JPH10323361A - 関節補綴用の被覆した耐負荷面 - Google Patents

関節補綴用の被覆した耐負荷面

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JPH10323361A
JPH10323361A JP10076715A JP7671598A JPH10323361A JP H10323361 A JPH10323361 A JP H10323361A JP 10076715 A JP10076715 A JP 10076715A JP 7671598 A JP7671598 A JP 7671598A JP H10323361 A JPH10323361 A JP H10323361A
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JP
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lumen
hip
head
layer
taper angle
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JP10076715A
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English (en)
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Frank D Matthews
フランク・ディー・マシューズ
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Johnson and Johnson Professional Inc
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Johnson and Johnson Professional Inc
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、股関節補綴具において、使用の際
に大腿骨コンポーネントの筒耳がヒップヘッドの内腔か
ら外れるリスクが少なく、またヒップヘッドが応力集中
で破断するおそれも少ない股関節補綴具を提供する。 【解決手段】 本発明に係る股関節補綴具は、表面の少
なくとも一部に展性材料の層を付着させたセラミック製
ヒップヘッドを具備する。内腔の面は、山や谷のある不
完全なものである。本発明に係る股関節補綴具はまた、
ヒップヘッドの内腔に挿入され摩擦を介して密着するテ
ーパ面をもつ大腿骨コンポーネントを具備する。純粋な
チタンなどの材料の層は、関節にかかる負荷を分散さ
せ、内腔と筒耳の負荷支持面におけるでこぼこの対向す
る山同士により発生する局所的な応力集中を減少させ
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、関節補綴に係り、
特に材料を付着させた層を有する耐負荷面を備えた関節
補綴に関する。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】関節
補綴人工関節は、病気で変質したり、けがで損傷した元
々の関節にとって替わるものである。関節補綴具は、こ
れを取り付けた人に、機能しなくなった生来の関節を取
り替える以外には不可能な生活の質（クォーリティ・オ
ブ・ライフ）の維持を可能にする。
【０００３】図１は、大腿骨コンポーネント１２とセラ
ミック製のヘッドまたはボール１４を具備する、関節補
綴具の一つの型として知られるヒップジョイント（人工
股関節）１０を示す。ヒップヘッド１４は、円錐台形状
のまたはテーパ付けされた内面１８を形成する内腔（ボ
ア）１６を有し、大腿骨コンポーネント１２は、テーパ
付けされた面２２を形成する金属製の筒耳（トラニオ
ン）２０を含む。筒耳２２は、ヒップヘッド１４の内腔
１６に嵌められ、摩擦力によって密着係合する。
