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「従来の耐荷重性より14-19倍」軟骨のように機能する素材

リーズ大学の研究チームは、軟骨のように機能する素材を作成したと発表しました。
ポリジメチルシロキサン（PDMS）マトリックスに保持されたハイドロゲルの耐荷重性は、ハイドロゲル単体の14～19倍であることが報告されています。

Cartilage is a soft fibrous tissue found around joints which provides protection from the compressive loading generated by walking, running or lifting. It also provides a protective, lubricating layer allowing bones to pass over one another in a frictionless way.

参照元：https://www.leeds.ac.uk/news/article/4807/inspired_by_nature_the_research_to_develop_a_new_load-bearing_material
– リーズ大学 University of Leeds. 22 APRIL 2021 –

衝撃吸収・潤滑システムである人間の軟骨を模倣した新素材が開発され、新世代の軽量ベアリングの先駆けとなる可能性が出てきました。

軟骨は、関節の周りにある柔らかい繊維状の組織で、歩いたり、走ったり、持ち上げたりしたときに発生する圧縮荷重から保護します。

軟骨は、歩く、走る、持ち上げるなどの動作で発生する圧縮荷重から保護し、また、骨同士が摩擦なく行き来できるように、保護と潤滑のための層を形成します。

科学者たちは長年にわたり、軟骨の特性を持つ合成素材の開発に取り組んできました。

しかし、これまでのところ、さまざまな結果が出ています。

しかし、リーズ大学とインペリアル・カレッジ・ロンドンの研究者たちは、「Applied Polymer Materials」誌に掲載された論文の中で、軟骨のように機能する素材を作成したと発表しました。

研究チームは、軟骨のような素材があれば、工学的に幅広い用途があると考えています。

軟骨は二相性の多孔質材料で、固相と液相が存在します。

軟骨は、関節で生成される滑液と呼ばれる粘性物質を吸収することで、流体相に切り替わります。

滑液は、関節を潤滑にするだけでなく、軟骨の多孔質マトリックスに保持されると、圧縮力に対する水弾性クッションとなります。

軟骨は多孔質であるため、滑液は最終的には排出され、排出される際には、身体を通過するエネルギー力を分散させ、関節を摩耗や損傷、衝撃から保護します。

この時点で、軟骨は販売段階に戻り、このサイクルを繰り返す準備が整います。

今回の研究を主導したリーズ大学機械工学部のリサーチフェローであるSiavash Soltanahmadi博士は話します。

「科学者やエンジニアは、軟骨のような優れた特性を持つ素材の開発に長年取り組んできました。今回、軟骨に見られる最も重要な特性のいくつかを模倣したエンジニアリング用途の材料を開発することができましたが、これは自然界で行われている方法を模倣する方法を見つけたからこそ可能になったことです。」

「軟らかくて、重い荷重にも耐えられ、摩耗が少なくて済む合成素材は、ベアリングのように工学分野で多くの用途があります。軟骨のような動きをする素材は、工学的にも可能性があります。」

これまでの合成軟骨システムの開発では、水を吸収する素材であるハイドロゲルを使用していました。

ハイドロゲルは、摩擦を減らすのには適していますが、圧縮力を受けた場合には性能が低下します。

ハイドロゲルは、圧縮された後、元の形状に戻るのに時間がかかるという問題もあります。

研究チームはこの問題を解決するために、ポリジメチルシロキサン（PDMS）というシリコンベースのポリマーのマトリックスにハイドロゲルを保持させた合成多孔質材料を開発しました。

このマトリックスは、ハイドロゲルの形状を維持しています。

この論文では、PDMSマトリックスに保持されたハイドロゲルの耐荷重性は、ハイドロゲル単体の14～19倍であることが報告されています。

この複合体の平衡弾性率は、10％～30％のひずみ範囲で452kPaとなり、テストした軟骨の弾性率として報告されている値に近いものでした。

また、ハイドロゲルは潤滑層としての役割も果たしていました。

科学者たちは、軟骨の機能に基づいた新素材を将来的に応用することで、従来の油潤滑のエンジニアリングシステムの多くに挑戦することができると考えています。

本研究を監修した機械工学部のマイケル・ブライアント准教授は話します。

「水を効果的な潤滑剤として利用する能力は、エネルギー生成から医療機器まで、多くの用途があります。しかし、油性の潤滑剤や表面硬度の高いコーティング剤を使用することが多い従来のエンジニアリングシステムとは異なるアプローチが必要になります。今回のプロジェクトでは、これらの要求をより深く理解し、このニーズに対応する新しいツールを開発することができました。」

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