WO2006054358A1

WO2006054358A1 - 生体用合金のNi微量不純物によるアレルギー毒性を無害化する方法

Info

Publication number: WO2006054358A1
Application number: PCT/JP2004/017302
Authority: WO
Inventors: Akihiko Chiba; Shingo Kurosu; Naoyuki Nomura
Original assignee: Iwate University
Priority date: 2004-11-19
Filing date: 2004-11-19
Publication date: 2006-05-26
Also published as: US20140144555A1; CN101052734A; EP1829982A1; EP1829982B1; US20130259735A1; CN101052734B; WO2006054368A1; EP1829982A4; US20110023661A1; US20080251163A1

Abstract

　生体用Co-Cr-Mo合金やNiフリーステンレス鋼合金において不可避的に存在するNi微量不純物によるアレルギー毒性などの生体毒性を無害化する技術を提供。生体用Co-Cr-Mo合金やNiフリーステンレス鋼合金におけるNi微量不純物による生体毒性を無害化する方法であって、合金組成に、元素周期表第IVＡ族、第VＡ族、及び第IIIＢ族に属する元素からなる群から選択された元素、特には元素周期表第IVＡ族に属する元素からなる群から選択された元素を添加することを特徴とする生体用Co-Cr-Mo合金及びNiフリーステンレス鋼合金のニッケル毒性の無毒化法。好適には、添加元素は、ジルコニウム及びチタンからなる群から選択されたもので、より好ましくは、ジルコニウムである。

Description

明細書

生体用合金の Ni微量不純物によるアレルギー毒性を無害化する方法技術分野

[0001] 本発明は、生体用 Co-Cr-Mo合金やニッケルフリーステンレス鋼合金の Ni微量不純物によるアレルギー毒性などの生体毒性を無害化する方法及び Niの生体毒性が無毒化されている Co-Cr-Mo合金又は Niフリーステンレス鋼合金並びに該合金より製造される生体用材料及び人工補綴材に関する。

背景技術

[0002] Co-Cr-Mo合金は、耐食性，耐磨耗性，加工性に優れており、そうした信頼性から、人工骨材とヽつた補綴材料、外科用インプラントなど様々な医療用デバイスとして活用されている。 Co基合金は塑性カ卩ェが困難なことから Niを添加することによって加工の改善を図ってきた力近年では、 Niによるアレルギーや発癌性などの生体毒性の発現が報告されている。

[0003] また、原料には不可避的に Niが含有される力そうした微量の Niでさえも、その生体毒性が懸念されている。該原料に存在する不可避的 Niというものは、原料の純度を上げることで理論的には解決可能であるが、そうした高純度化は原料価格の増大を招くので、実用的でなぐ実質上問題がある。同様に、 Niフリーステンレス鋼合金もその優れた特性を利用して生体材料、医療用材料として利用されたり、有望視されている力原料に不可避的に存在し、その結果、 Niフリーと呼称されながら実際には避けることのできない混在する微量の Niによる生体毒性の発現が問題である。

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0004] そこで、本発明者らは、生体用 Co-Cr-Mo合金などにおいて、 Niに起因する生体毒性を抑制する技術の開発をすベぐ広範な探索を行い、鋭意研究を行った。その結果、生体用 Co-Cr-Mo合金において、 Niと化合物を形成する元素であって、さらに生体毒性が少ない元素を添加すれば、該合金の優れた特性を損なうことなぐ Niに起因する生体毒性を抑制することが可能であることを見出して、これに基づき本発明を完成せしめた。本発明者らは、さらに、この無毒化技術が Niフリーステンレス鋼合金にも応用できるとの認識を有し、本発明を成し遂げたものである。

課題を解決するための手段

[0005] 本発明は、生体用 Co-Cr-Mo合金又は Niフリーステンレス鋼合金における Ni微量不純物による生体毒性を無害化する方法であって、合金組成に、元素周期表第 IVA 族、第 VA族、第 ΠΙΒ族に属する元素、ランタノイド元素、ミッシュメタル、 Mgからなる群力も選択された元素または化合物を添加することを特徴とする生体用 Co-Cr-Mo合金又は Niフリーステンレス鋼合金のニッケル毒性の無毒化法を提供して、る。好ましい態様では、該添加元素は、 Mg, Al, Ti, Zr及び Nb力もなる群力も選択されたものである。特に、本発明は、生体用 Co-Cr-Mo合金又は Niフリーステンレス鋼合金における Ni微量不純物による生体毒性を無害化する方法であって、合金組成に、元素周期表第 IVA族に属する元素からなる群力選択された元素を添加することを特徴とする生体用 Co-Cr-Mo合金又は Niフリーステンレス鋼合金のニッケル毒性の無毒化法を提供している。ある好ましい態様では、該添加元素は、ジルコニウム及びチタンからなる群力も選択されたものである。より好適には、添加元素は、ジルコニウムであってよい。特に、本発明は、合金組成中のニッケル含有量力 (1)1.0 wt%程度あるいはそれ以下、（2)0.5 wt%程度あるいはそれ以下、（3)0.002 wt%程度あるいはそれ以下、（4) 少なくとも 100 ppmオーダーあるいはそれ以下、または (5)数 100 ppmオーダーあるいはそれ以下のもので、 Niが不可避的に混在する合金に適用されるニッケル毒性の無毒化技術である。

