博 士 （ 医 学 ） 松 本 聡 子

博 士 （ 医 学 ） 松 本 聡 子

学 位 論 文 題 名

実 験 的 人 工 椎 間 板 置 換 術 に お け る 立 体 織 物 型 人 工 椎 問 板 と 椎 体 の 界 面 に 関 す る 組 織 形 態 学 的 研 究

学 位 論 文 内 容 の 要 旨

     緒言

   構造的破綻をきた した脊椎あるいは 椎間板の再建は，脊 椎固定術が主体で 成績も安定してい る．一方脊椎固定に より固定隣接 椎 間の変性が進行す るといった，脊椎 固定術の弊害が指摘 されてきた，脊柱 の可動性と支持性を具えた再建法として人工椎間板は 理 想的とされ，現在 まで開発が行われ ている．しかし既存 人工椎間板の臨床 応用報告では，椎 体との界面に弛みや 脱転など問題 点も多い．この背景から著者らは多軸三次元立体織物型人工椎間板（3 ―DF disc ： Three dimensional fabric disc) の開発を進めてきた．

本 研究の目的は，動 物モデルに3‑DF disc を用い た腰椎椎間板置換 術を施行し，第1 に置換部位 の不動化が人工椎間 板と椎体の界 面 および 3 ― DF disc 内部における骨形 成に与える効果を明 らかにすること， 第2 に生体 活性セラミックス コーテイング材料である 水 酸化アパタイトと Apatite ー Wollastonite ガラ スセラミックスの 骨伝導効果の差を組織形態計測学的に明らかにすることである。

     材料と方法

1 よム玉推聞振（ユ〓DEd 血ヰの概要：3 ーDF disc は、超高分子量ポリエチレン繊維束を直鎖型低密度ポリエチレンで被覆した生体適合性 微 細繊維を三次元立 体織物に織りあげ たものである．表面 の椎体終板側には，水酸化アバタイト(HA ，平均粒子径2 ．881i m) または Apatite 一 Wollastonite ガラスセラミックス(AW ，平均粒子径4/lm) 粉体が，圧力8.5kgfcm ，2 で表面から深度 3mm まで吹付け処理され生 体 活 性が 付与 さ れて いる ． 実験 動物 の 成羊 椎間 板 の形 状に 合 わせ 作成 し た羊 用3 ― DF disc(20mmx 17mmx 10mm) を使用した．

2 ． 宝験 註 画： 実験 に は成 羊17 頭 （サ フオ ー ク種 ，2‑3 歳， 体 重70‑80kg) を用 い， 第 2 ー 3 腰椎 椎 体間 (L2‑3) 椎間板およ ぴ第4

‑5 腰 椎椎 体間 （ IA − 5 ）椎間板を羊用 3 ― DF disc を用いて 置換した．各椎間 には異なる生体活 性セラミックス(AW およぴHA) で表 面 処 理し た人 工 椎間 板を 用 いた ．設 置 高位 は無作為に決 定した．本実験（ 実験 1 ）に は13 頭を用いた． 実験動物は2 群に分け，

GroupI （ n=8) で は L2‑3 椎 間 板お よび LA‑5 椎 間板 を 羊用 3 ― DF disc を用いて置換した 後，何の追加処置 も加えなかった， Group II （ n=5 ） では 同様 の 人工椎間板置換 を行った後，同部位 の内固定による不 動化を加えた．い ずれの群も羊舎内で 飼育して術後 6 カ 月で 屠 殺し た， 補 助実 験（ 実 験2 ） には 4 頭 (GrouplII ） を 用い た．この実験は第 1 実験の 内固定による不動化 の効果が，よ り 早期にあたる術後 4 カ月で得 られているか否か を知るために行わ れた．GroupIII では Group II と同様の 人工椎間板置換と同部位 の内固定による不動化を加えた後に，術後 4 カ月で屠殺した．

