JP5138295B2 - 人工膝関節および人工股関節 - Google Patents

Description

本発明は、多孔層を形成するメッシュシートを備えた人工膝関節および人工股関節に関する。

整形外科に用いられる人工関節は、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。これら要求を満たす金属材料として、ＳＵＳ３１６、Ｃｏ−Ｃｒ合金、チタン、チタン合金がある。

人工膝関節は、大腿骨遠位部に接する内面を有し、内面に骨セメント層として作用するポリメチルアクリレートを塗布し、内面を骨セメント層を介して大腿骨の大腿骨遠位部に接合することで大腿骨に固定される。

人工股関節は、大腿骨近位部の骨髄腔に装着されるステム部を有し、ステム部の外面に骨セメント層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。

人工膝関節は、内面を骨セメント層を介し大腿骨に固定しているので、長期間の使用で骨セメント層が劣化し、内面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。

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しているので、長期間の使用で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。

大腿骨に対する結合力を高めるために、大腿骨に対する支持面に多孔質金属パッドを接合し、多孔質金属パッドの多孔面に形成される細孔に大腿骨の新生骨を侵入させることで大腿骨に結合するようにした人工膝関節は知られている（例えば、特許文献１）。

上記人工膝関節は、人工膝関節本体をＣｏ−Ｃｒ−Ｍｏ合金により成形し、多孔質金属パッドをチタンまたはチタン合金により成形し、人工膝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。

上記人工膝関節は、人工膝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しているので、人工膝関節本体と多孔質金属パッドの接合面の接合強度を高くすることができず、また、多孔質金属パッドの多孔面における新生骨の育成が難しいため、大腿骨に安定して固定することができないという問題がある。

奔出願人は、上記人工膝関節の問題点を解決するために、人工膝関節本体をＣｏ−Ｃｒ−Ｍｏ合金により成形し、人工膝関節本体の内面にＳｉＣ粉末を介在してチタンまたはチタン合金のメッシュシート積層体を配置し、メッシュシート積層体をＳｉＣ粒子からでる炭素を用いて人工膝関節本体の内面に接合することで人工膝関節本体の内面に大腿骨遠位部に接する多孔質表面を形成する人工膝関節を開発した（例えば、特許文献２）。
特開平１０−４３２１６号公報 特開平２００６−２０７７５号公報

上記人工膝関節は、人工膝関節本体の内面にメッシュシート積層体による多孔面を形成したことで、多孔面における新生骨の育成により大腿骨へ安定して固定することができるが、人工膝関節本体とメッシュシート積層体はメッシュシートの側壁部分で接しているので、人工膝関節本体とメッシュシート積層体との接合面績を大きくすることに制限があり、異種金属である人工膝関節本体とメッシュシート積層体との接合面の接合強度を高くすることが必ずしも十分でない。

本発明は、上記した点をに考慮してなされたもので、メッシュシート積層体との接合面の接合強度を高くすることができるとともに、メッシュシート積層体の多孔層への新生骨の均一な育成を可能にする人工膝関節および人工股関節を提供することを目的とする。

本発明の人工膝関節は、Ｃｏ−Ｃｒ合金またはＣｏ−Ｃｒ−Ｍｏ合金により成形された人工膝関節本体と、複数枚のチタンまたはチタン合金のメッシュシートを積層して形成され人工膝関節本体の内面に接合されたメッシュシート積層体とを有し、メッシュシート積層体は、人工膝関節本体に対向する側に位置するメッシュシートを両面を除く側面に陽極酸化皮膜を形成したメッシュシートで構成し、人工膝関節本体とメッシュシート積層体との間にチタンまたはチタン合金の薄板を配置し、メッシュシート積層体を拡散接合手段により人工膝関節本体に結合することで構成される。

