JPS63303003A - 基板への多孔性層取着方法 - Google Patents

基板への多孔性層取着方法

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JPS63303003A
JPS63303003A JP63016010A JP1601088A JPS63303003A JP S63303003 A JPS63303003 A JP S63303003A JP 63016010 A JP63016010 A JP 63016010A JP 1601088 A JP1601088 A JP 1601088A JP S63303003 A JPS63303003 A JP S63303003A
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porous layer
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titanium
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ジャック・ドウヴィヤール
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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】 本発明は基板への多孔性層取着方法に関し、より詳細に
は、肉のりの良い堅固な支持体に多孔性＃を取着しかつ
とくに好都合にプロテーゼ（人工器官）、とくにヒップ
プロテーゼの作成に適用されることができる基板への多
孔性層の取着方法に関するものである。
大多数のヒッププロテーゼはアクリルセメントによって
大腿骨に固められ九骨髄内ロッドからなる。セメントは
固まるとき、エキゾサーミック（発熱）重合を生じる。
かなシの量の熱が放出されかつ温度は局部的には６０℃
程変の値に達することができる。これは周囲組織の認め
得る第１期の壊死を結果として生じる。この種のプロテ
ーゼの他の欠点は、隣接する骨組織の熱膨張係数よ９１
０倍高いセメントの熱膨張係数が冷却時幾つかの場所に
数ミクロン倍の大きさかも知れないギャップを骨とセメ
ントの間に生ずることに起因する。
その上、セメント層はプロテーゼの金属ロッド上で少し
づつ砕かれかつ破壊されるかも知れない。
ま九、結果として生ずる破片はいつかは隣接する骨組織
の壊死を引き起し、かかる壊死は最後にロッドの解きほ
ぐしに至る。
セメントの使用を除去する多くの方法がこれらの欠点を
回避するように示唆されている。一般にこれらの方法に
おいては刻み目ま友は不規則な粗さがその骨髄管との接
触面全増大するために大腿骨の尾部Ｖｃｆ！！械加工″
を友は鋳造によシ作られる。
この方法は、このように形成された起伏（リリーフ）の
再配置によシ骨組織がプロテーゼと直接接触するので、
セメントの使用を回避するが、このような再配置（リハ
ビテーション）は一般に最適な状態において行なわれず
かつ制御し難い′ので信頼できない。
粉末冶金によシ多孔性領域を生ずる他のより信頼し得る
方法が示唆されている。
国際特許第８３１００２８２号は、多孔性領域が２つの
異なる粉末、例えば、チタンおよび鉄の混合物でプロテ
ーゼの表面を被覆することにより得られる方法を開示す
る。
部分的な密度上昇の後、２つの粉末のうちの一方は、例
えば溶解によシ除去され、他方の粉末の粒子間にかなシ
の空の空間を残す。
ヨーロッパ特許第０７５３７８号は多孔性領域が異なる
粒変の粉末を溶融することにより直接得られる方法を開
示する。第１粉末は大腿骨の尾部に対応するプロテーゼ
の表面と接触し、一方第２粉末は大腿骨頭部に対応する
プロテーゼの部分と接触する。粉末の賢明な選択および
密度上昇パラメータの制御は大腿骨尾部の側部に得られ
るような多孔性領域および同時にその頭部の側部に得ら
れるような濃度な領域を可能にする。
これら２つの最後に述べ友方法はそれ以前に述べｔ方法
より信頼し得るが、それらはまだ、主として、これら両
方の場合に多孔性領域が拡散によシ冶金学−に支持体に
接続されるという事実によシ、多数の欠点を有している
。しかしながら、２つの現象はプロテーゼが濃密な金属
支持体（チタン、チタン合金またはコバルトまたは鉄を
基礎にし九合金によって形成されることができる）によ
シ形成されるとき骨組織により再配置し得るヒッププロ
テーゼおよび支持体の表面に付着する多孔性被覆の機械
的特性の低下の一因となる。上昇され几温変（１１５０
