I. 医療用金属材料の定義と応用
医療用金属材料は、外科用インプラント金属材料としても知られ、主に人体の診断、治療、組織の置換または強化に使用されます。過去 20 年間、金属医療材料の開発はポリマー、複合材料、ハイブリッド、誘導体などの生体医療材料に比べて遅れていますが、高強度、優れた靱性、耐屈曲疲労性、優れた加工特性など、他の医療材料では真似できない数多くのかけがえのない特性を備えています。これらは臨床用途で最も広く使用されている耐荷重インプラント材料です。-金属 3D プリンティング技術の発展により、金属医療材料は幅広い用途を獲得しており、最も重要な用途には骨折固定プレート、ネジ、人工関節、歯科インプラントが含まれます。
II.一般的に使用される金属製医療材料
臨床医療用途で使用される主な金属材料には、ステンレス鋼、コバルト合金、チタン合金、形状記憶合金、貴金属、タンタル、ニオブ、ジルコニウムなどの純金属が含まれます。
1. ステンレス鋼
医療用ステンレス鋼 (生体医療材料としてのステンレス鋼) は、鉄{0}}ベースの耐食性-合金であり、最も初期に開発された生体医療用合金の 1 つです。加工が容易でコストが安いのが特徴です。ステンレス鋼を冷間加工して成形すると、降伏強度が向上するだけでなく、錆に対して合金が強化され、疲労破壊が発生する可能性が低くなります。微細構造を見ると、ステンレス鋼はオーステナイト、フェライト、マルテンサイト、または析出硬化グレードとして分類されます。-当然のことながら、これらの鋼材は医療界の標準装備となっています。これらは、外科用ナイフ、ハサミの刃のサブレール、止血剤のジョー、中空針の本体などに鍛造されているのが見つかります。-ステンレス鋼は、手用器具以外にも、人工関節、プレートおよびネジ固定器、歯列矯正用アーチワイヤー サポート、および機械式心臓弁装置の弁ハウジングなどの移植可能な用途にも使用されています。これらの利用方法の中で、粒界炭化物の析出を最小限に抑えるために炭素含有量が極めて低い 316L および 317L のオーステナイト系グレードが主流です。-これらの合金の仕様書は、埋め込み型金属材料に関する ISO 規格の 1987 年改訂版である ISO 5832 および ISO 7153 で初めて発行されました。国際コーパスに続いて、我が国の国家規格 GB 12417 が 1990 年に起草され、1991 年に採用されました。
医療用ステンレス鋼の生体適合性とそれに関連する問題は、主に移植後の腐食や磨耗による金属イオンの溶解によって引き起こされる組織反応に関係します。広範な臨床データにより、医療用ステンレス鋼の腐食によりインプラントの長期安定性が低下することが実証されています。-さらに、その密度と弾性率は人間の硬組織のものとは大幅に異なるため、機械的適合性が低くなります。腐食により、金属イオンやその他の化合物が周囲の組織や体全体に侵入し、浮腫、感染、組織壊死などの有害な組織学的反応を引き起こし、痛みやアレルギー反応を引き起こす可能性があります。特に、ステンレス鋼からのニッケルイオンの溶解は、深刻な病理学的変化を引き起こす可能性があります（一般的に使用されるオーステナイト系医療用ステンレス鋼には、約 10% のニッケルが含まれています）。近年、低ニッケルおよびニッケルフリー-の医療用ステンレス鋼が徐々に開発され、応用されています。
2. コバルト合金
コバルト合金（生物医学材料としての Co- ベースの合金）も医療用途で一般的に使用されています。ステンレス鋼と比較すると、ステンレス鋼の 40 倍の耐食性があり、体内で厳しい負荷がかかる長期インプラントの製造に適しています。-医療用に特別に設計された最初のコバルト-金属合金は、冷却すると安定したオーステナイト構造になるコバルト-クロム-モリブデンの混合物でした。その後、1970 年代後半には、新しい選択肢が急増しました。特に優れた耐疲労性を示す鍛造コバルト - ニッケル - クロム - タングステン - 鉄-の変異体と、コバルト - ニッケル - クロム - アルミニウムのコアを保持しながら熱機械的にオーステナイト化して複雑な多相微細構造にする MP35N 変異体です。それ以来、臨床用コバルトリーナーオーステナイトマトリックスとコバルトニッケルバリアントは補綴工学において優れた性能を発揮してきました。これらは、コバルト クロム Mo- ベースの人工股関節のステムとカップ、コバルト クロム合金の膝の関節面、不安定骨折用のメッキ、トラフィック-シーム スクリュー、圧入骨ピン-などの整形外科用固定装置を成形します。現在、鋳造コバルト-クロム-アルミニウム合金が最も広く使用されており、ISO 5582/4 規格に組み込まれています。 1990 年に、私の国はそれを国家規格 GB12417 に組み込みました。
