Development of Biomaaterials for Artificial Bone; Shigeo Niwa (Emeritus Professor of Aichi Medical University, Aichi) Keywords: artificial bone, hydro
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(2) こ とか ら極 めて 安 定 した 確 実 な 修 復 が 期待 さ れ る.. 的 な 骨 との 固着 性(介 在 性,接 触 性,結 合 性 骨 形 成),生 物 学. しか しな が ら,自 家 骨 移植 にお い て は,そ の移 植 骨 の採 取 量,部 位 に,移 植 関 節 に お い て は 部 位 に制 約 が あ り,ま た2. 的 に は 骨誘 導 性,骨 伝 導 性,骨 へ の 置換 性,ま. た材 料 の 吸 収. 性,非 吸収 性,腐 食,劣 化 な ど多 くの 因子 が関 わ って くる.. 次 的 な手 術 操 作 が必 要 で あ る こ とか ら,そ の適 応 範 囲 が限 ら. 恒 久 的 に生 体 内 に埋 入 す る もの と して の代 表 的 な 人 工 関 節. れ て い る.同 種 骨 は通 常 冷 凍 保 存 骨 が 用 い られ るが,わ が国. は,単 独 素 材 で は総 ての 条 件 が 満 た さ れ な い の で,そ の 材 料. に お い ては 法 的,倫 理 的,過 去 の 習慣 か ら,ま た感 染,組 織. の 特性 を生 か した複 合 製 品 で あ る.ま た脊 椎 間 固 定 に対 して. 適 合 性 な ど種 々 な問 題 点 もあ り,十 分 な量 の 同種 移 植 組 織 を 一 般 病 院 に提 供 を受 け る こ とが 出 来 る ところ ま で整 備 さ れて. は そ の 解剖 学 的特 徴 か ら,圧 縮 強 度,ね. い な い現 状 で あ る(4).. 短期 間埋 入 す る もの として 代表 的 な骨 折 に対 す る固 定 器 と リ. い 骨 を 破 骨 細 胞 が 吸 収 し,骨 芽 細 胞. 填 につ い て は骨 親 和 性,骨 誘 導 性,骨 伝 導 性 の あ る素 材 が望. に よ っ て新 しい骨 に置 き変 る現 象,成 人 に お い て は吸 収 され る骨 の 量 と,新 し く作 られ る量 は 同 じで あ りこの 吸収 か ら再 生 ま で の 期 間 は3‑5月 形:骨. を 要 す る(5)),ま た モ デ リン グ(造. に加 わ る負 荷 に よ っ て,骨 の形 態 が 変 化 す る)の 現 象. まれ る. 硬 組 織(骨)の 生 体 材 料 として,セ ラ ミ ック ス材 料,高 分 子 材 料,金 属 材料,お. この よ うな条 件 下 で,人 工 骨 用 材 料 は 臨 床 の 立場 か ら以下 に 述 べ る よ う な 必 要 条 件 が 挙 げ られ る.1)骨 料 の 靱 性,4)手. よび これ らの 複 合 材料 が あ げ られ る.こ. れ らの 生 体 材 料 は移 植 後 の骨 形 成 の様 式 か ら分 類 さ れ て い るの(表1).ま. を持 つ こ とであ る.. 2)機 械 強 度,3)材. らに脊. して は 単独 に金 属 材 料 が 用 い られ て い る.骨 欠 損 に対 す る補. 自家,同 種 骨 の 骨 移 植 材 料 として の 特 徴 は,骨(図2)の モ デ リン グ(骨 改 造:古. じれ強 度,さ. 椎 体 との 固 着性 を必 要 とるた め,特 殊 な製 品 が用 い られ る.. た 骨 組 織 の 主 な機 械 強 度 は 表 に示 す ご と くで. あ る(8)(表2).. へ の親 和 性,. 術 時 の 操 作 性,な. どで あ 表1. る.そ して そ の生 体 材 料 の使 用 目的 に よ って,例 え ば生 体 内. 骨 組 織 との適 合 性 に よ る生 体 材 料 の 分 類.. へ の埋 入期 間 に よっ て材 料 に要 請 され る条 件 が 大 き く影 響 さ れ る. 特 に金 属 材 料 に お い て は,骨 の 剛 性 と金 属 の そ れ との 関連 が 深 く関与 す る.