JPH039748B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の技術分野 本発明は、関節摺動部材、特に生体内において
人工骨頭に対する摺動座を与えるべき関節摺動部
材（ソケツトないしカツプ）ならびにその製造方
法に関する。

発明の技術的背景ならびにその問題点 生体内に用いるべき人工関節の歴史は、1891年
にGluckが象牙の人工骨頭（ボール）とソケツト
（カツプ）を使用したのがはじめとされている。

その後、種々の材料が試験されてきたが、石油
化学の発達とともに金属材料と高分子材料とを組
合せた材料を用いることにより比較的良好な結果
が得られるようになり、1961年Charnleyがステ
ンノス・スチール製骨頭とポリエチレン製ソケツ
トとの組合せを開発して以来、実用的なものとし
て普及してきた。特に、100万以上の分子量を有
する超高分子量ポリエチレンは、自己潤滑性と生
体適合性ならびに機械的強度を有し優れたソケツ
ト材料として知られている。

このような超高分子量ポリエチレン製のソケツ
トの使用に関しては、使用の場所が生体内である
ことを考慮するとき、一層の性能の改善が期待さ
れている点がある。その一つは耐久性である。す
なわちソケツトを構成する超高分子量ポリエチレ
ン成形体は、優れた機械的性質を有するが、それ
でも繰り返し荷重を受けるとクリープ変形を免れ
ず、長期間使用した場合には骨頭との間の密着性
が損なわれて脱臼の原因にもなつている。また、
このようなクリープ変形のため、人工関節の装着
は、体重90Kg以下、身長は180cm以下、年令は50
才以上の、できれば活動量の少ない女性に行うの
がよいとされている。しかしながら、実際に人工
関節の装着をしなければならないのは、関節の欠
陥による痛みの除去や、活動量の回復を必要とす
る場合であり、この意味で若年層への装着も可能
な人工関節が必要とされている。

上記問題点を解決するために、たとえば超高分
子量ポリエチレンのソケツトの外周部を金属又は
セラミツク等で補強して剛性を向上することも行
なわれている。しかしながら、この場合は、一般
にソケツト重量が増加するという問題点に加え
て、金属補強材を使用する場合には、一種の電解
液である体液によるガルバニ腐食、孔食等の問題
がある。また、セラミツク補強材を使用する場合
は、衝撃強度に対して弱いため体重の５〜６倍の
力が加えられることの低いソケツト材料に使用す
ると、破損するおそれがあり、ソケツト全体とし
ての強度が保証できない欠点がある。

超高分子量ポリエチレン製人工関節について改
善が期待されるもう一つの点は、人体骨との接合
性である。たとえば股関節に関していえば、前述
したように体重の５〜６倍の力が繰り返しかかる
ため、ソケツトとこれを固定する人体骨との間に
は上記の力に耐えるだけの接合力が要求される。

一般にソケツトを人体骨に固定するための手段
としては、従来より金属やセラミツクのネジある
いはボーンセメントと呼ばれるアクリル樹脂系接
着剤が用いられている。このうち、金属またはセ
ラミツクのネジを用いる場合には、上記したソケ
ツトのコアの場合と同様に腐食あるいは強度の間
題があるほか、ネジ止め用の部位を設ける必要が
あるためソケツト部も大きくなり、術部面積の拡
大を余儀なくされるという問題がある。

これに対し、アクリル樹脂系ボーンセメントは
硬化時間が短かく、硬化後は極めて安定した特性
を発揮するという利点があるが、本来、ソケツト
を構成するポリエチレンは極性基を有さないた
め、ボーンセメントとの間に化学的結合は期待で
きない。このため、ソケツトの摺動面とは逆側に
位置する固定面ないし外周面に溝を形成し、この
溝にボーンセメントが入り込む様な形態で固定す
る必要がある。しかしながら、このボーンセメン
トは、硬化時に発熱するため、その熱により術
後、術部周囲の細胞を壊死させる場合がある。し
たがつて、このボーンセメントは、使用するとし
てもその使用量が可及的に少なくなるようにし、
その悪影響を小さくすることが望ましい。

