JP2010273835A - セラミック製骨頭ボールおよび人工関節 - Google Patents

Abstract

【課題】加工時のチッピング発生が抑制されて歩留りよく加工でき、かつ加工時に生じたチッピングを起因とする強度低下の抑制されたセラミック製骨頭ボールを提供する。
【解決手段】２段テーパー形状のテーパー孔を有するセラミック製骨頭ボール１であって、該テーパー孔の開口部側のテーパー面３のテーパー半角度θが、２２．５°以下かつ該テーパー孔の頂部側のテーパー面２のテーパー半角度γ超であることを特徴とするセラミック製骨頭ボール。
【選択図】図１

Description

本発明は、セラミック製骨頭ボールおよび人工関節に関するものであり、特には、加工時のチッピングを抑制して歩留りを向上でき、かつ強度を確保することのできるセラミック製骨頭ボールと、該セラミック製骨頭ボールを用いて得られる人工関節に関するものである。

例えば人工股関節の様な人工関節における人工骨頭システムは、一般に球状の骨頭ボールと、その内部に穿設されたテーパー孔に嵌合されるステムとからなる。

上記骨頭ボールに関する技術として、例えば特許文献１には、微量のカルシウムを含み、かつ平均結晶粒径が１μｍ以下のアルミナセラミックからなる骨頭ボールが、十分な強度を有し、かつ従来問題となっていた摩耗粉の発生を防止できることが示されており、特許文献２には、セラミック製骨頭のテーパー部内周面の面仕上げ度を金属製ステムのテーパー部外周面の面仕上げ度と同程度に研磨することで、小径でも高強度を有する人工関節のセラミック製骨頭球を実現できる旨示されている。

また特許文献３には、奥細テーパー孔を有するセラミック製骨頭球について、テーパー孔の深さを７ｍｍ以上とし、かつテーパー孔の内周面の面積を９０ｍｍ^２以上とすることで強度の向上を図った旨示されており、特許文献４には、セラミック骨頭球のテーパー孔の開口部周縁に沿って外側に突出するように、環状の補強突出部を形成することで、ステムとセラミック骨頭球との嵌合面積を増大させて骨頭球の強度を向上する旨示されている。

更に特許文献５には、内径テーパー部の外縁が更に面とりされたセラミック骨頭ボールが示されており、特許文献６には、セラミック骨頭ボール内面のテーパー部に研削加工を施した後、該テーパー部の大径部と開口部との間を滑らかな曲面に加工することにより、ステムとの嵌合時に、応力が集中することによるカケ又はマイクロクラックの発生を防止できる旨示されている。

特開２００４−３２１２２２号公報 特開平１１−０３３０４９号公報 特開２０００−３２５３７２号公報 特開平１０−１６５４２９号公報 実開昭６２−１１１０１３号公報 特許第２５７９２１８号公報

上記特許文献１〜４の技術では、機能向上に着目してセラミック製骨頭ボールの形状が決定されている。また特許文献５は、セラミック製骨頭ボールのテーパー部を２段としたものが示され、特許文献６の技術はステムとの嵌合時の問題を解消したものである。しかし、いずれにおいてもセラミック製骨頭ボールの加工性についてはあまり着目されていない。

セラミック製骨頭ボールは一般に、おおよその形状に成形された後、焼成され、その後にテーパー孔の研削が行われるが、この研削時の加工負荷が高い場合、研削途中で加工振動が発生し、上記骨頭ボールの形状によってはチッピングが生じることがあり、歩留りの低下を招くといった問題がある。特に、上記骨頭ボールの強度を高めるべく、近年では高硬度の材料が用いられているが、この様な高硬度の材料は、上記研削等の加工が困難であり、チッピングが生じやすい。その結果、歩留りが低下したり、チッピング抑制のために加工速度を落とすことを余儀なくされ加工効率が低下したり、またこれら歩留りの低下や加工効率の低下に伴い、加工コストが増大するといった問題がある。

本発明はこの様な事情に着目してなされたものであって、その目的は、高硬度の材料を用いる場合であっても、加工性に優れて歩留りよく製造でき、かつチッピングやマイクロクラックが生じず強度を確保することのできるセラミック製骨頭ボール、および該骨頭ボールを用いて得られる人工関節を提供することにある。

上記課題を解決し得た本発明のセラミック製骨頭ボールは、２段テーパー形状のテーパー孔を有するセラミック製骨頭ボールであって、該テーパー孔の開口部側のテーパー面のテーパー半角度（θ）（尚、「テーパー半角度」とはテーパー角度の半角をいう。以下同じ）が、２２．５°以下かつ該テーパー孔の頂部側のテーパー面のテーパー半角度（γ）超であるところに特徴を有するものである。

