JP3513587B2 - チタン又はチタン合金製高生体親和性人工骨の作製方法 - Google Patents

チタン又はチタン合金製高生体親和性人工骨の作製方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、チタン又はチタン
合金製人工股関節ステム等の人工骨を、高温不活性雰囲
気中で割型を用いて塑性加工により成形すると同時に、
その表面に水酸化アパタイト等生体活性セラミック粒子
を圧入して、高生体親和性インプラントを作製する技術
に関するものであり、さらに詳しくは、本発明は、チタ
ン又はチタン合金製被加工物を目的製品形状に加工する
ための型、及び当該型を用いた熱間プレス加工によって
成形してなる人工股関節ステム等の人工骨に関するもの
である。
【０００２】
【従来の技術】各種人工歯根、人工関節、人工骨等のチ
タン又はチタン合金製医療用インプラントは、優れた生
体適合性（生体内において、組織に病変等が起きない性
質）と機械的特性を併せもつことから、その利用が広が
りつつある。最近では、この表面に水酸化アパタイト等
の骨成分類似のセラミック粒子を付加して、生体親和性
（生体内において、骨と積極的に結合する性質）を付与
することにより、より優れたインプラントを得ようする
試みが、鋳造法によってなされている（「Ｔｉ又はＴｉ
合金製複合インプラント及びその製造法」特開平５−５
７０１３）。この発明は、従来の溶射法による表面皮膜
形成に代わるものとして提案された。すなわち、従来の
溶射法による表面皮膜は、金属との接合強度が不十分
で、長期間使用すると剥離等の問題が生じるため、皮膜
形成に代えて生体活性セラミック粒子をインプラント表
面に埋没したものである。しかし、チタンは高温での反
応性が高いため、鋳造法では研磨等により除去すべき表
面反応層が生じてしまう。そのため、この発明において
使用された生体活性セラミック粒子は、粒径が１ｍｍ以
上の大きさであって、生体親和性の改善として最適の粒
径ではない。また、鋳造後の研磨等によって、製品の寸
法や形状が変化してしまうといった問題が残っている。
そこで、新たに、表面反応層の発生がごくわずかな超塑
性成形法を応用して、チタン又はチタン合金表面に水酸
化アパタイト等生体活性セラミック粒子を圧入するとい
う技術の開発がなされた（「ハイドロキシアパタイト顆
粒の超塑性チタン合金への圧入」野浪亨、長沼勝義、神
谷晶、亀山哲也、日本セラミックス協会学術論文誌、１
０５巻、８月号、ｐ．７１０−７１２、１９９７年、及
び、特願平１１−１７０４３６「高生体親和性インプラ
ント及びその作製法」）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかし、これら水酸化
アパタイト等生体活性セラミック粒子圧入法は、板の表
面のような単純平面に対して適用され得るものか、又は
主として人工歯根等の小型のインプラントに適用され得
るものであった。一方、それ以外の各種人工骨、なかで
も今後大幅な需要増大が見込まれる人工股関節ステム等
に対しては、さらなる技術開発が求められている。すな
わち、ステム等は種々の湾曲した長細い形状を有するこ
と、ならびに寸法が人工歯根等より大きいことが、従来
技術の適用を困難にしている。このように、従来、当技
術分野において、ミクロンオーダーからミリオーダーの
水酸化アパタイト等生体活性セラミックス粒子を人工股
関節ステム等の人工骨の表面に均等圧入する技術の開発
が強く求められている状況にあった。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記の課題を
解決すべくなされたものであって、高温でのチタン又は
チタン合金の塑性変形を利用し、必要な製品形状を付与
すると同時に、ミクロンオーダーからミリオーダーの水
酸化アパタイト等生体活性セラミック粒子を表面に均等
圧入することを可能とする、被加工物側面を均等にプレ
スするための型、及びそれにより得られるチタン又はチ
タン合金製高生体親和製人工骨を提供することを目的と
する。上記課題を解決するための本発明は、以下の構成
からなる。（１）被加工物を挟んで対向設置される割型