本発明の人工股関節は、Ｃｏ−Ｃｒ合金またはＣｏ−Ｃｒ−Ｍｏ合金により成形されたステム部を有する人工股関節本体と、複数枚のチタンまたはチタン合金のメッシュシートを積層して形成され人工膝関節本体のステム部の外面に接合されたメッシュシート積層体とを有し、メッシュシート積層体は、最内層に位置するメッシュシートを両面を除く側面に陽極酸化皮膜を形成したメッシュシートで構成し、ステム部とメッシュシート積層体との間にチタンまたはチタン合金の薄板を配置し、メッシュシート積層体を拡散接合手段によりステム部に結合することで構成される。

本発明によれば、Ｃｏ−Ｃｒ合金またはＣｏ−Ｃｒ−Ｍｏ合金製人工関節本体とチタンまたはチタン合金製メッシュシートの積層体をチタンまたはチタン合金製薄板を介在して拡散接合したことで、異種金属である人工膝関節本体と薄板との接合面の接合面積を大きくでき、人工膝関節本体とメッシュシート積層体と接合強度をより高くすることができるとともに、メッシュシート積層体の人工関節本体に対向するメッシュシートを両面を除く側面に陽極酸化皮膜を形成したメッシュシートとしたことで、骨の骨髄で生成される新生骨のメッシュシートの多孔層への誘導促進を図ることができ、メッシュシート積層体の多孔層への新生骨の均一な育成を可能にする。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。
図１は本発明による人工膝関節を示す斜視図である。図２は本発明による人工膝関節の人工膝関節本体メッシュシート積層体の拡散接合を示す模式図である。

本発明による人工膝関節１０は、Ｃｏ−Ｃｒ合金またはＣｏ−Ｃｒ−Ｍｏ合金で成形された膝関節本体１０ａと、膝関節本体１０ａの内面１１に結合されたチタンまたはチタン合金製メッシュシート積層体１２とをから構成される。人工膝関節本体１０ａは、全体形状が大腿骨の遠位部を囲む形状であり、凹状内面１１に図示しない大腿骨の遠位部が配置される。

メッシュシート積層体１２は、図２に示すように、４枚のチタンまたはチタン合金製メッシュシート１３，１３，１３，１３と、１枚の陽極酸化皮膜を含むチタンまたはチタン合金製メッシュシート１４を積層することで構成される。各メッシュシート１３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１３ａを有する。メッシュシート１４は、メッシュシート１３と同様に、縦方向および横方向に規則的に配列した略円形の細孔１４ａを有する。メッシュシート１３およびメッシュシート１４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。

メッシュシート積層体１２は、４枚の同じ細孔１３ａのメッシュシート１３と１枚のメッシュシート１４を細孔１３ａと細孔１４ａが一致するように積層するか、４枚の異なる細孔１３ａのメッシュシート１３とメッシュシート１４を細孔１３ａと細孔１４ａが重なるように積層することで形成される。メッシュシート積層体１２は、メッシュシート１３の枚数を変更することで厚さを調節することができる。

人工膝関節本体１０ａの内面１１とメッシュシート積層体１２との間には、チタンまたはチタン合金材料の薄板１６が配置されている。人工膝関節本体１０ａの内面１１に接するように薄板１６を配置したのは、異種金属である人工膝関節本体１０ａと薄板１６との接合面の接合面積を大きくするためである。

好ましくは、メッシュシート積層体１２は、人工膝関節本体１０ａの内面１１に形成した溝１５に配置される。この場合、人工膝関節本体１０ａの溝１５に薄板１６を配置し、この薄板１６の上に、メッシュシート積層体１２を陽極酸化皮膜を含むメッシュシート１４が薄板１６に接するようにする。メッシュシート積層体１２の厚さは、溝１５に配置したメッシュシート積層体１２の上面が人工膝関節本体１０ａの内面１１と同一面内に位置するよように選定される。

