JP2014505164A - Ｎｉ及びＣｕを含まないＰｄ基金属ガラス - Google Patents

Abstract

本発明は、Ｎｉ及びＣｕを有しない、生物医学用途に適したＰｄ基金属ガラス合金に向けられる。例示的な金属合金は、Ａ_ａＢ_ｂ{（Ｓｉ）_{１００−ｃ}（Ｄ）_ｃ}_ｄで表され、ここで、ＡはＰｄ、及びＰｄとＰｔとの組合せから選択することができ、ＢはＡｇ、Ａｕ、Ｃｏ、Ｆｅ、及びこれらの組合せから選択することができ、ＤはＰ、Ｇｅ、Ｂ、Ｓから選択することができる。また、ａ、ｂ、ｃ、及びｄは原子百分率であり、ａは約６０から約９０までの範囲にあり、ｂは約２から約１８までの範囲にあり、ｄは約５から約２５までの範囲にあり、ｃは０より大きく１００より小さい。
【選択図】 図１

Description

本発明は、Ｎｉ及びＣｕを含まないＰｄ基金属ガラスに向けられる。より具体的には、本発明は、生物医学用途に有用なＰｄ基ガラス形成合金に向けられる。

金属ガラスは、通常の結晶合金とは異なり、非晶質の又は無秩序な原子スケールの構造を有し、これがユニークな化学的、機械的、及びレオロジー特性をもたらす。その原子構造のために、金属ガラスは一般に、典型的な結晶金属よりも優れた耐食性、より高い硬度、強度、及び弾性を示し、さらに、そのガラス転移温度（Ｔｇ）より高温で緩和させると軟化して流動することができ、この特性は著しい加工処理能力を与える。以前は、金属ガラスは、結晶化を回避するために液体から急冷することを必要とするためサブミリメートルの寸法（薄いリボン、シート、ワイヤ、又は粉末）に作成することのみが可能であった。しかし、最近のバルクガラス形成合金の開発により、数センチメートルもの大きさの寸法のガラスを形成することができる非常に緩慢な結晶化動力学を有する金属系の製造が可能になった。これらの開発は、優れた耐食性、高い強度及び硬度、並びに大きな弾性伸びを含むユニークな化学的及び機械的特性が望まれる多くの工学用途における金属ガラスの導入を可能にした。

今まで、最も堅固なガラス形成金属系はＰｄ−Ｎｉ−Ｃｕ−Ｐ合金であり、これは７センチメートルもの大きな厚さを有する非晶質部分を形成することができる。このような大きな厚さの金属ガラスのインゴットを形成する能力は、多くの用途において関心を惹起した。しかし、Ｐｄ（貴金属）の法外に高い原価のためにこれらの用途の大部分は未だ手の届かないところにある。貴金属（Ｐｄなど）の高い原価が法外に高いとは見なされない用途には、宝飾品及び腕時計並びに生物医学用途（例えば、整形外科及び歯科／歯科矯正用途など）がある。興味深いことに、Ｐｄの貴金属特性が、Ｐｄ基ガラスをそのような用途にとって特に魅力的なものにする。しかし、数ミリメートル又はそれ以上の寸法を実現することが知られているＰｄ基金属ガラスは、合金組成中にＮｉ及びＣｕのいずれか又は両方を含むものだけである。実際、金属のガラス形成能は一般に、合金中にＮｉ及び／又はＣｕが含まれることに大いに依存することが広く知られ認識されており、これらの金属を含めることで、そのような堅固な金属ガラス形成性材料（ｍｅｔａｌｌｉｃ ｇｌａｓｓ ｆｏｒｍｅｒ）の開発が可能になった。従って、Ｎｉ及びＣｕを含めることがガラス形成合金の形成に必要であると広く認められており、当業者であれば、これらの金属の少なくとも１つを含めることなしに優れたガラス形成合金の作成に成功するとは期待しないであろう。

金属ガラスにＮｉ及びＣｕを含めることは、そのガラスが工学用途に用いられる場合には一般に適切であり受入れられるが、これらの金属は細胞毒性が高いので、これらの金属を含む金属ガラスを生物医学用途にとって不適当なものとなる。特に、Ｎｉ及びＣｕは電気陰性度が高く、そのため血流中にフリーラジカルとして存在し得る。このようなフリーラジカルは、身体内で、激しい生物学的有害反応の悪名高い誘因となる。従って、Ｎｉ及びＣｕは非生体適合性であると広く理解され見なされており、これらの金属を含む如何なる金属ガラスも同様に非生体適合性であると理解される。非晶質金属合金のガラス形成能は、Ｎｉ及び／又はＣｕの包含に強く依存するので、生物医学用途に使用するのに適したＰｄ基金属ガラスの開発は非常に難しいことが分かっており、適切なそのような金属ガラスは未だ実現されていない。

幾つかの実施形態において、本発明は式１で表される金属ガラス合金に向けられる。
Ａ_aＢ_b｛（Ｓｉ）_100-c（Ｄ）_c｝_d （１）
式１中、ＡはＰｄ、又はＰｄとＰｔの組合せとすることができ、ＢはＡｇ、Ａｕ、Ｃｏ、Ｆｅ、及びこれらの組合せから選択することができ、ＤはＰ、Ｇｅ、Ｂ、Ｓから選択することができる。また、ａ、ｂ、ｃ及びｄは原子百分率であり、ａは約６０から約９０までの範囲にあり、ｂは約２から約１８までの範囲にあり、ｄは約５から約２５までの範囲にあり、ｃは０より大きく１００より小さい。

