JP2005042194A - 可動関節および可動関節を被覆する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 関節表面間の磨耗を低減するクロムの接合面を備えた構造の関節の一部分を提供する。
【解決手段】 薄い緻密なクロムを用いて金属加工物を電気メッキする方法において、フッ化水素アンモニウム塩として約４オンス／ガロン（約１１３．６ｇ／３．７８５Ｌ）のＨＦを含む３５％硫酸溶液に金属工作物を浸漬する工程と、次にその金属工作物を、陰極１平方インチ（６．４５平方センチ）当たり約１．５〜２．５アンペアで約３ボルトの初期直流を流す緻密なクロムメッキ槽に浸漬する工程とが提供される。
【選択図】 なし

Description

本発明は概して可動関節に関し、詳細には、非常に硬くかつ緻密で、低摩擦であり、非磁性の外面部分を備える改良された可動関節、腐食、摩損等を受けやすい工作物用の被覆物、およびそのような工作物を被覆する方法に関する。

本願は、米国特許法第１２０号に基づいて優先権を主張する米国特許法第１．５３（ｂ）（２）号に基づいて出願された、出願日が２００１年５月１７日で米国特許法第１．５３（ｂ）号に基づいて出願された米国特許出願第０９／８５９，３５２号の一部継続出願である。

可動関節は、医療用インプラントから自動車部品に至るまで、多数の様々な技術領域で利用されており、各技術領域において異なる重要な特性を有する。いくつかの用途では、関節が長期間にわたって支えることができる一定の負荷の量が重要である。他の用途では、関節が短時間支えることができる極端な負荷の量が重要となろう。さらに別の用途では、関節の部品が比較的一定に動く場合の関節の磨耗抵抗性が重要となる。ほとんどの適用例では、これら重要な要素を組み合わせることが必要である。

そのような用途の１つが、ヒトまたは動物の本来の関節に代えてボール型関節を使用することである。インプラントが代替する本来の関節と同様、ボール型関節により広い可動域が提供されるので、ボール型関節はこの用途において有用であることが証明された。しかし、これらの条件下では、磨耗することなく、即ち関節の交換を必要とすることなく、比較的一定の動きが可能で、かつ種々の負荷を受けることの可能な関節を有することが重要となる。関節の交換は侵襲的手術によってなされるため、修理または交換をすることなく関節を長期間利用可能なほど、侵襲的手術またはこれに伴う合併症による障害のリスクはより小さくなる。

本発明は任意の可動関節とともに利用してよいが、ボール型関節に特に適したものである。概して、可動ボール型関節は、ボール部とソケット部の２つの主要部品から構成される。ソケットはボール部の半分以上を包み込むように構成されており、これによってボール部がソケットに対して可動関係で固定される。

従来、これら関節の部品は同一の材料から製造されていた。例えば、医療用インプラントの分野では、最も一般に利用される材料は、コバルト−クロム合金であった。その好適な特性の中でも特に、これらの材料は日常的に加えられる力に十分耐えるほど頑丈で、かつ本来の関節の代替物として適切であるほど十分に軽量であるという理由で、これら材料は上記のような使用には有利である。しかし２つの部品間の磨耗に起因して、長期間の用途には、これら装置の使用は幾分好ましくないものとなった。提案された１つの解決策は、異なる材料を使用して関節部品を構成することであり、ここでは一方の材料は他方の材料より丈夫なものである。この方法では両方の部品を交換する代わりに、単一の部品を交換することが必要となる。しかし、磨耗した部品を除去し交換するには侵襲手術は依然として必要であるため、この解決法では依然として患者に対して障害の実質的なリスクが存在する。

特に、前述した異種関節構成材料設計の特徴および問題点は、一方の構成要素が他方の構成要素を犠牲にして磨耗するということである。すなわち、インプラントに対する腐食および磨耗損傷により、インプラントの構成要素から、近接する生体組織に金属イオンが放出される。多くの場合、これらイオンは身体と不適合であるため、例えば、炎症、骨の変質、治癒の妨げおよび同様の問題などの身体的反応を引き起こすことがある。さらにこのようなインプラントの変性は、特に、インプラントの２つの可動構成要素の間の摩擦および粘着性が増大する原因となり、腐食および磨耗損傷はインプラントの静的な、特には動的な強度／安定性の低下の原因となる。

股関節プロテーゼに関しては、前述の現象は十分に裏付けられてきた。股関節プロテーゼは典型的には、寛骨臼カップと呼ばれるカップ状のベアリング部と、典型的にはボール状の要素であり骨頭と呼ばれる結合部とを含んだボール型関節設計である。骨頭は可動するようにカップの空洞で関節になっている。股関節プロテーゼを完全に交換する場合、既存の大腿骨のボールを除去し、かつ大腿骨に固定される首（ｎｅｃｋ）およびステム（ｓｔｅｍ）と呼ばれる棒状の部材を用いてプロテーゼの大腿骨頭を埋め込むことによって大腿骨頭が提供される。表面置換型プロテーゼとして知られている別の設計では、既存の大腿骨のボールに典型的には金属である被膜を新たな表面として取り付けることによって骨頭が提供される。

