JPH04105659A - 生体用チタン合金およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は、人工骨などの生体用材料として使用される
生体親和性に優れたチタン合金とその製造方法に関する
。

（従来の技術） 病気や事故によって失われた骨の補強方法の一つに人工
骨を嵌植（Ｉｎｐｌａｎｔａｔｉｏｎ）する方法がある
。この人工骨の材料に求められる主要な性質は、■生体
適合性、■耐食性、０強度、および■骨との接合性であ
る。

人工骨材の代表的なものにバイオグラス（Ｂｉ。

ｇｌａｓｓ）、水酸アパタイトセラミックス、Ａ−グラ
スセラミックス等があり、これらは生体活性（Ｂｉｏ−
ａｃｔｉｖｅ）であるが強度に乏しく、荷重のあまりか
からない部分のみに使用されている。大きな荷重のかか
る部分にはＣｏ−Ｃｒ合金、ステンレス鋼、チタン合金
等が用いられるが、これらは生体反応性がない（Ｂｉｏ
ｉｎｃｒｔである）ため、骨セメントを用いて人骨と接
合しなければならない、しかし、骨セメントの使用は、
その重合熱、毒性モノマー、生体親和性の不足などから
多くの問題が指摘されている。

（発明が解決しようとする課題） 上記のような現状から、強度の大きい金属材料であって
生体活性（生体親和性）に優れた材料の開発が強く要望
されている。

本発明のｔ！Ｊ題は、強度が高く、人骨との接合に骨セ
メントを必要としない材料、およびその製造方法を提供
することにある。

（課題を解決するための手段） 生体材料として使用される金属材料の一つにチタン合金
がある。これは軽量で且つ機械的性質および化学的性質
（耐食性）にも優れているから、生体材料としては極め
て望ましいものである。しかし、チタン合金そのものは
生体活性が乏しい。

本発明はこのチタン合金に生体活性を付与することを目
的としてなされたもので、その要旨は下記のとおりであ
る。

（１）　　Ｓｉ、　Ｙを単独または合計で０，５〜１０
ＭＩ％含有することを特徴とする生体用チタン合金。

ｆ２）　　Ｓｉまたは／およびＹを表層部に濃化させた
上記（１）の生体用チタン合金。

（３）　　Ｓｉ、Ｙを単独または合計で０５〜１０重量
％含有するチタン合金を７５０℃からβ変態点までの温
度域で加熱することを特（衣とする上記（２）の生体用
チタン合金の製造方法。

（４１Ｓｉ、　Ｙを単独または合計で０．５〜１０重蓋
％含有するチタン合金の表面を高エネルギービーム、例
えばレーザービーム、プラズマビームで７５０℃以上に
加熱することを特徴とする上記（２）の生体用チタン合
金の製造方法。

上記（１）のチタン合金とは、純Ｔ己こＳｉまたは／お
よびＹを添加したもの、或いはＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金
、Ｔｉ　　３Ａｌ−２，５Ｖ合金、等（７）　Ｔ　ｉ合
金！、ｍＳｉマたは／およびＹを添加したものである。

即ち、Ｓｉ、Ｙが、単独もしくは合計で０．５〜１０重
量％含有されていることが必須であるが、Ｓｌ、Ｙ以外
の合金成分として、前記Ａ２、■、Ｚｒ、　Ｍｏ等、通
常のチタン合金に添加される成分が含有されていてもよ
い、これらの合金成分は、材料に要求される機械的性質
、化学的性質（耐食性）等に応して選択し、適当量添加
すればよい。

（作用） 金属材料に生体活性を与えるということは、人骨と接合
したときに拡散相が形成させるようにするということで
ある。即ち、骨の主要゛成分であるＣａまたはＰが金属
材料に拡散浸透するようにすればよいのであるが、Ｃａ
、　ＰはＴｉには全く固溶しない、ところが、本発明者
はチタン合金にＳｉ、　Ｙの適当量を含有させておけば
、Ｃａ、　Ｐの拡散がおこることを［認した。特に、Ｓ
ｔ、　Ｙを表層部に濃化させておけば、この拡散現象が
顕著になり、骨との接合性が著しく高まる。

ＳｉもしくはＹｌまたはこれらの合計の含有量が０．５
重量％未満では上記の拡散現象が明確にならない、また
、その含有量が１０重量％を超えるとチタン合金本来の
機械的、化学的性質が積なわれて生体用材料として不適
当になる。

本発明のチタン合金は、必要な形状に加工した後、熱処
理して表層部にＳｉ、　Ｙの濃化層を形成させるのが望
ましい、その熱処理の一つの方法は、７５０℃からβ変
態点までの温度域で０．５〜４時間加熱することである
。７５０℃より低温、あるいは０．５時間より短時間の
加熱では濃化層の形成が不十分であり、一方あまりに高
温で、或いは過度に長時間加熱するとチタン合金の機械
的性質が劣化する。

