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2015 年度 実績報告書

レーザープラズマによる固液界面反応の理解と骨結合性インプラントシステムへの応用

公募研究

研究領域プラズマ医療科学の創成
研究課題/領域番号 15H00906
研究機関国立研究開発法人産業技術総合研究所

研究代表者

大矢根 綾子  国立研究開発法人産業技術総合研究所, ナノ材料研究部門, 主任研究員 (50356672)

研究期間 (年度) 2015-04-01 – 2017-03-31
キーワードリン酸カルシウム / アパタイト / 骨伝導 / 過飽和溶液 / 表面処理 / パルスレーザー / レーザープラズマ
研究実績の概要

歯科・外科用インプラントの表面にある種のリン酸カルシウムを成膜すると、骨伝導性を付与することができる。研究代表者らはこれまで、過飽和溶液を反応場とする液相成膜技術とレーザープラズマによる表面加工技術を組み合わせ、インプラント用の材料基材に対するリン酸カルシウム成膜技術を開発してきた。本研究では、レーザープラズマによる基材の表面反応過程を追求する基礎的研究に並行して、骨伝導性インプラントの開発を目指した応用研究を進めている。
基礎的研究において、本年度は、チタン金属基材表面における表面反応過程を実験的・計算科学的に追及した。具体的には、Nd:YAGナノ秒レーザーの基本波(近赤外光)、第2次高調波(可視光)、および第3次高調波(紫外光)を用いてチタン金属基材に対しリン酸カルシウム成膜を試み、表面分析と表面温度計算の結果から、リン酸カルシウム形成反応のフルエンスおよび波長依存性、ならびに表面反応過程を明らかにした。
応用研究においては、熱的影響の少ないフェムト秒レーザーを用い、イットリア安定化正方晶ジルコニア多結晶体(Y-TZP)の表面凹凸加工とリン酸カルシウム成膜を試みた。まず、連携研究者である欠端らのレーザー光走査システムにより、Y-TZP基材の表面全面にフェムト秒レーザープラズマ加工を施し、サブミクロン凹凸構造を形成させた。この基材の表面に過飽和溶液法を用いてリン酸カルシウムを成膜したところ、表面凹凸構造によるインターロッキング効果により、平滑な鏡面上に成膜した場合よりも強固な膜密着性が得られた。さらに、少数のウサギを用いて予備的な動物実験を実施し、フェムト秒レーザープラズマ加工後にリン酸カルシウムを成膜したY-TZP基材が、コントロールに比して強固に骨と固着することを示唆する結果を得た。

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

本研究では、レーザープラズマによる表面反応過程を実験的・計算科学的に追求する基礎的研究と、骨結合性インプラントの開発を目指した応用研究を並行して進めている。基礎的研究、応用研究のいずれにおいてもおおむね当初計画の通りに研究を進め、期待通りの成果を挙げつつある。基礎的研究において得られた成果は国内・国際会議で発表済みであり、査読付き原著論文として発表予定である。また、応用研究において得られた成果については特許出願を行ったほか、成果の一部については国内・国際会議、ならびに査読付き原著論文として発表済みである。
以上の状況から、現在までのところ本研究はおおむね順調に進捗していると判断される。

