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2015 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

Research Project

Project/Area Number 26420083
Research InstitutionKitasato University

Principal Investigator

馬渕 清資  北里大学, 医療衛生学部, 教授 (70118842)

Project Period (FY) 2014-04-01 – 2017-03-31
Keywords人工股関節 / 微動摩耗 / 不動態被膜 / 摩耗試験
Outline of Annual Research Achievements

今世紀になって,使用頻度が急増した金属同士の摩擦面を有する人工股関節において,2010年以降に,高頻度で異常な生体反応が発生することが明らかになり,その原因が,金属イオンの溶出にあると推定されている.
本研究課題では,骨頭と頸部の間のはめ合い接合部の微動摩耗について,不導体膜の破損のメカニズムを明らかにし,金属イオンの溶出を防ぐための人工関節のデザインを模索することを目指した.往復動の振幅や摩擦速度の条件を種々に変えて摩擦試験を行い,その過程で,腐食電位測定を逐次行うことで,不動態膜の損傷,修復過程をモニターした.振幅や速度と不動態膜の破壊の関連を求め,そのメカニズムを推定した.実験対象として,コバルトクロム合金同士の組み合わせのピンとディスクを用いた.
摩擦を開始すると,腐食電位は,摩擦の往復動のストロークが0.1mm~0.8mmまでの間で0.05~0.3 V低下した.さらに,1mmのストロークでは,0.15 Vとなった.
摩擦運動を停止した後,腐食電位は,次第に回復した.その経過を,一次遅れ要素のステップ応答に近似して,その時定数を求めたところ,その値は,ストロークが0.1 mm~0.8 mmでは,0.2 s ~ 0.6 sと上昇した.しかし,1 mmのストロークの時には0.05 sに低下し,最も小さい値となった.
微小なストロークが,不導体膜の修復を妨げるという当初の仮説は,明確に検証できなかった.不動態膜の回復に要する時間は,ストロークの影響をあまり受けなかった.

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

前年度の実験において,いくつかの条件で,スティックスリップによる振動が激しく発生するために,測定精度の維持が困難だった.そのスティックスリップを防ぐために,今年度は,試験機の最小滑り条件を変更することで,対応できた.27演題の学会報告と4編の原著論文の公表が達成できた.

Strategy for Future Research Activity

スティックスリップをさらに抑えるために,滑り方向に対して傾斜した運動方向に自由度を与える予定である.そのために,摩耗試験機に,新しい構造を組み込む予定である.その製作費用を本課題で支出する予定である.
摩耗実験の往復動のストロークの最小幅については,これまで,0.1mmだった.さらに,微動条件を確立するために,最小ストローク幅を,0.01mmとして,実験を継続する予定である.

Causes of Carryover

昨年度までの実験において,スティックスリップ現象の影響のために,実験結果の信頼性が失われていた.その解消を目的とした,摩耗試験装置の改造を目指した結果,いくつかの装置を加える必要が生じた.その手配の完了のタイミングが,年度末になってしまい,2015年度には,制御プログラムのみの変更に止めて,本体の改造については,やむを得ず,次年度に購入を予定した.

Expenditure Plan for Carryover Budget

主に,人工関節摩擦摩耗試験機用上部掴みチャック(30度捩り)の購入費用として支出する予定である.また,試験片の製作,購入費用への支出を考えている.
その他としては,成果公表のための,論文掲載費および学会発表に悲痛ような旅費,交通費に支出予定である.

  • Research Products

    (29 results)

All 2016 2015

All Journal Article (2 results) (of which Peer Reviewed: 2 results) Presentation (27 results) (of which Int'l Joint Research: 11 results,  Invited: 13 results)

  • [Journal Article] 上腕骨近位部骨折に対する逆行性髄内釘の固定性評価2016

    • Author(s)
      酒井利奈,内野正隆,伊藤大器,田中健誠,中尾将輝,本名 美佳,山田 拓哉,占部憲,五味勉,馬渕清資
    • Journal Title

      バイオメカニズム学会誌

      Volume: 40 Pages: 131-136

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] 上腕骨近位端部骨折に対する内固定法の比較2016

    • Author(s)
      酒井利奈,内野正隆,伊藤大器,田中健誠,中尾将輝,占部憲,馬渕清資
    • Journal Title

      骨折

      Volume: 38 Pages: 210-214

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] 関節の滑りからバナナの滑り,そして生命科学へ2016

    • Author(s)
      馬渕清資
    • Organizer
      第14回姿勢と歩行研究会
    • Place of Presentation
      興和創薬株式会社本社11階ホール(東京都中央区)
    • Year and Date
      2016-03-12
    • Invited
  • [Presentation] 科学が拡げる精神世界2016

