激光加工装置、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装置的制作方法

专利名称：激光加工装置、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装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种使骨骼和植入材料接合的激光加工装置、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装置。
背景技术：
近年来，不断针对骨骼(骨骼组织)与作为生物材料的陶瓷或 复合材料等植入材料接合的技术(外科手术用装置等)进行开发。在 这种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 位置关系产生微小的偏差的情况下，该接合完成也会大幅度延迟。另 夕卜，在没有注意到微小的偏差而继续进行植入材料和骨骼之间的接合 的情况下，最终将以存在偏差的状态完成结合。在现有技术中，利用 坚固且重量较大的固定用夹具对该结合位置进行固定，以使上述相互 位置关系不会产生微小的偏差，因此在进行植入材料和骨骼的接合时 花费工夫。并且，由于为了增加植入材料与骨骼接合的强度，使用钛等金 属制结合螺栓，并在使植入材料与骨骼完全结合后撤去螺栓，因此植 入材料和骨骼的接合需要大量时间，在对患部进行治疗等时花费大量 时间。因此，期望使骨骼和植入材料在短时间内容易地进行接合。此前，为了促进骨骼接合，使植入材料(外科用移植材料)相 对于骨骼的位置稳定化，从而在植入材料上使用纹理加工表面，使骨 骼组织和植入材料在短时间内结合。例如，在由固定在患者的大腿骨 内的大腿骨副集合体及安置在患者的胯臼内的胯臼副集合体构成的 人工臀部中，大腿骨副集合体包括例如设置有纹理加工表面的人工骨 干，胯臼副集合体包括例如设置有纹理加工表面的人工关节窝。上述纹理加工表面是为了促进骨骼生长而设置的，但在骨骼和植入材料结合之前，需要(1)定位、(2)通过石膏进行固定、(3) 骨骼生长这3个工序，直至完全愈合的固定(接合)为止需要数月的 时间。例如，在专利文献1的激光加工方法中，提供使植入材料和骨 骼之间容易进行"刮擦嵌合"的包含内凹部(undercut)及相互结合凹 部的表面，使植入材料和骨骼的接合时间縮短，且接合稳定。另外，在专利文献2的激光加工方法中，产生具有可以被氢氧 化磷灰石较强地吸收的波长的激光，切断牙齿组织。另外，在专利文 献3的激光加工方法中，产生具有可以被羟基磷灰石较强地吸收的波 长的激光，切除包括牙齿的珐琅质、牙质及骨骼在内的无机质化生理 组织。另外，在专利文献4记载的激光加工方法中，利用具有与牙齿 的珐琅质及牙质对应的2.0至3.(Him的波长的激光，去除牙齿的珐琅 质或牙质。另外，在专利文献5记载的激光加工方法中，使用具有 9.6pm的发射波长的激光，对骨物质、牙齿的硬物质以及动脉硬化性 沉着进行剥离。另外，迄今为止，作为可以容易地与骨骼进行牢固的接合的植 入材料的研究，对促进骨骼接合，使植入材料相对于骨骼的位置稳定 化的技术不断地进行研究。例如，多孔型生物材料被认为具有细胞浸 润性优异的特性，与其相关的技术的研究正在积极地进行。在现有的与多孔型生物材料相关的研究中，存在无法保持陶瓷 原有刚性的与海绵状构造体相关的研究，以及制造工序复杂且品质波 动大的将多孔相与基材接合的研究。另外，存在所生成的孔的尺寸难 以控制的与喷镀磷灰石粉末相关的研究，以及仅在陶瓷的表面生成凹 凸、并未涉及内侧构造的研究。另外，在现有的激光加工方法中，进 行植入材料等的去除加工，但没有进行任何与表面改性相关的研究。例如，在专利文献6中公开了将碳酸磷灰石设定为呈海绵状的 多孔质或超多孔质，使其与骨胶原复合化的技术。另外，在专利文献 7中公开了将具有羟基磷灰石和凝胶状骨胶原的海绵体作为整形外 科用骨骼填补材料使用的技术。另外，在专利文献8、 9中公开了在骨骼填补材料的设计中，使基材整体具有多孔性的技术。另外，在专利文献10中公开了在由单独的工序生成致密基体和 多孔质基体后，将它们在接触的状态下进行干燥并烧结的技术。另外， 在专利文献11中公开了将磷灰石粉末混合并分散在玻璃层中，烧结 后利用蚀刻使空孔露出的技术。另外，在专利文献12中公开了使用 等离子弧将羟基磷灰石或者磷酸三钙的粉末熔敷在基材表面上的技 术。专利文献1:特开2002 —301091号公报专利文献2:特开平4一53550号公报专利文献3:特开平4一300535号公报专利文献4:特开平2 —504478号公报专利文献5-特开昭62 —502170号公报专利文献6:特开2003 — 169845号公报专利文献7:美国专利第5071436号说明书专利文献8:美国专利第5776193号说明书专利文献9:美国专利第6187047号说明书专利文献10:特开昭64—37475号公报专利文献11:特开平6 — 7425号公报专利文献12:特开昭64—52471号公报发明内容但是，在上述第1个现有技术中，虽然可以促进骨骼生长，但 存在无法使骨骼和植入材料在短时间内容易地进行固定(接合)的问 题。另外，在上述第2个现有技术中，由于产生具有被氢氧化磷灰 石较强地吸收的波长的激光而切断牙齿组织，所以存在无法容易地在 短时间内对其他物质进行切断或接合的问题。另外，在上述第3及第4个现有技术中，可以切断并去除无机 质化生理组织，但存在无法处理牙齿和植入材料的开孔或接合的问 题。另外，在上述第5个现有技术中存在如下问题，在对骨物质等 进行去除加工后，无法容易地进行骨骼和植入材料的接合，无法使骨 骼和植入材料之间在短时间内容易地进行接合。
另外，在上述第1个现有技术中，由于仅在植入材料的与骨骼 的接合面上提供凹凸部，所以组织基本不会浸润浸透至植入材料内 部。因此，存在无法使植入材料和骨骼之间在短时间内进行牢固的接 合的问题。
另外，上述第5个现有技术与硬物质以及动脉硬化性沉着的去
除加工相关，基本不会产生组织向植入材料的浸润浸透。因此，存在 无法使植入材料和骨骼之间在短时间内牢固地进行接合的问题。
另外，在上述第6 第9个现有技术中，指出了细胞浸润性优异 的磷灰石的构造要素即气泡的重要性，但磷灰石材料整体为具有相同 的气泡比例及相同的晶体构造的材料。因此，由气泡比例大的材料、 海绵状的材料、多孔型材料等成型的生物部件，在用于施加较强应力 的部分上的情况下，有可能破损。因此，存在上述生物部件只能应用 在施加比较小的应力的部分上的问题。另外，存在上述生物部件制造 工序复杂，品质管理困难的问题。
另外，在上述第10 第12个现有技术中，由于通过单独的工序 制造表面改性部分的材料和基材，同时在上述制造工序之外，需要使 表面改性部分的材料与基材接合的工序，因此存在工序变得复杂的问 题。因此，存在品质管理复杂，完成品的尺寸精度恶化的问题。
本发明就是鉴于上述情况而提出的，其目的在于获得一种使骨 骼和植入材料之间在短时间内容易地接合的激光加工装置以及骨骼 的接合方法。
另外，其目的在于获得一种可以使骨骼和植入材料之间在短时 间内容易地进行接合的植入材料、植入材料制造方法、骨骼的接合方 法以及植入材料制造装置。
为了解决上述课题，实现目的，本发明提供一种使骨骼和植入 材料接合的骨骼的接合方法，其特征在于，包括接合步骤，在该步骤 中，将激光照射在上述骨骼与植入材料的接合位置上而使上述骨骼和植入材料接合。
发明的效果
根据本发明，由于将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时间 内容易地进行接合的效果。


图1是表示实施方式所涉及的激光加工装置的结构的框图。