とその外周に位置する外枠を有してなる型であって、外
枠と割型がくさびとして機能しスライド動作することに
より、垂直一軸プレス装置による荷重を水平に対向する
双方向からの荷重に変換し、それによって割型が被加工
物を締め付けるように移動して、その側面を均等にプレ
スすることにより、被加工物に必要な形状を付与する型
を用いて人工股関節システム等の人工骨を作製する方法
であって、水酸化アパタイト等生体活性セラミックス粒
子を、適宜の溶液に分散させて、予め、割型表面及び／
又は被加工物表面へ分散保持させる工程、割型にチタン
又はチタン合金の被加工物をセットし、熱間プレス加工
によって、被加工物の成形と同時に、その表面に水酸化
アパタイト等生体活性セラミック粒子を圧入する工程、
により、成形と同時に被加工物の表面に水酸化アパタイ
ト等生体活性セラミックス粒子を圧入することを特徴と
する人工骨の作製方法。（２）水酸化アパタイト等生体
活性セラミックス粒子の粒径が、３０〜１００μｍであ
る上記（１）に記載の人工骨の作製方法。（３）０．０
５Ｔｏｒｒ以下の真空、又はアルゴン等のチタンと反応
性のない雰囲気中、７００〜９００℃、加圧速度１ｍｍ
／ｍｉｎ以下の低速プレスによって熱間プレス加工する
上記（１）に記載の人工骨の作製方法。（４）鋳造、機
械加工等によって、おおよその形状に成形した被加工物
を型に組み込み、熱間プレス加工する上記（１）に記載
の人工骨の作製方法。（５）割型底部にコロ、ボールベ
アリング、あるいは車輪を設置した型を用いる上記
（１）に記載の人工骨の作製方法。（６）骨頭部を収納
するスペースを設けた型を用いる上記（１）に記載の人
工骨の作製方法。
【０００５】具体的には、真空又はアルゴン等チタンと
の反応性のない雰囲気中で７００℃から９００℃の温度
領域において、チタン又はチタン合金製被加工物を挟ん
で対向設置された、目的製品形状を有する一対の割型
が、外枠との間でくさびとして機能しスライド動作する
ことにより、垂直一軸プレス装置による荷重を水平に対
向する双方向からの荷重に変換し、それによって割型が
被加工物を締め付けるように移動して成形を行う。この
とき、水酸化アパタイト等生体活性セラミック粒子を、
割型表面ないしは被加工物表面へ分散保持させておくこ
とにより、当該粒子のインプラント表面への圧入をも同
時に行う。すなわち、本発明によって最終製品形状への
成形と、その表面への水酸化アパタイト等生体活性セラ
ミック粒子圧入による生体親和性の付与を同時に行うこ
とができ、生体親和性に優れたチタン又はチタン合金製
インプラントが作製される。
【０００６】
【発明の実施の形態】本発明において、被加工物の素材
としては、チタン又はチタン合金が用いられ、具体的に
は、例えば、ＪＩＳ第２種純チタン、Ｔｉ−６Ａｌ−４
Ｖ合金、Ｔｉ−４．５Ａｌ−３Ｖ−２Ｍｏ−２Ｆｅ合
金、Ｔｉ−６Ａｌ−７Ｎｂ合金、Ｔｉ−５Ａｌ−２．５
Ｆｅ合金、Ｔｉ−１３Ｎｂ−１３Ｚｒ合金等が例示され
る。型材としては、緻密質黒鉛、各種マシナブルセラミ
ックス、又は各種ファインセラミックス等が利用でき
る。割型は、目的製品形状を彫り込んだものが用いられ
る。水酸化アパタイト等生体活性セラミックス粒子は、
適宜の溶液に分散させて、予め、割型表面ないし被加工
物表面へ塗布、噴霧、ないしは滴下するか、あるいは割
型ないし被加工物を溶液に浸漬して引き上げたのち乾燥
する等により分散保持させる。上記溶液としては、例え
ば、ポリビニルアルコール水溶液、デンプン水溶液、ア
ラビアゴム溶液、酢酸ビニル樹脂溶液、アクリル樹脂ワ
ニス、コロジオン、水ガラス等の各種有機及び無機溶液
が例示される。次に、鋳造、機械加工等によって、おお
よその形状に成形した被加工物を型に組み込み、セラミ
ックスの焼結等に用いられるホットプレス炉と同様の熱
間プレス装置にセットして、０．０５Ｔｏｒｒ以下の真
空、又はアルゴン等のチタンと反応性のない雰囲気中、
７００〜９００℃、加工速度１ｍｍ／ｍｉｎ以下の低速
プレスによって熱間プレス加工する。被加工物のうち、
超塑性特性を有するものにおいては、プレス荷重０ｋｇ
ｆから塑性変形が始まり、型と被加工物が密着するに及
んで、プレス荷重は次第に増大する。従って、望ましい
