JP2984203B2 - 人工関節用摺動部材の製造方法 - Google Patents
人工関節用摺動部材の製造方法Info
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Description
るための人工関節に用いられる摺動部材の製造方法に関
するものである。
工股関節では、金属またはセラミックス製の人工骨頭と
プラスチック(主として摩耗特性に優れた超高分子ポリ
エチレン〔UHMWPE〕)製の人工臼蓋(ソケット)
を用いて関節部分を構成してた。
臼蓋は生体内での長期間の使用により変形、摩耗し、生
体骨との間でゆるみ、摩耗粉による生体組織の炎症反応
等、種々の問題を起こしている。(文献 「In vivo we
ar of polyegthylen acetabular components」、THE JO
URNAL OF BONE AND JOINT SURGERY, VOL 75-B, NO.2,MA
RCH 1993) 人工関節用摺動部材としての超高分子量ポリエチレンの
改質についてはUSP5037928に約200℃に加
熱しながら、約1時間以上280MPa(約2800気
圧)以上の圧力を加えることによって、ポリエチレンを
熱架橋することによって耐クリープ変形性を向上させ、
耐摩耗性を向上させるという方法が示されており、この
ような方法によればクリープ変形率をAMST規格に基
づき0.5%程度まで小さくすることができると記載さ
れている。
属材料への人工関節材料の転換」医療 第32巻4号
1978.4)では、成形加工後のポリエチレンに真空中でγ
線を照射して超高分子量ポリエチレンを架橋する試みが
記載されている。
報告(「耐摩耗性にすぐれた人工股関節」 別冊整形外
科 NO.18 P216 - 221 '90 年)では、超高分子
量ポリエチレンに一定量のγ線照射(105 〜106 r
ad及び5×107 〜108rad、尚、1Mrad=
10kGy)したものが超高分子量ポリエチレンの摺動
部材の摩耗減に効果があることが記載されている。
下に説明するような問題があった。すなわち、約200
℃に加熱しながら、約1時間以上280MPa(約28
00気圧)以上の圧力を加えることによって、ポリエチ
レンを熱架橋する方法では、クリープ変形率をAMST
規格に基づき0.5%程度まで小さくすることができ低
耐摩耗性の超高分子量ポリエチレンを提供することがで
きるが、上記加熱処理を高圧下でおこなわなければなら
ず、大がかりな設備と多大なコストが必要であったとい
う不具合があった。
子量ポリエチレンを架橋する方法では、比較的簡易で安
価な装置でもって超高分子量ポリエチレンを架橋できる
ものであるが、γ線の照射量が5×107 〜108 ra
dと非常に大きいため、超高分子量ポリエチレンの表面
劣化により初期摩耗が大きいという問題点があった。
発明は、クリープ変形率が少なく且つ表面層の劣化がな
く、もって摺動特性、耐摩耗性に優れた超高分子量ポリ
エチレン製の人工関節用摺動部材を比較的簡易で安価な
装置でもって且つ低ランニングコストで用意できるよう
な新規な製造方法を提供すること、並びに、クリープ変
形率を従来より更に改善せしめた超高分子量ポリエチレ
ン製の人工関節用摺動部材の製造方法を提供することを
目的とする。
決するため本発明は、素材としての超高分子量ポリエレ
ンに多量のγ線(吸収熱線量として500kGy〜1,
000kGy)を照射し、これを80℃から200℃で
30分から12時間程度まで加熱処理し、その後、所望
形状に切削加工によって所望形状に成形することを特徴
とする人工関節用摺動部材の製造方法を提供する。
高分子量ポリエレンに多量のγ線(吸収熱線量として5
00kGy〜1,000kGy)を照射し、これを80
℃から200℃で加熱処理する、という両者の組み合わ
せによりクリープ変形1%未満(ASTM D621に
基づく材料試験 荷重条件は、1000psi・24h
r)に抑え、耐クリーブ性と耐摩耗性を著しく向上させ
ることができる。
状に切削加工によって成形することで、劣化した超高分
子量ポリエチレンの素材表面を除去するので摺動面の摺
動特性および耐摩耗性を向上せしめる。
使用されている装置をそのまま流用でき、加熱処理も市
販の真空熱処理装置を使用できるので、装置のコスト及
び製造のランニングコストを比較的低く抑えることがで
きる。また、照射後に切削加工することによってγ線に
よって劣化した表面層を除去できるので、ガンマ線の照
射中に特殊な真空容器などを用いる必要もない。
リエチレンと酸素の結合(酸化反応)がγ線によって加
速されるためである。真空容器を用いることによって酸
素の量を減らし、酸化を抑制することは可能であらが、
完全に酸素をOにすることはできない。そのため、γ線
の大量照射によるポリエチレン表面のある程度の酸化劣
化は避けられない。
面劣化層を除去するのに必須の工程である。γ線照射中
に素材を酸素などの活性の気体から完全に隔離すること
は事実上不可能であるが、切削によって、劣化層を取り
除き安定した物性が得られる。
kGy未満では、熱処理を行っても十分な効果が得られ
ない。他方、γ線照射量として吸収線量が10、000
kGyより大きい場合、材料の脆性が高くなりすぎて、
加工中または使用中に破断をおこすという可能性があ
る。
が、80℃以下では実用的な時間で処理することず、他
方200℃以上ではポリエチレンの変形、劣化が激しい
という恐れがある。
時間までが好ましい。加熱時間が30分以下では、十分
な特性を得ることができず、12時間以上では比較的低
めの温度でもポリエチレンの変形、劣化が大きくなり、
且つコスト的に不利になってしまる恐れがある。
