析出硬化型マルテンサイトステンレス鋼の使用
本発明は、クロム１０〜１４wt％、ニッケル７〜１１wt％、モリブデン０．５〜６wt％、銅０．５〜４wt％、アルミニウム０．０５〜０．５５wt％、チタン０．４〜１．４wt％、炭素＋窒素０．３wt％以下、硫黄０．０５wt％未満、燐０．０５wt％未満、マンガン０．５wt％以下、シリコン０．５wt％以下、タンタル、ニオブ、バナジウム、タングステン各０．２wt％以下、コバルト任意に０．９wt％以下、ボロン任意に０．０００１〜０．１wt％、残部鉄および通常の不純物から成る組成を有するクロム・ニッケル系析出硬化型マルテンサイトステンレス鋼に関する。この鋼は、従来一時的あるいは永続的に人体の内外に用いられてきた外科用のインプラント材および骨接合材の製造に用いられる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、析出硬化型マルテンサイトステンレス鋼の新規な使用に関し、詳しくは、外科手術により人体に適用し残置するインプラント材および骨接合材の製造のための使用に関する。
【背景技術】
【０００２】
析出硬化型マルテンサイトステンレス鋼がＷＯ９３／０７３０３により公知である。極めて高い耐食性と良好な延性とを兼備したステンレス鋼の組成が開示されている。この鋼の特に適した用途は、注射カニューレ、歯科用器材、医療器材の製造用とされている。
【０００３】
ＷＯ０１／１４６０１Ａ１には、析出硬化、溶体化焼鈍、急冷、硬化の工程を行なって、均一な硬さ４５０ＨＶ以上を得る、医療用、歯科用の器材を製造する方法が提案されている。
【０００４】
この方法の適用例として、析出硬化型マルテンサイトステンレス鋼を医療用器材の製造が示されている。
【０００５】
インプラント材や骨接合材のような医療用に鋼を適用する際には、多くの制限要件を満たす必要がある。
【０００６】
用途によっては、板状のインプラント材や骨接合材およびネジや釘等の固定具は不利な形状をしていて、厚さや直径に対する長さの比率などが好ましくない。このように、インプラント材や骨接合材は不利な形状をしているため、使用中に頻繁に負荷される軽重の曲げ加重に対して非常に弱い。インプラント材や骨接合材に検知できないような僅かな曲げが負荷されても、次に荷重がかかったときに破断する可能性がある。使用中には頻繁に非常に大きな曲げ荷重がかかるので、場合によってはインプラント材や骨接合材が直ぐに破壊することもある。そのため、部材が短寿命であるばかりでなく、患者が負傷する危険もある。
【０００７】
そこで、緊急の要請として、硬さが高くて耐食性を備えると同時に、破壊抵抗をも有するインプラント材および骨接合材が求められている。硬さや破壊抵抗以前に、耐食性と生体適合性を兼備することが決定的に重要である。使用中に血液や他の体液が腐食媒体となる。したがって、もしもインプラント材や骨接合材の腐食が生ずると、患者は腐食生成物に汚染されて術後合併症を発症する危険がある。
【０００８】
もう一つの典型的な用途は、外科用である。その場合、金属製のプレート、釘、ネジといった所謂骨接合材を、骨折した骨同士の接合や、手術で縫合した骨同士の接合に用いてインプラントすることが多い。これらインプラント材は通常は骨が完全に治癒するまで残置し、その後も患者の体内に残置される。市販の骨接合材は前記のような鋼種の所謂ステンレス鋼で製造されている。骨接合材用としては、機械的性質や耐食性に加えて、生体適合性が強く求められるため、製造用素材の選択は非常に限られている（後出の表１に示す材料の全てがこの条件を備えているわけではない）。公知のインプラント材の破壊抵抗は特に残置期間が長いと低下することが知られている。そのため術後の患者は、最初のうちは特に気をつけて、骨接合材を施した骨にかかる負担をできるだけ小さくするように強く要請される。使わない筋肉組織の退化を防ぐために、できるだけ早期に病院内で訓練を行なって、退化を完全に防げないまでも、退化を遅らせることが必要である。施術された骨に対して患者が要請された注意を怠ったり、不適当な動きをしたりすると、骨接合材やインプラント材に曲げ荷重がかかって破壊を生ずる可能性がある。その結果、インプラント材による骨同士の接合が解消してしまい、破壊したインプラント材の鋭利な端部で患者が重傷を負ってしまう。いずれにしても、インプラント材が破壊してしまうと、損傷を修復するためにもう一度手術が必要になる。材料の耐久性が低いために生ずるもう一つの危険は、微妙な振動によってプレート間のネジ止めが緩んでしまい、骨の治癒が長引くことである。
