專利名稱：激光加工裝置、骨骼的接合方法、植入材料、植入材料制造方法以及植入材料制造裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種使骨骼和植入材料接合的激光加工裝置、骨骼 的接合方法、植入材料、植入材料制造方法以及植入材料制造裝置。
背景技術(shù)：
近年來，不斷針對骨骼(骨骼組織)與作為生物材料的陶瓷或 復合材料等植入材料接合的技術(shù)(外科手術(shù)用裝置等)進行開發(fā)。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(guān)系產(chǎn)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(xù)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(tài)完成結(jié)合。在現(xiàn)有技術(shù)中，利用 堅固且重量較大的固定用夾具對該結(jié)合位置進行固定，以使上述相互 位置關(guān)系不會產(chǎn)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。并且，由于為了增加植入材料與骨骼接合的強度，使用鈦等金 屬制結(jié)合螺栓，并在使植入材料與骨骼完全結(jié)合后撤去螺栓，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(nèi)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 對于骨骼的位置穩(wěn)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(nèi)結(jié)合。例如，在由固定在患者的大腿骨 內(nèi)的大腿骨副集合體及安置在患者的胯臼內(nèi)的胯臼副集合體構(gòu)成的 人工臀部中，大腿骨副集合體包括例如設(shè)置有紋理加工表面的人工骨 干，胯臼副集合體包括例如設(shè)置有紋理加工表面的人工關(guān)節(jié)窩。上述紋理加工表面是為了促進骨骼生長而設(shè)置的，但在骨骼和植入材料結(jié)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，直至完全愈合的固定(接合)為止需要數(shù)月的 時間。例如，在專利文獻1的激光加工方法中，提供使植入材料和骨 骼之間容易進行"刮擦嵌合"的包含內(nèi)凹部(undercut)及相互結(jié)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(wěn)定。另外，在專利文獻2的激光加工方法中，產(chǎn)生具有可以被氫氧 化磷灰石較強地吸收的波長的激光，切斷牙齒組織。另外，在專利文 獻3的激光加工方法中，產(chǎn)生具有可以被羥基磷灰石較強地吸收的波 長的激光，切除包括牙齒的琺瑯質(zhì)、牙質(zhì)及骨骼在內(nèi)的無機質(zhì)化生理 組織。另外，在專利文獻4記載的激光加工方法中，利用具有與牙齒 的琺瑯質(zhì)及牙質(zhì)對應的2.0至3.(Him的波長的激光，去除牙齒的琺瑯 質(zhì)或牙質(zhì)。另外，在專利文獻5記載的激光加工方法中，使用具有 9.6pm的發(fā)射波長的激光，對骨物質(zhì)、牙齒的硬物質(zhì)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，使植入材料相對于骨骼的位置穩(wěn)定 化的技術(shù)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(yōu)異的特性，與其相關(guān)的技術(shù)的研究正在積極地進行。在現(xiàn)有的與多孔型生物材料相關(guān)的研究中，存在無法保持陶瓷 原有剛性的與海綿狀構(gòu)造體相關(guān)的研究，以及制造工序復雜且品質(zhì)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(guān)的研究，以及僅在陶瓷的表面生成凹 凸、并未涉及內(nèi)側(cè)構(gòu)造的研究。另外，在現(xiàn)有的激光加工方法中，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(guān)的研究。例如，在專利文獻6中公開了將碳酸磷灰石設(shè)定為呈海綿狀的 多孔質(zhì)或超多孔質(zhì)，使其與骨膠原復合化的技術(shù)。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(shù)。另外，在專利文獻8、 9中公開了在骨骼填補材料的設(shè)計中，使基材整體具有多孔性的技術(shù)。另外，在專利文獻10中公開了在由單獨的工序生成致密基體和 多孔質(zhì)基體后，將它們在接觸的狀態(tài)下進行干燥并燒結(jié)的技術(shù)。另外， 在專利文獻11中公開了將磷灰石粉末混合并分散在玻璃層中，燒結(jié) 后利用蝕刻使空孔露出的技術(shù)。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(shù)。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(fā)明內(nèi)容但是，在上述第1個現(xiàn)有技術(shù)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(nèi)容易地進行固定(接合)的問 題。另外，在上述第2個現(xiàn)有技術(shù)中，由于產(chǎn)生具有被氫氧化磷灰 石較強地吸收的波長的激光而切斷牙齒組織，所以存在無法容易地在 短時間內(nèi)對其他物質(zhì)進行切斷或接合的問題。另外，在上述第3及第4個現(xiàn)有技術(shù)中，可以切斷并去除無機 質(zhì)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(xiàn)有技術(shù)中存在如下問題，在對骨物質(zhì)等 進行去除加工后，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(nèi)容易地進行接合。
另外，在上述第1個現(xiàn)有技術(shù)中，由于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(nèi) 部。因此，存在無法使植入材料和骨骼之間在短時間內(nèi)進行牢固的接 合的問題。
另外，上述第5個現(xiàn)有技術(shù)與硬物質(zhì)以及動脈硬化性沉著的去
除加工相關(guān)，基本不會產(chǎn)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(nèi)牢固地進行接合的問題。
另外，在上述第6 第9個現(xiàn)有技術(shù)中，指出了細胞浸潤性優(yōu)異 的磷灰石的構(gòu)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(gòu)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，在用于施加較強應力 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，存在上述生物部件制造 工序復雜，品質(zhì)管理困難的問題。
另外，在上述第10 第12個現(xiàn)有技術(shù)中，由于通過單獨的工序 制造表面改性部分的材料和基材，同時在上述制造工序之外，需要使 表面改性部分的材料與基材接合的工序，因此存在工序變得復雜的問 題。因此，存在品質(zhì)管理復雜，完成品的尺寸精度惡化的問題。
本發(fā)明就是鑒于上述情況而提出的，其目的在于獲得一種使骨 骼和植入材料之間在短時間內(nèi)容易地接合的激光加工裝置以及骨骼 的接合方法。
另外，其目的在于獲得一種可以使骨骼和植入材料之間在短時 間內(nèi)容易地進行接合的植入材料、植入材料制造方法、骨骼的接合方 法以及植入材料制造裝置。
為了解決上述課題，實現(xiàn)目的，本發(fā)明提供一種使骨骼和植入 材料接合的骨骼的接合方法，其特征在于，包括接合步驟，在該步驟 中，將激光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(fā)明的效果
根據(jù)本發(fā)明，由于將激光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(nèi)容易地進行接合的效果。