[0006] 本発明は、生体用 Co-Cr-Mo合金又は Niフリーステンレス鋼合金における Ni微量不純物による生体毒性を無害化する目的で、合金組成に、元素周期表第 IVA族、第 VA族、第 ΠΙΒ族に属する元素、ランタノイド元素、ミッシュメタル、 Mgからなる群力選択された元素または化合物を添加されているものであることを特徴とするニッケル毒性の無毒化された生体用 Co-Cr-Mo合金又は Niフリーステンレス鋼合金を提供している。一つの態様では、本発明の合金は、合金組成中のニッケル含有量が、 (1)1.0 wt%程度あるいはそれ以下、（2)0.5 wt%程度あるいはそれ以下、（3)0.002 wt%程度あるいはそれ以下、（4)少なくとも 100 ppmオーダーあるいはそれ以下、または (5)数 100 ppmオーダーあるいはそれ以下のもので、 Niが不可避的に混在するものである。さらに、本発明は、上記のニッケル毒性が無毒化された生体用 Co-Cr-Mo合金又は Niフリーステンレス鋼合金カゝら製造されたことを特徴とする医療用デバイスを提供している。また、本発明は、上記のニッケル毒性が無毒化された生体用 Co-Cr-Mo合金又は Niフリーステンレス鋼合金を、焼入れ、金属のガス霧化法、機械的合金法、溶湯急冷法、熱間押出し、熱間圧延、熱間線引き及び鍛造からなる群から選択された処理を加えて製造されたことを特徴とする医療用デバイスを提供している。

発明の効果

[0007] Co-Cr-Mo合金や Niフリーステンレス鋼に生体毒性の少ない元素、例えば、 Ti, Nb,

Zr, A1などを第 4要素として添加することで、 Niを固定ィ匕し Niイオンの溶出を抑制できる。これにより Niの実質的な無害化ができる。 Niを意図的に添加しなくても、原料から混入される Ni不純物（lOOppmオーダー）が存在するが、本発明はこのような Niに対しても対処できる。力べして、生体毒性の少ない、すなわちより安全な生体材料として、人工股関節、ステント材など様々な医療用デバイスに応用可能である。

[0008] 本発明のその他の目的、特徴、優秀性及びその有する観点は、以下の記載より当業者にとっては明白であろう。し力しながら、以下の記載及び具体的な実施例等の記載を含めた本件明細書の記載は本発明の好ましい態様を示すものであり、説明のためにのみ示されて、るものであることを理解された!、。本明細書に開示した本発明の意図及び範囲内で、種々の変化及び Z又は改変（あるいは修飾)をなすことは、以下の記載及び本明細書のその他の部分からの知識により、当業者には容易に明らかであろう。本明細書で引用されている全ての特許文献及び参考文献は、説明の目的で引用されているもので、それらは本明細書の一部としてその内容は本明細書の開示に含めて解釈されるべきものである。

図面の簡単な説明

[0009] [図 1]1%乳酸を使用しての金属溶出試験における各合金試料片（実施例 1)の Co金属溶出の結果を示すものである。

[図 2]1%乳酸を使用しての金属溶出試験における各合金試料片（実施例 1)の Cr金属溶出の結果を示すものである。 [図 3] 1%乳酸を使用しての金属溶出試験における各合金試料片（実施例 1)の Mo金属溶出の結果を示すものである。

[図 4] 1%乳酸を使用しての金属溶出試験における各合金試料片（実施例 1)の Ni金属溶出の結果を示すものである。

[図 5] 1%乳酸を使用しての金属溶出試験における各合金試料片（実施例 1)の各添加元素の金属溶出の結果を示すものである。

[図 6]Co- 29Cr- 6Mo- INi合金と Co- 29Cr- 6Mo- INi- 0.05Zr合金につ!、て、それぞれの公称応力一公称ひずみ曲線を示す。

[図 7] 1%乳酸を使用しての金属溶出試験における各合金試料片（実施例 3)の Co金属溶出の結果を示すものである。

[図 8] 1%乳酸を使用しての金属溶出試験における各合金試料片（実施例 3)の Cr金属溶出の結果を示すものである。

[図 9] 1%乳酸を使用しての金属溶出試験における各合金試料片（実施例 3)の Mo金属溶出の結果を示すものである。

[図 10] 1%乳酸を使用しての金属溶出試験における各合金試料片（実施例 3)の Ni金属溶出の結果を示すものである。

発明を実施するための最良の形態

本発明にお、て、「生体用 Co-Cr-Mo合金」としては、実質的な割合のクロム (Cr)及びモリブデン (Mo)を含有するコバルト (Co)を基体として、る合金であって、当該分野で「超合金 (super alloy)」として知られている群に含まれるものが挙げられる。用語「超合金」とは、非常に高い強度、優れた機械的特性並びに耐食性を持っているものを一般的に表すのに使用されている技術用語であって、代表的な超合金は安定的なミクロな組織を備えていることが認められている。本生体用 Co-Cr-Mo合金は、優れた生体適合性を有するものであり、高い降伏強度、優れた硬さなどを有している。該 Co— Cr— Mo合金としては、 ASTM(American Society for Testing and Materials;ァメリ力材料試験協会)規格、例えば、 ASTM F1537 94、 ASTM F799、 ASTM F75など、 ISO(International Organization for Standardization;国際標準化機構)規格、例えば、 ISO 5832-12などを挙げることができる。 [0011] ASTM F 1537 94規格の合金組成（重量⁰ /₀(wt%))は、次のようなものである： Mo: 5.0—7.0 wt%、 Cr: 26.0一 30.0 wt%、 C:≤0.35 wt%、

Ni:≤1.0 wt%、 Fe:≤0.75 wt%、 Mn:≤1.0 wt%、

Si:≤1.0 wt%、 N：≤0.25 wt%、そして

2

残部が、 Coである。

ここで、 Niは、原料に不可避的に混在していることに起因して、少なくとも 0.2— 1.0 wt%程度は、通常、含まれており、残部の Coとは、痕跡量で付随してくる不純物を除!、た Co量を意味して、る。

[0012] 該 Co-Cr-Mo合金としては、 Vitallium (商品名)が整形外科用製品として知られて!/、る力その一般的な糸且成は次のようなものである：

Mo:おおよそ 5.50 wt%、 Cr:おおよそ 28.00 wt%、

C: おおよそ 0.25 wt%、 Mn:おおよそ 0.70 wt%、

Si:おおよそ 0.75 wt%、そして

残部が、 Coである。

ここで、 Niは、原料に不可避的に混在していることに起因して、少なくとも 0.002 一 2.5 wt%、通常、含まれており、残部の Coとは、痕跡量で付随してくる不純物を除いた Co量を意味している。

