(57)【要約】【課題】  弾性率が低く、且つ、例えばＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ  ＥＬＩ合金製のスクリューと共に用いた場合にも、実用上問題の無い疲労強度を示す脊椎固定用ロッドの提供。【解決手段】  β安定化元素をモリブデン当量で８乃至２０質量％、酸素を０．０５乃至０．２５質量％含有し、残部がチタン及び不可避的不純物からなるチタン合金製インゴット又はチタン合金粉末を原料として用い、インゴットを使用した場合には熱間鍛造工程を経て、そして粉末を使用した場合には粉末冶金工程を経て、チタン合金製のロッドを得、その後、そのロッドに溶体化処理及びピーニング処理を施すことによって得られる脊椎固定用チタン合金製ロッドであって、溶体化処理後におけるヤング率は６０乃至１１０ＧＰａであり且つ引張強度は７００乃至１２００ＧＰａであり、且つ、その表面部分には変形誘起ω相変態が生じている脊椎固定用チタン合金製ロッドを使用する。【選択図】    図９
2016138318.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
β安定化元素をモリブデン当量で８乃至２０質量％、酸素を０．０５乃至０．２５質量％含有し、残部がチタン及び不可避的不純物からなるチタン合金製インゴット又はチタン合金粉末を原料として用い、インゴットを使用した場合には熱間鍛造工程を経て、そして粉末を使用した場合には粉末冶金工程を経て、チタン合金製のロッドを得、その後、そのロッドに溶体化処理及びピーニング処理を施すことによって得られる脊椎固定用チタン合金製ロッドであって、溶体化処理後におけるヤング率は６０乃至１１０ＧＰａであり且つ引張強度は７００乃至１２００ＧＰａであり、且つ、その表面部分には変形誘起ω相変態が生じていることを特徴とする、脊椎固定用チタン合金製ロッド。
【請求項２】
β安定化元素がクロムである、請求項１に記載の脊椎固定用チタン合金製ロッド。
【請求項３】
ピーニング処理がキャビテーション・ピーニング処理である、請求項１又は２に記載の脊椎固定用チタン合金製ロッド。
【請求項４】
少なくともロッドが接触する部位がＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ  ＥＬＩ合金製である脊椎内固定用スクリューと共に使用される、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の脊椎固定用チタン合金製ロッド。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか一項に記載の脊椎固定用チタン合金製ロッドと、脊椎内固定用スクリューであって、その頭部に前記ロッドの固定部位を有するものとを備え、前記脊椎内固定用スクリューは、少なくともロッドが接触する部位がＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ  ＥＬＩ合金製である、脊椎内固定器具。
【請求項６】
β安定化元素をモリブデン当量で８乃至２０質量％、酸素を０．０５乃至０．２５質量％含有し、残部がチタン及び不可避的不純物からなるチタン合金製インゴットを、８００乃至１２００℃において熱間鍛造に供してチタン合金製のロッドを得る工程（Ａ１）、工程（Ａ１）の後に実施される、前記ロッドを７００乃至１０００℃に一定時間保持し、その後水冷を行う溶体化処理工程（Ｂ）、及び工程（Ｂ）よりも後に行われるピーニング処理工程（Ｃ）を含み、溶体化処理工程（Ｂ）は、ロッドが、ヤング率は６０乃至１１０ＧＰａであり且つ引張強度は７００乃至１２００ＧＰａとなる条件で実施され、ピーニング処理工程（Ｃ）は、ロッドの表面部分に変形誘起ω相変態が生じる条件で実施される、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の脊椎固定用チタン合金製ロッドの製造方法。
【請求項７】
β安定化元素をモリブデン当量で８乃至２０質量％、酸素を０．０５乃至０．２５質量％含有し、残部がチタン及び不可避的不純物からなるチタン合金製粉末を用いて粉末冶金を実施し、チタン合金製のロッドを得る工程（Ａ２）、工程（Ａ２）の後に実施される、前記ロッドを７００乃至１０００℃に一定時間保持し、その後水冷を行う溶体化処理工程（Ｂ）、及び工程（Ｂ）よりも後に行われるピーニング処理工程（Ｃ）を含み、溶体化処理工程（Ｂ）は、ロッドが、ヤング率は６０乃至１１０ＧＰａであり且つ引張強度は７００乃至１２００ＧＰａとなる条件で実施され、ピーニング処理工程（Ｃ）は、ロッドの表面部分に変形誘起ω相変態が生じる条件で実施される、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の脊椎固定用チタン合金製ロッドの製造方法。
【請求項８】
工程（Ｂ）と工程（Ｃ）との間に、ロッド表面の酸化被膜を除去する工程を実施する、請求項６又は７に記載の脊椎固定用チタン合金製ロッドの製造方法。
【請求項９】
工程（Ｂ）と工程（Ｃ）との間に、冷間加工工程を実施する、請求項６乃至８のいずれか一項に記載の脊椎固定用チタン合金製ロッドの製造方法。
