JPH0592020A

JPH0592020A - 人工関節

Info

Publication number: JPH0592020A
Application number: JP27847091A
Authority: JP
Inventors: Takaaki Osawa; 孝明大澤; Takeo Katakura; 健男片倉; Noboru Matsunaga; 昇松永; Kazuyoshi Azeyanagi; 和好畔柳; Ichiro Sogaishi; 一郎曽我石
Original assignee: Terumo Corp; Janome Sewing Machine Co Ltd
Current assignee: Terumo Corp; Janome Corp
Priority date: 1991-09-30
Filing date: 1991-09-30
Publication date: 1993-04-16

Abstract

(57)【要約】【構成】本発明の人工関節１ａは、球状の頭部２と、
これに続くネック部３と、これに続く金属製のステム部
４とで構成されている。ステム部４は、骨髄腔に埋入、
固定される部分であり、ネック部３と一体的に形成され
ている。このステム部４は、比較的太いステム基部５と
先細り形状のステム先端部６とで構成され、ステム基部
５の内部には、ステム基部５の外周面に沿って配置され
た４個の閉空間７、即ち外部と連通しない空間が形成さ
れている。【効果】骨髄腔への埋入、固定をより強固で確実なも
のとし、血液等の体液の貯留による治癒の遅延や感染を
防止し、軽量化により患者の負担を軽減する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、生体の骨関節を代替す
る人工関節に関する。

【０００２】

【従来の技術】人体内の骨関節の変形や欠損を人工関節
を用いて代替えする治療は、整形外科等で広く行なわれ
ている。例えば、大腿骨骨頭壊死に対し、壊死した骨頭
を除去した後、人工関節を補綴し、関節機能を回復させ
ることが頻繁に行なわれている。

【０００３】すなわち、この治療では、骨頭およびステ
ム部を有する人工関節のステム部を大腿骨の骨髄腔に埋
入して固定すると共に、カップ（ソケット）を腰骨に固
定し、該カップの凹部に骨頭を嵌合してこれらを回動自
在に連結する。

【０００４】このような人工関節には、機械的強度、弾
性（靱性）、耐久性、生体内での安定性（体液に対する
腐食、劣化等がないこと）、生体親和性（造骨促進作用
等の周辺組織との適合性）、安全性（毒性、分解性等が
ないこと）、加工性等の特性が要求されている。

【０００５】しかしながら、これら全ての特性を満足す
る材料は未だ発見されておらず、現在では、人工関節の
構成材料として、ステンレス鋼、コバルト−クロム合
金、チタン、チタン合金等の金属、またはアルミナ等の
セラミックスが用いられている。

【０００６】ところで、金属製の人工関節は、生体骨に
比べ曲げ弾性率が著しく大きい。すなわち、ヒト皮質骨
の曲げ弾性率は、約１６GPa であり、人工関節に用いら
れているステンレス鋼（ＳＵＳ３１６Ｌ）、Ｃｏ−Ｃｒ
合金、Ｔｉ−６％Ａｌ−４％Ｖ合金の曲げ弾性率は、そ
れぞれ、２００、２１３、１２４GPa であり、骨の８〜
１３倍である。

【０００７】また、金属製の人工関節は、重量が重く、
患者の負担（または負担感）が大きいという欠点があ
る。

【０００８】人工関節とこれを埋入する生体骨との間に
は、例えば体重や歩行等の運動により荷重、特に繰り返
し荷重が加わるが、金属製の人工関節では、上述のよう
に、曲げ弾性率が高いため、前記荷重により曲げ、ねじ
れ、たわみが生じると、局所的に応力が集中し、この集
中部分において骨が破壊されることがある。

【０００９】また、前記荷重が人工関節のステム部から
生体骨に伝達される部分では骨の増生（造骨作用）が見
られるが、前記応力集中部以外の荷重が加わらない部分
では、骨への刺激がなくなるため、逆に骨組織の吸収が
起こり、骨量が減少して人工関節の生体骨への固定に緩
みが生じることが報告されている。

【００１０】人工関節の曲げ弾性率を生体骨のそれに適
合させるためには、人工関節のステム部を細くする方
法、ステム部を中空にする方法および弾性率の小さい材
料を用いる方法等がある。

【００１１】ステム部を細くする方法では、埋入する骨
髄腔との接触面積が小さくなり、またステム部を骨髄腔
に均等に密着させることが困難であるため、強固な固定
を得ることができないという欠点がある。

【００１２】弾性率の小さい材料を用いる方法として
は、エンジニアリングプラスチックスを用いて人工関節
を作製することが提案されている（米国特許第４９０２
２９７号）が、長期の埋入によるプラスチックスの生体
内劣化等について、実績に乏しく、実用的ではない。

