JP4212945B2

JP4212945B2 - 機能性医療機器及びその製造方法

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Publication number: JP4212945B2
Application number: JP2003119723A
Authority: JP
Inventors: 博昭内山
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 2003-04-24
Filing date: 2003-04-24
Publication date: 2009-01-21
Anticipated expiration: 2023-04-24
Also published as: JP2004323908A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、医療機器に関するものである。さらに詳しくは、生体適合性とばね性が高い機能性医療機器と、さらに抗菌効果を付与した機能性医療機器、およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、一般の医療機器においては、従来の金属材料を一部改良して、生体へ用いることがほとんどであり、医療機器を構成する材質の生体への適合性については二次的なものとして考えられていた。しかしながら、最近の医療材料分野では、生体適合性が重視されるようになり、これまで使用されてきたステンレス（ＳＵＳ３１６Ｌなど）や、Ｃｏ−Ｃｒ系合金、Ｔｉ−６ｗｔ％Ａｌ−４ｗｔ％Ｖ（以下、Ｔｉ６Ａｌ４Ｖと称す）よりも、さらに生体適合性の高い材料が要求されている。図１に金属の生体適合性を示す。具体的には、生体とのアレルギー性や、発ガン性、細胞毒性などを示す元素、例えば、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｄ、Ｃｕ、Ｖ、Ｃｏを含有しない合金の開発が求められている。
【０００３】
本発明者が行なった調査によると、医療機器に関する従来の技術として、次の文献がある。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１１−０４７２６１号公報、医療用具
【特許文献２】
特開２００３−０４８８４０号公報、抗菌性付与抗血栓性組成物およびそれをコートした医療用具
【特許文献３】
特開２００２−１８７８０６号公報、抗菌性材料
【特許文献４】
特開２００２−３２７０７９号公報、人工骨などに適した酸化チタン有機高分子複合体
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの公報に記載された技術は、従来から医療用に使用されてきた医療材料に抗菌性を付加しただけであり、医療機器を構成する部材の生体適合性についての記載がほとんどない。
【０００６】
従来は、生体適合性のよい材料で、耐食性、ばね性、抗菌性、材料強度、軽量化をすべて満足するような物はほとんどなく、従来の材料の表面をコーティングする等で、カプセル化し、生体適合性を持たせることが主流であった。しかしながら、長期的に使用するような医療用機器においては、本質的な安全性の面からは、構成する材料自体が生体適合性を持つことが望ましい。
【０００７】
そこで、本発明の本質的な課題は、毒性およびアレルギー性の指摘が少なく、生体適合性に優れ、かつ軽量な機能性医療機器を提供することにある。
【０００８】
また、本発明の技術課題は、従来の医療用材料であるＳＵＳ３１６ＬやＴｉ６Ａｌ４Ｖと同等またはそれ以上の引張強度を有し、かつ、ばね性、抗菌性を付加した機能性医療機器及びその製造方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
ＴｉとＭｏ、さらにＳｎあるいはＡｇの一方もしくは双方を有し、生体適合性の良い元素のみを用いたＴｉ−Ｍｏ系合金を医療機器に用いることにより、生体適合性が高く、軽量、高強度、低弾性率の機能性医療機器を得ることが出来、さらに抗菌性をも付与することが可能となる。
【００１０】