他の実施形態において、本発明は式２で表される金属ガラス合金に向けられる。
Ｐｄ_aＸ_bＳｉ_cＰ_dＧｅ_e （２）
式中、ＸはＡｇ若しくはＡｕのいずれか１つ、又はこれらの組合せであり、下付き文字は以下の限界を有する原子百分率である。ａは７４と８６との間、好ましくは７８．５と８１．５との間にあり、より好ましくは７９であり、ｂは２と５との間、好ましくは２．７５と４．２５との間にあり、より好ましくは３．５であり、ｃは８と１０との間、好ましくは８．７５と９．７５との間にあり、より好ましくは９．５であり、ｄは４と８との間、好ましくは５と７との間にあり、より好ましくは６であり、ｅは０と３との間、好ましくは１．５と２．５との間にあり、より好ましくは２である。

本発明の他の実施形態において、式１及び式２で表される合金から３次元物体が形成される。３次元物体、例えば、ロッドは３ｍｍより大きい直径を有し、６ｍｍもの大きな直径を有し得る。幾つかの実施形態において、例えば、３次元物体は１ｍｍより大きく約４ｍｍまでの範囲の直径を有するロッドとすることができる。他の実施形態において、３次元物体は６ｍｍを上回る寸法を有することができる。

本発明のこれら及び他の特徴及び利点は、添付の図面と併せて考察しながら以下の詳細な説明を参照することによってより良く理解されるであろう。

毛管水焼入れ法によって実施例３におけるように製造されたガラス質Ｐｄ_77.5Ａｇ₆Ｓｉ₉Ｐ_7.5の１ｍｍワイヤの写真である。 実施例２及び実施例１５並びに比較実施例１によって調製された合金の示差走査熱量測定走査を比較したグラフである。 実施例１から３までによって調製された合金のＸ線回折グラフのグラフである。 実施例３０及び実施例３２並びに比較実施例２によって調製された合金の示差走査熱量測定走査を比較したグラフである。 実施例３０よって調製された合金のＸ線回折グラフである。 ３ｍｍと６ｍｍとの間の範囲の直径を有する非晶質Ｐｄ₇₉Ａｇ_3.5Ｐ₆Ｓｉ_9.5Ｇｅ₂ロッドの画像である。 非晶質Ｐｄ₇₉Ａｇ_3.5Ｐ₆Ｓｉ_9.5Ｇｅ₂試料の示差走査熱量測定研究のデータのプロットである（矢印は左から右へ、ガラス転移温度Ｔ_g＝３３７℃、結晶化温度Ｔ_x＝３７０℃、固相線温度Ｔ_s＝６９１℃、及び液相線温度Ｔ_l＝７９３℃を示す）。 ３ｍｍと６ｍｍとの間の範囲の直径を有する非晶質Ｐｄ₇₉Ａｇ_3.5Ｐ₆Ｓｉ_9.5Ｇｅ₂ロッドのＸ線回折分析のデータのプロットである。 実施例３において調製されたガラス質Ｐｄ_77.5Ａｇ₆Ｓｉ₉Ｐ_7.5試料の圧縮応力−歪み応答のグラフである。 毛管水焼入れ法によって実施例３において生成された折り曲げられた可変厚のガラス質Ｐｄ_77.5Ａｇ₆Ｓｉ₉Ｐ_7.5ワイヤの写真である。

生物医学用途に有用な金属ガラスを形成するためには、ガラス形成金属が生体適合性であるべきであり、かつ、所望の生体医用部品を製造するのに十分に大きい寸法（１ｍｍを上回る）のガラス質部分を形成することが可能であるべきである。さらに、このガラスは、低いヤング率及び高い靭性特性を有するべきである。これらの特性を有する金属ガラスは、整形外科及び歯科矯正用インプラント並びに固定用部品（ワイヤ、くぎ、プレート、ねじなど）などの生物医学用途に特に有用であろう。

Ｐｄ基金属ガラスは、一般に、必要な弾性率及び靭性特性を有し、生物医学用途に十分な厚さの３次元金属ガラス物体を形成することができるが、これらの金属ガラスはＮｉ及びＣｕのうちの少なくとも１つ（又は多くの場合両方）を含むので非生体適合性になることが多く、それゆえに生物医学用途の使用に適さない。しかし、Ｐｄ基金属ガラスは望ましい弾性率及び靭性特性を有するので、本発明は、Ｎｉ及びＣｕを含まないＰｄ基金属ガラスに向けられる。

生物医学用途に加えて、Ｎｉ及びＣｕを含まない本発明の合金は宝飾品及び腕時計においても有用である。Ｎｉ及びＣｕは多くの個体にアレルギー反応を引き起こすことが知られているので、これらの金属を除去した本発明の合金は、宝飾品及び腕時計用途の使用にも特に適している。

本発明の幾つかの実施形態において、金属ガラスは式１で表される生体適合合金に向けられる。
Ａ_aＢ_b｛（Ｓｉ）_100-c（Ｄ）_c｝_d （１）
式１中、ＡはＰｄ、又はＰｄとＰｔの組合せとすることができ、ＢはＡｇ、Ａｕ、Ｃｏ、Ｆｅ、及びこれらの組合せから選択することができ、ＤはＰ、Ｇｅ、Ｂ、Ｓ、及びこれらの組合せから選択することができる。また、ａ、ｂ、ｃ及びｄは原子百分率であり、ａは約６０から約９０までの範囲にあり、ｂは約２から約１８までの範囲にあり、ｄは約５から約２５までの範囲にあり、ｃは０より大きく１００より小さい。一実施形態において、ＢはＡｕ、Ａｇ、及びこれらの組合せから選択される。別の実施形態において、ＤはＰ、Ｇｅ、及びこれらの組合せから選択される。

