ｓ波形における全ピーク面積の総和中の水酸基のピーク面積の割合である。
【００２７】
式１における右辺の「ｂ×（ｃ／ｄ）」は、Ｏ１ｓ波形におけるカルボキシル基に相当するピークの面積比率に相当する。この値を求めることにより、ピークＡに含まれるピーク成分、すなわちカルボキシル基のピークと水酸基のピークとを分離することができ、結果として面積比率ｅ求めることができる。
【００２８】
なお、基材がＰＥＥＫの場合、エーテル結合のピークもＣ１ｓ波形及びＯ１ｓ波形中に含まれるので、ピークＡのピーク成分を分離するには、Ｏ１ｓ波形におけるエーテル結合に相当するピークの、Ｏ１ｓ波形全体のピーク面積に対する面積比率（以下、面積比率ｆと称することがある。）と、Ｃ１ｓ波形におけるエーテル結合に相当するピークの、Ｃ１ｓ波形全体のピーク面積に対する面積比率（以下、面積比率ｇと称することがある。）とを求めて、面積比率ｆ及びｇを面積比率ｂ及びｄに代入することができる。
【００２９】
また、親水性官能基がリン酸基である場合は、中心原子がリン原子であり、Ｐ２ｐ波形に対するリン酸基のピーク面積の割合を算出すると良い。更に、親水性官能基がスルホ基である場合は、中心原子が硫黄原子であり、Ｓ２ｐ波形に対するスルホ基のピーク面積の割合を算出すると良い。
【００３０】
この発明に係る生体インプラントは、前記親水性表面における親水性官能基の少なくとも一種の割合が前記ピーク面積比率で３０％以上、好ましくは３０〜８５％である。前記親水性表面における親水性官能基の少なくとも一種の割合が前記ピーク面積比率で３０％未満であると、骨形成に関与する細胞の親水性表面に対する接着性が充分ではないので、骨との結合強度が強固になり難く、更に骨との結合に長時間を要することもある。前記親水性表面における親水性官能基の少なくとも一種の割合が、前記ピーク面積比率で３０〜８５％であれば、基材表面の親水化処理に長時間を要することが無いので好ましい。
【００３１】
この発明に係る生体インプラントにおいては、前記親水性表面における親水性官能基の内、カルボキシル基の割合が高いほど良い。カルボキシル基には、アパタイト核の生成能があり、カルボキシル基の表面への導入量が多いと、生体内での骨形成が特に促進されることが期待できる。
【００３２】
前記親水性官能基における中心原子についてＸＰＳ測定するとき、例えばＣ１ｓ波形は２８０〜２９４ｅＶ、Ｐ２ｐ波形は１２７〜１４２ｅＶ、Ｓ２ｐ波形は１６０〜１７４ｅＶ、Ｏ１ｓ波形は５２６〜５３６ｅＶの範囲に所望のピーク波形を検出することができる。
【００３３】
ここで、この発明に係る生体インプラントの製造方法及びこの発明に係る生体インプラントの作用について説明する。
【００３４】
先ず、ＰＥＥＫを例えば射出成形により成形する。更に、生体インプラントの形状として塊状、棒状及び粒状等を選択する。粒状の生体インプラントであれば、成形したＰＥＥＫを例えば直径０．３５〜１０ｍｍの粒状に加工すればよい。また、塊状又は棒状の生体インプラントであれば、成形したＰＥＥＫを所望の大きさに成るように加工すればよい。
【００３５】
次いで、親水性官能基をＰＥＥＫに付与する。親水性官能基を付与する方法としては、低圧酸素プラズマ処理、ＵＶオゾン処理及び大気圧プラズマ処理が好ましく、特に優れた親水性表面を得ることのできる大気圧プラズマ処理が特に好ましい。親水性官能基についてＸＰＳ測定したときに、少なくとも一種の親水性官能基の上記ピーク面積比率が３０％以上と成るように、大気圧プラズマ処理を行うと良い。大気圧プラズマ処理の処理条件については、この発明に係る生体インプラントの作用説明の後に説明する。前記大気圧プラズマで親水性官能基をＰＥＥＫの表面に特定の割合で付与することにより、親水性表面を形成することができる。これにより、この発明に係る生体インプラントを得ることができる。
【００３６】
この発明に係る生体インプラントは、力学的特性が骨に近く、骨との強固な結合を短時間で形成することができる。この発明に係る生体インプラントと骨との結合が強固であることについては、図面を参照しつつ説明する。
【００３７】
図１には、この発明の一実施態様である生体インプラント１が示されている。生体インプラント１は、ＰＥＥＫ２の表面に親水性官能基３の一例である水酸基及びカルボキシル基が付与されて成る親水性表面４（以下、単に「表面４」と称することがある。）を有する。図１に示す生体インプラント１は、図示しない体液中に設置されているので、カルボキシル基３が電離してプロトンを放出することによりカルボキシラートと成った状態であり、「−ＣＯＯ−」として示し、水酸基を「−ＯＨ」として示した。
【００３８】
