JP2005278874A - Artificial joint - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、本発明は、生体の骨関節を代替する人工関節に関する。 The present invention relates to an artificial joint that replaces a bone joint of a living body.
人体内の骨関節の変形や欠損を人工関節にて代替えする治療は、整形外科等で広く行なわれている。例えば、大腿骨骨頭壊死に対し、壊死した骨頭を除去した後、骨頭およびステム部を有する人工関節のステム部を大腿骨の骨髄腔に埋入して固定すると共に、カップ(ソケット)を腰骨に固定し、該ソケットの凹部に骨頭を嵌合してこれらを回動自在に連結する構造からなる人工関節を補綴し、関節機能を回復させることが頻繁に行なわれている。 Treatments for replacing the deformation and loss of bone joints in the human body with artificial joints are widely performed in orthopedics and the like. For example, for the femoral head necrosis, after removing the necrotic head, the stem portion of the artificial joint having the head and stem portion is embedded and fixed in the bone marrow cavity of the femur, and the cup (socket) is attached to the hip bone. Frequently, an artificial joint having a structure in which a bone head is fitted to a concave portion of the socket and is pivotably connected to the prosthesis is restored to restore the joint function.
このような人工関節には、機械的強度、弾性(靱性)、耐久性、生体内での安定性(体液に対する腐食、劣化等がないこと)、生体親和性(造骨促進作用等の周辺組織との適合性)、安全性(毒性、分解性等がないこと)、加工性等の特性が要求されている。 Such artificial joints have mechanical strength, elasticity (toughness), durability, in-vivo stability (no corrosion or deterioration against body fluids), biocompatibility (bone-promoting action and other surrounding tissues) Compatibility), safety (no toxicity, degradability, etc.) and processability are required.
現在では、人工関節の構成材料、特に骨頭部の構成材料として、有機樹脂、または特許文献1に記載されているように、ステンレス鋼、コバルト−クロム合金、チタン、チタン合金等の金属、またはアルミナやアパタイト等のセラミックスが用いられているが、要求特性をすべて満足する材料がないのが実状である。 At present, as a constituent material of an artificial joint, in particular, as a constituent material of a bone head, an organic resin, or a metal such as stainless steel, cobalt-chromium alloy, titanium, titanium alloy or alumina as described in Patent Document 1, or alumina Although ceramics such as apatite are used, there is no material that satisfies all the required characteristics.
上記材料の中で、樹脂製または金属製の人工関節は、骨頭とそれに嵌合して回転自在に連結するソケットとの摺動によって摺動面が摩耗し、この摩耗粉が摺動面に噛み込まれて摩耗がさらに進行するという問題がある。 Among the above materials, the artificial joint made of resin or metal is worn on the sliding surface by sliding between the bone head and the socket that is fitted and rotatably connected thereto, and this wear powder bites the sliding surface. There is a problem that the wear further progresses.
一方、セラミックス製の人工関節は、硬度が高くて摺動性に優れるものの、靭性が低くて欠損する等の耐久性に劣るという問題があり、特許文献2では、アルミナに代えてガラスセラミックスを用いることが記載されている。
しかしながら、特許文献2にて開示されたガラスセラミックスからなる骨頭部は、特許文献1のように摺動部が摩耗することは抑制できて耐摩耗性に優れるものの、耐欠損性に劣り、運動等により大きな衝撃がかかった場合に欠損する恐れがあるという問題があった。
However, the bone head made of the glass ceramic disclosed in
本発明の目的は、骨頭部とソケットのように人工関節の摺動部において、摺動性が高くて摩耗粉の発生を防止できるとともに、耐欠損性に優れて生体への安全性を向上することができる人工関節を提供することにある。 The object of the present invention is that the sliding part of an artificial joint such as a bone head and a socket has high slidability and can prevent generation of wear powder, and has excellent fracture resistance and improves safety to the living body. It is to provide an artificial joint that can be used.
本発明は上記課題について、骨頭部のように人工関節の摺動する部分、すなわち骨頭部表面を、規則的に配列された第1の材料からなる核材の外周を、前記第1の材料とは異なる材料からなる外皮材にて囲んだ複合構造組織にて構成することにより、摺動部における摩耗粉の発生を防止できるとともに、耐欠損性に優れて生体への安全性を向上することができる人工関節となることを特徴とするものである。 With regard to the above-mentioned problems, the present invention relates to an outer periphery of a core material made of a first material regularly arranged on a sliding portion of an artificial joint such as a bone head, that is, a bone head surface, and the first material. Is composed of a composite structure surrounded by a skin material made of different materials, which can prevent the generation of abrasion powder in the sliding part and can improve the safety to the living body with excellent fracture resistance. It becomes a prosthetic joint that can be made.
