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「バイオハイエントロピー合金」X「超急冷金属3Dプリンティング」による新学術開拓

研究課題

研究課題/領域番号 22K18310
研究種目

挑戦的研究(開拓)

配分区分基金
審査区分 中区分26:材料工学およびその関連分野
研究機関大阪大学

研究代表者

中野 貴由  大阪大学, 大学院工学研究科, 教授 (30243182)

研究分担者 松垣 あいら  大阪大学, 大学院工学研究科, 准教授 (10592529)
小笹 良輔  大阪大学, 大学院工学研究科, 助教 (80845347)
研究期間 (年度) 2022-06-30 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2023年度)
配分額 *注記
26,000千円 (直接経費: 20,000千円、間接経費: 6,000千円)
2024年度: 8,970千円 (直接経費: 6,900千円、間接経費: 2,070千円)
2023年度: 10,140千円 (直接経費: 7,800千円、間接経費: 2,340千円)
2022年度: 6,890千円 (直接経費: 5,300千円、間接経費: 1,590千円)
キーワードバイオハイエントロピー合金 / 超急冷金属3Dプリンティング / BioHEA材料学 / 完全固溶状態 / 生体適合性
研究開始時の研究の概要

研究代表者は2017年に生体為害性(毒性)元素を含まないTi-Zr-Nb-Ta-Mo系生体用ハイエントロピー合金(BioHEAと命名)の創製に世界に先駆けて成功した。本研究では、超急冷金属3Dプリンティングを駆使することで理想的な完全固溶状態を持つ「真のBioHEA」の創製に挑戦するとともに、真のBioHEAの非線形的機能(超高強度・高延性・生体親和性等)発現機構の解明やその生体適用による『BioHEA材料学』ともいうべき新学術分野の開拓に挑戦する。

研究実績の概要

理想的な完全固溶状態を実現した真のBioHEA の創製に挑むとともに、真のBioHEA が発揮する非線形的機能(超高強度・延性・生体親和性等)発現への学理構築を目指し、以下の具体的研究項目を実施した。
昨年度までに見出した合金設計、生体適合性の付与に基づき、真のBioHEA創製のための製粉プロセス(ガスアトマイズ法)制御、HIP処理との組み合わせによる球状・均一粉末作製、緻密度制御、粒度分布・流動性解析、サテライト制御に取り組んだ。さらに超急冷金属3Dプリンティングの最適プロセス条件の選択とそれを精度よく推定可能とする機械学習用データベース構築に取り組んだ。レーザ熱源照射に基づく溶融池形成・凝固シミュレーションを実施し、温度勾配、固液界面移動方向・速度の定量解析と、微細組織形成制御パラメータを探索し、結晶方位安定化条件の解析によりレーザ金属3DプリンティングによるBioHEA造形体作製のための熱源条件・熱源走査戦略・投入熱エネルギー制御指針の確立に着手した。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

超急冷金属3Dプリンティングを駆使することで理想的な完全固溶状態を持つ「真のBioHEAの創製に挑戦」するとともに、真のBioHEAの非線形的機能(超高強度・高延性・生体親和性等)発現機構の解明やその生体適用による新学術分野『BioHEA材料学』構築を目指し研究課題を推進している。
昨年度までに確立した、真のBioHEA創製のための元素選択、合金組成の決定、生体適合性評価の結果を踏まえて、金属3Dプリンティング用製粉プロセス制御、さらに超急冷金属3Dプリンティングの最適プロセス条件の選択とそれを精度よく推定可能とする機械学習用データベース構築に取り組んだ。加えて次年度に向けてレーザ金属3DプリンティングによるBioHEA造形体作製の熱源条件・熱源走査戦略策定に着手しており、当初の計画以上に進展していると言える。

