JP4591925B2 - 人工股関節の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、拡散接合法により接合されたメッシュ層を有する人工股関節の製造方法に関する。

整形外科において用いられる人工股関節は、生体親和性に加え、使用状況に応じた負荷や摺動に耐える構成であることが要求される。これらの要求を満たす金属系材料としては、ＳＵＳ３１６、Ｃｏ−Ｃｒ合金、チタン、チタン合金がある。人工股関節は、生体親和性、負荷性および摺動性を考慮してこれらの金属系材料からチタンやチタン合金が選定される。

人工股関節は、ステム部とステム部の近位端にオフセット連接されたネック部とを有する構成である。人工股関節は、ステム部の外面に骨セメントとして作用するポリメチルアクリレートを塗布し、ステム部を骨セメント層を介して大腿骨の近位部骨髄腔に装着することで大腿骨に固定される。

人工股関節は、ステム部を骨セメント層を介し大腿骨に固定するので、長期間の使用により塗布した骨セメント層が劣化し、ステム部と大腿骨の骨皮質との間にゆるみが生じ、大腿骨に対する結合力が低下してしまうことがある。

一方、大腿骨に対する支持面に多孔質金属パッドを接合して多孔質面に形成し、多孔質面に形成した細孔に大腿骨の新生骨を侵入させて大腿骨に確実に結合することで大腿骨に対する結合力を高めるようにした人工関節が開発されている。
上記人工関節は、人工関節本体をチタンまたはチタン合金により成形し、多孔質金属パッドをＣｏ−Ｃｒ合金またはステンレススチール合金により成形し、人工関節本体と多孔質金属パッドをレーザー光線による接合手段により接合することで構成される（例えば、特許文献１）。

しかし、上記人工関節は、大腿骨に対する支持面を有する人工膝関節に適用することはできても、大腿骨の近位部骨髄腔に装着するステム部を有する人工股関節に適用されるものではない。

特開平１０−４３２１６号公報（第１頁参照）

上記人工股関節は、ステム部とステム部の近位端にオフセット連接されたネック部とを有し、ステム部の断面形状が卵形であるため、ステム部の表面にチタン線またはチタン粒子を従来の拡散接合法により接合することは困難である。

本発明は、上記した点を考慮してなされたもので、ステム部に配置されたメッシュ層を半径方向内方の加圧力によりステム部に確実に拡散接合することができる人工股関節の製造方法を提供することを目的とする。

本発明の人工股関節の製造方法は、チタン材料またはチタン合金材料から成形されたステム部を有する人工股関節本体を設け、チタン材料またはチタン合金材料より熱膨張係数が大きい金属材料から成形された複数のセグメントを有する加圧治具を設け、人工股関節本体のステム部の表面にチタン材料またはチタン合金材料のメッシュ層を積層し、加圧治具をステム部のメッシュ層を囲むように配置し、チタン材料またはチタン合金材料より熱膨張係数が小さい金属材料で形成した線材を加圧治具の外面に巻き付け、これら全体を真空中あるいは不活性ガスの雰囲気中で加熱処理し、加圧治具の半径方向内方を向く加圧力によりメッシュ層をステム部に拡散接合することで構成される。

本発明によれば、加圧治具を構成する金属材料の熱膨張係数をチタン材料またはチタン合金材料の熱膨張係数より大きく、加圧治具の外面に巻き付けられる線材の金属材料の熱膨張係数をチタン材料またはチタン合金材料の熱膨張係数より小さくすることで、真空中あるいは不活性ガスの雰囲気中で加熱処理する際に発生する加圧治具の熱膨張力を半径方向内方に向けることで、メッシュ層をステム部に確実に拡散接合することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明による人工股関節の製造方法により作られた人工股関節の斜視図である。

