JPH04250158A - 人工関節およびその製造方法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、人工関節に関し、特に
、摺動抵抗が少なく改良された人工関節に関する。

【０００２】

【従来の技術】人工関節は、人体適合性、強度及び関節
部摺動性等を考慮され、材質は主にセラミックス又は金
属が適用され、特に関節部は摺動性向上のため表面をで
きるだけ滑らかに仕上げられていた。また、摺動性を向
上するには常法として例えばポリテトラフルオロエチレ
ン等のフッ素系高分子被膜を界面に用い、フッ素系高分
子被膜による摺動抵抗の低下も検討されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし摺動抵抗を低下
させる方法として検討されているフッ素系高分子被膜は
、基材との密着性が乏しく、荷重印加で摺動させるとフ
ッ素系高分子被膜が剥離し、関節部に剥離した被膜の擦
り粉が蓄積されるという重大な課題があった。このため
、実際には摺動部の仕上げをできるだけ滑らかにする手
法が採られ、積極的に摺動抵抗を低下する方法は講じら
れていなかった。

【０００４】本発明は、荷重印加で摺動しても滑剤が擦
り取られなく、摺動抵抗を低くした高性能人工関節を提
供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、フッ素を含む
化学吸着膜が表面に形成された人工関節によって、従来
の課題を解決した。

【０００６】

【作用】本発明においては、ナノメータレベルの膜厚の
きわめて薄いフッ化炭素系分子の化学吸着膜を人工関節
表面に形成するため、フッ化炭素系分子膜が摺動抵抗を
低下すると同時に、化学吸着膜であるため基材と強固に
結合し剥離することがなく、また、薄膜であるため人工
関節本来の機能を損なうことがない。

【０００７】

【実施例】一般の人工関節は強度及び成形性を考慮して
、セラミクスまたは金属が専ら用いられているが、硬質
プラスティック等も供される。そのため表面には水酸基
等の活性水素を含む親水性基がある。そこで、一端にク
ロルシラン基を有し、他端にフッ化炭素を含むクロルシ
ラン系界面活性剤が容易に化学吸着する。なお、人工関
節の材質が酸化され難い例えばステンレススティール等
の金属や硬質プラスティックである場合には、予め表面
を例えばプラズマ処理等を施して親水性化処理する方法
を適用すればよい。また、親水性基の密度が低い場合に
は、クロロシリル結合を複数個含む物質を予め化学吸着
反応させて、クロロシリル結合を複数個含む物質の被膜
を形成させ、しかる後水と反応させクロロシリル結合を
シラノール結合に置換し、このシラノール結合にクロル
シラン系界面滑性剤を化学吸着累積させると、高密度に
フッ化炭素を有する分子の化学吸着膜が形成できるため
好ましい。なお、このクロロシリル結合を複数個含む物
質の化学吸着膜を予め形成する手法は、単に親水性基の
密度が低い場合に限定されるものではなく、あらゆる基
材の場合でも適応できること勿論である。また、このク
ロロシリル結合を複数個含む物質を予め化学吸着する手
法は、単にクロルシラン系界面活性剤の吸着密度を向上
させるだけではなく、クロルシラン系界面活性剤の吸着
密度の制御も可能とする作用もある。さらに、本発明の
人工関節に施される化学吸着膜は、単分子一層であって
も機能は充分発揮される。化学吸着単分子膜を一層だけ
形成させるには、クロルシラン系界面滑性剤を人工関節
に接触させた後、単に非水系の溶剤で洗浄することによ
って容易に達成でき、特別な工夫を要しない。また、ク
ロロシリル結合を複数個含む物質の化学吸着膜も一層で
充分であり、この場合も上述したように非水系の溶剤で
洗浄して単分子化学吸着膜を形成できる。なお、本発明
の人工関節は、少なくとも関節部にクロルシラン系界面
活性剤が化学吸着すれば充分であり、特に不要な部分に
は必ずしも化学吸着膜を形成する必要がない。化学吸着
膜を選択的に吸着させるには、必要な部分のみをクロル
シラン系界面活性剤溶液に浸漬するだけでよい。このよ
うに化学吸着膜を選択的に形成することによって、人体
適合性を阻害することがなく摺動抵抗を低下させること
が可能となる。