图2是表示将激光照射在骨骼上而实施开孔的情况下的处理结 果的图。
图3是表示将激光照射在植入材料上，使其熔融的情况下的处 理结果的图。
图4是用于说明向骨骼与植入材料的边界部分进行激光照射的 情况下的接合处理的图。
图5是用于说明从下部为植入材料、上部为骨骼的被加工物的 上部进行激光照射的情况下的接合处理的图。
图6是用于说明从下部为骨骼、上部为植入材料的被加工物的 上部进行激光照射的情况下的接合处理的图。
图7是用于说明厚板的骨骼与植入材料的接合处理的图。
图8是表示将薄板的骨骼与植入材料接合后的情况下的图像的图。
图9是表示本发明的实施方式2所涉及的磷灰石的构造的图。 图IO是表示发泡层的构成成分的分析结果的一个例子的图。 图ll是用于说明向骨骼的缺损部填充植入材料而制造磷灰石的 步骤的图。
图12是表示通过图11所示的步骤制造的磷灰石的图像的图。 图13是用于说明将骨骼配置在植入材料的上表面而制造磷灰石 的步骤的图。
图14是表示用于使磷灰石表面层熔融的加工条件的一个例子的图。
符号的说明
1激光加工装置
10激光照射部
21能级控制部
22激光切换控制部
23焦点位置控制部
30加工条件确定部
41亮度检测部
42时间测量部
51骨骼
52植入材料
100发泡层
101磷灰石
150边界部
200基材
具体实施例方式
下面，根据附图详细说明本发明所涉及的激光加工装置、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装置的 实施方式。此外，本发明不限定于本实施方式。
实施方式1
图1是表示本发明的实施方式所涉及的激光加工装置的结构的 框图。激光加工装置1具有激光照射部10、能级控制部21、激光切 换控制部22、焦点位置控制部23、加工条件确定部30、亮度检测部 41、以及时间测量部42。
此外，这里的能级控制部21、激光切换控制部22、焦点位置控 制部23相当于权利要求书中记载的控制部，这里的亮度检测部41、 时间测量部42相当于权利要求书中记载的加工状态检测部。另外，由于与作业人员的熟练度对应，亮度检测可以通过熟练的作业人员的 视觉判断进行处理，所以也可以使用不具有亮度检测部41的装置。
激光加工装置1用于在植入材料(人工骨骼或人工牙根)和骨 骼(牙齿)的接合工序(结合工序)中，基于规定的控制将激光照射 在植入材料及骨骼上，以使得在充分促进了骨骼生长之前的期间及此 后，牢固地保持植入材料与骨骼的接合位置关系。这里的激光加工装 置1，将激光照射在植入材料及骨骼上而对植入材料及骨骼进行开 孔，同时进行植入材料和骨骼的接合。
激光照射部IO将激光照射在植入材料及骨骼等被加工物上。激
光照射部10与能级控制部21、激光切换控制部22、焦点位置控制部 23连接，基于能级控制部21、激光切换控制部22、焦点位置控制部 23的控制，以规定的加工条件对植入材料及骨骼进行激光照射。
激光切换控制部22基于来自加工条件确定部30的指示，对激 光照射部10向被加工物照射的激光的种类进行切换。激光切换控制 部22从例如C02激光、YAG (Yttrium Aluminium Garnet)激光、CO 激光、UV (Ultra Violet rays) — YAG激光、绿光激光、准分子激光 等中选择1种激光，切换由激光照射部10向被加工物照射的激光的 种类。
焦点位置控制部23基于来自加工条件确定部30的指示，对激 光照射部10向被加工物照射的激光的焦点位置进行控制。能级控制 部21基于来自加工条件确定部30的指示，对激光照射部10向被加 工物照射的激光的能级进行控制。
加工条件确定部30向能级控制部21、激光切换控制部22、焦 点位置控制部23发送指示，从而以规定的加工条件向植入材料及骨 骼进行激光照射。加工条件确定部30将与向被加工物照射的激光的 能级相关的指示发送至能级控制部21，将与向被加工物上照射的激 光的种类相关的指示发送至激光切换控制部22，将与向被加工物上 照射的激光的焦点位置相关的指示发送至焦点位置控制部23。
加工条件确定部30基于从亮度检测部41接收到的被加工物的 亮度、以及从时间测量部42接收到的测量时间(从开始进行激光加工算起的时间等)，确定向植入材料及骨骼进行激光照射时的加工条 件，基于所确定的加工条件，将指示发送至能级控制部21、激光切
换控制部22、焦点位置控制部23。
亮度检测部41作为被加工物的加工状态而检测被加工物的亮度 (被加工物的激光照射部位的亮度)，并发送至加工条件确定部30。 时间测量部42作为被加工物的加工状态而对经过时间进行测量，并 将测量中的经过时间发送至加工条件确定部30，上述经过时间包括 开始进行激光加工后的经过时间、开始植入材料的开孔后的经过时 间、开始骨骼的开孔后的经过时间、为了使植入材料和骨骼接合而向 接合部分(骨骼和植入材料的结合部分)照射激一光的情况下的经过时 间等。
此外，对于这里的植入材料，使用例如钛或不锈钢等金属、松 脂等树脂、磷灰石陶瓷等生物活性陶瓷、或氧化铝陶瓷等非活性生物 陶瓷等。此外，也可以使用上述材料之外的材料作为植入材料。
下面，说明激光加工装置1的具体的激光加工处理。激光加工 装置1的激光照射部10，例如使用聚光至直径小于或等于大约 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区域(成为局部)，且可以在短时间内对被加工 物进行开孔加工或熔融加工。另外，激光加工装置1可以通过由加工 条件确定部30选择(确定)加工条件(激光的输出条件)，对使被 加工物熔融的时间(熔融时间)、被加工物的熔融范围进行控制。另 外，激光加工装置1通过由加工条件确定部30选择加工条件，可以 广泛地用于对金属、树脂、陶瓷等被加工物进行开孔处理或熔融处理。
下面，作为激光加工装置1的具体的激光加工处理，对被加工 物的开孔处理进行说明。图2是表示将激光照射在骨骼上而实施开孔 的情况下的处理结果的图。在这里，示出了将C02激光(激光的输 出为500W)照射在厚度为10mm的骨骼上的情况下的骨骼的上表面。 在图2中，对应于各个焦点位置Z，示出了在将照射的激光的光束接 通(进行照射)的时间设为0.5秒和l.O秒而实施开孔的情况下的骨 骼的外观照片(将孔直径放大后的结果)。焦点位置Z=0是使焦点落在骨骼表面上的情况，焦点位置z =
5是使焦点从骨骼表面向上方偏移5mm的情况，焦点位置Z=10是
使焦点从骨骼表面向上方偏移10mm的情况。
如图2所示，随着焦点位置的偏移量变大，骨骼表面上的激光
的光束直径变大，能量密度降低。因此，焦点位置靠近上方时进行的加工与焦点位置靠近下方时进行的加工相比，孔直径变大，但孔深变
小。即，在焦点位置靠近上方时，随着光束直径的增加，孔直径变大，孔深变小。
—在利用—邀—悉加工装置l一进骼治疗的情况下，通过激光加工而实现对加工部分的热影响减少，在縮短治疗时间及抑制对正常细胞的不良影响方面非常有效。
在这里，无论在哪种加工条件(焦点位置为0 10mm，光束接通时间(激光照射时间)为0.5秒或者1.0秒)下，都可以使孔直径落在大约0.4mm 1.5mm的范围内而进行加工(控制)，将孔周围产生的热影响限制在大约0.1 0.3mm的非常小的区域范围内。
在需要将孔直径进一步扩大至比图2所示的焦点位置为10mm时的孔直径更大的情况下，只要将焦点位置设定在焦点位置为10mm的上方即可。另外，在需要将孔直径进一步縮小至比图2所示的光束接通时间为0.5秒时的孔直径更小的情况下，只要将光束接通时间縮短为比0.5秒小即可。
