THA における Vitamin E 添加超高分子ポリエチレン(UHMWPE)
添加超高分子ポリエチレン(UHMWPE)の耐摩耗特性と酸化度の評価
日本大学医学部整形外科学系整形外科学分野
斎藤修、石井隆雄、関雅之、徳橋泰明
斎藤修、石井隆雄、関雅之、徳橋泰明
劣化を抑制できることを明らかにし、まはじめにた人工膝関節用摺動部材としては従来の人工股関節置換術 (THA) における関節ものよりも摩耗量が 2/3 に減少させるこ
摺動面は 1960 年代より超高分子量ポリとを明らかにした [1-4]。本邦においてエチレン(UHMWPE: Ultra-High Molecula
この技術を応用した製品は人工膝関節用r Weight Poly-Ethylene) と Co 合金の摺動部材「Blend-ER」としてナカシマメ組み合わせが主流になった。しかし、UHディカル社が製品化に成功している。
MWPE が摩耗すること、およびそれにより
本研究はこの Vitamin E を含有した UHM発生した摩耗粉により骨融解 (osteolys
WPE を股関節へ応用することを最終目的
is) が生じ、人工関節の弛みに至ることとしている。先述の通り人工股関節ではが問題となっている。近年、Hard-on-Ha
Highly Cross-linked UHMWPE が優れた成rd (Metal-on-Metal, Ceramic-on-Ceram
ic など) の関節摺動面が開発されたが、 績を収めているが、Vitamin E の抗酸化軋み音や破損、偽腫瘍などの問題が残存 能と架橋による優れた耐摩耗性を両立できるかを、FT-IR (フーリエ変換赤外分光している。一方、UHMWPE の製造方法が R分析) を用いた酸化度測定と Hip simulaam 押し出し法から Compression mold 法
tor を用いた摩耗試験により調査した。に改良され、さらにγ線や電子線照射により架橋した Highly Cross-linked ポリ方法
エチレンが開発されることにより耐摩耗1)
試験サンプルUHMWPE (GUR1050; Ticona 社) 粉末に対性は飛躍的に向上した。しかしγ線や電子線照射により遊離基(free radical)がし、Vitamin E(dl-α-tocopherol; エー増加し UHMWPE が経年的に酸化し、劣化すザイ社)を重量比で 0%, 0.1%, 0.3%, 1.
る可能性が危惧されている。
0%混合したのち直接圧縮成形 (Direct C
一方、Vitamin E (dl-α-tocophenol)
ompression Molding)によって成形した。
は 1922 年米国で抗不妊因子をもつ脂溶
これを窒素ガスで複数回パージした後に性ビタミンとして発見され、抗酸化作用真空包装し、10MeV の電子線を 0kGy, 30を有することも判明し体内の脂質を酸化kGy, 90kGy, 300kGy 照射した後、融点以から防御し細胞の健康維持を助ける健康下での熱処理を行った。サンプル名は V
食品として普及した。Tomita らはその抗Exx_yyykGy (xx: Vitamin E 濃度, yyy:酸化作用に注目し、Vitamin-E を UHMWPE電子線照射量)とする。また、既に市販さに混合し成形することで、UHMWPE の酸化18れている Vitamin E を含有しない Highly万サイクルまでは 50 万サイクル毎、それCrosslinked UHMWPE を Conventional_X

以降は 100 万サイクル毎に重量測定を実L サンプルとし、股関節シミュレータ試施し、500 万サイクルまで摩耗試験を実験に供した。Conventional_XL は sheet施した。吸水による UHMWPE の重量増加

compression molding で形成した UHMWPEを加味するために、摩耗試験検体と同じを窒素ガス中にてγ線 95kGy 照射した後、 形状のコントロール検体を 3 個用意し、窒素ガス中にて融点以下の熱処理を行っ摩耗試験と同じ雰囲気内 (37±1℃の 25%た。

牛血清) へ同期間浸漬させ、コントロー

ル検体の重量増加からポリエチレンライ2)
酸化度測定
強制酸化の方法は ASTM F 2003 [5]に、 ナーの吸水量を算出した。サンプルの重酸化度 (OI: Oxidation Index) 測定は A 量減少量から吸水量を引くことで重量摩耗量とした。

STM F 2102 [6]を準用した。サンプルの厚みは約 3000μm とした。これを大気中

結果
にてγ線 25kGy 照射した後、大気中常温
1)
酸化度測定
図 3 に a) VE00_0kGy,

で 1 週間、大気中 80℃で 21 日間保存すb) VE00_300kGy

ることで強制酸化処理を施した。このサ, c) VE03_0KGy,d) VE03_300kGy の強ンプルを_aged とする。作成したサンプ
制酸化前後の酸化度を示す。Vitamin E
ルをミクロトームにより厚さ 100μm のを混合していないサンプル a) b) に関し薄片を作成し、FT-IR にて 100μm 間隔でては強制酸化後に表面から酸化が進んで透過スペクトルの線分析を行った。得らいることが確認されるが、Vitamin E をれた赤外スペクトルから酸化を示すカル
混合したサンプル c) d) は強制酸化前後
ボニルピーク (1680-1760cm-1) と UHMWP
で酸化度の変化は確認されなかった。まE に存在しているメチル/メチレンピークた、a)と b)および c)と d)の比較検討よ(1320-1390cm-1) の面積比を算出し、酸り強制酸化による酸化度の変化に差がな化度とした。
いことから、クロスリンク処理によって
3)
股関節シミュレータ試験
股関節シミュレータ試験
摩耗試験は股関節シミュレータ (AMTI-酸化が進行しないことも確認できた。

