Ni フリー Ti 合金製歯列矯正器具の開発
西 喜久雄
鄭澤 均
 鐙屋正 橋 直 哉2 花 田 修 治3)
)匡1)

なく，断面二次モーメントにも依存するので，断面形状とサ.

は じめにイズを考慮して剛性を高めた bTi 合金を最終段階に使用することもできる．このようにして矯正された歯列を安定化さ

歯列矯正治療においては，弾性応力を受けた歯が長時間( 1～ 2 年)をかけて正しい位置・向きに移動・調整される．

せるために，弾性率の低い b 合金(TiNb)を補足的に用いることもある．

このときの弾性応力は，複数の歯の表面に装着(接着)した支

一方，金属ブラケットには， Ti 合金( Ti 6Al 4V )やステ持具(ブラケット)にアーチ状の金属細線(アーチワイヤ)を通ンレス鋼(SUS630)が使われている．ブラケットは微細で複して結紮(両端を固定)することにより，継続的に歯に負荷さ雑な形状をしているので，塑性加工と精密切削加工またはれる．

MIM ( Metal Injection Molding )法で製造されるが，塑性加

現在，矯正治療に使われているアーチワイヤには，ニチノ工を利用する場合には，現用 Ti 合金は冷間加工性に劣るのール( Ni Ti )，ベータ Ti 合金( b  Ti 11.5Mo 6Zr 4.5Snで，ステンレス鋼製ブラケットの方が製造は容易である．など)， Co Cr Ni 合金(エルジロイ Co 21Cr 16Fe 14Ni 

このように，多種類の合金によるアーチワイヤとブラケッ8Mo など)，ステンレス鋼( SUS304など)があり，これらのトが開発・使用されているが，両器具は口腔内で常に接触しアーチワイヤは弾性率の違いにより使い分けられる．治療のているので，異種合金の組み合わせではガルバニック電流が初期段階では，患者の痛み・不快感を軽減し，ゆっくりとし発生し易く，その結果，脳活動の混乱や頭痛・肩こりまたはた歯の移動を促すため，低い弾性応力が負荷される．この目関節痛を起こす場合がある．また， Ni アレルギーのある患的のためには，一定の低応力を負荷できる超弾性ニチノー

者には Ni を含む合金は使用できない．そこで，Ni フリーのル・アーチワイヤが最適である．治療の中間段階ではしばし安全・安心な Ti 合金で，しかも同一の合金系で，超弾性ア

ば bTi 合金が用いられる． bTi 合金の弾性率(代表的なアーーチワイヤ，低弾性率アーチワイヤおよびブラケットを開発

チワイヤ用 b合金の縦弾性係数67 GPa(1))は，Fe 合金やした．

Co 合金(200～270 GPa)に比べて低く，降伏強度が比較的高

Ni フリーの生体適合性 Ti 合金の超弾性や形状記憶特性にい( b の 0.1 降伏強度約 835 MPa(1) )ために，大きな弾ついては，最近，多くの研究成果が報告されている(2)．その性回復ひずみが得られる．また，ニチノールとは異なり，歯中で，生体用 Ti 合金として開発され，超弾性発現条件(3)(4)

科医が装着時にワイヤを容易に曲げ加工できるメリットがあおよび機械的性質(5)(6) が詳しく調べられている Ti Nb Snる．治療の最終段階では高弾性率の CoCrNi 合金やステン合金に着目した．

レス鋼が用いられ，仕上げの微調整が行われる．
アーチワイヤの曲げ剛性は，厳密には，縦弾性係数だけでトミー株式会社研究部主任研究員
JST 研究員
東北大学金属材料研究所
1)研究生 2)附属研究施設大阪センター教授
3)名誉教授Development of Orthodontic Devices Made by Nifree Ti Alloys; Kikuo Nishi, TaekKyun Jung, Tadasu Abumiya,Naoya Masahashi, Shuji Hanada(Tomy Inc., JST,
Tohoku University)
2009年11月 4 日受理

ま て り あ 第49巻 第 3 号(2010)Materia Japan.

