JPH07299087A - 自己潤滑性移植節間部材 - Google Patents

自己潤滑性移植節間部材

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JPH07299087A JP7053295A JP5329595A JPH07299087A JP H07299087 A JPH07299087 A JP H07299087A JP 7053295 A JP7053295 A JP 7053295A JP 5329595 A JP5329595 A JP 5329595A JP H07299087 A JPH07299087 A JP H07299087A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 摩擦を低減する。 【構成】 骨プロテーゼの如く移植物品が、鋳造技術に
より準備され、流体連通路を組み込む。内部流体連通路
は、関節空間から人工関節の節間表面に滑液を伝達す
る。節間表面における滑液の存在は、関節に十分な潤滑
性を設け、低摩擦ポリマーライナー材料のための必要性
なしに、人工関節に金属／金属、金属／セラミック、及
びセラミック／セラミック節間連結を使用することを可
能にする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、移植性骨プロテーゼに
関する。さらに詳細には、発明は、人工関節において節
間部材として役立つ、自己潤滑性骨プロテーゼに関す
る。
【０００２】
【従来技術及びその課題】関節置換手術は、極めてあり
ふれており、障害時には可能でなかった多数の個人を正
常に機能させている。人工関節は、通常、現存する骨に
固定された金属又はセラミック構成要素から成る。
【０００３】人工臀部関節は、例えば、幾つかの構成要
素を含む。人工臀部の大腿骨構成要素は、大腿骨の骨髄
管内に添着したその遠位端部において伸長ステム又はシ
ャフトを具備する。ステムの近位端部は、大腿骨頭が取
付けられたネック部位を含む。寛骨臼シェルは、寛骨臼
の如く現存する骨内に添着された人工臀部関節の分離構
成要素である。寛骨臼シェルは、大腿骨頭を収容するカ
ップ状部位を含む。大腿骨頭と寛骨臼シェルは、節間連
結を形成し、そしてシェル内の大腿骨頭の滑らかな低摩
擦移動は、人工臀部関節の適正な機能を保証するために
本質的である。
【０００４】人工膝関節は、脛骨に据付けた脛骨プラト
ーと大腿骨に据付けた膝大腿を含む。脛骨プラトーと膝
大腿は、人工膝関節の節間連結を形成する。適正に機能
する人工膝関節において、膝大腿は、脛骨プラトーの隣
接表面上を自由に滑動しなければならない。
【０００５】金属対金属節間連結は、しばしば、人工関
節構成において使用され、そして節間部材の少なくとも
一つは、低摩擦ポリマー材料で被覆される。節間部材の
節間表面に塗布される一般低摩擦ポリマー被覆は、超高
分子量ポリエチレン（ＵＨＭＷＰＥ）である。ＵＨＭＷ
ＰＥは、非常に低い摩擦係数を有する耐久性ポリマーで
あり、互いに２つの構成要素の滑らかな移動を可能にす
る。
【０００６】置換えられた人工関節内の自然摩擦は、屑
（例えば、関節からの金属又はポリマーライナー材料）
の微粒子を追い払い、関節内で移動させる。人工関節内
の摩耗屑の現象は、関節の適正な機械的機能を阻害する
重大な問題である。摩耗屑はまた、骨溶解及び骨劣化に
つながる。摩耗屑が人工関節内で発生するならば、それ
は通常屑の手術除去により、又は人工関節の続く置換に
より補正される。
【０００７】人工関節の節間連結は、摩耗屑の主源と考
えられる。現在、人工臀部関節における最新技術の節間
連結は、例えば、ＵＨＭＷＰＥで裏張りしたコバルトク
ロム寛骨臼シェル内に着座したコバルトクロム大腿骨頭
である。これが進歩した節間連結の一つであるにも拘わ
らず、大きな摩耗屑は、ポリエチレンライナー材料の腐
食から生ずると考えられる。
【０００８】金属／金属節間は、一般に、それらの強度
のために好ましい。しかし、ポリマーライナー材料が、
一般に、関節における摩擦を低減させるために必要であ
り、そしてこれらのライナー材料は、しばしば、摩耗屑
に寄与する。現在の技術は、低摩擦ライナー材料なしに
金属／金属節間の使用を許容しなかった。
【０００９】セラミック／セラミック節間連結は、人工
関節において潜在的に有益であると考えられる。しか
し、人工関節における実際の使用は、これらの材料の固
有に低い引張り強度のために非常に制限される。セラミ
ック材料はまた、極めてもろく、そして負荷保持応用に
おける整形外科移植片としての使用は、不測の破局的故
障の危険のためにさらに制限される。Ｃｏｏｋｅ、Ｃｌ
ｉｎｉｃａｌ Ｏｒｔｈｏｐａｅｄｉｃｓ ａｎｄ Ｒ
ｅｌａｔｅｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ，２７６：１３５−１
４６（１９９２）を参照せよ。セラミック／セラミック
節間連結の実際の使用はまた、骨内の定着と複雑な形状
を有する関節構成要素の製造に関して付加的な挑戦を提
示する。
【００１０】従って、摩耗屑の問題を縮小又は除去しな
