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2022 Fiscal Year Annual Research Report

Science for Creation of Biomaterials by Super Thermal Field

Planned Research

Project AreaCreation of Materials by Super Thermal Field: Neo-3D printing by Manipulating Atomic Arrangement through Giant Potential Gradient
Project/Area Number 21H05197
Research InstitutionUniversity of Toyama

Principal Investigator

石本 卓也  富山大学, 学術研究部都市デザイン学系, 教授 (50508835)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 上田 正人  関西大学, 化学生命工学部, 教授 (40362660)
松垣 あいら  大阪大学, 大学院工学研究科, 准教授 (10592529)
Project Period (FY) 2021-09-10 – 2026-03-31
Keywordsレーザー粉末床溶融結合法 / バルク / 表面 / 金属バイオマテリアル / チタン合金 / 超急冷
Outline of Annual Research Achievements

2022年度は、「バルク」に関しては、前年度創製した生体用Ti-X基合金(Xはβ相安定化元素)のレーザ積層造形体(角柱状試料)について、結晶相をXRD、TEM、STEMにより同定し、結晶集合組織をFE-SEM-EBSDにより解析、さらに、ヤング率、降伏応力を引張試験によって解析した。純金属粉末を出発原料としたin process alloyingにより合金化したが、均一な組成の造形体が獲得できた。2つの着眼点、① 絶対安定性の発現、② 不安定β相による生体力学機能化に基づいて、研究を推進した。
① 絶対安定性の発現に関しては、特定の組成において、冷却速度が大きいアーク溶解材では顕著な濃度分配が生じたにも関わらず、極めて大きな急冷をともなうレーザ積層造形体では明確な濃度分配が見出されず、絶対安定に近い状況下での凝固が示唆された。
② 不安定β相による生体力学機能化に関しては、Xの添加量の一定の範囲では、ほぼβ単相となり、低X側ではω相の析出が観察された。特定のレーザプロセスウィンドウ内にてβ相は強く配向化した結晶集合組織を示し、さらに、レーザ走査ストラテジに依存してパーツ内での配向方位を変えることに成功した。引張試験の結果、結晶配向方位に依存したヤング率が示され、ヤング率異方性の発現と、<100>配向方位での低ヤング率化が認められた。
同時に、本手法ではlayer-by-layerでの造形により繰り返しの熱影響を受けることが不可避であるため、造形中での相変態(力学特性に大きく影響)に対する安定性の評価にも着手した。
「表面」に関しては、レーザを用いて付与した異方性パターンが、幹細胞の分化を制御する可能性を見出し、生体に働きかけるバイオマテリアル表面の獲得に向け前進した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

バルク・表面の両者において、顕著な進捗を得た。
バルクに関しては、Ti-X基合金において、絶対安定性の発現の解析に資する状況を既に見出すとともに、不安定β相による生体力学機能化(<100>配向化と当該配向方位での低ヤング率化)を達成した。同時に、繰り返しの熱影響に対する安定性についての評価法を確立し、それに基づいて熱影響に安定な組成の検討が今後可能となる。
表面に関しても、形態的な因子によって細胞の分化が制御されるという新たな知見を獲得し、論文投稿している。
以上の理由より、計画以上に伸展していると自己評価した。

Strategy for Future Research Activity

バイオマテリアルとして重要なバルク特性であるヤング率について、β相安定性(ω相の析出)に基づいて組成依存性を明らかにするとともに、ヤング率の上昇を招くω相の析出抑制を試みる、公募班との連携により、ヤング率の異方性を明らかにし、骨バイオマテリアルとしてのポテンシャルを評価する。
表面の観点からは、前年度に細胞制御能が認められた表面形態が超温度場によて形成される機序を明らかにする。同時に、超温度場を用いた化学的修飾による生体活性能の付与を試みる。

  • Research Products

    (10 results)

All 2023 2022

All Journal Article (5 results) (of which Peer Reviewed: 5 results,  Open Access: 5 results) Presentation (5 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Invited: 3 results)

  • [Journal Article] Design of Titanium Alloys Insensitive to Thermal History for Additive Manufacturing2023

    • Author(s)
      Ueda Masato、Ting Hsuan Chang、Ikeda Masahiko、Nakano Takayoshi
    • Journal Title

      Crystals

      Volume: 13 Pages: 568~568

    • DOI

      10.3390/cryst13040568

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Review ? Microstructural Control and Functional Enhancement of Light Metal Materials via Metal Additive Manufacturing2023

    • Author(s)
      Ishimoto Takuya、Nakano Takayoshi
    • Journal Title

      MATERIALS TRANSACTIONS

      Volume: 64 Pages: 10~16

    • DOI

      10.2320/matertrans.MT-MLA2022007

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Microstructure Evolution and High-Temperature Mechanical Properties of Ti?6Al?4Nb?4Zr Fabricated by Selective Laser Melting2023

    • Author(s)
      Kuroda Tomoki、Masuyama Haruki、Toda Yoshiaki、Matsunaga Tetsuya、Ito Tsutomu、Watanabe Makoto、Ozasa Ryosuke、Ishimoto Takuya、Nakano Takayoshi、Shimojo Masayuki、Yamabe-Mitarai Yoko
    • Journal Title

      MATERIALS TRANSACTIONS

      Volume: 64 Pages: 95~103

    • DOI

      10.2320/matertrans.MT-MLA2022021

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Big-Volume SliceGAN for Improving a Synthetic 3D Microstructure Image of Additive-Manufactured TYPE 316L Steel2023

    • Author(s)
      Sugiura Keiya、Ogawa Toshio、Adachi Yoshitaka、Sun Fei、Suzuki Asuka、Yamanaka Akinori、Nakada Nobuo、Ishimoto Takuya、Nakano Takayoshi、Koizumi Yuichiro
    • Journal Title

      Journal of Imaging

      Volume: 9 Pages: 90~90

    • DOI

      10.3390/jimaging9050090

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Microstructure and Solute Segregation around the Melt-Pool Boundary of Orientation-Controlled 316L Austenitic Stainless Steel Produced by Laser Powder Bed Fusion2022

    • Author(s)
      Sato Kazuhisa、Takagi Shunya、Ichikawa Satoshi、Ishimoto Takuya、Nakano Takayoshi
    • Journal Title

      Materials

      Volume: 16 Pages: 218~218

    • DOI

      10.3390/ma16010218

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] 透過電子顕微鏡によるSUS316L鋼LPBF材の微細組織と溶質偏析の観察2023

    • Author(s)
      佐藤和久、高木空、市川聡、石本卓也、中野貴由
    • Organizer
      日本金属学会2023年春期講演大会
  • [Presentation] Crystallographic texture control by metal powder bed fusion2023

    • Author(s)
      Takuya Ishimoto, Takayoshi Nakano
    • Organizer
      The 3rd Asia-Pacific International Conference on Additive Manufacturing (APICAM)
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] チタンおよびチタン合金の3D プリンティングの最先端技術2022

    • Author(s)
      石本卓也、中野貴由
    • Organizer
      第2回日本チタン学会講演大会(2022年度)
    • Invited
  • [Presentation] 生体用チタン合金のAdditive Manufacturing2022

    • Author(s)
      石本卓也、上田正人、松垣あいら、中野貴由
    • Organizer
      日本金属学会2022年秋期講演大会
    • Invited
  • [Presentation] β型Ti-15Mo-5Zr-3Al金属AM造形体における残留応力2022

    • Author(s)
      石本卓也、高瀬文、中野貴由
    • Organizer
      日本金属学会2022年春期講演大会

URL: 

Published: 2023-12-25  

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