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Femtosecond-laser-induced periodic surface structures on ceramics for medical implant applications

Research Project

Project/Area Number 16K13706
Research Category

Grant-in-Aid for Challenging Exploratory Research

Allocation TypeMulti-year Fund
Research Field Optical engineering, Photon science
Research InstitutionNational Institute of Advanced Industrial Science and Technology

Principal Investigator

KAKEHATA Masayuki  国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 主任研究員 (70356757)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 屋代 英彦  国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 主任研究員 (30358197)
Research Collaborator ITO Atsuo  産総研, 健康工学研究部門
OYANE Ayako  産総研, ナノ材料研究部門
TORIZUKA Kenji  産総研, 電子光技術研究部門
Project Period (FY) 2016-04-01 – 2019-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2018)
Budget Amount *help
¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000)
Fiscal Year 2018: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2017: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
Fiscal Year 2016: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
Keywords超短パルスレーザー / アブレーション / セラミックス / レーザープロセッシング / 周期構造形成 / 機械強度評価 / 光プロセッシング / フェムト秒レーザー / ジルコニア / 周期構造 / 医療応用 / 機械強度 / 結晶相 / 光プロセシング / レーザー
Outline of Final Research Achievements

Laser induced periodic surface structures (LIPSS) on 3-mol % Yttria stabilized Tetragonal Zirconia Polycrystals : 3Y-TZP), which we first found, were investigated. Dependences of the LIPSS formation on laser irradiation parameters (polarization, wavelength, pulsewidh, fluence, number of irradiated pulses) were investigated. In order to investigate the mechanism of the LIPSS formation on 3Y-TZP, the orthogonal polarized double pulse irradiation and counter rotating circularly polarized double-pulse irradiation experiments have been carried out.
To investigate the feasibility of application of LIPSS for 3Y-TZP medical implants, the mechanical strength test and accelerated aging tests were carried out based on the ISO 13356:2015 (3Y-TZP implants for surgery). The hot isostatic pressing treated specimens with LIPSS formed satisfied the requirements.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

ジルコニアセラミックス表面のフェムト秒レーザー誘起表面周期構造形成の特性を調べ、周期構造の大きさや方向が従来報告されていた酸化物や誘電体とは異なることを明確に示した。またダブルパルス照射実験を実施し、二つのパルスの時間遅延に依存した構造の方向・周期の変化を詳細に調べ、ジルコニア表面の周期構造形成に影響を与える複数の物理過程が,どの時間領域で関係しているかについての知見が得られたことは学術的意義が大きい。
更に基礎的な学術研究にとどまらず,ISO規格に基づいた評価により医療用部材への実用可能性を示したことは社会的意義が大きい。

Report

(4 results)
  • 2018 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2017 Research-status Report
  • 2016 Research-status Report
  • Research Products

    (31 results)

All 2019 2018 2017 2016 Other

All Journal Article (6 results) (of which Acknowledgement Compliant: 3 results) Presentation (23 results) (of which Int'l Joint Research: 7 results,  Invited: 2 results) Remarks (2 results)

  • [Journal Article] レーザー加工で創る機能表面と医療応用2019

    • Author(s)
      奈良崎愛子、欠端雅之、屋代英彦
    • Journal Title

      光アライアンス

      Volume: 印刷中

    • NAID

      40021922366

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      O plus E

      Volume: 38 Pages: 1034-1039

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      朱鷺メッセ、新潟市、新潟県
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      Wyndham Grand Xi’an South、西安、中国
    • Year and Date
      2016-05-25
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      https://unit.aist.go.jp/esprit/uf-photo/

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Published: 2016-04-21   Modified: 2020-03-30  

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