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2022 年度 実施状況報告書

関節軟骨の階層性,異方性構造に着目したバイオインスパイアードハイドロゲルの開発

研究課題

研究課題/領域番号 21K03840
研究機関九州大学

研究代表者

鎗光 清道  九州大学, 工学研究院, 准教授 (90723205)

研究期間 (年度) 2021-04-01 – 2024-03-31
キーワードハイドロゲル / 階層構造 / 弾性率 / 摩擦 / 固液二相性潤滑
研究実績の概要

2022年度は,階層性ポリビニルアルコール(PVA)ハイドロゲル作製の基盤技術構築および階層構造付与によるハイドロゲルの潤滑機能向上メカニズムの検討のため,階層構造ハイドロゲルの製作およびその力学・摩擦特性評価を行った.
平均重合度1700,ケン化度98.0~99.0mol%のPVAの15wt%水溶液を原料とし,60℃,80%RHの高温高湿環境下にて乾燥処理を行い作製した高弾性率PVAキャストドライゲル上に,8℃,50%RHの低温環境下で乾燥処理を行った低弾性率PVAキャストドライゲルを積層した階層構造ハイドロゲルを作製した.なお,高弾性率ゲル層の厚さを一定とした上で,低弾性率ゲル層の厚さを複数種設定したものを作製し,低弾性率層の厚さの違いが力学・摩擦特性に及ぼす影響を検討した.
インデンテーション試験の結果,低弾性率層が薄いゲルほど,下地の高弾性率ゲル層による変形拘束の影響によりゲルの剛性が高まることが明らかとなった.また,球状ガラスプローブを相手とした摩擦評価により,低弾性率層が薄いほうがより低摩擦となる傾向が見られた.
これらの結果により,ゲルの階層構造がその力学,摩擦特性に影響を及ぼすことが明らかとなった.これは,負荷時の低弾性率ゲル層の変形が高弾性率ゲル層に拘束されることにより剛性が向上すること,および摩擦負荷時の接触面積の低減,ゲル内部の水分流動の制限により固液二相性潤滑機能が向上することによるものであると推察された.

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

2022年度は,階層性ポリビニルアルコール(PVA)ハイドロゲル作製の基盤技術構築および階層構造付与によるハイドロゲルの潤滑機能向上メカニズムの検討のため,階層構造ハイドロゲルの製作およびその力学・摩擦特性評価を行った.そして,製法の確立および階層構造付与による潤滑性能向上の可能性を示す結果が得られた.階層構造付与による潤滑機能向上メカニズムについては2023年度も引き続き検討を継続するが,設定目標はおおむね順調に進展していると考える.

今後の研究の推進方策

2023年度は,2021~2022年度に得られた知見を踏まえ,引き続き階層性・異方性構造による潤滑機能向上メカニズムの検討,およびその知見を生かした生体軟骨を規範としたバイオインスパイアード超潤滑ハイドロゲルの創成のための基盤技術,基礎学理の構築を目指す.

次年度使用額が生じた理由

研究に係る薬品調達が想定より抑えられたため残分が生じているが,当該金額は次年度の物品費と併せて使用予定である.

  • 研究成果

    (6件)

すべて 2023 2022

すべて 雑誌論文 (1件) (うち国際共著 1件、 査読あり 1件) 学会発表 (5件) (うち国際学会 2件、 招待講演 1件)

  • [雑誌論文] On the replacement of articular cartilage: The friction of PVA hydrogel layer in hip simulator test2023

    • 著者名/発表者名
      Necas, D., Yarimitsu, S., Rebenda, D., Shinmori, H., Vrbka, M., Sawae, Y., Murakami, T., Krupka, I.
    • 雑誌名

      Tribology International

      巻: 178 ページ: 108100~108100

    • DOI

      10.1016/j.triboint.2022.108100

    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] 複合型PVA ハイドロゲルの摩擦特性に関する研究2023

    • 著者名/発表者名
      渡邊嵩士, 鎗光清道, 澤江義則
    • 学会等名
      日本機械学会 九州支部 九州学生会第54回学生員卒業研究発表講演会
  • [学会発表] 階層構造ハイドロゲルの摩擦特性に関する研究2023

    • 著者名/発表者名
      吉田弘一郎, 鎗光清道, 澤江義則
    • 学会等名
      日本機械学会 九州支部 九州学生会第54回学生員卒業研究発表講演会
  • [学会発表] 微結晶構造制御によるPVAハイドロゲルの低摩擦化2022

    • 著者名/発表者名
      鎗光清道, 澤江義則
    • 学会等名
      トライボロジー会議2022秋福井
  • [学会発表] Development of PVA Hydrogels for Artificial Cartilage with Superior Lubricity2022

    • 著者名/発表者名
      Seido Yarimitsu, Yoshinori Sawae
    • 学会等名
      International Conference on Materials & Processing 2022
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Influence of Drying Condition on Tribological Property of Poly(Vinyl Alcohol) Hydrogel2022

    • 著者名/発表者名
      Seido Yarimitsu, Teruo Murakami, Atsushi Suzuki
    • 学会等名
      7th World Tribology Congress
    • 国際学会

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公開日: 2023-12-25  

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