JPH0344776B2 - - Google Patents

Description

請求の範囲 １ 人工補形物の金属表面領域を、治金学的に相
容性の一次材料粒子と消耗される二次材料粒子と
の混合物で以て、粒子間ボイド容積を含む所定の
充填容積となるように被覆し； 混合物を金属表面領域へと圧縮して混合物の寸
法厚みを予め選定した被覆厚みに、および減少し
たボイド容積を含む容積に減少させ、一方同時
に、加熱と変形圧力との組合わせの結果として一
次材料粒子の治金学的結合が生じる温度へ、混合
物と金属表面領域との温度を高め；そして、 消耗される二次材料粒子を除去して、個々の結
合一次材料粒子が連通ボイドの網状構造によつて
相互に離されている均質多孔性被膜を金属表面領
域上に提供する； 上記各段階から成る、人工補形物の予め選択し
た金属表面領域上に組織内方成長用の多孔質被膜
を形成する方法。

２ 人工補形物の金属表面領域と一次材料粒子が
各々Ti6A14V合金から構成されており、上記昇
温された温度が合金のベーター転移温度より低
い、請求の範囲第１項に記載の多孔質被膜形成方
法。

３ 人工補形物の金属表面領域を金型キヤビテイ
表面から内側の方へ隔てて人工補形物を金型キヤ
ビテイ内に置き； 金属表面領域と金型キヤビテイ表面との間の間
〓に、人工補形物の金属表面領域と治金学的に相
容性のある物質の一次材料粒子と消耗される物質
の二次材料粒子との混練混合物を、粒子間のボイ
ド容積を含む所定の充填容積となるように満た
し； 人工補形物と粒子混合物とを、個々の一次材料
粒子の間におよび一次材料粒子と一次材料粒子が
占める金属表面領域との間に治金学的結合がおこ
る温度へ加熱し； 同時に、粒子混合物を人工補形物の金属表面領
域へと昇温下において圧縮して、隣接一次材料粒
子間とこの粒子が占める金属表面領域との間の機
械的変形によつてボイド容積と粒子混合物の寸法
厚みとを減少させ、かつ一次材料粒子が受ける熱
と変形圧力との組合せの結果として一次材料粒子
の治金学的結合を行なわせ； そして、 次いで得られる被膜から消耗される物質を除去
する； 諸工程から成る、 人工補形物の予め選んだ金属表面領域上に組織
内方成長用の多孔質被膜を形成する方法。

４ 圧縮工程が被膜の厚さを10％ないし30％減少
させる、請求の範囲第３項に記載の多孔質被膜形
成方法。

５ 金属表面領域と金型キヤビテイ表面との間の
間〓を満たす工程を、一次材料粒子と二次材料粒
子との乾式混練物を前記間〓に入れることによつ
て達成する、請求の範囲第３項に記載の多孔質被
膜形成方法。

６ 金型キヤビテイ表面とこの表面から内側に離
れて置いた金属表面領域とにより定められるギヤ
ツプの長さは約0.5ないし1.5ミリメートルであ
り、そして球形の一次材料粒子と球形の二次材料
粒子の直径は0.5ミリメートル以下と小さい請求
の範囲第３項記載の多孔質被膜形成方法。

７ 圧縮工程は、球の最外層を、人工補形物予め
選んだ表面領域付近の特定の平面に沿つて均一な
深さと正確な許容度の外側表面に形成する工程を
含む請求の範囲第６項に記載の多孔質被膜形成方
法。

８ 消耗される材料を化学的方法によつて除去す
る、請求の範囲第６項に記載の多孔質被膜形成方
法。

９ 人工補形物の金属表面領域と一次材料粒子と
が各々Ti6A14V合金から構成され、上記の昇温
された温度がその合金のベーター転移温度以下で
ある。請求の範囲第６項に記載の多孔質被膜形成
方法。

１０ 人工補形物の予め選んだ金属表面領域を金
型キヤビテイ表面から内側の方へ離して、人工補
形物を自重式金型キヤビテイ内に置き； 人工補形物の金属表面領域と治金学的に相容性
である球形の一次材料粒子と消耗される物質の球
形の二次材料粒子との混練混合物を、粒子間ボイ
ド容積を含む所定の充填容積となるように、予め
選んだ金属表面領域と自重式金型キヤビテイ表面
との間の間〓に満たし； 個々の一次材料粒子間でおよび金属表面領域へ
の結合がおこる昇温温度へ、この粒子を自重式金
型キヤビテイ内で加熱し； 被覆された人工補形物を自重式金型キヤビテイ
からとり出し； 被覆された人工補形物を加圧成形装置内に置
き； 個々の球形の一次材料粒子間でおよび金属表面
領域への両者において治金学的結合がおこる温度
へ、球形粒子を加圧成型装置内で加熱し； 同時に、人工補形物の予め選んだ金属表面領域
の周りの被膜を昇温下で圧縮して、機械的変形に
よつて被膜のボイド容積と寸法的厚みを減らし、
かつ一次材料粒子が受ける熱と変形圧力との組合
せの結果として一次材料粒子の治金学的結合を行
なわせ；そして 得られた被膜から消耗される物質を除去する； 諸工程から成り立つ、 人工補形物の予め選んだ金属表面領域上に組織
内方成長用の多孔質被膜を形成する方法。