骨 は加 わ る 負荷 に よ って,ピ エ ゾ 電 流 が発 生 し,こ れ に よ っ て 骨 形 成,骨. 吸 収 が 大 き く影 響 され て い. る(6)ことか ら剛 性 の 高 い 金属 に よって 長 期 間,骨 が 固 定 され る と骨 は萎 縮 を きた す こ とは 良 く知 られ て い る. 恒 久 的 に生 体 内 に埋 入 す る骨 欠 損 に対 す る補 填 材 料,人 工 関 節,一 時 的 に 用 い る骨 折 固 定器 な どそ の条 件 が異 な る こ と を十 分 認 識 す る必 要 が あ る.用 い る 目的,部 位 に よ って 機 械. 表2. 図2. ま て Materia. 皮 質 骨 の仕 組 骨 へ の 栄 養 は ハ ー バ ー ス 氏 管 とフ オ ル ク マ ン 氏 管 に よ り行 わ れ る.骨 細 胞 は 骨 小 腔 内 に あ り無 数 の 骨 細 管 と連 絡 して い る.リ モ デ リン グ は 骨 単位 で起 こる.. り あ 第43巻 Japan. 第3号(2004). ヒ ト骨 破 壊 強 度.. (a). ヒ ト長 管 骨 の 曲 げ破 壊 強 度[N]. (b). ヒ ト長 管 骨 の ね じ り破 壊 強 度[MPa]. (c). ヒ ト長 管 骨 の 最 大 た わ み[mm]. (d). ヒ ト椎 骨 の圧 縮 破 壊 強 度[N]. (e). ヒ ト椎 間板 の 圧 縮 破 壊 強 度(上 下 の椎 体 を つ け た ま ま)[N]. 187.
(3) 以 下 現 在 用 い ら れ て い る 人 工 骨 材 料(セ ラ ミ ッ ク ス,高 子,金. 属,各. (1)ア. 種 複 合 材)に つ い て そ の 概 要 を の べ る.. ル ミ ナ,ジ. ル コ ニ ア,カ. セ ラ ミ ッ ク ス 材 料 のbioinertな コ ニ ア,カ. 素 材Drug. HAは. 素 材 と し て ア ル ミナ,ジ. ル ミ ナ,ジ. ル コニ ア は その 表 面 粗. 面 研 磨 が 可 能 で1000MPa以. れ た 摩 擦 ・摩 耗 特 性,潤. 上 の 曲. 滑 特 性 を示 す こ と. た,こ. の 特 性 を生 か して アル ミナ対 ア ル ミ. ル コニ ア対 ジル コニ ア の組 み合 わせ に よ る人 工 関 節 が. 開 発 さ れ つ つ あ る(10).ま. た ア ル ミナ に つ い て は 骨 欠 損 に 対. す る ス ペ ー サ ー と し て も 広 く用 い ら れ て い る.. こ の30年 間,わ. が 異 な り,そ. れ て い る こ と は,Gottら(1961)に の 後 低 温 熱 分 解 炭 素(LTIC:low. よ っ て 明 ら か に さ れ,そ temperature. isotropic. よ る 人 工 心 臓 弁 と し て 用 い ら れ て い る.し の 機 械 強 度,生. 体 親 和 性 に 優 れ て い る が 骨,関. い て は 材 料 表 面 か ら炭 素 粒 子 が 逸 脱 し,周 れ る こ と や,リ. car‑. か しなが 節 にお. 囲 組 織 に 取 り込 ま. の 焼 成 温 度 に よ りHA結. そ の 硬 度 は 高 く,ま ペ ー サ ー,人. た 生 物 活 性 は 低 い の で,緻. 前 後 で 多 孔 体,お たHAは. 密 体 と して ス 方,骨. 形. 成 温度. よ び 顆 粒 体 が 用 い られ て い. 機 械 強 度 が 低 い た め,よ. た 加 工 性 を 期 待 し たHAと. り高 い 強 度 を. β‑Tricalcium. phophate. 複 合 剤 も 開 発 さ れ 広 く用 い ら れ て い る(20).HA. の 骨 内 で の 吸 収 置 換 に つ い て はHAが い て は 期 待 さ れ た が,広. 開発 された初期 にお. く臨 床 に 用 い ら れ る に 従 っ て 吸 収 は. く に 高 結 晶 性 のHAはbioinertに. 定 し て い る と考 え ら れ て い る.し. 近 く骨 内 で は 安. か し な が ら,低. は 徐 々 に 吸 収 置 換 が 行 わ れ て お り,特. 