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JP3145586B2 - 生体用インプラント部材 - Google Patents

生体用インプラント部材

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JP3145586B2
JP3145586B2 JP26651594A JP26651594A JP3145586B2 JP 3145586 B2 JP3145586 B2 JP 3145586B2 JP 26651594 A JP26651594 A JP 26651594A JP 26651594 A JP26651594 A JP 26651594A JP 3145586 B2 JP3145586 B2 JP 3145586B2
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JP
Japan
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titanium
intermediate layer
film
layer
thickness
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JP26651594A
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浩一 山口
桂 林
保典 田村
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Kyocera Corp
Original Assignee
Kyocera Corp
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Publication date
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、生体の股関節、肩関
節、膝関節などに用いられる生体用インプラント部材に
関する。
【0002】
【従来の技術】病気や事故によって失われた骨や関節の
機能を修復する生体用インプラントの材質として従来よ
り金属、高分子、セラミック等が用いられている。これ
らには生体適合性、静的強度、耐摩耗性などが要求され
ているが、最近では航空機用エンジンなどに使用され、
比強度、耐蝕性、生体適合性に優れるチタンあるいはT
iー6Alー4V合金などのチタン合金が用いられよう
になってきた。
【0003】このチタン系金属は、近年、航空機用部材
のみならず、海洋開発用機器、自動車、化学工業プラン
ト、医療用具等々の機械構造用部材としての用途を拡大
しつつあり、例えば特開平2ー185964号公報には
チタンもしくはチタン合金からなる基材の表面に酸化チ
タン系層を介してTiーAl系金属間化合物層を形成す
ることにより、耐酸化性の優れた軽量構造材料の発明が
記載され、自転車、航空宇宙産業の分野での使用拡大と
なっている。
【0004】このようなチタン系金属を医療用に用いる
場合、上述のように比強度、耐蝕性、生体適合性に優れ
る一方、耐摩耗性に難があり、これを改善するため、そ
れ自体の耐摩耗性を向上せしめたり、あるいは靱性には
著しく劣る一方、耐蝕性、耐摩耗性に優れるアルミナと
組み合わせる工夫が数多く試みられてきた。
【0005】このような提案として、例えば、 米国特許第4,693,760号ではN,Cイオンな
どをイオン注入することにより耐摩耗性が大幅に改善し
たものが記載されている。
【0006】特開平5ー317346号公報ではTi
N、Zr、TiB2 、Al2 O 3 、ダイヤモンドの硬質セ
ラミック材料を5〜15mmの厚さで金属合金の表面に
コーティングしたインプラント部材が記載されている。
【0007】特開昭62ー122669号公報では、
チタン、チタン合金の表面に、Ti,Nb,Ta,B,
Si,Zr,Hf,W,Mo,Alの窒化物、炭化物、
ホウ化物、炭窒化物、炭酸化物、炭酸窒化物、酸化物を
0.1〜30μm コーティングした生体インプラント部
材が記載されている。
【0008】特開平5ー168691号公報では、金
属製の人工骨頭の表面に酸化チタンを3%含むやや軟質
のアルミナ層を溶射し、その上からホワイトアルミナを
溶射した人工関節が記載されている。
【0009】特開平4ー295354号公報では、摺
動部を有する人工関節の摺動表面に爆発溶射によりセラ
ミックコーティング層が形成され、そのコーティング層
を鏡面仕上げすることにより摺動性と耐摩耗性が改善さ
れることが記載されている。
【0010】
【従来技術の課題】しかしながら、上記従来技術には以
下のような問題があった。すなわち、のイオン注入処
理による前記従来の表面改質方法は処理の制御性が優
れ、低温処理である長所があるが、効果を出すためには
多量のイオンを注入せねばならないことから面倒で、コ
スト高となる。また、注入原子の偏析により特性劣化が
あり、さらに残留歪みにより処理膜が剥離することが報
告されている。
