JP7618197B2 - Method for promoting bone regeneration - Google Patents
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Description
本発明は、骨折や骨欠損部位の骨再生を促進するための方法および装置に関する。 The present invention relates to a method and device for promoting bone regeneration at the site of a fracture or bone defect.
骨折の治療では、骨折した骨片を元の位置に整復し、保存加療であればギブス、手術加療であればインプラントを使用するなどして骨折部を固定する(例えば特許文献1参照)。その後の骨癒合までの期間は、骨に内在する再生能力が重要な因子となる。また、疾患や外傷に伴う骨欠損に対する治療も同様に、骨に内在する再生能力をいかに有効に引き出すのかが重要なカギを握っており、様々な基礎的、臨床的研究が行われている。 In the treatment of fractures, the broken bone fragments are returned to their original positions and the fractured area is fixed using a cast in conservative treatment or an implant in surgical treatment (see, for example, Patent Document 1). The period until the bone heals thereafter is determined by the bone's inherent regenerative ability. Similarly, in the treatment of bone defects due to disease or trauma, the key is how effectively the bone's inherent regenerative ability can be brought out, and various basic and clinical research is being conducted.
骨折や骨欠損の治療で骨再生を促進できれば、骨癒合不全発生率の抑制や治療期間の短縮を実現できる。この点に関し、米国の保険データベースをもとに算出された研究では、骨折治療後の骨癒合不全発生率は5~10%と報告されている。骨癒合には、骨折部位の重症度、つまり骨折の複雑さや骨欠損の存在などが大きな影響を及ぼすことが分かっている。骨癒合不全の発生は、疼痛の遺残、機能障害のみならず、医療経済にも大きな損失をもたらす。こうした中、発明者らは、医工連携により骨再生効率を高める技術を提供することにより医療分野で大きく貢献できるとの認識に到った。 If bone regeneration could be promoted in the treatment of fractures and bone defects, it would be possible to reduce the incidence of bone union failure and shorten the treatment period. In this regard, a study calculated based on a US insurance database reported that the incidence of bone union failure after fracture treatment is 5-10%. It is known that the severity of the fracture site, that is, the complexity of the fracture and the presence of bone defects, have a significant impact on bone union. The occurrence of bone union failure not only leads to residual pain and functional impairment, but also brings about a large loss in the medical economy. In this context, the inventors realized that they could make a significant contribution to the medical field by providing technology that enhances the efficiency of bone regeneration through medical-engineering collaboration.
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的の一つは、骨折や骨欠損部位について骨再生効率を高める技術を提供することにある。 The present invention was made in consideration of these problems, and one of its objectives is to provide a technology that improves the efficiency of bone regeneration in areas of fractures or bone defects.
本発明のある態様は、骨再生促進方法である。この方法は、骨折又は骨欠損の部位を特定する対象部位特定工程と、大気圧下で部位に向けてプラズマを照射するプラズマ供給工程と、を備える。 One aspect of the present invention is a method for promoting bone regeneration. This method includes a target site identification step for identifying the site of a fracture or bone defect, and a plasma supply step for irradiating the site with plasma under atmospheric pressure.
本発明の別の態様は、骨再生促進装置である。この装置は、骨折又は骨欠損の部位に向けて大気圧下でキャリアガスを供給するガス供給部と、キャリアガスの供給路においてプラズマを生成するプラズマ生成部と、を備える。 Another aspect of the present invention is a bone regeneration promotion device. This device includes a gas supply unit that supplies a carrier gas under atmospheric pressure toward the site of a fracture or bone defect, and a plasma generation unit that generates plasma in the carrier gas supply path.
本発明によれば、骨折や骨欠損部位について骨再生効率を高める技術を提供できる。 The present invention provides a technology that can improve the efficiency of bone regeneration in bone fractures and bone defect sites.
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。
本実施形態では、生体骨の骨折又は骨欠損部位(以下「対象部位」ともいう)にプラズマを直接照射することで、その対象部位における骨形成を促進し、骨再生効率を高める。以下、その方法および装置について具体的に説明する。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
In this embodiment, by directly irradiating a fractured or bone-defective site of a living bone (hereinafter also referred to as a "target site") with plasma, bone formation is promoted in the target site, and bone regeneration efficiency is improved. The method and device are specifically described below.
図1は、実施形態に係る骨再生促進装置の概略構成を表す図である。
骨再生促進装置1は、プラズマ装置10、ガス供給装置12および制御部14を備える。プラズマ装置10は、「プラズマ供給部」として機能し、キャリアガスが流されるガス供給管20、ガス供給管20に沿って設けられた電極22、および電極22に電圧を印加する電圧印加装置24を含む。
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a bone regeneration promoting device according to an embodiment.
