人工股関節及びその製造方法
【課題】人工股関節の耐久性を高める。
【解決手段】炭化水素ガス及び有機シリコンガスの混合ガスのプラズマを使用し、炭化水素ガスのガス種とイオン注入電圧とを変化させるイオン注入及びＣＶＤの複合プロセスが、少なくとも摺動部が金属で形成された人工股関節の骨頭インプラント（１）と寛骨臼インプラント（２）に対して実施されることにより、各々の摺動部の表面にＤＬＣ膜（１ａ，２ａ）が成膜される。
【解決手段】炭化水素ガス及び有機シリコンガスの混合ガスのプラズマを使用し、炭化水素ガスのガス種とイオン注入電圧とを変化させるイオン注入及びＣＶＤの複合プロセスが、少なくとも摺動部が金属で形成された人工股関節の骨頭インプラント（１）と寛骨臼インプラント（２）に対して実施されることにより、各々の摺動部の表面にＤＬＣ膜（１ａ，２ａ）が成膜される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、人工股関節及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、人工股関節の骨頭インプラント及び寛骨臼インプラントは共に金属で作られていたが、両インプラントを寸法制御するのは極めて難しく、両インプラント間の摩擦抵抗が大きくなりやすい。また、両インプラントの摺動面間に発生する金属の磨耗粉により体内での金属イオンリリースが生じやすくなるという問題があり、ことに金属アレルギーのある患者には使用することができないという問題がある。
【０００３】
これを回避するため、骨頭インプラントが金属で形成され、寛骨臼インプラントが超高分子量ポリエチレン（Ultra high molecular weight polyethylene:UHMWPE）で形成された人工股関節が一般に用いられるようになった。しかし、この金属−プラスチック式の人工股関節は、両者の摺動面で発生するポリエチレン磨耗粉が破骨細胞の形成を促進し、それにより局所的な骨の損失や骨溶解が発生し、骨頭を支持するステムの緩み、破壊へとつながることが問題となっている。
【０００４】
ところで、無定形ダイアモンド（Diamond-like Carbon(DLC)）は生体適合性がよく、磨耗や腐食に対する抵抗が高い。このＤＬＣを上記人工股関節の骨頭インプラントに適用すると上記問題が解消するものと期待されるが、この無定形ダイアモンドは骨頭の金属に対する密着特性が低く、容易に剥がれ落ちるという問題がある。また、椎間インプラントにおいては、関節面に夫々ＤＬＣ膜を形成し、摩擦係数の低減を図ることも試みられているが（例えば、特許文献４，５参照。）、この場合もＤＬＣ膜が関節面から剥がれ落ちやすいという問題を有している。
【０００５】
その改善策として、シリコンの中間層を骨頭の金属とＤＬＣ膜との間に介在させることが提案され（例えば、特許文献１参照。）、また、イオンを骨頭の金属に注入して金属表面を改質したうえでＤＬＣ膜を形成することが提案され（例えば、特許文献２参照。）、さらに、炭化水素ガス及び有機シリコンガスの混合ガスのプラズマを使用し、炭化水素ガスのガス種とイオン注入電圧とを変化させて、イオン注入及びＣＶＤを組み合わせた複合プロセスにより、骨頭の金属表面にＤＬＣ膜を成膜することが提案されている（例えば、特許文献３参照。）。
【０００６】
前二者の方法によっては、ＤＬＣ膜は依然としてインプラントの金属表面から剥がれやすく、また摺動面に生ずる摩擦抵抗も十分低減することができず、人工股関節に必要な耐久性を満足させるまでには至らないが、後者の方法によれば、人工股関節の骨頭インプラントにおけるＤＬＣ膜の界面接着強度を高め、摺動面における摩擦係数及び被磨耗物の磨耗量を低減することができる。
【０００７】
【特許文献１】特公平６−６０４０４号公報
【特許文献２】特開２００１−２６８８７号公報
【特許文献３】特開２００６−２１９号公報
【特許文献４】特表２００７−５０４８４７号公報
【特許文献５】特表２００７−５０６４４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、従来の金属−プラスチック型の人工股関節は、骨頭の金属表面にＤＬＣ膜を形成したとしても相手方の寛骨臼インプラントがプラスチック製であることから耐久性を飛躍的に高めることができないという問題がある。
【０００９】
したがって、本発明は上記不具合を解消することができる人工股関節及びその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】
【００１０】
上記課題を解決するため、本発明は次のような構成を採用する。
【００１１】
すなわち、請求項１に係る発明は、炭化水素ガス及び有機シリコンガスの混合ガスのプラズマを使用し、炭化水素ガスのガス種とイオン注入電圧とを変化させるイオン注入及びＣＶＤの複合プロセスが、少なくとも摺動部が金属で形成された人工股関節の骨頭インプラント（１）と寛骨臼インプラント（２）に対して実施されることにより、各々の摺動部の表面にＤＬＣ膜（１ａ，２ａ）が成膜されたことを特徴とする人工股関節である。
【００１２】
請求項２に記載されるように、請求項１に記載の人工股関節において、骨頭インプラント（１）と寛骨臼インプラントの少なくとも摺動部に使用される金属がＣｏ−Ｃｒ系合金であるものとすることができる。
【００１３】
請求項３に記載されるように、請求項１に記載の人工股関節において、骨頭インプラントと寛骨臼インプラントの少なくとも摺動部に使用される金属がＣｏ−Ｃｒ系合金であるものとすることができる。
【００１４】
また、請求項４に係る発明は、炭化水素ガス及び有機シリコンガスの混合ガスのプラズマを使用し、炭化水素ガスのガス種とイオン注入電圧とを変化させた、イオン注入及びＣＶＤの複合プロセスを、少なくとも摺動部が金属で形成された人工股関節の骨頭インプラント（１）と寛骨臼インプラント（２）に対して実施することにより、各々の摺動部の表面にＤＬＣ膜（１ａ，２ａ）を成膜することを特徴とする人工股関節の製造方法である。
【００１５】
請求項５に記載されるように、請求項４に記載の人工股関節の製造方法において、骨頭インプラント（１）と寛骨臼インプラント（２）の少なくとも摺動部に使用される金属をＣｏ−Ｃｒ系合金とすることが可能である。
【００１６】
