JP5848537B2 - 人工股関節用カップおよびそれを用いた人工股関節 - Google Patents

Description

本発明は、寛骨の臼蓋に固定される人工股関節用カップと、それを用いた人工股関節に関する。

従来から、疾患や事故等で機能が低下した股関節の機能を回復させるために、股関節を人工のものに置換する人工股関節置換術が行われている。人工股関節は、寛骨の臼蓋に固定される人工股関節用カップ（以下、「カップ」と言うことがある。）と、大腿骨に固定されるステムと、ステムのステムネック部に嵌合される略球状の人工骨頭と、を備えている。カップは、人工骨頭を摺動可能に収容するカップ状のライナーと、このライナーを収容するカップ状のシェルと、を備えている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１には、ライナーに相当する挿入体が、シェルに相当する支持部材の内室に円すい形クランプ部を介して固定される人工関節補正具が記載されている。円すい形クランプ部は、人工関節補正具の開口部側に位置している区域で、挿入体のクランプ面を、支持部材のクランプ面に密着させることによって形成されている。

しかし、特許文献１に記載されている人工関節補正具は、挿入体および支持部材の各々のクランプ面の角度が異なっているので、クランプ面同士の接触面積が小さい。そのため、特許文献１に記載されている人工関節補正具には、挿入体と支持部材との嵌合力が十分ではなく、挿入体が支持部材から脱転し易いという問題がある。

挿入体および支持部材の各々のクランプ面の角度を同じにすれば、互いのクランプ面同士が全面で当接するようになり、その結果、嵌合力が向上して脱転を抑制することができるとも考えられる。
しかし、挿入体および支持部材の各々のクランプ面を同じ角度に成形するのは容易ではなく、コストが高くなるとともに、歩留りも低下し易い。

特許第４０４１１９０号公報

本発明の課題は、ライナーがシェルから脱転するのを抑制することができるとともに、製造が容易である人工股関節用カップおよびそれを用いた人工股関節を提供することである。

本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、以下の構成からなる解決手段を見出し、本発明を完成するに至った。
（１）人工骨頭を摺動可能に収容するカップ状のライナーと、該ライナーを収容するカップ状のシェルと、を備える人工股関節用カップであって、前記ライナーの外周面は、該ライナーの開口部側に位置しているライナーテーパ面を有し、前記シェルの内周面は、該シェルの開口部側に位置しているとともに、前記ライナーテーパ面とテーパ嵌合可能なシェルテーパ面を有し、前記ライナーテーパ面およびシェルテーパ面は、互いに異なるテーパ角度を有し、前記シェルテーパ面は、前記ライナーテーパ面とテーパ嵌合するとき、ライナーテーパ面が最初に当接する一端側から他端側に向かうにつれて、面粗さが小さくなるように粗面化されていることを特徴とする人工股関節用カップ。
（２）前記シェルテーパ面は、前記ライナーテーパ面よりも低硬度である前記（１）記載の人工股関節用カップ。
（３）前記シェルテーパ面は、前記ライナーテーパ面よりもテーパ角度が小さく、かつシェルの開口部側に位置している一端側から、シェルの開口部から離隔する側に位置している他端側に向かうにつれて、面粗さが小さくなるように粗面化されている前記（１）または（２）記載の人工股関節用カップ。
（４）前記シェルテーパ面は、前記ライナーテーパ面よりもテーパ角度が大きく、かつシェルの開口部から離隔する側に位置している一端側から、シェルの開口部側に位置している他端側に向かうにつれて、面粗さが小さくなるように粗面化されている前記（１）または（２）記載の人工股関節用カップ。
（５）前記シェルテーパ面の面粗さを構成する複数の凹凸のうち、前記シェルテーパ面の一端側に位置している凹部の底部と、前記シェルテーパ面の他端側に位置している凹部の底部とを結ぶ直線と、前記シェルの中心軸に平行な直線とのなす角度が、前記ライナーテーパ面のテーパ角度と略同じである前記（１）〜（４）のいずれかに記載の人工股関節用カップ。
（６）前記シェルテーパ面の長さが、前記ライナーテーパ面の長さと略同じである前記（１）〜（５）のいずれかに記載の人工股関節用カップ。
（７）前記ライナーがセラミックスからなり、前記シェルが金属からなる前記（１）〜（６）のいずれかに記載の人工股関節用カップ。
（８）前記（１）〜（７）のいずれかに記載の人工股関節用カップと、大腿骨に固定されるステムと、該ステムのステムネック部に嵌合され、かつ前記ライナーに摺動可能に収容される人工骨頭と、を備えることを特徴とする人工股関節。