【0011】また、のように通常のPVD法によるコ
ーティング方法で5〜15μm 厚の膜を形成するために
は通常の2〜4μm の厚さに比べ、非常にコスト高にな
り、また膜のクラッキングや剥離が発生し易い。
【0012】また、のように熱CVD、プラズマCV
D、レーザーCVD、イオンプレーティングによって表
面膜を形成する場合も膜のクラッキングや剥離が発生し
易い。
【0013】また、の金属表面上に形成されるアルミ
ナセラミック層は100〜300μm の厚膜となるた
め、金属と膜の界面における密着強度が非常に小さいた
め剥離し易い。
【0014】さらに、のようにコーティング層を鏡面
仕上げした場合、コスト高となるうえに爆発溶射により
コーティング層が形成されているので、鏡面仕上げをせ
ざるを得ないという問題があった。
【0015】
【課題を解決するための手段】上記従来技術の課題を解
決するため、本発明はチタンまたはチタンを含む合金か
らなる基材の表面にAl/O原子比が1乃至10の、Al
2 O 3 よりもアルミニウムを多く含むAlーO系中間層
を形成した後、Al2 O 3 からなる表面膜を更に被覆した
ことを特徴とする生体用インプラント部材を提供するも
のである。
【0016】
【作用】生体インプラントとしての金属材料はコバルト
・クロム・モリブデン合金が多く用いられているが、人
体の生物学的組織内に長期間置いた後に腐食による金属
イオンの溶出が報告されている。このため、基材として
チタン又はチタン合金等のチタン系金属を用いれば、耐
蝕性の面から優れ、コバルト・クロム・モリブデン合金
に比較して生体適合性もずっと優れたものになるが、耐
摩耗性が劣る。従って、チタン系金属の基材の表面にAl
2 O 3 の表面膜をコーティングする。
【0017】この場合、Al2 O 3 を直接チタン系金属の
基材に被覆すると密着力が弱く、さらにチタン系金属と
Al2 O 3 の熱膨張率がそれぞれ9×10-6deg -1、6×
10-6deg -1であるため、熱膨張差による大きな残留応
力が発生することもあって、表面膜が剥離し易い。また
基材の硬度が比較的大きく、その影響で表面膜の硬度も
不十分となる可能性がある。
【0018】そこで本発明では上記基材とAl2 O 3 の表
面膜との間に、Al/O原子比が1乃至10でAl2 O 3
とアルミニウムから構成され、且つアルミニウムを多量
に含む中間層を介在させる。この中間層は、アルミニウ
ムを多量に含むことに起因して組織上は金属アルミニウ
ムとAl2 O 3 により構成され、上記中間層中の金属アル
ミニウムが下地、すなわち基材のチタン系金属との間で
金属どうし融着することにより大きな密着力で接合し、
さらに中間層内のAl2 O 3 と表面膜を構成するAl2 O 3
との融着で中間層と表面膜も大きな密着力で結合する。
【0019】また、上記の中間層は概ね、6〜9×10
-6deg -1の熱膨張係数を有しており、従って基材から表
面膜への熱膨張係数の傾斜機能により熱による表面膜の
剥離という問題を防止することができる。
【0020】なお、上記表面層の好ましい膜厚は0.1
〜5μm である。膜厚を5μm より大きくした場合、残
留応力の増大によりクラッキングと剥離が起こる恐れが
あるとともに、表面凹凸が大きくなり、コーティング後
に鏡面仕上げする必要が生じる恐れがある。他方、膜厚
が0.1μm より小さい場合、耐久性が低くなる恐れが
ある。より好ましい膜厚は0.7〜2μm で、表面粗
さ、成膜コスト等に鑑みて任意に厚さを選択すれば良
い。
【0021】また、前記中間層の好ましい層厚は0.0
3μm 〜0.8μm である。層厚が0.03μm より小
さいと、前記傾斜機能が不足気味となり、他方0.8μ
m より大きいと層内破壊を起こしやすくなる恐れがあ
る。
【0022】
【実施例】以下、実施例により本発明を更に詳細に説明
する。 (実施例1)まず、基材として15×15×2mmのT
i−6Al−4Vの合金板の表面を鏡面研磨し、長音波
洗浄乾燥した。これを酸素イオンのイオン照射とアルミ
ニウムを蒸発源とした真空蒸着を併用する薄膜形成装置
(イオンビームアシステッドデポジション装置=IBA
D装置)にセットした。
【0023】装置内を10-6torrまで真空引きした
後、イオン源から酸素イオンを加速電圧5KVの条件で
基材表面に照射して基材表面をクリーニング処理した。
その後、酸素イオンの加圧電圧を20KVとしアルミニ
ウムの蒸着速度と酸素イオン照射量によるAl/O輸送
比を制御することによって表1に示すAl/O原子比の
中間層を0.2μm の厚みで形成した後、さらに1.0
μm のAl2 O 3 の表面膜を順次形成した。なお、中間層
のAl/O原子比はXPSにより測定した。
【0024】このサンプルを空気中にて25℃と300
℃の温度間を1分サイクルで繰り返した。
【0025】表1にAl2 O 3 膜の剥離したサイクル数を
示す。
【0026】
【表1】
【0027】表1から明らかなように、Al/O原子比
が1未満の実験番号1と実験番号2ではAl2 O 3 とあま
り変わらないので中間層の効果がない。Al/O原子比
