極低摩擦・極低摩耗生体関節に学ぶ多モード自律潤滑機構の解明

• Project/Area Number: 21246029
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Research Field: Design engineering/Machine functional elements/Tribology
• Research Institution: Kyushu University
• Principal Investigator: 村上 輝夫 九州大学, 工学研究院, 教授 (90091347)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 澤江 義則 九州大学, 工学研究院, 教授 (10284530) ; 中嶋 和弘 九州大学, 工学研究院, 助教 (70315109) ; 澤田 廉士 九州大学, 工学研究院, 教授 (40380589) ; 坂井 伸朗 九州工業大学, 工学研究院, 准教授 (60346814)
• Project Period (FY): 2009 – 2011
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2011)
• Budget Amount: ¥36,400,000 (Direct Cost: ¥28,000,000、Indirect Cost: ¥8,400,000); Fiscal Year 2011: ¥6,760,000 (Direct Cost: ¥5,200,000、Indirect Cost: ¥1,560,000); Fiscal Year 2010: ¥11,570,000 (Direct Cost: ¥8,900,000、Indirect Cost: ¥2,670,000); Fiscal Year 2009: ¥18,070,000 (Direct Cost: ¥13,900,000、Indirect Cost: ¥4,170,000)
• Keywords: 生体関節 / 多モード自律潤滑 / 極低摩擦 / 極低摩耗 / バイオトライボロジー / 生物・生体工学 / トライボロジー

Research Abstract

生体関節は、定常歩行運動時にはマイクロレベルを含む弾性流体潤滑により低摩擦・低摩耗を維持し、摩擦増大や表面損傷の発生をもたらす局所的接触が発生しうる薄膜潤滑の場合には、巧みな多種のモードの潤滑機構を有することにより極低摩擦・極低摩耗を実現している。このような潤滑機構は、多モード適応潤滑機構と称されているが、詳細については未解明な点も多い。そこで、本研究では、軟骨表面の複雑な構造の実態を各種の手法で明確化するとともに、極性分子の吸着挙動と水和潤滑効果の相互関係と協調的潤滑機能への寄与を探求した。成果の概要を略述する。
1.水和潤滑に対する生体関節軟骨摩擦面吸着膜形成の影響の解明:除荷・再負荷摩擦試験により軟骨表面水和回復と関節液成分吸着膜の強調作用を明確化できた。2.生体関節軟骨と軟骨細胞の変形・摩擦挙動の実測と数値解析:固液二相体としての関節軟骨の可視化圧縮試験と圧縮及び往復動状態の有限要素解析により、モデル化を可能とするとともに,深さ依存弾性特性・透過の圧密特性・線維スプリング効果などの重要性を把握できた。3.軟骨細胞・滑膜細胞への摩擦刺激・力覚応答試験:圧縮刺激に対する軟骨細胞の応答を明確化した。滑膜組織からの滑膜細胞の単離と培養を可能とし、培養組織の評価を行った。4.軟骨模擬材料および軟骨のマイクロトライボ試験:ポリビニルアルコールハイドロゲル模擬軟骨と関節軟骨の比較試験により、ナノ構造特性の相違の影響を明らかにし、低摩擦化への指針を得た。5.マイクロ血流センサによる軟骨部流動現象の非侵襲計測:標準材料や軟骨におけるシグナルの計測を行い、計測手法の基盤を構築し、酵素処理などの影響を調査した。上述成果について統合的に評価を行うことにより、生体の巧みな多モード自律潤滑機構の未解明部分の複数事象を明らかにできた。

