歯科技工術論文のご紹介７
今回は、歯科補綴物の製造に広く使用される3種類のコバルト-クロム（Co-Cr）合金（Co-Cr-Mo、Co-Cr-W、Co-Cr-Mo-W）について、従来の鋳造法と選択的レーザー溶融（SLM）技術を比較し、それらの微細構造と機械的特性に与える影響について評価した論文を簡単に要約しご紹介いたします。
Microstructural and mechanical characterization of six Co-Cr alloys made by conventional casting and selective laser melting
従来の鋳造及び選択的レーザー溶融法で製造された6種類のCo-Cr合金の微細構造及び機械的特性の評価
要 約（Abstract）
問題の提起:
Co-Cr合金の3種類（Co-Cr-Mo、Co-Cr-W、Co-Cr-Mo-W）は、歯科補綴物の製造において一般的に使用されています。この合金は、従来の鋳造法または選択的レーザー溶融法（SLM）で製造されます。しかし、これらの材料や製造プロセスを微細構造および機械的特性の観点で直接比較する研究は限られています。
目 的:
本研究の目的は、従来の鋳造法およびSLM法で製造されたCo-Cr-Mo、Co-Cr-W、Co-Cr-Mo-W合金を対象に、X線解析、光学顕微鏡観察、SEM/EDS解析、X線回折（XRD）、硬度試験（IIT）、および3点曲げ試験を用いて微細構造と機械的特性を評価することです。
材料と方法:
6種類のCo-Cr合金を、元素組成（Co-Cr-Mo、Co-Cr-W、Co-Cr-Mo-W）と製造方法（鋳造またはSLM）によって分類し評価しました。X線スキャンで多孔性を評価し、SEM/EDSおよびXRDで微細構造を調査しました。Martens硬度（HM）と弾性指数（ηIT）はIITで測定し、弾性率（E）は3点曲げ試験で推定しました。2要因分散分析（ANOVA）とTukey多重比較検定を用いてデータを統計解析しました。
結 果:
鋳造法によるグループは全て粗大な多孔性を示しましたが、SLMグループでは多孔性や欠陥は見られませんでした。XRD結果から、全てのCo-Cr試料が体心立方γ相（γ-fcc）、六方最密充填ε相（ε-hcp）、およびCr23C6炭化物で構成されていることが分かりました。鋳造法とSLM法で製造された合金の間で、微細構造および機械的特性に有意差が見られました（P<.05）。
結 論:
製造手法は、Co-Cr合金の多孔性、微細構造、および機械的特性に大きな影響を与えます。SLMは内部多孔性を低減し、均一な微細構造を提供し、全ての合金タイプにおいて機械的特性を向上させました。
目的と背景（Introduction）
背 景:
コバルトクロム（Co-Cr）合金の研究は1913年に始まり、その強度と耐染性が明らかになりました。その後、モリブデン（Mo）およびタングステン（W）が強化に有効な合金元素であることが発見されました。Co-Cr合金は高強度、高弾性率、優れた耐摩耗性、生体適合性、および耐腐食性を有するため、医療分野で広く応用されています。歯科分野では、1930年代に可撤式部分義歯（RPD）のフレームワークとして初めて使用されました。
目 的:
本研究は、Co-Cr合金の微細構造および機械的特性に関する知見を深化させるため、Co-Cr-Mo、Co-Cr-W、Co-Cr-Mo-W合金の製造方法（鋳造またはSLM）とそれらの特性を比較評価することを目的としています。
材料と方法（Materials and Methods）
試料準備:
本研究では、金属・セラミッククラウンおよび固定性部分義歯の製造に使用される6種類のCo-Cr合金を対象としました（表1参照）。これらのグループ名は、合金システム（Mo、W、MoW）と製造方法（C：鋳造、L：SLM）に基づいて命名されました。各グループには20個の矩形試料が含まれており、試料の寸法は25×3×0.45–0.55 mmに統一されました。
鋳造グループ（Mo-C、W-C、MoW-C）の試料は、遠心鋳造機（Ducatron S3; UginDentaire）を用いて製造しました。一方、SLMグループ（Mo-L、W-L、MoW-L）の試料は、選択的レーザー溶融装置（PM 100 Dental System; Phenix Systems, Mlab; ConceptLaser, EOS Laser Sintering M270; EOS）を用いて製造しました。全ての試料は、連続水冷条件下で最終仕上げまで研磨されました。
構造・特性評価:
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X線スキャン: 各試料の多孔性を評価するために歯科用X線装置（Orix 70; Ardet）を使用しました。
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SEM/EDSおよびXRD: 微細構造を電子顕微鏡（Quanta 200; FEI）およびX線回折装置（D8 Advance; Bruker）を用いて調査しました。
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機械的特性: 硬度試験には国際標準化機構（ISO）14577–1仕様に準拠した装置を使用し、Martens硬度（HM）および弾性指数（ηIT）を測定しました。3点曲げ試験では、試料の曲げ弾性率（Eb）を計算しました。
統計解析:
得られたデータは2要因分散分析（ANOVA）およびTukeyの多重比較検定を用いて解析し、合金の種類および製造方法を独立変数としました（有意水準 α=.05）。
表1.