【００１３】ステム部を中空にする方法としては、中空
形状の人工関節ステムが開示されている（特開平０１ー
１４８２５４号公報）。しかし、この発明では、中空と
されたステム部の内部空間は、一部分開放されて外部と
連通するようになっているため、ステム部の内部空間に
大量の出血した血液やその他の体液が貯留し、患部の治
癒を遅延させ、また細菌の繁殖による感染が生じるとい
う欠点がある。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、人工
関節を構成するステム部の弾性率の適正化により生体埋
入部への固定をより強固で確実なものとし、また、軽量
化により患者の負担を軽減することができる人工関節を
提供することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】このような目的は、下記
（１）〜（４）の本発明により達成される。

【００１６】（１）頭部と、これに続くネック部と、
これに続く金属製のステム部とで構成された人工関節に
おいて、前記ステム部は、ステム基部とステム先端部と
で構成され、前記ステム部のうちの少なくとも前記ステ
ム基部の内部に、ステム基部の外周面に沿って配置され
た１または２以上の外部と連通しない閉空間を有するこ
とを特徴とする人工関節。

【００１７】（２）２以上の前記閉空間が形成され、
その全部または一部が互いに連通している上記（１）に
記載の人工関節。

【００１８】（３）前記閉空間と前記ステム基部の外
周面との間の壁部の厚さの最小値が０．１〜３．０mmで
ある上記（１）または（２）に記載の人工関節。

【００１９】（４）前記ステム部は、ステンレス鋼、
コバルト−クロム合金、チタンまたはチタン合金で構成
されている上記（１）ないし（３）のいずれかに記載の
人工関節。

【００２０】

【発明の構成】以下、本発明の人工関節を添付図面に示
す好適実施例に基づいて詳細に説明する。

【００２１】図１は、本発明の人工関節の構成例を示す
正面図、図２は、図１中のＡ−Ａ線での断面図である。
図１に示すように、人工関節（人工骨頭）１ａは、頭部
２と、これに続くネック部３と、これに続く金属製のス
テム部４とで構成されている。

【００２２】頭部２は、例えば球状のような湾曲面を有
する部材であり、この頭部２は、図示しないカップ（ソ
ケット）の凹部に嵌合してこれらが回動自在に連結され
る。

【００２３】頭部２の構成材料としては、例えば、ステ
ンレス鋼（例えば、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３１６Ｌ）、
コバルト−クロム合金、チタン、チタン合金（例えばＴ
ｉ−６％Ａｌ−４％Ｖ）等の耐食性に優れる金属、合
金、または、例えばアルミナ、ヒドロキシアパタイト等
のセラミックスを用いることができる。

【００２４】また、頭部２は、中空でも中実でもよい。

【００２５】ネック部３は、前記頭部２と例えば燒結、
ネジ止め、テーパ嵌合、接着等により連結されている。

【００２６】ステム部４は、骨髄腔に埋入されて固定さ
れる部分であり、好ましくは前記ネック部３と一体的に
形成されている。このステム部４は、ネック部３側のス
テム基部５とステム先端部６とで構成されている。

【００２７】主に、ステム基部５の外周と骨髄腔（特
に、リーミングにより拡大されて骨髄腔）とが密着する
ため、ステム基部５はネック部３やステム先端部６より
太くなっており、その形状は、埋入する骨髄腔の形状と
一致するように成形されている。また、ステム先端部６
は、骨髄腔の奥部まで挿入されるため、先細りの形状を
なしている。

【００２８】図示のように、ステム先端部６の軸線は、
ネック部３の軸線に対し、例えば１５〜３５度程度傾斜
している。

【００２９】ネック部３およびステム部４の構成材料と
しては、例えばステンレス鋼（例えば、ＳＵＳ３１６、
ＳＵＳ３１６Ｌ）、コバルト−クロム合金、チタン、チ
タン合金（例えばＴｉ−６％Ａｌ−４％Ｖ）等の耐食性
に優れる金属を用いることができるが、そのなかでも特
に、生体内の腐食環境における安定性に優れること、加
工工程における強度劣化が少ないこと等の点で、ステン
レス鋼、チタンまたはチタン合金が好ましい。

【００３０】図２に示すように、ステム基部５の内部に
は、ステム基部５の外周面に沿って配置された複数（図
示の例では４個）の閉空間７が形成されている。

【００３１】このような閉空間７を設けることにより、
人工関節１ａの引張り強度を低下させることなく、また
埋入する骨髄腔との接触面積を減少させることなく、曲
げ弾性率を低下させることができる。このような曲げ弾
性率の低下が十分に得られるのは、閉空間７がステム基
部５の中心部ではなく、外周面に沿って配置されている
からである。

