JP3236768B2 - Bioprosthetic members - Google Patents
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Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、変形性関節症など
の疾患により機能が低下もしくは喪失したり、疼痛の増
大した人の骨や、関節の一部を置換する生体補綴部材に
関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a bioprosthetic member for replacing a part of a bone or a joint of a person whose function has been reduced or lost due to a disease such as osteoarthritis, or has increased pain. .
【0002】[0002]
【従来の技術】ダイヤモンドは殆どの液体、気体に耐蝕
性があり、硬度が高く、生体への適合性も大きく、した
がって、生体材料としての使用が期待されてきた材料で
ある。2. Description of the Related Art Diamond is a material which is resistant to corrosion of most liquids and gases, has high hardness, and has high compatibility with living bodies, and is therefore expected to be used as a biomaterial.
【0003】特公平3−64142号公報には、ダイヤ
モンドもしくはダイヤモンド状炭素を生体材料として用
いたもので、金属材料からなる基体を直接ダイヤモンド
やダイヤモンド状炭素で被覆した生体用部材に関する発
明が記載されている。Japanese Patent Publication No. 3-64142 discloses an invention which uses diamond or diamond-like carbon as a biological material and relates to a biological member in which a substrate made of a metal material is directly coated with diamond or diamond-like carbon. ing.
【0004】[0004]
【従来技術の課題】しかしながら、上記従来技術には以
下のような問題点があった。すなわち、上記従来技術で
は、膜自体は高い硬度、低い摩擦係数といった特性を有
するものの、タングステンフィラメントCVD法やRF
プラズマCVD法などの各種CVD法により基体に直
接、被覆膜を形成したので基体となる物質と膜との密着
強度が不足し、基体と被覆層の密着強度が小さく、特に
摺動部分に用いようとした場合、被覆膜が剥離する恐れ
があり、実用には至っていないのが実情である。However, the above prior art has the following problems. That is, in the above-described prior art, although the film itself has characteristics such as high hardness and a low friction coefficient, it is difficult to use tungsten filament CVD or RF.
Since the coating film is formed directly on the substrate by various CVD methods such as plasma CVD method, the adhesion strength between the substrate material and the film is insufficient, and the adhesion strength between the substrate and the coating layer is small. In such a case, the coating film may be peeled off, which is not practical.
【0005】この基体と、被覆膜との密着強度が低い理
由としては、主としてダイヤモンドやダイヤモンド状炭
素のような硬質炭素は、他の物質との濡れ性が悪いこと
があげられる。The reason why the adhesion strength between the substrate and the coating film is low is that hard carbon such as diamond or diamond-like carbon has poor wettability with other substances.
【0006】[0006]
【発明の目的】上記従来技術の課題に鑑み、本発明は、
チタンあるいはチタン合金よりなる基体に対して、大き
な密着強度でもって、強度、慴動性に優れるダイヤモン
ド層を形成した生体補綴部材を提供することを目的とす
る。SUMMARY OF THE INVENTION In view of the above problems of the prior art, the present invention provides
It is an object of the present invention to provide a bioprosthesis member having a diamond layer formed on a substrate made of titanium or a titanium alloy and having a high adhesion strength and excellent strength and slidability.
【0007】[0007]
【課題を解決するための手段】前記従来技術の課題を解
決するため本発明の生体補綴部材は、チタンあるいはチ
タン合金よりなる基体の表面に、ダイヤモンドと炭化珪
素と炭化チタンとかならなる中間層を介してダイヤモン
ドを被着したことを特徴とする。In order to solve the above-mentioned problems in the prior art, a bioprosthetic member according to the present invention comprises an intermediate layer comprising diamond, silicon carbide and titanium carbide on a surface of a substrate made of titanium or a titanium alloy. Characterized in that the diamond is adhered through.