結 晶 性HA. に若 年 者 に用 いた 場 合. そ の 傾 向 が 明 ら か で あ る(21)(表4).. ンパ 節 に移 動 集 積 す るな どの 問題 点 が あ る と (5)β‑Tricalcium. さ れ て お り こ れ ら を 防 ぐ方 法 が 研 究 さ れ つ つ あ る(11).. β‑TCPはHAが. ラ スセ ラ ミ ック ス. 解,吸 セ ラ ミ ッ ク ス 材 料 のbioactiveな あ げ ら れ る.1971年. 素 材 と し て 第 一 に. は 米 国 のHenchは. 合 成 し. 収 さ れ,骨. phophate(β‑TCP) 開 発 さ れ た 時 期 に に お い て,骨. HAに. 総 て 骨 に 置 換 し う る か の 疑 問 も あ り,. 比 し て 安 定 性 が な い こ と,ま. 期 そ の 研 究 が 少 な か っ た(24).近. Na2O‑CaO‑P2O5系. TCP(メ. ガ ラ ス)を 発 見 し,Bioglassと. 命 名 して. の 発 見 に よ って 骨 に対 す る生 体 材 料 の 研 究 が 加. 速 さ れ る.Henchの. 内で溶. 形 成 も 見 られ る こ とか ら 期 待 さ れ た が,吸. 収 さ れ た β‑TCPが. た 無 機 材 料 が 生 体 の 骨 組 織 と化 学 的 に 結 合 す る 素 材(Sio2‑. い る(12).こ. な. 晶 は 完 全 と な る が,. 工 歯 根 な ど に 用 い ら れ て い る(18).一. 800〜1000℃. 遅 く,と. の. 物 活 性(骨 形 成 能 力). 成 を 期 待 し て 骨 欠 損 補 填 の た め の 製 剤 と し て は,焼. る(19).ま. 材 料 で抗 血 栓 性 に優. 械 的 強 度,生. れ ぞ れ そ の 目的 に 応 じ て 用 い ら れ て い る.す. わ ち,1250℃. (β‑TCP)の カ ー ボ ン 繊 維 に つ い て は,bioinertな. bioglassが. が 国 に お い て も数 多 くの 研 究 とHA. 条 件(焼 成 温 度)に よ り,機. 得,ま. ーボ ン. (3)ガ. 工 関 節 のcoatting. て い る. ーボ ン. 腿 骨 々 頭 と し て 金 属 骨 頭 に 代 わ っ て 広 く用 い. ら れ て い る(9).ま. ら,そ. 工 歯 根,人. 坦 体 な ど広 く臨 床 に 応 用 さ れ. 合 成 に は 一 般 に は 湿 式 合 成 に よ っ て 製 作 さ れ て い る が,そ. で 人 工 関 節,大. bon)に. Systemの. 製 材 が 開 発 さ れ 広 く臨 床 研 究 に 用 い ら れ て き て い る.HAの. 小 な(0.1μm)鏡. (2)カ. ペ ー サ ー,人. Delivery. ー ボ ン な ど い ず れ も 骨 組 織 親 和 性 が 良 く優 れ た 物. げ 強 度 が あ り,優. ナ,ジ. 損 の 補 填 材,ス. ル. 理 学 的 特 性 を 生 か し て,ア さ,微. 分. た 抗 原 性 が あ る な ど一 時. 年 新 し い 素 材 と し て の β‑. カ ノ ケ ミ カ ル 法 に て 作 成 さ れ たCaHPO4・2H2O:. CaCO3,Ca/P=1.5,焼. 成 温 度:1050℃,pore. size:200,. こ の 新 し い 画 期 的 な 発 見 以 後bioactive. ガ ラ ス が 各 国 で 開 発 さ れ 報 告 さ れ て い る. わ が 国 で は 生 体荷 重 下 に お いて 骨 置 換 材 として 使 用 出来 る ガ ラ ス セ ラ ミ ッ ク ス を1982年 P2O5‑MgO‑CaF2系. の 約2倍. ー ボ ン の 機 械 的 性 質.. ラ ス セ ラ ミ ッ ク)が 開. の 材 料 は 曲 げ 強 度 は178MPa,靱. 高 い 値 を 示 し,ま. た 接 着 強 度 も7.12kgと. の 値 を 持 っ て い る こ と か ら,山. ceramicに. ル コ ニ ア,カ. パ タ イ ト と ウ オ ラ ス トナ イ トの 結. 