JP5742031B2 - 人工関節 - Google Patents

Description

本発明は、人工関節に関し、詳細には、人工関節が有する摩擦面（摺動面）の形状に関する。

人工関節は、互いに接触した状態で相対的に摺動する摩擦面（摺動面）を有する。具体的には、人工関節は、互いに連結されることで関節を構成する一対の関節部材を有し、関節部材同士の連結部分における接触面が、関節の動きにともなって潤滑液を介して摺動する摩擦面となる。人工関節における摩擦面を形成する摩擦材料の組み合わせとしては、ポリエチレン等の樹脂材料と、金属やセラミックス等の硬質材料との組み合わせが選択されることが多い。

このため、人工関節の摩擦面においては、硬質材料に対して軟質な樹脂側の摩擦材料の摩耗が問題となる。そこで、従来、硬質材料の表面粗さを低下させることや、摩擦面における親水・疎水特性の改善等が行われている。また、硬質材料については、アルミナおよびジルコニア系セラミックスの優位性が例証されている一方で、これらの材料が有する低靭性という特性ゆえの破壊問題が現実問題として起きている。かかる観点から、硬質材料としては、高靭性・延性能力を有する金属材料のフェイルセイフ的特徴を見逃すことはできない。

特に、人工関節の一種である人工股関節においては、凹曲面を形成するカップ状の部分に凸曲面を形成するボール状の部分が嵌り込むという連結構造が一般的であることから、摩擦面の形状が単純である。このため、人工股関節においては、摩擦面となる凹曲面と凸曲面との間における径方向の隙間の寸法や摩擦面の表面粗さ等の最適調整によって、摩耗を抑制することが試みられている（例えば、特許文献１参照。）。しかし、人工股関節においては、現実問題として、人工股関節の使用者の長期立脚時等、摩擦面間において潤滑液により形成される流体膜が破断する機会が多々あるため、摩擦面における潤滑特性の改善や流体膜の速やかな再形成が必要である。

また、人工関節において摩擦材料の摩耗を抑制するための技術として、摩擦面に溝状の凹部を形成する技術がある（例えば、特許文献２参照。）。特許文献２の技術では、摩擦面に形成される凹部は、硬質材料側の摩擦面に固体潤滑膜としての薄膜を形成する合成樹脂を埋設するためや、樹脂の摩耗粉を潤滑液によって流し込むための部分として用いられている。

このように、人工関節においては、摩擦材料、特にポリエチレン等の樹脂材料の摩耗を抑制することが課題として存在している。そして、従来は、摩擦材料の摩耗による擦り減りが、人工関節の寿命を決定づける主な要因であった。

人工関節における摩擦材料の摩耗に対する対策としては、摩擦材料であるポリエチレン等の樹脂材料の特性の改善や、摩擦面において局部的に接触圧力が高い箇所が発生することを防止する観点からの摩擦材料の形状デザインの改善等が行われた。樹脂材料の特性の改善としては、具体的には、樹脂材料の高分子化や、ガンマ線を照射すること等による樹脂材料の架橋化を図ること等が行われた。また、摩擦材料の形状デザインについては、摩擦面における接触圧力が均一的にかつ低くなるような形状デザインが採用された。このような摩擦材料の摩耗に対する対策により、人工関節における摩擦材料の摩耗が抑制され、摩擦材料の摩耗による擦り減りを原因とする人工関節の寿命の低下の問題は、現状ほぼ解消されている。

しかしながら、上記のような摩耗に対する対策、主に樹脂材料の特性の改善にともない、人工関節の摩擦面から摩耗により生じる摩耗粉のサイズが小さくなるという現象が生じた。実際、人工関節の摩擦面からは、数μｍからサブミクロンサイズ程度の摩耗粉が生じることがわかっている。このように摩耗粉のサイズが小さくなることは、人工関節を保有する体内において好ましくない生体反応（生体活性）を誘発する。

具体的には、人工関節の摩擦面からポリエチレン等の微少な摩耗粉が生じると、その摩耗粉がマクロファージによる貪食の対象となる。摩耗粉を貪食したマクロファージは、細胞内シグナル伝達を経てＴＮＦ−α、ＩＬ−６等の炎症性サイトカインを放出する。マクロファージから放出される炎症性サイトカインは、破骨細胞を活性化し、人工関節の周囲で炎症をともなう骨融解を生じさせる。人工関節周囲で生じる骨融解は、人工関節再置換術の原因となる人工関節の緩み（ルースニング）を生じさせる。人工関節再置換術は、患者にとって大きな負担となり、その負担は、高齢者の患者にとっては特に大きい。

このような摩耗粉による生体活性に関しては、摩耗粉のサイズが生体活性の程度に大きく影響することが判明している（例えば、非特許文献１参照。）。過去の研究等によれば、摩耗粉のサイズが１μｍ程度よりも小さくなると、マクロファージによる生体活性が顕著となる。

そこで、摩耗粉による生体活性を抑制するための方法として、摩擦面から生じる摩耗粉のサイズを大きくすること、および、個々の摩耗粉の重量は維持しつつ、摩耗粉の形態を生体活性が起こらないような形態にすることが考えられる。前者の方法としては、例えば、複数の摩耗粉を凝集させ、あるいは一体化させることにより、摩耗粉を大きな塊となるようにする。また、後者の方法としては、例えば、摩耗粉の形状を、マクロファージに貪食されない程度の長さを有する細長い形状にしたり、摩耗粉を綿埃のような形状にすることで摩耗粉の密度を下げ、摩耗粉の見かけのサイズをマクロファージに貪食されない程度のサイズにしたりする。

これらの方法を実施するためには、前述したように樹脂材料の特性を変えたり、摩擦材料の形状を変えたりすることは有効ではない。実際、ポリエチレンと架橋ポリエチレンとを同じ摩擦条件のもとで分析すると、摩耗粉のサイズについては、架橋ポリエチレンの方が小さめではあるものの、摩耗粉のアスペクト比や真円度等、摩耗粉の形態に関する値は、ポリエチレンと架橋ポリエチレンとで同程度である。また、摩擦材料の形状の面から摩擦の状態が異なる人工股関節と人工膝関節との関係においても、ポリエチレンと架橋ポリエチレンとの関係と同様に、摩耗粉のサイズについては差があるものの、摩耗粉の形態に関する値は同程度である。

また、摩擦面から生じる摩耗粉のサイズを大きくする方法としては、ポリエチレン等の樹脂材料の相手方の摩擦材料である金属等の硬質材料側の摩擦面を、傷を付けること等によって粗くすることで、樹脂材料の摩耗粉が大きくなるようにする方法がある。このように硬質材料側の摩擦面を粗くする方法によれば、マクロファージの貪食の対象になりやすい０．１−１．０μｍのサイズの摩耗粉の数・量は減り、個々の摩耗粉による生体活性は減るものの、摩耗粉の総数・総量は数倍程度に増加し、結果的に全体的な生体活性は増大するという研究結果が得られている。

ここで、人工関節における摩擦面の表面粗さと摩耗量との関連性についての考察を加える。人工関節の摩擦面の環境は、摩擦面間を湿潤状態とする体液・二次関節液の粘度が低いこと、摩擦面間の荷重が大きい（例えば体重の３．５倍程度）ことから、ウエットというよりもドライに近い環境であるといえる。このため、摩擦面の表面粗さが大きくなると、切削性の摩耗が支配的となることで、摩耗量が増加し、摩擦面の表面粗さが小さくなると、凝着性の摩耗が支配的となることで、摩耗量が増加する。つまり、ドライに近い摩擦面環境においては、摩擦面の表面が滑らかなほど摩耗量が減少するということではなく、摩擦面の表面粗さについて摩耗量が少なくなる最適な値の範囲が存在する。現在、多くの人工関節は、硬質材料側の摩擦面の表面粗さがＲａの値で０．０２〜０．２μｍの範囲となるように製造されている。

以上のように、現在では、摩耗粉の微細化にともなうマクロファージによる生体反応の発生が、従来における摩擦材料の摩耗による擦り減りに代わり、人工関節の寿命を決定づける主な要因となっている。そして、摩耗粉による生体活性を抑制するためには、樹脂材料の特性や摩擦材料の形状の改善、あるいはＲａの値等で表記できる摩擦面の表面粗さの調整によっては限界がある。とりわけ、摩擦面の表面粗さについては、摩擦面の環境が完全なウエットの状態であれば、摩耗粉を発生させる摩擦材料の摩耗を抑制する観点からは、Ｒａの値は小さければ小さいほど好ましいが、人工関節では、上記のとおり摩擦面間に存在する体液等の粘度が低いこと等の理由から、摩擦面において完全にウエットの環境を実現することは困難である。

特表２０００−５０８２１２号公報 特開平７−２９９０８６号公報

Ｊ．Ｂｒｉｄｇｅｔ Ｍａｔｔｈｅｗｓ，Ａｌｆｒｅｄ Ａ．Ｂｅｓｏｎｇ，Ｔｉｍ Ｒ．Ｇｒｅｅｎ，Ｍａｒｔｉｎ Ｈ．Ｓｔｏｎｅ，Ｂ．Ｍｉｋｅ Ｗｒｏｂｌｅｗｓｋｉ，Ｊｏｈｎ Ｆｉｓｈｅｒ，Ｅｉｌｅｅｎ Ｉｎｇｈａｍ：Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｏｆ Ｐｒｉｍａｒｙ Ｈｕｍａｎ Ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌ Ｂｌｏｏｄ Ｍｏｎｏｎｕｃｌｅａｒ Ｐｈａｇｏｃｙｔｅｓ ｔｏ Ｃｈａｌｌｅｎｇｅ ｗｉｔｈ Ｉｎ Ｖｉｔｒｏ Ｇｅｎｅｒａｔｅｄ Ｃｌｉｎｉｃａｌｌｙ Ｒｅｌｅｖａｎｔ ＵＨＭＷＰＥ Ｐａｒｔｉｃｌｅｓ ｏｆ Ｋｎｏｗｎ Ｓｉｚｅ ａｎｄ Ｄｏｓｅ，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ，２９６−３０７，２０００．

