(57)【要約】【課題】人工関節等に利用できる新たな材料及びその製造方法を提供する。【解決手段】繊維とハイドロゲルとを含む繊維強化ハイドロゲルであって、前記繊維の少なくとも一部は、張力が印加された状態で前記繊維の長軸方向が前記ハイドロゲルの表面に沿う方向に配置されている、繊維強化ハイドロゲル。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
繊維とハイドロゲルとを含む繊維強化ハイドロゲルであって、
前記繊維の少なくとも一部は、張力が印加された状態で前記繊維の長軸方向が前記ハイドロゲルの表面に沿う方向に配置されている、繊維強化ハイドロゲル。
【請求項２】
前記ハイドロゲルの表面と前記繊維の少なくとも一部との間の距離が２ｍｍ以下である、請求項１に記載の繊維強化ハイドロゲル。
【請求項３】
摩擦低減用であり、前記表面が低摩擦面である、請求項２に記載の繊維強化ハイドロゲル。
【請求項４】
水分含量が７０質量％以上である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の繊維強化ハイドロゲル。
【請求項５】
前記ハイドロゲルがポリビニルアルコール系重合体を含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載の繊維強化ハイドロゲル。
【請求項６】
前記繊維がポリビニルアルコール系重合体を含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載の繊維強化ハイドロゲル。
【請求項７】
前記繊維はメッシュ状に配置されており、隣り合う前記繊維同士の間隔が２ｍｍ以下である、請求項１〜６のいずれか一項に記載の繊維強化ハイドロゲル。
【請求項８】
前記繊維は直径３０〜１５０μｍである、請求項１〜７のいずれか一項に記載の繊維強化ハイドロゲル。
【請求項９】
繊維が配置された型に架橋性ハイドロゲル材料を添加する工程と、
前記架橋性ハイドロゲル材料を架橋させて繊維強化ハイドロゲルを形成する工程と、を備え、
前記繊維の少なくとも一部は、前記繊維の長軸方向が前記型の内面に沿う方向に配置されており、
前記繊維強化ハイドロゲルを形成する工程を、前記繊維に張力を印加した状態で行う、
繊維強化ハイドロゲルの製造方法。
【請求項１０】
前記繊維への張力の印加を、前記型に添加する前記架橋性ハイドロゲル材料の温度を前記繊維が収縮する温度にすることにより行う、請求項９に記載の製造方法。
【請求項１１】
前記繊維がポリビニルアルコール系重合体を含み、
前記架橋性ハイドロゲル材料がポリビニルアルコール系重合体を含み、
前記温度が６０〜７０℃である、請求項１０に記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、繊維強化ハイドロゲル及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
人工関節材料及び人工関節置換術の発達により、変形性関節症や関節リウマチなどの疾患により損傷した関節の運動機能の回復や疼痛の除去が可能となってきている（例えば特許文献１、２を参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第５７５８０６３号公報
【特許文献２】特開２００７−１６７６５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の人工関節では、例えば超高分子量ポリエチレン等の異物摩耗粉が生成され、これに対するマクロファージの過剰反応に起因する骨吸収（骨溶解）等が進行して術部が緩み、再置換手術が必要となる場合がある。そこで、本発明は、人工関節等に利用できる新たな材料及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は以下の態様を含む。
［１］繊維とハイドロゲルとを含む繊維強化ハイドロゲルであって、前記繊維の少なくとも一部は、張力が印加された状態で前記繊維の長軸方向が前記ハイドロゲルの表面に沿う方向に配置されている、繊維強化ハイドロゲル。
［２］前記ハイドロゲルの表面と前記繊維の少なくとも一部との間の距離が２ｍｍ以下である、［１］に記載の繊維強化ハイドロゲル。
［３］摩擦低減用であり、前記表面が低摩擦面である、［２］に記載の繊維強化ハイドロゲル。
［４］水分含量が７０質量％以上である、［１］〜［３］のいずれかに記載の繊維強化ハイドロゲル。
［５］前記ハイドロゲルがポリビニルアルコール系重合体を含む、［１］〜［４］のいずれかに記載の繊維強化ハイドロゲル。
［６］前記繊維がポリビニルアルコール系重合体を含む、［１］〜［５］のいずれかに記載の繊維強化ハイドロゲル。
［７］前記繊維はメッシュ状に配置されており、隣り合う前記繊維同士の間隔が２ｍｍ以下である、［１］〜［６］のいずれかに記載の繊維強化ハイドロゲル。
［８］前記繊維は直径３０〜１５０μｍである、請求項１〜７のいずれか一項に記載の繊維強化ハイドロゲル。
［９］繊維が配置された型に架橋性ハイドロゲル材料を添加する工程と、前記架橋性ハイドロゲル材料を架橋させて繊維強化ハイドロゲルを形成する工程と、を備え、前記繊維の少なくとも一部は、前記繊維の長軸方向が前記型の内面に沿う方向に配置されており、前記繊維強化ハイドロゲルを形成する工程を、前記繊維に張力を印加した状態で行う、繊維強化ハイドロゲルの製造方法。
［１０］前記繊維への張力の印加を、前記型に添加する前記架橋性ハイドロゲル材料の温度を前記繊維が収縮する温度にすることにより行う、［９］に記載の製造方法。
［１１］前記繊維がポリビニルアルコール系重合体を含み、前記架橋性ハイドロゲル材料がポリビニルアルコール系重合体を含み、前記温度が６０〜７０℃である、［１０］に記載の製造方法。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、人工関節等に利用できる新たな材料及びその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】１実施形態にかかる繊維強化ハイドロゲルの構造を示す模式図である。
【図２】（ａ）は、繊維強化されていないハイドロゲルの一端を保持した状態を示す写真である。（ｂ）は、１実施形態にかかる繊維強化ハイドロゲルの一端を保持した状態を示す写真である。
【図３】（ａ）は、シート形状の繊維強化ハイドロゲルを製造する型の一例を示す写真である。（ｂ）は、（ａ）の型におけるピンに繊維を引っ掛けて張力を印加した状態を説明する模式図である。
