人工靭帯の研究・引張試験
- Orange Science
- 2月26日
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人工靭帯とは
人工靭帯（じんこうじんたい）とは、損傷した靭帯の代替として使用される人工材料で作られた靭帯のことです。主にスポーツ外傷や加齢による靭帯損傷の治療に用いられます。人工靭帯は、生体適合性の高いポリエチレンテレフタレート（PET）やコラーゲンを基にした材料で作られ、強度や柔軟性が求められます。
人工靭帯の主な用途
前十字靭帯（ACL）再建手術
自家腱（膝蓋腱、大腿二頭筋腱など）や同種移植腱が一般的に用いられるが、人工靭帯も選択肢の一つ。
靭帯補強
既存の腱移植と併用し、強度を補う目的で使用されることもある。
高齢者や再断裂リスクが高い患者向け
自家腱の採取が困難な場合に代替手段として用いられる。
人工靭帯は、手術の簡便性や早期回復のメリットがある一方で、長期的な耐久性や生体適応の課題もあり、患者の状態に応じた適切な選択が求められます。
人工靭帯使用のメリット
人工靭帯を使用するメリットには、以下のような点があります。
1. 早期回復とリハビリの短縮
人工靭帯はすでに強度を持った状態で移植されるため、自己腱を使用する場合と比べて早期のリハビリ開始が可能です。特にスポーツ選手など、早期復帰を求めるケースで有利です。
2. 自家腱を採取する必要がない
従来の靭帯再建術では、膝蓋腱やハムストリング腱などの自家腱を採取しますが、これに伴う痛みや機能低下（筋力低下や膝前面の痛みなど）を避けられます。
3. 手術時間の短縮
人工靭帯は準備が不要なため、腱採取の工程を省略でき、手術時間の短縮につながります。これは、手術の負担を軽減し、合併症のリスクを減らすメリットがあります。
4. 強度と耐久性の向上
最新の人工靭帯は、ポリエチレンテレフタレート（PET）やポリウレタン（PU）などの高強度材料を使用し、耐摩耗性に優れています。
5. 再手術の選択肢として有効
以前に自家腱を使用して再建した靭帯が再断裂した場合、再建に適した自家腱が不足していることがあります。このようなケースでは、人工靭帯が有力な選択肢となります。
6. 高齢者や筋力の低い患者にも適用可能
自家腱を採取すると筋力低下が起こるため、高齢者や筋力が弱い患者には適さないことがあります。人工靭帯であれば、こうした患者にも適用しやすいです。
特に以下のケースで人工靭帯のメリットが活かされます。
スポーツ選手の早期復帰
再建手術が必要な患者（再断裂や自家腱不足）
高齢者や筋力低下のある患者
手術時間を短縮し、回復を早めたいケース
このように、人工靭帯は適応次第で大きな利点を持つ選択肢となります。
人工靭帯が使用される分野
人工靭帯は、主に医療分野で使用されますが、特定の応用によってさまざまな分野で活用されています。以下に代表的な使用分野を紹介します。
1. 整形外科・スポーツ医学
代表的な適応:
前十字靭帯（ACL）・後十字靭帯（PCL）の再建
スポーツ外傷や事故による膝靭帯損傷の治療に使用。
例: LARS人工靭帯（Ligament Advanced Reinforcement System）など。
足関節・肘関節の靭帯再建
捻挫や関節不安定症の補強目的で利用。
高齢者の靭帯損傷治療
自家腱を採取するのが困難な場合、人工靭帯が有効な選択肢となる。
2. 外傷・リハビリテーション
代表的な適応:
事故・外傷による靭帯断裂の治療
交通事故や転倒などによる靭帯損傷の治療。
腱・靭帯補強のための補助材料
自家腱移植と併用して補強することで、強度や耐久性を向上させる。
リハビリ期間の短縮
人工靭帯を用いることで、早期の機能回復が期待できる。
3. スポーツ分野
代表的な適応:
プロアスリートの早期復帰
自家腱の採取を避けることで、筋力低下を防ぎ、早期にトレーニングを再開できる。
コンタクトスポーツ（サッカー、ラグビー、バスケットボール）
ACL損傷のリスクが高い競技での再建手術に使用。
格闘技・ウェイトリフティングなどの高負荷競技
高い耐久性が求められるケースで使用。
4. バイオメディカル・再生医療
代表的な適応:
細胞培養・組織工学によるバイオ人工靭帯の開発
人工靭帯に自己細胞を移植し、自然な靭帯へと置換させる技術の研究が進行中。
3Dプリンティングを活用した人工靭帯の設計
個別の患者に適した人工靭帯を作成する技術が発展。
5. 獣医学（動物医療）
代表的な適応:
犬や馬の靭帯損傷の治療