がら、優れた機械的及び摩擦特性を組み合わせる人工関
節の節間連結の必要性がある。
【００１１】こうして、発明の目的は、人工関節のため
の適切に強力で効果的に低摩擦の節間連結を設けること
である。発明の別の目的は、摩耗屑が人工関節内で形成
される傾向を非常に縮小又は除去する節間連結を設ける
ことである。さらに他の目的は、人工関節のための有効
な金属／金属節間連結を設けることである。また、発明
の目的は、自己潤滑性である人工関節のための金属／金
属節間連結を設けることである。他の目的は、次の説明
から明らかになるであろう。
【００１２】
【課題を解決するための手段】本発明は、改良された潤
滑特性を有する人工関節の移植性構成要素を設ける。発
明は、改良された節間連結を有する人工関節の節間部材
に特に適用可能である。発明の節間部材で構成された人
工関節は、関節内の摩耗屑に寄与することの少ない節間
連結を有する。
【００１３】発明の節間部材は、部材を現存する骨内に
固定させる骨係合表面と、関節の摩耗表面において関節
の別の節間部材の節間表面に当接する対向節間表面とを
含む。適正に機能する人工関節において、摩耗表面にお
ける２つの隣接する節間部材の間の相対動作が発生す
る。
【００１４】発明の節間部材は、関節嚢内に自然に存在
する滑液を隣接節間部材の一方又は両方の節間表面に伝
達させることにより、関節の節間又は摩耗表面において
自己潤滑性であるように設計される。少なくとも一つの
一次内部通路が、滑液を関節の摩耗表面に輸送するため
に節間部材内に配設される。好ましくは、一次内部通路
は、関節空間に隣接する部材の側面における入口ポート
において発する。
【００１５】一つの実施態様において、一次内部通路
は、節間部材内で終端し、一つ以上の二次内部通路と連
通する。二次通路は、また、部材の節間表面において配
設した一つ以上の出口ポートと連通する。代替的に、一
つ以上の一次内部通路が、関節空間に隣接した入口ポー
トから部材の節間表面に配設した出口ポートへ直接に達
する。
【００１６】内部通路は、部材の強度を妥協せず、通路
内の流体流が阻止されない如く節間部材内で指向され
る。一次及び二次内部通路は、流体が毛細作用により通
路を伝えられるために十分な比較的小さい直径である。
一般に、通過の直径は、０．００５〜０．１００インチ
の範囲である。
【００１７】発明の移植物品において形成した内部通路
は、節間部材に自己潤滑性節間表面を具えさせる。関節
空間から通路を通って伝達された滑液は、関節の適正な
機能を許すために、節間表面に十分な潤滑性を設ける。
さらに、本発明により構成された人工関節構成要素は、
少なくとも一つの節間部材の節間表面をＵＨＭＷＰＥの
如く低摩擦ポリマーで被覆するための必要性なしに、金
属／金属又は金属／セラミック節間連結を使用する。そ
のような被覆の不在は、関節内の摩耗屑の発生を大きく
縮小すると考えられる。
【００１８】発明の移植物品は、適切な鋳造技術により
製造される。しかし、好ましくは、鋳造プロセスにおい
て使用された鋳型は、３次元（３−Ｄ）印刷プロセスを
通して準備される。３−Ｄ印刷の使用は、所望の位置に
おいて位置付けられた小直径内部通路を有するセラミッ
ク又はセラミック形成鋳型の製造を可能にする。
【００１９】本発明による鋳型を形成するために使用さ
れた３−Ｄ印刷プロセスは、一般に、一度に一層ずつ型
の表面を構築することにより、型表面を製造する段階を
含む。適切な組成の粉末材料は、層毎に堆積され、そし
て各層の部分が、選択部位において粘結材を塗布するこ
とにより凝固される。このようにして、グリーン型が、
準備され、その後、それは乾燥させ焼成される。焼成後
に、型は、鋳造プロセス中溶融金属を受入れるように条
件付けられる。
【００２０】３−Ｄ印刷プロセス中、内部通路を規定す
る型部位は、通路の所望の配置に対応する位置において
型材料の固形部位を形成することにより準備される。い
ったん溶融金属が移植物品を形成するために型に注入さ
れると、金属は、内部通路に対応するセラミック型部位
を包む。セラミック型材料の除去後、開通路は、セラミ
ック型材料の固形部位の位置に対応する。
【００２１】
【実施例】発明は、自己潤滑性移植物品に関する。好ま
しくは、移植物品は、人工関節の節間部材の如く骨プロ
テーゼである。移植物品の自己潤滑特性は、適正に機能
する関節を保証するために役立つ。
【００２２】従って、発明の移植性節間部材は、滑液が
部材に配設した内部通路を通って部材の節間表面に引か
れる如く構成される。滑液は、こうして、２つの隣接節
間部材の節間又は摩耗表面において十分な潤滑性を設け
る。この自己潤滑特徴は、ポリマー材料で節間表面のす
べて又は部分を裏張りする必要性をなくしながら、金属
／金属と金属／セラミックの如く人工関節における節間
連結の使用を可能にする。
【００２３】本自己潤滑性移植物品によって設けられる
一つの特別な利点は、人工関節の節間表面において、Ｕ
ＨＭＷＰＥの如く、ポリマーライナー材料を使用する必
要性の除去である。そのようなライナー材料なしにこう
して形成された人工関節は、摩耗屑を発生する傾向が少
ない。関節の節間表面に伝達された滑液は、金属／金属