発明の目的ならびにその概要 本発明は、上述の事情に鑑み、超高分子量ポリ
エチレンから基本的になり摺動特性に優れるとと
もに、その剛性ならびにボーンセメントによる接
合特性、特に人体骨との接合特性を改良した関節
摺動部材ならびにその製造方法を提供することを
目的とする。

本発明者らの研究によれば、超高分子量ポリエ
チレンからなる関節摺動部材の少なくとも骨への
固定面を含む層に、リン酸カルシウム粉末および
セラミツク粉末を配合することが上述の目的の達
成に極めて有効であることが見出された。すなわ
ちリン酸カルシウム粉末およびセラミツク粉末を
配合した超高分子量ポリエチレンの成形物は、超
高分子量ポリエチレン単独の成形物に比べて剛性
が向上し、繰り返し荷重下でのクリープ変形量が
著しく少ない。またリン酸カルシウムは、もとも
と骨の主要成分であるため、生体適合性も問題な
く、またこれを配合したポリエチレン成形物は、
本来、骨との接合性が優れるものとして開発され
たボーンセメントによる接合性が改善される。さ
らにリン酸カルシウムは骨組織誘導特性（すなわ
ち、リン酸カルシウム成形体を骨組織と接触させ
ておくと、骨組織に吸収され骨組織を増殖させる
性質）を有することがよく知られており（たとえ
ば、日本化学会編、化学総説No.21、1978「医用材
料の化学」第111〜122頁）、これを配合したポリ
エチレン成形物と生体骨組織との間に生物学的結
合が成育することが大いに期待される。

本発明に係る関節摺動凹状は、凹状摺動面と骨
への固定面とを有し分子量100万以上のポリエチ
レン製であるほぼ半球状の関節摺動部材におい
て、該部材の凹状摺動面を含む層以外の部分に、
リン酸カルシウム粉末およびセラミツク粉末が配
合されていることを特徴としている。また、本発
明に係る関節摺動部材の製造方法は、分子量100
万以上のポリエチレンの粉末をコア型とキヤビテ
イ型の間で加熱圧縮成形するに際して、ポリエチ
レン粉末を少なくとも２つの部分に分割し、その
一つの部分にはリン酸カルシウム粉末およびセラ
ミツク粉末を配合してキヤビテイ型と接触させ、
他の一つの部分にはリン酸カルシウムおよびセラ
ミツク粉末を含ませずにコア型と接触させ、その
後、コア型キヤビテイ型の間で加熱圧縮成形する
ことを特徴とするものである。

発明の具体的説明 以下本発明を図面に示す好ましい具体的態様に
ついて説明する。

第１図ａは、大腿骨頭支承用（股関節用）に骨
盤に取り付けられる関節摺動部材１の断面図であ
る。関節摺動部材１は、半球座面をなす凹状摺動
面２と、その凹状摺動面２とその逆側に位置する
骨への固定面３とを有し、その本体４は基本組成
が分子量100万以上の超高分子量ポリエチレンで
構成されている。本体４の骨への固定面３を含む
層３ａは、リン酸カルシウムおよびセラミツク粉
末が配合された超高分子量ポリエチレンで構成さ
れている。一方、本体４の凹状摺動面２を含む層
２ａは、リン酸カルシウム粉末およびセラミツク
粉末が配合されていない純粋の超高分子量ポリエ
チレンで構成されていることが好ましい。また、
本体４はリン酸カルシウム粉末およびセラミツク
粉末が配合された超高分子量ポリエチレンで構成
されている。本体４においては、リン酸カルシウ
ムの含有量は、凹状摺動面２から骨への固定面３
に向つて、次第に増加するよう濃度勾配を有する
ことが好ましい。

また、関節摺動部材１の骨への固定面３には、
骨との接合強度を高めるために必要に応じて、凹
凸ないし突起（図示せず）を設けることもでき
る。本発明においては、関節摺動部材１の骨への
固定面３を含む層３ａにリン酸カルシウム粉末お
よびセラミツク粉末が配合されているので、骨と
の接合強度が高められており、したがつて前記凹
凸あるいは突起を設ける程度を軽減することがで
きる。

