JP3511542B2 - Titanium implant material for living body - Google Patents

Titanium implant material for living body

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JP3511542B2 JP22863495A JP22863495A JP3511542B2 JP 3511542 B2 JP3511542 B2 JP 3511542B2 JP 22863495 A JP22863495 A JP 22863495A JP 22863495 A JP22863495 A JP 22863495A JP 3511542 B2 JP3511542 B2 JP 3511542B2
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建夫 大橋
一郎 澤村
毅昭 島田
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Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は生体内での耐食性に
優れた生体用チタン製インプラント材に関する。より詳
しくは、骨代替材料および骨補強材料としての十分な強
度をもち、かつ生体適合性および生体内での耐食性に優
れ、骨組織との固定力を増大させることのできる歯科、
整形外科などの分野において有用なインプラント材を提
供する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a titanium implant material for living body, which has excellent corrosion resistance in vivo. More specifically, dentistry having sufficient strength as a bone substitute material and a bone reinforcing material, and having excellent biocompatibility and corrosion resistance in vivo, capable of increasing the fixing force with bone tissue,
An implant material useful in fields such as orthopedics is provided.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、整形外科あるいは口腔外科の分野
などにおいて、人工骨や人工歯根などを生体に埋め込む
ことが行われている。特に、骨損傷に至った場合には、
損傷を受けた箇所に人工骨を埋設したり、骨が回復する
まで補強または固定したりする。また、脊椎手術などで
は骨の移植などが行われている。
2. Description of the Related Art In recent years, in the fields of orthopedic surgery and oral surgery, artificial bones, artificial tooth roots, etc. have been implanted in a living body. Especially when it comes to bone damage,
Embed artificial bone in the damaged area or reinforce or fix it until the bone is healed. Bone transplantation is also performed in spinal surgery.

【0003】一般に、このような人工骨、関節材または
これらの骨補強材料としてステンレス鋼やクロムーコバ
ルト系材料が多く使用されている。しかし、ステンレス
鋼やクロムーコバルト系合金は人体に有害な元素を含有
しており、人工関節置換術後に悪性腫瘍の合併をみたと
いう報告が少なからずある。このように最近生体内にお
ける毒性のある金属イオンの溶出が問題視されてきた。
In general, stainless steel and chromium-cobalt-based materials are often used as such artificial bones, joint materials or bone-reinforcing materials for these. However, stainless steel and chrome-cobalt alloys contain elements that are harmful to the human body, and there are many reports that malignant tumors were observed after artificial joint replacement. As described above, the elution of toxic metal ions in vivo has recently been regarded as a problem.

【0004】ステンレス鋼は上記のように一般に耐食性
材料と言われているが、生体内のような高腐食環境下で
は孔食や腐食疲労などを起こして破壊しやすくなる。ま
た、手術や使用中のステンレス鋼自体の傷の発生によっ
て表面の耐食性皮膜(不働態膜)が部分的に破壊された
場合、通常、大気中ならばその不働態膜が急速に再生す
るのであるが、体内では酸素分圧が低いため、長期にわ
たって生地が露出し、ステンレス鋼の主要添加成分元素
であるニッケルなどの金属イオンが溶出している可能性
もある。金属ニッケル自身はアレルギーまたは発癌性物
質としての毒性を持つという報告がなされている。
As described above, stainless steel is generally said to be a corrosion resistant material, but in a highly corrosive environment such as a living body, pitting corrosion or corrosion fatigue is likely to occur and it is easily destroyed. In addition, when the corrosion-resistant film (passive film) on the surface is partially destroyed due to the occurrence of scratches on the stainless steel itself during surgery or use, the passive film usually regenerates rapidly in the atmosphere. However, since the oxygen partial pressure in the body is low, the dough may be exposed for a long period of time, and metal ions such as nickel, which is the main additive component element of stainless steel, may be eluted. It has been reported that metallic nickel itself has toxicity as an allergic or carcinogenic substance.

【0005】生体適合性 細胞毒性を示さないことまたはそれ自体毒性を持たない
こと 金属イオンとなって溶出しないこと 生体組織との適合性がよいこと 発癌性および抗原性がないこと 代謝異常を起こさないこと 血液凝固または溶血を起こさないこと 生体内劣化や分解が起こらないこと 吸着性や沈殿物を生じないこと
Biocompatibility No cytotoxicity or nontoxicity per se Not elution as metal ion Good compatibility with living tissue Carcinogenicity and no antigenicity No metabolic disorders No blood coagulation or hemolysis No in vivo degradation or decomposition No adsorptivity or precipitate

【0006】機械的性質 適度な静的(引張り、圧縮、曲げ、剪断)強度および延
性をもつこと 充分な疲労強度をもつこと 機械加工性に優れていること
Mechanical Properties Appropriate static (tensile, compression, bending, shear) strength and ductility Must have sufficient fatigue strength Excellent machinability

【0007】[0007]

【発明が解決しょうとする課題】以上のような問題があ
ることから、毒性をもつ金属またはそれを成分として含
有する合金材料を用いることが忌避されるようになって
きた。
Because of the problems as described above, it has come to be avoided to use a toxic metal or an alloy material containing the toxic metal as a component.