【０００８】本発明の人工関節に供されるクロルシラン
系界面活性剤の材料としては例えば、ＣＦ３（ＣＦ２）
７（ＣＨ２）２ＳｉＣｌ３，ＣＦ３ＣＨ２Ｏ（ＣＨ２）
１５ＳｉＣｌ３，ＣＦ３（ＣＨ２）２Ｓｉ（ＣＨ３）２
（ＣＨ２）１５ＳｉＣｌ３，Ｆ（ＣＦ２）４（ＣＨ２）
２Ｓｉ（ＣＨ３）２（ＣＨ２）９ＳｉＣｌ３，Ｆ（ＣＦ
２）８（ＣＨ２）２Ｓｉ（ＣＨ３）２（ＣＨ２）９Ｓｉ
Ｃｌ３，ＣＦ３ＣＯＯ（ＣＨ２）１５ＳｉＣｌ３，ＣＦ
３（ＣＦ２）５（ＣＨ２）２ＳｉＣｌ３等のようなトリ
クロルシラン系界面活性剤を始め、例えばＣＦ３（ＣＦ
２）７（ＣＨ２）２ＳｉＣｌｎ（ＣＨ３）３−ｎ，ＣＦ
３（ＣＦ２）７（ＣＨ２）２ＳｉＣｌｎ（Ｃ２Ｈ５）３
−ｎ，ＣＦ３ＣＨ２Ｏ（ＣＨ２）１５ＳｉＣｌｎ（ＣＨ
３）３−ｎ，ＣＦ３ＣＨ２Ｏ（ＣＨ２）１５ＳｉＣｌｎ
（Ｃ２Ｈ５）３−ｎ，ＣＦ３（ＣＨ２）２Ｓｉ（ＣＨ３
）２（ＣＨ２）１５ＳｉＣｌｎ（ＣＨ３）３−ｎ，Ｆ（
ＣＦ２）４（ＣＨ２）２Ｓｉ（ＣＨ３）２（ＣＨ２）９
ＳｉＣｌｎ（Ｃ２Ｈ５）３−ｎ，Ｆ（ＣＦ２）８（ＣＨ
２）２Ｓｉ（ＣＨ３）２（ＣＨ２）９ＳｉＣｌｎ（ＣＨ
３）３−ｎ，ＣＦ３ＣＯＯ（ＣＨ２）１５ＳｉＣｌｎ（
ＣＨ３）３−ｎ，ＣＦ３（ＣＦ２）５（ＣＨ２）２Ｓｉ
Ｃｌｎ（ＣＨ３）３−ｎ（但し式中のｎは何れも１又は
２）等のような低級アルキル基置換のモノクロルシラン
系あるいはジクロルシラン系界面活性剤が挙げられる。 これらの中でも特にトリクロルシラン系界面活性剤の親
水性基と結合したクロロシリル結合以外のクロロシリル
結合が、隣合うクロルシラン基とシロキサン結合で分子
間結合を形成するため、より強固な単分子吸着膜となり
好ましい。さらにまた、アルキル鎖又はフッ化アルキル
鎖部分にＣ＝ＣやＣ≡Ｃ基を組み込んで置けば、化学吸
着膜形成後５メガラド程度の電子線照射で架橋できるの
でさらに化学吸着膜自体の硬度を向上させることも可能
である。

【０００９】さらに、本発明に供されるクロロシリル結
合を複数個含む物質としては例えば、ＳｉＣｌ４、Ｓｉ
ＨＣｌ３、ＳｉＨ２Ｃｌ２、Ｃｌ−（ＳｉＣｌ２Ｏ）ｎ
−ＳｉＣｌ３（但し式中ｎは自然数）、ＳｉＣｌｍ（Ｃ
Ｈ３）４−ｍ、ＳｉＣｌｍ（Ｃ２Ｈ５）４−ｍ（但し式
中ｍは１〜３の整数）、ＨＳｉＣｌｌ（ＣＨ３）３−ｌ
、ＨＳｉＣｌｌ（Ｃ２Ｈ５）３−ｌ（但し式中ｌは１又
は２）等が挙げられる。この中でもＳｉＣｌ４、ＳｉＨ
Ｃｌ３、ＳｉＨ２Ｃｌ２、Ｃｌ−（ＳｉＣｌ２Ｏ）ｎ−
ＳｉＣｌ３が反応性の点で好ましく、特にＳｉＣｌ４は
反応性が高く分子量も小さいためより高密度にシラノー
ル結合を付与できるため好ましい。