    • Author(s)
      馬渕清資
    • Organizer
      平成27年度理化学研究所研究員総会
    • Place of Presentation
      理化学研究所鈴木梅太郎記念ホール(埼玉県和光市)
    • Year and Date
      2016-02-23
    • Invited
  • [Presentation] 粘液の科学 - 生命現象としての摩擦と潤滑 -2016

    • Author(s)
      馬渕清資
    • Organizer
      第16回神奈川性感染症学会
    • Place of Presentation
      橫浜情報文化センター(神奈川県横浜市)
    • Year and Date
      2016-02-13
    • Invited
  • [Presentation] Limit of engineering in joint prostheses2016

    • Author(s)
      Mabuchi K, Sakai R
    • Organizer
      International Symposium on Artificial Hydrogel Cartilage, Joint Replacement and Related Topics (ISAHC 2016)
    • Place of Presentation
      九州大学伊都キャンパスゲストハウス(福岡県福岡市)
    • Year and Date
      2016-01-26
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 3 種類の人工関節セメントレスカップにおける固定性の評価2016

    • Author(s)
      中尾将輝,福島健介,内山勝文,酒井利奈,馬渕清資
    • Organizer
      第28回日本機械学会バイオエンジニアリング講演会
    • Place of Presentation
      東京工業大学大岡山キャンパス(東京都目黒区)
    • Year and Date
      2016-01-09
  • [Presentation] PS 型人工膝関節のポストの塑性設計を目的とした力学試験と応力解析2016

    • Author(s)
      田中健誠,中野雅也,酒井利奈,馬渕清資
    • Organizer
      第28回日本機械学会バイオエンジニアリング講演会
    • Place of Presentation
      東京工業大学大岡山キャンパス(東京都目黒区)
    • Year and Date
      2016-01-09
  • [Presentation] 足関節外果骨折に対する内固定法の力学的評価2016

    • Author(s)
      米尾皓正,内野正隆,松浦晃正,峰原宏昌,田中健誠,酒井利奈,馬渕清資
    • Organizer
      第28回日本機械学会バイオエンジニアリング講演会
    • Place of Presentation
      東京工業大学大岡山キャンパス(東京都目黒区)
    • Year and Date
      2016-01-09
  • [Presentation] 科学技術と文化-バナナの皮が拓いた世界-2015

    • Author(s)
      馬渕清資
    • Organizer
      第24回魚沼シンポジア
    • Place of Presentation
      北里大学保健衛生専門学院北里ホール(新潟県南魚沼市)
    • Year and Date
      2015-12-25
    • Invited
  • [Presentation] 腰椎分離症の簡易検出方法の開発,隣接腰椎骨叩打による振動検査法の有用性2015

    • Author(s)
      門倉和成,田原直裕,渡辺裕之,酒井利奈,松永篤彦,馬渕清資
    • Organizer
      第42回日本臨床バイオメカニクス学会
    • Place of Presentation
      ソラシティ カンファレンスセンター(東京都千代田区)
    • Year and Date
      2015-11-13
  • [Presentation] 上腕近位部骨折に対する逆行性髄内釘固定の力学的評価2015

    • Author(s)
      田中健誠,内野正隆,酒井利奈,占部憲,馬渕清資
    • Organizer
      第42回日本臨床バイオメカニクス学会
    • Place of Presentation
      ソラシティ カンファレンスセンター(東京都千代田区)
    • Year and Date
      2015-11-13
  • [Presentation] バナナの皮の滑りが拡げた生命科学の世界2015

    • Author(s)
      馬渕清資
    • Organizer
      第1回神奈川県臨床工学会
    • Place of Presentation
      かながわ労働プラザ(神奈川県横浜市)
    • Year and Date
      2015-10-25
    • Invited
  • [Presentation] Science Outspread from the Tribology on a Banana Peel2015

    • Author(s)
      Mabuchi K
    • Organizer
      SmaSys2015
    • Place of Presentation
      山形大学100周年記念会館(山形県米沢市)
    • Year and Date
      2015-10-09
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] バナナの皮の滑りから広がる自然科学の香り2015

    • Author(s)
      馬渕清資
    • Organizer
      首都大学東京システムデザインフォーラム2015
    • Place of Presentation
      首都大学東京日野キャンパス講堂(東京都日野市)
    • Year and Date
      2015-10-07
    • Invited
  • [Presentation] Effect of Sliding Amplitude of the Reciplocating Micromotion on a Passive Film of Cobalt Chromium Alloy2015

    • Author(s)
      Honna M, Mabuchi K
    • Organizer
      28th Annual Congress of the International Society for Technology in Arthroplasty
    • Place of Presentation
      Hilton Hotel Vienna (Vienna, Austria)
    • Year and Date
      2015-09-30 – 2015-10-03
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Response of Bone on Stationary Load From the Inplant2015

