JP4482379B2 - 人工関節用インプラント及びその製造方法 - Google Patents

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本発明は、人工関節用インプラント及びその製造方法に関する。
従来、人工関節用インプラントにおいて骨頭インプラントが金属で形成され、寛骨臼インプラントが超高分子量ポリエチレン(Ultra high molecular weight polyethylene:UHMWPE)で形成されているが、両者の摺動面で発生するポリエチレン磨耗粉は破骨細胞の形
成を促進し、それにより局所的な骨の損失や骨溶解が発生し、骨頭インプラントを支持するステムの緩み、破壊へとつながることが問題となっている。
無定形ダイアモンド(Diamond-like Carbon(DLC))は生体適合性がよく、磨耗や腐食に対する抵抗が高いので、人工関節用インプラントに適用すると上記問題が解消するものと期待されるが、この無定形ダイアモンドは骨頭インプラントの金属に対する密着特性が低いという問題がある。
その改善策としては、シリコンの中間層を金属とDLC膜との間に介在させることが考えられる(例えば、特許文献1参照。)。また、イオンを金属に注入して金属表面を改質したうえでDLC膜を形成することも考えられる(例えば、特許文献2参照。)。
特公平6−60404号公報 特開2001−26887号公報
しかし、上記のいずれの方法によってもDLC膜は金属等インプラント基材の表面から剥がれやすく、また摺動面に生ずる摩擦抵抗も十分低減することができず、人工関節に必要な耐久性を満足させるまでには至らない。
したがって、本発明は上記不具合を解消することができる人工関節用インプラント及びその製造方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、請求項1に係る発明は、炭化水素ガス及び有機シリコンガスの混合ガスのプラズマを使用し、炭化水素ガスのガス種とイオン注入電圧とを変化させて、イオン注入及びCVDを組み合わせた複合プロセスにより、インプラント基材(1a)の表面にDLC膜(5)を成膜してなる人工関節用インプラントであって、上記インプラント基材に高周波電圧が印加されてインプラント基材の近傍がプラズマ状態とされることによって、上記インプラント基材の表面にシリコンと炭素の傾斜ミキシング層が形成され、この傾斜ミキシング層の上に上記イオン注入が行われつつ上記DLC膜が上記インプラント基材の湾曲した表面に成膜された人工関節用インプラントを採用する。
また、請求項2に係る発明は、炭化水素ガス及び有機シリコンガスの混合ガスのプラズマを使用し、炭化水素ガスのガス種とイオン注入電圧とを変化させて、イオン注入及びCVDを組み合わせた複合プロセスにより、インプラント基材(1a)の表面にDLC膜(5)を成膜する人工関節用インプラントの製造方法であって、上記インプラント基材に高周波電圧を印加してインプラント基材の近傍をプラズマ状態とすることによって、上記インプラント基材の表面にシリコンと炭素の傾斜ミキシング層を形成し、この傾斜ミキシング層の上に上記イオン注入を行いつつ上記DLC膜を上記インプラント基材の湾曲した表面に成膜する人工関節用インプラントの製造方法を採用する。
また、請求項3に係る発明は、請求項1に記載の人工関節用インプラントにおいて、インプラント基材がCo−Cr系合金である人工関節用インプラントを採用し、請求項4に係る発明は、請求項2に記載の人工関節用インプラントの製造方法において、インプラント基材がCo−Cr系合金である人工関節用インプラントの製造方法を採用する。
本発明によれば、人工関節用インプラントのDLC膜の界面接着強度を高め、摺動面における摩擦係数及び被磨耗物の磨耗量を低減することができ、従って、人工関節の強度、耐久性を高めることができる。
以下、図面を参照して発明を実施するための最良の形態について説明する。
図1(A)に示す人工関節用インプラントは股関節用のインプラントであり、このインプラントは同図(C)に示す大腿骨側の金属製の骨頭インプラント1と、同図(B)に示す超高分子量ポリエチレン(UHMWPE)製の寛骨臼インプラント2とを具備する。
図1(A)(C)に示すように、骨頭インプラント1は大腿骨3の骨髄内に埋設されるステム4と当初別体として形成された後、骨頭インプラント1の嵌合孔6内にステム4の嵌合突起4aが挿入されることにより一体化される。嵌合孔6と嵌合突起4aの嵌合面にはテーパが形成され、このテーパの作用により骨頭インプラント1がステム4に強固に固定される。骨頭インプラント1はステンレス鋼等の所望の金属材料で形成することができるが、望ましくはCo−Cr系合金で形成される。
