生物医療用金属材料の概要

 

発売日：[2024/4/26]
 

生物医学用金属材料は生物医学材料に用いられる金属または合金であり、外科用金属材料とも呼ばれ、不活性材料の一種である。このような材料は高い機械強度、疲労抵抗と加工しやすいなどの優れた性能を持ち、臨床応用が最も広い支持力インプラント材料である。このような材料の応用は非常に広く、硬組織、軟組織、人工器官、外科補助器材などの各方面に関連している。
生物医療用金属材料の発展の歴史
生物医療用金属材料は人類が最初に利用した生物医療用材料の一つである。人類は早くから金を使って欠損歯を修復し始めた。
1546年、純金シートは頭蓋骨欠損の修復に用いられた
1588年、顎骨修復のために黄金版が発見された。
1775年、体内骨折を金属で固定する記載がある
1800年、金属板固定骨折を大量に応用した報道、
1809年、金でインプラントが作られた
1880年、銀は膝蓋骨縫合に用いられた
1896年、ニッケルめっき鋼釘は骨折治療に用いられた
1930年代、コバルトクロム合金、ステンレス鋼、チタン及び合金が広く応用された
1970年代、Ni−Ti形状記憶合金、金属表面コーティングの使用
ここ30年、発展は遅いが、臨床では依然として重要な地位を占めている
生体医療用金属材料の特性
1、材料毒性
生物医療用金属材料の毒性は主に金属表面イオンまたは原子が腐食または摩耗によって周囲の生物組織に侵入し、それによって細胞に作用し、酵素の活性を抑制し、組織酵素の拡散とリソソーム体を破壊する。具体的には、体内物質と有毒化合物を生成することができる。また金属イオンが組織液に入ると、水腫、塞栓、感染、腫瘍などを引き起こす。一般的に使用されている毒性降下方法には、合金化、耐食性向上、光沢度向上、表面コーティングなどが含まれる。
2、生理腐食性
生体医療用金属材料の生理腐食性は材料移植後の成否を決定する鍵であり、その生成物が生体に与える影響は移植デバイスの使用寿命を決定する。
3、力学性能
生物医療用金属材料には十分な強度と塑性が必要である。一般的に、人工股関節金属材料に対する要求は、降伏強度>450 Mpa、引張強度>800 Mpa、疲労強度>400 Mpa、伸び率>8%。通常、材料の弾性率は骨の弾性率より大きく、これにより材料と骨の歪みが異なり、界面で発生する相対変位は界面の緩みをもたらし、それ以外に応力遮蔽が発生し、骨組織の機能劣化や吸収を引き起こす。
4、耐摩耗性
耐摩耗性はインプラント摩擦デバイスの寿命に影響する、及び有害な金属微粒子又は微粉粉を産生し、周囲組織の炎症性、毒性反応を引き起こす可能性がある。硬度の向上、表面処理などの方法で改善することができる。
一般的な生体医療用金属材料
1、医療用ステンレス鋼
医療用ステンレス鋼の主な化学成分は{316、36 L、317 L}、応用において、長期安定性が悪いため、孔食、界面腐食が発生しやすい、溶出したいくつかのイオンは腫瘍形成を誘発する可能性がある、力学的適合性が悪く、生物活性がない。
2、医療用コバルト基合金
主な化学成分はCo−Cr−Mo、Co−Cr−W−Niなどである。耐食性はステンレス鋼より数十倍高く、一般的に明らかな組織反応はない。人工股関節界面としての緩み率が高く、Coイオンの放出は、細胞と組織の壊死、皮膚アレルギー反応などを引き起こす。それは優れた耐摩擦性能を持ち、積載能力が強い。通常は歌うインプラントとして使われています。
3、医療用チタン及びその合金
チタン及びチタン合金は現在最も多く応用されているインプラント金属生物材料であり、密度が小さく、比強度が高く、弾性率が低く、耐食性と疲労抵抗性能がステンレス鋼とコバルト合金より優れており、生体適合性が良いが、硬度が低く、耐摩擦性が悪く、疲労と破壊靭性はあまり理想的ではなく、弾性率は依然として高く、合金に毒性元素が含まれている。合金の性質によって、チタン合金は主にα、β、α-βチタン合金
4、医療用マグネシウム合金
