加工の視点で考える歯科材料の高機能化・多機能化の可能性
水谷正義

克服すべきいくつかの課題が存在しており，その中の一つが.

は じめに力学的応力遮蔽( Stress shielding )と呼ばれる現象により引き起こされる骨脆化問題である(2)．応力遮蔽現象はインプラ

我が国は今まさに超高齢社会にあり，今後も総人口の減少

ントに使用される材料(例として Ti6Al4V 合金(弾性率と高齢化の進行が予想されている．少子高齢化が進む中，厚110 GPa )(3) と生体骨(弾性率 10 ～ 30 GPa )(4) )との弾性率

生労働省は 2000 年から推進する国民健康づくり対策「 21 世の乖離に起因して生じる．すなわち弾性率の大きなインプラ紀における国民健康づくり運動(健康日本 21 )」で健康寿命

ントを生体骨内部に埋入した場合，インプラントが荷重を負の延伸及び生活の質(Quality of life，以後 QOL)の向上を目担するため周囲の骨に荷重が伝達されなくなる．その結果，的の一つとしており，その目的達成のために掲げられた目標

骨吸収が誘起されるために骨成長が阻害され，もともと正常の一つが「歯・口腔の健康」である．歯・口腔の健康は，食な骨が脆化してしまう．このような観点から，インプラント物の咀嚼・摂取や構音などを良好に保つために重要であり，に使用される材料に空孔を導入することで弾性率を低下させ食事や会話を楽しむなどの QOL 向上に大きく寄与する．まる試みが数多く報告されており(5)(6)，多孔質構造(ラティスた，生涯にわたり自分の歯でものを噛むことを目的とした構造)に注目が集まっている．

「8020運動」も提唱されている．しかしながら，歯はうや多孔質構造を有する新たなインプラント作製手法として歯周病により損失する可能性があり，歯を損失した場合の3D 金属積層造形法が注目されている．本手法は極めて高い

QOL 低下は避けられないのが現状である．

形状設計自由度を有することから，外形上の最適化や，応力こうした中で，近年では加工や表面処理により材料あるい遮蔽の緩和を目的とした内部多孔質構造の創成に有効である

は生体組織自体に複数の機能性を持たせ QOL を維持する取と考えられている．また，造形物の特異な金属組織(7)や機械り組みが注目されている．それらの取り組みは著者らがまと的性質(8)を利用したインプラントの多機能化に関する研究もめたもの(1)も含めて数多くの論文，記事が執筆されているの精力的に行われおり，同手法によりカスタマイズされた，長でぜひ参考にされたい．本稿では表面の高機能化を目的とし寿命かつ高機能なインプラントの実用化が期待されている．

たもののうち，「加工」と「歯科治療」をキーワードとした

この金属積層造形法を「加工」の視点から考えると，既存著者らの研究について 3 つの具体的な事例を挙げながら概の技術においてインプラントの機能発現に期待が持てる多孔説する．

質構造を造形できる手法は現時点では Powder Bed Fusion(PBF)法であるといえる．ただし，この PBF 法による造形

. 3D 金属積層造形を応用した微細ラティスコーテ
ィングの開発体は，平坦な面での造形に限定されるとともに，レーザある
いは電子ビーム照射によって金属粉末には高いエネルギが投入されることから，造形条件によっては造形体内部に欠陥が現在普及しているインプラント(歯科インプラント)には，生じる，あるいは熱ひずみや残留応力が発生するといった問

東北大学大学院工学研究科准教授(〒9808579 仙台市青葉区荒巻字青葉 6601)
High Functionalization and Multifunctionalization of Dental Materials from the Viewpoint of Manufacturing; Masayoshi Mizutani(Graduate School of Engineering, Tohoku University, Sendai)
Keywords: additive manufacturing, laser processing, PJD (powder jet deposition), bioimplants, biomaterials, surface texturing, LIPSS (laser
induced periodic surface structure), multifunction, antibacteria
2022年 7 月13日受理[doi:10.2320/materia.61.739]