本発明に係る関節摺動部材１の別の具体例の断
面図を第１図ｂに示す。この具体例では、関節摺
動部材１の骨への固定面３を含む層が、本体４と
同一の組成を有している点以外は、第１図ａに示
す関節摺動部材１と同様な構成を有している。

このような関節摺動部材１の取付構造は第２図
示す通りである。すなわち関節摺動部材１は骨盤
を構成する寛骨臼５にボーンセメント６を介して
接合固定される。一方、大腿骨近位部７に挿入さ
れたたとえばステンレススチール製の人工大腿骨
８の骨頭９が、関節摺動部材１に対しその摺動面
２と摺動可能なように嵌合される。

関節摺動部材１の主材料としての超高分子量ポ
リエチレンは、チーグラー法により製造された、
光散乱法による分子量が１×10⁶〜８×10⁶、特に
２×10⁶〜６×10⁶のものが好ましく用いられる。
この超高分子量ポリエチレンの成形体は、後述す
るように粉体圧縮成形により形成され、原料とし
ての超高分子量粉末の粒径は特に限定されない
が、通常60〜300μ程度のものが用いられる。

また、このような超高分子量ポリエチレン（以
下、しばしば単に「ポリエチレン」ということが
ある）に配合して使用すべきリン酸カルシウムと
しては、関節摺動部材の剛性改善効果およびボー
ンセメントによる初期接合強度の向上の観点のみ
からいえばいずれのものも用いられるが、永続的
接合強度を考慮するときは、骨組織誘導特性に優
れた3CaO・P₂O₅（トリカルシウムホスフエー
ト）、CaO・P₂O₅（モノカルシウムホスフエート）
と4CaO・P₂O₅（テトラカルシウムホスフエート）
との混合物、Ca10（PO₄）₆（OH）₂（アパタイト）ま
たはこれらの混合物を用いることが好ましい。

また、超高分子量ポリエチレンにリン酸カルシ
ウムとともに配合されるセラミツク粉末として
は、原材料としてはTiO₂、BaTiO₃、PbO₃、
SiC、LaCrO₃、NiO、ZnO、SnO₂、InSb、
PbSe、γ3Fe₂O₃、CrO₂、FeO₄、BaFe₁₂O₁₉、
Gd₃Re₅O₁₂、LiNbO₂、Al₂O₃、Si₃N₄SiC、BNな
どが挙げられるが、このうち特にアルミナ
（Al₂O₃）粉末が好ましい。

このようなセラミツク粉末は、１〜30μ、好ま
しくは３〜10μの平均粒径を有していることが望
ましい。また特にアルミナ粉末を用いる場合に
は、この粉末の製造時にバインダーとして使用さ
れるCMC（カルボキシメチルセルロース）の残留
量を極力少なくすることが好ましい。

成形用原料としてのポリエチレン粉末と、リン
酸カルシウム粉末とセラミツク粉末とからなる混
合物は、基本的には粉体混合に類する方法によ
り、予めリン酸カルシウム粉末およびセラミツク
粉末がポリエチレン粉末の表面に付着した複合状
態としておくことが好ましい。通常の低分子量樹
脂と無機材料との複合化の場合には、溶融混合す
ればよいが、超高分子量ポリエチレンについてこ
のような溶融混練すると、加熱溶融下での剪断力
の作用によりポリエチレンが低分子量化し、超高
分子量ポリエチレン所定の特性が得られないので
不都合である。一方、ポリエチレン粉末とリン酸
カルシウム粉末とセラミツク粉末との単なる粉体
混合物をそのまま後述する加熱圧縮成形に使用す
ることは、両粉末が偏在して均質な成形物が得ら
れないという不都合があり好ましくない。