すなわち、本発明の人工関節は、規則的に配列された第1の材料からなる核材の外周を、前記第1の材料とは異なる材料からなる外皮材にて囲んだ複合構造組織にて表面がなる骨頭部と、該骨頭部に続くネック部と、該ネック部に続くステム部とで構成された人工骨の前記骨頭部を、ソケットの凹部内に嵌合して回動可能に連結したものである。 That is, the artificial joint of the present invention has a surface with a composite structure in which the outer periphery of the core material made of the first material regularly arranged is surrounded by the outer skin material made of a material different from the first material. The bone head of an artificial bone composed of a bone head, a neck portion following the bone head, and a stem portion following the neck portion is fitted into a recess of the socket so as to be rotatable. Is.
ここで、前記ソケットの凹部内表面が前記複合構造組織からなることがソケットの摺動部での摩耗を防止できる点で望ましい。 Here, it is desirable that the inner surface of the concave portion of the socket is made of the composite structure in terms of preventing wear at the sliding portion of the socket.
なお、前記複合構造組織核材の気孔率が5%以下であり、かつ前記外皮材の気孔率が25%以上で三次元に連通した気孔を有することが、機械的強度に優れるとともに生体親和性を高め骨の再生を促す点で望ましい。 The composite structure core material has a porosity of 5% or less, and the outer skin material has a porosity of 25% or more and has pores which are three-dimensionally communicated, and has excellent mechanical strength and biocompatibility. This is desirable because it promotes bone regeneration.
また、前記骨頭部の内部が、前記核材をなす第1の材料にて形成された均一組織からなることが、骨頭部自体の強度が高く、かつ骨頭部の内部と表面組織との密着力が高める点で望ましい。 Further, the inside of the bone head is made of a uniform tissue formed of the first material constituting the core material, the strength of the bone head itself is high, and the adhesion between the inside of the bone head and the surface tissue Is desirable in terms of enhancing.
さらに、前記骨頭部表面の複合構造組織の厚みが100〜500μmであることが、潤滑液が摺動面に進入し骨頭部の摺動性を確保できるので望ましい。 Furthermore, it is desirable that the thickness of the composite structure on the surface of the bone head is 100 to 500 μm because the lubricant can enter the sliding surface and ensure the sliding property of the bone head.
さらには、前記複合構造組織の核材の平均直径が10〜1000μmであり、かつ該核材の前記骨頭部表面における面積比率が60〜95面積%であることが、機械的強度と摩耗量を最適化する点で望ましい。 Furthermore, the average diameter of the core material of the composite structure is 10 to 1000 μm, and the area ratio of the core material on the surface of the bone head is 60 to 95 area%. This is desirable in terms of optimization.
また、前記ネック部および/またはステム部が、長尺状の芯材の外周を表皮材にて被覆してなる単芯繊維体を複数本集束した複合繊維体からなることが、ネック部および/またはステム部の硬度を維持した状態で靭性を高めて機械的強度を向上できる点で望ましい。 Further, the neck portion and / or the stem portion is composed of a composite fiber body in which a plurality of single core fiber bodies formed by covering the outer periphery of a long core material with a skin material, Or it is desirable at the point which can improve toughness and improve mechanical strength in the state which maintained the hardness of the stem part.
上記本発明の人工関節は、骨頭部とソケットのように人工関節の摺動部、特に骨頭部表面を、規則的に配列された第1のセラミック材料からなる核材の外周を、前記第1のセラミック材料とは異なる材料からなる外皮材にて囲んだ複合構造組織にて構成することにより、摩耗粉の発生を防止できるとともに、耐欠損性に優れて生体への安全性を向上することができる人工関節となる。 In the artificial joint of the present invention, the outer periphery of the core material made of the first ceramic material regularly arranged on the sliding portion of the artificial joint, particularly the bone head surface, like the bone head and the socket, By using a composite structure surrounded by a shell material made of a material different from the ceramic material, it is possible to prevent the generation of wear powder and to improve the safety to the living body with excellent fracture resistance. It can be an artificial joint.
以下、本発明の人工関節を添付図面に示す好適実施例に基づいて詳細に説明する。 Hereinafter, the artificial joint of the present invention will be described in detail based on preferred embodiments shown in the accompanying drawings.
