WO2022004242A1 - 摺動部材および摺動部材の製造方法 - Google Patents

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alumina
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sliding
head ball
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隆幸 村上
泰斗 中村
潤二 池田
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京セラ株式会社
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    • C04B2235/963—Surface properties, e.g. surface roughness

Definitions

  • the present disclosure relates to a sliding member and a method for manufacturing the sliding member.
  • An artificial joint having a pair of joint members constituting a joint and forming a pair of frictional surfaces that slide relatively between the pair of joint members in a state of being in contact with each other via a lubricating liquid is known. .. Further, in a known artificial joint, at least one of the pair of friction surfaces is a groove-shaped or hole-shaped recess whose width gradually narrows from the surface side to the inside of the friction surface. And some have a curved surface portion that smoothly connects the surface forming the recess and the surface forming the surface portion of the friction surface.
  • the sliding member according to one aspect of the present disclosure includes a composite ceramic having a sliding surface slidable with respect to the constituent members constituting the artificial joint and containing alumina and at least one oxide other than alumina.
  • the sliding surface includes a plurality of recesses having an opening diameter of 2 ⁇ m or less, and a surface roughness Ra of 0.01 ⁇ m or less.
  • the method for manufacturing a sliding member includes a polishing step of polishing the surface of a composite ceramic containing alumina and at least one oxide other than alumina, and a polishing step of polishing the polished surface with a strong acid. It comprises an acid treatment step of treating with a solution to form recesses on the surface.
  • FIG. 1 is a schematic view of an artificial hip joint 1 as an artificial joint according to an embodiment of the present disclosure.
  • the artificial hip joint 1 includes a acetabular cup 10 fixed to the acetabulum of the acetabulum 93, a femoral stem 20 fixed to the proximal end of the femoral bone 91, and an acetabulum. It is composed of a head ball 22 that slides with the cup 10. That is, the acetabular cup 10, the femoral stem 20, and the head ball 22 are constituent members constituting the artificial hip joint 1.
  • the artificial joint is not limited to the artificial hip joint 1 according to the present disclosure, and may be, for example, an artificial knee joint, an artificial ankle joint, or an artificial shoulder joint.
  • the acetabular cup 10 has a substantially hemispherical acetabular fixation surface 14 and a substantially hemispherically recessed sliding surface 16.
  • a head ball 22 as a sliding member is provided on one end side of the femoral stem 20.
  • the head ball 22 has a sliding surface 23 when the head ball 22 slides with respect to the acetabular cup 10.
  • the sliding surface 23 is slidable with respect to the acetabular cup 10.
  • the head ball 22 functions as a hip joint by sliding with respect to the sliding surface 16 recessed in a substantially hemispherical shape of the acetabular cup 10.
  • the sliding member in the present disclosure is not limited to the head ball 22 and may be the acetabular cup 10. In this case, the acetabular cup 10 slides against the head ball 22.
  • the surface roughness Ra of the sliding surface 23 is 0.01 ⁇ m or less. As a result, the coefficient of friction of the acetabular cup 10 and the head ball 22 when sliding can be reduced.
  • the acetabular fixation surface 14 is an outer surface arranged on the side close to the acetabulum 94.
  • the sliding surface 16 is also an inner surface or a contact surface that comes into contact with the head ball 22.
  • the acetabular cup 10 is made of polyethylene or ultra-high molecular weight polyethylene.
  • the head ball 22 contains a composite ceramic containing alumina and at least one oxide other than alumina. As a result, the head ball 22 can be made to have high hardness and high strength.
  • the head ball 22 is a composite ceramic containing 65 to 96% by weight of alumina and 4 to 34.4% by weight of zirconia. As a result, the head ball 22 has higher strength and higher toughness than the ceramics containing only alumina without zirconia, and has higher hardness than the ceramics containing only zirconia.
  • the head ball 22 may contain SiO 2 in an amount of 0.20% by mass or more, TiO 2 in an amount of 0.22% by mass or more, and MgO in an amount of 0.12% by mass or more. As a result, it is possible to reduce the decrease in the sintering promotion effect due to the increase in the viscosity of the liquid phase formed at the sintering temperature.
  • the head ball 22 has a total content ratio of SiO 2 , TiO 2 and MgO of 0.6 to 4.5% by mass. As a result, the effects of high densification and fine grain structure formation can be obtained.
  • the artificial joint is the artificial hip joint 1
  • the sliding member is the head ball 22 of the artificial hip joint 1. Therefore, the wear resistance can be improved in the application of the head ball 22 of the artificial hip joint 1.
  • the wear resistance is evaluated by measuring the weight loss due to the wear of the acetabular cup 10 when the head ball 22 and the acetabular cup 10 are repeatedly slid.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the sliding surface 23 according to the embodiment of the present disclosure.
  • the individual polygons shown in FIG. 2 represent individual crystal grains of the composite ceramics that are polycrystalline.
  • the crystal grains are alumina crystal grains or zirconia crystal grains, but they are not distinguished in FIG.
