JPH05269195A

JPH05269195A - 生体適合性に優れたチタニウムアルミナイド材

Info

Publication number: JPH05269195A
Application number: JP3072249A
Authority: JP
Inventors: Masaki Kumagai; 正樹熊谷; Takeshi Kawabata; 武川畑; Shuji Hanada; 修治花田
Original assignee: Sumitomo Light Metal Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Light Metal Industries Ltd
Priority date: 1991-03-11
Filing date: 1991-03-11
Publication date: 1993-10-19

Abstract

(57)【要約】【目的】チタニウムアルミナイドの多孔質体からなる
生体適合材料を提供することを目的とする。【構成】Ａｌ２５〜７５at％を含み、残部Ｔｉと不可
避的不純物からなる組成を有する材料で、材料の表面か
ら表面下０．０５〜１０mmまでの表層部に、径０．０１
〜１mmの気孔を有し、前記表層部における気孔の体積率
が５０％以下であることを特徴とする。気孔の体積率を
表面から内部に向って連続的又は非連続的に小さくすれ
ば、生体適合性はさらに向上する。材料中に性能改善の
ためＣｒ、Ｍｎ、Ｂ、Ｖ、Ｙ、Ｍｏ、ＮｂまたはＳｉを
添加することもできる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、軽量で高度の機械的強
度ならびに化学安定性を有する生体適合性に優れたチタ
ニウムアルミナイド材に関する。

【０００２】

【従来の技術】生体適合材料は、材質的に軽量かつ強力
であるとともに生体適合性に優れていることが要求され
る。この観点から、従来、純チタンおよびチタン合金が
生体適合材料として注目され、骨折した骨や関節の固定
具、人工骨や関節、人工歯根などとして使われ始めてい
る。

【０００３】最近、多孔質のチタン生体適合材料の研究
も進められており、骨を良く成長侵入させることにより
骨と直接結合できるようにした生体適合材料として期待
されているが、チタン粉末により成形した多孔質材料で
は機械的強度を要する用途には適さないという問題点が
ある。この問題点を補うために、チタンの多孔質体と圧
延加工したソリッドメタルからなるチタンの支持体とを
溶接もしくは圧接によって突き合せ一体として強度をも
たせたもの（特開平１−１９５８５４号公報）なども開
発されている。しかし、この材料では、骨内埋入用の多
孔質体とソリッドメタルよりなる支持体とをそれぞれ別
個に調製し、これらを突き合せ一体としなければなら
ず、しかも、溶接ビード除去のために接合部外周面を機
械加工によって面仕上げしなければならないという製作
上の煩わしさがある。

【０００４】一方、チタン基面をブラスト法やエッチン
グ法により粗面化することも知られているが、この方法
では浅い表面層において粗面が得られるのみで、十分な
アンカー効果が期待できない。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来のチタ
ン生体適合材料における問題点を解消し、強度メンバー
として支持体を接合しない単一の多孔質体でも十分な強
度を有する生体適合材料の提供を目的とするもので、チ
タニウムアルミナイド材の研究過程において、チタニウ
ムアルミナイドが生体に対して無毒無害で生体親和性が
よく、多孔質にしても強度、耐食性等が損われないとい
う性質を備えていることを発見したことに基づくもので
ある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明による生体適合材料は、Ａｌ２５〜７５at％を
含み、残部Ｔｉと不可避的不純物からなるチタニウムア
ルミナイド粉末成形材料であって、該材料の表面から表
面下０．０５〜１０mmまでの表層部に、径０．０１〜１
mmの気孔を有し、前記表層部における気孔の体積率が５
０％以下であることを基本的構成とする。また、該体積
率を表面から内部に向って連続的または非連続的に小さ
くすれば生体適合性の面で一層好ましい構成となる。さ
らに前記材料中には、選択的合金成分としてＣｒ０．０
５〜１０at％、Ｍｎ０．０５〜１０at％、Ｂ０．０１〜
１０at％、０．０５〜１０at％のＶ、Ｙ、ＭｏおよびＮ
ｂ、およびＳｉ０．００１〜１０at％のうちの１種以上
を含んでもよい。

【０００７】本発明の気孔を有する生体適合材料は、Ｔ
ｉ粉末、Ａｌ粉末を用いる要素粉末法により作製する。
気孔の径および気孔の体積率は、原料となるＡｌ粉末の
粒径と粉末集合体の加工度を変えることにより調整する
ことができる。Ａｌ粉末の粒径を大きくすると、粉末集
合体の反応（Ａｌ＋Ｔｉ→ＴｉＡｌ）時にＡｌがＴｉ側
に急速に拡散する現象により大きな流出孔が形成され、
粉末集合体の加工度を大きくすると、Ａｌ部が細かく分
散するため気孔が小さく分散する。原料として粉末を用
いるため、粉末を入れる型を目的形状に合わせて作製し
ておけば、容易にニアネットシェイプの素材が得られ
る。このとき、例えば骨の表面に当る部分（腱が接合さ
れる部分）に粒径の粗いＡｌ粉末を使用しておけば、生
体適合性がとくに必要な部分だけに所定の気孔が形成さ
れる。

