JPS58192544A - 関節摺動部材およびその製造方法 - 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】 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（ソケットな
いしカップ）ならびにその製造方法に関する。

生体内に用いるべき人工関節の歴史は、１８９１年にＧ
ｌｕｃｋが象牙の人工骨頭（Ｉ−ル）とソケット（カッ
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【きたが、石油化学の発
達とともに金属材料と高分子材料の組合せＫより比較的
良好な結果が得られるようになり、１Ｇ　６１　都Ｃｈ
ａｒｎｌｙ　がステンレスψスチール製骨頭とポリエチ
レン製ソケッ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ット材料とし
て知られている。

しかしながら、このような超高分子量Ｉリエチレン製ソ
ケットも、未だ耐久性の点では満足なものとは云い難い
。すなわちソヶッ）１−構成する超高分子量Ｉ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
り返し荷重管受けるに際して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
脱臼の原因にもなっている。また、このようなりリープ
変形のため、人工関節の装着は、体重９０に＃以下、身
長は１８０傷以下、年令は画才以上の、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ハナら
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。

ソケット全体の剛性を高くして上記の問題点を解決する
ためには、以下の手法も考えられる。

１）ソケット全体の材質を超高分子量Ｉリエチレン以外
の剛性の高いものにする。

２）超高分子量Ｉリエチレンのソケットの中心部に鉄又
はセラ々ツク等のコアーを入れる。

以上の方法のうち、１）の方法は、生体適合性の検討が
必要なため、剛性の問題のみで材料を選定することはで
きない。一般に金属材料が使用されるが、生体適合性が
比較的良好で実績のあるものとしては、ステンレス鋼の
８Ｕ８３１６．８Ｕ８３１６Ｌ。

ＳＵＢ　３１７、コノルトクロム合金のＨ８−２１、Ｈ
ｌｍ−２５゜ＨＰ３５　　がある。また、チタン合金、
タンタル等も使用されているが、製法が困難で、量産性
に乏しく、高価になること、また体液等の耐食性にも酸
化皮膜が破れた場合に問題があり、体内中に同種金属を
インブラントしないと、一種の電解液である体液により
ガルパ　腐食が発生する問題もある。また、合金組成の
不均一などによって発生する　　　　ｉ孔食（Ｐｉｔｔ
ｌ■）、相対的動きによるすきま腐食（ｅｒ＊ｖｉｅ＠
ｅｏｒｒｏｓｌｓｎ　）等も発生する可能性があり、ま
た、摩擦摩耗の観点からも不適切とされている。

すると考えられる。セラ建ツクコアーの場合は、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
ことの多いソケット材料に使用すると内部で破損した場
合、ソケット全体としての強度が保証できない欠点があ
る。

本発明の目的は、基本的には自己潤滑性と生体適合性に
優れた超高分子量４リエチレンを基本材料としながら、
その耐クリープ変形性を改善した複合関節摺動部材、特
にクリープ変形による雄部材との間での密着性の低下な
いしはゆるみの発生を防止した関節雌部材（ソケット）
ならびにその製造方法を提供することを目的とするもの
である。

本発明者らは、上述の目的で研究した結果、超高分子量
ポリエチレン成形体からなる関節摺動部材の摺動面にほ
ぼ平行に炭素繊維布を埋め込むことによりその耐クリー
プ変形性を著しく改善できることを見出し、一つの関節
摺動部材ならびＫその製造方法を提案している（昭和５
７年特許願第６８１号）。

しかしながら、上述の技術による関節摺動部材には、主
としてその製造方法と関連して問題がないわけではない
。すなわち、上記関節摺動部材は少なくとも２つの部分
に分けた分子量１００万以上の４リエチレン粉末の間に
炭素繊維布を挾みコア型とキャビテン屋との間で加熱圧
縮成形することにより製造されるが、このような炭素繊
維布の所望寸法へめ裁断、ならびに型中の所定位置への
配置は必ずしも容易でなく、工程の繁雑化を招く。

