より安く、より丈夫で、より毒性が低い：新しい合金は義肢の開発に有望である

2022年11月25日

マイケル・オルワトシン・ボドゥンリン著、『ザ・カンバセーション』

チタンは強くて弾力性があり、比較的軽い金属です。 その特性もよく研究されています。 科学者はそれについて多くのことを知っています。 これらすべてが、義肢、特に膝や股関節、歯を形成するための理想的な基盤となります。 他の金属に比べて錆びにくく、ステンレス鋼やコバルト系材料などよりも人体との親和性が高いことが研究でわかっています。

しかし、大きな問題があります。それは、チタンは安くないということです。 正確なデータを入手するのは困難ですが、チタンベースのプロテーゼの保守的な平均コストは 3,000 米ドルから 10,000 米ドルの間です。 これはほとんどの人にとって高額であり、アフリカなどの中低所得国の大多数にとっては法外な高額だ。

繰り返しになりますが、データは不足していますが、サハラ以南のアフリカ（大陸の他のほとんどの国よりもそのような手術のための施設が充実している南アフリカを除く）に関する最近の研究では、2009年から2018年の間に606件の股関節置換術と763件の膝関節置換術が行われたことがわかりました。この地域ではさらに多くの人が代替品を必要としているが、単に手術を受ける余裕がないために代替品を必要としないだろう。 そして、65歳以上の人口が世界的に増加しているため、インプラントの需要は増加する見込みです。 この年齢層は、骨粗鬆症や変形性関節症などの病気にかかりやすいです。

だからこそ、私たちは手頃な価格のリムを作るために使用できる、より安価なチタンベースの素材の生産に取り組んでいます。 最新の研究では、同僚と私はチタン、アルミニウム、鉄、バナジウムなどの金属元素を実験して新しい合金を作成しました。 人間の体液を模倣した溶液でそれぞれをテストしました。

新しい合金は溶液中でほとんど錆を示さないことがわかりました。 新しい合金は、商用グレードの合金よりわずかに安価ですが、同等の性能を発揮し、さらにある合金はそれを上回る性能を示しました。

人工股関節、人工膝関節、人工歯などに使用されるチタンの最大の利点は、体液にさらされても劣化しにくいため、人体に使用しても安全であることです。

しかし、チタンを純粋な形で使用すると、人間の活動の厳しさに対処するのに必要な強度と耐摩耗性が不足します。

そのため、他の金属元素が添加されます。 例には、アルミニウム、バナジウム、ジルコニウム、タンタル、ニオブ、モリブデン、鉄が含まれます。 科学者はこれらの元素や他の元素を使用して、より強力で耐摩耗性の高い新しい合金を作成します。

現在、人工股関節および人工膝関節で最も使用されている合金は Ti-6Al-4V (チタン 90%、アルミニウム 6%、バナジウム 4%) です。 これは効果的ではありますが、2 つの大きな欠点があります。 1つ目はコストです。 バナジウムはチタンとほぼ同じくらい高価です。 2 つ目は毒性です。アルミニウムとバナジウムは大量に摂取すると有毒です。 材料が腐食によって劣化すると、イオンが体内に放出され、慢性炎症を引き起こす可能性があります。 これらのイオンはアルツハイマー病にも関連していると考えられています。

この研究では、新しいチタンベースの材料を作成するために、Ti-6Al-4V に添加されるアルミニウムとバナジウムの量を減らしました。 また、アルミニウムを除外し、バナジウムを鉄に完全に置き換えて、別の安価なチタンベースの材料を作成しました。

次に、これらの新しいインプラント材料が人間の体液に浸したときに急速に劣化するかどうかを調査しました。 人間の体液の主成分を含むハンクス平衡塩類溶液と呼ばれる溶液を使用しました。 新チタン素材を一般的に使用されている商用グレードのTi-6Al-4Vと比較しました。

ほとんどすべての新しい合金は、塩溶液中で Ti-6Al-4V よりも優れた性能を発揮しました。 溶液中での成績が悪かったものでも、依然として Ti-6Al-4V と同等でした。 また、新しい合金はどれも、インプラント材料に許容される最大許容劣化速度である年間 0.13 ミリメートルを超えて劣化しませんでした。

バナジウムとアルミニウムを含まない合金は良好なパフォーマンスを示しました。これは、毒性レベルが低いため、Ti-6Al-4V よりも安全である可能性があることを意味します。

そして重要なのは、新しい合金は Ti-6Al-4V よりも製造コストが安いことです。 私たちは義肢の実際の製造には取り組んでいません。この研究は合金の化学組成に焦点を当てています。 したがって、これらの合金を使用した場合に最終的なコスト削減がどの程度になるかはわかりません。 しかし、私たちが行ったように出発材料を変更し、アルミニウムとバナジウムを完全または部分的に鉄に置き換えるだけで、最大 10% のコスト削減を達成できます。

2030 年以降、アフリカ大陸全域などの発展途上国に住む高齢者が増加します。 この人口が増加するにつれて、義肢の需要も増加する可能性があります。 だからこそ、手頃な価格で安全な素材を特定することが非常に重要です。 私たちの研究は、その目標を達成するための有望な一歩です。

詳しくは： Mogomotsi Leshetla 他、模擬体液に曝露された鉄含有実験用チタン合金の耐食性、材料と腐食 (2022)。 DOI: 10.1002/maco.202213076

ザ・カンバセーション提供

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