本発明による人工股関節の製造方法により作られた人工股関節１は、図１に示すように、大腿骨の近位部骨髄腔に固定されるステム部２と、ステム部２の近位端にオフセット連接されたネック部３とを有する。ステム部２のネック部３に近い部位に多孔質面４が形成されている。多孔質面４は、複数枚のチタンまたはチタン合金製メッシュシートを積層したメッシュシート積層体により形成される。各メッシュシートは、縦方向および横方向に規則的に配列した略円形の細孔を有する。メッシュシートの厚さおよび細孔の孔径は、使用条件に応じて選定される。

本発明による人工股関節の製造方法に用いられる人工股関節本体１ａは、チタン材料またはチタン合金材料により成形されている。人工股関節本体１ａは、図２に示すように、ステム部２ａと、ステム部２ａにオフセット連接されたネック部３ａとを有する。ステム部２ａのネック部３ａに近い部位に周方向に延びる環状溝５が形成されている。環状溝５は、その深さを環状溝５に配置されるメッシュシート積層体６の厚さに対応させている。メッシュシート積層体６は、ステム部２ａの外面に設けた環状溝５にその上面がステム部２ａの外面と同一面になるように配置されることが好ましい。

本発明による人工股関節の製造方法に用いられる加圧治具７は、チタン材料またはチタン合金材料より熱膨張係数が大きい金属材料であるＳＵＳ３０４ステンレス鋼材により成形された円筒体８から形成されている。円筒体８は、図３に示すように、ステム部２ａの卵形断面形状に対応した内部空間８ａを有する。円筒体８は、卵形の長径線に沿って２つ割りされた半体９，９を有する。各半体９は、半径方向中間位置に連結部１０ａを有する３つの半径方向に延びるスリット１０，１０，１０により互いに連結された４つのセグメント片１１，１１，１１，１１を形成する。加圧治具７は、チタン材料またはチタン合金材料より熱膨張係数が大きい金属材料であれば、鉄、ニッケル、またはこれらの合金であってもよい。

本発明による人工股関節の製造方法に用いられる加圧治具を固定するための線材１２は、チタン材料またはチタン合金材料より熱膨張係数が小さい金属材料であるモリブデン材またはタングステン材から形成されている。

金属材料の熱膨張係数を下表に示す。

つぎに、本発明による人工股関節の製造方法を説明する。
準備段階として、人工股関節本体１ａをチタン材料またはチタン合金材料により成形する。加圧治具７をＳＵＳ３０４ステンレス鋼、鉄又はニッケルにより成形する。線材１２をモリブデンまたはタングステンで形成する。

第１段階として、図２に示す人工股関節本体１ａを設け、人工股関節本体１ａのステム部２ａに形成した環状溝５に、チタン材料またはチタン合金材料のメッシュシート積層体６を図４に示すように配置する。この場合、メッシュシート積層体６を、ステム部２ａの外面に設けた環状溝５にその上面がステム部２ａの外面と同一面になるように配置することが好ましい。

第２段階として、図３に示す２つ割りした加圧治具７を設け、この２つ割りした加圧治具７を、図５に示すように、人工股関節本体１ａのメッシュシート積層体６を配置したステム部２ａを囲むように配置する。加圧治具７は、内部空間がステム部２ａに外面形状に対応しているので、位置決めすることなくメッシュシート積層体６を配置したステム部２ａに密着される。

第３段階として、線材１２を、図６に示すように、２つ割りした加圧治具７の外面に巻き付ける。これにより、２つ割りした加圧治具７は、人工股関節本体１ａのステム部２ａに固定される。

第４段階として、これら全体を図示しない真空加熱処理装置の真空室に配置し、真空加熱処理装置を作動することにより、人工股関節本体１ａを真空中あるいは不活性ガスの雰 囲気中で、温度８００℃で１５分間処理する。

