人工関節用ビタミンE添加超高分子量
ポリエチレンの放射光による解析

aナカシマプロペラ㈱,b(財)高輝度光科学研究センター

西村 直之a,井上 俊之a,池本 夕佳b,森脇 太郎b

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人工関節とは･･･
正常な膝関節傷んだ関節⇒疼痛・歩行障害など
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人工関節とは･･･-人工関節置換術無痛・可動へ

QOL･ADLの改善

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超高分子量ポリエチレン（ＵＨＭＷＰＥ）の改善（ビタミンE添加ポリエチレンの開発へ）

ポリエチレンプレート
人工膝関節

体内で酸化劣化

抗酸化作用を持つ

ビタミンEの添加
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体内でのビタミンEの働き
HO
O
ビタミンEの分子構造
ビタミンEは芳香族系のクロマン核と呼ばれる環状骨格が活性の中心となる分子構造からなる。酸化防止機能はクロマン核のOH基に依存することが知られている。このOH基の水素が脱離し（O・）となり、代謝等により発生したフリーラジカル（R・）と反応することで、細胞などの母体を守っている。
ポリエチレンの酸化劣化反応（ラジカル）を抑制する現象を利用できないか？
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超高分子量ポリエチレン（ＵＨＭＷＰＥ）の改善（ビタミンE添加ポリエチレンの開発へ）

■■■

メリット

● 経年酸化劣化に対して、安定＜ビタミンE添加ポリエチレン＞● 潤滑性が向上し、摩耗しにくい

治験（臨床試験）■ 治験実施期間

2004年1月15日〜2006年3月31日■ 治験名

NM001（多施設共同オープン試験）■ 実施医療機関

千葉大学医学部附属病院
千葉県千葉リハビリテーションセンター■ 目標症例数

66例（1施設33例）
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結果：摩耗量（500万回終了時）
600

Wear Mass〔ｍｍ３〕

500

400

300

200

100

0

Vitamin E

VirginVitamin E Aged

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Virgin Aged

人工関節向けビタミンE添加ポリエチレンの開発
体内に存在し、抗酸化性を持つビタミンEを人工関節用ポリエチレンを使用することで長期に安定した人工関節を提供できる。
しかし、添加量を増加させると機械的な特性など好ましくない面も発生する。
最適な添加量は0.3~0.5wt%程度。

製品開発において、ポリエチレン中の濃度分析は必須である。
ポリエチレン中において0.3%以下のビタミンEの分析が必要
SR-IRの適用
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SR-IRの利点（微量成分の分析）

微量添加物の解析
試料を厚くする：光路中の添加物の量
干渉縞の回避赤外放射光の輝度の利点

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SR-IRでのポリエチレン評価
BL43 IRを利用し、透過法によりポリエチレンを解析。
（ミクロトームにより500μm（厚さ）のサンプルを分析）

SR-IRではビタミンEのOH基の評価を行う。
⇒ビタミンEであるdl-α-トコフェロール⇒酢酸トコフェロール（代謝により発生したフリーラジカルとの反応後のOH基の部分を模した）

その後に同定したOH基を元にビタミンEの分布状態などを解析した。
・添加量（0.3〜3%）
・定量性
・分布状態
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dl-α-トコフェロール中のOH基の同定（酢酸エステルとの比較）

酢酸トコフェロール
ビタミンE（dl-α-トコフェロール）顕微分光ステーション
波数分解能 4cm-1
積算回数 100回

1262cm-1

Fig . Comparison of IR absorbance of dl-a-tocopherol and Tocopherol acetate
ビタミンE（dl-α-トコフェロール）と酢酸トコフェロールを比較することにより、1262cm-1付近の吸収がクロマン核のOHと推定。
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dl-α-トコフェロール中のOH基の同定（酢酸エステルとの比較）-0.1

顕微分光ステーション
波数分解能 4cm-1
積算回数 100回

-0.3

-0.2

Single channel

0.0

0.1

酢酸トコフェロール
ビタミンE（dl-α-トコフェロール）

1350

1300

1250

1200
W avenumber cm-1

1262cm-1

1150

1100

1050

C:\Documents and Settings\pc-user\My Documents\1127ir\071127\071127.38

VE/BaF2

2007/11/28

C:\Documents and Settings\pc-user\My Documents\1127ir\071127\071127.40

BaF2 blk

2007/11/28

Fig . Comparison of IR absorbance of dl-a-tocopherol and Tocopherol acetate
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2.0

