セラミック製人工股関節ライナーの体内破損機序解明と安全性向上に向けた提言

2019 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 18K04756
• Research Institution: Tokyo Medical University
• Principal Investigator: 宍戸 孝明 東京医科大学, 医学部, 准教授 (70266500)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 高橋 康仁 東京医科大学, 医学部, 助教 (60567668) ; 立岩 俊之 東京医科大学, 医学部, 講師 (00424630) ; 正岡 利紀 東京医科大学, 医学部, 准教授 (70256270) ; 山本 謙吾 東京医科大学, 医学部, 主任教授 (10246316)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: 人工股関節 / 複合セラミックス / 構造健全性 / 低温劣化

Outline of Annual Research Achievements

本研究事業は、zirconia-toughened alumina (ZTA)複合セラミック製寛骨臼ライナーに対する加速エージングを実施し、人工股関節コンポーネントとしての化学的構造安定性と表面形態の関連性について調査することが目的であった。エージング試験はASTM F-2345-03に準拠し、ライナーを水熱環境下（134℃、0.2MPa）に晒し、アルミナ母相の残留応力およびジルコニアの相転移を、励起源488nmのラマン分光および蛍光分光法を用いて経時的に非破壊解析した。本エージング条件における1時間は、生体環境の約2年間に相当することが規定されているが、現時点で20時間（約40年相当）の環境試験まで終了し、2.5時間毎にラマンおよび蛍光分析を実施した。ライナーの研磨面2か所、亀裂研磨面1か所、切削粗面1か所にて分析を行ったが、同一材料でも表面状態の違いにより相転移速度に大きな差異があることをスペクトル上で確認でき、応力値とともに現在定量解析を行っている。最終年度は、経年的相転移データに対してMehl-Avrami-Johnson (MAJ)理論を応用した相転移機序の解明を行う。またエージング前後での電子顕微鏡所見、応力変化、MAJの結果を総合して、劣化のミクロメカニズムを明らかにするとともに、人工関節部材としての弱点を科学的に明確にするとともに、更なる臨床成績向上をもたらす材料学的改善案の提示を目指す。

Current Status of Research Progress

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

Reason

エージング試験および各種分光計測は全て終了しており、最終年度はデータ解析が完了すれば、総合的な解釈を実施できる状況になるため、予定通りおおむね順調に進展していると考えられる。ただし必要に応じてサンプル数の増加や追加計測を行う可能性がある。

Strategy for Future Research Activity

今後、経年的相転移データに対してMehl-Avrami-Johnson (MAJ)理論を応用した相転移機序の解明を行う。またエージング前後での電子顕微鏡所見、応力変化、MAJの結果を総合して、劣化のミクロメカニズムを明らかにするとともに、人工関節部材としての弱点を科学的に明確にするとともに、更なる臨床成績向上をもたらす材料学的改善案の提示を目指す。

Causes of Carryover

最終年度にサンプル数の増加や再試験の実施等が必要となった場合に研究の進行に支障をきたすことが無いよう前年度予算を一部繰り越すこことした。