圖1是表示實施方式所涉及的激光加工裝置的結(jié)構(gòu)的框圖。
圖2是表示將激光照射在骨骼上而實施開孔的情況下的處理結(jié) 果的圖。
圖3是表示將激光照射在植入材料上，使其熔融的情況下的處 理結(jié)果的圖。
圖4是用于說明向骨骼與植入材料的邊界部分進行激光照射的 情況下的接合處理的圖。
圖5是用于說明從下部為植入材料、上部為骨骼的被加工物的 上部進行激光照射的情況下的接合處理的圖。
圖6是用于說明從下部為骨骼、上部為植入材料的被加工物的 上部進行激光照射的情況下的接合處理的圖。
圖7是用于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后的情況下的圖像的圖。
圖9是表示本發(fā)明的實施方式2所涉及的磷灰石的構(gòu)造的圖。 圖IO是表示發(fā)泡層的構(gòu)成成分的分析結(jié)果的一個例子的圖。 圖ll是用于說明向骨骼的缺損部填充植入材料而制造磷灰石的 步驟的圖。
圖12是表示通過圖11所示的步驟制造的磷灰石的圖像的圖。 圖13是用于說明將骨骼配置在植入材料的上表面而制造磷灰石 的步驟的圖。
圖14是表示用于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激光加工裝置
10激光照射部
21能級控制部
22激光切換控制部
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(fā)泡層
101磷灰石
150邊界部
200基材
具體實施例方式
下面，根據(jù)附圖詳細說明本發(fā)明所涉及的激光加工裝置、骨骼 的接合方法、植入材料、植入材料制造方法以及植入材料制造裝置的 實施方式。此外，本發(fā)明不限定于本實施方式。
實施方式1
圖1是表示本發(fā)明的實施方式所涉及的激光加工裝置的結(jié)構(gòu)的 框圖。激光加工裝置1具有激光照射部10、能級控制部21、激光切 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，這里的能級控制部21、激光切換控制部22、焦點位置控 制部23相當于權(quán)利要求書中記載的控制部，這里的亮度檢測部41、 時間測量部42相當于權(quán)利要求書中記載的加工狀態(tài)檢測部。另外，由于與作業(yè)人員的熟練度對應，亮度檢測可以通過熟練的作業(yè)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。
激光加工裝置1用于在植入材料(人工骨骼或人工牙根)和骨 骼(牙齒)的接合工序(結(jié)合工序)中，基于規(guī)定的控制將激光照射 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 后，牢固地保持植入材料與骨骼的接合位置關(guān)系。這里的激光加工裝 置1，將激光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。
激光照射部IO將激光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、激光切換控制部22、焦點位置控制部 23連接，基于能級控制部21、激光切換控制部22、焦點位置控制部 23的控制，以規(guī)定的加工條件對植入材料及骨骼進行激光照射。
激光切換控制部22基于來自加工條件確定部30的指示，對激 光照射部10向被加工物照射的激光的種類進行切換。激光切換控制 部22從例如C02激光、YAG (Yttrium Aluminium Garnet)激光、CO 激光、UV (Ultra Violet rays) — YAG激光、綠光激光、準分子激光 等中選擇1種激光，切換由激光照射部10向被加工物照射的激光的 種類。
焦點位置控制部23基于來自加工條件確定部30的指示，對激 光照射部10向被加工物照射的激光的焦點位置進行控制。能級控制 部21基于來自加工條件確定部30的指示，對激光照射部10向被加 工物照射的激光的能級進行控制。
加工條件確定部30向能級控制部21、激光切換控制部22、焦 點位置控制部23發(fā)送指示，從而以規(guī)定的加工條件向植入材料及骨 骼進行激光照射。加工條件確定部30將與向被加工物照射的激光的 能級相關(guān)的指示發(fā)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(guān)的指示發(fā)送至激光切換控制部22，將與向被加工物上 照射的激光的焦點位置相關(guān)的指示發(fā)送至焦點位置控制部23。
加工條件確定部30基于從亮度檢測部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(從開始進行激光加工算起的時間等)，確定向植入材料及骨骼進行激光照射時的加工條 件，基于所確定的加工條件，將指示發(fā)送至能級控制部21、激光切
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(tài)而檢測被加工物的亮度 (被加工物的激光照射部位的亮度)，并發(fā)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(tài)而對經(jīng)過時間進行測量，并 將測量中的經(jīng)過時間發(fā)送至加工條件確定部30，上述經(jīng)過時間包括 開始進行激光加工后的經(jīng)過時間、開始植入材料的開孔后的經(jīng)過時 間、開始骨骼的開孔后的經(jīng)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(jié)合部分)照射激一光的情況下的經(jīng)過時 間等。
此外，對于這里的植入材料，使用例如鈦或不銹鋼等金屬、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，說明激光加工裝置1的具體的激光加工處理。激光加工 裝置1的激光照射部10，例如使用聚光至直徑小于或等于大約 0.3mm、能量密度大于或等于1(^W/cn^的高能量密度的激光。由此， 可以縮小激光的加工區(qū)域(成為局部)，且可以在短時間內(nèi)對被加工 物進行開孔加工或熔融加工。另外，激光加工裝置1可以通過由加工 條件確定部30選擇(確定)加工條件(激光的輸出條件)，對使被 加工物熔融的時間(熔融時間)、被加工物的熔融范圍進行控制。另 外，激光加工裝置1通過由加工條件確定部30選擇加工條件，可以 廣泛地用于對金屬、樹脂、陶瓷等被加工物進行開孔處理或熔融處理。
下面，作為激光加工裝置1的具體的激光加工處理，對被加工 物的開孔處理進行說明。圖2是表示將激光照射在骨骼上而實施開孔 的情況下的處理結(jié)果的圖。在這里，示出了將C02激光(激光的輸 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，對應于各個焦點位置Z，示出了在將照射的激光的光束接 通(進行照射)的時間設(shè)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(將孔直徑放大后的結(jié)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，骨骼表面上的激光
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，通過激光加工而實現(xiàn)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。
在這里，無論在哪種加工條件(焦點位置為0 10mm，光束接通時間(激光照射時間)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的范圍內(nèi)而進行加工(控制)，將孔周圍產(chǎn)生的熱影響限制在大約0.1 0.3mm的非常小的區(qū)域范圍內(nèi)。
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(shè)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，利用激光進行的孔加工，隨著加工從被加工物的表面?zhèn)认騼?nèi)部發(fā)展，激光能量在加工中消耗而衰減，因此越靠內(nèi)部孔直徑越小。另外，即使在使用波長為C02激光的波長的10分之1、即1.06pm的YAG激光進行開孔加工的情況下，也可以與C02激光相同地，進行熱影響較小的開孔加工。
