JPS60174156A - 金属製補綴部材及びその鋳造方法 - 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】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、生体骨格系の一部と取替処置される金属製
補綴部拐に舅し、とくに腰部取替外科処置に使用される
大腿部への挿入部材の改良に係る。

〔従来技術〕

近時、整形外科では、不完全な股関節を移植用部材と取
替える技術が開発され改良されている。これら移植材は
、その材質などに独特の制限があシ、材質が周囲の組織
と共存でき、かつ強度が大きく比較的複雑な形に形成で
きるもので、更に補綴部材に接する生体の骨格に対して
機械的な荷重を十分伝達するものでなければならない。

大腿部頭部の移植オは、幹軸（ｓｔｅｍ）を大腿部の骨
内腔（ｉｎｔｅｒｍｅｄｕｌ’ｌａｒｙｃａｖｉｔｙ）
内に埋込み、セメントあるいは幹一の表面上又は表面内
への骨の成長によって保持することによってなされる。

大腿部の骨内腔から材料を除去する際、その除去量を最
小にするためには幹軸が比較的細長いものでなければな
らない。

しかし、強度が高くかつ比較的細長い金属材料の場合、
周囲の骨にその負荷を伝達する際、次のような問題が生
じる。骨にかかる応力のうちあるものは再吸収しないよ
うにしなければならないが、一方応力集中や局部荷重が
生じ力いようにしなければならない。また金属の幹軸は
、通常高弾性率の多結晶金属で形成され、このため幹軸
が受けるたわみ荷重は周囲の骨よシもかなり小さい。こ
の結果局部応力が高くなり骨から幹軸が分離しあるいは
幹軸により実際に周囲の骨が折れてしまう。

この発明の目的とするところは、周囲の骨格によく調和
する弾性率を持つ補綴部材を提供することにある。

更にこの発明の目的とするところは、異方性弾性率を持
つ金属部材を用いてその最小弾性率の方向が補綴部材中
で最大応カがかがる方向になるように配置して、補綴部
材周囲の骨の歪が最小になるようにした補綴部材を提供
することにある。

更にまたこの発明の目的とするところは補綴部材によっ
て周囲の骨に伝えられる荷重を分散して、局部応力が高
くなるのを防止できる手段を提供することにある。

〔発明の要約〕

この発明の金属補綴部材は、鋳造金属部材がらなり、生
体の骨格系の一部を取替える処置に使用される。この補
綴部材は、好ましくは大腿部の頭部の処置に用いられる
のがよい。この発明の金媚部材は、その弾性率が異方性
となるように鋳造される。この金属部材は、これを曲げ
た時にζの部材に接する体の骨格系が最小の応力を受け
るように、金属部材の最小弾性率方向を定めている。好
ましくは、この金属が立方晶構造であり、かつ〔００１
〕，〔０１０〕又は（１００）の結晶方位が補綴部材の
最大応力を受ける方向となるように金属を配置するのが
よい。

〔好適な具体例〕

この発明は生体骨格系の一部を取替処理するのに用いる
補綴部材である。最も広く取替処理が行なわれている人
体骨格系は、大腿部の頭部とこれを固定する寛骨臼関節
である。この発明では大腿部の頭部に対する取替処理に
主眼をおき、このだめの補綴部材を具体的に挙げている
。

しかし、この発明は、単に大腿部用に限らず、生体骨格
内に移植するもの、あるいは大きな応力にさらされる他
の補綴部材と組合せたものにも使用することができる。

この発明によれば、補綴部材は、鋳造金属部材で構成さ
れている。この金属はとくにこの特殊な環境で使用可能
なものでなければならないが、これらの目的に沿う金属
又は合金の種類は公知であり、これらから適宜選択され
る。更に生物学的適合性及び強度に関し、この発明の金
属は、弾性率異方性を生じるような方法で鋳造できるも
のでなければならない。この方法では、金属を鋳造して
単結晶を形成するのが、好ましいが、所期の粒径及び結
晶方位を有するように方向性凝固鋳造を行なえば十分な
異方性を有し、鋳造物の弾性率に関し所望の効果を得る
ことができる。

好ましくは、鋳造金属は立方晶構造がよい。

この発明方法で操作可能な合金の１つとしてコパルトー
クロム合金、ＡＳＴＭＦ７５があ９、これは補綴部材と
して一般に使用されている。このような材料で単結晶鋳
造物を作れば特定の結晶軸の方向の弾性率を約４０チ減
少することができる。この特殊な合金（立方晶金属はそ
の典型例である）では、最小弾性率の方向は立方晶ユニ
ットセルのエッジに平行な方向、即ち（００１），（０
１０）又は（１００１の結晶方向である。そしてこのよ
うに弾性率を少なくすることにょ９、後述の如き利点が
ある。

