JPH062139B2 - 骨関節用内部プロテーゼ体 - Google Patents

骨関節用内部プロテーゼ体

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JPH062139B2
JPH062139B2 JP60168442A JP16844285A JPH062139B2 JP H062139 B2 JPH062139 B2 JP H062139B2 JP 60168442 A JP60168442 A JP 60168442A JP 16844285 A JP16844285 A JP 16844285A JP H062139 B2 JPH062139 B2 JP H062139B2
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、関節の関節接合面を含む骨の一部分に代換さ
れるプロテーゼ体に関する。
如何なる骨においても応力環境の変化は骨の構造に二次
的変化を与える。骨折修復及び運動誘発性肥大を除い
て、このような変化は有害である。従って、骨の変性部
分を、器官への人工装具体すなわち内部プロテーゼ体
（endoprosthetic component）で代用する場合には、隣
接残部をできるだけ正常な応力環境下におくようにすれ
ばその構造の完全性が最大限に保持されると言える。
現在使用されている種々の形状の骨関節用内部プロテー
ゼ体を研究した結果、これらのプロテーゼ体では正常応
力環境が維持されないという問題点が判明した。これ
は、プロテーゼ体の緩みなどによる機能不全に起因する
有効寿命低下の問題からより良い性能を有するプロテー
ゼ体を製造せんとする努力が今も尚続けられている理由
の一つである。
本発明の目的は、正常な応力環境と構造を維持し得る骨
関節用内部プロテーゼ体を提供することにある。
本発明は、如何なる骨においてもその正常構造を維持す
るための必須要因は、正常応力環境（normal stress en
vironment）と称し得る条件の維持にあるという確信に
基づくものである。
従って、骨の変性部分を、器官への人工装具体すなわち
内部プロテーゼ体（endoprothetic component）で代用
する場合には、隣接残部をできるだけ正常な応力環境下
におくようにすればその構造の完全性が最大限に保持さ
れると言える。
本発明によれば、前述の目的は、関節の関節接合面を含
む長骨の一領域を代換するプロテーゼ体であって、前記
接合面とほぼ同じ形状を有すると共に代換可能な第１面
と、前記骨と界面接続すると共に前記一領域の癒合骨端
板はん痕に類似した形状を有する第２面とを備えるプロ
テーゼ体によって達成される。
本発明のプロテーゼ体によれば、体重及び筋肉の動作の
組合わせにより決定される応力が第１面を介してプロテ
ーゼ体に加わり、第２面を介して長骨に加わり、第２面
が癒合骨端板はん痕に類似した形状を有している。
従って、本発明のプロテーゼ体によれば、体重及び筋肉
の動作の組合わせにより決定される応力は、関節接合面
からプロテーゼ体の第１面に作用し、第２面は骨と接続
する界面に作用する。
従って、第２面は癒合骨端板はん痕に類似した形状を有
するため、界面接続する骨に対して応力が均一に加わり
得、プロテーゼ体及び骨間の境界面でのせん断力が最小
限に抑制され得る。しかも、はん痕は骨への動脈血供給
の自然分割を意味するため、はん痕まで骨を切断するこ
とにより残りの骨に動脈血が比較的正常な状態で供給さ
れ得、健全な状態で存続し得、その結果、正常な応力環
境及び構造を維持し得る。
本発明のプロテーゼ体にかかる第２面に隣接する部分と
しては、代換するべき骨の構成物質の弾性率変化形態を
有するのがよい。これにより、使用中にプロテーゼ体に
加わる荷重によって隣接する骨構成物質に過剰な圧力が
加わることはなく、該物質が変性してプロテーゼ体が緩
み得ない。
本発明のプロテーゼ体にかかる第２面に隣接する部分と
しては、全体的に均等な弾性率を有すると共により高い
弾性率のファイバで強化された構造体からなり、ファイ
バが小柱構造と類似のパターンに従って分布されるのが
よい。これによりプロテーゼ体及び骨間の境界面でのせ
