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| 生体用β型Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr合金の研究開発 | |||||||||||||||||||
 高生体機能性金属系バイオマテリアル（Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr合金）の研究・開発について（研究概要Research and Development in Excellent-Biocompatible Titannium alloys |
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| Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr合金の力学的特性に及ぼす微量添加元素の影響 Effects of rere on mechanical properties of Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr alloy for biomedical applications |
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| 概要/Abstract | |||||||||||||||||||
| これまでに当グループでは生体用型Ti合金としてTi-29Nb-13Ta-4.6Zr合金を開発してきましたが，その疲労強度はすでに実用化されている生体用Ti-6Al-4VELI合金と比べてかなり低く、改善が必要とされています．本研究ではTi-29Nb-13Ta-4.6Zr合金にレアアースを微量添加し，酸化物粒子分散による強化が疲労強度に及ぼす影響を調査します． Beta-type Ti-13Nb-13Zr-4.6Zr (TNTZ) composed of non-toxic and allergy-free elements is expected to be applicable for biomedical applications because of its low Young’s modulus and excellent biocompatibility. However, mechanical properties of TNTZ subjected to solution treatment are not better than that of conventional titanium alloy, Ti-6Al-4V ELI. Mechanical properties of TNTZ are improved by thermomechanical treatment, but Young’s Modulus also becomes very high. Therefore, improvements in the mechanical properties of TNTZ with keeping low Young’s modulus are required. The improvements in mechanical properties of the TNTZ are possibly achieved by the refinement of microstructure and dispersion strengthening via rear earth oxides. In the present research, various Y2O3 addition or pure Y were added to TNTZ, respectively. In addition, different amount of TiB2 are added to TNTZ for comparisons. Then the effects of these additions on the mechanical properties of TNTZ were investigated and discussed. |
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| 主な装置 | |||||||||||||||||||
| ビッカース硬度計/20 kN引張試験機/疲労試験機/X線回折装置/光学顕微鏡/走査型電子顕微鏡/透過型電子顕微鏡 |
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| 熱処理によるTi-29Nb-13Ta-4.6Zr合金鋳造材の高力学機能化 Mechanical Properties of Cast Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr Alloy Subjected to Various Heat Treatments for Dental Use |
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| 概要/Abstract | |||||||||||||||||||
| A new beta type Ti alloy composed of non-toxic and non-allergic elements like Nb, Ta, and Zr, Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr has been recently developed for biomedical applications. Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr is expected to be applicable not only for orthopedic implants but also for dental products such as crowns, dentures and inlays. The dental products are designed to fit diseased areas based on an individual patient’s condition. Therefore, dental products are usually fabricated using a dental precision casting process. However, the mechanical properties of Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr fabricated by dental precision casting process are poor as compare with those of the wrought ones. Therefore, the improvement in mechanical properties of the dental precision cast Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr is required. The microstructure of the dental precision cast Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr is controlled variously by heat treatments. The mechanical properties are closely related to microstructures. The improvements in mechanical properties of the dental precision cast Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr are possibly achieved by the microstructural control via heat treatments. | |||||||||||||||||||