【００３２】また、閉空間７は、外部と連通しない閉じ
た空間であるため、骨髄腔の死腔が少なく、例えば手術
時に出血した血液やその他の体液が閉空間７に貯留する
ことがないので、治癒反応の遅延や細菌の繁殖による感
染を防止することができる。

【００３３】このような閉空間７の形成において、閉空
間７とステム基部５の外周面５１との間の壁部５２の厚
さＴの最小値が０．１〜３．０mm、特に、０．２〜１．
５mmとするのが好ましい。厚さＴの最小値が０．１mm
未満であると、壁部５２の強度が弱くなり、埋入する骨
髄腔との接触圧力により変形を生じることがあり、ステ
ム部４の骨髄腔への固定力が弱くなり、また、厚さＴの
最小値が３．０mmを超えると、人工関節１ａの曲げ弾性
率を十分に低下させることができなくなる。

【００３４】また、図２において、ステム基部５の横段
面積に対する閉空間７の合計横段面積の比率（以下、面
積比という）は、２０〜８０％程度、特に３０〜５０％
程度とするのが好ましい。なお、この値は、ステム基部
長手方向の平均を示す。

【００３５】閉空間７の形成個数は特に限定されない
が、通常、１〜１０個程度、特に２〜６個程度とするの
が好ましい。

【００３６】なお、本発明では、ステム部４の中心部付
近に閉空間を形成することを妨げるものではない。

【００３７】このような閉空間７は、人工関節１ａ全体
の内の少なくともステム基部５に設けられている。その
理由は、人工関節１ａを例えば大腿骨に埋入、固定する
場合、ステム先端部６は緻密質の部分（コンパクトボー
ン）まで挿入され、その上部のステム基部５は海綿骨の
部分に位置することとなるが、海綿骨ではリーミングに
より骨髄腔が拡大し、金属製の人工関節１ａと生体骨と
の曲げ弾性率の差が顕著となり、特にカルカー部の骨の
吸収を誘発し易くなるので、これを防止するためには、
人工関節埋入時の小転子より上部であるステム基部５の
曲げ弾性率を改善することが有効となる。

【００３８】ただし、本発明では、ネック部３やステム
先端部６にも同様の閉空間７が形成されていてもよい。

【００３９】図３は、本発明の人工関節の他の構成例を
示す正面図、図４は、図３中のＢ−Ｂ線での断面図であ
る。これらの図に示す人工関節１ｂは、閉空間の構成が
前記と異なっている。すなわち、人工関節１ｂにおいて
は、ステム基部５の外周面に沿って複数の閉空間８が形
成され、各閉空間８が連通路８１により連通している。

【００４０】この場合、必ずしも全ての閉空間８同士が
連通している必要はなく、一部の閉空間８同士が連通し
ている構成であってもよい。また、隣接する閉空間８同
士が２以上の、特に多数の連通路８１により連通してい
てもよい。

【００４１】なお、このような構成の人工関節１ｂにお
いても、壁部５２の厚さおよび閉空間８の面積比の好適
値は前記と同様である。

【００４２】図５は、本発明の人工関節のさらに他の構
成例を示す正面図、図６は、図５中のＣ−Ｃ線での断面
図である。これらの図に示す人工関節１ｃは、閉空間の
構成が前記と異なっている。すなわち、人工関節１ｃに
おいては、ステム基部５の外周面に沿って１つの環状の
閉空間９が形成されている。

【００４３】なお、図示と異なり、ステム基部５に２以
上の環状の閉空間９が同心的に形成されていてもよく、
また、ステム基部５の長手方向に沿って２以上の環状の
閉空間９が形成されていてもよい。

【００４４】また、閉空間９は環状に限らず、一部が欠
損している例えば横断面がＣ字状をなすものでもよい。

【００４５】なお、このような構成の人工関節１ｃにお
いても、壁部５２の厚さおよび閉空間９の面積比の好適
値は前記と同様である。

【００４６】図７は、本発明の人工関節のさらに他の構
成例を示す正面図、図８は、図７中のＤ−Ｄ線での断面
図である。これらの図に示す人工関節１ｄは、閉空間の
構成が前記と異なっている。すなわち、人工関節１ｄに
おいては、ステム基部５の外周面に沿って螺旋状の連続
した閉空間１０が形成されている。