此外，利用激光进行的孔加工，随着加工从被加工物的表面侧向内部发展，激光能量在加工中消耗而衰减，因此越靠内部孔直径越小。另外，即使在使用波长为C02激光的波长的10分之1、即1.06pm的YAG激光进行开孔加工的情况下，也可以与C02激光相同地，进行热影响较小的开孔加工。
另外，在开孔加工中，如果使用激光的波长处于紫外线区域的UV — YAG激光或准分子激光、处于可见光区域的绿光激光，则由于紫外线光或可见光导致电子激励的结合分解，而成为光化学加工(消蚀加工)，可以使对骨骼及植入材料等的热影响比作为红外激光的<:02激光或YAG激光更小。另外，如果使用UV—YAG激光、准分子激光、绿光激光，对骨骼及植入材料实施开孔加工，则与作为红外激光的C02、 YAG激光相比，可以进行更微小的开孔加工。S卩，无论所使用的激光的种类(作为红外激光的C02激光及YAG激光，作为紫外激光的UV — YAG激光、准分子激光，以及绿光激光)如何，都可以对骨骼以及植入材料进行热影响小的开孔加工。
此外，开孔处理适用C02激光、YAG激光、准分子激光、UV一YAG激光等任意一种激光，接合处理适用C02激光及YAG激光等具有红外波长的激光。
此外，可以利用激光加工装置1通过激光进行这两种加工，以连续进行被加工物的开孔加工和接合加工，也可以通过切削等预先实施开孔工序，利用该孔来照射用于进行接合的激光，以减少开孔的热影响。
下面，说明由来自激光加工装置1的激光进行的植入材料的接合处理。图3是表示将激光照射在植入材料上而使其熔融的情况下的处理结果的图。在这里，示出了植入材料为一种陶瓷即磷灰石的情况下的植入材料的上表面以及剖面的一个例子(在各种热循环下观察的磷灰石的熔融状态的一个例子)。
在图3的照片(上表面)中，中央部具有孔，其周边显示为黑色的部位是已经熔融的区域。在激光所照射的中央部，产生温度上升使被加工物从熔融直接变为蒸发，从而形成孔部。另一方面，在孔部周边的部分中没有施加足以导致蒸发的热循环，形成从熔融至凝固的变化形态。因此，在植入材料(磷灰石)的熔融处理中，通过变更激光的照射条件，可以实现熔融部的扩大。
在这里，示出了下述情况下的熔融部的状态，g卩，使用波长为1.06pm的YAG激光，统一将激光照射的输出设定为250W，焦点位置Z设定为5mm，而使光束接通时间在0.5秒、9.0秒、12.0秒之间进行变化。此外，这里的磷灰石的主要成分是磷酸钙，熔料(frit)为堇青石。
如果延长激光照射时间，则激光照射部的熔融区域从1.7mm扩大至2.3mm。此外，在这里未图示，但是通过改变焦点位置，可以使熔融区域增大。另外，可以通过改变激光输出而使熔融深度增大。
通常，由于在陶瓷的通过局部加热而进行的熔融中，会由于被加工物的膨胀和收縮导致产生裂缝，所以将被加工物在炉中整体加热而进行熔融和接合。但是，在外科手术的现场，无论从空间角度还是从对生体产生不良影响的角度出发，都难以采用这种加工方法。通过本实施方式的激光加工装置1 (激光照射部10)进行的激光加工，在外科手术时可以利用狭小的空间实现陶瓷的熔融，而不会产生裂缝，不会对生物体产生不良影响。换言之，利用来自激光加工装置l (激光照射部10)的激光进行的加热具有如下特点，S卩，根据由加工条件确定部30产生的加工条件的指示(由能级控制部21、激光切换控制部22、焦点位置控制部23进行的控制)，使被加工物温度上升的区域处于在空间及时间上可抑制裂缝产生的范围内而完成加工，所以作为外科手术方法也是有效的。
另外，由于将激光照射的时间设定得越长，熔融区域就越扩大，所以与接合强度对应而变更激光照射的时间。即，在需要接合具有较高的强度的情况下，加工条件确定部30将激光照射时间设定地较长，在不需要接合具有较高的强度的情况下，将激光照射时间设定地较短。加工条件确定部30也可以基于来自用户的指示(来自输入单元的指令)，对激光照射时间进行设定，也可以基于亮度检测部41检测的亮度，对激光照射时间进行设定。
另外，激光加工装置1也可以通过焦点位置的调整或聚光光学部件的选择而扩大熔融区域。因此，加工条件确定部30作为加工条件而选择与熔融区域对应的焦点位置，向焦点位置控制部23发出指示。另外，也可以使激光加工装置1构成为能够针对每次激光加工来选择与熔融区域对应的聚光光学部件。例如，激光加工装置1构成为基于来自加工条件确定部30的指示而自动变更聚光光学部件。此外，也可以由激光加工装置1的使用者预先通过手动变更聚光光学部件。
另外，加工条件确定部30以不会使被加工物出现有害的附加效果的能级进行开孔的方式确定加工条件，并将指示发送至能级控制部21。
下面，说明通过激光加工装置1进行的被加工物的接合处理(不同材料之间的接合)。首先，说明向骨骼与植入材料的边界部分进行激光照射的情况下的接合处理。
图4是用于说明向骨骼与植入材料的边界部分进行激光照射的情况下的接合处理的图。例如，使用板厚为3mm的牛骨骼作为骨骼51，使用以磷酸钙为主要成分的陶瓷作为植入材料52，进行被加工物的接合处理。另外，激光使用波长为10.6nm的C02激光，以激光输出为250W、激光照射时间为0.5秒、焦点位置为上方3mm的加工条件，进行被加工物的接合处理。
将激光的照射位置设在骨骼51与植入材料52的边界部，如果激光加工装置1将激光照射在被加工物上，则瞬间在骨骼51上开孔，植入材料52熔融。如果激光加工装置1继续进行激光照射，随后，植入材料52的熔融物则进入骨骼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，激光加工装置1利用了骨骼51和植入材料52的沸点差。g卩，由于骨骼51的沸点比植入材料52低，所以通过来自激光加工装置1的激光照射而开孔，而植入材料52仅进行熔融，不会开孔。然后，沸点较高的植入材料52流入已开孔的沸点较低的骨骼51侧，骨骼51和植入材料52进行接合。
在将激光的照射位置设为骨骼51与植入材料52的边界部并使被加工物接合时，激光加工装置1的亮度检测部41，对激光的照射位置(骨骼51与植入材料52的边界部)的亮度进行检测。亮度检测部41检测出的亮度被发送至加工条件确定部30。
加工条件确定部30基于亮度检测部41检测出的亮度，选择(确定)与激光的照射位置对应的激光、能级、焦点位置。这时，加工条件确定部30也可以使用预先设定的加工条件(植入材料52的种类、骨骼51的强度、被加工物的加工区域、期望的接合强度等)，选择激光、能级、焦点位置。
加工条件确定部30基于时间测量部42测量的激光的照射时间及亮度检测部41检测的亮度，以规定时间向被加工物进行激光照射，
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，所以可以瞬间得到良好(牢固)的接合部。另外，由于加工条件确定部30基于亮度检测部41检测出的亮度及时间测量部42测量的时间，
确定加工条件并进行激光照射，所以可以进行与被加工物对应的适当的激光照射，可以进行与被加工物(骨骼51与植入材料52的边界部)对应的适当的接合。
另外，通过激光加工装置1对被加工物进行接合，无论骨骼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，对于各种生物体部位都可以通过激光进行接合处理。
此外，在这里，在植入材料52中使用了磷酸钙，但也可以使用磷酸转之外的陶瓷。另外，在激光加工装置1使用YAG激光的情况下，由于YAG激光可以进行光纤传输，所以可以比C02激光更容易地应用于医疗现场。另外，在向骨骼与植入材料的边界部分进行激光照射的情况下，在激光加工装置l使用YAG激光的情况下，可以与
C02激光相同地得到良好的接合部。