Boston, HS2-12-1000) を用いて行った2)
股関節シミュレータ試験
図 4 a)に非クロスリンクサンプル (VE0(図 1)。ISO14242-1 [7]に従い、垂直荷重 (300-3000 N)、屈曲伸展、内転外転、 0_0kGy)、Conventional_XL サンプルおよ
内旋外旋の 4 軸を使用した歩行プログラ び Vitamin E を混合した非クロスリンク
サンプル (VE03_0kGy)の股関節シミュレ
ム (図 2) で稼働した。潤滑液は 25%牛血ータ結果を示す。この結果からクロスリ清 (タンパク質量 20 g/l) に 0.3%アジンク処理をしない場合、Vitamin E 混合化ナトリウムを添加した擬似関節液を用の有無によって股関節シミュレータによいた。
る摩耗量の変化は確認されなかった。し摩耗量の評価方法は ISO14242-2 [8]にかし、クロスリンク処理を施すと Vitami示されている重量測定法を用いた。10019

n E を混合しなくともほとんど摩耗しな従って摩耗量が減少した (図 4 b)。人工いことが確認された。

膝関節と人工股関節は生体内で使用され

図 4 b)に Vitamin E を混合した UHMWPEるという共通点があるが、その摺動形態に種々の電子線量でクロスリンク処理をは全く異なっている。股関節は Boll-Soc施したサンプルの股関節シミュレータにket の 1:1 の形状をしているため、比較よる体積摩耗量の結果を示す。この結果的拘束が強い面接触の摺動形態をしていから電子線照射量の増大に伴って、摩耗る。一方で膝関節の形状は完全な対をな量が減少していることが確認された。図しておらず股関節と比較して拘束が弱く

4 a) b) より Vitamin E を混合したサン

点接触に近いうえ、さらに Lift-off など

プルについて、30kGy 照射によるクロスの衝撃力が加わるような摺動形態をしてリンク処理でも摩耗量は減少する事が確いる。従って、股関節と膝関節には異な認できた。300kGy 照射したサンプルは Vった性質が求められる。Oonishi ら[9]がitamin E を含まない Conventional_XL と大量のガンマ線を照射した人工関節用ポ同様に、ほとんど摩耗しないことが確認

リエチレンを使用し優れた臨床成績を報された。

告して以来、全世界で Highly Cross-lin

図 5 に 500 万回のシミュレータ試験終了

ked UHMWPE の開発が急速に進み、2000 年後の摺動面の顕微鏡観察写真を示す。図

代前半より世界的に上市され現在でも優5 a)b) に示すクロスリンク処理を施しれた臨床成績を収めている。本研究で用ていないサンプルについては、シミュレ

いたサンプルは電子線照射量が高いサンータ試験終了後に加工時のマシンマーク

プルに Crosslink 密度が高くなっているは消え、変形・摩耗していることが確認ものと想像される。このように Vitaminされた。一方で図 5 c) d) に示すクロスE が混合された UHMWPE においても Cross

リンク処理を施したサンプルはシミュレ

link が達成されることにより、股関節摺ータ試験終了後もマシンマークが残って動部材として摩耗量が減少させられるこおり、優れた耐摩耗性、耐変形性を有しとが明らかとなった。さらに Vitamin Eていることが確認できた。

が混合された UHMWPE については Crossli
nk 処理の有無にかかわらず、優れた抗酸考察化能を有していることも証明された (図Teramura らは膝関節シミュレータにお3)。これにより材料劣化を抑制し、長期いて Vitamin E 混合 UHMWPE はそれを含まにわたって安定した力学特性を維持できない UHMWPE の 2/3 の摩耗量になると報告ることが期待される。
[3]しているが、本研究では股関節シミュ
近年、UHMWPE の摩耗粉が骨溶解を示すレータによる摩耗量を調査した。その結ことが問題となっている[10, 11]。Tera果、Vitamin E の有無にかかわらずクロmura らは Vitamin E を含有した UHMWPE
スリンク処理をしていないサンプルではの摩耗粉は、Macropharge が産出する Cy摩耗量がほとんど変わらなかった (図 4
tokine 量が著しく少なくなることを報告a)。一方で、電子線照射量が増加するにしている[12]。本研究で用いた Crosslin

20

3.

k 処理を施した UHMWPE でも同様の効果が期待されるがまだ明らかになっていない。
人工関節の製品寿命を決定づける因子には摩耗や破損といった UHMWPE の力学特性を改良することで解決される問題ばかりではなく、生物学的な反応も重要である。本研究において、Vitaimin E の耐摩4.
耗性と抗酸化能は確認ができた。今後、摩耗粉の生体反応性などの調査は必須であると考える。

結語
Vitamin E を混合し架橋処理を施した U
HMWPE は、優れた抗酸化能と耐摩耗性を5.

有していることが示され、従来の UHMWPEや Highly Cross-linked UHMWPE と比較して優れた人工股関節摺動部材となることが期待される。

6.

謝辞
本研究は、公益財団法人日本股関節研究振興財団の研究助成をもとに行いました。
心より感謝いたします。

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図 1: 股関節シミュレータの外観写真

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図 2: 股関節シミュレータの稼働条件a)垂直荷重, b)屈曲伸展角、内転外転角、内旋外旋角

図 3: 各種サンプルの強制酸化前後の酸化度23図 4: 各種サンプルの股関節シミュレータ試験による体積摩耗量

図 5: 各種サンプルの股関節シミュレータ試験後の摺動面写真

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