【0008】このようなことからステンレス鋼やクロム
ーコバルト系材料に替わる材料として、耐食性に優れか
つより軽量であるチタン材に着目するようになってき
た。このチタン材は純チタンとチタン合金に大きく分け
られる。純チタンは酸素量により強度が変化し、JIS
規格では酸素量の低いものから1種〜3種に分けられて
規定されている。
As a result, titanium materials, which are excellent in corrosion resistance and lighter in weight, have come to be paid attention as materials replacing stainless steel and chromium-cobalt materials. This titanium material is roughly classified into pure titanium and titanium alloy. The strength of pure titanium changes depending on the amount of oxygen.
In the standard, the ones with low oxygen content are classified into 1 to 3 types.

【0009】一方、チタン合金はV、Mo、Fe、Cr
などのβ安定化元素の増加に従い、室温までβ相が存在
するようになるが、このβ相の有無によってα型、α−
β型及びβ型の3種に分類される。チタン合金は中でも
医療用としてTi−6Al−4Vが知られている。これ
はアメリカASTMおよびISO規格に外科用インプラ
ント材料として規定されているものである。しかし、こ
の合金は単独で用いると強い細胞毒性を示すと言われて
いるVが含まれているためその危険性を指摘する研究者
もおり、このためVフリーの生体用チタン合金の開発も
行われている。
On the other hand, titanium alloys include V, Mo, Fe and Cr.
As the β-stabilizing element increases, the β-phase will exist up to room temperature, but depending on the presence or absence of this β-phase, α-type, α-
It is classified into β type and β type. Among the titanium alloys, Ti-6Al-4V is known for medical use. It is defined as a surgical implant material in American ASTM and ISO standards. However, some researchers have pointed out the danger of this alloy because it contains V, which is said to exhibit strong cytotoxicity when used alone. Therefore, a V-free titanium alloy for biological use is also being developed. It is being appreciated.

【0010】一般に、チタンは細胞毒性で特に懸念され
る点はないと考えられているが、人工骨と骨補強材また
は生体用締結ワイヤーなどが同じ場所で使用されると、
両者の接触部が生体内で体液に浸っていることになるの
で、電気化学的腐食が発生する危険が大きい。これはス
テンレス鋼などの異種材料を使用する時に特に著しい。
したがって純チタンやチタン合金を人工骨などの生体用
インプラント材料として使用するときには、同種類のチ
タン製材料を用いることが望ましいといえる。
It is generally considered that titanium has no particular concern for cytotoxicity, but when artificial bone and a bone reinforcing material or a fastening wire for living body are used at the same place,
Since the contact portion between the both is soaked in the body fluid in the living body, there is a great risk that electrochemical corrosion will occur. This is especially noticeable when using dissimilar materials such as stainless steel.
Therefore, when using pure titanium or titanium alloy as a biomedical implant material such as artificial bone, it can be said that it is desirable to use the same kind of titanium material.

【0011】また、チタン材はステンレス鋼に比べ機械
的強度や伸びに劣るといわれており、ASTMに規格さ
れている(およびJIS規格)純チタン系材料でも生体
用インプラントとして適した材料であるか否かまだ結論
が出ていないのが現状である。
It is said that titanium material is inferior in mechanical strength and elongation to stainless steel, and is a pure titanium material specified by ASTM (and JIS standard) suitable as a biomedical implant? It is the current situation that no conclusion has been reached yet.

【0012】このような純チタン製インプラント材とし
てJIS規格純チタン2種が提案されている(特開平6
ー125978号および特開平5ー23355号)。
As such an implant material made of pure titanium, two kinds of JIS standard pure titanium have been proposed (Japanese Patent Laid-Open Publication No. 6-58242).
-125978 and JP-A-5-23355).

【0013】しかし、上記に示すJIS規格の純チタン
(以下「CPチタン」という)は、良好な機械加工性を
備え、かつ他の材料に比べ耐食性に優れているという利
点があるとは言え、チタンの表面に形成される不働態化
皮膜の形成が必ずしも十分ではない場合、イオンとして
溶出する可能性を有している。チタンも高濃度で溶出す
ると人体に害を及ぼすとの報告もあり、骨代替材料また
は補強材料として長期に亘り生体内で使用されるもので
ある以上、これらは無視できない問題である。また、C
Pチタンと言えども、金属成分などが不純物として一定
量存在し、これが表面酸化膜の構造に局所的乱れを生じ
させ、結果として耐食性を劣化させる原因となってい
る。
However, the above-mentioned JIS standard pure titanium (hereinafter referred to as “CP titanium”) is advantageous in that it has good machinability and is superior in corrosion resistance to other materials. If the formation of the passivation film formed on the surface of titanium is not always sufficient, it has a possibility of being eluted as ions. It is also reported that titanium is also harmful to the human body when it is eluted at a high concentration, and since it is used in vivo as a bone substitute material or a reinforcing material for a long time, these are problems that cannot be ignored. Also, C
Even with P-titanium, a certain amount of metal components and the like are present as impurities, which causes local disorder in the structure of the surface oxide film, resulting in deterioration of corrosion resistance.

【0014】このようなことから、合金化によって耐食
性を向上させるという試みもなされているが、これは初
期溶出により表面に耐食性の高い元素を濃縮させるもの
であり、合金化した場合の耐食性向上のためにはある程
度の金属の溶出が必要とされることを意味している。ま
た、この耐食性の機構は人体内で合金の耐食性皮膜が破
壊された場合に回復が著しく遅れることが予想される。
したがって、チタン合金も根本的な解決に至っていない
のが現状である。
Under these circumstances, attempts have been made to improve the corrosion resistance by alloying, but this is to concentrate elements having high corrosion resistance on the surface by initial elution, and to improve the corrosion resistance when alloyed. This means that elution of a certain amount of metal is required for the purpose. In addition, it is expected that recovery of this corrosion resistance mechanism will be significantly delayed when the corrosion resistant coating of the alloy is destroyed in the human body.
Therefore, titanium alloys have not yet reached a fundamental solution.