本発明は、上記のような背景技術に鑑みてなされたものであり、その解決しようとする課題は、摩擦材料の摩耗を抑制することができるとともに、摩擦面から生じる摩耗粉による生体活性を抑制することができる人工関節を提供することにある。

本発明の人工関節は、関節を構成する一対の関節部材を有し、該一対の関節部材間に、潤滑液を介して互いに接触した状態で相対的に摺動する一対の摩擦面を形成する人工関節であって、前記一対の摩擦面のうち少なくとも一方の前記摩擦面は、前記摩擦面の深さ方向に沿う断面視で前記摩擦面の表面側から前記深さ方向の奥側にかけて徐々に幅が狭くなるように鋭角状をなす斜面部を有する溝状および穴状の少なくともいずれかの凹部と、該凹部を形成する前記斜面部と前記摩擦面の表面部を形成する面とを連続させる凸状の曲面として形成される曲面部と、を有するものである。

また、本発明の人工関節においては、好ましくは、前記凹部の深さは、大きくてもサブミクロンサイズであるものである。

また、本発明の人工関節においては、好ましくは、前記一対の摩擦面のうち、一方の前記関節部材により形成される前記摩擦面は、金属材料により形成され、他方の前記関節部材により形成される前記摩擦面は、樹脂材料により形成されるものであり、金属材料により形成される前記摩擦面に、前記凹部と前記曲面部とを有するものである。

また、本発明の人工関節においては、好ましくは、前記凹部は、サイズ、形状、および前記摩擦面における分布密度の少なくともいずれかの調整により、前記摩擦面から生じる摩耗粉の量、サイズ、および形状の少なくともいずれかをコントロールするための形状部分として用いられるものである。

また、本発明の人工関節においては、好ましくは、前記凹部は、前記摩擦面から生じる摩耗粉がマクロファージによる貪食の対象から除外されるサイズ・形状となるように形成されているものである。

本発明によれば、摩擦材料の摩耗を抑制することができるとともに、摩擦面から生じる摩耗粉による生体活性を抑制することができる。

本発明の一実施形態に係る摩擦面構造を示す断面図。 本発明の一実施形態に係る摩擦面の加工方法の一例についての説明図。 本発明の一実施形態に係る摩擦面構造の他の例を示す断面図。 本発明の一実施形態に係る人工関節の構成を示す図。 本発明の一実施形態に係る人工関節における摩擦面構造を示す断面図。 本発明の実施例に係る試験装置の概略を示す図。 本発明の実施例に係る潤滑液の内容の表を示す図。 本発明の実施例に係る第一の比較例品の表面解析結果を示す図。 本発明の実施例に係る第二の比較例品の表面解析結果を示す図。 本発明の実施例に係る第三の比較例品の表面解析結果を示す図。 本発明の実施例に係る第一の実施例品の表面解析結果を示す図。 本発明の実施例に係る第二の実施例品の表面解析結果を示す図。 本発明の実施例に係る第三の実施例品の表面解析結果を示す図。 本発明の実施例に係るスクラッチ痕の表面解析結果を示す図。 本発明の実施例に係る実験中の摩擦係数の推移の計測結果の一例を示す図。 本発明の実施例に係る切削性摩耗についての説明図。 本発明の実施例に係る凝着性摩耗についての説明図。 本発明の実施例に係る実験後の超高分子量ポリエチレンの摩耗重量の計測結果の一例を示す図。 本発明の実施例に係る摩擦面の顕微鏡写真の一例を示す図。 本発明の実施例に係る摩擦面の顕微鏡写真の一例を示す図。 本発明の実施例に係る第一の比較例品に対応する超高分子量ポリエチレンの表面の顕微鏡写真を示す図。 本発明の実施例に係る第二の比較例品に対応する超高分子量ポリエチレンの表面の顕微鏡写真を示す図。 本発明の実施例に係る第三の比較例品に対応する超高分子量ポリエチレンの表面の顕微鏡写真を示す図。 本発明の実施例に係る第一の実施例品に対応する超高分子量ポリエチレンの表面の顕微鏡写真を示す図。 本発明の実施例に係る第二の実施例品に対応する超高分子量ポリエチレンの表面の顕微鏡写真を示す図。 本発明の実施例に係る第三の実施例品に対応する超高分子量ポリエチレンの表面の顕微鏡写真を示す図。 本発明の実施例に係る凹部の作用についての説明図。 本発明の実施例に係る凹部の作用についての説明図。 本発明の実施例に係る凹部の作用についての説明図。 本発明の実施例に係る摩耗粉の観察例としての顕微鏡写真を示す図。 本発明の実施例に係る摩擦面の表面粗さと摩耗粉の粒径との関係を示す図。 本発明の実施例に係る摩擦面の表面粗さと摩耗粉の形態との関係を示す図。 本発明の実施例に係る摩擦面の表面粗さと総摩耗量との関係を示す図。 本発明の実施例に係る凹部の量と摩耗粉の粒径との関係を示す図。 本発明の実施例に係る凹部の存在比率と摩耗粉の形態との関係を示す図。 本発明の実施例に係る凹部の深さと総摩耗量との関係を示す図。 本発明の実施例に係る凹部の広さと総摩耗量との関係を示す図。

本発明は、人工関節において関節を構成する部材間の摺動面等の摩擦面の形状を工夫することにより、摩擦面における摩耗を低減させるとともに、摩擦面の微細形状（テクスチャ）を制御することにより摩耗のメカニズムを変化させることで、摩擦面から生じる摩耗粉の形態を制御し、マクロファージが摩耗粉を貪食することによる生体活性の上昇を抑制しようとするものである。以下、本発明の実施の形態について説明する。

図１に示すように、本実施形態に係る摩擦面構造は、他の部材に対して潤滑液を介して接触した状態で相対的に摺動する摩擦面１を形成する。つまり、摩擦面１は、所定の部材の表面として形成されるものであり、他の部材により形成される相手側の摩擦面（以下「相手側摩擦面」という。）２に接触した状態で、互いに接触する部材間の相対的な移動によって相手側摩擦面２に対して摺動する。なお、摩擦面１について「潤滑液を介して接触した状態」とは、摩擦面１が他の部材との間に潤滑液を介在させるとともに、摩擦面１と他の部材との間に若干の隙間が存在する状態も含む。摩擦面１は、溝状の凹部３と、曲面部４とを有する。

凹部３は、摩擦面１の表面側（図１における上側）から内部側（同図における下側）にかけて徐々に幅が狭くなるように形成される。凹部３は、図１の紙面に対して垂直方向に延びる溝部を形成する。凹部３においては、幅方向（図１における左右方向）の寸法が、深さ方向の奥側（同図における下側）にかけて徐々に狭くなる。

本実施形態では、凹部３は、図１に示すような断面視で、底側（深さ方向の奥側）にかけて幅方向の寸法が徐々に狭くなる鋭角状に形成される。したがって、凹部３は、図１に示すような断面視において底側の部分で交わる一対の斜面部３ａを有する。

また、本実施形態では、凹部３は、摩擦面１において、直線状の溝部として形成されるとともに、ランダムな配置で多数形成される。したがって、凹部３は、摩擦面１において、他の凹部３と交わったり、他の凹部３と交わることなく独立して存在したりする。なお、凹部３は、曲線状の溝部として形成されてもよく、また、複数の凹部３は、所定の方向性を持って形成されてもよい。また、凹部３は、穴状に形成されるものであってもよい。凹部３が穴状に形成される場合、摩擦面１の表面に多数のドット状の凹部３が形成されることとなる。さらに、凹部３としては、溝状に形成されるものと穴状に形成されるものとが混在してもよい。つまり、凹部３は、溝状および穴状の少なくともいずれかの形状部分として形成される。

曲面部４は、凹部３を形成する面と摩擦面１の表面部を形成する面とを滑らかに繋ぐ。本実施形態では、図１に示すように、摩擦面１の表面部は、摩擦面１の面形状に沿う平面部５により形成される。したがって、曲面部４は、凹部３を形成する斜面部３ａと平面部５との稜線部分において、斜面部３ａと平面部５とを滑らかに連続させる凸状の曲面として形成される。

このように、凹部３と曲面部４とを有する摩擦面１においては、平面部５の周囲に、曲面部４を介して凹部３が形成される。言い換えると、複数の凹部３の間の部分に、曲面部４を介して平面部５が形成される。つまり、摩擦面１は、複数の凹部３を有することにより、斜面部３ａと曲面部４と平面部５とにより形成される凸部６を有する。

摩擦面１の各部を形成する面は、例えば、超精密テクスチャ加工が施された金属材料の表面の一般的な表面粗さ（表面粗さを示すＲａの値が約０．０１μｍ）との比較において、十分にスムースな（Ｒａの値が小さい）表面粗さに加工される。

また、本実施形態では、凹部３は、斜面部３ａを有することで底側にかけて連続的に幅が狭くなるように形成されているが、例えば階段状等として段階的に幅が狭くなるように形成されてもよい。つまり、溝状または穴状の凹部３としては、底側にかけて連続的にまたは段階的に幅が狭くなるように形成されるものであればよい。

本実施形態に係る摩擦面１を形成するための加工方法の一例について説明する。本例に係る加工方法は、摩擦面１を有する摩擦材料として例えばＣｏ−Ｃｒ（コバルトクロム）系合金等の金属材料が採用される場合に好適に用いられる。

本例に係る加工方法においては、まず、ラッピング加工を行う工程が行われる。ラッピング加工は、ラッピング用の定盤と加工対象である摩擦材料とが、互いの間にダイヤモンド砥粒と研磨剤とを介在させた状態でこすり合わせながら回転させられ、摩擦材料が微小切削により研磨されることで行われる。ラッピング加工により、図２（ａ）に示すように、摩擦材料の表面に、多数の凹部３が形成される。つまり、ラッピング加工が行われることで、摩擦材料の表面において、凹部３を形成する斜面部３ａと平面部５とを有する複数の凸部６ａが形成される。

