頭蓋顎顔面硬組織インプラント用 3D プリントチタン合金材料の研究の進歩

この投稿は Little Soft Bear によって 2017-3-1 16:57 に最後に編集されました。

現在、3D プリント技術は、その優れたカスタマイズ性により、医療分野で人気を博しています。しかし、医療材料には常に大きな制限がありました。外科用インプラントや整形外科用機器に使用される医療用金属材料には、主にステンレス鋼、コバルト基合金、チタン合金の3つのカテゴリがあります。チタン合金は、臨床の硬組織インプラントに最も多く使用されている材料です。優れた生体適合性と機械的特性により、最も理想的な頭蓋顎顔面インプラント材料にもなっています。医療用チタンプレート、チタンネイル、チタンメッシュ、その他のインプラントは、口腔および顎顔面外傷後の内固定、および上顎、下顎、眼窩壁、頭蓋骨、乳様突起切除などの顎顔面骨組織切除後の機能修復および再建に広く使用されています。頭蓋骨プレートは頭蓋骨再建用に作成することもでき、微細孔チタンメッシュは損傷した頭蓋骨および硬膜の修復に使用できます。口腔インプラント、パーソナライズされたアバットメント、義歯ブラケット、クラウン、ブリッジに使用されるチタン合金材料は、口腔インプラントや歯列矯正の分野でも優れた臨床効果を発揮します。頭蓋顎顔面硬組織インプラント修復の材料と準備技術は、修復の品質に影響を与える主な要因であり、顎顔面修復および再建手術の成功の鍵でもあります。

1940 年代以降、多くの学者が、材料物理学、化学、生物医学、高度な電子顕微鏡法、生化学分析などの複数の分野を巻き込んで、チタンの生物学的特性間の相関関係について研究を行ってきました。チタン合金インプラントの良好な生体適合性、機械的適合性、および対応する標準、プロセス、およびその他の問題を確保することは、外科用インプラント製品の研究開発の鍵です。以下は、頭蓋顎顔面硬組織に使用されるチタン合金インプラント材料に関する関連研究の簡単な説明です。

1 頭蓋顎顔面チタン合金インプラントに一般的に使用される材料の生物学的特性
1.1 医療用チタン合金材料の生体適合性<br /> チタン合金は、細胞毒性、遺伝毒性、腐食性、溶血性、アレルギー性など、人体との相互作用によって生じるさまざまな物理的、化学的、生体電気的およびその他の反応や耐性において優れた生体適合性を持ち、ステンレス鋼やコバルトベースの合金よりも強力です。チタン合金の微細組織分類には、α型（純チタン系など）、α+β二相混合型（Ti6Al4Vなど）、β型チタン合金などがあります。医療用チタン合金材料の微細構造を分類して選択する場合、合金内の異なる構成元素に悪影響があってはなりません。第一世代のTi-6Al-4V（TC4）は典型的なα+β二相高温チタン合金ですが、このタイプの合金には生物に対して毒性の副作用があるVとAlが含まれており、臨床応用ではVの生物毒性がNiやCrを上回ることが判明しています。第 2 世代は、V の代わりに Nb と Fe を使用した α+β チタン合金 Ti-6A1-7Nb と Ti-5A1-2.5Fe で、それぞれスイスとドイツで開発され、国際バイオマテリアル規格に組み込まれました。
Ti-13Nb-13Zr、Ti-12Mo-6Zr-2Fe（TMZF）、Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr（TNTZ）などの第3世代の低弾性率、近β型医療用チタン合金は、世界中で医療用チタン合金材料の研究のホットスポットおよび主要な方向性となっています。 Ti-13Nb-13Zr は 1994 年に米国で開発され、国際規格に正式に採用された最初の医療用チタンです。 Ti-12Mo-6Zr-2Fe (TMZF) は、2000 年に人工股関節システムの大腿骨ステムの製造に使用されました。これらの新しいβチタン合金は、弾性率が比較的低く、生体適合性が優れているため、骨密度の低下を防ぎ、インプラントの失敗の可能性を減らすのに非常に重要です。生体適合性に影響を与える要因には、インプラント材料の種類、デバイスの形態とその表面形態、組成、物理化学的特性、および機械的特性が含まれます。のために