【請求項１０】
β安定化元素がクロムである、請求項６乃至９のいずれか一項に記載の脊椎固定用チタン合金製ロッドの製造方法。
【請求項１１】
ピーニング処理がキャビテーション・ピーニング処理である、請求項６乃至１０のいずれか一項に記載の脊椎固定用チタン合金製ロッドの製造方法。
【請求項１２】
キャビテーション・ピーニング処理が、ノズル径０．４乃至３．０ｍｍ、ノズルの噴出部と非処理物表面との距離１０．０乃至１００．０ｍｍ、噴射圧力１０乃至１００ＭＰａ、単位長さあたりの処理時間２乃至２０秒／ｍｍの条件で、被処理物に向かって水中において水噴流を噴出させて実施するものである、請求項６乃至１１のいずれか一項に記載の脊椎固定用チタン合金製ロッドの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、新たな脊椎固定用チタン合金製ロッド及びその製造方法、並びに前記ロッドと脊椎内固定用スクリューとを備える脊椎内固定器具に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、脊椎内固定器具（インプラント）のロッドにおいては、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ  ＥＬＩ合金が広く用いられている。Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ  ＥＬＩ合金の結晶構造はα−β型であり、その弾性率は約１１０ＧＰａである。一方、人間の骨の弾性率は、年齢、性別、部位等により異なるものの、約１０乃至３０ＧＰａである。したがって、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ  ＥＬＩ合金を上記インプラントのロッドの素材として用いると、骨とロッド素材との弾性率の違いにより、骨の応力伝達が阻害され、その結果骨再生に支障をきたすという問題が指摘されている。
【０００３】
この問題を解決するために、ロッドの素材として弾性率が低いβ型チタン合金を用いることが提案されている。例えば特許文献１には、ニオブが２５乃至３５重量％、タンタルが、ニオブ＋０．８×タンタル＝３６乃至４５重量％となる量、ジルコニウムが３乃至６重量％、残余がチタンと不可避的不純物からなるチタン合金を使用し、スウェージング加工及び時効処理を行なって、弾性率が１１０ＧＰａよりも低い脊椎固定用チタン合金製ロッドを製造することが記載されている。
【０００４】
また、非特許文献１には、変形誘起オメガ相変態を利用して、手術時に曲げ部分のみが弾性率が上昇し、曲げない部分は低弾性率を示す弾性率可変型チタン合金製ロッドの開発が進められてきており、これまでに、Ｔｉ−１２Ｃｒ合金、Ｔｉ−１７Ｍｏ合金、Ｔｉ−３０Ｚｒ−３Ｃｒ−３Ｍｏ合金などが開発された旨の記載がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−２５６４４３
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】新家光雄、仲井正昭、稗田純子、趙研、成田健吾、劉恢弘、「生体用弾性率可変型チタン合金における変形誘起オメガ相の放射光Ｘ線回折解析」、２０１２Ｂ期一般課題（産業利用分野）（課題番号２０１２Ｂ１８７９）産業利用課題報告書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記したように、脊椎内固定器具のロッドに使用するチタン合金は、皮質骨の弾性率に近い弾性率を有することが好ましい。しかし、特許文献１に記載されたロッドの弾性率は、皮質骨の弾性率に近いとはいえない。一方、例えば非特許文献１に開示されているβ型Ｔｉ合金を用いて製造したロッドは、低い弾性率を示す。しかし、β型チタン合金製の脊椎固定用ロッドを、現在この分野で多用されているＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ  ＥＬＩ合金製のスクリューとの組み合わせで使用すると、長期間にわたる使用の結果、ロッドとスクリューとの連結部位近辺において、より軟質であるロッドの側に割れが生じる恐れがある、すなわち、β型チタン合金製の脊椎固定用ロッドには、連結部における疲労強度が劣るという問題があるという事実が明らかとなった。したがって、弾性率が低く、且つ、例えばＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ  ＥＬＩ合金製のスクリューと共に用いた場合にも、実用上問題の無い疲労強度を示す脊椎固定用ロッドが求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者等は、弾性率が低いというβ型チタン合金の特徴を生かしつつ、連結部における疲労強度を高める手段について研究した。そして、β型チタン合金製の脊椎固定用ロッドにピーニング処理を施すことで、ロッドの表面に変形誘起ω相変態を生じさせ、それによってロッド全体の弾性率を低く維持しつつ、表面のみを硬質化することによって、スクリューとの連結部分におけるロッドの疲労強度を著しく改善できることを見出し、本願発明を完成させた。