今後の研究の推進方策

今後も、レーザープラズマによる表面反応過程を実験的・計算科学的に追求する基礎的研究と、骨結合性インプラントの開発を目指した応用研究を並行して実施していく。
基礎的研究においては、本年度の研究で得られたチタン金属基材に関する成果を原著論文としてまとめるとともに、他の材料基材を用いた検討を進めていく。具体的には、各種ナノ構造解析技術(X線光電子分光法、薄膜X線回折法、透過型電子顕微鏡分析など)と計算科学的手法を用い、レーザープラズマにより誘起される基材の表面反応、ならびにリン酸カルシウム過飽和溶液(コントロールとして超純水)との反応を基礎的に追求し、効率的なリン酸カルシウム成膜のための指針を明らかにする。
応用研究においては、今年度と同様のウサギ動物実験を実施することで、結果の再現性を確認するとともに、骨と基材との界面の精密分析を行う。具体的には、まず、Y-TZP基材(角柱状)にフェムト秒レーザープラズマ処理を施した後、過飽和溶液を用いてリン酸カルシウムを成膜する。この基材をウサギ(成熟した日本白色家兎3kg)の脛骨近位骨幹端部に挿入する。術後4週で屠殺し、挿入部のX線撮影を行うとともに、基材の押し出し強度(骨結合強度)を測定する。また、非脱灰組織標本を作製し、骨組織とY-TZP基材との界面の状態を走査型電子顕微鏡、エネルギー分散型X線分析装置、および光学顕微鏡により評価する。
以上の研究を、研究代表者と5名の連携研究者との医工連携体制のもとで実施していく。得られた成果を国内・国際学会で発表するとともに、原著論文としてまとめる。

  • 研究成果

    (26件)

すべて 2016 2015 その他

すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 1件、 謝辞記載あり 1件) 学会発表 (21件) (うち国際学会 7件、 招待講演 5件) 備考 (1件) 産業財産権 (1件)

  • [雑誌論文] Femtosecond laser-induced periodic surface structures on yttria-stabilized zirconia2016

    • 著者名/発表者名
      M. Kakehata, H. Yashiro, A. Oyane, A. Ito, and K. Torizuka
    • 雑誌名

      Proceedings of LAMP2015

      巻: 296 ページ: 88-95

  • [雑誌論文] Pulsewidth dependence of laser-induced periodic surface structure formed on yttria-stabilized zirconia polycrystal2016

    • 著者名/発表者名
      M. Kakehata, H. Yashiro, A. Oyane, A. Ito, and K. Torizuka
    • 雑誌名

      Proceedings of SPIE

      巻: 9740 ページ: 97401G1-7

    • DOI

      10.1117/12.2209013

  • [雑誌論文] Biomimetic apatite coating on yttria-stabilized tetragonal zirconia utilizing femtosecond laser surface processing2016

    • 著者名/発表者名
      A. Oyane, M. Kakehata, I. Sakamaki, A. Pyatenko, H. Yashiro, A. Ito, and K. Torizuka
    • 雑誌名

      Surface and Coatings Technology

      巻: 296 ページ: 88-95

    • DOI

      10.1016/j.surfcoat.2016.03.075

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [学会発表] フェムト秒レーザーを利用したジルコニア表面へのアパタイトコーティング2016

    • 著者名/発表者名
      大矢根 綾子、坂巻 育子、欠端 雅之、屋代 英彦、鳥塚 健二、伊藤 敦夫
    • 学会等名
      名古屋大学「プラズマ科学プラットフォーム」開所記念講演会・見学会
    • 発表場所
      名古屋大学豊田講堂(愛知県)
    • 年月日
      2016-04-26
  • [学会発表] プラズマ表面改質による生体材料の高機能化2016

    • 著者名/発表者名
      大矢根綾子
    • 学会等名
      第63回応用物理学会春季学術講演会
    • 発表場所
      東京工業大学大岡山キャンパス(東京都)
    • 年月日
      2016-03-21
    • 招待講演
  • [学会発表] イットリア安定化ジルコニアセラミックス表面のフェムト秒レーザー誘起周期構造形成のレーザーパルス幅依存性2016

    • 著者名/発表者名
      欠端 雅之、屋代 英彦、大矢根 綾子、伊藤 敦夫、鳥塚 健二
    • 学会等名
      第63回応用物理学会春季学術講演会
    • 発表場所
      東京工業大学大岡山キャンパス(東京都)
    • 年月日
      2016-03-21
  • [学会発表] フェムト秒レーザー加工を利用した ジルコニア基材上へのアパタイトコーティング2016