図1(B)に示すように、寛骨臼インプラント2は上記骨頭インプラント1が嵌まり込み得るカップ状にUHMWPEを用いて形成される。この寛骨臼インプラント2は図示しない寛骨内に埋設固定される。
上記骨頭インプラント1における少なくとも上記寛骨臼インプラント2に接する表面には、図1(C)に示すようにDLC膜5が形成される。
このDLC膜5は、炭化水素ガス及び有機シリコンガスの混合ガスのプラズマを使用し、炭化水素ガスのガス種とイオン注入電圧を変化させて、イオン注入及びCVDを組み合わせた複合プロセスにより、インプラント基材1aの表面に密着性の改善と残留応力を緩和したDLC膜5を成膜することによって形成される。
なお、混合ガス中のシリコンは、同様の効果が得られるチタンなど他の物質に変更しても良い。
このDLC膜5を骨頭インプラント1のインプラント基材1aの表面に形成するための具体的な処理装置は図2に示される。図2において、符号7は被コーティングインプラントのホルダを示し、このホルダ7に被処理物である骨頭インプラント1のインプラント基材1aが一個ないし複数個保持される。ホルダ7はチャンバ8内に収納される。ホルダ7内のインプラント基材1aにはプラズマ生成用の高周波パルス電源9とイオン注入の為の負の高電圧パルス電源10と電源相互の干渉防止回路11を介してチャンバ8外から給電されるようになっている。チャンバ8には炭化水素ガスとシリコンガスを夫々チャンバ内に供給するための管路12,13が連結されている。
上記処理装置によるDLC膜の成膜方法について述べる。
(1)まず、骨頭インプラント1のインプラント基材1aをホルダ7に取り付け、チャンバ8内を真空引きし(真空排気系は図示せず)、原料ガス供給弁12aおよび13aを開けて管路12,13から炭化水素ガスと有機シリコンガスをチャンバ8内に導入する。
(2)プラズマ発生用の高周波パルス電源9よりアンテナであるホルダ7及びインプラント基材1aに高周波電圧を印加して、その近傍をプラズマ状態とする。
(3)負の高電圧パルス発生電源10より、負の高電圧パルスを干渉防止回路11を介してインプラント基材1aに加え、インプラント基材1aの表面全周に+イオンによるイオン誘引・注入を行う。
これにより、インプラント基材1aにその表面全周にプラズマ中からイオンが注入され、インプラント基材1aの表面にシリコンと炭素の傾斜ミキシング層(図示せず)が形成される。同時にCVDによる成膜も行うが、有機シリコンと炭化水素の適切な混合ガス種によりイオン注入とCVDによる成膜と膜質をコントロール可能である。
傾斜ミキシング層とは、各元素の存在比が傾斜的に変化する層のことであり、ここではインプラント基材(Co−Cr合金)1aにシリコンおよびカーボンイオンを注入することから、インプラント基材1aの表面に近い領域ではカーボンの存在比が大きく、高エネルギーのイオンのみ深部(数10ナノメートル〜100ナノメートル)へ到達できることから、深部に行くに従い、シリコンないしカーボンの存在比は小さくなる。この存在比が傾斜した層ではインプラント基材1aとシリコンとカーボンが混ざり合った状態で対象元素の存在比が傾斜している。
(4)その後、成膜速度の大きな炭化水素ガスを用いてインプラント基材1aの表面にDLC膜5を成膜する。このプロセスにおいてもイオン注入が行われているため、成膜されるDLC膜の残留応力が緩和される。
なお、上記イオンをインプラント基材1aに誘引・注入する工程と、CVD法によりインプラント基材1aの表面にDLC膜5を成膜する工程とは別個のチャンバにおいて行うことも可能であるが、この実施の形態では同じチャンバ8内で行っている。このように二つの工程を同じチャンバ8で真空状態を保持しながら連続して実行することによりDLC膜5の形成を効率的に行うことができ、かつ成膜途上のDLC膜5を大気にさらすことが無いので信頼性のある高い密着力を得ることが可能になる。
かくしてインプラント基材1aの表面に形成されたDLC膜5は強固にインプラント基材1aの表面に付着する。また、DLC膜5の皮膜によりインプラント基材表面の摩擦係数及び被摩耗物の摩耗量は顕著に低減し、接触する寛骨臼インプラント2のUHMWPEの耐摩耗性が顕著に向上する。
<実施例>
上記処理装置によるDLC膜の成膜方法の具体例について述べる。