【図４】実験例１（シミュレーション解析１）で解析した繊維強化ハイドロゲルモデルの模式図である。
【図５】（ａ）〜（ｊ）は、実験例１における繊維強化ハイドロゲルのミーゼス応力分布の解析結果を示す図である。
【図６】（ａ）〜（ｊ）は、実験例１における繊維強化ハイドロゲルの間隙流体圧分布の解析結果を示す図である。
【図７】（ａ）〜（ｊ）は、実験例１において、繊維強化ハイドロゲルにおける流体の流れを解析した結果を示す図である。
【図８】実験例１において、繊維強化ハイドロゲルにおける液相及び固相による荷重支持率を計算した結果を示すグラフである。
【図９】実験例１において、繊維強化ハイドロゲルにおける表面流体圧分布を計算した結果を示すグラフである。
【図１０】（ａ）〜（ｄ）は、実験例２（シミュレーション解析２）における繊維強化ハイドロゲルのミーゼス応力分布の解析結果を示す図である。
【図１１】（ａ）〜（ｄ）は、実験例２における繊維強化ハイドロゲルの間隙流体圧分布の解析結果を示す図である。
【図１２】（ａ）〜（ｄ）は、実験例２において、繊維強化ハイドロゲルにおける流体の流れを解析した結果を示す図である。
【図１３】実験例５における往復摩擦試験の結果を示すグラフである。
【図１４】実験例６（シミュレーション解析３）における往復摩擦試験の摩擦係数の計算結果を示すグラフである。
【図１５】（ａ）〜（ｆ）は、実験例６における繊維強化ハイドロゲルのミーゼス応力分布の解析結果を示す図である。
【図１６】（ａ）〜（ｆ）は、実験例６における繊維強化ハイドロゲルの間隙流体圧分布の解析結果を示す図である。
【図１７】（ａ）〜（ｆ）は、実験例６において、繊維強化ハイドロゲルにおける流体の流れを解析した結果を示す図である。
【図１８】（ａ）〜（ｃ）は、実験例６において、繊維強化ハイドロゲルにおける液相及び固相による荷重支持率を計算した結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、場合により図面を参照しつつ、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、図面中、同一又は相当部分には同一又は対応する符号を付し、重複する説明は省略する。なお、各図における寸法比は、説明のため誇張している部分があり、必ずしも実際の寸法比とは一致しない。
【０００９】
［繊維強化ハイドロゲル］
１実施形態において、本発明は、繊維とハイドロゲルとを含む繊維強化ハイドロゲルであって、前記繊維の少なくとも一部は、張力が印加された状態で前記繊維の長軸方向が前記ハイドロゲルの表面に沿う方向に配置されている、繊維強化ハイドロゲルを提供する。
【００１０】
図１は、本実施形態の繊維強化ハイドロゲルの一例を示す模式図である。図１に示すように、繊維強化ハイドロゲル１００は、繊維１１０とハイドロゲル１２０とを含んでいる。そして、繊維１１０の少なくとも一部は、張力が印加された状態で、繊維１１０の長軸方向がハイドロゲル１２０の表面１３０に沿う方向に配置されている。
【００１１】
本実施形態の繊維強化ハイドロゲルにおいて、繊維に張力が印加された状態で配置されているとは、繊維１１０にテンションがかかった状態で、繊維１１０がハイドロゲル１２０の内部に配置されていることを意味する。張力は、本発明の効果が奏される限り、繊維１１０の少なくとも一部に印加されていればよく、繊維１１０の全部に印加されていてもよい。
【００１２】
繊維強化ハイドロゲル１００は、繊維１１０に張力が印加されていることから、例えば、シート形状の繊維強化ハイドロゲル１００を矩形型に切断して一端を保持した場合、曲がらずに形状を維持することができる。
【００１３】
これに対し、シート形状の繊維強化されていないハイドロゲル、又はシート形状の繊維に張力が印加されていない繊維強化ハイドロゲルを、矩形型に切断して一端を保持した場合、重力で曲がる。
【００１４】
図２（ａ）は、繊維強化されていないハイドロゲルの一端を保持した状態を示す写真である。図２（ａ）に示すように、繊維強化されていないハイドロゲルは重力で曲がっている。一方、図２（ｂ）は、本実施形態の繊維強化ハイドロゲルの一端を保持した状態を示す写真である。図２（ｂ）に示すように、本実施形態の繊維強化ハイドロゲルは、一端を保持した場合に曲がらずに形状を維持することができる。
【００１５】
あるいは、本実施形態の繊維強化ハイドロゲルは、繊維に張力が印加されていることから、例えば、繊維強化ハイドロゲルに繊維を切断する深さの切り込みを入れた場合、繊維に引っ張られて繊維強化ハイドロゲルの切り込み部分が広がる。これに対し、繊維強化されていないハイドロゲル、又は、繊維に張力が印加されていない繊維強化ハイドロゲルは、切り込みを入れても切り込み部分はほとんど広がらない。
【００１６】
図１に示すように、繊維強化ハイドロゲル１００では、繊維１１０の長軸方向が繊維強化ハイドロゲル１００の表面に沿う方向に配置されている。ここで、表面に沿う方向とは、繊維強化ハイドロゲル１００の表面１３０に略平行な方向である。すなわち、繊維強化ハイドロゲル１００では、繊維１１０の長軸方向が、繊維強化ハイドロゲル１００の表面１３０に沿う方向に配置されている。
【００１７】
繊維１１０は、繊維強化ハイドロゲル１００の表面１３０に沿う方向に配置されていればどのような向きに配置されていてもよい。例えば、図１の例では、繊維１１０は、繊維１１０の長軸方向が、直交する２方向に配置されており、これらの繊維１１０はいずれも表面１３０に略平行な方向に配置されている。
【００１８】
本実施形態の繊維強化ハイドロゲルの形状は、張力が印加された状態で繊維の長軸方向がハイドロゲルの表面に沿う方向に配置されている限り、特に限定されない。例えば、シート形状であってもよく、任意の立体形状であってもよい。また、繊維強化ハイドロゲル１００の表面１３０は、平面であってもよく、曲面であってもよい。繊維強化ハイドロゲルがシート形状である場合、その厚さは、例えば、１．５〜３ｍｍであってもよい。
【００１９】
実施例において後述するように、本実施形態の繊維強化ハイドロゲルは、繊維強化されていないハイドロゲルと比較して、摩擦係数が低い。したがって、繊維強化ハイドロゲル１００は、摩擦低減用に用いることができ、表面１３０が低摩擦面である。
【００２０】
本実施形態の繊維強化ハイドロゲルは、例えば、人工関節、人工軟骨インプラント、軸受、シール、形状保持の高吸水性材料、防振・衝撃吸収材料、生体に近い感触の体内器官（血管モデル、口腔モデル等）、水溶性機能分子の徐放材料（工業・農業資材）等に使用することができる。