式１に適合する適切な合金の非限定的な例としては、Ｐｄ_77.5Ａｇ₆Ｓｉ₁₄Ｐ_2.5、Ｐｄ_77.5Ａｇ₆Ｓｉ_11.5Ｐ₅、Ｐｄ_77.5Ａｇ₆Ｓｉ₉Ｐ_7.5、Ｐｄ_77.5Ａｇ₆Ｓｉ_6.5Ｐ₁₀、Ｐｄ_77.5Ａｇ₆Ｓｉ₄Ｐ_12.5、Ｐｄ_79.5Ａｇ₄Ｓｉ₉Ｐ_7.5、Ｐｄ_78.5Ａｇ₅Ｓｉ_11.5Ｐ₅、Ｐｄ_76.5Ａｇ₇Ｓｉ_11.5Ｐ₅、Ｐｄ_75.5Ａｇ₈Ｓｉ₉Ｐ_7.5、Ｐｄ_75.5Ａｇ₈Ｓｉ_11.5Ｐ₅、Ｐｄ₇₅Ａｇ_8.5Ｓｉ_11.5Ｐ₅、Ｐｄ_73.5Ａｇ₁₀Ｓｉ_11.5Ｐ₅、Ｐｄ_76.85Ａｇ_8.14Ｓｉ_10.45Ｐ_4.55、Ｐｄ_74.14Ａｇ_7.86Ｓｉ_12.55Ｐ_5.45、Ｐｄ_75.5Ａｇ₈Ｓｉ₉Ｇｅ_2.5Ｐ₅、Ｐｄ_75.5Ａｇ₈Ｓｉ_9.5Ｇｅ₂Ｐ₅、Ｐｄ₇₅Ａｇ_8.5Ｓｉ_9.5Ｇｅ₂Ｐ₅、Ｐｄ₇₆Ａｇ_7.5Ｓｉ_9.5Ｇｅ₂Ｐ₅、Ｐｄ_75.5Ａｇ₈Ｓｉ_10.5Ｇｅ₂Ｐ₄、Ｐｄ_75.5Ａｇ₈Ｓｉ_8.5Ｇｅ₂Ｐ₆、Ｐｄ_75.5Ａｇ₈Ｓｉ_6.5Ｇｅ₅Ｐ₅、Ｐｄ_75.5Ａｇ₈Ｓｉ₄Ｇｅ_7.5Ｐ₅、Ｐｄ_75.5Ａｇ₈Ｓｉ_2.5Ｇｅ₉Ｐ₅、Ｐｄ₇₃Ａｇ₈Ｇｅ₁₄Ｐ₅、Ｐｄ_75.5Ａｇ₈Ｇｅ_11.5Ｐ₅、Ｐｄ₇₇Ａｇ₈Ｇｅ₁₀Ｐ₅、Ｐｄ_75.5Ａｇ₈Ｓｉ₉Ｐ₅Ｓ_2.5、Ｐｄ_75.5Ａｇ₈Ｓｉ_2.5Ｇｅ₇Ｐ₅Ｓ₂、Ｐｄ₇₉Ａｕ₄Ｓｉ₁₂Ｐ₅、Ｐｄ₇₉Ａｕ₄Ｓｉ₁₂Ｇｅ₅、Ｐｄ₇₉Ａｕ₄Ｓｉ₉．₅Ｇｅ₂．₅Ｐ₅、及びＰｄ_75.5Ａｇ₈Ｓｉ_2.5Ｇｅ₇Ｐ₅Ｓ₂が挙げられる。

式１及び上で列挙した例示的な合金で示されるように、合金中のＳｉは、Ｐ、Ｇｅ、Ｂ、Ｓ及びこれらの組合せから選択される元素で部分的に置き換えられる。合金中のＳｉのこの部分的な置き換えは、結晶化を避けるのに必要な臨界冷却速度を低減することによってガラス形成能を高め、それにより非晶質合金から形成される３次元物体の達成可能なサイズを大きくする。さらに、Ｓｉの部分的な置き換えは、ガラス転移と結晶化との間の温度範囲を広くすることによって非晶質合金の熱可塑加工性を高め、それにより過冷却液体領域における加工性のウィンドウを広くする。さらに、合金中のＳｉの置き換えは、剪断弾性率を小さくしてポアソン比を大きくすることによって合金の機械的特性を向上させ、それにより破壊靭性及び展性を高めることができる。

幾つの実施形態において、式１で表される合金は、約２％の不純物レベル以内の原子百分率で、付加的な合金元素を含むことができる。

式１で表される合金を製造するための１つの例示的な方法は、適当量の合金構成物質を石英管内で不活性雰囲気下において誘導溶融することを含む。しかし、高濃度のＰを含む合金の場合は、最初に、Ｐを含まないプレ合金を、適当量の合金構成物質（Ｐを除く）を石英管内で不活性雰囲気下において溶融することによって製造し、次いで、不活性雰囲気下で密封された石英管内にプレ合金とともにＰを封入することによってＰを添加する。次に密封された管を炉の中に入れ、温度を断続的に上げる。

本発明の別の実施形態により、式１で表される合金は多くの用途に有用な３次元物体に形成することができる。工学的及び機械的用途に加えて、本発明の金属ガラスは有害な生物学的反応を引き起こすことが知られている元素（Ｎｉ及びＣｕなど）を含まないので、この合金から作成される３次元物体は生体適合性であり、それゆえに多くの生物医学用途に有用である。例えば、この３次元物体は、整形外科及び／又は歯科矯正インプラント、並びにワイヤ、くぎ、プレート又はねじなどの固定用部品として有用であり得る。

