Development of All-non-metal Artificial Bone with High Mechanical Strength, Low Elastic Modulus and Bone-bonding Ability and Elucidation of the Mechanism of Biofunctional Expression

2021 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 19H02442
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 26030:Composite materials and interfaces-related
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: Yabutsuka Takeshi 京都大学, エネルギー科学研究科, 講師 (20574015)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 高井 茂臣 京都大学, エネルギー科学研究科, 准教授 (10260655) ; 藤林 俊介 京都大学, 医学研究科, 特定教授 (30362502)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: 炭素繊維強化ポリエーテルエーテルケトン / アパタイト核 / 生体活性 / アパタイト形成能 / 骨結合能

Outline of Final Research Achievements

The ability to add high bone-bonding ability to carbon fiber-reinforced polyetheretherketone (PEEK) could lead to the development of a biomaterial with unrealized physical properties that combines mechanical strength comparable to metal, reduced stress sealing, avoidance of metal allergies, and good bone-bonding ability, which could be a significant breakthrough in the orthopedic and dental fields. In this study, calcium phosphate fine particles called “apatite nuclei” were precipitated on the surface of carbon fiber-reinforced PEEK to provide apatite-forming ability to the bioinert carbon fiber-reinforced PEEK. Furthermore, the bioactivity of the carbon fiber-reinforced PEEK treated with apatite nuclei was evaluated from a viewpoint of an in vivo perspective.

Free Research Field

無機材料化学、生体材料学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

人工股関節や人工歯根等の高強度を必要とする人工骨として、チタン合金、Co-Cr合金、ステンレス鋼等の金属材料が数多く臨床応用されてきた。しかし、金属は弾性率が骨よりもはるかに大きいため、骨欠損部に埋入すると材料への応力集中により周囲の骨吸収を引き起こす懸念がある。高強度と低弾性率、さらに良好な骨結合性をも兼ね備えた、従来にない魅力的な物性を有する人工骨の開発が切望されていたが、実現に至っていなかった。卓越した物性を有する炭素繊維強化ポリエーテルエーテルケトンに高い骨結合能を付与することに成功した本研究成果は、整形外科および歯科領域における大きなブレークスルーとなる可能性を秘めている。