JPH024300B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、生体骨格系の一部を取替処置され
る金属製補綴部材に関し、とくに腰部取替外科処
置に使用される大腿部への挿入部材の改良に係
る。

〔従来技術〕

近時、整形外科では、不完全な股関節を移植用
部材と取替える技術が開発され改良されている。
これら移植材は、その材質などに独特の制限があ
り、材質が周囲の組織と共存でき、かつ強度が大
きく比較的複雑な形に形成できるもので、更に補
綴部材に接する生体の骨格に対して機械的な荷重
を十分伝達するものでなければならない。大腿部
頭部の移植は、幹軸（stem）を大腿部の骨内腔
（intermedullary cavity）内に埋込み、セメント
あるいは幹軸の表面上又は表面内への骨の成長に
よつて保持することによつてなされる。大腿部の
骨内腔から材料を除去する際、その除去量を最小
にするためには幹軸が比較的細長いものでなけれ
ばならない。

しかし、強度が高くかつ比較的細長い金属材料
の場合、周囲の骨にその負荷を伝達する際、次の
ような問題が生じる。骨にかかる応力のうちある
ものは再吸収しないよにしなければならないが、
一方応力集中や局部荷重が生じないようにしなけ
ればならない。また金属の幹軸は、通常高弾性率
の多結晶金属で形成され、このため幹軸が受ける
たわみ荷重は周囲の骨よりもかなり小さい。この
結果局部応力が高くなり骨から幹軸が分離しある
いは幹軸により実際に周囲の骨が折れてしまう。

この発明の目的とするところは、周囲の骨格に
よく調和する弾性率を持つ補綴部材を提供するこ
とにある。

更にこの発明の目的とするところは、異方性弾
性率を持つ金属部材を用いてその最小弾性率の方
向が補綴部材中で最大応力がかかる方向になるよ
うに配置して、補綴部材周囲の骨の歪が最小にな
るようにした補綴部材を提供することにある。

更にまたこの発明の目的とするところは補綴部
材によつて周囲の骨に伝えられる荷重を分散し
て、局部応力が高くなるのを防止できる手段を提
供することにある。

〔発明の要約〕

この発明の金属補綴部材は、鋳造金属部材から
なり、生体の骨格系の一部を取替える処置に使用
される。この補綴部材は、好ましくは大腿部の頭
部の処置に用いられるのがよい。この発明の金属
部材は、その弾性率が異方性となるように鋳造さ
れる。この金属部材は、これを曲げた時にこの部
材に接する体の骨格系が最小の応力を受けるよう
に、金属部材の最小弾性率方向を定めている。好
ましくは、この金属が立方晶構造であり、かつ
〔001〕、〔010〕又は〔100〕の結晶方位が補綴部材
の最大応力を受ける方向となるように金属を配置
するのがよい。

〔好適な具体例〕

この発明は生体骨格系の一部を取替処理するの
に用いる補綴部材である。最も広く取替処理が行
なわれている人体骨格系は、大腿部の頭部とこれ
を固定する寛骨臼関節である。この発明では大腿
部の頭部に対する取替処理に主眼をおき、このた
めの補綴部材を具体的に挙げている。しかし、こ
の発明は、単に大腿部用に限らず、生体骨格内に
移植するもの、あるいは大きな応力にさらされる
他の補綴部材と組合せたものにも使用することが
できる。

この発明によれば、補綴部材は、鋳造金属部材
で構成されている。この金属はとくにこの特殊な
環境で使用可能なものでなければならないが、こ
れらの目的に沿う金属又は合金の種類は公知であ
り、これらから適宜選択される。更に生物学的適
合性及び強度に関し、この発明の金属は、弾性率
異方性を生じるような方法で鋳造できるものでな
ければならない。この方法では、金属を鋳造して
単結晶を形成するのが、好ましいが、所期の粒径
及び結晶方位を有するように方向性凝固鋳造を行
なえば十分な異方性を有し、鋳造物の弾性率に関
し所望の効果を得ることができる。

好ましくは、鋳造金属は立方晶構造がよい。こ
の発明方法で操作可能な合金の１つとしてコバル
ト−クロム合金、ASTMF75があり、これは補綴
部材として一般に使用されている。このような材
料で単結晶鋳造物を作れば特定の結晶軸の方向の
弾性率を約40％減少することができる。この特殊
な合金（立方晶金属はその典型例である）では、
最小弾性率の方向は立方晶ユニツトセルのエツジ
に平行な方向、即ち〔001〕、〔010〕又は〔100〕
の結晶方向である。そしてこのような弾性率を少
なくすることにより、後述の如き利点がある。