(1)まず、骨頭インプラント1のインプラント基材1aを上記処理装置のホルダ7に取り付け、アルゴンメタン混合プラズマによるスパッタクリーニングを行う。
(2)次に、有機シリコンガスとメタンの適切な混合ガスのプラズマを用い、イオン注入電圧を−20kVと高くして、シリコンとカーボンイオンを注入する。メタンプラズマでは、イオン注入が支配的で堆積はほとんどない。これにより、Cを基材に埋め込みアンカー効果を作用させる。基材1aの表面層と界面ミキシング層にはSiが分散して混入される。Siの存在により、SiとCあるいは、Siと基材1aの元素の間で化学反応が起こると推測される。もちろん、Cイオンの注入によっても基材元素とCの化学反応が起こり得る。高いエネルギーのSiイオンがあると化学反応がより促進されると考えられる。
(3)有機シリコンガスとアセチレンの混合ガスのプラズマを用い、イオン注入電圧−20kVとすると、上記(2)の場合と同様に、SiとCの堆積が生じる。これにより、基材とDLC膜の界面にCの傾斜ミキシング層が形成される。
(4)最後に、成膜速度がアセチレンに比べて5〜10倍大きいトルエンプラズマを用いて、高速成膜を行う。このプロセスでも5〜10kVのイオン注入を行って、残留応力を緩和する。このように、炭化水素ガスのガス種とイオン注入電圧を変化させることにより、DLC膜の基材に対する密着性の改善とDLC膜の残留応力の緩和が達成される。
本発明により形成されたDLC膜5の性能は次に述べる実験結果から明らかとなる。
<実験例1>
上記骨頭インプラント1におけるDLC膜5の接着強度についての試験結果について述べる。
Co−Cr系合金の棒状の試験片を複数本用意し、第一の試験片のCo−Cr系合金端面にCVD法によりDLC膜を形成し、第二の試験片のCo−Cr系合金端面に炭化水素ガスのみを用いた炭素イオン注入と傾斜ミキシング層を形成したうえでDLC膜を形成し、第三の試験片のCo−Cr系合金端面に上記本発明の方法によりDLC膜を形成した。また、上記第一、第二及び第三の各試験片に接続するSUS304試験片を用意し、各試験片のSUS304端面にエポキシ系接着剤を塗布した。
図3(A)に示すように上記第一、第二及び第三の各試験片14a,14b,14cのDLC膜15a,15b,15cに相手の試験片16を上記エポキシ系接着剤17で接着した後、引張試験機により同図(B)に示すように引張試験を行った。
この試験の結果、同図(C)に示すように、第一と第二の試験片14a,14bのDLC膜15a,15bは、第一と第二の試験片14a,14bのSUS304端面から剥がれ相手方の試験片16にエポキシ系接着剤17に接着したまま移動した。分断時の引張力は第一の試験片14aの場合は約0.4MPa、第二の試験片14bの場合は約3MPaであった。第三の試験片14cのDLC膜15cは、同図(D)に示すように第三の試験片14c側に残留し、相手方の試験片16のエポキシ系接着剤17が第三の試験片14c側に移動した。分断時の引張力は約79MPaであった。
<実験例2>
上記骨頭インプラント1に対する寛骨臼インプラント2の耐摩耗性についての試験結果について述べる。
Co−Cr系合金製のディスク状の試験片を複数個用意し、第一の試験片ではDLCの成膜処理を行わず、第二の試験片ではCo−Cr系合金表面に炭化水素ガスのみを用いて炭素イオン注入と傾斜ミキシング層を形成したうえでDLC膜を形成し、第三の試験片ではCo−Cr系合金表面に本発明の方法によりDLC膜を形成した。また、UHMWPE製のピンを用意した。
図4に示すように、ピン・オン・ディスク磨耗試験機の容器18内に約37℃の生理食塩水19を入れて生理食塩水19内に第一の試験片20を沈めて固定し、容器18をその中心軸18aの回りに約70rpmで回転させ、ピン21を支持ヘッド22で支持してピン21の先端を第一の試験片20に約16Nの力で押し付けた。ピン21の押し付け箇所は試験片20の半径5mmの位置とした。試験片20の繰り返し回転数は5×105サイクルとした。そして、10万回の繰り返し回転数ごとにピン21の重量減少量をピン21の磨耗量として測定した。同様な試験を図示しない第二及び第三の各試験片についても行った。
この試験の結果、図5に示すように、第一の試験片20に接触させたピン21は磨耗重量が1mgを超えた。また、第二の試験片に接触させたピン21は磨耗重量が小さいものの第二の試験片のDLC膜が繰り返し回転数30×104で金属面から剥離した。しかし、第三の試験片に接触させたピン21は磨耗重量が極めて小さく、また、第三の試験片のDLC膜は繰り返し回転数が50×104を超えても金属面から剥離しなかった。