上述したポリエチレン粉末粒の表面にリン酸カ
ルシウム粉末およびセラミツク粉末が付着した複
合物を得るためには、上記粉末をポリエチレンの
融点以下の温度である60〜125℃、好ましくは90
〜120℃で撹拌混合することが好ましい。より具
体的には、たとえばポリエチレンの融点より40〜
60℃低い温度である70〜90℃に加熱された撹拌容
器に上記粉末を投入し、高速撹拌を行い、撹拌熱
により内容物が昇温し、上記温度、特に110〜120
℃に達した時点で急冷することにより、前述のよ
うな複合粒子が得られる。この複合化の際には、
ポリエチレン粉末が表面で局部的に溶融ないし硬
化し、これにリン酸カルシウム粉末およびセラミ
ツク粉末が付着していると考えられる。上記複合
化のための好ましい撹拌装置の一例は、ヘンシエ
ルミキサーであり、たとえば翼径20〜30cmの高低
二段翼を用いる場合複合化は1500〜3500rpｍで行
い、急冷は同様な但し別のヘンシエルミキサーに
内容物を投入し、70〜150rpｍ程度の比較的低速
の撹拌下に行えばよい。また上記した複合化およ
び冷却はたとえば窒素等の不活性ガス雰囲気中で
行い、ポリエチレンの酸化を防止することが好ま
しい。

上記したような複合状態が達成されるために
は、リン酸カルシウム粉末の粒径は、0.1〜3μの
範囲であることが好ましく、特に平均粒径が約
1μであることが望ましい。

ポリエチレン粉末に対するリン酸カルシウム粉
末およびセラミツク粉末の配合量は均一混合効果
の観点では、本質的な制限はない。但し、上記し
たような混合方式により複合粉末を得る場合に
は、リン酸カルシウム粉末およびセラミツク粉末
の配合量が50重量％（以下特に断らない限り％は
重量％を意味する）を超えると、撹拌時の分散混
合が困難になるとともに、得られる成形体の強度
が低下するため好ましくない。

関節摺動部材１の骨への固定面３を含む層３ａ
は、リン酸カルシウム粉末およびセラミツク粉末
の合計配合量が15〜35％である超高分子量ポリエ
チレンで構成されていることが好ましく、リン酸
カルシウム粉末とセラミツク粉末との重量比は、
９：１〜５：５好ましくは７：３〜６：４である
ことが望ましい。場合によつては、関節摺動部材
１の骨への固定面３を含む層３ａは、リン酸カル
シウム粉末のみを含む超高分子量ポリエチレンで
構成され、該部材１の本体４はセラミツク粉末の
みを含む超高分子量ポリエチレンで構成されてい
てもよい。この場合には、骨への固定面３を含む
層３ａは、リン酸カルシウム粉末が15〜35％配合
された超高分子量ポリエチレンで構成されている
ことが好ましく、また本体４は、セラミツク粉末
が５〜35％配合された超高分子量ポリエチレンで
構成されていることが好ましい。特に本体４は、
平均粒径10μｍのアルミナセラミツク粉末が10％
配合された超高分子量ポリエチレンで構成されて
いることが好ましく、この場合得られる関節摺動
部材１は、剛性が優れており、好ましい特性を示
す。

一方、関節摺動部材１の凹状摺動面２を含む層
２ａは、リン酸カルシウム粉末およびセラミツク
粉末を除いたポリエチレンにより構成することが
好ましい。なぜなら骨頭９を含む人工骨８の材料
としては、生体適合性も考慮してステンレススチ
ール等の金属製材料が用いられるが、このような
金属材料製骨頭とリン酸カルシウム粉末およびセ
ラミツク粉末を含むポリエチレン製成形体からな
る摺動面とを摺動させると、関節摺動部材１自体
の摩耗ならびにクリープ変形は減少するが骨頭材
料の酸化皮膜に傷を付け、骨頭表面を腐食させる
可能性があるからである。このような問題を避け
るためには第１図に例示するように、摺動面２か
ら厚さ0.5〜5.0mm、好ましくは1.0〜3.0mmの層３
ａは、リン酸カルシウムおよびセラミツク粉末を
除いた超高分子量ポリエチレンにより構成するこ
とが望ましい。

次に、第１図に例示した関節摺動部材１を製造
するための加熱圧縮工程について説明する。

第３図は、最終成形時の金型の状態を示す一部
切欠正面図である。金型は、基部１０、キヤビテ
イ型１１およびコア型１２からなる。キヤビテイ
型１１は更に底部部材１１ａと側部部材１１ｂと
から構成されている。またコア型１２は主部材１
２ａと補助部材１２ｂから構成されている。