【００２１】
本実施形態の繊維強化ハイドロゲルにおいて、ハイドロゲルの表面と繊維の少なくとも一部との間の距離は、２ｍｍ以下であることが好ましい。つまり、図１の例で説明すると、繊維強化ハイドロゲル１００の表面１３０と、繊維１１０の少なくとも一部との間の距離Ｄは２ｍｍ以下であることが好ましい。距離Ｄは、０ｍｍ超であり、０．１ｍｍ以上であってもよく、０．５ｍｍ以上であってもよく、１ｍｍ以上であってもよい。また、距離Ｄは、１．４ｍｍ以下であってもよく、１ｍｍ以下であってもよく、０．５ｍｍ以下であってもよく、０．１ｍｍ以下であってもよい。例えば、距離Ｄは、０．３〜１．０ｍｍであってもよく、０．５〜０．８ｍｍであってもよく、約０．７ｍｍであってもよい。
【００２２】
実施例において後述するように、距離Ｄが上記の範囲であると、摩擦低減効果が高い傾向にある。なお、距離Ｄの測定対象となる繊維１１０は、張力がかかった状態で長軸方向がハイドロゲル１００の表面１３０に沿う方向に配置された繊維である。繊維強化ハイドロゲル１００は、これ以外の繊維、すなわち、張力が印加されていない繊維、長軸方向がハイドロゲル１００の表面１３０に沿う方向とは異なる方向に配置された繊維等を含んでいてもよい。
【００２３】
（メカニズム）
実施例において後述するように、発明者らは、シミュレーション及び実際に繊維強化ハイドロゲルを作製して摩擦試験を行うことにより、繊維強化ハイドロゲルによる摩擦低減機構のメカニズムを検討した。その結果、次のようなメカニズムにより繊維強化ハイドロゲルによる摩擦低減が実現されていると考えている。
【００２４】
まず、圧子で繊維強化ハイドロゲルに荷重を加えた場合、圧子と繊維強化ハイドロゲルとの接触面下において、ハイドロゲル内部の液相が流動しようとする。しかしながら、ハイドロゲルの透水率は低いため、液相の流動は制限される。
【００２５】
また、圧子はハイドロゲルを構成している固相を押そうとするが、繊維強化ハイドロゲルは、表面に沿う方向が繊維により高剛性化されているため、圧子と繊維強化ハイドロゲルとの接触面における液相圧力が上昇する。
【００２６】
ここで、ハイドロゲルを構成している固相は、圧縮に対して低剛性である。この結果、ハイドロゲルを構成している液相の圧力が高くなり、固相の圧力は低くなる。すなわち、液相による荷重支持率が、固相による荷重支持率よりも高くなる。その結果、表面においてはハイドロゲルを構成している固相で生じる摩擦力が小さくなり、摩擦が低減される。
【００２７】
（ハイドロゲル）
本実施形態の繊維強化ハイドロゲルの水分含量は、７０質量％以上であることが好ましく、８０質量％以上であってもよく、９０質量％以上であってもよい。水分含量が上記の範囲であると、摩擦低減効果が高くなる傾向にある。
【００２８】
また、本実施形態の繊維強化ハイドロゲルの透水率は、２×１０−１５〜２×１０−１３ｍ４／Ｎ・ｓであることが好ましい。ハイドロゲルの透水率は、例えば、試験片に圧力差を生じさせ、透過する水分量を測定する方法、あるいは、圧縮試験の時系列反力挙動と計算モデルによるカーブフィットで透水率を求める方法等により測定することができる。
【００２９】
本実施形態の繊維強化ハイドロゲルにおいて、ハイドロゲルは、架橋性ハイドロゲル材料を架橋させて得られるハイドロゲルであることが好ましい。架橋性ハイドロゲル材料としては、例えば、ポリビニルアルコール系重合体、ポリビニルピロリドン等の合成高分子；セルロース、デンプン、キチン・キトサン等の天然多糖類；ポリ乳酸（ＰＬＬＡ、ＰＤＬＬＡ等）、ポリグリコール酸（ＰＧＡ）、ポリカプロラクトン等の生分解性ポリマー等が挙げられる。
【００３０】
例えば人工軟骨等の、生体に適用する繊維強化ハイドロゲルを製造する場合においては、有機溶媒や化学薬品を使用せずにゲル化することができる架橋性ハイドロゲル材料からハイドロゲルを形成することが好ましい。このような架橋性ハイドロゲル材料としては、例えば、微結晶形成により架橋するポリビニルアルコール系重合体、電子線等の量子ビームを照射することにより架橋する天然多糖類（セルロース、デンプン、キチン・キトサン等）等が挙げられる。
【００３１】
なかでも、ポリビニルアルコール系重合体は、水溶液を繰り返し凍結解凍することで、あるいは水溶液を十分乾燥させることで物理架橋し、ハイドロゲルを作製することができる。このため、有機溶媒や化学薬品を使用せずにハイドロゲルを形成することができる。
【００３２】
したがって、本実施形態の繊維強化ハイドロゲルにおいて、ハイドロゲルはポリビニルアルコール系重合体を含んでいてもよい。
【００３３】
ポリビニルアルコール系重合体としては、ビニルエステル系モノマーを重合して得られるビニルエステル系重合体をけん化することにより製造される重合体を使用することができる。
【００３４】
ここで、ビニルエステル系モノマーとしては、例えば、ギ酸ビニル、酢酸ビニル、プロピオン酸ビニル、バレリン酸ビニル、ラウリン酸ビニル、ステアリン酸ビニル、安息香酸ビニル、ピバリン酸ビニル、バーサティック酸ビニル等が挙げられる。これらのうち、酢酸ビニルが好ましい。
【００３５】
上記のビニルエステル系重合体は、１種又は２種以上のビニルエステル系モノマーを用いて従来公知の方法により重合して得られる重合体であれば特に限定されず、１種又は２種以上のビニルエステル系モノマーと、これらと共重合可能な他のモノマーとの共重合体であってもよいし、ビニルエステル系モノマーのみを用いて得られる重合体であってもよい。これらのうち、ビニルエステル系モノマーのみを用いて得られる重合体であることが好ましく、１種のビニルエステル系モノマーのみを用いて得られる重合体であることがより好ましい。
【００３６】
