首都圏北部４大学連合（４U） 医工連携シンポジウム 2012

医療福祉機器開発における機械工学的アプローチ～埼玉大学産学医工連携の事例紹介～

埼玉大学理工学研究科人間支援・生産科学部門教授
北里大学客員教授
森田真史〒338-8570 埼玉県さいたま市桜区下大久保255
電話: 048-858-9514 FAX: 048-856-2577
E-mail : msfm＠mech.saitama-u.ac.jp

Ｈ２１年度～：予防用（福祉・医療・スポーツ支援）装置等開発研究会
参加企業(16社29名)、大学・研究所(9名)、医師(3名)、看護師（1名）、等 計42名
１）話題提供１，２社（自社技術の紹介と企画提案）
２）研究開発するテーマの企画立案、検討（参画企業、大学、等の選出）
３）研究開発資金獲得のための技術、先行事例等の調査研究会で取り上げているテーマ
１）医療・福祉支援装置等の開発研究会（３テーマ）◆『PE摩耗ゼロを目指すTi-13Nb-13Zr(F1713)製人工股関節骨頭コンポーネントの開発』 （H21～23年度 サポイン、H24～26年度 科研費 採択）◆『超小型内視鏡部品製造のための知的ポスト処理システムによる高精度切削加工技術の開発』（H22～24年度 サポイン採択）◆『Ti－Ta系形状記憶・超弾性合金の医療への応用』（H24～25年度 JST シーズ顕在化採択）
２）３Ｄ活用による人体計測・福祉介護系装具開発研究会（２テーマ）◆『３Ｄ計測技術を応用した義足ソケットの開発と適合性向上のための技術支援ネットワークの構築』（H23～25年度サポイン採択）◆ 『座椅子の科学（仮称）』（H23年度）

H21-23年度戦略的基盤技術高度化支援事業（サポイン）
H24-26年度文科省科研費基盤研究

PE摩耗ゼロを目指すTi-13Nb-13Zr(F1713)製
人工股関節骨頭コンポーネントの開発
計画実施期間平成21年4月～平成24年 3月
平成24年4月～平成27年 3月

チタン合金／ポリエチレン製人工股関節の試作

OA、RA、骨頭壊死由来の骨頭・臼蓋の変性と人工股関節置換術

いろいろな物質固有の摩擦係数
いろいろな物質の摩擦係数
摩擦片

摩擦面

摩擦係数μ

摩擦角度(°）

石
石

石
鉄

30.98
16.71

石

土

木

木

ゴム
皮革
ナイロン
テフロン
カーボンガラス
水晶

ゴム
金属
ナイロン
テフロン
鉄ガラス
水晶

0.6-0.7
0.3-0.4
0.5（乾）-0.3（湿）0.5（乾）-0.2（湿）0.50
0.4-0.6
0.15-0.25
0.04
0.21
0.70
0.90

氷

氷

0.3-0.5 0.025＊

16.71

スキー
軟骨

雪
軟骨

0.09-0.08
0.001-0.01

5.15
0.06

26.58
26.58
26.58
21.81
8.54
2.29
11.87
35.01
42.01

抗力N

θ
摩擦係数 
摩擦角度θ（°）



μ=0.01
関節軟骨の摩擦係数

【プロジェクトの概要】（研究の背景）人工股関節摺動部PE摩耗とルースニング
人工股関節のPE臼蓋は1年間に0.1mm摩耗する。
PE摩耗粉は炎症性骨吸収を誘発し、ステムのルースニングが起こる。
従って、人工股関節置換術の平均寿命は15～20年とされている。
原則として60歳以上の患者に適用が制限される。

【PEの摩耗解消による効果】
若年層まで人工関節置換術の適応範囲を拡大可能
ルースニングによる再手術が不要

解決方法

骨頭球とPE臼蓋の真球精度を高めることで流体潤滑膜を維持し、摺動面の直接摩擦を避けて、ＰＥ摩耗を低減する。

新技術による流体膜維持機能の付与
旧技術の課題：人工股関節摺動部の摩擦高接触圧発生
流体膜破壊

潤滑液
流出

新技術 潤滑膜でPE摩耗を防ぐ

PE臼蓋
潤滑液
流出
骨頭反力

人工関節の未解決課題
潤滑膜維持が困難
摺動面でPE臼蓋が摩耗する

圧力分散による流体膜保持PE臼蓋の弾性変形
二次関節液漏れ防止機
構

骨頭反力

Ti-13Nb-13Zr、PEは低剛性であり、流体膜を維持し易いPE臼蓋と骨頭は直接接触しない

骨吸収／ルースニングの原因になる流体膜でPEは摩耗ゼロ

PE摩耗ゼロにする（潤滑膜を維持する）ための手段
１．Ti-13Nb-13Zr骨頭球とPEの真球精度、表面粗さの改善する
２．骨頭球表面にICF膜を被覆する
３．PE臼蓋表面を親水化処理する