本発明による合金は、約１ｍｍより大きい直径を有する３次元バルク物体、例えば、ロッドを形成するのに用いることができる。図１は、以下で説明する毛管水焼入れ法を用いて実施例３におけるように製造されたガラス質の１ｍｍＰｄ_77.5Ａｇ₆Ｓｉ₉Ｐ_7.5の写真である。特に、この合金は、約５ｍｍまでの直径を有する３次元物体を形成するのに用いることができる。多くの実施形態において、例えば、この合金は２ｍｍから４ｍｍまでの範囲の直径を有する３次元物体を形成する。そのような大きい直径を有する３次元物体を実現するためのあらゆる合金にはＮｉ及びＣｕが不可欠であると一般に考えられているので、Ｎｉ及びＣｕを含まない本発明の実施形態による合金がこれらの直径の物体を形成する能力は特に驚くべきことである。

少なくとも５０％（体積で）の非晶質相を有する３次元バルク物体を製造する例示的な方法は、初めに、不活性雰囲気下の石英管内で溶融脱水Ｂ₂Ｏ₃の小片と接触した合金を誘導溶融することを含む。次に、合金全体を溶融脱水Ｂ₂Ｏ₃と接触したままで、その融点より高い温度からそのガラス転移温度より低い温度まで、５０％を超える結晶相の形成を防ぐのに十分な速度で冷却する。

以下の実施例は、例証のためだけに提示するものであり、本発明の範囲を限定するものではない。実施例において、合金は、約９９．９％又はそれ以上の純度の元素を用いて毛管水焼入れ法によって調製した。具体的には、元素を計算質量の約０．１％以内まで秤量し、溶融するまえにアセトン及びエタノール中で超音波洗浄した。元素の溶融は、部分的アルゴン雰囲気下で密封された石英管内で誘導的に行った。次いで、合金化したインゴットを脱水Ｂ₂Ｏ₃でフラクシングした。フラクシングは、アルゴン下石英管内でインゴットを脱水Ｂ₂Ｏ₃とともに誘導溶融し、溶融したインゴットを合金の融点よりおよそ５０度高い温度に約１５分間保持し、最後にインゴットを水焼入れすることによって行った。フラクシングされたインゴットを、石英毛管を用いてガラス質ロッドに鋳造した。このインゴットを、毛管上に取付けた石英管内に入れ、真空下炉内で溶融し、１．５気圧のアルゴンを用いて毛管内に注入し、最後に水焼入れした。ガラス質ロッドの非晶質性は、以下の方法、即ち、(a)Ｘ線回折（回折パターンが結晶ピークを示さなければ非晶質状態が確認される）、（ｂ）示差走査熱量測定（室温から加熱したときにガラス転移事象の後に結晶化事象が続くことを走査が示した場合に非晶質状態が確認される）、（ｃ）ロッド破壊特性の顕微鏡検査（塑性変形領域がせん断帯網状組織を示し、破壊表面が画然と定められた光沢小面を示す場合に非晶質状態が確認される）のうちの少なくとも１つを用いて確認した。実施例及び比較実施例の各々の組成を表１及び表２に列挙した。

ガラス形成は、材料を急冷して、安定な結晶配置を形成することを回避させることにより、該材料を液体様の原子配置（即ち、ガラス質状態）で凍らせた結果である。比較的良好なガラス形成性材料とは、ガラス質状態を形成するのに必要な冷却速度が比較的遅い合金か、あるいは、所与の冷却速度に対して比較的厚いガラス質部分を形成することができる合金である。従って、合金のガラス形成能は、ある特定の熱除去速度で冷却されるときにガラス質に変化することができる、「臨界鋳造厚」と呼ばれる合金の限界部分寸法を用いて定量化される。例示合金は様々な内径及び壁厚の石英毛管内で急冷したものであり、石英は熱移動を遅らせる不良熱伝導体であることが知られているので、石英毛管の壁厚もまた例示合金のガラス形成能を決定する上での因子であるはずである。それゆえ、種々の例示合金のガラス形成能は、所与の毛管壁厚に基づいてガラス質に形成することができる最大ロッド直径によって決定される。臨界ロッド直径及び関連した毛管壁厚を、幾つかの例示合金について表１に掲載し、熱力学的性質を表２に報告する。表１において、ＤＳＣは示差走査熱量測定を意味し、ＸＲＤはＸ線回折を意味し、ＩＮＳＰは顕微鏡検査を意味する。表２において、Ｔ_gはガラス転移温度であり、Ｔ_xは結晶化温度であり、ΔＨ_xは結晶化のエンタルピーであり、Ｔ_sは固相線温度であり、Ｔ_lは液相線温度であり、ΔＨ_mは溶融のエンタルピーである。表２において、Ｔ_gをＴ_sで割った比は、「換算ガラス転移温度」と呼ばれ、絶対ケルビン単位で与えられる。

実施例及び比較実施例の組成物の非晶質性は、Ｘ線回折分析、示差走査熱量測定及び顕微鏡検査のうちの少なくとも１つを用いて調べた。図２は比較実施例１並びに実施例２及び実施例１４の組成物の示差走査熱量測定走査を比較したものである。図２には、各合金のガラス転移温度及び液相線温度が示されている。図２は、実施例１から実施例３までの組成物のＸ線回折グラフ（Ｘ−ｒａｙ ｄｉｆｆｒａｃｔｏｇｒａｍ）を示す。図３から分かるように、回折グラフには結晶ピークが検出されず、合金の非晶質性を示している。図４は、比較実施例２並びに実施例３０及び実施例３２の組成物の示差走査熱量測定走査を比較したものである。図４にはガラス転移温度及び液相線温度が示されており、図から分かるように、比較実施例２の組成物にはガラス転移が検出されない。図５は、実施例３０の組成物のＸ線回折グラフを示す。図５から分かるように、回折グラフには結晶ピークが検出されず、それにより合金の非晶質性が確認される。