【０００４】大腿骨コンポーネント１２は、大腿骨の骨
髄管に埋め込み可能なステム部２４を形成する第１の端
部と、ネック部と筒耳２０を形成する第２の端部を有す
る。ヒップヘッド１４は、筒耳窩（寛骨臼ソケット）
（図示せず）内にある補綴用寛骨臼（カップ）と共働す
る。ヒップヘッド１４は、患者の骨盤に対して大腿骨を
動かすため、寛骨臼カップ内で回転することができる。
【０００５】臀部関節は、患者の全身を支えなければな
らないため、かなりの負荷に耐える材料でつくらなけれ
ばならない。ヒップヘッドは、きわだった強度をもって
寿命が長く、また円滑な表面を仕上げることができ、ヒ
ップヘッドと筒耳カップ（ヒップヘッドを挿入するも
の）の界面で円滑なすべりが可能な点を考慮して、セラ
ミック材料からつくるのが望ましい。しかし、セラミッ
ク製のヒップヘッドは、比較的もろく、また破断しやす
い。
【０００６】ヒップヘッドの内腔１６と筒耳２２は、正
確に機械加工した耐負荷嵌合面を有する。しかし、可能
な限り円滑な表面をつくり上げようと努力しても、表面
の不完全さは残る。図２（Ａ）と図２（Ｂ）は、内腔お
よび筒耳の面１８，２２を詳しく示す。内腔面１８，筒
耳面２２はそれぞれ、山２６，２７、谷２８，２９その
他種々の起伏等のでこぼこを含む。このでこぼこは、図
面を通して、説明のため誇張して示してあること、およ
び関節補綴具の各部は当尺には描かれていないことに留
意されたい。
【０００７】筒耳２０を内腔１６に挿入すると、筒耳２
０の面２２にある山２７と向かい合う内腔面１８の山２
６は、点３０に応力を集中させて、過大な応力をセラミ
ック製ボール１４に与え、破断させる。筒耳２０と内腔
１６を嵌め合わせた後は、そのような局所的に応力が過
大となる箇所が多数存在することが分るであろう。そし
て、関節に負荷がかかると、そのような内腔１６と筒耳
２０の界面における応力の集中をさらに悪化させる。
【０００８】当業者ならば、相対向するでこぼこの山で
生ずる応力の集中は、内腔と筒耳のテーパ角が減少する
につれて増加していくことは分るであろう。テーパ角
は、内腔面と内腔軸で形成される角度として定義され
る。筒耳についても同様である。業界で知られているよ
うに、使用の際に外れるリスクを減らし、また内腔の形
成に必要なヒップヘッド材料の量を減らすため正確な係
合を実現するには、テーパ角が小さい方が好ましい。し
かし、テーパ角が小さいと、筒耳が内腔に入り込むとき
のウエッジ（くさび）効果が大きくなり、ヒップヘッド
が破断するおそれが大きくなるという不都合がある。
【０００９】また、当業者ならば、摩擦を減らし偏心を
大きくするには、ヒップヘッドの径が小さい方が望まし
く、また比較的小さな骨格をもつ患者によく適すること
も分るであろう。しかし、ヒップヘッドが小さいと、関
節の負荷を支える材料が少なくなり、疲労破断を起こし
やすくなって、その実用性が制限される。
【００１０】図３は、従来における一つの解決策であ
る、上述の破断しやすさを抑えたセラミック製ヒップヘ
ッド５０を示す。この立体形状は、ヒップヘッドのテー
パ内腔５６に対応するテーパ付き外面５４と、筒耳６２
のテーパ面６０に対応するテーパの付き内面５８を有す
る金属製のスリーブ５２を備える。例えば、セラミック
製ヒップヘッドの内腔５６は、内腔の軸に対して６°の
テーパ角を有し、他方、筒耳６２は約３°のテーパ角を
有する。当業者には知られているように、スリーブは、
ヒップヘッドの表面に内腔の外形をつくり、またスリー
ブの対向する面に筒耳を形成するため、正確な寸法、公
差および表面仕上げに製造しなければならない。しか
し、問題はそのようなスリーブの複雑な形状や製造コス
トが高いことだけでなく、相対向するでこぼこが互いに
近接する場所では、局所的な応力集中を取り除くことは
できない。さらに、筒耳は、内腔と筒耳がそれぞれ例え
ば３°のテーパ角を有する場合に比べて外れやすい。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明は、上述の課題を