<実験例3>
上記骨頭インプラント1におけるDLC膜5の残留応力について、図6に示す片持ち梁法による試験を行った。
短冊状の石英基板(0.5mm厚さ×5mm幅×25mm長さ)の一端をSi基板に固定した試験片を複数個用意し、第一の試験片にDLCの製膜処理を行い、第二の試験片には炭素イオン注入と傾斜ミキシング層を形成したうえでDLC膜を形成し、第三の試験片には本発明の方法によりDLC膜を形成した。
次のStoneyの式により、各試験片の残留応力σを求めた。また、上記実験例1における接着強度の測定結果との相関関係について検討した。
σ=E・b2・δ/(3・(1−ν)・L2・d)
ただし、Eは基板のヤング率、bは基板の厚さ、δは変位、νは基板のポアソン比、Lは基板の長さ、dはDLC膜の膜厚をそれぞれ表す。
図7に示すように、第一の試験片では残留応力が負の値であり膜の破壊原因となる引張応力が膜に作用しているため膜が破壊し易いことが確認され、基材との接着強度も低くインプラントとしては不適格であった。また、炭化水素ガスのみを用いたイオン注入と成膜とを行った第二の試験片では、残留応力が正の値であり膜には圧縮応力が作用していることから、破壊し難い膜が形成されているが、基材との接着強度が低くインプラントとしては満足の行くものではなかった。第三の試験片すなわち本発明によれば、残留応力が正の値であり膜には圧縮応力が作用していることから、破壊し難い膜が形成されており、かつ基材との接着強度が増大した。
なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、例えば上記実施の形態では大腿骨の関節の骨頭インプラントについて説明したが寛骨臼インプラントや膝関節等他の部位のインプラントについても適用可能である。
本発明に係る人工関節用インプラントの説明図であり、(A)は全体図、(B)は寛骨臼インプラントの断面図、(C)は骨頭インプラントの断面図である。 本発明に係る人工関節用インプラントを製造するための装置の概念図である。 人工関節用インプラントのDLC膜の接着強度試験を示し、(A)は一方の試験片のDLC膜に他方の試験片を接着する前の状態を示す斜視図、(B)は接着後の状態を示す斜視図、(C)はDLC膜が試験片から剥がれた状態を示す斜視図、(D)は接着剤が試験片から剥がれた状態を示す斜視図である。 人工関節用インプラントのDLC膜に関し使用する磨耗試験機の概念図である。 磨耗試験の結果を示すグラフである。 残留応力試験の説明図である。 残留応力試験の結果を示すグラフであり、残留応力とDLC膜の接着強度との関係を示す。
1a…インプラント基材
5…DLC膜
8…チャンバ

Claims (4)

  1. 炭化水素ガス及び有機シリコンガスの混合ガスのプラズマを使用し、炭化水素ガスのガス種とイオン注入電圧とを変化させて、イオン注入及びCVDを組み合わせた複合プロセスにより、インプラント基材の表面にDLC膜を成膜してなる人工関節用インプラントであって、上記インプラント基材に高周波電圧が印加されてインプラント基材の近傍がプラズマ状態とされることによって、上記インプラント基材の表面にシリコンと炭素の傾斜ミキシング層が形成され、この傾斜ミキシング層の上に上記イオン注入が行われつつ上記DLC膜が上記インプラント基材の湾曲した表面に成膜されたことを特徴とする人工関節用インプラント。
  2. 炭化水素ガス及び有機シリコンガスの混合ガスのプラズマを使用し、炭化水素ガスのガス種とイオン注入電圧とを変化させて、イオン注入及びCVDを組み合わせた複合プロセスにより、インプラント基材の表面にDLC膜を成膜する人工関節用インプラントの製造方法であって、上記インプラント基材に高周波電圧を印加してインプラント基材の近傍をプラズマ状態とすることによって、上記インプラント基材の表面にシリコンと炭素の傾斜ミキシング層を形成し、この傾斜ミキシング層の上に上記イオン注入を行いつつ上記DLC膜を上記インプラント基材の湾曲した表面に成膜することを特徴とする人工関節用インプラントの製造方法。
  3. 請求項1に記載の人工関節用インプラントにおいて、インプラント基材がCo−Cr系合金であることを特徴とする人工関節用インプラント
  4. 請求項2に記載の人工関節用インプラントの製造方法において、インプラント基材がCo−Cr系合金であることを特徴とする人工関節用インプラントの製造方法
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