Research Products

• [Journal Article] Effectiveness of adsorbed film and gel layer in hydration lubrication as adaptive multimode lubrication mechanism for articular cartilage (2011)
  • Author(s): T.Murakami, et al
  • Journal Title: J.Engineering Tribology Volume: 225 Issue: 12 Pages: 1174-1185
  • DOI: 10.1177/1350650111408773
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 生体関節液成分が人工軟骨候補材料の摩擦挙動および境界潤滑膜形成能に及ぼす影響 (2010)
  • Author(s): 鎗光清道, ほか
  • Journal Title: トライボロジスト Volume: 55 Pages: 489-498
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] The Role of Subchondral Tissues on Lubrication Properties of Natural Articular Cartilage (2010)
  • Author(s): S.Yarimitsu, et al
  • Journal Title: WCB2010, IFMBE Proceedings Volume: 31 Pages: 911-914
• [Journal Article] Wear behaviour of an artificial cartilage material for hemiarthroplasty (2010)
  • Author(s): K.Nakashima, et al
  • Journal Title: WCB2010, IFMBE Proceedings Volume: 31 Pages: 1169-1172
• [Journal Article] リン脂質二分子膜が人工軟骨候補材料の摩擦挙動に与える影響 (2010)
  • Author(s): 鎗光清道, ほか
  • Journal Title: 臨床バイオメカニクス Volume: 31 Pages: 159-164
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Finite Element Analyses of Articular Cartilage Models Considering Depth-Dependent Elastic Modulus and Collagen Fiber Network (2010)
  • Author(s): Natsuko Hosoda, et al
  • Journal Title: Journal of Biomechanical Science and Engineering Volume: 5 Pages: 437-448
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Roles of adsorbed film and gel layer in hydration lubrication for articular cartilage (2009)
  • Author(s): Teruo Murakami, et al
  • Journal Title: Proc. IMechE Part J : J. Engineering Tribology 223 Pages: 287-295
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Influences of Lubricant Composition on Forming Boundary Film Composed of Svnovia Constituents (2009)
  • Author(s): Seido Yarimitsu, et al
  • Journal Title: Tribology International 42 Pages: 1615-1625
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Importance of Adsorbed Film and Gel Layer in Hydration Lubrication as Adaptive Multimode Lubrication Mechanism for Articular Cartilage (2011)
  • Author(s): T.Murakami, et al
  • Organizer: 第50回日本生体医工学会大会
  • Place of Presentation: 東京都
  • Year and Date: 2011-04-29
• [Presentation] FEMを用いた生体関節軟骨の円筒圧子による物性評価 (2011)
  • Author(s): 坂井伸朗, ほか
  • Organizer: 第23回日本機械学会バイオエンジニアリング講演会
  • Place of Presentation: 熊本市
  • Year and Date: 2011-01-08
• [Presentation] 有限要素法による軟骨の固液二相性潤滑の機能解明に関する研究 (2011)
  • Author(s): 古澤宰, ほか
  • Organizer: 第23回日本機械学会バイオエンジニアリング講演会
  • Place of Presentation: 熊本市
  • Year and Date: 2011-01-08
• [Presentation] 関節液中のリン脂質成分が人工軟骨候補材料の摩擦・摩耗挙動に与える影響 (2011)
  • Author(s): 鎗光清道, ほか
  • Organizer: 第23回日本機械学会バイオエンジニアリング講演会
  • Place of Presentation: 熊本市
  • Year and Date: 2011-01-08
• [Presentation] 低摩擦・低摩耗生体関節を規範にしたナノ・マイクロ機能設計 (2010)
  • Author(s): 村上輝夫
  • Organizer: 九州バイオニックMEMS研究会-第22回生体システム技術研究会
  • Place of Presentation: 福岡市
  • Year and Date: 2010-12-21
• [Presentation] Effectiveness of boundary lubrication for adaptive multimode lubrication in natural synovial joints (2010)
  • Author(s): T.Murakami, et al
  • Organizer: トライボロジー会議2010秋福井
  • Place of Presentation: 福井市
  • Year and Date: 2010-09-16
• [Presentation] Investigation of boundary lubrication mechanisms by synovial fluid constituents through in-situ visualization of forming boundary lubricating film (2010)
  • Author(s): S.Yarimitsu, et al
  • Organizer: トライボロジー会議2010秋福井
  • Place of Presentation: 福井市
  • Year and Date: 2010-09-16
• [Presentation] Effectiveness of adsorbed film and gel layer in hydration lubrication as adaptive multimode lubrication mechanism for articular cartilage (2010)
  • Author(s): T.Murakami, et al
  • Organizer: 37th Leeds-Lyon Symposium on Tribology
  • Place of Presentation: Leeds (UK)
  • Year and Date: 2010-09-09
• [Presentation] Analysis of biphasic lubrication of articular cartilage loaded by cylindrical indenter (2010)
  • Author(s): N.Sakai, et al
  • Organizer: 37th Leeds-Lyon Symposium on Tribology
  • Place of Presentation: Leeds (UK)
  • Year and Date: 2010-09-09
• [Presentation] Effect of friction loading on cartilaginous tissue formation in cultured chondrocyte-agarose construct (2010)
  • Author(s): S.Sawae, et al
  • Organizer: 37th Leeds-Lyon Symposium on Tribology
  • Place of Presentation: Leeds (UK)
