Development of Surface and Internal Structure of Implant for Its Bioactivity Control

2016 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 16K06795
• Research Institution: Gifu University
• Principal Investigator: 吉田 佳典 岐阜大学, 工学部, 准教授 (60303674)
• Project Period (FY): 2016-10-21 – 2019-03-31
• Keywords: インプラント造形技術 / 剛性制御技術 / 生体活性

Outline of Annual Research Achievements

本課題は平成２８年度追加採択を受け，即座にインプラントの表面微細凹凸および表面処理条件が生体親和性に及ぼす影響の解明（計画書における目的１）に着手した．当初，平行転造ダイスを設計し，その工具表面を平滑・ショットブラストおよび放電処理によって５水準の微小表面凹凸を付与し，直径２．０mmの純Ti丸棒を用いて転造によって工具表面凹凸を転写させることによるTi丸棒微小凹凸表面創成実験を予定していたが，金属積層３DプリンターによるTi-６Al-４V合金（以下Ti６４）を用いたインプラント作製を追加で検討した．
また，平成３０年度に実施予定であったインプラントの剛性と骨縮退（ストレスシールディング）との関係の解明（計画書における目的３）について前倒しで着手すべく，ウサギ大腿骨への中空インプラント埋入を仮定したインプラントモデルの設計を開始した．骨外径，骨表面硬組織肉厚，内部に埋設するインプラント外形およびインプラント肉厚をパラメータとし，骨とインプラントの剛性が等しくなる条件を計算した．骨およびチタン材のヤング率について，前者は文献収集によって，後者は引張試験によって得た．
ラットに埋入したTi丸棒の抜去トルクを測定（目的１に対応）するためのトルクドライバの仕様確定を行い，発注をし，平成２９年度に納入されることとなった（平成２９年４月１０日納入済）．前述のインプラントをラット脛骨に埋入し，２週間育成ののちに骨生成状況の観察とともに，当該トルクドライバーを用いた抜去トルク測定に供する．

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本学次世代金型技術研究センター（本課題代表者が副センター長）において，平成28年度に金属積層３Dプリンター（松浦機械製作所製：LUMEX Avance-25）が導入され，Ti64を用いた形状自由度が極めて高い素形材の造形が可能となった．本設備はマシニングセンタを有するハイブリッドプリンタであり，これを受けて表面粗度を制御しつつ，中空丸棒および中空骨ねじなどのインプラントモデルを製造可能となった．
当初，ラット脛骨に，骨の長手方向に対して垂直方向に表面凹凸を制御した丸棒および骨ねじを埋入することのみを計画していたが，ラットよりも大型の動物の大腿骨長手方向に，３Dプリンタによって造形したTi64合金製中空インプラントモデルを埋入する計画を追加することができた．これによって，30年度計画が前倒しになることのみならず，より安全で高機能なインプラント製造のための知見を蓄積できる下地が整った．さらに，骨と同等の剛性を有する中空インプラント形状を理論的に設計するための知見をこれまでに得ている．
またトルクドライバーをモーターで自動回転し，回転角度を計測可能でかつフットスイッチによって回転開始および停止可能なトルク測定装置を開発することができた．これによって，実験実施者の両手が自由になり，インプラントが埋殖された骨を両手で保持し，ドライバーを先端にはめ合わせ，フットスイッチでトルク測定可能な環境が整った．

Strategy for Future Research Activity

平成29年度は，9週齢のラット脛骨骨幹部に，３Dプリンタなどで製造した種々の表面凹凸を有するチタン材丸棒インプラントモデルを作製して埋植し，2週間生育する．その後，ラット埋植Ti試料およびその周辺の骨組織を含む箇所を切り出し，厚さ２０マイクロメートルに研磨加工し試料とする．埋植された転造丸棒表面骨生成量を測定し，表面凹凸との関係を明らかにする．凹凸の平均間隔Smについて評価を行うことによって，凹凸の高さのみならず，これまで着目されてこなかった幅方向のサイズエフェクトについて検討を重ね，骨ねじ表面凹凸と生体活性の関係を明らかにする．
またTi丸棒を脛骨ごと取り出して，トルクドライバーによって転造丸棒端部のキーを保持して周方向に回転し，骨と離脱する際の最大トルク（丸棒抜去トルク）を測定する．表面微細凹凸のサイズ（算術平均粗さRaおよび平均間隔Sm）および表面陽極酸化処理（チタニア成膜）の有無が抜去トルクに及ぼす影響を調査する．
さらに中空インプラントモデルを３D積層によって作製し．大型動物の大腿骨に埋入して育成することによって，ストレスシールディングに及ぼすインプラント内部構造の影響について調査する手法を，コンピュータシミュレーションも用いて検討を行う．

Causes of Carryover

金属３Dプリンターが使用可能となったことで，埋入するチタン材丸棒の作製方法の再検討が行われたことで，動物実験を先送りすることになった．
また，これに伴って抜去トルク測定用ドライバーの仕様検討も再度行ったため発注が遅れたため．

Expenditure Plan for Carryover Budget

平成29年度前半で埋入用チタン材丸棒製造を現有設備の３Dプリンターで実施し，速やかに動物実験を実施する．
また，抜去トルク測定用ドライバーは平成２９年度当初に納入予定．