[0013] 該 Co-Cr-Mo合金は、数多くのものが報告されており、例えば、特開 2002-363675 公報 (JP, A, 2002-363675)、国際公開第 97/00978号パンフレット (WO, A, 97/00978) 、米国特許第 5,462,575号明細書 (US, A, 5 462 575)、米国特許第 4,668,290号明細書 (US, A, 4 668 290)などに開示のものあるいはそれらを修飾したもの、それから誘導されたものなどが含まれてもよい。例えば、特開 2002-363675公報に開示されているように、 Moの量が、≤12.0 wt%程度まで増量されているものや 10 wt%程度まで増量されて、るものも含まれてよ！、。

[0014] 一つの具体的な態様では、該 Co- Cr- Mo合金は、 Mo:おおよそ 5.0— 6.0 wt%、 Cr: おおよそ 26.0— 28.0 wt%、 C:≤おおよそ 0.07 wt%、Ni:≤おおよそ 1.0 wt%、 Fe:≤おおよそ 0.75 wt%、 Mn:≤おおよそ 1.0 wt%、 Si:≤おおよそ 1.0 wt%、 N：≤おおよそ

2

0.25 wt%、そして残部力 Coである（ここで、 Niは、原料に不可避的に混在していることに起因して、少なくとも 0.002 wt%程度、最低でも、 50 ppmのオーダーより多くが存在しており、残部の Coとは、痕跡量で付随してくる不純物を除いた Co量を示している）というものであってよい。

[0015] 別の具体的な態様では、該 Co- Cr- Mo合金は、 Mo:おおよそ 6.0— 12.0 wt%、 Cr:

おおよそ 26.0— 30.0 wt%、 C:おおよそ 0—0.30 wt%、そして残部が、 Coである（ここで、 Niは、原料に不可避的に混在していることに起因して、少なくとも 0.02 wt%程度、最低でも、 50 ppmのオーダーより多くが存在しており、残部の Coとは、痕跡量で付随してくる不純物を除、た Co量を示して!/、る） t\、うものであってよ！/、。

[0016] 該合金として不可避的に Niを含有することになるものは、本発明の技術を適用できる。市販されて、る Ni不含の (Ni-free)Co-Cr-Mo合金や Niフリーステンレス鋼と!/、うものも、実際上、極めて微量あるいは痕跡量の Niが含まれており、ある場合には、 1 wt% までの Niが含まれていたり、あるいは、 0.5 wt%までの Niが含まれていたり、さらに例えば、少なくとも 100 ppmオーダーの Niが含有されている力本発明の技術はそうしたものに適用されて有用である。典型的には、数 100 ppmオーダーの Niが不可避的に混在する合金ある!ヽはそれ以下の量で Niが混在する合金に適用されて有用である。

[0017] 本発明では、上記 Co-Cr-Mo合金（あるいは Niフリーステンレス鋼）を構成する組成を与える原料に、 2元状態図上で、 Niと化合物を形成する元素であって、さらに生体毒性が少な!/ヽ元素を添加し、得られた当該合金用配合物を通常の合金調製法に付してそれを行うことができる。添加元素としては、 Niと結合する性質の強い元素から選択することができる。 Niと結合する元素は、水素吸蔵合金 (化合物）で各種のものが知られており、本発明でもそうしたことの知られている元素などカゝらそれを選択して使用してよい。添加元素としては、元素周期表第 IVA族、第 VA族、第 ΠΙΒ族に属する元素、ランタノイド元素、ミッシュメタル、マグネシウム (Mg)力もなる群力選択された元素または化合物を添加する。添加方法としては、溶湯に存在する酸素を通常行われている脱酸処理を施して力行うことが望ましい。これは、溶湯中の酸素濃度が高すぎると、添加する元素、すなわち周期表第 IVA族、第 VA族、第 ΙΠΒ族に属する元素、ランタノイド元素、ミッシュメタル、マグネシウム (Mg)力もなる群力選択された元素または化合物力 Niと結合する前に、溶湯中に固溶する酸素と反応して酸化物となることを防止するためである。これらの添加元素は単独で添カ卩して用いることも、数種組み合わせて用いることもでき、さらに複合せしめて添加せしめることもできる。より好ましくは、元素周期表第 IVA族に属する元素からなる群から選択された元素を添加する。代表的には、チタン (Ti),ジルコニウム (Zr)などが挙げられ、特に、 Zrは好ましい添加元素である。

[0018] 添加元素の合金組成における配合量は、合金に含有される Niの含有量に応じて増減することができ、所要の目的が得られ且つ得られる合金の特性に実質的に悪影響を及ぼさない範囲でその配合量を設定できる。例えば、合金中に 1 wt%の Niが存在する場合では、 0.05 wt%の Zrの添加で実質的に生体内での Niの溶出を完全に抑制できる一方で、合金の機械的特性にっ、てはそれが低下すると、つた影響はな、。

[0019] 本発明では、該添加元素として、アルミニウム (Al)、ニオブ (Nb)、タンタル (Ta)などからそれを選択してもよい。ランタノイド元素としては、ランタン (La)、セリウム (Ce)、プラセォジゥム (Pr)、ネオジゥム (Nd)、プロメチウム !^、サマリウム (Sm)、ユウ口ピウム (Eu)、ガドリニウム (Gd)、テルビウム (Tb)、ジスプロシウム (Dy)、ホルミウム。)、エルビウム (Er)、ツリウム (Tm)、イッテルビウム (Yb)、ルテチウム (Lu)が挙げられる。ミッシュメタルとは、希土類金属の化合物を指している力希土類金属の元素としては、スカンジウム (Sc)、イットリウム (Yb)、 La、 Ce、 Pr、 Ndなどのランタノイド元素、ァクチノイド元素などが挙げられる。

