2018 Fiscal Year Annual Research Report

Bio-compatibility of metallic biomedical materials with surface nano modification

Research Project

Project/Area Number	17H01332
Research Institution	Osaka University
Principal Investigator	藤本愼司大阪大学, 工学研究科, 教授 (70199371)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	土谷博昭大阪大学, 工学研究科, 准教授 (50432513) 宮部さやか大阪大学, 工学研究科, 助教 (50584132) 廣本祥子国立研究開発法人物質・材料研究機構, 構造材料研究拠点, 主幹研究員 (00343880)
Project Period (FY)	2017-04-01 – 2020-03-31
Keywords	材料加工・処理 / 生体材料 / 環境材料工学 / 電気化学 / 腐食防食 / カソード還元
Outline of Annual Research Achievements	チタン上での酸素還元について研究代表者らが構築した電流制御分極法により検討し、ステンレス鋼と同様に、分極初期には酸素の拡散限界電流より大きな電流が発生し、さらに酸素還元速度に細胞やタンパク質が影響することが明らかとなった。またチタン上に形成する酸化皮膜の膜厚や構造をアノード酸化により変化させ同様の検討を行った結果、酸素還元に皮膜の膜厚や構造が影響し、特に結晶構造が著しく影響しうることを見出した。アノード酸化により形成する酸化皮膜はアノード酸化電圧が低い場合にはアモルファスであり、高い場合には結晶化することが知られており、皮膜の電子伝導性が酸素還元に大きく影響を及ぼすことが分かった。また酸化皮膜の電子物性は異種元素のドーピングにより制御できることもこれまでの研究により明らかにされているため、皮膜の電子物性制御による酸素還元挙動をコントロールしてチタンの耐食性のさらなる向上に寄与できることを見出した。腐食疲労特性を実環境を想定し、金属が変形しアノード反応が生じる箇所とカソード反応が生じる箇所を分離して評価するために構築したシステムを用いて模擬生体環境で腐食疲労特性評価を行い、これまでにカソード部の面積が大きいほど腐食寿命が長くなることを見出している。その要因を調査するため定電位分極下で急速ひずみ電極試験を行い、印加した電位が低いほど再不働態化速度が速いことを見出した。一方で、腐食疲労試験においてカソード部面積が小さい場合、腐食電位は卑であったことから、カソード部面積が小さい場合再不働態化速度が速いため、少しでも再不働態化が遅れた箇所があると、その場所に電流が集中し局所溶解が進行し応力集中に繋がり、早期に破断したと考察した。疲労試験と同様に表面皮膜の破壊と再形成が繰り返される摩耗試験において、損傷に占める電気化学反応による溶解の影響は小さいことが明らかとなった。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 2018年度に計画した研究項目を順調に実施することができ、これまでに報告されていないが生体環境での医療用金属材料の腐食・損傷に影響する重要な知見が得られたため。
Strategy for Future Research Activity	これまでの研究成果を踏まえ、今後は繰り返し荷重負荷と摩耗の相乗が想定される部位を模擬した腐食疲労試験を行い、その腐食疲労挙動のモデル化を目指し、医療用金属材料表面での酸素還元やフレッティング腐食疲労挙動の数値計算モデルの確立を行う。そのために必要な細胞下での酸素濃度変化やpH変化を実験ならびに数値計算により明らかにする。