寛骨臼カップの空洞は、典型的には超高分子量ポリエチレンポリマー（ＵＨＭＷＰＥ）の層によって形成される。このプロテーゼの有効寿命は、ポリエチレンカップ（すなわち、ＵＨＭＷＰＥ）の磨耗によって影響を受ける。磨耗のメカニズムの１つは骨頭の運動によって生じる摩滅である。この摩滅により、負の生理学的影響を持つ生物学的プロセスを開始する微粒子が遊離し、最終的にはプロテーゼの故障につながる。

この点に関する考察は可動関節（例えば、股関節プロテーゼ）に向けられたものであったが、より一般的には、環境条件（例えば、工作物の構成要素の協働的係合）による容認し難い変質（例えば、腐食、摩滅、磨耗等）を受け易い工作物は、同様に、動作上の寿命が高められるような調製／製造／処理の候補となり、機能性は概ね向上したことは容易に理解されるべきである。

本発明は、固有の硬度および潤滑性により、ボール関節のボール部とソケット部の両方のような関節表面間の磨耗を低減するクロムの接合面を備えた構造の関節の一部分を提供することによってこの問題の解決法を提供する。

概して、本発明は、第１の部分または第２の部分のいずれかがクロムの外表面を有している第１の部分および第２の部分を提供する。例えば、本発明の一実施形態は、少なくとも、ボール部の外面を形成するクロムの成膜物を含むボール部を備えたボール関節を提供する。代替的には、ソケット部はその上に接合面を形成するクロムの成膜物を有してもよい。ボール部はソケット部の形成領域内に回転可能に取り込まれるように適合されており、これによりソケット部内にボール部が取り込まれる。各実施形態では、クロムの成膜物は第１の部分と第２の部分との間で接合面を形成している。

特定の実施形態では、可動関節の第１または第２の部分のいずれかの上に成膜させるために利用されるクロム材料は六価クロムから成る。クロム材料は電気化学的に結合した形態であり、部分の外面上の薄いクロム成膜物であってもよい。このような実施形態では、部分の内部構造は、コバルト−クロム・ベースの合金から構成されてもよい。さらにクロムは電着によって部分の外面に結合されてもよい。

ボール型関節では、ソケット部は一般に、形成領域の範囲内で可動関係でボール部を受承するように構成かつ配置された領域を有している。一実施形態では、関節のソケット部は、超高分子量のポリエチレンから形成される。この材料はクロムが沈着されたボール部の表面に適切で相補的な表面を提供し、これにより装置に対する磨耗抵抗性が向上する。

コバルト−クロム・ベースの合金から形成され、その外面上に形成された六価クロムの沈着物で被覆された外表面を有する第１の部分と、超高分子量のポリエチレン材料から形成された第２の部分とを有する関節から構成された実施形態を提供するように、前述の特徴が組み合わされてもよい。

本発明にしたがって構成された関節が特に適している適用例の１つは、膝、足首、肘、肩、脊柱等のヒトまたは動物の本来の関節の代替品に使用される。しかし、本発明の装置は、多くの基準のうち、特に良好な耐磨耗性を必要とする医療的または非医療的な用途に有用である。本発明に従って作成された関節は擦過を低減するので、これらの用途にも適している。擦過は、２つ以上の部品間の相互作用による摩耗くずを生成する。擦過を低減することで、磨耗くずが血流に入る際に生じる骨溶解が起こる可能性が低減される。

被覆されたボール関節を製造する好適な方法の１つは、ボール関節のボール部を受承するように適合された領域を有するソケット部を提供する工程と、クロムから成る外部接合面を少なくとも有する、ボール部またはソケット部のいずれかを形成する工程とを含み、ボール部がソケット部の領域内で回転可能に動くことが可能なように、ボール部が収容かつ取り込まれるように適合されている。この方法はソケット部の領域内にボール部を取り込む工程を含んでもよい。ボールが第１の部分でソケットが第２の部分であるボール型関節では、ソケットは所定領域の境界内で可動関係でボールを受承するように構成かつ配置された領域を有しており、ボール部はソケット部の所定領域内で回転可能に取り込まれるように適合されている。

さらに、薄く緻密なクロムを用いて金属工作物を電気メッキする方法では、金属工作物を、フッ化水素アンモニウム塩として約４オンス／ガロン（約１１３．６ｇ／３．７８５Ｌ）のＨＦ（フッ酸）を含む３５％硫酸溶液に浸漬する工程と、次にその金属工作物を、陰極１平方インチ（６．４５平方センチ）当たり約１．５〜２．５アンペアで約３ボルトの初期直流を流す薄く緻密なクロムメッキ槽に浸漬すると工程が提供される。