【０００９】
そこで、安定で耐食性があり生体適合性を備え、高強度と高延性とを兼備した骨接合材あるいはインプラント材が直ちに必要とされている。
【００１０】
現在、このような器具およびインプラント材を形成および製造する材料として、良く知られていて良く研究されている一群の合金が用いられている。この合金としては、マルテンサイトステンレス鋼、オーステナイトステンレス鋼、析出硬化型ステンレス鋼がある。これら公知の合金はそれぞれ、耐食性、強度、成形性（加工性）、延性といった性質に優れた点があるが、個々に欠点もあって特定の要請に適さないところがある。特定の用途に対して種々の問題点や欠点があるものは、回転工具、外科用インプラント、外科用骨接合材（外科用プレート、ネジ、釘）の市販材である。
【００１１】
【表１】
【００１２】
ＡＩＳＩ ４２０等のマルテンサイトステンレス鋼は、高強度ではあるが延性が伴わない。ＡＩＳＩ ３００系のようなオーステナイトステンレス鋼は、高耐食性と高強度とを併せ持ち用途によっては十分な延性も備えているが、更に高強度化するには冷間で強加工する必要があるため、中間製品の段階でも非常に高強度にならざるを得ず、成形性の低下を招く。析出硬化型ステンレスには、多種多様な鋼種があり、その性質も異なる。それでも多くの共通点がある。例えば、ほとんどの鋼種で溶解精錬が１段プロセス、通常は真空２段プロセスで２段目が真空中である。別の観点では、多量の析出物形成元素として、アルミニウム、ニオブ、タンタル、チタンなどが必要であり、多くの場合これらを複合する必要がある。ここで「多量」とは１．５％以上の意味である。多量とすることにより強度は向上するが、延性および成形性は低下する。ＵＳＰ3,408,871に開示されている鋼種は、最終製品の延性が良好であるが、兼備可能な強度は２，０００Ｎ／ｍｍ２に過ぎない。また、半製品の製造中に欠点が生ずる可能性がある。例えば、焼鈍状態で割れが発生し易い。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は、安定で耐食性があり生体適合性を備え、高強度と高延性とを兼備した骨接合材あるいはインプラント材を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の一観点によれば、後述の組成を有する析出硬化型マルテンサイトステンレス鋼を、人体に適用して残置する外科用インプラント材、外科用骨接合材、外科用のプレート、ネジおよび釘などに使用する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の驚異的な効果の一つとして、析出効果型マルテンサイトステンレス鋼は、高い破壊抵抗および曲げ抵抗と硬さおよび耐食性とを兼備することが決定的に重要である用途に用いると有利である。
【００１６】
本発明の驚異的な効果のもう一つとして、後述する良好な生体適合性を備えると同時に、耐食性が良好で、延性が高く、成形性が良好で、２，５００〜３，０００Ｎ／ｍｍ２という著しく高い強度を備えている。本発明鋼はこれらの優れた性質を兼備しているため、短期および長期にわたって患者の体内に残置される医療用材料に用いると極めて有利である。
【００１７】
本発明の析出硬化型マルテンサイトステンレス鋼は下記の組成（wt％）を有する。
【００１８】
クロム ：１０〜１４
ニッケル ：７〜１１
モリブデン ：０．５〜６
銅 ：０．５〜４
アルミニウム ：０．０５〜０．５５
チタン ：０．４〜１．４
炭素＋窒素 ：０．３以下
硫黄 ：０．０５未満