  • the sliding surface 23 is shown as a flat surface for convenience.
  • the sliding surface 23 has a plurality of recesses 24 having an opening diameter L1 of 2 ⁇ m or less.
  • the opening diameter L1 indicates the width of a minute opening existing on the sliding surface 23, and does not necessarily indicate the diameter of a circle.
  • the aperture diameter L1 is determined, for example, by measuring the width of the opening seen on the sliding surface 23 photographed by a scanning electron microscope (SEM). Further, the image of the sliding surface 23 may be binarized by image processing software, converted into a circle, or the like, and calculated as the diameter when converted into a circle having the same area. Since the sliding surface 23 has a plurality of recesses 24, water existing in the environment to which the artificial hip joint 1 is applied can be captured by the recesses 24. As a result, the sliding between the acetabular cup 10 and the hip bone cup 10 becomes lubricated, so that the wear resistance can be improved.
  • SEM scanning electron microscope
  • At least a part of the recesses 24 among the plurality of recesses 24 is formed by the lack of some crystal grains of alumina contained in the composite ceramics.
  • the recess 24 can be formed on the sliding surface 23 due to the lack of alumina crystal grains containing an additive element other than aluminum and oxygen.
  • the shape of the recess 24 is irregular because it is formed by the lack of some crystal grains of alumina, and may have a sharp edge.
  • the shape of the recess 24 may be a groove shape or a hole shape in which the width gradually narrows from the surface side to the inside of the sliding surface 23, or a shape in which the width of the recess increases from the opening to a predetermined depth. May be.
  • the average crystal grain size of alumina crystals is 2 ⁇ m or less.
  • the average crystal grain size of the alumina crystal can increase a plurality of recesses 24 having an opening diameter L1 of 2 ⁇ m or less as compared with those having an opening diameter of 2 ⁇ m or more.
  • the average crystal grain size can be obtained by a linear cutting method using, for example, an enlarged image of a cross section of a composite ceramic taken by SEM.
  • the individual particle sizes of the alumina crystal grains are in the range of 0.05 to 3 ⁇ m.
  • the individual diameters of the recesses formed by the lack of alumina crystal grains are also 0.05 ⁇ m or more.
  • the depth L2 to the bottom of the recess 24 is 2 ⁇ m or less.
  • the depth L2 to the bottom of the recess 24 means the maximum distance from the opening of the recess 24 on the sliding surface 23 to the bottom of the recess 24.
  • the depth L2 can be measured by magnifying and observing a cross section perpendicular to the sliding surface 23 including the recess 24 with an SEM or the like. Further, the sliding surface 23 including the recess 24 may be magnified and observed by using a confocal laser scanning microscope or the like having a high resolution for shape measurement in the depth direction.
  • the sliding surface 23 has 10,000 or more recesses 24 per square millimeter. As a result, the sliding surface 23 has more water present in the environment to which the artificial hip joint 1 is applied than a sliding surface having a sliding surface having less than 10,000 recesses 24 per square millimeter. It can be captured in the recess 24.
  • the upper limit of the number of recesses 24 per square millimeter is not particularly determined, but if the number of recesses 24 is excessive, the surface roughness Ra is affected. As the surface roughness Ra increases, the wear resistance characteristics deteriorate, so the number of recesses 24 present per square millimeter is set within a range in which the surface roughness Ra does not exceed 0.01 ⁇ m.
  • the method for producing the head ball 22 according to the embodiment of the present disclosure includes a polishing step and an acid treatment step.
  • the surface (sliding surface 23) of the composite ceramic containing alumina and at least one oxide other than alumina is polished.
  • the sliding surface 23 is polished so that the surface roughness Ra of the sliding surface 23 is 0.01 ⁇ m or less.
  • zirconia is contained in at least one oxide other than alumina.
  • wear resistance is improved by the polishing process and the acid treatment process.
  • the surface of the head ball 22 polished in the polishing step is treated with a strong acid solution to form a recess 24 on the surface.
  • the surface of the head ball 22 is brought into contact with the hydrochloric acid aqueous solution for 5 to 200 minutes by immersing the head ball 22 polished in the polishing step in the hydrochloric acid aqueous solution.
  • the recess 24 is formed so that the depth L2 from the opening to the bottom of the recess 24 is 2 ⁇ m or less. Further, in the acid treatment step, 10,000 or more recesses 24 are formed on the sliding surface 2 per square millimeter.
  • the method for manufacturing the head ball 22 according to the embodiment of the present disclosure is simple and cost effective because the head ball 22 can be manufactured only by immersing the head ball 22 in a strong acid solution after the polishing step. Can be lowered.
  • the acid treatment step may be referred to as acid immersion or acid cleaning.
  • it is more preferable that the surface polished in the polishing step is brought into contact with the hydrochloric acid aqueous solution for 30 to 150 minutes or more.
