JPH04144555A - 補てっ器具 - Google Patents

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】 この発明は、補てつ器具に関１２、さらに詳しくは、１
つの態様として、整形外科の移植物に必ｆなような荷重
支持表面を有する金属移植物に間する。かような補てつ
器具の部分は、高速度で摩耗（，２易い面と当接１．て
いるが、例えば超高分子散ボリエヂレンのような柔らか
な材料で製造さイすることが多い投口陥凹部の対向支持
面と係合する、股関節心棒の大腿骨頭の補てつ器具があ
る。

他の態様において、この発明は、金嘱イオンの放出と移
植物の腐食を防止するために金属ｔ［てっ器具と身体組
織との間に、バリアか必要１；場合の、整形用移植物の
非荷重支持面に関する。

整形用移植物の材料は、組織との適合性のみならず高強
度と耐蝕性をあわせもっていな＋：Ｉればならない。移
植物はを者の全生涯にわたって機能する、―とか望ま（
２いので、使用者か比較的若年の場合は特に、移植物の
寿命が長いことが、最ら重父である。ある種の金属合金
は、必要な機械的強度と生体適合性をもっているので、
補てつ器具の成形加工に使用するのに理想的である。３
１６１．ステラ１ノス馴、クロム−コバルト−モリブデ
ン合金、およびごく最近のチタン合金は、荷重支持捕て
つ器具の成形加工１．τ最適なの材料であることが証明
されている。

股関節移植物のような荷重支持移植物の長寿命に影響を
与える変数の１つは、接合面の摩耗速度と、金属イオン
放出の長期間の影響である。代表的な股関節補てつ器具
は、心棒、大腿骨頭部および大腿骨頭部が接合する投口
陥凹部を備えている。

接合面のいずれかまたは両方が摩耗すると摩耗微粒子の
量が増大し、かつ大腿骨頭部と、これが接合している陥
凹部との間の“遊び”が増大する。

摩耗破片は、骨吸収に至る組織の副作用の原因になり、
結局関節を取り替えなければならない。

投口陥凹部と大腿骨頭部の面の摩耗速度は、いくつかの
要因に依存しているが、この要因としては、相対硬度、
大腿骨頭部と投口陥凹部を構成する材料の表面仕上げ、
陥凹部と骨頭部の材料間の摩擦係数、負荷される荷重、
および接合面に発生する応力がある。股関節移植物の成
形加工に現在使用されている最も普通の材料の組み合わ
せは、大腿骨頭部がコバルト合金もしくはチタン合金製
で、これが接合する投口陥凹部が例えば超高分子量ポリ
エチレン（ＵＨＭＷＰＥ）などのような有機ポリマーも
しくはかようなポリマーの複合体でライニングされてい
る場合と、大腿骨頭部が磨き仕上げのアルミナ製で、こ
れが接合する投口陥凹部が、有機ポリマーもしくは複合
体でライニングされているかまたは磨き仕上げのアルミ
ナ製の場合である。

通常の股関節移植物の摩耗速度に影響する要因のうちで
最も重要なのは、患者の体重と活動のレベルである。さ
らに、移植物か例えば歩行の場合のように普通に使用さ
れる際の摩擦で発生する熱によって、前記のポリエチレ
ンの陥凹部のクリープと摩耗が促進されることが判明し
ている。さらに陥凹部に負荷されるトルクを移動させる
摩擦モーメントと、大腿骨頭部とこれが接合する投口陥
凹部の面との摩耗係数との間に相関関係がある。

陥凹部のトルクは陥凹部のゆるみと関連がある。

従って、一般に発生するトルクのレベルが高い程、陥凹
部にゆるみが生じる傾向が増大する。セラミックの支持
面は、発生する摩擦トルクのレベルが非常に小さいこと
が分かっている。

上記の、通常用いられる３つの股関節系のうち２つが、
投口陥凹部の内側のＵＨＭＷＰＥライナーに接合する金
属製の大腿骨頭部を備えていることに注目すべきである
。ＵＨＭＷＰＥは高分子物質であるが、加熱されると、
通常用いられる金属合金もしくはセラミックよりもクリ
ープしやすく、その結果通常用いられる合金もしくはセ
ラミックよりも摩耗しやすい。

また、金属製の浦てつ器具が、身体内で全く不活性であ
るとは必ずしもいえないことが分かっている。金属と体
液との化学的相互作用は、移植物材料と、生物学的宿主
の環境の両者に望ましくない影響を与える。金属は徐々
に腐蝕して、金属イオンの形態の腐蝕生成物が身体内に
放出される。

これらのプロセスの速度は通常、金属表面上に不動態の
酸化物もしくはオキシ水酸化物の層が存在するために、
補てつ器具の性能を損なわないよう充分に低い。しかし
、例えばＵＨＭＷＰＥに対する接合中に、上記保護層が
部分的にまたは全体が除去されることによって、不動態
の機械的な破壊が起こると、腐蝕工程が著しく促進され
、そのため金属イオンの放出が増大することは全く無視
することはできない。

さらに、第三者の身体の摩耗物が存在すると（セメント
質もしくは骨の破片）、この工程を加速し、腐蝕した金
属の小さな粒子が摩擦を増大することがある。結局投口
陥凹部内のＵＨＭＷＰＥライナーが（これに対して大腿
骨頭部が接合している）クリープ、摩耗およびトルクの
レベルが加速される。

米国特許第４．１４５，７６４号で、金属製補てつ器具
は、優れた機械的強度を有するが、体内ではイオン化に
よって腐蝕する傾向があるということが認められている
。セラミックと骨組織間の親和性も認められたがセラミ
ックの補てっ器具は耐衝撃性が弱いということが分かっ
た。それ故に金属製補てつ器具に接着剤をプラズマ溶射
し、次いで多孔質のセラミックコーティングで被覆して
、その孔の中に骨片を内方増殖させることが提案されて
いる。この組み合わ）ｌ゛は、金属の匿緘的強度とＪ、
′！ニラミックの生体適合性の両者゛を！ｊえるといわ
相、ている。

