(57)【要約】【課題】微小クリアランスでの流体潤滑膜形成機能を有し、きしみ音発生や摩耗の少ない人工股関節を提供する。【解決手段】凹球部２５を有する臼蓋ソケット２２と、臼蓋ソケット２２の凹球部２５に嵌合して相対的摺動接触する人工骨頭２６とを備えた人工股関節である。臼蓋ソケット２２の凹球部２５の人工骨頭摺動面３０に、複数の微細溝にて構成される周期構造部３２を有する環状領域３１を設けた。【選択図】図１
2016016052.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
凹球部を有する臼蓋ソケットと、この臼蓋ソケットの凹球部に嵌合して相対的摺動接触する人工骨頭とを備えた人工股関節であって、
前記臼蓋ソケットの凹球部の人工骨頭との摺動面に、複数の微細溝にて構成される周期構造部を有する環状領域を設けたことを特徴とする人工股関節。
【請求項２】
臼蓋ソケットの凹球部に人工骨頭が嵌合して相対的摺動接触する使用状態において、前記環状領域の中心が、人工骨頭からの最大荷重を受ける最大荷重点が存在しうる範囲内にあることを特徴とする請求項１に記載の人工股関節。
【請求項３】
周期構造部を構成する微細溝は、前記環状領域の接線と３０度以上の交差角度を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の人工股関節。
【請求項４】
前記環状領域の内周縁の平均半径が、臼蓋ソケットの凹球部に人工骨頭が嵌合して相対的摺動接触する使用状態において、人工骨頭と臼蓋ソケットとのヘルツ接触部の接触半径の０．５倍〜１０倍であることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の人工股関節。
【請求項５】
周期構造部が前記環状領域全周に形成されていることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の人工股関節。
【請求項６】
周期構造部が前記環状領域に周方向に沿って間欠的に形成されていることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の人工股関節。
【請求項７】
周期構造部の周期ピッチが１０μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の人工股関節。
【請求項８】
前記周期構造部の凹部の深さが１．０μｍ以下であることを特徴とする特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の人工股関節。
【請求項９】
前記周期構造部は、加工閾値近傍の照射強度で直線偏光のレーザを照射し、その照射部分をオーバラップさせながら走査して、自己組織的に形成されていることを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか１項に記載の人工股関節。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、人工股関節に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
人工股関節は、図１３に示すように、骨盤の寛骨臼に装着される臼蓋ソケット５１と、大腿骨に装着されるステム５２と、臼蓋ソケット５１の凹球部５５に摺動自在に嵌合される骨頭５３とを備える。また、ステム５２と骨頭５３とは頚部５４を介して連結されている。
【０００３】
近年、人工股関節の長寿命化には摩耗粉の低減が有効となるため，摩耗の少ない摺動部材として金属やセラミックスによるハード・オン・ハードの人工股関節の開発が進められている。人工股関節における摺動は多方向であり静止荷重状態が不定期に発生する。そのため、リンギングが発生し、除荷後も密着状態となり流体潤滑膜が回復しないことがある。リンギングはきしみ音発生や摩耗の原因となるため、微小クリアランスでの流体潤滑膜形成機能を有する機能表面の創成が望まれている。