【００４７】この場合、螺旋状の閉空間１０は、２以上
形成されていてもよい。

【００４８】なお、このような構成の人工関節１ｄにお
いても、壁部５２の厚さおよび閉空間１０の面積比の好
適値は前記と同様である。

【００４９】本発明において、閉空間は、上記閉空間７
〜１０の内の任意の２以上を組み合せたものでもよい。

【００５０】本発明の人工関節は、例えば、鋳造、鍛
造、粉体焼結法等により製造することができるが、閉空
間７〜１０を形成するのに最も適していることから、次
のような方法により製造するのが好ましい。

【００５１】まず、原料となる金属粉末（例えば、粒径
５０〜２００μm 程度）と、バインダー（例えば、アル
ギン酸アンモニウ溶液）とを混練してコンパウンド（例
えば、粘度１２００〜２５００cP）を作製する。

【００５２】次に、成形型内に、得ようとする閉空間と
同形の中子（支持棒付）を同数配置し、成形型内に前記
コンパウンドを充填して、粉体焼結を行なう。この場
合、粉体焼結の条件は、例えば、真空中（１０^-5torr）
で、７００〜１３００℃、２４０〜３６０分間程度であ
る。なお、粉体焼結後の人工関節は、中子の支持棒が挿
通された孔により、閉空間は外部と連通した状態（未完
成の状態）となっている。

【００５３】次に、例えば薬品での洗浄により中子を溶
解、除去し、その後、中子の支持棒が挿通された孔を例
えば溶接により封止する。これにより、外部と連通しな
い閉空間が完成する。

【００５４】必要に応じ、研磨等の仕上げ加工を行なっ
て、目的とする本発明の人工関節が得られる。

【００５５】なお、上記方法によりネック部３およびス
テム部４の一体成形物を製造し、これと別途製造された
頭部２とを連結して本発明の人工関節としてもよい。

【００５６】以上、本発明の人工関節を図示の構成例に
基いて説明したが、本発明はこれらに限定されるもので
はなく、特に、閉空間については、ステム基部５等の外
周面に沿って配置されたものであればいかなる形状、配
置等のものでもよい。

【００５７】なお、本発明の人工関節は、上記人工骨頭
に限らず、例えば、人工膝関節、人工肩関節、人工肘関
節あるいは人工股関節や寛骨に埋入される臼蓋カップの
一部に適用することもできる。

【００５８】

【実施例】以下、本発明の具体的実施例について説明す
る。

【００５９】（実施例１）以下の方法により、股関節用
人工関節（人工骨頭）を製造した。

【００６０】［１］ネック部およびステム部の製造まず、原料となるチタン粉末（平均粒径４０μm ）と、
バインダーとしてアルギン酸アンモニウム１％水溶液と
を混練し、粘度１５００cPのコンパウンド（スラリー
状）を作製した。

【００６１】一方、石膏により、得ようとする閉空間と
同形の支持棒付中子を４個製造し、これらを成形用の金
型内に所定の配置で支持、固定した。

【００６２】次に、金型内に前記コンパウンドを充填し
て、粉体焼結を行なった。このときの粉体焼結の条件
は、真空中（１０^-5torr）で、７００℃、１８０分、そ
の後１３００℃、６０分であった。

【００６３】粉体焼結後、１Ｎの硫酸で内部を洗浄し
て、中子を溶解、除去した。その後、中子の支持棒が挿
通された孔を溶接により封止した。

【００６４】このようにしてチタン製のネック部および
ステム部の一体成形物を得た。

【００６５】［２］頭部の製造アルミナのブロックに切削、研削加工を施して、ほぼ球
形の頭部（骨頭）を製造した。なお、この頭部には、テ
ーパ嵌合用の嵌合孔をも形成した。

【００６６】［３］組み立て前記［１］で得られた一体成形物のネック部を頭部の嵌
合孔にテーパ嵌合し、その後、人工関節の表面を研磨し
て、図１および図２に示す本発明の人工関節を得た。こ
の人工関節の寸法等は、次の通りである。頭部直径：３８mm ステム部全長：１２０mm ステム基部の長径：４０mm ステム基部の短径：２５mm ステム先端部の外径：１２mm 閉空間の長さ（ステム部長手方向）：５０mm 壁部の最小厚さＴ：０．５mm 面積比：４０％（ステム基部長手方向の平均）

【００６７】（実施例２）環状の中子１個を用いて製造
した以外は前記実施例１と同様にして、図５および図６
に示す本発明の人工関節を製造した。この人工関節の寸
法等は、次の通りである。頭部直径：３８mm ステム部全長：１２０mm ステム基部の長径：４０mm ステム基部の短径：２５mm ステム先端部の外径：１２mm 閉空間の長さ（ステム部長手方向）：５０mm 壁部の最小厚さＴ：０．９mm 面積比：４０％（ステム基部長手方向の平均）

