接触圧力低減を目的とした人工膝関節脛骨インサートの電子線照射による強靭化

2017 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 17K06125
• Research Institution: Tokai University
• Principal Investigator: 菊川 久夫 東海大学, 工学部, 教授 (50246162)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2020-03-31
• Keywords: 強度評価 / 人工膝関節 / 超高分子量ポリエチレン / 放射線照射 / 強靱化

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、人工関節接触部分の耐久性向上が困難な現行の人工関節材料において、電子線照射技術によって、関節表面に優れた低ヤング率、低摩耗、高強度の高分子材料の生成や接触面圧力の低減の可能性について、照射による医療用ポリエチレンの塑性流動圧力向上と分子構造の経時的変化の観点から考察・検討することを目的としている。本計画の特色は、電子線による接着技術を人工関節用高分子材料表面の改質に応用しようとするところにある。すなわち本研究は、電子線処理により関節表面に優れた高分子材料を生成し、接触面圧力の低減を図ろうとする独創的なものと考えている。上述の平成29年度の研究目的に照らし合わせ、本年度の実施計画を検討すると以下のようになる。
一般に高分子材料への放射線照射では、架橋の程度は照射線量と共に増大する。S.M. Leeら（2005）は、250kGyの電子線照射は非結晶領域において架橋を促進する最大照射量であると報告している。よって本研究では、架橋の促進が期待できる、放射線量25kGyから250kGyの照射範囲で実験を行うこととした。本実験に用いる試験片は、今年度は医療用の高分子量ポリエチレンの入手が困難なため、市販の工業用超高分子量ポリエチレンを用いた。試験片は機械加工により所定の寸法に製作することができた。電子線照射効果との比較を行うため、ガンマ線の照射試験片についても実験の対象とするため、一般の滅菌の行程で行うことができた。電子線照射については、装置の照射条件の決定に難渋し、照射試験片の作製は行えていない。押し込み試験については、ガンマ線照射試験片について、照射線量25kGyの試験片について塑性流動圧力の測定が行なわれ、強靭化を示唆する結果が得られた。なお、電子スピン共鳴装置により、照射後のUHMWPE中のダングリングボンドの存在を確認しており、現在ラジカル種の分析中である。

Current Status of Research Progress

4: Progress in research has been delayed.

Reason

研究実績の概要でも述べたように、市販の医療用の超高分子量ポリエチレンが現状で入手困難であること、また、電子線の照射条件の決定に時間がかかっていることなどが主な理由である。
医療用高分子量ポリエチレンの購入については、国内で人工関節等が製造されている場合には、製造業者が輸入商社より購入するため国内に在庫があり、この製造業者より購入することが可能である。しかし、現在、国内に在庫が乏しく、輸入の予定が未定という現状で入手が困難な時期にあたっている。
また、電子線の照射については、適切な照射条件が見出されていないこと、これは電子線照射が遠方の施設の好意で行われているため、照射後の試験片の時間経過に伴う劣化を考慮すると、必ずしも安定した条件下で評価を行うことができないからである。

Strategy for Future Research Activity

現在、国内で入手できない医療用の超高分子量ポリエチレンの代替材料として、工業用の超高分子量ポリエチレンを利用し実験的評価を行っている。塑性流動圧力などの機械的特性については、工業用も医療用と有意な差がないことを本実験により確認しているため、今後、医療用の材料の入手を待ちながら、工業用の試料を用いて実験系を確立していく予定である。また、電子線の照射条件についても、ガンマ線照射の結果を考慮し、照射処理を本学内の設備で行えるよう調整を進めているところである。
特に、現在までの進捗状況でも述べた研究の遅れに対し、平成29年度に構造解析用のソフトウェアを購入した。これらを用いてシミュレーションを前倒しで行える準備が整い、現在、解析モデルを構築中である。今後、実験的評価と平行して解析を進めていく予定である。