〜１４５０℃程匿）は、とくに最も広く使用されるチタ
ン合金の場合に、支持体と被覆との間の接続を生じるの
に必要とされる。
かかる温度はβ粒のかなシの増大およびα粒接合の形成
に至り、それらの幾つかは支持体の機械的特性を低下す
る。この溶融温度は解触補助剤（例えば、銅ま几は銀）
によって減じられることができ、そしてこれはα／β構
造とβ構造との間の遷移温度の局部的変位を生じる。こ
れはβ構造の接続層の形成の一因となる。構造の変化は
刻み目を付ける作用、すなわちり２ツの開始をさらに高
く感知するチタン合金のクラックの伝播に対する感度を
増加する。
しかしながら、チタン合金支持体に対する小球体の冶金
学的接続は滑らかな支持体に機械加工された刻み目に等
しい。これは基板に冶金学的に接続される小球体１０を
示す添付の第１図に示される。拡散は小球体と基板との
間で行なわれるのですべてはこれが首部１４の形状を有
する刻み目が製造され次単−物体であるように起こる。
応力強度Ｋｔの同等な係数は接続半径まｆｃは小球体と
支持体との間の溶融首部の微小に比例してより高くなる
。
このジオメトリは溶融補助剤を有するかまたは有しない
自然溶融（外部応力なし）を便用する方法において観察
される。かかる補助剤が便用されるならば、β構造のβ
構造への変換温度より高い第１液体の出現温度は鍛造さ
れ次支持体の冷却時のα粒接合の形成および多孔性領域
を形成する小球体の部分溶解の一因となる。拡散領域（
第１図の符号１６）を通って延びる小さなａ板の形成は
応力による接続の脆性の一因となる。チタン合金支持体
に接続される多孔性層の場合において、問題は支持体の
強度にとくに好ましくない構造中の刻み目の存在につい
て生起する。かかる複合素子の機械的特性の低下は、試
験が滑らかな試験片で行なわれるときかかる合金におい
て測定される耐久限界の単に２０％であるかも知れない
耐久限界により、無視できない。
本発明の目的は、とくにプロテーゼを製造するのに使用
されることができかつ小球体が基板に容易に取着されか
つ該基板上に満足のいくように保持されることができる
基板への多孔性層取着方法を提供することによシ、これ
らの欠点を除去することである。
本発明による方法の主たる特徴によれば、基板が第１材
料から作られかつ多孔性層が第２材料から作られ、その
方法は、（ａ）前記第１材料が超可塑性である条件に前
記基板を置き、そして（ｂ）前記基板上の的紀多孔性ｉ
ｉｌ金該）ｆｌＪが前記基板の表面上を少なくとも部分
的に覆うように溶融する工程からなる。
好ましくは、前記８Ｉ！１および第２材料はチタン、コ
バルト、クロム、タンタルおよびそれらの合金により形
成されるグループに属する。
本発明の他の特徴によれば、多孔性層はその直径が１０
０〜１０００ミクロン、好ましくは５００〜６００ミク
ロンの間である小球体によって形成される。
第１材料がチタンであるとき、工程（ｂ）は７００〜９
５０℃、好ましくは８２５℃の温度で行なわれる。他の
金属または合金が使用されるならば、当該技術のエンジ
ニアは他の温度を遇択することができ、必須のことは第
１材料が使用される温度で超可塑性でなければならない
ということである。
工程（ｂ）が行なわれる圧力は１０〜３０ＭＰａの間、
好ましくは２０ＭＰａである。
好都合には、本方法は工程価）の前に行なわれかつ基板
の表面上に反拡散バリヤ金作ることからなる追加の工程
（ｃ）からなることができる。この反拡散バリヤは基板
の表面上に酸化物ｍｔ作ることによって得られることが
できる。
ま友、本方法は工程（ｂ）の前に行なわれ〃為つ上昇さ
れた温度で基板の外部に多孔性層を溶融することからな
る追加の工程（＜１）からなることができ、基板への取
着は第１材料がその超可塑性の範囲にあるとき工程＋ｂ
）によって形成される第２熱処理の間中行なわれている
。第２材料がチタンであるとき工程（＋１）は１０００
〜１４５０℃の間の、好ましくは１２５０℃の温度で行
なわれる。他の金属ま友は合金が使用されるならば、工
程（（１）は多孔性層が基板の外部に溶融されることが
できる温度で行なわれる。
最後に、本方法はプロテーゼの製造、とくにヒッププロ
テーゼの製造にとくに好都合に適用される。
また、現在超可塑性状態と呼ばれるものに関する幾つか
のよく知られている冶金の概念が想起される。一定の金
属については超可塑性状態は完全に再生されかつ制御さ
れることができる。それはその製造の間中金属に付与さ
れた処理に依存する。
例えば、針形状を有するチタンまたはその合金の１つか
らなる粉末は超可塑性の範囲を有していない。反対に、
