2013 Fiscal Year Research-status Report
アパタイト結晶配向性を指標とした顎骨骨梁のナノメカニクス
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25463055
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| Research Institution | Tokyo Dental College |
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Principal Investigator |
松永 智 東京歯科大学, 歯学部, 講師 (70453751)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
吉成 正雄 東京歯科大学, 歯学部, 教授 (10085839)
矢島 安朝 東京歯科大学, 歯学部, 教授 (10183667)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | 生体アパタイト結晶配向性 / BAp / 顎骨 / 荷重伝達経路 / 歯科インプラント / 応力 |
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| Research Abstract |
顎骨は、歯を介して伝達する外部からの荷重が内部骨構造の恒常性維持に重要な役割を果たしており、他の骨にはない特殊な力学的環境を有する骨である。特に顎骨海綿骨梁は歯やインプラントに加わる荷重の伝達・分散に関与するため、生体力学的に果たす役割は大きい。そのため、顎骨内部微細構造の精細な骨質解析と力学機能の評価は、将来のバイオメカニクスに基づく治療計画立案のために一刻も早く完遂されるべき最優先事項である。骨の力学機能は、骨密度よりもアパタイト結晶のｃ軸配向性によって支配されていることが見出されており、応力信号の伝達が骨組織の配向化を指示していることから、皮質骨のみならず、海綿骨梁における生体アパタイトの異方性を考慮した結晶学的アプローチを進めることで、いまだ未知の領域である顎骨内部の力学的環境にアクセスすることができる。本研究では、有歯顎・無歯顎骨における骨梁の連続的な結晶配向性を算出し、海綿骨領域におけるアパタイト配向性の地図を作製し、力学特性のデータベースとの関係性についての精査を行うことで、ヒト顎骨における荷重支持機能の定量的評価を行うことを目的とした。さらに、実験動物を用いて、負担過重・低荷重モデルの作製および解析と、荷重方向の違いによる局所応力の偏在傾向と結晶配向性について検討を加えることを目的として、異なる荷重条件下における顎骨骨梁のアパタイト配向性と力学機能を精査し、恒常性維持のために必要な力学的環境の一端を解明することとした。
本研究はこうした新規発想をベースに、材料工学的手法の最先端から、これからの歯科医師に必須であるバイオメカニクス分野の評価基準を設定し、歯科医師による顎骨のナノレベル制御を可能にするものと期待される。学術的な価値は言うまでもなく、将来の骨質を考慮した顎骨再建や再生医療にも強く貢献できると確信している。
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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
顎骨内部微細構造のメカノバイオロジー解明のためには、（１）咀嚼荷重の負担・緩衝に関与している海綿骨領域のナノレベル特定、およびヒト顎骨における荷重支持機能の定量的評価と、（２）異なる荷重条件下における顎骨骨梁のアパタイト配向性と力学機能の精査による、恒常性維持のために必要な力学的環境の解明が必要である。顎骨内部の応力環境は、アパタイト結晶配向性と力学機能解析によってはじめて可視化と評価が可能となり、その実現に向けてヒト顎骨における定量的解析と動物実験を用いた介入実験を継続中である。
初年度は、日本人成人遺体より採取した有歯顎・無歯顎骨から試料を作製し、μCTによる撮像データをもとに骨密度計測、骨形態計測を行った。同時にpQCT、DEXAによる解析は阪大にて設備を借用して、いくつかの試料に関しては計測を終了している。微小領域X線回折装置を用いた配向計測は、下顎大臼歯周囲顎骨に関しては解析結果の処理に移っており、上顎大臼歯・無歯顎骨臼歯部の顎骨における配向計測を進めているところである。
さらに顎骨の異なる応力環境と力学機能の定量的評価を進めるにあたり、実験動物を用いたモデル作製に着手しており、すでに用意した歯科インプラントが埋入されたビーグル犬の上顎骨に関しては、海綿骨領域を含めた各局所領域のデータ採取を進めているところである。
その結果、上顎と下顎骨の生体アパタイト結晶の配向性は、同じ歯周囲であっても大きく異なり、マクロな構造特性を補うように配向性が決定されていることが示唆された。特に皮質骨と海綿骨の境界、あるいはその近傍では、移行的にアパタイト結晶の配向性が連続しており、三次元有限要素解析にてシミュレートした荷重伝達経路に近似した配向性地図が得られる結果となった。今後引き続きデータ数を増やすことでその関連性を明らかにしていきたいと考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は、初年度得られたヒト顎骨の骨質解析データをもとに、配向性３Dマッピングによる顎骨のアパタイト結晶配向性地図を作製する予定である。力学機能解析データと照らし合わせ、歯を中心に構築される荷重伝達機構と、歯の喪失により変遷する力学的環境を定量的に評価する。ベクトル表記を用いた皮質骨領域を含む配向性地図から、顎骨の応力分散機構を評価すると同時に、FE解析によりシミュレートされた荷重伝達経路と比較し、総合的に顎骨の荷重支持機能を評価する。また、骨微細構造のパラメータ（骨密度、アパタイト配向性、ヤング率等の力学物性）の部位依存性を精査し、ローカルなin vivo応力状態に対する骨微細構造の最適化について検討する。
動物モデルは、有歯顎モデル、無歯顎モデル、歯科インプラント埋入モデルの準備が整いつつあり、歯科インプラント埋入モデルから解析が進められる予定である。阪大の微小領域X線回折装置を借用しながら、骨梁から皮質骨に及ぶ連続的なアパタイト結晶の配向性を検索する。
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[Journal Article] Relationship between preferential alignment of biological apatite and Young’s modulus for human mandible cortical bone.2013
Author(s)
Matsumoto, T., Matsunaga, S., Morioka, T., Nakano, T., Yoshinari, M., Yajima, Y.
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Journal Title
Journal of Hard Tissue Biology
Volume: 22
Pages: 163-179
Peer Reviewed
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[Journal Article] Consideration of shear modulus in biomechanical analysis of peri-implant jaw bone.2013
Author(s)
Matsunaga, S., Naito, H., Tamatsu, Y., Takano, N., Abe, S., Ide Y.
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Journal Title
Dental Materials Journal
Volume: 32
Pages: 425-432
Peer Reviewed
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