高齢者の寝たきり予防に役立つナノ表面構築型人工股関節の開発に関する研究

文献情報

• 文献番号: 201011019A
• 報告書区分: 総括
• 研究課題名: 高齢者の寝たきり予防に役立つナノ表面構築型人工股関節の開発に関する研究
• 課題番号: H20-活動・一般-004
• 研究年度: 平成22(2010)年度
• 研究代表者(所属機関): 高取 吉雄(東京大学 医学部附属病院)

研究分担者(所属機関)

• 中村　耕三(東京大学　医学部附属病院 )
• 川口　浩(東京大学　医学部附属病院 )
• 石原　一彦(東京大学　大学院　工学系研究科)
• 茂呂　徹(東京大学　医学部附属病院 )
• 伊藤　英也(東京大学　医学部附属病院 )
• 金野　智浩(東京大学　大学院　工学系研究科)
• 塙　隆夫(東京医科歯科大学　生体材料工学研究所)
• 岩崎　泰彦(関西大学　化学生命工学部)
• 橋本　雅美(（財）ファインセラミックスセンター)
• 山脇　昇(（株）日本メディカルマテリアル)
• 京本　政之(（株）日本メディカルマテリアル)

• 研究区分: 厚生労働科学研究費補助金 厚生科学基盤研究分野 医療機器開発推進研究（低侵襲・非侵襲医療機器（ナノテクノロジー）研究）
• 研究開始年度: 平成20(2008)年度
• 研究終了予定年度: 平成22(2010)年度
• 研究費: 42,750,000円
• 研究者交替、所属機関変更: -

研究報告書（概要版）

研究目的

本研究の目的は、我々が開発してきた、生体適合性材料・MPCポリマーの人工股関節摺動面へのナノ表面処理技術を応用し、安定性と耐摩耗性に優れ、高齢者の寝たきり予防に役立つ革新的なナノ表面構築型人工股関節を開発することである。

研究方法

MPC処理の至適条件の検索では、MPCによるナノ表面処理時の紫外線強度について至適条件を検索した。ポリエチレン（PE）厚がMPC処理効果に与える影響の検討では、股関節における摩擦摩耗動作を想定した摩耗特性（多方向摺動）試験を行った。摩耗抑制効果の検討では、コバルトクロム合金骨頭表面の粗さが生体内埋入期間中に変化することを想定し、表面粗さを変化させた骨頭を作製してシミュレーター試験を行った。関節摺動面の安定性の検討では、下肢の自重によって骨頭が引き下げられライナー面から離れる「浮き上がり防止」について、ライナー摺動面―骨頭間の吸着力を指標として、MPC処理が与える影響を検討した。

結果と考察

MPC処理の至適条件の検索では、架橋ポリエチレン表面のMPCポリマー層は、紫外線強度の制御により表面にグラフトされるMPC層が制御できた。ポリエチレン厚がMPC処理効果に与える影響の検討では、MPC処理により、CLPEの耐摩耗特性が向上することが確認された。また、厚いCLPEは薄いそれに比べ良好な耐摩耗特性を示した。更に、薄いCLPEにおいても重篤な欠陥は認められず、大径骨頭と組み合わせることが可能な薄いCLPEライナーの適用の可能性が示唆された。摩耗抑制効果の検討では、MPCポリマーでナノスケールの表面処理を施すことで、何れの表面粗さの場合も摩耗量を著しく低減させることが明らかとなった。関節摺動面の安定性の検討では、大径骨頭を用いた場合でも、MPC処理により関節摺動面の吸着力が増大することが示され、その効果はより大径の骨頭を用いることで高くなる可能性が示唆された。

結論

以上の研究成果は、高齢者の寝たきり予防に役立つナノ表面構築型人工股関節の開発を推進しうるものであり、革新的な人工股関節の臨床応用が期待できる内容であった。

公開日・更新日

• 公開日: 2011-09-14
• 更新日: -

文献情報

• 文献番号: 201011019B
• 報告書区分: 総合
• 研究課題名: 高齢者の寝たきり予防に役立つナノ表面構築型人工股関節の開発に関する研究
• 課題番号: H20-活動・一般-004
• 研究年度: 平成22(2010)年度
• 研究代表者(所属機関): 高取 吉雄(東京大学 医学部附属病院)

研究分担者(所属機関)

• 中村　耕三(東京大学　医学部附属病院 )
• 川口　浩(東京大学　医学部附属病院 )
• 石原　一彦(東京大学　大学院　工学系研究科)
• 茂呂　徹(東京大学　医学部附属病院 )
• 伊藤　英也(東京大学　医学部附属病院 )
• 金野　智浩(東京大学　大学院　工学系研究科)
• 塙　隆夫(東京医科歯科大学　生体材料工学研究所)
• 岩崎　泰彦(関西大学　科学生命工学部)
• 橋本　雅美(（財）ファインセラミックスセンター)
• 山脇　昇(（株）日本メディカルマテリアル)
• 京本　政之(（株）日本メディカルマテリアル)

