人工関節用超高分子量ポリエチレンの疲労摩耗への熱的環境からの考察

2001 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 12650146
• 研究機関: 大分大学
• 研究代表者: 今戸 啓二 大分大学, 機器分析センター, 助教授 (80160050)
• 研究分担者: 日垣 秀彦 九州産業大学, 工学部, 助教授 (00238263)
• キーワード: 超高分子量ポリエチレン / 人工関節 / 接触点温度 / ペクレ数 / 摩擦熱 / 温度上昇 / 摩擦係数 / ヤング率

研究概要

人工関節に使われている超高分子量ポリエチレンの摩擦熱による疲労摩耗への影響を調べるための基礎研究をおこなっている.平成12年度は潤滑液温度のみの測定であったが,平成13年度はポリエチレンリングをサファイアガラス円板に対して押付けた状態で揺動させて往復滑り摩擦を与え,赤外線放射温度計により滑り接触域内の温度を直接測定した.その結果,接触域内の温度分布は往復動により平均化されて滑り方向に対してはほぼ一様なことが分った.一例として平均接触圧12.7MPa,すべり速度50mm/sでは30分後で約12℃の温度上昇が確認された.温度は30分程度では飽和しなくてさらに徐々に上昇することも確認された.接触域近傍の潤滑液温度の上昇値と接触部の温度上昇値には線形関係があり,接触部の温度上昇値は潤滑液温度の上昇値の約1.8倍であった.接触幅の実測値からポリエチレンのヤング率をヘルツの式より計算した結果,約0.4GPaであった.この値は衝撃試験機で得た値の半分以下であり,両者には静的試験と動的試験の違いもあるが,膜厚などを計算する数値シミュレーションでは通常ポリエチレンのヤング率として1GPa以上の値を使って計算されているため,注意が必要なことを指摘した.摩擦係数と面圧から摩擦による仕事率を計算して接触域近傍の潤滑液の温度上昇値を整理した結果運動側材質の熱伝導率の大きい方が,潤滑液温度の上昇率が大きいことが確認され,摩擦熱の排熱効果を高めるには材料の組合せ方に注意すべきことを指摘した.
接触域内の温度上昇を説明するため,接触部以外は断熱された半無限体の帯状一様加熱モデルを仮定して,数値モデルによる計算結果と実験結果を比較した結果,両者は類似の挙動であることが分った.

研究成果

• [文献書誌] 今戸 啓二: "超高分子量ポリエチレンの環境による摩擦係数の変化について"日本トライボロジー学会トライボロジー会議予稿集. 133-134 (2001)
• [文献書誌] 今戸 啓二: "超高分子量ポリエチレンのすべり摩擦による温度上昇とヤング率の変化"日本臨床バイオメカニクス学会誌. 22. 145-150 (2001)
• [文献書誌] 今戸 啓二: "超高分子量ポリエチレンの摩擦熱による温度上昇の測定"第28回日本臨床バイオメカニクス学会予稿集(大阪大会). 2001 (2001)
• [文献書誌] 今戸 啓二: "UHMWPEの滑り摩擦面の温度測定"日本トライボロジー学会トライボロジー会議予稿集. 409-410 (2001)
• [文献書誌] Keiji Imado: "A study of temperature increment due to frictional heating in contact area for artificial joints using UHMWPE"Proc. of International Conference on Biomechanics combined with the Annual Scientific Meeting of Taiwanese Society of Biomechanics. 90 (2001)
• [文献書誌] Keiji Imado: "The effect of frictional heat on mechanical property and wear rate of UHMWPE for use in total artificial joints"Proc of the International Tribology Conference Nagasaki. 1527-1532 (2000)