立方晶以外の材料についてもこの発明で使用で
きる。チタニウムやその合金は、補綴部材用材料
として有効であることが知られている。しかし室
温で安定なチタン単結晶を形成することは、困難
である。

上述の如く、補綴部材は単結晶が好ましい。単
結晶構造では、異方性を制御できるだけでなく、
結晶粒界がないので、材料がこれに起因する好ま
しくない性質を持つていても、その材料を使用す
ることができる。更に単結晶を用いれば、結晶粒
界効果を制限するために所定の合金成分を添加す
るということも必要としなくなる。

第１図は、大腿部の頭部を取替えかつ骨盤内の
寛骨臼関節を結合する処置を行うのに用いられる
外科用補綴部材を示す。図示する部材は、符号１
０で示されるが、寛骨臼部１２と大腿部又は幹軸
１４とを有している。補綴部材１０は、常法に従
つて大腿部２０の頭部に埋込まれる。大腿部２０
に伝達される荷重は寛骨臼部１２と幹軸１４を通
つて伝えられる。第１図に示すように、伝えられ
る応力は、大腿部２０あるいは幹軸１４の中心と
一致しないので、曲げ荷重が幹軸１４にかかる。

先に述べたように幹軸の断面寸法をなるべく小
さくして材料使用量を少なくし、骨内腔２２から
除去できるようにするのが好ましい。幹軸１４が
比較的大きな荷重に抗するようにするには、高弾
性率でなければならない。しかし、荷重がこの補
綴部材にかかると、その弾性率が周囲の骨よりか
なり高いため、せん断応力が、補綴部材と骨との
界面にかかつてしまう。この結果、骨と補綴部材
との間の結合がなくなる。更に大きな荷重がかか
れば、その荷重の高さあるいは小径幹軸径の小さ
さにより、幹軸が相殺荷重のトルクに応じて大腿
部内を回転し、外部端部領域２４、内部基部領域
２６又はこれら両方の領域において大腿部が破壊
される。

この具体例では寛骨臼部１２に荷重が加わる
と、第１図の矢印方向に幹軸１４中で曲げ応力が
生じる。この結果、幹軸１４の中心線１９とほぼ
平行な外部表面１６と内部表面１８上に最大応力
が生じる。このため、最大応力が生じる方向、即
ち幹軸の中心に平行な方向では弾性率が小ない方
が望ましい。立方晶金属では、立方晶金属のユニ
ツトセルの任意のエツジを曲げ応力下の部材の中
心線と揃えることにより、これを行なう。

補綴部材の特定部分と結晶軸方位を揃えるに
は、鋳造中に方向や熱抽出速度を制御することに
よりなされる。そして金属材料は、すでに存在す
る固体材料上で溶湯から熱を抽出してこれを凝固
する鋳造過程で固体となる。鋳造条件を制御すれ
ば、溶湯は溶湯材料自体からなる小さな固体粒子
上にのみ凝固する（鋳型や溶湯中の他の固体粒子
には凝固しない）。そしてこのような固体粒子
（核と称する）の数を限定し、溶湯から熱を抽出
する方向を制御することにより、溶湯が単結晶と
して凝固しあるいは熱抽出方向に配列された比較
的少数の結晶として凝固する。

立方晶金属では、ある結晶方向に沿つて高速で
凝固する。従つてこの特性を利用して、特定の鋳
造部材についてその結晶方位を揃える。更に金属
は、同じ材料で結晶方位が同じ既存の固体上に凝
固される。従つて初期の固体の結晶方位を決める
ことにより鋳造物の結晶軸方向を決めることがで
きる。

第２図は「種結晶」３１と称される小固体を用
いて最終鋳造物の結晶軸方向を定めた腰部補綴部
材の鋳造用鋳型３０を示す。これは、単結晶を形
成するためのもので、単結晶の結晶軸は種結晶の
結晶方位によつて予じめ決められる。鋳造物はセ
ラミツクシエル３４によつて形成された鋳造空隙
３２内で形成される。このような鋳型の製造法
は、インベストメント鋳造法としてすでに公知で
ある。鋳型３０は、更に種空隙３６と熱流出体又
は「チル」３８を有する。チル３８の機能は、鋳
造物と接して熱を抽出するもので、熱流が鋳造物
形成用溶湯からチル３８方向に流れるようにして
いる。セラミツクシエル３４の周囲の温度、溶湯
温度及び溶湯からの熱抽出速度を操作することに
より、金属が単結晶として核生成のみしかつ成長
する速度以上で底部から鋳造物が凝固する。