另外，在開孔加工中，如果使用激光的波長處于紫外線區(qū)域的UV — YAG激光或準分子激光、處于可見光區(qū)域的綠光激光，則由于紫外線光或可見光導致電子激勵的結(jié)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激光的<:02激光或YAG激光更小。另外，如果使用UV—YAG激光、準分子激光、綠光激光，對骨骼及植入材料實施開孔加工，則與作為紅外激光的C02、 YAG激光相比，可以進行更微小的開孔加工。S卩，無論所使用的激光的種類(作為紅外激光的C02激光及YAG激光，作為紫外激光的UV — YAG激光、準分子激光，以及綠光激光)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激光、YAG激光、準分子激光、UV一YAG激光等任意一種激光，接合處理適用C02激光及YAG激光等具有紅外波長的激光。
此外，可以利用激光加工裝置1通過激光進行這兩種加工，以連續(xù)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，利用該孔來照射用于進行接合的激光，以減少開孔的熱影響。
下面，說明由來自激光加工裝置1的激光進行的植入材料的接合處理。圖3是表示將激光照射在植入材料上而使其熔融的情況下的處理結(jié)果的圖。在這里，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(huán)下觀察的磷灰石的熔融狀態(tài)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(jīng)熔融的區(qū)域。在激光所照射的中央部，產(chǎn)生溫度上升使被加工物從熔融直接變?yōu)檎舭l(fā)，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(fā)的熱循環(huán)，形成從熔融至凝固的變化形態(tài)。因此，在植入材料(磷灰石)的熔融處理中，通過變更激光的照射條件，可以實現(xiàn)熔融部的擴大。
在這里，示出了下述情況下的熔融部的狀態(tài)，g卩，使用波長為1.06pm的YAG激光，統(tǒng)一將激光照射的輸出設(shè)定為250W，焦點位置Z設(shè)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，這里的磷灰石的主要成分是磷酸鈣，熔料(frit)為堇青石。
如果延長激光照射時間，則激光照射部的熔融區(qū)域從1.7mm擴大至2.3mm。此外，在這里未圖示，但是通過改變焦點位置，可以使熔融區(qū)域增大。另外，可以通過改變激光輸出而使熔融深度增大。
通常，由于在陶瓷的通過局部加熱而進行的熔融中，會由于被加工物的膨脹和收縮導致產(chǎn)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(shù)的現(xiàn)場，無論從空間角度還是從對生體產(chǎn)生不良影響的角度出發(fā)，都難以采用這種加工方法。通過本實施方式的激光加工裝置1 (激光照射部10)進行的激光加工，在外科手術(shù)時可以利用狹小的空間實現(xiàn)陶瓷的熔融，而不會產(chǎn)生裂縫，不會對生物體產(chǎn)生不良影響。換言之，利用來自激光加工裝置l (激光照射部10)的激光進行的加熱具有如下特點，S卩，根據(jù)由加工條件確定部30產(chǎn)生的加工條件的指示(由能級控制部21、激光切換控制部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(qū)域處于在空間及時間上可抑制裂縫產(chǎn)生的范圍內(nèi)而完成加工，所以作為外科手術(shù)方法也是有效的。
另外，由于將激光照射的時間設(shè)定得越長，熔融區(qū)域就越擴大，所以與接合強度對應而變更激光照射的時間。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將激光照射時間設(shè)定地較長，在不需要接合具有較高的強度的情況下，將激光照射時間設(shè)定地較短。加工條件確定部30也可以基于來自用戶的指示(來自輸入單元的指令)，對激光照射時間進行設(shè)定，也可以基于亮度檢測部41檢測的亮度，對激光照射時間進行設(shè)定。
另外，激光加工裝置1也可以通過焦點位置的調(diào)整或聚光光學部件的選擇而擴大熔融區(qū)域。因此，加工條件確定部30作為加工條件而選擇與熔融區(qū)域?qū)慕裹c位置，向焦點位置控制部23發(fā)出指示。另外，也可以使激光加工裝置1構(gòu)成為能夠針對每次激光加工來選擇與熔融區(qū)域?qū)木酃夤鈱W部件。例如，激光加工裝置1構(gòu)成為基于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，也可以由激光加工裝置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(xiàn)有害的附加效果的能級進行開孔的方式確定加工條件，并將指示發(fā)送至能級控制部21。
下面，說明通過激光加工裝置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激光照射的情況下的接合處理。
圖4是用于說明向骨骼與植入材料的邊界部分進行激光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，激光使用波長為10.6nm的C02激光，以激光輸出為250W、激光照射時間為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。
將激光的照射位置設(shè)在骨骼51與植入材料52的邊界部，如果激光加工裝置1將激光照射在被加工物上，則瞬間在骨骼51上開孔，植入材料52熔融。如果激光加工裝置1繼續(xù)進行激光照射，隨后，植入材料52的熔融物則進入骨骼51的孔部。然后，熔融的植入材料52凝固后，骨骼51和植入材料52的接合完成。如上述所示，激光加工裝置1利用了骨骼51和植入材料52的沸點差。g卩，由于骨骼51的沸點比植入材料52低，所以通過來自激光加工裝置1的激光照射而開孔，而植入材料52僅進行熔融，不會開孔。然后，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(cè)，骨骼51和植入材料52進行接合。
在將激光的照射位置設(shè)為骨骼51與植入材料52的邊界部并使被加工物接合時，激光加工裝置1的亮度檢測部41，對激光的照射位置(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(fā)送至加工條件確定部30。
加工條件確定部30基于亮度檢測部41檢測出的亮度，選擇(確定)與激光的照射位置對應的激光、能級、焦點位置。這時，加工條件確定部30也可以使用預先設(shè)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(qū)域、期望的接合強度等)，選擇激光、能級、焦點位置。
加工條件確定部30基于時間測量部42測量的激光的照射時間及亮度檢測部41檢測的亮度，以規(guī)定時間向被加工物進行激光照射，
完成骨骼51和植入材料52的接合。
如上述所示，由于在骨骼51和植入材料52的接合中使用激光，所以可以瞬間得到良好(牢固)的接合部。另外，由于加工條件確定部30基于亮度檢測部41檢測出的亮度及時間測量部42測量的時間，
確定加工條件并進行激光照射，所以可以進行與被加工物對應的適當?shù)募す庹丈?，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?shù)慕雍稀?br> 另外，通過激光加工裝置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，對于各種生物體部位都可以通過激光進行接合處理。
此外，在這里，在植入材料52中使用了磷酸鈣，但也可以使用磷酸轉(zhuǎn)之外的陶瓷。另外，在激光加工裝置1使用YAG激光的情況下，由于YAG激光可以進行光纖傳輸，所以可以比C02激光更容易地應用于醫(yī)療現(xiàn)場。另外，在向骨骼與植入材料的邊界部分進行激光照射的情況下，在激光加工裝置l使用YAG激光的情況下，可以與
C02激光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的接合面進行激光照射(向接縫進行激光照射)的情況下的接合處理。在這里，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(cè))進行激光照射，使骨骼51和植入材料52接合的情況進行說明，然后，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(cè))進行激光照射，使骨骼51和植入材料52接合的情況進行說明。
