雷射加工裝置、骨骼的接合方法、植入材料、植入材料製造方法以及植入材料製造裝置的製作方法

2023-07-21 23:37:41 2

專利名稱：雷射加工裝置、骨骼的接合方法、植入材料、植入材料製造方法以及植入材料製造裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種使骨骼和植入材料接合的雷射加工裝置、骨骼 的接合方法、植入材料、植入材料製造方法以及植入材料製造裝置。
背景技術：
近年來，不斷針對骨骼(骨骼組織)與作為生物材料的陶瓷或 複合材料等植入材料接合的技術(外科手術用裝置等)進行開發。在 這種植入材料和骨骼的接合中，植入材料和骨骼在接合中即使彼此的 位置關係產生微小的偏差的情況下，該接合完成也會大幅度延遲。另 夕卜，在沒有注意到微小的偏差而繼續進行植入材料和骨骼之間的接合 的情況下，最終將以存在偏差的狀態完成結合。在現有技術中，利用 堅固且重量較大的固定用夾具對該結合位置進行固定，以使上述相互 位置關係不會產生微小的偏差，因此在進行植入材料和骨骼的接合時 花費工夫。並且，由於為了增加植入材料與骨骼接合的強度，使用鈦等金 屬制結合螺栓，並在使植入材料與骨骼完全結合後撤去螺栓，因此植 入材料和骨骼的接合需要大量時間，在對患部進行治療等時花費大量 時間。因此，期望使骨骼和植入材料在短時間內容易地進行接合。此前，為了促進骨骼接合，使植入材料(外科用移植材料)相 對於骨骼的位置穩定化，從而在植入材料上使用紋理加工表面，使骨 骼組織和植入材料在短時間內結合。例如，在由固定在患者的大腿骨 內的大腿骨副集合體及安置在患者的胯臼內的胯臼副集合體構成的 人工臀部中，大腿骨副集合體包括例如設置有紋理加工表面的人工骨 幹，胯臼副集合體包括例如設置有紋理加工表面的人工關節窩。上述紋理加工表面是為了促進骨骼生長而設置的，但在骨骼和植入材料結合之前，需要(1)定位、(2)通過石膏進行固定、(3) 骨骼生長這3個工序，直至完全癒合的固定(接合)為止需要數月的 時間。例如，在專利文獻1的雷射加工方法中，提供使植入材料和骨 骼之間容易進行"刮擦嵌合"的包含內凹部(undercut)及相互結合凹 部的表面，使植入材料和骨骼的接合時間縮短，且接合穩定。另外，在專利文獻2的雷射加工方法中，產生具有可以被氫氧 化磷灰石較強地吸收的波長的雷射，切斷牙齒組織。另外，在專利文 獻3的雷射加工方法中，產生具有可以被羥基磷灰石較強地吸收的波 長的雷射，切除包括牙齒的琺瑯質、牙質及骨骼在內的無機質化生理 組織。另外，在專利文獻4記載的雷射加工方法中，利用具有與牙齒 的琺瑯質及牙質對應的2.0至3.(Him的波長的雷射，去除牙齒的琺瑯 質或牙質。另外，在專利文獻5記載的雷射加工方法中，使用具有 9.6pm的發射波長的雷射，對骨物質、牙齒的硬物質以及動脈硬化性 沉著進行剝離。另外，迄今為止，作為可以容易地與骨骼進行牢固的接合的植 入材料的研究，對促進骨骼接合，使植入材料相對於骨骼的位置穩定 化的技術不斷地進行研究。例如，多孔型生物材料被認為具有細胞浸 潤性優異的特性，與其相關的技術的研究正在積極地進行。在現有的與多孔型生物材料相關的研究中，存在無法保持陶瓷 原有剛性的與海綿狀構造體相關的研究，以及製造工序複雜且品質波 動大的將多孔相與基材接合的研究。另外，存在所生成的孔的尺寸難 以控制的與噴鍍磷灰石粉末相關的研究，以及僅在陶瓷的表面生成凹 凸、並未涉及內側構造的研究。另外，在現有的雷射加工方法中，進 行植入材料等的去除加工，但沒有進行任何與表面改性相關的研究。例如，在專利文獻6中公開了將碳酸磷灰石設定為呈海綿狀的 多孔質或超多孔質，使其與骨膠原複合化的技術。另外，在專利文獻 7中公開了將具有羥基磷灰石和凝膠狀骨膠原的海綿體作為整形外 科用骨骼填補材料使用的技術。另外，在專利文獻8、 9中公開了在骨骼填補材料的設計中，使基材整體具有多孔性的技術。另外，在專利文獻10中公開了在由單獨的工序生成緻密基體和 多孔質基體後，將它們在接觸的狀態下進行乾燥並燒結的技術。另外， 在專利文獻11中公開了將磷灰石粉末混合併分散在玻璃層中，燒結 後利用蝕刻使空孔露出的技術。另外，在專利文獻12中公開了使用 等離子弧將羥基磷灰石或者磷酸三鈣的粉末熔敷在基材表面上的技 術。專利文獻1:特開2002 —301091號公報專利文獻2:特開平4一53550號公報專利文獻3:特開平4一300535號公報專利文獻4:特開平2 —504478號公報專利文獻5-特開昭62 —502170號公報專利文獻6:特開2003 — 169845號公報專利文獻7:美國專利第5071436號說明書專利文獻8:美國專利第5776193號說明書專利文獻9:美國專利第6187047號說明書專利文獻10:特開昭64—37475號公報專利文獻11:特開平6 — 7425號公報專利文獻12:特開昭64—52471號公報發明內容但是，在上述第1個現有技術中，雖然可以促進骨骼生長，但 存在無法使骨骼和植入材料在短時間內容易地進行固定(接合)的問 題。另外，在上述第2個現有技術中，由於產生具有被氫氧化磷灰 石較強地吸收的波長的雷射而切斷牙齒組織，所以存在無法容易地在 短時間內對其他物質進行切斷或接合的問題。另外，在上述第3及第4個現有技術中，可以切斷並去除無機 質化生理組織，但存在無法處理牙齒和植入材料的開孔或接合的問 題。另外，在上述第5個現有技術中存在如下問題，在對骨物質等 進行去除加工後，無法容易地進行骨骼和植入材料的接合，無法使骨 骼和植入材料之間在短時間內容易地進行接合。
另外，在上述第1個現有技術中，由於僅在植入材料的與骨骼 的接合面上提供凹凸部，所以組織基本不會浸潤浸透至植入材料內 部。因此，存在無法使植入材料和骨骼之間在短時間內進行牢固的接 合的問題。
另外，上述第5個現有技術與硬物質以及動脈硬化性沉著的去
除加工相關，基本不會產生組織向植入材料的浸潤浸透。因此，存在 無法使植入材料和骨骼之間在短時間內牢固地進行接合的問題。
另外，在上述第6 第9個現有技術中，指出了細胞浸潤性優異 的磷灰石的構造要素即氣泡的重要性，但磷灰石材料整體為具有相同 的氣泡比例及相同的晶體構造的材料。因此，由氣泡比例大的材料、 海綿狀的材料、多孔型材料等成型的生物部件，在用於施加較強應力 的部分上的情況下，有可能破損。因此，存在上述生物部件只能應用 在施加比較小的應力的部分上的問題。另外，存在上述生物部件製造 工序複雜，品質管理困難的問題。
另外，在上述第10 第12個現有技術中，由於通過單獨的工序 製造表面改性部分的材料和基材，同時在上述製造工序之外，需要使 表面改性部分的材料與基材接合的工序，因此存在工序變得複雜的問 題。因此，存在品質管理複雜，完成品的尺寸精度惡化的問題。
本發明就是鑑於上述情況而提出的，其目的在於獲得一種使骨 骼和植入材料之間在短時間內容易地接合的雷射加工裝置以及骨骼 的接合方法。
另外，其目的在於獲得一種可以使骨骼和植入材料之間在短時 間內容易地進行接合的植入材料、植入材料製造方法、骨骼的接合方 法以及植入材料製造裝置。
為了解決上述課題，實現目的，本發明提供一種使骨骼和植入 材料接合的骨骼的接合方法，其特徵在於，包括接合步驟，在該步驟 中，將雷射照射在上述骨骼與植入材料的接合位置上而使上述骨骼和植入材料接合。
發明的效果
根據本發明，由於將雷射照射在骨骼和植入材料的接合位置上 而使骨骼和植入材料接合，所以具有可以使骨骼和植入材料在短時間 內容易地進行接合的效果。


圖1是表示實施方式所涉及的雷射加工裝置的結構的框圖。
圖2是表示將雷射照射在骨骼上而實施開孔的情況下的處理結 果的圖。