ま て り あ 第61巻 第11号(2022)
Materia Japan題もある．また，高価な粉末を多量に使うことや，長い造形時間など，解消すべき課題も残されている．
一方，金属積層造形法の 1 つである Direct Energy Deposition(DED)法では，PBF 法とは異なり，粉末を平坦に敷き詰める必要がないため，曲面をもつような素材上にも造形することができることが大きな利点である．また PBF 法では製品すべてを粉末の溶融によって得る必要があったが，本手法ではある程度出来上がった製品(バルク材)の表面に，必要

図1

微細ラティスコーティングによる造形例．

な分だけ造形(コーティング)することができる．このような特徴を生かすことで，金型やタービンブレードなど高額部品の欠損補修に用いられている．ただしこの手法の場合，加工点に対する強いガス流の影響などにより，ラティス構造のような任意の形状の多孔質構造体をサポート体なしで造形することは極めて難しい．
そこで著者らは，機能を持つ 3D 構造を製品表面に付与するというコンセプトのもと， PBF 法が得意とする微細なラティス構造を， DED 法のように曲面などの形状表面へ造形(コーティング)可能とする新たな技術の開発を行っている．
本技術を著者らは『微細ラティスコーティング』と名付けている．なお，詳細については参考文献を参照された
図2

い(9)(11)．微細ラティスコーティングの概念を示した造形サ

デンタルインプラント模式図(12)．

ンプルを図に示す，同図は市販品の直径 6 mm の純チタン製丸棒の円周部表面に対して，純チタン粉末とレーザによるラティス構造を形成したものであり，各部材構造(梁，柱構てインプラント体の形状を作り，その表面の一部，つまり低造)の幅は約 0.1 mm を達成している．微細ラティスコーテ

弾性率化やオッセオインテグレーションなどの機能が必要な

ィングの特徴は次の 4 点でまとめることができる．(I)機能ところにのみ，ラティス構造を始めとする特徴的な構造を造発現のために必要な微細性を有するラティス構造を造形でき形することが可能になる．これによりインプラントの必要なること，(II)任意の自由曲面上に造形できること，(III)機能部位に，望むべく機能を付与することが可能になる．

発現に必要な部位に必要な量だけ造形できること，( IV )母材への入熱が少なく，熱変形が限定的であることである．なお( IV )の熱変形に関して，積層造形はあくまで金属粉末を.

超短パルスレーザによる自己組織的微細構造の創成と材料の多機能化用いた溶接技術であるので，母材に対する熱ひずみは避けては通れない．ただし，本技術ではラティス構造の微細性を前歯科インプラント治療の著しい普及に伴い，インプラント提としているため，母材への入熱は通常の造形手法よりも抑周囲に炎症を起こす「インプラント周囲炎」の罹患率も増加制されることを意味している．

している．具体的には，インプラント治療を受けた患者の微細ラティスコーティングの具体的な適用先の一つとし11 ～ 47 が 5 ～ 10 年でインプラント周囲炎に罹患することて，歯科インプラントを考えている(図(12) )．歯科インプが報告されている．インプラント周囲炎は機能的に骨結合がラントの人工歯根部は冒頭で述べた低弾性率化に加えて，埋得られたインプラント体周囲に生じた炎症によって，インプ入後の早期オッセオインテグレーションが必要である．このラント周囲の支持骨が消失する病態を示しており，いわゆるためにインプラントをポーラス金属で作り，気孔内部への骨インプラントと骨との境界面の破壊といえる．インプラント

成長によるアンカー効果を狙った事例がある．しかしながら

周囲炎は天然歯の歯周病と比べ，進行は速いが症状が出にく

この場合，インプラント自体の疲労破壊の懸念があるこいため，重度になるまで気づきにくい．そのため，治療の遅と(13)や，人工歯根上部の表面には口腔内の雑菌を歯肉や皮れによるインプラントの動揺・脱落の危険性がある．このよ質骨の密着によって封鎖することが必要不可欠なことから，うなインプラントと骨との界面での“破壊”をもたらすイン平滑面もしくは規則正しい円周溝が作られていることが多い

プラント周囲炎であるが，現時点ではその発症を防止する，こと(14)(15)を考えると，ポーラス金属から削り出した人工歯あるいは治療する適切な方法は確立されていない．