表１及び表２並びに図２から図５までに示すように、実施例１から実施例３２までの組成物は全て非晶質又は少なくとも部分的に非晶質であり、他方、比較実施例２の組成物は非晶質ではない。比較実施例１の組成物は非晶質であるが、表２から分かるように、比較実施例１の組成物はより高いガラス転移温度及び固相線温度を有する。ガラス形成能を定量化するための最も古くかつ最も広く受入れられている基準は、ガラス転移温度と溶融（固相線又は液相線）温度（絶対ケルビン単位）との間の比較関係に基づくものである。この基準によれば、「換算ガラス転移温度」と呼ばれる、ガラス転移温度（これより低い温度で液体が動力学的に凝固する）の溶融温度（これより低い温度で主要な結晶相が熱力学的に安定になる）に対する比が、結晶化を回避して非晶質相を形成することの容易さの尺度となる。従って、この基準によれば、高い換算ガラス転移温度を有する合金がより大きなガラス形成能を示すことになる。表１から分かるように、実施例の合金の組成物内へのＰ及びＧｅの導入は、比較実施例と比較して、僅かに低いガラス転移温度をもたらすが、また劇的に低い固相線温度ももたらす。この結果、全体として、より高い換算ガラス転移温度がもたらされる（０．５９から０．６４もの高さまで上昇することが示されている）。この換算ガラス転移温度の全体としての上昇は、比較実施例の組成物内へのＰ及びＧｅの導入によって得られるガラス形成能の改善を良い近似で説明することができる。

上記の議論は式１で記述される広い組成限界に焦点を当てたが、ここで合金のガラス形成能が最大になる特に好ましい組成範囲が存在することが発見された。それゆえに、好ましい１つの実施形態において、最適のガラス形成能は、式２
Ｐｄ_aＸ_bＳｉ_cＰ_dＧｅ_e
で表される組成物を形成することによって得ることができる。式中、ＸはＡｇ若しくはＡｕのいずれか、又はこれらの組合せであり、下付き文字は以下の限界を有する原子百分率を示す。
・ａは７４と８６との間、好ましくは７８．５と８１．５との間、より好ましくは７９であり、
・ｂは２と５との間、好ましくは２．７５と４．２５との間、より好ましくは３．５であり、
・ｃは８と１０との間、好ましくは８．７５と９．７５との間、より好ましくは９．５であり、
・ｄは４と８との間、好ましくは５と７との間、より好ましくは６であり、
・ｅは０と３との間、好ましくは１．５と２．５との間、より好ましくは２である。

式２による組成物は、壁厚０．５ｍｍの石英管内の溶融物を水焼入れすることによって処理したとき、直径が３ｍｍより大きく、６ｍｍ又はそれ以上にも達するガラス質ロッドを形成することが見出されている。開示された組成式２を満たす組成を有する例示的な合金を、純度９９．９％又はそれ以上の適当量の元素構成要素を不活性雰囲気下石英管内で誘導溶融することによって作成した。次に、合金化したインゴットは、脱水ホウ素酸化物を用いてフラクシングされ、これは、不活性雰囲気下石英管内でインゴットを再溶融し、次いで合金溶融物をホウ素酸化物溶融物と接触させ、２つの溶融物を約１０００秒間相互作用させ、次いで水焼入れすることによって行った。次に、不活性雰囲気下、壁厚０．５ｍｍの石英管内で、フラクシングされた合金インゴットを再溶融し、次いで急速に水焼入れすることによってガラス質ロッドを形成した。これらの合金の特性の観測から得られた結果を以下の表３に示す。

表３中の各合金のガラス形成能は、上記のように処理したときに非晶質に形成することができるロッドの最大直径を決定することによって評価した。（上記の表１及び表２にまとめた合金特性は、０．１乃至０．５ｍｍの壁厚を有する石英管内の溶融物を水焼入れすることによって処理された合金を用いて得られたことに留意されたい）。表１及び表２の合金の中で最高のガラス形性能を有する組成は、Ｐｄ_75.5Ａｇ₈Ｓｉ₉Ｐ₅Ｇｅ_2.5である。この合金は、壁厚０．１５ｍｍの石英管内の溶融物を水焼入れすることで処理したとき、３ｍｍに達する直径の非晶質ロッドを形成することができることが見出された。しかし、０．５ｍｍ厚の石英管内で処理されたときには、この合金は２ｍｍまでにしか達しない直径の非晶質ロッドを形成することができるのみであった。この違いの理由は、石英の非常に低い熱伝導性が熱除去速度を制限することが原因で、より厚い石英管壁が臨界ロッド直径を実質的に低減するためである。

今述べている合金は、壁厚０．５ｍｍの石英管内の溶融物を水焼入れすることによって処理されたものであり、少なくとも３ｍｍ、さらに６ｍｍまで又はそれ以上の直径の非晶質ロッドを形成できることが見出された。表３に示すように、合金Ｐｄ₇₉Ａｇ_3.5Ｓｉ_9.5Ｐ₆Ｇｅ₂は、直径６ｍｍ又はそれ以上に達する非晶質ロッドを形成することができる。直径が３ｍｍから６ｍｍまでの範囲にある非晶質Ｐｄ₇₉Ａｇ_3.5Ｓｉ_9.5Ｐ₆Ｇｅ₂ロッドを示す画像を図６に示す。バルクＰｄ₇₉Ａｇ_3.5Ｓｉ_9.5Ｐ₆Ｇｅ₂の非晶質構造を確認する示差走査熱量測定及びＸ線回折分析をそれぞれ図７及び図８に示す。

