2017 Fiscal Year Annual Research Report
Robustness enhancement and optimization for bionic artificial hydrogel cartilage with superlubricity
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16H03170
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| Research Institution | Teikyo University |
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Principal Investigator |
村上 輝夫 帝京大学, 福岡医療技術学部, 教授 (90091347)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
澤江 義則 九州大学, 工学研究院, 教授 (10284530)
岡崎 賢 東京女子医科大学, 医学部, 教授 (10398092)
中嶋 和弘 帝京大学, 福岡医療技術学部, 准教授 (70315109)
鈴木 淳史 横浜国立大学, 大学院環境情報研究院, 教授 (90162924)
坂井 伸朗 九州工業大学, 大学院工学研究院, 准教授 (60346814)
鎗光 清道 首都大学東京, システムデザイン研究科, 助教 (90723205)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 人工軟骨 / ハイドロゲル / バイオトライボロジー / バイオメカニクス / 生体規範超潤滑 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
超潤滑性ハイドロゲル人工軟骨のロバスト性の向上と最適化に取組んだ。
（１）生体関節の多モード適応潤滑機構の解明：軟骨構造・物性を考慮した固液二相有限要素解析の結果に基づき、負荷条件の摩擦挙動への影響や表層異方性繊維強化の間隙圧や再水和への効果を含めて固液二相潤滑の役割を明確化した。また、関節液主要成分による吸着膜形成に関してはアルブミンとγグロブリンの相互関係を明確化した。固液二相潤滑と境界潤滑やゲル膜潤滑、水和潤滑機構の協調作用について多モード適応潤滑の視点より総括した。
（２）生体関節の機能解明を反映したPVAハイドロゲルの改質による高機能化：PVAハイドロゲルにおいて、MEMS圧力センサーによる流体圧測定に基づき、固液二相潤滑とソフトEHL(Elastohydrodynamic lubrication)の役割を明確化した。接触面圧が高くなる条件下では、凍結解凍(FT)・キャストドライ(CD)両ゲルの架橋構造を単層のゲル内で複合化する単層複合化ハイブリッドゲルを試作し、シャーレ底面側ゲル表面が低摩擦・低摩耗を示すことを確認できた。体温レベルの37℃条件下におけるハイブリッドゲルの摩擦上昇・摩耗進行現象に対しては、適宜なガンマ線照射がトライボ特性の改善に有効であった。
（３）ハイブリッドゲルの最適化を基盤にした臨床応用のためのデザインの最適化：硬質材と人工軟骨の組合せとして人工関節用摩擦面のトライボ特性評価を進めるとともに、上述の成果を反映しながら、多様な条件下におけるハイブリッドゲルのロバスト性や耐久性の改善のための最適化を検討した。
（４）人工軟骨の臨床応用における体系化と、生体に学ぶ潤滑学理の明確化：関節症患者の症例に応じたゲルの応用法を調査検討した。生体関節における多モード適応潤滑機構について総括し、生体に学ぶ潤滑学理や最適化原理の提案を検討している。
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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
分担研究者の研究機関の異動があったが、前年度とほぼ同様な研究体制であり、科研報告会（帝京大学）や研究討議（福岡市）・関連学会参加時などを活用して研究代表者・分担者の情報交換を行った。人工軟骨のロバスト性・耐久性を評価し、固液二相有限要素解析と連携させ人工軟骨の最適化を進めており、高荷重においても低摩擦・低摩耗を維持するために単層複合化ハイブリッドゲルを開発し、摩擦試験で効果を確認できた。また、体温条件化では、最適なガンマ線照射条件を選べば低摩擦・低摩耗を維持できることを確認できた。このように、おおむね順調に進展している。
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| Strategy for Future Research Activity |
前年度までの研究成果を反映させながら、各研究項目について拡充させ、総括提案を行う。
（１）生体関節の多モード適応潤滑機構の解明 軟骨構造・物性を考慮した固液二相有限要素解析の結果を実験でも確認し固液二相潤滑機構の解明を進めるとともに、関節液主要成分による吸着膜形成機構を実験的に観測・解析し、摩擦下の吸着膜形成挙動の重要性を明確化する。これらを総括することにより、多モード適応潤滑機構の詳細を明確化する。
（２）生体関節の機能解明を反映したPVAハイドロゲルの改質による高機能化 生体関節軟骨を規範にして、高含水性超潤滑ハイドロゲル人工軟骨のロバスト性向上と最適化を目指す。とくに、PVAハイブリッドゲルに着目し、固液二相潤滑機能や表面潤滑機能・構造強度などを主体に最適化改善設計を試み、複数施設で多様な条件での荷重支持・潤滑機能の評価を行い、耐久性やロバスト性の向上に取組む。繰返し凍結解凍ゲルトキャストドライゲルの積層構造であるハイブリッドゲルにおいて、多種の設計・製造パラメータを調整することにより、構造・物性・機能の最適化を進める。また、異方性や繊維強化の効果も活用する。
（３）ハイブリッドゲルの最適化を基盤にした臨床応用のためのデザインの最適化 硬質材と人工軟骨の組合せとして人工関節用摩擦面の評価を進めるとともに、片面置換(hemiarthroplasty)や、軟骨局部欠損部の人工軟骨・人工骨複合体による代替、人工半月板としての応用などを目指して、多様な条件下におけるロバスト性や耐久性の改善をはかり、応用案を絞り込みながら最適化を進める。
（４）人工軟骨の臨床応用における体系化と、生体に学ぶ潤滑学理の明確化 関節症患者の症例に応じたゲルの応用法を体系化するとともに、多様な事象・現象を総括することにより、生体に学ぶ潤滑学理や最適化原理の提案への貢献を目指す。
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[Patent(Industrial Property Rights)] 繊維強化ハイドロゲル及びその製造方法2017
Inventor(s)
村上,澤江,小俣,佐々木,坂井,内村,橋本,鎗光,鈴木
Industrial Property Rights Holder
九州大学,九州工業大学,首都大学東京,横浜国立大学
Industrial Property Rights Type
特許
Industrial Property Number
特願2017-075501
