博 士 （ 医 学 ） 角 家 健
学 位 論 文 題 名
Biomechanical and IVIorphological Evaluation of a Three ‐ Dimensional Fabric Sheep Artificial Intervertebral Disc 工 nVitro and In Vivo Analysis
（ 三次 元立 体織 物を 使用 した羊 人工 椎間 板に関する 生 体力 学的 、形 態学 的研究 ）
学 位 論 文 内 容 の 要 旨
［目的］従 来、 安定 性を喪失し｀た脊柱の治療法として脊椎固定術が行われ、安定した臨床成績が 報 告さ れて きた 。し かし 、脊 椎固 定術 には固 定椎 間の 可動 性の 損失 と固定隣接椎問の変 性 の進 行と いう 問題 点が 随伴 する 。脊 柱本来 の運 動機 能を 温存 しつ つ、攴持性を損なわ な い脊 柱再 建方 法と して の人 工椎 間板 の開発 が望 まれ る。 われ われ は全く新しい構造を 持つ人工椎間板を開発し、羊を使用した動物実験を開始した。本研究の目的は羊人二亅二椎 間 板と 羊正 常椎 間板 の生 体力 学的 特性 を比較 する こと 、さ らに 生体 内（筋内）に留缶し た 羊 人 工 椎 間 板 の 変 化 を 生 体 力 学 的 、 形 態 学 的 に 明 ら か に す る こ と で あ る 。
［羊 人工 椎間板 の概 要］
超高 分子 量ポリ エチ レン 繊維 の束 を直 鎖状 低密 度ポ リエ チレ ンで 被覆した線維をf1ミ製 した 。こ の高強 度の 生体 適合 性繊 維を 羊椎 間板 形状 に類 似し た、 三軸を有する二次元立 体織 物に 織り上 げ、 さら に、 表面 に生 体活 性セ ラミ ック ス粉 体を 吹き付け埋め込み処理 する こと によっ て、 生体 活性 を付 与し た。
［ 材料 と方法 ］
羊 人 工 椎 間 板10個 と 成 羊 の 屍 体 か ら 摘 出 し た 腰 椎L 2/3とL4/5高 位 の 椎 問 板 ー 椎 体 複合 体10個 を使 用し た。 検体 を歯 科用 レジ ンで 包埋 し、MTS試 験機を用いて、生体丿丿 学 試験 を行っ た。
（ 引張 ・圧縮 試験 、捻 り試 験）
最 大 士200N、 負 荷 速 度50N/secの 繰 り返 し引 張・ 圧縮 試験 と50Nの軸 圧下 に最 大土5Nm、 負 荷 速 度lNm/secの 繰 り 返 し 捻 り 試 験を 行っ た。 試験 結果 の評価 方法 とし て、 荷重 変位 曲 線ま たはト ルク ・角 度曲 線と 各荷 重時 の剛 性を 用い た。
（ 粘弾 性試験 ）
粘 弾 性試 験は200Nの圧 縮荷 重を30分 間維 持し た後 、除 負荷 し30分 間間 復さ せた 。得 られ た 歪み ・時間 曲線 から 、creep rateと残 余変 位を 算出 した 。
（ 疲労 試験）
疲 労試 験は36.5℃ の生 理食 塩水 中で 、200Nの圧縮を5Hzの周期で200万回負荷して行った。
疲 労 試験 施行 の前 後に 同様 の引 張・ 圧縮 試験 と捻 り試 験を 行い、 力学 的特 性と 各荷 重時 に お け る 剛 性 の 変 化 を 比 較 し た 。 ま た 、 生 理 食 塩 水 中 の磨 耗 粉 の 有 無 を 観 察 し た 。
（ 生体 内変化 ）
5個 の羊3−DF Discを 羊大 腰筋 内に 留置後 、6カ月 後に 摘出 し、 実体顕微鏡と走奩竃―r 顕 微 鏡 を 用 い た 表 面 観 察 と 、 同 様 の 引 張 ・ 圧 縮 、 捻 り 試 験 を 行 っ た 。 統 計学 的検 定に は、 羊人 工椎 間板 、羊 正常 椎問 板、 生体 内留置 羊人 工椎 聞板 の比 較に はKruskal一Wallis testとScheffeFtestを 使 用 し 、 疲 労試 験 前 後 の 比 較 に はPaired t―testを使 用し た。
−15ー
［結果］（引張・圧縮試験）
羊 正 常 椎間 板 、 羊人 工 椎間 板の荷 重変位曲 線はとも に非線形で 、大きな ヒステリ ーシス ル ー プ を示 し 、 ほぼ 同 様な カ 学 的特 性 であ っ た 。圧 縮 剛性 は150N、100Nレベ ル では 襾 群 間 に 統計 学 的 有意 差 を認 めなか ったが、50Nレベルで は正常羊椎 間板が837kN/m、 羊人 工 椎 間 板が495kN/mであ り 、 正常 羊 椎 問板 が 有意 に 高 い剛 性をしめし た（Pく0．05）。
（捻り試験）
羊 人工椎問板の卜ルク・角度曲線は非線形で、大きなヒステリーシスループをルミしたが、