燐 ：０．０５未満
マンガン ：０．５以下
シリコン ：０．５以下
タンタル、ニオブ、バナジウム、チタン： 各々０．０２以下
コバルト ：任意に９．０以下
ボロン ：任意に０．０００１〜０．１
残部 ：鉄および通常の不純物
【実施例】
【００１９】
本発明により使用する鋼および従来の回転工具に使用する２鋼種について、硬化状態の同一形状サンプルの引張強さ、破断伸び、硬さを測定した。
【００２０】
本発明鋼の供試材組成は前記望ましい実施形態により、クロム１２．０wt％、ニッケル９．１wt％、モリブデン４．０wt％、銅２．０wt％、チタン０．９wt％、アルミニウム０．３５wt％、炭素０．１２wt％未満、窒素０．０１２wt％未満であった。比較鋼の鋼種は１．４１１２および１．４１０８であり、組成は表１に示した。試験片は中実ロッドであり、半径４．５ｍｍの円形断面である。試験片は全て析出硬化処理を施した。本発明の硬化処理は４７５℃×４時間にて行った。鋼種１．４１１２と鋼種１．４１０８の硬化処理は親空中、１０００℃で４０〜６０分で行なった。その後、両鋼種は、窒素中で５０℃まで冷却した。鋼種１．４１０８は、更に１６０℃で２時間保持した。各供試材の硬化処理は、全鋼種について硬さが揃うように行なった。各鋼種の試験片を試験した。結果を下記の表２にまとめて示す。
【００２１】
【表２】
【００２２】
各鋼種について破壊点を調べた結果、本発明鋼は極めて靭性の高い破壊挙動を示すことが判明した。破面はいわゆる「漏斗状破面」であった。これに対して、鋼種１．４１１２および１．４１０８は、ほぼ１００％の脆性破面であった。本発明の試験片は、破断伸びが良好であり、破断しない伸び量が大きい。多数回の曲げにも破断しなかった。これに対して鋼種１．４１１２および１．４１０８は１回の曲げで破断した。
【００２３】
驚くべきことに、人体に適用して残置する外科用のプレート、釘、ネジ等のインプラント材および骨接合材の製造に本発明の鋼を用いると、従来鋼に比べて破断伸びが大きくて非常に有利であった。従来鋼の場合は、硬さおよび耐食性と生体適合性とが各用途に応じて最優先されていて、破断抵抗は妥協が許されていた。回転工具および骨接合材の製造に用いる本発明鋼により、市販の従来鋼の破壊特性の欠点を克服できた。本発明により製造した工具および骨接合材は、硬さ、高耐食性、良好な生体適合性、優れた破壊抵抗を兼備している。曲げに対しても、破壊抵抗が確保され、例えば形成外科用のインプラント材は、他の優れた特性を犠牲にすることなく、多数回の曲げに耐えることができる。更に、本発明の鋼は、機械加工が容易であり、硬化した状態でもフライス加工が容易であるため、製品の製造に非常に有利である。更に、人体に適用して残置するインプラント材および骨接合材の製造に適用する利点として、硬化処理温度が４２５〜５２５℃で比較的低いので、製造時のエネルギーコストを大幅に低減できる。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、析出硬化型マルテンサイトステンレス鋼の新規な使用に関し、詳しくは、外科手術により人体に適用し残置するインプラント材および骨接合材の製造のための使用に関する。
【背景技術】
【０００２】
析出硬化型マルテンサイトステンレス鋼がＷＯ９３／０７３０３により公知である。極めて高い耐食性と良好な延性とを兼備したステンレス鋼の組成が開示されている。この鋼の特に適した用途は、注射カニューレ、歯科用器材、医療器材の製造用とされている。
【０００３】
ＷＯ０１／１４６０１Ａ１には、析出硬化、溶体化焼鈍、急冷、硬化の工程を行なって、均一な硬さ４５０ＨＶ以上を得る、医療用、歯科用の器材を製造する方法が提案されている。
【０００４】
この方法の適用例として、析出硬化型マルテンサイトステンレス鋼を医療用器材の製造が示されている。
【０００５】
インプラント材や骨接合材のような医療用に鋼を適用する際には、多くの制限要件を満たす必要がある。
【０００６】