節間連結をライナー材料なしに人工関節において有効に
使用可能にする十分な潤滑性を設ける。
【００２４】図１〜図４は、本発明により構成された人
工臀部関節１０及びいろいろな構成要素を示す。人工臀
部関節１０は、寛骨臼の現存する骨内に固定された寛骨
臼シェル１２を含む。
【００２５】図１は、大腿骨臀部ステム１６と、寛骨臼
シェル１２内の関節でつながる大腿骨臀部頭２２を示
す。臀部大腿１６は、伸長遠位ステム１８と近位ネック
部位２０を含む。大腿骨頭２２は、臀部大腿１６のネッ
ク部位２０に固着される。図示された如く、大腿骨頭２
２は、寛骨臼シェル１２内に嵌まる。寛骨臼シェル２１
の大腿骨頭２２と内面２４の間に相対動作が生ずる。こ
うして、表面２４と頭２２は、人工臀部関節の節間表面
を形成する。従って、大腿骨頭２２は、関節を転位する
ことなく、寛骨臼シェル１２内で自由に関節作用するこ
とができる。
【００２６】図１〜図４は、自己潤滑性寛骨臼シェルの
文脈において、本発明による自己潤滑性移植物品の構成
を最良に示す。寛骨臼シェル１２は、外部骨係合表面２
６を含む。好ましくは、表面２６は不規則であり、骨ね
じ３０を着座させるためのねじ穴２８を含む。寛骨臼シ
ェルは、寛骨臼シェルの外面２６と内面２４の間に配設
した一つ以上の内部流体伝達通路３２を有する。通路３
２は、入口ポート３４に隣接した関節空間からの滑液を
連通させ寛骨臼シェル１２の内側又は節間表面２４にお
いて形成された出口ポート３６を通して放出させるよう
に設計される。出口ポート３６は、関節の節間部材の節
間表面において滑液を堆積するように位置付けられる。
【００２７】図５は、発明の一つの実施態様を示し、こ
の場合、寛骨臼シェル１２の如く移植物品は、一次内部
通路３８と二次内部通路４０を含む。図示された如く、
一次内部通路３８は、関節空間に隣接した寛骨臼シェル
１２の表面４２における入口ポート３４から通路３８を
通って流体を連通させる。二次内部通路４０は、一次通
路における流体連通ポート４４と寛骨臼シェル１２の内
面２４に配設した出口ポート３６の間で流体を連通させ
る。図５に示された実施態様において、２つの分離独立
した一次通路３４が、関節空間から分離二次通路４０に
流体を連通させる。
【００２８】発明はまた、多様な他の人工関節構成要素
において寛骨臼部材として使用される自己潤滑性移植物
品に適用可能である。図６と図７は、それぞれ、自己潤
滑性膝大腿４６と自己潤滑性大腿骨頭２２を示す。
【００２９】図６は、大腿骨（不図示）の遠位端部に骨
係合表面４８において添着した膝大腿４６を示す。膝大
腿４６の節間表面５０は、人工膝関節の別の節間部材を
形成する脛骨プラトー（不図示）に当接する。共に、膝
大腿４６の節間表面５０と脛骨プラトーの対応する節間
表面は、人工膝関節において節間表面を形成する。膝大
腿４６は、滑液を関節空間に隣接した入口ポート５４か
ら出口ポート５６を通って連通させ節間部材の間の界面
に堆積させる内部流体連通路５２を含む。不図示である
が、一つ以上の二次通路が、通路５４から節間表面５０
におけるいろいろな位置へ流体を連通させる。
【００３０】図７に示された如く、大腿骨頭２２は、寛
骨臼シェル１２内に機能的に配設された節間表面５８を
含む。一つ以上の通路６０が、関節空間に隣接した入口
ポート６２から節間表面５８における出口ポート６４に
延びる。通路６０は、滑液を関節空間から内部的に大腿
骨頭における通路を通って連通させ、臀部頭２２の節間
表面５８と人工臀部関節の内面２４の界面において滑液
を堆積する。
【００３１】本発明の自己潤滑性移植物品は、上記のも
ののほかに、多様な骨プロテーゼで使用されることが理
解される。移植物品のためのそのような構成は、人工
肩、指と肘を含む他の人工関節において使用された節間
部材に適用可能である。
【００３２】滑液は、通常、各個人の関節嚢内に存在す
る。この発明の自己潤滑性移植物品は、滑液の潤滑特性
を活用し、人工関節の節間表面に滑液を連通するための
通路を設ける。滑液は、こうして、そのように構成され
た人工関節の節間部材の間の高潤滑度を容易にする。
【００３３】流体連通路の寸法と定位は、それらが形成
される関節構成要素により変化する。一般に、通路は、
その強度を妥協することなく、移植物品の寸法内に合う
ように構成される。通路はまた、滑らかな内壁を有し、
毛細作用により流体の滑らかな連続流を容易にするよう
に移植物品内で空間的に指向されるように構成される。
こうして、通路は、方向又は厳しい角度の突然の変化を
含むべきではない。さらに、通路は、好ましくは、円形
断面を有する。
【００３４】通路幾何形状はまた、ある程度まで、滑液
の特性によって規定される。滑液の重大な特性には、滑
液の表面張力と湿潤角があり、これらは、温度の関数で
ある。流体の表面張力特性と湿潤角度特性はまた、通路
が形成される材料による。表面張力と湿潤角度の特性を
使用して、通路の入口と出口の間の適切な圧力差を生ず
る適切な内部通路直径が、方程式 ｐ＝４σ｜α｜／Ｄ による推定される。ここで、ｐは、圧力を表し、Ｄは通
路の直径を表し、σは表面張力を表し、そしてαは接触
角を表す。