超弾性アーチワイヤ

bTi Nb Sn 合金のマルテンサイト変態温度は合金組成に極めて敏感である(3)(4)ため，体温で超弾性を発現させるためには，合金組成，すなわち，マルテンサイト逆変態終了温度( Af )を厳密に制御しなければならない．そのためには，合金組成を均一化・最適化した線材作製と，時効による変態温度の微調整が不可欠である．アーク溶解した合金(公称組成 Ti 16 mol  Nb 4.8 mol  Sn )を素材として，真空プラズマ溶解を横型銅鋳型中で複数回繰り返した後，プラズマ再溶解して，連続的に縦型銅鋳型中に鋳込んで丸棒インゴット.

低弾性率( bTi 型)アーチワイヤ(直径 40 mmq，長さ 250 mm)を作製した．このインゴットを熱間鍛造，スウェージ加工，引抜き加工することにより，熱間圧延後，スウェージと引き抜きにより作製した near

0.4 mmq の線材とした．この合金は冷間加工性に優れるの

b 型 Ti 16 mol  Nb 5.5 mol  Sn の線材( 0.4 mmq )を各温で，難加工性ニチノールとは対照的に，中間焼鈍をすること度で熱処理(保持時間 30 min )したときの機械的性質を図

なく細線加工が可能である．溶体化処理後， Af 調整用時効に示す．加工のままの縦弾性係数は 44 GPa であるが，熱処熱処理(4)を行った．比較的低温(393423 K)での時効により理温度の上昇とともに 71 GPa まで増加し，それ以上の温度Af が低下し，応力ひずみ曲線は著しく変化するのが観察さでは減少する．一方， 0.1 降伏強度は，加工のままではれた．図は 393 K で 30 min 時効熱処理した Ti 16 mol 615 MPa で あ る が ， 熱 処 理 に よ り 1200 MPa 以 上 に 達 すNb4.8 molSn 線材の体温(310 K)における応力ひずみ曲る．そのため，例えば， 673 K で熱処理することにより， b線で，最大付与ひずみを増加させながら，繰り返し変形してと同レベルの縦弾性係数 67 GPa と，bより高い0.1降いる．比較のために溶体化のままの結果も図中に示す．時効

伏強度 1160 MPa が得られるので，大きな弾性回復ひずみにより超弾性が明瞭に観察されるようになることが分かる．

が発現し，低弾性率アーチワイヤとして利用できる．また，この時効処理で電子回折図形にはほとんど変化が現れない

673 K の上下温度で熱処理することにより，縦弾性係数をが，縦弾性係数は僅かに増加傾向を示すことが確認されてい55～70 GPa の範囲で変えられる．

ることから，b 相の相分解(a または v 相析出)あるいはそのアーチワイヤの作製プロセスで重要な技術にアーチ形状付前駆現象が起こり， b 相が安定化することによって Af が低与がある．通常，線材をアーチ形状の断面をもつ枠型に巻き下し，応力ひずみ曲線に変化が現れると考えられる．

つけ，800 K 以上で熱処理することにより形状を付与する．

時効線材を JIS 規格による歯列矯正用ワイヤの曲げ試験で超弾性アーチワイヤのように，溶体化処理温度が 800 K 以評価した結果をニチノールと比較して図に示す．超弾性に上の場合には，この方法で溶体化と同時にアーチ形状を付与

よるひずみ回復量に僅かに違いが見られるが，これは TiNb

できるが，低弾性率アーチワイヤのように，線材加工後 600合金の変態ひずみがニチノールより小さい(7)(8)ことに起因す～750 K での熱処理が特性発現に必要な場合には従来法ではると考えられる．矯正治療において重要なのは除荷後の荷形状付与ができない．そこで，アーチ形状付与条件を検討し重変位挙動であり，本合金には除荷後に荷重減少の少ないた結果，線材の最終加工率の増加または応力負荷下での熱処変位域が広く存在するので超弾性ワイヤとして利用できる．

理(tension anneal)により，アーチ形状付与のための熱処理温度を下げられることを見出した．図に(a )円形断面( 0.4

図1

繰り返し負荷・除荷したときの引張応力ひずみ曲線．
図3

図2

三点曲げ試験(JIS)による超弾性評価．

Ti 16 mol  Nb 5.5 mol  Sn 線材の機械的性質の熱処理温度依存性．

図4

低弾性率 bTi 型アーチワイヤの外観．

新技術・新製品

mmq )と( b )長方形断面( 0.4 mm × 0.55 mm )をもつ Ti 16)．開発したブラケットについては，耐食性試験，経時特性

mol  Nb 5.5 mol  Sn 低 弾 性 率 ア ー チ ワ イ ヤ の 外 観 を 示試験，アーチワイヤとの摩擦抵抗試験などを行い，従来品す．これらのアーチワイヤでは熱処理条件，断面形状とサイ( SUS630 )を凌ぐ特性が得られることを明らかにした．なズを制御することにより，曲げ剛性を広い範囲で変化させる

お，開発したブラケットは「チタンブラケット」として製造ことができる．

販売の認証を取得した．

.

