脊椎固定器具用チタン合金
仲井正昭

素材には SUS316L ステンレス鋼が用いられた．その後，時.

は じめに代とともに改良が加えられ，現在では，ロッドとスクリューとからなるペディクルスクリューシステム(図)が普及してチタンは，高い比強度および耐食性を有することに加え，いる．また，同器具の素材には， SUS316L ステンレス鋼に優れた生体適合性を有するという他の主要な実用金属材料の代わり，純チタンあるいは Ti 6Al4V ELI 合金が多く用い母材である鉄やアルミニウム等にはない特長を有する．そのられるようになっている．

ため，医科・歯科分野での使用を念頭に置いたチタン合金

このような脊椎固定器具には，患者の骨形成の観点から，(生体用チタン合金)の設計・開発が盛んになされている．生

低ヤング率が求められるため，上述の低ヤング率チタン合金

体用チタン合金の設計では，毒性・アレルギー性が考慮されの応用先の一つとして適していると思われる．しかし，これた 合 金 元 素 が 選 択 さ れ ， さ ら に ， 骨 の ヤ ン グ 率 ( 10 ～ 30までに数多くの優れた低ヤング率チタン合金が開発されてきGPa)に近づけるための低ヤング率化が目指されてきたことているにもかかわらず，現在製造・販売されているほとんどが特徴的であるといえる．特に， 1990 年代から精力的にな全ての脊椎固定器具には SUS316L ステンレス鋼，純チタンされてきた生体用チタン合金の低ヤング率化に関する研究のあるいは Ti6Al 4V ELI のいずれかが用いられており，各発展は目覚しく，結晶方位，原子間距離あるいは結晶格子の脊椎固定器具メーカーは器具形状等のシステムデザインによ安定性等の材料工学的な観点からの理解の深まりとともに，現在までに約40～ 60 GPa の低ヤング率を有する新たなβ型チタン合金が開発されている．また，種々の低ヤング率チタン合金が開発されたことにより，金属製インプラントと骨との力学的な整合性に関する研究も行われている．その結果，金属製インプラントに低ヤング率金属材料が使用された場
合，金属製インプラントの骨に対する応力遮蔽効果が軽減され，過剰な骨吸収が抑制されること等が動物実験により明らかにされている．
著者らも，約 60 GPa の低ヤング率を示す b 型チタン合金である Ti 29Nb 13Ta 4.6Zr 合金( TNTZ )を開発し，これまでに基礎および応用の両面から多くの研究を進めてきた(1)(7) ．本稿では，その中でも，最近，特に力を入れている脊椎固定器具用チタン合金の開発に関する研究成果を紹介する．

.

脊椎固定器具の変遷と現状

金属製脊椎固定器具は， 1962年に Harrington により開発され，脊椎疾患の治療に画期的な効果をもたらした．当時の脊椎固定器具はロッドとフックとから構成されており，その図1

金属製脊椎固定器具(昭和医科工業株式会社製)．

東北大学助教金属材料研究所(〒9808577 仙台市青葉区片平 2
11)
Titanium Alloys for Spinal Fixation Devices; Masaaki Nakai(Institute for Materials Research, Tohoku University, Sendai)
Keywords: biomaterial, titanium alloy, thermomechanical treatment, Young's modulus, fatigue strength, stress-induced phase transformation
2010年 5 月10日受理

ま て り あ 第49巻 第 9 号(2010)Materia Japan

り差別化を図っているのが現状である．したがって，脊椎固定器具に低ヤング率チタン合金を用いることによる素材面からの製品の差別化は，この市場において極めてインパクトが強いと考えられる．

.

