(57)【要約】【目的】  力学的強度、ねじり特性のいずれにおいても十分に満足することのできる生体用β型チタン合金を提供すること。【構成】  ５重量％から２０重量％の鉄、５重量％から２０重量％のタンタルを含有し、残部がチタンおよび不可避的不純物である。【選択図】図５
2005048235.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
５重量％から２０重量％の鉄、５重量％から２０重量％のタンタルを含有し、残部がチタンおよび不可避的不純物であることを特徴とする生体用β型チタン合金。
【請求項２】
ジルコニウムを含有する場合、含有量は１０重量％以下の範囲である請求項１記載の生体用β型チタン合金。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この出願の発明は、力学的強度、ねじり特性のいずれにおいても十分に満足することのできる特性を有する生体用β型チタン合金に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
開胸手術時に一端切除した胸骨を再固定するために生体用の純チタンワイヤーが使用されている。これは、純チタンワイヤーの生体適合性が３１６Ｌステンレス鋼ワイヤーよりも優れているためである。
【０００３】
しかしながら、純チタンは加工硬化能が低いため、ねじり特性が低く、結紮時に破断したり、結紮時のねじり固定が不完全な場合、術後の胸骨固定部位に“ゆるみ”が生じたりするなどの問題がある。金属材料のねじり特性は、加工硬化特性に大きく影響されるのである。
【０００４】
一方、β型チタン合金は、純チタンよりも加工硬化能に優れ、熱処理によって加工硬化特性を容易に制御することができるため、結紮後のねじり固定時に破断することなく切除した胸骨を強固に再固定することができるものと期待される。また、β型チタン合金は、生体に対して毒性やアレルギー性を示さない合金元素のみで構成することが可能であることからも生体用材料として有望視される。
【０００５】
これまでに開発されている生体用β型チタン合金は、β組織を室温で残留させるためだけでなく、成形加工性と熱処理性を改善するために、ニオブ、タンタル、モリブデンなどの高い融点と比重とを有するβ安定化合金元素が多量に添加されている。また、これらβ安定化合金元素は、熱処理時に生成し、力学的信頼性の低下の要因となるω相と呼ばれる硬くて脆い組織を抑制する目的でも多量に添加されている（たとえば、非特許文献１、２参照）。
【０００６】
しかしながら、β安定化合金元素は非常に高価であり、また、β安定化合金元素を多量に含むβ型チタン合金の均質な鋳塊を製造するためには大規模な特殊溶解装置が必要であることから、製造コストの高騰を招き、かつ製造可能な鋳塊の大きさに制約がある。さらに、鋳塊の欠陥は製品の機械的特性に反映するため、力学的信頼性に問題がある。また、高い比重を有するため、β型チタン合金により作製される医療器具の重量増という点も指摘される。
【０００７】
一方、低コスト化を目的とし、安価なβ安定化合金元素のみで構成されるβ型チタン合金も開発されている（たとえば、非特許文献３、４参照）。
【０００８】
しかしながら、そのようなβ型チタン合金は、工業分野での使用を目的として開発されているため、添加されている一部のβ安定化合金元素には金属アレルギーや細胞毒性の発症が危惧される。それゆえ、低コストなβ型チタン合金を生体内に埋入・留置することは、生体適合性に問題がある。
【非特許文献１】黒田大介、外５名，「新しい生体用β型チタン合金の設計とその機械的特性および細胞毒性」，鉄と鋼，2000年，第８６巻，第９号，ｐ．602-609
【非特許文献２】黒田大介、外４名，「新生体用β型Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr合金の熱処理プロセスと力学的特性」，鉄と鋼，2000年，第８６巻，第９号，ｐ．610-616
【非特許文献３】M. Ikeda、外４名，Tetsu-to-Hagane，1998年，第８４巻，ｐ．206
【非特許文献４】M. Ikeda、外４名，Tetsu-to-Hagane，1998年，第８４巻，ｐ．790
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