【０００９】
即ち本発明は、β安定化元素をモリブデン当量で８乃至２０質量％、酸素を０．０５乃至０．２５質量％含有し、残部がチタン及び不可避的不純物からなるチタン合金製インゴット又はチタン合金粉末を原料として用い、インゴットを使用した場合には熱間鍛造工程を経て、そして粉末を使用した場合には粉末冶金工程を経て、チタン合金製のロッドを得、その後、そのロッドに溶体化処理及びピーニング処理を施すことによって得られる脊椎固定用チタン合金製ロッドであって、溶体化処理後におけるヤング率は６０乃至１１０ＧＰａであり且つ引張強度は７００乃至１２００ＧＰａであり、且つ、その表面部分には変形誘起ω相変態が生じていることを特徴とする、脊椎固定用チタン合金製ロッドに関する。なお、ヤング率は、直径３ｍｍ、長さ４０ｍｍのロッドを用い、室温大気中にて測定した値である。また、引張強度は、平行部直径３ｍｍ、平行部長さ１１ｍｍ、肩部Ｒ半径１５ｍｍ、つかみ部直径６ｍｍの試験片を用い、クロスヘッド速度０．５ｍｍ／分、室温大気中の条件で測定した値である。
【００１０】
β安定化元素がクロムであることが好ましい。
【００１１】
ピーニング処理がキャビテーション・ピーニング処理であることが好ましい。
【００１２】
本発明に係るロッドは、少なくともロッドが接触する部位がＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ  ＥＬＩ合金製である脊椎内固定用スクリューと共に使用されることが好ましく、その全体がＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ  ＥＬＩ合金製である脊椎内固定用スクリューと共に使用されることがさらに好ましい。
【００１３】
また、本発明は、本発明に係る脊椎固定用チタン合金製ロッドと、脊椎内固定用スクリューであって、その頭部に前記ロッドの固定部位を有するものとを備え、前記脊椎内固定用スクリューは、少なくともロッドが接触する部位がＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ  ＥＬＩ合金製である、脊椎内固定器具に関する。
【００１４】
さらに、本発明は、β安定化元素をモリブデン当量で８乃至２０質量％、酸素を０．０５乃至０．２５質量％含有し、残部がチタン及び不可避的不純物からなるチタン合金製インゴットを、８００乃至１２００℃において熱間鍛造に供してチタン合金製のロッドを得る工程（Ａ１）、工程（Ａ１）の後に実施される、前記ロッドを７００乃至１０００℃に一定時間保持し、その後水冷を行う溶体化処理工程（Ｂ）、及び工程（Ｂ）よりも後に行われるピーニング処理工程（Ｃ）を含み、溶体化処理工程（Ｂ）は、ロッドが、ヤング率は６０乃至１１０ＧＰａであり且つ引張強度は７００乃至１２００ＧＰａとなる条件で実施され、ピーニング処理工程（Ｃ）は、ロッドの表面部分に変形誘起ω相変態が生じる条件で実施される、本発明に係る脊椎固定用チタン合金製ロッドの製造方法に関する。
【００１５】
加えて、本発明は、β安定化元素をモリブデン当量で８乃至２０質量％、酸素を０．０５乃至０．２５質量％含有し、残部がチタン及び不可避的不純物からなるチタン合金製粉末を用いて粉末冶金を実施し、チタン合金製のロッドを得る工程（Ａ２）、工程（Ａ２）の後に実施される、前記ロッドを７００乃至１０００℃に一定時間保持し、その後水冷を行う溶体化処理工程（Ｂ）、及び工程（Ｂ）よりも後に行われるピーニング処理工程（Ｃ）を含み、溶体化処理工程（Ｂ）は、ロッドが、ヤング率は６０乃至１１０ＧＰａであり且つ引張強度は７００乃至１２００ＧＰａとなる条件で実施され、ピーニング処理工程（Ｃ）は、ロッドの表面部分に変形誘起ω相変態が生じる条件で実施される、本発明に係る脊椎固定用チタン合金製ロッドの製造方法に関する。
【００１６】
上記の本発明における脊椎固定用チタン合金製ロッドの製造方法において、工程（Ｂ）と工程（Ｃ）との間に、ロッド表面の酸化被膜を除去する工程及び／又は冷間加工工程を実施することも好ましい。
【００１７】
また、β安定化元素はクロムであることが好ましい。
【００１８】
さらに、ピーニング処理がキャビテーション・ピーニング処理であることが好ましく、そのキャビテーション・ピーニング処理が、ノズル径０．４乃至３．０ｍｍ、ノズルの噴出部と非処理物表面との距離１０．０乃至１００．０ｍｍ、噴射圧力１０乃至１００ＭＰａ、単位長さあたりの処理時間２乃至２０秒／ｍｍの条件で、被処理物に向かって水中において水噴流を噴出させて実施するものであることがさらに好ましい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明により、低い弾性率を有し、且つ、疲労強度に優れる脊椎固定用チタン合金製ロッド及びその製造方法、並びに前記ロッドと脊椎内固定用スクリューとを備える脊椎内固定器具とが提供される。
【００２０】
本発明のロッドは、皮質骨の弾性率に近い弾性率を有するため、骨再生に支障をきたすおそれが小さい。