ん断力が最小限まで抑制され得、その結果、プロテーゼ
体が緩み得ない。
回復不可能な損傷を受けた骨の関節接合面を含む一部分
の代換物としてプロテーゼ体を配置するために、必要な
領域より広く切断することは、不適切と思われる。因み
に、代換物を必要とする回復不可能な骨の変性部分は、
通常はん痕を越えない。また、本発明のプロテーゼ体
は、通常はん痕又はん痕を越えるまで延在する。
本発明において、正常応力環境が方位の観点から見た所
定の骨部分に特有のパターンを生起させるだけでなく、
密度から見た変化も生起させるという事実を基礎とす
る。この密度から見た変化は骨構成物質の弾性率の変化
と相互に関係しているとみなし得、少なくとも骨に隣接
するプロテーゼ体部分だけは対応弾性率変化を有するよ
うにするのが適切である。
小柱構造に関連して変化する骨構成物質の特性には、弾
性率の他に疲れ限度及び破壊強さの如き特性があるが、
プロテーゼ体にこれらを模した特性を与えることは、隣
接骨における正常応力環境の形成に不可欠のものではな
いと考えられる。但し、プロテーゼ体に好ましい弾性率
を模すべく選択された製法により、他の特性が模される
可能性は勿論ある。いずれにしても本発明のプロテーゼ
体は、これらの特性と骨の代換に適した他の特性、例え
ば生体的相容性（biocompatibility）とに関して適切な
ものでなければならない。
本発明の実現に至るまでの研究では、最も一般的な被代
換骨部分という理由から、通常大腿骨頭と称される股関
節の大腿骨部分が主な研究対象とされてきた。同じ理由
から、添付図面に基づく以下の説明でも大腿骨頭を例に
とって本発明を詳述する。
第１図及び第２図は、大腿骨頭12の主要小柱群10及び11
を示している。小柱群10は主要圧縮群であり、体重と筋
肉の力とに起因する前記骨頭への合成荷重13は、普通こ
の小柱群を通過する。この小柱群は、大腿骨幹の内側皮
質から大腿骨頭にかけて、関節面領域全体に行き亘るよ
うに末広がりの軽い曲線を描きながら伸長する。これら
曲線は、近位大腿骨の中で小柱密度が最も高い部分を構
成する。小柱群11は主要引張群であり、大転子の直ぐ下
の側方皮質から内側へ上向きに曲線を描き、大腿骨頚部
を通って頭窩14の下の骨端の内側下方部に達する。この
小柱群は、荷重下で生じ得る扁平性向に逆って骨頭を安
定させる機能を有すると考えられる。骨頭の関節接合面
は、通常ほぼ球形である。
第１図及び第２図は主要円柱分布の最大密度領域が、関
節接合面に向けて広がる前の円柱状小柱群10によって構
成される一般的パターンを示している。前記円柱状部分
は、前後に細長く伸み前方でやや傾斜する横筋形態を有
する。最低密度領域は小柱群10の前記柱状部を包囲し且
つ小柱群10の外側で引張群11及び皮質と境界を接する。
その横断面積は前記柱状部から側方且つ内側へ向けて増
大する。
第１図及び第２図は、癒合骨端板はん痕15も示してい
る。このはん痕は小柱群10及び11とほぼ直角に交差して
いる。関節接合面と異なり、このはん痕はより一般的に
は球状ではなくて卵形である。このはん痕はまた前述の
如く、隣接し合う骨端動脈及び骨幹端動脈間の骨端板に
よる自然分割を構成する。
第３図及び第４図は、上方−下方荷重に係わる大腿骨頭
の骨構成物質における弾性率変化の一般的パターンを、
第１図及び第２図に夫々対応する断面で示している。こ
のパターンは、通常約10〜15ＧＰａの弾性率をもつ皮質
骨を1.0で表した場合に０〜0.1の値で示される個々の弾
性率値の等値線として示されている。これらの等値線は
第３図では骨頭全体に亘って示し、第４図でははん痕15
までの部分に亘って示したにすぎないが、前述の小柱分
布との相互関係は明白である。
第５図から第８図の具体例の各々は、プロテーゼ体が球
状関節部分からなる外側表面と、骨端板はん痕15に類似
した形状で骨と境界を接する面とを有する点で互に類似
している。これら具体例は、類似した全体形状において
互いに異なる構造を有する。
第５図及び第６図のプロテーゼ体は全体が符号20で示さ
れ、骨に隣接する内側部分21と関節接合面を構成する外
側被覆部分22とに分けられる。内側部分21は断面の形状
が全体的に三日月形であり、骨端板はん痕15近傍の下方
