JPH0730365B2 - 多孔質層を有する部材の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は，所望の多孔質層を有する金属部材の製造方法
に関し，特に，複雑な形状を有し，強固に固着した多孔
質層を持つ金属部材を製造する方法に関する。

［従来の技術］ 従来，複雑な形状のインプラント体（Co-Cr合金）に，
同じ合金材の粉末（ビーズ）を焼結して多孔質層を形成
する多孔質層を持つ金属部材を製造する方法があるが，
合金焼結時に結晶粒が粗大化して疲労強度が低下するこ
と，また，生体親和性がチタン合金に比べ劣ること等の
欠点がある。亦，純チタン細線を押し固めたパッド状の
ものをTi-6Al-4V合金製インプラント本体に拡散接合す
ることにより固着した多孔質生体材料を製造する方法が
あるが，これは，純チタン細線では強度が弱く，強度確
保のためにTi-6Al-4V製の細線にすると，その細線の加
工が非常に困難である点に短所がある。また,Ti-6Al-4V
の合金粉末を同じ金属材料のインプラント本体に常圧で
焼結することにより固着する製法もあるが，この焼結温
度は1200〜1400℃と高温でなければならないために，イ
ンプラント本体に結晶粒粗大化が生じ，更に，針状組
織，粒界の相の肥大化などの材質劣化が生じること等に
短所がある。更に，常圧焼結処理では接合強度に限界が
あり，大粒径の粉末を強固に固着させることが困難であ
る点に短所がある。

チタン合金はβ−トランザス温度，即ち，β単相領域に
なる温度は,Ti-6Al-4V合金では1000℃付近以上の温度に
加熱されると，結晶粒が粗大化し，針状組織となるため
延性が低下するが、β−トランザス温度以下の温度への
加熱では，実質的な材質，強度の低下がない。複雑な形
状のインプラント材或いは複雑な多孔質層を有するイン
プラント材の作製は非常に困難であり，未だ，実用にな
った製品が見当らなく，実際に使用されている製品は単
純な形状のものだけである。

［発明が解決しょうとする問題点］ 本発明は，複雑な形状の金属部材の表面に多孔質層を強
固に固着させ，形成したものを容易に製造できる方法を
提供することを目的とする。また，本発明は，複雑形状
のインプラント本体表面に多孔質層（ポーラスコーテイ
ング）を設けて，生体骨からの骨組織の成長を利用し
て，従来からの骨セメントを用いることなく，生体骨と
インプラント材とを強固に結合させ得る多孔質層生体材
料を形成するために，比較的に低温で任意の粒径の粉末
を充分強固に結合させ，且つ，曲面，多面等の三次元的
形状に同時に固着コーテイングする製造方法を提供する
ことを目的とする。

［問題点を解決するための手段］ 前記のように比較的に複雑な形状の多孔質層を有する部
材を製造するために，本発明は、所定形状の金属部材の
表面に、所望の粉末金属材料によりなる粉末金属層を形
成した後、該粉末金属層上に冠着した薄肉のカプセルを
介して、高圧気体を作用させながら、加熱して、被覆金
属部材を製造する方法において、前記薄肉のカプセル
は、超塑性材金属材料であり、化学的に容易に除去でき
る金属材料であり、該カプセル内の所定の空間に該粉末
金属材料を充填し、該カプセル内を真空に引き、金属部
材の材質劣化の生じない温度範囲で、且つ該金属カプセ
ルが充分に超塑性現象を示す温度範囲即ち、600℃以
上、金属材料のトランザス温度以下の温度範囲に加熱
し、該カプセルを熱間で等方的に、1MPa〜20MPaの圧力
下に加圧することにより、該所定形状の金属部材の表面
に、該粉末金属材料による多孔質層を強固に固着形成さ
せ、次に、ケミカルミーリングにより化学的に該多孔質
層に固着した該カプセルを除去し、形成された多孔質層
を、任意の形状に機械加工し、該金属部材表面に適正な
固着力で固着された多孔質層を有する被覆金属部材を作
製することを特徴とする前記被覆金属部材の製造方法で
ある。金属部材は、生体内置換用若しくは補綴用がよ
い。また該金属部材及び該粉末金属材料は、チタン若し
くはチタン合金、すなわちTi-6Al-4V合金がよい。

［発明の構成］ 本発明による多孔質層を有する金属部材では，所定形状
の用途にしたがって形成されたインプラント本体金属部
材を，所定形状のHIP処理のための金属カプセル中に設
置し，その金属カプセルの中の多孔質層を成形すべきイ
ンプラント本体表面に相当する所定の空間に金属粉末材
料を充填し，次に，その金属カプセル内を真空に引き，
密封し，その密封した金属材料の材質劣化の生じない温
度範囲にて,HIP処理し，熱間で等方的に加圧する。次
に，このHIP処理したことによりカプセル内でカプセル
とともに固着形成された金属粉末による多孔質層を有す
るインプラント本体に対して，機械加工或いはケミカル
ミーリングし，その金属カプセルを除去し，製品とす
る。または，得られた多孔質層を有する金属部材を任意
の形状にするために，固着形成された多孔質層を機械加
工して，製品とする。