| 主な装置 | |||||||||||||||||||
| 歯科精密鋳造機/ビッカース硬度計/引張試験機/20 kN疲労試験機/X線回折装置/光学顕微鏡 | |||||||||||||||||||
| 脊椎固定用インプラントロッド応用のためのＴｉ-29Nb-13Ta-4.6Zr合金の力学的特性の改善 Improvement in Mechanical Properties of Spinal Implant Rod made of Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr |
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| 概要/Abstract | |||||||||||||||||||
| 側湾症に代表される脊椎変形を伴う疾患の治療には，Ti-6Al-4V ELI製脊椎固定用インプラントロッドがよく用いられています．しかしながら，Ti-6Al-4V ELIは、生体内での安全性および力学的適合性が考慮されて設計されていません。そこで，本研究では，非毒性および非アレルギー元素から構成され低弾性率を示すTi-29Nb-13Ta-4.6Zr合金を脊椎固定用インプラントロッドの応用することを目指し，ＴＮＴＺ合金の力学的特性の改善を熱処理により試みます。 | |||||||||||||||||||
| 主な装置 | |||||||||||||||||||
| 20 kN万能試験機/マイクロビッカース硬度計/走査電子顕微鏡/エネルギー分散型X線分光装置 | |||||||||||||||||||
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| Mechanical functionalization of biomedical β-type Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr through high-pressure torsion | |||||||||||||||||||
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| 概要/Abstract | |||||||||||||||||||
| A unique combination of favorable mechanical properties, including a high specific strength, good cold workability, high corrosion resistance, and outstanding biocompatibility [makes b –type titanium alloys an attractive candidate for surgical implants. A novel b–type Ti alloy, Ti–29Nb–13Ta–4.6Zr (TNTZ), with a low Young’s modulus composed of highly biocompatible elements such as Nb, Ta, and Zr has been developed by present authors Severe plastic deformation (SPD) is a well-proved technique to form fine-grained microstructure composed of submicro- and nano-sized grains in metallic materials. High–pressure torsion (HPT), one of the SPD techniques, is based on a process developed by Bridgman [5]. The HPT processing is quite effective in the formation of extremely small grains with high–angle boundaries as compared to other SPD procedures such as equal channel angular pressing (ECAP). The aim of this study is to fabricate fine–grained TNTZ composed nano-grains with high-angle grain boundaries by HPT processing combining with heat treatments. It is expected that this ultrafine–grained TNTZ exhibits greater mechanical properties such as tensile strength and hardness values as compared to coarse–grained TNTZ subjected to solution treatment (ST) and cold rolling (CR). | |||||||||||||||||||
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| 脊椎生体用弾性率可変型チタン合金の研究開発 | |||||||||||||||||||
| 脊椎生体用弾性率可変型チタン合金の研究開発 Research on Young's modulus changeable Titanium alloys for biomedical applicaitons. |
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| 概要/Abstract | |||||||||||||||||||
| As a traditional implant material, Ti–6Al–4V ELI alloy has been mainly used in surgery. The Young’s modulus of this alloy is higher than that of human’s bone. Recently, many new type Ti alloys with low Young’s modulus were designed. However, all of these alloys can’t meet the requirement both of surgeon and patient; surgeon hope the material with high Young’s moduli, but requirement for patients is on the contrary. The ω phase significantly influences mechanical properties. It has been reported in several β-type titanium alloys that ω phase can be introduced by deformation at room temperature. In this study, in order to exploit a new Ti alloy with changeable Young’s modulus for biomedical applications, the effects of stress-induced phases on the mechanical properties were investigated. The alloys researched in this study have low Young’ moduli in solution treatment conditions. Further, the Young’s moduli increase by cold rolling after solution treatment. | |||||||||||||||||||