【００２１】
また、本発明のロッドは、その表面に硬質なω相が形成されているため、本発明のロッド素材よりも硬質の素材製のスクリューと連結させても、摩擦摩耗やフレッティングを原因とする疲労による折損が生じ難く、安全性に優れる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図１は、本発明に係るキャビテーション・ピーニング処理装置としてのノズル形状を示す模式的断面図である。
【図２】図２は、本発明に係るキャビテーション・ピーニング処理装置機構を示す概略模式図である。
【図３】図３は、本発明に係る脊椎内固定器具の例を示す模式的線図である。
【図４】図４は、本発明に係るキャビテーション・ピーニング処理がなされたＴｉ−１２Ｃｒ合金製ロッドと、キャビテーション・ピーニング処理がなされていないＴｉ−１２Ｃｒ合金製ロッドの表面からの深さとマルテンス硬さとの関係を示すグラフである。
【図５】図５は、本発明に係る透過型電子顕微鏡観察用試料作製方法の概念図である。
【図６】図６は、本発明に係るキャビテーション・ピーニング処理がなされたＴｉ−１２Ｃｒ合金製ロッドの表面付近断面における透過型電子顕微鏡写真である。
【図７】図７は、疲労特性試験機を示す模式的線図である。
【図８】図８は、疲労特性試験において、ロッドが折損した状態を示す模式的線図である。
【図９】図９は、本発明に係るキャビテーション・ピーニング処理がなされたＴｉ−１２Ｃｒ合金製ロッド及びその他のチタン合金製ロッドの繰返最大圧縮荷重と破断サイクル数との関係を示すグラフである。
【図１０】図１０は、本発明に係るキャビテーション・ピーニング処理がなされたＴｉ−１２Ｃｒ合金製ロッド及びその他のチタン合金製ロッドのｒｕｎｏｕｔ強度を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本発明の脊椎固定用チタン合金製ロッドは、その表面部分においてのみω相が変形誘起されているが、それ以外の部分は溶体化処理後の構成相の状態を保っている。β型チタン合金を得るために、本発明では、原料としてチタンとβ安定化元素とを用い、さらにロッドの材料であるチタン合金インゴット又はチタン合金粉末が所定量の酸素を含むように、原料組成及びインゴットの製造方法や、合金粉末組成を選択する。
【００２４】
純チタンは常温ではα相であるが、８８５℃以上でβ相に変態する。チタンにβ安定化元素を混合して溶解した後溶体化処理を施すことによって、準安定β型チタン合金を得ることができる。このようにしてβ型チタン合金を得るために使用される固溶型β安定化元素としては、モリブデン（Ｍｏ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、バナジウム（Ｖ）、レニウム（Ｒｅ）等が挙げられる。また、共析型β安定化元素としては、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）等が挙げられる。本発明では、上記β安定化元素から選択される少なくとも一種が使用され、クロムの使用が特に好ましい。
【００２５】
本発明においては、インゴット又は合金粉末が、β安定化元素を、モリブデン当量で８乃至２０質量％、好ましくは９乃至１３質量％で含有するように、原料組成を調整する。β安定化元素の割合を上記のとおりとするのは、準安定β型チタン合金を得るためである。
【００２６】
ここで、モリブデン当量とは、各元素をモリブデンに置き換えた場合の質量％を示す。例えば、クロムを使用する場合は、モリブデン当量÷１．２５の量、バナジウムを使用する場合は、モリブデン当量÷１．５の量、ニオブを使用する場合は、モリブデン当量÷３．６の量、タンタルを使用する場合は、モリブデン当量÷５の量となる。
【００２７】
インゴット又は合金粉末が含有する酸素量は、０．０５乃至０．２５質量％であるが、酸素量は、クロム濃度を小さくするほど多くの量を含有させるように調整することが好ましい。酸素量は、例えばＴｉ−９Ｃｒ合金では０．１５乃至０．２５質量％、Ｔｉ−１２Ｃｒ合金では０．０５乃至０．１５質量％であることが好ましい。酸素含有率をこのような値とするのは、後工程の溶体化処理中における非熱的ω相の生成を抑制し、低弾性率を実現するためである。
【００２８】
酸素含有量の調整は、チタンのグレード（酸素含有量が異なる）の選択、酸化チタンの併用、酸素が混入し易い又はし難い溶解方法や溶解条件の選択等の手段を組み合わせることにより、実施することができる。
【００２９】
上記のような化学組成のインゴットは、原料金属を必要に応じて酸化チタン（ＴｉＯ２）とともに混合して溶解し且つその後に冷却することによって製造する。溶解の方法は、アーク溶解、真空アーク溶解、プラズマ溶解、プラズマアーク溶解、レビテーション溶解、電子ビーム溶解等の、チタンとβ安定化元素を混合できる方法であれば、如何なる方法も用いることができる。窒素、水素及び珪素等の不純物の侵入を防ぎ、マクロ偏析を避けるためには、レビテーション溶解法を用いることが好ましい。また、インゴット中のマクロ偏析を避けるためには、溶解を複数回実施することも有効である。