もう一つの方法は、レーザービーム、プラズマビーム等
の高エネルギービームで表面を加熱する方法である。こ
の場合の加熱温度は７５０℃以上とする。

上記の熱処理の加熱雰囲気として窒素ガスを使用すれば
、合金の表面にＴｉＮが形成されて、チタン合金を人工
関節などに使用する場合に問題になる耐摩耗性をも向上
させることができる。

（実施例１） 純チタンに５重量％のＹを含有させたチタン合金に窒素
ガス中８００℃で３０分および１時間の熱処理を施した
。二〇熱処理前後の試料表面についてＲＢＳ解析（１，
５ＭｅＶ、’１（ｅ）を行った。−その結果を第１図に
示す。

第１図から明らかなように、８００℃で３０分、および
１時間熱処理した試料の表層部にはＹが濃化している。

また、薄膜Ｘ線回折の結果、表面にはＴｉＮの形成が認
められた。

上北熱処理後の試料を、−例として水酸アパタイト７ｇ
を懸濁させたリンゲルｉ’ｆＩ　（Ｎａ”１４７、Ｋ’
４、Ｃａ”４．５、ＩＪ−１５５，５、ｓＥｑ／　Ｅ　
）　５３ｍ　ｌに浸漬し３７℃で保持した。４週間保持
したのち試料を溶液から取り出し、アセトン中で超音波
洗浄し、ＳＩＮ’Ｉｓ分析を行った。その結果を第２図
に示す。

第２図から試料のチタン合金表面にはリンゲル液のＣａ
およびＰが拡散していることが明らかである。これは、
チタン合金中のＹがＣａおよびＰと化合物をつくるため
と推定される。

なお第２図の横軸はスパッタリング時間であり、１分の
スパッタリング時間は１０００人の深さに相当する。

（実施例２） 第１表に示す各種のチタン合金に実施例１と同じ熱処理
（ただし、加熱時間は３０分）を施し、実施例１と同し
リンゲル液への浸漬保持（６７２時間）を行った。その
試料についてＣａとＰの拡散状態を実施例１の方法で調
べた。また、表面のレーザービームによる加熱（加熱温
度２９５０″Ｃ１加熱深さ３００μ暖、出力２．８　Ｋ
Ｗ、窒素ガス雰囲気）も試みた（Ｎα１１）。

それらの結果を第１表中に併記する。なお、第１表の拡
散の有無の欄で「有り」は、リンゲル液浸漬前の試料に
対して、浸漬後の試料の表面から１０００人の位置のＣ
ａがＳＩＭＳ分析の２次イオン強度で５０倍以上になっ
ているものである。「なし」は、５０倍未満のものであ
る。

（以下、余白） 第　　１ 表 （発明の効果） 本発明のチタン合金は、チタン合金本来の優れた機械的
、化学的性質と前記のような生体活性をもつことにより
、人工骨その他の生体材料としてきわめて有用なもので
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、Ｔ１−５重量％Ｙ合金の窒素ガス中熱処理前
後の試料のＲＢ　Ｓ　（Ｒａｔｈｅｒｆｏｒｄ　Ｂａｃ
ｋｓｃａｔｔｅｒ：ｎｇ　５ｐｅｃｔｒａ）解析結果で
ある。 第２図は、上記熱処理後の試料をリンゲル液に４週間浸
漬した後のＳＩ？ＩＳ分析結果である。 注、　＊はレーザービーム加熱 第１表に示すとおり、Ｓｉまたは／およびＹを０．５〜
１０重量％含有するチタン合金には全てＣａおよびＰの
拡散が認められ、生体（骨）との親和性が大きいことが
明らかである。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）Ｓｉ、Ｙを単独または合計で０．５〜１０重量％
   含有することを特徴とする生体用チタン合金。
2. （２）Ｓｉまたは／およびＹを表層部に濃化させた請求
   項（１）の生体用チタン合金。
3. （３）Ｓｉ、Ｙを単独または合計で０．５〜１０重量％
   含有するチタン合金を７５０℃からβ変態点までの温度
   域で加熱することを特徴とする請求項（２）の生体用チ
   タン合金の製造方法。
4. （４）Ｓｉ、Ｙを単独または合計で０．５〜１０重量％
   含有するチタン合金の表面を高エネルギービームにより
   ７５０℃以上の温度域に加熱することを特徴とする請求
   項（２）の生体用チタン合金の製造方法。
5. （５）加熱を窒素ガス雰囲気中で行う請求項（３）また
   は（４）の生体用チタン合金の製造方法。