【００３５】一つの実施態様において、寛骨臼シェル内
に形成した通路は、関節空間に隣接した寛骨臼シェルの
ふちに配設した入口ポートにおいて発する。通路は、寛
骨臼シェルの骨係合表面と節間表面の間でシェル内に内
部的に配設される。通路は、上記の如く、節間表面にお
いて配設した出口ポートにおいて終端するか、又はそれ
らは節間表面において配設した出口ポートと連通する分
離二次通路と連通する。寛骨臼シェルは、例えば、通常
０．１５０インチ〜０．３００インチの間の範囲である
壁厚（節間表面と骨係合表面の間の距離）を有する。そ
のような寛骨臼シェル内に配設した流体連通路の直径
は、通常、約０．００５インチ〜０．１００インチの範
囲である。好ましい通路直径は、約０．００７インチ〜
０．０４０インチの範囲である。内部通路の長さは、も
ちろん、それらが配設された移植物品の寸法と移植物品
内の通路の定位によって指定される。
【００３６】図６と図７に示された如く、膝大腿と大腿
骨頭に形成された流体連通路は、一般に弓状である。寛
骨臼シェルに形成された通路と同様に、膝大腿と大腿骨
頭において配設された通路の定位と寸法は、それらが形
成される移植物品のサイズによる。そのような通路の寸
法は、同様に、ほぼ０．００５〜０．１００インチの範
囲にある。好ましい直径は、約０．００７インチ〜０．
０４０インチの範囲にある。
【００３７】上記の如く、本発明の自己潤滑性移植物品
は、関節空間から人工関節の節間表面に滑液を連通する
ように構成される。関節が正常動作を受ける時、滑液
は、通路の入口ポートに引き入れられる。関節の継続動
作は、付加流体を通路に引き入れさせる。究極的に、流
体は、通路を横断し、関節の節間表面において堆積され
る。
【００３８】図６は、図示の方向における人工膝関節の
膝大腿４６の構成要素の回転が、流体流を導管５２内で
前後に振動させることを示す。関節の継続した動作は、
こうして、十分な潤滑性を設けるために関節の摩耗表面
において滑液の供給を設け、関節の適正な機能を容易に
する。
【００３９】内部通路の内面を形成する材料は、流体が
通路の表面上に広がり毛細作用により流体連通を促進す
る如く、比較的低い湿潤角度を有するものであるべきで
ある。低い湿潤角度を有する生体適合性材料は、最も好
ましいものである。材料の例としては、移植物品自体が
作成されるＡＳＴＭ Ｆ−７５の如く、コバルトクロム
合金がある。
【００４０】上記の内部流体連通路を含む移植物品は、
関与する入り組んだ内部幾何形状により、大きな製造の
挑戦を呈する。そのような移植物品を製造する好ましい
方法は、移植物品を直接に鋳造するために鋳型を製造す
るためのコンピュータ制御３次元（３−Ｄ）印刷技術を
使用するものである。それから、鋳型は、上記の形式の
一体的な鋳放し内部流体連通路を含む移植物品を鋳造す
るために使用される。ここで記載された形式の移植物品
のための鋳型の準備に適用可能な３−Ｄ印刷プロセス
は、連続層において付与された緩い粉末から使用し、イ
ンクジェットに類似するコンピュータ制御走査ノズルに
より、粘結材が各層に選択的に塗布される。粉末層への
粘結材の塗布は、所望の３次元固体の区分に対応する部
位又はプロフィルの各層において粉末を選択的に凝固さ
せる。発明の実施のための適切な３次元印刷技術は、Ｓ
ａｃｈｓ他への米国特許第５、２０４、０５５号におい
て開示され、この特許は、参照としてここに明確に取り
入れられる。
【００４１】プロセスは、閉込め領域において粉末材料
の層の堆積と、粉末層の選択部位へ粘結材を塗布させ所
望部位において粉末を凝固させることに係わる。それか
ら、次の粉末層は、第１層の上に堆積され、そして粘結
材が、再び、粉末の第２層の選択された一般に部分的に
重なる部位に塗布され、新部位において第２層を凝固さ
せ、第１層の前に凝固された区分に凝固区分を粘結させ
る。これらの段階は、粉末及び粘結材の多数の連続積層
から形成した物体を獲得するために所定のパターンによ
り繰り返される。粘結材が各走査層において堆積される
部位は、形成される３次元物体の現走査高さにおける区
分に対応する。さらに以下に記載される如く、形成され
る物体は、好ましくは、型表面であり、開又は閉型表面
のいずれかである。「閉」型表面により、相補的形状物
品が鋳造されるカップ形状空洞を意味する。「開」型表
面により、鋳造媒体を収容するためにそれ自体意図され
ないが、表面形状を鋳造物体に伝えるために型空洞に組
み込まれる湾曲又は平坦板を意図する。
【００４２】３次元印刷プロセスは、一般にコンピュー
タ制御される。コンピュータによって走査又は解釈され
る事実上任意の設計が、その複雑性に拘わらず、３−Ｄ
印刷装置の分解能限界を受けて再現される。下記の粉末
強固の３−Ｄプリンターの分解能は、現在、約０．００
７インチの小さな表面詳細の構造を準備することができ
る。しかし、さらに他のプロセス改良がこの値を縮小す
る。
【００４３】本発明によって形成された鋳型は、鋳造さ
れる移植物品のネガを表現する。従って、固形一般円筒
形及び伸長構造が、型に組み込まれる。これらの固形円
筒形部位は、鋳造移植物品内に形成される内部流体連通
路に対応する。固形円筒形部位は、通常、関節空間に隣
