JP5915910B2 - 医療用具用複合材料およびその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、ステント、ガイドワイヤ、塞栓コイル、静脈フィルタ、歯列矯正ワイヤなどの医療用具に使用される複合材料に関するものであり、特に超弾性形状記憶合金をマトリックスとする医療用具用複合材料およびその製造方法に関するものである。
ステントやガイドワイヤ等の医療用具用材料として、種々の合金が使用されている。例えば、特開2003−325655号公報(特許文献1)は、Ni−Tiの形状記憶合金からなるステントを開示し、特開平9−182799号公報(特許文献2)は、ニッケル−チタン系合金、銅−亜鉛−アルミニウム系合金、銅−アルミニウム−ニッケル系合金などからなるガイドワイヤを開示している。
NiTi系合金、FeMnSi系合金、CuAlNi系合金、CuZnAl系合金等は、一般に形状記憶合金と呼ばれ、その中でも生体温度(37℃付近)で超弾性を示すものがある。超弾性形状記憶合金は、応力誘起型マルテンサイト変態を生ずる結晶構造を持ち、応力を取り除いた際に元の形状に戻る特性を有する。ここで「超弾性」とは、使用温度において通常の金属が塑性変形する領域まで変形(曲げ、引張り、圧縮、ねじり)させても、変形応力を解放すると、加熱を必要とせずにほぼ変形前の形状に回復することを意味する。このような特性を有する超弾性形状記憶合金は、生体内で使用されるステントやガイドワイヤ等に有利に利用され得る。
特開2003−325655号公報 特開平9−182799号公報
超弾性形状記憶合金は、一般的に「軟らかい」合金であるため、用途によっては、プラトー領域(応力−歪み曲線において歪みの増加に対して応力値がほぼ一定値を示す領域)における応力値が不十分とされる場合があった。特に生体内に配置されたり使用されたりするステントやガイドワイヤ等の医療用具においては、より小型化が望まれるが、プラトー領域の応力値(強度)が不十分だと薄肉化や細径化等の小型化を推進することができない。
本発明の目的は、超弾性形状記憶合金をマトリックスとする医療用具用複合材料において、プラトー領域における応力値を向上させることである。
本発明に従った医療用具用複合材料は、マトリックスを構成する超弾性形状記憶合金と、前記マトリックス中に分散した金属酸化物とを備える。
後に実施例を参照して説明するが、適正量の金属酸化物をマトリックス中に含有することにより、プラトー領域における応力値が向上する。
適正量の金属酸化物をマトリックス中に含有させるために、好ましくは、医療用具用複合材料は、超弾性形状記憶合金の粉末と金属酸化物の粒子とを混合後に焼結して押出加工することによって得られる。溶解した超弾性形状記憶合金中に金属酸化物の粒子を添加しても、適正量の金属酸化物をマトリックス中に残存させることができない。それに対して、超弾性形状記憶合金粉末に金属酸化物粒子を添加して混合するのであれば、適正量の金属酸化物をマトリックス中に残存させることができる。
超弾性形状記憶合金粉末に対する金属酸化物粒子の添加量は、好ましくは、0.10〜1.0容量%である。0.10%未満の添加量であれば、プラトー領域における応力値の向上が不十分である。添加量が1.0容量%を超えると、プラトー領域における応力値は向上するものの、伸びの低下が顕著になってくるので生体内で使用される医療用具としての用途に適さなくなる。
なお、容量%で規定する「超弾性形状記憶合金粉末に対する金属酸化物の添加量」とは、超弾性形状記憶合金粉末100容量部に対する金属酸化物添加量の容量部である。
超弾性形状記憶合金粉末は、例えば、TiNi系合金粉末、Cu系合金粉末、Fe系合金粉末およびTi系合金粉末からなる群から選ばれた一つの合金粉末である。ステントやガイドワイヤ等の医療用具用材料として特に好ましいものは、生体適合性に優れるTiNi系合金である。TiNi系合金は、血液中での耐食性に優れており、表面が安定していて合金成分が血液中に溶出するおそれがない。金属酸化物粒子は、例えば、TiO、Al、CeO、MgO、CaO、およびZrOからなる群から選ばれた一つの酸化物粒子である。