【0008】[0008]
【作用】本発明の生体補綴部材は、チタンあるいはチタ
ン合金よりなる基体の表面に、ダイヤモンドと炭化珪素
と炭化チタンとからなる中間層を介しダイヤモンド層を
形成したもので、いずれの材料も生体為害性がなく、且
つ、ダイヤモンドはポリエチレンなどの摺動材料との摺
動性が良好である。さらに、中間層と基体の界面におい
て中間層に含まれる金属炭化物と基体のチタンとが固溶
結合し、他方、中間層とダイヤモンド層の界面において
中間層に含まれるダイヤモンドと金属炭化物を構成する
炭素どうしが共有結合する。これによりダイヤモンド層
と基体との密着強度が向上する。ここで、上記中間層を
構成する炭化珪素は共有結合性の炭化物であり上記中間
層に含まれるダイヤモンドと炭素どうしが共有結合し易
い。また、炭化チタンは基体のチタンあるいはチタン合
金と同系の金属からなるのでチタンとの結合力が強く、
その結果、基体と中間層における金属炭化物と基体との
結合力を高める。The bioprosthetic member according to the present invention has a diamond layer formed on the surface of a substrate made of titanium or a titanium alloy via an intermediate layer made of diamond, silicon carbide and titanium carbide. In addition, diamond has good sliding properties with sliding materials such as polyethylene. Further, at the interface between the intermediate layer and the substrate, the metal carbide contained in the intermediate layer and the titanium of the substrate form a solid solution bond, while at the interface between the intermediate layer and the diamond layer, the carbon contained in the diamond and the metal carbide contained in the intermediate layer is formed. They are covalently bonded. This improves the adhesion strength between the diamond layer and the substrate. Here, silicon carbide constituting the intermediate layer is a carbide having a covalent bond, and diamond and carbon included in the intermediate layer are easily covalently bonded to each other. Also, since titanium carbide is made of a metal similar to titanium or a titanium alloy of the base, it has a strong bonding force with titanium,
As a result, the bonding strength between the metal carbide and the substrate in the substrate and the intermediate layer is increased.
【0009】したがって、一部材料の剥離や摩耗粉の発
生が抑制され、生体に非常に安全で且つ耐久性の大きな
生体補綴部材である。[0009] Therefore, the bioprosthesis is very safe and durable for a living body by suppressing the peeling of a part of the material and the generation of abrasion powder.
【0010】[0010]
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図を用
いて説明する。本発明の生体補綴部材は、図1に示すよ
うに、基体1と、中間層2とダイヤモンド層3により構
成され、該ダイヤモンド層3は、基体1の表面全体を覆
う膜であっても或いは表面の任意の一部を覆うものであ
ってもよい。基体1は、その使用環境から高強度、高靱
性とともに、生体適合性が求められる。そこで、本発明
によれば、高強度でかつ高靱性である材料として、チタ
ンあるいはチタン合金を用いることが重要である。Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. As shown in FIG. 1, the bioprosthesis member of the present invention includes a base 1, an intermediate layer 2, and a diamond layer 3. The diamond layer 3 may be a film covering the entire surface of the base 1, or may be a surface. May cover any part of. The substrate 1 is required to have high strength and high toughness and biocompatibility from the usage environment. Therefore, according to the present invention, it is important to use titanium or a titanium alloy as a material having high strength and high toughness.
【0011】さらに、本発明によれば、摺動部材として
の生体補綴部材における摺動表面にダイヤモンド層3を
形成しても剥離が起こらないように充分な密着強度を得
るべく、図1に示すように、ダイヤモンド層3と基体1
との間に少なくともダイヤモンド4と生体適合性を有す
る金属炭化物5とからなる中間層2を設けることが重要
である。Further, according to the present invention, FIG. 1 shows a structure of the living body prosthetic member as a sliding member in order to obtain a sufficient adhesion strength so as not to cause peeling even if the diamond layer 3 is formed on the sliding surface. As described above, the diamond layer 3 and the substrate 1
It is important to provide an intermediate layer 2 made of at least diamond 4 and a metal carbide 5 having biocompatibility between them.