接して置かれる移植物品の表面に対応する型のふちから
鋳造移植物品の節間表面に対応する型の表面にまでわた
る。
【００４４】本発明を実施する際に有益な好ましい３−
Ｄ印刷装置は、Ｓｏｌｉｚｅｎ，Ｉｎｃ．、Ｎｏｒｔｈ
ｒｉｄｇｅ，ＣＡからモデルＤＳＰＣ−ａｌｐｈａバー
ジョンとして入手可能である。
【００４５】本発明による移植物品の型を作成する方法
が、図８Ａ〜図８Ｃにおいて示される。プロセスは、図
８Ａに示された如く、閉込め部位７０において粉末材料
６８の層６６の堆積で始まる。閉込め部位７０は、プラ
テンの平面に垂直な、軸Ｚによって指示された送り方向
において可動であるステージ又はプラテン７２の表面に
おいて規定される。送り方向に沿った動作は、プラテン
７２に粉末材料の付加層を収容させ、又は代替的に、そ
れは仕上げ部品の除去を許容する。粉末材料は、所望の
移植可能骨プロテーゼを形成するために型の縦又は横断
面又はプロフィルを包含するように好ましくは選択され
る閉込め部位において輪郭内の非常に薄い層において堆
積される。粉末６６の各層は、好ましくは、約０．００
７インチ厚であり、そして粉末は、比較的緩く広げられ
た如く堆積される。好ましくは、粉末は、閉込め部位７
０上に堆積される粉末分配機構７４から堆積される。振
動ローラーの如く水準化装置（不図示）が、粉末層を平
滑にするために作動され、層は好ましくは約０．００７
インチの一様厚を有する保証する。
【００４６】粉末材料は、鋳型を形成するために、粘結
材の塗布により凝固されることができる任意の材料であ
る。発明の方法において使用された一般粉末材料は、ア
ルミナ、シリカ、炭化けい素、窒化けい素、ジルコニア
粉末の如くセラミック形成材料と他の材料、及びそれら
の混合物であり、粉末材料は、鋳造技術のためのセラミ
ック型を作成する際に一般に使用される如く、フラック
ス又は型コンディショナーとして作用する材料と混合さ
れる。適切な材料は、米国特許第５、２０４、０５５号
（Ｓａｃｈｓ他）において記載される。
【００４７】図８Ｂに示された如く、一様な非強固粉末
層６６の堆積の後、粘結材７８が、所与の位置において
移植物品の寸法の所望の断面と物品に組み込まれる構造
的特徴によって規定されたパターンにより、粉末層６６
の選択部位８２に堆積される。好ましくは、粘結材７８
は、インクジェット印刷ヘッドと同様に動作する、堆積
機構８０から分配される。堆積機構８０は、好ましく
は、型から鋳造される物品において達せられる複雑性と
詳細のレベルのために適切である比較的微細な分解能を
有する。
【００４８】堆積機構８０は、粘結材７８の像状パター
ン８２を規定するために粉末領域上で、例えば適切なキ
ャリッジとステッパー駆動により制御走査される。従来
の像印刷技術では、堆積機構８０は、半ドット解像度で
効果的に印刷するために液体ノズルに微小ふれ又はオフ
セットを付加するための手段を含む。
【００４９】粘結材７８は、それが塗布される粉末材料
６８を湿潤させ、又は反応し、そして凝固させる有機又
は無機性粘結材である。一般粘結材としては、セルロー
ス樹脂、ブチラール樹脂、ポリカーボシラザン及びシリ
ケートベース材料、セラミック型を形成するために粘結
材として通常使用される他の液体がある。水性コロイダ
ルシリカは、粉末が固体セラミックに凝固及び焼成され
ることを必要とする応用のために現在好ましい粘結材で
ある。
【００５０】図８Ａと図８Ｂの粉末堆積及び粘結材応用
段階は、各粉末層が所定の走査作動パターンにより選択
部位において凝固される時、反復される。プラテン７２
は、新粉末層の堆積と新層への粘結材の塗布を許容する
ために、各走査で粉末層６６の厚さに等しい距離だけプ
ラテンの平面に垂直なＺ軸に沿って移動される。各連続
粉末層の凝固区分は、直下の粉末層における凝固部位の
少なくとも部分に結合され、その結果、全多重層堆積及
び走査プロセスは、固形シェルを形成するために粉末材
料の多数の薄いリング積層から成る単一連続３次元物体
を規定する。このようにして、図８Ｃに示された如く完
成型８４が準備される。
【００５１】図８Ａ〜図８Ｃに示された例示のプロセス
において、アルミナ粉末が、層６６を形成するために使
用され、そしてシリカが、パターン凝固粘結材として使
用される。グリーン（すなわち、非焼成）鋳型８６が、
移植性寛骨臼シェルが形成される寛骨臼シェルのネガ像
の形式において準備される。
【００５２】図８Ｃにおいて線９−９に沿って示された
型８４の断面図である図９は、型が、鋳造物品において
形成される流体連通路に対応する凝固円筒形部位８８を
組み込んだことを示す。凝固円筒形部位８８は、型の外
壁９０と内壁９２の間の壁８４において配設される。鋳
型が溶融金属又は金属合金で満たされる時、金属は冷却
し、型の形状に順応する。内部通路に対応するセラミッ
クの伸長部位は、鋳造物品にとどまる。鋳造物品を除去
するために型を破砕することにより、伸長セラミック部
位が、同様に除去され、こうして、空隙の形式において
通路を残す。
【００５３】ここで記載された３−Ｄ印刷技術は、移植
物品の形状を対応し、移植物品において形成される流体