【0015】[0015]

【課題を解決するための手段】上記のような問題につき
鋭意試験および研究の結果、本発明者らは、チタンの含
有される成分の量をさらに厳密に調製することにより、
生体内での耐食性を向上させるとともに、良好な加工性
と強度を保有する生体用インプラント材として適合でき
る優れた素材を見い出し、本発明に至った。
Means for Solving the Problems As a result of earnest tests and studies on the above problems, the present inventors have made it possible to more strictly adjust the amount of titanium-containing components.
The present invention has been accomplished by finding an excellent material that can be adapted as a biomedical implant material having improved workability and strength while improving corrosion resistance in vivo.

【0016】CPチタンは上記のように、不働態化皮膜
(酸化膜)が迅速かつ十分に形成されないという問題点
を有しているが、本発明においてはチタンの高純度化を
進め、不働態化皮膜(酸化膜)の形成に妨害となる元素
を極限までコントロールするということにより、インプ
ラント材としての耐食性に飛躍的な向上をもたらしたも
のである。すなわち、本発明は耐食性皮膜が迅速に形成
され、かつ変形などで破壊しても迅速に再生させること
のできる優れた生体用チタン製インプラント材を提供す
るものである。
As described above, CP titanium has a problem that the passivation film (oxide film) is not formed quickly and sufficiently, but in the present invention, the passivation film is promoted by increasing the purity of titanium. By controlling the elements that interfere with the formation of the chemical film (oxide film) to the utmost limit, the corrosion resistance as an implant material is dramatically improved. That is, the present invention provides an excellent titanium implant material for a living body in which a corrosion resistant film is rapidly formed and can be quickly regenerated even if it is destroyed by deformation or the like.

【0017】本第1の発明は、酸素を主成分とするガス
成分の総量が10〜4000ppm、ガス成分以外の成
分含有量の上限が100ppm、残部チタンであり、前
記ガス成分として含有される水素量の上限が50pp
m、窒素量の上限が200ppm、炭素量の上限が40
0ppmであることを特徴とする生体用チタン製インプ
ラント材に関する。
[0017] The first aspect of the present invention, the total amount of the gas components of oxygen as the main component is 10~4000Ppm, the upper limit is 100 ppm, the remainder titanium content of the component other than the gas component, before
The upper limit of the amount of hydrogen contained as a gas component is 50 pp
m, upper limit of nitrogen content is 200 ppm, upper limit of carbon content is 40
The present invention relates to a titanium implant material for living body, which has a content of 0 ppm .

【0018】次に、第2の発明は、陽極酸化、加熱酸
化、溶融塩酸化などにより、表面に酸化皮膜を形成した
ことを特徴とする、酸素を主成分とするガス成分の総量
が10〜4000ppm(表面の酸化皮膜に含まれる酸
素を除く)、ガス成分以外の成分含有量の上限が100
ppm、残部チタンであり、前記ガス成分として含有さ
れる水素量の上限が50ppm、窒素量の上限が200
ppm、炭素量の上限が400ppmである生体用チタ
ン製インプラント材に関する。
Next, the second invention is characterized in that an oxide film is formed on the surface by anodic oxidation, heat oxidation, molten hydrochloric acid, etc., and the total amount of gas components containing oxygen as a main component is 10 to 10. 4000 ppm (excluding oxygen contained in the oxide film on the surface), the upper limit of the content of the component other than the gas component 100
ppm, balance titanium, contained as the gas component
Upper limit of hydrogen content is 50ppm, upper limit of nitrogen content is 200
The present invention relates to an implant material made of titanium for living body having an upper limit of ppm and carbon amount of 400 ppm .

【0019】次に、第3の発明は、引張り強度(TS)
が175MPa以上、延び(El)10%以上であるこ
とを特徴とする上記第1乃至2に記載の発明の生体用チ
タン製インプラント材に関する。
Next, the third invention is a tensile strength (TS).
Is 175 MPa or more and the elongation (El) is 10% or more , and relates to the titanium implant material for a living body according to the first or second aspect of the present invention.

【0020】次に、第4の発明は、生体用締結チタンワ
イヤーを除く上記第1乃至第に記載の発明の生体用チ
タン製インプラント材に関する。
Next, a fourth invention is a fastening titanium titanium for living body.
The present invention relates to the titanium implant material for living body according to the first to third aspects of the invention excluding the ear .

【0021】[0021]

【0022】[0022]

【発明の実施の形態】以下に本発明の詳細およびその作
用について説明する。まず、本発明の生体用チタン製イ
ンプラント材に含まれる酸素の限定理由などについて詳
細に説明する。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The details of the present invention and the operation thereof will be described below. First, the reasons for limiting oxygen contained in the titanium implant material for living body of the present invention will be described in detail.