[0020] 合金組成における添加元素の配合割合は、合金中 1 wt%の Niに対して、 0.0001— 10.0 wt%、好ましくは、 0.001— 5.0 wt%、より好ましくは、 0.01— 2.0 wt%で、ある場合には 0.001— 1.0 wt%、より好ましくは、 0.01— 0.5 wt%である力これには限定されず、所要の目的が得られ且つ得られる合金の特性に実質的に悪影響を及ぼさない範囲でその配合量を変えることができる。代表的な場合、合金組成における添加元素の配合割合は、合金中 1 wt%の Niに対して、例えば、 Zrでは 0.0001— 1.0 wt%、好ましくは、 0.001— 0.5 wt%、より好ましくは、 0.01— 0.1 wt%で、 Tiでは 0.001— 5.0 wt%、好ましくは、 0.01— 1.0 wt%、より好ましくは、 0.1— 0.5 wt%で、 A1では 0.001— 5.0 wt%、好ましくは、 0.01— 1.5 wt%、より好ましくは、 0.1— 0.8 wt%で、 Nbでは 0.001— 5.0 wt%、好ましくは、 0.01— 1.5 wt%、より好ましくは、 0.1— 0.8 wt%である力これには限定されず、所要の目的が得られ且つ得られる合金の特性に実質的に悪影響を及ぼさない範囲でその配合量を変えることができる。

[0021] 本発明では、無毒化用添加元素を加えた合金原料はそれを一緒にし、必要に応じて、混合後、加熱して溶融せしめ、溶融合金とする。溶融化は、真空誘導溶融法 (vacuum induction melting; VIM)のほ力さまざまな公知の方法を適用できる。溶融処理工程の間、 VIM炉にはアルゴンガスなどの不活性ガスの分圧をかけておくこともできる。また、別の手法としては、 VIM炉に不活性ガスや窒素ガスを含有している被覆用ガスを流しておくこともできる。当該不活性ガスや被覆用ガスの存在下、溶融された合金は、適宜、所定の組成が得られる所定の温度にまで加熱されたり、あるいは所定の温度で保持される。次に、溶融している合金は、インゴットあるいは所要の形状物体に铸造することができ、そのまま冷却せしめてもよいし、必要に応じて、焼入れすることができる。焼入れ法としては、水焼入れ、氷水での焼入れ、油焼入れ、熱浴焼入れ、塩浴焼入れ、電解焼入れ、真空焼入れ、空気焼入れ、噴射焼入れ、噴霧焼入れ、段階焼入れ、時間焼入れ、プレスタエンチ、部分焼入れ、鍛造焼入れなどが挙げられるが、適宜、それぞれに適したものが適用される。代表的な場合では、水焼入れ、氷水での焼入れが挙げられる。インゴットは、熱間押出し、熱間圧延、熱間線引き等を行うことにより所望の形状に加工することもできる。

[0022] さらに、合金溶融物は、溶湯急冷法により、薄帯、細線などの所望の形状にすることができる。該溶湯急冷法には、液体紡糸法、回転液中紡糸法、キャベツシュ法、双ロール法、片ロール法などが含まれてよい。溶湯急冷法では、一般的には、冷却されて、る金属ロールあるいは冷媒流体中に溶融金属を噴出せしめてこの溶融金属を凝固させる。該冷却されている金属ロールは、通常、高速で回転せしめられている。該冷媒流体としては、各種のものを使用でき、所望の結果が得られる限り限定されないが、例えば、シリコーンオイル類を含む流体を使用できる。該シリコーンオイル類としては、例えば、東芝シリコーン社製ポリジメチルシロキサン TSF451— 30や TSF440が挙げられる力これらに限定されない。また、これらのシリコーンオイル類は単独で用いることも、数種組み合わせて用いることもできる。また、通常のシリコーンオイル類に含まれる低沸点溶媒あるいは溶解した空気などのガスを除くために、使用するシリコーンオイル類をあらカゝじめ減圧下で加熱してそれらを除去しておくことが好ましい場合もある。また、溶融金属をシリコーンオイル類中で急冷凝固して直接金属細線を作製するためには溶融金属ジェット流に加わる擾乱をできるだけ抑えることが好ましい。このため、溶融金属ジェットとシリコーンオイル類の間には微妙なバランスを取ることが望ましい。具体的には、溶融金属ジェットとシリコーンオイル類の速度差、粘度の違い、表面張力の違いなど制御することが望まれる。特に、本発明においてはシリコーンオイル類の粘度を規定することは有効である。

[0023] 回転液中紡糸法とは、一般的には、回転するドラムの内側に遠心力により液層を形成し、溶融金属あるいは溶融合金をノズル孔より噴出して、液層中にて凝固させ金属細線を製造する方法で、例えば、冷媒として水を用いて、合金を溶融状態から回転する水冷媒中に噴出して金属細線を得るといった技術である。キャベツシュ法とは、例えば、特開昭 49-135820号公報 (JP, A, 49-135820 (December 27, 1974))に記載されているような手法で、溶融物を溶融フィラメント状に押出し、制御されたガス状界面領域を経て液状急冷領域へ通すもので、該液状急冷領域ではフィラメントと液状媒体とが並流しているといった技術であり、そこで用いる冷媒としては、流体の媒体であつて、純粋な液体、溶液、ェマルジヨン、または固液分散物であることができ、該流体の媒体は、溶融物と反応して安定ィ匕表面スキンを形成でき、あるいは溶融噴出物と化学的に非反応性であることができるもので、さらに急冷媒体の選択にあたっては、溶融噴出物の熱容量に関係して行なわれ、溶融噴出物の熱容量が大きくなればなるほど、急冷流体をより冷たく及び Z又はその比熱、密度、蒸発熱、および熱伝導率をより高いものとするのが好ましいとされる。さらには、流体の急冷媒体の他の好ましい性質は、一般的には、溶融噴出物の分裂を最小にする低粘度、非粘性、非毒性、光学的透明度を有するもので、低価格のものである。また、実際には、水、 20°Cの 23重量％の塩化ナトリウム水溶液、 33°Cの 21.6重量％の塩化マグネシウム水溶液、 62°Cの 51重量％の塩ィ匕亜鉛水溶液の流体がそれぞれ好ましいこと力さらに 0— 100°Cで 50センチスト一タス粘度級のダウ'コ一-ング 510流体のようなシリコーン急冷流体などを用いることができる。