連通路のネガを表現する内部部位を含む鋳型の大量生産
を可能にする。鋳型は、セラミック又はセラミック形成
材料から直接に大量生産され、鋳型は、３−Ｄ印刷プロ
セスにおいて層毎に構成される。このプロセスは、こう
して、内部流体連通路を組み込むことが困難である所望
の物体の固形モデルを作成する必要性を回避する。図８
〜図９の印刷型は、骨プロテーゼの如く金属移植物品を
鋳造するために使用され、そして型は、鋳造金属プロテ
ーゼを損傷することなく、プロテーゼから除去される。
超音波破砕及び溶剤除去が、鋳造金属物品を攻撃するこ
となくセラミック材料を選択的に除去するために使用さ
れる技術の例である。これらの技術は、成形物体とその
内部連通路の繊細及び／又は複雑な表面幾何形状への危
険はないことを保証する。
【００５４】いったん型８４が印刷されると、鋳型内で
凝固又は結合していない緩い粉末材料６８は、鋳型の周
りから除去される。型は、緩い粉末を追い払い除去する
ために揺すられ、あるいはそれは浴又は溶剤に浸され、
この場合、緩い粉末材料は、型の凝固部分が残ったまま
洗浄又は溶解される。鋳型内のその位置のために完全に
除去することが困難である緩い粉末材料は、浴又は溶剤
における浸漬に続いて又は同時に、鋳型を超音波又は他
の高周波振動にさらすことによりさらに容易に除去され
る。浴又は溶剤における超音波振動及び／又は浸漬は、
凝固円筒形部位８８内又は隣接する如く、閉込められた
緩い粒子を除去するために特に有益である技術である。
【００５５】水酸化ナトリウムの如く浸出剤がまた、金
属材料に影響することなく、セラミック材料を攻撃し除
去するために使用される。そのような浸出剤は、内部通
路に対応する伸長セラミック部位内からセラミックを除
去するために特に有効である。
【００５６】緩い粉末が鋳型から除去された後、中空鋳
型は、好ましくは、揮発性材料を乾燥させるために焼き
固められ、強力なセラミック型を生ずるために十分な時
間期間に適切な温度において炉において焼成される。型
を形成するための好ましい粉末材料は、アルミナであ
り、粘結材として水性コロイダルシリカの塗布で凝固さ
れた時、焼成されたアルミナ鋳型を形成するためにほぼ
２時間に対し約１９２５°Ｆにおいて焼成される。焼成
された鋳型は、正確な型空洞を規定する如く、強力で熱
的に安定である。
【００５７】適正な型強度のために望ましいセラミック
強化度により、ある収縮量が、グリーンセラミックを焼
成することにより期待される。従って、技術における当
業者は、型収縮が、究極的に鋳造される物品のサイズに
ついてスケール因子だけ拡大された型を形成することに
より補償されることを容易に認めるであろう。好ましく
は、型は、鋳造される物品の寸法よりもほぼ１〜２パー
セント大きな寸法を有する。
【００５８】焼成の後、中空型８４は、所望の物体を形
成するために型内で凝固させられる溶融金属又は金属合
金を収容する。適切な金属合金としては、限定的ではな
いが、コバルトクロムニッケル合金、チタンバナジウム
合金、ステンレス鋼及び移植性骨プロテーゼの製造にお
いて使用される非常に公知な他の材料がある。
【００５９】幾つかの鋳造形状に対して、型は、溶融金
属又は金属合金よりもむしろ、金属又は金属合金を満た
されることが理解される。そのような応用において、非
常に公知な技術により、熱が、鋳造品を凝固するため
に、続いて加えられる。
【００６０】鋳造後、移植性骨プロテーゼは、仕上げ製
品として鋳型から取り除かれる。鋳型がグリーンすなわ
ち非焼成である場合に、それは容易に細砕され、プロテ
ーゼから分離される。焼成セラミック鋳型は、プロテー
ゼを形成するために接合され、仕上げ製品を取り除くた
めに必要に応じて分離される一つ以上の区分を設けられ
る。上記の如く、超音波清浄と選択的エッチングが、鋳
造金属物品から型のすべての残留物を取り除くために使
用される。
【００６１】具体的には記載されないが、鋳造物品は、
３−Ｄ印刷技術によって準備される所望の表面テクスチ
ャーを有するこの発明のプロセスにより製造されること
が理解される。
【００６２】発明の移植物品はまた、金属構成要素の直
接の３−Ｄ印刷によって製造される。
【００６３】例示の実施態様の製造方法の上記の説明
は、発明が適用される構成範囲を示すために提示され
る。本発明の物理的アーキテクチャー及び型プロセスに
おける変形が、ここの開示に基づいて技術における当業
者には明らかになり、そしてそのような変形は、添付の
クレイムにおいて述べられた如く、特許権が請求された
発明の範囲内にあると考えられる。
【００６４】本発明の主なる特徴及び態様は以下のとお
りである。
【００６５】１．節間表面と対向した骨係合表面を有す
る節間部材を具備する、関節空間内の配置のための移植
物品において、節間部材が、関節空間に隣接した物品の
表面において配設した流体連通入口ポートから部材内の
内部に配設された一つ以上の一次内部通路と、一次内部
通路から節間表面に流体を連通するための手段とを具備
し、一次通路と連通のための手段は、人工関節の節間部
材と別の節間構成要素の間の潤滑を提供するために関節
空間内から節間表面に滑液を伝達することができる移植
物品。