請求項６に記載されるように、請求項４に記載の人工股関節の製造方法において、骨頭インプラントと寛骨臼インプラントの少なくとも摺動部に使用される金属をＴｉ−Ｔｉ系合金とすることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、人工股関節の骨頭インプラント（１）と寛骨臼インプラント（２）の少なくとも摺動部を金属で形成したうえで、炭化水素ガス及び有機シリコンガスの混合ガスのプラズマを使用し、炭化水素ガスのガス種とイオン注入電圧とを変化させて、イオン注入及びＣＶＤを組み合わせた複合プロセスを実施することにより、骨頭インプラント（１）と寛骨臼インプラント（２）の各摺動部の表面に夫々ＤＬＣ膜（１ａ，２ａ）を成膜することから、金属−金属型の強度が高く耐久性に優れた人工股関節とすることができる。しかも、両金属表面間にはＤＬＣ膜（１ａ，２ａ）が二層にわたって介在し、両金属表面のＤＬＣ膜（１ａ，２ａ）の界面接着強度が高いので、摺動面における摩擦係数を更に低減することができ、人工股関節の耐久性を更に高めることができる。また、骨頭インプラント（１）と寛骨臼インプラント（２）の精度不足、表面の粗さは二層からなるＤＬＣ膜（１ａ，２ａ）の厚さで補うことができ、しかも金属粉の発生を的確に防止し殊に金属アレルギーのある患者に対しても使用することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図面を参照してこの発明を実施するための最良の形態について説明する。
【００１９】
図１に示すように、この人工股関節は大腿骨側の骨頭インプラント１と、寛骨臼インプラント２とを具備する。
【００２０】
骨頭インプラント１は、人体の大腿骨３の骨髄内に埋設されるステム４と当初別体で形成された後、図２（Ｂ）に示すように、骨頭インプラント１の嵌合孔６内にステム４の嵌合突起４ａが挿入されることによりステム４と一体化される。嵌合孔６と嵌合突起４ａの嵌合面にはテーパが形成され、このテーパの作用により骨頭インプラント１がステム４に強固に固定される。
【００２１】
骨頭インプラント１は、チタン材、ステンレス鋼等の所望の金属材料で形成することができるが、望ましくはＣｏ−Ｃｒ系合金で形成される。
【００２２】
図１及び図２（Ａ）に示すように、寛骨臼インプラント２は、上記骨頭インプラント１が嵌まり込み得るカップ状に形成される。この寛骨臼インプラント２は、図示しない人体の寛骨臼内に埋設固定される。
【００２３】
寛骨臼インプラント２は、骨頭インプラント１と同様に、チタン材、ステンレス鋼等の所望の金属材料で形成することができるが、望ましくはＣｏ−Ｃｒ系合金で形成される。
【００２４】
上述したように骨頭インプラント１と寛骨臼インプラント２は各々全体が金属で形成されるが、両インプラント１，２の互いに擦れ合う摺動部のみ金属で形成し、他部分は他の材料で形成することも可能である。
【００２５】
上記骨頭インプラント１と上記寛骨臼インプラント２の互いに擦れ合う表面、すなわち各々の摺動部の表面には、図１及び図２（Ａ）（Ｂ）に示すように、ＤＬＣ膜１ａ，２ａが形成される。
【００２６】
各ＤＬＣ膜１ａ，２ａは、炭化水素ガス及び有機シリコンガスの混合ガスのプラズマを使用し、炭化水素ガスのガス種とイオン注入電圧を変化させて、イオン注入及びＣＶＤの複合プロセスにより形成される。これにより、密着性の改善と残留応力の緩和が行われた各ＤＬＣ膜１ａ，２ａが、骨頭インプラント１と寛骨臼インプラント２の摺動部の金属表面に成膜される。
【００２７】
なお、混合ガス中のシリコンは、同様の効果が得られるチタンなど他の物質に変更しても良い。
【００２８】
骨頭インプラント１の摺動部の金属表面にＤＬＣ膜１ａを形成するための具体的な処理装置は図３に示される。
【００２９】
図３において、符号７は被コーティングインプラントのホルダを示し、このホルダ７に被処理物である骨頭インプラント１が一個ないし複数個保持される。ホルダ７はチャンバ８内に収納される。ホルダ７内の骨頭インプラント１にはプラズマ生成用の高周波パルス電源９とイオン注入の為の負の高電圧パルス電源１０と電源相互の干渉防止回路１１を介してチャンバ８外から給電されるようになっている。チャンバ８には炭化水素ガスとシリコンガスを夫々チャンバ内に供給するための管路１２，１３が連結されている。
【００３０】
次に、上記処理装置により骨頭インプラント１の表面にＤＬＣ膜１ａを成膜する方法について述べる。
【００３１】
（１）まず、骨頭インプラント１をホルダ７に取り付け、チャンバ８内を真空引きし（真空排気系は図示せず）、原料ガス供給弁１２ａ，１３ａを開けて管路１２，１３から炭化水素ガスと有機シリコンガスをチャンバ８内に導入する。
【００３２】
（２）プラズマ発生用の高周波パルス電源９よりアンテナであるホルダ７及び骨頭インプラント１に高周波電圧を印加して、その近傍をプラズマ状態とする。
【００３３】
（３）負の高電圧パルス発生電源１０より、負の高電圧パルスを干渉防止回路１１を介して骨頭インプラント１に加え、骨頭インプラント１の金属表面の全周に＋イオンによるイオン誘引・注入を行う。
【００３４】
これにより、骨頭インプラント１の金属表面の全周にプラズマ中からイオンが注入され、金属表面にシリコンと炭素の傾斜ミキシング層（図示せず）が形成される。同時にＣＶＤによる成膜も行われるが、有機シリコンと炭化水素の適切な混合ガス種によりイオン注入とＣＶＤによる成膜と膜質のコントロールが可能である。
【００３５】
傾斜ミキシング層とは、各元素の存在比が傾斜的に変化する層のことであり、ここでは骨頭インプラント（Ｃｏ−Ｃｒ合金）１にシリコンおよびカーボンイオンを注入することから、骨頭インプラント１の表面に近い領域ではカーボンの存在比が大きく、高エネルギーのイオンのみ深部（数１０ナノメートル〜１００ナノメートル）へ到達できることから、深部に行くに従い、シリコンないしカーボンの存在比は小さくなる。この存在比が傾斜した層では骨頭インプラント１の金属とシリコンとカーボンが混ざり合った状態で対象元素の存在比が傾斜している。
【００３６】
（４）その後、成膜速度の大きな炭化水素ガスを用いて骨頭インプラント１の表面にＤＬＣ膜１ａを成膜する。このプロセスにおいてもイオン注入が行われているため、成膜されるＤＬＣ膜１ａの残留応力が緩和される。
【００３７】
なお、上記イオンを骨頭インプラント１に誘引・注入する工程と、ＣＶＤ法により骨頭インプラント１の表面にＤＬＣ膜１ａを成膜する工程とは別個のチャンバにおいて行うことも可能であるが、この実施の形態では同じチャンバ８内で行っている。このように二つの工程を同じチャンバ８で真空状態を保持しながら連続して実行することによりＤＬＣ膜１ａの形成を効率的に行うことができ、かつ成膜途上のＤＬＣ膜１ａを大気にさらすことが無いので信頼性のある高い密着力を得ることが可能になる。
【００３８】