今後の研究の推進方策

今年度までに見出された真のBioHEA創製指針に基づき、今後は以下の課題について推進する。
・レーザ金属3DプリンティングによるBioHEA造形体作製。熱源条件・熱源走査戦略・投入熱エネルギー制御による機械学習用
データベース構築に基づく微細組織、力学機能の人為的制御。・真のBioHEAにおける力学機能発現機構の解明。強制固溶による固溶体強化、結晶粒微細化、セル組織形成による強化機構の解明(SEM-EBSDによる微細組織解析、XRD相同定、高分解能TEMによる微細組織・転位解析)。・真のBioHEAにおける細胞学的・生物学的機能発現機構の解明。・骨芽細胞の短期・長期培養による細胞接着・骨形成能評価(免疫染色法によるタンパク質局在、RT-PCR・次世代シーケンサーによる遺伝子発現解析、遺伝子組み換えマウス細胞を用いた細胞応答解析)。・BioHEA/細胞界面での原子-遺伝子相互作用解明、バイオプリンティングによる細胞制御との複合化を駆使したBioHEAによる3次元細胞・組織機能制御、に取り組む。

報告書

(3件)
  • 2023 実施状況報告書
  • 2022 審査結果の所見   実施状況報告書
  • 研究成果

    (47件)

すべて 2024 2023 2022 2021 その他

すべて 雑誌論文 (17件) (うち国際共著 4件、 査読あり 17件、 オープンアクセス 12件) 学会発表 (25件) (うち国際学会 4件、 招待講演 15件) 図書 (4件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] Effect of Laser Scan Speed on Defects and Texture Development of Pure Chromium Metal Fabricated via Powder Bed Fusion-Laser Beam2024

    • 著者名/発表者名
      Kim Yong Seong、Gokcekaya Ozkan、Matsugaki Aira、Nakano Takayoshi
    • 雑誌名

      Materials

      巻: 17 号: 9 ページ: 2097-2097

    • DOI

      10.3390/ma17092097

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Development of an equiatomic octonary TiNbTaZrMoHfWCr super-high-entropy alloy for biomedical applications2024

    • 著者名/発表者名
      Matsuzaka Tadaaki、Hyakubu Akira、Kim Yong Seong、Matsugaki Aira、Nagase Takeshi、Ishimoto Takuya、Ozasa Ryosuke、Kim Hyoung Seop、Mizuguchi Tomoji、Gokcekaya Ozkan、Nakano Takayoshi
    • 雑誌名

      Materials Chemistry and Physics

      巻: 316 ページ: 129120-129120

    • DOI

      10.1016/j.matchemphys.2024.129120

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] PBF-LB fabrication of microgrooves for induction of osteogenic differentiation of human mesenchymal stem cells2024

    • 著者名/発表者名
      Matsugaki Aira、Matsuzaka Tadaaki、Mori Toko、Saito Mitsuka、Funaoku Kazuma、Yamano Riku、Gokcekaya Ozkan、Ozasa Ryosuke、Nakano Takayoshi
    • 雑誌名

      International Journal of Bioprinting

      巻: 10 号: 1 ページ: 1425-1425

    • DOI

      10.36922/ijb.1425

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] 金属Additive Manufacturingによるチタンおよびチタン合金の相変態と組織制御2024

    • 著者名/発表者名
      小笹良輔、松垣あいら、石本卓也、中野貴由
    • 雑誌名

      金属

      巻: 94 ページ: 224-232

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] 純元素粉末を利用したチタン合金の積層造形と固溶体の形成2024

    • 著者名/発表者名
      永瀬丈嗣、當代光陽、中野貴由
    • 雑誌名

      チタン

      巻: 72 ページ: 30-37

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Review — Research and Development of Titanium-Containing Biomedical High Entropy Alloys (BioHEAs) Utilizing Rapid Solidification via Laser-Powder Bed Fusion2023

    • 著者名/発表者名
      Ozasa Ryosuke、Matsugaki Aira、Ishimoto Takuya、Nakano Takayoshi
    • 雑誌名

      MATERIALS TRANSACTIONS

      巻: 64 号: 1 ページ: 31-36

    • DOI

      10.2320/matertrans.MT-MLA2022011

    • ISSN
      1345-9678, 1347-5320
    • 年月日
      2023-01-01
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Review—Metal Additive Manufacturing of Titanium Alloys for Control of Hard Tissue Compatibility2023