１１ 球形の一次材料粒子および球形の二次材料
粒子の混練混合物が乾式混合物であつて、これは
半熔融されて自重式金型キヤビテイ中で一次材料
粒子の最小の治金学的結合を生じさせる、請求の
範囲第１０項に記載の多孔質被膜形成方法。

１２ 固体金属基体；および 治金学的結合によつて相互にかつ基体へ結合し
た実質的に均一の寸法をもつ不規則分散状の個別
金属粒子の被膜；とから成り、 最外層粒子が圧縮変形されて、インプラント用
の適切な寸法の外部被膜表面を提供し、 個々の金属粒子の平均径よりも大きい平均径を
もつ連通ボイドの網状構造によつて金属粒子が相
互に分離されていて、基体の周りに均質な多孔性
の被膜を提供する、組織内方成長用の人工補形
物。

１３ 個別金属粒子が実質的に球形であり、基体
と粒子の両者がTi6A14V合金で構成され、基体
がアルフア相成分をもつ、請求の範囲第１２項に
記載の人工補形物。

技術的背景 本発明は、人工補形物上の予め選んだ金属表面
領域を被覆して組織の内方成長の用途に供するこ
とに関するものである。この被膜は相互に連がる
孔をもつ多孔質物質の形態であつて、その孔を貫
通して硬質あるいは軟質の生体組織が成長でき
る。

背景 1974年12月24日発行のピラーの米国特許第
3855638号は外科用人工補形物装置に開示してお
り、それは表面の少くとも一部にわたつて多孔質
被膜をもつ固体金属材料基体から成り立つてい
る。この被膜は−100から＋325メツシユの間の大
きさの金属粉末から形成される。この特許は、水
溶液中に有機粘結剤と一緒に懸濁させた金属粉末
のスラリーを使用することによる被膜の製造を開
示している。金属粉末の粒径およびこの多孔質被
膜形成の条件は、この被膜について所望の間〓空
孔、気孔率、強度および厚さを提供するように制
御される。基体および粉末はともに半熔融して関
連金属粒子間および金属粒子・基体間に治金学的
結合を達成させる。この開示は、表面被覆の気孔
率が約40％をこえず少くとも約10％であることが
肝要であることを述べている。その開示は、約40
％の気孔率において総括的機械強度は所要水準以
下に落ちることを述べている。

Kenneth R.Whecler，Kenneth R.Sumpおよ
びmanual T.Karagianesに対して1974年12月３
日認可された米国特許第3852045号は、ボイドが
連通した多孔質金属材料を開示しており、これも
組織の内方成長の目的を志向している。ボイドあ
るいは細孔は消耗可能のボイド形成剤の使用によ
つて金属材料中に生成される。その複合材料は高
エネルギー成形圧力によつて処理してこの消耗可
能はボイド形成剤の除去前にその構造体を高密度
化する。基体金属要素上の被膜の実質的厚みが開
示されている。

米国特許第3852045号において示される系から
生ずる生成物は満足な性能をもつているが、この
系の実際的反応用は所要の高エネルギー成形段階
の装置の高価さと入手性の両方からきびしく制限
をうけている。さらに、この段階は埋込み要素上
に比較的薄い多孔質被膜をつくらせようとすると
きにその有用性に疑問がある。それらの要素が受
ける高圧はそれらに対して構造的損傷をもたらす
かもしれないからである。

本発明によれば、比較的薄い多孔質金属被膜が
人工補形物上の選ばれた金属表面領域の周りに、
一次材料粒子および二次材料粒子の混合物を使用
して、その表面の周りに被膜を形成させることに
よつてつくられる。この一次材料粒子は被覆され
る金属表面と同じかあるいはそれと治金学的に相
溶性のある金属のいずれかで以てつくられる。二
次材料粒子は消耗してもよい物質でつくられてい
る。両方とも表面の周りの適切な位置において加
熱および圧縮して、使用された各一次材料粒子間
ならびに金属表面領域とそれと接触する一次材料
粒子との間において治金学的結合を行なわせる。
この消耗可能の物質はあとで除去して被膜全体に
わたつて制御された気孔率を得る。

本発明の開示 本発明の基本的方法は、人工補形物の予め選ん
だ金属表面領域を一次材料粒子および二次材料粒
子の混合物で以て被覆し、この混合物を表面に対
して圧縮し同時に熱を加えることによつてその厚
さを減らして一次材料粒子間に治金学的結合を形
成させ、そして消耗可能の二次材料粒子を除去し
て金属表面領域上に均質な多孔質被膜を提供す
る、諸段階から成り立つている。