本発明によれば、ライナーをシェルに強固に嵌合固定させて、ライナーがシェルから脱転するのを抑制することができるという効果がある。しかも、ライナーおよびシェルの各々のテーパ面におけるテーパ角度を同じにする必要がなく、それゆえ低いコストで歩留りよく容易に製造できるという効果もある。

本発明の一実施形態に係る人工股関節を示す部分拡大断面図である。 図１に示す人工股関節用カップを示す概略説明図である。 図１に示すライナーを示す拡大断面図である。 図１に示すシェルを示す拡大断面図である。 本発明の他の実施形態に係る人工股関節用カップを示す概略説明図である。

以下、本発明の一実施形態に係る人工股関節用カップおよび人工股関節について、図１〜図４を参照して詳細に説明する。図１および図２に示すように、本実施形態の人工股関節１は、寛骨１００の臼蓋１０１に固定されている人工股関節用カップ２と、大腿骨１０２に固定されているステム４と、ステム４の一端４ａ、すなわちステムネック部に嵌合されている略球状の人工骨頭３と、を備えている。

カップ２は、人工骨頭３を摺動可能に収容しているライナー１０と、ライナー１０を収容しているシェル２０と、を備えている。

ライナー１０は、図３に示すように、カップ状の形状を有しており、略半球状の内周面１１と、略半球状の外周面１２と、開口部１３と、を有している。ライナー１０は、内周面１１に人工骨頭３を摺動可能に収容し、外周面１２を介してシェル２０に収容される。

内周面１１の縁部１１ａは、曲面状に構成されている。これにより、内周面１１に収容される人工骨頭３の表面に、傷が付くのを抑制することができる。外周面１２は、滑らかな面で構成されているのが好ましい。これにより、後述するライナーテーパ面１４とシェルテーパ面２４とがスムーズにテーパ嵌合され易くなり、かつシェル２０と接触したときに応力が集中して破壊されるのを抑制することができる。外周面１２の縁部１２ａは、斜面状に構成されている。これにより、シェル２０に収容される際の衝撃で外周面１２の縁部１２ａが欠損するのを抑制することができる。なお、縁部１２ａは、曲面状に構成されていてもよい。

外周面１２は、開口部１３側に位置しているライナーテーパ面１４を有している。ライナーテーパ面１４は、開口部１３側の外周面１２の全周にわたって位置しており、外周面１２の縁部１２ａに向かうにつれて、大径になるようにテーパ状に形成されている。

ライナーテーパ面１４は、テーパ角度θ１を有している。本明細書において「テーパ角度θ１」とは、ライナー１０の中心軸Ｓ１に平行な直線Ｌ１と、ライナーテーパ面１４またはライナーテーパ面１４の仮想延長線Ｌ２とのなす角度をいう。テーパ角度θ１としては、５〜１５°程度が適当である。テーパ角度θ１があまり小さいと、シェル２０の外径およびライナー１０の内径が一定の場合には、ライナー１０の厚みが薄くなるので、ライナー１０の強度が低下してライナー１０が破壊されるおそれがある。テーパ角度θ１があまり大きいと、ライナー１０とシェル２０との嵌合力が低くなるおそれがある。

一方、シェル２０は、図４に示すように、カップ状の形状を有しており、略半球状の内周面２１と、略半球状の外周面２２と、開口部２３と、を有している。シェル２０は、内周面２１にライナー１０を収容し、外周面２２を介して臼蓋１０１に固定される。シェル２０は、骨セメントを用いて臼蓋１０１に固定されていてもよいし、外周面２２を粗面化し、粗面化された外周面２２と骨組織との結合力によって臼蓋１０１に固定されていてもよい。