かくして骨頭インプラント１の表面に形成されたＤＬＣ膜１ａは、強固に骨頭インプラント１の金属表面に付着する。また、ＤＬＣ膜１ａの皮膜により骨頭インプラント１の表面の摩擦係数及び被磨耗物の磨耗量は顕著に低減する。
【００３９】
寛骨臼インプラント２の摺動部の金属表面にＤＬＣ膜２ａを形成するための具体的な処理装置は図４に示される。
【００４０】
この寛骨臼インプラント２用の処理装置は、被コーティングインプラントである寛骨臼インプラント２を保持するためのホルダ５を有する。寛骨臼インプラント２は、その摺動部における凹状の金属面がチャンバ８内で露出するようにホルダ５に取り付けられる。このホルダ５を除き、この処理装置の他の構成は上記骨頭インプラント１の処理装置と同様であるから、図中同一部分は同一符号をもって示すに止めその詳細な説明は省略する。
【００４１】
次に、上記処理装置により寛骨臼インプラント２の摺動部の金属表面にＤＬＣ膜２ａを成膜する方法について述べる。
【００４２】
（１）まず、寛骨臼インプラント２をホルダ５に取り付け、チャンバ８内を真空引きし（真空排気系は図示せず）、原料ガス供給弁１２ａ，１３ａを開けて管路１２，１３から炭化水素ガスと有機シリコンガスをチャンバ８内に導入する。
【００４３】
（２）プラズマ発生用の高周波パルス電源９よりアンテナであるホルダ５及び寛骨臼インプラント２に高周波電圧を印加して、その近傍をプラズマ状態とする。
【００４４】
（３）負の高電圧パルス発生電源１０より、負の高電圧パルスを干渉防止回路１１を介して寛骨臼インプラント２に加え、寛骨臼インプラント２の凹状金属表面に＋イオンによるイオン誘引・注入を行う。
【００４５】
これにより、寛骨臼インプラント２の凹状金属表面にプラズマ中からイオンが注入され、金属表面にシリコンと炭素の傾斜ミキシング層（図示せず）が形成される。同時にＣＶＤによる成膜も行われるが、有機シリコンと炭化水素の適切な混合ガス種によりイオン注入とＣＶＤによる成膜と膜質のコントロールが可能である。
【００４６】
傾斜ミキシング層とは、各元素の存在比が傾斜的に変化する層のことであり、ここでは寛骨臼インプラント（Ｃｏ−Ｃｒ合金）２にシリコンおよびカーボンイオンを注入することから、寛骨臼インプラント２の表面に近い領域ではカーボンの存在比が大きく、高エネルギーのイオンのみ深部（数１０ナノメートル〜１００ナノメートル）へ到達できることから、深部に行くに従い、シリコンないしカーボンの存在比は小さくなる。この存在比が傾斜した層では寛骨臼インプラント２の金属とシリコンとカーボンが混ざり合った状態で対象元素の存在比が傾斜している。
【００４７】
（４）その後、成膜速度の大きな炭化水素ガスを用いて寛骨臼インプラント２の凹状金属表面にＤＬＣ膜２ａを成膜する。このプロセスにおいてもイオン注入が行われているため、成膜されるＤＬＣ膜２ａの残留応力が緩和される。
【００４８】
なお、上記イオンを寛骨臼インプラント２に誘引・注入する工程と、ＣＶＤ法により寛骨臼インプラント２の凹状金属表面にＤＬＣ膜２ａを成膜する工程とは別個のチャンバにおいて行うことも可能であるが、この実施の形態では同じチャンバ８内で行っている。このように二つの工程を同じチャンバ８で真空状態を保持しながら連続して実行することによりＤＬＣ膜２ａの形成を効率的に行うことができ、かつ成膜途上のＤＬＣ膜２ａを大気にさらすことが無いので信頼性のある高い密着力を得ることが可能になる。
【００４９】
かくして寛骨臼インプラント２の凹状金属表面に形成されたＤＬＣ膜２ａは、強固に寛骨臼インプラント２の金属表面に付着する。また、ＤＬＣ膜２ａの皮膜により寛骨臼インプラント２の摺動部である金属表面の摩擦係数及び被磨耗物の磨耗量は顕著に低減する。
【００５０】
＜実施例＞
上記処理装置によるＤＬＣ膜の成膜方法の具体例について述べる。
【００５１】
（１）骨頭インプラント１と寛骨臼インプラント２を各処理装置のホルダ７、５に夫々取り付け、アルゴンメタン混合プラズマによるスパッタクリーニングを行う。
【００５２】
（２）次に、有機シリコンガスとメタンの適切な混合ガスのプラズマを用い、イオン注入電圧を−２０ｋＶと高くして、シリコンとカーボンイオンを注入する。メタンプラズマでは、イオン注入が支配的で堆積はほとんどない。これにより、Ｃを骨頭インプラント１と寛骨臼インプラント２に夫々埋め込みアンカー効果を作用させる。骨頭インプラント１と寛骨臼インプラント２の各摺動部の表面層と界面ミキシング層にはＳｉが分散して混入される。Ｓｉの存在により、ＳｉとＣあるいは、Ｓｉと骨頭インプラント１及び寛骨臼インプラント２の元素の間でそれぞれ化学反応が起こると推測される。もちろん、Ｃイオンの注入によっても骨頭インプラント１及び寛骨臼インプラント２の各元素とＣの化学反応が起こり得る。高いエネルギーのＳｉイオンがあると化学反応がより促進されると考えられる。
【００５３】
（３）有機シリコンガスとアセチレンの混合ガスのプラズマを用い、イオン注入電圧−２０ｋＶとすると、上記（２）の場合と同様に、ＳｉとＣの堆積が生じる。これにより、骨頭インプラント１及び寛骨臼インプラント２とＤＬＣ膜の界面にＣの傾斜ミキシング層が形成される。
【００５４】
（４）最後に、成膜速度がアセチレンに比べて５〜１０倍大きいトルエンプラズマを用いて、高速成膜を行う。このプロセスでも５〜１０ｋＶのイオン注入を行って、各ＤＬＣ膜１ａ，２ａの残留応力を緩和する。このように、炭化水素ガスのガス種とイオン注入電圧を変化させることにより、ＤＬＣ膜１ａ，２ａの骨頭インプラント１及び寛骨臼インプラント２に対する密着性の改善とＤＬＣ膜１ａ，２ａの残留応力の緩和が達成される。
【００５５】
本発明により形成されたＤＬＣ膜１ａ，２ａの性能は次に述べる実験結果から明らかとなる。
【００５６】
＜実験例１＞
上記骨頭インプラント１及び寛骨臼インプラント２における各ＤＬＣ膜１ａ，２ａの接着強度についての試験結果について述べる。
【００５７】
Ｃｏ−Ｃｒ系合金の棒状の試験片を複数本用意し、第一の試験片のＣｏ−Ｃｒ系合金端面にＣＶＤ法によりＤＬＣ膜を形成し、第二の試験片のＣｏ−Ｃｒ系合金端面に炭化水素ガスのみを用いた炭素イオン注入と傾斜ミキシング層を形成したうえでＤＬＣ膜を形成し、第三の試験片のＣｏ−Ｃｒ系合金端面に上記本発明の方法によりＤＬＣ膜を形成した。また、上記第一、第二及び第三の各試験片に接続するＳＵＳ３０４試験片を用意し、各試験片のＳＵＳ３０４端面にエポキシ系接着剤を塗布した。
【００５８】
図５（Ａ）に示すように上記第一、第二及び第三の各試験片１４ａ，１４ｂ，１４ｃのＤＬＣ膜１５ａ，１５ｂ，１５ｃに相手の試験片１６を上記エポキシ系接着剤１７で接着した後、引張試験機により同図（Ｂ）に示すように引張試験を行った。
【００５９】
