JP2852780B2 - 人工骨頭及びその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は、例えば大腿骨の骨頭が骨折や変形性股関
節症等によって損傷を受けたときに、代用として置換さ
れる人工骨頭及びその製造方法に関する。

（従来の技術） 従来、この種の人工骨頭のうち骨頭球とステムとが分
割式のものにあっては、通常、次のようにして一体化さ
れている。

まず、骨頭球に設けられたテーパ状の孔部（以下、単
に「孔部」ともいう）に対して、同一テーパで形成され
た、ステムの先端部（以下、単に「先端部」ともいう）
を嵌合する。その後、骨頭球の頂部に弱い衝撃を加える
ことにより、かたく嵌合させて固定し、一体化するので
ある。

したがって、このものにおいてはテーパ嵌合の部位で
骨頭球の頂部が受ける荷重（主として体重）を支えるこ
ととなる。

ところで、上記した従来の技術においては、骨頭球に
ステムをテーパ嵌合したとき、その孔部の低部とステム
の先端部との間に3mm程度の空隙が形成されるようにな
っている。この空隙は、孔部の加工上の必要からと、加
工誤差を吸収してテーパ嵌合を適正に保持するためのも
のである。

（発明が解決しようとする課題） 従来の人工骨頭においては、上記した空隙の存在によ
って、置換された患者の骨頭球の頂部に加わる荷重は、
その孔部の底部とステムの先端部とでいわゆる突合わせ
接合の状態で支えられることなく、テーパ嵌合の部位で
支えられる。したがってこの場合、ステムの先端部は骨
頭球の孔部の底部に深く押し込まれる形となり、同時に
いわゆる楔効果によって孔部の周囲の部位を外方向に押
し広げる作用を及ぼす。このため、この部位には、テー
パ嵌合により受ける内圧により周方向に沿う引張り応力
が発生する。また、空隙の周縁に沿う内側には、外方向
に押し広げられる形の曲げに伴う引張り応力も発生す
る。しかも、こうした引張り応力は、その荷重の増加に
比例して大きくなり、また除荷後においてもステムが押
し込まれることによる残留応力として残存する。特に跳
ねるようにして歩いたり、運動したりする時のように、
静荷重に比べて数倍の負荷とされる衝撃荷重が作用する
ときの引張り応力は極めて大きいものとなる。

したがって、この構造は、骨頭球が引張強度の大きい
メタル材の場合には好適といえるが、例えば、セラミッ
クのようにそれが圧縮強度に比べて1/10と小さい材質の
ものにおいては、破壊され易く、したがって危険であり
不適という欠点がある。

そこで、骨頭球の肉厚を大きくして強度を確保しよう
とすれば、骨頭球自体が大きくなり、適用できる患者の
範囲は制限されてしまう。一方、骨頭球が小径のものに
は肉厚を大きくできないから、強度不足となり使用でき
ない。

この対策としては、空隙を充填材により埋めればよい
と考えられるが、充填材を嵌合時に封入する合理的手段
は未だ開発されていない。例えば注射器方式により充填
材を封入する場合には、一部が垂れ落ち、したがって空
隙を隙間なく埋めることができなかったり、ステムのテ
ーパ面に付着したりして嵌合不良を招くといった具合で
あり、実質的にその作業は困難とされている。

本発明は、上記した解決すべき課題に鑑み、置換後に
おいてステムが押し込まれることを防いで骨頭球におけ
る引張り応力の発生を抑えることにより、骨頭球にセラ
ミック等の引張強度の小さい材料を用いても強度的に十
分な人工骨頭を得ることを目的とすると共に、その合理
的な製造方法を提供することを目的とする。

（課題を解決するための手段） この発明は上記の目的を達成するために、骨頭球に設
けられた孔部に対し、テーパ状に形成されたステムの先
端部を嵌合することにより一体化されて成るものにおい
て 一体化される時に座屈を起こし、かつ硬化性の充填材
を収容したスリーブ状容器を、前記孔部の底部と前記先
端部との間の部位に対して介在させたことである。

そして、その製造方法としては、骨頭球とステムと
を、骨頭球に設けられた孔部に対し、テーパ状に形成さ
れたステムの先端部を、その孔部の底部と該ステムの先
端部との間に空隙を保持して嵌合し、一体化するにあた
って、 前記孔部の底部と前記先端部との間の部位に対し、硬
化性の充填材を収容したスリーブ状容器を介在させ、そ
の状態のもとで前記孔部に対して前記先端部を嵌合し、
その後、外力を加えて該スリーブ状容器を座屈させ、前
記充填材により前記空隙を埋め、該充填材を硬化させる
ことによって骨頭球とステムとを一体化するのである。

