2021 Fiscal Year Annual Research Report
Exploring detailed mechanism of in vivo superlubricity exerted by synergy of highly-hydrated soft matter and biological molecules including hyaluronan, lipids and proteins
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21H04535
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
澤江 義則 九州大学, 工学研究院, 教授 (10284530)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
山口 哲生 東京大学, 大学院農学生命科学研究科(農学部), 准教授 (20466783)
坂井 伸朗 九州工業大学, 大学院工学研究院, 准教授 (60346814)
森田 健敬 九州大学, 工学研究院, 助教 (70175636)
中嶋 和弘 東洋大学, 理工学部, 准教授 (70315109)
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| Project Period (FY) |
2021-04-05 – 2025-03-31
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| Keywords | トライボロジー / 超潤滑 / ソフトマター / 生体高分子 / 生体関節 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
導入した回転式レオメータをベースとした摩擦試験機を用い，滑り速度に依存したハイドロゲル軟骨モデルの動的摩擦挙動を計測し，潤滑液中に添加した生体高分子成分の影響を評価した．その結果，最大摩擦係数を例とすると，タンパク質が摩擦係数を大きく上昇させるのに対し，脂質，ヒアルロン酸は摩擦係数を低下させ，両者を混合することで摩擦が最小化することが示された．また滑り速度と摩擦係数の関係を表す曲線の形状は，変曲点を示す特性速度，変曲点間の傾きなど，いくつかのパラメータにより規定されることを見いだした．実験結果からこれらのパラメータを抽出し，生体高分子成分による個々のパラメータへの影響を整理することで，各成分による摩擦増減メカニズムを特定する研究の方向性が得られた．また往復動摩擦試験機によるハイドロゲル軟骨モデルの摩擦評価では，タンパク質による摩擦上昇が，十分な流体潤滑膜の形成により抑制されることが示唆された．
生きた軟骨細胞を内包するアガロース軟骨モデルについては，培養中の軟骨モデルに周期的な圧縮・せん断変形を加え，細胞外基質産生を促進するための力学負荷培養システムを構築した．また培養後の軟骨モデルの摩擦を，パラレルプレートおよび微小荷重下におけるボール・オン・ディスク摩擦試験により評価した．後者の結果について，軟骨モデル／ガラス球間に生じるせん断応力とゾンマーフェルト数の関係を擬似ストライベック線図として整理し，細胞が産生しモデル内に蓄積された細胞外基質成分が，接触面間のせん断応力を減少させるだけでなく，弾性流体潤滑膜の形成を促進することを示した．
またハイドロゲル軟骨モデルの摩擦挙動に対する固液二相潤滑の寄与を評価するため，汎用有限要素解析ソフトABAQUSに流体解析用ユーザーサブルーチンを組み合わせた，固液二相有限要素解析システムを構築し，滑り速度の影響に関する解析を開始した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
導入した回転式摩擦試験機および既設の往復動摩擦試験機によるハイドロゲル軟骨モデルの摩擦評価は，計画通り順調に進展している．滑り速度に依存したハイドロゲル軟骨モデルの動的摩擦挙動に対し，タンパク質，脂質，ヒアルロン酸が異なる影響を及ぼすことが明確に捉えられており，個々の成分による影響を，特性曲線を規定するいくつかのパラメータへの影響として整理する研究の方向性が得られたことは，当初の予定を上回る成果と言える．
生きた軟骨細胞を播種したアガロース軟骨モデルについては，計画に沿ってまず力学負荷培養を行うための培養システムを構築した．このシステムを用いて2週間培養した軟骨モデルについて，蛍光抗体染色法と共焦点レーザー顕微鏡を用いて観察により，モデル内での組織の形成状態を評価するとともに，その摩擦特性を回転式摩擦試験機により測定できたことから，概ね計画通りに進捗していると判断できる．
ハイドロゲル軟骨モデルならびに培養後のアガロース軟骨モデルの物性評価は，まず力学試験機を用いた圧縮―応力緩和試験により行うこととした．これは，得られる応力緩和挙動を数理モデルにフィッティングすることで，固体の粘弾性と，モデル内の水分移動という，二つの異なる要因による応力緩和について，それぞれの特性時間を抽出できるためである．回転式レオメータによる物性評価も計画どおり実施し，貯蔵弾性率および損失弾性率を測定した．これらの測定により得られた物性は，摩擦試験の結果の整理ならびに固液二相有限要素解析に用いた．
固液二相有限要素モデルによる数値解析についても，計画に沿って解析手法の確立を進め，軟骨モデル上を剛体球が移動する接触点移動条件下における，モデル内の間質水の流動と固相と液相による荷重分担の時間変化に関する解析に着手することができた．
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| Strategy for Future Research Activity |
回転式摩擦試験機によるハイドロゲル軟骨モデルの摩擦評価を継続し，滑り速度と摩擦係数の関係を示す特性曲線から，変曲点に相当する特性速度を抽出する．そのうえで，特性速度により滑り速度域をいくつかの領域に分割し，領域ごとに摩擦挙動を記述する数理モデルを検討する．各数理モデルを構成するパラメータにより特性速度と対応する摩擦係数（あるいは接線力）を記述し，実験結果と比較することにより，生体高分子成分による摩擦増減のメカニズムを検討する．また，往復動試験によるハイドロゲル軟骨モデルの摩擦評価も継続し，生体高分子による摩擦係数の増減に対し，弾性流体潤滑膜形成および間質水による荷重支持がどのような効果を発揮するかを検証する．
生きた軟骨細胞を播種したアガロース軟骨モデルについては，圧縮負荷培養時に加える圧縮ひずみを変化させるとともに培養期間を変化させることにより，モデル内に蓄積される細胞外基質量およびそれにより形成される組織構造の成熟度を変化させる．そのうえで，培養後の軟骨モデルについて摩擦測定を行うとともに，モデル内に蓄積された細胞外基質量の定量評価と組織構造形成の形態的評価を行い，組織形成に関する各種パラメータと摩擦特性との関係を評価する．また培養後のモデルに対する物性評価も継続し，培養に伴う低摩擦発現メカニズムの解明を進める．
固液二相有限要素解析では，固液二相物質である軟骨モデル上を剛体球が移動する接触点移動条件下における解析を進め，滑り速度と間質水による荷重支持の割合の関係を，接触点移動の速度と間質水流動の特性速度との比であるペクレ数により整理し，その摩擦への影響を明らかにする．さらに，生体高分子により軟骨モデル表面に形成される吸着層を有限要素モデルに付与し，その形成・発達・変性による摩擦係数への影響を明らかにする．
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