【0012】このような中間層2の形成により、ダイヤ
モンド層3と基体1との密着強度が向上する理由は次の
ように考えられる。The reason why the formation of the intermediate layer 2 improves the adhesion strength between the diamond layer 3 and the substrate 1 is considered as follows.
【0013】中間層2と基体1の界面において中間層2
に含まれる金属炭化物と基体1のチタンが金属どうし固
溶結合し、他方、中間層2とダイヤモンド層3の界面に
おいて中間層2に含まれるダイヤモンドとダイヤモンド
層3のダイヤモンドとが、炭素どうしが共有結合し、さ
らに、中間層2内においてもダイヤモンドと金属炭化物
を構成する炭素どうしが共有結合する。結合の態様に関
して言えば、イオン結合よりも共有結合の方が強い結合
力を持つ。ダイヤモンドは炭素の共有結合により構成さ
れているので、強い結合力を有している。生体為害性の
ない炭素化合物としては、炭化珪素および炭化チタンな
どがあり、このうち、炭化珪素は共有結合性炭化物であ
る。At the interface between the intermediate layer 2 and the substrate 1, the intermediate layer 2
And the titanium of the substrate 1 form a solid solution bond between the metals, while at the interface between the intermediate layer 2 and the diamond layer 3, the diamond contained in the intermediate layer 2 and the diamond of the diamond layer 3 share the same carbon. In addition, the diamond and the carbon constituting the metal carbide are also covalently bonded within the intermediate layer 2. As for the mode of bonding, a covalent bond has a stronger bonding force than an ionic bond. Since diamond is constituted by covalent bonds of carbon, diamond has a strong bonding force. Examples of carbon compounds that are not harmful to living organisms include silicon carbide and titanium carbide, among which silicon carbide is a covalently bonded carbide.
【0014】また、この中間層2におけるダイヤモンド
4と金属炭化物5は層状に分離して存在しているのでは
なく、図1に示されるように、ダイヤモンド4の回りを
金属炭化物5が取り囲むような構造、すなわち、ダイヤ
モンド4が島状に分布することによりアンカー効果によ
る密着強度の向上も期待できる。なお、中間層2は、
0.1〜10μ、特に0.5〜5μの厚みで形成される
ことが望ましい。また、ダイヤモンド層3と中間層2と
の全体厚みは、1〜100μ、特に2〜20μが望まし
い。Further, the diamond 4 and the metal carbide 5 in the intermediate layer 2 do not exist separately in layers, but as shown in FIG. 1, the diamond 4 and the metal carbide 5 surround the diamond 4. Due to the structure, that is, the diamonds 4 are distributed in an island shape, an improvement in adhesion strength due to the anchor effect can be expected. The intermediate layer 2 is
It is desirable that the film is formed to have a thickness of 0.1 to 10 μm, particularly 0.5 to 5 μm. The total thickness of the diamond layer 3 and the intermediate layer 2 is desirably 1 to 100 μm, and particularly desirably 2 to 20 μm.
【0015】また、ダイヤモンド層3の表面粗さは、膜
の結晶性に大きく影響を受ける。そのため、微結晶ダイ
ヤモンドを存在せしめることにより膜の表面粗さを小さ
く制御することができる。しかも、耐摩耗性の点からも
微結晶ダイヤモンドを含む方が耐摩耗性に優れる。The surface roughness of the diamond layer 3 is greatly affected by the crystallinity of the film. Therefore, the presence of microcrystalline diamond can control the surface roughness of the film to be small. In addition, from the viewpoint of wear resistance, the inclusion of microcrystalline diamond is more excellent in wear resistance.
【0016】このような微結晶ダイヤモンドは、ラマン
分光スペクトル分析において、1160±10cm-1の
ピークとして存在を確認できる。従って、このピークが
大きいほど微結晶ダイヤモンドが多数存在し、膜の表面
粗さも小さくなる傾向にある。The presence of such microcrystalline diamond can be confirmed as a peak at 1160 ± 10 cm -1 in Raman spectroscopy. Therefore, the larger the peak, the more microcrystalline diamonds are present, and the surface roughness of the film tends to decrease.
