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"Materials Science of Anisotropy" for induction of bone tissue anisotropy

Research Project

Project/Area Number 18H05254
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (S)

Allocation TypeSingle-year Grants
Review Section Broad Section D
Research InstitutionOsaka University

Principal Investigator

中野 貴由  大阪大学, 工学研究科, 教授 (30243182)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 坂井 孝司  山口大学, 大学院医学系研究科, 教授 (00444539)
岡田 誠司  大阪大学, 医学系研究科, 教授 (30448435)
萩原 幸司  名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (10346182)
松本 卓也  岡山大学, 医歯薬学域, 教授 (40324793)
當代 光陽  新居浜工業高等専門学校, 環境材料工学科, 准教授 (10610800)
石本 卓也  富山大学, 学術研究部都市デザイン学系, 教授 (50508835)
丸川 恵理子  東京医科歯科大学, 大学院医歯学総合研究科, 教授 (40419263)
山本 まりこ (河井まりこ)  関西女子短期大学, その他部局等, 教授 (40379839)
福田 英次  弓削商船高等専門学校, 電子機械工学科, 准教授 (30536553)
村瀬 剛  大阪大学, 医学系研究科, 准教授 (50335361)
松垣 あいら  大阪大学, 工学研究科, 准教授 (10592529)
李 誠鎬  国立研究開発法人産業技術総合研究所, 材料・化学領域, 主任研究員 (20850001)
小笹 良輔  大阪大学, 工学研究科, 助教 (80845347)
Project Period (FY) 2018-06-11 – 2023-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help
¥193,440,000 (Direct Cost: ¥148,800,000、Indirect Cost: ¥44,640,000)
Fiscal Year 2022: ¥31,850,000 (Direct Cost: ¥24,500,000、Indirect Cost: ¥7,350,000)
Fiscal Year 2021: ¥37,700,000 (Direct Cost: ¥29,000,000、Indirect Cost: ¥8,700,000)
Fiscal Year 2020: ¥40,560,000 (Direct Cost: ¥31,200,000、Indirect Cost: ¥9,360,000)
Fiscal Year 2019: ¥41,340,000 (Direct Cost: ¥31,800,000、Indirect Cost: ¥9,540,000)
Fiscal Year 2018: ¥41,990,000 (Direct Cost: ¥32,300,000、Indirect Cost: ¥9,690,000)
Keywords異方性の材料科学 / 金属3Dプリンタ / インプラント / 骨異方性 / 耐食性 / オステオカルシン / アパタイト / コラーゲン / 金属3Dプリンタ / 異方性インプラントロジー
Outline of Annual Research Achievements

骨異方性誘導のための「異方性の材料科学」の構築に向け、材料工学・生物科学両者の融合的視点からの取り組みを進めてきた。本年度は、ここまでの成果で見出した最大の成果のひとつであるOCNによる骨配向化の新機能解明をさらに深化し、OCN制御の分子機序解明と、それら遺伝子の欠損モデルを用いた配向化のシグナル伝達経路解明を重点的に研究を遂行し、以下の具体的成果を得た。

(A)骨配向化を決定する遺伝子・タンパクpathwayの同定と制御:細胞・遺伝子レベルからOCNを起点とした生物シグナルの同定を行った。遺伝子情報解析に基づきOCNのタンパク機能化(翻訳後修飾)に関する上流・下流遺伝子(タンパク質修飾を制御する化合物経路)をたどることで、OCNタンパク質機能を調整し、骨配向化に関わる特定の因子(詳細は非公開)を見出した。
(B)外場制御可能な異方性共培養系の樹立による配向化制御:生体内模擬環境中での共培養により、細胞間での機能性タンパク質の授受を介した骨配向化の人為制御を達成した。とりわけ、疾患骨を模擬した免疫細胞の活性化が細胞・骨異方性と密接に関連することが明確になった。
(C)金属3Dプリンタを駆使した形状・材質同時制御と、低弾性率・超高耐食性インプラント創製:金属3Dプリンティングを駆使し、部材中の任意の位置で形状と材質(原子配列異方性)の同時制御設計を確立した。さらには、前年度までに達成した世界初の生体用ハイエントロピー合金について、金属3Dプリンタを用いた高付加価値化のための走査戦略指針を確立した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

