2012 Fiscal Year Annual Research Report
極低摩擦・極低摩耗生体関節に学ぶ生体規範超潤滑ハイドロゲル人工軟骨の実用化
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23000011
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
村上 輝夫 九州大学, バイオメカニクス研究センター, 特命教授 (90091347)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
澤田 廉士 九州大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (40380589)
澤江 義則 九州大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (10284530)
中嶋 和弘 九州大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (70315109)
岡崎 賢 九州大学, 大学病院, 講師 (10398092)
松田 秀一 京都大学, 医学(系)研究科(研究院), 教授 (40294938)
坂井 伸朗 九州工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (60346814)
鈴木 淳史 横浜国立大学, 環境情報研究科(研究院), 教授 (90162924)
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| Project Period (FY) |
2011-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | ハイドロゲル人工軟骨 / 生体関節多モード潤滑 / 生体規範人工関節 / 生体医工学 / トライボロジー |
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| Research Abstract |
人工関節における摩耗低減と摩擦低下を実現するために、生体関節の構造・機構・機能の理解を深め、その成果を反映させて高機能ハイドロゲル人工軟骨の臨床実用化技術を構築することを目指した｡
【１】生体関節の多モード適応潤滑機構の解明 (1)関節軟骨の構造・物性評価と潤滑膜形成機構の解明：関節軟骨の摩擦・可視化試験や吸着評価試験により関節液成分の潤滑性を評価し、最適組成を見出した。(2) 関節軟骨の変形・摩擦挙動の実測と固液二相有限要素解析：固液二相有限要素解析や流体圧実測試験に基づき、軟骨液相流体圧による荷重支持率の評価や摩擦予測を可能とした。(3)マイクロ血流センサ計測システムによる軟骨部流動現象の非侵襲計測：スペックル計測による軟骨部流れ非侵襲計測装置を試作し流れ動態評価を行った。
【２】生体規範超潤滑ハイドロゲル人工軟骨の実用化 (1)人工関節の最適設計とシミュレータによる評価：人工軟骨のシミュレータ歩行模擬試験により耐久性評価を行い、ハイドロゲルの製法による強度特性の相違を観測した。(2)PVAハイドロゲルの改質高機能化：a)繰返し凍結･解凍法PVAの耐摩耗性・摩擦特性の評価を行い、潤滑剤の最適条件を明らかにした。b)キャストドライ法PVAのナノ構造・界面制御や、機能性分子の担持、積層化技術開発に取組み、その低摩擦性を見出した。c)２種のゲルの最適組合せや、複合化・傾斜機能化の試作と評価を行い高機能化の指針を得た。(3)摩耗粉へのマクロファージ反応：単離マクロファージによる摩耗粉応答の評価系の構築を進めた。(4)人工関節の臨床課題の解析評価を行い各種の指針を得た。人工軟骨家兎膝関節埋入試験を行い、周囲組織の変化を追跡評価した。
平成24年5月31日～6月1日には、第７回国際バイオトライボロジーフォーラム（西安市）に５名が参加し本研究に関する成果を発表するとともに情報交換した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
生体関節軟骨および人工軟骨に対する各種の評価試験や試作を行い、当初の研究目的に対応した成果を得ることが出来た。生体関節軟骨の構造・物性や生体関節液組成の合理性を確認するとともに、ハイドロゲル人工軟骨により類似機能を再現する見込みを得ることができた。新規導入の原子間力顕微鏡では軟質材の液中観察が可能となった。
生体関節の多モード適応潤滑機構の解明に関しては、固液二相・水和潤滑と、吸着膜潤滑、ゲル膜潤滑の関連をかなり明確化できた。固液二相有限要素解析により液相荷重支持率が作動条件で異なる機構を明確化し圧力測定にて検証し、摩擦の予測も可能とした。関節液成分の吸着挙動に関しては、表面プラズモン共鳴によりタンパク成分の吸着量を検出し、エリプソメトリーにより吸着膜厚の評価を可能にした。水和現象が関与する５分間除荷摩擦試験において摩擦最小・摩耗最小の最適条件を見出した。また、スペックル計測による軟骨部流れ非侵襲計測装置を試作し新たな流れ動態評価法を提案した。
生体規範超潤滑ハイドロゲル人工軟骨の実用化に関しては、PVAハイドロゲルの製法や改質、潤滑剤との組合せによる摩擦・摩耗特性の相違を明確化するとともに、摩擦・摩耗特性向上の指針を明示した。その摩擦特性は製法でかなり異なるが、摩擦に対する潤滑液成分の影響については、生体関節軟骨と類似な場合と大きく異なる場合が見られた。しかるに、摩耗最小となる潤滑液の最適組成は、生体関節液の組成と近く、生体軟骨と人工軟骨で共通していた。ゲルの製法により構造や物性が異なることを明確化し、低摩擦を維持するための指針を得た。
摩耗粉への異物応答に関しては、滑膜細胞系マクロファージによる評価系をほぼ構築した。人工関節の臨床課題を解析し改善指針を明確化した。人工軟骨家兎膝関節埋入試験を行い、関節内環境での生体適合性を確認できたが、設置法の改善が必要と判断された。
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| Strategy for Future Research Activity |
基本的には、本年度と同様に、バイオメカニクス・バイオトライボロジー、バイオマテリアル、バイオメディカルの３グループの連携研究体制で、生体関節の構造・機構・機能の理解を深め、その成果を反映させて高機能ハイドロゲル人工軟骨の臨床実用化技術の開発を進める。
すなわち、【１】生体関節の多モード適応潤滑機構の解明と【２】生体規範超潤滑ハイドロゲル人工軟骨の実用化とを主要課題として研究を推進する。そこでは、従来の各取組みをさらに深化させるとともに、人工軟骨ハイドロゲルの開発では、固定性や耐久性の改善・向上を重点課題とするとともに、臨床応用をめざしたデバイス試作に取組む。評価に際しては、昨年度に導入した原子間力顕微鏡では軟骨やゲルの液中表面観察や物性評価が可能であり、平成25年度には高速スキャン機能を付加し、迅速で詳細な解析に活用する。また、平成24年度に試作した膝蓋大腿関節部を含む膝関節シミュレータや25年度に試作予定の股関節評価システムなどを活用して評価し、最適設計に反映させる。
まず、【１】生体関節の多モード適応潤滑機構の解明に関しては、軟骨表面と軟骨バルクの各モデルを確立し、その成果に基づき、生体関節構造・形態と多モード適応潤滑機構の体系化をめざす。また、【２】生体規範超潤滑ハイドロゲル人工軟骨の実用化に関しては、今後、ハイドロゲルの最適構造と成形法を確立し、その成果に基づき、ハイドロゲルの高機能化設計原理の確立と人工軟骨・人工関節フルモデルの試作・評価に展開させる。 最終的には、従来型の人工関節に関する臨床的知見を基盤にしながら、全研究成果を統合・総括し、多様な作動条件下で生涯にわたり円滑な動作を可能としている生体関節の主要素である生体関節軟骨の諸機能を代替できる高機能ハイドロゲル人工軟骨を実現し、「生体規範人工軟骨の臨床実用化技術」の確立をめざす。
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[Book] 共立出版2013
Author(s)
佐藤正明・出口真次・安達泰治・村上輝夫・廣川俊二
Total Pages
230
Publisher
バイオメカニクスの最前線
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