JPH02261445A

JPH02261445A - 人工膝関節用脛骨側コンポーネント

Info

Publication number: JPH02261445A
Application number: JP8427389A
Authority: JP
Inventors: Nobuo Matsuno; 松野　伸男; Hiroyuki Matsui; 博之松井
Original assignee: Kawasaki Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1989-04-03
Filing date: 1989-04-03
Publication date: 1990-10-24

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〈産業上の利用分Ｊテ〉本発明は、人工膝関節用脛骨側コンポーネントに関する
。

〈従来の技術〉リウマチや骨の変形症、さらには事故により、膝関節を
人工物と交換する手術が最近多く行われるようになって
きた。

人工膝関節は、第２図に示すように大腿骨１側コンポー
ネント２と脛骨３側コンポーネント４に分けられ、大腿
骨側にはＣＯ合金、Ｔｉ合金、５ＵＳ３１６などの金属
やＡρ、０５、ＺｒＯ２などのセラミックスが用いられ
、脛骨側は大腿骨側に接する摺動面を持つ超高分子量ボ
ッエチレン（ｔＪＨＭＷＰＥ）製プレート５と、その補
強材として、大腿骨側と同一の素材よりなるベースプレ
ート６より構成されるのが一般的である。

このような人工膝関節に対する要求としては、■運動域
が大きいこと、■摩耗が少ないこと、■骨と強固に接合
することなどが挙げられる。

■については、自由な運動を可能とするためにはできる
だけ可動域が広いことが好ましく、特に日本人のように
正座を行なう場合は、屈曲角１２０〜１４０°が必要と
言われており、デザインの面から検討が進められている
。

■については、現在の人工膝関節の寿命は１０〜２０年
と言われているが、人工膝関節の通用患者は、６０才以
上の高齢者が多いとは言え、現在のように平均寿命が著
しくのびた場合には２０年以上の耐用年数が必要とされ
る。　逆に、耐用年数が短いことが、人工膝関節の通用
年令を上げているとも言える。　耐用年数を長くするた
めには、素材であるポリエチレンの摩耗を減らすことや
、人工関節の強度を上げることが必要であり、デザイン
、素材の両面からの検討が行なわれている。

■の骨への固定性は、摩耗とともに人工膝関節の寿命を
決定している重要なポイントである。　すなわち、骨へ
の固定性が悪い場合には、いかに■、■が良好でも運動
に伴う人工膝関節と骨との摩擦や応力集中により、次第
に人工膝関節の接する面の骨の吸収が起こり、いわゆる
ルースニングと称するゆるみ現象が発生するようになり
、最悪の場合には、再度手術を行なわなければならなく
なる。　このゆるみを防止するためには、人工膝関節内
に骨を生長侵入させて骨と強固な接合を図ることが必要
である。

骨と接合させる方法としては、従来ボーンセメントを用
いた固着法が用いられていたがこの方法では、ルースニ
ングのため長期の使用は不可能と言われ、特別な場合以
外は、使用されなくなってきた。　そこで、現在では人
工膝関節の骨接合面にＴｉ合金やＣＯ合金のビーズまた
はワイヤを焼結して、表面の１〜２ｍｍに平均径２００
〜４００μｍの空孔を有する多孔質とし、この空孔に骨
を侵入させ機械的なアンカー効果により接合を図る方法
が実用化されている（例えば、大西ｅｔ　ａｍＢ本接着
協会誌Ｖｏ１．２２．Ｎｏ、２　（１９８８）　１１２
　ｒ人工骨・関節と骨との固着」参照）、　さらに最近
では、このような多孔質層の上に水酸化アパタイトやバ
イオガラス等のバイオアクティブなセラミックスをプラ
ズマ溶射やスパッタリング等により付着させ、骨と化学
的に結合させる方法なども検討されている。

