生体組織の成長と変形に関するバイオメカニクスとその工学的応用

• 研究課題/領域番号: 01044009
• 研究種目: 国際学術研究
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 共同研究
• 研究機関: 北海道大学
• 研究代表者: 林 紘三郎 北海道大学, 応用電気研究所, 教授 (90026196)
• 研究分担者: WOO Savio Lー カリフォルニア大学, サンディエゴ校・整形外科, 教授 ; FUNG YuanーCh カリフォルニア大学, サンディエゴ校・応用力学・物理工学科, 教授 ; 田中 正夫 大阪大学, 基礎工学部, 助手 (40163571) ; 瀬口 靖幸 大阪大学, 基礎工学部, 教授 (20031073) ; 松本 健郎 北海道大学, 応用電気研究所, 助手 (30209639) ; 山本 憲隆 北海道大学, 応用電気研究所, 助手 (40210546) ; 但野 茂 北海道大学, 工学部, 講師 (50175444) ; 中村 孝夫 北海道大学, 応用電気研究所, 講師 (00142654) ; 石川 博將 北海道大学, 工学部, 教授 (80001212) ; FUNG Yuan-chen B Dept. Appl. Mech. Eng. Sci., Univ. of California, San Diego
• 研究期間 (年度): 1989 – 1990
• 研究課題ステータス: 完了 (1990年度)
• 配分額: 6,300千円 (直接経費: 6,300千円); 1990年度: 3,300千円 (直接経費: 3,300千円); 1989年度: 3,000千円 (直接経費: 3,000千円)
• キーワード: バイオメカニクス / 生体組織 / 生体制御 / 適応反応 / 最適設計 / 生体機能 / モデリング / シミュレ-ション

研究概要

バイオメカニクスとは、力学系学理に基づいて生体組織・器官の機能とその維持の機構を解析し、得られた知見を医学・生物学並びに工学等の諸問題の解決に応用する学問、研究領域である。本研究は、生体組織の力学的性質を正確に把握した後、力学的環境が生体機能の維持と制御、生体組織の成長と変形に及ぼす効果を明らかにして、生体の有する力学的合目的性と最適性を明らかにするとともに、得られた結果を構造物の最適設計や工学現象のシステム工学的解析などへの応用の可能性を探ることを目的とする。また、本研究を基盤として、国際的共同研究の方策を打ち立てることを目指す。
このような目的のために、カリフォルニァ大学、北海道大学、大阪大学において共同研究とその打ち合せを行なうとともに、カリフォルニァ大学では第1回バイオメカニクス世界会議に出席し、また大阪大学では日本機械学会第2回バイオメカニクスカンファレンスに、またサンフランシスコでは生体組織工学に関する日米シンポジウム参加し、研究調査と研究交流を行なった。さらに、この分野の研究活動が盛んなコロンビァ大学、ジュ-ジア工科大学、ベイラ-大学に関連研究者を訪問して、当該課題に関する最新の研究状況を調査した。
これらの研究活動により概ね次のような成果が得られた。
1.生体軟組織の構成法則の確立ーー非線形に大変形を呈する代表的生体軟組織である動脈壁、腱・靭帯 肺の力学的性質を定式化し、以下の研究に利用した。
2.血管壁の力学的制御現象の解明ーー人為的に作成した高血圧や動脈硬化のような病的擾乱が血管壁の形態、構造、弾性に及ぼす影響を調べ、これらの外乱に対して血管壁は迅速に径や厚さなどの形態を変え、常に応力を一定にする方法で適応制御することを実証した。また、弾性などの物性は、形態調節にやや遅れて適応変化することを明らかにした。
3.心室・心筋の力学的反応の解析ーー正常心臓に並列して(補助)人工心臓を移植して生体心臓にかかる負荷を長期間にわたって軽減させたところ、心臓のなす仕事量の低減に応じて心筋細胞が縮小することを明らかにした。
4.靭帯・腱の力学的適応制御と再構築の現象の解析ーー膝蓋腱の負荷を完全に除去すると、短期間でその力学的強度が著しく低下する現象を、また一方では、過負荷の状態にさらすとこのような変化は現われないことを見いだした。さらに、このような力学的環境の変化に対応して、組織の断面積が大きく変化し、正常な強度を保証せんとする反応が生ずることを明らかにした。
5.肺ー気道系のモデリングとシステム工学的解析ーー肺・気道系内のガス輸送、肺の膨張・収縮変形、肺胞壁の表面張力、肺胞・血液間のガス交換等を考慮した連成換気モデルを構築し、肺呼吸のシミュレ-ションに成功した。
6.脊椎の応力解析ーー脊椎の応力・ひずみ解析のための有限要素法を開発し、疾患や変形を受けた腰椎の解析、脊柱の安定性と保持性再建に利用されている脊椎固定器具の効果の検討、人工脊椎の設計と開発などに応用し、臨床的に有用な資料を得ることが出来た。
7.工学的利用の可能性の検討ーー生体組織の力学的適応反応の機能を模擬した成長変形法や成長ひずみ法などの構造設計法やシステム解析法の開発が可能であることが明らかになった。また、材料ー流れーガス・物質交換が組合わさった生体の複雑システムにおける連成問題を取り扱う手法は、これに類する工学的諸問題の解決に利用できることが示唆された。
8.国際的研究協力システムの確立ーー研究調査と研究交流のために参加したカリフォルニア大学で開催の第1回バイオメカニクス世界会議に於いて、本課題の研究者が中心となり、世界20カ国からの42委員で構成される世界バイオメカニクス委員会を発足させ、分担研究者のFungが委員長に、代表研究者の林が事務局長に、また分担研究者のWooが委員に任命され、なお一層の国際的研究協力と共同研究を推進することにした。

