耐熱材料と金属系生体材料について
大 森

健 一

製作し，これを原動機として自動車を走行させ今日の自動車

.

はじめに産業の隆盛の基を築いた．同じくドイツの Rudolf Diesel は，1893 年に圧縮着火式エンジン(ディーゼルエンジン)の特許
現在の材料科学や機械工学技術の基礎は，金属材料の研を取得， 1897 年に単気筒直立の 25 馬力エンジンとして商品究・開発および改良によって形成されてきたともいえる．工化に成功する(図)．この時代のディーセルエンジンは，燃業製品は，日々の生活で役立つものであるのみならず，生物料をシリンダ内に噴射するために高圧圧縮空気の助けを必要や自然との共存が求められ，金属材料そのものの安全性に対とする，古典的なディーゼルエンジンであった．近代的なデする要請は厳しさを増しつつある．代表的なものとして，交ィ ー ゼル エン ジン と して の完 成 は， Rudolf Diesel 死 後 の通と物流における輸送機の動力源ならびに電力エネルギーの1922 年， Robert Bosch による燃 料噴射 ポンプの 発明に よ供給源としての，各種エンジンに適用されている耐熱鋼や耐る，無気噴射式の実用化を待たねばならなかった．その後，熱合金が挙げられる．また，医療機器で使用されている体内ディーゼルエンジンは目覚しい発展を遂げ，現在では数馬力

インプラント用金属系材料として，機械的ならびに生物学的の小型汎用から数万馬力を越える大型舶用まで，あらゆる分な厳しい安全基準を満たすために，耐熱鋼や耐熱合金の一部野の要求を満たしている．特に我が国においては，低価格のが使用されている．安全材料というキーワードを共通なもの

重油を燃料とすることの経済性と相まって，戦後復興と産業として，内燃機関と医療機器という全く異なる分野から，そ振興へ多大な貢献をしてきた．の歴史と背景について述べてみたい．

.

内燃機



関

タービン回転式エンジン

ピストン往復動式の航空用ガソリンエンジンの出力が，最大 3,500 馬力に達するとともに，その機構の複雑化と重量増内燃機関は，その内部で石油の化学的エネルギーを空気と大により限界を見せはじめた．これに対応するかのごとく新の燃焼により熱エネルギーへ変換し，更にこれを機械的な有効仕事に変換することを特徴とする熱機関である． 19 世紀後半から 20 世紀初頭にかけて，その基本的な様式が考案確立され，既 に 1 世紀を越える歴 史を有する． 19 世紀後半
は，世界各地に続々と新しい油田が開発され，多量に得られる石油燃料を内燃機関に用いることが必然的に求められた背景もある．その発展過程において，理論に基づいて為されたのは，熱サイクルと回転機構における機械力学が主体であり，潤滑や気密性および冷却等は多分に実験的・経験的に導かれ，後に理論化されたものといえる．


ピストン往復動式エンジン

内燃機関の歴史は専門書の幾つかにその詳細が記載されているが(1)(2) ， 1883 年にドイツの Gottlieb Daimler は，ガソリンを燃料とする今日のガソリンエンジンとほぼ同じものを

図1

Rudolf Diesel とディーゼルエンジン(3)．

独 物質・材料研究機構 特別専門職(〒1420063 東京都品川区荏原 7110)
Heat Resisting Materials and Metallic Implant Materials; Kenichi Omori(National Institute for Materials Science, Tsukuba)
Keywords: diesel engine, turbofan engine, super alloy, implant materials, artificial hip joint
2008年10月22日受理

ま て り あ 第48巻 第 2 号(2009)Materia Japan図2

ターボファンエンジン(4)．

しい原動機として，ターボジェットエンジンが19351945年に わ た っ て 開 発 さ れ た ． 圧 縮 機 ( Compressor ) ， 燃 焼 器

図3

使用温度と 1000 h クリープ破断強度(5)．

(Combustor)とガスタービン( Gas Turbine )の 3 者を組み合わせて，回転運動のみで空気とジェット燃料を用いて高音高圧ガスをつくり，推力を得る形式である．その後，ターボジ酸ガスおよび水蒸気等による酸化に加えて，燃焼ガスに含まェットエンジンにファンを追加したターボファンエンジン