【0023】酸素(O):本発明において、酸素を主成
分とするガス成分の総量を10〜4000ppmとす
る。不働態化皮膜(酸化膜)の迅速な形成のために、チ
タンに含有される合金元素や不純物元素の量を極力制限
する必要があるが、強度の低下は否めない。後述するよ
うに、強度の向上は塑性加工や熱処理による再結晶組織
によってもコントロールすることができるが、この酸素
量を調節することによって大きく強度の維持を図ること
ができる。チタン中の酸素の存在は不働態化皮膜(酸化
膜)形成には影響を与えることはなく、最低10ppm
以上含有させることが望ましい。酸素量の増加に伴って
強度も向上する。
Oxygen (O): In the present invention, the total amount of gas components containing oxygen as a main component is set to 10 to 4000 ppm. For rapid formation of the passivation film (oxide film), it is necessary to limit the amount of alloying elements and impurity elements contained in titanium as much as possible, but the reduction in strength cannot be denied. As will be described later, the improvement in strength can be controlled also by the recrystallization structure by plastic working or heat treatment, but the strength can be largely maintained by adjusting the oxygen content. The presence of oxygen in titanium does not affect the formation of passivation film (oxide film), at least 10 ppm
It is desirable to contain the above. Strength also improves as the amount of oxygen increases.

【0024】生体用チタン製インプラント材の表面に
は、陽極酸化、加熱酸化または溶融塩酸化などにより、
予め酸化膜を形成することができる。これによって、均
一かつ緻密な酸化膜により耐食性を著しく向上させるこ
とができる。前記酸素を主成分とするガス成分の総量1
0〜4000ppmの中には、この表面酸化膜に含まれ
る酸素量は除く。
The surface of the titanium implant material for living body is subjected to anodic oxidation, heat oxidation or molten hydrochloric acid treatment,
An oxide film can be formed in advance. Thereby, the uniform and dense oxide film can significantly improve the corrosion resistance. Total amount of the gas component containing oxygen as the main component 1
The amount of oxygen contained in this surface oxide film is excluded from 0 to 4000 ppm.

【0025】水素(H):本発明において、水素は50
ppm以下とする。水素は酸素に比べてもより少量で延
性に影響を与える。また、均一かつ緻密な酸化皮膜を迅
速に形成するという意味からも、むしろ妨害要因となる
ので、極力少ない方が良い。水素が50ppmを超える
と、他の不純物を低減させても延性が急激に悪くなる。
Hydrogen (H): In the present invention, hydrogen is 50
It should be below ppm. Hydrogen affects ductility in a smaller amount than oxygen. Further, in terms of quickly forming a uniform and dense oxide film, it is rather a hindrance factor, so it is better to minimize it. When the hydrogen content exceeds 50 ppm, the ductility sharply deteriorates even if other impurities are reduced.

【0026】窒素(N):本発明において、窒素は20
0ppm以下とする。窒素は酸素に比べると約1.5倍
の延性低下が認められる。窒素が200ppmを超える
と、他の不純物を低減させても延性が急激に悪くなり、
また、均一かつ緻密な酸化皮膜を迅速に形成するという
意味からも、むしろ妨害要因となるので、極力少なくす
ることが必要である。
Nitrogen (N): In the present invention, nitrogen is 20
It should be 0 ppm or less. Nitrogen has a ductility reduction of about 1.5 times that of oxygen. If the nitrogen content exceeds 200 ppm, the ductility deteriorates sharply even if other impurities are reduced,
Further, in the sense that a uniform and dense oxide film can be rapidly formed, it becomes a hindering factor, so it is necessary to reduce it as much as possible.

【0027】炭素(C):本発明において、炭素は40
0ppm以下とする。炭素はTi中に侵入型固溶体元素
として存在し、Tiの強度を増加させる働きがあるが、
逆にこれは酸素に比べると同一濃度では約0.75倍の
延性低下となる。炭素は400ppmを超えると、他の
不純物を低減させても延性が急激に悪くなる。また、均
一かつ緻密な酸化皮膜を迅速に形成するという意味から
も、むしろ妨害要因となるので、極力少なくすることが
必要である。
Carbon (C): In the present invention, carbon is 40
It should be 0 ppm or less. Carbon exists as an interstitial solid solution element in Ti and acts to increase the strength of Ti.
On the contrary, this is about 0.75 times less ductility than that of oxygen at the same concentration. If the carbon content exceeds 400 ppm, the ductility sharply deteriorates even if other impurities are reduced. Further, in the sense that a uniform and dense oxide film can be rapidly formed, it becomes a hindering factor, so it is necessary to reduce it as much as possible.

【0028】ガス成分以外の成分:本発明において、こ
のガス成分以外の成分含有量は100ppm以下とす
る。生体用インプラント材として、不働態皮膜(酸化皮
膜)を均一かつ緻密に形成するためには、ガス成分以外
の成分含有量を極力低減させる必要がある。特に長い年
月体内に埋め込まれる骨代替品などについては酸化皮膜
が何らかの原因で破壊されたとしても、体内で再び皮膜
が迅速に再生されるような材料であることが必要であ
る。本発明のチタン製インプラント材は体内における低
酸素分圧下においても酸化皮膜の形成をより迅速に形成
することができる。
Components other than gas components: In the present invention, the content of components other than gas components is 100 ppm or less. In order to form a passive film (oxide film) uniformly and densely as a biomedical implant material, it is necessary to reduce the content of components other than gas components as much as possible. In particular, for bone substitutes and the like to be implanted in the body for a long time, even if the oxide film is destroyed for some reason, it is necessary for the material to be able to quickly regenerate the film again in the body. The titanium implant material of the present invention can form an oxide film more quickly even under a low oxygen partial pressure in the body.

【0029】引っ張り強さ、耐力についての説明 以上において、主に生体用チタン製インプラント材に含
有される成分について述べたが、骨代替材料および骨補
強材料として十分な引っ張り強さ、体力が必要とされ
る。引っ張り強さ、体力についてはそれぞれ175MP
a、70MPa以上を保有することが望ましい。
Description of tensile strength and proof stress In the above, the components mainly contained in the titanium implant material for living body have been described. However, sufficient tensile strength and physical strength are required as a bone substitute material and a bone reinforcing material. To be done. 175MP for tensile strength and physical strength
It is desirable to have a, 70 MPa or more.

