熱拡散を応用したチタンのマルチファンクション化表面改質法の確立

• 研究課題/領域番号: 21K17032
• 研究種目: 若手研究
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 小区分57050:補綴系歯学関連
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 山口 洋史 東北大学, 大学病院, 助教 (80876475)
• 研究期間 (年度): 2021-04-01 – 2023-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2022年度)
• 配分額: 4,550千円 (直接経費: 3,500千円、間接経費: 1,050千円); 2022年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円); 2021年度: 2,990千円 (直接経費: 2,300千円、間接経費: 690千円)
• キーワード: チタン / 熱拡散 / 傾斜構造 / チタン合金 / 表面改質 / マルチファンクショナル化

研究開始時の研究の概要

既存のチタンへの表面処理では、チタン表面に複数の機能を付与することはできない。申請者は、チタンに鉄を付着させ表層から熱拡散させることで、耐摩耗性を有するTi-Fe合金層をチタン表層に形成する表面改質に成功した。この技術を応用すると、チタンに対し部位特異的に複数の機能を付与することができる可能性がある。本研究では、チタン表層にTi-Fe合金（耐摩耗性）とTi-Ag（抗菌性）を同時に形成し、チタンが部位特異的に異なる機能を有する表面改質法の確立を目指す。

研究成果の概要

生体用金属材料であるチタンの新たな表面改質法として、熱拡散によりチタン表層を合金化することを考案した。鉄をチタン表層から熱拡散させ、チタン表層に傾斜構造を有するTi-Fe拡散層を形成することに成功した。また、その表面は高耐摩耗性を示すことが分かった。さらに、銀をチタン表層から熱拡散させ、チタン表層にTi-Ag拡散層を形成することに成功した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

従来、チタンの物性向上のための合金化や表面処理では、一つのチタンに複数の機能を付与することはできなかったが、熱拡散では元素を付着させた部位のみで拡散が起こるため、必要な部位を選択して複数の金属元素を同時に拡散させることが可能と考えられる。また、形成される拡散層は傾斜構造を有するため曲げに強く、コーティングで課題であった剥離の問題を解決できる。さらに、熱拡散の熱処理温度はチタンの融点よりもはるかに低いため、チタン製の医療機器の形状を変えることなく応用することが可能である。