チタンフォーム

チタンフォームは、高い比強度、高いエネルギー吸収性、優れた耐腐食性および生体適合性を示す。これらの材料は、航空宇宙産業における用途に理想的である^{。 [1] [2] [3]}腐食に対する固有の耐性により、フォームはさまざまなフィルタリング用途に適した候補となる。 ^{[4] [5]}さらに、チタンの生理学的不活性により、その多孔質形状は生物医学的インプラントデバイスの有望な候補となる。 ^{[6] [7] [8] [9] [10] [11]チタンフォームを製造する最大の利点は、}多孔性および細胞形態を変える製造操作によって機械的および機能的特性を調整できることである。チタンフォームの高い魅力は、この技術の進歩に対する多産業的需要と直接相関している。

バンハート^[12]は、セル状金属を特徴付ける2つの主要な観点を、原子論的およびマクロ的と呼んで説明しています。原子論的（または分子論的）観点では、セル状材料は、バルク金属の機械的特性を持つ支柱、膜、およびその他の要素の構造であると考えられています。実際、チタンフォームの物理的、機械的、および熱的特性は、固体の対応物と同じ方法を使用して測定されるのが一般的です。ただし、金属フォームのセル状構造のため、特別な注意が必要です。^[13]マクロ的観点からは、セル状構造は均質な構造として認識され、有効な（または平均化された）材料パラメータを考慮して特徴付けられます。^[12]

チタンフォームは、構造的には、気孔トポロジー（開いた気孔と閉じた気孔の相対的な割合）、多孔度（相対密度の逆数）、気孔のサイズと形状、異方性によって特徴付けられます。^[13]微細構造は、光学顕微鏡、^{[14] 、} 走査型電子顕微鏡^[15]、X線トモグラフィー^[16]によって最も頻繁に検査されます。

チタンフォームを気孔構造（オープンセルまたはクローズドセル）に基づいて分類することは、最も基本的な区別方法です。クローズドセルフォームでは、気孔は金属固体に閉じ込められた気泡で構成されています。これらのフォームは、密閉された気孔の連続ネットワークで構成されており、気孔間の相互接続は事実上存在しません。一方、オープンセルフォームでは、気孔は相互接続されており、固体の支柱が流体を通過させます。^[17]

製造されるフォームのほとんどには両方のタイプの気孔が含まれていますが、多くの場合、サブタイプは最小限です。^[18] IUPAC によると、気孔のサイズは、マイクロ（2nm未満）、メソ（2〜50nm）、マクロ（50nm以上）の3つのカテゴリに分類されます。^[18]

他の金属フォームと同様に、チタンフォームの特性は、主に出発材料の特性と結果として得られるフォームの相対密度に依存します。フォームの熱特性（融点、比熱、膨張係数など）は、フォームとフォームを構成する金属の両方で一定のままです。しかし、フォームの機械的特性は、前述の特性に加えてフォームの構造内の異方性や欠陥を含む微細構造に大きく影響されます。 ^[19]

チタンフォームの機械的特性は、加工方法や利用に制限をもたらす格子間溶質の存在に敏感です。チタンは大気中のガスに対して高い親和性を持っています。フォームでは、金属がセルエッジ内に酸化物を閉じ込める傾向があることから、これが証明されています。^{[20] [21] [22]}格子間溶質の結果として、 セル壁の微小硬度、弾性率、および降伏強度が増加します。その結果、格子間不純物の量の関数である延性が低下します。 ^[23]大気中のガスのうち、窒素が最も大きな影響を与え、酸素と炭素がそれに続きます。^[24] これらの不純物は、前駆体混合物に存在することが多く、加工中にも導入されます。

多孔質材料のギブソンとアシュビー^[17]のマイクロメカニクスモデルは、実験的に決定された幾何学的定数に基づいて機械的パラメータを予測するための数式を提供します。比例定数は、立方体と固体支柱からなる構造のさまざまな数学モデルに実験データを当てはめることによって決定され、セルの形状に依存します。ギブソンとアシュビー^[17]のモデルの限界は、70%を超える多孔度を示すフォームに対して最も正確であることです。ただし、より低い多孔度フォームの実験的比較では、このモデルと一致しています。イェとダンアンドは、42%の多孔度を示すチタンフォームに対してギブソンとアシュビーのモデルと妥当な一致を見いだしました。超音波測定では、平均ヤング率の値が39 GPaであり、ギブソンとアシュビーの予測値35 GPaと比較的よく一致しています。^[15]