    • Author(s)
      Masaki Nakao, Kentarou Uchida, Rina Sakai, Kouji Naruse, Masashi Takaso, Kiyoshi Mabuchi
    • Organizer
      28th Annual Congress of the International Society for Technology in Arthroplasty
    • Place of Presentation
      Hilton Hotel Vienna (Vienna, Austria)
    • Year and Date
      2015-09-30 – 2015-10-03
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Finite Element Analysis for Plastic Design for the Tibial Post of a PS Knee Prosthesis2015

    • Author(s)
      Kensei Tanaka, Rina Sakai, Kiyoshi Mabuchi
    • Organizer
      28th Annual Congress of the International Society for Technology in Arthroplasty
    • Place of Presentation
      Hilton Hotel Vienna (Vienna, Austria)
    • Year and Date
      2015-09-30 – 2015-10-03
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Effect of friction displacement on a passive film of cobalt chromium alloy2015

    • Author(s)
      Honna M, Mabuchi K
    • Organizer
      The 8th International Biotribology Forum and The 36th Biotribology Symposium, Yokohama
    • Place of Presentation
      橫浜シンポジア(神奈川県横浜市)
    • Year and Date
      2015-09-22
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Finite element analysis of the tibial post in posterior stabilized knee prosthesis2015

    • Author(s)
      Tanaka K, Sakai R, Mabuchi K
    • Organizer
      The 8th International Biotribology Forum and The 36th Biotribology Symposium
    • Place of Presentation
      橫浜シンポジア(神奈川県横浜市)
    • Year and Date
      2015-09-22
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] The stress distribution in the femoral medullary cavity form and surrounding of hip stems: A finite element analyses2015

    • Author(s)
      Yoneo T, Nakao M, Sakai R, Fukushima K, Uchiyama K, Takahira N, Mabuchi K
    • Organizer
      The 8th International Biotribology Forum and The 36th Biotribology Symposium
    • Place of Presentation
      橫浜シンポジア(神奈川県横浜市)
    • Year and Date
      2015-09-22
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Response of bone on stationary load from the implant2015

    • Author(s)
      Nakao M, Uchida K, Sakai R, Mabuchi K
    • Organizer
      The 8th International Biotribology Forum and The 36th Biotribology Symposium
    • Place of Presentation
      橫浜シンポジア(神奈川県横浜市)
    • Year and Date
      2015-09-22
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] A fantasy of an Ig Nobel prize winner -From the tribology on banana peels to a mystery of organics-2015

    • Author(s)
      Mabuchi K, Sakai R
    • Organizer
      The 8th International Biotribology Forum and The 36th Biotribology Symposium
    • Place of Presentation
      橫浜シンポジア(神奈川県横浜市)
    • Year and Date
      2015-09-21
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Stress Distribution in the Femoral Medullary Cavity Form and Surrounding of Hip Stems: Finite Element Analyses2015

    • Author(s)
      Terumasa Yoneo, Masaki Nakao, Rina Sakai, Kensuke Fukushima, Katsufumi Uchiyama, Naonobu Takahira, Kiyoshi Mabuchi
    • Organizer
      28th Annual Congress of the International Society for Technology in Arthroplasty
    • Place of Presentation
      Hilton Hotel Vienna (Vienna, Austria)
    • Year and Date
      2015-09-03 – 2015-10-03
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 香蕉夜話:生命現象としての潤滑2015

    • Author(s)
      馬渕清資
    • Organizer
      第37回バイオトライボロジ-研究会
    • Place of Presentation
      御殿場高原時之栖(静岡県御殿場市)
    • Year and Date
      2015-08-15
    • Invited
  • [Presentation] バナナの皮の滑りから学ぶ生命の神秘2015

    • Author(s)
      馬渕清資
    • Organizer
      第12回静岡県臨床工学会
    • Place of Presentation
      静岡アーツコンベンションセンター・グランシップ(静岡県静岡市)
    • Year and Date
      2015-06-14
    • Invited
  • [Presentation] 粘液の潤滑効果に及ぼす荷重条件の影響2015

    • Author(s)
      馬渕清資,酒井利奈
    • Organizer
      トライボロジー会議2015春
    • Place of Presentation
      姫路商工会議所(兵庫県姫路市)
    • Year and Date
      2015-05-29
  • [Presentation] 滑る2015

    • Author(s)
      馬渕清資
    • Organizer
      トライボロジー会議2015春
    • Place of Presentation
      姫路商工会議所(兵庫県姫路市)
    • Year and Date
      2015-05-28
    • Invited
  • [Presentation] バナナの皮の滑りから学ぶ人工関節のデザイン2015

    • Author(s)
      馬渕清資
    • Organizer
      科学知総合研究所(SKIL)未来フォーラムⅣ
    • Place of Presentation
      東京大学弥生講堂(東京都文京区)
    • Year and Date
      2015-04-17
    • Invited

URL: 

Published: 2017-01-06  

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