最終目標とする骨異方性誘導のための「異方性の材料科学」の構築に向け、当初の想定を上回る成果を得ている。代表的な項目ごとの進捗状況を以下に示す。
なお、◎:当初計画以上に進展、〇:当初計画通りに進展を意味する。
(i) 骨配向化を決定する遺伝子・タンパク質 pathway の同定:OCN機能制御するタンパク質(翻訳後修飾に関与)を骨異方性制御因子として同定した(◎)、(ii) 細胞共培養系の樹立と 生体外(in vitro)基質配向化制御:骨疾患による異常配向化、骨力学特性劣化の機序解明のため、免疫系との共培養を樹立し、生体内(in vivo)模擬環境中での細胞学的解析を実施した(〇)、(iii)低弾性率・超高耐食性インプラント創製:金属 3D プリンタを駆使した形状・材質同時制御(〇)、(iv)生体用ハイエントロピー合金の高付加価値化のための設計指針を確立(◎)

Strategy for Future Research Activity

今後は、ここまでの進捗で見出した骨配向化制御因子のタンパク徐放システムや遺伝子導入技術の確立により、薬剤としての活用を目指す。さらに、これまでの研究にて見出した世界初の生体用ハイエントロピー合金の高付加価値化(力学特性・耐食性)により革新的インプラントデバイスを創出する。具体的には以下の項目(A)~(C)について研究を遂行する。さらに詳細は非公開とするが、異方性に基づく骨の新機能も明らかになりつつある。これら知見に基づき「異方性の材料科学」構築へと着実に本研究計画を推進する。
(A)骨配向化を決定する遺伝子・タンパク pathway の制御:昨年度までに同定した、OCNが関与するコラーゲンーアパタイト結晶方位関係の制御機序について、次世代シーケンシング・遺伝子解析を用いて配向化制御機構の全容を解明する。加えてそれらタンパク・遺伝子の発現導入法を確立する。
(B)外場を用いた細胞制御による骨配向化制御:疾患や応力状態による配向性異常の機序解明のため、これまでに確立した骨系細胞(骨芽細胞、破骨細胞、オステオサイト)や免疫系を含む異種細胞間共培養モデルを駆使し、骨の異方性形成の細胞学的・材料学的機序とその制御法を確立する。
(C)前年度までに達成した世界初の生体用ハイエントロピー合金創製について、金属3Dプリンタを駆使した更なる高付加価値化とその制御因子を解明する。

Assessment Rating
Interim Assessment Comments (Rating)

A+: In light of the aim of introducing the research area into the research categories, more progress has been made in research than expected.

Report

(8 results)
  • 2021 Annual Research Report
  • 2020 Abstract (Interim Assessment) ( PDF )   Annual Research Report   Interim Assessment (Comments) ( PDF )
  • 2019 Annual Research Report
  • 2018 Abstract ( PDF )   Comments on the Screening Results ( PDF )   Annual Research Report

Research Products

(373 results)

All 2022 2021 2020 2019 2018 Other

All Journal Article (133 results) (of which Int'l Joint Research: 14 results,  Peer Reviewed: 131 results,  Open Access: 72 results) Presentation (220 results) (of which Int'l Joint Research: 15 results,  Invited: 71 results) Book (15 results) Remarks (1 results) Patent(Industrial Property Rights) (4 results) (of which Overseas: 1 results)

  • [Journal Article] Re-Evaluation of Initial Bone Mineralization from an Engineering Perspective2022

    • Author(s)
      Hara Emilio Satoshi、Okada Masahiro、Nagaoka Noriyuki、Nakano Takayoshi、Matsumoto Takuya
    • Journal Title

      Tissue Engineering Part B: Reviews

      Volume: - Pages: 246-255

    • DOI

      10.1089/ten.teb.2020.0352

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    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Design and development of (Ti, Zr, Hf)-Al based medium entropy alloys and high entropy alloys2022

    • Author(s)
      Nagase Takeshi、Todai Mitsuharu、Wang Pan、Sun Shi-Hai、Nakano Takayoshi
    • Journal Title

      Materials Chemistry and Physics

      Volume: 276 Pages: 125409-125409

    • DOI

      10.1016/j.matchemphys.2021.125409

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  • [Journal Article] Single crystalline-like crystallographic texture formation of pure tungsten through laser powder bed fusion2022

    • Author(s)
      Todo Tsubasa、Ishimoto Takuya、Gokcekaya Ozkan、Oh Jongyeong、Nakano Takayoshi
    • Journal Title

      Scripta Materialia

      Volume: 206 Pages: 114252-114252

    • DOI

      10.1016/j.scriptamat.2021.114252

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    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Bone fragility via degradation of bone quality featured by collagen/apatite micro-arrangement in human rheumatic arthritis2022

