3D造形関節運動器の疲労強度向上を目指した組織・結晶構造の変態プロセスの構築

2019 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 19K04096
• Research Institution: Sophia University
• Principal Investigator: 久森 紀之 上智大学, 理工学部, 教授 (80317510)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: チタン合金 / 積層造形 / 疲労特性 / 組織・結晶構造 / 変態プロセス / 関節運動器

Outline of Annual Research Achievements

患者個々の関節運動器の骨格や症状等に合わせた高生体適合性カスタムメイドインプラントが求められている．現在の整形外科用3D造形関節運動器デバイスは，造形時の残留欠陥が疲労強度を著しく低下させるために実用範囲が極めて限定されている．加えて，骨伝導能に乏しい金属インプラントには，骨と協調・融合する機能性の付与が不可欠であり，造形材でその機能の検討や効果の検証はなされていない．
本研究では，チタン合金の3D造形カスタム関節運動器デバイスを骨形状3D CADデータから直接造形し，短時間高周波焼入れとショットピーニング処理で組織のナノ結晶化と結晶相変態による耐疲労強度化プロセスの確立及びプラズマ溶射法による骨伝導能付与技術の一体化創製技術の構築を目的とし立案する．
電子ビーム積層造形機を用いて人工股・膝関節の3D-CADデータを基に，Ti-6Al-4V合金の造形を行った．ここでは，カスタムメイドを念頭にした造形，すなわち，一部分が細かったり，太かったりなど既存品では対応できない症例を想定した造形を行う．加えて，既存技術を生かした内部は緻密，一部表面はジオメトリなポーラス構造とし，弾性率の低減を行う．すなわち，長期埋入で生じるstress shieldingの抑制を視野に入れている．
しかしながら，このような形状部位にチタン合金を適用すると，強度の面で不十分であることが考えられる．したがって，チタン合金に替わる素材として，Co-Cr合金を加えて検討することとした．
また，特殊なパターンでカスタム化するため，予め造形の判断が必要である．そのために必要な簡易モデル材の創製に，樹脂等で成形可能な造形装置を機器備品として購入した．

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

研究を行うに必要な積層造形材を，電子ビーム積層造形機を用いてTi-6Al-4V合金の造形を行った．加えて，比較材としたCo-Cr合金の鍛造材を用意し，基本的な特性・物性を評価した．
また，カスタムメイドを念頭にした造形，すなわち，一部分が細かったり，太かったりなど既存品では対応できない症例を想定した造形を行うために必要な簡易モデル材の創製に，樹脂等で成形可能な造形装置を導入し，設計が行えるシステムを構築した．

Strategy for Future Research Activity

Ti-6Al-4V合金の造形材に対して，疲労強度向上を目指した短時間高周波焼入れによる熱処理を行う．すなわち，マルテンサト変態が組織の微細化に寄与することで，造形欠陥の除去あるいは減少による高力学化の向上を目指す．とくに，渦電流が欠陥周りに集合することで，組織の再溶融・再凝固化が作動し，残留欠陥が除去・消滅するプロセスの構築と，その機序を明らかにする．空間的・時間的高倍率な微細組織の評価は，既設のX線CT，レーザ顕微鏡，FE-SEM（EDX），AFMを用いた詳細な観察及び，マルテンサト変態によるミクロ結晶方位分布をEBSD（既設）から明らかにする．
また，研究の進捗状況にもよるがショットピーニング（SP）を用いた塑性ひずみによる残留欠陥の消滅（二段階処理）と圧縮残留応力付与による耐疲労強度の向上を行う．短時間高周波焼入れした造形材で消滅しきれない欠陥に対して，SPによる塑性ひずみで残留欠陥を完全に消滅させること及び，マルテンサイト変態による更なる組織の細粒化を誘導する二段階処理プロセスを構築する．同時に圧縮残留応力付与による硬さと強度向上が耐疲労特性を高める高力学化の構築も範疇とし，その効果を曲げやねじり疲労試験から明らかにする．

Causes of Carryover

本年度は，従来の整形外科インプラントに用いている造形材の条件にて素材を造形したため，カスタムメイドを念頭にした造形，すなわち，一部分が細かったり，太かったりなど既存品では対応できない症例を想定した具体的な造形を行うための簡易モデル材の設計までは至っていない．そのための人件費を結果として抑制することができた．
また，整形外科的症例として必要な情報提供および打ち合わせに必要な旅費についても結果として抑制された．