低ヤング率材料を用いる人工関節の潤滑に関する基礎的研究

1993 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 05452407
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 池内 健 京都大学, 生体医療工学研究センター, 教授 (30026223)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 岡 正典 京都大学, 生体医療工学研究センター, 教授 (20088537)
• Keywords: 人工関節 / 混合潤滑 / ポリビニールアルコール・ハイドロゲル

Research Abstract

人工関節の摺動面にヤング率の低い材料を使用して、流体潤滑効果を高めることによって、低摩擦、低摩耗にするための基礎研究を行った。
ポリエチレン、ポリウレタンおよびシリコンラバーを用いて人工股関節のソケットを製作し、歩行シミュレータに装着して摩擦特性を測定した。臨床用のポリエチレン製ソケットでは、ヤング率が高いため流体潤滑効果がほとんどなく、材料特性によって摩擦と摩耗が決定されることを確かめた。これに対してヤング率の低いシリコンラバー製ソケットの場合には、歩行中のかかとの着地時には流体潤滑効果が見られ、低い摩擦係数が保たれた。しかし、時間の経過につれて二面間に固体接触が生じるとともに急激に摩擦係数が高くなった。その理由を分析した結果、シリコンラバーにおいては、潤滑しないときの乾燥摩擦係数が高いのに加えて、表面が疎水性であるため、関節液がすき間から排除されるためであることを明らかにした。ポリウレタンのソケットでは、成型時の発泡現象のために表面あらさが大きく、液体潤滑効果がほとんど見られなかった。
低ヤング率材料を用いた人工関節では、摩擦と摩耗が潤滑液の種類によって決まることを明らかにした。したがって、人工関節を密封構造として、その内部に潤滑性に優れた人工関節液を封入し、ほとんど摩耗が生じないで一生にわたって使用できる永久置換型人工関節を提案した。
人工関節に衝撃荷重が加わる場合の過渡特性を調べ、低ヤング率材料を用いたコンプライアンス高い人工関節では衝撃の緩衝能力が高いため、内部応力を低く保てることがわかった。

Research Products

• [Publications] Ken Ikeuchi: "A model analysis of squeeze film effect in a hip joint" Proc.19 Leeds-Lyon Symp.on Tribology. 25. 513-520 (1993)
• [Publications] Ken Ikeuchi: "An experimental study of contact condition and friction in hip prostheses" Proc.19 Leeds-Lyon Symp.on Tribology. 25. 521-527 (1993)
• [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. 14. 137-142 (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. 14. 143-147 (1993)
• [Publications] 池内 健: "密封式人工関節の基礎研究" 日本臨床バイオメカニクス学会. 14. 221-224 (1993)