異方性の材料科学に基づく骨配向化誘導

2010 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 21676006
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 中野 貴由 大阪大学, 工学研究科, 教授 (30243182)
• キーワード: 異方性 / 骨質 / すべり線 / 配向化材料 / 骨芽細胞 / 材料学的アプローチ / 構造材料 / 石灰化

研究概要

「骨配向性誘導」をキーワードに高機能化バイオマテリアルの開発、ならびに細胞培養実験、動物内埋入実験による新生骨誘導能、組織内での細胞配列、配向性定量などを、pQCT、DEXA、μCT、微小領域X線回折法、ナノインデンテーション法をはじめとする材料工学的手法を駆使することで研究を遂行し、骨配向化誘導のための新規概念からなるバイオマテリアルの開発を推進した。主応力ベクトルと表面溝切方向に関する力学シミュレーションを実施し、最適な溝方位を決定するとともに、インプラントの弾性率が低くなるほど、主応力ベクトルの大きさが大きくなることを示した。こうした計算に基づき、実際の新生骨の配向性が溝方向と一致することを確認するとともに、細胞遊走も配向性を決定する支配因子であることを突き止めた。同時に応力に依存しない配向化材料の開発を進め、非公開の材料を用い、石灰化することにより、骨類似配向化材料の作製に成功するとともに、配向化のための最適条件を決定した。足場材料の制御の観点からは、Ti単結晶のすべり線を利用することで、骨芽細胞の配向化を促すことに成功し、一定以上(非公開)の塑性ひずみ量が、細胞配向化に有効であることを証明した。以上の結果に基づき、アパタイト配向化を可能とする手法を骨系細胞の役割に留意しつつ系統的に解明するとともに、骨配向化バイオマテリアルの開発への基礎的指針を示した。
これまで2年間の研究結果に基づき、さらに発展させた研究プログラムとして、「骨微細構造から学ぶ骨生体材料学の構築と骨配向化制御」という題目で、最先端・次世代研究開発支援プログラム」に採択されたことから、生物生体組織学的視点と人工生体組織学的視点を融合的にとらえ、骨配向化の制御を可能とすることを今後の課題とする。

研究成果

• [雑誌論文] Formation of new bone with preferentially oriented biological apatite crystals using a novel cylindrical implant containing anisotropic open pores fabricated by the electron beam melting (EBM) method (2011)
  • 著者名/発表者名: T.Nakano, et al.
  • 雑誌名: ISIJ International 巻: Vol.51 ページ: 262-268
  • 査読あり
• [雑誌論文] Plastic Deformation Behavior of Mg_<12>ZnY LPSO-Phase with 14H-Typed Structure (2011)
  • 著者名/発表者名: T.Nakano, et al.
  • 雑誌名: Materials Transactions 巻: Vol.52[6](in press)
  • 査読あり
• [雑誌論文] Fracture behavior and toughness of NbSi_2-based single-crystals and MoSi_2 (C11_b)/NbSi_2(C40) duplex crystals with a single set of lamellae (2011)
  • 著者名/発表者名: T.Nakano, et al.
  • 雑誌名: Acta Materialia 巻: doi:10.1016/j-actamat.2011.03.040(in press)
  • 査読あり
• [雑誌論文] Biomechanical Evaluation of Regenerated Long Bone by Nanoindentation (2011)
  • 著者名/発表者名: T.Nakano, et al.
  • 雑誌名: Journal of Materials Science : in Medicine 巻: doi:10.1007/s10856-011-4266-y(in press)
  • 査読あり
• [雑誌論文] Cell-based fabrication of organic/inorganic composite gel material (2011)
  • 著者名/発表者名: T.Nakano, et al.
  • 雑誌名: Materials 巻: doi:10.3390/ma4010327(in press)
  • 査読あり
• [雑誌論文] Effects of Cr-addition and lamellar microstructure on the oxidation behavior of single crystal (Mo_<0.85>Nb_<0.15>)Si_2 (2011)
  • 著者名/発表者名: T.Nakano, et al.
