JP4122423B2

JP4122423B2 - チタン基複合材料及びそれを用いたインプラント

Info

Publication number: JP4122423B2
Application number: JP2002067960A
Authority: JP
Inventors: 晶神谷; ウェン石
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2002-03-13
Filing date: 2002-03-13
Publication date: 2008-07-23
Anticipated expiration: 2022-03-13
Also published as: JP2003268481A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、チタン基複合材料及びそれを用いたインプラントに関するものであり、更に詳しくは、チタン又はチタン合金のチタン系材料の母相に、酸化マグネシウム粒子を分散複合化して、その機械的特性を顕著に向上させた新規チタン基複合材料及びその用途に関するものである。本発明は、軽量で各種雰囲気における耐食性に優れるのみならず、更に、生体適合性にも優れたチタンの、強度や耐力などの機械的特性を改善する技術として有用である。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、チタンならびにその合金は、軽量で耐食性が良好であるため、空航機などの各種輸送機器、建築材料、化学プラント材料、発電用プラント材料などへの応用が進んでいる。また、近年では、これらのチタン系材料は、その生体適合性に着目して、各種人工骨などの生体材料としての用途も広がってきている。それらの内、純チタンは、弾性限界ないし耐力が小さいため（例えば、ＪＩＳの規定では、２種純チタン展伸材で耐力２１５ＭＰａ以上）、強度の要求される用途へは、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖなどのチタン合金が使用されてきた。
【０００３】
しかし、これらの合金に用いられる合金元素には、いくつかの問題があり、例えば、（１）希少、ないしは高価である、（２）毒性が懸念される、といった問題が存在する。特に、最近、使用量の拡大している生体材料においては、上記（２）の点は重大な問題である。そのため、例えば、バナジウム（Ｖ）の毒性が指摘されるＴｉ−６Ａｌ−４Ｖに代わる合金として、新しい材料が開発されている。例えば、Ｔｉ−６Ａｌ−７Ｎｂ（ＩＳＯ５８３２−１１、ＡＳＴＭＦ１２９５−９７ａ）、Ｔｉ−１３Ｎｂ１３Ｚｒ（ＡＳＴＭＦ１７１３−９６）が既に規格化され、また、Ｔｉ−２９Ｎｂ−１３Ｔａ−４．６Ｚｒ（特開平１０−２１９３７５号「チタン合金とこれを用いた硬質組織代替材」）など、合金元素の安全性のみならず、弾性率をも調整したものも開発されてきている。
【０００４】
しかし、これらの新合金は、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）といった、バナジウム（Ｖ）以上に希少かつ高価な合金元素を使用している。そのうえ、これらの合金元素の添加量によっては、その融点が、チタンの融点（１６６８℃）以上に高温となり、それらの製造ならびに加工プロセスがより困難になるといった問題が存在している。このような合金化の方法によらずに、機械的特性を改善するひとつの方法として、複合材料化があげられる。これまでにも、航空宇宙分野におけるセラミック長繊維強化チタン合金（ＳｉＣ繊維強化チタン合金など）の開発や、自動車部材への利用を想定した、炭化チタン（ＴｉＣ）粒子分散強化チタン合金、あるいは、ホウ化チタン（ＴｉＢ）粒子分散強化チタン合金、などが開発されている。
【０００５】
これらの先行技術を示す文献として、（１）「炭化物分散耐摩耗チタン合金の開発」高橋他，まてりあ，ｖｏｌ．３４［５］， (１９９５、６２０−６２２．）、（２）「ＴｈｅＹｏｕｎｇ’ｓｍｏｄｕｌｉｏｆｉｎｓｉｔｕＴｉ／ＴｉＢｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｏｂｔａｉｎｅｄｂｙｒａｐｉｄｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ」ｚ. ＦＡＮｅｔａｌ．，Ｊ．Ｍａｔｅｒ．Ｓｃｉ．，ｖｏｌ．２９，（１９９４），１１２７−１１３４、ならびに、（３）「粉末冶金法による低コスト・高性能チタン基複合材料の開発」斎藤他，まてりあ，ｖｏｌ．３４［５］，（１９９５），６１１−６１３、があげられる。
【０００６】