【００１０】本発明の人工関節の製造方法としては、成
形加工が終了した人工関節を直接クロルシラン系界面活
性剤の非水系溶液に浸漬するだけでよく、特別な工程を
経る必要がない。

【００１１】本発明に供される溶媒としては、例えばヘ
キサデカン，トルエン，キシレン，ジクロロヘキシル，
四塩化炭素，クロロホルム等の非水系有機溶媒である。

【００１２】以下に本発明に関する人工関節として、膝
、指、顎、肩、腕、手首、足首、股関節等等で代表され
る人工関節があるが、代表例として膝の関節を取り上げ
順に説明する。

【００１３】実施例１ まず、加工の終了したアルミナ製の膝関節１を有機溶媒
で洗浄した後、フッ化炭素基及びクロルシラン基を含む
物質としてＣＦ３（ＣＦ２）７（ＣＨ２）２ＳｉＣｌ３
を、８０％ｎ−ヘキサデカン、１２％四塩化炭素、８％
クロロホルムの混合溶媒に１０％の濃度で溶かした溶液
に膝関節１の関節部だけを２時間浸漬すると、膝関節１
の関節部のアルミナ表面は水酸基が多数含まれているの
で、フッ化炭素基及びクロルシラン系界面活性剤のＳｉ
Ｃｌ基と水酸基とが脱塩酸反応が生じ膝関節摺動部表面
全面に亘り、図１に示したように（化１）で示されるの
結合が生成され、フッ素を含む単分子膜２が関節表面と
化学結合した状態でおよそ１５Åの膜厚で形成できた。 なお、単分子膜はきわめて強固に化学結合しているので
全く剥離することがなかった。

【００１４】

【化１】

【００１５】なお、関節の材質が、アルミナ以外のステ
ンレスやパラジウム等の金属でも、表面は自然酸化膜で
覆われているため当然水酸基が含まれおり、上述と同様
の単分子膜を吸着時間を調整するのみで同様の方法を用
い形成できた。

【００１６】この関節を１万回摺動作させて試験してみ
たが、処理しないものに比べ摺動抵抗を大幅に低減でき
た。また、この時、単分子膜は全く剥離することがなく
、傷も全く付かなかった。

【００１７】実施例２ 図２に示したように親水性ではあるが水酸基を含む割合
が少ないステンレススティール製関節１１を用い、クロ
ロシリル結合を複数個含む物質のＳｉＣｌ４をクロロホ
ルム溶媒に１重量パーセント溶解した溶液に３０分間浸
漬すると、金属関節１１の摺動部には親水性のＯＨ基１
２が多少とも存在するので、関節１１表面で脱塩酸反応
が生じ、クロロシリル結合を複数個含む物質の化学吸着
膜が形成される。この様にして得られた化学吸着膜に非
水系の溶剤の四塩化炭素中に浸漬すると、関節１１と未
反応のＳｉＣｌ４が洗浄され、関節１１表面には単分子
吸着膜が（化２）に示したように形成される。

【００１８】

【化２】

【００１９】その後、その後水に浸漬すると関節１１摺
動部表面には（化３）に示したようなシラノール結合を
複数個有するシロキサン単分子膜１３が図３に示したよ
うに−ＳｉＯ−結合を介してシロキサン単分子膜１３が
表面に得られる。

【００２０】

【化３】

【００２１】なお、このときできたシロキサン単分子膜
１３は関節とは−ＳｉＯ−の化学結合を介して完全に結
合されているので剥がれることが全く無い。また、得ら
れたシロキサン単分子膜１３は表面にＳｉＯＨ結合を数
多く持つ。当初の水酸基のおよそ３倍程度の数が生成さ
れる。