本発明は更に耐クリープ変形性を改善したポリエチレン
系関節摺動部材をより簡便に製造する技術を提供するこ
とを目的とする。

本発明者らの一層の研究の結果、超高分子量ポリエチレ
ンの粉末圧縮成形において、ぼりエチレン粉末に炭素短
繊維を配合することにより、縦素繊維布を調製し配置す
る上記技術に比べてかなり簡便な工程で耐クリープ変形
性ならびに耐衝撃性の改善された４リ工チレン系関節摺
動部材が得られることが見出された。また炭素短繊維は
、ガラス短繊維に比べて補強効果も大きく、セランツク
粉末に比べて超高分子量４リエチレンとの接合性も大で
あるなど、他の充填材に比べて一層優れた適性を示す。

本発面の関節摺動部材は、このような知見に基づくもの
であり、より詳しくは、炭素短繊維を配合した分子量１
００万以上の４リエチレンの凹状摺動面を有する成形体
からなることを特徴とするものである。より好ましくは
、摺動面自体は、超高分子量ポリエチレンに比べれば生
体適合性不明な点の多い炭素繊維が露出しないよう、炭
素繊維を含まない超高分子量ポリエチレンの層により形
成される。ま゛た、本発明の関節摺動部材の製造方法は
、分子量１００万以上の４リエチレンの粉末をコア型と
キャビティ型の間で加熱圧縮成形するに際して、４リエ
チレン粉末を少なくとも２つの部分に分割し、その１つ
の部分には炭素短繊維を配合し、この部分をコア型に接
する炭素短繊維を含まないポリエチレン粉末部分と積層
してから加熱圧縮成形することｔ特徴とするものである
。

以下、図面を参照して本発明を実施例について更に詳細
に説明する。

第１図は、本発明の関節摺動部材の一例として大腿骨頭
支承用（股関節用）に骨盤に取り付けられるソケットの
好ましい態様の断面図を示すものであり、ソケット１は
半球座面管なす摺動面２を有する超高分子量ポリエチレ
ンの成形体３からなりその摺動面２ｔなす表層３ａｔ−
除く部分３ｂには炭素短繊維が配合されている。またソ
ケットの摺動面と逆側の面５には、図示しないが、骨盤
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
起が設けられる。

このようなソケット１の取付構造は第２図に示す通りで
ある。すなわちソケツ）１は骨盤を構成する寛骨臼６に
一−ンセメントフを介して接合固定される。一方、大腿
骨近位部８に挿入されただとえばステンレススチール製
の人工大腿骨９の骨　　　　　　　−１［１０が、ソケ
ット１に対しその摺動面２と摺動可能なように嵌合固定
される。

ソケツ）１の主材料としての超高分子量ポリエチレンは
、チーメツ−法により製造された、光散乱法による分子
量がｌＸｌ０’　〜８Ｘ１０Ｉ′、特に２Ｘ１０’〜６
Ｘ１０’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
４ＩＫ＠定されないが、通常ω〜１５０μ程度のものが
用いられる。

まだ、このような超高分子量ぼりエチレンに配合し【使
用すべき炭素短繊維としては、長さが圓〜５００μ、特
に１５０〜４００μであり、径が５〜２０μ、特に６〜
１０ｊのものが好ましく用いられる。

長さが短か過ぎると耐クリープ変形性の増強効果が乏し
く、また長過ぎると４リエチレン粉末との圧粉成形にお
いて、ポリエチレン粉末との混合が不良となり、また得
られる成形体において繊維の配向による方向性が生ずる
おそれがある。このような炭素短繊維には超高分子量／
ＩＪエチレン・マトリクスとの結合力を高めるために、
たとえば、重りｐム酸ナトリウム７〜１４１ＧＩＦ液お
よび硫酸１７〜３４−溶液で順次各１５分間程度浸漬処
理する等の方法により、予め酸化処理、湿式酸化処理を
しておくことが望ましい。