コバルト合金は通常、人体内では不動態のままであり、めったに腐食しません。ステンレス鋼と比較して、不動態皮膜はより安定しており、耐食性が優れています。-また、すべての医療用金属材料の中で最高の耐摩耗性を備えており、一般に移植後に顕著な組織学的反応を引き起こさないと考えられています。しかし、コバルト合金で作られた人工股関節は、コストが高いため、金属の摩耗や腐食によって生じる Co および Ni イオンの放出により、生体内で高い割合で緩みを示します。さらに、沈殿したCoおよびNi元素は、生体内で細胞や組織の壊死を容易に引き起こし、痛み、関節の緩み、陥没を引き起こす可能性がある重度のアレルギー誘発性などの生物学的問題を引き起こします。したがって、その用途は限られてきました。近年、コバルト合金の表面特性を改善するために表面改質技術が使用され、その臨床効果が効果的に強化されています。
3. チタン合金
生体医療材料としての Ti- ベースの合金は、既知の金属の中で最も生体適合性が高い金属の 1 つです。 1940 年代以来、チタンおよびチタン合金は臨床医学で徐々に応用されるようになりました。 1951 年、人類は骨プレートとネジの製造に純チタンを使用し始めました。 -1970 年代半ば、チタンおよびチタン合金は医療用途に広く普及し始め、最も有望な医療材料の 1 つとなりました。現在、チタンおよびチタン合金は主に整形外科、特に手足や頭蓋骨の再建に使用されています。これらは、さまざまな骨折固定装置、人工関節、頭蓋骨と硬膜、人工心臓弁、歯、歯肉、止め輪、クラウンなどの製造に使用されます。医療用途で最も広く使用されているチタン合金は TC4 (Ti-6Al-4V) です。この合金は室温で＋二相構造をとります。その強度とその他の機械的特性は、溶体化処理と時効処理によって大幅に向上します。
チタンとその合金の密度は約 4.5 g/cm3 で、ステンレス鋼やコバルト合金の密度の約半分であり、人間の硬組織の密度に近づきます。さらに、生体適合性、耐食性、耐疲労性はステンレス鋼やコバルト合金を上回り、現在最高の金属医療材料となっています。チタンおよびその合金の人体に対する親和性は、その表面にある緻密な酸化チタン (TiO2) 不動態膜に由来しており、移植後、体液中のカルシウムおよびリンイオンの沈着を誘導してアパタイトを形成します。これは、ある程度の生物活性と骨結合を示し、骨内移植に特に適しています。しかし、チタンとその合金の欠点は、硬度が低く、耐摩耗性が低いことです。摩耗が発生すると、最初に酸化膜が破壊され、続いて摩耗粒子腐食生成物が放出され、人間の組織に侵入します。特に、Ti-6Al-4V 合金に含まれる有毒なバナジウム (V) は、インプラントの破損を引き起こす可能性があります。チタンとその合金の耐摩耗性を向上させるには、高温イオンアミノ化またはイオン注入を使用して、表面の耐摩耗性を高めることができます。近年、人体に有害な元素の低減に重点を置いた新しいチタン合金（主にα系合金）が開発されており、チタン合金の生体適合性を効果的に改善しています。
4. 形状記憶合金
生物医学材料としての医療用形状記憶合金 (SMA) の研究は 1970 年代に始まり、すぐに広く応用されるようになりました。臨床現場で最も広く使用されている SMA は、ニッケル-チタン SMA です。医療用 SMA の形状記憶回復温度は 36 ± 2 度で、人間の体温と一致し、チタン合金と同等の生体適合性を示します。しかし、SMA には大量のニッケルが含まれているため、不適切な表面処理によりニッケルイオンが拡散して周囲の組織に浸透し、細胞や組織の壊死を引き起こす可能性があります。医療用 SMA は主に形成外科と歯科で使用されます。自己拡張型ステント、特に心臓血管ステントは、その応用例の代表例です。
5. 貴金属および純金属: タンタル、ニオブ、ジルコニウム
医療用貴金属とは、生体医用材料として使用される金、銀、プラチナおよびそれらの合金を指します。貴金属は、優れた生体適合性、強力な耐酸化性と耐腐食性、独特の物理的および化学的安定性、優れた加工特性を備えており、人体組織に対して無毒です。-これらは、歯科修復、頭蓋修復、埋め込み型電子機器、神経補綴物、耳介および横隔膜神経刺激機器、視覚神経機器、およびペースメーカー電極に使用されます。
歯科修復物用のタンタルは、優れた化学的安定性と生理的腐食に対する耐性を備えています。酸化タンタルは本質的に吸収されず、毒性もありません。-タンタルは、表面酸化膜を損傷することなく他の金属と組み合わせることができます。日常の臨床では、表面を不動態化する連続酸化物層の破壊を避けながら金属を結合することが可能であると思われます。タンタル、ニオブ、ジルコニウムは、チタンの微細構造と反応性プロファイルの両方を示すため、器具付き骨移植片やネジ留め歯根から、取り外し可能な義歯のヒンジ部分、薄壁血管ステント、温度調節型全人工心臓などの幅広いデバイスに至るまで、さまざまなインプラント用途で評価されています。-それにもかかわらず、日常的な実践におけるこれらの金属の追求には依然として限界がある。それらの固有の精製と製造の経済性により、それらはほとんどのインプラントマージンの予算をはるかに超えています。