ギブソン＆アシュビー^[17]モデルは理想的な構造を前提としており、微細構造の不規則性（例えば、不均一な気孔分布、欠陥）は考慮されていない。さらに、所定の比例定数の根拠となった実験結果は、単純な圧縮試験から得られた実験値に基づいている。そのため、多軸荷重には適用できない可能性がある。^[25]

最小固体面積モデルは、荷重支持面積（応力に対して垂直な断面積）が機械的挙動をモデル化する論理的根拠であると仮定している。MSAモデルは、細孔相互作用によって応力が減少すると仮定している。したがって、最小固体面積が応力のキャリアとなる。その結果、予測される機械的特性は、フォームの固体面積の定量化に基づいて変動する。部分的に焼結された粉末からなるチタンフォームの場合、最小固体面積は、粉末間のネック領域からマクロ細孔間のセル壁の断面までで構成される。^[26] MSAモデルの数学的関係^[27]は 、Gibson & Ashbyモデルと比較的一致している。^{[17] [28]} ただし、MSAモデルは、より広い範囲の多孔度レベルにわたって機械的特性パラメータを予測するように設計されています。Gibson & Ashbyモデルと同様に、MSAモデルは、均一な細孔形状、サイズ、分布を含む理想的な（欠陥のない）構造を前提として導出されました。

チタンフォームの最も頻繁に報告されている機械的特性は圧縮強度である。^[29]金属フォームの圧縮特性は気孔サイズではなく細胞壁の特性に依存すると一般に認められていた。しかし、最近の研究では、気孔サイズが小さいほど圧縮強度が高くなることが示唆されている。気孔サイズがナノサイズに達すると、変形メカニズムの変化により、その関係はさらに明確になる。^[30]

TuncerとArslanは、様々な形状のスペースホルダーを用いたスペースホルダー法でチタンフォームを作製し、セル形態が機械的特性に与える影響を明らかにした。彼らは、針状の尿素スペースホルダーで作製したフォームは、球状の気孔と比較して弾性率と降伏強度が低下することを発見した。^[31]

多くの金属フォーム製造技術は、溶融金属または粉末金属の形態で発生する可能性のある前駆体マトリックスへの気相の導入によって達成されます。チタンは融点が高く（1670℃）、酸素、窒素、炭素、水素（400℃を超える温度で液体または固体のチタンに急速に溶解する）との化学親和性が高いため、粉末の緻密化に基づく固体プロセスが製造方法として好まれます。^{[ 15] [ 21] [26] [29] [32] [33]} 処理方法は、空気や湿気にさらされないように設計する必要もあります。真空または不活性ガス焼結プロセスで通常は汚染を防ぐのに十分です。^{[21] [34]}

チタンフォームの製造に粉末冶金法^[35]を利用すると、溶融プロセスで必要な温度よりも低い温度での製造が可能になり、全体的な汚染リスクが軽減されます。粉末焼結（重力焼結とも呼ばれる）では、充填された粉末粒子間に存在する空隙から生じる拡散結合によって気孔が生成されます。軸方向圧縮に続いて焼結を行う手順は上記と同じですが、前駆体材料の圧縮には圧力がかかります。^[36]両方の圧縮方法では、結果として生じる気孔の形態は金属粉末の形態に依存するため、気孔のサイズ、形状、分布を制御することが困難です。^[35]もう一つの欠点は、気孔が崩壊する可能性が比較的高いことと、達成可能な気孔率のレベルが限られていることです。^[37]

