JP2001049408A

JP2001049408A - チタン系アモルファス合金

Info

Publication number: JP2001049408A
Application number: JP11230788A
Authority: JP
Inventors: Sachiko Hiromoto; 祥子廣本; Takao Hanawa; 隆夫塙
Original assignee: National Research Institute for Metals
Current assignee: National Institute for Materials Science
Priority date: 1999-08-17
Filing date: 1999-08-17
Publication date: 2001-02-20
Anticipated expiration: 2019-08-17
Also published as: JP3401555B2

Abstract

(57)【要約】【課題】機械的強度と機械的生体適合性および化学的
生体適合性に優れたチタン系アモルファス合金を提供す
る。【解決手段】Ａ_xＣｕ_yＴｉ_z、ただし、Ａは、Ｉ
ｎ、Ｓｉおよび貴金属の群から選択される少なくとも１
種の元素である、の組成式を有し、組成の各ｘ、ｙおよ
びｚ配分（原子％）は、次の条件式、を満たしてい
る。０＜ｘ≦５０、０＜ｙ≦５０、０＜ｚｘ＋ｙ＋ｚ＝１００

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この出願の発明は、機械的強
度を強化し、医用生体材料への適用性の向上を図ること
のできる、新しいチタン系アモルファス合金に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術とその課題】生体用としての現在用いられ
ている金属材料は、貴金属、Ｃｏ基合金、ステンレス鋼
およびＴｉ合金がその大部分である。従来よりインプラ
ント用金属材料として、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｍｏ系鍛造合金(v
itallu/m) をはじめとするＣｏ基合金や各種ステンレス
鋼、さらには近年になってＴｉ−６Ａｌ−４Ｖを代表す
るＴｉ合金が用いられている。また歯科用金属材料とし
ては古くから貴金属が広く用いられており、医療用機材
などに用いられる金属材料としてはステンレス鋼がメ
ス、鋏、ピンセット、クリップ等に多用されている。

【０００３】このような生体用金属材料として、耐食性
の高いＣｏ基合金、ステンレス鋼やＴｉ合金が用いられ
ているが、Ｃｏ基合金やステンレス鋼は耐食性の観点か
らＦｅ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ｃｒ等の生体に有毒な元素を多量
に含み、これらの材料を生体内で長時間使用するとこれ
らの元素が生体内に流れ出すという問題があった。ま
た、現在Ｔｉ合金は強度が低く、その組成にニッケル等
の細胞毒性の強い元素成分が滲出する場合がある等の理
由から、生体用材料とすることには制約があった。

【０００４】このような状況において、優れた耐食性を
有し、熱安定性が良好で、人体への適用性にも優れた材
料として、Ｚｒ系等のアモルファス合金が提案されてい
る。しかしながら、これまで実際的に使用されているＴ
ｉ系合金材料については、より高強度で、比較的生体毒
性の低い元素から構成され、生体への適合性にも優れた
材料とすることはあまり進展してしていないのが実情で
ある。

【０００５】この出願の発明は、以上の通りの事情に鑑
みなされたものであって、従来の欠点を解消し、機械的
強度が強く、機械的・化学的な生体適合性の良好な、新
規なチタン系合金材料を提供することを課題としてい
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この出願の発明は、上記
の課題を解決するものとして第１には、組成が次式：Ａ_xＣｕ_yＴｉ_z （Ａは、Ｉｎ、Ｓｉおよび貴金属の群から選択される少
なくとも１種の元素を示し、ｘ、ｙおよびｚは各々原子
％を示し、０＜ｘ≦５０、０＜ｙ≦５０、０＜ｚであっ
て、しかもｘ＋ｙ＋ｚ＝１００であることを示す）で表
されることを特徴とするチタン系アモルファス合金を提
供し、また第２には、同じ組成を有し、かつナノ結晶相
の結晶構造を含むことを特徴とする高強度・耐食性チタ
ン系アモルファス合金を、更に第３には、以上のいずれ
の合金で表面改質層をもつチタン系アモルファス合金を
提供する。

【０００７】そして、第４には、以上のいずれかの合金
からなることを特徴とする生体用チタン系アモルファス
合金も提供し、第５には、以上の合金において、その他
の微量元素を包含するチタン系アモルファス合金をも提
供する。