図２に示すように、親水性を有する表面４においては、表面４と生体内の体液との親和性が高いので、体液中に含まれる骨形成に寄与することのできる細胞５及びタンパク質（図示せず）が、接着している。親水性を有する表面４は、親水性を有しない基材表面よりも早く上記細胞及びタンパク質等が接着することになる。細胞５及びタンパク質等が接着している、いないに関わらず、図２に示すように、体液中に溶解しているカルシウムイオンが、親水性官能基３に誘引される。
【００３９】
更に、図３に示すように、生体インプラント１における親水性表面４近傍のカルシウムイオン濃度が高くなると、体液中に溶解しているリン酸イオンが誘引される。体液中のリン酸イオンがカルボキシル基近傍のカルシウムイオンに引き寄せられて、カルボキシル基及びカルシウムイオン近傍に留まることになる。
【００４０】
親水性官能基３近傍にカルシウムイオン及びリン酸イオンが留まると、生体インプラント１近傍におけるカルシウムイオン及びリン酸イオンの濃度が上昇する。更に、表面４近傍においてアパタイトの形成可能濃度以上、つまりカルシウムイオン及びリン酸イオンの過飽和度以上に達すると、図４に示すように、アパタイト核６が表面４に生成する。アパタイト核６には、更にカルシウムイオン及びリン酸イオン、またその他の化合物も誘引されることにより、アパタイト核６を核としてヒドロキシアパタイトが形成される。一方、表面４の上に接着した細胞５は、徐々に増殖することとなる。
【００４１】
親水性官能基３と、アパタイト核６に含まれるカルシウムイオン及びリン酸イオンとは、化学結合によって結合している。これにより、生体インプラント１とヒドロキシアパタイトとは、強固に結合することとなる。すなわち、ＰＥＥＫ２の表面４が形成されると、骨形成に寄与する細胞の接着性が増加し、更には化学的にはアパタイト核６が生成するので、この発明に係る生体インプラントは骨との強固な結合を短時間に形成することができる。
【００４２】
更にいうと、この発明に係る生体インプラントは、親水性表面における親水性官能基の少なくとも一種の割合が前記ピーク面積比率で３０％以上の高密度であることによって、高い親水性により生体インプラント１の表面４に細胞５及びタンパク質の接着を早めることができる。また、体液中の多量のカルシウムイオン及びリン酸イオンを化学結合によって親水性表面４近傍に留めておくことができるので、アパタイト核６が生成し、ヒドロキシアパタイトに成長するまでを短時間で達成することができる。
【００４３】
以下に、前記大気圧プラズマ処理について、説明する。
【００４４】
ＰＥＥＫに対して大気圧プラズマ処理をすると、ＰＥＥＫに親水性官能基が付与されて親水性表面が形成される。大気圧プラズマ処理は、密度の高いプラズマを大気圧下で材料の表面に直接衝突させることにより、材料の表面に種々の官能基を付与し、材料の表面を活性化させることのできる処理である。大気圧プラズマ処理において、プラズマ発生部を材料表面上で走査させても良いし、プラズマ発生部を固定し、材料ステージを移動して処理するようにしても良い。材料表面上にプラズマを照射する時間は、照射するプラズマの密度、発生させるラジカルの濃度、及びプラズマの照射幅等と処理する材料表面の面積との関係に応じて適宜に設定すれば良い。なお、材料表面にプラズマを長時間照射することで材料表面の活性化が進行するので、材料表面への親水性官能基の導入量をプラズマの照射時間で調整することも可能である。
【００４５】
前記親水性表面における親水性官能基の少なくとも一種の割合が前記ピーク面積比率で３０％以上の高密度となる大気圧プラズマ処理の処理条件としては、例えばプラズマ電子密度が１０１１〜１０１６個／ｃｍ３であり、ガスの種類がアルゴンと酸素との混合ガスであり、酸素濃度が０．５〜５％であり、ガス流量が１〜２０Ｌ／分であり、照射距離が０．５〜３０ｍｍであり、材料表面上へのプラズマ照射時間が３０秒／ｃｍ２〜３０分／ｃｍ２である条件を挙げることができる。
【００４６】
この発明に係る生体インプラントの更なる好ましい態様としては、親水性官能基を有する表面に生体活性物質が担持されている態様を挙げることができる。前記生体活性物質としては、生体内における骨との化学的結合能を有する物質である限り特に制限はされないが、例えばリン酸カルシウム化合物、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。リン酸カルシウム化合物としては、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、ヒドロキシアパタイト、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。なお、上述した生体活性物質のうち、リン酸カルシウム化合物が好ましく、ヒドロキシアパタイトが特に好ましい。