この試験の結果、同図（Ｃ）に示すように、第一と第二の試験片１４ａ，１４ｂのＤＬＣ膜１５ａ，１５ｂは、第一と第二の試験片１４ａ，１４ｂのＳＵＳ３０４端面から剥がれ相手方の試験片１６にエポキシ系接着剤１７に接着したまま移動した。分断時の引張力は第一の試験片１４ａの場合は約０．４ＭＰａ、第二の試験片１４ｂの場合は約３ＭＰａであった。第三の試験片１４ｃのＤＬＣ膜１５ｃは、同図（Ｄ）に示すように第三の試験片１４ｃ側に残留し、相手方の試験片１６のエポキシ系接着剤１７が第三の試験片１４ｃ側に移動した。分断時の引張力は約７９ＭＰａであった。
【００６０】
＜実験例２＞
上記骨頭インプラント１と寛骨臼インプラント２の摺動部間の耐磨耗性についての試験結果について述べる。
【００６１】
ＳＫＨ５１（高速度鋼）製のディスク状の試験片を複数個用意し、第一の試験片ではＤＬＣの成膜処理を行わず、第二、第三の試験片ではＳＫＨ５１表面に本発明と同様にしてＤＬＣ膜を形成した。
【００６２】
また、ＳＵＳ４４０Ｃ製９．５ｍｍφのボールを複数個用意し、第一のボールではＳＫＨ５１表面に本発明と同様にしてＤＬＣ膜を形成し、第二のボールではＤＬＣの成膜処理を行わず、第三のボールではＳＫＨ５１表面に本発明と同様にしてＤＬＣ膜を形成した。
【００６３】
図６に示すように、ボール・オン・ディスク磨耗試験機の試料台に第一の試験片（ただし、図６では便宜上第二、第三の試験片が図示してある。）を固定し、試料台を１０ｍｍ／ｍｉｎの速度で往復直線運動を繰り返した。このとき、往路ではボールへの荷重を１０ｇから１０００ｇまで直線的に増大させ、復路では荷重を１０００ｇから１０ｇに減少させた。摩擦係数(Friction coefficient)は、往路における荷重５００ｇ時の値を算出して測定値とした。
【００６４】
同様な試験を第二の試験片(DLC)に対し第二のボール(Metal)を用いて行い、また、第三の試験片(DLC)に対し第三のボール(DLC)を用いて行った。
【００６５】
この試験の結果を示す図７から明らかなように、DLC- Metal、Metal- DLCの場合に比べ、DLC-DLCの場合は摩擦係数が顕著に低減している。
【００６６】
＜実験例３＞
上記骨頭インプラント１及び寛骨臼インプラント２におけるＤＬＣ膜５の残留応力について、図８に示す片持ち梁法による試験を行った。
【００６７】
短冊状の石英基板（０．５ｍｍ厚さ×５ｍｍ幅×２５ｍｍ長さ）の一端をＳｉ基板に固定した試験片を複数個用意し、第一の試験片にＤＬＣの成膜処理を行い、第二の試験片には炭素イオン注入と傾斜ミキシング層を形成したうえでＤＬＣ膜を形成し、第三の試験片には本発明の方法によりＤＬＣ膜を形成した。
【００６８】
次のStoneyの式により、各試験片の残留応力σを求めた。また、上記実験例１における接着強度の測定結果との相関関係について検討した。
【００６９】
σ＝Ｅ・ｂ2・δ／（３・（１−ν）・Ｌ2・ｄ）
ただし、Ｅは基板のヤング率、ｂは基板の厚さ、δは変位、νは基板のポアソン比、Ｌは基板の長さ、ｄはＤＬＣ膜の膜厚をそれぞれ表す。
【００７０】
図９に示すように、第一の試験片では残留応力が負の値であり膜の破壊原因となる引張応力が膜に作用しているため膜が破壊し易いことが確認され、基材との接着強度も低くインプラントとしては不適格であった。また、炭化水素ガスのみを用いたイオン注入と成膜とを行った第二の試験片では、残留応力が正の値であり膜には圧縮応力が作用していることから、破壊し難い膜が形成されているが、基材との接着強度が低くインプラントとしては満足の行くものではなかった。第三の試験片すなわち本発明によれば、残留応力が正の値であり膜には圧縮応力が作用していることから、破壊し難い膜が形成されており、かつ基材との接着強度が増大した。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】本発明に係る人工股関節の全体の説明図である。
【図２】（Ａ）は図１中、寛骨臼インプラントの断面図、（Ｂ）は図１中、骨頭インプラントの断面図である。
【図３】人工股関節の骨頭にＤＬＣ膜を形成するための装置の概念図である。
【図４】人工股関節の寛骨臼にＤＬＣ膜を形成するための装置の概念図である。
【図５】人工股関節のＤＬＣ膜の接着強度試験を示し、（Ａ）は一方の試験片のＤＬＣ膜に他方の試験片を接着する前の状態を示す斜視図、（Ｂ）は接着後の状態を示す斜視図、（Ｃ）はＤＬＣ膜が試験片から剥がれた状態を示す斜視図、（Ｄ）は接着剤が試験片から剥がれた状態を示す斜視図である。
【図６】人工股関節のＤＬＣ膜に関し使用する磨耗試験機の概念図である。
【図７】磨耗試験の結果を示すグラフである。
【図８】残留応力試験の説明図である。
【図９】残留応力試験の結果を示すグラフであり、残留応力とＤＬＣ膜の接着強度との関係を示す。
【符号の説明】
【００７２】
１…骨頭インプラント
２…寛骨臼インプラント
１ａ，２ａ…ＤＬＣ膜
【技術分野】
【０００１】
本発明は、人工股関節及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、人工股関節の骨頭インプラント及び寛骨臼インプラントは共に金属で作られていたが、両インプラントを寸法制御するのは極めて難しく、両インプラント間の摩擦抵抗が大きくなりやすい。また、両インプラントの摺動面間に発生する金属の磨耗粉により体内での金属イオンリリースが生じやすくなるという問題があり、ことに金属アレルギーのある患者には使用することができないという問題がある。
【０００３】
これを回避するため、骨頭インプラントが金属で形成され、寛骨臼インプラントが超高分子量ポリエチレン（Ultra high molecular weight polyethylene:UHMWPE）で形成された人工股関節が一般に用いられるようになった。しかし、この金属−プラスチック式の人工股関節は、両者の摺動面で発生するポリエチレン磨耗粉が破骨細胞の形成を促進し、それにより局所的な骨の損失や骨溶解が発生し、骨頭を支持するステムの緩み、破壊へとつながることが問題となっている。
【０００４】
ところで、無定形ダイアモンド（Diamond-like Carbon(DLC)）は生体適合性がよく、磨耗や腐食に対する抵抗が高い。このＤＬＣを上記人工股関節の骨頭インプラントに適用すると上記問題が解消するものと期待されるが、この無定形ダイアモンドは骨頭の金属に対する密着特性が低く、容易に剥がれ落ちるという問題がある。また、椎間インプラントにおいては、関節面に夫々ＤＬＣ膜を形成し、摩擦係数の低減を図ることも試みられているが（例えば、特許文献４，５参照。）、この場合もＤＬＣ膜が関節面から剥がれ落ちやすいという問題を有している。