晶 を 含 ん だ ガ ラ ス セ ラ ミ ッ ク(A‑Wガ. GPaと. ア ル ミ ナ,ジ. の ガ ラ ス 粉 末 か ら焼 結 と結 晶 化 を 行 い ,. ア ル カ リ金 属 を 含 ま ず,ア. 発 さ れ た(13).こ. 表3. 小 久 保 ら に よ っ てSiO2‑CaO‑. 性117 アパ タ イ ト. 室 ら はA‑Wglass. よ る 腸 骨 ス ペ ー サ ー を 作 り腸 骨 稜 の 大 き な 欠 損 の. 補 填 を,ま. たA‑W. glass ceramic製. 人 工 椎 体 に よ る椎 体 置. 表4. Hydroxyapatite(緻. 密 体),A‑WGCの. 機械的性質. 換 を 行 い 長 期 の 追 跡 調 査 で 良 好 な 成 績 を 収 め て い る(14)(表 3). (4)ハ. イ ド ロ キ シ ア パ タ イ ト(HA). 骨 の 無 機 質 の 主 成 分 で あ る リン 酸 カ ル シ ウ ム 製 材 で あHA は,1970年 て,そ. 代 は じ め に 米 国Michel.Jarcho,青. の 合 成 が 可 能 と な り(16)(17),こ の 合 成HAが. 親 和 性 を も ち,骨. 188. 木 らに よっ 骨 と良 い. と直 接 結 合 す る こ と が 明 ら か と な り,骨. 欠. ミ ニ 特 集.
(4) porosity:75%)が. 報 告 さ れ,骨 腫 瘍 に よ る骨 欠 損 に対 して,. この 素 材 の特 徴,問 題 点 として,吸 収 の ス ピ ー ドと機 械 強. 素 材 の 良好 な 吸収 と,経 時 的 に 自家 骨 に置 換 さ れ る こ とが示. 度 の 関 連 で あ る.吸 収 性 が早 い もの は,目 的 とす る癒 合 まで. さ れ て い る(25).現 時 点 で 臨 床 的 な成 績 は 明 らか で あ る.そ. の 固 定 強 度維 持 を得 る こ とが 出来 な い.ま た,吸 収 性 の 遅 い. の メ カ ニズ ム は基 礎 的,生 物 学 的 な 研 究 に よ って 明確 に な る. 場 合 は,生 体 内残 留 が長 くな る こ とで あ る.こ れ らの 問 題 点. と考 え られ る. (6)バ. を 解 決 し た 製 品 と し てTolmalaが. イオ ア クテ イブ 骨 ペ ー ス ト(bioactive bone. paste:. BABP). self‑rein‑forced PGA. 開 発 し たPGAに. よる. rodで,PGAのmatrixをPGA. fiber. にて 自己 強 化 し た もの で 欧 州 で1980年 代 か ら用 い られ て い る(32).わ が 国 で は 筏 らに よ り開 発 さ れ たPLLArodが. 広く. 合 成HAは 生 体 親 和 成 に優 れ,生 体 活 性 で 骨 伝 導 能 を 持 つ こ とか ら,こ れ ま で 骨 欠 損補 填 材 料 と して ブ ロ ッ ク状,穎. 用 い られ て い る.本 製 品 は 機 械 強 度(200〜240MPaの. 曲げ. 粒 状 として 用 い られ て きて い る.し か しな が らこれ らの 製 材. か しな が ら,完 全 吸収 に は2〜3年. は,骨 欠 損 に対 す る補 填 材 と して の効 果 は十 分 期 待 し う る も. る(33).ま た,Tolmalaら. の で あ っ た が,そ の 殆 どは1000℃. forced PLLAを. 性HAで. あ る た め,骨. 以 上 に焼 成 さ れ た 高 結 晶. 内 で の 吸 収,骨. 置 換 が 起 きな い もの. 強 度)を 持 ち8週 ま で 骨 皮 質 強 度 を維 持 す る もの で あ る.し 以 上 を 要 す る とさ れ て い. は,PLLAに. つ い て もself‑rein‑. 開 発 し強 い初 期 強 度 を示 して い る(34).こ れ. ら吸収 性 ポ リマ ー の 欠 点 は,大. きな材 料 を用 い い た 時,分 解. で あ り,手 術 時 の操 作 性 が 必 ず し も外 科 医 の 満 足 い くもの で. が或 時 期 に短 時 間 に起 こ るた め,時 に無 菌 性 の 反 応,痩 孔 を. な か った.