2013 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)
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)
鈴木 淳史 横浜国立大学, 環境情報研究院, 教授 (90162924)
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| Project Period (FY) |
2011-05-31 – 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と固相摩擦の考慮により摩擦予測と実測値の合致を確認できた。(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を評価した。
【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評価した。(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に対して最適組成潤滑剤による極小摩擦・最小摩耗を確認できた。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、物性改善と低摩擦性を見出した。c)2種のゲルの最適組合せのハイブリッドゲルにおいて水潤滑下における摩擦摩耗特性の高性能化を確認できた。(3)摩耗粉へのマクロファージ反応 : 株化単球細胞由来マクロファージによる摩耗粉応答の評価系を構築した。(4)人工関節の臨床課題の解析評価を行い各種の改善指針を得た。人工軟骨家兎膝関節埋入試験を行い、24週での生体適合性と機能維持を確認した。
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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
生体関節軟骨の構造・物性や生体関節液組成の合理性の験証を進展させるとともに、ハイドロゲル人工軟骨により類似機能を再現できた。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。原子間力顕微鏡高速スキャンの導入により軟骨・人工軟骨の観察を高速化できた。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を評価し、吸着膜の構造推定を可能にした。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流れ動態評価を可能にした。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、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した。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の共通性を見出した。ゲルの製法により構造や物性が異なることを見出し、ハイブリッドゲルにおける低摩擦・低摩耗の維持を可能にした。ゲルの多孔体への固定を可能にした。摩耗粉への異物応答に関しマクロファージによる評価系を構築した。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。
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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、主としてハイブリッドゲルの高機能化を進めながら、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、昨年度に高速スキャン機能を付加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に関して迅速で詳細な解析に活用する。また、油圧制御型および能動型膝関節シミュレータや25年度に改造した股関節シミュレータなどを活用して動的挙動を評価し、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、有限要素解析と各種実験との合致を重視して研究を進める。固液二相潤滑機構を考慮した軟骨の表面・バルクのモデル化と、関節液主要成分による吸着膜形成機構の解明に基づき、生体関節構造・形態と多モード適応潤滑機構の関係の体系化をめざす。その結果として、長期的に低摩擦・低摩耗を維持する主要条件を明確化する。
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、ハイドロゲルの構造・成形法の最適化に基づき、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。とくに、ハイブリッドゲルの高機能化(低摩擦・低摩耗)を実現する製法を確立し、構造・機能との関連を明確化する。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、新たな高機能医療デバイスとしての人工軟骨を提案する。
このように、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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[Journal Article] Osteoconduction of porous Ti metal enhanced by acid and heat treatments2013
Author(s)
5. Kawai T, Takemoto M, Fujibayashi S, Akiyama H, Yamaguchi S, Pattanayak DK, Doi K, Matsushita T, Nakamura T, Kokubo T, Matsuda S.
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Journal Title
J Mater Sci Mater Med
Volume: 24
Pages: 1707-1715
DOI
Peer Reviewed
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