好ましい実施形態では、超弾性形状記憶合金粉末はTiNi系合金粉末であり、金属酸化物粒子およびその添加量は、0.10〜1.0容量%のTiOおよび0.1〜1.0容量%のAlのうちのいずれか一方である。
本発明に従った医療用具用複合材料の製造方法は、以下の工程を備える。
a)溶解法によって超弾性形状記憶合金からなるインゴットを作製する工程。
b)上記超弾性形状記憶合金インゴットを粉砕または切削して超弾性形状記憶合金粉末にする工程。
c)上記超弾性形状記憶合金粉末と金属酸化物の粒子とを混合する工程。
d)上記超弾性形状記憶合金粉末と上記金属酸化物粒子との混合物を焼結して押出加工する工程。
上記方法において、好ましくは、超弾性形状記憶合金はTiNi系合金であり、金属酸化物およびその添加量は0.10〜1.0容量%のTiOおよび0.1〜1.0容量%のAlのうちのいずれか一方である。
本発明によれば、超弾性形状記憶合金をマトリックスとする医療用具用複合材料において、マトリックス中に分散した金属酸化物を含有することにより、応力−歪み曲線におけるプラトー領域の応力値を向上させることができる。その結果、ステントやガイドワイヤ等の医療用具の薄肉化や細径化を実現することができる。
金属酸化物を添加していないTiNi系合金の押出加工品(試料1)、TiO粒子を0.5容量%(0.33wt%)添加したTiNi系合金の押出加工品(試料2)およびTiO粒子を1.0容量%(0.66wt%)添加したTiNi系合金の押出加工品(試料3)に対する引張試験結果を示す図である。 金属酸化物を添加していないTiNi系合金の押出加工品(試料1)、Al粒子を0.2容量%添加したTiNi系合金の押出加工品(試料4)およびAl粒子を1.0容量%添加したTiNi系合金の押出加工品(試料5)に対する引張試験結果を示す図である。 試料2に対するヒステリシス試験の結果を示す図である。 試料3に対するヒステリシス試験の結果を示す図である。 TiO粒子を0.15容量%(0.1wt%)添加したTiNi系合金の押出加工品(試料6)およびTiO粒子を0.38容量%(0.25wt%)添加したTiNi系合金の押出加工品(試料7)に対する引張試験結果を示す図である。 試料6に対するヒステリシス試験の結果を示す図である。 試料7に対するヒステリシス試験の結果を示す図である。
本発明に係る複合材料は、ステント、ガイドワイヤ、塞栓コイル、静脈フィルタ、歯列矯正ワイヤなどの医療用具に使用されるものであって、超弾性形状記憶合金をマトリックスとし、このマトリックス中に分散した金属酸化物を含有することを特徴としている。
超弾性形状記憶合金は、超弾性形状記憶特性を発揮し得る合金組成を有し、例えばTiNi系合金、Cu系合金、Fe系合金、Ti系合金等を挙げることができる。TiNi系合金の場合、Niを43〜57質量%含有し、残部がTiと不可避不純物とからなる。このTiNi系合金に、少量の他の金属、例えば、コバルト、鉄、パラジウム、白金、ホウ素、アルミニウム、ケイ素、バナジウム、ニオブ、銅等を添加してもよい。
Cu系合金としては、例えばCu−Al−Ni合金、Cu−Zn合金、Cu−Zn−Al合金等を挙げることができる。Fe系合金としては、例えばFe−Ni合金、Fe−Mn−Si合金、Fe−Pd合金、Fe−Pt合金等を挙げることができる。Ti系合金としては、例えばTi−Nb合金、Ti−Mo合金等を挙げることができる。
上記各種の超弾性形状記憶合金の中で、医療用具用複合材料として特に適したものは、回復歪みが大きく、かつ生体適合性に優れているTiNi系合金である。TiNi系合金の一例は、例えば、Niを54.5〜57質量%含有し、残部がTiと不可避不純物とからなるものである。不可避不純物として、Coを0.050質量%以下、Cuを0.010質量%以下、Crを0.010質量%以下、Hを0.005質量%以下、Feを0.050質量%以下、Nbを0.050質量%以下含有しても良い。
