日本金属学会会報■

平成30年 4 月 1 日発行（ 毎月 1 回 1 日発行）

Vol.57 No.4 ISSN 1340-2625

ミニ特集「Additive Manufacturing（付加製造）の医療応用への展開と現状」■

57

http://jim.or.jp/

MTERE2 57（4）139〜190（2018）

GA 鋼板めっき皮膜化合物物性の包括的解釈

2018

http://www.jim.or.jp/journal/m/（←まてりあ記事オンライン）

http://www.jim.or.jp/journal/m/

2018
Vol.57
No.4

ミニ特集「Additive Manufacturing(付加製造)の医療応用への展開と現状」
企画にあたって

堤祐介

上田恭介 ………………………………………………………………139

金属積層造形技術の可能性と技術開発動向

京極秀樹 ……………………………………140

金属積層造形法における形状・組織制御による異方性付与
萩原幸司

石本卓也

中野貴由…………………………………………………………………………145

電子ビーム積層造形による CoCrMo 合金製人工関節の可能性

千葉晶彦 ………150

光造形アディティブ・マニュファクチャリングによるバイオセラミック製
インプラントの作製 桐原聡秀………………………………………………………………………155

3D ゲルプリンターが開拓する医療・福祉のためのデザイナブル材料科学
佐々木寛之

川上

勝

古川英光………………………………………………………………………159

バイオプリント技術を応用した医療・創薬研究松崎典弥 ………………………………164

合金化溶融亜鉛めっき鋼板皮膜を構成する FeZn 系金属間化合物の結晶構造と力学特性 岡本範彦 乾 晴行 …………………………………………………………………………169

最近の研究

一連の FeZn 系化合物群の結晶構造解析と微小スケール力学特性試験について紹介．より優れた耐剥離特性を有する GA 鋼板めっき皮膜構造を提案．

新技術・新製品裏話

動的析出強化を活用した自動車排気部品用耐熱フェライト系ステンレス鋼(NSSC
429NF, NSSC448EM)の開発裏話 濱田純一 ……………………………………176

トピックス

高校生を含めたポスターセッションの試み～第40回「若手フォーラム」報告～
竹元嘉利

清水一郎

金谷輝人…………………………………………………………………………178

研究室紹介

東北大学大学院工学研究科 材料システム工学専攻 生体材料システム学講座
生体機能材料学分野 山本雅哉………………………………………………………………………180

学会・研究会だより

日本金属学会「水素エネルギー材料に関する講演会」および「第 4 回水素化物に関わる次世代学術・応用展開研究会」開催報告 中川鉄水 ………………………………181

本会記事

会告 ………………………………………………182

会誌・欧文誌 4 号目次 …………………………187

掲示板 ……………………………………………186

次号予告 …………………………………………188

新入会員 …………………………………………186

行事カレンダー …………………………………189

まてりあ・会誌・欧文誌の投稿規定・投稿の手引・執筆要領，入会申込書，刊行案内はホームページをご参照下さい．
http://jim.or.jp/
今月の表紙写真

ハイドロキシアパタイト製海綿骨構造モデル，光造体物， 焼結体．（桐原聡秀本号157頁図 4）

表紙デザイン北野玲

複写をご希望の方へ

本会は，本誌掲載著作物の複写に関する権利を一般社団法人学術著作権協会に委託しております．本誌に掲載された著作物の複写をご希望の方は，(一社)学術著作権協会より許諾を受けて下さい．但し，企業等法人による社内利用目的の複写については，
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6
41 乃木坂ビル 3F FAX 03
3475
5619 E
mailinfo＠jaacc.jp http://www.jaacc.jp/
複写以外の許諾（著作物の引用，転載，翻訳等）に関しては，直接本会へご連絡下さい．

前

2

前

3

前

4

前

5

企画にあたって堤

昨今の 3D プリンティング研究への関心の高まりを受け，

祐

介 上

田

恭

介

療・福祉のためのデザイナブル材料科学」と題して，各種の前回のミニ特集( 56 巻 12 号)に引き続き，本号でも Additive

ゲルを用いた 3D プリンター技術について，製造プロセスか

Manufacturing ( AM ，付加製造)をテーマに特集企画を行っ

ら応用例までをご解説いただいた．松崎典弥准教授(大阪大た． AM の応用分野としては輸送機器分野と医療分野がも学)には，「バイオプリント技術を応用した医療・創薬研究」

っとも期待を集めており， 2017 年春期講演大会では生体・と題して，細胞を材料とした 3D プリント技術，細胞プリン

福祉材料を司る第 4 分科から公募シンポジウム「医療・福トに基づく新しいヒト三次元生体組織モデルの構築と薬剤効祉のための Additive Manufacturing の材料科学」が開催さ

果判定・毒性評価への応用について紹介いただいた．

れた．本特集では，このシンポジウムにおいて基調講演を行

世 界 的 な 超 高 齢 社 会 に 突 入 し た 現 代 に お い て ， QOL

った先生方より， AM の基礎的内容から応用・開発におけ( Quality of Life )の向上は，万人の共通の関心事であるたる先端研究に加え，バイオセラミックス，ゲル，細胞など医め，材料分野における新規プロセス技術が，革新的な進歩を療分野ならではの応用展開についてもご解説いただいた．

遂げた未来の医療に貢献しうることを，本分野を専門として

京極秀樹教授(近畿大学)には，「金属積層造形技術の可能いない会員の方においても，ご興味を持って読んでいただけ

性と技術開発動向」と題して，積層造形用粉末の製造開発かれば幸甚である． 2017 年に引き続き， 2018 年以降も第 4 分ら次世代 3D プリンターによるものづくりについてご解説い科では春期講演大会において AM に関連するシンポジウム

ただいた．溶融・凝固現象の解明やモニタリング技術，シミ

企画を継続する予定なので，本特集がシンポジウムへのご参ュレーション技術開発といった研究開発動向についても紹介画の端緒となることも期待している．

いただいた．萩原幸司准教授，石本卓也准教授，中野貴由教

末筆ながら，本特集を企画するにあたり，ご多忙にも関わ授(大阪大学)には，「金属積層造形法における形状・組織制

らずご執筆いただいた著者の先生方，多岐にわたりご協力・御による異方性付与」と題して，積層造形パラメータの制御

ご尽 力い ただ いた東 北大 学 小泉雄 一郎 先生(現 大阪 大による異方性の付与についてご解説いただいた．生体用イン学)，第 4 分科幹事の先生方および会報編集委員の皆様に，プラントを例として，異方性の付与により形状適合のみではこの場をお借りして心より御礼申し上げます．

なく，機能の同時最適化を図る高次元でのカスタム化の可能性について紹介いただいた．千葉晶彦教授(東北大学)には，「電子ビーム積層造形による CoCrMo 合金製人工関節の可能性」と題して，電子ビーム積層造形における基礎的な原理，要求される粉末特性および造形体の諸特性についてご解説いただいた． Co Cr Mo 合金造形体に対する熱処理の有効性と，人工関節開発への応用の可能性を紹介いただいた．

★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★
堤 祐介
2006年 3 月 東京工業大学大学院理工学研究科材料工学専攻 博士課程修了
2006年 4 月 東京医科歯科大学生体材料工学研究所 特任助手
2007年 4 月 東京医科歯科大学生体材料工学研究所 助教
現職
2013年 1 月 東京医科歯科大学生体材料工学研究所 准教授専門分野腐食電気化学，生体材料学◎医療用金属材料の表界面特性の機構解明と制御に関する研究に従事．
生体適合性向上のための表面改質や耐食性評価を中心に活動．

★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

桐原聡秀教授(大阪大学)には，「光造形アディティブ・マニ
ュファクチャリングによるバイオセラミック製インプラントの作製」と題して，機能性セラミック部材の幾何学的構造により特異な機能を発現させるための空間パターンの設計等，セラミック部材の光造形プロセスの基礎から応用展開までを紹介いただいた．佐々木寛之研究員，川上勝准教授，古川英光教授(山形大学)には，「 3D ゲルプリンターが開拓する医

堤

祐介

上田恭介

東京医科歯科大学生体材料工学研究所准教授(〒1010062 東京都千代田区神田駿河台 23
10)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
02)
At the Inception of the Project; Yusuke Ttsutsumi, Kyosuke Ueda(Institute of Biomaterials and Bioengineering, Tokyo Medical and
Dental University, Tokyo. Department of Materials Processing, Tohoku University, Sendai)
Keywords: additive manufacturing, powder bed fusion, stereolithography, threedimensional printing, biomaterials
2018年 3 月 2 日受理[doi:10.2320/materia.57.139]

ま て り あ 第57巻 第 4 号(2018)Materia Japan金属積層造形技術の可能性と技術開発動向京極秀樹

は，2009年に設置された ASTM F 42 委員会により，次の 7

.

は じ

め

に

つのカテゴリーに分類された．図に各種積層造形技術の概要を示す．なお，詳細な説明は成書(1)を参照願いたい．

Additive Manufacturing ( AM )技術の一つである金属積層

 結合剤噴射(バインダジェッティング)， 材料噴射(マ造形は，医療分野では早くからインプラントの製造に利用さ 粉末床溶融(パウダーベッド)，テリアルジェッティング)，

れてきた．これは，本技術が従来の加工法では不可能な三次 指向性エネルギー堆積(デポジション)， シート積層，

元複雑形状品の製造が可能で，ラティス構造といった軽量化

 材料押出し(熱溶融積層)
光重合硬化(光造形)，

や種々の機能を付与できる技術であることによる．とりわけこれらのうち，金属積層造形に用いられるのは，主に粉末

インプラントには個人個人にあった形状が必須であるため，床溶融(パウダーベッド)法と指向性エネルギー堆積(デポジ

本技術は有効な加工手段として利用されている．

ション)法であるが，最近ではバインダジェティング法やマ

最近では，装置や粉末の性能向上により高品質の製品の製造が可能となってきており，航空宇宙分野において大きな動きが出てきている．特に，GE 社はジェットエンジンの噴射

テリアルジェティング法も利用されてきている．


装置開発の概要

ノズルを手始めにタービンブレードへの適用も視野に入れてパウダーベッド方式に関しては，最近の装置開発は高速いる． 2016 年には，電子ビーム積層造形装置の唯一のメー化・大型化の傾向がある．高速化・大型化に関しては，レーカーである ARCAM 社とレーザ積層造形装置メーカーであ

ザ出力 500 W あるいは 1 kW のファイバーレーザが搭載さる Concept Laser 社を買収して新たな装置開発に着手しておれてきており，複数台のファイバーレーザを搭載して高速化

り， 2017 年には本技術をベースとした新工場を新設した．

を図ってきている．また，1 m サイズのレーザパウダーベッ

また，工作機械の大手メーカーである DMG MORI 社は，ド方式の装置開発が行われている．技術研究組合次世代 3D

パウダーベッド方式のレーザ積層造形装置メーカーである

積層造形技術総合開発機構(以後，TRAFAM と記す)では，

Realizer 社を子会社化して工作機械からいわゆる金属 3D プ

電子ビームによるマルチマテリアルの造形が可能なパウダー

リンタまでを揃えた装置メーカーとなった．さらに，自動車

ベッド方式の装置開発を行っており，今後の用途展開も広いメーカーも試作品への適用だけでなく，大量生産ではないがことから早期の開発が要望されている．Fraunnhofer 研究所

部品への適用を始めてきており，Tier1 の部品メーカーも動においては，レーザを光源とした従来装置を改良したマルチ

き出してきている．

マテリアルの造形が可能なパウダーベッド方式の装置開発がこのように，本技術は従来の加工法では不可能な製品を製造する重要な加工技術として認識されてきている．

行われている．
デポジション方式の装置開発に関しても，高速化・大型化

本稿では，金属積層造形技術における装置開発や研究開発が進んでいるとともに雰囲気制御可能な装置開発が行われて動向について紹介するとともに，今後の可能性についても述きている．高性能ノズルと制御用ソフトウェアの開発もあっべる．

て，この方式としては複雑三次元形状で表面粗さにも優れる
装置開発が行われており，TRAFAM プロジェクトにおいて.


金属積層造形技術の開発動向

積層造形技術の分類

まず， AM 技術の分類について紹介しておく． AM 技術

も高速・高精度の造形が可能な装置開発が進んでいる．我が国の工作機械メーカーは，相次いでデポジションと切削とのハイブリッド化した装置を改良さらには開発している．
最近では，バインダジェッティング方式の装置が復活して

近畿大学工学部教授(〒739
2116 東広島市高屋うめの辺 1 番)
The Current Status and Development of Metal Additive Manufacturing Technology; Hideki Kyogoku(Faculty of Engineering, Kindai
University, HigashiHiroshima)
Keywords: additive manufacturing, powder bed fusion, simulation, solidification behavior, mechanical properties
2018年11月20日受理[doi:10.2320/materia.57.140]

ミ ニ 特 集図1

AM 技術における 7 つのカテゴリー(1)．

きており，相対密度は 98 程度で高密度の製品は製造でき

霧することにより球状粉末を大量に生産できる．粉末は球状ないものの金属射出成形法(Metal Injection Molding: MIM)

ではあるが，表面にサテライト(微細粒子)が付きやすい．こレベルの密度を有する造形体は可能となってきており，量産のため，真球で粒度分布の狭い粉末が製造しやすいプラズマ化のための技術として期待されている．特に，欧米の企業がアトマイズ法が，チタン合金などの反応性の高い金属粉末製開発を促進してきている．

造に利用されているが，生産性は低くコスト高になる．しか

し，ガスポアをほとんど含まないために，EBM 方式で利用

粉末開発の状況されることが多い．そのほか，電極誘導溶解ガスアトマイズ

最終的な製品の品質は装置だけでなく粉末特性にも依存する．このため，粉末の管理は非常に重要である．金属積層造法(EIGA)，プラズマ回転電極法(PREP)，遠心力アトマイズ法などが利用されてきつつある．

形における重要な粉末特性の指標は，流動性(flowability)，

金属粉末の特性はそれぞれの装置で機構が異なるために，拡がり性(spreadability)および充填性(packing density)であ

その装置に相応しい粒度分布などの特性とすることが重要でる．これらを満足する粉末として，

ある．


◯

真球度が高くサテライトのない粉末であること

◯

粒度分布の狭い粉末であること(特に電子ビーム溶融.

研究開発動向(EBM)の場合には重要)
最近の金属積層造形における研究開発については，高品質が求められる．
一般的に各造形方式により，次のような粒径の粉末が利用の製品製造が求められていることから，テストベンチを利用したモニタリング技術(2)(3) やシミュレーション開発(4)(6) にされている．
◯

レーザビームパウダーベッド方式20～45 mm

関する研究が注目される．とりわけ，金属積層造形において◯

電子ビームパウダーベッド方式45～105 mm

は，溶融凝固現象の解明とシミュレーション技術の開発は重◯

デポジション方式45～105 mm

要な課題となっている．また，材料開発に関する研究も盛ん

このような AM 用金属粉末は，主に次のような方法で製造されている(1)．
◯

ガスアトマイズ法◯プラズマアトマイズ法

電極誘導溶解ガスアトマイズ法(EIGA)
電極法(PREP)


◯


◯


◯

プラズマ回転遠心力アトマイズ法に行われてきている．


溶融凝固現象の解明及びシミュレーション

溶融凝固現象については，ローレンス・リバモア国立研究所のグループが，高速度カメラによる撮影とシミュレーショ

これらのうち最も頻繁に利用されているのがガスアトマイ

ン技術の開発を行っており，レーザ照射による溶融凝固現象

ズ法である．アルゴンガスまたは窒素ガスを用いて溶湯を噴を 明 ら か に し て き て い る(4)(5) ． ま た ， ア メ リ カ 標 準 局

ま て り あ 第57巻 第 4 号(2018)Materia Japan(NIST)もテストベッドを開発して溶融凝固現象を解析してもなる．このような，メルトプールの状況をモニタリングすいる(3)．このような現象の解明を行うことにより，最適な造ることにより，造形状況を把握できるとともに，必要に応じ

形条件をより正確に見出すことができる．

て欠陥原因を探る手立てとなる．図に示すように，このよ

著者が参画している TRAFAM のプロジェクトにおいてうなメルトプールの形状は，溶融凝固モデルを検討して汎用は，当大学に設置されている図に示すレーザパウダーベッ

ソフトウェアによるシミュレーションによる結果とサーモビド方式の要素技術研究機に高速度カメラとサーモビューワを

ューワによる測定結果とほぼ一致するまでになり，最適な造取り付けて溶融凝固現象を観察するとともに，汎用ソフトウ

形条件の検討に有効な手段となるまでになってきた(6)．

ェアを用いたマクロ溶融凝固シミュレーションを実施していまた，図 4 からわかるように凝固が非常に速く，ステンる．また，プロジェクトの中では，三菱重工業横浜分室を中レス鋼の場合には， 4 ms 程度の時間で凝固している．これ

心としたグループにより積層時の粉末状況も考慮したミクロにより結晶粒が非常に小さくなり， Hall Petch の関係によ

溶融凝固シミュレーションをスーパーコンピュータ「京」をり強度が向上する． AM の分野で頻繁に使用されている鋳利用して実施している．本シミュレーションでは，二流体モ

造用の Al 10Si 0.4Mg 合金では，図に示すように組織がデルを利用しているため，一流体モデルを利用しているロー

非常に微細となり，鋳造材では引張強さは 200 MPa 程度でレンス・リバモア国立研究所のシミュレーションではできなあるが，レーザ積層造形では引張強さが 450 MPa 以上までいスパッタリング発生の予測も可能となっている(7)．

向上する．このように，本技術では鋳造や溶接と比べて凝固パウダーベッドにレーザは照射されると，図に示すようにヒュームと呼ばれる金属蒸気が発生するとともに，粉末が溶融して溶融池(メルトプール)を形成する．メルトプールの中では，温度差による表面張力の差により Marangoni 対流が起こり，この対流が大きくなるとメルトプールに揺らぎが発生し，ガスの巻き込みなどが起こる．また，図に示すよ
うにガスの流動による粉末の移動やスパッタが発生してパウダーベッド上に飛散する．大きなスパッタが飛散するとリコート(粉末を敷き詰める)時の妨げとなり，欠陥の発生原因と

図2

図3



図4

レーザ積層造形における高速度カメラによる溶融凝固現象(1)．

図5

新たなモデルを利用したマクロ溶融凝固シミュレーション結果とサーモビューワによる測定結果の比較(7)(a)シミュレーション結果 (b)測定結果．

図6

レーザ積層造形により作製した Al 10Si 0.4Mg
合金の組織(a) 光学顕微鏡写真(断面) (b) 走査型電子顕微鏡写真．

レーザパウダーベッド方式要素技術研究機．

レーザ積層造形における溶融現象の模式図(1)．

ミ ニ 特 集表1

各種材料の機械的性質と表面粗さ(8)．

AlSi10Mg

CoCrMo

Ti64

IN718

SUS316L

174PH

引張強さ(MPa)397±111101±781286±57994±40633±28832±870.2耐力(MPa)227±11720±181116±61702±65519±25572±25

伸び()

6± 1

10±4

8± 2

24±1

30±5

31±2

絞り()

8± 1

11±4

30±10

40±7

49±11

55±4

ヤング率(GPa)

64±10

194±9

111±4

166±12184±20155±22硬さ(HV)

114±1

375±2

384±5

293±3

209±2

221±44

表面粗さ Rz(mm)

7± 1

10±1

12±1

7± 2

10±2

9± 2

表面粗さ Ra(mm)

46±8

64±6

70±3

36±8

50±12

54±15

速度が非常に速く凝固組織が異なるため，組織制御が可能となれば所望の特性を有する材料開発もできる．このためには，装置の改良も必要となり，製品に応じた装置開発が徐々に進められている．


材料開発に関する研究

材料開発に関する研究は盛んに行われており，表に示すようにステンレス鋼，チタン合金，コバルトクロム合金，ニッケル基超合金，アルミニウム合金など多くの合金の製造が可能となってきている．最近では， EBM による TiAl 合金
やタングステンなどの高融点材料の造形も可能となってきて

図7

トポロジー最適化及びラティス構造体(マテリア
ライズ社の厚意による)．

いる．アルミニウム合金に関しては，上述した Al 10Si 
0.4Mg 合金が主流で，高強度アルミニウム合金の製造は，凝固割れの発生により造形が難しいといわれている． Air-ョンと IoT を連携させた設計・製造統合プラットフォーム

bus 社では，スカンジウムを添加した AlMgSc 合金を開発の構築が行われており．今後の“ものづくり”が変革してきしており，引張強さ 570 MPa ，伸び 13 を示しているたている．我が国においても，``Connected Industries'' の構築

め，航空宇宙分野や自動車分野などへの展開が始まっていが経済産業省を中心に推進されようとしており，新たな“もる．また，医療分野においても従来から適用されている Ti

のづくり”への模索は世界的な動きとなっている．

6Al4V 合金だけでなく，生体組織との親和性が高い Mg 合金や Zn 合金などに関する研究開発も行われている． Mg 合

.

お

わ

り

に

金では， HIP 処理することにより，引張強さ 300 MPa 以
上，伸び 14 の材料が得られている．その他，形状記憶合金などの機能材料の開発も盛んに行われている．

本稿で紹介したように，金属積層造形技術における研究開
発は，欧米をはじめとして装置開発においても，材料開発に

また，材質的な機能性の付与だけではなく，図に示すよ

おいても活発に行われており，ここ数年で急速に進歩してきうなトポロジー最適化とラティス構造などの新たな構造によている．これに伴って，インプラントをはじめとする医療分

る軽量化，断熱性などの機能性の付与は，本技術の特長であ野から，品質が極めて厳しく問われる航空宇宙分野へと適用る．さらには負の弾性率など，従来の材料では難しい機能の範囲が拡大してきている．我が国においても，このような流付与も可能となっており，今度の展開が期待されている．

れの中で，TRAFAM のプロジェクトでは，金属積層造形技術に関する研究開発を実施しており，装置開発，粉末開発及.

次世代 3D プリンタによる“ものづくり”( 9)

びソフトウェア開発が進んできている．本技術は，今後の“ものづくり”を変革する技術であることは間違えない．本3D プリンタを利用した加工技術はデジタル・マニュファ

稿が，本技術の理解のための参考となれば幸いである．

クチャリングを代表するものであり，IoT との相性が非常におわりに，本稿の一部は経済産業省「三次元造形技術を核

良い．GE 社がこのような技術を中心とした新たな工場を建としたものづくり革命プログラム(次世代型産業用 3D プリ設しており，従来の切削などと組み合わせた新たな加工技術

ンタ技術開発」プロジェクトによる研究成果である．こことして認識されてきている．
このような中， CAD を中心として CAM ，シミュレーシ

ま て り あ 第57巻 第 4 号(2018)Materia Japanに，経済産業省ならびに技術研究組合次世代 3D 積層造形技
術総合開発機構(TRAFAM)の皆様に深謝の意を表する．




文

献

( 1 ) 技術研究組合次世代 3D 積層造形技術総合開発機構編設計者・技術者のための金属積層造形技術入門，ウィザップ，(2016)．
( 2 ) B. Lane, S. Mekhontsev, S. Grantham, M. L. Vlasea, J.
Whiting, H. Yeung, J. Fox,C. Zarobila, J. Neira, M.
McGlauflin, L. Hanssen, S. Moylan, A. Donmez and J. Rice:
Proceedings of the 27th Annual International Solid Freeform
Fabrication Symposium (CDROM), Austin, TX(2016).
( 3 ) S. K. Everton, M. Hirscha, P. Stravroulakis, R. K. Leach and
A. T. Clare: Mater. Des., 95(2016), 431445.
( 4 ) S. A. Khairallah, A. T. Anderson, A. Rubenchik and W. E.
King: Acta Mater., 108(2016), 3645.
( 5 ) M. J. Matthews, G. Guss, S. A. Khairallah, A. M. Rubenchik,P. J. Depond and W. E. King: Acta Mater., 114(2016), 3342.
( 6 ) T. T. Ikeshoji, H. Kyogoku, M. Yonehara, M. Araki and K.
Nakamura: Proceedings of the 27th Annual International Solid
Freeform Fabrication Symposium (CDROM), Austin, TX(2016).
( 7 ) 技術研究組合次世代 3D 積層造形技術総合開発機構編第 3 回シンポジウム講演集，(2017)．
( 8 ) SLM Solutions 社カタログ．
( 9 ) 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)，178
182.
★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

京極秀樹

1979年 愛媛大学大学院工学研究科修了
1989年 工学博士(東京工業大学)
1999年～近畿大学教授
2001 年～ 2002 年 テキサス大学オースティン校客員研究員
2008年～2014年 近畿大学工学部長
2014年～現在 技術研究組合次世代 3D 積層造形技術
総合開発機構プロジェクトリーダー
専門分野材料工学，粉末冶金◎粉末冶金分野の加工技術ならびに機能材料開発．最近では，金属積層造形技術に関する研究開発を中心に従事．

★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

ミ ニ 特 集

金属積層造形法における形状・組織制御による異方性付与
萩 原 幸 司 石 本 卓 也1) 中 野 貴 由2)

研究を進めている．本稿では，我々のグループの知見を中心

.

は じ

め

に

近年，人工関節に代表される各種医療用金属製デバイスのに最新の動向について概説する．

.

