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
| Project/Area Number |
22K14170
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Basic Section 18040:Machine elements and tribology-related
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
八島 慎太郎 九州大学, 理学研究院, 助教 (40768842)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| 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)
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| Keywords | ハイドロゲル / 摩耗 / 摩擦 / ポリビニルアルコール / 関節軟骨 / 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 |
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| 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。
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| 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った。
前年度までに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、ゲルの摩耗量が紫外分光法と全有機炭素測定法の2つの手法で測定可能であることを示した。本年度はPVAゲルの摩耗量測定と摩擦測定を組み合わせることで、ゲルの摩擦挙動がどのように摩耗量に対応するのかを検討した。疎水ガラス基板上においては摩擦力と摩耗量に比例関係が見られ、荷重依存性や速度依存性においても概ね一致することが示された。また、高い滑り速度においてゲルが示す低摩擦は潤滑によるものだと従来から予測されてきたが、今回の検討により摩耗量も非常に小さくなることが示され、ゲルと基板が接触しない潤滑状態に移行していることが確かめられた。すなわち、摩耗だけでなく、ゲルの摩擦機構についても理解が進んだといえる。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
主要な測定機器である粘弾性測定装置レオメータが故障し、年度の半分程度の期間に測定ができなかったため、摩耗測定が当初の予定よりもやや遅れて進行していると自己評価した。
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| 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、ゲルの摩擦と摩耗の関係についても理解が深まった。これまでは基本的にゲルの摩擦相手基板を平滑なガラスにしてきたが、関節軟骨への応用などを見据えて生体内環境により近づけるために、ゲルとゲルの摩擦測定を実施する。また、高強度化したゲルについても摩耗測定を実施する。
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Report
(2 results)
Research Products
(3 results)