単結晶の結晶方位を制御するために、種結晶３
１を種空隙３６内に配置する。種結晶は公知の結
晶軸方位を持ち、種空隙３６内の種結晶の方位に
もとづいて、最終鋳造物の結晶方位が決定され
る。例えば立方晶の〔001〕方向が鋳造物の中心
線に沿うように配列しようとする場合、種結晶の
その結晶方位が中心線に対して平行となるように
することにより決められる。鋳造過程の初期に
は、種結晶の上部が溶融し、鋳型空隙が満され
る。溶湯からの熱を種結晶から抽出すると、種と
溶湯との界面において凝固が引起こされ、溶湯は
順次種結晶の上方に凝固していく。鋳造条件が正
しければ、溶湯は種結晶の結晶方でのみ単結晶と
して凝固される。この単結晶鋳型における鋳造条
件は公知の技術から容易に決定できる。

この方法では鋳造物の結晶軸方位について全て
の方位を制御できるので、他の方向性を有する金
属凝固方法よりも有効である。第３図に別の方法
を示す。

第３図は、セラミツクシエル４４で形成された
鋳型空隙４２を備えた鋳型４０を示す。鋳型は、
更に結晶選択部４６、鋳型空隙４２と連通する成
長空隙４７及び熱抽出部材又はチル４８を有す
る。

溶融金属を鋳型空隙４２内に注ぐと、この溶融
金属は選択部４６及び成長空隙４７に充填され、
凝固がチル４８の表面で開始する。はじめに凝固
された凝固金属の結晶方位はランダムであり、結
晶材料中の凝固速度は各結晶方位でバラバラであ
る。従つて固体／液体界面が成長空隙４７内を上
方に移動しながら溶湯が凝固していく過程におい
て、ある結晶方位を持つ固体結晶は、成長速度が
他のものより速い。このため曲線状となつている
選択部４６では、成長している固体のうちもつと
も速く成長している結晶を選択する。従つて選択
部４６出口即ち、鋳造空隙の下部先端では、形成
された結晶が鋳型の中心線に配列された最も急速
に凝固した結晶方位を有する。

この場合立方晶金属では、立方体のエツジに平
行な結晶軸方位が熱抽出方向となるように配列さ
れる。従つてこれらの３つの方位は、その下部先
端において鋳型空隙の中心線に沿つて配列される
のが最も好ましい。

しかしこの方法は、先の種結晶法と異なり、結
晶の一方向のみしか制御されない。換言すれば
〔001〕方向が鋳型の中心線に平行である場合、
〔010〕と〔100〕方向は相互に垂直であるが
〔001〕方位のまわりに360゜回転可能である。これ
に対し、先に述べた種結晶法は、種結晶の結晶方
位によつて全ての結晶軸方向を制御することがで
きる。

上述の如く、この発明では単結晶を例にとつて
説明した。しかし、この方法により、本発明に有
効な複数個の結晶を有する物を作ることもでき
る。例えば多結晶部材として最大応力を受ける方
向に平行な方向の結晶粒がその方向中での弾性率
を減少するように配列されたものでもよい。

第４図は、方向性凝固鋳造を行う鋳型を示す。
この鋳型５０はセラミツクシエル５４で形成され
た鋳型空隙５２を有する。更に鋳型はチル５８に
接するチル空隙５６を有する。鋳造過程で、熱は
溶湯から直接抽出され、チル空隙５６内のチル表
面において液体／固体界面が上昇しながら、凝固
がはじまる。熱流と鋳型及び溶湯温度と核生成位
置を適切に制御することにより、多結晶鋳造物が
形成される。そしてこれは鋳造型空隙５２のほぼ
中心線に沿つて配列された伸延状粒子を有する。

