2013 Fiscal Year Annual Research Report
炎症性サイトカイン産生を抑制する人工関節表面の実験的証明
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25289024
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Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Research Institution | Kumamoto University |
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Principal Investigator |
中西 義孝 熊本大学, 自然科学研究科, 教授 (90304740)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
三浦 裕正 愛媛大学, 医学(系)研究科(研究院), 教授 (10239189)
村瀬 晃平 名古屋大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (80298934)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 人工関節 / 摩耗 / ポリエチレン / トライボロジー / 機械工学 / 設計工学 / 生体反応 / 耐食性金属 |
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| Research Abstract |
人工関節から発生する超高分子量ポリエチレンの摩耗粉は、人工関節周辺組織の炎症や骨融解を引き起こす。生体反応を抑制するためには、摩耗粉の量を抑制することも大切だが、摩耗粉のサイズを大きくすることの方がより大切である。なぜならば、摩耗粉が大きければマクロファージからの貪食が抑えられ、炎症性サイトカインの放出を抑制できるからである。
人工関節の軸受部は超高分子量ポリエチレン（UHMWPE）と硬質材料（Co-Cr-Mo合金やセラミックス）で構成されるものが多い。申請者らは、Co-Cr-Mo合金の研磨方法について検討を重ね、従来の研磨（ラッピング）とトライボロジー理論をハイブリッド化することにより、さまざまな表面性状が創製できることを発見した。
上述の目的を達するための表面性状として、１）従来の鏡面仕上げレベル（Ra=20nm程度）から、1/10以下のレベル（Ra=数nmレベル）に超平滑化する必要がある、２）適切な表面テクスチャリングを数十nmレベルで施し、摩擦面間に介在する潤滑液の挙動をコントロールする必要がある、との結論を実験的に導き出した。
新しく創成した面を用いることにより、１) UHMWPEの摩耗粉量が50％以上抑制できること、２) 摩耗粉サイズが肥大化し、マクロファージから貪食されにくい5μm以上のものを全体の50％以上にできること、３) 摩耗粉の形態（アスペクト比）には影響を与えないこと、４) マウス由来RAW264細胞を摩耗粉存在下で培養しても、細胞数の減少が抑制できること、が確認できた。この表面は従来の表面粗さ指標だけでは的確に表現できないものであったが、新たにテクスチャリングパラメータを付与することで的確に表現できるようになった。
この創成面を的確にかつ大量に作り出す方法として、新たな研磨方法を提案し、製品への応用展開がほぼ可能であるとの結論に達した。
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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
１． 創成面で発現する摩耗メカニズム（仮説）が明確となり、目標とする表面性状が明らかとなった。
２． 目標とする表面性状を的確に表現するパラメータを見いだした。
３． 新たな高機能遊離砥粒の追求により、創成面を的確かつ大量に作り出す方法を見いだした。
４． 実験的検証が進み、潤滑液条件の更新を行うことができた（H26年度予定分）。
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| Strategy for Future Research Activity |
研究の進捗による成果公表と、その公表に対する他研究機関での追試験を容易にするため、潤滑液を牛血清に切り替えた実験を加速させる。牛血清のロットの違いや経時変化による結果のばらつきを抑制するため、潤滑液の管理の厳格化する。
Pin-on-disc試験については、過去の成果との比較のため、引き続き継続して実験を行うとともに、準備ができ次第、関節シミュレータ試験を開始する。
摩耗粉毒性については、これまでラット由来の細胞を使用してきたが、研究を加速させるため、ヒト由来についての実験について検討する。
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