JP7404566B1

JP7404566B1 - 外科用インプラントの表面処理方法、及び外科用インプラント

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Publication number: JP7404566B1
Application number: JP2023000956A
Authority: JP
Inventors: 大貴松井
Original assignee: Sugino Machine Ltd
Current assignee: Sugino Machine Ltd
Priority date: 2023-01-06
Filing date: 2023-01-06
Publication date: 2023-12-25
Anticipated expiration: 2043-01-06

Abstract

【課題】外科用インプラントの微細表面構造を保ちつつ、外科用インプラントの疲労強度を向上させる、外科用インプラントの表面処理方法を提供する。【解決手段】付加製造されて完全溶け込み部５２ａと溶け込み不完全領域５２ｂとを有する微細表面構造５１を有する外科用インプラント３を処理液内に設置し、処理液中に沈めたノズル１５が処理液のキャビテーション噴流を外科用インプラント３に噴射して、外科用インプラント３の表面に残存する溶け込み不完全領域５２ｂを除去し、外科用インプラント３の表面に圧縮残留応力を付与する、外科用インプラント３の表面処理方法。【選択図】図４Ｄ

Description

本発明は、外科用インプラントの表面処理方法、及び外科用インプラントに関する。

付加製造によって生産された外科用インプラントの表層に、溶け込み不完全領域が残存する場合がある。また、生体内に埋め込まれた外科用インプラントが、破断、加工硬化、疲労、腐食によって破壊される場合がある（塙、チタンの生体適合性－チタンの何が優れているのか、軽金属第６２巻第７号（２０１２）、ｐｐ２８５－２９０）。

望ましくは、外科用インプラントは、微細表面構造を有する。
本発明は、外科用インプラントの微細表面構造を保ちつつ、外科用インプラントの疲労強度を向上させる、外科用インプラントの表面処理方法を提供することを目的とする。

本発明の第１の観点は、
付加製造されて完全溶け込み部と溶け込み不完全領域とを有する微細表面構造を有する外科用インプラントを処理液内に設置し、
前記処理液中に沈めたノズルが前記処理液のキャビテーション噴流を前記外科用インプラントに噴射して、前記外科用インプラントの表面に残存する前記溶け込み不完全領域を除去し、前記外科用インプラントの表面に圧縮残留応力を付与する、
外科用インプラントの表面処理方法である。

本発明の第２の観点は、
付加製造されて微細表面構造を有する、純チタン又はチタン合金製の外科用インプラントであって、Ｘ線応力測定法（ｃｏｓα法）によって計測される表面残留応力が負の値である、外科用インプラントである。

外科用インプラントは、例えば、人口骨、人工関節、人工椎体、椎体プレートである。生体不活性金属は、例えば、純チタン、チタン合金、コバルトクロム合金又はステンレス鋼である。チタン合金は、例えば、Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ合金、Ｔｉ－６Ａｌ－７Ｎｂ合金、Ｔｉ－１５Ｍｏ－５Ｚ４－３Ａｌ合金である。

溶け込み不完全領域は、外科用インプラントの表面に形成される。溶け込み不完全領域は、外科用インプラントと同一の材料で形成される。溶け込み不完全領域は、例えば、金属粒子である。溶け込み不完全領域の一部は、外科用インプラントと一体となる。溶け込み不完全領域は、製造欠陥を含む。
微細球状構造の内、基部が狭いとは、例えば、基部の最も狭い部分の直径が、球状部の直径の７０％以下であることをいう。

付加製造方法は、例えば、３Ｄプリント、溶射による積層造形である。付加製造によって生産される外科用インプラントの表面は、引張残留応力を有する。

外科用インプラントを処理液中に浸漬し、処理液中に浸漬したノズルから処理液を噴射する。このとき、処理液の噴流の周囲における圧力差によって、キャビテーションが発生する。処理液は、純水や、防錆剤を含む水溶液である。防錆剤は、例えば、アミン類、アミン塩である。キャビテーション処理では、液体の流れの中で圧力がごく短時間だけ飽和蒸気圧よりも低くなったときに、微小な気泡核を核として液体の沸騰や溶存気体の遊離によって微細な気泡が多数生ずる。この気泡が噴流の勢いで外科用インプラントに衝突する。気泡が膨張と収縮を繰り返して小さくなる。この気泡が窪み、微小ジェット流が発生し、気泡が分裂し、消滅する。微小ジェット流によって、外科用インプラントの表面を壊食する。また、外科用インプラントの表面に圧縮残留応力を付与する。キャビテーションにより、外科用インプラントの表面の溶け込み不完全領域を除去する。キャビテーションによって発生した気泡を含む噴流を、キャビテーション噴流という。

