バイオメディカル用途向けバルク金属ガラスのレーザーベースの付加製造

出典：高エネルギービーム加工技術

低弾性率で低コストのインプラントが緊急に必要とされているため、骨結合と患者に合わせたインプラント製造技術を備えた新しい生体材料の開発が非常に望まれています。ステンレス鋼、Co-Cr、純チタンおよびその合金、純ジルコニウムおよびその合金を含む金属生体材料は、特に病気の骨の修復または置換のための人工装具の製造に最も一般的に使用されます。金属インプラントは、股関節、固定装置、歯科インプラント、心血管ステント、ネジ、骨プレートなどの硬組織の修復/置換に最もよく使用されます。これは、優れた耐疲労性と耐荷重性によるものです。しかし、これらの材料は、骨の弾性率が機械的に適合しない、耐腐食性が低い、耐摩耗性が低いなどの問題を抱えています。金属ガラスは非晶質であるため、高強度、優れた耐腐食性、耐摩耗性、骨に近い弾性率など、独自の物理的・機械的特性を備えており、バイオメディカル分野での使用に非常に適しています。

従来のバルク金属ガラス (BMG) 製造方法と比較して、レーザー積層造形技術の利点は、重要な鋳造サイズよりも大きい BMG を製造できることだけでなく、複雑な形状や患者固有の形状を製造できることにもあります。さらに、レーザー積層造形技術では、金型の事前製造や部品固有のツール作成コストが不要です。したがって、コスト効率に優れ、特にバイオメディカル部品の製造において、産業界向けの潜在的な BMG 製造方法となることが期待されています。図 1 は、バイオメディカル分野におけるレーザー積層造形技術の応用を示しています。

図1. バイオメディカル分野におけるレーザー積層造形技術の応用
レーザー積層造形法で作製したBMGの破壊靭性
BMG は、天然 (酸化物) ガラスよりも強度が高いため、準脆性材料と呼ばれることがよくあります。 BMG の破壊靭性は BMG の種類によって異なり、合金の組み合わせ、処理技術、および使用するテストの種類によって異なります。一部の BMG は Ti 合金に匹敵する靭性を備えていますが、他の BMG はケイ酸塩ガラスのように非常に脆いです。図 2a に示すように、レーザー積層造形法と鋳造法で作製された BMG の応力 - ひずみ曲線を比較します。

図 2. (a) レーザー積層造形法で作製した BMG と鋳造 BMG の応力-ひずみ曲線および破面の比較。(b) 異なる結晶化率および多孔度でレーザー積層造形法で作製した BMG の破壊靭性。レーザー積層造形プロセスに伴う加熱により、熱影響部 (HAZ) に脆い金属間層が形成され、この技術で作製した BMG は鋳造 BMG よりも脆くなります。 BMG マトリックスに強靭な相を導入して BMG 複合材料を形成し、BMG のレーザー積層造形プロセス中に微細多孔性や結晶分率などの欠陥を制御すると (図 2(b))、脆性の問題を効果的に改善できます。

レーザー積層造形法で作製したBMGの破壊靭性
現在使用されている結晶性金属合金（Ti6Al4Vなど）と比較すると、BMGは、高強度、比較的低い弾性率、優れた生体適合性、高い耐損傷性、優れた耐腐食性などの優れた特性を備えています。レーザー積層造形法で作製したBMGの耐摩耗性は、模擬体液中でTi6Al4AV合金よりも高いことが観察されました（図3(a)）。レーザー付加製造された BMG の in vitro 生体適合性を調査し、その結果を鋳造 BMG および Ti6Al4V 合金の結果と比較しました。図3(b)に示すように、96ウェルプレートに播種されたMG63細胞は、レーザー積層造形法で製造されたBMG上でより高い増殖を示し、より良好な成長曲線を示しました。 SAOS2細胞を接種したさまざまな種類のレーザー積層造形されたFeベースBMGは、316Lステンレス鋼と比較して高い細胞生存率を示しました（図3（c））。これにより、レーザー積層造形法で製造された BMG は、結晶合金と比較して生体適合性と生体安全性が優れていることが確認されました。レーザー積層造形法で作製したBMG上で培養したA375細胞は、結晶性Ti6Al4Vと比較して、レーザー積層造形法で作製したBMG上で密に分布し、より良好に分布していた（図4（ac））。レーザー付加製造された Zr ベース BMG、鋳造 Zr ベース BMG、および Ti6Al4V 基板上で MC3T3-E1 セルを使用した接着テストでは、7 日目以降、各材料の表面に緻密な層が形成されることが示されました。これにより、レーザー積層造形された BMG が、市販グレードの Ti 合金に匹敵する骨芽細胞の成長と接着をサポートすることが確認されました (図 5)。
図 3. (a) レーザー積層造形法で作製した BMG と Ti6Al4V 合金の耐摩耗性の比較、(b) レーザー積層造形法で作製した BMG と Ti6Al4V 合金の細胞毒性試験、(c) レーザー積層造形法で作製した BMG と 316l ステンレス鋼の生体適合性試験図 4. (a) 対照群、(b) 3D プリント BMG、(c) 24 時間接種した Ti6Al4V 合金の細胞分布と密度を示す細胞形態図 5. レーザー積層造形法で作製した Zr ベース BMG、鋳造 Zr ベース BMG、Ti-6Al-4V 合金、および対照基板の表面における MC3T3-E1 細胞の接着と増殖を示す SEM 顕微鏡写真
主な結論<br /> 今日、レーザー積層造形は、複雑な形状、コスト効率に優れた、患者固有のインプラントの製造において重要な役割を果たしています。レーザー付加製造法で製造された BMG インプラントが臨床要件を満たし、広く受け入れられるまでには、多くの課題に対処する必要があります。最も一般的な課題は、BMG の初期特性を変える部分的な結晶化、BMG の品質を低下させる意図しない気孔形成、および気孔から伝播してその後のインプラントの故障につながる微小亀裂です。さまざまな臨床ニーズにさらに応えるために、レーザー積層造形に関する今後の研究では、プロセスパラメータの最適化、レーザー積層造形によって加工された BMG コンポーネントの後処理、BMG 複合材料のレーザー積層造形、高いガラス形成能力を持つ生体適合性合金の開発、残留応力の制御に重点を置く必要があります。現在の課題と将来の研究動向を図 6 に示します。

図6. 現在の課題と将来の研究動向

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