炭素短繊維は、これとぼりエチレンとの合計重量の０．
８〜１１９Ｇ、特にｌ〜４−の量で使用される。

配合量が０．８−未満では耐クリープ変形性の向上効果
が乏しく、１１％！−超えると、脆弱になってくるとと
もに表面に炭素短繊維が露出してくる。

ソケット１と組合せて使用される骨ｉｌｌ　１０　を含
む人工大腿骨９材料としては、生体適合性も考慮して上
述したステンレススチールのほか、コＡルトクロム合金
、チタン合金、タンタル等が使用される。このような金
属材料製骨頭１ｏとの摺動適性を考慮した場合、炭素短
繊維を配合した超高分子量ポリエチレンが直接に摺動面
２ｔ−構成することは、必ずしも好ましくない。なぜな
ら、摺動面２に配合した炭素短繊維が露出すると、ソケ
ッ）１自体の摩耗ならびにクリープ便形は減少するが骨
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。このよ５な間ａｔ避けるためＫは第１図に
例示するよ５に、摺動面２から厚さ０．２〜１０１１１
．好ましくは０．３〜０．７Ｂの層は、炭素短繊維を除
いた超高分子量ぼりエチレンにより構成することが望ま
しい。これにより摺動適性と耐クリープ変形性をより良
く調和させることができる。このような層構成は、生体
適合性の点で炭素絨維に比べ【より問題性の少ない超高
分子量ポリエチレンのみで摺動面が構成される点でも好
ましい。同様な配慮から、ソケット１の摺動面２と逆側
の面５についても炭素短繊維を除いた超高分子量ぼりエ
チレン層を設けることもできる。

次に、第１図に例示したソケットの製造法を説明する。

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１１、キャピテイ型１２および
コア型１３からなる。キャビティ型１２は、更に底部部
材１２ｍと側部部材１２ｂとから構成されている。また
コア型１３は主部材１３ｍと補助部材１３ｂから構成さ
れている。

上記ソケット１は、本発明の関節部材の製造法に従い、
このような金型を用いて圧縮成形により以下のようにし
て製造される（なお、中間工程の図示は省略する）。圧
縮成形法が用いられるのは、超高分子量ポリエチレン（
以下、単に４リエチレンという）の溶融粘度が高く、通
常の射出成形、押出成形等の溶融成形法の適用が困難だ
からである。

本発明にしたがい、まず、前述したような炭素短繊維を
、前述したように必要に応じて酸化処理ならびに水洗、
乾燥を行った後、ヂリエチレン粉末と乾式混合する。ｌ
エチレン粉末の粒径は、特に限定されないが、通常６０
〜１５０声程度のものが用いられる。このような炭素短
繊維を配合した４リエチレン粉末ｔ、その使用量の７０
〜８５−（：ｌＦ量−１以下同様とする）の量でキャビ
ティ型１２中に装入し、コア型１３ｍとの間で圧縮成形
して炭素繊維配合予備成形体を得る。成形条件は、温度
１５０〜１７０℃、圧力（資）〜９０に＃、−２で、６
〜７０分程　　　ｉ度が適当である。このようにして得
られた予備成形体は、ｌリエチレン粉末が焼結したよう
な多孔賀状のものとなる。他方、同様にしてキャピテイ
型１２中に上記のようなぼりエチレンの単味粉末をその
使用量の７０−８５優の量範囲で装入し、上記と同様な
条件で圧縮成形して、ぼりエチレン単味の予備成形体を
得る。

次いで、キャビティ型１２中に、炭素繊維配合ぼりエチ
レン粉末の残部、炭素繊維配合予備成形体、ポリエチレ
ン単味予備成形体およびポリエチレン単味粉末の残部を
挿入し、たとえばキャピテイ温度１７０〜２３０℃、コ
ア温度１４０〜１７０℃、圧力（資）〜１７０＃、４”
、時間６〜（イ）分の条件で圧縮成形することにより第
１図に図示のようなソケットが得られる。上記のように
コア温度をキャピテイ温度より低くするのは、キャピテ
イ型の成形材料の方がコア側の成形材料よりも量的に多
いため、若しコア温度をキャビティ温度に等しくなるよ
う温度を上げておくとコア側の成形材料が過度に加熱さ
れ好ましくないためである。

以上のような成形方法を行うと、Ｉリエチレン単昧から
なる摺動面層と炭素短繊維を配合したｌリエチレンから
なるバルク層とが一体化し、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。ならびに１回の圧
縮成形でソケットを得ると、成形中の容積収縮が大きく
寸法精度が低下するからである。また、上記のような予
備成形を行うのは、均質な厚みのポリエチレン単味層を
形成するためである。同様な理由により、最終成形にお
いても、ポリエチレン単味粉末と、炭素繊維配合ぼりエ
チレン粉末とは直接接触しないように、予備成形体を介
して獄中に装入するのが好ましい、但し、いずれか一方
を一対の予備成形体間に挿入することは可能である。ま
た前述したように、最終成形で用いる炭素繊維配合ぼり
エチレン粉末の残部の代りにぼりエチレン単味粉末を用
いることＫより、摺動面と逆側の面５もポリエチレン単
味層で形成したソケッ）を得ることができる。