用途によっては、板状のインプラント材や骨接合材およびネジや釘等の固定具は不利な形状をしていて、厚さや直径に対する長さの比率などが好ましくない。このように、インプラント材や骨接合材は不利な形状をしているため、使用中に頻繁に負荷される軽重の曲げ加重に対して非常に弱い。インプラント材や骨接合材に検知できないような僅かな曲げが負荷されても、次に荷重がかかったときに破断する可能性がある。使用中には頻繁に非常に大きな曲げ荷重がかかるので、場合によってはインプラント材や骨接合材が直ぐに破壊することもある。そのため、部材が短寿命であるばかりでなく、患者が負傷する危険もある。
【０００７】
そこで、緊急の要請として、硬さが高くて耐食性を備えると同時に、破壊抵抗をも有するインプラント材および骨接合材が求められている。硬さや破壊抵抗以前に、耐食性と生体適合性を兼備することが決定的に重要である。使用中に血液や他の体液が腐食媒体となる。したがって、もしもインプラント材や骨接合材の腐食が生ずると、患者は腐食生成物に汚染されて術後合併症を発症する危険がある。
【０００８】
もう一つの典型的な用途は、外科用である。その場合、金属製のプレート、釘、ネジといった所謂骨接合材を、骨折した骨同士の接合や、手術で縫合した骨同士の接合に用いてインプラントすることが多い。これらインプラント材は通常は骨が完全に治癒するまで残置し、その後も患者の体内に残置される。市販の骨接合材は前記のような鋼種の所謂ステンレス鋼で製造されている。骨接合材用としては、機械的性質や耐食性に加えて、生体適合性が強く求められるため、製造用素材の選択は非常に限られている（後出の表１に示す材料の全てがこの条件を備えているわけではない）。公知のインプラント材の破壊抵抗は特に残置期間が長いと低下することが知られている。そのため術後の患者は、最初のうちは特に気をつけて、骨接合材を施した骨にかかる負担をできるだけ小さくするように強く要請される。使わない筋肉組織の退化を防ぐために、できるだけ早期に病院内で訓練を行なって、退化を完全に防げないまでも、退化を遅らせることが必要である。施術された骨に対して患者が要請された注意を怠ったり、不適当な動きをしたりすると、骨接合材やインプラント材に曲げ荷重がかかって破壊を生ずる可能性がある。その結果、インプラント材による骨同士の接合が解消してしまい、破壊したインプラント材の鋭利な端部で患者が重傷を負ってしまう。いずれにしても、インプラント材が破壊してしまうと、損傷を修復するためにもう一度手術が必要になる。材料の耐久性が低いために生ずるもう一つの危険は、微妙な振動によってプレート間のネジ止めが緩んでしまい、骨の治癒が長引くことである。
【０００９】
そこで、安定で耐食性があり生体適合性を備え、高強度と高延性とを兼備した骨接合材あるいはインプラント材が直ちに必要とされている。
【００１０】
現在、このような器具およびインプラント材を形成および製造する材料として、良く知られていて良く研究されている一群の合金が用いられている。この合金としては、マルテンサイトステンレス鋼、オーステナイトステンレス鋼、析出硬化型ステンレス鋼がある。これら公知の合金はそれぞれ、耐食性、強度、成形性（加工性）、延性といった性質に優れた点があるが、個々に欠点もあって特定の要請に適さないところがある。特定の用途に対して種々の問題点や欠点があるものは、回転工具、外科用インプラント、外科用骨接合材（外科用プレート、ネジ、釘）の市販材である。
【００１１】
【表１】
【００１２】
ＡＩＳＩ ４２０等のマルテンサイトステンレス鋼は、高強度ではあるが延性が伴わない。ＡＩＳＩ ３００系のようなオーステナイトステンレス鋼は、高耐食性と高強度とを併せ持ち用途によっては十分な延性も備えているが、更に高強度化するには冷間で強加工する必要があるため、中間製品の段階でも非常に高強度にならざるを得ず、成形性の低下を招く。析出硬化型ステンレスには、多種多様な鋼種があり、その性質も異なる。それでも多くの共通点がある。例えば、ほとんどの鋼種で溶解精錬が１段プロセス、通常は真空２段プロセスで２段目が真空中である。