JP2012506290A - 生体臨床医学用のナノ組織化純チタンとそれを利用したロッド制作方法 - Google Patents
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Abstract
【選択図】図1
Description
[0001]当申請、WO 2010/047620 A1 (PCT/RU2009/000556) は日本国における国内申請適用期内である2009年10月20日に記入され、2008年10月22日に 2008141956 としてロシア連邦に提出された申請が優先されるものである故、どちらの申請も参照を共有するものとする。
1.発明のフィールド
[0002]現在の発明は、特に、チタニウムとその合金を手術、整形外科、外傷学、または歯学に使われる医学用インプラント、さらに、製作過程の物質の形成の作成時に、特定の機械学、生物医学の分野にに使用することによって、超微細粒組織(UFG)とナノ構造材料 に関連し、力学的、生物医学的特徴が改良される件に関するものである。
[0003]すでに理解されているとおり、インプラントの強度、信頼性、耐久性は、インプラントが作られた物質の化学成分と機械的、そして、生物医学的特徴に左右さる。同時に、特定の物質の微細構造が強度、可塑性、疲労、腐食性の鍵を担っている事に関しては、すでに事実として確立されている。どのような処理方法をとったかによって、微性構造は組織、大きさ、粒の形、失見当の境界線、転位濃度、他の結晶格子の欠陥等にいくつかの段階を持たせることが可能になる。(M.A. Shtremel, Strength of Alloys, part 1: Lattice defects, 280 pp, Moscow, Metallurgy, 1982; M.A. Shtremel, Strength of Alloys, part 2: Deformation, Moscow, MISiS, 1997, 527 pp., pp82-113).
[0004]商業用としての純正チタニウムは生物学的適合性の高さのため、歯学と外傷学ではすでに広くインプラントの素材として製造に使わている。(D.M. Brunette, P. Tengvall, M. Textor, P. Thomsen, "Titanium in medicine", Springer, 2001, 1019 pp., pp. 562-570, paragraphs 17.1, 17.2).
[0005]さらに、ロシア特許、 RU 2146535, A61C 8/00, A61L 27/00, of 20.03.2000、はチタニウムから骨内歯学インプラントの製造方法を説明している。商業用の純正チタニウムは高い強度を持ち合わせていないため、インプラントの力学的強度を増すために、何層もの生物活性コーティングが使用されている。コーティングはプラズマ噴射を利用し連続して施すことからなる5種類の層から成る。
[0009]それに加え、技術的には UFG 組織にした商業用純正チタニウムをいくつかの塑性変形技術を組み合わせたものであることは周知のとおりである。 [G.Kh. Sadikova, V.V. Latysh, I.P. Semenova, R.Z. Valiev “Influence of severe plastic deformation and thermo mechanical treatment on the structure and properties of titanium” Metal science and heat treatment of metals, No.11 (605), 2005, pp.31-34] 微細構造のビレットのクロスセクションは等軸粒と六方最密格子 (HCG) が最大約 200nm のアルファ相の亜結晶粒と高い転位密度いう特徴がある。表示された技術的解決策は最大限アナログに近い方法がとられている。
[0013]発明品は商業用チタニウムを発展することにより、力学的強度、疲労の過失に対抗し、生物医学における領域、つまりは、ナノ結晶構造に関係した改良領域を確保し、更には、そこから効率的な方法によるロッドの作成に発展させる。
[0017]最初に、改良された強度のチタニウムは大変小さい粒のサイズ (0.1…0.5 μm) によって構成されている。それによって、 Hall-Petch 比率にのっとって 塑性変形による流動応力の増量が与えられる [Large plastic deformations and metal failure. Rybin V.V., M.: Metallurgy, 1986, 224pp.]。多量の強度の増量は高角度粒境が低角度で特別境のものと比べて60%以下を占めているという事実が強度にもっとも貢献している事により達成される [R.Z.Valiev, I.V.Alexandrov. Bulk nanostructured metallic materials. - M.: “Academkniga”, 2007. - 398 pp.]。この事実に基づいて、塑性変形の間(例えば、張力の間)は粒の大きさの幅の間で、高角度境の混乱が、境界スリップ (GBS) で起きるのを可能にする。加えられた変形のメカニズムである GBS は素材に柔軟性を与える [R.Z. Valiev, I.V. lexandrov, ibid.] 事、粒の形状作成の共同作因は2以下(粒の幅と長さの比率は1:2)で物質の表面流動の縦と微量ストレスのレベルが減少するのに効果的である。ゆえに、早期の変形を食い止ることにより物質の損傷が起きるのを防ぐ。上記に書かれている物質の構成の変化は提示された方法による装置で特別な温度形態によってなされる。
