JP6742996B2 - チタン合金 - Google Patents

Description

本発明は、特に生体適合的なインプラントに使用するために用途を見出すことができる、可能な限り高い強度を有するチタン合金に関する。ただし、この合金はそのようなだけに限定されるものではなく、これ以外の用途にも全般的な利用可能性を見出すことができる。

医療技術においてチタン合金が採用されるのは、通常、これから医療用および／または人工補綴用のインプラントが製作されるべき場合である。典型的に使用される金属合金は、本来は航空機産業用として開発されたＴｉ−Ａｌ６−Ｖ４などである。このような合金について、その後、インプラント材料として利用するのに好適であると考えられるようになったが、それは、この合金が十分な機械的強度を有するとともに、生体適合性について是認可能な値を有すると思われたからである。

その後、材料の多くが体液中で一定の程度に腐食し、そのためにイオンを遊離し、それが長い期間を通じて有害になり得る可能性があることが見出された。ドイツ特許出願公表第６９００８５０７Ｔ２号明細書にはこの点に関して、体液の腐食作用は化学的なプロセスだけでなく、電気化学的なプロセスにも原因が帰せられることが想定され、通常使用される特定の金属合金が腐食プロセスにより身体中でイオンを形成すると、腐食生成物が形成されると説明されている。たとえばアルミニウム金属イオンはアルツハイマー病と結びつけられていて、バナジウム、コバルト、ニッケル、およびクロムは毒性もしくは発がん性をもつ疑いがある。

一般に、インプラント金属合金をパッシベーションするのが普通である。しかしパッシベーションは、付着性に劣る薄いアモルファスの酸化物防護膜を生成するにすぎず、この酸化物防護膜は、身体中での腐食生成物の形成を排除するにあたって完全に有効ではないことが判明している。

欧州特許第１２１１９９３Ｂ１号明細書は、骨ねじをねじ込むことで変形可能な部材が挿入された力支持体を有する、骨のための固定システムを開示している。このような固定システムは、骨折片を相互に結合する役目を果たす。臨床での適用において、従来式のプレート・釘システムに対するこのようなシステムの優位性が示されている。このような固定システムについても、薄いチタン酸化物層に帰せられるべき生体適合性に基づいて適用されるチタン素材が用いられる。鋼材やその他の金属素材と比べたとき、チタン素材はそのために適した特性プロフィルも有しており、それは特に、人間の身体内で使用するための剛性や強度の面からである。そのために通常、工業的に純度がＧｒａｄｅ １Ｓから４のチタン素材（ＣＰチタン）、またはすでに挙げた合金Ｔｉ−Ａｌ６−Ｖ４もしくはＴｉ−Ａｌ６−Ｎｂ７が用いられる。主として準安定的なβチタン合金（Ｔｉ−Ｍｏ１５）の等級に属する、および散発的にβチタン合金（ＴＮＺＴ）の等級に属するその他のチタン素材も、すでに医療技術上の承認を得ている。しかし、これらはまだ検証段階にある。

いずれの純チタン種にも共通するのは比較的低い強度（引張強度：Ｒ_ｍ≦６００ＭＰａ）であり、このことは骨接合術で使用する場合、比較的厚いプレート、ねじ、または釘をもたらす。たとえば膝や腰領域などでの恒久的なインプラントには、ＣＰチタンの強度は低すぎる。したがって骨接合術では、軟質の純チタン種がチタン合金Ｔｉ−Ａｌ６−Ｖ４と嵌合式に結合され、そのようにして十分な強度を保証するサンドイッチプレートという方策が講じられる。その際にはプレートの角度安定性を高めるためにねじがしばしば利用され、そのねじ山がプレートへのねじ込みのときにセルフタッピングし、それにより、既存のチタン酸化物層が通常は損傷する。陽極酸化プロセスにより生成される比較的厚いチタン酸化物層も、その際には何ら助けにならない。