しかし、例えば、セラミック長繊維を複合化したものは、非常に高コストであるのみならず、機械的特性などが繊維の軸方向に依存して、極端な異方性を示す特殊な材料である。また、ＴｉＣないしＴｉＢ粒子分散強化チタン合金は、あくまで自動車用にその耐摩耗性、剛性、耐熱性を向上させることを目的としたものであって、生体材料への適用は全く考慮されていない。このように、純チタンは、弾性限界ないし耐力が小さいため、強度の要求される用途への利用には制限があり、また、これまでに開発されたチタン合金は、合金元素に由来する問題が存在し、特に、合金元素の毒性が問題となる生体材料においては、安全かつ安価で、しかも、機械的特性の優れた新しい材料の開発が求められていた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
このような状況の中で、本発明者らは、上記従来技術に鑑みて、従来の技術が十分に成し得なかった上記課題へ応えることを目標として、生体用チタン基材料の開発研究を鋭意推進する過程で、チタンやチタン合金のチタン系材料の母相に、酸化マグネシウム粒子を分散複合化することにより所期の目的を達成し得ることを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明は、純チタン、又は各種チタン合金を母相とし、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）粒子を分散複合化した、粉末焼結法により作製されるチタン基複合材料を提供することを目的とするものである。
また、本発明は、上記チタン基複合材料を用いて構築された各種生体用部材を提供することを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための本発明は、以下の技術的手段から構成される。
（１）チタン系材料の母相に、酸化マグネシウム粒子を分散複合化して強度及び生体適合性を向上させたチタン基複合材料であって、
（ａ）原料粉末が、チタン又はチタン合金と酸化マグネシウム粒子との混合粉末である、
（ｂ）酸化マグネシウムの原料粒径が、チタン原料粒径の１／２以上２倍以下である、
（ｃ）上記混合粉末を粉末焼結法により焼結した焼結体である、
ことを特徴とするチタン基複合材料。
（２）酸化マグネシウム粒子の体積分率が、０．１〜７．５ｖｏｌ％の範囲である請求項１記載のチタン基複合材料。
（３）酸化マグネシウム粒子の粒径が、２００〜２５μｍである、請求項１記載のチタン基複合材料。
（４）前記（１）から（３）のいずれかに記載のチタン基複合材料を構成要素として含むことを特徴とする生体用部材。
（５）生体用部材が、歯科用又は整形外科用インプラントである前記（４）記載の部材。
【０００９】
【発明の実施の形態】
次に、本発明について更に詳細に説明する。
本発明では、チタン系材料として、純チタン、及び各種チタン合金が用いられる。本発明において、「チタン系材料」とは、純チタン、各種チタン合金、又はそれらと同効の材料を意味する。この場合、チタン合金は、特に、安全かつ安価で、生体適合性に優れたものが好ましい。上記チタン系材料に混合される酸化マグネシウム（ＭｇＯ）粒子としては、粒径２００μｍ以下、好ましくは２００−９０μｍのものが使用される。この酸化マグネシウム粒子は、酸化マグネシウム粒子の体積分率（Ｖｆ）が、０．１〜７．５ｖｏｌ％の範囲であることが好ましく、また、酸化マグネシウムの原料粒径が、チタン原料粒径の１／２以上２倍以下であることが好ましい。
【００１０】
このように、ＭｇＯ粒子の体積分率（Ｖｆ）は、望ましくは０．１〜７．５ｖｏｌ％の範囲であり、また、ＭｇＯの原料粒径は、望ましくはチタン原料粒径の１／２以上２倍以下である。上記ＭｇＯの原料粒径の範囲の限定は、以下のような理由による。すなわち、ＭｇＯ粒径が純チタン粒径に比較して小さすぎると、一部の純チタン粒子を取り囲むようにＭｇＯ粒子が分布して、それが純チタンマトリックスの焼結を阻害するために、機械的特性が低下する可能性がある。一方、ＭｇＯ粒径が大きすぎると、それらの粗大なＭｇＯ粒子が破壊源として作用するため、やはり機械的特性の低下をもたらす可能性がある。これらのことから、ＭｇＯの原料粒径が、チタン原料粒径の１／２以上２倍以下であることが望ましい。
【００１１】
酸化マグネシウム粉末は、必要により、予め焼成して残存ＣＯ₂ 、Ｈ₂ Ｏを除去して使用される。上記チタン原料粉末と酸化マグネシウム粉末を所定の比率で混合して原料粉末を調製し、これを粉末焼結法により焼結して緻密な焼結体を作製する。この焼結体は、例えば、上記原料粉末を黒鉛ダイスに充填し、温度７００℃程度、プレス圧５５ＭＰａ程度の真空ホットプレスによって作製される。しかし、これらの方法に制限されるものではなく、これらと同効の焼結法であれば同様に使用することができる。上記方法によって作製される本発明のチタン基複合材料は、生体適合性を有し、しかも、純チタンに比べて高い弾性限界ないしは耐力を有するので、例えば、生体用部材の新素材として有用である。
【００１２】
