JP2006328436A5 - - Google Patents
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Description
本発明は、外部環境温度への応答性に優れる形状記憶素子に関し、特には、100℃以上での作動が求められる高温作動素子および生体用材料に関するものである。
Ti−Ni合金をはじめとした形状記憶合金は、マルテンサイト変態の逆変態に付随して顕著な形状記憶効果を示すことがよく知られている。また、逆変態後の母相での強変形によって誘起される応力誘起マルテンサイト変態に伴い、良好な超弾性を示すこともよく知られている。その超弾性は数多くの形状記憶合金の中でも特にTi−Ni合金およびTi−Ni−X合金(X=V,Cr,Co,Nb等)に顕著に現れる。
Ti−Ni合金の形状記憶効果は特許文献1に、超弾性は特許文献2にそれぞれ示されている。Ti−Ni−X合金の形状記憶効果および超弾性は、例えばTi−Ni−V合金に関して特許文献3及び特許文献4、Ti−Ni−Nb合金に関しては特許文献5に記載されている。Ti−Ni−Nb合金はTi−Ni合金に比べ応力の温度ヒステリシスを応力付加によって大きくすることができる特長を示すために、原子炉配管継ぎ手などに実用化されている。
ステント治療は、近年急速に使われてきている新しい技術である。ステントは、血管などの狭窄部拡張後の再狭窄を防ぐ為に、体内に留置されるメッシュ状の金属パイプのことである。カテーテルの先端部に縮径、収納のステントは、狭窄部への導入後、カテーテルからの解放・拡張操作によって、血管などの腔内壁に取り付けられる。PTCA(経皮的冠動脈形成術)の場合、ステントは、収納内壁にセットされている風船の膨張による血管拡張操作に伴って拡げられる。これはバルーン(風船)拡張型(balloon−expandable)と呼ばれ、金属はステンレスやタンタルが用いられている。
一方、くも膜下出血などの原因となる動脈瘤の破裂防止は瘤への血流を止めることである。その一つとして、プラチナなどの金属コイルを瘤に詰め血栓化を図る塞栓技術がある。しかし、血栓の一部が金属から離脱し、血流と共に末梢へ流れ血管を塞ぐ懸念が指摘されている。その対策として、人工血管によって瘤を塞栓するカバードステント技術が検討されている。この場合、ステントはカテーテルから解放されると同時に自己のバネ性で拡張し、人工血管を血管壁に押し付ける。これは自己拡張型(self−expandable)と呼ばれ、バネ特性に優れる材料が求められる。
Ti−Ni合金超弾性の特徴は、合金の逆変態開始温度(As温度)に始まり逆変態終了温度(Af温度)以上では、外部から変形を受けても、その外部拘束の解除と同時に元の形に復元し、その回復量は伸びひずみで約7%に達することである。As温度は形状回復開始温度、Af温度は形状回復終了温度(形状回復温度)を意味する。ステント用途の場合、留置内腔よりやや大きめに形成されたフープ形状をカテーテルに縮径マウントし、カテーテルから解放されると同時にその形成フープ径に自発的に復元、血管などの内腔に密着する。即ち、合金のAf温度を生体温度以上とし、生体温度(37℃近傍)で常に超弾性を示すものである。
超弾性ステントは、前記特徴と同時に、自発形状復元性による血管壁損傷・留置位置決めズレ・デリバリー性に欠けるなどの難点を有するために、冠動脈などの血管系には使用し難い。
形状記憶合金を感温駆動素子として用いる例は、非特許文献1などに記載されており、エアコン風向調整、電子レンジダンパー、換気口など、その例は多い。しかし、これらの殆どはTi−Ni合金の時効或いは加工熱処理によるR相を利用するもので、逆変態開始温度は60℃程度である。また、本発明の用途である高温作動素子への試みは、非特許文献2は、Ti−Ni合金の高ひずみ付加によって作動温度を100℃以上としているが、付加ひずみが大きいこと、作動感度が鈍いことなどの課題があり実用化には至っていない。