【0017】次に、本発明の生体補綴部材を作製する方
法としては、気相成長法において、基体の設置した反応
室内に原料ガスとして水素と炭素含有ガス、および炭素
含有ガスを導入し、励起することによりダイヤモンドと
金属炭化物、例えば炭化珪素とからなる中間層2を形成
することができ、さらに珪素含有ガスの供給を停止すれ
ば、ダイヤモンド層3を形成することができる。Next, as a method for producing the bioprosthesis member of the present invention, in a vapor phase growth method, hydrogen, a carbon-containing gas, and a carbon-containing gas are introduced as raw material gases into a reaction chamber in which a substrate is placed, and the excitation By doing so, the intermediate layer 2 made of diamond and a metal carbide, for example, silicon carbide, can be formed. If the supply of the silicon-containing gas is stopped, the diamond layer 3 can be formed.
【0018】以下、本発明の応用例を図2〜図6で示
す。図2は、人工膝関節の大腿骨部材Fを示し、この大
腿骨部材Fは、関節面を構成する摺動面fに前記中間層
2(不図示)を介してダイヤモンド層3を被覆し、例え
ばポリエチレンやセラミック、金属材料に対する摺動性
を高めている。Hereinafter, application examples of the present invention are shown in FIGS. FIG. 2 shows a femoral member F of an artificial knee joint. This femoral member F covers a sliding surface f constituting an articulating surface with a diamond layer 3 via the intermediate layer 2 (not shown). For example, the slidability with respect to polyethylene, ceramic, and metal materials is enhanced.
【0019】図3は、人工股関節を構成する骨頭ボール
Bを示し、この骨頭ボールBは外側表面に前記中間層2
(不図示)を介してダイヤモンド層3を被覆し、摺動性
を高めたものである。FIG. 3 shows a head ball B constituting an artificial hip joint.
The slidability is enhanced by coating the diamond layer 3 via (not shown).
【0020】図4は、人工歯根Rを示し、この人工歯根
Rは歯肉当接部rに前記中間層2(不図示)を介してダ
イヤモンド層3を被覆したものである。これにより、金
属イオンの溶出を抑え、歯肉に黒ずみが発現するのを予
防するとともに、ブラッシングに対する耐摩耗性を向上
させた。FIG. 4 shows an artificial tooth root R. The artificial tooth root R has a gingival contact portion r covered with a diamond layer 3 via the intermediate layer 2 (not shown). As a result, elution of metal ions was suppressed, blackening of gums was prevented from developing, and abrasion resistance to brushing was improved.
【0021】図5および図6は、本技術の手術用刃物へ
の応用としてそれぞれ図5は大腿骨用リーマT、図6は
歯科用リーマCを示している。それぞれ、刃部分に前記
中間層2(不図示)を介してダイヤモンド層3を被覆し
ている。これにより、刃の切れ味を長期間持続させるこ
とができる。FIGS. 5 and 6 show a feather reamer T and FIG. 6 show a dental reamer C as applications of the present technology to a surgical knife, respectively. Each of the blade portions is covered with a diamond layer 3 via the intermediate layer 2 (not shown). Thereby, the sharpness of the blade can be maintained for a long time.
【0022】なお、上記図2〜図6に示す応用例におい
て、基体はいずれもチタン、チタン合金である。In the application examples shown in FIGS. 2 to 6, the base is made of titanium or a titanium alloy.