【００３０】
上記のインゴットから本発明の脊椎固定用チタン合金製ロッドを製造する方法は、次の工程を含む：
上記組成を有するチタン合金製インゴットを、８００乃至１２００℃において熱間鍛造に供して前記チタン合金製のロッドを得る工程（Ａ１）、
工程（Ａ１）の後に実施される、前記ロッドを７００乃至１０００℃に一定時間保持し、その後水冷を行う溶体化処理工程（Ｂ）、及び
工程（Ｂ）よりも後に行われるピーニング処理工程（Ｃ）。
【００３１】
また、インゴットの代りにチタン合金粉末を使用して本発明の脊椎固定用チタン合金製ロッドを製造する方法は、次の工程を含む：
上記組成を有するチタン合金製粉末を用いて粉末冶金を実施し、前記チタン合金製のロッドを得る工程（Ａ２）、
工程（Ａ２）の後に実施される、前記ロッドを７００乃至１０００℃に一定時間保持し、その後水冷を行う溶体化処理工程（Ｂ）、及び
工程（Ｂ）よりも後に行われるピーニング処理工程（Ｃ）。
【００３２】
工程（Ａ１）は、熱間鍛造によってインゴットからロッド（丸棒）を調製する工程である。この工程は、８００乃至１２００℃において、好ましくは９００乃至１１００℃において、さらに好ましくは９５０乃至１０５０℃において実施される。
【００３３】
工程（Ａ２）は、チタン合金の粉末を焼き固める粉末冶金法によって、ロッド（丸棒）を調製する工程である。粉末冶金法では、原料として使用する粉末が小さいほど高密度な焼結体を得ることができる。しかし、粉末粒子の表面が不動態被膜（極薄い酸化被膜）に覆われているため、粉末が小さいほど粉末の総表面積が大きくなり、真空中で焼結しても焼結体の酸素含有率が大きくなる可能性がある。なお、焼結条件は、１０００乃至１５００℃であることが好ましく、１２５０乃至１３５０℃であることがさらに好ましい。また、焼結時間は、好ましくは１０乃至２４時間であり、さらに好ましくは１５乃至１８時間である。焼結中の酸素の混入を避けるため、真空焼結を実施することが好ましい。
【００３４】
工程（Ａ１）又は（Ａ２）によってロッドが作製されたら、そのロッドに溶体化処理を施す（工程（Ｂ））。溶体化処理は、前記ロッドを７００乃至１０００℃に、好ましくは各種合金のβトランザス＋５０℃付近の温度に、一定時間（好ましくは０．５乃至３時間、さらに好ましくは０．５乃至１時間）保持し、その後水冷を行うことによって実施する。
【００３５】
工程（Ｂ）の実施により、ロッドは、そのヤング率が６０乃至１１０ＧＰａに、好ましくは６０乃至９０ＧＰａになる。このようなヤング率であると、ロッドが骨再生に支障をきたす恐れが小さい。なお、このヤング率は、室温大気中にて自由共振法で測定した場合の値である。
【００３６】
また、工程（Ｂ）の実施により、ロッドは、その引張強度が、７００乃至１２００ＧＰａ、好ましくは９００乃至１２００ＧＰａとなる。このような引張強度であると、現在用いられているＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ  ＥＬＩ合金の引張強度と同程度あるいはそれ以上である。なお、この引張強度は、インストロン型引張試験機を用いて、クロスヘッド速度０．５ ｍｍ/分にて室温大気中という条件で測定した場合の値である。
【００３７】
工程（Ｂ）とその後の工程（Ｃ）との間に、ロッド表面の酸化被膜を除去する工程を実施してもよい。酸化被膜を除去する方法は特に限定されないが、例えばセンタレス研磨が挙げられる。センタレス研磨は、研磨の対象が長手方向に細長い形状である場合に適した研磨方法である。センタレス研磨を施した後のロッドの外径は、スクリューの受け部の内径との関係で決まるが、通常は４乃至７ｍｍに程度に設定される。
【００３８】
工程（Ｂ）とその後の工程（Ｃ）との間に、適切な形状に至るまで冷間加工を施してもよい。冷間加工を実施する方法は特に限定されないが、例えばスウェージング加工、圧延溝ロール加工、伸線加工などの方法が挙げられる。スウェージング加工は、金型を回転させながらロッドを叩くことでロッドの外径を絞る冷間鍛造加工である。圧延溝ロール加工は、溝付きロールの溝部にロッドを挟んで圧力をかけ、ロッドを伸ばしながら減径することのできる加工法である。伸線加工は、入り口が太く出口が細い円錐状のダイスにロッドを通すことでロッドの直径を細長くすることのできる加工法である。冷間加工を施した後のロッドの外径は、スクリューの受け部の内径との関係で決まるが、通常は４乃至７ｍｍ程度に設定される。
【００３９】
その後、ピーニング処理工程（工程（Ｃ））が実施される。ピーニングの方法としては、β型チタン合金製ロッドの表面に変形誘起ω相変態を生じさせるものであれば、如何なる方法も用いることができる。好ましいピーニングの方法として、ショット・ピーニングの他、レーザー・ピーニング、超音波ショット法、キャビテーション・ピーニング（ＣＰ；キャビテーション・ショットレス・ピーニングともいう）を採用することができる。
【００４０】