このように、本発明のチタン基複合材料は、純チタンの欠点であった弾性限界ないし耐力の小ささを克服し、しかも、従来のチタン合金において懸念されてきた合金元素に由来する問題とは無縁であることを実現化するものである。また、本発明の、このような粒子分散による材料特性の強化効果は、純チタンのみならず、各種チタン合金に対しても同様に期待できるものである。また、マグネシウムイオン（Ｍｇ²⁺）は、体液に含まれる主要な無機成分のひとつで、なおかつ必須元素でもある。例えば、ヒトの血漿に含まれる陽イオンのなかでは、ナトリウム（Ｎａ⁺ 、１４２ｍｍｏｌ／Ｌ）、カリウム（Ｋ⁺ 、４ｍｍｏｌ／Ｌ）、カルシウム（Ｃａ²⁺、２．５ｍｍｏｌ／Ｌ）に次いで、１ｍｍｏｌ／Ｌと４番目に濃度が高い（「生体用金属材料の体内における損傷と生体反応」山本、材料科学、ｖｏｌ．３５［６］、（１９９８）、２６４−２７０．）。
【００１３】
このため、例えば、本発明に係るチタン基複合材料製インプラントを生体内へ埋入すると、表面に露出したＭｇＯが徐々に分解して、Ｍｇ²⁺を溶出するとともに、近傍の体液ｐＨをアルカリ性側へ変化させる作用を有するものと考えられる。このため、本発明のチタン基複合材料は、骨成分であるアパタイトの、インプラント表面への沈着を促進する効果が期待できる。したがって、本発明は、従来からのチタン及びその合金の用途である各種輸送機器や建築材料などとして好適に使用される新素材を提供するのみならず、チタン系材料の生体材料への一層の利用の促進を可能とする。
【００１４】
【作用】
本発明は、チタン系材料のチタン又はチタン合金を母相とし、これに酸化マグネシウム粒子を分散複合化した、粉末焼結法で作製されたチタン基複合材料であり、ここで、酸化マグネシウム粒子の体積分率は、０．１〜７．５ｖｏｌ％の範囲であり、また、酸化マグネシウムの原料粒径は、チタン原料粒径の１／２以上２倍以下である場合に、機械的特性が顕著に向上化する。すなわち、後記する実施例に示されるように、酸化マグネシウム粒子の体積分率が７．５ｖｏｌ％付近まで引張強度は向上する。また、酸化マグネシウムの原料粒径が、純チタン原料粉末粒径の１／２以上２倍以下の範囲で、特異的に優れた機械的特性が得られる。これは、ＭｇＯ粒子は、その粒径が上記範囲であれば、その焼結過程において、純チタンマトリックスの焼結を阻害したり、あるいは破壊源として作用することがなく、それにより、機械的特性の向上をもたらすことによるものと考えられる。
【００１５】
【実施例】
以下に、本発明を、実施例を参照しつつ具体的に説明する。ただし、以下の各実施例はいずれも本発明の一例であって、これらによって本発明は何ら制限を受けるものではない。
実施例１〜３
（１）焼結体の作製
ＭｇＯ粉末（粒径２００μｍ以下）を１０００℃で焼成して残存ＣＯ₂ 、Ｈ₂Ｏを除去したものと、純チタン粉末（粒径４５μｍ以下）を、ＭｇＯのＶｆが所定の比率（3 、5 、７ｖｏｌ％）となるように混合して原料粉末を得た。これを外径４０ｍｍ内径２０ｍｍの黒鉛ダイスに４．５ｇ充填し、温度７００℃、プレス圧５５ＭＰａ、保持時間３０分の真空ホットプレス法によって、直径２０ｍｍ厚さ３ｍｍの緻密な焼結体を得た。
（２）引張試験
これらの焼結体から、幅２ｍｍ厚さ０．５ｍｍ標点間距離１０ｍｍの引張試験片を５本作製し、室温で引張試験を実施した。
【００１６】
実施例４〜９
上記のＭｇＯ粉末を、目開き寸法９０μｍのふるいを使って、粒径２００−９０μｍならびに粒径９０μｍ以下のＭｇＯ粉末とした他は、上記方法と同様にして得た焼結体について、同様な引張試験を実施した。
【００１７】
実施例１０
また、目開き寸法２５μｍのふるいを用いて、ＭｇＯ粉末を更に分級し、９０−２５μｍのＭｇＯ粉末としたものについて、Ｖｆ５ｖｏｌ％として同様に一連の実験を実施した。
【００１８】
比較例１
また、上記純チタン粉末単独で、上記と同様の方法で得た焼結体について、同様な引張試験を実施した。
【００１９】
比較例２〜４
更に、２００μｍ以下、２００−９０μｍ、そして、９０μｍ以下のＭｇＯ粉末それぞれについて、Ｖｆ１０ｖｏｌ％とした他は、上記と同様の方法で得た焼結体について、同様な引張試験を実施した。
【００２０】
比較例５
更にまた、目開き寸法２５μｍのふるいを用いて得た２５μｍ以下のＭｇＯ粉末を用いて、Ｖｆ５ｖｏｌ％として同様に一連の実験を実施した。
【００２１】
各実施例及び比較例の引張試験結果を表１及び表２に示す。また、表１に示した得られた引張強度の値をＶｆに対してプロットしたものが図１である。図１に示したグラフの曲線から、ＭｇＯ粒径２００μｍ以下、２００−９０μｍ、９０μｍ以下のいずれにおいても、Ｖｆ７．５ｖｏｌ％付近まで引張強度は純チタン（比較例１）よりも大きいことが明らかである。
【００２２】
表１に、温度７００℃、プレス圧５５ＭＰａ、保持時間３０分の真空ホットプレス法によって得た、種々のＭｇＯのＶｆと粒径分布を有する試料の室温における引張強度の結果を示す。
【００２３】
【表１】

