医療技術分野におけるアモルファス合金

パーソナライズされたインプラントや、整形外科用/医療用デバイスに使用される材料は、数々の厳しい要件に直面しています。生体適合性基準、製造可能性、表面機能をはじめ、中でも、複雑な個々の形状へ適合させることが現在の課題であり、これが材料ソリューションアプローチと応用基準との間のボトルネックを生み出しています。この課題に対するアモルファス合金の使用というアプローチは、実用的な研究と実装において有望であり、実現可能であることがすでに示されています。アモルファス合金は、生体医療用途における設計、機能性、生体適合性に関する従来の課題を克服する可能性を秘めており、その可能性はすでに生体内試験の結果で確認されているのです。医療技術における厳しい要求は、アモルファス合金にとっては有利であり、これらの課題においてその能力を発揮し、将来に向けてより良いケアを提供するため、整形外科および歯科インプラントの分野で新たな可能性を切り開いています。

ニアネットシェイプ製造技術とアモルファス合金の優れた特性を融合させれば、骨治癒過程における荷重と運動の深刻なジレンマを克服することができます。アモルファス合金は、その原子構造により、高強度と高弾性を兼ね備えているため、生体力学的な力が緩和され、安定化されます。ヘレウスアムロイは、アモルファス3Dプリンティングとアモルファス射出成形を用いることで、整形外科手術と外傷学の分野において、個々にカスタマイズされたインプラントや複雑な形状を狭い公差内で実現しました。当然ながら、標準的なインプラントに柔軟性と安定性を実現することも可能です。骨構造の成長を促進する多孔質表面構造や、骨構造の成長を標的とし機能的に誘導する滑らかな表面を製造することができます。従来の材料では、これを実現するには多くの後処理工程が必要ですが、アモルファス合金AMLOY-ZR01は、広範な後処理なしに1.0μmの範囲の表面品質を実現します。さらに高い要求に対しては、ガラスビーズ照射によってRa 0.05μmの範囲の値を実現することもできます。粉末粒子はその後、超音波洗浄によって洗浄されます。特に複雑な整形外科的骨折においては、ヘレウスアムロイのアモルファス合金の可能性は計り知れません。従来のアプローチと比較して、治癒過程の改善、個別化と部品の最適化、そして恒久的な負荷下での弾性と強度がすべて実現されています。

頭蓋骨や頭蓋顔面領域の損傷に対する一般的な保護用医療機器は、プレートタイプからメッシュ状構造のものまで多岐にわたります。その目的は、頭蓋骨の変形を矯正するだけでなく、頭蓋骨の美観を回復すること、そして特に、患者さんに適合させた調整を行うことにあります。従来のチタン合金やPEEK材料の部分的な使用は、十分な生体適合性を備えていますが、高強度と高弾性を兼ね備えたものはまだ実現されていません。

ヘレウスアムロイのアモルファス合金が活躍するのは、まさにこの点です。アモルファス合金は、安定化のための高強度と同時に、効率的な柔軟性のための高弾性を兼ね備えていることが特徴ですが、前述のとおり、これこそが必要とされているのです。また、3Dプリンティングやアモルファス射出成形による高度な適応性もあります。そのため、患者に合わせた適応とアモルファス合金の高い機械的特性により、インプラントの取り扱いを容易にすることが可能になります。

特に、アモルファス合金とメッシュ構造との組み合わせは、注目すべき出発点です。オープン構造は、より薄く、より広く、より軽く設計することができ、アモルファス合金材料構造により、従来の材料よりも高い安定性を備えた優れた柔軟性を可能にします。アモルファス材料の優れた弾性により、手術中の骨折のリスクを回避することもできます。

脊椎手術は、建設的な適応と低侵襲手術の顕著な成功を経て、目覚ましい進歩を遂げました。しかし、最適化すべき分野はまだ残っています。それは、医療機器の製造から患者さんへの適用まで、適切な機能性材料を用いたバリューチェーン全体の改善です。

アモルファス合金は、特にこの分野において大きな可能性を秘めています。以前は無毒性レベルや生体適合性、また高品質での複製可能性という点で医療技術におけるアモルファス合金の使用には限界がありましたが、ヘレウスアムロイは現在、これを望ましい方向に導くことができるようになりました。

