2015 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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| 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 / 炎症性サイトカイン / 表面テクスチャリング / 摩耗粉毒性 / 摩耗粉分析 / 超精密加工 / トライボロジー |
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| Outline of Annual Research Achievements |
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。摩耗粉をマクロファージが貪食し、炎症性サイトカインの産生を発現させるからである。本年度の実験結果によれば、ヒト由来単球マクロファージの生存率は摩耗粉の総表面積（＝個数×個々の表面積）に比例して下がるが、炎症性サイトカインの産生は特定の総表面積にピークがある可能性が明らかとなった。培養実験にあたってはポリエチレンの比重が１より小さく、培地に浮遊する可能性が指摘されている反面、粒子形態や蛋白質等の吸着により水和し、沈降する可能性があることも確認できた。そのため、培養実験においては適宜、倒立培養と正立培養を平行して行い、より正確なデータの把握に努めている。総表面積は摩耗粉の量とサイズ／形態を制御できれば調整可能である。その制御法として硬質側軸受面（ポリエチレン相手面）の表面テクスチャリング処理を実施した。テクスチャリング処理にはマイクロスラリージェットエロージョン法を適用した。これによりポリエチレンと接触する可能性がある山部での算術平均粗さ、および山部と谷部の高低差をナノメートルオーダーで調整できるようななったほか、摺動面全体における山部と谷部の歪度や摺動面全体の尖度をもコントロールすることが可能になり、摺動面テクスチャの設計範囲を格段に拡大することが可能となった。超高分子量ポリエチレンとCo-28Cr-6Mo合金の多方向すべりpin-on-disc試験装置に改善を加え、摺動パターンを変更させることにより股関節または膝関節に近い運動パターンをシミュレートでき、その他の条件はISO 14242または14243に準拠することができた。炎症性サイトカインの産生ピークを回避できる表面パターンを見出し、人工関節適用へのロードマップを構築する体制が整った。
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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
ヒト由来単球マクロファージに模擬摩耗粉（PMMA製）を与えた場合、炎症性サイトカイン（IL-6、TNF-α）産生のピークが1.0×105～3.0×105μm2/cellの範囲にあることが判明した。産生のピークが粉投与表面積（＝個数×個々の表面積）のパラメータで判定できる可能性があるため、当該パラメータによる評価を取り入れた実験計画を立てている。これは、摩耗粉がおお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産生を抑制できると考えてきた従来とは異なり、今後の研究計画を加速度的に展開できる貴重なパラメータである。培養実験にあたってはポリエチレンの比重が１より小さく、倒立培養による試験が推奨されてきた。しかし、粒子形態や蛋白質等の吸着により水和し、沈降する可能性があることも確認できたため、培養実験においては適宜、倒立培養と正立培養を平行して行い、より正確なデータの把握に努めることとなった。H26年度に高速かつ高精度なテクスチャリングを行う方法として新しい超精密加工法（マイクロスラリージェットエロージョン法）の採用と装置の完成を行ったが、本年度はスラリーノズル部形状の改良および駆動系の追加により、曲面への対応や水平方向の加工精度が向上した。現在、表面の粗さは1nm程度まで小さくすることができ（通常の1/10）、かつ、任意のうねり（凹凸）を深さ方法0～1μm、水平方向200μmで付与することができる。分析項目が充実したこと、表面テクスチャリングの加工可能レベルが上がっていることより、表面テクスチャと摩耗粉毒性の関係をより幅広く、かつ詳細に調査することに力を注いでいる。そのため、シミュレータの適用についてはpin-on-disc装置の運動軸を更新し、運動パターンの変化に自由度を持たせ、その他の条件はISO 14242または14243に準拠することで対応している。
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| Strategy for Future Research Activity |
【１．細胞試験方法の更新による生体反応試験の精度向上】産生のピークが粉投与表面積（＝個数×個々の表面積）のパラメータで判定できることを検証するため、投与粒子を超高分子量ポリエチレンに切り替え、１細胞あたりの投与面積が炎症性サイトカインの産生量に与える影響を詳細に検討する。培養実験にあたっては、倒立培養と正立培養を平行して行い、より正確なデータの把握を行う。炎症性サイトカインの分析対象としてIL-6とTNF-αを主に行う。