圖5是用于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激光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。激光加工裝置1，首先作為第l步驟，將激光照射在骨骼51上而執(zhí)行骨骼51的開孔(圖5的中央所示的狀態(tài))。然后，作為第2步驟，將激光經(jīng)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(cè)所示的狀態(tài))。
激光加工裝置1的加工條件確定部30基于亮度檢測部41檢測出的亮度、時間測量部42測量出的時間、預先設(shè)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也可以基于骨骼51和植入材料52之間的貼合狀態(tài)、要求強度(骨骼51和植入材料52之間的接合(加工后))中要求的強度，確定被加工物的加工條件。激光加工裝置1在以對骨骼51開孔為目的的第1步驟中，例如以激光輸出為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的激光加工。
如果由激光加工裝置l對骨骼51的開孔完成，則亮度檢測部41檢測的亮度發(fā)生變化。由此，激光加工裝置1在以將激光照射至骨骼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，例如以激光輸出為500W、焦點位置為上方30mm、照射時間為l.O秒的加工條件進行激光加工。
此外，激光加工裝置1也可以基于時間測量部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(shè)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。
如果在激光加工裝置1實施第1步驟的激光加工處理后觀察骨骼51 (牛骨骼)，則例如激光照射側(cè)的孔直徑(圓柱的上表面)為2.6mm，激光照射側(cè)的相反側(cè)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，如果在激光加工裝置1實施第2步驟的激光加工處理后確認被加工物(加工試樣)，則可以發(fā)現(xiàn)例如骨骼51和植入材料52已經(jīng)良好且牢固地接合。這是因為，如果從骨骼51側(cè)照射激光，則使骨骼成分混合在植入材料52的熔融部中，其結(jié)果，混合部發(fā)生膨脹，膨脹并填充至骨骼的孔部中。即，激光加工裝置1向被加工物進行激光照射，使得膨脹的植入材料52填充至開設(shè)于骨骼51上的孔部 中。由此，通過激光加工裝置1的激光加工，植入材料52的熔融物 膨脹并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 行激光照射的情況下，在激光加工裝置1使用YAG激光的情況下，
可以與C02激光相同地得到良好的接合部。
圖6是用于說明從下部為骨骼、上部為植入材料的被加工物的 上部進行激光照射的情況下的接合處理的圖。在這里，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。激光加工裝置1使用例 如波長為10.6|tim的C02激光，進行激光加工。
在將植入材料52作為激光照射側(cè)的情況下，經(jīng)過與圖5中說明 的現(xiàn)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為激光照射側(cè)的情況下，首先利用激光對植入材料52實施開 孔(第l步驟)。然后，利用激光使植入材料52的孔壁面熔融(第 2步驟)。然后，如果繼續(xù)進行激光照射，則通過激光在骨骼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，如果由激光加工裝置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(fā)生變化。由此，激光加工裝置l在以 將激光照射至植入材料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(guī)定的加工條件進行激光 加工。另外，如果通過激光加工裝置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(fā)生變化。由此，激光加工裝置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(guī) 定的加工條件進行激光加工。
此外，與圖5中說明的接合處理相同地，激光加工裝置1也可 以基于時間測量部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(shè)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
行激光照射的情況下，在激光加工裝置1使用YAG激光的情況下，
可以與C02激光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(cè)進行激光照射的情況下的接合處理。在這里，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是用于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(cè))進行激光照射，使骨骼51和植入材料52接合時， 激光加工裝置1使用例如波長為10.6|im的C02激光進行激光加工。 在這里，為了實現(xiàn)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)。
激光加工裝置1以例如激光輸出為500W、焦點位置為上方 20mm、照射角度(相對于植入材料52的上表面的照射角度)為45 度、激光照射時間為l.O秒的加工條件進行激光加工。在這里，例如 將從骨骼51與植入材料52的邊界向骨骼51側(cè)偏移0.3mm的位置作 為加工位置，由激光加工裝置1進行激光照射。
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，首先利用激光在骨骼51上實施開孔(第l步驟)，借助激光而 熔融的植入材料52向骨骼的孔部方向膨脹并進行接合(第2步驟)。 如上述所示，在圖7所示的接合處理中，由于激光加工裝置l在骨骼 51和植入材料52的接合中使用激光，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(cè)進行激光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后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 于激光加工裝置1在骨骼51和植入材料52的接合中使用激光，所以 可以瞬間得到良好的接合部。即，根據(jù)激光加工裝置l，無論骨骼51 的厚度如何，都可以利用激光使骨骼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，在激光加工裝置1使用YAG激光的情況下，可以與C02 激光相同地得到良好的接合部。
此外，激光加工裝置1可以使用任意的激光振蕩器或聚光光學 部件。例如在開孔的工序中，激光加工裝置1可以通過使用能夠得到 高能量密度的激光振蕩器或聚光光學部件而得到微小的孔。
另外，對于激光加工裝置1，可以通過使用高能量密度的激光振 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，如果進行激光加工而沒有進行 亮度的監(jiān)測，則可能向骨骼51及植入材料52施加開孔或接合所需的 輸入熱量以上的激光能量。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(fā)生飛散，無法良好地進行接合。另一方 面，由于本實施方式的激光加工裝置1在使亮度檢測部41進行亮度 檢測(監(jiān)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，由于植入材料 52不耐熱沖擊，所以如果輸入熱量變大，則可能使植入材料52產(chǎn)生 裂縫。本實施方式的激光加工裝置1，即使在使用磷灰石作為植入材 料52的情況下，由于利用亮度檢測部41對亮度進行檢測而確定加工 條件，所以可以穩(wěn)定地得到良好的接合部。
