JPH01265954A - 代替骨 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［ａ条面の利用分野］ 本発明は生体の骨欠損部を補填する為の代替骨に関する
ものであって、残存自家骨に対して早期に強力な化学的
結合を形成し、しかも長期に亘ってしっかりと固定され
る様な代替骨に関するものである。

［従来の技術］ 事故や疾病あるいは抜歯等によって骨損傷を来した場合
、骨欠損部あるいは空隙部に対して何らかの補填物を充
填することが必要となる。

このような場合、別個法由来の生体骨を移植すると免疫
性の拒絶反応を起こすので、患者本人の肋骨や腰骨から
海綿状自家骨を採取して欠損部に充填する方法がとられ
て籾た。しかしこの方法では損傷個所以外の骨組織を切
除することになるので手術個所が増加して患者の苦痛も
大きく、医師側にとっても多大の労力を必要としていた
。しかも採取できる個所や量に制限があるので、必ずし
も十分に欠損部を補填し得る量を採取できるわけではな
く、代替骨の必要が生じていた。

このような代替骨は補填箇所に応じた強度を有すると共
に生体に対して無害であることは言うまでもなく、自家
骨に対して早期に且つしっかり固定され、しかも長期使
用に亘ってゆるみなどが生じてはならない。

たとえば人工股関節ステムは長期間に亘る安定した強度
を確保するためステンレス鋼、Ｃｏ−Ｃｒ合金あるいは
チタン合金等の耐食性余尺で製造されているが、この様
な金属製股関節ステムを生体骨に固定するに当たっては
、たとえば次のような手段がとられている。

（１）セメント固定法：第３図（ａ）に示すように自家
骨２の骨ｆｆａ腔内に代替骨（股関節ステム）１の支え
部１ａを挿入し、骨髄腔と代替骨１の支え部１ａの隙間
にポリメチルメタクリレート等よりなる骨セメント７を
充填して固定させる。

（２）セメントレス固定法：第３図（ｂ）に示すように
代替骨１の支え部１ａを自家骨２の骨髄腔に密嵌合する
ような太さに形成し両者を密嵌合させて機械的に固定さ
せる。

ところが前記（１）の方法は言うに及ばず（２）の方法
においても、代替骨１と自家骨２の間に金属−自家骨間
直接結合が形成される訳ではないので、長時間経通する
とゆるみが生じてくるほか、（１）の方法ではセメント
の重合熱や成分溶出を原因とする生体への悪影響を生ず
るといった問題を有していた。

これらの問題を解決するためにまずセメント固定法を排
除すると共にセメントレス固定法の上記欠点を改善する
ことが研究されている。この様な改善方法として例えば
第４図（ａ）　、　（ｂ）およびその表層部の断面図（
ｃ）　、　（ｄ）に示すように、代替骨１と自家骨２と
の接触側表層部に金属製の粒体３または金属製の１ａｉ
ａ４を巻縮するように配置するかあるいは金属製の繊維
の編物、織物、不織布を配置して代替骨１の表面にボー
ラス層５を形成するという方法が行なわれており、これ
らの方法によれば残存自家骨から成長してくる骨芽細胞
が該ボーラス層５の微細空隙内に侵入し、新生骨による
アンカー効果によって自家骨２と代替骨１の固定を達成
する。

しかしこの方法では新生骨が代替骨のボーラス層の深奥
部へ侵入生成するまでに時間がかかり、代替骨が自家骨
に固定されるまでに長時間を要した。

［発明が解決しようとする課題］ そこで本発明においては代替骨を自家骨欠損部の補填に
適用する場合において残存自家骨に対して早期に化学的
な結合を形成し、しかも長期使用に亘ってもゆるみなど
の生じてとない代替骨について検討した。

［課題を解決するための手段］ 上記課題を解決することのできた本発明とは、骨欠損部
補填用の代替骨において、該代替骨の芯材を構成する金
属製基材の少なくとも一部の表面に、残存自家骨接触側
に向けて金属製ボーラス層、セラミックスおよび／また
はガラス系材料層、次いで生体活性無機材層が順次積層
されていることを構成要旨とするものである。

［作用］ 第１図は本発明に係る代替骨１として股関節ステムを製
造し自家骨２（大腿骨）に埋入した実施態様の例を示す
図である。

代替骨１の支え部１ａは自家骨２の骨髄腔に嵌合するよ
うな形状に形成されており、該代替骨１の芯材を構成す
る基材の少なくとも一部表面６が残存自家骨２の接触側
に向けて、第２図（ａ）　、　（ｂ）の一部表層部断面
図に示すように第１層として芯材を構成する基材層１−
１．第２層としてボーラス層１−２．第３層としてセラ
ミックスおよび／またはガラス系材料層１−３．第４Ｐ
Ｊとして生体活性無機材層１−４の４層からなっており
、後に詳述するように各層は強固に結合していると共に
、自家骨２と接触する最上層は生体活性無機材料より形
成されており、この生体活性無機材料は自家骨２と早期
にしかも化学的に強固に結合する。したがって本発明の
代替骨を骨欠損部に適用すると早期にしかも長期に亘っ
てしっかりとした固定を得ることがで台る。