【0030】上記に説明した酸素は通常チタンの強度の
増加をもたらすので、ある程度の存在はむしろ好まし
い。しかし、過剰の存在は加工性を低下させ、脆くする
という傾向がある。
The presence of oxygen to the extent described above is rather preferred because the oxygen described above usually results in an increase in the strength of titanium. However, the presence of excess tends to reduce workability and make it brittle.

【0031】このように、強度と高延性は生体用インプ
ラント材にとって必要不可欠である。一般に、引っ張り
強さ、耐力については上記のように、それぞれ175M
Pa、70MPa以上を保有すれば、実用上不都合は無
く、生体用インプラント材として好適である。
As described above, strength and high ductility are indispensable for the biomedical implant material. Generally, the tensile strength and proof stress are 175M each as described above.
If Pa and 70 MPa or more are retained, there is no practical inconvenience, and it is suitable as a biomedical implant material.

【0032】なお、大きな荷重がかかる骨の接合に使用
する場合などにおいて極力強度を上げようとするときに
は、構造上の工夫をしたり、材料の径を大きくしたり、
また塑性加工により強度を高めたりすることもできるの
で、必要に応じてこのような手法を採用する。本発明の
生体用インプラント材は以上の条件を十分に満たしてい
る。
When it is desired to increase the strength as much as possible in the case of joining bones to which a large load is applied, it is necessary to take structural measures or increase the diameter of the material.
Moreover, since the strength can be increased by plastic working, such a method is adopted as necessary. The biomedical implant material of the present invention sufficiently satisfies the above conditions.

【0033】次に、平均結晶粒径などについて説明す
る。本発明においては平均結晶粒径を2μm〜150μ
mとするのが望ましい。結晶粒径が小さい程靱性が増す
が、実際上2μm未満のものは製造が難しく、また製造
できたとしても一部に歪みが残り、延性値が低下する。
また逆に平均結晶粒径大きい場合、特に150μmを超
えると結晶粒の数が少なくなって局部的に延性が劣化
し、また加工の際に肌荒れを生じるので、加工精度上好
ましくない。
Next, the average crystal grain size will be described. In the present invention, the average crystal grain size is 2 μm to 150 μm.
It is desirable to set m. The smaller the crystal grain size, the higher the toughness. However, in reality, if the grain size is less than 2 μm, it is difficult to manufacture, and even if it can be manufactured, some strain remains and the ductility value decreases.
On the other hand, when the average crystal grain size is large, particularly when it exceeds 150 μm, the number of crystal grains is reduced, the ductility is locally deteriorated, and the surface becomes rough during processing, which is not preferable in terms of processing accuracy.

【0034】次に、製造方法の詳細について説明する。
所定の成分調製を行ったチタン材を溶解鋳造してチタン
インゴットを作製する。 ガス成分である酸素、窒素、
水素、炭素などの不純物を除去して所定量以下とするに
は、真空アーク溶解法、電子ビーム溶解法などを用いる
ことができる。得られたチタンインゴットを必要に応じ
て鍛造した後、圧延、プレス加工などにより所定形状に
成形する。
Next, details of the manufacturing method will be described.
A titanium material having predetermined components prepared is melt-cast to produce a titanium ingot. Gas components oxygen, nitrogen,
A vacuum arc melting method, an electron beam melting method, or the like can be used to remove impurities such as hydrogen and carbon to a predetermined amount or less. The obtained titanium ingot is forged as required, and then rolled, pressed or the like to be formed into a predetermined shape.

【0035】この加工工程の途中で中間焼鈍(400〜
900℃の温度域、好ましくは500〜700℃の温度
域、より好ましくは550〜650℃の温度域で、およ
そ10秒〜5時間)を行う。
Intermediate annealing (400-
The temperature range is 900 ° C., preferably 500 to 700 ° C., more preferably 550 to 650 ° C., for about 10 seconds to 5 hours).

【0036】最終加工後400〜900℃の温度域、好
ましくは500〜700℃の温度域、より好ましくは5
50〜650℃の温度域で、およそ10秒〜5時間最終
焼鈍する。上記加工および焼鈍を通じて所定の結晶粒
(例えば、平均結晶粒径が2μm〜150μm)に調製
する。中間焼鈍および最終焼鈍は連続またはバッチ式の
いずれも使用できる。このようにして所定の形状のイン
プラント材を作製する。また、表面に酸化皮膜を形成す
るには、塑性加工または焼鈍の終了後陽極酸化、加熱酸
化、溶融塩酸化などの手段により、均一かつ緻密な酸化
皮膜を形成する。
After the final processing, a temperature range of 400 to 900 ° C., preferably a temperature range of 500 to 700 ° C., more preferably 5
Final annealing is performed in a temperature range of 50 to 650 ° C. for approximately 10 seconds to 5 hours. A predetermined crystal grain (for example, an average crystal grain size of 2 μm to 150 μm) is prepared through the above processing and annealing. The intermediate annealing and the final annealing can be either continuous or batch type. In this way, an implant material having a predetermined shape is manufactured. Further, in order to form an oxide film on the surface, a uniform and dense oxide film is formed by means such as anodic oxidation, heating oxidation, and molten hydrochloric acid after completion of plastic working or annealing.

