金属製人工関節摺動面が不動態膜を維持し得るための表面形状に関する研究

1999 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 11671454
• Research Institution: Kitasato University
• Principal Investigator: 山田 友久 北里大学, 医学部, 助手 (00230467)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 森田 真史 北里大学, 医療衛生学部, 助教授 (20112667)
• Keywords: 金属 / 生体材料 / 人工関節 / 摩擦 / 腐食 / 金属アレルギー / 毒性 / インプラント

Research Abstract

(方法)インプラント金属の多くは表面に不動態膜を形成して電気化学的安定性(耐食性)を得ている。しかし、体内で金属が摩擦されると不動態膜は破壊損傷を受け、耐食性は低下する。供試材料にSUS316L,Co-28Cr-6Mo,Ti-6Al-4VおよびUHMWPEのデイスクとピン試験片を作成し、ピンオンデイスク型摩擦試験を行いながら摩擦に伴う不動態膜の破壊をポテンショスタットを用いて電位変化をモニタしながら観察した。更に擬似体液中の金属溶出量をICP分析した。
(結果および考察)金属対金属で摩擦(負荷50N、摩擦速度108mm/sec)では不動態膜は完全に破壊され、それぞれの金属固有の腐食電位を示した。一方,金属対UHMWPEの組み合わせで摩擦(摩擦速度3.6、23.5、108mm/s、負荷2.8-465N)すると負荷量と摩擦速度に依存した不動態膜損傷の変化が観察された。不動態膜損傷度=(腐食電位-自然分極電位)/(全破壊電位-自然分極電位)×100(%)で評価した。低速(3.6mm/s)域ではSUS316LとCo合金は30%程度、Ti合金は10%程度、23.5mm/sでは、SUSが50%程度、Co合金は65%、Ti合金は30%程度の損傷を受けた。一方,108mm/sではSUS、Co合金は50-65%程度であったのに対して、Ti合金は80%程度に急上昇した。また、108mm/sにおいて負荷依存性が顕著になった。以上の結果をもとに現在臨床使用されている金属骨頭/金属臼蓋、金属骨頭/UHMWPE製人工股関節を想定して不動態膜損傷度20%と40%以下を維持するための許容骨頭負荷を推定した。金属同士の組み合わせではSUS、CO合金が骨頭径37mm、半径隙間0.01mmでのみ許容負荷(130〜300N)内に収まった.Ti合金では2Nと低値であった。一方,金属骨頭/UHMWPEの組み合わせでは半径隙間0.1mm、骨頭径28mmで800〜7000N、37mm径で2000〜130000Nの許容負荷値をしめし、さらに不動態膜損傷度を低く設定可能であることが示唆された。

Research Products

• [Publications] M. Morita, Y. Inoue, T. Sasada: "Biocompartibility of Prosthetic Jiont Materials Part 1 Evaluation of passivation film damage on metal surface assosiated with sliding motion"JPN. J. Tribology. 43(5). 1-15 (1999)
• [Publications] M. Morita, K. Honda, T. Sasada: "Biocompartibility of Prosthetic Jiont Materials Part 2 Quantitative analysis of wear products"JPN. J. Tribology. 43(6). 493-499 (1999)
• [Publications] M. Morita, K. Honda, T. Sasada: "Biocompartibility of Prosthetic Jiont Materials Part 3 Wear toxicity of implant metals"JPN. J. Tribology. 43(9). 812-818 (1999)
• [Publications] 森田真史、他: "微粒子ハンドブック"フジテクノシステム. 2700 (2000)