此外，在本實施方式中，激光加工裝置1形成為具有亮度檢測 部41及時間測量部42的結(jié)構(gòu)，但激光加工裝置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(jié)構(gòu)。在此情況下，激光加工裝 置1的使用者通過目測對被加工物的加工狀態(tài)進行檢測，加工條件確定部30基于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(tài)的
檢測，而確定被加工物的加工條件。
另外，對于激光加工裝置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，但激光加工裝置1可以對 包括人骨骼在內(nèi)的任何動物的骨骼進行激光加工。另外，也可以將在 本實施方式中說明的激光加工裝置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，對于激光加工裝置1，骨骼51與植入材料52的接合可以 在動物的體內(nèi)進行，也可以將骨骼51從動物體內(nèi)取出而在動物的體 外進行。在將骨骼51從動物體內(nèi)取出后，使骨骼51和植入材料52 接合的情況下，根據(jù)需要而將接合后的骨骼51和植入材料52放回動 物的體內(nèi)。
根據(jù)上述的實施方式1，由于在進行骨骼和植入材料的接合時， 照射C02激光或YAG激光等激光，所以可以使骨骼和植入材料之間 在短時間內(nèi)容易地接合。
另外，由于加工條件確定部30基于亮度檢測部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?shù)募す庹丈湟约敖雍?處理。
另外，由于加工條件確定部30，作為加工條件而確定激光的能 級、激光的種類、焦點位置、激光的照射時間等，基于確定出的加工 條件向被加工物進行激光照射，所以可以在每次被加工物的開孔處理 或接合處理中穩(wěn)定地進行適當?shù)拈_孔處理和接合處理。
另外，由于激光加工裝置1可以使骨骼和植入材料之間在短時 間內(nèi)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(jié)合的過程中彼此的位置關(guān)系發(fā)生錯位，可以 在短期間內(nèi)容易地進行治療。另外，不需要現(xiàn)有技術(shù)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(fā)明的實施方式2。在實 施方式2中，向?qū)⒎前l(fā)泡層作為基材的植入材料52照射激光，在非 發(fā)泡層的表面層上形成發(fā)泡層(將非發(fā)泡層改性而形成的新的加工 層)。然后，通過形成該發(fā)泡層，制造由發(fā)泡層和非發(fā)泡層構(gòu)成的雙 層構(gòu)造的植入材料。
當前，在制造發(fā)泡陶瓷時，需要添加在使發(fā)泡性原料的陶瓷熔 融的過程中，在陶瓷中產(chǎn)生氣體的成分(氣體產(chǎn)生成分)。作為氣體 產(chǎn)生成分，例如使用碳化硅、氮化硅等。對于碳化硅，例如使用粒徑 小于或等于10pm的細粉末。
作為這種發(fā)泡陶瓷的制造步驟，首先通過將發(fā)泡性原料以及非 發(fā)泡性原料的各自的構(gòu)成成分以規(guī)定的比例混合而進行調(diào)整。然后， 通過噴霧干燥器等，對獲得的發(fā)泡性原料以及非發(fā)泡性原料進行造粒 而形成粒狀物。然后，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，成型并進行燒結(jié)。這時的燒結(jié)溫度選擇使氣體產(chǎn) 生成分發(fā)生分解而產(chǎn)生氣體的溫度，并且選定能夠形成良好的氣泡 (氣泡壁面)的溫度范圍。由此，例如在氣體產(chǎn)生成分為碳化硅的情 況下，通過燒結(jié)使碳化硅分解而產(chǎn)生氣體(一氧化碳)，利用該氣體 在燒結(jié)層形成氣泡。
在本實施方式中，將激光等照射在骨骼上而使骨骼燃燒，在通 過骨骼的燃燒而產(chǎn)生的氣氛中使植入材料燒結(jié)。由此，在植入材料中 生成將發(fā)泡狀態(tài)的氣泡封入并凝固而成的發(fā)泡層。
此外，如果混合物(發(fā)泡性原料以及非發(fā)泡性原料的粒狀物) 的燒結(jié)溫度比IOO(TC低，則因坯料不具備充分的粘性而無法產(chǎn)生氣 泡。另一方面，如果混合物的燒結(jié)溫度比130(TC高，則由于燒結(jié)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(jié)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(fā)泡陶瓷相同的性質(zhì)(功能)的磷灰石進行說明。在這里， 首先說明實施方式2所涉及的磷灰石的構(gòu)造，然后，說明該磷灰石的 制造裝置和制造方法。
圖9是表示本發(fā)明的實施方式2所涉及的磷灰石的構(gòu)造的圖。
圖9所示的磷灰石101具有雙層構(gòu)造，在非發(fā)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(fā)泡層。
通過表面處理而形成的混有氣泡的發(fā)泡層100，形成在基材200 (作為非發(fā)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(fā)泡層100的氣泡直徑為例如10 50(Vm，用于在發(fā)泡層100與骨骼接合時促進骨細胞向發(fā)泡層100生 長。
發(fā)泡層100與作為非發(fā)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(tài)彼此咬入的構(gòu)造，形成 牢固的接合?；?00為致密的構(gòu)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(chǎn) 生成分而配置于基材200的表層部(上面部及側(cè)面部等基材200的加 工部附近)。然后，在利用激光等使骨骼燃燒后，通過在含有該燃燒 氣體成分的氣氛中使基材200 (已成型的致密性基體)熔融，而將骨 骼成分混入發(fā)泡層100。
圖IO是表示發(fā)泡層的構(gòu)成成分的分析結(jié)果的一個例子的圖。圖 10中示出針對發(fā)泡層100的構(gòu)成成分(Vol%)實施分析的結(jié)果的一 個例子。這里的發(fā)泡層100,作為構(gòu)成成分含有Ca (鈣)、C (碳)、 0 (氧)、P (磷)、Mg (鎂)、Al (鋁)、Si (硅)。Ca、 C、 0 接近骨骼的成分濃度，P略少于骨骼的成分濃度。P的減少可以認為 是由于通過使基材200熔融時的高能量而使P升華。
在骨骼燃燒和基材200熔融后，通過磨削或者研磨發(fā)泡層100 的表面(與骨骼之間的接合面)，磨削位于發(fā)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(fā)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，由于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(fā)揮作用而使骨骼 和磷灰石101在短時間內(nèi)結(jié)合。另外，由于在發(fā)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(nèi)結(jié)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，也可以得到與利用激光使骨骼燃燒并使基材200熔融的情況相 同的效果。在此情況下，從激光照射部(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，激光切換控 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(diào)整，可以調(diào)整 發(fā)泡層100內(nèi)的氣泡的數(shù)量及直徑。因此，通過與磷灰石101的用途 相應地調(diào)整加工條件，可以得到具有期望性質(zhì)的磷灰石101。例如， 通過對施加在骨骼及基材200上的激光、電子束、等離子弧等熱源能 量(加工條件)進行適當調(diào)整，可以得到所要求品質(zhì)的磷灰石101。 下面，將激光加工裝置作為磷灰石101的制造裝置的一個例子，說明 磷灰石101的制造處理。在這里，在說明激光加工裝置的結(jié)構(gòu)后，說 明磷灰石101的制造步驟。
本發(fā)明的實施方式2所涉及的激光加工裝置的結(jié)構(gòu)，與實施方 式1的圖1所示的激光加工裝置1相同。在這里，對于與實施方式1 的激光加工裝置2實現(xiàn)相同功能的構(gòu)成要素，省略其說明，對于與實 施方式1的激光加工裝置1不同的功能進行說明。此外，由于亮度檢 測可以根據(jù)作業(yè)人員的熟練度，通過熟練的作業(yè)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。