弾性及び機械的特性の調査
ガラス質Ｐｄ_77.5Ａｇ₆Ｓｉ₉Ｐ_7.5円柱試料（直径３ｍｍ、高さ６ｍｍ）について、５ＭＨｚ圧電変換器を有するパルスエコーオーバーラップ装置を用いて剪断波速度及び縦波速度を計測することによって超音波測定を行い、アルキメデス法を用いて密度を測定した。剪断弾性率、体積弾性率、及びヤング率は、それぞれ３０ＧＰａ、１６９ＧＰａ、及び８５ＧＰａと計測され、ポアソン比は０．４２であることが分かった。ガラス質Ｐｄ_77.5Ａｇ₆Ｓｉ₉Ｐ_7.5円柱試料（直径３ｍｍ、高さ６ｍｍ）の圧縮荷重応答を、５０ｋＮロードセルを備えた油圧サーボ材料試験システムを用いて調査した。１×１０^-4s^-1の歪み速度を印加した。線形可変差動変圧器を用いて歪みを計測した。この合金の記録された応力−歪み応答を図９に示すが、これは約１４５０ＭＰａの降伏強度、約１．７％の弾性歪み、及び約２％の塑性歪みを示す。

高い降伏強度及び低いヤング率は、このクラスの合金が、典型的な結晶質のエンジニアリング金属よりも相当に高く、かつ、結晶質の金属生体材料と同程度又はそれ以上の、硬度、強度、及び弾性を示すことを示唆する。さらに、これらの合金の非常に高いポアソン比は、実際、金属ガラスについての最高計測値の１つであるが、これらの合金が高い靭性を示すことを示唆する。事実、ガラス質ワイヤの折り曲げは、図１０に示すように、このワイヤが、１．５ｍｍもの大きい直径で、破壊を回避しながら塑性的に変形することができることを示す。約１５００ＭＰａの降伏強度と組み合わされた１．５ｍｍ部分における曲げ延性は、およそ１００ＭＰａ・ｍ^1/2という非常に高い破壊靭性を表す。高い硬度、強度、弾性、及び靭性は全て、インプラント部品の適切な生物医学機能にとって非常に望ましい特性であるので、本発明の合金は、現在の耐力インプラント材料の魅力的な代替物として考えることができる。

インビトロ細胞毒性研究
ガラス質Ｐｄ_77.5Ａｇ₆Ｓｉ₉Ｐ_7.5試験品の細胞毒性を、ＮＡＭＳＡ（オハイオ州、ノースウッド）によって行われたインビトロ生体適合性研究において評価した。この研究は、細胞毒性の可能性を判断するために行われたもので、国際標準化機構１０９９３：医療機器の生物学的評価 第５部：細胞毒性試験：インビトロ法ガイドラインに基づいたものであった。

５％の血清及び２％の抗生物質を補充した１倍（ｓｉｎｇｌｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ）最小必須培地（１Ｘ ＭＥＭ）を用いて試験品の単一の抽出物を調製した。具体的には、３．１ｇ部分の試験品を１６ｍｌの１Ｘ ＭＥＭで覆い、３７℃で２４時間撹拌して単一の調製物を抽出した。試験抽出物を、５％ＣＯ₂中で増殖させたＬ−９２９マウス線維芽細胞の３つの別々の単層の上に置いた。３つの別々の単層を、試薬対照、陰性対照及び陽性対照用に調製した。試薬対照は、試験材料を何も入れない単一アリコートの１Ｘ ＭＥＭを含み、これを試験品と同じ抽出条件にさらした。高密度ポリエチレンを陰性対照として用いた。陰性対照材料の単一の３０．８ｃｍ²部分を１０ｍｌの１Ｘ ＭＥＭで覆い、調製物を試験品と同じ抽出条件にさらした。薄い安定化ポリ塩化ビニルを陽性対照として用いた。陽性対照材料の単一の６０．８ｃｍ²部分を２０ｍｌの１Ｘ ＭＥＭで覆い、３７℃で２４時間撹拌して抽出した。

Ｌ−９２９マウス線維芽細胞（Ｌ系統のＡＴＣＣ ＣＣＬ １、ＮＣＴＣクローン９２９、又は同等の起源）を５％ＣＯ₂の気体環境中１Ｘ ＭＥＭを含むオープンウェル内で増殖させ維持した。この研究のために１０ｃｍ²のウェルに播種し、継代数及び日付でラベル付けし、５％ＣＯ₂中、３７℃でインキュベートして、使用前にサブコンフルエントの細胞単層を得た。サブコンフルエント細胞単層を含む三つ組の培養ウェルを選択した。三つ組の培養物中に含まれる増殖培地を２ｍｌの試験抽出物で置き換えた。同様に、三つ組の培養物を２ｍｌの試薬対照、陰性対照、及び陽性対照で置き換えた。全てのウェルを５％ＣＯ₂の存在下、３７℃で４８時間インキュベートした。

インキュベートの後、培養物を顕微鏡（１００Ｘ）で調べて細胞の特性及びパーセント溶解を評価した。試験培地の色も観察した。黄色への色の変化は、酸性ｐＨ領域に関連付け、マゼンタから紫への色の変化は、アルカリｐＨ領域に関連付けた。各々の培養ウェルを、表４に示す格付け尺度に基づいて、パーセント溶解及び細胞特性について評価した。

