JP5097354B2 - Biological member and method for producing the same - Google Patents

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Description

本発明は、生体材料のジルコニア焼結体から成る生体用部材及びその製造方法に関し、特に、湿潤環境下における低温劣化に対する耐性の高い生体用部材及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a biomedical member made of a zirconia sintered body of a biomaterial and a method for producing the same, and more particularly to a biomedical member having high resistance to low temperature degradation in a humid environment and a method for producing the same.

機械的特性に優れたセラミックとして、イットリアを添加した部分安定化ジルコニア焼結体が知られている。このジルコニア焼結体は、高強度、高靭性の機械的特性に加えて、耐摩耗性にも優れていることから、高負荷下で使用される摺動部材として利用されている。また、ジルコニア焼結体が化学的にきわめて安定な物質で、生体安全性に優れていることから、人工関節の摺動部材等の生体材料にも利用されている。   As a ceramic having excellent mechanical properties, a partially stabilized zirconia sintered body to which yttria is added is known. Since this zirconia sintered body is excellent in wear resistance in addition to mechanical properties of high strength and high toughness, it is used as a sliding member used under high load. Further, since the zirconia sintered body is a chemically very stable substance and excellent in biological safety, it is also used as a biological material such as a sliding member of an artificial joint.

部分安定化ジルコニア焼結体は、イットリアを添加する(通常は3mol%程度を添加する)ことにより、高温安定相である正方晶を常温における準安定相としたもの、すなわち、焼結後常温に戻しても正方晶を維持できるジルコニア焼結体のことである。このような正方晶ジルコニアは、応力を受けることにより、常温安定相である単斜晶ジルコニアに相転移することが知られている。例えば、焼結体にクラックが入り、クラック先端に応力が集中すると、クラック先端の周辺組織が正方晶から単斜晶に相転移する。この正方晶から単斜晶への相転移は約4%程度の体積膨張を伴い、この体積膨張がクラック先端を周囲から圧縮するように働くことにより、クラックの進展を効果的に阻止することができる。つまり、ジルコニア焼結体は、準安定相の正方晶ジルコニアから構成されていることにより高強度、高靭性という特性を有している。   A partially stabilized zirconia sintered body is obtained by adding yttria (usually adding about 3 mol%) to convert a tetragonal crystal that is a high-temperature stable phase into a metastable phase at room temperature, that is, after sintering to room temperature. It is a zirconia sintered body that can maintain a tetragonal crystal even when returned. It is known that such tetragonal zirconia undergoes a phase transition to monoclinic zirconia, which is a room temperature stable phase, when subjected to stress. For example, when cracks enter the sintered body and stress concentrates on the crack tip, the surrounding structure of the crack tip changes from tetragonal to monoclinic. This phase transition from tetragonal to monoclinic crystal is accompanied by a volume expansion of about 4%, and this volume expansion works to compress the crack tip from the periphery, thereby effectively preventing the crack from progressing. it can. That is, the zirconia sintered body has characteristics of high strength and high toughness because it is composed of metastable tetragonal zirconia.

ジルコニア焼結体は、生体材料としても使用できるほどに化学的に安定な材料であるが、水分が存在する条件下では、焼結体表面が水と反応して、正方晶ジルコニアから単斜晶ジルコニアに相転移することがある(これを一般に劣化と呼んでいる)。この劣化は、焼結体表面から開始するが、時間とともに内部組織まで単斜晶に相転移する。その結果、単斜晶ジルコニアの量が増加して、ジルコニア焼結体の強度及び靭性が低下する。よって、水分存在下での劣化を抑制するための技術が開発されてきた。   A zirconia sintered body is a material that is chemically stable enough to be used as a biomaterial, but under conditions where moisture is present, the surface of the sintered body reacts with water to form a monoclinic crystal from tetragonal zirconia. There may be a phase transition to zirconia (this is generally called degradation). This deterioration starts from the surface of the sintered body, but with the time, it undergoes a monoclinic phase transition to the internal structure. As a result, the amount of monoclinic zirconia increases, and the strength and toughness of the zirconia sintered body decreases. Therefore, techniques for suppressing deterioration in the presence of moisture have been developed.

例えば、ジルコニアにAl、TiO、及び/又はSiO等の化合物を添加して焼結することにより、水分存在下での劣化を抑制する技術が知られている(例えば特許文献1〜3)。また、ジルコニア焼結体の表面を水分から保護するためにシリカで被膜すること(例えば特許文献4)や、ジルコニア焼結体の表面に窒化物を固溶させて保護層を形成すること(例えば特許文献5)が知られている。
特開平11−240757号公報 特開平11−116328号公報 特開2001−302345号公報 特開2000−63175号公報 特開平9−227228号公報
For example, a technique for suppressing deterioration in the presence of moisture by adding a compound such as Al 2 O 3 , TiO 2 , and / or SiO 2 to zirconia and sintering is known (for example, Patent Document 1). ~ 3). Moreover, in order to protect the surface of a zirconia sintered body from a water | moisture content, it coats with a silica (for example, patent document 4), or forms a protective layer by making a solid solution of nitride on the surface of a zirconia sintered body (for example, Patent document 5) is known.
Japanese Patent Laid-Open No. 11-240757 JP 11-116328 A JP 2001-302345 A JP 2000-63175 A JP-A-9-227228

ジルコニア焼結体の機械的強度に対する要求は、近年になってより高くなっており、これに伴い、耐劣化性に対する要求も厳しくなっている。そのため、従来であれば十分な耐劣化性を有するとされていた材料でも、近年では耐劣化性が不十分であると判断されることもある。耐劣化性は、劣化試験後のジルコニア焼結体の表面に存在する単斜晶ジルコニア分率(mol%)で判断されるが、近年はその値が10mol%以下に抑制されるような、きわめて劣化しにくいジルコニア焼結体が求められている。   The demand for the mechanical strength of the zirconia sintered body has been higher in recent years, and accordingly, the demand for deterioration resistance has become stricter. For this reason, even in the past, even a material that was previously considered to have sufficient deterioration resistance may be judged to have insufficient deterioration resistance in recent years. The deterioration resistance is judged by the monoclinic zirconia fraction (mol%) existing on the surface of the zirconia sintered body after the deterioration test, but in recent years the value is extremely suppressed to 10 mol% or less. There is a need for a zirconia sintered body that does not easily deteriorate.

また、ジルコニア焼結体は、常温〜300℃の低い温度範囲において、長時間かけて劣化することが知られている(これを低温劣化と呼ぶ)。ジルコニア焼結体を生体材料として使用する場合には、この低温劣化が問題になってくる。例えば、ジルコニア焼結体を人工関節の摺動部材のような生体材料として使用する場合、ジルコニア焼結体は、体液に常に接触した湿潤状態で36〜37℃の温度に保持され、そして長期間にわたってその環境に置かれることになり、低温劣化が進行する可能性が高い。そこで、生体内で長期間にわたって劣化しないような性質、つまり耐低温劣化性のジルコニア焼結体を、生体材料として使用することが望まれている。   Further, it is known that a zirconia sintered body deteriorates over a long time in a low temperature range of room temperature to 300 ° C. (this is called low temperature deterioration). When using a zirconia sintered body as a biomaterial, this low temperature deterioration becomes a problem. For example, when a zirconia sintered body is used as a biomaterial such as a sliding member of an artificial joint, the zirconia sintered body is maintained at a temperature of 36 to 37 ° C. in a wet state always in contact with a body fluid, and for a long time. It is highly likely that low temperature degradation will proceed. Therefore, it is desired to use a zirconia sintered body having a property that does not deteriorate over a long period of time in a living body, that is, a low temperature deterioration resistant zirconia sintered body as a biomaterial.

特許文献1〜3のような化合物を添加したジルコニア焼結体は、従来基準の耐劣化性を有するが、近年の厳しい要求をも満足しているとは言い難い。また、添加する化合物を変更することにより、耐劣化性を向上させることは可能かもしれないが、生体材料として使用する場合には、生体安全性の観点から、使用可能な化合物が著しく制限されるという問題がある。また、特許文献4又は5のように表面被膜又は表面改質を施したジルコニア焼結体は、生体安全性の点及び低温劣化の点では十分な性能を示すと予想されるが、処理にかかるコストが高く、また厳密な表面改質条件の制御が必要となる等の課題が残っている。   A zirconia sintered body to which a compound as described in Patent Documents 1 to 3 has been added has a conventional standard of deterioration resistance, but it cannot be said that it satisfies the recent severe requirements. Moreover, it may be possible to improve the degradation resistance by changing the compound to be added, but when used as a biomaterial, the usable compounds are significantly limited from the viewpoint of biosafety. There is a problem. Moreover, although the zirconia sintered body which gave surface coating or surface modification like patent document 4 or 5 is anticipated to show sufficient performance in terms of biosafety and low-temperature deterioration, it takes processing. Issues remain such as high cost and the need for strict control of surface modification conditions.

また、低温劣化が材料表面と水との反応に起因することから、同一組成のジルコニア焼結体であっても、表面加工の程度によって表面性状が異なれば、低温劣化に対する耐性も異なってくる可能性は十分にある。実際に商品化されているジルコニア焼結体の生体用部材は、焼結後に適切な表面加工されているものが殆どである。例えば、人工関節用の人工骨頭では、骨頭の摺動面では鏡面仕上げされ、ステムの軸を嵌め込む嵌合穴の内面は研削仕上げされている。このように、1つの生体用部材のなかでも、場所によって表面加工が異なることも多いが、いずれの表面も、水分に接触しても低温劣化しない、又は低温劣化しにくいことが望まれる。しかしながら、どのような表面加工をすると低温劣化しやすいのか、いずれの加工面も耐低温劣化性を向上させるにはどうしたらいいのか、全く知られていない。特許文献1〜5にも、表面性状と耐低温劣化性との関係を検討した例はなく、現在のところ、表面性状と低温劣化との相関性は考慮されていないのが現状である。   In addition, since low-temperature degradation is caused by the reaction between the material surface and water, even if the zirconia sintered body has the same composition, the resistance to low-temperature degradation can be different if the surface properties differ depending on the degree of surface processing. There is enough sex. Most of the zirconia sintered body biomaterials that are actually commercialized are appropriately surface-treated after sintering. For example, in an artificial bone head for an artificial joint, the sliding surface of the bone head is mirror-finished, and the inner surface of the fitting hole into which the stem shaft is fitted is ground. As described above, the surface processing often varies depending on the location of one biomedical member, but it is desired that any surface does not deteriorate at low temperature or hardly deteriorates at low temperature even when it comes into contact with moisture. However, it is not known at all what surface processing is likely to cause low temperature deterioration and how to improve the low temperature deterioration resistance of any processed surface. In Patent Documents 1 to 5, there is no example in which the relationship between the surface property and the low temperature deterioration resistance is examined, and at present, the correlation between the surface property and the low temperature deterioration is not considered.