上記のビニルエステル系モノマーと共重合可能な他のモノマー（以下、「他のモノマー」という場合がある。）としては、例えば、エチレン；プロピレン、１−ブテン、イソブテン等の炭素数３〜３０のオレフィン；アクリル酸又はその塩；アクリル酸メチル、アクリル酸エチル、アクリル酸ｎ−プロピル、アクリル酸ｉ−プロピル、アクリル酸ｎ−ブチル、アクリル酸ｉ−ブチル、アクリル酸ｔ−ブチル、アクリル酸２−エチルへキシル、アクリル酸ドデシル、アクリル酸オクタデシル等のアクリル酸エステル；メタクリル酸又はその塩；メタクリル酸メチル、メタクリル酸エチル、メタクリル酸ｎ−プロピル、メタクリル酸ｉ−プロピル、メタクリル酸ｎ−ブチル、メタクリル酸ｉ−ブチル、メタクリル酸ｔ−ブチル、メタクリル酸２−エチルへキシル、メタクリル酸ドデシル、メタクリル酸オクタデシル等のメタクリル酸エステル；アクリルアミド、Ｎ−メチルアクリルアミド、Ｎ−エチルアクリルアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルアクリルアミド、ジアセトンアクリルアミド、アクリルアミドプロパンスルホン酸又はその塩、アクリルアミドプロピルジメチルアミン又はその塩、Ｎ−メチロールアクリルアミド又はその誘導体等のアクリルアミド誘導体；メタクリルアミド、Ｎ−メチルメタクリルアミド、Ｎ−エチルメタクリルアミド、メタクリルアミドプロパンスルホン酸又はその塩、メタクリルアミドプロピルジメチルアミン又はその塩、Ｎ−メチロールメタクリルアミド又はその誘導体等のメタクリルアミド誘導体；Ｎ−ビニルホルムアミド、Ｎ−ビニルアセトアミド、Ｎ−ビニルピロリドン等のＮ−ビニルアミド；メチルビニルエーテル、エチルビニルエーテル、ｎ−プロピルビニルエーテル、ｉ−プロピルビニルエーテル、ｎ−ブチルビニルエーテル、ｉ−ブチルビニルエーテル、ｔ−ブチルビニルエーテル、ドデシルビニルエーテル、ステアリルビニルエーテル等のビニルエーテル；アクリロニトリル、メタクリロニトリル等のシアン化ビニル；塩化ビニル、塩化ビニリデン、フッ化ビニル、フッ化ビニリデン等のハロゲン化ビニル；酢酸アリル、塩化アリル等のアリル化合物；マレイン酸、マレイン酸塩、マレイン酸エステル又はマレイン酸無水物；イタコン酸、イタコン酸塩、イタコン酸エステル又はイタコン酸無水物；ビニルトリメトキシシラン等のビニルシリル化合物；酢酸イソプロペニル等が挙げられる。
【００３７】
上記のビニルエステル系重合体は、これらの他のモノマーのうちの１種又は２種以上に由来する構造単位を有することができる。上記のビニルエステル系重合体における上記の他のモノマーに由来する構造単位の含有割合は、ビニルエステル系重合体を構成する全構造単位に対して１５モル％以下であることが好ましく、５モル％以下であることがより好ましい。
【００３８】
ポリビニルアルコール系重合体の重合度は、１０００以上であることが好ましく、１７００以上であることがより好ましく、２０００以上であることが更に好ましい。また、ポリビニルアルコール系重合体の重合度に上限はないが、例えば５０００程度になると溶解が難しくなり、高濃度のポリビニルアルコール水溶液を得ることが困難になる傾向がある。
【００３９】
ここで、ポリビニルアルコール系重合体の重合度とは、ＪＩＳ  Ｋ６７２６−１９９４の記載に準じて測定される平均重合度を意味し、ポリビニルアルコール系重合体を再けん化し、精製した後、３０℃の水中で測定した極限粘度［η］（単位：ｄＬ／ｇ）から下記式（１）により求めることができる。
平均重合度＝（［η］×１０３／８．２９）（１／０．６２）  …（１）
【００４０】
また、ポリビニルアルコール系重合体のけん化度は、９８モル％以上であることが好ましく、９９モル％以上であることがより好ましく、９９．５モル％以上であることが更に好ましい。また、ポリビニルアルコール系重合体のけん化度に上限はないが、例えば９９．９９９モル％になると溶解が難しい。
【００４１】
ここで、ポリビニルアルコール系重合体のけん化度とは、けん化によってビニルアルコール単位に変換され得る構造単位（典型的にはビニルエステル系モノマー単位）とビニルアルコール単位との合計モル数に対してビニルアルコール単位のモル数が占める割合（モル％）をいう。ポリ酢酸ビニルの酢酸基を水酸基に置き換えるけん化反応により合成するポリビニルアルコールでは、ポリビニルアルコール中のアセトキシ基と水酸基の合計数に対する水酸基の割合をけん化度で表わす。ポリビニルアルコール系重合体のけん化度は、ＪＩＳ  Ｋ６７２６−１９９４の記載に準じて測定することができる。
【００４２】
本実施形態の繊維強化ハイドロゲルの製造に用いる架橋性ハイドロゲル材料としては、１種類のポリビニルアルコール系重合体を用いてもよいし、重合度、けん化度、変性度等が互いに異なる２種以上のポリビニルアルコール系重合体の混合物を用いてもよい。
【００４３】
本実施形態の繊維強化ハイドロゲルは、架橋性ハイドロゲル材料以外に添加剤を含有していてもよい。添加剤としては、例えば、コンドロイチン硫酸、ヒアルロン酸等のヒトの関節に存在する生体物質；二酸化チタン等の無機微粒子；多糖類、タンパク質等の有機分子等が挙げられる。繊維強化ハイドロゲル中の添加剤の含有量は、例えば１質量％以上であってもよく、５質量％以上であってもよく、１０質量％以上であってもよい。また、繊維強化ハイドロゲル中の添加剤の含有量に上限はないが、例えば２０質量％程度になると強度が著しく低下する場合がある。
【００４４】
（繊維）
本実施形態の繊維強化ハイドロゲルにおいて、繊維としては、張力が印加された状態でハイドロゲルの内部に配置することができるものであれば特に制限されず、例えば、ポリビニルアルコール系重合体、セルロース、コラーゲン、炭素繊維等が挙げられる。
【００４５】
特に、繊維強化ハイドロゲルの製造に用いる架橋性ハイドロゲル材料がポリビニルアルコール系重合体を含む場合、繊維がポリビニルアルコール系重合体を含むものであると、特別な処理を行わなくても繊維をハイドロゲルに強固に結合することができるため好ましい。繊維がポリビニルアルコール系重合体を含むものである場合、ポリビニルアルコール系重合体としては、上述したハイドロゲルにおけるものと同様のものを用いることができる。
【００４６】
繊維の直径は、３０〜１５０μｍであることが好ましく、例えば、３０〜８０μｍであってもよい。
【００４７】
本実施形態の繊維強化ハイドロゲルにおいて、繊維は、張力が印加された状態で繊維の長軸方向がハイドロゲルの表面に沿う方向に配置されている限り、どのように配置されていてもよい。
【００４８】
例えば、繊維は、メッシュ状に配置されていてもよい。ここで、メッシュ状とは、複数の経糸と複数の緯糸が直交した状態であってもよく、長軸方向が平行に並んだ複数の繊維からなる組の２組以上が、長軸方向が互いに異なる方向となるように、略同一平面上で重ねあわされた状態であってもよく、長軸方向がランダムな方向に向いた複数の繊維が、略同一平面上で重ねあわされた状態であってもよい。
【００４９】
