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2013 Fiscal Year Annual Research Report

骨配向化誘導のためのマテリアルボーンバイオロジー

Research Project

Project/Area Number 25220912
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (S)

Research InstitutionOsaka University

Principal Investigator

中野 貴由  大阪大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (30243182)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 松本 卓也  岡山大学, 医歯(薬)学総合研究科, 教授 (40324793)
山本 雅哉  京都大学, 再生医科学研究所, 准教授 (10332735)
石本 卓也  大阪大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (50508835)
當代 光陽  大阪大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (10610800)
Project Period (FY) 2013-05-31 – 2018-03-31
Keywords骨配向化 / 人為的制御 / 生体アパタイト / オステオサイト / 応力場 / 高分解能3DX線顕微鏡 / ナノ相変態 / 人工材料創製
Research Abstract

骨配向化のためのマテリアルボーンバイオロジー構築のため、(A)配向化メカニズム解明、(B)骨配向化促進材料創製、を両輪とした研究に取り組んでいる。
項目(A)については、遺伝子・分子、細胞、骨組織レベルでの配向化制御因子の同定、メカニズムの解明に向け、平成25年度は、それを可能とする動物モデルや解析法の確立を行った。マウスを主とする遺伝子組換え動物(自然発生型を含む)を準備するとともに、骨組織への外場としてのin vivo応力場での人為的負荷ラットモデルの構築に成功した。同時に、材料工学的解析手法(透過型・反射型光学系の微小領域X線回折法、特殊回転仕様レーザーラマン顕微鏡等)による生体アパタイト・コラーゲン配向性の定量解析法を樹立した。さらに、配向化を決定すると仮説を立てているオステオサイトの形態を、共焦点レーザー顕微鏡ならびに当該年度導入した高分解能3DX線顕微鏡にてサブミクロンオーダーの分解能にて可視化に成功するとともに、三次元にて定量化する手法を確立した。細胞レベルでのオステオサイト形態と配向性の相関関係についても定量的に解明し、骨配向化に対するオステオサイトの寄与、さらには血管との相関が明らかになりつつあり、当初計画以上の成果を得たものと言える。
項目(B)については、配向化骨誘導を促進する生体用金属材料の開発、ならびにそれ自体が生体機能を発現し得る新規概念の人工材料の開発に着手した。特に後者については、材料工学的視点から、金属材料のナノ相変態現象を巧みに利用することで、骨の発揮する力学的機能適応能を発現する材料の構造・組織デザインと基礎物性評価を既に開始している。
今後は、項目(A)で得た配向化メカニズムに関する知見を、項目(B)における人工材料創製による配向化形成に活かし、両項目間での知見を融合することで、本課題を加速的に推進することが可能となっている。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

【研究実績の概要】に記述のとおり平成25年度に計画していた以下の項目は、一部計画を前倒ししつつ遂行した。以下に、代表的な項目ごとの進展度を示す。なお、記号の意味は、◎:当初計画以上に進展、○:計画通り進展、とする。
① 遺伝子ノックアウト、遺伝子組み換え(もしくは自然発生型)動物の準備(○)、② 材料工学的手法を駆使しての、アパタイト・コラーゲン配向性の定量化(◎:解析手法確立まで実施し、計画以上に進展した)、③ マイクロアレイによる配向化関連遺伝子活性のスクリーニングの試み(○)、④ オステオサイト形態の三次元解析を可能とする手法の樹立(◎)、オステオサイト三次元形態と配向性との関連性の解明(◎:血管との相関性を含め計画以上の成果を得た)、⑤ 骨類似機能を人工的に発揮可能とする人工材料ならびに、骨配向化を目指した再生医学的手法の確立に着手(◎:ナノ相変態(詳細は未公開)に関して計画以上に進展した)
以上より、総合的に「当初の計画以上に進展している」と自己評価する。