加圧ガスの膨張によってチタンフォームを製造するには、チタン前駆体混合物を気密金属缶に入れ、充填後に真空にする。金属缶は不活性ガス（最も一般的にはアルゴン）で加圧され、静水圧でプレスされる。ガスで満たされた細孔は圧縮されたマトリックス内に含まれており、高温にさらされると、これらの気泡は周囲の金属マトリックスのクリープによって膨張する。^[38]熱間静水圧プレス（HIP）を使用してチタンフォームを処理すると、別個の圧縮および焼結プロセスが不要になるため、ルースパウダー焼結技術を使用する場合よりも幅広いカスタム形状とサイズが可能です。^[39]このプロセスの欠点は、細孔の連結性の低下、達成可能な多孔性の制限、および実験セットアップが複雑であることです。^[39]しかし、チタン（および他の多形材料）に関するHIPプロセスのユニークな点は、熱サイクル、または金属のα/β同素体温度境界付近でのサイクルによって、HIPプロセスを通じて変態超塑性を高めることができることです。^[32]

チタンは、882.5 °C 未満の温度で α 相（六方最密充填 (hcp) 構造）から 882.3 °C を超える温度で β 相（体心立方、bcc) 構造への同素体変態を起こす。アルファ相チタン製品は通常、優れたクリープ強度を備えた中程度から高い強度を示すのに対し、ベータ相チタン製品は通常、非常に高い強度と低い延性を示す。^{[32] [36]}熱サイクル条件下で生成されたフォームは、同素体相間の密度差により、多孔性が増加することが示されている。デイビスらは、41% の多孔度を持つチタンフォームを製造した（通常の HIP クリープ機構による 27% の多孔度と比較して）。^[32]熱サイクルによって生成されたフォームでは、全体的な延性の増加も観察された。同様の実験では、44% の多孔度が達成され、熱サイクル条件下で達成可能な最大多孔度として決定された。^[40]その後の研究でも、HIPによる変態超塑性条件の利用が行われたが、この場合には、前駆体マトリックス中のチタン粉末がチタンワイヤに置き換えられ、異方性気孔が生成された。結果として生じた異方性気孔は、縦方向の荷重を受けたときのフォームが横方向の荷重を受けたときよりも高い弾性率、降伏強度、変形を示したという点で、天然骨との相関性が高いことが示された。^[41]

スペースホルダー技術は、チタンフォームを製造するために最も一般的に使用されている方法です。スペースホルダー技術では、他の技術よりも高い多孔性フォーム（35〜80％ ^{[42] ）を製造できると同時に、技術者は気孔率、形状、接続性をより細かく制御できます。 [38]}機械的特性は、使用するスペースホルダーのサイズ、形状、量によって調整できます。スペースホルダー技術は、ZhaoとSun ^[43]によって、NaClをスペースホルダーとして組み込む粉末冶金法でアルミニウムフォームを製造するために初めて実証されました。スペースホルダーは粉末混合物に混合され、焼結前に溶解されました。同じ方法が、Wenらが炭酸水素アンモニウムスペーサーを使用したときに初めてチタンフォームの作成に使用されました。^[44]

金属粉末のサイズと形状は、前駆体と結果として得られるフォームの安定性に直接影響します。この目的のためには、充填効率を高める粉末が最も有利です。^[31]球状粒子を使用すると、粒子の接触が少なくなり、その結果、二次気孔が大きくなり、完全な焼結前に気孔が崩壊する可能性が高くなります。^[45]この要因は、チタン粒子の周りの隙間サイトの程度を減らすさまざまな圧縮技術によって制限できます。ただし、この方法にも制限があります。たとえば、粉末はスペーサーの変形を促進するほど圧縮できません（異方性気孔形状が望ましくない場合）。^{[15] [46]}

スペースホルダーの選択は、セル形状、セルサイズ、マクロ多孔度など、結果として得られるフォームの多くの特性を決定するため、最も重要なステップの1つです。スペースホルダーは不活性で、目的の細孔のサイズと形状を表す必要があります。多孔度は、充填材が結果として得られるフォームの一部になることなく、50〜85％の間で調整できます。^[10]また、チタンへの溶解度が限られているか、まったくないスペーサーを選択することも重要です。チタンが組み込まれると、結果として得られるフォームの機械的特性が影響を受けるためです。^[47]

