2019 Fiscal Year Annual Research Report
Material design for microscale load sensor having bio-degradability
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17H01327
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| Research Institution | Kobe University |
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Principal Investigator |
向井 敏司 神戸大学, 未来医工学研究開発センター, 教授 (40254429)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
磯野 吉正 神戸大学, 工学研究科, 教授 (20257819)
福本 巧 神戸大学, 医学研究科, 教授 (70379402)
池尾 直子 神戸大学, 工学研究科, 助教 (80647644)
上杉 晃生 神戸大学, 工学研究科, 助教 (90821710)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 生体材料 / 生体内分解性金属 / 検力センサー / 粒界偏析 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
生体内分解性インプラントは経時に伴い体内で分解されるため、抜去手術を必要としないデバイスとして注目されている。本研究ではインプラントの分解に伴う力学的強度をリアルタイムでモニタリングできるシステムの構築を目標としている。今年度は、第一原理計算に基づく分解性金属材料の最適組成設計およびヘテロ構造の形成を通じた強靱化に関する研究を継続して実施した。また、マイクロ検力センサーをインプラントへ実装するための接合に関する研究を推進した。
分解性金属材料の最適組成設計については、マグネシウム系合金のみならず亜鉛系合金について、第一原理計算による計算予測を前年度に引き続き実施するとともに、一部の合金について細線の創製を行った。マグネシウム細線については、カルシウム添加による高強度化と亜鉛の共添加による加工硬化性の向上を確認し、計算予測による元素添加の効果を細線についても得られることを実証した。一方、生体内における分解速度が比較的遅い亜鉛については、仕事関数を算出することにより、材料表面でイオン化しやすい添加元素の予測を行い、実験により分解性を評価した。例として、複数の結晶面にマグネシウム原子を添加することにより仕事関数が低下することが予測された。濃度の異なる合金を複数試作し、電気化学試験を行った結果から、マグネシウムの添加により分解性が上昇することを確認した。以上の結果を基に、亜鉛合金の細線を創製し、動物実験による性能確認試験を行った。
センサー材料の実装については、検力センサーをインプラント表面に実装するための基礎研究を推進した。位置決め方法および接合方法について、多数の試行を行い、インプラント表面へ分解性検力センサーを実装する手法を確立した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
4: Progress in research has been delayed.
Reason
予定した研究計画に沿って、第一原理計算に基づく分解性金属材料の最適組成設計、ヘテロ構造の形成を通じた細線素材の強靱化、分解性を有するマイクロ検力センサーの形成および蒸着被覆による分解性制御、分解に伴う周辺組織細胞の反応から生体安全性を評価するための研究を推進する。
今年度に実施した内容は、研究実績の概要にて記述した通りである。分解性金属として、計算予測によりマグネシウム合金を選定し、鋳造および強ひずみ加工を施すことにより、当初に目標とした合金細線を作製した。また、亜鉛合金については、分解性の計算予測に基づき、Zn-Mg合金を試作し、高靱化した線材を作製することに成功した。得られた細線材料について、ラットを用いた動物実験により、周辺組織の反応および分解性を調査した。その結果、炎症反応などの悪影響は無いこと、および、マグネシウムの添加により、分解が促進されることを確認した。
検力センサー部の作製については、インプラント表面へマイクロセンサーを付設するための位置決め方法および接合方法について研究を推進し、ポリL乳酸(PLLA)樹脂を用いた接合方法およびセンサーの実装プロセスを確立することができた。
今年度はコロナウイルス感染拡大防止の影響を受け、当初の研究計画が遅滞した。実施期間を延長することにより、当初予定していた研究を継続して行い、分解性検力センサーを実装したインプラントの創製を実現したいと考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
ヘテロ構造制御として実施する結晶粒微細化については、これまでに実施している押出成形と併せて、細線ワイヤーの創製研究に取り組み、当初の予定通りに生体内分解性を有する強靱化細線の創製を推進する。
また、インプラント表面へのマイクロ検力センサーの実装方法を確立すると共にセンサー部と細線との接合研究を実施し、分解性検力センサーを完成させる予定である。
最終的には、動物実験による周辺組織観察および血液検査により安全性を確認するとともに、擬似体液中における力学的応答の計測を行い、生体内分解性を有する検力センサーの創製原理を確立する予定である。
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