  • the strong acid solution is, but is not limited to, a hydrochloric acid aqueous solution, a sulfuric acid aqueous solution, or a nitric acid aqueous solution. Further, the strong acid solution may be a mixed solution of these aqueous solutions. In this embodiment, the strong acid solution is an aqueous hydrochloric acid solution. Thereby, the strong acid solution can be easily prepared as compared with the case where the strong acid solution is, for example, a mixed solution of a sulfuric acid aqueous solution and a nitric acid aqueous solution.
  • the surface roughness Ra of the sliding surface 23 after the polishing step and before the acid treatment step is 0.01 ⁇ m or less, and after the acid treatment step.
  • the surface roughness Ra of the sliding surface 23 is also 0.01 ⁇ m or less.
  • the method for manufacturing a sliding member according to an embodiment of the present disclosure may include a grinding step before the polishing step.
  • a grinding step composite ceramics containing alumina and at least one oxide other than alumina are ground into a predetermined shape (that is, the shape of a head ball).
  • the polishing step the composite ceramics ground to a predetermined shape in the grinding step may be polished.
  • zirconia-reinforced alumina (manufactured by Kyocera Corporation) conforming to ISO6474-2 was used. Specifically, a material containing 79.3% by weight of alumina and 18.2% by weight of zirconia was used.
  • zirconia-reinforced alumina manufactured by Kyocera Medical Corporation conforming to ISO6474-2 was used. Specifically, a material containing 79% by weight of alumina and 19% by weight of zirconia was used.
  • zirconia-reinforced alumina conforming to ISO6474-2, which is a commercially available product having the same size as that of Example 1 and Example 2, was used.
  • the zirconia-reinforced alumina contains about 75% by weight of alumina and about 25% by weight of zirconia.
  • High-purity alumina was used as the material for the head ball of Comparative Example 2.
  • the high-purity alumina contains 99.5% by weight or more of alumina.
  • a Co—Cr—Mo alloy (based on ASTM F1537) was used as the material for the head ball of Comparative Example 3.
  • each head ball 22 was vapor-deposited with platinum, and the surface of the head ball 22 was observed with a scanning electron microscope (SEM). A secondary electron image was acquired at a magnification of 1000 to 30,000 times.
  • FIG. 3 is a diagram showing the state of occurrence of recesses when the time for immersing the head ball in the hydrochloric acid aqueous solution of Example 1 is changed.
  • the sliding surface 23 of the head ball after 5 minutes of acid immersion was rougher than that before acid immersion, and the result was shown that the recess 24 was formed.
  • the sliding surface 23 of the head ball 22 after 30 minutes of acid immersion had more recesses than the sliding surface 23 of the head ball 22 after 5 minutes of acid immersion.
  • the sliding surface 23 of the head ball after 150 minutes of acid immersion had more recesses than the sliding surface 23 of the head ball 22 after 30 minutes of acid immersion. This shows that the recess 24 can be formed on the surface of the sliding surface 23 by contacting the surface of the composite ceramic with the aqueous hydrochloric acid solution for 5 minutes or longer.
  • FIG. 4 is an enlarged view of a recess on the sliding surface before and after acid immersion (before and after acid cleaning) of the head ball of Example 1.
  • FIG. 5 is an enlarged view of a recess on the sliding surface of the head ball after acid immersion (after acid cleaning) of Example 1.
  • FIGS. 4 and 5 it was shown that fine irregularities were formed on the surface of the sliding surface when the magnification was increased to 5000 times before the acid immersion. This corresponds to the surface roughness of the sliding surface of the head ball before acid immersion.
  • FIG. 4 after the acid immersion, the result that the concave portion was formed on the sliding surface was shown when the magnification was increased to 1000 times.
  • the magnification was increased to 5000 times, the result that black spots appeared on the sliding surface was shown. These black spots are formed by the lack of some of the alumina crystals contained in the composite ceramics.
  • FIG. 6 is a diagram comparing the surface roughness of the head ball of Example 1 after acid immersion and the sliding surface of Comparative Example 1 without acid immersion. The length of the scale at the lower right of each photograph is 15 ⁇ m. As shown in FIG. 6, the surface of Example 1 had many recesses formed as compared with the surface of Comparative Example 1.
  • the average surface roughness of the head ball 22 after acid immersion was 0.0034 in Example 1, 0.0033 in Example 2, and 0.0032 in Comparative Example 1, respectively. That is, the average surface roughness of the head ball 22 after acid immersion was substantially the same in all of Example 1, Example 2, and Comparative Example 1. From this result, it was shown that in this example, the recess formed in the head ball has almost no effect on the surface roughness of the head ball. Further, it has been confirmed that the surface roughness Ra of the surface roughness Ra of the head balls of Comparative Example 2 and Comparative Example 3 is the same, and all of them are 0.01 ⁇ m or less.
  • a head ball having an outer diameter of 40 mm was prepared using a zirconia-reinforced alumina material, and a wear simulation test compliant with ISO1424-1 and ISO142422-2 was carried out.