    • 著者名/発表者名
      大矢根 綾子、坂巻 育子、欠端 雅之、屋代 英彦、鳥塚 健二、伊藤 敦夫
    • 学会等名
      日本セラミックス協会2016年年会
    • 発表場所
      早稲田大学西早稲田キャンパス(東京都)
    • 年月日
      2016-03-14
  • [学会発表] Pulsewidth dependence of laser-induced periodic surface structure formed on yttria-stabilized zirconia polycrystal2016

    • 著者名/発表者名
      M. Kakehata, H. Yashiro, A. Oyane, A. Ito, and K. Torizuka
    • 学会等名
      Photonics West LASE2016
    • 発表場所
      Moscone Center, San Fransisco, Calfornia, U.S.A
    • 年月日
      2016-02-16
    • 国際学会
  • [学会発表] インプラントへの応用を目指したジルコニアセラミックスのフェムト秒レーザー加工2016

    • 著者名/発表者名
      欠端 雅之、屋代 英彦、大矢根 綾子、伊藤 敦夫、鳥塚 健二
    • 学会等名
      つくば医工連携フォーラム2016
    • 発表場所
      産業技術総合研究所つくばセンター共用講堂(茨城県)
    • 年月日
      2016-01-22
  • [学会発表] レーザープロセスを利用したジルコニアの表面加工による生体骨との固着2016

    • 著者名/発表者名
      屋代 英彦、欠端 雅之、大矢根 綾子、伊藤 敦夫、六﨑 裕高
    • 学会等名
      つくば医工連携フォーラム2016
    • 発表場所
      産業技術総合研究所つくばセンター共用講堂(茨城県)
    • 年月日
      2016-01-22
  • [学会発表] フェムト秒レーザーを利用したジルコニア表面への温和なアパタイト成膜技術2016

    • 著者名/発表者名
      大矢根 綾子、欠端 雅之、坂巻 育子、屋代 英彦、伊藤 敦夫、鳥塚 健二
    • 学会等名
      つくば医工連携フォーラム2016
    • 発表場所
      産業技術総合研究所つくばセンター共用講堂(茨城県)
    • 年月日
      2016-01-22
  • [学会発表] Laser-assisted biomimetic processing of calcium phosphate-based thin-layers and spheres2016

    • 著者名/発表者名
      A. Oyane, M. Nakamura
    • 学会等名
      16th International Symposium on Biomimetic Materials Processing (BMMP-16)
    • 発表場所
      名古屋大学環境総合館レクチャーホール(愛知県)
    • 年月日
      2016-01-22
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] レーザープロセスによるジルコニア表面加工と生体骨の固着2016

    • 著者名/発表者名
      屋代 英彦、欠端 雅之、大矢根 綾子、伊藤 敦夫、鳥塚 健二
    • 学会等名
      レーザー学会学術講演会第36回年次大会
    • 発表場所
      名城大学天白キャンパス(愛知県)
    • 年月日
      2016-01-10
  • [学会発表] イットリア安定化ジルコニア表面へのフェムト秒レーザー誘起周期構造形成2016

    • 著者名/発表者名
      欠端 雅之、屋代 英彦、大矢根 綾子、伊藤 敦夫、鳥塚 健二
    • 学会等名
      レーザー学会学術講演会第36回年次大会
    • 発表場所
      名城大学天白キャンパス(愛知県)
    • 年月日
      2016-01-09
  • [学会発表] Physicochemical fabrication of calcium phosphate-based bioceramics2015

    • 著者名/発表者名
      A. Oyane, M. Nakamura
    • 学会等名
      15th Asian BioCeramics symposium (ABC2015)
    • 発表場所
      東京医科歯科大学(東京都)
    • 年月日
      2015-12-11
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] レーザーのジルコニア表面ナノ周期構造形成とリン酸カルシウム成膜による骨固着力向上2015

    • 著者名/発表者名
      屋代英彦、欠端雅之、大矢根綾子、伊藤敦夫、六崎裕高
    • 学会等名
      第37回日本バイオマテリアル学会大会
    • 発表場所
      京都テルサ(京都府)
    • 年月日
      2015-11-10
  • [学会発表] 過飽和液中レーザープロセスによるチタン金属表面での迅速リン酸カルシウム形成2015