次に、ポリシング加工（鏡面加工）を行う工程が行われる。ポリシング加工は、ポリシング用の定盤と微粉砥粒とが用いられ、ラッピング加工よりも高度な研磨として行われる。ポリシング加工により、図２（ｂ）に示すように、凹部３を形成する斜面部３ａと平面部５との稜線部のエッジ部分（同図（ａ）参照）が研磨によって削られ、曲面部４が形成される。つまり、ポリシング加工が行われることで、摩擦材料の表面において、凹部３を形成する斜面部３ａと曲面部４と平面部５とを有する複数の凸部６が形成される。

このように、本例に係る加工方法においては、主にラッピング加工とポリシング加工との二段階の工程が行われることにより、凹部３と曲面部４とを有する摩擦面１が得られる。なお、摩擦面１を形成するための加工方法は特に限定されるものではない。摩擦面１を形成するための加工方法としては、摩擦面１を有する摩擦材料の種類や、凹部３および曲面部４の形状・大きさや、摩擦面１における凹部３の密度等によって適宜の方法が採用される。摩擦面１を形成するための加工方法としては、上記の例のほか、例えば成形用の型を用いる方法等が考えられる。

また、本実施形態に係る摩擦面構造においては、図３に示すように、凸部６は、斜面部３ａに連続するとともに凸部６を形成する曲面部４同士が連続するような構成であってもよい。つまりこの場合、凸部６が、平面部５を有することなく、凹部３の斜面部３ａと曲面部４とによって全体として丸みをおびた山型の形状を有する。したがって、図３に示すような摩擦面構造においては、凸部６の頂点部分が摩擦面１の表面部となり、曲面部４は、凹部３を形成する斜面部３ａと凸部６の頂点部分とを滑らかに繋ぐ。また、摩擦面１においては、平面部５を有する凸部６（図１参照）と平面部５を有しない凸部６（図３参照）とが混在していてもよい。

また、摩擦面１において、凹部３の深さは、大きくてもサブミクロンサイズであることが好ましい。つまり、溝状または穴状の凹部３は、その溝深さまたは穴深さが０．１〜１．０μｍの深さに形成されることが好ましい。より好ましくは、凹部３は、０．１μｍ以下の深さに形成される。ここで、凹部３の深さとしては、例えば、摩擦面１の表面部に沿う（複数の凸部６の平面部５または頂点部分を通る）仮想平面に対して垂直な方向について、前記仮想平面から凹部３の底部（図１に示すような断面視において二つの斜面部３ａにより形成される頂点部）までの寸法の大きさが採用される。

以上のような本実施形態に係る摩擦面１によれば、摩擦面間の潤滑液の停留を促進させることができ、摩擦材料の摩耗を抑制することができる。具体的には、摩擦面１と相手側摩擦面２との間に介在する潤滑液を凹部３によって保持することができるので、摩擦面１および相手側摩擦面２それぞれを形成する摩擦材料の摩耗を抑制することができる。また、摩擦面１は凹部３とともに曲面部４を有することから、単に平面部に凹部が形成された場合の構造との比較において、摩耗量を低減することができる。すなわち、単に平面部に凹部が形成される構造においては、平面部と凹部との稜線部分に形成されるエッジによる引っ掻き作用によって切削性の摩耗が生じやすくなるが、本実施形態に係る摩擦面１によれば、凹部３を形成する斜面部３ａと摩擦面１の表面部との間に曲面部４が存在することにより、切削性の摩耗が防止され、摩耗量が低減する。

また、本実施形態に係る摩擦面１によれば、凹部３の深さや幅の寸法等を調整することにより、摩擦面１と相手側摩擦面２との摩擦によって生じる摩耗粉の量、サイズ、および形状をコントロールすることが可能となる。つまり、本実施形態の摩擦面１においては、凹部３は、サイズ、形状、および摩擦面１における分布密度の少なくともいずれかの調整により、摩耗粉の量、サイズ、および形状の少なくともいずれかをコントロールするための形状部分として用いられる。

具体的には、例えば、摩擦面１を形成する摩擦材料が金属材料であり、相手側摩擦面２を形成する摩擦材料が樹脂材料である場合、凹部３と曲面部４とを有する構造により、相手側摩擦面２の摩耗粉として、針状の形状を有する摩耗粉が得られる。なお、摩耗粉のサイズ等をコントロールするための形状部分としては、凹部３だけに限らず曲面部４が用いられてもよい。この場合、曲面部４の形状や寸法等が調整されることで、摩耗粉のサイズ等がコントロールされる。

本実施形態に係る摩擦面１によって摩耗粉が針状となるメカニズムは必ずしも明らかではないが、凹部３の深さや幅の寸法等を調整することで、針状の摩耗粉の長さや太さ等のコントロールが可能になると考えられる。このように摩耗粉の形状が針状となることは、本実施形態に係る摩擦面１が人工関節における摩擦面に適用された場合に、摩耗粉が球状に近い形状である場合との比較において、マクロファージによる食作用等の生体反応を抑制することができるという点で有効となる。つまり、本実施形態に係る摩擦面１によれば、凹部３および曲面部４を有しない従来の摩擦面から摩耗のメカニズムを変化させることで、摩擦面から生じる摩耗粉の形態をコントロールし、マクロファージが摩耗粉を貪食することによる生体活性を抑制することができる。

本実施形態に係る摩擦面１は、例えば回転可能に設けられる軸状の部材とこれを支持する軸受とを含む軸受構造や、互いに連結されることで関節を構成する一対の関節部材を有する人工関節や、整形外科用インプラント材料等の種々の機構における摩擦面として適用可能である。したがって、本実施形態に係る摩擦面１を形成する摩擦材料としては、金属材料、樹脂材料、セラミックス等の種々の材料が適用可能である。また、本実施形態に係る摩擦面１は、凹部３等によって潤滑液の保持性が向上することから、例えば自動車における車軸等の回転部の軸受構造において適用された場合、低速運転時や回転停止状態からの始動時等の、回転部が比較的低速で回転している状態において、潤滑液としての潤滑油により形成される油膜の保持や形成に有利となる。

続いて、本発明に係る人工関節について説明する。本実施形態では、人工関節として人工股関節を例に説明する。

図４に示すように、本実施形態に係る人工股関節１０は、互いに連結されることで関節を構成する一対の関節部材として、人工骨頭であるボール２０と、人工臼蓋であるカップ３０とを有する。ボール２０は、球面状の凸曲面２１を有し、カップ３０は、凸曲面２１に対応する内球面状の凹曲面３１を有する。ボール２０において凸曲面２１を形成する部分が、カップ３０において凹曲面３１を形成する凹状の部分に嵌ることで、ボール２０とカップ３０とが連結される。

ボール２０は、凸曲面２１を形成する骨頭部２０ａと、骨頭部２０ａから幹状（軸状）に突出する幹部２０ｂとを有する。ボール２０は、幹部２０ｂの部分が人体における大腿骨の部分に骨セメント等によって固定されることで、大腿骨に固定される。カップ３０は、凹曲面３１の反対側である外側の部分が人体における骨盤側に形成される凹部に対して骨セメント等によって固定されることで、骨盤側に固定される。

互いに連結された状態のボール２０とカップ３０とは、凸曲面２１および凹曲面３１を摩擦面として、これらの曲面に沿って相対的に移動する。これにより、人工股関節１０は、カップ３０が固定される骨盤側に対して、ボール２０が固定される大腿骨を可動に連結することで関節として機能する。

図５に示すように、人工股関節１０においては、互いに対向する凸曲面２１と凹曲面３１との間には、体液等の潤滑液４０が存在する。つまり、凸曲面２１と凹曲面３１との間には、潤滑液４０によって潤滑性の液膜が形成される。このように、人工股関節１０は、一対の関節部材間となるボール２０とカップ３０との間に、潤滑液４０を介して互いに接触した状態で相対的に摺動する一対の摩擦面として凸曲面２１および凹曲面３１を形成する。なお、凸曲面２１および凹曲面３１について「潤滑液４０を介して互いに接触した状態」とは、凸曲面２１と凹曲面３１とが互いの間に潤滑液４０を介在させるとともに、凸曲面２１と凹曲面３１との間に若干の隙間が存在する状態も含む。

また、本実施形態の人工股関節１０においては、一対の摩擦面である凸曲面２１および凹曲面３１のうち、一方の関節部材であるボール２０により形成される凸曲面２１は、金属材料により形成され、他方の関節部材であるカップ３０により形成される凹曲面３１は、樹脂材料により形成される。

具体的には、人工股関節１０において、ボール２０を構成する材料としては、例えばＴｉ（チタン）、Ｔｉ（チタン）合金、Ｃｏ−Ｃｒ（コバルトクロム）系合金、ステンレス鋼等の生体適合性を有する金属材料が用いられる。また、カップ３０を構成する材料としては、例えば超高分子量ポリエチレン、高密度ポリエチレン、ポリアセタール、アクリル等の生体適合性を有する樹脂材料が用いられる。

以上のように構成される人工股関節１０は、ボール２０側に形成される摩擦面である凸曲面２１において前述したような摩擦面構造を備える。したがって、図５に示すように、人工股関節１０は、金属材料により形成される凸曲面２１に、凹部２３と曲面部２４とを有する。

凹部２３は、凸曲面２１の表面側（図５における上側）から内部側（同図における下側）にかけて徐々に幅が狭くなるように形成される。凹部２３は、図５の紙面に対して垂直方向に延びる溝部を形成する。凹部２３においては、幅方向（図５における左右方向）の寸法が、深さ方向の奥側（同図における下側）にかけて徐々に狭くなる。

本実施形態では、凹部２３は、図５に示すような断面視で、底側（深さ方向の奥側）にかけて幅方向の寸法が徐々に狭くなる鋭角状に形成される。したがって、凹部２３は、図５に示すような断面視において底側の部分で交わる一対の斜面部２３ａを有する。