根の実用化は難しいのがわかる．同様に PBF 法で作った人

インプラント体周囲の疾患は細菌の付着に始まる．そこ

工歯根でも，少なからず内部欠陥が発生しており，その欠陥で，インプラント表面に抗菌性を付与することが予防策としが表面に現れることは避けようがない．これに対して著者らて有効であり，数多くの研究がなされている．中でも表面のが提案する微細ラティスコーティングでは，従来工法によっ幾何学的な構造によって細菌の付着を防ぐ手法では，細菌付

特集着抑制の機序が基材表面の構造による作用であり，薬剤を用る(図)(22)．

いることなく長期的効果が期待できるため，生体に対する安

ただし同研究により骨との生着には成功したものの，それ全性を維持しつつ効果が得られる手法として研究，開発が進らと被処理面との生着には少なくとも数日を要し，その間にめられている．すなわち，細菌付着抑制表面の達成には表面

インプラント周囲に不具合をもたらす細菌の侵入を許してしの幾何学的な構造の制御が鍵となる．そうした中で著者らまう可能性が懸念され始めている．そのため最近では細胞とは，歯科インプラントの素材として広く用いられるチタン材の親和性と抗菌性を両立するインプラント(デュアル(マルを対象とし，レーザ加工により表面に機能性を付与する研究チ)ファンクションを有するインプラント)の開発が注目されを行っている．ている．このためには，細胞に比べてサイズの小さい(サブレーザ加工を利用してインプラントに機能を付与する研究の根幹は，その表面にナノからマイクロオーダの表面構造をミクロンオーダの)細菌に対して効果的に抗菌作用(付着抑制作用)を発現させる幾何学的構造の創成が必須である．

創り，細胞や組織の接着・接合を制御する発想にある．このこの点に対して著者らは，超短パルスレーザ加工の適用を方法で創り出される構造は，ある一定の間隔で周期的に配列進めている．超短パルスレーザ(フェムト秒レーザ，ピコ秒されたものである場合がほとんどであり，接着・接合した細レーザ)と呼ばれるレーザでは，そのパルスの短さから非熱胞や組織の配向性まで議論できる点において特徴的である．

的な加工が可能になるため，マイクロオーダの微細かつスムまた，使用するレーザの種類によって創り出される構造のサースな構造を得ることが可能である．さらに，ある特定の条イズや周期，形態は様々であり，求められる機能によって使件でレーザを照射すると，LIPSS(Laser Induced Periodicい分けがなされている．

Surface Structure)と呼ばれるレーザ波長に依存した(ナノオ

例えば，熱的現象を利用して材料を加工する汎用レーザにおいても表面機能に関連する研究が進められている(16)(17)．

ーダの)間隔の周期的な構造を自己組織的に創り出すことが可能になる(23)(27)．

一般的なレーザ加工では入熱現象に伴う材料除去が行われ著者らは，この LIPSS (レーザ誘起微細周期構造)と呼ばる．この過程において，蒸発した被処理材や，周囲の気体がれる特殊な構造の自己組織的創成現象を応用して，任意の領加工中にさらに加熱されることによってプラズマ化した結域に異なる構造を創成することに成功している．この構造は果，被処理材が飛散し，周囲に付着するといった現象が生じ通常のサブミクロンオーダの微細かつ周期的な溝はもちろる．これをうまく利用すると，通常のレーザ加工で生じるマん，条件によってはピラー状の形状を有する構造を創成する

イクロメートルオーダの溝構造の中に，粒状の微細な凹凸がことも可能になる(図)(28)(29)．また，もともと溝形状を有存在する特徴的な表面の創成(図)が可能になる(18)(21)．産する面(30)や，粒子上の凹凸が存在する面(31)にレーザを照射