即ち、本発明は、３点曲げ試験において、０．２％の永久歪みが生じた際に、加えていた全歪みが１．７％以上であり、かつ１％の曲げ歪みを加えた際の永久歪みが０．０５％以下であって、Ｍｏを６〜７ａｔ％含み、残部がＴｉ及び不可避不純物からなるＴｉ−Ｍｏ系合金を用いたことを特徴とする機能性医療機器である。
【００１１】
また、本発明は、前記Ｔｉ−Ｍｏ系合金の組成において、３〜５ａｔ％のＴｉをＳｎで置換し、引張り試験における引張強度が８００ＭＰａ以上であることを特徴とする機能性医療機器である。
【００１２】
また、本発明は、前記Ｔｉ−Ｍｏ系合金の組成において、２ａｔ％以下（０を含まず）のＴｉをＡｇで置換したことを特徴とする機能性医療機器である。
【００１３】
また、本発明は、前記機能性医療機器が、インプラント、カテーテル、ステント、ガイドワイヤー、注射器、人工骨、骨折固定材（ボーンプレート、スクリュー、ワイヤー）、人工弁、ペースメー力一、人工心臓、歯列矯正ワイヤー、人工歯根、義足、義手のいずれかであることを特徴とする機能性医療機器である。
【００１４】
また、本発明は、前記機能性医療機器が、表面にチタン酸化物またはチタン酸カルシウムが直接形成されていることを特徴とする機能性医療機器である。
【００１５】
また、本発明は、前記Ｔｉ−Ｍｏ系合金を、β変態温度以上で熱処理することを特徴とする機能性医療機器の製造方法である。
【００１６】
また、本発明は、前記Ｔｉ−Ｍｏ系合金を、６００℃以下で熱処理することを特徴とする機能性医療機器の製造方法である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明では、生体適合性に優れた元素に着目し、近年、特に毒性が指摘されているＶ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｕなどを含まず、毒性またはアレルギー性の指摘がされていないＳｎまたはＡｇを加えたＴｉ−Ｍｏ系合金を機能性医療機器に用いる。
【００１８】
なお、機能性医療機器としては、インプラント、カテーテル、ステント、ガイドワイヤー、注射器、人工骨、骨折固定材（ボーンプレート、スクリュー、ワイヤー）、人工弁、ペースメーカー、人工心臓、歯列矯正ワイヤー、人工歯根、及び義足、義手等の福祉用品等が例示される。
【００１９】
Ｔｉは生体適合性がよく、比較的高強度で耐食性も良好であるが、よりばね性等を改良するために合金化する。主要な合金化元素としてＭｏを加工性、強度を高めるために添加する。Ｍｏは少量の添加で効果が得られ、生体適合性も良い。また、少量であるため、Ｔｉの好適な特性を変化させることなく、機能性を付加したＴｉ−Ｍｏ系合金を得ることが出来る。さらに、Ｍｏは耐食性、耐磨耗性を向上することが知られており、本発明品の耐食性は、Ｍｏの増加により向上し、Ｔｉ、およびＴｉ６Ａｌ４Ｖより高い。
【００２０】
本発明のＴｉ−Ｍｏ系合金として、ＳｎとＡｇを加えることで特性を改善出来る。Ｓｎは、本来中性な元素と言われているが、添加によりβ変態点温度を下げ、ばね性を向上することが出来、Ｓｎは３ａｔ％以上加えることが望ましい。さらに、熱的安定性の向上、合金溶解時の融点を低下させる効果がある。
【００２１】
また、少量のＡｇを加えることで、抗菌効果が得られる。Ａｇの場合は、多量に加えた場合、抗菌効果の向上よりも、強度の低下、密度の増加となるため、添加量は２ａｔ％以下が望ましい。このＡｇ添加による抗菌効果は、ＪＩＳＺ２８０１：２０００に記載された方法により確認出来た。
【００２２】
なお、耐食性は、Ａｇ、Ｓｎの添加により影響されない。これは、Ａｇ、Ｓｎが合金として広く微細に分布しているため、不動態の形成に影響を与えないためと考えられる。
【００２３】
Ｔｉ−Ｍｏ系合金を用いた機能性医療機器は、生体適合性が良く、特別な表面コーティングなしで、使用可能である。しかしながら、表面に酸化皮膜を形成させることで、更に安定性を増加することが出来る。ここで言う酸化皮膜は、特に酸に対する不動態であり、陽極酸化などの種々の方法により、表面にＴｉＯ_２を形成させることで、体内での安定性を向上出来る。リン酸を用いた陽極酸化法により、効果的なＴｉＯ_２を直接生成する事が可能である。
【００２４】
また、ＴｉＯ₂では、光触媒作用により、紫外線を照射することで抗菌効果もある。Ａｇを添加した場合は同様に抗菌効果を有するが、この場合は光の有無に関係せず抗菌効果が得られる。
【００２５】
