JPH0588624B2

JPH0588624B2 -

Info

Publication number: JPH0588624B2
Application number: JP61313620A
Authority: JP
Inventors: Kyohiko Nohara
Original assignee: Kawasaki Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1986-12-24
Filing date: 1986-12-24
Publication date: 1993-12-22
Also published as: JPS63160646A

Description

【発明の詳細な説明】

〈産業上の利用分野〉本発明は、整形外科用の種々の関節、椎体・椎
間板等や、歯科用の人工歯根、人工歯、歯冠、義
床等に利用される金属質インプラント材に関す
る。〈従来技術とその問題点〉人間の関節は、種々の外傷などにより変形・破
壊されることがある。関節破壊が著しくなれば疼
痛と関節機能の障害のために、日常生活動作がか
なり制限されることになる。このような状態を改
善し、通常の社会生活に復帰させるための治療法
として、現在用いられている最も有効な方法は、
人工関節への置換術である。また、歯科の分野では、虫歯、歯槽膿漏等によ
り歯牙を抜去してしまつた人は非常に多く、食生
活において長年なやまされてきた。これらの状態
を回復するため、最近多く行なわれている治療法
は、人工歯根のインプラント法である。人工骨、人工関節や、人工歯根等に要求される
特性のうち現在の最も重要な問題点は、骨への固
定方法である。同じインプラント材である人工臓
器と比較し、これらは、骨の一部として機能する
必要があり、そのため非常に大きな荷重を受ける
ことになる。例えば、普通の歩行時において、肢
関節では最大で体重の４〜８倍の、又、膝関節に
おいては同様に２〜４倍の荷重が加わると言われ
ている。さらにこれらの荷重は、生体内という、
化学的に極めて厳しい環境下において、長期にわ
たつてくり返し負荷される。従来から行なわれているインプラント材の骨へ
の固定方法としては、ボーン・セメント（骨セメ
ント）と呼ばれる、ポリメチルメタクリレートの
ポリマーの粉末とモノマーの液体で混ぜ合せ、重
合・硬化させる方法であるが、この方法ではイン
プラント材と残存骨の間に新生骨が形成されるた
めの空〓が得られない。骨セメントを使用しない従来技術には平滑面を
非平滑化して生体側の骨部との接続性をあげる下
記の技術があるが、それぞれ問題点がある。機械
的性質（特に耐摩耗性）、耐食性、生体適合性、
骨親和性などを同時に満足する金属質インプラン
ト材は現在得られていない。１機械加工により表面に200〜300μパターンの
加工を行い生体側の骨部へ固定する方法。コストが高く、鋭角部の切欠効果によつて金属
質の耐疲労性が劣化する。２生体側の骨部に接続される部分に粒状粉（ビ
ーズ）やメタルフアイバーを焼結する方法。十分な接合強度が得られにくい。また焼結部の
切欠効果による耐疲労性が劣化する。３生体側の骨部に接続される部分に金属やセラ
ミツクを溶射する方法。密着性に対する信頼性が不十分であり、生体内
に埋め込まれた金属質インプラントと生体残存骨
との間隙における新生骨の生体（いわゆる骨成
長）が不十分である。〈発明の目的〉本発明の目的は、従来技術における欠点を解決
し、機械的性質（とくに耐摩耗性、耐疲労性）、
耐食性、セメントレス（セメントを使わない）に
よる良好な骨成長性、皮膜の密着性を同時に満足
する金属質インプラント材を提供しようとするに
ある。〈発明の構成〉本発明は、ステンレス鋼、CoおよびCo合金、
