アレルギーを考慮した医科歯科用マイクロねじの開発に関する研究
東海大学 精密工学科教授 吉田一也（平成 21 年度一般研究開発助成 AF－2009026）
キーワード：マイクロねじ，医科歯科，アレルギ－，塑性加工，インプラント

T-5

0.8 ±0.1(1.47)

患者の生活の質 の意識が年々高まり，最近，有床義歯からインプ

φ2.47 ±0.05

近年，各国における高齢化の進行に伴い，安価かつ人にやさしい医療機器の開発に注目が集まっている．歯科分野においてはラントへ置き換わりつつある傾向がみられる．

×(C0.2)

医科歯科用材料には高強度，高耐食性並びに高耐磨耗特性，

2.8 or more

1.5 ±0.05

更には耐アレルギーなど生体毒性がないことなどが求められ，適5.35 0-0.3

用するにはこれらの条件を満足しなければならない．そのため，医科歯科用材料の多くはチタン合金やステンレス鋼が使用されてM2×P0.4(1. 76)

１． 研究の目的と背景

図 1 製作する歯科インプラント用マイクロねじ1)

いる ．しかし，歯科インプラント用ねじに使用されているチタαン合金 Ti-6Al-4V にはバナジウムとアルミニウムが含有しており，これらの成分の細胞毒性と神経毒性が懸念されている．それに加え，チタン合金は冷間での塑性加工性が悪いため，ねじは切削加工により製作されており，製品価格は非常に高価となる欠点もある．

D1D0Drawing direction⎡ ⎛ D ⎞2 ⎤R / P = ⎢1 − ⎜⎜ 1 ⎟⎟ ⎥ × 100 / %⎢⎣ ⎝ D 0 ⎠ 2⎥⎦⎡ ⎛D ⎞ ⎤Rt = ⎢1 − ⎜⎜ n ⎟⎟ ⎥ × 100 / %⎢⎣ ⎝ D 0 ⎠ ⎥⎦図 2 伸線加工における 1 パス及トータルのリダクショクン 2)

そこで，本研究では歯科インプラントの生体適合性・耐アレルギーの向上並びに価格低減を図り，塑性加工による純チタン製歯科インプラント用ねじの製作の可否及び実用化について検討した．また，塑性加工によるねじ製作には伸線材を使用するため，純チタンの伸線加工における最適加工条件についても検討した．

表 1 用いた純チタニウムの化学成分 wt%

Fe0.046

N0.005

O0.031

C0.007

H0.0013TiBal

表 2 伸線加工の条件

２. 実験方法
本研究では伸線，圧造及び転造加工により図 1 に示す歯科インプラント用ねじを製作した．図 2 に伸線加工における 1 パ

Die material
Die half angle / deg
Drawing velocity / mm/min

WC
6500

スの断面減少率 R/P 並びに総断面減少率 Rt の定義を示し，表1 には本研究で使用した φ5 mm の純チタン線の化学成分値を示す．また，表 2 には伸線加工条件を示す．伸線加工における純チタンにおける最適な潤滑剤の選定を行うため，4 種類の潤最適加工条件の検討では最適潤滑剤の選定，酸化膜の有用性及び滑剤を使用し，引抜き応力及び伸線材の表面性状を比較した．

引太り，引細り現象の傾向について調べた．なお，ねじ製造には使用した潤滑剤は樹脂系並びに石油系潤滑材，ステアリン酸ナダブルヘッダ方式の圧造機と平ダイス方式の転造機をそれぞれ使

トリウム粉石鹸，軟質金属の伸線加工に用いられるルブライト用した．製作した歯科インプラント用ねじの評価では成形の可否

Lublight®である．各潤滑剤における引抜き応力の比較を図 3 に，を確認した後，ねじり破断トルク試験，硬さ試験及び衝撃試験に

Rt=65.9 %時の伸線材表面の SEM 画像を図 4 に示す．

より従来品と比較を行い，純チタン製歯科インプラント用ねじが実用性について検討を行った．

３． 純チタンの伸線における最適加工条件
３．１ 純チタンにおける最適潤滑剤の選定

図 3 より樹脂系潤滑材を使用した際の引抜き応力が最も低く，伸線限界も最も高い結果が得られた．特に Rt=90 %以上まで伸線加工を行えたのは樹脂系潤滑材だけであり，図 4 の伸線材の表面性状からも良好な表面性状が得られていることがわかる．従って，純チタンにおける最適潤滑剤は樹脂系潤滑材であると判断した．