そこで、本発明の目的は、表面性状と低温劣化との関係を考慮しつつ、低温劣化を抑制したジルコニア焼結体の生体用部材を提供することである。また、本発明の別の目的は、簡単かつ低コストの処理を行うことで、低温劣化を抑制したジルコニア焼結体の生体用部材を製造する方法を提供することである。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a biomedical member of a zirconia sintered body that suppresses low-temperature deterioration while taking into consideration the relationship between surface properties and low-temperature deterioration. Another object of the present invention is to provide a method for producing a biological member of a zirconia sintered body that suppresses low-temperature deterioration by performing a simple and low-cost treatment.

本発明は、生体材料のジルコニア焼結体から成り、生体内で使用される生体用部材であって、前記生体用部材の内部は、主として正方晶ジルコニアから成り、前記生体用部材の表面に含まれる単斜晶ジルコニア分率が1mol%以下であることを特徴とする。   The present invention is a biomedical member made of a zirconia sintered body of a biomaterial and used in a living body, and the inside of the biomedical member is mainly made of tetragonal zirconia and is included in the surface of the biomedical member. The monoclinic zirconia fraction is 1 mol% or less.

本発明の生体用部材は、どのような表面加工を施した生体用部材であっても、また、場所によって異なる表面加工を施した生体材料であっても、全ての加工面及び非加工面の単斜晶ジルコニア分率が低くなっていることを特徴とする。すなわち、本発明の生体用部材は、表面の単斜晶ジルコニア分率が低く、低温劣化の起点が少ないので、耐低温劣化性に優れている。
そして、本発明の生体用部材は、耐低温劣化性を改善するための添加物を必要としないので、生体安全性が確認されているジルコニア焼結体の組成をそのまま利用することができるという利点もある。
The biomedical member of the present invention may be any bioprocessed member that has been subjected to any surface treatment, or any biomaterial that has been subjected to surface treatment that varies depending on the location. The monoclinic zirconia fraction is low. That is, the biomedical member of the present invention has a low monoclinic zirconia fraction on the surface and a low starting point for low temperature deterioration, and is therefore excellent in low temperature deterioration resistance.
The biomedical member of the present invention does not require an additive for improving low-temperature degradation resistance, so that the composition of the zirconia sintered body whose biosafety has been confirmed can be used as it is. There is also.

また、本発明は、生体材料のジルコニア焼結体から成り、生体内で使用される生体用部材を製造する方法であって、該方法が、ジルコニアとイットリアとを含む粉末原料を成形体に加工する成形工程と、前記成形体を焼成して焼結体を得る焼成工程と、前記焼結体の表面を加工処理する表面加工工程と、加工した前記焼結体を熱処理して、単斜晶ジルコニアを正方晶ジルコニアに相転移させる熱処理工程と、を含むことを特徴とする。   The present invention also relates to a method for producing a biomedical member used in a living body, comprising a zirconia sintered body of a biomaterial, wherein the method processes a powder raw material containing zirconia and yttria into a molded body. A forming step, a firing step of firing the formed body to obtain a sintered body, a surface processing step of processing the surface of the sintered body, and heat treating the processed sintered body to obtain a monoclinic crystal And a heat treatment step of phase transition of zirconia to tetragonal zirconia.

本発明の製造方法は、上記の生体用部材を製造する方法であって、表面加工後に、単斜晶ジルコニアを正方晶ジルコニアに相転移させる熱処理工程を施すことにより、加工後の生体用部材表面の単斜晶ジルコニア分率を低くすることを可能にした。これにより、どのような表面加工を施した生体用部材であっても、また、場所によって異なる表面加工を施した生体用部材であっても、加工後に熱処理することにより、どのような加工表面であっても単斜晶ジルコニア分率を低下させることができる。   The manufacturing method of the present invention is a method for manufacturing the above-described biomedical member, and after the surface processing, a post-processing biomaterial member surface is obtained by performing a heat treatment step for phase transition of monoclinic zirconia to tetragonal zirconia. Made it possible to lower the monoclinic zirconia fraction. As a result, any surface processed or biomedical member that has been subjected to surface processing that differs depending on the location can be treated with heat treatment after processing. Even if it exists, a monoclinic zirconia fraction can be reduced.

この熱処理工程は、ジルコニア焼結体の製造等に通常用いられる装置を利用して、大気中で比較的容易に行える処理であるので、特別な装置や煩雑な工程、もしくは複雑な条件を必要としない、という利点がある。
このように、本発明の製造方法は、表面の単斜晶ジルコニア分率を抑えることにより、耐低温劣化性を向上させた生体用部材を製造することができる。
そして、本発明の製造方法は、生体用部材に耐低温劣化性を改善するための添加物を必要としないので、生体安全性が確認されているジルコニア焼結体の組成をそのまま利用した生体用部材の製造に適している
Since this heat treatment process is a process that can be performed relatively easily in the atmosphere using an apparatus usually used for manufacturing a zirconia sintered body, a special apparatus, a complicated process, or complicated conditions are required. There is an advantage of not.
Thus, the production method of the present invention can produce a biomedical member with improved low-temperature degradation resistance by suppressing the monoclinic zirconia fraction on the surface.
And since the manufacturing method of this invention does not require the additive for improving low temperature-proof deterioration property to the biomedical member, it uses for the living body which utilized the composition of the zirconia sintered compact by which biosafety was confirmed as it is. Suitable for manufacturing parts

本発明の生体用部材は、すべての表面において単斜晶ジルコニア分率を1mol%以下にすることにより、どのような表面性状であっても高い耐低温劣化性が得られる。また、本発明の製造方法は、従来の製造方法に、大気中の熱処理という簡単かつ低コストの処理を追加することにより、耐低温劣化性に優れた生体用部材を製造することができる。   The biomedical member of the present invention can have high low temperature deterioration resistance regardless of the surface properties by setting the monoclinic zirconia fraction to 1 mol% or less on all surfaces. Moreover, the manufacturing method of this invention can manufacture the biological member excellent in low temperature deterioration-proof property by adding the simple and low-cost process called the heat processing in air | atmosphere to the conventional manufacturing method.

<実施の形態1>
本発明のジルコニア焼結体の生体用部材は、例えば図1(A)のような全置換型人工股関節100を構成する人工骨頭22に好適である。
人工股関節100は、大腿骨91に固定する大腿骨ステム20と、寛骨の臼蓋93に固定されたカップ10とから構成されており、さらに、この大腿骨ステム20は、大腿骨91の骨髄に挿入するステム本体21と、ステム本体21の一端に嵌め込んだ人工骨頭22とから構成されている。人工股関節100は、人工骨頭22をカップ10の凹部に嵌め込んで、旋回可能に摺動させることにより構成されている。
<Embodiment 1>
The biomedical member of the zirconia sintered body of the present invention is suitable for the artificial bone head 22 constituting the total replacement artificial hip joint 100 as shown in FIG.
The artificial hip joint 100 is composed of a femoral stem 20 that is fixed to the femur 91 and a cup 10 that is fixed to an acetabular acetabulum 93. The femoral stem 20 further includes a bone marrow of the femur 91. The stem body 21 is inserted into the stem body 21, and the artificial bone head 22 is fitted into one end of the stem body 21. The artificial hip joint 100 is configured by fitting an artificial bone head 22 into a concave portion of the cup 10 and sliding the artificial bone head 22 so as to be able to turn.

図1(B)に示した本実施の形態のジルコニア焼結体の人工骨頭22では、摺動面23aは、摩擦を低下させるために鏡面加工され、ステム本体21の端部21aを嵌め込む穴部222の内面23bは、ステム本体21の端部21aが正確に嵌り合うように切削加工して穴径を調節されている。そして、穴部222の外周面23cは、研削加工やブラスト加工等の機械加工をする必要はなく、焼結したままの状態でも構わない。   In the artificial bone head 22 of the zirconia sintered body of the present embodiment shown in FIG. 1 (B), the sliding surface 23a is mirror-finished to reduce friction, and the hole into which the end portion 21a of the stem body 21 is fitted. The inner diameter 23b of the part 222 is cut so that the end 21a of the stem body 21 fits accurately, and the hole diameter is adjusted. The outer peripheral surface 23c of the hole 222 does not need to be machined such as grinding or blasting, and may be in a sintered state.

本実施の形態の人工骨頭22は、Yを2〜6mol%含む、いわゆるイットリア部分安定化ジルコニア(PSZ)の焼結体から形成することができる。特に、Yを3mol%含むジルコニア焼結体は、3mol%イットリア含有正方晶ジルコニア多結晶体(3Y−TZP)として知られており、生体材料として幅広く利用されている。 The artificial bone head 22 of the present embodiment can be formed from a sintered body of so-called yttria partially stabilized zirconia (PSZ) containing 2 to 6 mol% of Y 2 O 3 . In particular, a zirconia sintered body containing 3 mol% of Y 2 O 3 is known as a 3 mol% yttria-containing tetragonal zirconia polycrystal (3Y-TZP), and is widely used as a biomaterial.

人工骨頭22の内部及び表面は、主として正方晶ジルコニアから構成されている。人工骨頭22は、表面の単斜晶ジルコニア分率が、内部よりも高くなることが多い。これは、焼結を行った後に行う表面加工の際に、表面領域に応力がかかり、正方晶ジルコニアが単斜晶ジルコニアに相転移したためであると考えられる。本発明の生体用部材では、表面加工後に上昇した部材表面の単斜晶ジルコニア分率を、最終的に1mol%以下まで低下さている点が特徴である。   The inside and the surface of the artificial bone head 22 are mainly composed of tetragonal zirconia. The artificial bone head 22 often has a monoclinic zirconia fraction on the surface higher than the inside. This is presumably because the surface region was stressed during the surface processing performed after sintering, and tetragonal zirconia was phase-transformed to monoclinic zirconia. The biomedical member of the present invention is characterized in that the monoclinic zirconia fraction of the member surface that has been raised after the surface processing is finally reduced to 1 mol% or less.