PTCA用ステントは、血管を損傷し難くデリバリー性に優れる弾性限の低い金属材料が好ましいが、拡張後の腔壁への押し付け力(拡張力)が弱い難点を残す。その解決手段として、形状記憶合金を用いたステントが提案されている。また、特許文献6には、本発明に係るTi−Ni−Nb合金のステント適用が記載されている。その特許文献6には、Ti−Ni−Nb形状記憶合金の形状回復時の低ヤング率性、外力による形状変形時の高ヤング率性ステントは、合金変形における応力−ひずみ曲線上の荷重時の変曲点での応力対非荷重時の変曲点での応力の比が少なくとも2.5:1とすることで得られることが述べられている。しかし、これはカテーテルからの解放後生体温度で超弾性を示すもので、PTCAに求められる前述の課題(位置決めの任意性など)を十分に解決するものではない。
また、本発明者らは本発明に密接な関わりを持つステントを特許文献7に提案している。すなわち、体内挿入時生体温度で非形状記憶であって、バルーンによる形状復元後超弾性を示すステントの提案である。特許文献7の実施例には、Ti−Ni合金やTi−Ni−X合金(X=Cr,V,Cu,Fe,Coなど)からなるステントを強変形することで回復温度を上昇させることが述べられているが、ひずみ付加後の形状回復特性、スロット形状への適応性などに課題を残すものである。
そこで、本発明の技術的課題は、これらの課題解決に鑑み、応答性に優れた形状記憶素子であるTi−Ni−Nb合金素子を提供することにある。
本発明者らはTi−Ni−Nb形状記憶合金が熱処理条件及びひずみ付加条件を選定することで極めて応答性に優れ、防災・保安用高温駆動素子およびステントなどの医療用素子に適用可能であることを見出した。
すなわち本発明によれば、Ti−Ni−Nb合金であって、逆変態開始後10℃未満の温度差で変態が終了することを特徴とするTi−Ni−Nb合金素子が提供される。
また、本発明によれば、前記Ti−Ni−Nb合金素子であって、Nb含有量が少なくとも3at%の合金で、熱処理後のひずみが伸びひずみで8%以上印加されていることを特徴とするTi−Ni−Nb合金素子が提供される。
また、本発明によれば、前記いずれか一つのTi−Ni−Nb合金素子において、逆変態開始温度を100℃以上としたことを特徴とする高温作動用Ti−Ni−Nb合金素子が得られる。
また、本発明によれば、前記いずれか一つのTi−Ni−Nb合金素子において、逆変態開始温度が37℃を越え5℃未満の温度差で変態が終了することを特徴とする生体材料用Ti−Ni−Nb合金素子が得られる。
また、本発明によれば、前記いずれか一つのTi−Ni−Nb合金素子において、形状記憶処理温度、ひずみ負荷のいずれか或いは双方を長さ方向に変化させることで、二つ以上の逆変態温度を持つ継ぎ目のないことを特徴とするTi−Ni−Nb合金素子が得られる。
本発明によれば、応答性の優れた形状記憶素子であるTi−Ni−Nb合金素子を提供できる。
以下、本発明の実施の形態について説明する。
(ア)まず、合金組成とひずみ付加について説明する。
高周波誘導溶解、熱間加工、冷間加工によって得た径φ1.0mmワイヤーに400℃、1時間の熱処理を行った。その後、伸びひずみε=0〜15%を印加後荷重解放した各試験片の変態温度測定を行い、逆変態開始温度から逆変態終了温度へ至る温度差(ΔT)をそれぞれの形状回復感度とし、その結果を、下記表1に示した。下記表1より比較合金No.1はひずみ付加によっても急激な回復感度向上が認められないのに対し、本発明にかかるNo.2〜No.5合金の回復感度はε=8%以上で向上していることが判る。なお、表1中No.5合金は若干の機械的性質に欠けるためにε=13%以上では破断し、特性評価試験片とすることが出来なかった。