解決するため、山谷のでこぼこ（起伏）を備えた内面を
形成するテーパ内腔を有するセラミック製ヒップヘッド
を具備する補綴用股関節（ヒップジョイント）を提供す
る。内腔の内面の少なくとも一部は、でこぼこ（起伏）
を覆いかぶさって局所的な応力集中を解消すべく、展性
材料層で被覆される。
【００１２】本発明に係る股関節補綴具はさらに、内腔
のテーパ角と相補的なテーパ付き面を含む筒耳を有する
大腿骨コンポーネントを含む。この筒耳の面はまた、山
と谷からなる不完全部分を含む。筒耳は、ヒップヘッド
の内腔に摩擦を介して係合する。そして筒耳と内腔のテ
ーパ面は、関節にかかる負荷に耐える。展性材料層は、
関節に荷重をかけると流動し、内腔と筒耳の各面につい
て、谷を充填し、山を覆う。この展性材料層は、関節へ
の負荷を内腔の内面と筒耳の荷重支持面の周りに分散さ
せ、内腔と筒耳の各面における山が互いに接触する局所
的な応力集中箇所を減らす。さらに、展性材料の層は、
ヒップヘッドの内腔と筒耳の摩擦による係合を強化し、
使用中に外れるおそれを減少させる。
【００１３】他の態様においては、股関節補綴具は、外
面を形成する筒耳と、この外面の少なくとも一部に付着
される展性材料層を具備する。筒耳は、ヒップヘッドの
対応する内腔に挿入できる外形を有し、展性材料層は、
関節にかかる負荷を、内腔と筒耳の界面の周りに分散さ
せる。
【００１４】
【発明の実施の形態】本発明は、添付の図面を参照した
以下の詳細な説明からよりよく理解されるであろう。図
４（Ａ）および図４（Ｂ）において、本発明に係る股関
節補綴具は、内面１０４を形成するテーパ付きの内腔１
０２を有するセラミック製のヒップヘッド１００を具備
する。内面１０４は、その一部に展性の材料１０６の層
が付着されて、塗布面が形成されている。筒耳１０８
は、筒耳と内腔を摩擦によって係合させるべく、内腔１
０２への挿入用に形づくられた外面１１０を形成する。
内腔の内面１０４は内腔の軸に対してテーパ角を形成
し、筒耳１０８は内腔のテーパ角を補足するテーパ角を
有する。内腔の内面１０４と筒耳の外面１１０は、関節
に係る負荷に耐える。
【００１５】内腔と筒耳の面１０４，１１０は、それぞ
れ山１１２，１１３と谷１１４，１１５の形で、でこぼ
こあるいは不完全な面を有する。展性材料１０６の層
は、内腔１０２の面における山１１２を被覆ないし塗布
する。関節に加わる負荷などの圧力を受けると、材料１
０６は、セラミック製ヒップヘッド１００と筒耳１０８
の面１０４，１１０の周りに負荷を分散させるように、
谷１１４に流れ込む。展性の材料１０６は、内腔と筒耳
の面における相対向する山１１２，１１３によって引き
起こされる局所的な応力集中を解消する。また、より密
着した嵌め合いを実現することによって、筒耳と内腔の
間の摩擦による密着の度合いが増大し、使用中に外れる
おそれは減少する。
【００１６】ヒップヘッド１００は、セラミック材料か
らつくられ、化学的に不活性、かつ硬質で、耐摩耗性・
生体相和性の部品となる。ある態様においては、ヒップ
ヘッドは、アルミナ(Al2O2）から形成される。また、他
の態様においては、ヒップヘッドは、二酸化ジルコニウ
ム(ZrO2)から形成される。セラミック材料には、当業者
には知られているように、イットリウムまたはマグネシ
ウム安定化剤を添加することができる。セラミックは、
金属や合金に比べて、いくつかの長所がある。セラミッ
クはさらに、表面の仕上りがよく、金属に比べて、関節
を回すときの摩擦を少なくできる。
【００１７】ある態様においては、展性材料１０６の層
は、内腔面に純粋なチタンを付着させることによって形
成する。内腔面を塗布するには、適当な性質を有する、
チタン合金、金、銀、プラチナおよびタンタルのような
他の材料も使用できる。しかし、材料がセラミックに付
着でき、展性でかつ生体相和性を有し、さらにコバルト
−クロムやチタン合金のような一般的な筒耳材料と電気
的相和性を有するならば、他の材料も用いることができ
る。
【００１８】一つの例として、打つ延ばし可能層（例え
