JP5118868B2 - 外部固定具要素 - Google Patents

Description

本発明は、外部固定具に使用する機械要素、およびそのような機械要素の製造方法に関する。

外部固定具は、従来からよく知られており、例えば、ヨーロッパ特許第０８０６１８５号に開示されている。そのような外部固定具は、骨折した骨を安定させ、治癒するまでの間、その２本を正しい位置に保持するために使用される。典型的な外部固定具は、骨を接合させるための数本のピン、ピンの位置を維持するためのロッド、および、ピンとロッドを結合させるためのクランプ手段から成る。これらの外部固定具は、通常、鋼、チタン、又はアルミニウムから形成される。

米国特許第６、７０２、８１４号には、クランプスクリューの周囲でナット又はワッシャを使用して、クランプ内部でロッド又はピンを別々にロックすることが開示されている。

重量負担（特に外部固定具を長期間着用する長期入院患者にとって）を考慮すると、材料をプラスチックベースのものにさらに替える必要、および装置にＸ線透過性をもたせる必要がある。しかし、このような従来技術の外部固定具要素の欠点として、とりわけ、ロッドがこのような軽量の材料から形成されている場合、摩擦の問題から、クランプに対するロッドの位置が変わり、その結果、他のロッドおよびピンに対するロッドの位置も経時的に変化する恐れがあることが挙げられる。

本発明の目的は、外部固定具のクランプ、ロッド、およびピンの結合状態を高めるのに寄与する、要素、方法、および外部固定具システムに関する。

本発明の１つの態様によると、例えば、ロッド、ピン、又はクランプ手段などの外部固定具要素は、少なくとも１つの接触面を有する。前記要素と、別の外部固定具要素を結合させるための、粗く処理(roughly ablated)された接触面を少なくとも１つ有する。

「粗く処理された面」には、サンドブラスト、ブラッシング又はそれらと類似の方法、特にエッチングによって処理された面が含まれる。

本発明は、プラスチック材料同士の組み合わせは摩擦係数が低いが、本発明によれば、繊維の一部がプラスチック材料の表面に突出すると、プラスチック材料の低い摩擦係数を変えることが可能であるという洞察に基づいている。それゆえ、好ましい態様による要素は、部分的に表面に突出した繊維から成り、その結果、表面の粗さが高まり、クランプ顎のロッドへの締め付けが向上する。

本発明を、添付図面を参照しながらより詳細に説明する。
図１は、外部固定具の一例を示す。このような外部固定具は、通常、数本のピン１０３、１０４、ロッド１０９、およびクランプ手段１０５、１０６、１０７、１０８を有する。これらの要素は外部固定具要素として称される。外部固定具は、治癒までの間、骨折した骨を安定させ、骨の方向を矯正するために使用される。通常、数本のピン１０３（ここでは２本）が、骨の第一の部分１０１に導入され、数本のピン１０４（ここでは２本）が、骨の第二の部分１０２に導入される。クランプ手段１０５、１０６、１０７、１０８は、ピン１０３、１０４、およびロッド１０９を機械的に結合させるために使用される。ロッド１０９およびクランプ手段１０５、１０６、１０７、１０８の助けにより、骨の第二の部分１０２に対する骨の第一の部分１０１の方向が調節される。

外部固定具を装着すると互いに向き合う、ピン１０３、１０４、ロッド１０９、およびクランプ手段１０５、１０６、１０７、１０８の表面は、接触面として称される。一例として、ロッド１０９をクランプ手段１０７の開口部に導入する。これによって、ロッド１０９上の、クランプ手段１０７を覆う表面は、接触面と称される。また、クランプ手段１０７上の、ロッド１０９を覆う表面（この場合は開口部の表面）も接触面として称される。図１に示される外部固定具において、このようなロッドの接触面は、典型的には円筒形状を成す。クランプは相補的な円筒形状、すなわち、断面形状が中空の三角形である円筒形状を成してもよい。これにより、クランプ顎と、ロッド又はピンの間に長手方向の接触線が形成される。

わかりやすくするために、以降は、ピン１０３、１０４、ロッド１０９、およびクランプ手段１０６、１０７、１０８、１０９を機械要素と称する。しかし、当業者であれば自明であるが、「機械要素」という表現は、文字通りの意味に限定されるものではない。

図２は、機械要素の断面の一部を概略的に示したものである。参照番号１は、機械要素の未処理の接触面の一部を成す線を示す。

この態様において、図示された機械要素は繊維強化プラスチックから成る。繊維２はキャリア材料すなわちプラスチック３で囲まれている。

このような機械要素は、複数のさまざまな成形技術、例えば、熱可塑性および熱硬化性射出成形、ブロー成形、回転成形、熱成形、構造的発泡成形、圧縮成形、樹脂移動成形（ＲＴＭ）などによって製造できる。