金属表面領域の被覆方法は、予め選んだ金属表
面領域を金型キヤビテイ表面から内側へ離して人
工補形物を置くことによつて金型にまず装填する
ことにより達成できる。金属表面領域と金型キヤ
ビテイ表面との間の間〓に、骨埋込み要素の金属
表面領域と同じかあるいは治金学的に相容性のあ
る一次材料粒子と消耗可能物質からなる二次材料
粒子との混合物を、粒子間の不規則形状ボイドを
含む所定の充填容積となるように満たす。これら
の諸段階は重力式金型中で実施することができ、
あるいは加圧金型装置中で達成することもでき、
この場合には被覆の後圧縮がおこる。粒子の混合
は重量式金型あるいは圧縮金型の内部で乾式条件
で行なうことができ、あるいはまず液状粘結剤と
混合して均質状態に維持することを助けることが
できる。粘結剤を含有する粒子の混合はまたその
他の適当なコーテイング方法によつて行なうこと
もできる。

金属表面の被覆と粒子の最終的結合との間に時
間的遅れがおこる場合には、粒子混合物は一次材
料粒子間の軽度の焼結結合によつてはじめに表面
へ付着することができ、あるいは粘結剤をもし使
用するときにはそれの硬化あるいは乾燥によつて
表面へ付着することができる。

これらの粒子を次に加圧下で、治金学的結合が
熱、圧力、および機械的変形の組合せに基づいて
粒子間でおこる昇温された温度へ加熱する。この
被膜を昇温下におきながら人工補形物に対して圧
縮して被膜の厚みを減らせる、そして被膜中に残
留している不規則形状ボイドの容積率を減少させ
る。

最終段階として、消耗可能の材料をこの被膜か
ら除去し、そのときこの被膜は金型と相補的な表
面形態をもつ。被膜全体にわたる制御された気孔
率は一次材料粒子と二次材料粒子との間の間〓空
間と消耗可能な二次材料粒子の除去後に残るボイ
ドとの組合せから生ずる。

本発明の人工補形物は、固体金属基体と不規則
分散金属粒子の被膜とを含む。粒子は実質的に均
一な寸法であり、治金学的結合によつて相互にか
つ基体へ結合している。最外部粒子は圧縮変形し
ており埋込み用途の寸法を示す。金属被膜粒子は
金属粒子の平均寸法より大きい寸法をもつ相互連
通ボイドの網状構造によつて隔てられて基体の周
りに均質な多孔性被膜を提供する。

この方法の目的は治金学的結合によつて結合し
た個々の粒子から成る多孔質被膜の中に制御され
た細孔径と形態を達成することである。

もう一つの目的は40％をこえる気孔率をこの被
膜中に提供し、一方、機械的圧縮と制御された条
件下での熱の付与との組合わせによつて粒子自身
間および粒子・基体間に治金学的結合をうまく達
成させて、人工補形物が埋込みの応用において実
際的用途に適切な強度をもつ被膜によつて蔽われ
るようにすることである。

もう一つの目的は、最小の温度上昇で以て埋込
み面をうまく被覆しそれによつて基体の治金学的
構造と性質を被覆過程を通じて保持するよう、粒
子の機械的変形を行なわせる大きさの圧力と粒子
の熱的結合とを組合せることである。

本発明のもう一つの目的は、人工補形物の金属
表面上に実用的な薄い多孔質被膜をつくらせて、
表面の周りでしばしば要求される複合体表面形態
を保持するようにすることである。

もう一つの目的は、組織の内方成長という要請
条件に適する被覆構造体設計を可能とするよう、
最終的な密度および気孔率を制御する効果的な方
法を提供することである。

もう一つの目的は、被覆面をさらに機械仕上げ
することなく精密な外部許容度の達成を保証する
ように圧縮成型法によつて被覆埋込み表面をつく
ることである。

最後に、本発明の一つの目的は利用できる技
術、装置および原材料の使用による実際的方法と
製品を開発することである。

図面の説明 第１図は多孔性被膜の表面をもつ埋込み要素の
透視図であり；第２図は実施例１における線２−
２に実質的に沿つてとつた部分的横断図の拡大図
であり；第３図は本発明の方法の各工程を描く解
説的フロー線図であり；第４図は消耗可能な物質
を除去したあとの外部被覆面を示す平面写真であ
り；第５図は第４図における被膜と基体を通る断
面切片の拡大（50倍）側面図であり；第６図はこ
の被膜と基体の粒状構造を溶融したあと第５図の
中心でとつた拡大側面図であり；第７図は基体表
面の結合を示すさらに拡大した（250×）図であ
り；第８図は被膜の金型成形を示す模型的断面図
であり；第９図は開放圧縮金型の部分的模型断面
図であり；第１０図は密閉金型について同じ図で
ある。