米国特許法４．１４５．７６４号は、整形用移植物の支
持面の摩ｊ東もシ、＜は摩耗の問題点を扱っておらず、
金属製箔てつ器具の生体適合性の単一の問題点にのみ限
定し、ている。またこの特許は、コーティングをほどこ
した場合におこる寸法の変化の問題、まノーはこ刺らの
寸法変化の、接合凹節補てつ器具の表面間の嵌合の１．
まりかげんに対ケる影Ｐを扱−〕でいノズかった。

さらに、金属基体へセラミックのコーティングをはとこ
すと、不均一で接着が不良のコーティングになるごどが
多く、セラミック２：その下の金属基体間の４６膨張性
に差があるｊ−め亀裂が生１．：る傾向がある。さらに
かようなコーティングは比較的厚く（５０〜３００ミク
ロン）、金属とセラミックコーティング間の結合は、弱
いことが多いので、かじり現象ら！、＜はセラミ・・Ｉ
り：コーティングの分離がおこる危険性が’）Ｋ’　＋
、：ある。

米国特許法３，６７７．７９５舅は、金属梨補てつ器具
トにカーバイドのコーティングをほどこすことに関する
ものである。カーバイドのコーティングを形成Ａ”るこ
の方法では、補てつ器具を、プロＪ仁ノもしくはブタン
のような炭化水素の気体が流れる反応ブーヤンバ・−白
で少なくとも約１３５０℃の、俣度に加熱′ｉ４−る必
要がＸ）る。、−の方法によって、“身体組織との適合
性に優れかつ非トロンボゲン形成性”の補てつ器具が製
造されるといわれている。しか１７、整形用移植物の支
持面の摩擦、加熱、クリープおよび摩耗、またはこのよ
うな高温処理による下側の金属の機械特性に誘発される
変化の問題は扱われていない。

米国特許法３，６４３，６５８号（人移植物の腐蝕と摩
耗を防止するために、酸化チタン、窒化物、カーバイド
Ｊ、メ、−，はカーボニトリド（Ｃａｒｂｏｎｉｔｒｉ
ｄｅ）でコトされたチタン移植物に関するものである。

、−れらのコーティングも、チタン移植物を腐蝕摩耗か
ら保護するといわれている。このコーティングは、厚み
が０．０８２ミクロンから約０，１５ミクロソまで変化
する。これらの教示にもかかわらず、酸化チタンのコー
ティングは、それほどうまく接着しておらすまｆ−緻密
で接着性ではなく、身体内への金属イオンの放出を防止
する保護コーティングとして有効ではない。酸化チタン
は室温で、チタンとグ゛タン合金」−に自然に生成する
。この酸化物のフィルムは薄いので（０，５７ｎｍ）　
、肉眼で透明に見える程であり、コバルト合金とステノ
ミノス刺中のクロム含むによって主と１７で生成されろ
保護的な不動態酸化物層に類似ｌ、５ている。外野条件
下も！２くは硝酸不動ｐ化条件下（金属製の整形用移植
物に対ｌ−で一般に用いられる）での二の種の自然の不
メツｊ軛酸化物層の構成物は、周囲の物質の柔らかな高
分子物質に対する動作や接妙によって容易に摩耗する。

、：れらの条件下で、金属イオンが環境？、二放出ざわ
る。チタンとチタン合金の場合、無定形の一酸化チタン
（Ｔ　ｉｏ　）が室温で、少免のＴｉ５Ｏｉとともに生
成する。この酸化物は、塩水の理境中で容易に妨害さ、
ｆｌ、中間体の酸化物３ＴｉＲＯ２・４ＴｉＯ６の再不
動態化が起こる。高＠酸化物ＴｉＯｇ（アナターゼ）と
ＴＬＯの形成は占い酸化温度で起こる。しかし腐蝕条件
下で（ポリエチレンに、および上板中の骨ねじなどの場
合のように特に金ｒに対Ｉ２て当接１〜ている隣の骨に
よる）、正常に不動態化され高温（３５０℃）で表面を
アノード処理をされた酸化チタンのフィルムは、いずれ
に１．でも、酸化物の割れと、こイ１に続く金属へ体の
腐蝕の防ｐ■ｌは殆どなされなかった。高電流密度Ｌ−
Ｊ：ろアノード処理を行って比較的厚いコーティングを
ほどこしても、あらい粉末状のフィルノへ／？り生成し
、て接着性が不良なノ５−め審、″、はとんど腐蝕（、
二対して防御がｌＪさス１．ない、６〜殻に、酸化チタ
ンのフィルムは、強度と接着性が不良なために腐蝕条件
に対しては無効である。

全く不活性で耐摩耗仕の一体式のセラミックは、腐蝕と
金属イオンの放出をなくすためには理想的である。例え
ば二酸化ジルコニウム（ＺｒＯｔ）とアルミナ（ＡＩ＝
＋０１ｌ）は、高度に不活性でかつ生体ｉ合性の移植物
用材料であることが分かつている。こわらのセラミック
は、最近全股関節を取り替える際の、一体式アルミナも
しくは二酸化ジルコニウムの大腿骨頭として用いられて
いる。両方の材料はともに、硬質、高密度で、生体適合
性であり、充分な強度がある。超高分子量ポリエチレン
（ＵＨＭＷＰＥ）に対して接合するセラミック製支持表
面を研磨するとＵＨＭＷＰＥの陥凹部に対する摩擦モー
メントが著しく低下するだけでなく、ＵＨＭＷＰＥの摩
耗速度が大きく低下することは重要である。接合中に、
セラミックから金属イオンもしくは微小な腐蝕粒子は全
く生成しない。