上記関節摺動部材１を、このような金型を用い
て圧縮成形により製造する一つの好ましい態様を
説明する。まず好ましくは前述のようにして複合
化状態でリン酸カルシウム粉末およびセラミツク
粉末が配合されたポリエチレン粉末を、その使用
量の70〜85％の量でキヤビテイ型１１中に装入
し、コア型１２ａとの間で圧縮成形してリン酸カ
ルシウム粉末およびセラミツク粉末が配合された
予備成形体を得る。成形条件は、温度150〜170
℃、圧力50〜90Kg／cm²で、45〜70分程度が適当で
ある。このようにして得られた予備成形体は、ポ
リエチレン粉末が焼結したような多孔質状のもの
となる。また別に同様にしてキヤビテイ型１１中
に上記のようなポリエチレンの単独紛末を、その
使用量の70〜85％の量の範囲で、第１図に示した
様な半球形状の摺動部の型の中に入れ、ポリエチ
レン単独の予備成形体を得る。

次いで、キヤビテイ型１１中に、リン酸カルシ
ウム粉末およびセラミツク粉末が配合されたポリ
エチレン粉末の残部、リン酸カルシウム粉末およ
びセラミツク粉末が配合された予備成形体、ポリ
エチレン単独予備成形体およびポリエチレン単独
粉末の残部を挿入し、たとえば、キヤビテイ温度
165〜230℃、コア温度140〜170℃、圧力80〜170
Kg／cm²、成形時間45〜90分の条件で圧縮成形する
ことにより第１図に示すような関節摺動部材が得
られる。

上記のようにコア温度をキヤビテイ温度より低
くするのは、キヤビテイ側から樹脂を溶融させ、
コア近くのパーテイングラインからエアーを抜
き、かつ、コア部の成形収縮を均一にするためで
ある。

以上のような成形方法を行うと、ポリエチレン
単体からなる摺動面層とリン酸カルシウムおよび
セラミツク粉末が配合されたポリエチレンからな
る本体とが一体化され、両者間の界面においてく
り返し荷重による剥離が生じなくなる。

また、１回の圧縮成形で関節摺動部材を得る場
合のように、成形中に容積収縮が不均一になるこ
とに起因する寸法精度の低下が避けられる。

なお、最終成形に際して、残余の粉末を加える
ことは好ましいが、必須でなく、予備成形体同士
を重ねて最終加熱加圧成形して一体化された関節
摺動部材を得ることもできる。

上記においては、本発明を一例として、股関節
用摺動部材および製造方法について説明した。事
実、本発明の関節摺動部材は超高分子量ポリエチ
レン、リン酸カルシウム、セラミツクの生体適合
性、ならびに、後者の骨組織誘導性を利用して生
体内関節一般の摺動部材として特に適したもので
ある。また、形状的には、人体骨との接触面積を
向上させかつ、自然固定させるため、固定側層の
形状をネジ又はスクリユー形状にし、寛骨臼側に
もメネジを切り、装着することも好ましい手法で
ある。この手法は、生体内関節全搬に適用できる
ものである。

以下、本発明の関接摺動部材の実際の製造例を
説明する。

実施例 １ 第１図ａに図示するような関節摺動部材を製造
した。

超高分子量ポリエチレン（分子量450万、ヘキ
スト社製ホスターレンGUR 403）2.5Kgにリン酸
カルシウムの一種であるアバタイト〔Ca₁₀
（PO₄）₆（OH）₂〕450ｇとアルミナセラミツク粉
（平均粒径10μｍ）300ｇを加え、ヘンシルミキサ
ーに入れた後、1800rpｍで、ドライブレンドしな
がら、ミキサー容器の温度を90℃に加温し、樹脂
温が110℃になるまで撹拌した後、冷却のための
ヘンシルミキサーに移し樹脂を低速で撹拌しなが
ら冷却した。撹拌時にはどちらのヘンシルミキサ
ー内にも窒素ガスを充満させた。

上記の手法でリン酸カルシウム粉末およびアル
ミナ粉末と複合化した超高分子量ポリエチレン粉
体を予備成形体（）を成形した。成形条件は、
キヤビテイ、コアとも155℃、70Kg／cm²で圧縮加
熱した。

さらに、人工骨頭部と摺動するコア側の型で超
高分子量ポリエチレン単体のみ４ｇを用いて、内
径14mm、肉厚２mmの半球殻状の予備成形体（）
を同様な成形条件で成形した。