圖3是表示將雷射照射在植入材料上，使其熔融的情況下的處 理結果的圖。
圖4是用於說明向骨骼與植入材料的邊界部分進行雷射照射的 情況下的接合處理的圖。
圖5是用於說明從下部為植入材料、上部為骨骼的被加工物的 上部進行雷射照射的情況下的接合處理的圖。
圖6是用於說明從下部為骨骼、上部為植入材料的被加工物的 上部進行雷射照射的情況下的接合處理的圖。
圖7是用於說明厚板的骨骼與植入材料的接合處理的圖。
圖8是表示將薄板的骨骼與植入材料接合後的情況下的圖像的圖。
圖9是表示本發明的實施方式2所涉及的磷灰石的構造的圖。 圖IO是表示發泡層的構成成分的分析結果的一個例子的圖。 圖ll是用於說明向骨骼的缺損部填充植入材料而製造磷灰石的 步驟的圖。
圖12是表示通過圖11所示的步驟製造的磷灰石的圖像的圖。 圖13是用於說明將骨骼配置在植入材料的上表面而製造磷灰石 的步驟的圖。
圖14是表示用於使磷灰石表面層熔融的加工條件的一個例子的圖。
符號的說明
1雷射加工裝置
10雷射照射部
21能級控制部
22雷射切換控制部
23焦點位置控制部
30加工條件確定部
41亮度檢測部
42時間測量部
51骨骼
52植入材料
100發泡層
101磷灰石
150邊界部
200基材
具體實施例方式
下面，根據附圖詳細說明本發明所涉及的雷射加工裝置、骨骼 的接合方法、植入材料、植入材料製造方法以及植入材料製造裝置的 實施方式。此外，本發明不限定於本實施方式。
實施方式1
圖1是表示本發明的實施方式所涉及的雷射加工裝置的結構的 框圖。雷射加工裝置1具有雷射照射部10、能級控制部21、雷射切 換控制部22、焦點位置控制部23、加工條件確定部30、亮度檢測部 41、以及時間測量部42。
此外，這裡的能級控制部21、雷射切換控制部22、焦點位置控 制部23相當於權利要求書中記載的控制部，這裡的亮度檢測部41、 時間測量部42相當於權利要求書中記載的加工狀態檢測部。另外，由於與作業人員的熟練度對應，亮度檢測可以通過熟練的作業人員的 視覺判斷進行處理，所以也可以使用不具有亮度檢測部41的裝置。
雷射加工裝置1用於在植入材料(人工骨骼或人工牙根)和骨 骼(牙齒)的接合工序(結合工序)中，基於規定的控制將雷射照射 在植入材料及骨骼上，以使得在充分促進了骨骼生長之前的期間及此 後，牢固地保持植入材料與骨骼的接合位置關係。這裡的雷射加工裝 置1，將雷射照射在植入材料及骨骼上而對植入材料及骨骼進行開 孔，同時進行植入材料和骨骼的接合。
雷射照射部IO將雷射照射在植入材料及骨骼等被加工物上。激
光照射部10與能級控制部21、雷射切換控制部22、焦點位置控制部 23連接，基於能級控制部21、雷射切換控制部22、焦點位置控制部 23的控制，以規定的加工條件對植入材料及骨骼進行雷射照射。
雷射切換控制部22基於來自加工條件確定部30的指示，對激 光照射部10向被加工物照射的雷射的種類進行切換。雷射切換控制 部22從例如C02雷射、YAG (Yttrium Aluminium Garnet)雷射、CO 雷射、UV (Ultra Violet rays) — YAG雷射、綠光雷射、準分子雷射 等中選擇1種雷射，切換由雷射照射部10向被加工物照射的雷射的 種類。
焦點位置控制部23基於來自加工條件確定部30的指示，對激 光照射部10向被加工物照射的雷射的焦點位置進行控制。能級控制 部21基於來自加工條件確定部30的指示，對雷射照射部10向被加 工物照射的雷射的能級進行控制。
加工條件確定部30向能級控制部21、雷射切換控制部22、焦 點位置控制部23發送指示，從而以規定的加工條件向植入材料及骨 骼進行雷射照射。加工條件確定部30將與向被加工物照射的雷射的 能級相關的指示發送至能級控制部21，將與向被加工物上照射的激 光的種類相關的指示發送至雷射切換控制部22，將與向被加工物上 照射的雷射的焦點位置相關的指示發送至焦點位置控制部23。
加工條件確定部30基於從亮度檢測部41接收到的被加工物的 亮度、以及從時間測量部42接收到的測量時間(從開始進行雷射加工算起的時間等)，確定向植入材料及骨骼進行雷射照射時的加工條 件，基於所確定的加工條件，將指示發送至能級控制部21、雷射切
換控制部22、焦點位置控制部23。
亮度檢測部41作為被加工物的加工狀態而檢測被加工物的亮度 (被加工物的雷射照射部位的亮度)，並發送至加工條件確定部30。 時間測量部42作為被加工物的加工狀態而對經過時間進行測量，並 將測量中的經過時間發送至加工條件確定部30，上述經過時間包括 開始進行雷射加工後的經過時間、開始植入材料的開孔後的經過時 間、開始骨骼的開孔後的經過時間、為了使植入材料和骨骼接合而向 接合部分(骨骼和植入材料的結合部分)照射激一光的情況下的經過時 間等。
此外，對於這裡的植入材料，使用例如鈦或不鏽鋼等金屬、松 脂等樹脂、磷灰石陶瓷等生物活性陶瓷、或氧化鋁陶瓷等非活性生物 陶瓷等。此外，也可以使用上述材料之外的材料作為植入材料。
下面，說明雷射加工裝置1的具體的雷射加工處理。雷射加工 裝置1的雷射照射部10，例如使用聚光至直徑小於或等於大約 0.3mm、能量密度大於或等於1(^W/cn^的高能量密度的雷射。由此， 可以縮小雷射的加工區域(成為局部)，且可以在短時間內對被加工 物進行開孔加工或熔融加工。另外，雷射加工裝置1可以通過由加工 條件確定部30選擇(確定)加工條件(雷射的輸出條件)，對使被 加工物熔融的時間(熔融時間)、被加工物的熔融範圍進行控制。另 外，雷射加工裝置1通過由加工條件確定部30選擇加工條件，可以 廣泛地用於對金屬、樹脂、陶瓷等被加工物進行開孔處理或熔融處理。
下面，作為雷射加工裝置1的具體的雷射加工處理，對被加工 物的開孔處理進行說明。圖2是表示將雷射照射在骨骼上而實施開孔 的情況下的處理結果的圖。在這裡，示出了將C02雷射(雷射的輸 出為500W)照射在厚度為10mm的骨骼上的情況下的骨骼的上表面。 在圖2中，對應於各個焦點位置Z，示出了在將照射的雷射的光束接 通(進行照射)的時間設為0.5秒和l.O秒而實施開孔的情況下的骨 骼的外觀照片(將孔直徑放大後的結果)。焦點位置Z=0是使焦點落在骨骼表面上的情況，焦點位置z =
5是使焦點從骨骼表面向上方偏移5mm的情況，焦點位置Z=10是
使焦點從骨骼表面向上方偏移10mm的情況。
如圖2所示，隨著焦點位置的偏移量變大，骨骼表面上的雷射
的光束直徑變大，能量密度降低。因此，焦點位置靠近上方時進行的加工與焦點位置靠近下方時進行的加工相比，孔直徑變大，但孔深變
小。即，在焦點位置靠近上方時，隨著光束直徑的增加，孔直徑變大，孔深變小。
—在利用—邀—悉加工裝置l一進骼治療的情況下，通過雷射加工而實現對加工部分的熱影響減少，在縮短治療時間及抑制對正常細胞的不良影響方面非常有效。
在這裡，無論在哪種加工條件(焦點位置為0 10mm，光束接通時間(雷射照射時間)為0.5秒或者1.0秒)下，都可以使孔直徑落在大約0.4mm 1.5mm的範圍內而進行加工(控制)，將孔周圍產生的熱影響限制在大約0.1 0.3mm的非常小的區域範圍內。
在需要將孔直徑進一步擴大至比圖2所示的焦點位置為10mm時的孔直徑更大的情況下，只要將焦點位置設定在焦點位置為10mm的上方即可。另外，在需要將孔直徑進一步縮小至比圖2所示的光束接通時間為0.5秒時的孔直徑更小的情況下，只要將光束接通時間縮短為比0.5秒小即可。
此外，利用雷射進行的孔加工，隨著加工從被加工物的表面側向內部發展，雷射能量在加工中消耗而衰減，因此越靠內部孔直徑越小。另外，即使在使用波長為C02雷射的波長的10分之1、即1.06pm的YAG雷射進行開孔加工的情況下，也可以與C02雷射相同地，進行熱影響較小的開孔加工。