  • 雑誌名: Journal of Alloys of compounds 巻: Vol.509 ページ: 1511-1516
  • 査読あり
• [雑誌論文] Evaluation and control of crystallographic alignment of biological apatite crystallites in bones (2010)
  • 著者名/発表者名: T.Nakano, et al.
  • 雑誌名: Materials Science Forum 巻: Vols.654-656 ページ: 2212-2215
  • 査読あり
• [雑誌論文] 電子ビーム積層造形法により形成された新規指向性ポーラス型インプラントによる骨配向化誘導 (2010)
  • 著者名/発表者名: 中野貴由, 他
  • 雑誌名: 鉄と鋼 巻: Vol.96 ページ: 572-578
  • 査読あり
• [雑誌論文] Monte Carlo Simulation of Antiphase Boundaries and Growth of Antiphase Domains in Al_5Ti_3 Phase in Al-rich γ-TiAl Intermetallics (2010)
  • 著者名/発表者名: T.Nakano, et al.
  • 雑誌名: Philosophical Magazine 巻: (in press)
  • 査読あり
• [雑誌論文] Reduction in densification temperature by TiB_2 addition during sintering of oxides (2010)
  • 著者名/発表者名: T.Nakano, et al.
  • 雑誌名: Journal of Physics : Conference Series 巻: Vol.232 ページ: No.012006
  • 査読あり
• [雑誌論文] Low Young's modulus of Ti-Nb-Ta-Zr alloys caused by softening in shear moduli c' and c_<44> near lower limit of body-centered cubic phase stability (2010)
  • 著者名/発表者名: T.Nakano, et al.
  • 雑誌名: Acta Materialia 巻: Vol.58 ページ: 6790-6798
  • 査読あり
• [雑誌論文] Formation and development of C40/C11_b lamellar structure in NbSi_2/MoSi_2 crystals (2010)
  • 著者名/発表者名: T.Nakano, et al.
  • 雑誌名: Intermetallics 巻: Vol.58[12] ページ: 2328-2332
  • 査読あり
• [雑誌論文] Efficacy of polyphasic calcium phosphates as a direct pulp capping material (2010)
  • 著者名/発表者名: T.Nakano, et al.
  • 雑誌名: Journal of Dentistry 巻: Vol.38 ページ: 828-837
  • 査読あり
• [雑誌論文] Synthesis of Hydroxyapatite Containing Manganese and Its Evaluation of Biocompatibility (2010)
  • 著者名/発表者名: T.Nakano, et al.
  • 雑誌名: Nano Bio Medicine 巻: Vol.2[1] ページ: 37-46
  • 査読あり
• [雑誌論文] 良好な曲げ延性を有するベータチタンタイプTi-Nb-Ta-Zr(TNTZ)溶融抽出紡糸ワイヤーの構造と機械的性質 (2010)
  • 著者名/発表者名: 中野貴由, 他
  • 雑誌名: 日本金属学会誌 巻: Vol.84[8] ページ: 515-519
  • 査読あり
• [雑誌論文] Effect of Calcium Ion Concentrations on Osteogenic Differentiation and Hematopoietic Stem Cell Niche-related Protein Expressions in Osteoblasts (2010)
  • 著者名/発表者名: T.Nakano, et al.
  • 雑誌名: Tissue Engineering 巻: Vol.16[8] ページ: 2467-2473
  • 査読あり
• [雑誌論文] Changes in bone quality and quantity in recombinant human macrophage colony-stimulating factor-treated osteopetrotic (op/op) mice (2010)
  • 著者名/発表者名: T.Nakano, et al.
  • 雑誌名: Materials Science Forum 巻: Vol.654-656 ページ: 2249-2252
  • 査読あり
• [雑誌論文] Quantity and Quality of Regenerated Bone in Grooves Aligned at Different Angles from the Implant Surface (2010)
  • 著者名/発表者名: T.Nakano, et al.
