実験的変性関節の潤滑機能評価のための力覚制御ロボットアームによる摩擦測定

2000 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 12680842
• Research Institution: Kitasato University
• Principal Investigator: 馬渕 清資 北里大学, 医療衛生学部, 教授 (70118842)
• Keywords: 変性関節 / 潤滑 / 摩擦 / ロボテイクス / パパイン

Research Abstract

膝関節にタンパク質融解のためのパパインを投与した,日本白色ウサギを7日間ケージ内飼育し,塗擦後大腿骨と脛骨中央部で骨切りして膝関節部を単離し,実験対象とした.比較のために,パパインを投与しなかった反対側膝関節を対照群として同様の測定を行った.実験装置をロボットアーム,多軸力覚センサ,制御コンピュータで構築した.力を制御信号としたフイードバック制御により,ロボットの末端効果器に固定した大腿骨顆部が,脛骨平板を滑らかにたどるように動作を構築した.測定条件は,荷重10Nを加えた直後,150s,300s,600s,1800s,2700s時間経過後の6種類とし,いずれも,摩擦運動を開始した直後の摩擦係数を起動摩擦係数として求めた.9頭18関節を対象とした実験を行った結果,静止荷重0sにおける対照群の摩擦係数(平均値±標準偏差)は0.017±0.003に対し,パパイン投与群0.018±0.003であり,差はなかった.これに対し静止荷重時間150sにおいて対照群0.13±0.11に対しパパイン投与群では0.25±0.11と有意に上昇した(P<0.05).静止荷重300sにおいても対照群0.22±0.19に対し0.48±0.14と,有意に上昇した(P<0.05).静止荷重600sにおいては対照群0.34±0.23に対し0.65±0.13と有意に上昇し,差が最大となった(P<0.05).静止荷重1800sでは,逆に両群の差が減少し,対照群0.55±0.10に対しパパイン投与群0.62±0.11となり,静止荷重2700sにおいても同様に,対照群0.60±0.10に対しパパイン投与群0.69±0.14であった.静止荷重中における関節軟骨の変形量はパパイン投与群では小さく,対照群では大きかった.このことから,パパイン変性関節は,表面変形による潤滑流体膜の保持ができず,早い時期に固体接触が発生し,摩擦係数が上昇したと考えられた.

Research Products

• [Publications] Watanabe H,Fujie H,Mabuchi K,Tsukamoto Y: "Force distribution within the human anterior cruciate ligament (ACL): biomechanical measurement using a robotic system."Kitasato Medicine. 30巻2号. 88-95 (2000)
• [Publications] 馬渕清資,酒井利奈,大田未知,小向啓: "関節の摩擦はなぜ力学環境に依存して変化するのか"日本臨床バイオメカニクス学会誌. 21巻. 13-16 (2000)
• [Publications] 小向啓,笹田直,白石ゆり,馬渕清資: "関節の起動摩擦に及ぼす潤滑液粘度の影響"日本臨床バイオメカニクス学会誌. 21巻. 23-26 (2000)
• [Publications] 上野勝,馬渕清資,池内健: "セラミックス同士を組み合わせた人工股関節のClearanceと潤滑特性."日本臨床バイオメカニクス学会誌. 21巻. 107-110 (2000)
• [Publications] Ujihira M,Matsumura Y,Kuroda C,Okaniwa K,Mabuchi K: "Effect of cell density on post-thaw viability in cryopreserved artificial tissue."ASME International. HTD368(BED47). 49-53 (2000)
• [Publications] 馬渕清資(分担) 他233名: "バイオミメティックスハンドブック"バイオミメティックスハンドブック編集委員会 エヌ・ティーエス. 1139 (2000)