試作した骨頭球とPE臼蓋コンポーネント
骨頭径、PE臼蓋径、半径隙間の測定結果試作したφ28骨頭とPE臼蓋
骨頭 真球度 0.750μm
PE臼蓋 真球度 8.7μm

10mm
市販のφ28骨頭とPE臼蓋赤道面 1.125μm、 30°傾斜面5.742μm※CoCr製骨頭/CoCr製臼蓋
骨頭径 27.982mm、臼蓋径 28.058mm
半径隙間 76μm

引き抜き時間による潤滑膜維持能の評価
0CR2R1

  15 10N
引き抜き500N, 5分
関節液

関節液

R1 ： 骨頭半径R2 ： 臼蓋半径（傾斜角15°）C ： 半径隙間

引き抜き量,hR

R1  R2C1mm時間, T①PE臼蓋に骨頭球を押し付け、潤滑液を排除②骨頭球が1mm引き抜かれる時間を測定③等価曲率半径に対する引き抜き時間特性を求め、潤滑膜維持能を評価する

引き抜き時間,T等価曲率半径  15   0
10等価曲率半径, R

φ28骨頭球引き抜き時間測定試験の結果

半径隙間＜20μｍ

真球度：0.5μm、表面粗さ：0.1μｍ以下で潤滑膜は維持可能

76（μm）※１ 市販品はφ28CoCrMo骨頭、CoCrMo臼蓋※２ 潤滑液はポリビニールアルコール（PVA） 粘度640cP

Metal / Metal

人工股関節シミュレータの試験
試験装置の仕様

垂直荷重

屈曲・伸展運動ⅰ）屈曲・伸展運動
揺動振れ角：±15°揺動周期： ：0～10Ｈｚⅱ）内旋・外旋運動
揺動振れ角：±2.5°揺動周期： ：0～10Ｈｚⅲ）荷重（空圧方式）
立脚期：０～980Ｎ （サイン波）
遊脚期：-150～0Ｎ （サイン波）

計測項目

内旋・外旋運動試作した人工股関節シミュレータ

１）ⅰ）,ⅱ）の運動をモニタする
２）ⅲ）を計測する
３）屈曲・伸展方向の摩擦トルクを計測する
４）自然電位による骨頭表面の損傷度を観察する
５）骨頭表面、ＰＥ表面を定期的に光学的に観察する

股関節シミュレータによるＹ軸周りの摩擦トルクの測定
立脚期

遊脚期

Ｙ軸触れ角（±15°）Ｚ軸荷重

圧縮力 600N

Ｙ軸トルク
最大トルク

引っ張り力 15N

屈曲・伸展運動に伴う人工関節摺動部の摩擦トルク
固体接触の可能性あり
流体潤滑良好Pin on Flat トライボメータによる摩擦測定と電気化学試験
人工関節骨頭径2R1=Φ28、半径隙間C=20μｍ、荷重W=500Nと等価のＰｉｎ on Flat 試験片の作製 Pmax  0.7 MPa  28,C  20 m 荷重１～2ＮＨｅｒｔｚ接触を想定
接触半径：

金属ピン

Ra33 πW k1  k 2  R1 R24R1  R2 

最大接触圧力： Pmax Pmax

2a PE板133W  3 π k1  k 2  R1 R2 2 π  4R2  R1  

R1  0 , R2  0m12  1
m22  1,k2 
ただし、 k1  m12 E1
 m22 E2

縦弾性係数Ｅおよびポアソン比ｍ：往復動摩擦

Ti - 13Nb - 13Zr : E1  70GPa , m1  0.3
UHMWPE : E2  0.5GPa , m2  0.48



等価曲率半径： R  4.5cm Pmax  0.7 MPa

23摩擦係数の変化から読み取れること

cps/eV
C-K

Zr-LA
Nb-LA

Ti-KA

C
Zr
Nb Ti

Zr
Nb

Ti

252015Ｃの検出により、金属表面にＰＥが移着していることが解る

1050123keV

456ま と め
ＰＥ摩耗を抑制する新しい人工股関節摺動部コンポーネントの開発を例に、医療機器（生体材料、インプラント）を開発するにあたって、必要な医用生体工学的技術と安全性を確認するための方法について解説した。
１．人工骨頭球に生体親和性の高いTi-15Zr-15Nbを使用（構成元素の安全性、低毒性、低アレルギー性を考慮）
２．流体潤滑膜維持に必要な骨頭球の球面加工精度（真球度と表面粗さ）（型彫り放電加工と真球度向上、ELID研削による表面粗さ向上）
３．PEのEHL（弾性流体潤滑）効果を期待、摺動面の直接摩擦を避ける（PEの低剛性を利用して往復動・低速運動時にも流体潤滑膜維持を可能にする）
４．摩擦面におけるPE焼け付きを防止するICF（DLC)膜の付与（金属表面にICF （DLC)膜を付与、PE表面の親水化処理）
５．金属溶出物の種類と量の分析、細胞毒性評価、Pin on Flat 摩擦試験、電気化学試験
６．総合的評価として、股関節シミュレータによって潤滑能を評価