Strategy for Future Research Activity

平成25年度に当初計画を上回り研究が進展し、試料確保や解析手法の確立、注目因子の候補(未公開)の選定が既に完了したことから、(A)配向化メカニズム解明、(B)骨配向化促進材料創製に本格的に取り組むための環境が当初計画を超えて整備されたといえる。
平成26年度は、前年度の成果を踏まえ、ノックアウト・遺伝子組み換え動物骨における配向性定量解析、マイクロアレイによる関連遺伝子のスクリーニング、オステオサイトの応力感受機能の形態学的・生物学的定量解析により、種々のレベルでの配向化制御因子ならびに配向化メカニズムの解明を目指す。得られた配向化因子・メカニズムに関する知見は、下記の配向化促進人工材料の設計に活かし、最終的には、生体内メカニズムを人工的に発動させるような新規材料の創製につなげる。
さらに、前年度から着手している骨類似機能を発揮する人工材料については、変形挙動を定量的に解析するとともに、それに基づき構造・組織設計の最適化を図る。同時に、骨の人為的配向化のため、生体内外にて応力場の負荷を可能とする実験系を構築する。

  • Research Products

    (51 results)

All 2014 2013 Other

All Journal Article (27 results) (of which Peer Reviewed: 24 results,  Acknowledgement Compliant: 2 results) Presentation (17 results) (of which Invited: 7 results) Book (5 results) Remarks (1 results) Patent(Industrial Property Rights) (1 results)

  • [Journal Article] Oriented collagen scaffolds for anisotropic bone tissue construction in vitro2014

    • Author(s)
      A. Matsugaki, R. Ozasa, Y. Isobe, T. Saku and T. Nakano
    • Journal Title

      Materials Science Forum

      Volume: 783-786 Pages: 1303-1306

    • DOI

      10.4028/www.scientific.net/MSF.783-786.1303

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Effect of phase stability on some physical and mechanical properties in β-Ti single crystal for biomedical applications2014

    • Author(s)
      M. Todai, P. Wang, K. Fukunaga and T. Nakano
    • Journal Title

      Materials Science Forum

      Volume: 783-786 Pages: 1372-1376

    • DOI

      10.4028/www.scientific.net/MSF.783-786.1372

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Ab-initio Study of long-period superstructures and anti-phase boundaries in Al-rich γ-TiAl (L10) based alloys2014

    • Author(s)
      P. S. Ghosh, A. Arya, U. D. Kulkarni, G. K. Dey, S. Hata, T. Nakano, K. Hagihara and H. Nakashima
    • Journal Title

      Philosphical Magazine

      Volume: 94 Pages: 1202-1218

    • DOI

      10.1080/14786435.2014.885135

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] 骨配向性を基軸にした骨異方性組織誘導と骨形態計測2014

    • Author(s)
      石本卓也, 中野貴由
    • Journal Title

      骨形態計測学会雑誌

      Volume: 24 Pages: 41-47

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Control of oriented extracellular matrix similar to anisotropic bone microstructure2014

    • Author(s)
      T. Nakano, A. Matsugaki, T. Ishimoto, M. Todai, A. Serizawa, R. Suetoshi, Y. Noyama and W. Fujitani
    • Journal Title

      Materials Science Forum

      Volume: in press Pages: in press

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Analysis of osteocyte morphology in terms of sensation of in vivo stress applied on bone2014

    • Author(s)
      T. Ishimoto, K. Kawahara, A. Matsugaki, J. Wang, H. Kamioka and T. Nakano
    • Journal Title

      Materials Science Forum

      Volume: in press Pages: in press

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] L-lysine ameliorates vascular calcification in adenine-induced uremic rats2014

    • Author(s)
      A. Shimomura, I. Matsui, T. Hamano, T. Ishimoto, K. Takehana, K. Inoue, Y. Kusunoki, D. Mori, C. Nakano, Y. Obi, N. Fujii, Y. Takabatake, T. Nakano, Y. Tsubakihara, Y. Isaka and H. Rakugi
    • Journal Title

      Journal of the American Society of Nephrology

      Volume: in press Pages: in press

    • DOI

      10.1681/ASN.2013090967

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] A novel extraradicular biofilm model using obturation materials promoted endodontic lesions in rats2014

    • Author(s)
      K. Kuremoto, Y. Noiri, T. Ishimoto, N. Yoneda, R. Yamamoto, H. Maezono, T. Nakano, M. Hayashi and S. Ebisu
    • Journal Title