【0023】[0023]
【実施例】反応炉内に原料ガスを導入して、反応室内圧
力を0.1torr、基体温度800℃に設定した。原
料ガスの種類、流量は表1に示す。ECRプラズマCV
D法により最大2kガウスの強度の磁場を印加させ、マ
イクロ波出力3.0KWの条件で、Ti−6%Al−4
%V合金(合金の比率は、以下いずれも重量%)基体に
成膜を行った(試料No1)。成膜時の原料ガス流量及び
圧力の変化を成膜時間の経過とともに表1に示す。な
お、試料No1についてラマン分光分析結果を図7に示し
た。EXAMPLE A source gas was introduced into a reaction furnace, the pressure in the reaction chamber was set to 0.1 torr, and the substrate temperature was set to 800 ° C. Table 1 shows the types and flow rates of the source gases. ECR plasma CV
A magnetic field having a maximum intensity of 2 kGauss is applied by the method D, and Ti-6% Al-4 is applied under the condition of a microwave output of 3.0 kW.
A film was formed on a substrate of% V alloy (alloy ratio is hereinafter referred to as “weight%”) (sample No. 1). Table 1 shows changes in the flow rate and pressure of the raw material gas during the film formation with the elapse of the film formation time. In addition, the result of the Raman spectroscopic analysis of the sample No. 1 is shown in FIG.
【0024】[0024]
【表1】 [Table 1]
【0025】また、基体をTi−8%Al−1%MO合
金、Ti−10%V−2%Fe−3%Al合金、Ti1
00%、Ti−6%Al−4%V合金に代えて、同様の
手法でコーティングを行った(No2,3,4,5 )。作製した
試料に対していずれも20分の研磨工程を行った。The substrate is made of Ti-8% Al-1% MO alloy, Ti-10% V-2% Fe-3% Al alloy, Ti1
Coating was performed in the same manner, except that the alloy was changed to 00%, Ti-6% Al-4% V alloy (Nos. 2, 3, 4, 5). Each of the prepared samples was subjected to a polishing step for 20 minutes.
【0026】さらに、比較例として、前記表1に示す原
料ガス組成のうちSi(CH3 )4を供給しない他は前
述と同様の手法で比較試料(No6,7,8 )を作製した。As a comparative example, comparative samples (Nos. 6, 7, and 8) were prepared in the same manner as described above except that Si (CH 3 ) 4 was not supplied from the raw material gas compositions shown in Table 1 above.
【0027】得られた膜に対してX線回折設定により検
出相を同定し結果を表3に示した。また、顕微ラマン分
光法によりスペクトル測定を行い1333±10cm-1
のピーク強度I1、1160±10cm-1のピーク強度
I2との強度比(I1/I2)を表2に示した。さらに、
表面粗さ(Rmax)を触針式表面粗さ計により測定し
た。The detection phase of the obtained film was identified by X-ray diffraction setting, and the results are shown in Table 3. The spectrum was measured by Raman microspectroscopy at 1333 ± 10 cm -1.
Intensity ratio of the peak intensity I 2 of the peak intensity I 1, 1160 ± 10cm -1 and (I 1 / I 2) are shown in Table 2. further,
The surface roughness (Rmax) was measured by a stylus type surface roughness meter.
【0028】[0028]
【表2】 [Table 2]
【0029】また、これらの部材に対して、耐摩耗摺動
特性(ピンの摩耗量及び摩耗係数)をピンオンディスク
法により評価した。摺動試験の条件は、室温、大気中、
無潤滑において荷重39.2N、摺動速度2m/se
c、24時間で行った。ピンはアルミニウム製のものを
用いた。試験前後のアルミニウムピンの重量変化でピン
の摩耗量を評価した。ピンの摩耗量と摩擦係数を表2に
示す。For these members, the abrasion resistance sliding characteristics (amount of wear and a wear coefficient of the pins) were evaluated by a pin-on-disk method. The conditions of the sliding test were room temperature, air,
Non-lubricated load 39.2N, sliding speed 2m / sec
c, 24 hours. The pins used were made of aluminum. The wear amount of the aluminum pin was evaluated based on the weight change of the aluminum pin before and after the test. Table 2 shows the pin wear and the coefficient of friction.