ジルコニア焼結体から成る製品では、低温劣化は製品表面から開始するが、このときに製品表面に単斜晶ジルコニアが存在すると、低温劣化の起点として働いて劣化が促進されやすい。しかしながら、本発明の生体用部材(人工骨頭22)は、表面の単斜晶ジルコニア分率を1mol%以下と極めて低くしているので、低温劣化の起点となる単斜晶ジルコニアが少なく、低温劣化の進行を抑制することができる。
生体用部材表面の単斜晶ジルコニア分率が1mol%以下であれば、耐低温劣化性に優れた生体用部材になるが、より好ましくは0.5mol%以下であり、耐低温劣化性をさらに向上させることができる。
In a product made of a zirconia sintered body, the low temperature deterioration starts from the product surface. If monoclinic zirconia is present on the product surface at this time, the deterioration tends to be promoted by acting as a starting point of the low temperature deterioration. However, the biomedical member of the present invention (artificial bone head 22) has a monoclinic zirconia fraction on the surface as extremely low as 1 mol% or less, so that there is little monoclinic zirconia as a starting point for low temperature degradation, and low temperature degradation. Can be suppressed.
If the monoclinic zirconia fraction on the surface of the living body member is 1 mol% or less, the living body member is excellent in low temperature deterioration resistance, but is more preferably 0.5 mol% or less, further reducing low temperature deterioration resistance. Can be improved.

人工骨頭22のような生体用部材は、緻密な焼結体から形成にすることにより、機械的特性を良好にできるのみでなく、耐低温劣化性も向上できると期待できる。生体用部材の内部に、外部環境に連通した空隙を多数有していた場合には、外部環境からの水分が空隙の内壁に接触して、低温劣化が起こりやすい環境におかれることになる。また、見かけのヤング率が低下することから、粒子の拘束力が低下する。これらの理由により、生体用部材の耐劣化性を下げる可能性があるので好ましくない、と考えられる。
生体用材料に特に適した焼結体としては、理論密度を6.09g/cmとして算出した相対密度(実測したカサ密度/理論密度)が99%以上のジルコニア焼結体であり、耐低温劣化性に対する相対密度の効果が顕著になるので好ましい。なお、本明細書において「カサ密度」とは、アルキメデス法を用いて測定した、開気孔(外気に通じた空壁)及び閉気孔(内部に孤立した空壁)の両者を含めた単位体積当たりの質量のことである。
By forming a living body member such as the artificial bone head 22 from a dense sintered body, it can be expected that not only the mechanical properties can be improved, but also the low temperature deterioration resistance can be improved. If the living body member has a large number of voids communicating with the external environment, moisture from the external environment comes into contact with the inner wall of the void and is placed in an environment in which low temperature degradation is likely to occur. Moreover, since the apparent Young's modulus decreases, the binding force of the particles decreases. For these reasons, there is a possibility that the deterioration resistance of the biomedical member may be lowered, which is not preferable.
As a sintered body particularly suitable for a biomaterial, a zirconia sintered body having a relative density (measured bulk density / theoretical density) calculated with a theoretical density of 6.09 g / cm 3 of 99% or more, This is preferable because the effect of the relative density on the deterioration becomes remarkable. In this specification, the “mass density” is measured per unit volume including both open pores (empty walls leading to the outside air) and closed pores (empty walls isolated inside) measured by the Archimedes method. It is the mass of.

また、生体用部材を構成するジルコニア焼結体の平均粒径は、常温において準安定層である正方晶ジルコニアの安定性に影響を与える。粒径が小さいほど、正方晶ジルコニアから単斜晶ジルコニアへの相転移エネルギーが大きくなる、すなわち正方晶ジルコニアの結晶が安定しやすくなる。よって、平均粒径の小さい生体用部材のほうが、低温劣化しにくくなるので好ましい。特に、平均粒径が0.3μm以下であるのが好ましく、正方晶ジルコニアの結晶安定性が高くできる利点と共に、上述のような好適な相対密度を有する緻密な焼結体を得るのに適している。   In addition, the average particle diameter of the zirconia sintered body constituting the biomedical member affects the stability of tetragonal zirconia that is a metastable layer at room temperature. The smaller the particle size, the larger the phase transition energy from tetragonal zirconia to monoclinic zirconia, that is, the crystals of tetragonal zirconia are likely to be stable. Therefore, a biological member having a small average particle diameter is preferable because it is less likely to deteriorate at low temperatures. In particular, the average particle size is preferably 0.3 μm or less, and with the advantage that the crystal stability of tetragonal zirconia can be increased, it is suitable for obtaining a dense sintered body having a suitable relative density as described above. Yes.

生体用部材の表面は、研削加工、研磨加工又はブラスト加工によって加工されることが多いが、これらの加工をした後の表面粗さは全く異なる。一般的に、表面粗さが粗いほど、単位面積当たりの表面積が増加するので、表面の反応性は増加する。しかしながら、本発明では、単斜晶ジルコニア分率を1mol%以下にすることにより、研削加工、研磨加工又はブラスト加工のいずれの加工方法による表面であっても、低温劣化を抑制することができる。すなわち、本発明の生体用部材は、表面の粗さに関係なく、耐低温劣化性に優れているといえる。ここで研磨加工とは、鏡面加工を含めた研磨全体を意味している。   The surface of a biomedical member is often processed by grinding, polishing or blasting, but the surface roughness after these processes is quite different. In general, the surface roughness increases as the surface roughness increases, since the surface area per unit area increases. However, in the present invention, by setting the monoclinic zirconia fraction to 1 mol% or less, low-temperature deterioration can be suppressed on the surface by any processing method such as grinding, polishing or blasting. That is, it can be said that the living body member of the present invention is excellent in low temperature deterioration resistance regardless of the surface roughness. Here, the polishing process means the entire polishing including mirror finishing.

本発明の生体用部材の製造方法を以下に説明する。
本実施の形態のジルコニア焼結体は、図2に示すように4つの工程から製造することができる。すなわち、ジルコニアとイットリアとを含む粉末原料を成形体に加工する成形工程S20と、成形体を焼成して焼結体を得る焼成工程S30と、焼結体の表面を加工処理する表面加工工程S40と、加工した焼結体を熱処理して、単斜晶ジルコニアを正方晶ジルコニアに相転移させる熱処理工程S50の4工程である。
これらの工程について、以下に詳細に説明する。
The manufacturing method of the biomedical member of the present invention will be described below.
The zirconia sintered body of the present embodiment can be manufactured from four steps as shown in FIG. That is, a molding step S20 for processing a powder raw material containing zirconia and yttria into a molded body, a firing step S30 for firing the molded body to obtain a sintered body, and a surface processing step S40 for processing the surface of the sintered body. And the processed sintered body is heat-treated, and the four steps of heat treatment step S50 in which monoclinic zirconia is phase-transformed to tetragonal zirconia.
These steps will be described in detail below.

<成形工程S20>
調製された粉末原料は、所望の形状に成形される。成形方法としては、例えば冷間等方圧成形法(CIP)や1軸加圧成形などの加圧成形や、ろくろ法や鋳込み法や、テープ成形、加圧鋳込み、押出し成形、射出成形などによって行うことができる。成形によって得られた成形品は、最終製品の形状に近いニアネットシェイプとすると、焼成後に大幅な切削を必要としないので好ましい。また、所望形状より大きめに圧縮成型し、その後に切削等によって所望の形状に成形することもできる。本発明では、圧縮成型により得られた成型品と、その成型品を加工した成形品とを含めて、成形体と称するものとする。
<Molding step S20>
The prepared powder raw material is formed into a desired shape. As the molding method, for example, pressure molding such as cold isostatic pressing (CIP) or uniaxial pressure molding, potter's wheel method or casting method, tape molding, pressure casting, extrusion molding, injection molding, etc. It can be carried out. If the molded product obtained by molding is a near net shape close to the shape of the final product, it is preferable because it does not require significant cutting after firing. Further, it can be compression-molded larger than the desired shape, and then formed into a desired shape by cutting or the like. In the present invention, a molded product obtained by compression molding and a molded product obtained by processing the molded product are referred to as a molded body.

<焼成工程S30>
成形体を所定の条件で焼成して、ジルコニアの焼結体を得る。焼成工程は、好ましくは2段階で行われる。
第1段階は、成形体を、大気中において焼結する過程(大気焼成過程と称する)である。この大気焼成により、粉末原料を十分に焼き固めて、相対密度95%〜99%程度の予備焼結体を形成する。焼結温度は、材料の組成によって適正範囲が異なるが、少なくとも相対密度が95%以上になる温度以上であり、且つ結晶粒の成長が促進される温度よりも低い温度であるのが好ましい。
焼結温度が低すぎて相対密度が95%未満になると、焼結体が開気孔を有し、次工程の熱間等方圧加圧法(HIP)において十分な緻密化がなされないので好ましくない。また、結晶粒と結晶安定性の関係では、結晶粒が大きくなると、常温における正方晶から単斜晶への相転移エネルギーが小さくなって、正方晶の安定性が低下する。よって、焼結温度が高すぎて結晶粒成長が促進されると、常温における正方晶の安定性が低下するといえるので、ので好ましくない。なお、本発明に適したジルコニア焼結体では、結晶粒が成長するような焼結温度以下であっても、焼結体の相対密度を99%にすることは可能である。
<Baking step S30>
The molded body is fired under predetermined conditions to obtain a zirconia sintered body. The firing step is preferably performed in two stages.
The first stage is a process of sintering the molded body in the atmosphere (referred to as an atmospheric firing process). By this atmospheric firing, the powder raw material is sufficiently baked and solidified to form a pre-sintered body having a relative density of about 95% to 99%. Although the appropriate range varies depending on the composition of the material, the sintering temperature is preferably at least the temperature at which the relative density is 95% or more and lower than the temperature at which the growth of crystal grains is promoted.
If the sintering temperature is too low and the relative density is less than 95%, the sintered body has open pores, which is not preferable because sufficient densification is not achieved in the hot isostatic pressing method (HIP) in the next step. . Further, regarding the relationship between crystal grains and crystal stability, when crystal grains become large, the phase transition energy from tetragonal crystal to monoclinic crystal at room temperature decreases, and the stability of tetragonal crystals decreases. Therefore, if the sintering temperature is too high and crystal grain growth is promoted, it can be said that the stability of tetragonal crystals at room temperature is lowered, which is not preferable. In the zirconia sintered body suitable for the present invention, the relative density of the sintered body can be made 99% even at a sintering temperature or lower at which crystal grains grow.

