はじめに
ポリビニルアルコール（PVA）ハイドロゲルは、高性能な軟質高分子材料として、その優れた生体適合性、調整可能な機械的特性、そして独特な三次元ネットワーク構造により、生物医学、フレキシブルエレクトロニクス、組織工学などの分野において幅広い応用が期待されています。 この柔らかく滑りやすいPVAハイドロゲルを人工軟骨の候補として用いる場合、重要な疑問が生じます。それは、「摩擦下でどのような挙動を示すのか」ということです。従来、トライボロジー試験用に、市場には多くの専用の摩擦試験機が販売されています。 しかし、通常、粘弾性を評価するために使用されるレオメーターが、対応するアクセサリーを用いることで、強力なトライボロジー試験プラットフォームへと容易に変換できることは、あまり知られていません。本アプリケーションノートでは、当社のKinexus回転式レオメーターを用いてPVAハイドロゲルのトライボロジー試験を実施する方法をご紹介し、この手法の独自の利点について解説します。
PVAハイドロゲルのトライボロジー試験では、実際のトライボシステムをモデルスケール上で可能な限り正確に再現できるよう、接触形状を選択する必要があります。ここで説明する用途において、実際のトライボシステムは、人間の関節における大腿骨頭と寛骨臼の接触と同様に、本質的に空間的に分布し、多点接触となっています。 したがって、単一点接触モデルよりも多点接触モデルの方が適しています。この目的のため、3球・プレート法（同一の円盤上に正三角形を成すように3つの球を配置し、下部のプレートにハイドロゲルを固定する方法）を用いることで、この問題を効果的に回避できます。 法線力は3つのボールに均等に分散されるため、局所的な応力の集中が大幅に軽減されます。3点接触により、安定した保持が可能となり、良好な接触が確保されます。例えば、ヒトの関節において、大腿骨頭と寛骨臼との接触は、その性質上、空間的に分散した多点接触となっています。 したがって、3点接触は、単一点接触よりも実際の生理学的状態に近似しています。
レオメーターと組み合わせることで、以下の式を用いて摩擦係数（CoF）を算出することができます：
ここで、τはトルク、Rは3つのボールの位置によって定義される円の半径、Fnは法線力です。 そして、摩擦係数（CoF）を滑り速度の関数としてプロットすると（滑り速度を表す回転速度を変化させることによって）、一般にストリベック曲線として知られる摩擦係数曲線が得られます。 ストリベック曲線は、潤滑状態を明らかにし、さまざまな速度における材料の潤滑メカニズムを特定し、実際の動作条件（関節の動きの速度の変化など）下での適応性を評価することを可能にします。 特に、スイープ試験は往復方式、すなわち速度を低速から高速へと連続的に上昇させ、その後直ちに高速から低速へと戻すという方法でも実施可能です。 このアプローチにより、材料の潤滑状態が可逆的であるかどうか、また潤滑メモリ特性 [1, 2] が存在するかどうかを明らかにすることができ、これは、人間の関節の可変速度運動（開始、加速、減速、停止など）をシミュレートする上で非常に有用です。
Kinexus回転レオメーターを使用すれば、トライボロジーモデルシステム向けのトライボロジー測定セットアップへ簡単に拡張することができます。 このレオメーターの最大の利点は、表1に詳述されている通り、その精密な速度および法線力の制御にあります。一般的には、専用の摩擦試験機の軸受は常に機械式軸受ですが、回転式レオメーターはエアベアリング技術を採用しており、極めて低い回転速度を実現することで、静止状態や低速運動条件下での摩擦をより正確にシミュレートすることができます。 さらに、このレオメーターの高精度センサーはより高いトルク分解能を備えており、摩擦過程における small な過渡的な変化をより詳細に観察することができます。レオメーターで採用されている温度制御は、常にペルチェ技術によるもので、温度精度は±0.01°Cであり、37°Cの生理学的環境をシミュレートすることが可能です。
表1：専用の摩擦試験機とレオメーターの比較
| パラメータ | 市販の専用摩擦試験機の例 | NETZSCH Kinexus 回転式レオメーター |
|---|---|---|
| 法線力の精度 | ±0.1 N | ±0.01 N |
| トルク分解能 | 0.1 mNm (100000 nNm) | 0.1 nMm |
