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2015 年度 実績報告書

ヘテロ構造設計による生体内分解性マグネシウム合金の高強度・高靱化原理の確立

研究課題

研究課題/領域番号 25246012
研究機関神戸大学

研究代表者

向井 敏司  神戸大学, 自然科学系先端融合研究環, 教授 (40254429)

研究分担者 清水 良央  東北大学, 歯学研究科(研究院), 助教 (30302152)
山口 正剛  国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, その他部局等, 研究員 (50360417)
Alok Singh  国立研究開発法人物質・材料研究機構, その他部局等, その他 (60354213)
池尾 直子  神戸大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (80647644)
研究期間 (年度) 2013-04-01 – 2016-03-31
キーワードヘテロ・ホモ構造 / 粒界凝集エネルギー / 結晶粒微細化 / 生体内分解性 / 高靭性
研究実績の概要

三元合金Mg-Ca-Zn, Mg-Ca-Alについて、0.05~0.6at.%の範囲で添加元素濃度の異なる鋳造合金を試作した。結晶粒組織をサブミクロンオーダーまで微細化した結果、降伏強度450MPa,破断伸び値12%を示す高強度合金を作製することができた。Mg-Ca合金に対する亜鉛やアルミニウムの複合添加は、加工硬化率の増大、亀裂発生までの変形量増加、亀裂進展速度の低下をもたらし、その相乗効果で高靭化が実現されていることを明らかにした。
第一原理計算の結果、カルシウムならびに第二元素としての亜鉛やアルミニウムは結晶粒界近傍に隣接して存在する方が安定であるため、共偏析しやすいことがわかった。これらの共偏析は結晶粒界近傍の電子密度を高くする効果があり、結晶粒界の強化に寄与していることを明らかにした。
高強度-高靭化効果が明らかになった合金組成をもとに、生体内で分解するデバイスを試作した。超微細結晶粒からなるMg-Ca-Zn合金製のネイルは座屈や破断を生じることなく生体骨への貫入が可能であり、4週までの埋植試験で単調に分解すること、および周辺の生体組織に悪影響を及ぼさないことを確認した。他方、Mg-Ca-Zn合金製のクリップは破断することなく閉口することが可能であった。組織観察の結果、カルシウムおよび亜鉛の添加により非底面転位が活性化され、動的回復を生じていることがわかった。ラットの肝動脈、肝静脈の一部を閉鎖する動物試験では、最長9ヶ月まで25匹を飼育した間に、血液の漏出による死亡例は皆無であり、十分な組織締結性能を有していることが確認された。
以上の第一原理計算、モデル材料創製、強度-靱性評価による機械的性能の検証、動物実験による生体内分解性の検証を通じて、高強度-高靱性を有する生体内分解性マグネシウム合金の創製原理を確立することができた。

現在までの達成度 (段落)

27年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

27年度が最終年度であるため、記入しない。

備考

関連研究による受賞
①軽金属学会 第128回春期大会 優秀ポスター発表賞(平成27年5月)、②ICSAM 2015 Best Poster Award(平成27年9月)、③日本金属学会 2015年秋期講演大会 優秀ポスター賞(平成27年9月)、④軽金属学会 第129回秋期大会 優秀ポスター発表賞(平成27年11月)、⑤⑥本金属学会 2016年春期講演大会 優秀ポスター賞:2件(平成28年3月)

  • 研究成果

    (24件)

すべて 2016 2015 その他

すべて 雑誌論文 (10件) (うち査読あり 7件、 謝辞記載あり 9件) 学会発表 (11件) (うち国際学会 8件、 招待講演 6件) 備考 (2件) 産業財産権 (1件)

  • [雑誌論文] Effect of aluminum or zinc solute addition on enhancing impact fracture toughness in Mg–Ca alloys2016

    • 著者名/発表者名
      T. Hase ,T. Ohtagaki, M. Yamaguchi, N. Ikeo, T. Mukai
    • 雑誌名

      Acta Materialia,

      巻: 104 ページ: 283-294

    • DOI

      http://dx.doi.org/10.1016/j.actamat.2015.11.045

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Superplastic Deformation Behavior in Dual-Phase Mg-Ca Alloy2016

    • 著者名/発表者名
      Takahiko Yano, Naoko Ikeo, Hiroyuki Watanabe, Toshiji Mukai
    • 雑誌名