業用途でレーザ加工を利用する場合，加工によって得られるした場合には，これまで報告されてきた LIPSS の創成理論

溝構造の粗化を招くため，シールドガスなどによってこのような被処理材の付着現象が起きないような工夫がなされるが，インプラントの表面ではこの特徴的な表面構造がアドバンテージとなる．
現に著者らはこれまで，歯科インプラントの歯根部に対してナノ秒レーザ加工を用いた表面改質を行い，細胞や軟組織との親和性を向上させる研究を行ってきた．具体的には，加工時に被処理材表面に熱が加わることで生じる酸化反応を利用して，「幾何学的構造」と「表面性状(結晶構造)」を同時に制御するという研究を行い，その結果として骨芽細胞との親和性を向上させることに成功している．さらに同手法によ

図4ナノ秒レーザによる骨形成能向上(22)．(オンラインカラー)

図5

レーザ照射条件や経路に応じたレーザ誘起微細周期構造(LIPSS)の変化．(オンラインカラー)

り，ラットへの埋入試験による病理組織学的な評価においても良好な「骨との生着」を獲得できることを明らかにしてい図3

ナノ秒レーザによって創成される微細構造(21)．

ま て り あ 第61巻 第11号(2022)
Materia Japan




図7

図6

積層造形面に創成されたナノピラー構造．

成膜前後の抜去歯の色調変化．(オンラインカラー)

用であることがすでに臨床試験により実証されている(41)．
一方で，審美機能の観点では純粋な HA 膜では下地の隠とは異なる構造が創成されることも実験的，解析的に解明し蔽性に乏しく， PJD 法の審美歯科治療への応用は現時点でている．例えばこの現象を踏まえ，2 章で述べた積層造形技は実現されていない．そこで著者らは， PJD 法による新た術と超短パルスレーザ照射を組み合わせると，図に示すよな機能発現を期待し，インプラント材として利用が拡大してうなマイクロサイズの凹凸の中にサブミクロンからナノサイいる ZrO2 の粒子を HA 粒子と複合し成膜することで歯面・ズの微細なピラー状の構造が存在する特徴的な構造を創成す

歯冠の色調を制御し，審美性を兼ね備えた膜の形成に取り組ることも可能になる(31)．

んでいる．

こうして得られた構造上では，その構造に合わせて細胞の図がその結果の一例であるが，成膜後の抜去歯面には成配向性が変化するとともに，細胞の分化が促進されるなどの膜前には認められない白色膜が観察されている．また，膜周知見も得られている(32)(35) ．また，ピラー状の構造では抗囲の歯面には成膜によるエナメル質の破損やクラックは観察菌性が発現されるといった知見も得られていること(36) からされなかった．本研究に関する紹介は，本稿では以上に留め

も，著者が創成した種々の構造の可能性が期待できる．

るが，この結果は PJD 法がうや予防歯科治療だけでなく，審美歯科へも適用できる可能性を示すものであり，新た.

PJD(パウダージェットデポジション)法による歯面・歯冠の審美機能制御(37)な歯科治療法としても期待できる．

.

おわりに

近年，歯科医療分野では生体機能の回復・改善に加え，審美歯科治療の需要が高まっている(38) ．従来の審美歯科治療

本稿では，「歯科治療」に対して「加工」によって機能をでは，コンポジットレジンやセラミックスなどの歯科修復材付与する，あるいは追加する方法について，著者らの最新の料を，接着性材料を介して歯面や歯冠に直接的に充填・被覆研究成果をもとに概説した．本稿で挙げた 3 つの加工プロする治療法が一般的である(38)(39)．一方，現行の歯科修復材セスは，いずれも産業界では広く知られた技術ではあるが，料と歯質の化学的・機械的特性が大きく異なることから，前医療分野への適用はまだまだ多くの可能性を秘めている．詳者に微小漏洩や疲労破壊，溶解が生じ，結果として修復物が細は本稿で述べた通りであるが，プロセス中に生じる物理現脱離したり齲が発生したりすることが問題となってい象と化学反応を積極的に活用することにより，生体・医療材る(40)．そこで，接着性材料を介さず直接的に歯質と同等の料として求められる複数の機能を同時に発現させることも可材料で歯冠を修復する新たな審美歯科治療法が求められてい能になる．現時点では安全性も含めて未解明の部分が多く残る．この点に対して著者らは，常温大気圧下での膜形成手法されているが，新材料開発分野，あるいは医歯学分野の専門で あ る パ ウ ダ ー ジ ェ ッ ト デ ポ ジ シ ョ ン ( PJD: Powder Jet

