動的安定性と抗感染性を有する長寿命型脊椎固定インプラントに関する基礎検討

2016 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 16K10812
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 大島 寧 東京大学, 医学部附属病院, 講師 (50570016)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 石原 一彦 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (90193341) ; 高取 吉雄 東京大学, 医学部附属病院, 客員研究員 (40179461) ; 茂呂 徹 東京大学, 医学部附属病院, 特任准教授 (20302698) ; 谷口 優樹 東京大学, 医学部附属病院, 助教 (80722165) ; 筑田 博隆 群馬大学, 大学院医学系研究科, 教授 (30345219) [Withdrawn]
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2019-03-31
• Keywords: 医療・福祉

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、脊椎インストゥルメンテーション手術に用いるインプラントの耐用年数(寿命)を延長するイノベーションとして、「動的スクリューによるメカニカルストレスに対する衝撃耐久性」と「生体親和性ポリマーによるナノ表面処理による摺動面の耐摩耗性とインプラント表面の細菌付着・バイオフィルム形成抑制効果」を有する長寿命型脊椎固定インプラントを創出するための基礎研究を行うことである。今年度は、以下の検討を行った。
1. インプラントの機械的特性の評価：インサート、セットスクリュー、ボーンスクリューヘッド、ロッドなど、インプラントのシステムを構成する材料およびそれらの組み合わせについて、機械的特性、摩擦(静摩擦係数/動摩擦係数)・耐摩耗特性（往復摺動試験）、力学的特性（固定性、可動性、耐久性等）の評価を行った。
2. インプラントの形状・デザインの検討：三次元CADソフトウェアを用い、主にボーンスクリューの可動範囲を指標にインプラント形状のデザインを行った。また、実機のモデルを作製し、セットスクリューの締結トルクについて検討した。
3. インプラント表面の細菌付着・バイオフィルム形成抑制効果の検討：静置環境下におけるin vitroの感染症モデルを用い、システムを構成する材料の表面をMPC処理することで、表面の細菌付着・バイオフィルム形成が抑制されることを明らかにした。
以上の結果は、長寿命型脊椎固定インプラントを創出するための基礎検討を推進するための確信を得るに十分な結果であった。

Current Status of Research Progress

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

Reason

1. インプラントの機械的特性の評価(28年度の達成度100%):システムに用いる樹脂材料の候補として、PE、架橋PE(CLPE)、ビタミンE添加CLPE(CLPE+E)、PEEKを用い、各々MPC処理/未処理の2群(計8群)について、何れも製品に求められる機械的特性を満たしていることを確認した。次にこれらの材料の摩擦係数・摩耗特性を評価し、製品に求められる耐摩耗特性を有することを確認した。また、ASTMの規格に準じて各種の力学的試験を行い、何れも製品に求められる特性を満たしていることを確認した。
2. インプラントの形状・デザインの検討(28年度の達成度100%):三次元CADソフトウェアを用い、ボーンスクリューの可動範囲が±20°以上となるようにインプラントの形状を設計した。また、樹脂製のセットスクリューに、ロッドを固定可能な締結トルクを負荷できることを確認した。
3. インプラント表面の細菌付着・バイオフィルム形成抑制効果の検討(28年度の達成度100%):1.で絞り込んだ各種材料のディスク(MPC処理有/無)を静置環境下のin vitroの感染症モデルに用い、MPC処理によってインプラント感染の病原菌である、バイオフィルム形成黄色ブドウ球菌等の付着が90%以上抑制されること、及び、バイオフィルム形成が抑制されることを明らかにした。

Strategy for Future Research Activity

1. インプラントの機械的特性の評価：システムを構成する部品の機械的特性を評価するため、チタン合金製ボール表面にMPC処理を施し、往復摺動試験により摩擦特性を、多方向摺動試験にて耐摩耗特性を評価する。また、組立品に求められる力学的特性を評価するため、万能試験機を用いて、模擬骨を用いた繰り返し曲げ試験を行う。さらに、ボーンスクリューの繰り返し曲げ運動に対する耐摩耗性を評価する。
2. インプラントの形状・デザインの検討：インプラント固定下での腰椎の可動範囲を検討するため、三次元CADソフトウェアを用い、有限要素解析(FEA)のための腰椎モデルを作製する。このモデルと28年度のインプラントモデルを用い、隣接する2椎体をインプラントで固定した状態のCADデータを作成し、腰椎全体の可動範囲をコンピューター上でシミュレーションする。また、インプラント、椎体、椎間板にかかる応力を評価する。さらに、万能試験機を用いて、動物脊椎を用いた曲げ試験を行い、インプラント実機の可動性を評価する。
3. インプラント表面の細菌付着・バイオフィルム形成抑制効果の検討：インプラント感染の病原菌である、バイオフィルム形成黄色ブドウ球菌等を、生体内を模した流動環境下におけるin vitro感染モデルに用い、細菌付着・バイオフィルム形成効果を評価する。また、予め形成させたバイオフィルムに対して流動環境下で抗菌薬を作用させ、バイオフィルム形成抑制効果とこれに伴う抗生剤の抗菌作用を評価する。さらに、in vivoの感染モデルを用い、細菌付着・バイオフィルム形成効果を評価する。