  • 雑誌名: Materials Science Forum 巻: Vol.654-656 ページ: 2241-2244
  • 査読あり
• [雑誌論文] Change in biological apatite orientation in beagle mandible (2010)
  • 著者名/発表者名: T.Nakano, et al.
  • 雑誌名: Materials Science Forum 巻: Vol.654-656 ページ: 2216-2219
  • 査読あり
• [雑誌論文] Evaluation of mechanical properties of regenerated bone by nanoindentation technique (2010)
  • 著者名/発表者名: T.Nakano, et al.
  • 雑誌名: Materials Science Forum 巻: Vol.654-656 ページ: 2220-2224
  • 査読あり
• [雑誌論文] In vitro engineering of transitional tissue of patterning and functional control of cells in fibrin gel (2010)
  • 著者名/発表者名: T.Nakano, et al.
  • 雑誌名: Soft Matter 巻: Vol.6 ページ: 1162-1167
  • 査読あり
• [雑誌論文] Improvement of aligned lamellar structure by Cr-addition to NbSi_2/MoSi_2 duplex-silicide crystals (2010)
  • 著者名/発表者名: T.Nakano, et al.
  • 雑誌名: Scripta Materialia 巻: Vol.62[8] ページ: 613-616
  • 査読あり
• [学会発表] Design of biomaterials for bone replacement from the perspective of bone quality parameter (2011)
  • 著者名/発表者名: 中野貴由
  • 学会等名: 第4回口腔健康科学国際シンポジウム(4th IOHS)
  • 発表場所: ホテル仙台プラザ(宮城県仙台市)
  • 年月日: 2011-03-08
• [学会発表] 生分解性金属材料 (2010)
  • 著者名/発表者名: 中野貴由
  • 学会等名: 第32回日本バイオマテリアル学会大会
  • 発表場所: グランドプリンスホテル広島(広島県広島市)
  • 年月日: 2010-11-30
• [学会発表] Biomaterials Design based on anisotropic bone tissues (2010)
  • 著者名/発表者名: T.Nakano
  • 学会等名: 10^<th> International Symposium on Biomaterials
  • 発表場所: Kyungpook National University
  • 年月日: 2010-11-26
• [学会発表] 骨質としてのHap配向性を考慮したインプラントの設計 (2010)
  • 著者名/発表者名: 中野貴由, 他
  • 学会等名: 粉体粉末冶金協会秋期講演大会
  • 発表場所: 京都大学(京都府京都市)
  • 年月日: 2010-11-11
• [学会発表] 骨質としてのHap配向性を考慮したインプラントの設計 (2010)
  • 著者名/発表者名: 中野貴由
  • 学会等名: 第37回日本臨床バイオメカニクス学会
  • 発表場所: 国立京都国際会館(京都府京都市)
  • 年月日: 2010-11-02
• [学会発表] 放電プラズマ焼結法によるアパタイト焼結体の高配向化機構の検討 (2010)
  • 著者名/発表者名: 中野貴由, 他
  • 学会等名: 2010年日本金属学会秋期講演大会
  • 発表場所: 北海道大学(北海道札幌市)
  • 年月日: 2010-09-27
• [学会発表] 電子ビーム造形法による構造体の力学特性の電子ビーム走査速度依存性 (2010)
  • 著者名/発表者名: 中野貴由, 他