人工膝関節の骨接合面の多孔質化により、骨との接合性
は大幅に向上され、特に大腿骨側コンポーネントでは向
上が著しい。　　ところが、脛骨側コンポーネントにお
いては、このような多孔質化にもかかわらず、骨と接合
していないことが多く認められている。　この原因とし
ては、大腿骨側コンポーネントに対する応力が主に圧縮
側に作用しているのに対し、脛骨側コンポーネントには
膝の伸展時には第３ａ図に矢印で示すように主として圧
縮応力が、また屈曲時には第３ｂ図に矢印で示すように
圧縮−引張応力が作用する。　このように膝の屈曲−伸
展運動により、圧縮−引張応力が繰り返し作用するため
、手術後数週間における骨との接合が不十分な場合には
、剥離を生じ、−旦生じた剥離は、その後の運動により
接合する機会が与えられないためと考えられている。　
従って、骨との接合を強固にするためには、骨が十分に
多孔質の中に侵入するまでの間は、骨と人工関節との間
の密着を保つための初期固定が必要である。

さらに、人工膝関節の場合、たとい初期固定がしっかり
と行なわれたとしても、長期間の使用の間に背側が少し
ずつ吸収され、いわゆる人工関節の沈み込みという現象
が起こることがある。　特に、骨強度の弱いりウマチ患
者の脛骨側で沈み込みが著しいと言わわている。　この
沈み込みは、人工関節の運動の安定性を害するものであ
るが、少量であれば均一に起こる限り、致命的な問題と
はならない。

つぎに、従来の人工膝関節の脛骨側の代表的固定具を第
４図およびＮ５図に示す、　第４図に示す例では、ポリ
エチレン製プレート５を取り付けたベースプレート６に
垂設されたステム８に固着されたねじ７を一体的に有し
、このねじ７を脛骨に埋設することにより固定している
。

同様に、第５図に示す例でも、ねじ７の代りに大きなス
テム９を一体的に設けて、ねじ７およびステム９を骨内
に固定している。　このため初期固定は図られたとして
もその固定力は不十分で、かつ、その後の沈み込みに対
しては固定具が一体的であるために、これを阻害する方
向に働くことになり、場合によっては不均一な沈み込み
を引き起し、結果としてゆるみの原因となる。

〈発明が解決しようとする課題〉つまり、従来の人工膝関節の脛骨への固定方法は、脛骨
側ベースプレート６から下方に短くのびたステム８を数
本−法的に有するか、さらにそのステム８より小さなね
じ７を突出させ固定する方法（第４図参照）または、中
央部分に大きなステム９を一体的に有し、その周辺に数
本の小さなねじ７を有するもの（第５図参照）が−船釣
である。　　しかし、これらの方法では、十分な初期固
定は得られず、また、その後の沈み込みに対しては突設
したねじやステムにより、沈み込みが阻害され、不均一
な沈み込みをまねくことになるという問題点があった。

本発明は、ベースプレートと固定具とを有する人工膝関
節用脛骨側コンポーネントとして、初期固定性を十分確
保するとともに、その後の均一な沈み込みを阻害しない
人工膝関節用脛骨側コンポーネントを提供することを目
的とじている。

く課題を解決するための手段〉上記目的を達成するために本発明によれば、大腿骨側コ
ンポーネントに接するためのポリエチレン製プレートと
、その下面に密着して設けられる脛骨側ベースプレート
と、前記ベースプレートに垂設される大きなステムおよ
び小さなステムとを有する人工膝関節用脛骨側コンポー
ネントにおいて、前記大きなステムおよび小さなステム
内にそれぞれ摺動可能に嵌装されるアンカーボルトとね
じとを有することを特徴とする人工Ｍ関節用脛骨側コン
ポーネントが提供される。

前記大きなステムが前記ベースプレートに一体化して垂
設される中空円筒であり、その内側に摺動可能に嵌挿さ
れる締め付けナットに頭部を螺合したアンカーボルトを
有するのが好ましい。

前記脛骨側ベースプレートの下面は多孔質粗面であるの
が好ましい。

以下に本発明を第１図に示す好適実施例に基づいてさら
に詳細に説明する。

この脛骨側コンポーネント４は、大腿骨側に接する摺動
面となるＵＨＭＷＰＥ製プレート５と、その下面に密着
して設は補強材となるベースプレート６と、前記ベース
プレート６に垂設された大きな中空ステム９および小さ
な中空ステム８とを有し、前記ステム９および８にはそ
れぞれアンカーボルト１０とねじ７が嵌挿されて前記ベ
ースプレート６と一体的に設けられている。