面23と球状上方面24とで規定される。
内側部分21は弾性率の低いプラスチック材料を、これと
同一の又はこれに対し相容性の材料で弾性率がより高く
しかもそれ自体は鋳造し得ないような材料からなるファ
イバ25を包囲するように成形することによって製造す
る。これらのファイバは主要小柱構造と同様に分布され
る。この分布はファイバ及びその周囲の成形材料の種々
の弾性率と同様に、被代換骨と類似の代換体の全体的弾
性率と３次元的変化が生じるように行なわれる。
弾性率変化に関しては次の点に留意されたい。即ち弾性
率変化は被代換骨のそれを模倣すべきものであるが、被
代換骨の弾性率変化は修正すべき変性に関連して或る程
度変動している可能性がある。大腿骨頭ではこの変動は
主要圧縮群10によって表わされる高弾性率領域の容積を
収縮させ得る。この変動は通常は大きなものではない
が、治療すべき骨に最適な応力環境が与えられる可能性
を高めるためには、健康な骨の弾性率変化と代換体を必
要とする骨の弾性率変化との衷に基づいて代換体の弾性
率変化を決定するのが適切であり得る。
尚、全体的弾性率変化は約１〜20ＧＰａの範囲が適切で
あり得、プロテーゼ体主要材料は前記範囲の下限に近い
値をとり、ファイバは前記範囲の上限に近い又は上限を
越える値を有する。この条件に適した材料の一典型例と
して、通常は低弾性率形態で得られるが延伸又は他の高
弾性率形態でも得られるポリマーが挙げられる。また、
プロテーゼ体のファイバは表面で又は表面より内側で切
られる必要はなく、隣接骨又は外側部分22にぶつかるよ
うに少量はみ出させて、キーイングメカニズム（keying
mechanism）を構成するようにしてもよい。
外側部分22はファイバと同じ高弾性率材料又は間接接合
に適した他の材料で製造し得、スナップ式固定（snap-f
it）又は他の任意の適切な方法により内側部分に接続さ
れ得る。
プロテーゼ体と骨との接続には特許出願第2,120,103Ａ
に記載の如きフィラメント26を使用するのが好ましい。
そのためには骨内部に侵入するヘッド付フィラメントを
受容するための通路を内側部分21に設ける。これら通路
は内側部分の上方表面に埋頭孔を有する。外側部分はフ
ィラメントを挿入した後で接続され、フィラメントヘッ
ドを被覆する。
プロテーゼ体の固定に先立つ大腿骨頭の整形（shapin
g）は荷重線13又は他のデータに従って骨に挿入される
案内部材に関連して使用される適切な工具を用いて行な
うのが好ましい。この場合はん痕15、従ってプロテーゼ
体の面23とこれに対する骨頭の相補面の輪郭とは、骨頭
の冠状面において互に傾斜する軸線をもつ一連の複数の
回転面により近似し得る。このような近似の最も簡単な
形態には、第１図の如きはん痕の最大曲率領域で合致す
る二つの回転面が存在する。
第７図及び第３図のプロテーゼ体では、硬化すると種々
の弾性率を示す成形可能形態に製造し得るプラスチック
材料が使用される。便宜上この図では、第５図及び第６
図に対応するエレメントを第５図及び第６図の場合と同
じ符号に10を加えた番号で示した。但し符号35Ａ，35Ｂ
等々は前述の全体的変化範囲内の種々の弾性率をもつ適
切な材料をその弾性率の大きい順に表わす。これら異な
る材料領域を順次成形して、第３図及び第４図と類似の
全体的弾性変化パターンを有する内側部分を製造するの
である。この場合も第５図及び第６図の具体例と同様に
プロテーゼ体を２つの部分で構成し且つ固定にフィラメ
ントを使用し得るが、図面簡明化のためこれらは図示し
なかった。
第７図及び第８図のプロテーゼ体部分の変形具体例で
は、前記一連の材料領域が発泡状プラスチック材料を、
その材料の緻密度すなわち弾性率を変化させるべく操作
し得るデバイスを用いて吹付けることにより形成され
る。この方法を用いると、領域が独立にほぼ均等な弾性
率を有するけれども、全体の弾性率が領域から領域へと
滑らかに変化させ得るという利点が得られる。
以上本発明を大腿骨頭に関して説明したきたが、本発明
は勿論これに限定されることはなく、より一般的に言え
ば骨関節、特に骨端板はん痕が生じる下肢の長骨先端の
関節に使用し得る。勿論より一般的な用途でも小柱構造
