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バイオメディカル用途での金属の使い方
はじめに
金属は生体医療機器の中心的な部分を形成している。その強度、耐久性、生体適合性により、多くの用途に適しています。ここでは、一般的な金属をいくつか取り上げ、その構造と特性を説明し、バイオメディカル・デバイスへの応用についてお話しします。
バイオメディカル・デバイス用の一般的な金属
ここでは、バイオメディカル・デバイスに使用される一般的な金属について簡潔に説明します。
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金属 |
主な特性 |
一般的な用途 |
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- 高い強度対重量比 - 優れた生体適合性 - 耐食性（酸化皮膜） |
インプラント（股関節、歯科）、骨ネジ、ペースメーカーケース |
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ステンレス鋼 |
- 優れた機械的強度 - 耐食性（クロム不動態皮膜） - 費用対効果 |
手術器具、一時的インプラント、ステント |
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コバルトクロム（Co-Cr） |
- 非常に高い引張強度 - 耐摩耗性、耐食性 - 生体適合性（適切に合金化された場合） |
人工関節、歯科補綴物 |
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- 優れた耐食性 - 高い生体適合性 - 放射線不透過性 |
骨移植片、ペースメーカーワイヤー、血管ステント |
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白金（Pt） |
- 化学的に不活性 - 高い導電性 - 生体適合性 |
電極、カテーテル、神経刺激装置 |
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マグネシウム（Mg） |
- 軽量 - 体内で生分解性 - 優れた機械的特性 |
一時的インプラント、整形外科用スクリュー |
金属の構造と特性
金属の組成は、その金属の性能を決定します。大半の金属には結晶構造があり、それによって硬度、靭性、応力耐性が決まります。鉄、クロム、ニッケルから成るステンレス鋼は、その結晶構造から適しています。チタンは室温で六方最密充填構造を持ち、780～1100MPaの降伏強度を示す。コバルトクロム合金は1200MPaを超えることがあり、インプラントのような応力を受ける用途に最適である。
耐食性は、特に体内では不可欠です。チタンは、生理食塩水から保護する安定した酸化皮膜を形成し、ステンレス鋼は受動的なクロム皮膜に依存しています。不動態化や陽極酸化などの表面処理も耐久性を高める。
硬度も重要である。コバルトクロム合金は耐久性に優れ、摩擦が少なく耐摩耗性に優れている一方、チタンは生体適合性が高く、アレルギー反応の発生率が極めて低いという特徴がある。金属の選択は、強度、安定性、身体の反応のバランスによって決まる。
金属の生物医学的応用
金属は、一時的な医療機器だけでなく、恒久的な医療機器においても重要な役割を果たしている。人工関節や骨インプラントを含む整形外科器具は、その強度と生体適合性から、コバルトクロム合金やチタンから製造されている。歯科用インプラントも、チタンがオッセオインテグレーションによって骨と自然に一体化するため、頻繁に使用されています。
ステンレス鋼とコバルトクロム合金は、ステントや心臓弁のための心臓病学において、長期間の永久的な応力耐久性として使用されている。白金族金属は、その化学的安定性からペースメーカーや神経刺激装置の電極に最適である。
金属はまた、診断機械を可能にする-MRI装置は非常に精密な金属部品に依存し、金属薄膜はマイクロスケールのインプラントが感知するために使用される。金属の選択は、構造、強度、耐食性に基づいて行われ、さらに安全で均一なインプラントを実現するために、合金のさらなる強化が研究されている。
結論
ステンレス鋼、チタン、コバルトクロム、白金族金属な ど、特定の用途に最適な金属が特定されている。その構造と特性は、バイオメディカルデバイスの成功を左右する。金属インプラント、歯科用器具、心臓弁、ステントなどはその一例です。
よくある質問
F: 歯科インプラントにはどの金属が最適ですか？
Q: 強度と優れた生体適合性から、歯科インプラントにはチタンがよく用いられます。
F: 金属はどのようにして体内で腐食に耐えるのですか？
Q: 金属は保護酸化膜や不動態皮膜を形成し、体液中での腐食に抵抗します。
F: コバルト・クロム合金は人工関節に信頼できますか？
Q: はい、コバルトクロム合金は高い強度と耐摩耗性を持ち、人工関節に最適です。
Chin Trento