この出願の発明は、以上のとおりの事情に鑑みてなされたものであり、力学的強度、ねじり特性のいずれにおいても十分に満足することのできる生体用β型チタン合金を提供することを解決すべき課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、５重量％から２０重量％の鉄、５重量％から２０重量％のタンタルを含有し、残部がチタンおよび不可避的不純物であることを特徴とする生体用β型チタン合金を提供する。
【００１１】
また、この出願の発明は、上記生体用β型チタン合金に関し、ジルコニウムを含有する場合、含有量は１０重量％以下の範囲であるものをそれぞれ提供する。
【発明の効果】
【００１２】
この出願の発明の生体用β型チタン合金によって、力学的強度、ねじり特性のいずれにおいても十分に満足することのできる特性を有する生体用β型チタン合金が実現可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
この出願の発明の生体用β型チタン合金は、その組成が、５重量％から２０重量％の鉄、５重量％から２０重量％のタンタルを含有し、残部がチタンおよび不可避的不純物である。
【００１４】
鉄及びタンタルが下限値未満であると、β型チタン合金にならず、線材への加工が困難となる。また、上限値を超えると、ω相が形成され、線材に加工することができず、また、加工硬化能がなくなり、十分なねじり特性を得ることができない。
【００１５】
この出願の発明の生体用β型チタン合金は、β単相組織であり、結晶構造は体心立方構造である。
【００１６】
また、この出願の発明の生体用β型チタン合金では、ジルコニウムを含有する場合、含有量は１０重量％以下の範囲とする。これは、ジルコニウムの含有量が１０重量％を超えると、合金が非常に硬くなるためである。
【００１７】
以下、実施例を示し、この出願の発明の生体用β型チタン合金についてさらに詳しく説明する。
【実施例１】
【００１８】
鉄７.９２重量％、タンタル８.０７重量％であり、残部がチタンおよび不可避的不純物であるβ型チタン合金（合金１）、鉄９.９９重量％、タンタル４.９３重量％であり、残部がチタンおよび不可避的不純物であるβ型チタン合金（合金２）、鉄７.９５重量％、
タンタル８.０２重量％、ジルコニウム３.９８重量％であり、残部がチタンおよび不可避的不純物であるβ型チタン合金（合金３）、鉄８.０１重量％、タンタル８.０３重量％、ジルコニウム７.９８重量％であり、残部がチタンおよび不可避的不純物であるβ型チタ
ン合金（合金４）、鉄１０.０重量％、タンタル１０.１重量％、ジルコニウム３.９４重
量％であり、残部がチタンおよび不可避的不純物であるβ型チタン合金（合金５）の５種類を以下に示すプロセスにしたがって作製した。
【００１９】
真空アーク溶解炉を用い、重量１００gのボタン状の鋳塊をそれぞれ溶製した。これら
の鋳塊に対して１０００℃での熱間圧延および室温での冷間圧延を行い、厚さ２.５mmの
板材を作製した。鉄７.９２重量％、タンタル８.０７重量％であり、残部がチタンおよび不可避的不純物であるβ型チタン合金（合金１）については直径1mmの線材も作製した。
【００２０】
いずれの合金も良好な成形加工性を有し、冷間圧延を行っても割れなどは認められず、均一な厚さの板材が得られた。
【００２１】
一方、鉄１０.２重量％、タンタル１０.３重量％、ジルコニウム１０.１重量％であり
、残部がチタンおよび不可避的不純物であるβ型チタン合金は、冷間圧延中に割れが認められ、平板試験片を作製することができなかった。ジルコニウムの含有量が１０重量％を超えたため、合金が硬くなったためと考えられる。
【００２２】
得られた割れのない板材からは、さらに機械加工により図１に示した形状を有する平板引張試験片を作製した。上述の直径１mmの線材は長さ４０mmに切断し、引張試験とねじり試験用の試験片をそれぞれ作製した。そして、平板引張試験片および線引張試験片の表面を、＃６００の耐水研磨紙を用いて各試験片の長さ方向に研磨し、表面性状を整えた。線ねじり試験片については、不活性ガスであるアルゴンガス雰囲気中で１０７８Kに１．８ks保持後、水冷の溶体化処理を施し、次いで表面を、＃６００の耐水研磨紙を用いて試験
