象牙からセラミックへ——人工関節130年の素材進化史
人工関節の歴史は、「何で作るか」をめぐる130年の格闘の歴史だ。
体内に異物を埋め込み、関節の動きを代替するという発想は19世紀末にすでに存在した。問題は、人体の中で数十年にわたって機能し続けられる素材が、20世紀のほとんどの期間において存在しなかったことだ。
象牙が腐り、テフロンが削れ、金属が削れ、セラミックが割れ——そのたびに外科医と材料工学者が考え直し、次の素材を試した。現在の人工関節は、この失敗の積み重ねの上に成り立っている。
1. 最初の挑戦——象牙の人工関節（1890年）
1890年、ベルリンの外科医テミストクレス・グルック（Themistocles Gluck, 1853–1942）は人工関節の歴史に最初の章を刻んだ。
グルックが選んだ素材は象牙だった。硬度があり、加工しやすく、当時入手できる最も「生体に近い」有機材料だった。彼は象牙を削り出した人工膝関節・股関節・肘関節・手首関節を作成し、1890年だけで14件の関節置換術を施行した。固定にはニカワとプラスターを使用した。
結果は惨憺たるものだった。
対象患者の全員が結核性関節炎を抱えており、慢性感染が治まらない状態での手術だった。固定材料は生体内で崩壊し、象牙は感染に勝てなかった。グルック自身も失敗を認め、「結核性関節炎は関節置換術の禁忌である」という教訓を後世に残した。
しかし彼のアイデア——関節を人工物で置き換えるという発想——は消えなかった。
2. 金属の時代——Vitalliumとオースチン・ムーア（1930〜50年代）
転換点は「素材」の登場だった。
1932年、コバルト・クロム・モリブデン合金（Vitallium）が開発された。当初は歯科・航空産業向けだったこの合金は、錆びず、強く、生体内でも腐食しにくいという特性を持っていた。整形外科医マリウス・スミス＝ピーターセンが1938年頃から股関節形成術に応用し、金属製インプラントの時代が始まった。
1940年代から50年代にかけて、Vitalliumを使った人工骨頭（半関節置換）が登場した。アメリカの外科医オースチン・ムーア（Austin Moore, 1899–1963）が1940年に骨腫瘍症例に対して施行した近位大腿骨置換術が初期の記録の一つだ。1950年頃に改良された「オースチン・ムーア型」人工骨頭は、大腿骨頸部骨折の治療として今日でも使われ続けている。
しかし金属同士が擦れ合う「金属対金属」の組み合わせには根本的な問題があった。
1960年代に普及したMcKee-Farrar人工股関節（コバルトクロム対コバルトクロム）は、当初有望視されたが、金属同士の高い摩擦が骨とセメントの界面を壊していった。金属イオンが周囲組織に蓄積し、骨を侵食する——「無菌性弛み（aseptic loosening）」という問題が顕在化し、金属対金属の時代は早々に暗礁に乗り上げた。
3. チャンレーの革命——テフロンの失敗とポリエチレンの発見（1950〜60年代）
人工関節の歴史において、John Charnley（ジョン・チャンレー, 1911–1982）の名は別格だ。
チャンレーはイギリス・ランカシャーのリングトン病院（後にラングトン病院）に自ら専用の手術室を設け、人工股関節の開発に没頭した。彼のアプローチは「低摩擦」という一点に集中していた——摩擦が少なければ、摩耗も少なく、長持ちする。
1956年、チャンレーはPTFE（ポリテトラフルオロエチレン、テフロン）を選んだ。
テフロンは実験室の試験で驚異的な低摩擦を示した。フライパンのコーティングとしても知られるこの素材は、「滑りやすさ」では申し分なかった。チャンレーは意気揚々と臨床に投入した。
結果は悲惨だった。
生体内でのテフロンは、月に0.5mmという異常な速度で摩耗した。削れたテフロン微粒子が周囲組織に大量に蓄積し、激しい炎症と骨融解を引き起こした。多くの患者で早期の再手術が必要となった。チャンレーは自分が患者に害を与えたことを深く悔い、失敗を公表した。
転換点は偶然にもたらされた。
研究室の機械工ハリー・クレイブンが、工場で使われていた超高分子量ポリエチレン（UHMWPE）のサンプルを持ち込んだ。素材メーカーは「金属より摩耗しやすい」と言った。しかしチャンレーは関節への応用を決断し、1962年11月に初めてUHMWPEソケットを患者に植え込んだ。
結果は正反対だった。UHMWPEはテフロンとは比べ物にならない耐摩耗性を示した。
チャンレーはもう一つの革新も同時に進めていた——アクリル骨セメント（PMMA）による固定だ。当時は歯科用の自己硬化型PMMAを転用し、人工関節を骨に固定した（1958年〜）。金属ステム＋UHMWPEソケット＋骨セメント固定という組み合わせは「低摩擦人工股関節（Low Friction Arthroplasty）」と名づけられ、近代人工関節の原型となった。
