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2015 Fiscal Year Annual Research Report

骨の特異力学機能に学ぶ応力応答性自己強化金属製インプラントの開発原理

Research Project

Project/Area Number 25702027
Research InstitutionTohoku University

Principal Investigator

仲井 正昭  東北大学, 金属材料研究所, 准教授 (20431603)

Project Period (FY) 2013-04-01 – 2017-03-31
Keywords生体用金属材料 / チタン合金 / 脊椎固定 / 変形誘起相変態 / オメガ相 / 疲労特性
Outline of Annual Research Achievements

脊椎固定器具に用いられる材料の特性として、患者側と医師側とで望まれる弾性率が異なり、患者に対しては骨類似の低弾性率、医師に対しては手術時の操作性が高まる高弾性率が求められる。このような弾性率に対する要求を両立させるため、変形誘起相変態を利用し、変形部のみ弾性率が上昇し、非変形部は低弾性率を示す金属(弾性率自己調整金属)を開発した。本研究では、この弾性率自己調整金属の金属製脊椎固定器具への応用について検討している。昨年度までに、代表的な弾性率自己調整金属であるTi-12Cr合金が、溶体化状態のβ型チタン合金としては極めて良好な疲労特性を示し、それが疲労試験中に形成されるω相によってもたらされる可能性があることを見出した。そこで、本年度は、実際にTi-12Cr合金を用いて脊椎固定器具を試作し、その耐久性評価を開始した。その結果、Ti-12Cr合金製脊椎固定器具の耐久性は、変形誘起相変態が生じない他のβ型チタン合金製脊椎固定器具に比べれば良好であったが、従来から実機に利用されているα+β型チタン合金製脊椎固定器具に比べて劣る結果となった。耐久性試験では、いずれの合金製脊椎固定器具においても、ほとんどの場合、スクリューとロッドの締結部で破壊することから、部品間の接触が耐久性に強く影響を及ぼしていると考えられる。そこで、Ti-12Cr合金製脊椎固定器具の表面改質処理についての検討を開始した。その結果、Ti-12Cr合金製脊椎固定器具では、表面近傍における局所的な変形誘起ω相の形成による大幅な表面改質の可能性が示唆される結果が得られた。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

本年度は計画どおり、Ti-12Cr合金を用いた脊椎固定器具の試作を行い、その耐久性試験を実施した。耐久性試験の結果は改善の余地を残したが、表面改質による改善の目処も立っていることから、本研究は順調に進展しているといえる。

Strategy for Future Research Activity

次年度も引き続き、弾性率自己調整金属を用いて脊椎固定器具を試作し、その耐久性試験を実施する。ただし、本年度の実験結果として、そのままでは良好な耐久性が得られないことから、次年度は表面改質による耐久性の改善についての検討を行う。

  • Research Products

    (17 results)

All 2016 2015

All Journal Article (1 results) Presentation (15 results) (of which Invited: 4 results) Patent(Industrial Property Rights) (1 results)

  • [Journal Article] β-type titanium alloys for spinal fixation surgery with high Young's modulus variability and good mechanical properties2015

    • Author(s)
      H.H. Liu, M. Niinomi, M. Nakai and K. Cho
    • Journal Title

      Acta Biomater.

      Volume: 24 Pages: 361-369

    • DOI

      10.1016/j.actbio.2015.06.022

  • [Presentation] Beta-type titanium alloys for use as rods in spinal fixation devices2016

    • Author(s)
      M. Niinomi, M. Nakai, H.H. Liu and K. Narita
    • Organizer
      TMS2016 145th Annual Meeting & Exhibition
    • Place of Presentation
      Nashville, Tennessee (USA)
    • Year and Date
      2016-02-14 – 2016-02-18
  • [Presentation] 弾性率可変型チタン合金の開発2015

    • Author(s)
      仲井正昭, 新家光雄
    • Organizer
      第42回日本臨床バイオメカニクス学会
    • Place of Presentation
      ソラシティカンファレンスセンター(東京都千代田区)
    • Year and Date
      2015-11-13 – 2015-11-14
    • Invited
  • [Presentation] 高耐久性弾性率可変型チタン合金製脊椎固定器具の開発2015

    • Author(s)
      仲井正昭, 新家光雄, 劉恢弘, 成田健吾, 祖山均, 髙桑脩
    • Organizer
      第37回日本バイオマテリアル学会大会
    • Place of Presentation
      京都テルサ(京都府京都市)
    • Year and Date
      2015-11-09 – 2015-11-10
  • [Presentation] 新規インプラント導入と添付文書策定の問題点2015

    • Author(s)
      織部一弥, 長谷川和宏, 成田健吾, 仲井正昭, 高久田和夫, 新家光雄
    • Organizer
      第24回日本脊椎インストゥルメンテーション学会
    • Place of Presentation
      りゅーとぴあ 新潟市民芸術文化会館(新潟県新潟市)
    • Year and Date
      2015-11-06 – 2015-11-07
  • [Presentation] 弾性率可変型Ti-12Cr合金の疲労特性2015

