【研究分野】胸部外科学

【研究領域課題番号】09470288 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

加速耐久試験 / ISO基準 / ポリマー弁 / Jellyfish弁 / 有限要素法 / 荷重 / 温度 / 破断 / 人工弁 / 負荷 / リム / ポリウレタン弁 / 回転型成形機 / 膜厚 / 偏差係数 / 弁葉 / 水力学特性

【研究成果の概要】

人工臓器の耐久性を正確に早期に予測するために、人工心臓用高分子弁(Jellyfish弁)を対象として研究を進めた。その理由は、この弁を人工心臓に組み込み、慢性動物実験を行ったところ、世界最長の312日の使用で弁葉が破断したという例があり、これが現実の耐久性を示すよい指標となると考えたからである。有限要素法による解析の結果、中心から7mmの位置に補強のリムを設けた新しいJellyfish弁の設計を提唱した。その新弁の流体力学的特性評価を行ったところ、従来弁と同等の流体力学的特性を有していることが判明した。
そこで次に、従来の弁と新弁の耐久性を比較する加速耐久試験を行った。高分子製人工弁の加速耐久試験方法に関しては、ISOでもまだ企画が確立されておらず急務になっている。基礎実験の結果、加速耐久試験では応力の集中するスポークのエッジ上で弁葉が脆性破壊しているのに対して、慢性動物実験ではひずみの集中するスポークとスポークの間で弁葉が延性破壊していることがわかり、両者の破壊メカニズムは根本的に異なることが分かった。そこで加速耐久試験と慢性動物実験での大きな違いと考えられていた(1)弁閉鎖瞬間のスポークと弁葉の摩擦量の大きさ、(2)弁葉材料の粘弾性特性の違いの影響を考慮し、(1)開閉時の弁葉に作用する最大荷重、(2)作動流体の温度に着目してさらに加速耐久試験を行った。その結果、作動流体の温度を60℃に設定した条件では、弁閉鎖時の最大荷重を1/4(4n)に設定することで初めて慢性動物実験結果と同じスポークとスポークの間で弁葉を破断させることに成功した。したがって、高分子製人工弁の加速耐久試験では、弁閉鎖時の最大荷重及び作動流体の温度は最重要設定項目であることが本研究を通じて明らとなり、現状のISO基準に拡張を促す基礎データを入手できた。なお、新型の弁は従来のものより6倍以上の耐久性が確認されたので、現在長期使用人工心臓に組み込んだ動物実験にてその性能を確かめている。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】1997 - 1999

【配分額】15,300千円 (直接経費: 15,300千円)

【研究分野】胸部外科学

【研究領域課題番号】06557073 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

心臓代用弁 / 加速耐久試験 / 耐久性 / Jellyfish弁 / クリープ / 衝撃力 / 有限要素法 / ヤング率 / 耐久試験 / 総負荷 / Jelly-fish弁 / 弁選択基準 / 循環シミュレータ / 僧帽弁 / 人工弁置換

【研究成果の概要】

本研究では,生体内における人工弁の耐久性を加速耐久試験においていかに再現するかを検討し,国際規格対応の信頼性の高い装置を開発することを目的とした.その第一歩としてJelly-Fish弁(以下JF弁)を用いて,装置性能を向上させるという方法を採用した.1994年度の動物実験において,約1年間の駆動後人工心臓のJF弁の膜にクリープ破断が生じた.そこで,その結果の再現に必要な加速耐久試験に要求される条件を求めた.
加速耐久試験には試験弁が水中シリンダ内を10-20Hzで往復する中国製試験機(TH-2200)の成果を用いた.試験は室温(20℃)で,弁閉鎖期の最大荷重5.2N(生体内の約120%),力積2.5×10^<-2>(生体内の約2%)の力学条件下で行ったが,クリープ変形をJF弁の膜に見ることはできなかった.そこで力学的環境は不変だが材料の温度上昇に伴うヤング率の現象効果を考慮して同実験を行った.その結果,ヤング率低下傾向の大きなポリスチレン(膜厚900μm)を動物実験で確認したものと同等のクリープ変形を再現することに成功した.
一方,破断位置については動物実験と異なった.動物実験ではスポ-クの間の扇形部分において破断を生じていたが,加速試験では弁葉がリム内周およびスポ-クと接触する点において破断が生じていた.しかし,これと並行してJF弁の2本のスポ-クに挟まれた部分を取り上げて有限要素法により応力解析した結果,動物実験の結果も加速試験の結果も歪みが大きく生じる部分で破断している点では一致することを確認した.以上より,生体に用いた際のJF弁の破断特性を加速耐久試験で短期間に実現するための条件をある程度確立する基礎を得られた.

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】1994 - 1996

【配分額】9,100千円 (直接経費: 9,100千円)