JPH09108248A - 骨用補綴 - Google Patents

骨用補綴

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Publication number
JPH09108248A
JPH09108248A JP8275339A JP27533996A JPH09108248A JP H09108248 A JPH09108248 A JP H09108248A JP 8275339 A JP8275339 A JP 8275339A JP 27533996 A JP27533996 A JP 27533996A JP H09108248 A JPH09108248 A JP H09108248A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
prosthesis
bone
stem
hollow
wall
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP8275339A
Other languages
English (en)
Inventor
Robert E Sommerich
ロバート・イー・サマーリッチ
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Johnson and Johnson Professional Inc
Original Assignee
Johnson and Johnson Professional Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Johnson and Johnson Professional Inc filed Critical Johnson and Johnson Professional Inc
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Pending legal-status Critical Current

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    • B29C33/448—Moulds or cores; Details thereof or accessories therefor with means for, or specially constructed to facilitate, the removal of articles, e.g. of undercut articles destructible
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
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    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29L—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASS B29C, RELATING TO PARTICULAR ARTICLES
    • B29L2031/00—Other particular articles
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    • B29L2031/7532—Artificial members, protheses
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y80/00—Products made by additive manufacturing

Abstract

(57)【要約】 【課題】 補綴が堅すぎると回りの骨に応力を伝達する
ことが出来ず、この領域の骨に「応力遮断」が起こって
骨が分解吸収されてしまう一方、自然の骨又は関節から
の負荷を十分に負担するための強度も必要であり、適切
な構造の骨用補綴を得ることが困難であるなどの課題が
あった。 【解決手段】 ステムは不規則なプラグインサート本体
の回りで鋳造され、このプラグインサートが取り除かれ
た後、高い強度と比較的低い剛性という対立する制限を
満足させる壁厚が残る。プラグインサートは、上部領域
の補綴の壁厚を細くして、へこんでいるか不連続の特性
を有する領域つまり高い負荷の結合の領域の回りの壁を
強化して、ステムが高い緊張を有する領域において適当
な強度を有し、緊張を回りの骨に効果的に結合すること
を保証する。補綴はいろいろなサイズで形成され、中空
体を鋳造するためのプラグインサートまたは金型は、３
次元印刷金型製法によって簡単に製作、調整することが
出来る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】この発明は骨用補綴に関する
ものであり、特に、自然骨に取り付けられて骨または関
節のすべて又は一部分を補修または代替し、及び骨に接
合されて骨にかかる負荷をそれ自身にそって伝達する、
長い形状の本体を有した種類の移植片に関するものであ
る。
【０００２】
【従来の技術】自然骨に取り付けられ、骨または関節の
すべて又は一部分を補修または代替し、骨にかかる負荷
を伝達する長形状の本体を有した骨用補綴が用いられて
いる。骨用補綴の例としては、股関節の大腿骨末端部分
