Strategy for biometallic implant design based on the control of cathodic reaction
| Project/Area Number |
22H00265
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Medium-sized Section 26:Materials engineering and related fields
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| Research Institution | Suzuka National College of Technology (2024)
Osaka University (2022-2023) |
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Principal Investigator |
藤本 愼司 鈴鹿工業高等専門学校, その他部局等, 校長 (70199371)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
廣本 祥子 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 構造材料研究センター, グループリーダー (00343880)
土谷 博昭 大阪大学, 大学院工学研究科, 教授 (50432513)
宮部 さやか 大阪大学, 大学院工学研究科, 助教 (50584132)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥42,250,000 (Direct Cost: ¥32,500,000、Indirect Cost: ¥9,750,000)
Fiscal Year 2024: ¥11,440,000 (Direct Cost: ¥8,800,000、Indirect Cost: ¥2,640,000)
Fiscal Year 2023: ¥18,070,000 (Direct Cost: ¥13,900,000、Indirect Cost: ¥4,170,000)
Fiscal Year 2022: ¥12,740,000 (Direct Cost: ¥9,800,000、Indirect Cost: ¥2,940,000)
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| Keywords | インプラント / 表面皮膜 / カソード反応 / 数値モデル / バイオ・メカノケミカル / 電気化学プロセス / アニオン / 金属酸化物皮膜 |
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| Outline of Research at the Start |
摸擬生体環境での摩耗を伴う繰り返し変形時の、金属酸化物皮膜上でのカソード反応の解析と制御、およびそれが金属損傷に及ぼす作用を検証する。また、酸化物皮膜改質によるカソード反応制御を試み、インプラント材料の耐久性強化の可能性を評価する。さらに、細胞や硬組織あるいは異種材料との接触を伴う生体環境でのこれらの現象を数値モデル化し、これらの成果を基に、インプラント材質と形状の最適化設計指針を構築する。加えて、応力・摩耗等の機械的負荷と環境からの電気化学作用による、金属材料の「バイオ・メカノケミカル」損傷機構の体系化を目指す。
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| Outline of Annual Research Achievements |
インプラント表面に生成する皮膜の改質とその表面で生じる電気化学反応の数値計算に基づくインプラント形状最適設計手法の確立によって金属製インプラントの耐食性の向上を実現するために、検討項目を事象解明、表面改質、数値モデル化の3つに大別して研究を行っている。皮膜改質法としてアノード酸化法を検討し、アノード酸化に用いる電解液からの化学種の取り込みによる表面皮膜の電子物性制御に取り組んでいる。電解液組成、印加電圧およびアノード酸化時間を様々に変化させて表面処理を行い、形成した酸化皮膜内の元素分布をグロー放電発光分析により、皮膜の電子物性のひとつである欠陥密度を電気化学インピーダンス法により評価している。ホウ酸、リン酸またはモリブデン酸アニオンを添加した電解液中でチタンのアノード酸化を行うと、アニオン種の取り込みによりn型半導体として振る舞う酸化皮膜のドナー密度が変化することを見出している。さらに印加電圧を増加させる、またはアノード酸化時間を長くすると、ドナー密度は減少する傾向を示した。これらのことからアノード酸化法により酸化皮膜の電子物性を制御できることが示唆された。また金属材料表面で生じるカソード反応のひとつである酸素還元を独自に開発した電流制御分極法により評価して、模擬生体環境において生成した表面酸化皮膜上では酸素還元反応が抑制されることを見出し、カソード反応制御によるインプラントの耐食性向上の可能性を得ている。さらに酸素還元反応の数値モデル化にも取り組み、細胞培養下での酸素還元反応速度の数値計算を実測の結果とフィッティングすることにより、インプラント表面と細胞の間に生じる微小空間内のpHや酸素濃度といった実測が困難な物性を評価している。皮膜の電子物性が密接に関与する光電流の過渡応答の数値モデル化にも取り組み、様々な電子物性を数値計算により見積もることができている。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
これまでアノード酸化による酸化皮膜の改質と電子物性評価、インプラント表面で生じるカソード反応である酸素還元反応に及ぼす酸化皮膜および細胞の影響、インプラント表面で生じる電気化学反応の数値モデル化を中心に取り組んでおり、それぞれに関して順調に進捗している。アノード酸化によるインプラント表面の酸化皮膜の改質と電子物性評価では、種々のアニオンを含む電解液でアノード酸化することにより、それらアニオンが酸化皮膜に取り込まれ、ドナー密度を変化させることを、さらに本年度の研究により、アノード酸化時間を長くすると、ドナー密度が減少することを見出している。これらの研究によりアノード酸化条件により酸化皮膜の電子物性を制御できることが示唆された。一方、インプラント表面での酸素還元反応に及ぼす酸化皮膜および細胞の影響を明らかにすることが出来ている。さらに酸素還元反応の数値モデル化や光電流過渡応答の数値モデル化による、実測が困難な物性の評価も可能としており、上記の現象に関する理解の深化にも繋がると考えられる。このようにカソード反応に着目した「新しい概念」による金属製インプラントの耐食性向上の指針を構築できる基礎的検討を行うことができている。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでの研究によりチタン表面の酸化皮膜の改質によるカソード反応制御に関する研究に取り組み、カソード反応制御によるインプラントの耐食性向上の指針をある程度、得ることができている。今後はその更なる制御に取り組むとともに、細胞培養を含む模擬生体環境におけるインプラントの摩耗腐食挙動を調査する。特に表面皮膜の構造、組成や電子物性がカソード反応に及ぼす影響を解明し、それらの知見に基づきインプラントの摩耗腐食の低減を検討する。電解液組成、印加電圧およびアノード酸化時間を様々に変えて形成した表面皮膜上でのカソード反応、すなわち酸素還元特性と皮膜構造・組成・電子物性の関係を明らかにする。カソード反応特性の評価には独自に開発した電流制御分極法により、電子物性評価には光電気化学応答、電気化学インピーダンス法に加え光強度変調電流分極法および光強度変調電圧分光法も用いることで、様々な電子物性を導出し皮膜組成・構造と併せて考察することで電子物性制御の機序を明らかにする。さらに今後、カソード反応だけでなく、表面皮膜硬質化によるアノード反応抑制にも取り組む。まずはインプラント表面皮膜の硬質化プロセスを確立し、皮膜の硬質化が摩擦摩耗を伴う際のアノード反応特性に及ぼす影響を明らかにする。硬質化の指標のひとつである皮膜硬さを、ナノインデンターを用いて評価する。摩耗を伴い主にアノード反応が生じるアノード部と、摩耗を伴わず主にカソード反応が生じるカソード部の2つの試験片をもちいて、その間に流れる電流から摩耗腐食挙動を調査する。特に上記のアノード反応特性およびカソード反応特性制御が摩耗腐食挙動に及ぼす影響を解明する。さらにこれら電気化学反応に及ぼす細胞の影響も調査する。
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Report
(3 results)
Research Products
(7 results)