前記ベースプレート６の下面６ａ側はＴｉやＣＯ合金の
ビーズまたはワイヤを焼結した厚さ１〜２ｍｍの多孔質
層を設け、場合によってはさらにその表面に水酸化アパ
タイトやバイオガラス等を付着させ多孔質化改質面を形
成している。

前記大きなステム９はベースプレート６下面の幅方向の
中央、前後方向の前側約１／３の位置に垂設され、前記
ステム８はその周辺に２個以上設けられている。

前記大きなステム９はその先端に開口部９ａを有する中
空円筒で、その内側で摺動可能なように締め付けナット
１１がステム９内に嵌め込まれている。

前記アンカーボルト１０の胴部１０ａは表面に螺条を有
する大径の棒で、前記締め付けナット１１の内径よりも
細い首部１０ｂを介してその上部にねじ部１０ｃを有し
、このねじ部１０ｃは前記締め付けナット！１に螺合さ
れている。　その上方には円筒状の適宜の大きざ（２〜
１０ｍｍが好適である）の空間部１３が設けられている
。　前記アンカーボルト１０の形状、大きさ等は、特に
限定しない。

ここで、ステム９の開口部９ａとアンカーボルト１０の
首部１０ｂの断面は、アンカーボルト締め付は時に、ナ
ツトと一緒にアンカーボルトが回転しないよう、円でな
く多角形となっていることが好ましい。

アンカーボルト１０の摺動可能距離は、アンカーボルト
の首部のステム外の長ざ１２に相当し、この距離は、ス
テム上方の空間部１３の長さより、短くなるように、ア
ンカーボルトを埋め込む必要がある。　ここで、アンカ
ーボルトの摺動可能距１１１（空間長さ）は２〜１０ｍ
ｍの範囲が好ましい。

前記ねじ７は、例えば前記アンカーボルト１０の場合と
同様にねじ７の頭部がステム８内を上下にスライドでき
るようになっている。

その上方には大きなステム９と同様に円筒状の２〜１０
ｍｍの長さの空間部１３が設けられている。

このように、大きなステム９にアンカーボルト１０を取
り付け、さらに、ねじ７を併用することにより初期固定
性を十分確保することができる。　また、その後の沈み
込みに対しても、アンカーボルト１０の胴部１０ａによ
る固定力と締め付けナット１１のステム９内での摺動と
ボーンスクユー７の頭部のステム８内でのスライドによ
り均一な沈み込みを阻害することなくベースプレート下
面側６ａを骨と接合させることができる。　すなわち、
脛骨側コンポーネント４を骨に取り付けるときには締め
付けナット１１の下端をステム内中空の下端９ｂに当接
させておけば、その後、ベースプレート下面側６ａとこ
れに接合する部分の骨との間に骨組織の後退により間隙
が生じたとしてもベースプレート６はこれと一体に設け
られた大きなステム９の内側が締め付けナット１１の外
側を摺動して下降するとともにステム８も同様にボーン
スクリュ−７頭部外周面に接しスライドして下降するこ
とにより、均一な沈み込みを阻害することなくベースプ
レート下面側６ａを骨と接合させることができる。

前記大きなステム９のほかに、第１図に示すようにその
周辺に同様の機構を有する小さなステム８を２個以上設
けると一層ベースプレート６の安定と均一な沈み込みを
可能とすることができる。

前記ベースプレート６およびこれの下部に取り付けられ
る上記各部材の材質としては、Ｃ。

合金、Ｔｉ合金、５ＵＳ３１８などの金属をあげること
ができ、生体適合性の優れた材質であればどれでも゛適
用可能であるが、なかでもＴｉ合金が好ましい。

〈実施例〉以下に本発明を実施例に基づき具体的に説明する。

脛骨側コンポーネントとして第１図に示す形状のものを
作成した。　プレート５は分子量４５０万の超高分子量
ポリエチレンを用い、大きなステム１個と小さなステム
２個をベースプレートと一体に作成した。

大きなステム９は先端に六角の開口部を有する中空円筒
とし、この中空筒内にアンカーボルト１０の頭部に設け
たねじ部１０ｃに螺合する締め付けナット１１をはめこ
んだ。　また、前記締め付けナット１１の上方には空間
部１３を設けた。