を構成するために一般的に用いられる骨髄内ステムを挙
げることができる。そのような骨用補綴は、大腿骨に開
けられた対応したサイズの穴にはめ込まれるテーパのつ
けられた長い本体を有しており、骨用補綴は、一個また
は複数種の摩擦的噛合、セメント、そして究極的には新
しい骨の成長部分により骨に固定される。一般的に補綴
の上部領域において起こることであるが、この種類の補
綴があまりにも堅いと回りの骨に応力を伝達することが
出来なくて、その結果、この領域の骨に「応力遮断」が
起こり、次第に分解吸収されてしまうことが長い間認知
されてきた。この効果は局部的なもので、補綴がより細
くて柔軟である末端部近くでは、応力遮断によるこの骨
の減少は一般的に起こらない。ステムのより太い上部部
分では、ステムそれ自体がすべての負荷を負担して、ス
テムは曲げのたわみをほとんど受けないほど強いので、
応力はほとんど回りの骨に伝わらないで、その領域の骨
は分解吸収されて体積が減少されがちになる。
【０００３】この問題はかなり長い間認識されてきた
が、一方で、望ましい強度特性、欠陥を生じないこと、
骨の移植片の寿命などの間で固有のかね合いがあり、他
方で、自然骨を萎えさせるほどに完全に骨の機能を引き
受けることがないように補綴は形成されなければならな
いという必要条件も存在する。応力遮断を軽減するため
に多くの方法が提唱されてきて、その中に、米国特許第
４，３１４，３８１号に示される様に、一層の弾性材料
を間に挟んだステム本体を用意して少なくとも２個の硬
い材料部分に取り付けたり、弾性材料でできた複数のリ
ングを巻いたステム本体を用いるものなどが提唱されて
いる。
【０００４】その他の方法として、補綴の縦方向の硬さ
や曲げにくさを回りの骨のそれらに適合させるために弱
化させた部分を有した補綴を形成する方法や（米国特許
第４，５９５，３９３号）、溝を有して壁厚が長さ方向
に変化することで、柔軟性を実現させるステムを形成す
る方法（米国特許第４，８０８，１８６号）などが提唱
されている。その他、多くの特許が、２つの対になる半
分の要素から中空のステムが形成される補綴とか、貫通
穴を配した管状のステムや、ステム本体が一般的に中空
または細くされた別の構造も提唱されている。特に、米
国特許第５，０９２，８９９号は、従来の方法で形成し
た中の詰まったステムの中心部にテーパをつけた孔を形
成することにより製作された柔軟な骨髄内ステムを有し
た補綴を提唱している。このテーパは調整されていて、
一方の壁はステムの全高に渡って実質的に均一な厚みを
有しており、他方の壁は球のすぐ下の最上端の比較的厚
い壁から末端部の比較的薄い壁に向かってテーパがつけ
てある。
【０００５】これらの開発が骨用補綴の初期の頃の製造
と劇的に異なる点は、最大限の強度を持つように設計し
て、骨全体を取り替え、何年にも渡って使用する場合の
全負荷と衝撃に耐えるように十分強くかつ堅くするより
もむしろ、現在では、補綴はそのような強度と寿命を持
つように期待されるが、さらに支持する骨が刺激を受
け、勢いよく成長するようにした曲げと緊張を伝達する
特性を有することが期待されている。実際には、緊張の
伝達を促進するためにこれまでに提案された多くの構造
は、強度と寿命に悪影響を与える可能性がある。例え
ば、ツーピース構造は、その部品のつなぎ目に沿って弱
くなってしまう可能性がある。
【０００６】更に、多くの従来の中の詰まった補綴構造
において、末端部は回りの骨に適当な緊張を伝達して、
普通の骨の成長を刺激することが分かっている。それ故
に、現実的な事項として、上記の洞察は、単に、ステム
の上部、つまり基端部を改良して、正規の緊張の結合を
もっと広い範囲に分散させることを具備することが出来
る。しかし、ステムの基端部は負荷を負担する関節に接
合するための高い強度を有する必要があり、補綴が骨の
負荷を代わりに負担することにより骨の成長が減少する
ので、重量を適当に負担し、回りの骨に対する負荷を効
果的に保持する補綴を設計することは重要な問題として
残っている。骨髄内の空間に適合するためにステムの基
端部は比較的大きな直径を有しなければならないのでこ
のことは特に重要である。一般的に、寛骨臼からステム
に配転される負荷の分散はモデル化することが困難で、
大腿に挿入された時のステムの仕組みはステムのサイズ
と性質と回りの骨に対する接合度合によって変わる。さ
らに、補綴の外部表面又はテクスチャー領域のバリエー
ションがある場合には、その機械的仕組みの特性はモデ
ル化することが困難になり、形状または衝撃によって生
じる欠陥から免れることを保証するためには、大きな安
全マージンをとる必要がある。このような理由から、緊
張を回りの骨に発生させるという目的それ自体からは、
なんら特別な構造が示唆されない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】従来の骨用補綴は以上
のように構成されているので、補綴が堅すぎると回りの
骨に応力を伝達することが出来ず、この領域の骨に「応
力遮断」が起こって骨が分解吸収されてしまう一方、自
然の骨又は関節からの負荷を十分に負担するための強度
も必要であり、適切な構造の骨用補綴を得ることが困難
であるなどの課題があった。すなわち、骨又は関節から
の負荷を十分に負担するための構造的強度を有するが、
回りの骨に効果的に緊張を伝達する曲げコンプライアン
スを有しその長さに沿った応力遮断を防止する、縦方向