立方晶以外の材料についてもこの発明で使用できる。チ
タニウムやその合金は、補綴部材用材料として有効であ
ることが知られている。しかし室温で安定なチタン単結
晶を形成することは、困難である。

上述の如く、補綴部材は単結晶が好ましい。

単結晶構造では、異方性を制御できるだけでなく、結晶
粒界がないので、材料がこれに起因する好ましくない性
質を持っていても、その材料を使用することができる。

更に単結晶を用いれば、結晶粒界効果を制限するために
所定の合金成分を添加するということも必要としなくな
る。

第１図は、大腿部の頭部を取替えかつ骨盤内の寛骨臼関
節を結合する処置を行うのに用いられる外科用補綴部材
を示す。図示する部材は、符号１０で示されるが、寛骨
臼部１２と大腿部又は幹軸１４とを有している。補綴部
材１０は、常法に従って大腿部２００頭部に埋込まれる
。

大腿部２０に伝達される荷重は寛骨臼部１２と幹軸１４
を通って伝えられる。第１図に示すように、伝えられる
応力は、大腿部２０あるいは幹軸１４の中心と一致しな
いので、曲げ荷重が幹軸１４にかかる。

先に述べたように幹軸の断面寸法をなるべく小さくして
材料使用量を少なくシ、骨内腔２２から除去できるよう
にするのが好ましい。幹軸１４が比較的大きな荷重に抗
するようにするには、高弾性率でなければならない。し
かｌ２、荷重がこの補綴部材にかかると、その弾性率が
周囲の骨よりかカリ高いため、せん断応力が、補綴部材
と骨との界面にかかつてしまう。この結果、骨と補綴部
材との間の結合がなくなる。更に大きな荷重がかかれば
、その荷重の高さあるいは小径幹軸径の小ささにより、
幹軸が相殺荷重のトルクに応じて大腿部内を回転し、外
部端部領域２４、内部基部領域２６又はこれら両方の領
域において大腿部が破壊される。

この具体例では寛骨臼部１２に荷重が加わると、第１図
の矢印方向に幹軸１４中で曲げ応力が生じる。この結果
、幹軸１４の中心線１９とほぼ平行な外部表面１６と内
部表面１８上に最大応力が生じる。このため、最大応力
が生じる方向、即ち幹軸の中心に平行な方向では弾性率
が少ない方が望ましい。立方晶金属では、立方晶金属の
ユニットセルの任意のエッジを曲げ応力下の部材の中心
線と揃えることにより、これを行なう。

補綴部材の特定部分と結晶軸方位を揃えるには、鋳造中
に方向や熱抽出速度を制御することによシなされる。そ
して金属材料は、すでに存在する固体材料上で溶湯から
熱を抽出してこれを凝固する鋳造過程で固体となる。鋳
造条件を制御すれば、溶湯は溶湯材料自体からなる小さ
な固体粒子上にのみ凝固する（鋳型や溶湯中の他の固体
粒子には凝固しない）。そしてこのような固体粒子（核
と称する）の数を限定し，、溶湯から熱を抽出する方向
を制御することによシ、溶湯が単結晶として凝固しある
いは熱抽出方向に配列された比較的少数の結晶として凝
固・する。

立方晶金属では、ある結晶方向に沿って高速で凝固する
。従ってこの特性を利用して、特定の鋳造部材について
その結晶方位を揃える。更に金属は、同じ材料で結晶方
位が同じ既存の固体上に凝固される。従って初期の固体
の結晶方位を決めることにより鋳造物の結晶軸方向を決
めることができる。

第２図は「種結晶」３１と称される小固体を用いて最終
鋳造物の結晶軸方向な定めた腰部補綴部材の鋳造用鋳型
３０を示す。これは、単結晶を形成するためのもので、
単結晶の結晶軸は種結晶の結晶方位によって予じめ決め
られる。

鋳造物はセラミック区ル３４によって形成された鋳型空
隙３２内で形成される。このような鋳型の製造法は、イ
ンペストメント鋳造法としてすでに公知である。鋳型３
０は、更に種空隙３６と熱流出体又は「テル」３８を有
する。チル３８０機能は、鋳造物と接して熱を抽出する
もので、熱流が鋳造物形成用溶湯からチル３８方向に流
れるようにしている。セラミック区ル３４の周囲の温度
、溶湯温度及び溶湯からの熱抽出速変を操作することに
よシ、金ｊ１ｉが単結晶として核生成のみしかつ成長す
る速度以上で底部から鋳造物が凝固する。