【０００５】
その改善策として、シリコンの中間層を骨頭の金属とＤＬＣ膜との間に介在させることが提案され（例えば、特許文献１参照。）、また、イオンを骨頭の金属に注入して金属表面を改質したうえでＤＬＣ膜を形成することが提案され（例えば、特許文献２参照。）、さらに、炭化水素ガス及び有機シリコンガスの混合ガスのプラズマを使用し、炭化水素ガスのガス種とイオン注入電圧とを変化させて、イオン注入及びＣＶＤを組み合わせた複合プロセスにより、骨頭の金属表面にＤＬＣ膜を成膜することが提案されている（例えば、特許文献３参照。）。
【０００６】
前二者の方法によっては、ＤＬＣ膜は依然としてインプラントの金属表面から剥がれやすく、また摺動面に生ずる摩擦抵抗も十分低減することができず、人工股関節に必要な耐久性を満足させるまでには至らないが、後者の方法によれば、人工股関節の骨頭インプラントにおけるＤＬＣ膜の界面接着強度を高め、摺動面における摩擦係数及び被磨耗物の磨耗量を低減することができる。
【０００７】
【特許文献１】特公平６−６０４０４号公報
【特許文献２】特開２００１−２６８８７号公報
【特許文献３】特開２００６−２１９号公報
【特許文献４】特表２００７−５０４８４７号公報
【特許文献５】特表２００７−５０６４４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、従来の金属−プラスチック型の人工股関節は、骨頭の金属表面にＤＬＣ膜を形成したとしても相手方の寛骨臼インプラントがプラスチック製であることから耐久性を飛躍的に高めることができないという問題がある。
【０００９】
したがって、本発明は上記不具合を解消することができる人工股関節及びその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】
【００１０】
上記課題を解決するため、本発明は次のような構成を採用する。
【００１１】
すなわち、請求項１に係る発明は、炭化水素ガス及び有機シリコンガスの混合ガスのプラズマを使用し、炭化水素ガスのガス種とイオン注入電圧とを変化させるイオン注入及びＣＶＤの複合プロセスが、少なくとも摺動部が金属で形成された人工股関節の骨頭インプラント（１）と寛骨臼インプラント（２）に対して実施されることにより、各々の摺動部の表面にＤＬＣ膜（１ａ，２ａ）が成膜されたことを特徴とする人工股関節である。
【００１２】
請求項２に記載されるように、請求項１に記載の人工股関節において、骨頭インプラント（１）と寛骨臼インプラントの少なくとも摺動部に使用される金属がＣｏ−Ｃｒ系合金であるものとすることができる。
【００１３】
請求項３に記載されるように、請求項１に記載の人工股関節において、骨頭インプラントと寛骨臼インプラントの少なくとも摺動部に使用される金属がＣｏ−Ｃｒ系合金であるものとすることができる。
【００１４】
また、請求項４に係る発明は、炭化水素ガス及び有機シリコンガスの混合ガスのプラズマを使用し、炭化水素ガスのガス種とイオン注入電圧とを変化させた、イオン注入及びＣＶＤの複合プロセスを、少なくとも摺動部が金属で形成された人工股関節の骨頭インプラント（１）と寛骨臼インプラント（２）に対して実施することにより、各々の摺動部の表面にＤＬＣ膜（１ａ，２ａ）を成膜することを特徴とする人工股関節の製造方法である。
【００１５】
請求項５に記載されるように、請求項４に記載の人工股関節の製造方法において、骨頭インプラント（１）と寛骨臼インプラント（２）の少なくとも摺動部に使用される金属をＣｏ−Ｃｒ系合金とすることが可能である。
【００１６】
請求項６に記載されるように、請求項４に記載の人工股関節の製造方法において、骨頭インプラントと寛骨臼インプラントの少なくとも摺動部に使用される金属をＴｉ−Ｔｉ系合金とすることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、人工股関節の骨頭インプラント（１）と寛骨臼インプラント（２）の少なくとも摺動部を金属で形成したうえで、炭化水素ガス及び有機シリコンガスの混合ガスのプラズマを使用し、炭化水素ガスのガス種とイオン注入電圧とを変化させて、イオン注入及びＣＶＤを組み合わせた複合プロセスを実施することにより、骨頭インプラント（１）と寛骨臼インプラント（２）の各摺動部の表面に夫々ＤＬＣ膜（１ａ，２ａ）を成膜することから、金属−金属型の強度が高く耐久性に優れた人工股関節とすることができる。しかも、両金属表面間にはＤＬＣ膜（１ａ，２ａ）が二層にわたって介在し、両金属表面のＤＬＣ膜（１ａ，２ａ）の界面接着強度が高いので、摺動面における摩擦係数を更に低減することができ、人工股関節の耐久性を更に高めることができる。また、骨頭インプラント（１）と寛骨臼インプラント（２）の精度不足、表面の粗さは二層からなるＤＬＣ膜（１ａ，２ａ）の厚さで補うことができ、しかも金属粉の発生を的確に防止し殊に金属アレルギーのある患者に対しても使用することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図面を参照してこの発明を実施するための最良の形態について説明する。
【００１９】
図１に示すように、この人工股関節は大腿骨側の骨頭インプラント１と、寛骨臼インプラント２とを具備する。
【００２０】
骨頭インプラント１は、人体の大腿骨３の骨髄内に埋設されるステム４と当初別体で形成された後、図２（Ｂ）に示すように、骨頭インプラント１の嵌合孔６内にステム４の嵌合突起４ａが挿入されることによりステム４と一体化される。嵌合孔６と嵌合突起４ａの嵌合面にはテーパが形成され、このテーパの作用により骨頭インプラント１がステム４に強固に固定される。
【００２１】
骨頭インプラント１は、チタン材、ステンレス鋼等の所望の金属材料で形成することができるが、望ましくはＣｏ−Ｃｒ系合金で形成される。
【００２２】
図１及び図２（Ａ）に示すように、寛骨臼インプラント２は、上記骨頭インプラント１が嵌まり込み得るカップ状に形成される。この寛骨臼インプラント２は、図示しない人体の寛骨臼内に埋設固定される。
【００２３】
寛骨臼インプラント２は、骨頭インプラント１と同様に、チタン材、ステンレス鋼等の所望の金属材料で形成することができるが、望ましくはＣｏ−Ｃｒ系合金で形成される。
【００２４】
上述したように骨頭インプラント１と寛骨臼インプラント２は各々全体が金属で形成されるが、両インプラント１，２の互いに擦れ合う摺動部のみ金属で形成し、他部分は他の材料で形成することも可能である。
【００２５】
上記骨頭インプラント１と上記寛骨臼インプラント２の互いに擦れ合う表面、すなわち各々の摺動部の表面には、図１及び図２（Ａ）（Ｂ）に示すように、ＤＬＣ膜１ａ，２ａが形成される。