  • Year and Date: 2010-09-08
• [Presentation] ヒアルロン酸・蛋白質複合吸着膜を有するハイブリッド型人工軟骨の摩擦特性 (2010)
  • Author(s): 中嶋和弘, ほか
  • Organizer: 日本機械学会2010年度年次大会
  • Place of Presentation: 名古屋市
  • Year and Date: 2010-09-06
• [Presentation] 生体関節軟骨の摩擦特性に及ぼす変形挙動の影響 (2010)
  • Author(s): 鎗光清道, ほか
  • Organizer: 日本機械学会2010年度年次大会
  • Place of Presentation: 名古屋市
  • Year and Date: 2010-09-06
• [Presentation] 蛋白質吸着膜の摩擦に与える二次構造の影響 (2010)
  • Author(s): 新開光, ほか
  • Organizer: 日本機械学会2010年度年次大会
  • Place of Presentation: 名古屋市
  • Year and Date: 2010-09-06
• [Presentation] Wear behaviour of an artificial cartilage material for hemiarthroplasty (2010)
  • Author(s): K.Nakashima, et al
  • Organizer: 6th World Congress on Biomechanics
  • Place of Presentation: Singapore
  • Year and Date: 2010-08-04
• [Presentation] Roles of adsorbed film and gel layer in hydration lubrication for articular cartilage with biphasic property (2010)
  • Author(s): T.Murakami, et al
  • Organizer: 6th World Congress on Biomechanics
  • Place of Presentation: Singapore
  • Year and Date: 2010-08-04
• [Presentation] The Role of Subchondral Tissues on Lubrication Properties of Natural Articular Cartilage (2010)
  • Author(s): S.Yarimitsu, et al
  • Organizer: 6th World Congress on Biomechanics
  • Place of Presentation: Singapore
  • Year and Date: 2010-08-02
• [Presentation] 円筒圧子を用いた関節軟骨の固液二相性潤滑の解析 (2010)
  • Author(s): 坂井伸朗, ほか
  • Organizer: 第30回バイオトライボロジシンポジウム
  • Place of Presentation: 福岡市
  • Year and Date: 2010-03-13
• [Presentation] 円筒圧子を用いた関節軟骨の圧縮挙動解析 (2010)
  • Author(s): 萩原裕一郎, ほか
  • Organizer: 第22回日本機械学会バイオエンジニアリング講演会
  • Place of Presentation: 岡山市
  • Year and Date: 2010-01-09
• [Presentation] Bionic Design of Joint Prostheses of Low Friction and Low Wear with Hydrogel Artificial Cartilage (2009)
  • Author(s): Teruo Murakami, et al
  • Organizer: International Society for Technology in Arthroplasty ISTA 2009
  • Place of Presentation: Hawaii
  • Year and Date: 2009-10-24
• [Presentation] リン脂質二分子膜が人工軟骨候補材料の摩擦挙動に与える影響 (2009)
  • Author(s): 鎗光清道, ほか
  • Organizer: 第36回日本臨床バイオメカニクス学会
  • Place of Presentation: 松山市
  • Year and Date: 2009-10-16
• [Presentation] 円周部非拘束条件下における-定変位および-定荷重圧縮試験に基づく関節軟骨組織モデルの有限要素解析 (2009)
  • Author(s): 細田菜津子, ほか
  • Organizer: 2009年度日本機械学会年次大会
  • Place of Presentation: 盛岡市
  • Year and Date: 2009-09-14
• [Presentation] 関節軟骨下骨厚さが関節軟骨の摩擦挙動に及ぼす影響 (2009)
  • Author(s): 鎗光清道, ほか
  • Organizer: 2009年度日本機械学会年次大会
  • Place of Presentation: 盛岡市
  • Year and Date: 2009-09-14
• [Presentation] Formation of Boundary Film for Friction Reduction of Artificial Articular Cartilage Material under Coexistence of Proteins and Phospholipid (2009)
  • Author(s): Seido Yarimitsu, et al
  • Organizer: World Tribology Congress 2009
  • Place of Presentation: 京都市
  • Year and Date: 2009-09-11
• [Presentation] Biphasic lubrication of cartilage tissue evaluated. from the observation of depth-dependent compressive behavior (2009)
  • Author(s): Nobuo SAKAI, et al
  • Organizer: World Tribology Congress 2009
  • Place of Presentation: 京都市
  • Year and Date: 2009-09-11
• [Presentation] Importance of Materials and Lubricants on Tribological Properties in Joint Prostheses in Comparison with Natural Synovial Joints (2009)
  • Author(s): Teruo Murakami, et al
  • Organizer: World Tribology Congress 2009
  • Place of Presentation: 京都市
  • Year and Date: 2009-09-08
• [Presentation] Influence of Ascorbic acid(AsA) concentration in culture medium on mechanical property of regenerated cartilage (2009)
  • Author(s): Seiji Omata, et al
  • Organizer: World Congress 2009, Medical Physics and Biological Engineering
  • Place of Presentation: Munchen
  • Year and Date: 2009-09-07
• [Presentation] 生体関節の荷重支持・潤滑機能とゲル (2009)
  • Author(s): 村上輝夫
  • Organizer: 田中記念シンポジウム
  • Place of Presentation: 福岡市
  • Year and Date: 2009-08-07
• [Presentation] Microscopic Observation of Compressive Behavior of Articular Cartilage (2009)
  • Author(s): Nobuo SAKAI, et al
  • Organizer: International Workshop on Bio-tribology of Artificial Joint
  • Place of Presentation: 徐州, China
  • Year and Date: 2009-08-04
• [Presentation] Roles of adsorbed film and gel layer in hydration lubrication in natural synovial joints (2009)
  • Author(s): Teruo Murakami, et al
  • Organizer: 4th Asian Pacific Conference on Biomechanics
  • Place of Presentation: Christchurch
  • Year and Date: 2009-04-17