【0037】以上により、骨代替材料および骨補強材料
として、十分な強度と延性をもち、生体内での耐食性に
優れ、万一生体内で酸化皮膜が破壊されたとしても、迅
速に該皮膜が再生されることのできる優れた生体用イン
プラント材を提供することができる。
As a result, the bone substitute material and the bone reinforcing material have sufficient strength and ductility, excellent corrosion resistance in vivo, and even if the oxide film is destroyed in vivo, the film can be rapidly formed. It is possible to provide an excellent biomedical implant material that can be regenerated.

【0038】[0038]

【実施例1及び比較例1】生体用インプラント材として
好適な本発明の例(実施例)を、鉄などのガス成分以外
の成分含有量が上限を超えているCP−Ti(チタン)
およびステンレス(SUS316L)の比較例と対比し
て説明する。
Example 1 and Comparative Example 1 CP-Ti (titanium) in which the content of components other than gas components such as iron exceeds the upper limit of the examples (examples) of the present invention suitable as implant materials for living bodies
Also, a comparison with a comparative example of stainless steel (SUS316L) will be described.

【0039】各チタンの試料は以下のようにして作製し
た。成分調整を行ったチタン材を電子ビーム溶解法によ
り溶解鋳造し、それぞれの成分のインゴットを得た。こ
れらのインゴットをさらに鍛造、冷間圧延を行い板材と
した。この加工の途中において、400℃〜900℃の
温度域で適宜中間焼鈍を行った。さらに最終冷間加工
後、400℃〜900℃の温度域で最終焼鈍を行い、再
結晶組織とした。比較例としてのステンレス(SUS3
16L)については、市販の板材を用いた。以上で得ら
れた板材を10×10×5mmのブロック状に切り出
し、同素材からなるワイヤーをスポット溶接し、非水溶
性ポリマー中に埋入した。これを耐水研磨紙により研磨
し、10×10mmの面を露出せしめ、この面を測定面
とした。
A sample of each titanium was prepared as follows. The titanium material with the adjusted components was melted and cast by the electron beam melting method to obtain ingots of the respective components. These ingots were further forged and cold rolled into a plate material. During this processing, intermediate annealing was appropriately performed in the temperature range of 400 ° C to 900 ° C. Further, after the final cold working, final annealing was performed in a temperature range of 400 ° C to 900 ° C to obtain a recrystallized structure. Stainless steel as a comparative example (SUS3
For 16 L), a commercially available plate material was used. The plate material obtained above was cut into blocks of 10 × 10 × 5 mm, and a wire made of the same material was spot-welded and embedded in a water-insoluble polymer. This was polished with water-resistant polishing paper to expose a surface of 10 × 10 mm, and this surface was used as a measurement surface.

【0040】これらの試料の化学成分の分析値を表1に
示す。表1における試料1および試料2は本発明の実施
例の化学分析値、試料3(CP−Ti)および試料4
(ステンレス)は比較例の化学分析値を示す。試料3は
鉄(Fe)の含有量が高く、0.03重量%(300p
pm)含有されている。
The analytical values of the chemical components of these samples are shown in Table 1. Sample 1 and sample 2 in Table 1 are the chemical analysis values of the example of the present invention, sample 3 (CP-Ti) and sample 4.
(Stainless steel) shows the chemical analysis value of the comparative example. Sample 3 has a high iron (Fe) content, and is 0.03% by weight (300 p
pm) contained.

【0041】[0041]

【表1】 [Table 1]

【0042】耐食性の試験(動電位分極曲線) 各チタンの試料は、測定面を耐水研磨紙により#600
まで研磨後、弗酸−過酸化水素水−水からなる研磨液に
より化学研磨を行い、純水で洗浄後、大気に直接触れな
いようにして測定液中に浸漬した。またステンレス(S
US316L)は、測定面を鏡面までバフにより仕上た
後、チタンの試料と同様に、純水で洗浄後、大気に直接
触れないようにして測定液中に浸漬した。
Corrosion Resistance Test (Kinematic Potential Polarization Curve) For each titanium sample, the surface to be measured was # 600 with water-resistant abrasive paper.
After polishing, chemical polishing was performed with a polishing liquid composed of hydrofluoric acid-hydrogen peroxide water-water, washed with pure water, and then immersed in the measurement liquid without direct contact with the atmosphere. In addition, stainless steel (S
US316L) was prepared by buffing the measurement surface to a mirror surface, then washing with pure water as in the case of the titanium sample, and then immersing it in the measurement liquid without directly touching the atmosphere.

【0043】測定条件は次の通りである。 電解液;Arにより脱酸素したハンク氏液、液温;31
0K 参照極;Ag/AgCl、対極;Pt、電位掃引速度;
40mV/min 以上の結果を図1に示す。
The measurement conditions are as follows. Electrolyte solution; Hank's solution deoxidized by Ar, solution temperature; 31
0K reference electrode; Ag / AgCl, counter electrode; Pt, potential sweep rate;
The result of 40 mV / min or more is shown in FIG.