（作用） 上記の構成により、骨頭球とステムとは、骨頭球の孔
部の底部とステムの先端部とにおいて、硬化した充填材
を介して突合わせ接合された状態にある。これにより、
患者への置換後においては、荷重は、テーパ嵌合の部位
で作用し合うことが少なく、実質的には充填材を介して
ステムの先端部にそのまま伝達される。つまり、骨頭球
にはステムの先端部がさらに押し込まれることがないか
ら、過大な引張り応力の発生が有効に防止される。この
結果、骨頭球には、実質上、圧縮応力のみ生じることと
なるので、その径の大小にあまり関係なく、セラミック
等の引張強度の小さい材料を使用することができること
となる。

また、充填材はスリーブ状容器に収容された状態で介
在させるため、充填の作業が簡易にでき、しかも介在さ
せるときに垂れ落ちてテーパ面に付着し、嵌合不良を起
すということの防止に有効である。

さらに、スリーブ状容器は外力を加えて座屈（厳密に
は座屈によらない変形の場合もあるが、本明細書におい
ては座屈という）させられるので、充填材により空隙は
実質上均等に埋められ、したがって骨頭球とステムとを
隙間なく密着した状態で一体化するのに有効である。

かくして、骨頭球に、セラミック等の引張り強度の小
さい材料を使用しても強度的に優れた人工骨頭を合理的
に製造できることとなる。

（実施例） −実施例 １− 本願発明の第１実施例について第１図ないし第４図を
参照として詳細に説明する。

図中、１は、股関節に置換される人工骨頭であって、
ステム２と骨頭球３とを次記する様にして一体化して構
成されている。

すなわち、ステム２は、角状に形成された基端部４
と、この基端部４の上に、先細りテーパの円錐台状で連
接して形成された先端部５とより構成されている。

一方、骨頭球３は略球体を成し、下部の中央を開口と
し、ステム２の先端部５と同一テーパで穿設された孔部
６を備えている。ただし、孔部６の深さは、ステム２の
先端部５が嵌合されたときに、その先端面７と孔部６の
底部８の底面９との間に所定の空隙Ｓが保持される大き
さとされている。なお、孔部６の底面９の周縁に沿って
形成されているリセス11は、孔部６の穿設加工における
いわゆる逃げ溝である。

さて、12は、スリーブ状容器であって、外径をステム
２の先端面７の外径とほぼ同一とし、略円筒状に形成さ
れている。そして内側に硬化性の充填材13を収容した状
態で、孔部の底面９とステムの先端面７との間の部位に
対して介在されている。ただし、このスリーブ状容器12
は、孔部６に対して先端部５を嵌合し、一体化された状
態において座屈して介在されている。

本例におけるスリーブ状容器12は、チタン合金製とさ
れ、その長さ（高さ）は座屈（変形）前において、空隙
Ｓの厚さ（高さ）より少し大きく形成されている。ま
た、上下方向の中間部位の外周に対して略円弧断面の環
状溝14を凹設することにより薄肉部15を形成し、嵌合時
にその部分で容易に座屈するよう構成されている。な
お、本例では座屈前の薄肉部15の厚さが0.07mmとされて
いる。

さて次に、本例においてステム２と骨頭球３とを一体
化する方法について、詳細に説明する。

まず、ステム２の先端部５を骨頭球３の孔部６に嵌合
するのに先立ち、孔部６の底部８と先端部５との間の
部、本例ではステム２の先端面７に対し、同心状にして
スリーブ状容器12を載置する。

次いで、硬化性の充填材13を、スリーブ状容器12の上
端面まで適量注入する（第２図及び第３図参照）。な
お、充填材13は、本例では、骨セメントを使用している
が、エポキシ樹脂等のように硬化後硬質で人体に無害の
ものであれば適宜に選定して使用することができる。

そして、この状態において骨頭球３の孔部６に対して
ステム２の先端部５を挿入する。しかる後、骨頭球３の
頂部16にハンマー等により弱い衝撃を加える。こうする
ことで、ステム２と骨頭球３とは固くテーパ嵌合され、
スリーブ状容器12は、その薄肉部15で、ほぼ、その元の
長さと空隙Ｓの長さの差の分が座屈により圧縮され、潰
される形で変形する。同時に充填材13は空隙Ｓを埋め、
骨頭球３の孔部６の底面９とステム２の先端面７とに密
着し、この状態のもとで硬化する。