ー 129 ー

7.0

Resin lubricants
Sodium stearate
Petroleum based hydrocarbon
Lublight®

600

With Oxide film
Non - Oxide film

6.0
Drawing limit εlimit

Drawing stress / MPa

800

400

200

5.0
4.0
6.13

3.0

5.69

4.95
2.59

1.0
00

5.49

2.00204060
Total reduction Rt / %103020R/P / %10080

図 5 酸化皮膜の有無が伸線限界に与える影響

図 3 潤滑剤が引抜き応力に与える影響

500

100μm
Lublight®

Drawing stress / MPa

R / P = 20 %100μm
Petroleum based hydrocarbon

400Non-Oxide film300100100μm
Sodium stearate

With Oxide film

200100μm

0204060
Total reduction Rt / %80100

図 6 酸化皮膜の有無が引抜き応力に与える影響

Resin lubricants

図 4 各種潤滑剤を用い Rt=65.9%まで伸線した線材の表面写真
３．２ 純チタンの伸線加工における酸化皮膜の影響
通常，酸化皮膜は伸線性を阻害するため鋼線の伸線加工では，100μmショットブラストや酸洗いにより取り除いている．しかし，純チタンにおいては酸化皮膜を付着させることで伸線性が向上することも考えられる 2) 3)．そこで，純チタンにおける酸化皮膜の有用

Non-Oxide film
図7100μm
With Oxide film

Rt=92.6% まで伸線した線材表面の SEM 写真性について検討するため，酸化皮膜が付着した線材と付着していない線材を用意し，引抜き応力，伸線限界並びに表面性状を調べ酸化皮膜を付着させることで潤滑性能が向上したと推測される．

た．図 5 に１パスリダクション R/P が 10～30%で伸線を行った際のよって，純チタンにおける酸化皮膜の付加は有用であるといえる ．

伸線限界を示す．また，一例として R/P=20%で伸線した際の引抜き応力及び線材表面の SEM 画像をそれぞれ図 6 と図 7 に示す．なお，

３．３

伸線限界は塑性ひずみ（ εlimit = ln[A0/An] ）で定義した．図 4より伸線材の寸法は引太りや引細り現象によって所定のダイス孔径R/P が高ければ伸線限界に差は生じていないが低断面減少率の伸と異なる場合がある．本現象の程度は伸線に使用する材料や R/PR/P が伸線材の寸法精度に及ぼす影響

線では差が表れ，酸化皮膜を付着させた方の伸線性が高いことがによって異なり，正確なパススケジュールを組むためには引細りわかる．

並びに引太り現象の傾向を把握することは重要となる．本研究で図 5 からも酸化皮膜を付着させた方の引抜き応力が約 10%低下

は純チタンを用いた際の引太り，引細り現象を把握すべく，伸線していることもわかる．図 6 では酸化皮膜を付着させた方の表面後の線材直径を測定し，ダイス孔径に対しての伸線材の直径変化性状は良好であるのに対し，酸化皮膜を付着させていない線材表率 η を求めた．その際，R/P は 10%～ 30%の条件で伸線加工を行っ面にはダイスマークが表れていることがわかる．以上のことからた．R/P と η の関係を図 8 に示す．図 8 より直径変化率はいずれー 130 ー

の R/P の場合においても Rt の増加に伴い分散するが，±1%以内に材でねじの製作を行った．図 9 に伸線材の機械的性質とねじの成収まっていることがわかる．特に R/P が低い条件ほど引太りの傾形限界を示し，図 10 に製作した歯科インプラント用ねじの外観写向を示し，R/P が高い条件ほど引細りの傾向が現れることが確認真を示す．図 9 より純チタンを用いた際の成形限界は Rt=91 %であできる．これは R/P が低い条件では材料に弾性回復が起こりやすり，それ以上の加工度の伸線材を使用すると圧造加工時にねじ頭

く，R/P が高い条件では伸線ダイスによる変形に加え，高い引抜部に割れが発生することが確認できた．従って，図 10 に示す割れき応力により，線材が引張られるため，このような傾向が現れたのない良好な歯科インプラント用ねじを得るには伸線材のビッカと推測される．

ース硬さを 260HV 以下，引張り試験における破断ひずみを 0.05 以上の線材を選択する必要がある．

Change of wire diameter η / %3４．２ ねじのねじり破断トルク試験

R/P = 10 [%]R/P = 20 [%]R/P = 30 [%]21

純チタンねじは従来のチタン合金ねじに比べ材料強度が低いため，製作したねじのねじり破断トルク試験を行った．ねじり破断トルク試験とは，ねじ部を冶具に固定してねじが破断するまでねじり，最大トルクを調べる試験法である．本試験より得られた

0

ねじり破断トルクとねじ製作に用いた伸線材の硬さの関係を図 11-1に示す．なお，ビッカース硬さは成形限界までの 135～260 HVの伸-2

η=d − Dd× 100 / %
Dd

線材を用意し，圧造及び転造加工を施しねじを製作した．図 11 よd : Diameter of drawn wire / mm
Dd : Die bore / mm

