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低弾性率Ti-Nb-Sn合金の硫酸陽極酸化による骨誘導性能改善効果の検証

國井 知典 東北大学

2021.03.25

概要

【緒言】整形外科インプラントとして広く使われているTi-6Al-4V合金は優れた耐食性, 強度を有しているが, 弾性率の指標であるヤング率が110Gpaと高弾性率である.骨皮質のヤング率(10~30GPa)に対して極めて高いため, 人工股関節大腿骨ステムとして使用される場合, 荷重伝達不均衡による応力遮蔽のための骨萎縮, あるいは骨吸収と大腿部の疼痛が生じる問題がある.その問題の解消のためにTi-6Al-4V合金と同等以上の引っ張り強度を有し, 皮質骨に非常に近い低ヤング率(約40GPa)を有するβ型Ti-Nb-Sn合金(以下Ti-Nb-Sn)が東北大学金属材料所において開発された.Ti-Nb-Sn合金の臨床応用にあたり, 整形外科インプラントとして利用されるには優れた骨親和性が必要である.この骨誘導能を向上させるため, 様々な表面処理法が研究されてきた.先行研究では, 酢酸陽極酸化された純チタンで疑似体液中でのハイドロキシアパタイト(以下アパタイト)の析出が確認されており, この表面処理法の有用性が報告されている.当教室では東北大学金属材料研究所と共同研究を進め, Ti-Nb-Sn合金についても酢酸陽極酸化処理および温水処理を施し, 生体内での骨親和性の向上を報告している.

【目的】本研究の目的は, Ti-Nb-Sn合金の生体応用に向けてより高度な骨誘導性能の獲得を目指して, 硫酸陽極酸化を施したTi-Nb-Sn合金の骨親和性改善の効果を検証することである.具体的には, 硫酸陽極酸化処理の後にTi-Nb-Sn合金の擬似体液浸漬によるアパタイト析出効果と, 陽極酸化処理Ti-Nb-Sn合金の家兎生体内埋没試験での骨誘導性能の改善効果を検証することである.

【方法】①Ti–25.4%Nb–9.9%Sn合金と工業用純チタン(CPチタン)で直径10mm厚さ2.0mmの円板と, Ti–25.4%Nb–9.9%Sn合金で4.5mm長さ25mmの円柱状の家兎大腿骨髄腔内挿入用ロッドを作成した.陽極酸化はこれらの合金試料を1.0Mの硫酸電解浴に定電圧(円板210V, ロッド210V), 電流密度50mA/cm2の条件で30分間通電し行った.二酸化チタン成膜の結晶構造の改善効果を期待して, 80℃の大気中での熱焼成あるいは, 80℃の蒸留水15ml中に48時間浸漬し温水処理を行った.陽極酸化処理後の円板表面の走査型電子顕微鏡による観察とX線光電子分光装置による元素分析を行った.また円板とロッドを37℃の擬似体液(Hanks溶液)内に7日間浸漬し, 走査型電子顕微鏡とX線回析装置で合金表面のアパタイト析出の有無を確認した.②力学的な骨新生効果の検証のために, 陽極酸化, 陽極酸化と熱焼成, 陽極酸化と温水処理を行ったロッド, 未処理のロッドを日本白色家兎の右大腿骨に膝関節側から逆行性に挿入した.術後3, 6週で各群8羽を安楽死させた後に大腿骨を摘出し, ロッドの引き抜き試験を行った.③組織学的な骨新生効果の検証のためにテトラサイクリンとカルセインを用いて骨の二重標識を行った日本白色家兎6羽の6大腿骨に, ②と同様のロッド埋め込み手術を行い術後6週で安楽死させた.骨内に金属ロッドが挿入された状態で骨標本にVillanueva bone stainを行った後に, 近位部, 遠位部で切片作成, 研磨により非脱灰研磨標本を作製し, ロッド周囲の定量的骨形態計測を行った.④埋没したTi-Nb-Sn合金試料と骨との界面の検討を目的として透過型電子顕微鏡による詳細な二酸化チタン成膜表面の構造解析と元素分析を行い, カルシウムイオン, リンイオン分布について検討した.

【結果】①走査型電子顕微鏡の観察では硫酸陽極酸化処理後のTNS合金円板, CPチタン円板に多孔質構造を呈する二酸化チタン被膜が確認され, anataseやrutileの結晶構造による微小球構造が観察された.X線光電子分光装置での元素分析では陽極酸化処理を施行した試料において, 二酸化チタン被膜上の水分子基, 水酸基, 確認された.Hanks溶液に7日間浸漬後の走査型電子顕微鏡の観察では陽極酸化処理, 陽極酸化処理と熱焼成, 陽極酸化処理と温水処理のいずれのTi-Nb-Sn合金円板, ロッド表面においてもアパタイトの析出が確認された.②家兎大腿骨埋没モデルでのTi-Nb-Sn合金ロッドの引抜き試験では陽極酸化処理と熱焼成, 陽極酸化と温水処理を行ったロッドは未処理のロッドに比べ有意に引き抜き破断強度が大きかった.③陽極酸化を行ったロッド周囲は未処理のロッド周囲に比べ有意に金属周囲の層板骨の割合が上昇しており新生骨形成が行われていた.④骨と二酸化チタン成膜の界面を透過型電子顕微鏡で観察し二酸化チタン成膜中の微小孔周囲のカルシウムイオン, リンイオンの分布を確認した.

【考察】Ti-Nb-Sn合金に硫酸陽極酸化を行った試料では, 追加して行った熱焼成, 温水処理に関わらず疑似体液に浸漬することでのアパタイト析出が確認された.同様に家兎大腿骨の埋没モデルでは引抜き試験での優れた骨誘導能が確認できたことから, 硫酸陽極酸化によりTNS合金ロッドにアパタイト骨形成能が付与され, 骨誘導能が向上したと考えられる.また組織学的評価で成熟骨の割合が有意に高くなっていたことから, Ti-Nb-Sn合金の硫酸陽極酸化により, 骨誘導能の向上に加えて新生骨の分化を促進させたと考えられる.以上の結果からTi-Nb-Sn合金の硫酸陽極酸化では熱焼成や, 温水処理の追加を必要とせずに骨誘導性能が獲得できることが明らかになった.また, 透過型電子顕微鏡での観察から, 硫酸陽極酸化処理により成膜された二酸化チタン成膜中の微小孔構造周囲でカルシウム, リンイオンの分布が確認され, アパタイト析出と骨芽細胞浸潤が誘導され, 二酸化チタン膜上に浸潤した骨芽細胞による骨形成が促進されることが示唆された.

【結論】硫酸陽極酸化によりTi-Nb-Sn合金の骨誘導の明らかな改善が示された.硫酸陽極酸化処理は, 整形外科インプラントの早期の骨固着を得る上で有効な表面処理方法であると考えられる.同処理を施行したTi-Nb-Sn合金は低ヤング率と優れた骨誘導性能をあわせ持つ生体材料として有望な整形外科インプラント材料であると期待される.

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