かくして、骨頭球３とステム２とは充填材13を介して
一体的に固定される（第１図）。この結果、骨頭球３に
作用する荷重は、孔部６の底面９及び充填材13を介して
ステム２の先端面７にそのまま圧縮力として伝達され
る。したがって、ステム２がさらに孔部６に押し込まれ
ることはなく、また孔部６の周囲の部位や空隙Ｓの周縁
部に引張り応力が発生するのが有効に防止される。

よって、小径（例えばφ22mm以下）の骨頭球にもセラ
ミック材のように引張り強度の小さい材料を用いること
ができる。

なお、骨頭球３に適用しうるセラミックとしては、ア
ルミナセラミックの他、ジルコニア、窒化珪素、炭化珪
素、サイアロン、又はこれらの複合化したものを例示で
きる。因みに、ステム２には、チタン合金、コバルトク
ロム合金、ステンレス鋼、又は高炭素鋼等が使用され
る。

なお、本例ではスリーブ状容器12の材質としてはチタ
ン合金を例示したが、この他コバルトクロム合金、ステ
ンレス鋼、さらにはアルミニウム等の耐食性が高く、塑
性変形を起こしやすい金属材料も使用できるし、高密度
ポリエチレン、ポリアセタール、６−ナイロン、テフロ
ン等の樹脂材料も適宜選定して使用することができる。

また、スリーブ状容器の形状についは上記したものの
他、環状溝14を円弧断面にして内周に設けたものや、Ｖ
ないしＵ字状断面にして外周に設けたものを例示するこ
とができるが（第４図（ロ）（ハ）参照）、もちろん、
これらに限定されるものではない。骨頭球３とステム２
とが嵌合され、弱い衝撃を加えられる時に座屈を起こ
し、所望とする変形が得られるものであれば、例えば断
面をくの字形としたもの等、適宜の形状のものを使用す
ることができる。なお、この薄肉部15の厚み（ｔ）は、
材質にもよるが、実用上0.03〜0.8mmぐらいが適当であ
る。薄すぎるとその製作が困難となるし、あまり厚いと
衝撃力を加えても座屈しないことがあるためである。

−実施例 ２− さて次に、本発明の人工骨頭の第２実施例について第
５図ないし第７図を参照して説明する。ただし、本例の
ものは、上記第１実施例の変形とでもいうべきものであ
るので、相違点を中心として説明し、同一部位には同一
の符号を付して適宜説明を省略する。

すなわち、本例においては、骨頭球３の孔部６の底部
８とステム２の先端部５との間の部位に介在される、充
填材13を収容するスリーブ状容器12が、ステム２の先端
面７の周縁に沿って、一体的に立設して形成されてい
る。

したがって、充填材13を注入するに際し、その都度ス
リーブ状容器12をステムの先端面７の所定位置に載置す
るという工程を要しない。しかも充填材13を注入する時
や骨頭球３にステム２を挿入、固定する時等にスリーブ
状容器12が横ずれするということがないので、容易かつ
安定した状態で嵌合することができる。

しかして骨頭球３にステム２が挿入され、骨頭球３に
衝撃を加えると、薄肉部15で座屈を起こして一体化され
る。なお、本例では、スリーブ状容器12がステム２と一
体で形成されている結果、これらは同一の材質となる。
ただし、スリーブ状容器12を別材質のものとして、その
下端部をステムの先端面７に植設状態として一体化して
おくこともできる。

−実施例 ３− 続いて本発明の人工骨頭の第３実施例について第８図
ないし第10図を参照して説明する。ただし、本例のもの
も、前例同様、前記第１実施例の変形とでもいうべきも
のであるので、同一部位には同一の符号を付し、適宜説
明を省略する。

本例におけるスリーブ状容器12は、その下端部の内径
がステム２の先端面７の外径よりも僅かに大きく形成さ
れている。そして、その下端部を介し、ステム２の先端
面７の外周縁部に対して嵌着されている。すなわち、本
例のスリーブ状容器12は、外径を同形と円筒状とし、内
径の上側端部を段付で厚肉とし、下側端部を薄肉部15と
して座屈され易く形成し（第10図（イ）参照）、この薄
肉部15を介してステム２の先端面７の外周に嵌着され
る。