従ってこれらのセラミックは、コバルト、ステンレス鋼
及びチタン合金の支持面よりも有利である。

金属製支持面から発生するミクロンサイズの金属腐蝕破
片は骨溶解性である（骨細胞を殺すことがある）。しか
し、一体式セラミックは、製造が困難で高価で、極端な
衝撃下では割れる（砕ける）場合があり、弾性率は比較
的高い。従って、このようなセラミック材料を一体形態
で使用することは、全膝関節の補てつ器具の大腿骨の要
素には実用的でない。

現在用いられているコバルト合金の膝大腿骨の要素は長
年にわたって成功裡に使用されている。

しかし、潜在的に膏毒な金属イオンと骨溶解性のミクロ
ンサイズの腐蝕破片が測定可能なレベルで発生すること
がある。ざらにＵ　ＨＭ　Ｗ　Ｐ　Ｅの脛骨の支持面に
対する摩擦トルクとＵＨＭＷＰＥ面の摩耗速度は、最適
の場合より小さい。セラミックの大腿骨膝骨補てつ器具
は、摩擦が小さいので摩耗とトルクが低下すると考えら
れ、その結果金属イオンの放出がなくなるであろう。し
かし、一体式のセラミック製大腿膝骨要素は、形か複雑
なために高価で製造するのが困難であり、断面かうすい
ため、衝撃で非常に破壊されやすいであろう。

また、高弾性率のセラミックは、下側の骨への荷重の移
動を制限するであろう。かような負荷は、非接着移植物
中に、存続可能な支持骨を保持するのに絶対必要である
。その上に、一体式のセラミック製法大腿骨要素は、領
域の内部成長のための多孔性コーティングをもったもの
を製造することは困難であろう。骨の内方成長が制限さ
れていることは、既存の多孔性の金属コーティングに観
察されているので、多孔性の金属表面へのうすいセラミ
ックコーティングによって改善が期待される。

荷重の移動を改善するために、イオン注入法を用いて摩
耗に対して防御した低弾性率のチタン合金を膝大腿骨要
素に試みられた。しかし、このコーティングは極端にう
ずく（約０．５ミクロン）、ＵＨＭＷＰＥに対するチタ
ン合金の腐蝕による金属イオンの放出については、−時
的に改善を示すにすぎない。さらに、イオン注入法は、
特に骨セメントの粒子のような第三者の破片の存在下で
は、表面からのミクロンサイズの腐蝕破片の生成がなく
ならず、Ｕ）ＩＭＷＰＥの摩耗が改善されない。

金属支持面からの腐蝕による金属の粒子は、骨細胞の増
殖を阻害することがある。ポリエチレンの摩耗破片は、
ひどい炎症反応と、巨大細胞の増殖と、酵素反応とを起
こし、移植物がゆるくなり結局取りかえるようになる。

従って、最適の膝もしくは股の関節の大腿骨要素は、不
活性、低摩擦、低摩耗（ＵＨＭＷＰＥ）のセラミック支
持面が存在し、しかも一体式のセラミックが有する破壊
されやすさと曲げ剛性（５ｔｉｆｆｎｅｓｓ）をもって
いないものである。

ジルコニウムとジルコニウム合金は、弾性率が低く（約
９００Ｐａ）、従って隣接する骨により効果的に荷重を
移動させることができる点で、既存のコバルト、ステン
レス鋼、およびチタン合金を超える追加の利点がある。

使用者の一生にわたって移植することができる、低摩擦
で高い耐摩耗性の荷重支持面を有する金属合金主体の整
形用移植物が必要になっている。また、体液の作用によ
って腐蝕することがなく１．生体適合性で使用者の一生
にわたって安定な金属合金主体の整形用移植物が要求さ
れている。

この発明は、ジルコニウムもしくはジルコニウム合金か
らなる補てつ器具本体を備え、その本体がジルコニウム
の酸化物゛もしくは窒化物からなる表面領域を有し、そ
の表面領域の酸素もしくは窒素の濃度が、その領域の外
表面における最大値から、その領域の内部における最小
値まで減少している捕てつ器具を提供するｔ）のｉ′あ
る。

酸化ジルコニウムらしく（人窒化ジルコニウムのコーテ
ィングは、関節の１つ以」−の面が、組み合わざＩ′１
ている関節面に対１、て接合、並進も１．＜は回転する
関節補てつ器具の接合面に用いるのに理想的に適合した
、うすくて、高密度で、低摩擦、耐摩耗性、生体適合性
の表面を備えたこの発明の補てつ器具を提供する。それ
故に酸化ジルコニウムもしくは窒化ジルコニウムのコー
ティングは、例えば膝関節の大腿骨と、脛骨の［ミニス
カル支持（ｌｌｌｉｎｉｓｅａｌ　ｂｅａｒｉｎｇ）　
１面のような、他のタイプの補ごつ器具の接合面の」一
方の大腿骨頭もしくは股関節移譲物の陥凹部の内面（金
属ソエル）に有効に用いることができる。

この発明の−、−態様として、この発明は、ａ）少なく
とも一部分が、身体組織を通過しかつこれと保合するよ
う構成されたジルコニウムもしくはジルコニウム合金製
の捕てっ器具本体と二１））補てっ器具本体のコートさ
れた部分から金属イオンが放出されるのを防止するため
に、身体組織を通過）、か一つ、これと係合するよう構
成された補てつ器具本体の少なくとも一部に、直接設け
られた、青黒色もＬ＜は黒色の酸化ジルコニウムもしく
は窒化ジルコニウムからなろうすいコーティングと： からなる−害゛Ｊに移植するミニめの浦てつ器具をｔ足
供するものである。

この発明の他の態様にＪ゛、イ１ば、 ａ）患者の身体組織を通過１．かつこれと係合する移植
部分を備えたジルコニウムも１．＜は′ノルコニウム合
金製の補てつ器具本体と １］）他の補てつ器具部分の支持面と係合する大きさと
形を有する補てつ器具大体の支持面と：Ｃ）支持面を不
活性に１１、−層重摩耗性に１．かつ摩１１ｍ係数を小
さくするノ、−めに、補てつ器具本体の少なくとも支持
面」二に直接設けた酸化ジルコニウムのうずいコーティ
ングと： からなる（客に移植す゛る）、二めの補てつ器具が提供
される。

