医療・福祉器具構成用高生体融合機能性チタン合金の創製

2000 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 10555231
• 研究機関: 豊橋技術科学大学
• 研究代表者: 新家 光雄 豊橋技術科学大学, 工学部, 教授 (50126942)
• 研究分担者: 岡部 道生 大同特殊鋼(株), 技術開発研究所・特殊鋼研究部・高合金研究チーム, チーム長 ; 川上 紀明 名城病院, 整形外科, 医長(研究職) ; 福井 壽男 愛知学院大学, 歯学部, 助教授 (50090147)
• キーワード: 生体用チタン合金 / Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr合金 / 低弾性率 / 生体融合機能性 / 細胞毒性 / 機械的性質 / 疲労特性 / 摩擦磨耗特性

研究概要

純金属や代表的な生体用金属材料の細胞毒性評価に関する報告を参考にして、細胞毒性の指摘の無い合金元素としてNb、Ta、Zr、MoおよびSnを選択し、これらの元素から構成され、低弾性率で高強度・高加工性が期待されるチタン合金をd電子合金設計法により設計したところ、Ti-Nb-Ta-Zr系、Ti-Nb-Ta-Mo系およびTi-Nb-Ta-Sn系の各β型チタン合金組成が得られた。これらの各組成合金のボタンインゴット(約45g)を作製し、加工熱処理を施した後、塑性加工性および基本的な機械的性質を評価したところ、いずれの合金も目標合金として期待されるがTi-29Nb-13Ta-4.6Zr合金で最も容易に強度、伸びおよび弾性率の良好なバランスが得られることがわかった。さらに、構成元素の細胞毒性評価の報告例から判断しても同組成合金が最も生体適合性に優れると予測された。そこで、Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr合金の細胞毒性をL929細胞を用いて評価したところ、純チタンと同程度の細胞毒性を示し、同合金の生体親和性が優れることが予測された。以上から、Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr合金に的を絞って実用化に向けての評価を行うこととした。その第一段階として、Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr合金の実用レベルインゴットの溶解製造を試みた。その結果、高周波誘導溶解法やレビテーション溶解法を適用することにより、健全な実用レベルインゴットを作製できることがわかった。そこで、実用レベルインゴットについて、加工熱処理を施し機械的性質、疲労特性、フレッティング疲労特性および摩擦磨耗特性を評価した。その結果、溶体化・時効処理や冷間圧延後直接時効処理等を行うことで従来より生体用として使用されてきているTi-6A1-4V ELI合金に匹敵する強度および延性バランス、疲労強度、フレッティング疲労強度を得ることができ、かつより低い弾性率を得ることができることがわかった。Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr合金につき、擬似生体内環境での摩擦磨耗特性も調査したところ、相手材にジルコニアを使用した場合にはTi-6A1-4V ELIや生体用ステンレス鋼SUS316Lに比べて、より良好な摩擦磨耗抵抗を示したが表面処理を施すことが必要との結論に達した。この処理として大気中にて加熱する酸化処理が有効であることを見出した。Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr合金では、純チタンやTi-6A1-4V合金に比べて、リン酸カルシウム系結晶化ガラスを大気中での熱処理によりその表面に容易に被覆することができ、この表面処理により生体適合性をさらに改善できることがわかった。以上の結果から、Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr合金の生体用材料としての実用化が大いに期待できると言える。同合金の実用化を達成するためには、今後さらなるミクロ組織制御による力学的特性の改善、磨耗特性改善のための表面処理法の確立、さらなる擬似生体内環境での疲労強度やフレッティング疲労特性の評価、生体を用いての低弾性率であることの有効性の立証等を行い、大型動物を用いての生体融合性の評価を行うことが必用であり、さらには臨床試験へと進める必用がある。本合金は、歯科補綴物への適用も期待できるため、この方面での実用化も大いに期待される。

研究成果

• [文献書誌] M.Niinomi: "Mechanical Properties of Biomedical Titanium Alloys"Materials Science and Engineering A. A243. 231-236 (1998)
• [文献書誌] D.Kuroda: "Design and Mechanical Properties of New β Type Titanium Alloys for Implant Materials"Materials Science and Engineering. A243. 244-249 (1998)
• [文献書誌] D.Kuroda: "Development of New β Type Titanium Alloys for Medical Implants"Proc.ISAEM'97,. 499-504 (1998)
• [文献書誌] M.Niinomi: "New β Type Titanium Alloys with High Biocompatibility"Proc.Non-Aerospace Application of Titanium and It's Alloy. 217-223 (1998)
• [文献書誌] M.Niinomi: "Development of β Type Titanium Alloys for Hard Tissue Replacing Materials"Proc.SSAM-4. 365-368 (1998)
• [文献書誌] 新家光雄: "生体用β型チタン合金の開発"まてりあ. 37巻10号. 843-846 (1998)
• [文献書誌] M.Niinomi: "Corrosion Wear Fracture of New β Type Biomedical Titanium Alloys"Materials Science and Engineering A. A263. 193-199 (1999)
• [文献書誌] 林静男: "浮揚溶解法(CCLM)によるチタンとタンタルの合金化"工業加熱. 36巻. 16-22 (1999)
• [文献書誌] 細井祥全: "プラズマ容射によるβ型チタン合金へのリン酸カルシウム結晶化ガラスコーティング"プラズマ応用科学. 7巻. 91-94 (1999)
• [文献書誌] D.Kuroda: "Mechanical Properties and Biocompatibility of Newly Developed β Type Titanium for Hard Tissue Replaceing Materials"Proc.6th Japan Int.SAMPE Symp.. 1229-1232 (1999)
• [文献書誌] M.Niinomi: "Recent Research and Development of Titanium for Biomedical Applications in Japan"JOM. 51巻6号. 32-34 (1999)
• [文献書誌] 福井壽男: "高融点生体用Ti-Ta系合金の融解方法の研究"歯科材料・器械. 19巻. 49-55 (2000)
• [文献書誌] 新家光雄: "高生体融合機能性チタン合金素材の開発"機能材料. 20巻. 1-8 (2000)
• [文献書誌] 黒田大介: "新しい生体用β型チタン合金の設計とその機械的性質および細胞毒性"鉄と鋼. 86巻. 31-39 (2000)
• [文献書誌] 黒田大介: "生体用β型Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr合金の熱処理プロセスと力学的性質"鉄と鋼. 86巻. 40-46 (2000)
• [文献書誌] M.Niinomi: "Development of Titanium Alloys Composed of Non-toxic Elements with Low Modulus and High Strength for Biomedical Applications"Transaction of the Sixth World Biomaterials Congress. 1359 (2000)
• [文献書誌] T.Kasuga: "Preparation of Calcium Phosphate Glass-Ceramics and Their Coating on Titanium Alloy"Key Engineering Materials. 223-226 (2000)
• [文献書誌] M.Niinomi: "Mechanical Performance of Newly Developed β Type Titanium Alloys for Biomedical Use"Titanium'99. 86巻. 1195-1201 (1999)
• [文献書誌] M.Ikeda: "Isothermal Aging Behavior of Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr New Beta Type Alloy for Medical Implant"Structural Biomaterials for the 21st Century. 15-24 (2001)
• [文献書誌] D.Kuroda: "Mechanical Performance of Newly Developed β-Type Titanium Alloy,Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr,for Biomedical Applications"Structural Biomaterials for the 21st Century. 99-106 (2001)
• [文献書誌] T.Kasuga: "Calcium Phosphate Glass-Ceramic Coating on a New Beta-Type Titanium Alloy"Structural Biomaterials for the 21st Century,. 265-272 (2001)