小さなステム８の先端にはねじ７をその頭部をステム側
にしてさし込んだ。　また、前記ねじ７の頭部の上方に
は空間部１３を設けた。

また、前記ねじ７は前記アンカーボルト１０と同様にそ
の頭部が空間部１３内を上下できるようにした。

上記各部材の材質は、ＵＨＭＷＰＥを除ぎすべてＴｉ−
６Ａ１−４Ｖ合金を用い、各部の大きさは第１表のとお
りとした。

第表つぎに、上記本発明の脛骨側コンポーネントと第５図に
示す従来のコンポーネント（大きなステムの長さ５０ｍ
ｍ、小さなステムの長さ８ｍｍ、ねじの長さ３０ｍｍ、
各部材の材質は実施例と同じ）について下記の条件で固
定性、沈み込み性の比較実験を行なった。

固定性の評価方法としては、脛骨屍体骨に脛骨コンポー
ネントを装着した後、引き抜き試験を行ない、引き抜は
開始荷重を測定した。　この結果、本発明例では、比較
例と比較し、約１．５３倍の値が得られた。　一方、沈
み込み性の評価方法としては、脛骨屍体骨に脛骨コンポ
ーネントを装着した後、５〜１００ｋｇｆの繰り返し荷
重を１０’回上から加え、沈み込み状況を比較した。　
この結果、本発明例は比較的均一な沈み込みを示したの
に対し、比較例の場合には、不均一な沈み込みが多く認
められ、特に、偏荷重を与えた時には、その傾向が大き
いことが認められた。　以上の結果より、本発明は、固
定性および沈み込み特性とも比較例より優れていること
が確認された。

〈発明の効果〉本発明は、以上説明したように構成されているので、初
期固定性を十分確保するとともに、その後に起こる骨組
織の後退による沈み込みを阻害しないようにすることか
でき、長期固定がより強固なものとなった。

また、均一な沈み込みを可能としたことにより、局部的
応力集中を防止し長期間使用によるルースニング現象を
最小限に抑えることが可能となった。

これらの効果により、人工膝関節の寿命の延長が可能で
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の人工膝関節用脛骨側コンポーネント
の横断面図である。第２図は、人工膝関節の一般的構造を示す説明図である
。第３ａ図および第３ｂ図は、膝関節の屈曲−伸展運動時
に脛骨側コンポーネントに働く力の変化を模式的に示し
た図で、それぞれ伸展時および屈曲時を示す図である。第４図は、従来の人工膝関節用脛骨側コンポーネントを
示す線図である。第５図は、従来の他の人工膝関節用脛骨側コンポーネン
トを示す線図である。符号の説明１・・・大腿骨、２・・・大腿骨側コンポーネント、３・・・脛骨、４・・・脛骨側コンポーネント、５・・・超高分子量ポリエチレン（ＵＨＭＷＰＥ）製プレート、６・・・ベースプレート、６ａ・・・下面側、７・・・ねじ、８・・・ステム、９・・・大きなステム、９ａ・・・開口部、９ｂ・・・ステム内中空の下端、１０・・・アンカーボルト、１０ａ・・・胴部、１０ｂ・・・首部、１０ｃ・・・ねじ部、１１・・・締め付けナット、ＩＧ２・・・アンカーボルトのステム外の長さ（摺動可能距
離）３・・・空間部

Claims

【特許請求の範囲】

（１）　大腿骨側コンポーネントに接するためのポリエ
チレン製プレートと、その下面に密着して設けられる脛
骨側ベースプレートと、前記ベースプレートに垂設され
る大きなステムおよび小さなステムとを有する人工膝関
節用脛骨側コンポーネントにおいて、前記大きなステム
および小さなステム内にそれぞれ摺動可能に嵌装される
アンカーボルトとねじとを有することを特徴とする人工
膝関節用脛骨側コンポーネント。
（２）　前記大きなステムが前記ベースプレートに一体
化して垂設される中空円筒であり、その内側に摺動可能
に嵌挿される締め付けナットに頭部を螺合したアンカー
ボルトを有する請求項１記載の人工膝関節用脛骨側コンポーネント。
（３）　前記脛骨側ベースプレートの下面が多孔質粗面
である請求項１または２記載の人工膝関節用脛骨側コン
ポーネント。