2018 Fiscal Year Annual Research Report
Multi-scale mechano-structural relationships of mineralized bone matrix via the PILP process
| Project/Area Number |
17F17787
|
|---|
| Research Institution | Hokkaido University |
|---|
Principal Investigator |
東藤 正浩 北海道大学, 工学研究院, 教授 (10314402)
|
|---|
| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
ZHAO LEI 北海道大学, 工学(系)研究科(研究院), 外国人特別研究員
|
|---|
| Project Period (FY) |
2017-11-10 – 2020-03-31
|
| Keywords | 骨組織 / 石灰化 / PILP法 / X線回折 / 力学特性 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
平成30年度においては，開発した高分子誘導液体前駆体（PILP）プロセスによる新規石灰化組織作製法に基づき，高分子誘導液体前駆体プロセスによる生体由来ミネラルおよび高分子マトリックスからなる石灰化骨様マテリアルの作製に取り組んだ．構成成分の選定，作製条件の検討を行い，より最適な石灰化組織作製手法を確立した．また本外国人特別研究員が有する走査型電子顕微鏡（SEM）ならびにエネルギー分散型Ｘ線分光（EDS）分析に基づく微視的構造イメージング技術に基づき，作製された石灰化組織の構造特性を調査した．
また昨年度開発したＸ線回折法による石灰化組織のアパタイト－コラーゲン複合構造の同時力学挙動解析を用いて，脱灰骨組織および上記で作製した再石灰化骨組織の力学挙動解析を行った．実験にはナノスケールＸ線構造解析装置（Nano-viewer UP，Rigaku：北海道大学共同利用設備）を用い，Ｘ線照射によりアパタイト結晶から得られる広角回折Ｘ線とコラーゲン分子鎖から得られる小角散乱Ｘ線を2枚のイメージングプレートで同時に検出し，外的負荷時の回折パターンの変化を解析し，その力学的挙動を明らかにした．また生体由来ミネラルおよび高分子マトリックスからなる複合構造に基づくマルチスケール力学モデルの構築にも着手した．X線回折により測定された両成分の力学挙動データと微視的構造イメージングによる構造特性から，石灰化骨様マテリアルの微視構造特性とマクロな力学特性を関連付けるマルチスケール力学モデルを提案した．提案する生体由来ミネラル－高分子マトリックス複合力学モデルを用い，高分子－ミネラルX線回折データからマクロな石灰化組織の力学特性を表現する数理力学モデルについて検討した．
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
平成30年度においては，研究計画通り，平成29年度に開発した高分子誘導液体前駆体（PILP）プロセスによる新規石灰化組織作製法に基づき，高分子誘導液体前駆体プロセスによる生体由来ミネラルおよび高分子マトリックスからなる石灰化骨様マテリアルの作製に取り組んだ．構成成分の選定，作製条件の検討を行い，より最適な石灰化組織作製手法を確立した．また本外国人特別研究員が有する走査型電子顕微鏡（SEM）ならびにエネルギー分散型Ｘ線分光（EDS）分析に基づく微視的構造イメージング技術に基づき，作製された石灰化組織の構造特性を調査した．
また昨年度開発したＸ線回折法による石灰化組織のアパタイト－コラーゲン複合構造の同時力学挙動解析を用いて，脱灰骨組織および上記で作製した再石灰化骨組織の力学挙動解析を行った．実験にはナノスケールＸ線構造解析装置を用い，Ｘ線照射によりアパタイト結晶から得られる広角回折Ｘ線とコラーゲン分子鎖から得られる小角散乱Ｘ線を2枚のイメージングプレートで同時に検出し，外的負荷時の回折パターンの変化を解析し，その力学的挙動を明らかにした．ここまで順調に進んだことから，平成30年度はさらに，生体由来ミネラルおよび高分子マトリックスからなる複合構造に基づくマルチスケール力学モデルの構築にも着手することができた．X線回折により測定された両成分の力学挙動データと微視的構造イメージングによる構造特性から，石灰化骨様マテリアルの微視構造特性とマクロな力学特性を関連付けるマルチスケール力学モデルを提案した．提案する生体由来ミネラル－高分子マトリックス複合力学モデルを用い，高分子－ミネラルX線回折データからマクロな石灰化組織の力学特性を表現する数理力学モデルについて検討した．以上のことより，当初の研究計画通りに順調に進んでいる．
|
| Strategy for Future Research Activity |
平成31年度においては，開発した生体由来ミネラルおよび高分子マトリックスからなる複合構造に基づき，生体由来ミネラルおよび高分子マトリックスからなる複合構造に基づくマルチスケール力学モデルの構築を行う．これまでにナノスケールX線構造解析装置（Nano-viewer UP, Rigaku: 北海道大学共同利用施設）により測定されたミネラル，コラーゲン両成分の力学挙動データと，顕微ラマン分光装置（北海道大学共同利用施設）微視的構造イメージングによる構造特性から，石灰化骨様マテリアルの微視的構造特性とマクロな力学特性を関連付けるマルチスケール力学モデルを提案する．構造モデリングには，現有設備である有限要素パッケージ（ANSYS Inc.）ならびに最適化ツールを用いる．ここで提案する生体由来ミネラル－高分子マトリックス複合力学モデルを用い，高分子－ミネラルX線回折データからマクロな石化化組織の力学的特性を表現する数理力学モデルを提唱する．各材料パラメータをデータベース化し，高分子－ミネラルX線回折データからマクロな組織力学特性を逆推定するアルゴリズムを提案し，石灰化コラーゲン組織の特性解明と高分子誘導液体前駆体（PILP）プロセスによる石灰化骨様マテリアル評価手法としての本法の可能性について考察する．
また本外国人特別研究員が有する走査型電子顕微鏡（SEM）ならびにエネルギー分散型Ｘ線分光（EDS）分析，ラマン分光解析に基づく微視的構造イメージング技術に基づき，作製された石灰化組織の構造特性を調査する．構成成分の選定，作製条件の再検討を行い，より最適な石灰化組織作製手法を検討し，PILPプロセスにより作製した石灰化骨様マテリアルの製品化に向けたプロセスの確立を実現し，本研究を総括する．
|