本発明実施のめたの最良方式 第１図および第２図は一般的には腰部人工補形
物１０の既知形態を描いている。この人工補形物
１０は、腰関節の外科的修復において用いられる
比較的普通の骨埋込物であるが、支持用骨構造体
内部で軸的に挿入することを意図している長くの
びた柄１１を含んでいる。それは９において一般
的に示すボール構造がかぶつている。このような
人工補形物の大ていの外科的とりつけにおいて
は、柄１１は骨セメントによつて骨構造体へ固定
される。

第１図および第２図に示すように、柄１１の外
面は内部の固体金属基体１３をとりかこむ多孔質
金属被膜によつて蔽われている。被膜１２は基体
１３へ結合されており、相互に連がる細孔を含
み、これらを通つて軟質および硬質の生体組織が
補形物１０の埋込後に成長する。

本発明の方法は被覆を施こすべき予め選んで金
属表面領域の清浄化と機械加工によつて始まる。
さらに、被覆において用いるべき粒子は緊密に混
合されていて、表面領域に適合しあるいはそれと
相容性である金属材料から成る一次材料粒子と消
耗可能な物質から成る二次材料粒子との比較的緊
密な混合物をつくらねばならない。両方の物質の
粒子が同じ寸法をもつことは好ましいが、ただし
必要ではない。このことは最終的被膜全体にわた
つて実質的に一定の気孔率をもたらす。それはま
た、各粒子とそれをとりかこむ粒子との間に最大
数の接触点を生ずることも保証する。一次材料粒
子および二次材料粒子は35メツシユ（500ミクロ
ン）と80メツシユ（177ミクロン）の限界内の比
較的狭い粒径範囲に制約されるべきであり、例え
ば−60＋70メツシユ（210ないし250ミクロン）で
ある。これらの粒子径は500ないし1000ミクロン
の厚さの多孔質被膜の発現において実際的応用を
もち、その厚さはそのときでは３個から６個の球
直径の厚さである。明らかに、さらに厚い被膜は
所望するときにつくることができる。

実質的に球形の粒子を使用することは本発明実
施において好ましいことが見出されているが、不
規則形状粒子もまた一次材料粒子および二次材料
粒子として、それらの粒径分布が一般的に上記限
界内にあるかぎりは使用できることも考えてい
る。

粒子の乾式混合を用いるときには、被覆される
べき人工補形物１０は重力半熔融金型１５の中の
精密金型キヤビテイ内に次に置く。被覆を施こす
べき予め選んだ金属表面領域は金型キヤビテイ面
１４から内側へ間隔をとらねばならない。表面間
の間隔は最終的被膜の所望の厚さと下記でのべる
あとの工程に付随する被膜圧縮量とに依存する。

第３図での矢印によつて示すように、一次材料
粒子と二次材料粒子の混合物は固定金型キヤビテ
イと人工補形物との間の間〓の中に供給する。金
型１５は次に１７で一般的に示す炉の中で加熱さ
れる。炉１７は好ましくは真空炉である。なぜな
らば、加熱工程中の真空圧は金属合金の酸化を防
止するからである。酸化または適切な不活性雰囲
気中で金型を加熱することによつて最小化あるい
は防止できる。人工補形物をとりかこむ粒子の温
度は隣接粒子間の最小の治金学的結合ならびに基
体領域への粒子の結合が達成される水準へ上げる
べきである。その温度は何らかの不利益な反応が
消耗可能な相とともにおこる温度以下に保つべき
である。銅または鉄を消耗可能相として
Ti6A14V合金（アルミニウム６％、バナジウム
４％、残りはチタン）からつくつた人工補形物表
面と球表面の場合には、結合温度はこの合金のベ
ーター転移温度（例えば、970℃）以下に保つべ
きである。

第３図の数字１８で示すように、人工補形物１
０は次にその周りに形成した自重式焼結粒子の被
膜をもつ「プレホーム」として自重式焼結金型か
らとり出すことができる。消耗可能性相の材料を
製造のこの段階において除去する場合には、残留
する粒子によつて提供される得られる多孔質被膜
は外科用埋込みの目的に対しては不適切な強度を
もつ。

適切な強度的性質を保証するには、圧力成型に
よつて金属粒子間に変形圧力を加える。これは、
製造される骨埋込み要素上に再現性のよい被膜を
達成させる制御条件下において複雑な表面領域を
正確に変形させ得る任意の圧力成型装置の使用に
よつて達成できる。等方性熱圧縮装置を使つてよ
いが、第３図に示す特定例は被膜表面領域の圧縮
用に２個あるいは２個以上の分割部品をもつ機械
的ダイの使用を示している。