• 研究区分: 厚生労働科学研究費補助金 厚生科学基盤研究分野 医療機器開発推進研究（低侵襲・非侵襲医療機器（ナノテクノロジー）研究）
• 研究開始年度: 平成20(2008)年度
• 研究終了予定年度: 平成22(2010)年度
• 研究者交替、所属機関変更: -

研究報告書（概要版）

研究目的

本研究の目的は、MPCポリマーのナノ表面処理技術を応用し、高齢者の寝たきり予防に役立つ「革新的なナノ表面構築型人工股関節」を開発することである。

研究方法

MPC処理の至適条件の検索では、紫外線照射時間、強度等を変化させ、得られた試料表面を解析して至適条件を検索した。ポリエチレン(PE)厚がMPC処理効果に与える影響の検討では、機械的特性の評価、疲労特性試験、多方向摺動試験を行った。摩耗抑制効果の検討では、手術後の歩行を再現する股関節シミュレーターで検討した。関節摺動面の安定性の検討では、抗脱臼機構および関節可動域を検討するため、三次元積層造形法を用いて股関節の三次元モデルを作製した。さらに、下肢の自重によって骨頭が引き下げられライナー面から離れる「浮き上がり防止」について、ライナー摺動面―骨頭間の吸着力を指標として、MPC処理が与える影響を検討した。

結果と考察

MPC処理の至適条件の検索では、架橋ポリエチレン表面のMPCポリマー層は、紫外線照射時間、強度等の制御により表面のMPC層が制御できた。PE厚がMPC処理効果に与える影響の検討では、光開始グラフト重合法は、基材の材料特性に影響を与えないこと、MPC処理によりCLPEの耐衝撃-摩耗特性が向上することが確認された。さらに、大径骨頭と組み合わせられる薄いCLPEライナーの適用の可能性が示唆された。摩耗抑制効果の検討では、骨頭径を大きくしても、顕著な摩耗抑制効果が期待できること、仮に骨頭が粗面化した場合でも摩耗抑制効果の持続が期待できることが明らかとなった。関節摺動面の安定性の検討では、大径骨頭を用いた場合でも、PMPC処理により関節摺動面の吸着力が増大することが示され、その効果はより大径の骨頭を用いることで高くなる可能性が示唆された。

結論

以上の研究成果は、安定性と耐摩耗性に優れた「革新的なナノ表面構築型人工股関節」の臨床応用が期待できる内容であった。

公開日・更新日

• 公開日: 2011-09-14
• 更新日: -

行政効果報告

• 文献番号: 201011019C

成果

• 専門的・学術的観点からの成果: 本研究の目的は、MPCポリマーのナノ表面処理技術を応用し、高齢者の寝たきり予防に役立つ「革新的なナノ表面構築型人工股関節」を開発することである。本研究においては、MPCポリマー処理の至適処理条件を確立するとともに、この技術が基材の材料特性に影響を与えないことを明らかにした。また、MPCポリマー処理により、1)耐衝撃-摩耗特性が向上し、基材の耐久性が向上すること、2)大径骨頭においても顕著な摩耗抑制効果が期待できること、3)関節摺動面の吸着力が増大すること、を明らかにした。
• 臨床的観点からの成果: 我々は、本研究の計画段階において人工股関節手術を受けた患者に縦断調査を行っており、手術後の不安として脱臼、歩行能力の回復、耐久性に関するものが多いことを明らかにしている。また、臨床の場においても、脱臼と弛みは人工股関節の再手術の大きな原因となっている。本研究によって安定性と耐久性を著しく向上させた人工股関節を開発することができれば、人工股関節の不具合に対する再手術が減少するだけでなく、高齢者の生活の質（QOL）を向上させ、健康寿命を延伸するなど、高齢者の自立喪失を防ぐことが期待できる。
• ガイドライン等の開発: 本研究開発は基礎研究であり、現時点では本項目に該当する内容のものはない。今後の実用化研究は、厚生労働省医薬審発第0213001号「医療用具の製造承認申請に必要な生物学的安全性試験の基本的考え方について」のガイドラインに従って推進する。
• その他行政的観点からの成果: 本研究によって安定性と耐久性を著しく向上させた人工股関節を開発することができれば、支援介護費用までも含めた医療費の削減に多大な貢献ができる。また、国内の人工股関節の市場は80%以上が輸入製品で占められているが、国民生活に対応した製品を開発することで、この分野の産業育成と貿易不均衡の是正に対する貢献が期待できる。これに加えて、股関節症は働き盛りの中壮年層の歩行障害の重要な原因であり、本研究による革新的な人工股関節は、少子化の中での労働力の確保という点でも厚生労働行政に貢献することが期待できる。
• その他のインパクト: 本研究に関連した内容は2011年6月23日にプレスリリースとメディアセミナーを実施し、2012年8月に上海交通大学附属第六人民医院で紹介した。また、本研究の基盤とした人工股関節は2011年10月1日に保険収載され、2014年3月末までに約１万症例に使用されている。