ヘレウスアムロイは、アモルファス射出成形やアモルファス3Dプリンティングなどのニアネットシェイプ製造技術により、現在の課題を解決する、生体適合性が認証され生体力学特性が強化された備えた最先端の部品を製造することができます。脊椎という重要な領域では、信頼性の高い材料特性が不可欠です。アモルファス合金製の部品は、2,000 MPaの強度で最大2％の弾性を持ち、脊椎を安定させ、かつ柔軟性を維持します。85 GPaのヤング率は、従来使用されている合金よりも皮質骨に近い値です。これにより、衝撃吸収特性が向上するため、沈下や応力遮蔽の問題を最終的に解決できる可能性があります。同時に、アモルファス合金の特性により、脊椎用途に最適な寸法の部品を設計することが可能になります。ヘレウスアムロイは、3Dプリンティングによって最も複雑な構造と気孔形状を実現して、長期にわたる融合と製品ライフサイクルをサポートします。

歯科インプラントの分野では、とりわけ、表面の機能性、患者さんに合わせた設計、そして可能な限りの低侵襲な治療が重要です。治療の過程と介入の実施効率を継続的に改善するために、多くの手段が活用されています。その選択肢は、骨様物質を使用したコンポーネントコーティングから、多孔質構造を持つコンポーネントの設計まで多岐にわたります。さらに、この分野における可能性は、材料の選択にもあります。すなわち、これまで解決されていなかった問題に対処する、機能性材料の使用です。

この点において、アモルファス合金はその有益な特性を発揮し、従来のソリューションの機械的特性を上回っています。例えば、顎が動くときに作用する力は、相互作用する連続的な負荷中にインプラントが受ける生体力学的ストレスとなります。しかし細かな構造を必要とする歯科用途の部品設計は、限界に達しています。

アモルファス3Dプリンティングやアモルファス射出成形などのニアネットシェイプ製造技術、そして材料技術に関する深い専門知識を備えたヘレウスアムロイは、高品質で効率的に設計されたアモルファスコンポーネントの受託製造をします。アモルファス合金製のコンポーネントは、その優れた耐久性、高い弾性、高い強度により、医療用途の多くにおいて従来の材料を凌駕しています。歯科分野では、前述の最適設計を拡張し、高い生体力学的ストレスに耐えることができるようになります。それだけでなく、低侵襲性により、治療プロセス全体を短縮し、インプラントのライフサイクルを延長し、メンテナンスの必要性も低減する可能性があります。

安定性

• 静荷重と疲労荷重の両方
• 優れた生体力学的パフォーマンス

耐久性

• 耐摩耗性
• 高強度化による小型化

生体適合性

• 骨とインプラントの相互作用
• 高耐食性

厳しい公差

• 複雑な形状
• 再現性のある製造

表面品質

• 高品質
• 表面の機能性

耐摩耗性

• 耐久性
• 生体適合性

大型で開放的な医療機器ハウジング構造から、機能的な低侵襲ツールコンポーネントまで。アモルファス合金は、医療技術ツールの分野にさまざまな利点をもたらしています。そしてヘレウスアムロイは、これらの利点を最大限に生かす効率的な製造技術を有しています。アモルファス射出成形プロセスでは、材料固有のノウハウにより、±10µmという厳しい公差内で、再現性が高く、高品質なコンポーネントの製造を実現しました。

低侵襲手術における挿入ツールは、製造時には高い寸法精度を、使用時には高い耐荷重能力を必要とします。アモルファス合金は、ピンセット、グリッパー、特殊なフックなどの長寿命が求められるツールを、多様な寸法と狭い公差でスケーラブルに製造することを可能にします。非常に優れた生体適合性と高い強度を兼ね備えており、耐摩耗性がきわめて高いことも証明されています。さらに、結晶粒界や相界面が存在しないため、メスや切削工具などの非常に鋭いエッジを実現できます。これは、耐摩耗性と切削能力の点でも従来の材料を凌駕しています。

機能性は部分的には機械的特性に基づくものですが、アモルファス合金による医療機器の表面品質も、機械的特性と同様に重要です。従来の材料は、これを実現するために多くの後処理工程を必要とするのに対し、特にアモルファス合金は、後処理なしで表面粗さが1.0µmの表面品質を持っています。アモルファス合金は、非常に高品質な表面が得られるため、触覚特性も備えています。