另外，在開孔加工中，如果使用雷射的波長處於紫外線區域的UV — YAG雷射或準分子雷射、處於可見光區域的綠光雷射，則由於紫外線光或可見光導致電子激勵的結合分解，而成為光化學加工(消蝕加工)，可以使對骨骼及植入材料等的熱影響比作為紅外雷射的<:02雷射或YAG雷射更小。另外，如果使用UV—YAG雷射、準分子雷射、綠光雷射，對骨骼及植入材料實施開孔加工，則與作為紅外雷射的C02、 YAG雷射相比，可以進行更微小的開孔加工。S卩，無論所使用的雷射的種類(作為紅外雷射的C02雷射及YAG雷射，作為紫外雷射的UV — YAG雷射、準分子雷射，以及綠光雷射)如何，都可以對骨骼以及植入材料進行熱影響小的開孔加工。
此外，開孔處理適用C02雷射、YAG雷射、準分子雷射、UV一YAG雷射等任意一種雷射，接合處理適用C02雷射及YAG雷射等具有紅外波長的雷射。
此外，可以利用雷射加工裝置1通過雷射進行這兩種加工，以連續進行被加工物的開孔加工和接合加工，也可以通過切削等預先實施開孔工序，利用該孔來照射用於進行接合的雷射，以減少開孔的熱影響。
下面，說明由來自雷射加工裝置1的雷射進行的植入材料的接合處理。圖3是表示將雷射照射在植入材料上而使其熔融的情況下的處理結果的圖。在這裡，示出了植入材料為一種陶瓷即磷灰石的情況下的植入材料的上表面以及剖面的一個例子(在各種熱循環下觀察的磷灰石的熔融狀態的一個例子)。
在圖3的照片(上表面)中，中央部具有孔，其周邊顯示為黑色的部位是已經熔融的區域。在雷射所照射的中央部，產生溫度上升使被加工物從熔融直接變為蒸發，從而形成孔部。另一方面，在孔部周邊的部分中沒有施加足以導致蒸發的熱循環，形成從熔融至凝固的變化形態。因此，在植入材料(磷灰石)的熔融處理中，通過變更雷射的照射條件，可以實現熔融部的擴大。
在這裡，示出了下述情況下的熔融部的狀態，g卩，使用波長為1.06pm的YAG雷射，統一將雷射照射的輸出設定為250W，焦點位置Z設定為5mm，而使光束接通時間在0.5秒、9.0秒、12.0秒之間進行變化。此外，這裡的磷灰石的主要成分是磷酸鈣，熔料(frit)為堇青石。
如果延長雷射照射時間，則雷射照射部的熔融區域從1.7mm擴大至2.3mm。此外，在這裡未圖示，但是通過改變焦點位置，可以使熔融區域增大。另外，可以通過改變雷射輸出而使熔融深度增大。
通常，由於在陶瓷的通過局部加熱而進行的熔融中，會由於被加工物的膨脹和收縮導致產生裂縫，所以將被加工物在爐中整體加熱而進行熔融和接合。但是，在外科手術的現場，無論從空間角度還是從對生體產生不良影響的角度出發，都難以採用這種加工方法。通過本實施方式的雷射加工裝置1 (雷射照射部10)進行的雷射加工，在外科手術時可以利用狹小的空間實現陶瓷的熔融，而不會產生裂縫，不會對生物體產生不良影響。換言之，利用來自雷射加工裝置l (雷射照射部10)的雷射進行的加熱具有如下特點，S卩，根據由加工條件確定部30產生的加工條件的指示(由能級控制部21、雷射切換控制部22、焦點位置控制部23進行的控制)，使被加工物溫度上升的區域處於在空間及時間上可抑制裂縫產生的範圍內而完成加工，所以作為外科手術方法也是有效的。
另外，由於將雷射照射的時間設定得越長，熔融區域就越擴大，所以與接合強度對應而變更雷射照射的時間。即，在需要接合具有較高的強度的情況下，加工條件確定部30將雷射照射時間設定地較長，在不需要接合具有較高的強度的情況下，將雷射照射時間設定地較短。加工條件確定部30也可以基於來自用戶的指示(來自輸入單元的指令)，對雷射照射時間進行設定，也可以基於亮度檢測部41檢測的亮度，對雷射照射時間進行設定。
另外，雷射加工裝置1也可以通過焦點位置的調整或聚光光學部件的選擇而擴大熔融區域。因此，加工條件確定部30作為加工條件而選擇與熔融區域對應的焦點位置，向焦點位置控制部23發出指示。另外，也可以使雷射加工裝置1構成為能夠針對每次雷射加工來選擇與熔融區域對應的聚光光學部件。例如，雷射加工裝置1構成為基於來自加工條件確定部30的指示而自動變更聚光光學部件。此外，也可以由雷射加工裝置1的使用者預先通過手動變更聚光光學部件。
另外，加工條件確定部30以不會使被加工物出現有害的附加效果的能級進行開孔的方式確定加工條件，並將指示發送至能級控制部21。
下面，說明通過雷射加工裝置1進行的被加工物的接合處理(不同材料之間的接合)。首先，說明向骨骼與植入材料的邊界部分進行雷射照射的情況下的接合處理。
圖4是用於說明向骨骼與植入材料的邊界部分進行雷射照射的情況下的接合處理的圖。例如，使用板厚為3mm的牛骨骼作為骨骼51，使用以磷酸鈣為主要成分的陶瓷作為植入材料52，進行被加工物的接合處理。另外，雷射使用波長為10.6nm的C02雷射，以雷射輸出為250W、雷射照射時間為0.5秒、焦點位置為上方3mm的加工條件，進行被加工物的接合處理。
將雷射的照射位置設在骨骼51與植入材料52的邊界部，如果雷射加工裝置1將雷射照射在被加工物上，則瞬間在骨骼51上開孔，植入材料52熔融。如果雷射加工裝置1繼續進行雷射照射，隨後，植入材料52的熔融物則進入骨骼51的孔部。然後，熔融的植入材料52凝固後，骨骼51和植入材料52的接合完成。如上述所示，雷射加工裝置1利用了骨骼51和植入材料52的沸點差。g卩，由於骨骼51的沸點比植入材料52低，所以通過來自雷射加工裝置1的雷射照射而開孔，而植入材料52僅進行熔融，不會開孔。然後，沸點較高的植入材料52流入已開孔的沸點較低的骨骼51側，骨骼51和植入材料52進行接合。
在將雷射的照射位置設為骨骼51與植入材料52的邊界部並使被加工物接合時，雷射加工裝置1的亮度檢測部41，對雷射的照射位置(骨骼51與植入材料52的邊界部)的亮度進行檢測。亮度檢測部41檢測出的亮度被發送至加工條件確定部30。
加工條件確定部30基於亮度檢測部41檢測出的亮度，選擇(確定)與雷射的照射位置對應的雷射、能級、焦點位置。這時，加工條件確定部30也可以使用預先設定的加工條件(植入材料52的種類、骨骼51的強度、被加工物的加工區域、期望的接合強度等)，選擇雷射、能級、焦點位置。
加工條件確定部30基於時間測量部42測量的雷射的照射時間及亮度檢測部41檢測的亮度，以規定時間向被加工物進行雷射照射，
完成骨骼51和植入材料52的接合。
如上述所示，由於在骨骼51和植入材料52的接合中使用雷射，所以可以瞬間得到良好(牢固)的接合部。另外，由於加工條件確定部30基於亮度檢測部41檢測出的亮度及時間測量部42測量的時間，
確定加工條件並進行雷射照射，所以可以進行與被加工物對應的適當的雷射照射，可以進行與被加工物(骨骼51與植入材料52的邊界部)對應的適當的接合。
另外，通過雷射加工裝置1對被加工物進行接合，無論骨骼51及植入材料52的厚度如何，都可以得到良好的接合部。因此，對於各種生物體部位都可以通過雷射進行接合處理。
此外，在這裡，在植入材料52中使用了磷酸鈣，但也可以使用磷酸轉之外的陶瓷。另外，在雷射加工裝置1使用YAG雷射的情況下，由於YAG雷射可以進行光纖傳輸，所以可以比C02雷射更容易地應用於醫療現場。另外，在向骨骼與植入材料的邊界部分進行雷射照射的情況下，在雷射加工裝置l使用YAG雷射的情況下，可以與
C02雷射相同地得到良好的接合部。
下面，說明從大致垂直的方向向骨骼51與植入材料52的接合面進行雷射照射(向接縫進行雷射照射)的情況下的接合處理。在這裡，首先對從下部為植入材料52、上部為骨骼51的被加工物的上部(骨骼51側)進行雷射照射，使骨骼51和植入材料52接合的情況進行說明，然後，對從下部為骨骼51、上部為植入材料52的被加工物的上部(植入材料52側)進行雷射照射，使骨骼51和植入材料52接合的情況進行說明。