【０００４】
従来には、この図１３に示すように、骨頭５３の外球面である摺動面５３ａに複数の凹部５６を設けることによる凹凸パターンを形成したものがある（特許文献１）。凹凸パターンを形成することによって、摩擦、摩耗を減少させることができ、人工股関節の寿命の延長を図るようにしている。この場合、凹部の配列ピッチ（０．８ｍｍ〜１．６ｍｍ）、凹部５６の深さ（１μｍ〜１０μｍ）、摺動面全体に対する凹部５６の面積比率（３０％〜７０％）、円換算直径（０．２ｍｍ〜０．８ｍｍ）、材質等を限定したものである。
【０００５】
また、従来には、図１４に示すように、臼蓋ソケット５１の凹球部５５の内面（摺動面）を、骨頭５３からの最大荷重点が存在する高荷重領域６０と、最大荷重点が存在しない低荷重領域６１とに分離し、低荷重領域６１に陥凹部６２を設けているものがある（特許文献２）。この陥凹部６２を設けることによって、潤滑性が十分に向上でき、局所摩耗が起こりにくいものとしている。この場合、陥凹部６２の深さを０．１ｍｍ〜３．０ｍｍとし、陥凹部６２の面積比を３〜５０％としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第３５９０９９２号公報
【特許文献２】特開２０１１−８７７１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前記特許文献１に記載のように構成した場合、凹部（ディンプル）は狭い領域内で正負等しい圧力を発生する。この際、キャビテーションが発生することにより正圧部のみが負荷容量に寄与する。しかしながら、正圧発生領域が狭いため圧力上昇が僅かしか得られない。このため、動圧発生効果が小さく、また、油溜り効果は混合潤滑特性に寄与するが、流体潤滑特性にほとんど寄与しない。
【０００８】
また、特許文献２では、幅の広い陥凹部６２から流体が容易に流失するため、２面間の接近によるスクイーズ作用が著しく低下し，流体潤滑特性を悪化させる恐れがある。ここで、スクイーズとは、２面間のすきまが減少する際、すきま内の潤滑液の流出にともなう粘性抵抗により圧力が発生する現象である。
【０００９】
本発明は、上記課題に鑑みて、微小クリアランスでの流体潤滑膜形成機能を有し、きしみ音発生や摩耗の少ない人工股関節を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の人工股関節は、凹球部を有する臼蓋ソケットと、この臼蓋ソケットの凹球部に嵌合して相対的摺動接触する人工骨頭とを備えた人工股関節であって、前記臼蓋ソケットの凹球部の人工骨頭との摺動面に、複数の微細溝にて構成される周期構造部を有する環状領域を設けたものである。
【００１１】
本発明の人工股関節によれば、荷重作用位置の変化が少ない臼蓋ソケット側の摺動面に周期構造部を有する環状領域を設けることによって、全ての揺動方向の摺動に対して動圧が得られ流体潤滑膜を形成することができる。
【００１２】
臼蓋ソケットの凹球部に人工骨頭が嵌合して相対的摺動接触する使用状態において、前記環状領域の中心が、人工骨頭からの最大荷重を受ける最大荷重点が存在しうる範囲内にあるのが好ましい。これによって、最大荷重点が存在しうる領域内に流体が導入されることで大きな動圧が得られる。ここで、最大荷重点とは、臼蓋ソケットの凹球部に人工骨頭が嵌合して相対的摺動接触する使用状態において、人工骨頭から臼蓋ソケットの凹球部における摺動面（内面）が最大荷重を受ける点である。
【００１３】
周期構造部を構成する微細溝は、前記環状領域の接線と３０度以上の交差角度を有するように設定するのが好ましい。このように設定することによって、摺動面内（臼蓋ソケットの凹球部の内面と人工骨頭の外面との間）に流体が効率的に導入される。
【００１４】
前記環状領域の内周縁の平均半径が、臼蓋ソケットの凹球部に人工骨頭が嵌合して相対的摺動接触する使用状態において、人工骨頭と臼蓋ソケットとのヘルツ接触部の接触半径の０．５倍〜１０倍であるのが好ましい。
【００１５】