ビタミンEの添加量を変化させたUHMWPE中のdl-α-トコフェロールのスペクトル

1%

1.0

顕微分光ステーション
波数分解能 4cm-1
積算回数 100回

0.5

Absorbance Units

1.5

3%

0.3%
0.0

0%(UHMWPE)

1400

1350

1300

C:\Documents and Settings\ir-user\ƒfƒXƒNƒgƒbƒv\C:\Documents and Settings\ir-user\ƒfƒXƒNƒgƒbƒv\C:\Documents and Settings\ir-user\ƒfƒXƒNƒgƒbƒv\C:\Documents and Settings\ir-user\ƒfƒXƒNƒgƒbƒv\

1250

1200
W avenumber cm-1

1150

1100

V‚µ‚¢ƒtƒHƒ‹ƒ_\070515\070515.5
V‚µ‚¢ƒtƒHƒ‹ƒ_\070515\070515.9
V‚µ‚¢ƒtƒHƒ‹ƒ_\070515\070515.3
V‚µ‚¢ƒtƒHƒ‹ƒ_\070515\070515.4

1050

1000

2007/05/15
2007/05/15
2007/05/15
2007/05/15

Fig. Infrared absorption spectra of vitamin E added UHMWPE of various concentrations
1262cm-1付近のバンドが濃度に比例して変化していることがわかる。
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SR-IRを用いたビタミンE添加ポリエチレンの分析
ビタミンEを添加したポリエチレン中のビタミンEに関して
SR-IRを用いて解析できることを確認した。
実製品への展開として、定量性の評価、分布状態における面分析を検討した。

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ビタミンEの定量性の検討

品質管理、体内などでのビタミンE抗酸化性を評価するうえで微量成分の定量評価が必要。
1262cm-1付近のピークを波形分離することで定量性の評価を検討

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ピークの波形分離

1%ビタミンE添加ポリエチレン

0.3%ビタミンE添加ポリエチレン○SR-IRにて得られたスペ
クトルについて波形分離ソ
フトウエアfitykを用いて各スペクトルの波形を分離・評価を行った。
○正規分布であると仮定
し、Gaussian関数を波形分離に用いた。

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波形分離時の留意点
元となるデータに関しては、IRスペクトル解析シ
トOPUSを用いビタミンE添加ポリエチレンと無添
加ポリエチレンとの差スペクトルを作成し、1000〜1330cm-1の間でNormalizeを行った。
波形分離ソフトfitykに於けるベースラインの設定に関しては、1000〜1330cm-1付近のみを解析対象とした。
全波長域でのベースライン設定は困難であった
為、1000、1330cm-1付近の2点を取り直線にてベースラインを作成した。
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ビタミンEの定量性
87○波形分離を行い、各添加量の面積比を調べた結果を左図に示す。
○0.3〜3％添加量において、
比較的直線に近い結果を得ることが出来た。

6

a.u.

5
4
y = 2.5176x
R2 = 0.9995

321262cm-1
線形 (1262cm-1)

1
0
0

1

2
3
ビタミンE添加量/wt%

4

図 ビタミンE添加量と波形分離から得た面積比

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面分析の適用作製したポリエチレンプレートのビタミンE分布に関する調査を目的に、面分析を実施した。
分析にはOH基である1262cm-1及びクロマン核であるCO-Cである1197cm-1の面分析を実施。
HOO

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面分析の適用
バルク

バルク

表面

表面

顕微分光ステーション
波数分解能 4cm-1
積算回数 100回
Y（μm）

Y（μm）
X（μm）

X（μm）

1262cm-1

1197cm-1（クロマン核のOH基）（クロマン核のC-O-C基）

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SR-IRによるビタミンE添加ポリエチレンの解析

SR-IRを用いてビタミンE添加ポリエチレンの解析を行った。
抗酸化性を発現するOH基バンドを確定した。
波形分離によるビタミンEの定量性、ビタミ
ンEの分布状態を確認した。

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おわり

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医師の来社
日本人向け製品開発要求
国内シェア80%が輸入品

チタンプロペラの開発
プロペラ技術の応用〜鋳造3次元曲面加工研磨〜

プロペラ加工技術から人工関節の製作へある程度の資金
と
技術力

すきま産業
〜中小企業だからこそ参入出来る市場〜

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ナカシマメディカル取扱製品

tifi
r
A

人

骨

接

合

用

品

n
o
B

工

a
M
n
o
i
t
a
x
i
F
e

関

節

ls
a
i
ter

放射光産業利用セミナー SPring8 /SAGA-LS コラボレーション

t
n
i
Jo
l
cia

s

膝関節シミュレータ
AMTI（アメリカ）
使用目的
関節の複雑な動きや、潤滑液、温度など生体内環境を再現し、摺動部材の耐久性を評価する。
主な仕様
6ステーション、各4軸制御
6軸荷重センサー内臓
油圧制御により108回以上の耐用試験回数
温度制御機能付潤滑液循環システム
エラー時自動停止機能
放射光産業利用セミナー SPring8 /マニュアルコントロールモード
SAGA-LS コラボレーション

