チタンは人体の交換部品を作るのに最適な金属です

Mar 05, 2024

エディス・コーワン大学機械工学教授

Laichang Zhang は、Discovery Project を通じてオーストラリア研究評議会から資金提供を受けています。

エディス・コーワン大学は、The Conversation AU のメンバーとして資金を提供しています。

すべてのパートナーを表示

化学元素周期表の国際年を記念して、研究者が研究の中でいくつかの元素をどのように研究しているかを見ていきます。

現在では、強度と軽さで知られる金属であるチタンが使用されており、股関節、膝、その他の身体の部分の代替品を作るのに最適ですが、他の産業でも使用されています。

チタンの名前は、古代ギリシャ神話のタイタンに由来していますが、この完全に現代的な素材は、幅広いハイテク用途に適しています。

化学記号 Ti、原子番号 22 のチタンは、低密度、高強度、耐腐食性が高く評価されている銀色の金属です。

私は 1999 年に中国科学院金属研究所で修士号を取得し、初めてチタンについて研究しました。私のプロジェクトの 1 つは、高強度特性を備えたチタン合金の形成を研究することでした。

続きを読む: 青銅器時代から食品缶まで、錫が人類をどのように変えたかを知る

それ以来、この金属の用途は、塗料、紙、歯磨き粉、日焼け止め、化粧品での（二酸化チタンとしての）使用から、生体医療インプラントや航空宇宙技術革新での合金としての使用まで、飛躍的に拡大しました。

特にエキサイティングなのは、チタンと 3D プリンティングの完璧な融合です。

チタン素材は高価であり、従来の加工技術では問題が生じる可能性があります。 たとえば、融点が高い（1,670℃、合金鋼よりもはるかに高い）ことが課題です。

したがって、比較的低コストで精度の高い 3D プリンティングは、チタンにとって大きな変革をもたらします。 3D プリントでは、オブジェクトがレイヤーごとに構築され、デザイナーは驚くべき形状を作成できます。

これにより、顎の骨、かかと、股関節の交換部品、歯科インプラント、または手術における頭蓋形成プレートなどの複雑な形状の製造が可能になります。 ゴルフクラブや航空機の部品の製造にも使用できます。

CSIRO は産業界と協力して、チタンを使用した 3D プリンティングの新技術の開発に取り組んでいます。 （チタンでドラゴンも作りました。）

3D プリンティングの進歩により、チタン製のカスタマイズされたボディパーツ インプラントの機能をさらに向上させる新たな道が開かれています。

このようなインプラントは多孔質になるように設計することができ、軽量化しながら血液、栄養素、神経の通過を可能にし、骨の内部成長を促進することもできます。

チタンは、体液による腐食に対する耐性により、最も生体適合性の高い金属と考えられており、生体組織に対して無害または有毒ではありません。 過酷な身体環境に耐えるこの能力は、酸素の存在下で自然に形成される保護酸化膜の結果です。

続きを読む: 水素はロケットの燃料ですが、日常生活のための電力はどうでしょうか? 近づいてきました

また、チタンは骨と物理的に結合する能力があるため、接着を維持するために接着剤を使用する必要がある他の材料よりも優れています。 チタン製インプラントは寿命が長く、チタン製インプラントと身体を結合する結合を破壊するのに、代替品と比べてはるかに大きな力が必要となります。

耐荷重インプラントに一般的に使用されるチタン合金は、ステンレス鋼やコバルトベースの合金よりも剛性が大幅に低く、性能が人間の骨に近いものです。

チタンは鋼鉄の約半分の重さですが、強度が 30% 高いため、1 グラム単位が重要な航空宇宙産業に最適です。

1940年代後半、米国政府はチタンの「航空機、ミサイル、宇宙船、その他の軍事目的」への可能性を見て、チタンの生産を開始するのを支援した。

チタンは、より速く、より軽く、より効率的な航空機の開発を目指す航空機設計者にとって、ますます購入可能な素材となっています。