こ れ らの欠 点 を補 うた め の合 成 リン 酸 カ ル シ ウ ム. 形 成 す る こ とが 報 告 され て い る.更 な る改 良 が 期 待 され る.. 製 剤 を ペ ー ス ト状 か ら硬 化 す る 製 剤 へ の 改 良 に つ い て, LeGerosら は1982年 に 始 め て 報 告 し て い る(26).1987年. (8)吸 収 性 ポ リマ‑複 合材. Brownら. ま た,上 記 の ポ リマ ー は,骨. に よ っ て 現 在 の よ うな 自己 硬 化 型 の セ メ ン トが 開. との 結 合 性 が な い た め,bio‑. 発 され て い るが(27)わが 国 に お い て は 門 間 らの研 究 が み られ. activeセ ラ ミ ックス とポ リマ ー との組 み 合 わ せ に よる複 合 材. る(28).以 後 多 くの研 究 者 に よ って 各 種 のBABPが. が 開 発 さ れ い る.多. 開発 さ れ. くの 研 究 が な さ れ て い るHA/PLLA. て い る.こ の製 剤 の特 徴 は常 温 で の反 応 で あ り,そ の 結 晶性. は,優 れ た 骨 伝 導 能 と骨 皮 質 に類 似 した 機 械 強 度 を も骨癒 合. が 低 く,吸 収性 と骨 置 換 が期 待 さ れ る.し か しな が ら,そ の. の過 程 で,徐 々 に固 定 強度 が低 下 す るた め,金 属 固 定 材料 を. 硬 化 時 間 と機 械 強度 に つ い て は 尚十 分 で な く,各 研 究者 は新. 用 い る時 に見 られ るス トレス シー ル デ イン グ が 少 な い とさ れ. しい素 材 の 開発 に凌 ぎ を け ず っ て い る(29)‑(31)(表5).. て い る(35).. (7)吸. 収性 ポ リマ‑(bioresobable. polymer). 生 体 内 分解 吸収 材 料 は,吸 収 性 の縫 合 糸,骨 接 合 材 と して の ス ク リ ュウ ー と し1970〜1980年. 代 に か け て 開発 され て き. (9)金 属 材 料 骨 組 織 に対 す る金属 材 料 は,長 期 間 体 内 に埋植 さ れ る た め 腐 食 が 最 も問 題 とな る.こ れ に 耐 え得 る もの と して,20世. た が そ の多 くは α‑ヒ ドロ キ シ 酸 誘 導 体 に属 す る脂 肪 酸 ポ リ. 紀 に 入 り機 械 強 度 に 優 れ,良. エ ス テ ル あ る.こ れ の高 分 子 材 料 は,生 体 内で 加 水分 解 さ れ. 316Lス. TCA‑cycleに. ロー ム コバ ル トモ リブ デ ン合 金 が人 工 関 節 の 素 材 と して 開発. 入 り水 と炭 酸 ガ ス とな る と され て い る.そ の. い 耐 食 性 を持 つ 材 料 と して,. テ ン レ ス鋼 が 開発 され,さ. らに機 械 強 度 に優 れ た ク. さ れ現 在 広 く用 い られ て い る.し か しな が ら,こ の 金属 は加. 代 表 的 な も の はpolyglycolic acid(PGA)お よ びpolylactic acid(PLA)で あ る.こ の 素 材 の 開 発 の 目的 は,材 料 を使 用 し. 工 が 困 難 で鋳 造 に よ っ て い る.1960年. た初 期 に お い て,軟 部 組 織 の癒 着,骨 組 織 の 結 合 を,癒 合 後. 高 く,耐 食 性 も 良 く,低 剛 性 で あ る純 チ タ ン,チ. は 完 全 に そ の材 料 が 吸収 さ れ る こ とを期 待 す る もの で あ る.. (α+β 型)が316Lス. 以 降,軽 量 で 強 度 も. テン レス 鋼 代 わ って,広. タン合金. く用 い られ て. 来 て い る(36)‑(38).また チ タン 合 金 は従 来 の 金 属 に較 べ て 細 菌 感 染 に対 し て抵 抗 性 もあ る こ とがAOグ 表5. 製 品 化 され て い るバ イオ ア ク テ ィブペ ー ス ト.. ル ー プの研究 に. よ って も明 らか に な って い る(39). 