り線材の硬さに比例し，ねじのねじり破断トルク TB が高くなることがわかる．そのねじり破断トルクは実験値より次の近似式で計-3204060Total reduction Rt / %10080算することができる．

図 8 各引抜き条件における引抜き線材の直径変化

TB=0.186×HVofdrawnwire /Ncm1)

また，実際の医療現場では 35Ncm の適正締め付けトルクで締め４． 純チタン製歯科インプラント用ねじの製作付けられているため，近似式より約 195HV 以上の硬さが伸線材に４．１ 歯科インプラント用ねじ製作の成形限界
純チタン製歯科インプラント用ねじの成形の可否と成形限界をは必要とされる．

調べるため，伸線加工により硬さを変えた伸線材を用意し，各線

0.5
Breaking strain
Vickers hardness

300

0.4

250

0.3

2000.2150

0.1100020

Breaking strain

Vickers hardness / HV

350

Torsional strength TB / Ncm

80605040

Prescribed torque3020101200
100

406080Total reduction Rt / %70170220Vickers hardness of wire / HV270

図 11 素線の硬さとできたねじのねじり強度の関係

図 9 伸線材の機械的性質の変化と伸線限界
次に製作した純チタン製ねじと他材料でのねじの強度を比較a)b)した．比較材料はチタン合金(Ti-6Al-4V)，通常の鋼(SWCH 16A)及びその焼入れ材とし，ねじのねじり破断トルクとビッカース硬さを図 12 に示す．なお，図 12 に示す純チタン製ねじは線材硬さが1 mm
図 10 製作した歯科インプラント用 ねじ

500μm

260HV の時の結果である．図 12 より純チタン歯科インプラント用
ねじのねじり破断トルクは 54Ncm であり，実用条件である 35 Ncmの締付けトルクに耐え得ることが確認できた．

ー 131 ー

600

Torsional strength TB
Vickers hardness

70500

60400

50300

4030200

20100

10Ti-6Al-4V SWCH 16A SWCH 16A
Pure(quenched)titanium

60µm

ThreadVickers hardness of wire / HVTorsional strength TB / Ncm80(Ⅰ) Conventional screw
図 1460µm(Ⅱ) Examined screw

切削と塑性加工によりできたねじの金属組織写真

0５． 結言図 12 各種材料によりできたねじのねじり強度の比較

塑性加工により純チタン製歯科インプラント用ねじの製作可否について検討した．得られた事柄を以下に示す．
４．３ 歯科インプラント用ねじの衝撃試験

1. 伸線，圧造及び転造加工により，純チタン製歯科インプラン製作した純チタン製歯科インプラント用ねじの衝撃強度を従来ト用ねじの製作は可能である．

品と比較するため衝撃試験を行った．本試験ではねじが破壊され

2. 純チタン線は樹脂系潤滑剤を用いることでRt=90 %以上まで伸るまでの衝撃回数を比較し，その結果を図 13に示す．なお，一回線可能である．伸線材の直径の寸法精度は±1%以内に収まるの衝撃荷重は 7kgと 12kgとし，荷重の方向は咬頭傾斜角が約 30°，歯軸が仮想咬頭平面に対し 15°傾斜しているという報告 4)より 45°
方向から繰り返し衝撃荷重を加えた．また，図 14に製作した純チタン製ねじと従来品のチタン合金製ねじの金属組織を示す．図 13
より本研究で製作したねじの方が衝撃に対する強度が高いことがが，R/Pが大きい条件ほど伸線後に引細りの傾向が現れる．
3. ねじのねじり破断トルクは圧造及び転造前の伸線材の硬さに相関がある．
4. 本研究で製作したねじは歯科インプラント用として実用に耐え得るねじり破断強度と衝撃強度を有している．

わかる．これは図 14に示すように塑性加工により製作したためファイバーフローが形成されたためである．

謝辞
本研究は財団法人天田金属加工機械技術振興財団の一般研究開発助成として採択され行われたものであり，同財団からの研究助成に対し深く感謝の意を表します．また,本研究を行うに

Impact number / times

12000
10353

10207

10000
8000
6000

7 kg
12 kg

6633

あたり貴重な助言を賜りました鶴見大学歯学部大久保力廣教授、㈱ユニオン精密の諸兄、そして実験に協力していただいた東海大学の大学院生の斉木美男君に感謝申し上げます．

4833

参考文献

4000

1)赤川安正ら：よくわかる口腔インプラント学,(2005), 37-72,医歯薬

2000
0出版

Conventionalscrew

Examinedscrew

図 13 製作したねじと従来品における破壊衝撃回数

2)吉田一也ら：塑性加工の基礎,(1988),64-72,産業図書
3)村尾卓司：塑性と加工,44-504,(2003),55-59
4)森田誠：日本補綴歯科学会雑誌,49,(2005),697-707

ー 132 ー