下面，说明从大致垂直的方向向骨骼51与植入材料52的接合面进行激光照射(向接缝进行激光照射)的情况下的接合处理。在这里，首先对从下部为植入材料52、上部为骨骼51的被加工物的上部(骨骼51侧)进行激光照射，使骨骼51和植入材料52接合的情况进行说明，然后，对从下部为骨骼51、上部为植入材料52的被加工物的上部(植入材料52侧)进行激光照射，使骨骼51和植入材料52接合的情况进行说明。
图5是用于说明从下部为植入材料、上部为骨骼的被加工物的上部进行激光照射的情况下的接合处理的图。例如，使用板厚3.0mm的牛骨骼作为骨骼51，使用以磷酸钙为主要成分的陶瓷作为植入材料52，进行被加工物的接合处理。
预先将骨骼51和植入材料52贴合。激光加工装置1，首先作为第l步骤，将激光照射在骨骼51上而执行骨骼51的开孔(图5的中央所示的状态)。然后，作为第2步骤，将激光经由骨骼51的孔部
(开孔的位置)照射在植入材料52上，使骨骼51与植入材料52接合(图5的右侧所示的状态)。
激光加工装置1的加工条件确定部30基于亮度检测部41检测出的亮度、时间测量部42测量出的时间、预先设定的加工条件，确定被加工物的加工条件。此外，加工条件确定部30也可以基于骨骼51和植入材料52之间的贴合状态、要求强度(骨骼51和植入材料52之间的接合(加工后))中要求的强度，确定被加工物的加工条件。激光加工装置1在以对骨骼51开孔为目的的第1步骤中，例如以激光输出为400W、焦点位置为上方30mm、照射时间为0.2秒的加工条件进行骨骼51的激光加工。
如果由激光加工装置l对骨骼51的开孔完成，则亮度检测部41检测的亮度发生变化。由此，激光加工装置1在以将激光照射至骨骼51的孔部中(植入材料52的表面)而使骨骼51和植入材料52接合为目的的第2步骤中，例如以激光输出为500W、焦点位置为上方30mm、照射时间为l.O秒的加工条件进行激光加工。
此外，激光加工装置1也可以基于时间测量部42测量的时间，变更第2步骤的加工条件。即，加工条件确定部30也可以使用预先设定的骨骼51的板厚、植入材料52的种类、第1步骤中确定的加工条件等，计算骨骼51的开孔完成的时间，使用该计算出的时间，切换至第2步骤的加工条件。
如果在激光加工装置1实施第1步骤的激光加工处理后观察骨骼51 (牛骨骼)，则例如激光照射侧的孔直径(圆柱的上表面)为2.6mm，激光照射侧的相反侧的孔直径(圆柱的下表面)为l.Omm，成为具有锥形形状的开孔加工。
另外，如果在激光加工装置1实施第2步骤的激光加工处理后确认被加工物(加工试样)，则可以发现例如骨骼51和植入材料52已经良好且牢固地接合。这是因为，如果从骨骼51侧照射激光，则使骨骼成分混合在植入材料52的熔融部中，其结果，混合部发生膨胀，膨胀并填充至骨骼的孔部中。即，激光加工装置1向被加工物进行激光照射，使得膨胀的植入材料52填充至开设于骨骼51上的孔部 中。由此，通过激光加工装置1的激光加工，植入材料52的熔融物 膨胀并与进行了锥形形状加工的骨骼51的孔部进行接合，接合部在 拉伸强度和剥离强度方面具有较高的接合强度。
另外，在从下部为植入材料、上部为骨骼的被加工物的上部进 行激光照射的情况下，在激光加工装置1使用YAG激光的情况下，
可以与C02激光相同地得到良好的接合部。
图6是用于说明从下部为骨骼、上部为植入材料的被加工物的 上部进行激光照射的情况下的接合处理的图。在这里，例如使用板厚 为3.0mm的牛骨骼作为骨骼51，使用以磷酸钙为主要成分的陶瓷作 为植入材料52，进行被加工物的接合处理。激光加工装置1使用例 如波长为10.6|tim的C02激光，进行激光加工。
在将植入材料52作为激光照射侧的情况下，经过与图5中说明 的现象不同的接合过程，使骨骼51和植入材料52接合。即，在植入 材料52为激光照射侧的情况下，首先利用激光对植入材料52实施开 孔(第l步骤)。然后，利用激光使植入材料52的孔壁面熔融(第 2步骤)。然后，如果继续进行激光照射，则通过激光在骨骼51上 开孔，使植入材料52的熔融物填入骨骼51的孔部(第3步骤)。
具体地说，如果由激光加工装置1对植入材料52的开孔完成， 则亮度检测部41检测的亮度发生变化。由此，激光加工装置l在以 将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的孔壁面熔融为目的的第2步骤中，以规定的加工条件进行激光 加工。另外，如果通过激光加工装置l使孔壁面的植入材料52熔融， 则亮度检测部41检测的亮度发生变化。由此，激光加工装置l在以 向骨骼51开孔和向孔部填入植入材料52为目的的第3步骤中，以规 定的加工条件进行激光加工。
此外，与图5中说明的接合处理相同地，激光加工装置1也可 以基于时间测量部42测量的时间，变更第2步骤的加工条件。艮P， 加工条件确定部30也可以使用预先设定的骨骼51的板厚、植入材料 52的种类、在第1步骤中确定出的加工条件等，计算骨骼51的开孔完成的时间，使用该计算出的时间，切换至第2步骤、第3步骤的加 工条件。
另外，在从下部为骨骼、上部为植入材料的被加工物的上部进
行激光照射的情况下，在激光加工装置1使用YAG激光的情况下，
可以与C02激光相同地得到良好的接合部。
下面，说明针对植入材料52和厚板(板厚较厚的板状物)的骨 骼51从骨骼51侧进行激光照射的情况下的接合处理。在这里，说明 将板厚为10mm的牛骨块(骨骼51)和植入材料52进行接合的情况。
图7是用于说明厚板的骨骼和植入材料的接合处理的图。例如， 使用以磷酸钙为主要成分的陶瓷作为植入材料52，进行被加工物的 接合处理。
在从下部为植入材料52、上部为厚板的骨骼51的被加工物的上 部(骨骼51侧)进行激光照射，使骨骼51和植入材料52接合时， 激光加工装置1使用例如波长为10.6|im的C02激光进行激光加工。 在这里，为了实现縮短接合时间和骨骼51的开孔时间，例如在相同 的加工条件下进行骨骼51的开孔处理和接合处理(骨骼51和植入材 料52的接合处理)。
激光加工装置1以例如激光输出为500W、焦点位置为上方 20mm、照射角度(相对于植入材料52的上表面的照射角度)为45 度、激光照射时间为l.O秒的加工条件进行激光加工。在这里，例如 将从骨骼51与植入材料52的边界向骨骼51侧偏移0.3mm的位置作 为加工位置，由激光加工装置1进行激光照射。
骨骼51和植入材料52的接合过程与图4中说明的过程相同。 即，首先利用激光在骨骼51上实施开孔(第l步骤)，借助激光而 熔融的植入材料52向骨骼的孔部方向膨胀并进行接合(第2步骤)。 如上述所示，在图7所示的接合处理中，由于激光加工装置l在骨骼 51和植入材料52的接合中使用激光，所以可以瞬间得到良好的接合 部。
下面，说明针对植入材料52和薄板(板厚较薄的板状物)的骨 骼51从骨骼51侧进行激光照射的情况下的接合处理。图8是表示将薄板的骨骼和植入材料接合后的情况下的图像的图。如图8所示，即
使在骨骼51为薄板的情况下，也与骨骼51为厚板的情况相同地，由 于激光加工装置1在骨骼51和植入材料52的接合中使用激光，所以 可以瞬间得到良好的接合部。即，根据激光加工装置l，无论骨骼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与植入材料52接合 的情况下，在激光加工装置1使用YAG激光的情况下，可以与C02 激光相同地得到良好的接合部。
此外，激光加工装置1可以使用任意的激光振荡器或聚光光学 部件。例如在开孔的工序中，激光加工装置1可以通过使用能够得到 高能量密度的激光振荡器或聚光光学部件而得到微小的孔。
另外，对于激光加工装置1，可以通过使用高能量密度的激光振 荡器或聚光光学部件，而减小对骨骼51及植入材料52的热影响。
