(57)【要約】【課題】  高強度、高靭性、高硬度の生体部材およびそれを用いた人工関節を提供する。加えて、生体内環境下でも高い耐摩耗性を発揮する生体部材および人工関節を提供する。【解決手段】  ＺｒＯ２を含み、且つシャルピー衝撃試験におけるシャルピー衝撃値が４５ｋＪ／ｍ２以上のセラミックスからなる生体部材。前記セラミックスが、１２１℃の飽和水蒸気中で１５２時間の条件で行う加速劣化試験前後のシャルピー衝撃試験におけるシャルピー衝撃値の低下率が１０％以下であることを特徴とする生体部材。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＺｒＯ２を含み、且つシャルピー衝撃試験におけるシャルピー衝撃値が４５ｋＪ／ｍ２以上のセラミックスからなる生体部材。
【請求項２】
前記セラミックスが、１２１℃の飽和水蒸気中で１５２時間の条件で行う加速劣化試験前後のシャルピー衝撃試験におけるシャルピー衝撃値の低下率が１０％以下であることを特徴とする請求項１記載の生体部材。
【請求項３】
前記セラミックス中に、Ａｌ２Ｏ３を６５質量％以上、ＺｒＯ２を４〜３４質量％、及びＳｒＯを０．１〜４質量％含有するとともに、前記ＺｒＯ２の粒子の一部にＳｒが溶解していることを特徴とする請求項１または２記載の生体部材。
【請求項４】
前記セラミックス中に焼結助剤としてＴｉＯ２、ＭｇＯ及びＳｉＯ２を含むことを特徴とする請求項１記載の生体部材。
【請求項５】
前記セラミックス中にＳｉＯ２を０．２０質量％以上、ＴｉＯ２を０．２２質量％以上、ＭｇＯを０．１２質量％以上含有し、かつＳｉＯ２、ＴｉＯ２及びＭｇＯを合計で０．６〜４．５質量％含有することを特徴とする請求項４に記載の生体部材。
【請求項６】
前記セラミックスにおけるＡｌ２Ｏ３の粒子が、ＳＥＭ画像において細長形状を呈するとともに、前記各Ａｌ２Ｏ３の粒子の最長方向を長軸及びその長さを長軸径とし、該長軸に対して垂直な方向を短軸及びその長さを短軸径としたときに、前記長軸径の平均が１．５μｍ以下であり、前記短軸径に対する前記長軸径の比であるアスペクト比の平均が２．５以下であり、前記短軸径の平均と長軸径の平均との中間値が1μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至5の少なくともいずれかに記載の生体部材。
【請求項７】
前記セラミックスは、１２１℃の飽和水蒸気中で１５２時間の条件で行う加速劣化試験後のピンオンディスク試験法による比摩耗量が０．３×１０−１０ｍｍ２／Ｎ以下であることを特徴とする請求項１乃至６の少なくともいずれかに記載の生体部材。
【請求項８】
前記セラミックスにより人工関節の摺動部を構成したことを特徴とする請求項１乃至７の少なくともいずれかに記載の生体部材。
【請求項９】
前記人工関節が人工股関節であることを特徴とする請求項１乃至７の少なくともいずれかに記載の生体部材。
【請求項１０】
前記人工関節の摺動部が人工股関節の骨頭であることを特徴とする請求項９に記載の生体部材。
【請求項１１】
前記人工関節の摺動部が人工股関節の臼蓋ソケット摺動部であることを特徴とする請求項９に記載の生体部材。
【請求項１２】
一対の請求項８に記載の生体部材からなるとともに、前記摺動部が相互に摺動することを特徴とする人工関節。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＺｒＯ２を含む高強度のセラミックからなる生体部材それを用いた人工関節に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