また、本実施形態では、凹部２３は、凸曲面２１において、直線状の溝部として形成されるとともに、ランダムな配置で多数形成される。したがって、凹部２３は、凸曲面２１において、他の凹部２３と交わったり、他の凹部２３と交わることなく独立して存在したりする。なお、凹部２３は、曲線状の溝部として形成されてもよく、また、複数の凹部２３は、所定の方向性を持って形成されてもよい。また、凹部２３は、穴状に形成されるものであってもよい。凹部２３が穴状に形成される場合、凸曲面２１の表面に多数のドット状の凹部２３が形成されることとなる。さらに、凹部２３としては、溝状に形成されるものと穴状に形成されるものとが混在してもよい。つまり、凹部２３は、溝状および穴状の少なくともいずれかの形状部分として形成される。

曲面部２４は、凹部２３を形成する面と凸曲面２１の表面部を形成する面とを滑らかに繋ぐ。図５に示すように、凸曲面２１は、凹部２３の斜面部２３ａと曲面部２４とにより形成される凸部２６を有する。凸部２６は、斜面部２３ａに連続するとともに凸部２６を形成する曲面部２４同士が連続することで構成される。つまり、凸部２６は、凹部２３の斜面部２３ａと曲面部２４とによって全体として丸みをおびた山型の形状を有する。したがって、本実施形態では、凸部２６の頂点部分が凸曲面２１の表面部となり、曲面部２４は、凹部２３を形成する斜面部２３ａと凸部２６の頂点部分とを滑らかに繋ぐ。

なお、凸曲面２１においては、凸曲面２１の面形状に沿う平面部（図１、平面部５参照）が形成されてもよい。この場合、凸曲面２１の表面部は、凸曲面２１の面形状に沿う平面部により形成され、曲面部２４は、凹部２３を形成する斜面部２３ａと平面部との稜線部分において、斜面部２３ａと平面部とを滑らかに連続させる凸状の曲面として形成される。

凸曲面２１が有する凹部２３および曲面部２４は、前述したように、例えばラッピング加工を行う工程とポリシング加工を行う工程とを含む加工方法により形成される。また、凸曲面２１の各部を形成する面は、例えば、超精密テクスチャ加工が施された金属材料の表面の一般的な表面粗さとの比較において、十分にスムースな表面粗さに加工される。また、凸曲面２１において、凹部２３の深さは、前述したように摩擦面１を形成する摩擦面構造における凹部３の深さと同様に、大きくてもサブミクロンサイズであることが好ましい。

本実施形態の人工股関節１０によれば、凹部２３によって凸曲面２１と凹曲面３１との間の潤滑液４０の停留を促進させることができ、摩耗材料の摩耗、特に凸曲面２１を形成する金属材料に対して軟質な樹脂材料によって形成される凹曲面３１の摩耗を効果的に抑制することができる。また、凸曲面２１は凹部２３とともに曲面部２４を有することから、単に平面部に凹部が形成された場合の構造との比較において、凹曲面３１において発生する切削性の摩耗が防止され、摩耗量を低減することができる。これにより、人工関節において問題となる耐用年数を延長させることが可能となる。

また、本実施形態に係る人工股関節１０によれば、凸曲面２１における凹部２３の深さや幅の寸法等を調整することにより、凸曲面２１と凹曲面３１との摩擦によって生じる摩耗粉の量、サイズ、および形状をコントロールすることが可能となる。つまり、本実施形態の人工股関節１０においては、凹部２３は、サイズ、形状、および摩擦面である凸曲面２１における分布密度の少なくともいずれかの調整により、摩擦面から生じる摩耗粉の量、サイズ、および形状の少なくともいずれかをコントロールするための形状部分として用いられる。

このように凹部２３が摩耗粉のサイズ等をコントロールするための形状部分として用いられることで、摩耗粉の量、サイズ、および形状を容易にコントロールすることが可能となる。これにより、上述のとおり摩擦面の表面粗さについて摩耗量が少なくなる最適な範囲を選択するとともに、凹部２３のサイズ等の調整によって摩耗粉の量をコントロールすることが可能であるので、効果的に摩耗量を低減することができる。また、凹部２３のサイズ等の調整による摩耗粉のサイズのコントロールにより、マクロファージが摩耗粉を貪食することにより生じる生体活性を抑制することができる。

したがって、本実施形態の人工股関節１０においては、凹部２３のサイズ等の調整により、例えば、摩耗粉が、マクロファージが貪食することができない程度の大きさにコントロールされる。なお、摩耗粉のサイズ等をコントロールするための形状部分としては、凹部２３だけに限らず曲面部２４が用いられてもよい。この場合、曲面部２４の形状や寸法等が調整されることで、摩耗粉のサイズ等がコントロールされる。

本実施形態の人工股関節１０においては、凹部２３のサイズ等の調整により、例えば、樹脂材料により形成される凹曲面３１の摩耗粉として、針状の形状を有する摩耗粉が得られる。このように摩耗粉の形状が針状となることは、人工股関節１０において、摩耗粉が球状に近い形状である場合との比較において、マクロファージによる食作用等の生体反応を抑制することができるという点で有効となる。つまり、本実施形態に係る人工股関節１０によれば、摩擦面に凹部２３および曲面部２４を有しない従来の人工股関節から摩耗のメカニズムを変化させることで、摩擦面から生じる摩耗粉の形態をコントロールし、マクロファージが摩耗粉を貪食することによる生体活性を抑制することができる。

したがって、本実施形態に係る人工股関節１０においては、凹部２３は、摩擦面から生じる摩耗粉がマクロファージによる貪食の対象から除外されるサイズ・形状となるように形成されていることが好ましい。ここで、人工股関節１０の摩擦面から生じる摩耗粉は、主に金属材料の凸曲面２１の摩擦作用により樹脂材料の凹曲面３１が摩耗することによって生じる摩耗粉である。つまり、本実施形態の人工股関節１０によれば、摩擦面から生じる摩耗粉が、マクロファージにより貪食されないようなサイズ・形状のものとして発生する。

凸曲面２１と凹曲面３１との摩擦によって生じる摩耗粉のサイズ・形状は、凸曲面２１に形成される凹部２３の深さや幅の寸法等を調整することによりコントロールされる。そこで、本実施形態の人工股関節１０においては、凹部２３の深さや幅の寸法等の調整により、人工股関節１０において発生する摩耗粉のサイズ・形状が、人工股関節１０を利用する患者の体内においてマクロファージによる貪食の対象から除外されるサイズ・形状となるようにコントロールされる。なお、摩耗粉のサイズ等をコントロールするためには、凸曲面２１における曲面部２４の形状や寸法等が調整されてもよい。

ここで、摩耗粉がマクロファージによる貪食の対象から除外されるサイズ・形状となることには、摩耗粉が次のような状態となることが含まれる。まず、複数の摩耗粉が凝集したり一体化したりして塊となることで、摩耗粉のサイズ自体がマクロファージが貪食できない程度に大きくなることである。また、摩耗粉が例えば長細い針状の形状のように、少なくとも一部にマクロファージが貪食できない程度に大きい寸法の部分を有するこことである。また、摩耗粉が綿埃のような形状となることで密度を下げ、摩耗粉の見かけのサイズがマクロファージが貪食できない程度のサイズになることである。

摩耗粉の具体的なサイズ・形状としては、具体的には、例えば、摩耗粉の見かけのサイズを含め、球状の摩耗粉の場合は、直径が１μｍよりも大きい摩耗粉が、マクロファージによる貪食の対象から除外されるサイズ・形状の摩耗粉であるといえる。同様に、例えば、針状のように細長い形状の摩耗粉の場合は、その長さが１μｍよりも大きい摩耗粉が、マクロファージによる貪食の対象から除外されるサイズ・形状の摩耗粉であるといえる。

このように、凹部２３が、摩擦面から生じる摩耗粉がマクロファージによる貪食の対象から除外されるサイズ・形状となるように形成されることで、マクロファージが人工股関節１０から生じる摩耗粉を貪食することにより生じる生体活性を効果的に抑制することができる。これにより、人工股関節１０の緩みの原因となる人工股関節１０周囲の骨融解を抑制することができる。結果として、人工股関節１０の寿命を長くすることができ、人工股関節１０を利用する患者の負担となる人工股関節１０の再置換術を極力少なくすることができる。

なお、本実施形態では、人工関節として人工股関節１０を例に説明したが、本発明は人工股関節のほか、人工膝関節や人工肘関節等の種々の人工関節に適用可能である。また、本発明に係る人工関節において一対の摩擦面を形成する摩擦材料の組み合わせとしては、金属材料と樹脂材料との組み合わせのほか、金属材料同士や樹脂材料同士、あるいはセラミックスを含む組み合わせ等であってもよい。さらに、凹部２３および曲面部２４を有する凸曲面２１のような摩擦面構造は、人工関節において形成される一対の摩擦面のうち少なくとも一方の摩擦面に備えられればよい。

以下では、本発明の実施例について説明する。本実施例は、硬質材料としてのＣｏ−Ｃｒ−Ｍｏ（コバルトクロムモリブデン）合金と、超高分子量ポリエチレン（Ｕｌｔｒａ−Ｈｉｇｈ Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｗｅｉｇｈｔ Ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ；ＵＨＭＷＰＥ）とを摩擦材料の組み合わせとする人工関節において、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｍｏ合金により形成される摩擦面に、本発明に係る摩擦面構造を適用したものである。

人工関節の軸受材料として用いられるＵＨＭＷＰＥの摩耗特性を左右する因子に、相手側の摩擦面を形成する硬質材料の表面粗さがあることがわかっている。また、潤滑下であれば、硬質材料の表面粗さが小さくなるほど、ＵＨＭＷＰＥの摩耗は小さくなることもわかっている。こうした結果は、人工関節の軸受面間が潤滑液にて完全に分離されず、境界〜混合潤滑で摩擦されていることから妥当であると考えられる。

一方で、ＵＨＭＷＰＥと硬質材料との接触面圧を増加させると、摩耗が低下するということもわかっている。このメカニズムについては、ＵＨＭＷＰＥと硬質材料との接触面圧が増加すると、軸受面表面粗さレベルにおいて潤滑膜が破断し、無潤滑状態となることから、ＵＨＭＷＰＥの移着膜形成による摩耗低下が発現しやすいためと説明されている。