また、骨との接合部や、骨肉の埋め込みに用いる場合においても、Ｔｉは骨と接合性が良く、骨と接合しやすいことが知られている。しかしながら、骨との接合には時間を要することから、機能性医療機器にアルカリ処理を施した上、人工体液などに浸漬することで、表面にアパタイトを形成させ、骨との適合性を上げることが出来る。アパタイトの形成過程において、水熱法などにより、表面にチタン酸カルシウムを形成することりより、強固なアパタイト形成が可能である。また、カソード法により、直接チタン酸カルシウムを生成することも可能である。
【００２６】
ばね性については、φ１のＴｉ−Ｍｏ系合金の棒材を用いて、３点曲げ試験にて評価した。３点曲げ試験では、徐々に歪みを加え、その時の加えた全歪み(Total Strain)と、除荷した際に残った永久歪み(Permanent Strain)を測定し評価した。本発明の９０ａｔ％Ｔｉ−６ａｔ％Ｍｏ−４ａｔ％Ｓｎ（Ｔｉ６Ｍｏ４Ｓｎ）合金と、比較材のＴｉ、ＳＵＳ３１６Ｌ、Ｔｉ６Ａｌ４Ｖの測定結果を図２に示す。
【００２７】
通常の金属においては、０.２％以上の歪みを加えると、永久歪みが生じると言われており、永久歪みが０.２％に達した際の加えていた応力を耐力と呼び、材料強度の目安とされている。そこで、３点曲げ試験においても、ばね性として、０.２％の永久歪みを生じた時に加えていたトータル歪みをばね弾性変形域と定義して規定した。ばね弾性変形域は図２の▲１▼との交点となる。
【００２８】
本発明品においては、ばね性はＴｉ６Ａｌ４Ｖと同等以上ということで、０.２％の永久歪みに対するばね弾性変形域を１.７％以上と規定しているが、ばね弾性変形域をＳＵＳ３１６Ｌ以上の２％程度とする事も可能であり、Ｔｉ６Ｍｏ４Ｓｎ合金では、ばね弾性変形域が２.３％に達する。
【００２９】
さらに、永久歪みが０.２％に達するまでに、歪みが直線的に加算されていく場合と放物線的に増加する場合とでは、ばね性に違いを生じるため、前記に加えて、ばね性を表現するために、１％の曲げ歪みを加えた後に除荷した際に残った永久歪みを１％曲げに対する永久歪みと定義して規定した。１％曲げに対する永久歪みは、図２の▲２▼との交点となる。
【００３０】
本発明品においては、ばね性はＳＵＳ３１６Ｌと同等以上ということで、１％曲げに対する永久歪みを０.０５％以下と規定している。本発明品では、特に１％曲げに対する永久歪みが小さく、Ｔｉ６Ｍｏ４Ｓｎ合金では、１％曲げ歪みに対する永久歪みは０.０１％である。よって、１％以内の曲げ歪みに対して従来にない優れたばね性を発揮し、実質的には永久歪みを生じない。
【００３１】
表１に、各種組成の本発明品と比較品のばね弾性変形域と１％曲げに対する永久歪みを示す。
【００３２】
【表１】

【００３３】
本発明では、ばね性で材料を規定しているが、表１に示すような合金組成で、このばね性を満足することができ、ＳＵＳ３１６Ｌと同等もしくはそれ以上の機能性医療機器が提供できる。また、Ｓｎを３ａｔ％以上含むものは、ばね性が特に向上する。
【００３４】
医療に用いられる金属材料の引張強度は、必要な用途において、最も必要な特性を持つ材質が選択されているために、材質により様々である。しかしながら、基本的には引張り強度は高いものが望まれる。引張強度とは引張試験において、最も応力が高くなったときの応力であり、本発明の機能性医療機器では、強度の高いと言われるＴｉ６Ａｌ４Ｖと同等以上の引張強度を有するように８００ＭＰａ以上と規定している。ＴｉＭｏ系合金の熱処理後の引張強度は８００ＭＰａ〜１１００ＭＰａで、応力は引張強度までほぼ直線的に増加する。引張試験の応力の傾きから求めたヤング率は６０ＧＰａ程度である。ヤング率は、医療用途、特にインプラントにおいては低いほどよく、本発明品は２００ＧＰａのＳＵＳ３１６Ｌや１００ＧＰａのＴｉ、Ｔｉ６Ａｌ４Ｖよりも低い。
【００３５】
Ｔｉ−Ｍｏ系合金の溶解は、Ｔｉと同様な溶解方法が可能である。Ｔｉ、Ｍｏ、Ｓｎ、Ａｇの粒状原料を用い、非消耗式アーク溶解にて合金化が可能である。その他、ＶＡＲ炉（Vacuum Arc Remelting）や浮揚溶解、粉末治金法、条件によっては高周波溶解によっても合金化が可能である。
【００３６】
機能性医療機器の製造過程において、Ｔｉ−Ｍｏ系合金は従来のＴｉ６Ａｌ４Ｖより、加工性が高い。線材の引抜き加工においてφ３.５からφ２、φ１.８、φ１.５と言うように、冷間加工歪み８０％以上の冷間加工が可能である。Ｔｉ６Ｍｏ４Ｓｎ合金の最大冷間加工歪みは８３％以上である。
