燃焼炎による人工股関節骨頭へのナノ結晶ダイヤモンド皮膜合成と耐摩耗性評価

2013 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 25420003
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Research Institution: Akita University
• Principal Investigator: 高橋 護 秋田大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (90261651)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2016-03-31
• Keywords: ダイヤモンド皮膜 / 材料加工・処理 / 表面・界面物性

Research Abstract

本研究では，人工股関節の骨頭部分の耐摩耗性ならびに生体適合性の向上のため，燃焼炎法を応用してナノ結晶ダイヤモンド皮膜を人工股関節材料であるCo-Cr合金上に合成を行う．また，合成皮膜とCo-Cr合金の接合強度を引っかき試験により定量的に求め評価を行う．さらに，実際の形状の人工股関節骨頭であるCo-Cr合金にナノ結晶ダイヤモンド皮膜の合成を行い，合成皮膜の耐摩耗性を摩擦摩耗試験により定量的に求め評価を行う．
本年度は，現有設備である燃焼炎法によりダイヤモンドを合成することが可能な実験装置を使用し，Co-Cr合金上に燃焼炎によりダイヤモンド皮膜の合成を行った．ここで，基板の表面形状がダイヤモンド皮膜の接合に影響を与えることがわかっている．さらにCo-Cr合金の表面上のCoがダイヤモンド合成を阻害しグラファイトの生成を促進し，接合強度を低下させることが考えられる．そのため，ダイヤモンドを合成する前にCo-Cr合金基板の前処理として基板表面のスクラッチング処理を施し，また，酸溶液によりCoを除去し合成を行った．ここで，通常のアセチレン－酸素ガスならびに高純度アセチレン－酸素ガスに窒素を添加したガスを用い，現在までの研究で得られている合成条件を用い合成を行った．この際，合成途中にCo-Cr合金の表面の温度が急激に上昇してしまう現象が発生した．そのため，燃焼炎の白心から基板表面までの距離等の合成条件を変化させ合成を行ったところ，皮膜を合成することができた．しかしながら，表面の温度上昇の問題がまだ完全に解決しておらず，より確実に皮膜を作成可能にするため冷却装置等の改良を行った．
合成された皮膜を走査型電子顕微鏡，Ｘ線回折装置によりその結晶形状や成分等の特性を評価した．さらに，平成２６年度に実施する引っかき試験に使用する現有設備である試験装置の改良を行った．

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

本年度は，現有設備である燃焼炎法によりダイヤモンドを合成することが可能な実験装置を使用し，Co-Cr合金上に燃焼炎によりナノ結晶ダイヤモンド皮膜の合成を目的に実験を行った．ここで，ダイヤモンドを合成する前にCo-Cr合金基板の前処理として基板表面のスクラッチング処理を施し，また，酸溶液によりCoを除去し合成を行った．通常のアセチレン－酸素ガスならびに高純度アセチレン－酸素ガスに窒素を添加したガスを用い，現在までの研究で得られている合成条件を用い合成を行った．
この際，合成途中にCo-Cr合金の表面の温度が急激に上昇し，皮膜が合成できない現象が発生した．そのため，燃焼炎の白心から基板表面までの距離等の合成条件を変化させ合成を行ったところ，皮膜を合成することができた．しかしながら，表面の温度上昇の問題がまだ完全に解決しておらず，より確実に皮膜を作成可能にするため冷却装置等の改良が必要であり，その改良を行った．

Strategy for Future Research Activity

今後は，膜の表面温度を合成中に段階的に温度を変化させる方法を用いて，添加する窒素の流量，ならびにダイヤモンド結晶の成長速度をコントロールできる燃焼炎の白心から基板表面までの距離を変化させ，Co-Cr合金上に，燃焼炎法によりナノ結晶ダイヤモンドが合成可能な最適値を求める．
また，現有設備である引っかき試験装置を用いてナノ結晶ダイヤモンド皮膜を施したCo-Cr合金の引っかき試験を行い，はく離が生じる限界荷重を測定する．得られた限界荷重と引っかき痕からせん断応力を求め，ナノ結晶ダイヤモンド皮膜を施したCo-Cr合金の接合強度を定量的に求める．この際，ダイヤモンド皮膜が生体材料として適用可能か実験的に評価するため擬似体液に浸した皮膜と浸さない皮膜の接合強度を測定し，その変化を調べる．
さらに，実際の形状の人工股関節の骨頭部分であるCo-Cr合金にダイヤモンド皮膜を施すために現有設備である実験装置の改良行う．また，ナノ結晶ダイヤモンド皮膜を施したCo-Cr合金と超高密度ポリエチレンの摺動部に発生する摩耗粉の影響を調査するため，Co-Cr合金上に合成された皮膜の耐摩擦摩耗試験を行う．ここで，試験により摩耗量，摩擦係数を算出し，ダイヤモンド皮膜の耐摩耗性を定量的に評価する．また，ダイヤモンド皮膜が生体材料として適用可能か実験的に評価するため，擬似体液中にダイヤモンド皮膜を浸すことで発生する耐摩耗性の変化を調査する．この際，擬似体液中に浸したダイヤモンド皮膜と浸さない皮膜との比較検討を行いその変化を調べる．