これらの２つの予備成形体（）および（）
を合せて、さらにキヤビテイに前述の複合化され
た超高分子量ポリエチレンを２ｇ加えて、コア温
度150℃、キヤビテイ温度190℃、80Kg／cm²で圧縮
成形した。

その結果、第１図ａに示したような構成の人工
股関節用関節摺動部材を得た。

この関節摺動部材は、従来のものと比較して、
長時間のくり返し実験（関節シユミレータで０←→
400Kg、６×10⁶回のくり返し荷重を加える）を行
なつた結果、沈み込み量（クリープ変形量）がポ
リエチレン単体からなる従来の関節摺動部材のそ
れに比べて1/2〜1/3になつた。

【図面の簡単な説明】

第１図ａおよびｂは、本発明に係る関節摺動部
材の断面図であり、第２図は関節摺動部材の人体
への取付状態を示す部分断面図であり、第３図は
関節摺動部材の製造に際して用いられる金型の一
部切欠断面図である。 １……関節摺動部材、２……摺動面、３……固
定面、４……本体。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 凹状摺動面と骨への固定面とを有し、分子量
   100万以上のポリエチレン製であるほぼ半球状の
   関節摺動部材において、該部材の凹状摺動面を含
   む層以外の部分に、リン酸カルシウム粉末および
   セラミツク粉末が配合されていることを特徴とす
   る関節摺動部材。 ２ リン酸カルシウムが、3CaO・P₂O₅（トリカ
   ルシウムホスフエート）、CaO・P₂O₅（モノカル
   シウムホスフエート）と4CaO・P₂O₅（テトラカ
   ルシウムホスフエート）との混合物、Ca₁₀
   （PO₄）₆（OH）₂（アパタイト）またはこれらの混合
   物から選ばれる特許請求の範囲第１項に記載の関
   節摺動部材。 ３ セラミツク粉末が、アルミナ粉末である特許
   請求の範囲第１項または第２項に記載の関節摺動
   部材。 ４ 凹状摺動面が、リン酸カルシウム粉末および
   セラミツク粉末が配合されていない分子量100万
   以上のポリエチレンで構成されている特許請求の
   範囲第１項に記載の関節摺動部材。 ５ 関節摺動部材の骨への固定面を含む層が、リ
   ン酸カルシウム粉末およびセラミツク粉末を前記
   ポリエチレンに対して合計で１〜50重量部配合し
   たポリエチレンにより構成されていることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項に記載の関節摺動部
   材。 ６ 関節摺動部材の骨への固定面を含む層が、リ
   ン酸カルシウム粉末を含む分子量100万以上のポ
   リエチレンで構成され、該部材の本体がセラミツ
   ク粉末を含む分子量100万以上のポリエチレンで
   構成されている特許請求の範囲第１項に記載の関
   節摺動部材。 ７ リン酸カルシウムの含有量が摺動面近傍から
   固定面に向つて増加する層構成を有する特許請求
   の範囲第１項に記載の関節摺動部材。 ８ 分子量100万以上のポリエチレンの粉末をコ
   ア型とキヤビテイ型の間で加熱圧縮成形するに際
   して、ポリエチレン粉末を少なくとも２つの部分
   に分割し、その一つの部分にはリン酸カルシウム
   粉末およびセラミツク粉末を配合してキヤビテイ
   型と接触させ、他の一つの部分にはリン酸カルシ
   ウムおよびセラミツク粉末を含ませずにコア型と
   接触させ、その後、コア型とキヤビテイ型の間で
   加熱圧縮成形することを特徴とする関節摺動部材
   の製造方法。 ９ ポリエチレン粉末にリン酸カルシウム粉末お
   よびセラミツク粉末を配合するにあたり、両者
   を、ポリエチレンの融点以下の温度での加熱下、
   不活性雰囲気中で撹拌混合することにより、ポリ
   エチレン粉末粒表面にリン酸カルシウム粉末およ
   びセラミツク粉末を付着させて複合化し、しかる
   後、加熱圧縮成形に供する特許請求の範囲第５項
   の関節摺動部材の製造方法。