最終製品の細孔分布の均一性の程度は、主に前駆体の混合の適切さに依存します。チタン粉末とスペーサーの粒子サイズの差は、プリフォームを適切に混合する能力に直接影響します。サイズの差が大きいほど、このプロセスの制御が難しくなります。^[47]使用したチタン粒子よりもかなり大きいスペーサーの使用により不均一な混合が発生し、スペーサー除去後の前駆体の安定性と多孔度の分布に悪影響があることが示されています。^{[31] [48]} スペーサーのサイズが調査されました。^{[31] [39] [49]}粗いスペーサーを使用すると細孔壁が厚くなり、細かいスペーサーを使用すると圧縮が強化されて密度が高くなることが示されています。高密度化の増加は、細かいスペーサーを使用した場合は単峰性の細孔分布、粗いスペーサーを使用した場合は二峰性の分布によって証明されています。さらに、より細かいスペーサーはより均一な気孔分布をもたらす。Sharmaら^[50]は針状スペーサーを使用し、最大60％の気孔率を達成し、気孔は歪んでいない。微粒子を使用したサンプルでは、​​最大70％の気孔率が達成可能で、気孔の歪みが認められた。^[49]しかし、粗いスペーサーサンプルで観察された二峰性の気孔分布は、気孔率と圧縮強度の逆相関関係のみに起因するものよりも高い圧縮強度が観察されたという点で、機械的特性の点で有益であることが示された。^[49]

粉末とスペーサーの前駆体混合物は、指定された圧力下で金型に圧縮される。これは、一軸または等方圧プロセスによって達成できる。この方法で得られる細孔は開いており、隣接する細孔間の窓を介して相互接続されており、細孔のサイズは、結果として得られる圧縮物の配位数と接触面積に部分的に依存する。圧縮圧力は、スペーサーによって指定された細孔形状を保持するのに十分な機械的強度を確保できるほど高くなければならないが、スペーサーの変形を引き起こすほど高くてはならない。^[47]

溶解性スペーサーを使用する場合、焼結後にスペーサーを除去することが可能であり、これにより気孔の崩壊のリスクが低減される。ほとんどの場合、スペーサーホルダーを使用して作成されたフォームには、スペーサー粒子に起因するマクロサイズの気孔と、粉末マトリックスの不完全な焼結に起因する気孔壁に位置するマイクロサイズの気孔との二峰性気孔分布が含まれる。その結果、マクロ気孔は通常、粗い内部表面を示す。^[51]バイオメディカルインプラントの使用など、一部の用途では、これは有利な特性である。内部多孔性（またはマイクロ多孔性）は剛性を低下させることが示されており、したがって、応力遮蔽効果のリスクを低減すると同時に、骨結合も改善される。^{[14] [50] [51]}

塩化ナトリウムは水に非常に溶けやすく、チタンに対して不活性であるため、チタンフォームのスペースホルダーとして最も一般的に選ばれています。この不活性により、結果として得られるフォームの汚染や機械的特性の劣化が防止されます。さらに、塩化ナトリウムは無毒であり、残留物はすべて生体不活性です。^{[50] [52]}

Bansiddhi と Dunand は、NiTi フォームの製造に NaCl を永久スペースホルダーとして使用する先駆者でした。^[53]得られたフォームは 32～36% の多孔度を持ち、フッ化ナトリウム (NaF) スペースホルダーを使用して NiTi フォームを製造したときに観察されたよりも完全な緻密化が見られました。^[54]しかし、処理パラメータにより、フォームの空洞に溶融 NaCl と金属/塩の混合物が生成されました。溶融スペースホルダーの使用には、金属との反応、金属内でのスペースホルダーの溶解、金属と粒子の間に薄い液体層を形成することによる緻密化の防止など、特定のリスクが伴います。^[51]純チタンフォームの永久スペースホルダーとして NaCl を使用した場合、ほぼ完全な緻密化が達成されました。^[15]この場合、NaCl の融点未満の温度が使用されました。チタンは NiTi よりもクリープ耐性が低いため、より低い温度で緻密化できます。得られたフォームは、観察可能な微細多孔性が最小限で、50～67%の多孔度を達成した。一部の領域の異方性細孔形状は、HIP中のNaClの変形を示唆しており、一部の用途では望ましい。^[55]さらに、観察された細孔の粗い内面は、生体医学的インプラント用途に利点がある。 Jhaら^[45]は、NaClをスペースホルダーとして使用し、2段階焼結によるさまざまな圧力での冷間圧縮プロセスにより、65～80%の多孔度を達成した。この場合、NaClは焼結の第2段階後に溶解して除去された。得られたヤング率（8～15 GPa）は、50%多孔度のフォームで達成されたヤング率29 GPaよりもかなり低かった。^{[23] [55]}これは、多孔度とヤング率の既知の関係を示しており、ヤング率は多孔度の増加とともに直線的に減少する。スペースホルダー法で達成可能な多孔度は、使用されるスペースホルダーの種類と量に直接関係します (達成可能な最大多孔度レベルのしきい値まで)。