【００３７】
冷間加工歪み＝（Ｓ０−Ｓ）／Ｓ０×１００
（Ｓ０：冷間加工前の断面積、Ｓ：冷間加工後の断面積）
【００３８】
本発明のＴｉ−Ｍｏ系合金の冷間加工時に、中間焼鈍は不要である。しかしながら、材料の歩留まりや安全性を考えると中間焼鈍する事が望ましい。このとき、β変態温度付近で短時間熱処理することで、引張強度を１０００ＭＰａ以上とすることができる。それ以上の温度で、長時間行うことでばね性を保持したまま、引張強度のみを低下させることができ、８００ＭＰａ程度とする事ができる。上記冷間加工では、引抜き加工のほか、スェージング加工、鍛造加工、圧延加工などが可能である。
【００３９】
本発明の機能性医療機器を構成するＴｉ−Ｍｏ系合金のばね弾性変形域は、１.７％以上である。ばね材として用いられるステンレスは、通常、冷間加工を施すことでばね性が向上するが、本発明の機能性医療機器のばね弾性変形域はステンレスと同等以上である。
【００４０】
更に、本発明のＴｉ−Ｍｏ系合金を用いた機能性医療機器は、６０％以上の冷間加工歪みを加えても、ばね弾性域はほとんど変化せず、引張強度にも大きな変化はない。しかしながら、６００℃以下で時効処理をすることで、強度を高めることが可能である。
【００４１】
本発明の機能性医療機器においては、求めるＴｉ−Ｍｏ系合金の強度に応じて、β変態点以上での熱処理、例えば７５０℃または１０００℃等で焼鈍等、及び必要に応じて６００℃以下での時効熱処理を施せば良い。
【００４２】
機能性医療機器の軽量化において、機能性医療機器を構成するＴｉ−Ｍｏ系合金の比重は５.５以下とすることが望ましい。比重を５.５以下とすることにより、同体積当たりの重量が低く、機能性医療機器（特に義足、義肢、人工骨類）の軽量化、さらには使用重量が減ることでの環境付加価値を高めることが可能となる。
【００４３】
ここで言う比重とは、所定温度における同体積の標準物質との質量の比であり、標準物質として４℃の水を用いている。簡便上、比重＝密度（ｇ／ｃｍ³）としてもよい。表１には、各材料の密度も示してある。アルキメデス法により求めたＴｉ６Ｍｏ４Ｓｎ合金の密度は、５．１７６（ｇ／ｃｍ³）であり、Ｔｉ６Ｍｏ３Ｓｎ０．５Ａｇ合金についても密度は、５．００８（ｇ／ｃｍ ³ ）である。ばね性の良好なＳＵＳ３１６Ｌは７．８（ｇ／ｃｍ³）程度であり、これと比較すると、大幅に軽量化が可能である。
【００４４】
軽量、高強度を示すために比強度［単位密度当たりの強度＝引張強度（ＭＰａ）／密度（ｇ／ｃｍ³）］が用いられる。本発明の機能性医療機器の比強度は７５０℃で熱処理した時に、１９０以上であり、軽量、高強度の機能性医療機器が得られる。ＴｉやＳＵＳ３１６Ｌでは１００以下であり、本発明品の方が比強度が高い。Ｔｉ６Ａｌ４Ｖでは２００程度と本発明品より比強度が若干高いが、Ａｌ、Ｖを含むため、本発明品の方が生体適合性が高く、ばね性も本発明品の方が良好である。
【００４５】
本発明での最適と考えられるＴｉ−Ｍｏ系合金は、９０.５ａｔ％Ｔｉ−６ａｔ％Ｍｏ−３ａｔ％Ｓｎ−０.５ａｔ％Ａｇ（Ｔｉ６Ｍｏ３Ｓｎ０.５Ａｇ）および９０ａｔ％Ｔｉ−６ａｔ％Ｍｏ−４ａｔ％Ｓｎ（Ｔｉ６Ｍｏ４Ｓｎ）の組成の合金であり、両組成の合金共に高強度で、適度なばね性を有し、Ｔｉと同様な製造加工工程を適用することが出来る。抗菌性を重視する場合はＡｇを含むＴｉ６Ｍｏ３Ｓｎ０.５Ａｇ合金が望ましい。
【００４６】
【実施例】
以下の実施例においては、ＴｉとＭｏは約５ｍｍの粒状原料を用い、Ｓｎ、Ａｇにおいても同様な原料を用いて、非消耗式アーク溶解にて合金化を行なった。比重は５.５を超えないように調整した。３点曲げ試験より特性の良いＴｉ６Ｍｏ４Ｓｎ合金およびＴｉ６Ｍｏ３Ｓｎ０.５Ａｇ合金を用いて、機能性医療機器を製造した。機能性医療機器のＴｉ−Ｍｏ系合金部はβ変態点以上で熱処理されており、７５０℃または１０００℃で行なった。また、一部においては、６００℃以下で時効熱処理を施した。
【００４７】
（実施例１）