這里的激光加工裝置1將激光照射在植入材料52 (磷灰石)等 基材200上，使植入材料52等上形成發(fā)泡層100，制造磷灰石101 等新的植入材料。激光加工裝置1根據(jù)需要而將激光照射在骨骼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(tài)而對被
加工物的亮度進行檢測，發(fā)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(tài)而對開始激光加工后的經(jīng)過時間(開始向植 入材料52進行激光照射后的經(jīng)過時間)等進行測量，將測量中的經(jīng) 過時間發(fā)送至加工條件確定部30。
下面，說明通過激光加工裝置1進行的激光加工處理。激光加 工裝置1的激光照射部10，例如使用聚光至直徑小于或等于大約 0.3mm、能量密度大于或等于10Sw/ci^的高能量密度的激光。由此， 可以縮小激光的加工區(qū)域(成為局部)，且可以在短時間內(nèi)對被加工 物進行開孔加工或熔融加工。另外，激光加工裝置1可以通過由加工 條件確定部30選擇(確定)加工條件(激光的輸出條件)，對使被 加工物熔融的時間(熔融時間)、被加工物的熔融范圍進行控制。另 外，激光加工裝置1通過由加工條件確定部30選擇加工條件，可以 廣泛地用于對金屬、樹脂、陶瓷等被加工物進行開孔處理或熔融處理。
下面，說明激光加工裝置1的磷灰石101的制造方法。圖11是 用于說明向骨骼的缺損部填充植入材料而制造磷灰石的步驟的圖。首 先，將作為非發(fā)泡層的磷灰石(作為基材200的植入材料52)插入 處于初始缺損狀態(tài)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。
然后，將激光照射在磷灰石(植入材料52)上，在植入材料52 的上部(表面層)生成發(fā)泡磷灰石。然后，通過利用生成的發(fā)泡磷灰 石(發(fā)泡層IOO)填充骨骼51的缺損部而制造磷灰石101。
在將激光照射在植入材料52上時，激光加工裝置1的亮度檢測 部41對激光的照射位置(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(fā)送至加工條件確定部30。
加工條件確定部30基于亮度檢測部41檢測出的亮度，選擇與 植入材料52及骨骼51的種類(材質(zhì)、大小等)對應的激光、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(shè)定的加工條件，選 擇激光、能級、焦點位置等。另外，加工條件確定部30也可以基于骨骼51和發(fā)泡層100之間的貼合狀態(tài)及要求強度，確定被加工物的 加工條件。
另外，在將激光照射在植入材料52上時，激光照射的時間設(shè)定 得越長，植入材料52的熔融區(qū)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)對應而變更激光照射的 時間。另外，加工條件確定部30也可以基于來自用戶的指示而設(shè)定 激光照射時間。
激光加工裝置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基于時間測量部42測量 的激光照射時間及亮度檢測部41檢測的亮度，以規(guī)定時間向被加工 物(植入材料52)進行激光照射，由此激光加工裝置1完成磷灰石 101的制造。
如上述所示，由于加工條件確定部30基于亮度檢測部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，進行激光照 射，所以可以進行與被加工物對應的適當?shù)募す庹丈?，可以與被加工 物(骨骼51和植入材料52)相應，適當?shù)剡M行磷灰石101的制造。 此外，由于如果植入材料52熔融而形成發(fā)泡層100，則亮度檢測部 41檢測的亮度發(fā)生變化，所以也可以根據(jù)該亮度的變化而變更加工 條件。
為了將固體狀態(tài)的非發(fā)泡磷灰石(植入材料52)填充到骨骼51 的缺損部，必須使非發(fā)泡磷灰石的尺寸小于缺損部的尺寸。因此，在 現(xiàn)有技術(shù)中，即使將非發(fā)泡磷灰石填充至骨骼51，也會在非發(fā)泡磷 灰石和骨骼51之間產(chǎn)生間隙，難以將非發(fā)泡磷灰石固定在骨骼51 上。
在本實施方式中，由于在將非發(fā)泡磷灰石填充至骨骼51的缺損 部后，將激光照射在非發(fā)泡磷灰石上，所以借助使非發(fā)泡磷灰石熔融 的熱量還會使骨骼51燃燒。由此，骨骼51產(chǎn)生氣體，促進氣泡的生 成，在非發(fā)泡磷灰石的表面層形成發(fā)泡層100。由于該發(fā)泡層100與 照射激光前的非發(fā)泡磷灰石相比體積增加，所以具有骨骼51與發(fā)泡 層IOO之間的貼合性增加，將磷灰石(非發(fā)泡磷灰石和發(fā)泡層100)圖12是表示按照圖11所示的步驟制造的磷灰石的圖像的圖。 在這里，示出了激光加工裝置101在骨骼51的缺損部中生成發(fā)泡磷 灰石的例子。
此外，由激光加工裝置1進行的磷灰石101的制造(發(fā)泡層100 的生成)也可以應用于牙齒的缺損部，可以與骨骼51的情況相同地 進行高品質(zhì)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的上表面而制造磷灰 石的步驟。圖13是用于說明將骨骼配置在植入材料的上表面而制造 磷灰石的步驟的圖。在這里，示出了在通過高能量的熱源使骨骼51 進行燃燒而產(chǎn)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)，使用激光等高能量熱源使骨骼 51從上表面?zhèn)?與植入材料52相反側(cè)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(chǎn) 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(fā)泡層 100。
由于發(fā)泡層ioo僅形成于生物類陶瓷部件(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，說明用于使磷灰石表面層熔融的加工條件。圖14是表示 用于使磷灰石表面層熔融的加工條件的一個例子的圖。在這里，作為 用于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 光加工中用于使磷灰石表面層熔融0.8mm的加工條件。
向磷灰石表面層的激光輸出越大，用于使磷灰石表面層熔融的 激光照射時間就越短。另外，向磷灰石表面層的激光輸出越小，用于 使磷灰石表面層熔融的激光照射時間的波動就越大。通常，在發(fā)泡陶瓷(磷灰石表面層)的生成溫度(燒結(jié)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(fā)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(fā)泡陶瓷中的氣泡含量產(chǎn)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所示的表示激光輸出量與激光照射時間之間關(guān)系的 加工條件下生成磷灰石101，則激光的輸出量越大，氣泡的直徑就越 大。另外，激光的照射時間越長，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(fā)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(yōu)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(yōu)先接合面的強度而使氣泡直徑小于或等于200pm。 例如，在骨骼51與磷灰石101的接合面積400mn^中，將200mm2 以1000W輸出進行激光加工，將剩余的200mii^以400W的輸出進 行激光加工等，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(fā)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，在制造磷灰石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(jiān)測而進行激 光加工，則可能向植入材料52施加形成發(fā)泡層所需的輸入熱量以上 的激光能量。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(fā)生飛散，無法良好地進行磷灰石101的 表面改性。另一方面，由于本實施方式的激光加工裝置1在使亮度檢 測部41進行亮度檢測(監(jiān)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，由于磷灰石不耐熱沖擊，所以如果輸入熱量變大，則可 能使磷灰石產(chǎn)生裂縫。本實施方式的激光加工裝置1中，由于亮度檢