| 弾性率可変型生体用チタン合金の研究・開発 Microstructures and mechanical behaviors of Ti-30Zr-xMo alloys for biomedical applications |
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| 概要/Abstract | |||||||||||||||||||
| 低弾性率を有するチタン合金は、応力遮蔽による骨の脆弱化を抑制する一方で、大きなスプリングバックが生じるため、手術時のハンドリング性に劣ることが問題視されています。本研究では、低弾性率を維持しつつスプリングバックを小さくするため、応力誘起相変態を利用して変形を加えた部分のみ弾性率が上昇するような新たな生体用チタン合金の研究・開発を行っています。 | |||||||||||||||||||
| 主な装置 | |||||||||||||||||||
| トリアーク溶解炉/X線回折装置/光学顕微鏡/走査型電子顕微鏡/透過型電子顕微鏡/20kN万能試験機 | |||||||||||||||||||
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| Development of new titanium alloys for spinal fixture applicaiton | |||||||||||||||||||
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| 概要/Abstract | |||||||||||||||||||
| Implanting metallic rods as a spinal fixture plays an important role in the treatments for spinal diseases. However, there are some problems associated with the present alloys which are used for such rods, such as the toxicity of vanadium (V) in Ti-6Al-4V ELI alloy (Ti64) and the risk of allergic reactions arising from nickel (Ni) in SUS316L stainless steel (SUS316). Moreover, for such rods, Young’s modulus desired by surgeons is different from that which is benefit for patients. Therefore, this research aims at developing new titanium alloys free of toxic and allergic elements and with changeable Young’s modulus by taking advantage of stress-induced transformation. | |||||||||||||||||||
| 高弾性率チタン合金の研究開発 | |||||||||||||||||||
| 高弾性率Ti-Fe-Cu系チタン合金の研究・開発 | |||||||||||||||||||
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| 概要/Abstract | |||||||||||||||||||
| 金属製医療器具であるステントには、付形性の改善のため、スプリングバックの低域が求められています。金属の高弾性率化は、スプリングバックの低域に有効と考えらます。一方、チタン合金は生体適合性に優れることから、多くの医療機器の材料として用いられていますが、他の生体用金属に比べて弾性率が低いため、付形性の点では劣ると考えられている。そこで、本研究では高い弾性率を有するチタン合金の開発を目指すこととします。 | |||||||||||||||||||
| 主な装置 | |||||||||||||||||||
| 20 kN万能試験機/マイクロビッカース硬度計/X線回折装置/光学顕微鏡 | |||||||||||||||||||
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| 偽弾性チタン合金の研究開発 | |||||||||||||||||||
| Mechanical properties and surface modification of multifunctional beta type Ti-Nb-Zr(-Sn) alloys | |||||||||||||||||||
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| 概要/Abstract | |||||||||||||||||||
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New beta type titanium alloys were widely investigated for the use of artificial implants. In this study, no-toxic elements Nb, Zr , Sn were selected to design beta type titanium alloys with with low modulus, high strength and pseudo-elastic for biomedical applications. The mechanical properties of alloys would be tested by tensile test and load-unloading test. Their microstructures and deformation mechanisms would be analyzed by differential scanning calorimetry (DSC), optical microstructure (OM), X-ray diffraction (XRD), transmission electron microscopy (TEM) and so on. To further improve the biocompatibility, two kinds of surface modifications methods, Metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD) and bio-mimetic growth, were selected to prepare hydroxyapatite (HAp) layers on the surfaces of alloys. The characters of lays would be examined and bonding strength would be tested. The advantages and disadvantages between the two methods would be analyzed. |
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| more details | |||||||||||||||||||
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| 医療用高分子複合化技術を用いたTi-29Nb-13Ta-4.6Zr合金への生体機能性の付与 | |||||||||||||||||||