羊 正常椎間 板とは明 らかに異 なってい た。捻り 剛性は4Nmレベ ルにおい ては｜群1j‖に統 計学的有意差を認めないが、3Nm、2Nmレベルでは羊正常椎間板が有，醤にI翻い捻り¥fIJ性を 示 した（Pく0． 05）。（ 羊正常椎 問板4．85、5．OONm/degree、羊3←I)I: discl. 64、 O． 99Nm/degree）
（粘弾性試験）
羊人工椎問板と羊正常椎間板の歪み・時間曲線は類似していた。また、町川｀f｝ raLcはで 正常椎間板と羊人ユ二椎問板のそれぞれで0． 085{Yo／min、0， 061%／mjn、残余盃みもそれぞれ 0． 66％ 、0．56％ で あ り 、 両 者 に 統 計 学 的 有 意 差 を 認 め な か っ た （Pく0．05） 。
（疲労試験）
疲 労 試 験中 、 羊 人工 椎 問板 の破損 はなく、 疲労試験 後の荷重・ 変位曲線 とトルク ・ん度 曲 線は疲労 試験施行 前とほぼ 同一であ った。各 荷・重時における剛性も疲労試験施行nHと 有意差を認めなかった。また、生理食塩水中に磨耗粉を認めなかった
（生体内変化）
生 体内に留 置した羊 人工椎間 板の実体 顕微鏡に よる表′面 観察では 編みrj構造 のI孔れや 繊 維の断裂 などを認 めず、留 置前と同 様であっ た。また、 走査電子 顕微鏡に よる衷I師観 察 で は 、繊 維 の 周径 の 変化 や繊維 内の超高 分子量ポ リエチレン の露出等 の明らか な劣化 所 見 は なか っ た 。留 置 前に 兄られ た生体活 性セラミ ックス粉体 の消失が 観察され た。引 張 ・圧縮試 験、捻り 試験の結 果、生体 内留置前 と生体力学的特性の変化を認めなかった。
［考察］三次 元 立 体織 物 を利 用 し た人 工 椎 間板 は 編み 糸 の軸 方向、配 向比、緻密 度を変化 させる ことで三次元的なカ学的特性を操作可能であり、すでに試作されたヒト朋人，I：椎[f‖板で は人 正 常 椎問 板 とほ ぼ 同 等の カ 学 的特 性 が得 ら れて いる。今 回、羊の椎 馴板の人 きさが ヒトの約8分の1と小 さいため に羊人工 椎問板の 緻密度を．亅二げることが技術的にI刈灘で あっ た 。 その た め、 低 荷 重域 で の 捻り 剛 性が 羊 正常 椎間板よ り低値とな ったが、 ヒト正 常椎問板 とはほぼ 同等であ った。脊 柱は体幹 自重による 持続的な 軸圧だけ でなく、振動、
衝撃カな ど生体力 学的に有 害な外カ に常に曝 されている。これらの外丿丿のi炊収、ストレ ス分散の 点からも 、人工椎 間板は正 常椎間板 と類似した 粘弾性を 有するニ とが望ましいー 本研 究 で は羊 人 工椎 間 板 は羊 正 常 椎間 板 とほ ぼ 類似 の粘弾性 を示し、人 工椎間板 として 適当な粘 弾性を持 つことが示唆された。また、人工椎間板の必要条件として′．仁体内での 長期 耐 久 性が 挙 げら れ る 。現 在 ま で報 告 され て きた 人工椎間 板は、複合 体構造を とり、
長期 使 用 にお け る内 部 界 面で の 破 損が 報 告さ れ てい る。一方 、三次元立 体織物は 内師界 面を持た なぃ一体 型構造をとる点や、ス卜レスが局所に集中せず各繊維に分散する」 Iふか ら、 耐 久 性に 優 れて い る と考 え ら れる 。 今回 の 疲労 試験にお いても羊人 工椎問板 に破損 や生 体 力 学的 変 化を 認 め ず、 三 次 元立 体 織物 を 使用 した人工 椎問板の良 好な疲労 特性が 示さ れ た 。ま た 、生 体 内 留置 前 と 比較 し て、 羊 人工 椎問板に 生体力学的 変化、織 物およ び繊 維 の 劣化 所 見は 認 め ず、 三 次 元立 体 織物 の 生体 内60月での 良好な牛体 安定性が ふ された。
［結語］羊人工椎間板は生理・的な粘弾性、良好な疲労特性、および生体力学的、形態学的 生 体 安 定性 を しめ し、 三次元立 体織物を 利用した 人工椎問 板は臨床応 用への可 能性をも っと考える。
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学位論 文審査の要旨
学位論文題名
Biomechanical and IVIorphological Evaluation of a Three‑Dimensional Fabric Sheep Artificial Intervertebral Disc In Vitro and In Vivo Analysis
（三次元立体織物を使用した羊人工椎間板に関する 生体力学的、形態学的研究）
本研究の目的は羊人工椎間板と羊正常椎間板の生体力学的特性を比較すること、さらに生 体内に留置した羊人工椎間板の変化を生体力学的、形態学的に明らかにすることである。