この試験のパラメータは、陰性対照及び試薬対照を等級０に格付けし、陽性対照を等級３又は４に格付けし、試験試料を等級２又はそれ以下に格付けすることを要求した。

インビトロ研究の条件下で、１Ｘ ＭＥＭ試験抽出物は、細胞溶解又は毒性を生じさせるというエビデンスを何ら示さなかった。試薬、陽対照性及び陰性対照は予期した通りに機能し、試験試料は等級２より低く格付けされ、従って試験の要件を満たした。具体的には、各々の試験培養ウェルは０に格付けされ、本発明の実施形態による合金は細胞毒性がないことを示した。

インビボ細胞毒性研究
ガラス質Ｐｄ_77.5Ａｇ₆Ｓｉ₉Ｐ_7.5試験品の細胞毒性を、ＮＡＭＳＡ（オハイオ州、ノースウッド）によって行われたインビボ生体適合性研究において評価した。試験品をウサギの筋肉組織内に埋め込んだ。筋肉組織を、国際標準化機構１０９９３：医療機器の生物学的評価 第６部：埋込み後の局所的影響の試験の要件に基づいて、炎症又は毒性のエビデンスに関して評価した。

ウサギ一匹当たり最少で４つの、各々が約１ｍｍ×１０ｍｍの試験品切片を１４ゲージ針の中に装填した。各ウサギに対して最少で４つの陰性対照試料を１４ゲージ針内に装填した。高密度ポリエチレンの１ｍｍ×１０ｍｍ切片を陰性対照として用いた。

ウサギの体重を量り、傍脊椎筋上の毛を刈り取った。塩酸ケタミンとキシラジンとの混合物（３４ｍｇ／ｋｇ＋５ｍｇ／ｋｇ）の全身麻酔薬の筋肉注射を、各動物に０．６ｍｌ／ｋｇの用量で投与した。次に、各ウサギに０．０２ｍｇ／ｋｇのブプレノルフィンを皮下注射した。麻酔薬が効いた後、手術部位を殺菌石けんで洗い、７０％イソプロピルアルコールで拭き、ポビドンヨードを塗った。

背中の両側に１つずつ、皮膚を貫通して脊柱の腰椎に平行な切開部を作った。装填された針のハブ内にスタイレットを入れた。皮膚を所望の位置に動かして、切開部を通して針を筋肉内に４５°の角度で挿入した。針をスタイレットの上から引き抜き、試料を傍脊椎筋内に残した。各ウサギの右傍脊椎筋内に４つの試験品切片を埋め込んだ。試験品切片は、適当な間隔を置いて配置した。反対側の筋肉には４つの陰性対照切片を同様に埋め込んだ。皮膚切開部を組織接着剤で閉じた。埋込み後、ウサギの麻酔からの回復を監視し、最初の投与の最短で４時間後にブプレノルフィンの別の用量を投与した。埋込みの一日後に、第３のブプレノルフィン注射を施した。

ウサギを全般的な健康状態について毎日観察し、その体重を埋込み前と終了時に記録した。２週間後に、ウサギの体重を量り、ペントバルビタールナトリウムをベースとする薬の静脈内注射によって安楽死させた。傍脊椎筋を切り取り、１０％中性緩衝化ホルマリン（ＮＢＦ）内で固定して切断し易くした。固定後、筋肉を系統的に切断し、試験品及び対照品の切片の位置を突き止めた。全ての試験品及び対照品部位を明らかにした。被包形成又は他の炎症兆候を、低倍率で顕微鏡を用いて、及び巨視的に評価し、その評価を表５に示すように格付けした。

巨視的には、どの試験部位又は対照部位にも目に見える反応はなかった。実際、試験部位及び対照部位の各々は０に格付けされ、組織接触炎症が問題にならないか又は存在しないことを示した。

各ウサギからの代表の組織埋込み部位（試験又は対照）を、適切な組織学的プレパラートのための部位周辺の十分な面積を見込んで切除した。これらの切片を、顕微鏡による評価のために組織学的に処理した（包埋し、切り分けて薄片にし、ヘマトキシリン及びエオシン内で染色した）。代表埋込み部位の顕微鏡評価を行って、あらゆる組織応答をさらに明らかにした。この評価は、有資格病理学者によって行われた。試験部位及び対照部位の顕微鏡評価の結果を表６に示す。

表６に示すように、試験部位は対照部位と同じに又はより良好に機能した。従って、試験品は、陰性対照と比較して非刺激性として分類された。インビトロ及びインビボ研究の結果を考慮すると、本発明の実施形態による合金は、細胞毒性がなく、従って生物医学用途に適している。

本発明を、特定の例示的な実施形態を参照しながら図示し説明したが、当業者であれば、添付の特許請求の範囲によって定められる本発明の趣旨及び範囲から逸脱せずに、説明した実施形態に対して種々の修正及び変更を施すことができることを理解する。

Claims (18)

