複合セラミック製人工股関節の耐用性検証とその予測精度向上を目指した新たな提言

2020 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 20K12721
• Research Institution: Tokyo Medical University
• Principal Investigator: 高橋 康仁 東京医科大学, 医学部, 助教 (60567668)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 立岩 俊之 東京医科大学, 医学部, 講師 (00424630) ; 宍戸 孝明 東京医科大学, 医学部, 准教授 (70266500) ; 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): 2020-04-01 – 2023-03-31
• 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

本研究では、人工股関節全置換術（total hip arthroplasty: THA）用複合バイオセラミックスであるジルコニア強化型アルミナ (zirconia-toughened alumina: ZTA)およびアルミナ強化型ジルコニア (alumina-toughened zirconia: ATZ)大腿骨頭摺動面を対象に、生体内の長期インプラントを想定した過酷な環境試験および物理化学試験を実施し、ジルコニア相の低温劣化およびこれに伴う残留応力挙動について分析する。初年度は、未使用時の微細構造を精査するため、ZTA摺動面２種およびATZ摺動面１種(n=各3個)のラマン分光・蛍光分光マッピングおよび電子顕微鏡観察を実施した。各摺動面はいずれも平均10 vol.%未満の僅かな相転移および残留応力の発生を認めた。これはアルミナージルコニア粒子間の熱膨張係数の不整合と表面研磨による製造時の構造歪みに起因すると考えられた。さらにダイヤモンド ビッカース圧子を使用し、200Nの荷重にて各骨頭頂点に圧痕による予亀裂を作成し、高圧蒸気滅菌器を用いた加速エージング（134℃、0.2MPa）を実施している。予亀裂の有無に伴う経年的な構造安定性の変化について今後さらに詳細な分析を実施する。

Current Status of Research Progress

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

Reason

現時点では本事業の遂行において予期せぬ事態や問題等は生じておらず、当初予定通り複合セラミック製摺動面インプラントの物理化学的耐久性試験およびその後の各種分光評価を進めている。

Strategy for Future Research Activity

今後も同様の手法で加速エージングおよびラマン・蛍光分光分析を実施し、応力状態の異なる各計測箇所の経年劣化挙動に関して分析を続ける予定である。

Causes of Carryover

レーザーや各種フィルタなどの光学機器の交換やその他保守点検や追加サンプルの購入など高額な支出が必要になった場合に備えて、次年度以降の研究の遂行に支障が出ないよう一部の研究費を繰り越すこことした。