2019 Fiscal Year Research-status Report
骨梁剛性・異方性マルチスケール構造特性に基づく海綿骨骨折リスク
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19K04083
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
山田 悟史 北海道大学, 工学研究院, 助教 (90730169)
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2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | バイオメカニクス / 骨組織 / 強度 / 海綿骨 / 骨梁 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
骨粗鬆症の予防・診断・治療には、海綿骨の骨折リスクの正確な予測や骨強度の制御が重要であり、骨密度を含む構造的・力学的因子を明らかにすることが重要となる。そこで本研究では、海綿骨強度特性が骨梁剛性と海綿骨異方性マルチスケール構造に依存すると仮定し、これらの特性とその寄与を解明することで骨折リスクの因子を明らかにすることを目的とした。そのために、（１）骨梁の圧縮・曲げ剛性とラーメン構造に基づく骨梁形状・配向・分岐特性パラメータを提案し、海綿骨強度特性への寄与を検証すること、（２）骨梁弾性率計測システムにより、骨梁弾性率と剛性、および海綿骨強度特性への寄与を解明すること、（３）骨梁内のナノスケール構造特性を調査し、骨梁剛性との関係を解明することを実施する。3ヵ年計画のうち初年度に当たる今年度は、以下の成果を得た。（１）マイクロＣＴ撮影により得られる海綿骨構造を対象に、骨梁の圧縮・曲げ剛性とラーメン構造に関わる骨梁の形状、配向、分岐パターンを解析する骨梁ネットワーク構造解析プログラムを開発した。海綿骨強度特性を明らかにするため、ポーラス金属の圧縮試験規格を参考に、海綿骨立方体試験片の一軸圧縮破壊試験方法および海綿骨強度特性を示すパラメータを整理した。（２）骨梁弾性率を明らかにするため、乾湿両環境での計測が可能な骨梁弾性率計測システムを開発し、計測条件を整理した。ウシ大腿骨より採取した単一骨梁試験片を用いて、計測システムの有効性を確認した。（３）ウシ大腿骨より採取した板状骨梁の単一骨梁試験片を用いて、広角Ｘ線回折および小角Ｘ線散乱計測により、骨梁組織内のハイドロキシアパタイト結晶とコラーゲン線維の配向性を明らかにした。
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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
当初研究計画では、初年度に当たる今年度は、（１）骨梁の圧縮・曲げ剛性とラーメン構造に基づく骨梁形状・配向・分岐特性パラメータを提案し、骨梁ネットワーク構造解析プログラムを開発すること、（２）骨梁弾性率計測システムを整備すること、および（３）骨梁内のナノスケール構造特性を調査することを計画していた。研究実績の概要に記載の通り、（１）骨梁の圧縮・曲げ剛性とラーメン構造に関わる骨梁の形状、配向、分岐パターンを解析する骨梁ネットワーク構造解析プログラムを開発した。また、海綿骨強度特性を明らかにするため、ポーラス金属の圧縮試験規格を参考に、海綿骨立方体試験片の一軸圧縮破壊試験方法および海綿骨強度特性を示すパラメータを整理した。（２）骨梁弾性率を明らかにするため、乾湿両環境での計測が可能な骨梁弾性率計測システムを開発し、計測条件を整理した。ウシ大腿骨より採取した単一骨梁試験片を用いて、計測システムの有効性を確認した。（３）ウシ大腿骨より採取した板状骨梁の単一骨梁試験片を用いて、広角Ｘ線回折および小角Ｘ線散乱計測により、骨梁組織内のハイドロキシアパタイト結晶とコラーゲン線維の配向性を明らかにした。これらの研究成果の一部は、国際会議および国内学会において公表した。以上より、概ね順調に進展している。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究では、海綿骨強度特性が骨梁剛性と海綿骨異方性マルチスケール構造に依存すると仮定し、これらの特性とその寄与を解明することで骨折リスクの因子を明らかにすることを目的とした。当初研究計画の通り、残りの補助事業期間を通して引き続き以下に取り組む。（１）提案する骨梁形状・配向・分岐特性パラメータについて、海綿骨立方体試験片の力学試験の結果により検証し、海綿骨強度特性と関わる重要な構造的・力学的因子を検討する。（２）骨梁試験片の片持梁曲げ試験により骨梁弾性率を計測し、同一部位から採取した海綿骨立方体試験片と骨梁試験片の力学試験結果を比較することで、骨梁剛性が海綿骨強度特性に及ぼす影響を明らかにする。部位や年齢による骨梁弾性率・剛性および海綿骨強度特性の変化を調査する。（３）骨梁試験片の広角Ｘ線回折および小角Ｘ線散乱計測により骨梁内のナノスケール構造特性を明らかにし、部位や年齢によるナノスケール構造特性の違いを調査する。以上により、骨梁剛性・異方性マルチスケール構造特性と海綿骨強度特性の関係を整理し、骨折リスクの因子を明らかにする計画である。
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| Causes of Carryover |
（理由）当該年度では、研究実績の概要に記載の通り本研究課題はおおむね順調に進展したが、物品費及び旅費が当初計画よりも節約できたため未使用額が生じた。
（使用計画）当該年度で発生した未使用額は、当初研究計画に沿って次年度の実験に係る試験片購入費用等の物品費の一部に充当する計画である。
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Research Products
(5 results)
