2020 Fiscal Year Annual Research Report
High performnce functionalization of Zr alloys to decrease MRI artifact
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19H04464
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| Research Institution | Tokyo Medical and Dental University |
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Principal Investigator |
塙 隆夫 東京医科歯科大学, 生体材料工学研究所, 教授 (90142736)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
蘆田 茉希 東京医科歯科大学, 生体材料工学研究所, 助教 (50708386)
中石 典子 (寺田) 東京医科歯科大学, 生体材料工学研究所, 技術職員 (60374550)
陳 鵬 東京医科歯科大学, 生体材料工学研究所, 助教 (70708388)
野村 直之 東北大学, 工学研究科, 教授 (90332519)
堤 祐介 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 構造材料研究拠点, 主席研究員 (60447498)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | ジルコニウム合金 / 低磁性 / 結晶構造 / 機械的性質 / 細胞機能 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、医療用新合金の基盤的研究を通じて、ジルコニウム（Zr）合金の結晶組織、機械的性質、磁化率、耐食性、安全性、生体機能の関係を学術的に明らかすることを目的する。Zr合金の体系的学術構築を行う点で独創的であり、医療デバイスとして汎用的に使用できる低磁性Zr多元合金開発の基礎となるものである。Zr合金に関する体系的知識を獲得することで、基盤となる一般的理論・普遍的原理に基づいた汎用的な
合金設計およびプロセス技術を提案する点に特徴がある。
Zr-14Nb-5Ta-1Mo合金からMoを除いたZr-14Nb-5Ta合金の耐食性、加工による結晶構造と機械的性質の変化を明らかにできた。また、Zr-14Nb-5Ta-1Mo合金の細胞機能を明らかにできた。そのため、これらの合金の力学的信頼性、安全性を示すことに成功した。
Zr-14Nb-5Ta合金は、Zr-14Nb-5Ta-1Mo合金と同等の低磁化率、低ヤング率を示し、Zr-14Nω5Ta合金はβ安定化元素であるMoをZr-14Nb-5Ta-1Mo合金から除いたことによってわずかにω相量が増加し、引張強さが向上し、Zr-14Nb-5Ta合金に冷間スウェージング加工を施すことで加工前の低い磁化率及びヤング率を維持でき、冷間スウェージング加工による組織の微細化によって、Zr-14Nb-5Ta合金は高強度化が可能であることが明らかになった。また、培養時間と共に細胞数は増加していたが、Zr合金はTiと比較して細胞増殖性はやや良好であった。細胞内ALP活性の発現量の変化傾向はZr合金とTiはほぼ同等であり、6、8、14日目にはTiでの細胞内ALP活性の発現量が高かった。ARS染色の結果、Ti表面ではZr合金に比べて染色面積が広く、石灰化物のCaイオン定量ではTiが多少優れていた。つまり、Tiと同様に細胞接着性・増殖性及び合金表面上での細胞分化能・石灰化能は良好であることが明らかになった。
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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
Zr-14Nb-5Ta-1Mo合金からMoを除いたZr-14Nb-5Ta合金の耐食性、加工による結晶構造と機械的性質の変化を明らかにできた。また、Zr-14Nb-5Ta-1Mo合金の細胞機能を明らかにできた。そのため、これらの合金の力学的信頼性、安全性を示すことに成功した。
Zr-14Nb-5Ta合金は、Zr-14Nb-5Ta-1Mo合金と同等の低磁化率、低ヤング率を示し、Zr-14Nω5Ta合金はβ安定化元素であるMoをZr-14Nb-5Ta-1Mo合金から除いたことによってわずかにω相量が増加し、引張強さが向上し、Zr-14Nb-5Ta合金に冷間スウェージング加工を施すことで加工前の低い磁化率及びヤング率を維持でき、
冷間スウェージング加工による組織の微細化によって、Zr-14Nb-5Ta合金は高強度化が可能であることが明らかになった。
また、培養時間と共に細胞数は増加していたが、Zr合金はTiと比較して細胞増殖性はやや良好であった。細胞内ALP活性の発現量の変化傾向はZr合金とTiはほぼ同等であり、6、8、14日目にはTiでの細胞内ALP活性の発現量が高かった。ARS染色の結果、Ti表面ではZr合金に比べて染色面積が広く、石灰化物のCaイオン定量ではTiが多少優れていた。つまり、Tiと同様に細胞接着性・増殖性及び合金表面上での細胞分化能・石灰化能は良好であることが明らかになった。
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| Strategy for Future Research Activity |
1. Z-14Nb-5Ta三元合金の熱間鍛造材に対して、冷間スウェージング、β変態点温度を考慮した熱処理を行い、それぞれの試料について、引張試験、硬さ試験、ヤング率測定、X線回折（XRD）、レーザー顕微鏡及び透過型電子顕微鏡（TEM）による組織観察を行い、加工熱処理、結晶組織、機械的性質の関係を明らかにする。
２．上記１の試料の耐食性を電気化学的に評価すると共に、評価前後の表面組成と化学的状態をX線光電子分光（XPS）で解析し、耐食性と耐食機構を明らかにする。耐食性は、擬似体液中での腐食挙動をアノード分極試験、溶出試験により評価し、チタン（Ti）、Ti-6Al-4V合金、ステンレス鋼など既存の医療用金属材料を対照とする。
３．ジルコニウム合金の耐食性を向上させる表面処理法の開発を試みる。
４．１の試料上で骨芽細胞及び繊維芽細胞の培養を行い、細胞増殖、細胞進展による安全性、細胞適合性を評価する。
５．積層造形条件を検討する。
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