  • a gas plasma sterilized crosslinked ultra-high molecular weight polyethylene liner (cup) was used as the sliding partner.
  • FIG. 7 is a diagram showing the results of a wear test of a head ball after acid immersion.
  • the vertical axis of FIG. 7 is an axis showing the amount of wear of the liner slid with the head ball in mg.
  • the horizontal axis of FIG. 7 is an axis indicating the number of times of sliding. For example, a value of 5 on the horizontal axis of FIG. 7 means 5 million cycles.
  • the amount of wear of Examples 1 and 2 after 5 million cycles was about 8 mg.
  • the wear amounts of Comparative Example 1, Comparative Example 2, and Comparative Example 3 after 5 million cycles were about 12 mg, about 13.5 mg, and about 17.5 mg, respectively.
  • the amount of wear of Example 1 and Example 2 in which the recess was formed showed a result that the amount of wear was lower than that of Comparative Example 1, Comparative Example 2, and Comparative Example 3. Therefore, it was shown that the improvement of wear resistance is improved by forming a plurality of recesses.

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Abstract

耐摩耗性が向上した摺動部材および摺動部材の製造方法を実現することを目的とする。本開示の一態様の骨頭ボールは、アルミナと、アルミナ以外の少なくとも１つの酸化物と、を含む複合セラミックスを含み、人工関節を構成する構成部材に対して骨頭ボールが摺動するときの摺動面の表面粗さＲａが０．０１μｍ以下である。摺動面は、開口径が２μｍ以下である複数の凹部を有する。

Description

摺動部材および摺動部材の製造方法
　本開示は、摺動部材および摺動部材の製造方法に関する。
　関節を構成する一対の関節部材を有し、該一対の関節部材間に、潤滑液を介して互いに接触した状態で相対的に摺動する一対の摩擦面を形成する人工関節が知られている。また、公知の人工関節には、前記一対の摩擦面のうち少なくとも一方の前記摩擦面は、前記摩擦面の表面側から内側にかけて徐々に幅が狭くなる溝状および穴状の少なくともいずれかの凹部と、該凹部を形成する面と前記摩擦面の表面部を形成する面とを滑らかに繋ぐ曲面部と、を有しているものがある。
　一般に摩擦面の表面粗さＲａは大きくなると切削性の摩耗量が増加し、摩擦面の表面粗さＲａは小さくなると凝着性の摩耗量が増加する。このため、切削性の摩耗量および凝着性の摩耗量との和が最も小さくなり、耐摩耗性が向上する表面粗さＲａが存在する。
　本開示の一態様に係る摺動部材は、人工関節を構成する構成部材に対して摺動可能な摺動面を備え、アルミナと、アルミナ以外の少なくとも１つの酸化物と、を含む複合セラミックスを含み、前記摺動面は、開口径が２μｍ以下である複数の凹部を有しており、表面粗さＲａが０．０１μｍ以下である。
　また、本開示の一態様に係る摺動部材の製造方法は、アルミナと、アルミナ以外の少なくとも１つの酸化物と、を含む複合セラミックスの表面を研磨する研磨工程と、研磨された前記表面を強酸溶液で処理して前記表面に凹部を形成する酸処理工程と、を含む。
本開示の一実施形態に係る人工股関節の模式図である。 本開示の一実施形態に係る摺動面の断面の模式図である。 本開示の一実施例に係る骨頭ボールの酸浸漬時間による凹部発生状況を示す図である。 本開示の一実施例に係る骨頭ボールの酸浸漬前後（酸洗浄前後）の摺動面の凹部の拡大図である。 本開示の一実施例に係る骨頭ボールの酸浸漬後（酸洗浄後）の摺動面の凹部の拡大図である。 本開示の一実施例に係る酸浸漬後における骨頭ボールの表面粗さを比較する図である。 酸浸漬後の骨頭ボールの摩耗試験の結果を示す図である。