      Materials Science Forum

      巻: 838-839 ページ: 256-260

    • DOI

      doi:10.4028/www.scientific.net/MSF.838-839.256

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Lattice Ordering and Microstructure of Ultra-High Strength Mg-Ca-Zn Alloys2016

    • 著者名/発表者名
      A. Singh, A. B. Dudekula, N. Ikeo, H. Somekawa, T. Mukai
    • 雑誌名

      Magnesium Technology 2016 : Preceedings of a Symposium Sponsored by Magnesium Committee of the Light Metals Division of the MineralsMetals & Materia

      巻: - ページ: 83-88

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] 小型衝撃三点曲げ試験機の試作およびMg-6%Al-1%Zn-2%Ca合金の衝撃破壊特性評価2016

    • 著者名/発表者名
      長谷貴之,川智明,池尾直子,向井敏司
    • 雑誌名

      軽金属

      巻: 66 ページ: 258-265

    • DOI

      -

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Fabrication of a magnesium alloy with excellent ductility for biodegradable clips2016

    • 著者名/発表者名
      Ikeo, N; Nakamura, R; Naka, K; Hashimoto, T; Yoshida, T; Urade, T; Fukushima, K; Yabuuchi, H; Fukumoto, T; Ku, Y; Mukai, T
    • 雑誌名

      Acta Biomaterialia

      巻: 29 ページ: 468-476

    • DOI

      http://dx.doi.org/10.1016/j.actbio.2015.10.023

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] 生体内分解性マグネシウムステントの創製と機械的性質2016

    • 著者名/発表者名
      前田智明,池尾直子,向井敏司
    • 雑誌名

      軽金属

      巻: 66 ページ: 印刷中

    • DOI

      -

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Effect of Zinc and Calcium Solute Additions on Deformation Behavior of Mg Estimated by First Principles Calculation2015

    • 著者名/発表者名
      T. Hase, T. Ohtagaki, M. Yamaguchi, N. Ikeo, T. Mukai
    • 雑誌名

      Proceedings of Mg 2015

      巻: - ページ: 254-257

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Experimental Study of Enhancing strength and ductility in Mg-Zn-Ca alloy for bio-absorbable stent application2015

    • 著者名/発表者名
      T. Maeda, M. Nishioka, N. Ikeo, T. Mukai
    • 雑誌名

      Proceedings of Biomaterials International 2015

      巻: - ページ: #1157

    • 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Enhancement of ductility in Mg-Zn-Ca alloy for fastening soft tissue2015

    • 著者名/発表者名
      K. Naka, R. Nakamura, N. Ikeo, T. Mukai
    • 雑誌名

      Proceedings of Biomaterials International 2015

      巻: - ページ: #1115

    • 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Strengthening and Degradation Behavior of Magnesium-Calcium Binary Alloy2015

    • 著者名/発表者名
      N. Ikeo, A. Taguma, M. Nishioka, A. Yamamoto and T. Mukai
    • 雑誌名

      Proceedings of Biomaterials International 2015

      巻: - ページ: #1116

  • [学会発表] Development of biodegradable occlusion device using ductile magnesium-zinc-calcium alloy2016

    • 著者名/発表者名
      Ikeo, N; Nakamura, R; Naka, K; Hashimoto, T; Yoshida, T; Urade, T; Fukushima, K; Yabuuchi, H; Fukumoto, T; Ku, Y; Mukai, T
    • 学会等名
      10th World Biomaterials Congress
    • 発表場所
      Montréal, Canada
    • 年月日
      2016-05-16 – 2016-05-22
    • 国際学会
  • [学会発表] Effect of calcium solute addition on improving mechanical properties of magnesium alloys2015

    • 著者名/発表者名
      T. Hase ,T. Ohtagaki, M. Yamaguchi, N. Ikeo, T. Mukai
    • 学会等名
      Twenty-Fourth International Symposium on Processing and Fabrication of Advanced Materials (PFAM XXIV)2015
    • 発表場所
      関西大学(大阪府・吹田市)
    • 年月日
      2015-12-20 – 2015-12-20
    • 国際学会
  • [学会発表] Influence of calcium concentration on superplastic behavior in Mg-Ca binary alloys2015