【００２６】
各ＤＬＣ膜１ａ，２ａは、炭化水素ガス及び有機シリコンガスの混合ガスのプラズマを使用し、炭化水素ガスのガス種とイオン注入電圧を変化させて、イオン注入及びＣＶＤの複合プロセスにより形成される。これにより、密着性の改善と残留応力の緩和が行われた各ＤＬＣ膜１ａ，２ａが、骨頭インプラント１と寛骨臼インプラント２の摺動部の金属表面に成膜される。
【００２７】
なお、混合ガス中のシリコンは、同様の効果が得られるチタンなど他の物質に変更しても良い。
【００２８】
骨頭インプラント１の摺動部の金属表面にＤＬＣ膜１ａを形成するための具体的な処理装置は図３に示される。
【００２９】
図３において、符号７は被コーティングインプラントのホルダを示し、このホルダ７に被処理物である骨頭インプラント１が一個ないし複数個保持される。ホルダ７はチャンバ８内に収納される。ホルダ７内の骨頭インプラント１にはプラズマ生成用の高周波パルス電源９とイオン注入の為の負の高電圧パルス電源１０と電源相互の干渉防止回路１１を介してチャンバ８外から給電されるようになっている。チャンバ８には炭化水素ガスとシリコンガスを夫々チャンバ内に供給するための管路１２，１３が連結されている。
【００３０】
次に、上記処理装置により骨頭インプラント１の表面にＤＬＣ膜１ａを成膜する方法について述べる。
【００３１】
（１）まず、骨頭インプラント１をホルダ７に取り付け、チャンバ８内を真空引きし（真空排気系は図示せず）、原料ガス供給弁１２ａ，１３ａを開けて管路１２，１３から炭化水素ガスと有機シリコンガスをチャンバ８内に導入する。
【００３２】
（２）プラズマ発生用の高周波パルス電源９よりアンテナであるホルダ７及び骨頭インプラント１に高周波電圧を印加して、その近傍をプラズマ状態とする。
【００３３】
（３）負の高電圧パルス発生電源１０より、負の高電圧パルスを干渉防止回路１１を介して骨頭インプラント１に加え、骨頭インプラント１の金属表面の全周に＋イオンによるイオン誘引・注入を行う。
【００３４】
これにより、骨頭インプラント１の金属表面の全周にプラズマ中からイオンが注入され、金属表面にシリコンと炭素の傾斜ミキシング層（図示せず）が形成される。同時にＣＶＤによる成膜も行われるが、有機シリコンと炭化水素の適切な混合ガス種によりイオン注入とＣＶＤによる成膜と膜質のコントロールが可能である。
【００３５】
傾斜ミキシング層とは、各元素の存在比が傾斜的に変化する層のことであり、ここでは骨頭インプラント（Ｃｏ−Ｃｒ合金）１にシリコンおよびカーボンイオンを注入することから、骨頭インプラント１の表面に近い領域ではカーボンの存在比が大きく、高エネルギーのイオンのみ深部（数１０ナノメートル〜１００ナノメートル）へ到達できることから、深部に行くに従い、シリコンないしカーボンの存在比は小さくなる。この存在比が傾斜した層では骨頭インプラント１の金属とシリコンとカーボンが混ざり合った状態で対象元素の存在比が傾斜している。
【００３６】
（４）その後、成膜速度の大きな炭化水素ガスを用いて骨頭インプラント１の表面にＤＬＣ膜１ａを成膜する。このプロセスにおいてもイオン注入が行われているため、成膜されるＤＬＣ膜１ａの残留応力が緩和される。
【００３７】
なお、上記イオンを骨頭インプラント１に誘引・注入する工程と、ＣＶＤ法により骨頭インプラント１の表面にＤＬＣ膜１ａを成膜する工程とは別個のチャンバにおいて行うことも可能であるが、この実施の形態では同じチャンバ８内で行っている。このように二つの工程を同じチャンバ８で真空状態を保持しながら連続して実行することによりＤＬＣ膜１ａの形成を効率的に行うことができ、かつ成膜途上のＤＬＣ膜１ａを大気にさらすことが無いので信頼性のある高い密着力を得ることが可能になる。
【００３８】
かくして骨頭インプラント１の表面に形成されたＤＬＣ膜１ａは、強固に骨頭インプラント１の金属表面に付着する。また、ＤＬＣ膜１ａの皮膜により骨頭インプラント１の表面の摩擦係数及び被磨耗物の磨耗量は顕著に低減する。
【００３９】
寛骨臼インプラント２の摺動部の金属表面にＤＬＣ膜２ａを形成するための具体的な処理装置は図４に示される。
【００４０】
この寛骨臼インプラント２用の処理装置は、被コーティングインプラントである寛骨臼インプラント２を保持するためのホルダ５を有する。寛骨臼インプラント２は、その摺動部における凹状の金属面がチャンバ８内で露出するようにホルダ５に取り付けられる。このホルダ５を除き、この処理装置の他の構成は上記骨頭インプラント１の処理装置と同様であるから、図中同一部分は同一符号をもって示すに止めその詳細な説明は省略する。
【００４１】
次に、上記処理装置により寛骨臼インプラント２の摺動部の金属表面にＤＬＣ膜２ａを成膜する方法について述べる。
【００４２】
（１）まず、寛骨臼インプラント２をホルダ５に取り付け、チャンバ８内を真空引きし（真空排気系は図示せず）、原料ガス供給弁１２ａ，１３ａを開けて管路１２，１３から炭化水素ガスと有機シリコンガスをチャンバ８内に導入する。
【００４３】
（２）プラズマ発生用の高周波パルス電源９よりアンテナであるホルダ５及び寛骨臼インプラント２に高周波電圧を印加して、その近傍をプラズマ状態とする。
【００４４】
（３）負の高電圧パルス発生電源１０より、負の高電圧パルスを干渉防止回路１１を介して寛骨臼インプラント２に加え、寛骨臼インプラント２の凹状金属表面に＋イオンによるイオン誘引・注入を行う。
【００４５】
これにより、寛骨臼インプラント２の凹状金属表面にプラズマ中からイオンが注入され、金属表面にシリコンと炭素の傾斜ミキシング層（図示せず）が形成される。同時にＣＶＤによる成膜も行われるが、有機シリコンと炭化水素の適切な混合ガス種によりイオン注入とＣＶＤによる成膜と膜質のコントロールが可能である。
【００４６】
傾斜ミキシング層とは、各元素の存在比が傾斜的に変化する層のことであり、ここでは寛骨臼インプラント（Ｃｏ−Ｃｒ合金）２にシリコンおよびカーボンイオンを注入することから、寛骨臼インプラント２の表面に近い領域ではカーボンの存在比が大きく、高エネルギーのイオンのみ深部（数１０ナノメートル〜１００ナノメートル）へ到達できることから、深部に行くに従い、シリコンないしカーボンの存在比は小さくなる。この存在比が傾斜した層では寛骨臼インプラント２の金属とシリコンとカーボンが混ざり合った状態で対象元素の存在比が傾斜している。
【００４７】
（４）その後、成膜速度の大きな炭化水素ガスを用いて寛骨臼インプラント２の凹状金属表面にＤＬＣ膜２ａを成膜する。このプロセスにおいてもイオン注入が行われているため、成膜されるＤＬＣ膜２ａの残留応力が緩和される。