[0024] また、冷却された合金は、適宜、それをカ卩工せしめることができる。例えば、溶湯急冷法などにより得られた、薄帯、細線などは、必要に応じて整形するなどし、それを医療用デバイスにすることができる。また該合金は、偏析などを取り除くなどのため、さらに均質化熱処理にかけることができる。均質化熱処理は、熱処理と焼入れ処理とからなるものであることができる。熱処理は、当該分野で公知の方法力選んでそれを適用でき、例えば、電気炉などを使用したりすることができる。代表的な場合、減圧あるいは真空下に加熱されることができる。典型的な場合では、例えば、 5— 30時間、好ましくは 8— 24時間、より好ましくは 10— 20時間加熱する。一つの具体例では、 12— 15時間加熱する。加熱温度としては、例えば、 1400°C以下、代表的には 900— 1350 。C、好ましくは 1000— 1300°C、より好ましくは 1050— 1250°Cである力所要の目的が達成されるならばこれらに限定されるものではない。一つの具体例では、 1100— 1200 °Cである。均質化熱処理では、上記加熱処理の後、焼入れすることができる。焼入れ法については上記と同様である。

[0025] 力くして、本発明では、生体用 Co-Cr-Mo合金（あるいは Niフリーステンレス鋼）の Ni 微量不純物によるアレルギー毒性などの生体毒性力当該添加元素配合により無害化される。

[0026] よって、本発明では生体用 Co- Cr- Mo合金（あるいは Niフリーステンレス鋼）の-ッケル毒性の無毒化法が提供されると共に、 Niの生体毒性が無毒化されて、る Co-Cr-Mo合金 (ある、は Niフリーステンレス鋼合金）並びに該合金より製造される生体用材料及び人工補綴材も提供できる。

[0027] 本発明の Co-Cr-Mo合金においては、熱履歴を調整することにより、内部欠陥を解消せしめてあるものを得ることも可能である。該熱履歴調整処理は、鍛造合金に生じているヒケ巣、気泡などは、鍛造で圧潰され、デンドライト組織も破壊され、後続する再結晶焼き鈍しにより均一な組織としょうとするものである。組織調整では、水冷式の銅製铸型を用いて急冷铸造することにより析出物の成長を抑えることが期待できる。高温鍛造等の塑性加工により、析出物、金属間化合物等の第二相を微細分散させることが期待できる。铸造時の急冷が析出物の成長抑制に及ぼす影響は、铸込み温度から 400°Cまでの温度域を 1000°CZ分以上の冷却速度で冷却するとき顕著になる。また、高温鍛造により、デンドライト等の铸造組織が破壊され、 50 m以下に微細化された等軸結晶粒カゝらなるマトリックスが形成される。マトリックスの微細化は、耐磨耗性の向上にも有効である。

[0028] 本発明では、熱処理方法及び加工温度の選定によって σ相の生成を防止することも可能である。具体的には、本発明系において高温鍛造温度を 1100— 1400°Cの範囲に設定することができる。高温鍛造した当該合金を室温に持ち来たす場合にも、水冷等の急冷を採用することによって _σ相が防止され、第二相が成長することなく粒状の析出物又は晶出物としてマトリックスに微細分散することができる。

[0029] 本発明の合金は、特開昭 62-80245公報 (JP, A, 62-80245 (April 13, 1987))に開示されているような金属のガス霧化法 (gas atomization)に付したり、米国特許第

3, 591, 362号明細書 (US, A, 3 591 362)に開示されている機械的合金法 (mechanical alloying)を利用している特開平 5-1345公報 (JP, A, 5-1345 (January 8, 1993》に開示されてヽる技術を適用して医療用デバイスに適した形態の合金にすることも可能である。例えば、本発明の Ni無毒化用添加元素を含んだ合金を、ガス霧化法で粉末状にして製造せしめ、得られる粉末を熱的機械的処理により圧縮せしめて、固体合金とし、必要に応じて、鍛造処理して加工して人工補綴材を製造できる。該熱的機械的処理としては、熱間押出し、熱間圧延、熱間プレスなどが包含されてよい。鍛造された合金は、冷間圧延、機械加工などされることもできる。製品は、次に、機械加工されて、滑らかな表面に仕上げることができ、また必要に応じて、該滑らかな表面を処理して多孔質被覆を施すこともできる。

[0030] 本発明のニッケル毒性が無毒化された Co-Cr-Mo合金より生体用材料及び人工補綴材などの医療用デバイスを製造できる。該医療用デバイスとしては、ブリッジ、歯根などの歯科材料、人工骨材といった補綴材料、外科用インプラントなど、さらに生体適合性インプラント、関節用インプラント、医療用人工インプラントなどが含まれる。ィンプラント材などとしては、人工の腰、人工の膝、人工の肩、人工の足首、人工の肘、その他の人工の関節インプラントなどが挙げられる。本発明の合金を使用して、骨折部位を固定したりするための部材を製造することもできる。該部材としては、クギ、ネジクギ、ナット、ネジ、プレート、針、鈎針、鈎、受具、埋込み土台などが含まれる。