ばチタン）は、セラミック性ヒップヘッドに破断を引き
起こすこともある熱ショックを避けるため、低温プラズ
マ蒸着を使って内腔面に付着させる。当業者に知られて
いるもう一つの適当な方法は、イオンビームスパッタ蒸
着、物理蒸着および化学蒸着等によって材料層を付着さ
せるというものである。純粋なチタン層の厚さは、少な
くとも１インチの約１００万分の１２(0.000012)は、欲
しい。しかし、展性材料層の厚さとして、より好ましい
のは約0.00001 インチから0.010 インチであり、もっと
も好ましいのは約0.0001インチである。
【００１９】展性材料層１０６は内腔の面１０４上に連
続的な塗布層として示されているが、他の態様として、
内腔または筒耳面の一部だけを覆うようにしてもよい。
展性材料は、二つの面が合わさる特定の位置か、または
既知の応力店に設けられる。展性材料は、さらに他の態
様においては、ストライプや離散的な形状（例えば円）
などの所定のパターンで表面に付着される。
【００２０】一つの例として、セラミック製ヒップヘッ
ド１００は径が約２８mmで、内腔１０２の面１０４は約
３°のテーパ角を有する。テーパ角が小さいと、内腔と
筒耳の密着がより強固になり、筒耳は内腔から容易に抜
けなくなって、使用中に外れるおそれは少なくなる。例
えば、筒耳が３°のテーパ角で対応する内腔に係合する
と、６°（他の角度でも同じである）のテーパ角より強
固な係合が得られる。一つの例として、内腔の深さを約
０．６インチ、内腔の入口径を約０．５インチとするこ
とができる。もちろん、他のヒップヘッド径およびテー
パ角も可能で在る。例えば、他の態様においては、ヒッ
プヘッドの径は約２２mmであるが、これより大きい径も
小さい径も可能である。また、６°、９°等の、他のテ
ーパ角も可能である。
【００２１】図５に示す他の態様においては、股関節補
綴具は、大腿骨コンポーネント材の筒耳１０８’と嵌め
合わせ可能な内腔１０２’を形成するセラミック製ヒッ
プヘッド１００’を具備する。筒耳１０８’は、少なく
ともその一部に、関節への負荷を分散させる展性材料１
０６’の層を有する。チタンなどの展性材料１０６’
は、相互に干渉し合うでこぼこ１１２’，１１３’によ
って引き起こされる局所的な応力領域が発生するのを防
ぐため、負荷支持面１０４’，１１０における山１１
２’，１１３’を覆い隠し、谷１１４’，１１５’を充
填する。筒耳に展性材料１０６’の層を形成することに
より、筒耳材料たる合金と材料１０６の層との間の電気
的相和性のため、筒耳は腐食が減り、または取り除かれ
る。
【００２２】股関節補綴具の上述の態様によれば、内腔
および／または筒耳面に展性材料の層を有しない関節と
比べて、より小さい径のヒップヘッドを使用することが
できる。また、種々の偏心割合の小型ヒップヘッドを使
うことにより、ヒップヘッドの構造的な一体性を犠牲に
することなく、内腔のテーパ角も小さくできる。さら
に、臀部へどの径が小さくなると、摩擦が少なくなり、
および摩耗による研磨屑の量も減るという利点がある。
またテーパ角が小さいと、設計も容易になる。そして、
テーパ角が従来と同じ３°であっても、本発明によって
展性材料の層を塗布すれば、偏心の程度を大きくするこ
とができる。
【００２３】当業者ならば、本発明の上述の態様から生
ずるさらに他の特徴・利点にも気づくことがあるであろ
う。しかし、本発明の範囲は、上述の記載に限られるこ
となく、特許請求の範囲の記載に基づいてとらえられな
ければならない。
【００２４】本発明の具体的な実施態様は以下の通りで
ある。 １）前記股関節補綴具はさらに、前記ヒップヘッドの内
腔に挿入され摩擦によりこの内腔の面に密着するテーパ
面を有する筒耳をもつ大腿骨コンポーネントを具備する
請求項１記載の股関節補綴具。 ２）前記筒耳のテーパ面はでこぼこを含む上記実施態様
１）記載の股関節補綴具。 ３）展性材料の層はチタンを材料とする請求項１記載の
股関節補綴具。 ４）前記チタンの層は１００万分の１２インチより厚い