    • Author(s)
      Ozasa Ryosuke、Matsugaki Aira、Ishimoto Takuya、Kamura Satoshi、Yoshida Hiroto、Magi Mayu、Matsumoto Yoshihiro、Sakuraba Koji、Fujimura Kenjiro、Miyahara Hisaaki、Nakano Takayoshi
    • Journal Title

      Bone

      Volume: 155 Pages: 116261-116261

    • DOI

      10.1016/j.bone.2021.116261

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  • [Journal Article] Ibandronate Suppresses Changes in Apatite Orientation and Young's Modulus Caused by Estrogen Deficiency in Rat Vertebrae2022

    • Author(s)
      Ishimoto Takuya、Saito Mitsuru、Ozasa Ryosuke、Matsumoto Yoshihiro、Nakano Takayoshi
    • Journal Title

      Calcified Tissue International

      Volume: in press

    • DOI

      10.1007/s00223-021-00940-2

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  • [Journal Article] Structural Characterization of Ion Nitrided 316L Austenitic Stainless Steel: Influence of Treatment Temperature and Time2022

    • Author(s)
      Gokcekaya Ozkan、Ergun Celaletdin、Gulmez Turgut、Nakano Takayoshi、Yilmaz Safak
    • Journal Title

      Metals

      Volume: 12 Pages: 306-306

    • DOI

      10.3390/met12020306

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  • [Journal Article] Periodontal Tissue as a Biomaterial for Hard-Tissue Regeneration following bmp-2 Gene Transfer2022

    • Author(s)
      Kawai Mariko Yamamoto、Ozasa Ryosuke、Ishimoto Takuya、Nakano Takayoshi、Yamamoto Hiromitsu、Kashiwagi Marina、Yamanaka Shigeki、Nakao Kazumasa、Maruyama Hiroki、Bessho Kazuhisa、Ohura Kiyoshi
    • Journal Title

      Materials

      Volume: 15 Pages: 993-993

    • DOI

      10.3390/ma15030993

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  • [Journal Article] Athermal ω Phase and Lattice Modulation in Binary Zr-Nb Alloys2022

    • Author(s)
      Todai Mitsuharu、Fukunaga Keisuke、Nakano Takayoshi
    • Journal Title

      Materials

      Volume: 15 Pages: 2318-2318

    • DOI

      10.3390/ma15062318

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  • [Journal Article] チタン含有ハイエントロピー合金の研究開発2022

    • Author(s)
      小笹良輔, 松垣あいら, 當代光陽, 石本卓也, 永瀬丈嗣, 中野貴由
    • Journal Title

      チタン

      Volume: 70 Pages: 44-53

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  • [Journal Article] 力が骨を強くする仕組み―配向性を指標とした新しい骨医療、新しい医療技術2022

    • Author(s)
      松垣あいら、中野貴由
    • Journal Title

      整形・災害外科

      Volume: in press

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  • [Journal Article] Design and development of Ti-Zr-Hf-Nb-Ta-Mo high-entropy alloys for metallic biomaterials2021

    • Author(s)
      Iijima Yuuka、Nagase Takeshi、Matsugaki Aira、Wang Pan、Ameyama Kei、Nakano Takayoshi
    • Journal Title

      Materials and Design

      Volume: 202 Pages: 109548-109548

    • DOI

      10.1016/j.matdes.2021.109548

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  • [Journal Article] Impaired Alignment of Bone Matrix Microstructure Associated with Disorganized Osteoblast Arrangement in Malignant Melanoma Metastasis2021

    • Author(s)
      Matsugaki Aira、Kimura Yumi、Watanabe Ryota、Nakamura Fumihito、Takehana Ryo、Nakano Takayoshi
    • Journal Title

      Biomolecules

      Volume: 11 Pages: 131-131

    • DOI

      10.3390/biom11020131

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  • [Journal Article] Fabrication of Be-Ta Ti Alloys without Pre-Alloyed Powders via SLM2021

    • Author(s)
      Todai Mitsuharu、Nagase Takeshi、Nakano Takayoshi
    • Journal Title

      Materials Science Forum

      Volume: 1016 Pages: 1797-1801

    • DOI

      10.4028/www.scientific.net/msf.1016.1797

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  • [Journal Article] Orientation dependence of the wear resistance in the Co-Cr-Mo single crystal2021

    • Author(s)
      T. Nakano, K. Hagihara, A.R. Ribeiro, Y. Fujiia, T. Todo, R. Fukushima, L. A. Rocha
    • Journal Title