マグネシウム合金は分解可能な医療用材料として第3世代生物医療用材料として知られている。マグネシウムは人体に優しい元素であり、吸収性と生体適合性に優れ、骨科移植において骨に近い密度と弾性率を有する。マグネシウム合金はまた制御可能な腐食速度を持ち、心血管移植と骨修復に良い応用の見通しがある。現在研究されているマグネシウム合金は主にWE 43、AZ 31、Mg-Ca、MgZnCaなどを含む。マグネシウム合金は主に腐食速度が速すぎて、機械的強度が足りないなどの問題がある。
その他の医療用金属材料
最初に広く臨床治療に用いられた金、銀、白金などの貴金属は、良好な安定性と加工性能を持っているが、その価格が比較的に高いため、広く応用が制限されており、現金は歯科、鍼灸、体内移植及び医療用バイオセンサーなどの面で広く応用されている。
タンタル、ニオブ、ジルコニウムは、優れた化学安定性と抗生理腐食性を有し、酸化物は基本的に吸収されず、毒性反応を示さず、その表面の酸化膜を破壊することなく他の金属と結合して使用することができる。また、良好な生体適合性を示しているが、価格が高いため、応用が制限されている。
形状記憶合金は新しい医療用生物材料である。臨床的に使用されている形状記憶合金は主にニッケルチタン形状記憶合金である。医療用ニッケルチタン形状記憶合金は相転移領域に形状記憶特性と超弾性を有し、低温で比較的に柔らかく、変形して人体温度に加熱するとすぐに元の形状に戻り、持続的に柔らかい回復力を発生することができる。この時、材料は硬く弾力性に富み、整形や支持の役割を果たすことができる。ステンレス鋼やチタン合金に匹敵する生体適合性を有する。その優れた生体適合性、耐食性、耐摩耗性、無毒などの特徴は、21世紀の新しい機能材料と呼ばれている。しかし、ニッケルチタン記憶合金中のニッケルイオンは周囲組織に拡散浸透し、副作用を引き起こす可能性がある。医療用形状記憶合金は主に整形外科と口腔科に用いられ、ニッケルチタン記憶合金の応用の最も良い例は自己膨張ステント、特に心臓血管ステントである。
医療用金属材料における現在の主な問題点
医療用金属材料は長年の臨床応用を経て、依然として多くの問題が存在し、医療用材料によく見られる宿主反応のほか、金属腐食と摩耗による直接または間接的な影響もある。医療用金属材料には合金化元素が多く含まれているが、人体に許容される濃度は非常に低い。これらの合金化元素は強い負電気性を示すことが多く、その電子原子価状態を変化させ、生体内の有機物や無機物質と化合して複雑な化学台物を形成することができる（強い毒性を含むものもある）。また、金属材料を人体に移植した後、腐食、摩耗などにより金属イオンが溶出、金属、イオンが組織液に入ると、組織反応、血液反応、全身反応などの何らかの生物反応が起こり、水腫、血栓塞栓、感染、腫瘍などの現象として現れる。

また人体の血液中では、血小板、細胞、タンパク質が負の電荷を持ち、金属析出イオンは一般的に正の電荷を持つため、血液中の大量の金属イオンの析出は血栓の形成をもたらしやすい。鉄（Fe）、クロム（Cr）、ニッケル（Ni）、モリブデン（Mo）、コバルト（Co）などの人体に必要な微量元素の中で、ニッケル、コバルト、クロムイオンは人体に対して大きな毒性と感作反応を持っている。インプラントから放出された金属イオンが炎症を誘導する過程を研究報告し、亜鉛、ニッケル、コバルトのサブミクロモル濃度でも内皮細胞Eセレクチンの発現を誘導できることを発見した。科学的に以前から存在していた「ニッケルアレルギーとニッケル発癌問題」は、最近数十年になってようやく各国から重視され、日用・医療用金属材料中のニッケル含有量の制限がますます厳しくなり、標準文書で許可されている最高ニッケル含有量もますます少なくなっている。1967年、1988年、1994年に公布された欧州議会の基準から、この傾向が明らかになった。そのため、新型医療用金属材料を発展させる際には、その中の金属元素を厳格に制御しなければならず、人体に毒性とアレルギー性の大きい合金化元素を少ないか、使わないことが望ましい。