異方的機能付与のための材質・形状パラメータ制御製造において，金属付加製造(Additive Manufacturing)，いわゆる金属 3D プリンタを活用する機運がますます高まりつ「形状・材質の異方的同時制御」とは自然界の創製物が本

 複雑 3 次元形状をカ
つある．これは 3D プリンタがもつ，◯

来的に発揮する「異方的機能化」を人為的に具現化するため

 異なる設計の部材が同時に製造スタム化しつつ製造可能，◯の基礎となるコンセプトである．我々が機能回復の主なター

 コストのかかる工程数の削減が可能，といった特長
可能，◯

ゲットとする生体骨は，コラーゲン線維と六方晶系に属するに由来するところが大きい(1)．こうした特長は，患者個々のアパタイトナノ結晶からなる「配向化ナノ複合構造体」であ骨格形状に対応したカスタム化インプラント創製へのニーズ

る．興味深いことに，アパタイト結晶( c 軸)/コラーゲン線に合致することから，医療，特に整形外科分野での金属 3D

維の優先配向性は骨部位に応じて異なる(2)．この異方的な配プリンタの適用拡大が期待される．

向化構造により，骨はヤング率，最大応力，靭性といった種

一方で，骨格の機能を代替し，長期間持続させるために々の力学機能が異方性を発現し，異方的応力場に対応してマは，インプラント外形状のみならず，内部のマクロ形状やミルチスケールにて力学機能化されている(2)(3)．したがって，

クロ構造(材質)の制御が極めて重要となる．すなわち，生体次世代の骨代替デバイスは，患者個々の状態に応じて最適化

骨が部位に依存して示す特性の異方性に適合した，インプラされた異方性骨組織を誘導するための「異方的カスタム化」

ントへの内部形状・材質の異方性付与が不可欠である．外形

 金属インプラントのヤングが必要となる．この実現には，◯状と内部形状・材質の同時制御が実現されることで，患者骨率を被埋入側の骨に合わせて異方化しつつ主応力方向に適度格に類似の「形状」と「機能」をあわせもつカスタムインプに低減することで，荷重支持骨への応力遮蔽を抑制すること，

ラントが臨床応用されるものと期待される．

 骨芽細胞遊走制御に基づく異方性骨組織誘導とその後の生◯

こうしたデバイスの実現に向け，我々のグループは，金属

体骨への適切な応力負荷実現のために気孔(ポア)を内部に導3D プリンタを単なる外形状を作り込むツールとして捉える

入し，そのサイズや方向性・ポア壁表面形態を制御するこのではなく，他の手法では成しえない，部位に応じた必要なと，が求められる．

機能を必要な方向に与えることで高機能化する，いわゆるこうした要求を同時に実現する手法として金属積層造形法「異方的機能特性付与・制御法」としての可能性に着目しては極めて有望であり，我々は前述のような造形体への異方化

いる．現在，大阪大学工学研究科異方性カスタム設計・AM

機能付与を，「形状・材質パラメータ」の独立・協調的同時研究開発センターは最先端の電子ビームならびにレーザビー制御により達成する，という方策を掲げている．具体的にムを熱源とする金属積層造形装置を保有しており，相互の特「材質パラメータ」としては，結晶構造，原子配列の規則性，徴を理解し，駆使することで初めて達成することができる

結晶粒形状・サイズ，結晶集合組織，結晶粒界の有無(単結「内部形状・材質の等方性・異方性同時制御の実現」という晶・柱状晶・多結晶)，溶質濃度勾配，析出相分布などを，金属積層造形法ならではの優位性を最大限に引き出すための「形状パラメータ」としては，表面形状(異方性溝構造，周期大阪大学大学院工学研究科 知能・機能創成工学専攻准教授 大阪大学工学研究科異方性カスタム設計・AM 研究開発センター
大阪大学大学院工学研究科 マテリアル生産科学専攻1)准教授 2)教授 大阪大学工学研究科異方性カスタム設計・AM 研究開発センター(〒565
0871 吹田市山田丘 21)
Creation of Anisotropic Properties by Morphology and Microstructure Control in the Additive Manufactured Metallic Materials; Koji
Hagihara, Takuya Ishimotoand Takayoshi Nakano(Department of Adaptive Machine Systems, Graduate School of Engineering,& Anisotropic Design & Additive Manufacturing Research Center, Osaka University, Suita. Division of Materials Science and Engineering, Graduate School of Engineering, & Anisotropic Design & Additive Manufacturing Research Center, Osaka University, Suita)
Keywords: additive manufacturing, anisotropy, Young' modulus, crystallographic texture, porous structure
2018年 1 月16日受理[doi:10.2320/materia.57.145]

ま て り あ 第57巻 第 4 号(2018)Materia Japan

的微細ドット構造といったパターニング)，さらには内部構
造(一方向性貫通孔構造，セル構造，ハニカム構造)などを制御対象としている．この両者を部位に応じて独立的かつ相補的に制御することで，次世代異方性カスタムインプラントの創製を目指している．以降，具体例として，主にヤング率制御に着目した，金属積層造形における材質・形状パラメータ制御の有効性について示す．


材質パラメータ制御としての異方性組織制御

現在，一般的に利用されている金属インプラント材料としては， Co Cr Mo 合金， SUS316L ステンレス鋼， Ti 6Al 
4V 合金といった，骨に対して高いヤング率(約 100 ～ 200GPa)を示す材料が用いられている．しかし応力遮蔽を克服するため，近年，不安定 bcc 構造を持ち，比較的低いヤング率(約 60～90 GPa)を示す b 型チタン合金が次世代インプ
ラント材料として期待されている(4)．b 型チタン合金は，単結晶化によりさらなる極低ヤング率化を達成する可能性を持
つ． b 型チタン合金において，〈 100 〉のヤング率値 E100 ，

図1( a ) Ti 15Mo 5Zr 3Al b 型チタン合金単結晶におけるヤング率の結晶方位依存性．(b) 極低ヤング率を実現する単結晶インプラントの概念図．
( c ) Ti 15Mo 5Zr 3Al 合金を用いた実際の単結晶インプラント試作例．論文(6), (8)より改変引用．

図2( a ) Ti 15Mo 5Zr 3Al 合金の積層造形体における，ビームスキャンストラテジーに依存した発達集合組織の変化を示す結晶方位マップ( x, y, z
各方向に沿った結晶方位分布を x 断面上にて解析 )． ( b ) 対 応 す る { 001 } , { 011 }極 点 図． 論 文(12)より改変引用．

〈 111 〉との異方性 E111 / E100 は価電子濃度 e / a に依存し，次式のように算出される(5)(6)．
E100＝(c11－c12)(c11＋2c12)9＝(1/B)＋(3/c′)
c11＋c12

{

(

－1

)}

E111
3
1
1
＝ 1＋
－
(
/
)＋(
/
′
)
E100
1 B
3 c
c44 c′(1)＝(c11－c12)/2＝1.391×(e/a－2)3.34/GPa
c′

(2)
(3)

ci j は弾性スティフネス定数， B は体積弾性率を示す．そこで e / a が 4.10 と 小 さ く ， 生 体 材 料 と し て ISO 認 可 ( ISO583214)された Ti15Mo5Zr3Al(mass)b 型合金に着目し，光学式浮遊帯溶融( FZ )法と呼ばれる手法により溶融帯を維持しつつ高い温度勾配により単結晶化を実現することで，図(a)に示すように〈001〉にて 44.4 GPa という極低ヤ
ン グ 率 化 を 達 成 し た(6) ． こ れ は 皮 質 骨 の ヤ ン グ 率 ( ～ 30
GPa)に匹敵する値であることから，図 1(b), (c)に示すように，〈001〉を長管骨長軸と平行とすることで応力遮蔽の抑制を実現する「単結晶インプラント」として，その優位性を提案している(7)(11) ．しかしながら， FZ 法をはじめとする従来法では，人工股関節などへの適用のための単結晶の大型化が困難であり，加えて内部形状のカスタム化が不可能である．そこで我々は異方性カスタムインプラントの具現化策として，金属積層造形法に注目している．
金属積層造形法を用いることで，既に，粉末積層レイヤー

積層レイヤーごとに走査方向を 90 度回転させる XY スキャ

間でのビーム走査パターン，いわゆるスキャンストラテジー

ン，という異なるスキャンストラテジーにて造形した造形体の制御により，単結晶様の組織制御を実現するとともに，造中の結晶方位分布を示している．適切な造形プロセス条件の形体中での結晶方位の選択を可能としている．図(a), (b)

設定により，積層造形法においても結晶方位が制御された単はその一例として， Ti15Mo5Zr3Al 合金造形体における結晶様の組織制御が可能であることが実証されている．さら集合組織を IPF マップと{ 001 }, { 011}極点図にて示す(12) ．

に，発達する集合組織の結晶方位をスキャンストラテジーに

本造形体は，ガスアトマイズ法により作製した球状粉末を出より変化させることが可能であり， X スキャンでは造形方

発 材 料 と し ， レ ー ザ 積 層 造 形 ( Selective Laser Melting:

向(z 方向)に対し〈011〉，XY スキャンでは〈001〉が優先配向

SLM )法にて作製したものである．図 2 ( a )の上下はそれぞした単結晶様の結晶集合組織が発達している．

れ，レーザを一方向( x 方向)へ往復走査する X スキャン，



こうした集合組織形成メカニズムを明らかにすべく，造形

ミ ニ 特 集体の最上部，すなわち造形体終端部にて，結晶方位解析を行一方，超高温耐熱材料として期待される，bcc 格子を c 軸ったところ，造形中での繰返し溶融の影響を受けていない最方向に 3 つ積み重ねた正方晶規則構造( C11b 構造)を有する

上部においても結晶方位が直下の層，すなわち試料中心部付

MoSi2 の積層造形では，正方晶系に由来した集合組織が形成

近と同一であることが確認された(12) ．こうした結果に基づされる(14)．固液界面での結晶成長は〈100〉を優先結晶成長方き，bcc 構造を有する本 b 型チタン合金での配向化集合組織

向とするが，a 軸と c 軸に異方性を有することから，上述のの発達は，造形初期でのスキャンストラテジーに依存した特fcc, bcc 結晶とは異なる集合組織が発達する．以上のような定方位への選択的な結晶成長，さらにこれに続くエピタキシ

知見を基に，積層造形における各種造形パラメータと造形体

ャル成長に基づくものであることを解明した．スキャンストの材料学的特性とを包括した，結晶集合組織発達・制御機構

ラテジーにより結晶配向方向が変化する起源として，組織学の一般則を理解すべく，さらなる検討を進めている．

的観点からの解析により，ビーム照射によって生じる溶融池

こうした集合組織制御の結果，Ti15Mo5Zr3Al 合金造

内にて，スキャンストラテジー X では造形方向に対して

形体中において〈001〉が優先結晶配向した方位では，多結晶±45°方向に，スキャンストラテジー XY では 0°
方向と
, 90°

体(～85 GPa)を大きく下回る～69 GPa の低ヤング率化が実異なる方向に凝固組織の発達が生じることが見出された．こ現された．一方，〈 011 〉優先配向方向でのヤング率は～ 100

うした両者での結晶成長方向の違いは，積層するレイヤー間

GPa を示すことが確認され，材質パラメータ制御による機で結晶方位を連続させることでエピタキシャル成長により核能制御の有効性が実証された．ただし実測ヤング率は，図 1

生成エネルギーをできるだけ下げる，という制約下にて，結に示した単結晶での理想値には達しておらず，プロセス条件

晶成長のドライビングフォースを与える熱流方向にできるだの最適化を通じた結晶配向のさらなる顕在化による特性向上

け近い方向へ結晶成長する，という条件を同時に満足させるを実現する余地がある．さらに，造形時における酸素・窒素ために生じたものと理解できる．ここで，bcc 結晶中での優といった軽元素の混入，さらには Al などの軽元素の揮発に

先結晶成長方向は〈100〉に平行であり，顕著な集合組織が造よる組成変動の抑制が特性向上には必須である．すなわち出形体内にて発達する際，結晶成長は造形方向に対して垂直方

発原料粉末の合金組成は既存の鋳造用合金組成ではなく「積向に生じることから，レーザ走査方向(溶融池の長手方向)に

層造形に特化した」合金設計を行い，かつ構成元素の揮発挙〈001〉が固定化されることで単結晶様の集合組織形成が実現動を制御することがさらなる高機能化には不可欠となる．一する．こうした結晶方位選択は〈100〉を優先結晶成長方向と般に金属の蒸気圧 P は以下に示すような温度 T の関数で示する面心立方構造(fcc)を示す NiMo 合金でも認められ，さされる．

らに，積層毎にレーザ走査方向を約 67 度ずつ回転させるス

logP＝AT －1＋BlogT＋CT＋D

キャンストラテジー Rot により，単結晶様ではなく，造形

この蒸気圧 P を用いて，蒸発速度 Gm は理論的には以下の式

方向にのみ〈100〉が配向した繊維状集合組織の発達を実現可で表現される(15)．

能である(13)．上記解析に基づく，集合組織発達機構の模式(A, B, C, D は定数) ( 4 )Gm＝5.8×10－2･P(torr)･(M/T )1/2

[g/cm2･sec](5)

図を図に示す．本モデルのより詳細な説明に関しては引用

ここで M は原子量である．したがって，造形パラメータに論文(13) を参照頂きたい．さらに最近の研究では，異なる集依存した温度変化を介して，造形条件に依存して構成元素の合組織を部位に応じて変化させ，共存させることも可能とな

揮発量は大きく変化を示すことが予測される．式( 4 )は金

り，金属積層造形でしか成しえない「一体のインプラント内

属単体の蒸発を想定した式であり，合金化した金属中では金にて部位依存的に異なる集合組織」を発達させることで，生属種に応じた活量などの考慮が必要である．さらに積層造形

体骨同様に部位に応じて異なる力学機能を発揮する，革新的はビームが照射された局所のみが溶融する非平衡プロセスで高機能化インプラントの創製が現実のものとなりつつある．

あるため，蒸気圧の変化は式( 4 )から大きくシフトするこ

図 3 〈100〉を優先結晶成長方向とする bcc, fcc 結晶におけるスキャンストラテジーに依存した集合組織発達を促す
セル状組織の優先的成長方向(D)変化の模式図．論文(13)より改変引用．セル状組織の成長方向は熱流方向に対し一義的に決定されるのではなく，系全体のエネルギー低減を実現するためスキャンストラテジーに依存して変化し，このことが発達する結晶集合組織の変化をもたらす．

ま て り あ 第57巻 第 4 号(2018)Materia Japanとも予測される．このため実験的計測と計算機シミュレーシ
ョンの協調を通じて，積層造形パラメータ，粉末・材料特性に依存した造形体組成変化の予測式の確立が可能となる．造形体が本来的に有する特性を極限にまで引き出すことによる高機能化，さらにこの概念を発展させた先には，部位に応じて揮発量を変化させることでの傾斜機能化が達成されるものと期待される．
さらに結晶集合組織制御のみならず，例えば航空宇宙材料として期待される TiAl 合金では，造形パラメータの制御により，粗大な結晶粒領域と微細粒領域を積層方向に対し交互にバンド状に生じさせることが可能である．金属積層造形法
は，既存の他プロセスでは形成不可能な新たなマクロ組織制
御を可能とする(16) ．結果として異方的な力学特性の発現

図4

Ti6Al4V 合金における，パウダー/ソリッド部の配置制御による造形体のヤング率変化，異方性制御の例(等方性造形体と一軸異方性造形体の創製)．論文(17)より改変引用．

や，従来得ることが困難であった 2を超える室温延性が獲得されるなど，金属積層造形における材質パラメータ制御
は，さらなる高機能化実現の可能性を随所に内包する未開の減，さらにその異方性についても，造形体内の 3 軸にてヤ分野と言える．

ング率が等しい等方的特性から，1 方向のみヤング率が高値



形状パラメータ最適化によるヤング率・骨誘導能制御を示す 1 軸異方性(長管骨の異方性に類似)，2 方向に高値を示す 2 軸異方性(頭蓋骨における 2 次元異方性(2)に類似)，3

骨代替型インプラントでは，生体内への充填後，インプラ軸とも異なるヤング率を示す 3 軸異方性の付与といった絶ント自体が新生骨や周囲骨と調和しつつ骨格の一部として機対値と方向性の両観点からの広範囲な制御が可能となる．本能することが要求される．こうした中，インプラント内部の提 案 の妥 当 性 は， 図 4 に 示 す よう に 実 際の 造 形体 を 作 製

ポーラス化は，ヤング率の低減のみならず，骨への異方性応し，そのヤング率を評価することで定量的に確認されてい力場に応じた異方性機能を発現し，ポア壁を巧みに利用した

る．本モデルでの構成ソリッド数は 27 個であるが，その基骨芽細胞遊走・伸展制御といったインプラントの機能性向上

本ユニット数を増加させることで，さらに連続的で精密なヤに寄与する仕組みを構築できる．インプラント材のポーラス

ング率値の設定が可能となる．さらに構成要素の形状は直方化に関する研究は多いが，低ヤング率化と同時に，インプラ体，六角柱，三角錐などを任意に選択可能である．加えてビント自体の異方性機能の発現や細胞・細胞外基質の異方性誘ーム未照射部にて粉末を残存させ，続けての熱処理により粉導を意識した内部形状の設計は，著者の知る限りほとんどな

末間のネック部の形成，もしくは，当該パーツに低エネルギ

い．

ーのビームを走査することで，ヤング率をほとんど変化する

金属積層造形は，CAD(Computer Aided Design)による構造設計に基づいて構造体を造形することから，任意の内部形

ことなく，エネルギー吸収性を付与したパウダー/ソリッド
複合構造体を得ることもできる(18)．

状設計が可能であり，さらに，造形装置付随のインターフェ

さらに骨芽細胞遊走・伸展制御による配向化骨誘導(19)(20)

イスソフトウェアにて構造体内部のパーツ毎にビーム条件をでは，一方向貫通孔を持つ構造体の設計・試作ならびに生体設定することが可能である．その結果，凝固部ポア部から内埋入実験が既に実施されている(21)(22)．こうしたポア構造なるポーラス体のみならず，凝固部/粉末焼結部/ポア部，さ体は骨類似の低ヤング率を備えると同時に骨微細構造の異方らには前述の集合組織が制御された部材まで幅広い構造・材性とのマッチングにより，ポア内部に結晶配向化骨組織を誘質，最終的には機能の制御が実現可能である．ここでは一例

導することが実証されている(23)．

として，凝固部/ポア部(粉末焼結部)からなる複合体の形成とその機能制御について紹介する．

.

お

わ

り

に

図は，立方体を 3×3×3＝27個配置した場合の 3D モデルの例と，当該モデルを Ti6Al4V 合金を用いて電子ビー

本稿にて，金属積層造形法が，次世代医療デバイスに求めム積層造形法( Electron Beam Melting, EBM )法で作製したられる患者個々の骨格形状へ適合したインプラントのカスタ

造形体の直交した 3 軸方向へのヤング率を示す(17)．3D モデ

ム化，さらに，形状適合のみではなく，機能をも同時に最適ルにおいて，透明なパーツは電子ビームを照射せずにポアと化を図る高次元でのカスタム化を可能とする唯一の方策であして働く部分となる．このモデルでは， 3 軸を固定すると 1ることを示した．とりわけ，ヤング率制御に限定した金属積

億通り以上の複合体の組み合わせが存在するが，そのいずれ層ならではの材質・形状パラメータ制御による「異方的カスのヤング率も Voigt 則と Reuss 則の組み合わせで算出可能

タム化」の優位性について示したが，本手法は強度，延性，である．本構造体化により，素材緻密体が本来的に有する高靱性，耐食性，耐摩耗性といったその他諸特性の制御においヤング率( Ti 6Al 4V 合金の場合～ 110 GPa )から大幅な低ても有効な方策といえる(24)(25)．

ミ ニ 特 集

金属積層造形法が今後進むべき近未来の姿としては，部位に応じて異方的機能付与を実現する造形パラメータが， 3Dモデル制作時に要求機能値を設定するだけで自動生成される
よ う な CAM ( Computer Aided Manufacturing ) 様 の シ ス テ
ム構築が，今後のマスカスタム化にとって不可欠な課題と考 節で示したような概念に基づえている．この実現には 2 き，材料や造形条件(造形パラメータ)に帰属する一般的な物
理的性質(容易成長方向，熱伝導・伝達率，粘性，温度分布など)を変数とし，実際に作製される造形体が示す特性を定式化する理論ならびにシミュレーション手法の構築，これを裏付ける実験結果のデータベース化，ビックデータの AI( Artificial Intelligence)による処理が必要不可欠である．このような材料学的アプローチと Society 5.0 で掲げられたサイバー空間とフィジカル空間との融合により，医療用デバイ
ス開発のみならず，多くの高付加価値工業製品の開発が実現されるものと期待される．最終的には，我々の生活様式の変革にまでつながる，新たなものづくりシステム構築への扉が開かれるものと確信している(26)．
本稿で紹介した研究の一部は，内閣府が主導する SIP(戦略的イノベーション創造プログラム)「革新的設計生産技術」―「三次元異方性カスタマイズ化設計・付加製造拠点の構築と地域実証」(管理法人NEDO)ならびに，日本学術振興会
科学研究費補助金基盤研究(S)「骨配向化誘導のためのマテ
リアルボーンバイオロジー(研究代表者中野貴由)」(平成(10) K. Hagihara and T. Nakano: Inter. J. Plast., 98(2017), 2744.
(11) K. Hagihara, T. Nakano and M. Todai: Sci. Rep., 7(2017),
srep8056.
(12) T. Ishimoto, K. Hagihara, K. Hisamoto, S. H. Sun and T.
Nakano: Scripta Mater., 132(2017), 3438.
(13) S. H. Sun, K. Hagihara and T. Nakano: Mater. Design, 140(2018), 307
316.
(14) K. Hagihara, T. Nakano, M. Suzuki, T. Ishimoto, Suyalatu andS. H. Sun: J. Alloys Compd., 696(2017), 6772.
( 15 ) 基礎講座委員会，真空技術の基礎(その 4 )，真空， 5 ( 1962 ) ,371374.
(16) M. Todai, T. Nakano, T. Liu, H. Y. Yasuda, K. Hagihara, K.
Cho, M. Ueda and M. Takayama: Additive Manufact., 13(2017), 6170.
(17) T. Nakano, H. Fukuda and H. Takahashi: Mater. Sci. Forum,879(2016), 13611364.
(18) N. Ikeo, T. Ishimoto and T. Nakano: J. Alloys Compd., 639(2015), 336
340.
(19) A. Matsugaki, G. Aramoto, T. Ninomiya, H. Sawada, S. Hata
and T. Nakano: Biomaterials, 37(2015), 134143.
(20) A. Matsugaki, G, Aramoto and T. Nakano: Biomaterials, 33(2012), 73277335.
(21) N. Ikeo and T. Nakano: Jpn. J. Clin. Biomech., 32(2011), 18.
(22) N. Ikeo, T. Ishimoto, A. Serizawa and T. Nakano: Metall.
Mater. Trans. A, 45(2014), 42934301.
(23) T. Nakano, W. Fujitani, T. Ishimoto, J.W. Lee, N. Ikeo, H.
Fukuda and K. Kuramoto: ISIJ Int., 51(2011), 262268.
(24) A. Takaichi, T. Nakamoto, N. Joko, N. Nomura, Y. Tsutsumi,
S. Migita, H. Doi, S. Kurosu, A. Chiba, N. Wakabayashi, Y.
Igarashi and T. Hanawa: J. Mech. Behav. Biomed. Mat., 21(2013), 67
76.
(25) S. H. Sun, Y. Koizumi, S. Kurosu, Y. Li, H. Matsumoto and A.
Chiba: Acta Mater., 64(2014), 154168.
( 26 ) 中野貴由(分担執筆)テクノロジーロードマップ 2018 2027(全産業編)，日経 BP 社，(2017), 338341.

25年度29年度)の支援によって実施された．
★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

文献( 1 ) I. Gibson, D. Rosen and B. Stucker: 3D printing, additive
manufacturing technologies―Rapid prototyping, and direct
digital manufacturing (2nd ed.), Springer, (2015).
( 2 ) T. Nakano, K. Kaibara, Y. Tabata, N. Nagata, S. Enomoto, E.
Marukawa and Y. Umakoshi: Bone, 31(2002), 479487.
( 3 ) T. Ishimoto, T. Nakano. Y. Umakoshi, M. Yamamoto and Y.
Tabata: J. Bone Miner. Res., 28(2013), 11701179.
( 4 ) M. Niinomi, Y. Liu, M. Nakai, H. Liu and H. Li: Regen.
Biomater., 3(2016), 173185.
( 5 ) M. Tane, S. Akita, T. Nakano, K. Hagihara, Y. Umakoshi, M.
Niinomi and H. Nakajima: Acta Mater., 56(2008), 28562863.
( 6 ) S.H. Lee, M. Todai, M. Tane, K. Hagihara, H. Nakajima and
T. Nakano: J. Mech. Behav. Biomed. Mater., 14(2012), 4854.
( 7 ) S.H. Lee, K. Hagihara and T. Nakano: Metall. Mater. Trans.,
43(2012), 15881597.
( 8 ) 當代光陽，萩原幸司，石本卓也，山本憲吾，中野貴由鉄と鋼，101(2015), 501505.
( 9 ) K. Hagihara, T. Nakano, H. Maki, Y. Umakoshi and M.
Niinomi: Sci. Rep., 6(2016), srep20779.

ま て り あ 第57巻 第 4 号(2018)Materia Japan萩原幸司
2002年 3 月

大阪大学大学院工学研究科マテリアル生産科学専攻博士後期課
程修了
2010年 5 月現職
専門分野材料組織学，材料強度学
石本卓也
2008年 3 月 大阪大学大学院工学研究科マテリアル生産科学専攻博士後期課
程修了
2016年 3 月現職
専門分野生体材料学，材料評価学
中野貴由
1994年 3 月 大阪大学大学院工学研究科金属材料工学専攻博士前期課程修了
2008年 4 月現職
専門分野生体材料学，結晶塑性学★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

萩原幸司

石本卓也

中野貴由




電子ビーム積層造形による
Co
Cr
Mo 合金製人工関節の可能性
千

.

は じ

め

葉

晶

彦

に

3D プリンタ技術(積層造形技術)ではコンピュータとデジタル技術を駆使して，複雑形状を有した機械要素部品を丸ごと製造することが可能である．従来の「削って(除去して)作る」(切削加工)から真逆の「くっつけて(付加して)作る」(付加造形)への発想の転換により，3 次元モデルのデジタル
データがあればどのようなデザイン形状の部品でも制約なく造形することができる．また，熱源(電子ビーム・レーザービーム)の照射条件(エネルギー密度，走査速度，走査間隔など)や走査パターンなどを最適化することで，組織微細化などの金属組織制御や，単結晶の金属部品製造プロセスとしての可能性についても，最近頓に注目されている．このように，金属積層造形技術は，単なる金型レスのネットシェイピ
ング加工技術としてだけではなく，液相/固相変態を基本とする金属組織制御技術としての可能性を秘めている．レーザ
ーや電子ビーム照射による合金粉末の溶融凝固プロセスに対する理解が進むことで，金属積層造技術はこれまでの伝統的な金属加工の常識を変える新規な加工プロセスとして研究開発されていくものと考えられる．
本稿では，電子ビームを用いた粉末溶融結合法の金属積層造形技術に焦点を絞り，材料として，人工関節などに使用されている Co28Cr6Mo(mass，以下 CoCrMo)合金を中心として，金属積層造形による人工関節などの医療用デバイスの製造技術としての可能性について考える．

.