れる多様な物質や化合物による腐食に対して十分安定でなけ(Turbofan Engine)が，1960年代に実用化された(図)．フればならない．また，高温環境下での強度と靱性，特にクリァンの採用により，ガスタービン部を迂回したエアフローがープ強度とクリープ破断強度，疲労強度，耐熱疲労性と耐熱推力の増大と熱効率の向上を達成し，大型航空機用として現衝撃性等の長期の高温使用に対する耐久性が必要である．こ代のジェットエンジンの主流となっている．

れら各種合金のクリープ破断強度と，長期間使用可能なおおまた，ガスタービンの出力をプロペラの回転による推力によその温度範囲を図に示す．ピストン往復動式エンジンの変える，ターボプロップエンジン( Turboprop Engine )は，排気弁やガスタービンエンジンのロータやブレード用とし国産の YS 11 にその例を見るように中型旅客機や輸送機用て，オーステナイト系耐熱鋼が，ジェットエンジンのタービとして普及した．このターボプロップエンジンと同じ原理

ンブレードとして耐熱合金(超合金)が使用されている．

で，低質燃料(軽油，重油，微粉炭，ガス等)を用いる地上用

1930年代に歯科用金属として注目されていた CoCrW 合のガスタービンを製作する計画が，第二次世界大戦後世界各金(通称 Vitallium )，後に CoCr Mo 合金が航空機用ピスト地で進められた．今日では，モーターボートやヘリコプターン往復動式エンジンの，スパーチャージャーの精密鋳造部品用から，数万馬力を越える大型の発電用ガスタービンまで実へ適用された．最初は Co 基，次いで Ni 基耐熱合金の開発用化され，人間社会の重要な基盤を支えている．

が， 1940 年代中期からのジェットエンジンの進歩に多大な

耐熱鋼と耐熱合金貢献をして来たのである．
チタン( Titanium )およびチタン合金は，第二次大戦後に鉄を主成分とし，高温に耐えられるものは耐熱鋼( Heat

工業化された新しい材料であり，鋼の約 60 の密度で軽量Resisting Steel )といわれる．鉄の高温特性と耐熱性を改良かつ非磁性の物理的性質と，酸化性酸(硝酸系)に極めて高いするために合金元素を添加するが，代表的なものとしては，耐食性を有し，塩化物のある環境では白金に匹敵する化学的ステンレス鋼がある．ステンレス鋼は塩酸やアルカリに対す性質を示す．軽量・高強度の特徴を活かし，航空分野でのタる耐食性が十分でないため，これを改善するために添加合金

ーボファンエンジンのファンとコンプレッサーのブレード，元素を 50 程度以上含むステンレス合金や，コバルトあるおよびエンジン構造部材や機体材料の一部，ならびにロケッ

いはニッケルを主成分とするものは，耐熱合金あるいは超合トや人工衛星等の宇宙分野で多用されている．優れた耐食性

金(Superalloys)と呼ばれている．

は，石油化学プラントの装置や土木・建築および海洋・エネエンジンの燃焼形式が，ピストン往復動式エンジンの間欠ルギー関連の機器の材料としての用途が増加中である(6)．

燃焼から，ジェットエンジンやガスタービンの燃焼器による連続燃焼となり，高音高圧ガスにさらされる部品には更に高.

耐熱材料と金属系生体材料

い耐熱性が求められた．耐熱鋼や耐熱合金に要求される特性で最も重要なことは，化学的性質，つまり高温雰囲気での酸数多くの部品の集合体として組立てられた試作エンジン

化，つまりは，腐食に対する安定性である．高温の空気や炭が，スターター音で運転が開始され，潤滑系や冷却系を含む



プロムナードエンジン全体の温度が徐々に上昇し，やがて回転数の上昇とともに咆哮する様は正に生き物である．心血を注ぐ思いで設計した開発エンジンほどその思い込みは強くなる．すなわ
ち，エンジンと生体の両者の機能に類似性をみるという擬人観を，一笑に付すことが出来ないのである．例えば以下のように置き換えることも不自然ではないと思えてくる．
運動・潤滑系 → 筋・骨格系，
燃料系 → 循環器・血管系，
吸排気系 → 呼吸器系，
電気回路系 → 神経系，
コンピューター制御系 → 脳，
冷却系 → 代謝系，エンジンの設計技術者が，異分野の医療機器に係わりを持つに至った動機について質問を受けることがあるが，私は未

