多孔質チタン合金とは？

チタンおよびチタン合金は、低密度、高強度比、良好な耐食性、耐疲労性および生体適合性など、比類ない様々な利点を有しており、現在最も理想的な生体材料の1つと考えられており、骨移植や歯の修復のための臨床的に好ましい材料となっている。しかしながら、チタンおよびチタン合金の弾性率は50～114GPaの範囲にあり、その中で最も一般的に使用されているのは Ti6Al4V 合金の弾性率は110GPであり、人骨の弾性率（0.02～20GPa）よりもはるかに高い。弾性率の不一致により、インプラントから隣接する骨組織への荷重伝達がうまくいかず、「応力遮蔽」(stress shielding)現象が起こり、骨の吸収、皮質骨の緩やかな菲薄化、インプラントのゆるみ、さらには外科手術の失敗につながる。さらに、弱い金属インプラントとヒトの骨組織との間の単純な機械的結合は、インプラントの寿命に影響する。従って、骨組織の機械的性質に適合し、骨組織の成長と治癒を促進することができる新しい医療材料を開発する必要があり、多孔質チタンインプラント、すなわち多孔質構造を有するチタンまたはチタン合金は、ますます研究のホットスポットとなっている。

多孔質構造は人骨の微細構造に非常に類似しており、密度が小さく、比表面積が大きく、エネルギー吸収が良いという特徴を持っています。多孔質チタン合金は、チタン合金の優れた物理的・化学的特性と多孔質構造を兼ね備えており、人骨の海綿状構造をシミュレートし、緻密なチタン合金の弾性率を低下させることができる。多孔質チタン合金とチタン合金のユニークな細孔構造は、体液と栄養素の輸送を助長し、その粗い表面は、インプラント内への新しい骨組織の分化と成長を助長し、細孔内の骨組織の迅速な形成を促進し、外部骨組織との効果的なリンクを促進するので、それらは骨結合の形で結合強度を向上させる。多孔質チタン合金は、現在、人骨インプラント、股関節形成術などに使用されており、現在、最も有望な生物医学材料のひとつと考えられている。しかしながら、最適な孔径、気孔率、およびその他の幾何学的パラメータに関する統一的な結論は得られていない。

ステンレス鋼とコバルト合金に続き、多孔質チタンとチタン合金は、医療と臨床治療の分野で台頭してきた第三世代の医療用金属材料となっている。人体硬組織置換用の優れた材料は、以下の要件を満たす必要がある：

• ヒトの骨と同様の機械的特性。多孔質チタンがヒト骨組織の代替材料として考慮されなければならない主な課題は、弾性率などの機械的特性である。多孔質Tiは、ヒトの骨に近い弾性率（コンパクト骨の弾性率3～30GPa、海綿骨の弾性率1～2GPa）と十分な機械的強度（コンパクト骨の圧縮強度0.3～1.5MPa、海綿骨の圧縮強度100～230MPa）を有している。したがって、空隙率、強度、弾性率の関係を総合的に検討する必要がある。強度と弾性率のバランスが取れた多孔質Ti合金は、生体内で要求される耐荷重性を満たし、機械的適合性を有する。
• 優れた生体適合性と生物活性。生体適合性と生体活性は、多孔質チタンインプラントの臨床応用を成功させるための前提条件であり、骨芽細胞の接着、増殖、成長を助長し、インプラント内への骨細胞の増殖を促進し、インプラントと骨との間に生物学的固定を形成する。連通気孔構造はTiインプラントの生体適合性をある程度向上させるが、Tiは生体不活性材料であり、インプラントと機械的に結合させることしかできない。適切な化学組成、構造および表面特性は、多孔質チタンの生物学的活性を向上させ、インプラントと骨組織との良好な骨結合の形成を助長することができる。したがって、多孔質チタンの生体適合性と生物活性を向上させるには、表面改質が非常に重要である。
• 良好な気孔率。多孔質Tiの機械的特性は、天然骨に適合するように、気孔率、気孔径、気孔分布によって調整された。適切な気孔率は50%～80%、気孔径は150～500μmで、細胞の内方への成長と流体の流れの条件も整えた。
• 優れた耐食性。気孔の存在は、体液環境において多孔質Tiの複雑な局所腐食を引き起こす。表面積が極端に拡大するため、インプラントと体液の接触反応の機会が増加し、腐食損傷が発生しやすくなる。腐食速度は、体液環境、気孔率、気孔の形態と構造などに密接に関係している。気孔率やその他の関連パラメータも、ポーラスTiの耐食性を制御する鍵であることがわかる。