図1は、No.3合金、ε=13%ひずみ付加試験片の熱サイクルDSC測定結果を示す図である。図1の結果から、ひずみ付加後の逆変態が高温側にシフトすると同時にΔTが小さく、且つ再加熱後の逆変態温度はひずみ付加ゼロに近似することが判る。このことは印加ひずみは逆変態終了温度への加熱と同時に解消し、本発明素子が極めて良好な形状記憶素子であることを示すものである。
(イ)次に、熱処理条件とひずみ付加について説明する。
下記表2には、熱処理条件を変えた試験片No.6,7及び熱処理条件を変えない試験片No.8のひずみ付加後のAf温度、ΔTを示した。下記表2中、No.7は、上記表1中No.3と同じTi−Ni−Nb合金であるが、熱処理条件を変えることで高感度な逆変態終了温度(Af温度)が100℃を超える形状記憶素子に出来ることが判る。また、No.8はひずみ付加ゼロ時Af温度は18℃であり生体温度37℃では超弾性を示すが、ひずみ付加13%後のAs温度は38℃にシフトし生体温度では超弾性は発現しない。即ち、生体挿入時には形状回復せず、留置後の加温によって初めて形状回復する医療用素子を提供できることを示している。また、その加温も、体内細胞に悪影響を及ぼさない温度(42℃)に制御可能である。
(ウ)次、特性傾斜化について説明する。
前述の通り同一合金素子における形状回復温度は、熱処理・ひずみ付加条件によって選択できる。下記表3に、Ti−47at%Ni−6at%Nb合金、Ti−47.5at%Ni−6at%Nb合金の例No.9、No.10を示した。
例No.9は冷間加工後、全長を500℃、1時間熱処理し、その一部を700℃、1分の再熱処理を行い、全長をスエージングにより断面積比13%のひずみ付加を行った。No.10は、素材線径をA部φ1.09mm、B部φ1.15mmとし、全長を400℃、1時間処理後、φ1.0mmまで減面加工を行ったものである(ひずみ付加;A部8%、B部13%)。変態温度をDSC測定により求めたが、下記表3に示す通りいずれも機能傾斜化が得られている。
(エ)次に本発明の適用範囲について説明する。
Ti−Ni−Nb合金はNb添加量に伴いひずみ付加による回復温度上昇効果は顕著になるが、Nbの過度の添加は塑性加工性を劣化させる。また、高ひずみ付加はTi−Ni合金同様にその形状回復量の低下につながる。Ti−Ni−Nb合金の場合、ひずみ8%までは80%以上の形状回復、15%では60%の形状回復を示す。しかしひずみ20%ではその回復は50%未満であった。よって、本発明に用いるNb添加量は3at%以上、好ましくは6〜9at%、付加ひずみは8%以上、好ましくは10〜15%である。本発明に適用最適形状記憶合金は、Ti−Ni−Nb合金であるが、Fe,Cr,V,Coなどの第4元素を含む合金などを用いることもできる。
以上説明したように、本発明に係る形状記憶素子は、形状回復感度か高く,且つ高温作動素子、生体用素子として最適である。
Claims (5)
- Ti−Ni−Nb合金であって、逆変態開始後10℃未満の温度差で変態が終了することを特徴とするTi−Ni−Nb合金素子。
- 請求項1に記載のTi−Ni−Nb合金素子であって、Nb含有量が少なくとも3at%の合金で、熱処理後のひずみが伸びひずみで8%以上印加されていることを特徴とするTi−Ni−Nb合金素子。
- 請求項1又は2に記載のTi−Ni−Nb合金素子において、逆変態開始温度を100℃以上としたことを特徴とする高温作動用Ti−Ni−Nb合金素子。
- 請求項1又は2に記載のTi−Ni−Nb合金素子において、逆変態開始温度が37℃を越え5℃未満の温度差で変態が終了することを特徴とする生体材料用Ti−Ni−Nb合金素子。
- 請求項1又は2に記載のTi−Ni−Nb合金素子において、形状記憶処理温度、ひずみ負荷のいずれか或いは双方を長さ方向に変化させることで、二つ以上の逆変態温度を持つ継ぎ目のないことを特徴とするTi−Ni−Nb合金素子。
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