2018 Fiscal Year Annual Research Report
Material design for microscale load sensor having bio-degradability
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17H01327
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| Research Institution | Kobe University |
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Principal Investigator |
向井 敏司 神戸大学, 工学研究科, 教授 (40254429)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
磯野 吉正 神戸大学, 工学研究科, 教授 (20257819)
福本 巧 神戸大学, 医学研究科, 教授 (70379402)
池尾 直子 神戸大学, 工学研究科, 助教 (80647644)
上杉 晃生 神戸大学, 工学研究科, 助教 (90821710)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 生体材料 / 生体内分解性金属 / 検力センサー / 粒界偏析 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
生体内分解性インプラントは経時に伴い体内で分解されるため、抜去手術を必要としないデバイスとして注目されている。本研究ではインプラントの分解に伴う力学的強度をリアルタイムでモニタリングできるシステムの構築を目標としている。平成30年度には、第一原理計算に基づく分解性マグネシウム合金の最適組成設計およびヘテロ構造の形成を通じた強靱化に関する研究を継続して実施した。また、蒸着による検力センサーの実装試行および分解性を評価するための研究を推進した。
分解性マグネシウム合金の最適組成設計については、カルシウムならびに生体為害性が低い元素を第三元素として添加した場合の強度および変形能に及ぼす効果を第一原理計算により予測した。ここでは、溶質元素および原子数； Ca: 1, 第三元素X (Li, K, Sr, Ba, Zn, Mn, Mo, Zr, Cu, Ag, Si, Nd, Gd): 1を設定した。また、粒界モデルには{11-21}や{11-24}など複数種の対応粒界を選定し、第一原理計算により粒界エネルギーが高い粒界構造を決定した。次に、置換元素の偏析エネルギーを計算し、安定な原子配置を決定した。その後、各合金の粒界凝集エネルギーを算出し、破壊し難い合金元素種を決定した。計算により選定した合金を鋳造により試作した後に、強ひずみ加工を施すことにより、強靱化した細線材料を作製した。
センサーの作製については、電子ビーム(EB)蒸着およびスパッタリングの二通りの手法により実施した。ここでは、検力センサーのパターンを形成する方法およびセンサー膜中の不純物が分解速度に及ぼす影響を評価した。擬似体液にハンクス液を用いて試験体を浸漬し、経時に伴う体積減少を確認した。また、検力センサーを実装した試験体に曲げ応力を負荷し、センサーの出力について測定することにより、検力性能を検証した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
予定した研究計画に沿って、第一原理計算に基づく分解性マグネシウムの最適組成設計、ヘテロ構造の形成を通じた細線素材の強靱化、蒸着によるマイクロ検力センサーの形成および蒸着被覆による分解性制御、分解に伴う周辺組織細胞の反応から生体安全性を評価する手法を確立するための研究を推進する。
平成30年度に実施した内容は、研究実績の概要にて記述した通りである。分解性金属として、計算予測によりMg-Ca-X三元合金を選定し、鋳造および強ひずみ加工を施すことにより、当初に目標とした合金細線を作製することができた。また、マグネシウムと比較して分解速度を低減することが可能な亜鉛系合金も本研究における素材候補として追加し、計算予測および合金試作を実施した。これにより、分解速度を低減した細線素材の試作に成功した。
検力センサー部の作製については、シリコンをEB蒸着およびスパッタリングによりシリカ表面へ蒸着し、パターンを形成した。その後に試作体を擬似体液中に浸漬し、経時に伴う分解性を評価したところ、スパッタリングによるパターンと比較して、EB蒸着したものは、分解速度が速くなる結果を得た。また、不純物としてボロンを添加したセンサー膜は無添加の場合と比較して、分解速度が速くなることを確認した。以上の試験により、分解性センサーの性能維持期間を調整するためには、蒸着膜の密度と不純物濃度の制御が不可欠であることが明らかとなった。
以上のように、当初の計画通りに計算および実験研究を推進している。また、センサーおよび細線材料の分解速度を調整することが可能となっており、本事業は概ね順調に進展しているものと考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
ヘテロ構造制御として実施する結晶粒微細化については、これまでに実施している押出成形と併せて、細線ワイヤーの創製研究に取り組み、当初の予定通りに強靱化細線の創製を推進する予定である。
なお、シリコン半導体を形成することにより、分解性センサーを実装することが可能となったことから、次年度にはセンサー膜の調整により分解速度を制御するための膜構造および不純物の濃度分布について考察を深める予定である。
また、検力センサーと細線の接合についても実験研究を推進し、生体内センサーとして適用可能な計測システムの確立に着手する予定である。そのため、共同研究者との連携研究を密に行い、当初計画に遅滞が生じないように研究を推進する予定である。
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