[0025]商業用純正チタニウムのロッドはビレットとして使用する。ビレットの最初の段階ステージは 450℃ 以下の温度で4圧を加えることにより真蓄積ひずみ е ・ 4 をダイセットの中に ψ=90°の角度をチャンネル交差に作り出す作業を同チャンネル角度圧 (ECAP) を通し行われる。 各圧の後、ビレットは縦軸を構造に均質性を作り出すため時計回りに角度90°で回る。この段階では、主な微細構造におけるリファインはビレットのカサで大きさを変えずに行われる。塑性変形の主要な段階 (最初の ECAP 通過 e=1) では、実際の粒は相似変形を起こさせることにより分裂し細胞は主に、低角度転位境となる。真蓄積ひずみの増加により e=4 (4回目のECAP通過後)に達し、新しい相似が組織に作り出され、このことにより、さらに粒の分裂が起こる。時を同じにして、細胞の転位壁はさらに薄く、規則的になり、転位角度をさらに増すことにより、粒のひとつの中の細胞の組織を変えることに貢献する。ECAP による組織改革の結果、粒/亜結晶粒はチタニウム内に形作られる。組織は非平均性境と高密度境の粒、格子転位、粒のサイズの幅 0.5…0.7 μm という特色を持ったものとなる。
[0029]ブランドCPグレード4、直径14mm、長さ150mmの商業用純正チタニウムのロッドを実際のビレットとして使用した。このビレットは温度400℃、角度チャンネル交差が ψ=90°ダイセットにて4回プレスというECAPに用いた。各通過後ビレットは縦軸に対して90° で時計回りにまわした。その後、ビレットはダイセットから取り除き、旋盤加工を施し、不必要な層を取り除く段階を経て、室温まで下げた。
[0036]すでに人体の造骨性細胞CRL−11372に従来型の粗粒と商業用純正チタニウムのナノ組織のサンプルとTi-6Al-4V 合金を移植する実験が行われた。ナノ組織の状況は造骨性細胞の付着が粗粒の状況と比べて眼に見えて高い (応答が76% と15% ) ことがすでに立証された。細胞活動の調査は線維芽細胞の集団がナノ組織によってチタニウムの表面に明らかに増えることが分かっている。パーセンテージで言うなら、従来のチタニウムの表面は72時間後に53%が細胞に包まれているが、それに比べて、ナノ組織のチタニウムは87%である[www.timplant.cz]。この調査のポイントはナノ組織のチタニウムが従来の粗粒の状態に比べ、高い骨統合率があるといことである。
[0001]当申請はWO 2010/047620 A1 (PCT/RU2009/000556)にては日本国における国内申請適用期内である2009年10月20日に申請され、2008年10月22日に2008141956としてロシア連邦に提出された申請に優先するものであることを申請しており、どちらの申請もその全体を参照として取り入れるものとする。
1.発明のフィールド
[0002]この発明は、力学的、生物医学的特徴が改良された超微細粒組織 (UFG) を持つナノ構造材料 に関連するもので、特に、チタニウムとその合金を手術、整形外科、外傷学、または歯学に使われる医学用インプラント、さらに、製作過程の物質の形成の作成時に、特定の機械学、生物医学の分野に使用できる。
[0003]すでに理解されているとおり、インプラントの強度、信頼性、耐久性は、インプラントが作られた物質の化学成分と力学的、そして、生物医学的特徴に左右さる。同時に、特定の物質の微細構造が強度、可塑性、疲弊、腐食性、またある種の材料では生物的適応性を確立するための鍵をにぎっている。どのような処理方法をとったかによって、微性構造は、粒子の大きや形、境界の無配向、転位濃度、その他の結晶格子の欠陥等に様々な段階構造を持たせることが可能になる(M.A. Shtremel, Strength of Alloys, part 1: Lattice defects, 280 pp, Moscow, Metallurgy, 1982; M.A. Shtremel, Strength of Alloys, part 2: Deformation, Moscow, MISiS, 1997, 527 pp., pp82-113)。
[0004]商業用純チタンは生物学的適合性の高さのため、歯学と外傷学ではすでに広くインプラントの素材として製造にされている(D.M. Brunette, P. Tengvall, M. Textor, P. Thomsen, "Titanium in medicine", Springer, 2001, 1019 pp., pp. 562-570, paragraphs 17.1, 17.2)。
[0005]さらに、ロシア特許、 RU 2146535, A61C 8/00, A61L 27/00, of 20.03.2000、はチタンによる骨内歯学インプラントの製造方法を説明している。商業用の純チタンは高い強度を持ち合わせていないため、インプラントの力学的強度を増すために、何層もの生物活性コーティングが使用されている。コーティングはプラズマ噴射を利用し連続して施すことからなる5種類の層から成る。