本発明の外科用インプラントの表面処理方法によれば、外科用インプラントの微細表面構造を保ちつつ、外科用インプラントの疲労強度が向上する。

実施形態の外科用インプラントの製造方法を示すフローチャート実施形態の外科用インプラントの微細球状構造の模式図実施形態の外科用インプラントのピーニング処理装置実施例の外科用インプラントの噴射処理前のＳＥＭ写真（５０倍）実施例の外科用インプラントの噴射処理前のＳＥＭ写真（２５０倍）実施例の外科用インプラントの噴射処理後のＳＥＭ写真（５０倍）実施例の外科用インプラントの噴射処理後のＳＥＭ写真（２５０倍）

図１に示すように、本実施形態の外科用インプラント３の製造方法は、まず、外科用インプラントを付加製造（ＡＭ：ＡｄｄｉｔｉｖｅＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）する（ステップＳ１）。次に、外科用インプラントを熱処理する（ステップＳ２）。そして、外科用インプラントをキャビテーション噴流処理する（ステップＳ３）。

ステップＳ１において、付加製造は、例えば、３Ｄプリント、溶射によって行われる。３Ｄプリントは、例えば、粉末床溶融結合（ＰＢＦ：ＰｏｗｄｅｒＢｅｄＦｕｓｉｏｎ）である。付加製造された外科用インプラントは、引張残留応力を有する。
外科用インプラントは、微細表面構造を有する。表面構造は、大規模構造と微細構造とからなる。大規模構造は、０．１ｍｍ～１ｍｍオーダーのサイズを有する。大規模構造は、成形パターン形状として、規則的に繰り返し配列される。微細構造は、１μｍ～１０μｍオーダーのサイズを有する。微細表面構造は、例えば、微細球状構造、多孔質体構造、繊維構造である。微細表面構造は、ランダムに表れる。

図２に示すように、ＰＢＦで製造された外科用インプラント３は、微細球状構造５２を有する。微細球状構造５２は、成型時のパウダーベッドを構成するパウダーの形状が、成形表面に現れたものである。微細球状構造５２は、完全溶け込み部５２ａと、溶け込み不完全領域５２ｂと、を有する。微細球状構造５２は、球状部５２１と、基部５２２と、基材５２３と、を有する。完全溶け込み部５２ａの基部５２２は、広い。そのため、完全溶け込み部５２ａの基部５２２は、しっかりと基材５２３に付着する。溶け込み不完全領域５２ｂの基部５２２は、完全溶け込み部５２ａの基部５２２よりも狭い。そのため、溶け込み不完全領域５２ｂの基部５２２と基材５２３との接続は弱い。溶け込み不完全領域５２ｂの基部５２２の最も細い部分の直径は、球状部５２１の直径の概ね７０％以下である。

ステップＳ２において、真空熱処理法や、熱間等方圧加工法（ＨＩＰ：ＨｏｔＩｓｏｓｔａｔｉｃＰｒｅｓｓｉｎｇ）によって、外科用インプラントは熱処理される。
付加製造された外科用インプラント３を真空熱処理法によって処理すると、外科用インプラントの表面の酸化を抑制して、焼き戻し、焼鈍、溶体化、時効処理できる。
付加製造された外科用インプラント３をＨＩＰ法によって処理すると、外科用インプラント３の残留空孔を除去できる。これにより、外科用インプラント３が緻密化する。また、ＨＩＰ法により、外科用インプラント３に残留応力を付与できる。例えば、チタン系の外科用インプラント３に対しては、５ＭＰａ～２０ＭＰａの残留応力（引張応力）が付与される。
なお、ステップＳ２は、省いても良い。

図３は、外科用インプラント３の液中キャビテーション噴流によるピーニング処理装置１０を示す。ピーニング処理装置１０は、処理槽１１と、ポンプ１３と、ノズル１５と、ロボット（ノズル移動装置）１６と、圧力検出器１７と、を有する。
処理槽１１は、上方に開口を有する。処理槽１１は、好ましくは、８００ｍｍ～１ｍ程度の深さを有する。処理槽１１は、処理液を貯留する。処理液は、純水や、防錆剤を含む水溶液である。

ノズル１５は、キャビテーションを発生させる。ノズル１５は、例えば、特開２００６－１２２８３４号公報、特開２０１４－６４９７９号公報に公開される。ノズル１５は、ポンプ１３と接続される。ノズル１５は、ロボット１６に配置される。噴射時において、ノズル１５は、処理槽１１の内部に配置される。例えば、ノズル１５は、液面から深さＤ１の距離で、下方向きに位置する。ノズル深さＤ１は、例えば、１００ｍｍ～７００ｍｍである。

