| 研究課題/領域番号 |
18K04756
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| 研究機関 | 東京医科大学 |
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研究代表者 |
宍戸 孝明 東京医科大学, 医学部, 准教授 (70266500)
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| 研究分担者 |
高橋 康仁 東京医科大学, 医学部, 助教 (60567668)
立岩 俊之 東京医科大学, 医学部, 講師 (00424630)
正岡 利紀 東京医科大学, 医学部, 准教授 (70256270)
山本 謙吾 東京医科大学, 医学部, 主任教授 (10246316)
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| 研究期間 (年度) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| キーワード | 人工股関節 / ジルコニア強化型アルミナ / 相転移 / 残留応力 / エージング |
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| 研究実績の概要 |
本研究では、zirconia-toughened alumina (ZTA)複合セラミック製寛骨臼ライナーの人工股関節コンポーネントとしての化学的構造安定性を微細構造レベルで検証する目的で、ASTM F-2345(米国材料試験協会)に準拠した加速エージング試験を実施した。エージングによるジルコニア相の経時的相転移の進行とこれに伴うアルミナ母相の残留応力レベルの推移をラマン分光および蛍光分光法により分析した。計測箇所はライナー研磨面（摺動部・辺縁部）、予亀裂を導入した辺縁研磨部、および切削粗面（背部の非研磨面）の計４か所を採用した。エージング時間と相転移率の関係はMehl-Avrami-Johnson (MAJ)理論により解析した。その結果、同一コンポーネントにおいて、相転移機序は均一ではなく局所的差異があることを認めた。研磨面においては、生体内の40年間に相当する過酷なエージング後も相転移進行は極めて軽度であり、亀裂の有無に関わらず相転移の核成長過程がセラミック複合化により効果的に抑制されていた。一方、切削粗面では核生成から１次成長過程の段階にまで相転移が進行していることを認めた。走査型電子顕微鏡の所見では、切削粗面における著明な表面凹凸、粒子間空隙、および欠陥を認め、この表面形態が極性水分子との化学反応を有意に促進したと考えられた。またエージング時間とともに引張応力の増加が認められた。ただし亀裂先端部では引張応力の集中が、経時的相転移による粒子膨張とともに応力緩和が生じていることを認めた。以上から、人工股関節コンポーネントとして更なる安全性を高めるためには、背部の切削粗面への水分子流入を効果的に防止できるような金属シェルの構造デザインの工夫が必要であると提案できる。
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