ハイドロゲルの摩耗機構解明～低摩耗な生体代替素材の創製に向けて

Research Project

Project/Area Number	22K14170
Research Category	Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
Allocation Type	Multi-year Fund
Review Section	Basic Section 18040:Machine elements and tribology-related
Research Institution	Kyushu University
Principal Investigator	八島慎太郎九州大学, 理学研究院, 助教 (40768842)
Project Period (FY)	2022-04-01 – 2025-03-31
Project Status	Granted (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help	¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000) Fiscal Year 2024: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000) Fiscal Year 2023: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000) Fiscal Year 2022: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000)
Keywords	ハイドロゲル / 摩耗 / 摩擦 / ポリビニルアルコール / 全有機炭素測定 / 紫外分光法 / 全有機炭素 / 表面パターニング
Outline of Research at the Start	ハイドロゲルは優れた生体適合性を有し、生体代替素材として関節軟骨などの滑り運動を伴う部位への応用が期待される。滑りに伴って、摩耗という物質の損失が必然的に生じるが、ゲルが容易に空気中で乾燥、あるいは水中で膨潤してしまうことから、顕微鏡による表面観察など従来の手法では精確な摩耗評価は困難である。そこで、本研究ではゲル本体だけでなく摩擦運動後の潤滑液を評価の対象とし、定量性と高感度を備えた新たなゲル摩耗測定法を構築する。これまでにほとんど着手されていないゲルの摩耗機構を明らかにし、最終的にはゲルを用いた人工関節軟骨の新たな低摩耗化手法を提案する。
Outline of Annual Research Achievements	ハイドロゲルは一般的に柔軟で高含水率であり、優れた低摩擦性を示す。そのため、人工関節軟骨などの優れた滑り運動特性が求められる生体組織の代替物質として応用が期待される。これまでにゲルの滑り摩擦については数多くの研究がなされてきているが、ゲルを摩擦させたときに必然的に生じる「摩耗」については、詳しく調べられてこなかった。既往研究の多くは、滑り運動後の表面観察像や摩擦係数の時間変化などから摩耗の程度の大小を判断するにとどまり、定量性のある結果は非常に少ない。なぜなら、ゲルは空気中では容易に乾燥して収縮し、水中では摩耗部が膨潤してしまうため、重量測定や形状観察ではいずれも精確に摩耗量を測定できないためである。また、ゲルの微小な摩耗は検出すること自体が困難である。こういった理由から、材料としてゲルを応用するために摩耗は必須の評価項目であるが、定量性に欠ける議論しか成されてこなかった。ポリビニルアルコール(PVA)ゲルについて、摩擦後のゲル本体ではなく、潤滑液中に存在する摩耗粒子に着目し、ゲルの摩耗量が2つの手法で測定可能であることを示した。PVAの未鹸化部が紫外吸収(280nm)をもつことから、紫外分光法により潤滑液中の摩耗粒子由来のポリマー濃度を測定し、ゲルの摩耗量を定量的に求めることができた。また、潤滑液の全有機炭素測定(TOC)を行うことで、摩耗粒子の炭素量からゲルの摩耗量がより高感度で測定できることを示した。一般的に低摩耗とされるゲルの摩耗を初めて精確に定量できたと考えられる。 PVAゲルの表面形状が摩耗に及ぼす効果をこれらの手法により確かめたところ、平滑なガラスを相手基板にした場合、凹みの表面構造もつゲルでは平坦なゲルに比べて潤滑液中に放出される摩耗粒子濃度が低いことが示された。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 当初の計画通り、ゲルの摩耗量の定量測定について、2つの手法を確立できたので、このように自己評価した。
Strategy for Future Research Activity	ゲルの摩耗を定量的に評価する方法が確立されたので、ゲル表面の摩耗痕や摩耗片が作られる過程を表面観察などにより調べ、摩耗ダイナミクスと、測定した摩耗量、摩擦データを組み合わせることでゲルの摩耗機構の理解を進める。また、ゲルを高強度化する手法と、表面パターニングを複合化することで、高強度化と低摩耗・低摩擦化が両立可能であるかどうかを確かめる予定である。