JP3959770B2

JP3959770B2 - 硬質組織代替材用チタン合金

Info

Publication number: JP3959770B2
Application number: JP02058897A
Authority: JP
Inventors: 光雄新家; 正彦森永; 大介黒田
Original assignee: Daido Steel Co Ltd
Current assignee: Daido Steel Co Ltd
Priority date: 1997-02-03
Filing date: 1997-02-03
Publication date: 2007-08-15
Anticipated expiration: 2017-02-03
Also published as: JPH10219375A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、新規なチタン(Ｔｉ)合金に関し、特に生体の人工骨材又はその一部、或いはそれらの補助材のような硬質組織代替材に適した硬質組織代替材用チタン合金に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、歯科用の人工歯根や医療用の人工骨材には、Ｔｉ-６wt％Ａｌ-４wt％Ｖに代表されるチタン合金が適用又は検討されている。これは、チタンが他の金属に比べ、生体内において高い適応性を有することによる。
しかし、種々の研究によると、上記チタン合金のうちＶ(ハナジウム)は、生体の細胞に対し、毒性を有することが指摘されている。このため上記Ｖに替えてＮｂやＦｅを添加したＴｉ−６wt％Ａｌ−７wt％ＮｂやＴｉ−５wt％Ａｌ−２．５wt％Ｆｅ等の所謂α＋β型のチタン合金が提案されている。しかし乍ら、これらの合金中のＡｌ(アルミニウム)は、ある種の痴呆症を招くという指摘もなされている。
【０００３】
そこで、上記毒性やアレルギー性の指摘がない金属元素を用い、α＋β型チタン合金よりも高い伸びと、優れた冷間加工性を有すると共に、弾性率を低くして生体内の硬質組織に近付けるべくβ型チタン合金が提案されるようになった。このβ型チタン合金には、例えばＴｉ−１３wt％Ｎｂ−１３wt％Ｚｒ、Ｔｉ−１６wt％Ｎｂ−１０wt％Ｈｆ、Ｔｉ−１５wt％Ｍｏ、Ｔｉ−１５wt％Ｍｏ−５wt％Ｚｒ−３wt％Ａｌ、Ｔｉ−１２wt％Ｍｏ−６wt％Ｚｒ−２wt％Ｆｅ、Ｔｉ−１５wt％Ｍｏ−２.８wt％Ｎｂ−０.２wt％Ｓｉ−０.２６wt％Ｏ等が含まれている。
しかし乍ら、上記各β型チタン合金のうち、どのような成分組成の合金が人工骨材等のような硬質組織代替材に適しているか、あまり研究されておらず、未だ不明確であった。
【０００４】
【発明が解決すべき課題】
本発明は、上記従来の技術に鑑み、生体の硬質組織代替材に特に適し、生体に対し毒性やアレルギーが少なく、適度な強度と高い伸び率、及び低い弾性率を有すると共に、耐食性にも優れた生体の活動にフィットする新たな硬質組織代替材用チタン合金を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するため、β型チタン合金について発明者らが鋭意研究した結果、チタンに対しＮｂ(ニオブ)と共にＴａ(タンタル)を併せて所定量ずつ添加することに着目することにより得られたものである。
即ち、本発明の硬質組織代替材用チタン合金（請求項１）は、Ｎｂ及びＴａを合計で２０wt％〜６０wt％含み、係るＮｂの含有量が１５ wt ％超〜５０ wt ％以下で、且つ上記Ｔａの含有量が１０ wt ％〜１５ wt ％以下であり、残部がＴｉと不可避的不純物からなるチタン合金に対し溶体化処理を施し、このチタン合金の結晶粒を再結晶させた、ことを特徴とする。
尚、上記ＮｂとＴａを合計する範囲の上限は、５０wt％とするのが望ましい。
このチタン合金のうち、Ｎｂの含有量が１５wt％以下では、金属組織中にα相が析出し、一方、Ｎｂが５０wt％を超過すると、伸びが不足し始めるためであり、Ｎｂのより望ましい上限は４５wt％である。
【０００６】
また、前記Ｔａの含有量は、６wt％以下になると伸びが不足し始めるため、下限を１０ wt ％以上としたものであり、一方、Ｔａが１５wt％を超過すると、合金自体の融点が上がり過ぎるため、係る範囲を除いたものである。
更に、前記溶体化処理を施すことにより、β相における結晶粒が微細化され、強度を適正に高め、且つ伸びと弾性率を適正化することができる。
【０００７】
また、前記チタン合金は、更に、１０wt％以下のＭｏ(モリブデン)、５wt％以下のＺｒ(ジルコニウム)、又は、５wt％以下のＳｎ(錫)の一種又は二種以上を添加されている、硬質組織代替材用チタン合金（請求項２）も含まれる。
係る各元素を添加することにより、一層安定した特性を有するチタン合金を得ることが可能となる。
更に、前記溶体化処理は、前記Ｔｉ合金を８００〜１０００℃に加熱して３０〜６０分保持するものである、硬質組織代替材用チタン合金（請求項３）も含まれる。
係る硬質組織代替材用チタン合金によれば、骨、又は歯根として、或いは、義歯、義肢、又は義足等の構成部材として用いることで、生体の活動に馴染んだ特性及び効果を得ることができ、医療技術の向上に寄与することが可能となる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施に好適な形態を実施例と共に説明する。
Ｔｉをベースとし、Ｔｉと共に生体への適応性の高いＮｂ及びＴａを組合せ、更にＭｏ、Ｚｒ、又はＳｎを付随的に添加した種々の成分組成を有するチタン合金をそれぞれ溶解した。これらの合金を鋳型中に鋳込んで一定サイズのインゴットをそれぞれ得た。次いで、係る各インゴットに所定の冷間加工を施した後、それらの各加工材から所要数の薄板を切り出した。次に、これらの薄板にそれぞれ所定の溶体化処理を施した（図１参照）後、所要形状の試験片に仕上げて引張り試験等を行った。
また、比較例として、前記従来の技術に示したα＋β型及びβ型のチタン合金を、上記図１と同じ溶解から熱処理までのプロセスを経させて試験片とし、これらについても同じ引張り試験等を行った。
【０００９】
【実施例】
以下において具体的な実施例を挙げて、比較例と共に説明する。
Ｔｉに生体への適応性の高いＮｂ及びＴａを種々組合せ、更にＭｏ、Ｚｒ、又はＳｎを付随的に添加した表１に示す各成分組成のチタン合金を溶解した。
一方、比較例として、表１に示すＴｉ−６wt％Ａｌ−４wt％Ｖ等（α＋β型）と、Ｔｉ−１３ｗｔ％Ｎｂ−１３ｗｔ％Ｚｒ等（β型）を溶解した。
【００１０】
【表１】