3 ．壬罐壬 技：後腹膜進入でL2‑3 およびlA ・5 椎間高位を展 開した．上位椎体 の椎体終板ならびに下位椎体の終板を椎間板ごと切除 後 羊用3 一 DF disc を設置し，脊椎内固定を行わない動物は閉創し手術を終了した．内固定を行った動物にはKaneda SR one‑rod system を 使用した． 3 − DF disc 設置椎間の上 下椎体の中央部にス クリューを各1 本ずつ刺入し てRod で連結し，椎体一3 −DF disc に対する 脊柱前方固定術が完了した．

4 ．接杢佐 成と観察：摘出脊柱は，インプラント抜去後椎間板・椎体複合体とし，10 ％ホルマリン固定を行った．光学顕微鏡的観察，

組 織 形 態 計 測 に は 非 脱 灰 硬 組 織 標 本 を 作 製 ， 使 用 し た ．  10 ％ ホ ル マ リ ン 固 定 後 に ェ タ ノ ー ル 上 昇 系 で 脱 水 処 理 し ，

Methylmethacrylate 樹脂に包埋，重合し，椎間板・椎体複合体の全体を樹脂ブ口ック状の標本として作成した．椎間板―椎体複合体を

脊 柱 矢状 断面 に 平行 な面で3 ブロック に分割し，各ブロッ クごと平均間隔300LLm 毎，平均厚さ 300,Um の平行切片を 切り出した．

各 切 片 は 平 均 厚 さ70,Umま で 研 磨 し ，Cole s Hematoxylinま た はToluidine Blue0染色(pH5.0)を 行 った ．3‑DF disc界 面 の骨 梁 と周 辺 組 織 の 定 性 的 評 価 は ， 染 色 標 本 で の 光 学 顕 微 鏡 観 察 に よ る ． 走 査 型 電 子 顕 微 鏡 に よ る 界 面 の 観察 も行 っ た． 組 織形 態 計測 は ，染 色 標 本 に 対 し て コ ン ビ ュ ー タ ー 解 析 ソ フ ト を 使 用 し た ． 対 象 標 本 は3ブ ロ ッ ク か ら 無 作 為 に1枚 ず つ 抽 出 し た 合 計3枚 で あ る ． す べ て の 形 態 計 測 的 手 法 で 椎 体 と3−DF disc上 ・ 下 縁 に あ る 両 界 面 の 全 長に つ いて 計 測し ， また 各 椎間 板． 椎 体複 合 体ご と に3切片 の 標 本 の 平 均 値 を 検 討 し た ． 界 面 の 椎 体 側 に 形 成 さ れ た 新 生 骨 梁 の 検 討 で は ， 界 面 部 分 に2領 域 ： Zone1お よ び2を 定 義 し(Zone 1： 3‑DF disc繊 維 最 外 層 か ら 椎 体 側 に500/lmま で ，Zone2：500,tLmか ら1000/lmま で ） ， 各Zoneご と に3つ の パ ラ メ タ ー ， 骨 梁 幅(TbTh)， 骨 梁 数(TbN） 骨 梁 間 隙(TbSp)を 計 測 し た ． 骨 梁 幅(TbTh)は ， 骨 梁 の 平 均 幅 を 示 す バ ラ メ タ ー で あ り ， 標 本 上 で 骨 面(BS)， 骨 量 （BV)を 計 測 し 、 下 式 に よ り 算 出 し たTbTh=2x BV/BS（ ハm).

