チタンについて理工学的な基礎の話です鶴見大学歯学部歯科理工学講座早川徹新型コロナウィルス感染拡大で先生方の日々の生活はもちろん, 診療にも大きく影響を及ぼしていることとご推察いたします. 大学でもオンライン授業の導入などを行い, 学生の教育力が低下しないように努力しております. この 6 月から

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つねたけかみいしづ
3 years ago
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1 チタンについて理工学的な基礎の話です鶴見大学歯学部歯科理工学講座早川徹新型コロナウィルス感染拡大で先生方の日々の生活はもちろん, 診療にも大きく影響を及ぼしていることとご推察いたします. 大学でもオンライン授業の導入などを行い, 学生の教育力が低下しないように努力しております. この 6 月から実習など一部で対面授業を開始いたしました. もちろん, 感染防止対策には万全の注意を払っております. 今後の感染状況によっては変更を余儀なくされる場合もあり得ますので, そのような状況も想定した対応を日々検討しております. さて, 話はがらりと変わりまして, この度, チタンによる歯冠修復が保険収載されました. 鋳造法による 2 種純チタンの適応になります. この件に関しまして, 臨床の先生から幾つかの問い合わせを頂いております. 日本歯科理工学会としても, 臨床的な話題も含めてシンポジウムや学会誌などで検討していく予定であります. そこで, 本稿では, 材料学的な見地から, チタンの基礎について改めて簡単にまとめてみました. そんな事より臨床を聞きたい, 今更基礎かよ, と思われる先生方もいらっしゃるかと思いますが, 何事もまずは基礎が大事という事でお付き合いくださればと思います. チタンの分類まず, 保健適応になった純チタンの 2 種とは何でしょうか? これは JIS による規格分類です. ちなみに JI S は長らく日本工業規格と呼ばれていましたが, 昨年の法改正で日本産業規格と改称されています. 純チタンは表 1 に示すように,4 種類に分類されています. 純チタンと言っても 100% チタンではなくて, 鉄, 酸素, 炭素, 窒素などの不純物を非常にわずかですが含んでいます. このうち, 鉄と酸素の量が違っています.1 種,2 種,3 種,4 種の順に鉄と酸素の量が増えていきます.1 種が一番柔らかく,4 種が最も硬く強度もあります.4 種の強度は ISO タイプ金合金 3,4 に相当しています.4 種は 1 種の倍程度の強度, 硬さがありますが, 表を見ると 1 種と 4 種で鉄が 0.30%, 酸素が 0.25% しか違っていません. これだけしか違わないのに, チタンの機械的性質が倍程度変わるのです. つまり, ほんのちょっとの不純物で機械的性質が大きく変わるのがチタンの特徴です. 鋳造時やろう付け時に, ほんのちょっとでも不純物が入ったり, 酸素の割合が変わったりすると, 機械的性質が大きく変化してしまうことになり, 注意が必要です. チタンの鋳造が難しかった理由の 1つでもあります. これら 4 種の中で純チタン 2 種が最も一般的な材料で, 強度と加工性のバランスが良いとされています. チタンの特徴チタンの特徴は何と言っても軽くて丈夫と言う事です. 比重は金合金の約 1/4, コバ

2 ルトクロム合金やテンレス鋼の約半分程度です. 淺草寺本堂や東京ビッグサイトなどの大きな建造物の外壁や屋根にチタンが使われています. 口腔内に装着する補綴物としてもその軽さが魅力になります. また, 弾性率は他の金属に比べると低く, ステンレス合金の半分程度です. ステンレスに比べると曲げやすいのです. ところで, チタンの語源はご存知ですか? ギリシャ神話に登場する巨人ティーターンが由来といわれています. このティーターンは英語による発音からタイタンと表記されます. 巨大で力強い物という意味です. この言葉に由来した有名な豪華客船があります. タイタンの形容詞タイタニックですね. 進撃の巨人と言うアニメがありました. 英語名では Attack on Titan です. Titan が巨人ですね. ジャイアンツではありません (?) 話を戻します. チタンは酸素との親和性が非常に高く, 表面には TiO 2 の丈夫な酸化膜が形成されています ( 図 1). この酸化膜は非常に安定で, 酸素がある条件下では必ず形成されています. この丈夫な酸化膜は, 金属表面の状態を安定化するという意味で, 不動態被膜と言われています. この不動態被膜が金属を保護する役目をしています. チタンが耐食性に優れているのは, この不動態被膜があるおかげです. チタンインプラントが骨と結合する, すなわちオッセオインテグレーションを獲得するのもこの酸化膜が関与しています. 接着金属との接着を考える時, まず, 金属を非貴金属合金と貴金属合金とに分ける必要があります. 貴金属と非貴金属とで何が違うのか? 価格が違う. その通りですが, 大きな違いは表面組成です. チタンには酸化膜があると言いました. チタンだけでなく, コバルトクロム合金やステンレス鋼には, 表面に酸化膜, つまり不動体被膜があります. 一方, 金など貴金属には表面に酸化膜はありません. 酸化されないから貴金属なのです. 4-META や MDP などの接着性モノマーの親水性基は, この酸化膜にくっつくことができます ( 図 2). 非貴金属合金をサンドブラスト処理すると, 表面が粗造になり, 表面の汚れを取るだけで無く, 酸化膜もより多く生成します. したがって, 非貴金属合金にレジンを接着させる場合, サンドブラスト処理した方が有利になります. 貴金属合金の場合, サンドブラスト処理は表面を粗造にしますが,4-META や MDP は金属表面とは反応しないので, サンドブラスト処理だけでは不十分です. 金にはイオウがくっつきます. 貴金属用のプライマーにはイオウの化合物が含有されています. このイオウを介して, レジンが接着します ( 図 2). 一方, 非金属用プライマーには 4-META や MDP などの接着性モノマーが配合されています. 現在は, 貴金属用, 非貴金属用と使い分けをすることなく, どちらにも使用できるプライマーが市販されています. このプライマーにはイオウ化合物と接着性モノマーとの両方が配合されています. それでは, チタンに対する接着はどうすれば良いでしょうか? 基本はまずはサンドブラスト処理です. その後, プライマー処理をする. 接着材としてはレジンセメントやレジン添

