JP4617451B2 - 生体用Ｔｉ合金 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、人工歯，人工歯根等の各種歯科材料，人工股関節，人工膝関節，骨固定用のプレート等の各種インプラント材，外科用ピンセット，クリップ等の医療器具，車椅子等の福祉用具等の生体用材料として好適な生体用Ti合金に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
この種生体用材料として、例えば歯科材料として金，銀，パラジウム或いはニッケルクロム合金等が従来使用されており、最近ではTiも耐食性に優れ、また生体との馴染みが良いことから人工股関節，人工膝関節等の人工骨材料として、或いはまた人工歯根，人工歯床等のインプラント用歯科材料その他の生体用材料として使用されている。
【０００３】
この種生体用Ti材料として、工業用純Ti（ＣＰ−Ti），Ti-6Al-4V等が代表的に上げられるが、例えば工業用純Tiの場合、生体用材料として用いたときに機械的強度が十分でないといった問題がある。
この種生体用材料として要求される特性は、生体と良く馴染むこと，刺激性或いは毒性が無いこと，腐蝕したり崩壊したりしないこと，少々の力を加えても破損しないこと等であるが、工業用純Tiの場合には機械的強度が十分でないといった問題があるのである。
【０００４】
一方Ti-6Al-4V合金はTi合金として各種分野で最も広く使用されている合金であるが、このTi合金は本来他用途に開発されたものであって、これを生体用材料として転用した場合、本来が生体用材料として開発されたものでないため、特に合金元素としてのVが細胞毒性を有するとの報告があって人体への影響が懸念されている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は以上の事情を背景としてなされたもので、毒性が少なく且つ安価に製造可能であって機械的強度も十分な生体用Ti合金を提供することを目的とする。
而して本発明の生体用Ti合金は、質量基準でSi：0.2〜2.3％，Ca：0.002〜0.3％，及びO若しくはNの何れか一方或いは両方をO＋1.6N≦0.7％の範囲で含有し、残部Ti及び不可避不純物から成ることを特徴とする。
【０００６】
【作用及び発明の効果】
以上のように本発明の生体用Ti合金は、生体用材料として十分な機械的強度を有するとともに生体への悪影響もなく、加えて添加成分としてのSi，Caが安価な元素であることから、これを安価に製造することができる。
更にまた本発明のTi合金は、添加成分としてCaを含んでいることから生体との親和性が高く、特に骨組織の代替材として使用されるインプラント材として用いられた場合、骨組織と短時間で密着することができる特徴を有する。
【０００７】
本発明ではまた、O若しくはNの一方又は両方をO＋1.6N≦0.7％で含有させており、これにより生体用Ti合金の更なる強度アップを図ることができる。
【０００８】
次に本発明における各化学成分の限定理由を以下に詳述する。
Ti：残部
Tiはステンレス鋼，Co合金等に比べて軽量であり、且つ耐食性も良好である。
また生体内での細胞との親和性も良いことが知られており、アレルギー性もないことからベース材として使用する。
【０００９】
Si：0.2〜2.3％
Siを添加すると、シリサイドTi_５Si_３を凝固，冷却過程で形成するようになり、0.2％以上の少量の添加で強度アップを図ることができる。
但し過剰に添加するとシリサイドが粒界をフィルム状に取り巻くように形成するようになり延性がなくなるため、2.3％以下に含有量を規制する。
【００１０】
Ca：0.002〜0.3％
Caは骨及びアパタイト中に含まれる成分である。
ここでアパタイト（リン酸カルシウム）は元々生体内で歯や骨を形成している化学成分である。
従ってCaを合金中に添加することにより、生体内でのアパタイト形成を容易にする。また強度を低下させずに延性を改善する効果がある。
但しそのためには0.002％以上含有させる必要がある。
しかしながら過剰に含有させると溶融温度範囲を広げ、製造性を低下させるようになる。
またCa相を析出するようになり、延性改善の効果が飽和する。
そこで本発明では上限を0.3％に規制する。
【００１１】
O＋1.6N：≦0.7％
OはTi中で固溶強化元素として扱われる元素で、本発明ではこれを少量添加することが望ましい。
NもOと同様の働きをする元素であり、それぞれを単独で或いは両方併せて複合添加し、強度アップを図ることができる。
これらO，Nの望ましい量はO＋1.6Nで0.2％以上であり、より望ましくは0.3％以上である。
但しO＋1.6Nで0.7％を超えると強度アップの効果は飽和し鋳造欠陥を招くので、上限を0.7％に規制する。
【００１２】
【実施例】
次に本発明の実施例を以下に詳述する。
真空アーク溶解−加圧鋳造装置を使用して、表１に示す合金組成を有するTi合金を溶解し、長さ４５ｍｍ，幅２０ｍｍ，厚さ１０ｍｍの矩形棒を鋳造した。
【００１３】
【表１】

【００１４】
同鋳造材から平行部寸法が長さ１０ｍｍ，幅２ｍｍ，厚さ０.５ｍｍの引張試験片を切り出し、引張特性を調査した。
その結果が図１に示してある。
尚図１では横軸に引張強さを、また縦軸に伸びを取って各合金におけるそれらの関係を表している。
【００１５】
更にまた図２において、Ca無添加のものとCaを0.02％添加したものについて、Si量を種々変化させたときのSi量と引張強さ及び伸びとの関係を表している。
【００１６】
これらの結果から、Caを添加することによって引張強さを低下させることなく伸びを高め得ること、即ち機械的特性を高め得ることが分る。
更にまた、本発明例のものは何れも比較例のものに比べて機械的な特性が優れていることが分る。
【００１７】
次に表１中の本発明例２−１材を生体の体液と同種の組成を有する人工体液中に浸漬し、人間の体温とほぼ等しい３６．５℃の恒温槽に入れて４週間保持し、その後表面を観察してアパタイトの生成状況を調査した。
その結果を比較材である工業用純Ti（ＣＰ−Ti）材の結果と併せて、図３に顕微鏡観察による表面状態の調査結果を示している。
尚、図中黒く現れている部分が下地のマトリックスであり、白く現れている部分がアパタイトの析出した部分である。
【００１８】
図３の比較から明らかなように、本発明例のものは工業用純Ti材に比べてアパタイトの析出が多いことが認められる。
このことは取りも直さず、本発明例のものが生体内において骨組織との親和性，密着性が高いことを意味している。
【００１９】
以上本発明の実施例を詳述したがこれはあくまで一実施例であり、本発明はその主旨を逸脱しない範囲において種々変更を加えた形態で構成可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施例において得られた引張強さと伸びとの関係を表す図である。
【図２】 本発明の実施例において得られたSi量と引張強さ及び伸びとの関係を表す図である。
【図３】 本発明の実施例において得られたアパタイト析出状態を示す顕微鏡写真である。

Claims (1)

1. 質量基準でSi：0.2〜2.3％，Ca：0.002〜0.3％，及びO若しくはNの何れか一方或いは両方をO＋1.6N≦0.7％の範囲で含有し、残部Ti及び不可避不純物から成る生体用Ti合金。

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