【２．試験装置の更新による摩耗特性試験の精度向上】潤滑液として利用する牛血清など試験条件については、ISO 14242または14243に準拠する。試験材料を超高分子量ポリエチレン（GUR1050）とCo-28Cr-6Mo合金（ASTM F75）に限定し、更新した多方向すべりpin-on-disc試験装置の摺動パターンを股関節または膝関節に近い運動パターンに変更した実験を行う。潤滑液から分離した摩耗粉の分析は電子顕微鏡による複雑度、長軸方向長さ、短軸方向長さ、および等価円直径とする。
【３．人工関節表面創成のための自動化システムの構築】曲面へのテクスチャリングを実施し、最終目標の補強データを蓄積する。平面へのテクスチャリングについては、表面粗さの影響（1nm～20nm）、うねり深さの影響（0～1μm）ならびにうねり間隔の影響（200μm～2mm）の間でテクスチャリングの幅を広げ、摩耗試験に適用する。
【４．人工関節形状への適応】細胞培養試験により得られるサイトカイン産生量、高機能性状面創成のための加工パラメータ、高機能性状面の自動加工システムの関係を明瞭化し、最終段階となる人工関節形状への適応をめざす。これに対応できる加工装置の概念設計を終了させ、既存の人工関節においても摺動面加工過程の差し替えで対応可能な人工関節性能向上システムの構築を目指す。
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[Journal Article] 人工股関節全置換術前後における深屈曲位からの立ち上がり動作時の動態解析2015
Author(s)
池部怜, 王亦峰, 日垣秀彦, 石川篤, 白石善孝, 下戸腱 ,中西義孝, 原大介, 濱井敏, 中島康晴, 岩本幸英
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Journal Title
臨床バイオメカニクス
Volume: 36
Pages: 253-258
Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
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[Presentation] Precision machining to bearing surface for artificial joint inhibits macrophage actitation2015
Author(s)
Nakanishi Yoshitaka, N.Nishi, H.Chikaura, Y.Nakashima, Y.Fujiwara, Y.Komohara, M.Taleya, H.Mizuta, H.Miura, H.Higaki
Organizer
6th International Conference on Mechanics of Biomaterials and Tissues
Place of Presentation
Waikoloa, Hawaii, USA
Year and Date
2015-12-06 – 2015-12-10
Int'l Joint Research
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[Presentation] 人工関節からの摩耗粉がマクロファージの活動と炎症性サイトカイン産生量に与える影響2015
Author(s)
近浦裕斗,西真生,吉岡陸,政岡晴行, 中島雄太,藤原章雄,菰原義弘,竹屋元裕, 水田博志,日垣秀彦,中西義孝
Organizer
第26回バイオフロンティア講演会
Place of Presentation
九州大学（福岡市）
Year and Date
2015-10-02 – 2015-10-02
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[Presentation] 人工関節軸受部の表面テクスチャが生体反応因子に与える影響2015
Author(s)
中西義孝, 西真生, 近浦裕斗, 中島雄太, 藤原章雄, 菰原義弘, 竹 屋元裕, 水田博志, 三浦博正, 岩本幸秀, 日垣秀彦
Organizer
日本機械学会2015年度年次大会
Place of Presentation
北海道大学（札幌市）
Year and Date
2015-09-13 – 2015-09-16
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[Presentation] Micro Slurry-Jet Erosion for Processing to Bearing Surface of Artificial Joint2015
Author(s)
Yoshitaka Nakanishi, Yuta Nakashima, Hiroto Chikaura, Naoki Nishi, Yukio Fujiwara, Motohiro Takeya, Yukihide Iwamoto, Hiroshi Mizuta, Hiromasa Miura, Hidehiko Higaki
Organizer
2nd Pan Pacific Orthopaedic Congress
Place of Presentation
Hawaii, USA
Year and Date
2015-07-22 – 2015-07-25
Int'l Joint Research
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