  • 学会等名: 2010年日本金属学会秋期講演大会
  • 発表場所: 北海道大学(北海道札幌市)
  • 年月日: 2010-09-27
• [学会発表] コラーゲン基板上での骨芽細胞による石灰化挙動 (2010)
  • 著者名/発表者名: 中野貴由, 他
  • 学会等名: 2010年日本金属学会秋期講演大会
  • 発表場所: 北海道大学(北海道札幌市)
  • 年月日: 2010-09-27
• [学会発表] すべり線導入により表面段差を制御したTi単結晶基板上での細胞配向化制御 (2010)
  • 著者名/発表者名: 中野貴由, 他
  • 学会等名: 2010年日本金属学会秋期講演大会
  • 発表場所: 北海道大学(北海道札幌市)
  • 年月日: 2010-09-27
• [学会発表] 電子ビーム造形法による生体機能化チタン基インプラント用材料の作製 (2010)
  • 著者名/発表者名: 中野貴由, 他
  • 学会等名: 2010年日本金属学会秋期講演大会 日本鉄鋼協会との共同セッション
  • 発表場所: 北海道大学(北海道札幌市)
  • 年月日: 2010-09-27
• [学会発表] in vivo応力分布を制御する人工股関節の力学シミュレーション (2010)
  • 著者名/発表者名: 中野貴由, 他
  • 学会等名: 2010年日本金属学会秋期講演大会
  • 発表場所: 北海道大学(北海道札幌市)
  • 年月日: 2010-09-26
• [学会発表] c-srcノックアウトマウスを用いた骨配向化に対する破骨細胞の影響 (2010)
  • 著者名/発表者名: 中野貴由, 他
  • 学会等名: 2010年日本金属学会秋期講演大会
  • 発表場所: 北海道大学(北海道札幌市)
  • 年月日: 2010-09-26
• [学会発表] rhM-CSF投与に伴う大理石骨病(op/op)マウス下顎骨の骨量・骨質の変化 (2010)
  • 著者名/発表者名: 中野貴由, 他
  • 学会等名: 2010年日本金属学会秋期講演大会
  • 発表場所: 北海道大学(北海道札幌市)
  • 年月日: 2010-09-26
• [学会発表] 卵巣摘出ラットの骨再生過程における生体アパタイト配向化 (2010)
  • 著者名/発表者名: 中野貴由, 他
  • 学会等名: 2010年日本金属学会秋期講演大会
  • 発表場所: 北海道大学(北海道札幌市)
  • 年月日: 2010-09-26
• [学会発表] 頭蓋骨における生体アパタイト配向化の部位依存性 (2010)
  • 著者名/発表者名: 中野貴由, 他
  • 学会等名: 2010年日本金属学会秋期講演大会
  • 発表場所: 北海道大学(北海道札幌市)
  • 年月日: 2010-09-26
• [学会発表] マウス頭蓋骨の生体アパタイト配向性に及ぼすM-CSFの有無の影響 (2010)
  • 著者名/発表者名: 中野貴由, 他
  • 学会等名: 2010年日本金属学会秋期講演大会
  • 発表場所: 北海道大学(北海道札幌市)
  • 年月日: 2010-09-26
• [学会発表] 強加工を施したTi-Nb-Ta-Zr-O合金の弾性異方性 (2010)
  • 著者名/発表者名: 中野貴由, 他
  • 学会等名: 2010年日本金属学会秋期講演大会
  • 発表場所: 北海道大学(北海道札幌市)
  • 年月日: 2010-09-25
• [学会発表] 骨再建デバイス用金属系バイオマテリアルの力学的生体機能化 (2010)
  • 著者名/発表者名: 中野貴由, 他
  • 学会等名: 日本機械学会2010年度年次大会
  • 発表場所: 名古屋工業大学(愛知県名古屋市)
  • 年月日: 2010-09-06
• [学会発表] 骨機能再建のための骨質評価とインプラント設計 (2010)
  • 著者名/発表者名: 中野貴由
  • 学会等名: 東北大学金属材料研究所共同研究ワークショップ・日本バイオマテリアル学会東北地域講演会
  • 発表場所: 東北大学(宮城県仙台市)
  • 年月日: 2010-08-31
• [学会発表] Changes in bone quality and quantity in rhM-CSF-treated Osteopetrotic(op/op) Mice (2010)
  • 著者名/発表者名: T.Nakano, et al.