単結晶の結晶方位を１制御するために、種結晶３ノを種
空隙３６内に配置する。種結晶は公知の結晶軸方位を持
ち、種空隙３６内の槙結晶の方位にもとづいて、最終鋳
造物の結晶方位が決定される。例えば立方晶の（００１
）方向が鋳造物の中心線に沿うように配列しようとする
場合、種結晶のその結晶方位が中心線に対して平行とな
るようにすることによ９決められる。鋳造過程の初期に
は、種結晶の上部が溶融し、鋳型空隙が満される。溶湯
からの熱を種結晶から抽出すると、種と溶湯との界面に
おいて凝固が引起こされ、溶湯は順次種結晶の上方に凝
固していく。鋳造条件が正しければ、溶湯は種結晶の結
晶方位でのみ単結晶として凝固される。この単結晶鋳型
における鋳造条件は公知の技術から容易に決定できる。

この方法では鋳造物の結晶軸方位について全ての方位を
制御できるので、他の方向性を有する金属凝固方法より
も有効である。第３図に別の方法を示す。

第３図は、セラミックシェル４４で形成された鋳型空隙
４２を備えた鋳型４ｏを示す。鋳型は、更に結，晶選択
部４６、鋳型空隙４２と連通する成長空隙４７及び熱抽
出部材又はチル４８を有する。

溶融金属を鋳型空隙４２内に注ぐと、この溶融金属は選
択部４６及び成長空隙４７に充填され、凝固がチル４８
の表面で゛開始する。はじめに凝固された凝固金属の結
晶方位はランダムであシ、結晶材科中の凝固速度は各結
晶方位でバラパラである。従クて固体／液体界面が成長
空＠４ｙ内を上方に移動しなから溶湯が凝固していく過
程において、ある結晶方位を持つ固体結晶は、成長速度
が他のものよシ速い。このため曲線状となっている選択
部４６では、成長している固体のうちもっとも速く成長
している結晶を選択する。従って選択部４６出口即ち、
鋳造空隙の下部先端では、形成された結晶が鋳型の中心
線に配列された最も急速に凝固した結晶方位を有する。

この場合立方晶金属では、立方体のエッジに平行な結晶
軸方位が熱抽出方向とカるように配列される。従ってこ
れらの３つの方位は、その下部先端において鋳型空隙の
中心線に沿って配列されるのが最も好ましい。

しかしこの方法は、先の種結晶法と異なり、結晶の一方
向のみしか制御されない。換言すれば（００１）方向が
鋳型の中心線に平行である場合、（０１０）と（１００
）方向は相互に垂直であるが（００１：１方位のまわり
に３６０°回転可能である。これに対し、先に述べた種
結晶法は、種結晶の結晶方位によクて全ての結晶軸方向
を制御することができる。

上述の如く、−この発明では単結晶を例にとって説明し
た。しかし、この方法によシ、本発明に有効な複数固の
結晶を有する物を作ることもできる。例えば多結晶部材
として最大応力を受ける方向に平行な方向の結晶粒がそ
の方向中での弾性率を減少するように配列されたもので
もよい。

第４図は、方向性凝固鋳造を行う鋳型を示す。

この鋳型５θはセラミノクシェル５４で形成された鋳型
空隙５２を有する。更に鋳型はチル５８に接するチル空
隙５６を有する。鋳造過程で、熱は溶湯から直接抽出さ
れ、チル空隙５６内のチル表面において液体／固体界面
が上昇しながら、凝固がはじまる。熱流と鋳型及び溶湯
温度と核生成位置を適切に制御することにより、多結晶
鋳造物が形成される。そしてこれは鋳型空隙５２のほほ
中心線に沿って配列された伸延状粒子を有する。