此外，在得到良好的接合部的情况和形成不良接合的情况下， 接合部附近的亮度不同。因此，例如，如果进行激光加工而没有进行 亮度的监测，则可能向骨骼51及植入材料52施加开孔或接合所需的 输入热量以上的激光能量。这样，在被加工物中受到热影响的部分增 大，同时熔融物没有凝固而发生飞散，无法良好地进行接合。另一方 面，由于本实施方式的激光加工装置1在使亮度检测部41进行亮度 检测(监测)的同时，使用检测出的亮度确定加工条件，所以可以得 到良好的接合部。
另外，在使用磷灰石作为植入材料52的情况下，由于植入材料 52不耐热冲击，所以如果输入热量变大，则可能使植入材料52产生 裂缝。本实施方式的激光加工装置1，即使在使用磷灰石作为植入材 料52的情况下，由于利用亮度检测部41对亮度进行检测而确定加工 条件，所以可以稳定地得到良好的接合部。
此外，在本实施方式中，激光加工装置1形成为具有亮度检测 部41及时间测量部42的结构，但激光加工装置1也可以形成为不具 有亮度检测部41及时间测量部42的结构。在此情况下，激光加工装 置1的使用者通过目测对被加工物的加工状态进行检测，加工条件确定部30基于来自使用者的指示信息的输入来确定加工条件。g卩，激
光加工装置1不通过亮度检测部41及时间测量部42进行加工状态的
检测，而确定被加工物的加工条件。
另外，对于激光加工装置1进行加工的被加工物，骨骼51和植 入材料52的配置无论哪个在上方、哪个在下方都可以，另外骨骼51 和植入材料52的接缝可以是重叠接缝、对接接缝的任一个。另外， 在本实施方式中，作为骨骼使用了牛骨骼，但激光加工装置1可以对 包括人骨骼在内的任何动物的骨骼进行激光加工。另外，也可以将在 本实施方式中说明的激光加工装置1的各处理中，作为自动进行的处 理进行说明的处理的全部或一部分手动进行。
另外，对于激光加工装置1，骨骼51与植入材料52的接合可以 在动物的体内进行，也可以将骨骼51从动物体内取出而在动物的体 外进行。在将骨骼51从动物体内取出后，使骨骼51和植入材料52 接合的情况下，根据需要而将接合后的骨骼51和植入材料52放回动 物的体内。
根据上述的实施方式1，由于在进行骨骼和植入材料的接合时， 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间 在短时间内容易地接合。
另外，由于加工条件确定部30基于亮度检测部41检测出的亮 度、及时间测量部42测量的时间而确定加工条件，向被加工物进行 激光照射，所以可以进行与被加工物对应的适当的激光照射以及接合 处理。
另外，由于加工条件确定部30，作为加工条件而确定激光的能 级、激光的种类、焦点位置、激光的照射时间等，基于确定出的加工 条件向被加工物进行激光照射，所以可以在每次被加工物的开孔处理 或接合处理中稳定地进行适当的开孔处理和接合处理。
另外，由于激光加工装置1可以使骨骼和植入材料之间在短时 间内容易地接合，所以在进行将骨骼和植入材料接合的治疗时，可以 防止在植入材料和骨骼结合的过程中彼此的位置关系发生错位，可以 在短期间内容易地进行治疗。另外，不需要现有技术在接合治疗中必使在治疗的过程中也可以提供舒适的生 活。
实施方式2
下面，使用图1以及图9 14，说明本发明的实施方式2。在实 施方式2中，向将非发泡层作为基材的植入材料52照射激光，在非 发泡层的表面层上形成发泡层(将非发泡层改性而形成的新的加工 层)。然后，通过形成该发泡层，制造由发泡层和非发泡层构成的双 层构造的植入材料。
当前，在制造发泡陶瓷时，需要添加在使发泡性原料的陶瓷熔 融的过程中，在陶瓷中产生气体的成分(气体产生成分)。作为气体 产生成分，例如使用碳化硅、氮化硅等。对于碳化硅，例如使用粒径 小于或等于10pm的细粉末。
作为这种发泡陶瓷的制造步骤，首先通过将发泡性原料以及非 发泡性原料的各自的构成成分以规定的比例混合而进行调整。然后， 通过喷雾干燥器等，对获得的发泡性原料以及非发泡性原料进行造粒 而形成粒状物。然后，将造粒获得的这两种粒状物进行混合，将该混 合物作为成型原料，成型并进行烧结。这时的烧结温度选择使气体产 生成分发生分解而产生气体的温度，并且选定能够形成良好的气泡 (气泡壁面)的温度范围。由此，例如在气体产生成分为碳化硅的情 况下，通过烧结使碳化硅分解而产生气体(一氧化碳)，利用该气体 在烧结层形成气泡。
在本实施方式中，将激光等照射在骨骼上而使骨骼燃烧，在通 过骨骼的燃烧而产生的气氛中使植入材料烧结。由此，在植入材料中 生成将发泡状态的气泡封入并凝固而成的发泡层。
此外，如果混合物(发泡性原料以及非发泡性原料的粒状物) 的烧结温度比IOO(TC低，则因坯料不具备充分的粘性而无法产生气 泡。另一方面，如果混合物的烧结温度比130(TC高，则由于烧结坯 料成为低粘性，所以形成的气泡汇合而形成大气泡，使烧结体的强度 降低。
下面，作为实施方式2所涉及的植入材料的一个例子，针对具有与前述的发泡陶瓷相同的性质(功能)的磷灰石进行说明。在这里， 首先说明实施方式2所涉及的磷灰石的构造，然后，说明该磷灰石的 制造装置和制造方法。
图9是表示本发明的实施方式2所涉及的磷灰石的构造的图。
图9所示的磷灰石101具有双层构造，在非发泡层(基部层)的表面
层的一部分(成为与骨骼之间的接合对象的接合部)进行表面处理而 形成有发泡层。
通过表面处理而形成的混有气泡的发泡层100，形成在基材200 (作为非发泡层的磷灰石基材等)的表面层，上述表面处理是通过局 部地施加高能量而进行的。发泡层100的气泡直径为例如10 50(Vm，用于在发泡层100与骨骼接合时促进骨细胞向发泡层100生 长。
发泡层100与作为非发泡层的基材200(前述的植入材料52等) 之间的边界部150，形成为接合面以凹凸状态彼此咬入的构造，形成 牢固的接合。基材200为致密的构造，在施加应力的情况下具有充分 的强度。
在生成磷灰石101时，将骨骼(前述的骨骼51等)作为气体产 生成分而配置于基材200的表层部(上面部及侧面部等基材200的加 工部附近)。然后，在利用激光等使骨骼燃烧后，通过在含有该燃烧 气体成分的气氛中使基材200 (已成型的致密性基体)熔融，而将骨 骼成分混入发泡层100。
图IO是表示发泡层的构成成分的分析结果的一个例子的图。图 10中示出针对发泡层100的构成成分(Vol%)实施分析的结果的一 个例子。这里的发泡层100,作为构成成分含有Ca (钙)、C (碳)、 0 (氧)、P (磷)、Mg (镁)、Al (铝)、Si (硅)。Ca、 C、 0 接近骨骼的成分浓度，P略少于骨骼的成分浓度。P的减少可以认为 是由于通过使基材200熔融时的高能量而使P升华。
在骨骼燃烧和基材200熔融后，通过磨削或者研磨发泡层100 的表面(与骨骼之间的接合面)，磨削位于发泡层100的表面的封闭 气泡，使封闭气泡的剖面露出。由此，得到具有表面改性层的本实施方式所涉及的磷灰石(发泡磷灰石)，其中，该表面改性层作为与骨 骼之间的接合面。
在本实施方式中，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时，在磷灰石中细胞浸润性发挥作用而使骨骼 和磷灰石101在短时间内结合。另外，由于在发泡层100的表面露出 封闭气泡的剖面，所以与没有露出封闭气泡的剖面的情况相比，骨骼 和磷灰石101在更短时间内结合。
此外，在骨骼燃烧和基材200熔融中使用电子束或等离子弧等 热源，也可以得到与利用激光使骨骼燃烧并使基材200熔融的情况相 同的效果。在此情况下，从激光照射部(热源照射部)10照射电子 束或等离子弧等热源。另外，在具有多个热源的情况下，激光切换控 制部(热源切换控制部)22变更热源的种类。另外，通过对加工条 件(施加在骨骼及基材200上的热源能量)进行适当调整，可以调整 发泡层100内的气泡的数量及直径。因此，通过与磷灰石101的用途 相应地调整加工条件，可以得到具有期望性质的磷灰石101。例如， 通过对施加在骨骼及基材200上的激光、电子束、等离子弧等热源能 量(加工条件)进行适当调整，可以得到所要求品质的磷灰石101。 下面，将激光加工装置作为磷灰石101的制造装置的一个例子，说明 磷灰石101的制造处理。在这里，在说明激光加工装置的结构后，说 明磷灰石101的制造步骤。
