JP2006149699A - 人工関節 - Google Patents

Abstract

【課題】 靭性を確保すると共に、摺動部の高い耐摩耗性を有する人工関節を提供すること。
【解決手段】 互いに摺動するカップ部４及び骨頭部８を備え、該カップ部４及び骨頭部８の少なくとも摺動面４ａ，８ａを含む表層のみをセラミックスで形成させるようにした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、人工関節に関する。

近年、人工関節は、人やその他の動物に関する医療分野において、各部関節の代替品として広く利用されるようになっている。人工関節は、摺動面積が大きく、かつ大きな負荷が掛かるので、特に、優れた強度特性及び高い耐摩耗性が要求され、これまで数多くのものが提供されている。

一般に人工関節では、一方の骨に球状をなした骨頭部を備えるステムを挿入し、他方の骨に該骨頭部と摺動するカップ部を設けることにより、一方の骨が他方の骨に対して回動するようになっている。

ところが、カップ部の内面と骨頭部の外表面とが摺動すると、摩耗により摩耗粉が生じてしまう。この摩耗粉は非常に小さい粒径をなしているので、生体内の細胞に取り込まれると、体外に排出されにくく、生体内に蓄積してしまうおそれがあった。細胞内に摩耗粉が取り込まれると、人工関節を支持する骨に悪影響を及ぼし、骨は次第に脆弱になっていく。そして、それが進行するに連れて人工関節は徐々に骨との間に隙間を生じさせ、生体側は、この緩みによる人工関節の揺動により痛みを感じることがあった。

そこで、従来の人工関節では、その摺動面において、金属，樹脂及びセラミックス等が用いられ、それぞれの摺動面は、例えば、金属同士，樹脂同士，金属と樹脂及び樹脂とセラミックス等のように組み合わせて用いられてきた。最近では、体液中において摩擦係数が極端に低いセラミックスがそれぞれの摺動面に用いられるようになっており、セラミックスは他の材料との組み合わせに比べても耐摩耗性に優れることから、摺動の面からみても理想的な材料と考えられている。

このような、従来の人工関節は、例えば、特許文献１，２に開示されている。

実開平５−２１９２３号公報 特開２０００４−２４３６１号公報

しかしながら、一般に、セラミックスは金属材料に比べて強度が劣っており、破損し易かった。生体内に人工関節を設置する場合には、カップ部の内側に骨頭部を大きな負荷を掛けて挿入することから、しばしば、セラミックスで形成されたカップ部と骨頭部とは、その組み付け時おいて破損してしまうという問題あった。このような問題は、生体側へも大きな負担を強いられることとなっていた。

従って、本願発明は上記課題を解決するものであり、靭性を確保すると共に、摺動部の高い耐摩耗性を有する人工関節を提供することを目的とする。

上記課題を解決する第１の発明に係る人工関節は、
互いに摺動する摺動部材を備え、該摺動部材の少なくとも摺動面を含む表層のみをセラミックスで形成させる
ことを特徴とする。

上記課題を解決する第２の発明に係る人工関節は、
第１の発明に係る人工関節において、
前記セラミックス層を溶射により形成させる
ことを特徴とする。

上記課題を解決する第３の発明に係る人工関節は、
第２の発明に係る人工関節において、
前記セラミックス層を内側から表面にかけて組成を傾斜的に増加させる
ことを特徴とする。

上記課題を解決する第４の発明に係る人工関節は、
第２または３の発明に係る人工関節において、
前記セラミックス層の密度を内側から表面にかけて高く形成させる
ことを特徴とする。

上記課題を解決する第５の発明に係る人工関節は、
第１の発明に係る人工関節において、
前記セラミックス層を薄膜状に形成させたものを接合する
ことを特徴とする。

上記課題を解決する第６の発明に係る人工関節は、
第１乃至５のいずれかの発明に係る人工関節において、
前記摺動部材はカップ部材と骨頭部材とからなる人工股関節である
ことを特徴とする。

第１の発明に係る人工関節によれば、互いに摺動する摺動部材を備え、該摺動部材の少なくとも摺動面を含む表層のみをセラミックスで形成させることにより、靭性を確保すると共に、前記摺動部の高い耐摩耗性を有することができる。