図1は本発明の人工関節の構成例を示す正面図、図2は図1中のa−a線での断面図、図3は(a)が図1の人工関節における骨頭部の表面についての要部拡大図、(b)が複合繊維体の斜視図である。 1 is a front view showing a configuration example of the artificial joint of the present invention, FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line aa in FIG. 1, and FIG. 3 is a diagram of the surface of the bone head in the artificial joint of FIG. The principal part enlarged view of this, (b) is a perspective view of a composite fiber body.
図1に示すように、人工関節1は、骨頭部2と、これに続くネック部3と、これに続く金属製のステム部4とで構成された人工骨5を、骨盤Aの所定位置に別体として設けられるソケット6の凹部7内に嵌合してこれらが回動自在に連結されてなる。
As shown in FIG. 1, the artificial joint 1 has an artificial bone 5 composed of a
骨頭部2は、略球状の湾曲表面を有する部材であり、ステム部4は、大腿骨Bの骨髄腔8に埋入されて固定される部分であって、ネック部3側のステム基部9とステム先端部10とで構成されている。なお、ステム基部9の外周と骨髄腔とが密着するため、ステム基部9はネック部3やステム先端部10より太くなっており、その形状は、埋入する骨髄腔の形状と一致するように成形されている。また、ステム先端部10は、骨髄腔の奥部まで挿入されるため、先細りの形状をなしている。
The
一方、ネック部3は骨頭部2とステム部4とを連結する部材であり、略円柱形状をなす。ネック部3は、好ましくはステム部4と連続して一体的に形成される。そして、ステム先端部10の軸線は、ネック部3の軸線に対し、例えば15〜35度程度傾斜している。
On the other hand, the neck portion 3 is a member that connects the
本発明によれば、図2、図3(a)に記載されるように、骨頭部2の表面が、規則的に配列された第1のセラミック材料からなる核材11の外周を、前記第1のセラミック材料とは異なる材料からなる外皮材12にて囲んだ複合構造組織13からなることが大きな特徴であり、これによって、骨頭部2とソケット6との摺動部における摩耗粉の発生を防止できるとともに、耐欠損性に優れて生体への安全性が向上する。
According to the present invention, as shown in FIG. 2 and FIG. 3 (a), the outer surface of the
つまり、複合構造組織13は、硬度の高い第1のセラミック材料からなる核材11が規則的に配列され、その外周を組成の異なる生体親和性に優れた材質からなる外皮材12にて囲んだ構造をなしたものである。
That is, in the
なお、図2では、前記複合構造組織13の外側表面が本来は湾曲状であるところ、簡略的に直線状で示している。
In FIG. 2, the outer surface of the
本発明によれば、核材11が規則的に配列するので、不規則配列と比較して局所的な摩耗の偏りがなく、骨芽細胞の生成も均一であるという利点がある。また、この核材11の周囲を外皮材12で囲んでいるので、骨頭部2表面に衝撃がかかるような場合でも欠損する危険性が小さい。
According to the present invention, since the
なお、核材11は、例えば図3(a)では六角形の断面形状を呈するが、本発明はこれに限定されるものではなく、円形または他の多角形、さらには一方向に長い細長形状をなしていてもよい。
The
核材11の構成材料としては、硬度に優れるという理由から、例えば、アルミナ、ジルコニア、窒化ケイ素、炭化ケイ素等のセラミックスを用いることができるが、本発明においては、特に強度が高く安定性のあるアルミナが特に好適である。一方、外皮材12の構成材料としては、核材11よりも靭性または生体親和性に富んだ材料が用いられることが望ましく、例えば、ジルコニア、リン酸カルシウム化合物等のセラミック材料、または金属や有機樹脂も用いることができる。
As a constituent material of the
ここで、ソケット6も人工でできた骨からなる場合には、ソケット6の凹部7内表面が複合構造組織13からなることが、ソケット6の摺動部での摩耗を防止できる点で望ましい。
Here, when the
なお、複合構造組織13の核材11の気孔率が5%以下、特に2%以下であり、かつ外皮材12の気孔率が25%以上、特に40〜90%、さらに45〜70%で三次元に連通した気孔を有することが、機械的強度に優れるとともに生体親和性を高め骨芽細胞の増殖および骨の再生を促す点で望ましい。ここで、外皮材12中の気孔には潤滑液が充填されて骨頭部2表面の摺動性を高めることができるという効果もある。
The porosity of the
また、骨頭部2はその全体を上記複合構造組織13にて構成することもできるが、骨頭部表面が曲面をなしていることから表面の組織制御の点では、骨頭部2の内部が複合構造組織13とは異なる組織にて構成されることが望ましい。
The
