強磁場を用いた骨組織の早期再生技術の開発と材料工学的解析

• Project/Area Number: 17686059
• Research Category: Grant-in-Aid for Young Scientists (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Field: Structural/Functional materials
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 中野 貴由 大阪大学, 大学院工学研究科, 助教授 (30243182)
• Project Period (FY): 2005 – 2006
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2006)
• Budget Amount: ¥28,340,000 (Direct Cost: ¥21,800,000、Indirect Cost: ¥6,540,000); Fiscal Year 2006: ¥10,400,000 (Direct Cost: ¥8,000,000、Indirect Cost: ¥2,400,000); Fiscal Year 2005: ¥17,940,000 (Direct Cost: ¥13,800,000、Indirect Cost: ¥4,140,000)
• Keywords: 骨 / 配向性 / 外場 / 構造パラメータ / 材質パラメータ / 骨力学機能 / 曲げ試験 / 応力場 / 骨再生 / 強磁場 / 応力負荷 / 応力徐荷 / アパタイト配向性 / 骨質解析 / ナノインデンテーター / 再生医工学

Research Abstract

本研究課題では、欠損骨に対し、骨密度のみならず骨質指標としての配向性を正常化するための外場利用の基礎的手法を確立するとともに、配向性解析を中心とした材料工学的アプローチ、特に結晶学的特徴に注目した解析法の完成を目指し、骨組織の最も重要な機能である力学機能との相関を解明することを目的とした。
本年度は、初年度得られた「骨再生への磁場、応力効果」に関する知見を元に、臨床を視野に入れた外場利用技術を検討するとともに、骨の材質パラメータと構造パラメータの分離を試みた。その結果、応力場下で再生された骨の三点曲げ試験による特性パラメータは、構造パラメータと材質パラメータとに明確に分離され、再生初期では構造パラメータの優先回復が、後期では材質パラメータにより力学機能が支配されることが判明した。さらに、材料工学的手法を用いて、アパタイト配向性、密度を解析することで材質パラメータを精査したところ、配向性が骨再生時の最大応力やヤング率を支配することが判明した。さらに、曲げ時の吸収エネルギーは、配向性に強く依存し、コラーゲン/アパタイト配列による亀裂伝播抵抗が靭性向上に有効に働くことが判明した。こうした結果は、通常の骨再生時には材質パラメータの早期回復は不可能であって、構造パラメータによって、暫定的に修復する傾向があることを意味している。したがって、外場印加による人工的な材質パラメータのコントロールは、骨再生機構を根底から代える技術であり、新しい骨再生手法として重要であるものと結論された。

Research Products

• [Journal Article] 生体アパタイトの配向性に基づく骨再生過程の解明と組織再生誘導のための生体材料設計 (2007)
  • Author(s): 中野貴由, 田畑泰彦, 馬越佑吉
  • Journal Title: 金属 77[2] Pages: 173-179
• [Journal Article] Evaluation of Bone Quality near Metallic Implants with and without Lotus-Type Pores for Optimal Biomaterial Design (2006)
  • Author(s): T.Nakano, T.Kan, T.Ishimoto, Y.Ohashi et al.
  • Journal Title: Materials Transactions 47・9 Pages: 2233-2239
  • NAID: 10018248776
• [Journal Article] Variation in bone quality during regenerated process (2006)
  • Author(s): T.Nakano, T.Ishimoto, Y.Umakoshi, Y.Tabata
  • Journal Title: Materials Science Forum 539-543 Pages: 675-680
• [Journal Article] 新たな研究展望-金属間化合物研究から生命科学・医療分野への展開 (2006)
  • Author(s): 中野貴由, 乾晴行
  • Journal Title: 金属 76[4] Pages: 798-804
• [Journal Article] 材料工学的アプローチによる骨質研究 (2006)
  • Author(s): 中野貴由, 馬越佑吉
  • Journal Title: 生産と技術 58[3] Pages: 47-50
  • NAID: 40007406841
• [Journal Article] Crystallographic approach to regenerated and pathological hard tissues (2006)
  • Author(s): T.Nakano, T.Ishimoto et al.
  • Journal Title: Materials Science Forum 512 Pages: 255-260
• [Journal Article] Role of stress distribution on healing process of preferential alignment of biological apatite in long bones (2006)
  • Author(s): T.Ishimoto, T.Nakano, Y.Umakoshi, M.Yamamoto, Y.Tabata
  • Journal Title: Materials Science Forum 512 Pages: 261-264
• [Journal Article] Role of osteoclast in preferential alignment of biological apatite (BAp) in long bones (2006)
  • Author(s): J.-W.Lee, T.Nakano, S.Toyosawa, N.Ijuhin, Y.Tabata, M.Yamamoto, Y.Umakoshi
  • Journal Title: Materials Science Forum 512 Pages: 265-268
• [Journal Article] Effects of extended pore direction and stress shielding on biological apatite texture as bone quality after insertion of metallic implants with and without pores (2006)
  • Author(s): T.Nakano., T.Kan, T.Ishimoto, Y.Ohashi, Y.Umakoshi, T.Hattori, Y.Higuchi, M.Tane, H.Nakajima
  • Journal Title: Proceedings of MetFoam 2005 Pages: 51-54
• [Journal Article] Texture of Biological Apatite Crystallites and the Related Mechanical Function in Regenerated and Pathological Hard Tissues (2005)
  • Author(s): T.Nakano, T.Ishimoto, Y.Umakoshi, Y.Tabata
  • Journal Title: Journal of Hard Tissue Biology 14・2 Pages: 253-254
  • NAID: 110005853549
• [Journal Article] Texture and Bone Reinforcement (2005)
  • Author(s): T.Nakano, Y.Tabata, Y.Umakoshi
  • Journal Title: Encyclopedia of Materials, Science and Technology Updates(Elsevier, Oxford) Ms2061 Pages: 1-8
• [Book] 材料開発のための顕微鏡法と応用写真集〜海綿骨におけるアパタイト結晶の優先配向 (2006)
  • Author(s): 中野貴由, 石本卓也, 土田裕基, 藤谷渉, 馬越佑吉, 山本敏男
  • Total Pages: 300
  • Publisher: (社)日本金属学会