低摩耗人工股関節のための低摩耗人工股関節のための金属骨頭のための金属骨頭の金属骨頭の表面加工に表面加工に関する研究する研究
広島大学大学院医歯薬学総合研究科人工関節・生体材料学
安永裕司
広島大学大学院医歯薬学総合研究科整形外科学
山崎琢磨 越智光夫
株式会社ハマダ濱田忠彦

はじめに従来型ポリエチレンを用いた人工股関節置換術(THA)では、ポリエチレン摩耗粉による骨溶解により骨欠損を生じてインプラントの弛みをきたし、長期成績の悪化要因となっていた。その解決法として摩耗量の低減や低生体反応性の摩耗粉が産出される摺動面の導入が行われている。現在臨床使用されている摺動面は、①高度架橋ポリエチレンカップ/金属またはセラミック骨頭、②セラミックカップ/セラミック骨頭、③金属カップ/金属骨頭であるが、それぞれに利点と欠点が存在しており、人工股関節の長期耐用性向上の観点からはさらなる研究が必要である。金属カップ/金属骨頭の摺動における利点は、低摩耗でポリエチレン摩耗粉を生じないこと、摺動面の凹凸は摺動による研磨でより平滑になること(初期摩耗、self-polish surface)などである。問題点としては、血中コバルトクロム濃度が術後６ヶ月-１年で術前または健常者と比較して数倍以上に上昇し、その後漸減しながら数年高値が持続する
こと 1)2)3)、金属摩耗粉に対する T リンパ球を介した IV 型アレルギー反応による人工関節周囲の滑膜における血管周囲のリンパ球浸潤と金属摩耗粉を取り込んだ
plasma cell の出現(aseptic lymphocytic vasculitis associated lesion; ALVAL)4)が挙げられる。そこで私たちは、金属カップ/金属骨頭の摺動においてさらなる低摩耗性の確立のための金属骨頭の表面形状加工について検討した。

方法1）開発形状金属カップ/金属骨頭はストライカー社製の直径 46mm を使用して、以下の形状を作製した（表１）。
①へこみ形状関節液の潤滑性を向上させる目的で金属カップ/骨頭荷重部にへこみ形状を作製した(図１)。

図１.へこみ形 状5開発品

対策形状

骨頭カップ

パターン①へこみ形状

頂面フラット

へこみ形状追加

パターン②
クリアランス変更
パターン③初期摩耗

現行品（比較対照）特殊形状クリア

現行品

ランス確保

摺合せ(初期耗)
無し
無し

現行品

現行品

有り

現行品

現行品

無し

表１.
市販カップ ハマダ製カップ（呼吸作用）46.0323
直径（球）46.0099
市販品では、0.13mm のクリアランス 真円度XY
0.00940.0007が設定されていたが、カップ開口部を 真円度XZ
0.03370.00140.0331
真円度YZ
0.00485mm 延長することで金属カップ/骨頭0.0323
真球度
0.0042
クリアランスを変更した(図２)。この46.0589
直径（円筒） 46.0099
カップは（株）ハマダで作製した(図 3、 円筒度
0.02140.0042表 2)。
表２. 単位(mm)②金属カップ/骨頭クリアランスの変更③初期摩耗の付加予め初期摩耗を生じさせるために、骨頭とカップにて摺り合せを行う(図骨 頭 の4)。骨頭とカップをセットして、人の動き動きを模倣した摺り合せを行う。このとき、ツーリング側にはロードセル型荷重センサーを取り付け、人の動きを図２.クリアランスの変 更模倣した変動荷重とする。初期摩耗には、ダイヤモンドペースト(5000 番)を用いて、1600 回の加工を施した。

延長部分
図３.

図４.

6

2）摩耗テスト
摩耗テスト
５軸加工機(Mazak 社、VARIAXIS630-5X II-T)を改造して作製した(図 5)。骨頭とカップの動きは、ヒップシミュレーターと同様な動きを再現した。この時のセッティング方法は、パターン③の初期摩耗作製時と同様である。環境槽を設置し、36℃の牛血清溶液を満たした(図 6)。牛血清溶液は、牛血清濃度 25％、超純水 75％とし、防腐剤としてアジ化ナトリウムを微量添加した。

図５.摩耗試験機

人工関節
セッティング

環境槽セット

荷重センサー
保温装置図６.
荷重時の条件は、ISO14242 に準じて、ステムでは伸転 10°-屈曲 30°、カップ取り付け角度 53°で伸転 10°－屈曲 10°とし、荷重は 2.7kN とした(図 7)。

図７．
73）摩耗量測定骨頭およびカップの重量を測定して、減少量を摩耗量とした。

結果
50 万サイクルのシムレーション後の摩耗量を以下に示す(図 8，9，10，11)。
1）市販品

020.2667mg-10

カップ摩耗量31.4000mg

-30

総摩耗量

51.6667mg-50

サイクル [回］

減量[mg]

骨頭摩耗量100000 200000 300000 400000 500000 600000

骨頭
カップ-70図８．市販品摩耗量
2）へこみ形状
へこみ形状

054.2667mg

カップ摩耗量33.0000mg

総摩耗量87.2667mg

減量効果

168.90%サイクル [回］-10減量[mg]

骨頭摩耗量100000 200000 300000 400000 500000 600000

10-30-50-70（対市販品）

図９．へこみ形状摩耗3）クリアランス変更形状
クリアランス変更形状

0カップ摩耗量

41.5667mg

-10

総摩耗量

57.2334mg

減量効果

110.77%

骨頭摩耗量100000 200000 300000 400000 500000 600000
サイクル [回］
減量[mg]

15.6667mg

10-30-50-70（対市販品）

図１０．クリアランス変更
4）初期摩耗付加
12.9333mg

カップ摩耗量33.4333mg

総摩耗量46.3666mg

減量効果

89.97%（対市販品）-10-30-50

100000 200000 300000 400000 500000 600000
サイクル [回］

減量[mg]

骨頭摩耗量010-70

図１１．初期摩耗付加8考察とまとめ考察とまとめ
今回の研究結果から、予め初期摩耗を作製した金属カップ/金属骨頭の摩耗量は市販品に比較して約 10％減少していた。術後の血中コバルトクロム濃度から術後早期の初期摩耗が生じ、その後摩耗は漸減し安定化するというmetal-on-metal 人工関節の臨床的知見を裏付けるものである。手術前に初期摩耗を完了した金属カップ/金属骨頭を移植できるならば、低摩耗で毒性の少ない metal-on-metal 人工関節となりうると考えられる。
さらにダイヤモンドコンパウンドの種類、加工回数などの初期摩耗の作製法を改良すればさらなる摩耗量の減少の獲得が期待できる。

文献
1)

Clarke MT, et al. Levels of metal ions after small-and large-dia
meter metal-on-metal hip arthroplasty. J Bone Joint Surg Br 85:
913-7, 2003.

2)

Daniel J, et al. Six-year results of a prospective study of metal-ion levels in young patients with metal-on-metal hip resurfaci
ng replacement. J Bone Joint Surg Br 90: 176-9, 2008.

3)

De Haan R, et al. Correlation between inclination of the acetabu
lar component and metal ion levels in metal-on-metal hip resurfa
cing replacement. J Bone Joint Surg Br 90: 1291-7, 2008.

4)

Willert HG, et al. Metal-on-metal bearings and hypersensitivity
inpatients with artificial joints. A clinical and histomorpholog
ical study. J Bone Joint Surg Am 87: 28-36, 2005.

9