本发明的实施方式2所涉及的激光加工装置的结构，与实施方 式1的图1所示的激光加工装置1相同。在这里，对于与实施方式1 的激光加工装置2实现相同功能的构成要素，省略其说明，对于与实 施方式1的激光加工装置1不同的功能进行说明。此外，由于亮度检 测可以根据作业人员的熟练度，通过熟练的作业人员的视觉判断进行 处理，所以可以使用不具有亮度检测部41的装置。
这里的激光加工装置1将激光照射在植入材料52 (磷灰石)等 基材200上，使植入材料52等上形成发泡层100，制造磷灰石101 等新的植入材料。激光加工装置1根据需要而将激光照射在骨骼51 上，进行骨骼51的开孔。本实施方式的亮度检测部41，作为被加工物的加工状态而对被
加工物的亮度进行检测，发送至加工条件确定部30。时间测量部42 作为被加工物的加工状态而对开始激光加工后的经过时间(开始向植 入材料52进行激光照射后的经过时间)等进行测量，将测量中的经 过时间发送至加工条件确定部30。
下面，说明通过激光加工装置1进行的激光加工处理。激光加 工装置1的激光照射部10，例如使用聚光至直径小于或等于大约 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区域(成为局部)，且可以在短时间内对被加工 物进行开孔加工或熔融加工。另外，激光加工装置1可以通过由加工 条件确定部30选择(确定)加工条件(激光的输出条件)，对使被 加工物熔融的时间(熔融时间)、被加工物的熔融范围进行控制。另 外，激光加工装置1通过由加工条件确定部30选择加工条件，可以 广泛地用于对金属、树脂、陶瓷等被加工物进行开孔处理或熔融处理。
下面，说明激光加工装置1的磷灰石101的制造方法。图11是 用于说明向骨骼的缺损部填充植入材料而制造磷灰石的步骤的图。首 先，将作为非发泡层的磷灰石(作为基材200的植入材料52)插入 处于初始缺损状态的骨骼51的缺损部。由此将磷灰石(植入材料52) 填充至骨骼51的缺损部。
然后，将激光照射在磷灰石(植入材料52)上，在植入材料52 的上部(表面层)生成发泡磷灰石。然后，通过利用生成的发泡磷灰 石(发泡层IOO)填充骨骼51的缺损部而制造磷灰石101。
在将激光照射在植入材料52上时，激光加工装置1的亮度检测 部41对激光的照射位置(植入材料52的上表面)的亮度进行检测。 亮度检测部41检测出的亮度被发送至加工条件确定部30。
加工条件确定部30基于亮度检测部41检测出的亮度，选择与 植入材料52及骨骼51的种类(材质、大小等)对应的激光、能级、 焦点位置等加工条件。
此外，加工条件确定部30也可以使用预先设定的加工条件，选 择激光、能级、焦点位置等。另外，加工条件确定部30也可以基于骨骼51和发泡层100之间的贴合状态及要求强度，确定被加工物的 加工条件。
另外，在将激光照射在植入材料52上时，激光照射的时间设定 得越长，植入材料52的熔融区域越扩大。因此，也可以与向缺损部 填充的植入材料52的尺寸(上表面的面积)对应而变更激光照射的 时间。另外，加工条件确定部30也可以基于来自用户的指示而设定 激光照射时间。
激光加工装置1使用加工条件确定部30确定出的加工条件，开 始植入材料52的加工。加工条件确定部30基于时间测量部42测量 的激光照射时间及亮度检测部41检测的亮度，以规定时间向被加工 物(植入材料52)进行激光照射，由此激光加工装置1完成磷灰石 101的制造。
如上述所示，由于加工条件确定部30基于亮度检测部41检测 出的亮度及时间测量部42测量的时间而确定加工条件，进行激光照 射，所以可以进行与被加工物对应的适当的激光照射，可以与被加工 物(骨骼51和植入材料52)相应，适当地进行磷灰石101的制造。 此外，由于如果植入材料52熔融而形成发泡层100，则亮度检测部 41检测的亮度发生变化，所以也可以根据该亮度的变化而变更加工 条件。
为了将固体状态的非发泡磷灰石(植入材料52)填充到骨骼51 的缺损部，必须使非发泡磷灰石的尺寸小于缺损部的尺寸。因此，在 现有技术中，即使将非发泡磷灰石填充至骨骼51，也会在非发泡磷 灰石和骨骼51之间产生间隙，难以将非发泡磷灰石固定在骨骼51 上。
在本实施方式中，由于在将非发泡磷灰石填充至骨骼51的缺损 部后，将激光照射在非发泡磷灰石上，所以借助使非发泡磷灰石熔融 的热量还会使骨骼51燃烧。由此，骨骼51产生气体，促进气泡的生 成，在非发泡磷灰石的表面层形成发泡层100。由于该发泡层100与 照射激光前的非发泡磷灰石相比体积增加，所以具有骨骼51与发泡 层IOO之间的贴合性增加，将磷灰石(非发泡磷灰石和发泡层100)图12是表示按照图11所示的步骤制造的磷灰石的图像的图。 在这里，示出了激光加工装置101在骨骼51的缺损部中生成发泡磷 灰石的例子。
此外，由激光加工装置1进行的磷灰石101的制造(发泡层100 的生成)也可以应用于牙齿的缺损部，可以与骨骼51的情况相同地 进行高品质的填充。另外，插入至骨骼51的缺损部中的磷灰石的形 状可以是颗粒状、粉末、碎片等任何形状。
下面，说明将骨骼51配置在植入材料52的上表面而制造磷灰 石的步骤。图13是用于说明将骨骼配置在植入材料的上表面而制造 磷灰石的步骤的图。在这里，示出了在通过高能量的热源使骨骼51 进行燃烧而产生的气氛中，利用高能量的热源使磷灰石表面层熔融， 从而对磷灰石进行表面改性的方法。
首先，将骨骼51配置在植入材料52的预定进行表面改性的位 置的附近(植入材料52的上表面)，使用激光等高能量热源使骨骼 51从上表面侧(与植入材料52相反侧的表面)开始燃烧。由此，在 骨骼51上开孔，使植入材料52露出。在这时由骨骼51的燃烧而产 生的气氛中，利用高能量热源使磷灰石表面(植入材料52)熔融。 由此，使骨骼51的燃烧物进入植入材料52的熔融层，形成发泡层 100。
由于发泡层ioo仅形成于生物类陶瓷部件(磷灰石101)的表层，
所以向生物类陶瓷部件整体的热量输入较少，可以得到高精度的生物 类陶瓷部件。
下面，说明用于使磷灰石表面层熔融的加工条件。图14是表示 用于使磷灰石表面层熔融的加工条件的一个例子的图。在这里，作为 用于使磷灰石表面层熔融的加工条件的一个例子，示出了在C02激 光加工中用于使磷灰石表面层熔融0.8mm的加工条件。
向磷灰石表面层的激光输出越大，用于使磷灰石表面层熔融的 激光照射时间就越短。另外，向磷灰石表面层的激光输出越小，用于 使磷灰石表面层熔融的激光照射时间的波动就越大。通常，在发泡陶瓷(磷灰石表面层)的生成温度(烧结温度)
较低的情况下(例如IOO(TC)，熔融的基材200成为高粘性，气泡
的直径变小。另一方面，在发泡陶瓷的生成温度较高的情况下(例如
130(TC)，熔融的基材200成为低粘性，形成的气泡汇合而使气泡的 直径变大。另外，气泡扩散的时间对发泡陶瓷中的气泡含量产生较大 影响，进行熔融的基材200的熔融时间越长，气泡的含量越增加。
如果在图14所示的表示激光输出量与激光照射时间之间关系的 加工条件下生成磷灰石101，则激光的输出量越大，气泡的直径就越 大。另外，激光的照射时间越长，气泡的直径越大，直径大的气泡的 含量就越多。