マグネシウムは、熱または酸による溶解による反応的手段によって除去することができる。^{[26] [56] [57]} Esen & Bor ^{[26] は、}空間保持剤としてのマグネシウムの臨界含有量は 55～60% であり、これを超えると焼結中に圧縮体が過度に収縮することを発見した。多孔度が 45～70% で二峰性の細孔分布を持ち、圧縮強度が 15 MPa (多孔度 70%) のフォームが実証された。Kim らは、機械的特性を向上させるために、圧縮中に Mg 粒子を意図的に変形させることで異方性細孔を持つフォームを製造した。最終的な多孔度 70% は、細孔の通常の配向では 38 MPa、細孔が圧縮方向と揃った場合は 59 MPa の降伏強度に相当した。^[57]

チタンフォームによく使用される別のスペースホルダーは尿素で、20〜75％の多孔度が得られます。^{[31] [50] [58] [49] [44]} Wenら^[44]は、多孔度が55〜75％、ヤング率が3〜6.4GPa、プラトー応力が10〜35MPaの二峰性細孔分布を示すフォームを製造しました。プラトー応力と多孔度の間には逆相関関係が見られ、多孔度が増加するとプラトー応力が減少しました。^[44] Tuncerらは、不規則な形状のチタン粉末と組み合わせて尿素を使用し、粒子の充填効率を高めることでグリーン強度を高めました。これにより、バインダーを組み込む必要もなくなりました。^[58]

タピオカデンプンは焼結プロセスで容易に燃焼し、チタンには不溶性である。二峰性の細孔分布（マクロ細孔の範囲は100〜300μm）と64〜79％の多孔度からなるチタンフォームは、23〜41MPaの降伏強度と1.6〜3.7GPaのヤング率を示した。^[59]

炭酸水素アンモニウムはチタンフォームの製造に利用されてきたが^[44] 、融点/解離点が低く、チタンにいくらか溶解するため、理想的なスペーサーではない。その結果、かなりの収縮が起こり、気孔形状の制御が困難になる。さらに、分解すると環境に有害なガスが放出される。^[60]

凍結鋳造は、異方性で細長い気孔構造を示す材料を製造するために利用される方向性凝固技術である。^[61]気孔形態は、主に凝固流体の形態によって定義される。樹枝状^{[62] [63]}および層状^[64]気孔構造を示すチタンフォームは、それぞれ非水性処理と水性処理の使用によって製造されている。これらの材料は、異方性気孔構造の結果として異方性の機械的特性を示す。チタンフォームの壁方向に平行に適用された荷重に対する圧縮強度は、壁方向に垂直に適用されたものよりも平均で 2.5 倍大きいことがわかっている。^[61]

チタンフォームの構造用途としては、軽量構造への一般的な組み込みや、機械的エネルギー吸収用部品としての利用が考えられます。構造用途でのチタンフォームの使用において最も重要な考慮事項は、多孔性、比強度、圧縮時の延性、およびコストです。製造コストが低いため、構造用途向けに販売されている金属フォームのほとんどは、独立気泡アルミニウムです。^[65]比較すると、チタンフォームの製造には高いコストがかかりますが、このコストは、この材料が他の点では比較にならないほどの総重量削減を実現する宇宙用途では正当化できます。チタンの低い熱伝導率は、ロケット製造にも役立ちます。^[1]比強度、全体的なエネルギー吸収能力、および高い融点はすべて、航空宇宙および軍事用途におけるアルミニウムに対するチタンの優位性を裏付けています。^[3]航空宇宙用途で使用する場合、90% に近い多孔性が望まれます。^[52]チタンフォームは、400 °C までの温度で高い引張強度を維持できます。これは金属の酸化耐性が低いために課せられた制限である。^[36]

