商用グレードの合金よりもわずかに安価な新しい合金は、チタン補綴物と同様に機能しました. 表現のための画像。 | | 写真提供: ロイター
チタンは強く、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、義足、特に膝と股関節、および歯を形成するための理想的なベースとなります。 他の金属よりも錆びにくく、研究が示しているように、ステンレス鋼やコバルトベースの材料などよりも人体との適合性が高い.
しかし、大きな問題があります。チタンは安くはありません。 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 ～ 10,000 ドルです。 それはほとんどの人にとって高価であり、アフリカのような中・低所得国の大多数の人々にとっては法外なほど高価です.
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 (アフリカ大陸の他のほとんどの国よりもこのような手順の設備が整っ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。
この地域のさらに多くの人々は、交換が必要になる可能性がありますが、単に手順を実行する余裕がないため、取り替えることはありません。 また、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傾向にあります。 この年齢層は、骨粗しょう症や変形性関節症などの病気にかかりやすいです。
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そのため、手頃な価格の手足を作るために使用できる安価なチタンベースの素材を生産することに取り組んでいます. 私たちの最新の研究では、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使って実験し、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、溶液中でごくわずかな錆しか示さなかったことがわかりました。 商用グレードの合金よりもわずかに安価な新しい合金は、それと同じように機能し、1 つの合金はそれを上回っていました.
純チタン vs チタン合金
人工股関節、人工膝関節、人工歯を作るためのチタンの最大の利点は、体液にさらされても容易に劣化しないため、人体に安全に使用できることです。
しかし、チタンを純粋な形で使用すると、人間の過酷な活動に対処するために必要な強度と耐摩耗性が不足します。
そのため、他の金属元素が追加されます。 例としては、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、および鉄が挙げられます。 科学者は、これらの元素やその他の元素を使用して、より強く摩耗に強い新しい合金を作成しています。
現在、人工股関節と人工膝関節で最も利用されている合金は Ti-6Al-4V で、チタン 90%、アルミニウム 6%、バナジウム 4% です。 効果的ですが、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。
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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毒性があります。 腐食によって材料が劣化すると、イオンが体内に放出され、慢性的な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ます。
この研究では、Ti-6Al-4V に添加するアルミニウムとバナジウムの量を減らして、新しいチタン ベースの材料を作成しました。 また、アルミニウムを除外し、バナジウムを完全に鉄に置き換えて、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体の体液に浸されたときに急速に分解するかどうかを調査しました。 私たちは、人間の体液の主な成分を含むハンクス平衡塩溶液と呼ばれる溶液を使用しました. 新しいチタン材料を、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。
調査結果
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。 溶液中でさらに悪化したものは、まだ Ti-6Al-4V と同等でした。 また、新しい合金のいずれも、インプラント材料に許容される最大許容分解速度である年間 0.13 ミリメートルを超えて分解することはありませんでした。
バナジウムとアルミニウムを含まない合金の性能は良好で、毒性レベルが低いため、Ti-6Al-4V よりも潜在的に安全です。
そして、重要なことに、新しい合金は Ti-6Al-4V よりも安価に製造できます。 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するだけで、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。
有望な一歩
2030 年以降、より多くの高齢者がアフリカ大陸などの開発途上国に居住するようになります。 この人口の増加に伴い、義肢の需要も高まる可能性があります。 そのため、手頃な価格で安全な材料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。
Michael Oluwatosin Bodunrin、上級講師、Witwatersrand 大学 (The Conversation)