仮に、無潤滑領域が支配的な状態となった場合、ＵＨＭＷＰＥの摩耗が最小となる最適な表面粗さがある可能性があり、必ずしもスムースな面がＵＨＭＷＰＥの摩耗を低減するとは限らないことも予想される。本実施例では、硬質材料としてのＣｏ−Ｃｒ−Ｍｏ合金により形成される軸受面（摩擦面）に超精密プロファイル加工を施し、表面プロファイルとＵＨＭＷＰＥの摩耗特性の関係を調査した。

図６に本実施例に係る試験装置の概略を示す。図６に示すように、本実施例に係る試験装置は、ピン・オン・ディスク型の摩耗試験機であり、直径１２．０ｍｍのＵＨＭＷＰＥ（平均分子量６００万）のピン５１を、Ｃｏ−２８Ｃｒ−６Ｍｏ合金のディスク５２に接触させた状態で、これらを摺動させる。本実施例では、図６に示すように、ピン５１をディスク５２の上側の表面である摩擦面５２ａに接触面圧１．５ＭＰａで接触させ、摩擦面５２ａの中心部における２０．０ｍｍ四方の範囲を摩擦範囲として、１２．１２ｍｍ／ｓの速度で、総滑り距離が１５．０ｋｍに至るまで多方向滑りを行った。また、ピン５１とディスク５２との間に介在させる潤滑液としては、図７に示す表の模擬潤滑液を使用した。

本実施例では、実験に供するディスク５２として、本発明に係る摩擦面構造を適用した三つの実施例品と、三つの比較例品とを準備した。第一の比較例品としては、ディスク５２の表面テクスチャとして一般的な表面状態のもの（Ｒａ＝０．０１１μｍ）を準備した（図８参照）。また、第二の比較例品としては、第一の比較例品に対して摩擦面５２ａの表面粗さが約１／２のもの（Ｒａ＝０．００５μｍ）を準備した（図９参照）。また、第三の比較例品としては、第一の比較例品に対して摩擦面５２ａの表面粗さが約１／１０のもの（Ｒａ＝０．００１μｍ）を準備した（図１０参照）。

また、第一の実施例品としては、摩擦面５２ａが第三の比較例品と同等の表面粗さであり（Ｒａ＝０．００１μｍ）、かつ、摩擦面５２ａにサブミクロンレベルの凹み溝処理を施したものを準備した（図１１参照）。また、第二の実施例品としては、摩擦面５２ａが第一の実施例品と同等の表面粗さであり（Ｒａ＝０．００１μｍ）、第一の実施例品における凹み溝処理に代えて、摩擦面５２ａにサブミクロンレベルの凹み穴処理を施したものを準備した（図１２参照）。また、第三の実施例品としては、摩擦面５２ａが第一の実施例品と同等の表面粗さであり（Ｒａ＝０．００１μｍ）、かつ、摩擦面５２ａにサブミクロンレベルの凹み溝処理および凹み穴処理を施したものを準備した（図１３参照）。つまり、第三の実施例品においては、摩擦面５２ａに溝状の凹部および穴状の凹部が混在する。

第一の実施例品には、次のような表面加工を施した。まず、定盤として塩化ビニル製のスパイラル状の溝付きのものを用い、２〜４μｍのダイヤモンドスラリーを砥粒とするラッピング加工を、加工時間１０分で３回にわたって行った。次に、定盤において市販のポリシングパッド（日本エンギス社製ポリシングクロス４１０）を用い、２〜４μｍのダイヤモンドスラリーを砥粒とするポリシング加工を、加工時間１０分で５回にわたって行った。このような表面加工により、第一の実施例品の表面において多数のサブミクロンレベルの凹み溝が形成される。

第二の実施例品にも、第一の実施例品と同様の表面加工を施した。ただし、２〜４μｍのダイヤモンドスラリーを砥粒とするポリシング加工を、総加工時間１０時間にわたって行った。このような表面加工により、第二の実施例品の表面において多数のサブミクロンレベルの凹み穴が形成される。第三の実施例品にも、第一の実施例品と同様の表面加工を施した。ただし、２〜４μｍのダイヤモンドスラリーを砥粒とするポリシング加工を、総加工時間１０時間にわたって行った。このような表面加工により、第二の実施例品の表面において多数のサブミクロンレベルの凹み溝および凹み穴が形成される。以下の説明では、便宜上、第一の比較例品、第二の比較例品、第三の比較例品、第一の実施例品、第二の実施例品、および第三の実施例品それぞれの表面（摩擦面）を、それぞれ符号Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、およびＦに対応させる。

図８から図１３は、本実施例に係る試験に供するＣｏ−Ｃｒ−Ｍｏ合金の表面を光学式表面粗さ解析装置（ＷＹＫＯ社製「ＮＴ３３００」）により解析した結果を示す。図８は、第一の比較例品の解析結果を示し、同図（ａ）は、第一の比較例品の表面（Ａ）についての解析結果を示すものであり、同図（ｂ）は、同図（ａ）におけるＡ−Ａ断面位置における表面形状についての解析結果を示すものである。

図９は、第二の比較例品の解析結果を示し、同図（ａ）は、第二の比較例品の表面（Ｂ）についての解析結果を示すものであり、同図（ｂ）は、同図（ａ）におけるＢ−Ｂ断面位置における表面形状についての解析結果を示すものである。同様に、図１０は、第三の比較例品の解析結果を示し、同図（ａ）は、第三の比較例品の表面（Ｃ）についての解析結果を示すものであり、同図（ｂ）は、同図（ａ）におけるＣ−Ｃ断面位置における表面形状についての解析結果を示すものである。

図１１は、第一の実施例品の解析結果を示し、同図（ａ）は、第一の実施例品の表面（Ｄ）についての解析結果を示すものであり、同図（ｂ）は、同図（ａ）におけるＤ−Ｄ断面位置における表面形状についての解析結果を示すものである。図１１（ａ）、（ｂ）に示されるように、第一の実施例品の表面に形成される多数の直線状の凹み溝が、上述した実施形態に係る凹部３（凹部２３）に相当する。また、同じく図１１（ａ）、（ｂ）に示されるように、直線状の凹み溝と第一の実施例品の表面部（図１１（ｂ）における上側の部分）との間においては、上述した実施形態に係る曲面部４（曲面部２４）に相当する曲面部分が形成されている。

図１２は、第二の実施例品の解析結果を示し、同図（ａ）は、第二の実施例品の表面（Ｅ）についての解析結果を示すものであり、同図（ｂ）は、同図（ａ）におけるＥ−Ｅ断面位置における表面形状についての解析結果を示すものである。図１２（ａ）、（ｂ）に示されるように、第二の実施例品の表面に形成される多数のドット状の凹み穴が、上述した実施形態に係る凹部３（凹部２３）に相当する。また、同じく図１２（ａ）、（ｂ）に示されるように、ドット状の凹み穴と第二の実施例品の表面部（図１２（ｂ）における上側の部分）との間においては、上述した実施形態に係る曲面部４（曲面部２４）に相当する曲面部分が形成されている。

図１３は、第三の実施例品の解析結果を示し、同図（ａ）は、第三の実施例品の表面（Ｆ）についての解析結果を示すものであり、同図（ｂ）は、同図（ａ）におけるＦ−Ｆ断面位置における表面形状についての解析結果を示すものである。図１３（ａ）、（ｂ）に示されるように、第三の実施例品の表面に形成される多数の直線状の凹み溝およびドット状の凹み穴が、上述した実施形態に係る凹部３（凹部２３）に相当する。また、同じく図１３（ａ）、（ｂ）に示されるように、直線状の凹み溝またはドット状の凹み穴と第三の実施例品の表面部（図１３（ｂ）における上側の部分）との間においては、上述した実施形態に係る曲面部４（曲面部２４）に相当する曲面部分が形成されている。

第一の実施例品の表面に形成される凹み溝、第二の実施例品の表面に形成される凹み穴、第三の実施例品の表面に形成される凹み溝および凹み穴は、軸受面にて一般的に観察されることがあるスクラッチ痕と大きく異なり、凸部を形成する部分の表面が第二の比較例品と同様にスムースで、凹部が深い溝または穴になっている。図１４に、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｍｏ合金の表面に形成されたスクラッチ痕についての解析結果を示す。図１４（ａ）は、表面から見たスクラッチ痕を示すものであり、同図（ｂ）は、同図（ａ）におけるＧ−Ｇ断面位置における表面形状についての解析結果である。図１１（ｂ）、図１２（ｂ）、図１３（ｂ）と図１４（ｂ）との比較からわかるように、一般的なスクラッチ痕は、上側に鋭く突出する凸部を形成するが、第一の実施例品において形成される凹み溝、第二の実施例品の表面に形成される凹み穴、および第三の実施品の表面に形成される凹み溝および凹み穴は、滑らかな丘状のスムースな凸部を形成する。

以上のような三つの実施例品と三つの比較例品について、ピン・オン・ディスク型の摩耗試験により、実験中の摩擦係数の推移の計測と、実験後のＵＨＭＷＰＥの摩耗重量の計測および軸受面の表面観察を行った。

図１５に、実験中の摩擦係数の推移の計測結果として、滑り距離（Ｓｌｉｄｉｎｇ ｄｉｓｔａｎｃｅ，ｍ）と摩擦係数（Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ ｆｒｉｃｔｉｏｎ）との関係を示す。図１５において、白丸で示すグラフＧ１、白三角で示すグラフＧ２、白四角で示すグラフＧ３、黒丸で示すグラフＧ４、黒三角で示すグラフＧ５、および黒四角で示すグラフＧ６が、それぞれ第一の比較例品（Ａ）、第二の比較例品（Ｂ）、第三の比較例品（Ｃ）、第一の実施例品（Ｄ）、第二の実施例品（Ｅ）、第三の実施例品（Ｆ）についての摩擦係数の推移を示す。なお、図１５に示す各グラフにおける摩擦係数の値は、複数回（２、３回程度）の計測による平均的な値を示す。