      Wear

      Volume: in press Pages: 203758-203758

    • DOI

      10.1016/j.wear.2021.203758

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  • [Journal Article] Improving chemical durability of calcium phosphate invert glasses by Al2O3 addition2021

    • Author(s)
      李誠鎬、永田夫久江、加藤且也、中野貴由、春日敏宏
    • Journal Title

      無機マテリアル学会誌

      Volume: 28 Pages: 67-73

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  • [Journal Article] Structures and Dissolution Behaviors of Quaternary CaO-SrO-P2O5-TiO2 Glasses2021

    • Author(s)
      Lee Sungho、Nagata Fukue、Kato Katsuya、Nakano Takayoshi、Kasuga Toshihiro
    • Journal Title

      Materials

      Volume: 14 Pages: 1736-1736

    • DOI

      10.3390/ma14071736

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    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Quantitative Evaluation of Osteocyte Morphology and Bone Anisotropic Extracellular Matrix in Rat Femur2021

    • Author(s)
      Ishimoto Takuya、Kawahara Keita、Matsugaki Aira、Kamioka Hiroshi、Nakano Takayoshi
    • Journal Title

      Calcified Tissue International

      Volume: 109 Pages: 434-444

    • DOI

      10.1007/s00223-021-00852-1

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  • [Journal Article] Lattice distortion in selective laser melting (SLM)-manufactured unstable β-type Ti-15Mo-5Zr-3Al alloy analyzed by high-precision X-ray diffractometry2021

    • Author(s)
      Takase Aya、Ishimoto Takuya、Suganuma Ryoya、Nakano Takayoshi
    • Journal Title

      Scripta Materialia

      Volume: 201 Pages: 113953-113953

    • DOI

      10.1016/j.scriptamat.2021.113953

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  • [Journal Article] Stability of crystallographic texture in laser powder bed fusion: Understanding the competition of crystal growth using a single crystalline seed2021

    • Author(s)
      Ishimoto Takuya、Hagihara Koji、Hisamoto Kenta、Nakano Takayoshi
    • Journal Title

      Additive Manufacturing

      Volume: 43 Pages: 102004-102004

    • DOI

      10.1016/j.addma.2021.102004

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  • [Journal Article] Crystallographic texture- and grain boundary density-independent improvement of corrosion resistance in austenitic 316L stainless steel fabricated via laser powder bed fusion2021

    • Author(s)
      Tsutsumi Yusuke、Ishimoto Takuya、Oishi Tastuya、Manaka Tomoyo、Chen Peng、Ashida Maki、Doi Kotaro、Katayama Hideki、Hanawa Takao、Nakano Takayoshi
    • Journal Title

      Additive Manufacturing

      Volume: 45 Pages: 102066-102066

    • DOI

      10.1016/j.addma.2021.102066

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    • Author(s)
      Ozasa Ryosuke、Matsugaki Aira、Matsuzaka Tadaaki、Ishimoto Takuya、Yun Hui-Suk、Nakano Takayoshi
    • Journal Title

      International Journal of Molecular Sciences

      Volume: 22 Pages: 6232-6232

    • DOI

      10.3390/ijms22126232

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  • [Journal Article] Comparison of Phase Characteristics and Residual Stresses in Ti-6Al-4V Alloy Manufactured by Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) and Electron Beam Powder Bed Fusion (EB-PBF) Techniques2021

    • Author(s)
      Takase Aya、Ishimoto Takuya、Morita Naotaka、Ikeo Naoko、Nakano Takayoshi
    • Journal Title

      Crystals

      Volume: 11 Pages: 796-796

    • DOI

      10.3390/cryst11070796

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  • [Journal Article] レーザ粉末床溶融結合法により作製したTi-15Mo-5Zr-3Al合金試料における残留応力とスキャンストラテジーの関係2021

    • Author(s)
      高瀬文、石本卓也、中野貴由
    • Journal Title

      スマートプロセス学会誌

      Volume: 10 Pages: 235-239

    • NAID

      130008069943

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  • [Journal Article] 金属3Dプリンティングによる表面構造制御とそれに基づく幹細胞制御2021

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      松垣あいら、中村郁仁、竹花諒、藤當翼、福島涼、松坂匡晃、小笹良輔、石本卓也、宮部さやか、中野貴由
    • Journal Title

      スマートプロセス学会誌

      Volume: 10 Pages: 261-264

    • NAID

      130008069937

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      Volume: 10 Pages: 251-255

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      130008069947

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      天野宏紀、山口祐典、石本卓也、中野貴由
    • Journal Title