なおこの発明は実施例に限らず、この発明の範囲内のも
のならば、いかなるものでもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の補綴部材の一実施例を示す大腿部の
断面図、 第２図は単結晶腰部補綴部材を作るための鋳型の一例を
示す断面図、 第３図は単結晶腰部補綴部材を作るだめの鋳型の他の例
を示す断面図、 第４図は単結晶腰部補綴部材を作るだめの鋳型の更に異
なる例を示す断面図である。 １０・・・補綴部材、１２・・・寛骨臼部、１４・・・
幹軸、１６・・・外部表面、１８・・・内部表面、１９
・・・中心線、２０・・・大腿部、２２・・・骨内腔、
２４・・・外部端部領域、２６・・・内部基部領域、３
０・・・鋳型、３１・・・種結晶、３２・・・鋳型空隙
、３４・・・セラミックセル、３６・・・種空隙、３８
・・・テル、４０・・・鋳型、４２・・・鋳型空隙、４
４・・・セラミックシェル、４６・・・結晶選択部、４
７・・・成長空隙、４８・・・チル、５０・・・鋳型、
５２・・・鋳型空隙、５４・・・セラミックシェル、５
６・・・チル空隙。 出願人代理人弁理士鈴江武彦 手続補正書動劃 ＠．ヤ・３．，２５， 特許庁長官志賀学殿 ■．事件の表示 特願昭５９−２２９０３０号 ２，発明の名称 金属製補綴部材及びその鋳造方法 ３．補正をする者 事件との関係特許出願人 ホーメット●タービンーコンポーネンツ−コーポレーシ
ョン４、代理人 住所東京都港区虎ノ門１丁目２６番５号第１７森ビル〒
１０５．ＩＥ１１０３（５ｏ２）３ｔ８ｉ（大代ｉｔ）
，ｉ’，．１：ｊ，ｉ’，’＞ｌ，Ｔ；；，，１ゲ．叶
１゛ 氏名（５８４７）弁理士鈴江武彦・、Ｆｌ”：’＋．二
，１５．補正命令の日付 昭和６０年２月２６日 ６，補正の対象 適正な願書（代表者の氏名），委任状およびその訳文図
面 ７．補正の内容別紙の通り 図面の浄書（内容に変更なし）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １，生体の骨格系の一部と取替処置に用いられる弾性率
   異方性を有する鋳造金属製補綴部材であって金属製補綴
   部材の最小弾性率方向が補綴部材の最大応力を受ける方
   向となるように金属製補綴部材を゛配置して、補綴部材
   の湾曲時にこれと接する生体の骨格系に生ずる応力を最
   小となるようにした金属製補綴部材。 ２，金属製の補綴部材が単結晶である特許請求の範囲第
   １項記載の金属製補綴部材。 ３，金属はコバルトークロム合金である特許請求の範囲
   第２項記載の金属製補綴部材。 ４．結晶は立方晶である特許請求の範囲第２項記載の金
   属製補綴部材。 ５，単結晶は、そのエッジ方位が（００１），［０１０
   ）又は［１００）方位で、この方位が補綴７部材の最大
   応力方向を受ける方向となるように配置されている特許
   請求の範囲第４項記載の金属製補綴部材。 ６．補綴部材は、大腿部に埋込まれる腰部補綴部材であ
   る特許請求の範囲第１項記載の金属製補綴部材。 ７．大腿部の頭部を取替て大腿部中で埋め込み処！され
   る外科用補綴部材でおりて、この補綴部材が大腿部と寛
   骨臼部とからなり、上記大腿部の補綴部材が［００１）
   ，［０１０）又は（１００）方向の結晶方位を持つ立方
   昌の単結晶金属からな９、この方位が大腿部の中心線と
   平行となるようにこの単結晶金属を配列している金属製
   補綴部材。 ８．金属がコバルトークロム合金である特許請求の範囲
   第７項記載の金属製補綴部材。 ９．金属がＡＳＴＭＦ７５合金である特許請求の範囲第
   ８項記載の金属製補綴部材。 １０．異方性鋳造物を形成可能な溶融金属から金属製補
   綴部材を鋳造する方法であって、上記鋳造物を形成する
   手段と、この鋳造物形成手段内にある溶融金属から熱を
   抽出する手段と、上記形成手段と熱抽出手段との間に設
   けられ上記鋳造物を少なくとも１つの結晶軸方向に志向
   せしめる手段とを具備し、 （ａ）溶融金属を形成手段内に入れる工程と、（ｂ）上
   記溶融金属から熱が主に熱抽出手段に流れるように熱抽
   出過程を制御して異方性鋳造物を作る工程と、 （Ｃ）上記鋳造物の結晶軸方向を、最大応力を受ける方
   向として、この方向の鋳造物の弾性率を小さなものとす
   る金属製補綴部材の鋳造方法。 １１．溶融金属と熱抽出部材との間に種結晶を置く工程
   を有する特許請求の範囲第１０項記載の金属製補綴部材
   の鋳造方法。 １２．溶融金属中で形成する単結晶を選択し、この単結
   晶を上記結晶軸方向に配列して結晶成長させる工程を有
   する特許請求の範囲第１０項記載の金属製補綴部材の鋳
   造方法。 １３．鋳造物は単結晶である特許請求の範囲第１０項記
   載の金属製補綴部材の鋳造方法。 １４．単結晶は立方晶金属である特許請求の範囲第１３
   項記載の金属製補綴部材の鋳造方法。 １５．金属はコバルトークロム合金である特許請求の範
   囲第１４項記載の金属製補綴部材の鋳造方法。 １６金属はＡＳＴＭＦ７５である特許請求の範囲第１５
   項記載の金属製濁綴部材の鋳造方法。