2017 Fiscal Year Annual Research Report
Study on self-forming and self-healing mechanism of natural superlubricity in articular cartilage surface
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17H01244
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
澤江 義則 九州大学, 工学研究院, 教授 (10284530)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
山口 哲生 九州大学, 工学研究院, 准教授 (20466783)
森田 健敬 九州大学, 工学研究院, 助教 (70175636)
中嶋 和弘 九州大学, 工学研究院, 助教 (70315109)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | トライボロジー / 生物・生体工学 / 細胞・組織 / 生体分子 / 超潤滑 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
柔軟で高含水かつ透水性を有するPolyvinyl Alcohol（PVA）ハイドロゲルを，関節軟骨モデル材料として用いガラス円筒との間の往復動摩擦試験により，関節液に含まれる生体高分子成分の潤滑効果を評価した．その結果，ヒアルロン酸（HA）とリン脂質の一種であるフォスファチジルコリン（DPPC）は摩擦低減効果を発揮し，特にHAとDPPCを混合することにより摩擦は最も低くなった．一方，アルブミンとγグロブリンという二種の血清タンパク質の摩擦への影響は滑り速度に大きく依存しており，高滑り速度条件下では摩擦を減少させたのに対し，低滑り速度条件化では摩擦を上昇させた．
各生体高分子成分を含む溶液の粘度特性をレオメータにより測定した結果，HAを含む溶液は全てせん断速度の上昇とともに粘度が低下する典型的な非ニュートン性を示した．またHAのみを含む溶液は，低せん断速度領域でほぼ一定の粘度を示したのに対し，HAとDPPCを混合した溶液は極低せん断速度（10-1 s-1）に至るまで粘度が上昇した．その結果，HAのみを含む溶液と比較し，低せん断速度領域における粘度が著しく高くなった．そのことから，HAとDPPCの混合により得られた低摩擦は，PVAハイドロゲルおよびガラス表面への吸着膜の形成に加え，低せん断速度条件下での粘度上昇による流体膜維持効果によることが示された．一方，低速条件下でのタンパク質による摩擦係数上昇は，試験の進行と共に徐々に進行したことから，せん断により変性したタンパク質が徐々に吸着膜を形成し，摩擦を上昇させたものと考えられる．HA，DPPCとタンパク質を混合した場合にも摩擦係数が上昇したことから，変性したタンパク質は摩擦に対し支配的な影響を持つことが示された．
比較として行った超高分子量ポリエチレン／CoCrMo合金間の往復動摩擦試験でも，概ね同様の結果が得られこと．
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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
本年度の研究計画の中心であった，関節液由来生体高分子成分の潤滑効果評価については，概ね計画通りに実施され，いくつかの興味深い結果を得ることが出来た．特に，ヒアルロン酸とリン脂質が共存することにより，低せん断速度領域における溶液の粘度が上昇することは，両成分が複合体を形成しネットワーク構造を形成していることを示していると思われる．これは，両成分を混合したときに得られる優れた低摩擦特性に，単に固体表面に形成された吸着膜だけでなく，溶液中の複合体による増粘効果も寄与していることを示す貴重な成果と考えられる．これらの研究成果については，各種分析装置による裏付けをすすめ，今年度中の論文投稿を目指す．
関節軟骨内の軟骨細胞により産生されたプロテオグリカンの潤滑効果については，アントンパール社製の卓上ナノトライボメータを導入し，評価を開始した．装置導入手続きに時間を要したことに加え，本研究で用いる培養軟骨モデル試験片表面に適した摩擦測定条件の探索に時間を要したことから進捗がやや遅れたものの，2週間の静置培養による，試験片内部での細胞外マトリックス産生と試験片表面の摩擦特性の経時変化を評価することが出来た．その結果，試験片内部に蓄積されたプロテオグリカン量の増加により培養1週までは表面の摩擦が減少したものの，培養2週では表面内の位置による摩擦係数のばらつきが大きくなった．これは，静置培養では軟骨様組織の形成に伴い，試験片表面の粗さが増加してしまうことが原因と考えられることから，本年度は表面に機械的負荷を与えることでそれを抑制することを試みる．
試験片の有限要素固液二相潤滑については，ダッソー・システムズ社製のアバカスCAEを導入し，細胞を含むアガロースゲルのモデル作成をすすめ，顕微鏡視野下の圧縮試験により得られた変形挙動との比較により，各種材料物性の推定を行った．
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| Strategy for Future Research Activity |
前年度に引き続き，関節軟骨のモデル材質として高含水PVAハイドロゲルを用い，生体高分子成分による潤滑効果の評価を進める．特に，前年度の実験において極めて低い摩擦係数が得られたDPPCとHAを含む溶液による低摩擦発現メカニズムと，血清タンパク質による摩擦上昇のメカニズムおよびその抑制方法の検討を行う．具体的には，レオメーターによる粘度特性の評価に加え，FT-IRおよびラマン分光装置によるPVA表面への吸着成分の分析，原子間力顕微鏡によるPVA表面の形態観察および物理特性評価を行う．また，血清タンパク質をによりHAとDPPCによる摩擦低減効果が打ち消され，摩擦が上昇する現象が確認されたことから，タンパク質との共存環境における低摩擦発現の可能性を検証する．
上で述べた関節液成分の効果は，滑り速度と接触荷重により規定されるしゅう動条件に依存することが示されたことから，HAとDPPCによる潤滑効果が機能しうるしゅう動条件領域の検討を行う．また歩行時の下肢関節における潤滑メカニズムとして，上記のHAとDPPCによる潤滑が機能しうるかを検証するため，平成31年度以降に予定していた関節シミュレータ試験を，前倒しして本年度から開始する．
次に，関節軟骨内の細胞により産生されたプロテオグリカンによる潤滑効果を評価するため，培養軟骨モデルの摩擦評価を継続する．前年度の実験では，培養により内部の軟骨細胞が産生したECM成分が徐々に蓄積されるとともに，モデルの表面粗さが増加し，これが摩擦測定結果に影響することが明らかとなった．本年度は，培養中にモデル表面に機械的負荷を与えることで，表面粗さの増加を抑制し，内部に蓄積されたECM成分による摩擦への影響を精度良く捉えることを目指す．
有限要素解析については，昨年度作成したモデルを基盤に，摩擦試験時の応力・ひずみ状態について，有限要素解析を実施する．
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