航空宇宙分野でチタンフォームが既存材料に取って代わる原動力は、以下の5つの要因によるものである。^[36]

• 軽量化: 鋼鉄やニッケル基超合金の代替品として;
• 適用温度: アルミニウムおよびニッケルベースの合金および鋼の代替品として
• 耐食性：アルミニウム合金や低合金鋼の代替品として
• 電気適合性：アルミニウム合金の代替としてポリマーマトリックス複合材料を使用
• スペースの制約：アルミニウム合金や鋼の代替品として

工学とその先進分野である航空宇宙工学の最も緊急な課題は、材料の効率的な使用と耐用年数の延長である。^[1]

サンドイッチパネルコアは航空宇宙産業全体で使用されており、航空機の機体、床、内部パネルに組み込まれています。サンドイッチ構造は、厚くて軽量なコアで分離された2つの面で構成され、最も一般的にはバルサ材、発泡ポリマー、接着されたアルミニウム、またはノーメックス（紙）ハニカムで構成されています。通常、コアは強化繊維と組み合わせてせん断弾性率を高めます。^[66]実際、炭素繊維強化ポリマーは、これらの材料の中で最も高い比剛性と強度を示します。^{[67] [68]}しかし、ポリマーは低温で分解するため、前述の材料の使用には、使用できる温度範囲が限られていることと、水分に依存する特性のために固有の課題があります。^[13] コア内で最も大きく、最も適切に予測されていない破損は、ひずみの局所化によって発生します。ひずみの局所化とは、固体内の変形の局所化の結果として、集中的なひずみを示すバンドが発生することを指します。^{[69] [70]}最高の性能を得るには、構造は低いピーク応答力と高い総エネルギー吸収を示す必要があります。^[18]チタンフォームは軽量で剛性があり、爆風に耐える能力を備えています。さらに、均一な多孔性分布を示すチタンベースのフォームを使用すると、ひずみの局所化に関連するリスクが大幅に減少します。チタンフォームの高強度対重量比は、曲げ剛性とせん断剛性を高め、曲げ期間中のエネルギー吸収能力を向上させる機会を提供します。^{[66] [70] [71]}チタンフォームは、高温環境（最大400℃）で使用できます。複合構造も製造できます。Ti-6-Al-4Vフォームにシリコンカーバイドモノフィラメントを組み込むと、弾性係数195GPa、引張強度800MPaを示すことが示されました。^[72]

オーセチック気孔構造を示すチタンフォームは、せん断性能が向上するため、サンドイッチパネルコアへの組み込みが検討されています。^{[73] [74]}この気孔構造を持つフォームは、1つまたは複数の次元で負のポアソン比を示します。^[66]ポアソン比は、荷重方向に一軸張力を受けるフォームの横方向の収縮ひずみと縦方向の引張ひずみの比として定義されます。^[75]オーセチック材料は通常、圧縮に対する反応によってへこみに抵抗することができ、圧縮されるとオーセチック材料は収縮します。^[75]研究では、へこみ抵抗に加えて、オーセチックフォームは音と振動の吸収性が高く、せん断抵抗と破壊靭性が向上することが示されています。これらの構造はシンクラスト曲げも示し、その結果、湾曲したサンドイッチパネルへの統合に適しています。

チタン合金は、様々なバイオメディカルインプラントの材料として選ばれています。^[76] 現在使用されているチタン合金インプラントには、股関節、^[77] 骨ネジ、^{[9] [78]} 膝関節、^[51]脊椎固定術、^[8]肩関節、^[51]骨プレートなどがあります。^{[76] [79] [80]これらの合金は、高延性で成形性に優れた市販の純チタンフォームから、高強度で熱処理可能な合金まで多岐にわたります。チタンは}磁気共鳴画像法（MRI）やコンピューター断層撮影（CT）での使用に適しており、 ^{[81] [82]}バイオメディカルインプラント用途への適用性がさらに高まります。