| 回転数範囲 | 0.1 ～ 2000 rpm | 10⁻⁷～ 4700 rpm |
| データレート | 10 ～ 100 Hz | 5000 Hz |
| 温度精度 | ±0.5°C | ±0.1°C |
測定と結果
トライボロジー試験に用いるPVAハイドロゲルの調製
図1aは、当研究で用いたトライボロジー試験用治具を示しています。上部の構造は、正三角形に配置された3つのステンレス鋼球で構成されており、下部の構造は固定リング付きのプレートです。試料を固定リングとネジを用いて下部のプレートに固定する必要があります。 しかし、PVAハイドロゲルのような壊れやすい試料の場合、この種の固定方法には限界があり、ゲルに著しい変形や破断を引き起こす可能性があり、最終的には試験結果に影響を及ぼす恐れがあります。そのため、PVAハイドロゲルを直接下部プレート上に調製し、プレートにしっかりと密着させ、一体化させるようにしました。
PVAハイドロゲルの調製プロセス全体において、レオメーターが使用されました。具体的な調製方法はAN 421で紹介されています。撹拌ブレードを備えた上部ジオメトリと34 mmカップシステムを用いて、均一なPVA溶液を調製します（図1b）。 次に、調製したPVA溶液を図1aに示すトライボロジーセットの下部プレートに注ぎ込みました。その後、周期的な加熱・冷却シーケンスを用いた物理的な凍結・融解法により、バルク状のPVAハイドロゲルを製造しました（図1c）。 最終的に、下部プレートと強固に結合・一体化されたハイドロゲルが形成されます（図1d）。その後、このPVAハイドロゲルを用いてトライボロジー試験を実施することができます。
PVAハイドロゲルを用いたトライボロジー試験
トライボロジー評価は、トライボロジーセットを装備した当社の NETZSCH Kinexus回転式レオメーターを用いて実施しました。3ボール・プレート法を採用し、具体的な試験条件は表2に詳述されています。 法線荷重は0.5 Nに設定し、滑走速度は連続ランプモードで印加しました。角速度は、1分間のランプ時間内に0.00001 rad/sから5 rad/sまで対数関数的に増加するように設定しました。 この速度範囲は、静止状態から medium の滑動運動に至るまでの全範囲を網羅していました。往復スイープモード（回転速度の変動：低→高→低）を採用しました。試験方法の信頼性を体系的に評価するため、同一の試料に対して2回の繰り返し試験を実施しました。
表2：3球トライボロジー試験条件
| 試験方法 | rSolution_0032 3 ボール構成におけるトライボロジーを用いた潤滑特性および摩擦係数の評価 |
|---|---|
| 形状 | プレート式トライボロジーセルKNX2282上の3つのボール（ステンレス鋼） |
| 温度 | 25°C |
| 法線力 | 0.5 N |
| 速度範囲 | 0.00001～5 rad/s |
| 速度変化時間 | 1分 |
図2は、PVAハイドロゲルのストリベック曲線を示しています。 この試験では、往復スイープモードを採用し、10-7m/s という極めて低い速度から 0.1 m/s まで連続的に加速した後、直ちに 0.1 m/s から 10-7m/s まで減速しました。 同一の試料を用いて 2 回繰り返した試験の曲線は、ほぼ完全に重なっており、優れた再現性と試料の安定性を示しています。
従来のトライボロジーにおける速度分類によると、最高速度である 0.1 m/s は、通常の歩行時の関節滑走速度に相当し、medium の速度範囲にあり、真の高速範囲（例えば、0.1 から 0.3 m/s 以上の速度に相当する走ったり跳んだりする動作）には達していません [3]。 したがって、本試験は実際には低速域および medium の速度域、特に10⁻⁷～10⁻³m/sのような極低速域に焦点を当てており、この領域では最も多くのデータポイントが収集されました。この領域は、ヒトの関節の動作開始時および微調整時の重要な生理的状態を表しており、応用分析において独自の価値を提供します。
これらの曲線は、速度の傾斜方向に対する明確な依存性を示しています。低速度から高速度へ向かう上昇曲線（青色）は、CoF値が0に近い極低速領域から始まり、 その後、速度の増加に伴い急速に上昇し、約10⁻³m/sで0.4前後のピークに達した後、速度が0.1 m/sまで上昇し続けると、ほぼ0.1まで低下します。