    • 著者名/発表者名
      Matsugaki Aira、Matsuzaka Tadaaki、Nakano Takayoshi
    • 雑誌名

      MATERIALS TRANSACTIONS

      巻: 64 号: 1 ページ: 25-30

    • DOI

      10.2320/matertrans.MT-MLA2022012

    • ISSN
      1345-9678, 1347-5320
    • 年月日
      2023-01-01
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Review — Microstructural Control and Functional Enhancement of Light Metal Materials via Metal Additive Manufacturing2023

    • 著者名/発表者名
      Ishimoto Takuya、Nakano Takayoshi
    • 雑誌名

      MATERIALS TRANSACTIONS

      巻: 64 号: 1 ページ: 10-16

    • DOI

      10.2320/matertrans.MT-MLA2022007

    • ISSN
      1345-9678, 1347-5320
    • 年月日
      2023-01-01
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Microstructure Evolution of Gas-Atomized β-Solidifying γ-TiAl Alloy Powder during Subsequent Heat Treatment2023

    • 著者名/発表者名
      Park Sung-Hyun、Gokcekaya Ozkan、Ozasa Ryosuke、Cho Ken、Yasuda Hiroyuki、Oh Myung-Hoon、Nakano Takayoshi
    • 雑誌名

      Crystals

      巻: 13 号: 12 ページ: 1629-1629

    • DOI

      10.3390/cryst13121629

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] 生体環境適用に向けた 3D プリンティングによる骨細胞制御2023

    • 著者名/発表者名
      松垣あいら, 松坂匡晃, 田中健嗣, 三浦涼靖, 大原秀真, 丹羽陽一朗, 小笹良輔, Gokcekaya Ozkan, 中野貴由
    • 雑誌名

      スマートプロセス学会誌

      巻: 12 ページ: 225-228

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] BCC 型生体用ハイエントロピー合金(BioHEAs)の設計と開発2023

    • 著者名/発表者名
      小笹良輔, 中野貴由
    • 雑誌名

      スマートプロセス学会誌

      巻: 12 ページ: 208-214

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] 生体骨組織と金属材料の結晶集合組織形成機構に関する研究2023

    • 著者名/発表者名
      小笹良輔
    • 雑誌名

      バイオマテリアルー生体材料ー

      巻: 41 ページ: 139-141

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Novel single crystalline-like non-equiatomic TiZrHfNbTaMo bio-high entropy alloy (BioHEA) developed by laser powder bed fusion2022

    • 著者名/発表者名
      Gokcekaya Ozkan、Ishimoto Takuya、Nishikawa Yuki、Kim Yong Seong、Matsugaki Aira、Ozasa Ryosuke、Weinmann Markus、Schnitter Christoph、Stenzel Melanie、Kim Hyoung Seop、Miyabayashi Yoshitsugu、Nakano Takayoshi
    • 雑誌名

      Materials Research Letters

      巻: 11 号: 4 ページ: 274-280

    • DOI

      10.1080/21663831.2022.2147406

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Effects of Scanning Strategy on the Microstructure and Mechanical Properties of Sc-Zr-Modified Al-Mg Alloy Manufactured by Laser Powder Bed Fusion2022

    • 著者名/発表者名
      Ekubaru Yusufu、Gokcekaya Ozkan、Nakano Takayoshi
    • 雑誌名

      Crystals

      巻: 12 号: 10 ページ: 1348-1348

    • DOI

      10.3390/cryst12101348

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Effects of Recrystallization on Tensile Anisotropic Properties for IN738LC Fabricated by Laser Powder Bed Fusion2022

    • 著者名/発表者名
      Hibino Shinya、Fujimitsu Kazushige、Azuma Makoto、Ishimoto Takuya、Nakano Takayoshi
    • 雑誌名

      Crystals

      巻: 12 号: 6 ページ: 842-842

    • DOI

      10.3390/cryst12060842

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Structural Characterization of Ion Nitrided 316L Austenitic Stainless Steel: Influence of Treatment Temperature and Time2022

    • 著者名/発表者名
      Gokcekaya Ozkan、Ergun Celaletdin、Gulmez Turgut、Nakano Takayoshi、Yilmaz Safak
    • 雑誌名