試験した材料のブランド名、元素組成（製造元提供）、製造方法、およびグループ名
a Dentsply, Elephant Dental
b SINT-TECH
c Dentaurum
d Bego
e EOS
結 果（Results）
多孔性の評価:
X線画像では、全ての鋳造グループに粗大な多孔性が認められましたが、SLMグループでは多孔性や欠陥は見られませんでした。鋳造試料の中央部には顕著な空隙が観察されましたが、SLM試料では均一な表面が確認されました（図1参照）。
Figure 1. 試験片の気孔率分析
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鋳造グループの代表的なX線画像
A: Mo-C、B: W-C、C: MoW-C、およびD: Mo-L/W-L/MoW-L。 -
1E: 矩形試験片の中央領域における反射光光学画像で、粗大な気孔が明確に確認される。
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1F: 選択的レーザー溶融（SLM）グループの試験片表面の代表的な画像で、表面研磨による線以外には欠陥が認められない。
XRD分析:
全ての試料において、体心立方γ相（γ-fcc）、六方最密充填ε相（ε-hcp）、およびCr23C6炭化物が検出されました。SLM試料は鋳造試料に比べてより均一な結晶構造を示しました（図2参照）。
Figure 2.
試験グループのX線回折スペクトル。
SEM/EDS解析:
鋳造グループでは、ランダムに分布した小さな空隙が見られましたが、SLMグループではこれらの空隙はほとんど見られませんでした。鋳造試料では元素の異常分布が観察され、特定の元素（Mo、W）が濃縮される領域が確認されました（図3および表2参照）。
Figure 3. 全試験グループの代表的な逆散乱電子画像
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鋳造グループ（A, C, E）の全てにおいて、原子番号のコントラストが確認されるが、選択的レーザー溶融（SLM）グループではコントラストが認められない。
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Mo-C（A）: 拡散した第2相が確認される。
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W-C（C）: 2つの拡散した相が確認される。
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MoW-C（E）: マトリックスとは別に3つの追加相が確認される（図5Dの挿入図に示されたこれらの非常に小さい相のより明確な表現）。
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元の倍率: ×500（スケールはFにのみ表示されているため明確性のために表示）。
Figure 5.
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A: Mo-CにおけるCo、Cr、Moの逆散乱電子画像（BEI）および対応するエネルギー分散型X線分光法（EDS）の元素マップ。
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B: W-CにおけるCo、W、NbのBEIおよびEDS元素マップ。Crの元素マップは均一な分布を示したため省略された。
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C: MoW-CにおけるCo、Mo、WのBEIおよび領域マッピング。Crの元素マップは均一な分布を示したため省略された。
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D: MoW-CにおけるCo、Cr、Mo、Wの高倍率画像。BEI上の赤い十字はスポット分析ポイントを示す。
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元の倍率:
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A、B、C: ×2000
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D: ×10000
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（BEIsは逆散乱電子画像を指します。）
表4.