　〔実施形態１〕
　（人工股関節１の全体構成）
　以下、本開示の一実施形態について、詳細に説明する。図１は、本開示の一実施形態に係る人工関節としての人工股関節１の模式図である。図１に示すように、人工股関節１は、寛骨９３の寛骨臼に固定される寛骨臼カップ１０と、大腿骨９１の近位端に固定される大腿骨ステム２０と、寛骨臼カップ１０と摺動する骨頭ボール２２とから構成されている。すなわち、寛骨臼カップ１０、大腿骨ステム２０、および骨頭ボール２２は、人工股関節１を構成する構成部材である。ただし、人工関節は、本開示に係る人工股関節１に限られず、例えば人工膝関節、人工足関節、または人工肩関節でもよい。
　寛骨臼カップ１０は、ほぼ半球状の寛骨臼固定面１４およびほぼ半球状にくぼんだ摺動面１６を有している。大腿骨ステム２０の一端側には、摺動部材としての骨頭ボール２２が備えられている。なお、本開示の一態様では、大腿骨ステム２０の一端側に嵌め込まれる骨頭ボール２２を有する構成である。
　骨頭ボール２２は、寛骨臼カップ１０に対して骨頭ボール２２が摺動するときの摺動面２３を有している。摺動面２３は、寛骨臼カップ１０に対して摺動可能となっている。骨頭ボール２２は、寛骨臼カップ１０のほぼ半球状にくぼんだ摺動面１６に対して摺動することにより、股関節として機能する。ただし、本開示における摺動部材は骨頭ボール２２に限られず、寛骨臼カップ１０でもよい。この場合、寛骨臼カップ１０は、骨頭ボール２２に対して摺動する。摺動面２３の表面粗さＲａは、０．０１μｍ以下である。これにより、寛骨臼カップ１０と骨頭ボール２２との摺動時に対する摩擦係数を低減することができる。
　なお、寛骨臼固定面１４は、寛骨臼９４に近い側に配された外表面である。また、摺動面１６は、骨頭ボール２２に接触する内表面または接触面でもある。
　本開示の一実施形態において、寛骨臼カップ１０は、ポリエチレンまたは超高分子量ポリエチレン製である。
　骨頭ボール２２は、アルミナと、アルミナ以外の少なくとも１つの酸化物と、を含む複合セラミックスを含む。これにより、骨頭ボール２２を高硬度、高強度にすることができる。本実施形態では、骨頭ボール２２は、６５～９６重量％のアルミナ、および４～３４．４重量％のジルコニアを含む複合セラミックスである。これにより、骨頭ボール２２は、ジルコニアを含まないアルミナ単体のセラミックスと比べて、より高強度かつ高靱性であり、また、ジルコニア単体のセラミックスと比べてより高硬度である。
　骨頭ボール２２は、ＳｉＯ２を０．２０質量％以上、ＴｉＯ２を０．２２質量％以上、ＭｇＯを０．１２質量％以上含有してもよい。これにより、焼結温度で形成された液相の粘度が高くなることにより焼結促進効果が小さくなることを低減できる。本実施形態では、骨頭ボール２２は、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２及びＭｇＯの合計の含有割合が０．６～４．５質量％である。これにより、高緻密化と微粒組織形成という効果が得られる。
　本実施形態では、人工関節は、人工股関節１であり、摺動部材は、人工股関節１の骨頭ボール２２である。このため、人工股関節１の骨頭ボール２２という用途において耐摩耗性を向上させることができる。なお、耐摩耗性は、骨頭ボール２２と寛骨臼カップ１０とを繰り返し摺動させたときの、寛骨臼カップ１０の摩耗による重量減少を測定することによって評価される。
　図２は、本開示の一実施形態に係る摺動面２３の断面の模式図である。図２に示される個々の多角形は、多結晶体である複合セラミックスの個々の結晶粒を示す。本開示の一実施形態では、結晶粒は、アルミナ結晶粒またはジルコニア結晶粒であるが、図２においては区別をしていない。なお、図２では、便宜上、摺動面２３を平面として図示している。図２に示すように、摺動面２３は、開口径Ｌ１が２μｍ以下である複数の凹部２４を有する。ここで、開口径Ｌ１とは、摺動面２３に存在する微小な開口の幅を示すものであり、必ずしも円の直径を示すものではない。開口径Ｌ１は、例えば走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により撮影された摺動面２３にみられる開口の幅を計測することにより求められる。また、摺動面２３の画像を画像処理ソフトにより二値化処理、円換算処理等を行って、同面積の円に換算した場合の直径として算出してもよい。摺動面２３が複数の凹部２４を有することにより、人工股関節１が適用される環境において存在する水を凹部２４に捉えることができる。その結果、寛骨臼カップ１０との間の摺動が潤滑になるので、耐摩耗性を向上させることができる。