応力−歪み曲線におけるプラトー領域の応力値を向上させるために、超弾性形状記憶合金のマトリックス中に、金属酸化物を分散させることが重要である。金属酸化物としては、例えばTiO、Al、CeO、MgO、CaO、ZrO等が挙げられるが、好ましい金属酸化物は、TiOおよびAlのうちのいずれか一方である。適正量の金属酸化物をマトリックス中に含有させる際、溶解した超弾性形状記憶合金中にTiOやAlなどの金属酸化物粒子を添加しても、適正量の金属酸化物をマトリックス中に残存させることは困難である。
そこで、本発明に係る複合材料は、次の工程を経て製造される。超弾性形状記憶合金がTiNi系合金である場合を例にして説明する。
(A)インゴットの作製
溶解法によってTiNi系合金からなるインゴットを作製する。他の方法として、Ti粉末とNi粉末とを混合して焼結させる粉末冶金法によってTiNi系合金焼結体を得ることが考えられる。
(B)TiNi系合金粉末の作製
TiNi系合金インゴットを粉砕または切削してTiNi系合金粉末を得る。
(C)金属酸化物の添加
TiNi系合金粉末にTiOやAlなどの金属酸化物粒子を添加し、金属酸化物粒子が均一に分散するように混合する。TiNi系合金粉末に対する金属酸化物粒子の添加量は、好ましくは、0.10〜1.0容量%である。0.10容量%未満の添加量であれば、最終的に得られる複合材料において、応力−歪み曲線におけるプラトー領域の応力値の向上が不十分である。添加量が1.0容量%を超えると、プラトー領域における応力値は向上するものの、伸びの低下が顕著になってくるので生体内で使用される医療用具としての用途に適さなくなる。特に、血管の屈曲部分に配置されるようなステントの場合、繰り返しの曲げ荷重が作用するので、伸び特性は重要な因子となる。
(D)焼結および押出加工
TiNi系合金粉末と金属酸化物粒子との混合物を焼結して押出加工する。焼結は、真空雰囲気もしくは不活性ガス雰囲気で行うことが好ましく、真空雰囲気で行うことがより好ましい。焼結温度は特に限定するものではないが、例えば、700〜1200℃が好ましく、800〜1100℃がより好ましい。また、押出加工は、熱間押出加工が好ましい。
上記の工程を経て、本発明に係る医療用具用複合材料が得られる。最終的に得られる複合材料において、例えばAlは、粒子としてTiNi系合金のマトリックス中に分散することにより、複合材料の強度を高める。このようにAl粒子を添加すれば、粒子分散強化によって、最終的に得られる複合材料のプラトー領域における応力値を向上させることができる。しかしながら、粒子分散強化型の複合材料は、繰り返しの曲げ荷重が作用するような用途には適さない可能性がある。例えば、血管の屈曲部分に配置されるようなステントを粒子分散型複合材料で製造した場合、マトリックス中に分散している粒子が繰り返し荷重を受けることによって疲労破壊の起点になるおそれがある。
上記の用途の場合、金属酸化物粒子としてTiO粒子を用いるのが好ましい。添加する金属酸化物粒子がTiOの場合、最終的に粒子として存在するのではなく、分解して酸素が母相中に固溶されて固溶強化を図り、医療用具用複合材料の強度を向上させる。特に溶製法(溶解法)ではなく、粉末冶金法でTiO粒子を添加することにより、より多くの酸素量を固溶させることができる。固溶した酸素は疲労破壊の起点にならないので、酸素固溶強化型複合材料は繰り返し荷重のかかる用途に適している。
酸素の固溶強化を期待できる金属酸化物としては、酸化物の標準生成自由エネルギー図から、TiOよりも分解し難いと思われるCeO,MgO,CaO,ZrOなどを挙げることができる。これらの金属酸化物は、一度分解した酸素が金属元素と反応して再度金属酸化物を生成することがなく、酸素が母相中に固溶される。
本発明の複合材料の用途は、ステント、ガイドワイヤ、塞栓コイル、静脈フィルタ、歯列矯正ワイヤなどの医療用具である。後の実施例で記載するが、0.5容量%(0.33wt%)のTiO粒子を添加したTiNi系合金複合材料の場合、プラトー領域の応力値(強度)が600MPa(TiOの添加なし)から800MPaに上昇する。したがって、従来の板厚0.2mmのステントへの適用を考えると、同程度の強度を維持するのであれば、板厚を3/4程度(約1.5mm)に減少させることができる。板厚を減少させることのメリットは、細い梁で血管の膜を支えることができるので、使用する合金の量を減らし、結果的に合金成分の溶出を少なくすることができる。また、血管へのデリバリー時に、ステントをより小さい径に畳むことが可能になる。
