2021 Fiscal Year Research-status Report

次世代型長寿命人工股関節の開発のためのコールドフロー損傷抑制に関する研究

Research Project

Project/Area Number	21K12689
Research Institution	The University of Kitakyushu
Principal Investigator	趙昌熙北九州市立大学, 国際環境工学部, 教授 (70364148)
Project Period (FY)	2021-04-01 – 2024-03-31
Keywords	人工股関節 / 超高分子量ポリエチレン / コールドフロー
Outline of Annual Research Achievements	人工股関節の臨床寿命を短縮する主要原因の一つであるコールドフロー（cold flow）の発生による超高分子量ポリエチレン（以下UHMWPEと略称）ライナーの摩耗や破損などの損傷を抑制するために、2021年度中には、まず研究協力機関の研究協力者らによって集積された数十例の摘出人工股関節のUHMWPEライナーに対して、コールドフロー発生による損傷の発生率・特徴・タイプなどの調査・観察・分析を行った。次に、コールドフロー発生の力学的シミュレーションのための解析モデルの作成のために、これらの摘出人工股関節の人工骨頭、UHMWPEライナー、アセタブラーカップに対して寸法や幾何学的形状の測定を行い、データベースを構築した。また、構築したデータベース中の実測値に基づいて、コールドフロー発生時のUHMWPEライナーの力学的挙動解析のための人工股関節の有限要素モデルを作成した。当該年度中には、主にこれらの有限要素モデルと先行研究において構築されたUHMWPEの材料モデルを用いて、コールドフロー発生の有限要素法シミュレーションの予備解析を行い、数値計算の収束性と解析結果の妥当性をチェックした。さらに、これらの解析結果と摘出症例の比較を行い、人工股関節におけるコールドフローの発生がUHMWPEライナーの力学的状態や損傷に及ぼす影響について検討を行った。その結果、骨盤との固定のために金属製アセタブラーカップに存在するねじ穴がコールドフロー発生の原因であり、一部の摘出症例から観察されたUHMWPEライナーを貫通するほどの激しい摩耗やクラック発生などの損傷の主要原因であることが確認できた。また、UHMWPEライナーの厚さと金属製アセタブラーカップに存在するねじ穴のデザイン（形状）の変更による人工股関節のコールドフロー損傷低減の可能性が確認できた。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 本研究課題の当初の研究計画において、当該年度（2021年度）中に実施予定であった十分な人工股関節の摘出症例と臨床背景データの集積、摘出人工股関節のUHMWPEライナーに対するコールドフロー発生による摩耗や破損などの損傷の発生率・特徴・タイプ・グレードなどの調査・観察・分析、摘出人工股関節の人工骨頭、UHMWPEライナー、アセタブラーカップに対する寸法・幾何学的形状の測定およびデータベースの構築、構築したデータベースに基づく力学的挙動解析のための人工股関節の有限要素モデルの作成、コールドフロー発生の有限要素法シミュレーションの予備解析の実行および解析結果の分析等が当初の予定通りに実施できた。さらに、当該年度中に行った摘出症例の調査・観察の結果や予備解析で得られた成果を取りまとめ、国内外の関連学会において発表および研究論文として学術雑誌に投稿ができた。
Strategy for Future Research Activity	今後本研究課題では、更なる摘出症例の調査やコールドフロー発生の数値解析を行い、人工股関節におけるコールドフロー発生の原因やUHMWPEライナーの損傷に及ぼす影響を明らかにし、コールドフロー損傷抑制のための設計改善案を提示する予定である。当該年度の研究結果は、数値計算の収束率や効率を高めるために形状や運動を簡略化・単純化したモデルで予備解析を行った段階での結果であり、本研究課題において摘出・集積された人工股関節の摘出症例の中で数例のUHMWPEライナーに限定される。したがって、人工股関節におけるコールドフローの発生がUHMWPEライナーの力学的状態や損傷に及ぼす影響をより厳密に解析・評価するために、今後、より厳密に人工股関節の3次元形状を再現した有限要素モデルの作成およびこれらを用いた数値解析を行う予定である。また、UHMWPEライナーの厚さの変化を考慮した解析および結果検討、金属製アセタブラーカップに存在するねじ穴部のデザイン（形状）の変更による影響等について更なる解析的・力学的検討を行う予定である。