圖5是用於說明從下部為植入材料、上部為骨骼的被加工物的上部進行雷射照射的情況下的接合處理的圖。例如，使用板厚3.0mm的牛骨骼作為骨骼51，使用以磷酸鈣為主要成分的陶瓷作為植入材料52，進行被加工物的接合處理。
預先將骨骼51和植入材料52貼合。雷射加工裝置1，首先作為第l步驟，將雷射照射在骨骼51上而執行骨骼51的開孔(圖5的中央所示的狀態)。然後，作為第2步驟，將雷射經由骨骼51的孔部
(開孔的位置)照射在植入材料52上，使骨骼51與植入材料52接合(圖5的右側所示的狀態)。
雷射加工裝置1的加工條件確定部30基於亮度檢測部41檢測出的亮度、時間測量部42測量出的時間、預先設定的加工條件，確定被加工物的加工條件。此外，加工條件確定部30也可以基於骨骼51和植入材料52之間的貼合狀態、要求強度(骨骼51和植入材料52之間的接合(加工後))中要求的強度，確定被加工物的加工條件。雷射加工裝置1在以對骨骼51開孔為目的的第1步驟中，例如以雷射輸出為400W、焦點位置為上方30mm、照射時間為0.2秒的加工條件進行骨骼51的雷射加工。
如果由雷射加工裝置l對骨骼51的開孔完成，則亮度檢測部41檢測的亮度發生變化。由此，雷射加工裝置1在以將雷射照射至骨骼51的孔部中(植入材料52的表面)而使骨骼51和植入材料52接合為目的的第2步驟中，例如以雷射輸出為500W、焦點位置為上方30mm、照射時間為l.O秒的加工條件進行雷射加工。
此外，雷射加工裝置1也可以基於時間測量部42測量的時間，變更第2步驟的加工條件。即，加工條件確定部30也可以使用預先設定的骨骼51的板厚、植入材料52的種類、第1步驟中確定的加工條件等，計算骨骼51的開孔完成的時間，使用該計算出的時間，切換至第2步驟的加工條件。
如果在雷射加工裝置1實施第1步驟的雷射加工處理後觀察骨骼51 (牛骨骼)，則例如雷射照射側的孔直徑(圓柱的上表面)為2.6mm，雷射照射側的相反側的孔直徑(圓柱的下表面)為l.Omm，成為具有錐形形狀的開孔加工。
另外，如果在雷射加工裝置1實施第2步驟的雷射加工處理後確認被加工物(加工試樣)，則可以發現例如骨骼51和植入材料52已經良好且牢固地接合。這是因為，如果從骨骼51側照射雷射，則使骨骼成分混合在植入材料52的熔融部中，其結果，混合部發生膨脹，膨脹並填充至骨骼的孔部中。即，雷射加工裝置1向被加工物進行雷射照射，使得膨脹的植入材料52填充至開設於骨骼51上的孔部 中。由此，通過雷射加工裝置1的雷射加工，植入材料52的熔融物 膨脹並與進行了錐形形狀加工的骨骼51的孔部進行接合，接合部在 拉伸強度和剝離強度方面具有較高的接合強度。
另外，在從下部為植入材料、上部為骨骼的被加工物的上部進 行雷射照射的情況下，在雷射加工裝置1使用YAG雷射的情況下，
可以與C02雷射相同地得到良好的接合部。
圖6是用於說明從下部為骨骼、上部為植入材料的被加工物的 上部進行雷射照射的情況下的接合處理的圖。在這裡，例如使用板厚 為3.0mm的牛骨骼作為骨骼51，使用以磷酸鈣為主要成分的陶瓷作 為植入材料52，進行被加工物的接合處理。雷射加工裝置1使用例 如波長為10.6|tim的C02雷射，進行雷射加工。
在將植入材料52作為雷射照射側的情況下，經過與圖5中說明 的現象不同的接合過程，使骨骼51和植入材料52接合。即，在植入 材料52為雷射照射側的情況下，首先利用雷射對植入材料52實施開 孔(第l步驟)。然後，利用雷射使植入材料52的孔壁面熔融(第 2步驟)。然後，如果繼續進行雷射照射，則通過雷射在骨骼51上 開孔，使植入材料52的熔融物填入骨骼51的孔部(第3步驟)。
具體地說，如果由雷射加工裝置1對植入材料52的開孔完成， 則亮度檢測部41檢測的亮度發生變化。由此，雷射加工裝置l在以 將雷射照射至植入材料52的孔部中(骨骼51的表面)而使植入材料 52的孔壁面熔融為目的的第2步驟中，以規定的加工條件進行雷射 加工。另外，如果通過雷射加工裝置l使孔壁面的植入材料52熔融， 則亮度檢測部41檢測的亮度發生變化。由此，雷射加工裝置l在以 向骨骼51開孔和向孔部填入植入材料52為目的的第3步驟中，以規 定的加工條件進行雷射加工。
此外，與圖5中說明的接合處理相同地，雷射加工裝置1也可 以基於時間測量部42測量的時間，變更第2步驟的加工條件。艮P， 加工條件確定部30也可以使用預先設定的骨骼51的板厚、植入材料 52的種類、在第1步驟中確定出的加工條件等，計算骨骼51的開孔完成的時間，使用該計算出的時間，切換至第2步驟、第3步驟的加 工條件。
另外，在從下部為骨骼、上部為植入材料的被加工物的上部進
行雷射照射的情況下，在雷射加工裝置1使用YAG雷射的情況下，
可以與C02雷射相同地得到良好的接合部。
下面，說明針對植入材料52和厚板(板厚較厚的板狀物)的骨 骼51從骨骼51側進行雷射照射的情況下的接合處理。在這裡，說明 將板厚為10mm的牛骨塊(骨骼51)和植入材料52進行接合的情況。
圖7是用於說明厚板的骨骼和植入材料的接合處理的圖。例如， 使用以磷酸鈣為主要成分的陶瓷作為植入材料52，進行被加工物的 接合處理。
在從下部為植入材料52、上部為厚板的骨骼51的被加工物的上 部(骨骼51側)進行雷射照射，使骨骼51和植入材料52接合時， 雷射加工裝置1使用例如波長為10.6|im的C02雷射進行雷射加工。 在這裡，為了實現縮短接合時間和骨骼51的開孔時間，例如在相同 的加工條件下進行骨骼51的開孔處理和接合處理(骨骼51和植入材 料52的接合處理)。
雷射加工裝置1以例如雷射輸出為500W、焦點位置為上方 20mm、照射角度(相對於植入材料52的上表面的照射角度)為45 度、雷射照射時間為l.O秒的加工條件進行雷射加工。在這裡，例如 將從骨骼51與植入材料52的邊界向骨骼51側偏移0.3mm的位置作 為加工位置，由雷射加工裝置1進行雷射照射。
骨骼51和植入材料52的接合過程與圖4中說明的過程相同。 即，首先利用雷射在骨骼51上實施開孔(第l步驟)，藉助雷射而 熔融的植入材料52向骨骼的孔部方向膨脹並進行接合(第2步驟)。 如上述所示，在圖7所示的接合處理中，由於雷射加工裝置l在骨骼 51和植入材料52的接合中使用雷射，所以可以瞬間得到良好的接合 部。
下面，說明針對植入材料52和薄板(板厚較薄的板狀物)的骨 骼51從骨骼51側進行雷射照射的情況下的接合處理。圖8是表示將薄板的骨骼和植入材料接合後的情況下的圖像的圖。如圖8所示，即
使在骨骼51為薄板的情況下，也與骨骼51為厚板的情況相同地，由 於雷射加工裝置1在骨骼51和植入材料52的接合中使用雷射，所以 可以瞬間得到良好的接合部。即，根據雷射加工裝置l，無論骨骼51 的厚度如何，都可以利用雷射使骨骼51和植入材料52接合。
此外，在使厚板的骨骼51或薄板的骨骼51與植入材料52接合 的情況下，在雷射加工裝置1使用YAG雷射的情況下，可以與C02 雷射相同地得到良好的接合部。
此外，雷射加工裝置1可以使用任意的雷射振蕩器或聚光光學 部件。例如在開孔的工序中，雷射加工裝置1可以通過使用能夠得到 高能量密度的雷射振蕩器或聚光光學部件而得到微小的孔。
另外，對於雷射加工裝置1，可以通過使用高能量密度的雷射振 蕩器或聚光光學部件，而減小對骨骼51及植入材料52的熱影響。