ガイドワイヤーを本発明により試作した。従来材料と本発明によるガイドワイヤーを比較すると、本発明品はＳＵＳ３１６Ｌ、Ｔｉ−Ｎｉ合金よりも生体適合性が良好であり、ＳＵＳ３１６Ｌ以上の剛性とばね性が得られた。また、柔軟性においては、ＳＵＳ３１６Ｌと同様に、先端の細径化で対応する事が出来た。さらに、陽極酸化によるＴｉＯ₂コーティングにより、擬似体液中による安定性、腐食性が向上しており、Ａｇによる抗菌効果も付加することが出来た。
【００４８】
（実施例２）
ステントを本発明により試作した。従来材料と本発明によるステントを比較すると、実施例１のガイドワイヤーで述べた効果に加え、ＳＵＳ３１６Ｌと比し、非磁性のためＭＲＩ使用時にアーチファクトを生じないという効果が得られた。さらに、本発明品では、加工率を６％以上とすることで、ＳＵＳ３１６Ｌよりもリコイルが減少した。
【００４９】
（実施例３）
人工歯根、歯列矯正ワイヤーを本発明により試作した。従来材料と本発明による人工歯根、歯列矯正ワイヤーを比較すると、特に口内における特異な環境に対応することが出来、Ｔｉ、ＳＵＳ３１６Ｌに比し、フッ素、酸に対する耐食性が向上した。
【００５０】
（実施例４）
人工骨、骨固定材を本発明により試作した。従来材料と本発明による人工骨、骨固定材を比較すると、通常のＴｉ、ＳＵＳ３１６Ｌにくらべヤング率が６０ＧＰａと低く、適度なばね性を持ち、比強度が大きく、軽量、高強度を実現出来た。また、表面へのチタン酸カルシウム／アパタイトの直接形成により、骨との親和性を向上することが出来た。
【００５１】
（実施例５）
福祉材料として、義肢、義手を本発明により試作した。従来材料と本発明による義肢、義手を比較すると、従来のＴｉに比べ強度が高く、Ｔｉ合金、ＳＵＳ３１６Ｌより、ばね弾性変形域が大きく、しなやかであり、ＳＵＳ３１６Ｌに比し、４０％以上の軽量化を実現出来た。
【００５２】
また、全体を通して、従来の医療機器に比べ、高い生体適合性およびばね弾性域を有し、抗菌性が付加された、軽量、高強度の機能性医療機推が提供出来た。
【００５３】
【発明の効果】
本発明の機能性医療機器は、生体適合性が高く、生体への安全性が向上した、軽量、高強度の医療機器を提供することが出来る。さらに、従来からのＴｉの加工方法を用いることが可能であり、ばね性と抗菌性を兼ね備えた機能性医療機器が得られる。特に、生体適合性、ばね性、抗菌性、軽量、高強度、耐腐食性を兼ね備えた機能性医療機器及びその製造方法が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】純金属、Ｃｏ−Ｃｒ合金およびステンレス鋼の生体適合性を示す図。
【図２】３点曲げ試験によるトータル歪みと永久歪みの関係を示す図。

Claims

３点曲げ試験において、０．２％の永久歪みが生じた際に、加えていた全歪みが１．７％以上であり、かつ１％の曲げ歪みを加えた際の永久歪みが０．０５％以下であって、Ｍｏを６〜７ａｔ％含み、残部がＴｉ及び不可避不純物からなるＴｉ−Ｍｏ系合金を用いたことを特徴とする機能性医療機器。
前記Ｔｉ−Ｍｏ系合金の組成において、３〜５ａｔ％のＴｉをＳｎで置換し、引張り試験における引張強度が８００ＭＰａ以上であることを特徴とする請求項１記載の機能性医療機器。
前記Ｔｉ−Ｍｏ系合金の組成において、２ａｔ％以下（０を含まず）のＴｉをＡｇで置換したことを特徴とする請求項１または請求項２記載の機能性医療機器。
前記機能性医療機器は、インプラント、カテーテル、ステント、ガイドワイヤー、注射器、人工骨、骨折固定材（ボーンプレート、スクリュー、ワイヤー）、人工弁、ペースメー力一、人工心臓、歯列矯正ワイヤー、人工歯根、義足、義手のいずれかであることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一つに記載の機能性医療機器。
前記機能性医療機器は、表面にチタン酸化物またはチタン酸カルシウムが直接形成されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一つに記載の機能性医療機器。
前記Ｔｉ−Ｍｏ系合金を、β変態温度以上で熱処理することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一つに記載の機能性医療機器の製造方法。
前記Ｔｉ−Ｍｏ系合金を、６００℃以下で時効熱処理することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一つに記載の機能性医療機器の製造方法。