なお、骨頭部2の構成材料としては、例えば、ステンレス鋼(例えば、SUS316、SUS316L)、コバルト−クロム合金、コバルト−クロム−ニッケル合金、チタン、チタン合金(例えばTi−6%Al−4%V)等の耐食性に優れる金属、合金、または、例えばアルミナ、ジルコニア、窒化ケイ素、炭化ケイ素等のセラミックス等の強度および硬度に優れる材料を用いることができるが、本発明においては、骨頭部2の内部が、特に、上述した核材11をなす第1の材料にて形成された均一組織からなることが、骨頭部11自体の硬度が高く、かつ骨頭部11の内部と表面組織(複合構造組織13)との密着力が高める点で望ましい。また、骨頭部2の内部は、中空でも中実でもよい。
In addition, as a constituent material of the
さらに、骨頭部11表面の複合構造組織13の厚みが100〜500μmであることが、表面組織である複合構造組織13内に潤滑液が充分に進入して骨頭部2表面の摺動性を確保できるとともに望ましい。
Further, when the thickness of the
さらには、複合構造組織13の核材11の平均直径が10〜1000μmであり、かつ核材11の骨頭部2表面における面積比率が60〜95面積%であることが、機械的強度と摩耗特性で望ましい。
Furthermore, the average diameter of the
ここで、複合構造組織13の断面における核材11の面積c1と外皮材12の面積s1との面積比c1/s1が1〜10の間であるときに摩耗性に優れるとともに高い生体親和性を有し、望ましくは1〜5であり、さらに望ましくは1〜3である。
Here, when the area ratio c1 / s1 between the area c1 of the
なお、本発明において、複合構造組織13(または後述の複合繊維体18)の断面における外皮材12(または複合繊維体18の表皮材16)と核材11(または複合繊維体18の芯材15)との面積比c/sを算出するには、例えば複合構造組織13の任意横断面における走査型電子顕微鏡(SEM)写真にて観察される各核材11の断面積の和をc、複合構造組織13の任意断面における総断面積から前記核材11の面積cを引いたものを外皮材12の面積sとして計算することができる。簡単には画像解析法などによっても求めることができる。
In the present invention, the skin material 12 (or the
また、ネック部3および/またはステム部4が、図3(b)に示すような、長尺状の芯材15の外周を表皮材16にて被覆してなる単芯繊維体17を複数本集束した複合繊維体18からなることが、ネック部3の硬度を維持して骨頭部2およびステム部4との連結部におけるネック部3の摩耗を抑制することができるとともに、部材の靭性を高めて突発的な荷重が発生したときの耐久性を向上できる点で望ましい。
Further, the neck portion 3 and / or the stem portion 4 has a plurality of single-
本発明において用いる複合繊維体18の表皮材16としては生体親和性の多孔質セラミックスとして一般的に知られているリン酸カルシウム化合物が好適で、例えばリン酸三カルシウムTCP(Ca3(PO4)2)、リン酸四カルシウム(Ca4(PO4)2O)、リン酸八カルシウム(Ca8H2(PO4)6・5H2O)、リン酸一水素カルシウム(CaHPO4)、リン酸二水素カルシウム(Ca(H2PO4)・H2O)、ハイドロキシアパタイトHAP(Ca10(PO4)6(OH)2)、ジルコニア(ZrO2)などの無機材質、または、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリアリルエーテルケトンのようなケトン系樹脂や、ポリフェニレンサルフィド、ポリサルフォン等の熱可塑性樹脂が挙げられる。本発明では、これらのうちの1種または2種以上を任意に組み合せて用いることができる。このような生体用樹脂材料8中には、例えば、安定剤、強化材のような各種添加剤が添加されていてもよい。
As the
一方、芯材15の材質としては、生体為害性のない材料であり望ましくは生体適合性を有する緻密なセラミックスあるいは金属であり、例えばアルミナ(Al2O3)、ジルコニア(ZrO2)、シリカ(SiO2)、チタニア(TiO2)が挙げられ、これらセラミックスには適宜Ti、Mg、Zr、Hf、Y系などの助剤を含んでいても良い。また、金属としては、ステンレス鋼(例えば、SUS316、SUS316L)、コバルト−クロム合金、コバルト−クロム−ニッケル合金、チタン、チタン合金(例えばTi−6%Al−4%V、Ti−49〜51%Ni)等の耐食性に優れる金属を用いることができる。その中でも特に、形状記憶合金(Ti−49〜51%Ni)を用いるのが好ましい。この形状記憶合金は、繰り返し荷重に対する追従性、復元性、疲労特性が優れるため、長期の埋入において安定性、耐久性が向上する。
On the other hand, the material of the
なお、上記複合構造組織13の核材11と複合繊維体18の芯材15、および複合構造組織13の外皮材12と複合繊維体18の表皮材16とは同一材料によって形成されていてもよく、この場合には途中まで同一製法にて複合構造組織13と複合繊維体18とを作製できる点で望ましい。
The
また、表皮材16をなすセラミックスの結晶粒子の平均二次粒径は、骨芽細胞を成長させるに必要な気孔を保持する為に10〜300μm、望ましくは50〜200μmであることがよい。一方、芯材15をなす緻密なセラミックスあるいは金属は靭性および強度向上の点で0.1〜10μm、特に0.5〜3μmであることが望ましい。