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| 概要/Abstract | |||||||||||||||||||
| 本研究では人工腱への応用を目指し、シランカップリング剤を用いて、Ti-29Nb-13Ta-4.6Zrとセグメント化ポリウレタンを複合化し、複合化条件が界面構造に及ぼす影響を調べます。さらにTi-29Nb-13Ta-4.6Zr合金・セグメント化ポリウレタン複合材料の機械的特性試験や生体内外試験を行うことで力学的生体適合性および生物学的生体適合性を評価します | |||||||||||||||||||
| 主な装置 | |||||||||||||||||||
| 20kN万能試験機/疲労試験機/Ｘ線電子分光装置/エリプソメトリー | |||||||||||||||||||
| もっと詳しく | |||||||||||||||||||
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| 銅/銀比を変化させて銀パラジウム金銅合金のミクロ組織と硬化メカニズム Effect of Cu Content on Unique Hardening Behavior of Dental Ag-Pd-Au-Cu System Alloy Subjected to Solution Treatment |
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| 概要/Abstract | |||||||||||||||||||
| 歯科領域で最も使われている金属材料である金銀パラジウム (Ag-20mass%Pd-14.5mass%Cu-12mass%Au) 合金は、時効硬化性を有しているが、高温での溶体化処理時において特異な力学的特性の変化が報告されており、その硬化機構に関してはまだ不明な点が多い。本研究では、銅/銀比を変化させた同合金を用い、そのミクロ組織および力学的特性の系統的な調査・検討を行い、同合金における特異強化メカニズムの解明およびそのメカニズムを応用した高力学機能を行うことを目的とする。 | |||||||||||||||||||
| 主な装置 | |||||||||||||||||||
| X線回折装置/マイクロビッカース硬度計/走査電子顕微鏡/エネルギー分散型X線分光装置 | |||||||||||||||||||
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| 次世代航空機用チタン合金板金材のミクロ組織と高力学機能化 | |||||||||||||||||||
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| 概要/Abstract | |||||||||||||||||||
| Ti-6Al-4V合金は、優れた強度、延性および靭性等のバランスを得ることができるため、航空機材料に広く使用されているが加工性に乏しく、高価格の要因となっております。そこで、Ti-6Al-4V合金と同等の力学的特性を有し、冷間および熱間加工性の向上を目的としたTi-4.5Al-2Mo-1.6V-0.5Fe-0.3Si-0.03CおよびTi-4.5Al-2Cr-1Fe-0.1Cがそれぞれ研究開発されています。本研究では、種々の条件で加工熱処理を行った両合金について、ミクロ組織の変化に伴う力学的特性への影響を疲労試験機および引張試験機等を用いて系統的に調査・検討します。 | |||||||||||||||||||
| 主な装置 | |||||||||||||||||||
| ビッカース硬度計/20kN型万能試験機/疲労試験機/X線回折装置/光学顕微鏡/走査型電子顕微鏡/透過型電子顕微鏡 | |||||||||||||||||||
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| 相安定性を変化させた生体用Ｚｒ系合金の機械的性質に及ぼす添加元素の影響 | |||||||||||||||||||
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| 概要/Abstract | |||||||||||||||||||
| 本研究では，Zr-Ta系合金，Zr-Nb系合金およびＺｒ-Ｔｉ系合金の機械的性質について調査検討し，さらに生体内環境中における生体親和性の評価を行い，両特性の良質なバランスを有する合金組成の提案を行う． | |||||||||||||||||||
| 主な装置 | |||||||||||||||||||
| 20 kN万能試験機/Ball-on-disktype 摩擦磨耗試験機 | |||||||||||||||||||
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| .Low Cost Ti-Mn and Ti-Mn-Fe System Alloys for Biomedical Applicaiton | |||||||||||||||||||
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| In order to decrease the cost of biomedical ｣]-type titanium alloys and maintain their good mechanical performances and biocompatibilities at the same time, substituting them by Mn, Fe and so on, which are also biocompatible elements in a certain amount. The objective of this study is to design and develop new ubiquitous type Ti-XMn and Ti-XMn-YFe alloys with low Young｡ｦs modulus and high mechanical performances for biomedical applications. | |||||||||||||||||||
| 過去の研究 | |||||||||||||||||||
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| 単純加工および短時間時効を用いたTi-29Nb-13Ta-4.6Zr合金の機械的性質の改善 Improvement in Mechanical Properties of Low Young's Modulus Biomaterial Ti-Nb-Ta-Zr Alloy with Benefical using of High Mechanical Strength Brittle Phase |
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| 概要/Abstract | |||||||||||||||||||
| 生体用β型チタン合金として開発されたTi-29Nb-13Ta-4.6Zr合金（TNTZ）は，溶体化時において約60GPaという骨（10-30GPa）類似の低弾性率を示し，時効処理により機械的性質が上昇します．しかし、時効処理を施すことにより弾性率の高い析出相が形成し，その結果，TNTZの弾性率が上昇してしまいます．そこで，本研究では，TNTZの低弾性率を維持しつつ機械的性質を改善するために有効な単純加工と短時間時効の条件ついて調査・検討を行います． | |||||||||||||||||||
| 主な装置 | |||||||||||||||||||
| ビッカース硬度計/20 kN万能試験機/疲労試験機/X線回折装置/光学顕微鏡/走査型電子顕微鏡/透過型電子顕微鏡 | |||||||||||||||||||
| Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr合金の機能性付与に関する研究 New Discovery in Anomalous Physical property of Plastically Deformed Ti-Nb-Ta-Zr Alloy and its Investigation |
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| 概要/Abstract | |||||||||||||||||||
| Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr合金の結晶方位と機能性の関係について研究しています．特に力を入れて取り込んでいるのが，低弾性率機能とインバー機能（温度変化に対して膨張・収縮しない機能）の改善です．冷間圧延によりTi-29Nb-13Ta-4.6Zr合金の結晶方位を制御し，これらの機能をより高めることを目標として研究を進めています． | |||||||||||||||||||
| 主な装置 | |||||||||||||||||||
| 熱膨張係数測定装置/X線回折装置/透過型電子顕微鏡/20 kN万能試験機/弾性率測定装置 | |||||||||||||||||||
| Ti-29Nb-13Ta-4.6Zｒ合金へのMOCVDによるリン酸カルシウム膜合成と生体適合性 Fabrication of Calcium Phosphate Ceramic Layer on Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr Alloy Using MOCVD Technique |
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| 概要/Abstract | |||||||||||||||||||
| 本研究では硬組織代替材料への応用を目指し、有機金属気相成長（MOCVD）法を用いて、Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr表面にα-TCP膜およびHAp膜を成膜し、成膜条件が生成相、微細組織に及ぼす影響を調べます。さらにリン酸カルシウム膜合成Ti-29Nb-13Ta-4.6Zｒ合金の機械的特性試験や生体内外試験を行うことで力学的生体適合性および生物学的生体適合性を評価します． | |||||||||||||||||||
| 主な装置 | |||||||||||||||||||
| MOCVD合成装置/X線回折装置/20 kN万能試験機/疲労試験機 | |||||||||||||||||||
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| 歯科用金銀パラジウム合金のミクロ組織および力学的特性の変化に及ぼす溶体化処理の影響 | |||||||||||||||||||
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| 概要/Abstract | |||||||||||||||||||
| 今日、歯科領域で最も使われている金属材料である金銀パラジウム合金は、時効硬化性を有していますが、高温での溶体化処理時において特異な力学的特性の変化が報告されており、その硬化機構に関しては未だ不明な点が多いのが現状です。本研究では、種々の溶体化処理を施した金銀パラジウム合金のミクロ組織の調査・検討を行い、同合金の溶体化処理時における特異強化メカニズムの解明を目的としています． | |||||||||||||||||||
| 主な装置 | |||||||||||||||||||
| 20 kN万能試験機/マイクロビッカース硬度計/走査電子顕微鏡/エネルギー分散型X線分光装置 | |||||||||||||||||||
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| 次世代航空機用チタン合金のミクロ組織と高力学機能化 | |||||||||||||||||||
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| 概要/Abstract | |||||||||||||||||||
| Ti-6Al-4V 合金は，優れた強度，延性および靭性等のバランスを得ることができるため，航空機材料に広く使用されているが加工性に乏しく，高価格の要因となっています．そこで，Ti-6Al-4V 合金と同等の力学的特性を有し，冷間および熱間加工性の向上を目的としたTi-4.5Al-2Mo-1.6V-0.5Fe-0.3Si-0.03CおよびTi-4.5Al-4Cr-0.5Fe-0.2Cがそれぞれ研究開発されています．本研究では，両合金について種々の条件で熱処理を行い，ミクロ組織を変化させた場合における力学的特性の変化を疲労試験機および引張試験機などを用いて系統的に調査・検討します． | |||||||||||||||||||
| 主な装置 | |||||||||||||||||||
| ビッカース硬度計/20 kN/疲労試験機/X線回折装置/光学顕微鏡/走査型電子顕微鏡/透過型電子顕微鏡 | |||||||||||||||||||
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| 表面改質処理を施した生体用Zr-Nb系合金の機械的性質と摩擦磨耗特性 | |||||||||||||||||||
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| 概要/Abstract | |||||||||||||||||||
| 本研究では，Zr-Nb系合金に着目し，その表面に硬質な酸化物あるいはさらに硬質な窒化物等を生成させ，骨頭および骨プレート等で必要とされる耐摩擦摩耗性の向上を図ることを目的としています．また、それらの機械的性質も同時に調査することも目的としています | |||||||||||||||||||
| 主な装置 | |||||||||||||||||||
| 20 kN万能試験機/Ball-on-disktype 摩擦磨耗試験機 | |||||||||||||||||||
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| 生分解性高分子を充填した多孔質チタン合金の力学的および生物学的生体適合性 | |||||||||||||||||||
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| 概要/Abstract | |||||||||||||||||||
| 骨に比べヤング率が高い金属材料の使用による骨の脆弱化が問題となっています．そこで本研究では低ヤング率の多孔質純チタン(pTi)に、生体機能性を付与するためポリ乳酸を充填した試料を作製し，この力学的および生物学的特性の調査･検討を目的とします．また，強度の高いチタン合金を原料に試料を作製した場合の機械的性質の調査･検討を目的とします．更に，骨との融合性に優れたpTiの作製方法の調査･検討を目的とします． | |||||||||||||||||||
| 主な装置 | |||||||||||||||||||
| 20 kN万能試験機/疲労試験機/走査型電子顕微鏡/X線回折装置/ビッカース硬度計 | |||||||||||||||||||
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| Development of Ti-Mn and Ti-Mn-Fe Systemalloys for biomedical applications | |||||||||||||||||||
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| Copyrights 2006, Biomaterials Science Lab., IMR-Tohoku University, All Rights Reserved. | |||||||||||||||||||
