チタン合金材料の人体への適応性と医療用チタン材料の種類

医療分野においては、金属材料が人体に無害であることが求められます。金属が腐食すると金属イオンが溶け出し、生体（人体）の細胞組織に影響を与えるため、腐食しにくく耐食性の高い金属材料を使用する必要があります。チタンはその一種です。耐食性に優れた材質。医療用金属材料としてステンレス系からコバルト系、 チタン基合金シリーズ、チタンとチタン合金の比率は増加しています。世界中の医療産業で使用されるチタンの量は年間約 1,000ta です。

1. チタンの人体への適応性（チタンの生体適合性）
ヒトの適応性に対する金属イオンの応答を観察するために、マウス肺線維芽細胞（V79細胞）やマウス線維芽細胞組織（I929細胞）などの金属イオン感受性細胞を用いて実験室で細胞適応性評価法を実施しました。中国における医学実験の実施及び独立行政法人（医療機器の生物学的評価標準化専門委員会）。医療機器生物学評価技術基盤（医療機器生物学評価標準専門委員会）が提供するモノマー単体イオンの人体（生体）に対する反応を区別します。
バナジウム（V）、ニッケル（Ni）、銅（Cu）などは毒性が高く、ppm（×10-6）という限られたレベルで短時間に細胞死を引き起こします。例えばバナジウム（V）とニッケル（N）の場合、V79細胞での実験結果を図に示します。 10 週間の浸漬試験の結果は、ニッケルが約 10×6-0.6 (pm = 10 万分の 6) の場合にすべての細胞が死滅する一方、バナジウム (V) が XNUMX 桁低く、約 XNUMX 倍の場合にすべての細胞が死滅することを示しました。 XNUMX-XNUMX.第二に、ラットやウサギなどの小動物の硬組織（骨）と軟組織（腱）を金属シートに埋め込んで実験したところ、これらの毒性の高い金属は確実に硬組織（骨）と軟組織（腱）の壊死を引き起こしました。 ）接触部分にあります。

もう一つのグループは、有害な症状を示すもので、付着した状態で移植され、接触部位の線維組織に一種の生体を形成して反応を放出し、鉄、アルミニウム、金、銀、などが如実に表れています。 SUS304Lステンレス鋼やSUS36Lステンレス鋼などの一般的な金属材料やコバルトクロム合金がこれに属します。硬組織に埋め込まれた金属片は骨細胞と融合しておらず、数週間後に除去テストを行うと、抵抗なく除去されます。
3 番目のグループは生体との反応性が最も低く、チタン、ジルコニウム、ニオブ、タンタル、プラチナなどの埋め込みや付着に適しています。これらの金属が生体に埋め込まれたり、生体に付着すると、硬組織や軟組織と密接に結合し、生体に似た現象を示します。

そのため、チタンは生体に傷害を与える可能性が低く、安全な金属です。チタン合金を使用する場合、使用する合金元素によっては純チタンに比べて耐食性が低く、腐食が生じると合金元素が溶出する場合があります。耐食性と非侵襲性を備えた合金元素を選択する必要があります。チタン合金の中でも、Ti-6AI-4V合金は航空機製造や耐海水工学機器などに古くから使用されており、数多くの使用例があります。医療分野では、耐食性に優れる（鉄、酸素、水素の含有量が少ない）ELI合金が長年使用されてきました。しかし、最近、埋入・留置用チタン合金の研究開発の一環として、バナジウム（V）を無害な合金であるニオブ（Nb）に置き換えたTi-13Nb-13Zr合金が標準化されました。モノマーの変異原性に関する報告書（ASTM、ISO）について。アルミニウムを積極的に排出する合金も近日発売予定です。