The average secondary particle size of the ceramic crystal particles forming the
また、複合繊維体18のサイズは補填する生体骨の部位および形状に対応させて変化させるが、表皮材16の多孔質セラミックスの気孔サイズが50〜200μmであるため、単芯繊維体17として0.5〜5mm程度が良い。
Further, the size of the
ここで複合繊維体18の断面における芯材15の面積cと表皮材16の面積sとの面積比c/sが1〜10の間であるときに骨補填材料として好適な強度と生体親和性とを有し、望ましくは1〜5であり、さらに望ましくは1〜3である。面積比c/sが1未満の場合は緻密なセラミックスの割合が少なくなり複合構造体自体の強度が低下し、例えば人工骨補填材料として必要とされる30MPaを下回ってしまう場合がある。一方、面積比c/sが10を超える場合には強度的には十分であるが、複合構造体内に占める気孔の存在密度が低いため、骨芽細胞の成長が抑制され治癒に長時間を必要とするようになる。
Here, when the area ratio c / s between the area c of the
さらに本発明の芯材cと表皮材sの面積比およびそれぞれの気孔率を制御することにより複合構造体のヤング率を調節することも可能であり、例えば生体骨のヤング率30GPa程度に制御することにより、骨補填材料としてより好適なものとなる。 Furthermore, the Young's modulus of the composite structure can be adjusted by controlling the area ratio between the core material c and the skin material s of the present invention and the porosity of each, and for example, the Young's modulus of living bone is controlled to about 30 GPa. As a result, it becomes more suitable as a bone filling material.
複合繊維体18としては、短繊維、長繊維のいずれでもよく、また、直線状でも、バルキー加工のように屈曲部分を有するものでもよい。また、複合繊維体18の集合形態は、特に限定されず、単芯繊維体17を単に束ねたものでもよいが、単芯繊維体17の織物、編物または網状物(メッシュ)であってもよい。これにより、強度、特に、ステム部4の軸方向およびこれと直交する方向の強度が増す。
The
単芯繊維体17の直径の好適な範囲は、その構成金属の種類にもよるが、通常は、0.01〜2.0mmであるのが好ましく、0.1〜1.0mmであるのがより好ましい。金属繊維7の直径が0.01mm未満では、焼結時に粉体との混合が困難となり、2.0mmを超えると、樹脂との複合体としての強度が低下する。また、複合繊維体18における単芯繊維体17の本数は特に限定されないが、上記直径の単芯繊維体17の場合、400万〜100本程度、特に、400〜40000本程度とするのが好ましい。
Although the suitable range of the diameter of the single
ステム部4、特に、ステム基部9における単芯繊維体7の配設密度は特に限定されないが、20〜100万本/cm2、特に、100〜10000本/cm2とするのが好ましい。なお、このような金属繊維7の配設密度は、ステム部4の中心部と周縁部とで異なっていてもよい。
Stem portion 4, in particular, the density of arrangement of the single-
人工関節1を例えば大腿骨に埋入、固定する場合、ステム先端部10は緻密質の部分(コンパクトボーン)まで挿入され、その上部のステム基部9は海綿骨の部分に位置することとなるが、海綿骨ではリーミングにより骨髄腔が拡大しているため、ステム基部9の外周との接触面積が大きくなり、よって、人工関節1と生体骨との曲げ弾性率のバランスが重要となる。金属製のステム部に見られるような曲げ弾性率の過多による骨の破壊や吸収(特にカルカー部の骨の吸収)を防止するためには、人工関節埋入時の小転子より上部であるステム基部9の曲げ弾性率を改善することが特に有効となる。
When the artificial joint 1 is embedded and fixed in, for example, the femur, the stem
なお、本発明の人工関節は、上記人工骨頭に限らず、例えば、人工膝関節、人工肩関節、人工肘関節、人工指関節あるいは人工股関節や寛骨に埋入される臼蓋カップの一部に適用することもできる。 The artificial joint of the present invention is not limited to the above-mentioned artificial bone head, for example, an artificial knee joint, an artificial shoulder joint, an artificial elbow joint, an artificial finger joint, an artificial hip joint, or a part of an acetabular cup embedded in a hipbone It can also be applied to.