此外，在得到良好的接合部的情況和形成不良接合的情況下， 接合部附近的亮度不同。因此，例如，如果進行雷射加工而沒有進行 亮度的監測，則可能向骨骼51及植入材料52施加開孔或接合所需的 輸入熱量以上的雷射能量。這樣，在被加工物中受到熱影響的部分增 大，同時熔融物沒有凝固而發生飛散，無法良好地進行接合。另一方 面，由於本實施方式的雷射加工裝置1在使亮度檢測部41進行亮度 檢測(監測)的同時，使用檢測出的亮度確定加工條件，所以可以得 到良好的接合部。
另外，在使用磷灰石作為植入材料52的情況下，由於植入材料 52不耐熱衝擊，所以如果輸入熱量變大，則可能使植入材料52產生 裂縫。本實施方式的雷射加工裝置1，即使在使用磷灰石作為植入材 料52的情況下，由於利用亮度檢測部41對亮度進行檢測而確定加工 條件，所以可以穩定地得到良好的接合部。
此外，在本實施方式中，雷射加工裝置1形成為具有亮度檢測 部41及時間測量部42的結構，但雷射加工裝置1也可以形成為不具 有亮度檢測部41及時間測量部42的結構。在此情況下，雷射加工裝 置1的使用者通過目測對被加工物的加工狀態進行檢測，加工條件確定部30基於來自使用者的指示信息的輸入來確定加工條件。g卩，激
光加工裝置1不通過亮度檢測部41及時間測量部42進行加工狀態的
檢測，而確定被加工物的加工條件。
另外，對於雷射加工裝置1進行加工的被加工物，骨骼51和植 入材料52的配置無論哪個在上方、哪個在下方都可以，另外骨骼51 和植入材料52的接縫可以是重疊接縫、對接接縫的任一個。另外， 在本實施方式中，作為骨骼使用了牛骨骼，但雷射加工裝置1可以對 包括人骨骼在內的任何動物的骨骼進行雷射加工。另外，也可以將在 本實施方式中說明的雷射加工裝置1的各處理中，作為自動進行的處 理進行說明的處理的全部或一部分手動進行。
另外，對於雷射加工裝置1，骨骼51與植入材料52的接合可以 在動物的體內進行，也可以將骨骼51從動物體內取出而在動物的體 外進行。在將骨骼51從動物體內取出後，使骨骼51和植入材料52 接合的情況下，根據需要而將接合後的骨骼51和植入材料52放回動 物的體內。
根據上述的實施方式1，由於在進行骨骼和植入材料的接合時， 照射C02雷射或YAG雷射等雷射，所以可以使骨骼和植入材料之間 在短時間內容易地接合。
另外，由於加工條件確定部30基於亮度檢測部41檢測出的亮 度、及時間測量部42測量的時間而確定加工條件，向被加工物進行 雷射照射，所以可以進行與被加工物對應的適當的雷射照射以及接合 處理。
另外，由於加工條件確定部30，作為加工條件而確定雷射的能 級、雷射的種類、焦點位置、雷射的照射時間等，基於確定出的加工 條件向被加工物進行雷射照射，所以可以在每次被加工物的開孔處理 或接合處理中穩定地進行適當的開孔處理和接合處理。
另外，由於雷射加工裝置1可以使骨骼和植入材料之間在短時 間內容易地接合，所以在進行將骨骼和植入材料接合的治療時，可以 防止在植入材料和骨骼結合的過程中彼此的位置關係發生錯位，可以 在短期間內容易地進行治療。另外，不需要現有技術在接合治療中必使在治療的過程中也可以提供舒適的生 活。
實施方式2
下面，使用圖1以及圖9 14，說明本發明的實施方式2。在實 施方式2中，向將非發泡層作為基材的植入材料52照射雷射，在非 發泡層的表面層上形成發泡層(將非發泡層改性而形成的新的加工 層)。然後，通過形成該發泡層，製造由發泡層和非發泡層構成的雙 層構造的植入材料。
當前，在製造發泡陶瓷時，需要添加在使發泡性原料的陶瓷熔 融的過程中，在陶瓷中產生氣體的成分(氣體產生成分)。作為氣體 產生成分，例如使用碳化矽、氮化矽等。對於碳化矽，例如使用粒徑 小於或等於10pm的細粉末。
作為這種發泡陶瓷的製造步驟，首先通過將發泡性原料以及非 發泡性原料的各自的構成成分以規定的比例混合而進行調整。然後， 通過噴霧乾燥器等，對獲得的發泡性原料以及非發泡性原料進行造粒 而形成粒狀物。然後，將造粒獲得的這兩種粒狀物進行混合，將該混 合物作為成型原料，成型並進行燒結。這時的燒結溫度選擇使氣體產 生成分發生分解而產生氣體的溫度，並且選定能夠形成良好的氣泡 (氣泡壁面)的溫度範圍。由此，例如在氣體產生成分為碳化矽的情 況下，通過燒結使碳化矽分解而產生氣體(一氧化碳)，利用該氣體 在燒結層形成氣泡。
在本實施方式中，將雷射等照射在骨骼上而使骨骼燃燒，在通 過骨骼的燃燒而產生的氣氛中使植入材料燒結。由此，在植入材料中 生成將發泡狀態的氣泡封入並凝固而成的發泡層。
此外，如果混合物(發泡性原料以及非發泡性原料的粒狀物) 的燒結溫度比IOO(TC低，則因坯料不具備充分的粘性而無法產生氣 泡。另一方面，如果混合物的燒結溫度比130(TC高，則由於燒結坯 料成為低粘性，所以形成的氣泡匯合而形成大氣泡，使燒結體的強度 降低。
下面，作為實施方式2所涉及的植入材料的一個例子，針對具有與前述的發泡陶瓷相同的性質(功能)的磷灰石進行說明。在這裡， 首先說明實施方式2所涉及的磷灰石的構造，然後，說明該磷灰石的 製造裝置和製造方法。
圖9是表示本發明的實施方式2所涉及的磷灰石的構造的圖。
圖9所示的磷灰石101具有雙層構造，在非發泡層(基部層)的表面
層的一部分(成為與骨骼之間的接合對象的接合部)進行表面處理而 形成有發泡層。
通過表面處理而形成的混有氣泡的發泡層100，形成在基材200 (作為非發泡層的磷灰石基材等)的表面層，上述表面處理是通過局 部地施加高能量而進行的。發泡層100的氣泡直徑為例如10 50(Vm，用於在發泡層100與骨骼接合時促進骨細胞向發泡層100生 長。
發泡層100與作為非發泡層的基材200(前述的植入材料52等) 之間的邊界部150，形成為接合面以凹凸狀態彼此咬入的構造，形成 牢固的接合。基材200為緻密的構造，在施加應力的情況下具有充分 的強度。
在生成磷灰石101時，將骨骼(前述的骨骼51等)作為氣體產 生成分而配置於基材200的表層部(上面部及側面部等基材200的加 工部附近)。然後，在利用雷射等使骨骼燃燒後，通過在含有該燃燒 氣體成分的氣氛中使基材200 (已成型的緻密性基體)熔融，而將骨 骼成分混入發泡層100。
圖IO是表示發泡層的構成成分的分析結果的一個例子的圖。圖 10中示出針對發泡層100的構成成分(Vol%)實施分析的結果的一 個例子。這裡的發泡層100,作為構成成分含有Ca (鈣)、C (碳)、 0 (氧)、P (磷)、Mg (鎂)、Al (鋁)、Si (矽)。Ca、 C、 0 接近骨骼的成分濃度，P略少於骨骼的成分濃度。P的減少可以認為 是由於通過使基材200熔融時的高能量而使P升華。
在骨骼燃燒和基材200熔融後，通過磨削或者研磨發泡層100 的表面(與骨骼之間的接合面)，磨削位於發泡層100的表面的封閉 氣泡，使封閉氣泡的剖面露出。由此，得到具有表面改性層的本實施方式所涉及的磷灰石(發泡磷灰石)，其中，該表面改性層作為與骨 骼之間的接合面。
在本實施方式中，由於磷灰石中含有接近骨骼成分的成分，所 以在骨骼和磷灰石接合時，在磷灰石中細胞浸潤性發揮作用而使骨骼 和磷灰石101在短時間內結合。另外，由於在發泡層100的表面露出 封閉氣泡的剖面，所以與沒有露出封閉氣泡的剖面的情況相比，骨骼 和磷灰石101在更短時間內結合。
此外，在骨骼燃燒和基材200熔融中使用電子束或等離子弧等 熱源，也可以得到與利用雷射使骨骼燃燒並使基材200熔融的情況相 同的效果。在此情況下，從雷射照射部(熱源照射部)10照射電子 束或等離子弧等熱源。另外，在具有多個熱源的情況下，雷射切換控 制部(熱源切換控制部)22變更熱源的種類。另外，通過對加工條 件(施加在骨骼及基材200上的熱源能量)進行適當調整，可以調整 發泡層100內的氣泡的數量及直徑。因此，通過與磷灰石101的用途 相應地調整加工條件，可以得到具有期望性質的磷灰石101。例如， 通過對施加在骨骼及基材200上的雷射、電子束、等離子弧等熱源能 量(加工條件)進行適當調整，可以得到所要求品質的磷灰石101。 下面，將雷射加工裝置作為磷灰石101的製造裝置的一個例子，說明 磷灰石101的製造處理。在這裡，在說明雷射加工裝置的結構後，說 明磷灰石101的製造步驟。
