1

金沢工業大学 工学部 機械工学科

教授 新谷 一博

高骨伝導能を有する人工足場材料の開発

平成30年8月28日

我が国の人口推移（少子高齢化が顕著化）

0

2

4

6

8

10

12

14

1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030 2035 2040 2045 2050 2055 2060

Fig. Predict trends in the elderly population1)

Po

pu

lati

on

[1

0 m

illi

on

]

■Elderly population

■Total population ■Total population（calculation）

□Elderly population (calculation）

Elderly : over 65 years of age

elderly population ratio

2016年27.3％

2060年39.9％

研究背景

1) 内閣府「平成29年版 高齢社会白書」2

研究背景： 従来技術とその問題点

Fig. Spinal fusion model.

Vertebral body

Spinal rodSpinal screw

Cage

加齢に伴う椎体の変性

脊柱管狭窄による腰痛や下肢痛

健常部位の切開 採骨量の制限 手術時間の遷延，etc…

Fig. Spine cage model.

自家骨

侵襲性

Fig. Spine cage model.

人工骨

低侵襲

腰椎変性すべり症を例に：加齢により発症リスクが増える

椎体間の早期固定（高骨伝導能物体の開発）が必要

3

研究背景：従来技術とその問題点

変形性股関節症

Defective part of bone

Stress concentration

Fig. Acetabular dysplasia

先天的な臼蓋形成不全

疼痛や脚長差，歩行障害等の症状を呈する．

応力不均衡の緩和のため，人工的な臼蓋が必要

高骨伝導能足場材料による臼蓋部位の確保補填が必要

骨補填対策（棚形成術）

骨吸収

4

研究の目的：新技術の特徴・従来技術との比較

5

本人工足場材料は，早期骨形成を行うことを目的とし，従来手法に比し飛躍的の骨形成時間を短縮した．

検証方法

①人工足場材の形状が骨伝導能に及ぼす影響

②人工足場材の材質が骨伝導能に及ぼす影響

③人工足場材の表面処理状態が骨伝導能に及ぼす影響

試料形状

5.0

Fig. Test piece configuration of 3D honeycomb structure.

20

Fig. Trabecular bone. Fig. Truncated octahedron.

≒

1.0mm

6

人大腿骨海綿骨の形態模倣→切頂八面体を組み合わせた3Dハニカム

Fig. Control geometry.

5.0

20

3.0

3.5

4.5

ビーグル犬の大腿骨に埋植することを想定し，f5×20mmの中実丸棒に幅0.50mm，深さ1.0mmのスリットを10本入れた構造

Control

試料形状

7

金属光造形法：試料の作製は以下の条件で作製

造形CAMデータを元に，金属粉末を積層し、Ybレーザを照射することで焼結させ，一層ずつ積み上げ立体モデルを成形する加工法である．

Fig. Metal Laser Sintering Hybrid

Milling Machine (LUMEX Avance-25).

Table Molding condition.

Spot diameter f0.07mm

Laser output 80W

Laser scanning speed 350mm/s

Material (ASTM F1295) Ti-6Al-7Nb

Ti-6Al-7Nb

powder

Modeling table

･･････････････････････････････････････････

････････････････

････････････････

･･････････

Laser beam

････････････････････････････････････

････････････････

････････････････

Mirror

Fig. Laser metal sintering process.

300mm

30mm

8

造形後の試料形状

9

金属光造形法で作成された3Dハニカム形状をした試片

結合が弱いパウダは外力が付加されることにより脱落する危険性があるためショットブラストを施す

Fig. Test piece configuration of 3D-honeycomb structure

1mm 10μm

In-vivo試験

埋植試験・使用した検体：ビーグル犬

（成犬，メス，生後12~14月齢，体重10~11kg）

・挿入箇所：大腿骨に3本ずつ

・使用薬剤：ミダゾラム

ベクロニウム

プロポフォール

セファゾリン

10

L1

L3

L2

R3

R2

R1

Fig. Insert position.

