あたかも生体骨のような新材料バイオハイエントロピー合金×レーザー金属３Ｄプリンティングで実現超高強度・高加工性・低弾性・生体親和性を同時発現可能な新技術～原子レベルのナノ結合がマクロな材料特性を決める「ナノ力学」の仕組み解明へ～

2022-12-01

2022-11-29 大阪大学,科学技術振興機構

ポイント

バイオハイエントロピー合金（以降、ＢｉｏＨＥＡ）とレーザー金属３Ｄプリンティング（ＡｄｄｉｔｉｖｅＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ；ＡＭ）の組み合わせから、高強度・高加工性（高延性）・低弾性・生体親和性を兼ね備え、あたかも生体骨として振る舞う、骨代替可能な新材料の開発に成功。
相分離傾向を持つＢＣＣ（体心立方構造）型ＢｉｏＨＥＡを、レーザー金属ＡＭプロセスで超急冷することで、真のハイエントロピー合金、すなわち混合のエントロピーを高めた多元系（多数の元素を含む）強制固溶体合金の創製を実現。
マクロ偏析防止により細胞の接着班が均一に分布することで純チタンと同様の生体親和性を実現。
ＡＭによる溶融池での固／液界面制御により多結晶から単結晶様組織までの結晶配向制御（組織制御）をＢｉｏＨＥＡにて世界で初めて成功。低弾性率化による骨類似特性を発揮可能に。
“ＢｉｏＨＥＡ×レーザー金属ＡＭ”にて、相分離のスケールダウンを行い、ナノ・原子レベルの組織制御からマクロスケールでの力学制御を実現。ナノ力学現象を解明するための糸口に。

大阪大学大学院工学研究科の中野貴由教授、石本卓也特任教授、松垣あいら准教授らの研究グループは、レーザーを熱源とする金属３Ｄプリンティング（ＡｄｄｉｔｉｖｅＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ；ＡＭ）を用いて、ＢｉｏＨＥＡの超高強度化と低弾性率化という本来背反する特性を重畳可能であることを見いだしました。レーザー金属ＡＭによるマクロ相分離（偏析）を抑制し、強制固溶による真のハイエントロピー効果を引き出すとともに、金属ＡＭプロセスによる結晶方位制御により低弾性特性を発揮させた結果です。同時に、加工性と生体親和性の向上ももたらしました。

開発した新材料は、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、ニオブ、タンタル、モリブデンで構成される６元系ＢｉｏＨＥＡです。同組成の鋳造ハイエントロピー合金（ＨＥＡ）と比較して、加工性を保ちつつ、約１．４倍の強度（１，３００ＭＰａ超）を記録しました。ＡＭ法による本新材料は、骨代替用バイオマテリアルとして、人工関節、脊椎スペーサー、骨固定デバイス（ボーンプレート）などに適用可能であり、あたかも骨として振る舞う骨デバイスとしての新展開が期待されます。

本研究成果は、Ｔａｙｌｏｒ＆Ｆｒａｎｃｉｓ発刊の速報誌「ＭａｔｅｒｉａｌｓＲｅｓｅａｒｃｈＬｅｔｔｅｒｓ」誌（ＩＦ＝８．５１６、ＣｉｔｅＳｃｏｒｅ＝１３．６）に、１１月２９日（日本時間）に公開されます。

本研究は、ＪＳＴＣＲＥＳＴ［ナノ力学］革新的力学機能材料の創出に向けたナノスケール動的挙動と力学特性機構の解明（研究総括：伊藤耕三）での「カスタム力学機能制御学の構築～階層化異方性骨組織に学ぶ～」（研究代表者：中野貴由）（課題番号：ＪＰＭＪＣＲ２１９４）の一環として行われました。

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＜論文タイトル＞

“Novel single crystalline-like non-equiatomic TiZrHfNbTaMo bio-high entropy alloy (BioHEA) developed by laser powder bed fusion”: ＤＯＩ：10.1080/21663831.2022.2147406