Development of Novel Tailor-Made CoCr-Based Superelastic Biomaterials

• Project/Area Number: 20KK0108
• Research Category: Fund for the Promotion of Joint International Research (Fostering Joint International Research (B))
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 26:Materials engineering and related fields
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: XU XIAO 東北大学, 工学研究科, 准教授 (20781389)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 上田 恭介 東北大学, 工学研究科, 准教授 (40507901) ; 大森 俊洋 東北大学, 工学研究科, 教授 (60451530)
• Project Period (FY): 2020-10-27 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥18,720,000 (Direct Cost: ¥14,400,000、Indirect Cost: ¥4,320,000); Fiscal Year 2024: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2023: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000); Fiscal Year 2022: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000); Fiscal Year 2021: ¥7,670,000 (Direct Cost: ¥5,900,000、Indirect Cost: ¥1,770,000); Fiscal Year 2020: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
• Keywords: 生体材料 / CoCr合金 / 超弾性合金 / 積層造形

Outline of Research at the Start

超高齢社会に突入した現代社会では、生体内に埋入する生体材料を用いた治療の需要が高まってきている。最近、研究代表者らは優れた耐食性と超弾性特性を有するCoCr基合金を開発し、人工関節や固定具等に用いられる新規生体材料への応用に注目している。本研究は超弾性特性および加工性の向上に向けて、日本、ドイツとチェコ、３ヶ国による国際共同研究チームを形成し、積層造形技術等を駆使して、テーラーメイド型新規CoCr系超弾性生体材料の開発に挑戦する。

Outline of Annual Research Achievements

本研究は研究代表者らが最近開発した高い耐食性および優れた超弾性特性が同時に発現するCo基ホイスラー合金を対象に、超弾性特性および加工性の向上に向けて研究を行い、日本、ドイツとチェコ、3ヶ国による国際共同研究チームで積層造形技術等を駆使して、テーラーメイド型新規CoCr系超弾性生体材料の開発に挑戦する。

本研究の４年目は、新型コロナウイルスの影響で実施できなった現地での共同研究を実現した。まず、８月まででは日本国内で積層造形用に選定した合金組成でバルク試料を作製し、平衡条件である各熱処理温度における組織形態および非平衡条件である凝固組織を調査し、積層造形試料の評価に用いる基礎データを構築した。代表者は9月～11月にかけて共同研究先であるドイツ・カッセル大学に赴き、指向性エネルギー堆積法(DED)、レーザー溶融法(SLM)および電子ビーム溶融法(EBM)、3種類の積層造形方式の条件出しを試みた。特にSLMに関しては一ヶ月以上の長いマシンタイムが確保されたため、レーザーパワーおよび掃引速度などのパラメーターを系統的に調査した。その結果、一定の条件パラメーターの組み合わせ範囲内においては本CoCr系合金の積層造形が可能であることが分かった。これらのパラメーターを用いることで、10 mm x 10 mm x 10 mmサイズの積層造形試料の作製に成功した。しかし、これらの試料を用いてサイクル熱処理を試みたところ、今までのバルク試料とは異なり、異常粒成長による単結晶育成ができないことを判明した。今後、原因解明のため、各積層造形段階における組織形態、結晶方位分布および析出物の有無など詳細について調査する。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

新型コロナウィルスの影響で2021年度に計画していた外国出張が2023年度にようやく実現したため、本研究は全体的にやや遅れている。

Strategy for Future Research Activity

本研究の５年目は継続してCoCr系超弾性生体材料における積層造形技術の応用可能性について探索する。４年目の共同研究の実施より、異なる条件の大量の積層造形試料が作製でき、その分析を来年度の前半にかけて集中的に行う。異常粒成長による単結晶育成の問題を解決するために、SEMおよびEBSDを用いて積層造形試料を観察する。また、追加熱処理を行うことで組織が変化する可能性があるため、その詳細についても調査する。さらに、析出物の組織形態を調査し、必要に応じてTEMやSTEMによる観察を実施する。熱処理等により単結晶もしくは集合組織を有する試料が得られた場合、その超弾性特性を評価し、バルク試料との比較を行う。また、今までの積層造形プロセスでは2020年に開発したCoCr系超弾性合金の組成を用いたが、昨年度新たに開発した優れた超弾性および低ヤング率を示す新組成の粉の作製が完了したため、新組成を用いてDEDおよびSLMを行い、その組織及び機械特性を旧組成と比較する。