前記γは例えば１°以上３．５°以下であることが挙げられる。

前記セラミック製骨頭ボールが、アルミナ−ジルコニア複合焼結体（特には、α−アルミナ、Ｓｉ含有α−アルミナ、ストロンチウムアルミネート、正方晶ジルコニア、および単斜晶ジルコニアを含むアルミナ−ジルコニア複合焼結体）であれば、本発明の効果が存分に発揮されるので好ましい。

また本発明には、上記セラミック製骨頭ボールを用いて得られる人工関節も含まれる。

本発明によれば、セラミック製骨頭ボールの加工中にチッピングが生じて歩留りの低下が生じることが抑えられ、かつチッピングやマイクロクラック（以下、チッピングという）を原因とする強度低下の抑制されたセラミック製骨頭ボールを提供することができる。また、上記セラミック製骨頭ボールを用いて、人工股関節等の長期間にわたり安定して使用することのできる人工関節を提供することができる。

図１は、本発明のセラミック製骨頭ボールを説明するための、骨頭ボールの部分断面正面図である。

本発明者らは、加工時のチッピング発生が抑制されて歩留りよく加工でき、かつ加工時に生じたチッピングを原因とする強度低下の抑制されたセラミック製骨頭ボール（以下、単に「骨頭ボール」ということがある）を実現すべく、人工関節においてステムと嵌合させる骨頭ボールの、テーパー孔の形状について鋭意研究を重ねた。

以下では、図１を用いて本発明を説明する。図１は、セラミック製骨頭ボール１の部分断面正面図であり、２はテーパー孔の頂部側のテーパー面を示し、３はテーパー孔の開口部側のテーパー面を示す。本発明者は、この図１において、上記テーパー孔の開口部側のテーパー面３のテーパー半角度θ（以下、「角度θ」ということがある）の大きさによって、加工時（特には高硬度材料を研削時）のチッピング発生の程度が異なることに着目し、角度θと加工性との関係について調べた。その結果、角度θが２２．５°（２２°３０′）を境界に、これよりも大きいと加工時（特には高硬度材料を研削時）にチッピングが生じやすいことがわかった。その原因については定かではないが次の様に考えられる。即ち、例えば加工として、軸付き砥石を用いてテーパー孔の研削を行う場合、加工負荷が大きいと、軸付き砥石の加工振動がテーパー加工中に発生しやすい。この場合、上記角度θが２２．５°よりも大きいと、骨頭ボールの開口部分（図１に示すＡ）の肉厚が比較的薄くなるため、上記加工振動によりチッピングが生じやすいものと考えられる。本発明では、上記角度θを２２．５°以下とすることで、チッピングの発生を抑えることができ、結果として、これらを起因とした割れを抑制して骨頭ボールの強度を確保することもできる。

更に、上記角度θが２２．５°よりも大きいと、チッピング発生率が高くなるため、不良の発生しない安全な条件で機械加工する必要があり、その結果、加工効率を高めることができない。しかし上記角度θを２２．５°以下とすることで、チッピング不良リスクが低減するため、加工速度を速めることができ、加工時間の大幅な短縮も実現することができる。上記角度θは、好ましくは２２．０°以下、より好ましくは２１．０°以下、更に好ましくは２０．０°以下である。

一方、角度θが小さすぎると、ステムとの嵌合時に干渉が生じ、例えばステムが金属製である場合に、このステムが塑性変形してセラミックの一部に応力集中が生じるため、強度が低下し易くなる。よって、角度θは角度γよりも大きくする（γ超）のがよい。

上記検討は、角度θに着目して行ったが、用いられうる骨頭ボールは、図１におけるテーパー孔の頂部側のテーパー面２のテーパー半角度（γ）が人工骨頭の種類や、骨頭ボールのテーパー孔に嵌合させるステムの形状に応じて様々である。

上記角度θと共に角度γの影響を考慮し、骨頭ボールにおいて、テーパー孔の頂部側のテーパー面（テーパー半角度：γ）と開口部側のテーパー面とがなす、セラミック製骨頭ボール側の角度（β）（以下、「角度β」ということがある）を制御する場合には、この角度βを（１５７．５＋γ）°以上１８０°未満の範囲内に制御すればよい。

角度βが、（１５７．５＋γ）°以上であれば、角度θを２２．５°以下と規定した前記理由の通り、加工時にチッピングが発生するのを抑制でき、かつ得られる骨頭ボールは微細なクラック等が生じず、強度を確保することができる。これに対し、上記角度βが（１５７．５＋γ）°未満であると、２段テーパーの境界部の肉厚がなく、エッジがたっている。この様な形成では、加工時の加工振動により境界部に欠けが生じやすくなる。また、安全な条件で加工する結果、加工効率が低下する。更には、加工時に微細なクラックが生じやすく、骨頭ボールの強度を十分に確保することが難しい。角度βは、好ましくは（１５８．０＋γ）°以上、より好ましくは（１５９．０＋γ）°以上、更に好ましくは（１６０．０＋γ）°以上である。