ブ ラ ケ ッ ト.

まとめTi 16 mol  Nb 5.5 mol  Sn 合金は冷間加工性および切歯列矯正用器具であるアーチワイヤとブラケットを Ni フ

削性に優れるので，異形断面線材への塑性加工およびその後リーの生体適合性合金(組成の僅かに異なる 2 種類の Ti の切削・成形加工でブラケットを作製した．線材長手方向のNbSn 合金)で作製する技術を開発した．同一の合金系によ

重心線に対して非対称な断面をもつ異形断面線材の加工におるアーチワイヤとブラケットの組み合わせは世界初の成果でいては反りが発生しやすいので，切削加工前に矯正用 ten-あり，ガルバニック電流によって誘発される頭痛，関節痛なsion anneal を行った．直線化矯正は焼鈍温度が高いほど容どの各種症状を抑制できると考えられる．アーチワイヤにつ易になるが，著しい硬度低下(軟化)を伴う．そこで，最終製いては，合金組成と加工熱処理条件を最適化することによ品に求められる硬度，直線化矯正が容易な温度および成形加り ， 超 弾 性 ば か り で な く ， 低 弾 性 率 ( 縦 弾 性 係 数 55 ～ 70

工性を考慮して，図に示した硬度の焼鈍温度依存性から，GPa )・高強度( 0.1 降伏強度 700 ～ 1200 MPa )による大き830 K を焼鈍温度とした．切削加工したブラケットを研磨しな弾性回復ひずみを付与できることを示した．断面形状とそた後，ブラケットと歯との接着性を向上させるため，ブラケのサイズを考慮することにより曲げ剛性を広い範囲で制御可ット裏面にメッシュ状ベースを接合して最終製品とした(図能であるので，TiNbSn 合金アーチワイヤは歯列矯正治療のすべての段階に対応できる．また，TiNbSn 合金ブラケットについては，簡便な成形加工技術が開発され，量産化に成功したので，現用の Ni を含むステンレス鋼製ブラケットや V を含むチタン合金製ブラケットを代替できる．
以上の結果が示すように，今回開発したアーチワイヤとブラケットは，安全・安心な歯列矯正治療に貢献するものと期待される．

.

特許

国内特許第3521253号および米国特許 US 6,786,984 B1 を取得している．

図5

異形断面加工線材の熱処理による硬度変化．

本研究開発は科学技術振興機構重点地域研究開発プログラ
ム「育成研究」の支援により行われたものである．

文

図6

口腔内での上下・左右の歯の形状に合わせて使用されるサイズ・形状の異なるブラケット製品の代表例．

ま て り あ 第49巻 第 3 号(2010)Materia Japan献( 1 ) W. H. Guo, M. Iijima, W. A. Brantley, W. A. T. Clark and A.
B. Wade: J. Dental Research, 81(2002), A173.
( 2 ) S. Miyazaki, H. Y. Kim and H. Hosoda: Mater. Sci. Eng.,
A438440(2006), 18.
( 3 ) E. Takahashi, T. Sakurai, S. Watanabe, N. Masahashi and S.
Hanada: Mater. Trans., 43(2002), 2978.
( 4 ) F. Nozoe, H. Matsumoto, T. K. Jung, S. Watanabe, T. Saburi
and S. Hanada: Mater. Trans., 48(2007), 3007.
( 5 ) H. Matsumoto, S. Watanabe and S. Hanada: Mater. Trans., 46(2005), 1070.
( 6 ) H. Matsumoto, S. Watanabe and S. Hanada: J. Alloys Compds., 439(2007), 146.
( 7 ) H. Y. Kim, Y. Ikehara, J. I. Kim, H. Hosoda and S. Miyazaki:
Acta Mater., 54(2006), 2419.
( 8 ) S. Miyazaki, S. Kimura, K. Otsuka and Y. Suzuki: Scripta
Metall., 18(1984), 883.