試験グループの統計結果を含む平均値 ± 標準偏差（n=10）。
ID1: 枝状間相1、ID2: 枝状間相2、ID3: 枝状間相3
機械的特性:
SLMグループの全ての試料は、鋳造グループよりも有意に高いMartens硬度（HM）と弾性指数（ηIT）を示しました（P<.05）。一方、曲げ弾性率（Eb）には製造方法間で有意差があり、SLMグループは鋳造グループよりも高い値を示しました（表4参照）。
表2.
画像解析による定量化（n=3）後の各グループにおける微小気孔率、マトリックス、および分散相（ID: 枝状間相）の割合（平均値 ± 標準偏差）。
上付き文字は、各合金タイプ内で、列に対しては大文字、行に対しては数字による統計的比較を示しています。
要 約:
SLMプロセスは、粗大な多孔性を排除し、より均一な微細構造と向上した機械的特性を提供しました。特にMartens硬度と弾性指数において、SLM製造の優位性が顕著でした。
議論（Discussion）
本研究の結果に基づき、以下の議論を展開します。
製造方法の影響:
鋳造グループは全て粗大な多孔性を示しましたが、これはCo-Cr合金の凝固中に生じる樹枝状の構造に起因します。凝固中、樹枝間の空隙が溶融金属から隔離され、多孔性を形成します。一方、SLMプロセスでは粗大な多孔性が排除され、内部欠陥のない均一な構造が得られました。これは、SLMプロセスが鋳造の固有の制約を克服する能力を持つことを示唆しています。
微細構造の特徴:
XRD分析では、全ての試料がγ-fcc相、ε-hcp相、及びCr23C6炭化物を含むことが確認されました。SLM試料は、鋳造試料に比べてより均一な結晶構造を有し、これが機械的特性の向上に寄与している可能性があります。また、SEM/EDS解析では、鋳造試料において特定の元素（Mo、W）が濃縮される領域が観察されましたが、SLM試料ではこれらの濃縮は見られませんでした。この均一な元素分布がSLM試料の優れた特性に寄与していると考えられます。
機械的特性の向上:
SLM試料は鋳造試料と比較して、Martens硬度（HM）、弾性指数（ηIT）、及び曲げ弾性率（Eb）が全て有意に高い結果を示しました。これらの特性向上は、多孔性の低減、均一な微細構造、および残留応力の最小化によるものと考えられます。ただし、SLM試料は鋳造試料よりも弾性指数が高いことから、より脆性である可能性も示唆されます。
臨床的意義:
SLMプロセスは、鋳造における主な問題である多孔性を効果的に排除します。これにより、機械的特性が向上するだけでなく、表面不規則性による点食腐食や隙間腐食のリスクも低減されます。さらに、SLMプロセスによる均一な微細構造は、イオン放出量の減少や優れた電気化学特性をもたらし、生体適合性の向上にも寄与すると考えられます。
結論（Conclusions）
本研究の結果に基づき、以下の結論が得られました。
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粗大な多孔性:
従来の鋳造プロセスで生じる粗大な多孔性は、合金の種類に依存しません。 -
SLMの利点:
SLMプロセスは、内部多孔性を排除し、全ての合金タイプにおいて均一な微細構造を提供しました。 -
機械的特性の向上:
SLMプロセスによるCo-Cr合金は、鋳造プロセスと比較して、Martens硬度（HM）、弾性指数（ηIT）、および曲げ弾性率（Eb）が全て向上しました。 -
臨床的意義:
SLMプロセスの使用は、Co-Cr合金の機械的特性および生体適合性を改善する可能性が高く、従来の鋳造法に対する優れた代替手段となり得ます。
Microstructural and mechanical characterization of six Co-Cr alloys made by conventional casting and selective laser melting
従来の鋳造及び選択的レーザー溶融法で製造された6種類のCo-Cr合金の微細構造及び機械的特性の評価
出展元 THE JOURNAL OF PROSTHETIC DENTISTR.Vol132 ISSUE3
September 2024 646 e646-1-10