【０００８】

【発明の実施の形態】この出願の発明は、以上の通りの
特徴をもつものであるが、以下にその実施の態様につい
て説明する。組成としては、この出願の発明のチタン系
アモルファス合金は、５０原子％以下のＩｎ、Ｓｉおよ
び貴金属の群から選択される少なくとも１種の元素と、
５０原子％以下のＣｕおよびＴｉとによって構成され
る。もちろん、許容される範囲での不可避不純物等や添
加成分としての他種の元素の含有も考慮される。

【０００９】前記の貴金属としては、通常の意味で、Ａ
ｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈが考慮される。上記組成に
おいては、Ｔｉ元素の割合は、アモルファス合金として
の製造上の観点からは２０原子％以上とすることが好ま
しく、生体適合性をも考慮すると４０原子％以上とする
こと、さらには５０〜８０原子％とするのが好ましい。
このＴｉ割合に対応して、好ましくは、Ｉｎ、Ｓｉおよ
び貴金属の１種以上の元素は、２〜３５原子％、Ｃｕ
は、１０〜４５％とすることが考慮される。

【００１０】なお、組成割合については、チタン本来の
生体適合性を示す合金表面を得るためには、表面酸化皮
膜が少なくとも９０原子％以上のチタンを含むことが望
ましく、Ｔｉ−Ｎｉ合金等の例からチタンが５０％原子
％以上含まれていれば、皮膜中のチタン割合が９０原子
％を越えると推定されることから、チタンは５０％原子
％以上とすることができ、また、この場合、チタン以外
の銅、インジウム、シリコンなどの比率については５０
原子％以下とすることができる。

【００１１】このような組成をもつこの発明のチタン系
アモルファス合金は、耐食性および生体適合性の優れた
材料であって、これは、Ｔｉの高い耐食性と生体内のリ
ン酸を吸着しやすいという性質によるものである。ま
た、この出願の発明のチタン系アモルファス合金は、生
体への毒性を示す元素を含まないものとすることができ
る。

【００１２】このチタン系アモルファス合金は、周期性
のない構造となっているため、従来の結晶性合金と比較
して引張強度が高く、ヤング率が低い。実際、合金のア
モルファス化によりチタン合金の約２倍の強度が得られ
ながら、ヤング率は、チタン合金のそれより低く、骨に
近い値となるものであった。骨に固定する生体材料は、
その材質の特性として、骨に近いヤング率とするため従
来の結晶性合金よりもヤング率を低くすることと、同時
に高い強度が望まれていることから、この出願の発明の
チタン系アモルファス合金は、骨に固定する生体材料に
適したものである。

【００１３】また、この出願の発明のチタン系アモルフ
ァス合金は、ナノ結晶相を含むことによって、強度に良
い影響を与え、さらに強度改善することもできる。以上
のとおりの特徴のあるこの出願の発明のチタン系アモル
ファス合金は、たとえば単ロールまたは双ロール液体急
冷法やその他各種の方法によって製造することができ
る。スパッタリング、蒸着、メッキ、メカニカルアロイ
ング法等の各種の方法であってよい。

【００１４】この発明のチタン系アモルファス合金は、
たとえば生体適合材料として、骨折固定具、脊椎固定
具、人工骨や人工関節、人工歯根等の硬組織に埋入され
る材料、さらには、センサーやワイヤー等の線材として
も有用なものとなる。そこで以下に実施例を示し、さら
にこの発明の実施の形態について説明する。

【００１５】

【実施例】（実施例１）Ｉｎ、Ｓｉおよび貴金属の群か
ら選ばれる少なくとも１種の元素５０原子％以下と、Ｃ
ｕ５０原子％以下を含み、残部はＴｉから成る組成をも
つアモルファス合金を単ロール液体急冷法により、より
具体的には、高速で回転する銅製のロール端面に溶かし
た金属を吹き付け、リボン状の合金を得る方法により作
製した。

【００１６】すなわち、所定の配合割合の原材料をアー
ク溶解して母材合金とし、これを破砕し、断面を研磨し
て不純物を除いた後に、単ロール液体急冷法によりリボ
ン状の合金を作成した。単一銅製ロールの形態を採る冷
却ロールは、予め高速回転状態で準備されており、この
高速回転する冷却ロールに、ノズルを通じて、溶融金属
が、吹き付けられる。溶融金属は急冷され、連続薄帯状
のリボン状合金が作製される。

