医療用チタン合金とは？主な種類と用途

生体用チタン合金は、生体適合性、耐食性、十分な強度、そして比較的低い密度を兼ね備えているため、インプラントや医療機器に使用されています。 商業用純チタンやTi-6Al-4Vは定評のある材料である一方、骨との剛性ミスマッチを低減するため、低弾性率のβ系合金の研究が進められている。以下に、それらの用途と材料選定について比較する。

医療用チタン合金とは？

生体材料は、生物学的システムと相互作用して、組織や臓器の診断、治療、修復、置換を行うほか、その機能の改善にも役立ちます。これには、医療用金属、高分子、セラミックスなどが含まれます。金属は、特に整形外科用および心血管用製品において重要な役割を果たしています。チタンは、生体反応が良好で、組織との親和性が高く、固有の磁気特性を持たないため、医療分野で幅広く利用されています。

生体用チタン合金は、生体適合性、機械的性能、耐食性、および低密度という特性を兼ね備えています。高い強度と比較的低い弾性係数により、応力シールド現象を低減し、骨の治癒を促進することができます。チタンは生体不活性であり、生理的環境下でも耐食性を示します。その密度はステンレス鋼の約56%であり、インプラントの重量を軽減します。 開発は、商業用純チタンやTi-6Al-4Vから、改良合金や低弾性率βチタン合金へと進展してきた。

分類と機械的特性

生体用チタン合金は、微細組織によってα合金、α+β合金、またはβ合金に分類される。商業用純チタンおよびTi-6Al-4Vは、臨床現場で依然として広く使用されている。生体適合性が向上した低弾性率のβ合金は、主要な研究テーマとなっている。

第2世代および第3世代の合金は、一般的に弾性係数が低く、ニオブの含有量が増加しています。Ti-35Nb-7Zr-5Taおよび関連するTi-Nb-Ta-Zr系は、本表に掲載されている材料の中で最も弾性係数が低いものの一つです。 Ti-35Nb-7Zr-5Taの記載されている弾性率は55 GPaであり、これに対し骨の弾性率は約30 GPaである。Ti-Nb超弾性β合金については、特に詳細な研究が行われている。

新しいβ系合金には、Ti-Nb、Ti-Mo、Ti-Zr、およびTi-Ta系が含まれます。 潜在的に有害とされるV、Al、Ni、Crは、生体適合性の高いNb、Zr、Ta、Sn、Pt、Moに置き換えられる傾向が強まっている。Ti-Nb合金は弾性率が低く、アルミニウムやバナジウムを含まないため、医療用金属として広く研究されている。

生体材料としての特性

高い比強度

チタン合金の密度は4.51 g/cm³に近い。³, 、約60%が鋼の強度です。純チタンは通常の鋼に近い強度を示しますが、高強度チタン合金は多くの構造用鋼を上回ります。その高い強度対密度比により、強度と剛性を兼ね備えた軽量部材の製造が可能となります。従来の医療用α合金は、弾性係数が高いため、応力シールドを引き起こす可能性があります。 合金化、塑性変形、および溶体化処理により、結晶構造を改質し、インプラントの弾性率を低減させることができる。

耐食性

チタン合金は、湿った空気や海水中においてステンレス鋼よりも優れた性能を発揮し、孔食、酸による腐食、応力腐食に耐性があります。また、アルカリ、塩化物、塩素系有機物、硝酸、硫酸に対しても耐性がありますが、一部の還元性媒体やクロム酸塩を含む媒体では性能が劣ります。

1. Ti-39Nbは、生理食塩水中で純チタンと同等の腐食劣化挙動を示すが、フッ化物含有環境下では著しく優れた性能を発揮する。
2. Ti-10Nb-10Zrは、3.5% NaClおよび人工唾液において良好な性能を示し、特に人工唾液中では劣化速度が極めて低い。
3. Ti-26Nb-4Zr-3Mn および Ti-26Nb-4Zr-5Mn は、ハンクス溶液中で高い腐食電位と低い電流密度を示すことから、優れた耐食性を有していることが示唆される。