羊人工椎間板は超高分子量ポリエチレン繊維の東を直鎖状低密度ポリエチレンで被覆した 繊維を、羊椎間板形状に類似した三次元立体織物に織り上げたものである。さらに、表面 に生体活性セラミックス粉体を吹き付け埋め込み処理することによって、生体活性を付与 している。羊人工椎間板10個と成羊の屍体から摘出した椎間板ー椎体複合体10個を使用 した。最大土200Nの繰り返し引張・圧縮試験と最大土5Nmの繰り返し捻り試験を行った。
粘 弾性試験は200Nの圧縮荷重を30分間維持した後、除負荷し30分間回復させた。疲労 試 験は36.5℃の生 理食塩水中で、200Nの圧縮をSHzの周期で200万回負荷して行った。
疲労試験施行の前後に同様の引張・圧縮試験と捻り試験を行い、力学的特性の変化を比較 した。また、生理食塩水中の磨耗粉の有無を観察した。5個の羊人工椎問板を羊大腰筋内 に留置後、6カ月後に摘出し、実体顕微鏡と走査電子顕微鏡を用いた表面観察と、同様の 引張・圧縮、捻り試験を行った。統計学的検定には、Kruskal‑Wallis test、ScheffeFtest、 およびPaired t‑testを使用した。羊正常椎間板、羊人工椎間板の荷重変位曲線はともに非 線形で、大きなヒステリーシスループを示し、ほぼ同様なカ学的特性であった。圧縮剛性 は50Nレベルでは正常羊椎間板が有意に高い剛性を示した。羊人工椎問板のトルク・角 度 曲線は羊正 常椎間板と は明らかに異なっていた。捻り剛性は4Nmレベルにおいては3 群 間に統計学 的有意差を 認めないが、3Nm、2Nmレベルでは羊正常椎間板が有意に高い 捻り剛性を示した。粘弾性試験の結果、羊人工椎間板と羊正常椎間板の歪み・時間曲線は 類似していた。また、creep rateと残余歪みは羊正常椎問板と羊人工椎間板の間に統計学 的有意差を認めなかった。疲労試験中、羊人工椎間板の破損はなく、疲労試験後の荷重・
変位曲線とトルク・角度曲線は疲労試験施行前とほぼ同一であった。また、生理食塩水中 に磨耗粉を認めなかった。生体内に留置した羊人工椎間板の表面観察では編み目構造の乱
男 樹
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明 平
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浪 原
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三 杉
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授 授
授
教 教
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査 査
査
主 副
副
れや繊維の断裂、繊維の周径の変化等の明らかな劣化所見を認めなかった。引張・圧縮試 験、捻り試験の結果、生体内留置前と生体力学的特性の変化を認めなかった。本研究の結 果より、羊人工椎間板は生理的な粘弾性、良好な疲労特性、および生体力学的、形態学的 生体安定性を示し、三次元立体織物を利用した人工椎間板は臨床応用への可能性をもっと 考える。公開発表において、副査杉原教授より人工材料としての生体適合性、実際に羊の 椎間に置換した場合の術後の状態、織物のTissue Engmeenngーの応用について質問があ り、すでに臨床応用されている材料で作製されていること、実際に羊の腰椎に置換されて も、異物に対する炎症反応がなかったことを回答した。また、織物がTissueEngineedng の足場、担体になり得る可能性を回答した。副査安田教授より人工椎間板の繊維の構造、
羊正常椎問板と異なるカ学的特性になった理由、本実験の荷重‐変位曲線が意味すること にっいて質問があり、生体親和性と強度を増すために繊維が設計されていること、羊用の 人工椎間板を作る場合、織物の緻密度を上げることに限界があり、これが低荷重域での剛 性が低い原因となっていることを回答した。また、主査三浪教授より今後の臨床応用に関 して適切な織物としての緻密度、形状、あるいは確実な椎体との骨癒合のための今後の展 望について質問があり、人用人工椎間板では人正常椎聞板に近いカ学的特性が得られてい ること、および吸収性内固定材料を使用して確実な骨癒合が得られていること、BMPの 応用が計画されていることを回答した。
この論文は新しい生体材料に関する生体力学的、形態学的検討を行った独創的な研究で あり、三次元立体織物を使用した人工椎間板の臨床応用への可能性を明らかにした点で脊 椎の生体材料分野に大きく寄与した，この人工椎間板を用いた追加の基礎的実験が行われ れば、新しい脊柱再建方法の臨床応用が期待される．
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鑚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 資 格 を 有 す る も の と 判 定 し た ．