【００４７】
親水性表面に生体活性物質、例えばヒドロキシアパタイトを担持する方法としては、例えばカルシウムイオンを含む溶液とリン酸イオンを含む溶液とに、この発明に係る生体インプラントを交互に一定時間ずつ浸漬する方法を挙げることができる。カルシウムイオンを含む溶液とリン酸イオンを含む溶液とに、生体インプラントを浸漬する順序は、特に限定されない。浸漬時間は、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良く、この浸漬時間であると、親水性表面に充分量のカルシウムイオン及びリン酸イオンが担持される。
【００４８】
前記カルシウムイオンを含む溶液としては、例えば１０ｍＭのカルシウムイオンを含む溶液を挙げることができる。前記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。具体的に、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、酪酸カルシウム又は乳酸カルシウムの各水溶液、及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。
【００４９】
前記リン酸イオンを含む溶液としては、例えば１０ｍＭのリン酸イオンを含む溶液を挙げることができる。前記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、カルシウムイオンは実質的に含まないほうが好ましい。具体的に、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又はリン酸二水素カリウムの各水溶液、及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。
【００５０】
なお、カルシウムイオンを含む溶液とリン酸イオンを含む溶液とに基材を浸漬した後で、例えば大気圧プラズマ処理等で基材表面に親水性官能基を導入することが好ましい。この順番での処理を行うと、導入される親水性官能基の末端部分に多量のヒドロキシアパタイトが吸着することによって基材表面の親水性が低下するという状態を生じ難くすることができると共に、充分な親水性官能基を確保することができる。
【００５１】
生体活性物質の担持は、上記の方法に限られず、例えば基材を、予め多量の生体活性物質を含む溶液に浸漬し、これを乾燥させた後、例えば大気圧プラズマ処理によって基材表面に親水性官能基を導入しても良い。
【００５２】
上記のように、この発明に係る生体インプラントの表面に親水性官能基と生体活性物質とを共存させた場合、親水性官能基自身のアパタイト核形成能の寄与に加えて、生体活性物質が生体インプラントの表面近傍のカルシウムイオンの上昇に寄与し、結果として親水性官能基及び生体活性物質におけるアパタイト核形成能が高まるので、骨との強固な結合がより一層早く進行することになる。
【実施例１】
【００５３】
（試料の作製）
棒状のＰＥＥＫ（φ１０×１０００ｍｍ、ＶＩＣＴＲＥＸ社製）からφ１０×２ｍｍの大きさの成形体を複数個切り出し、表面を♯１０００のサンドペーパーで研磨して試料とした。実施例として、プラズマ電子密度が１０１１〜１０１６個／ｃｍ３であり、ガスの種類がアルゴンと酸素との混合ガスであり、酸素濃度が１％であり、ガス流量が５Ｌ／分であり、照射距離が１ｍｍであり、材料表面上へのプラズマ照射時間が１分／ｃｍ２である条件で大気圧プラズマ処理をＰＥＥＫ表面に対して行った。
【００５４】
（ＸＰＳ測定）
ＸＰＳ測定装置として、アルバックファイ社製の走査型Ｘ線光電子分光分析装置（装置名：Ｑｕａｎｔｅｒａ ＳＸＭ）を用い、Ｘ線ビーム径は１００μｍφ、信号取り込み角は４５．０°、パスエネルギーは２８０．０ｅＶという測定条件で測定を行った。ＸＰＳ測定で得られるＣ１ｓピークについて例えば図５に示すように波形分離したときに、ＰＥＥＫに形成された親水性表面におけるカルボキシル基の割合は、表１に示すように、Ｃ１ｓのピーク面積比率で７．９％であった。Ｏ１ｓピークについて例えば図５に示すように波形分離したときに、ＰＥＥＫに形成された親水性表面における水酸基の割合は、表１に示すように、Ｏ１ｓのピーク面積比率で４５．３％であった。また、大気圧プラズマ処理直後の材料表面の水接触角は、表１に示すように、１２．３°であった。なお、以下に示す実施例２及び比較例１〜４についても、実施例１と同様に、試料の測定結果を表１に示す。