この発明の他の態様によれば、 λ）、！、’４の身体組織を通過ｊ２かつこれに係合す
る移植部分を有するジルコニウムまたはジルコニウム合
金製の補てつ器具本体と、 ｂ）他の補てつ器具部分の支持面と係合する大きさと形
態を有する、補てっ器具本体の支持面とＣ）支持面を不
活性にし、−層重摩耗性に１〜かつ摩擦係数を小さくす
るために、捕てっ器具本体の少なくとも支持面」二に直
接設けた窒化ジル：７二ウムのうすいコーティングと、 からなる患者に移植するための補てっ器具が提供される
。

本願で用いる“コーティング゛という用語（Ｊ、、補で
一つ器具本体上の、被覆物の物質を意味号゛る。

この物質自体は、浦てつ器具本体上に直接コートする必
要はないが、表面の領域における本体の全駅と、酸素も
Ｌ＜は窒素のドナーまたはその元素自体と反応させるこ
とによって、それ自体に形成することができる。表面領
域におけるこれらの物質は、不連続もしくは均一な肥も
しくはフィルムの形態であってもよいが、°コーティン
グという用語には、拡散被覆が含まれている。例λば表
面領域の外表面の物質ｊよ、化学量論的ｆＪ：酸化ジル
コニウムで構成されていてもよい、１〜が１２その酸素
濃度（人外表面から深さが増すにつれて減少する。

酸化ジルコニウムの表面の下の酸素合金の硬度は、酸化
物自体の硬度にほぼ等しく、補てつ器具本体の内方に向
かって、酸素の１ノベルが低下するにつれて、徐々に減
少する。

同様の効果は、窒化条件下でも得らイ１４るか、対応す
る窒化反応は、熱力学的にはるかに不利である。

酸化ジルコニウムもしくは窒化ジルコニウムでコートさ
れた関ｔｉｔｉ面が、非金属もＬ＜は非酸化ジルコニウ
ムもしくは非窒化ジルコニウムでコートされメこ面否、
−たいして接合するかま〕、二は回転する方式で用いら
れると、このコーティングの低摩擦特性によって従来技
術の補てつ器具のコーティングと比べて、摩擦、摩耗お
よび熱の発生どが減少する。このように熟の発生が低下
するき、支持面をコートする非金属もしくは非酸化ジル
コニウムもしくは非窒化ジルコニウムが、クリープもし
くはトルクを経験することが少なくなり、その結果、対
向する面の有効寿命が高められる。したがって、例えば
酸化ジルコニウムもしくは窒化ジルコニウムのでコート
された股関節移植物の大腿骨頭部が、投口陥凹部の対向
する超高分子量ポリエチレン（ＵｔｌＭＷＰＥ）の表面
ライナーにたいして接合すると、摩擦と摩耗が低下し、
その結果、ＵＨＭＷＰＨのトルク、摩耗および熱発生の
レベルが低くなる。結局ＵＩ（ＭＩＰＥは低レベルのク
リープを経験し、かつ陥凹部のゆるみが減少して、ライ
ナーと補てつ器具の寿命が長くなる。

また本願発明の酸化ジルコニウムもしくは窒化ジルコニ
ウムのコーティングは、ジルコニウム含有金属もしくは
ジルコニウム合金を主体とする補てつ器具と体液間の、
生体適合性で不活性なセラミックバリヤを提供するのに
有用である。したがって、酸化ジルコニウムもしくは窒
化ジルコニウムの表面は、溶解もしくは摩耗によって腐
蝕が誘発されないので、補てつ器具の予想寿命と生体適
合性が高められる。

さらに、基体の金属中にジルコニウムが存在し、好まし
いことに、酸化ジルコニウムのコーティングがそれ自体
自然に形成することによって、酸化物のコーティングの
下の金属基体中に酸素の拡散が起こる。ジルコニウム中
の合金化成分である酸素は、金属基体の強度、特に疲労
強度を増大させる。耐疲労荷重性は、股関節の心棒及び
大腿骨と膝の脛骨の要素のような多くの整形用移植物の
用途では最もすぐれている。したがって、酸化ジルコニ
ウムコーティングが形成すると、摩耗、摩擦および耐腐
蝕性を改善するだけでなく、移植器具の機械的保全性が
強度の観点から改善される。

第１図は股関節補てつ器具が配置されているのを示す概
略図である。

第２図は代表的な股関節補てつ器具を示す概略図である
。

第３図は所定の位置にある股関節補てつ器具の概略図で
ある。。

第４図は代表的な股関節の部品の概略図である。

この発明の一つの態様によって、補てつ器具の接合面上
に低摩擦で耐摩耗性のコーティングが提供される。この
ような接合面の実施例を第１〜４図に示す。

第１図に代表的な股関節組立体を示す。股関節心棒２が
大腿骨にはめこまれ、一方、補てつ器具の大腿骨頭６は
投口陥凹部ｌＯの内側ライング８にはめこみ、接合し、
この内側ライングは、第１図に示すように、骨盤に固定
されている。多孔性の金属ビーズものしくけワイヤメツ
シュのコーティング１２が組込まれ、そのため、周囲の
組織がこの多孔性のコーティングに内方成長することに
よって移植物が安定化される。同様にこのようなコーテ
ィングが陥凹部の要素に適用することができる。

大腿骨頭６は、股関節心棒２の一体部分であってもよく
、または股関節補てつ器具の頚部４の末端に設けた円錐
形のテーパ一部の上に取付けた別個の要素であってもよ
い。後者の方法によれば、金属製の心棒と頚部と、例え
ばセラミックのようなある種の他の材料製の大腿骨頭を
備えた補てつ器具を作製することができる。この製法は
、セラミックが、アルミナに接合している場合よりも、
ＵＨｌｌｗＰＥに接合している場合の方が、摩擦トルク
の発生と摩耗が小さいことが分かったので、望ましいこ
とが多い。しかし材料にのいかんにかかわらず、大腿骨
頭が投口陥凹部の内側面に接合し、そのため摩耗をおこ
すので、長い期間がたてば補てつ器具を取替えることが
必要になる。これは、大腿骨頭が金属製で、投口陥凹部
が有機ポリマーもしくはその複合体でライニングされて
いる場合である。