    • 著者名/発表者名
      大矢根綾子、Mahanti Moumita、坂巻育子、越崎直人、中村真紀、古賀健司
    • 学会等名
      第37回日本バイオマテリアル学会大会
    • 発表場所
      京都テルサ(京都府)
    • 年月日
      2015-11-10
  • [学会発表] リン酸カルシウム薄膜・粒子の液相合成とバイオメディカル応用2015

    • 著者名/発表者名
      大矢根綾子
    • 学会等名
      第2回ガラス科学技術研究会
    • 発表場所
      日本ガラス工業センター(東京都)
    • 年月日
      2015-10-09
    • 招待講演
  • [学会発表] Increased water wettability of yttria-stabilized tetragonal zirconia polycrystal by femtosecond-laser induced periodic surface structure formation2015

    • 著者名/発表者名
      M. Kakehata, A. Oyane, H. Yashiro, A. Ito and K. Torizuka
    • 学会等名
      Asian-European International Conference on Plasma Surface Engineering (AEPSE2015)
    • 発表場所
      Ramada Plaza Jeju Hotel, Korea
    • 年月日
      2015-09-24
    • 国際学会
  • [学会発表] Laser-assisted calcium phosphate precipitation on metal alloy in supersaturated calcium phosphate solution2015

    • 著者名/発表者名
      A. Oyane, M. Nakamura, Y. Shimizu, K. Koga and I. Sakamaki
    • 学会等名
      Asian-European International Conference on Plasma Surface Engineering (AEPSE2015)
    • 発表場所
      Ramada Plaza Jeju Hotel, Korea
    • 年月日
      2015-09-23
    • 国際学会
  • [学会発表] リン酸カルシウム系融合マテリアルの合成とバイオメディカル応用2015

    • 著者名/発表者名
      大矢根綾子、中村真紀
    • 学会等名
      第64回高分子討論会
    • 発表場所
      東北大学川内キャンパス(宮城県)
    • 年月日
      2015-09-16
    • 招待講演
  • [学会発表] イットリア安定化ジルコニアに形成されたレーザー誘起周期的表面構造の断面観察2015

    • 著者名/発表者名
      欠端 雅之、屋代 英彦、大矢根 綾子、伊藤 敦夫、鳥塚 健二
    • 学会等名
      第76回応用物理学会秋季学術講演会
    • 発表場所
      名古屋国際会議場(愛知県)
    • 年月日
      2015-09-14
  • [学会発表] Cross-sectional image of femtosecond laser-induced periodic surface structures on yttria-stabilized zirconia2015

    • 著者名/発表者名
      M. Kakehata, H. Yashiro, A. Oyane, A. Ito and K. Torizuka
    • 学会等名
      The 13th Conference on Laser Ablation (COLA-2015)
    • 発表場所
      Australian National University, Cairns, Australia
    • 年月日
      2015-09-03
    • 国際学会
  • [学会発表] Femtosecond laser-induced periodic surface structures on yttria-stabilized zirconia2015

    • 著者名/発表者名
      M. Kakehata, H. Yashiro, A. Oyane, A. Ito and K. Torizuka
    • 学会等名
      The 7th international congress on Laser Advanced Materials Processing (LAMP2015)
    • 発表場所
      北九州国際会議場(福岡県)
    • 年月日
      2015-05-26
    • 国際学会
  • [備考] 大矢根のホームページ

    • URL

      https://staff.aist.go.jp/a-oyane/

  • [産業財産権] 医療機器材料の製造方法および医療機器材料2015

    • 発明者名
      欠端雅之、屋代英彦、伊藤敦夫、大矢根綾子
    • 権利者名
      欠端雅之、屋代英彦、伊藤敦夫、大矢根綾子
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      特願2015-089715
    • 出願年月日
      2015-04-24

URL: 

公開日: 2017-01-06  

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