ハイドロゲルの摩耗機構解明～低摩耗な生体代替素材の創製に向けて

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ハイドロゲルは一般的に柔軟で高含水率であり、優れた低摩擦性を示す。そのため、人工関節軟骨などの優れた滑り運動特性が求められる生体組織の代替物質として応用が期待される。これまでにゲルの滑り摩擦については数多くの研究がなされてきているが、ゲルを摩擦させたときに必然的に生じる「摩耗」については、詳しく調べられてこなかった。既往研究の多くは、滑り運動後の表面観察像や摩擦係数の時間変化などから摩耗の程度の大小を判断するにとどまり、定量性のある結果は非常に少ない。なぜなら、ゲルは空気中では容易に乾燥して収縮し、水中では摩耗部が膨潤してしまうため、重量測定や形状観察ではいずれも精確に摩耗量を測定できないためである。また、ゲルの微小な摩耗は検出すること自体が困難である。こういった理由から、材料としてゲルを応用するために摩耗は必須の評価項目であるが、定量性に欠ける議論しか成されてこなかった。ポリビニルアルコール(PVA)ゲルについて、摩擦後のゲル本体ではなく、潤滑液中に存在する摩耗粒子に着目し、ゲルの摩耗量が2つの手法で測定可能であることを示した。PVAの未鹸化部が紫外吸収(280nm)をもつことから、紫外分光法により潤滑液中の摩耗粒子由来のポリマー濃度を測定し、ゲルの摩耗量を定量的に求めることができた。また、潤滑液の全有機炭素測定(TOC)を行うことで、摩耗粒子の炭素量からゲルの摩耗量がより高感度で測定できることを示した。一般的に低摩耗とされるゲルの摩耗を初めて精確に定量できたと考えられる。PVAゲルの表面形状が摩耗に及ぼす効果をこれらの手法により確かめたところ、平滑なガラスを相手基板にした場合、凹みの表面構造もつゲルでは平坦なゲルに比べて潤滑液中に放出される摩耗粒子濃度が低いことが示された。