ならびにTiおよびTi合金の群から選ばれる少な
くとも１つの金属材料の精密鋳造法により形成さ
れた100〜500μｍの凹凸を有する粗表面と、この
粗表面付近にイオン注入法、蒸着法および溶射法
の一種以上の方法により形成された改質層とを有
し、かつ優れた骨成長および骨との密着性を有す
ることを特徴とする金属質インプラント材を提供
するものである。以下に本発明を詳細に説明する。インプラント用金属材料としては、ステンレス
鋼、CoおよびCo合金、TiおよびTi合金等が用い
られ、特にSUS 316L、Co合金（Vitallium）、
Ti−６％ Al−４％Ｖ合金が好ましい。本発明は、上記の金属材料を用いて、この表面
に精密鋳造による100〜500μｍの凹凸を有する粗
面を形成し、この粗面を改質したり、この粗面の
上およびまたは下（粗表面付近）に特定の改質層
を形成する。粗面および改質層の形成方法は以下のように行
う。１粗面金属表面を、精密鋳造により、100〜500μｍの
凹凸を有する非平滑化処理面とする。精密鋳造はロストワツクス法を用いる。これは
ろう型を使用してこれを砂型中に埋設し、鋳型を
乾燥後ろうを溶解して外部に流出させて空洞を作
り、その空洞に金属を注入する方法である。場合
によつては精密鋳造後機械的加工法を補足手段と
して採るのも好ましい。粗面は、100〜500μｍの凹凸パターンを表面に
多数有する形状とする。この100〜500μｍの凹凸を有する粗面は、イン
プラントの使用部位によつて下記の効果がある。耐摩耗性改良のために生体潤滑液溜めとな
る。とくに摺動面において効果が高い。 100〜500μの骨生長に適した特殊な凹凸パタ
ーンを設けることによりCaの沈着を促がし、
骨成長性がよくなる。特にセメントレス化によ
りインプラントの残存骨に面した側に非平滑化
処理（粗）面を設ける効果が高い。２改質層改質層は、下記のうちのいずれかの方法、ある
いはこれらの組合せにより、粗面自身あるいは粗
面の上部や粗面の上部から下部に渡つて設けられ
る。イオン注入イオン種としては、Ｃ，Ｎ，Ｏ，Ｂ，Ｐ，Ｓ，
Caなどの他に各種金属元素等を用いる。これら
のイオン種をイオン打込み装置中に気体、液体、
固体等の形で供給し、加速電圧をかけてイオン源
とする。このイオン源からの各種イオンを磁場偏
向等により１の粗面に打込む。これにより金属質インプラント材の強度、耐摩
耗、耐疲労性、耐食性の向上を計る。蒸着蒸着源としてはＣ，Ｂ，Ｐ，Ｓ等や、特にTi，
Zr，Cr，Coその他の金属元素を抵抗加熱、電子
ビーム等により粗面に蒸着する。とくに金属元素（Ti，Zr，Cr，Co他）を比較
的厚めにつけて特性向上を計る。またイオン注入と蒸着とを同時に行うことによ
り、より好ましい密着性のよい皮膜が形成され
る。溶射無機酸化物、金属、合金等を、プラズマ等によ
り加熱して液体化し、粗面に射出する。溶射により、粗面上に必要に応じて、さらに厚
い皮膜を形成させる。とくに、アルミナ、水酸化
アパタイトなどのセラミツク皮膜を直接もしくは
イオン注入につづいて形成させることにより、骨
生長性、骨親和性を、粗面による効果と相まつて
さらに向上させる。〈実施例〉以下実施例により本発明を更に具体的に説明す
る。（実施例）金属材としてサイズ100mmφ×200mmの純チタ
ン製円筒状試料を用い以下の方法で表面加工を行
つて粗面と改質層を有するサンプルとした。 (1) 鋳造ロストワツクス法による精密鋳造にて製作し
た。 (2) 鋳造後の機械加工湯口切断後ミーリング加工を施し、結束部を平
滑にした。 (3) イオン注入 30KVのイオン打込み装置により、Ｎ，Ｏ，Ｐ
の打込みを行つた。 (4) 蒸着抵抗加熱法によりTi，Zr，Crの表面蒸着を行