【０００８】本発明の要件は、まずチタニウムアルミナ
イドをＡｌ２５〜７５at％、残部Ｔｉと不可避的不純物
よりなる組成とすることである。Ａｌ成分が前記の範囲
を外れるとチタニウムアルミナイドの形成が困難とな
る。

【０００９】つぎに、材料の表面から表面下０．０５〜
１０mmまでの表層部に、径０．０１〜１mmの気孔を形成
し、表層部における気孔の体積率を５０％、好ましくは
０．５〜５０％とすることが重要な要件となる。さらに
該体積率を表面から内部に向って連続的または非連続的
に小さくすると一層生体適合性に優れたものとなる。気
孔の径が０．０１mm未満では生体との適合性が十分でな
く、径が１mmを越えると生体材料としての強度が不十分
となる。気孔率が５０％を越えると材料の強度が低下す
る。気孔の分布する表層部の厚さが、表面から０．０５
mm未満では生体適合効果が小さく、表面から１０mmを越
えて分布しても生体に対するアンカー効果が変らず、材
料の強度が低下するおそれもある。気孔の体積率を表面
から内部に向って連続的または非連続的に小さくするこ
とにより生体に対するアンカー効果を一層向上させるこ
とができる。

【００１０】前記の材料組成に、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｂを添加
すると材料の延性が向上する。好適な含有量はＣｒ０．
０５〜１０at％、Ｍｎ０．０５〜１０at％、Ｂ０．０１
〜１０at％の範囲で、これらの含有量未満では延性の向
上効果が小さく、上限を越えて添加してもそれ以上の延
性の向上はみられない。

【００１１】Ｖ、Ｙ、Ｍｏ、Ｎｂの添加は材料の強度を
向上させる効果がある。好適な含有量はそれぞれ０．０
５〜１０at％の範囲で、０．０５at％未満では強度の向
上効果が不十分であり、１０at％を越えて添加してもそ
れ以上の強度の向上はみられない。

【００１２】Ｓｉを添加すると材料の耐酸化性が向上す
る。好適な含有量は０．００１〜１０at％の範囲で、
０．００１at％未満では耐酸化性向上効果が小さく、１
０at％を越えて添加してもそれ以上の耐酸化性向上効果
は期待できない。

【００１３】

【作用】本発明によるチタニウムアルミナイド材は上記
の構成および機能を有するから、生体材料として軽量か
つ十分な強度を有するとともに、化学安定性かつ高く、
材料中の気孔径、気孔分布範囲、当該分布範囲内での気
孔の体積率を特定した組織により、生体に対する適合性
がきわめて優れたものとなる。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の実施例を比較例と対比して説
明する。実施例１Ａ粉として、表１に示す組成Ｎｏ. １〜９の組成になる
ようにＴｉ粉末（粒径０．３〜０．５mm) と、Ａｌ−Ｍ
合金（Ｍ＝Ｃｒ、Ｍｎ、Ｂ、Ｖ、Ｙ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｓ
ｉ）粉末（粒径０．４〜０．６mm）を混合した。。一
方、Ｂ粉として、表１に示す組成Ｎｏ．１〜９の組成に
なるようにＴｉ粉末（粒径０．０１〜０．１５mm) とＡ
ｌ−Ｍ合金（Ｍ＝Ｃｒ、Ｍｎ、Ｂ、Ｖ、Ｙ、Ｍｏ、Ｎ
ｂ、Ｓｉ）粉末（粒径０．０１〜０．１５mm) を混合し
た。

【００１５】外径２２０mm、内径２００mm、長さ３８０
mmのゴム型に外径１８０〜１９０mm、肉厚０．５mmのス
テンレス製管を入れ、ステンレス鋼製管の外側にＡ粉、
内側にＢ粉を充填した。充填後、ステンレス鋼製管を引
き抜き、ゴム型を密封した。これをＣＩＰ（冷間静水
圧）成形して１９２mm径×３５０mm長さの圧粉体とした
のち、外径２０５mm径のＡｌ缶に封入し、６２３Ｋ×５
ｈ、１．３×１０^-4Ｐａの条件で脱気した。ついで、Ａ
ｌ缶ごと４００℃で５０〜７０mm径に押出し、Ａｌ缶部
を切削除去したのち、Ａｒガス雰囲気中、１５７３Ｋ×
１０ｈの条件でＨＩＰ（熱間静水圧）処理（ＨＩＰの昇
温時にＴｉ＋Ａｌ→ＴｉＡｌの反応が生じ、その際押出
材外周部においてＡｌ部に流出孔が形成する）を行い、
表１に示す気孔分布層、気孔径、気孔体積率を有するチ
タニウムアルミナイド材を得た。