本發明的實施方式2所涉及的雷射加工裝置的結構，與實施方 式1的圖1所示的雷射加工裝置1相同。在這裡，對於與實施方式1 的雷射加工裝置2實現相同功能的構成要素，省略其說明，對於與實 施方式1的雷射加工裝置1不同的功能進行說明。此外，由於亮度檢 測可以根據作業人員的熟練度，通過熟練的作業人員的視覺判斷進行 處理，所以可以使用不具有亮度檢測部41的裝置。
這裡的雷射加工裝置1將雷射照射在植入材料52 (磷灰石)等 基材200上，使植入材料52等上形成發泡層100，製造磷灰石101 等新的植入材料。雷射加工裝置1根據需要而將雷射照射在骨骼51 上，進行骨骼51的開孔。本實施方式的亮度檢測部41，作為被加工物的加工狀態而對被
加工物的亮度進行檢測，發送至加工條件確定部30。時間測量部42 作為被加工物的加工狀態而對開始雷射加工後的經過時間(開始向植 入材料52進行雷射照射後的經過時間)等進行測量，將測量中的經 過時間發送至加工條件確定部30。
下面，說明通過雷射加工裝置1進行的雷射加工處理。雷射加 工裝置1的雷射照射部10，例如使用聚光至直徑小於或等於大約 0.3mm、能量密度大於或等於10Sw/ci^的高能量密度的雷射。由此， 可以縮小雷射的加工區域(成為局部)，且可以在短時間內對被加工 物進行開孔加工或熔融加工。另外，雷射加工裝置1可以通過由加工 條件確定部30選擇(確定)加工條件(雷射的輸出條件)，對使被 加工物熔融的時間(熔融時間)、被加工物的熔融範圍進行控制。另 外，雷射加工裝置1通過由加工條件確定部30選擇加工條件，可以 廣泛地用於對金屬、樹脂、陶瓷等被加工物進行開孔處理或熔融處理。
下面，說明雷射加工裝置1的磷灰石101的製造方法。圖11是 用於說明向骨骼的缺損部填充植入材料而製造磷灰石的步驟的圖。首 先，將作為非發泡層的磷灰石(作為基材200的植入材料52)插入 處於初始缺損狀態的骨骼51的缺損部。由此將磷灰石(植入材料52) 填充至骨骼51的缺損部。
然後，將雷射照射在磷灰石(植入材料52)上，在植入材料52 的上部(表面層)生成發泡磷灰石。然後，通過利用生成的發泡磷灰 石(發泡層IOO)填充骨骼51的缺損部而製造磷灰石101。
在將雷射照射在植入材料52上時，雷射加工裝置1的亮度檢測 部41對雷射的照射位置(植入材料52的上表面)的亮度進行檢測。 亮度檢測部41檢測出的亮度被發送至加工條件確定部30。
加工條件確定部30基於亮度檢測部41檢測出的亮度，選擇與 植入材料52及骨骼51的種類(材質、大小等)對應的雷射、能級、 焦點位置等加工條件。
此外，加工條件確定部30也可以使用預先設定的加工條件，選 擇雷射、能級、焦點位置等。另外，加工條件確定部30也可以基於骨骼51和發泡層100之間的貼合狀態及要求強度，確定被加工物的 加工條件。
另外，在將雷射照射在植入材料52上時，雷射照射的時間設定 得越長，植入材料52的熔融區域越擴大。因此，也可以與向缺損部 填充的植入材料52的尺寸(上表面的面積)對應而變更雷射照射的 時間。另外，加工條件確定部30也可以基於來自用戶的指示而設定 雷射照射時間。
雷射加工裝置1使用加工條件確定部30確定出的加工條件，開 始植入材料52的加工。加工條件確定部30基於時間測量部42測量 的雷射照射時間及亮度檢測部41檢測的亮度，以規定時間向被加工 物(植入材料52)進行雷射照射，由此雷射加工裝置1完成磷灰石 101的製造。
如上述所示，由於加工條件確定部30基於亮度檢測部41檢測 出的亮度及時間測量部42測量的時間而確定加工條件，進行雷射照 射，所以可以進行與被加工物對應的適當的雷射照射，可以與被加工 物(骨骼51和植入材料52)相應，適當地進行磷灰石101的製造。 此外，由於如果植入材料52熔融而形成發泡層100，則亮度檢測部 41檢測的亮度發生變化，所以也可以根據該亮度的變化而變更加工 條件。
為了將固體狀態的非發泡磷灰石(植入材料52)填充到骨骼51 的缺損部，必須使非發泡磷灰石的尺寸小於缺損部的尺寸。因此，在 現有技術中，即使將非發泡磷灰石填充至骨骼51，也會在非發泡磷 灰石和骨骼51之間產生間隙，難以將非發泡磷灰石固定在骨骼51 上。
在本實施方式中，由於在將非發泡磷灰石填充至骨骼51的缺損 部後，將雷射照射在非發泡磷灰石上，所以藉助使非發泡磷灰石熔融 的熱量還會使骨骼51燃燒。由此，骨骼51產生氣體，促進氣泡的生 成，在非發泡磷灰石的表面層形成發泡層100。由於該發泡層100與 照射雷射前的非發泡磷灰石相比體積增加，所以具有骨骼51與發泡 層IOO之間的貼合性增加，將磷灰石(非發泡磷灰石和發泡層100)圖12是表示按照圖11所示的步驟製造的磷灰石的圖像的圖。 在這裡，示出了雷射加工裝置101在骨骼51的缺損部中生成發泡磷 灰石的例子。
此外，由雷射加工裝置1進行的磷灰石101的製造(發泡層100 的生成)也可以應用於牙齒的缺損部，可以與骨骼51的情況相同地 進行高品質的填充。另外，插入至骨骼51的缺損部中的磷灰石的形 狀可以是顆粒狀、粉末、碎片等任何形狀。
下面，說明將骨骼51配置在植入材料52的上表面而製造磷灰 石的步驟。圖13是用於說明將骨骼配置在植入材料的上表面而製造 磷灰石的步驟的圖。在這裡，示出了在通過高能量的熱源使骨骼51 進行燃燒而產生的氣氛中，利用高能量的熱源使磷灰石表面層熔融， 從而對磷灰石進行表面改性的方法。
首先，將骨骼51配置在植入材料52的預定進行表面改性的位 置的附近(植入材料52的上表面)，使用雷射等高能量熱源使骨骼 51從上表面側(與植入材料52相反側的表面)開始燃燒。由此，在 骨骼51上開孔，使植入材料52露出。在這時由骨骼51的燃燒而產 生的氣氛中，利用高能量熱源使磷灰石表面(植入材料52)熔融。 由此，使骨骼51的燃燒物進入植入材料52的熔融層，形成發泡層 100。
由於發泡層ioo僅形成於生物類陶瓷部件(磷灰石101)的表層，
所以向生物類陶瓷部件整體的熱量輸入較少，可以得到高精度的生物 類陶瓷部件。
下面，說明用於使磷灰石表面層熔融的加工條件。圖14是表示 用於使磷灰石表面層熔融的加工條件的一個例子的圖。在這裡，作為 用於使磷灰石表面層熔融的加工條件的一個例子，示出了在C02激 光加工中用於使磷灰石表面層熔融0.8mm的加工條件。
向磷灰石表面層的雷射輸出越大，用於使磷灰石表面層熔融的 雷射照射時間就越短。另外，向磷灰石表面層的雷射輸出越小，用於 使磷灰石表面層熔融的雷射照射時間的波動就越大。通常，在發泡陶瓷(磷灰石表面層)的生成溫度(燒結溫度)
較低的情況下(例如IOO(TC)，熔融的基材200成為高粘性，氣泡
的直徑變小。另一方面，在發泡陶瓷的生成溫度較高的情況下(例如
130(TC)，熔融的基材200成為低粘性，形成的氣泡匯合而使氣泡的 直徑變大。另外，氣泡擴散的時間對發泡陶瓷中的氣泡含量產生較大 影響，進行熔融的基材200的熔融時間越長，氣泡的含量越增加。
如果在圖14所示的表示雷射輸出量與雷射照射時間之間關係的 加工條件下生成磷灰石101，則雷射的輸出量越大，氣泡的直徑就越 大。另外，雷射的照射時間越長，氣泡的直徑越大，直徑大的氣泡的 含量就越多。
