2012 Fiscal Year Research-status Report
ＰＥ摩耗ゼロを目指す人工股関節摺動面形状のデザインとその加工技術開発
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24500505
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Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Research Institution | Saitama University |
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Principal Investigator |
森田 真史 埼玉大学, 理工学研究科, 教授 (20112667)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
三木 将仁 埼玉大学, 研究機構総合技術支援センター, 専門技術員 (90515066)
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| Project Period (FY) |
2012-04-01 – 2015-03-31
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| Keywords | 人工関節 / 生体親和性 |
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| Research Abstract |
人工関節摺動部の摩耗粉（特にポリエチレン）は多量に生じること、周囲輔組織に蓄積されて強い炎症とルースニングの原因になることが知られている。Ti-13Zr-13Nbは生体親和性に優れたチタン材料である。同金属を骨頭に、また、ＰＥを臼蓋にした人工股関節を構成する。その際、特にＰＥ摩耗粉を低減するために従来の関節面半径隙間をできるだけ縮小し、流体潤滑膜の維持を容易にする。
実際に試作したＴｉ骨頭とＰＥの半径隙間は既存製品の40-100μｍに対して8-20μｍの組み合わせを試作した。これを供試材として、骨頭/臼蓋間を潤滑液としてＰＶＡで満たし、沈み込み時間（500Ｎの垂直荷重で押しつけて修道面が接触するまでの時間）を測定したところ、既存品はほぼ瞬間的に潤滑液が排除されたのに対して、試作品は600～1000秒と十分な渋滞膜維持性を有することが確認された。
このような優れた潤滑性を維持する骨頭は高い真球精度を有する必要がある。我々は型彫り放電加工によりその課題を解消した。最終仕上げで0.5μｍを目標に加工したが、0.8μｍ以上に精度をあげることはできなかった。また、ＰＥ臼蓋の凹面加工もできるだけ真球精度の高い加工が必要であるが、ＰＥは極度に軟質であるため、真球度は8μｍ程度にとどまった。しかし、これらの加工精度の改善により、前述のＰＥと金属骨頭の直接接触を防ぐことが可能であることが期待でき、一応の成果が認められた。
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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
１）放電加工による骨頭球の作成
Ti-13Nb-13Zr(ASTM F1713)を旋盤で粗加工し、型彫り放電加工削り代を0.05ｍｍに粗加工、その後、型彫り放電加工で真球度を1μｍ以下にする。最終的には0.5μｍの加工を実現し、目標は達成した。
２）半径隙間10μｍ、真球度5μｍの加工
粗加工したTi合金を更に真球度を挙げ0.5μｍを目標にボール研削盤でラッピングした。結果は0.75μｍが最良で、到達目標には一歩及ばなかったが、人工関節流体膜維持の観点からほぼ満足できる結果が得られた。ただし、加工時間と粗、中、仕上げ研削によって加工時間が大幅に増大した。
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| Strategy for Future Research Activity |
１）人工関節摺動面の摩耗をゼロを目指すには関節面の直接接触を極力避けることである。そのために関節面は常に流体膜で覆われている必要がある。流体膜維持能は体液の粘度と密接に関連し、定粘度であるほど流体膜の維持は難しく、より半径隙間を少なくする必要がある。また、それを達成するためには骨頭の加工精度を向上させることが不可欠である。我々は、潤滑能を高めることでＰＥの摩耗を低減する。
２）１）の効果を実験的に確認するために人工関節シミュレータを用いて実際の歩行運動を想定して潤滑膜維持能を評価する。
３）金属表面にＤＬＣ膜を被覆し、ＰＥの焼け付きを防止することで、ＰＥのデラミネ－ション、摩耗粉脱落を防ぐ。ＤＬＣ被覆は、直接接触が発生した場合の緊急的摩耗回避と考えている。
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| Expenditure Plans for the Next FY Research Funding |
該当なし
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