3 加型 ( 強化型 ) グラスアイオノマーセメントが望ましいと言われています. チタンの表面にはリン酸基が吸着しやすいと報告されており, リン酸基を持つモノマーを含有したプライマーとレジンセメントの併用がチタンの接着に効果的です. ただし, 弾性率が低いチタンの歯冠修復物の場合, 口腔内での荷重条件によって接着性がどう変化するか, 今後さらなる検討が必要です. チタンの腐食チタンは耐食性に優れた金属材料ですが, 近年, チタンインプラントやチタン床の腐食や変色が報告されるようになっています. チタンの酸化膜 ( 不動態被膜 ) は非常に安定で普通の条件では壊れません. 硫酸や塩酸などの強酸や乳酸などにもびくともしません. ただ, フッ素イオンには弱く, チタンの不動態被膜はフッ素イオンによって壊れてしまいます. また, 水酸化ナトリウムなどのアルカリにも弱い性質があります. フッ素イオンに弱いので, う蝕予防のフッ化物塗布によってチタンが腐食すると言われています. 特に, リン酸酸性のフッ化物溶液ではチタンの腐食が促進されます. 酸性フッ素リン酸溶液に 1 日浸漬したチタン表面の電子顕微鏡写真を示します ( 図 3). 表面が侵食されて凸凹になっているのが分かります. チタンの歯冠修復物に直接フッ素塗布することは避けるべきかと思います. ただ, 実際の臨床では, 作用時間もかなり短く, すぐに洗浄されるので, う蝕予防でのフッ化物塗布やフッ化物洗口などのチタンに対する影響は臨床上では問題にならないと言う報告もあります. 今後, 臨床的な検討が必要かと思われます. チタンの研磨チタンは研磨が難しい材料です. 図 3 の溶液浸漬前の SEM 写真ですが, これはチタンを実験的に研磨紙でかなり丁寧に研磨しています. それでも SEM で見るとこの様に研磨傷などがあり, 平滑ではありません. チタン床をコバルトクロム床のようにピカピカにするのには苦労すると聞いています. チタンの研磨は何故難しいのでしょう? チタンを研磨, 切削していると, 粘った感じになります. チタンは展性, 延性が高いのです. そのため, 研磨したり切削したりしている時に, 材料が削れずに押し延ばされてしまい, スメアー層が出来てしまう事があります ( 図 4). すなわち, チタン表面が薄い膜で覆われた状態になってしまいます. そのためにうねりが生じたりして, 平らな状態にすることが難しいのです. また, 砥粒成分がチタン表面に埋め込まれてしまうこともあります. 場合によってはエッジがだれてしまう事もあります. スメアー層を作らないためには, 研磨する時に大きな力をかけない, 研磨圧を高くしない, 最終研磨時間を長くする, 弱いアルカリ性の薬品で表面を溶かしながら研磨するなどの工夫が必要です. バフ研磨, 化学研磨, 電解研磨などが行われていますが, なかなか難しいのが本音です. また, 折角きれいに研磨しても口腔内に装着している間に曇ってくるという問題もあるようです. チタン表面をきれいに研磨して, きれいな面を長持ちさせるには, まだ

まだ課題が残っています. 以上, チタンについて, 特に理工学的な基礎に絞って簡単ではありますが, 解説致しました. 正直, 先生方が要望されている保険収載されたチタン臨床の疑問解消にお役に立てたかどうかは不明ですが, 少なくともチタンを使う上では最低限抑えておきたいチタンの理工学的な基礎について独断を交えて解説させて頂きました. ご意見, ご批判をお待ちしております.

4 まだ課題が残っています. 以上, チタンについて, 特に理工学的な基礎に絞って簡単ではありますが, 解説致しました. 正直, 先生方が要望されている保険収載されたチタン臨床の疑問解消にお役に立てたかどうかは不明ですが, 少なくともチタンを使う上では最低限抑えておきたいチタンの理工学的な基礎について独断を交えて解説させて頂きました. ご意見, ご批判をお待ちしております. 最後になりますが,1 日も早く新型コロナウィルスが終息して, 先生方とお会いできる日が来ることを楽しみにしております. 表 1 純チタンの JIS 分類 (H ) 種類組成 ( 重量 %) 引張強さ伸び硬さ N C H Fe O Ti (MPa) (%) (HV) 1 種残り以上 100 以上 2 種残り以上 110 以上 3 種残り以上 150 以上 4 種残り以上 180 以上 HV: ビッカース硬さ

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平成22年度事故情報収集調査結果について（概要速報） Product Safety Technology Center 製品事故解析に必要なアルミニウム合金の引張強さとウェブ硬さ及びバーコル硬さとの関係について九州支所製品安全技術課清水寛治説明内容目的アルミニウム合金の概要硬さの測定方法引張強さとビッカース硬さの関係ビッカース硬さとウェブ硬さバーコル硬さの関係引張強さとウェブ硬さバーコル硬さの関係効果と活用事例 2 1. 目的