アルミナセラミックスやジルコニアセラミックスは生体不活性な材料である上、機械的強度、耐摩耗性に優れることから人工関節や人工歯根といった医療用材料としての適用が進んでいる。例えば、人工股関節では、金属に比べ、アルミナもしくはジルコニアセラミックス／超高分子量ポリエチレンの組合せが摩耗しにくく、且つ欠陥も生じにくいとされていることから、骨頭にセラミックスが、臼蓋ソケットに超高分子ポリエチレンが採用されてきた（特許文献１参照）。
【０００３】
さらに、アルミナセラミックス同士の摺動部を有した人工股関節も開発されている（特許文献２参照）。
【０００４】
また近年、アルミナ、ジルコニア系の酸化物セラミックスは、高強度、耐摩耗性及び耐食性が要求される構造部材として広く利用されている。特に、アルミナとジルコニアを一定の比率で複合化する場合は、結晶粒の微細化効果によりそれぞれの単体よりも高い強度が得られることが注目されている（非特許文献１参照）。
【特許文献１】特公平０６−２２５７２号公報
【特許文献２】特開２０００−１６８３６号公報
【非特許文献１】四方良一他、「粉体および粉末冶金」、（社）粉体粉末冶金協会、１９９１年４月１０日、第３８巻、第３号  ｐ．５７−６１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前記アルミナセラミックスは非常に優れた生体材料であるが、強度・靭性の点でジルコニアセラミックスに遠く及ばない。例えば、前述のアルミナセラミックス同士の摺動部を有した人工股関節では、アルミナセラミックスの強度、靭性では不十分で、残念ながら破壊に至った症例が報告されている。その破壊の原因は、マイクロセパレーションとよばれる臼蓋カップと骨頭との亜脱臼状態から骨頭が臼蓋カップに入る際に骨頭と臼蓋カップがあたり、場合によっては衝撃により破壊することが判明している。衝撃による破壊は、材料の靱性により改善されることは周知の事実である（例えば、特許文献４）。
【特許文献４】特開平８−７２２００号公報  一方、ジルコニアセラミックスは、アルミナセラミックスに比べて高強度・高靭性であるが、金属の靭性には遠く及ばない。しかし、前述したように金属と超高分子ポリエチレンの組合せはセラミックスと超高分子ポリエチレンの組合せよりも摩耗しやすい傾向がある。よって、より高い安全性を目指して、さらに高い強度・靭性を有する生体材料が望まれていた。
【０００６】
また、ジルコニアセラミックスは、Ｙ２Ｏ３を安定化剤として用いた場合、水が存在する環境下で相変態が起こり易く、強度や表面粗さが悪化する場合がある。表面粗さが悪化した場合、摺動部での摩耗に伴って摩耗粉が発生し、この摩耗粉が人工股関節近傍の組織内に蓄積されると、骨吸収を引き起こす。この骨吸収は、人工股関節と骨とのルーズニングの原因になる。このような摩耗粉の発生は、特に、ジルコニアセラミックス同士の摺動部で顕著となる。また、この対策のためにＣｅＯ２を安定化剤に使用した場合、水による相変態は無くなるが、Ｙ２Ｏ３と比較し、結晶が成長するため、摺動特性、強度が良好なジルコニアセラミックスは得られていない。
【０００７】
前述の複合材については、形状異方性粒子の生成によって破壊靭性が向上する一方で、強度と硬度が低下することが知られている。破壊靭性をより高くする為には形状異方性粒子をより細長く成長させる必要があるが、粒子が大きくなるほど強度と硬度が低下する。前記特許文献１では、アルミナの異方性成長により靭性改善効果が見られたものの、曲げ強度が１０５０ＭＰａ以下となり、形状異方性粒子の生成によって強度が低下している。従って、高強度、高靭性材料を得るには、粒成長を抑えながら、靭性を向上する方法を検討する必要がある。
【０００８】