周期構造部が前記環状領域全周に形成されるものであっても、周期構造部が環状領域に間欠的に形成されるものであってもよい。間欠的に形成されるものでは、周方向に沿って周期構造形成部と未形成部とが摺動方向に沿って交互に形成される。これによって、軸廻りの旋回において周期構造形成部と未形成部との境界で圧力が発生し、摺動方向に圧力勾配ができる（この作用をステップ効果と呼ぶ）。
【００１６】
周期構造部の周期ピッチが１０μｍ以下であるのが好ましく、周期構造部の凹部の深さが１．０μｍ以下であるのが好ましい。
【００１７】
前記周期構造部は、加工閾値近傍の照射強度で直線偏光のレーザを照射し、その照射部分をオーバラップさせながら走査して、自己組織的に形成されているのが好ましい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の人工股関節では、全ての揺動方向の摺動に対して動圧が微小クリアランスで得られる流体潤滑膜を形成することができ、きしみ音発生を抑えることができるとともに、摩耗の少ない人工股関節を提供できる。
【００１９】
環状領域の中心が、人工骨頭からの最大荷重を受ける最大荷重点が存在しうる範囲内にあるように設定することによって、大きな動圧が得られ、きしみ音の発生や摩耗を大きく低減できる。
【００２０】
微細溝が、環状領域の接線と３０度以上の交差角度を有するように設定することによって、摺動面内に流体が効率的に導入され、大きな動圧効果を得ることができる。
【００２１】
人工骨頭と臼蓋ソケットとのヘルツ接触部の接触半径の０．５倍〜１０倍であれば、スクイーズ作用の低下を低く抑えながら摺動による大きな動圧効果を得ることができる。
【００２２】
周期構造部を構成する環状領域を間欠的とすることで、ステップ効果が生じ、軸廻りの旋回において大きな動圧効果を得ることができる。
【００２３】
周期構造部の周期ピッチを１０μｍ以下とすることで潤滑剤の側方漏れを冗長的に抑えることができ、効率的な動圧を得ることができる。周期構造の凹凸を１．０μｍ以下とすることで、油膜変動が小さく高い負荷容量と剛性が得られるとともにスクイーズ作用の低下を抑制することができる。
【００２４】
周期構造部を、加工閾値近傍の照射強度で直線偏光のレーザを照射し、その照射部分をオーバラップさせながら走査して、自己組織的に形成したものでは、機械加工では困難なサブミクロンの周期ピッチと凹凸深さをもつ周期構造を容易に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施形態を示す人工股関節の臼蓋ソケットの斜視図である。
【図２】人工股関節の簡略図である。
【図３】臼蓋ソケットの凹球部に形成される周期構造部の拡大図である。
【図４】臼蓋ソケットの凹球部の内面の簡略展開図である。
【図５】周期構造部を形成するためのレーザ表面加工装置の簡略図である。
【図６】実施例に用いた往復式ピン・オン・プレート試験装置を示す簡略図である。
【図７】前記図６に示す往復式ピン・オン・プレート試験装置に用いるピン試験片を示し、（ａ）は周期構造部を有さない鏡面ピンの簡略図であり、（ｂ）は周期構造部を有する周期構造ピンの簡略図である。
【図８】周期構造ピンと鏡面ピンとの摺動速度と摩擦係数との関係を示すグラフ図である。
【図９】周期構造ピンと鏡面ピンとの摺動静止時間と起動摩擦係数との関係を示すグラフ図である。
【図１０】算術平均粗さの定義を説明するためのグラフ図である。
【図１１】リング・オン・ディスク試験に用いるリング試験片であって、（ａ）は周方向に沿って間欠的に摺動面が形成されている鏡面リングの簡略図であり、（ｂ）は周方向に沿って間欠的に周期構造部が形成されている周期構造リングの簡略図である。
【図１２】周期構造リングと鏡面リングとの摺動速度と摩擦係数との関係を示すグラフ図である。
【図１３】従来の人工股関節の側面図である。
【図１４】他の従来の人工股関節の臼蓋ソケットの凹球部の内面の簡略展開図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下本発明の実施の形態を図１〜図１４に基づいて説明する。