競走馬や警察犬など、高負荷がかかる動物の靭帯再建に使用。
ペットの関節疾患の治療
関節の安定化を目的として人工靭帯が用いられることがある。
6. 研究・工学分野
代表的な適応:
生体材料の開発研究
より耐久性があり、生体適合性の高い人工靭帯の開発。
ロボット工学への応用（バイオミメティクス）
人間の靭帯の特性を模倣し、柔軟な動作が可能なロボットの関節構造に応用。
人工靭帯は、主に整形外科・スポーツ医学で使用されますが、近年は再生医療、動物医療、工学分野などにも応用が広がっています。特に、細胞培養や3Dプリンティング技術と組み合わせた次世代の人工靭帯の研究が進められており、将来的にはさらに多くの分野での利用が期待されています。
人工靭帯の研究例
人工靭帯の研究は、材料工学や生体適合性の向上、細胞組織との相互作用の最適化など、多岐にわたります。以下に代表的な研究例を挙げます。
1. 高性能材料の開発
生体適合性ポリマーの研究ポリエチレンテレフタレート（PET）、ポリウレタン（PU）、ポリカプロラクトン（PCL）などを使用し、強度や耐久性、摩耗特性を向上させる研究が進められています。
例: ナノファイバー技術を応用し、靭帯の線維構造に似た人工靭帯を作成。
カーボンナノチューブやグラフェンを活用靭帯の強度向上や耐摩耗性の向上を目的として、カーボンナノチューブを強化材として利用。
2. 細胞適合性の向上
コラーゲンやゼラチンを含む複合材料の開発生体内での細胞増殖を促すため、天然材料を組み合わせたハイブリッド人工靭帯が研究されています。
自己組織化を促す足場（スキャフォールド）技術細胞が定着しやすいように微細な孔を持たせ、自己修復を促す人工靭帯の研究。
3. 人工靭帯のリモデリングとバイオ人工靭帯
自己組織へ置換されるバイオ人工靭帯分解吸収性のある生体材料（PGA、PLAなど）を用い、最終的に自家組織に置換される靭帯の開発。
幹細胞を利用した人工靭帯幹細胞を播種し、人工靭帯の上で増殖・分化させ、より自然な靭帯再建を目指す研究。
4. 力学的特性の向上
3Dプリンティングを活用患者ごとの靭帯形状に最適化した人工靭帯の作製。
シミュレーション技術による強度最適化コンピューター解析を活用し、耐久性の高いデザインの開発。
これらの研究により、人工靭帯の耐久性・生体適合性が向上し、より自然な靭帯の再建が可能になることが期待されています。
人工靭帯の引張試験
人工靭帯の引張試験（Tensile Testing）は、靭帯材料の強度・弾性特性・耐久性を評価するために行われる重要な試験です。これは、人工靭帯が実際の人体で適切に機能し、長期間の使用に耐えられるかを確認する目的で実施されます。
1. 引張試験の目的
人工靭帯は、人体の自然な靭帯と同じように引張力（張力）に耐える必要があります。引張試験を行うことで、以下の特性を評価できます。
最大引張強度（Ultimate Tensile Strength, UTS）→ どれくらいの力まで耐えられるか
破断伸び（Elongation at Break）→ どの程度伸びた後に破断するか
弾性率（Young’s Modulus）→ どれくらいの力でどれだけ伸びるか（靭帯の硬さ）
疲労耐久性（Fatigue Resistance）→ 繰り返しの負荷に耐えられるか
時間依存特性（クリープ・ストレスリラクゼーション）→ 長時間の負荷でどれだけ変形するか
2. 引張試験の方法
(1) 試験装置
人工靭帯の引張試験には、以下のような装置が使用されます。
引張試験機
引張力を加える装置
荷重センサーと変位センサーを搭載
クランプ（Grip）
試料（人工靭帯）を固定するための専用クランプ
高速度カメラやDIC（デジタル画像相関法）（オプション）
変形の詳細な解析に使用
(2) 試験手順
人工靭帯の試験片を作成（適切な長さ・幅にカット）
試験片を試験機のクランプに固定
一定速度で引張荷重を加える（ISOやASTM規格に準拠）
荷重-変位データを記録（最大荷重、破断荷重、伸び量など）
破断後の試料を観察（破壊メカニズムの分析）
人工靭帯が人体の自然な靭帯と同じように機能するためには、十分な引張強度と柔軟性のバランスが求められます。引張試験は、その適合性を評価するための重要な手段です。
人工靭帯の引張試験を行う目的
人工靭帯の引張試験は、靭帯材料の機械的特性を評価し、臨床応用に適しているかを確認するために行われます。 具体的には、以下の目的があります。
1. 機械的強度の評価