別の観点では、多量の析出物形成元素として、アルミニウム、ニオブ、タンタル、チタンなどが必要であり、多くの場合これらを複合する必要がある。ここで「多量」とは１．５％以上の意味である。多量とすることにより強度は向上するが、延性および成形性は低下する。ＵＳＰ3,408,871に開示されている鋼種は、最終製品の延性が良好であるが、兼備可能な強度は２，０００Ｎ／ｍｍ２に過ぎない。また、半製品の製造中に欠点が生ずる可能性がある。例えば、焼鈍状態で割れが発生し易い。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は、安定で耐食性があり生体適合性を備え、高強度と高延性とを兼備した骨接合材あるいはインプラント材を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の一観点によれば、後述の組成を有する析出硬化型マルテンサイトステンレス鋼を、人体に適用して残置する外科用インプラント材、外科用骨接合材、外科用のプレート、ネジおよび釘などに使用する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の驚異的な効果の一つとして、析出効果型マルテンサイトステンレス鋼は、高い破壊抵抗および曲げ抵抗と硬さおよび耐食性とを兼備することが決定的に重要である用途に用いると有利である。
【００１６】
本発明の驚異的な効果のもう一つとして、後述する良好な生体適合性を備えると同時に、耐食性が良好で、延性が高く、成形性が良好で、２，５００〜３，０００Ｎ／ｍｍ２という著しく高い強度を備えている。本発明鋼はこれらの優れた性質を兼備しているため、短期および長期にわたって患者の体内に残置される医療用材料に用いると極めて有利である。
【００１７】
本発明の析出硬化型マルテンサイトステンレス鋼は下記の組成（wt％）を有する。
【００１８】
クロム ：１０〜１４
ニッケル ：７〜１１
モリブデン ：０．５〜６
銅 ：０．５〜４
アルミニウム ：０．０５〜０．５５
チタン ：０．４〜１．４
炭素＋窒素 ：０．３以下
硫黄 ：０．０５未満
燐 ：０．０５未満
マンガン ：０．５以下
シリコン ：０．５以下
タンタル、ニオブ、バナジウム、チタン： 各々０．０２以下
コバルト ：任意に９．０以下
ボロン ：任意に０．０００１〜０．１
残部 ：鉄および通常の不純物
【実施例】
【００１９】
本発明により使用する鋼および従来の回転工具に使用する２鋼種について、硬化状態の同一形状サンプルの引張強さ、破断伸び、硬さを測定した。
【００２０】
本発明鋼の供試材組成は前記望ましい実施形態により、クロム１２．０wt％、ニッケル９．１wt％、モリブデン４．０wt％、銅２．０wt％、チタン０．９wt％、アルミニウム０．３５wt％、炭素０．１２wt％未満、窒素０．０１２wt％未満であった。比較鋼の鋼種は１．４１１２および１．４１０８であり、組成は表１に示した。試験片は中実ロッドであり、半径４．５ｍｍの円形断面である。試験片は全て析出硬化処理を施した。本発明の硬化処理は４７５℃×４時間にて行った。鋼種１．４１１２と鋼種１．４１０８の硬化処理は親空中、１０００℃で４０〜６０分で行なった。その後、両鋼種は、窒素中で５０℃まで冷却した。鋼種１．４１０８は、更に１６０℃で２時間保持した。各供試材の硬化処理は、全鋼種について硬さが揃うように行なった。各鋼種の試験片を試験した。結果を下記の表２にまとめて示す。
【００２１】
【表２】
【００２２】
各鋼種について破壊点を調べた結果、本発明鋼は極めて靭性の高い破壊挙動を示すことが判明した。破面はいわゆる「漏斗状破面」であった。これに対して、鋼種１．４１１２および１．４１０８は、ほぼ１００％の脆性破面であった。本発明の試験片は、破断伸びが良好であり、破断しない伸び量が大きい。多数回の曲げにも破断しなかった。これに対して鋼種１．４１１２および１．４１０８は１回の曲げで破断した。
【００２３】