プレス荷重値、及び荷重の保持時間は、被加工物の材質
ならびに形状に依存する。上記工程により、被加工物の
成形と同時に、その表面に水酸化アパタイト等生体活性
セラミックス粒子を圧入する。次に、本発明を人工股関
節ステム製造の場合に即して詳細に説明するが、もちろ
んこれは、何ら本発明を限定するものではない。人工股
関節ステムの場合は、鋳造法又は機械加工によって、お
よその形状に成形したチタン又はチタン合金を図１の１
で示される被加工物として用いる。
【０００７】図１は、本発明を人工股関節ステムの製造
に適用する場合の、型及び被加工物の一例であって、こ
れら全体を、真空又はアルゴンガス等チタンとの反応性
のない雰囲気に調整できるホットプレス炉にセットし
て、７００℃以上９００℃以下の温度領域で、プレス速
度０．５ｍｍ／ｍｉｎ以下でプレス加工を実施する。図
１について更に詳しく説明すると、割型２は、目的とす
るステムの形状に一致するように作製されており、被加
工物１を挟み込んでセットされる。これと外枠３とがテ
ーパーを介してスライド動作することにより、上部圧盤
５を介して付与される垂直方向のプレス荷重は水平方向
の荷重に変換される。その結果、割型２は被加工物１を
締め付けるように移動する。あらかじめ被加工物表面又
は割型表面に、水酸化アパタイト等生体活性セラミック
粒子を分散保持させておくことにより、成形と同時に被
加工物表面への生体活性セラミック粒子の圧入が実現さ
れる。ここで、上記生体活性セラミックスとしては、好
適には、例えば、水酸化アパタイト、第三リン酸カルシ
ウム、炭酸アパタイト、その他各種リン酸カルシウム
塩、あるいは各種バイオガラス等が例示される。また、
上記生体活性セラミック粒子の粒径は、１０μｍ以上１
ｍｍ以下、好適には３０μｍ以上１００μｍ以下であ
る。
【０００８】割型の水平方向への移動を円滑にするため
に、例えば、図２に示されるように、割型底部にコロ６
を設置することもできる。図２においては、各々の割型
に各１本のコロを設置してあるが、もちろん必要に応じ
て複数のコロを使用できる。また、コロの代わりにボー
ルベアリング、あるいは車輪等を適宜利用することもで
きる。
【０００９】また、人工股関節ステムの場合、あらかじ
めセラミック等の人工骨頭を取り付けたものを加工に供
することもできる。その場合は、図３又は図４に示され
るように、型に骨頭部を収納するスペースを設けておく
必要がある。図３はこのような収納スペースを上部圧盤
に、図４は下部圧盤に設けた場合の一例であって、いず
れも骨頭部を格納する部材６が型に組み込まれる。な
お、これらの場合においては骨頭部を固定できるため、
ステムの長軸を割型に対して正確に位置合わせできると
いう利点も生じる。以上、本発明を人工股関節ステム製
造の場合に即して説明したが、本発明は、人工股関節ス
テムに限らず、人工肩関節、人工肘関節、人工膝関節、
人工指関節等の各種人工関節、また、頭蓋骨補填材、下
顎骨補填材、人工脊椎等の各種人工骨等に用いられる高
生体親和性インプラントを作製する技術として広く利用
されるものである。
【００１０】
【実施例】以下に、本発明の、被加工物側面を均等にプ
レスするための型ならびにそれにより得られるチタン又
はチタン合金製高生体親和性人工骨の実施例を図面にも
とづいて説明する。以下の実施例は、本発明の好適な一
例を示すものであり、それらによって本発明は、何ら限
定されるものではない。
【００１１】実施例１ Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金で、Ｃｈａｒｎｌｅｙ型人工股
関節の大腿骨コンポーネントの形状を有する部材を鋳造
法により作製した。骨頭の直径は２２ｍｍ、ステムの長
さは１２０ｍｍある。鋳造後、研磨処理した表面に、平
均粒径３０μｍの水酸化アパタイト粒子を、０．２ｗｔ
％ポリビニルアルコール水溶液に１０ｗｔ％相当を分散
したものを塗布し、室温で乾燥させたのち、図５の１で
示される被加工物として型に組み込んだ。図５は、発明
の実施の形態において説明した図４の方式の一例であ
る。なお、割型は、緻密質黒鉛を材料とし、放電加工に
より最終製品形状を彫り込んで、十分に洗浄したものを