本発明の特定の特徴を含む前述の利点および他の利点は、添付図面を参照することによって以下の説明から明らかとなろう。

ここで図面を参照すると、いくつかの図面を通して同様の参照番号は同様の構成要素を示しており、図１は本発明の一実施形態の側断面図を示している。本発明のボール型関節の実施形態は、外面１２を含む第１のボール状の部分１０と、外面２２を含む第２のソケット状の部分２０とを有するボール・ジョイントを備えている。ボール部１０は、ソケット部２０内に形成されたカップ１８に係合する寸法および形状になっている。図４および５に示すように、カップ１８は、カップ１８の範囲内にボール部１０を保持し、かつボール部１０がカップ１８の範囲内で回転可能なように構成かつ配置されている。典型的には、ボール部１０はステム１６に取り付けられており、ボール部１０がソケット部２０と回転可能に係合しているので、ステム１６はソケット部２０に対して可動する。

ソケット部２０およびボール部１０のステム１６は、当該技術分野で知られている任意の方法によって取付け面２８に取り付けられている。取付け手段のいくつかの好適な例としては、例えば、ネジ、ナットおよびボルトなどの機械的取付けアセンブリ、およびセメントおよび糊などの接着機構がある。

さらに、取付け面２８への取付けのために利用されるソケット部２０の表面２６の形状は、当該技術分野で知られている任意の好適な形状である。例えば、図１、図３および図４は実質的に均一な球状面を有するソケット面２６を示しており、他方では図５は不均一な面２６を有するソケット部２０を示している。

クロム材料で被覆された表面は、第１の部分１０の外面１２または第２の部分２０の外面２２のいずれでもよい。図１、図３および図５に示した実施形態では、クロムの薄い成膜物は第１の部分１０の外面１２上に形成されている。図３および図４の実施形態では、クロムの薄い成膜物は、一般にカップ１８内に形成された、第２の部分２０の外面２２上に形成されている。

外面１２または２２の一方にクロムを形成することによって、クロムは第１および第２の部分を形成するために使用される材料の間の接合部分を提供している。この接合部分は、当該技術分野では既知の第１および第２の部分を形成する任意の材料とともに利用されてもよい。例えば、コバルト−クロム合金またはステンレス鋼は、本発明の範囲内でクロムを用いて被覆され得る材料の２つの例である。

さらに、本発明の一実施形態では、第１または第２の部分の一方をクロムで被覆した場合、第１または第２の部分の他方を超高分子量のポリエチレン材料から構成することが好適であろう。例えば、一実施形態では、ボール部はクロムの成膜物により被覆されたコバルト−クロム合金から構成されてもよく、ソケット部は超高分子量のポリエチレンから構成されてもよい。別の実施形態では、第１および第２の部分の両方がコバルト−クロムベースの合金で形成されて、２つの部分の表面の一方が、その上に形成されたクロムの成膜物を有していてもよい。前述のように、例えば、金属で形成された第１および第２の部分の両方を有する関節のために、本発明が単一の材料で作られた両方の部分を有する関節上に提供されてもよい。

また、成膜工程に利用されるクロムは六価クロムであり、かつ成膜は電気化学的方法であることが好ましい。クロムは電着などの当該技術分野で既知の任意の工程により成膜されてもよい。成膜は表面をフラッシュコーティングすることによって起こり、これによってクロムが表面上に成膜される。クロム成膜の好適な厚みの１例は、１インチ（２．５４ｃｍ）の約２／１０，０００であるが、成膜物は１インチ（２．５４ｃｍ）の百万分の５０ほど薄くてもよい。被覆物を形成する工程は、メッキ前またはメッキ後の機械的研磨工程を含んでもよい。

本発明の被覆物は、正確に制御可能で、非常に硬くかつ緻密で低摩擦、非磁性の１００％クロム被覆物である。本発明の方法を利用した工作物の被覆物は、結果として、厚さおよび外観が均一である滑らかで粒子の細かい成膜となり、表面には膨れ、くぼみ、小塊および空隙が無く、端部の盛り上りは最小に抑えられる。本発明の被覆物およびそのように被覆された工作物の詳細な考察、より詳細には、有利な特徴、物理的特性、およびその生物学的特性は、以下の付随する被覆方法と伴に理解されるであろう。

本発明の被覆物は、金属製の工作物または基体に均一に成膜される。概して、被覆物は中間被覆なしで卑金属に直接形成される。被覆物は、機械加工、ろう付け、溶接、熱処理および応力除去を含むがこれに限定されないすべての卑金属の加工が完了した後に形成されることが好ましい。被覆物は、特に医療装置の外観、性能および耐用年数を著しく向上させる。被覆物は磨耗抵抗性を増加させ、端部の鋭さを保持し、摩滅および焼き付きを防ぎ、腐食を最小限にし、掃除のしやすい滑らかな表面を提供する。

