粉末冶金法による新規 Ti-10Mo-xCu 合金の特性とバイオメディカルインプラント応用の可能性

Characteristics of novel Ti-10Mo-xCu alloy by powder metallurgy for potential biomedical implant applications.

• Wei Xu
• Chenjin Hou
• Yuxuan Mao
• Lei Yang
• Maryam Tamaddon
• Jianliang Zhang
• Xuanhui Qu
• Chaozong Liu
• Bo Su
• Xin Lu

抄録

生体材料が人体に移植されると、インプラント表面は微生物の付着やバイオフィルムの形成に有利な場所となり、インプラント周囲感染の原因となり、補綴物の失敗や再手術の原因となることが多い。Ti-Mo合金は、耐荷重骨補填用として一般的に使用されているインプラント材料の一つであり、Ti-Moインプラントの感染予防は非常に重要である。本研究では、Ti-Moマトリックスに抗菌性銅（Cu）を添加し、抗菌性を有する新規なTi-Mo-Cu合金を開発した。Ti-Mo-Cu合金の微細構造，引張特性，細胞適合性，細菌抑制能に及ぼすCu含有量の影響を系統的に検討した。その結果、Ti-10Mo-1Cu合金はα相とβ相からなるが、Ti-10Mo-3Cu及びTi-10Mo-5Cu合金ではα相及びβ相に加えてTiCu金属間化合物が若干存在することが明らかになった。Ti-10Mo-xCu合金の引張強さは、Cu含有量の増加とともに増加したが、伸びは減少した。Ti-10Mo-3Cu合金の引張強さは1098.1MPaであり、伸びは5.2%であった。細胞親和性試験の結果、Ti-10Mo-xCu合金はいずれもMC3T3-E1細胞の増殖に悪影響を及ぼさないことが示された。Ti-10Mo-xCu合金のCu含有量の増加に伴って細菌阻害率が増加し、それぞれ20～60％、15～50％の範囲内であった。以上のことから、本研究は、高強度、許容される伸び、優れた細胞適合性、および細菌抑制特性を有するTi-10Mo-3Cu合金が、バイオメディカルインプラントへの応用のための有望な候補であることを示唆している。

When biomaterials are implanted in the human body, the surfaces of the implants become favorable sites for microbial adhesion and biofilm formation, causing peri-implant infection which frequently results in the failure of prosthetics and revision surgery. Ti-Mo alloy is one of the commonly used implant materials for load-bearing bone replacement, and the prevention of infection of Ti-Mo implants is therefore crucial. In this study, bacterial inhibitory copper (Cu) was added to Ti-Mo matrix to develop a novel Ti-Mo-Cu alloy with bacterial inhibitory property. The effects of Cu content on microstructure, tensile properties, cytocompatibility, and bacterial inhibitory ability of Ti-Mo-Cu alloy were systematically investigated. Results revealed that Ti-10Mo-1Cu alloy consisted of α and β phases, while there were a few TiCu intermetallic compounds existed for Ti-10Mo-3Cu and Ti-10Mo-5Cu alloys, in addition to α and β phases. The tensile strength of Ti-10Mo-xCu alloy increased with Cu content while elongation decreased. Ti-10Mo-3Cu alloy exhibited an optimal tensile strength of 1098.1 MPa and elongation of 5.2%. Cytocompatibility study indicated that none of the Ti-10Mo-xCu alloys had a negative effect on MC3T3-E1 cell proliferation. Bacterial inhibitory rates against and increased with the increase in Cu content of Ti-10Mo-xCu alloy, within the ranges of 20-60% and 15-50%, respectively. Taken together, this study suggests that Ti-10Mo-3Cu alloy with high strength, acceptable elongation, excellent cytocompatibility, and the bacterial inhibitory property is a promising candidate for biomedical implant applications.

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