バイオメディカルインプラントは、患者の快適性のために密度を低くし、血管新生と新しい骨の成長を促進するために多孔性と表面積を大きくする必要があります。^[83]理想的には、インプラントは、細胞栄養と骨芽細胞の増殖、およびインプラントの細胞コロニー化が均一になるための移動に十分な容易な流体の流れを可能にします。フォームの細胞マトリックス内に含まれる気孔は骨の細胞外マトリックスを模倣し、体がインプラントに固定できるようにします。インプラントの多孔性は、細胞が付着、再生し、基本的な機能を形成できるため、付着を促進し、血管新生を促進します。^[84]新しい骨組織の成長と体液の輸送には、200〜500μmのマクロポアサイズが望ましいことが示されています。下限は細胞のサイズ（約20μm）によって制御され、上限は結合部位の可用性を通じて比表面積に関連しています。^[84]より細かい気孔は、組織の成長と生体液の移動をさらに助けます。^[85]異方性の細長い気孔（凍結鋳造技術で得られるものなど）は、骨の構造をさらに模倣できるため、骨インプラントに有益である可能性がある。

フォームの多孔質表面形状は骨の成長を促進し、固定のためのアンカーを提供し、インプラントから骨への応力の伝達を確実にします。^[86]気孔の表面粗さは骨の成長を促進し、粗い細胞サイズは組織の成長を速めます。^[55] インプラントの機能性と骨との融合能力を最適化するには、フォームの気孔構造を変更するために材料の製造方法を操作する必要がある場合があります。気孔構造の変化は、インプラントの強度やその他の重要な特性に直接影響を与える可能性があります。

ヒトの海綿骨の剛性は12～23GPaである。^[87]同様の強度を達成するために製造パラメータを注意深く制御および変更することは、統合の実用性にとって不可欠である。^[88]フォームのヤング率を正しく予測することは、実際のバイオメディカル統合にとって不可欠である。インプラントと骨のヤング率が一致しないと、不均衡な応力処理による応力遮蔽効果が生じる可能性がある。^[89]典型的には骨よりも高いヤング率を示すインプラントが、負荷の大部分を吸収する。この不均衡の結果、開始時の骨密度が低下し、組織が死滅し、最終的にはインプラントが故障する。^[90]

天然の骨は、多孔度の分布を通じて、局所的な繊維を低応力領域から高応力領域へと調整する能力を示し、全体的な快適性を最大化します。^[91]研究者は、有限要素解析を使用して、骨で気孔を埋めることが機械的特性に与える影響を調べました。^[90]彼らは、骨の増殖により機械的特性が大幅に改善され、局所的な可塑性と応力集中が減少したという証拠があると結論付けました。実際、この研究で使用したチタンフォームにより、骨は局所的な繊維を低応力領域から高応力領域へと調整する自然な能力を発揮することができました。

実験により、気孔サイズと形状のランダムな組み合わせは、ヤング率の低下をもたらすことが実証されました。ヤング率の定量化のための理論モデルは、気孔サイズと形状のランダムな分布を考慮していないため、実験測定は不均一な気孔サイズと分布がある状態で実施する必要があります。これは、上で説明したマイクロメカニカル モデルの限界です。

現在使用されているインプラントは、最初の外科手術が行われた後、身体と一体化するまでにかなりの時間がかかります。インプラントと骨の真の接着は達成が難しく、残念ながらインプラントが骨に長期的に骨結合しないため、インプラント固定の成功率は低いです。^{[48] [51] [92]}整形外科用インプラントを必要とする人の数が増えるにつれて、^[11]骨結合を改善する構造的および生物学的可能性を備えた材料の開発が重要になります。チタンベースのフォームの使用は、現在使用されているバイオインプラント材料の生体活性を改善し、 ^{[6] [93] [94] [95]}ストレスシールド効果を軽減する可能性のある1つの方法です。

