2015 Fiscal Year Research-status Report
CT-FEA/3D造形法とナノ表面改質の融合による再生医療用材料最適設計法の確立
| Project/Area Number |
15K13836
|
|---|
| Research Institution | Kyushu University |
|---|
Principal Investigator |
東藤 貢 九州大学, 応用力学研究所, 准教授 (80274538)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2017-03-31
|
| Keywords | 医療画像 / 有限要素法 / 再生医療 / 組織工学 / 応力解析 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
骨の再生医療では，細胞と人工材料を融合した新しい人工骨組織について研究が進められており，連通多孔質構造を有する足場材料の開発が重要である．本研究の第一の目的は，CT-FEAによる骨再生部位の力学場の推定，3D-CADによる3D連通多孔質構造の設計，3Dプリンターによる多孔体の成形を組み合わせ，骨再生用人工足場材料の作製システムの基礎を確立することである．そこで初年度である平成27年度は，CT-FEAを用いた骨と人工物の力学的相互作用解析法の基礎技法の確立，および3Dプリンターを用いた多孔質構造体の作製法の確立を目的として研究を遂行した．
CT-FEAによる解析対象として大腿骨と脊椎を選定し，それぞれ九州大学病院，順天堂大学病院から提供して頂いたCT画像を用いて骨の数値モデルを構築した．作成した数値モデルではCT画像の濃淡より骨密度分布およびヤング率分布が考慮されており，実骨構造に類似した力学特性の分布状態を再現している．それぞれの骨モデル中に人工物の存在を想定して人工物モデルを導入し，人工物と周囲の骨組織の力学的相互作用について詳細に検討した．
次に，3Dプリンターによる多孔体成形の基礎研究として，単純格子，トラス，ハニカムの３種類の多孔質構造を選定し，CADでデザイン後，アクリル系樹脂を原料とする3Dプリンターを用いて実構造体を作製し，圧縮力学特性について比較検討を行った．その結果，最大荷重や剛性および吸収エネルギーの点ではトラス構造が最も優れていたが，最大荷重時の変位という点ではハニカム構造が優れていることが明らかになった．
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究の目的を達成するために必要不可欠である２種類の技術，すなわちCT画像を応用した有限要素解析法であるCT-FEAとCADによるデザインとプリンティング技術を組み合わせた3Dプリンティング法について，その基礎技術の確立に成功した．
まずCT-FEAについては，整形外科における臨床上重要な問題である大腿骨頭壊死症と椎体圧迫骨折の問題にCT-FEAを応用し，それぞれの力学的メカニズムを明らかにした．
次に3Dプリンティングについては，CADで３種類の代表的多孔質構造（単純格子，トラス，ハニカム）をモデル化し，アクリル系樹脂を原料とする３Dプリンティングで試験体を作製することに成功した．それらの圧縮力学特性を調べた結果，各構造に起因する特異な変形・破壊挙動を示すことが明らかになった．
このように平成27年度は，最終的な研究目的の達成に対して必要不可欠であるCT-FEAと3Dプリンティングの基礎技術を確立しており，平成28年度はこれらの技術をさらに発展させるとともに，第３の技術であるナノレベルでのコーティング技術を確立し，最終目標である骨再生用人工材料の最適設計法の確立を目指す予定である．
|
| Strategy for Future Research Activity |
平成28年度は，CT-FEAと３Dプリンティングの両技術に加えて，材料の複合化技術と表面改質技術を導入することで骨再生用材料の作製システムの充実を目指して研究を推進する予定である．大腿骨や脊椎等の比較的大規模な構造への応用を検討する前に，まずは小規模な骨格構造として「手」の骨を選択して骨再生治療へ応用可能となる人工材料の作製システムの開発を行う．具体的な研究計画は以下の通りである。
（１）佐賀大学病院整形外科からご提供頂いた手のCTデータより骨モデルを作成し，適切な境界条件の設定後，応力解析を行い手指に生じる応力状態を詳細に解析する．次に指骨の一部分に対して骨再生を行うと仮定し，その部分に人工物（骨再生用材料）が挿入されたと仮定したモデルで応力解析を行い，人工物の構造と材料定数の最適化を行う．CT-FEAの結果をもとにCADを用いて対象とする指骨の再生用インプラントのフレーム構造を設計し，3Dプリンターを用いて実構造体を作製する．作製した試験体の構造の顕微鏡観察や力学試験により，重要となる力学パラメータを決定する．
（２）骨再生用材料としては，新しいアイデアとして3Dプリンターで作製した多孔質構造をフレーム構造（力学特性を担保する）とし，その内部に主にコラーゲンスポンジ構造を導入した複合構造体を提案する．さらにコラーゲン中にリン酸カルシウムのナノ粒子を分散させてコーティングする表面改質法を検討する．構造や力学特性に及ぼすポリマー相の影響ついて詳細に検討する．
（３）（１）で作製したフレーム構造に対して（２）で確立した複合構造あるいは表面改質構造を応用し，最終的な指骨再生用材料の作製を試みる．構造や力学特性等の基礎的性質の評価を試みる．
（６）大腿骨や脊椎椎体等の比較的大規模な骨再生に対しても上述の一連の骨再生材料作製システムの応用を検討する．
|