有利な点として、本発明の被覆方法を高い精度と整合性で適用することが可能である。本発明の被覆方法のための実際の被覆範囲（すなわち、形成厚さ）は、０．００００２５インチ〜０．０００６インチ（０．６４ミクロン〜１５．３８ミクロン）である。指定された厚さおよびパーツの品質要求に応じて、厚さの許容誤差は、±０．００００１０インチ〜±０．００００５０インチ（±０．２５ミクロン〜±１．２８ミクロン）となり得る。以下の典型的な用途に対して、好適な厚みを示す。（１）切断面：０．００００５インチ〜０．０００１インチ（０．２５ミクロン〜２．５６ミクロン）（２）軽度の磨耗：０．０００１インチ〜０．０００３インチ（２．５６ミクロン〜７．６９ミクロン）（３）重度の磨耗：０．０００３インチ〜０．０００５インチ（７．６９ミクロン〜１２．８２ミクロン）
接着に関し、本発明の方法を利用して被覆された物は、基体からの切れ端、剥離あるいは分離なく、反復的に曲げ、捻ることが可能である。本発明の被覆物で被覆した物は、オートクレーブに繰り返し曝露した後には、変色、割れ、剥離、錆または他の変化が一切認められなかった。以下に詳細に説明するように、本発明の被覆物は、被覆されていない鋼の表層の硬度を増大させ、例えば、実験標本に形成されるような被覆物の硬度はＲｃ７２である。ＡＳＭＥ Ｂ ４６．１−１９９５に準拠して測定した場合、本発明の被覆物の平均粗さ（Ｒａ）は、被覆前の部分のＲａから著しくは変化しないであろう。実質的にあらゆる形状および構造の内面および外面の両方を均一に被覆することが可能である。すべての等級のステンレス鋼は本発明の方法を利用して加工されてもよく、さらには、本発明の被覆物および被覆方法は、大部分の鉄類、および銅、アルミニウムなどの幾つかの非鉄類に実施されてもよい。最後に、生体適合性に関しては、本発明の被覆物は米国薬局方のクラス６の認証を満たすか、またはそれを超えるものである。

本発明の被覆物の物理的特性試験、特には、耐磨耗性、隙間腐食、微小硬度、被覆物の組成、脆性除去、抵抗、磁気的特性、卑金属への接着性、およびオートクレーブ性について特定の試験を実施した。一般に、本発明の被覆物を試験する際には２種類のステンレス鋼基板を用いた。すなわち、ＡＭＳ ５５１１（Ｌｏｗ−Ｃ（低含有率の銅）、１８％クロム、８％ニッケル鋼、シート状、ＡＭＳ ４ ＳＡＥ３０３０４）で以後タイプＩと呼ぶａ／ｋ／ａ、ＡＩＳＩタイプ３０４ステンレス鋼と、ＡＭＳ ５５０４（０．１５％銅、１２．５％クロム鋼、シート状、ＡＭＳ ４ ＳＡＥ ５１４１０）で以後タイプＩＩと呼ぶａ／ｋ／ａ、ＡＩＳＩタイプ４１０ステンレス鋼である。

磨耗試験に関しては、基板の各材料タイプの１つを本発明の被覆物で被覆し、一方は従来の硬質クロムで被覆し、他方は被覆しなかった。磨耗試験は、規格ＦＥＤ−ＳＴＤ−１４１、方法６１９２．１に準拠して行い、ＣＳ−１０キャリブレイズ・ホイール（Ｃａｌｉｂｒａｓｅ Ｗｈｅｅｌ）を使用した。１，０００グラムの圧力を試験パネルに用いた。加重前にすべてのパネルをアセトンを用いて洗浄した。試験片についてのテーバー磨耗の対磨耗性（すなわち、磨耗指標）を図６に示す。詳細には、４１０ステンレス試験片（被覆せず、従来の硬質クロムメッキ、本発明の被覆物を形成した）および３０４ステンレス（被覆せず、従来の硬質クロムメッキ、本発明の被覆物を形成した）の磨耗指数を左から右に示している。各基板（すなわち、４１０／３０４ステンレス）について、本発明の被覆物は、それ自体及び従来のクロムめっきが施されたものよりも改善された耐磨耗性を有し、より詳細には、被覆していない基板の磨耗指数は、本発明の被覆物を形成した同じ基板（すなわち、４１０／３０４ステンレス）に比して、それぞれ約１５．７倍および約７．４倍も大きく、従来の被覆した基板の磨耗指数は、本発明の被覆物を形成した同じ基板に比してそれぞれ約６．５５倍および約５．３倍も大きい。

