2012 Fiscal Year Annual Research Report
骨組織ミネラルとコラーゲン複合体の変形相互作用に基づく骨強度・応力特性
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24240068
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
但野 茂 北海道大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (50175444)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
伊東 学 北海道大学, 医学(系)研究科(研究院), 特任教授 (00271677)
佐々木 直樹 北海道大学, 先端生命科学研究科(研究院), 教授 (40142202)
横田 秀夫 独立行政法人理化学研究所, 和光研究所基幹研究所, チームヘッド (00261206)
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| Project Period (FY) |
2012-04-01 – 2015-03-31
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| Keywords | バイオメカニクス / 生物・生体工学 / 医療・福祉 / 生体分子 / 計測工学 / Ｘ線 |
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| Research Abstract |
○骨HAp結晶X線回折計測：牛大腿皮質骨を測定対象として、これまでの広角Ｘ線回折に加え、小角散乱Ｘ線回折計測手法を検討した。引張り負荷中の計測を行い、IPで計測した回折散乱画像と骨異方性との関連や応力との関連を確認した。小角散乱ではHAp結晶粒子間の変位や構造に関する回折画像が得られることになり、マイクロ骨構造体レベルの変形特性が確認可能なことを示した。
○骨Col分子ラマン分光計測：骨内HAp-Col分子構造の状態と負荷時の変形挙動をラマン分光で計測する手法を検討した。これにより、ラマンシフトと応力状態との関連性を確認した。引張負荷によってν1PO43-やAmide Iのラマンシフトが線形的に減少した。さらに骨異方性や骨年齢差による違いを調査した。
○骨細胞変形特性解析：骨細胞を一定の負荷環境下培養した場合の形態変化、変形特性、負荷応答性との関連性を観察する実験手法を検討した。また骨芽細胞の負荷環境下におけるHAp結晶構造やCol分子の形成・成長過程を調査する実験手法を検討した。
○骨構造体モデリング：マイクロ骨構造体の数理モデルを作成し計算シミュレーションを行い、階層複合化した骨組織構造体（Osteon-Lamella）の変形状態を推定する手法を検討した。また、任意方向負荷による骨組織異方性弾性率とＸ線回折特性の関係を調査した。
○マイクロ骨構造体解析：皮質骨内同心円層状構造のOsteonの詳細な形態や構造を観察し、それらの弾性率計測手法を検討した。骨組織構造体（Osteon-Lamella）断面における弾性率分布の計測手法を検討した。また、海綿骨の構造と弾性率・強度の関係を調査するため、牛大腿骨頭部から海綿骨骨梁を取り出し、骨梁一本のマイクロ引張負荷装置を考案した。
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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
○骨HAp結晶X線回折計測：広角Ｘ線回折については、IPを用いた牛大腿骨骨幹部の表層残留応力計測手法の開発まで行っている。小角散乱Ｘ線回折計測手法については、負荷時計測の前例がなく、その現象と回折理論の関連性を整理しており、計画通り進んでいる。
○骨Col分子ラマン分光計測：骨内HAp-Col分子構造の状態と負荷時の変形挙動をラマン分光で計測する手法を検討し、骨内Colの引張り挙動にはまだ精度的な課題はあるもののおおむね計画通り進行している。
○骨細胞変形特性解析：骨細胞を一定の負荷環境下培養した場合の形態変化、変形特性、負荷応答性との関連性を観察する実験手法を検討し、おおむね計画通り進行している。骨細胞の負荷環境下におけるHAp結晶構造やCol分子の形成・成長過程を調査する実験手法については、今後の検討課題である。
○骨構造体モデリング：任意方向負荷による骨組織異方性弾性率とＸ線回折特性の関係を調査し、マイクロ骨構造体の数理モデル作成に利用できるようになった。
○マイクロ骨構造体解析： Osteonの詳細な形態や構造を観察し、骨組織構造体（Osteon-Lamella）断面における弾性率分布の計測手法を検討し、計測手法の仕様が整理できた。海綿骨の構造と弾性率・強度の関係を骨梁一本のマイクロ引張負荷装置を考案した。計画通りである。
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| Strategy for Future Research Activity |
○骨HAp結晶X線回折計測：小角散乱については、骨組織の小角散乱現象と回折理論の関連性を整理し、より実用的な計測手法を考案する。広角散乱については、長管骨皮質骨表層の残留応力計測手法を開発する。Ｘ線の反射側回折線をIPの二次平面で計測し、その回折リングの変形状態から高精度に残留応力を計測する手法を開発する。これにより皮質骨内残留応力の発生要因と骨構造の関係を探る。
○骨Col分子ラマン分光計測：骨内HAp-Col分子構造の状態と負荷時の変形挙動をラマン分光で計測する手法を引続き検討する。骨内Colの引張り挙動の高精度化を図る。
○骨細胞変形特性解析：骨細胞を一定の負荷環境下培養した場合の形態変化、変形特性、負荷応答性との関連性を観察する実験を勧める。骨細胞の負荷環境下におけるHAp結晶構造やCol分子の形成・成長過程を調査する実験手法について検討する。
○骨構造体モデリング：任意方向負荷による骨組織異方性弾性率とＸ線回折特性の関係を引続き調査する。マイクロ骨構造体の数理モデル作成を行う。
○マイクロ骨構造体解析： 同心円層状構造のOsteonの詳細な形態や構造、やBone Lamella、Fibril Arrayの階層的構造を詳細に観察する。骨組織構造体（Osteon-Lamella）断面における弾性率分布の計測手法を考案する。海綿骨の構造と弾性率・強度の関係を調査し、海綿骨構造体のマクロな弾性率・剛性との関連を明らかにする。
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