研究成果

• [文献書誌] K.Hayashi: "Biomechanical approach to the design of vascular prostheses" Tissue Engineering ー 1989. 5-10 (1989)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] N.Yamamoto: "Effects of stress Shielding on the mechanical properties ofpatellar tendon" Tissue Engineering ー 1989. 103-106 (1989)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] T.Nakamura: "Effect of longーterm pumping of cardiac assist device on the left ventricular mechanics (In the case of normal heart)" Artificial Organs.
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] N.Yamamoto: "Mechanical properties of the rabbit patellar tendon" ASME,Journal of Biomechanical Engineering.
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] N.Yamamoto: "Effects of stress shielding on the mechanical properties of rabbit patellar tendon" ASME,Journal of Mechanical Engineering.
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] K.Ohno: "Effects of stress shielding on the mechanical properties of normal and in situ frozen patellar tendon" Proc.37th Ann.Meet.Orth.Res.Soc.(1991)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] S.Tadano: "A finite element model on whole Iumber spine in flexion" Tissue Engineering ー 1989. 71-74 (1989)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] 但野 茂: "全腰つい(椎)の前方屈曲シミュレ-ション" 日本機械学会論文集. 56. 1885-1892 (1990)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] 但野 茂: "生体内椎間板矢状面に生じるひずみ分布" 日本機械学会論文集.
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] Y.Seguchi: "Preliminar study on adaptation by remodeling" Tissue Engineering ー 1989. 75-78 (1989)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] M.Tanaka: "A note on the ACL deformation under tensile loading along ligament and/or tibia direction" Tissue Engineering ー 1989. 115-118 (1989)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] S.Wada: "Simulation of breathing and ventilation combined with body circulation" 1990 Advances in Engineering. 67-70 (1990)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] S.Wada: "Breathingーventilation model,and simulation of highーfrequency ventilation" JSME International Journal. 34. 98-105 (1991)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] Y.C.Fung: "The future of biomechanics" 第2回バイオメカニクスカンファレンス講演論文集. 3 (1991)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] S.LーY.Woo: "Biomechanical evaluation of human anterior cruciate ligament" 第2回バイオメカニクスカンファレンス講演論文集. 1-2 (1991)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] K. Hayashi: "Biomechanical approach to the design of vascular prostheses" Tissue Engineering - 1989. 5-10 (1989)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] N. Yamamoto, K. Ohno, H. Kuriyama, K. Yasuda, K. Hayashi and K. Kaneda: "Effects of stress shielding on the mechanical properties of patellar tendon" Tissue Engineering - 1989. 103-106 (1989)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] T. Nakamura, K. hayashi, J. Seki, S. Fukuda, H. Noda, T. Nakatani, H. Takano and T. Akutsu: "Effects of long-term pumping of cardiac assist device on the left ventricular mechanics (In the case of normal heart)" Artificial Organs.
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] N. Yamamoto, K. Ohno, K. Hayashi, H. Kuriyama, K. Yasuda and K. Kaneda: "Mechanical properties of the rabbit patellar tendon" ASME, Journal of Biomechanical Engineering.
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] N. Yamamoto, K. Ohno, K. Hayashi, H. Kuriyama, K. Yasuda and K. Kaneda: "Effects of stress shielding on the mechanical properties of rabbit patellar tendon" ASME, Journal of Biomechanical Engineering.
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] K. Ohno, K. Yasuda, N. Yamamoto and K. Hayashi: "Effects of stress shielding on the mechanical properties of normal and in situ frozen patellar tendon" Proc. 37th Ann. Meet. Ortopaedic Research Society. (1991)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] S. Tadanao, H. Ishikawa, I. Yamamoto and K. Kaneda: "A finite element model on whole lumbar spine in flexion" Tissue Engineering - 1989. 71-74 (1989)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] S. Tadano, H. Ishikawa, I. Yamamoto and K. Kaneda: "Computational simulation of the whole lumbar spine under flexion" Trans. Jap. Soc. Mech. Eng.56. 1885-1892 (1990)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] S. Tadano, H. Ishikawa, M. Itoh and K. Kaneda: "Strain distribution on the sagittal plane of an intervertebral disc" Trans. Jap. Soc. Mech. Eng.
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] Y. Seguchi: "Preliminary study on adaptation by remodeling" Tissue Engineering - 1989. 75-78 (1989)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] M. Tanaka, Y. Seguchi, T. Mizutani and M. Inoue: "A note on the ACL deformation under tensile loading along ligament and/or tibia direction" Tissue Engineering - 1989. 115-118 (1989)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] S. Wada, Y. Seguchi and M. Tanaka: "Simulation of breathing and ventilation combined with body circulation" 1990 Advances in Bioengineering. 67-70 (1990)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] S. Wada, Y. Seguchi and M. Tanaka: "Breathing-ventilation model, and simulation of high-frequency ventilation" JSME International Journal. 34. 98-105 (1991)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] Y. C. Fung: "The future of biomechanics" Proc. 2nd JSME Conference on Biomechanics. 3 (1991)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] S. L-Y. Woo: "Biomechanical evaluation of human anterior cruciate ligament" Proc. 2nd JSME Conference on Biomechanics. 1-2 (1991)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より