オッセオインテグレーションの問題は、自然な骨の成長過程を調べることで最もよく理解できます。体内では、骨と組織が自己再生し、環境刺激に応じて構造変化が通常発生します。^[96]オッセオインテグレーションの成功は、生物学的に決定された自然な手順に従う3つの主な段階で発生します。1) インプラントの骨形成への組み込み、2) 新しい骨量の体重を支えるための適応、3) 新しい骨構造の再構築です。このプロセスの最初の段階は、全体的な成功のために最も重要です。^[97]インプラントと骨は迅速に接続を形成する必要があり、この結合は強くて持続的である必要があります。チタン金属フォームインプラントは多孔質構造であるため、骨との緊密な固定が可能であり、患者の回復時間を大幅に短縮できます。基本的に、組織がフォームに統合されると、フォームは体内で細胞外マトリックスになります。^[84]現在、骨置換に最も一般的に使用されているインプラントは、天然骨に見られるこれらの特性を促進する能力を欠いており、その結果、インプラントの寿命は限られています。^[84]この骨結合の現象は、直接的な骨折治癒と同様に機能します。ただし、骨片の端が骨に再接続するのではなく、骨片の端がインプラントの表面に接続します。^{[97]高多孔性}Ti6Al4V合金と線維芽細胞の相互作用に関する研究では、金属フォームは細胞の付着と増殖、多孔質ネットワークを通る移動をサポートし、大きな細胞集団を維持できることが証明されました。^[7]

チタンは表面に酸化物層を形成する傾向があるため、人体組織と接触する表面の腐食を防ぐことができます。これは、表面酸化物がバルク材料から表面への金属イオンの拡散を最小限に抑えるためです。^[89]チタンにコーティングを施して生体活性を高めると、すでに生体適合性のあるチタン表面が、骨芽細胞の接着を強化し、骨結合を促進できるインターフェースに変わります。^[90]今日、研究は結合の成功率を向上させることに重点を置いており、骨の成長と修復の自然なプロセスを理解して、インプラントの表面仕上げと表面特性を強化するコーティングを作成します。 これらの調整により、人工構造が生物学的材料を模倣し、副作用を少なくして体内に受け入れられるようになります。^{[98] [99] 3年間の臨床および放射線学的研究では、ナノ結晶}ヒドロキシアパタイト（HA） でコーティングされたヒトのインプラントが骨結合をサポートすることがわかりました。ナノ結晶性HAは、シリカマトリックスゲルの10～20nmの相互接続された孔の大きな粗い表面で開発され、多孔質の骨構造を生み出しました。辺縁骨損失の平均率はわずかで、ペリオテスト値は強固な骨結合を示していました。^[100] 実際には、孔は生体材料の表面にあるタンパク質を保持できるような構造になっています。理想的には、これにより、合成HAが生きた組織が形成される可能性のあるナノ材料として認識され、体が自己修復を行うことができます^[10]

チタンフォームは、プラズマスプレー、ゾルゲル法、電気泳動沈着法など、さまざまな方法で HA でコーティングできます。HA コーティングされたチタンは、コーティングされていないチタンフォームと比較して界面強度が増加することが示されています。骨の成長を促進するために、Spoerke らはチタンインプラント上に有機アパタイトを成長させる方法を開発した。有機アパタイトは、インプラント界面での骨の成長を促進する可能性があります。このフォームは、チタンの同素体の性質を利用して多孔性フォームを作成する改良 HIP プロセスを使用して製造されました。有機アパタイトチタンフォームを使用した以前の in vitro 実験では、これらのコーティングされた細孔内の成長組織が応力遮蔽効果を低減してフォームの寿命を向上させる可能性など、有望な結果が得られました。^[41]

研究室では、マウスの合成ナノ結晶骨移植材料は血管線維組織の成長を示し、治癒の改善につながった。さらに、移植後5日目に新しい血管が観察され、インプラントは高い機能的血管密度を示した。^[85]ウサギの大腿骨骨端線を2～8週間治癒させた研究で、骨とインプラントの接触と、4つの異なるインプラント表面のチャンバー内の骨の成長を比較した。研究者らは、骨代替材料がチタンへの骨の付着を改善する可能性があることを発見した。^[101]

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