2003 Fiscal Year Annual Research Report
軟骨組織のマイクロ・ナノ構造における軟骨細胞・周囲組織のメカニクス解明
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15086212
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
村上 輝夫 九州大学, 大学院・工学研究院, 教授 (90091347)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
坂井 伸朗 九州大学, 大学院・工学研究院, 助手 (60346814)
中嶋 和弘 九州大学, 大学院・工学研究院, 助手 (70315109)
澤江 義則 九州大学, 大学院・工学研究院, 助教授 (10284530)
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| Keywords | 関節軟骨 / マイクロ・ナノバイオメカニクス / 軟骨細胞 / 細胞外マトリックス / 力学刺激 |
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| Research Abstract |
変形性関節症等の発症の事前防止策の提案や再生軟骨の機能向上をめざして,軟骨細胞と細胞外マトリックスの相互関係に着目しながら軟骨組織としてのマクロレベルの解析と細胞を対象としたミクロレベルの解析とを対照実験とともに並行的に実施した.走査型共焦点レーザ顕微鏡蛍光計測により軟骨内部の軟骨細胞の3次元画像を再構成して,固液二相性理論に基づく有限要素解析を行った.とくに負荷後の軟骨内部液体の流動にともなう応力・ひずみ状態の経時的変化に着目した数値解析と蛍光可視化実測実験を行い,力学モデル化を提案し,非線形性を考慮しながら実態に迫りつつある.なお,軟骨の弾性率については,原子間力顕微鏡による押込み試験により,各種の軟骨試料について評価を行った.
また,サブミクロンオーダの位置精度と歩行周期レベルの高速荷重パターンを再現しうる共焦点レーザ顕微鏡据付型マイクロ力学試験機を開発した.本試験機により,生体内のダイナミックな力学環境を再現しながら内部構造を同時観察をすることが可能となり,応力のひずみ速度依存性や経時的ひずみ挙動の観察が可能となった.新規購入したレーザ光ピンセットマニピュレーションシステムでは,細胞への力学的操作を試みている.
また,軟骨細胞を3次元培養したアガロースゲル内に歩行時の下肢関節軟骨内部と同様の力学環境を再現するため,静水圧,せん断刺激,摩擦刺激などの力学刺激の手法を検討しつつある.軟骨細胞-アガロース複合体静置培養実験では,特定の細胞濃度条件下で剛性の向上が最大となる最適条件が得られた.そこでは,細胞外マトリックスのプロテオグリカンの産生を免疫染色により確認できた.
本研究では,関節軟骨の比較対照試験として,高含水性人工軟骨PVA(ポリビニルアルコール)ハイドロゲルの試験も試みている.
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Research Products
(6 results)
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[Publications] Teruo MURAKAMI et al.: "The Protective Mechanism of Articular Cartilage to Severe Loading : Roles of Lubricants, Cartilage Surface Layer, Extracellular Matrix and Chondrocyte"JSME International Journal, Ser.C,. 46-2. 594-603 (2003)
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[Publications] Yoshinori SAWAE et al.: "Experimental system for the application of shear strain to isolated chondrocytes seeded in agarose"Proceedings of world congress of Medical Physics & Biomedical Engineering. (CD-rom). (2003)
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[Publications] Kazuhiro NAKASHIMA et al.: "Effect of Protein Boudary Film on Wear of PVA Hydrogel Containing High Equivalent Water"Proceedings of the 4th International Biotribology Forum and the 24th Biotribology Symposium. 18-21 (2003)
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[Publications] Itaru ISHIKAWA et al.: "Mechanical Property of Uppermost Superficial Surface Layer of Articular Cartilage as Assessed by Atomic Force Microscopy"Proceedings of the 4th International Biotribology Forum and the 24th Biotribology Symposium. 79-81 (2003)
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[Publications] 田中幸次 ほか: "関節軟骨の圧縮におけるプロテオグリカンの力学的役割の評価"日本臨床バイオメカニクス学会誌. vol.24. 27-31 (2003)
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[Publications] Yoshinori Sawae et al.: "Confocal Analysis of Local and Cellular Strains in Chondrocyte - Agarose Constructs Subjected to Mechanical Shear"Annals of Biomedical Engineering. (in press). (2004)