【００６８】（実施例３）螺旋状の中子１個を用いて製
造した以外は前記実施例１と同様にして、図７および図
８に示す本発明の人工関節を製造した。この人工関節の
寸法等は、次の通りである。頭部直径：３８mm ステム部全長：１２０mm ステム基部の長径：４０mm ステム基部の短径：２５mm ステム先端部の外径：１２mm 閉空間の長さ（ステム部長手方向の形成範囲）：６０mm 閉空間の巻数：６壁部の最小厚さＴ：０．３mm 面積比：４０％（ステム基部長手方向の平均）

【００６９】（比較例）中子を用いず、中実のネック部
およびステム部の一体成形物とした以外は前記実施例１
と同様にして、人工関節を製造した。この人工関節の寸
法は、閉空間に関するものを除き、前記実施例１〜３と
同様である。

【００７０】［実験］上記実施例１〜３および比較例の
各人工関節を、頭部を上方にして、頭部の中心とステム
部の先端とを結ぶ線（ネック部の軸線と約２５度傾斜）
が鉛直方向となるように固定し、頭部に対し、鉛直方向
下方に５００kgf の荷重を負荷し、荷重負荷による頭部
の変位量を測定した。

【００７１】その結果は、比較例の人工関節における変
位量を１としたとき、本発明の実施例１〜３における変
位量は、それぞれ、１．５、１．３、１．３であった。
このことから、実施例１〜３の本発明の人工関節は、い
ずれも生体骨の曲げ弾性率に近づき、生体骨への応力伝
達がより広い領域に対し均一に行なわれることが確認さ
れた。

【００７２】なお、ネック部およびステム部の一体成形
物の材質を、それぞれ、ＳＵＳ３１６Ｌ、Ｃｏ−Ｃｒ合
金、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金に代えて、上記実施例１〜
３および比較例の人工関節と同様の人工関節を製造し、
同様の実験を行なったところ、やはり同様の結果が得ら
れた。

【００７３】

【発明の効果】以上述べたように、本発明の人工関節に
よれば、閉空間の形成により人工関節を構成するステム
部、特にステム基部の弾性率の適正化が図れ、荷重が広
範囲に均等に加わる。その結果、荷重の集中による骨の
破壊や、荷重がかからないことによる骨組織の吸収が抑
制され、骨髄腔への埋入、固定をより強固で確実なもの
とすることができる。

【００７４】さらに、形成される空間は、外部と連通し
ない閉空間であるため、血液やその他の体液が閉空間に
貯留することがなく、治癒の遅延や細菌の繁殖による感
染を防止することができる。

【００７５】また、人工関節の軽量化により、患者の負
担を軽減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の人工関節の構成例を示す正面図であ
る。

【図２】図１中のＡ−Ａ線での断面図である。

【図３】本発明の人工関節の他の構成例を示す正面図で
ある。

【図４】図３中のＢ−Ｂ線での断面図である。

【図５】本発明の人工関節の他の構成例を示す正面図で
ある。

【図６】図５中のＣ−Ｃ線での断面図である。

【図７】本発明の人工関節の他の構成例を示す正面図で
ある。

【図８】図７中のＤ−Ｄ線での断面図である。

【符号の説明】

１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ人工関節２頭部３ネック部４ステム部５ステム基部５１外周面５２壁部６ステム先端部７、８閉空間８１連通路９、１０閉空間

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者松永昇東京都八王子市狭間町1463番地蛇の目ミシン工業株式会社内 (72)発明者畔柳和好東京都八王子市狭間町1463番地蛇の目ミシン工業株式会社内 (72)発明者曽我石一郎東京都八王子市狭間町1463番地蛇の目ミシン工業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】頭部と、これに続くネック部と、これに
続く金属製のステム部とで構成された人工関節におい
て、前記ステム部は、ステム基部とステム先端部とで構成さ
れ、前記ステム部のうちの少なくとも前記ステム基部の
内部に、ステム基部の外周面に沿って配置された１また
は２以上の外部と連通しない閉空間を有することを特徴
とする人工関節。
【請求項２】２以上の前記閉空間が形成され、その全
部または一部が互いに連通している請求項１に記載の人
工関節。
【請求項３】前記閉空間と前記ステム基部の外周面と
の間の壁部の厚さの最小値が０．１〜３．０mmである請
求項１または２に記載の人工関節。
【請求項４】前記ステム部は、ステンレス鋼、コバル
ト−クロム合金、チタンまたはチタン合金で構成されて
いる請求項１ないし３のいずれかに記載の人工関節。