また、メッシュは繊維を重ねただけのものであってもよく、織物であってもよい。メッシュ状に配置された繊維において、隣り合う前記繊維同士の間隔は２ｍｍ以下であることが好ましい。例えば、繊維は複数の経糸と複数の緯糸が直交したメッシュ状に配置されており、当該メッシュにおいて、隣り合う前記繊維同士の間隔が２ｍｍ以下であってもよい。ここで、繊維同士の間隔は、メッシュの少なくとも一部において２ｍｍ以下であってもよく、メッシュ全体の面積の５０％以上、例えば、６０％以上、例えば７０％以上、例えば８０％以上、例えば９０％以上、例えば１００％の部分において２ｍｍ以下であってもよい。
【００５０】
［繊維強化ハイドロゲルの製造方法］
１実施形態において、本発明は、繊維が配置された型に架橋性ハイドロゲル材料を添加する工程と、前記架橋性ハイドロゲル材料を架橋させて繊維強化ハイドロゲルを形成する工程と、を備え、前記繊維の少なくとも一部は、前記繊維の長軸方向が前記型の内面に沿う方向に配置されており、前記繊維強化ハイドロゲルを形成する工程を、前記繊維に張力を印加した状態で行う、繊維強化ハイドロゲルの製造方法を提供する。
【００５１】
本実施形態の製造方法においては、まず、繊維が配置された型に架橋性ハイドロゲル材料を添加する。ここで、型の形状は特に制限されず、製造する繊維強化ハイドロゲルの形状に対応したものを使用する。
【００５２】
例えば、シート形状の繊維強化ハイドロゲルを製造する場合、型としては、例えば、底面と側面を有する容器を用いることができる。底面の形状は任意の形状であってよく、例えば、円状、三角形、四角形、五角形、六角形、七角形、八角形等の多角形状等が挙げられるがこれに限定されない。型の側面は、底面の形状に応じたものであればよく、液体状の架橋性ハイドロゲル材料を添加した場合に架橋性ハイドロゲル材料を所望の形状に維持することができればよい。また、例えば、任意の立体形状の繊維強化ハイドロゲルを製造する場合、型としては、所望の立体形状の容器を用いることができる。
【００５３】
型には繊維を配置する。繊維は、型の内面のうち、製造する繊維強化ハイドロゲルの低摩擦面に接する面に沿う方向に配置する。繊維としては、上述したものと同様のものを用いることができる。
【００５４】
また、繊維はメッシュ状に配置してもよい。メッシュ状の配置については上述したものと同様である。
【００５５】
繊維は、繊維の少なくとも一部と型の内面との間の距離Ｄが２ｍｍ以下となるように配置することが好ましい。距離Ｄは、０ｍｍ超であり、０．１ｍｍ以上であってもよく、０．５ｍｍ以上であってもよく、１ｍｍ以上であってもよい。また、距離Ｄは、１．４ｍｍ以下であってもよく、１ｍｍ以下であってもよく、０．５ｍｍ以下であってもよく、０．１ｍｍ以下であってもよい。例えば、距離Ｄは、０．３〜１．０ｍｍであってもよく、０．５〜０．８ｍｍであってもよく、約０．７ｍｍであってもよい。
【００５６】
型に添加する架橋性ハイドロゲル材料としては、上述したものと同様のものを用いることができる。
【００５７】
続いて、型に添加した架橋性ハイドロゲル材料を架橋させて繊維強化ハイドロゲルを形成する。
【００５８】
架橋性ハイドロゲル材料の架橋は、使用した架橋性ハイドロゲル材料に応じた手段で行えばよい。例えば、架橋性ハイドロゲル材料としてポリビニルアルコール系重合体を含む材料を用いた場合、凍結解凍を繰り返すことにより架橋させて、ハイドロゲルを形成することができる。凍結解凍の条件としては、用いたポリビニルアルコール系重合体に応じた条件であればよく、例えば、架橋性ハイドロゲル材料を入れた型全体を−２０℃で１０時間凍結し、４℃で２０時間解凍することを５回繰り返す条件等が挙げられる。
【００５９】
本実施形態の製造方法では、繊維強化ハイドロゲルを形成する工程を、繊維に張力を印加した状態で行う。繊維に張力を印加する方法は特に制限されない。
【００６０】
繊維に張力を印加した状態で繊維強化ハイドロゲルを形成する具体的な方法の一例を図３（ａ）及び（ｂ）を例に説明する。図３（ａ）は、シート形状の繊維強化ハイドロゲルを製造する型の一例を示す写真である。
【００６１】
図３（ａ）に示す型３００は、底面３１０を有している。図３（ａ）においては、側面は外されており、図示されていない。型３００において、底面３１０の周囲には、１ｍｍ間隔で多数のピン３２０が配置されている。
【００６２】
図３（ｂ）は、図３（ａ）の型におけるピン３２０に繊維を引っ掛けて張力を印加した状態を説明する模式図である。図３（ｂ）に示すように、複数のピン３２０に、１本の長い繊維１１０を引っ掛け、繊維１１０を引っ張って繊維１１０に張力が印加した状態で繊維１１０の両端を固定することにより、繊維１１０に張力が印加した状態を保つことができる。ピン３２０同士の間隔を調整することにより、繊維１１０同士の間隔を調整することができる。
【００６３】
この状態で、型３００に側面を設置して架橋性ハイドロゲル材料を添加し、架橋させてハイドロゲルを形成することにより、繊維１１０に張力を印加した状態で繊維強化ハイドロゲルが形成される。
【００６４】
これにより、張力が印加された状態で繊維の長軸方向が前記ハイドロゲルの表面に沿う方向に配置されている、繊維強化ハイドロゲルを製造することができる。
【００６５】
この例では、１本の長い繊維を使用したが、繊維に張力をかけることができればこの方法には限られない。例えば、繊維は多数の経糸及び緯糸であり、各経糸及び各緯糸に個別に張力をかけてもよい。しかしながら、１本の長い繊維を用いると、容易に均一に張力をかけることができるため好適である。
【００６６】
繊維に張力を印加した状態で繊維強化ハイドロゲルを形成する別の方法として、例えば、熱により収縮する繊維を使用し、型に添加する架橋性ハイドロゲル材料の温度を繊維が収縮する温度にすることにより行う方法が挙げられる。
【００６７】
例えば、図３（ａ）に示す型３００を用いて、図３（ｂ）に示すようにピン３２０に繊維を引っ掛け、繊維の両端を固定する。ここで、繊維には張力を印加させていてもよいし、張力を印加させていなくてもよい。
【００６８】
続いて、繊維が収縮する温度に調整した架橋性ハイドロゲル材料を型に添加する。すると、繊維が加熱されて収縮し、繊維に張力が印加される。
【００６９】
この状態で、型３００に添加した架橋性ハイドロゲル材料を架橋させて、ハイドロゲルを形成することにより、繊維に張力を印加した状態で繊維強化ハイドロゲルを形成することができる。
【００７０】
本実施形態の製造方法において、型の内面に沿う方向に長軸方向が配置された繊維以外の繊維が存在していてもよい。この場合、型の内面に沿う方向に長軸方向が配置された繊維の少なくとも一部に張力がかかっていれば、その他の方向に配置された繊維には張力がかかっていなくてもよい。
【００７１】