メッシュシート積層体１２のメッシュシート１４は、細孔１４ａを画成する側壁と側壁に形成された陽極酸化皮膜とを有する。メッシュシート１４の陽極酸化皮膜は、メッシュシート母材を高温熱処理することでメッシュシート母材の全面に酸化チタン皮膜を形成し、酸化チタン皮膜を形成したメッシュシート母材を０．０２ｍｏｌ／Ｌのグリセロリン酸カルシウムと０．１５ｍｏｌ／Ｌの酢酸カルシウムを含む水溶液中に配置し、ＤＣ４００Ｖの条件で電気化学的処理することでメッシュシート母材の酸化チタン皮膜の上にハイドロキシアパタイトを含む陽極酸化皮膜を形成し、研磨処理することによりメッシュシート母材の両面に形成された陽極酸化皮膜を除去し側壁に陽極酸化皮膜が残るようにすることで形成される。メッシュシート１４は、メッシュシート１３に接する面および薄板１６に接する面にチタンまたはチタン合金の素地が露出している。

メッシュシート１４は、メッシュシート母材に陽極酸化皮膜を形成するための電解電圧を上昇させることおよび研磨処理する前に７５０〜１１００℃で加熱処理することで、陽極酸化皮膜に生成されるハイドロキシアパタイトの結晶性が向上する。ハイドロキシアパタイトの結晶性の向上は、赤外分光装置およびレーザーラマン分光分析装置により計測することで確認された。

つぎに、本発明による人工膝関節の製造方法を説明する。
図２は本発明による人工膝関節の拡散接合を示すための模式図であり、拡散接合に用いられる加圧装置１７は一対の加圧治具１８，１９を有する。

人工膝関節１０の拡散接合の準備段階において、人工膝関節本体１０ａを加圧装置１７の一方の加圧治具１８の上に内面１１が上側に位置するように配置し、人工膝関節本体１０ａの内面１１に形成した溝１５に薄板１６を配置し、薄板１６の上にメッシュシート積層体１２を陽極酸化皮膜を含むメッシュシート１４が薄板１６に接するように配置し、メッシュシート積層体１２の上に加圧装置１７の他方の加圧治具１９を配置する。

つぎに、人工膝関節本体１０ａおよびメッシュシート積層体１２を組み込んだ加圧装置１７を図示しない搬送装置により拡散接合室内に搬送し、密閉した拡散接合室内の雰囲気を１０^−４Ｐａにに設定する。

人工膝関節本体１０ａとメッシュシート積層体１２の拡散接合は、拡散接合室内の雰囲気を１０^−４Ｐａにした条件下で、接合温度を６５０〜８００℃に、加圧装置１７の加圧力を１〜１０ＭＰａに、拡散接合時間を３０分とすることで行われる。

本発明による人工膝関節１０は、Ｃｏ−Ｃｒ合金またはＣｏ−Ｃｒ−Ｍｏ合金製人工膝関節本体１０ａとチタンまたはチタン合金製メッシュシート積層体１２の間にチタンまたはチタン合金製薄板１６が配置したことで、人工膝関節本体１０ａと薄板１６との異種金属接合の接合面積を従来の人工膝関節本体とメッシュシートの異種金属接合の接合面積より大きくできるととも、薄板１６とメッシュシート積層体１２の両面を除く側壁に陽極酸化皮膜を形成したメッシュシート１４およびメッシュシート１４とメッシュシート１３を同種金属で接合することで、人工膝関節本体１０ａとメッシュシート積層体１２の接合強度をより高くすることができる。

また、本発明による人工膝関節１０は、メッシュシート積層体１２の人工膝関節本体１０ａに対向する側を両面を除く側壁に陽極酸化皮膜を形成したメッシュシート１４としたことで、骨の骨髄で生成される新生骨のメッシュシート積層体１２のメッシュシート１３への誘導促進を図ことができ、メッシュシート積層体１２の多孔層への新生骨の均一な育成を可能にする。

図３は、本発明による人工股関節を示す斜視図である。本発明による人工股関節２０は、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｍｏ合金製股関節本体２０ａを有する。股関節本体２０ａは、大腿骨の近位部骨髄腔に固定されるステム部２１と、ステム部２１の近位端にオフセット連接されたネック部２２と、ネック部２２に結合された球状部２３を有する。股関節本体２０ａのネック部２２に近い部位にメッシュシート積層体２４が配置されている。