アルミナ磁器中にジルコニアが、準安定相である正方晶結晶として分散した存在、外部応力が作用することにより、安定な単斜晶へ相変態する（応力誘起変態）。この相変態による体積膨張により、クラックの進展が妨げられ、靭性が向上する。しかし、ジルコニアは本来常温では単斜晶であり、準安定な正方晶として分散させるためには、安定化剤を微量添加しなければ正方晶を安定して分散させることは難しい。アルカリ土類、稀土類元素の８配位の際のイオン半径が、ジルコニウムのイオン半径の１４０％以下の時、固溶し、安定化剤となると言われており、安定化剤となる物質は、Ｍｇ、Ｃａ、Ｙ等、安定化剤とならない物質はＳｒ、Ｂａ等が知られている。
【０００９】
本発明は、そのような従来技術の課題に鑑みてなされたものであり、非常に高い強度・靭性を有する生体部材を提供することを目的とする。また、本発明の別の目的は、生体内環境下で耐摩耗性を有した人工関節を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
ＺｒＯ２を含み、且つシャルピー衝撃試験におけるシャルピー衝撃値が４５ｋＪ／ｍ２以上のセラミックスからなる生体部材が、靭性のみでなく、生体内のような水分の多い環境下でも強度劣化を起こしにくく、また、耐摩耗性の劣化を起こしにくいことを見出し、本発明に至った。
【００１１】
また、本発明者らはアルミナ主体のＡｌ２Ｏ３−ＺｒＯ２セラミックスにＳｒＯを添加して、低温で焼成し、形状異方性粒子の生成を抑えつつ、同時に、分散させたジルコニアの粒成長を抑制し、ジルコニア粒子に歪みが残存するため、本来固溶しないと言われているＳｒをＺｒＯ２に微量固溶させることが可能となる事を発見した。その結果、ＳｒＯに安定化剤としての効果が発現し、正方晶ＺｒＯ２の準安定化を実現し、単斜晶への応力誘起相転移によって強度と破壊靭性を向上できること、更に焼結助剤としてＴｉＯ２、ＭｇＯ及びＳｉＯ２を添加することによりＺｒＯ２へのＳｒの固溶が促進され、応力誘起相転移強化の効果が大きくできることを見出した。
【００１２】
すなわち、本発明は、Ａｌ２Ｏ３を６５質量％以上、ＺｒＯ２を４〜３４質量％、及びＳｒＯを０．１〜４質量％含有するとともに、該ＺｒＯ２粒子の一部にＳｒが固溶していることを特徴とするセラミックスからなる生体部材およびそれを用いた人工関節に関する発明である。
【００１３】
本発明においては更に、
（１）焼結助剤としてＴｉＯ２、ＭｇＯ及びＳｉＯ２を含むこと、
（２）前記（１）においてＳｉＯ２を０．２０質量％以上、ＴｉＯ２を０．２２質量％以上、ＭｇＯを０．１２質量％以上含有し、かつＳｉＯ２、ＴｉＯ２及びＭｇＯを合計で０．６〜４．５質量％含有することが望ましい。
【００１４】
また、本発明の生体部材を構成するセラミックスは、Ａｌ、Ｚｒ及びＳｒを金属として、又はこれらを金属化合物として含む主原料を、これらの金属又は金属化合物を金属酸化物に換算して、複合セラミックス中でＡｌ２Ｏ３を６５質量％以上、ＺｒＯ２を４〜３４質量％、及びＳｒＯを０．１〜４質量％含有するように混合して、所定形状に成形した後、１３００℃〜１５００℃の温度範囲で焼成し、更に前記焼成温度より３０℃以上低い温度で熱間静水圧処理することにより作製することができる。
【００１５】
この場合、Ａｌ、Ｚｒ及びＳｒを金属として、又はこれらを金属化合物として含む前記主原料に、更にＴｉ、Ｍｇ及びＳｉを金属として、又はこれらを金属化合物として含む焼結助剤を、これらの金属又は金属化合物を金属酸化物に換算して、複合セラミックス中でＳｉＯ２が０．２０質量％以上、ＴｉＯ２が０．２２質量％以上、ＭｇＯが０．１２質量％以上で、かつＳｉＯ２、ＴｉＯ２及びＭｇＯが合計で０．６〜４．５質量％含有するように混合することが望ましい。