　複数の凹部２４のうち少なくとも一部の凹部２４は、複合セラミックスに含まれるアルミナの一部の結晶粒が欠如することによって形成されたものである。例えばアルミニウムと酸素以外の添加物元素を含むアルミナの結晶粒が欠如することによって凹部２４を摺動面２３に形成することができる。凹部２４の形状は、アルミナの一部の結晶粒が欠如することによって形成されるため、不定形状であり、鋭利なエッジを有する場合もある。凹部２４の形状は、摺動面２３の表面側から内側にかけて徐々に幅が狭くなる溝状および孔状であってもよいし、開口から所定の深さまでにおいては、凹部の幅が大きくなる形状であってもよい。
　アルミナの結晶の平均結晶粒径は、２μｍ以下である。これにより、アルミナの結晶の平均結晶粒径は、２μｍ以上のものと比べて、開口径Ｌ１が２μｍ以下である複数の凹部２４を増やすことができる。平均結晶粒径は、例えばＳＥＭにより撮影された複合セラミックスの断面の拡大画像を用いて、直線切断法により求めることができる。本実施形態においては、アルミナの結晶粒の個々の粒径は０．０５～３μｍの範囲にある。アルミナの結晶粒の欠如により形成される凹部の個々の径も、０．０５μｍ以上となっている。
　凹部２４の底部までの深さＬ２は、２μｍ以下である。ここで、凹部２４の底部までの深さＬ２とは、摺動面２３における凹部２４の開口から凹部２４の底面までの距離のうち、最大となる距離を意味する。これにより、摩擦面間の潤滑液の停留を促進させることができ、摩擦材料の摩耗を抑制することができる。深さＬ２は、凹部２４を含む摺動面２３に垂直な断面をＳＥＭ等で拡大観察して測定することが可能である。また、深さ方向の形状測定の分解能が高い共焦点レーザー顕微鏡等を用いて、凹部２４を含む摺動面２３を拡大観察して測定してもよい。
　摺動面２３は、凹部２４を１平方ミリメートル当たり１０，０００個以上有する。これにより、摺動面２３は、凹部２４を１平方ミリメートル当たり１０，０００個未満有する摺動面を備えた摺動面と比べて、人工股関節１が適用される環境において存在する水をより多く凹部２４に捉えることができる。凹部２４の１平方ミリメートル当たりの存在個数の上限は特に定まっていないが、存在個数が過剰になると表面粗さＲａに影響を及ぼす。表面粗さＲａが大きくなると、耐摩耗特性が低下するため、凹部２４の１平方ミリメートル当たりの存在個数は、表面粗さＲａが０．０１μｍを超えない範囲に設定される。
　（製造方法）
　本開示の一実施形態に係る骨頭ボール２２の製造方法は、研磨工程、および酸処理工程を含んでいる。研磨工程では、アルミナと、アルミナ以外の少なくとも１つの酸化物と、を含む複合セラミックスの表面（摺動面２３）を研磨する。研磨工程では、摺動面２３の表面粗さＲａが０．０１μｍ以下となるように摺動面２３を研磨する。本実施形態では、アルミナ以外の少なくとも１つの酸化物にジルコニアを含む。これにより、骨頭ボール２２は、ジルコニアを含まない構成と比べて、より高強度、高靭性となる。また、研磨工程と酸処理工程によって耐摩耗性が向上する。
　酸処理工程では、研磨工程において研磨された骨頭ボール２２の表面を強酸溶液で処理して表面に凹部２４を形成する。本実施形態では、酸処理工程において、研磨工程において研磨された骨頭ボール２２を塩酸水溶液に浸漬することにより、骨頭ボール２２の表面を塩酸水溶液に５分～２００分接触させる。酸処理工程では、凹部２４における開口から底部までの深さＬ２が２μｍ以下となるように凹部２４を形成する。また、酸処理工程では、摺動面２に凹部２４を１平方ミリメートル当たり１０，０００個以上形成する。本実施形態における酸処理工程では、本開示の一実施形態に係る骨頭ボール２２の製造方法は、研磨工程後に強酸溶液に浸漬するだけで骨頭ボール２２を製造することができるので、簡便でかつコストを下げることができる。なお本願明細書においては、酸処理工程を、酸浸漬、または酸洗浄ということがある。酸処理工程において、研磨工程において研磨された表面を塩酸水溶液に３０分～１５０分以上接触させることがより好ましい。
　強酸溶液は、塩酸水溶液、硫酸水溶液、または硝酸水溶液であるが、これに限られない。また、強酸溶液は、これらの水溶液の混合溶液でもよい。本実施形態では、強酸溶液は塩酸水溶液である。これにより、強酸溶液が例えば硫酸水溶液と硝酸水溶液との混合溶液であるものと比べて、簡単に強酸溶液を作製することができる。
　本開示の一形態の骨頭ボール２２の製造方法では、研磨工程の後、かつ、酸処理工程の前の摺動面２３の表面粗さＲａが０．０１μｍ以下であり、酸処理工程の後の摺動面２３の表面粗さＲａも０．０１μｍ以下である。
　なお、本開示の一実施形態に係る摺動部材の製造方法は、研磨工程の前に研削工程を含んでいてもよい。研削工程では、アルミナと、アルミナ以外の少なくとも１つの酸化物と、を含む複合セラミックスを所定の形状（すなわち、骨頭ボールの形状）に研削する。前記研磨工程では、研削工程で所定の形状に研削された複合セラミックスを研磨してもよい。