が10を超す実験番号7では、また硬度が小さくなって
しまう。なお、この実験番号7の中間層の原子比では熱
膨張係数が大きくなり過ぎるという不具合がある。
【0028】なお、望ましいAl/O原子比は2乃至5
である。
【0029】(実施例2)図1および図2は人工股関節
Aを構成する本発明の生体用インプラント部材としての
人工骨頭1を示したものであり、人工股関節Aにおいて
ステム2の先端に骨頭1が嵌合されている。骨頭1はチ
タン合金基材3の表面にAl/O原子比=10の中間層
4を介して、最表面にAl2 O 3 の表面膜5がコーティン
グされている。
【0030】以下、上記骨頭1における中間層4と表面
膜5の形成方法について説明する。
【0031】チタン合金基材3はTiー6Alー4V合
金で、球面加工機械により表面粗さRa=50nmに鏡
面仕上げされている。これを図3に示すようなIBAD
装置(イオンビームアシステッドデポジション装置)の
自公転するサンプルホルダー6にセットした。このIB
AD装置は、電子ビーム真空蒸発源7からのAlの真空
蒸着量を膜厚モニター8でモニターしなら、ECRイオ
ン源8から酸素イオンビームを基材3の表面に照射させ
薄膜を形成するものである。
【0032】チタン合金基材3をIBAD装置のサンプ
ルホルダー6にセットしてから、装置内を2×10-6
orrに真空引きを行い、2KeVの酸素イオンで表面
クリーニングを行った。続いて酸素イオンビームエネル
ギー:20KeV、輸送比Al/O=10の条件で中間
層を0.2μm の厚みで形成し、さらに酸素イオンビー
ムエネルギー5KeV、輸送比Al/O=3の条件でAl
2 O 3 を0.9μm の厚みで形成した。
【0033】以上のコーティング作業の後、X線回折測
定により骨頭1の表面にα−Al2 O3 が形成されている
ことが確認された。また、XPSによる深さ方向の組成
分析を行った。その結果、中間層は0.2μm 、α−Al
2 O 3 層は0.9μm であった。
【0034】さらに、硬度測定と表面粗さの測定を行っ
たところ、ヌープ硬度は2500、表面粗さは50nm
で変化していなかった。
【0035】
【発明の効果】叙上のように、本発明によれば、チタン
系金属の基材とAl2 O 3 の表面膜との間に、Al/O原
子比が1乃至10の、Al2 O 3 よりもアルミニウムを多
く含むAlーO系中間層を介在させたことにより、金属
どうしの融着により大きな密着力で接合し、さらに中間
層内のAl2 O 3 と表面膜を構成するAl2 O 3 との融着で
中間層と表面膜も大きな密着力で結合するので表面膜の
剥離の問題が起こり難く、また、上記の中間層は概ね、
チタン系金属とAl2 O 3 の熱膨張係数の間にある6〜9
×10-6deg -1の熱膨張係数を有しており、従って熱膨
張係数の傾斜機能により熱による表面膜の剥離という問
題を防止することができる。
【0036】そして、生体適合性、耐摩耗性に優れるAl
2 O 3 膜が十分な密着強度を持ってコーティングされて
いるため、高密度ポリエチレンとの摺動による摩耗量を
大幅に減らせることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明実施例の生体用インプラント部材として
の人工骨頭を搭載した人工股関節の側面図である。
【図2】図1中に示される人工骨頭の中央断面図であ
る。
【図3】本発明実施例においてコーティング作業に用い
られる装置の概略図である。
【符号の説明】
A 人工股関節 1 (人工)骨頭 2 ステム 3 基材 4 中間層 5 表面膜 6 サンプルホルダー 7 電子ビーム真空蒸発源 8 ECR蒸発源
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) A61L 27/00 C23C 16/00 - 16/56 C23C 14/00 - 14/58

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 チタンもしくはチタンを含む合金からな
    る基材の表面に、Al/O原子比が1乃至10でAl2 O
    3 とアルミニウムから構成される中間層を介して、Al2
    O 3 の表面膜を形成してなる生体用インプラント部材。
JP26651594A 1994-10-31 1994-10-31 生体用インプラント部材 Expired - Fee Related JP3145586B2 (ja)

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ATE435039T1 (de) * 2006-10-18 2009-07-15 Depuy Products Inc Aluminiumoxid-beschichtete implantate und komponente
JP5904485B2 (ja) * 2011-12-15 2016-04-13 学校法人中部大学 人工関節部材の製造方法

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