生体微量金属元素としてのマグネシウムを用いた革新的な骨力学機能制御の実現

2012 年度 研究成果報告書

• 研究課題/領域番号: 23760669
• 研究種目: 若手研究(B)
• 配分区分: 基金
• 研究分野: 構造・機能材料
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 石本 卓也 大阪大学, 大学院・工学研究科, 助教 (50508835)
• 研究期間 (年度): 2011 – 2012
• キーワード: 生体微量金属元素 / マグネシウム / 骨質 / 生体アパタイト / 結晶学的配向性 / in vivo / in vitro

研究概要

in vivo(生体内:動物骨でのアパタイト形成挙動)、in vitro(試験管内:コラーゲン基板上へのアパタイト形成)実験系を確立し、生体微量金属元素としてのマグネシウムが、骨配向性に及ぼす影響を解明した。in vivoモデルでは、マグネシウム欠乏食投与・通常食投与再開に敏感に対応して骨長手に沿ったアパタイトc軸配向性が有意に低下・上昇した。一方、in vitroモデルでは、アパタイト形成の基板となるコラーゲン配列は一定であるにもかかわらず、溶液中マグネシウム濃度依存的に配向性が変化し、特定のマグネシウム濃度の場合に配向性は最大値を示した。このピーク値は正常な大腿骨での配向性値に匹敵した。生体微量金属元素は、コラーゲン線維方向とアパタイトc軸の一致度合すなわち、degree of epitaxy に影響することで最終的にアパタイト配向性を制御することが示唆された。以上より、骨配向性、力学機能制御に対する生体微量金属元素の有効性が示された。