【００６６】２．連通のための手段が、節間部材の節間
表面において配設した一次内部通路の流体連通出口ポー
トである上記１に記載の移植物品。
【００６７】３．連通のための手段が、一つ以上の二次
内部通路を具備し、各通路は、一次内部通路の一つから
節間部材の節間表面に配設した流体連通出口ポートに配
設される上記１に記載の移植物品。
【００６８】４．一次内部通路が滑らかな内壁を有し、
流体の滑らかな連続流を許容するために節間部材内で空
間的に指向される上記１に記載の移植物品。
【００６９】５．一次内部通路が、節間表面又は骨接触
表面の少なくとも一方に実質的に平行な定位において部
材内に配設される上記４に記載の移植物品。
【００７０】６．節間部材が、鋳放し一次内部通路を有
する鋳造金属物品である上記４に記載の移植物品。
【００７１】７．節間部材が、金属とセラミックから成
るグループから選択された鋳造可能な生物学的に適合性
の材料から形成される上記４に記載の移植物品。
【００７２】８．節間部材が、コバルトクロムニッケル
合金、チタンバナジウム合金、及びステンレス鋼から成
るグループから選択された金属から形成される上記４に
記載の移植物品。
【００７３】９．節間部材が、アルミナ、ジルコニア、
窒化けい素、シリカ、炭化けい素、及びそれらの混合物
から成るグループから選択されたセラミックから形成さ
れる上記４に記載の移植物品。
【００７４】１０．節間部材が、寛骨臼シェルである上
記７に記載の物品。
【００７５】１１．節間部材が、大腿骨頭である上記７
に記載の移植物品。
【００７６】１２．節間部材が、膝脛骨である上記７に
記載の移植物品。
【００７７】１３．節間部材が、膝大腿である上記７に
記載の移植物品。
【００７８】１４．一次内部通路の直径が、約０．００
５〜０．１００インチの範囲である上記１に記載の物
品。
【００７９】１５．二次内部通路の直径が、約０．００
５〜０．１００インチの範囲である上記３に記載の物
品。
【００８０】１６．遠位伸長シャフトと近位ネック部位
を有する臀部大腿構成要素と、滑らかな外部節間表面を
有する、ネックに固着することができる半円形大腿骨頭
構成要素と、大腿骨頭構成要素を収容するために内部骨
係合表面と外部カップ状節間表面を有する寛骨臼シェル
であり、一つ以上の一次内部通路と一次内部通路から節
間表面に流体を連通するための手段を有し、一次内部通
路は、関節空間に隣接する寛骨臼シェルの外面に配設し
た流体連通入口ポートから寛骨臼シェル内に内部的に配
設される寛骨臼シェルとを具備する移植性臀部関節。
【００８１】１７．連通のための手段が、一つ以上の二
次内部通路を具備し、各通路は、一次内部通路の一つか
ら節間表面に配設した流体連通出口ポートまで配設され
る上記１６に記載の臀部関節。
【００８２】１８．寛骨臼シェルが、鋳放し一次内部通
路を有する鋳造金属物品である上記１７に記載の臀部関
節。
【００８３】１９．寛骨臼シェルのカップ状節間表面
が、金属とセラミックから成るグループから選択された
生物学的に適合性の材料から形成される上記１７に記載
の臀部関節。
【００８４】２０．節間部材が、コバルトクロムニッケ
ル合金、チタンバナジウム合金、及びステンレス鋼から
成るグループから選択された金属から形成される上記１
７に記載の移植物品。
【００８５】２１．節間部材が、アルミナ、ジルコニ
ア、窒化けい素、シリカ、炭化けい素、及びそれらの混
合物から成るグループから選択されたセラミックから形
成される上記１７に記載の移植物品。
【００８６】２２．大腿骨頭構成要素の節間表面が、金
属とセラミックから成るグループから選択された生物学
的に適合性の材料から形成される上記１６に記載の臀部
関節。
【００８７】２３．一次内部通路が、約０．００５〜
０．１００インチの範囲において直径を有する上記１６
に記載の臀部関節。
【００８８】２４．二次内部通路が、約０．００５〜
０．１００インチの範囲において直径を有する上記１７
に記載の臀部関節。
【００８９】２５．節間表面と対向した骨接触表面を有
する節間部材を具備する移植物品において、節間部材
が、関節空間に隣接した物品の表面において配設した流
体連通入口ポートから部材内に内部的に配設された一つ
以上の流体連通路と、一つ以上の二次内部通路であり、
各々は、一次内部通路の一つにおける流体連通ポートか
ら節間表面に配設した流体連通出口ポートに達し、一次
及び二次内部通路は、人工関節の節間部材と別の節間構
成要素の間の潤滑を提供するために関節空間内から節間
表面に滑液を伝達することができる一つ以上の二次内部
通路とを具備する移植物品。
【００９０】２６．人工関節のための移植性自己潤滑性
節間部材を作成する方法において、 ａ）閉込め部位において粉末材料の層を堆積する段階
と、 ｂ）粉末材料を選択部位において凝固させるために、層
の選択部位において粉末材料に粘結材を塗布する段階
と、 ｃ）粉末の連続層を堆積するために所定回数段階ａ）と
ｂ）を繰り返する段階であり、各層の凝固部分が移植物
品のネガを規定する鋳型を形成するために先行層に結合
される如く、粘結材が塗布される部位の変化を伴い、鋳
型が、節間部材において形成される内部流体伝達通路に
