2023 Fiscal Year Annual Research Report
Development of ceramic artificial bones with superior damage tolerance properties
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22H03948
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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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) |
関野 徹 大阪大学, 産業科学研究所, 教授 (20226658)
長谷川 智香 北海道大学, 歯学研究院, 准教授 (50739349)
後藤 知代 大阪大学, 高等共創研究院, 准教授 (60643682)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | リン酸八カルシウム / イソフタル酸 / 損傷許容性 / 人工骨 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
セラミックスの構造材料における脆性破壊の抑制は極めて重要な研究課題である。セラミックス製のバイオマテリアルに人工骨がある。高齢者に用いられているヒドロキシアパタイト焼結体は生体内で分解吸収されないため、長期間に渡って荷重を支え続ける必要があり、脆性破壊への対策は必須である。
これに対して研究代表者は、貝殻の真珠層の構造に着目した。真珠層は炭酸カルシウムとポリマーの複合材料であり、これらがレンガ／モルタル構造を形成している。この特異な構造がき裂の直進を妨げ、材料を強靭化している。このような構造を人工的に作製することができれば、損傷許容性に優れる人工骨を得られると考えた。ここで研究代表者が考案したのは、カルボン酸含有層状リン酸カルシウムを熱分解することによって、リン酸カルシウム層とカルボン酸の熱分解で生成したアモルファスカーボン層が積層したミルフィーユ構造が自発的に形成され、この層状構造が材料中のき裂の直進を妨げることで、材料の損傷許容性を向上させるのではないか、というものである。
2023年度の研究においてはイソフタル酸含有リン酸八カルシウムに強化材としてジルコニアを添加した混合粉末を放電プラズマ焼結で焼結することによって、損傷許容性とともに優れた強度を有する複合材料の作製を目指した。その結果、ビッカース硬さ試験によって同材料は優れたき裂の進展の抑制効果があることが分かった。これは、球状のジルコニア粒子を板状のイソフタル酸含有リン酸八カルシウム熱分解生成物が積層構造を形成しながら包み込んだ特異な構造が自発的に形成され、その構造がき裂の進展を抑制するためである。さらに同材料の曲げ強度は360 MPaであり、これは従来のヒドロキシアパタイト製人工骨の3倍以上の強度であった。また、細胞実験の結果、同材料には細胞毒性が無いことも明らかとなった。
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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
研究計画時には、イソフタル酸含有リン酸八カルシウムを用い、これの焼結条件を最適化を進めることによって、材料の高強度化ならびに高靭性化を計画していた。しかし、2022年度の研究の結果、研究計画時の材料作製方法では、材料組織が高度に配向してしまい、その結果として材料に機械的特性の大きな異方性が発現することが分かった。これは、学術的な観点からは大変興味深い現象であるものの、工業材料の観点からは非常に大きな問題となる。
そこで2023年度の研究においては、（ジルコニアとの複合材料を作製することは計画していなかったものの）ジルコニアを配向抑制材として用いたイソフタル酸含有リン酸八カルシウムとの複合材料を作製した。その結果、当初の予想を超えて、機械的性質に優れる材料を作製することに成功した。
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| Strategy for Future Research Activity |
2023年度の研究の結果、イソフタル酸含有リン酸八カルシウム熱分解生成物とジルコニアの複合体が優れた機械的性質を示すことが分かった。しかし、2023年度の研究では、これらの混合比率は1条件しか行うことができず、混合割合を変化させることによって、機械的性質の向上や生物学的性質の改善を進めることができる余地が残されている。
そこで、2024年度はイソフタル酸含有リン酸八カルシウム熱分解生成物とジルコニアの比率を変化させた材料を作製し、それらの機械的性質ならびに機械的性質の探索を進める予定である。
機械的性質はビッカース硬さ試験および万能試験機を用いた3点曲げ試験によって調べる。2023年度に作製した材料においては、曲げ強度は360 MPaであったため、これよりも大きな曲げ強度を目指す。また、優れた機械的特性を示した材料については圧子圧入法によって破壊靭性を評価する。2023年度に作製した材料の破壊靭性値は7 MPa・m^-1/2であったことからこれよりも大きな破壊靭性値の材料の開発を目指す。
また、機械的性質に最も優れた材料を用いてMC3T3-E1細胞を用いてin vitro試験を行う。評価項目は細胞接着、細胞毒性、細胞分化、細胞石灰化である。これらを従来の人工骨の代表的素材であるヒドロキシアパタイトと比較することで、本研究で開発した材料の優位性を明らかにする。
以上の研究成果を総括し、割れない人工骨の設計指針ならびに、物理化学的・機械的・生物学的特性を明らかにする。
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