2、医療用チタン素材
米国の医療用ASTM規格（Fコード）が世界標準に相当し、欧州ではISO規格とASTM規格が整理されて欧州規格に統合されつつある。日本では、国内規格の統一化を進めており、ASTM規格とISO規格に対応する規格を統合し、ISO規格をベースとした規格の策定を開始しています。
人工膝関節や股関節（大腿骨頭も含む）などのインプラントやアタッチメントに使用されるASTM規格に規定されているチタン材料を形​​状別に一覧表示しています。長い間、純チタンおよび Ti-6AI-4V 合金（粉末材料を含む）は、さまざまな形状の部品やコンポーネントの製造に使用されてきました。

3、医療用チタン用途
チタンは人工大腿骨関節、人工膝関節、骨副木など多くの部品に使用されており、整形外科でも使用されています。関節の炎症を変形させることにより、リウマチ［「ルマチズム」と発音、重度の関節痛、腱痛を意味するが、アレルギー性疾患でもある – 訳者注］およびその他の重度の痛みを引き起こし、歩行困難を引き起こすこの病気に苦しむことになる。この症状に苦しんでいる人には、人工大腿関節や人工膝関節置換術が施され、痛みがなくなり、歩くことができるようになります。日本では年間80,000万件の大腿関節置換術、40,000万件の膝関節置換術が行われています（2005年の統計）。今後、高齢化社会の進展に伴い、人工関節の需要は大幅に増加すると予想されます。
チタンはすべての人工関節部品に適しているわけではありません。動きの多い関節部分にはチタンは摩耗しやすいため不向き（セラミックやコバルト合金が好ましい）であり、インプラント部分にはチタン合金が使用されます。チタン合金の表面は凹凸があり、アパタイトやバイオグラスなどの骨に敏感な素材でコーティングされており、生体骨との早期統合を確実にします。また、骨折の固定にはチタン合金製の髄内釘やチタン合金製のプレートが使用されます。

歯科分野でもインプラントやアタッチメントの使用が増加傾向にあります。チタンの使用量は少ないですが、図に示すように、板状、ネジ状、ソケット状、バスケット状のチタン合金と純チタン合金があります。これらの部品は顎の骨に直接打ち込まれ、骨の組成を代表するアパタイトでコーティングされ、歯の歯肉部分に固定されます。チタンは一般歯科における金属インプラントに適しています。精密鋳造法と超塑性成形法の2つの方法があり、これまでのコバルトやクロムの合金に比べて軽量で酸性の食品にもクセがありませんが、チタンの使用が対象外となるため、健康保険での診断・治療の場合、料金が高くなります。

ペースメーカーは、内科用の埋め込み型付属品として、患者の心拍数が低い場合に埋め込むことができます。鎖骨下静脈から心臓まで電極ワイヤーを挿入し、この電極がペースメーカーに電気信号を入力することでペースメーカーとなります。最近では、質量20g、厚さ6mmと、電極線を接続して皮下に埋設できる小型のペースメーカーも開発されています。バッテリーと制御回路は生体に対して非侵襲性の純チタン製の小さな容器（ロケット）に収められています。バッテリーの寿命は少なくとも6年であるため、コンテナ（ロケット）は長期間安定して安全であることが求められます。現在、日本では約5,000人が恩恵を受けています。

チタンは手術器具にも使われています。特に10時間を超える長時間にわたる脳神経外科手術の場合、鉗子には軽量化が要求され、止血鉗子などにはチタン製品が使用されています。チタンは、インプラントやアタッチメント用の手術器具、歯石除去用のバイブレーターなど、多くの歯科治療器具にも使用されています。移植や装着だけでなく、補助器具や車椅子などにもチタンが使用されています。病気や事故などで手足の一部を失った場合、その機能を回復するために義肢が作られますが、義肢の主要部分が金属でできているため、軽さ、耐久性（主に腐食や腐食などに強い）の点で応用されています。耐疲労性）、生体との適合性（Ni、Cr等）。車椅子の場合、車椅子全体の軽量化を主な目的とするため、フレームや車輪など構造上の金属部品のほぼすべてにチタンが使用される場合があります。