生体骨組織に内在するリモデリング応力のX線測定に関する研究

2002 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 12480254
• 研究機関: 北海道大学
• 研究代表者: 但野 茂 北海道大学, 大学院・工学研究科, 教授 (50175444)
• 研究分担者: 佐々木 直樹 北海道大学, 大学院・理学研究科, 助教授 (40142202)
• キーワード: バイオメカニクス / 骨構造 / リモデリング / 皮質骨 / X線測定 / 残留応力

研究概要

・微視的骨構造解析:ウシ大腿骨から切出した皮質骨試験片を用いて、骨内ハイドロキシアパタイトのX線極点図を測定し、結晶配向性を評価した.そして、ハイドロキシアパタイト結晶配向性と巨視的異方性弾性定数の関連性を解析的に検討した.
・皮質骨異方性特性:引張試験と曲げ試験により皮質骨の応力-ひずみ関係を測定し、巨視的な異方性弾性率を検討した.これには、有機成分のコラーゲンと無機成分のハイドロキシアパタイトからなる複合材料で、オステオンを繊維とした一軸繊維強化材料となる。これら巨視的に測定した弾性率を用いて、有限要素法による数値解析で皮質骨の微視的構造との関連性を検討した。これにより、異方性度、ハイドロキシアパタイトとコラーゲンの体積/質量分率、巨視的各方向弾性率、ポアソン比、等が推定できた。
・X線回折による生体骨内結晶ひずみの精度確認:生体骨を4点曲げ試験装置によって変形させ、その際に生じた巨視的ひずみとX線測定によって得られる微視的格子ひずみの関係を求めた.その際、結晶性の低い骨組織内ハイドロキシアパタイトの格子ひずみを精度良く測定可能な新たな手法を提案した。これは、回折強度ピーク位置のみを利用して回折角を算出する従来方法に対し回折強度波形全体から回折角(ひずみ)を算出する方法である。これにより、飛躍的に測定精度が向上し、皮質骨の異方性をX線測定で議論可能となった。
・上記の成果を取りまとめ、骨組織異方性リモデリング応力の測定法を提案し、今後の課題を整理した.

研究成果

• [文献書誌] J.Shibano: "Residual Stress in Hydroxyapatite by X-ray Diffraction Method"Proceedings of Joint Symposium on Mechanics of New Materials. 13-14 (2003)
• [文献書誌] K.Fujisaki: "Lattice Strain Measurements of HAp Crystals in Bovine Cortical Bone"Proceedings of Joint Symposium on Mechanics of New Materials. 7-8 (2003)
• [文献書誌] S.Tadano: "Biomechanical Approach to Bone Remodeling-simulation and Experiments-"Proceedings of Joint Symposium on Mechanics of New Materials. 3-4 (2003)
• [文献書誌] K.Fujisaki: "Lattice Strain of HAp Crystals in Bone Tissue Dsing X-ray Diffraction Method"Proceedings of International Congress on Biological and Medical Engineering, CD-ROM. (CD-ROM). (2002)
• [文献書誌] J.Shibano: "Residual Stress in HAp Coated Titanium Implant by x-ray Diffraction Method"Proceedings of International Congress on Biological and Medical Engineering, CD-ROM. (CD-ROM). (2002)
• [文献書誌] S.Tadano: "Residual Stress Measurements in Bone Tissue Dsing x-ray Diffraction"ASME International, Proceedings of ESDA 2002. (CD-ROM). (2002)