本発明方法により，人工骨に適する金属部材が提供され
る。即ち，金属部材のインプラント材料としてチタン合
金を用い，その表面に多孔質層を設け，生体骨からの骨
組織成長によって骨とインプラント材とを結合させるの
に都合のよい部材を提供できるものである。本発明によ
ると，このための多孔質層が比較的に低温で形成でき，
しかも，インプラント材に対して強固に固着されたもの
を提供する。即ち，通常の常圧焼結法では多孔質層を焼
結固着するために,1300℃程度の高温を必要とするに対
して，本発明による製造方法では，材質劣化のない約10
00℃近傍以下の温度で，多孔質層を強固に固着形成でき
るものである。

このような製造方法によると，常圧焼結法に比べ格段に
強く接合できるために，これにより製造した人工骨を移
植する時の荷重による多孔質層の剥離の危険性が軽減さ
れ，更に，材質が劣化する程に高温に加熱する必要がな
いために，常圧焼結に比べ強度特に疲労強度が著しく改
善され，また，従来，不可能であった複雑形状に対する
コーテイングができるようになった。

本発明の製造方法によると，密封したカプセルをチタン
合金のトランザス温度以下に例えば,600〜950℃程度に
加熱し，圧力をかけてHIP処理する。この加圧力は0.1〜
2.0kgf/mm²の範囲の適当な圧力で行なう。高温高圧に保
持する時間は任意でよいが,0.3〜３時間が好適である。
また，真空封入処理は，真空脱気後に，その脱気口を封
じ切る方法か又は電子ビーム溶接が可能な材質を使用し
た場合は，電子ビーム溶接を用いることが好適である。

このようにHIP処理すると，曲面，多面等を有する複雑
な形状を含む所定形状の金属部材表面に，その形状に合
わせ，形成すべき多孔質層を形成できる。

次に，このように形成されたカプセル金属部材粉末構成
物に対して，機械加工或いはケミカルミーリングによ
り，該カプセルを除去し，更に，任意の形状に固着形成
された多孔質層を機械加工することにより，任意の形状
の多孔質層を有する部材を得ることができる。この場
合，機械加工によるバリが生じ，健全な多孔質層が得ら
れない場合には，表面を研削，研摩してバリを取り除い
てやるか，或いはケミカルミーリングでバリを取り除い
てやる。

このように本発明による製造方法は,HIP処理を利用する
ことにより，インプラント材の任意の面に一度に多孔質
層を設けることができ，カプセルを機械的に除去し製品
とすることができ，また，一度に多量に処理して，低コ
スト化をはかることができる。

本発明により製造されるインプラント材の表面に多孔質
層を固着したものの多孔質層への骨侵入を利用して固定
する人工骨固定法，即ち，セメントレス法は，骨セメン
ト法によるゆるみの問題，モノマーによる人体への悪影
響の問題等を避ける手段として非常に有効であり，この
セメントレス法が人工骨固定法の主流になると考えられ
る。また,Co-Cr合金は現在多用されているが，最近では
Ti-6Al-4V合金が生体適合性，即ち，生体親和性，比強
度，即ち，軽くて強く，生体内耐食性の点からインプラ
ント材として最適であるとされ，今後この材料が多く使
用されていくと思われる。現在のところチタン合金イン
プラント材にチタン合金粉末焼結体により多孔質層を設
け、尚かつ，適切な多孔質の固着強度を有するものは実
用になっていない。これは上記のように多孔質層をイン
プラント本体に材質低下なしで強固に固着する方法がな
いことによるものと思われる。人工骨に用いられる場合
多孔質層の空孔寸法は100〜300μｍのものが骨組織侵入
による固定にとって適切であると言われるが，粉末でそ
の空孔寸法を得ようとすればかなりの大きい粒径の粉末
を用いなければならなく，その粒径の粉末を常圧焼結に
より接合すると適正な接合強度が得られないものであっ
た。

［作用］ 本発明の製造方法においては，所定形状のインプラント
材の所定表面に，金属粉末を充填したカプセルを真空封
入し,HIP（熱間静水圧プレス,Hot Isostatic Pressin
g）処理することにより等方的に圧力をかけて，多孔質
層をインプラント体の所定表面に固着成形するものであ
る。