ロボット１６は、例えば、直交軸ロボット、垂直多関節ロボット、水平多関節ロボット、パラレルリンクロボットである。ロボット１６は、外科用インプラント３に対して相対的に、ノズル１５の姿勢や位置を自在に変更する。
なお、ノズル１５を固定し、ロボット１６が、外科用インプラント３の位置や姿勢を変更しても良い。

ポンプ１３は、ピストンポンプやギヤポンプである。ポンプ１３の吐出圧力は、例えば、１０ＭＰａ～７０ＭＰａである。
圧力検出器１７は、ノズル１５から噴射する処理液の圧力を測定する。噴射圧力は、噴射時の圧力である。
外科用インプラント３は、処理槽１１内に設置され、処理液内に浸漬される。液面から外科用インプラント３の表面までの距離を浸漬深さＤ２とする。浸漬深さＤ２は、例えば、３００ｍｍ～９００ｍｍである。

ステップＳ３において、ロボット１６は、外科用インプラント３に向けてノズル１５を移動させる。そして、ノズル１５は、キャビテーション噴流を外科用インプラント３に衝突させる。
なお、外科用インプラント３の強度が低い場合や、外科用インプラント３へ付与する圧縮残留応力の目標値が小さい場合、キャビテーション噴流を外科用インプラント３に直接衝突させずに、外科用インプラント３の近傍や、外科用インプラント３を囲う壁面に衝突させても良い。

ノズル１５から噴出された噴流は、キャビティの発生を促進する。キャビティは、流体の流れの中で圧力差により短時間に発生し、消滅する微細気泡である。キャビティは、噴流に乗って外科用インプラント３の周囲に導入される。キャビティの消滅時に局所的に流体が勢いよく流れて外科用インプラント３の表面に衝突し、ピーニング処理される。外科用インプラント３にキャビテーション噴流を衝突させることによるピーニング処理（以下、キャビテーションピーニング）を行うと、外科用インプラント３の表面に残留圧縮応力が与えられる。外科用インプラント３に与えられる残留圧縮応力は、材質によって変化するが、形状による影響は小さい。例えば、純チタンやチタン合金の外科用インプラント３の表面の残留圧縮応力は、－２０ＭＰａ～－２００ＭＰａである。キャビテーションピーニングは、材質の深くまで残留応力を与えることができる。
キャビテーション噴流によって、溶け込み不完全領域５２ｂが除去される。このとき、球状部５２１が破断し、基部５２２が残留する場合がある。また、基材５２３や基部５２２にディンプルが形成される。

付加製造された外科用インプラント３に、ショットピーニング処理が行われる場合がある（例えば、特表２０１７－５２０２８２号公報）。例えば、チタン合金の外科用インプラント３に、チタンビーズによるショットピーニングを行うと、微細表面構造が殆ど失われる。この場合、多孔質体構造が潰れる場合がある。また、ほとんどの微細球状構造が失われる。

これに対して、外科用インプラント３にキャビテーションピーニングを行う場合、微細表面構造の大部分が保持される。そして、キャビテーションピーニングにより、外科用インプラント３に大きな圧縮残留応力が与えられる。キャビテーションピーニングは、外科用インプラント３の表面から１ｍｍ程度の深さまで、圧縮残留応力を与える。
外科用インプラント３は、複雑な形状を有する。キャビテーションピーニングによれば、キャビティは、ノズル１５から見て外科用インプラント３の裏面や、外科用インプラント３の内部まで浮遊する。キャビティが消滅するときに、外科用インプラント３の表面がピーニングされる。そのため、外科用インプラント３の表面構造の細部や、ノズル１５から見て外科用インプラント３の裏面についても、残留応力が付与される。

本実施形態によれば、外科用インプラント３の微細表面構造が保持されるため、硬組織適合性が適度に維持される。また、外科用インプラント３の表面に圧縮残留応力が加えられるため、外科用インプラントの疲労強度が向上する。

パウダーベッド方式による積層造形によりＴｉ－６Ａｌ－４Ｖ合金の外科用インプラント３を製造する。製造した外科用インプラント３に、圧力２．７Ｐａ以下（絶対圧）、８００℃、処理時間２ｈで真空熱処理を行った。熱処理済みの外科用インプラント３に、次の条件で液中噴射処理を行った。
ノズル：拡大ノズル
処理液：ＶＰ－Ｗ（商品名、株式会社ネオス製、原液成分；トリエタノールアミン３～１０％、有機酸アミン塩類５～１５％、無機塩類１０～２０％、防食剤１０～２０％、水４５～５５％）の３％希釈液
ノズル１５の浸漬深さＤ１：４５０ｍｍ
外科用インプラント３の浸漬深さＤ２：５３０ｍｍ
ノズル１５の設置方向：鉛直下向き
ノズル１５の移動速度：５ｍｍ／ｓ
噴射圧力：５０ＭＰａ
噴射流量：１８Ｌ／ｍｉｎ