の本体を有する骨用補綴に対する要求が依然として存在
しており、この発明はこのような要求を満たす骨用補綴
を得ることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】前記した特徴とここに記
さなかったその他の特徴は、本発明による補綴におい
て、骨の中に組入って骨の内部表面に対して強固に固定
される一般に細長い大釘形状のステム本体を提供するこ
とにより、得ることが出来る。この補綴は、負荷に結合
しまたそれを受容する基端部の関節球またはプラットフ
ォーム（ｐｌａｔｆｏｒｍ）などの要素を具備し、また
この補綴は回りの骨の中に補綴を保持するように末端部
に向かって延びている。ステムの外部表面は、骨の成長
と骨へのはめ合いを促進するための公知のタイプのテク
スチャー領域を有するようにすることが可能で、また、
回りの骨にかみ合い、その回りの骨に固定するためのセ
メントと強くかみ合う表面を有することが出来る。しか
しまた、ステムは不規則に変化し、少なくとも部分的に
中空かつ一般的に円筒状であるが不規則である構成要素
を形成する内部表面を有している。外部表面は、機械的
対称性を有した形としてよい。つまり、大体、丸みをつ
けた矩形か台形の小さなテーパを有する大釘であってよ
い。この大釘はテーパを付けたブローチまたはその他の
機械的切削工具によって骨に形成された、大釘と対応す
るへこみに設置されて、そのへこみに正確に固定され
る。他方で、金属製の補綴の内部表面の外郭の特徴は、
機械的対称性がないことで、断面から見て、幾何学的で
もなく、一般的に言って、外部表面に対して平行でもな
い輪郭を形成している。一般的に、以下で述べるよう
に、内部外郭は、全体的及び局所的に壁の厚みを変化さ
せることにより曲げコンプライアンスを最適化させ、高
負荷または高曲げ応力の領域に適応すると同時に、補綴
全体がその負荷を効果的に回りの骨に分配することを可
能にしている。
【０００９】好適な実施例において、本発明の補綴は骨
髄内ステムであって、頭部分と、遷移部分とステム端部
部分とを有する細長い本体を有することを特徴とする。
ステム端部部分は大体対称かつテーパをつけてあり、一
方頭部分と遷移部分とは非常に不規則な形をしており、
大きな直径を有する中空部である。補綴は金型で鋳造さ
れた金属体であり、金型の空洞の輪郭で画定された外部
表面を有する一方で、内部表面は鋳造段階で同時に金型
の中に設定される充填材（プラグインサート）により画
定される。あるいは、オーバーサイズの外部外郭を得る
ように鋳造され、続いてその表面を機械加工し研磨する
ことによって最終的なサイズと完成度を得るようにして
もよい。各々の場合に、補綴の長さ方向に沿った各々の
距離において、ステムは、外部外郭とその距離に位置す
る金型のプラグインサートの直径との差によって決定さ
れる壁厚を有し、その結果、不規則な内部外郭の殻を形
成する。そのように画定された壁厚は、補綴の高さに方
向と周囲方向の両方において変化させることができる。
【００１０】従来の中の詰まったステムまたは内側をく
り抜いてあるステムと比べて、一般的に、本発明で達成
された変動によって特に上端の壁厚が薄くなり、以下で
述べるように、補綴の１つまたはそれ以上の複数の中間
点における壁厚を補強するか、または減少させることが
出来る。この結果、補綴の長さ方向に沿った曲げ剛性
は、長さ方向の主要部分において実質的に均一であり、
基端部の首まわりに近づくに従って、少しずつ高くな
る。更に、軸剛性は実質的に均一であり、緩やかな傾き
をなす直線関数に近づく。例えば、本発明の１２ｍｍの
ステムでは、軸剛性は２〜８ｅ8 ｍｍ4 × Ｎ／ｍｍ
4 の間にあり、曲げ剛性は約１／２〜８ｅ9ｍｍ4 ×
Ｎ／ｍｍ2 の間にある。より大きい直径のテーパを付
けたステムでは、対応する剛性は幾分それより大きい
が、実質的に均一であるか、または自然の大腿骨に対応
する剛性と同じ程度である。
【００１１】上記の通り、補綴の内部外郭は不規則な表
面外郭に従っているが、前後及び横方向の側面輪郭が両
方異なる補綴であってもよい。人間の大腿骨の測定され
た剛性と機械的特性に関する一般的記述に関して、Ａ．
Ｒ．Ｄｕｊｏｖｎｅ等の論文「人間の大腿骨へのセメン
トで固めない股関節補綴の機械的適合性（MechanicalCo
mpatibility of Noncemented Hip Prosthesis with the
Human Femur （1993））」を参照すると、この論文
は、これらの補綴をモデル化するために使用出来る不規
則な竿形の剛性を計算するのに使用できる典型的な機械
工学方程式を証明している。本発明の補綴は、人間の大
腿部に関してこの論文で報告しているものよりも一般的
にいくぶん高い剛性を有している。しかし、補綴の壁
は、特に上部領域で、薄くなり、その結果、この論文で
報告されている剛性よりもずっと低い剛性となる。更
に、壁は、補強領域で選択的に厚くされて、補綴の全体
的な剛性をそれほど増加することなく応力による割れを
防止する。これらの特性は、外部外郭を変更することな
く達成される。
【００１２】希望する補綴の外形と実質的に同一の内部
境界壁を有する外部金型空洞を提供し、不規則な外郭と
ある特定の寸法を有するプラグ様の形をした内部金型プ
ラグインサートを空洞内に提供し、そのプラグインサー
トの外部壁が補綴の内面を画定するすることにより、上
記の内容は本発明による好適な製作方法で実現される。
補綴はプラグインサートの回りの金型の空洞の占有され