【実施例２】
【００５５】
実施例２では、大気圧プラズマ処理の処理条件において、材料表面上へのプラズマ照射時間を３０秒／ｃｍ２としたこと以外は、実施例１と同様に処理を行った。実施例１と同様にＸＰＳ測定を実施例２についても行った結果、ＰＥＥＫに形成された親水性表面におけるカルボキシル基の割合は、Ｃ１ｓのピーク面積比率で３．９％であった。また、ＰＥＥＫに形成された親水性表面における水酸基の割合は、Ｏ１ｓのピーク面積比率で３１．４％であった。大気圧プラズマ処理直後の材料表面の水接触角は３５．４°であった。
【比較例１】
【００５６】
比較例１では、大気圧プラズマ処理の処理条件において、材料表面上へのプラズマ照射時間を１０秒／ｃｍ２としたこと以外は、実施例１と同様に処理を行った。実施例１と同様にＸＰＳ測定を比較例１についても行った結果、ＰＥＥＫに形成された親水性表面におけるカルボキシル基の割合は、Ｃ１ｓのピーク面積比率で１．９％であった。また、ＰＥＥＫに形成された親水性表面における水酸基の割合は、Ｏ１ｓのピーク面積比率で２９．４％であった。大気圧プラズマ処理直後の材料表面の水接触角は４１．０°であった。
【比較例２】
【００５７】
比較例２では、基材としては実施例１と同様の材料を用いると共に、大気圧プラズマ処理の代わりに低圧酸素プラズマ処理装置（プラズマドライクリーナー、型式：ＰＸ−１０００、ＳＡＭＣＯ社製）を用い、出力５００Ｗで処理時間１０分の条件に設定して、低圧酸素プラズマ処理を行った。この低圧酸素プラズマ処理により付与された親水性官能基は、大気圧プラズマ処理した試料と同様に、水酸基及びカルボキシル基であった。実施例１と同様にＸＰＳ測定を比較例２についても行った結果、ＰＥＥＫに形成された親水性表面におけるカルボキシル基の割合は、Ｃ１ｓのピーク面積比率で１４．９％であった。また、ＰＥＥＫに形成された親水性表面における水酸基の割合は、Ｏ１ｓのピーク面積比率で１９．９％であった。低圧酸素プラズマ処理直後の材料表面の水接触角は１４．１°であった。
【比較例３】
【００５８】
比較例３では、基材としては実施例１と同様の材料を用いると共に、大気圧プラズマ処理の代わりにＵＶオゾン処理装置（卓上型光表面処理装置、型式：ＰＬ１６−１１０、セン特殊光源株式会社製）を用い、２５４ｎｍの照度が３０ｍＷ／ｃｍ２と成るように調整された光源と試料との距離を維持しつつ処理時間１０分の条件に設定して、ＵＶオゾン処理を行った。このＵＶオゾン処理により付与された親水性官能基は、大気圧プラズマ処理した試料及び低圧酸素プラズマ処理した試料と同様に、水酸基及びカルボキシル基であった。実施例１と同様にＸＰＳ測定を比較例３についても行った結果、ＰＥＥＫに形成された親水性表面におけるカルボキシル基の割合は、Ｃ１ｓのピーク面積比率で１８．９％であった。また、ＰＥＥＫに形成された親水性表面における水酸基の割合は、Ｏ１ｓのピーク面積比率で３．１％であった。ＵＶオゾン処理直後の材料表面の水接触角は１８．３°であった。
【比較例４】
【００５９】
比較例４では、大気圧プラズマ処理をしなかったこと以外は、実施例１と同様にして試料を作製した。実施例１と同様にＸＰＳ測定を比較例４についても行った結果、ＰＥＥＫの表面におけるカルボキシル基の割合は、Ｃ１ｓのピーク面積比率で０％であった。また、ＰＥＥＫの表面における水酸基の割合は、Ｏ１ｓのピーク面積比率で０％であった。この測定結果は、基材中に親水性官能基を含まないＰＥＥＫの理論値通りの結果であった。また、材料表面の水接触角は９０．６°であった。
【００６０】
【表１】
【００６１】
（細胞接着性評価）
【００６２】
実施例及び比較例の試料の表面における骨形成に関与する細胞の接着性を、マウス骨芽細胞様細胞（ＭＣ３Ｔ３−Ｅ１）を用いて評価することとした。具体的には、９０％コンフルエントな状態になるようにＭＣ３Ｔ３−Ｅ１を、１０％の牛胎児血清及び抗生物質を含むα−ＭＥＭ培地を用いて培養し、これを２４穴の細胞培養用プレートに配置した各試料に細胞数４×１０４個／ウェルとなるように播種した。これを、３７℃の５％ＣＯ２インキュベータ内で４時間培養後、試料を新たな２４穴の細胞培養用プレートに移し、培養時と同量の培地を添加後、さらに、２４時間培養し、Ｃｅｌｌ Ｃｏｕｎｔｉｎｇ Ｋｉｔ−８（株式会社同仁化学研究所製）を用いて、試料表面に接着している細胞数を計数した。結果は、表２に示す。
【００６３】
細胞数を計数した結果、試料として未処理のＰＥＥＫを用いた比較例４の試料表面に接着している細胞数を１００％としたときに、実施例１の試料表面に接着している細胞数は１１８％、実施例２の試料表面に接着している細胞数は１１１％、比較例１の試料表面に接着している細胞数は１０４％、比較例２の試料表面に接着している細胞数は１０５％、比較例３の試料表面に接着している細胞数は１０４％であった。