【００２４】
表２に、温度７００℃、プレス圧５５ＭＰａ、保持時間３０分の真空ホットプレス法によって得た、種々のＭｇＯ粒径分布を有するＶｆ５ｖｏｌ％の試料について、引張強度と伸び値を求めた結果を示す。
【００２５】
【表２】

【００２６】
上記表２において、実施例２及び５は、上記表１と同じものである。また、実施例１０と比較例５は、目開き寸法２５μｍのふるいを用いてＭｇＯ粉末を更に分級し、得られたものである。この結果から、ＭｇＯ粒径について、純チタン原料粉末粒径４５μｍの１／２にほぼ相当する２５μｍを境とし、大きく特性が変化することがわかった。また、純チタン粒径の２倍にあたる９０μｍ以上のＭｇＯ粒子からなる実施例５と、それ以下の実施例１０では、明らかに後者の方が優れた特性を示している。
【００２７】
図２は、本発明の実施例２（ＭｇＯ粒径２００μｍ以下、５ｖｏｌ％、７００℃、５５ＭＰａで３０分間真空ホットプレスしたもの）で得られた５本の試験片のうちひとつ、そして、比較例１（純チタン、同一原料、同一ホットプレス条件で作製したもの）で得られた５本の試験片のうちひとつについて、その引張試験における応力−ひずみ曲線を示したものである。この曲線から、純チタン、本発明品各々の弾性限界における応力と伸びの値を読み取ると、それぞれ、３８０ＭＰａで４．４％、６５０ＭＰａで６．５％である。このように、本発明のＭｇＯ粒子分散複合化によって、弾性限界が純チタンと比べて二倍近く改善されることがわかる。
【００２８】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明は、純チタン又はチタン合金のマトリックスに酸化マグネシウム粒子を分散複合化した、粉末焼結法により作製されたチタン基複合材料及びその用途に係るものであり、本発明により、以下のような格別の効果が奏される。
（１）強度や耐力などの機械的特性の改善された新しいチタン基複合材料を提供することができる。
（２）本発明のチタン基複合材料は、特に、純チタンを母相としたときに、弾性限界ないしは耐力を顕著に向上させる効果が得られる。
（３）また、各種チタン合金を母相としたときも、強度向上及び生体親和性向上効果が得られる。
（４）本発明は、生体材料やその他のチタン及びその合金の用途において、従来製品にない優れた特性を有する材料を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】種々のＭｇＯのＶｆと粒径分布を有する試料の室温における引張試験の結果を示す（ＭｇＯのＶｆに対して引張強度値をプロットしたものである）。
【図２】本発明の実施例２で得られた試験片と比較例１で得られた試験片の引張試験における応力−ひずみ曲線を示す。

Claims

チタン系材料の母相に、酸化マグネシウム粒子を分散複合化して強度及び生体適合性を向上させたチタン基複合材料であって、
（１）原料粉末が、チタン又はチタン合金と酸化マグネシウム粒子との混合粉末である、
（２）酸化マグネシウムの原料粒径が、チタン原料粒径の１／２以上２倍以下である、
（３）上記混合粉末を粉末焼結法により焼結した焼結体である、
ことを特徴とするチタン基複合材料。
酸化マグネシウム粒子の体積分率が、０．１〜７．５ｖｏｌ％の範囲である請求項１記載のチタン基複合材料。
酸化マグネシウム粒子の粒径が、２００〜２５μｍである、請求項１記載のチタン基複合材料。
請求項１から３のいずれかに記載のチタン基複合材料を構成要素として含むことを特徴とする生体用部材。
生体用部材が、歯科用又は整形外科用インプラントである請求項４記載の部材。