【0044】耐食性試験の結果 各チタンおよびステンレス(SUS316L)とも初期
の表面に不働態皮膜が存在していない状態の動電位分極
曲線である。図1から明らかなように、本発明の実施例
であるチタン試料1および2は自然浸漬電位が比較例の
チタン試料3よりも貴な側にあり、かつ耐食性皮膜形成
で比較例のチタン試料3よりも電流値が低くなってい
る。これより本発明のチタン試料1および2は耐食性が
高いことが分かる。試料4のステンレス(SUS316
L)は電流値がすぐに立ち上がるため、耐食性はいずれ
のチタン材よりも悪い。さらに、同図1から明らかなよ
うに、本発明のチタン試料1および2は分極初期におい
て電流の立上りが鋭く、酸化皮膜の形成が迅速である。
これは、体内で酸化皮膜の破壊があっても、酸化皮膜の
再形成が他の耐食性材料に比べ速いことを意味し、生体
用インプラント材として好適であるという優れた特徴を
有していることが分かる。
Results of Corrosion Resistance Test Both titanium and stainless steel (SUS316L) show potentiodynamic polarization curves in the state where no passive film is present on the initial surface. As is clear from FIG. 1, titanium samples 1 and 2 which are examples of the present invention have a natural immersion potential on a nobler side than titanium sample 3 which is a comparative example, and titanium sample 3 which is a comparative example due to formation of a corrosion resistant film. The current value is lower than. From this, it is understood that the titanium samples 1 and 2 of the present invention have high corrosion resistance. Sample 4 stainless steel (SUS316
In L), the current value rises immediately, so the corrosion resistance is worse than any titanium material. Further, as is clear from FIG. 1, in the titanium samples 1 and 2 of the present invention, the rising of the current is sharp at the initial stage of polarization, and the oxide film is rapidly formed.
This means that even if the oxide film is destroyed in the body, the oxide film reforms faster than other corrosion resistant materials, and it has the excellent feature that it is suitable as a biomedical implant material. I understand.

【0045】[0045]

【実施例2及び比較例2】実施例1及び比較例1と同一
の工程で各チタンおよびステンレス(SUS316L)
の原試料を作製し、測定面を仕上げ、さらに以下の表面
処理を行い、試料とした。化学成分は実施例1及び比較
例1と同一である。異なる点は、事前に陽極酸化により
酸化皮膜を形成した点である。チタン試料はシュウ酸−
硫酸浴中でSUS304を陰極とし陽極酸化を行った。
この時の酸化電圧は6.5Vである。陽極酸化後、純水
で洗浄後、大気に直接触れないようにして測定液中に浸
漬した。ステンレス(SUS316L)試料は、AST
M F−86の方法に従い、硝酸中に30分浸漬し、純
水で洗浄後、大気に直接触れないようにして測定液中に
浸漬した。
Example 2 and Comparative Example 2 Titanium and stainless steel (SUS316L) were processed in the same steps as in Example 1 and Comparative Example 1.
An original sample was prepared, the measurement surface was finished, and the following surface treatment was performed to obtain a sample. The chemical components are the same as in Example 1 and Comparative Example 1. The difference is that an oxide film is formed in advance by anodic oxidation. Titanium sample is oxalic acid
Anodization was performed in a sulfuric acid bath using SUS304 as a cathode.
The oxidation voltage at this time is 6.5V. After anodic oxidation, it was washed with pure water and then immersed in the measurement liquid without directly contacting the atmosphere. Stainless steel (SUS316L) sample is AST
According to the method of MF-86, it was dipped in nitric acid for 30 minutes, washed with pure water, and then dipped in the measurement liquid without being in direct contact with the atmosphere.

【0046】測定条件は次の通りである。 電解液;Arにより脱酸素したハンク氏液、液温;31
0K 参照極;Ag/AgCl、対極;Pt、電位掃引速度;
40mV/min 以上の結果を図2に示す。
The measurement conditions are as follows. Electrolyte solution; Hank's solution deoxidized by Ar, solution temperature; 31
0K reference electrode; Ag / AgCl, counter electrode; Pt, potential sweep rate;
The result of 40 mV / min or more is shown in FIG.

【0047】耐食性試験の結果 各チタンおよびステンレス(SUS316L)とも表面
に不働態皮膜を形成した状態の動電位分極曲線である。
図2から明らかなように、本発明の実施例であるチタン
試料1および2は自然浸漬電位が比較例のチタン試料3
よりも貴な側にあり、かつ耐食性皮膜形成で比較例のチ
タン試料3よりも電流値が低くなっている。これより本
発明のチタン試料1および2は耐食性が高いことが分か
る。比較例試料4のステンレス(SUS316L)はチ
タン試料よりも貴な側にあるが、電流値が急速に立ち上
がるため、耐食性はいずれのチタン材よりも悪い。さら
に、同図2から明らかなように、本発明のチタン試料1
および2は比較例のチタン試料よりも電流の立上り低く
耐食性に優れていることが分かる。
As a result of the corrosion resistance test, each of titanium and stainless steel (SUS316L) is a potentiodynamic polarization curve with a passive film formed on the surface.
As is clear from FIG. 2, titanium samples 1 and 2 which are examples of the present invention are titanium samples 3 whose natural immersion potential is a comparative example.
It is on the more noble side and has a lower current value than the titanium sample 3 of the comparative example due to the formation of the corrosion resistant film. From this, it is understood that the titanium samples 1 and 2 of the present invention have high corrosion resistance. Although the stainless steel (SUS316L) of the comparative sample 4 is on the noble side of the titanium sample, the corrosion resistance is worse than any of the titanium materials because the current value rises rapidly. Further, as is clear from FIG. 2, the titanium sample 1 of the present invention
It can be seen that the samples Nos. 2 and 2 have a lower current rise and are superior in corrosion resistance to the titanium sample of the comparative example.

