骨含有元素とチタンの合金化・複合化による骨形成能に優れた表面の創製

2021 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 20K05130
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: 稗田 純子 名古屋大学, 工学研究科, 准教授 (40566717)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: チタン合金 / 骨含有元素 / 骨形成能 / プラズマプロセス

Outline of Annual Research Achievements

疾病や事故により損傷した骨や歯の治療に用いられる体内埋入型Ti製部材(骨折固定具，人工関節や歯科インプラントなど)では，生体骨との良好な接着性に加えて, 早期治療のために高い骨形成能が求められる．骨とTi合金の早期接着を目指して，従来のTi合金よりも骨形成能に優れるTi合金の探索や表面処理の開発が行われている．Ca，Mgは生体必須元素であり，骨の無機成分の一つである．骨などの体内に存在する元素を含んだ材料表面では，表面酸化物の存在やそれらの元素の溶出により, 骨形成が促進されることが分かっている． よって，TiとCa, Mgを合金化することで, 骨形成能に優れる新規生体用Ti合金を開発できる可能性がある.
本研究では，生体適合性Ti合金としての骨含有元素とTiの合金の開発を目的として，一元高周波(RF)マグネトロンスパッタ法を用いて，Ti-Ca，Ti-Mg合金膜の作製を試みた．任意の組成のTi-Ca，Ti-Mg合金膜を作製するため, ターゲットの構成を検討した．次に，作製した膜の評価（結晶構造，表面の化学状態）および生体適合性評価を行い，組成と諸特性との関係を調査・検討した．
昨年度のターゲット構成の検討により，Ti-Ca，Ti-Mg合金膜の組成制御に成功しており，今年度は任意の組成のTi-Ca合金膜の結晶構造，生体適合性評価の一つとして，生理食塩水へのTiおよびCaの溶出量を調査・検討した．X線回折法および透過電子顕微鏡観察による結晶構造の調査より，Ti-Ca合金膜はアモルファス構造であることがわかった．生理食塩水への浸漬試験より，Tiの溶出は起こらないが，Caは溶出することがわかった．Caイオンの溶出量は，膜のCa濃度が高いほど増加した．

Current Status of Research Progress

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

Reason

当初は，金属Caをターゲットとして扱うことが難しかったため，Mg-Ca合金をターゲット材としてTi-Mg-Ca合金の作製を計画していたが，金属Ca以外のターゲット材を採用することで，Ti-Ca合金の作製が可能となった．それに加えて，当初の研究計画での実施項目を達成しているため，順調に進んでいると考える．

Strategy for Future Research Activity

(相分離型Ti/Ca，Ti/Mg複合体の作製と各種特性評価)
RFスパッタ装置に基板温度制御機構を導入し，成膜時に基板を加熱することにより，スパッタ粒子の基板表面での拡散を促進し，相分離型Ti/Ca，Ti/Mg複合体を作製する．基板温度を変化させることで表面拡散の程度を制御し，成膜圧力，RF出力によりスパッタ粒子の運動エネルギーを変え，微細組織(各元素の微細領域のサイズと分布)を変化させる．固溶体型Ti-Ca，Ti-Mg合金と同様の評価に加え，作製した複合体の微細組織を後方散乱電子回折 (EBSD) による分析，透過電子顕微鏡 (TEM) による観察により調べる．さらに，生体適合性評価を行う．

Causes of Carryover

2021年度も当初，非常に高価なMg-Ca合金をターゲット材としてTi-Mg-Ca合金の作製を計画していたが，非常に安価なCa化合物をターゲット材として使用してTi-Ca合金を作製できたため，その分使用額が抑えられた．生じた次年度使用額は，スパッタ装置の改造やメンテナンス，必要な器具等の製作や共用分析装置の使用費等に使用する．