ウォータージェットを利用した高耐久性人工関節のナノメートルオーダ超精密加工

使用水射流对高耐用人工关节进行纳米级超精密加工

• 批准号: 05J11715
• 负责人: 澤野 宏
• 金额: $ 1.73万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2005
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2005 至 2007
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-05J11715/
• 关键词: 人工関節; 耐用年数; ディンプル形状; Co-Cr-Mo合金; 超高分子量ポリエチレン; アブレシブウォータージェット; ピンオンプレート摺動試験; 摩耗; ウォータージェット; 仕上げ加工; UHMWPE; MPCポリマー; 接触角; 高圧水銀灯; グラフト重合; 人工膝関節; 自由曲面; 表面粗さ; 表面性状; 超精密仕上げ; CAD

本研究では人工関節の長寿命化,具体的には人工関節の耐用年数を15年程度から30年以上に向上させることを目的として,人工関節の摺動面における摩耗のメカニズムに検討を加え,耐摩耗性の向上に適した多孔構造のサイズ,形状,および機械的特性を提案した.さらに,摺動実験によりその有効性を検証した.人工関節の長寿命化を実現するためには,人工関節の摺動面における超高分子量ポリエチレン(UHMWPE)の摩耗を低減することが必要不可欠である.従来,人工関節の金属コンポーネントの摺動面は鏡面仕上げを施すことが前提となっているが,摺動面の表面性状と摩耗の関係が明らかにされておらず,鏡面が摩耗の低減において最適とは限らない.そのため,摩耗の低減を実現するためには,摺動面の表面性状と摩耗の関係を明らかにすることが必要である.これに対して,本研究では,人工関節におけるUHMWPEの摩耗のメカニズムを検討し,金属1コンポーネントの表面に存在する平均径4μm程度の析出物が摺動によって脱落し,スクラッチ痕を発生させる主要な原因となることを示した.この結果を元に,摺動面内に存在する平均径4μm程度の粒子によるスクラッチ痕の発生を抑制でき,その結果として摩耗量を最も少なくできる多孔構造として,平均深さ1μm程度の微小ディンプル構造が適していることを明らかにした.この金属側表面の多孔構造を効率よく創成でき,かつ,要求される人工関節の形状精度を損ねない方法として,アブレシブウォータージェット加工技術を採用し,加工実験により,効率よく上記多孔構造の創成が可能であることを示した.さらに,摺動実験におけるUHMWPEの摩耗量の比較により,金属側表面を平均深さ1μm程度の微小ディンプル構造とすることにより,UHMWPEの摩耗量を従来の場合の1/2以下に低減でき,35年程度の耐用年数の実現が見込めることを示した.

在这项研究中，我们研究了人造关节滑动表面上的磨损机制，特别是为了改善人造关节的寿命，从大约15年到30年以上，并提出了适合改善耐磨损性的多孔结构的大小，形状和机械性能。此外，我们通过滑动实验验证了这些结构的有效性。为了实现人造关节的寿命，我们降低了超高分子量聚乙烯（UHMWPE）在人造关节滑动表面上的磨损。减轻体重至关重要。通常，假定人造接头的金属成分的滑动表面是镜面的，但是尚未阐明滑动表面和磨损的表面特性之间的关系，并且镜面不一定在降低磨损方面是最佳的。因此，为了减少磨损，有必要阐明滑动表面和磨损的表面特性之间的关系。相比之下，在这项研究中，我们研究了UHMWPE在人造关节中的磨损机制，并且能够使用金属。结果表明，在一个成分的表面上，平均直径约为4μm的沉淀通过滑动掉落，导致划痕的主要原因。基于此结果，可以发现平均深度约为1μm的微二重结构适合作为多孔结构，可以被滑动表面平均直径约为4μm的颗粒抑制，因此，可以最大程度地减少磨损量。可以有效地创建金属侧面表面上的多孔结构，并且采用了一种不损害人造关节所需形状准确性的方法，采用了磨料水流加工技术，并且加工实验表明上述多孔结构可以有效地产生。此外，通过比较uHMWPE在滑动实验中的磨损量，可以表明，通过使金属表面为平均深度约1μm的小凹痕结构，可以将UHMWPE的磨损量减少到一半以上的常规表面，并且可以实现大约35年的使用寿命。

项目成果

人工関節の耐摩耗性を向上させるためのMPC高分子のグラフト重合

MPC聚合物接枝聚合提高人工关节耐磨性

• 发表时间: 2007
• 作者: 澤野 宏;割澤 伸一;光石 衛;藏本 孝一;澤野 宏;澤野 宏;澤野 宏
• 通讯作者: 澤野 宏

多孔構造を利用した耐摩耗性摺動面の創成による人工関節の長寿命化に関する研究

利用多孔结构创建耐磨滑动表面来延长人工关节寿命的研究

• 发表时间: 2008
• 期刊: 東大機械工学研究報告(平成20年大学院論文概要集) 43
• 作者: Yoshimitsu Yanagawa;et. al.;稲村 一隆;稲村 一隆;稲村 一隆;小入羽 秀敬;小入羽秀敏;小入羽 秀敬;小入羽 秀敬;澤野 宏
• 通讯作者: 澤野 宏

「アブレシブウォータージェットによる人工股関節骨頭の超精密仕上げ加工における形状制御」こぼれ話

“利用磨料水射流对人工髋关节头进行超精密精加工的形状控制”一个故事

• 发表时间: 2007
• 期刊: 砥粒加工学会誌 51
• 作者: Yoshimitsu Yanagawa;et. al.;稲村 一隆;稲村 一隆;稲村 一隆;小入羽 秀敬;小入羽秀敏;小入羽 秀敬;小入羽 秀敬;澤野 宏;澤野 宏
• 通讯作者: 澤野 宏

Ultra-Precision Finishing for an Artificial Knee Joint by Means of Abrasive Waterjet

利用磨料水射流对人工膝关节进行超精密精加工

• 发表时间: 2006
• 期刊: The 8th Pacific Rim International Conference on Water Jet Technology 8
• 作者: Hiroshi Sawano;Shin'chi Warisawa;Mamoru Mitsuishi;Kouichi Kuramoto;Takayuki Inoue
• 通讯作者: Takayuki Inoue

アブレシブウォータージェットによる人工股関節骨頭の超精密仕上げ加工における形状制御

磨料水射流超精密加工人工髋头的形状控制

• 发表时间: 2005
• 期刊: 砥粒加工学会誌 49巻10号
• 作者: 澤野 宏;割澤 伸一;光石 衛;藏本 孝一
• 通讯作者: 藏本 孝一