電子ビーム積層造形技術の概要

電子ビーム積層造形(以下，EBM 造形と呼ぶ)法は，三次

図1

EBM 造形の一層分の造形プロセス． (オンライン
カラー)

元 CAD データに基づく電子ビーム走査により， 50 ～ 100
nm の厚さに敷き詰めた金属粉末床(パウダーベッド)を選択

的に溶融・凝固して形成した層を繰り返し積層し，三次元構的に示す．以下，各プロセスの特徴についてまとめる．

 粉末床形造体を製作する．図にその一層分のプロセス(◯ 粉末床形成未溶融欠陥などを作らない造形を行うための◯ 予備加熱→◯ 選択的溶融→◯ ステップダウン)を模式
成→◯

最も基本となるプロセスである．使用する金属粉末は真球に東北大学金属材料研究所教授(〒9808577 仙台市青葉区片平 2
11)
Perspective of CoCrMo Alloy Artificial Joints Additively Manufactured with Electron Beam Melting; Akihiko Chiba(Institute forMaterials Research, Tohoku University, Sendai)
Keywords: additive manufacturing, electron beam melting, biomedical CoCrMo alloys, artificial joints, solidification, simulation, microstructures, phase transformation, mechanical properties
2018年 2 月28日受理[doi:10.2320/materia.57.150]

ミ ニ 特 集近い形状で，粉末表面にサテライトの無いことが求められある．金属粉末表面には酸化被膜が形成されているが，そのる．現状の EBM 造形法では粒度分布として 40～100 nm 程

多くは電気的には半導体的であり，室温での粉体同士の接触度の粉末が使用されているが，造形物の表面粗さの改善効果

電気抵抗は高いが，温度上昇とともに低下すると考えられを期待して， 10 ～ 50 nm 程度のより細かな粒度分布の粉末

る．このため，電子ビームを室温のパウダーベットに照射すを使用することも検討されている．

ると，粉末粒子間の電子の移動は阻害されて個々の粉末粒子

図は，離散要素法(Discrete element method)(DEM)には負に帯電し，粉末同士がクーロン斥力により煙状に“飛散”より求められたインコネル 718 合金粉末(平均粒径 80 nm ，する．これがスモークの起こるメカニズムと考えられる(2)．

粒度分布 40～140 nm)の(a), (b)パウダーベッド形成シミュ

このため，EBM プロセスではパウダーベッドの電気抵抗がレーションのスナップショットと，(c)それにより形成され金属的な値になる温度まで加熱する必要がある．予備加熱温るパウダーベッドの相対密度の積層厚依存性を示した図であ度 は 金 属 粉 末 の 種 類 に よ っ て 異 な る が ， お お よ そ 600 ～る(1) ．これを見て分かるように，平均粒径 80 nm のパウダ

1100°
Cの間で予備加熱が行われる．

ーベッドの相対密度は積層厚の増加とともに上昇するが，積図は，直流四端子法で測定されたチタン粉末(ガスアト

層厚 200 nm においても高々0.3程度である．EBM 造形に使マイズ法，プラズマアトマイズ法，プラズマ回転電極法

用する金属粉末は通常，容器にパウダーを充填する嵩密度で(PREP))の室温から800°
Cまでの昇温過程と降温過程での電0.5程度，タップ密度で0.6程度であることを考えると，パウ気抵抗率の変化を示した図である(3)．昇温過程では粉末の製

ダーベッドは著しく疎な構造であることが分かる．このよう造方法の違いによって室温付近での抵抗率の値に違いが生じなことからも，粉末が均一に敷かれて粉末欠損の無い良質なているが， 500 ～ 600 °C で 10－4 Qm のオーダーの抵抗率とな

パウダーベッドの形成には，使用する粉末の粒度分布に合っり，金属的な電気伝導を示すことが分かる．チタン粉末はた最適な積層厚とすることが重要である．さらに，流動性の650 °
C 程度の加熱でスモークの発生がなくなり， EBM 造形

高い粉末であることも必要不可欠であり，その意味からもサが可能となる．これは，予備加熱によりパウダーベッドの電テライトが無く，かつ真球に近い形状の粉末が求められる理

気伝導が金属的になるためと理解される．

由がここに明確に示されていると言える．

図に， 950°
C で予備加熱を行った Co Cr Mo 合金の( a ) 予備加熱EBM 造形では金属粉末床(パウダーベッド)の◯

ガスアトマイズ粉末と( b ) PREP 粉末のパウダーベッドの溶融プロセスの前にパウダーベッドの予備加熱を行うホットSEM 像を示したものである． Co Cr Mo 合金粉末は 900 °C

プロセス( hot process )が基本である．これは，電子ビーム

以 上 の 温 度で 10－4 Qm の オ ーダ ー の 電 気 抵抗 率 に な る たを加熱されていないパウダーベッドに照射すると粉末が飛散

め，スモークの発生を抑制する予備加熱温度は Ti 6Al 4V

して煙状に舞い上がり(“スモーク”と呼ばれている)，パウ

合金粉末の場合よりも300°
C程度高温となり，予備加熱中にダーベッドが消失欠損し，正常な造形ができなくなるためで粉末焼結が進行しやすい．したがって，造形が長時間に及ぶ
場合は粉末が焼結固化により造形後に造形物と未溶融粉末との分離回収が困難となり，粉末の再使用ができなくなる．図4 ( a )のガスアトマイズ粉末は歪な形状であり，サテライトが形成された粉末が多数存在するため，予備加熱のための電子ビーム照射によりサテライトが選択的に溶融し，粉末同士の結合固化が進んでいる．一方，図 4(b)の PREP 粉末は形状が真球に近く，サテライトが極めて少ない．したがって，

図2

DEM によるパウダーベッド形成シミュレーショ
ン．(a), (b )パウダーベッド形成のスナップショット，( c )パウダーベッドの相対密度に及ぼす積層厚の影響．(オンラインカラー)

ま て り あ 第57巻 第 4 号(2018)Materia Japan

図3

各種製法でのチタン粉末の抵抗率の温度依存性．




図4

950°
C で予備加熱した CoCrMo 合金パウダーベ
ッド表面の SEM 像．( a )ガスアトマイズ粉末，(b)PREP 粉末．

予備加熱のための電子ビーム照射による選択的溶融部が形成

図5

熱流体力学解析シミュレーションによって得られた Co Cr Mo 合金粉末の( a )メルトプールの外観，( b )電子ビーム走査方向に平行に切断したメ
ルトプールの中央部断面の温度分布および( c )液相線に沿ってメルトプール表面から深さ方向の温度勾配 G と凝固速度 R の変化．

しにくく，粉末同士の結合固化が進行しないと考えられる．
以上のことから， Co Cr Mo 合金のように予備加熱温度が高い合金では，真球に近い形状で，しかもサテライトのなや鋳物を得る従来の金属生産プロセスとはこの点が決定的にい粉末が好ましいと言える．

異なる．

EBM 造形で行われる予備加熱は，図 4 に示したようにパ

図に，熱流体力学解析シミュレーションによって得られウダーベッドの結合固化の進行が問題となる場合があるが，た Co Cr Mo 合金粉末の(a )メルトプールの外観，(b )電子

造形物中に発生する熱応力による残留ひずみが少なくなるた

ビーム走査方向に平行に切断したメルトプールの中央部断面

め，造形物の反り・変形，内部き裂の発生が抑制される．この温度分布，および(c)液相線に沿ってメルトプール表面かのため，EBM 造形では造形物を支える役目を果たすサポー

ら深さ方向の温度勾配 G と凝固速度 R の変化を示す(4)．こトの数を最小限に抑えることが可能となる．このように，予のシミュレーション結果より，メルトプールの表面温度は電

備加熱は造形物の材質や形状制御の際に利点として効果を発子ビーム照射の中心領域で凡そ 4000 °C に達することがわか揮し，金属間化合物のような延性に乏しい材料の造形にはホる．また，凝固速度 R は最表面で電子ビーム走査速度( 60

ットプロセスを採用する EBM 造形が有利となる．

cm/s)とほぼ等しいが，最深部ではゼロに近づく．一方，温 選 択 的 溶 融  金 属 積 層 造 形 技 術 は 付 加 造 形 ( additive◯

度勾配 G は最表面で小さく，最深部で最大となり，通常のmanufacturing )と称されているが，その基本は鋳造( cast-

溶融凝固プロセスでは得られない 1× 105 K / cm のオーダー

ing)による素形材生産の場合と同様に溶融凝固プロセスであの高い値となる．メルトプールの深さ 75 nm における冷却る．しかし，金属積層造形技術での溶融凝固プロセスは，数速度(G×R)を計算すると 4×106 K/s が得られ，超急冷凝固

10～数 100 nm 規模の局所領域で合金粉末を急速に溶融凝固が起きる可能性が示唆される．

させるプロセスであり，局所領域(メルトプール)の溶融凝固

図に，EBM 造形法により作製した CoCrMo 合金試験

挙動を高精度に制御しながら 2 次元，3 次元に亘ってインク片の横断面の走査電子顕微鏡( SEM )像を示す．比較のため

リメンタルに積み上げる鋳造技術(incremental casting)と捉に示した金型を用いた鋳造法で作製した同配合組成合金のえることができる．一度に大量の溶湯を造って，大型の鋳塊

SEM 像(図 6 ( a ))では 10 nm オーダーの粗大な M23C6 系炭ミ ニ 特 集図6

Co 28Cr 6Mo 0.23C 0.20N 合 金 の SEM 像 ．
( a )水冷銅鋳型を用いた鋳造まま組織，( b ) EBM
造形により形成された組織． EBM 造形では急速
溶解・急速凝固効果により，数百 nm サイズの炭化物が均一分散した組織が得られる．

化物の晶析出物が不均一に形成している様子が確認される．
これに対して，図 6(b)に示されるように，EBM 造形法で得図7

EBM 造形により作製した CoCrMo 合金丸棒試
験片の模式図(左)と各積層高さにおける EBSDの Phase map(右)．

図8

EBM 造 形 に よ る 生 体 用 Co 28Cr 6Mo 0.23C 
0.17N 合金の EBSD の IPF map ．( a ) as built 材の組織( g 単相)，( b ) asbuilt 材を 800 °C × 24 h の熱処理後の組織(e 単相)，(c)(b)で得られた組織を1000°
C×10 min の熱処理後の組織(g 単相)．

られる組織はサブミクロンオーダーの微細炭化物が均一に形成した組織である．これは，EBM プロセスの一層ごとの溶融・凝固プロセスが前述のように 106 K/s オーダーの超急速冷却プロセスであるためと考えられる．このことは，従来の鋳造技術では実現不可能な，微細な晶析出物を均一分散させるプロセスとして EBM 造形法を活用できることを示しており，今後医療用機器製品への応用だけではなく，一般工業製品への適用に関しても高いポテンシャルを有していると言え
る．

.




電子ビーム積層造形によって造形された CoCr
Mo 合金の力学的特性
asbuilt 材の組織

図に EBM 造形法により作製した Co Cr Mo 合金丸棒
試験片の電子線後方散乱回折(EBSD)により得られた Phase
map を示す(5)(6) ．試験片底部の組織は hcp 構造の e 相により構成されており，中心部は e 相と fcc 構造の g 相の 2 相混を起こす合金の場合は，造形中に不均一な複相組織となり，合組織で，試験片上部は g 相単相組織である．これは，Co

力学特性に悪影響を及ぼす可能性がある．このため，医療用CrMo 合金の平衡状態図上にある安定相が900°
C以上では g規格に求められる力学的特性を満足しないなどの問題が生じ相，それ以下の温度では e 相であることに起因している．

ることになるため，対策が必要となる．

CoCr Mo 合金は窒素を 0.2程度含有することで，室温まで g 相が準安定相として存在するが，EBM 造形中にはスモ

熱処理による組織均一微細化

ーク回避のため 750 ～ 870 °C 付近の予備加熱をして造形が行図( a )に ，生 体用 Co 28Cr 6Mo 0.23C 0.17N 合金 のわれるため，予備加熱中に， g 相→e 相の相変態が生じる．

as
built 材の EBSD の IPF(inverse pole figure) map を示す．

この相変態挙動は 800°
C 付近をノーズとする C 型の TTT 曲

g 相単相組織であり，造形方向に平行に〈 001〉配向した柱状

線的な時間依存性を示す(5)．造形物の底部ほど予備加熱され組織となっていることが分かる．この asbuilt 材を平衡状態る時間が長くなるため，高温相である g 相から低温相の e 相

図上で e 相が安定に存在する800°
Cで 24 h 時効熱処理をしたへの相変態は試験片底部では完了し，上部では変態開始前に試料の IPF map を図 8( b )に示す． g 相から e 相に相変態す造形が終了するため g 相が残留する．中心部はその中間にある過程で柱状組織が微細化し，配向性も弱くなることが分かり，変態が未完了のままで，g 相と e 相が混在した組織となる．さらに，この組織を平衡状態図上で g 相が安定に存在するものと考えられる．

る 1000 °C で 10 min の時効熱処理を施すことにより， e 相か

このように，ホットプロセスである EBM 造形の場合は，ら g 相への逆変態組織が形成され，組織微細化も一段と進んCo Cr Mo 合金のように予備加熱温度領域で安定相に変態だ組織になることが分かる．このときの結晶粒は 10 数 nm

ま て り あ 第57巻 第 4 号(2018)Materia Japan

の等軸結晶粒であり，配向性もほとんど消失している(7)．
こ の よ う に ， 生 体 用 Co 28Cr 6Mo 0.23C 0.17N 合 金

要求する最小値をすべての造形角度において満足する値までに改善することが分かる．

は，造形直後の asbuilt 組織は造形方向に〈001〉方向が配向

.

した柱状組織となるが，試料の底部から上部に亘って構成相

お

わ

り

に

の割合が e 相から g 相に傾斜的に変化し，不均一な組織を呈する．しかし，平衡状態図上で900°
C付近に存在する，g→e

EBM 造形技術による人工関節など医療用機器の可能性に変態を利用することで，塑性加工などを必要としない，熱処

ついて，CoCrMo 合金を中心として，EBM 造形に固有な理だけで粗大な造形組織を数 nm 程度の等軸結晶粒からな技術的特徴，得られる造形物の組織や力学的特性について述

る均一微細な組織に制御することが可能である．このことは，

べた．得られる造形物は，造形条件の最適化により欠陥の無EBM 造形によって医療用規格をクリアする高強度な生体用い鍛造品に匹敵する高強度部材とすることが可能である．さCoCrMo 合金製医療用デバイスの製造を可能とする．

らに， Co Cr Mo 合金の相変態挙動を利用した熱処理により，造形物の組織の均一化と組織微細化が可能である．

造形物の力学特性

EBM 造形技術による CoCrMo 合金製医療機器の製造は技表  に EBM 造 形 法 に よ り 作 製 し た 生 体 用 Co 28Cr 

術的には可能であり，材料学的にも合理的な手法であると言6Mo0.23C 0.17N 合金の力学特性をまとめて示す．表中のえるが，品質保証をいかにして行うかは，医療用機器の製造「造形角度」は，丸棒試料を電子ビーム照射方向に平行に造に限らず，金属積層造形の実用化にとって残された課題であとし，電子ビーム方向からの角度に応じて形したものを 0 °

る．

，90°
と表現している．さらに，EBM 造形法との比較の45°
ために人工関節などの生体用合金に要求される規格値

電子ビーム積層造形技術について共同で取り組んでいる，( ASTM F75 および ASTM F799 )を下段に示している．表

当研究室の小泉雄一郎(現在，大阪大学)，山中謙太，青柳健

より， EBM 造形法により作製した asbuilt 材の力学特性は大の各氏に謝意を表する．

造形角度に依存する傾向を有しているが，降伏応力，引張強文

さ，伸びの全てにおいて，人工関節用鋳造合金の規格

献( ASTM F75 )に要求されている値よりも高い．この造形角度依存性は上述の逆変態熱処理(結晶粒微細化熱処理)(7)を施すことにより消失させることが可能である．表中に示した逆変態熱処理後の数値は asbuilt 材に比べて全体的に高強度・高延性となり，人工関節用鍛造合金の ASTM F799 規格が表1

生体用 Co 28Cr 6Mo 0.23C 0.17N 合金の室温引張特性に及ぼす造形角度の影響．比較のため，人工関節用の ASTM F75(鋳造材)および ASTM
F799(鍛造材)の規格値を下段に示した．
造形角度

0.2耐力
(MPa)

引張強さ
(MPa)

伸び
()

asbuilt

0°
45°
90°

760
533
717

1172
813
962

41
21
10

逆変態熱処理

0°
45°
90°

776
770
818

1439
1094
1290

45
20
24

ASTM F75(鋳造)

450

655

8

ASTM F799(焼鈍)
ASTM F799(熱間鍛造)

550
700

750
1000

16
12

( 1 ) Y. Zhao, Y. Koizumi, K. Aoyagi, K. Yamanaka and A. Chiba:
Mater. Today: Proc., 4(2017), 1143711440.
( 2 ) 千葉晶彦計測と制御，54(2015), 399404.
( 3 ) 千葉晶彦技術研究組合次世代 3D 積層造形技術総合開発機構
第 2 回シンポジウム講演集，(2016), 11.
( 4 ) Y. Zhao, Y. Koizumi, A. Chiba, K. Aoyagi and K. Yamanaka
日本金属学会秋期講演大会概要集(DVD), (2016), No.178.
( 5 ) S. H. Sun, Y. Koizumi, S. Kurosu, Y. P. Li, H. Matsumoto and
A. Chiba: Acta Mater., 64(2014), 154168.
( 6 ) S. H. Sun, Y. Koizumi, S. Kurosu, Y. P. Li and A. Chiba: Acta
Mater., 86(2015), 305318.
( 7 ) S. Kurosu, H. Matsumoto and A. Chiba: Mater. Lett., 64(2010), 49
52.
★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★
1992年

千葉晶彦



岩手大学工学部材料物性工学科助教授
同年 博士(工学)取得
2000年 岩手大学工学部福祉システム工学科助教授
2002 年 7 月 岩 手 大 学 工 学 部 福 祉 シ ス テ ム 工 学 科教授
2006年11月 東北大学金属材料研究所教授
専門分野材料加工プロセス工学，金属材料工学◎生体用 CoCrMo 合金や Ni 基超合金等を対象に，金属積層造形やインテリジェント鍛造に関する研究に従事．

★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

ミ ニ 特 集光造形アディティブ・マニュファクチャリングによるバイオセラミック製インプラントの作製
桐

.

は じ

め

原

聡

秀

に

光造形は任意形状の断面を積層して複雑形状の立体を構築する加工法である．金属やセラミックスのナノ微粒子を分散した光硬化性樹脂をガラス基板上へ薄く塗布し，表面へのレーザ描画もしくはマイクロパターン露光により任意形状の硬化断面を形成しつつ，積層により複雑形状の構造体を精密作製する．得られる複合材料の前駆体に脱脂および焼結処理を施せば，金属やセラミックス製の機能性構造体を自在に作製することも可能である．これまでに，バイオセラミックス製の生体インプラントをはじめ様々な機能性セラミック部材の開発を進めてきた．幾何学的構造により特異な機能を発現さ

図1

光造形アディティブ・マニュファクチャリングの原理．

せるための空間パターンの設計など基盤となる考え方を含め，光造形プロセスの基礎理論から応用展開までを紹介する．
の高いセラミック粒子を分散し，マイクロ波を強く反射する.

セラミック造形

フォトニッククリスタルや吸収するフォトニックフラクタルに関する研究開発を進めた．両者は電磁波機能材料として応光造形法のプロセス概要を図に示し工程を以下に述べ

用物理の分野で理論が提唱され，シミュレーション上で優れる．紫外線照射により重合硬化する液体樹脂を容器に入れ，た効果が示唆されていたが，工学的に実現性のある製造プロ

機械的に昇降する金属平板ステージを液中に沈める．ステー

セスが見当たらず実用化の目算は立っていなかった．つまりジ上面と樹脂液面を一定距離に保ち，紫外線レーザを照射す

光造形法を用いることで電磁気機能の実証実験に初めて成功

ると焦点部分が重合硬化する．ビームを走査して任意の図形した事例である(5)(6)．

を描くとステージ上に薄い固体面が形成される．ステージを2005 年頃からは更なるプロセス技術の改良を進めるとと樹脂液中へさらに降下させて再び紫外線レーザ描画を行う

もに，金属ならびにセラミック部材の実用造形に着手した．

と，前段の固体面上に新たな硬化層が形成されると同時に両図のごとく紫外線硬化性の液体樹脂へ金属やセラミック製

者が接合される．ステージ降下と紫外線レーザ描画を繰り返のナノ微粒子を高濃度に分散し，ペースト状に調整した素材

せば，複雑形状の樹脂モデルを精密かつ高速に作製できる．

を造形に用いる手法を考案した．光造形装置のステージ上に以上の成形手法は十数年前にラピッドプロトタイピングの名

微粒子ペーストを平滑塗布し，紫外線レーザ照射により任意

称で世に出た技術であり，近年ではアディティブマニュファ

形状を描画して 2 次元断面を形成した．塗布と描画を繰りクチャリングとして工業的に分類され， 3D プリンタの一種

返して積み重ねることで各層を接合し，複雑形状の 3 次元として汎用装置が出回り現在に至る(1)(4)．

構造を精密に作製した．樹脂製の構造体に微粒子を高濃度に2000 年頃には液体樹脂へ金属やセラミックス製の微粒子分散させることが可能になり，脱脂ならびに焼結処理を経てを混合することを我々が発案し，機能性複合材料の創製プロ

金属ならびにセラミック製の実用部材が得られるようになっ

セスとして確立した．エポキシ樹脂へ酸化チタンなど誘電率

た(7)(8)．当該プロセス装置は産学連携により得られたもので大阪大学接合科学研究所教授(〒5670047 茨木市美穂ヶ丘11
1)
Fabrication of Bioceramic Implants by Stereolithographic Additive Manufacturing; Soshu Kirihara(Joining and Welding ResearchInstitute, Osaka University, Ibaraki)
Keywords: stereolithography, additive manufacturing, nanoparticles resin paste, bioceramic implant, dental ceramic crown
2017年11月30日受理[doi:10.2320/materia.57.155]

ま て り あ 第57巻 第 4 号(2018)Materia Japan




図3
図2

微粒子ペーストを用いた光造形法．

あり，大阪大学との共同出願として知的財産の取得も果たし

アルミナ粒子を分散したアクリル樹脂製造形体(a)(c)ならびにガラスコーティング処理を施した焼結体 (d)(f)．

焼結体の機械的特性を調査するために，光造形と粉体焼成により 4 mm × 20 mm × 1.2 mm の曲げ試験片を 12 本作製した．

た．表面を研磨成形し 6 本の試料にはガラス浸透処理を施

.

人 工

歯

冠

した．歯科分野で使用されている La2O3 ・ B2O3 ・ Al2O3 ・
SiO2 系ガラス( VITA In Ceram 社製 Alumina Glass Pow-

歯科治療においてセラミックス製人工歯冠の需要が高まっC 2 h の加熱後にブラスト処理でder )を表面に塗布し 1100 °ており，オールセラミッククラウンと呼ばれるインプラント

余剰ガラスを除去した．図 3( d )( f)が示すようにガラス浸は，天然歯の色調が再現可能で金属アレルギー等の歯周組織

透前後において形態変化は見られず，ビッカース硬度は標準への悪影響が少なく生体親和性が良好である(9)(10) ． Al2O3

的な Al2O3 焼結体と同等の約 1600 Hv を示した． 3 点曲げ粉末を分散したアクリル樹脂で実際の歯冠形状を作製し，光試験を行ったところ，ガラス浸透後の強度は 800± 11 MPa

造形の形態再現性を確認した．また，精密成型した前駆体にで ISO6872 歯科用セラミックの基準を満たし，臼歯部の人

脱脂焼結を施してフルセラミック人工歯冠を作製し，機械的工歯冠における実用強度 400～800 MPa を達成した(11)．

強度を踏まえた検討も行った．
グラフィック・ソフトウェア(マテリアライズ社製Mag-.

人 工 海 綿 骨ics)を用いて，上顎左側 6 臼歯の 3 次元構造を 2 次元断面の集合体に変換し造形装置に転送した．ステージ上に層厚 30

事故や病気が原因で臓器や組織が欠損もしくは機能が不全mm で塗布したペースト表面に波長 355 nm の紫外線レーザとなった場合に，人工的に培養した臓器や組織をはじめ機能で描画し，得られた任意形状の 2 次元硬化層を387層積み重を代替する材料や機械を用いて，状態を回復させる医療分野

ね，複雑形状の 3 次元の人工歯冠モデルを造形した．ペーが再生医学である(12)．その中で骨の欠損における有効な治スト素材としては，平均粒径 170 nm の Al2O3 粉末を体積割

療法は人工骨移植であり，体の他部位から採取された自身の合40で分散した光硬化性のアクリル樹脂(JSR 社製KC

骨である自家骨や，ドナーや骨バンクから提供される他人の1159)を用いた．

人間骨である同種骨をはじめ，動物の骨やサンゴなど生物由得られた造形体を昇温速度 0.1 °C / min で加熱し 600 °C 2 h来も素材として用いられてきた(13) ．しかしながら自家骨はの脱脂を施した後に，昇温速度 8 °C / min で加熱し 1500°
C 2

採取量に限界があり，同種骨には拒絶反応やドナー選定など

h の焼結を施した．図に人工歯冠の造形体と焼結体の写真の課題が未だ残されている．生物由来材料の利用に関してを 示 す ．造 形 体 は重 合 硬 化を 経 て 3 次 元形 状 を 保っ て お

は，感染症の不安をはじめ生体親和性が人間の骨よりも低い

り，内部でセラミック粒子が均一に分散していた．設計モデ点が指摘されていた．また，移植した材料内部の骨再生量もルの複雑形状は精密に再現されており，層間剥離や積層によ非常に低いことから，移植材料と自家骨との強度差から生じる段差は認められなかった．造形体と焼結体の形態に大きなる骨折が懸念されていた(14) ．現在では，リン酸カルシウム

変形は見られなかった．焼結体の表面を走査型電子顕微鏡でを主成分とした生体活性セラミックスとして，周囲の骨組織観察したところ，結晶粒径は約 2 ～ 4 mm と均一であり過度と接合しやすく比較的強度も高いハイドロキシアパタイトの粒成長は観察されなかった．焼結密度をアルキメデス法でHAp(Hydoroxyapatite)や，一定期間の自然な代謝活動によ測定したところ，相対密度 98 を示し十分な緻密化が確認

り骨組織に置換吸収される b 型リン酸三カルシウム bTCPされた．

( Beta Tricalcium Phosphate )などが，人工骨インプラント

ミ ニ 特 集図4

ハイドロキシアパタイト製海綿骨構造(a) モデル，(b) 光造体物，(c) 焼結体．

の構成素材として主流となっている．
人工骨には細胞や組織が侵入する微小な空洞や気孔が必要

図5

傾斜構造を有する人工海綿骨における生体液の流体プロファイル．

工骨インプラントとして図 4 ( c )が脱脂焼結を経て得られた．異なるアスペクト比を持つ格子配列が導入され，気孔率であり，それらが内部まで侵入する海綿構造が理想とされて53 ～ 80 の傾斜構造が実現されている．熱処理にともなういる．したがって，インプラント部材において気孔率を制御

線収縮は水平方向には 23 であり垂直方向に 25 であっすることは非常に重要である．気孔サイズが大き過ぎると人た．これらの寸法変化については，モデル設計に数値をフィ工骨と自家骨で強度差が生じて破損しやすくなり，小さ過ぎ

ードバックし所望の構造へと導ける．焼結助剤は使用していると細胞の侵入を阻害して骨再生が困難になる上に，骨置換ないが，組織に異常粒成長は見られず粒径は均一であり，相速度が速すぎて欠損部を充填できない可能性も生じる(15) ．

対密度は98に達することがアルキメデス法で確認された．

複雑な 3 次元ポーラス構造を内包するインプラント部材の人工骨インプラントにおける生体液の流動性については，精密作製には，従来の紛体焼成プロセスでは困難が予想され有限要素シミュレータ(サイバネットシステムズ社製 AN-

たため，我々の研究グループは光造形法と流体解析シミュレ

SYS)を用いて解析した．生体液を層流で非圧縮性のニューーションを駆使し，最適な体液循環を実現し得る傾斜気孔人

トン流体として仮定し，傾斜構造中の流体プロファイルを可工骨の作製を検討した．

視化して図に示す．密度 1000 kg/m3 で動粘性係数 1.45×

海綿状のポーラス構造を内包する人工骨モデルとして，図10－3 Pa･ s の流体を流入速度 0.235 mm /s ならびに流出面圧

(a)のごとく傾斜型デンドライト構造を設計した．円柱格

力 0 atm で海綿構造へ導入し，すべりなしの境界条件を設定

子を等間隔に接続させた配位数 4 の格子構造を基本パター

した(16)(17) ．人工骨内の流体速度が 1000 mm / s 以上になる

ンとして，アスペクト比の幾何学的な制御によりインプランと，せん断力により骨形成細胞の付着が阻害されるとの報告

ト部材における気孔率を傾斜させた．一般的な人体骨は内側がある．傾斜構造を有するデンドライト型の人工骨では，流の多孔質体である海綿組織において，外側の緻密骨に向かい体が適切な速度で全体に分散されていることが確認できる．

気孔率が 50 ～ 80 の範囲で連続的に傾斜している．光造形

骨芽細胞を良好に成長させ得ると考えられ，人工骨を生体埋においては成型用のペースト素材として，粒径 520 mm の入する将来の医療応用にも期待が持てる．

HAp 粉末(太平化学産業社製 Hap 200)を分散したアクリ.