      Metals

      巻: 12 号: 2 ページ: 306-306

    • DOI

      10.3390/met12020306

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Control of Anisotropic Crystallographic Texture in Powder Bed Fusion Additive Manufacturing of Metals and Ceramics;A Review2021

    • 著者名/発表者名
      Hagihara Koji、Nakano Takayoshi
    • 雑誌名

      JOM

      巻: 74 号: 4 ページ: 1760-1773

    • DOI

      10.1007/s11837-021-04966-7

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] 金属3Dプリンティングによる集合組織制御と高機能化~近未来の新設計に向けて~2024

    • 著者名/発表者名
      中野貴由
    • 学会等名
      熱処理技術セミナー
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 金属3Dプリンティング( AM )を用いた次世代モノづくり2023

    • 著者名/発表者名
      中野貴由
    • 学会等名
      日本鉄鋼協会日本金属学会 九州支部春季講演会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 新規FCC型ハイエントロピー合金の創製と耐水素脆性2023

    • 著者名/発表者名
      北上 真幸、小笹 良輔、石本 卓也、中野 貴由
    • 学会等名
      日本金属学会2023年(第173回)秋期講演大会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 生体用スーパーハイエントロピー合金(BioSHEA)の設計と創製2023

    • 著者名/発表者名
      百歩 明、小笹 良輔、石本 卓也、松垣 あいら、永瀬 丈嗣、佐藤 和久、中野 貴由
    • 学会等名
      日本金属学会2023年(第173回)秋期講演大会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] BCC 型生体用ハイエントロピー合金の開発とレーザ粉末床溶融結合の適用2023

    • 著者名/発表者名
      小笹 良輔、中野 貴由
    • 学会等名
      日本金属学会2023年(第173回)秋期講演大会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 異方性の材料科学を基軸にした研究展開 ~金属間化合物研究から骨微細構造解明へ、さらに金属3Dプリンティングプロセスへ~2023

    • 著者名/発表者名
      中野 貴由
    • 学会等名
      日本金属学会2023年(第173回)秋期講演大会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 金属3Dプリンティングによる造形物の組織制御と高機能化2023

    • 著者名/発表者名
      中野貴由
    • 学会等名
      Formnext Forum Tokyo 2023
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 日本におけるAM(3D積層造形)研究開発の現状と今後の展開、新たなものづくり:3D積層造形(Additive Manufacturing)の技術開発動向2023

    • 著者名/発表者名
      中野貴由
    • 学会等名
      第74回白石記念講座
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Control of Microstructure and Crystallographic Orientation in Metal Powder Bed Fusion Additive Manufacturing2023

    • 著者名/発表者名
      Takayoshi Nakano
    • 学会等名
      JSPMIC2023
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] GX実現のための金属3Dプリンティングでの組織制御と機能発現2023

    • 著者名/発表者名
      中野貴由
    • 学会等名
      第45回日本バイオマテリアル学会大会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 金属3Dプリンティングによる生体用チタン合金の生体機能化2023

    • 著者名/発表者名
      石本卓也、松垣あいら、中野貴由
    • 学会等名
      第45回日本バイオマテリアル学会大会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 新規生体用スーパーハイエントロピー合金(BioSHEA)の創製2023

    • 著者名/発表者名
      百歩明、小笹良輔、石本卓也、永瀬丈嗣、中野貴由
    • 学会等名
      スマートプロセス学会学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] Crystallographic texture control via metal additive manufacturing2023

    • 著者名/発表者名
      Takayoshi Nakano
    • 学会等名
      PRICM11 (The 11th Pacific Rim International Conference on Advanced Materials and Processing)
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Development of bio-high entropy alloys (BioHEAs) via laser-powder bed fusion2023

    • 著者名/発表者名
      Ryosuke Ozasa, Takuya Ishimoto, Ozkan Gokcekaya, Aira Matsugaki, Takayoshi Nakano
    • 学会等名
      PRICM11 (The 11th Pacific Rim International Conference on Advanced Materials and Processing)
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 金属3Dプリンティング(AM)による造形物の組織制御と高機能化2023