【００６４】
【表２】
【００６５】
以上の結果から、親水性表面における親水性官能基の少なくとも一種の割合が、その中心原子についてＸ線光電子分光法測定で得られるピークを波形分離したときに、親水性官能基に相当するピークの面積比率が３０％以上であるこの発明に係る生体インプラントの実施例は、比較例よりも、細胞の初期接着性の面で優位である。更に、生体インプラントとして生体内に埋入したときに、試料表面へ細胞が速やかに接着することで比較例よりも骨形成が早く進行し、骨との強固な結合を短時間で形成することが示唆された。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
この発明に係る生体インプラントは、例えば骨補填材、人工関節部材、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等に利用することができる。
【符号の説明】
【００６７】
１ 生体インプラント
２ ポリエーテルエーテルケトン
３ 親水性官能基
４ 親水性表面
５ 細胞
６ アパタイト核
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジニアリングプラスチックで形成された生体インプラントであって、
少なくとも一種の親水性官能基が付与されて成る親水性表面を有し、
前記親水性表面における前記親水性官能基の少なくとも一種の割合が、前記親水性官能基における中心原子についてＸ線光電子分光法測定で得られるピークを波形分離したときに、前記親水性官能基に相当するピークの面積比率として３０％以上であることを特徴とする生体インプラント。
【請求項２】
前記エンジニアリングプラスチックは、ポリエーテルエーテルケトンである請求項１に記載の生体インプラント。
【請求項３】
前記親水性表面が、大気圧プラズマ処理により形成される請求項１又は２に記載の生体インプラント。
【請求項４】
前記親水性表面に生体活性物質が担持されている請求項１〜３のいずれか一項に記載の生体インプラント。
【請求項５】
前記生体活性物質がリン酸カルシウム化合物である請求項４に記載の生体インプラント。
【請求項６】
前記リン酸カルシウム化合物がヒドロキシアパタイトである請求項５に記載の生体インプラント。
【請求項１】
エンジニアリングプラスチックで形成された生体インプラントであって、
少なくとも一種の親水性官能基が付与されて成る親水性表面を有し、
前記親水性表面における前記親水性官能基の少なくとも一種の割合が、前記親水性官能基における中心原子についてＸ線光電子分光法測定で得られるピークを波形分離したときに、前記親水性官能基に相当するピークの面積比率として３０％以上であることを特徴とする生体インプラント。
【請求項２】
前記エンジニアリングプラスチックは、ポリエーテルエーテルケトンである請求項１に記載の生体インプラント。
【請求項３】
前記親水性表面が、大気圧プラズマ処理により形成される請求項１又は２に記載の生体インプラント。
【請求項４】
前記親水性表面に生体活性物質が担持されている請求項１〜３のいずれか一項に記載の生体インプラント。
【請求項５】
前記生体活性物質がリン酸カルシウム化合物である請求項４に記載の生体インプラント。
【請求項６】
前記リン酸カルシウム化合物がヒドロキシアパタイトである請求項５に記載の生体インプラント。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１１−１２５５３１（Ｐ２０１１−１２５５３１Ａ）
【公開日】平成２３年６月３０日（２０１１．６．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２８７６６５（Ｐ２００９−２８７６６５）
【出願日】平成２１年１２月１８日（２００９．１２．１８）
【出願人】（０００００４５４７）日本特殊陶業株式会社 (2,912)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年６月３０日（２０１１．６．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１２月１８日（２００９．１２．１８）
【出願人】（０００００４５４７）日本特殊陶業株式会社 (2,912)
【Ｆターム（参考）】
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