プレホーム１８または被覆人工補形物は、被覆
されるべき人工補形物の予め選んだ金属表面領域
の上にダイのキヤビテイ表面を重ねて、圧縮ダイ
の相補性のかみ合い部２０の内部に置く。このダ
イかみ合い部２０と人工補形物を次に炉２１の中
で加熱する。炉２１はこの場合も、真空炉である
かあるいは不活性ガスを供給した炉のいずれかで
あり、金属合金の酸化を最小にするか防止する。
人工補形物をとりかこむ球状粒子の温度はこの場
合も、隣接一次材料粒子間および一次材料粒子と
その下の固体金属基体との間のいくらかの治金学
的結合がおこる温度へ上げねばならない。人工補
形物は同時に矢印２２で示すようにかみ合い部２
０の運動によつて表面が圧縮される。この圧縮段
階は代表的には人工補形物の周りの被膜の容積を
10％から30％減少させるべきである。このことは
結局は粒子混合物の厚さを所望の最終的被膜の厚
さへ減少させる。この方法は圧縮ダイから人工補
形物をとり出すことによつて完了する。人工補形
物はその周りに形成された所望の金属と消耗可能
材料との圧縮被膜をもつ。人工補形物のこの状態
は第３図の２３で示されている。実質的な治金学
的結合はここでは一次材料粒子の間に存在し、所
望のマトリツクス金属球の間および人工補形物自
体の予め選んだ金属表面領域とそれと関係する粒
子との間の両方においてある程度の表面変形が存
在する。

多孔質被膜の製造は２４で示す液体浴中で消耗
可能性相を化学的に除去することによつて完了す
る。その結果は第３図において２５で示す人工補
形物であり、これは予め選んだ金属表面領域の周
りに堅固に形成した正確に制御された多孔質被膜
２６をもつ。このような被膜は外科的埋込後に骨
の内方成長を可能とするものである。

この方法において使用する材料は人工補形物の
材料と相容性があり、（悪影響なしに治金学的に
結合し得る）かつ被膜形成中の加工必要条件に両
立し得るように選ばねばならない。一次材料粒子
は通常は人工補形物上に被覆されるべき予め選ん
だ金属表面領域の金属材料に適合するように選ば
れる。しかし、好適な結合相容性をもつその他の
材料は、これはまた生物学的に許容できるもので
あるが、ある場合には使用してよい。

消耗可能な粒子は通常は金属質であることは認
められる。この目的に対して好適である材料の例
は銅、鉄、鋼、あるいはモリブデンの粒子であ
る。被膜の生成が完了後容易に除去し得る金属お
よび合金を使用せねばならない。人工補形物およ
び一次材料粒子に関する低温の共融反応は避ける
べきである。

一次材料粒子間でおこる機械的変形圧力は圧縮
が存在しないときに必要とする温度よりも実質的
に低い温度において治金学的結合の発現を早め
る。一次材料粒子の圧縮変形は最終的被膜の強度
性質に関して第一義的に重要であるが、機械的変
形はまた消耗可能粒子中および基体表面において
もおこり得ることは理解されるはずである。

本発明の方法の著しい利点は通常の自重式焼結
と比較して比較的低温度において有効な多孔質被
膜をつくる能力である。これは粒子および基体の
機械的圧縮変形と熱的変形の両者の組合せによつ
て合理的短時間内で達成されて治金学的結合が得
られる。低い焼結温度の使用は昇温あるいはより
高い温度によつて治金学的に変性される基体へ被
膜を結合させるときに特に重要である。

チタン合金（Ti6A14V）からつくられる表面
を被覆するための粒子の実際的混合物の例とし
て、自重式焼結段階における材料の混合物は45容
積％のTi6A14V球状粒子20容積％の消耗可能球
状粒子とから成り立つ。人工補形物と周りの金型
キヤビテイとの間の残留空間は球の間のボイド空
間である。これらのボイドは被膜容積の35％に等
しい。この被覆物を詰め、加熱し、圧縮したのち
においては、Ti6A14V球の容積パーセントは50
％であり、消耗可能球の容積パーセントは22.2％
であり、ボイド容積は27.8％へ減少する。得られ
る被膜から消耗可能材料を除去すると約50％密度
の最終的多孔質被膜を生成する。これは被膜全体
に形成される連通細孔が全被膜容積の50％を占め
るという意味である。

消耗可能球状粒子に関して一次材料粒子の寸法
および／またはパーセントを変えることは、人工
補形物上に得られる被膜の構造と密度を選ぶ製造
制御として利用できる。

被膜製造用出発物質としては球状粒子が好まし
く、しかし、球状粒子の形状は本発明の実施に対
して肝要ではない。所要金属材料の球状粉末は精
密に規定された粒径範囲において容易に入手でき
る。それらはまた取扱が容易であり、費用と粉塵
発生を最小にして詰めることができる。一次材料
粒子および消耗可能二次材料粒子の両者に同じ直
径の球を使用することによつて、隣接粒子間で期
待できる接触点の理論数を最大にすることができ
る。このことは最終被膜中で一次材料粒子の結合
をより大きくしかつ強度を改善することにつなが
る。しかし、一次材料粒子または消耗可能二次材
料粒子のどちらかについて非球状の粒状粉末が、
入手できれば、利用できる。