次に本発明の代替骨を構成する各層について各層を構成
する素材と夫々の役割ついて詳述する。

（１）基材（芯材）層 本発明に係る代替骨の芯材を構成する素材は、この部分
が負荷を受けるので高強度を有するものでなくてはなら
ない、また主体となる素材は金や銀等の貴金属、５ＵＳ
３１６等のステンレス鋼。

Ｔ　１−６Ａ　１−４Ｖ等のチタン合金、コバルト−ク
ロム合金、ニッケルークロム合金等の耐食性金属が挙げ
られ、中でもチタン合金は生体適合性や耐食性の点で好
ましい。

（２）ボーラス層 基材上に積層されるボーラス層を構成する素材としては
前記基材と同じ種類の金屑が挙げられ、基材と同じ金屑
あるいは異なる金属を用いることができる。ボーラス層
は第２図（ａ）　、　（ｂ）　　に示すようにまた後述
するように金属製の粒体３あるいは繊ｉａ４を基材上に
付着させたり、基材の表面を粗化したりして得ることが
で与る。粒体を基材に付着させてボーラス層を得る場合
は、粒径５０〜８００μｍの金屑製粒体をプラズマ溶射
法等によって基材上に付着させることにより形成させ、
これをさらに拡散処理すると基材との結合性はより強固
になる。

またボーラス層は前記のように金Ｒ’Ａ粒体に変えて繊
維径１００〜８００μｍ、メツシュ孔径１００〜８００
　μｍ、好ましくは３００〜６００μｍの金属製のｌａ
維４をメツシュ状にして基材上に拡散接合することによ
って形成させたり、繊維径１０〜１００μｍよりなる織
布０編物、不織布、あるいは金屑メツシュ薄板を拡散接
合しても形成することがでとるがボーラス層の形成方法
は前述した方法に限定されない。

上記のようにして得られるボーラス層は表層側の孔径が
５０〜５００μｍで気孔率が３０〜８０％程度とするの
が良い、孔径および気孔率が大きすぎても小さすぎても
第３層との接合強度が劣る０層厚は５０〜１０００μｍ
とし、機能上およびデザイン上許容できる総厚さを考慮
して決定される。

尚第１層と第２層は金属同士であるので両層は強固に結
合され、第２層を形成するボーラス層のボーラスは前述
した様に深部が幅広となるいわゆるたこつぼ状となって
いるので、第３層を構成するセラミックスがボーラスの
中まで侵入してボーラス層は上層に対してアンカー作用
を発揮する。

その為第２１のボーラス層と第３層のセラミックスおよ
び／またはガラス系材料層は強固に結合する。

（３）セラミックスおよび／またはガラス系材料ボーラ
ス層上に設けられるセラミックスお゛よび／またはガラ
ス系材料層を構成する素材としては、その線膨張係数が
、前記基材層とボーラス層を構成する各素材の線膨張係
数、並びにセラミックスおよび／またはガラス系材料層
上に形成される生体活性無機材層を構成する素材の線膨
張係数との中間の値を有するものであると共に、高断熱
性を有し、強度も高いセラミックスおよび／またはガラ
ス系材料を用いる０例えばアルミナ、ジルコニア、窒化
珪素、アルカリ土類金属を含むアルミナ硼酸ガラスおよ
びこれらの複合材料等が挙げられるが、金線膨張係数を
αとすると、例えば基材層およびボーラス層にα＝９Ｘ
１０−’Ｃｍ／ｌのチタン合金を用い、生体活性無機材
層としてα＝１０Ｘ　１０−’Ｃｍ／ｌ：の結晶化ガラ
スを用いた場合は、ａ＝７ｘ　１０−’〜８ｘ　１０−
’ｃｍ／℃のアルミナとα＝８ｘｌＯ−’〜１１　Ｘ　
１０−’ｃｍ／　’ｅのジルコニアを混合して前記チタ
ン合金の値と結晶化ガラスの値の中間の値のものをｓ！
ｉ３製して用いる。

セラミックスおよび／またはガラス系材料】の形成方法
としては粒径１０〜２００μｍのセラミックスおよび／
またはガラス系材料粒をプラズマ溶射して第２Ｎに結合
させる。Ｎ厚は第２層の上方（第２Ｗ！Ｊのボーラス部
に侵入する部分を除く）に１０〜５００μｍとする。ま
た粒径２０μｍ以下のセラミックスおよび／またはガラ
ス系材料粒を塗布し熱処理することによっても良質な層
を形成することができる。

この第３Ｍのセラミックスおよび／またはガラス系材料
層の役割は第４層との接合性が良いので第１．２層と第
４層とのバインダーとして作用すると共に、第１，２Ｉ
ＩＩと第４層の間にあって熱緩衝材としての作用、即ち
前述したように線膨張係数が第１．．２層と第４層を構
成する素材のそれの中間にある値を有する素材を用いる
ことによって第３層セラミックスおよび／またはガラス
系材料層の上層および下層における熱膨張や熱収縮の差
を吸収する役割を果たす、また第４層である生体活性無
機材層の自家骨に対する結合性向上を目的として熱処理
する際の断熱材としても作用し下層金属層の劣化を防ぐ
。