焼成工程の第2段階は、予備焼結体を、熱間等方圧加圧法(HIP)により緻密化する過程(HIP過程と称する)である。HIP過程では、予備焼結体の内部に残存している気孔を除去することができ、これによって、予備焼結体は、相対密度99.5%以上に緻密化された焼結体となる。HIP過程の処理温度は、材料の組成によって適正範囲が異なるが、少なくとも相対密度が99.5%以上になる温度以上であり、且つ結晶粒の成長が促進される温度よりも低い温度であるのが好ましい。
処理温度が低すぎて相対密度が99.5%未満になると、生体用部材として十分な緻密さとはいえず、強度や耐力が低くなるので好ましくない。また、処理温度が高すぎて結晶粒成長が促進されると、常温における正方晶の安定性が低下するので好ましくない。なお、本発明に適したジルコニア焼結体では、結晶粒が成長するような処理温度以下であっても、焼結体の相対密度を99.5%にすることは可能である。
The second stage of the firing process is a process of densifying the pre-sintered body by a hot isostatic pressing method (HIP) (referred to as HIP process). In the HIP process, pores remaining in the pre-sintered body can be removed, and the pre-sintered body becomes a sintered body densified to a relative density of 99.5% or more. The processing temperature of the HIP process varies depending on the composition of the material, but is at least the temperature at which the relative density is 99.5% or higher and lower than the temperature at which the growth of crystal grains is promoted. Is preferred.
If the treatment temperature is too low and the relative density is less than 99.5%, it cannot be said that the treatment member is sufficiently dense as a living body member, and the strength and proof stress are lowered. Further, if the treatment temperature is too high and the growth of crystal grains is promoted, the stability of tetragonal crystals at room temperature is lowered, which is not preferable. In the zirconia sintered body suitable for the present invention, the relative density of the sintered body can be 99.5% even at a processing temperature or lower at which crystal grains grow.

なお、焼成工程は上記のような2段階焼成以外でも、1段階焼成、又は3段階以上の多段階焼成などが適用できるが、いずでの焼成であっても、最終的に得られる焼結体の相対密度が99%以上になるように行うのが好ましい。例えば1段階焼成であれば、ホットプレスによって焼成すると、条件を調節することにより緻密な製品を得ることが可能である。   In addition to the two-step firing as described above, a one-step firing or a multi-step firing with three or more steps can be applied as the firing step. The relative density of the body is preferably 99% or more. For example, in the case of one-stage baking, when the baking is performed by hot pressing, a dense product can be obtained by adjusting the conditions.

<表面加工工程S40>
得られた焼結体は、所望の表面性状を得るために、機械的な表面加工を施される。表面加工としては、研削加工、研磨加工及びブラスト加工等の一般的な機械的表面加工を使用することができる。
研削加工としては、例えば、ダイヤモンドやSiC砥石を用いた加工を挙げることができる。研磨加工には、ダイヤモンドを含むペーストやスラリー、又はシリカやアルミナの懸濁液を使用し、バフ盤や銅製又は真鍮製のラップ盤を用いて鏡面に仕上げる方法がある。そして、ブラスト加工では、アルミナ微粒子等の硬質微粒子(メディア)を表面に吹き付けることにより、表面性状を増加させることができる。
<Surface processing step S40>
The obtained sintered body is subjected to mechanical surface processing in order to obtain a desired surface property. As the surface processing, general mechanical surface processing such as grinding, polishing and blasting can be used.
Examples of the grinding process include a process using a diamond or a SiC grindstone. For polishing, there is a method of using a paste or slurry containing diamond, or a suspension of silica or alumina, and finishing it to a mirror surface using a buffing machine or a copper or brass lapping machine. In blasting, the surface properties can be increased by spraying hard fine particles (media) such as alumina fine particles on the surface.

<熱処理工程S50>
表面加工を行った後の焼結体は、加工時に受けた応力によって、焼結体表面に単斜晶ジルコニアが増加する。特に、ブラスト加工や切削加工では、単斜晶ジルコニアの増加率が高くなる。そこで、増加した単斜晶ジルコニアを正方晶ジルコニアに相転移させて、表面の単斜晶ジルコニア分率を所定範囲内(たとえば1mol%以下)にするために、材料の熱処理を行う。この熱処理は、大気中において行うことができる。処理温度は材料の組成によって適正範囲が異なるが、表面の単斜晶ジルコニアの量が1mol%以下になることはもちろん、焼結体の内部で結晶粒の動き(サーマルグルービング)が起こらない温度の範囲で処理することが望ましい。サーマルグルービングが起こると、粒界が顕著に現れて正方晶の安定性を低下させるので、単斜晶に相転移しやすくなる、すなわち劣化しやすくなるので好ましくない。
<Heat treatment step S50>
In the sintered body after the surface processing, monoclinic zirconia increases on the surface of the sintered body due to the stress applied during the processing. In particular, the increase rate of monoclinic zirconia is high in blasting and cutting. Therefore, the material is subjected to heat treatment in order to cause the increased monoclinic zirconia to undergo phase transition to tetragonal zirconia so that the monoclinic zirconia fraction on the surface falls within a predetermined range (for example, 1 mol% or less). This heat treatment can be performed in the atmosphere. The processing temperature varies depending on the composition of the material, but the amount of monoclinic zirconia on the surface is 1 mol% or less, and of course the temperature at which no crystal grain movement (thermal grooving) occurs inside the sintered body. It is desirable to process with a range. When thermal grooving occurs, the grain boundary appears remarkably and the stability of the tetragonal crystal is lowered, so that the phase transition to the monoclinic crystal tends to occur, that is, it tends to deteriorate, which is not preferable.

このようにして得られたジルコニア焼結体は、所定の表面性状を有し、且つ優れた耐低温劣化性を有している。また、イットリアとジルコニアのみから形成できるので、生体安全性のセラミック材料として、人工関節等を構成する生体材料として好適に利用することができる。   The zirconia sintered body thus obtained has a predetermined surface property and excellent low temperature deterioration resistance. Moreover, since it can form only from a yttria and a zirconia, it can utilize suitably as a biomaterial which comprises an artificial joint etc. as a biosafety ceramic material.

<実施の形態2>
本発明のジルコニア焼結体の生体用部材は、図3のような全置換型人工肩関節70を構成する人工骨頭27に好適である。
図3の人工肩関節70は、肩甲骨の関節窩に固定される摺動部材(関節窩カップ15)と、上腕骨の近位端に固定される上腕骨ステム25とから構成されている。
上腕骨ステム25は、上腕骨の骨髄に挿入されるステム本体26と、ステム本体26の近位部の端部に固定されたほぼ半球状のジルコニア焼結体から成る人工骨頭27とから構成されている。
<Embodiment 2>
The biomedical member of the zirconia sintered body of the present invention is suitable for the artificial bone head 27 constituting the total replacement artificial shoulder joint 70 as shown in FIG.
The artificial shoulder joint 70 shown in FIG. 3 includes a sliding member (glenoid cup 15) fixed to the glenoid of the scapula and a humeral stem 25 fixed to the proximal end of the humerus.
The humeral stem 25 includes a stem body 26 inserted into the bone marrow of the humerus, and an artificial bone head 27 made of a substantially hemispherical zirconia sintered body fixed to the proximal end of the stem body 26. ing.

人工骨頭27の摺動面23aは、摩擦を低下させるために鏡面加工され、ステム本体26の端部26aを嵌め込む穴部222の内面23bは、ステム本体21の端部21aが正確に嵌り合うように切削加工して穴径を調節されている。そして、穴部222の外周面23cは、特に機械加工する必要はなく、焼結したままの状態で構わない。
本発明の生体用部材から成る人工骨頭27は、摺動面23a、内面23b及び外周面23cの全ての表面が低温劣化しにくく、体内で長期間にわたって初期の機械強度を維持して、安全に使用することができる。
The sliding surface 23a of the artificial bone head 27 is mirror-finished to reduce friction, and the inner surface 23b of the hole 222 into which the end portion 26a of the stem body 26 is fitted fits the end portion 21a of the stem body 21 accurately. The hole diameter is adjusted by cutting. And the outer peripheral surface 23c of the hole 222 does not need to be machined in particular, and may be in a sintered state.
The artificial bone head 27 made of the biomedical member of the present invention is safe to maintain the initial mechanical strength over a long period of time in the body because all the surfaces of the sliding surface 23a, the inner surface 23b and the outer peripheral surface 23c are not easily deteriorated at low temperatures. Can be used.

関節窩カップ15は、肩甲骨の関節窩に埋没される肩甲骨ステム19と、浅い皿状に凹んだ摺動面16とを備えている。この人工肩関節70は、関節窩カップ15の摺動面16に、上腕骨ステム25の骨頭27を当接して摺動運動させることにより、前後運動及び旋回運動が可能な肩関節として機能する。   The glenoid cup 15 includes a scapula stem 19 that is buried in the glenoid of the scapula and a sliding surface 16 that is recessed in a shallow dish shape. The artificial shoulder joint 70 functions as a shoulder joint capable of performing a back-and-forth movement and a turning movement by bringing the head 27 of the humeral stem 25 into contact with the sliding surface 16 of the glenoid cup 15 and sliding it.

<実施の形態3>
本発明のジルコニア焼結体の生体用部材は、図4のような人工膝関節72を構成する大腿骨コンポーネント52に好適である。
図4に示すのは、非ヒンジタイプの人工膝関節72であり、脛骨の近位部に固定される脛骨コンポーネント50と、大腿骨の遠位部に固定されるジルコニア焼結体から成る関節部材(大腿骨コンポーネント52)とから構成されており、これらは分離した状態でそれぞれの骨端部に固定される。
<Embodiment 3>
The biomedical member of the zirconia sintered body of the present invention is suitable for the femoral component 52 constituting the artificial knee joint 72 as shown in FIG.
FIG. 4 shows a non-hinge type knee prosthesis 72, a tibial component 50 fixed to the proximal portion of the tibia, and an articulation member made of a zirconia sintered body fixed to the distal portion of the femur. (Femoral component 52) and these are fixed to each bone end in a separated state.

