2021 Fiscal Year Research-status Report
Analysis of the mechanism of mechanical stress-induced osteogenesis using method of numerical analysis on local mechano-electric induced particle diffusion and its application for osteosynthesis
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21K12631
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| Research Institution | Teikyo University |
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Principal Investigator |
伊藤 聰一郎 帝京大学, 付置研究所, 客員教授 (10242190)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
横堀 壽光 帝京大学, 公私立大学の部局等, 教授 (00124636)
尾関 郷 帝京大学, 公私立大学の部局等, 講師 (10781528)
山下 仁大 東京医科歯科大学, 歯学部, 非常勤講師 (70174670)
大見 敏仁 湘南工科大学, 工学部, 准教授 (90586489)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 非侵襲血管疾患診断装置TRY-1 / 血管壁の構造変化 / 血行動態 / 骨形成機能 / 応力誘起物質拡散解析システム / 有限要素応力解析プログラム / 骨化過程シミュレーション |
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| Outline of Annual Research Achievements |
仮骨延長法における延長仮骨の骨形成過程を解析し、仮骨部の骨形成挙動をシミュレートする基盤的解析プログラムを構築して、最適仮骨延長休止時間を予測した。この応力誘起物質拡散解析システムを長管状骨剪断モデルと圧縮モデルに適用できるよう改訂するために、3次元応力解析ができる有限要素応力解析ソフトウエアを購入した。現在、これを用いてシミュレーション・システムの改訂を行っており、予測結果の妥当性を実証するため、湘南工科大学で実験を行う予定である。実測値の解析結果をフィードバックしてプログラムを随時書き換えることにより、シミュレーション・システムの精度を向上していくことを目指している。研究の準備を進めるうちに、これまで筆者らが開発した機器を実臨床で役立てることができる新たな研究テーマを想起した。後述するように、これを本研究より派生した他大学との共同研究として同時進行することにした。
骨接合に新生骨が形成される過程は、間隙にコラーゲン線維の形成後、体液中のリン酸とCaが形成するnano-sizeのクラスターでCaイオンがコラーゲンのカルボキシル基-COOHと結合して沈着し、ハイドロキシアパタイトとしてコラーゲン表面で結晶化することから始まる。次いで周囲より血管が侵入して血管ネットワークを構築して骨化が開始される。研究分担者横堀らは非侵襲血管疾患診断装置TRY-1を開発した。本装置は大径動脈の血管壁カルシウム沈着による動脈硬化進行度や動脈瘤形成など血管壁の構造変化を評価出来る。併せて骨密度や骨代謝マーカーを計測し、循環器系疾患と骨形成機能低下の相関関係を解析すれば、血行動態と骨形成機能が相互に及ぼす影響を解明することができる。これは骨形成機能改善が循環器系の未病予防に寄与する可能性につながる。この研究を国際医療福祉大学と共同で今年度より実施する。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
2021年度は、本研究の基盤となる仮骨延長法における延長仮骨の骨形成過程を解析するプログラムを構築した。このプログラムを長管状骨剪断モデルと圧縮モデルに適用できるように改訂するため、3次元応力解析ができる有限要素応力解析ソフトウエアを帝京大学の研究費で購入した。この手続きに時間がかかったが、現在はこれを用いて応力誘起物質拡散解析プログラムの改訂作業を進めている。
このシミュレーション・システムから得られた結果の妥当性を検証するため、湘南工科大学に実験設備を設置する必要がある。学内の申請と認可を得るために時間を要したが、備品の購入や設備の配置は完了したので、新たなデーターが得られ次第、随時検証実験を行う予定である。
研究分担者横堀らは、非侵襲血管疾患診断装置TRY-1を開発した。これは、大径動脈の血管壁カルシウム沈着による動脈硬化進行度や動脈瘤形成など血管壁の構造変化を評価出来る装置である。同時に骨密度や骨代謝マーカーを測定し、循環器系疾患と骨形成機能低下の相関関係を解析すれば、血行動態と骨形成機能が相互に及ぼす影響を解明することができる可能性に着想した。このTRY-1を購入するため研究費の前倒し支払請求を行った。納品された機器を用いて、国際医療福祉大学・市川病院において臨床症例の計測を行うため、同大学の倫理規定に基づいて手続きをとり、医療スタッフとの研究協力体制を整備するために2021年度末まで調整期間を要した。これにより、2022年度より同大学でTRY-1による計測と骨密度や骨代謝マーカーの測定を同時に実施することが決定された。
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| Strategy for Future Research Activity |
課題1.
共同研究者の横堀と大見らは長管状骨仮骨延長モデルの研究に基づき、応力誘起物質拡散数値解析プログラムを作成した。これは多軸引張り応力が骨の長軸方向に加わり、両端方向へイオンが拡散することにより流動電位が発生することを仮定している。今年度は、新たに長管状骨に剪断力が加わるモデルを作成する。圧縮力が加わる側の髄内に負電荷、張力が加わる対側髄内に正電荷が生じる。イオン拡散は長軸に対し垂直方向のVolkmann管中心に起こると考えられる。次いで、長管状骨の圧縮解析モデルを作成する。両側の髄内にいずれも圧迫力が加わり、負電荷が生じる。この際、長軸方向のHavers管を中心にイオン拡散が起こると考えられる。これまでの応力誘起物質拡散数値解析プログラムを、長管状骨剪断モデルと圧縮モデルに適用できるように横堀らが中心となって改訂し、荷重下で生ずるイオンの移動を応力誘起物質拡散方程式で数値解析して、骨形成部位と骨量を予測すること目指す。湘南工科大学で力学試験を行い、このシミュレーション・システムの妥当性を実証する。
課題2.
非侵襲血管疾患診断装置TRY-1を臨床症例に用いて、動脈硬化進行度や動脈瘤形成など血管壁の構造変化を評価する。骨密度や骨代謝マーカーを同時に測定して、循環器系疾患と骨形成機能低下の相関関係を解析することにより、血行動態と骨形成機能が相互に及ぼす影響を解明する。この臨床研究は国際医療福祉大学・市川病院との共同研究として実施する。
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| Causes of Carryover |
本研究では研究分担者横堀らの開発した応力誘起物質拡散解析システムを長管状骨剪断モデルと圧縮モデルに適用できるように改訂し、骨化過程をシミュレーションすることを目指している。このためには、3次元まで含めた大規模な応力解析ができる有限要素応力解析のプログラムが必要である。帝京大学の研究費で有限要素応力解析ソフトウエアを購入し、応力誘起物質拡散解析プログラムの改訂作業を進めている。
このシミュレーション・システムから得られた結果の妥当性を検証するため、湘南工科大学に実験設備を設置する必要がある。学内の申請と認可を得るために時間を要したが、備品の購入や設備の配置は完了したので、新たなデーターが得られ次第、随時検証実験を行う予定である。
研究分担者横堀らは、非侵襲血管疾患診断装置TRY-1を開発した。これは動脈硬化進行度や動脈瘤形成など血管壁の構造変化を評価出来る装置である。同時に骨密度や骨代謝マーカーを測定し、循環器系疾患と骨形成機能低下の相関関係を解析すれば、血行動態と骨形成機能が相互に及ぼす影響を解明することができる可能性に着想した。このTRY-1を購入するため研究費の前倒し支払請求を行った。2022年度よりTRY-1による計測と骨密度や骨代謝マーカーの測定を同時に実施する臨床研究を今年度から開始する。
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