Ｙ．ミュラー著、学位請求論文（Ｄｉｓｓ．ＥＴＨチューリヒＮｏ．１４５４２（２００２））より、金属イオンはすでに室温で、チタン酸化物層の亀裂を通じて相応のコンポーネントの表面に到達し得ることを証明する実験が知られている。セルフタッピングねじのねじ込みにより損傷した酸化物層は、金属イオンが外に出るのをいっそう容易にするはずである。このことが人間の身体内での合金の使用に関して意味するのは、相応のアルミニウムイオンおよび／またはバナジウムイオンが血液循環に入り得るということである。人間の身体には、酸素含有量が非常に少ない領域が存在する。そこで酸化物層に損傷のあるチタンが使用されると、新たな酸化物層が形成されることがあり得ず、そのため、合金のあらためてのパッシベーションも生じない。したがって、このようなチタン合金の使用は、特に骨接合術材料として必ずしも最善に適しているわけではない。

以上を前提としたうえで、毒性がすでに証明されている、または疾病を引き起こす疑いのある合金元素を使用することなく、可能な限り高い強度を有するチタン合金を提供することが意図される。

この課題は、合金元素としてのアルミニウム（Ａｌ）、バナジウム（Ｖ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、コバルト（Ｃｏ）、および錫（Ｓｎ）を排除したうえで、合金成分に含まれている、または製造中に取り込まれた不可避的な微量の不純物のほかに次の合金成分を重量％で有するチタン合金によって解決される：
ａ）０．２から１．５％の酸素（Ｏ）、
ｂ）０．１から１．５％の鉄（Ｆｅ）、
ｃ）０．０１から２％の炭素（Ｃ）、
ｄ）残りのチタン（Ｔｉ）。

微量の不純物は決して回避可能ではないものの、人間の身体内にすでに含まれる合金成分だけが使用されることによって、純チタン種における強度向上が実現される。

これらの成分だけが使用されるのが好ましく、その場合、特に好ましくは０．４重量％の酸素（Ｏ）および／または０．５重量％の鉄（Ｆｅ）および／または０．０８重量％の炭素（Ｃ）が使用される。

これに追加して、本発明によるチタン合金では強度向上のために、身体にネガティブな影響を及ぼすことが知られていない、たとえば金、モリブデン、ニオブ、ケイ素、ジルコニウムのような合金成分をさらに使用することもできる。

金（Ａｕ）の割合は１重量％未満であるのが好ましく、特に０．１重量％であるのが好ましい。

ニオブ（Ｎｂ）は１重量％未満の割合で追加的に使用されるのが好ましく、特に０．１重量％の割合で使用されるのが好ましい。

モリブデン（Ｍｏ）は１重量％未満の割合で追加的に使用されるのが好ましく、特に０．１重量％の割合で使用されるのが好ましい。

ジルコニウム（Ｚｒ）は１重量％未満の割合で使用されるのが好ましく、特に０．１重量％の割合で使用されるのが好ましい。

窒素（Ｎ）は１．５重量％未満の割合で追加的に使用されるのが好ましく、特に０．４重量％未満の割合で、特に０．２重量％の割合で使用されるのが好ましい。

ケイ素（Ｓｉ）は０．５重量％未満の割合で使用されるのが好ましく、特に０．０５重量％の割合で使用されるのが好ましい。

水素（Ｈ）も、本発明による合金に好ましくは０．２重量％未満の割合で使用することができる。

各元素は合金中で累積的に存在していてよい。あるいは、どのような強度が固有の適用事例で必要とされるかに応じて、個々の元素が全面的に欠如していてもよい。しかし、アルミニウム（Ａｌ）、バナジウム（Ｖ）、および錫（Ｓｎ）の各元素の使用は原則として排除されなくてはならないが、その場合にも当然ながら、これらの元素も他の合金成分の不純物として不可避的であり、そのため、微量元素として許容されざるを得ないことを排除することはできない。