図１５に示される結果から、第一の比較例品（Ａ）と第二の比較例品（Ｂ）とは、摩擦係数の値が同程度であることが計測された。また、第一の比較例品（Ａ）および第二の比較例品（Ｂ）と比較し、第三の比較例品（Ｃ）の摩擦係数が大きいことが計測された。これは、第一の比較例品（Ａ）および第二の比較例品（Ｂ）から、第三の比較例品（Ｃ）のように表面粗さが小さくなることで、真実接触面積が増え、摩擦面間の凝着力が大きくなったためと考えられる。つまり、摩擦面５２ａの表面粗さがある程度よりも小さくなると、凝着性摩耗が生じることで、摩擦力（摩擦係数）が大きくなる。一方、摩擦面５２ａの表面粗さがある程度よりも大きくなると、切削性摩耗が生じることで、摩擦力（摩擦係数）が大きくなる。

したがって、第一の比較例品（Ａ）よりも表面粗さが大きい（粗い）場合、第一の比較例品（Ａ）の場合よりも切削性摩耗に起因する摩擦力（摩擦係数）が増大する可能性がある。一方、第三の比較例品（Ｃ）よりも表面粗さが小さい（滑らかな）場合、第三の比較例品（Ｃ）の場合よりも凝着性摩耗に起因する摩擦力が増大する可能性がある。つまり、第一の比較例品（Ａ）、第二の比較例品（Ｂ）、第三の比較例品（Ｃ）の順に表面粗さが小さくなることにより、切削性摩耗の影響が大きく凝着性摩耗の影響が小さい状態から、切削性摩耗の影響が減少するとともに凝着性摩耗の影響が増大し、切削性摩耗の影響が小さく凝着性摩耗の影響が大きい状態となる。本実施例においては、第一の比較例品（Ａ）では、摩擦力は主に切削性摩耗に起因し、第二の比較例品（Ｂ）では、切削性摩耗および凝着性摩耗の両者の影響がある程度大きく、第三の比較例品（Ｃ）では、摩擦力は主に凝着性摩耗に起因すると推測される。

また、図１５に示される結果から、三つの実施例品については、第一の実施例品（Ｄ）、第三の実施例品（Ｆ）、第二の実施例品（Ｅ）の順に、摩擦係数が大きいことが計測された。

ここで、切削性摩耗および凝着性摩耗について具体的に説明する。なお、ここで説明する切削性摩耗および凝着性摩耗は、三つの比較例品のように、実施例品のような凹み溝や凹み穴を有しない場合についてのものである。

まず、切削性摩耗について説明する。図１６に示すように、例えば第一の比較例品（Ａ）のように表面粗さが比較的大きい場合、ディスク５２の摩擦面５２ａに、ＵＨＭＷＰＥ製のピン５１の摩擦面（以下「樹脂側摩擦面」という。）５１ａに対向する側に突出する鋭利な突部５２ｂが模式的に表わされる。このため、ディスク５２のピン５１に対する相対的な移動（図１６、矢印参照）による摩擦によって、突部５２ｂが作用することにより樹脂側摩擦面５１ａが切削されるようにして擦り減る。このように樹脂側摩擦面５１ａがディスク５２の突部５２ｂによって切削されるようにして生じる摩耗が、切削性摩耗である。このような切削性摩耗によれば、突部５２ｂによって切削された部分が突部５２ｂに押されて集まることで凝着物５１ｂとなり、この凝着物５１ｂが樹脂側摩擦面５１ａから遊離してピン５１の摩耗粉へと成長する。

次に、凝着性摩耗について説明する。図１７（ａ）に示すように、例えば第三の比較例品（Ｃ）のように表面粗さが比較的小さい場合、ディスク５２の摩擦面５２ａは、図１６との比較において、模式的に平面で表わされる。このように摩擦面５２ａの表面粗さが小さい場合、上記のとおり摩擦面５２ａの真実接触面積が増えて摩擦面間の凝着力が大きくなることから、ピン５１とディスク５２との相対的な移動による摩擦によって、摩擦面５２ａの樹脂側摩擦面５１ａに対する接触部分（符号Ｗ１で示す部分参照）が凝着部となり、樹脂側摩擦面５１ａにおいてピン５１の凝着部とこの凝着部の周辺の部分との間でせん断力による亀裂５１ｃが生じる。

そして、図１７（ｂ）に示すように、ピン５１とディスク５２との摩擦が進むと、ピン５１の摩擦面５２ａに対する凝着部がせん断されて転がりながら長細く丸まった摩耗粉５１ｄとして成長する（矢印Ｗ２参照）。さらに、図１７（ｃ）に示すように、ピン５１とディスク５２との摩擦が進むと、長細く丸まった摩耗粉５１ｄが一部凝集したり一体化したりすることで、摩耗粉５１ｄの塊が生じる。

図１８に、実験後のＵＨＭＷＰＥの摩耗重量（Ｗｅａｒ，ｍｇ）の計測結果を示す。図１８においては、左から順に、第一の比較例品（Ａ）、第二の比較例品（Ｂ）、第三の比較例品（Ｃ）、第一の実施例品（Ｄ）、第二の実施例品（Ｅ）、第三の実施例品（Ｆ）のそれぞれに対応するＵＨＭＷＰＥの摩耗重量のグラフが示されている。なお、図１８の各グラフは、各グラフの横に丸印で示す３回の計測値の平均値を示す。

図１８に示される結果から、第一の比較例品（Ａ）、第二の比較例品（Ｂ）、および第三の比較例品（Ｃ）については、同程度の量の摩耗量が観察された。しかし、これら三つの比較例品については、上述のとおり、表面粗さの変化に応じて、切削性摩耗と凝着性摩耗の影響が変化する。したがって、これら三つの比較例品については、表面粗さの変化にともない、総摩耗量には大した変化はないが、摩耗のメカニズムは変化していることがわかる。

一方、凹み溝処理が施された第一の実施例品（Ｄ）、および凹み穴処理が施された第二の実施例品（Ｅ）は、三つの比較例品に対して、相手材料となるＵＨＭＷＰＥの摩耗が増加する傾向が観察された。また、これら第一の実施例品（Ｄ）および第二の実施例品（Ｅ）については、同程度の量の摩耗量が観察された。このことから、総摩耗量については、摩擦面５２ａに凹み溝が形成される場合と凹み穴が形成される場合とで、同様の効果が得られると推測できる。

また、第一の実施例品（Ｄ）および第二の実施例品（Ｅ）による摩耗量が、三つの比較例品による摩耗量よりも多くなるのは、次のような理由によるものと推測できる。第一の実施例品（Ｄ）および第二の実施例品（Ｅ）の場合、凹み溝または凹み穴とともに形成される凸部（図５、凸部２６参照）によって、上述したような切削性摩耗が生じることに加え、ピン５１を構成するＵＨＭＷＰＥが、凹み溝等が形成されるディスク５２を構成する硬質材料よりも柔らかいことから凹み溝等に食い込み、樹脂側摩擦面５１ａにおいてせん断力による亀裂が生じる。そして、ピン５１とディスク５２との摩擦が進むと、樹脂側摩擦面５１ａに生じる亀裂が成長し、樹脂側摩擦面５１ａからＵＨＭＷＰＥの一部が粉状に遊離して摩耗粉が生じる。

なお、図１８に示すような計測結果が得られている反面、摩擦面５２ａの表面粗さが同程度の場合、摩擦面５２ａに多数の凹み溝が形成されていることにより、潤滑液が摩擦面間に介在しやすくなり、摩擦面同士の凝着作用が緩和され、摩擦係数の低減効果、つまり摩擦軽減効果が得られるという計測結果も得られている。

図１９および図２０に、デジタル光学顕微鏡（ＫＥＹＥＮＣＥ社製「ＶＨ−６３００」）による実験後のＣｏ−Ｃｒ−Ｍｏ合金ディスク（ディスク５２）の表面（摩擦面５２ａ）の観察例（顕微鏡写真）を示す。図１９は、第一の実施例品のように摩擦面５２ａが多数の凹み溝を有する場合についての顕微鏡写真を示し、同図（ａ）は、ピン５１が接触して摺動した部分（Ｃｏｎｔａｃｔ ａｒｅａ）の表面を示すものであり、同図（ｂ）は、ピン５１の接触を受けてない部分（Ｎｏｎ−ｃｏｎｔａｃｔ ａｒｅａ）の表面を示すものである。同様に、図２０は、第一の比較例品のように摩擦面５２ａに凹み溝等の凹部が形成されていない場合についての顕微鏡写真を示すものである。

図１９および図２０それぞれにおける（ａ）と（ｂ）との比較により、ピン５１が接触して摺動した部分の表面には、黒い斑点で表れているように、ＵＨＭＷＰＥの移着物または凝着物が存在することがわかる。そして、図１９（ａ）と図２０（ａ）との比較からわかるように、凹み溝を有する場合の方が、ＵＨＭＷＰＥの移着物または凝着物が少ない傾向が観察された。このことから、凹み溝処理によってＣｏ−Ｃｒ−Ｍｏ合金側の凝着物が少なくなり、潤滑状態は改善されると予想される。

図２１から図２６に、共焦点レーザ顕微鏡（ＫＥＹＥＮＣＥ社製「ＶＫ−８５１０」）による実験後のＵＨＭＷＰＥの表面観察例（顕微鏡写真）を示す。図２１は第一の比較例品（Ａ）に、図２２は第二の比較例品（Ｂ）に、図２３は第三の比較例品（Ｃ）に、図２４は第一の実施例品（Ｄ）に、図２５は第二の実施例品（Ｅ）に、図２６は第三の実施例品（Ｆ）にそれぞれ対応するＵＨＭＷＰＥの顕微鏡写真を示す。

図２１から図２６に示されるように、すべての条件に対応するＵＨＭＷＰＥの表面において、多方向滑りの影響だと考えられる直交する摩耗痕が観察された。これは、ＵＨＭＷＰＥ（ピン５１）とＣｏ−Ｃｒ−Ｍｏ合金ディスク（ディスク５２）が潤滑液にて完全に分離されない境界または混合潤滑域に曝されていることを示している。