ていない空間で鋳造される。このプラグインサートは、
好ましくは、例えば、サッチ（Ｓａｃｈｓ）等の米国特
許第５，２０４，０５５号や１９９４年２月１８日提出
の共同出願の米国特許出願第０８／１９８，８７４号の
記載にある様に３次元印刷のプロセスによって形成され
る。プラグインサートが有する外部外郭は、外側の金型
の外郭との関係に於て、引っ込んでいるか高い応力が加
えられる領域を補強するための壁厚を画定し、また一般
的に、低くかつ実質的に均一な軸剛性または曲げ剛性を
保持する壁または円筒状の「薄板」を有する補綴本体を
画定する。特に、壁の厚みは補綴の半径が増加するにつ
れて減少し、２ないし３ｍｍの薄さになる一方、その壁
の厚みは、表面のへこみや外部表面の急な角を成してい
る場所の背後で増加して、その結果、その内部表面に、
一般的に緩やかに厚みを増す補強部分を提供する。また
壁の厚みは、一般的に、直径が小さくなる場所でも増加
する。関連した製造方法においては、中空を有する補綴
が未処理で大きすぎるサイズの外側表面を持つように鋳
造される。その表面は機械加工で形作られ、希望するテ
ーパを付けた外側側面輪郭が生成される。ここで、鋳造
プロセスは単に不規則な内面壁の外郭を提供するだけで
ある。
【００１３】
【発明の実施の形態】本発明は添付の図面を参照した以
下の議論の中でより完全に理解されるでろう。図１は米
国特許第５，０９２，８９９号で提案されている様な従
来技術の骨髄内ステムの股関節補綴を示す。この補綴は
一般的に大きく、縁取られた遷移継手１８と肩部１６を
介して首部１４の所でステム１０に取り付けられた大腿
頭部１２を有している。ステム１０は一般的にテーパを
付けた細長い本体を有し、少なくともその下部は、小さ
いが規則正しい角度でテーパが付けられているが、この
角度は、前記特許では約５度以下であると規定されてい
て、患者の大腿内の適当に準備された中心孔にしっかり
と固着するようにされている。同様にテーパを付けた内
部孔２６がステム１０の中心を軸方向に延びていて、そ
の長さ方向に沿って中間深さ２２または２４まであるい
は端部２５まで完全に達している。外部外郭と内部孔２
６の間の差が壁厚２０，２９，２９’を画定しており、
この壁厚は図の中で側面で示すように均一であってもよ
いし、長さ方向に沿って、中央部に現れる様に、各々の
場所で各々異なる厚さであってもよい。図１に示す装置
は、例えば、いくぶん同様な外部外郭を示すが内部中空
部を有さず、それ故にもっと堅牢である従来の頑丈な補
綴と対照をなす。図に示す様に、図１の装置の中の内部
孔２６の配置は、上部領域の壁または装置の全長の壁を
薄くして、その結果装置を柔軟にするために使われてい
る。しかし、不規則であり部分的に幾何学的な外部の先
細の外郭の中の、均一にテーパを付けた内部孔２６の使
用によって、ある程度の構造的な強度を保ちながら、長
さ方向の各々の場所で得られる柔軟性の程度を規制して
いる。さらに、その様な補綴は通常、例えば、大腿部の
１２ｍｍ，１３ｍｍの中空部，または１５ｍｍ，１６ｍ
ｍの中空部の中に嵌合する寸法幅で提供される。従来技
術の補綴各々の実際の硬度は様々で、下部の細まり方に
合わせて又は直線的に相関させて補綴の上部を細くする
ことによりどの様な値になるかは明らかでない。実際、
図１の構造は明らかに従来技術以上に壁の厚さを薄くし
てあるが、ある大きさの補綴に関して、その様なテーパ
をつけて壁厚を減少することが上部領域で骨を刺激する
ために効果的であるのか、または下部領域でどんな形で
あっても役に立つのか明らかではない。
【００１４】図２は、さらなる予備知識として、頑丈な
構造を有する従来の補綴１０’を示す。この補綴はジョ
ンソンアンドジョンソン（Ｊｏｈｎｓｏｎ ＆ Ｊｏｈ
ｎｓｏｎ）が広く販売しているもので、後で更に述べる
ように骨の結合を強化するための端部の近くに表面のテ
クスチャー領域３０を有している。この外部輪郭は、図
１の装置の外部輪郭とかなり似ていて、用意された骨髄
開口部に密接して嵌合する構造の細長い部分を有してい
る。
【００１５】図３は図２の補綴に適用された本発明の補
綴１００を示す。この実施例では、ステム１１０は、例
えば、その外部外郭が、図２の補綴の本体１０’に実質
的に似ているが、少なくとも部分的にその本体の中心部
を通って延びている不規則な中空部３６を有する点で改
良されている。図１の従来技術の製品の内部孔２６とは
違って、中空部３６は機械加工による穿孔ではなく、補
綴１００の内部に非直線的なくり抜きを有する不規則な
形の空洞で、薄い壁厚の基部を有し、長さ方向に１つま
たはそれ以上の場所で補綴の壁が優先的に厚くされてい
る。更に、このくり抜きは正味の壁厚を約２〜７ミリの
範囲とし、実質的に、関節の架台すなわち大腿頭部１２
と首部または支柱１４の下の補綴全体は、薄い殻構造ま
たはいくぶん曲げることの出来る軸となっている。この
構造であると、股関節の球または球の架台支柱に掛かっ
た力は回りの骨に接する補綴の表面領域を通して分散さ
れた力の緊張場を生じる。特に、補綴の軸方向と曲げの
剛性が、補綴の首回りや肩部分においてさえも、補綴が
挿入されるか着座される大腿骨の自然の軸方向または曲
げ剛性と同じ程度となる様な厚みを殻が有している。更
に、このことは、上部領域の補綴の強度が過度に減少す
ることなく、外部表面を変更することなく、好ましく
は、高い緊張が掛かる局所領域を選択的に厚くすること
によって達成される。
【００１６】図３に示す実施例は末端部と基部の肩部１