本発明による合金は、たとえば欧州特許第１２１１９９３Ｂ１号明細書や欧州特許第１１４３８６７Ｂ１号明細書に記載されている「ブロッキング技術によるインテリジェントなインプラント」として利用できるのが好ましい。この合金は、骨ねじ材料や骨釘材料を製造するために適用することもできる。ただしこの合金は、必ずしも生体適合的なインプラントの分野に限定されるものではなく、その強度が希望される利用目的に十分である場面ではどこでも適用することができる。

図１は、ＣＰ−Ｔｉ Ｇｒａｄｅ４^＋の流動曲線マップを示す。

出発素材としてＣＰチタンＧｒａｄｅ４が考慮の対象となり、その許容される合金元素の最大含有率は、医療工学について有効な仕様書ＡＳＴＭ Ｆ−６７の中で規定されている。下記の表は、本発明によるチタン合金の考えられる組成を掲載しており、記載は重量％の単位で行われている：

合金元素のどのような含有率が、予定される適用ケースにとって好適であるかを見積もるために、まず、さまざまな２元素からなる合金を調べた。組成や強度のほか、Ｔｉ−Ｏ（０．２から１．５）、Ｔｉ−Ｆｅ（０．２から１．５）、およびＴｉ−Ｎｂ（０．１から２）の特に室温での耐衝撃性を調べた（記載は重量％の単位）。

金を添加することで、一方では素材のいっそうの混合結晶硬化が実現され、他方では、主として粒界でマイクロメートル単位の追加の粒子が析出することで、驚くべきことに粒子を細かくする作用が生じることが判明した。それが驚くべきことである理由は、２元相図Ｔｉ−Ａｕが若干異なる予測をしているからである。このような作用は、チタン中での金の低い溶解度に基づいて得られるものと推測される。

ニオブも、同じくわずかな追加の混合結晶硬化をもたらすように作用する。

人間の身体に対して考えられるマイナスの影響に基づき、金・チタンのバリエーション１から４より強度は若干低いものの、前掲の表に含まれている最初の３つの合金が優先されるべきである。

本発明によると、チタン合金にこれまで稀にしか、もしくはまったく適用されてこなかった合金元素が採用される。したがって、得られる成果は予測が不可能であった。むしろ、たとえば混合結晶硬化、微粒子硬化、あるいは変形硬化など、硬化をもたらし得るあらゆるメカニズムを適用せざるを得なかった。

実験室規模での合金製作をプラズマアーク炉の中で行い、溶融と注型は問題なく可能であった。次いで、保護ガス（Ａｒ９９．９９８）のもとで溶体化処理を行い、機械的特性を見積もるために組織分析と硬度試験を行った。合金ＣＰ−Ｔｉ Ｇｒａｄｅ４^＋について変形試験（静的：変形度＝０．９；動的：変形度＝０．３）を実施し、これにより、本発明によるチタン素材を熱間成形できることを証明することができており、このことは工学的な利用にとっての前提条件となる。動的な変形試験での装置に起因する約０．３の変形度に基づき、再結晶焼きなましによって微粒子を得ることはできなかった。しかし追加の混合結晶硬化に基づき、および場合により２相チタン合金の発生により、上で説明した他の解決態様の強度は、いずれの場合でもＣＰ−Ｔｉ Ｇｒａｄｅ４^＋の強度を上回ることが意図される。

次の表は合金製造の例を示している：

予合金として、Ｄａｉｄｏ Ｓｔｅｅｌ社のＣＰ−Ｔｉ Ｇｒａｄｅ４（ＦＪ２−ＦＪ３，Ｈｅａｔ Ｎｏ．ＴＮ８３１Ｇ）を直径８ｍｍの棒材として使用した。化学組成は相応の分析認証から取り入れた。酸素含有率と炭素含有率を引き上げるために、相応の粉末（ＴｉＯ_２およびグラファイト）を計量し、放散損失を回避するためにチタンフィルムの中へ包装し、これをそれぞれのチタン棒の間に配置した。チタンフィルムのチタン含有率は９９．６％であり、すなわち使用する予合金よりも若干上回っていた。その結果として生じる化学組成のわずかな誤差は無視した。３０１．４５ｇの全体重量においてチタンフィルムの重量は２．２２ｇにすぎず、フィルムの化学組成は使用するＣＰ−Ｔｉ Ｇｒａｄｅ４の化学組成に近似的に呼応するので、この無視は是認可能であると考えられた。鉄はグラニュール形態で添加した。