The bone regeneration promotion device 1 includes a
ガス供給管20は、有底円筒状のガラス管(誘電体)であり、先端開口部が絞られた形状を有する。すなわち、ガス供給管20の先端部が半球状に成形され、その先端にキャリアガスを吐出するための小口径の吐出口26が設けられている。吐出口26は、口径φが500~700μm(本実施形態では650μm程度)とされ、ガス供給管20の軸線上に位置する。骨は多孔構造を有し、正常な骨の空隙(ポーラス)の径は200~500μmであることが知られている。吐出口26の口径φは、その空隙と同等かやや大きい程度とされている。ガス供給管20の後端開口部は、キャリアガスの入口となっており、ガス供給装置12のガスチューブ28が接続される。
The
電極22は、ガス供給管20の外周面に沿って配設されている。電極22は、ガス供給管20と同軸状に設けられた高圧電極であり、電圧印加装置24が接続されている。ガス供給管20にキャリアガスが供給された状態で電圧印加装置24が10kHz程度の低周波のパルス電圧(数k~10kV程度)を電極22に印加することで、非平衡プラズマジェットを生成する。このプラズマジェットPJは、いわゆるマイクロプラズマであって吐出口26から直線状に吐出される。
The
なお、プラズマジェットPJは、発光を伴う局所的な放電領域がガス供給管20の吐出口26(ノズル)から周期的に射出されてジェットにみえるものである。この局所放電領域は、その挙動が弾丸のようにみえることから「プラズマ弾丸(plasma bullets)」とも呼ばれる。このプラズマ弾丸の移動は、放電しやすいキャリアガスの流束中を電離現象が伝搬するというメカニズムである。プラズマジェットPJは、キャリアガスそのものがプラズマ化したものとも言え、対象物に対して直接的にプラズマを照射できる。
The plasma jet PJ is a localized discharge area accompanied by light emission that is periodically ejected from the outlet 26 (nozzle) of the
ガス供給管20および電極22を被覆するようにハウジング29が設けられている。ハウジング29は、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等の樹脂からなり、絶縁性が担保されている。ハウジング29は、手のひらサイズに構成されている。
A
ガス供給装置12は、「ガス供給部」として機能し、プラズマ装置10にキャリアガスを供給する。キャリアガスはプラズマを伝搬させるガスであり、本実施形態ではヘリウムガス(He)が採用される。ガス供給装置12は、ガスタンク30を有する。ガスタンク30は配管32に接続され、その配管32の先端にガスチューブ28が接続される。配管32には制御弁34が設けられる。制御弁34が開弁されると、プラズマ装置10へキャリアガスが供給される。
The
制御部14は、CPU、ROM、RAMなどを有するマイクロコンピュータからなり、プラズマ装置10の通電制御と、ガス供給装置12の駆動制御(制御弁34の開閉制御)を行う。制御部14には、図示しない入力装置が接続される。入力装置を介したユーザの操作入力に基づき、制御部14は、各種制御を実行する。
The
図2は、プラズマジェットに含まれる活性種の分布傾向を表す図である。同図上段はプズマジェットPJの可視化画像を示し、中段および下段は活性種の分布を示す。中段は正イオン、下段は負イオンを示す。各図の横軸は吐出口26からの距離を示し、縦軸は活性種の量(Intensity)を示す。
Figure 2 shows the distribution tendency of active species contained in the plasma jet. The upper part of the figure shows a visualized image of the plasma jet PJ, and the middle and lower parts show the distribution of active species. The middle part shows positive ions, and the lower part shows negative ions. The horizontal axis of each figure shows the distance from the
プラズマジェットPJの高輝度部分には、荷電粒子が多く含まれる。プラズマジェットPJの下流側(図中の破線領域など)では荷電粒子が減少し、中性の活性種(活性酸素種や活性窒素種)が数多く含まれる(図示略)。本実施形態では、プラズマジェットPJの下流側(図中一点鎖線よりも下流側)の活性種を骨折又は骨欠損部位に積極的に供給する。すなわち、荷電粒子と比較して中性の活性種の割合が相対的に多いプラズマを対象部位に供給することで骨再生の促進を図る(詳細後述)。 The high-brightness parts of the plasma jet PJ contain many charged particles. The charged particles are reduced downstream of the plasma jet PJ (such as the dashed line area in the figure), and many neutral active species (active oxygen species and active nitrogen species) are contained (not shown). In this embodiment, the active species downstream of the plasma jet PJ (downstream of the dashed line in the figure) are actively supplied to the fracture or bone defect site. In other words, bone regeneration is promoted by supplying to the target site plasma with a relatively high proportion of neutral active species compared to the charged particles (described in detail below).
図3は、骨再生促進方法を模式的に表す図である。
本実施形態では、骨折又は骨欠損部位における骨再生を促進するために、生体骨Bの対象部位Xに直接プラズマを照射する。すなわち、まず骨折又は骨欠損部位を対象部位Xとして特定し、皮膚の対象部位Xに対応する箇所を切開し、その切開部から対象部位Xを露出させる(対象部位特定工程)。続いて、骨折した骨片B1,B2を必要に応じて整復しつつ、対象部位X(骨片B1,B2の隙間)にプラズマジェットPJを供給する(プラズマ供給工程)。骨折が骨欠損を伴う場合、その隙間は大きくなる。
FIG. 3 is a schematic diagram showing a method for promoting bone regeneration.
In this embodiment, in order to promote bone regeneration at a fractured or bone-defected site, plasma is directly irradiated to a target site X of a living bone B. That is, the fractured or bone-defected site is first identified as the target site X, and a portion of the skin corresponding to the target site X is incised to expose the target site X from the incision (target site identification step). Next, while the fractured bone fragments B1 and B2 are repositioned as necessary, a plasma jet PJ is supplied to the target site X (the gap between the bone fragments B1 and B2) (plasma supply step). If the fracture is accompanied by a bone defect, the gap becomes larger.
このとき、プラズマジェットPJに含まれる活性種(特に活性酸素種や活性窒素種などの中性の活性種)を対象部位Xに効率良く供給するために、プラズマ装置10を対象部位Xに適度に近づける。ただし、生体の汚染を防止するために、プラズマ装置10の先端、つまりガス供給管20の吐出口26が骨膜の外側に位置するように調整する。例えば、プラズマジェットPJの高輝度部分の先端(図2の一点鎖線参照)が骨膜の位置となる程度に調整してもよい。
At this time, in order to efficiently supply the active species (especially neutral active species such as active oxygen species and active nitrogen species) contained in the plasma jet PJ to the target site X, the
図3に示す例では、骨欠損部が存在し、対象部位Xの奥方(プラズマジェットPJの延長線上)にも骨組織が存在する。生体骨Bに凹状の骨欠損がある場合や、生体骨Bとして2つの骨が並んで近接している場合が該当する。後述の実験例(尺骨と橈骨との関係)は後者に該当する。この場合、図中矢印で示すように、プラズマジェットPJは、奥方の骨表面Fで反射し、その隙間に充填されつつ出入りする。 In the example shown in Figure 3, there is a bone defect, and bone tissue is also present at the back of the target site X (on the extension of the plasma jet PJ). This applies when there is a concave bone defect in the living bone B, or when two bones are adjacent to each other as the living bone B. The experimental example described below (relationship between the ulna and radius) corresponds to the latter case. In this case, as shown by the arrow in the figure, the plasma jet PJ is reflected by the bone surface F at the back, and enters and exits while filling the gap.