これらのポリマーの表面は、優れた比較的低い摩擦の面
を提供し、生体適合性であるが、先に説明したように、
摩擦熱によって摩耗しやすくかつクリープが促進され、
また通常の使用中にトルクを受けやすい。

第３図に代表的な股関節補てつ器具を示す。この膝関節
は、大腿骨要素２０と脛骨要素３０を備えている。大腿
骨要素は、その接合面を提供する顆２２と、大腿骨要素
を大腿骨に固定するペグ２４を備λている。脛骨要ズ−
１３０：よ、脛４底部３２を備犬、これは脛骨上に頚骨
底部を数例けるノーめのベグ３４を具備１．ている。脛
骨プラットホームム３６が脛骨底部３２のｌ：　ｉ、＝
取付けらイ１、顆２２と形が類似した溝３８を（茄えて
いる６顆の底面２６は、脛骨ブラットホ・−ムの贋３８
に接触し、その結毀、顆はこれらの芯内で脛七のブラｙ
　）ホーノ。に接合１．ζいる。顆は・般に金属製であ
るが、脛骨プラットホームは有機ポリマー・もＬ＜はポ
リマー主体の複合体で製造さ号する。１，１こがって硬
質の金属製顆の表面２６は、ｊ（二較的柔らかい有機組
成物に接合する。先に説明１．たように、この場合、前
期有機＠利が摩耗することにｌズる。すプλわち脛骨プ
ラットホームのために補てつ器具の取換えが必要になる
。脛骨要素のミニスカル支持形態は１、膝の拘束という
大きな犠牲な１〜で大きな接触面積をとることができ、
そのため摩耗が減少する。Ｖ・シ大腿骨要素と脛骨のミ
ースカル支持機構の両省をセラミックコーティングする
と、さらにポリエチレンの摩耗が減少ケる。股関節のＩ
ａ合、Ｖ孔性ビーズらし２くはワイヤメツノコのコーテ
ィングは、膝の脛ｆ要素ら１．＜は大胛刊要素またはそ
の両者に適用できる。

この発明は、青黒色ら１．＜は黒色の酸化フルロて、ラ
ムまたは窒化ジルコニウムでコートされた整形用移植物
、またはジルコニウム、もしくはジルコニウムを含有す
る金属合金で製造；７た浦てつ器具、ま）１〜は通常の
整形用移植物物質上にジルコニウムもｔ＝　＜はシルコ
ニ：つ１、合金のうすいコーティングを提供するもので
ある。連続し、た有用な酸化ジルコニウムもしくは障化
ノルコニウムのコー・ティングを金属合金製補てつ器の
基体の望まし、い而に形成するノコ−めに、補て一つ器
具の基体は、ジルコニウム自体であるべきで、ジルコニ
ウムを少なくとも約８０重−％、好ま１．＜は少なくと
も約９５重ｆｉ％含有すべきである。酸素、ニオブ、タ
ンタルおよびチタンは、任意にハフニウムの存在下で合
金中に共通の合金化元素として含有１７ていてもよい、
、またイツトリウムもジルコニウムと合金化Ｉ２てもよ
く、こイ１は、合金の酸化中に、より強靭なイツトリウ
ムで安定化さイア、た酸化フルロ、−ラムのコーティン
グの生成を促進する。かようなジルコニウム含有の合金
は冶金学の技術分野で公知の通算の方法で外注配合によ
って製造できるが、いくつかの適切な合金が市販されて
いる。これらの市販の合金と１７ては、々りわ（３、シ
ルカジン７０５（ｚｉｒｅａｄｙ肛７０５）、シルカジ
ン７０２とジルカロイがある。

ベースのジルコニウムを含有する金属合金（人、鋳造す
るか、または可鍛金属の累何から所望の形と大きさ（Ｊ
通常の方法によって加圧して、補てっ器具の基体が得ら
れる。得られた基体は次に、そ〕表面に１１．つかり接
着しメ、−１酸化ジルコニウムの拡散結合コーティング
（ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ−１）ｏｎｄｅｄ　ｃｏａｔｉｎ
ｇ）を自然に（それ自体に）生成さ（ｌる加工条件に伺
する。この加工条件には、例えば空気、水Ｕ（気も１．
＜は水による酸化反応、ま〕、二はがべ浴による酸化反
応がある。これらの加工法！、−よれば、絋てつ器具基
体の表面に、一般に厚みが放ミクロン（１０”ｍ）以下
の、うずくで、硬質、高密度、青黒色、低摩擦耐摩耗性
の酸化ジルコニウムニウムのフィルムもしくはコーティ
ングが理想的に形成されろ。、−のコ・−ティングの下
に、前記酸化加工によって拡散した酵素が下側の基体の
金属の硬度と強度を増大させる。

例えば５ｔｅｉｎＣＩｌｌａｎｎの米国特許第３．６４
３．６５８号の従来技術の酸化チタンと異なり、この発
明の青黒色もしくは黒色の酸化ジルコニウムのコーティ
ングを形成する７：−めに供給された酸素は、有益な合
金化要素であり、下側に存在するジルコ″：７ウム金属
／））疲労強度を敗勢Ｌ２で、補てつ器具の潜在的な寿
命を増大させる。こわに対してチタン合金中の酸素は、
低＠度のα相を安定化さｌ゛る傾向があり、このα相は
金属の疲力強度を番しく低下させる。

