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大阪大学が金属3Dプリンターで骨に代替可能な新材料の開発に成功

3Dプリンターと中野教授 出典:大阪大学

大阪大学工学部研究科の中野貴由教授、石本卓也特任教授、松垣あい准教授らの研究チームが、生体用の金属材料「バイオハイエントロピー合金」と金属3Dプリンターを組み合わせて、高強度・高加工性(高延性)・低弾性・生体親和性を兼ね備え、あたかも生体骨としてふるまう、骨に代替可能な新材料の開発に成功した。

(画像は3Dプリンターと中野教授 出典:大阪大学)

強度に優れ、骨のように使用可能

開発された新材料は、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、ニオブ、タンタル、モリブデンで構成されるバイオハイエントロピー合金(BioHEA)だ。鋳造ハイエントロピー合金(HEA)に、毒性の低いハフニウムを新たに加え、金属3Dプリンターを使用することで生み出されたBioHEAは、加工性を保ち、HEAに比べ、約1.4倍の強度(1,300MPa超)を記録した。

鋳造された合金(HEA)と3Dプリンターを使用した新開発の合金(BioHEA)の強度の比較 出展:大阪大学
鋳造された合金(HEA)と3Dプリンターを使用した新開発の合金(BioHEA)の強度の比較 出典:大阪大学

BioHEAは、骨代替用バイオマテリアルとして、人工関節、脊椎スペーサー、骨固定デバイス(ボーンプレート)などに適用可能であり、あたかも骨としてふるまう骨デバイスとしての新展開が期待されるという。

金属3Dプリンターの急激な熱勾配に着目

骨に代替可能なデバイスを作りだすためには、高強度・高加工性(高延性)・低弾性、さらには生体親和性といった多くの機能性を兼ね備えた金属材料の獲得が不可欠だ。しかしながら、こうした特性は、原子間結合の強さに支配されるため、高強度と低弾性(強さと柔らかさ)、さらには高強度と高加工性(変形しにくさと変形させやすさ)はいずれも両立できない関係にある。

そんな中、中野教授らは、2017年に世界に先駆けて BioHEAを設計し、ある程度の強度と生体親和性を示す材料の創製に成功している。しかし、実用化にはさらなる高強度化に加えて低弾性と高加工性の付与が必要な点が課題として残っていた。

金属3Dプリンターは複雑な形状のものを自由に造形できる点に特徴があるが、中野教授らは金属3Dプリンターの、急激な温度勾配で物体を冷やすことで凝固させるプロセスに注目。 先駆けて開発されたBioHEAに対して、温度勾配で 柔軟性を向上させ、急冷しながら合金を形成することで強度を上昇させることに成功した。

金属を積層造形する際に生じる温度差は、いわゆる異方性を生む。異方性とは力をかける方向によって強度が異なる性質をさすが、中野研究室では、この金属のそろう向きを原子レベルで把握し、配列を一定方向にそろえることで、物性をコントロールしようという高度な取り組みを行ってきた。その成果が着実に形になっていると言えるだろう。

新設計BioHEAの高い生体親和性を示す図 既存の生体用合金であるSUS316Lステンレス鋼より優れ、CP-Ti純チタンに匹敵する生体親和性を有することが分かる。 出展:大阪大学.
新設計BioHEAの高い生体親和性を示す図。 既存の生体用合金であるSUS316L(ステンレス鋼)より優れ、CP-Ti(純チタン)に匹敵する生体親和性を有することが分かる。 出典:大阪大学

新開発の骨代替素材は医療分野・航空宇宙分野での応用が期待される

高い生体親和性と高強度を兼ね備え、かつ生産性が大きく向上した新規BioHEAは、整形外科・歯科領域でのインプラント材料としての応用が期待されることから、すでにインプラントメーカとの共同研究により医療用材料としての実用化を視野に入れて研究を進めていると発表された。いわゆる医工連携を通じて、中野研究室は現実の医療のレベルを確実に押しあげる取り組みを推進している。

3Dプリンターは医療分野で積極的に採用されている。ShareLabNEWSがこれまでに取り上げてきたニュースは、以下のリンクにまとめてあるので、ぜひ併せてご覧いただきたい。

https://news.sharelab.jp/category/cases/medical/
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国内外の3DプリンターおよびAM(アディティブマニュファクチャリング)に関するニュースや最新事例などの情報発信を行っている日本最大級のバーティカルメディアの編集部。

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