骨折又は骨欠損部位の治癒メカニズムを考慮し、プラズマジェットPJの流量および供給時間は、対象部位Xが乾燥しない程度に留める。これは、対象部位Xにおいて骨髄からの出血に伴う血腫の発生を維持するとともに、その血腫に含まれる種々の成長因子を骨再生に効果的に利用するためである。本実施形態では、プラズマジェットPJの流量を0.1~1slm程度で調整する。プラズマジェットPJの供給は、毛細血管性出血(にじみでるような出血)を認める時間内とし、対象部位Xにおける止血又は凝固が完了する前にプラズマ照射を停止させる。 Taking into consideration the healing mechanism of the fracture or bone defect site, the flow rate and supply time of the plasma jet PJ are kept to a level that does not dry out the target site X. This is to maintain the occurrence of a hematoma associated with bleeding from the bone marrow in the target site X, and to effectively utilize the various growth factors contained in the hematoma for bone regeneration. In this embodiment, the flow rate of the plasma jet PJ is adjusted to approximately 0.1 to 1 slm. The plasma jet PJ is supplied for a time period during which capillary bleeding (oozing bleeding) is observed, and the plasma irradiation is stopped before hemostasis or coagulation is completed in the target site X.
すなわち、対象部位Xには血腫が発生し、骨と骨髄組織の欠損部に充填される。このとき、TGF-βやPDGFなどの成長因子が誘導され、肉芽組織の増殖や血管新生が生じる。その後、細胞の増殖期となり、その肉芽組織の中から未分化間葉系細胞や骨芽細胞前駆細胞が出現する。これらの細胞は、後に骨や軟骨を形成する能力を有する。初期に形成された肉芽組織は、これらの細胞の足場としても重要な役割を担う。このため、血腫の形成は骨再生に非常に重要である。 That is, a hematoma forms at the target site X, filling the defective area of bone and bone marrow tissue. At this time, growth factors such as TGF-β and PDGF are induced, causing the proliferation of granulation tissue and angiogenesis. Then, the cell proliferation phase begins, and undifferentiated mesenchymal cells and osteoblast precursor cells emerge from the granulation tissue. These cells have the ability to later form bone and cartilage. The granulation tissue formed early on also plays an important role as a scaffold for these cells. For this reason, the formation of a hematoma is extremely important for bone regeneration.
本実施形態では、プラズマ照射により対象部位Xにおける骨表面を改質し、血腫の形成過程(特に血腫の発生初期段階)で生じる細胞との親和性を高めて骨再生を促進する。以下、その効果の検証のために行った実験例について説明する。 In this embodiment, the bone surface at the target site X is modified by plasma irradiation, increasing the affinity with cells that arise during the hematoma formation process (particularly in the early stages of hematoma development) and promoting bone regeneration. Below, we will explain experimental examples conducted to verify this effect.
図4は、実施形態による骨再生促進効果を検証するための実験例を表す図である。図4(A)および(B)はその実験過程を撮影した画像である。
本実験は、被検体として家兎を用いた動物実験である。複数匹の家兎を用意し、それぞれの尺骨に人為的に骨欠損を作成し、プラズマ照射の程度による骨再生への影響を検証した。具体的には、以下のとおりである。
4A and 4B are diagrams showing an example of an experiment for verifying the bone regeneration promoting effect according to the embodiment, in which (A) and (B) are images taken during the experimental process.
This experiment was an animal experiment using rabbits as subjects. Several rabbits were prepared, and bone defects were artificially created in the ulna of each rabbit, and the effect of the degree of plasma irradiation on bone regeneration was examined. Specifically, the procedure is as follows.
家兎に全身麻酔を施してその腕部の皮膚を切開し、尺骨B10の骨幹部に1cm程度の骨欠損を作製した(図4(A))。尺骨B10の奥方には橈骨B12が存在する。その骨欠損部が対象部位Xに該当する。この骨欠損部の深さ、つまり尺骨B10の表面から橈骨B12の表面までの距離は約800μmである。 A rabbit was given general anesthesia, the skin of its arm was incised, and a bone defect of about 1 cm was created in the diaphysis of the ulna B10 (Figure 4 (A)). Behind the ulna B10 lies the radius B12. This bone defect corresponds to the target site X. The depth of this bone defect, that is, the distance from the surface of the ulna B10 to the surface of the radius B12, is about 800 μm.
この対象部位Xに向けて所定時間のプラズマ照射を行った(図4(B))。このとき、プラズマジェットPJの供給位置を対象部位Xのほぼ中央とした。その後、切開部を閉じ、8週間経過後に骨癒合について評価を行った。なお、プラズマ照射は1回のみとし、プラズマ照射時間を5分、10分、15分と異ならせた場合について新生骨量を比較した。また、比較例として、本装置を用いてプラズマを発生させず、ガスのみを照射した場合(control)についても検証した。 Plasma was irradiated toward the target site X for a specified time (Figure 4 (B)). At this time, the plasma jet PJ was supplied to approximately the center of the target site X. The incision was then closed, and bone union was evaluated after 8 weeks. Note that plasma was irradiated only once, and the amount of new bone was compared when the plasma irradiation time was varied to 5 minutes, 10 minutes, and 15 minutes. As a comparative example, a case where only gas was irradiated without generating plasma using this device (control) was also examined.
