2020 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, 講師 (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 |
応力ひずみ曲線は材料機械特性の情報量が多く，最も信頼性の高い試験方法である．しかし規格試験である引張・曲げ試験は生体材料や構造材料に用いることが適当でなく，局所をの応力ひずみ特性を直接評価できる新たな試験方法の開発が求められている．微小領域の機械特性試験としてはダイアモンド圧子を用いたナノインデンテーション法が以前から知られている．これ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で，バルク試験における最大強度，破壊抵抗性などの情報を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．初期接触で弾性変形のみを生じる球状圧子では歯質と修復材料界面での微小機械特性のマッピングが可能になり，これまで困難であった象牙質と歯面処理剤のハイブリッド層を直接評価できる方法を新たに開発することができた．その結果，親水性機能性モノマーを用いた歯面処理では象牙質と修復材料界面の機械特性が著しく低下していることが明らかとなった．この結果に基づき，新たにリン酸エステル系機能性モノマーのみで歯面処理した歯面処理剤の開発に着手することができた．また本研究で用いられる最新装置ではプラスの荷重だけでなく，圧子が材料に接触する際に発生するマイナス荷重から材料表面の凝着力（粘着力）を数値化でき，金属薄膜をもちいたあらたな生体用接着材料の開発にも波及効果が見られた．
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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
生体組織に対し，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．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．このため，圧子先端のみを用いた構造材料（生体材料）の機械特性のマッピングが可能になり，これまで不可能であった生体組織と人工材料界面特性を数値化することができる様になった．加えて，一連の研究で用いた装置の高精度を利用し，材料表面の凝着力を測定することによって新規生体材料の開発への波及効果が見られた．これらについては国際誌への論文投稿を行い，既に採択されている．
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| Strategy for Future Research Activity |
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評価し，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数学的に補正できるオリジナルソフトウェアを共同開発する．一連の研究で開発された新たな微小機械特性試験は新規生体材料の開発への波及効果が大きく，今後も継続する．また近年ではYAGレーザー照射した歯質の物理・化学特性変化が注目されており，これらの微小機械特性についても検討していく計画がある．
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| Causes of Carryover |
未だ収束の見えないコロナ禍の中，世界的大規模なロックダウンが生じ，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．本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，ワクチン接種の普及とともに国際活動の再開が予想されるため，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
(8 results)