气泡的直径为300 40(Him时，细胞(骨骼51)的浸润性增高， 但强度降低。因此，也可以如下述方式将发泡层IOO的种类进行组合 而生成磷灰石101， g卩，在磷灰石101与骨骼51的接合面的一部分 上，优先促进细胞的生长而使气泡直径为300 400|im，在除此之外 的其他部分，优先接合面的强度而使气泡直径小于或等于200pm。 例如，在骨骼51与磷灰石101的接合面积400mn^中，将200mm2 以1000W输出进行激光加工，将剩余的200mii^以400W的输出进 行激光加工等，对加工条件进行切换而生成磷灰石101。
与插入加工物(磷灰石101)的骨骼51的位置、及插入加工物 的骨骼的种类(例如骨骼51与磷灰石101的接合对象的年龄)相应， 施加在骨骼51与磷灰石101之间的应力的程度不同。因此，也可以 针对每次骨骼51和磷灰石101的接合处理，对在磷灰石101上形成 的发泡层100的种类的最佳面积比进行模拟，确定与加工条件相应的 基材200的加工面积的比例。
此外，在制造磷灰石101的情况下，在磷灰石101中得到良好 的表面改性层(植入材料52的表面层)的情况和没有得到良好的表 面改性层的情况(与骨骼51之间没有良好地接合的情况)下，表面 改性部附近的亮度不同。因此，例如，如果不进行亮度监测而进行激 光加工，则可能向植入材料52施加形成发泡层所需的输入热量以上 的激光能量。这样，被加工物中受到热影响的部分变大，同时植入材料52等熔融物没有凝固而发生飞散，无法良好地进行磷灰石101的 表面改性。另一方面，由于本实施方式的激光加工装置1在使亮度检 测部41进行亮度检测(监测)的同时，使用检测出的亮度确定加工 条件，所以可以得到良好的表面改性部。
另外，由于磷灰石不耐热冲击，所以如果输入热量变大，则可 能使磷灰石产生裂缝。本实施方式的激光加工装置1中，由于亮度检
测部41对亮度进行检测而确定加工条件，所以可以稳定地得到良好
的接合部。
此外，在本实施方式中，激光加工装置1形成为具有亮度检测
部41及时间测量部42的结构，但激光加工装置1也可以形成为不具 有亮度检测部41及时间测量部42的结构。在此情况下，激光加工装 置1的使用者通过目测对被加工物的加工状态进行检测，加工条件确 定部30基于来自使用者的指示信息的输入而确定加工条件。g卩，激 光加工装置1不通过亮度检测部41及时间测量部42迸行加工状态的 检测，而确定被加工物的加工条件。
由此，可以得到细胞浸润性优异的磷灰石101，可以将骨骼组织 与作为生物材料的陶瓷或复合材料等植入材料(外科用移植材料)牢 固接合。
如上述所示，这次本发明人努力研究，其结果成功开发出仅在 己形成的磷灰石材料的表面层上形成发泡层的技术。由此，可以使由 磷灰石成分制造的生物部件形成发泡层和非发泡层的至少双层的构 造，或者使非发泡层的一部分形成发泡层。
其结果，针对生物组织亲和性优异的材料，可以设计为仅将需 要增强细胞浸润性的部分形成为发泡层，将承受较大应力的部分形成 为非发泡层。
另外，通过在生成生物部件时进行能量控制，可以与生物部件 的用途对应而使发泡层的气泡直径及气泡密度最优化。另外，由于在 使骨骼蒸发而形成的气氛中生成植入材料的发泡层，所以骨骼成分残 留在植入材料的内部，可以辅助骨骼细胞生长。由此，可以在使骨骼 和磷灰石接合时，促进骨骼细胞的生长，使骨骼和磷灰石迅速接合。此外，在本实施方式中，使用基材为磷灰石的植入材料生成新 的磷灰石(植入材料)，但也可以将磷灰石之外的植入材料(树脂或 陶瓷等)作为基材而生成新的植入材料。
如上述所示，根据实施方式2，由于将激光等热源能量照射在植 入材料52的表面改性位置上，所以可以容易地得到在非发泡层(植
入材料52)的一部分上形成有发泡层100的磷灰石101。由此，在使 磷灰石101和骨骼接合时，可以由发泡层100促进骨细胞的生长，同 时可以由非发泡层牢固地固定承受应力的部分。因此，可以得到骨骼 和植入材料之间能够在短时间内容易地接合的磷灰石。
另外，由于加工条件确定部30基于亮度检测部41检测出的亮 度及时间测量部42测量的时间而确定加工条件，向被加工物进行激 光照射，所以可以进行与被加工物对应的适当的激光照射及表面改性 处理。
工业实用性
如上述所示，本发明所涉及的激光加工装置、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装置，适用于骨骼与 植入材料之间的接合。
权利要求
1. 一种骨骼的接合方法，其使骨骼和植入材料接合，其特征在于，包括接合步骤，在该接合步骤中，向所述骨骼和植入材料之间的接合位置上照射激光而使所述骨骼和植入材料接合。
2. 根据权利要求1所述的骨骼的接合方法，其特征在于，在所述接合步骤中，向所述骨骼和植入材料之间的接合位置上 照射激光，以使得通过所述激光的照射而熔融的植入材料流入开设在 所述骨骼上的孔中。
3. 根据权利要求l所述的骨骼的接合方法，其特征在于， 在所述接合步骤中，向所述骨骼和植入材料之间的接合位置上照射激光，以使得通过所述激光的照射而膨胀的植入材料填充至开设 在所述骨骼上的孔中。
4. 根据权利要求l所述的骨骼的接合方法，其特征在于， 在上述接合步骤之前还具有开口步骤，其向所述骨骼或者所述植入材料照射激光，对所述骨骼或者所述植入材料进行开孔处理，直 至到达所述骨骼和植入材料之间的接合位置，在所述接合步骤中，经由在所述开口步骤中开设的孔，向所述 骨骼和植入材料之间的接合位置上照射激光。
5. 根据权利要求1所述的骨骼的接合方法，其特征在于， 在所述接合步骤中，经由预先在所述骨骼或者植入材料上开设的孔，向所述骨骼和植入材料之间的接合位置上照射激光。
6. 根据权利要求1所述的骨骼的接合方法，其特征在于， 所述接合步骤包括-加工状态检测步骤，其检测向所述骨骼和植入材料之间的接合 位置上照射激光而使所述骨骼和植入材料接合时的所述骨骼以及/ 或者植入材料的加工状态；加工条件确定步骤，其根据检测出的加工状态，确定在使所述 骨骼和植入材料接合时的所述骨骼以及/或者植入材料的加工条件； 以及控制步骤，其基于确定出的加工条件，对东使所述骨骼和植入 材料接合时的激光的照射进行控制。
7. 根据权利要求l所述的骨骼的接合方法，其特征在于， 所述接合步骤包括贴合步骤，其将在所述骨骼和植入材料之间的接合位置上照射 激光而使所述骨骼和植入材料接合时的所述骨骼与植入材料贴合；加工条件确定步骤，其根据所述骨骼与植入材料之间的贴合状 态以及/或者要求强度，确定在使所述骨骼和植入材料接合时的所述 骨骼以及/或者植入材料的加工条件；以及控制步骤，其基于确定出的加工条件，对在使所述骨骼和植入 材料接合时的激光的照射进行控制。
8. 根据权利要求l所述的骨骼的接合方法，其特征在于， 所述接合步骤包括.-贴合步骤，其将在所述骨骼和植入材料之间的接合位置上照射 激光而使所述骨骼和植入材料接合时的所述骨骼与植入材料贴合；加工状态检测步骤，其检测向所述骨骼和植入材料之间的接合 位置上照射激光而使所述骨骼和植入材料接合时的所述骨骼以及/ 或者植入材料的加工状态；加工条件确定步骤，其根据所述骨骼与植入材料之间的贴合状 态、要求强度以及/或者检测出的加工状态，确定在使所述骨骼和植 入材料接合时的所述骨骼以及/或者植入材料的加工条件；以及控制步骤，其基于确定出的加工条件，对在使所述骨骼和植入材料接合时的激光的照射进行控制。
9. 根据权利要求l所述的骨骼的接合方法，其特征在于， 所述接合步骤包括-插入工序，其将所述植入材料插入至所述骨骼的缺损部中； 熔融工序，其向插入至所述骨骼的缺损部中的植入材料照射所述激光，使所述植入材料熔融；发泡工序，其利用所述激光使所述骨骼燃烧，同时在通过所述骨骼燃烧而产生的气氛中，使熔融的所述植入材料中产生发泡状态的气泡；以及凝固工序，其通过停止向所述植入材料照射所述激光，而在所 述植入材料中生成将所述发泡状态的气泡封入并凝固而成的发泡层， 将凝固后的发泡层和所述骨骼接合。
