〈一般研究課題〉 形状記憶合金を用いた血管内治療デバイス
長寿命化の基礎検討
助 成 研 究 者

愛知工業大学松井良介

形状記憶合金を用いた血管内治療デバイス
長寿命化の基礎検討
松井 良介（愛知工業大学）

Fundamental Study on Life Improvement of Endovascular
Device Using Shape Memory Alloy
Ryosuke Matsui(Aichi Institute of Technology)

Abstract：
Recently, TiNi shape memory alloys (SMAs) have been used in medical devices such as selfexpanding stents. However, if Ni ions in the TiNi SMA dissolves in blood vessels by corrosion
reaction, it may cause a metal allergy. On the other hand, occurrence of fatigue fracture in an earlystage is concerned since they are placed in blood vessels for a prolonged amount of time.
Consequently, when designing stents, corrosion fatigue life is an important factor. The utilizationof the TiNi SMAs for designing of stents has been discussed in past studies. However, to the bestof our knowledge, there has been no study in the public domain that investigates the corrosion
fatigue properties of SMAs as part of the harsh environment in the blood stream. In this study, wehave developed a new heat treatment named“thermal nitridation treatment”that can generate apassive layer on the surface of the TiNi SMA wire. By heat treating in an electrical furnace filledwith pure N2 gas for 1 hour at 673 K and subsequently cooled in the furnace, we can generate thepassive layer on the TiNi SMA wire. Before the heat treatment, to generate the passive layer
uniformly, we mechanically polished an as-received material with thick oxide film by some abrasive
papers and a buffing compound. And then, we revealed that the corrosion resistance and thecorrosion fatigue life of the heat-treated TiNi SMA wire by an anodic polarization test and arotating bending fatigue test in NaCl water solution. The results obtained can be summarized as－ 195 －follows: (1) TiNi shape memory alloys subjected to the thermal nitridation treatment have the thinpassive layer. The corrosion resistance of the wire is almost the same as that of pure titanium
which is a representative biomaterial. (2) Especially in a low bending strain, the corrosion fatigue
life of the TiNi SMA subjected to the thermal nitridation treatment is much higher than that of theTiNi SMA heat-treated in air.
1．はじめには めに
近年，TiNi形状記憶合金（shape memory alloy，以下SMA）は機能材料として注目され，高い形状

近i記hap em y a l）
し 注目回復能力などを持つことから，血管の狭窄部を押し広げるために用いられる自己拡張型ステントな，ど医療分野での応用が進められている．ステントは血管内に長期間留置されるため，使用中，腐食
管反応によってNiイオンが溶出して起こる金属アレルギー反応や，早期の腐食疲労破壊が懸念される．
本研究では，TiNi SMA線材の耐食性を向上させることを目的とする．本講演では，本研究で提案する熱窒化処理（thermal nitridation treatment，以下TN処理）によって生成した皮膜の耐食性への効果を検証すべく，アノード分極試験を行ったのでその結果を述べる．
2．材料および試験片
供試材には，株式会社古河テクノマテリアル製TiNi SMA線材（Ti-49.7 at%Ni，直径0.7 mm，黒，皮付き）を用いた．各試験片の作製プロセスを図1に示す．本研究では，TN処理材（以下TN材）と電解研磨TN処理材（以下EPTN材）を用意した．また，比較のためにTiNi SMAの一般的な熱処理である大気中での形状記憶熱処理を施した通常熱処理材（以下HT材），HT材に機械的研磨を施して黒皮を除去し，表面粗さを改善したもの（以下HT-P材）も用意した．研磨とTN処理の詳細は次章
し（P ）とで述べる

図1．各試験片の作製プロセス

各試験片作

プ

3．実験条件・方法
実験条件 方法
3.1 研磨研磨
熱処理後にTiNi
熱処理後に TiNiSMAの表面に生成する不動態皮膜は，処理前の材料の表面粗さが小さいほど均S A の表面に生成す 不動態皮膜は 処理前の材料の表面粗 が小さいほ 均
一な厚さになることがこれまでの水谷らの研究で明らかになっている
一な厚さになることがこれまでの水谷 (1)(1)の研究で明らかにな て る そのため，TN処理の前そのため TN 処理の前に機械的研磨と電解研磨を行 たに機械的研磨と電解研磨を行った．

－ 196 －

3.1.1

機械的研磨

機械的研磨は，モータに軸付砥石を取り付けた自作の研磨装置と旋盤を活用して行った．主軸回
転数を210 rpm，送り速度を0.18 mm/cycleに設定した旋盤の主軸に試験片を取り付け，刃物台に研磨装置を固定することで機械的研磨を施した．研磨条件（砥石の粒度と研磨回数）は，#240の砥石を2回，#600の砥石を5回，#1000のダイヤモンドバンドを5回，#4000相当のフェルトに金属磨きを塗布したものを5回と規定した．研磨終了後はアセトンを用いて超音波洗浄した．
3.1.2