【００１６】
本発明の生体部材を構成するセラミックスは、Ａｌ２Ｏ３を６５質量％以上、ＺｒＯ２を４〜３４質量％、及びＳｒＯを０．１〜４質量％含有し、更に該ＺｒＯ２粒子の一部にＳｒＯが溶解していることを特徴とする。
【００１７】
セラミックスが上記組成範囲で、かつＺｒＯ２粒子の一部にＳｒＯが溶解していることにより、ＳｒＯによる正方晶ＺｒＯ２の安定化効果が発現し、強度と靭性が向上する。また、ジルコニア含有量の増加や形状異方性粒子生成による強度と硬度の低下も少なく、実用に耐え得るものが得られるようになる。
【００１８】
本発明の生体部材の製造方法は、先ず、原料を所定の割合で混合し、所定形状に成形する。ここでいう原料とは、金属、金属酸化物、金属水酸化物，金属炭酸塩などの塩類等を粉末あるいは水溶液等として使用することが可能である。前記粉末として使用する場合その平均粒径は、１．０μｍ以下が好ましい。
【００１９】
また、成形には、プレス成形、鋳込み、冷間静水圧成形、或いは冷間静水圧処理などの成形法を使用可能である。
【００２０】
次に、本発明によれば、１３００〜１５００℃の温度範囲で焼成し、更に前記焼成温度より３０℃以上低い温度で熱間静水圧処理することを特徴とする。これによりアルミナ、ジルコニアが微粒で、アルミナの異方粒成長を抑えた緻密体を作製することが可能となる。
【００２１】
本発明により、Ｓｒの固溶したＺｒＯ２において応力誘起相転移の効果が大きく、更に焼結助剤としてＳｉＯ２、ＴｉＯ２およびＭｇＯを添加することでその効果が更に顕著になる。またＳｉＯ２、ＴｉＯ２およびＭｇＯの添加により、焼成温度が下がり、高緻密化、組織微細化が起こり高強度、高靭性、高硬度の複合セラミックスからなる生体部材を提供できる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、ＺｒＯ２を含み、且つシャルピー衝撃試験におけるシャルピー衝撃値が４５ｋＪ／ｍ２以上のセラミックスからなる生体部材を構成したことにより、靭性のみでなく、生体内のような水分の多い環境下でも強度劣化を起こしにくい。
【００２３】
また、前記複合セラミックス同士の摺動では、１２１℃の飽和水蒸気中で１５２時間の条件で行う加速劣化試験後のピンオンディスク試験法による比摩耗量を０．３×１０−１０ｍｍ２／Ｎ以下にすることができる。したがって、前記複合セラミックスで相互に摺動する人工関節の摺動部を構成することにより、人工関節において、高強度、高靭性、高耐摩耗性を実現することができる。
【００２４】
また、Ｓｒの固溶したＺｒＯ２では正方晶が準安定化され、応力誘起相転移の効果によって高強度、高靭性材料となる。更に焼結助剤としてＳｉＯ２、ＴｉＯ２及びＭｇＯを同時に添加することでその効果が更に顕著になり、またこれらの焼結助剤の添加により、焼成温度が下がり、形状異方性粒子が生成せず高緻密化、組織微細化が起こる。その結果、高強度、高靭性、高硬度の複合セラミックスからなる生体部材およびそれを用いた人工関節を得ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下に本発明を詳述する。
【００２６】
図１乃至２に本発明の生体部材の実施形態を例示する。図１によれば、人工関節の摺動部に前記セラミックスが用いられている。具体的には、金属ステム並びにセラミックス製の骨頭ボール及び臼蓋ソケットにより人工股関節が構成されている。本発明は、人工股関節などの人工関節において、対をなす摺動部が前記セラミックスからなり、これら摺動部を含む一対の生体部材が人工関節を構成する場合のみでなく、一方の摺動部のみが前記セラミックスからなる場合を含む。