(製造方法)
次に、本発明の人工関節を製造する方法について、好適例を挙げて説明する。
(Production method)
Next, a method for producing the artificial joint of the present invention will be described with a suitable example.
まず、骨頭部の表面を形成する複合表面組織を作製する方法について、核材がアルミナ、外皮材がハイドロキシアパタイトの場合を例として図4の模式図をもとに説明する。 First, a method for producing a composite surface structure that forms the surface of the bone head will be described with reference to the schematic diagram of FIG. 4 taking as an example the case where the core material is alumina and the outer skin material is hydroxyapatite.
まず、平均粒径0.01〜3.5μmのアルミナ粉末に適宜助剤を添加・混合し、これにパラフィンワックス、ポリスチレン、ポリエチレン、エチレン−エチルアクリレ−ト、エチレン−ビニルアセテート、ポリブチルメタクリレート、ポリエチレングリコール、ジブチルフタレート等の有機バインダを添加、混錬して、プレス成形、押出成形または鋳込成形等の成形方法により円柱形状に核材用成形体21を作製する。
First, an auxiliary agent is appropriately added to and mixed with alumina powder having an average particle diameter of 0.01 to 3.5 μm, and paraffin wax, polystyrene, polyethylene, ethylene-ethyl acrylate, ethylene-vinyl acetate, polybutyl methacrylate, polyethylene are added thereto. An organic binder such as glycol or dibutyl phthalate is added and kneaded to produce a
一方、平均粒径0.1〜100μmのハイドロキシアパタイト原料粉末に前述のバインダ等に加え適宜、分散剤・発泡剤・消泡剤を添加、混錬して、プレス成形、押出成形または鋳込成形等の成形方法により半割円筒形状の2本の外皮材用成形体22を作製する。
On the other hand, a hydroxyapatite raw material powder having an average particle size of 0.1 to 100 μm is appropriately added with a dispersant, a foaming agent, and an antifoaming agent in addition to the above-mentioned binder and kneaded, and press molding, extrusion molding, or cast molding. Two molded
本発明によれば、外皮材12の気孔率を25%以上に制御するために上記外皮材用成形体22用の原料を混合するに際して、前記有機バインダの添加量を100〜200体積部、特に120〜150体積部とすることが望ましい。また、前記ハイドロキシアパタイト原料粉末は二次粒子径が20〜400μm、特に50〜200μmに造粒しておいたほうが均一な気孔径および組織を作製する点で望ましい。
According to the present invention, when the raw material for the outer
次に、核材用成形体21の外周に2本の外皮材用成形体22を配した複合成形体23を作製し、この複合成形体23を共押出成形する(核材用成形体21、および外皮材用成形体22を同時に押出成形する)ことにより核材用成形体21の外周に外皮材用成形体22が被覆され細い径に伸延された単芯成形体24を作製する(工程(b)参照)。また、マルチ繊維(フィラメント)タイプの多芯成形体25を作製するには、上記共押出しした長尺状の単芯成形体24を複数本収束して再度共押出し成形すればよく、この方法によれば、成形体中の単芯成形体24同士のより強固な密着性を得ることができる。(図4(c)参照)。
Next, a composite molded
なお、上記共押出成形においては、口金を変えること等により、上記伸延された長尺状の単芯成形体24または多芯成形体25の断面形状を、円形、三角形、四角形または六角形等の所望の形状に成形することも可能である。
In the co-extrusion molding, the elongated single-core molded
また、本発明によれば、図3(b)に示したような、複合繊維体18、または単芯繊維体17をシート状に集束した複合繊維体18を形成する場合には、前述のようにして作製した複合繊維体18、または単芯繊維体17を束ねて集合成形体を形成する。さらには、シート状成形体を作製する場合には単芯成形体24または多芯成形体25を整列させる際に公知のラピッドプロトタイピング法などの成形法を用いて予め所望の複雑な形状に成形することも可能である。
In addition, according to the present invention, as shown in FIG. 3B, when the
そして、上記集合成形体を前記繊維体の繊維方向と直交する方向に切断してシート状の成形体とする。その場合、集合成形体、または単芯繊維体17間に所望により上記バインダなどの接着材を介在させ、さらに、このシート状成形体に冷間静水圧プレス(CIP)などによって圧力を印加するものであってもよいが、必要に応じ、ロール等を用いてシート状成形体をロール圧延成形することも可能である。
And the said assembly molded object is cut | disconnected in the direction orthogonal to the fiber direction of the said fiber body, and it is set as a sheet-like molded object. In that case, an adhesive such as the above binder is interposed between the aggregated molded body or the single-