発表件数

• 原著論文（和文）: 5件
• 原著論文（英文等）: 43件
• その他論文(和文): 13件
• その他論文(英文等): 3件
• 学会発表(国内学会): 199件
• 学会発表(国際学会等): 84件
• その他成果(特許の出願): 0件
• その他成果(特許の取得): 0件
• その他成果(施策への反映): 0件
• その他成果(普及・啓発活動): 1件

主な原著論文20編（論文に厚生労働科学研究費の補助を受けたことが明記された論文に限る）

• 原著論文1: Kyomoto M, Moro T, Miyaji F, et al.; Enhanced wear resistance of orthopaedic bearing due to the cross-linking of poly (MPC) graft chains induced by gamma-ray irradiation.; J Biomed Mater Res B (2008)
• 原著論文2: Kyomoto M, Moro T, Miyaji F, et al.; Effect of 2-methacryloyloxyethyl phosphorylcholine concentration on photo-induced graft polymerization of polyethylene in reducing the wear of orthopaedic bearing surface.; J Biomed Mater Res A (2008)
• 原著論文3: Kyomoto M, Moro T, Miyaji F, et al.; Effects of mobility/immobility of surface modification by 2-methacryloyloxyethyl phosphorylcholine polymer on the durability of polyethylene for artificial joints.; J Biomed Mater Res A (2009)
• 原著論文4: Moro T, Kawaguchi H, Ishihara K, et al.; Wear resistance of artificial hip joints with poly(2-methacryloyloxyethyl phosphorylcholine) grafted polyethylene: Comparisons with the effect of polyethylene cross-linking and ceramic femoral heads.; Biomaterials (2009)
• 原著論文5: Kyomoto M, Moro T, Iwasaki Y, et al.; Effects of mobility/immobility of surface modification by 2-methacryloyloxyethyl phosphorylcholine polymer on the durability of polyethylene for artificial joints.; Biomaterials (2009)
• 原著論文6: Kyomoto M, Moro T, Iwasaki Y, et al.; Lubricity and Stability of Poly(2-methacryloyloxyethyl phosphorylcholine) Polymer Layer on Co-Cr-Mo Surface for Hemi-arthroplasty to Prevent Degeneration of Articular Cartilage.; Biomaterials (2010)
• 原著論文7: Kyomoto M, Moro T, Takatori Y, et al.; Cartilage-mimicking, high-density brush structure improves wear resistance of crosslinked polyethylene: a pilot study.; Clin Orthop Relat Res (2011)
• 原著論文8: Kyomoto M, Moro T, Saiga K, et al.; Biomimetic hydration lubrication with various polyelectrolyte layers on cross-linked polyethylene orthopedic bearing materials.; Biomaterials (2012)
• 原著論文9: Takatori Y, Moro T, Kamogawa M, et al; The poly (2-methacryloyloxyethyl phosphorylcholine)-grafted highly cross-linked polyethylene liner in primary total hip replacement -One-year results of a prospective cohort study. ; J Artif Organs (2013)
• 原著論文10: Kyomoto M, Moro T, Yamane S, et al; Poly(2-methacryloyloxyethyl phosphorylcholine) grafting and vitamin E blending for high wear resistance and oxidative stability of orthopedic bearings. ; Biomaterials (2014)
• 原著論文11: Kyomoto M, Moro T, Yamane S, et al; Effect of UV-irradiation intensity on graft polymerization of 2-methacryloyloxyethyl phosphorylcholine on orthopedic bearing substrate.; J Biomed Mater Res A (2014)
• 原著論文12: Moro T, Takatori Y, Kyomoto M,et al; Long-term hip simulator testing of the artificial hip joint bearing surface grafted with biocompatible phospholipid polymer.; J Orthop Res (2014)
• 原著論文13: Kyomoto M, Moro T, Takatori Y,et al; Multidirectional wear and impact-to-wear tests of phospholipid-polymer-grafted and vitamin E-blended crosslinked polyethylene: a pilot study.; Clin Orthop Rel Res (2015)

公開日・更新日

• 公開日: 2015-05-27
• 更新日: 2015-06-16

収支報告書

• 文献番号: 201011019Z