[0031] 本発明の合金中 Niによる生体毒性の無毒化技術は、ニッケルフリーステンレス鋼合金又は単に-ッケノレフリーステンレス鋼（Ni- free stainless steel, Ni- free stainless steel alloy)にも応用することができて有用である。特に、フェライト系ステンレス鋼にニッケルの代わりに窒素を添加することで力学的強度と耐食性を飛躍的に向上させたオーステナイト系ニッケルフリ一ステンレス鋼があるが、そうしたニッケルフリーステンレス鋼に適用できる。代表的なニッケルフリーステンレス鋼合金としては、例えば、 R.C. Gebeau and R.S. Brown: Adv. Mater. Process., 159 (2001) 46- 48などに開示のものが挙げられ、代表的な合金組成としては次のようなものである：

Cr: 19.0一 23.0 wt%、 Mn: 21.0—24.0 wt%、 Mo: 0.5一 1.5 wt%、

N

2： 19.0— 23.0 wt%、そして

残部が、 Feである。

ここで、 Niは、原料に不可避的に混在していることに起因して、少なくとも 100 ppmオーダ一一 1.0 wt%程度は、通常、含まれており、残部の Feとは、痕跡量で付随してくる不純物を除、た Fe量を意味して、る。

[0032] 本ニッケルフリーステンレス鋼合金についても、上記 Co-Cr-Mo合金に準じて上記で説明したことが適用できる（但し、上記 Co-Cr-Mo合金とは融点が違うことなどを考慮して、処理温度などを変更することは当業者にとっては明らかなことである)。なお、ニッケルフリーステンレス鋼合金は、窒素を添加する前に加工を施して力窒素を吸収せしめて所要の材料 ·製品にすることができる。例えば、成形品を加熱した熱処理炉内で窒素ガスと接触させることで、 1重量％程度の窒素を成形品に吸収させオーステナイトィ匕することが知られて、る。

[0033] 以下に実施例を掲げ、本発明を具体的に説明するが、この実施例は単に本発明の説明のため、その具体的な態様の参考のために提供されているものである。これらの例示は本発明の特定の具体的な態様を説明するためのものであるが、本願で開示する発明の範囲を限定したり、あるいは制限することを表すものではない。本発明では、本明細書の思想に基づく様々な実施形態が可能であることは理解されるべきである。

[0034] 全ての実施例は、他に詳細に記載するもの以外は、標準的な技術を用いて実施したもの、又は実施することのできるものであり、これは当業者にとり周知で慣用的なものである。

実施例 1

[0035] 〔微量 Niを固定化する添加元素 Xの探索〕

2元状態図上で、 Niと化合物を形成する元素であって、さらに生体毒性が少ない元素を探索した。その結果、候補添加元素 Xとして、アルミニウム (A1),チタン (Ti),ジルコ -ゥム (Zr),ニオブ (Nb)を選択した。

[0036] 〔試料組成及び試料溶解〕

試料組成は以下の通りである。

[0037] Co : Balance, Cr: 29 wt%, Mo : 6 wt%, Ni: 1 wt%をコントロールとして、これに Al:

0.5 wt%, Ti: 0.3 wt%, Zr: 0.05 wt%, Nb : 0.5 wt%をそれぞれ添加した。本試料組成においては、 Niの溶出量を比較しやすくするために、あえて Niを 1 wt%含有せしめた。溶解は高周波真空誘導溶解炉を用いて行った。溶湯を真空に保持した状態で炭素を添加して十分な脱酸処理を施した後で、添加元素 Xを添加した。

[0038] 〔試験試料〕

試験用合金試料は溶湯鍛造装置によって作製した。

[0039] 作製した試料をワイヤーカット放電カ卩ェ機で 10 X 30 X 1mm³のサイズに加工し、偏析を完全除去するために均質ィ匕熱処理（1150°C、 12時間→水焼入れ (water quenching: W.Q.))を施した。また、試験片は蒸留水で SiC 1000番まで研磨を行い、その後アセトン、蒸留水中で各 5分間超音波洗浄によって十分に洗浄した後、大気皮膜を形成させるため大気中に 24時間以上放置した。

[0040] 〔試験方法〕

合金試料の試験片にっき、各金属溶出量をより明らかにし、また比較しやすいようにするために、試験溶液には加速試験用として (1+99)乳酸（1%乳酸水溶液)を用いた。

[0041] 試験容器に試験片 2枚を重ならな、ように入れ、完全に試験溶液に浸るようにする。また試験溶液の液量は 30 mlとした。試料を入れない試験溶液だけで同様に試験する (空試験)。溶出条件は、静置条件を基本として、溶液温度: 37± 1°C、試験期間 : 7日間とする。 [0042] 〔試験溶液の濃度測定〕

試験終了後に試験片を取り出し、（1+99)硝酸 (1%硝酸水溶液)で試験片、容器内の洗浄を行い、それを濾過せしめ、分析溶液を一定 (100 ml)〖こする。そして、 ICP発光分光分析法により、金属濃度を測定し、以下の式を用いて各金属溶出量を求めた

W =L (IC -IB )/S

ここで、 W： i元素の単位面積当たりの溶出量 (g/cm²)

IC：溶出試験後の溶出中の i元素の濃度 (g/ml)

IB：空試験溶液中の i元素の濃度の平均値 (g/ml)

L:溶出試験溶液の全量 (ml)

S :試験片全体の表面積 (cm²)

とする。

[0043] 〔試験結果〕

金属溶出につ!、て試験した結果を図 1一 5に示す。

[0044] 図 1に 1%乳酸中における Co金属溶出量を示す。添加元素の含まれていない Niをコントロールとすると、 Al, Nbを添カ卩した合金では、コントロール材とほぼ同量の Co金属溶出量を示した。それに比べて、 Ti, Zrを添カ卩した合金では、コントロール材からの Co金属溶出量の 1/5程度の溶出量であった。

[0045] 図 2に 1%乳酸中における Cr金属溶出量を示す。 Ti, Zrを添加した合金力もの溶出量は、コントロール材カもの Cr金属溶出量と同量であった。 Al, Nbを添カ卩した合金からの Cr金属溶出量は、コントロール材より 3倍以上の溶出量を示した。