ショット・ピーニングとは、冷間加工の一種であり、無数の鉄あるいは非鉄金属の丸い投射材（ショット材）を高速度で金属表面に衝突させる方法である。レーザー・ピーニングとは、短パルス・レーザー照射によって発生する衝撃波を用いて、金属表面にピーニング効果を付与する処理である。超音波ショットとは、超音波振動を駆動源としてショット材を対象部位に衝突させ、その衝撃圧を利用してピーニング効果を付与する処理である。キャビテーション・ピーニングとは、キャビテーション噴流により、キャビテーションを制御あるいは強力化して発生させ、キャビテーション気泡の崩壊衝撃力を利用してピーニング効果を付与する処理である。
【００４１】
キャビテーション・ピーニングは、ショット材として水を使用するため、ショット・ピーニングと比べて、被処理材であるロッドへのショット材に由来する元素の侵入がない点で優れている。
【００４２】
図１にキャビテーション・ピーニングに用いられるノズルＮの模式図を示す。キャビテーション・ピーニング処理の好ましい条件は、ノズル径ｄ０．４乃至３．０ｍｍ、ノズル外径Ｄ＝３．２乃至２４．０ｍｍ、ノズル距離Ｌ＝３．２乃至２４．０ｍｍのノズルＮを用いて、ノズルの噴出部と試料（すなわち被処理物）Ｓの表面との距離ｓ＝１０．０乃至１００．０ｍｍにて、噴射圧力＝１０乃至１００ＭＰａで、試料Ｓに向かって水中において水噴流を噴出させるというものである。また、単位長さあたりの処理時間は２乃至２０秒／ｍｍの条件である。さらに好ましい条件は、ノズル径ｄ：ノズル外径Ｄ：ノズル距離Ｌ＝１：８：８となる条件にて、噴射圧力３０乃至８０ＭＰａで水噴流を噴出させるというものである。
【００４３】
図２に、キャビテーション・ピーニング装置機構の概略模式図を示す。キャビテーション・ピーニングでは、水で満たした密閉タンク（水充填タンク）内に高速水噴流を噴射して発生するキャビテーション噴流を活用して処理を行うため、噴射圧力とタンク内圧力（下流圧力）を制御して加工能力を調整できる。
【００４４】
ここで、キャビテーション数σ：
【００４５】
【数１】
2016138318.tif 000003
（式中、Ｐ１＝上流圧力（単位：Ｐａ）、Ｐ２＝下流圧力（単位：Ｐａ）、Ｐｖ＝液体の飽和蒸気圧（単位：Ｐａ）である）が０．０１４において加工能力が最大となることが報告されている（祖山均、「キャビテーション噴流による材料試験と表面改質」、材料、第４７号（４）、  ３８１−３８７頁、１９９８年）。そのため、キャビテーション数が０．０１４に近づくように、下流バルブを微調整することによって下流圧力を設定することが望ましい。
【００４６】
ピーニング処理を施すことで、β型チタン合金製ロッドの表面部分において、結晶構造に変形誘起ω相変態が発生する。その結果、ロッド全体としては低弾性率（β単相）を保持しつつ、表面のみが硬化する。この硬化は、転位密度の増加に加え、圧縮残留応力と変形誘起ω相の存在による。
【００４７】
本発明の脊椎内固定器具は、本発明に係る脊椎固定用チタン合金製ロッドと、脊椎内固定用スクリューであって、その頭部に前記ロッドの固定部位を有するものとを備え、前記脊椎内固定用スクリューは、少なくともロッドが接触する部位がＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ  ＥＬＩ合金製であるものである。
【００４８】
図３に、本発明の脊椎内固定器具の例を示す。（Ａ）に記載した例では、３本のスクリュー１０，１０，１０に、本発明のロッド３０が連結されている。スクリュー１０は、ネジ部５と頭部７とを備える。頭部７は、ロッド３０の受け部になっており、この受け部の内側はロッド３０が接触する部位である。したがって、少なくとも頭部７の内側のロッド３０と接触する部位は、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ  ＥＬＩ合金製である。ロッド３０は、スクリュー１０の頭部７の内側に螺合するプラグ５０によって固定される。
【００４９】
（Ａ）においては、同一形状のスクリュー１０を３本使用しているが、３本の中の中央のスクリューとして、例えば（Ｂ）に示すネジ部６と頭部８とを備えるスクリュー２０を使用することも可能である。
【実施例】
【００５０】
以下に、実施例により、本発明を具体的に説明する。但し、本発明は、以下の実施例に限定されない。
【００５１】
［実施例１］  Ｔｉ−１２Ｃｒ合金製ロッド
（１）Ｔｉ−１２Ｃｒ合金インゴットの製造
スポンジチタンに、クロムを溶解後のインゴットの化学組成がＴｉ８８質量％、Ｃｒ１２質量％となるように混合し、レビテーション溶解法にて溶解し、インゴットを作製した。マクロ偏析を避けるために、レビテーション溶解は２回実施した。
【００５２】
このようにして製造したインゴットの組成を、金属元素については誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）発光分光分析法、酸素については赤外線吸収法で分析した。
【００５３】
ＩＣＰ発光分光分析法の実施に当たり、合金の前処理は次のように行った。まず試料をフッ酸＋硝酸に溶解した後、硫酸を加えて白煙を生じるまで加熱することによりフッ酸と硝酸とを蒸発させる。冷却後の沈殿を防ぎ、合金成分の元素をイオンとして硫酸中に存在させるため、酒石酸および過酸化水素を加える。最後に、水で希釈し、分析に適したイオン濃度となるように調整して、分析に供する。
