高度架橋ポリエチレン製人工股関節の超長期耐用性の実現を目指した材料設計の至適化

优化材料设计实现高交联聚乙烯人工髋关节超长期耐久性

基本信息

批准号：
21K12758
负责人：
立岩俊之
金额：
$ 2.66万
依托单位：
Tokyo Medical University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究では、人工股関節全置換術（THA）用インプラントである超高分子量ポリエチレン（UHMWPE）寛骨臼ライナーを対象に、抗酸化・耐摩耗・耐疲労性の3つの視点で各種物理化学的耐久試験を実施し、これらの知見を統合することでポリエチレン人工股関節のミクロ構造からマクロデザインまでを定量的に至適化することを目的としている。2022年度は、ASTM F2003に準拠した強制酸化試験（70℃, 5 atm）を最大18週行い、赤外分光およびラマン分光法を用いた微細構造分析を経時的に実施した。対象は、抗酸化ビタミンE（dl-alpha-tocopherol）含有量が異なる（0, 1000, 3000, 7000 ppm）高度架橋UHMWPE（n=各３個）とした。結果は、ビタミンE無添加のUHMWPEでは、2週目以降からシグモイド状に酸化度が急増し、酸化反応が連鎖的に生じていることを確認した。さらに酸化反応に関連したトランスビニレン濃度の増加および結晶化度の増加を認めた。一方、1000 ppm以上のビタミンＥを含有した製品では18週後も酸化は非常に軽微であり、いずれも初期構造を保持していた。ビタミンE濃度が高く、トランスビニレン濃度が低いほど抗酸化能は高い傾向が見られた。トランスビニレン濃度低減のためには、架橋時の放射線源として電子線よりγ線を採用し、線量は必要最低限に留めることが有効であると考えられた。

This study conducted various physicochemical durability tests on ultra-high molecular weight polyethylene (UHMWPE) acetabular liners, an implant for total hip replacement (THA), from three perspectives: antioxidant, wear resistance and fatigue resistance, and the aim is to quantitatively optimize the microstructure of polyethylene hips from the microstructure to macrodesign of polyethylene 臀部。在2022财年，根据ASTM F2003进行了强制氧化试验（70°C，5 ATM），最多进行了18周，并随着时间的推移进行了红外和拉曼光谱的微观结构分析。受试者是高度交联的UHMWPE（每块n = 3片），具有不同的抗氧化剂维生素E（DL-Alpha-托酚）含量（0，1000，3000，7000 ppm）。结果证实，在没有维生素E的UHMWPE中，氧化水平从第二周开始以乙状结肠方式迅速增加，并且链反应中发生了氧化反应。此外，观察到与氧化反应相关的经偏乙烯和结晶度的浓度增加。另一方面，即使在18周后，含有1000 ppm或更多维生素E的产品也非常温和，并且都保留了其初始结构。维生素E浓度越高，跨乙烯浓度越低，抗氧化能力的浓度越高。为了降低跨斜烯的浓度，人们认为在交联期间将伽马射线用作辐射源，并且将剂量保持在必要的最低限度是有效的。