      スマートプロセス学会誌

      Volume: 10 Pages: 230-234

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      130008069945

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    • Author(s)
      Amano Hiroki、Yamaguchi Yusuke、Ishimoto Takuya、Nakano Takayoshi
    • Journal Title

      MATERIALS TRANSACTIONS

      Volume: 62 Issue: 8 Pages: 1225-1230

    • DOI

      10.2320/matertrans.mt-m2021059

      10.2320/matertrans.MT-M2021059

    • NAID

      130008067424

    • ISSN
      1345-9678, 1347-5320
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    • Author(s)
      Ishimoto Takuya、Kamioka Hiroshi、Nakano Takayoshi
    • Journal Title

      Calcified Tissue International

      Volume: 110 Pages: 144-145

    • DOI

      10.1007/s00223-021-00901-9

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    • Author(s)
      Ikeo Naoko、Fukuda Hidetsugu、Matsugaki Aira、Inoue Toru、Serizawa Ai、Matsuzaka Tadaaki、Ishimoto Takuya、Ozasa Ryosuke、Gokcekaya Ozkan、Nakano Takayoshi
    • Journal Title

      Crystals

      Volume: 11 Pages: 959-959

    • DOI

      10.3390/cryst11080959

    • NAID

      120007143550

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    • Author(s)
      Takase Aya、Ishimoto Takuya、Suganuma Ryoya、Nakano Takayoshi
    • Journal Title

      Additive Manufacturing

      Volume: 47 Pages: 102257-102257

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      10.3390/cryst11091074

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      Nagase Takeshi、Todai Mitsuharu、Nakano Takayoshi
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      Volume: 186 Pages: 242-246

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      10.1016/j.scriptamat.2020.05.033

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      Nagase Takeshi、Todai Mitsuharu、Nakano Takayoshi
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      Volume: 27 Pages: 61-63

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      Yohei Nakanishi, Aira Matsugaki, Kosuke Kawahara, Takafumi Ninomiya, Hiroshi Sawada, Takayoshi Nakano
    • Journal Title

      Biomaterials

      Volume: 209 Pages: 103-110

    • DOI

      10.1016/j.biomaterials.2019.04.016

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      Nagase Takeshi、Mizuuchi Kiyoshi、Nakano Takayoshi
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      Entropy

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      Ishimoto Takuya、Suetoshi Ryoichi、Cretin Dorian、Hagihara Koji、Hashimoto Jun、Kobayashi Akio、Nakano Takayoshi
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      Volume: 127 Pages: 82-90

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      10.1016/j.bone.2019.05.034

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      Hori Takao、Nagase Takeshi、Todai Mitsuharu、Matsugaki Aira、Nakano Takayoshi
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      Scripta Materialia

      Volume: 172 Pages: 83-87

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      10.1016/j.scriptamat.2019.07.011

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      MATERIALS TRANSACTIONS

      Volume: 60 Issue: 9 Pages: 1732-1732

    • DOI

      10.2320/matertrans.mpr2019906

      10.2320/matertrans.MPR2019906

    • NAID

      130007695388

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      Volume: 7 Pages: 1-10

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      MATERIALS TRANSACTIONS

      Volume: 60 Issue: 9 Pages: 1779-1784

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      10.2320/matertrans.me201914

      10.2320/matertrans.ME201914

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      130007695392

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      1345-9678, 1347-5320
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    • Journal Title

      MATERIALS TRANSACTIONS

      Volume: 60 Issue: 1 Pages: 144-148

    • DOI

      10.2320/matertrans.m2018329

      10.2320/matertrans.M2018329

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      130007549937

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      W. Kaita, K. Hagihara, L. A. Rocha, T. Nakano
    • Journal Title

      Scripta Materialia

      Volume: 142 Pages: 111-115

    • DOI

      10.1016/j.scriptamat.2017.08.016

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      Volume: 57 Pages: 607-607

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      Volume: 65 Issue: 2 Pages: 132-134

    • DOI

      10.2497/jjspm.65.132

    • NAID

      130006394016

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      Volume: 75 Issue: 2 Pages: 164-173

    • DOI

      10.1295/koron.2017-0077

    • NAID

      130006528522

    • ISSN
      0386-2186, 1881-5685
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      中野 貴由
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      Takayoshi Nakano
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  • [Presentation] 骨粗鬆症におけるコラーゲン/アパタイト配向性とヤング率の変化2019

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      小笹良輔、中野貴由
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Published: 2018-06-12   Modified: 2022-12-28  

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