本実施形態の製造方法において、繊維がポリビニルアルコール系重合体を含み、架橋性ハイドロゲル材料がポリビニルアルコール系重合体を含み、型に添加する架橋性ハイドロゲル材料の温度を６０〜７０℃に調整してもよい。
【００７２】
ここで、架橋性ハイドロゲル材料は、ポリビニルアルコール系重合体の水溶液であることが好ましい。実施例において後述するように、ポリビニルアルコール系重合体を含む繊維は、約６５℃で収縮し、７０℃では融解して凝集した。そして、６０〜７０℃の範囲では繊維を収縮させ、適度な張力を印加させることができた。
【００７３】
また、型に添加するポリビニルアルコール系重合体の水溶液の温度が６０〜７０℃であると、ポリビニルアルコール系重合体の水溶液の粘度が適度に下がり、繊維にポリビニルアルコール系重合体を浸潤させることが容易となる傾向にある。繊維にポリビニルアルコール系重合体を浸潤させてゲル化することにより、繊維をハイドロゲルに強固に結合させることが可能になる。
【００７４】
また、ここで、型の温度を４５〜６０℃に調整しておくと、架橋性ハイドロゲル材料であるポリビニルアルコール系重合体の水溶液を型に添加した直後に固まるのを抑制し、繊維にポリビニルアルコール系重合体を浸潤させることが更に容易となった。
【実施例】
【００７５】
次に実施例を示して本発明を更に詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００７６】
［実験例１］
（シミュレーション解析１）
有限要素解析ソフトを用いたシミュレーション解析により、繊維強化位置を変えた繊維強化ハイドロゲルモデルの往復摩擦試験を行った。解析ソフトにはＡｂａｑｕｓ（ダッソーシステムズ社）を使用した。図４に示すハイドロゲルを解析モデルとしてシミュレーションした。要素サイズは０．１ｍｍ（表面に沿う方向）×０．１ｍｍ（深さ方向）とし、固液二相要素を用いた。ハイドロゲルのサイズは厚さ２．１ｍｍ、表面半径３４ｍｍとした。また、ハイドロゲルの底部を非透水と設定した。ハイドロゲルの底部を固定し、ハイドロゲルの表面に剛体板により１．２６Ｎ／ｍｍの荷重をかけ、滑り速度を２ｍｍ／秒、ストロークを１２ｍｍ、固相間摩擦係数を０．１とした。１秒で所定の圧縮荷重を印加し、１２０秒間往復運動を行った状態をシミュレーションした。
【００７７】
ハイドロゲルの物性値は、ヤング率０．１１ＭＰａ、透水率２．０×１０−１３ｍ４／Ｎ・ｓ、ポアソン比０．１２５と設定した。
【００７８】
ハイドロゲルの表面から０．１ｍｍ、０．７ｍｍ、１．０ｍｍ及び１．４ｍｍの位置を繊維強化した各モデルについて解析を行った。対照として、繊維強化を行っていないハイドロゲルモデルを解析した。繊維強化位置は、水平方向に引張伸度８％で１．９Ｎのバネ要素とした。
【００７９】
荷重印加直後（０秒後）及び往復運動１２０秒後のミーゼス応力分布、間隙流体圧分布及び流体の流れを解析した。
【００８０】
図５（ａ）〜（ｊ）は各モデルのミーゼス応力分布の解析結果を示す図である。図５（ａ）及び（ｆ）は繊維強化なしのハイドロゲルの解析結果であり、図５（ｂ）及び（ｇ）はハイドロゲルの表面から０．１ｍｍの位置を繊維強化したハイドロゲルの解析結果であり、図５（ｃ）及び（ｈ）はハイドロゲルの表面から０．７ｍｍの位置を繊維強化したハイドロゲルの解析結果であり、図５（ｄ）及び（ｉ）はハイドロゲルの表面から１．０ｍｍの位置を繊維強化したハイドロゲルの解析結果であり、図５（ｅ）及び（ｊ）はハイドロゲルの表面から１．４ｍｍの位置を繊維強化したハイドロゲルの解析結果である。また、図５（ａ）〜（ｅ）は、荷重印加直後（０秒後）の解析結果であり、図５（ｆ）〜（ｊ）は往復運動１２０秒後の解析結果である。
【００８１】
その結果、繊維強化なしのハイドロゲルでは、ミーゼス応力がゲルの中央部上方に集中することが明らかとなった。そして、ハイドロゲルの表面から０．１ｍｍ及び０．７ｍｍの位置を繊維強化したモデルにおいて、剛体板と接触した領域のミーゼス応力が減少することが明らかとなった。
【００８２】
また、図６（ａ）〜（ｊ）は各モデルの間隙流体圧分布の解析結果を示す図である。図６（ａ）及び（ｆ）は繊維強化なしのハイドロゲルの解析結果であり、図６（ｂ）及び（ｇ）はハイドロゲルの表面から０．１ｍｍの位置を繊維強化したハイドロゲルの解析結果であり、図６（ｃ）及び（ｈ）はハイドロゲルの表面から０．７ｍｍの位置を繊維強化したハイドロゲルの解析結果であり、図６（ｄ）及び（ｉ）はハイドロゲルの表面から１．０ｍｍの位置を繊維強化したハイドロゲルの解析結果であり、図６（ｅ）及び（ｊ）はハイドロゲルの表面から１．４ｍｍの位置を繊維強化したハイドロゲルの解析結果である。また、図６（ａ）〜（ｅ）は、荷重印加直後（０秒後）の解析結果であり、図６（ｆ）〜（ｊ）は往復運動１２０秒後の解析結果である。
【００８３】
その結果、繊維強化ハイドロゲルでは、間隙流体圧が中央部分に集中することが明らかとなった。また、ハイドロゲルの表面から０．７ｍｍの位置を繊維強化したモデルにおいて、間隙流体圧の上昇が最も高くなることが明らかとなった。
【００８４】
また、図７（ａ）〜（ｊ）は各モデルの流体の流れ（流速）の解析結果を示す図である。図７（ａ）〜（ｅ）は、荷重印加直後（０秒後）の解析結果であり、図７（ｆ）〜（ｊ）は往復運動１２０秒後の解析結果である。図中の矢印の大きさが流速の大きさに対応する。その結果、図７（ａ）の丸で囲んだ領域に示されるように、繊維強化なしのハイドロゲルでは流体が外部に滲出することが明らかとなった。また、繊維強化ハイドロゲルでは流体がハイドロゲルの内部に留まることが明らかとなった。更に、繊維強化位置がハイドロゲルの表面に近い方が流体の外部への滲出が少ないことが明らかとなった。
【００８５】
また、図８は、各モデルにおける液相及び固相による荷重支持率を計算した結果を示すグラフである。この結果、繊維強化ハイドロゲルでは、液相による荷重支持率が高いことが明らかとなった。更に、ハイドロゲルの表面から０．１ｍｍの位置を繊維強化したモデルにおいて、液相による荷重支持率が最も高くなることが明らかとなった。液相による荷重支持率が高いことは低摩擦につながる。
【００８６】
また、図９は、各モデルにおける表面流体圧分布を計算した結果を示すグラフである。また、下記表１に、各モデルにおける最大表面流体圧と、剛体板とハイドロゲルの接触長さを示す。表１中、０．１ｍｍ、０．７ｍｍ、１．０ｍｍ及び１．４ｍｍは、ハイドロゲルの表面からの繊維強化位置を示す。
【００８７】