このような機械要素は、ダイキャスト法によっても製造できる。繊維２は無作為に配置される。繊維２が表面１上を越えて伸びていないように見えるかもしれない。これは、このような繊維強化プラスチックの製造工程によるものである。キャスティング前に金型に入れられた繊維２は、表面１から離れる傾向がある。すなわち、繊維の自由端が最上の表面層に接触したり、最上の表面層中で整列(align)したりしていないということである。

図４に示す試験済みの態様は、熱可塑性成形によって製造されたもので、繊維をプラスチック材料と混合し、共に型に入れたものである。混合物の一部としての繊維の量は、２０〜７０体積パーセント、好ましくは３０〜６０体積パーセント、又は４０〜５０体積パーセントである。

図３は本発明の１つの態様による機械要素の断面の一部を概略的に示したものである。参照番号４は、本発明の製造方法によって、粗くされた、すなわち処理された機械要素（例としてロッド１０９）の接触面を示す。

この第一の態様において、機械要素の材料は、好ましくは、繊維強化プラスチックである。プラスチックは、ガラス繊維、炭素繊維、又はアラミド繊維によって強化される。強化の目的のため、綿繊維を使用することも可能である。好ましくは、繊維は、長さ０．１ミリメータから２ミリメータである。さらに好ましくは、繊維は、長さ０．２５ミリメータから１ミリメータである。好ましくは、繊維は直径２５ミクロンから１５００ミクロンである。さらに好ましくは、繊維は直径５０ミクロンから２００ミクロンである。（射出成形の場合）プラスチックは、ポリアミド、ポリプロピレン、ＰＥＥＫ、ポリアセタール、および（ＲＴＭ、ラミネーションや連続式引抜成形、炭素エポキシ連続式引抜成形の場合）、ポリエステルエポキシドから選ばれるものであることが好ましい。

この第一の態様において、処理面４は、本発明の方法の結果、形成されたものである。この方法において、未処理面１は、研磨要素を含むガス流にさらされる。これを、サンドブラストとも称する。研磨要素は、未処理面１を安定して研磨するか、又は除去する。これは、未処理面１が部分的に除去され、処理面４が現れることを意味する。ガス流として圧縮空気を使用できる。研磨要素としては、好ましくは、砂、ガラスビーズ、金属ペレット、ドライアイス、粉末状のスラグ又は粉末状の研磨剤が挙げられる。しかし、当業者によって知られている他の研磨要素も使用できる。研磨要素の大きさは、機械要素の表面の研磨の度合いに影響する。ゆえに、研磨要素の大きさを変更してもよい。研磨要素として可能な大きさは、２００ミクロンから１０００ミクロンである。

表面１の研磨の度合いは、表面１と繊維２の間の距離に依存する。このように、繊維２のいくつかが処理面４から突出した場合に、表面１の研磨の度合いが決まる。そして、繊維２の固定部６は、依然としてしっかりとプラスチックに結合し、表面４から、繊維２の突出部５が突出する。

サンドブラストの工程によって、処理面４の粗さは未処理面１の粗さに比べはるかに粗くなる。これによって、機械要素の接触面の間における摩擦力が高まる。繊維２の突出によって、機械要素の接触面間の摩擦力がさらに高まる。測定の結果、表面４が粗く、繊維が表面４から突出した場合、摩擦力は未処理面と比較して５０％を超えて増加していた。繊維２の突出部が擦り切れた(fray)場合、摩擦力は付加的に高まる。

もし、研磨の度合いが必要とする値よりも高い場合、繊維が部分的にプラスチック３から離れることがある。このような繊維は、サンドブラスト工程の圧縮されたガス流によって除去される。それゆえ、離れた繊維に起因する汚染が問題となることはない。

プラスチック部の材料によっては、研磨要素（例えば砂）の一部は、処理面４の中で、粒７として残存し、その結果、接触面間で摩擦力がさらに高まる。このように埋め込まれた粒７の寸法は、使用した研磨材料にもよるが、２５０ミクロンから５００ミクロンとすることができる。

