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2012 Fiscal Year Research-status Report

人工関節に適した金属の研磨技術の開発

Research Project

Project/Area Number 23659728
Research InstitutionKumamoto University

Principal Investigator

中西 義孝  熊本大学, 自然科学研究科, 教授 (90304740)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 三浦 裕正  愛媛大学, 医学(系)研究科(研究院), 教授 (10239189)
Keywords人工関節 / 生体反応 / 摩耗 / ポリエチレン / 研磨 / 合金 / テクスチャリング
Research Abstract

人工関節の軸受材料である超高分子量ポリエチレン(UHMWPE)の摩耗粉は骨融解やそれに伴う人工関節のゆるみなどの原因となる。これは白血球の1つであるマクロファージが摩耗粉を貪食し、炎症系のサイトカインを放出するからである。摩耗粉のサイズが1.0μm以下になるとその現象は顕著となり、その摩耗粉総量により反応の大きさが変わってくる。本研究の目的は、UHMWPEの相手面材料として利用されているCo-28Cr -Mo合金の研磨法を工夫し、摩耗粉の肥大化と総摩耗量の抑制を両立させるテクスチャリングパターンを見出すことである。去年度の成功事例を踏まえ、本年度はUHMWPEの摩耗粉肥大・総摩耗量抑制機構を解明し、さらなる効果を生むテクスチャリングパターンの発見に努めた。テクスチャリングパターンは幾何学的な指標を使い整理した。一般的な人工関節表面を再現したG-1(Ra=10nm)と比較し、UHMWPEと接触する凸部の粗さをRa=1nm程度に小さくし、深さ50nm以下のディンプルや溝を付与した表面をP-1、P-1のディンプルや溝の付与率を順次減少させたものをP-2~P-4、P-2の表面プロファイルを横方向に広げ、表面うねり成分を順次強調したW-1とW-2と整理した。これらの面は一般的なラッピング装置を利用し、加工条件を変えるだけで創成できることを例証した。Pin-on-disc装置による摩耗試験により、去年度に炎症性サイトカイン(IL-6)の発現の抑制に成功したW-1と比較し、総摩耗量が50%以下となる面(P-1)を見出すことができた。これらの結果より、切削性摩耗を抑制するため凸部の粗さをRa=1nmまで小さくする必要はあるが、これに伴う凝着性摩耗を抑制するためのディンプルや溝は面積占有率3%以下で良いことが判明した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

これまでに得られた研究成果(テクスチャリング面)を実際の人工関節面に合わせた曲面に展開する方法を見出している。1つは砥粒の改良であり、2つめは研磨法の抜本的変更である。砥粒の改良においては、去年度まで2~5μmの砥粒を利用してきたが、この砥粒サイズを適用しつつナノメートルレベルのテクスチャリングを施すには多大なる時間が必要であった。本年度は砥粒サイズをナノメートルサイズまで極小化し、超微細加工の効率を向上させることに成功した。これは製品化の際の製造コストに直結する。研磨法については従来、遊離砥粒法が有効かつ簡便であったが、人工膝関節のような自由曲面に対応するため、砥粒噴射方式への移行を行っている。遊離砥粒法により10nm程度の平滑面まで処理した後、砥粒を分散させたスラリーを高速噴射するとともに、噴射部位を数値制御できるようになり、的確なテクスチャリングの実現と加工作業の効率化に成功している。

Strategy for Future Research Activity

摩耗試験で利用している潤滑液として現在、牛血清と同じ境界潤滑性能を持つ模擬関節液を利用している。実験結果のバラツキが少なく、基礎的な試験では非常に有用な液体であったが、これまでの研究報告に対する議論の中で、世界的な基準である牛血清への切り替えが、世界的にも理解を得やすいとの結論に達したため、現段階の結果がまとまった時点で、切り替えを行う予定である。

Expenditure Plans for the Next FY Research Funding

該当なし

  • Research Products

    (14 results)