TNTZ の脊椎固定器具への応用

図2

ST プロセスおよび SW プロセスを施した TNTZの FESEM 像．

図3

ST プロセスおよび SW プロセスを施した TNTZの(a)ヤング率および(b)引張特性．

図4

SW プ ロ セ ス を 施 し た TNTZ お よ び ASTM
F136 規格に準拠した Ti 6Al 4V ELI 合金の疲労特性．

著者らは， 2006 年から昭和医科工業株式会社，コロラド大学病院，ストラスブール大学病院および新潟脊椎外科センターと共同で TNTZ の脊椎固定器具への応用に関する研究・開発を進めている(4)(6) ．医科・歯科分野では，金属材料は，セラミック材料あるいは高分子材料に比べて疲労特性や靭性等の力学的信頼性が高いという特性が活かされており，脊椎固定器具においても力学的信頼性は最も重要な特性の一つである．また，ロッドについては，その形状を作るのに適した塑性加工法の選択も重要なポイントの一つとなる．
そこで，本研究では，ロッド形状への塑性加工法も考慮しつ
つ，TNTZの疲労強度を改善するための加工熱処理プロセスについて検討した．
TNTZ 熱間鍛造丸棒に冷間スウェージング加工を断面減少率が約 90 となるように施した( SW rodas )後， 723 K の真空中にて 259.2 ks 保持後水冷の時効処理を施した( SW 
rod723 K )．比較のため，冷間加工を施さず， 1063 K の真空中で 3.6 ks 保持後水冷の溶体化処理を施した TNTZ ( ST rodas )およびその後 723 K の真空中にて 259.2 ks 保持後水冷の時効処理 を施した TNTZ ( ST rod723 K )を用意した．以降，前者を SW プロセス，後者を ST プロセスとする．また，疲労特性に関しては，実際に脊椎固定器具に用いられている ASTM F136 規格に準拠した Ti6Al4V ELI 合金製ロッド(Ti64rod)も比較材に用いた．
光学顕微鏡による組織観察により， ST rodas および ST rod723 K では，いずれも等軸粒からなる組織が認められたが，SW rodas および SW rod723 K では，等軸粒が認められず，いずれにおいても渦状の組織が認められた．
図に ST プロセスおよび SW プロセスを施した TNTZの電界放出型走査電子顕微鏡( FE SEM )による微細組織観る SW rod723 K では， ST rod723 K に比べて大きなヤング率察結果を示す． ST rod723 K では粗大な針状析出相が認めらの上昇が認められる．

れる．この針状析出相のサイズは，等軸粒の粒界近傍とその図 3 ( b ) に ST プ ロ セ ス お よ び SW プ ロ セ ス を 施 し た

内側とでは大きく異なり，粒界近傍においてより粗大化してTNTZ の引張試験結果を示す．SWrodas は，STrodas に比いた．一方，SWrod723 K では，渦状の組織の形状に沿ってべて，引張強さは高いが，伸びが低い．この結果は，冷間ス

サ ブ グ レ イ ン 化 し た 組 織 が 認 め ら れ ， そ の 中 に は ST 

ウェージング加工による加工硬化によると考えられる．時効

rod723 K に比べて著しく微細な針状析出相が認められる． X

処理材については，析出相のサイズおよび分布状況により特線回折( XRD )分析の結果から，これらの針状析出相は a 相性が大きく変化する．ST プロセスを施した場合，時効処理であると考えられる．

による引張強さの上昇および伸びの低下が認められる．一方，

図  ( a ) に ST プ ロ セ ス お よ び SW プ ロ セ ス を 施 し た

SW プロセスを施した場合には，時効処理による伸びの低下

TNTZ の自由共振法によるヤング率測定結果を示す． SW はほとんどなく，引張強さが大きく上昇している．さらに，

rodas のヤング率は ST rodas のそれとほぼ同程度の値を示

SWrod723 K は，STrod723 K に比べて，伸びが同程度である

し，冷間スウェージング加工の影響はほとんどないことがわにもかかわらず，引張強さが著しく高い．以上の引張試験結かる．ST プロセスおよび SW プロセスのいずれのプロセス

果から，強度延性バランスに優れ，良好な疲労特性が期待を施した場合にも，時効処理を施すことによりヤング率が上される SWrod723 K について疲労試験を行うこととした．

昇しているが，冷間スウェージング加工により高密度の転位

図に SW rod723 K の疲労試験結果を示す． SW rod723 Kが導入され，その結果，a 相の析出が促進されたと考えられの疲労強度は， Ti64 rod のそれを大きく上回っている．特

新 進 気 鋭に， SWrod723 K の疲労強度は，これまでに報告されているTNTZ の疲労強度(2)(3) を越える極めて優れた値が得られている．したがって，本研究で検討した SW プロセスは，実用化のための有力な加工熱処理プロセスの候補の一つとして挙げられる．

.

脊椎固定器具に特化した新合金の開発

上述のように，著者らは， TNTZ の脊椎固定器具への応用を目指して研究を進め，冷間スウェージング加工と時効処
図5

理とを組み合わせた加工熱処理プロセスを施すことにより同局所弾性率上昇機能の概念図．

合金の疲労強度の大幅な改善に成功し，実用化の目処を立てた．さらに，動物実験により TNTZ 製ロッドの生体組織に対する安全性等についても確認した(7) ．次のステップとし溶解により溶製した．各ボタンインゴットに対して， 1373て，医師達による使用感等の評価に進んだ．その結果，

K のアルゴン中で 21.6 ks 保持後水冷の均質化処理を施した

TNTZ 製ロッドは，スプリングバックが大きく，思いどお後， 1273 K のアルゴン中で加熱し，大気中で熱間圧延を施りの形状を付けにくいとの評価を受けた．この原因についした．さらに， 1123 K の真空中で 3.6 ks 保持後水冷の溶体て，応力－歪み曲線を用いてヤング率とスプリングバックと化処理( ST )を施した．一部の溶体化処理材に対しては，圧の関係について考えてみる．応力歪み曲線において，ヤン下率が10となるように冷間圧延(CR)を施した．本来であグ率は曲線の勾配で表され，スプリングバックは除荷時の弾れば手術中に加えられるのは曲げ変形であるが，曲げ変形を性回復量に対応する．二つの材料が同じ強度であるとする