【００２７】
本発明に係る人工股関節は、図２に示すように、骨盤２１の寛骨臼に装着される臼蓋ソケット２２と、大腿骨２３の髄腔に挿入されるステム２４と、臼蓋ソケット２２の凹球部２５に嵌合される人工骨頭２６とを備える。また、ステム２４と骨頭２６とは頚部２７を介して連結されている。
【００２８】
臼蓋ソケット２２は、凹球部２５を有するお椀形状体であって、開口端面２８が、外側下向きとなるように、骨セメント等で骨盤２１の寛骨臼に固着される。また、骨頭２６は球体にて構成され、臼蓋ソケット２２の凹球部２５に嵌合して相対的摺動接触する。
【００２９】
ステム２４は、チタン、チタン合金、コバルト-クロム合金等の金属にて構成され、臼蓋ソケット２２及び人工骨頭２６は、ステム２４と同様の金属、さらにはセラミック（ジルコニアやアルミナなど）やプラスチック（超高分子量ポリエチレンなど）から構成される。
【００３０】
そして、図１と図４とに示すように、臼蓋ソケット２２の凹球部２５の内面（人工骨頭摺動面３０）に、複数の微細溝にて構成される周期構造部３２を有する環状領域３１を設けたものである。
【００３１】
周期構造部３２は図３に示すように、微小の凹部５と微小の凸部６とが交互に所定ピッチで配設されてなるものである。周期構造部３２の凹凸ピッチを１０μｍ以下とし、凹部５の深さＴを０．１μｍ以上１μｍ以下とするのが好ましい。
【００３２】
周期構造部３２は、加工閾値近傍の照射強度で直線偏光のレーザを照射し、その照射部分をオーバラップさせながら走査して、自己組織的に形成している。具体的には、図５に示すフェムト秒レーザ表面加工装置を使用する。レーザ発生器１１（チタンサファイアフェムト秒レーザ発生器）で発生したレーザ（例えば、パルス幅：１２０ｆｓ、中心波長８００ｎｍ、繰り返し周波数：１ｋＨｚ、パルスエネルギー：０．２５〜４００μＪ／ｐｕｌｓｅ）は、ミラー１２により加工材料Ｗに向けて折り返され、メカニカルシャッタ１３に導かれる。レーザ照射時はメカニカルシャッタ１３を開放し、レーザ照射強度は１／２波長板１４と偏光ビームスプリッタ１６によって調整可能とし、１／２波長板１５によって偏光方向を調整し、集光レンズ（焦点距離：１５０ｍｍ）１７によって、ＸＹθステージ１９上の加工材料Ｗ表面に集光照射する。なお、フェムト秒レーザはフェムト秒（１０００兆分の１秒）オーダーという極端に短い時間単位の中にエネルギーを圧縮した光源である。
【００３３】
アブレーション閾値近傍のフルエンスで直線偏光のレーザをワーク（加工材料）Ｗに照射した場合、入射光と加工材料Ｗの表面に沿った散乱光またはプラズマ波の干渉により、波長オーダのピッチと溝深さを持つグレーティング状の周期構造部を偏光方向に直交して自己組織的に形成される。このとき、フェムト秒レーザをオーバラップさせながら走査させることで、周期構造部３２を広範囲に拡張することができる。
【００３４】
レーザのスキャンは、レーザを固定して加工材料Ｗを支持するＸＹθステージ１９を移動させても、ＸＹθステージ１９を固定してレーザを移動させてもよい。あるいは、レーザとＸＹθステージ１９を同時移動させてもよい。なお、前記図３は、前記フェムト秒レーザ表面加工装置にて形成した周期構造部３２を電子顕微鏡で撮像した図である。
【００３５】
この場合、臼蓋ソケット２２の凹球部２５に人工骨頭２６が嵌合して相対的摺動接触する使用状態において、環状領域３１の中心Ｏが、人工骨頭２６からの最大荷重を受ける最大荷重点が存在しうる範囲内にある。このため、最大荷重点がこの環状領域３１内に入ることがない。臼蓋ソケット２２の凹球部２５の内面の最大荷重点に対応する人工骨頭２６の外面の最大荷重点は、使用者の姿勢や動作によって大きく変位するが、臼蓋ソケット２２側の最大荷重点はあまり変位しない。このため、臼蓋ソケット２２の凹球部２５において、環状領域３１を設けるのが容易である。
【００３６】