その後、骨頭部を形成するために別途準備した成形体の表面に前記成形体を貼り付けた状態で脱バインダ処理した後、焼成することにより上記骨頭部を作製することができる。焼成方法は、芯材および表皮材によって、真空または雰囲気焼成、ガス圧焼成、ホットプレス、放電プラズマ焼結法などが用いられる。焼成温度は750℃〜1300℃とすることが望ましい。 Then, after performing a binder removal process in the state which affixed the said molded object on the surface of the molded object separately prepared in order to form a bone head, the said bone head can be produced by baking. As the firing method, vacuum or atmosphere firing, gas pressure firing, hot press, discharge plasma sintering, or the like is used depending on the core material and the skin material. The firing temperature is desirably 750 ° C to 1300 ° C.
さらに、ネック部、ステム部およびソケットを別途作製し、上記骨頭部と合わせて組み立てることにより、本発明の人工関節を作製することができる。 Furthermore, the artificial joint of the present invention can be manufactured by separately preparing a neck portion, a stem portion, and a socket and assembling them together with the bone head.
平均粒径0.3μmのアルミナ粉末に対して、バインダ、および滑剤を合計で85質量部の割合で添加、混錬した後、プレス成形により円柱形状の核材用成形体を作製した。一方、平均粒径0.2μmのジルコニア粉末に対して、バインダ、および滑剤を合計で120質量部の割合で添加、混錬した後、プレス成形により半割円筒状の外皮材用成形体を2本作製し、核材用成形体の周囲に図4に示すように外皮材用成形体を被覆した複合成形体を作製した。 A binder and a lubricant were added to the alumina powder having an average particle size of 0.3 μm in a ratio of 85 parts by mass in total and kneaded, and then a cylindrical shaped core material was produced by press molding. On the other hand, after adding and kneading a binder and a lubricant in a ratio of 120 parts by mass in total to a zirconia powder having an average particle size of 0.2 μm, 2 parts of a half-cylindrical outer shell material were formed by press molding. A composite molded body was fabricated in which the core material molded body was coated with a shell material molded body as shown in FIG.
次に、前記複合成形体を共押出して伸延された単芯形成体を並列に並べて集合成形体を作製しCIP加圧した後、この集合成形体を繊維方向と直交する方向に0.3mmの厚さでスライスしてシート状成形体を得た。 Next, the single-core formed bodies that are coextruded and stretched in parallel are arranged in parallel to form an aggregate molded body and subjected to CIP pressing, and then the aggregate molded body is 0.3 mm in a direction perpendicular to the fiber direction. A sheet-like molded body was obtained by slicing with a thickness.
そして、このシート状成形体を、別途成形したアルミナ粉末からなる骨頭部用の成形体の表面に貼り合わせて、300〜700℃まで72時間で昇温させることによって脱バインダ処理を行った後、昇温速度2.5℃/分でさらに昇温し、真空中、1200℃で2時間焼成し、さらに3℃/分で降温した。さらに、この骨頭部の複合構造組織からなる表面部分を研磨加工することにより骨頭部を得た。得られた骨頭部はクラックや剥離もなく良好な組織状態を呈していた。 And after sticking this sheet-like molded object on the surface of the compact for the bone head made of separately formed alumina powder and performing a binder removal treatment by heating to 300 to 700 ° C. in 72 hours, The temperature was further raised at a rate of temperature rise of 2.5 ° C./min, calcined in vacuum at 1200 ° C. for 2 hours, and further lowered at 3 ° C./min. Further, the bone head was obtained by polishing the surface portion made of the composite structure of the bone head. The obtained bone head exhibited a good tissue state without cracking or peeling.