大腿骨コンポーネント52は、その下面側に、前方向(膝頭方向、矢印A)から後ろ方向(膝裏方向、矢印P)に弧を描いて延びる2つの曲面状突出面53、53(内側顆と外側顆)を備えている。
大腿骨コンポーネント52の摺動面23a、23aは、摩擦を低下させるために鏡面加工され、大腿骨の遠位側の骨端部を嵌め込む凹部223の内面23bは、所定寸法に骨切りした骨端部が正確に嵌り合うように切削加工して寸法を調節されている。そして、凹部223の外周面23cは、特に機械加工する必要はなく、焼結したままの状態で構わない。
本発明の生体用部材から成る大腿骨コンポーネント52は、摺動面23a、内面23b及び外周面23cの全ての表面が低温劣化しにくく、体内で長期間にわたって初期の機械強度を維持して、安全に使用することができる。
The femoral component 52 has, on its lower surface side, two curved projecting surfaces 53 and 53 (inner condyles and 53A) extending in an arc from the anterior direction (the kneecap direction, arrow A) to the posterior direction (the back of the knee, arrow P). With lateral condyles).
The sliding surfaces 23a and 23a of the femoral component 52 are mirror-finished to reduce friction, and the inner surface 23b of the recess 223 into which the distal end of the femur is fitted is a bone cut into a predetermined size. The dimensions are adjusted by cutting so that the ends fit correctly. And the outer peripheral surface 23c of the recessed part 223 does not need to be machined in particular, and may be in a sintered state.
The femoral component 52 comprising the biomedical member of the present invention is safe because all surfaces of the sliding surface 23a, the inner surface 23b, and the outer peripheral surface 23c are not easily deteriorated at low temperatures, and the initial mechanical strength is maintained for a long period in the body. Can be used for

人工膝関節72の脛骨コンポーネント50は、関節面を構成する摺動部材(脛骨トレイ48)と、脛骨トレイ48を脛骨に固定する脛骨ステム51とから構成されている。脛骨トレイ48は、その上面に、前方向Aから後ろ方向Pに延びる曲面状の凹みが形成されており、この凹みが、大腿骨コンポーネント52の2つの突出面53、53と当接する摺動面16、16になっている。
実施の形態5の人工膝関節72は、大腿骨コンポーネント52の突出面53、53と、脛骨トレイ48の摺動面16、16とが摺動することにより、前後方向に屈伸可能になっている。
The tibial component 50 of the knee prosthesis 72 includes a sliding member (tibial tray 48) that constitutes the joint surface, and a tibial stem 51 that fixes the tibial tray 48 to the tibia. The tibial tray 48 has a curved recess formed on the upper surface thereof extending from the front direction A to the rear direction P. The slide surface is in contact with the two projecting surfaces 53, 53 of the femoral component 52. 16 and 16.
The artificial knee joint 72 of the fifth embodiment can bend and stretch in the front-rear direction by sliding the projecting surfaces 53 and 53 of the femoral component 52 and the sliding surfaces 16 and 16 of the tibial tray 48. .

<実施の形態4>
本発明のジルコニア焼結体の生体用部材は、図5のような人工肘関節74を構成する上腕骨コンポーネント62に好適である。
図5に示すのは、非ヒンジタイプの人工肘関節74であり、尺骨の近位部に固定される尺骨コンポーネント58と、上腕骨の遠位部に固定されるジルコニア焼結体から成る関節部材(上腕骨コンポーネント62)とから構成されており、これらは分離した状態でそれぞれの骨端部に固定される。
尺骨コンポーネント58は、関節面を構成する摺動部材(尺骨トレイ54)と、尺骨トレイ54を尺骨に固定する尺骨ステム60とから構成されている。
<Embodiment 4>
The biomedical member of the zirconia sintered body of the present invention is suitable for the humerus component 62 constituting the artificial elbow joint 74 as shown in FIG.
FIG. 5 shows a non-hinge type artificial elbow joint 74, which is composed of an ulnar component 58 fixed to the proximal portion of the ulna and a zirconia sintered body fixed to the distal portion of the humerus. (Humeral component 62), and these are fixed to each bone end in a separated state.
The ulna component 58 includes a sliding member (ulna tray 54) that constitutes the joint surface, and an ulna stem 60 that fixes the ulna tray 54 to the ulna.

人工肘関節74の上腕骨コンポーネント62は、内部に貫通孔224を備えた円筒体であり、円筒体の一部が軸方向に延びる切欠き部225によって断面C字型に開放されている。また、上腕骨コンポーネント62の外面が、軸方向の真ん中付近が僅かにくびれて滑車63を成している。
上腕骨コンポーネント62の摺動面23a、摩擦を低下させるために鏡面加工され、上腕骨の遠位側の骨端部を嵌め込む切欠き部225の内側225b及び円筒体の貫通孔224の内面23bは、所定寸法に骨切りした骨端部が正確に嵌り合うように切削加工して寸法を調節されている。そして、円筒体の端面23cは、特に機械加工する必要はなく、焼結したままの状態で構わない。
本発明の生体用部材から成る上腕骨コンポーネント62は、摺動面23a、切欠き部の内側225b、貫通孔の内面23b及び端面23cの全ての表面が低温劣化しにくく、体内で長期間にわたって初期の機械強度を維持して、安全に使用することができる。
The humeral component 62 of the artificial elbow joint 74 is a cylindrical body having a through hole 224 therein, and a part of the cylindrical body is opened in a C-shaped cross section by a notch 225 extending in the axial direction. Further, the outer surface of the humeral component 62 is slightly constricted in the vicinity of the center in the axial direction to form a pulley 63.
The sliding surface 23a of the humeral component 62 is mirror-finished to reduce friction, and the inner side 225b of the notch 225 for fitting the distal end of the humerus and the inner surface 23b of the through hole 224 of the cylindrical body. The size is adjusted by cutting so that the end of the bone cut into a predetermined size fits precisely. The end face 23c of the cylindrical body does not need to be machined in particular and may be in a sintered state.
The humeral component 62 made of the biomedical member of the present invention has a sliding surface 23a, an inner side 225b of the notch, an inner surface 23b of the through-hole, and an end surface 23c that are all resistant to low temperature deterioration, It can be used safely while maintaining its mechanical strength.

尺骨トレイ54は、環状部材の一部を半径方向に切り取ったような形状をしていて、内面が摺動面16になっている。尺骨トレイ54の摺動面16は、幅方向の両側の縁部から中央方向に向かって盛り上がって、円周方向に延びる突条部分55を形成している。
上腕骨コンポーネント62の滑車63と、尺骨トレイ54の突条部分55とが嵌め合うことにより、前後に屈伸可能な人工肘関節が形成される。
The ulna tray 54 has a shape obtained by cutting off a part of the annular member in the radial direction, and the inner surface is the sliding surface 16. The sliding surface 16 of the ulna tray 54 swells from the edges on both sides in the width direction toward the central direction, and forms a ridge portion 55 extending in the circumferential direction.
By fitting the pulley 63 of the humerus component 62 and the protruding portion 55 of the ulna tray 54, an artificial elbow joint that can bend and stretch forward and backward is formed.

実施の形態2〜4の人工骨頭27、大腿骨コンポーネント52及び上腕骨コンポーネント62は、本発明の生体用部材を使用しているので、いずれの表面も低温劣化しにくく、体内で長期間にわたって安全かつ初期の機械強度を維持することができる。   Since the artificial bone head 27, the femoral component 52, and the humerus component 62 of the second to fourth embodiments use the biomedical member of the present invention, any surfaces are not easily deteriorated at low temperatures, and are safe for a long period in the body. In addition, the initial mechanical strength can be maintained.

ジルコニア焼結体の表面に存在する単斜晶ジルコニア分率と、低温劣化との関係を調べるために、さまざまな処理条件により準備した試料を用いて試験を行った。   In order to investigate the relationship between the monoclinic zirconia fraction present on the surface of the zirconia sintered body and the low temperature degradation, tests were conducted using samples prepared under various processing conditions.

<試料の調製>
BED比表面積が7m/gの一次粒子にバインダを添加してスプレードライを行った3Y−TZPの原料粉末をCIP法により294MPaで成形して、直径20mmの円柱状成型体を得た。この成型体を厚さ5mmの円板状に切り出して、焼結用の成形体とした。円板状の成形体を1325℃〜1485℃で2時間の大気焼成を行い、その後に1350℃で1時間のHIP処理を行った。焼成後の円板状焼成体に、3種類の表面処理(切削加工、鏡面加工及びブラスト加工)を施した。表面処理を終えた焼結体を600℃〜1300℃の温度範囲で熱処理を行って、又は熱処理せずに、測定試料とした。
なお、3種類の表面処理の方法は、以下の通りである。切削加工は、#400の研削砥石を用いて、深さ約200μm程度まで研削した。鏡面加工は、粒径1μmのダイヤモンドペーストによりラップ研磨した。そして、ブラスト加工は、アルミナ微粒子のメディア(SA#180)を用い、3kgf/cmの圧力で焼結体に吹き付けて行った。
<Preparation of sample>
A 3Y-TZP raw material powder obtained by adding a binder to primary particles having a BED specific surface area of 7 m 2 / g and spray drying was molded at 294 MPa by the CIP method to obtain a cylindrical molded body having a diameter of 20 mm. This molded body was cut into a disk shape having a thickness of 5 mm to obtain a sintered molded body. The disk-shaped molded body was fired in the atmosphere at 1325 ° C. to 1485 ° C. for 2 hours, and then subjected to HIP treatment at 1350 ° C. for 1 hour. Three types of surface treatments (cutting, mirror finishing and blasting) were applied to the fired disc-shaped fired body. The sintered body that had been subjected to the surface treatment was subjected to a heat treatment in the temperature range of 600 ° C. to 1300 ° C. or was used as a measurement sample without heat treatment.
The three types of surface treatment methods are as follows. The cutting was performed using a # 400 grinding wheel to a depth of about 200 μm. The mirror finish was lapped with a diamond paste having a particle size of 1 μm. The blasting was performed by using alumina fine particle media (SA # 180) and spraying the sintered body at a pressure of 3 kgf / cm 2 .

<加速試験>
低温劣化に対する耐性を調べるために、加速試験を行った。試料を121℃の水熱条件に150時間暴露して、試料表面の単斜晶ジルコニア分率の変化を調べた。単斜晶ジルコニア分率の測定は、X線回折法によって測定し、式1に示すGarvieとNicolsonの式(J. Am. Ceram. Soc., 55[6], 303-305(1972)) を用いて算出した。
[式1]
X(mol%)=(Im(111)+Im(11-1)/(Im(111)+Im(11-1)+It+c(111))
ここで、
Xは、単斜晶ジルコニア分率、
Im(111)は、単斜晶(111)面のX線回折ピーク強度、
Im(11-1)は、単斜晶(11−1)面のX線回折ピーク強度、
It+c(111)は、正方晶(111)及び立方晶の(111)面のX線回折ピーク強度の総和
である。
<Acceleration test>
An accelerated test was conducted to examine resistance to low temperature degradation. The sample was exposed to hydrothermal conditions at 121 ° C. for 150 hours, and the change in the monoclinic zirconia fraction on the sample surface was examined. The monoclinic zirconia fraction was measured by X-ray diffraction, and the Garvie and Nicolson formula (J. Am. Ceram. Soc., 55 [6], 303-305 (1972)) shown in Formula 1 was used. Used to calculate.
[Formula 1]
X (mol%) = (I m (111) + I m (11-1) / (I m (111) + I m (11-1) + I t + c (111))
here,
X is the monoclinic zirconia fraction,
I m (111) is the X-ray diffraction peak intensity of the monoclinic (111) plane,
I m (11-1) is the X-ray diffraction peak intensity of the monoclinic (11-1) plane,
I t + c (111) is the sum of the X-ray diffraction peak intensities of tetragonal (111) and cubic (111) planes.