氣泡的直徑為300 40(Him時，細胞(骨骼51)的浸潤性增高， 但強度降低。因此，也可以如下述方式將發泡層IOO的種類進行組合 而生成磷灰石101， g卩，在磷灰石101與骨骼51的接合面的一部分 上，優先促進細胞的生長而使氣泡直徑為300 400|im，在除此之外 的其他部分，優先接合面的強度而使氣泡直徑小於或等於200pm。 例如，在骨骼51與磷灰石101的接合面積400mn^中，將200mm2 以1000W輸出進行雷射加工，將剩餘的200mii^以400W的輸出進 行雷射加工等，對加工條件進行切換而生成磷灰石101。
與插入加工物(磷灰石101)的骨骼51的位置、及插入加工物 的骨骼的種類(例如骨骼51與磷灰石101的接合對象的年齡)相應， 施加在骨骼51與磷灰石101之間的應力的程度不同。因此，也可以 針對每次骨骼51和磷灰石101的接合處理，對在磷灰石101上形成 的發泡層100的種類的最佳面積比進行模擬，確定與加工條件相應的 基材200的加工面積的比例。
此外，在製造磷灰石101的情況下，在磷灰石101中得到良好 的表面改性層(植入材料52的表面層)的情況和沒有得到良好的表 面改性層的情況(與骨骼51之間沒有良好地接合的情況)下，表面 改性部附近的亮度不同。因此，例如，如果不進行亮度監測而進行激 光加工，則可能向植入材料52施加形成發泡層所需的輸入熱量以上 的雷射能量。這樣，被加工物中受到熱影響的部分變大，同時植入材料52等熔融物沒有凝固而發生飛散，無法良好地進行磷灰石101的 表面改性。另一方面，由於本實施方式的雷射加工裝置1在使亮度檢 測部41進行亮度檢測(監測)的同時，使用檢測出的亮度確定加工 條件，所以可以得到良好的表面改性部。
另外，由於磷灰石不耐熱衝擊，所以如果輸入熱量變大，則可 能使磷灰石產生裂縫。本實施方式的雷射加工裝置1中，由於亮度檢
測部41對亮度進行檢測而確定加工條件，所以可以穩定地得到良好
的接合部。
此外，在本實施方式中，雷射加工裝置1形成為具有亮度檢測
部41及時間測量部42的結構，但雷射加工裝置1也可以形成為不具 有亮度檢測部41及時間測量部42的結構。在此情況下，雷射加工裝 置1的使用者通過目測對被加工物的加工狀態進行檢測，加工條件確 定部30基於來自使用者的指示信息的輸入而確定加工條件。g卩，激 光加工裝置1不通過亮度檢測部41及時間測量部42迸行加工狀態的 檢測，而確定被加工物的加工條件。
由此，可以得到細胞浸潤性優異的磷灰石101，可以將骨骼組織 與作為生物材料的陶瓷或複合材料等植入材料(外科用移植材料)牢 固接合。
如上述所示，這次本發明人努力研究，其結果成功開發出僅在 己形成的磷灰石材料的表面層上形成發泡層的技術。由此，可以使由 磷灰石成分製造的生物部件形成發泡層和非發泡層的至少雙層的構 造，或者使非發泡層的一部分形成發泡層。
其結果，針對生物組織親和性優異的材料，可以設計為僅將需 要增強細胞浸潤性的部分形成為發泡層，將承受較大應力的部分形成 為非發泡層。
另外，通過在生成生物部件時進行能量控制，可以與生物部件 的用途對應而使發泡層的氣泡直徑及氣泡密度最優化。另外，由於在 使骨骼蒸發而形成的氣氛中生成植入材料的發泡層，所以骨骼成分殘 留在植入材料的內部，可以輔助骨骼細胞生長。由此，可以在使骨骼 和磷灰石接合時，促進骨骼細胞的生長，使骨骼和磷灰石迅速接合。此外，在本實施方式中，使用基材為磷灰石的植入材料生成新 的磷灰石(植入材料)，但也可以將磷灰石之外的植入材料(樹脂或 陶瓷等)作為基材而生成新的植入材料。
如上述所示，根據實施方式2，由於將雷射等熱源能量照射在植 入材料52的表面改性位置上，所以可以容易地得到在非發泡層(植
入材料52)的一部分上形成有發泡層100的磷灰石101。由此，在使 磷灰石101和骨骼接合時，可以由發泡層100促進骨細胞的生長，同 時可以由非發泡層牢固地固定承受應力的部分。因此，可以得到骨骼 和植入材料之間能夠在短時間內容易地接合的磷灰石。
另外，由於加工條件確定部30基於亮度檢測部41檢測出的亮 度及時間測量部42測量的時間而確定加工條件，向被加工物進行激 光照射，所以可以進行與被加工物對應的適當的雷射照射及表面改性 處理。
工業實用性
如上述所示，本發明所涉及的雷射加工裝置、骨骼的接合方法、 植入材料、植入材料製造方法以及植入材料製造裝置，適用於骨骼與 植入材料之間的接合。
權利要求
1. 一種骨骼的接合方法，其使骨骼和植入材料接合，其特徵在於，包括接合步驟，在該接合步驟中，向所述骨骼和植入材料之間的接合位置上照射雷射而使所述骨骼和植入材料接合。
2. 根據權利要求1所述的骨骼的接合方法，其特徵在於，在所述接合步驟中，向所述骨骼和植入材料之間的接合位置上 照射雷射，以使得通過所述雷射的照射而熔融的植入材料流入開設在 所述骨骼上的孔中。
3. 根據權利要求l所述的骨骼的接合方法，其特徵在於， 在所述接合步驟中，向所述骨骼和植入材料之間的接合位置上照射雷射，以使得通過所述雷射的照射而膨脹的植入材料填充至開設 在所述骨骼上的孔中。
4. 根據權利要求l所述的骨骼的接合方法，其特徵在於， 在上述接合步驟之前還具有開口步驟，其向所述骨骼或者所述植入材料照射雷射，對所述骨骼或者所述植入材料進行開孔處理，直 至到達所述骨骼和植入材料之間的接合位置，在所述接合步驟中，經由在所述開口步驟中開設的孔，向所述 骨骼和植入材料之間的接合位置上照射雷射。
5. 根據權利要求1所述的骨骼的接合方法，其特徵在於， 在所述接合步驟中，經由預先在所述骨骼或者植入材料上開設的孔，向所述骨骼和植入材料之間的接合位置上照射雷射。
6. 根據權利要求1所述的骨骼的接合方法，其特徵在於， 所述接合步驟包括-加工狀態檢測步驟，其檢測向所述骨骼和植入材料之間的接合 位置上照射雷射而使所述骨骼和植入材料接合時的所述骨骼以及/ 或者植入材料的加工狀態；加工條件確定步驟，其根據檢測出的加工狀態，確定在使所述 骨骼和植入材料接合時的所述骨骼以及/或者植入材料的加工條件； 以及控制步驟，其基於確定出的加工條件，對東使所述骨骼和植入 材料接合時的雷射的照射進行控制。
7. 根據權利要求l所述的骨骼的接合方法，其特徵在於， 所述接合步驟包括貼合步驟，其將在所述骨骼和植入材料之間的接合位置上照射 雷射而使所述骨骼和植入材料接合時的所述骨骼與植入材料貼合；加工條件確定步驟，其根據所述骨骼與植入材料之間的貼合狀 態以及/或者要求強度，確定在使所述骨骼和植入材料接合時的所述 骨骼以及/或者植入材料的加工條件；以及控制步驟，其基於確定出的加工條件，對在使所述骨骼和植入 材料接合時的雷射的照射進行控制。
8. 根據權利要求l所述的骨骼的接合方法，其特徵在於， 所述接合步驟包括.-貼合步驟，其將在所述骨骼和植入材料之間的接合位置上照射 雷射而使所述骨骼和植入材料接合時的所述骨骼與植入材料貼合；加工狀態檢測步驟，其檢測向所述骨骼和植入材料之間的接合 位置上照射雷射而使所述骨骼和植入材料接合時的所述骨骼以及/ 或者植入材料的加工狀態；加工條件確定步驟，其根據所述骨骼與植入材料之間的貼合狀 態、要求強度以及/或者檢測出的加工狀態，確定在使所述骨骼和植 入材料接合時的所述骨骼以及/或者植入材料的加工條件；以及控制步驟，其基於確定出的加工條件，對在使所述骨骼和植入材料接合時的雷射的照射進行控制。
9. 根據權利要求l所述的骨骼的接合方法，其特徵在於， 所述接合步驟包括-插入工序，其將所述植入材料插入至所述骨骼的缺損部中； 熔融工序，其向插入至所述骨骼的缺損部中的植入材料照射所述雷射，使所述植入材料熔融；發泡工序，其利用所述雷射使所述骨骼燃燒，同時在通過所述骨骼燃燒而產生的氣氛中，使熔融的所述植入材料中產生發泡狀態的氣泡；以及凝固工序，其通過停止向所述植入材料照射所述雷射，而在所 述植入材料中生成將所述發泡狀態的氣泡封入並凝固而成的發泡層， 將凝固後的發泡層和所述骨骼接合。