ル系の紫外線硬化樹脂を用いた．混合には自転公転式ミキサ

お

わ

り

に

ー(シンキー社製AR250)を用い，処理時間 5 min および
1 min の攪拌と脱泡を 1 セットとして，凝集体が確認できな

光造形法に関するプロセス原理ついて解説するとともに，くなるまで数回処理を続けた．光造形された複合材料の前駆

バイオセラミックス製のインプラントを作製した事例を紹介

体には，昇温速度 1 °C/min で処理温度600°
Cまで加熱して保した．人工歯冠の作製においては形状の付与のみならず，機持時間 2 h の脱脂を施し，構造体中の樹脂成分を燃焼分解し械的な実用強度の発現にも成功した．人工海綿骨の作製におた．さらに，昇温速度 5 °C / min で処理温度 1250 °C まで加熱いては傾斜型のポーラス構造を再現し，生体液の効果的な分して処理時間 2 h の焼成を施し，バイオセラミック製の海綿散に期待が持てることを示した．光造形法は計算機支援の設状ポーラス構造を得た．

計・製造・評価プロセスにより，自在な構造形成を実現でき

光造形ならびに粉体焼成プロセスにより作製した，傾斜ポる手法である．紫外線硬化性樹脂へ分散するセラミック微粒ーラス構造を内包する人工骨モデルを図 4 に示す．構造設子の種類を検討することで，多様な素材を用いた部材が可能

計モデルである図 4( a )にしたがい，光造形サンプルとしてとなるため，医療分野への更なる貢献についても大いに期待

図 4(b)が誤差 50 mm 以下で精密に成型された．さらに，人をしている．

ま て り あ 第57巻 第 4 号(2018)Materia Japan




文

献

( 1 ) 丸谷洋二光造形法－レーザーによる三次元プロッター，日刊工業新聞社，(1990)．
( 2 ) Y. Marutani and T. Kamitani: J. Photopolymer Sci. Technol.,10(1997), 187.
( 3 ) C. Sun and X. Zhang: Sensors Actuat., 101(2002), 364.
( 4 ) J. Lee, I. Lee and D. Cho: Microelectric Eng., 83(2006), 1253.
( 5 ) S. Kirihara, M. Takeda, K. Sakoda and Y. Miyamoto: Solid
State Commun., 124(2002), 135.
( 6 ) S. Kirihara, M. Takeda, K. Sakoda, K. Honda and Y. Miyamoto: J. Eur. Ceram. Soc., 26(2006), 1861.
( 7 ) S. Kirihara, D. Sano and M. Kaneko: Tsinghua Sci. Tech., 14(2009), 160.
( 8 ) S. Kirihara, T. Niki and M. Kaneko: Ferroelectrics, 387(2009),
102.
( 9 ) 赤川安正，松浦正朗，矢谷博文，渡邉文彦口腔インプラン
ト学，(2005)．
(10) 末次恒夫，松本直之歯科インプラント，(2000)．

(11) 丸山剛郎，中村隆志，日野年澄オールセラミッククラウ
ン，(1992)．
(12) R. Langer and J. Vacanti: Science, 260(1993) 920.
( 13 ) 日本整形外科学界移植・再生医療委員会日本整形外科学界
雑誌，80(2006), 469.
(14) 占部 憲臨床整形外科，44(2009)，5.
(15) 安達泰治，坪田健一，鍋島弘樹，本間義規，冨田佳宏理研
シンポジウム，(2004)，202．
(16) A. L. Olivares, E. Marsal, J. A. Planell and D. Lacroix:
Biomaterials, 30(2009), 6142.
(17) A. J. F. Stops, et al.: J. Biomechanics, 43(2010), 618.
★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★
1999 年

桐原聡秀

茨城大学大学大学院理工学研究科博士後期課程修了
2003年 大阪大学接合科学研究所，助手
2005年 大阪大学接合科学研究所，准教授
2017年 大阪大学接合科学研究所，教授
専門分野材料工学，構造構築工学◎微粒子ペーストを用いた光造形プロセスを用いて，金属ならびにセラミック製の構造体を作製し，幾何学構造による機能発現をめざして活動．

★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

ミ ニ 特 集3D ゲルプリンターが開拓する
医療・福祉のためのデザイナブル材料科学
佐々木寛之
川上
1)

.



は じ

め

勝
古 川 英 光
2)
3)

に

ゲルとは

ゲルとは，高分子の網目が架橋することで立体的な網目構造を形成し，水などの溶媒を含んだ物質である(図)．固体と液体の中間の状態をとる物質であり，組成などの要因により，粘性のある液体から，固い個体まで様々な形態をとりうる．他方で機能という点から見ると，生体組織のような柔軟

図1

ゲルの分子構造．

性と頑強さを併せもち，外界とエネルギー・物質のやり取りができる開放系の材料という面も持っている．このようなユニークな特性を持つ材料でありながら，その壊れやすさや脆

ing Network structure Gel, ICN ゲル)および透明形状記憶ゲ

さゆえに，これまでゲルの用途は高吸水性樹脂，イオン交換

ル(Transparent Shape Memory Gel, TSMG)を，高強度ゲ樹脂，ソフトコンタクトレンズなどに限定されていた(1)．

ルの開発史を通して紹介するとともに，3D ゲルプリンター

技術あるいは 3 次元ゲル造形物の医療・福祉への有用性を

3D プリンター

紹介する．

3D プリンターは 3 次元のデータを元に印刷(造形)する装.

置であり， 3D データを直接造形することで，入れ子構造，
中空構造などの射出成型ではこれまで困難とされてきた形状を造形することを可能とした．これまでに開発されている

高 強 度 ゲ ル

Double Network Gel(DN ゲル)

3D プリンターの印刷方式には，光造形方式，熱溶解積層方

上述したようにゲルはその脆さゆえに造形に制限があり，式，粉末焼結方式，インクジェット方式などがある．登場時

造形物が限られてしまうという課題があった．しかし，近年はもっぱら製作現場における試作品の作成に用いられてきたでは以下で述べるダブルネットワークゲル(Double Network

が，現在では性能の向上，低価格化等にともない，様々な分

Gel, DN ゲル)をはじめとし，日本を中心として様々な高強野(自動車，医療機器，航空宇宙， MEMS など)での普及が度ゲルが開発され，新しい工業材料として注目されている．
DN ゲルとは，その名の通り 2 種類の高分子が互いに入り始まっている．
3D プリンターで使用される材料は主にプラスチック樹脂

組んだ網目を形成したゲルである(図(a))(2)(4)．

や金属などが挙げられるが，我々は「ゲルを材料とする 3D

第 1 段階として，側鎖が強電解質であるゲルを合成す

プリンター」( 3D ゲルプリンター)を開発している．そしる．解離したイオンが浸透圧差を生じさせ，網目は大きく膨て，この 3D ゲルプリント技術を用いて医療・福祉分野に活潤し，強い剛直性を持つようになる．第 2 段階として，中用出来る造形物の作製を行っている．

性で柔らかい網目を持つモノマーを第一段階のゲルに浸潤さ

本稿では 3D ゲルプリンターの材料となる 3 種類のゲル，微粒子ダブルネットワークゲル( Particle Double
Gel,

せたのちに，これを架橋する．このようにして合成されたゲ

Network

ルは含水率 90 にもかかわらず 40 MPa という高い破断応

PDN ゲル)，相互架橋網目構造ゲル(InterCrosslink-

力を持つ(図 2( b ))． DN ゲルは 2003 年に開発されたゲルで山形大学大学院理工学研究科機械システム工学専攻1)研究員 2)准教授 3)教授
Designable Materials Science for Medical and Welfare Pioneered by 3D Gel Printer; Sasaki Hiroyuki, Kawakami Masaru and Furukawa
Hidemitsu (Department of Mechanical Systems Engineering, Graduate School of Science and Engineering, Yamagata University,
Yonezawa)
Keywords: 3D Gel Printer, SWIMER, PDN Gel, ICN Gel, SMG, Designable Gel
2018年 1 月24日受理[doi:10.2320/materia.57.159]

ま て り あ 第57巻 第 4 号(2018)Materia Japanこれは未反応の光硬化性ゲル水溶液をバスタブと呼ばれる容器に入れ，光ファイバーを溶液内部に差し込み，溶液内の決められた座標へ配置させたファイバーの先端部から UV光を照射し，これを XY 方向へ走査する．一層の造形が完了したら，ステージを Z 方向に降下させ，再び XY 方向への造形を行う．これを繰り返すことにより，ゲルの 3 次元
自由造形を行う．現在の開発機における UV 光のスポット
径，Z 方向の積層ピッチは共に 500 mm である．
図 2 (a)DN ゲルの分子構造および(b)DN ゲルに対する破断実
験(強い局所圧力を加えても砕けることなく，元の形状に戻る．
）．

造形は常に液中で行われるので，ゲルを空気中に置いた際に見られるような，乾燥による変形の問題が起こらない(7)．
また造形されたゲル部分はバスタブ下部に沈み込み，未反応

あるが，いまだに世界最高の強度を誇る．


ゲルの自由造形

しかし，DN ゲルは強い強度を持つ一方で，切削による加工に難がある．そのため型を作成してゲル未反応溶液を流し溶液とほぼ同じ密度を持つため，重力による変形が抑えられるため，ほかの方法で見られるような，造形物を支えるサポートと呼ばれる部材を作成する必要がない．


SWIMER の材料「PDN ゲル」

込み，その後架橋重合させることになるが，この方式では中SWIM ER は材料として微粒子ダブルネットワークゲル

空構造を作ることが難しく，また膨潤によりサイズの調整が(Particle
Double Network Gel, P
DN ゲル)を使用している．

必要になるという問題点が生じる．

PDN ゲルとは，上述した，DN ゲルにおける第 1 段階のゲ

そこで我々は 3D プリンターの技術をつかってゲルの自由

ル(硬化状態)を微粒子状に粉砕し，これを第 2 段階の未反造形を行う研究に着手した．そして後で述べるような様々な

応ゲル溶液に膨潤させ，この膨潤したスラリー状溶液を光照

プロトタイプを造形することに成功している．次項で我々が射によって硬化させたものである(図 3 (b ))． P DN ゲルは開発した 3D ゲルプリンターについて説明する．

従来の DN ゲルと同等の力学特性を持ちながら，高精度な自由造形が可能な材料である．

. 3D ゲルプリンター

3D ゲルプリンター「SWIMER｣(5)(6)

現在，山形大学工学部機械システム工学科ソフトウェッ
トマター工学研究室は 3D ゲルプリンターの開発を企業と合同で行っており，プリンターの制御はサンアロー株式会社，
ゲル材料の改良は JSR 株式会社が担当している．



SWIMER による中空構造のゲル造形物

図は SWIM ER で造形した中空構造のゲルの写真である．先にも述べたようにサポート材を作ることなく中空の物
体を作成することができる．
ゲル溶液は照射するレーザーの強度や走査速度を変えることで，架橋密度，すなわちゲルの硬度に差を持たせることが2014 年度末には国立研究開発法人新エネルギー・産業技できる．これを利用して，部位によって異なる感触を持つ造術総合開発機構( NEDO )の「 SIP (戦略的イノベーション創形物の作製が可能になる．これは臓器モデルなどの製作の際造プログラム)/革新的設計生産技術」に採択され，さらに開に，肝硬変や腫瘍のしこりなどを再現したモデルの作成を可発が進んでいる．

能とする技術になると期待される．

現在開発中のプリンターは複数の方式があるが，はじめに
光造形方式による 3D ゲルプリンター「SWIMER; Soft and
Wet Intelligent MatterEasy Realizer」(図(a))について説

吐出型 3D ゲルプリンター

吐出型 3D ゲルプリンター(図)は，造形物とサポートを同時に積層していく方式のプリンターである．UV 硬化樹脂

明する．

図3






(a)3D ゲルプリンター SWIMER および(b)PDN ゲルと SWIM
ER を用いたゲル造形物作製工程．

ミ ニ 特 集図 6 (a ) ICN ゲルおよび(b) ICN ゲル造形物の特性(透明度が高く，高強度を持ち，引っ張り，ねじり，圧縮に強い．）．
図 4 SWIMER を用いて造形された，中空構造を持った高強度ゲルの構造物．

図 7 吐出型 3D ゲルプリンターによる造形．
(a)電動義手の指の腹部および(b)骨の入った指．
図5

吐出型 3D ゲルプリンター．

を径 500 mm 前後の吐出ノズルから押し出し，一層の造形ごとに UV 照射によって固める．この繰り返しで外殻部を積層し，ある程度の高さに来たらゲル溶液を内部に注入して，UV 照射で硬化させる．つまり外殻部が型のような役目を果たす．造形終了後は外殻材料を手で破壊して，中のゲルを取り出すことになる．


吐出型 3D ゲルプリンターの材料「ICN ゲル」

このプリンターで使用する材料は相互架橋網目構造ゲル(InterCrosslinking Network structure Gel, ICN ゲル)と呼図 8 SMG の分子構造．( a ) SMG の分子構造( DMAAm モノ
ポリマーに SA が linking し，高強度ゲル状態を保つ(b)40°
C以上での SMG 分子構造( SA が融解し， DMAAm モノポリマー
のみのゲルとなり柔軟性を持つ）．

ばれる材料である(図( a ))． DN ゲルのように複数のポリマー種による網目構造を有するゲルであるが，異種のポリマー鎖が相互に架橋している点が異なる．これにより，高い延

アクリル酸ステアリル(Stearyl Acrylate, SA)を配合したゲ性を持たせることが可能となる(図 6(b))．

ルである(図)．

図に，吐出型 3D ゲルプリンターによる造形物の例を示

この SA が DMAAm ゲルに相互架橋(crosslinking)しておした．電動義手の指の腹部(図 7(a))や，骨の入った指(図 7

りゲルを高強度化している．SA はおよそ30～40°
Cで融解す(b))を作製した．

るため，例えば40°
C以上のお湯に浸すと SA のみが溶融し，

形状記憶ゲル「Shape Memory Gel, SMG｣(8)形状記憶ゲル(Shape

相互架橋が解消され DMAAm モノポリマーゲル状態になり柔軟性を持ったゲルになる．ここで例えば 20 °C 以下の水な

SMG)は1995年にどに浸すことで SA が再度 DMAAm ゲルに相互架橋するた

Osada らによって発表された(8)． SMG は高分子の結晶性のめ， 40 °
C 以上の柔軟な状態で形成した形状を保ったまま保MemoryGel,

側鎖の相転移によって可逆的に硬さが変化するという特徴を存することが出来る．更に 40 °C 以上のお湯などに浸せば元持つ．SMG のメカニズムはかなり複雑で未だその詳細が不の SMG 状態に戻すことが可能であり，使用用途にもよるが明な点もあるため，簡単ではあるがその特性を説明したいと

SMG そのものの強度が許す限り，ほぼ無限に再利用できる思う．

という非常に有用な利点を有している．この現象に関しては

SMG の 構 造 は N,N ジ メ チ ル ア ク リ ル ア ミ ド ( N,N 
Dimethylacrylamide,

DMAAm)によるモノポリマーゲルに

ま て り あ 第57巻 第 4 号(2018)Materia Japan

次に述べる透明形状記憶ゲル(TSMG)の説明と合わせて述
べたいと思う．




図10

.
図 9 SMG の形状記憶特性(TSMG を使用)．
(a)TSMG の初期状態 (b)高温のお湯(約40°C)に浸した後，自由に形状を変化させ，水に浸し自由造形状態を保存できる(c)再度，高温のお湯に浸すことで元の状態に戻すことが可能
である．

3D プリントされた TSMG 眼内レンズ(6)．

医療および福祉分野へ期待される効果

以上紹介した 3D ゲルプリンターがどのような場面で利用されるのか，また社会にどのような波及効果があるのかを考えていきたい．


医療現場での応用

3D プリンターは特に医療分野での応用が期待されている．
SMG は多くの研究者により更なる開発やさまざまな分野

T SMG の紹介の際に眼内レンズへの応用を紹介したが，への応用を試みられ成果を得た(9)．しかしながら，これまで

3D ゲルプリンターが医療分野へ応用されている例を他の臓に開発された形状記憶ゲルは，不透明で脆いという弱点があ器モデルの製作例を用いて更に紹介していきたいと思う．

り造型物作製や臨床医学分野への応用に対しては未だ難点を像，もしくは再現された CG 像をもとに，医師が臓器の形や有したままである．


透明形状記憶ゲル「 Transparent

これまで手術現場では， CT や MRI 画像といった平面画

ShapeMemoryGel, TSMG｣(10)

患部の位置を把握し，そこで作られた頭の中のイメージと，経験や勘を頼りに手術を行っていた．しかし臓器の形，血管や腫瘍の位置といった情報が正確に表現されている臓器モデ

上述した SMG の弱点を解消すべく我々は透明度の高いルを作ることができれば，これをもとにより綿密な手術計画

SMG 作製に着手し，その開発に成功した．これは山形大学を練ったり，事前に手技練習を行ったりすることが可能になで独自に開発された新たな透明 SMG ( Transparent

Shapeる．また患者に手術の説明を行う(インフォームドコンセン

Memory Gel, TSMG)であり，これまでの SMG が有していト)際にも，患者自身の臓器モデルは非常に役に立つであろた不透明さや脆さという弱点を克服した機能性ゲルであう．

る(10)．その光学素子としての役割は大いに期待されている
(図)．



眼内レンズへの応用

実際に近年， 3D プリンターを用いた臓器モデルの製作がマスコミに紹介され，話題を呼んでいる．しかしながら，これらの臓器モデルの製作には，高価な 3D プリンター(およそ数千万円)と材料( 1 キロで数万から 10万円程度)を必要とTSMG の展開例の一つとして，眼内レンズの開発を挙げし，用いる材料も実際の臓器よりも固いといった問題点がある．上述したがこれまでの SMG では例えば白内障治療におる．そのため，プリンターのコストを大幅に下げ，材料にはいて，人工の眼内レンズを装着する手術は難しいとされてお人体と同じ硬さを持つものを使うことが期待されている．

り，高い技術を必要としていた．しかし，この T SMG を

そのようなモデルを開発するための方法として，我々は，

用いれば，レンズと，レンズを固定するループ部を小さく折ゲルを材料とした臓器モデルの開発を行っている．図は，りたたんだ状態で眼内に挿入し，その後に温度を上げること

腎臓内部の血管や尿管部をプラスチック樹脂を用いて，またで，レンズとしての形に戻すことも可能であるため，手術を腎臓の形状をゲルを用いて造形された臓器モデルの試作例で容易に行える可能性が期待されている．この T SMG 技術ある．

と，前述のゲル 3D プリント技術を組み合わせることで，患このモデルはゲルの溶液を腎臓の形をした鋳型に流し込む

者ごとにカスタマイズされた眼内レンズが製作可能になると方式で製作されているが，今後は上述したゲル 3D プリンタ

期待している．図に 3D プリントした眼内レンズの写真をーを用いて，尿管や血管，腫瘍部，腎臓形状をそれぞれ違う示す．このほかにも， 3D プリント技術によって，さまざま硬さを持った，すべてゲルでできたモデルの開発を進めていな形状の T SMG が造形できることから，他分野への応用る．

も大いに期待されるところである．



ミ ニ 特 集ての説明を行い，次にそれらの今後の展開について我々の展望を述べた．個人個人のニーズに合わせた造形物作成を行う
ことができる点が 3D プリンターの強みの一つであり，その材料として，人の組成に近いゲルを用いることで，多くの分野において，製品開発，特に医療，看護，介護分野での製品開発が大きく進展すると我々は期待している．
また，我々は 3D プリンターを用いて作られるゲル造形物のことを「デザイナブルゲル」と呼ぶこととした． 2016 年
11 月には，我々は山形大学において，このデザイナブル技術をコアとするベンチャー会社「株式会社ディライトマター」
を設立した．この大学発ベンチャー企業を窓口として，ユー
図11

開発中のゲル臓器モデル．

ザー(企業)にデザイナブル技術を利用してもらうことで，新製品開発，新市場の開拓を目指している．ゲルの活用を考え

ておられる方に，ディライトマター社をぜひ積極的に利用し義手への応用ていただきたい．

次の例として義手の製作をしめす．図 7(a)は近年 Exiii 株

最後に，本稿で紹介したゲルの自由造形技術，3D ゲルプ

式会社が公表したオープンソースの義手「 HACKberry 」でリンターが，工学，産業，医療，福祉などのさまざまな分野ある．これは製作に必要な 3D データや回路図，プログラム

で今後おおいに活用され，当分野の発展に寄与できることを等，すべてが公開され，誰もが安価で義手を製作できるオー願っている．

プンソース型のプロジェクトである．

文

我々はこの義手「 HACKberry 」のデータを元に，指先の献

腹の部品を 3D ゲルプリンターで制作した．ゲルの柔らかさ，吸着性を活かし，小さなものや重たいもの，滑りやすい
ものを掴み上げることができるようになった．
また ， 図 7 ( b )に は， 吐 出型 3D ゲ ルプ リ ンタ ー を用 いて，内部に骨(これも硬いゲルが用いられている)が入った指モデルをしめした．義手以外にも，介護ロボットの指などにこれを用いることによって，より人体に近い質感を持ち，安全性を高めたロボットの開発に 3D ゲルプリンターが貢献できると期待される．


社会・福祉分野への展開

これまで 3D プリンターは製造業において，試作に用いられることが多かったが，3D プリンター技術の進展により，航空・宇宙分野などでは最終製品を 3D プリンターで製作することが可能になってきている．また，装置が普及していく
につれ，他分野においても， 3D プリンターによって製品を直接製作する機会が増えていくであろう．そこでは個人のニーズに合わせたオリジナルな製品を多品種，少量造形されるということである．従来の 3D プリンターは金属やプラスチ
ックが主な材料であったが，ここに，人間の肌に触れる部位の材料として適しており，そのため触感や硬さが，人の満足度により深く関わる「ゲル」が 3D プリンターの材料として( 1 ) 吉田 亮高分子ゲル，共立出版，(2004).
( 2 ) J. P. Gong, Y. Katsuyama, T. Kurokawa and Y. Osada: Advanced Materials, 15(2003), 11551158.
( 3 ) 中島 祐，聾 剣萍物性研究，93(2010), 551557.
( 4 ) J. Saito, H. Furukawa, T. Kurokawa, R. Kuwabara, S. Kuroda,
J. Hu, Y. Tanaka, J. P. Gong, N. Kitamura and K. Yasuda:
Polym. Chem., 2(2011), 575580.
( 5 ) H. Muroi, R. Hidema, J. P. Gong and H. Furukawa: J. Solid
Mech. Mater. Eng., 7(2013), 163168.
( 6 ) 古川英光日本機械学会2017年度年次大会講演論文集，2017,
J0470405.
( 7 ) 岡田耕治，渡邊洋輔，斎藤 梓，川上 勝，古川英光ネッ
トワークポリマー，37(2016), 8186.
( 8 ) Y. Osada and A. Matsuda: Shape Memory in Hydrogels,
Nature, 376(1995), 219.
( 9 ) M. H. Kabir, J. P. Gong, Y. Watanabe, M. Makino and H.
Furukawa: JPS Conference Proceedings, 1(2014), 012048.
(10) H. Kumagai, K. Sakai, M. Kawakami, H. Furukawa, K.
Murase and T. Sunada: Microsystem Technologies, 24(2018),
725731.
★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★
佐々木寛之
2012年 山形大学大学院医学系研究科博士前期課程修了
2017年 山形大学大学院理工学研究科古川英光研究室研究員
2018年 4 月現職
専門分野生命工学◎ゲル材料および 3D ゲルプリンタティング技術を応用したゲル造形物の開発に従事．

★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

加わることで，よりユーザーのニーズにマッチした製品が，3D プリンターを用いて試作，または最終製品の製作に用いることができ，医療，介護，在宅医療やロボット産業などの分野に大きなインパクトを与えることができると期待される．

.

お わ

り

に
佐々木寛之

川上

勝

古川英光

本項では先ず 3D ゲルプリンターとゲルの自由造形についま て り あ 第57巻 第 4 号(2018)Materia Japanバイオプリント技術を応用した
医療・創薬研究
松

.

は じ

め

に




崎

典

弥

細胞プリント

これまで，インクジェットプリンターによる細胞の吐出制
京都大学の山中教授らによるヒト人工多能性幹細胞( iPS

御や二次元的な細胞の配置制御などが報告されてき細胞)の樹立が報告され，再生医療だけでなく，医薬品の毒た(3)(5) ．バブルジェットタイプのインクジェットは吐出時性・評価試験への応用が期待されている．しかし，生体組織に発熱が起こるため，細胞への影響が懸念される．従って，は複数種類の細胞で構成され，種々の細胞が互いに相互作用

ピエゾタイプのインクジェットを用いた研究が主流である．

することで組織としての機能を発現しているため，細胞単体吐出された細胞の生存率は高く，条件によるが 70 ～ 90 以

で生体組織と同じ薬剤応答を得ることは困難であり，iPS 細上に保つことが可能である．しかし，吐出時のシアストレス

胞を用いてもこの課題は解決できない．つまり，iPS 細胞のにより細胞膜が緩むことも報告されており，吐出条件によっ

分化誘導技術とは別に，生体組織に類似の 3 次元構造と機ては検証が必要である．吐出細胞数の制御に関してはあまり能を併せ持つヒト組織モデルの構築技術の確立が重要であ報告例が無いが，細胞溶液の濃度を調節する手法(6)やセルソる．また，生体外での組織構築は，動物実験代替法の観点かーターの原理を応用する手法(7)により，1 個レベルで細胞をらも大変重要である．EU では，2013年より化粧品・化成品

プリントする試みも報告されている．

開発への動物実験の使用を原則禁止する法律が既に施行されているが，実験動物に代わる具体的な評価方法は確立しておらず，早急の解決が求められている．生体組織を構成する様

組織構築の取り組み

Bose らは，リン酸三カルシウム( TCP )や SiO2 と ZnO を々な細胞とタンパク質を 3 次元で統合し，組織類似の機能混合した粉末を用いた 3D プリントの積層造形により，マテを有する 3 次元組織モデルを構築できれば，医薬品評価試

リアル内部に連通孔を有する骨再生用の足場材料を報告し験や動物実験の代替への応用が可能となり，ライフ・イノベ

た(8)．骨誘導能を有し，骨再生を促進することを明らかにしーションへの貢献が期待される．

た．また，Butcher らは，アルギン酸とゼラチンの溶液に平.