最終被膜中のボイドは消耗可能材料粒子によつ
てはじめに占有された空間（球形ボイド）と両材
料の隣接粒子の間の空間（不規則形状ボイド）と
の両者に基因する。球形ボイドの数と寸法は消耗
可能粒子の数と寸法によつて決まり、これは被膜
の圧縮中も本質的に変化しないままである。不規
則形状ボイドの容積％は圧縮中に減少し、それは
主として一次材料粒子の相互に対する変形、消耗
可能材料粒子に対する変形、基体表面に対する変
形、およびダイ外面に対する変形、に基づく。

本発明の方法は粒子の被覆用混合物中のボイド
容積を減少させるが、しかしそれを除くものでは
ない。ボイド容積は全部が空であるかあるいは一
部あるいは全部を粘結剤または他の液体によつて
満たすことができる。ボイド容積の維持は、一次
材料粒子が変形後も個別粒子として残留すること
ができ、かつ二次材料粒子の変形が隣接一次材料
粒子間の接触の領域の中に流入しないでそれらの
間に形成されつつある所望の治金学的結合を乱す
ことがないものであることを保証する。

球形ボイドは、不規則形状ボイドと終局的には
複合されるが、組織内方成長にとつて重要であ
る。これらボイドは得られる被膜が個別一次粒子
間の連通したより大きい不規則ボイドを含むこと
を保証する。これらボイドは、一次材料粒子およ
び二次材料粒子が本質的に同等の寸法をもつと仮
定して、粒子の平均径より大きい平均粒径をも
つ。このようなボイドの間の連通は生体組織用の
有効通路を提供する。

不規則形状ボイドは消耗可能粒子の除去前に被
膜中にボイドの連続網状構造を保証する。これ
は、溶蝕、熱の付与、あるいはその他の適当な方
法のいずれかにより、ボイド網状構造を通して消
耗可能粒子の除去を可能とする。一般には、少く
とも５％のボイド容積が、消耗可能粒子の完全除
去を保証するのに圧縮被膜中で必要とされる。

この被膜のもう一つの重要な特色は、その外側
表面が被膜をその中で圧縮する外部ダイ表面に対
して機械的に変形されるという事実である。圧縮
の限度を規定する固定停止装置に対して圧しつけ
る圧縮ダイを利用することにより、骨の人工補形
物の応用および類似用途において要求される外部
寸法許容度をもつ被膜要素を正確に製造すること
ができる。圧縮された外側被膜表面は表面の機械
作業後に存在するかもしれないバリ、粗い縁、お
よび粒子残りくずを含まない。

一般的には、約50％の密度（固体容積50％、ボ
イド容積50％）をもつ被膜が組織内方成長の応用
に望ましい。高密度化のパーセントは一つの要素
上の各種の面の間で、それらの相対的配向および
相補性ダイの開口部設計に依存して変り得る。説
明のために、第８〜１０図は模型的に、割ダイ３
２，３３によつて圧力が適用される方向（矢印３
１）に対して垂直な垂直面３０によつて規定され
る柄１１の断面において、圧縮成型を示してい
る。垂直面３０は柄１１の縁に沿つて、垂直に関
して60゜の角度で配置された斜め面３５と連がる。
以下の説明は圧縮の効果を示している。それは垂
直面の間の中途でかつそれらに平行な継ぎ目３４
をもつ割りダイ３２，３３の使用を仮定し、閉じ
たときにすべての面上に被膜の圧縮された一定の
厚さをつくり出すように寸法どりがなされてい
る。

垂直面３０の周りのはじめの被覆の厚さＢは
0.0533インチ（1.35mm）である。圧縮すると、最
終被膜の厚さＤは0.040インチ（1.02mm）である。
斜めの面３５の周りの相当するはじめの被膜の厚
さＡはこのダイの形態において同じ最終的被膜の
厚さＤを達成するには0.0467インチ（1.186mm）
であるべきである。ダイの間〓Ｃは0.0267インチ
（0.68mm）である。垂直面３０の上の被覆材料は
25％だけ圧縮され、斜め面３５上の被覆材料は
14.3％だけ圧縮される。

すべての面を被覆する球状粒子のはじめの混合
物は容積で、一次金属（Ti6A14V）40％、消耗
可能金属20％（鉄）、およびボイド40％である。
0.040インチ（1.02ミリメートル）の被膜厚みを
規定する停止装置へ圧縮したのちは、垂直面にお
ける被覆ははじめの容積を基準にして40％の一次
金属、20％の鉄、および15％のボイドから成り立
つ。消耗可能金属の除去後、垂直面および斜め面
の上の被膜の一次金属含有物の容積は全被膜容積
のそれぞれ53.5％および46.7％である。