周期構造部３２を構成する微細溝は径方向に延びるものであって、図４に示すように、環状領域３１の接線Ｌとの交差角θを３０度以上としている。なお、図４では、交差角θが９０度である。
【００３７】
ところで、荷重が０のときに点で接触する状態は点接触と呼ばれ、これらは荷重が加われば面で接触するようになる。また円筒と平面の接触のように荷重が０のときに線で接触する状態を線接触と呼び、これも荷重が加われば面で接触するようになる。これらの面での接触がヘルツ接触と呼ばれる。
【００３８】
このため、この人工股関節においても、荷重がかからない状態では、臼蓋ソケット２２の凹球部２５の内面（摺動面３０）と、人工骨頭２６の外面（摺動面３５）とは点接触であるが、荷重が加われば面で接触するようになる。すなわち、ヘルツ接触することになる。そこで、本発明では、図４に示すように、環状領域３１の内周縁３１ａの平均半径Ｒａが、人工骨頭２６と臼蓋ソケット２２とのヘルツ接触部３６の接触半径ｒの０．５倍〜１０倍としている。なお、環状領域３１の内周縁３１ａの平均半径をＲａとし、環状領域３１の外周縁３１ａの平均半径をＲｂとして、環状領域３１の幅寸法である（Ｒｂ−Ｒａ）を２ｍｍ以上としている。
【００３９】
本発明によれば、臼蓋ソケット２２に周期構造部３２を有する環状領域３１を設けることによって、全ての揺動方向の摺動に対して動圧が微小クリアランスで得られる流体潤滑膜を形成することができる。これによって、きしみ音発生を抑えることができるとともに、摩耗の少ない人工股関節を提供できる。
【００４０】
臼蓋ソケット２２の凹球部２５に人工骨頭２６が嵌合して相対的摺動接触する使用状態において、環状領域３１の中心が、人工骨頭２６からの最大荷重を受ける最大荷重点が存在しうる範囲内にあるように設定することによって、最大荷重点が存在しうる領域内に流体が導入されることで大きな動圧が得られ、きしみ音の発生や摩耗を大きく低減でき、高品質の人工股関節を得ることができる。
【００４１】
また、周期構造部３２を構成する微細溝は、環状領域３１の接線と３０度以上の交差角度を有するように設定することによって、摺動面内（臼蓋ソケット２２の凹球部２５の内面と人工骨頭２６の外面との間）に流体（関節液）が効率的に導入され、大きな動圧効果を得ることができる。なお、交差角が３０未満では、流体（関節液）の導入効果が低く、動圧効果をあまり得ることができない。
【００４２】
環状領域３１の内周縁の平均半径Ｒが人工骨頭２６と臼蓋ソケット２２とのヘルツ接触部３６の接触半径ｒの０．５倍〜１０倍であれば、スクイーズ作用の低下を低く抑えながら摺動による大きな動圧効果を得ることができる。なお、１倍未満では、環状領域３１がヘルツ接触部３６に入ることになる。このため、０．５倍未満では、環状領域３１がヘルツ接触部３６内に入り込み過ぎ、１０倍を越えれば、環状領域３１がヘルツ接触部３６から離れ過ぎて、いずれの場合も、「スクイーズ作用の低下を低く抑えながら摺動による大きな動圧効果を得る」という作用効果を奏することができない。
【００４３】
細構構造の周期ピッチを１０μｍ以下とすることで潤滑剤の側方漏れを冗長的に抑えることができ、効率的な動圧を得ることができる。周期構造部３２の凹凸を１．０μｍ以下とすることで、油膜変動が小さく高い負荷容量と剛性が得られるとともにスクイーズ作用の低下を抑制することができる。
【００４４】
周期構造部３２を、加工閾値近傍の照射強度で直線偏光のレーザを照射し、その照射部分をオーバラップさせながら走査して、自己組織的に形成したものでは、機械加工では困難なサブミクロンの周期ピッチと凹凸深さをもつ周期構造を容易に得ることができる。
【００４５】
ところで、前記実施形態では、周期構造部３２が環状領域３１は全周にわたって形成されていたが、周期構造部３２が環状領域３１に周方向に沿って間欠的に形成されていてもよい。間欠的に形成されるものでは、周方向に沿って周期構造形成部と未形成部とが摺動方向に沿って交互に形成される。これによって、周期構造形成部と未形成部との境界で圧力が発生する。すなわち、周期構造形成部と未形成部によるステップ効果が生じ、軸廻りの旋回において動圧を得ることができる。なお、周期構造部３２を間欠的に設ける場合、その配設ピッチや配置数としては、ステップ効果が生じ、軸廻りの旋回において動圧を得ることができる範囲で種々変更できる。