10. 根据权利要求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. 一种激光加工装置，其在所述骨骼以及/或者植入材料上照 射激光，进行骨骼以及/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间的接合位置上照射激光；加工条件确定部，其确定在使所述骨骼和植入材料接合时的所 述骨骼以及/或者植入材料的加工条件；以及控制部，其基于所述加工条件确定部确定出的加工条件，对在 使所述骨骼和植入材料接合时的激光的照射进行控制。
12. 根据权利要求11所述的激光加工装置，其特征在于， 还具有加工状态检测部，其检测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时的所述骨骼以及/或者植入材料的加工状态，所述加工条件确定部根据所述加工状态检测部检测出的加工状 态，确定所述骨骼以及/或者植入材料的加工条件。
13. 根据权利要求11所述的激光加工装置，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，进行所述骨骼或者植入材料的开孔处理，同时所述加工状态检测部对进行所 述骨骼或者植入材料的开孔处理时的加工状态进行检测，并且所述加 工条件确定部确定在进行所述骨骼或者植入材料的开孔处理时的加 工条件，并且所述控制部对在进行所述骨骼或者植入材料的开孔处理 时的激光的照射进行控制。
14. 根据权利要求11所述的激光加工装置，其特征在于，所述控制部具有能级控制部，其对所述激光照射部照射的激光 的能级进行控制。
15 根据权利要求11所述的激光加工装置，其特征在于， 所述控制部具有激光切换控制部，其对所述激光照射部照射的 激光的种类的切换进行控制。
16. 根据权利要求11所述的激光加工装置，其特征在于， 所述控制部具有焦点位置控制部，其对所述激光照射部照射的激光的焦点位置进行控制。
17. 根据权利要求11所述的激光加工装置，其特征在于， 所述控制部对所述激光照射部照射的激光的光束接通时间进行控制。
18. 根据权利要求ll所述的激光加工装置，其特征在于， 所述加工状态检测部具有亮度检测部，其检测所述骨骼以及/或者植入材料的亮度，所述加工条件确定部确定与所述亮度检测部检测出的亮度对应 的加工条件。
19. 根据权利要求ll所述的激光加工装置，其特征在于， 所述加工状态检测部具有时间测量部，其对向所述骨骼以及/或者植入材料照射激光的激光照射时间进行测量，所述加工条件确定部确定与所述时间测量部测量出的激光照射 时间对应的加工条件。
20. —种植入材料，其特征在于，具有 基部层，其由已成型的致密基体形成；以及发泡层，其是通过在所述基部层中作为与骨骼之间的接合对象 的接合部上实施规定的表面处理而生成的层，是封入发泡状态的气泡 并进行凝固而形成的。
21. 根据权利要求20所述的植入材料，其特征在于， 所述发泡层，通过从该发泡层进行了所述表面处理的一侧，研磨或者磨削所述发泡层的表面，而使所述气泡的剖面露出。
22. 根据权利要求20所述的植入材料，其特征在于，所述发泡层是将多种所述气泡的直径以及/或者气泡的密度不 同的层组合而成的。
23. 根据权利要求20所述的植入材料，其特征在于， 所述基部层是磷灰石，所述发泡层是发泡磷灰石。
24. —种植入材料制造方法，其特征在于，包含 骨骼燃烧工序，其在骨骼上照射热源而使所述骨骼燃烧；以及 发泡层生成工序，其在通过所述骨骼燃烧而产生的气氛中，将所述热源向已经烧结的植入材料照射而使所述植入材料熔融，在熔融 的植入材料中生成将发泡状态的气泡封入并凝固而成的发泡层。
25. 根据权利要求24所述的植入材料制造方法，其特征在于，在所述发泡层生成工序后还包含气泡露出工序，其从所述植入 材料受到热源照射的一侧，对所述发泡层的表面进行研磨或者磨削而 使所述气泡的剖面露出。
26. 根据权利要求24或25所述的植入材料制造方法，其特征在于，在所述发泡层生成工序中，通过对所述热源的照射进行控制而 生成由多种层组合而成的发泡层，上述多种层是所述气泡的直径以及 /或者气泡的密度不同，且与所述发泡层所要求的细胞浸润性或者强 度相应的层。
27. —种植入材料制造方法，其特征在于，包含 骨骼燃烧工序，其在骨骼上照射热源而使所述骨骼燃烧；以及 发泡层生成工序，其在通过所述骨骼燃烧而产生的气氛中使植入材料烧结，同时在所述植入材料中生成将发泡状态的气泡封入并凝 固而成的发泡层。
28. —种植入材料制造装置，其向由已成型的致密性基体形成的 植入材料照射热源，而在所述植入材料中生成新加工层，其特征在于，具有热源照射部，其在所述植入材料中成为表面改性对象的表面改 性位置上照射热源；加工条件确定部，其确定在进行所述植入材料的表面改性处理 时的所述植入材料的加工条件；以及控制部，其基于所述加工条件确定部确定出的加工条件，对在 进行所述植入材料的表面改性处理时的热源的照射进行控制。
29. 根据权利要求28所述的植入材料制造装置，其特征在于， 还具有加工状态检测部，其检测所述激光照射部向所述表面改性位置照射热源而进行所述植入材料的表面改性时的植入材料的加 工状态，所述加工条件确定部根据所述加工状态检测部检测出的加工状 态，确定所述植入材料的加工条件。
30. 根据权利要求28所述的植入材料制造装置，其特征在于， 所述控制部具有能级控制部，其对所述激光照射部照射的热源的能级进行控制。
31. 根据权利要求28所述的植入材料制造装置，其特征在于， 所述控制部具有热源切换控制部，其对所述激光照射部照射的热源的种类的切换进行控制。
32. 根据权利要求28所述的植入材料制造装置，其特征在于， 所述控制部具有焦点位置控制部，其对所述热源照射部照射的热源的焦点位置进行控制。
33. 根据权利要求28所述的植入材料制造装置，其特征在于， 所述控制部对所述热源照射部照射的热源的照射接通时间进行控制。
34. 根据权利要求28所述的植入材料制造装置，其特征在于， 所述加工状态检测部具有亮度检测部，其检测所述植入材料的亮度，所述加工条件确定部确定与所述亮度检测部检测出的亮度对应 的加工条件。
35. 根据权利要求28所述的植入材料制造装置，其特征在于， 所述加工状态检测部具有时间测量部，其对向植入材料照射热源的热源照射时间进行测量，所述加工条件确定部确定与所述时间测量部测量出的热源照射 时间对应的加工条件。
36. 根据权利要求28所述的植入材料制造装置，其特征在于， 所述植入材料是磷灰石。
37. 根据权利要求28所述的植入材料制造装置，其特征在于， 所述热源是激光、等离子弧、电子束中的至少l种。
全文摘要
本发明提供一种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间在短时间内容易地进行接合，该骨骼的接合方法包括开口步骤，其将激光照射在骨骼(51)或者植入材料(52)上，对骨骼(51)或者植入材料(52)进行开孔处理，直至到达骨骼(51)与植入材料(52)之间的接合位置；以及接合步骤，其经由在开口步骤中开设的孔，将激光照射在骨骼(51)与植入材料(52)之间的接合位置上，使骨骼(51)和植入材料(52)接合。
文档编号A61C13/00GK101505689SQ20078003099
公开日2009年8月12日 申请日期2007年8月21日 优先权日2006年8月22日
发明者东藤正浩, 但野茂, 村井融, 荻田平, 金冈优 申请人:三菱电机株式会社;国立大学法人北海道大学