Ansysブログ
March 3, 2020
より良いインプラントの設計：骨は鉄より強い？
自然は、世界最古にして最高のエンジニアであると言えるでしょう。何千年もの間、自然は私たちのデザインを繰り返し、より軽く、より強く、高度に最適化された部品を完成させてきました。
その結果、人間のエンジニアは、バイオミミクリーの科学によって自然の例から学び始めています 。
しかし、私たちの骨が、私たちが日常の製品をデザインするために使用している素材よりも優れているとは思えないと思う人もいるかもしれません。以下のような疑問があるかもしれません：
骨は鉄より強い？
骨はコンクリートより強い？
まあ、場合によりけりですね。
自然は何千年も前から私たちの骨の構造を最適化してきました。
骨は通常、コンクリートと同じような弾性率を持っていますが、圧縮時には10倍の強度があります。
ステンレススチールとの比較では、骨は同程度の圧縮強度がありますが、3倍の軽さです。
では、人間のエンジニアが介入しなければならないほど、骨の機能が低下した場合はどうなるのでしょうか？自然の力は、人間がその力を代替しようとするときに、さらに発揮されることがわかりました。
なぜ骨材は強いのか？
インプラントは多くの人にとって必要なものですが、長期にわたる性能は、平均的な骨の寿命とは比較になりません。例えば、膝の関節が摩耗するには60年から80年かかると言われています。しかし、人工膝関節は、その4分の1の期間しかもたないと言われています。 。
一般的な膝の寿命は60年から80年、人工膝は15年から20年と言われています。
エンジニアは、大きな負荷に対応できるようにインプラントを設計する必要があります。歩いたりジャンプしたりするような日常生活の中で、 一般的な骨格には、人の体重の4～20倍の負荷がかかることがあります 。これらの負荷は、以下のような形で発生します。
- 圧縮
- ねじれ
- シアー
- 張力
なぜ骨はこのような力に耐えられるのでしょうか？それは、その複合的な微細構造のおかげです。骨は、コラーゲン繊維で構成されており、高密度の充填物と周囲のミネラルによって硬くなっています 。また、その中には
- 血管
- 生きている細胞
- タンパク質
- 水
同様に、複合材料は材料の設計や選択において重要な役割を果たしています。しかし、骨が環境に適応して変化するという事実は、エンジニアにとって真似のできない特性です。そのため、材料の選択と設計の両方を駆使して、期待通りのインプラントを繰り返し開発しています。
エンジニアは骨素材の代用品を探し続ける
骨の機能をすべて再現することはできないため、医療機器の設計は特定の使用例に合わせて最適化されています。
例えば、患者が骨の移植を必要としている場合、エンジニアは残っている骨の化学的性質と微細構造を一致させることに注力します。ここでの良い選択肢は、リン酸カルシウムです。リン酸カルシウムは、骨の成長を促し、治癒を促進し、移植された材料の統合を助けます。 。
骨組織
関節の交換には独自の課題があります。この場合、エンジニアは周囲の骨の性能と一致する材料を見つける必要があります。これらの材料特性は、患者の年齢、性別、体重、ライフスタイルなどによって異なります。また、適切な耐腐食性と生体適合性を備えているかどうかも重要なポイントとなります。
材料選択ツールを使って、エンジニアは患者とその病状に適切な材料を合わせることができます。また、エンジニアはマテリアルインテリジェンスソフトウェアを使用して、現在市販されている材料よりも優れた性能を持つ新しい材料を設計することができます。
詳細については、ウェビナーをご覧ください： Material Intelligence:From Selection to Management.
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