試験方法
・使用機器：6-Station Knee Simulator （AMTI-Boston製）
・作動プログラム：ISO14243-1に準拠
・試験環境：37±1℃に保った牛血清25％潤滑下
伸展

10

左へ回旋

Cycle[％]

0
-10

0

20

40

60

80

-20

屈曲

-30

右へ回旋

-40

Flexion/Extension[Ｎ]-50Internal/External
Rotation[Ｎ]-60

Axial Load

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100

結果：摩耗量（500万回終了時）
600
Vitamin E Aged500
W e a r M a ss[m m 3 ]Virgin Aged

400
300
200
100
0
0

1

2
3
Cycle[million］
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4

5

Oxidation Index

ビタミンＥ添加ポリエチレンの抗酸化性
0.16

GUR1050

0.14

GUR1050+0.005wt
GUR1050+0.01wt
GUR1050+0.05wt
GUR1050+0.1wt
GUR1050+0.3wt

0.12
0.1

％ VitaminE％ VitaminE％ VitaminE％ VitaminE％ VitaminE

0.08
0.06
0.04
0.02
0
-0.02

0

500

1000

1500

Depth( μ m)

2000

2500

3000

森亜希子博士論文（2003）

必要とされるビタミンE添加量としては0.3%程度と極微量
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引張試験
加速試験前後のUHMWPE試験片の応力-ひずみ特性

400wt%(Aged)
0.005wt%(Aged)
0.01wt%(Aged)
0.05wt%(Aged)
0.1wt%(Aged)
0.3wt%(Aged)
0wt%(Virgin)

35

Stress (MPa)30

0.3wt%(Aged)
0.1wt%(Aged)25
200.01wt%(Aged)
0.05wt%(Aged)

0.005wt%(Aged)

150wt%(Aged)

100wt%(Virgin)

5
0
0

1

-5

2

3

StrainFig.

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VitaminE添加UHMWPEに関して
長周期/nm
シミュレータ品縦 -0.5mm
17.9
シミュレータ品縦 -1.5mm
17.9
シミュレータ品縦-3mm
17.9
試験無し -0.5mm
17.9
試験無し
-3mm
17.9
参考 UHMWPE
16.3

Intensity/a.u.
21098
22630
22743
23821
24602
22422

ビタミンEを添加した場合、添加していないものに比較して長周期が１〜2nm程度大きくなっている。
Intensityに関してバルクに対して表面が若干小さくなっている。

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Fig1．Structure of total knee prosthesis and damaged UHMWPE plate

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0.1

1262cm-1
0.0

dl-a-tocopherol

-0.1
-0.3

-0.2

Single channel

Tocopherol acetate

1350

1300

1250

1200
W avenumber cm-1

1150

1100

1050

C:\Documents and Settings\pc-user\My Documents\1127ir\071127\071127.38

VE/BaF2

2007/11/28

C:\Documents and Settings\pc-user\My Documents\1127ir\071127\071127.40

BaF2 blk

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Fig 2. Comparison of IR absorbance of dl-a-tocopherol and Tocopherol acetate

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0.14
0.12
0.10
0.08
0.06
0.04

Sample B

-0.02

0.00

0.02

Single channel

Sample A

1350

1300

1250

1200

W avenumber cm-1
C:\Documents and Settings\pc-user\My Documents\1127ir\071127\071127.32

VE simulator

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C:\Documents and Settings\pc-user\My Documents\1127ir\071127\071127.35

VE control

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C:\Documents and Settings\pc-user\My Documents\1127ir\071127\071127.39

BaF2 blk

2007/11/28

Fig 3. Comparison of IR absorbance of accelaration oxidation
sample of dl-a-tocopherol added UHMWPE and non-oxidation one
Sample A:dl-a-tocopherol added UHMWPE
Sample B: accelaration oxidation sample of dl-a-tocopherol added
UHMWPE
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Sample A
Sample B

Fig 4. Comparison of transmittance spectra of molding atomosphere of dl-a-tocopherol
added UHMWPE
Sample A:Molding in air
Sample B:Molding in vacuum

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