    • Author(s)
      仲井正昭, 新家光雄, 劉恢弘, 塚原真宏, 遠所茂夫, 三坂佳孝
    • Organizer
      日本金属学会2015年秋期(第157回)大会
    • Place of Presentation
      九州大学(福岡県福岡市)
    • Year and Date
      2015-09-16 – 2015-09-19
  • [Presentation] 熱処理および表面改質処理を施した生体用Ti-12Cr合金の力学的特性の変化2015

    • Author(s)
      丹羽謙太郎, 赤堀俊和, 新家光雄, 仲井正昭
    • Organizer
      日本金属学会2015年秋期(第157回)大会
    • Place of Presentation
      九州大学(福岡県福岡市)
    • Year and Date
      2015-09-16 – 2015-09-19
  • [Presentation] Change in mechanical strength of newly developed Ti-Cr system alloy subjected to heat treatment and surface modification processing2015

    • Author(s)
      K. Niwa, T. Akahori, T. Hattori, M. Niinomi and M. Nakai
    • Organizer
      27th European Conference on Biomaterials
    • Place of Presentation
      Krakow (Poland)
    • Year and Date
      2015-08-30 – 2015-09-03
  • [Presentation] Development of biomedical titanium alloys with a focus on controlling Young's modulus2015

    • Author(s)
      M. Niinomi, M. Nakai, H.H. Liu and K. Cho
    • Organizer
      The 13th World Conference on Titanium (Ti-2015)
    • Place of Presentation
      San Diego, California (USA)
    • Year and Date
      2015-08-16 – 2015-08-20
    • Invited
  • [Presentation] Development of spinal fixation device made of surface modified beta titanium alloys combined lower stiffness and higher mechanical safety for elderly patient2015

    • Author(s)
      K. Narita, M. Niinomi, M. Nakai, Suyalatu, H. Soyama and O. Takakuwa
    • Organizer
      The 13th World Conference on Titanium (Ti-2015)
    • Place of Presentation
      San Diego, California (USA)
    • Year and Date
      2015-08-16 – 2015-08-20
  • [Presentation] A β-type titanium alloy with significantly changeable Young's modulus and good mechanical properties used for spinal fixation application2015

    • Author(s)
      H.H. Liu, M. Niinomi, M. Nakai, K. Cho and K. Narita
    • Organizer
      The 13th World Conference on Titanium (Ti-2015)
    • Place of Presentation
      San Diego, California (USA)
    • Year and Date
      2015-08-16 – 2015-08-20
  • [Presentation] 新たな生体用チタン合金の開発と脊椎固定器具への応用2015

    • Author(s)
      仲井正昭
    • Organizer
      チタノミックス研究会平成27年度講演会
    • Place of Presentation
      豊橋商工会議所(愛知県豊橋市)
    • Year and Date
      2015-06-12
    • Invited
  • [Presentation] Bending springback of biomedical beta-type titanium alloys for spinal fixation applications2015

    • Author(s)
      M. Nakai, M. Niinomi, K. Cho, H.H. Liu and K. Narita
    • Organizer
      Biomaterials International 2015
    • Place of Presentation
      Kenting (Taiwan)
    • Year and Date
      2015-06-01 – 2015-06-05
  • [Presentation] β-type titanium alloy possessing remarkably changeable Young's modulus and good mechanical biocompatibility for spinal fixation surgery2015

    • Author(s)
      H.H. Liu, M. Niinomi, M. Nakai, K. Cho and K. Narita
    • Organizer
      第129回東北大学金属材料研究所講演会
    • Place of Presentation
      東北大学(宮城県仙台市)
    • Year and Date
      2015-05-29
  • [Presentation] 脊椎固定器具用チタン合金の開発とその実用化に向けて2015

    • Author(s)
      仲井正昭, 新家光雄, 成田健吾
    • Organizer
      日本材料学会・疲労部門委員会および生体医療材料部門委員会合同公開委員会
    • Place of Presentation
      山形大学(山形県米沢市)
    • Year and Date
      2015-05-22
    • Invited
  • [Presentation] Optimization on chemical composition of Ti-Cr-O alloys for achieving significantly changeable Young's modulus and good mechanical properties for spinal fixation applications2015

    • Author(s)
      H.H. Liu, M. Niinomi, M. Nakai, K. Cho and K. Narita
    • Organizer
      軽金属学会第128回春期大会
    • Place of Presentation
      東北大学(宮城県仙台市)
    • Year and Date
      2015-05-16 – 2015-05-17
  • [Patent(Industrial Property Rights)] β型強化チタン合金、β型強化チタン合金の製造方法2015

    • Inventor(s)
      塚原真宏, 遠所茂夫, 三坂佳孝, 仲井正昭, 他2名
    • Industrial Property Rights Holder
      高周波熱錬株式会社, 国立大学法人東北大学
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Industrial Property Number
      特願2015-155089
    • Filing Date
      2015-08-05

URL: 

Published: 2017-01-06  

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