使用した。それ以外の型の部品も全て同等の黒鉛材を用
いて作製した。これをホットプレス炉にセットし、１０
-3Ｔｏｒｒの真空中８５０℃で、変形速度０．１ｍｍ／
ｍｉｎでプレス加工した。プレス荷重が１５０ｋｇｆに
達したのち、この荷重値で２０分間保持した。その後、
室温まで炉冷してから、被加工物を取り出した。その表
面には水酸化アパタイト粒子が分散性良く圧入されてい
た。このように、水酸化アパタイト粒子が表面に圧入さ
れた高生体親和性人工骨が作製された。
【００１２】実施例２ 加工温度を９００℃、プレス保持時間を１０分間とした
ほかは、実施例１と同様にして成形実験を行った。被加
工物表面には水酸化アパタイト粒子が分散性良く圧入さ
れていた。このように、水酸化アパタイト粒子が表面に
圧入された高生体親和性人工骨が作製された。
【００１３】実施例３ 割型の素材をマシナブルセラミック（六方晶窒化ホウ
素）として、マシニングセンターにより最終製品形状を
彫り込んで作製した割型を使用したほかは、実施例２と
同様にして成形実験を行った。被加工物表面には水酸化
アパタイト粒子が分散性良く圧入されていた。このよう
に、水酸化アパタイト粒子が表面に圧入された高生体親
和性人工骨が作製された。
【００１４】実施例４ Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金の代わりに、ＪＩＳ第２種純チ
タンを被加工物の素材として、実施例１と同様の成形実
験を行った。成形品の表面には水酸化アパタイト粒子が
分散性良く圧入されていた。このように、水酸化アパタ
イト粒子が表面に圧入された高生体親和性人工骨が作製
された。
【００１５】実施例５ Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金の代わりに、Ｔｉ−４．５Ａｌ
−３Ｖ−２Ｍｏ−２Ｆｅ超塑性チタン合金（ＮＫＫ
（株）ＳＰ−７００）を素材として、マシニングセンタ
ーによる切削加工により、Ｃｈａｒｎｌｅｙ型人工股関
節の大腿骨コンポーネントの形状を有する部材を作製し
た。骨頭の直径は２２ｍｍ、ステムの長さは１２０ｍｍ
ある。これを図５の１で示される被加工物として、加工
温度を７５０℃、プレス荷重を１００ｋｇｆとしたほか
は、実施例１と同様にして成形実験を行った。被加工物
表面には水酸化アパタイト粒子が分散性良く圧入されて
いた。このように、水酸化アパタイト粒子が表面に圧入
された高生体親和性人工骨が作製された。
【００１６】実施例６ 加工温度を７００℃、プレス保持時間を３０分間とした
ほかは、実施例５と同様にして成形実験を行った。被加
工物表面には水酸化アパタイト粒子が分散性良く圧入さ
れていた。このように、水酸化アパタイト粒子が表面に
圧入された高生体親和性人工骨が作製された。
【００１７】実施例７ 実施例５における黒鉛製割型の代わりに、マシナブルセ
ラミック（旭硝子株式会社製ローテックＴＭ）を素材と
して、マシニングセンターにより最終製品形状を彫り込
んで作製した割型を使用したほかは、実施例５と同様に
して成形実験を行った。被加工物表面には水酸化アパタ
イト粒子が分散性良く圧入されていた。このように、水
酸化アパタイト粒子が表面に圧入された高生体親和性人
工骨が作製された。
【００１８】
【発明の効果】本発明は、表面に水酸化アパタイト等生
体活性セラミック粒子を圧入したチタン又はチタン合金
製高生体親和性インプラントを作製するためのものであ
り、特に、本発明で作製される人工股関節ステムは、セ
メントレスタイプであるのみならず、従来法によるもの
と比較して、水酸化アパタイト等生体活性セラミックと
チタンの界面結合がより強固で優れた性能を発揮するも
のであることから、医療機器の製造技術において画期的
な効果を有するものである。本発明により、被加工物を
成形すると同時に、その表面に水酸化アパタイト等生体
活性セラミックス粒子を圧入して、チタン又はチタン合
金製人工股関節ステム等の高生体親和性インプラントを
作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による成形型と被加工物の構成図（断
面）の一例である。
【図２】本発明による成形型と被加工物の構成図（断