り 2 種類の細胞を連続的にプリントすることで，大動脈弁

滑筋細胞と大動脈弁間質細胞を内包させ， 3D プリントによ3D 細胞プリントによる三次元構造体構築の現状

類似の構造体を構築した(図(a))(9)．細胞生存率は80以
最近，光または熱硬化性の樹脂を用いた連続積層により，高速かつ高精度に 3 次元構造体を造形する「3D プリンター」

上と高いが，機能の再現には至っていない．
McAlpine らは，軟骨細胞を含むアルギン酸とシリコン，が注目を集めている．インクジェットプリンターは，ピコリ

銀ナノ粒子を 3D プリントすることで人工耳介を構築した

ットルオーダーで液滴を精密に吐出できるため，吐出点で溶(図 1(b))(10)．細胞生存率は90以上と高く，無機の銀ナノ液を固化できれば，連続積層により三次元構造体を自在に構粒子も脱離することなく無線電波の受信が可能であった．ま

築可能である．そこで，細胞にダメージを与えることなく，た， Atala らは， I 型コラーゲン溶液にフィブリノーゲンを細胞を吐出溶液ごと瞬間的に固化できれば，生体臓器の複雑混合してプリントし，そこへトロンビン溶液をプリントするな 3 次元構造を構築できると期待されている．以下，いく

ことで，フィブリノーゲンとトロンビンの反応を利用してゲ

つか研究例を紹介する．最近，総説も報告されているため，ルを形成する手法を考案し，皮膚(11)や腎臓(図 1( c)(12)類似

そちらもご参照頂きたい(1)(2)．

の構造体の構築を試みた．

大阪大学大学院工学研究科准教授(〒565
0871 吹田市山田丘 21)
Biomedical and Pharmaceutical Researches Using Bioprinting Technology; Michiya Matsusaki(Graduate School of Engineering, Osaka
University, Suita)
Keywords: Bioprinting, tissue engineering, cell accumulation technique, layerbylayer assembly, nanofilms
2017年11月29日受理[doi:10.2320/materia.57.164]

ミ ニ 特 集

体組織に類似の機能を有する三次元組織体チップの開発にチ

まとめと課題ャレンジしてきた．その概要を紹介する．

最近報告されている 3D 細胞プリントによる三次元組織構
築を紹介した．しかし，構築された 3 次元構造体の機能は

.

細胞積層法による三次元組織体の構築不十分であり，生体臓器にはとても及ばないのが現状である．この原因は，主に「細胞の配置制御」，「細胞間接着の誘細胞は，外部との情報交換や機能発現を細胞膜界面で制御

起」，「細胞外マトリックス( ECM )」の 3 つにあると考えらしている．生体内において，細胞の界面構造と機能の制御にれる．

重要な役割を果たしているのが，細胞周辺に存在する ECM

生体臓器では，上皮・内皮系の細胞は，カドヘリンを介しタンパク質(コラーゲンやフィブロネクチン等のタンパク質

た接着結合により密接に接着し，物質の交換を行っているたや多糖類)である．例えば，細胞接着とは細胞膜のインテグ

め，細胞間距離は非常に狭い．上皮細胞層の下部には，ラミ

リン分子と ECM との相互作用であり，また， ECM 成分でニンや IV 型コラーゲンを主成分とする基底膜が ECM としあるフィブロネクチンやビトロネクチンと細胞膜分子の相互て存在し，結合組織との界面を形成している．上皮細胞層作用が細胞の生存や増殖，シグナル伝達，分化誘導に強く影は，その緻密な接着結合により外部からの物質や細胞の侵入響することが明らかにされている．そこで，筆者らはこのを制限するバリア層としての機能も有している．一方，細胞ECM の働きに着目し， ECM のように細胞の界面構造を制成分より I 型コラーゲンやフィブロネクチン，エラスチンな

御できれば細胞の組織化や機能を操作できると考え，人工的

どの ECM 成分が多く，強度や弾性など物理的な機能を担っに ECM 成分のナノ薄膜を細胞表面に形成し，細胞を一層ずている結合組織は，細胞間距離が広く，細胞同士も接着結合

つ積層する「細胞積層法」を考案した(図)(13)．つまり，などを形成していない．ECM 成分も基底膜とは異なってい細胞の表面に ECM の“ナノレベルののりづけ”をつくるこる．また，骨格筋や平滑筋，心筋組織は，複数の細胞が融合と で 細胞 を 1 層 ず つ 積み 上 げ る手 法 で ある ． 細胞 表 面 へして筋線維を形成し，基底膜で覆われている．細胞間距離

ECM 薄膜を形成する手法として，著者らは，ナノメートル

は，上皮系細胞と同様に非常に狭い．このように，生体の組オーダーで高分子薄膜を調製できる交互積層(layer bylay-

織や臓器は，複数の構成単位が集合して形成されており，細er : LbL)法を用いた(図 2)．接着タンパク質として知られる胞の種類や細胞間距離，細胞間結合， ECM 成分など，組

フィブロネクチン(FN )とコラーゲンの変性体であるゼラチ

織・臓器によって様々である．これら種々の構成因子を制御

ン(G )の交互積層薄膜( FN G 薄膜)をおよそ 6 nm の膜厚でして構築しない限り，生体に類似の機能と構造を有する 3D細胞表面に形成すると，二層目の細胞が接着した．FN は細人工臓器を作製することは不可能である．また，これらの主胞表面の a5b1 インテグリンやコラーゲン，ゼラチンとの相要因子を制御するためには，プリント技術だけでは困難であ

互作用ドメインを有しているため，わずか 6 nm という膜厚る．細胞プリントは細胞の配置を制御する技術であるため，でも細胞接着足場として機能したと考えられる．一方，対照

それ以上の機能性，例えば，細胞間接着の誘起や血管・リン実験として薄膜を形成しない場合や膜厚が薄い場合，均一なパ管網の形成などには，別途技術開発が重要である．

二層構造は得られなかった．また，10 nm 以上の薄膜でも同我々は，「細胞間接着を誘起した三次元組織体の構築」と様の効果が確認されたため，少なくとも 6 nm 以上の FNG

「毛細血管・リンパ管網を有する三次元組織体の構築」の技

薄膜が次層の細胞接着の足場として重要であることが明らか

術開発が重要と考え，これまで研究に取り組んできた．まとなった．本手法を繰り返すことで，望みの細胞を望みの層た，それらの技術を細胞プリント技術と融合することで，生に配置した 3 次元構造が構築可能となる．著者らはこれま

図1

3D 細胞プリントで構築された(a) 心臓弁組織(9)，(b) 耳介組織(10)，(c) 腎臓組織(12)．

ま て り あ 第57巻 第 4 号(2018)Materia Japan




図3

図2

( a ) LbL 法を用いた細胞積層法のイメージ．( b )細胞積層法で構築した様々な積層組織体の組織
切片写真．ヘマトキシリン・エオジン(HE)染色による組織染色及び抗 CD31 抗体を用いた血管内皮細胞の染色．

(a) 細胞集積法のイメージ．(b) 細胞集積法で構築 し た NHDF 組 織 お よ び HepG2 組 織 の HE 染色画像．(c) サンドイッチ培養による血管網モデ
ル構築のイメージと蛍光免疫染色による構造観察．( d ) HUVEC 及び LEC のサンドイッチ培養
組織の蛍光免疫染色による共焦点レーザー顕微鏡イメージ(右)． HUVEC と LEC がそれぞれ独立したネットワーク構造を形成．

存せず最大およそ 100 mm ，組織体( NHDF 組織およびヒト肝癌 HepG2 細胞組織)が得られた(図 3(b))．
で，血管内皮細胞と平滑筋細胞を組み合わせた“血管壁モデ

また，本細胞集積法を用いることで，血管網およびリンパル”や筋芽細胞による“骨格筋モデル”，腫瘍間質線維芽細

管網モデルの構築にも成功している．生体内には，およそ胞による“腫瘍間質モデル”などを構築しており，生体組織

100 ～ 200 mm に一本の毛細血管が存在することで栄養を供により近い応答が得られることも明らかとなった(14)．

給している．そのため，100 mm 以上の組織体において内部細胞の壊死を防ぐためには，毛細血管網を構築する必要があ.

細胞集積法による組織構築

る．岡野らは，血管内皮細胞を筋芽細胞および線維芽細胞のシートでサンドイッチ培養することで毛細血管様の形態変化

以上のように，細胞積層法は細胞の配置を一層ずつ制御しが起こり，さらに生体への移植時に血管網構造が有効であるて多層構造を構築できる画期的な手法であるが，各層の細胞ことを報告している．本手法においても，層数を制御したが安定に接着するまで半日ほど培養する必要があり，一日二

NHDF 組 織 に よ っ て ヒ ト 臍 帯 静 脈 由 来 血 管 内 皮 細 胞層の作製が限度であった．例えば， 20 層の構造を作製する(HUVEC)のサンドイッチ培養を行ったところ，組織内に血ためには約 10 日以上もの日数が必要であるため，産業化す

管網様のチューブ構造が構築されることを見出した(図 3るにあたって非常に大きな課題であった．そこで，従来の接(c))．得られた血管網は高密度(面積で約50)かつ均一(約着した細胞表面でなく，分散状態の個々の細胞表面に FNG

100 mm 毎に形成)であり，生体の血管新生時に類似の形態

薄膜を形成し，1 段階で積層組織を構築する「細胞集積法」が観察された．このように血管新生を強く誘導した理由としを考案した(図(15)．LbL 法は薄膜を形成する基材に制限はては， HUVEC の三次元培養および周囲の NHDF 組織からないため，分散状態，つまり粒子状の細胞表面に対してもの血管新生因子の供給が主に考えられる．さらに驚くべきこFN G 薄膜の形成が可能であり，形成された FN G 薄膜はとに， HUVEC とヒト皮膚微小リンパ管内皮細胞( LEC )を細胞間相互作用を誘起可能であると期待した．FNG 薄膜を同時にサンドイッチ培養したところ，血管とリンパ管が独立形成したヒト皮膚由来線維芽細胞( NHDF )を，コンフルエ

してチューブ構造を形成し並走した，生体に非常に類似した

ント時の細胞数を 1 層分とし，望みの層数分の細胞数を一脈管構造を形成している様子が観察された(図 3(d))(16)．以

度にカルチャーインサートに播種したところ，わずか 1 日

上より，細胞集積法を用いることで，より厚く，かつ脈管構の培養にも関わらず，層数を制御した三次元積層組織が構築造を有する三次元組織体の短期構築を実現することができた．

可能であった．また培地量を増やすことで，細胞の種類に依

ミ ニ 特 集を吐出して接着させ，FN 溶液と G 溶液を交互に吐出するこ.

細胞プリントによる肝組織チップの開発と毒性試
験への応用とで細胞表面にナノ薄膜を形成した．その後，再び筋芽細胞を吐出することで，筋芽細胞の 2 層構造を作製することができた(図 4(g))．

著者らは，FNG 薄膜形成を用いた細胞積層技術とインクチップを作製するためには，各スポットに細胞数を制御しジェットプリント法を融合することで，マイクロメートルサて精密に吐出することが重要となる．そこで，50ヶ所に100

イズの様々な組織モデルを集約した「組織チップ」の構築に個の細胞を吐出し，プリントされた細胞数を評価した(図))(6)．細胞とFN 溶液， G 溶液をインク

)．最初の 3 ヶ所の吐出細胞数は 60 ～ 80 個と少なかった

ジェットプリントで吐出することで，細胞の定点配置とが，それ以降はおおよそ100個の細胞を再現よく吐出できる

FNG 薄膜形成が自動化され，創薬評価に応用可能な組織チことが確認された．初期の吐出不良に関しては，捨て打ちなップが構築できると考えた．発熱の影響の少ないピエゾ式イ

どにより対応できると考えられる．

取り組んだ(図( aンクジェットを用いて，タンパク質溶液の吐出および細胞の組織チップとして薬剤評価へ応用することを目的として，

吐出実験を行った．図 4(b )に示すように，蛍光ラベル化し次に肝組織チップの作製を試みた．肝臓は薬物や化合物を分たローダミンラベル化フィブロネクチン( Rh FN )およびフ

解する重要な臓器であり，薬物毒性の 7 割は肝臓で発現す

ルオレセインイソチオシアネートラベル化ゼラチン(FITC

るため医薬品開発では最も重要な臓器である．著者らは，肝G )を各層数で交互に吐出したところ，マイクロメートルオーダーで配置が制御された FN G 薄膜の形成が確認された．また，プリンターヘッドの口径と吐出液滴数を変えることで，細胞の吐出数を 1 個から10000個まで精密に制御可能であった(図 4(c))．また，NHDF，マウス C2C12 筋芽細胞，
HUVEC など細胞の種類を変えても生存率は 95 以上であることが確認された．組織チップの基板として，直径 500
mm，高さ 200 mm のウェルを440個有するウェル基板を用いた(図 4 ( d )( f )．このウェル基板へマウス C2C12 筋芽細胞

図4

図5

50ヶ所に100個の細胞をプリントした時の各スポットにおける吐出細胞数．

( a ) インクジェットプリントによる三次元組織チップの構築イメージ．( b ) インクジェットプリントによる
FNG 薄膜の形成．RhFN および FITCG を使用し，薄膜の層数と配置を制御．(c) 細胞の吐出条件の評価(濃度1×107 cells/mL)．(d) 使用した440マイクロウェル基板．(e)，(f) レーザー顕微鏡によるウェルの構
造解析．(g) C2C12 筋芽細胞の 2 層構造を作製したチップの蛍光顕微鏡写真．細胞はセルトラッカーグリー
ンで蛍光染色した．

ま て り あ 第57巻 第 4 号(2018)Materia Japan

活性が向上することが明らかとなった．これらの結果より，
本インクジェットプリント法によって作製した組織チップにおいて，他の細胞と共培養した三次元モデルが従来の単層モ
デルよりも薬剤評価モデルとして有用であることが示された．

.

お

わ

り

に

細胞積層法および細胞集積法，細胞プリントに基づく新しいヒト三次元生体組織モデルの構築と薬剤効果判定・毒性評
価への応用について紹介した．本手法によって，皮膚や血管，リンパ管，肝組織，心筋組織など様々な臓器モデル，さらには臓器チップの開発が進められている．細胞プリントに関しては，高粘度による吐出不良や乾燥による細胞へのダメージなど技術的な課題が多いのは事実であるが，実現された
時の社会貢献度は非常に大きいと期待されている．研究を加図6

ヒト肝癌細胞( HepG2 )とヒト臍帯静脈血管内皮細胞( HUVEC )で作製した 1 ～ 3 層構造の肝組織
チップの写真(上)．トログリタゾン濃度に依存した死細胞の割合と層構造の関係(下)． LIVE /DEAD アッセイにより死細胞を蛍光強度で評価した．矢印は死細胞が剥離して定量できなかったことを示す．

組織の構造に着目し，ヒト肝がん細胞( HepG2 )を HUVEC
で挟んだ積層構造を構築することで肝組織としての機能の向上を試みた．
まずは，HepG2 と HUVEC の 13 層構造を一枚のチップの中に作製して種々の活性を評価した(図)．基礎的な細胞機能を評価するために，蛍光免疫染色によって各層数の肝組織におけるアルブミン産生量を定量した．その結果，7 日間
培養後において，アルブミンを産生する肝細胞の細胞数は一定であるにも関わらず， HUVEC でサンドイッチした 3 層構造が 1 層構造と比較して 4 倍以上多く産生していることが明らかとなった．
また，薬物代謝酵素の一種であるシトクロム P450 3A4(CYP3A4)の活性を評価した結果，やはり 3 層構造が最も高い産生量と代謝活性を有していることが確認された．そこ
で，実際に毒性がある薬物を用いて評価を行った．トログリ
タゾン( TGZ )は，インスリン抵抗性を軽減する糖尿病治療薬として市販されたが，肝障害が明らかとなり 2000 年に自主回収された薬剤である．その後の分析で， CYP3A4 で代謝された反応性代謝物が毒性を示すことが明らかとなった．

速したい．

文

( 1 ) S. V. Murphy and A. Atala: Nat. Biotech. 32(2014), 773785.
( 2 ) B. Derby: Science, 338(2012), 921926.
( 3 ) V. Mironov, T. Boland, T. Trusk, G. Forgacs and R. R.
Markwald: Trends Biotechnol., 21(2003), 157161.
( 4 ) T. Xu, J. Jin, C. Gregory, J. J. Hickman and T. Boland:
Biomaterials, 26(2005), 9399.
( 5 ) R. E. Saunders, J. E. Gough and B. Derby: Biomaterials, 29(2008), 193
203.
( 6 ) M. Matsusaki K. Sakaue, K. Kadowaki and M. Akashi: Adv.
Healthcare Mater., 2(2013), 534539.
( 7 ) A. Yusof, H. Keegan, C. D. Spillane, O. M. Sheils, C. M.
Martin, J. J. O'Leary, R. Zengerle and P. Koltay: Lab Chip, 11(2011), 24472454.
( 8 ) G. Fielding and S. Bose: Acta Biomater., 9(2013), 91379148.
( 9 ) B. Duan, L. A. Hockaday, K. H. Kang and J. T. Butcher: J.
Biomed. Mater. Res. Part A, 101A(2013), 12551264.
(10) M. S. Mannoor, Z. Jiang, T. James, Y. L. Kong, K. A.
Malatesta, W. O. Soboyejo, N. Verma, D. H. Gracias and M. C.
McAlpine: Nano Lett., 13(2013), 26342639.
(11) A. Skardal, D. Mack, E. Kapetanovic, A. Atala, J. D. Jackson,
J. Yoo and S. Soker: Stem Cell Transl. Med. 1(2012), 792
802.
(12) T. Xu, W. Zhao, J.
M. Zhu, M. Z. Albanna, J. J. Yoo and A.
Atala: Biomaterials, 34(2013), 130139.
(13) M. Matsusaki, K. Kadowaki, Y. Nakahara and M. Akashi:
Angew. Chem. Int. Ed., 46(2007), 46894692.
(14) M. Matsusaki: Bull. Chem. Soc. Jpn., 85(2012), 401414.
(15) A. Nishiguchi, H. Yoshida, M. Matsusaki and M. Akashi: Adv.
Mater., 23(2011), 35063510.
(16) M. Matsusaki, C. P. Case and M. Akashi: Adv. Drug Deliv.
Rev., 74(2014), 95103.
★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

つまり，CYP3A4 代謝活性が高いほど低濃度の TGZ で毒性

2003 年が発現して死細胞数が増加するため，肝組織モデルとしての機能が TGZ で評価可能である．図 6 下に， TGZ 濃度に対する 13 層構造の死細胞数変化のグラフを示した．3 層構造においてより低濃度でも死細胞が顕著に観察され，特にTGZ が 50 mM の場合， 1 層構造では16の死細胞割合であっ た のに 対し て 3 層 構造 で は 60 (約 4 倍 )ま で増 加し ，
HUVEC で挟んだ 3 層構造にすることで HepG2 の薬物代謝



献

松崎典弥

鹿児島大学大学院理工学研究科博士課程短期修了
2006 年 8 月 大阪大学大学院工学研究科応用化学専
攻 助教
2008 年 10 月2011 年 3 月および 2015 年 10 月現在，
さきがけ研究者(兼任)JST
2015年10月現職
専門分野生体材料，機能性高分子，組織工学◎高分子化学に基づいた細胞制御技術の研究に従事．
Scientific Reports 誌(Nature Publishing group)やPLoS ONE 誌(PLoS group)の Academic Editor.

★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

ミ ニ 特 集

合金化溶融亜鉛めっき鋼板皮膜を構成する

FeZn 系金属間化合物の結晶構造と力学特性
岡

.

は じ

め

本

範

彦 乾

晴

行

図1

( a ) GA 鋼板めっき皮膜断面および FIB 法によるマイクロピラー加工の模式図．( b )マイクロピラ
ー 圧 縮 試 験 の 模 式 図 ． ( c ) Fe Zn 二 元 系 状 態
図(4)(5)．(オンラインカラー)に合金化溶融亜鉛めっき( Galvannealed: GA )鋼板は，耐食性，塗装性や溶接性が優れており，自動車・家電・建材など幅広く用いられている(1)(3) ．溶融亜鉛浴中に鋼板を浸漬した後，合金化熱処理が施され，相互拡散によりめっき被膜内に Fe Zn 系金属間化合物相が形成される． GA 鋼板のめっき被膜は通常，鉄基板に近い方から順に G, G1, d1k, d1p, z と呼ばれる 5 種類の Fe Zn 系化合物相の薄い層から構成され(図(a))，その順序は FeZn 二元系状態図(図 1(c))中におけるそれと同一である(4)(5)．合金化熱処理を施さない通常の亜鉛めっき( Galvanized: GI )鋼板と比較して， GA 鋼板はプレス成型加工するとめっき被膜が剥離しやすいという問題を抱えている．これは形成された Fe Zn 系金属間化合物相の一部もしくは全部が脆いことに起因する．合金化熱処理過剰の場合には， Fe 組成に富む G 相が主相となりめっき皮膜の粉末状剥離が生じる(パウダリング現象)．一方，熱処理不足の場合には z 相もしくは Zn 相が主相となり薄片状剥離が生じる(フレーキング現象)．そのため中程度の熱処理( 450 
500°
C ，数秒数十秒)が施され， d1( d1k/ d1p)相を主相とする
GA 鋼板が実用されている．これらの現象から G 相は塑性変

形せず脆く，一方で d1 ( d1k / d1p )相は比較的塑性変形能を有するのではないかと経験的に考えられてきた．より耐剥離性に富んだ最適な GA 皮膜構造設計を行うためには，各金属間化合物相の力学・機械特性が必須であるが，いずれの化合
物相が脆性的なのか等，めっき剥離の主たる原因についての京都大学大学院工学研究科材料工学専攻助教(現東北大学金属材料研究所准教授)(〒9808577 仙台市青葉区片平 21
1)
京都大学大学院工学研究科材料工学専攻教授
Crystal Structures and Mechanical Properties of the Intermetallic Compounds in the FeZn System Comprising the Coating of
Galvannealed Steel Sheets; Norihiko L. Okamoto, Haruyuki Inui(,Department of Materials Science and Engineering, Kyoto
University, Kyoto (Present: Institute for Materials Research, Tohoku University, Sendai)
Keywords: Galvannealed steel, intermetallic compounds, complex crystal structure, icosahedron, plastic deformation, dislocation, scanningtransmission electron microscopy (STEM), synchrotron xray diffraction, focused ion beam (FIB), micropillar compression
2018年 2 月16日受理[doi:10.2320/materia.57.169]

ま て り あ 第57巻 第 4 号(2018)Materia Japan詳細は充分解明されていないのが実状である．これは，めっき被膜内の各金属間化合物層が数 mm 程度と薄いために，各化合物相の物性を個別に調査するのが非常に困難であることが一因である．
近年，集束イオンビーム(Focused Ion Beam: FIB)法やナ
ノインデンテーション法技術が急速に普及し，サブ mm スケールでの試料作製および力学特性評価が可能となってきた(6)(8) ．そこで我々は， FIB 法により GA 鋼板めっき被膜から単相微小試験片(マイクロピラー・マイクロビーム)を加工し(図 1 (a ))，微小スケールで圧縮・曲げ破壊試験を行う
ことによって(図 1(b))，各 FeZn 系金属間化合物相の塑性
変形能や破壊靭性を調査してきた(9)(13)．各化合物相の塑性変形能が得られたとしても，それを理解する上で結晶構造に関する情報は必要不可欠である．しかしながら意外にも Fe
Zn 系化合物の結晶構造についての知見は乏しく詳細はわかっていないため，走査型透過電子顕微鏡(Scanning

Trans-

mission Electron Microscopy: STEM)と放射光 X 線回折を相補的に併用した構造解析・精密化を行ってきた(14)(18) ．
本稿では，最近著書らが行った FeZn(Al)系化合物の結晶
構造解析および微小スケール力学特性試験についての概要を
紹介する．
図2

.