人工靭帯は、人体の靭帯と同じように引張力（張力）を受けるため、十分な強度が求められます。
目的
最大引張強度（Ultimate Tensile Strength, UTS）を測定し、靭帯がどれだけの荷重に耐えられるかを確認
破断強度を測定し、靭帯が破断する限界を把握
2. 伸縮性・弾性特性の評価
人工靭帯は、柔軟性がないと関節の動きに適応できません。適度な伸縮性が求められます。
目的
弾性率を測定し、硬すぎず柔らかすぎない適正な特性を持っているか評価
破断伸びを測定し、実際の靭帯の伸びに近いかを確認
3. 疲労耐久性の確認
人工靭帯は長期間使用されるため、繰り返しの負荷（歩行・スポーツ・日常動作）に耐えられる必要があります。
目的
繰り返し負荷による疲労耐久性を評価
100万回以上の繰り返し負荷に耐えられるか試験（規格に準拠）
4. 時間依存特性の評価
人工靭帯は、長時間の負荷で伸びすぎたり、緩みすぎたりしてはなりません。
目的
長時間荷重がかかったときのクリープ特性を測定
靭帯が適切な張力を保ち続けられるかを評価
5. 安全性の確保（破断モードの分析）
人工靭帯が破断する場合、どのように破損するかを分析することで、安全性を向上させます。
目的
破断のパターンを観察し、予期せぬ破損を防ぐ
破損しやすい部分を特定し、設計改良を行う
人工靭帯の引張試験の目的
機械的強度の評価 → 最大引張強度の測定
伸縮性・弾性特性の評価 → 靭帯のしなやかさを確認
疲労耐久性の確認 → 繰り返し使用に耐えられるかチェック
時間依存特性の評価 → 長時間使用時の変形リスクを調査
安全性の確保（破断モード分析） → 破損リスクを特定し、安全な設計を実現
人工靭帯の引張試験は、臨床応用に向けた必須プロセスであり、安全性・耐久性・機能性を確認する重要なステップです。
人工靭帯の引張試験のアプリケーション例
人工靭帯の引張試験は、さまざまな分野で活用されており、スポーツ医学・整形外科・生体材料開発・ロボティクスなどの分野で応用されています。以下に具体的なアプリケーション例を紹介します。
スポーツ医学・整形外科
ACL再建、肩・肘関節の修復
人工関節との統合
変形性関節症の治療
生体材料研究
新素材（バイオポリマー、CFRP）の開発
ロボティクス
ヒューマノイドロボットや義肢の関節機構
人工靭帯の進化により、より自然な関節機能の再現が可能になり、今後もさらなる発展が期待されています。
人工靭帯の引張試験に使用される装置
人工靭帯の引張試験には、試験の目的に応じたさまざまな装置が使用されます。代表的なものとして、汎用引張試験機、生体力学試験機、動的疲労試験機、ナノ・マイクロ引張試験機、特殊環境試験機などがあります。
汎用引張試験機は、人工靭帯の基本的な引張強度や弾性率、破断伸びなどを評価するために使用されます。ロードセルによる精密な荷重測定や、エクステンソメーターを用いた伸縮性の評価が可能で、温度制御チャンバー付きの機種では体内環境を模倣した試験も行えます。
生体力学試験機は、人工靭帯を実際の関節に装着した状態で試験を行うことができる装置です。この装置では、6軸負荷を同時に加えることが可能で、関節運動を再現しながら引張試験を行うことができます。また、生理食塩水環境での試験が可能なモデルもあり、人工靭帯の実際の使用環境を模擬できる点が特徴です。
動的疲労試験機は、繰り返し荷重を加えることで、人工靭帯の長期的な耐久性を評価するための装置です。この試験では、100万回以上の繰り返し引張試験が可能で、高周波数の負荷を与えることで試験時間を短縮できます。特に、スポーツ時の急停止やジャンプ動作を模倣した試験に利用されます。
ナノ・マイクロ引張試験機は、人工靭帯の微細構造の特性を評価するために使用されます。この装置では、ナノファイバーやコラーゲン配列などの特性を測定することができ、バイオポリマーやナノコンポジット材料の開発に利用されます。特に、ナノスケールでの力学特性測定や、微細構造の変形をリアルタイムで観察する試験が可能です。
特殊環境試験機は、体内環境を模倣した条件下で人工靭帯の耐久性を評価するための装置です。生理食塩水や人工体液中での耐久試験を行い、材料の劣化や機械的特性の変化を確認することができます。温度・湿度を制御する機能を持つ機種では、長期間にわたる使用を想定した試験も可能です。
このように、人工靭帯の特性を正確に評価するためには、目的に応じた適切な試験装置を選択することが重要です。各種試験を組み合わせることで、より安全で高性能な人工靭帯の開発が可能となります。
