2014 Fiscal Year Research-status Report
人工関節摩擦部分からの金属イオン溶出のメカニズムの解明とその予防指針の策定
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26420083
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| Research Institution | Kitasato University |
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Principal Investigator |
馬渕 清資 北里大学, 医療衛生学部, 教授 (70118842)
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2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 人工股関節 / 微動摩耗 / 金属イオン / 不動態被膜 / 摩耗試験 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
今年度は，一定の周期下でCoCr合金 同士を往復微動摩擦し，不動態被膜の破壊や再形成に対する摩擦距離の影響を確認することを目的とする実験を行った．不動態被膜の形成は酸化反応であり，破壊により金属イオンが溶出するため，合金の電位を測定することで不動態被膜の挙動を観察した．
電気的な絶縁状態で微動摩擦を構築するための専用の摩擦試験機を特別に新規設計し，本研究課題予算によって購入した．試験材料として，人工関節材料の規格(ASTAST M F75)に準拠したCoCr合金製円柱型ピンと円盤タブレット試料を人工関節のメーカに依頼して作製して実験に用いた．
摩擦実験の前に，疑似体液PBS溶液に円柱試験片と円盤試験片を30min浸漬した．PBSに浸漬した試験片を製作した微動摩擦試験機に設置して，30 min往復動摩擦させた後，動作を停止し，30 min静置した．その間のピンと溶液の間の電位を参照電極によって検出し，AD変換の後デジタルデータとして記録した．往復周期は1 Hz，摩擦距離をそれぞれ0.2，1.0，2.0mmとした． ピンの垂直荷重は10 Nとした．予備浸漬の間に平衡状態となっていた電位は、摩擦開始と同時に低下し，摩擦停止と同時に徐々に増加した．この摩擦による電位低下ΔVと摩擦後の電位上昇時の時定数τを求め，それぞれ不動態被膜破壊，および修復速度の尺度とした．摩擦距離が0.2mmではΔVは低値だがτが高値，すなわち修復に時間を要するという傾向が得られた．それに対し摩擦距離が1.0，2.0mmと増加するに従いΔVは増加し，τは減少した．
この結果，CoCr合金の表面不動態被膜は，繰り返し摩擦距離が小さいほど，回復時間が遅延することがわかった．これは，摩擦距離が小さいほど，溶液に露出する時間が短くなり，破壊した不導体被膜の摩擦運動中の回復が阻害されるためと考えられた．
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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
本研究課題予算により，新規に微動摩耗専用の摩耗試験器を設計製作，購入することができた．平成26年度において，すでに実験を開始し，その結果をまとめて，第37回バイオトライボロジシンポジウムにおいて，学会報告を完了できた．
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| Strategy for Future Research Activity |
コバルトクロム合金同士の摩擦面についての実験を遂行してきた．今後は，コバルトクロム合金とそれ以外の材料を組み合わせた場合について，同様の微動摩耗試験を実施し，微動摩耗における，摩擦距離と不導体被膜の破壊の関連について詳細な検討を行う．相手面材料としては，医療用グレードのチタン合金，超高分子量ポリエチレン，アルミナセラミックス，ジルコニアセラミックスのピン試験片を製作して用いる予定である．
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| Causes of Carryover |
昨年の初年度においては，微動摩耗の測定のための専用の試験機を，本研究課題予算にて設計，製作した．すでに，金属と金属の摩擦面については，実験を開始しいくつかの成果を得ている．
当初計画では，市販の汎用試験機を導入する予定であったが，機能を限定して新規製作したことで，大幅に安価な装置を入手できた．そのため，一部の予算を来年度以降に留保できた．
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
人工股関節の頚部と骨頭は，問題が発生している金属と金属の組み合わせ以外の，セラミックスと金属，ポリエチレンと金属の組み合わせについても，微動摩耗による金属イオンの溶出の可能性がある．この点に付いての検討を加えるため，種々のインプラント材料についての微動摩耗試験を継続するとともに，人工股関節全体の応力解析を進めて，応力変動にともなう微動摩耗の発生を予測する解析を行う．１．セラミックスとポリエチレンの微動摩耗試験片を製作する費用とする．
２．人工股関節の臨床使用モデルを３機種購入するための費用とする．
３．人工股関節の三次元形状をもとに，有限要素モデルを作成するため，CT画像からの空間メッシュ生成を自動的に行うソフトウエア SIMPLE WEARを，導入するための費用とする．
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