結 晶

構

造

d1p 相結晶構造の決定

d1p 相の結晶構造モデル．(a)Belin ら(19)のモデル．
Fe 原子はすべて 20 面体クラスターの頂点を占有している．( b ) Okamoto ら(14) のモデル． Fe 原子
はすべて Zn1220面体クラスターの中心を占有している．(オンラインカラー)

d1p 相の結晶構造については，2000年になって初めて原子座標が報告された(図(a))(19)．他の FeZn 系化合物の構造解析は1930年代から報告があるのに対して d1p 相の構造解析がこれほどまで遅れた理由は，六方晶系の単位胞が556個もFeZn 系化合物の結晶構造に関する共通原理の原子を含み非常に複雑な構造であることが挙げられる．し前項の d1p 相の解析結果から，いずれの Fe Zn 系化合物

かし， Belin ら(19) によって報告された結晶構造には， Zn 原

も Fe＠Zn1220面体クラスターを構成ユニットとしているこ子だけで構成される大部分の領域中に， Fe 原子が頂点を優とがわかった．すなわち，最も Zn に富む z 相では，図(d)

先的に占有する 20 面体クラスターが孤立して点在しておりに示すように Zn1220面体クラスターが単斜晶の c 軸方向に

(図 2( a))，相平衡の観点から考えて非常に不可解である．

頂点共有して結合しているのに対して(10)(20) ，次に Fe に富実際，著者らが実験により得た STEM 像(図(a), (b))は，

む d1p 相では， Fe ＠ Zn1220 面体クラスターが頂点共有だけ

Belin らの構造モデルを元に計算した STEM 像(図 3 ( c ))とでなく面共有によっても結合している(図 4( c ))(14) ． z 相と幾つかの点で異なっており(図中丸印)，Belin らの構造モデ

d1p 相のいずれにおいても， Fe 原子と結合していない Zn 原ルにおいて少なくとも 2 つの Wyckoff サイトの原子座標に子(glue Zn )が存在する．最も Fe に富む G 相では， glue Zn

誤謬があることを見出した(14) ．原子座標の精密化および X

原子は無く， 20 面体クラスターの中心だけでは収まりきら

線原子散乱因子の差異が小さい Fe および Zn 原子の占有状ない Fe 原子が，面共有している20面体クラスターの頂点サ態を明らかにするため，放射光 X 線単結晶回折実験を行っ

イトを部分的に占有している(図 4 ( a ))(18) ． G 相と d1p 相のた． 20 万反射以上の非常に統計精度の高い回折データが得中間の組成を有する G1 相は，G 相と同様の特徴を持ちつつ，られたため， Fe と Zn の占有率を高い確度で決定すること

glue Zn 原子が存在する(図 4 ( b ))(18) ．このように， Fe Znができた．構造精密化の結果，すべての Fe 原子は20面体ク系化合物は Fe＠Zn1220面体クラスターを構成ユニットとす

ラスターの頂点ではなく， Zn が頂点を占める Zn12 20 面体

る共通原理のもとに結晶化していることを明らかにした(18)．

クラスターの中心に位置し， Fe が中心位置を占める Zn12 
20 面体クラスター(以下， Fe ＠ Zn12 20 面体クラスターと表記する)同士が頂点共有および面共有した構造(図 2(b))であることを明らかにした(14)．



d1k 相結晶構造の決定

d1k 相の結晶構造は，六方晶系 d1p 相を母構造とし a 軸方
向に 3 倍周期性を有する超格子構造であることが電子回折によりわかっていたが(21)，その詳細については明らかにさ



最近の研究

図4

( a ) G 相，( b ) G1 相，( c ) d1p 相および( d ) z 相の結晶構造．Fe 濃度が増加するに従い，Fe＠Zn1220面体クラスターは頂点共有から面共有へシフトし，Fe 原子と結合しない glue Zn 原子の割合は減少
する(18)．(オンラインカラー)

FeZnAl 系 G2 相結晶構造の決定―FeZn 系 G1 相との相違
GA 鋼板の作製の実際上，純 Zn 浴ではなく，Al を僅かに溶解した ZnAl 浴が使用される．これは，鉄基板と Zn めっき皮膜界面に拡散抑止層として Fe2Al5 相を形成させ， Fe 
Zn 系化合物の急速な成長を制御するためである．FeZnAl

三元系状態図(図(a))(22)に示すように，液相と平衡する三元系化合物 G2 相が存在する．そのため，浸漬した鋼板から
図3

d1p 相の( a ) STEM 環状明視野( Annular Bright
Field: ABF)像．四角の点線は単位胞を表す．(b)(a)の四角の実線で囲んだ領域の拡大像．(c)Belin ら(19)および(d)Okamoto ら(14)の結晶構造モ
デルをもとに計算した STEMABF 像．(e)Belin
ら(19) お よ び ( f ) Okamoto ら(14) の 結 晶 構 造 モ デル．入射/投影方向はすべて[ 112̃0 ]． (オンライン
カラー)

Fe が Zn Al 浴中に溶出した後， Fe2Al5 相， z 相や d1 ( d1k /d1p)相に加えて G2 相のドロス粒子(溶融 Zn(Al)めっき浴中に溶出した過飽和状態の Fe が浴中の Zn (および Al )と反応して形成される金属間化合物)が形成され，鋼板表面にこれらが付着した場合にはその品質が劣化してしまう．このような観点から，三元系化合物 G2 相の形成機構および結晶構造情報は重要である．FeZnAl 系 G2 相は，FeZn 系 G1 相と同一構造と考えられているが(22) ，なぜ同一構造であり格子定数もほとんど等しい(相対差 0.3 以下)にも関わらず Fe 

れていなかった．著者らは， d1k 相の STEM 観察を行い(図Zn 系 G1 相と平衡しないのかは不可解である． d1p 相の場合

(a))， d1p 相の単位胞の半分の高さ(c/2)のユニットレイヤと同様に，著者らが実験により得た STEM 像(図 6(b))は，ーが(図 5 ( b ))， a 軸方向に 3 倍周期性を持ちつつ c 軸方向報告されている FeZn 系 G1 相の構造モデル(図 6(e ))(23)をの積層の仕方にランダム性がある，いわゆる OrderDisord-

元に計算した STEM 像(図 6(c))と幾つかの点で一致しなか

er(OD)構造を有することを明らかにした(図 5(c)(e))(15)．

った(図中丸印)．放射光 X 線単結晶回折実験および

a 軸方向の 3 倍周期性は， d1p 相の固溶限以上の Fe 原子が規

STEM EDS 元素マッピング(図 6( f)( h ))により， Al 原子則配列していることに起因すると考えられる． d1p 相と d1kの位置を特定し， Fe Zn 系 G1 相と Fe Zn Al 系 G2 相は同

相は，母構造と超格子構造というほぼ同一の構造のように見一 の 空 間 群 F4̃3m に 属 し な が ら も ， 原 子 が 占 有 す る Wy-

えるが， d1k 相は 1 次元方向に並進対称性が欠落していると

ckoff サイトが異なる(14種類のサイトのうち12種類は共通)いう点で大きく異なる．

ことを明らかにした(17)．このことが，FeZn 系 G1 相と Fe

ま て り あ 第57巻 第 4 号(2018)Materia Japan




図6

図5

( a ) d1k 相の[ 11̃00 ]入射 STEM 高角環状暗視野(HighAngle Annular Dark Field: HAADF)
像(15)．四角の実線は d1p 相の単位胞に相当する．
(b) d1p 相および(c)(e) d1k 相の構成レイヤーの積
層の仕方の模式図．(オンラインカラー)(a )Fe Zn Al 三元系状態図(22)．( b )FeZn Al 系
G2 相の[110]入射 STEMHAADF 像．(c)FeZn
系 G1 相の構造モデル(23) を元に計算した STEM 
HAADF 像．(d )放射光 X 線回折により決定したFeZnAl 系 G2 相の構造モデル(17)．(e)FeZn 系
G1 相の構造モデル(23) ．( f )( h ) EDS マッピング
像．(オンラインカラー)

Zn に富む最外層の z 相多結晶マイクロピラーは，すべり線の拡大写真に示すように，圧縮変形能を有することを明らか
Zn
Al 系 G2 相の間に溶解度ギャップが存在する理由である．

にした(9)． z 相多結晶は最大で 1程度の塑性歪しか示さな
かったが，G 相多結晶は数以上の塑性歪を示し，5 種類の

.



力 学

特

性

多結晶マイクロピラー圧縮変形試験

GA 鋼板およびそれを塩浴中で熱処理し，めっき皮膜を厚化合物の中でも圧縮変形能は最も優れている．これは，G 相が塑性変形せず脆いという従来の経験的知見と異なる．


単結晶マイクロピラー圧縮変形試験

膜化させた試料から，各 Fe Zn 系化合物の単相多結晶マイフラックス法による結晶成長では，粗大な単結晶は得られ

クロピラーを FIB 法により作製した(図 1(a))．図に示す

ず，直径数百 mm 程度の微結晶しか得られなかった．そこ

ように， G1 ， d1k および d1p 相多結晶マイクロピラーはほとで ， す べ り 系 の 同 定 お よ び 臨 界 分 解 せ ん 断 応 力 ( Criticalんど塑性変形を示すことなく 1 GPa 以上の高い応力レベル

Resolved Shear Stress: CRSS)を決定するために，単結晶マで破断する一方，最も Fe に富む最内層の G 相および最もイクロピラー圧縮試験を行った(10)(12)．



最近の研究

図7

FeZn 系化合物単相多結晶マイクロピラーの圧縮変形後の SEM 二次電子像(上段)および応力歪曲線(9)．
(オンラインカラー)

まず，単斜晶系 z 相について様々な荷重軸方位で圧縮試験を行った結果(図(b))，[001]近傍の方位では塑性変形を示さなかったが，それ以外の方位では 10 以上の大きな塑性歪を示した(図 8(c))．ほとんどの荷重軸方位で{110}〈11̃2〉
すべり系が活動し(図 8 ( d ) , ( e ))，一辺約 4 mm のマイクロ
ピラーの平均 CRSS は 107 MPa であった．{110}〈11̃2〉すべり系のシュミット因子がゼロとなる[ 3̃07 ]方位近傍では，(100)[001]すべり系が活動し，一辺約 4 mm のマイクロピラ
ーの平均 CRSS は 359 MPa であった．原子面間隔は{ 110 }
面 ， ( 010 ) 面 ， ( 100 ) 面 の 順 に 広 く ( 図 8 ( a ) ) ， Peierls Nabarro モデルの観点からはこの順ですべり活動が容易であると予想される．しかし実際には， 1 番目と 3 番目の{110}面および( 100 )面すべりの活動は確認されたが， 2 番目の(010)面すべりは活動しない．これは図 8(a)に示すように，{110}面および(100)面すべりでは，Fe＠Zn1220面体クラス
ターを切断せずに済むが，( 010 )面すべりでは Zn1220面体
クラスターを切断せざるをえないことに起因すると考えられる．つまり，Fe＠Zn1220面体クラスター内の FeZn 原子結合は強固であり， 20 面体クラスターを切断しないようなす
べり面が選択されている．このすべり変形において， Zn12
20 面体クラスターがあたかも一つの大きな原子のように振る舞うと考えられる(11)(12)．実際，{110}〈11̃2〉すべり転位の部分転位芯および積層欠陥の原子分解能 STEM 観察によって， Zn1220面体クラスターを単位としてすべり変形が生じている証拠を得ている(24)．
一方，立方晶系 G 相についても標準ステレオ三角形内の様々な荷重軸方位で圧縮試験を行った結果，全ての方位で10 以上の大きな塑性歪を示した．ほとんどの荷重軸方位

範囲に亘って{110}〈1̃11〉すべり系が活動し，[1̃11]近傍の荷

図8( a ) z 相構造の[ 001 ]投影図．( b )圧縮荷重軸方位のステレオ投影図．(c) z 相単結晶マイクロピラー
圧縮試験の応力歪曲線．( d ) , ( e )圧縮変形後のSEM 二次電子像(10)．(オンラインカラー)

重軸方位でのみ{ 110 }〈 001 〉すべり系が活動した．一辺約 4mm のマイクロピラーの平均 CRSS は{ 110}〈 1̃11〉すべり系が約 370 MPa ， { 110 }〈 001 〉す べ り 系 が 約 660 MPa で あ っ

ま て り あ 第57巻 第 4 号(2018)Materia Japanに富む G ， G1 および d1k 相は低い破壊靭性値(～ 0.4 MPa ・m0.5 )を示す一方で， Zn 組成に富む d1p 相(～ 0.61.2 MPa ・m0.5)と z 相(～0.7 MPa・m0.5)は比較的高い破壊靭性値を示した(13)．第一原理計算により求めた各化合物相の表面エネ
ルギーの傾向(G 相＞G1 相＞ d1p 相＞ z 相)を考慮すると(13)，Fe 組成に富むほど亀裂先端近傍での塑性変形による応力集中緩和が減少すると予想される．これは，前述したように
Fe 組成に富むほど容易すべり系の CRSS が高いことと矛盾

しない．

.

お

わ

り

に

走査型透過電子顕微鏡法( STEM )と放射光 X 線回折を相
図9

G 相構造の[111]投影図．(オンラインカラー)

補的に併用することにより， Fe Zn 系化合物の非常に複雑な結晶構造および原子散乱因子の差が小さい Fe / Zn 占有状
態を明らかにすることができた．このような相補的な解析手

た(25) ． G 相 の { 110 }〈 1̃11 〉す べ り 系 の CRSS 値 が z 相 の法が非常に強力であることも同時に示せた．工業的には， d1{ 110 }〈 11̃2 〉すべり系のそれ( 107 MPa )よりも 3 倍以上も高( d1k/ d1p)相もしくは z 相が最表層になるような GA 鋼板が生いのは，図に示す[111]投影図からもわかるように，G 相産されている．破壊靭性値の低い G， G1， d1k 相内で発生・では高密度に Fe＠(Zn, Fe)1220面体クラスターが存在し，伝播した亀裂の進展が，破壊靭性値の高い d1p 相や z 相で抑それらが互いに面共有して結合しているため，どのようなす制され，めっき皮膜の剥離が抑制されていると考えられる．

べり面を選択しても， Fe ＠( Zn, Fe )1220面体クラスターを耐剥離特性を向上させるためには，まず破壊靭性値が大きく

切断しなければならないためだと考えられる(25)．

異なる d1k 相と d1p 相を区別した上で，最表層を d1p 相もし

最近， d1p および d1k 相の単結晶マイクロピラー圧縮試験

くは z 相に保ちつつ， d1k 相形成をできるだけ回避もしくはも行っており， d1p 相では底面すべり系と柱面すべり系が，抑制することが重要である．破壊靭性値の低い G および G1

d1k 相では底面すべり系が活動することを確認している(25)．

相の抑制も効果があると考えられる．

ただし予歪を与えない限り，降伏と同時に巨大なストレイン
バーストが生じ，試料がダイヤモンドフラットパンチによっ

本稿で紹介した研究は，山口周教授(東京大学)，竹林浩史て押し潰されることが多々生じた．前述の多結晶マイクロピ

株 )，安原聡氏(日本電子
株 )，田中克志教授
氏(新日鉄住金

ラー圧縮試験において， d1p および d1k 相が塑性変形しない(神戸大学)，足立大樹准教授(兵庫県立大学)，樫岡大輔氏と誤判断したのは(9)，このような急激な変形を制御すること

株 )，井元雅弘氏(現
株 神戸製鋼所)，道下勝太(現川崎重工業

が非常に困難だったことに加えて，c 軸成分を含むすべり変株 )，橋爪志周氏(現 JFE スチール
株 )と共同氏(現関西電力

形が活動せず，von Mises の条件が満たされないことに起因で行われました．また，日本学術振興会科学研究費助成事業

する．ヴィッカース圧子の圧入により予歪を与えた場合，一(科研費番号15H02300，16H04516，16K14373)，文部科学

辺約 4 mm のマイクロピラーの底面すべり系の平均 CRSS は，省元素戦略プロジェクト構造材料元素戦略研究拠点，科学技

d1p 相が約 250 MPa， d1k 相が約 380 MPa であり，各化合物

術振興機構端的低炭素化技術開発(ALCA)および日本鉄鋼協

相の容易すべり系の CRSS は，G 相(370 MPa) d1k 相(380会鉄鋼研究振興助成(第 20 および 24 回)の助成を受けて行わ

MPa )＞ d1p 相( 250 MPa )＞ z 相( 107 MPa )のように，ほぼれました．放射光実験は，高輝度光科学研究センター SPr-

Fe 組成の順に従って高くなる(25)．

ing 8 のビームライン BL02B1 にて行われました(課題番号

多結晶マイクロピラー圧縮試験において，G 相が最も優れ
た圧縮変形能を示したのに対して， z 相は僅かな塑性変形能2014B1228, 2015A1468, 2016B1096, 2017A1243 ) ． こ こ に謝意を表します．

しか示さなかったのは， G 相は高対称性の立方晶系に属し{ 110 }〈 1̃11 〉すべり系の活動のみで von Mises の条件が満た文献されるのに対して， z 相は低対称性の単斜晶系に属し{ 110 }〈11̃2〉および(100)[001]すべり系が活動しても von Mises の条件が満たされないからである(9)．


単結晶マイクロビーム曲げ破壊試験

シェブロンノッチ付き単結晶マイクロビーム曲げ破壊試験を行い，各化合物相の破壊靭性値を測定した結果， Fe 組成( 1 ) M. F. Shi, G. M. Smith, M. Moore and D. J. Meuleman: Zinc
based steel coating systems: metallurgy and performance, edited by G. Krauss and D. K. Matlock, TMS, Warrendale, PA,(1990), 387.
( 2 ) A. R. Marder: Prog. Mater Sci., 45(2000), 191271.
( 3 ) S. M. A. Shibli, B. N. Meena and R. Remya: Surf. Coat. Technol., 262(2015), 210215.
( 4 ) O. Kubaschewski: IronBinary Phase Diagrams, Springer
Ver-

最近の研究

lage, Berlin, (1982), 172175.
( 5 ) K. Han, I. Ohnuma, K. Okuda and R. Kainuma: J. Alloys Compd., 737(2018), 490504.
( 6 ) D. M. Dimiduk, M. D. Uchic and T. A. Parthasarathy: Acta
Mater., 53(2005), 40654077.
( 7 ) M. D. Uchic, D. M. Dimiduk, J. N. Florando and W. D. Nix:
Science, 305(2004), 986989.
( 8 ) J. R. Greer and J. T. M. De Hosson: Prog. Mater Sci., 56(2011), 654724.
( 9 ) N. L. Okamoto, D. Kashioka, M. Inomoto, H. Inui, H. Takebayashi and S. Yamaguchi: Scripta Mater., 69(2013), 307
310.
(10) N. L. Okamoto, M. Inomoto, H. Adachi, H. Takebayashi and
H. Inui: Acta Mater., 65(2014), 229239.
(11) M. Inomoto, N. L. Okamoto and H. Inui: Mater. Res. Soc.
Symp. Proc., 1516(2013), 157162.
(12) M. Inomoto, N. L. Okamoto and H. Inui: Adv. Mater. Res., 922(2014), 264269.
(13) N. L. Okamoto, S. Michishita, Y. Hashizume and H. Inui: ISIJ
Int., 58(2018), in press.
(14) N. L. Okamoto, K. Tanaka, A. Yasuhara and H. Inui: Acta
Crystallogr. B, 70(2014), 275282.
(15) N. L. Okamoto, A. Yasuhara and H. Inui: Acta Mater., 81(2014), 345357.
(16) N. L. Okamoto, A. Yasuhara, K. Tanaka and H. Inui: Mater.
Res. Soc. Symp. Proc., 1760(2015), opl.2015.2010.
(17) N. L. Okamoto, H. Inui, A. Yasuhara and S. Yamaguchi: J.
Alloys Compd., 644(2015), 287296.
(18) N. L. Okamoto, M. Inomoto, H. Takebayashi and H. Inui: J.
Alloys Compd., 732(2018), 5263.
(19) C. H. E. Belin and R. C. H. Belin: J. Solid State Chem., 151(2000), 8595.

ま て り あ 第57巻 第 4 号(2018)Materia Japan(20) R. Belin, M. Tillard and L. Monconduit: Acta Crystallogr. C, 56(2000), 267
268.
(21) M. H. Hong and H. Saka: Scripta Mater., 36(1997), 1423
1429.
(22) P. Perrot, J. C. Tissier and J. Y. Dauphin: Z. Metallkd., 83(1992), 786
790.
(23) A. S. Koster and J. C. Schoone: Acta Crystallogr. B, 37(1981),
19051907.
(24) N. L. Okamoto, M. Inomoto and H. Inui: unpublished work.
(25) Y. Hashizume, N. L. Okamoto and H. Inui: unpublished work.
★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★
岡本範彦
2003年 9 月 日本学術振興会 特別研究員(DC1)
2006年 3 月 京都大学大学院工学研究科 博士後期課程修了 博士(工学)学位取得
2006年 4 月 日本学術振興会 特別研究員(PD)2006年 6 月 米国カリフォルニア大学デイヴィス校 博士研究員
2008年 2 月 京都大学大学院工学研究科材料工学専攻 助教
2017年 6 月～ 現職
専門分野金属物性，結晶塑性，結晶学◎金属や金属間化合物における結晶欠陥と物理・力学特性の相関解明に従事．

★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

岡本範彦

乾

晴行




動的析出強化を活用した自動車排気部品用耐熱フェライト系
ステンレス鋼(NSSC429NF，NSSC448EM)の開発裏話
濱

田

純

一

ニーズに応えるために素材メニューの拡充が必要になってき. 開 発 の 背 景

ました．

.

自動車のエンジンから発生する高温の排気ガスは，エキゾーストマニホールドで集められた後に各種の浄化装置や熱回収装置等を通りマフラーから車外に排出されます．排気ガス

開発の着眼点

熱疲労の経路となる排気部品に使用される材料には，耐熱性，耐食

過酷な高温環境に繰り返し曝されるエキゾーストマニホー

性，加工性および溶接性等の多様な特性が要求され，各部品

ルドやコンバーターにおいて最重要な耐久性能は，熱疲労で環境に応じて多種のステンレス鋼が適用されています．近年，

す．熱疲労とは，温度変化を受ける材料が自由膨張・収縮を

CO2 削減，熱効率や燃費の改善が進められていますが，ス妨げられるために繰り返し応力あるいは歪が発生し，ついにテンレス鋼も排気部品の素材として貢献しています．図には亀裂を生じて破損する現象です．自動車メーカーや部品メ

示すエンジン直下のエキゾーストマニホールドやその後に配ーカーでは車の開発段階において，冷熱耐久試験によって部置されるコンバーターは，高温の排気ガスに曝され，かつエ

品の信頼性や素材の評価が行われます．冷熱耐久試験は実際

ンジンの起動・停止や走行中の出力変動に伴い加熱と冷却をのエンジンを長時間作動させる加速試験であり，所定のサイ受けます．材料は高温環境に繰り返し曝されるため，国内でクル(寿命)を満足するか否かがポイントとなります．この試は耐熱性に優れたフェライト系ステンレス鋼が主に使用され

験は多くの時間と費用が掛かるため，開発負荷を減らすためています．この代表鋼は Nb により高温強化する SUS429系にも素材メーカーとしては車のエンジン環境に適合し，かつ(14CrNb)であり，より高耐熱性が必要な場合には Mo をオーバースペックにならない材料を提案する必要がありま

多量に添加した SUS444 系( 18 Cr 2 Mo Nb )が適用されす．素材メーカーで開発段階のエンジンを使った耐久試験をます． Nb や Mo は耐熱性や耐食性を向上させる極めて有益行うことは困難ですが，冷熱耐久試験環境に出来るだけ近いな元素ですが，レアメタルとして挙げられ価格変動性が大き

熱環境での素材の熱疲労評価が重要となります．当社ではい元素です．よって，上記元素を代替可能な新たなベースメ

株 と旧住友金属工業
株 のステンレス
2003 年に旧新日本製鐵

タルの抽出あるいは省合金化は，元素戦略上極めて重要で事業が統合した際，パイプを用いた高精度な熱疲労試験技術

す．また，排気ガスの高温化対策や薄肉・軽量化等の多様なを確立しました．実際の排気部品に使用される材料あるいは実験室で溶解・製造した材料の熱疲労試験を通じて，寿命に及ぼす合金元素の影響を把握しながら成分設計を行います．
一方，熱・歪サイクルを同時に受ける熱疲労過程において材
料内部は複雑に変化することが予想されます．この変化を冶金的に捉えて熱疲労損傷や寿命の支配因子を明確化すれば材料設計に反映出来るのではと考え，寿命に一喜一憂するだけ
でなく熱疲労過程における動的な組織変化を注意深く観察することにしました．


図1

開発鋼の主な適用対象となる自動車排気部品．

高温変形過程の動的組織変化

長寿命化のヒントを得るために種々の材料の熱疲労および新日鐵住金ステンレス株式会社上席研究員(〒7438550 光市島田3434)
Development of Heatresistant Ferritic Stainless Steels ``NSSC429NF'' and ``NSSC448EM'' Utilized Dynamic Precipitation Hardening
for Automotive Exhaust Systems; Junichi Hamada(Nippon Steel and Sumikin Stainless Steel Corporation, Hikari)
Keywords: ferritic stainless steel, heat resistance, thermal fatigue, automotive exhaust system, precipitation hardening, copper(まてりあ第56巻 1 号3335頁「新技術・新製品」掲載)
2018年 2 月13日受理[doi:10.2320/materia.57.176]



新技術・新製品裏話

高温変形過程の動的組織変化を研究する中で，母相組織の変ある寿命向上と優れた総合性能を示しつつ，SUS444系より化(1)とともに析出物の形態変化(2)に気づきました．耐熱フェも大幅に Mo を削減することに成功しました．また，両鋼とライト系ステンレス鋼の高温強化には固溶強化と析出強化がも Cr 量等が適正化されているため優れた耐酸化性を示すと提唱されていますが，析出強化は積極的に活用されていませともに，薄板一貫製造工程における金属組織(析出物，集合んでした．この理由は，高温で長時間曝される場合に析出物組織)制御を適正に行っているため成形性にも優れていまの成長・粗大化が生じて強化能が無くなると考えられるためす．これにより，部品のコンパクト化や複雑形状化にも対応です．本開発で活用した Cu の場合， Cu 粒子が析出する温可能な素材になっています． NSSC429NF は SUS429 系に度での高温強度は高くなりますが，長時間時効により Cu 粒

対 す る 省 Nb 化 ， NSSC448EM は SUS444 系 に 対 す る 省

子は棒状にオストワルド成長して強度低下が生じます．しかMo 化および SUS429系に対する薄肉・軽量化のメリットがしながら，熱疲労過程の Cu 粒子を詳細に観察した結果，通得られることから，国内外の自動車に搭載が進んでいます．

常の静的時効熱処理の場合と異なり，球状に微細析出して転今後も地球環境に優しいステンレス鋼として各種ニーズに貢位との相互作用が生じている事がわかりました．また，析出

献し続けると考えます．

強化能の理論計算から，熱疲労過程では動的析出強化が主体的に発現し得ると推定しました．次に何故熱疲労過程で Cu.

開発を振り返って粒子が球状微細化するのかという疑問が生じ，析出物の成長・粗大化や転位との相互作用に関する基礎研究を大学にも本開発によって自動車用耐熱フェライト系ステンレス鋼のご協力頂きました(2)(5) ．この中で高温変形過程の Cu 粒子

メニューが増え，多くのメリットを生み出すことが出来まし

形態の変化を電子顕微鏡内でその場観察した結果， Cu 粒子

た．排気部品用素材の選択肢が増えたことで様々な熱環境には分断・固溶・再析出を繰り返して球状微細形態となるモデ

応じた適材選定およびソリューション提案が更に重要になっルを構築しました(2)．長い間耐熱フェライト系ステンレス鋼てくると考えられます．著者はステンレス鋼の研究に従事すは Nb や Mo の固溶強化で設計されてきましたが，上記の基る中で，「何故その様な組織になったのかを金属の気持ちに

礎研究をベースに Cu の動的析出強化を積極的に活用し，必なって金属と会話しながら考えることが大切です．」という須元素とされてきたレアメタルを大幅に削減した 2 鋼種を

京都大学・牧正志名誉教授のお言葉(8)を大切にしています．

成分設計しました．

本開発の着眼点となった高温変形過程の動的組織変化の追及
は，何故壊れたかどの程度のダメージを受けたか過酷な.

開発鋼の特徴(6)(7)

熱疲労環境を耐える組織・合金制御は何かをステンレス鋼の気持ちになって考えてみようとした事が発端でした．温度図に Cu を主体的に活用した 2 つの開発鋼の位置づけをや歪が時間変化する複雑な熱疲労環境におけるステンレス鋼

示します． NSSC429NF は， SUS429 系が使用される温度の気持ちを十分理解出来ているとは言えませんが，継続的に



環境下で同等以上の耐熱性を有します．NSSC 448EM は，組織と向き合うことが次の新材料開発やソリューション提案

SUS429 系と SUS444 系の中間的な耐熱性を有するとともに繋がると確信しています．

に，使用が想定される高温域でも SUS429系に対して30以最後に本鋼の開発，実用化および拡販に際して，社内外の上の寿命向上を示します．従来は耐熱性向上のために 1 ～多くの方々にご尽力ならびにご協力頂きました．この場を借2の Mo 添加が常識的でしたが，熱疲労過程の母相組織のりて深くお礼申し上げます.

変化を追求する中で 0.3 程度の微量 Mo でも広範囲な温度環境で安定的に寿命向上する寄与することを知見しました．

文

献

これは微量の固溶 Mo が母相の回復・再結晶を遅延させる効果を通じて長寿命化に寄与していると推定され(1)，有意性が

図2

Cu を活用した 2 つの開発鋼の位置づけ．

ま て り あ 第57巻 第 4 号(2018)Materia Japan( 1 ) 濱田純一，森弘尚希，梶村治彦日本金属学会誌，81(2017),
527535.
( 2 ) 神野憲博，濱田純一，金子賢治鉄と鋼，103( 2017 ) , 539 
548.
( 3 ) S. Kobayashi, T. Takeda, K. Nakai, J. Hamada, N. Kanno and
T. Sakamoto: ISIJ Int., 51(2011), 657662.
( 4 ) S. Kobayashi, T. Takeda, T. Oe, J. Hamada, N. Kanno, Y.
Inoue, K. Nakai and T. Sakamoto: ISIJ Int., 54(2014), 1697
1704.
( 5 ) 小林周平，金子賢治，山田和広，菊池正夫，神野憲博，濱田純一鉄と鋼，101(2015), 315318.
( 6 ) 濱田純一，林篤剛，神野憲博，小森唯志，伊藤宏治，福田望，井上宜治まてりあ，56(2017), 3335.
( 7 ) J. Hamada, N. Kanno, A. Hayashi, N. Hiraide, M. Abe, K.
Nishimura, C. Takushima, A. Yakawa and F. Fudanoki: Proc.
of 9th European Stainless Steel Conference, AIM, Milano,(2017), CDROM.
( 8 ) 牧 正志新日鉄技報，391(2011), 1114.