    • 著者名/発表者名
      中野貴由
    • 学会等名
      日本金属学会材料機能特性のアーキテクチャー研究会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 生体用Bcc型TiNbTaZrMoハイエントロピー合金における等軸デンドライト組織とヤング率の制御2023

    • 著者名/発表者名
      當代 光陽、髙橋 凪、川堀 龍、永瀬 丈嗣、松垣 あいら、中野 貴由
    • 学会等名
      日本金属学会2023年春期講演(第172回)大会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] 金属アディティブマニュファクチャリング(AM)による原子配向制御と高機能化2022

    • 著者名/発表者名
      中野貴由
    • 学会等名
      第97回レーザ加工学会講演会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 金属Additive Manufacturing による軽金属の組織制御と高機能化2022

    • 著者名/発表者名
      中野貴由
    • 学会等名
      軽金属学会第142回春期大会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 金属3Dプリンティングによる組織・結晶配向制御と高機能化2022

    • 著者名/発表者名
      中野貴由
    • 学会等名
      金属3Dプリンティングによる組織・結晶配向制御と高機能化
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 生体用チタン合金のAdditive Manufacturing2022

    • 著者名/発表者名
      石本 卓也、上田 正人、松垣 あいら、中野 貴由
    • 学会等名
      日本金属学会2022年秋期講演(第171回)大会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 骨機能化誘導のためのチタン表面構造による幹細胞制御2022

    • 著者名/発表者名
      松垣 あいら、田中 健嗣、G.Ozkan、中野 貴由
    • 学会等名
      日本金属学会2022年秋期講演(第171回)大会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] 超多成分系生体用ハイエントロピー合金(BioHEA)の創製2022

    • 著者名/発表者名
      百歩 明、小笹 良輔、キム ヨンソン、松坂 匡晃、永瀬 丈嗣、中野 貴由
    • 学会等名
      日本金属学会2022年秋期講演(第171回)大会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] Control of Microstructure and Crystallographic Texture in Powder Bed Fusion Additive Manufacturing of Ti-base Alloys Containing Titanium Aluminides2022

    • 著者名/発表者名
      T. Nakano
    • 学会等名
      Control of Microstructure and Crystallographic Texture in Powder Bed Fusion Additive Manufacturing of Ti-base Alloys Containing Titanium Aluminidess
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] L-PBF法による急冷凝固に基づく生体用ハイエントロピー合金の組織制御と機能性付与2022

    • 著者名/発表者名
      西川侑希、石本卓也、小笹良輔、永瀬丈嗣、中野貴由
    • 学会等名
      スマートプロセス学会 2022年度学術講演会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] 新規生体用;ハイエントロピー合金の設計と創製2022

    • 著者名/発表者名
      百歩 明、小笹 良輔、中野貴由
    • 学会等名
      日本金属学会第5回第7分野講演
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [図書] 生体吸収性外科材料の 使い方と新しい材料の有用性2024

    • 著者名/発表者名
      松坂匡晃、松垣あいら、萩原幸司、松本卓也、中野貴由(分担執筆)
    • 総ページ数
      482
    • 出版者
      (株)技術情報協会
    • ISBN
      9784867980149
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [図書] テクノロジー・ロードマップ 2024-2033 全産業編2023

    • 著者名/発表者名
      中野貴由(分担執筆)
    • 総ページ数
      602
    • 出版者
      日経BP
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [図書] チタンの基礎と応用2023

    • 著者名/発表者名
      新家光雄、池田勝彦、成島尚之、中野貴由、細田秀樹
    • 総ページ数
      464
    • 出版者
      内田老鶴圃
    • ISBN
      9784753651122
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [図書] Additive Manufacturing of Medical Devices, ASM Handbook2022

    • 著者名/発表者名
      T. Nakano, K. Hagihara
    • 総ページ数
      530
    • 出版者
      ASM Handbook
    • ISBN
      9781627083904
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [備考] 中野研究室HP

    • URL

      http://www.mat.eng.osaka-u.ac.jp/msp6/nakano/

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書 2022 実施状況報告書

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公開日: 2022-07-05   更新日: 2024-12-25  

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