Development of Novel Tailor-Made CoCr-Based Superelastic Biomaterials

新型定制钴铬基超弹性生物材料的开发

基本信息

批准号：
20KK0108
负责人：
XU XIAO
金额：
$ 11.98万
依托单位：
Tohoku University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Fund for the Promotion of Joint International Research (Fostering Joint International Research (B))
财政年份：
2020
资助国家：
日本
起止时间：
2020-10-27 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20KK0108/
关键词：
生体材料 CoCr合金超弾性合金積層造形

项目摘要

本研究は研究代表者らが最近開発した高い耐食性および優れた超弾性特性が同時に発現するCo基ホイスラー合金を対象に、超弾性特性および加工性の向上に向けて研究を行い、日本、ドイツとチェコ、3ヶ国による国際共同研究チームで積層造形技術等を駆使して、テーラーメイド型新規CoCr系超弾性生体材料の開発に挑戦する。本研究の３年目では、２年目に実験的に決定したCoCr(Al,Si)合金の擬3元系状態図の情報を活用し、キュリー温度が室温以下かつCr濃度の高い組成範囲に注目し、生体材料の応用に重要である機械特性の調査を行った。まず、サイクル熱処理技術を用いて単結晶試料を作製するため、その実施に必要な熱処理上限および下限温度、昇温および降温速度などの最適条件を実験的に決定した。これらの条件を用いることで、Cr濃度一定および(Al,Si)濃度一定である二つの組成断面において、シリーズで単結晶試料を作製することに成功した。さらに、これらの試料を用いて機械特性を調査したところ、いずれも超弾性挙動が現れることを確認し、臨界応力やヒステリシスなどの組成依存性も評価することができた。また、本年度では<100>方位を有する単結晶CoCr(Al,Si)合金を用いて、チェコ側との共同研究で骨と同様の30 GPa程度と低いヤング率を有しながら、NiTi合金の2倍以上である最大17%の超弾性効果を示すことを見出した。さらに、本合金は従来CoCr系生体用金属材料と同様の高い耐摩耗性と耐食性を有することから、次世代生体用金属材料として有望である。本研究成果はAdvanced Materials誌に掲載し、本学よりプレスリリースを行った。

在这项研究中，我们进行了研究，以提高最近开发的钴基霍斯勒合金的超弹性性能和可加工性，该合金同时具有高耐腐蚀性和优异的超弹性性能，来自捷克共和国和三个国家的国际联合研究小组将承担这项研究。充分利用增材制造技术开发新型定制钴铬基超弹性生物材料的挑战。在这项研究的第三年，我们利用第二年实验确定的 CoCr(Al,Si) 合金的伪三元相图信息，开发了居里温度低于室温和高 Cr 浓度的成分范围。我们将注意力集中在对生物材料应用很重要的机械性能上。首先，为了利用循环热处理技术制备单晶样品，我们通过实验确定了进行该过程所需的最佳条件，例如热处理的上限和下限温度、加热和冷却速率等。通过使用这些条件，我们成功地制造了一系列具有两种成分横截面的单晶样品，一种具有恒定的 Cr 浓度，另一种具有恒定的 (Al,Si) 浓度。此外，当我们研究这些样品的机械性能时，我们确认它们都表现出超弹性行为，并且我们还能够评估成分依赖性，例如临界应力和滞后现象。此外，在本财年，我们使用了<100>取向的单晶CoCr(Al,Si)合金，在与捷克的联合研究中，我们发现它具有约30 GPa的低杨氏模量与骨类似，但杨氏模量比 NiTi 合金低，结果发现超弹性效果提高了一倍多，为 17%。此外，该合金具有与传统钴铬基生物材料相似的高耐磨性和耐腐蚀性，使其有望成为下一代生物材料。这项研究结果发表在《先进材料》杂志上，大学还发布了新闻稿。