Elucidation of controlling mechanisms for microstructural organization of bone tissue and the development of novel bone-substitute devices
| Project/Area Number |
23H00235
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Medium-sized Section 26:Materials engineering and related fields
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
中野 貴由 大阪大学, 大学院工学研究科, 教授 (30243182)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
岡田 誠司 大阪大学, 大学院医学系研究科, 教授 (30448435)
松本 卓也 岡山大学, 医歯薬学域, 教授 (40324793)
松垣 あいら 大阪大学, 大学院工学研究科, 准教授 (10592529)
小笹 良輔 大阪大学, 大学院工学研究科, 助教 (80845347)
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| Project Period (FY) |
2023-04-01 – 2026-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥47,060,000 (Direct Cost: ¥36,200,000、Indirect Cost: ¥10,860,000)
Fiscal Year 2024: ¥16,640,000 (Direct Cost: ¥12,800,000、Indirect Cost: ¥3,840,000)
Fiscal Year 2023: ¥16,770,000 (Direct Cost: ¥12,900,000、Indirect Cost: ¥3,870,000)
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| Keywords | 骨配向性 / 骨代替インプラント / 金属積層造形法 / 内在的骨配向化機構 / 骨系細胞 |
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| Outline of Research at the Start |
骨の力学特性を支配する骨配向化（コラーゲン線維／アパタイト結晶の原子レベルでの微細組織）を誘導し骨機能の回復のためには、生体自発的な骨配向機構を理解し、人為的な制御が求められる。その実現のためには材料工学的手法と生物学的手法の両面、さらには融合的な手法からの研究を行うことが不可欠である。起源の異なる破骨細胞、骨芽細胞、オステオサイトの三者の骨系細胞、さらにはそれぞれの遺伝子・分子発現を関係づけると同時に、金属積層造形法で可能となる材質/形状を制御した造形物配向化を巧みに活かしつつ骨系細胞との関わりに注目し、骨配向化実現のための骨代替インプラントを創製する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
骨の力学特性を支配する骨配向化（コラーゲン線維／アパタイト結晶の原子レベルでの微細組織）を誘導し骨機能の回復のためには、生体自発的な骨配向機構を理解し、人為的な制御が求められる。その実現のために材料工学的手法と生物学的手法の両面、さらには融合的な手法からの研究を行う。起源の異なる破骨細胞、骨芽細胞、オステオサイトの三者の骨系細胞、さらにはそれぞれの遺伝子・分子発現を関係づけると同時に、金属積層造形法で可能となる材質/形状を制御した造形物配向化を巧みに活かしつつ骨系細胞との関わりに注目し、骨配向化実現のための骨代替インプラント創製を目的としている。
本年度は、「材料工学に基づく骨配向化原理の解明と新規骨基質誘導型骨代替インプラントの創製」を最終目的に、 (A) 自発的・内在的骨配向化機構を原子、遺伝子、分子、骨系細胞、骨組織レベルから解明、(B) 金属積層造形による異方性原子配列の形成機構解明による、低弾性骨配向化インプラントの開発、を両輪として研究を実施した。
(A) 骨配向化の人為的誘導を可能とする新たな骨代替材料創製のための自発的配向化機構解明に取り組む。具体的には、アパタイト核形成・成長過程におけるタンパク質機能に注目し、遺伝子組み換え動物を作製(ベクター設計)し、骨配向化機構解明に取り組んだ。作製したマウス骨組織の材料工学的手法(μXRD(透過・反射光学系)、透過型電子顕微鏡、複屈折マッピング法、μCT等）を駆使して、アパタイト、コラーゲンの配向性の定量解析を実施した。
(B) 結晶方位制御による骨配向誘導化低弾性造形インプラントの創製と低弾性効果の検証に取り組む。本年度は積層造形により部位に応じた物性可変型骨プレート作製のデザイン、設計指針を得た。さらに、弾性率制御した骨プレート埋入動物モデル考案に取り掛かった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
最終目標とする「材料工学に基づく骨配向化原理の解明と新規骨基質誘導型骨代替インプラントの創製」に向け、当初の想定を上回る成果を得ている。代表的な項目ごとの進捗状況を以下に示す。なお、◎：当初計画以上に進展、〇：当初計画通りに進展を意味する。
(i) アパタイト核形成・成長過程の骨配向化への寄与解明：OCN機能制御するタンパク質（翻訳後修飾に関与）の同定（◎）、(ii) 骨組織レベルから骨配向化原理の追及：（i）の同定因子cKO作製に着手（〇）、（iii）低弾性率・超高耐食性インプラント創製：金属 積層造形を駆使した形状・材質同時制御（〇）、（iv）骨配向誘導化低弾性造形インプラントの創製と低弾性効果の検証：骨プレート埋入動物モデル構築（〇）
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| Strategy for Future Research Activity |
生体骨をモデルに、骨配向化機構を解明・制御すると同時に、異なるアプローチの人為的な手法である金属積層造形法により低弾性配向化誘導インプラントを創製し、両側面から骨配向化の基本原理を獲得することを目的とする。両者は一見全く異なるアプローチであるが、骨配向化インプラントが生体骨の自発的配向化原理の機序に取り込まれることで、骨として認知され、あたかも生体骨として振舞うような骨代替インプラントの創製を目指す。具体的には、金属積層造形を駆使した材質・形状異方性の制御により、生体骨と極めて類似した極低弾性率化インプラントを創製、生体内に適用することで、細胞機能制御を介した骨自発的な配向化経路を人為的に誘導可能となる。こうした取り組みにより「材料工学に基づく骨配向化原理の解明と新規骨基質誘導型骨代替インプラントの創製」を最終的な究極目標とする。
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Report
(2 results)
Research Products
(94 results)