予備成形用の金型と最終成形用の金型とは実質的に同様
なものが用いられ、同一の金ｍｔ両方に用いることもで
きるが、実用的な製造のためには別型とすることが好ま
しい。

上記においては、本発明を一例として、股関節用のソケ
ットおよびその製造方法について説明した。しかし、本
発明の関節摺動部材は超高分子量Ｉリエチレンの生体適
合性および自己潤滑性を利用し【生体内の他の部分の関
節においてはもちろん、生体以外の駆動機構における関
節雌部材としても利用可能なものである。

上述したよ５に、本発明によれば、超高分子量４リエチ
レンの生体適合性と自己潤滑性ならびにその他の優れた
性質全維持しつつ、生体内関節雌部材（ソケット）とし
ての使用において問題であった、耐クリープ変形性の不
足による脱臼等の不都合を１炭素短繊維を配合すること
により解決した超高分子量４リエチレン基質の関節摺動
部材およびその製造方法が提供される。

以下、本発明の関節摺動部材の実際の製造例を説明する
。

製造例 ヘキスト社製の超高分子量ポリエチレン、ホスターレン
（Ｈｏｓｔａｌ＠ｎ）　ＧＵＲ４１２（分子量６００万
、平均粒径１００μ）に、炭素短繊維（東し社製トレカ
Ｍｌ、Ｄ−３００゜平均径的７μ、長さ約３００μ）を
３％（ポリエチレン粉末との合計量基準）の割合で乾式
混合した。なお、炭素短繊維は、１４％重クロム酸混液
および３５％硫酸溶液に各１５分間浸漬し酸化処理をし
たのち、Ｉ分間水洗し、乾燥したものを使用した。

上記混合粉末ならびに／　リエチレン単味粉末を用いて
、実質的に前記した方法により股関節用ソケットを製造
した。

すなわち、上記混合粉末１０．５ｇおよび／　リエチレ
ン単味粉末０．５６ｇ’ｉ用いて、それぞれ１６０℃、
７０に＃／（−の条件で予備成形体を得た。次いで、キ
ャビティ型中に、上記混合粉末４．５ｇ、炭素繊維配合
予備成形体、ポリエチレン単味予備成形体およびポリエ
チレン単味粉末０．２４ｇ’ｉ順次装入してコア温度１
５０℃、キャピテイ温度１９０℃、圧力１６０ｋｆ／ｃ
ｍ”の条件で圧縮成形を行い、ソケット管【得た。

上記の様にして得られた人工股関節ソケットは、関節シ
ミュレータで０→４００　ｋ＃、６Ｘ１０’回の操り返
し荷重を加えた結果、沈み込みｔ（クリープ変形量）が
、／　リエチレン単味からなる従来のソケットのそれに
比べてＩＡ〜１／４に減少した。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の関節摺動部材の一実施例である股関節
用ソケットの断面図、第２図は同ソケットの人体への取
付は状態を示す部分断面図、第３図は同ソケットの製造
工程における金型の一部切欠正面図である。 １・・・ソケット（関節摺動部材）、２・・・摺動向、
３・・・ポリエチレン成形体、４・・・炭素線維布、６
・・・寛骨、７・・・ゼーンセメント、９・・・人工大
腿骨、１０・・・骨頭、１２・・・キャピテイ型、１３
・・・コア型。 出願人代理人　　　猪　股　　　　清

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、炭素短繊維を配合した分子ｌ１１００万以上のポリ
   エチレンの凹状摺動面を有する成形体からなることを特
   徴とする関節摺動部材。 ２、摺動面には炭素短繊維を含まない前記ポリエチレン
   の層を形成してなる上記第１項の関節摺動部材。 ３、摺動面と逆側の面に炭素短繊維を含まない前記ボリ
   エ°チレンの層を形成してなる上記第１項または第２項
   の関節摺動部材。 ４、分子量１００万以上のポリエチレンの粉末をコア型
   とキャピ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（とも２つの部分に分割し、その１
   つの部分には炭素短繊維を配合し、この部分をコア型に
   接する炭素短繊維を含まない４リ工チレン粉末部分と積
   層してから加熱圧縮成形することを４？徴とする関節摺
   動部材の製造方法。