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衝撃吸収性に優れることから人工股関節の臼蓋に使用される超高分子量ポリエチレン(UHMWPE)の人工骨頭との摩擦による摩耗量に直接関係する、臼蓋内面近傍の動的接触応力を正確に解明するために骨頭と臼蓋内面の間のクリアランスを考慮した弾塑性応力のFEM解析と、UHMWP製臼蓋を粘弾性体とした数理解析を行った。解析モデルは前年度と同じ骨頭はアルミナ製とし、UHMWPE製の臼蓋をPMMA骨セメントで生体骨に固定するモデル1と生体活性性を有する傾斜機能材料層(UHMWPE/AW-glassからなる線形傾斜したFGMとAW-glass/Boneからなる線形傾斜したFGM)で生体骨に固定するモデル2を採用した。また、モデル2については、傾斜層の材料組成分布の臼蓋内面近傍の動的接触応力への影響を明らかにするために、FGMがいずれもAW-glass richに傾斜した傾斜機能材料層で固定されたモデル2rich-richの場合についても解析した。解析結果から、モデル2rich-richの場合が、UHMWPE臼蓋の動的接触応力の緩和効果を示し、また生体活性性にも優れた人工臼蓋であることが判明した。なお、動的接触応力の最大相当応力は、骨頭と臼蓋内面の接触面ではなく、接触面から臼蓋内部へ1〜2mm入ったところに発生することがわかった。したがって、人工膝関節において村上(九大)らが指定しているように、UHMWPE摩耗粉はこの部分に塑性ひずみが蓄積し、蓄積した塑性ひずみが、この材料の変形能を越えたときにクラックが初生し、これが剥離することによってUHMWPE摩耗粉が発生するものと考えられる。UHMWPE臼蓋が摩耗し、製作当初の臼蓋内半径と骨頭半径との間にすきま(クリアランス)が発生し、このクリアランスが0.5mmを越えると動的接触応力の最大相当応力は大きくなり、臼蓋内に発生する塑性域も広くなるため、摩耗粉の発生量が増大することがわかった。なお、摩耗粉の発生量は平均0.1mm/yearという指摘があるが、クリアランスが0.5mmを越えた後、加速度的に増大することが明らかになった。
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