2016 Fiscal Year Annual Research Report
Bone Tissue Mechanics under Deformation with Interaction between Molecla and Crystal of HAP and Micro Structure
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15H02207
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| Research Institution | Hakodate National College of Technology |
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Principal Investigator |
但野 茂 函館工業高等専門学校, 校長, 校長 (50175444)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
横田 秀夫 国立研究開発法人理化学研究所, その他, 研究員 (00261206)
東藤 正浩 北海道大学, 工学研究院, 准教授 (10314402)
高畑 雅彦 北海道大学, 大学病院, 講師 (40374368)
藤崎 和弘 弘前大学, 理工学研究科, 准教授 (90435678)
山田 悟史 北海道大学, 工学研究院, 助教 (90730169)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 機械材料・材料力学 / 生物・生体工学 / 細胞・組織 / 老化 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
骨組織の基本構成物質であるHApとColにおける分子・結晶レベルの荷重伝達・負荷応答を明らかにし、それらの物質が高度に組織化されたマイクロ構造体の変形相互作用を調べるとともに、構造体、組織といった各階層間の力学的機能相互を効果的に評価し、骨組織における強度特性（剛性、弾性率、応力、等）の発現機構を解明する。本年度は、以下の項目について実施した。
１）骨HAp/Col X線回折計測：ウシ大腿骨皮質骨を対象に、試験片負荷中に低エネルギX線を用いた小角・広角X線回折の同時測定を行い、HAp/Colの微視的な変形特性と皮質骨の巨視的な変形特性の関係を確認した。広角X線回折について、これまでの皮質骨表層残留応力の計測を整理し、皮質骨内残留応力の発生要因と骨構造の関係を検討した。
２）骨HAp/Colラマン分光計測：ラマン分光装置内で骨試料を一定のステップ間隔で走査することにより領域内の多点におけるラマンスペクトル測定を行い、パラメータを統計処理することで、ラマン分光法を用いた力学解析の再現性向上を試みた。Ｘ線回折により測定されるHAp/Colひずみとの比較を行い、ラマンシフトの力学応答を検証した。
３）皮質骨構造体モデリング・解析：皮質骨HAp/Col構造体と強度への寄与を明らかにするため、骨組織内石灰化Colの変性を想定した加熱皮質骨試験片に対し、薄層脱灰処理を行った際の衝撃破壊強度を確認した。また、階層複合化した皮質骨組織の構造特性を応用し、皮質骨組織とバイオマテリアルの接合方法として、ペースト状のセラミックスを用いた骨組織同士のレーザ接合を検討した。
４）海綿骨構造体モデリング・解析：ウシ大腿骨近位海綿骨を対象に骨梁配向特性と骨梁弾性率の関係を調査した。骨梁の組織弾性率はばらつきがあるものの、海綿骨内部の骨梁配向に依存しないことを確認した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
１）骨HAp/ColX線回折計測：低エネルギX線下におけるIPを組み合わせた小角・広角X線回折同時計測法を開発した。IPにより取得したＸ線回折画像よりひずみを解析する方法を整理した。また、骨組織の弾性率とHAp/Col変形割合の関係を確認した。おおむね計画通り進んでいる。
２）骨HAp/Colラマン分光計測：多点ラマンスペクトル測定によりラマン分光計測の精度向上を計り、力学解析の再現性向上を試みた。また、試験片負荷中のラマンシフトの力学応答とＸ線回折により測定されるHAp/Colひずみとの比較を行った。計画通り進んでいる。
３）皮質骨構造体モデリング・解析：皮質骨HAp/Col構造体が巨視的な骨強度へ及ぼす影響を明らかにするため、加熱皮質骨試験片に対し、薄層脱灰処理を行った際の衝撃破壊強度を確認した。脱灰処理により加熱骨試験片の衝撃吸収エネルギが増大し、組織の衝撃破壊耐性が向上する可能性を示した。また、皮質骨構造特性を応用したレーザ接合手法を検討した。おおむね計画通り進んでいる。
４）海綿骨構造体モデリング・解析：海綿骨の構造と弾性率・強度の関係を明らかにするため、骨梁配向特性と骨梁弾性率の関係を明らかにすることができた。計画通りである。
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| Strategy for Future Research Activity |
１）骨HAp結晶X線回折計測：ウシ大腿骨皮質骨を対象に、IPを組み合わせた小角・広角X線回折同時計測を引き続き行い、加齢によるHAp/Col変形割合の関係を確認する。また、IPによるＸ線回折画像より高精度にひずみ解析する方法を検討する。
２）骨HAp/Colラマン分光計測：多点ラマンスペクトル測定による高精度ラマン分光計測により、引張負荷を与えながら再現性の高いラマンイメージングを用いてラマンシフトを測定し、加齢と骨の力学的特性の変化の関連性について明らかにする。
３）皮質骨構造体モデリング・解析：シリアルセクショニングシステムを応用し，皮質骨マイクロ骨構造体の3次元構造観察法を開発する。また、ビッカース硬さ試験機構を組み合わせ、硬さと弾性率の分布計測方法を検討する。
４）海綿骨構造体モデリング・解析：海綿骨の構造と弾性率・強度の関係を明らかにするため、海綿骨強度と骨梁分岐特性の関係を調査する。また、海綿骨と皮質骨のマイクロ骨構造体の違いを明らかにするため、皮質骨に隣接した骨梁の微視構造特性と弾性率を調査する。
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[Presentation] MRI T1, T2 mappingによる海綿骨強度予測－ヒト臨床骨検体サンプルを用いた検討－2017
Author(s)
遠藤香織, 高畑雅彦, 杉森博行, Wang Jeffrey, 山田悟史, 但野茂, 東藤正浩, 伊藤陽一, 高橋大介, 清水智弘, 工藤與亮, 岩崎倫政
Organizer
第29回北海道骨粗鬆症研究会学術集会
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