低弾性・高耐久のチタン合金製造法

人工関節や骨固定用プレート・スクリューに用いられるチタン合金は、高強度・耐食性に優れる一方で、骨に比べてヤング率が高く、剛性差による応力遮蔽が生じやすいという問題がある。そのため、長期使用した場合には骨の劣化が進行し、再手術の原因となることもある。従来は合金組成の工夫でヤング率の低化が試みられてきたが、報告されている様々な合金のヤング率と人骨のヤング率には今なお大きな差があり、性能と強度の両立には限界があった。

本発明者は、加工プロセスのみでヤング率を骨に近いレベルまで低減できる製造技術を開発した。本技術は、高温で体心立方構造(BCC)をもつTi-Nb系を始めとするチタン固溶体合金に適用可能な、新たな集合組織制御法であり、加工のみでヤング率を制御するため、材料が元来持つ高強度・耐食性は維持される。優先動的結晶成長（Preferential Dynamic Grain Growth: PDGG）メカニズムと命名されたこの手法は、特定結晶方位の結晶粒が変形中に優先的に成長する現象に立脚している。合金種を限定する方法ではないので、既存合金においても高温条件下で平面ひずみ圧縮加工を施すことで、ヤング率が低い方位の結晶配向を優先的に成長・集積させることが可能となる。

この結晶配向制御により、材料本来の高強度・耐食性を損なうことなく、骨との力学的整合性を大きく向上させることができるため、応力遮蔽を根本的に抑制し、人工骨・人工関節の長期的な生体適合性と安定性の向上や長寿命化のほか、歯科インプラントなど幅広い医療分野での応用が期待される。