骨 梁 数 (TbN)は 単 位 距 離 あ た り の 骨 梁 数 を 示 し ， 下 式 か ら 算 出 し た （ TV：  tissue volum(組 織 量 ） ） ．     TbN＝(BV／TV） ／TbTh＝ BV/（TVx TbTh)=BS/(2x TV) (/mm)

骨 梁 間 隙(TbSp)は ， 隣 接 し た 骨 梁 の 端 と 端 の 距 離 を 示 し ， 下 式 で 定 義 さ れ る ．     TbSp=TbThx (TV/BVー1） ＝(1/TbN)‑ TbTh

    ま た3‑DF disc繊 維 間 隙 に 進 入 す る 骨 梁 の 定 量 的 評 価 は 以 下 の よ う に 定 義 し 計 測 し た （ 骨 梁 進 入 率 ％Penetration)．最 外 層の 3‑DF disc繊 維 の 隣 接 す る 繊 維 間 に 接 線 を 規 定 す る ． こ の 接 線 を 超 え3−DF disc側 ヘ進 入 して い る骨 梁の 接 線横 断 距離 を 計測 ， これ を 各 繊 維 間 で 繰 り 返 し 計 測 し 総 和 を 算 出 （Za） す る ． っ ぎ に 測 定 範 囲 内 の 総 接 線 距 離 （Zb） を 計 測 し ， そ れ に 対 す る 比 率 を 下 式 で 計 算 し た ％Penetration＝ （ 呂a／Zb）x 100.

統 計 学 的 検 討 に は ，One・way ANOVAを 用 い 多 重 比 較 の た め にTukey―Kramer法 を 用 い た ． 有 意 水 準 はPく0.05と し た ．     結 果

I． 実 験1

l． 肉 眼 的 観 察GroupIの3−DF disc表 面 は ， 瘢 痕 組 織 で 覆 わ れ 周 囲 に 骨 棘 の 形 成 が 目 立 っ た ． 骨 棘 は3−DF disc前方 （ 腹側 ） にも 形 成 さ れ ， 一 部 の 標 本 はdisc表 面 が 骨 棘 に よ り ほ ぽ 完 全 に 埋 没 し て い た ． 一 方Group IIの 表 面 は 大 き く 異 な り ， 瘢 痕 形 成 は あ る が 骨 棘 形 成 は わ ず か で3―DF disc前 方 に 骨 棘 が 形 成 さ れ た 標 本 は な か っ た ．

2． 光 学 顕 微 鏡 に よ る 観 察3ーDF disc内 部 ヘ 進 入 す る 骨 梁 は ，Grouplは 界 面 全 体 に わ た り ほ ぽ 同 程 度 の 深 度 で 骨 梁 が 形 成j隹 入 し た 均 一 型 で 特 に3―DF disc前 方 に 形 成 さ れ た 骨 棘 周 囲 が 中 心 だ っ た ．Group IIで は 界 面 の 一 部分 にお い て際 立 って 骨 梁が 内 部進 入 し た 突 出 型 が 多 く 全 例 で 骨 梁 進 入 の 最 深 部 は 椎 体 に 刺 入 し た ス ク リ ュ ー 直 下 付 近 で あ っ た ． 両Groupで ， セ ラ ミ ッ ク ス 処 理 に よ る 違 い は な か っ た ， 界 面 の 骨 梁 と 周 辺 組 織 は ，Group.Iで は ， 界 面 全 体 に 周 囲 を 配 向 が 不 規 則 な 線 維 性 結 合 組 織 が 取 り 巻 き ， 新 生 骨 梁 は 界 面 に 平 行 な 数 層 の 層 状 構 造 を 呈 し3−DF繊 維 間 へ の 進 入 はGroup IIよ り 少 な く ， 一 部 は 進 入 し た 骨 梁と3ーDF disc繊 維 が 微 細 間 隙で 接 して いた ．    Group IIは， 軟組 織 膜の 介 在は な く繊 維 表面 に骨 梁 が直 接 接触 し 繊維 内ヘ 連 続的 に 進入 し てい た ．新 生 骨 梁 の 先 端 が3ーDF disc内 部 へ と 向 か う も の が 多 く ， 周 辺 は 類 骨 や 線 維 軟 骨 に 富 み ， そ の 配 向は3―DF disc内 部ヘ 向 かう 放 射状 で あ っ たt3−DF disc内 部 の 繊 維 間 隙 で はGroupI IIと も 類 骨 や 層 状 骨 が 島 状 に 存 在 し て い た ． 全 群 と も 大 部 分 は セ ラ ミ ッ ク ス コ ー テ イ ン グ 深 度 内 の 進 入 で あ っ た ． 炎 症 反 応 を 示 唆 す る 細 胞 は 見 ら れ な か っ た ．