【００５４】
また、酸素の定量は、合金をヘリウム気流中で加熱し、溶解した際に発せられる赤外線スペクトルを得、そのスペクトルから酸素量を読み取ることにより行う。
【００５５】
その結果、クロム含有率は１１．９質量％（Ｍｏ当量で、１４．８７５質量％）、酸素含有率は０．１１質量％、残部チタンであった。
【００５６】
（２）Ｔｉ−１２Ｃｒ合金製ロッドの作製
（１）で製造したインゴットを、１０００℃に加熱して熱間鍛造した後、機械加工によって黒皮を除去し、直径７ｍｍのロッドを作製した。次いで、このロッドを７３０℃に１時間保持し、その後水冷することにより、溶体化処理を行った。その後、センタレス研磨を施して表面の酸化被膜を除去し、直径５ｍｍの脊椎固定用ロッド（サンプル１）を得た。
【００５７】
サンプル１を円周方向に回転させながら、水中において、噴射圧力８０ＭＰａ、ノズル径０．６４ｍｍ、ノズルの噴出部とサンプル１の表面との距離４０．０ｍｍ、単位長さあたりの処理時間８秒／ｍｍの条件で水噴流をその表面にあてるキャビテーション・ピーニング（ＣＰ）処理に供し、表面が改質されてなるサンプル２を得た。
【００５８】
サンプル１の製造と同様の方法で溶体化処理まで行った後、機械加工にて直径３ｍｍのヤング率測定用サンプル（サンプル１に対応するもの）を得た。そのヤング率を測定した（自由共振法；Ｎｉｐｐｏｎ  Ｔｅｃｈｎｏ−Ｐｌｕｓ社製ＪＥ−ＲＴ３使用；測定温度：室温（大気中）；測定用サンプル：直径３ｍｍ、長さ４０ｍｍ）ところ、８９ＧＰａであった。
【００５９】
また、サンプル１の製造と同様の方法で溶体化処理まで行った後、機械加工にて、平行部直径３ｍｍ、平行部長さ１１ｍｍ、肩部Ｒ半径１５ｍｍ、つかみ部直径６ｍｍの試験片（サンプル１に対応するもの）を作製した。インストロン型引張試験機で、この試験片を、クロスヘッド速度０．５ｍｍ／分、室温大気中の条件で引張強度を測定したところ、その値は９４３ＭＰａであった。
【００６０】
（３）サンプル１及び２の硬さ試験
ＳＨＩＭＡＤＺＵ社製ＤＵＨ−２１１試験機を使用し、ＪＩＳ  Ｚ  ２２５５：２００３の超微小負荷硬さ試験方法に従い、直径５ｍｍのロッドを厚さ２ｍｍに切断した試験片に対して、最大荷重１０ｍＮ、保持時間１０秒、負荷速度１．４６ｍＮ／秒の条件にて、ロッドの最外側から内部に向かって４００μｍの深さまでのマルテンス硬さを測定した。
【００６１】
結果を図４に示す。白丸がサンプル１であり、黒丸がサンプル２である。図４から明らかなように、ＣＰ処理により、表面から少なくとも数十μｍまでの深さにおいては、硬度が高まっていた。
【００６２】
（４）サンプル２の透過型電子顕微鏡写真
サンプル２の透過型電子顕微鏡観察用試料の作製方法を図５に示す。円柱外側面（キャビエーション・ピーニングを施した面）を含むように２ｍｍ×１ｍｍ程度の長方形試験片を切出した後、ＪＥＯＬ社製イオンスライサー（ＥＭ−０９１００ＩＳ）を用いて、マスクを施した円柱外側面に対して垂直にイオン照射し、マスクした箇所以外を削り取った。その後、円柱外側面に平行にイオン照射することによって、最外側面から数十μｍ程度の深さまでを透過電子顕微鏡観察できるように薄片化させた。ＪＥＯＬ社製透過型電子顕微鏡（型番：ＪＥＭ−２０００ＥＸＩＩ）にて、サンプル２の薄片化試料の写真撮影を行った。その後、Ｈｉｔａｃｈｉ製走査型電子顕微鏡（型番：Ｓ−４８００）を用いて、透過型電子顕微鏡にて写真撮影した箇所の円柱外側面からの距離を調査した。
【００６３】
透過型電子顕微鏡観察の結果を図６に示す。（ａ）は明視野像であり、（ｂ）は暗視野像であり、（ｃ）は電子線回折画像である。これらの写真より、母相であるβ相中に微細なω相が多量に存在していることがわかる。また、同写真を撮影した位置について、円柱最外側面からの距離を走査型電子顕微鏡を用いて確認した結果、ω相が多量に存在しているのは、円柱外側面から１５乃至２０μｍ程度の位置であった。
【００６４】
［実施例２］  ＴＮＴＺ合金製ロッド
（１）ＴＮＴＺ合金インゴットの製造
スポンジチタンに、ニオブ、タンタル、ジルコニウムを溶解後のインゴットの化学組成がＴｉ５３．４質量％、Ｎｂ２９．０質量％、Ｔａ１３．０質量％及びＺｒ４．６質量％となるように混合し、レビテーション溶解法にて溶解し、ＴＮＴＺのインゴットを作製した。マクロ偏析を避けるために、レビテーション溶解は２回実施した。
【００６５】
このようにして製造したインゴットの組成を、実施例１（１）に記載の方法で分析した。その結果、ニオブ含有率は２９．１質量％、タンタル含有率は１３．１質量％、ジルコニウム含有率は４．５質量％、酸素含有率は０．０７質量％、残部チタンであった。なお、β安定化元素の含有率（ニオブ＋タンタル）は、モリブデン当量で表すと１０．９３質量％であった。
【００６６】
（２）ＴＮＴＺ合金製ロッドの作製
（１）で製造したインゴットを、１０００℃に加熱して熱間鍛造した後、機械加工によって黒皮を除去し、直径７ｍｍのロッドを作製した。次いで、このロッドを７９０℃に１時間保持し、その後水冷することにより、溶体化処理を行った。センタレス研磨を施して表面の酸化被膜を除去し、直径５ｍｍの脊椎固定用ロッド（サンプル３）を得た。