過 去 の 多 くの 臨床 経 験 か ら,骨 組 織 を 支 え るた め に用 い ら れ た 金 属 材 料 は,屡,疲. 労 骨 折 を来 た す こ とが 知 られ て い. る.骨 組 織 は 負 荷 が加 わ る こ とに よ り,絶 え ず リモ デ リン グ が起 こ って い るた め,骨 内 にあ る金 属 は 弾 力 性 と耐 疲 労 性 が 必 要 で あ る.す な わ ち,固 定 の た め に用 い られ る金 属 は生 物 学 的 な機 能 を持 つ こ とが要 請 され る.S.Nadeは,骨. 固定 の. ため の 金 属 材料 の条 件 を 以下 の よ う にの べ て い る(40).. ま て Materia. り あ 第43巻 Japan. 第3号(2004). #. 周 囲組 織 に対 す る非 毒 性,非 破 壊 性. #. 耐腐食性. #. 張 力 の維 持. #. 良好 な電 気 化 学 的 性 質. #. 機 械 強 度(易 変 形 性 と硬 度)の 望 ま しい組 み 合 わ せ. 189.
(5) 一方. ,金. 属 の 組 成 に お い て,コ. れ るCoやCr,Ti‑6Al‑4V合. バ ル トク ロ ー ム 合 金 に 含 ま. 金 に 含 ま れ るVやAlは. は 生 体 に 対 し て 有 毒 で る と す る 報 告 も あ り,よ. 単体で. り生 体 に 対 し. て 為 害 性 の な い 金 属 に よ る 合 金 が 望 ま れ る(図3).現. 在低 い. 剛 性 率 を 持 つ チ タ ン 系 合 金,Ti‑6A1‑4V,Ti‑6Ai‑7Nb びTi‑5A1‑2.5Fe合. お よ. 金 な ど は α+β 型 チ タ ン 合 金 で あ り,そ. れ ら の 剛 性 率 は 皮 質 骨 の そ れ と比 較 す る と か な り大 き い(図 4).近. 年 こ れ らの 欠 点 を 補 う β型 チ タ ン 合 金 の 開 発 が 米 国. を 中 心 に 進 め ら れ て い る.わ 図3. が 国 に お い は,新. 家 らに よっ て. 純 金 属 お よ び 代 表 的 な イ ン プ ラ ン ト材 料 の 生 体. 生 体 皮 質 骨 の 剛 性 率 に な る べ く近 い β型 チ タ ン 合 金 が 開 発. 適 合 性 と 分 極 抵 抗(耐 Ti29Nb13Ta4.6Zr(TiNTaZr)合. さ れ つ つ あ る(41).こ. も 良 く,ま い る(41).. 食 性)と の 関 係: 金 は組 織親 和 性. た 耐 食 性 に 優 れ て い る こ とを 示 して. 理 論 に よ り,ま. の 合 金 は 森 永 ら に よ るd電. た 細 胞 毒 性 の な いNb,Ta,Zrを. たTi‑29Nb‑13Ta‑4.6Zr合. 金 で あ る.そ. 316L:161,Ti‑6A‑14V:108,に 4.5Zr:58と. 低 く,皮. 700MPaと. 優 れ て い る.. 宮 本 は,家. 子合 金設計 組 み合わせ. の 剛 性 率 はSUS‑. 比 較 し てTi‑29Nb‑13. 質 骨:10〜20GPa,ま. Ta‑. た疲 労 強度 も. 兎 脛 骨 の 骨 折 モ デ ル を 用 い て 吸 収 性 ポ リマ ー. (self‑reinforced. PLLA)rodとstainless鋼rodの. 骨髄 内固定. に お け る 骨 形 成 の 比 較 実 験 に お い て,stainless鋼rod側. の. 脛 骨 に 骨 萎 縮 を 認 め て お り(31),金 属 の 剛 性 が 骨 の リ モ デ リ ン グ に 大 き く 影 響 す る こ と を 指 摘 し て い る(図5).ま 服 部 らのTi‑29Nb‑13Ta‑4.5Zr に よ る24週. rodの. た,. 家 兎 脛 骨 の 骨 折 モ デル. に お け る骨 の 組 織 所 見 は 低 剛 性 の 良 さ を示 し て. い る(42)(図6).. 3.今 図4. 骨,関. い 値 を 示 す(42).. ナ,ハ. 節 の 損 傷 の 修 復 に 対 し て,最. 図5. Self‑reinfoced. PLLA. 定10週 後 のX‑P所 stainless鋼rodに. 近20年. 