図4

GK McKee と Metal on Metal 人工股関節(8)．

だに上手く説明出来ない．機械の究極の理想的な概念は，生体にあるのではないかという素朴な誤解に起因するのかもしれない．しかしながら，医療機器を通じて知り得た生体のもつ精緻で巧妙な機能は，人智の遠く及ぶところではないということも思い知らされた．
インプラントとして体内に異物として留置される人工関節は，数十年に亘り，理想的には半永久的にその初期機能特性を維持することが求められる．特に材料の化学的安定性すなわち耐食性が重要であり，多くの金属系材料中でも耐熱鋼や耐熱合金が有する腐食に対する安定性に優るものはない．耐熱材料の特性が金属系生体材料としてもその有用性が活かされているのである．

.

体内インプラント用金属系材料

図5

J. Charnley と人工股関節(9)．

骨折治療における内固定材として，金のワイヤーが紀元前から使用されてきた．19世紀に入ると，Lister による消毒法換型人工股関節の改良を双璧として挙げねばならない．

に関する報告と導入により外科手術が大きく進展し，骨折固1960 年，英国の J. Charnley は， Soft on Hard (ドイツ製

定用のプレートとスクリュー用として，各種の金属材料(青の UHMWPE超高分子量ポリエチレンとステンレス鋼の組銅，鉄，銅，鋼等)の臨床使用が試みられた(7)．

み合わせ)の全置換型人工股関節を開発，骨組織との固定に

人工股関節の歴史に関する文献によると(8)(9) ，歯科医のPMMA (ポリメチルメタクリレート)を採用し，画期的な成J. W. Cooke によって開発され，後に Erdle と Plange によ功を収めた(図)．この材料の組合せと PMMA による固定り改良された CoCrMo 合金が整形外科医より注目された．

法は，優れた臨床実績により人工関節の基本として，人工膝

1938年に米国の外科医 Smith Petersen は，股関節の臼蓋形関節をはじめ他の関節へも広く適用されるに至った．

成術へ適用，1943年 Moore は CoCrMo 合金製の人工骨頭人工関節と骨組織との更なる長期固定性の確立を目標に，

置 換 術 の 症 例 を 報 告 ． 同 時 期 に 整 形 外 科 医 の Venable と界面に PMMA を使用しないセメントレス人工関節の開発が，Stuck は，CoCrMo 合金が高強度で耐食性に優れているこ1970 年代に始められた．多くの研究成果をベースに，よりとに着目し，骨折治療用のプレートとスクリュー等の内固定生体適合性に優れるとされたチタン系材料が注目され，米国材を開発した． 1938 年英国の Wiles によるステンレス鋼に企業の高額な開発投資により，新生骨との固定性を確保する

よる Metal on Metal の全置換型人工股関節の開発を経て，ための CPTi 製多孔性表面と，基材としての Ti6Al4V 合1951 年に英国の McKee と Farrar は，図に示す Co Cr 

金の組合せが主流となる．また，人工関節の耐久性向上のたMo 合金による Metal on Metal の全置換型人工股関節を臨めに， UHMWPE (超高分子量ポリエチレン)の材料改質と床に使用した．Hard on Hard 人工股関節におけるトピック

金属材料あるいはセラミックス材料の組織改良と表面仕上げ

スと して は，フ ラン スの Boutin に よる 1970 年の Alumina

精度向上が図られ現在に至る．

on Alumina 全置換型人工股関節，ならびに1988 年スイスの企業の努力と臨床医の協力による， Metal on Metal の全置

ま て り あ 第48巻 第 2 号(2009)Materia Japan

金属系材料が主として適用されているインプラント製品
で，国内での出荷数の多いものは下記が挙げられる(10)．



.