施した場合，変形後のヤング率の測定が困難であることかと，勾配の緩やかな低ヤング率材料のほうが高ヤング率材料

ら，本研究では，曲げ変形の代わりに冷間圧延を施すことによりも大きなスプリングバックを生じることになる．したがした．この場合，比較材として TNTZ を用いた． TNTZ にっ て ， TNTZ 製 ロ ッ ド の 大 き な ス プ リ ン グ バ ッ ク は ，ついては，溶体化処理温度を 1063 K とし，冷間圧延の圧下TNTZ の特徴である低ヤング率に起因すると考えられる．

率を90とした．

すなわち， TNTZ の低ヤング率は，患者に対しては骨形成溶体化処理後の各合金について XRD 分析を行った結果，の観点から歓迎される特性であるが，医師からは手術でのハいずれの合金においても b 相のピークのみが検出された．

ンドリング性の観点から改善が望まれる特性であることが判

冷間圧延後の TNTZ では， b 相安定化元素である Nb や Ta明した．この評価を踏まえ，著者らは，患者側および医師側の含有量が目標組成から若干ずれて少なくなった場合には冷の双方の要求を満足するヤング率特性を有する新たな生体用間圧延により a ″相が生成することもあるが，そのような場チタン合金の設計・開発を検討することになった．このよう合を除くと冷間圧延による構成相の変化は生じない．本研究な課題に対して，著者らが提案する解決策(局所弾性率上昇においても，冷間圧延による TNTZ の構成相の変化は，機能)の概念図を図に示す． b 型チタン合金では， b 相のXRD 分析では認められず，b 相のピークのみが検出された．

安定性が低い場合，a ′相，a ″相および v 相等の非平衡相がTi 30Nb 6Ta 5Zr 合金および Ti 30Zr 5Mo 合金では，そ応力負荷により生じること(応力誘起相変態)が知られてい

れぞれ冷間圧延による a ″相および a ′相の生成が XRD 分析

る(8) ．このような応力誘起相のヤング率が元の b 相より高により認められ，応力誘起相変態が生じたことが示唆されければ，応力誘起相が生成した部分のヤング率だけを高くすた．一方， Ti 12Cr 合金では，冷間圧延後も b 相のピークることができると考えられる．手術では，脊柱の弯曲に沿っのみが検出され， XRD 分析では構成相の変化が認められなてロッドに曲げ変形を加える必要がある．そこで，上述の応かった．

力誘起相を利用したヤング率制御の考え方をロッドに適用す

溶体化処理後および冷間圧延後の各合金のヤング率の測定

ると，手術前のロッドは低ヤング率であるが，手術中には，結果を図に示す．溶体化処理後の Ti
30Nb
6Ta5Zr 合金，医師が曲げ変形を加えた部分だけ高ヤング率となる．すなわ

Ti30Zr5Mo 合金および Ti12Cr 合金のヤング率は，いずち，応力誘起相の利用により，患者の健全な骨形成に有効なれも60～ 70 GPa であり，低ヤング率チタン合金として開発

低ヤング率に加え，スプリングバックを抑制し，ハンドリンされた TNTZ のヤング率とほぼ同程度の値が得られている．

グ性を高める高ヤング率をも兼ね備えたロッドが実現可能に

TNTZ のヤ ング 率は ，冷 間圧 延に よ り若 干低 下す るも のなると考えられる．そこで，本研究では，このようなロッドの，溶体化処理後のヤング率と比べて大きく変化しない．の素材として適した合金組成について検討した．
まず，チタン合金の設計に用いられることが多い Mo 当量Ti 30Nb 6Ta 5Zr 合金および Ti 30Zr 5Mo 合金では，冷間圧延によるヤング率の低下が TNTZ に比べて顕著に認めや d 電子合金設計法を利用して相安定性を予測し，応力誘られる．XRD 分析結果において，TNTZ では冷間圧延によ起相変態が生じる可能性が高いと考えられる合金組成として，る構成相の変化が認められず，Ti30Nb6Ta5Zr 合金およTi30Nb6Ta5Zr 合金，Ti30Zr5Mo 合金および Ti12Cr

び Ti30Zr5Mo 合金では冷間圧延による a″相および a ′相合金を選択した．これらの合金のボタンインゴットをアークの生成がそれぞれ認められた．したがって，これらの合金のま て り あ 第49巻 第 9 号(2010)Materia Japan.