また、すべての条件に対応するＵＨＭＷＰＥの表面において、ＵＨＭＷＰＥの表面上（摩耗痕の上）に、摩耗粉に成長すると考えられる凝着物が観察された。図２１に示すように、第一の比較例品（Ａ）に対応するＵＨＭＷＰＥでは、ＵＨＭＷＰＥの表面上に存在する凝着物（以下「表面凝着物」という。）は、切削性摩耗の割合が高いことから、比較的丸みを帯びた形状に成長していた。また、図２２に示すように、第二の比較例品（Ｂ）に対応するＵＨＭＷＰＥでは、表面凝着物は、切削性摩耗および凝着性摩耗の両者の影響がある程度大きいことから、細長い形状（針状）に成長したもの（同図（ａ）参照）と、比較的丸みを帯びた形状に成長したもの（同図（ｂ）参照）とが混在して観察された。なお、図２２の（ａ）、（ｂ）は、第二の比較例品（Ｂ）に対応する同一のＵＨＭＷＰＥの表面上における異なる場所の顕微鏡写真である。また、図２３に示すように、第三の比較例品（Ｃ）に対応するＵＨＭＷＰＥでは、表面凝着物は、凝着性摩耗の割合が高いことから、細長い形状（針状）に成長していた。

また、図２３および図２４に示すように、第三の比較例品（Ｃ）と第一の実施例品（Ｄ）との比較においては、第一の実施例品（Ｄ）の方が、第三の比較例品（Ｃ）よりも、表面凝着物の塊の大きさが小さくなっている。これは、第一の実施例品（Ｄ）において摩擦面５２ａが有する凹み溝の作用によるものと考えられる。

具体的には、図２７に示すように、摩擦面５２ａに凹部としての凹み溝５２ｃが存在することにより、摩耗粉５１ｄが凹み溝５２ｃに入ってしまう（符号Ｘ１で示す部分参照）。これにより、摩耗粉５１ｄ同士が凝集したり一体化したりする機会が減少し、表面凝着物が比較的小さくなる。また、同じく摩擦面５２ａに凹み溝５２ｃが存在することにより、潤滑液５３が摩擦面間に介在しやすくなり、表面凝着物が凝集したり一体化したりしにくくなり（符号Ｘ２で示す部分参照）、表面凝着物が比較的小さくなる。

第三の比較例品（Ｃ）に対応するＵＨＭＷＰＥと第一の実施例品（Ｄ）に対応するＵＨＭＷＰＥに見られる線状の凝着物は、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｍｏ合金のＵＨＭＷＰＥとの直接接触部の表面粗さが小さいときに発生する凝着作用の増加により生み出された可能性がある。図２３および図２４から、第三の比較例品（Ｃ）に対応するＵＨＭＷＰＥに観察される大きい塊が第一の実施例品（Ｄ）に対応するＵＨＭＷＰＥでは観察されない。この点については、第一の実施例品（Ｄ）に対応するＵＨＭＷＰＥの場合には多数の凹み溝があるために潤滑液の介在が起こりやすいこと、あるいは凹み溝部に摩耗粉が入り込んだ結果、移着物が成長する前に比較的大きい凝着物の塊が摩擦面から脱落した可能性があることが原因として考えられる。この結果は、第一の実施例品（Ｄ）に対応するＵＨＭＷＰＥの摩耗重量が第三の比較例品（Ｃ）に対応するＵＨＭＷＰＥと比べて増加した要因の一つと考えられる（図１８参照）。

一方で、第三の比較例品（Ｃ）には第一の実施例品（Ｄ）のような凹み溝がなく、ＵＨＭＷＰＥに対する非接触部が少ないため、ＵＨＭＷＰＥの凝着物は摩擦面間に停留する可能性が大きい。その結果、凝着物同士が凝集し、凝着物が成長したと考えられる。また、第三の比較例品（Ｃ）においては、摩擦面外への凝着物の排出が抑制されることから、第一の比較例品（Ａ）の場合と同じレベルの摩耗抑制が起こると考えられる（図１８参照）。図２１から図２６に示される結果から、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｍｏ合金の表面プロファイルが、生体反応の発現程度を左右すると考えられるＵＨＭＷＰＥの摩耗粉の形態に影響を与えていることがわかった。

図２４および図２５に示すように、摩擦面５２ａに凹み溝を有する第一の実施例品（Ｄ）と、摩擦面５２ａに凹み穴を有する第二の実施例品（Ｅ）との比較においては、第二の実施例品（Ｅ）の方が、第一の実施例品（Ｄ）よりも、表面凝着物が丸みを帯びやすくなっている。このように表面凝着物の形態が異なることは、摩擦面５２ａ上に存在する凹み溝と凹み穴とで作用が異なることに起因すると考えられる。なお、図２５の（ａ）、（ｂ）は、第二の実施例品（Ｅ）に対応する同一のＵＨＭＷＰＥの表面上における異なる場所の顕微鏡写真である。

ここで、凹み溝および凹み穴と、表面凝着物の形態との関連性について説明する。図２８に示すように、摩擦面５２ａ上に多数の凹み溝５２ｃが存在する場合、ピン５１とディスク５２との摩擦によって表面凝着物５４が転がりながら成長する過程において（矢印Ｙ１参照）、表面凝着物５４が転がる距離が比較的長くなる。このことは、図２８に示すように、摩擦面５２ａ上に多数の凹み溝５２ｃが存在する場合、凹み溝５２ｃの分布密度の影響によって、転がりながら成長する表面凝着物５４において、凹み溝５２ｃに押し付けられることで切断される可能性がある部分（符号Ｙ２で示す部分参照）が比較的少ないことに起因する。したがって、摩擦面５２ａに多数の凹み溝５２ｃを有する第一の実施例品（Ｄ）においては、表面凝着物５４が、比較的長い距離を転がることによって長細くなりやすい。

一方、図２９に示すように、摩擦面５２ａ上に多数の凹み穴５２ｄが存在する場合、ピン５１とディスク５２との摩擦によって表面凝着物５４が転がりながら成長する過程において（矢印Ｚ１参照）、表面凝着物５４が転がる距離が比較的短くなる。このことは、図２９に示すように、摩擦面５２ａ上に多数の凹み穴５２ｄが存在する場合、凹み穴５２ｄの分布密度の影響によって、転がりながら成長する表面凝着物５４において、凹み穴５２ｄに押し付けられることで切断される可能性がある部分（符号Ｚ２で示す部分参照）が多いことに起因する。したがって、摩擦面５２ａに多数の凹み穴５２ｄを有する第二の実施例品（Ｅ）においては、表面凝着物５４が、比較的短い距離を転がることによって長細くなりにくく、丸みを帯びやすい。

図３０に、第三の実施例品の表面に生じた摩耗粉の観察例を示す。図３０（ａ）、（ｂ）の各図は、電子顕微鏡（ＳＥＭ）（日本電子社製「ＪＳＭ−６３９０ＬＶ」）による実験後のＣｏ−Ｃｒ−Ｍｏ合金ディスク（ディスク５２）の表面（摩擦面５２ａ）の観察例（顕微鏡写真）を示す。

図３０（ａ）、（ｂ）に示す各写真において、略中央に存在する塊が摩耗粉である。具体的には、図３０（ａ）の写真には、右上側から左下側に向かう方向を長手方向とする細長い形状の摩耗粉が示されている。また、図３０（ｂ）の写真には、一端側（図では左側）が二又に割れたような形状の摩耗粉が示されている。

図３０（ａ）、（ｂ）の各写真に示される摩耗粉は、いずれも数１０μｍ程度のサイズであり、マクロファージによる貪食の対象から除外されるに十分なサイズ・形状の摩耗粉であるといえる。このように、本発明に係る摩擦面構造を適用することにより、マクロファージによる貪食の対象から除外されるサイズ・形状の摩耗粉が生じるということが、本実施例の一つの結果として得られた。

本実施例を踏まえ、樹脂側摩擦面５１ａに対するディスク５２の摩擦面５２ａの直接接触部の粗さ（Ｒａの値）と、ピン５１の（ＵＨＭＷＰＥの）摩耗特性との関係について説明する。ここで、三つの実施例品のように凹み溝５２ｃや凹み穴５２ｄを有する摩擦面５２ａの場合、摩擦面５２ａの直接接触部は、凹み溝５２ｃや凹み穴５２ｄとともに形成される凸部５６の部分である。

図３１は、摩擦面５２ａの表面粗さ（Ｒａ）と摩耗粉の粒径との関係を示すグラフである。図３１に示すように、摩耗粉粒径は、表面粗さ（Ｒａ）がある値のときに最大となり、その摩耗粉粒径が最大となる表面粗さ（Ｒａ）の値を境に、摩耗粉粒径は、表面粗さ（Ｒａ）の値が大きい方に変化しても小さい方に変化しても表面粗さ（Ｒａ）の値の変化にともなって徐々に小さくなる傾向にある。本実施例では、第一の比較例品（Ａ）の表面粗さ（Ｒａ＝０．０１１μｍ）と、第三の比較例品（Ｃ）の表面粗さ（Ｒａ＝０．００１μｍ）との間に、摩耗粉粒径が最大となる表面粗さ（Ｒａ）の値が存在すると推測できる。

図３２は、摩擦面５２ａの表面粗さ（Ｒａ）と摩耗粉の形態との関係を示すグラフである。図３２に示すように、摩耗粉形態は、表面粗さ（Ｒａ）が大きくなるほど、丸みを帯びた形態となり、表面粗さ（Ｒａ）が小さくなるほど、細長い形態となる傾向にある。このことは、本実施例において、表面粗さ（Ｒａ）が順に大きくなる第一の比較例品（Ａ）、第二の比較例品（Ｂ）、および第三の比較例品（Ｃ）のそれぞれに対応するＵＨＭＷＰＥの表面凝着物の形状から見てとれる（図２１〜図２３参照）。

このような摩擦面の表面粗さ（Ｒａ）と摩耗粉粒径および摩耗粉形態それぞれとの関係に基づき、摩擦面から生じる摩耗粉が、マクロファージによる生体活性が抑制されるような粒径あるいは形態となるように、凹み溝・凹み穴が形成される摩擦面の表面粗さ（Ｒａ）が適正値に調整される。言い換えると、凹み溝・凹み穴が形成される摩擦面の表面粗さ（Ｒａ）の調整により、マクロファージによる生体活性を抑制することができる。