おわりに

今日のパーソナルコンピューターは，数世代前のスーパーコンピューターを超える処理能力を備えている．また，

Web Site の充実は，何時でも・何処でも・誰でもが必要とする情報を入手出来る利便性を実現した．研究・開発に係わる業務も，極めて高精度かつ効率的に行われる．計算力学にその例を見るように，仮定とその検証が早いサイクルで繰返され，研究者や技術者の創造力を刺激する．新技術や新製品
図6

最新の人工股関節製品例(11)．の創出頻度が高まることは望ましいことと思う．しかしその反面，特定技術の専門化と細分化により核心部分のブラックボックス化が進み，技術の本質が見え難くなっていることにペースメーカー52,012
血管系メタリックステント313,494

多くの人が不安を感じているのではなかろうか．
科学や工学における異分野の連携は新しいことではなく，

人工股関節(図)88,374(人工骨頭を含む)

恐らくは文明の発展とともに継続的に培われてきた概念であ人工膝関節55,362

ろうと考える．学際といわれる科学の境界領域を担う研究者

骨折用内固定材150,853

や，異なる産業分野における狭間の共通性を見通すことの出脊椎固定器具58,473

来る技術者は，今後ともその必要性は強く求められる．

脳動脈瘤手術クリップ51,800

文

医療機器ビジネスの現状は，市場規模と製品力から圧倒的献な米国優位であるが，耐熱鋼や耐熱合金の医療応用の原点は，欧州であることは記憶に留めておくべきである．
戦争と科学技術の発達との関連性は周知のこととされているが，医療技術とりわけ外科治療の進歩との関連性もまた然りである．ドイツとフランスとの最初の大戦である晋仏戦争( 1870 1871 )や日清戦争( 1894 1895 )における兵士の死因は，疾病が 80 で外傷は 20 に過ぎなかったといわれる．
その後， Debridement(創傷部から壊死組織や異物を切除すること)等の外傷治療の基本が確立し，20 世紀初頭の第一次世界大戦(19141918)における兵士の死因は疾病が20で外傷は80と逆転した．
技術革新による兵器の強化(銃剣 → 砲弾・機関銃 → 航空機やミサイルによる爆撃)は，膨大な死傷者数を生じることになる．英国の細菌学者 A. Fleming による1940年世界初の 抗 生 物 質 ( Penicillin ) の 効 果 報 告 や ， 第 二 次 世 界 大 戦(19391945 )やベトナム戦争(19541975 )を経て，患者の搬( 1 ) 粟野誠一改訂版 内燃機関工学，山海堂，(1976), 1
34.
( 2 ) 富塚 清改訂版 内燃機関の歴史，三栄書房，( 1978 ), 45
51.
( 3 ) ヤンマー 70 年史編纂委員会，ヤンマー 70 年のあゆみ，ヤンマーディーゼル，(1983), 1012.
( 4 ) ターボファンエンジン，フリー百科事典， NPO Wikipedia 財団，http://wikipedia.org/( 5 ) 機械工学便覧デザイン編 b2 ，材料学・工業材料，日本機械学会，(2006), 64
67.
( 6 ) チタニウム協会編，チタンの加工技術，日刊工業新聞社，(1992), 1718.
( 7 ) 奧野 攻第 2 章 金属系バイオマテリアルの歴史金属系バイオマテリアルの基礎と応用，アイピーシー，(2000), 1118.
( 8 ) 伊藤鉄男，山室隆夫第 5 章 股関節形成術の発展股関節外学，金芳堂，(1976), 463472.
( 9 ) 山室隆夫人工関節材料に望まれる性質と機能，整形外科
MOOK45，金原出版，(1986), 1329.
(10) 2008年版 メディカルバイオニクス(人工臓器)市場の中期予測と参入企業の徹底分析，矢野経済研究所，(2008), 2627.
(11) Smith & Nephew 社，製品カタログより転載．

送法の迅速化(人馬 → 車両 → 航空機 → ヘリコプター)に★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

よって死亡率は数まで低下したとされる．これらは医科学の進歩に伴う病態解明と治療法の開発とともに，現在の救急救命システムに活かされている．

大森健一



株 研究開発本部
1965年 4 月 ヤンマーディーゼル
株 技術開発1996 年 1 月 スミス・アンド・ネフュー
部
1999年 1 月 技術コンサルタント
舶用ディーゼル機関の設計技術者としての経験を経て，医療機器の整形外科用インプラントの研究開発に従事．現在，企業の技術顧問として医療機器の製品開発支援と大学等で産学連携(医工連携)のコーディネー
ト活動に従事．

★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

プロムナード