【００２７】
また、本発明の生体部材は摺動部を有しないものも含む。例えば、関節部分を含まない人工骨であっても構わない。
【００２８】
通常ＺｒＯ２は、Ｙ２Ｏ３などの安定化剤を適量ＺｒＯ２に固溶させることで機械的特性を向上させることができる。しかし、Ａｌ２Ｏ３−ＺｒＯ２セラミックスにおいてＹ２Ｏ３の配合量が多すぎると立方晶が多くなり相変態の破壊靭性への寄与が小さくなる。一方、Ｙ２Ｏ３の配合量が少なすぎると単斜晶ＺｒＯ２が多くなり、強度、靭性ともに低下する。またＡｌ２Ｏ３含有量の増加によって硬度が高くなるが強度と靭性が低下する。
【００２９】
これを補う目的でＳｒＯを添加し形状異方性粒子生成による破壊靭性向上を行なうが、高温焼成を必要とし、粒成長や緻密化阻害等により強度、硬度は大きく低下する。
【００３０】
本発明で開発された材料は、Ｓｒの固溶による正方晶ＺｒＯ２の安定化が起こるが、ＳｒではＺｒＯ２への固溶量が少ない為、立方晶は生成し難くなる。この結果、応力誘起相転移効果が大きく、形状異方性粒子生成によらず破壊靭性を向上でき、強度と硬度も高くなる。
【００３１】
本発明の生体部材をなす複合セラミックスは、少なくともＡｌ２Ｏ３とＺｒＯ２とＳｒＯとを含有する複合セラミックスであって、Ａｌ２Ｏ３を６５質量％以上、ＺｒＯ２を４〜３４質量％、及びＳｒＯを０．１〜４質量％含有し、更に該ＺｒＯ２粒子の一部にＳｒが固溶していることを特徴とするが、Ａｌ２Ｏ３の含有量は６５質量％以上、好ましくは６７〜９０質量％、特に好ましくは７６〜８４質量％であり、ＺｒＯ２の含有量は４〜３４質量％、好ましくは１０〜３４質量％、特に好ましくは１１〜２０質量％である。
【００３２】
Ａｌ２Ｏ３を６５質量％以上含有させることにより、高強度でかつ高硬度という効果が得られ、ＺｒＯ２の含有量が４質量％未満では強度が低下し、低靭性となり、一方、３４質量％を超えるとヤング率低下により硬度が低下する。
【００３３】
又、ＳｒＯの添加量は、複合セラミックス中で０．１〜４質量％、好ましくは０．５〜３質量％、特に好ましくは０．７〜１．５質量％である。
【００３４】
ＳｒＯの添加量を上記０．１〜４質量％とすることは重要である。
【００３５】
ＳｒＯの添加量が０．１質量％未満のとき、ＺｒＯ２の単斜晶系が多くなり、強度が低下する。またＳｒＯの添加量が４質量％を超えるときは、焼成温度が高くなり、形状異方性粒子生成による緻密化阻害、ジルコニア粒成長による強度あるいは硬度の低下がおきる。
【００３６】
上記組成範囲に更にＳｉＯ２、ＴｉＯ２及びＭｇＯを一定割合添加することにより、Ａｌ２Ｏ３とＺｒＯ２の結晶粒成長を抑制しながら、低い温度条件で焼結体を緻密化でき、微粒、高密度の組織形成により高強度化の実現が可能となる。
【００３７】
すなわち、Ａｌ２Ｏ３を６５％質量％以上、ＺｒＯ２を４〜３４質量％、ＳｒＯを０．１〜４質量％含有し、更にＳｉＯ２を０．２０質量％以上、ＴｉＯ２を０．２２質量％以上、ＭｇＯを０．１２質量％以上含有して、かつＳｉＯ２、ＴｉＯ２及びＭｇＯが総量で０．６〜４．５質量％含有する組成において高強度、高靭性、高硬度が実現される。
【００３８】
ここで、ＳｉＯ２の含有量は、０．２０質量％以上、好ましくは０．４〜１．５質量％であり、ＴｉＯ２の含有量は、０．２２質量％以上、好ましくは０．３〜０．７質量％であり、ＭｇＯの含有量は、０．１２質量％以上、好ましくは０．２〜１．４質量％である。
【００３９】
ＳｉＯ２の含有量が０．２０質量％未満、あるいはＴｉＯ２の含有量が０．２２質量％未満、あるいはＭｇＯの含有量が０．１２質量％未満では、液相が不足し、Ａｌ２Ｏ３が緻密化しにくいという不都合を生ずる。
【００４０】