【００４８】
なお、上記イオンを寛骨臼インプラント２に誘引・注入する工程と、ＣＶＤ法により寛骨臼インプラント２の凹状金属表面にＤＬＣ膜２ａを成膜する工程とは別個のチャンバにおいて行うことも可能であるが、この実施の形態では同じチャンバ８内で行っている。このように二つの工程を同じチャンバ８で真空状態を保持しながら連続して実行することによりＤＬＣ膜２ａの形成を効率的に行うことができ、かつ成膜途上のＤＬＣ膜２ａを大気にさらすことが無いので信頼性のある高い密着力を得ることが可能になる。
【００４９】
かくして寛骨臼インプラント２の凹状金属表面に形成されたＤＬＣ膜２ａは、強固に寛骨臼インプラント２の金属表面に付着する。また、ＤＬＣ膜２ａの皮膜により寛骨臼インプラント２の摺動部である金属表面の摩擦係数及び被磨耗物の磨耗量は顕著に低減する。
【００５０】
＜実施例＞
上記処理装置によるＤＬＣ膜の成膜方法の具体例について述べる。
【００５１】
（１）骨頭インプラント１と寛骨臼インプラント２を各処理装置のホルダ７、５に夫々取り付け、アルゴンメタン混合プラズマによるスパッタクリーニングを行う。
【００５２】
（２）次に、有機シリコンガスとメタンの適切な混合ガスのプラズマを用い、イオン注入電圧を−２０ｋＶと高くして、シリコンとカーボンイオンを注入する。メタンプラズマでは、イオン注入が支配的で堆積はほとんどない。これにより、Ｃを骨頭インプラント１と寛骨臼インプラント２に夫々埋め込みアンカー効果を作用させる。骨頭インプラント１と寛骨臼インプラント２の各摺動部の表面層と界面ミキシング層にはＳｉが分散して混入される。Ｓｉの存在により、ＳｉとＣあるいは、Ｓｉと骨頭インプラント１及び寛骨臼インプラント２の元素の間でそれぞれ化学反応が起こると推測される。もちろん、Ｃイオンの注入によっても骨頭インプラント１及び寛骨臼インプラント２の各元素とＣの化学反応が起こり得る。高いエネルギーのＳｉイオンがあると化学反応がより促進されると考えられる。
【００５３】
（３）有機シリコンガスとアセチレンの混合ガスのプラズマを用い、イオン注入電圧−２０ｋＶとすると、上記（２）の場合と同様に、ＳｉとＣの堆積が生じる。これにより、骨頭インプラント１及び寛骨臼インプラント２とＤＬＣ膜の界面にＣの傾斜ミキシング層が形成される。
【００５４】
（４）最後に、成膜速度がアセチレンに比べて５〜１０倍大きいトルエンプラズマを用いて、高速成膜を行う。このプロセスでも５〜１０ｋＶのイオン注入を行って、各ＤＬＣ膜１ａ，２ａの残留応力を緩和する。このように、炭化水素ガスのガス種とイオン注入電圧を変化させることにより、ＤＬＣ膜１ａ，２ａの骨頭インプラント１及び寛骨臼インプラント２に対する密着性の改善とＤＬＣ膜１ａ，２ａの残留応力の緩和が達成される。
【００５５】
本発明により形成されたＤＬＣ膜１ａ，２ａの性能は次に述べる実験結果から明らかとなる。
【００５６】
＜実験例１＞
上記骨頭インプラント１及び寛骨臼インプラント２における各ＤＬＣ膜１ａ，２ａの接着強度についての試験結果について述べる。
【００５７】
Ｃｏ−Ｃｒ系合金の棒状の試験片を複数本用意し、第一の試験片のＣｏ−Ｃｒ系合金端面にＣＶＤ法によりＤＬＣ膜を形成し、第二の試験片のＣｏ−Ｃｒ系合金端面に炭化水素ガスのみを用いた炭素イオン注入と傾斜ミキシング層を形成したうえでＤＬＣ膜を形成し、第三の試験片のＣｏ−Ｃｒ系合金端面に上記本発明の方法によりＤＬＣ膜を形成した。また、上記第一、第二及び第三の各試験片に接続するＳＵＳ３０４試験片を用意し、各試験片のＳＵＳ３０４端面にエポキシ系接着剤を塗布した。
【００５８】
図５（Ａ）に示すように上記第一、第二及び第三の各試験片１４ａ，１４ｂ，１４ｃのＤＬＣ膜１５ａ，１５ｂ，１５ｃに相手の試験片１６を上記エポキシ系接着剤１７で接着した後、引張試験機により同図（Ｂ）に示すように引張試験を行った。
【００５９】
この試験の結果、同図（Ｃ）に示すように、第一と第二の試験片１４ａ，１４ｂのＤＬＣ膜１５ａ，１５ｂは、第一と第二の試験片１４ａ，１４ｂのＳＵＳ３０４端面から剥がれ相手方の試験片１６にエポキシ系接着剤１７に接着したまま移動した。分断時の引張力は第一の試験片１４ａの場合は約０．４ＭＰａ、第二の試験片１４ｂの場合は約３ＭＰａであった。第三の試験片１４ｃのＤＬＣ膜１５ｃは、同図（Ｄ）に示すように第三の試験片１４ｃ側に残留し、相手方の試験片１６のエポキシ系接着剤１７が第三の試験片１４ｃ側に移動した。分断時の引張力は約７９ＭＰａであった。
【００６０】
＜実験例２＞
上記骨頭インプラント１と寛骨臼インプラント２の摺動部間の耐磨耗性についての試験結果について述べる。
【００６１】
ＳＫＨ５１（高速度鋼）製のディスク状の試験片を複数個用意し、第一の試験片ではＤＬＣの成膜処理を行わず、第二、第三の試験片ではＳＫＨ５１表面に本発明と同様にしてＤＬＣ膜を形成した。
【００６２】
また、ＳＵＳ４４０Ｃ製９．５ｍｍφのボールを複数個用意し、第一のボールではＳＫＨ５１表面に本発明と同様にしてＤＬＣ膜を形成し、第二のボールではＤＬＣの成膜処理を行わず、第三のボールではＳＫＨ５１表面に本発明と同様にしてＤＬＣ膜を形成した。
【００６３】
図６に示すように、ボール・オン・ディスク磨耗試験機の試料台に第一の試験片（ただし、図６では便宜上第二、第三の試験片が図示してある。）を固定し、試料台を１０ｍｍ／ｍｉｎの速度で往復直線運動を繰り返した。このとき、往路ではボールへの荷重を１０ｇから１０００ｇまで直線的に増大させ、復路では荷重を１０００ｇから１０ｇに減少させた。摩擦係数(Friction coefficient)は、往路における荷重５００ｇ時の値を算出して測定値とした。
【００６４】
同様な試験を第二の試験片(DLC)に対し第二のボール(Metal)を用いて行い、また、第三の試験片(DLC)に対し第三のボール(DLC)を用いて行った。
【００６５】
この試験の結果を示す図７から明らかなように、DLC- Metal、Metal- DLCの場合に比べ、DLC-DLCの場合は摩擦係数が顕著に低減している。
【００６６】
＜実験例３＞
上記骨頭インプラント１及び寛骨臼インプラント２におけるＤＬＣ膜５の残留応力について、図８に示す片持ち梁法による試験を行った。
【００６７】
短冊状の石英基板（０．５ｍｍ厚さ×５ｍｍ幅×２５ｍｍ長さ）の一端をＳｉ基板に固定した試験片を複数個用意し、第一の試験片にＤＬＣの成膜処理を行い、第二の試験片には炭素イオン注入と傾斜ミキシング層を形成したうえでＤＬＣ膜を形成し、第三の試験片には本発明の方法によりＤＬＣ膜を形成した。
【００６８】