Research Products

• [Int'l Joint Research] チェコ科学アカデミー(チェコ)
• [Int'l Joint Research] カッセル大学(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] チェコ科学アカデミー(チェコ)
• [Int'l Joint Research] カッセル大学(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] チェコ科学アカデミー(チェコ)
• [Int'l Joint Research] カッセル大学(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] Kassel大学(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] チェコ科学アカデミー(チェコ)
• [Journal Article] Flexible and Tough Superelastic Co-Cr Alloys for Biomedical Applications (2022)
  • Author(s): Odaira Takumi、Xu Sheng、Hirata Kenji、Xu Xiao、Omori Toshihiro、Ueki Kosuke、Ueda Kyosuke、Narushima Takayuki、Nagasako Makoto、Harjo Stefanus、Kawasaki Takuro、Bodnarova Lucie、Sedlak Petr、Seiner Hanus、Kainuma Ryosuke
  • Journal Title: Advanced Materials Volume: 34 Issue: 27 Pages: 2202305-2202305
  • DOI: 10.1002/adma.202202305
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Tough yet Flexible Superelastic Alloys Meet Biomedical Needs (2022)
  • Author(s): Xu Xiao、Odaira Takumi、Xu Sheng、Hirata Kenji、Omori Toshihiro、Ueki Kosuke、Ueda Kyosuke、Narushima Takayuki、Nagasako Makoto、Harjo Stefanus、Kawasaki Takuro、Bodnarova Lucie、Sedlak Petr、Seiner Hanus、Kainuma Ryosuke
  • Journal Title: Advanced Materials & Processes Volume: 180 Pages: 35-37
  • Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] CoCr-based Superelastic Alloys with Low Young’s Modulus for Biomedical Applications (2024)
  • Author(s): Xiao Xu, Takumi Odaira, Sheng Xu, Kenji Hirata, Toshihiro Omori, Kosuke Ueki, Kyosuke Ueda, Takayuki Narushima, Makoto Nagasako, Stefanus Harjo, Takuro Kawasaki, Lucie Bodnarova, Petr Sedlak, Hanus Seiner, Ryosuke Kainuma
  • Organizer: TMS 153th Annual Meeting & Exhibition
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Co-Cr-Al-Si合金におけるマルテンサイト変態と低弾性率 (2024)
  • Author(s): 許皛, 大平拓実, 清水来紀, 大森俊洋, 貝沼亮介
  • Organizer: 日本金属学会2024年春期(第174回)講演大会
  • Invited
• [Presentation] Shear softening in Co-Cr-Ga-Si ferromagnetic shape memory alloy exhibiting the reentrant austenite behavior (2023)
  • Author(s): Michaela Janovska, Petr Sedlak, Martin Sevcik, Xiao Xu, Ryosuke Kainuma, Hanus Seiner
  • Organizer: Seventh International Conference on Ferromagnetic Shape Memory Alloys
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Powder-based Directed Energy Deposition of Co-based Shape Memory Alloys (2023)
  • Author(s): M. Vollmer, N. Sommer, R. Shimizu, X. Xu, T. Omori, R. Kainuma, S. Bohm, T. Niendorf
  • Organizer: Seventh International Conference on Ferromagnetic Shape Memory Alloys
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 熱力学に基づく新規Co系機能性形状記憶合金に関する研究 (2023)
  • Author(s): 許皛
  • Organizer: 日本金属学会2023年秋期(第173回)講演大会
  • Invited
• [Presentation] Co-Cr-Al-Si合金の高い弾性異方性と単結晶における低いヤング率 (2023)
  • Author(s): 許 皛, 大平 拓実, 許 勝, 平田 研二, 大森 俊洋, 植木 洸輔, 上田 恭介, 成島 尚之, 長迫 実, Harjo Stefanus, 川崎 卓郎, Bodnarova Lucie, Sedlak Petr, Seiner Hanus, 貝沼 亮介
  • Organizer: 日本金属学会2023年秋期(第173回)講演大会
• [Presentation] Co-based Heusler alloys with martensitic transformation behavior (2023)
  • Author(s): Xiao Xu
  • Organizer: Smart Acoustics for Smart Alloys Network Workshop in Prague
• [Presentation] 低ヤング率を有するCo-Cr-Al-Si超弾性合金 (2022)
  • Author(s): 許 皛, 大平 拓実, 許 勝, 平田 研二, 大森 俊洋, 植木 洸輔, 上田 恭介, 成島 尚之, 長迫 実, Stefanus Harjo, 川崎 卓郎, Lucie Bodnarova, Petr Sedlak, Hanus Seiner, 貝沼 亮介
  • Organizer: 日本金属学会2022年秋期（第171回）講演大会
• [Presentation] Co-Cr-Al-Si合金におけるサイクル熱処理誘起異常粒成長 (2021)
  • Author(s): 栗原 泰智, 大平 拓実, 許 皛, 大森 俊洋, 貝沼 亮介
  • Organizer: 日本金属学会2021年春期（第168回）講演大会
• [Remarks] 柔らかくて硬い!? 生体骨に近い特性の金属材料を開発 - ボーンプレートや人工関節への応用に期待 -
  • URL: https://www.tohoku.ac.jp/japanese/2022/05/press20220519-02-cocr3.html
• [Patent(Industrial Property Rights)] Co基超弾性合金材、Co基超弾性合金材からなる板材及び線材、Co基超弾性合金材の製造方法、ステント、ガイドワイヤならびに人工股関節 (2022)
  • Inventor(s): 貝沼亮介、大森俊洋、許キョウ、大平拓実
  • Industrial Property Rights Holder: 貝沼亮介、大森俊洋、許キョウ、大平拓実
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Filing Date: 2022
  • Overseas
• [Patent(Industrial Property Rights)] Co基超弾性合金材、Co基超弾性合金材からなる板材及び線材、ならびにCo基超弾性合金材の製造方法 (2021)
  • Inventor(s): 貝沼亮介、大森俊洋、許キョウ、大平拓実
  • Industrial Property Rights Holder: 貝沼亮介、大森俊洋、許キョウ、大平拓実
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2021-104095
  • Filing Date: 2021