実験結果の信頼性を担保するために、プラズマ非照射の場合(control)、5分照射の場合、10分照射の場合、15分照射の場合のそれぞれについて5匹の被検体を用いた。これらについて、レントゲン(X線)による骨形成の観察と、マイクロCTに基づく新生骨量の測定を実施した。測定結果については5匹の平均値を採用した。また、被検体の個体差を無視できるよう、実験対象の家兎として年齢と体重が同等のものを用いた。 To ensure the reliability of the experimental results, five subjects were used for each of the cases of non-plasma irradiation (control), 5-minute irradiation, 10-minute irradiation, and 15-minute irradiation. For these, bone formation was observed using X-rays, and new bone mass was measured using micro-CT. The measurement results were the average of the five subjects. Furthermore, rabbits of similar age and weight were used as experimental subjects so that individual differences in the subjects could be ignored.
具体的には、術後2週、4週、6週、8週経過後に対象部位Xのレントゲン撮影を行い、骨再生過程を観察した。そして、術後8週間経過したときに対象部位Xを含む生体骨を検体として取り出し、マイクロCT画像に基づいて新生骨量を計測した。この計測は当該分野において周知のソフトを用いて行ったが、その詳細については説明を省略する。さらに、各検体についてマッソントリクローム染色(Masson trichrome stain)を施し、組織学的評価を行った。 Specifically, X-rays were taken of the target site X 2, 4, 6, and 8 weeks after surgery to observe the bone regeneration process. Then, 8 weeks after surgery, a living bone containing the target site X was removed as a specimen, and the amount of newly formed bone was measured based on the micro-CT images. This measurement was performed using software well known in the art, the details of which will not be explained here. Furthermore, each specimen was stained with Masson trichrome stain, and a histological evaluation was performed.
図5は、術後8週間経過後の対象部位周辺のX線画像を表す図である。図5(A)はプラズマ非照射(control)の場合を示し、図5(B)はプラズマ照射(10分)の場合を示す。一点鎖線で囲まれた領域が、対象部位X近傍を示す。これらより、プラズマ非照射の場合には、骨形成がほとんど認められないのに対し、プラズマ照射の場合には骨形成量が顕著に増大していることが分かる。なお、図示を省略するが、プラズマ照射の場合には術後2週、4週、6週と経過するにつれて骨再生の進行(経時的変化)を観察できたが、プラズマ非照射の場合にはほとんど確認できなかった。 Figure 5 shows X-ray images of the area around the target site 8 weeks after surgery. Figure 5 (A) shows the case of no plasma exposure (control), and Figure 5 (B) shows the case of plasma exposure (10 minutes). The area surrounded by the dashed line shows the area around the target site X. From these, it can be seen that in the case of no plasma exposure, almost no bone formation was observed, whereas in the case of plasma exposure, the amount of bone formation increased significantly. Although not shown in the figure, in the case of plasma exposure, the progress of bone regeneration (change over time) could be observed as the time passed 2 weeks, 4 weeks, and 6 weeks after surgery, but in the case of no plasma exposure, it was hardly observed.
図6は、術後8週間経過後の対象部位周辺のマイクロCT画像を表す図である。図6(A)はプラズマ非照射(control)の場合を示し、図6(B)はプラズマ照射(10分)の場合を示す。これらからも、プラズマ非照射の場合には、新生骨がほとんど認められないのに対し、プラズマ照射の場合には新生骨量が顕著に増大していることが分かる。 Figure 6 shows micro-CT images of the area around the target site 8 weeks after surgery. Figure 6 (A) shows the case without plasma irradiation (control), and Figure 6 (B) shows the case with plasma irradiation (10 minutes). From these images, it can be seen that in the case without plasma irradiation, almost no new bone formation was observed, whereas in the case of plasma irradiation, the amount of new bone formation increased significantly.
言い換えれば、本実験で作成した骨欠損は、致命的欠陥(critical defect)に相当し、放っておくと治癒しないものである。それにもかかわらず、対象部位XにプラズマジェットPJを供給することで骨再生が促進され、治癒できることが分かる。 In other words, the bone defect created in this experiment corresponds to a critical defect, which will not heal if left untreated. Nevertheless, it can be seen that supplying the plasma jet PJ to the target site X promotes bone regeneration and enables healing.
図7は、術後8週間経過後の対象部位周辺の染色画像を表す図である。図7(A)は、図5(A)の一点鎖線で囲まれた領域に対応し、プラズマ非照射(control)の場合を示す。図7(B)は、図5(B)の一点鎖線で囲まれた領域に対応し、プラズマ照射(10分)の場合を示す。 Figure 7 shows stained images of the area around the target site 8 weeks after surgery. Figure 7(A) corresponds to the area surrounded by the dashed line in Figure 5(A) and shows the case of non-plasma irradiation (control). Figure 7(B) corresponds to the area surrounded by the dashed line in Figure 5(B) and shows the case of plasma irradiation (10 minutes).
この染色画像は、マッソントリクローム染色によるものであり、白色部分が骨髄BM、青色部分が骨組織その他の線維組織、赤色部分が筋線維等を示す(本図ではカラー表示されていない)。図7(A)によれば、プラズマ非照射では対象部位Xに筋線維や膠原線維などの瘢痕組織STが残存し、骨再生が阻害されていることが分かる。一方、図7(B)によれば、プラズマ照射により対象部位Xにおいて新生骨ATの顕著な増加がみられる。すなわち、術中に対象部位Xにプラズマ照射を施すことにより骨癒合が進み、骨再生が促進されていることが分かる。 This stained image was obtained by Masson's Trichrome staining, with the white areas representing bone marrow BM, the blue areas representing bone tissue and other fibrous tissue, and the red areas representing muscle fibers, etc. (not shown in color in this figure). Figure 7(A) shows that without plasma irradiation, scar tissue ST such as muscle fibers and collagen fibers remains at the target site X, inhibiting bone regeneration. On the other hand, Figure 7(B) shows that plasma irradiation results in a significant increase in new bone AT at the target site X. In other words, it can be seen that applying plasma irradiation to the target site X during surgery promotes bone union and promotes bone regeneration.