鋳造により得られかつ次いでｕ６れかつ層状にされ次チ
タンまたはその合金の１つの試験片は温度範囲において
超可塑性の特性を付与する細かな等しい軸線の粒子を有
する構造金有している。このことは当該技術の技術者に
は良く知られている。例えば、ヨーロッパ特許第１９１
１８２号に記載されたチタンシートは超可塑性材料であ
る。
この特性の存在は材料の性質によるだけでなく、ま次付
与される冶金処理による。
本発明によれば支持体はこの特性を有する材料でなけれ
ばならない。多孔性層を形成する小球体の材料は超可塑
性の範囲を持友ない。小球体は真空中での霧化の未加工
生成物である。
本発明は添付図面に関連して以下の単なる例示の非限定
的例の説明からよシ明瞭に理解される。
上記で指摘したように、本発明による方法は主として、
基板が作られる材料が超可塑性である状態に基板を置き
かつその超町壓性範囲内にある基板上に小球体を溶融す
ることからなる。
幾つかの温度間隔において、チタンま文はチタン合金の
ごとき材料は超可塑性であり、すなわちそれらの材料は
比較的低温での低い応力によりかなりの大きさの変形を
受けることができる。チタンおよびその合金の場合にお
いて、これらの温度はほぼ７００〜１０００℃からなり
、その結果チタンま次はその合金は比較的低い温度で低
い応力により変形されることができる。この変形は小球
体キャップによる積み重ねの現象によって機械的に堅固
に固定されるような多孔性構造（小球体の積層によって
好ましくは形成される）を可能にする。この積み重ねは
、例えば酸化物層によって形成される反拡散バリヤを配
置することにより小球体と支持体との間の拡散なしに発
生される。
得られた結果は基板１２に取着された小球体１０を示す
第２図に示される。しかしながら、第１図の場合に発生
するものと反対に、小球体１０と基板１２との間に冶金
学的接続がない。小球体は、基板が使用される温度で超
可塑性であるという事実により、基板の表面に作られる
孔に成る程度まで押し込まれる。それゆえ、小球体１０
は球状キャップの形状を有する領域にわ九って基板と接
触する。小球体と基板との間に拡散がなかつ九ので小球
体の冶金学的構造は基板の冶金学的構造と異なる。拡散
の不存在は、拡散バリヤが、例えば多孔性層を溶融する
前に酸化物層を作ることにより基板の表面上に作られた
ことによる。第２図はα構造の小板１６がただ小球体内
にかつ小球体と基板に一１次がる領域にではなくいかに
存するかを示す。基板は粒子１８によって形成され九超
可塑性の等しい軸線の構造を有する。
金属または合金の超可塑性変形は一方でかつ同時に微小
構造を形成する粒子の大きさおよびこのような粒子の形
状のファクタに依存する。チタン合金のととき２相合金
の場合において、ま九、超可塑性変形は存在する位相の
容量濃縮に依存する。
第５図および第４図は、基板１２が筒状であるとき、例
えばこれがヒッププロテーゼのコアであるとき基板１２
上に多孔性／Ｉ’に配置する２つの主要な方法を示す。
第３図の場合に、多孔性１−はプロテーゼのコアを囲む
筒状円錐リングの形状を有している。多孔性層は基板が
前もって機械加工されることなく基板の表面に直接溶融
される。
第４図に示される場合には、多孔性構造は基板１２の表
面に直接配置されないが、基板の表面に作られた空所ま
たはさら穴２０内に配置される。
この場合には溶融が再び行なわれるが、多孔性層は空所
２０内の小球体１０の集合体をかしめることによシ堅固
に固定される。基板１２０表面からの空所２０の深さは
約０．５〜２１ｍからなる。基板１２がヒッププロテー
ゼのコアであるならば、直径は約１０〜２０ｎからなる
。
細かい粒状のチタン合金が基板１２を作るのに使用され
るとき、本方法の工程（ｂ）（すなわち基板がその超可
塑性範囲にあると同時に多孔性層の溶融が）は７００〜
９５０℃の間の温度で行なわれる。溶融はこの作業の几
めに作られかつ得られるべき複合体の形状を再生する鋳
型内で行なわれる。
１０〜３０ＭＰａの応力が、一方で小球体を互いに連結
するようにかつ他方で多孔性構造と接触する領域におい
て支持体を変形するよ５に鋳型に働かされる。留意され
るべきことは、基板と接触する小球体と基板との間には
反拡散バリヤの形成により拡散が存在しないけれども、
１つの小球体とその隣りとの間には拡散が存在しかつ小
球体は拡散によって互いに接続されるということである
。
多孔性層を基板に取着する友めには次のいずれかによる
。すなわち、小球体は基板が超可塑性であるｍ度に加熱
された後基板に直接溶融されることができる。また、第