3． 骨 形 態 計 測 ：

＠ 骨 梁 幅 ， 骨 梁 数 ， お よ ぴ 骨 梁 間隙 ： HAに関 してZone1では ，Group IIが 骨梁 幅 が広 く （Pニ0．0018)，骨 梁 数が 多 くそ 骨 梁間 隙 は狭

っ た ．     考 察

本 研 究 は ， 第 一 に3ーDF discを 用 い た 人 工椎 間 板置 換術 に おけ る 置換 部 位の 不動 化 が、3−DF discと 椎 体界 面の 骨 梁形 成 なら び に繊 維 間 隙 内 へ の 骨 梁 進 入 の た め に 有 意 の 促 進 効 果 を 与 え る こ と を 明 ら か に し た ． 第 二に3−DF disc表 面 の吹 きっ け 処理 材 料で あ る水 酸 化 ア パ タ イ ト とApatite−Wollastoniteガラ ス セラ ミッ ク スの 骨 伝導 効 果に は有 意 の差 が ない こ とを 明 らか にし た ．し か し本 研 究に は い く っ か の 限 界 が あ る 。 第 一 は 経 過 観 察 期 間 が 短 い こ と で あ る ． 今 後 に ， 一 度 形 成 進 入 し た 骨 梁 が そ の ま ま り モ デ リ ン グ を繰 り 返 し 界 面 強 度 を 維 持 す る の か ， あ る い は 吸 収 さ れ3―DF discの 固 着 強 度 の 低 下 を生 じ るの か ，あ る いは 完全 に 骨梁 が 貫通 し 椎体 間 固 定 と 同 様 に な る の か は 不 明 で あ る ． 第 二 は 、4つ 足 歩 行 動 物 を 用 い て お り ， 椎 間 板 そ の も の に か かる カ学 的 負担 が ヒト と は大 き く 異 な る こ と で あ る ． 第 三 は ， 初 期 不 動 化 の 方 法 が 前 方 か ら の 脊 椎 内 固 定 で あ る こ と で あ る ． 理 想 的 な 人 工 椎 間 板 を 開 発 する た め に は ， 種 々 の 角 度 か ら の さ ら な る 研 究 が 必 要 と 考 え ら れ た ．

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学位論文審査の要旨

学 位 論 文 題 名

実験的人工椎間板置換術における立体織物型人工椎間板と

     椎 体 の 界 面 に 関 す る 組 織 形 態 学 的 研 究

   構造的破綻をきたした脊椎再建には，固定術がその主体を占める．その一方で，固定術が隣接 椎間の変性をきたすという弊害も指摘されている．脊柱の可動性と支持性を備えた脊椎再建法と して人工椎間板は理想的だが，既存人工椎間板の報告では弛みや脱転など問題点も多い．申請者 らは表面に生体活性セラミックスコーテイングした立体織物型人工椎間板（3 −DF disc ）の開発 を進めてきた．本研究の目的は，動物モデルに3 −DF disc を用いた腰椎椎間板置換術を施行し，