したがって、前例同様、スリーブ状容器12をステム２
の先端面７に介在し、充填材を注入する時や骨頭球３に
ステム２を挿入固定する時等には横ずれすることがない
から、容易かつ安定した状態で両者を嵌合し、一体化す
ることができる。なお、本例におけるスリーブ状容器12
の高さは、その座屈前、ステム２に嵌着されている時に
おいて、空隙Ｓの高さより少し大きくなる大きさとされ
ている。

かくして、ステム２に骨頭球３が挿入され、骨頭球３
に衝撃を加えて一体化された状態においては、薄肉部15
がリセス11に沿って外方向に大きく湾曲する形で座屈し
変形する（第８図参照）。

なお本例におけるスリーブ状容器12の他の実施例につ
いて説明すると、第10図（ロ）に示すものは、内径を同
径の円筒状とし、外径の上側端部を段付で厚肉とし、下
側端部を薄肉部15としたものである。もちろん、上部を
内外径ともに段付で厚肉とし、下側端部を薄肉部として
も形成できる（図示しない）。

（発明の効果） 本願発明は、以下のように構成されているので、以下
に記載する効果を有する。

患者への置換後、骨頭球には、ステムがさらに押し込
まれるということが事実上ないから、引張り応力が発生
するのが有効に抑制される。したがって実質上、骨頭球
には、荷重がステムの先端部に作用して充填材を介して
伝達されることによる圧縮応力のみ発生することとな
る。この結果、従来セラミック等の引張り強度の小さい
材料は強度不足となるために、小径の骨頭球には適用で
きなかったが、本発明によれば、これらの材料を用いて
もその径の大小にあまり関係なく、強度的に信頼性の高
い人工骨頭を得ることができる。

また、この人工骨頭の製造方法においては、充填材は
スリーブ状容器に収容された状態で介在させるので、充
填作業が簡易となる。しかも介在させるとき、垂れ落ち
たりしてテーパ面に付着すること等による嵌合不良の発
生防止に有効である。

さらに、スリーブ状容器は外力を加えて座屈させられ
るので、充填材により空隙は実質上均等に埋められ、し
たがって骨頭球とステムとを隙間なく密着した状態で一
体化するのに効果的である。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第４図は、本発明に係る人工骨頭の第１実
施例を示すものであり、第１図は、同人工骨頭の一部破
断縦断正面図であり、第２図はステムの先端面に充填材
を収容したスリーブ状容器を載置した状態の一部省略断
面図、第３図は、第２図におけるＡ部拡大断面図、第４
図（イ）〜（ハ）は充填材を収容した状態におけるスリ
ーブ状容器の形状を示す拡大断面図である。 また第５図ないし第７図は、本発明の第２実施例を示す
ものであり、第５図は、その人工骨頭の一部省略縦断正
面図であり、第６図は同ステムの先端部の縦断面図、第
７図は、第６図におけるＢ部拡大断面図である。 さらに第８図ないし第10図は、本発明の第３実施例を示
すもので、第８図は、同人工骨頭の一部省略縦断正面図
であり、第９図はステムの先端面に充填材を収容したス
リーブ状容器が嵌着された状態の一部省略縦断面図、第
10図（イ）（ロ）は同スリーブ状容器の形状を示す拡大
断面図である。 １……人工骨頭、２……ステム ３……骨頭球、５……先端部 ６……孔部、８……底部 12……スリーブ状容器 13……充填材 Ｓ……空隙

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】骨頭球に設けられた孔部に対し、テーパ状
   に形成されたステムの先端部を嵌合することにより一体
   化されて成るものにおいて、 一体化される時に座屈を起こし、かつ硬化性の充填材を
   収容したスリーブ状容器を、前記孔部の底部と前端先端
   部との間の部位に対して介在させたことを特徴とする人
   工骨頭。
2. 【請求項２】骨頭球とステムとを、骨頭球に設けられた
   孔部に対し、テーパ状に形成されたステムの先端部を、
   その孔部の底部と該ステムの先端部との間に空隙を保持
   して嵌合し、一体化する方法において、 前記孔部の底部と前記先端部との間の部位に対し、硬化
   性の充填材を収容したスリーブ状容器を介在させ、その
   状態のもとで前記孔部に対して前記先端部を嵌合し、そ
   の後、外力を加えて該スリーブ状容器を座屈させ、前記
   充填材により前記空隙を埋め、該充填材を硬化させるこ
   とによって骨頭球とステムとを一体化することを特徴と
   する人工骨頭の製造方法。