CellScale社・引張試験機 UniVert
CellScale社のUniVertは、バイオメカニクス研究向けの小型試験機で、特に生体材料や柔軟な組織の機械的特性評価に適した装置です。人工靭帯の試験においても、下記の用途で活用することができます。
UniVertを人工靭帯の試験に活用する方法
1. 人工靭帯の基本的な引張試験
UniVertは、0.5～10kNの荷重に対応し、微小な変形や低荷重の試験を高精度で実施できます。人工靭帯の初期強度評価や伸張特性（弾性率、最大応力、破断伸びなど）を測定するのに適しています。
活用例小型人工靭帯（指や手首用）の基本的な引張試験軟組織ベースの人工靭帯（コラーゲンやゲル材料）の強度評価
2. 生体模倣環境での試験
UniVertは、液中試験チャンバー（バイオチャンバー）を備えており、生理食塩水や培養液環境下での引張試験が可能です。これは、人工靭帯が体内環境でどのように動作するかをシミュレーションするのに有効です。
活用例人工靭帯の水分吸収による機械的特性変化の評価温度管理下（37℃）での長期使用を想定した試験
3. 低荷重・微細変形試験
人工靭帯の試作段階では、ナノファイバーや高分子材料を使用した微細な構造の試験が重要になります。UniVertは高精度のロードセルと変位測定センサーを搭載しているため、ナノスケール・ミクロスケールの力学特性試験に適しています。
活用例ナノファイバー強化人工靭帯の引張試験細胞培養後の人工靭帯の力学特性変化評価
4. 疲労試験（繰り返し荷重試験）
UniVertは、低周波の繰り返し荷重試験（疲労試験）が可能であり、人工靭帯の長期耐久性を調べるのに活用できます。
活用例小型人工靭帯の繰り返し引張試験低負荷環境での人工靭帯の摩耗試験
UniVertは、人工靭帯の基礎的な引張試験やバイオ環境での評価に適した試験機です。特に、小型・柔軟な人工靭帯や、ナノファイバー構造の材料試験に向いています。ただし、高負荷の試験（数百N以上）や高周波数の疲労試験には適していないため、大型人工靭帯の試験にはより強力な試験機が必要になります。
製品のご紹介
CellScale社 UniVert／卓上 引張・圧縮・3点曲げ試験機
生体サンプルから工業製品の試験に
CellScale社のUniVertは、生体サンプルなどのバイオマテリアル試験に最適です。クリップやプレートなど様々なアタッチメントに対応し、生体組織、ゲル、フィルム、ファイバーなどの多様なサンプルでの強度測定に優れています。
圧縮、引張、3点曲げなどのモードがあり、ロードセルは着脱式で、4.5N～200N（*1Kgモデルは1Kgまで）での測定が可能です。また、オプションのバスを取り付けることにより、横型、縦型での液中での測定も可能です。
MicroTester
マイクロスケール圧縮強度測定装置
MicroTesterはマイクロスケール生体サンプルや微粒子の粘弾性測定に特化した粘弾性測定装置です。
1㎜以下径のビーム（カンチレバー）とプレートで直接サンプルに接触して、非破壊で約0.005~500µNの粘弾性試験が可能です。生体サンプルの試験に特化し工業用の試験機では実現できないコンパクトさ、試験レンジを実現し、精度の高い試験・解析が可能となりました。チャンバー前方に取り付けられた高解像度カメラにより、サンプルの変位の画像解析も可能です。
オレンジサイエンスが取り扱うその他の製品
オレンジサイエンスでは、測定機器の他にも伸展刺激装置・圧縮刺激装置を取り扱っております。ご不明点や取り扱い装置に関する詳細など、お気軽にお問い合わせください。
CellScale／セルスケール社
Mechano Cultureシリーズの機械的刺激培養装置はモデルにより、360度伸展、シリコンチャンバー伸展、マテリアル伸展、流体圧縮、機械的圧縮＋データ測定、マテリアル伸展＋データ測定が可能です。
STREX／ストレックス社
独自のシリコンチャンバーを伸展させることにより、チャンバー上の細胞に伸展刺激を与えることが可能です。顕微鏡搭載モデルは、倒立顕微鏡での伸展細胞の観察も可能です。
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C-Stretchシステムはシリコンチャンバーを採用した伸展培養装置です。C-Pace EMシステムと使用することにより、伸展刺激と同時に、電気刺激を与えることも可能です。
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