及び骨端板はん痕形状に関するデータが必要であるが、
このようなデータは文献から得られるし、又は既存のラ
ジオグラフィ又はその他の技術によっても簡単に得られ
る。一例として膝関節の大腿骨の場合には前記はん痕は
その中心を包囲する全体的に波形の形状を有し、これら
の波は振幅が径方向で漸増する。この形状は特にトルク
耐性に適しており、そのため大腿骨の膝部分のプロテー
ゼ体に適用すると有利である。
本発明はまた前述の諸具体例に限定されない。例えば、
第５図及び第６図の具体例にほぼ類似した一変形例とし
てカーボンファイバ強化カーボンを使用し得る。このカ
ーボンファイバ強化物は、通常小柱構造を表わすものと
して構成し、次いで樹脂又は他の結合剤で含浸処理した
後熱分解し、最後にカーボン蒸着にかける。
この方法は所望の弾性率変化をもつ内側部分の製造に適
しており、弾性率の高い外側部分の製造にも使用し得
る。その他、材料が多孔質であってその多孔率が制御可
能であり、従って組織の内方成長が可能であるという利
点も得られる。このような組織はプロテーゼ体及び骨間
の接合部で骨化形状を有し得、且つ関節面上で繊維軟骨
形状を有し得る。
【図面の簡単な説明】
第１図及び第２図は夫々成熟した大腿骨頭の冠状縫合切
断面及び矢状縫合切断面における主要小柱構造の簡略説
明図、第３図及び第４図は前記２つの断面における弾性
率変化を示す簡略説明図、第５図及び第６図は本発明の
大腿骨頭プロテーゼ体の一具体例を示す簡略説明図、第
７図及び第８図は前記プロテーゼ体の一変形例を示す簡
略説明図である。 10，11……小柱群、 12…大腿骨頭、 13……荷重、
14……頭窩、 15……骨端板はん痕、 20……プロテー
ゼ体、 21……内側部分、 22……外側部分、 23……
第２面、 24……第１面、 25……ファイバ、 26……
フィラメント。

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】関節の関節接合面を含む長骨の一領域を代
    換するプロテーゼ体であって、前記接合面とほぼ同じ形
    状を有すると共に代換可能な第１面と、前記骨と界面接
    続すると共に前記一領域の癒合骨端板はん痕に類似した
    形状を有する第２面とを備えるプロテーゼ体。
  2. 【請求項２】少なくとも前記第２面に隣接する部分が、
    前記代換すべき骨の構成物質の弾性率変化を模した弾性
    率変化形態を有する特許請求の範囲第１項に記載のプロ
    テーゼ体。
  3. 【請求項３】前記部分が、全体的に均等な弾性率を有す
    ると共により高い弾性率のファイバで強化された構造体
    からなり、前記ファイバが小柱構造と類似のパターンに
    従って分布される特許請求の範囲第２項に記載のプロテ
    ーゼ体。
  4. 【請求項４】前記部分が、個々にほぼ均等な弾性率を有
    する複数の隣接し合うゾーンからなる構造体で構成され
    る特許請求の範囲第２項に記載のプロテーゼ体。
  5. 【請求項５】弾性率が前記隣接ゾーン相互間でスムーズ
    に変化する特許請求の範囲第４項に記載のプロテーゼ
    体。
  6. 【請求項６】前記第２面を規定する本体部分と、この本
    体部分に接続されて前記第１面を規定する外殻部分とを
    含む二つの部分からなる特許請求の範囲第１項から第５
    項のいずれか一項に記載のプロテーゼ体。
  7. 【請求項７】前記本体部分に、骨に挿入される固定用フ
    ィラメントを受容する複数の通路が設けられる特許請求
    の範囲第６項に記載のプロテーゼ体。
  8. 【請求項８】股関節の大腿骨頭に使用され、前記第１面
    が球状であり、前記第２面が冠状面において相互に傾斜
    する軸線をもつ一連の異なる回転面により規定される特
    許請求の範囲第１項から第７項のいずれか一項に記載の
    プロテーゼ体。
JP60168442A 1984-08-01 1985-07-30 骨関節用内部プロテーゼ体 Expired - Lifetime JPH062139B2 (ja)

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