【００１７】図１は、Ｔｉ−Ｉｎ−Ｃｕリボン状アモル
ファス合金の２種の組成のものについてそのＸ線回折パ
ターンを例示したものである。アモルファス相に特有の
ハローパターンを示した。これによって当該合金がアモ
ルファス相を形成していると判定できた。また、Ｔｉ₅₀
Ｉｎ_12.5Ｃｕ_37.5の組成の合金について、ガラス転移温
度と結晶化温度の関係から過冷却液体領域を分析する示
差走査熱量分析で分析したところ、図２に示すように、
過冷却液体領域は現れなかったが、４９７℃近傍で結晶
化が起こっていることを示す吸熱ピークが現れた。

【００１８】これらの結果からも、この出願の発明の合
金は、アモルファス相となっていることが確認された。
また、図３は、液体急冷法による場合のＴｉ−Ｉｎ−Ｃ
ｕアモルファス合金の生成と、ナノ結晶相含有のアモル
ファス合金の生成が見られる組成を例示したものであ
る。

【００１９】この発明によるアモルファス合金は、同じ
組成で結晶構造をとる合金の場合よりも、高強度で低ヤ
ング率であって、機械的生体適合性に優れており、化学
的な生体適合性を付与することができる。（実施例２）実施例１と同様にして、Ｔｉ₆₅Ｓｉ_7.5Ｃ
ｕ_27.5の組成のリボン状合金を得た。

【００２０】図４は、この合金のＸ線回折パターンを示
したものである。数百ナノメートルのナノ結晶相を有す
るアモルファス合金であることが確認された。

【００２１】

【発明の効果】この出願の発明によるアモルファス合金
は、同じ組成で結晶構造をとる合金の場合よりも、高強
度、低ヤング率と機械的生体適合性に優れている。この
出願の発明の合金はチタンを含んでいるので、これに化
学的な生体適合性を付与することができる。

【００２２】したがって、骨折固定具、脊椎固定具、人
工骨、人工歯根等の硬組織に埋入される材料、センサー
やワイヤー等の線材に応用することが可能である。ま
た、強度が高いため、部材を小型化でき、材料費を抑え
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】Ｔｉ−Ｉｎ−Ｃｕリボン状合金のX 線回折パタ
ーンを例示した図である。

【図２】Ｔｉ−Ｉｎ−Ｃｕリボン状合金の示差走査熱量
分析結果を例示した図である。

【図３】Ｔｉ−Ｉｎ−Ｃｕアモルファス合金の組成例を
示した図である。

【図４】Ｔｉ−Ｓｉ−Ｃｕアモルファス合金のX 線回折
パターンを例示した図である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】組成が次式：Ａ_xＣｕ_yＴｉ_z （Ａは、Ｉｎ、Ｓｉおよび貴金属の群から選択される少
なくとも１種の元素を示し、ｘ、ｙおよびｚは各々原子
％を示し、０＜ｘ≦５０、０＜ｙ≦５０、０＜ｚであっ
て、しかもｘ＋ｙ＋ｚ＝１００であることを示す）で表
されることを特徴とする高強度・耐食性チタン系アモル
ファス合金。
【請求項２】組成が次式：Ａ_xＣｕ_yＴｉ_z （Ａは、Ｉｎ、Ｓｉおよび貴金属の群から選択される少
なくとも１種の元素を示し、ｘ、ｙおよびｚは各々原子
％を示し、０＜ｘ≦５０、０＜ｙ≦５０、０＜ｚであっ
て、しかもｘ＋ｙ＋ｚ＝１００であることを示す）で表
され、かつナノ結晶相を含むことを特徴とする高強度・
耐食性チタン系アモルファス合金。
【請求項３】請求項１または２の合金が、表面改質層
を構成してるチタン系アモルファス合金。
【請求項４】請求項１ないし３のいずれかの合金から
なることを特徴とする生体用チタン系アモルファス合金
【請求項５】請求項１ないし４のいずれかの合金にお
いて、その他の微量元素を包含するチタン系アモルファ
ス合金