【００６７】
サンプル３を、実施例１（２）に記載されたものと同一の条件でキャビテーション・ピーニング（ＣＰ）処理に供し、表面が改質されてなるサンプル４を得た。
【００６８】
サンプル３についても、実施例１（２）に記載の方法で、それに対応するヤング率測定用サンプル及び引っ張り強度測定用サンプルを作製し、ヤング率及び引張強度を測定したところ、ヤング率は約６０ＧＰａ、引張強度は５００乃至６００ＭＰａであった。
【００６９】
［実施例３］  Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ  ＥＬＩ合金製ロッド
ＡＳＴＭ  Ｆ１３６に準拠して作製された市販のＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ  ＥＬＩ合金製ロッド（直径：５ｍｍ）をサンプル５とした。
【００７０】
［実施例４］  疲労特性試験
サンプル１、２、３、４及び５の疲労特性を、ＡＳＴＭ  Ｆ１７１７（脊椎固定用構成部品；静的試験、ねじり試験、疲労試験）の疲労試験に準拠して測定した。具体的には、次の条件で試験を行った。
【００７１】
測定装置：  Ｉｎｓｔｒｏｎ社製電動サーボ式疲労試験機（ＥｌｅｃｔｒｏＰｕｌｓ Ｅ１００００）。図７にその概要を示す。
【００７２】
スクリュー固定部材：  二つの超高分子量ポリエチレン（ＵＨＭＷＰＥ）ブロック
使用スクリュー：  Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ  ＥＬＩ合金製のスクリュー４本、１本のロッドを受ける２本のスクリューの受け部の間隔：７６．０ｍｍ
スクリューとロッドとの締結：  二つのＵＨＭＷＰＥブロック７０，７０を使用し、各ブロック７０に２本のスクリュー１０，１０を埋め込み、ブロック７０，７０間を２本のロッド３０，３０が繋ぐように且つ２本のロッド３０，３０が互いに平行となるように、スクリュー１０，１０，１０，１０の受け部にロッド３０，３０を連結させた。
【００７３】
測定方法：  スクリューとロッドとの締結トルクを８Ｎ・ｍとし、室温大気中において、周波数５Ｈｚ、応力比０．１という条件でロッドに繰り返して応力を与え、スクリューとロッドとの連結部分においてロッドが折損するのにかかる繰返し最大圧縮荷重（単位：Ｎ）と破断サイクル数とを測定した。
【００７４】
なお、ロッドの折損状態の一例を、図８に示した。図８から明らかなように、ロッド３０は、スクリュー１０との連結部付近で折損した。
【００７５】
疲労特性試験の結果を図９、図１０及び表１に示す。図９は、破断サイクル数と、破断時の繰返し最大圧縮荷重との関係を示すグラフであり、図１０及び表１は、破断サイクル数が０．５×１０７の際の繰返し最大圧縮荷重（ｒｕｎｏｕｔ荷重；単位：Ｎ）を示している。
【００７６】
【表１】
2016138318.tif 000004
【００７７】
図９、図１０及び表１に示す通り、所定量の酸素を含有するＴｉ−１２Ｃｒ合金製ロッドでは、表面にキャビテーション・ピーニング処理を施す（サンプル２；黒丸；発明例）と、キャビテーション・ピーニング処理を施さなかったサンプル（サンプル１；白丸）と比較して、疲労特性において有意な向上が測定された。サンプル２の疲労特性は、現在、脊椎固定用に使用されているＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ  ＥＬＩ製ロッド（サンプル５）やＴＮＴＺ合金製ロッド（サンプル３及び４）よりも、有意に優れていた。
【００７８】
サンプル２の結晶構造はβ相であるが、キャビテーション・ピーニング処理を施すことで、表面部分において結晶構造が変化し（変形誘起変態が生じ）、ω相が形成された。その結果、ロッド全体としては低弾性率（β相の弾性率）を保ちつつ、表面のみが硬化（圧縮残留応力＋ω相の存在による）されたロッドが得られた。そして、スクリューとロッドとの摩擦摩耗を伴うフレッティングに対する疲労強度が向上すると共に、材料自体の疲労強度も向上したため、上記のような疲労特性の有意な向上が実現されたものと考えられる。
【符号の説明】
【００７９】
Ｎ：  ノズル
Ｓ：  試料
５：  ネジ部
６：  ネジ部
７：  頭部
８：  頭部
１０：  スクリュー
２０：  スクリュー
３０：  ロッド
５０：  プラグ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図７】
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【図８】
2016138318.tif 000011
【図９】
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【図１０】
2016138318.tif 000013
【図６】
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