最も可能性のある骨修復材料として、多孔質チタンは、応力集中による外科手術の失敗を避けるために、一定の圧力に耐え、骨組織と適合する機械的特性を持たなければならない。多孔質チタンが整形外科用インプラント材料として使用されるためには、良好な生体適合性と生物活性も必要条件である。

三次元的に連結した多孔質構造は、生体用多孔質チタンおよびチタン合金の重要な特徴である。理想的な機械的特性と生体適合性は、気孔率と気孔径の制御と密接に関連しているため、多孔質チタンおよびチタン合金の調製は特に重要である。現在、多孔質チタンおよびチタン合金の調製法には、焼結法、急速成形法、蒸着法など多くの方法がある。

焼結法

焼結法は、金属材料を調製する伝統的な方法であり、真空または保護雰囲気中で高温熱処理を行い、金属を原料とする。焼結法はまた、多孔質Tiの一般的な調製法でもある。気孔構造を得る方法の違いにより、気孔形成剤法、繊維絡合法、微小球積層法、スポンジ浸漬法に分けられる。

ラピッドプロトタイピングの方法

ラピッドプロトタイピング（RP）は、CADモデルで制御された複雑な形状の3Dソリッド部品を製造する方法です。高速かつ正確で、複雑な形状の立体を製作することができます。RPは、多孔性の Ti.3D 印刷、ゲル射出成形、その他のラピッドプロトタイピング技術。

蒸着方法

チタンやチタン合金は代表的な不活性生体材料である。インプラント埋入後の治癒期間を短縮し、インプラントの骨との結合能を向上させるためには、多孔質チタンおよびチタン合金の表面を活性化することが有効な方法である。多孔質チタンおよびチタン合金の表面改質方法には、主に機械的方法、物理的方法、電気化学的方法、化学的方法、生化学的方法（反応性析出法、電着法、真空蒸着法、プラズマ溶射法など）がある。

口腔・顎顔面インプラント

Tiおよびチタン合金は、歯や骨の修復に一般的に使用されているが、その弾性率は自家骨よりもまだわずかに高いため、骨修復材料としてのTiには限界がある。顎口腔外科では、多孔質インプラントやインプラントへの積層造形技術の応用は一般的にまだ研究中であるが、シミュレーション実験により信頼性の高いデータが得られている。

脊椎インプラント

椎間板固定装置は、椎間板の高さを回復させ、骨癒合を可能にする、脊椎疾患によく使われるインプラントである。現在、アメリカのStryker社、Nexxt Spine社、ドイツのJoimax社などが、多孔質チタン合金製固定器具の製造販売承認を取得し、徐々に臨床応用されている。

股関節インプラント

人工股関節全置換術は、大腿骨頭壊死、大腿骨頚部骨折などの治療に広く用いられており、人工関節置換術の中でも最も広く行われている手術の一つである。臼蓋カップは、一般的に使用される股関節インプラントである。現在、多くの3Dプリント多孔質チタン合金寛骨臼カップが登録・承認されている。

結論として、ポーラスTiは、その優れた総合的特性から、今後の臨床医療における骨修復材料の分野において絶対的な優位性を持つ。しかし、表面改質、生体活性化、骨組織誘導メカニズムに関する研究はまださらに必要である。バイオメカニクスと生物学的活性がよりマッチした多孔質Tiは、患者のニーズに合わせて適切な調製方法とプロセスパラメーターを選択することにより調製することができる。また、ポーラスTiの表面活性化、誘導およびメカニズムの研究は、インプラントと骨組織との結合強度を向上させ、骨統合期間を短縮し、患者の痛みを軽減する可能性がある。ポーラスTiの製造コストをいかに低減するかも喫緊の課題である。