水、水蒸気、および水による酸化法は、例えば米ｍ特許
第２．９８７．５３２号１：記載されている。空気酸化
法は、高度に配向した単斜晶系結晶型の酸化ジルコニウ
ムのしっかりと接着１〜ノコ黒色も；７くは青黒色の刺
を与える。この酸化法を過（１に続けると、っ−ティン
グが白′化し金属基体から分Ｍｔ′る。モの酸化工程は
、空気、水蒸気もしくは熱水中で実施することができる
。便宜上−１金属の補てつ器具の基体は、酸素含有雰囲
気（例えば空気）を有する炉の中に入れて、一般に最高
約６時間まで３７０〜５９５℃（７００〜１１００°Ｆ
）に加熱する。しかし温度と時間の他の組合わせも可能
である。より高い温度を用いる場合は、酸化時間を短く
して、微小亀裂または白色酸化物の生成を避けなければ
ならない。

約１〜約５ミクロンの厚み範囲の青黒色の酸化ジルコニ
ウム層を形成させるのが好ましい。例えば５３８℃（，
１０００°Ｆ）で３時間の炉内空気酸化法によって、シ
ルカジン７０５上に約３〜４ミクロン厚の酸化物コーテ
ィングが形成される。酸化時間を長くし、酸化温度を上
昇させるとこの厚みが増大するが、コーティングの結合
性が損なわれることがある。例えば７０５℃（１３００
°Ｆ）でｌ＊ＦＪ！酸化を行うと、約１４ミクロン厚の
酸化物コーティングが生成するが、５３８℃（１０００
°Ｆ）、２１時間では約９ミクロン厚の酸化物コーティ
ングが生成する。

勿論ごくうすい酸化物が表面上に必要があるか、ら、ご
く小さな寸法の変化、一般に１０ミクロンより小さい例
えば１〜５ミクロンの変化が捕てつ器具上に起こる。一
般にうすいコーティング（１〜４ミクロン）の方が、接
着強度に優れている。

この発明の補てつ器具上の青黒色もしくは黒色の酸化ジ
ルコニウムのコーティングの厚みによって、本願発明と
Ｓｔｅｉｎｅｍａｎｎの米国特許第３６４３６５８号の
酸化チタンコーティングとがさらに区別される。酸化チ
タンフィルムは、高！（３５０℃）酸化法かもしくは高
電流密度によるアノ−ダイジング法で製造されるかにか
かわらず、うずくで、粉末状で、あらく接着している。

結局これらのフィルムは、金属表面を生体内で体液に暴
露する腐蝕条件下では、−層容易にはずれて、金属イオ
ンが身体組織に放出されることがある。これに対して、
厚みが大きく結晶性でよりしっかりと結合した青黒色も
しくは黒色の酸化ジルコニウムフィルムは、容易にくだ
けたり、合金基体から分離することはない。ジルコニウ
ム合金への酸素の拡散によゲ乙酸化ジルコニウムが容易
にかつしっかりと接着可能な自然にできる中間層がｉ洪
される。結局これらの酸化ジルコニウムコーティングは
、体液による腐蝕に対して優れた防御を行う。したがっ
て、酸化ジルコニウムのそれ自体に形成されたコーティ
ングもしくは領域の追加の利点は、骨に対する多孔性コ
ーティングの腐蝕、または隣接補てつ器具要素、並びに
モジュール要素、骨板および骨ねじのような物質からの
腐蝕に対する保護バリヤを維持する性態である。この知
見に照らして、ジルコニウムもしくはジルコニウム合金
製で、それ自体に形成された酸化物もしくは窒化物のコ
ーティングもしくは領域を有するモジュール要素、骨板
および骨ねじのような要素は、腐蝕性能が改善されるで
あろう。

金属合金浦てつ器具に酸化ジルコニウムコーティングを
設けるのに利用できる一つの塩浴法は、米国特許第４６
１７８２４号である。この塩浴法は、類似の耐摩耗性が
わずかに高い青黒色もしくは黒色の酸化ジルコニウムの
コーティングを提供する。この方法は、溶融塩浴中で、
ジルコニウムを酸化することができる酸化化合物の存在
が必要である。

溶融塩としては、塩化物、硝酸塩、シアン化物などがあ
る。酸化化合物の炭酸ナトリウムは、最高約５重量％ま
での少量存在する。炭酸ナトリウムを添加すると塩の融
点が低下する。空気酸化法の場合のように、酸化速度は
、溶融塩浴の温度に比例している。５５０〜８００℃（
１０２２〜１４７０°Ｆ）の好ましい範囲が米国特許第
４６７１８２４号に開示されている。しかし塩浴中の酸
素濃度が低いと、時間と温度が同じ場合の炉内空気酸化
法よりもうすいコーティングが生成する。１２９０°Ｆ
で４時間塩浴で処理すると、約７ミクロンの厚みの酸化
物コーティングが生成する。

炉内空気酸化法と塩浴酸化法のいずれかを利用しても酸
化ジルコニウムコーティングは硬度が全く同じである。

例えば可鍛シルカジン７０５　（２〜３重量％のＮｂを
含有するジルコニウム）の補てつ器具基体の表面が酸化
されると、表面の硬度は、元の金属の表面ノ２００ダイ
ヤモンドピラミッド硬度（ＤＰＩ）を超えた著１．い増
大を示す。塩浴も１７くけ空気酸化法のいずれか（１〜
ｊ”、ろ酸化（、−よる青黒色の酸化ジルコニウム表面
の表面硬度は約１７１１１１〜＝・２０口０（ＤＰ）Ｉ
）である。

これらの拡散結合された、低摩擦で高い耐摩耗性の軟化
ジルコニウムコーティングが、摩耗も１２くは腐蝕の条
件に付される整形用移植物の表面に設置−１らズする。

かような表面層、−は、膝関節、ひじ関節および股関節
の接合面が含まれる。さらに、多孔性のコートされた領
域、モジコール要素、π゛板、骨ねじなどの腐蝕条件に
付さイ１．る外傷用器具が含まれる。先に述べたように
、股関節の場合、大腿骨頭と心棒は一般に金ｒ合金で製
造されるが、股Ｅコ陥凹部は、セラミック、金属または
有機ポリマーでライニングがなされノ、二金Ｘもしくは
セラミックで製造される。