図8は、プラズマ照射時間の骨再生への影響を表す図である。本図の横軸はプラズマ照射時間を示す。比較例としてプラズマ非照射(control)の場合も示す。縦軸は、術後8週間経過後の新生骨の体積を示す。 Figure 8 shows the effect of plasma exposure time on bone regeneration. The horizontal axis of this figure shows the plasma exposure time. As a comparison example, a case without plasma exposure (control) is also shown. The vertical axis shows the volume of new bone 8 weeks after surgery.
本実験によれば、プラズマジェットの供給時間を10分としたときに新生骨が最も多く得られたことが分かる。具体的には、プラズマ照射を10分としたとき、プラズマ非照射の場合よりも約1.5倍の骨再生促進効果が得られている。プラズマ照射を15分としたときに新生骨量が低下したのは、キャリアガスの吹き付けにより対象部位が乾燥してしまうこと、つまり対象部位における湿潤環境が維持し難くなったことが一因と考えられる。このため、本実施形態では、対象部位に毛細血管性出血(にじみでるような出血)を認める時間内にプラズマ照射を停止させる。 This experiment shows that the most new bone was obtained when the plasma jet was supplied for 10 minutes. Specifically, when the plasma was irradiated for 10 minutes, the bone regeneration promotion effect was about 1.5 times greater than when the plasma was not irradiated. One of the reasons for the decrease in the amount of new bone when the plasma was irradiated for 15 minutes is thought to be that the target area was dried out by the spraying of the carrier gas, making it difficult to maintain a moist environment at the target area. For this reason, in this embodiment, the plasma irradiation is stopped within the time when capillary bleeding (oozing bleeding) is observed at the target area.
なお、プラズマ照射時間の最適値は、生体の種別やプラズマジェットの供給量によって変化する可能性はある。しかし、少なくともその供給量(流量)や供給時間について最適値が存在することは、本実験により明らかとなったと言える。 It should be noted that the optimal plasma exposure time may vary depending on the type of living organism and the amount of plasma jet supplied. However, this experiment has made it clear that there are at least optimal values for the supply amount (flow rate) and supply time.
図9および図10は、プラズマ照射による生体骨の改質効果を表す図である。図9は、その改質効果を検証するために行った実験例を示す。図10は、プラズマ照射時間による親水性向上効果を示す。図10(A)~(D)は、それぞれプラズマ照射を1分、2分、3分、4分行った生体骨に対して蒸留水(水滴)を滴下して所定時間(30秒)放置した結果を示す。図10(E)は、比較例としてプラズマ非照射(control)の場合を示す。 Figures 9 and 10 show the modification effect of biological bone by plasma irradiation. Figure 9 shows an example of an experiment conducted to verify the modification effect. Figure 10 shows the effect of improving hydrophilicity depending on the plasma irradiation time. Figures 10 (A) to (D) show the results of dripping distilled water (water droplets) onto biological bone that had been exposed to plasma for 1 minute, 2 minutes, 3 minutes, and 4 minutes, respectively, and then left for a specified time (30 seconds). Figure 10 (E) shows the case of no plasma irradiation (control) as a comparative example.
図9に示すように、本実験では、被検体(家兎)から取り出した直後の生体骨B20に対してプラズマジェットPJを所定時間照射した後(図9(A))、そのプラズマ照射部に水滴Lを滴下し(図9(B))、その水滴Lの形状変化(接触角の変化)を観察した。 As shown in Figure 9, in this experiment, a plasma jet PJ was irradiated for a predetermined period of time (Figure 9(A)) onto a living bone B20 immediately after removal from a subject (rabbit), and then a water droplet L was dropped onto the plasma-irradiated area (Figure 9(B)), and the change in shape of the water droplet L (change in contact angle) was observed.
この実験結果によると、プラズマを照射した場合、その照射時間が長くなるにつれて水滴が生体骨内に浸み込み易くなり、その形状がくずれる(つまり接触角が小さくなる)ことが分かる(図10(A)~(D))。4分照射すると水滴は平坦となり、接触角の測定が不能となった。一方、プラズマを照射しない場合、水滴の形状はそのまま保たれ、接触角が変化することはなかった。 The results of this experiment show that when plasma is irradiated, the water droplets penetrate into living bone more easily and lose their shape (i.e. the contact angle becomes smaller) as the irradiation time increases (Figures 10 (A) to (D)). After 4 minutes of irradiation, the water droplets became flat and it became impossible to measure the contact angle. On the other hand, when plasma is not irradiated, the shape of the water droplets remains the same and the contact angle does not change.
プラズマ非照射(control)とプラズマ照射(3分)について、それぞれ5回ずつ行って接触角の平均値をとったところ、前者が約73度、後者が約45度であった。すなわち、本実験により、プラズマを所定時間以上照射することで生体骨の改質効果(親水性の向上)が得られることを検証できた。 The experiment was performed five times each for non-plasma exposure (control) and plasma exposure (3 minutes), and the average contact angle was approximately 73 degrees for the former and approximately 45 degrees for the latter. In other words, this experiment verified that plasma exposure for a certain period of time or longer can result in a modification effect on living bone (improved hydrophilicity).
このプラズマ照射による親水性(ぬれ性)の向上が、骨再生促進に貢献している可能性も考えられる。例えば、血腫の形成段階において骨折又は骨欠損部位(対象部位)の親水性を高めることで、血腫に含まれる上述の成長因子が骨芽細胞を誘導し易くなり、骨再生を促進することが考えられる。すなわち、初期の外傷性反応として骨欠損部に形成される血腫に対し、プラズマ照射が効果的に作用したものと考えることができる。 It is possible that the improved hydrophilicity (wettability) caused by plasma irradiation contributes to the promotion of bone regeneration. For example, by increasing the hydrophilicity of the fracture or bone defect site (target site) at the hematoma formation stage, it is thought that the above-mentioned growth factors contained in the hematoma will be more likely to induce osteoblasts, promoting bone regeneration. In other words, it can be considered that plasma irradiation has an effective effect on the hematoma that forms in the bone defect site as an early traumatic response.