図４は、図２に関連して説明した方法で製造した機械要素の表面１の、顕微鏡写真である。この試験片の繊維量は比較的多い。写真の寸法は、長さ１０ミクロンを示す棒１１から分かる。表面がなだらかではなく、無数の隆起が存在することがはっきりと分かる。しかし、このような隆起の高さは比較的低い。高さは、典型的には、数十ミクロンの範囲か、又は、１ミクロンを下回ることさえある。被覆された繊維１２も見える。これらの繊維１２は、混合物のプラスチック材料の層によって覆われている。プラスチック材料のこの層と、クランプの対応するプラスチックの表面が、前記の低い摩擦係数を示す。

図５は、図４に示した試験片の表面をサンドブラスト処理した後の顕微鏡写真である。もちろん、写真は、試験片の同一部分を表すものではなく、おそらくは１ミリ離れた部分を表している。図４と比較すると、表面が著しく変化していることが分かる。概略的に表わしているが、ここで繊維６の突出部５は、被覆されていない繊維１５として見える。少なくとも、２つの違いがある。表面の方向すなわち平面(plane)に配向されている繊維の一部は、もはやプラスチック材料で覆われていない。それゆえ、繊維表面のこの部分は異なった摩擦挙動を有し、クランプの対応するプラスチック面に比べて、はるかに高い摩擦係数を示す。第二に、隆起部がより明白である。さらに、要素の表面から突出した、鋭い繊維端１６がある。

図６は、未処理のプラスチック面を有するロッドおよび本発明による処理面を有するロッドについての試験のグラフである。図は、結合部に力が加わった場合、例えば、ロッドが未処理のプラスチック材料面を有するクランプで締め付けられた場合の挙動を表す。負荷の減退１４は、結合部がスライドし始めることにより生じ、高い摩擦力を持ったサンドブラスト面が、サンドブラストしていない面に比較してかなり後に、減退１４を生じる。このダイアグラムは、ロッドを締め付けるために加えられた力に対するロッドの変位を示す。未処理のロッドは、若干速いスライディング１１をおよそ４００ニュートンまで続け、その時点で減退１４が生じる。処理ロッドは、減退が生じるまで８００ニュートンを超える負荷１３に耐える。

ここで、図１を参照する。ロッド１０９の接触面の位置がピン１０３、１０４間の距離に依存することがわかるかもしれない。ここで、ロッド１０９の全体面を、接触面として称することが可能である。それゆえ、ロッド１０９の全体面が粗く加工される、すなわち、上述のように処理されると有利である。しかし、ロッド１０９の表面の一部のみが処理されてもよい。そのような場合には、前記部分はロッド１０９の末端部に配置されるのが好ましい。

クランプ手段１０７、１０８の接触面もまた、上述した方法で処理できる。これによって、クランプ手段１０７および１０８は典型的には２つの接触面を有する。第一の接触面がロッド１０９と接触し、第二の接触面がピン１０３、１０４と接触する。ロッド１０９についても同じことが適用される。これによって、接触面全て、又はその一部のみを、本発明による方法によって処理することができる。両方の接触面又は第一の接触面か第二の接触面のいずれかだけを処理することも可能である。

上述した方法は、ピン１０３、１０４にも適用できる。しかし、ピンの一端が人体に導入されるという事実から、感染の可能性を防止するためと、ピンが往々にして鋼で出来ているため、この方法は、ピン１０３、１０４の他方の自由端に好適に適用できる。

全ての機械要素の接触面全てが本発明による方法によって処理されると特に好ましい。これが、本発明による方法の最も良い活用法である。

ある特定の表面のみを処理することも可能である。例として、ロッド１０９の表面のみを処理し、クランプ手段１０７および１０８の接触面は処理しないことも可能である。この場合、摩擦力は低下する。

さらに別の態様においては、表面１をブラッシングすることが可能である。例えば、ゆっくりと回転するロッドの表面に係合した、高速で回転するスチールブラシを用いてブラッシングしてもよい。このようなブラシは、ロッドが収納されるクランプの空洞部に導入することができ、１つ又は両方のクランプ内表面をブラシする。しかし、長手方向に動く、回転しないブラシを使用することも可能である。

さらに別の態様においては、表面１は酸を用いてエッチングすることも可能である。酸は、繊維強化プラスチック要素の表面１に、表面の除去が、未処理面４が露出する望ましい程度に達するまで添加する。これは、上述したように、繊維が表面から突出した場合である。エッチングは、過酸化水素のように、強い酸化力のある溶液を使用して行う。

他の方法でも、粗く処理された構造を実現でき、外部固定具要素をよりしっかりと締め付けることができる。とりわけ、同様に粗く処理された表面を有するロッド又はピンの表面を締め付ける粗く処理済みの顎を有する１つ以上のクランプから成るセットとして使用する場合に、よりしっかりと締め付けることができる。