4. セラミックの挑戦——ブタンの革命（1970年代）
骨セメント固定にも問題はあった。長期的にセメントが疲労・崩壊し、弛みを起こす「セメント病」だ。この問題を背景に、1970年代に二つの新しい潮流が生まれた——セラミックとセメントレス固定だ。
1970年、フランスの外科医ピエール・ブタン（Pierre Boutin, 1924–1989）がセラミックメーカーと共同で、酸化アルミニウム（アルミナ）セラミック製の骨頭と臼蓋カップを用いた人工股関節を初めて植え込んだ。
アルミナセラミックの利点は明快だった——金属より硬く、摩耗しにくく、金属イオンを出さない。金属対金属の問題を根本から解決できる可能性があった。
しかし初期のセラミックには致命的な弱点があった。脆さだ。製造技術の限界から純度が低く、気孔率が高かった。手術中に、あるいは使用中に割れるリスクがあった。
1980〜90年代にかけて製造技術が向上し、アルミナセラミックの信頼性は大幅に改善された。セラミック骨頭の破損リスクは大きく低下し、「セラミック対セラミック」または「セラミック対ポリエチレン」の組み合わせが広まった。
5. ジルコニアの失敗——2001年の教訓
1980年代末からジルコニア（ZrO₂）セラミックが注目された。アルミナより破壊靭性が高く、「割れにくいセラミック」として期待された。
しかし2001年、重大な事態が発生した。
特定メーカーのジルコニア骨頭で製造工程の不良が発生し、生体内での相変態（低温劣化：正方晶から単斜晶への変化）が制御不能となった。表面が荒れ、強度が急落し、骨頭破損が集団発生したのだ。この問題により、多くのメーカーがジルコニア単体骨頭を市場から撤退させた。
「より良い素材」が「より危険な結果」を生む——これもまた材料科学の歴史が繰り返す教訓だった。
6. 現代の素材——BIOLOX deltaと高架橋ポリエチレン（2000年代〜）
ジルコニアの失敗を経て、セラミック技術は別の方向に進化した。
2003年、ドイツのCeramTec社がBIOLOX deltaを開発・販売開始した。これはアルミナ約82%にジルコニア約17%・酸化クロム・ストロンチウムアルミナを添加した複合セラミックだ。ジルコニア粒子が応力下で体積膨張し、亀裂の進展をブロックする——「変態強化（transformation toughening）」と呼ばれるメカニズムだ。アルミナ単体の硬さとジルコニアの靭性を組み合わせた、現時点での最高水準のセラミック素材として整形外科インプラントの標準となっている。
ポリエチレンの側でも進化があった。
1998〜99年に高架橋ポリエチレン（HXLPE）が市場に投入された。従来のUHMWPEに放射線照射で架橋構造を形成し、摩耗率を50〜80%以上低下させた。さらに2005年頃からはビタミンE添加型が登場し、照射後の酸化劣化を抑えつつ機械的強度も維持する第二世代HXLPEが普及した。
骨との固定方法も進化した。セメントを使わず、チタン合金（Ti-6Al-4V）表面の多孔質コーティングに骨を内方成長させるセメントレス固定が1970年代末から開発され、現在では若年患者を中心に広く使われている。チタン合金はコバルトクロム合金より弾性率が低く（ストレスシールディングが少ない）、骨親和性も高い。
7. 膝関節人工関節の歴史
股関節に遅れること数年、全人工膝関節置換術（TKA）の歴史が始まった。
1968年、カナダの整形外科医フランク・ガンストン（Frank Gunston）がチャンレーの弟子として骨セメントとポリエチレンの概念を膝に応用し、初のPolycentric Kneeを植え込んだ（論文は1971年発表）。ステンレス鋼の大腿骨コンポーネントとポリエチレン脛骨ランナーという基本構造は、現代TKAの原型だ。
1974年にニューヨークのHospital for Special Surgery（HSS）チームが開発したTotal Condylar Kneeが商業的に成功した最初のTKAとなり、現在の後十字靱帯温存型（CR型）の直接の祖先となっている。
現在、日本では年間約10万件のTKAと約7〜7.5万件の全人工股関節置換術（THA）が施行されており、合計で年間26万件以上の人工関節手術が行われている。
まとめ：失敗が素材を育てた
人工関節の素材の変遷を年表にすると、こうなる。
| 時代 | 素材・技術 | 問題点 |
|---|---|---|
| 1890年 | 象牙 | 感染・固定不全 |
| 1940〜60年代 | コバルトクロム合金（金属対金属） | 摩耗・無菌性弛み・金属イオン |