生体材料の特性と生物学的特性を変え、さまざまな処理技術を適用することで、微細構造の形態を広範囲に制御し、生体適合性と骨形成特性をさらに向上させることができます。従来の治療法は、機械的、物理的、化学的、電気化学的方法に大別され、サンドブラスト、プラズマチタンスラリースプレー、ハイドロキシアパタイトコーティング、マイクロアーク酸化、酸エッチング、またはサンドブラストと酸エッチングの組み合わせで処理されたチタンおよびチタン合金が含まれます。これらは、表面の骨のようなアパタイトの形成を促進し、骨の治癒プロセスを短縮し、新しい骨組織の成長を促進して機械的結合を形成し、それによってインプラントと骨組織との結合強度を向上させることができます。
1.2 医療用チタン合金材料の生体力学的適合性<br /> 骨や関節の代替物は、人体において曲げ、圧迫、伸張、せん断などのさまざまな生体力学的力を受けるため、インプラントの機械的特性には非常に高い要求が課せられます。機械的特性によって、特定の用途に適した金属材料の種類を選択する方法が決まります。最も重要な特性は、硬度、引張強度、弾性率、耐摩耗性、疲労性能、伸びです。骨インプラントが、骨とインプラントの強度が不十分であったり、機械的特性が一致しなかったりして生体力学的に適合しない場合は、生体力学的に適合しないと言われます。現在、応力遮蔽現象を軽減または解決し、良好な生体力学的適合性を得るためにチタン合金を研究する一般的な方法が 2 つあります。1 つは、チタン合金の弾性係数を下げ、チタン合金の生体活性を向上させる新しい医療用チタン合金を開発することです。チタン合金の微細組織には、α型（AlとO、Nなどのガス元素を含む）、β型（Mo、Nb、Ta、Vなどを含む）、α+β型の3種類があります。β型はさらに、準安定β合金、準安定β合金、安定β合金に分類されます。合金にはさまざまな処理が施され、α 相と β 相の適切な割合と分布が制御され、さまざまな組織が形成されて機械的特性が向上します。
チタン合金の生体力学的適合性を、合金の単一の機械的指標が人間の骨組織のそれに近いか一致するかに基づいて単純に判断することはお勧めできません。チタン合金の強度が向上すると、金属弾性率、硬度・耐摩耗性、疲労強度は向上しますが、可塑性は低下します。上記の矛盾した法則により、アプリケーションにおける他の機械的特性との適合を保証するために、材料の機械的強度の一部を犠牲にしなければならない場合があります。例えば、Al および V 元素はチタン合金の強化に非常に効果的ですが、材料の可塑性と靭性を低下させ、弾性率を高めます。したがって、医療用チタン合金は避けるか、少量添加する必要があります。しかし、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｓｎなどの元素は、可塑性や靭性にほとんど悪影響を与えずにチタンを強化することができ、チタン合金の弾性率を低下させる効果もあるため、好ましく添加することができる。第二に、修復空洞構造の設計を変更して多孔質チタンを準備することで、弾性係数または剛性を低減することができます。頭蓋顎顔面インプラントとして使用される Ti-6Al-4V 合金は、医療製品の製造に高密度状態で使用されることがほとんどです。しかし、高密度 Ti6-Al4-V の弾性率は 110GPa であるのに対し、天然皮質骨の弾性率は 0.5GPa から 20GPa の範囲です。

生体力学的適合性の観点から見ると、従来の金属インプラント材料は生体力学的適合性が低く、骨組織の機械的特性と一致せず、置換する硬組織との界面結合が弱いため、最終的にはインプラントの緩みや自家骨折につながることが、多数の臨床研究で示されています。三次元多孔質構造を持つチタン合金の設計と製造などの新しいインプラント技術の応用と性能に関する研究により、気孔の存在によって以下の点でインプラントの性能が向上することがわかりました。
（１）金属インプラントの密度、強度、弾性率は、気孔サイズと多孔度を調整することで機械的適合性を達成し、インプラント周囲の骨壊死、新生骨の変形、耐荷重能力の低下を回避することができる。
（２）立体的なメッシュ構造と粗い内外面は、その表面における骨芽細胞の強力な接着、分化、増殖の可能性を助長し、垂直的な骨治癒を形成し、インプラントと骨の間の生物学的固定を達成することができる。材料の性能に影響を与える上記の組成と構造に加えて、チタン合金の製造および加工技術によって、材料の機械的特性と耐食性を比較的広い範囲内で調整することもできます。