[0046] 図 3に 1%乳酸中における Mo金属溶出量を示す。どの添加元素の合金試料でも、コントロール材の溶出量より少ない溶出量を示した。 Al, Nb添加合金では、 Mo金属の溶出量はわずかに少なぐ Ti, Zr添加合金では、コントロール材よりも 1/10以下の Mo 金属溶出量であった。

[0047] 図 4に 1%乳酸中における Ni金属溶出量を示す。 Al, Nb添加合金での Ni溶出量は、コントロール材とほぼ同量であった。 Ti添加合金では、コントロール材の Ni溶出量よりも 1/4以下であり、さらに、 Zr添加合金では、全く Niの溶出がなかった。 [0048] 図 5に 1%乳酸中における各添加元素の金属溶出量を示す。 A1の溶出が非常に多い溶出量を示した。これに対して、 Ti, Zrの溶出量は非常に少なぐ Nbに至っては溶出が全くなかった。

[0049] 〔溶出試験まとめ〕

Co-29Cr-6Mo-lNiに 0.5A1, 0.5Nb添カ卩せしめた合金は、 Ni金属の溶出に対して抑制の効果は見られなかった。 Co-29Cr-6Mo-lNiに 0.3Ή, 0.05Zr添加せしめた合金に関しては、 Ni金属の溶出に対して抑制の効果が認められるば力りでなぐ Ni以外の Co, Moに対しても溶出抑制の効果が見られた。特に 0.05Zr添加合金では、 Niの溶出は見られなかった。

これにより、 Niの溶出抑制、つまりは、 Niの固定ィ匕は、微量な Ti, Zrの添カ卩によって可能であることが明らかである。

[0050] 〔引張試験結果〕

Zr微量添加合金で、金属の溶出が最も抑制されていた。しかし、微量添加による機械的特性への影響は明らかになっていない。そこで、 Zrを微量添加した合金とコントロール材の機械的特性を比較した。

[0051] 図 6に Co- 29Cr- 6Mo- INi合金と Co- 29Cr- 6Mo- INi- 0.05Zr合金の公称応力一公称ひずみ曲線を示す。コントロール材の破断応力は 807MPaであり、 Zr添加合金は lOllMPaであって、コントロール材より高い値を示した。また降伏応力、塑性伸びに関しても、コントロール材の値はそれぞれ 335MPa、 16.5%であるのに対し、 Zr添加合金ではそれらの値はそれぞれ 420MPa、 23.0%であり、 Zrを微量添加することで機械的特性は大きく向上せしめられることがわ力た。これにより、 Zrを微量添加した合金の機械的特性にっ、てはそれが低下すると、つた影響はな、と考えられる。

実施例 2

[0052] 試料組成は以下の通りである。

Co : Balance, Cr: 29 wt%, Mo : 6 wt%, Ni: l wt%をコントロールとして、これにランタノイド元素、すなわち、 La, Ceゝ Prゝ Nd、 Pm、 Sm、 Euゝ Gd、 Tbゝ Dyゝ Ho、 Erゝ Tm、 Ybゝ Lu、ミッシュメタル、すなわち、 La- Ceミッシュメタルをそれぞれ添加する。実施例 1と同様、本試料組成においては、 Niの溶出量を比較しやすくするために、あえて Niを 1 wt%含有せしめる。実施例 1と同様に処理して Niの溶出抑制、つまりは、 Niの固定ィ匕についての効果を確認することができる。実施例 1で観察される N涸定の原理は、 Ni と結合する性質の強い元素を添加することにある。ところで、 Niと結合する元素を探してみると、多くは、水素吸蔵合金 (化合物）にあることが認められ、よって、ランタン系元素に関しても、 Niと化合物を作る水素吸蔵合金があることから、 Zr添加と同様な効果が期待できる。同様に、 Niフリーステンレス鋼合金についても、例えば、

Fe- (19- 23)Cr- (21- 24)Mn- (0.5- 1.5)Mo- (0.85- 1.1)Nの組成に、 Niが入っているものについて実施例 1と同様の操作を行い、 Niの溶出抑制、つまりは、 Niの固定ィ匕についての効果を確認することができる。

[0053] 同様なコントロール合金の試料組成をもつものにつき、 MgO坩堝を使用して、合金試料を調製する。溶湯温度を 1600°C以上に保持すると溶湯と MgO坩堝が反応して Mgが溶け出す。この溶け出した Mgと Niが結びついて Niが固定される。ないしは、 Mg と Niが結びついたもの力比重の関係で溶湯表面に浮いてきて、スラグとして除去されて、脱 Niが起きる。上記の結果は、通常のアルミナ坩堝を使用して、溶湯中に Mgを添加することによつても得ることが可能であることを示している。

実施例 3

[0054] 試料組成は以下の通りである。

Co: Balance, Cr:29wt%, Mo:6wt%, Ni:lwt%とし、実施例 1と同様、本試料組成においては、 Niの溶出量を比較しやすくするために、あえて Niを 1 ％含有せしめる。これをアルミナ (A1 0 )坩堝及びマグネシア (MgO)坩堝により铸造して試料を作製した。铸

2 3

造方法は溶湯温度をー且 1600°C— 1650°C以上に暫く保持した後、真空のまま溶湯に炭素を添カ卩し、溶湯中の溶け込む酸素を除去してから 1400— 1450°Cに溶湯温度を下げ、暫く保持した後、型に铸込んだ。作製した試料を実施例 1と同様な処理をして溶出試験を行った。

[0055] 〔試験結果〕

金属溶出についての試験結果を図 7— 10に示す。また実施例 1で用いた Co-29Cr-6Mo-lNi合金を controlとし、 A1 0坩堝で作製した合金を Sample A, MgO

2 3

坩堝で作製した合金を Sample Bとする。 [0056] 図 7に 1%乳酸中における Co金属溶出量を示す。 Sample A, Sample B両合金とも controlとほぼ同量な Co金属溶出量を示した。