間,ア. ル ミ. イ ド ロ キ シ ア パ タ イ トな ど セ ラ ミ ッ ク ス 材 料 が 中 心 に. 開 発 さ れ,新. 190. 後 期 待 され る金 属 人 工 骨 材 料. 金 属 材 料 の 弾 性(剛 性)率:β‑型TiNTaZr 合金 は suS316Lお よ びTi6Al4V(α+β 型)に 較 べ て 低. し い 素 材,さ. rodとstainless鋼rodに. らに そ の物 性 が極 めて 優 れ た もの. よ る家 兎 脛 骨 々髄 内 固. 見(右)お よ びcontact microradiograph (左): よ る 固 定 家 兎 脛 骨 に 強 い 骨 萎 縮 像 が み ら れ る(31).. ミ ニ 特 集.
(6) TiNTaZr 図6家. SUS316L. 兎 径 骨 近 位 部 の 横 断 面 骨 皮 質(術 後24週):X線 SUS316Lで は 骨 萎 縮 と仮 骨 過 剰 形 成 を 示 し,組 SUS316Lで. 像 で はTiNTaZr合 織 学 的 に はTiNTaZr合. は 萎 縮 像 を 示 す(42).. が,臨 床 に広 く用 い られ て きて い る.世 界 の 国の 中で わ が 国 が最 も広 く用 い られ て お り,そ の殆 どが わ が 国で 開 発 され た もの で あ り,年 間 数 十 億 円 を超 え る と ころ ま で来 て い る.. dlingの 良好 な もの が期 待 され る. 小久 保 らの 研 究 に よ るチ タン 合金 の表 面 を アル カ リ処 理 す る こ とに よ り,表 面 に骨 類 似 の ハ イ ドロ オキ シ ア パ タ イ ト層. し か しな が ら,セ ラ ミ ッ クス の み で 人工 骨 用 材 料 が カバ ー 出来 な い.特. 金 は 骨 切 り後,完 全 な 骨 癒 合 を 示 す が, 金 は 正 常 な リモ デ リン グ 像 を 示 す が ,. に骨 に加 わ る 強 い 負荷 に耐 え る素 材 として は 金. を 作 り得 る(43)ことは,例. え ば 生 体 親 和 性 の よい 金 属 に よ る. ミ ク ロ フ ア イバ ー に よ る メ ッシ ユ に よ る 材 料 の 開 発 に よ っ. 属 が 最 も一 般 的 で あ る.し か しな が ら,現 在 用 い られ て い る. て,強 度 を持 ち,低 剛 性 な 人工 海 綿 骨,ま. 金 属 は,強 度,剛 性,骨 親 和性,耐 食 性,易 加 工 性,廉 価 な. に 侵 入 す るた め には 少 な く と も200ミ ク ロ ン の孔 径 が 連 通 す. どす べ て を満 た す 素 材 が 臨 床 の 現場 に な いの が現 状 で あ る.. る必 要 が あ るが,こ れ らを 満 た す金 属 素 材 な どの 開 発 が 望 ま. β産型 チ タン 合 金 は,強. れ る.. 材 で あ るが,さ. 度,剛 性,骨. 新 和性の 点で優 れた素. ら に優 れ た もの を期 待 さ れ る.. 人 工 骨 材料 は,そ の 素 材 が 用 い られ る場 所(海 面 骨,皮 骨,関 節),目. た骨 が 人工 用 材 料. 的(骨 折 の 固定,骨. 質. 4.ま. と. め. 欠 損 部 の補 填 な ど)に よ っ. て,そ れ ぞ れ 全 く異 な った機 械 的性 質 が要 請 され,ま た 自家. 骨,関 節 な どの 硬 組 織 に 対 す る生 体 材 料 として,強. い疲 労. 骨,同 種 骨 の よ うに,吸 収 され,母 床 骨 に置 換 され る もの,. 強 度 を持 つ 金 属 に そ の 期 待 が 持 た れ20世 紀 前 半 まで 進 ん で. 骨 皮 質 に対 して は 強 度,剛 性 に適 合 す る素 材,形 状 に つ い て. きた が,先 端 技 術 の進 歩 に よ り,よ り純 度の 高 い,結 晶 性 の. 生 物 学 的 性 質 が要 請 さ れ る.こ の よ うに考 え る と,各 種素 材. 優 れ た素 材 が 開 発 され,特 に無 機 材 質 で あ るバ イ オガ ラ スの. の 特 性 を 生 か した 複 合 材 が そ の 条件 を満 足 し得 る と考 え る.. 