片の長さ方向に研磨して表面性状を整えた。なお、線ねじり試験片に対して溶体化処理を行ったのは、冷間圧延により加工硬化させたままであると、十分なねじり特性が得られないからである。
【００２３】
研磨後の平板引張試験片と線引張試験片について、アセトンで脱脂洗浄後、Ｘ線回折装置を用いてミクロ組織の同定を行った。なお、ミクロ組織の同定には各試験片のつかみ部（図１図中に示した試験片の両端の幅が広くなっている部分）を使用した。Ｘ線回折においてはＣｕＫα管球を用い、２θ/θ＝３０°から９０°まで１°/minずつ変化させた。
【００２４】
図２は、鉄７.９２重量％、タンタル８.０７重量％であり、残部がチタンおよび不可避的不純物であるβ型チタン合金（合金１）について得られたＸ線回折パターンである。体心立方型の結晶構造の回折パターンのみであり、このことから、完全なβ相組織のみを有するβ型チタン合金であることが確認される。また、他の合金２から４についても、合金１と同様に、β相組織のみを有するβ型チタン合金であることが確認された。
【００２５】
次に、容量１０kNのインストロン型引張試験機を用い、クロスヘッド速度０．５mm/minで平板引張試験片および線引張試験片の引張試験を行った。図３は、各試験片の強度−延性のバランスを示した相関図である。この図３から確認されるように、各合金の強度と延性のバランスは、生体用金属材料として使用するために十分な値となっている。また、線引張試験片では、平板引張試験片のおよそ１．４倍以上の高い引張強度が得られている。
【００２６】
また、図４に模式的に示したねじり試験機を用い、線ねじり試験片についてねじり回転数６rpmでねじり試験を行った。ねじり特性は、破断までの最大ねじり応力とねじり角度
で評価した。なお、最大ねじり応力は計算式(1)により算出した。
【００２７】
τ(N/m2=MPa) = Ｔ (N・m) /Ｚp (m3)             (1)
Ｔ は計測したトルク、Ｚp は極断面係数である。極断面係数Ｚp は計算式(2)により算出した。
【００２８】
Ｚp (m3) = πｄ3 /１６                          (2)
ｄ は線ねじり試験片の直径である。
【００２９】
図５は、線ねじり試験片のねじり強度と破断までのねじり角度を示した図である。比較として、市販の純チタン製の結紮固定用ワイヤーのねじり特性もあわせて示した。線ねじり試験片の最大ねじり応力と最大ねじり角度は、それぞれ、７９４MPa、１５６７°であ
り、最大ねじり応力、最大ねじり角度は、それぞれ、市販の純チタン製の結紮固定用ワイヤーの２倍以上、１．５倍以上の値となっている。このことから、この出願の発明の生体用β型チタン合金の結紮固定用ワイヤー素材としての有効性が確認される。
【００３０】
作製したβ型チタン合金は、溶製後に簡単な成形加工あるいは溶体化処理を行ったのみであるが、冷間加工ままで高い力学的強度と破断伸びが得られ、また、溶体化処理を行った場合、優れたねじり特性が得られている。この出願の発明の生体用β型チタン合金の有効性が再確認される。
【００３１】
もちろん、この出願の発明は、以上の実施例によって限定されるものではない。細部については様々な態様が可能であることはいうまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
この出願の発明の生体用β型チタン合金は、十分な力学的強度およびねじり特性を有し、また、生体適合性を有しているため、胸骨結紮用のワイヤーとして利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】実施例において作製した生体用β型チタン合金の平板引張試験片の寸法・形状を示した図面である。
【図２】合金１から作製した平板引張試験片のつかみ部のＸ線回折パターンである。
【図３】平板試験片と線引張試験片の強度−延性のバランスを示した相関図である。
【図４】実施例で使用したねじり試験機を模式的に示した外略図である。
【図５】線ねじり試験片の破断までの最大ねじり応力とねじり角度とを示した相関図である。
【図１】
2005048235.tif 000003
【図２】
2005048235.tif 000004
【図３】
2005048235.tif 000005
【図４】
2005048235.tif 000006
【図５】
2005048235.tif 000007