表の形で、このような高密度化は次のように説
明できる。

【表】 金型あるいはダイのキヤビテイのはじめの充填
においては、粒子は機械的変形をおこすことなく
実質的にその容積を満たすように、密に充填せね
ばならない。このことは混合物中の一次および消
耗可能両粒子の各粒子による粒子接触のより大き
い数値を保証する。圧縮後、被膜の容積は一次材
料粒子変形の直接的結果としての隣接粒子間のボ
イド容積の部分的排除によつて実質的に減少す
る。被膜を固定停止装置まで圧縮することによ
り、過剰圧力を使用でき、被膜の厚さおよび表面
の正確な制御が保証される。

自重式焼結は予め選んだ金属表面領域にその被
膜を終局的に圧縮するのに用いる圧縮ダイの中で
行えることは認められるはずである。継ぎ目のな
い金型の中でプレスホームをつくることが便利で
あるが、プレスホームを別につくることは本開示
方法にとつて本質的なものではない。

別の金型の中かあるいは圧縮ダイの中かのいず
れかにおける自重式焼結に代るものとして、この
段階は粒子の初期混合物中に粘結剤を使用するこ
とによつて完全に除くことができる。粘結剤を使
用することによつて得られる一つの重要な利点
は、二つの異なるタイプの粒子を粘結剤で以て均
質に混合することができ、そしてそれらが金型あ
るいはダイのキヤビテイ中に入れられるときに偏
析を実質的におこさないという事実である。この
ような偏析は粒子が乾燥しているときに避けねば
ならず、混合粒子の貯蔵および取扱をより困難な
ものにする。

粘結剤は水ベースであることが好ましく、ほぼ
350〜500゜F（180〜270℃）へ加熱して水分を除去
して粒子を一緒に結合させる一つの残留層を残す
ことができる。この残留物質は次に被覆物用に選
んだ焼結温度より低い温度において揮発させねば
ならない。

これまでに試験された粘結剤物質にはゴム粉
末、ポリビニルピロリドン、ヒドロキシルプロピ
ルセルロース、ポリエチレングリコール、および
ポリビニルアルコールがある。これらは水200c.c.
中で0.5ｇと0.8ｇの間の濃度において使用する。
他の有機質粘結剤は粒子の混合および取扱の際に
使用するよう選ぶことができ、そして粘結剤が粒
子に対して不活性であるかぎり、水以外の溶剤と
混合することができる。

粒子混合物へ添加する粘結剤の量はそれらの表
面を蔽いかつ取扱中および基体上添加中に偏析を
妨げるのに十分なものでさえあればよい。容積の
特定的関係は必要ではない。

粘結剤の使用は圧縮または焼結を伴わずに生の
圧縮されていない被膜をつくらせる。この粘結剤
の硬化または乾燥後、粒子は人工補形物へ付着
し、被覆された要素は製造技術が必要とする通り
に貯蔵または取扱うことができる。粘結剤はまた
均質混合した粒子を圧縮ダイ中に直接に導入する
ことを助け、基体表面と外側ダイ表面を隔てる精
密に制限された領域の周りに一次粒子と消耗可能
粒子との均一分布を保証する。

金型キヤビテイおよびダイは被覆表面の仕上げ
加工の必要性を避けるよう十分な精度で以てつく
られることも好ましい。しかし、機械加工が必要
な場合には消耗可能相除去前にそれらを達成する
のが普通である。

消耗可能相除去の例として、上記の例において
論じた消耗可能材料は適当な酸の浴の中に浸漬す
ることによつて化学的に除去できる。仕上がり生
成物はその後低温で真空脱気を行ない汚染物の除
去を保証しかつさらに治金学的結合を促進する。

実施例 １ 本発明の方法の特定の試験において、チタン合
金（TiA16V）の円板を同じ合金の微球の多孔質
被膜で以て被覆した。この被膜は厚さは約1.25mm
であつた。一次微細球は−40と＋80メツシユ
（177〜420ミクロン）の間であつた。消耗可能の
銅微細球は同じ寸法範囲のものである。半熔融し
たプレホームは使用しなかつた。複合体被膜をア
ルゴン雰囲気中で850℃および2000psi（140Kg／
cm²）においてホツトプレスすることによつてつく
つた。銅微細球を稀硝酸中で除去した。被膜の密
度は被膜全体の理論容積の容積で48％であつた。
試料の得られた金属組織はチタン合金微細球の間
の結合およびチタン合金円板への結合の明らかな
証拠を示した。

実施例 ２ 微細球の自重式焼結がその後のホツトプレス用
に好適なプレホームを形成することを示すよう設
計した別の実験において、チタン合金
（Ti6A14V）の微細球を酸化アルミニウム坩堝中
でチタン合金（Ti6A14V）棒の周りに重力式焼
結させた、得られた部分はプレホームとして役立
つ十分な強度を被覆中に示した。この試料につい
てさらに加工することは実施しなかつた。

実施例 ３ 第１図および第２図に示す一般的に示す腰部埋
込みに代表的に使用する基体材料を被覆を示す試
験を実施した。これは厚さが0.078インチ（1.98
mm）の円形のTi6A14V合金から成りたつている。
それはアルフア構造分を有していた。

