| 研究課題/領域番号 |
23K25179
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| 補助金の研究課題番号 |
22H03925 (2022-2023)
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| 研究種目 |
基盤研究(B)
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| 配分区分 | 基金 (2024)
補助金 (2022-2023) |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分90110:生体医工学関連
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| 研究機関 | 宮崎大学 |
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研究代表者 |
山子 剛 宮崎大学, 工学部, 准教授 (50452074)
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| 研究分担者 |
帖佐 悦男 宮崎大学, 医学部, 教授 (00236837)
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| 研究期間 (年度) |
2022-04-01 – 2026-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2024年度)
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| 配分額 *注記 |
17,420千円 (直接経費: 13,400千円、間接経費: 4,020千円)
2025年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円)
2024年度: 3,640千円 (直接経費: 2,800千円、間接経費: 840千円)
2023年度: 4,940千円 (直接経費: 3,800千円、間接経費: 1,140千円)
2022年度: 7,150千円 (直接経費: 5,500千円、間接経費: 1,650千円)
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| キーワード | 半月板損傷 / バイオメカニクス / 半月板インプラント / インプラント / 変形性膝関節症 / 半月板 / 生体力学 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
加齢変性や怪我によって半月板を大きく損傷した場合の有効な治療は切除術しかない．申請者らは半月板損傷後に進行する変形性膝関節症を防いで膝軟骨を守る「Float-ring」型の非吸収性インプラントを開発している．本研究では膝関節のMR画像を用いて患者個別の有限要素解析モデルを作成し，歩行など日常動作やスポーツ動作などを想定した力学環境下でのインプラントの力学的挙動を解析することによって，荷重分散による軟骨の保護効果を明らかにする．さらに射出成形によるインプラントの製造方法を確立すると共に力学的特性を評価する．
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| 研究実績の概要 |
令和4年度は，① float-ring型インプラントの荷重分散効果を実証するシミュレーション，② ブタ膝関節を用いたインプラント設置後の関節面接触面圧力の計測，③ 個体別有限要素解析によるインプラントの荷重分散効果，④ インプラントの試作および耐久性評価を実施した．具体的には以下の通りである．
①膝関節のMR画像を用いた有限要素解析を実施し，歩行の最大荷重時を想定した負荷を与えた時のインプラントの荷重分散効果について評価した．内側半月板を取り除いた半月板切除モデルでは，正常関節モデルに対して関節軟骨表面に接触応力の増大すなわち応力集中が見られたものの，半月板切除後にインプラントを設置したモデルでは，応力集中は消失し最大接触応力は正常関節と同等のレベルまで低減した．
②シミュレーション結果を検証する目的で，ヒトの膝関節と比較的大きさの等しい三元ブタの膝関節を用いてインプラント設置後の関節面接触圧力を計測した．その結果，シミュレーションと同様の接触圧力分布を示すと共に荷重分散効果を実証した．
③ヒト膝関節は個々にそのサイズや形状が異なることから，OpenKnee Projectにてフリー公開されている４名のMR画像を用いて個体別の有限要素解析を実施した．その結果，4個体ともにインプラント設置による荷重分散効果を得ることができた．しかし，その効果は個体別に異なる傾向が見られたことから，個体別にインプラントのサイズや形状を変更する必要性が認められた．
④射出成形によってインプラントを試作した．試作品をマイクロCT撮影し，寸法精度，内部ボイドや異物混入がないことを確認した．さらに，準静的圧縮試験による剛性評価，繰り返し圧縮疲労試験を行い，試作品は目的とした力学特性および耐久性を有し且つバラツキも少ないことを明らかにした．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
来年度は，①MR画像を用いた有限要素解析の高精度化と②インプラントの長期耐久性の評価に取り組む．具体的には以下の通りである．
① 現状の膝関節の有限要素モデルは内側部のみで構成されていることから内外側の荷重バランス変化やそれに伴う荷重分散性への影響を評価することができない簡易な解析モデルである．そこで，膝関節の外側部や靭帯などの軟部組織を含めた詳細な膝関節の解析モデルを構築する．さらに，現在は歩行の最大荷重時を考慮した負荷をモデルに与えていたが，日常生活動作である歩行や立ち上がりなど動的な負荷を与えたときのインプラントの挙動を解析する．膝関節モデルに与える動作と荷重は3次元モーションキャプチャシステムで計測した運動データに基づいた筋骨格シミュレーションから算出する．さらに，三元ブタの膝関節を用いた接触面圧計測では，インプラントサイズ，関節角度がインプラントの荷重分散効果に与える影響について明らかにする．
②インプラントの長期耐久性の評価では，術後10年を想定した1000万回の繰り返し圧縮負荷を与えた時の力学的特性（圧縮剛性，損失正接）の変化を評価する．さらに，インプラント材料であるポリカーボネートウレタンは長期的な負荷に伴いクリープ変形を生じることから，形状変化に伴う荷重分散性への影響を明らかにする．
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| 今後の研究の推進方策 |
来年度は，①MR画像を用いた有限要素解析の高精度化と②インプラントの長期耐久性の評価に取り組む．具体的には以下の通りである．
① 現状の膝関節の有限要素モデルは内側部のみで構成されていることから内外側の荷重バランス変化やそれに伴う荷重分散性への影響を評価することができない簡易な解析モデルである．そこで，膝関節の外側部や靭帯などの軟部組織を含めた詳細な膝関節の解析モデルを構築する．さらに，現在は歩行の最大荷重時を考慮した負荷をモデルに与えていたが，日常生活動作である歩行や立ち上がりなど動的な負荷を与えたときのインプラントの挙動を解析する．膝関節モデルに与える動作と荷重は3次元モーションキャプチャシステムで計測した運動データに基づいた筋骨格シミュレーションから算出する．さらに，三元ブタの膝関節を用いた接触面圧計測では，インプラントサイズ，関節角度がインプラントの荷重分散効果に与える影響について明らかにする．
②インプラントの長期耐久性の評価では，術後10年を想定した1000万回の繰り返し圧縮負荷を与えた時の力学的特性（圧縮剛性，損失正接）の変化を評価する．さらに，インプラント材料であるポリカーボネートウレタンは長期的な負荷に伴いクリープ変形を生じることから，形状変化に伴う荷重分散性への影響を明らかにする．
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