６に配置され、また選択的にステム１１０に沿ってその
他の中間位置（図示せず）に配置された多くの粗いテク
スチャー領域３０を有する金属性の補綴である。これら
のテクスチャーをつけた外部表面領域は、公知のタイプ
であり、基本的に、新しく成長する骨と非常に高いせん
断強度を持つ付着により結合する多孔質表面浮き彫り領
域を提供する。これらのテクスチャーを出した領域は、
多くの方法で形成されるが、例えば、補綴をテクスチャ
ーを出した金型で直接鋳物加工するか、すでに鋳物加工
された補綴の表面に別にテクスチャーを機械加工する
か、別のビーズや線材料をろう付け加工するか溶接する
ことによって形成される。その様なテクスチャー領域加
工を詳細に述べる必要はない。しかし、本発明に関係す
ることであるが、１つの特異な加工を述べると、このテ
クスチャー領域３０は、各々のテクスチャー領域３０に
対応するポケットやへこみを有する補綴を最初から形成
することによって形成され、浅いたまりまたは盆状のへ
こみを形成するために約１ミリのへこみが表面に形成さ
れる。テクスチャー領域３０は金属性のビーズまたは粒
体を盆に設置して加熱し、ビーズまたは粒体を溶接また
は溶融することにより形成する。
【００１７】図４（Ａ）はこのテクスチャー領域３０を
通る補綴の断面を示し、本発明の好適な実施例による中
空の内部の内部壁４４の代表的な輪郭を示すとともに、
補綴の外部壁４０を示す。内部壁４４及び外部壁４０は
共に各々の点の壁厚ｔを画定する。ここに示すように、
テクスチャー領域３０を画定している外部のへこみやビ
ードのポケットの背後に、壁の支持部分３２が、増加す
る厚さｔs を有して延びており、この部分の骨に伝えら
れる高い緊張を収容する一方で、厚みｔr は外部ポケッ
トにおいてまたはその末端部分を超えて、同様またはそ
れ以上に大きくなっており、より高い緊張が与えられ
て、負荷を受け止める領域に、厚み付け帯域３２ｂを形
成する。この図に示すように、この部分はポケットを形
成する急なへこみを超えて延びており、補綴壁が均一な
高い強度を維持することを可能にし、一方、それにも拘
らず、ポケットの回りのより薄い壁に負荷を分散させ、
比較的低いレベルの曲げ強度を提供している。
【００１８】それ故に、最大のへこみの下に設定された
規則的な中空部を提供することよりむしろ、一般的に、
内部壁４４は、首部の外部表面の下の外郭に追随してお
り、比較的厚い首回りを確保して、中空ステムへの負荷
の強力で、よく支持された伝達を行い、一方で、大腿骨
中に延びている肩の下の領域において厚みを減じた中空
の殻の内部に緊張を分散させるために段々細くなってい
る。この殻の厚みは場所によって異なり、一般的に、ス
テムの直径が大きい所では選択的により薄くなってい
て、上記の様に、高い緊張が掛かる部分や、回りの骨へ
の負荷の移動が優先的に減じられる場所では選択的によ
り厚くなっている。曲げのたわみが最も高い領域、例え
ば、ステムの中間点に向かって、壁の厚みを増加させて
もよい。
【００１９】図４（Ｂ）はステム１１０のより下部また
は末端である領域１１０ｂでの対応する部分を示す。そ
の領域では、ステム全体の直径は、基部の直径よりもず
っと小さく、例えば、半分以下である。内部壁４４はも
っと厚い補綴壁の厚みｔを有している。この厚みは、基
部領域の補強部分３２ｂのすぐ下の厚みが約２〜４ミリ
とすることが出来る一方、例えば、３〜６ミリとするこ
とが可能である。実に、少なくとも１２ミリ程度のより
小さいサイズのステムにおいては、中空部３６は全体的
に領域１１０ｂのあたりで終端していて、端部は中が中
空ではなくてもよい。各々のステムサイズに対する正確
な内部直径は、金属材モデル（beam modeling ）によっ
て選択して、図８，９に示した硬度を達成することが出
来る。
【００２０】また図４（Ａ）は、中空の補綴を閉じるキ
ャップ片３８を示す。キャップ片３８はステムを大腿部
に設置する時、ステムを叩いて位置に入れるために叩か
れる打撃表面を有する。キャップ片３８の回りの壁厚み
は十分厚く、組み立てや埋め込み時に鋳物またはキャッ
プにかけや変形が起こることはない。
【００２１】図５は補綴１００を形成するために使用す
る鋳物金型２００を図式的に示す。この図に示す通り、
鋳物金型２００は分離可能な半分２００ａ，２００ｂと
入口画定部分２００ｃを有する金型ブロックから成って
いて、これらは、空洞２０５が溶融した金属で完全に満
たされることを可能にする、従来技術タイプの通気路つ
まり縦湯口（図示せず）と共に入口２０１，２０２を通
して補綴を鋳造するための閉じられた空洞２０５を形成
している。空洞２０５内部において、耐火性材料で形成
された栓体２１０つまりプラグインサートが、中央領域
を画定しているが、この領域は金属で満たされておら
ず、熱膨張した後で、図３に示す完成された補綴の中空
部３６に大きさと形状が対応する。図示の通り、栓体２
１０は非常に不規則で、鋳造金型の空洞の首部２０７の
下に膨れ出ていて一般的に外部外郭に従っているが、完
成された補綴において、股関節球が設置される支柱に対
応する領域に厚い支持壁を画定する。これによって補綴
が中空にされ、一般的に鋳造材料の肋または薄板がそこ
に形成され、この肋または薄板は構造的に突出した支柱
（図３の１４）を支えることになり、そこに分散される
負荷を受け止める様な寸法になっている。さらに、栓体
２１０は長さ方向に沿った中間部分Ａで明らかに細くな
っており、この部分は大体、完成された補綴の細長い部