高校生を含めたポスターセッションの試み～第回「若手フォーラム」報告～
岡山大学准教授竹 元 嘉 利
岡山理科大学教授清 水 一 郎

岡山理科大学名誉教授金 谷 輝 人

2018 年 2 月 17 日(土)に岡山市のピュアリティまきびにてッションも急きょ 3 部構成に編成し直すことで，なんとか

日本金属学会・日本鉄鋼協会中国四国支部主催の第 40 回対応することができました．ご遠慮いただいた件数も含める「若手フォーラム」を開催しました．このフォーラムは元々と申し込みは60件を越えていました．

「若手研究者・技術者支援研究会」という名前で2000年頃か

結局 53 件の内，高校からの申し込みは 12 件でした．次はら行われ， 2003 年よりこれを引き継ぐ形で「若手フォーラ

参加者がどれくらい集まるのかも不安材料となりました．会ム」と改名され，現在に至っています．例年，2 月中旬の金

場は机・イス形式で72名，イスのみで120名収容できる広さ

曜日に岡山地区で実施され，午前中に学部生や院生，若手研で，例年の参加者数(約 50 名)であれば全く問題はありませ

究者による講演を 2, 3 件行い，午後から 30 件程度のポスタん．しかし，当日は午前の講演の部で既に 70 名を越え，用ーセッションを前半と後半に分けて行うスタイルで，参加者意した印刷資料も足りなくなりました．最終的には107名のは約 50 名で定着していました．一方，以前より日本金属学

参加者があり，例年の倍以上の規模となりました．なお，高会では，高校生の理科離れを危惧し，なんとかして高校生に校からの参加者は教員も含めて 43 名でした．高校生の発表

金属材料や鉄鋼材料に興味を持ってもらう方策を模索していは，発表者が 1 名だけのものもありましたが，複数人で発ました．これを受けて， 2017 年度支部の幹事会で高校との表を担当するスタイルが多かったです．以前よりポスターの連携について議論し，若手フォーラムを高校生の発表の場とテーマはフリーとしており，高校生の発表では生物や化学，しても提供し，SSH 校(スーパー・サイエンス・ハイスクー
ル)を手始めとしてポスター発表の募集をすることになりま

表1

した．

高校生のポスター発表．

1

チリメンモンスターから見た海の 岡山県立玉野高等学校
環境20172

ラピスラズリを用いたネイル素材
岡山県立玉野高等学校の開発

3

酸化物高温超伝導体の短時間合成 岡山県立玉野高等学校
方法の開発

4

LM ガイドを用いた X Y 黒板ク 岡山県立玉野高等学校
リーナーの開発

5

備前焼における胡麻及の形成過程 岡山県立玉野高等学校
に関する研究6

澱粉の糊化に及ぼす添加剤の影響 岡山県立岡山一宮高等学校

7

文字型構造物に関する研究

岡山県立岡山一宮高等学校を期待してポスターの申し込みの締切りをギリギリの 1 週

8

環境からの放射性 Sr 除去

岡山県立岡山一宮高等学校

間前としていましたが，締切り期日が近づくにつれ，どんど

9

ローズマリー抽出液による若返り 清心女子高等学校
効果の検証

しかし，いざ始めてみると，高校へのアナウンスをどのようにすればよいのか本当に応募してくれるのかなど分からないことや不安だらけでした．高校の校長先生に手紙を出してもなかなか返答は得られず，途方に暮れていたところ，支部幹事の方々を通じて高校の理科教員ネットワークでフォーラムの案内をしていただけることになりました．そうすると，思った以上に高校からの問い合わせがあり，「中等部からの発表でも良いか」，「たくさんの生徒が発表したいと言っているが，何件まで申し込めるのか」「ポスターの他に製作物を持ち込みたいが大丈夫か」といった具合で，高校側は大変意欲的であると感じました．例年，より多くの応募

んと申し込みが増加し，逆にポスターが貼れるスペースが足りなくなる恐れが出はじめました．今回使用した会場は例年とは別の会場であったため，勝手がよく分からないところがあり，1 回のセッションで20件まではポスターが貼れるのは分かっていましたが，あっという間に 40 件を越えたため，
53 件のところでご遠慮いただくことにしました．そしてセ

10 ステンレスの不思議な性質

清心女子高等学校

ギムネマと緑茶が保有するメラニ
11 ン生成阻害，抗糖化活性と相互作 清心女子高等学校
用
キルヒホッフの法則のための立体
岡山理科大学附属高等学校
12 回路模型製作

トピックス

図1

ポスターセッションの風景．(a)大学生の発表にも興味津々です．(b)高校生の説明風景．(c)工夫を凝らした製作物もありました．(d)認定証授与の様子．

食品の内容が多いだろうと予想していましたが，表に示す

ムへ参加した方も多かったようです．また高校生の発表に対ように材料力学や，ステンレス，超伝導体，セラミックスな

しては，支部より認定証を発行し授与したことも，高校生のどに関するテーマも含まれており，少々驚きました．セッシ

モチベーションを高めたと思われます．来年度も同様のスタ

ョンを 3 部構成にしたため，単純にポスターの 2 倍以上のイルで「若手フォーラム」を実施する予定(2019年 2 月16日

聴講者があり，特に高校生のポスターエリアには終始人だか(土))ですが，恐らくクチコミなどにより高校からの申し込りが絶えない状態でした．また会場の熱気はもの凄く，冬だ

みはさらに増えると思われます．今回のフォーラムにおけるというのに冷房を最強にしても室温が下がらず，上着を脱い反省・改善を踏まえると，来年度は 65 件程度までのポスタでの聴講者も出る程でした(図)．

ーを実施でき，締切りをもう少し早めることで学会のホーム

今回，初の高校生を含めたポスターセッションの試みでしたが，2 月が高校の年度末に近いことで，かなり研究成果がまとまっている時期であり，フォーラムを土曜日に開催したため，高校生が参加しやすくなり多数の発表件数および参加

ページにポスタープログラムの掲載も可能になると考えています．
最後に新しい試みにもかかわらずご協力いただいた関係者の皆様に厚く御礼申し上げます．

者数を得られたと思われます．それでも高校によっては午前(2018年 2 月21日受理)[doi:10.2320/materia.57.178]

中に補習授業が入っているところもあり，補習後にフォーラ(連絡先〒7008530 岡山市北区津島 311)

ま て り あ 第57巻 第 4 号(2018)Materia Japan東北大学大学院工学研究科
材料システム工学専攻 生体材料
システム学講座 生体機能材料学分野
東北大学教授

山本雅哉

図1

山本研究室のメンバー (筆者(前列右から 3 番目)，森本展行准教授(前列左から 3 番目)，最上譲二助教(前列左から 2 番目))．

東北大学に着任して早々に研究室紹介の機会に恵まれた．
本稿では，昨年 4 月よりスタートした，東北大学大学院工料，生体組織―材料の界面など，材料には様々な微小空間が学研究科

生体材料システム学講座

ある．われわれは，この微小空間の理解とシステム化とを通生体機能材料学分野について紹介させて頂きたい．お察しのじて，新しい生体機能材料，ならびに有機・無機ハイブリッ

通り，スタートしたばかりの研究室では，良くも悪くも研究

ド材料の創製を目指している．例えば，ポリマーナノ粒子やテーマおよび研究室メンバー(図)ともに極めてフレッシュ

セルロースナノファイバーなどのナノ材料，あるいは核酸なである．色んな意味でご紹介できることが“フレッシュ”でどの生体分子からなるソフトマターと無機材料とのナノハイあることをご了承願いたい．

ブリッド化に関する実験的・物理化学的な基礎研究を行って材料システム工学専攻

山本研究室では，生体機能材料に関して，「生体内で機能する材料」ならびに「生体機能を模倣した材料」という二つの観点から研究を進めている．生体機能材料は，医療応用，

いる．



再生医療や疾患研究のための生体機能材料

医歯薬学研究のみならず，複合材料，有機・無機ハイブリッ

再生医療は，体内に存在する細胞の自己修復能を高め，治ド材料，バイオミメティック材料など，様々な用途への応用

療する方法論である．再生医療には，少なくとも二つの方法が期待されている．

がある．一つは，体外で細胞を加工して体内へ戻す方法であ山本研究室で扱う研究テーマの出口イメージは，生体材る．もう一つは，体内の細胞を直接活性化する方法である．

料，再生医療，ドラッグデリバリーシステム，あるいはその前者では，細胞培養技術や細胞を立体的に配置する技術が必

他の機能材料である．恩師・筏義人先生(京都大学名誉教授)

要となる．後者では，細胞を活性化するためのタンパク質なの教えの通り，“教科書に記載されるような基礎研究，あるどを効率よく細胞へ作用させるドラッグデリバリー技術が利いは実際に役立つ応用研究をやりなさい．中途半端は一番よ用されている．われわれは，主として，生体機能性ハイドロ

くない．”をモットーに，研究に取り組みたいと考えている．

ゲルを用いて，これらの課題に取り組んでいる．また，体外

具体的には，高分子を中心とした，ソフトマターの材料科学

で生体組織を立体構築する Tissue Engineering の技術を活に基づき，種々の生体機能材料の創製，ならびにその応用展

用して，ガンや線維症などの疾患研究のための体外疾患モデ開を目指して，以下の研究テーマに取り組んでいる．

ルの構築を目指している．



生体分子環境の理解と設計

生体組織，あるいは細胞表面に存在している生体分子を活

刺激応答性高分子合成とその細胞内ドラッグデリバリ
ーシステムなどへの応用用するために，それらの生体分子の状態を計算機化学や分光

スルホベタインポリマーなど，様々な刺激に対して応答す学的手法を用いて理解するとともに，それらの知見を活用しる高分子を用いて，自己組織化ナノ粒子を創製し，細胞内ドて，生体分子をシステム化した生体機能材料の創製を行ってラッグデリバリーシステムとして，ナノバイオ分野へ展開しいる．具体的には，分子クラウディングなど，分子夾雑状態ている．細胞内ドラッグデリバリーシステムに加えて，刺激における生体分子周囲の水分子の振る舞いを計算機化学の手応答性高分子の生体機能材料としての応用展開を行っている．

法を用いて解析している．さらに，この計算機化学に基づいた水分子の振る舞いを理解するための材料開発ならびにその以上のように，山本研究室では，生体分子，細胞，生体組応用展開を行っている．一方，計算機化学に加えて，ラマン

織，機能性高分子など，様々なソフトマターをシステム化す

分光などの分光学的手法を利用して，生体組織や再生組織中ることによって，生体機能材料の創製を目指している．このに存在する生体機能物質の同定とその機能解析に関する実験

生体機能材料に関する研究を通じて，医療の発展に寄与した的・物理化学的な基礎研究も行っている．

いと考えている．このためには尚一層の異分野融合研究が必

ナノ空間設計要である．今後とも，皆様のご指導ご鞭撻を賜りますよう，
よろしくお願い申し上げます．

タンパク質や核酸などの生体分子，あるいはナノカプセ(2018年 2 月16日受理)[doi:10.2320/materia.57.180]

ル，マイクロカプセルなどに加えて，材料―材料，細胞―材(連絡先〒9808579 仙台市青葉区荒巻字青葉 66
02)



研究室紹介

日本金属学会「水素エネル
ギー材料に関する講演会」
および「第 4 回水素化物に関わる次世代学術・応用展
開研究会」開催報告(2017年10月11～13日)
琉球大学理学部海洋自然科学科化学系助教

中川鉄水

図1

研究会の様子．

たと感じた．ポスターセッション終了後もこの熱気が冷めず，夜半まで熱い議論が交わされて初日は終了した．
二日目も午前・午後と引き続き興味深い講演と活発な議論が交わされ，盛況なまま会は終了した．最後に若手研究者表彰の発表があり，8 名の受賞者があった．本研究会は若手の支援にも積極的で，受賞候補者は基本的に 40 歳以下の若手

2017 年 11 月 16 ， 17 日に沖縄産業支援センターにおいてに絞られている．そのため学生の受賞者が多く，今回の受賞「水素エネルギー材料に関する講演会」(日本金属学会第 1者 の うち 7 名が 学 生 であ っ た ．特 筆 す べき は 兵庫 県 立 大分科主催)および日本金属学会研究会「第 4 回水素化物に関

学・量子科学技術研究開発機構の学生 3 名が全員受賞し，わる次世代学術・応用展開研究会」が開催された．本講演

そのうち 1 名は最優秀賞であった．受賞コメントからも同会・研究会は沖縄の同一会場で連続して行うことと，鉄鋼協グループが普段から学生同士切磋琢磨し，高い意識レベルで会で活躍されている研究者を講師に招聘したこともあり，総研究している様子が垣間見えた．もちろん他にも良い発表を勢67名と過去最高の参加者数であった(図)．

する学生が多く，しっかりとした受け答えをしてベテラン研16 日午前中の講演会には秋山英二教授(東北大)，小山元

究者とも議論を交わす一幕もあり，全体的な学生の質も上が道助教(九州大)，大村朋彦博士(新日鐵住金)を招聘し，水素っているのではと感じた．そのため審査員の皆様は審査が難脆化や金属中の拡散の可視化，鉄鋼製品開発の最前線についしかったのではないかと推察する(図)．

て講演をいただいた．参加者の多くの専門分野である水素貯
蔵や透過材料は，水素脆化という水素の侵入を防ぐことを目的とした研究とは真逆の分野ではある．しかし両分野は物質中の水素の挙動という同一現象を別視点から扱っていることから，講演後の質疑応答では活発かつ深い議論がなされた．
意見交換会では鉄鋼協会と金属学会の水素関連研究者グルー
プ同士の今後の連携や，学会当日にセッションが重なる問題を解決する方法を模索した．また，近年金属学会の会員数が減ってきていることにも触れ，水素分野から金属学会・日本鉄鋼協会を盛り上げていきたいと話し結束を固めた．

図2

受賞者と世話人(表彰式にて)．

続いて16日午後から17日午後にかけて，「水素化物に関わる次世代学術・応用展開研究会」が開催された．午前中に開上記のように研究会は成功を収めた中で，最後に運営の内催された講演会の講師の方々にも同研究会に参加していただ

幕を少し述べておく．今回はまだ「若手」の部類に入る筆者

き，鉄鋼協会側の視点で多くの有益な質問をいただいた．まが会場世話人として研究会運営を携わらせていただいたが，た，磁性や燃料電池関係，地球惑星科学など新たな分野から会場世話人に抜擢していただいた折茂教授(東北大)と，様々の参加もあり，新鮮な発表や意見・質問が多数あった．それな面でサポートしていただいた亀川教授(室蘭工大)および中だけでなく常連の参加者も，普段の学会では議論できないよ

村総括研究主幹(産総研)には特段の感謝の意を示したい．今うな鋭く切り込んだ質問・議論があり，非常に刺激のあるも回私は会場関係だけの業務であったにも関わらず皆様にご心のとなった．例えば本研究会の名称にもあるように，学術と配をおかけした場面もあり，まだまだ人として未熟な面が多応用のバランスをどうとるのかというところも議論の焦点にいと感じた研究会であった．それにも関わらず多数の参加者なる幕もあった．

に恵まれ，盛況のうちに終われたのは，参加者に加えて折茂

ポスターセッションでは 30 件の発表があり，水素吸蔵合

先生をはじめ運営をサポートして下さった皆様のお蔭である

金から水素透過膜，錯体系水素化物や電気化学，さらには地と強く感じるところである．まさに世の中は「人」で成り立

球惑星科学などバリエーションに富んだ発表があった．そのっているということを再認識し，これからも人のために役立分議論も様々で，分野外の研究者からの異なる視点での質問っていければと決意を新たにしてここに筆を置かせていただ

も飛び交い，非常に活気があるセッションであった．特に学く．

生にとってはなかなかこのような異分野との交流機会が無い(2018年 2 月 8 日受理)[doi:10.2320/materia.57.181]

ため，今後様々な分野で活躍する人材として良い経験になっ(連絡先〒903
0213 沖縄県中頭郡西原町千原 1)

ま て り あ 第57巻 第 4 号(2018)Materia Japan




本
会

告

会

記

事

第82回定時社員総会開催案内 …………………………………182
2018年春期講演大会講演概要集 DVD の販売について ……182
第60回技術賞，第77回功績賞，第58回谷川・ハリス賞，
第25回増本量賞，候補者推薦依頼 …………………………182
第50回研究技術功労賞受賞候補者の推薦依頼 ………………183
2018年秋期講演大会の外国人特別講演および招待講演募集…………………………………………………………………184
日本金属学会主催国際会議企画提案募集 ……………………184
若手研究グループ集会 …………………………………………184
欧文誌・会誌編集委員会からのお知らせ ……………………185

掲示板 ……………………………186 次号予告 …………………………188
新入会員 …………………………186 行事カレンダー …………………189
会誌・欧文誌 4 号目次 …………187
ご連絡先住所変更等の手続きは，本会ホームページ 会員マイページ からできます．
ご登録の Email アドレスなど定期的なご確認をお願いいたします．

会

告(ホームページもご参照下さい)

事務局 渉 外 ・ 国 際 関 係secgnl＠jim.or.jp
会員サービス全般account＠jim.or.jp
会費・各種支払member＠jim.or.jp
刊 行 物 申 込 みordering＠jim.or.jp
セミナーシンポジウム参加申込みmeeting＠jim.or.jp
講 演 大 会annualm＠jim.or.jp
総 務 ・ 各 種 賞gaffair＠jim.or.jp
学術情報サービス全般secgnl＠jim.or.jp
分
科会stevent＠jim.or.jp
まてりあ・広告materia＠jim.or.jp
会 誌 ・ 欧 文 誌editjt＠jim.or.jp
公益社団法人日本金属学会
〒


 仙台市青葉区一番町


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 FAX 





TEL 
http://jim.or.jp/

第回技術賞，第回功績賞，第回谷川・ハリス賞，
第
回増本量賞，候補者推薦依頼

第
回定時社員総会開催案内～Web フォームによる推薦になりました～

第82回定時社員総会を下記の通り開催いたします．

技術賞，功績賞，谷川・ハリス賞，増本量賞の各受賞候補者の推社員総会の構成員は定款上の社員である「役員と代議員」となり薦をお願いいたします．本会では多数の優秀な候補者を表彰し奨学ます．

に資したいという考えから，広く一般会員からの推薦(3 名以上連
日時2018年 4 月23日(月) 1300～1345

名の正員)を求めております．下記要領により積極的にご推薦下さ場所エッサム神田ホール 1 号館(東京都千代田区神田鍛冶町 322)

い．＊候補者本人による推薦書の提出は認めておりません．

報告事項

推薦を求める賞(2019年 3 月に授賞予定)
技術賞(第回)功績

1.

平成29年度事業報告および事業報告の附属明細書の報告の件

谷川・ハリス賞(第回)
協議事項

本

推薦締切

年月日(月)各賞共通 

第 1 号議案
第 2 号議案

平成29年度決算承認の件
平成30, 31年度代議員及び補欠代議員承認の件

候 補 者

各賞共通

第 3 号議案

平成30, 31年度理事及び補欠理事一括選任承認の件

推薦資格

各賞共通

第 4 号議案

平成30, 31年度理事及び補欠理事選任の件

第 5 号議案

平成30, 31年度監事選任の件

推薦方法

第 6 号議案

定款改訂の件

問 合 先

問合先

増

賞(第回)
量

賞(第
回)

個人を対象とします．
本会社員(代議員)または，3 名以上正員連名による推薦

URL のフォームによる推薦内容を入力して下さい．
〒9808544 仙台市青葉区一番町 114
32(公社)日本金属学会 各種賞係

FAX 0222236312%(公社)日本金属学会

 022
2233685

 022223
3685

Email: award＠jim.or.jp

Email: gaffair＠jim.or.jp年春期講演大会講演概要集 DVD の販売について■第回技術賞

推薦要領

推薦締切 
年月日(月)2018年春期講演大会の概要集 DVD を販売いたします．
ご購入希望の方は下記要領をご記入の上， E mail または FAX で推薦者

本会社員(代議員)または 3 名以上連名の正員

推薦数

お申し込み下さい．

主1 名の推薦者が推薦出来る候補者数は，1 名．
工業技術の改良進歩などに大きな業績を残された方を選ん

 件名「
年春期講演大会講演概要集 DVD 購入申込」，◯

候補者の対象 申込者氏名，◯
 会員資格(会員の場合会員番号併記)，◯
 申込数，◯

推薦方法

旨で本賞を贈りその功労に報いんとするものであります．

 送付先住所◯.

請求書を添えて送付いたします．ホームページに申込書があります．

本賞は個人の業績を対象といたします．

推薦フォーム推薦者資格を選択する．
入力項目は，全て必須．

会員価本体4,000円＋税 定価本体10,000円＋税 送料360円

最終学歴卒業年次および学校名(学部名)を入力，また，大学院修了者は修了年次と大学名も併せて入力する．

申込先Email: member＠jim.or.jp

FAX 0222236312%

候補者略歴は10行以内で入力する．
業績主題を入力する．
.



業績の大要と推薦理由1,000字以内にまとめ，入力する．

本 会 記 事.

論文リストおよび特許リスト■第回増本量賞

論文リストは，特に主要な論文を「原著論文」「解説論文」

年月日(月)推薦締切 

「国際会議論文」に分別し，論文題目，発表誌名，巻号頁共推薦者

本会社員(代議員)または，3 名以上連名の正員

著者を入力する．特許リストを入力する．

推薦数

1 名の推薦者が推薦出来る候補者数は，1 名．
｢機能材料」分野で新 KS 鋼，センダスト，ハードパーム，

推薦 URLgijutsushou.jim.or.jp/entry

主

旨

推薦要領

アルフェル，超不変鋼，コエリンバー等幾多の卓越した新
■第
回功績賞

推薦要領

素材の発明発見ならびに貴重な研究業績を残された，増本

年月日(月)推薦締切 

量博士のご功績を永遠に記念し，我が国の金属学界ならび本会社員(代議員)または，3 名以上連名の正員

推薦者

1 名の推薦者が推薦出来る候補者数は，1 部門につき 1 名．
旨 金属・材料工学ならびに関連分野の進歩発達に寄与する有に産業界の進歩発展を熱望された，博士の意志に応えるた

推薦数
主め「増本量賞」を創設した．
候補者の対象は技術の進歩発展に貢献した方．

な新進気鋭の研究者，技術者に授賞するものです．工業技術部門を除いて，受賞対象者には年齢制限が設けられてお推薦フォーム

物性，組織，力学特性，材料化学，材料プロセシング，

推薦者資格を選択する．

工業材料，工業技術の 7 部門から選び，応募部門を選

入力項目は，全て必須．

択下さい．(部門別に選考いたします)最終学歴卒業年次および学校名(学部名)を入力，また，大学院

候補者の対象｢工業技術」部門を除いて受賞年度の年月

日時点で歳以下の方
推薦方法
.

推薦方法
.

ります．
応募部門

機能材料分野で卓越した新素材の発明発見ならびに貴重な研究業績を残され，同分野に関する学理また益な論文を発表したもので，しかも将来を約束されるよう修了者は修了年次と大学名も併せて入力する．
候補者略歴は10行以内で入力する．
業績主題を入力する．

推薦フォーム.

推薦者資格を選択する．

.

業績の大要と推薦理由1,000字以内にまとめ，入力する．
論文リスト特に主要な論文を「原著論文」「解説論文」「国際会議論文」に分別し，計 20 編以内を選び，論文題目，発表誌名，巻号頁共著者を入力する．

入力項目は，全て必須．
応募部門7 部門から該当する部門を選択する．
最終学歴卒業年次および学校名(学部名)を入力，また，大学院

推薦 URLmasumoto.jim.or.jp/entry

修了者は修了年次と大学名も併せて入力する．
候補者略歴は10行以内で入力する．
業績主題を入力する．
.
.

第
回研究技術功労賞受賞候補者の推薦依頼

業績の大要と推薦理由1,000字以内にまとめ，入力する．
論文リスト特に主要な論文を「原著論文」「解説論文」「国

代議員の推薦締切日年月日(月)際会議論文」に分別し，計 15 編以内を選び，論文題目，発推薦者本会社員(代議員)または支部長

年月日(火)支部長の推薦締切日

表誌名，巻号頁，共著者を入力する．
推薦 URLkouseki.jim.or.jp/entry

主旨
学校，研究所または工場など現場において，多年にわたり卓越し■回谷川・ハリス賞

推薦要領

年月日(月)推薦締切 

た技術により金属の試験および研究上欠くことが出来ない装置の制作，試料調整，測定および分析などを通じて他の方々の研究成果に推薦者

本会社員(代議員)または，3 名以上連名の正員大いに貢献したいわゆる「かげの功労者」を選んで本賞を贈り，そ

推薦数

1 名の推薦者が推薦出来る候補者数は，1 名．

の功労に報いんとするものである．

主本賞は次の各項に該当する業績で高温における金属学の基候補者の対象礎的分野または工業技術分野の発展に貢献した方，対象と旨○

鉄鋼・非鉄金属の製錬通算30年以上実務に従事した方．
受賞時期(2019年春期講演大会)において50歳以上の方．
研究遂行上「かげの功労者」として多年にわたり功績著しい方．

○

金属材料の熱処理に関連する研究「かげの功労者」とは，金属の試験および研究上欠くべからざる○

金属および非金属の耐熱材料に関する研究

装置の製作，試料の調整，測定および分析などを通じて研究者の○その他高温における金属学に関する工業的あるいは基なる業績は研究成果の頂点または集積のいずれでも可．

礎的研究管理職(民間企業および行政職の公務員では「課長」以上)でない

推薦方法
.

研究成果に大いに貢献した方．
企業体において経営者およびそれに準じない人．

推薦フォーム推薦者資格を選択する．

人が望ましいが，管理職の場合には事情説明書を添付する．
提出書類

入力項目は，全て必須．

 推薦書候補者の要件をチェックの上，推薦下さい．
◯

最終学歴卒業年次および学校名(学部名)を入力，また，大学院

 推薦理由ならびに実務における功労◯

候補者略歴は10行以内で入力する．

A4 版 1 頁(700字～1,000字程度)にまとめ，別紙として下さい．
送信方法

業績主題を入力する．

 E mail の場合 gaffair ＠ jim.or.jp あてに「研究技術功労賞候補

修了者は修了年次と大学名も併せて入力する．

.

業績の大要と推薦理由1,000字以内にまとめ，入力する．

.