【００１１】
次いで、これらの各チタン合金を所定の鋳型中において鋳造し、それぞれについて４５ｇのボタンインゴットを得た。係る各ボタンインゴットに対し冷間圧延(圧下率７５％)を行って、各合金組織内の結晶粒を微細化させた延べ板を得た。
次に、これらチタン合金の各延べ板から、薄板を各合金についてそれぞれ１０片ずつ切り出した。
更に、各薄板に対し、表１に示す条件の溶体化処理（ＳＴ）を行って、それらの組織内に１０〜５０μｍ程度の結晶粒径に再結晶させた（図１参照）。
【００１２】
上記各薄板は、図２に示す引張り試験片１に仕上げ加工される。これらの各試験１片についてＪＩＳ；Ｚ２２４１に従って引張り試験を行うことにより、引張り強さ（σ_Ｂ／ＭＰａ）、０.２％耐力（σ_０．２／ＭＰａ）、伸び率（％）、及び、弾性率（ＧＰａ）をそれぞれ測定した。
それらの測定結果(平均値)を表２に示す。
【００１３】
【表２】

【００１４】
前記表２の結果を分かり易くするため、実施例No,４，１８，２２と比較例No,１，３，５の各引張り強さ、伸び率、及び、弾性率をそれぞれ図３乃至図５にグラフとして示した。尚、０．２％耐力のグラフは、図３の引張り強さと同様の傾向であったため、省略した。
これらの結果から、各実施例の溶体化処理のみを施したＳＴ材（４，１８，２２）は、何れも伸び率が３０％以上と各比較例よりも高くなり（図４参照）、また、引張り強さと弾性率は比較例１，３，５よりも低い値を示した（図３，５参照）。
尚、比較例のように、引張り強さと弾性率が高いと、それらが生体に適用された部位に接する骨等の表面を磨耗させ、傷付け易くなる恐れがある。特に骨の弾性率は、約３０ＧＰａであるため、これに近い程、生体への適応性が高くなる。
これらの結果から、各実施例のチタン合金のＳＴ材は、優れた伸び特性を有すると共に、強度や弾性率は比較例よりも低く、生体の硬質組織に近似するので、例えば、骨折部の残存組織内に挿入されると、その変形に対し一体となって追従して変化し、骨の一部となって長く使用することが可能になる。
【００１５】
これらの結果から、本発明の前記各チタン合金は、溶体化処理を施すことで、生体内における各種の硬質組織に馴染み易い種々の特性が得られることが理解される。
尚、前記溶体化処理は、微細な再結晶粒を得るため、８００〜１０００℃に加熱して３０〜６０分程度保持することが望ましい。
【００１６】
本発明の硬質組織代替材用チタン合金は、前述した他に、インプラント材、人工関節、又は歯列矯正材等の種々の硬質組織用の代替材、又はその一部の補助材として使用することもできる。
【００１７】
【発明の効果】
以上において説明した本発明の硬質組織代替材用チタン合金によれば、適度な強度と高い伸び及び低い弾性率を得ることができるため、生体の硬質組織に適応した優れた特性を有し、且つ毒性やアレルギーも少なく長期に渉り生体に馴染み易い材料を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の硬質組織代替材を得るプロセスを示す概略の流れ図である。
【図２】(Ａ)と(Ｂ)は本発明のチタン合金等を用いた引張り試験片の正面図と側面図である。
【図３】実施例と比較例の引張り強さを示すグラフである。
【図４】実施例と比較例の伸び率を示すグラフである。
【図５】実施例と比較例の弾性率を示すグラフである。

Claims

Ｎｂ及びＴａを合計で２０wt％〜６０wt％含み、係るＮｂの含有量が１５ wt ％超〜５０ wt ％以下で、且つ上記Ｔａの含有量が１０ wt ％〜１５ wt ％以下であり、残部がＴｉと不可避的不純物からなるチタン合金に対し溶体化処理を施し、このチタン合金の結晶粒を再結晶させた、
ことを特徴とする硬質組織代替材用チタン合金。
前記チタン合金は、更に１０ wt ％以下のＭｏ、５ wt ％以下のＺｒ、又は、５ wt ％以下のＳｎの一種又は二種以上を添加されている、
ことを特徴とする請求項１に記載の硬質組織代替材用チタン合金。
前記溶体化処理は、前記Ｔｉ合金を８００〜１０００℃に加熱して３０〜６０分保持するものである、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の硬質組織代替材用チタン合金。