【0048】以上から明らかなように、本発明のいずれ
のチタン材も他のチタン材及びステンレス(SUS31
6L)に比較して耐食性が著しく高く、また酸化皮膜の
形成が迅速である。これは、体内で酸化皮膜の破壊があ
っても、酸化皮膜の再形成が他の耐食性材料に比べ速い
ことを意味し、生体用インプラント材として好適である
という優れた特徴を有している。
As is clear from the above, any titanium material of the present invention can be used with other titanium materials and stainless steel (SUS31).
6L), the corrosion resistance is significantly higher and the oxide film is formed more quickly. This means that even if the oxide film is destroyed in the body, the reformation of the oxide film is faster than other corrosion-resistant materials, and it has an excellent feature that it is suitable as a biomedical implant material.

【0049】[0049]

【発明の効果】上記の発明の詳細な説明及び実施例に示
すように、本発明は生体内での耐食性に優れた生体用チ
タン製インプラント材を提供する。すなわち、骨代替材
料および骨補強材料としての十分な強度をもち、かつ生
体適合性および生体内での耐食性に優れ、骨組織との固
定力を増大させることのできる歯科、整形外科などの分
野において有用なインプラント材を提供する。
INDUSTRIAL APPLICABILITY As shown in the above detailed description and Examples of the present invention, the present invention provides a titanium implant material for living body which is excellent in corrosion resistance in the living body. That is, in the fields of dentistry, orthopedics, etc., which have sufficient strength as a bone substitute material and a bone reinforcement material, and are excellent in biocompatibility and corrosion resistance in vivo, and which can increase the fixing force with bone tissue A useful implant material is provided.

【0050】チタンは対疲労強度、引っ張り強さ、耐食
性、生体適合性については、既に良好であることが知ら
れているが、本発明においては従来問題となっていた締
結性についての重要な問題を解決したものである。
Titanium is already known to be good in fatigue strength, tensile strength, corrosion resistance, and biocompatibility, but in the present invention, the important problem of fastening property which has been a problem in the past. Is the solution.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】 表面に不働態皮膜が形成されていない実施例
1および比較例1のチタンおよびステンレスの動電位分
極曲線である。
FIG. 1 is a potentiodynamic polarization curve of titanium and stainless steel of Example 1 and Comparative Example 1 in which a passive film is not formed on the surface.

【図2】 陽極酸化により、表面に不働態皮膜を形成し
た実施例2および比較例2のチタンおよびステンレスの
動電位分極曲線である。
FIG. 2 is a potentiodynamic polarization curve of titanium and stainless steel of Example 2 and Comparative Example 2 in which a passive film was formed on the surface by anodic oxidation.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 島田 毅昭 茨城県北茨城市華川町臼場187番地4 株式会社ジャパンエナジ−磯原工場内 (56)参考文献 特開 平8−164195(JP,A) 特開 平5−23355(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) A61L 27/00 A61C 8/00 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Takeaki Shimada 4 187 Usuba, Hwagawa Town, Kitaibaraki City, Ibaraki Prefecture Japan Energy Co., Ltd.-Isohara Factory (56) Reference JP-A-8-164195 (JP, A) JP-A-5-23355 (JP, A) (58) Fields investigated (Int.Cl. 7 , DB name) A61L 27/00 A61C 8/00

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 酸素を主成分とするガス成分の総量が1
0〜4000ppm、ガス成分以外の成分含有量の上限
が100ppm、残部チタンであり、前記ガス成分とし
て含有される水素量の上限が50ppm、窒素量の上限
が200ppm、炭素量の上限が400ppmであるこ
とを特徴とする生体用チタン製インプラント材。
1. The total amount of gas components containing oxygen as a main component is 1
0~4000Ppm, the upper limit of the content of the component other than the gas component 100 ppm, and the balance titanium, and the gas component
The upper limit of the amount of hydrogen contained by 50ppm, the upper limit of the amount of nitrogen
Is 200 ppm, and the upper limit of carbon content is 400 ppm .
【請求項2】 陽極酸化、加熱酸化、溶融塩酸化などに
より、表面に酸化皮膜を形成したことを特徴とする、酸
素を主成分とするガス成分の総量が10〜4000pp
m(表面の酸化皮膜に含まれる酸素を除く)、ガス成分
以外の成分含有量の上限が100ppm、残部チタンで
あり、前記ガス成分として含有される水素量の上限が5
0ppm、窒素量の上限が200ppm、炭素量の上限
が400ppmである生体用チタン製インプラント材。
2. A total amount of a gas component containing oxygen as a main component is 10 to 4000 pp, characterized in that an oxide film is formed on the surface by anodic oxidation, heat oxidation, molten hydrochloric acid oxidation, or the like.
m (excluding oxygen contained in the oxide film on the surface), the upper limit of the content of the component other than the gas component 100 ppm, with the balance titanium
And the upper limit of the amount of hydrogen contained as the gas component is 5
0ppm, upper limit of nitrogen amount is 200ppm, upper limit of carbon amount
The implant material made of titanium for living body having a content of 400 ppm .
【請求項3】 引張り強度(TS)が175MPa以
上、延び(El)10%以上であることを特徴とする請
求項1又は2に記載の生体用チタン製インプラント材。
3. The tensile strength (TS) is 175 MPa or less.
The titanium implant material for living body according to claim 1 or 2 , wherein the elongation (El) is 10% or more .
【請求項4】 生体用締結チタンワイヤーを除く請求項
1乃至3に記載の生体用チタン製インプラント材。
4. The implant material made of titanium for living body according to claim 1 , excluding the fastening titanium wire for living body.
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