      Applied and Environmental Microbiology

      Volume: in press Pages: in press

    • DOI

      10.1128/AEM.00421-14

  • [Journal Article] Quantitative regulation of bone-mimetic, oriented collagen/apatite matrix structure depends on the degree of osteoblast alignment on oriented collagen substrates2014

    • Author(s)
      A. Matsugaki, Y. Isobe, T. Saku and T. Nakano
    • Journal Title

      Journal of Biomedical Materials Research: Part A

      Volume: in press Pages: in press

    • DOI

      not assigned yet

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] 骨配向化を制御する配向溝付き人工股関節ステムの開発2014

    • Author(s)
      野山義裕、中野貴由、石本卓也、石坂春彦、坂井孝司、吉川秀樹、中島義雄
    • Journal Title

      日本セラミックス協会学術論文誌

      Volume: in press Pages: in press

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] テリパラチドの間欠投与はOVXしたサル脛骨皮質骨において骨質指標であるアパタイト配向性を正常値に維持する2014

    • Author(s)
      中野貴由、祢津俊介、石本卓也、下村綾、山根宏志、高尾亮子、磯谷幸宏
    • Journal Title

      Osteoporosis Japan

      Volume: in press Pages: in press

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] 生体内腐食環境と生体材料2014

    • Author(s)
      松垣あいら、中野貴由
    • Journal Title

      材料と環境

      Volume: in press Pages: in press

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] 微小領域X線回折法を用いた骨生体アパタイト配向性イメージング2014

    • Author(s)
      石本卓也、中野貴由
    • Journal Title

      The Bone

      Volume: in press Pages: in press

  • [Journal Article] バイオミネラルの異方的結晶化2014

    • Author(s)
      松垣あいら、中野貴由
    • Journal Title

      CLINICAL CALCIUM

      Volume: in press Pages: 37-46

  • [Journal Article] Continuous cyclic stretch induces osteoblast alignment and formation of anisotropic collagen fiber matrix2013

    • Author(s)
      A. Matsugaki, N. Fujiwara and T. Nakano
    • Journal Title

      Acta Biomaterialia

      Volume: 54 Pages: 7227-7235

    • DOI

      10.1016/j.actbio.2013.03.015

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Degree of biological apatite c-axis orientation rather than bone mineral density controls mechanical function in bone regenerated using rBMP-22013

    • Author(s)
      T. Ishimoto, T. Nakano. Y. Umakoshi, M. Yamamoto and Y. Tabata
    • Journal Title

      Journal of Bone and Mineral Research

      Volume: 28 Pages: 1170-1179

    • DOI

      10.1002/jbmr.1825

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Misfit strain affecting the lamellar microstructure in NbSi2/MoSi2 duplex crystals2013

    • Author(s)
      K. Hagihara, Y. Hama, K. Yuge and T. Nakano
    • Journal Title

      Acta Materialia

      Volume: 61 Pages: 3432-3444

    • DOI

      10.1016/j.actamat.2013.02.035

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Long-period ordered superstructures that appear in an (Al,Ga)-rich (Al,Ga)Ti system2013

    • Author(s)
      T. Nakano, K Hagihara, S. Hata, H. Shigyo, H. Nakashima, Y. Umakoshi, A. Arya and U. D. Kulkarni
    • Journal Title

      Philosophical Magazine

      Volume: 93 Pages: 22-37

    • DOI

      10.1080/14786435.2012.699691

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Non-basal slips in Ni3(Ti, Nb) and Ni3(Ti, Al) single crystals with various long-period stacking ordered structures2013

    • Author(s)
      K. Hagihara, T. Tanaka, H. Izuno, Y. Umakoshi, and T. Nakano
    • Journal Title

      Acta Materialia

      Volume: 61 Pages: 4365-4373

    • DOI

      10.1016/j.actamat.2013.04.008

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Possibility of Mg- and Ca-based intermetallic compounds as new biodegradable implant materials2013

    • Author(s)
      K. Hagihara, K. Fujii, A. Matsugaki and T. Nakano
    • Journal Title