図３３は、摩擦面５２ａの表面粗さ（Ｒａ）と総摩耗量との関係を示すグラフである。図３３において実線で示グラフは、三つの比較例品のように凹み溝・凹み穴が摩擦面５２ａに存在しない場合についてのグラフである。この実線のグラフからわかるように、総摩耗量は、表面粗さ（Ｒａ）がある値のときに最少となり、その総摩耗量が最少となる表面粗さ（Ｒａ）の値を境に、総摩耗量は、表面粗さ（Ｒａ）の値が大きい方に変化しても小さい方に変化しても表面粗さ（Ｒａ）の値の変化にともなって徐々に増加する傾向にある。

このことは、摩擦面の表面粗さ（Ｒａ）が大きくなると、切削性摩耗が支配的となることで、摩耗量が増加し、摩擦面の表面粗（Ｒａ）さが小さくなると、凝着性摩耗が支配的となることで、摩耗量が増加することに基づく。つまり、ドライに近い摩擦面環境においては、摩擦面の表面が滑らかなほど（表面粗さ（Ｒａ）が小さいほど）摩耗量が減少するということではなく、摩耗量を少なくする観点からは、摩擦面の表面粗さ（Ｒａ）について最適な値の範囲が存在する。本実施例では、第一の比較例品（Ａ）の表面粗さ（Ｒａ＝０．０１１μｍ）と、第三の比較例品（Ｃ）の表面粗さ（Ｒａ＝０．００１μｍ）との間に、総摩耗量が最少となる表面粗さ（Ｒａ）の値が存在すると推測できる。

また、図３３において、一部破線で示すグラフは、三つの実施例品のように凹み溝・凹み穴が摩擦面５２ａに存在する場合についてのグラフである。この一部破線のグラフからわかるように、摩擦面５２ａに凹み溝・凹み穴が存在することで、表面粗さ（Ｒａ）が小さくなるほど、総摩耗量は減少する（矢印ａ１参照）。これは、凹み溝・凹み穴によって摩擦面間に潤滑液が介在しやすくなって摩擦面間がウエットに近い環境となり、摩擦面同士の凝着作用が緩和されるという現象に起因する。摩擦面間がウエットに近い環境では、表面粗さ（Ｒａ）が小さいほど摩耗量も少なくなる。つまり、摩擦面５２ａに凹み溝・凹み穴が形成されることにより、表面粗さ（Ｒａ）が小さいほど影響が大きい凝着性摩耗が抑制され、表面粗さ（Ｒａ）が比較的小さい範囲での総摩耗量が減少する（矢印ａ２参照）。

続いて、ディスク５２の摩擦面５２ａに形成される凹部（凹み溝・凹み穴）と、ピン５１の（ＵＨＭＷＰＥの）摩耗特性との関係について説明する。

図３４は、摩擦面５２ａに形成される凹み溝・凹み穴の量（単位面積あたりの量、分布密度）と摩耗粉の粒径との関係を示すグラフである。図３４に示すように、摩耗粉粒径は、凹み溝・凹み穴の量が多くなるほど小さくなり、凹み溝・凹み穴の量が少なくなるほど大きくなる傾向にある。このことは、上述したような摩擦面間において転がりながら成長する表面凝着物が凹み溝・凹み穴に押し付けられて切断されるという現象に基づく。つまり、摩擦面５２ａにおいて凹み溝・凹み穴の量が多くなると、表面凝着物が切断される箇所が増えるので、摩耗粉粒径は小さくなる。逆に、摩擦面５２ａにおいて凹み溝・凹み穴の量が少なくなると、表面凝着物が切断される箇所が減るので、摩耗粉粒径は大きくなる。

図３５は、摩擦面５２ａに形成される凹み溝および凹み穴の存在比率と摩耗粉の形態との関係を示すグラフである。ここで、凹み溝および凹み穴の存在比率とは、摩擦面５２ａに凹み溝と凹み穴とが混在する状態における凹み溝と凹み穴との相対的な比率である。図３５に示すように、摩耗粉形態は、凹み穴の存在比率が大きくなるほど、丸みを帯びた形態となり、凹み溝の存在比率が大きくなるほど、細長い形態となる傾向にある。このことは、上述したように凹み穴の方が凹み溝よりも表面凝着物を切断する可能性のある部分を多く存在させることに基づく。

図３６は、摩擦面５２ａに形成される凹み溝・凹み穴の深さと総摩耗量との関係を示すグラフである。図３６に示すように、総摩耗量は、凹み溝・凹み穴の深さがある値のときに最少となり、その総摩耗量が最少となる凹み溝・凹み穴の深さの値を境に、総摩耗量は、凹み溝・凹み穴の深さが深い方に変化しても浅い方に変化しても凹み溝・凹み穴の深さの値の変化にともなって徐々に増加する傾向にある。このことは、凹み溝・凹み穴の深さが深くなると、切削性摩耗が支配的となることで、摩耗量が増加し、凹み溝・凹み穴の深さが浅くなると、凝着性摩耗が支配的となることで、摩耗量が増加することに基づく。

図３７は、摩擦面５２ａに形成される凹み溝・凹み穴の広さと総摩耗量との関係を示すグラフである。ここで、凹み溝・凹み穴の広さは、凹部として形成される凹み溝・凹み穴の摩擦面における開口面積に相当する。図３７に示すように、総摩耗量は、凹み溝・凹み穴の広さが広くなるほど多くなり、凹み溝・凹み穴の広さが狭くなるほど少なくなる傾向にある。このことは、切削性摩耗および凝着性摩耗の影響は、いずれも、凹み溝・凹み穴の広さが広くなるほど大きくなることに基づく。

以上のように、摩擦面に形成される凹み溝・凹み穴とＵＨＭＷＰＥの摩耗特性と間には関連性が存在する。この関連性に基づき、凹み溝・凹み穴として形成される凹部は、そのサイズ、形状、および摩擦面における分布密度の少なくともいずれかの調整により、摩擦面から生じる摩耗粉の量、サイズ、および形状（形態）の少なくともいずれかをコントロールするための形状部分として用いられる。そして、凹み溝・凹み穴のサイズ等の調整は、好ましくは、摩擦面から生じる摩耗粉がマクロファージによる貪食の対象から除外されるサイズ・形状となるように行われる。

以上のように、本実施例では、ＵＨＭＷＰＥの摩耗を抑制するため、および摩耗粉による生体活性を抑制するための硬質材料側の軸受面の最適な表面処理方法の検討指針を得るため、ＵＨＭＷＰＥおよびＣｏ−Ｃｒ−Ｍｏ合金の表面プロファイルとＵＨＭＷＰＥの摩耗との関係を調査した。本実施例から、必ずしも単純な表面粗さの減少は摩耗抑制にはつながらないこと、および本発明に係る摩擦面構造に関係するサブミクロンレベルの溝加工または穴加工の有効性が認められた。

今後の展望としては、切削性の摩耗に影響を与えない程度の深さで溝加工または穴加工を行い、摩擦面間への潤滑液の介在を容易にして凝着性の摩耗を抑制するとともに摩耗粉による生体活性を抑制するような表面プロファイル加工を提案する必要がある。そして、潤滑状態を改善しつつ、軸受面の表面粗さに影響を与えない表面プロファイルを提案することにより、ＵＨＭＷＰＥの摩耗粉の形態制御や総摩耗量の抑制を促すことが可能であると考えられる。

本発明に係る人工関節は、すでに臨床応用されている人工関節の硬質材料側の摩擦面の加工方法の変更、具体的には摩擦面の表面テクスチャリングの適用という観点に基づくものであるため、安全性は保証されており、かつ、人工関節を取り扱う産業界の理解と参入も容易である。そして、例えば人工関節の硬質材料としては、従来、チタン合金、コバルトクロム系合金、ステンレス鋼等の金属材料が多用されているが、本発明によれば、それらの金属材料が有する良好な加工性や高靭性・延性能力等の優れた特徴を維持したまま、総摩耗量を減らすかあるいは現状維持のままで、摩擦面で発生する摩耗粉による生体活性の抑制を可能とする潤滑システムの完成を実現することが可能となる。

１ 摩擦面
２ 相手側摩擦面
３ 凹部
３ａ 斜面部
４ 曲面部
５ 平面部
６ 凸部
１０ 人工股関節
２０ ボール（関節部材）
２１ 凸曲面（摩擦面）
２３ 凹部
２３ａ 斜面部
２４ 曲面部
２６ 凸部
３０ カップ（関節部材）
３１ 凹曲面（摩擦面）
４０ 潤滑液

Claims (5)

1. 関節を構成する一対の関節部材を有し、該一対の関節部材間に、潤滑液を介して互いに接触した状態で相対的に摺動する一対の摩擦面を形成する人工関節であって、
   前記一対の摩擦面のうち少なくとも一方の前記摩擦面は、
   前記摩擦面の深さ方向に沿う断面視で前記摩擦面の表面側から前記深さ方向の奥側にかけて徐々に幅が狭くなるように鋭角状をなす斜面部を有する溝状および穴状の少なくともいずれかの凹部と、
   該凹部を形成する前記斜面部と前記摩擦面の表面部を形成する面とを連続させる凸状の曲面として形成される曲面部と、
   を有することを特徴とする人工関節。
2. 前記凹部の深さは、大きくてもサブミクロンサイズであることを特徴とする請求項１に記載の人工関節。
3. 前記一対の摩擦面のうち、一方の前記関節部材により形成される前記摩擦面は、金属材料により形成され、他方の前記関節部材により形成される前記摩擦面は、樹脂材料により形成されるものであり、
   金属材料により形成される前記摩擦面に、前記凹部と前記曲面部とを有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の人工関節。
4. 前記凹部は、サイズ、形状、および前記摩擦面における分布密度の少なくともいずれかの調整により、前記摩擦面から生じる摩耗粉の量、サイズ、および形状の少なくともいずれかをコントロールするための形状部分として用いられることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の人工関節。
5. 前記凹部は、前記摩擦面から生じる摩耗粉がマクロファージによる貪食の対象から除外されるサイズ・形状となるように形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の人工関節。

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