【００２２】そこでさらに、実施例１と同様にクロルシ
ラン系界面活性剤の非水系溶剤に溶解した溶液に浸漬す
ると、表面にＳｉＯＨ結合を数多く持つ単分子膜１３が
形成された関節１１の摺動部を１時間浸漬すると、関節
摺動部表面に（化４）に示した結合が生成され、図４に
示すようにフッ素を含む化学吸着膜１４が下層のシロキ
サン単分子膜１３と化学結合した状態で関節１１の摺動
部全面に亘り、高密度におよそ１５Åの膜厚で形成でき
た。

【００２３】

【化４】

【００２４】なお、この様にして形成された化学吸着膜
１４は剥離試験を行なっても全く剥離することがなかっ
た。なお、摺動抵抗は、フッ素を含む単分子膜をそのま
ま関節摺動部に形成した場合に比べおよそ半分であった
。

【００２５】

【発明の効果】以上述べてきたように、本発明はフッ素
を含む化学吸着膜を表面に形成した人工関節であるため
、きわめて薄いナノメータレベルの膜厚のフッ化炭素系
分子膜を人工関節摺動部表面に形成でき、人工関節本来
の機能を損なうことがない。また、このフッ化炭素系化
学吸着膜は人体に対して不活性であり、摺動抵抗もきわ
めて低くでき、剥離や摩耗することもない。従って、潤
滑剤などを使用できない人体内で使用する人工関節にお
いては、きわめて効果大なるものである。従って、摩耗
が少なく信頼性の高い人工関節を提供することができる
。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の人工関節の一実施例の表面を分子レベ
ルまで拡大した断面概念図

【図２】本発明の別の実施例の人工関節表面を分子レベ
ルまで拡大した断面概念図

【図３】本発明の別の実施例の人工関節表面にシラノー
ル結合を複数個有する化学吸着膜を形成した断面概念図

【図４】本発明の人工関節の別の実施例の表面を分子レ
ベルまで拡大した断面概念図

【符号の説明】

１　　アルミナ製膝関節 ２　　化学吸着膜 １１　　ステンレス製関節 １２　　水酸基 １３　　シロキサン単分子膜 １４　　化学吸着膜

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　フッ素を含む化学吸着膜が、表面に形
   成されていることを特徴とした人工関節。
2. 【請求項２】　　フッ素を含む化学吸着膜が、シロキサ
   ン系膜を介して形成されていることを特徴とした、請求
   項１記載の人工関節。
3. 【請求項３】　　一端にクロルシラン基を有し他端にフ
   ッ化炭素基を有するクロルシラン系界面活性剤の非水系
   有機溶液中に人工関節を浸漬し、前記クロルシラン系界
   面活性剤の化学吸着膜を形成する工程を含むことを特徴
   とする人工関節の製造方法。
4. 【請求項４】　　クロロシリル結合を複数個有する物質
   を含む非水系溶媒に人工関節を接触させる接触工程、水
   と反応させて前記人工関節上の前記物質のクロロシリル
   結合をシラノール結合に置換するシラノール化形成工程
   、一端にクロルシラン基を有し他端にフッ化炭素基を有
   するクロルシラン系界面活性剤を前記シラノール結合に
   化学吸着膜を累積する工程を含むことを特徴とする人工
   関節の製造方法。
5. 【請求項５】　　接触工程とシラノール化形成工程との
   間に、人工関節上に残存する未反応のクロロシリル結合
   を複数個有する物質を洗浄除去する洗浄工程を設けるこ
   とを特徴とする、請求項４記載の人工関節の製造方法。
6. 【請求項６】　　クロロシリル結合を複数個含む物質が
   、ＳｉＣｌ４、ＳｉＨＣｌ３、ＳｉＨ２Ｃｌ２、Ｃｌ−
   （ＳｉＣｌ２Ｏ）ｎ−ＳｉＣｌ３（ｎは整数）の何れか
   であることを特徴とした請求請求項４記載の人工関節の
   製造方法。