次のStoneyの式により、各試験片の残留応力σを求めた。また、上記実験例１における接着強度の測定結果との相関関係について検討した。
【００６９】
σ＝Ｅ・ｂ2・δ／（３・（１−ν）・Ｌ2・ｄ）
ただし、Ｅは基板のヤング率、ｂは基板の厚さ、δは変位、νは基板のポアソン比、Ｌは基板の長さ、ｄはＤＬＣ膜の膜厚をそれぞれ表す。
【００７０】
図９に示すように、第一の試験片では残留応力が負の値であり膜の破壊原因となる引張応力が膜に作用しているため膜が破壊し易いことが確認され、基材との接着強度も低くインプラントとしては不適格であった。また、炭化水素ガスのみを用いたイオン注入と成膜とを行った第二の試験片では、残留応力が正の値であり膜には圧縮応力が作用していることから、破壊し難い膜が形成されているが、基材との接着強度が低くインプラントとしては満足の行くものではなかった。第三の試験片すなわち本発明によれば、残留応力が正の値であり膜には圧縮応力が作用していることから、破壊し難い膜が形成されており、かつ基材との接着強度が増大した。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】本発明に係る人工股関節の全体の説明図である。
【図２】（Ａ）は図１中、寛骨臼インプラントの断面図、（Ｂ）は図１中、骨頭インプラントの断面図である。
【図３】人工股関節の骨頭にＤＬＣ膜を形成するための装置の概念図である。
【図４】人工股関節の寛骨臼にＤＬＣ膜を形成するための装置の概念図である。
【図５】人工股関節のＤＬＣ膜の接着強度試験を示し、（Ａ）は一方の試験片のＤＬＣ膜に他方の試験片を接着する前の状態を示す斜視図、（Ｂ）は接着後の状態を示す斜視図、（Ｃ）はＤＬＣ膜が試験片から剥がれた状態を示す斜視図、（Ｄ）は接着剤が試験片から剥がれた状態を示す斜視図である。
【図６】人工股関節のＤＬＣ膜に関し使用する磨耗試験機の概念図である。
【図７】磨耗試験の結果を示すグラフである。
【図８】残留応力試験の説明図である。
【図９】残留応力試験の結果を示すグラフであり、残留応力とＤＬＣ膜の接着強度との関係を示す。
【符号の説明】
【００７２】
１…骨頭インプラント
２…寛骨臼インプラント
１ａ，２ａ…ＤＬＣ膜
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素ガス及び有機シリコンガスの混合ガスのプラズマを使用し、炭化水素ガスのガス種とイオン注入電圧とを変化させるイオン注入及びＣＶＤの複合プロセスが、少なくとも摺動部が金属で形成された人工股関節の骨頭インプラントと寛骨臼インプラントに対して実施されることにより、各々の摺動部の表面にＤＬＣ膜が成膜されたことを特徴とする人工股関節。
【請求項２】
請求項１に記載の人工股関節において、骨頭インプラントと寛骨臼インプラントの少なくとも摺動部に使用される金属がＣｏ−Ｃｒ系合金であることを特徴とする人工股関節。
【請求項３】
請求項１に記載の人工股関節において、骨頭インプラントと寛骨臼インプラントの少なくとも摺動部に使用される金属がＴｉ−Ｔｉ系合金であることを特徴とする人工股関節。
【請求項４】
炭化水素ガス及び有機シリコンガスの混合ガスのプラズマを使用し、炭化水素ガスのガス種とイオン注入電圧とを変化させた、イオン注入及びＣＶＤの複合プロセスを、少なくとも摺動部が金属で形成された人工股関節の骨頭インプラントと寛骨臼インプラントに対して実施することにより、各々の摺動部の表面にＤＬＣ膜を成膜することを特徴とする人工股関節の製造方法。
【請求項５】
請求項４に記載の人工股関節の製造方法において、骨頭インプラントと寛骨臼インプラントの少なくとも摺動部に使用される金属をＣｏ−Ｃｒ系合金とすることを特徴とする人工股関節の製造方法。
【請求項６】
請求項４に記載の人工股関節の製造方法において、骨頭インプラントと寛骨臼インプラントの少なくとも摺動部に使用される金属をＴｉ−Ｔｉ系合金とすることを特徴とする人工股関節の製造方法。
【請求項１】
炭化水素ガス及び有機シリコンガスの混合ガスのプラズマを使用し、炭化水素ガスのガス種とイオン注入電圧とを変化させるイオン注入及びＣＶＤの複合プロセスが、少なくとも摺動部が金属で形成された人工股関節の骨頭インプラントと寛骨臼インプラントに対して実施されることにより、各々の摺動部の表面にＤＬＣ膜が成膜されたことを特徴とする人工股関節。
【請求項２】
請求項１に記載の人工股関節において、骨頭インプラントと寛骨臼インプラントの少なくとも摺動部に使用される金属がＣｏ−Ｃｒ系合金であることを特徴とする人工股関節。
【請求項３】
請求項１に記載の人工股関節において、骨頭インプラントと寛骨臼インプラントの少なくとも摺動部に使用される金属がＴｉ−Ｔｉ系合金であることを特徴とする人工股関節。
【請求項４】
炭化水素ガス及び有機シリコンガスの混合ガスのプラズマを使用し、炭化水素ガスのガス種とイオン注入電圧とを変化させた、イオン注入及びＣＶＤの複合プロセスを、少なくとも摺動部が金属で形成された人工股関節の骨頭インプラントと寛骨臼インプラントに対して実施することにより、各々の摺動部の表面にＤＬＣ膜を成膜することを特徴とする人工股関節の製造方法。
【請求項５】
請求項４に記載の人工股関節の製造方法において、骨頭インプラントと寛骨臼インプラントの少なくとも摺動部に使用される金属をＣｏ−Ｃｒ系合金とすることを特徴とする人工股関節の製造方法。
【請求項６】
請求項４に記載の人工股関節の製造方法において、骨頭インプラントと寛骨臼インプラントの少なくとも摺動部に使用される金属をＴｉ−Ｔｉ系合金とすることを特徴とする人工股関節の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００９−１０６４８５（Ｐ２００９−１０６４８５Ａ）
【公開日】平成２１年５月２１日（２００９．５．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２８１３４３（Ｐ２００７−２８１３４３）
【出願日】平成１９年１０月３０日（２００７．１０．３０）
【出願人】（０００１９３６１２）瑞穂医科工業株式会社 (53)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年５月２１日（２００９．５．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１０月３０日（２００７．１０．３０）
【出願人】（０００１９３６１２）瑞穂医科工業株式会社 (53)
【Ｆターム（参考）】
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