[0009]加えて、技術的には 商業用純チタンを重度の塑性変形技術との組み合わせによって作成したUFG構造を持つ商業用純チタンとして知られている[G.Kh. Sadikova, V.V. Latysh, I.P. Semenova, R.Z. Valiev “Influence of severe plastic deformation and thermo mechanical treatment on the structure and properties of titanium” Metal science and heat treatment of metals, No.11 (605), 2005, pp.31-34]。ビレットのクロスセクションの微細構造平均約200nm で高い転位密度の六方最密格子(HCP)を持つアルファ相の粒子と亜結晶粒という特徴がある。表示された技術的解決策は最も近い相似体とされている。
[0013]発明の目的は、力学的強度、疲弊による不全に対抗し、生物医学における領域、つまりは、ナノ結晶構造に関係した改良領域を確保できる商業用純チタンを開発し、更には、それを使って効率的なロッドの作成方法を開発することにある。
[0017]まず、チタンの強度の改良は大変小さい粒のサイズ (0.1…0.5 μm) によって構成され、それによって、Hall-Petch 比率にのっとって 塑性変形による流動応力の増量が与えられる [Large plastic deformations and metal failure. Rybin V.V., M.: Metallurgy, 1986, 224pp.]。特筆すべき強度の増強が達成されているのはまた、角度粒境の割合が60%以上であることが、低角度で特別境のものと比べて非常に強度に貢献している事がある[R.Z.Valiev, I.V.Alexandrov. Bulk nanostructured metallic materials. - M.: “Academkniga”, 2007. - 398 pp.]。この事実に基づいて、塑性変形の間(例えば、張力の間)は粒の大きさの幅の間で、高角度境の無配向が、粒子境界スリップ (GBS) を起こすことを可能にする。新たな変形のメカニズムである GBS は素材に柔軟性を与える [R.Z. Valiev, I.V. lexandrov, ibid.] 事、粒の形状作成の共同作因は2以下(粒の幅と長さの比率は1:2)で金属の可塑流動の不均一性を抑えること、微量ストレスのレベルを減少させるのに効果的であり、早期の変形を食い止ることにより物質の損傷が起きるのを防ぐことにつながる。上記に書かれている物質の構成の変化は提示された方法による装置で特別な温度形態によってなされる。
[0025]商業用純チタンのロッドは、ビレットとして使用する。ビレットの最初の段階は 450℃ 以下の温度で4圧を加えることにより真蓄積ひずみ е≧4 をダイセットの中に ψ=90°の角度をチャンネル交差に作り出す作業を同チャンネル角度圧 (ECAP) を通し行われる。 各圧の後、ビレットは縦軸を構造に均質性を作り出すため時計回りに角度90°で回す。この段階では、主な微細構造の精製はビレットのカサで大きさを変えずに行われる。塑性変形の初期の段階 (最初の ECAP 通過 e=1) では、実際の粒は相似変形を起こさせることにより分裂し細胞は主に、低角度転位境となる。真蓄積ひずみを e=4 (4回目のECAP通過後)増加させると、新しい相似が組織に作り出され、このことにより、さらに粒の分裂が起こる。時を同じにして、細胞の転位壁はさらに薄く、規則的になり、転位角度をさらに増して細胞組織を粒に変えることに貢献する。ECAP による組織改革の結果、粒/亜結晶粒はチタニウム内に形作られる。組織は非平均性境と高密度境の粒、格子転位、粒のサイズの幅 0.5…0.7 μm という特色を持ったものとなる。
[0029]ブランドCPグレード4、直径40mm、長さ150mmの商業用純チタンのロッドを初期のビレットとして使用した。このビレットは温度400℃、角度チャンネル交差が ψ=90°ダイセットにて4回プレスというECAP処理をした。各通過後ビレットは縦軸に対して90°で時計回りにまわした。その後、ための旋盤加工を施し、室温で冷却した。
[0036]すでに人体の造骨性細胞CRL−11372に従来型の粗粒と商業用純チタンのナノ組織のサンプルとTi-6Al-4V 合金を移植する実験が行われている。ナノ組織の状況は造骨性細胞の着床率が粗粒の状況と比べて非常に高い (それぞれ76% と15% ) ことがすでに立証されている。細胞活動の調査は線維芽細胞のチタン表面への定着がナノ組織によって明らかに改善されることを示している。パーセンテージで言うなら、従来のチタニウムの表面は72時間後に53%が細胞に包まれているが、それに比べて、ナノ組織のチタニウムは87%である[www.timplant.cz]。この調査のポイントはナノ組織のチタニウムが従来の粗粒の状態に比べ、高い骨結合率があるといことである。
Claims (2)
- 粒の形のサイズが0.1…0.5 μm であること、共有の垂直面が90%以上であり、60%以上の粒が他の粒との関係の中で高角度境粒で、共同作因が2以上でなく、他の粒との関係の中で角度15から90°の間で混沌としているように特別化した商業用純正チタニウムを六方最密格子によるアルファ相のナノ結晶粒の生体臨床医学用とする。
- 商業用純正チタニウムでロッドを加工する方法は同じチャンネルの角度圧を450℃以下の温度で全体の真蓄積ひずみがе ・ 4 、そして続く温度機械による処理が変形の角度40〜80%の温度処理が序所に温度T = 450…350℃ の幅で下げ、また、ひずみのレートが10-2…10-4 s-1である塑性変形をした商業用純正チタニウムで生体臨床医学によるナノ結晶構成をさせる。
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