　以下、実施例および比較例に基づいて本開示の一態様をより詳細に説明するが、本開示の態様はこれらに限定されるものではない。本実施例では、以下の実施例１、実施例２および比較例１～３の骨頭ボールを作成した。作製した実施例および比較例についてＳＥＭによる観察、粗さ測定、摩耗試験による観察を行った。
　実施例１の骨頭ボールの材料として、ＩＳＯ６４７４－２に準拠したジルコニア強化アルミナ（京セラ株式会社製）を用いた。具体的には、７９．３重量％のアルミナ、および１８．２重量％のジルコニアを含む材料を用いた。
　実施例２の骨頭ボールの材料として、ＩＳＯ６４７４－２に準拠したジルコニア強化アルミナ（京セラメディカル株式会社製）を用いた。具体的には、７９重量％のアルミナ、および１９重量％のジルコニアを含む材料を用いた。
　比較例１の骨頭ボールの材料として、実施例１および実施例２と同サイズの市販品のＩＳＯ６４７４－２に準拠したジルコニア強化アルミナを用いた。当該ジルコニア強化アルミナは、約７５重量％のアルミナ、および約２５重量％のジルコニアを含む。比較例２の骨頭ボールの材料として、高純度アルミナを用いた。当該高純度アルミナは、９９．５重量％以上のアルミナを含む。比較例３の骨頭ボールの材料として、Ｃｏ－Ｃｒ－Ｍｏ合金（ＡＳＴＭ　Ｆ１５３７準拠）を用いた。
　（ＳＥＭによる観察）
　それぞれの骨頭ボール２２の表面を白金蒸着し、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）にて骨頭ボール２２の表面を観察した。１０００倍～３００００倍の倍率で２次電子像を取得した。
　図３は、実施例１の骨頭ボールの塩酸水溶液に浸漬させる時間を変化させたときの凹部の発生状況を示す図である。図３に示すように、酸浸漬５分後の骨頭ボールの摺動面２３は、酸浸漬前のものと比べて粗くなっており、凹部２４が形成される結果を示した。酸浸漬３０分後の骨頭ボール２２の摺動面２３は、酸浸漬５分後の骨頭ボール２２の摺動面２３と比べてより多くの凹部が形成されていた。酸浸漬１５０分後の骨頭ボールの摺動面２３は、酸浸漬３０分後の骨頭ボール２２の摺動面２３と比べてより多くの凹部が形成されていた。これにより、複合セラミックスの表面を塩酸水溶液に５分以上接触させることにより摺動面２３の表面に凹部２４を形成することができることが示される。
　図４は、実施例１の骨頭ボールの酸浸漬前後（酸洗浄前後）の摺動面の凹部の拡大図である。図５は、実施例１の骨頭ボールの酸浸漬後（酸洗浄後）の摺動面の凹部の拡大図である。図４および図５に示すように、酸浸漬前においては、倍率を５０００倍にしたときに摺動面の表面に微細な凸凹が形成されていることを示した。これは、酸浸漬前の骨頭ボールの摺動面の表面粗さに対応するものである。図４に示すように、酸浸漬後においては、倍率を１０００倍にしたときに、摺動面に凹部が形成されている結果を示した。また、酸浸漬後においては、倍率を５０００倍にしたときに、摺動面に黒い斑点状が現れる結果を示した。この黒い斑点状のものが、複合セラミックスに含まれるアルミナの結晶の一部が欠如することによって形成されたものである。
　（レーザー顕微鏡観察）
　それぞれの骨頭ボールの表面を、オリンパス製共焦点レーザー顕微鏡にて１００倍の倍率で観察した。図６は、酸浸漬後における実施例１の骨頭ボールおよび、酸浸漬を行っていない比較例１の摺動面の表面粗さを比較する図である。なお、各写真の右下の縮尺の長さは１５μｍである。図６に示すように、実施例１の表面には、比較例１の表面と比べて多くの凹部が形成されていた。
　（粗さ測定）
　ＪＩＳ　Ｂ　０６０１に準拠して、接触式の粗さ測定器（株式会社ミツトヨ製、ＳＶ－３１００ＳＡ）を用いて、基準長さ：０．０８ｍｍ、区間数：５でそれぞれの骨頭ボールの天頂部にて粗さ曲線を取得した。λc：０．０８ｍｍ、λｓ：０．０００８ｍｍのガウシアンフィルタでカットオフし、算術平均粗さＲａを測定した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
 　表１は、酸浸漬後における、実施例１、実施例２の骨頭ボールの表面粗さ、および酸浸漬を行っていない比較例１の骨頭ボールの表面粗さを示す表である。表１のｎは、各実施例、比較例のサンプルナンバーである。表１に示すように、酸浸漬後における骨頭ボール２２の表面粗さの平均は、それぞれ実施例１が０．００３４、実施例２が０．００３３、比較例１が０．００３２であった。すなわち、酸浸漬後における骨頭ボール２２の表面粗さの平均は、実施例１、実施例２、および比較例１のいずれにおいても略等しい結果であった。この結果より、本実施例においては、骨頭ボールに形成された凹部は、骨頭ボールの表面粗さに殆ど影響を与えていないことが示された。また、比較例２、比較例３の骨頭ボールにおいても、その表面の表面粗さＲａは同等で、全て０．０１μｍ以下であることを確認している。
　（摩耗試験）