第２の発明に係る人工関節によれば、第１の発明に係る人工関節において、前記セラミックス層を溶射により形成させることにより、前記セラミックス層を容易に形成させることができる。

第３の発明に係る人工関節によれば、第２の発明に係る人工関節において、前記セラミックス層を内側から表面にかけて組成を傾斜的に増加させることにより、前記セラミックス層の密着性を向上させることができる。

第４の発明に係る人工関節によれば、第２または３の発明に係る人工関節において、前記セラミックス層の密度を内側から表面にかけて高く形成させることにより、更に、前記セラミックス層の密着性を向上させることができる。

第５の発明に係る人工関節によれば、第１の発明に係る人工関節において、前記セラミックス層を薄膜状に形成させたものを接合することにより、前記セラミックス層を容易に形成させることができ、高い密着性を有することができる。

上記課題を解決する第６の発明に係る人工関節は、第１乃至５のいずれかの発明に係る人工関節において、前記摺動部材をカップ部材と骨頭部材とすることにより、人工関節の中で、最も高い靭性及び耐摩耗性が必要とされる人工股関節に適用することができる。

以下、本発明の実施例を図面に基づき詳細に説明する。図１は本発明の一実施例に係る人工股関節を骨盤と大腿骨とに挿着した状態を示す部分破断側面図、図２は人工股関節の概略図、図３はカップ部及び骨頭部の断面を模式的に示した図である。

図１，２に示すように、骨盤１と大腿骨２とを繋いでいるのが人工股関節３である。骨盤１側には、略半球状をなしたチタン合金製のカップ部４が、同じくチタン合金製のねじ５により固定されている。そして、このカップ部４の内側には、表面にセラミックス層を有する摺動面４ａが形成されている。

一方、大腿骨２側には、チタン合金製のステム本体６が挿入され、セメント７により固定されている。そして、このステム本体６のステムネック６ａの先端には、略球状をなしたチタン合金製の骨頭部８が嵌合されている。また、骨頭部８の外表面には、表面にセラミックス層を有する摺動面８ａが形成されている。

つまり、カップ部４の内側に骨頭部８を嵌め込むことで、摺動面４ａと摺動面８ａとが摺動され、骨盤１と大腿骨２とが回動可能に繋がれることになる。

次に、図３を用いてカップ部４と骨頭部８との摺動面構造を説明する。図３に示すように、溶射により摺動面４ａ，８ａの表面に向けてセラミックスを傾斜的に形成されている。例えば、摺動面４ａ，８ａは、カップ部４及び骨頭部８の基材であるチタン合金を１００％含有するする第１層，セラミックスを３０％とチタン合金７０％とを含有する第２層，セラミックス７０％とチタン合金３０％とを含有する第３層，及びセラミックスを１００％含有する第４層から構成されている。

更に、第１層から第４層にかけて、気孔率（密度）が高くなるように形成されている。例えば、第１層では気孔率９５％、第２層では６０％、第３層では３０％、第４層では気孔率０％となるように形成される。気孔率は、溶射時の加熱温度や加熱時間等を変更することにより設定させることができ、また、第１層から第４層になるに従い、溶射させるセラミックスの粒子径を大きくしていくことにより変更させることもできる。

従って、上述したように構成をなすことにより、カップ部４及び骨頭部８の基材を金属であるチタン合金で形成させると共に、摺動面４ａ及び摺動面８ａの表層のみをセラミックスで形成させているので、靭性を確保しつつ、摺動部４ａ，８ａの高い摩耗性を有することができる。これにより、摩擦係数が極端に低くなり、摺動面４ａ，８ａ同士が摺動しても削られて摩耗粉が発生することがなく、生体に悪影響を及ぼすことがない。また、生体内に人工股関節３を設置する場合において、カップ部４の内側に骨頭部８を大きな負荷を掛けて挿入しても、その衝撃によりカップ部４及び骨頭部８の破損を防止することができる。