2 パーソナライズされた頭蓋顎顔面チタン合金インプラントの加工性能<br /> チタン合金は優れた特性を持っているため、要求を満たす特定の形状に加工するにはさまざまな成形方法が必要です。頭蓋顎顔面医療用チタン合金インプラントは、精密鍛造、ロールプロファイル作製、真空インベストメント鋳造などの減法製造方法によって作製できます。熱間静水圧プレスプロセスにより、合金鋳造物内の緩い構造が排除され、合金の性能が向上します。頭蓋顎顔面骨の構造は複雑であるため、その欠陥や変形に対する修復の設計と製造は常に難しい研究ポイントとなっています。コンピュータ支援設計（CAD）、コンピュータ支援数値シミュレーション技術（CAE）、付加製造技術（AM：Additive Manufacturing）などを使用することで、最終的な修復と頭蓋顎顔面骨の複雑な外部形状と内部構造の正確な制御を確保できます。

電子ビームまたはレーザーに基づくラピッドプロトタイピング3Dプリント技術は、複雑な3次元CADモデル設計に従って、さまざまな内部空間構造と異なる多孔度を備えた3次元メッシュ多孔質チタン合金インプラントを直接得ることができます。生物学的表面粗化はより合理的であり、プロセスはより信頼性があります。また、精密な設計によりメッシュ構造ユニットやメッシュサイズ、空間分布、外形などを作製し、その機械的特性を人間の硬組織の機械的特性に合わせて調整することで、パーソナライズされた製造を実現できます。付加製造技術、3D 印刷技術とも呼ばれます。用途には、上顎骨や下顎骨など、さまざまな程度の頭蓋顎顔面欠損の再建が含まれ、これが 3D 金属印刷技術を使用してパーソナライズされたインプラントを準備する主な目的となっています。チタン合金インプラントを直接製造するために使用される主な 3D 金属印刷技術は、電子ビーム溶融法 (EBM)、選択的レーザー溶融法 (SLM) などです。これら 2 つのアプローチは、内部の細孔構造と複雑な形状を正確に制御できるため、大きな注目を集めています。チタン合金の製造における 3D プリント技術が難しい理由は、金属の融点が比較的高く、金属の固液相変化、表面拡散、熱伝導などの複数の物理的プロセスが関係しているためです。他に考慮すべき事項としては、成形後のチタン合金の結晶構造が良好かどうか、試験片全体が均一かどうか、内部の不純物や気孔の大きさなどが挙げられます。さらに、急速な加熱と冷却によっても、試験片に大きな残留応力が生じます。
電子ビーム溶解技術は 1990 年代半ばに開発されました。電子ビームをエネルギー源として使用します。コンピューターシステムが電子を制御して金属粉末を選択的に溶解し、粉末を広げてから再度溶解します。処理全体は真空環境で実行されます。 Ti-6Al-4V 合金の成形キャビティ温度は、製造プロセス中に 626 ～ 700°C に維持されるため、合金の微細構造形態と機械的特性がよりよく一致します。利点としては、高温により準備された合金が応力緩和焼鈍状態になり、部品の残留応力が除去され、合金の微細構造の均一性が確保され、部品の合金組成がより純粋になり、酸素含有量が低減し、マルテンサイト相の形成が低減されることです。

