2021 Fiscal Year Annual Research Report
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
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19K04096
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| Research Institution | Sophia University |
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Principal Investigator |
久森 紀之 上智大学, 理工学部, 教授 (80317510)
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2019-04-01 – 2022-03-31
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| 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 |
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| 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．Co-Cr合金においても，熱処理プロセス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が確立できることを確認した．さらなる高疲労化は必要であるが，詳細なメカニズムの解明および検討で対応できる状況を整えた．
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