上記実施態様３）記載の股関節補綴具。 ５）前記展性材料の層は純粋なチタンを材料とする請求
項１記載の股関節補綴具。 ６）前記展性材料の層は、純粋なチタン、チタン合金、
金、銀、プラチナおよびタンタルからなる群より選択さ
れる材料からつくられる請求項１記載の股関節補綴具。 ７）前記セラミック製ヒップヘッドは、アルミナを含む
材料から形成される請求項１記載の股関節補綴具。 ８）前記セラミック製ヒップヘッドは、二酸化ジルコニ
ウムを含む材料から形成される請求項１記載の股関節補
綴具。 ９）前記セラミック製ヒップヘッドは、イットリウム安
定化剤を含む材料から形成される請求項１記載の股関節
補綴具。 １０）前記セラミック製ヒップヘッドは、マグネシウム
安定化剤を含む材料から形成される請求項１記載の股関
節補綴具。 １１）前記筒耳は金属から形成される上記実施態様１）
記載の股関節補綴具。 １２）前記内腔のテーパ角は、約３°かまたはこれより
小さい請求項１記載の股関節補綴具。 １３）前記内腔のテーパ角は、約６°かまたはこれより
小さい請求項１記載の股関節補綴具。 １４）前記ヒップヘッドの径は、約２８mmかまたはこれ
より小さい請求項１記載の股関節補綴具。 １５）前記ヒップヘッドの径は、約２２mmかまたはこれ
より小さい上記実施態様３）記載の股関節補綴具。 １６）前記展性材料層は純粋なチタンを材料とする請求
項３記載の股関節補綴具。
【００２５】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
股関節補綴具において、使用の際に大腿骨コンポーネン
トの筒耳がヒップヘッドの内腔から外れるリスクが少な
い股関節補綴具が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の股関節補綴具の模式図である。
【図２】図２（Ａ）は従来のセラミック製ヒップヘッド
と対応する筒耳の表面（これらは図１の臀部関節の一部
を形成する）を示す模式図であり、図２（Ｂ）は図２
（Ａ）のヒップヘッドと筒耳が係合状態にあるときの模
式図である。
【図３】内腔と筒耳の間にスリーブを介在させた関節補
綴用の模式図である。
【図４】図４（Ａ）は本発明に係る股関節補綴具の模式
図であり、図４（Ｂ）は図４（Ａ）に示した股関節補綴
具の一部の拡大断面図である。
【図５】図４（Ａ）とは異なる態様の股関節補綴具の一
部の拡大断面図である。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 でこぼこを備えた内面を形成する内腔で
    あって、この内腔の軸に対してテーパ角を有する内腔を
    有するセラミック製ヒップヘッドと、 前記内腔の内面の少なくとも一部に付着し、前記でこぼ
    こにほとんど覆いかぶさる展性材料層を備える股関節補
    綴具。
  2. 【請求項２】 円筒面を形成する内腔を有し、前記内面
    はこの内腔の軸に対してテーパ角を有し、前記同筒面は
    山と谷とにより形成される不完全部分を有するセラミッ
    ク製ヒップヘッドと、 筒耳を有し、前記筒耳はこの筒耳の軸に対してテーパ角
    をもつ外面を形成し、このテーパ角は前記内腔のテーパ
    角と相補的であり、さらにこの筒耳は前記内腔に挿入さ
    れ摩擦によりこの内腔の面に密着する大腿骨コンポーネ
    ントと、 前記内腔の円筒面の少なくとも一部に添布されて、前記
    内面の不完全部分にほとんど覆いかぶさる純粋なチタン
    の層を備える股関節補綴具。
  3. 【請求項３】 筒耳を有し、前記筒耳はこの筒耳の軸に
    対してテーパ角をもち、前記同筒面は山と谷とにより形
    成される不完全さを有する大腿骨コンポーネントと、 前記筒耳の面の少なくとも一部に付着されて、前記面の
    不完全部分にほとんど覆いかぶさる展性の材料層を備え
    る股関節補綴具。
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