図示されていないさらに別の態様においては、機械要素は繊維を使用せずに作製することが可能である。ここで、前と同様に粗い表面が、摩擦力の向上に寄与する。好ましい態様においては、そのような機械要素は、プラスチック、鋼、又はチタンから成る。本発明の主たる利点は、プラスチックとプラスチックの複合による、好ましくない摩擦係数が向上することにある。クランプする、およびクランプされた部分の両方に繊維がない場合、プラスチック材料は変形し、数日から数週間の内に粗さを失う。それゆえ、繊維のないクランプとロッドの組み合わせは、ごく限られた時間内でしか使用できない。

異なった外部固定具要素を有する外部固定具の一例である。 ロッドのような外部固定具要素の概略断面図である。 本発明による外部固定具要素の概略断面図である。 図２に示した要素の表面の顕微鏡写真である。 図４に示した要素の表面の顕微鏡写真である。 従来技術による装置および本発明による装置の測定値の違いを概略的に示すグラフである。

符号の説明

１ 未処理面
２ 繊維
３ プラスチック
４ 粗くされた（処理された）表面
５ 繊維の突出部
６ 繊維の固定部
７ 粒
１０ 寸法
１１ 未処理要素のグラフ
１２ 被覆された繊維
１３ 処理済要素のグラフ
１４ 減退点
１５ 被覆されていない繊維
１６ 繊維端
１０１ 骨の第一の部分
１０２ 骨の第二の部分
１０３ ピン
１０４ ピン
１０５ クランプ手段
１０６ クランプ手段
１０７ クランプ手段
１０８ クランプ手段
１０９ ロッド

Claims (10)

1. ロッド（１０９）、ピン（１０３、１０４）又はクランプ手段（１０５、１０６）などの外部固定具要素において、前記要素（１０９、１０３、１０４、１０５、１０６）と別の外部固定具要素とを結合させる接触面（４）の少なくとも一部が、粗く処理された構造（４）を有するとともに、当該接触面が、キャリア材料（３）および繊維（２）を含む繊維強化プラスチックから成り、前記繊維（２）の自由端が当該接触面（４）から突出していることを特徴とする、外部固定具要素。
2. 前記キャリア材料が、ポリアミド、ポリプロピレン、ＰＥＥＫ、ポリアセタール、およびポリエステルエポキシドから成る群から選ばれることを特徴とする、請求項１に記載の外部固定具要素。
3. 前記繊維が、ガラス繊維、炭素繊維又はアラミド繊維から成る群から選ばれることを特徴とする、請求項１又は２に記載の外部固定具要素。
4. 粗く処理された構造（４）が、サンドブラスト、ブラッシング又はエッチングによって形成されたものであることを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載の外部固定具要素。
5. 請求項１から４のいずれかに記載の外部固定具要素の締め付け面を処理する方法において、前記繊維の自由端が前記接触面から突出するまで、前記面が研磨要素を含むガス流に曝されることを特徴とする、外部固定具要素の締め付け面の処理方法。
6. 前記研磨要素が、ガラスビーズ、金属ペレット、ドライアイス、粉体状の研磨剤、粉体状のスラグ、又は砂から成る群から選択されることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
7. 請求項１から４のいずれかに記載の外部固定具要素の締め付け面を処理する方法において、前記繊維の自由端が前記接触面から突出するまで、前記面がエッチングされていることを特徴とする方法。
8. 請求項１から４のいずれかに記載の要素を少なくとも２つ含む外部固定具のセットであって、２つのロッド（１０９）および/またはピン（１０３、１０４）、および少なくとも１つのクランプ手段（１０５、１０６）を含有し、前記クランプ手段（１０５、１０６）が２つのロッド（１０９）および/またはピン（１０３、１０４）を結合させ、ロッド（１０９）および/またはピン（１０３、１０４）および/またはクランプ手段（１０５、１０６）の少なくとも１つの接触面が、粗く処理されるとともに、当該接触面が、キャリア材料（３）および繊維（２）を含む繊維強化プラスチックから成り、前記繊維（２）の自由端が当該接触面（４）から突出した構造を有していることを特徴とする外部固定具セット。
9. 前記繊維（２）は、０．１ミリメータから２ミリメータの長さを有することを特徴とする、請求項１から４のいずれかに記載の外部固定具要素。
10. 前記接触面に埋め込まれた粒（７）を備え、当該粒（７）は、２５０ミクロンから５００ミクロンの寸法を有することを特徴とする、請求項１から４のいずれかに記載の外部固定具要素。