論文リスト特に主要な論文を「原著論文」「解説論文」「国者推薦」と明記の上，Word 添付書類で送信下さい．
問合先(公社)日本金属学会 各種賞係

FAX 0222236312%

際会議論文」に分別し，計 20 編以内を選び，論文題目，発 0222233685

表誌名，巻号頁共著者を入力する．

Email: gaffair＠jim.or.jp

推薦 URL

tanikawaharris.jim.or.jp/entry

ま て り あ 第57巻 第 4 号(2018)Materia Japan

若手研究グループ集会


年秋期講演大会の外国人特別講演および招待講演募集若手研究グループ No.03
特別講演

第回若手研究グループ「多様な先端観察・測定法を用いた組織の定量と力学特性解析への適用」

講演者著名な外国人研究者とする．
講演時間30分(討論10分)
採択件数3～4 件
滞在費補助10,000円
その他大会参加費免除，懇親会招待

現在，各種先端観察・測定法が開発され，それぞれの分野でさらなる高度化とその適用範囲の拡大が進められている．本研究会で招待講演
講演者有益な講演が期待される国内に滞在する外国人研究者

は，構造用材料に対して各手法を相補的に適用する為の基礎指針の講演時間15分(討論 5 分)確立を目的に，具体例の紹介と検討を行います．参加ご希望の方は

採択件数5 件程度

下記までお申込み下さい．

滞在費補助なし
その他講演大会参加費免除
推薦用紙日

日(金)～ (受付開始)時 年月

場

所

所定様式(ホームページからダウンロードして下さい．）により，弘前大学理工学部 1 号館 3 階 第 5 講義室(306号室)(〒0368561 弘前市文京町 3)

下記メールアドレス宛に「外国人特別講演推薦」と明記し，書類をプログラム添付の上送信して下さい．送信後 2～3 日過ぎても受理メールの無―14 : 00～14 : 10―

い場合はお問合せ下さい．




日(木)
推薦書提出期日 年月

―14 : 10～14 : 50―

推薦書提出先

日本金属学会

国際学術交流委員会宛

研究会の紹介
招待講演

問合先Email: gaffair＠jim.or.jp
 022223
3685

詳

まてりあ57巻 3 号127頁―15 : 00～16 : 00―

ホームページ講演大会→2018年秋期講演大会のご案内

細金沢大理工 宮嶋陽司
座長 宮嶋陽司

ミルフィーユ構造のキンク形成と力学特性―これまでの研究とこれからへの期待―(40)

東工大物質理工 藤居俊之

座長 紙川尚也

精密電気抵抗率測定と高精度熱分析を用いた格子欠陥の定量(20)

日本金属学会主催国際会議企画提案募集
提案締切日 年月
日(木)
提案要項




金沢大理工 宮嶋陽司

放射光白色 X 線を用いたエネルギー分散型 X 線回折法による局所応力分布評価(20)

東工大物質理工 宮澤知孝

超高圧電子顕微鏡を用いた転位組織の観察(20)

下記事項を記載した文書( A 判)をもって，本会会長宛に申請して下さい．

新日鐵住金 首藤洋志
―16 : 10～16 : 50―

 会議の名称(和文名・英文名)，
 会期，
 開催地・会場予定，


座長 宮澤知孝

極低炭素鋼におけるリューダース変形の定量解析(20)

デジタル画像相関法によるひずみ分布の可視化(20) 会議の目的・特徴， 日本開催の経緯と意義，
 計画概要， 提案(連絡)責任者(氏準備委員会委員(氏名・所属・役職)，

弘前大理工 紙川尚也

名・所属・役職・住所・電話・Email)
問合先(公社)日本金属学会

詳Email: gaffair＠jim.or.jp
まてりあ57巻 3 号127頁

細横浜国大工 古賀紀光

国際会議募集係
 0222233685―17 : 00～18 : 00―

座長 宮嶋陽司

微細組織制御のための中性子回折手法開発(20)

耐熱合金のクリープ変形の測定と定量的組織観察(20)結晶塑性モデルの構築(20)茨城大理工 小貫祐介

ホームページ行事の案内→国際会議

九大総理工 山o重人
―18 : 10～19 : 30―

企画責任者

九大工 奥山彫夢

総合討論

宮嶋陽司(金沢大)，宮澤知孝(東工大)，
紙川尚也(弘前大)

参加費

無料

申込・問合先月日(金)までに Email にて氏名・所属・電話番号・メールアドレスを明記の上，お申し込み下
さい．

◇

◇

◇

東京工業大学物質理工学 宮澤知孝

Email: miyazawa.t.ab＠m.titech.ac.jp

◇



◇

◇

本 会 記 事

特集企画の投稿募集■Titanium production by molten salt electrochemical process(溶融塩電解によるチタン製造の新展開)

特集企画の投稿募集■超伝導材料最前線 ―実用化に向けた組織制御技術の進歩―(The Front Line of Superconducting Materials Ad-

第 6 回溶融塩によるチタン製錬国際円卓会議(アイスランド， 6vances in Organizational Control Techniques toward PracticalUse)

月 10 13 日)の開催を契機に，溶融塩中での電気化学的な方法によるチタンの新製錬法がさらに深化しているので，これらを俯瞰する

超伝導材料は低温，強磁場中で電気抵抗ゼロという重要な性質を解説記事と，研究最前線の関連論文を収録する．チタン以外の酸化持つため，医療用 MRI や 素粒子加速器，あるいは磁気浮上列車，

物からの直接製錬や，溶融塩を用いないでチタンを製造する新しい等々において広く応用されている．超伝導材料開発の歴史は長く，方法やチタンのリサイクル方法なども関連分野として論文の投稿をその応用範囲を広げるため，物理的・化学的・工学的な試みが世界期待する．

各国で継続的に続けられてきた．現在では，実用材料である金属系
超伝導体( NbTi 合金， Nb3Sn 化合物)に加えて， Bi 系銅酸化物

上記テーマに関する特集を， Materials Transactions 60 巻 3 号( 2019 年 3 月発行)に予定しております．多数ご投稿下さいますよ( 1988 年発見)や希土類系銅酸化物 REBCO ( 1987 年発見)の高温超伝導体，MgB2 超伝導体(2001年発見)，および鉄系超伝導体(2008

うお願いいたします．

年発見)が実用化競争に参列してきている．特に，高温超伝導体は発見後すでに 30 年以上が経過し，冷凍機技術の進歩も相まって，

掲載予定号第60巻第 3 号(2019年)

強磁場発生コイルからモーター，ケーブル等の幅広い応用展開が進

原稿締切日2018年 9 月 3 日

んでいる．一方， MgB2 は組成がシンプル，鉄系超伝導体は異方性が小さい，という長所があり，それぞれの特徴を活かした実用化

投稿に際しては，日本金属学会欧文誌投稿の手引・執筆要領(本会 Web ページ)に従うこと．
通常の投稿論文と同様の審査過程を経て，編集委員会で採否を決定する．

研究も並行して行われている．最近では，超伝導永久電流モードに不可欠な超伝導体同士の接続や従来の Nb3Sn の特性向上においてもスポットが当てられ，新たな展開も起こりつつある．超伝導状態の上限を定める臨界温度と臨界磁場は物質固有の性質であるため結著者は，投稿・掲載費用をご負担願います．(別刷 50 部寄贈)．

晶構造や原子の配列状態に起因するが，実用上最も重要なパラメータである臨界電流は材料組織に強く依存している．そのため，超伝導体の種類を問わず，臨界電流の向上においては金属学分野におけ問合せ先(公社)日本金属学会

欧文誌編集委員会

る組織制御技術の知見が大変重要である．これまで日本金属学会誌〒980
8544 仙台市青葉区一番町 11432

では， 2000 年代に入ってすでに 4 回の超伝導材料に関する特集が組まれ，着実な超伝導材料研究の進歩が報告されてきた．本特集に

 0222233685

FAX 0222236312%

Email: editjt＠jim.or.jp

おいても材料組織制御の観点から「超伝導材料の最前線」にせまり，

http://jim.or.jp/

実用化を加速するための一助としたい．
上記テーマに関する特集を，日本金属学会誌 83 巻 9 号( 2019 年月発行)に予定しております．多数ご投稿下さいますようお願い
9
いたします．
掲載予定号第83巻第 9 号(2019年)
原稿締切日2019年 3 月 1 日
投稿に際しては，日本金属学会誌投稿の手引・執筆要領(本会 Web ページ)に従うこと．
通常の投稿論文と同様の審査過程を経て，編集委員会で採否を決定する．

◇

◇

◇

問合せ先

(公社)日本金属学会誌編集委員会〒9808544 仙台市青葉区一番町 11432
 022
2233685

FAX 0222236312%

Email: editjt＠jim.or.jp
http://jim.or.jp/

ま て り あ 第57巻 第 4 号(2018)Materia Japan




.

〈公募類記事〉
無料掲載募集人員，締切日，問合先のみ掲載．
有料掲載1/4頁(700～800文字)程度．
「まてりあ」とホームページに掲載15,000円＋税ホームページのみ掲載
10,000円＋税〈その他の記事〉 原則として有料掲載．
原稿締切・掲載号毎月 1 日締切で翌月号 1 回掲載
原稿提出方法電子メールと FAX 両方(受け取りメールの確認をして下さい)原稿送信先%FAX 0222236312 Email : materia＠jim.or.jp◇第回本多記念賞，第回本多フロンティア賞
及び第回本多記念研究奨励賞受賞者◇
公益財団法人

本多記念会

第回本多記念研究奨励賞(褒賞金各万円)

受賞対象研究

多孔質金属を用いて作製した 2 次元グラフェンの特徴を良く維持した 3 次元グラフェンによる応用研究の開拓

氏

名

博士(理学)

現職

筑波大学数理物質系准教授

い とう

よしかず

伊藤

良一

受賞対象研究第一原理計算に基づいた半導体物性理論の構築

氏

名

博士(工学)

現職

東京工業大学元素戦略研究センター特任准教授

くまがい

ゆう

熊谷

悠

受賞対象研究次世代エネルギーデバイスの創成に向けたイオン導電性材
料の研究

氏

名

博士(理学)

現職

自然科学研究機構分子科学研究所特任准教授

こばやし

げん き

小林

玄器

受賞対象研究ホイスラー合金ハーフメタル材料の基礎とデバイス応用に関する研究

本多記念会は，平成 30 年 2 月 2 日開催の第 166 回理事会におい氏

名

博士(工学)て，平成 30 年度の第 59 回本多記念賞，第 15 回本多フロンティア

現職

国立研究開発法人物質・材料研究機構主任研究員

さくらば

ゆう や

桜庭

裕弥

賞，第 39 回本多記念研究奨励賞の受賞者を決定しましたので，お知らせいたします．
なお，贈呈式は，平成 30 年 5 月 29 日(火) 13 時 20分より，東京・
神田.

学士会館で行う予定です．
第回本多記念賞(本賞

電子線ホログラフィーの高度化と磁気微細構造の精密解析

氏

名

博士(理学)

現職

株式会社日立製作所研究開発グループ主任研究員

たにがき

としあき

谷垣

俊明

金メダル，副賞 万円)

受賞対象研究先進磁性機能材料の基礎から応用への展開

氏

名

工学博士

現

職

東北大学名誉教授

.

受賞対象研究

ふかみち

かずあき

深道

和明

第回本多フロンティア賞(褒賞金

各
万円)

受賞対象研究先端半導体デバイスにおける高信頼性配線材料の開発と自己形成拡散バリア層の発明

氏

名

Ph.D

現

職

東北大学未来科学技術共同研究センター教授

こ いけ

じゅんいち

小池

淳一

◇

受賞対象研究第一原理計算の材料科学への応用と新材料探索

氏

名

工学博士

現

職

京都大学大学院工学研究科教授

た なか

いさお

田中

功

◇

◇

(2018年 1 月23日～2018年 2 月20日)

正

員

江原祥隆
佐々木卓也
学
森

生

エルケムジャパン株式会社
住友重機械工業株式会社

白川理恵
辰巳亮太

株式会社アグネ技術センター

田畠慎也

京都大学

地方独立行政法人大阪産業技術研究所

岩元洋介
大石毅一郎

国立研究開発法人日本原子力研究開発機構
京都大学

員

凌太郎

東海大学

外国一般会員Kim Hongin

SHIH CHUNCHAO

Korea Institute of Geoscience and Mineral

National Cheng Kung University/China

Resources (KIGAM),

Steel Corporation



本 会 記 事Microstructural Investigation of Oxidized Complex Refractory High Entropy Alloys

日 本 金 属 学 会 誌 掲 載 論 文

Kai-Chi Lo, An-Chou Yeh and Hideyuki MurakamiVol. 82, No. 4（2018）―論文―
IF 鋼／ポリエチレン／IF 鋼積層板の力学特性評価
星野智顕

井上博史

GaN の添加による CrN の硬度改善とその固溶限評価
水野遊星

中山忠親

末松久幸

鈴木常生

Mg Al Ca ダイカスト合金における微細 C15 Al2Ca
相による析出分散強化
野本朝輝

柏瀬早季子

中川恭輔

久澤大夢

寺田芳弘

脆性破壊のための確率論的モデルとシャルピー吸収エ松田伸也 高橋 学
ネルギーの統計的性質
LPSO 相を含む延性二相マグネシウム合金の高温ク
藤原雅美 高木秀有 東田賢二
リープ機構

レーザ熱処理を用いたミクロ組織制御によるステンレ
ス鋼箔の疲労寿命の改善
西原隆行

神園知季

倉敷哲生

森

裕章

―ラピッドパブリケーション―
HDDR 処理を施した異方性 Nd Fe B 磁石粉末の微細構造と保磁力に及ぼす DR 温度の影響
滝沢里奈

赤嶺大志

板倉 賢 西田 稔
片山信宏 森本耕一郎

Effect of Cr on the Oxidation Resistance of CoBased Oxide Dispersion Strengthened Superalloys
Hao Yu, Shigeharu Ukai, Shigenari Hayashi andNaoko Oono

―Regular Article―
Materials Physics

Numerical Analysis of Effects of Compressive
Strain on the Evolution of Interfacial Strength of
Steel/Nickel Solid-State Bonding
Kittipan Pongmorakot, Shoichi Nambu andToshihiko Koseki

Isothermal Section of Ga
Ru
Cu Ternary Phase
Diagram at 1073 K: Formation of New Ternary
Phase, Ga4Ru3Cu, and Its Structural Relation with
Takanobu Hiroto, Kazuya Honda,
the GaRu b-Phase
Kazue Nishimoto, Koichi Kitahara and Kaoru Kimura

Description of Thermal Vacancies in the CALTaichi Abe, Kiyoshi Hashimoto and
PHAD Method
Masato Shimono

Tunnel-Type Magneto-Dielectric Effect and Its
SiO2 Granular Films
Annealing Study in Co
Yang Cao, Nobukiyo Kobayashi, Shigehiro Ohnuma andHiroshi Masumoto
Microstructure of Materials

Materials Transactions 掲載論文
Vol. 59, No. 4（2018）―Overview―
Crystallography and Energetics of Second Phases
Masaharu Katoand Interfaces―Special Issue on Advanced Structural
Materials for Extremely High Temperature
Applications in Future―
Effect of Microstructural Continuity on RoomTemperature Fracture Toughness of ZrC-Added
Si
B AlloysMoShunichi Nakayama, Nobuaki Sekido, Sojiro Uemura,
Sadahiro Tsurekawa and Kyosuke Yoshimi

Effects of Scandium and Zirconium Addition on
Mg
Si Alloy
Recrystallization Behavior of Al
Ken-ichi Ikeda, Takuya Takashita, Ryutaro Akiyoshi,
Satoshi Hata, Hideharu Nakashima, Kazuhiro Yamada andKenji Kaneko
Mechanics of Materials

Fabrication of Electrodeposited Permalloys withHigh Strength and High Ductility
Mizuki Kanetake, Yorinobu Takigawa, Tokuteru Uesugi
and Kenji Higashi

Plastic Deformation Behavior of Mg-Y Alloy Single Crystals Observed Using In Situ Brinell IndenTakahiro Mineta, Seiji Miura, Kazuhiko Oka
tationand Tatsuya Miyajima

Effects of Process Control Agents on the Mechanical Alloying Behavior of Nb-Ti-Si Based Alloy

Effect of Sintering Temperature on Fatigue Crack
Propagation Rate of Sintered Ag Nanoparticles

Lijing Zhang and Xiping Guo

Ryo Kimura, Yoshiharu Kariya, Noritsuka Mizumura andKoji Sasaki

Grain Boundary Sliding-Induced Creep of Powder
Metallurgically Produced Nb-20Si-23Ti-6Al-3CrC. Seem äuller and M. Heilmaier
4HfInfluence of Atomic Size Factors on the Phase
Stability of Laves Phase in Nb-Cr-Ni-Al and Nb-VNi-Al Phase Diagrams
Takuya Yamanouchi and Seiji Miura

Lead-Based Anodes for Copper Electrowinning:
Effect of Grain Size on Mechanical and AnticorroCarlos Camurri, Claudia Carrasco,sion Properties
Yasmin Maril and Jonathan Peralta

Microstructure and Compressive Properties of
Aluminum Foams Made by 6063 Aluminum Alloy
Tong Shi, Xiang Chen,
and Pure Aluminum
Ying Cheng, Yuan Liu, Huawei Zhang and Yanxiang Li

ま て り あ 第57巻 第 4 号(2018)Materia JapanMaterials ChemistryEngineering Materials and Their Applications

Equilibrium Modeling for Solvent Extraction of
Nickel and Ammonia from Alkaline Media with theExtractant LIX84-I

Pseudo-Superplastic Characteristics
Alloy with Fibrous Microstructure

of

ZK60

Cheng-Yu Wang, Jian-Yih Wang, Akhmd Saufan and
Yen-Pei Fu

Shubin Wang, Jie Li, Hirokazu Narita and Mikiya Tanaka

Magnetostrictive Fe
Ga Wires for Application in
the High-Temperature Waveguide Device

Effect of Cr Diffused Layer Formed by AIH-FPP
Treatment on Adhesion of DLC Films to a Carbon
Shogo Takesue, Hiroyuki Akebono,
Steel Substrate

Jiheng Li, Mingming Li, Xing Mu, Xiaoqian Bao and
Xuexu Gao

Mizuki Furukawa, Shoichi Kikuchi, Jun Komotori and
Hirorou Nomura

Microstructure and High Temperature ChargeDischarge Characteristics of 3D Additive
Manufacturing Produced Mg-Ni AnodeVisible-Light-Assisted Silver Ion Reduction
through Silver Diammine and Citrate Aggregation, and Silver Nanoparticle Formation

Yen-Ting Chen, Fei-Yi Hung, Truan-Sheng Lui andHuey-Pyng Tan

Kazuhiro Hashiguchi, Masashi Kamiya and
Hisanori Tanimoto―Rapid Publication―
Dependence of Reduction Behavior of Ti in Molten
CaCl2 on Various Calcium Titanate

Materials Processing

Numerical Analysis of Effect of Pin Tip Radius on
Residual Stress Distribution in Ultrasonic Impact
Takahiro Ohta
Treatment

Haruka Okada, Kakeru Shimokawa, Taiki Morishige andToshihide Takenaka

Influence of Additives on Surface Roughness atCu
C Sintered Steel
Turned End Face of Fe

Clinching of Similar and Dissimilar Sheet Materials of Galvanized Steel, Aluminium Alloy and
Titanium Alloy

Kouichi Nushiro

Mingming Chu, Xiaocong He, Jie Zhang and Lei Lei

Microstructure and Mechanical Properties of Mg
Gd
Y
Zn
Zr Alloy Prepared by Repetitive UpsetZhimin Zhang, Yue Du,ting and Extrusion

Guideline for Appropriate Submission of Paper to
Avoid Multiple Submissions

Guanshi Zhang, Zhaoming Yan, Jianmin Yu and Mu Meng

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皆様のご投稿をお待ちしております．

◇

◇

◇

まてりあ

第
巻

第号

［紹
介] 2018年春受賞者紹介，2018年度新役員紹介［学会賞受賞記念講演]
極限状態下(強磁場，高圧力)におけるマルテンサ
イト変態，拡散変態および 1 次の磁気転移とそれらの電子論的解釈 …………………………掛下知行［本多記念講演] 高温融体の界面物理化学の深化―“ Capillary
Metallurgy”の構築を目指して― ……田中敏宏



予告

［新 進 気 鋭]

磁性材料研究から触媒研究への挑戦 ―触媒分野参入の手引き― ……………………………小嶋隆幸―他―(編集の都合により変更になる場合がございます)

本 会 記 事

行
開催日
月


月


事

カ

名称・開催地・掲載号

レ

ン

主催

ダ

ー 太字本会主催(ホームページ掲載)
問合先

第回若手研究グループ「多様な先端観察・測定法を用いた組織の定量と力学特性解析への適用」(弘前大)(本号頁)

日本金属学会・若 miyazawa.t.ab＠m.titech.ac.jp
手研究グループ
No.03

4.20

日本金属学会東北支部 平成年度第回支部会
議(総会)(東北大)(号頁)

東北支部

4.13

東北大学多元研TEL/FAX 0222175177
jgawara＠tagen.tohoku.ac.jp
日本セラミックス TEL 033362
5231
協会教育委員会
cersjkyouiku＠cersj.org
http://www.ceramic.or.jp/

12～11.10(全 7 回)セラミックス大学2018(CEPRO2018)(東工大他)

15～16

第34回希土類討論会(東京)21～23

トライボロジー会議2018

22～25

第54回真空技術基礎講習会(和泉)25

第 3 回マルチスケール材料力学シンポジウム(高知工科大)

日本材料学会

25～27

軽金属学会第134回春期大会(熊大)

軽金属学会

31～6.2月
6～8

平成30年度塑性加工春季講演会(東京)TEL 0335380232
http://www.jilm.or.jp/
日本塑性加工学会 http://www.jstp.jp

第23回計算工学講演会(名古屋)

日本計算工学会

7，21

第 233 ・ 234 回西山記念技術講座 鉄鋼業における地球温暖化対策の未来～ LCA と他業界からそのヒントを探る～(大阪)(早稲田大)

日本鉄鋼協会

11～12

平成30年度溶接入門講座(東京)

溶接学会

14～15

第 23 回動力・エネルギー技術シンポジウム(宇
部)

26～28

第65回表面科学基礎講座(東京理科大)28～29

第12回核融合エネルギー連合講演会―(大津)TEL 0353603505
http://www.jsme.or.jp/
日本表面科学会
TEL 0338120266 shomu＠sssj.org
http://www.sssj.org
プラズマ・核融合 TEL 052
7353185
学会，日本原子力 plasma＠jspf.or.jp
学会
http://www.jspf.or.jp/12rengo/

月
1～6

日本希土類学会

春

東京

(東京)

日 本 ト ラ イ ボ ロ TEL 033434
1926 jast＠tribology.jp
ジー学会
http://www.tribology.jp/
大阪府技術協会他 TEL 072553
2329
gkyoukai＠dantai.triosaka.jp
http://www.vacuumjp.org/

http://www.jsms.jp

TEL 0358254073
jwsinfo＠tg.rim.or.jp
http://www.jweld.jp/

日本機械学会TEL 0298513354(6426)
iiw6_2018＠nims.go.jp

3～4

第28回電子顕微鏡大学(東大)日本顕微鏡学会

jsmdenken＠bunken.co.jp
http:/microscopy.or.jp/univ/

9 ～12

The 6th International Conferenceon the Charac- 紛体工学会
terization and Control of Interfaces for High Quality Advanced Materials (ICCCI2018)(倉敷)

12～13

第 52 回 X 線材料強度に関するシンポジウム(静岡)日本材料学会31～8.2

第24回結晶工学スクール(2018年)(東京農工大)

応用物理学会

15TH INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON
FUNCTIONALLY GRADED MATERIALS―Structural Sector Approaches for New Functionalities and Durability―(北九州)

傾斜機能材料研究 TEL 0527355293会
fgms_2018＠fjast.or.jp
http://www.fgms.net/isfgms2018

8 ～12

6th International Solvothermal & Hydrothermal
Association Conference(ISHA2018)(東北大)

東 北 大 学 多 元 物 TEL 022
2176322
質科学研究所isha2018＠grp.tohoku.ac.jp
http://www2.tagen.tohoku.ac.jp/general/
event/ISHA2018/22

2018年茨城講演会(茨城大学)

29～31

平成30年度工学教育研究講演会(名工大)日本機械学会関東 TEL 035360
3500
支部
ktstaff＠jsme.or.jp
日本工学教育協会 TEL 035442
1021 kawakami＠jsee.or.jp
他
https://www.jsee.or.jp/


～


日本セラミックス協会第 31 回秋季シンポジウム(名工大)
日本金属学会秋期講演大会(東北大学川内北キャンパス)(仙台)

ま て り あ 第57巻 第 4 号(2018)Materia Japan

講演
2.9
参加予約
4.19

TEL 0338688957 office＠jsces.org
http://www.jsces.org/koenkai/22/
TEL 0336695933 educact＠isij.or.jp
https://www.isij.or.jp/muwguz8rx

IIW6 実行委員会

月
5～7

定員120名TEL 0668797352
kidorui＠chem.eng.osakau.ac.jp
http://www.kidorui.org/

6th International Indentation Workshop (IIW6)
(北大)

月
5～8

締切

TEL 0453393959
http://ceramics.ynu.ac.jp/iccci2018/
iccci2018＠ml.ynu.ac.jp
TEL 0552436111
yatsushirovvm＠pref.yamanashi.lg.jp
TEL 0338287723
divisions＠jsap.or.jp
http://annex.jsap.or.jp/kessho/index.html

講演
2.23

6.20

6.15

講演
3.9

7.9

発表
2.28

日本セラミックス TEL 033362
5232 fall31＠cersj.org
協会
http://www.ceramic.or.jp/igsyuki/31/
日本金属学会TEL 0222233685 FAX 0222236312
annualm＠jim.or.jp




開催日
月
14～18

18～19

25～27

30～11.2
月
5

名称・開催地・掲載号

主催

問合先

第 9 回材料電磁プロセッシング国際シンポジウ
ム(EPM2018)(兵庫)
キャビテーションに関するシンポジウム(第 19回)(北大)

日本鉄鋼協会

エコデザイン・プロダクツサービスシンポジウ
ム 2018(EcoDePS2018)(早稲田大)

エコデザイン学会 secretariat＠ecodenet.com
連合
http://ecodenet.com/EcoDePS2018/

締切

TEL 0336695932 ryo＠isij.or.jp
http://www.epm2018.org/index.html
日本学術会議第三 TEL 011
7066430(直通)部
masao.watanabe＠eng.hokudai.ac.jp
http://cavitation19.sakura.ne.jp/index.html
結晶塑性の原子過程に関する国際シンポジウム― 日本学術振興会産 TEL 035452
6111
結晶強度の定量的理解に向けて―(東大)(3 号130 学協力第 133 委員 yasushi＠iis.utokyo.ac.jp
頁)
会
http://www.apcp.iis.utokyo.ac.jp
The 13th International Symposium on Advanced 日本実験力学会
TEL 0253689310
Science and Technology in Experimental
officejsem＠clg.niigatau.ac.jp
Mechanics(Taiwan)
https://201813thisem.webnode.tw/


年月
世界水素技術会議2019(東京)
2～7

講演
6.4

水素エネルギー協 TEL 029
8618712会
org＠whtc2019.jp
http://whtc2019.jp｢まてりあ」特集今後の予定〈特集テーマ〉◇ハイエントロピー合金の研究最前線

57巻 7 号

◇熱力学計算による構造材料の設計と展開

57巻 9 号
～編集の都合により，変更になる場合もございます．～

◇

◇

◇

事務局からのお知らせ(予告)
今後の講演大会は，下記開催を予定しております．正式決定次第，会告申し上げます．
2018年秋期講演大会
日程2018年 9 月19日(水)～21日(金)場所東北大学川内北キャンパス(仙台)2019年春期講演大会
日程2019年 3 月中旬
場所東京電機大学東京千住キャンパス
2019年秋期講演大会
日程2019年 9 月11日(水)～13日(金)場所岡山大学津島キャンパス(岡山)

ま て り あ 第巻 第号（） 発行日
発行所



2018年 4 月 1 日

公益社団法人日本金属学会〒9808544 仙台市青葉区一番町一丁目1432
TEL 0222233685 FAX 0222236312

発印
発

定価(本体,円＋税)送料円
年間機関購読料金,円(税・送料込)
行 人 山村英明
刷 所 小宮山印刷工業株式会社
売 所 丸善雄松堂株式会社〒1050022 東京都港区海岸 1918

本 会 記 事

後

1

後

2

平成30年 4 月 1 日発行「まてりあ」