プラトー領域の応力値(強度)が600MPaから800MPaに上昇することを考慮してガイドワイヤへの適用を考えると、同程度の強度を維持するのであれば、従来のワイヤの外径0.50mmを0.45mmにまで小さくすることができる。この細径化のメリットは、ワイヤに沿わすことのできる他の医療用具用の内外径を細径化できるということである。
[混合物の準備]
下記の混合物を準備した。
試料1:TiNi系合金粉末(比較例)
試料2:TiNi系合金粉末に0.5容量%(0.33wt%)のTiO粒子を添加(本発明例)
試料3:TiNi系合金粉末に1.0容量%(0.66wt%)のTiO粒子を添加(本発明例)
試料4:TiNi系合金粉末に0.2容量%のAl粒子を添加(本発明例)
試料5:TiNi系合金粉末に1.0容量%のAl粒子を添加(本発明例)
試料6:TiNi系合金粉末に0.15容量%(0.10wt%)のTiO粒子を添加(本発明例)
試料7:TiNi系合金粉末に0.38容量%(0.25wt%)のTiO粒子を添加(本発明例)
[焼結]
上記の各試料を下記の条件で焼結して焼結体を得た。
温度:900℃
保持時間:30分
雰囲気:真空
圧力:40MPa
昇温速度:20℃/分
[熱間押出加工]
得られた焼結体に対して、下記の条件で熱間押出加工を行って押出加工品を得た。
予備加熱温度:1050℃
予備加熱時間:10分
押出比:6
押出ラム速度:6mm/秒
[引張試験]
試料1〜7の押出加工品について、室温環境にて、下記の条件で引張試験を行なった(N=2)。
試験片の形状:丸棒
試験片の直径:3.5mm
試験片の長さ:20mm
引張速度:歪速度5×10−4−1
試料1、試料2および試料3に対する試験結果を図1に、試料1、試料4および試料5に対する試験結果を図2に、試料6および試料7に対する試験結果を図5にそれぞれ示す。
図1に示すグラフから、TiOを0.5容量%(0.33wt%)添加した試料2およびTiOを1.0容量%(0.66wt%)添加した試料3は、TiOを添加していない試料1と比較して、応力−歪曲線のプラトー領域における応力値が向上していることが認められる。また、TiOの添加量が多くなる程、破断強度も向上することが認められる。一方、伸び特性を見ると、TiOを1.0容量%添加した試料3は、試料1および試料2と比較して、低下していることが認められる。
ステントやガイドワイヤ等の医療用具への適用を考えると、伸び特性をあまり低下させることは望ましくないので、TiO添加量の好ましい上限値は1.0容量%である。
TiOを添加していない試料1のプラトー領域における応力値は約600MPaであるのに対し、TiOを0.5容量%(0.33wt%)添加した試料2のプラトー領域における応力値は約800MPaとなっている。伸び特性を見ると、試料1と試料2との間に大きな差は認められない。
図5に示すグラフから、TiOを0.15容量%(0.10wt%)添加した試料6のプラトー領域における応力値は約720MPaであり、0.38容量%(0.25wt%)添加した試料7のプラトー領域における応力値は約770MPaとなっており、TiOを添加していない試料1に比べて、応力値が著しく向上している。伸び特性を見ると、試料1、試料6および試料7間に大きな差は認められない。
伸び特性を低下させることなく、プラトー領域における応力値を向上させるという観点からすると、TiOの好ましい添加量は0.15容量%(0.10wt%)〜0.5容量%(0.33wt%)程度であると認められる。TiO添加量が0.15容量%(0.10wt%)でプラトー領域における応力値が約120MPa上昇していることを考えると、0.10容量%の添加でも100MPa程度の応力値の上昇が見込まれる。したがって、TiO添加量の好ましい下限値は0.10容量%である。