家とも連携し，実用的な視点で評価を進める必要がある．

Deposition )法を提案しており，本手法を歯科治療に適用することを考えている． PJD 法については，著者らがまとめ文献たもの(37) も含めてこれまでに数多くの論文，書籍が発行されているので詳細は省くが， PJD 法における成膜は粒子の衝突界面近傍の材料のみが衝突作用により数 ns 以内に塑性変形して対象物に付着し，その繰り返しにより膜が形成される現象を利用している．このとき粒子と基板との間では化学的な結合が形成されており，基板に高強度で付着していることも明らかとなっている． PJD 法を利用してヒト歯の主成分であるハイドロキシアパタイト(Ca10( PO4)6(OH)2，以下HA )膜を形成する技術は，補綴および予防歯科の分野で有( 1 ) 水谷正義，大塚雄市，菊池将一材料，68(2019)，723729.
( 2 ) 塙 隆夫防錆管理，46(2002)，286292.
( 3 ) 岸 輝雄チタンテクニカルガイド―基礎から実務まで―，
内田老鶴圃，(1993)，202.
( 4 ) 中野貴由スマートプロセス学会誌，3(2014)，167174.
( 5 ) I. H. Oh, N. Nomura, N. Masahashi and S. Hanada: Scr.
Mater., 49(2003), 11971202.
( 6 ) Q. Ye, G. He: Materials & Design, 83(2015), 295330.
( 7 ) C. Qiu, C. Panwisawas, M. Ward, H. C. Basoalto, J. W. Brooks
and M. M. Attallah: Acta Mater., 96(2015), 7279.