１溶融は上昇された温度（１０００〜１４５０℃の間）
で基板の外部で行なわれることができかつ小球体は工程
（ｂ）である第２の熱処理、すなわち基板がその超可塑
性範囲にあるときの第２溶融の過程の間中基板に取着さ
れることができる。
本発明による方法は、プロテーゼ、とくに修復し得るヒ
ッププロテーゼの製造に主として適用される。その場合
に、プロテーゼのコアは過大な厚さの多孔性領域を受容
することができるブランクの形で鍛造することによシ得
られることができる。
コアは多孔性構造が結果としてそのまわシに付着される
プロテーゼの曲率にしたがって屈曲された筒状バーによ
って形成されることができる。
第５図は本発明による方法を行なうのに使用されること
ができる鋳型を示す。参照できるように鋳型２２は王と
して、例えば密封して機械的に溶接された鋼からなるこ
とができる金属ケース２６内に配置されたセラミック体
２４からなる。該セラ電ツク２４はその形状が得られる
べきプロテーゼの形状である空所２８を有している。こ
の空所２８はチャンネル３０を介してケース２６の外部
と連通する。まずプロテーゼのコア３２は鋳型の空所２
８内に製造されかつ配置される。コア３２の少なくとも
１部分と空所の壁との間に空間がある。小球体１０はこ
れらがコア３２と空所の壁間の空間全体を満九すまでチ
ャンネル３０を経由して導入される。必要ならば、粒子
は溶融前に減じられる。真空中で脱気した後、鋳型２２
は第５図に鎖線で略伝されたオートクレーブ３４内に配
置される。導管３６は多孔性層の溶融を行なうように、
圧縮ガス、例えば、アルゴンをオートクレーブ３４内に
導入することができ一方コ７３２はその超町塑範囲内に
ある。
ヒッププロテーゼは、第５図に示されるような装置を使
用して、以下の方法で、本発明による方法によって製造
されることができる。
まず、コア３２は得られるべきプロテーゼの形状にした
がって直径１０′Ｈの鍛造′ｒ１６人１４Ｖバーを屈曲
することによシ製造される。続いて機械加工される大腿
部ヘッド３３はシビング（ａｃｉｖｉｎｇ）によりて設
けられる。コアは、基板および多孔性層を形成する材料
により１０００℃で反応性を有しない、第５図に示され
るようなセラミック鋳を内に置かれた。鋳型の開放多孔
性は５０〜７０％の間である。次いでチタンまたはチタ
ン合金Ｔｉ６＾１４”／　の粒子は空所２８Ｐ′３に導
入される。粒子は球状でありかつ１００〜１０００ミク
ロンの間の、好ましくは５００〜６００ミクロンの間の
直重 径を有する。かかる直径はとくに骨生成に好都合である
開放多孔性を得ることができる。溶融の前に、粒子は２
０分間フルオロニトリツク溶液中で減じられ、次いでエ
チルアルコールですすがれかつ乾燥される。留意される
べきことは、コア３２が機械加工されるような未加工の
状態で使用されることができるかまたはその表面の制御
された酸化によシ酸化されることができるということで
ある。真空中で脱気した後、鋳型２２は基板の変形、多
孔性領域の積み重ね、かつまたチタン合金粒子の拡散に
よる相互接続を生じるように２０ＭＰａのアルゴン圧力
で４時間オートクレーブ３４内に置かれる。
Ｉ！６図は支持体の超町塑範囲にある、すなわち鍛造に
よシ得られた細かな粒子を有する小球体の積み重ねを本
発明により示す。小球体と、細かな等しい軸線のα結晶
化を有する、鍛造Ｔｉ６Ａ１４Ｖ合金からなる支持体と
の間に冶金学的接続は存在しない。積み重ねの品質は本
方法の実施中支持体の超可塑性状態が明らかに認められ
ることができることを明瞭に示す。
第７図ｔｄａ組織において「小枝細工」の屋で結晶化さ
れ几溶融Ｔｉ６Ａ１４ｖ合金からなる支持体に関する。
図面は積み重ねが超町産時性を持たない、すなわち溶融
によって得られる粗い粒子を有する支持体においてどう
して得られないかを明瞭に示す（第６図および第７図に
示された構造の製造を許容する熱機械処理条件は同一で
ある）。第８図は銀ろう付けによる支持体への粒子の接
続を示す。
支持体は変換針状β結晶化を生じた鍛造Ｔｉ　６１４Ｖ
合金からなる。金属表面拡大断面は小球体の構造とその
構造がどんなものであっても支持体との間の冶金学的連
続性全明瞭に示す。この場合に支持体はチタン合金に良
く知られている刻み目付は作用によシ脆くなる。
本発明に属さない第７図および第８図はその独創性を即
座に理解することができる。
したがって、本発明による方法は、球状粒子を基板に信
頼し得るようにかつ永続的に積み重ねることができる一
方従来の方法に存在しｔ脆弱性のすべての危険を回避す