All 2012 Other

All Journal Article (3 results) (of which Peer Reviewed: 2 results) Presentation (10 results) (of which Invited: 1 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] バイオトライボロジー研究の現状2012

    • Author(s)
      中西義孝
    • Journal Title

      機械の研究

      Volume: 64-1 Pages: 901-906

  • [Journal Article] New Suture Method for Radial Tears of the Meniscus2012

    • Author(s)
      Hirokazu Matsubara
    • Journal Title

      The American Journal of Sports Medicine

      Volume: 40-2 Pages: 414-418

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] CT画像に基づくX線動画像シミュレーションを用いた健常膝蓋骨の動態解析2012

    • Author(s)
      白石善孝
    • Journal Title

      臨床バイオメカニクス

      Volume: 33 Pages: 185-192

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Nano-Level Surface Texturing on Co-Cr-Mo alloy Inhibits Macrophage Activation in Joint Prostheses2012

    • Author(s)
      Yoshitaka NAKANISHI
    • Organizer
      International Society for Technology in Arthoplasty, 25th Annual Congress
    • Place of Presentation
      ヒルトンホテル(シドニー・オーストラリア)
    • Year and Date
      20121003-20121006
  • [Presentation] 人工関節摩擦面の表面状態と摩耗特性の関係

    • Author(s)
      中西義孝
    • Organizer
      2012年度精密工学会春季大会学術講演会
    • Place of Presentation
      東京工業大学(東京)
  • [Presentation] 熊本における医工連携の取組み

    • Author(s)
      中西義孝
    • Organizer
      九州経済産業局 九州産業技術センター主催 第4回医工連携推進研究会
    • Place of Presentation
      グランメッセ熊本(熊本)
    • Invited
  • [Presentation] 深屈曲動作時における人工関節置換膝と健常生体膝の動態の比較

    • Author(s)
      西松和穂
    • Organizer
      日本機械学会第25回バイオエンジニアリング講演会
    • Place of Presentation
      産業技術総合研究所(茨城)
  • [Presentation] 6 自由度動態解析手法を用いた Stair-climbing 動作における健常膝蓋骨の機能評価

    • Author(s)
      白石善孝
    • Organizer
      日本機械学会第25回バイオエンジニアリング講演会
    • Place of Presentation
      産業技術総合研究所(茨城)
  • [Presentation] 人工関節の表面研磨法が摩耗粉形態とサイトカイン産生に与える影響

    • Author(s)
      中西義孝
    • Organizer
      第39回日本臨床バイオメカニクス学会
    • Place of Presentation
      幕張メッセ(千葉)
  • [Presentation] 軸受面のテクスチャと超高分子量ポリエチレンの摩擦・摩耗特性の関係

    • Author(s)
      中西義孝
    • Organizer
      日本機械学会九州支部福岡講演会
    • Place of Presentation
      福岡工業大学(福岡)
  • [Presentation] Co-Cr-Mo合金の研磨法が人工関節用超高分子量ポリエチレンの磨耗特性に与える影響

    • Author(s)
      伊熊駿
    • Organizer
      トライボロジー会議2012秋
    • Place of Presentation
      室蘭工業大学(北海道)
  • [Presentation] Co-Cr-Mo 合金上の表面テクスチ ャリンクが人工関節の生体反応活性に与える影響

    • Author(s)
      中西義孝
    • Organizer
      2012年度精密工学会秋季大会学術講演会
    • Place of Presentation
      九州工業大学(福岡)
  • [Presentation] 人工関節摺動面研磨法が超高分子量ポリエチレンの摩耗粉形態に与える影響

    • Author(s)
      中西義孝
    • Organizer
      第51回日本生体医工学会大会
    • Place of Presentation
      福岡国際会議場(福岡)
  • [Remarks] 中西義孝研究室webページ

    • URL

      http://www.mech.kumamoto-u.ac.jp/Info/lab/biomech/Welcome.html

URL: 

Published: 2014-07-24  

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