    • 著者名/発表者名
      T. Yano, T. Mukai, N. Ikeo, H. Watanabe
    • 学会等名
      Twenty-Fourth International Symposium on Processing and Fabrication of Advanced Materials (PFAM XXIV) 2015
    • 発表場所
      関西大学(大阪府・吹田市)
    • 年月日
      2015-12-20 – 2015-12-20
    • 国際学会
  • [学会発表] he mechanical performance of biodegradability magnesium alloy stent2015

    • 著者名/発表者名
      T. Maeda, M. Nishioka, N. Ikeo, T. Mukai
    • 学会等名
      Twenty-Fourth International Symposium on Processing and Fabrication of Advanced Materials (PFAM XXIV) 2015
    • 発表場所
      関西大学(大阪府・吹田市)
    • 年月日
      2015-12-20 – 2015-12-20
    • 国際学会
  • [学会発表] Evaluation of in vitro fatigue of the biodegradable Mg-Ca alloy in simulated body fluid2015

    • 著者名/発表者名
      N. Ikeo, A. Taguma, T. Mukai
    • 学会等名
      Twenty-Fourth International Symposium on Processing and Fabrication of Advanced Materials (PFAM XXIV) 2015
    • 発表場所
      関西大学(大阪府・吹田市)
    • 年月日
      2015-12-20 – 2015-12-20
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 生体内分解性マグネシウム合金の組織制御とインプラント応用2015

    • 著者名/発表者名
      向井敏司
    • 学会等名
      マイクロマテリアルシンポジウム -MEMS応用に向けた新材料-
    • 発表場所
      朱鷺メッセ(新潟県・新潟市)
    • 年月日
      2015-10-28 – 2015-10-28
    • 招待講演
  • [学会発表] Effect of solute segregation on deformation behavior of Mg alloys under dynamic loading2015

    • 著者名/発表者名
      Toshiji Mukai
    • 学会等名
      The 10th International Conference on Magnesium Alloys and Their Applications
    • 発表場所
      Jeju(South Korea)
    • 年月日
      2015-10-13 – 2015-10-13
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Effect of micro-alloying elements on mechanical properties in dilute magnesium alloys2015

    • 著者名/発表者名
      Hidetoshi Somekawa, Yoshiaki Osawa, Alok Singh Kota Washio, Akihito Kinoshita, Akira Kato, and Toshiji Mukai
    • 学会等名
      The 10th International Conference on Magnesium Alloys and Their Applications
    • 発表場所
      Jeju(South Korea)
    • 年月日
      2015-10-13 – 2015-10-13
    • 国際学会
  • [学会発表] 生体内分解性マグネシウム合金の高強度化2015

    • 著者名/発表者名
      向井敏司
    • 学会等名
      日本機械学会2015年度年次大会
    • 発表場所
      北海道大学(北海道・札幌市)
    • 年月日
      2015-09-13 – 2015-09-16
    • 招待講演
  • [学会発表] マグネシウム合金の生体内分解性デバイス応用2015

    • 著者名/発表者名
      向井 敏司,池尾 直子
    • 学会等名
      日本バイオマテリアル学会東北ブロック講演会
    • 発表場所
      東北大学金属材料研究所(宮城県・仙台市)
    • 年月日
      2015-09-07 – 2015-09-07
    • 招待講演
  • [学会発表] GRAIN REFINEMENT OF MAGNESIUM ALLOYS FOR BIODEGRADABLE IMPLANT APPLICATION2015

    • 著者名/発表者名
      Toshiji Mukai
    • 学会等名
      International Conference on Frontiers in Materials Processing, Applications, Research & Technology (FIMPART '15 )
    • 発表場所
      Hyderabad( India)
    • 年月日
      2015-06-14 – 2015-06-24
    • 国際学会 / 招待講演
  • [備考] “やっかい”な手術用金属、体内で溶かして消す

    • URL

      http://techon.nikkeibp.co.jp/atcl/feature/15/327441/040800057/?ST=health

  • [備考] 神戸大学 大学院工学研究科 機械工学専攻 材料物理講座 材料物性学研究分野

    • URL

      http://www.research.kobe-u.ac.jp/eng-mech-mater/index.html

  • [産業財産権] 生体軟組織固定用デバイスおよびその作製方法2015

    • 発明者名
      向井敏司、池尾直子、具英成、福本巧、薮内光
    • 権利者名
      向井敏司、池尾直子、具英成、福本巧、薮内光
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      PCT/JP2015/004596
    • 出願年月日
      2015-09-09

URL: 

公開日: 2017-01-06  

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