微小硬度評価は、ＡＳＴＭＥ３、Ｅ３８４，Ｅ１４０およびＢ４８７に準拠して２つの試験片を用いて実施した。１種類の材料、すなわちタイプＩＩステンレスの２つの試験片を試験に用いた。２つの試験片のうちの一方は従来の硬質クロムで被覆し、他方は本発明の被覆物で被覆した。微小硬度の試験結果を本願明細書に表１として示す。

ヌープ硬度試験およびビッカース硬度試験の結果は、本発明の被覆物を形成した試験片の微小硬度は、従来の硬質クロムメッキした試験片に比して大きくなったことを示している（すなわち、ヌープ硬度試験およびビッカース硬度試験のそれぞれについて、７３平均ＨＲＣ対７２平均ＨＲＣ、７０平均ＨＲＣ対６７平均ＨＲＣ）。

ＭＩＬ−ＳＴＤ−１３１２／５Ａに準拠して、本発明の０．０１５ｍｍの層の被覆物で被覆したＶ字に切欠きの入った４個の引張試験片を、２００時間の水素脆性感受性ハンドテストに供した。引張負荷は２，７９９．８３ｋｇに設定した。負荷時の温度は２３．６６℃とした。７５％極限強度で試験片に負荷をかけた。試験片は割れることなく２６３．２時間持ちこたえ、これにより２００時間の最低必要条件を満たした。

電気抵抗性に関しては、タイプＩのステンレス鋼を試験に用い、一方の試験片は本発明の被覆物で被覆し、他方の試験片には被覆を施さなかった。試験は最近校正されたバルハラ・サイエンティフィック（Ｖａｌｈａｌｌａ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ）社のデジタル式マイクロオームメータ・モデル４３００ｂを用いた。電気抵抗試験は直接的方法で実施し、被覆したパネルおよび被覆していないパネルの様々な領域に接触プローブを設置し、試験温度は２１．６６℃とした。抵抗測定データを表２に示す。

Ｄ−Ｃ磁気的特性（Ｂ，Ｈ曲線）に関して、２種類のステンレス鋼、すなわち上記したステンレス鋼を試験に用いた。各材料タイプの一方の試験片は本発明の被覆物で被覆し、各材料タイプの他方の試験片は被覆しなかった。試験装置および試験手順は、ＡＳＴＭ Ａ７７３−９６「リングを使用した材料のＤ−Ｃ磁気的特性の標準試験法およびＤ−Ｃ電子的ヒステリシスグラフを用いたパラメータ手順」に準拠した。基本的には、試験片に磁界を加え、一旦磁界を除去した後に、材料を試験してどの程度の磁気が材料に保持されているかを測定した。材料はその磁気的性質に応じて、磁気的性質が極端に弱い反磁性、磁気的性質が概して弱い常磁性、および、鉄、コバルト、ニッケル等の磁気的性質が強い強磁性に分類することが可能である。金属クロムは常磁性に分類される。一般にこの分類の材料は磁性が弱い。典型的には、常磁性および反磁性の材料は、強い磁力のある強磁性の材料と対比して、非磁性と表される。図７〜１５にグラフ化した試験データは、本発明の被覆物で被覆した試験片は同じ材料の被覆していない試験片に比して磁界透過性が弱いという結論を裏付けている。

接着試験に関しては、タイプＩのステンレスの一方の試験片を０．０１５ｍｍの厚さの本発明の被覆物で被覆した。ＡＳＴＭ Ｂ５７１の仕様に準拠して試験を実施した。この仕様では、破壊されるまで１８０度の角度で試験片を曲げることが要求される。破壊された時点で、試験片の切断端部を倍率１０倍で検査したが、被覆物の分離または剥離（ｐｅａｌｉｎｇ）は認められなかった。

オートクレーブ性に関しては、耐熱皿に置かれた２つの試験片に対して４０回以上にわたってオートクレーブを行った。蒸気曝露は、重力置換式高圧蒸気滅菌器を用いて１２０°Ｆ（５０℃）で実施した。それぞれ５回行った後、試験片の変色および劣化について、目視で顕微鏡検査した。繰り返して行ったオートクレーブ曝露が試験片の表面に何ら影響を及ぼさなかったので、試験を中断した。

最後に生物学的適合性に関し、試験結果の要約を表３に示す。本発明の被覆物で被覆したインプラントは、ＩＳＯ／三者（Ｔｒｉｐａｒｔｉｔｅ）試験に合格し、米国薬局方クラスＩＶの認証を受けた。

利用可能な被覆方法に関し、電気メッキは金属またはプラスチックの表面を金属で被覆するための公知技術である。このように被覆された物の表面は、被覆物が形成される基体よりも、光沢があり且つ腐食抵抗性がある。一般に、電気メッキは、被覆される工作物を、水に溶かした選択的化学物質が入った槽（すなわちメッキ槽）に浸漬することによって施される。メッキされる工作物はマイナスの電線に取り付けられ、陰極となる。他方の電線はプラスの電線であり、溶液中にある（すなわち、陽極）。電流がメッキ液に供給されると、負に帯電した浸漬された工作物は、メッキ液から正に帯電した金属を引き付ける。これは電流が流れている限り続き、特に、時間の関数として被覆物、即ち成膜物はどんどん厚くなっていく。