【００４６】
以上、本発明の実施形態につき説明したが、本発明は前記実施形態に限定されることなく種々の変形が可能であって、例えば、前記実施形態では、周期構造部３２を形成する際に、パルスレーザであるフェムト秒レーザを用いたが、フェムト秒レーザ以外のピコ秒レーザやナノ秒レーザといったパルスレーザを使用することもできる。また、臼蓋ソケット２２と人工骨頭２６とは、金属やセラミックスによるハード・アンド・ハードによる摺動であっても、ソフト・アンド・ハードによる摺動であっても、ソフト・アンド・ソフトによる摺動であってもよい。
【実施例１】
【００４７】
図６に示す往復式ピン・オン・プレート試験装置を用いた試験を行った。往復式ピン・オン・プレート試験装置を用いた試験とは、平盤体をプレート試験片１とし、円盤体をピン試験片２として、プレート試験片１の上面の摺動面１ａにピン試験片２の下面の摺動面２ａを載置し、ピン試験片２を図６の矢印Ｘのように直線状に往復動させる。この場合、プレート試験片１およびピン試験片２の材質をＳＵＳ４４０Ｃとし、ピン試験片２の直径Ｄ(図７参照)を５ｍｍとした。また、プレート試験片１としては、図６の矢印Ｘの往復動（往復ピッチ６ｍｍ）にてピン試験片２がはみ出さない大きさとした。
【００４８】
また、ピン試験片２としては、図７（ａ）に示すように周期構造部を有さない鏡面ピン２Ａと、図７（ｂ）に示すように周期構造部３２を有する周期構造ピン２Ｂとの２種類用意した。ここで、鏡面ピン２Ａとは、摺動面２ａの表面粗さ（算術平均粗さ）Ｒａを０．０２μｍ程度に仕上げたものである。算術平均粗さＲａとは、図１０に示すように、粗さ曲線からその平均線の方向に基準長さだけを抜き取り、この抜取り部分の平均線ｍの方向にＸ軸を、縦倍率の方向にY軸を取り、粗さ曲線をｙ=ｆ（ｘ）で表したときに、次の数１の式によって求められる値をマイクロメートル（μｍ）で表したものをいう。
【数１】
2016016052.tif 000003
【００４９】
周期構造ピン２Ｂとは、摺動面２ａの外周部に周期構造部３２を形成したものであり、この場合、周期構造部３２の内周側に形成されるランド部４０（周期構造部を有さない部位）の表面粗さ（算術平均粗さ）Ｒａを０．０２μｍ程度に仕上げたものである。周期構造部３２の幅（径方向幅）Ｅを０．５ｍｍ程度とした。（周期構造形成部はφ４ｍｍ〜φ５ｍｍであるので、Ｅが０．５ｍｍとなる。）潤滑剤としては、極性をもたず熱的・化学的に安定したＰＡＯ６（ポリ−α−オレフィン：３７℃における粘度３１．３ｃＰ）を用いた。
【００５０】
周期構造部３２は、図５で記載したフェムト秒レーザ表面加工装置にて形成した。すなわち、直線偏光のフェムト秒レーザを加工しきい値近傍のエネルギー密度で材料表面に照射し、自己組織的に形成した。周期構造部３２としては、動圧発生を目的とした周期間隔約７００ｎｍ、凹凸深さ約２００ｎｍのグレーティング状の周期構造を形成した。
【００５１】
鏡面ピン２Ａおよび周期構造ピン２Ｂに対し、加圧を０．５ＭＰａとし、摺動速度を４ｍｍ／ｓから０．ｌｍｍ／ｓまで段階的に減速させながら摺動速度と摩擦係数の関係を調べた。また、リンギングやスクイーズ効果への影響を調べるため，摺動速度を４ｍｍ／ｓとして定常状態から所定時間静止させた後，起動摩擦係数(起動後０．ｌｓの平均摩擦係数)を計測した。
【００５２】
鏡面ピン２Ａおよび周期構造ピン２Ｂの摺動速度と摩擦係数の関係を図８に示す。周期構造形成により、全ての速度で摩擦係数低減が認められた。このとき，高速摺動時ほど鏡面ピン２Ａと周期構造ピン２Ｂの摩擦係数比が大きく、周期構造による摩擦低減効果が大きくなった。周期構造ピンの摩擦係数はばらつき(標準偏差)が小さく、安定した値を示した。動圧発生は、周期構造の溝が流体を中央部に引き込む流体導入効果および周期構造形成部と未形成部境界のステップ効果に起因する。周期構造の方向が円周方向になると流体導入効果が消失するため、動圧発生が大きく低下することになる。