分において、柔軟性とひずみ率の低い強度を増した領域
に対応する。栓体２１０が領域Ａで細くなっていること
で、その領域の鋳造された補綴の壁は厚くなり、例え
ば、ひっこんだテクスチャー領域３０の部分に対応す
る。
【００２２】金型の空洞２０５に合わせて作った栓体２
１０はセラミック材料で形成され、好ましくは本出願人
の１９９５年６月１付けの併願である米国特許出願番号
０８／４５７，２２７と一般的にはサッシュ（Ｓａｃｈ
ｓ）等による米国特許第５、２０４、０５５に開示され
たものなどがある３次元印刷のプロセスによって形成さ
れる。
【００２３】図６は、図示を明確にするためにそのよう
な補綴の金型全体に適用されたこの構造をしめす。挿入
部である栓体２１０を含む金型は、制御器２２０が繰り
返し伸張機を操作してセラミック粉の薄層２５０を沈着
させ、段階制御された硬化ヘッド２３０を、沈着された
粉の上部表面上を２次元スキャンして駆動させるプロセ
スを用いて垂直可動テーブル２２５の上に１層毎に形成
される。硬化ヘッド２３０は、製作中の栓体２１０の最
上面の上を、好ましくは、図示するように、外側金型部
分２００となる放射状外側の領域の上を横切って動くの
につれて液体であるが硬化可能な媒体を粉の薄層の中に
沈着させることにより、薄層の部分を部分的に硬化させ
る。この硬化可能な材料は、硬化ヘッド２３０の圧電的
に駆動されるノズルから射出されたコロイド状シリカの
粘結剤の微細な噴射によって形成することが出来る。別
の実施例では、未固化の材料は調整可能な流動性のある
粘結剤に混ぜた耐火性粉から構成することも出来る。後
者の例では、レーザヘッドが粘結剤に熱または光を照射
することによってあるパターンに従って部分的に粘結剤
を「固定」または硬化させることが出来る。それからテ
ーブル２２５は下げられ、バラの粉を与えることと調整
可能な粘結剤を選択的に与えるステップが繰り返され
る。これらの３つのステップは順番に繰り返され、栓体
２１０の現在の最上面の上を横断的に２次元的スキャン
することによって順番に１層毎に形成され、図５と図６
（ｉｖ）に示すような複雑な栓体２１０と金型が形成さ
れる。固められていない粉が取り除かれ、それから栓体
２１０と金型をさらに粘結し安定させるために焼きまた
は火が当てられることは、当然理解されるされることで
あろう。高温の火をあてると本体は固められて頑丈なセ
ラミックにすることが出来る。そのため、金型２００の
中心に位置している完成された栓体２１０は、栓体２１
０と金型２００の間に細い殻状の通路を画定して、ここ
に図３に示す補綴を鋳造する場合に金属が満たされる。
鋳造の後、外部金型ブロックは分離されるか破壊され、
栓体２１０は、例えば、衝撃、超音波微粉化手段または
機械的除去と化学的腐食と洗浄技術の組合せによって鋳
造品から分離される。例えば、栓体２１０と金型２００
の材料を侵食するが回りの金属を侵食しないエッチング
または差別エッチングが使用出来る。
【００２４】図７は図３と同様に、完成された補綴の代
表的な壁の断面を詳細に示す図である。図に示すよう
に、補綴は長さ方向に延びていて、全く異なった比率と
幾何学的特性を有した領域３１０，３２０，３３０，３
４０を有している。従って、最上部の領域３１０におい
て、支柱１４やキャップ片３８などの様々な構造部材
は、厚い壁の支持用近隣領域を有しており、一方、首部
３２０では、補綴は幅広の直径を有し、上部の表面テク
スチャー３０のへこみに対して優先的に厚くされた壁部
分を有している（図３）。中間領域３３０では、本体は
幾分テーパしているが、壁は部分的に再び厚くなってい
て適当に高い曲げ強度または別のテクスチャー領域３０
の背後に高い壁強度を維持するようになっている。最後
に、最下部領域３４０では、壁は中程度の厚みである
か、または中空部を作る栓体２１０（図５）の終端部以
降末端まで完全に固形であるようにしてもよい。従っ
て、壁は、補綴の長さ方向と横方向に沿って、場所によ
って厚かったり薄くなったりしていて、同時に壁強度と
回りの骨への緊張の伝達を調節している。
【００２５】本発明による補綴は、外形がこのサイズの
補綴を形成するのに従来使用されるものと同じ金型で形
成することが出来るという点では、大部分、従来の技術
によって形成される。しかし、鋳造品の中央部から金属
を排除するために栓体２１０を導入した点において、金
型は改良されている。この栓体２１０は好ましくは、図
６に示すプロセスによって形成されるので、その寸法を
制御装置２２０を通して簡単に縮尺することも変更する
ことも出来、同様な形ではあるが異なる寸法の栓体２１
０を、１１ｍｍ，１３ｍｍまたは１５ｍｍの呼び径のス
テムなどの異なった直径で、それぞれのサイズに合わせ
て形成することが出来る。股関節のステムの様な部材で
は、この「サイズ」は、例えば、テーパや呼び径に対応
する様ないくつかのパラメータによって規定されること
が可能である。上記した様に、これらは良く決定された
サイズの範囲をカバーしており、それぞれのサイズに従
って、栓体２１０は、それぞれの金型の空洞によって画
定される外部輪郭にぴったり合うように簡単に形成する
ことができ、補綴から回りの骨への緊張の伝達が効果的
に出来るように計算された壁厚を有する。一般的には、
補綴がぴったり合うサイズの自然の骨の剛性パラメータ
に近い剛性パラメータが画定される様に厚みの値は選択
される。この自然骨の剛性値は骨の体積弾性係数と骨の
寸法から簡単に計算される。しかし、最小の壁厚（例え
