JPS6116183B2 - - Google Patents

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（ソケツトないしカツプ）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の組合
せにより比較的良好な結果が得られるようにな
り、1961年Charnleyがステンレス・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日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
られることの多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、金属又はセラ
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問題
があるほか、ネジ止め用の部位を選定するために
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
を発揮する利点を有するが、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
する固定面ないしは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、硬化時に発熱する性質を有するため、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。

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固定面
を含む層にリン酸カルシウム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。更に
リン酸カルシウムの骨組織誘導特性（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。

本発明の関節摺動部材は、上述の知見に基づく
ものであり、より詳しくは、骨頭を摺動可能に収
容する凹状摺動面と、骨に固定されるべき固定面
とを有する分子量100万以上のポリエチレン成形
体からなり、該成形体の少なくとも固定面を形成
する領域にはリン酸カルシウム粉末を配合してな
ることを特徴とするものである。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
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
れるソケツトの好ましい態様の断面図を示すもの
であり、ソケツト１は半球座面をなす摺動面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２をなす表層３ａを除く部分３ｂに
はリン酸カルシウム粉末が配合されている。また
ソケツ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
て凹凸ないし突起を設けることができるが、その
程度はポリエチレン単独成形体の場合に比べて軽
減することができる。

このようなソケツト１の取付構造は第２図に示
す通りである。すなわちソケツト１は骨盤を構成
する寛骨臼６にボーンセメント７を介して接合固
定される。一方、大腿骨近位部８に挿入されたた
とえばステンレススチール製の人工大腿骨９の骨
頭１０が、ソケツト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。

ソケツト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、ソケツト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。

成形用原料としてのポリエチレンとリン酸カル
シウムとの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微粉末がポリ
エチレン粉末粒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
る。

上述したポリエチレン粉末粒の表面にリン酸カ
ルシウム微粉末の付着した複合物を得るために
は、両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両粉末を投入し、
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
ないし軟化し、これにリン酸カルシウム粉末が付
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であることが好ましい。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、リン酸カルシウムの配合量が50％（重量％。
以下、特に断らない限り同様とする）を超える
と、撹拌翼にかかるトルクが過大となり、また成
形体の強度上も好ましくない。特に固定面を含む
層３ｂを構成する混合物中のリン酸カルシウム粉
末配合量は15〜35％の範囲が好ましい。一方、摺
動面２をなす表層３ａは、リン酸カルシウム粉末
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１０を含む人工骨９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
等の金属製材料が用いられるが、このような金属
材料製骨頭をリン酸カルシウム粉末を含むポリエ
チレン製成形体からなる摺動面と摺動させると、
ソケツト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。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0.2〜1.0mm、好ましくは0.3〜0.7mmの層
３ａは、リン酸カルシウム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図に例示したソケツトを製造するた
めの加熱圧縮工程を説明する。

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、キヤビテ
イ型１２およびコア型１３からなる。キヤビテイ
型１２は更に底部部材１２ａ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１
３ａと補助部材１３ｂから構成されている。

上記ソケツト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。まず好ましくは上記のようにして複合化状
態でリン酸カルシウム粉末を配合したポリエチレ
ン粉末を、その使用量の70〜85％の量でキヤビテ
イ型１２中に装入し、コア型１３ａとの間で圧縮
成形してリン酸カルシウム配合予備成形体を得
る。成形条件は、温度150〜170℃、圧力50〜90
Kg/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。他方、
同様にしてキヤビテイ型１２中に上記のようなポ
リエチレンの単独粉末をその使用量の70〜85％の
量範囲で装入し、上記と同様な条件で圧縮成形し
て、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１２中に、リン酸カルシ
ウム配合ポリエチレン粉末の残部、リン酸カルシ
ウム配合予備成形体、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170〜230℃、コア温度
140〜170℃、圧力80〜170Kg/cm²、時間45〜90分の
条件で圧縮成形することにより第１図に図示のよ
うなソケツトが得られる。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、若しコア温度をキヤビテイ温度に等
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、ポリエチレン
単独からなる摺動面層とリン酸カルシウムを配合
したポ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。また、１回の圧縮成形でソケ
ツトを得る場合のように、成形中の容積収縮が大
きくなるために寸法精度が低下する不都合が避け
られる。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独層を形成する
ためでもある。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はなく、予
備成形体同士を重ねて最終加熱加圧成形して一体
のソケツトを得ることもできる。

なお、前述したようにソケツトの摺動面を与え
る表層３ａはリン酸カルシウムを含まないことが
好ましいのに対して、固定面を与える外周層３ｂ
は接合強度を向上するという意味からはなるべく
多くのリン酸カルシウムを含むことが好ましい。
したがつて、層３ａ，３ｂ間でのリン酸カルシウ
ム配合量の差異による特性の差異を緩和し、機械
的強度も加味して全体として優れたソケツト構造
体を与えるために、たとえば第４図に示すように
中間に層３ｃおよび３ｄを挿入し、摺動面近傍か
ら固定面へと、すなわち層３ｃ，３ｄ，３ｂの順
で次第にリン酸カルシウムの配合量が増加するよ
うな層構成とすることも有効である。

上記においては、本発明を一例として、股関節
用のソケツトおよびその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
ポリエチレンおよびリン酸カルシウムの生体適合
性ならびに後者の骨組織誘導性を利用して生体内
の関節一般の摺動部材として特に適したものであ
るが、超高分子量ポリエチレンの自己潤滑性なら
びにリン酸カルシウムの配合による優れた耐クリ
ープ変形性を利用して、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。

また本発明の関節摺動部材は、アクリル樹脂系
のボーンセメントによる接合に対し極めて適して
いることが確認されているが、配合したリン酸カ
ルシウムが骨の基本的且つ主要な成分であり、ま
た骨組織誘導性を有することを考慮すると、上記
以外の骨接合用セメントに対する適合性も充分予
想される。