おわりに今回，日本金属学会奨励賞を受賞することができたのは，関係各位からの多くのサポートがあったおかげである．現
在，著者が所属する東北大学金属材料研究所生体材料学研究部門の新家光雄教授には，本稿で紹介した脊椎固定器具用チタン合金に関する研究を含め，生体用金属材料の開発に関する多くのご指導をいただいた．また，本稿で紹介した脊椎固定器具用チタン合金に関する研究成果の多くは，東北大学金属材料研究所生体材料学研究部門に所属する大学院生である
成田健吾氏，趙暁麗氏，趙幸鋒氏および柴田稔也氏の協力により遂行された．さらに，著者の学生時代の恩師である名古屋大学の森永正彦教授および村田純教准教授には，材料科学の研究者としての基礎を築いていただいた．お世話になった皆様に，この場を借りて心より感謝申し上げる．
本稿で紹介した研究の一部は，平成 21 年度産業技術研究助成事業(NEDO)，鉄鋼研究振興助成(日本鉄鋼協会)および
図 6 検討合金および TNTZ のヤング率(ST溶体化処理材，CR冷間圧延材)．

科学技術研究助成金(スズキ財団)による援助を受けて行われた．ここに謝意を表する．

文

献

冷間圧延によるヤング率の低下は応力誘起相変態に起因すると考えられる．一方，Ti12Cr 合金では冷間圧延によるヤング率の上昇が認められる．XRD 分析結果では Ti12Cr 合金において冷間圧延による構成相の変化は認められなかったが，Ti Cr 系合金では冷間圧延による v 相の生成が報告されている(9)．v 相は XRD 分析により検出されにくい相であることから，今後，透過電子顕微鏡等による微細組織観察をする必要があるが，同相は溶体化処理時の急冷や時効処理により生成するとヤング率を大きく上昇させることが一般的に知られていることから，応力誘起相変態により生成する場合にもヤング率の上昇が予測される．したがって，Ti12Cr 合金の冷間圧延によるヤング率の上昇は，応力誘起相変態によるv 相の生成に起因している可能性が高い．冷間圧延による応力誘起相変態の発生の有無は b 相の安定性によりほぼ決定されると考えられるが，本研究の結果，応力誘起相変態により生成する相の種類は合金元素の種類に強く依存し，さら( 1 ) D. Kuroda, M. Niinomi, M. Morinaga, Y. Kato and T. Yashiro:Mater. Sci. Eng., A 243 (1998), 244249.
( 2 ) M. Niinomi: Biomater, 24 (2003), 26732683.
( 3 ) T. Akahori, M. Niinomi, H. Fukui, M. Ogawa and H. Toda:
Mater. Sci. Eng., C 25 (2005), 248254.
( 4 ) T. Tamura, S. Kozuka, K. Oribe, M. Nakai and M. Niinomi:Ti2007 Science and Technology, ed. by M. Niinomi, S.
Akiyama, M. Hagiwara, M. Ikeda and K. Maruyama, The
Japan Institute of Metals, Sendai, (2007), 14411444.
( 5 ) 成田健吾，新家光雄，仲井正昭，赤堀俊和，織部一弥，田村貴志，小塚慎治，佐藤静磨日本金属学会誌， 72 ( 2008 ) ,674678.
( 6 ) K. Narita, M. Niinomi, M. Nakai, T. Akahori, H. Tsutsumi andK. Oribe: Processing and Fabrication of Advanced Materials
XVIII (edited by M. Niinomi, M. Morinaga, M. Nakai, N.
Bhatnagar and T. S. Srivatsan) 3 (2009), 13551364.
( 7 ) N. Sumitomo, K. Noritake, T. Hattori, K. Morikawa, S. Niwa,
K. Sato and M. Niinomi: J. Mater. Sci. Mater. Med., 19(2008), 15811586.
( 8 ) 古原 忠，牧 正志金属，66 (1996), 287296.
( 9 ) S. Hanada and O. Izumi: J. Mater. Sci., 21 (1986), 41314139.に，冷間圧延によるヤング率の変化の仕方は応力誘起相変態★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

により生成する相の種類に強く依存することが明らかとなった．また，本研究の目的にあるように手術時の曲げ変形によりヤング率を上昇させたい場合には，応力誘起相変態により生成する v 相の利用が有効であることが示唆された．したがって，今後は，この Ti12Cr 合金を基本組成として，第 3元素の添加等により，強度延性のバランスを考慮しつつも，冷間圧延によるヤング率の上昇がさらに大きな合金を探仲井正昭

2005年 日本学術振興会特別研究員(DC2)2005 年 名古屋大学大学院工学研究科博士後期課程修了
2005年 日本学術振興会特別研究員(PD)2006年 東北大学金属材料研究所助手
現職
2007年 4 月専門分野生体用金属材料◎主に生体用チタン合金の微細組織制御による力学的特性の改善や新合金開発に従事．

★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

索して行くことになろう．



新 進 気 鋭