チタンと骨含有元素との非平衡な合金・複合体による骨形成促進

• 研究課題/領域番号: 23K04415
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分26040:構造材料および機能材料関連
• 研究機関: 名古屋大学
• 研究代表者: 稗田 純子 名古屋大学, 工学研究科, 准教授 (40566717)
• 研究期間 (年度): 2023-04-01 – 2026-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2024年度)
• 配分額: 4,810千円 (直接経費: 3,700千円、間接経費: 1,110千円); 2025年度: 2,080千円 (直接経費: 1,600千円、間接経費: 480千円); 2024年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円); 2023年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円)
• キーワード: チタン合金 / 骨含有元素 / 非平衡合金 / 骨形成能 / プラズマプロセス

研究開始時の研究の概要

骨折固定具，人工関節や歯科インプラントに使用されているTiおよびTi合金よりも骨形成能に優れる新規医療用Ti材料の開発を目指し，従来の溶解プロセスでは作製できないCaとTiを合金化したTi合金を作製し，細胞接着性タンパク質の吸着や骨芽細胞の接着・増殖挙動などを調査する。さらに，材料からのCaの溶出による骨形成促進を狙って，作製条件等を制御して複合体の作製を試み，その微細組織とCaの溶出量，骨形成能との関係を調査する。

研究実績の概要

本研究では、従来のチタン(Ti)およびTi合金よりも骨形成能に優れる新規医療用Ti材料の開発を目指し、骨含有元素とTiを合金化した合金や複合体を作製、その結晶構造、微細組織、表面特性と骨形成能との相関関係を調べることで、骨形成を促進させるために最適な組成、表面構造を明らかにすることを目的とした。
当該年度は、前年度に引き続き、Tiと骨含有元素との固溶体型合金の表面特性や力学的強度等の各種評価を行った。さらに、高周波マグネトロンスパッタ法による成膜時に基板を加熱することにより、スパッタ粒子の基板表面での拡散を促進し、相分離型Ti複合体の作製を試みた。基板温度や加熱時間を変化させることで表面拡散の程度を制御し、結晶構造や微細組織が変化するか調査した。固溶体型Ti合金と同様の表面特性等の評価に加え、作製した複合体のX線回折による結晶構造の評価を行った。
・Tiと骨含有元素との固溶体型合金の作製と各種評価：
前年度に得られたターゲットの構成と組成に関する知見を踏まえて、Tiと骨含有元素との固溶体型合金を作製し、膜の構造や、組成と力学的強度(ナノインデンテーション硬さ)との関係等を調査・検討した。
・Tiと骨含有元素との相分離型複合体の作製と各種評価：
基板加熱温度や成膜時間を変えて試料を作製し、組成、結晶構造の変化を調査した。ある基板加熱温度、成膜時間において、島状の析出物の存在が確認できた。さらに、成膜装置に導入した自作の基板加熱機構のさらなる改良を進めた。

現在までの達成度

2: おおむね順調に進展している

理由

当初の研究計画での実施項目を進めつつ、次年度実施予定の項目を円滑に実施するための準備・予備実験も行えたため、研究は順調に進んでいると考える。

今後の研究の推進方策

・Tiと骨含有元素との相分離型複合体の作製と各種評価：
前年度に引き続き、基板加熱温度や成膜時間を変えて試料を作製し、X線回折による結晶構造の評価や表面特性等の評価に加え、作製した複合体の結晶構造の透過電子顕微鏡による観察、電子回折による解析を行う。
・固溶体型Ti合金と相分離型Ti複合体の生体適合性に関する評価：
これまでに作製してきた固溶体型Ti合金と相分離型Ti複合体に対し、骨含有元素の溶出量の調査、細胞接着性タンパク質の吸着量，骨芽細胞の接着・増殖挙動の調査を行う。これらの結果と組成、構造、表面特性との関係を調査・検討する。