[0057] 図 8に 1%乳酸中における Cr金属溶出量を示す。 Sample Aは controはりもわずかに多い溶出量を示し、 Sample Bは controはりもわずかに少ない溶出量であつたが同等レベルである。

[0058] 図 9に 1%乳酸中における Mo金属溶出量を示す。 Moの金属溶出量は Sample A, Sample B両合金ともに controlの金属溶出量の約 1/2の値を示した。

[0059] 図 10に 1%乳酸中における Ni金属溶出量を示す。 Niの金属溶出量は Sample A,

Sample B両合金とも controはりも少ない値を示した。 Sample B, Sample Aの順に抑制の効果が得られた。

[0060] 〔まとめ〕

A1 0坩堝， MgO坩堝を使用して、溶湯温度を 1600°C以上に保持すると溶湯と坩堝

2 3

が反応して、 A1や Mgが溶け出す。この溶け出した A1及び Mgと Niが結びついて Niが固定化される。ないしは A1及び Mgと Niが結びついたもの力比重の差で溶湯表面に浮き、スラグとして除去されて脱 Niが起きた結果溶出量が低減したものと推察される。

[0061] 試験結果より Niの溶出量の低減効果の確認はできたが、実施例 1の Zr添加合金ほどの効果は得られな力つた。しかし铸造後、適切な熱処理'加工などを施すことにより十分な Ni溶出抑制の効果が得られた。

産業上の利用可能性

[0062] 本発明により、ジルコニウムなどの添加元素をカ卩えることでニッケルに伴う生体毒性の発現を抑制あるいは阻止しながら、優れた耐食性，耐磨耗性，生体適合性を有している Co-Cr-Mo合金並びに Niフリーステンレス鋼が提供できる。本発明では、安価で且つ簡単な手法でニッケルの生体毒性の無毒化が図れるので、得られた合金はコスト的に優れており、広範な実用用途、例えば、生体適合材料や医療用デバイスを製造するのに応用できる。

[0063] 本発明は、前述の説明及び実施例に特に記載した以外も、実行できることは明らかである。上述の教示に鑑みて、本発明の多くの改変及び変形が可能であり、従ってそれらも本件添付の請求の範囲の範囲内のものである。

Claims

請求の範囲

[1] 生体用 Co-Cr-Mo合金又は Niフリーステンレス鋼合金における Ni微量不純物による生体毒性を無害化する方法であって、合金組成に、元素周期表第 IVA族、第 VA族、第 ΠΙΒ族に属する元素、ランタノイド元素、ミッシュメタル、 Mgからなる群力選択された元素または化合物を添加することを特徴とする生体用 Co-Cr-Mo合金又は Niフリ一ステンレス鋼合金のニッケル毒性の無毒化法。

[2] 添加元素が、 Mg, Al, Ti, Zr及び Nbからなる群力も選択されたものであることを特徴とする請求項 1に記載のニッケル毒性の無毒化法。

[3] 生体用 Co-Cr-Mo合金又は Niフリーステンレス鋼合金における Ni微量不純物による生体毒性を無害化する方法であって、合金組成に、元素周期表第 IVA族に属する元素からなる群力選択された元素を添加することを特徴とする請求項 1に記載の- ッケル毒性の無毒化法。

[4] 添加元素が、ジルコニウム及びチタン力なる群力も選択されたものであることを特徴とする請求項 3に記載のニッケル毒性の無毒化法。

[5] 添加元素が、ジルコニウムであることを特徴とする請求項 3に記載のニッケル毒性の無毒化法。

[6] 合金組成中のニッケル含有量が、 (1)1.0 wt%程度あるいはそれ以下、（2)0.5 wt%程度あるいはそれ以下、（3)0.002 wt%程度あるいはそれ以下、（4)少なくとも 100 ppmォーダーあるいはそれ以下、または (5)数 100 ppmオーダーあるいはそれ以下のもので、 Niが不可避的に混在する合金であることを特徴とする請求項 1に記載のニッケル毒性の無毒化法。

[7] 合金溶製後、 600°Cから 1250°Cでの温度で熱処理を行うことを特徴とする、請求項 1 力 6に記載の生体用 Co-Cr-Mo合金又は Niフリーステンレス鋼合金のニッケル毒性の無毒化法。

[8] 生体用 Co-Cr-Mo合金又は Niフリーステンレス鋼合金における Ni微量不純物による生体毒性を無害化する目的で、合金組成に、元素周期表第 IVA族、第 VA族、第 III B族に属する元素、ランタノイド元素、ミッシュメタル、 Mgからなる群から選択された元素または化合物を添加されているものであることを特徴とするニッケル毒性の無毒化された生体用 Co-Cr-Mo合金又は Niフリーステンレス鋼合金。

[9] 合金組成中のニッケル含有量が、 (1)1.0 wt%程度あるいはそれ以下、（2)0.5 wt%程度あるいはそれ以下、（3)0.002 wt%程度あるいはそれ以下、（4)少なくとも 100 ppmォーダーあるいはそれ以下、または (5)数 100 ppmオーダーあるいはそれ以下のもので、 Niが不可避的に混在する合金であることを特徴とする請求項 8に記載の合金。

[10] 合金溶製後、 600°Cから 1250°Cでの温度で熱処理を行うことを特徴とする、請求項 8 及び 9に記載のニッケル毒性の無毒化された生体用 Co-Cr-Mo合金又は Niフリーステンレス鋼合金。

[11] 請求項 8に記載のニッケル毒性の無毒化された生体用 Co-Cr-Mo合金又は Niフリ一ステンレス鋼合金カゝら製造されたことを特徴とする医療用デバイス。

[12] 請求項 8に記載のニッケル毒性の無毒化された生体用 Co-Cr-Mo合金又は Niフリ一ステンレス鋼合金を、焼入れ、金属のガス霧化法、機械的合金法、溶湯急冷法、熱間押出し、熱間圧延、熱間線引き及び鍛造からなる群から選択された処理を加えて製造されたことを特徴とする医療用デバイス。