なおこの発明は実施例に限らず、この発明の範
囲内のものならば、いかなるものでもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の補綴部材の一実施例を示す
大腿部の断面図、第２図は単結晶腰部補綴部材を
作るための鋳型の一例を示す断面図、第３図は単
結晶腰部補綴部材を作るための鋳型の他の例を示
す断面図、第４図は単結晶腰部補綴部材を作るた
めの鋳型の更に異なる例を示す断面図である。 １０…補綴部材、１２…寛骨臼部、１４…幹
軸、１６…外部表面、１８…内部表面、１９…中
心線、２０…大腿部、２２…骨内腔、２４…外部
端部領域、２６…内部基部領域、３０…鋳型、３
１…種結晶、３２…鋳型空隙、３４…セラミツク
セル、３６…種空隙、３８…チル、４０…鋳型、
４２…鋳型空隙、４４…セラミツクシエル、４６
…結晶選択部、４７…成長空隙、４８…チル、５
０…鋳型、５２…鋳型空隙、５４…セラミツクシ
エル、５６…チル空隙。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 生体の骨格系の一部と取替処置に用いられる
   弾性率異方性を有する鋳造金属製補綴部材であつ
   て、金属製補綴部材の最小弾性率方向が補綴部材
   の最大応力を受ける方向となるように金属製補綴
   部材を配置して、補綴部材の湾曲時にこれと接す
   る生体の骨格系に生ずる応力を最小となるように
   した金属製補綴部材。 ２ 金属製の補綴部材が単結晶である特許請求の
   範囲第１項記載の金属製補綴部材。 ３ 金属はコバルト−クロム合金である特許請求
   の範囲第２項記載の金属製補綴部材。 ４ 結晶は立方晶である特許請求の範囲第２項記
   載の金属製補綴部材。 ５ 単結晶は、そのエツジ方位が［001］、［010］
   又は［100］方位で、この方位が補綴部材の最大
   応力方向を受ける方向となるように配置されてい
   る特許請求の範囲第４項記載の金属製補綴部材。 ６ 補綴部材は、大腿部に埋込まれる腰部補綴部
   材である特許請求の範囲第１項記載の金属製補綴
   部材。 ７ 大腿部の頭部を取替て大腿部中で埋め込み処
   理される外科用補綴部材であつて、この補綴部材
   が大腿部と寛骨臼部とからなり、上記大腿部の補
   綴部材が［001］、［010］又は［100］方向の結晶
   方位を持つ立方晶の単結晶金属からなり、この方
   位が大腿部の中心線と平行となるようにこの単結
   晶金属を配列している特許請求の範囲第１項記載
   の金属製補綴部材。 ８ 金属がコバルト−クロム合金である特許請求
   の範囲第７項記載の金属製補綴部材。 ９ 金属がASTMF75合金である特許請求の範囲
   第８項記載の金属製補綴部材。 １０ 異方性鋳造物を形成可能な溶融金属から金
   属製補綴部材を鋳造する方法であつて、上記鋳造
   物を形成する手段と、この鋳造物形成手段内にあ
   る溶融金属から熱を抽出する手段と、上記形成手
   段と熱抽出手段との間に設けられ上記鋳造物を少
   なくとも１つの結晶軸方向に志向せしめる手段と
   を具備し、 (a) 溶融金属を形成手段内に入れる工程と、 (b) 上記溶融金属から熱が主に熱抽出手段に流れ
   るように熱抽出過程を制御して異方性鋳造物を
   作る工程と、 (c) 上記鋳造物の結晶軸方向を、最大応力を受け
   る方向として、この方向の鋳造物の弾性率を小
   さなものとする金属製補綴部材の鋳造方法。 １１ 溶融金属と熱抽出部材との間に種結晶を置
   く工程を有する特許請求の範囲第１０項記載の金
   属製補綴部材の鋳造方法。 １２ 溶融金属中で形成する単結晶を選択し、こ
   の単結晶を上記結晶軸方向に配列して結晶成長さ
   せる工程を有する特許請求の範囲第１０項記載の
   金属製補綴部材の鋳造方法。 １３ 鋳造物は単結晶である特許請求の範囲第１
   ０項記載の金属製補綴部材の鋳造方法。 １４ 単結晶は立方晶金属である特許請求の範囲
   第１３項記載の金属製補綴部材の鋳造方法。 １５ 金属はコバルト−クロム合金である特許請
   求の範囲第１４項記載の金属製補綴部材の鋳造方
   法。 １６ 金属はASTMF75である特許請求の範囲第
   １５項記載の金属製補綴部材の鋳造方法。