2019 Fiscal Year Research-status Report
Nanomechanical characterization of enamel obtained from genetically modified mouse for conceptualizing advanced materials
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19K10188
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| Research Institution | Showa University |
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Principal Investigator |
柴田 陽 昭和大学, 歯学部, 教授 (30327936)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
山田 篤 昭和大学, 歯学部, 講師 (50407558)
荻野 玲奈 (田中玲奈) 昭和大学, 歯学部, 助教 (80585779)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | エナメル質 / ナノインデンテーション / ハイドロキシアパタイト / エナメルタンパク |
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| Outline of Annual Research Achievements |
通常，均一材料の基本的情報を最も獲得できる力学的試験は引張試験，三点曲げ試験による応力ひずみ特性と言える．しかしこれらの試験方法は生体材料や構造材料に用いることが適当でなく，ピラミッド形状の微小圧子を用いたナノインデンテーション法やこれを補完する分光分析によって直接・間接的に局所の材料特性を議論する必要がある．従来のナノインデンテーション法では，応力ひずみ特性における初期のコンタクトメカニクスである弾性係数を議論することができる．一方，バルク試験における最大強度，破壊抵抗性などの情報を従来のピラミッド状あるいは円錐形圧子から獲得することはできない．球状圧子を用いたナノインデンテーション法では，材料表面への接触直後から塑性変形が発生する鋭角なピラミッド形状圧子と異なり，応力場を制御しやすい．すなわち接触直後では弾性変形を生じ，荷重上昇に伴い塑性変形を発生する．このため理論上局所の応力ひずみ曲線から降伏点強度を議論することができるようになった．正常エナメル質の応力ひずみ曲線は，ナノインデンテーションのひずみ速度に応じて変化し，同時に降伏点強度も上昇した．これはナノスケールの複合体構造を有するエナメル質が高いひずみ速度に対応し，局所の接触剛性が上昇することにより弾性-塑性の変曲点を生じる応力が大きくなることに由来すると考えられる．エナメル質のナノ結晶単体は塑性変形を生じることが殆どなく，見かけ上の塑性変形はアパタイト結晶同士を結合しているエナメルタンパクの変形・断裂による結晶間スリップである可能性が高い．
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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
エナメル質断面試料に応用し，材料レベル（ナノスケール）での応力ひずみ曲線が得られることが証明された．球状圧子では低荷重領域で接触する先端付近の曲率を正確に求めることが難しい．球状圧子を用いたナノインデンテーションによる応力ひずみ曲線では，実際に用いる部分は圧子先端の接触深さが数nm領域であり，これを正確に校正する必要がある．現在ナノインデンテーションの圧子・装置校正の標準試料としては溶融石英を用いることが一般的である．しかし，溶融石英ではナノスケール以下でフラットな表面を得ることが不可能であり，圧子先端数nmの完全な接触が難しく，理論上求められる圧子先端形状の曲率は実際よりも大きくなることが多い．この点，ヘルツの接触理論を応用した接触点補正方法を開発し，表面ナノレベルでの粗さを数学的に補正することができるようになった．これは実際の生物試料であるエナメル質にも応用可能であり，本法については国際誌への論文投稿を行った．
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| Strategy for Future Research Activity |
正常マウスと遺伝子改変マウスから採取したエナメル質の力学的特性を検討する．使用する週齢における同腹仔正常マウスとヘテロ型ノックアウトマウスの切歯断面試料に対するナノインデンテーション試験を行い，間質タンパクであるアメロブラスチン，エナメリンの力学的機能を検討する．本研究計画ではさらに球状圧子を用いてエナメル質の基本強度をナノレベルで議論するため，圧子先端形状校正を理論的に補正し高精度化する（平成29年度研究計画参照）．これに伴い校正用オリジナルソフトウェアを共同開発する．申請者らはこれまで，ナノインデンテーション法を応用し，遺伝子改変マウスから採取した皮質骨の測定方法を検討した経験がある．最新の研究で用いた準静的‐動的ナノインデンテーション試験では，生体組織機能時の破壊抵抗性を材料レベルで議論できる． 破壊抵抗性が高いとみられるダウン症モデルマウスのエナメル質では，ナノインデンテーション法と同時にマイクロラマン分光分析法による構造解析が有効と考えられる．
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| Causes of Carryover |
主に予定していた学会出張のキャンセルにより次年度使用額が生じた．次年度は生体材料分野の国際学会での発表や，関連するトップレベルの研究者と頻繁な議論が重要であることを踏まえ，研究代表者・分担者の出張旅費を申請する予定である．
トライボインデンター（ナノインデンテーション装置）のテキストデータから直接応力ひずみ曲線を作成できるソフトウェアの開発を依頼する．本ソフトウェアは準静的試験および動的試験のデータ解析が可能であり，ひずみ依存特性の強い複合材料や生体材料の機械特性試験に広く応用されることが期待できる．微小領域の機械的特性を分析するナノインデンテーション法では，消耗品としてダイアモンド圧子（インデンターチップ）が必要である．通法に用いる三角錐形状のバーコビッチ圧子に加え，本研究ではコニカルタイプ（球状）のダイアモンド圧子を用いることにより，マイクロスケール以下の応力ひずみ曲線を計測できる．硬組織は階層構造を有する天然の生体材料であり，材質的評価には構造に物性値を左右されない材料レベル，すなわちマイクロスケール以下の計測が重要と考えられる．
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Research Products
(11 results)
