2023 Fiscal Year Annual Research Report
Development of innovative zirconia artificial bones
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22K19911
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| Research Institution | Tokyo Medical and Dental University |
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Principal Investigator |
横井 太史 東京医科歯科大学, 生体材料工学研究所, 准教授 (00706781)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
川下 将一 東京医科歯科大学, 生体材料工学研究所, 教授 (70314234)
陳 鵬 東北大学, 歯学研究科, 助教 (70708388)
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| Project Period (FY) |
2022-06-30 – 2024-03-31
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| Keywords | 骨修復材料 / 高靭性 / リン酸八カルシウム / アパタイト / 損傷許容性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
Well-beingを実現するための新たな生体材料開発は人生100年時代を迎えた我が国において大変重要である。高齢者に使用される人工骨は非吸収性であり、生涯、体内に残り続ける。そのため、10年以上に渡って安定的に荷重を支える機械的性質が不可欠である。しかしながらセラミックスは脆性材料であり、長期間にわたって割れずに荷重を支えることは技術的に非常に難しい。本研究ではこの難題にチャレンジすることにした。
我々が選択したのは従来のリン酸カルシウムから脱却し、これよりも強度と靭性に優れるジルコニアを人工骨の母材として用いるという材料設計である。ただし、ジルコニアは骨と結合しないため、ジルコニアとリン酸カルシウムの複合材料とすることにした。加えて、リン酸カルシウムとして板状粒子を用いることで、板状粒子の積層によって亀裂の直進阻害機能の発現によって靭性の向上を目指した。
その結果、得られた材料の曲げ強度は360MPaであり、従来のリン酸カルシウム人工骨の3倍の強度の材料の作製に成功した。また、ビッカース硬さ試験機を用いた破壊靭性測定の結果、靭性値はジルコニア単体の2倍以上となった。ジルコニアはセラミックスの中でも特に靭性に優れる材料であり、これの2倍の靭性値を示す材料を得られたことは革新的な成果であったと言える。
また、破壊靭性測定後の試料を走査電子顕微鏡で観察した結果、球状のジルコニア粒子の周りを取り囲むように存在しているリン酸カルシウム層に沿ってき裂が進展している様子が観察された。このことは、当初の材料設計通りにき裂の直進を阻害する微細構造が材料中において実現できていることを意味している。また、骨芽細胞様細胞を用いたin vitro実験によって当該材料に細胞毒性が無いことを確認した。
以上のことから、極めて靭性に優れた新規人工骨の材料設計指針を確立できたと言える。
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