チタン合金は、その優れた物理的特性と感染に対する耐性により、膝/股関節インプラントなどの整形外科用器具の製造に最適です。 最近、シンガポール科学技術研究庁の研究チームは、興味深い特性を持つチタンとタンタルの粉末を使用して、より優れた応力吸収能力を備えたカスタムインプラントを 3D プリントできることを発見しました。 これまで、研究者らは主に選択的レーザー溶解（SLM）技術とチタンアルミニウムベースの粉末を使用して生物学的プロトタイプを3Dプリントしてきました。 SLM テクノロジーは通常、高出力レーザーを使用して、コンピューター設計モデルに基づいて 3D オブジェクトをレイヤーごとに構築します。 しかし、アルミニウムは人間の神経に長期的に悪影響を与えるため、科学者たちはそれに代わる他の素材を見つけたいと考えている。
この目的を達成するために、A*STAR の子会社であるシンガポール製造技術研究所 (SIMTech) の Florencia Edith Wiria 氏と、南洋理工大学シンガポール 3D プリンティング センターの Wai Yee Yeong 氏は、革新的な金属を開発するための共同研究プロジェクトを立ち上げました。 3D プリント用の SLM テクノロジーを使用してブレンドします。 より優れたチタン製バイオメディカル製品を印刷します。
理論的には、チタン元素とタンタル元素で構成される合金にはまったく問題はありません。両方の金属は生体適合性があり、機械的特性は純チタンによるものだからです。 しかし、タンタル金属の融点は非常に高い（摂氏 3000 度以上）ため、チタン金属を SLM 技術で使用できる球状金属粉末に加工することは基本的に経済的に実行不可能です。 市販されている一般的なタンタル粉末は、通常、ガスアトマイズ法によって形成された細長い粗い粒子です。
この問題を克服するために、研究チームはこの粗タンタル金属粉末を市販の別の微球状チタン金属粉末と混合しました。 2 つの材料を半日混合した後、混合物がより均一に配置され、SLM テクノロジーの使用が容易になることが観察されました。 顕微鏡実験により、混合後も金属チタンの球形が残ることが判明し、これが混合物を 3D プリンティングで成功させる鍵となった。
「ここではチタン粉末が回転媒体として機能します」とウィリア氏は説明します。 「タンタル粉末を押し出し、SLM加工を可能にします。」 市松模様のレーザー走査パターンを適用することにより、金属が上下または一方の側からもう一方の側に交互に溶解されます。 熱応力を軽減するために反対側に移り、研究者らは SLM 技術を使用してチタン - タンタル合金の 3D 形状を作成することに成功しました。 予想外なことに、X 線およびその他のイメージング技術により、タンタル金属の添加と急速な凝固が高強度の層状チタン粒子の形成を促進し、安定化させることが明らかになりました。
研究者らは、このチタンタンタル合金が「応力シールド」効果を軽減できると期待している。 いわゆる「応力遮蔽」効果とは、インプラントの硬度が高すぎて、隣接する骨が十分な機械的刺激を受けられず、結果として骨量が減少することを意味します。 ゆるみ現象。 「これらの合金は整形外科用途向けに特別に設計されており、変形後にある程度の形状記憶機能を発揮する可能性もあります。