特集( 8 ) 京極秀樹，池庄司敏孝，図解 金属 3D 積層造形のきそ，日刊工業新聞社，(2017)，133137.
( 9 ) 前花英一，石橋信治，嶋田慶太，水谷正義，厨川常元砥粒加工学会誌，61(2017)，4046.
( 10 ) 前花英一，長森亜弓，石橋信治，溝井琢巳，嶋田慶太，水谷正義，厨川常元砥粒加工学会誌，62(2018)，527534.
( 11 ) 前花英一，臼沢太一，石橋信治，嶋田慶太，水谷正義，厨川常元砥粒加工学会誌，64(2020)，39
46.
( 12 ) Nobel Biocare 社ウェブサイト https: // cellcode.us / quotes /nobelbiocare locatorsdenture.html，(参照日 2018年 5 月
1 日)．
(13) H. Noriyuki: J. Soc. Mater. Sci., 63(2014), 417423.
(14) K. Horiuchi: J. Japanese Soc. Oral Implantol., 29(2016), 208
218.
(15) 船登彰芳他The Fabric of the Modern Implantology 近代インプラント治療のテクニックとサイエンス，(2017)，4359.
(16) J. L. Ricci and L. Terracio: Inter. Dentarl Journal, 61(2011),
210.
(17) R. Guamieri, G. Rappelli, M. Piemontese, M. Procaccini and A.
Quaranta: Inter. J. Oral & Maxillofacial Implants, 31(2016),
11171125.
(18) M. Mizutani, R. Honda, Y. Kurashina, J. Komotori and H.
Ohmori: Inter. J. Automation Technology, 8(2014), 102109.
(19) M. Mizutani, N. Masuko, R. Honda, R. Murakami, J. Komotori
and T. Kuriyagawa: J. J. Society for Abrasive Technology, 59(2015), 1722.
(20) M. Mizutani, A. Yuda, J. Komotori K. Shimada and T.
Kuriyagawa: J. J. Society for Abrasive Technology, 61(2016),
3539.
(21) Y. Kurashina, A. Ezura, R. Murakami, M. Mizutani and J.
Komotori: Inter. J. Materials Science: Materials in Medicine,30(2019), Article 57(19).
(22) Y. Fukayo, T. Amemiya, K. Nakaoka, M. Mizutani, J.
Komotori, Y. Hamada, and T. Hayakawa: J. Hard Tissue Biology, 25(2016), 181194.
(23) S. Sawada, K. Kawahara, T. Ninomiya, K. Kurosawa and A.
Yokotani: J. J. Society for Precision Engineering, 69(2003),
554558.
(24) S. Kodama, A. Shibata, S. Suzuki, K. Shimada, M. Mizutani
and T. Kuriyagawa: Inter. J. Automation Technology, 10(2016), 639646.
(25) S. Kodama, S. Suzuki, A. Shibata, K. Shimada, M. Mizutani
and T. Kuriyagawa: Inter. J. Automation Technology, 12(2018), 868875.
(26) S. Kodama, S. Suzuki, K. Hayashibe, K. Shimada, M. Mizutani
and T. Kuriyagawa: Precision Eng., 55(2019), 433438.
(27) S. Kodama, K. Shimada, M. Mizutani, and T. Kuriyagawa: In-ま て り あ 第61巻 第11号(2022)Materia Japanter. J. Automation Technology, 14(2020), 552559.
(28) L. Chen, Y. Zhang, S. Kodama, S. Xu, K. Shimada, M. Mizutani, T. Kuriyagawa: Precision Eng., 72(2021), 556567.
(29) L. Chen, Z. Chen, K. Shimada, M. Mizutani, T. Kuriyagawa: J.
Materials Processing Technology, 305 (2022), 117601.
(30) R. Takase, S. Kodama, K. Shimada, H. Mescheder, K. Winands, J. Piepe, K. Arntz, M. Mizutani, T. Kuriyagawa: Inter.
J. Automation Technology, 14(2020), 601613.
(31) L. Chen, Z. Chen, K. Shimada, M. Mizutani, T. Kuriyagawa:Appl. Surf. Sci., 572(2021), 151453.
(32) T. Shinonaga, M. Tsukamoto, T. Kawa, P. Chen, A. Nagai andT. Hanawa: Appl. Phys. B: Laser and Opt., 119(2015), 493
496.
(33) A. Matsugaki, G. Aramoto, T. Ninomiya, H. Sawada, S. Hata,and T. Nakano: Biomaterials, 37(2016), 134143.
(34) M. MartáƒnezCalderon, M. MansoSilv áan, A. Rodráƒguez, M.
G áomezAranzadi, J. P. GarcáƒaRuiz, S. M. Olaizola and R. J.
MartáƒnPalma: Sci. Rep., 6(2016) 110.
(35) P. Chen, T. Aso, R. Sasaki, M. Ashida, Y. Tsutsumi, H. Doi
and T. Hanawa: J. Biomedical Materials Research Part A, 106(2018), 27352743.
(36) A. H. A. Lutey, L. Gemini, L. Romoli, G. Lazzini, F. Fuso, M.
Faucon, R. Kling: Sci. Rep., 8(2018), 110.
( 37 ) 水谷正義，久慈千栄子，大久洋幸，西村俊亮，水谷公一，赤塚亮，佐々木啓一，徐少林，嶋田慶太，厨川常元砥粒加工学会誌，61(2017)，28
33.
( 38 ) 田上順次，千田 彰，奈良陽一郎，桃井保子，水末摩美第四版 保存修復学21，永末書店，(2011)．
(39) M. Fukushima: Niigata Dent. J., 39(2009), 1
15.
(40) K. Izumita: Interface Oral Health Science, Tohoku University
School of Dentistry, C21 (2016), 257.
(41) R. Akatsuka, K. Izumita, A. Nishiyama, C. Kayaba, S. Kadota,T. Hoshi, K. Ikeda, T. Kuriyagawa, K. Sasaki: Open J.
Stomatology, 5(2015), 281286.
★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★
水谷正義
2006 年 慶應義塾大学大学院理工学研究科後期博士課程修了
2006
2009年 理化学研究所 協力研究員
2009
2012年 理化学研究所 基礎科学特別研究員
2012年10月 現職
専門分野生産・加工学，材料科学◎加工による材料界面制御技術の開発に従事．
機械加工から特殊加工，積層造形など複数の加工プ
ロセスを利用・援用し，材料界面(バイオインターフェースを含む)の機能を制御する研究が中心．

★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