面）の一例である。
【図３】本発明による成形型と被加工物の構成図（断
面）の一例である。
【図４】本発明による成形型と被加工物の構成図（断
面）の一例である。
【図５】実施例における型及び被加工物の構成図であ
る。
【符号の説明】 １ 被加工物 ２ 割型 ３ 外枠 ４ 下部圧盤 ５ 上部圧盤 ６ コロ（図２）、骨頭部格納部材（図３、４及び５）
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−283435（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−233034（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−297532（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−57013（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−95995（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−140997（ＪＰ，Ａ) 特開 平11−19205（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−105766（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−150199（ＪＰ，Ａ) 特開 平11−29844（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) B21J 1/00 - 13/14 B21J 17/00 - 19/04 B21K 1/00 - 31/00 A61L 27/00 B21D 37/02

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 被加工物を挟んで対向設置される割型と
    その外周に位置する外枠を有してなる型であって、外枠
    と割型がくさびとして機能しスライド動作することによ
    り、垂直一軸プレス装置による荷重を水平に対向する双
    方向からの荷重に変換し、それによって割型が被加工物
    を締め付けるように移動して、その側面を均等にプレス
    することにより、被加工物に必要な形状を付与する型を
    用いて人工股関節システム等の人工骨を作製する方法で
    あって、 水酸化アパタイト等生体活性セラミックス粒子を、適宜
    の溶液に分散させて、予め、割型表面及び／又は被加工
    物表面へ分散保持させる工程、割型にチタン又はチタン
    合金の被加工物をセットし、熱間プレス加工によって、
    被加工物の成形と同時に、その表面に水酸化アパタイト
    等生体活性セラミック粒子を圧入する工程、により、成
    形と同時に被加工物の表面に水酸化アパタイト等生体活
    性セラミックス粒子を圧入することを特徴とする人工骨
    の作製方法。
  2. 【請求項２】 水酸化アパタイト等生体活性セラミック
    ス粒子の粒径が、３０〜１００μｍである請求項１に記
    載の人工骨の作製方法。
  3. 【請求項３】 ０．０５Ｔｏｒｒ以下の真空、又はアル
    ゴン等のチタンと反応性のない雰囲気中、７００〜９０
    ０℃、加圧速度１ｍｍ／ｍｉｎ以下の低速プレスによっ
    て熱間プレス加工する請求項１に記載の人工骨の作製方
    法。
  4. 【請求項４】 鋳造、機械加工等によって、おおよその
    形状に成形した被加工物を型に組み込み、熱間プレス加
    工する請求項１に記載の人工骨の作製方法。
  5. 【請求項５】 割型底部にコロ、ボールベアリング、あ
    るいは車輪を設置した型を用いる請求項１に記載の人工
    骨の作製方法。
  6. 【請求項６】 骨頭部を収納するスペースを設けた型を
    用いる請求項１に記載の人工骨の作製方法。
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