一方、角度βが１８０°以上であると、角度θを角度γ超と規定した前記理由の通り、ステムとの嵌合時に干渉が生じ、例えばステムが金属製である場合に、このステムが塑性変形してセラミックの一部に応力集中が生じ、強度が低下し易くなる。よって角度βは１８０°未満とするのがよい。

上記角度γは、上述した通り人工骨頭の種類や骨頭ボールのテーパー孔に嵌合させるステムの形状による。人工骨頭に一般的に採用されているステムを嵌合させる観点からは、例えば角度γを１°〜３．５°の範囲内とすることが挙げられる。

尚、本発明は、骨頭ボールの骨頭径や、図１のテーパー長さＢまで規定するものではないが、人工関節に用いられうる骨頭ボールの骨頭径として例えば２０〜６０ｍｍのものが挙げられる。またテーパー長さＢは、加工の容易性等の観点から、例えば９ｍｍ以上とすることが挙げられる。

本発明は、骨頭ボールを構成するセラミックの種類まで限定するものではなく、例えばアルミナ焼結体、ジルコニア焼結体、アルミナ−ジルコニア複合焼結体、窒化珪素等のセラミックからなる骨頭ボールを対象とすることができる。その中でも、硬質であるアルミナ−ジルコニア複合焼結体（アルミナ相を主相とし、次いでジルコニア相を多く含むものであって、その他の成分（例えば、焼結助剤成分や下記ストロンチウム等）を含みうる焼結体）からなる骨頭ボール、特には、α−アルミナ、Ｓｉ含有α−アルミナ、ストロンチウムアルミネート、正方晶ジルコニア、および単斜晶ジルコニアを含むアルミナ−ジルコニア複合焼結体からなる、より硬質の骨頭ボールを対象とした場合に、本発明の効果が存分に発揮される。

また、骨頭ボールを構成するセラミックの結晶粒径が細かいほど、骨頭ボールの強度が高まるため好ましいが、その反面、加工が困難となりチッピングが生じやすくなる。しかし本発明においては、上記の形状とすることによって、強度（硬度）の高い骨頭ボールを製造する場合にも加工時のチッピングを抑制できる。このことから本発明では、骨頭ボールを構成するセラミックの平均結晶粒径が、例えば１．０μｍ以下（より好ましくは０．５μｍ以下）のものを対象とすれば、本発明の効果が存分に発揮されるので好ましい。また上記α−アルミナ、Ｓｉ含有α−アルミナ、ストロンチウムアルミネート、正方晶ジルコニア、および単斜晶ジルコニアを含むアルミナ−ジルコニア複合焼結体からなる骨頭ボールの場合には、α−アルミナおよびＳｉ含有α−アルミナからなるアルミナ相の平均結晶粒径が０．５μｍ以下であり、かつ正方晶ジルコニア、および単斜晶ジルコニアからなるジルコニア相の平均結晶粒径が０．２５μｍ以下であるものが挙げられる。

本発明は、上記骨頭ボールの製造方法まで規定するものではないが、上記形状のテーパー孔を有する骨頭ボールを得るにあたっては、２段テーパー形状のテーパー孔の開口部側のテーパー面のテーパー半角度（θ）が、２２．５°以下かつ該テーパー孔の頂部側のテーパー面のテーパー半角度（γ）超［または、２段テーパー形状のテーパー孔の頂部側のテーパー面（テーパー半角度：γ）と該テーパー孔の開口部側のテーパー面とがなすセラミック製骨頭ボール側の角度（β）が、（１５７．５＋γ）°以上１８０°未満］となるよう成型工程を設ける。

上記成型工程としては、鋳込み成型工程や切削工程、研削工程が挙げられ、例えば
・切削工程で上記形状のテーパー孔を形成する；ことや、
・鋳込み成型工程および／または切削工程で上記形状となるようおおかた形成した後、形状の微調整を研削工程で行う；ことが挙げられる。

より具体的には、例えば骨頭ボールの製造工程として、骨頭ボールのセラミック原料となる粉末（例えばアルミナ粉末やジルコニア粉末）を秤量・混合し、得られた混合粉末を用い、例えば、
（Ａ）ＣＩＰ（静水等方圧成形）により固めた後、切削を行うことによって、骨頭ボールのおおまかな形状を形成するか；または、
（Ｂ）セラミック泥漿を、ボール形状の石膏型に流し込んで固化させた後、石膏型を外してボール形状とし（鋳込み成型法）、次いで、テーパー孔を切削して骨頭ボールのおおまかな形状を形成するか；または、
（Ｃ）セラミック泥漿を、ボール形状の石膏雌型とテーパー孔の形状の石膏雄型からなる石膏型に流し込んで固化させた後、石膏型を外して骨頭ボールのおおまかな形状を形成し（鋳込み成型法）、
続いて、例えば１３００℃以上の温度で焼成した後、例えばダイヤモンド軸付き砥石を用いてテーパー研削を行い（必要に応じて、形状の微調整を行うため、この研削工程で、テーパー孔の頂部側のテーパー面および／またはテーパー孔の開口部側のテーパー面の研削を行い）、次いで、球面研削、鏡面研磨を順次施すことが挙げられる。