研究成果

• [雑誌論文] Degree of biological apatite c-axis orientation rather than bone mineral density controls mechanical function in bone regenerated using rBMP-2 (2013)
  • 著者名/発表者名: T. Ishimoto, T. Nakano, Y. Umakoshi, M. Ymamoto, Y. Tabata
  • 雑誌名: Journal of Bone and Mineral Research 巻: Vol. 28 ページ: 1170-1179
  • 査読あり
• [雑誌論文] Quick recovery in preferential orientation of biological apatite and related mechanical function during bone regeneration by running exercise (2012)
  • 著者名/発表者名: T. Ishimoto, Y. Yoshida, T. Nakano
  • 雑誌名: Japanese Journal of Clinical Biomechanics 巻: Vol. 33 ページ: 47-54
  • 査読あり
• [雑誌論文] Regeneration of bone mass and bone quality around implant with grooves for aligning bone cells in rabbit hindlimb bones (2012)
  • 著者名/発表者名: T. Ishimoto, K. Kawata, T. Sakai, H. Yoshikawa, T. Nakano
  • 雑誌名: Materials Science Forum 巻: Vols. 706-709 ページ: 510-513
  • 査読あり
• [雑誌論文] Biomechanical evaluation of regenerating long bone by nanoindentation (2011)
  • 著者名/発表者名: T. Ishimoto, T. Nakano, M. Yamamoto, Y. Tabata
  • 雑誌名: Journal of Materials Science: Materials in Medicine 巻: Vol. 22 ページ: 969-976
  • 査読あり
• [雑誌論文] Competitive change in bone mass, bone density, and preferred orientation of biological apatite in unloaded rat femur by sciatic-neurectomy
  • 著者名/発表者名: J. Wang, T. Ishimoto, T. Nakano
  • 雑誌名: Materials Transactions 巻: (in press)
  • DOI: doi:10.2320/matertrans.ME201314
  • 査読あり
• [学会発表] ラット大腿骨の骨配向化・力学機能に対する Zn 欠損の影響 (2013)
  • 著者名/発表者名: 石本卓也, 大路博, 中野貴由
  • 学会等名: 日本金属学会 2013 年秋期(第152回)大会
  • 発表場所: 東京理科大学, 東京
  • 年月日: 20130327-29
• [学会発表] 長管骨欠損部の骨質再生に対する骨配向化組織の有効性 (2013)
  • 著者名/発表者名: 荻須宏幸, 石本卓也, 中野貴由
  • 学会等名: 日本金属学会 2013 年秋期(第152回)大会
  • 発表場所: 東京理科大学, 東京
  • 年月日: 20130327-29
• [学会発表] Effects of unloading by Sciatic-Neurectomy on the anisotropic nano-organization of biological apatite/collagen on growing rat femur (2013)
  • 著者名/発表者名: J. Wang, T. Ishimoto, T. Nakano
  • 学会等名: 日本金属学会2013 年秋期(第152回)大会
  • 発表場所: 東京理科大学, 東京
  • 年月日: 20130327-29
• [学会発表] ラット頭蓋骨欠損部再生過程における異方的な骨微細構造形成 (2012)
  • 著者名/発表者名: 田口大誠, 石本卓也, 中野貴由
  • 学会等名: 日本金属学会 2012 年秋期(第151回)大会
  • 発表場所: 愛媛大学, 松山
  • 年月日: 20120917-19
• [学会発表] 異方性基板材料を用いたin vivoでの再生骨配向化挙動 (2012)
  • 著者名/発表者名: 堀田宗孝, 松垣あいら, 石本卓也, 中野貴由, 礒部仁博, 佐久太郎
  • 学会等名: 日本金属学会 2012 年秋期(第151回)大会
  • 発表場所: 愛媛大学, 松山
  • 年月日: 20120917-19
• [学会発表] 骨生体アパタイトの配向化機構ならびに力学機能との相関解明 (2012)
  • 著者名/発表者名: 石本卓也
  • 学会等名: 日本金属学会2012 年秋期(第151回)大会
  • 発表場所: 愛媛大学, 松山
  • 年月日: 20120917-19
• [学会発表] Characterization of apatite deposited on organic substrates with and without preferential alignment (2012)
  • 著者名/発表者名: T. Ishimoto, T. Takeuchi, M. Akashi, J. Watanabe, T. Nakano
  • 学会等名: 9th World Biomaterials Congress
  • 発表場所: New Century International Exhibition and Convention Center, Chengdu, China
  • 年月日: 20120601-05
• [学会発表] Development of metallic scaffolds for bone replacement based on orientation degree of biological apatite c-axis in long bone (2012)
  • 著者名/発表者名: T. Nakano, T. Ishimoto, N. Ikeo, T. Matsumi, W. Fujitani
  • 学会等名: 9th World Biomaterials Congress
  • 発表場所: New Century International Exhibition and Convention Center, Chengdu, China
  • 年月日: 20120601-05
• [学会発表] 骨微細構造・力学機能に対する生体微量金属元素の影響 (2012)
  • 著者名/発表者名: 石本卓也, 大路博, 中野貴由
  • 学会等名: 日本バイオマテリアル学会第7回関西若手研究発表会
  • 発表場所: 甲南大学, 神戸
  • 年月日: 2012-08-02
• [学会発表] 生体機能を指向した骨再建法・バイオマテリアルの創製 (2012)
  • 著者名/発表者名: 石本卓也, 中野貴由
  • 学会等名: 日本鉄鋼協会・日本金属学会関西支部材料開発研究会平成 24 年度第2回研究会
  • 発表場所: 関西大学, 吹田
  • 年月日: 2012-07-21
• [学会発表] Competitive change in bone mass, bone density, and preferred orientation of biological apatite in unloaded rat femur by sciatic-neurectomy (2011)
  • 著者名/発表者名: J. Wang, T. Ishimoto, T. Nakano
  • 学会等名: International Symposium on Materials Science and Innovation for Sustainable Society (ECO-MATES 2011)
  • 発表場所: Hotel Hankyu Expopark, Suita, Japan
  • 年月日: 20111128-30
• [学会発表] 配列化コラーゲン基板を用いたアパタイト/コラーゲン配向化複合体の作製 (2011)
  • 著者名/発表者名: 堀田宗孝, 松垣あいら, 石本卓也, 中野貴由, 礒部仁博, 佐久太郎
  • 学会等名: 日本金属学会2011 年秋期(第149回)大会
  • 発表場所: 沖縄コンベンションセンター, 沖縄
  • 年月日: 20111107-09
• [学会発表] ラット大腿骨配向化に及ぼすマグネシウム欠乏の影響 (2011)
  • 著者名/発表者名: 城谷勇介, 石本卓也, 中野貴由, 田中敏宏
  • 学会等名: 日本金属学会 2011年秋期(第149回)大会
  • 発表場所: 沖縄コンベンションセンター, 沖縄
  • 年月日: 20111107-09
• [図書] Adavanced analysis and control of bone microstructure based on a materials scientific study including microbeam X-ray diffraction, Progress in Advanced Structural and Functional Materials Design (2012)
  • 著者名/発表者名: T. Nakano, T. Ishimoto, N. Ikeo, A. Matsugaki
  • 総ページ数: 155-167
  • 出版者: Springer
• [図書] Design of biomaterials for bone replacement based on parameters determining bone quality, Interface Oral Health Science 2011 (2012)
  • 著者名/発表者名: T. Nakano, T. Ishimoto
  • 総ページ数: 55-65
  • 出版者: Springer