（４）生体活性無機材層 生体活性無機材層を構成する素材としては、生体内で周
囲の骨組織と反応し、自家骨との間に強い化学結合を形
成する特性を有するものが使用され、例えばアパタイト
類特に水酸化アパタイト［Ｃａ＋ｏ　（ＰＯ４）６　（
０旧、］、アアバタイを含むアルミナあるいはジルコニ
アセラミックス。

β−３ＣａＯ・Ｐ、Ｏ，、Ｎａ２０−ＣａＯ−５ｉＯ２
−Ｐ２Ｏ，系ガラス（バイオガラス）、第１表に示す様
な系のアパタイト含有結晶化ガラス等が例示される。

アパタイト含有結晶化ガラスは結晶とガラスの複合体で
あり、結晶の大きさや量あるいは組成を連続的に変化さ
せることができてその性質を広い範囲で変化させること
ができる。また生体活性無機材料のうちＣａあるいは燐
酸を溶出しやすいものは新生骨の生成を助長し、より早
く固定化されるので有利である。

生体活性無機材層の形成方法は溶射、スパッタリング、
蒸着等の方法によって形成することができ、例えば粒径
１０〜１００μｍの結晶化ガラスを溶射して厚さ２０〜
２００μｍの層を形成する。この際生体活性無機材層は
代替骨強度を高く保持するためにも層密度を高めること
が必要ある他、層厚さを必要最少限に薄くすることが望
まれる。

尚生体活性無機材層は前記のように形成させるだけでも
自家骨と化学的に結合するが、さらにレーザー照射等に
よる熱処理によって結晶化を促進させると生体活性層の
機械的強度がより向上するとともに下層のセラミックス
および／またはガたように熱膨張・収縮に際しての緩衝
材および断熱材として作用する。

［実施例コ 第１図に示すように本発明に係る代替骨として寛骨臼カ
ップＩＡおよび該寛骨臼カップの内面に嵌合する頭部を
有する股関節ステムＩＢを製造し、犬の大腿骨に埋入し
たところ１４日で歩ける程の結合を示し、しかも長期に
亘ってゆるみが生じてこなかった。尚前記寛骨臼カップ
ＩＡおよび股関節セテムの製造に当たり、 ■チタン合金（Ｔｉ−６Ａ１−４Ｖ）芯材上に粒径１０
０〜２００μｍに整粒した同組成のチタン合金粒をプラ
ズマ溶射法にて約３００μｍの厚さに被覆してボーラス
層を設けた。

■前記■で得たボーラス層上に１次粒子径Ｘ＝０．３μ
ｍでアルミナを１０容量％含むジルコニア粉末（１次粒
子径ｘ＝０．３μｍ）を３０〜１２０μｍに造粒したも
のをプラズマ溶射してセラミックス層を設けた。セラミ
ックス層の厚みはボーラス層上５００μｍであった。

■前記■で得たセラミックス層上に、平均粒径５μｍに
調整した生体活性ガラス（ＭｇＯ−ＣａＯ−Ｓ　ｉ　０
２−Ｐ２０５−Ｃａ　Ｆ２系）粉末をスプレー塗布法に
より８０μｍの厚さに塗布し、２００℃で乾燥した後レ
ーザー法により表面側から加熱した。この時中間層の断
熱効果が生じた。

［発明の効果］ 本発明の代替骨は以上のように構成されているので各層
間はそれぞれ強固に結合していると共に最上層の生体活
性無機材層は自家骨に対して早期にしかも化学的に強く
結合する性質を有する。したがって自家骨結損部に本発
明の代替骨を適用すると早期にしかもしっかりと固定さ
れ、長期間に亘ってゆるみなどを生じることがない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る代替骨の例（股関節ステムと寛骨
臼カップ）を示す図であり、第２図（ａ）。 （ｂ）は第１図における表層部の一部断面図、第３図（
ａ）　、　（ｂ）および第４図（ａ）　、　（ｂ）は従
来の代替骨（股関節ステム）の通用例を示す図、第４図
（Ｃ）。 （ｄ）は第４図（ａ）　、　（ｂ）における表層部の一
部断面図である。 １・・・代替骨　　　　　１ａ・・・支え部２・・・自
家骨　　　　　１−１・・・基材（芯材）層１−２・・
・ボーラス層 １−３・・・セラミックス および／またはガラス系材料層 １−４・・・生体活性無機材層 ３・・・粒体　　　　　　４・・・繊維５・・・従来例
におけるボーラス層 ６・・・本発明に係る表層部 ７・・・骨セメント

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）骨欠損部補填用の代替骨において、該代替骨の芯
   材を構成する金属製基材の少なくとも一部の表面に、残
   存自家骨接触側に向けて金属製ボーラス層、セラミック
   スおよび／またはガラス系材料層、次いで生体活性無機
   材層が順次積層されていることを特徴とする代替骨。