驚くべきことに、人体に適用して残置する外科用のプレート、釘、ネジ等のインプラント材および骨接合材の製造に本発明の鋼を用いると、従来鋼に比べて破断伸びが大きくて非常に有利であった。従来鋼の場合は、硬さおよび耐食性と生体適合性とが各用途に応じて最優先されていて、破断抵抗は妥協が許されていた。回転工具および骨接合材の製造に用いる本発明鋼により、市販の従来鋼の破壊特性の欠点を克服できた。本発明により製造した工具および骨接合材は、硬さ、高耐食性、良好な生体適合性、優れた破壊抵抗を兼備している。曲げに対しても、破壊抵抗が確保され、例えば形成外科用のインプラント材は、他の優れた特性を犠牲にすることなく、多数回の曲げに耐えることができる。更に、本発明の鋼は、機械加工が容易であり、硬化した状態でもフライス加工が容易であるため、製品の製造に非常に有利である。更に、人体に適用して残置するインプラント材および骨接合材の製造に適用する利点として、硬化処理温度が４２５〜５２５℃で比較的低いので、製造時のエネルギーコストを大幅に低減できる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
下記組成（wt％）：
クロム ：１０〜１４
ニッケル ：７〜１１
モリブデン ：０．５〜６
銅 ：０．５〜４
アルミニウム ：０．０５〜０．５５
チタン ：０．４〜１．４
炭素＋窒素 ：０．３以下
硫黄 ：０．０５未満
燐 ：０．０５未満
マンガン ：０．５以下
シリコン ：０．５以下
タンタル、ニオブ、バナジウム、およびタングステン：各０．２以下
コバルト ：任意に９．０以下
ボロン ：任意に０．０００１〜０．１
残部 ：鉄および通常の不純物
から成る析出硬化型クロム・ニッケル系マルテンサイトステンレス鋼の、外科手術により人体に適用し残置するインプラント材および骨接合材の製造のための使用。
【請求項１】
下記組成（wt％）：
クロム ：１０〜１４
ニッケル ：７〜１１
モリブデン ：０．５〜６
銅 ：０．５〜４
アルミニウム ：０．０５〜０．５５
チタン ：０．４〜１．４
炭素＋窒素 ：０．３以下
硫黄 ：０．０５未満
燐 ：０．０５未満
マンガン ：０．５以下
シリコン ：０．５以下
タンタル、ニオブ、バナジウム、およびタングステン：各０．２以下
コバルト ：任意に９．０以下
ボロン ：任意に０．０００１〜０．１
残部 ：鉄および通常の不純物
から成る析出硬化型クロム・ニッケル系マルテンサイトステンレス鋼の、外科手術により人体に適用し残置するインプラント材および骨接合材の製造のための使用。
【公表番号】特表２００６−５２３４８２（Ｐ２００６−５２３４８２Ａ）
【公表日】平成１８年１０月１９日（２００６．１０．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−５０５４４８（Ｐ２００６−５０５４４８）
【出願日】平成１６年３月５日（２００４．３．５）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２００４／０５０２６５
【国際公開番号】ＷＯ２００４／０７８２２４
【国際公開日】平成１６年９月１６日（２００４．９．１６）
【出願人】（５０５２７７５２１）サンドビック インテレクチュアル プロパティー アクティエボラーグ (284)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成１８年１０月１９日（２００６．１０．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年３月５日（２００４．３．５）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２００４／０５０２６５
【国際公開番号】ＷＯ２００４／０７８２２４
【国際公開日】平成１６年９月１６日（２００４．９．１６）
【出願人】（５０５２７７５２１）サンドビック インテレクチュアル プロパティー アクティエボラーグ (284)
【Ｆターム（参考）】
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