被覆用一次粒子として使用したチタニウム合金
（Ti6A14V）球は−60＋70メツシユ球であつた。
同じ寸法範囲の鉄球はC1018鉄でできており、重
量で0.20％の酸素、0.84％のマンガンを含み、残
りが鉄であつた。

水中のセルロースゴム粘結剤（３ｇ／200ml）
と同じ濃度のポリビニルアルコールとを別々にチ
タン粒子および鉄粒子と混合し、ホツトプレスダ
イ中でチタン円板の両面に置いた。まず900℃で
1000psi（70Kg／cm²）の圧力において約１時間ホツ
トプレスしたが、しかしこの圧力はダイを完全に
閉じるには不適切であつた。集合体を次に900℃
で2000psi（140Kg／cm²）の圧力においてさらにほ
ぼ１時間ホツトプレスした。予定の停止位置への
ダイの完全な移動が達成されて、この被膜の所望
の高密度化が行なわれた。

このチタン合金円板はそれへ結合した球状粒子
の少くとも二つの良好を層をもつていた。円板を
切断し、半分の稀硝酸中に置いて鉄球を除いた。
被膜サンドイツチ全体の厚さは0.167インチ
（4.24mm）であつた。評価は主として金属組織学
的に実施した。第４図は消耗可能の鉄球を除去し
たあとの一つの被膜表面の上面図である。明るい
色の残留した個別粒子の良好な分布が明らかであ
る。

第５図は基体の切断面あるいは縁端に沿つた拡
大側面図を示す。第５図において示される結合球
状粒子（明るい色の円）のいくらかはそれらの中
心を貫通して切断されていないために小さい直径
をもつている。接触している個々の粒子間で形成
された変形と比較的幅広い圧縮された結合はそれ
らの粒子が一つの連結球格子を形成しているので
明らかである。この場合において第５図の下方部
分を横切つて示される基体に対する球境界層の形
成は実質的である。基体変形もまた鉄球除去後に
残留しているひつ込みあるいはくぼみが明白であ
る。第５図の上面を横切る球の最外層の平坦な圧
縮は規定した平面に沿つて均一な深さと正確な許
容度をもつ外側表面を形成する際のダイ表面の圧
縮効果を示している。

第５図は結合粒子間の所望の連通ボイド（暗色
領域）を写実的に描いている。これらは、隣接チ
タン球間に残る不規則ボイド間〓にあるいはボイ
ド容積と、鉄球のはじめの位置とその周りに位置
する不規則ボイドとを合わせたより大きい間〓と
の、累積であると見ることができる。この結果
は、被膜中の金属粒子が、ダイに導入した球のは
じめの混合物中の個々の金属粒子または球の平均
径より大きい平均径をもつ連通ボイドの網状構造
によつて相互に分離されているということである
ことが容易に見られる。

第６図は表面溶蝕後において第５図の中央部分
をさらに拡大したものである。くぼんだ表面に沿
つた粒子の粒構造と粒子・基体間の結合が示され
ている。治金学的結合は第７図においてさらに明
白である。

第４〜７図に示される球と基体は各々同じ合金
であるが、第６図と第７図はそれらの異なる粒状
構造を描いている。基体は球の結合が基体のベー
ター転移以上に温度を上げずにおこつているので
アルフア加工の構造のままであつた。このことは
Ti6A14V合金でつくつた人工補形物へ応用する
ときに本発明の一つの重要な側面である。このこ
とは自重式焼結によりこの合金の類似結合を得る
のに代表的に要する高温を使わずに薄い被覆の治
金学的結合をうまく達成する。この方法は治金学
的結合に必要とする熱エネルギーの一部を置きか
えるよう、球変形時の機械的エネルギーをうまく
代用するものであることが示された。このことは
被膜を基体物質の性質を変えることのない低温に
おいて行なわせるものである。

被覆された埋込み体は第５，６および７図にお
いて描くように被覆材料の拡大図から独特な意味
で認識し得る。この被覆は、代表的には３層から
６層の厚さであつて、実質的に均一な粒径をもつ
不規則分散の個別金属粒子を含んでいる。それら
は明らかに、治金学的結合によつて相互にかつ基
体へ結合している。粒子の最外層は圧縮的に変形
されて埋込み目的用に適切な寸法の外表面を提示
する。被膜中の粒子は個別金属粒子の平均径より
大きい平均径をもつ連通ボイドの網状構造によつ
て隔てられている。その連通ボイドをとりかこむ
粒子の表面領域はくぼんでいる。

規定に従つて、本発明は構造的特徴に関して多
少とも特定的な言語で説明した。しかし、本発明
は示した特定的特色に限定されるものでないこと
は理解されるはずである。ここでのべた手段およ
び構成は本発明を有効に実施する一つの好ましい
形態から成り立つものであるからである。それゆ
え本発明は、その形態または変形のすべてにおい
て、等価原則に従つて適切に解釈された付属請求
の範囲の適切範囲内で、請求されるものである。