メッシュシート積層体２４は、図４に示すように、２枚のチタンまたはチタン合金製メッシュシート２５，２６と、１枚の陽極酸化皮膜を含むチタンまたはチタン合金製メッシュシート２７を積層することで構成される。人工股関節本体２０ａとメッシュシート積層体２４との間に薄板２８が配置される。メッシュシート積層体２４のメッシュシート２５，２６の積層枚数は必要に応じて可変する。

メッシュシート２７は、細孔を画成する側壁と側壁に形成された陽極酸化皮膜とを有する。メッシュシート２７の陽極酸化皮膜は、メッシュシート母材を高温熱処理することでメッシュシート母材の全面に酸化チタン皮膜を形成し、酸化チタン皮膜を形成したメッシュシート母材を０．０２ｍｏｌ／Ｌのグリセロリン酸カルシウムと０．１５ｍｏｌ／Ｌの酢酸カルシウムを含む水溶液中に配置し、ＤＣ４００Ｖで電気化学的処理することでメッシュシート母材の酸化チタン皮膜の上にハイドロキシアパタイトを含む陽極酸化皮膜を形成し、メッシュシート母材の両面に形成された陽極酸化皮膜を除去し、側壁に陽極酸化皮膜が残るように研磨処理することで形成される。

好ましくは、人工股関節本体２０ａのステム部２１のネック部２２に近い部位に環状溝２７が形成され、環状溝２７に薄板２８を配置し、薄板２８の上にメッシュシート積層体２４を陽極酸化皮膜を含むメッシュシート２７が薄板２８に接するように配置する。メッシュシート積層体２４の厚さは、環状溝２７に配置したメッシュシート積層体２４の上面が人工股関節本体２０ａのステム部２１のネック部２２の外面と同一面内に位置するように選定される。

つぎに、本発明による人工股関節の製造方法を説明する。
本発明による人工股関節の拡散接合方法は、図２に示す人工膝関節の拡散接合方法と同様であるから必要部分のみを説明する。

人工股関節本体２０ａを加圧装置１７の一方の加圧治具１８の上に配置し、人工股関節本体２０ａの環状溝２７に薄板２８を配置し、薄板２８の上にメッシュシート積層体２４を陽極酸化皮膜を含むメッシュシート２７が薄板２８に接するように配置し、メッシュシート積層体２４の上に加圧装置１７の他方の加圧治具１９を配置する。

つぎに、人工股関節本体２０ａおよびメッシュシート積層体２４を組み込んだ加圧装置１７を図示しない搬送装置により拡散接合室内に搬送し、密閉した拡散接合室内の雰囲気を１０^−４Ｐａにする。

人工股関節本体２０ａとメッシュシート積層体２４の拡散接合は、雰囲気を１０^−４Ｐａにした条件下で、加圧装置１７の加圧力を１〜１０ＭＰａにし、接合温度を６５０〜８００℃にし、接合時間を３０分とすることで行われる。

本発明による人工股関節２０は、人工股関節本体２０ａとメッシュシート積層体２４の間に薄板２８を配置したことで、人工股関節本体２０ａと薄板２８との異種金属接合の接合面積を従来の人工股関節本体とメッシュシートの異種金属接合の接合面積より大きくすることができ、薄板２８６とメッシュシート積層体２４の両面を除く側壁に陽極酸化皮膜を形成したメッシュシート２７およびメッシュシート２７とメッシュシート２６を同種金属で接合することで、人工股関節本体２０ａとメッシュシート積層体２４の接合強度をより高くすることができる。

上記人工膝関節１０の実施の形態では、メッシュシート積層体１２の陽極酸化皮膜を含むメッシュシート１４を薄板１６に接合しているが、メッシュシート積層体１２の陽極酸化皮膜を含むメッシュシート１４とこれに隣接するメッシュシート１３を入れ替えることができるのはもちろんである。
上記人工股関節２０の実施の形態では、メッシュシート積層体２４の陽極酸化皮膜を含むメッシュシート２７を薄板２８に接合しているが、メッシュシート積層体２４の陽極酸化皮膜を含むメッシュシート２７とこれに隣接するメッシュシート２６を入れ替えることができるのはもちろんである。