アル・ベルマニ、ブラックモアら英国の学者らは、Arcam S12 EBM装置を使用してTi-6Al-4V合金を作製し、合金の微細構造、組織、機械的特性について詳細な研究を行った。アメリカの学者バス氏は、EBM法で製造されたTi-6Al-4V合金の微細構造と機械的性質を研究し、この合金は機械的性質が良好で、この方法で製造された合金の引張特性は従来の方法で製造された合金の引張特性に匹敵することを指摘しました。 Koike、Joshi、および米国の他の学者は、ArcamA2 EBM 装置を使用して歯科インプラント用の Ti-6Al-4VELI 合金を準備し、合金の引張試験と疲労試験を実施しました。米国のMurrらは、EBM Ti-6Al-4V合金の微細構造と機械的特性を研究し、鍛造Ti-6Al-4V合金と比較しました。この研究では、EBM 法を使用して、鍛造合金に匹敵する強度と可塑性を備えた Ti-6Al-4V 合金を製造でき、医療用インプラントの製造に使用できることが実証されました。
国内外の他の学者は、EBM法で製造されたTi-6Al-4V合金多孔質材料の圧縮性能試験や疲労試験を実施しました。 EBM製下顎骨の最初の臨床例は、2011年に83歳の女性に移植され、成功しました。カスタマイズされたチタンインプラントのほとんどは、機械加工、鋳造、鍛造などの準備プロセスを経て製造されますが、EBM などの直接金属製造は、インプラントの表面形態を直接変更するだけでなく、コンピューター支援設計ファイルに従って特定の形状と構造のインプラントを製造できるため、これらの技術よりも優れています。従来のフライス加工や旋削加工の代替として EBM を使用してインプラントを製造する経済的実現可能性は、Cronskr らによる研究で議論されています。

選択的レーザー溶融技術は、1995年にドイツのフラウンホーファー研究所によって提案されました。この技術では、金属粉末をレーザー光線の熱で完全に溶かし、その後冷却して固めて形状を形成します。 SLM 技術は、バイオメディカルチタン合金の製造にうまく適用できることが実証されています。固体材料を成形できるだけでなく、必要に応じて多孔度と圧縮強度を制御できる多孔質材料も得られます。ドイツのキール大学のWarnke PHらは、LDH、MTT、BrdU、WSTなどの一般的な方法を使用して、SLMで形成されたTi-6Al-4Vスキャフォールドの細孔サイズが生体適合性と圧縮特性に与える影響をテストしました。

3. まとめ<br /> 外科用インプラントに使用されるチタン合金材料は、長期の生理環境において良好な生体適合性と機械的適合性を備えていることが求められており、これは体内で長期にわたって安全かつ安定した機能を発揮し、治療効果を発揮するための重要な要素です。悪影響のない合金添加剤の厳密な設計と選択、材料の冶金および加工品質の確保に加えて、内部の微細構造を制御し、材料の表面状態を修正および最適化することも重要な技術的手段です。頭蓋顎顔面用チタンインプラント材料の研究には以下も含まれます。
（１）既存の表面活性化法を改良し、新たな表面活性化法を開発してインプラント材料の耐摩耗性、耐腐食性を向上させ、チタン合金材料と頭蓋顎顔面硬組織との適合性をさらに向上させる。
（２）個人に合わせたカスタマイズされた３次元メッシュインプラントの設計と準備。

3D金属印刷による頭蓋顎顔面硬組織修復および三次元メッシュチタン合金インプラントの置換材料に関する研究は、医学と工学のコミュニケーションを強化する必要がある学際的かつ包括的な分野です。次の研究動向は次のとおりです。
（１）頭蓋顎顔面の異なる欠損部位のCTスキャンデータに基づいて、リバースエンジニアリングCADモデリングを経て、三次元多孔質構造インプラントの個別設計を設計する。
（２）メッシュ構造の設計においては、生体力学シミュレーション分析に基づき、メッシュ構造と分布が応力遮蔽の問題を解決するのに十分な剛性と強度を持ち、同時に荷重支持要件を満たす一定の強度を持ち、人体に埋め込まれた後に変形したり破損したりしないことを保証することを提案する。
（３）生体外実験力学と生体内移植実験から得られたデータに基づいて、メッシュ構造チタン合金の細孔パラメータ、機械的特性、内部および外部表面状態を調整し、臨床移植への応用を加速する。
（4）3D金属印刷技術は、3次元メッシュ構造のチタン合金ステント構造の製造に応用され、ステントの複雑な形状の製造の難しさや内部微細構造の制御不能など、従来の製造方法の欠点を克服し、ステントの幾何学的構造の複雑さに制限されず、製造されたステントの気孔サイズ、多孔度、多孔度と微細構造の分布を制御できます。さらに、有限要素解析によってステントの構造を事前に最適化することで、ステントの機械的強度の向上など、特定の特殊要件を満たすことができます。

記事の一部は Yan Rongzeng、Hu Min (北京人民解放軍総合病院口腔科) より提供されたものです。
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