その結果、最大表面流体圧は、ハイドロゲルの表面から０．７ｍｍの位置を繊維強化したモデルにおいて最も高くなったが、剛体板とハイドロゲルの接触長さは、ハイドロゲルの表面から０．１ｍｍの位置を繊維強化したモデルのほうがより長いことが明らかとなった。
【００８８】
【表１】
2018177879.tif 000002
【００８９】
表１の結果から、実験例１において、液相による荷重支持率が最も高いモデルが、ハイドロゲルの表面から０．１ｍｍの位置を繊維強化したモデルであったのは、剛体板とハイドロゲルの接触長さが長いことによる影響であると考えられた。
【００９０】
［実験例２］
（シミュレーション解析２）
実験例１と同様のシミュレーション解析により、ハイドロゲル全体を密に繊維強化した繊維強化ハイドロゲルモデルの往復摩擦試験を行った。
【００９１】
具体的には、ハイドロゲルの表面から０．１ｍｍ間隔で繊維強化したモデルについて解析を行った。対照として、繊維強化を行っていないハイドロゲルモデルを解析した。
【００９２】
荷重印加直後（０秒後）及び往復運動１２０秒後のミーゼス応力分布、間隙流体圧分布及び流体の流れを解析した。
【００９３】
図１０（ａ）〜（ｄ）は各モデルのミーゼス応力分布の解析結果を示す図である。図１０（ａ）及び（ｃ）は繊維強化なしのハイドロゲルの解析結果であり、図１０（ｂ）及び（ｄ）は繊維強化ハイドロゲルの解析結果である。また、図１０（ａ）及び（ｂ）は、荷重印加直後（０秒後）の解析結果であり、図１０（ｃ）及び（ｄ）は往復運動１２０秒後の解析結果である。その結果、ハイドロゲル全体を密に繊維強化したモデルにおいて、剛体板と接触した領域のミーゼス応力が減少することが明らかとなった。
【００９４】
また、図１１（ａ）〜（ｄ）は各モデルの間隙流体圧分布の解析結果を示す図である。図１１（ａ）及び（ｃ）は繊維強化なしのハイドロゲルの解析結果であり、図１１（ｂ）及び（ｄ）は繊維強化ハイドロゲルの解析結果である。また、図１１（ａ）及び（ｂ）は、荷重印加直後（０秒後）の解析結果であり、図１１（ｃ）及び（ｄ）は往復運動１２０秒後の解析結果である。その結果、繊維強化ハイドロゲルでは、間隙流体圧が中央部分に集中することが明らかとなった。表面で液相の圧力が高くなることは低摩擦につながる。
【００９５】
また、図１２（ａ）〜（ｄ）は各モデルの流体の流れの解析結果を示す図である。図１２（ａ）及び（ｃ）は繊維強化なしのハイドロゲルの解析結果であり、図１２（ｂ）及び（ｄ）は繊維強化ハイドロゲルの解析結果である。また、図１２（ａ）及び（ｂ）は、荷重印加直後（０秒後）の解析結果であり、図１２（ｃ）〜（ｄ）は往復運動１２０秒後の解析結果である。図中の矢印の大きさが流速の大きさに対応する。その結果、図１２（ａ）の丸で囲んだ領域に示されるように、繊維強化なしのハイドロゲルでは流体が外部に滲出することが明らかとなった。また、繊維強化ハイドロゲルでは流体がハイドロゲルの内部に留まることが明らかとなった。これは、繊維強化により固相が変形しないためであると考えられた。
【００９６】
実験例１及び２の結果から、ハイドロゲル全体を密に繊維強化することにより、摩擦を低減することができることが明らかになった。また、ハイドロゲルの表面に近い部分を１層の繊維で繊維強化した繊維強化ハイドロゲルによって、ハイドロゲル全体を密に繊維強化した繊維強化ハイドロゲルと同等の摩擦の低減を実現することができることが明らかとなった。すなわち、ハイドロゲルの表面に近い部分を１層の繊維で繊維強化することにより、低コストに摩擦を低減することができることが明らかとなった。
【００９７】
［実験例３］
（繊維の収縮温度の検討）
ポリビニルアルコール系重合体を含む繊維が収縮する温度を検討した。ポリビニルアルコール紡績糸（型式「ＫＵＲＡＬＯＮ  Ｋ−ＩＩ：ＷＮ８  Ｃ８０／１」、繊維直径５０μｍ、クラレ社）を６５℃及び７０℃の湯浴に浸漬し、その影響を観察した。
【００９８】
その結果、６５℃では繊維の収縮が認められた。一方、７０℃では繊維が融解して凝集することが明らかとなった。また、６５℃で１時間放置した後においても繊維の融解及び凝集は認められなかった。
【００９９】
以上の結果から、６０〜７０℃程度でハイドロゲルを形成することにより、繊維に張力を印加することができることが明らかとなった。
【０１００】
［実験例４］
（繊維強化ハイドロゲルの作製）
シート形状の繊維強化ハイドロゲルを作製した。より具体的には、表面に近い部分を１層の繊維で繊維強化した繊維強化ハイドロゲル（表面１層繊維強化ハイドロゲル）及び厚さ方向の中間部分を２層の繊維で繊維強化した繊維強化ハイドロゲル（中間２層繊維強化ハイドロゲル）を作製した。また、対照として、繊維強化なしのハイドロゲルを作製した。
【０１０１】
《表面１層繊維強化ハイドロゲルの作製》
まず、図３に示したものと同様の型を用意し、ピンにポリビニルアルコール紡績糸（型式「ＫＵＲＡＬＯＮ  Ｋ−ＩＩ：ＷＮ８  Ｃ８０／１」、クラレ社）を引っ掛けて張力を印加した。繊維は経糸及び緯糸がそれぞれ１ｍｍ間隔で格子状に並んだメッシュ状に配置した。繊維強化ハイドロゲルの厚さは２．０ｍｍとし、表面から０．１ｍｍの位置に繊維を配置した。
【０１０２】
続いて、ポリビニルアルコール系重合体（型式「０２０−６３１８５」ポリビニルアルコール２，０００、けん化度９８．５〜９９．４モル％、重合度約２，０００、キシダ化学株式会社）を濃度２０質量％となるように温水に溶解し、水溶液を調製した。
【０１０３】
続いて、水溶液の温度を６５℃に調整して、上述した型に流し込んだ。ここで、型の温度を予め約６０℃に調整した。これにより、ポリビニルアルコール系重合体の水溶液がすぐに固まるのを防止し、繊維への浸潤を促進することができる。また、水溶液の温度が６５℃であると、繊維を収縮させて自律的に張力を印加させることができる。
【０１０４】
続いて、型に流し込んだポリビニルアルコール系重合体の水溶液が室温まで冷えた後、型全体を−２０℃で１０時間凍結し、４℃で２０時間解凍することを５回繰り返し、ポリビニルアルコール系重合体を架橋させ、表面１層繊維強化ハイドロゲルを得た。
【０１０５】
《中間２層繊維強化ハイドロゲルの作製》
繊維強化ハイドロゲルの厚さを２．０ｍｍとし、ゲルの厚さ方向の中間部分に０．７ｍｍ間隔で２層の繊維で繊維強化した以外は、表面１層繊維強化ハイドロゲルと同様にして中間２層繊維強化ハイドロゲルを得た。繊維は経糸及び緯糸がそれぞれ１ｍｍ間隔で格子状に並んだメッシュ状に配置したものを２層配置した。繊維層の位置は、ゲルの表面から０．６５ｍｍ及び１．３５ｍｍの位置に配置した。
