3Dプリント記憶合金、中国における現在の開発状況

この投稿は Little Soft Bear によって 2016-12-19 09:41 に最後に編集されました。

我が国が2016年に発表した「第13次科学技術イノベーション5カ年計画」の第5章「国際競争力のある現代産業技術システムの構築」では、新素材技術や先進的で効率的なバイオテクノロジーを積極的に開発する必要性を明確に指摘しています。この計画の焦点は、主に、埋め込み型介入デバイス、組織修復材料、最先端の新技術という 3 つの主要な方向にあります。南極熊は、これが中国の863計画にも関わっており、中国はバイオメタルの3Dプリントにおいても大きな科学研究上の優位性を持っていることを知りました。

医療分野における形状記憶合金の用途としては、血管ステントや整形外科用インプラントなどがあります。我が国の西北非鉄金属研究所、中国科学院瀋陽金属研究所、天津大学などの大学や研究機関も大量の理論研究と生産プロセス研究を実施し、数多くの科学研究成果と特許技術を達成しました。中国における形状記憶合金の開発はどの程度進んでいるのでしょうか？

形状記憶合金は、人工骨、骨固定加圧装置、歯科矯正装置、各種腔内ステント、塞栓器、心臓修復装置、血栓フィルター、介入ガイドワイヤ、外科用縫合糸など、臨床医療分野で広く使用されており、現代医学においてかけがえのない役割を果たしています。

チタンニッケル系記憶合金瀋陽海鑫科技<br /> 瀋陽海鑫科技は、チタンニッケル系形状記憶合金線を原料とし、レーザークラッディング積層造形プロセスを採用しています。製造部品の組織化と変形を制御することで、真空消耗シェル炉の溶融池が大きく、合金元素が完全に均質化され、合金の偏析を防止します。

3D プリントされたチタンニッケル記憶合金ワイヤのレーザークラッディング付加製造の手順は次のとおりです。
- 製造する部品の CAD 図面に従って 3Dmxs ソフトウェアでモデリングします。
- Cura ソフトウェアを使用してスライスし、このプログラムをレーザークラッディングプリンターの制御コンピューターに入力します。
- 製造する部品の壁の厚さと位置に応じて、クラッディング速度、レーザーパラメータ、ワイヤ送り速度を決定します。
- 冷却用のアルゴンガスの圧力と流量を調整します。
-レーザークラッディング印刷を開始します。
- 完成品の冷却処理および仕上げ。

瀋陽海欣科技の技術は、3Dプリントプロセスだけでなく、チタンニッケル系記憶合金の初期製錬、チタンニッケル系記憶合金ワイヤの準備、加工中の製造部品の組織制御と変形制御にも反映されていることがわかりました。さらに、瀋陽海欣科技は、主に結晶粒を微細化し、Ms変態温度を調整する目的で、合金に微量の希土類金属元素を添加しました。さらに、プロペラ部品のブレード部分の変形制御については、瀋陽海欣科技は対称レーザークラッディングプロセスを採用し、レーザークラッディング速度とガス冷却速度を制御しながら、各ブレードの構造と変形を基本的に一貫したものにしています。

形状記憶合金血管ステント
南京航空航天大学<br /> 南京航空航天大学は、自動粉末敷設レーザー複合加工技術を使用して、形状記憶合金血管ステントを製造しています。加工対象部品の3次元データモデルに従って、高エネルギーレーザービームを使用して混合粉末システムを溶融します。次に、粉末敷設、溶融、凝固を通じてシステムを層ごとに蓄積し、最終的にネットワーク構造の血管ステントブランクを形成します。次に、ブランクを電気化学的に研磨して、特定の表面粗さ要件を達成します。