1. 式１
   Ｐｄ_aＸ_bＳｉ_cＰ_dＧｅ_e （１）
   で表される生体適合性合金を含む金属ガラスであって、
   式中、
   ＸはＡｇ、Ａｕ、又はＡｇとＡｕとの組合せであり、
   ａは約７４から約８６までの範囲の原子百分率であり、
   ｂは約２から約５までの範囲の原子百分率であり、
   ｃは約８から約１０までの範囲の原子百分率であり、
   ｄは約４から約８までの範囲の原子百分率であり、
   ｅは約０から約３までの範囲の原子百分率である、
   ことを特徴とする金属ガラス。
2. ａは７８．５と８１．５との間にあり、ｂは２．７５と４．２５との間にあり、ｃは８．７５と９．７５との間にあり、ｄは５と７との間にあり、ｅは１．５と２．５との間にあることを特徴とする、請求項１に記載の金属ガラス。
3. ＸはＡｇであることを特徴とする、請求項１に記載の金属ガラス。
4. 前記合金は、Ｐｄ_78.5Ａｇ₅Ｓｉ_8.5Ｐ₆Ｇｅ₂、Ｐｄ₇₉Ａｇ_4.5Ｓｉ_8.5Ｐ₆Ｇｅ₂、Ｐｄ_79.5Ａｇ₄Ｓｉ_8.5Ｐ₆Ｇｅ₂、Ｐｄ₈₀Ａｇ_3.5Ｓｉ_8.5Ｐ₆Ｇｅ₂、Ｐｄ_80.5Ａｇ₃Ｓｉ₈．₅Ｐ₆Ｇｅ₂、Ｐｄ₈₁Ａｇ_2.5Ｓｉ_8.5Ｐ₆Ｇｅ₂、Ｐｄ₇₉Ａｇ₃Ｓｉ₁₀Ｐ₆Ｇｅ₂、Ｐｄ₈₀Ａｇ₃Ｓｉ₉Ｐ₆Ｇｅ₂、Ｐｄ₇₉Ａｇ₄Ｓｉ₉Ｐ₆Ｇｅ₂、Ｐｄ_79.5Ａｇ_3.5Ｓｉ₉Ｐ₆Ｇｅ₂、Ｐｄ_79.5Ａｇ₃Ｓｉ_9.5Ｐ₆Ｇｅ₂、及びＰｄ₇₉Ａｇ_3.5Ｓｉ_9.5Ｐ₆Ｇｅ₂から成る群から選択されることを特徴とする、請求項１に記載の金属ガラス。
5. 式１
   Ｐｄ_aＸ_bＳｉ_cＰ_dＧｅ_e （１）
   で表される生体適合性合金を含む金属ガラスで形成される３次元物体であって、
   式中、
   ＸはＡｇ、Ａｕ、又はＡｇとＡｕとの組合せであり、
   ａは約７４から約８６までの範囲の原子百分率であり、
   ｂは約２から約５までの範囲の原子百分率であり、
   ｃは約８から約１０までの範囲の原子百分率であり、
   ｄは約４から約８までの範囲の原子百分率であり、
   ｅは約０から約３までの範囲の原子百分率である、
   ことを特徴とする３次元物体。
6. 前記３次元物体は、約３ｍｍを上回る臨界鋳造厚を有することを特徴とする、請求項５に記載の３次元物体。
7. 前記３次元物体は、約３ｍｍから約６ｍｍまでの範囲の臨界鋳造厚を有することを特徴とする、請求項５に記載の３次元物体。
8. 前記３次元物体は、６ｍｍを上回る臨界鋳造厚を有することを特徴とする、請求項５に記載の３次元物体。
9. 前記３次元物体は、生物医学用部品であることを特徴とする、請求項５に記載の３次元物体。
10. 前記生物医学用部品は、歯科用又は歯科矯正用部品であることを特徴とする、請求項９に記載の３次元物体。
11. 前記生物医学用部品は、整形外科用部品であることを特徴とする、請求項９に記載の３次元物体。
12. 前記生物医学用部品は、インプラント又は固定具であることを特徴とする、請求項９に記載の３次元物体。
13. 前記生体医用部品は、歯科矯正用ブラケット又はワイヤであることを特徴とする、請求項９に記載の３次元物体。
14. 前記３次元物体は、宝飾品であることを特徴とする、請求項５に記載の３次元物体。
15. 前記３次元物体は、腕時計用の部品又は装置であることを特徴とする、請求項５に記載の３次元物体。
16. ａは７８．５と８１．５との間にあり、ｂは２．７５と４．２５との間にあり、ｃは８．７５と９．７５との間にあり、ｄは５と７との間にあり、ｅは１．５と２．５との間にあることを特徴とする、請求項５に記載の３次元物体。
17. ＸはＡｇであることを特徴とする、請求項５に記載の３次元物体。
18. 前記生体適合性合金は、Ｐｄ₇₈．₅Ａｇ₅Ｓｉ_8.5Ｐ₆Ｇｅ₂、Ｐｄ₇₉Ａｇ_4.5Ｓｉ_8.5Ｐ₆Ｇｅ₂、Ｐｄ_79.5Ａｇ₄Ｓｉ_8.5Ｐ₆Ｇｅ₂、Ｐｄ₈₀Ａ_3.5Ｓｉ_8.5Ｐ₆Ｇ₂、Ｐｄ_80.5Ａｇ₃Ｓｉ_8.5Ｐ₆Ｇｅ₂、Ｐｄ₈₁Ａｇ_2.5Ｓｉ_8.5Ｐ₆Ｇｅ₂、Ｐｄ₇₉Ａｇ₃Ｓｉ₁₀Ｐ₆Ｇｅ₂、Ｐｄ₈₀Ａｇ₃Ｓｉ₉Ｐ₆Ｇｅ２、Ｐｄ₇₉Ａｇ₄Ｓｉ₉Ｐ₆Ｇｅ₂、Ｐｄ_79.5Ａｇ_3.5Ｓｉ₉Ｐ₆Ｇｅ₂、Ｐｄ_79.5Ａｇ₃Ｓｉ_9.5Ｐ₆Ｇｅ₂、及びＰｄ₇₉Ａｇ_3.5Ｓｉ_9.5Ｐ₆Ｇｅ₂から成る群から選択されることを特徴とする、請求項５に記載の３次元物体。

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