次世代型長寿命人工膝関節の開発のための疲労摩耗抑制に関する研究

疲劳磨损抑制研究，开发下一代长寿命人工膝关节

• 批准号: 02F00128
• 负责人: 村上 輝夫
• 金额: $ 0.64万
• 依托单位: Kyushu University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2002
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2002 至 2003
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-02F00128/
• 关键词: 人工膝関節; 超高分子量ポリエチレン; 塑性流動; ネジ穴; 摩耗; デラミネーション; 膝関節シミュレータ; 有限要素法

臨床用人工膝関節の摩擦面は金属またはセラミック製の大腿部と超高分子量ポリエチレン(UHMWPE)製の脛骨部から構成されているため,UHMWPEの疲労摩耗が大きな問題となっている.より長寿命の次世代型人工膝関節の開発のための研究の第1段階として今年度中には,UHMWPE脛骨コンポーネントの耐摩耗性の向上のための設計基準の提案を目指して,人工膝関節の脛骨金属ベースにおけるネジ穴の存在によって発生する塑性流動(cold flow)がUHMWPE脛骨コンポーネントの摩耗に及ぼす影響について実験および解析的方法で検討を行った.本研究では,人間の歩行運動条件および生体内環境を模擬できる膝関節シミュレータを用いて100万サイクル以上の長期間にわたるUHMWPE脛骨コンポーネントの摩耗実験を行った.さらに,脛骨金属ベースにネジ穴を有している人工膝関節とネジ穴のない人工膝関節の2種類の単純化した有限要素接触モデルを作成し,有限要素法(FEM)による摩耗実験の数値解析シミュレーションを行い,両モデルでのUHMWPE脛骨コンポーネントの力学的状態を比較検討した.摩耗実験の結果,脛骨金属ベースにネジ穴を有している組合せのUHMWPE脛骨コンポーネントの背面では,短期間の繰返し接触だけでも顕著なcold flowが発生した.さらに,ネジ穴の中へのcold flowが発生した部分の背面の接触面では,他の接触部に比べて顕著な塑性変形と摩耗の発生が観察された.特に,ネジ穴付近のUHMWPE脛骨コンポーネントの接触面では,その表面直下でデラミネーション(疲労性はく離摩耗)発生の原因となる内部クラックが観察された.また,摩耗実験の有限要素シミュレーションの結果,ネジ穴の中へのcold flowが発生した部分では,底面から表面にかけて局所的な過大応力や高塑性ひずみが発生することが確認された.このようなネジ穴付近でのcold flow発生による応力状態は,UHMWPE脛骨コンポーネントの表面および表面直下での摩耗挙動に悪影響を与え,その摩耗発生の加速化や摩耗量の増加につながると推測される.本研究では,人工膝関節のUHMWPE脛骨コンポーネントの背面で多く観察されるcold flowの発生を摩耗実験および有限要素シミュレーションにより再現できた.またネジ穴の中へのcold flowの発生が,その背面の表面直下でのデラミネーション発生や摩耗量の増加に関連することが示唆された.

Clinical section with artificial knee masato の friction surface は metal ま た は セ ラ ミ ッ ク system の big leg と ultra-high molecular weight ポ リ エ チ レ ン (UHMWPE) system の shinbone department か ら constitute さ れ て い る た め, UHMWPE の exhausted 労 mo が consumption big き な problem と な っ て い る. よ り long-life の nextgen type artificial knee section masato の 発 の た め の research paragraph 1 の order と し て in our に は, UHMWPE tibial コ ン ポ ー ネ ン ト の friction loss resistance の upward の た め の design benchmark の proposal を refers し て, artificial knee masato section の shin metal ベ ー ス に お け る ネ ジ den の exist に よ っ て 発 raw す る plastic flow (cold Flow) が UHMWPE tibial コ ン ポ ー ネ ン ト の に moab and ぼ す influence に つ い て be 験 お よ び analytical method で 検 line for を っ た. This study で は, の world step line movement condition お よ を び born in vivo environment simulation で き る knee masato section シ ミ ュ レ ー タ を with い て 1 million サ イ ク ル above の between long-term に わ た る UHMWPE tibial コ ン ポ ー ネ ン ト の friction consumption be 験 を line っ た. さ ら に, shin metal ベ ー ス に ネ ジ den を have し て い る artificial knee masato section と ネ ジ den の な い artificial Knee の masato section 2 kinds の 単 purification し た finite element contact モ デ ル を し consummate, finite element method (FEM) に よ る friction consumption be 験 の the numerical analytical シ ミ ュ レ ー シ ョ ン を い, struck モ デ ル で の UHMWPE tibial コ ン ポ ー ネ ン ト の mechanics state を compare beg し 検 た. The consumption be 験 の results, shin metal ベ ー ス に ネ ジ den を have し て い る combination せ の UHMWPE tibial コ ン ポ ー ネ ン ト の back で は, short period の Qiao return し contact だ け で も 顕 the な cold flow が 発 raw し た. さ ら に, ネ ジ hole in の へ の cold The back part flow が 発 raw し た の の contact で は, he の contact part に than べ て 顕 the な plastic - shaped と friction consumption の 発 raw が 観 examine さ れ た. に, ネ ジ point paying nearly の UHMWPE tibial コ ン ポ ー ネ ン ト の contact で は, そ の way down the surface で デ ラ ミ ネ ー シ ョ ン (exhausted 労 は く from the consumption) born 発 の reason と な る internal ク ラ ッ ク が 観 examine さ れ た. ま た, friction loss be 験 の finite element シ ミ ュ レ ー シ ョ ン の results, ネ ジ hole in の へ の cold Part flow が 発 raw し た で は, bottom か ら surface に か け て bureau of excessive な 応 force ひ や high plasticity ず み が 発 raw す る こ と が confirm さ れ た. こ の よ う な ネ ジ den paying nearly で の cold Flow 発 raw に よ る は 応 force status, UHMWPE tibial コ ン ポ ー ネ ン ト の surface お よ び surface straight down で の friction consumption 挙 dynamic に 悪 influence を and え, そ の friction consumption 発 raw の JiaSuHua や mo consumption の raised plus に つ な が る と speculation さ れ る. This study で は, artificial knee masato section の UHMWPE tibial コ ン ポ ー ネ ン ト の で back more く 観 examine さ れ る cold flow の 発 を ahban consumption be 験 お よ び finite element シ ミ ュ レ ー シ ョ ン に よ り reappearance で き た. ま た ネ ジ hole in の へ の cold The back flow の 発 が, そ の の way down the surface で の デ ラ ミ ネ ー シ ョ ン 発 や ahban and consumption of の raised に requirement by masato even す る こ と が in stopping さ れ た.

项目成果

趙 昌熙: "UHMWPE脛骨コンポーネントの摩耗挙動に及ぼす塑性流動の影響"日本臨床バイオメカニクス学会誌. 24(発表予定). (2003)

赵长辉：“塑性流动对 UHMWPE 胫骨组件磨损行为的影响”，日本临床生物力学学会杂志 24（待发表）。

Changhee Cho: "Influence of Plastic Strain on the Fatigue Wear of UHMWPE in Knee Protheses"Proceedings CD of the 4th World Congress of Biomechanics. (印刷中). (2002)

Changhee Cho：“膝关节假体中塑性应变对 UHMWPE 疲劳磨损的影响”第四届世界生物力学大会论文集 CD（正在出版）。