対応する固形円筒形部位を含む段階と、 ｄ）鋳型内から緩い非結合粉末材料を除去する段階と、 ｅ）鋳型内の金属を鋳造し、節間部材を形成するために
金属を硬化する段階と、 ｆ）関節空間から節間部材の節間表面に滑液を伝達する
ために有効である内部流体伝達通路を有する節間部材を
鋳型から除去する段階とを含む方法。
【００９１】２７．粉末材料が、セラミック形成材料で
ある上記２６に記載の方法。
【００９２】２８．セラミック形成材料が、アルミナ、
シリカ、炭化けい素、ジルコニア、窒化けい素、及びそ
れらの混合物から成るグループから選択される上記２７
に記載の方法。
【００９３】２９．粘結材が、セルロース樹脂、ブチラ
ール樹脂、ポリカーボシラザン、及びシリケートベース
材料から成るグループから選択された有機又は無機粘結
材を具備する上記２６に記載の方法。
【００９４】３０．粘結材が水性コロイダルシリカを具
備する上記２６に記載の方法。
【図面の簡単な説明】
【図１】骨盤の骨内に添着した寛骨臼シェルを有する人
工臀部関節と、寛骨臼シェル内に据付けた臀部大腿骨構
成要素とを示す斜視図である。
【図２】本発明により構成された寛骨臼シェルの部分的
に切欠きの斜視図である。
【図３】図２の寛骨臼シェルの底面図である。
【図４】図２の線４−４における寛骨臼シェルの断面図
である。
【図５】本発明により構成された寛骨臼シェル内の臀部
頭の据付けを示す概略図である。
【図６】本発明により構成された膝大腿の側面図であ
る。
【図７】本発明により構成された臀部頭の側面図であ
る。
【図８】本発明による寛骨臼シェルのための型を製造す
るための方法を順次に示す。
【図９】本発明により準備された寛骨臼シェルの型の底
面図である。
【符号の説明】
１０ 人工臀部関節 １２ 寛骨臼シェル １４ 大腿骨部頭 １６ 臀部大腿 １８ 伸長遠位システム ２０ ネック部位

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 節間表面と対向した骨係合表面を有する
    節間部材を具備する、関節空間内の配置のための移植物
    品において、節間部材が、関節空間に隣接した物品の表
    面において配設した流体連通入口ポートから部材内の内
    部に配設された一つ以上の一次内部通路と、一次内部通
    路から節間表面に流体を連通するための手段とを具備
    し、一次通路と連通のための手段は、人工関節の節間部
    材と別の節間構成要素の間の潤滑を提供するために関節
    空間内から節間表面に滑液を伝達することができる移植
    物品。
  2. 【請求項２】 遠位伸長シャフトと近位ネック部位を有
    する臀部大腿構成要素と、滑らかな外部節間表面を有す
    る、ネックに固着することができる半円形大腿骨頭構成
    要素と、大腿骨頭構成要素を収容するために内部骨係合
    表面と外部カップ状節間表面を有する寛骨臼シェルであ
    り、一つ以上の一次内部通路と一次内部通路から節間表
    面に流体を連通するための手段を有し、一次内部通路
    は、関節空間に隣接する寛骨臼シェルの外面に配設した
    流体連通入口ポートから寛骨臼シェル内に内部的に配設
    される寛骨臼シェルとを具備する移植性臀部関節。
  3. 【請求項３】 節間表面と対向した骨接触表面を有する
    節間部材を具備する移植物品において、節間部材が、関
    節空間に隣接した物品の表面において配設した流体連通
    入口ポートから部材内に内部的に配設された一つ以上の
    流体連通路と、一つ以上の二次内部通路であり、各々
    は、一次内部通路の一つにおける流体連通ポートから節
    間表面に配設した流体連通出口ポートに達し、一次及び
    二次内部通路は、人工関節の節間部材と別の節間構成要
    素の間の潤滑を提供するために関節空間内から節間表面
    に滑液を伝達することができる一つ以上の二次内部通路
    とを具備する移植物品。
  4. 【請求項４】 人工関節のための移植性自己潤滑性節間
    部材を作成する方法において、 ａ）閉込め部位において粉末材料の層を堆積する段階
    と、 ｂ）粉末材料を選択部位において凝固させるために、層
    の選択部位において粉末材料に粘結材を塗布する段階
    と、 ｃ）粉末の連続層を堆積するために所定回数段階ａ）と
    ｂ）を繰り返する段階であり、各層の凝固部分が移植物
    品のネガを規定する鋳型を形成するために先行層に結合
    される如く、粘結材が塗布される部位の変化を伴い、鋳
    型が、節間部材において形成される内部流体伝達通路に
    対応する固形円筒形部位を含む段階と、 ｄ）鋳型内から緩い非結合粉末材料を除去する段階と、 ｅ）鋳型内の金属を鋳造し、節間部材を形成するために
    金属を硬化する段階と、 ｆ）関節空間から節間部材の節間表面に滑液を伝達する
    ために有効である内部流体伝達通路を有する節間部材を
    鋳型から除去する段階とを含む方法。
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