この血管ステントには以下の特徴があることが知られています。
- 形状記憶合金のユニークな超弾性と形状記憶効果を利用することで、血管ステントの臨床応用中に血管再狭窄の発生率を効果的に低減できます。
- 機械的特性と模擬生物環境試験により、血管ステントは生物組織や血液との適合性が良好で、医療用途の条件を満たしています。
-レーザー複合加工技術の超高製造精度と成形工程中の不活性ガスの保護の利点に基づき、従来の血管ステントの製造における表面粗さ、バリ、酸化の問題を効果的に克服します。

南京航空航天大学が開発した血管ステントは、高温で成形し、低温で圧縮して収縮状態にし、バルーンに挟み込み、さらに保護シースを装着する。ステントが血液中に入ると、すぐに相転移温度に達し、オーステナイトからマルテンサイトへと変態する。外部の保護シースを外すと、ステントは自動的に所定の直径まで開き、狭い病変部で補助的な役割を果たす。その中で、血管ステントは、変形していないときの相はオーステナイト相であり、拡張後にマルテンサイト相に変化します。相変化により合金の機械的性質は変化しますが、元の組成は変化しません。オーステナイトからマルテンサイトへの相変化が発生すると、材料の硬度と強度が増加します。NiTi合金自体の生体適合性と組織適合性が優れているため、相変化後に人体に副作用はありません。

南京航空航天大学が使用する合金材料はニッケルとチタンで、3 番目の成分は Co、Cr、V のいずれかです。 3 番目の成分は、材料の表面に緻密で安定した酸化膜を形成し、孔食の発生を効果的に抑制し、血管ステントの全体的な耐腐食性を向上させ、人体内でのステントの正常な動作を保証します。

4D効果を備えた側弯症内部固定矯正装置
広州マイプ再生医療<br /> 既存の金属製側弯症内固定装置は、Zimmer、Stryker、Medtronic、Depuyなどの企業の関連特許や技術データに記載されています。しかし、既存の側弯症外科矯正にも、偽関節、内固定の失敗（釘、ロッドの破損、フックの外れなど）、深部感染などの問題があります。特に外科手術を受ける患者の場合、側弯症はより重篤であることが多く、医師は手術計画を立てる際に根治的治療か保存的治療かの選択に苦労することがよくあります。

側弯症は、患者ごとに脊椎の変形が異なるという特徴があります。側弯角度、回転角度、脊椎の形態、側弯の位置と周囲への影響、傍脊椎の軟部組織構造はすべて異なります。臨床医は、個人に合わせた機器を求めています。広州麦埔再生医療は、3Dプリント技術の進歩により、患者の生理学的構造により適合したパーソナライズされた脊椎整形外科用内部固定装置の製造が可能になったことを発見した。 4D効果とは、3Dプリント材料が自動的にプリセットモデルになり、3Dプリントに時間次元を追加することを意味します。これは、広州麦埔再生医療の4D効果を備えた脊柱側弯症内固定矯正装置の4Dの意味です。時間の経過とともに制御可能な変形の特性は、応力バランスに基づくアプローチによって実現されます。

広州麦埔再生医療の印刷プロセスには、主に以下のステップが含まれることがわかりました。

- 3Dプリントレーザー焼結印刷技術によりニッケルチタン系記憶合金骨格を準備し、ニッケルチタン系記憶合金骨格が冷却された後、曲率を設計して曲げます。
- 3Dプリント熱溶解積層法によって、得られたニッケルチタン系記憶合金材料骨格上に熱可塑性材料を積層して熱可塑性材料シェルを作製するか、または熱可塑性材料シェルを別途作製し、その後ニッケルチタン系記憶合金材料骨格と熱可塑性材料シェルとを組み合わせ、ニッケルチタン系記憶合金材料骨格の位置決め穴を熱可塑性材料シェルの位置決めピンに一致させて機能ユニットを得る。

この記事の参考文献:
サイエンスDOI:10.1126/science.aaf6524
サイエンスアドバンス DOI: 10.1126/sciadv.1600319
レーザーベースのAMを用いたNi-Ti形状記憶合金の調査

出典: 3D Science Valley 詳しい情報:
3Dプリントされたチタン合金の胸椎がこの女性に移植された

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