　ジルコニア強化アルミナ材を用いて外径４０ｍｍの骨頭ボールを作製し、ＩＳＯ１４２４２－１、ＩＳＯ１４２４２－２に準拠した摩耗シミュレーション試験を実施した。摺動相手はガスプラズマ滅菌した架橋超高分子量ポリエチレン製ライナー（カップ）を用いた。試験は実施例および比較例毎にサンプル数ｎ＝３で実施した。摩耗量は５０万サイクル毎にライナーの重量変化を計測し、試験開始からの重量減少とｌｏａｄ　ｓｏａｋとの差の計測から求めた。摩耗量は、５０万サイクル毎に５００万サイクルまで計測し、各サイクルにおいてｎ＝３の摩耗量の平均値を算出した。
　図７は、酸浸漬後の骨頭ボールの摩耗試験の結果を示す図である。図７の縦軸は、骨頭ボールと摺動させたライナーの摩耗量をｍｇ単位で示す軸である。図７の横軸は、摺動回数を示す軸である。例えば、図７の横軸における５の値は、５００万サイクルを意味する。
　図７に示すように、５００万サイクル後における実施例１および実施例２の摩耗量は、約８ｍｇであった。これに対して、５００万サイクル後における比較例１、比較例２、および比較例３の摩耗量は、それぞれ約１２ｍｇ、約１３．５ｍｇ、および約１７．５ｍｇであった。凹部を形成した実施例１および実施例２の摩耗量は、比較例１、比較例２、および比較例３よりも摩耗量が低い結果を示した。このため、複数の凹部が形成されることにより耐摩耗性向上が向上することが示された。
　以上、本開示に係る発明について、諸図面および実施例に基づいて説明してきた。しかし、本開示に係る発明は上述した各実施形態に限定されるものではない。すなわち、本開示に係る発明は本開示で示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本開示に係る発明の技術的範囲に含まれる。つまり、当業者であれば本開示に基づき種々の変形または修正を行うことが容易であることに注意されたい。また、これらの変形または修正は本開示の範囲に含まれることに留意されたい。
　１　人工股関節（人工関節）
　１０　寛骨臼カップ（摺動部材）
　１６、２３　摺動面
　２２　骨頭ボール（摺動部材）
　２４　凹部
　Ｌ１　開口径
　Ｌ２　凹部の底部までの深さ

Claims (15)

  1. 　人工関節を構成する構成部材に対して摺動可能な摺動面を備え、
    　アルミナと、アルミナ以外の少なくとも１つの酸化物と、を含む複合セラミックスを含み、
    　前記摺動面は、開口径が２μｍ以下である複数の凹部を有しており、表面粗さＲａが０．０１μｍ以下である、摺動部材。
  2. 　前記複数の凹部のうち少なくとも一部の前記凹部は、前記複合セラミックスに含まれるアルミナの結晶の一部が欠如することによって形成されたものである、請求項１に記載の摺動部材。
  3. 　前記アルミナの結晶の平均結晶粒径は、２μｍ以下である、請求項１または２に記載の摺動部材。
  4. 　前記凹部は、開口から底部までの深さが２μｍ以下である、請求項１から３のいずれか１項に記載の摺動部材。
  5. 　前記摺動面は、前記凹部を１平方ミリメートル当たり１０，０００個以上有する、請求項１から４のいずれか１項に記載の摺動部材。
  6. 　前記複合セラミックスは、６５～９６重量％のアルミナ、４～３４．４重量％のジルコニアを含む、請求項１から５のいずれか１項に記載の摺動部材。
  7. 　前記人工関節は、人工股関節であり、
    　前記摺動部材は、前記人工股関節の骨頭ボールである、請求項１から６のいずれか１項に記載の摺動部材。
  8. 　前記構成部材が、ポリエチレンまたは架橋超高分子量ポリエチレンを含む、請求項１から７のいずれか１項に記載の摺動部材。
  9. 　アルミナと、アルミナ以外の少なくとも１つの酸化物と、を含む複合セラミックスの表面を研磨する研磨工程と、
    　研磨された前記表面を強酸溶液で処理して前記表面に凹部を形成する酸処理工程と、を含む摺動部材の製造方法。
  10. 　前記アルミナ以外の少なくとも１つの酸化物は、ジルコニアを含む、請求項９に記載の摺動部材の製造方法。
  11. 　前記研磨工程の後、かつ、前記酸処理工程の前の前記表面の表面粗さＲａが０．０１μｍ以下であり、前記酸処理工程の後の前記表面の表面粗さＲａも０．０１μｍ以下である、請求項９または１０に記載の摺動部材の製造方法。
  12. 　前記酸処理工程により形成された前記凹部は、開口から底部までの深さが２μｍ以下である、請求項９から１１のいずれか１項に記載の摺動部材の製造方法。
  13. 　前記酸処理工程により、人工関節を構成する構成部材に対して摺動可能な摺動面に前記凹部を１平方ミリメートル当たり１０，０００個以上形成する、請求項９から１２のいずれか１項に記載の摺動部材の製造方法。
  14. 　前記強酸溶液は、塩酸水溶液である、請求項９から１３のいずれか１項に記載の摺動部材の製造方法。
  15. 　前記酸処理工程において、前記表面を前記塩酸水溶液に５分以上接触させる、請求項１４に記載の摺動部材の製造方法。
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