酸化ジルコニウムでコ・−・トされた大腿骨頭が、これ
らの吸口陥凹部との連結に使用さ第１る場合、大腿骨頭
と該陥凹部の内表面との間の摩擦係数が低下しているの
で、熱とトルクの発生が少なく、接合する支持面の摩耗
が少／、、：　（なる。熱の発生、摩擦（・ルクおよび
摩耗が低下するということは、有機ポリマーらｊ、＜（
メ、そのポリマーの後合体でライニングされた投口陥四
部の場合、特にｒ要でｘ５る。ＩＩＩＥｔｌｌ”ＥのＪ
′うな有徳ポリマーは熱がかかるど、クリープ速度が急
速に塩３大ｊ１、その結果ライナーの予想寿命に存置な
影１を勾える。ポリマーの摩耗破片は、不利な組織反応
と器具のゆるみを生じさせる。酸化ジルコニウムのコー
ティングは、ごのコ・−ティングがほどこされている楠
てつ器具の基体を保護する便１３（きを１７、かつこの
コーティングがほどこされるている基体の機械強度を増
大するのみならず、表面の摩擦が低いために、捕て−）
器具が作動可能に接触１〜でいるこイ１らの表面を保護
し、結局補てつ器具の性能と寿命を高める。

酸化ジルコ、ニウムでコートされた植てつ器具の有用性
は、荷五支持補てつ器具の特に高い摩耗速度に遭遇する
関節に限定さイ１ない。酸化ジルコニウムのコートは、
ジルコ、−ラム合金の補てつ器具の基体１．Ｔ、　Ｌつ
かりと結合１．ているので、体液とジルコニウム合金の
間にバリヤを与え、イオン化の工程と、＝Ｊｒにイ４随
する金属イオンの放出による合金の腐蝕を防止する。

また、酸化中の金屑基体への酸素の拡散によって金属の
強度が増大する。その結果酸化ジルコ：。

ラムでコートされた補てっ器具は、より大きな有用な有
効り命を有すると考えられる。

またジルコニウムも；２くはジルコニウム合金は、周囲
の骨も１〜＜は他の組織が一体化して補てっ器具を安定
化する多孔性のビ・−ズも；、＜はワイヤメッンコの面
を担像するにのに使用できる。これらの多孔性のコーテ
ィングは、金属イオンの放出をなくするか減少させるた
めに、べ・−スの補てっ器具の酸化と類似の方法で酸化
処理ｌ“ることに７′ｊ′って同時に処理することが７
？きる。さらにジルコニウムもしくはジルコニウム合金
は、骨板と骨ねｊコのような腐蝕しやすい器具に用いた
り、またはそ第１４自体酸化して酸化ジルコニウムのコ
ーティングを形成さ候・る前に通常の移植物質上にほど
こされる表面層として用いることができる。

それ自体を酸化する方法はこの発明の酸化物コーティン
グを製造する好ましい方法である。その理由は、この方
法は金属１体に酸素拡散させ、その結果、しっかりと結
合した酸化物コーティングを生成させてジルコニウム金
属を強化することができるからである。酸化物のコーテ
ィングを補丁つ器具の基体」ユに析出させるような他の
方法ら使用できるが、この方法で生成するコーティング
は、それ自体を酸化する方法で生成させるコーティング
程有効ではｉλい。したがって化学的もしくは物理的ブ
λ蒸着法発用いることができるが、特にイオン補助（斤
出法（１ｏｎ−ａｓｓｉｓｔ、ｃｄ　ｄｅｐｏｓｉｔｉ
ｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ）が用いられ４る。

］＝紀の考べは、主きしで、補てっ器具１〜はどこｉ−
７；−、青黒色で３１．＜は黒色の酸化ジルコニウムの
コーティングについて述べているが、宥化ジルコニウム
のコーティングは対向面の摩耗をべ少させ、下側の襄体
のｆ／＼法書、二よる腐蝕を防止するのに有効である。

空気は酸素の約４信の窓素を含有してるが、ジルコニウ
ムもしくはジルコニウム合金が上記のように空気中で加
熱されると、酸化物コーティングが窒化物コーティング
に優先して生成する。

その理由は、これらの条件下では酸化反応の方が熱力学
的に窒化反応より優先するからである。

従って窒化物コーティングを生成させるには、窒化反応
を優先するように平衡を強制しなければならない。この
平衡は、気体の雰囲気（“空気酸化反応”に類似してい
る）を用いる場合、酸素を除き、空気もしくは酸素の代
わりに窒素もしくはアンモニア雰囲気のような窒素生成
雰囲気を用いて達成される。富化条件は、窒化するのに
通常用いられる条件である。

塩浴法を窒化物コーティングを作製するのに用いる場合
は、酸素ドナーの塩を、例えばシアン化物のような窒素
ドナー塩と取換えなければならない。このように取換え
るると、酸化物コーティングを得るのに必要な条件と類
似の条件下で、窒化物コーティングが得られる。必要な
上記の改変は、当業者ならば容易に決定することができ
る。

あるいは、イオン補助析出法を用いる方法を含む、標準
の物理的もしくは化学的蒸着法によって、窒化ジルコニ
ウムを、ジルコニウムもしくはジルコニウム合金の表面
に析出させてもよい。この物理的もしくは化学的蒸着法
は、酸素の存在しない環境下で実施するのが好ましい。

