| 研究課題/領域番号 |
20K20175
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| 研究機関 | 崇城大学 |
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研究代表者 |
中牟田 侑昌 崇城大学, 工学部, 助教 (30825766)
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| 研究期間 (年度) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| キーワード | 電力特性 / 力学特性 / 骨構造解析 / CT-FEA / インプラント設計 |
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| 研究実績の概要 |
本研究は，世界的に新規性が高い積層ハイドロゲル電池のさらなる高出力化，力学特性や生体適合性の解明を行い，その後，得られた指標から人工発電器官を有する新型インプラントの設計・開発システムの確立を行うことが目的である．令和3年度は，令和2年度の研究成果を踏まえつつ，積層ハイドロゲル電池の作製方法の改善，電力特性のさらなる高出力化，ゲルの力学特性の解明を行い，CT画像を利用したFEA(CT-FEA)による骨用インプラントの設計及び試作，骨芽細胞を用いた細胞培養実験を通して，試作した人工発電器官を有する骨用インプラントによる電気的刺激が細胞増殖や細胞外基質形成に及ぼす影響について検討した．
研究計画のもと研究を行った結果，ゲル電池の作製方法を改善したことで電力特性及び形状安定性の向上に成功した．先行研究よりも優れた電力特性が確認できており，生体電池としての有効性が示唆されている．また，ゲル電池に使用されている4種類のゲルに対して圧縮力学試験を行ったところ，厚さ5㎜の試料を4.5㎜まで圧縮しても破断には至らず，非常に良好な柔軟性や限界圧縮応力が示された．生体内に適用した際，力学的環境に対して優れた柔軟性を発揮し，破損する可能性も低いと考えられる．そして，骨構造解析ソフトウェアを用いて，骨用インプラントの設計や生体電池としてのゲル電池の適用方法について検討を行った．さらに３Dプリンタを用いて骨用インプラントを試作し，力学試験による力学特性の評価を行い，最後に骨芽細胞を用いた培養実験を実施し，電気的刺激が細胞増殖能に及ぼす影響について検討した．
上記のようにおおむね順調に研究活動を遂行できており，研究対象である積層ハイドロゲル電池の幅広い有効性が示されていると考える．令和4年度以降も引き続き研究活動を遂行しながら新型インプラントの設計・開発システムの確立を行う予定である．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
令和2年度においては，ゲル電池の作製に成功し，ゲル電池の構造と電力特性の関係性や力学特性を解明することができていた．しかし，ゲル電池を構成するゲルがゲル化の段階で形状が安定せず，電力特性や力学特性の面で課題が残る結果となっていた．そこで，令和3年度においては，当初の研究計画に基づき研究を進めつつ，並行してゲル電池の作製方法の改善に取り組んだ．その結果，ゲル電池を構成する4種類（高塩分，低塩分，陰イオン選択，陽イオン選択）のゲル全ての形状安定性が向上し，電力特性や力学特性の向上を実現した．先行研究よりも優れた電力特性が確認できており，また，厚さ5㎜の試料を4.5㎜まで圧縮しても破断に至らないという非常に良好な力学特性が示されている．そして，医療機関から患者さんのCT画像データを入手すると共に骨構造解析ソフトウェアであるMECHANICAL FINDERを用いて，3次元骨モデルによる有限要素解析を行い，骨用インプラントを設計，３Dプリンタを用いた骨用インプラントの試作，力学試験による力学特性の評価を行った．最後に，細胞培養実験も実施し，電気的刺激が骨芽細胞に及ぼす影響について評価している．得られた研究データは生体内に積層ハイドロゲル電池を応用する際に非常に有効であると考えられる．
令和2年度と同様にCOVID-19の影響により，一部の国際会議での研究成果の発表が行えなかったものの，国内会議において研究成果を発表することができており，研究内容について議論することができた．
このようにCOVID-19の影響はあったものの，令和2年度の研究で発見された課題を改善しつつ，当初の研究計画通りに令和3年度は研究活動を進行できており，進捗状況としては，おおむね順調に進展していると考える．
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| 今後の研究の推進方策 |
今後も引き続き，積層ハイドロゲル電池の高出力化や力学特性の解明，骨用インプラントの設計を行い，生体適合性について解明し，人工発電器官を有する骨用インプラントの開発を継続する予定である．
骨芽細胞を用いた細胞培養実験により，電気的刺激による細胞増殖能の向上等が示されているものの，ゲル電池の電力特性を向上させ，細胞増殖能といった生体適合性も共に向上させたいと考えている．そこで，現在研究しているハイドロキシアパタイトとβ-tcpで作製した担体に骨芽細胞を播種し，最長28日間の細胞培養実験を行い，ゲル電池の改良が骨形成に及ぼす影響について検討する．そして，圧縮力学特性だけでなく，曲げ試験や引張試験等も実施し，より詳細な力学特性を解明し，ゲル電池を有する骨用インプラントの生体内への適用方法について検討する．
また，得られた結果をもとに学会発表や論文発表，特許出願・取得を行い，動物実験や臨床応用を考慮した令和5年度以降の研究計画を立案し，研究費の申請や臨床応用について検討する予定である．
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| 次年度使用額が生じた理由 |
国内においては，国内会議における発表を行うことができており，遠隔議論による研究者間での意見交換等を実施し，情報収集体制の強化を図ることができた．しかし，COVID-19の影響により，参加予定であった国際会議が中止となり，予定していた参加費や旅費が支出できなかった．研究活動もおおむね当初の予定通り順調に進み，研究データに関しては予定以上に得られているため，研究期間を１年延長し，渡航が可能になった時点ですぐにでも研究成果の発表を積極的に実施し，研究者間での意見交換も実施していきたいと考えている．
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