本発明による人工膝関節を示す斜視図である。 本発明による人工膝関節の拡散接合を示す模式図である。 本発明による人工股関節を示す斜視図である。 図３の人工股関節の一部を破いて示す拡大図である。

符号の説明

１０ 人工膝関節
１０ａ 人工膝関節本体
１１ 内面
１２ メッシュシート積層体
１３ メッシュシート
１４ 陽極酸化皮膜を含むメッシュシート
１６ 薄板
２０ 人工股関節
２０ａ 人工股関節本体
２１ ステム部
２４ メッシュシート積層体
２７ 陽極酸化皮膜を含むメッシュシート
２８ 薄板

Claims (8)

1. Ｃｏ−Ｃｒ合金またはＣｏ−Ｃｒ−Ｍｏ合金により成形された人工膝関節本体と、複数枚のチタンまたはチタン合金のメッシュシートを積層して形成され、人工膝関節本体の内面に接合されたメッシュシート積層体とを有する人工膝関節において、
   上記メッシュシート積層体は、前記人工膝関節本体に対向する側に位置する第１メッシュシートと前記人工膝関節本体に対向する側と反対側に位置し前記第１メッシュシートに積層された第２メッシュシートとを有し、前記第１メッシュシートの両面を除く側壁には陽極酸化皮膜が形成されており、
   チタンまたはチタン合金の薄板が前記人工膝関節本体と前記メッシュシート積層体との間に配置されており、
   拡散接合手段により、前記人工膝関節本体と前記薄板とを拡散接合するとともに前記薄板と前記メッシュシート積層体とを拡散接合して前記メッシュシート積層体と前記人工膝関節本体とを拡散接合し、前記メッシュシート積層体を前記人工膝関節本体に結合した
   ことを特徴とする人工膝関節。
2. 第１メッシュシートに形成された陽極酸化皮膜は、母材上の酸化チタン皮膜上に形成されたハイドロキシアパタイトを含むことを特徴とする請求項１に記載の人工膝関節。
3. 人工膝関節本体の内面にメッシュシート積層体を収容する溝を形成し、この溝に上面が人工膝関節本体の内面と同一面内に位置するようメッシュシート積層体を配置したことを特徴とする請求項１または２に記載の人工膝関節。
4. メッシュシート積層体は、４枚の第１メッシュシートと、１枚の陽極酸化皮膜を含む第２メッシュシートから構成されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の人工膝関節。
5. Ｃｏ−Ｃｒ合金またはＣｏ−Ｃｒ−Ｍｏ合金により成形されたステム部を有する人工股関節本体と、複数枚のチタンまたはチタン合金のメッシュシートを積層して形成され、人工膝関節本体のステム部の外面に接合されたメッシュシート積層体とを有する人工股関節において、
   上記メッシュシート積層体は、最内層に位置する第１メッシュシートと前記最内層の外側に位置し前記第１メッシュシートに積層された第２メッシュシートとを有し、前記第１メッシュシートの両面を除く側壁には陽極酸化皮膜が形成されており、
   チタンまたはチタン合金の薄板が前記ステム部と前記メッシュシート積層体との間に配置されており、
   拡散接合手段により、前記ステム部と前記薄板とを拡散接合するとともに前記薄板と前記メッシュシート積層体とを拡散接合して前記メッシュシート積層体と前記ステム部とを拡散接合し、前記メッシュシート積層体を前記ステム部に結合した
   ことを特徴とする人工股関節。
6. 第１メッシュシートに形成された陽極酸化皮膜は、母材上の酸化チタン皮膜上に形成されたハイドロキシアパタイトを含むことを特徴とする請求項５に記載の人工股関節。
7. ステム部に環状溝を形成し、この環状溝に上面がステム部の外面と同一面内に位置するようにメッシュシート積層体を配置したことを特徴とする請求項５または６に記載の人工股関節。
8. メッシュシートの積層体は、３枚の第２メッシュシートと、１枚の陽極酸化皮膜を含む第１メッシュシートから構成されることを特徴とする請求項５ないし７のいずれか１項に記載の人工股関節。

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