本発明の骨頭ボールは、人工股関節、人工肩関節等の人工関節を構成する骨頭ボールとして好適に用いられる。本発明の骨頭ボールを用い、例えば金属製のステムを本発明の骨頭ボールのテーパー孔に嵌合させた構造を含む人工関節とすることができる。この場合、例えば角度γが１°〜３．５°の範囲内にある骨頭ボールと、側面部のテーパー半角度が、上記角度γよりも約０．１°小さい（例えば特公平０６−０２８６７６号公報を参考）０．９°〜３．４°の範囲内にあるステムとを組み合わせて人工関節を構成することができる。

以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。

まず、骨頭ボールのセラミック原料となる粉末を秤量・混合した。具体的には、平均粒径０．４μｍの市販のＡｌ_２Ｏ_３粉末、平均粒径０．６μｍの市販のＺｒＯ_２粉末、更には、必要に応じて焼結助剤等を混合した。この様にして得られた混合粉末（混合粉末に占めるＡｌ_２Ｏ_３粉末量：７９質量％、ＺｒＯ_２粉末量：１９質量％、その他：２質量％）を焼成してアルミナ−ジルコニア複合焼結体を得た後、ＣＩＰ（静水等方圧成形）（ＣＩＰ圧：３００ＭＰａ）により固めた後、切削を行って表１に示す角度（角度θ、角度γ、角度β）を有する形状（いずれも、骨頭径は２８ｍｍ、テーパー長さＢは９ｍｍ）となるよう形成した。次いで、１４４０℃で焼成した後、ダイヤモンド軸付き砥石を用いてテーパー孔の研削を行った。そして、研削後の骨頭ボールについて、テーパー孔内のチッピング発生の有無を、双眼顕微鏡（京セラ製 ＫＩＥ−Ｚ３）にて倍率１０倍で観察して確認した。

この様な工程を、各形状につき、表１に示す個数（投入個数）行って、上記チッピングが発生した骨頭ボールの個数（チッピング発生個数）をカウントした。そして、不良発生率［（チッピング発生個数／投入個数）×１００］（％）を求めた。その結果を表１に示す。

表１より次の様に考察できる。即ち、Ｎｏ．６、１２および１８は、角度θが規定の範囲を外れているため、チッピング発生個数が非常に多く、不良発生率がかなり高くなっている。これに対し、角度θが規定範囲内にある本発明の骨頭ボール（Ｎｏ．２〜５、８〜１１、１４〜１７）は、チッピングの発生が十分に抑制されていることがわかる。また、不良発生率をゼロとするには特に、いずれの角度γの場合にも、角度θを２０°以下とすればよいことがわかる。尚、Ｎｏ．１、７、１３（いずれも角度θ＝角度γ）では、チッピングは生じなかったが、ステムとの嵌合時に干渉しやすい傾向にあった。

尚、本発明で規定する形状とすることで、骨頭ボールの１個あたりの加工時間（テーパー加工時間）を３２分から２１分にまで短縮できた。

１ セラミック製骨頭ボール
２ テーパー孔の頂部側のテーパー面
３ テーパー孔の開口部側のテーパー面
Ａ セラミック製骨頭ボールの開口部分
Ｂ テーパー長さ

Claims (5)

1. ２段テーパー形状のテーパー孔を有するセラミック製骨頭ボールであって、
   該テーパー孔の開口部側のテーパー面のテーパー半角度（θ）が、２２．５°以下かつ該テーパー孔の頂部側のテーパー面のテーパー半角度（γ）超であることを特徴とするセラミック製骨頭ボール。
2. 前記γは１°以上３．５°以下である請求項１に記載のセラミック製骨頭ボール。
3. アルミナ−ジルコニア複合焼結体からなる請求項１または２に記載のセラミック製骨頭ボール。
4. 前記アルミナ−ジルコニア複合焼結体は、α−アルミナ、Ｓｉ含有α−アルミナ、ストロンチウムアルミネート、正方晶ジルコニア、および単斜晶ジルコニアを含むものである請求項３に記載のセラミック製骨頭ボール。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載のセラミック製骨頭ボールを用いて得られる人工関節。

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