【００５３】
鏡面ピン２Ａおよび周期構造ピン２Ｂの摺動静止時間と起動摩擦係数の関係を図９に示す。周期構造の有無にかかわらず摺動静止時間の増加とともに油膜が流失するため、起動摩擦係数は大きくなったが、周期構造ピンの起動摩擦係数は常に鏡面ピン２Ａより低くなった。周期構造を形成すると静止時には油膜が流失しやすくなり、スクイーズ作用の低下は否めない。しかし、外周部の周期構造の溝部分には油膜が存在し、起動時の潤滑液供給が促進される。そのため、起動時には極めて速い応答速度で動圧が発生し、急速に油膜が回復することで起動摩擦係数が低減したと考えられる。したがって、起動摩擦係数を低下させるためには，周期構造形成による動圧発生の利得がスクイーズ作用の低下を上回るように設定する必要がある。
【００５４】
このため、臼蓋ソケット２２の凹球部２５の人工骨頭摺動面３０に、複数の微細溝にて構成される周期構造部３２を有する環状領域３１を設ければ、スクイーズ作用の低下を低く抑えながら摺動による大きな動圧効果を得ることができ、摺動性に優れた人工股関節を構成できることが分かる。
【実施例２】
【００５５】
リング・オン・ディスク試験を行った。この場合、ディスク試験片からなる固定側試験片（図示省略）と、リング試験からなる回転側試験片４１（図１１（ａ）（ｂ）参照）とを用いた。図１１（ａ）に示す回転側試験片４１（４１Ａ）は、一方の面に周方向に沿って所定ピッチで配設される凸部４２を設け、この凸部４２の表面を摺動面４２ａとしている。このため、図１１（ａ）に示す回転側試験片４１を鏡面リング４１Ａと呼ぶ。また、図１１（ｂ）に示す回転側試験片４１は、凸部４２の摺動面に周期構造部３２を設けている。この場合、周期構造部３２は各凸部４２の摺動面に回転方向前方側に設けられ、溝方向を周方向としている。このため、図１１（ｂ）に示す回転側試験片４１を周期構造リング４１Ｂと呼ぶ。
【００５６】
固定側試験片及び回転側試験片４１（４１Ａ，４１Ｂ）の材質をＳＵＳ４４０Ｃとし、凸部４２の摺動面の表面粗さをＲａを０．０２μｍ程度に仕上げた。回転側試験片４１（４１Ａ，４１Ｂ）は、その外径Ｄ１を１５ｍｍとし、内径Ｄ２を１０ｍｍとし、固定側試験片の外径としては、固定側試験片と同等乃至固定側試験片よりも大きく設定する。また、周期構造部３２は、図５で記載したフェムト秒レーザ表面加工装置にて形成した。この場合の周期構造部３２としては、周期間隔約７００ｎｍ、凹凸深さ約２００ｎｍのグレーティング状の周期構造を形成した。潤滑剤としては、ＰＡＯ２（ポリ−α−オレフィン：３７℃における粘度４．６ｃＰ）を用いた。
【００５７】
鏡面リング４１Ａおよび周期構造リング４１Ｂに対し，加圧を０．５ＭＰａとし、摺動速度を８１．５ｍｍ／ｓから３．３ｍｍ／ｓまで段階的に減速させながら摺動速度と摩擦係数の関係を調べた。そして、この結果を図１２に示す。
【００５８】
周期構造リング４１Ｂにおいては、周期構造形成により、回転摺動においても全ての速度で摩擦係数低減が認められた。このとき、高速摺動時ほど鏡面リング４１Ａと周期構造リング４１Ｂの摩擦係数比が大きく、周期構造部３２による摩擦低減効果が大きくなった。また、動圧発生は、周期構造形成部と未形成部境界のステップ効果に起因するものである。
【００５９】
ステップ効果は周期構造部３２の方向が摺動方向と同じ円周方向で最大となり、摺動方向と直交する半径方向で最小となる。ただし，油膜厚さを０．２μｍとした場合、半径方向の周期構造でも円周方向の周期構造の２０％〜７０％の動圧が得られることが無限溝数理論から算出されており、周期構造の方向は往復摺動特性とのバランスを考慮して設定する必要があるが、半径方向の周期構造とすることも可能である。
【００６０】
周期構造部３２を構成する微細溝は、環状領域３１の接線と３０度以上の交差角度θを有するものとすれば、大きな動圧効果を得ることができ、また、周期構造部３２を構成する環状領域３１を間欠的とすることで、ステップ効果が生じ、軸廻りの旋回において大きな動圧効果を得ることができることが分かる。