<実験結果>
実験の条件及びその結果を、表1及び表2に示す。表中の「単斜晶分率」の項目は、加速実験前後の表面に存在する単斜晶ジルコニア分率を示している。
また「評価」の項目は、実験結果を以下の基準に基づいて4段階で評価している。本実施例では、耐低温劣化性の指標として、加速試験後の単斜晶ジルコニア分率10mol%を基準とした。
◎印は、本発明の範囲内にあり、優良な試料であることを意味している。(単斜晶ジルコニア分率:加速実験前が0.5mol%以下、加速実験後が10mol%以下)。
○印は、本発明の範囲内にあり、良好な試料である(単斜晶ジルコニア分率:加速実験前が1mol%以下、加速実験後が10mol%以下)。
△印は、本発明の範囲外であるが、耐低温劣化性については良好な試料である(単斜晶ジルコニア分率:加速実験前が1mol%を越え、加速実験後が10mol%以下)。
×印は、耐低温劣化性の低い試料である(単斜晶ジルコニア分率:加速実験後が10mol%を越えている)。
<Experimental result>
The experimental conditions and the results are shown in Tables 1 and 2. The item “monoclinic fraction” in the table indicates the monoclinic zirconia fraction present on the surface before and after the acceleration experiment.
The item “Evaluation” evaluates the experimental results in four stages based on the following criteria. In this example, the index of monoclinic zirconia after the acceleration test was 10 mol% as an index of low temperature deterioration resistance.
The symbol ◎ means that the sample is within the scope of the present invention and is an excellent sample. (Monoclinic zirconia fraction: 0.5 mol% or less before the acceleration experiment and 10 mol% or less after the acceleration experiment).
The mark “◯” is within the scope of the present invention and is a good sample (monoclinic zirconia fraction: 1 mol% or less before the acceleration experiment and 10 mol% or less after the acceleration experiment).
The Δ mark is outside the scope of the present invention, but is a good sample with respect to low temperature deterioration resistance (monoclinic zirconia fraction: more than 1 mol% before the acceleration experiment and 10 mol% or less after the acceleration experiment).
A cross indicates a sample having low low temperature degradation resistance (monoclinic zirconia fraction: after the acceleration experiment exceeds 10 mol%).

(熱処理温度と耐低温劣化性との関係)
表1は、熱処理温度と耐低温劣化性との関係について調べるために、焼成温度を一定(1370℃)にして焼成した試料について、表面加工と熱処理温度とを変えて実験した結果をまとめた。
(Relationship between heat treatment temperature and low temperature resistance)
Table 1 summarizes the results of experiments conducted by changing the surface treatment and the heat treatment temperature for samples fired at a constant firing temperature (1370 ° C.) in order to investigate the relationship between the heat treatment temperature and the low temperature degradation resistance.

Figure 0005097354
Figure 0005097354

表1の加速実験前後の単斜晶ジルコニア分率を熱処理温度に対してプロットしたグラフを、図6及び図7に示す。
図6より、加速実験前の単斜晶ジルコニア分率が1mol%以下となるのは、切削加工した試料(試料No.1〜9)では、熱処理温度が約810℃以上の場合であり、ブラスト加工した試料(試料No.19〜27)では、熱処理温度が約900℃以上の場合であった。これらのことから、本実施の形態に使用した試料では、900℃以上で焼成することにより、切削加工及びブラスト加工の応力で増加した試料表面の単斜晶ジルコニアを、1mol%以下に低下させることができた。なお、鏡面加工した試料(試料No.10〜18)では、熱処理の有無にかかわらず、単斜晶ジルコニア分率が1mol%よりも低かった。これは、加工処理時にかかる応力が小さく、単斜晶ジルコニア分率が上昇しなかったことを示唆している。
The graph which plotted the monoclinic zirconia fraction before and behind the acceleration experiment of Table 1 with respect to the heat processing temperature is shown in FIG.6 and FIG.7.
From FIG. 6, the monoclinic zirconia fraction before the acceleration experiment is 1 mol% or less when the heat treatment temperature is about 810 ° C. or higher in the cut sample (sample No. 1 to 9). In the processed sample (sample Nos. 19 to 27), the heat treatment temperature was about 900 ° C. or higher. Therefore, in the sample used in the present embodiment, the monoclinic zirconia on the sample surface increased by the stress of cutting and blasting is reduced to 1 mol% or less by firing at 900 ° C. or higher. I was able to. In the mirror-finished samples (Sample Nos. 10 to 18), the monoclinic zirconia fraction was lower than 1 mol% regardless of the presence or absence of heat treatment. This suggests that the stress applied during processing is small and the monoclinic zirconia fraction did not increase.

図7より、加速試験後の切削加工及びブラスト加工の試料では、処理温度の上昇と共に単斜晶ジルコニア分率が低くなる傾向を示した。切削加工した試料では、約420℃以上の熱処理により、ブラスト加工した試料では、約550℃以上の熱処理により、試験後の単斜晶ジルコニア分率を、基準値である10mol%以下に抑えることができた。
鏡面研磨の試料では、熱処理をしない(未処理)試料No.10が耐低温劣化性に優れているにもかかわらず、熱処理温度800℃の試料No.13では、本発明の許容範囲を超えて低温劣化した。熱処理温度900℃の試料No.14では、優れた耐低温劣化性を示した。さらに、処理温度が1210℃を越えると、耐低温劣化性が急激に悪化する傾向を示した。鏡面研磨の試料が、熱処理温度に対してこのような耐低温劣化性の挙動を示す理由は明らかではない。
FIG. 7 shows that the monoclinic zirconia fraction tends to decrease with increasing processing temperature in the cutting and blasting samples after the acceleration test. In the cut sample, the monoclinic zirconia fraction after the test can be suppressed to a reference value of 10 mol% or less by heat treatment at about 420 ° C. or higher, and in the blasted sample by heat treatment at about 550 ° C. or higher. did it.
In the sample of mirror polishing, although sample No. 10 that is not heat-treated (untreated) is excellent in low temperature deterioration resistance, sample No. 13 having a heat treatment temperature of 800 ° C. exceeds the allowable range of the present invention. Deteriorated at low temperature. Sample No. 14 having a heat treatment temperature of 900 ° C. exhibited excellent low temperature deterioration resistance. Further, when the treatment temperature exceeded 1210 ° C., the low temperature deterioration resistance tended to deteriorate rapidly. The reason why the mirror-polished sample exhibits such low temperature deterioration resistance behavior with respect to the heat treatment temperature is not clear.

実験結果から、鏡面研磨による表面の滑らかな表面から、ブラスト加工による粗い表面まで、異なる表面性状を複合して有する生体用部材では、すべての表面が1mol%以下になる処理温度(本実施例では900℃)を選択して熱処理を行うことにより、すべての表面が優れた耐低温劣化性(加速試験後の単斜晶ジルコニア分率が2mol%)を示すことがわかった。また、処理温度が高すぎた場合には、鏡面研磨の表面が急激に低温劣化しやすくなる。よって、適切な処理温度範囲(本実施例では900〜1200℃)で処理することにより、いずれの表面性状のおいても高い耐低温劣化性を示すことがわかった。   From the experimental results, in a biological member having a combination of different surface properties, from a smooth surface by mirror polishing to a rough surface by blasting, the treatment temperature at which all surfaces are 1 mol% or less (in this example, It was found that all surfaces exhibited excellent low-temperature deterioration resistance (monoclinic zirconia fraction after the acceleration test was 2 mol%) by performing heat treatment by selecting (900 ° C.). Further, when the processing temperature is too high, the surface of mirror polishing tends to rapidly deteriorate at a low temperature. Therefore, it was found that by treating in an appropriate treatment temperature range (900 to 1200 ° C. in this example), high surface-temperature deterioration resistance is exhibited in any surface properties.

また、切削加工やブラスト加工のように、表面に単斜晶ジルコニアを増加させるような応力のかかる表面加工処理を行った試料では、加工後の熱処理を行わなければ低温劣化が著しく進行するが、逆に、適切な処理温度で熱処理を行えば、耐低温劣化性が大幅に改善されて未加工の材料よりも良好な耐低温劣化性を示す可能性があることがわかった。   In addition, in samples that have been subjected to stressed surface treatment that increases monoclinic zirconia on the surface, such as cutting and blasting, low-temperature degradation significantly proceeds unless heat treatment is performed after processing, Conversely, it has been found that if heat treatment is carried out at an appropriate treatment temperature, the low temperature degradation resistance is greatly improved and may exhibit better low temperature degradation resistance than an unprocessed material.

(焼成温度と耐低温劣化性との関係)
表2は、大気焼成における焼成温度と耐低温劣化性との関係について調べるために、熱処理温度を一定にして調製した試料について、表面加工と熱処理温度とを変えて実験した結果をまとめた。
(Relationship between firing temperature and low temperature resistance)
Table 2 summarizes the results of experiments conducted by changing the surface treatment and the heat treatment temperature for samples prepared at a constant heat treatment temperature in order to investigate the relationship between the firing temperature and the low-temperature degradation resistance in air firing.

Figure 0005097354
Figure 0005097354

表2から明らかなように、加速試験前の単斜晶ジルコニア分率は、0.1〜0.2mol%と低い値を示している。これは、適切な処理温度により熱処理したためであると考えられる。
表2の加速実験後の単斜晶ジルコニア分率を焼成温度に対してプロットしたグラフを、図8に示す。図8には、鏡面加工の試料についてのグラフが2本と、切削加工の試料についてのグラフが1本とが描かれている。
As is clear from Table 2, the monoclinic zirconia fraction before the acceleration test shows a low value of 0.1 to 0.2 mol%. This is considered to be due to heat treatment at an appropriate treatment temperature.
FIG. 8 shows a graph in which the monoclinic zirconia fraction after the acceleration experiment in Table 2 is plotted against the firing temperature. In FIG. 8, two graphs for the mirror-finished sample and one graph for the cutting sample are depicted.