下記の表は、測定された硬度（方式：ビッカースＨＶ１０／１５）と、そこから見積もられる引張強度を示している。比較のため、合金Ｔｉ−Ａｌ６−Ｖ４、Ｔｉ−Ａｌ６−Ｖ４ ＥＬＩ、ならびに準安定的なβチタン合金Ｔｉ−Ｍｏ１５を溶体化処理して焼入れした状態（ＬＧ）で、ならびに析出硬化された状態（ＡＧ）で掲げる。

本発明による純チタン態様ＣＰ−Ｔｉ Ｇｒａｄｅ４^＋および金・チタンＧｒａｄｅ４^＋の硬度は、もっとも硬い純チタン種ＣＰ−Ｔｉ Ｇｒａｄｅ４の硬度よりも約２０％だけ高く、これまで主に用いられているチタン合金Ｔｉ−Ａｌ６−Ｖ４およびＴｉ−Ａｌ６−Ｖ４ ＥＬＩの硬度より約１０％だけ低いか、もしくはその下限に位置している。

下記の表は、変形温度（変形方法：ロータリースエージング、変形度０．３）およびこれに続く再結晶焼きなましが素材ＣＰ−Ｔｉ Ｇｒａｄｅ４^＋の硬度に及ぼす影響を示している。その際に５つの圧痕を施した（地点１から５）。

ただ１つの図面は流動曲線マップを示している。合金ＣＰ−Ｔｉ Ｇｒａｄｅ４^＋の準静的な流動曲線が温度に依存してプロットされている。０．９の変形度が達成されたときに実験を中断した。試料の破断には至っていない。流動曲線マップから明らかに認められるとおり、調べた合金ＣＰ−Ｔｉ Ｇｒａｄｅ４^＋は鍛造可能である。
以下、本願の出願当初の特許請求の範囲に記載した発明を付記する。
［１］ 合金元素としてのアルミニウム（Ａｌ）、バナジウム（Ｖ）、コバルト（Ｃｏ）、クロム（Ｃｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、および錫（Ｓｎ）を排除したうえで、合金成分に含まれている、または製造中に取り込まれた不可避的な微量の不純物のほかに少なくとも次の合金成分
ａ）０．２から１．５％の酸素（Ｏ）、
ｂ）０．１から１．５％の鉄（Ｆｅ）、
ｃ）０．０１から２％の炭素（Ｃ）、
ｄ）残りのチタン（Ｔｉ）
を重量％で有している、特に生体適合的なインプラントに使用するためのチタン合金。
［２］ ０．４％の酸素（Ｏ）を有することを特徴とする、［１］に記載のチタン合金。
［３］ ０．５％の鉄（Ｆｅ）を有することを特徴とする、［１］または［２］に記載のチタン合金。
［４］ ０．０８％の炭素（Ｃ）を有することを特徴とする、［１］から［３］のいずれか１項に記載のチタン合金。
［５］ １％未満の金（Ａｕ）を追加的に有することを特徴とする、［１］から［４］のいずれか１項に記載のチタン合金。
［６］ ０．１％の金（Ａｕ）を有することを特徴とする、［５］に記載のチタン合金。
［７］ １％未満のニオブ（Ｎｂ）を追加的に有することを特徴とする、［１］から［６］のいずれか１項に記載のチタン合金。
［８］ ０．１％のニオブ（Ｎｂ）を有することを特徴とする、［７］に記載のチタン合金。
［９］ １％未満のモリブデン（Ｍｏ）を追加的に有することを特徴とする、［１］から［８］のいずれか１項に記載のチタン合金。
［１０］ ０．１％のモリブデン（Ｍｏ）を有することを特徴とする、［９］に記載のチタン合金。
［１１］ １％未満のジルコニウム（Ｚｒ）を追加的に有することを特徴とする、［１］から［１０］のいずれか１項に記載のチタン合金。
［１２］ ０．１％のジルコニウム（Ｚｒ）を有することを特徴とする、［１１］に記載のチタン合金。
［１３］ １．５％未満、特に０．４％未満の窒素（Ｎ）を追加的に有することを特徴とする、［１］から［１２］のいずれか１項に記載のチタン合金。
［１４］ ０．２％の窒素（Ｎ）を有することを特徴とする、［１３］に記載のチタン合金。
［１５］ ０．５％未満のケイ素（Ｓｉ）を追加的に有することを特徴とする、［１］から［１４］のいずれか１項に記載のチタン合金。
［１６］ ０．０５％のケイ素（Ｓｉ）を有することを特徴とする、［１５］に記載のチタン合金。
［１７］ ０．２％未満の水素（Ｈ）を追加的に有することを特徴とする、［１］から［１６］のいずれか１項に記載のチタン合金。
［１８］ ［１］から［１７］のいずれか１項に記載の合金で少なくとも部分的に構成されるインプラント、特に人工補綴用のインプラント。