真空あるいは不活性ガスの雰囲気における加熱中において、チタン材料またはチタン合金材料より熱膨張係数が大きい金属材料で成形された加圧治具７は、チタン材料またはチタン合金材料により成形された人工股関節本体１ａより大きく膨張する。しかし、加圧治具７は、外面をチタン材料またはチタン合金材料より熱膨張係数が小さい金属材料の線材１２で拘束され、加圧治具７の半径方向外方の膨張が抑制される。そのため、加圧治具７は、半径方向内方に膨張する。

加圧治具７の各半体は、連結部１０ａを有する半径方向に延びるスリットにより複数のセグメント片１１を形成しているので、各セグメント片１１は、互いに連結した状態で半径方向内方に膨張し、半径方向内方の加圧力を発生する。加圧治具７の半径方向内方の加圧力は、メッシュシート積層体６をステム部２ａの全周からほぼ均一に加圧し、メッシュシート積層体６をステム部２ａに拡散接合する。

本発明による人工股関節の製造方法によりり作られた人工股関節は、メッシュシート積層体をステム部の全周方向から加圧するので、メッシュシート積層体とステム部と接合強度を高くでき、メッシュシート積層体により形成される多孔質面への新生骨の均一な育成を可能にし、大腿骨に確実に固定することができる。

本発明による人工股関節の製造方法により作られた人工股関節の斜視図である。 本発明による人工股関節の製造方法に用いられる人工股関節本体の斜視図である。 本発明による人工股関節の製造方法に用いられる加圧治具の斜視図である。 本発明による人工股関節の製造方法の人工股関節本体のステム部にメッシュシート積層体を配置した状態を示す図である。 本発明による人工股関節の製造方法の人工股関節本体のメッシュシート積層体を設けたステム部に加圧治具を配置した状態を示す図である。 本発明による人工股関節の製造方法の人工股関節本体のステム部に配置した加圧治具に線材を巻き付けた状態を示す図である。

符号の説明

１ａ 人工股関節本体
２ａ ステム部
６ メッシュ層
７ 加圧治具
１２ 線材

Claims (4)

1. チタン材料またはチタン合金材料から成形されたネック部と卵形断面形状を有するステム部とを有する人工股関節本体を設け、
   チタン材料またはチタン合金材料より熱膨張係数が大きい金属材料から成形された複数のセグメントを有し、前記ステム部の前記卵形断面形状に対応する形状の内部空間を内部に形成する円筒体の形状を有する加圧治具を設け、
   人工股関節本体のステム部の前記ネック部に近い部位の表面に前記ステム部の長手方向に略直交する方向に環状溝を形成し、この環状溝にチタン材料またはチタン合金材料のメッシュ層を積層し、
   加圧治具をステム部の前記環状溝に積層されたメッシュ層を囲むように配置し、
   チタン材料またはチタン合金材料より熱膨張係数が小さい金属材料で形成した線材を加圧治具の外面に前記円筒体の軸線方向に略直交する方向である周方向に巻き付け、
   これら全体を真空中あるいは不活性ガスの雰囲気中で加熱処理し、
   加圧治具の前記周方向に略直交する方向である半径方向内方を向く加圧力によりメッシュ層をステム部の前記環状溝に拡散接合し、
   前記加圧治具は、前記周方向に渡って均等的に前記加圧力が加えられるようにするために前記内部空間を前記ステム部の外面形状に対応した前記円筒体を前記軸線方向に沿って分割された複数のセグメントに分割し、各セグメントに連結部を有するスリットを前記半径方向に延びるように設けたものである
   ことを特徴とする人工股関節の製造方法。
2. メッシュ層は、ステム部の外面に設けた前記環状溝にステム部の外面と同一面になるように積層されることを特徴とする請求項１に記載の人工股関節の製造方法。
3. 加圧治具は、ＳＵＳ３０４ステンレス鋼材により成形され、線材は、モリブデン材で形成されることを特徴とする請求項１ないし２のいずれか１項に記載の人工股関節の製造方法。
4. 加熱処理条件は、処理温度が８００℃で処理時間が１５分であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の人工股関節の製造方法。

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