測部41對亮度進行檢測而確定加工條件，所以可以穩(wěn)定地得到良好
的接合部。
此外，在本實施方式中，激光加工裝置1形成為具有亮度檢測
部41及時間測量部42的結(jié)構(gòu)，但激光加工裝置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(jié)構(gòu)。在此情況下，激光加工裝 置1的使用者通過目測對被加工物的加工狀態(tài)進行檢測，加工條件確 定部30基于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(tài)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(yōu)異的磷灰石101，可以將骨骼組織 與作為生物材料的陶瓷或復合材料等植入材料(外科用移植材料)牢 固接合。
如上述所示，這次本發(fā)明人努力研究，其結(jié)果成功開發(fā)出僅在 己形成的磷灰石材料的表面層上形成發(fā)泡層的技術(shù)。由此，可以使由 磷灰石成分制造的生物部件形成發(fā)泡層和非發(fā)泡層的至少雙層的構(gòu) 造，或者使非發(fā)泡層的一部分形成發(fā)泡層。
其結(jié)果，針對生物組織親和性優(yōu)異的材料，可以設(shè)計為僅將需 要增強細胞浸潤性的部分形成為發(fā)泡層，將承受較大應力的部分形成 為非發(fā)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(fā)泡層的氣泡直徑及氣泡密度最優(yōu)化。另外，由于在 使骨骼蒸發(fā)而形成的氣氛中生成植入材料的發(fā)泡層，所以骨骼成分殘 留在植入材料的內(nèi)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(jù)實施方式2，由于將激光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(fā)泡層(植
入材料52)的一部分上形成有發(fā)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(fā)泡層100促進骨細胞的生長，同 時可以由非發(fā)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(nèi)容易地接合的磷灰石。
另外，由于加工條件確定部30基于亮度檢測部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?shù)募す庹丈浼氨砻娓男?處理。
工業(yè)實用性
如上述所示，本發(fā)明所涉及的激光加工裝置、骨骼的接合方法、 植入材料、植入材料制造方法以及植入材料制造裝置，適用于骨骼與 植入材料之間的接合。
權(quán)利要求
1. 一種骨骼的接合方法，其使骨骼和植入材料接合，其特征在于，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激光而使所述骨骼和植入材料接合。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的骨骼的接合方法，其特征在于，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 照射激光，以使得通過所述激光的照射而熔融的植入材料流入開設(shè)在 所述骨骼上的孔中。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的骨骼的接合方法，其特征在于， 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激光，以使得通過所述激光的照射而膨脹的植入材料填充至開設(shè) 在所述骨骼上的孔中。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的骨骼的接合方法，其特征在于， 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激光，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(jīng)由在所述開口步驟中開設(shè)的孔，向所述 骨骼和植入材料之間的接合位置上照射激光。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的骨骼的接合方法，其特征在于， 在所述接合步驟中，經(jīng)由預先在所述骨骼或者植入材料上開設(shè)的孔，向所述骨骼和植入材料之間的接合位置上照射激光。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的骨骼的接合方法，其特征在于， 所述接合步驟包括-加工狀態(tài)檢測步驟，其檢測向所述骨骼和植入材料之間的接合 位置上照射激光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(tài)；加工條件確定步驟，其根據(jù)檢測出的加工狀態(tài)，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，其基于確定出的加工條件，對東使所述骨骼和植入 材料接合時的激光的照射進行控制。
7. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的骨骼的接合方法，其特征在于， 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 激光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(jù)所述骨骼與植入材料之間的貼合狀 態(tài)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，其基于確定出的加工條件，對在使所述骨骼和植入 材料接合時的激光的照射進行控制。
8. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的骨骼的接合方法，其特征在于， 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 激光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(tài)檢測步驟，其檢測向所述骨骼和植入材料之間的接合 位置上照射激光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(tài)；加工條件確定步驟，其根據(jù)所述骨骼與植入材料之間的貼合狀 態(tài)、要求強度以及/或者檢測出的加工狀態(tài)，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，其基于確定出的加工條件，對在使所述骨骼和植入材料接合時的激光的照射進行控制。
9. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的骨骼的接合方法，其特征在于， 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激光，使所述植入材料熔融；發(fā)泡工序，其利用所述激光使所述骨骼燃燒，同時在通過所述骨骼燃燒而產(chǎn)生的氣氛中，使熔融的所述植入材料中產(chǎn)生發(fā)泡狀態(tài)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激光，而在所 述植入材料中生成將所述發(fā)泡狀態(tài)的氣泡封入并凝固而成的發(fā)泡層， 將凝固后的發(fā)泡層和所述骨骼接合。
10. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的骨骼的接合方法，其特征在于，所述植入材料是磷灰石。