クロムメッキ槽中に、クロム源に加えて、触媒として作用するように硫酸イオンおよびフッ化物イオンを導入してもよい。温度、電流密度およびメッキ槽の組成は膜特性および電流効率に影響を及ぼす。したがって、特定の成膜特性およびメッキ速度を得るために、これらのパラメータは入念に管理される。メッキ槽の組成に関し、クロム酸および硫酸は不可欠な成分である。一般に、クロム対硫酸の比率は７５：１〜２５０：１の範囲である。具体的な組成は主として、槽が共触媒であるか、例えば、フッ化物、フルオロケイ酸塩またはフッ化ホウ素を含んでいるかどうかに左右される。六価クロムはそのようなメッキ槽から成膜されるクロム源であり、クロム酸は溶液作成の際の主成分である。一般的な工程の間、六価クロムは、まず三価クロムに還元され、次に不安定な二価の状態に還元され、さらに最終的には安定なゼロ価の状態（すなわち、元素のクロム）に還元される。

メッキ槽の温度は、電流密度および、それが成膜物の光沢および形成量に及ぼす影響と密接な関係がある。一般に、電流密度が高くなるほど、必要となる温度は一層高くなる。一般に、最適な温度範囲がクロム酸の所定の濃度について存在する。その範囲以下または以上では成膜結果は悪くなる。硬質クロムの場合、その範囲は１２０°Ｆ（４９℃）〜１５０°Ｆ（６５．５℃）である。部品をメッキ槽に入れる前に、最適な浴槽温まで部品を予熱することが必要となることもあり、稀ではあるが、確実に成膜を均一にするために部品を冷却することが必要な場合もある。

ある溶液組成温度では、電流密度が陽極の効率、光沢および硬度に影響を及ぼす。電流密度が高過ぎる場合に、燃焼や成膜の粗さが生じることになり、逆に電流密度が低いとクロムの被覆率が不足すると予想される。

自己調整高速クロム槽は、硫酸に加えてケイフッ化物などのフッ化物錯体を含んでいる。所望の陰イオンをコントロールしながら放出するために、難溶解性の塩が選択され使用される。カリウムまたはナトリウムのケイフッ化物と重クロム酸塩とを含有する混合物は、例えば、共通イオン効果によってフッ化物の放出を調節する。硫酸ストロンチウムおよびクロム酸塩の混合物は、溶液中で硫酸の放出を調節する。したがって、より高温では、このタイプのメッキ槽においては、触媒の溶解性増大の結果として陰極の電流効率が上昇する。

本発明の電気メッキ槽の好適な組成に関し、以下に示す市販製品が好ましい。ＨＥＥＦ−２５硬質クロムメッキ液、３０〜３５オンス／ガロン（８５２〜９９４ｇ／３．７８５Ｌ）のクロム、０．３〜０．３５オンス／ガロン（８．５２〜９．９４ｇ／３．７８５Ｌ）の硫酸、１３５〜１４５°Ｆ（５７．２〜６２．８℃）まで加熱されたバランスウォーター、９０〜１０５°Ｆ（３２．２〜４０．６℃）まで加熱された８〜１２オンス／ガロン（２２７．２〜３４０．８ｇ／３．７８５Ｌ）のオアカイト（Ｏａｋｉｔｅ）９０アルカリ洗浄剤、３５％硫酸、室温（すなわち、６５°Ｆ〜８０°Ｆ（１８．３℃〜２６．７℃））で４オンス／ガロン（約１１３．６ｇ／３．７８５Ｌ）（フッ化水素アンモニウムとして）、および４オンス／ガロン（約１１３．６ｇ／３．７８５Ｌ）のマックギーン・ロコ（ＭｃＧｅａｎ Ｒｏｈｃｏ）社の溶液（洗浄の目的で）である。本発明の被覆方法は、従来の電気メッキ装置および市販の化学物質を利用するものである。好適には次の物を含む工程の要素を選択する。空気撹拌装置を備えるポリラインの（ｐｏｌｙ−ｌｉｎｅｄ）スチールメッキ槽、クオーツ・ヒータ（５，０００ワット）、サーモスタットおよび熱電対を含む温度制御装置、直流４８０三相入力、０〜９ボルトの直流出力、リップル５％未満の高速整流装置、２，０００ワットの電気ヒータおよび温度制御装置が取り付けられた洗浄工程用のスチール槽、三段階の冷水洗浄槽、多塩基酸洗浄槽、およびメッキ用治具である。

