2018 Fiscal Year Annual Research Report
埋植した人工股関節のin situ修復と長寿命化に関する基礎研究
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16H03161
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
茂呂 徹 東京大学, 医学部附属病院, 特任准教授 (20302698)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
高取 吉雄 東京大学, 医学部附属病院, 客員研究員 (40179461)
石原 一彦 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (90193341)
金野 智浩 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (80371706)
田中 健之 東京大学, 医学部附属病院, 助教 (00583121)
橋本 雅美 一般財団法人ファインセラミックスセンター, その他部局等, 上級研究員 (20450851)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 医療・福祉 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、既に生体内に埋植された人工股関節の耐用年数を延長するイノベーションとして「生体内にある人工股関節の摺動面をMPCポリマーによって表面修飾するin situ法」を創出するための基礎研究を行うことである。本年度は、以下の3つのサブテーマの検討を行った。
1. 光反応性MPCポリマーの分子設計および高い反応性を有する分子形態の検討：29年度の研究に続き分子形態の検討をすすめた。28～29年度の表面修飾方法の検討、Pin-on-disk/plate型摩耗試験、股関節シミュレーター試験の結果をフィードバックし、光反応性ブロックポリマーおけるPMPCセグメントの割合、分子量などを制御できる重合条件を検討した。また、各セグメントの分子量を精密に制御しながら、MPCポリマー鎖を安定かつ高密度にPE表面に導入できる新たなポリマーの分子形態の最適化をすすめた。
2. 光反応性MPCポリマーによる表面修飾方法の検討：光反応性ポリマーの架橋反応と積層の実現、PE表面からの光開始グラフト重合を確立するとともに、ポリマー層の安定化をすすめた。また、ポリマー鎖の高密度化によって、潤滑特性が向上することから、光イニファーター系を適用してライナー表面に構築する方法を検討した。
3. In situ MPCポリマー処理PE表面の耐摩耗特性の検討：Pin-on-disk/plate型摩耗試験機を用い、上記1、2の方法でin situ MPC処理を施した架橋PE（CLPE）表面の摩耗特性を、ASTM F732に準じた摩耗試験で評価した。また、昨年度に引き続き、手術後の歩行を再現する股関節シミュレーターを用い、ISO14242-3に準じた摩耗試験により、様々な条件下でin situ MPCポリマー処理がPEライナーの摩耗に与える影響を検討した。
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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
1. 光反応性MPCポリマーの分子設計および高い反応性を有する分子形態の検討（30年度の達成度100%）：側鎖末端に活性水素を有するメタクリル酸エステルを出発原料として、光反応性基を側鎖に導入した光反応性モノマーを高効率にて合成する条件を確立した。そして、これらの光反応性モノマーをPEと結合するセグメントとし、PMPCセグメントからなるブロックポリマーをリビングラジカル重合にて合成した。各セグメントの分子量を精密に制御しながら、分子形態の最適化をすすめた。また、耐摩耗特性を効果的に発揮する分子設計および重合条件の最適化をすすめた。
2. 光反応性MPCポリマーによる表面修飾方法の検討（30年度の達成度100%）：反応時間、ポリマー濃度、光照強度等を変化させてin situ MPCポリマー処理を行い、試料表面を非破壊的に観察し、表面修飾方法を確認した。また、耐摩耗特性に関する検討結果をフィードバックすることで、長期間PEライナー表面にとどまり、耐摩耗性効果を発揮するための至適表面修飾法を検討した。光反応性ポリマーの分子量を制御し、このポリマー溶液の粘性とポリマー濃度を調節することで、高密度のポリマー鎖を形成する条件を確立した。
3. In situ MPCポリマー処理PE表面の耐摩耗特性の検討（30年度の達成度100%）：In situ MPCポリマー処理がPEライナーの摩耗に与える影響を検討した。摩擦試験にて潤滑性を評価するとともに、手術後の歩行を再現する股関節シミュレーターを用い、国際標準化機構(ISO) 14242-3に準じ、In situ MPCポリマー処理を施したPEライナーの様々な条件下での耐摩耗性を評価した。
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| Strategy for Future Research Activity |
1. 光反応性MPCポリマーの分子設計および高い反応性を有する分子形態の検討
28～30年度の表面修飾方法の検討、Pin-on-disk/plate型摩耗試験、股関節シミュレーター試験の結果をフィードバックし、平成30年度の研究に引き続き、各セグメントの分子量を精密に制御しながら、耐摩耗特性を効果的に発揮する分子設計および重合条件を確立する。MPCポリマー鎖を安定かつ高密度にPE表面に導入できる新たなポリマーの分子形態を確立する。
2. 光反応性MPCポリマーによる表面修飾方法の検討
In situ MPCポリマー処理においては、高密度のポリマー鎖を形成することで、潤滑特性、親水特性が向上することが予測される。このため、平成30年度の研究に続き、光反応性ポリマーの架橋反応と積層の実現、PE表面からの光開始グラフト重合を確立するとともに、ポリマー層の安定化を図る。また、光イニファーター系を適用してライナー表面に構築する方法を確立する。
3. In situ MPCポリマー処理PE表面の耐摩耗特性の検討
上記1、2の方法で、様々な条件下でin situ MPC処理を施した架橋PE（CLPE）表面の摩耗特性を、Pin-on-disk/plate型摩耗試験（米国材料試験協会(ASTM) F732準拠）にて評価する。a)摩擦係数の測定、b)重量変化による摩耗量の測定、c)表面および背面の走査型レーザー顕微鏡(LSM)、走査型電子顕微鏡(SEM)による解析、を行う。また、試験条件を振った股関節シミュレーター試験（国際標準化機構(ISO) 14242-3準拠）によって、a)ライナーの重量変化による摩耗量の測定、b)ライナー表面の三次元解析装置、走査型レーザー顕微鏡による解析、c)Ｘ線光電子分光分析、透過型電子顕微鏡によるライナー表面の解析、d)摩耗粉の分析を行う。
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