11. 一種激光加工裝置，其在所述骨骼以及/或者植入材料上照 射激光，進行骨骼以及/或者植入材料的激光加工，其特征在于，具有激光照射部，其在所述骨骼和植入材料之間的接合位置上照射激光；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，其基于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激光的照射進行控制。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的激光加工裝置，其特征在于， 還具有加工狀態(tài)檢測部，其檢測所述激光照射部向所述接合位置上照射激光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(tài)，所述加工條件確定部根據(jù)所述加工狀態(tài)檢測部檢測出的加工狀 態(tài)，確定所述骨骼以及/或者植入材料的加工條件。
13. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的激光加工裝置，其特征在于， 所述激光照射部在所述骨骼或者植入材料上照射激光，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(tài)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(tài)進行檢測，并且所述加 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，并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 時的激光的照射進行控制。
14. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的激光加工裝置，其特征在于，所述控制部具有能級控制部，其對所述激光照射部照射的激光 的能級進行控制。
15 根據(jù)權(quán)利要求11所述的激光加工裝置，其特征在于， 所述控制部具有激光切換控制部，其對所述激光照射部照射的 激光的種類的切換進行控制。
16. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的激光加工裝置，其特征在于， 所述控制部具有焦點位置控制部，其對所述激光照射部照射的激光的焦點位置進行控制。
17. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的激光加工裝置，其特征在于， 所述控制部對所述激光照射部照射的激光的光束接通時間進行控制。
18. 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的激光加工裝置，其特征在于， 所述加工狀態(tài)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(jù)權(quán)利要求ll所述的激光加工裝置，其特征在于， 所述加工狀態(tài)檢測部具有時間測量部，其對向所述骨骼以及/或者植入材料照射激光的激光照射時間進行測量，所述加工條件確定部確定與所述時間測量部測量出的激光照射 時間對應的加工條件。
20. —種植入材料，其特征在于，具有 基部層，其由已成型的致密基體形成；以及發(fā)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(guī)定的表面處理而生成的層，是封入發(fā)泡狀態(tài)的氣泡 并進行凝固而形成的。
21. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的植入材料，其特征在于， 所述發(fā)泡層，通過從該發(fā)泡層進行了所述表面處理的一側(cè)，研磨或者磨削所述發(fā)泡層的表面，而使所述氣泡的剖面露出。
22. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的植入材料，其特征在于，所述發(fā)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(jù)權(quán)利要求20所述的植入材料，其特征在于， 所述基部層是磷灰石，所述發(fā)泡層是發(fā)泡磷灰石。
24. —種植入材料制造方法，其特征在于，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(fā)泡層生成工序，其在通過所述骨骼燃燒而產(chǎn)生的氣氛中，將所述熱源向已經(jīng)燒結(jié)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(fā)泡狀態(tài)的氣泡封入并凝固而成的發(fā)泡層。
25. 根據(jù)權(quán)利要求24所述的植入材料制造方法，其特征在于，在所述發(fā)泡層生成工序后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(cè)，對所述發(fā)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(jù)權(quán)利要求24或25所述的植入材料制造方法，其特征在于，在所述發(fā)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(fā)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(fā)泡層所要求的細胞浸潤性或者強 度相應的層。
27. —種植入材料制造方法，其特征在于，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(fā)泡層生成工序，其在通過所述骨骼燃燒而產(chǎn)生的氣氛中使植入材料燒結(jié)，同時在所述植入材料中生成將發(fā)泡狀態(tài)的氣泡封入并凝 固而成的發(fā)泡層。
28. —種植入材料制造裝置，其向由已成型的致密性基體形成的 植入材料照射熱源，而在所述植入材料中生成新加工層，其特征在于，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，其基于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(jù)權(quán)利要求28所述的植入材料制造裝置，其特征在于， 還具有加工狀態(tài)檢測部，其檢測所述激光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(tài)，所述加工條件確定部根據(jù)所述加工狀態(tài)檢測部檢測出的加工狀 態(tài)，確定所述植入材料的加工條件。
30. 根據(jù)權(quán)利要求28所述的植入材料制造裝置，其特征在于， 所述控制部具有能級控制部，其對所述激光照射部照射的熱源的能級進行控制。
31. 根據(jù)權(quán)利要求28所述的植入材料制造裝置，其特征在于， 所述控制部具有熱源切換控制部，其對所述激光照射部照射的熱源的種類的切換進行控制。
32. 根據(jù)權(quán)利要求28所述的植入材料制造裝置，其特征在于， 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(jù)權(quán)利要求28所述的植入材料制造裝置，其特征在于， 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(jù)權(quán)利要求28所述的植入材料制造裝置，其特征在于， 所述加工狀態(tài)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(jù)權(quán)利要求28所述的植入材料制造裝置，其特征在于， 所述加工狀態(tài)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(jù)權(quán)利要求28所述的植入材料制造裝置，其特征在于， 所述植入材料是磷灰石。
37. 根據(jù)權(quán)利要求28所述的植入材料制造裝置，其特征在于， 所述熱源是激光、等離子弧、電子束中的至少l種。
全文摘要
本發(fā)明提供一種使骨骼和植入材料接合的骨骼的接合方法，用于使骨骼和植入材料之間在短時間內(nèi)容易地進行接合，該骨骼的接合方法包括開口步驟，其將激光照射在骨骼(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(jīng)由在開口步驟中開設(shè)的孔，將激光照射在骨骼(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(yōu)先權(quán)日2006年8月22日
發(fā)明者東藤正浩, 但野茂, 村井融, 荻田平, 金岡優(yōu) 申請人:三菱電機株式會社;國立大學法人北海道大學