本発明の被覆方法または手順は本願明細書ではコバルト−クロム・インプラントの製法に関連している。一般に、インプラントは厳密なロット管理識別製造番号を有する滅菌梱包状態でメッキ設備に受け入れられる。被覆のすべての段階を通してトレーサビリティを維持しなければならない。梱包されたインプラントを開梱する前に、ワーク・ルータ（ｗｏｒｋ ｒｏｕｔｅｒ）が用意される。好ましくは、検査領域から製造領域に移動する時にインプラントを保護するために、清潔なエアクッションが内に貼られかつバネ錠が付いた蓋を有する９インチ×１６インチ×２インチ（２２．８６ｃｍ×４０．６ｃｍ×５．１ｃｍ）の深いポリ容器が利用される。工程中ルータはインプラントとともにあることになる。

容器、ルータおよびインプラントはメッキ製造領域まで運ばれ、そこでオペレータは白色の糸くずの出ない手袋を着けて容器からインプラントを取り出す。例えば、図１６〜１８のように、２バス・バー取付け具の陰極の上にインプラントを設置する。次に、室温（すなわち、約６５〜７５°Ｆの間（約１８．３〜２３．９℃））で洗浄用の酸性溶液を染み込ませた糸くずの出ない布を用いてインプラントを拭く。続いて、陽極と陰極との間の空間がわずか１インチ（２．５４ｃｍ）になるように、陽極を位置決めする。次に、メッキ用治具を冷たいきれいな流水で洗浄し、その後、約２インチ（約５．０８ｃｍ）の洗浄液でインプラントを覆うように十分な深さまでアルカリ洗浄液に浸漬する。手で治具を軽く撹拌しながら、約２分間ラックを洗浄液に浸漬したままにする。続いて、治具を冷たくてきれいな流水の中に移動させる。

次に、約２インチ（約５．０８ｃｍ）以上の洗浄液がインプラントを覆うように、治具を酸洗槽に浸漬する。陰極領域１平方インチ（６．４５平方センチ）当たり約２〜３アンペアとなるように、約３ボルトの直流で約３０秒間治具を陽極で活性化する。次に、メッキ治具を冷たいきれいな流水で洗浄した後、インプラントが陰極で、直流電流が流れている状態で、かつ約３〜３．５ボルト、最も好ましくは３．２ボルトに設定した状態で、治具を薄い緻密なクロムメッキ槽に浸漬する。約４〜５ボルト、好適には４．５ボルトに達するまで、１０秒毎に約０．１ボルトの割合で直流電流は選択的に上方に調節される。アンペア数は、陰極領域１平方インチ（６．４５平方センチ）当たり約１〜３アンペアの範囲にあるように、最も好ましくは１．５〜２．５アンペアの範囲にあるように、注意を払い、計算されるであろう。６分毎に０．０００１インチ（０．０００２５４ｃｍ）のメッキ率（すなわち、成膜の割合）という結果が得られ、最小厚さ０．０００８インチ（０．００２０３２ｃｍ）のクロム被覆を成膜させるために約４８分の滞留時間を必要とする。メッキ作業の最後には、治具をメッキ槽から取り出し３段階の回収洗浄槽で洗浄する。

続いて、治具を強制換気乾燥し、インプラントを治具の陰極から外す。インプラントを冷水および温水で３回以上に分けて洗浄して、残存しているクロム溶液を除去する。この後、オペレータがインプラントの内面および外面のすべてについて汚れや変色がないかどうか、インプラントを検査する。きれいな温水に浸漬し、糸くずの出ない布でふき取れば、汚れや変色が除去されるであろう。すべての洗浄作業は、メッキ液から取り出して５分以内に実行しなければならない。

次に、オペレータにより記入された全書類と伴に、インプラントを最初に入っていた容器に戻す。続いて、密閉した容器を、厚さ、被覆の均一性、および清浄度についての最終的な検査のための検査領域に搬送する。この後、インプラントをラップし、被覆の均一性および仕上り表面の許容性のために研磨し且つ検査し、トレーサビリティのためにすべての文書を添付した状態で元の滅菌パッケージに再梱包する。

本発明の範囲から逸脱することなく、多くの可能な実施形態を本発明から作り出すことができるので、当然のことながら、本願明細書に前述したあるいは添付図面に示したすべての事柄は、例示的かつ非限定的な意味として解釈されるべきである。