置換部位の不動化が人工椎問板と椎体の界面および3 ―DF disc 内部における骨形成に与える効果，

生体活性セラミックスコーティング材料の水酸化アパタイトとApatite →Wollas tonite ガラスセ ラミ ックスの骨伝導効果の差を，組織形態計測学的に明らかにすることである．実験は成羊17 頭を 用い， 第2 − 3 およ び第4 ― 5 腰椎椎体 間椎間 板を羊用3 ーDF disc で置換した．本実験13 頭 のうちGroupI （n=8) では羊用3 ―DF disc 置換のみ，Group II （n= ニ5 ）はさらに脊椎内固定（脊 椎前方固定法： Kaneda SR one ―rod sys tem) を加え，術後6 カ月で屠殺した．補助実験4 頭(Group 皿）は置換と内固定を行い，術後4 あ月で屠殺した．屠殺後に非脱灰硬組織標本を作製し，椎体 との 界面に対し光学顕微鏡観察，組織形態計測を行った．GroupI は界面に軟組織膜を形成して いた のに比し，Group II の界面新生骨梁は，直接 3 ― DF disc 繊維に接触，内部へ進入するもの が多かった．また内部の繊維間隙にも骨梁形成が見られたが，いずれもセラミックスコ←ティン

男 則

信

明 和

喜

浪 田

崎

三 安

岩

授 授

授

教 教

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査 査

査

主 副

副

に骨形態計測の結果に有意差はなく，少なくとも術後 4 カ月で内固定による効果が発現するもの と 思 われ た ． いず れ の Group に お い て もセ ラ ミック コーテイ ング間 に有意差 はなか った．

   以上より，3 ー DF disc による椎問板置換では内固定併用が有効であり少なくともその効果は術 後 4 カ月で発現すること，ならびに3 ―DF disc 表面に吹付け処理した2 種類のセラミックスコー ティングは，今回の処理方法においては界面での骨梁形成に有意差がないことが明らかとなった，

   審査にあたり，副査安田和則教授から，脊椎内固定解除後の界面新生骨梁の行方と人工椎聞板 の材料であるポリエチレンの磨耗と骨溶解についての質問があった．申請者は，術後6 カ月以降 界面強度が維持されるか骨梁が吸収されるか不明であること，金属抜去により生じる骨梁の変化 については関連実験において吸収性材料を用いた内固定術により検討していること，またポリェ チレンについて生体外疲労実験では磨耗粉や繊維破壊はないものの，生体内で磨耗粉が出現した 場合骨溶解の可能性も考えられると回答した．続いて，副査岩崎喜信教授から人工椎間板の椎体 内沈みこみ現象の可能性と，吹き付けたセラミックスと繊維間の破損 0 長期的使用による問題点 についての質問があった．申請者は，沈み込みは起こりうる危険性があり臨床応用では適応に留 意す べきであり，また 3 − DF disc 繊維径に対しセラミックス粒子径は 100 分の1 以下で繊維―セ ラミックス界面での破損が生じる危惧は少ないと考察するが，物性が異なるものの界面では可能 性も将来検討していくぺき問題であると回答した．最後に主査三浪明男教授より，臨床応用を考 慮した場合の内固定の最低期間について，今回使用した前方法以外の内固定法適応の可能性につ しゝて，質問があった．申請者は，内固定の最低期間は，今回用いたヒツジでは最低4 カ月以内と 推測されるものの，骨形成速度は種により違うため別の観察期間における検討が必要だが，少な くとも骨折治癒の場合のように数0 月の単位が必要と思われること，後方固定術との併用や脊椎 のその他の高位にも適応可能であると思われる，と回答した．

   本研究は，人工椎間板置換術における界面の骨梁ならびに組織形成に対して行った独創的な研 究であり，人工椎間板置換における内固定ならびに生体活性セラミックス併用の有効性を示した 点で，脊椎の組織学分野に大きく寄与した．更に骨梁の経時的変化に着目した追加実験が行われ ると ，骨梁形 成時期 がより一 層解明 され，臨 床応用 への足ががりとなることが期待される．

   審査員一同は、これらの成果を高く評価し、大学院課程における研鑽や取得単位なども併せ申 請 者 が 博 士 （ 医 学 ） の 学 位 を 受 け る の に 充 分 な 資 格 を 有 す る も の と 判 定 し た 。

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