Science for Creation of Biomaterials by Super Thermal Field
| Project Area | Creation of Materials by Super Thermal Field: Neo-3D printing by Manipulating Atomic Arrangement through Giant Potential Gradient |
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| Project/Area Number |
21H05197
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Review Section |
Transformative Research Areas, Section (II)
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| Research Institution | University of Toyama |
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Principal Investigator |
石本 卓也 富山大学, 学術研究部都市デザイン学系, 教授 (50508835)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
上田 正人 関西大学, 化学生命工学部, 教授 (40362660)
松垣 あいら 大阪大学, 大学院工学研究科, 准教授 (10592529)
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| Project Period (FY) |
2021-09-10 – 2026-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥111,280,000 (Direct Cost: ¥85,600,000、Indirect Cost: ¥25,680,000)
Fiscal Year 2023: ¥20,540,000 (Direct Cost: ¥15,800,000、Indirect Cost: ¥4,740,000)
Fiscal Year 2022: ¥20,540,000 (Direct Cost: ¥15,800,000、Indirect Cost: ¥4,740,000)
Fiscal Year 2021: ¥29,120,000 (Direct Cost: ¥22,400,000、Indirect Cost: ¥6,720,000)
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| Keywords | 超温度場 / 絶対安定 / チタン合金 / バルク / 表面 / 3Dプリント / 生体との相互作用 / バイオマテリアル / レーザー粉末床溶融結合法 / 急冷 / 不安定相 / 単結晶 / 細胞・骨誘導 / 異方性 |
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| Outline of Research at the Start |
3Dプリント（3DP）が生み出す「超温度場」を駆使して、骨に用いるバイオマテリアルを具体的なターゲットとし、「表面」と「バルク」の両観点から高機能なデバイスを創製するための科学的な取り組みを行う。3DPを用い、（バルク）原子の配列やその方向を緻密に制御するとともに、表面には細胞制御のための形態的・化学的修飾を施し、人工物を介して骨生体機能を人為的に操ることができるバイオマテリアルを獲得する。さらに、生体内でのバイオマテリアルの機能性を評価するための指標を策定する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
2021年度は、生体用Ti-X基合金（Xはβ相安定化元素）を、組成面ではβ相の安定性ならびに絶対安定性の発現可能性に着目しつつ組成を変化させ、3DP条件面では超温度場パラメータの変化を念頭に置きつつレーザー条件を変化させ造形し、造形体に対して構成相や結晶集合組織の組成・造形条件依存性の解析を開始した。さらに、主に形状に注目した表面創成に着手した。
Mo当量や1原子当たりの価電子数e/aを指標とし組成を選択し、レーザーを熱源とする3DPであるレーザー粉末床溶融結合法により、種々のレーザー条件にて角柱状試験片を作製した。代表的な造形体の構成相、結晶集合組織を、FE-SEM-EBSD、XRD、TEM等により解析した。さらに、平滑表面に種々の条件にてレーザー走査した際の表面形態をレーザー顕微鏡にて解析した。
広範囲のレーザー条件において、角柱状試験片の作製に成功し、組成に依存した構成相の変化を見出した。金属間化合物相の析出が予想された組成において、造形体中での明確な化合物相は検出されず、超温度場による明確な効果の存在が強く期待される結果となった。結晶集合組織は、Ti-15Mo-5Zr-3Al合金におけるものと基本的には類似しており、走査ストラテジーXにおいて、造形方向に<110>、走査方向に<001>が優先配向化した。構成相、結晶集合組織の力学特性に対する寄与は今後解析を進める。一方でレーザーと材料との相互作用によって、金属基板表面に細胞スケールのパターンを形成可能であることが明らかとなり、細胞挙動への働きかけのための表面創成が期待された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
研究開始から半年で、複数の組成の造形体を作製し、構成相や結晶集合組織の解析に既に着手している。この結果に基づいて、低ヤング率化のための組成の最適化の指針を得つつある状況である。さらに、レーザー照射に基づく反跳圧力を用いた表面制御の可能性を見出し、プレリミナリーではあるものの、当該表面が生体細胞挙動を制御することを示すことができた。以上から、2022年度以降の研究親展に向けた2021年度の進捗状況としては、おおむね順調であると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
バルクの観点からは、合金の組成を系統的に変化させることでβ相の不安定性を変化させつつ構成相を制御し、さらに、レーザー粉末床溶融結合法での超急冷場による結晶集合組織形成を試み、相と結晶配向の両面から、骨バイオマテリアルに不可欠な低ヤング率の実現を目指す。
表面の観点からは、表面形態のレーザ照射条件依存性を明らかにし、細胞実験に基づいてその最適化を行う。並行して、化学的な観点からの表面修飾（詳細は非公表）にも取り組む。超温度場を用いた形態的・化学的修飾を将来的には複合化し、生体に対する機能性を最大化することを目指す。
さらには、バルクと表面での知見を統合し、最終的には超温度場発生装置内での一体成型を目指す。
生物学的機能性の評価系については、初期スクリーニングは細胞播種試験によって、その中で見出された有望な材料については動物への埋入試験に移行し、実施する計画である。
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Report
(1 results)
Research Products
(1 results)