つた。 (5) イオン注入と蒸着上記(3)のサンプルに(4)の表面蒸着を行つた。 (6) 溶射低圧プラズマ溶射装置によりTi，Zr，アルミ
ナ，アパタイトの溶射を行つた。 (7) イオン注入と金属溶射上記(3)のサンプルに(6)のTi，Zrの金属溶射を
行つた。 (8) イオン注入とセラミツク溶射上記(3)のサンプルに(6)のアルミナ、アパタイト
のセラミツク溶射を行つた。（比較例１〜３）比較として実施例と同様のサイズの純チタン製
100mmφ×200mmのサンプルを用い、以下の方法
で表面加工を行つてサンプルとした。 (9) 機械加工湯口切断後ミーリング加工を施し、結束部を平
滑にした。 (10) 焼結純チタンのビーズと同じく純チタンのフアイバ
ーを900℃×５時間の条件で金属材表面にそれぞ
れ焼結した。焼結厚みは１mmであつた。（11）溶射上記(6)と同様に溶射を行つた。（比較例４〜10）また比較として、実施例と同様のサンプルの純
チタン製10mmφ×20mmのサンプルを用い実施例
と同様の加工法を用い、ただし実施例の粗面ある
いは改質層のいずれかの層のみを有するサンプル
を作成した。以上のサンプルを用いて種々の性能試験を行つ
た。結果を表１に示す。 (A) 機械的性質マモウ試験にて判断（Pin−on−Disc試験） Pin ５mmφ、すべり速度 100mm／ｓ、すべり距離 100ｍ、荷重５Kgｆ、雰囲気大気評価摩耗量 0.5mg以上……△（可）摩耗量 0.5mg未満……○（良）機械加工、焼結または溶射のままの場合、若干機
械的性質に問題があるが、他のものは良好な結果
が示された。 (B) 耐食性 0.05％ HCl、 1.0％乳酸、 1.0％ NaCl、 0.1％ Na₂Ｓ、残水 37℃で１週間浸漬評価重量変化１mg／cm²以上……△（可）重量変化１mg／cm²未満……○（良）イオン注入処理を行つたものが優れていた。 (C) 骨生長（骨親和・固定性）成犬の大腿骨埋込、３ケ月後屠殺後、包埋、ギ
ムザ染色液で染色、バイオ顕微鏡観察。評価空〓多い……×（不可）空〓と中間組織あり……△（可）中間組織多い……○（良）新生骨が直接成長……◎（優）鋳造粗面に表面処理したものが優れていた。 (D) 生体適合性（為害性）コロニー法による細胞毒性試験、ヘラ細胞の増
殖、コロニー形成（細胞培養液中）評価コロニー減少率０％……○（良）コロニー減少率０〜10％……△〜○（可〜良）コロニー減少率＞10％……×（不可）各種サンプルによる特段の差異は認められなか
つた。 (E) 密着性金属板にヒドロキシアパタイトを溶射で付着さ
せて、90°曲げ後の表面状況観察。評価変化なし……○（良）表面層若干剥離……△（可）表面剥離……×（不可）鋳造粗面を有するサンプルが一般的に優れてい
た。 (F) 経済性従来法と同等……△ 従来法より安価になるもの……○ 鋳造→表面処理の２ステツプ本発明例は、１ス
テツプの比較例と比べて遜色ない。鋳造→機械加
工→表面処理プロセスからなる本発明例は、経済
性は若干劣るが骨成長性に特に優れていた。

【表】

【表】 ◎ 優 ○ 良 △ 可 × 不可
〈発明の効果〉本発明は、精密鋳造による粗面と、この粗面付
近に形成された改質層とを有する金属質インプラ
ント材であり、機械的性質、耐食性、骨生長性、
生体骨との密着性および耐為害性（生体適合性）
が非常に優れている。

Claims

【特許請求の範囲】

１ステンレス鋼、CoおよびCo合金、ならびに
TiおよびTi合金の群から選ばれる少なくとも１
つの金属材料の精密鋳造法により形成された100
〜500μｍの凹凸を有する粗表面と、この粗表面
付近にイオン注入法、蒸着法および溶射法の一種
以上の方法により形成された改質層とを有し、か
つ優れた骨成長および密着性を有することを特徴
とする金属質インプラント材。