生 体 骨 へ の 結 合,そ. して骨 の 主成 分 で あ る リン酸 カル シ ウム. 現 在 骨 欠 損 補填 材 と して の人 工 骨 用 材 料 で,臨 床 の 場 で 最. で あ るハ イ ドロオ キ シ ア パ タ イ トの 合 成 の 成 功 な ど に よ って. も要 請 の 高 い もの は,同 種 骨 海 綿 骨 に代 表 され る.す な わ ち. こ れ ま で の 無 機 材 質 に 対 す る考 え方 が 大 き く変 って き て い. 埋 植 され た 素 材 が 宿主 骨 に置 換 され る ま であ る程 度 の 強 度 を. る.無 機 材 質 が 単 な る骨 補 填 材 か ら骨 との 結 合,さ. 持 ち や が て は 自家 骨 とな り,種 々な機 能 的 要 請 に 反 応 す る よ. 材 質 に機 能 を 持 た せ る た め の研 究 へ と進 み つ つあ る.ま た,. うに な る.現 時 点 で は α+β チ タン 合 金 メ ッシ ュ があ る が,. こ れが 大 量 に 製 品 化 さ れ る こ とが可 能 にな った こ とは,臨 床. 尚 強 度,剛 性,骨 形 成 性 は十 分 でな い.ま た,同 種骨 は感 染. の 場 に広 く用 い る こ とが可 能 とな り,長 期 間 の 生 体 内 埋 入 に. の危 険性 を持 つ こ とか ら,こ れ に変 る新 しい複 合 材,す な わ. よ りそ の 素 材 の優 劣 も明確 に な り,こ の 臨 床 成 績 が研 究 の場 へ の ブ イー ドバ ック さ れ て い る .金 属 材 料,セ ラ ミ ッ クス,. ち 強 度,低. ま て Materia. 剛 性,骨. り あ 第43巻 Japan. 伝 導 性 を 持 ち,さ. 第3号(2004). ら に 手 術 時 にhan.. ら に無 機. 191.
(7) 高 分 子 材 料,生 物学,生 化 学 な どの研 究 が 従 来 の壁 を超 え て 行 わ れ つ つ あ る こ とは,臨 床 家 に とって 大 変 嬉 し く,ま た将 来 に素 晴 しい 素 材 が 生 ま れ て くる こ とを期 待 して い る.. 文 (1) (2). 献. C. Singer and E. A. Underwood: A Short History of Medicine, Clarendon Press, Oxford, (1962), 352. J. Charnley: Low Friction Arthroplasty of the Hip. Theory & Practice, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, (1979).. (3). 須 田 立 雄, 小 沢 英 浩, 高 橋 栄 明: 骨 の 科 学 骨 移 植 の 病 態 生 理, 医 歯 薬 出 版, (1985), 224. 225.. (4). 「整 形 外 科 移 植 に 関 す る ガ イ ド ラ イ ン 」 お よ び. (5). 米 田 俊 之:. ン ク マ ニ ュ ア ル 」 の 改 訂,. 日整 会 誌,. 骨 の バ イ オ サ イ エ ン ス,. 「冷 凍 ボ ー ン バ. 73(1999),. 羊 土 社,. (7). 山 室 隆 夫: 版,. (1992),. 編 集:. 山 室 隆 夫,. 山 田 博: 人 体 の 強 度 と 老 化, 日 本 放 送 出 版 協 会, (1979).. (9). 藤沢. ア ル ミナ.. 集: 青 木 秀 希, 49. 52. (10). 上 野. 勝,. バ イ オ セ ラ ミ ッ ク ス の 開 発 と現 状,. 丹 羽 滋 郎,. 興 末 英 明,. 生 物 強 弱 学 に よ る 測 定 結 果,. ク イ ン テ ッ セ ン ス 出 版,. 網 野 博 一,. 大 西 啓 靖;. を 組 み 合 わ せ た 人 工 股 関 節 のHip 性 評 価, (11). 金原 出. 81‑88.. (8). 章:. 整形 外科. 大 西 啓 靖:. Orthopedic. ceramic. 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