| 1956年〜 | PTFE（テフロン） | 異常摩耗・骨融解 |
| 1962年〜 | UHMWPE＋骨セメント | 長期的なセメント弛み・ポリエチレン摩耗 |
| 1970年〜 | アルミナセラミック | 初期の脆性・破損リスク |
| 1980年代〜 | ジルコニアセラミック | 低温劣化・2001年集団破損 |
| 1999年〜 | 高架橋ポリエチレン（HXLPE） | 延性低下（改良継続中） |
| 2003年〜 | BIOLOX delta（複合セラミック） | 現時点での最高水準 |
象牙が腐り、テフロンが削れ、ジルコニアが割れた。その都度、外科医と材料工学者が教訓を学び、次の素材を生み出した。現在「最良」とされる素材も、次の世代が「あれには問題があった」と言う日が来るかもしれない。材料科学と医療の歴史は、その繰り返しで前進してきた。
筆者注
整形外科専門医として人工関節手術に携わっていると、「この素材はどこから来たのか」という問いが自然に浮かぶ。
筆者がTKAで使用しているのは、本文でも触れた後十字靱帯温存型（CR型）ではなく、後十字靱帯を切除して人工関節のポリエチレン形状で安定性を補うPS型（Posterior Stabilized型）だ。CR型とPS型のどちらが優れているかは今も議論が続いており、術者の経験や患者の状態によって選択が異なる——これ自体が「現時点での正解は一つではない」という医療の現実を示している。
金属対金属（Metal-on-Metal）の問題も、身近な例として思い出す。本文でMcKee-Farrar人工股関節の時代が早々に終わったと書いたが、2000年代に入って再び金属対金属の大径骨頭が「摩耗が少なく優れている」として市場に登場し、各メーカーもエキスパートも当初は問題ないとしか言わなかった。しかし使用が広まるにつれ、金属イオン化反応による周囲軟部組織の壊死——ARMD（Adverse Reaction to Metal Debris）——が次々と報告され、最終的に多くの製品がリコールや市場撤退に追い込まれた。発売当時に誰も声を上げなかったわけではないが、少なくとも「全く問題ない」という空気が業界全体を覆っていたことは事実だ。
今使っているセラミック骨頭がBIOLOX deltaになる前に、ジルコニア骨頭の集団破損という事故があったことを文献で読んだ。「より良い素材」が突然リコールになる——そのリスクは現在のインプラントにも理論上はある。
患者さんに「大丈夫ですか」と聞かれるとき、「現時点での最善の素材を使っています」と答える。これは正直な言葉だ。そして今自分がしている手術も、20年後には過去の遺物と呼ばれているかもしれない。チャンレーが1956年にテフロンを植え込んだとき、彼も同じことを思っていたはずだ、とも思う。
参考資料
- Gomez, P.F. & Morcuende, J.A. (2005). “Early Attempts at Hip Arthroplasty: 1700s to 1950s.” Iowa Orthopaedic Journal, 25, 25–29.
- Charnley, J. (1961). “Arthroplasty of the hip: a new operation.” The Lancet, 277(7187), 1129–1132.
- Boutin, P. (1972). “Total arthroplasty of the hip by fritted aluminum oxide prosthesis.” Revue de chirurgie orthopédique, 58(3), 229–246.
- Kurtz, S.M. (2009). UHMWPE Biomaterials Handbook: Ultra High Molecular Weight Polyethylene in Total Joint Replacement. Academic Press.
- Insall, J.N. et al. (1976). “Total condylar knee replacement.” Clinical Orthopaedics and Related Research, 120, 149–154.
- 日本人工関節学会（2023）.「人工関節とは」. https://www.jsra.info/public/joint/
⚠️ 免責事項：本記事は医学史・医療史の教育・情報提供を目的としたものであり、特定の疾患の診断・治療・予防を目的とした医療アドバイスではありません。健康上の問題については、必ず医師・医療機関にご相談ください。