鏡面加工した試料のグラフは、一方は熱処理のときの処理温度が800℃の試料であり、表1、図6及び4の結果からみつと、処理温度が低すぎると考えられる。この処理温度は、焼成温度1365℃以下で焼結した焼結体に対しては良好な耐低温劣化性を付与することがわかった。
また、他方のグラフは、鏡面加工で熱処理の処理温度1100℃の試料であり、適正な処理温度であると考えられる。この処理温度では、焼成温度1383℃以下で焼結した焼結体に対して良好な耐低温劣化性を示しており、上記の処理温度800℃の場合に比べて適正な焼成温度の幅が広がっている。
これらのことから、耐低温劣化性は、焼結時の温度と熱処理の温度との両方から影響を受けることがわかる。
One of the graphs of the mirror-finished sample is a sample having a processing temperature of 800 ° C. at the time of heat treatment, and it is considered that the processing temperature is too low according to the results of Table 1, FIGS. This treatment temperature was found to impart good low temperature deterioration resistance to a sintered body sintered at a firing temperature of 1365 ° C. or lower.
The other graph is a sample having a heat treatment temperature of 1100 ° C. in mirror finishing, and is considered to be an appropriate treatment temperature. At this treatment temperature, the sintered body sintered at a firing temperature of 1383 ° C. or lower shows good low-temperature deterioration resistance, and the range of the appropriate firing temperature is broader than that at the above-mentioned treatment temperature of 800 ° C. ing.
From these facts, it can be seen that the low temperature deterioration resistance is influenced by both the sintering temperature and the heat treatment temperature.

切削加工した試料は、適正な処理温度である1100℃で熱処理したものであり、1426℃以下の焼成温度であれば、良好な耐低温劣化性のジルコニア焼結体が得られることがわかる。この結果は、同じ処理温度の鏡面加工の試料に比べて、適正な焼成温度の幅が広いといえる。つまり、表1、図7及び図8の結果から推測されたように、切削加工等によって応力を与えた後に適切な熱処理を行うと、耐低温劣化性が大幅に改善されて未加工の材料よりも良好な耐低温劣化性を示す可能性を裏付けている。   The cut sample was heat-treated at 1100 ° C., which is an appropriate processing temperature, and it can be seen that if the firing temperature is 1426 ° C. or less, a good low-temperature deterioration resistant zirconia sintered body can be obtained. As a result, it can be said that the range of the appropriate firing temperature is wider than that of the mirror-finished sample having the same processing temperature. That is, as inferred from the results of Table 1, FIG. 7 and FIG. 8, when appropriate heat treatment is performed after applying stress by cutting or the like, the low temperature deterioration resistance is greatly improved and the unprocessed material is improved. Supports the possibility of exhibiting good low temperature degradation resistance.

本実施例から、どのような表面加工を行った場合でも、適切な温度で熱処理を行うことによって耐低温劣化性を改善することができること、そして表面加工の種類によって適切な温度の範囲は異なっているが、重複する温度範囲が存在していることがわかった。また、熱処理に適した温度範囲は、熱処理後の単斜晶ジルコニア分率が1mol%以下になる温度におよそ一致していた。
さらに、耐低温劣化性は、熱処理温度のみでなく、焼結時の焼結温度にも影響を受けるので、焼結温度の調節によって耐低温劣化性をより高めることも可能である。
From this example, it is possible to improve the low temperature deterioration resistance by performing heat treatment at an appropriate temperature in any surface processing, and the appropriate temperature range varies depending on the type of surface processing. However, it was found that there were overlapping temperature ranges. Further, the temperature range suitable for the heat treatment approximately coincided with the temperature at which the monoclinic zirconia fraction after the heat treatment becomes 1 mol% or less.
Furthermore, since the low temperature deterioration resistance is influenced not only by the heat treatment temperature but also by the sintering temperature during sintering, the low temperature deterioration resistance can be further improved by adjusting the sintering temperature.

焼結体を表面加工した後の熱処理の効果を調べた。実施例1の試料No.31と同様に、焼成、表面加工、及び熱処理を行った試料を2つ準備した。この2つの試料の表面に、マイクロビッカース装置にて、49N−15秒保持により圧痕を形成して、表面に単斜晶ジルコニアを意図的に生成させた。一方の試料は、圧痕形成後に1100℃で2時間の熱処理を行って、生成した単斜晶ジルコニアを正方晶ジルコニアに相転移させた。他方の試料は、比較例として、熱処理を行わなかった。
図9は、2つの試料の圧痕3を共晶点レーザ顕微鏡で観察した像である。図9(A)は、圧痕形成後に熱処理した試料の、図9(B)は、圧痕形成したままの比較例の試料の顕微鏡像の模式図である。いずれの試料も、圧痕3が明瞭に残っており、また圧痕9の中心9から圧痕3の4つの頂部7に亀裂11が生じているのが確認できる。
The effect of heat treatment after surface processing of the sintered body was investigated. Sample No. 1 of Example 1 Similar to 31, two samples that were fired, surface-treated, and heat-treated were prepared. Indentations were formed on the surfaces of these two samples by holding them for 49 N-15 seconds with a micro Vickers apparatus, and monoclinic zirconia was intentionally generated on the surfaces. One sample was heat-treated at 1100 ° C. for 2 hours after forming the indentation, and the produced monoclinic zirconia was phase-transformed to tetragonal zirconia. The other sample was not heat-treated as a comparative example.
FIG. 9 is an image obtained by observing the indentation 3 of two samples with a eutectic point laser microscope. FIG. 9A is a schematic diagram of a microscopic image of a sample heat-treated after formation of an indentation, and FIG. 9B is a microscopic image of a sample of a comparative example with the formation of the indentation. In any sample, the indentation 3 remains clearly, and it can be confirmed that cracks 11 are generated from the center 9 of the indentation 9 to the four apexes 7 of the indentation 3.

2つの試料を用いて加速実験を行い、試料表面に存在する単斜晶ジルコニアの分布をラマン分光分析法により測定し、劣化の進行の様子を調べた。加速実験は、試料を121℃の水熱条件に150時間暴露して行った。暴露時間が、0時間、50時間、100時間、及び150時間の時点で、試料表面の単斜晶ジルコニアの分布状態を測定した。
ラマン分光分析を用いた単斜晶ジルコニア分率の決定は、ジルコニアのラマンピークのうち、460cm−1ピークから求めた。460cm−1ピークは、正方晶から単斜晶に相転移すると10cm−1ほど高波数側にシフトする。材料表面に正方晶と単斜晶とが混在する場合、460cm−1付近のピークは、それぞれのピークが重なった結果(混合ピークと呼ぶ)となる。混合ピークは、単斜晶ジルコニア分率が増加すると高波数側にシフトし、逆に単斜晶ジルコニア分率が減少すると低波数側にシフトする。このことを利用して、混合ピークの位置から、単斜晶ジルコニア分率とその分布を調査した。
ラマン分光分析には、マイクロラマン分光装置を用い、直径約1μmのレーザビームを1μm刻みで移動させて、測定領域全体を測定した。これにより、ジルコニア表面に存在する単斜晶ジルコニア分率を、平面的な分布として捉えることができた。
An acceleration experiment was performed using two samples, and the distribution of monoclinic zirconia present on the sample surface was measured by Raman spectroscopy to investigate the progress of deterioration. The acceleration experiment was performed by exposing the sample to a hydrothermal condition of 121 ° C. for 150 hours. When the exposure time was 0 hours, 50 hours, 100 hours, and 150 hours, the distribution state of monoclinic zirconia on the sample surface was measured.
Determination of the monoclinic zirconia fraction using Raman spectroscopy was determined from the 460 cm −1 peak among the zirconia Raman peaks. The 460 cm −1 peak shifts to the higher wavenumber side by about 10 cm −1 when the phase transition from tetragonal to monoclinic. When tetragonal crystals and monoclinic crystals are mixed on the material surface, the peak near 460 cm −1 is the result of overlapping each peak (referred to as a mixed peak). The mixed peak shifts to the high wave number side when the monoclinic zirconia fraction increases, and conversely shifts to the low wave number side when the monoclinic zirconia fraction decreases. Using this fact, the monoclinic zirconia fraction and its distribution were investigated from the position of the mixed peak.
In the Raman spectroscopic analysis, a micro-Raman spectroscope was used, and a laser beam having a diameter of about 1 μm was moved in 1 μm increments to measure the entire measurement region. As a result, the monoclinic zirconia fraction existing on the zirconia surface could be understood as a planar distribution.

図10及び図11は、圧痕を形成した2つの試料のラマンスペクトルの結果を、460cm−1ピークのシフト量の分布として模式的に画像化したものである。これらの図では、シフト量をだいたい4段階に分類している。ほぼ全てが正方晶ジルコニアであり、460cm−1にピークがある(すなわち、460cm−1からのシフト量が0cm−1)場合を0シフト、ほぼ全てが単斜晶ジルコニアであり、470cm−1にピークがある(すなわち、460cm−1からのシフト量が10cm−1)を大シフト、0シフトと大シフトとの間に、小シフトと中シフトとを設けた。そして、4段階に分類した領域を、シフト量が少ない方から、0シフト領域a、小シフト領域b、中シフト領域c、及び大シフト領域dとした。すなわち、領域aから領域dにいくに従って、単斜晶ジルコニアが多くなり、劣化が進んでいるといえる。
なお、図10及び図11のラマンスペクトルは、図12に示す測定領域5内を測定しており、この測定領域は、圧痕3の一部を含んでいる。
FIGS. 10 and 11 are schematic images of the results of Raman spectra of two samples having indentations formed as a shift amount distribution of 460 cm −1 peak. In these figures, the shift amount is roughly classified into four stages. Almost all are tetragonal zirconia, and there is a peak at 460 cm −1 (that is, the shift amount from 460 cm −1 is 0 cm −1 ), and almost all is monoclinic zirconia, which is 470 cm −1 . a peak (i.e., the shift amount is 10 cm -1 from 460 cm -1) large shift, between 0 shift and the large shift, provided the middle shift and small shifts. Then, the areas classified into the four stages are designated as 0 shift area a, small shift area b, medium shift area c, and large shift area d in order of increasing shift amount. That is, it can be said that the monoclinic zirconia increases from the region a to the region d, and the deterioration progresses.
10 and 11 are measured in the measurement region 5 shown in FIG. 12, and this measurement region includes a part of the indentation 3.