外周面２２の縁部２２ａは、曲面状に構成されている。これにより、臼蓋１０１に固定する際の衝撃で外周面２２の縁部２２ａが欠損するのを抑制することができる。

内周面２１は、開口部２３側に位置しているとともに、上述したライナーテーパ面１４とテーパ嵌合可能なシェルテーパ面２４を有している。シェルテーパ面２４は、開口部２３側の内周面２１の全周にわたって位置しており、内周面２１の縁部２１ａに向かうにつれて、大径になるようにテーパ状に形成されている。

シェルテーパ面２４は、テーパ角度θ２を有している。本明細書において「テーパ角度θ２」とは、シェル２０の中心軸Ｓ２に平行な直線Ｌ３と、シェルテーパ面２４またはシェルテーパ面２４の仮想延長線Ｌ４とのなす角度をいう。テーパ角度θ２としては、５〜１５°程度が適当である。テーパ角度θ２があまり小さいと、シェル２０の外径およびライナー１０の内径が一定の場合には、ライナー１０の厚みが薄くなるので、ライナー１０の強度が低下してライナー１０が破壊されるおそれがある。テーパ角度θ２があまり大きいと、ライナー１０とシェル２０との嵌合力が低くなるおそれがある。

ここで、上述したテーパ角度θ１，θ２は、低いコストで歩留りよく容易に製造する上で、互いに異なる角度を有している。テーパ角度θ１とテーパ角度θ２との差は、シェルテーパ面２４にライナーテーパ面１４をテーパ嵌合できる限り、特に限定されないが、絶対値で０．０１〜０．４°程度が適当である。

本実施形態では、図２に示すように、シェルテーパ面２４のテーパ角度θ２が、ライナーテーパ面１４のテーパ角度θ１よりも小さくなるように構成されている。すなわち、テーパ角度θ１，θ２は、テーパ角度θ１＞テーパ角度θ２の関係を有している。したがって、シェルテーパ面２４にライナーテーパ面１４をテーパ嵌合させるとき、シェルテーパ面２４の開口部２３側に位置している一端２５側に、ライナーテーパ面１４が最初に当接することになる。

シェルテーパ面２４は、ライナーテーパ面１４が最初に当接する一端２５側から、シェルテーパ面２４の開口部２３から離隔する側に位置している他端２６側に向かうにつれて、面粗さが小さくなるように粗面化されている。そして、シェルテーパ面２４は、ライナーテーパ面１４よりも低硬度に構成されている。したがって、シェルテーパ面２４にライナーテーパ面１４をテーパ嵌合させると、シェルテーパ面２４のうち面粗さの大きい領域が、ライナーテーパ面１４から受ける外方に向かう力によって押しつぶされる。その結果、シェルテーパ面２４とライナーテーパ面１４との嵌合面積が大きくなり、それに伴ってライナー１０とシェル２０との嵌合力が向上し、それゆえライナー１０がシェル２０に強固に嵌合固定され、ライナー１０がシェル２０から脱転し難くなる。

シェルテーパ面２４の粗面化は、例えば切削加工等によって行うことができる。本明細書において「面粗さ」とは、最大高さ粗さ（Ｒｚ）をいう。最大高さ粗さ（Ｒｚ）は、例えばＪＩＳ Ｂ ０６０１−２００１に準拠してＭｉｔｕｔｏｙｏ社製の表面性状測定機「ＳＶ−Ｃ３１００」等を用いて測定することができる。

粗面化されているシェルテーパ面２４のうち、最大面粗さとしては、最大高さ粗さ（Ｒｚ）で表して５〜２５μｍであるのが好ましく、１０〜２０μｍであるのがより好ましい。最大面粗さがあまり大きいと、シェルテーパ面２４にライナーテーパ面１４をテーパ嵌合させたときに、シェルテーパ面２４の面粗さの大きい領域が十分に押しつぶされず、シェルテーパ面２４とライナーテーパ面１４との嵌合安定性が低下するおそれがあるので好ましくない。最大面粗さがあまり小さいと、下記で説明する最小面粗さとの差が小さくなり、シェルテーパ面２４を粗面化することによる効果が得られ難くなるので好ましくない。