多孔質層に用いる金属材料の材質劣化しない温度範囲に
保持し，応力をかけて，多孔質形成すると，結晶粒の粗
大化や針状組織の生成がなく，適正な空孔寸法を持ち，
適正な接合強度で固着された多孔質層が得られる。

次にその具体的な例により，本発明の多孔質層を有する
部材の製造方法を説明する。

［実施例］ 図に示すような円柱形状のインプラント本体４（チタン
合金）に対して，多孔質層を形成する場合について説明
する。まず，インプラント本体４を金属製カプセル１中
に挿入する。そして，インプラント本体４とカプセル１
との空間，即ち，多孔質層を形成すべき場所に金属粉末
３を充填し，開放端には蓋２を装着する。この金属充填
カプセルを真空に脱気した後に，その端部のシールド部
５を，電子ビームその他で密封した。

密封したカプセルを800〜950℃程度に加熱し，圧力をか
けてHIP処理した。

加圧力は0.3〜0.5kgf/mm²で行なった。保持時間は約１
時間で行なった。

次に，得られたカプセルと焼結粉末とインプラント本体
の結合体をケミカルミーリングによりカプセルを除去し
て製品とするか，または，所望の形状に機械加工して製
品とした。更に，この機械加工によるバリが生じた場合
には，表面を研削研摩してバリを取り除いてやるかケミ
カルミーリングを行なうことよりバリを取り除いた。

以上のように本発明のインプラント本体に多孔質層を形
成する方法は，人工歯根を含む人工骨一般，ソケットの
バックアップの生体骨と接する面の表面層部構造の形
成，骨に沿って固定する骨用補綴材，骨欠損部再建用材
の表面層構造の形成など生体骨と骨組織成長によって結
合させ有効に働く生体用人工部材のすべての製造に用い
られる。

［発明の効果］ 本発明による多孔質層を有する部材の製造方法により次
のような著しい技術的な効果が得られた。第１に，多孔
質層を材料劣化のない温度で接合するために，結晶粒粗
大化や針状組織になる問題が解消され，多孔質層接合に
よる材質，強度の劣化がない多孔質層を有する金属部材
を製造する方法が提供された。第２に，多孔質層を適当
な圧力を加えて接合するために，適正な空孔寸法を有
し，且つ適正な接合強度で固着された多孔質層を有する
金属部材が提供される。第３に,HIP処理を用いているた
めに，任意の複雑な形状の面に一度に多孔質層を形成で
きる製造方法を提供し，また，一度に多量の製品を処理
製造することができる方法が提供された。第４に，多孔
質層をインプラント本体に固着形成させた後に，機械加
工を行なうことにより，複雑な形状の本体に対して，複
雑な多孔質層形状の製品が容易に低コスト製造できる方
法を提供された。従って，本発明の製造方法により，高
い信頼性の複雑な形状の多孔質層を有するインプラント
材が安価に多量に製造できる方法を提供するものであ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は，本発明の製造方法による多孔質層を有する金
属部材の製造方法をその断面図で順次示すものである。 ［主要部分の符号の説明］ １……金属カプセル ３……金属粉末 ４……インプラント本体

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】所定形状の金属部材の表面に、所望の粉末
   金属材料によりなる粉末金属層を形成した後、該粉末金
   属層上に冠着した薄肉のカプセルを介して、高圧気体を
   作用させながら、加熱して、被覆金属部材を製造する方
   法において； 前記薄肉のカプセルは、超塑性材金属材料であり、化学
   的に容易に除去できる金属材料であり、該カプセル内の
   所定の空間に該粉末金属材料を充填し、該カプセル内を
   真空に引き、金属部材の材質劣化の生じない温度範囲
   で、且つ該金属カプセルが充分に超塑性現象を示す温度
   範囲即ち、600℃以上、金属材料のトランザス温度以下
   の温度範囲に加熱し、該カプセルを熱間で等方的に、1M
   Pa〜20MPaの圧力下に加圧することにより、該所定形状
   の金属部材の表面に、該粉末金属材料による多孔質層を
   強固に固着形成させ、次に、ケミカルミーリングにより
   化学的に該多孔質層に固着した該カプセルを除去し、 形成された多孔質層を、任意の形状に機械加工し、該金
   属部材表面に適正な固着力で固着された多孔質層を有す
   る被覆金属部材を作製することを特徴とする前記被覆金
   属部材の製造方法。
2. 【請求項２】該金属部材は，生体内置換用若しくは補綴
   用であることを特徴とする請求項１記載の被覆金属部材
   の製造方法。
3. 【請求項３】該金属部材及び該粉末金属材料は、チタン
   若しくはチタン合金であることを特徴とする請求項１記
   載の被覆金属部材の製造方法。
4. 【請求項４】該金属部材及び粉末金属材料は、Ti-6Al-4
   V合金である請求項１記載の被覆金属部材の製造方法。