【００１６】

【表１】

【００１７】この素材でうさぎの大腿部の骨を作製し、
気孔を有する部分を骨の表面側にして装着したところ、
１０〜２４ｈ経過後若干の抗体反応を生じたものもあっ
たが、その後２．１６×１０³ｈ経過してもとくに問題
を生じなかった。

【００１８】実施例２Ａ粉として、Ｔｉ−３６at％Ａｌの組成になるようにＴ
ｉ粉末（粒径０３．〜０．５mm) とＡｌ粉末（粒径０．
４〜０．５mm）を混合した。Ｂ粉として、Ｔｉ−３６at
％Ａｌの組成になるようにＴｉ粉末（粒径０．３〜０．
５mm）とＡｌ粉末（粒径０．５〜０．６mm) を混合し
た。さらに、Ｃ粉末として、Ｔｉ−３６at％Ａｌの組成
になるようにＴｉ粉末（粒径０．０１〜０．１５mm) と
Ａｌ粉末（粒径０．０１〜０．１５mm) を混合した。外
径２２０mm、内径２００mm、長さ３８０mmのゴム型に外
径１９０mm、および外径１８０mm、肉厚０．５mmのステ
ンレス鋼製管を入れ、ステンレス鋼製管とゴム型の間に
Ａ粉、ステンレス鋼製管とステンレス鋼製管の間にＢ
粉、ステンレス鋼製管の内側にＣ粉を充填した。充填後
２本のステンレス鋼製管を引き抜きゴム型を密封して、
実施例１と同様の処理を行い、５０mm径に押出した。押
出し後Ａｌ缶部を切削除去したのち、実施例１と同様の
条件でＨＩＰ処理したところ、表面からの気孔分布層厚
が３mm、気孔の分布層内での気孔径が表面部で０．３m
m、内部で０．１mm、気孔の分布層内での気孔体積率が
表面部で３０％、内部で２０％のチタニウムアルミナイ
ド材が得られた。この素材でうさぎの大腿部の骨を製作
し、気孔を有する部分を骨の表面側にして装着したとこ
ろ、２．１６×１０³ｈ経過してもとくに問題を生じな
かった。

【００１９】比較例表１の組成Ｎｏ．１の粉末を使用し、押出し寸法を３５
mm径とした以外は実施例１と同様の条件で成形し、チタ
ニウムアルミナイド材を得た。素材の気孔分布層厚は１
mm、気孔径は０．０１mm未満、気孔体積率は５％未満で
あった。この素材でうさぎの大腿部の骨を作製、装着し
たところ、２．１６×１０³ｈ経過時点で大腿部端部で
の腱の剥離が認められた。また、Ｔｉ−Ｎｉ合金で同様
の試験を行ったところ、１．６８×１０²ｈで大腿部端
部で腱が剥離し、肉離れが生じた。

【００２０】

【発明の効果】以上のとおり、本発明により提供される
チタニウムアルミナイド材は、軽量で強度が高く、優れ
た生体適合性を備えている。

フロントページの続き (72)発明者花田修治宮城県仙台市太白区山田自由ケ丘43−20

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ａｌ２５〜７５at％を含み、残部Ｔｉと
不可避的不純物からなるチタニウムアルミナイド粉末成
形材料であって、該材料の表面から表面下０．０５〜１
０mmまでの表層部に、径０．０１〜１mmの気孔を有し、
前記表層部における気孔の体積率が５０％以下であるこ
とを特徴とする生体適合性に優れたチタニウムアルミナ
イド材。
【請求項２】材料中に、Ｃｒ０．０５〜１０at％、Ｍ
ｎ０．０５〜１０at％、およびＢ０．０１〜１０at％の
うちの１種以上を含む請求項１記載の生体適合性に優れ
たチタニウムアルミナイド材。
【請求項３】材料中に、それぞれ０．０５〜１０at％
のＶ、Ｙ、ＭｏおよびＮｂのうちの１種以上を含む請求
項１又は２記載の生体適合性に優れたチタニウムアルミ
ナイド材。
【請求項４】材料中にＳｉ０．００１〜１０at％を含
む請求項１、２又は３記載の生体適合性に優れたチタニ
ウムアルミナイド材。
【請求項５】気孔の体積率が表面から内部に向かって
連続的または非連続的に小さくなる請求項１、２、３又
は４項記載の生体適合性に優れたチタニウムアルミナイ
ド材。