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

2023 Fiscal Year Annual Research 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, 准教授 (00424630) ; 宍戸 孝明 東京医科大学, 医学部, 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 – 2024-03-31
• Keywords: 人工股関節 / 複合セラミックス / 加速エージング / 相変態 / 残留応力

Outline of Annual Research Achievements

人工股関節全置換術用の摺動面構成部材として使用される複合セラミックインプラントであるアルミナ強化型ジルコニア（alumina-toughened zirconia: ATZ）およびジルコニア強化型アルミナ（zirconia-toughened alumina：ZTA）は、含有するジルコニア相の経年的な相変態現象（正方晶→単斜晶）に伴う低温劣化（low temperature degradation: LTD）を生体内で来すことが知られている。本研究では、ATZ製大腿骨頭１種およびZTA製大腿骨頭2種を対象に、LTDに関する標準規格耐久試験（134℃,0.2MPa, ASTM F-2345-03）を実施し、さらに各骨頭表面に予亀裂を導入することで応力集中下における加速エージング試験も実施した。最終年度では、応力集中の有無によるLTD進行速度の違いを100年間の生体内使用に相当する超長期間まで、実験的にシミュレーションした。
ATZでは、ジルコニア単斜晶の核生成～１次元核成長プロセスまでが発現しており、ZTAよりもLTDの進行速度が速い様子を観察したが、核成長による強力な圧縮力の発生によって、優れた亀裂遮蔽能を発揮できることを確認した。一方、ZTAでは核成長が起こらずLTD進行が緩やかであり、長期構造安定性が期待できる。しかし、亀裂遮蔽能ではATZに劣り、微小亀裂先端の引張応力域の拡大が観察されたことから、ZTA骨頭ではセラミック寛骨臼ライナーと組み合わせてhard-on-hard摺動面を構成する際に留意が必要と思われ、寛骨臼側には超高分子量ポリエチレンを使用する方が無難であると考えられた。また現行の標準化試験は臨床データに比べて過小評価傾向であることを認め、微小亀裂を導入した応力集中下における加速エージング法の方がより臨床に近い値を得ることができた。