このような環境を作る技術は当該技術分野では公知であ
り、例えばチャンバーの真空排気によって大部分の酸素
を除去し、次いで残留酸素を酸素ゲッターで除去する。

ジルコニウムもしくはジルコニウム合金がジルコニウム
の多孔性ビーズもしくはジルコニウムワイヤメツシュ面
で提供される場合でも、その表面層を窒化ジルコニウム
でコートして、本体の金属イオン化に対して保護するこ
とかできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は股関節補てつ器具が配置されているのを示す概
略図、第２図は代表的な股関節補てつ器具を示す概略図
、第３図は所定の位置にある膝関節補てつ器具の概略図
および第４図は代表的な膝関節の部品の概略図である。 ・・・・股関節心棒、４・・・・・！Ｊ部、大腿骨頭、
８・・・・内側ライニング、０　・投口陥凹部、 ２・・・・多孔性コーティング、 ０・・・・・・大腿骨要素、２２・・・・・・顆、４．
３４・・・・・・ベグ、３０・・・・・・頚骨要素、２
・・・・・頚骨底部、 ６・・・・・頚骨プラットホーム、３８・・・・・溝。 ＦＩＧ、　Ｊ ｋ　　−−−−−−−−一−−−−−−〜−−−７・−
一−−−−−−−−−−−−−−−−−−−ノＦ／θ

Claims (20)

【特許請求の範囲】
1. １．ジルコニウムもしくはジルコニウム合金からなる補
   てつ器具本体部分を備え、その本体部分がジルコニウム
   の酸化物もしくは窒化物からなる表面領域を有し、表面
   領域の酸素もしくは窒素の濃度が、その外表面の最大値
   から表面領域の内部の最小値まで減少している補てつ器
   具。
2. ２．補てつ器具本体部分の表面領域が支持面であり、他
   の補てつ器本体と係合するよう構成されている請求項１
   記載の補てつ器具。
3. ３．補てつ器具本体部分が身体組織を通過しかつそれに
   係合するよう構成されている請求項１または２に記載の
   補てつ器具。
4. ４．補てつ器具本体部分がねじである請求項３記載の補
   てつ器具。
5. ５．補てつ器具本体部分が身体組織もしくは補てつ器具
   の他の部分に取付けられるように構成されている請求項
   １または２に記載の補てつ器具。
6. ６．補てつ器具本体部分が骨プラットである請求項５記
   載の補てつ器具。
7. ７．補てつ器具本体部分がモジュール要素である請求項
   １〜６のいずれか１つに記載の補てつ器具。
8. ８．（ａ）少なくとも一部分が身体組織を通過しかつそ
   れと係合するよう構成された、ジルコニウムもしくはジ
   ルコニウム合金製の補てつ器具本体と （ｂ）補てつ器具本体のコートされた部分から金属イオ
   ンが放出されるのを防止するために、身体組織を通過し
   かつそれと係合するよう構成された補てつ器具本体の少
   なくとも一部に、直接ほどこされた青黒色もしくは黒色
   の酸化ジルコニウムもしくは窒化ジルコニウムからなる
   うすいコーティングと； からなる患者に移植する補てつ器具。
9. ９．本体部分がさらに、身体組織を通過しかつそれと係
   合するよう構成された補てつ器具本体の一部に、組織の
   内方成長に適合するよう構成された不規則な表面構造を
   有する請求項１〜８のいずれか１つに記載の補てつ器具
   。
10. １０．不規則な表面構造が、補てつ器具本体の外表面に
    取付けたジルコニウムもしくはジルコニウム合金のビー
    ズである請求項９記載の補てつ器具。
11. １１．不規則な表面構造が、補てつ器具本体の外表面に
    取付けたジルコニウムもしくはジルコニウム合金のワイ
    ヤメッシュである請求項９記載の補てつ器具。
12. １２．前記表面領域が補てつ器具全体にわたって広がっ
    ている請求項１〜１１のいずれか１つに記載の補てつ器
    具。
13. １３．表面領域の厚みが１０ミクロンより小さい請求項
    １〜１２のいずれか１つに記載の補てつ器具。
14. １４．（ａ）患者の身体組織を通過しかつそれと係合す
    る移植部分を備えたジルコニウムもしくはジルコニウム
    合金製の補てつ器具本体と； （ｂ）他の補てつ器具部分の支持面と係合する大きさと
    形を有する、補てつ器具本体の支持面と； （ｃ）支持面を不活性にし、一層耐摩耗性にしかつ摩擦
    係数を小さくするために、補てつ器具本体の少なくとも
    支持面に直接ほどこした酸化ジルコニウムのうすいコー
    ティングと； からなる患者に移植する補てつ器具。
15. １５．（ａ）患者の身体組織を通過しかつそれと係合す
    る移植部分を備えたジルコウニムもしくはジルコニウム
    合金製の補てつ器具本体と； （ｂ）他の補てつ器具部分の支持面と係合する大きさと
    形を有する、補てつ器具本体の支持面と； （ｃ）支持面を不活性にし、一層耐摩耗性にしかつ摩擦
    係数を小さくするために、補てつ機器本体の少なくとも
    支持面に直接ほどこした窒化ジルコニウムのうすいコー
    ティングと； からなる患者に移植する補てつ器具。
16. １６．補てつ器具本体が、大腿骨に移植するよう構成さ
    れた股関節補てつ器具の部分である請求項１〜１５のい
    ずれか１つに記載の補てつ器具。
17. １７．補てつ器具本体の支持面が、有機ポリマーもしく
    はポリマーベースの複合体製の股臼陥凹部と接合するよ
    うに構成された頭部を備えている請求項ｌ〜１１のいず
    れか１つに記載の補てつ器具。
18. １８．補てつ器具本体が、大腿骨もしくは脛骨に移植す
    るよう構成された膝関節補てつ器具の部分である請求項
    １〜１１のいずれか１つに記載の補てつ器具。
19. １９．補てつ器具本体の支持面が、有機ポリマーもしく
    はポリマーベースの複合体製の脛骨要素と接合するよう
    構成された、少なくとも１つの顆の部分である請求項１
    〜１１のいずれか１つに記載の補てつ器具。
20. ２０．補てつ器具本体の表面領域を、所定の時間、酸素
    もしくは窒素を含有する環境に暴露することからなる請
    求項１〜１８のいずれか１つに記載の補てつ器具の製造
    方法。