ば、２ｍｍ）は、製造上の誤差の範囲で起こる寸法の変
動に拘らず、少なくとも剛性において最小のしきい値が
達成されるように設定される。
【００２６】図８は、約１／２ｅ8 ｍｍ4 × Ｎ／ｍ
ｍ4 の典型的な骨の軸方向の剛性を曲線Ａとして例示
し、２ｍｍ程度の壁厚を有し、チタニウム合金を使用し
た本発明による補綴の剛性の対応する曲線Ｂを示してい
る。横軸は補綴の首まわり下の距離に対応している。図
示する様に、より広い基端部は骨の剛性以上の剛性を有
しているが、実質的に１０倍以下である。応力遮断が従
来からの問題である重要な領域において、補綴はより細
くするかまたは、薄い殻をひれを付けて補強する方法な
どの特別な構造を付加して、剛性を減少させる一方で適
当な局部的負荷に対する強度を与えることが出来る。そ
れと対照に、図２に示した中の詰まった補綴の軸方向の
剛性は曲線Ｃで示される。
【００２７】図９には同様のサイズの大腿骨に対して、
モデル化した曲げ剛性の対応するグラフ（曲線Ｂ）を示
しており、各々の場合における、対応する中の詰まった
補綴の剛性を曲線Ｃで示す。本発明の補綴の特徴は、一
般的に、曲線Ｂの近くに配置された領域Ｒに位置する剛
性、また基端部においては、曲線Ｃの下の領域Ｓの内部
に位置する剛性を有していることである。更に、領域Ｒ
は一般的に曲線Ａの上に位置している。しかし、この装
置のバリエーションでは、装置は、１つまたはそれ以上
の中間の領域において薄くすることが出来、曲線Ａの値
と同じかそれ以下の剛性を達成する。補綴は、埋め込み
の際には圧縮力にのみ耐えることが出来ればよいので、
このことは実現可能事項である。健康な骨では、植え込
まれた鋳造品は回りの骨から支持され、規制され、その
結果中間部の領域では最大剛性は必要ない。しかし、こ
の構造に対する重大な関心事項は適当に正確な製造誤差
を維持して、２ｍｍ以下の壁厚を鋳造し、製造欠陥なし
に低い剛性を達成することである。
【００２８】一般的に言って、完成された補綴の軸方向
の剛性や曲げ剛性は図８に示す曲線Ｂの近くに位置して
いて、ねじり剛性は、それが検討中の特定の骨にかかる
のであれば、同様に合わせられることが望ましい。事
実、本出願人は特定の（例えば、軸方向またはねじり）
剛性と骨の成長を相関付ける研究については知らない
が、本発明による中空内部を鋳造で作り出すことによっ
て構造的な剛性を調整するプロセスが構造上の強度を最
適化して、一方例えば、ねじり剛性のような剛性パラメ
ータを調整し、骨の模造品を提供することを可能にす
る。実際、完成した補綴の特性は簡単に測定することが
出来、マサチューセッツ、デクスベリのカーンインター
ナショナル（Ｋｅｒｎ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，
Ｉｎｃ．，Ｄｕｘｂｕｒｙ，Ｍａｓｓａｃｈｕｓｅｔｔ
ｓ）製のプログラム、ビームセクション（Ｂｅａｍ Ｓ
ｅｃｔｉｏｎｓ）の様なソフトウエアを使ってそのモデ
ルを作ることが出来、その結果、ある特定のサイズの鋳
造のための金型の栓体２１０の正確な外郭が、確実かつ
簡単に調整され補綴の長さ方向のある点の剛性を減少さ
せたり増加させたりして、領域Ｒにおいて希望する範囲
の剛性を達成することが出来る。
【００２９】本発明を鋳造品の股関節ステムの実施例に
関して以上のように開示した以上、別の関節や別の材料
や別の製造プロセスへの変形や改良と共に、補綴のその
他の形やタイプへの応用は当業者には明らかであろう。
その様な応用、変形、改良は、付属した請求の範囲で述
べる様に、本発明の範囲内に存在すると考えられる。
【００３０】本発明の好適な実施例として、以下のもの
がある。 （１）ステムは、大腿骨とかみ合い、多孔質の骨の大腿
部との相互成長を促進させるための、テクスチャーを付
けた領域を有するテーパを付けたステムであって、請求
項１に述べた前記内部表面はテクスチャー領域を強化す
ると同時に、使用中に、緊張をステムの長さ方向に伝達
させるために効果的な輪郭を有することを特徴とする請
求項１に記載の骨用補綴。 （２）ステムは一般的に末端部に向かって減少する空洞
の断面寸法を有して軸方向に沿って延びる内部空洞を有
することを特徴とする請求項１に記載の骨用補綴。 （３）断面寸法が非単調に減少することを特徴とする実
施態様（２）に記載の骨用補綴。 （４）断面寸法に反射方向対称性がないことを特徴とす
る実施態様（２）に記載の骨用補綴。 （５）内部表面は、骨の曲げ剛性に対して実質的に１０
倍以下の曲げ剛性を基端部領域に有する補綴壁を画定す
る外郭を有することを特徴とする請求項１に記載の骨用
補綴。
【００３１】（６）内部外郭は、実質的にその全長に渡
って普通の骨の剛性に対して約５〜７倍以下の剛性を画
定することを特徴とする実施態様（１）に記載の骨用補
綴。 （７）補綴はその首部の下で通常の骨に対して３〜５倍
の剛性を有するような、薄くされた壁を外郭が提供する
ことを特徴とする実施態様（６）に記載の骨用補綴。 （８）ステム本体の長さ方向に約５以下の係数で変化す
る軸方向の剛性を決めるために効果的である均一でない
壁厚を請求項１に述べる前記中空の内部が提供すること
を特徴とする請求項１に記載の骨用補綴。 （９）関節構成要素を近接して支持する領域において壁
厚が増加することを特徴とする請求項１に記載の骨用補
綴。 （１０）内部表面が、関節構成要素の負荷を支持するた
めに設定された厚くされた支持物を画定し、その一方、
近くに薄くした壁領域を画定し、かつ８ｅ9 ｍｍ4 ×
