2014 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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| Outline of Annual Research Achievements |
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 : 摩擦・可視化試験や吸着評価試験により関節液の主要4成分による最適組成(模擬関節液)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モデル軟骨部流れ非侵襲計測により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-FTに対して模擬関節液による極小摩擦・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、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最適構造ゲルにおいて模擬関節液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により異物応答が見られないことを確認した。(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・48週での生体適合性と機能維持を確認したが、ゲル表面の局部破損や硬化も生じたため改善策を検討した。
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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の経時的変化を明確化し圧力測定にて速度条件による相違を検証し、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を評価し、吸着膜の構造推定を可能にした。また、スペックル計測による軟骨部流れ非侵襲計測によりゲル内部とすきま部の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いて最適製法条件を見出し優れた低摩擦・低摩耗の維持を可能にした。摩耗粉への異物応答に関しマクロファージ評価系により生体適合性を確認した。FTゲルの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したが、FTゲルの局部破損や硬化の問題も判明したので、ハイブリッドゲルによる改善策を立案した。
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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確立を進める。
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と評価に取組む。評価に際しては、単純往復動試験での摩擦・摩耗評価によりゲルの最適条件を探求するとともに原子間力顕微鏡での液中表面観察や物性評価を連携させる。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適正な物性評価に基づく表面・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。ハイブリッドゲル・人工骨複合体を試作し関節環境での機能評価を行う。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] Ultrasound can detect macroscopically undetectable changes in osteoarthritis reflecting the superficial histological and biochemical degeneration : ex vivo study of rabbit and human cartilage2014
Author(s)
Nishitani K, Kobayashi M, Kuroki H, Mori K, Shirai T, Satake T, Nakamura S, Arai R, Nakagawa Y, Nakamura T, Matsuda S.
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Journal Title
PLoS One
Volume: 9
Pages: e89484
DOI
Peer Reviewed
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[Presentation] 膝関節のスポーツ障害2014
Author(s)
松田秀一
Organizer
平成26年度大分県整形外科 臨床整形外科医会
Place of Presentation
レンブラントホテル大分(大分県大分市)
Year and Date
2014-06-14
Invited
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