なお、上記実験の後、プラズマがどのような活性種を生成して生体組織の活性化もたらしたのかについて調査した。具体的には、発光分光測定を行いプラズマ活性種の特定、サーモグラフィーカメラを用いて熱の効果の有無を確認、骨表面の親水化程度を評価した。その結果、OHラジカルおよび励起された窒素分子の生成が確認された。骨欠損部の表面の温度の変化はなく、熱による生体組織への障害は確認されなかった。骨組織表面の親水性が向上され、欠損部の液性成分の吸着性向上が認められた。 After the above experiment, an investigation was carried out into what type of active species were generated by the plasma and how this activated the biological tissue. Specifically, emission spectroscopy was performed to identify the plasma active species, a thermography camera was used to confirm whether or not there was an effect of heat, and the degree of hydrophilization of the bone surface was evaluated. As a result, the generation of OH radicals and excited nitrogen molecules was confirmed. There was no change in the temperature of the surface of the bone defect, and no damage to the biological tissue due to heat was confirmed. The hydrophilicity of the bone tissue surface was improved, and improved adsorption of liquid components in the defect was observed.
以上の実験結果より、対象部位Xにプラズマ照射を行うことにより骨癒合や骨再生が促進されることが分かった。プラズマ照射が、周囲の細胞や組織(筋肉細胞、骨芽細胞、神経細胞、間葉系細胞)の活性化と、初期の外傷性反応としての血腫形成に良い影響を与えた可能性が考えられる。対象部位において、骨膜に含まれる骨芽細胞にプラズマ照射が直接作用して、骨芽細胞の分化、増殖が促進した結果、治癒が早まることが考えられる。 These experimental results demonstrate that plasma irradiation of target site X promotes bone union and regeneration. It is possible that plasma irradiation had a positive effect on the activation of surrounding cells and tissues (muscle cells, osteoblasts, nerve cells, mesenchymal cells) and on hematoma formation as an early traumatic response. It is believed that plasma irradiation directly acts on osteoblasts contained in the periosteum of the target site, promoting their differentiation and proliferation, resulting in accelerated healing.
以上説明したように、本実施形態によれば、骨折又は骨欠損部位(対象部位)の治療に際し、その対象部位における血腫の発生過程でプラズマを照射することで骨再生を効果的に促進できる。プラズマの供給態様をプラズマジェットとすることで、骨再生促進に寄与する活性種を対象部位の特定箇所へピンポイントで導くことができる。つまり、反応性の高いプラズマを目標位置(ターゲット)へ送ることができる。 As described above, according to this embodiment, when treating a fracture or bone defect site (target site), bone regeneration can be effectively promoted by irradiating the target site with plasma during the process of hematoma formation. By supplying plasma as a plasma jet, active species that contribute to promoting bone regeneration can be pinpointed and directed to a specific location in the target site. In other words, highly reactive plasma can be sent to the target position (target).
また、対象部位の大きさに応じてプラズマジェットの流量を調整することで、その対象部位の乾燥を防止し、血腫に含まれる成長因子を骨再生に有効に機能させることができる。本実施形態のプラズマ処理は、手術中又は縫合手術の直前に1回使用するだけでよく、それにより対象部位について早期回復が期待できるようになる。 In addition, by adjusting the flow rate of the plasma jet according to the size of the target area, it is possible to prevent the target area from drying out and allow the growth factors contained in the hematoma to function effectively in bone regeneration. The plasma treatment of this embodiment only needs to be used once during surgery or immediately before suturing surgery, which can lead to early recovery of the target area.
また、対象部位の深さに応じてプラズマジェットの長さを調整することで、骨再生に有効な活性種を積極的に対象部位へ供給できる。さらに、プラズマの照射時間を調整することで、新生骨量を効率良く増やすこともできる。プラズマジェットの長さ、流量、照射時間を最適化することで、骨再生促進効果を最大限に発揮させることが期待できる。 In addition, by adjusting the length of the plasma jet according to the depth of the target area, active species effective for bone regeneration can be actively supplied to the target area. Furthermore, by adjusting the plasma irradiation time, it is possible to efficiently increase the amount of new bone. By optimizing the length, flow rate, and irradiation time of the plasma jet, it is expected that the bone regeneration promotion effect can be maximized.
以上、本発明の好適な実施例について説明したが、本発明はその特定の実施例に限定されるものではなく、本発明の技術思想の範囲内で種々の変形が可能であることはいうまでもない。 The above describes a preferred embodiment of the present invention, but it goes without saying that the present invention is not limited to this specific embodiment, and various modifications are possible within the scope of the technical concept of the present invention.
上記実施形態では、プラズマ装置として単一の電極を有する構成を示したが、電極を複数設ける構成を採用してもよい。ガス供給管の外周面に沿って2つの電極を配設してもよい。あるいは、ガス供給管の外周面に配設する外部電極と、ガス供給管の内部に配設する内部電極を有する構成としてもよい。 In the above embodiment, the plasma device has a single electrode, but a configuration with multiple electrodes may be adopted. Two electrodes may be arranged along the outer circumferential surface of the gas supply pipe. Alternatively, the plasma device may have an external electrode arranged on the outer circumferential surface of the gas supply pipe and an internal electrode arranged inside the gas supply pipe.
上記実施形態では、ガス供給管として有底円筒状のガラス管を例示した。変形例においては、ガス供給管の先端部の形状としてテーパ状その他の形状を採用してもよい。また、材質についてはガラスに限らず、誘電体からなるものであればよい。 In the above embodiment, a cylindrical glass tube with a bottom is exemplified as the gas supply pipe. In a modified example, the tip of the gas supply pipe may be tapered or have another shape. In addition, the material is not limited to glass, and any dielectric material may be used.