焼結助剤としてＳｉＯ２、ＴｉＯ２、及びＭｇＯを上記割合添加することにより、ＳｒＯのＺｒＯ２への固溶が促進され強度、靭性が向上すると共に共晶点が１３００℃以下になり、焼結時に液相が生成して材料の焼結が大きく促進される。この為、より低い温度でも高い緻密性の焼結体が得られる。また比較的低温で焼結することによって異方粒成長を抑制し、微細な組織となり強度と硬度が低下しない。
【００４１】
次に、高強度、高靭性、及び高硬度の材料特性を得るには、１５００℃以下の低温焼成によりＡｌ２Ｏ３とＺｒＯ２の粒成長を抑制することが重要であり、特に１４９０℃以下とするのが望ましい。ＳｒＯを添加した状態で高温焼成した場合Ａｌ２Ｏ３が異方粒成長し、強度、靭性、硬度が低下する。これは、ＺｒＯ２の粒成長によって単斜晶ＺｒＯ２量が増加して、強度と硬度が低下するからである。
【００４２】
以上の説明から理解されるように、上記のような組成を有する前記セラミックスは、形状異方性粒子による緻密化阻害や、ジルコニア粒成長による強度あるいは硬度の低下が有効に回避されている。
【００４３】
例えば、該セラミックス中のＡｌ２Ｏ３粒子は、前記複合セラミックスにおけるＡｌ２Ｏ３の粒子が、ＳＥＭ画像において細長形状を呈するとともに、前記各Ａｌ２Ｏ３の粒子の最長方向を長軸、その長さを長軸径とし、該長軸に対して垂直な方向を短軸、その長さを短軸径としたときに、前記長軸径の平均（長軸平均径）が１．５μｍ以下であり、前記短軸径に対する前記長軸径の比であるアスペクト比の平均が２．５以下であり、前記短軸径の平均と長軸径の平均(平均粒径)との中間値が1μｍ以下であることが好ましい。即ち、Ａｌ２Ｏ３粒子の平均アスペクト比が２．５を越えるとき或いはその長軸径の平均が１．５μｍよりも大きいときには、形状異方性粒子による緻密化阻害を生じ、強度低下を生じてしまい。また、ＺｒＯ２粒子の前記短軸径の平均と長軸径の平均との中間値が1．0μｍよりも大きいと、正方晶の安定性が低下し、相変態によるクラックが発生し、強度や靭性の低下を生じてしまう。
【００４４】
例えば、該セラミックス中のＡｌ２Ｏ３粒子は、平均アスペクト比が２．５以下であり、且つその長軸平均粒径が１．５μｍ以下、特に１μｍ以下であり、ＺｒＯ２粒子の平均粒径が０．７μｍ以下、特に０．５μｍ以下であることが好ましい。即ち、Ａｌ２Ｏ３粒子の平均アスペクト比が２．５を越えるとき或いはその長軸平均粒径が１．５μｍよりも大きいときには、形状異方性粒子による緻密化阻害を生じ、強度低下を生じてしまい。また、ＺｒＯ２粒子の平均粒径が０．７μｍよりも大きいと、正方晶の安定性が低下し、相変態によるミクロクラックが発生し、強度や靭性の低下を生じてしまう。
【００４５】
よって１５００℃以下で焼成し、Ａｌ２Ｏ３，ＺｒＯ２の粒成長を抑制しつつ、熱間静水圧焼成によって緻密化させることが重要である。この熱間静水圧焼成条件としては、本焼成温度よりも３０℃以上低い温度、特に５０℃以上低い温度、更には１００℃以上低い温度が好ましい。
【実施例１】
【００４６】
純度が９９．９５質量％で平均粒径０．２２μｍのＡｌ２Ｏ３粉末に、純度が９９．９５質量％で平均粒径０．４μｍのＺｒＯ２粉末、平均粒径０．６μｍのＭｇ（ＯＨ）２、平均粒径０．５μｍのＳｉＯ２粉末、及び平均粒径０．２μｍのＳｒＯ粉末を表１に示すような組成になるように秤量混合して混合粉末を得た。そして、この混合粉末を１ｔ／ｃｍ２の圧力で金型成形し、さらに３ｔ／ｃｍ２の圧力で静水圧処理を加えて成形体を作製し、表２に示す温度にて本焼成及び熱間静水圧焼成（表中にＨＩＰと表示）を行なった。
【００４７】