【符号の説明】
【００６１】
５     凹部
２２   臼蓋ソケット
２５   凹球部
２６   人工骨頭
３０   人工骨頭摺動面
３１   環状領域
３２   周期構造部
３６   ヘルツ接触部
【図１】
2016016052.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【手続補正書】
【提出日】平成27年8月24日(2015.8.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
凹球部を有する臼蓋ソケットと、この臼蓋ソケットの凹球部に嵌合して相対的摺動接触する人工骨頭とを備えた人工股関節であって、
前記臼蓋ソケットの凹球部の人工骨頭との摺動面に、複数の微細溝にて構成される周期構造部が周方向に沿って間欠的に形成される環状領域を設け、前記環状領域が、揺動方向の摺動と軸廻りの旋回に対して動圧を生じることを特徴とする人工股関節。
【請求項２】
臼蓋ソケットの凹球部に人工骨頭が嵌合して相対的摺動接触する使用状態において、前記環状領域の中心が、人工骨頭からの最大荷重を受ける最大荷重点が存在しうる範囲内にあることを特徴とする請求項１に記載の人工股関節。
【請求項３】
周期構造部を構成する微細溝は、前記環状領域の接線と３０度以上の交差角度を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の人工股関節。
【請求項４】
前記環状領域の内周縁の平均半径が、臼蓋ソケットの凹球部に人工骨頭が嵌合して相対的摺動接触する使用状態において、人工骨頭と臼蓋ソケットとのヘルツ接触部の接触半径の０．５倍〜１０倍であることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の人工股関節。
【請求項５】
前記臼蓋ソケットの凹球部と人工骨頭とは、荷重がかからない状態では点で接触又は線で接触し、荷重が加われば面で接触するものであることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の人工股関節。
【請求項６】
周期構造部の周期ピッチが１０μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の人工股関節。
【請求項７】
前記周期構造部の凹部の深さが１．０μｍ以下であることを特徴とする特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の人工股関節。
【請求項８】
前記周期構造部は、加工閾値近傍の照射強度で直線偏光のレーザを照射し、その照射部
分をオーバラップさせながら走査して、自己組織的に形成されていることを特徴とする請
求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の人工股関節。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
本発明の人工股関節は、凹球部を有する臼蓋ソケットと、この臼蓋ソケットの凹球部に嵌合して相対的摺動接触する人工骨頭とを備えた人工股関節であって、前記臼蓋ソケットの凹球部の人工骨頭との摺動面に、複数の微細溝にて構成される周期構造部が周方向に沿って間欠的に形成される環状領域を設け、前記環状領域が、揺動方向の摺動と軸廻りの旋回に対して動圧を生じるものである。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】
周期構造部が環状領域に間欠的に形成される。間欠的に形成されるものでは、周方向に沿って周期構造形成部と未形成部とが摺動方向に沿って交互に形成される。これによって、軸廻りの旋回において周期構造形成部と未形成部との境界で圧力が発生し、摺動方向に圧力勾配ができる（この作用をステップ効果と呼ぶ）。