粗面化されているシェルテーパ面２４のうち、最小面粗さとしては、最大高さ粗さ（Ｒｚ）で表して０．５〜１０μｍであるのが好ましく、１〜７μｍであるのがより好ましい。最小面粗さがあまり大きいと、最大面粗さとの差が小さくなり、シェルテーパ面２４を粗面化することによる効果が得られ難くなるので好ましくない。最小面粗さがあまり小さいと、例えば切削加工によってシェルテーパ面２４を粗面化する場合には、切削加工性が低下するので好ましくない。

シェルテーパ面２４の面粗さを構成する複数の凹凸のうち、シェルテーパ面２４の一端２５側に位置している凹部の底部と、シェルテーパ面２４の他端２６側に位置している凹部の底部とを結ぶ直線Ｌ５と、シェル２０の中心軸Ｓ２に平行な直線Ｌ３とのなす角度θ３は、ライナーテーパ面１４のテーパ角度θ１と略同じである。これにより、シェルテーパ面２４にライナーテーパ面１４をテーパ嵌合させて、シェルテーパ面２４の面粗さの大きい領域が押しつぶされると、シェルテーパ面２４のテーパ角度θ２が角度θ３に近づくようになる。その結果、シェルテーパ面２４のテーパ角度θ２と、ライナーテーパ面１４のテーパ角度θ１との差が小さくなり、シェルテーパ面２４とライナーテーパ面１４との嵌合面積が大きくなるので、ライナー１０がシェル２０に強固に嵌合固定される。

シェルテーパ面２４の長さは、ライナーテーパ面１４の長さと略同じである。これにより、シェルテーパ面２４とライナーテーパ面１４との嵌合面積を大きくすることができ、それゆえライナー１０がシェル２０に強固に嵌合固定される。本明細書において「シェルテーパ面２４の長さ」とは、シェルテーパ面２４のうち、シェル２０の中心軸Ｓ２に沿う方向における寸法をいう。本明細書において「ライナーテーパ面１４の長さ」とは、ライナーテーパ面１４のうち、ライナー１０の中心軸Ｓ１に沿う方向における寸法をいう。

ライナー１０はセラミックスからなり、シェル２０は金属からなるのが好ましい。これにより、シェルテーパ面２４を、ライナーテーパ面１４よりも低硬度に構成することができる。セラミックスとしては、例えばアルミナ、ジルコニア等が挙げられ、金属としては、例えばチタン、チタン合金、コバルト−クロム合金等が挙げられる。なお、ライナー１０，シェル２０の各々の構成材料は、シェルテーパ面２４をライナーテーパ面１４よりも低硬度に構成できる限り、特に限定されるものではなく、上述した組み合わせに限定されるものでもない。

一方、ステム４は、湾曲した略棒状の形状を有しており、その構成材料としては、例えばチタン合金、コバルト−クロム合金等が挙げられる。ステム４は、ステムネック部である一端４ａが人工骨頭３に形成されている凹部３ａに挿入されて人工骨頭３に嵌合され、他端４ｂが大腿骨１０２に挿入固定されている。他端４ｂは、骨セメントを用いて大腿骨１０２に固定されていてもよいし、他端４ｂの表面を粗面化し、粗面化された他端４ｂの表面と骨組織との結合力によって大腿骨１０２に固定されていてもよい。人工骨頭３の構成材料としては、例えばコバルト−クロム合金等の金属、アルミナ、ジルコニア等のセラミックス等が挙げられる。

次に、本発明の他の実施形態に係る人工股関節用カップについて、図５を参照して詳細に説明する。なお、図５においては、上述した図１〜図４と同一の構成部分には同一の符号を付して説明は省略する。

本実施形態のカップ２’は、図５に示すように、シェルテーパ面２４’のテーパ角度θ２が、ライナーテーパ面１４’のテーパ角度θ１よりも大きくなるように構成されている。すなわち、テーパ角度θ１，θ２は、上述した一実施形態のカップ２とは逆の、テーパ角度θ１＜テーパ角度θ２の関係を有している。したがって、シェルテーパ面２４’にライナーテーパ面１４’をテーパ嵌合させるとき、シェルテーパ面２４’の開口部２３’から離隔する側に位置している一端２７側に、ライナーテーパ面１４’が最初に当接することになる。