得られた各焼結体に対して、ＪＩＳ−Ｒ１６０１による室温における抗折強度、及びＪＩＳ−Ｒ１６０７によるＳＥＰＢ法により破壊靱性値、ＪＩＳ−Ｒ１６１０によるビッカース硬度を測定した。シャルピー衝撃試験は、試験片を３ｍｍ×３ｍｍ×１４ｍｍに加工し中央部に０．５ｍｍの切りかきを入れたものを使用し、ＪＩＳ  Ｋ  ７１１１に規定されている衝撃試験に準拠して行った。また、結晶粒径の測定方法は、試験片を鏡面研磨後、焼成温度より５０℃程度低い温度でサーマルエッチング処理し、ＳＥＭによる研磨面上の写真をＡｌ２Ｏ３粒子及びＺｒＯ２粒子がそれぞれ１００個以上写るように撮影し、その写真から完全な粒子の形状を有するAl2O3粒子結晶を抜き出し、形状の最も長い部分を長軸、それに直交している方向で最も長い部分を短軸として直接測定して、アスペクト比を算出した。さらに、１２１℃の飽和水蒸気中で１５２時間の条件で行う加速劣化試験後に、ピンオンディスク試験法（ＪＩＳ−Ｔ０３０３：但し、試験片の材料を複合セラミックスとした）を用いて耐摩耗性を評価した。得られた結果を表２に示す。また、Ｘ線回折（ＸＲＤ）によってＳｒＯによる正方晶ＺｒＯ２が安定化されていることを確認し、電子線プローグマイクロアナライザー（ＥＰＭＡ）によりＺｒＯ２へのＳｒの固溶を確認した。
【００４８】
表２より、ＳｒＯを含み、他の焼結助剤を含まない材料（試料No.８）ではＳｒＯを添加していない材料（試料No.１２）よりも強度と破壊靭性が高かった。しかし、ＳｒＯと焼結助剤ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、ＭｇＯを含み、更に、より低温で焼結した材料（試料No.１，２，６，１４）は強度１４１０〜１５４０MPａ、破壊靭性５．１〜５．４ＭＰａ√ｍ、硬度１７４０〜１７９０Ｈｖの特性を示し、試料No.８の材料よりも特性が向上した。
【００４９】
試料No.４の材料では焼成温度が高く、僅かに形状異方性粒子が生成する為、強度と硬度が多少低下したが試料No.８の材料よりも破壊靭性は高かった。Ｙ2Ｏ3の固溶したＺｒＯ２を含む材料（試料No.１２）では、立方晶ＺｒＯ２含有量が増加し、ＳｒＯによる正方晶ＺｒＯ２安定化の効果が小さくなるため、ＳｒＯとＳｉＯ２、ＴｉＯ２、ＭｇＯを含有するにも関わらず強度と靭性が小さかった。
【００５０】
また、試料No.１と１１の材料のＸ線回折（ＸＲＤ）測定結果を比較することで、試料No.１の材料ではＳｒＯの添加によって正方晶ＺｒＯ２が安定化されていることを確認し、試料No.１の材料の組成分析を行うことでＺｒＯ２にＳｒが固溶していることを確認した。
【００５１】
試料Ｎｏ８より、シャルピー衝撃試験が４５MPa√ｍ以下ではＮｏ１５と比較し、破壊靭性が４．５ＭＰａ√ｍと低かった。
【００５２】
また、試料Ｎｏ．２１〜２３においては焼結助剤であるＴｉＯ２、ＭｇＯ、ＳｉＯ２のいずれかが少ないか多いものであるが、いずれかが少ないと焼結温度が高くなり、結晶粒径が大きくなるために曲げ強度が低い結果となり、いずれかが多いものは焼結温度が低いものの液相成分が多くなり、曲げ強度が低い結果となった。
【表１】
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【表２】
2006095018.tif 000004
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】人工股関節の模式図である。
【図２】人工膝関節の模式図である。
【符号の説明】
【００５４】
符号なし
【図１】
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【図２】
2006095018.tif 000006