電解研磨

機械的研磨を施すことで表面粗さは改善する．しかしながら，機械的研磨による研磨傷が表面に残存するため，研磨傷を除去してより平滑な表面を得るために電解研磨も行った．硝酸とメタノー
ルを体積比1：3で混合し，218 Kまで冷却したものを電解液とした．陽極にSMA，陰極に純チタン板を使用し 237 mA/cm2 の電流を30 s流して電解研磨を行った(2)．
3.2

TN処理

TN処理は真空ガス置換炉によって純窒素ガス雰囲気にした環境で行った．室温から673 Kまで7.2 ksで昇温し，これを3.6 ks保持，その後炉冷する条件で行うことで，試験片に形状記憶効果を発現させると同時に金色の皮膜が表面に生成されることを確認した．HT材作製の際に施す形状記
憶熱処理は，一般的なSMAの熱処理と同様に大気中で行った．なお，熱処理条件はTN処理と同一とした．
3.3

表面粗さ測定

各試験片の表面性状を調べるため，試験片長手方向の表面粗さ測定を行った．測定には株式会社
キーエンス製のレーザー顕微鏡VK-X200を用いた．1本の試験片につき275箇所の算術平均粗さRaを測定し，3本の平均値を求め，各材料の粗さを評価した．
3.4

表面粗さ測定

各試験片の耐食性を調べるためにアノード分極試験を行った．アノード分極試験には北斗電工株
式会社製のオートマチックポラリゼーションシステムHSV-110を用いた．参照電極には飽和カロメル電極，対極にはPt電極を用いて3%NaCl水溶液中（室温）で掃引速度10 mV/minの条件で試験した．3%NaCl水溶液中の溶存酸素量を低下させるために，試験前にArガスでバブリングを行った．
また比較材として，医療分野で広く実用化されている純チタン材のアノード分極試験も行い，各試験片と比較した．使用したチタン材は直径0.69 mmの線材で，アセトン洗浄を施した後に上述の条件で試験した．
4．実験結果および考察
4.1

表面性状

各試験片の長手方向のRaの平均と標準偏差を図2に示す．機械的研磨を施すことで，表面粗さが大きく改善したことがわかる．また，レーザー顕微鏡で撮影したTN材とEPTN材の表面写真を－ 197 －図5．各試験片のアノード分極曲線

図6．各試験片の腐食開始電位5．まとめ
本研究では，熱窒化処理を施したTiNi形状記憶合金線材の耐食性を実験的に明らかにした．成まとめ

5 本研究ではまとめ
熱窒化果の要約を以下に示す
本研究では，熱窒化処理を施した
T i 形状記憶合金線材の耐食性を実験的に明らかにした 成果の要約を以下に示す．
(1)
TiNi形状記憶合金線材の耐食性は，熱窒化処理を施し不動態皮膜を生成させることで大幅に向要約をTi i上する
1) 電解研磨後に熱窒化処理を施すことで，TiNi形状記憶合金線材の耐食性のさらなる改善が期待
TiNi 形状記憶合金線材の耐食性は窒化処理を施し不動態皮膜を生成させることで大幅に向上す(2)
向電解できる待で
参考文献
参 水谷正義，菊池将一，廣田遥，小茂鳥潤，大森整，片平和俊:
文献(1)
表面改質加工法(EG-X)による
水正義，菊池，廣田遥，小潤
整，
片和俊
面改加工 (X)
文献Ni-Ti形状記憶合金の高品位表面仕上げとその改質効果の検討,
M＆M 2009 材料力学カンファ将 ，品 表遥， 茂 潤， 改i
記， 合金
果レンス CD-ROM論文集, (2009), OS0409, pp.557-559.
Ti
上 0と改質M 2 9力フM 金, 位表面009(2) 鳴海真也，滝川健一郎，長弘基: Ti-50.4at%Ni形状記憶合金の疲労寿命特性に及ぼす表面処理
D文 ,郎 2) Op
7Ni 5 . 記憶海真也
性の影響, M＆M 2014 材料力学カンファレンス CD-ROM論文集, (2014), OS0909.
2) 理4(3) Y.Kimura: Improvement of Corrosion Resistance and Bio Compatibility of Medical NickelMm
YmfRnC m aic
Titanium Alloys Through Forming TiO2 Thin Film: WIT Transactions on EngineeringSciences, Vol. 71 (2011), pp.145-158.

－ 199 －

－ 200 －