シェルテーパ面２４’は、ライナーテーパ面１４’が最初に当接する一端２７側から、開口部２３’側に位置している他端２８側に向かうにつれて、面粗さが小さくなるように粗面化されている。そして、シェルテーパ面２４’は、ライナーテーパ面１４’よりも低硬度に構成されている。したがって、シェルテーパ面２４’にライナーテーパ面１４’をテーパ嵌合させると、シェルテーパ面２４’のうち面粗さの大きい領域が、ライナーテーパ面１４’から受ける外方に向かう力によって押しつぶされる。その結果、シェルテーパ面２４’とライナーテーパ面１４’との嵌合面積が大きくなり、それに伴ってライナー１０’とシェル２０’との嵌合力が向上し、それゆえライナー１０’がシェル２０’に強固に嵌合固定され、ライナー１０’がシェル２０’から脱転し難くなる。その他の構成は、上述した一実施形態のカップ２と同様であるので、説明を省略する。

１ 人工股関節
２ 人工股関節用カップ
３ 人工骨頭
４ ステム
４ａ，２５，２７ 一端
４ｂ，２６，２８ 他端
１０ ライナー
１１，２１ 内周面
１１ａ，１２ａ，２１ａ，２２ａ 縁部
１２，２２ 外周面
１３，２３ 開口部
１４ ライナーテーパ面
２０ シェル
２４ シェルテーパ面
１００ 寛骨
１０１ 臼蓋
１０２ 大腿骨

Claims (7)

1. 人工骨頭を摺動可能に収容するカップ状のライナーと、
   該ライナーを収容するカップ状のシェルと、
   を備える人工股関節用カップであって、
   前記ライナーの外周面は、該ライナーの開口部側に位置しているライナーテーパ面を有し、
   前記シェルの内周面は、該シェルの開口部側に位置しているとともに、前記ライナーテーパ面とテーパ嵌合可能なシェルテーパ面を有し、
   前記ライナーテーパ面およびシェルテーパ面は、互いに異なるテーパ角度を有し、
   前記シェルテーパ面は、
   前記ライナーテーパ面とテーパ嵌合するとき、ライナーテーパ面が最初に当接する一端側から他端側に向かうにつれて、面粗さが小さくなるように粗面化されているとともに、
   前記シェルテーパ面の面粗さを構成する複数の凹凸のうち、前記シェルテーパ面の一端側に位置している凹部の底部と、前記シェルテーパ面の他端側に位置している凹部の底部とを結ぶ直線と、
   前記シェルの中心軸に平行な直線とのなす角度が、
   前記ライナーテーパ面のテーパ角度と略同じであることを特徴とする人工股関節用カップ。
2. 前記シェルテーパ面は、前記ライナーテーパ面よりも低硬度である請求項１記載の人工股関節用カップ。
3. 前記シェルテーパ面は、
   前記ライナーテーパ面よりもテーパ角度が小さく、
   かつシェルの開口部側に位置している一端側から、シェルの開口部から離隔する側に位置している他端側に向かうにつれて、面粗さが小さくなるように粗面化されている請求項１または２記載の人工股関節用カップ。
4. 前記シェルテーパ面は、
   前記ライナーテーパ面よりもテーパ角度が大きく、
   かつシェルの開口部から離隔する側に位置している一端側から、シェルの開口部側に位置している他端側に向かうにつれて、面粗さが小さくなるように粗面化されている請求項１または２記載の人工股関節用カップ。
5. 前記シェルテーパ面の長さが、前記ライナーテーパ面の長さと略同じである請求項１〜４のいずれかに記載の人工股関節用カップ。
6. 前記ライナーがセラミックスからなり、前記シェルが金属からなる請求項１〜５のいずれかに記載の人工股関節用カップ。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載の人工股関節用カップと、
   大腿骨に固定されるステムと、
   該ステムのステムネック部に嵌合され、かつ前記ライナーに摺動可能に収容される人工骨頭と、
   を備えることを特徴とする人工股関節。

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