骨伝導の様子(例として埋植3週間のもの)

Fig. Insertion period dependence of contact rate

a)

b) c)

A

100mm 100mm

a) Pattern diagram， b) 3D-honeycomb_non (Detail of A)c) 3D-honycomb_a-C:H (Detail of A)

：Contact of neonatal bone and metal

12

Fig. Specimen geometry dependence of filling rate and contact rate

埋植3週間における人工足場材形状が充填率及び接触率に及ぼす影響

: Total of tissue

: Neonatal bone

100

50

0

Co

nta

ct r

ate

𝑟 𝑐[vol.%]

Fil

lin

g r

ate

𝑟 𝑓[vol.%]

𝑟𝑓 𝑟𝑐 𝑟𝑐𝑟𝑓

3D-honeycombControl -Ti

100

50

0

13

DLC(Diamond-Like Carbon)は炭素原子から構成された非晶質(アモルファス)の硬質膜である．高硬度で化学的に安定しているため生体親和性に優れている．ダイヤモンド構造（sp3結合），グラファイト構造（sp2結合）及び水素（H）の存在比によってその性質が異なる．

DLC被膜

Fig phase diagram of DLC

埋植3週間におけるDLC被膜が充填率及び接触率に及ぼす影響

14

: Total of tissue

: Neonatal bone

100

50

0

Co

nta

ct r

ate

𝑟 𝑐[vol.%]

Fil

lin

g r

ate

𝑟 𝑓[vol.%]

𝑟𝑓 𝑟𝑐 𝑟𝑐𝑟𝑓

3D-honeycomb_a-C:H3D-honeycomb_non

100

50

0

Fig. DLC film materials dependence of filling rate and contact rate

蛍光色素で

ラベル化

RNA溶出

RINが7.0以上

スキャナ

核酸の抽出 分解度チェック

プローブとサンプル

の結合

➢ Bioanalyzer

RIN(1～10)で

表されるFig. Beagle dog. Fig. Flushing. Fig. Total RNA elution. Fig. Bioanalyzer.

Fig. Preparation of cDNA.Fig. Hybridization.

Fig. Analysis image.

miRNeasy® Mini kit

蛍光強度の数値化

取り出し

DNAマイクロアレイ解析の流れ

15

3D-honeycomb+DLC による早期骨形成

Control

0 1 2 3 4 5 6 7 8 Week[-]

細胞増殖期 仮骨形成期リモデリング期炎症期

Inte

nsi

ty [

-]

3D-honeycomb+DLC

0 1 2 3 4 5 6 7 8 Week[-]

Inte

nsi

ty [

-]

想定される用途

17

本技術が採用できる用途は，

①整形外科領域における，体内埋植器具全般．特に初期固定性が強く望まれる部品には有効である．

例としては大腿骨ステム，臼蓋シェル，椎体連結用ケージ，骨折固定用プレート等②形成外科領域における形態系保全足場材例として顔面骨，頭蓋骨等

18

実用化に向けた課題

現在、医学部外科領域において，整復が必要で人工物の埋植が必要な手技については，骨伝導による初期固定の必要性が叫ばれている．しかし、早期骨固定は達成されてはいない．

今後，実用化については臨床実験データの取得し，人体に適用してゆく場合の条件設定が必要である．また，高精度を維持しつつ，コストダウンするための技術を確立も必要である．

19

企業への期待未解決の人体への適用については、医療機関との連携により克服できると考えている．医療機器開発技術を持つ、企業との共同研究を希望．

また，新規医療器具，手術器具の開発中の企業，同分野への展開を考えている企業には，本技術の導入が有効と思われる．

20

本技術に関する知的財産権

• 発明の名称：足場材料

• 出願番号 ：特願2014-235956

• 出願人 ：金沢工業大学 他

• 発明者 ：新谷一博 他

21

産学連携の経歴

• 2012年-2018年 オンワード技研と共同研究実施

• 2012年-2018年 松浦機械製作所と共同研究実施

• 2012年-2018年 金沢医科大学と共同研究実施

• 2012年-2017年 科学研究費助成事業

(学術研究助成基金助成金)

基盤研究（Ｃ） 採択

22

お問い合わせ先

金沢工業大学

産学連携局 産学連携東京分室

新川 実、高田 理尋

ＴＥＬ ０３－５７７７ － １９６４

ＦＡＸ ０３－５７７７ － １９６５

e-mail iuctky@mlist.kanazawa-it.ac.jp