るので、特別な利点を有する。これは、多孔性層がこれ
が付着させられる基板から離れる危険がないので、プロ
テーゼ、とくにヒッププロテーゼの分野においてとくに
好都合である。
最後に、本発明は、もちろん、前述されたその実施例に
のみ限定されず、多数の変形が本発明の範囲を越えるこ
となく考えられることができる。
例えば、当該技術の技術者は、基板がこれが超可塑性で
ある温度範囲に加熱されるという条件で、使用される装
置および試験条件を変更することができる。最後に、本
発明は主としてプロテーゼを製造するのに使用されるけ
れども、本方法は多孔性層が基板に取着されるすべての
分野に等しく適用される。
【図面の簡単な説明】
第１図は多孔性層を取着する従来方法によシ基板に取着
された小球体を示す拡大概略図、第２図は本発明による
方法によって得られる基板への小球体の取着を示す第１
図と同様な拡大概略図、 第３図は基板上の小球体によって形成される多孔性層を
配置するｊｉｇｌの方法を示す拡大概略断面図、 第４図は基板の表面上に多孔性Ｎｊヲ配置する他の方法
を示す８１！３図と同様な拡大概略断面図、第５図は本
発明による方法の実施の几め炉内に置かれた鋳型を示す
概略断面図、 第６図、第７図および第８図は本発明による方法と従来
技術との間の差異を示す金属表面拡大断面図である。 図中、符号１０は小球体、１２は基板である。 図面の浄書（内容に変更ない １１６図 第７図 第　　８　　図 手続補正書（顔） 昭和６３年　５月３１日

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）基板が第１材料から作られかつ多孔性層が第２材
    料から作られる、基板への多孔性層取着方法において、 （ａ）前記第１材料が超可塑性である条件に前記基板を
    置き、 （ｂ）前記基板上の前記多孔性層を該層が前記基板の表
    面上を少なくとも部分的に覆うように溶融する工程から
    なることを特徴とする基板への多孔性層取着方法。
  2. （２）前記第１材料がチタン、コバルト、クロム、タン
    タルおよびそれらの合金によつて形成されるグループに
    属することを特徴とする請求項（１）に記載の基板への
    多孔性層取着方法。
  3. （３）前記第２材料がチタン、コバルト、クロム、タン
    タルおよびそれらの合金によつて形成されるグループに
    属することを特徴とする請求項（１）に記載の基板への
    多孔性層取着方法。
  4. （４）前記多孔性層は複数の小球体によつて形成される
    ことを特徴とする請求項（１）に記載の基板上への多孔
    性層取着方法。
  5. （５）前記小球体の直径は１００〜１０００ミクロンの
    間で、好ましくは５００〜６００ミクロンの間であるこ
    とを特徴とする請求項（４）に記載の基板への多孔性層
    取着方法。
  6. （６）前記第１材料がチタンであるとき、前記工程（ｂ
    ）が７００〜９５０℃、好ましくは８２５℃の温度で行
    なわれることを特徴とする請求項（１）に記載の基板へ
    の多孔性層取着方法。
  7. （７）前記工程（ｂ）は１０〜３０ＭＰａ、好ましくは
    ２０ＭＰａの圧力で行なわれることを特徴とする請求項
    （１）に記載の基板への多孔性層取着方法。
  8. （８）前記工程（ｂ）の前に行なわれかつ前記基板の表
    面上に反拡散バリヤを作ることからなる追加の工程（ｃ
    ）からなることを特徴とする請求項（１）に記載の基板
    への多孔性層取着方法。
  9. （９）前記工程（ｃ）は前記基板の表面上に酸化物層を
    作ることにより行なわれることを特徴とする請求項（８
    ）に記載の基板への多孔性層取着方法。
  10. （１０）前記工程（ｂ）の前に行なわれかつ高い温度で
    前記基板の外部に前記多孔性層を溶融することからなる
    追加の工程（ｄ）からなることを特徴とする請求項（１
    ）に記載の基板への多孔性層取着方法。
  11. （１１）前記第２材料がチタンであるとき、前記工程（
    ｄ）が１０００〜１４５０℃、好ましくは１２５０℃の
    温度で行なわれることを特徴とする請求項（１０）に記
    載の基板への多孔性層取着方法。
JP63016010A 1987-01-28 1988-01-28 基板への多孔性層取着方法 Pending JPS63303003A (ja)

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