上記実施形態では、一例として、骨折した骨片を整復しつつ、対象部位にプラズマを照射する方法について説明した。変形例においては、対象部位にプラズマを照射した後に整復処置を行ってもよい。なお、上記実験例で示したように、生体における骨折や骨欠損の箇所によっては整復処置を必ずしも要しない場合もある。転位や変形のない骨折、骨欠損が存在するが他の部位で連続性が保たれ骨の形態が保持されている場合、脊椎手術(脊椎固定術)における骨移植などの場合には、整復処置を省略できる。対象部位に自家骨、同種骨、人工骨などを移植するとき、その対象部位(骨移植部位)に向けてプラズマを照射することで骨形成を促進することができる。 In the above embodiment, as an example, a method of irradiating plasma to a target site while reducing fractured bone fragments has been described. In a modified example, reduction treatment may be performed after irradiating plasma to the target site. As shown in the above experimental example, reduction treatment may not be necessary depending on the location of the fracture or bone defect in the living body. In cases of fracture without displacement or deformation, bone defect but continuity is maintained in other areas and the bone morphology is maintained, or bone grafting in spinal surgery (spinal fixation), reduction treatment can be omitted. When transplanting autologous bone, allogeneic bone, artificial bone, or the like to the target site, bone formation can be promoted by irradiating plasma toward the target site (bone graft site).
上記実施形態では、対象部位にプラズマジェットを供給する例を示したが、ジェットの形態を有しないプラズマを照射してもよい。 In the above embodiment, an example was shown in which a plasma jet was supplied to the target area, but plasma that does not have the form of a jet may also be irradiated.
上記実施形態では述べなかったが、遷延治癒や偽関節という骨折治癒が遅れる、もしくは治癒しない状態がある。このような遷延治癒や偽関節に対する治療において、対象部位に介在している骨ではない組織(瘢痕、肉芽組織)を摘出して、骨髄からの出血を促し、対象部位をインプラントで固定する方法をとることがある。このような場合、骨髄からの出血を促すタイミングで対象部位にプラズマ照射を行うと良好な骨再生が得られる可能性がある。 Although not mentioned in the above embodiment, there are conditions known as delayed healing and false joints, in which fracture healing is delayed or does not occur. In treating such delayed healing and false joints, a method may be used in which non-bone tissue (scar, granulation tissue) present in the target area is removed, bleeding from the bone marrow is stimulated, and the target area is fixed with an implant. In such cases, good bone regeneration may be achieved by irradiating the target area with plasma at a timing that stimulates bleeding from the bone marrow.
上記実施形態では、プラズマジェットの吐出方向にみて対象部位の奥方に骨組織が存在する例、つまりプラズマジェットの延長線上にキャリアガスの反射面となる骨表面が存在する例を示した。このように奥方の骨組織が存在しない場合でも、周囲の筋肉や靭帯などの組織表面が反射面として機能し得る。上記実施形態では、低温の大気圧プラズマ(非平衡プラズマジェット)を用いるため、これらの生体組織への安全性は確保できる。また、プラズマジェットの下流側で発生する活性種の分布は、プラズマチェットの軸線からある程度の広がりを有するため、プラズマ照射による効果は十分に期待できる。 The above embodiment shows an example in which bone tissue is present deep inside the target area when viewed in the direction of the plasma jet's ejection, that is, an example in which the bone surface that serves as a reflective surface for the carrier gas is present on the extension of the plasma jet. Even when deep bone tissue is not present like this, the surfaces of surrounding tissues such as muscles and ligaments can function as reflective surfaces. In the above embodiment, low-temperature atmospheric pressure plasma (non-equilibrium plasma jet) is used, so safety to these biological tissues can be ensured. In addition, the distribution of active species generated downstream of the plasma jet has a certain degree of spread from the axis of the plasma jet, so the effects of plasma irradiation can be fully expected.
なお、その効果をより顕著に発揮させるために、プラズマジェットを対象部位の骨欠損域内で移動させてもよい。すなわち、プラズマジェットを吐出方向に対して直角成分を有する方向に走査させてもよい。そのような走査機構を設けてもよい。制御部14がその走査機構を制御してもよい。
To make the effect more pronounced, the plasma jet may be moved within the bone defect area of the target site. In other words, the plasma jet may be scanned in a direction having a perpendicular component to the ejection direction. Such a scanning mechanism may be provided. The
上記実施形態では、上記骨再生促進方法および装置を整形外科の領域に適用する例を示したが、例えば歯科口腔領域、脳神経外科領域等その他の医療分野に適用することも可能である。歯科口腔領域では、インプラントを埋め入れるための土台となる歯槽骨や顎骨などの骨組織の再生にも応用が可能である。歯科口腔領域では術前から骨組織が露出している場合もあり、皮膚の切開工程が不要となることも想定される。また、上記実施形態では、実験例として動物(非ヒト)に適用する例を示したが、人間(ヒト)に適用できることは言うまでもない。 In the above embodiment, the bone regeneration promotion method and device are applied to the field of orthopedics, but they can also be applied to other medical fields such as dental and oral surgery, and neurosurgery. In the dental and oral field, they can also be applied to the regeneration of bone tissue such as the alveolar bone and jawbone, which serve as the base for embedding implants. In the dental and oral field, bone tissue may be exposed before surgery, and it is expected that the skin incision process will not be necessary. In the above embodiment, an example of application to animals (non-humans) was shown as an experimental example, but it goes without saying that they can be applied to humans.
上記実施形態では述べなかったが、上記骨再生促進方法および装置を外傷による骨折に限らず、骨粗鬆症に起因する骨折や骨欠損に適用することも可能である。 Although not mentioned in the above embodiment, the above bone regeneration promotion method and device can be applied not only to fractures caused by trauma, but also to fractures and bone defects caused by osteoporosis.