  • 学会等名: The 7^<th> Pacific Rim International Conference on Advanced Materials and Processing (PRICM7)
  • 発表場所: Cairns, Australia
  • 年月日: 2010-08-05
• [学会発表] Evaluation of mechanical properties of regenerated bone by nanoindentation technique (2010)
  • 著者名/発表者名: T.Nakano, et al.
  • 学会等名: The 7^<th> Pacific Rim International Conference on Advanced Materials and Processing (PRICM7)
  • 発表場所: Cairns, Australia
  • 年月日: 2010-08-05
• [学会発表] Quantity and quality of regenerated bone in grooves aligned at different angles from implant surface (2010)
  • 著者名/発表者名: T.Nakano, et al.
  • 学会等名: The 7^<th> Pacific Rim International Conference on Advanced Materials and Processing (PRICM7)
  • 発表場所: Cairns, Australia
  • 年月日: 2010-08-05
• [学会発表] Change in biological apatite orientation in beagle mandible (2010)
  • 著者名/発表者名: T.Nakano, et al.
  • 学会等名: The 7^<th> Pacific Rim International Conference on Advanced Materials and Processing (PRICM7)
  • 発表場所: Cairns, Australia
  • 年月日: 2010-08-05
• [学会発表] マルチスケールに応用解析による椎体海綿骨のモルフォロジー分析 (2010)
  • 著者名/発表者名: 中野貴由, 他
  • 学会等名: 第15回計算工学講演会
  • 発表場所: 九州大学(福岡県福岡市)
  • 年月日: 2010-05-26
• [学会発表] チタンを含む金属積層基板上での骨芽細胞様細胞の基板選択および配向化制御 (2010)
  • 著者名/発表者名: 中野貴由, 他
  • 学会等名: 第118回軽金属学会春期大会
  • 発表場所: 関西大学(大阪府吹田市)
  • 年月日: 2010-05-23
• [学会発表] 生体用チタン合金単結晶の塑性挙動の解明 (2010)
  • 著者名/発表者名: 中野貴由, 他
  • 学会等名: 第118回軽金属学会春期大会
  • 発表場所: 関西大学(大阪府吹田市)
  • 年月日: 2010-05-23
• [学会発表] ラット頭蓋骨における骨成長にともなう生体アパタイト配向化 (2010)
  • 著者名/発表者名: 中野貴由, 他
  • 学会等名: 第30回日本骨形態計測学会
  • 発表場所: 米子コンベンションセンター(鳥取県米子市)
  • 年月日: 2010-05-14
• [学会発表] 日本人下顎骨前歯部における生体アパタイト結晶の配向性 (2010)
  • 著者名/発表者名: 中野貴由, 他
  • 学会等名: 第30回日本骨形態計測学会
  • 発表場所: 米子コンベンションセンター(鳥取県米子市)
  • 年月日: 2010-05-14
• [図書] バイオマテリアルの基礎(バイオマテリアル学会監修) (2011)
  • 著者名/発表者名: 中野貴由(共著)
  • 総ページ数: 27-41
  • 出版者: 日本医学館
• [図書] 阪大ナノサイエンスワールド2010 (2010)
  • 著者名/発表者名: 中野貴由(共著)
  • 総ページ数: 92-93
  • 出版者: 大阪大学ナノサイエンス・ナノテクノロジー研究推進機構企画推進室
• [図書] Advances in Bioceramics and Porous Ceramics III (2010)
  • 著者名/発表者名: T.Nakano(collecting written)
  • 総ページ数: 57-62
  • 出版者: WILEY
• [備考]
  • URL: http://www.mat.eng.osaka-u.ac.jp/msp6/MSP6-HomeJ.htm
• [産業財産権] コラーゲン/アパタイト配向性材料、及びコラーゲン/アパタイト配向性材料の製造方法 (2010)
  • 発明者名: 中野貴由, ら
  • 権利者名: 中野貴由, 松垣あいら, 石本卓也, 佐久太郎, 磯部仁博
  • 産業財産権番号: 特願2010-211598
  • 出願年月日: 2010-09-22