【研究領域課題番号】21H04535 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

トライボロジー / 超潤滑 / ソフトマター / 生体高分子 / 生体関節

【研究成果の概要】

導入した回転式レオメータをベースとした摩擦試験機を用い，滑り速度に依存したハイドロゲル軟骨モデルの動的摩擦挙動を計測し，潤滑液中に添加した生体高分子成分の影響を評価した．その結果，最大摩擦係数を例とすると，タンパク質が摩擦係数を大きく上昇させるのに対し，脂質，ヒアルロン酸は摩擦係数を低下させ，両者を混合することで摩擦が最小化することが示された．また滑り速度と摩擦係数の関係を表す曲線の形状は，変曲点を示す特性速度，変曲点間の傾きなど，いくつかのパラメータにより規定されることを見いだした．実験結果からこれらのパラメータを抽出し，生体高分子成分による個々のパラメータへの影響を整理することで，各成分による摩擦増減メカニズムを特定する研究の方向性が得られた．また往復動摩擦試験機によるハイドロゲル軟骨モデルの摩擦評価では，タンパク質による摩擦上昇が，十分な流体潤滑膜の形成により抑制されることが示唆された．
生きた軟骨細胞を内包するアガロース軟骨モデルについては，培養中の軟骨モデルに周期的な圧縮・せん断変形を加え，細胞外基質産生を促進するための力学負荷培養システムを構築した．また培養後の軟骨モデルの摩擦を，パラレルプレートおよび微小荷重下におけるボール・オン・ディスク摩擦試験により評価した．後者の結果について，軟骨モデル／ガラス球間に生じるせん断応力とゾンマーフェルト数の関係を擬似ストライベック線図として整理し，細胞が産生しモデル内に蓄積された細胞外基質成分が，接触面間のせん断応力を減少させるだけでなく，弾性流体潤滑膜の形成を促進することを示した．
またハイドロゲル軟骨モデルの摩擦挙動に対する固液二相潤滑の寄与を評価するため，汎用有限要素解析ソフトABAQUSに流体解析用ユーザーサブルーチンを組み合わせた，固液二相有限要素解析システムを構築し，滑り速度の影響に関する解析を開始した．

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2021-04-05 - 2025-03-31

【配分額】42,640千円 (直接経費: 32,800千円、間接経費: 9,840千円)

【研究分野】設計工学・機械機能要素・トライボロジー

【研究領域課題番号】17H01244 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

トライボロジー / 関節潤滑 / 超潤滑 / 細胞・組織 / 関節軟骨 / 関節液 / 生体分子 / 生物・生体工学 / 生体高分子 / 張潤滑

【研究成果の概要】

関節軟骨によく似た性質を持つ柔軟材料（ハイドロゲル）を軟骨モデルとして用い，生体関節の摩擦を小さくし，滑らかな動きを可能にしている超潤滑メカニズムの詳細を探求した．その結果，関節液に含まれるヒアルロン酸とリン脂質の複合体が優れた潤滑機能を発揮し摩擦を低減すること，軟骨を形成する細胞外基質とこれらの成分が結びつくことで潤滑機能が更に高まること，さらに軟骨組織に含まれる水が上記の成分による潤滑機能の形成に重要な役割を果たしていることを明らかにした．

【研究の社会的意義】

この研究から得られる成果には3つの意義が存在すると考える．一つ目は，生体関節の潤滑メカニズムを解明する基礎科学的意義．二つ目は，関節潤滑の破綻による変形性関節症の発症メカニズムについて新しい知見を与える臨床医学的意義，三つ目は，柔軟で透水性を有する高含水ハイドロゲルを摩擦材とし，生体高分子類似の分子構造を有する水溶性潤滑剤を用いた，画期的な超潤滑しゅう動システム開発につながるシーズ技術研究としての工学的意義である．

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2017-04-01 - 2021-03-31

【配分額】45,110千円 (直接経費: 34,700千円、間接経費: 10,410千円)