ソケットが患者の骨表面に取り付けられた本発明のボール型実施形態を示す側断面図。 ボール部の表面に形成されたクロムの接合面を示す、図１の実施形態のインプラントのボールの一部の拡大側断面図。 ソケット部の表面に形成されたクロムの接合面を示す、本発明の一実施形態の側断面図。 図３の実施形態の側断面図。 ボール部の表面に形成されたクロムの接合面を示す組み立て状態の本発明の一実施形態の側断面図。 種々の基板／被覆された基板についてのテーバー磨耗試験データを示すグラフ。 種々の基板／被覆された基板についてＤ−Ｃ磁気的特性を示すグラフ。 種々の基板／被覆された基板についてＤ−Ｃ磁気的特性を示すグラフ。 種々の基板／被覆された基板についてＤ−Ｃ磁気的特性を示すグラフ。 種々の基板／被覆された基板についてＤ−Ｃ磁気的特性を示すグラフ。 種々の基板／被覆された基板についてＤ−Ｃ磁気的特性を示すグラフ。 種々の基板／被覆された基板についてＤ−Ｃ磁気的特性を示すグラフ。 種々の基板／被覆された基板についてＤ−Ｃ磁気的特性を示すグラフ。 種々の基板／被覆された基板についてＤ−Ｃ磁気的特性を示すグラフ。 種々の基板／被覆された基板についてＤ−Ｃ磁気的特性を示すグラフ。 メッキ中に工作物を操作可能に保持するための２バス・バー治具を示す図。 メッキ中に工作物を操作可能に保持するための２バス・バー治具を示す図。 メッキ中に工作物を操作可能に保持するための２バス・バー治具を示す図。

Claims (19)

1. 薄い緻密なクロムを用いて金属工作物を電気メッキする方法において、
   ａ．フッ化水素アンモニウム塩として約４オンス／ガロン（約１１３．６ｇ／３．７８５Ｌ）のＨＦを含む３５％硫酸溶液に金属工作物を浸漬する工程と、
   ｂ．次に該金属工作物を、陰極１平方インチ（６．４５平方センチ）当たり約１．５〜２．５アンペアで約３ボルトの初期直流を流す薄い緻密なクロムメッキ槽に浸漬する工程とを備える、方法。
2. 前記硫酸溶液に浸漬されている間に、前記金属工作物は陽極で活性化される、請求項１に記載の方法。
3. 前記陽極での活性化は、約３ボルトの直流を約３０秒間供給する工程を含む、請求項２に記載の方法。
4. 陰極領域１平方インチ（６．４５平方センチ）当たり約２〜３アンペアが、陽極での活性化中に供給される、請求項３に記載の方法。
5. 前記初期直流の電圧は、時間とともに選択的に増大する、請求項４に記載の方法。
6. 前記初期直流の電圧は、時間とともに選択的且つ段階的に増大する、請求項５に記載の方法。
7. 前記初期直流の電圧は、最大で約４．５ボルトまで増大する、請求項６に記載の方法。
8. 前記初期直流の電圧は、約４．５アンペアの電圧に達するまで、１０秒毎に０．１ボルトの割合で増大する、請求項７に記載の方法。
9. 薄い緻密なクロムを用いて工作物をメッキすることによって製造される被覆インプラントであって、該被覆インプラントは１００％クロムの被覆物、及び約０．９〜１．０の範囲にあるテーバー磨耗耐性の磨耗指数を有する、被覆インプラント。
10. 前記工作物は金属から成る、請求項９に記載の被覆インプラント。
11. 前記工作物はステンレス鋼から成る、請求項１０に記載の被覆インプラント。
12. 前記工作物は３０４ステンレス鋼から成る、請求項１１に記載の被覆インプラント。
13. 前記工作物は４０１ステンレス鋼から成る、請求項１１に記載の被覆インプラント。
14. 前記工作物はコバルト−クロムから成る、請求項１０に記載の被覆インプラント。
15. 前記工作物は銅から成る、請求項１０に記載の被覆インプラント。
16. 前記工作物はアルミニウムから成る、請求項１０に記載の被覆インプラント。
17. 薄い緻密なクロムを用いて金属加工物をメッキすることによって製造される被覆インプラントであって、該被覆インプラントは１００％クロムの被覆物、及び７２ＨＲＣを超えるヌープ試験の微小硬度値を有する、被覆インプラント。
18. 薄い緻密なクロムを用いて金属加工物をメッキすることによって製造される被覆インプラントであって、該被覆インプラントは１００％クロムの被覆物、及び６７ＨＲＣを超えるビッカース試験の微小硬度値を有する、被覆インプラント。
19. 薄い緻密なクロムを用いて金属工作物を電気メッキする方法において、
    ａ．クロムメッキ溶液は、該溶液１ガロン（３．７８５Ｌ）当たり３０〜３５オンス（約８５２〜９９４ｇ）の範囲のクロムと、該溶液１ガロン（３．７８５Ｌ）当たり０．３〜０．３５オンス（約８．５２〜９．９４ｇ）の範囲の硫酸とを含み、該溶液は、１３５〜１４０°Ｆ（５７．２〜６０℃）であり、且つ約３．２ボルトの直流電圧を流し、薄い緻密な前記クロムメッキ溶液に該金属加工物を浸漬する工程と、
    ｂ．約４．５ボルトの直流電圧に達するまで、１０秒毎に約０．１ボルトの割合で前記直流電圧を上方に調節する工程とを備える、方法。

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