上述したように本発明によれば、生体適合性お
よび自己潤滑性等の望ましい性質を有する超高分
子量ポリエチレン製関節摺動部材において、なお
問題であつた剛性ないしは耐クリープ変形性およ
びボーンセメントによる接合性をリン酸カルシウ
ムの配合により改善した超高分子量ポリエチレン
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 実施例 １ 第１図に図示するようなソケツトを製造した。

超高分子量ポリエチレン（分子量450万、ヘキ
スト社製GUR403）2.5Kgにリン酸カルシウムCa₃
（PO₄）₂375ｇ、CaO・P₂O₅（モノカルシウムホス
フエート）75ｇ、4CaO・P₂O₅（テトラカルシウ
ムホスフエート）300ｇを加え、ヘンシエルミキ
サーに入れたのち、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
のヘンシエルミキサーに移し、樹脂を低速で撹拌
しながら冷却した。撹拌時には、ヘンシエルミキ
サー内には窒素ガスを充満させた。

上記の手法で複合化した超高分子量ポリエチレ
ン粉体を10ｇ計量し、第５図ａに示す形状の人工
股関節ソケツトのプリフオーム（内径16mm、外径
21mm）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に、超高
分子量ポリエチレン単体のみ４ｇを使用して第５
図ｂの様なプリフオーム（内径14mm、肉厚２mm）
を同様な条件で成形した。

これら２つのプリフオームを合せて、キヤビテ
イーに複合化した超高分子量ポリエチレンをさら
に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図に図示した様な構成の人工股
関節用ソケツトを成形することができた。

このソケツトは、従来のソケツトと比較して、
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ソケツトのそれに
比べて1/2〜1/3に減少した。

実施例 ２ 第４図に示す人工関節用ソケツトを製造した。

超高分子量ポリエチレン（分子量650万、ヘキ
スト社製GUR415）2.5Kgにリン酸カルシウムCa₃
（PO₄）₂をそれぞれ125ｇ（５％）、500ｇ（20
％）、750ｇ（30％）を加え、実施例１で示した手
法で３種類の超高分子量ポリエチレン複合材を作
成した。

次にリン酸カルシウム５％を配合した超高分子
量ポリエチレンを2.8ｇ、20％配合物を3.6ｇ、30
％配合物を4.5ｇをそれぞれ内径が15mm、厚さ２
mm、内径が17mm、厚さが２mm、内径が19mm、厚さ
が２mm計３個の半球殻に予備成形した（第６図
ａ，ｂ，ｃ）。その後、それぞれの半球殻を重ね
合せ、更にその上に2.3ｇの予備成形した超高分
子量ポリエチレン殻（第６図ｄ）を加え、第４図
に示す様な形に加熱圧縮成形した。予備成形条
件、合成成形条件はそれぞれ実施例１におけると
同様であつた。

この様に成形した人工関節用ソケツトは、従来
のポリエチレン単体のソケツトに比較して、関節
シミユレータで０←→400Kgのくり返えし荷重を６
×10⁶回かけた結果、クリープ変形が1/2〜1/3と
小さく、かつ、適度な弾性を有し、外周部の変形
は少なく寛骨臼に密着する確率を向上した。

実験例 リン酸カルシウムの配合の有無による初期接着
強度の変化を試験した。(イ)超高分子量ポリエチレ
ン単独、(ロ)リン酸カルシウム混合物（混合比は実
施例１と同じ）を30％添加した超高分子量ポリエ
チレンをそれぞれ用いて、いずれも厚み２mm、巾
15mmのシート状になるよう圧縮加熱して成型し
た。

得られたシートは各々２枚ずつの試料片とし、
同じ材料のシートどうしをボーンセメントを用い
て接着し、３時間後に接着強度を測定したとこ
ろ、(イ)の超高分子量ポリエチレン単独のシートど
うしでは0.44Kg/cm²、(ロ)のリン酸カルシウム混合
物を添加したシートどうしでは2.2Kg/cm²であり、
(イ)のものにくらべ５倍の初期接合強度を示し、少
量のボーンセメントでも効果があることがわか
る。

【図面の簡単な説明】

第１図および第４図は、それぞれ本発明の関節
摺動部材の実施例にかかる股関節用ソケツトの積
層断面図、第２図は同ソケツトの人体への取付状
態を示す部分断面図、第３図は同ソケツトの製造
工程における金型の一部切欠正面図、第５図ａ，
ｂは第１図のソケツトを構成する予備成形体の組
を示す断面図、第６図ａ〜ｄは第４図のソケツト
を構成する予備成形体の組を示す断面図である。 １……ソケツト（関節摺動部材）、２……摺動
面、３……ポリエチレン成形体（３ａ……摺動面
形成層、３ｂ……固定面形成層、３ｃ，３ｄ……
中間層）、６……寛骨、７……ボーンセメント、
９……人工大腿骨、１０……骨頭、１２……キヤ
ビテイ型、１３……コア型。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 骨頭を摺動可能に収容する凹状摺動面と、骨
   に固定されるべき固定面とを有する分子量100万
   以上のポリエチレン成形体からなり、該成形体の
   少なくとも固定面を形成する領域にはリン酸カル
   シウム粉末を配合してな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項記載の関
   節摺動部材。 ３ 摺動面にはリン酸カルシウムの含まれていな
   い前記ポリエチレンの層を形成してなる特許請求
   の範囲第１項または第２項記載の関節摺動部材。 ４ 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項ないし第３項のいずれか１項記載の
   関節摺動部材。 ５ 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。 ６ ポリエチレン粉末にリン酸カルシウム粉末を
   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
   項記載の関節摺動部材の製造方法。