収線量ならびに加熱温度のより好ましい範囲としては、
吸収線量が1、000〜9,000kGy、加熱温度が
80〜200℃である。加熱温度について更に好ましく
は、100℃〜150℃の範囲であれば時間的な制御が
容易である。
量ポリエチレン製の人工関節用摺動部材のクリープ変形
率をAMST規格に基づき0.3%以下とすることが可
能となる。
超高分子量ポリエチレンを用いる。直径10cm、高さ
10cm程度の円筒状の素材をコバルト60を線源とす
るγ線処理装置に投入し、吸収線量として500,10
00,1500,2000kGyのガンマ線を照射し
た。その後真空熱処理器を用いて10torr以下の気
圧中、110℃で2時間加熱処理し、その後、室温まで
自然冷却した。この処理済材料から以下のような機械的
特性試験用の試験片を切削加工により作製した。なお、
加工の際に、表面から約1mmの部分は完全に除去し
た。
形[全長60mm、厚さ2mm] クリープ試験用:ASTM D621[1.25mm角
の立方体] この試験片の機械的性質の測定値を表1に示す。
超高分子量ポリエチレンを用いる。2×2×10cm角
の素材を用い、コバルト60を線源とするγ線処理装置
に投入し、吸収線量として1000,2400kGyの
γ線を照射した。その後、真空熱処理器を用いて10t
orr以下の気圧中、110℃で2時間加熱処理し、室
温まで自然冷却した。この処理済材料から機械的特性試
験用の試験片を切削加工により作製した。加工の際に、
表面から約1mmの部分は完全に除去した。
示す。
片を同様に作製し、この試験片の機械的性質を同様の方
法で測定した。
超高分子量ポリエチレンを用いる。2×2×10cm角
程度の素材を硬質ガラス製の真空容器に入れて封管し、
コバルト60を線源とするγ線処理装置に投入し、吸収
線量として5000kGyのγ線を照射した。
響で照射終了時には破断していた。
10torr以下の気圧中、110℃で2時間加熱処理
し、その後、室温まで自然冷却した。この処理済材料か
ら機械的特性試験用の試験片を切削加工により作製し
た。加工の際に、表面から約1mmの部分は完全に除去
した。
示す。
片と、500kGy照射をするが熱処理を行わない試験
片を同様に作製し、これらの試験片の機械的性質を同様
の方法で測定した。
として用いられる超高分子量ポリエチレン素材に吸収線
量500kGy以上のγ線を照射した後、100℃で1
時間以上加熱処理し、その後切削加工によって所望の形
状に成形加工することによって、クリープ変形を1%未
満に抑え、耐摩耗性を向上した。
き、すべて0.3%以下という非常に優れた結果を示
し、これらはいずれも実験上、摩耗量が極微量であっ
た。このような超高分子量ポリエチレンを人工関節用摺
動部材として用いた場合、長年の使用によっても上記ポ
リエチレンの摩耗粉の発生がほとんどなく、したがって
生体に安全である。
れかが施されていない上記比較例は、クリープ変形率が
1%以上であり、また摩耗量も比較的多かった。
には、飼料や医療機器の滅菌に使用されている装置をそ
のまま流用でき、加熱処理も市販の真空熱処理装置を使
用できるので、装置のコスト及び製造のランニングコス
トを比較的低く抑えることができる。また、照射後に切
削加工することによってγ線によって劣化した表面層を
除去できるので、ガンマ線の照射中に特殊な真空容器な
どを用いる必要もない。
kGy未満では、熱処理を行っても十分な効果が得られ
ない。他方、γ線照射量として吸収線量が10、000
kGyより大きい場合、材料の脆性が高くなりすぎて加
工中又は使用中に破断を起こすという可能性がある。
が、80℃以下では実用的な時間で処理することず、他
方200℃以上ではポリエチレンの変形、劣化が激しい
という恐れがある。
収線量ならびに加熱温度のより好ましい範囲としては、
吸収線量が1、000〜9,000kGy、加熱温度が
80〜200℃である。加熱温度について更に好ましく
は、100℃〜150℃の範囲であれば時間的な制御が
容易である。
部材の製造方法によれば、素材としての超高分子量ポリ
エレンに多量のγ線を照射し、また、これを加熱処理す
るので上記摺動部材を構成する超高分子量ポリエチレン
のクリープ変形率が非常に小さくクリープ変形率をAM
ST規格に基づき0.3%以下まで減少させることも可
能である。したがって、このように製造される人工関節
用慴動部材は、生体内での摩耗量が極微量なので、生体
に安全で、長期間、安心して使用できるという優れた効
果を奏する。
線照射および加熱処理の後に部材を切削加工によって所
望形状に成形し、劣化した表面層を取り除くので、大が
かりな機器や装置を必要とせず、コスト的に非常に有利
である。
Claims (1)
- 【請求項1】 超高分子量ポリエチレンにγ線を吸収線
量として500kGyから10,000kGy照射した
後、80℃から200℃で加熱処理し、これを切削加工
により所望形状に成形することを特徴とする人工関節用
摺動部材の製造方法。
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|---|---|---|---|
| JP7284220A JP2984203B2 (ja) | 1995-10-31 | 1995-10-31 | 人工関節用摺動部材の製造方法 |
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|---|---|---|---|
| JP7284220A JP2984203B2 (ja) | 1995-10-31 | 1995-10-31 | 人工関節用摺動部材の製造方法 |
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