成果報告書詳細
管理番号20100000002284
タイトル平成19年度-平成21年度成果報告書 ナノテク・先端部材実用化研究開発/ナノバイオテクノロジーによる高機能人工関節摺動部材の研究開発
公開日2011/1/25
報告書年度2007 - 2009
委託先名国立大学法人信州大学 日本メディカルマテリアル株式会社 ナカシマメディカル株式会社 MEFS株式会社
プロジェクト番号P05023
部署名ナノテクノロジー・材料技術開発部
和文要約高齢化社会の到来と共に、変形性関節症、関節リウマチ、骨折などの関節疾患が増加し、股関節や膝関節に人工関節置換術を行う患者数が急増している。また、長期使用により人工関節が破綻する症例が20年経過すると10-20%あり、人工関節の再置換手術も急増している。現在、人工関節の国内使用は15万例以上であり、今後も高齢者の増加に伴い、人工関節の需要は二桁規模で増加していくと予想される。しかし、年8,000億円といわれる世界市場への国産人工関節の輸出は皆無に近い。その理由は、人工関節が欧米で誕生し進歩してきた歴史があり、現在まで日本は人工関節の技術開発にほとんど寄与できていない。世界的に安全で耐久性の高い人工関節の必要性が高まっている現在、革新的な技術開発を行い、欧米より優れた人工関節を製品化して輸出に転じることができれば大きな経済効果が期待できる。本研究では、人工関節において現在最も改良が期待されている摺動部材のポリエチレンとセラミックスについて、ナノテクノロジーを用いた全く新しい製品開発を行った。初めての日本発高機能人工関節を実用化することを目的に、以下の3つの研究を柱をとして、アドバイザーを含めると2大学、2研究機関、5企業の共同研究によって行なわれた。第一の研究はナノテクノロジーを用いた高機能ポリエチレンの開発である。本研究では現在人工関節に用いられている超高分子量ポリエチレン(UHMWPE)に強化材としてナノカーボンを複合することにより、新しい構造材料であるナノカーボン複合人工関節用高機能ポリエチレンを研究開発した。第一の研究はナノテクノロジーを用いた高機能ポリエチレンの開発である。本研究では現在人工関節に用いられている超高分子量ポリエチレンに強化材としてナノカーボンを複合することにより、新しい構造材料であるナノカーボン複合人工関節用高機能ポリエチレンを研究開発した。弾性率、耐磨耗性に対して50%以上向上、従来材料比1/3以下と目標値を超える成果を達成した。現在人工股関節シミュレータを用いて実用デバイスとしての評価を実施中である。第二の研究は、ナノテクノロジーを用いた高機能セラミックスの開発である。本研究では、強化材であるナノカーボンをアルミナと複合させた新しいセラミックスを研究開発した。高分散処理したナノカーボンを高純度アルミナ粉末と混合し、得られた混合粉末を真空焼結とHIP処理の併用,あるいはプラズマ焼結することにより複合体を作製した。その結果、ナノカーボンが均一混合した緻密な複合体が得られた。その複合体は高強度、高靭性を示した。このようにナノカーボンを生体材料として用いる場合に重要なことは、生体適合性である。第三の研究では、ナノカーボンおよびその複合体の生体反応、骨組織反応、細胞反応、抗菌性などを評価した。また、ナノカーボンおよび複合材の毒性試験、発癌性試験を行った。結果はナノカーボンおよびその複合体は生体親和性が高く、発癌性など生体材料として有害な現象を示さなかった。しかし、製品化のためには、第三者によるさらなる生体安全性評価を必要とする。以上のように、本研究開発は、典型的な医工連携、産学官連携研究である。ナノカーボンという日本発の高機能材料を世界で初めて人工関節に応用するきわめて新規性の高い研究開発で、多くの重要な新知見が得られたと考えている。
英文要約Title: Adoption of R&D for Practical Application of Nanetechnology and Advanced Components. Research and Development of Nanodevices for Practical Utilization of Nanotechnology. Research and Development of High-Performance Artificial Joint Sliding Components by Nano-Biotechnology. (FY2007-FY2009) Final Report.
With the aging of society, the incidence rates of joint diseases have increased and the number of patients undergoing arthroplasty of the hip and knee joints has increased rapidly. The collapse of artificial joints due to long-term use over 20 years occurs in 10% - 20% of cases. The rates of revision arthroplasty of these artificial joints have also increased rapidly. Although the worldwide sales level is estimated at 800 billion yen annually, there have been almost no exports of domestic artificial joints from Japan. With the current necessity for safe and highly durable artificial joints, it will be necessary to conduct innovative research and development in Japan to manufacture artificial joints to recapture the domestic market. In addition, export to the huge worldwide market would be beneficial to the Japanese economy. In this study, we attempted to develop a completely new product using nanotechnology with polyethylene and ceramics as sliding components. The first study involved the development of highly functional polyethylene using nanotechnology. In this study, we developed highly functional polyethylene for artificial joints with nano-carbon composite, a new structural material, made using nano-carbon as a reinforcing material in complex with ultra-high-molecular weight polyethylene, which is currently used for artificial joints. The elasticity modulus and the wear resistance were improved by 50% or more. The achieved levels were less than one third of the conventional material, which exceeded the target levels. Evaluation as a practical device is currently underway using an artificial hip joint simulator. The second study was performed for the development of highly functional ceramics with application of nanotechnology. In this study, we developed a new type of ceramic consisting of nano-carbon as a reinforcing material in complex with alumina. The composite was produced by the following method. High dispersion-treated nano-carbon was mixed with high purity alumina powder and the obtained powder mixtures were consolidated by vacuum sintering and then hot isostatic pressing treatment or by plasma sintering. As the results, dense composites in which nano-carbon were dispersed uniformly were obtained. The composites showed high bending strength and high fracture toughness. The third study was performed to evaluate vital reactions, bone tissue reactions, cell reactions, and antibacterial properties of nano-carbon and the composite materials. We also conducted a study of the toxicity and carcinogenesis of nano-carbon and the composite materials. The results indicated that nano-carbon has high biocompatibility and no harmful effects, such as carcinogenesis, as a biomaterial. This highly innovative study with the development and application of nano-carbon, a highly functional material originating in Japan, yielded important new knowledge for production of artificial joints.
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