Ｎ／ｍｍ2 以下の曲げ剛性としたことを特徴とする請
求項２に記載の骨用補綴。
【００３２】（１１）請求項５に述べる前記中空の内部
を閉じるステップを更に具備することを特徴とする請求
項５に記載の方法。 （１２）請求項１に述べる前記内部表面は、補綴の重要
領域を強化するとともに、負荷を全体的に使用中の回り
の骨に分散させるために、局部的に変化する外郭を有す
ることを特徴とする請求項１に記載の骨用補綴。 （１３）補綴が基端部領域を有し、前記内部外郭が、前
記基端部領域に、中が詰まった金属製の補綴の剛性に対
して少なくとも１０パーセントより小さい構造的剛性を
生成することを特徴とする請求項１に記載の骨用補綴。
【００３３】
【発明の効果】本発明によれば、補綴の長さ方向に沿っ
た各々の地点に於て、外部外郭とその地点に位置するプ
ラグインサートの直径との差によってステムの壁厚が決
定され、その結果、均一ではない不規則な壁厚を有した
内部外郭の殻が形成される。従って、この補綴は、自然
の骨又は関節からの負荷を十分に負担することが出来る
一方で、回りの骨に効果的に緊張を伝達することのでき
る柔軟性を得る。この結果、応力遮断を防止し、応力遮
断による骨の消滅を防止することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】ある１つの従来技術の股関節の補綴を示す図で
ある。
【図２】別の従来技術の股関節の補綴を示す図である。
【図３】本発明による補綴を示す図である。
【図４】図３の端部部分において補綴の縦軸方向に切っ
た断面図である。
【図５】図３の補綴の製作のための金型を示す図であ
る。
【図６】補綴を鋳造するための金型を製作する場合に使
用する３次元印刷プロセスを示す図である。
【図７】補綴の長さ方向の代表的断面を示す図である。
【図８】補綴の剛性をプロットした図である。
【図９】補綴の剛性をプロットした図である。
【符号の説明】
１０ ステム １２ 大腿頭部 １４ 首部 １６ 肩部 １８ 遷移継手 ２０ 壁厚 ２５ 端部 ２６ 内部孔 ３０ テクスチャー領域 ３２ 支持部分 ３６ 中空部 ３８ キャップ片

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ステムが骨の長さ方向に接触領域を形成
    する外部表面を提供する一般的に細長い大釘状のもので
    あって、前記ステムはさらに機械的対称性のない内部表
    面を有する中空構造であって、前記外部表面と前記内部
    表面はこの両者の間に、前記接触領域に沿った回りの骨
    に緊張を伝達し成長を維持する程度を達成するのに効果
    的なステムの壁厚を形成することを特徴とする骨に取り
    付けるために骨に挿入可能なステムを有する骨用補綴。
  2. 【請求項２】 外部表面と内部表面を有する骨の補綴で
    あって、前記外部表面は中空の骨に固定するためのテー
    パを有し、前記内部表面は非機械的対称に膨出して一般
    的に補綴の長さ方向に沿って変化する壁厚を画定し、前
    記補綴は普通の骨に似た剛性特性を有し、中空の骨に緊
    張を伝達する一方で、前記骨よりも大きな破壊に対抗す
    る強度と抵抗を保持することを特徴とする骨用補綴。
  3. 【請求項３】 一定形状のプラグインサートの回りに鋳
    造することにより形成された金属体を有し、前記金属体
    は、前記形状と同型の未処理の内部表面を有し、前記金
    属体の長さに沿って緊張を伝達するのに効果的な剛性の
    分布を提供する壁の厚みを画定することを特徴とする骨
    用補綴。
  4. 【請求項４】 希望する補綴のステムのサイズに対応す
    るところの、一般的にテーパを付けた空洞を有する金属
    ブロックを形成するステップと；前記テーパを付けた空
    洞よりも小さい断面寸法を有するプラグインサートを形
    成するステップと；前記金属ブロックの空洞の中に前記
    プラグインサートを合せるステップと；前記プラグイン
    サートと前記金属ブロックの間に金属を鋳造して、金属
    製の鋳造された補綴を形成するステップと；前記金属ブ
    ロックから補綴を取り出しかつ補綴から前記プラグイン
    サートを取り出し、普通の骨の剛性と同様の剛性を有す
    る中空の補綴を完成するステップとから成る骨補綴を形
    成する方法。
  5. 【請求項５】 金属製の補綴を形成する方法であって、
    プラグインサートの回りの金型の空洞に補綴を鋳造し、
    前記補綴が前記プラグインサートの形に形作られた中空
    の内部を有するようにするステップを含むことを特徴と
    する方法。
JP8275339A 1995-09-29 1996-09-27 骨用補綴 Pending JPH09108248A (ja)

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US08/536,816 US5725586A (en) 1995-09-29 1995-09-29 Hollow bone prosthesis with tailored flexibility

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JP (1) JPH09108248A (ja)
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