10. 根據權利要求l所述的骨骼的接合方法，其特徵在於，所述植入材料是磷灰石。
11. 一種雷射加工裝置，其在所述骨骼以及/或者植入材料上照 射雷射，進行骨骼以及/或者植入材料的雷射加工，其特徵在於，具有雷射照射部，其在所述骨骼和植入材料之間的接合位置上照射雷射；加工條件確定部，其確定在使所述骨骼和植入材料接合時的所 述骨骼以及/或者植入材料的加工條件；以及控制部，其基於所述加工條件確定部確定出的加工條件，對在 使所述骨骼和植入材料接合時的雷射的照射進行控制。
12. 根據權利要求11所述的雷射加工裝置，其特徵在於， 還具有加工狀態檢測部，其檢測所述雷射照射部向所述接合位置上照射雷射而使所述骨骼和植入材料接合時的所述骨骼以及/或者植入材料的加工狀態，所述加工條件確定部根據所述加工狀態檢測部檢測出的加工狀 態，確定所述骨骼以及/或者植入材料的加工條件。
13. 根據權利要求11所述的雷射加工裝置，其特徵在於， 所述雷射照射部在所述骨骼或者植入材料上照射雷射，進行所述骨骼或者植入材料的開孔處理，同時所述加工狀態檢測部對進行所 述骨骼或者植入材料的開孔處理時的加工狀態進行檢測，並且所述加 工條件確定部確定在進行所述骨骼或者植入材料的開孔處理時的加 工條件，並且所述控制部對在進行所述骨骼或者植入材料的開孔處理 時的雷射的照射進行控制。
14. 根據權利要求11所述的雷射加工裝置，其特徵在於，所述控制部具有能級控制部，其對所述雷射照射部照射的雷射 的能級進行控制。
15 根據權利要求11所述的雷射加工裝置，其特徵在於， 所述控制部具有雷射切換控制部，其對所述雷射照射部照射的 雷射的種類的切換進行控制。
16. 根據權利要求11所述的雷射加工裝置，其特徵在於， 所述控制部具有焦點位置控制部，其對所述雷射照射部照射的雷射的焦點位置進行控制。
17. 根據權利要求11所述的雷射加工裝置，其特徵在於， 所述控制部對所述雷射照射部照射的雷射的光束接通時間進行控制。
18. 根據權利要求ll所述的雷射加工裝置，其特徵在於， 所述加工狀態檢測部具有亮度檢測部，其檢測所述骨骼以及/或者植入材料的亮度，所述加工條件確定部確定與所述亮度檢測部檢測出的亮度對應 的加工條件。
19. 根據權利要求ll所述的雷射加工裝置，其特徵在於， 所述加工狀態檢測部具有時間測量部，其對向所述骨骼以及/或者植入材料照射雷射的雷射照射時間進行測量，所述加工條件確定部確定與所述時間測量部測量出的雷射照射 時間對應的加工條件。
20. —種植入材料，其特徵在於，具有 基部層，其由已成型的緻密基體形成；以及發泡層，其是通過在所述基部層中作為與骨骼之間的接合對象 的接合部上實施規定的表面處理而生成的層，是封入發泡狀態的氣泡 並進行凝固而形成的。
21. 根據權利要求20所述的植入材料，其特徵在於， 所述發泡層，通過從該發泡層進行了所述表面處理的一側，研磨或者磨削所述發泡層的表面，而使所述氣泡的剖面露出。
22. 根據權利要求20所述的植入材料，其特徵在於，所述發泡層是將多種所述氣泡的直徑以及/或者氣泡的密度不 同的層組合而成的。
23. 根據權利要求20所述的植入材料，其特徵在於， 所述基部層是磷灰石，所述發泡層是發泡磷灰石。
24. —種植入材料製造方法，其特徵在於，包含 骨骼燃燒工序，其在骨骼上照射熱源而使所述骨骼燃燒；以及 發泡層生成工序，其在通過所述骨骼燃燒而產生的氣氛中，將所述熱源向已經燒結的植入材料照射而使所述植入材料熔融，在熔融 的植入材料中生成將發泡狀態的氣泡封入並凝固而成的發泡層。
25. 根據權利要求24所述的植入材料製造方法，其特徵在於，在所述發泡層生成工序後還包含氣泡露出工序，其從所述植入 材料受到熱源照射的一側，對所述發泡層的表面進行研磨或者磨削而 使所述氣泡的剖面露出。
26. 根據權利要求24或25所述的植入材料製造方法，其特徵在於，在所述發泡層生成工序中，通過對所述熱源的照射進行控制而 生成由多種層組合而成的發泡層，上述多種層是所述氣泡的直徑以及 /或者氣泡的密度不同，且與所述發泡層所要求的細胞浸潤性或者強 度相應的層。
27. —種植入材料製造方法，其特徵在於，包含 骨骼燃燒工序，其在骨骼上照射熱源而使所述骨骼燃燒；以及 發泡層生成工序，其在通過所述骨骼燃燒而產生的氣氛中使植入材料燒結，同時在所述植入材料中生成將發泡狀態的氣泡封入並凝 固而成的發泡層。
28. —種植入材料製造裝置，其向由已成型的緻密性基體形成的 植入材料照射熱源，而在所述植入材料中生成新加工層，其特徵在於，具有熱源照射部，其在所述植入材料中成為表面改性對象的表面改 性位置上照射熱源；加工條件確定部，其確定在進行所述植入材料的表面改性處理 時的所述植入材料的加工條件；以及控制部，其基於所述加工條件確定部確定出的加工條件，對在 進行所述植入材料的表面改性處理時的熱源的照射進行控制。
29. 根據權利要求28所述的植入材料製造裝置，其特徵在於， 還具有加工狀態檢測部，其檢測所述雷射照射部向所述表面改性位置照射熱源而進行所述植入材料的表面改性時的植入材料的加 工狀態，所述加工條件確定部根據所述加工狀態檢測部檢測出的加工狀 態，確定所述植入材料的加工條件。
30. 根據權利要求28所述的植入材料製造裝置，其特徵在於， 所述控制部具有能級控制部，其對所述雷射照射部照射的熱源的能級進行控制。
31. 根據權利要求28所述的植入材料製造裝置，其特徵在於， 所述控制部具有熱源切換控制部，其對所述雷射照射部照射的熱源的種類的切換進行控制。
32. 根據權利要求28所述的植入材料製造裝置，其特徵在於， 所述控制部具有焦點位置控制部，其對所述熱源照射部照射的熱源的焦點位置進行控制。
33. 根據權利要求28所述的植入材料製造裝置，其特徵在於， 所述控制部對所述熱源照射部照射的熱源的照射接通時間進行控制。
34. 根據權利要求28所述的植入材料製造裝置，其特徵在於， 所述加工狀態檢測部具有亮度檢測部，其檢測所述植入材料的亮度，所述加工條件確定部確定與所述亮度檢測部檢測出的亮度對應 的加工條件。
35. 根據權利要求28所述的植入材料製造裝置，其特徵在於， 所述加工狀態檢測部具有時間測量部，其對向植入材料照射熱源的熱源照射時間進行測量，所述加工條件確定部確定與所述時間測量部測量出的熱源照射 時間對應的加工條件。
36. 根據權利要求28所述的植入材料製造裝置，其特徵在於， 所述植入材料是磷灰石。
37. 根據權利要求28所述的植入材料製造裝置，其特徵在於， 所述熱源是雷射、等離子弧、電子束中的至少l種。
全文摘要
本發明提供一種使骨骼和植入材料接合的骨骼的接合方法，用於使骨骼和植入材料之間在短時間內容易地進行接合，該骨骼的接合方法包括開口步驟，其將雷射照射在骨骼(51)或者植入材料(52)上，對骨骼(51)或者植入材料(52)進行開孔處理，直至到達骨骼(51)與植入材料(52)之間的接合位置；以及接合步驟，其經由在開口步驟中開設的孔，將雷射照射在骨骼(51)與植入材料(52)之間的接合位置上，使骨骼(51)和植入材料(52)接合。
文檔編號A61C13/00GK101505689SQ20078003099
公開日2009年8月12日 申請日期2007年8月21日 優先權日2006年8月22日
發明者東藤正浩, 但野茂, 村井融, 荻田平, 金岡優 申請人:三菱電機株式會社;國立大學法人北海道大學