上記実施形態では、骨折のなかでも骨欠損を有する場合の骨再生について主に説明したが、骨欠損を有しない骨折にどの程度の効果が認められるかは今後の研究結果を待つことになる。すなわち、骨組織には、骨表面近傍を形成する硬質の皮質骨と、骨内部を形成する軟質の海綿骨が含まれる。プラズマ照射がいずれの骨組織の再生により大きく貢献するかは現時点では未解明である。 In the above embodiment, bone regeneration in fractures with bone defects has been mainly described, but the extent of the effect on fractures without bone defects will have to wait for the results of future research. In other words, bone tissue includes hard cortical bone that forms near the bone surface and soft cancellous bone that forms the interior of the bone. It is not clear at this time which bone tissue the plasma irradiation contributes to the greater regeneration of.
この点、骨欠損が存在する場合には、プラズマが両者に照射されることになるため、どちらに優位かを考慮に入れる必要性はさほど高くない。一方、整復により実質的に骨折部の隙間がなくなる場合、整復しつつプラズマをその隙間に導入するのは容易でないかもしれない。そうした場合には、プラズマ照射による海綿骨への骨再生効果を考慮して手術工程を設定するのが好ましい。 In this regard, if there is a bone defect, the plasma will be irradiated to both, so there is not much need to consider which is more important. On the other hand, if the gap in the fractured area is substantially eliminated by reduction, it may not be easy to introduce plasma into the gap while reducing the area. In such cases, it is preferable to set up the surgical procedure taking into account the bone regeneration effect of plasma irradiation on the cancellous bone.
プラズマ照射が海綿骨の骨再生に大きく寄与する場合、整復処置をとる前に骨片間の隙間を十分に確保した状態でプラズマを照射するのがよい。それにより、海綿骨の骨再生を促進し、骨折治癒までに要するトータルの時間を短縮できる。一方、プラズマ照射による海綿骨への効果が小さく、皮質骨の骨再生に大きく寄与する場合、整復をしつつプラズマ照射をするほうが安定した手術を提供できる点で好ましい。 When plasma irradiation contributes significantly to bone regeneration of cancellous bone, it is advisable to irradiate the plasma while ensuring sufficient gaps between the bone fragments before carrying out reduction procedures. This promotes bone regeneration of cancellous bone and shortens the total time required for fracture healing. On the other hand, when plasma irradiation has little effect on cancellous bone and contributes significantly to bone regeneration of cortical bone, it is preferable to irradiate the plasma while carrying out reduction, as this provides a more stable surgery.
上記実施形態では、プラズマ供給工程において、プラズマを所定時間連続照射する例を示した。変形例においては、その所定時間においてプラズマを間欠的に照射してもよい。例えば、数分照射ごとにプラズマ供給を一時停止するなどしてもよい。 In the above embodiment, an example is shown in which plasma is continuously irradiated for a predetermined time in the plasma supply process. In a modified example, plasma may be irradiated intermittently during the predetermined time. For example, plasma supply may be temporarily stopped every few minutes.
上記実施形態では、キャリアガスとしてヘリウムを採用したが、アルゴン、ネオン、キセノンその他の希ガスを採用してもよいし、窒素その他のガスを採用してもよい。あるいは、一種類のガスとせず、複数種類のガスを混合したキャリアガスとしてもよい。例えば、ヘリウムと酸素との混合ガスをキャリアガスとしてもよい。 In the above embodiment, helium is used as the carrier gas, but argon, neon, xenon, or other rare gases may also be used, or nitrogen or other gases may also be used. Alternatively, the carrier gas may not be a single type of gas, but may be a mixture of multiple types of gases. For example, a mixture of helium and oxygen may be used as the carrier gas.
なお、本発明は上記実施例や変形例に限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化することができる。上記実施例や変形例に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせることにより種々の発明を形成してもよい。また、上記実施例や変形例に示される全構成要素からいくつかの構成要素を削除してもよい。 The present invention is not limited to the above-mentioned embodiment and modified examples, and the components can be modified without departing from the spirit of the invention. Various inventions can be created by appropriately combining multiple components disclosed in the above-mentioned embodiment and modified examples. In addition, some components can be deleted from all the components shown in the above-mentioned embodiment and modified examples.
1 骨再生促進装置、10 プラズマ装置、12 ガス供給装置、14 制御部、20 ガス供給管、22 電極、24 電圧印加装置、26 吐出口、28 ガスチューブ、29 ハウジング、30 ガスタンク、32 配管、34 制御弁、AT 骨組織、B 生体骨、B1 骨片、B10 尺骨、BT 骨組織、PJ プラズマジェット、ST 瘢痕組織、X 対象部位。 1 Bone regeneration promotion device, 10 Plasma device, 12 Gas supply device, 14 Control unit, 20 Gas supply pipe, 22 Electrode, 24 Voltage application device, 26 Discharge port, 28 Gas tube, 29 Housing, 30 Gas tank, 32 Pipe, 34 Control valve, AT Bone tissue, B Living bone, B1 Bone fragment, B10 Ulna, BT Bone tissue, PJ Plasma jet, ST Scar tissue, X Target area.
Claims (4)
大気圧下で前記部位に向けてプラズマのみを照射するプラズマ供給工程と、
を備え、
前記プラズマ供給工程は、前記プラズマの照射を、前記部位における血腫の発生過程として前記部位における毛細血管性出血が生じている間に制限することを特徴とする非ヒト動物の骨再生促進方法。 A target site identification step of identifying a site of a fracture or bone defect in a non-human animal ;
a plasma supplying step of irradiating only plasma toward the portion under atmospheric pressure;
Equipped with
A method for promoting bone regeneration in a non-human animal , characterized in that the plasma supply step limits the irradiation of the plasma to a period during which capillary bleeding is occurring at the site as part of the process of hematoma formation at the site .
前記部位へ向けてプラズマジェットを供給し、
前記部位の大きさに応じて前記プラズマジェットの流量を調整することを特徴とする請求項1に記載の非ヒト動物の骨再生促進方法。 The plasma supply step includes:
Supplying a plasma jet toward the portion;
The method for promoting bone regeneration in a non-human animal according to claim 1, characterized in that the flow rate of the plasma jet is adjusted depending on the size of the site.
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