液中噴射前後の人工椎間板の表面微細構造を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）によって撮影した。ＳＥＭは、日本電子株式会社製走査型電子顕微鏡ＪＣＭ－５７００を利用した。また、液中噴射前後の外科用インプラントの表面残留応力を、Ｘ線応力測定法（ｃｏｓα法）によって測定した。Ｘ線応力測定装置は、パルステック工業μ－Ｘ３６０ｓポータブル型Ｘ線残留応力測定装置を利用した。残留応力は、外科用インプラント３の複数の特定の部位について測定した。

図４Ａ、図４Ｂに示すように、液中噴射前の外科用インプラント３ａは、多孔質体構造５１と、微細球状構造５２を有する。微細球状構造５２は、多孔質体構造５１の表面に形成される。微細球状構造５２は、完全溶け込み部５２ａと、溶け込み不完全領域５２ｂとを有する。

図４Ｃ、図４Ｄに示すように、液中噴射後の外科用インプラント３ｂは、多孔質体構造５１と、微細球状構造５２と、ディンプル５３を有する。液中噴射処理により、多孔質体構造５１は、潰れることなく、多孔質体構造５１の構造が保持される。本実施例においては、多孔質体構造５１の構造は、完全に保持されている。ディンプル５３は、外科用インプラント３ｂの表面に現れる。ディンプル５３は、溶け込み不完全領域５２ｂが除去された破壊痕である。
液中噴射後の外科用インプラント３ｂに残留した微細球状構造５２の基部５２２の直径は、球状部５２１の直径の約７０％以上であった。

キャビテーション噴流処理前における外科用インプラント３ａの表面応力は、４２ＭＰであった。キャビテーション噴流処理前は、積層造形によって引張応力（正の値）が与えられていた。
キャビテーション噴流処理後における外科用インプラント３ｂの表面応力は、－１４１ＭＰであった。キャビテーション噴流によるピーニング効果によって、圧縮応力（負の値）が与えられたことが確認された。

本発明は前述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であり、特許請求の範囲に記載された技術思想に含まれる技術的事項の全てが本発明の対象となる。前記実施形態は、好適な例を示したものであるが、当業者ならば、本明細書に開示の内容から、各種の代替例、修正例、変形例あるいは改良例を実現することができ、これらは添付の特許請求の範囲に記載された技術的範囲に含まれる。

３、３ａ、３ｂ外科用インプラント
１５ノズル
５１多孔質体構造
５２微細球状構造
５２ｂ溶け込み不完全領域
５３ディンプル

Claims

付加製造されて完全溶け込み部と溶け込み不完全領域とを有する微細球状構造であって、球状部と、基材と、前記球状部と前記基材とを接続する基部と、を有する微細球状構造を有する外科用インプラントを処理液内に設置し、
前記処理液中に沈めたノズルが前記処理液のキャビテーション噴流を前記外科用インプラントに噴射して、前記外科用インプラントの表面に残存する前記溶け込み不完全領域を除去し、前記外科用インプラントの表面に圧縮残留応力を付与する、
外科用インプラントの表面処理方法。
前記溶け込み不完全領域における前記基部は、前記球状部の直径の７０％以下である、
請求項１に記載の外科用インプラントの表面処理方法。
前記外科用インプラントは、生体不活性金属である、
請求項１又は２に記載の外科用インプラントの表面処理方法。
前記生体不活性金属は、純チタン又はチタン合金である、
請求項３に記載の外科用インプラントの表面処理方法。
前記ノズルは、５０ＭＰａ～７０ＭＰａで前記処理液を噴出する、
請求項１又は２に記載の外科用インプラントの表面処理方法。
純チタン又はチタン合金製の外科用インプラントであって、
球状部と、基材と、前記球状部と前記基材とを接続する基部と、を有する微細球状構造と、
前記微細球状構造の破壊痕であるディンプルと、
を有し、
Ｘ線応力測定法（ｃｏｓα法）によって計測される表面残留応力が負の値である、外科用インプラント。
Ｘ線応力測定法（ｃｏｓα法）によって計測される表面残留応力が－２０ＭＰａ～－２００ＭＰａである、
請求項６に記載の外科用インプラント。