2015 Fiscal Year Annual Research Report
分子・結晶とマイクロ構造体の変形相互作用による骨組織強度特性
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15H02207
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
但野 茂 北海道大学, －, 名誉教授 (50175444)
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横田 秀夫 国立研究開発法人理化学研究所, 光量子工学研究領域, チームリーダー (00261206)
東藤 正浩 北海道大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (10314402)
高畑 雅彦 北海道大学, 医学(系)研究科(研究院), 講師 (40374368)
藤崎 和弘 弘前大学, 理工学研究科, 准教授 (90435678)
山田 悟史 北海道大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (90730169)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 機械材料・材料力学 / 生物・生体工学 / 細胞・組織 / 老化 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
骨組織の基本構成物質であるHApとColにおける分子・結晶レベルの荷重伝達・負荷応答を明らかにし、それらの物質が高度に組織化されたマイクロ構造体の変形相互作用を調べるとともに、細胞、構造体、組織といった各階層間の力学的機能相互を効果的に評価し、骨組織における強度特性（剛性、弾性率、応力、等）の発現機構を解明する。本年度は、以下の項目について実施した。
１）分子・結晶変形特性：牛大腿皮質骨を測定対象として、広角Ｘ線回折に加え、小角散乱Ｘ線回折計測を行った。広角測定ではHAp結晶内の変位や構造に対し、小角散乱ではHAp結晶粒子（HAp集合組織）間の変位や構造が測定された。これによりマイクロ骨構造体レベルの変形特性が確認された。負荷中の広角／小角同時計測を行い、HAp結晶内と結晶粒子間の変形相互作用を確認した。Col分子構造の状態と負荷時の変形挙動をラマン分光で計測する手法を開発した。熱変性・疲労変性（加齢相当モデル）による分子構造変化の確認を検討した。
２）骨細胞変形特性解析：骨細胞を一定の負荷環境下培養した場合の形態変化、変形特性、負荷応答性との関連、および骨芽細胞の負荷環境下におけるHAp結晶構造やCol分子の形成・成長過程について文献調査を行った。
３）マイクロ骨構造体変形・強度特性：階層複合化した骨組織構造体（Osteon-Lamella）の構造特性を計測した。マイクロインデンテーション試験方法を考案し、骨組織構造体の荷重伝達・変形応答特性の測定を行い、Col性状が骨弾性率や剛性、骨強度に及ぼす影響を確認した。大腿骨海綿骨の力学性状を調査するため、一辺5mmの立方体試験片の圧縮試験方法を提案し、圧縮強度と海綿骨構造の関連を調査した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
１）分子・結晶変形特性：広角Ｘ線回折については、IPを用いた牛大腿骨骨幹部の表層残留応力計測手法の開発を行った。小角散乱Ｘ線回折計測手法については、負荷時計測の前例がなく、その現象と回折理論の関連性を整理し、負荷中の広角／小角同時計測手法を開発した。計画通り進んでいる。
２）骨Col分子ラマン分光計測：骨内HAp-Col分子構造の状態と負荷時の変形挙動をラマン分光で計測する手法を整理した。ラマン分光では試験片表層のひずみとラマンシフトが対応することを確認した。おおむね計画通り進行している。
３）骨細胞変形特性解析：骨細胞を一定の負荷環境下培養した場合の形態変化、変形特性、負荷応答性との関連性を観察する実験手法を検討し、おおむね計画通り進行している。骨細胞の負荷環境下におけるHAp結晶構造やCol分子の形成・成長過程を調査する実験手法については、今後の検討課題である。
４）マイクロ骨構造体解析： Osteonの詳細な形態や構造を観察し、骨組織構造体（Osteon-Lamella）断面における弾性率分布の計測手法を開発した。海綿骨の構造と弾性率・強度の関係を骨梁一本のマイクロ引張負荷装置を考案した。また海綿骨構造の強度特性を調査することができた。計画通りである。
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| Strategy for Future Research Activity |
１）骨HAp結晶X線回折計測：小角散乱については、骨組織の小角散乱現象と回折理論の関連性を整理し、より実用的な計測手法を考案する。広角散乱については、長管骨皮質骨表層の残留応力計測手法を開発する。これにより皮質骨内残留応力の発生要因と骨構造の関係を探る。
２）骨Col分子ラマン分光計測：骨内HAp-Col分子構造の状態と負荷時の変形挙動をラマン分光で計測する手法を引続き検討する。骨内Colの引張り挙動の高精度化を図る。
３）骨細胞の負荷環境下におけるHAp結晶構造やCol分子の形成・成長過程を調査する実験手法について検討する。
４）骨構造体モデリング：任意方向負荷による骨組織異方性弾性率とＸ線回折特性の関係を引続き調査する。
５）マイクロ骨構造体解析： 同心円層状構造のOsteonの詳細な形態や構造、やBone Lamella、Fibril Arrayの階層的構造を詳細に観察する。骨組織構造体（Osteon-Lamella）断面における弾性率分布の計測手法を考案する。海綿骨の構造と弾性率・強度の関係を調査し、海綿骨構造体のマクロな弾性率・剛性との関連を明らかにする。
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Research Products
(17 results)
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[Presentation] MRI T1 map value can be a surrogate for bone strength of cancellous bone2016
Author(s)
Kaori Endo, Masahiko Takahata, Hiroyuki Sugimori, Jeffrey Wang, Satoshi Yamada, Daisuke Takahashi, Masahiro Todoh, Shigeru Tadano, Kohsuke Kudo, Norimasa Iwasaki
Organizer
ORS2016 Annual Meeting
Place of Presentation
Disney's Coronado Springs Resort, Orlando, FL, (US)
Year and Date
2016-03-05
Int'l Joint Research
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[Presentation] 関節リウマチでは皮質骨の骨質劣化により早期から骨脆弱性が生じる2015
Author(s)
清水智弘, 高畑雅彦, 亀田裕亮, 遠藤香織, 濱野博基, 平塚重人, 太田昌博, 伊藤哲平, 木村須田廣美, 東藤正浩, 但野茂, 岩崎倫政
Organizer
第30回日本整形外科学会基礎学術集会
Place of Presentation
富山国際会議場 （富山県富山市）
Year and Date
2015-10-22
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[Presentation] 関節リウマチでは早期から関節近傍皮質骨の骨質異常と骨脆弱性が生じる2015
Author(s)
清水智弘, 高畑雅彦, 亀田裕亮, 遠藤香織, 濱野博基, 平塚重人, 太田昌博, 伊藤哲平, 木村須田廣美, 東藤正浩, 但野茂, 岩崎倫政
Organizer
第33回日本骨代謝学会
Place of Presentation
京王プラザホテル（東京都新宿区）
Year and Date
2015-07-23 – 2015-07-24
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