また、上記シート状成形体を上記骨頭部用のアルミナ成形体と同じ材質からなる単純直方体形状の成形体の主面に貼り合わせて、上記と同じ条件で焼成した。 The sheet-like molded body was bonded to the main surface of a simple rectangular parallelepiped-shaped molded body made of the same material as the bone head alumina molded body, and fired under the same conditions as described above.
得られた焼結体(試験片)をφ10×30mmのサイズに加工し、JISR1601に基づく3点曲げ試験に供し曲げ強度を測定したところ、650MPaであった。また、その際ひずみゲージ法を用いてJISR1602に基づくヤング率についても測定を行ったところ、393GPaであった。さらに、JIST0303に基づくピンオンディスク試験を行ったところ、摩耗量が0.2×10−10mm2/Nとなった。 The obtained sintered body (test piece) was processed into a size of φ10 × 30 mm and subjected to a three-point bending test based on JIS R1601, and the bending strength was measured. Moreover, it was 393 GPa when the Young's modulus based on JISR1602 was also measured using the strain gauge method in that case. Furthermore, when a pin-on-disk test based on JIST0303 was performed, the amount of wear was 0.2 × 10 −10 mm 2 / N.
さらに、得られた複合構造体の研磨した横断面を金属顕微鏡または走査型電子顕微鏡にて観察し、画像解析法にて核材と外皮材との面積比率c/sを算出したところ、面積比率c/sは5であった。また、この組織観察写真から核材中に含まれる気孔の面積比率を測定して芯材中の気孔率を算出したところ0.2%であった。さらには、水銀圧入法にて気孔率を算出し、上記核材と外皮材との面積比率および核材の気孔率の見積もりと併せて外皮材の気孔率を算出した結果、外皮材の気孔率は0.1%であった。 Furthermore, the polished cross section of the obtained composite structure was observed with a metal microscope or a scanning electron microscope, and the area ratio c / s between the core material and the skin material was calculated by an image analysis method. c / s was 5. Moreover, when the area ratio of the pores contained in the core material was measured from the structure observation photograph to calculate the porosity in the core material, it was 0.2%. Furthermore, the porosity was calculated by mercury porosimetry, and the porosity of the outer skin material was calculated together with the area ratio of the core material and the outer skin material and the estimation of the porosity of the core material. Was 0.1%.
(比較例1)
実施例1のシート状成形体を骨頭部の表面に貼り合わせることなく、均一なアルミナ成形体のみを用いて骨頭部および試験片を作製した。
(Comparative Example 1)
Without sticking the sheet-like molded body of Example 1 to the surface of the bone head, a bone head and a test piece were produced using only a uniform alumina molded body.
実施例1と同様に評価した結果、3点曲げ強度が660MPa、ヤング率が396GPa、ピンオンディスク試験による摩耗量が0.3×10−10mm2/Nとなった。 As a result of evaluation in the same manner as in Example 1, the three-point bending strength was 660 MPa, the Young's modulus was 396 GPa, and the wear amount by the pin-on-disk test was 0.3 × 10 −10 mm 2 / N.
(比較例2)
実施例1の骨頭部および試験片をジルコニアにて作製し、実施例1と同様の評価を行った結果、3点曲げ強度が1200MPa、ヤング率が200GPa、ピンオンディスク試験による摩耗量が1.5×10−10mm2/Nとなった。
(Comparative Example 2)
The bone head and test piece of Example 1 were made of zirconia and evaluated in the same manner as in Example 1. As a result, the three-point bending strength was 1200 MPa, the Young's modulus was 200 GPa, and the amount of wear by the pin-on-disk test was 1. It was 5 × 10 −10 mm 2 / N.
1 人工関節
2 骨頭部
3 ネック部
4 ステム部
5 人工骨
6 ソケットステム先端部
7 凹部
9 ステム基部
10 ステム先端部
11 核材
12 外皮材
13 複合繊維組織
15 芯材
16 表皮材
17 単芯繊維体
18 複合繊維体
21 核材用成形体
22 外皮材用成形体
23 複合成形体
24 単芯成形体
25 多芯成形体
28 集合成形体
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Artificial joint 2 Bone head 3 Neck part 4 Stem part 5
Claims (8)
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Country | Link |
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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KR20150039216A (en) * | 2012-07-30 | 2015-04-09 | 세람테크 게엠베하 | Multi-component joining of plastic preparations in order to produce medical products with functional surfaces |
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2004
- 2004-03-29 JP JP2004096810A patent/JP2005278874A/en active Pending
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