Development of Novel Tailor-Made CoCr-Based Superelastic Biomaterials
| Project/Area Number |
20KK0108
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| Research Category |
Fund for the Promotion of Joint International Research (Fostering Joint International Research (B))
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Medium-sized Section 26:Materials engineering and related fields
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
XU XIAO 東北大学, 工学研究科, 助教 (20781389)
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| 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)
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| Project Period (FY) |
2020-10-27 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥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)
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| Keywords | 生体材料 / CoCr合金 / 超弾性合金 / 積層造形 |
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| 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。
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| 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３年目では、２年目に実験的に決定したCoCr(Al,Si)合金の擬3元系状態図の情報を活用し、キュリー温度が室温以下かつCr濃度の高い組成範囲に注目し、 生体材料の応用に重要である機械特性の調査を行った。まず、サイクル熱処理技術を用いて単結晶試料を作製するため、その実施に必要な熱処理上限および下限温度、昇温および降温速度などの最適条件を実験的に決定した。これらの条件を用いることで、Cr濃度一定および(Al,Si)濃度一定である二つの組成断面において、シリーズで単結晶試料を作製することに成功した。さらに、これらの試料を用いて機械特性を調査したところ、いずれも超弾性挙動が現れることを確認し、臨界応力やヒステリシスなどの組成依存性も評価することができた。
また、本年度では<100>方位を有する単結晶CoCr(Al,Si)合金を用いて、チェコ側との共同研究で骨と同様の30 GPa程度と低いヤング率を有しながら、NiTi合金の2倍以上である最大17%の超弾性効果を示すことを見出した。さらに、本合金は従来CoCr系生体用金属材料と同様の高い耐摩耗性と耐食性を有することから、次世代生体用金属材料として有望である。本研究成果はAdvanced Materials誌に掲載し、本学よりプレスリリースを行った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
本年度は日本国内において研究が順調に進み、さらにチェコ側との共同研究が良い研究成果が得られたが、新型コロナウィルスの影響で外国出張はまだ実現できず、総じて研究がやや遅れている。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究の４年目はCo基ホイスラー合金における積層造形技術の応用可能性の探索に注力する。本年度は新型コロナウィルスによる海外出張への影響が無くなるため、９月～１１月にかけて共同研究先であるドイツ・カッセル大学への出張日程を確定している。海外出張中では、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集中的に試みるため、９月までに積層造形に用いる試料組成の選定および予備実験を継続する。最近の予備実験では、積層造形の試験条件はある程度絞られてきたものの、超弾性特性が出現するbcc単相の作製はできず、異相の存在が問題点となっている。２年目に実験で決定したCoCr(Al,Si)合金の擬3元系状態図の情報を活用し、積層造形でbcc単相が得られる組成の探索を行う。さらに、積層造形によって形成された集合組織を調査し、<100>集合組織の出現を目指す。また、積層造形試料を用いたサイクル熱処理を行い、単結晶試料を作製にも挑戦する。
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Report
(3 results)
Research Products
(13 results)
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[Journal Article] Tough yet Flexible Superelastic Alloys Meet Biomedical Needs2022
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
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Journal Title
Advanced Materials & Processes
Volume: 180
Pages: 35-37
Related Report
Open Access / Int'l Joint Research
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[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
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