【０１０６】
《繊維強化なしのハイドロゲルの作製》
ハイドロゲルの厚さを２．０ｍｍとし、繊維強化しなかった以外は、表面１層繊維強化ハイドロゲルと同様にして、繊維強化なしのハイドロゲルを得た。
【０１０７】
［実験例５］
（繊維強化ハイドロゲルの摩擦試験）
実験例４で作製した各ハイドロゲルを矩形状に切り出し、往復摩擦試験機（型式「トライボギアＴＹＰＥ：３８」、新東科学株式会社）を用いてボールオンプレート往復摩擦試験を行った。
【０１０８】
まず、ハイドロゲルをアクリル板に接着し、純水中に浸して固定した。続いて、半径１３ｍｍのアルミナセラミック球面圧子を各サンプルに当て、６Ｎの荷重をかけた。続いて、ストローク２５ｍｍ、滑り速度８ｍｍ／秒、周期６．２５秒で往復運動を行った。
【０１０９】
図１３は、往復摩擦試験の結果を示すグラフである。その結果、繊維強化ハイドロゲルでは、繊維強化なしのハイドロゲルと比較して、摩擦係数が低下したことが明らかとなった。
【０１１０】
［実験例６］
（シミュレーション解析３）
有限要素解析ソフトを用いて実験例５の各ハイドロゲルのシミュレーション解析を行った。解析ソフトにはＡｂａｑｕｓ（ダッソーシステムズ社）を使用した。要素サイズは０．１ｍｍ×０．１ｍｍとし、固液二相要素を用いた。ハイドロゲルは、平坦な表面を有するものとし、厚さ２．１ｍｍ、長さ２０ｍｍに設定した。また、ハイドロゲルの底部を非透水と設定した。ハイドロゲルの表面上に、半径５ｍｍの円柱剛体圧子で０．２Ｎ／ｍｍの荷重をかけ、ストロークを８ｍｍ、固相間摩擦係数を０．１とし、周期４秒で往復摩擦した状態をシミュレーションした。
【０１１１】
図１４は、実験開始から１秒後に所定の圧縮荷重を印加し、その後９２秒間往復運動を行った状態のシミュレーション解析により、各モデルにおける摩擦係数を計算した結果を示すグラフである。その結果、ハイドロゲルに対する荷重部位が変化するため、除荷部位での水和状態の回復が可能であり、固液二相潤滑の効果が持続することが明らかとなった。また、摩擦には、固相間の凝着作用に加えて掘り起し作用も影響すると考えられた。
【０１１２】
また、図１５（ａ）〜（ｆ）は各モデルにおけるミーゼス応力分布の解析結果を示す図である。図１５（ａ）及び（ｄ）は繊維強化なしのハイドロゲルの解析結果であり、図１５（ｂ）及び（ｅ）は中間２層繊維強化ハイドロゲルの解析結果であり、図１５（ｃ）及び（ｆ）は表面１層繊維強化ハイドロゲルの解析結果である。また、図１５（ａ）〜（ｃ）は、荷重印加直後（０秒後）の解析結果であり、図１５（ｄ）〜（ｆ）は往復運動９２秒後の解析結果である。その結果、表面１層繊維強化ハイドロゲルでは、円柱剛体圧子と接触した領域のミーゼス応力が減少することが明らかとなった。
【０１１３】
また、図１６（ａ）〜（ｆ）は各モデルにおける間隙流体圧分布の解析結果を示す図である。図１６（ａ）及び（ｄ）は繊維強化なしのハイドロゲルの解析結果であり、図１６（ｂ）及び（ｅ）は中間２層繊維強化ハイドロゲルの解析結果であり、図１６（ｃ）及び（ｆ）は表面１層繊維強化ハイドロゲルの解析結果である。また、図１６（ａ）〜（ｃ）は、荷重印加直後（０秒後）の解析結果であり、図１６（ｄ）〜（ｆ）は往復運動９２秒後の解析結果である。その結果、中間２層繊維強化ハイドロゲルでは表面中央の間隙流体圧が高いが幅が狭く、表面１層繊維強化ハイドロゲルでは表面域の間隙流体圧が若干低いが広い領域で間隙流体圧が高くなっていることが明らかとなった。
【０１１４】
また、図１７（ａ）〜（ｆ）は各モデルの流体の流れ（流速）の解析結果を示す図である。図１７（ａ）及び（ｄ）は繊維強化なしのハイドロゲルの解析結果であり、図１７（ｂ）及び（ｅ）は中間２層繊維強化ハイドロゲルの解析結果であり、図１７（ｃ）及び（ｆ）は表面１層繊維強化ハイドロゲルの解析結果である。また、図１７（ａ）〜（ｃ）は、荷重印加直後（０秒後）の解析結果であり、図１７（ｄ）〜（ｆ）は往復運動９２秒後の解析結果である。図中の矢印の大きさが流速の大きさに対応する。その結果、繊維強化なしのハイドロゲルでは流体が外部に滲出しやすく、表面１層繊維強化したモデルでは流体がハイドロゲルの内部に留まることが明らかとなった。
【０１１５】
また、図１８（ａ）〜（ｃ）は、各モデルにおける液相及び固相による荷重支持率をシミュレーションにより算出した結果を示すグラフである。図１８（ａ）は繊維強化なしのハイドロゲルの結果であり、図１８（ｂ）は中間２層繊維強化ハイドロゲルの結果であり、図１８（ｃ）は表面１層繊維強化ハイドロゲルの結果である。
【０１１６】
その結果、繊維強化ハイドロゲルでは、繊維強化なしのハイドロゲルと比較して、液相による荷重支持率が高いことが明らかとなった。また、表面１層繊維強化ハイドロゲルの液相荷重支持率は、中間２層繊維強化ハイドロゲルの液相荷重支持率と同等以上であった。液相による荷重支持率が高いことは低摩擦につながる。この結果は、表面に近い部分を繊維強化することにより、低コストで効果的に摩擦の低減を実現できることを示す。
【産業上の利用可能性】
【０１１７】
本発明によれば、人工関節等に利用できる新たな材料及びその製造方法を提供することができる。
【符号の説明】
【０１１８】
１００…繊維強化ハイドロゲル、１１０…繊維、１２０…ハイドロゲル、１３０…表面、３００…型、３１０…底面、３２０…ピン、４１０…剛体板、Ｄ…距離、Ｆ…荷重。
【図１】
2018177879.tif 000003
【図２】
2018177879.tif 000004
【図３】
2018177879.tif 000005
【図４】
2018177879.tif 000006
【図５】
2018177879.tif 000007
【図６】
2018177879.tif 000008
【図７】
2018177879.tif 000009
【図８】
2018177879.tif 000010
【図９】
2018177879.tif 000011
【図１０】
2018177879.tif 000012
【図１１】
2018177879.tif 000013
【図１２】
2018177879.tif 000014
【図１３】
2018177879.tif 000015
【図１４】
2018177879.tif 000016
【図１５】
2018177879.tif 000017
【図１６】
2018177879.tif 000018
【図１７】
2018177879.tif 000019
【図１８】
2018177879.tif 000020