関節の潤滑・負荷機構に関する研究

1993 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 05221221
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 岡 正典 京都大学, 生体医療工学研究センター, 教授 (20088537)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 池内 健 京都大学, 生体医療工学研究センター, 教授 (30026223)
• Keywords: 関節 / 潤滑 / 緩衡機能 / 液体膜 / 関節材料の瞬間変形 / 動的FEM解析

Research Abstract

関節には、優れた潤滑と衝撃荷重をやわらげ均等に骨に伝達する機能がある。その機構を解明する目的で以下の研究を行った。
1).液体膜ならびに液圧測定装置により、荷重下にガラス板と試料の間に形式される液体膜は関節軟骨ではより厚くより長時間維持され、すなわちFluid-Film-Lubricationの成立することを明らかにした。一方、人工関節に用いられるポリエチレンPEでは、液体膜潤滑の得られないことが分かった。
2).1)の研究において高分子量ヒアルロン酸HAの影響を検索し、HAは液体膜潤滑をさらに容易にして関節軟骨面を被覆保護することを明らかにした。
3).ピンオンディスク型摩擦摩耗試験機のディスクをガラス板としてビデオカメラによる観察を行うことにより、PEの自己潤滑作用を明らかにした。
4).超高速ビデオカメラにより軟骨下海綿骨の瞬間変形をビデオ撮影し画像解析することにより、海綿骨が弾性変形によるヒステリシスと、一方ではmicrofractureを生じることによりショックを吸収していることを明らかにした。また、関節軟骨の変形に伴う液体の移動をも明らかにし、軟膏下骨板の有無により関節軟骨の変形挙動に著しい差のあることもわかった。
5).海綿骨にPEを骨セメントで固定した複合材料に衝撃荷重を与えて超高速カメラにより観察し、人工関節材料間の物性の差によるギャップの発生を認めlooseningの発生メカニズムの一端を明らかにした。
6).動的解析FEMプログラムにより生体関節に比較し、人工関節を固定した骨には著しいStress Concentrationと、またStress-shieldingの発生していることを明らかにした。

Research Products

• [Publications] Noguchi,T.: "Repair of osteochondral defects with grafts of cultured chondrocytes.Comparison of allograft and isograft." Clin.Orthop.and RR.301. (1994)
• [Publications] Oka,M.: "Biomechanics of natural and artificial joints." Biomechanics in Orthopedics.282-298 (1992)
• [Publications] Matsusue,Y: "In vitro and in vivo studies on bioabsorbable ultra-high strength poly(L-lactide)rods." J.Biomed.Mat.Res.26. 1553-1567 (1992)
• [Publications] 速水尚: "関節組織の衝撃吸収機構に関する研究" 日本臨床バイオメカニクス学会誌. 14. 137-141 (1992)
• [Publications] 田中高廣: "超高速カメラによる関節の衝撃吸収機構の可視化" 日本臨床バイオメカニクス学会誌. 14. 149-153 (1992)
• [Publications] 外村孝次: "関節面の接触を考慮した応力解析-表面置換型人工股関節のデザインについて-" 生体材料. 10. 122-136 (1992)
• [Publications] M.Ikenaga: "Localized hyperthermic treatment of experimental bone tumors with ferromagnetic caramics." J.Drthop.Res.11. 849-855 (1993)
• [Publications] 岡正典: "生体関節と人工関節のバイオメカニクス(日整会研修講演)" 日整会誌. 67. 535-547 (1993)
• [Publications] 速水尚: "関節材料の衝撃吸収能に関する研究2-正常人関節組織の衝撃吸収能に及ぼす間質水と組織の複合構造化の効果-" 生体材料. 11. 14-19 (1993)
• [Publications] K.Shimizu: "Time-dependent change in the mechanical properties of zirconia ceramic" J.Biomed.Mat.Res.27. 729-734 (1993)
• [Publications] T.Kitsugi.: "Diphosphonate on bonding between glass-caramics containing apatite and Wollastonite and mature male rabbit bone." Calcif.Tissue.Int.52. 378-385 (1993)
• [Publications] M.Oka: "Load-bearing mechanism of natural and artificial joints." Hip Biomechanics Springer. 255-263 (1993)
• [Publications] 岡正典: "高分子量ヒアルロン酸の関節潤滑機構に及ぼす効果" 日本リウマチ関節外科会誌. 12. 259-266 (1993)
• [Publications] 速水尚: "人工関節軟骨PVAハイドロゲルの衝撃吸収機能に関する研究" 日本臨床,バイオメカニクス学会誌. 14. 143-147 (1992)
• [Publications] 速水尚: "関節材料の衝撃吸収機能に関する研究3-PVA-hydrogelの損失係数に及ぼす分子量と含水率の効果-" 生体材料. 11. 79-84 (1993)
• [Publications] J.Delecrin: "Measurment of synovial fluid volume:A new Dilution Method adapted to fluid permeation from the synovial cavity." J.Rhenmetology. 19. 1746-1752 (1992)
• [Publications] 新谷浩也: "生体関節と人工関節の潤滑機構(第5報)" 日本臨床バイオメカニクス学会誌. 14. 225-228 (1992)
• [Publications] 速水尚: "関節材料の衝撃吸収能に関する研究1-音響加振式損失係数測定装置の試作-" 生体材料. 10. 311-318 (1992)
• [Publications] 岡正典: "日本臨床バイオメカニスク学会誌(14巻)" 生体関節と人工関節の負荷機構(第5報), 131-136 (1992)
• [Publications] K.Ohura: "J.Mat.Scienc(Vol3)" Bioactivity of CaO・SiO_2 glasses added with various ions., 95-100 (1992)
• [Publications] K.Ikeuchi: "Thin films in Tribology" A model analysis of squeeze film effect in a hip joint., 513-520 (1993)
• [Publications] K.Ikeuchi: "Thin Films in Tribology" An experimental study of contact condition and friction in hip prosthesis., 521-527 (1993)
• [Publications] 田中高広: "生体材料(11巻)" 関節の緩衝特性に関する研究, 280-291 (1992)
• [Publications] 山本泰: "日本臨床バイオメカニクス学会誌(14巻)" インプラント周囲の骨修復に関する力学的シミュレーション, 19-24 (1992)