【0030】さらに、ビッカース硬度計を用いて膜に荷
重をかけて基体表面から膜を浮かせ,膜と基体との付着
力を評価した。膜に剥離が生じはじめた荷重(臨界荷
重)を測定した結果を表2に示す。Further, a load was applied to the film using a Vickers hardness tester to lift the film from the substrate surface, and the adhesion between the film and the substrate was evaluated. Table 2 shows the results of measuring the load (critical load) at which peeling of the film began to occur.
【0031】[0031]
【発明の効果】叙上のように、本発明の生体補綴部材
は、ダイヤモンドと炭化珪素と炭化チタンとからなる中
間層を介してダイヤモンド層とからなる中間層を介して
ダイヤモンド層を形成したことにより、中間層とダイヤ
モンド層を構成する炭素が共有結合し、他方、中間層と
基体を構成する金属材料が固溶固着するので、密着強度
が大きく、上記ダイヤモンド層が剥離しにくい。特に、
炭化チタンは基体のチタンあるいはチタン合金と同系の
金属からなるので中間層と基体の密着強度が大きくな
る。したがって、生体に安全で長期の使用に耐え得ると
いう優れた効果を奏するものである。As described above, in the bioprosthesis member of the present invention, the diamond layer is formed on the intermediate layer composed of diamond, silicon carbide, and titanium carbide, and the intermediate layer composed of diamond. Thereby, the carbon constituting the intermediate layer and the carbon constituting the diamond layer are covalently bonded, while the metal material constituting the intermediate layer and the base material are solid-solution-fixed, so that the adhesion strength is large and the diamond layer is not easily peeled off. In particular,
Since titanium carbide is made of a metal similar to titanium or a titanium alloy of the base, the adhesion strength between the intermediate layer and the base is increased. Therefore, it has an excellent effect that it is safe for a living body and can withstand long-term use.
【図1】本発明の生体補綴部材の構造を説明するための
模式図である。FIG. 1 is a schematic diagram for explaining a structure of a bioprosthesis member of the present invention.
【図2】本発明実施形態としての大腿骨部材の斜視図で
ある。FIG. 2 is a perspective view of a femoral member according to an embodiment of the present invention.
【図3】本発明実施形態としての骨頭ボールの側面図で
ある。FIG. 3 is a side view of a head ball as an embodiment of the present invention.
【図4】本発明実施形態としての人工歯根の側面図であ
る。FIG. 4 is a side view of the artificial root as the embodiment of the present invention.
【図5】大腿骨用リーマの側面図である。FIG. 5 is a side view of the femoral reamer.
【図6】歯科用リーマの側面図である。FIG. 6 is a side view of a dental reamer.
【図7】ラマン分光分析の結果を示すグラフである。FIG. 7 is a graph showing the results of Raman spectroscopy.
1 基体 2 中間層 3 ダイヤモンド層 4 ダイヤモンド 5 金属炭化物 F 大腿骨部材 f 摺動面 B 骨頭ボール R 人工歯根 r 歯肉当接部 T 大腿骨用リーマ C 人工歯根 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Base 2 Intermediate layer 3 Diamond layer 4 Diamond 5 Metal carbide F Femoral member f Sliding surface B Head ball R Artificial root r Gum contact part T Reamer for femur C Artificial root
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 A61F 2/30 C30B 29/04 Continuation of the front page (58) Field surveyed (Int. Cl. 7 , DB name) A61L 27/00 A61F 2/30 C30B 29/04
Claims (1)
表面に、ダイヤモンドと炭化珪素と炭化チタンとからな
る中間層を介してダイヤモンドを被着してなる生体補綴
部材。1. A bioprosthesis member comprising a substrate made of titanium or a titanium alloy and a diamond applied to the surface of the substrate via an intermediate layer made of diamond, silicon carbide and titanium carbide.
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JP34011795A JP3236768B2 (en) | 1995-12-27 | 1995-12-27 | Bioprosthetic members |
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JPH09173437A JPH09173437A (en) | 1997-07-08 |
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- 1995-12-27 JP JP34011795A patent/JP3236768B2/en not_active Expired - Fee Related
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