Claims (17)

1. 合金元素としてのアルミニウム（Ａｌ）、バナジウム（Ｖ）、コバルト（Ｃｏ）、クロム（Ｃｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、および錫（Ｓｎ）を排除したうえで、合金成分に含まれている、または製造中に取り込まれた不可避的な微量の不純物のほかに次の合金成分（以下、重量％）
   ａ）０．２から１．５％の酸素（Ｏ）、
   ｂ）０．１から１．５％の鉄（Ｆｅ）、
   ｃ）０．０１から２％の炭素（Ｃ）、
   ｄ）残りのチタン（Ｔｉ）と、
   追加的な１％未満の金（Ａｕ）と、からなることを特徴とする生体適合的なインプラントに使用するためのチタン合金。
2. ０．４％の酸素（Ｏ）を有することを特徴とする、請求項１に記載のチタン合金。
3. ０．５％の鉄（Ｆｅ）を有することを特徴とする、請求項１または２に記載のチタン合金。
4. ０．０８％の炭素（Ｃ）を有することを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載のチタン合金。
5. ０．１％の金（Ａｕ）を有することを特徴とする、請求項１に記載のチタン合金。
6. １％未満のニオブ（Ｎｂ）を追加的に有することを特徴とする、請求項１から５のいずれか１項に記載のチタン合金。
7. ０．１％のニオブ（Ｎｂ）を有することを特徴とする、請求項６に記載のチタン合金。
8. １％未満のモリブデン（Ｍｏ）を追加的に有することを特徴とする、請求項１から７のいずれか１項に記載のチタン合金。
9. ０．１％のモリブデン（Ｍｏ）を有することを特徴とする、請求項８に記載のチタン合金。
10. １％未満のジルコニウム（Ｚｒ）を追加的に有することを特徴とする、請求項１から９のいずれか１項に記載のチタン合金。
11. ０．１％のジルコニウム（Ｚｒ）を有することを特徴とする、請求項１０に記載のチタン合金。
12. １．５％未満、特に０．４％未満の窒素（Ｎ）を追加的に有することを特徴とする、請求項１から１１のいずれか１項に記載のチタン合金。
13. ０．２％の窒素（Ｎ）を有することを特徴とする、請求項１２に記載のチタン合金。
14. ０．５％未満のケイ素（Ｓｉ）を追加的に有することを特徴とする、請求項１から１３のいずれか１項に記載のチタン合金。
15. ０．０５％のケイ素（Ｓｉ）を有することを特徴とする、請求項１４に記載のチタン合金。
16. ０．２％未満の水素（Ｈ）を追加的に有することを特徴とする、請求項１から１５のいずれか１項に記載のチタン合金。
17. 請求項１から１６のいずれか１項に記載の合金で少なくとも部分的に構成されるインプラント。