図2に示すグラフから、Alを0.2容量%添加した試料4および1.0容量%添加した試料5は、Alを添加していない試料1と比較して、応力−歪曲線のプラトー領域における応力値および破断強度が向上していることが認められる。プラトー領域における応力値および破断強度は、Alの添加量に比例して上昇している。一方、伸び特性を見ると、Alを1.0容量%添加した試料5は、試料1および試料4と比較して、低下していることが認められる。
医療用具への適用を考えると、伸び特性をあまり低下させることは望ましくないので、Al添加量の好ましい上限値は1.0容量%である。
Alを添加していない試料1のプラトー領域における応力値は約600MPaであるのに対し、Alを0.2容量%添加した試料4のプラトー領域における応力値は約750MPaとなっている。伸び特性を見ると、試料1と試料4との間に大きな差は認められない。伸び特性の観点からAlの添加量を見ると、1.0容量%に比べて0.2容量%のものが良好な特性を示す。Alの添加量を少なくするほど伸び特性が良好になるので、応力値の上昇および伸び特性の向上の観点から、Alの添加量を0.1〜0.2容量%程度にするのが良い。Al添加量が0.2容量%でプラトー領域における応力値が約150MPa上昇していることを考えると、0.1容量%の添加でも100MPa程度の応力値の上昇が見込まれる。したがって、Alの好ましい下限値は0.1容量%である。
[ヒステリシス試験]
試料2、試料3、試料6および試料7の押出加工品を引張ることにより一定の歪みを加えた後、応力を除荷する引張試験を1サイクルとして、加える歪みを変えて3サイクル行うヒステリシス試験を下記の条件で行なった。試料2に対する歪み量は、サイクル1で3%、サイクル2で7%、サイクル3で15%とした。試料3に対する歪み量は、サイクル1で3%、サイクル2で5%、サイクル3で10%とした。試料6および試料7に対する歪み量は、サイクル1で4%、サイクル2で10%、サイクル3で15%とした。
試験片の形状:丸棒
試験片の直径:3.5mm
試験片の長さ:20mm
引張速度:歪み速度5×10−4−1
試料2に対する結果を図3に示し、試料3に対する結果を図4に示し、試料6に対する結果を図6に示し、試料7に対する結果を図7に示す。これらの図から、TiOを添加した試料2、試料3、試料6および試料7は、応力を除荷した際に変形歪みがある程度元に回復することが認められる。
本発明に係る複合材料は、ステントやガイドワイヤ等の医療用具用材料として有利に利用され得る。

Claims (4)

  1. マトリックスを構成する超弾性形状記憶合金と、
    前記マトリックス中に分散した金属酸化物とを備え、
    前記超弾性形状記憶合金は、Ti−Ni系合金粉末からなり、
    前記金属酸化物およびその添加量は、0.1〜1.0容量%のTiO粒子および0.1〜1.0容量%のAl粒子のうちのいずれか一方である、医療用具用複合材料。
  2. 前記TiO粒子の添加量は、0.1〜0.5容量%であり、前記Al粒子の添加量は、0.1〜0.2容量%である、請求項1に記載の医療用具用複合材料。
  3. 溶解法によってTi−Ni系超弾性形状記憶合金からなるインゴットを作製する工程と、
    前記超弾性形状記憶合金インゴットを粉砕または切削して超弾性形状記憶合金粉末にする工程と、
    前記超弾性形状記憶合金粉末に対して、0.1〜1.0容量%のTiO粒子および0.1〜1.0容量%のAl粒子のうちのいずれか一方の金属酸化物粒子を添加して混合する工程と、
    前記超弾性形状記憶合金粉末と前記金属酸化物粒子との混合物を焼結して押出加工する工程とを備える、医療用具用複合材料の製造方法。
  4. 前記TiO粒子の添加量は、0.1〜0.5容量%であり、前記Al粒子の添加量は、0.1〜0.2容量%である、請求項3に記載の医療用具用複合材料の製造方法。
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