そして、摺動面４ａ，８ａに溶射によりセラミックス層を形成させるので、曲面を有するカップ部４及び骨頭部８であっても容易に薄層で形成させることができる。しかも、セラミックス層を摺動面４ａ，８ａの表面にかけてセラミックスの割合がチタン合金の割合に対して増加するように組成を傾斜させると共に、摺動面４ａ，８ａの表面にかけて気孔率を高くするように形成させているので、セラミックス層とチタン合金との応力を緩和させ、密着性を向上させることができる。

なお、本発明においては人工股関節に適用して説明したが、これに限定されることがなく、一方が曲面状の凹部を有するものであって、他方はその凹部に対応する曲面状の凸部を有するものであればよく、例えば、手指関節，肘関節，肩関節及び膝関節等に適用することも可能である。

カップ部４の基材，ねじ５，ステム本体６及び骨頭部８の基材をチタン合金としているが、他の高い靭性を有する金属材料であってもよく、例えば、ステンレス，コバルトクロム合金でも構わない。また、ポリエチレン及びポリアセタール等の有機材料であっても構わない。

摺動面４ａ，８ａのセラミックス層は、例えば、アルミナセラミックスやジルコ二アセラミックス等からなり、溶射により形成されているが、ＣＶＤ（化学気相成長法：Chemical Vapor Deposition）やＰＶＤ（物理気相成長法：Physical Vapor Deposition）等を用いることも可能である。あるいは、摺動面４ａ，８ａにおいて、セラミックスを薄膜状に形成させた部材で覆い、溶接や接着剤等を用いて接合させることも可能である。

そして、層の数を４層になるようにしたが、この数量に限定されることはなく、また、各層におけるセラミックスの基材に対する割合，傾斜率及び気孔率も、適宜変更しても構わない。

従って、本発明に係る人工関節によれば、チタン合金からなるカップ部４及び骨頭部８において、互いに摺動する摺動面４ａ，８ａを形成させ、該摺動面４ａ，８ａ表層のみをセラミックスで形成させることにより、靭性を確保すると共に、摺動面４ａ，８ａの高い耐摩耗性を有することができる。これにより、摺動面４ａ，８ａが削られて摩耗粉が発生することがなく、人工股関節３の取り付け時の衝撃による破損を防止することができる。

また、セラミックス層を溶射により形成させることにより、曲面状をなす摺動面４ａ，８ａであっても容易に形成させることができる。

また、セラミックス層を内側から表面にかけて傾斜的に組成させると共に、表面にかけて気孔率を高くするように形成させることにより、セラミックス層とチタン合金とのの密着性を向上させることがでる。

更に、セラミックスを薄膜状に形成させた部材を接合しても、セラミックス層を容易に形成させることができ、高い密着性を有することができる。

生体の各部関節に適用可能である。

本発明の一実施例に係る人工股関節を骨盤と大腿骨とに挿着した状態を示す部分破断側面図である。 人工股関節の概略図である。 カップ部及び骨頭部の断面を模式的に示した図である。

符号の説明

１ 骨盤
２ 大腿骨
３ 人工股関節
４ カップ部
４ａ 摺動面
５ ねじ
６ ステム本体
６ａ ステムネック
７ セメント
８ 骨頭部
８ａ 摺動面

Claims (6)

1. 互いに摺動する摺動部材を備え、該摺動部材の少なくとも摺動面を含む表層のみをセラミックスで形成させる
   ことを特徴とする人工関節。
2. 請求項１に記載の人工関節において、
   前記セラミックス層を溶射により形成させる
   ことを特徴とする人工関節。
3. 請求項２に記載の人工関節において、
   前記セラミックス層を内側から表面にかけて組成を傾斜的に増加させる
   ことを特徴とする人工関節。
4. 請求項２または３に記載の人工関節において、
   前記セラミックス層の密度を内側から表面にかけて高く形成させる
   ことを特徴とする人工関節。
5. 請求項１に記載の人工関節において、
   前記セラミックス層を薄膜状に形成させたものを接合する
   ことを特徴とする人工関節。
6. 請求項１乃至５に記載の人工関節において、
   前記摺動部材はカップ部材と骨頭部材とからなる人工股関節である
   ことを特徴とする人工関節。

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