次世代型長寿命人工股関節の開発のためのコールドフロー損傷抑制に関する研究

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人工股関節の臨床寿命を短縮する主要原因の一つであるコールドフロー（cold flow）の発生の原因や人工股関節用超高分子量ポリエチレン（UHMWPE）ライナーの摩耗・破損などの損傷に及ぼす影響を明らかにし、コールドフロー発生による損傷を最小限に抑制する設計改善策の提案のために、2022年度中には、前年度中に研究協力機関の研究協力者らによって集積された摘出人工股関節の寸法や幾何学的形状の実測値データに基づいて、より厳密に人工股関節の形状を再現した3次元解析モデルの作成およびこれらを用いたコールドフロー発生の有限要素法シミュレーションを行った。当該年度中には、これらの有限要素モデルと先行研究において構築されたUHMWPEの材料モデルを用いて、主に人工股関節のアセタブラーカップに存在するねじ穴の直径や配置、ねじ穴とねじのヘッドの間の段差、UHMWPEライナーの厚さ、アセタブラーカップの骨盤への設置角度などがUHMWPEライナーの力学的状態やコールドフロー発生に及ぼす影響について有限要素解析を行い、解析結果の分析および検討を行った。解析の結果、ねじ穴の直径の増加とともに、ねじ穴付近のライナーの接触応力が大きく増加する傾向が見られた。さらに、ねじ穴とねじのヘッドの間の段差の増加とともに、ねじ穴付近のライナーの接触応力が増加する傾向が確認された。また、アセタブラーカップにおけるねじ穴の配置間隔の増加とともに、ねじ穴付近のライナーの接触応力が減少する傾向が見られた。さらに、アセタブラーカップの骨盤への設置角度の増加とともに、ねじ穴付近のライナーの接触応力が増加する傾向が見られた。UHMWPEライナーの厚さの変化による影響の検討では、UHMWPEライナーの厚さの増加とともにねじ穴付近のライナーの接触応力が緩やかに減少していく傾向が確認された。