図10は、圧痕を形成した後に熱処理した試料について、加速試験(0時間、50時間、100時間及び150時間)を行ったときのピークシフト分布を示している。図10を参照すると、加速実験開始時(図10(A))は、圧痕の有無にかかわらず領域aのみであり、単斜晶ジルコニアが検出されていないことを示す。また、加速試験(図10(B)〜(D))を行っても、領域aに、わずかに領域bが分布する程度であり、単斜晶ジルコニアがわずかに生成していることがわかる。また、領域bの分布範囲は、圧痕3とは無関係な位置に現れている。   FIG. 10 shows a peak shift distribution when an accelerated test (0 hour, 50 hours, 100 hours, and 150 hours) is performed on a sample heat-treated after forming an indentation. Referring to FIG. 10, at the start of the acceleration experiment (FIG. 10A), it is only the region a regardless of the presence or absence of the indentation, indicating that no monoclinic zirconia is detected. Further, even when the acceleration test (FIGS. 10B to 10D) is performed, it can be seen that the region b is slightly distributed in the region a, and monoclinic zirconia is slightly generated. Further, the distribution range of the region b appears at a position unrelated to the indentation 3.

図11は、圧痕を形成した後に熱処理を行わなかった試料について、同様に加速試験を行ったときのピークシフト分布を示している。加速実験開始時(図10(A))は、圧痕3の形状に沿って領域dが分布しており、ダイヤモンド圧子の押し込みによって受けた応力により、正方晶ジルコニアから単斜晶ジルコニアに相転移したことがわかる。しかしながら、亀裂11が生じている部分には、単結晶ジルコニアが生じていな。そして、加速試験(図10(B)〜(D))により、領域b、領域c、及び領域dが、圧痕3から広がるように拡大し、特に、圧痕3の中心9から頂部7に伸びる亀裂11に沿って、領域c及び領域dが著しく拡大していることがわかる。このことから、劣化は、圧痕3を基点として進行すること、また、亀裂11のような欠陥部分を基点としても進行することが明らかになった。   FIG. 11 shows a peak shift distribution when an acceleration test is similarly performed on a sample that has not been heat-treated after forming an indentation. At the start of the acceleration experiment (FIG. 10A), the region d was distributed along the shape of the indentation 3, and the phase transition from tetragonal zirconia to monoclinic zirconia was caused by the stress received by the indentation of the diamond indenter. I understand that. However, single crystal zirconia is not generated in the portion where the crack 11 is generated. Then, by the acceleration test (FIGS. 10B to 10D), the region b, the region c, and the region d expand so as to spread from the indentation 3, and in particular, cracks extending from the center 9 to the top 7 of the indentation 3. It can be seen that the area c and the area d are remarkably enlarged along the line 11. From this, it became clear that the deterioration proceeds from the indentation 3 as a base point, and also proceeds from a defect portion such as the crack 11 as a base point.

図10及び図11の結果から、ジルコニア焼結体は、表面に局所的な応力がかかって単斜晶ジルコニアに相転移すると、そこを起点にして低温劣化が進みやすいが、熱処理によって単斜晶ジルコニアを正方晶ジルコニアに再転移させることにより、低温劣化を防止する効果がある。また、亀裂のような欠陥部分は、単斜晶ジルコニアが形成されていなくても低温劣化の基点となるが、熱処理することによって、亀裂を基点とした低温劣化も抑制することができる。
このように、ジルコニア焼結体は、表面に応力がかかると、単斜晶ジルコニアに転移することにより、又は亀裂等の欠陥を生ることにより、耐低温劣化性が著しく低下する。しかしながら、その後にジルコニア焼結体を熱処理することにより、耐低温劣化性を確実に且つ効率よく改善することができる。
From the results of FIGS. 10 and 11, the zirconia sintered body is subject to local stress on the surface and phase transition to monoclinic zirconia, and low temperature deterioration tends to proceed from that point. By re-transforming zirconia to tetragonal zirconia, there is an effect of preventing low temperature deterioration. In addition, a defect portion such as a crack becomes a base point of low-temperature deterioration even when monoclinic zirconia is not formed, but low-temperature deterioration based on the crack can also be suppressed by heat treatment.
As described above, when stress is applied to the surface of the zirconia sintered body, the low temperature deterioration resistance is remarkably reduced by transferring to monoclinic zirconia or by generating defects such as cracks. However, by subsequently heat-treating the zirconia sintered body, the low temperature deterioration resistance can be improved reliably and efficiently.

(A)は、実施の形態1にかかる人工股関節の概略図であり、(B)は、人工骨頭の概略断面図である。(A) is the schematic of the artificial hip joint concerning Embodiment 1, (B) is a schematic sectional drawing of an artificial bone head. 実施の形態1にかかる製造方法を示すブロック図である。FIG. 3 is a block diagram showing a manufacturing method according to the first exemplary embodiment. 実施の形態2にかかる人工肩関節の概略図である。It is the schematic of the artificial shoulder joint concerning Embodiment 2. FIG. 実施の形態3にかかる人工膝関節の概略図である。It is the schematic of the artificial knee joint concerning Embodiment 3. FIG. 実施の形態4にかかる人工肘関節の概略図である。It is the schematic of the artificial elbow joint concerning Embodiment 4. FIG. 実施例1の劣化実験の結果をプロットしたグラフである。2 is a graph plotting the results of a deterioration experiment of Example 1. FIG. 実施例1の劣化実験の結果をプロットしたグラフである。2 is a graph plotting the results of a deterioration experiment of Example 1. FIG. 実施例1の劣化実験の結果をプロットしたグラフである。2 is a graph plotting the results of a deterioration experiment of Example 1. FIG. 実施例2の劣化実験に使用する2つの試料の共晶点レーザ顕微鏡像である(A、B)。It is a eutectic point laser microscope image of two samples used for the deterioration experiment of Example 2 (A, B). 実施例2の劣化実験において、試料のラマンシフト分布を示す模式図である(A〜D)。In the deterioration experiment of Example 2, it is a schematic diagram which shows the Raman shift distribution of a sample (AD). 実施例2の劣化実験において、比較例の試料のラマンシフト分布を示す模式図である(A〜D)。In the deterioration experiment of Example 2, it is a schematic diagram which shows the Raman shift distribution of the sample of a comparative example (AD). 図6及び図7の劣化測定部分を示す圧痕の模式図である。FIG. 8 is a schematic diagram of an indentation showing the degradation measurement portion of FIGS. 6 and 7.

符号の説明Explanation of symbols

1 ジルコニア焼結体
3 圧痕
20 大腿骨ステム
22 人工骨頭
23a 摺動面
23b 内面
23c 外周面
25 上腕骨ステム
27 人工骨頭
52 大腿骨コンポーネント
62 上腕骨コンポーネント
70 人工肩関節
72 人工膝関節
74 人工肘関節
100 人工股関節
S20 成形工程
S30 焼成工程
S40 表面加工工程
S50 熱処理工程

DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Zirconia sintered compact 3 Indentation 20 Femoral stem 22 Artificial head 23a Sliding surface 23b Inner surface 23c Outer peripheral surface 25 Humeral stem 27 Artificial head 52 Femoral component 62 Humeral component 70 Artificial shoulder joint 72 Artificial knee joint 74 Artificial elbow joint 100 Artificial Hip Joint S20 Molding Process S30 Firing Process S40 Surface Processing Process S50 Heat Treatment Process

Claims (8)

生体材料のジルコニア焼結体から成り、生体内で使用される生体用部材であって、
前記生体用部材の内部は、主として正方晶ジルコニアから成り、
前記生体用部材の表面に、切削加工及び/又はブラスト加工の機械加工処理が施されており
加工した前記ジルコニア焼結体を900℃〜1200℃で熱処理して単斜晶ジルコニアを正方晶ジルコニアに相転移させる熱処理工程により、前記生体用部材の前記表面に含まれる単斜晶ジルコニア分率が1mol%以下にされていることを特徴とする生体用部材。
A biomaterial composed of a zirconia sintered body of a biomaterial, used in vivo,
The inside of the biomedical member is mainly composed of tetragonal zirconia,
The surface of the biomedical member is subjected to cutting and / or blast machining, and the processed zirconia sintered body is heat-treated at 900 ° C. to 1200 ° C. to convert monoclinic zirconia into tetragonal zirconia. A biological member, wherein a monoclinic zirconia fraction contained in the surface of the biological member is reduced to 1 mol% or less by a heat treatment step for phase transition.
前記生体用部材の表面が、研磨加工面及/又は未加工面をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の生体用部材。 Biological member according to claim 1, wherein the surface of the living body member, characterized in further comprising a polishing Men及 beauty / or raw surface. 前記表面に含まれる単斜晶ジルコニア分率が0.5mol%以下であることを特徴とする請求項1又は2に記載の生体用部材。 The biomedical member according to claim 1 or 2 , wherein a monoclinic zirconia fraction contained in the surface is 0.5 mol% or less. 理論密度を6.09g/cmとして算出した相対密度(実測したカサ密度/理論密度)が99%以上であることを特徴とする請求項1乃至のいずれか1項に記載の生体用部材。 The biological member according to any one of claims 1 to 3 , wherein a relative density (measured density / theoretical density) calculated with a theoretical density of 6.09 g / cm 3 is 99% or more. . 前記ジルコニア焼結体の平均粒径が0.3μm以下であることを特徴とする請求項1乃至のいずれか1項に記載の生体用部材。 The biological member according to any one of claims 1 to 4 , wherein the zirconia sintered body has an average particle diameter of 0.3 µm or less. 生体材料のジルコニア焼結体から成り、生体内で使用される生体用部材を製造する方法であって、該方法が、
ジルコニアとイットリアとを含む粉末原料を成形体に加工する成形工程と、
前記成形体を焼成して焼結体を得る焼成工程と、
前記焼結体の表面を切削加工及び/又はブラスト加工で加工処理する表面加工工程と、
加工した前記焼結体を900℃〜1200℃で熱処理して、単斜晶ジルコニアを正方晶ジルコニアに相転移させる熱処理工程と、を含むことを特徴とする生体用部材の製造方法。
A method for producing a biomedical member comprising a zirconia sintered body of a biomaterial and used in a living body, the method comprising:
A molding step of processing a powder raw material containing zirconia and yttria into a molded body;
A firing step of firing the molded body to obtain a sintered body;
A surface processing step of processing the surface of the sintered body by cutting and / or blasting ;
A heat treatment step of heat-treating the processed sintered body at 900 ° C. to 1200 ° C. to cause phase transition of monoclinic zirconia to tetragonal zirconia, and a method for producing a biomedical member.
前記焼成工程は、1325℃〜1400℃で大気焼成することを含む請求項に記載の生体用部材の製造方法。 The said baking process is a manufacturing method of the member for biological bodies of Claim 6 including carrying out air baking at 1325 degreeC-1400 degreeC. 請求項1乃至のいずれか1項に記載の生体用部材を含むことを特徴とする人工関節。 An artificial joint comprising the biological member according to any one of claims 1 to 5 .
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