高速から低速への下降曲線は、0.1 m/s から始まり、CoF 値は約 0.1 です。 速度が低下するにつれて、CoF値は一定程度上昇し、約10⁻³m/sで0.2前後のピークに達した後、さらに減速して極低速領域に入ると0.05程度まで低下します。 上昇曲線と下降曲線のピークはいずれも 10-3m/s 付近に現れますが、前進曲線のピーク値は後退曲線のそれよりも著しく高くなっています。この特性は、可変速度運動における PVA ハイドロゲルの潤滑挙動のメカニズムを明らかにしています。上昇ランプは、せん断のない初期状態からの開始を表しています。 速度の増加に伴い、ハイドロゲル表面は、固体接触状態から水和潤滑層が徐々に形成されるまでの完全な過程を経ます。起動初期には、高い摩擦係数（CoF）を示す領域が存在します。静止状態では表面は極めて滑らかですが、運動が始まると、大きな始動抵抗を克服しなければなりません。 10⁻³m/sにおけるピークと、それに続く曲線の変動は、これが境界潤滑から混合潤滑への重要な遷移点であることを示しています。この時点では、潤滑膜がまだ効果的に形成されておらず、その結果、CoFが高くなり不安定な状態となっています。 この臨界速度点を超えると、水和層が徐々に形成され、それに伴ってCoFは低下します。後方の傾斜部分は、完全潤滑状態からの減速を表しています。この時点では、ハイドロゲル表面はすでに高速せん断を受けており、水和層は完全に活性化され、安定した状態を維持しています。 速度が低下しても、この潤滑膜は直ちに消失することはなく、極めて低速な領域においても0.05という極めて低いCoFを維持します。これは、この材料が持つ潤滑記憶特性を示しています。 一度動きが生じ、安定した水和潤滑層が形成されれば、速度が極めて低いレベルまで低下しても潤滑性能を維持でき、連続的な始動・停止の過程において潤滑膜の再形成は必要ありません。これは、座ったり立ったりを繰り返すような間欠的な活動を行う患者にとって特に重要です。
特に、本試験における極低速領域の豊富なデータは、術後早期のリハビリテーションや日常の断続的な活動における本材料の性能評価に有益な知見を提供します。上昇曲線と下降曲線との間に見られる顕著な違いは、このPVAハイドロゲルの潤滑性能が、明確な起動および活性化特性を示していることを示唆しています。 動作開始時には初期抵抗が生じますが、一度活性化されると潤滑性能は著しく向上し、持続的に維持されます。このPVAハイドロゲルはインプラント材料ではありませんが、この特性は臨床応用に向けた明確な指針となります。 術後のリハビリテーションにおいては、単純な関節の屈曲・伸展といった簡単な事前運動によって、関節間の潤滑層を迅速に活性化させることができ、起動時の高い摩擦を回避できます。 同時に、この材料の潤滑記憶特性により、断続的な活動中も良好な潤滑状態を維持することができ、患者の日常生活の快適性と材料の耐用年数に有益です。この種の極めて低速な試験は、従来のトライボメーターでは制限される場合があります。
結論
レオメーターの精密な制御能力と拡張性により、1つのプラットフォーム上で、レオロジー挙動からトライボロジー性能に至るまで、包括的な特性評価を行うことができます。 レオメーターの主な利点は、エアベアリング技術と高精度トルク検知システムにあり、これらにより、従来の機械式ベアリング摩擦試験機では達成が困難な、極めて低速での安定した測定が可能となります。 本試験では、極低速領域における PVA ハイドロゲルの摩擦挙動が、人体の関節の静的起動や微調整といった重要な生理的状態を正確にシミュレートしており、このデータは、術後早期のリハビリテーションや断続的な活動における材料性能を評価するための指針となります。 順方向ランプ曲線からは、起動時の高い摩擦係数（CoF）のウィンドウが明らかになり、逆方向ランプ曲線からは、PVAハイドロゲルの潤滑記憶特性が示されました。これらはいずれも、極めて低速域におけるレオメーターの精密な制御およびデータ取得能力に支えられています。 試験速度と生理的活動との関連性を確立することで、このレオメーターは、PVAハイドロゲルが軟骨代替材料として持つ潤滑の可能性を検証するだけでなく、材料の最適化や臨床応用に向けた定量的な指針も提供します。このレオメーターは、トライボロジー試験において多くの新たな可能性を示しています。