      Materials Science and Engineering C

      Volume: 33 Pages: 4101-4111

    • DOI

      10.1016/j.msec.2013.05.055

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Formation of c-axis-oriented columnar structures through controlled epitaxial growth of hydroxyapatite2013

    • Author(s)
      W. Wang, Y. Oaki, C. Ohtsuki, T. Nakano and H. Imai
    • Journal Title

      Journal of Asian Ceramic Societies

      Volume: 1 Pages: 143-148

    • DOI

      10.1016/j.jascer.2013.03.009

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Stochastic multi-scale prediction on the apparent elastic moduli of trabecular bone considering uncertainties of biological apatite (BAp) crystallite orientation and image-based modelling2013

    • Author(s)
      K. S. Basaruddin, N. Takano and T. Nakano
    • Journal Title

      Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering

      Volume: in press Pages: in press

    • DOI

      10.1080/10255842.2013.785537

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Conditions for Osteoblast Arrangement Induced under Long-Term Cyclic Stretching2013

    • Author(s)
      A. Matsugaki, N. Fujiwara and T. Nakano
    • Journal Title

      Materials Transactions

      Volume: 54 Pages: 1195-1199

    • DOI

      10.2320/matertrans.M2013091

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] 生体用Ti-Nb二元系合金単結晶におけるβ相の不安定性とその基礎物性への影響2013

    • Author(s)
      Pan Wang、當代光陽、中野貴由
    • Journal Title

      日本金属学会誌

      Volume: 77 Pages: 281-286

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Uncertainty modeling in the prediction of effective mechanical properties using stochastic homogenization method with application to porous trabecular bone2013

    • Author(s)
      K. S. Basaruddin, N. Takano, H. Akiyama and T. Nakano
    • Journal Title

      Materials Transactions

      Volume: 54 Pages: 1250-1256

    • DOI

      10.2320/matertrans.ME201307

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Relationship between preferential alignment of biological apatite and Young’s modulus at first molar in human mandible cortical bone2013

    • Author(s)
      T. Matsumoto, S. Matsunaga, T.Morioka, T. Nakano, M, Yoshinari and Y. Yajima
    • Journal Title

      Journal of Hard Tissue Biology

      Volume: 22 Pages: 163-170

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] 生体骨異方性に基づくバイオマテリアルの高機能化2013

    • Author(s)
      松垣あいら、中野貴由
    • Journal Title

      機能材料

      Volume: 33 Pages: 40-47

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] ラット頭蓋骨における骨配向化構造形成2014

    • Author(s)
      石本卓也、田口大誠、中野貴由
    • Organizer
      日本金属学会2014年春期講演大会
    • Place of Presentation
      東京工業大学
    • Year and Date
      20140321-20140323
  • [Presentation] 胎生期マウスの長管骨配向化に対する応力の影響2014

    • Author(s)
      渡邊稜太、石本卓也、松垣あいら、中野貴由
    • Organizer
      日本金属学会2014年春期講演大会
    • Place of Presentation
      東京工業大学
    • Year and Date
      20140321-20140323
  • [Presentation] 表面起伏制御による骨芽細胞・骨基質配向化2014

    • Author(s)
      西川泰紀、松垣あいら、當代光陽、中野貴由
    • Organizer
      日本金属学会2014年春期講演大会
    • Place of Presentation
      東京工業大学
    • Year and Date
      20140321-20140323
  • [Presentation] c-src遺伝子による骨配向化制御機構2014

    • Author(s)
      小笹良輔、松垣あいら、中野貴由
    • Organizer
      日本金属学会2013年秋期講演大会
    • Place of Presentation
      東京工業大学
    • Year and Date
      20140321-20140323
  • [Presentation] Control of oriented extracellular matrix similar to anisotropic bone microstructure2013

    • Author(s)
      T. Nakano
    • Organizer
      Thermec2013
    • Place of Presentation
      Rio Hotel (Las Vegas)
    • Year and Date
      20131202-20131206
    • Invited
  • [Presentation] Analysis of osteocyte morphology in terms of sensation of in vivo stress applied on bone2013

    • Author(s)
      T. Ishimoto, K. Kawahara, J. Wang, H. Kamioka and T. Nakano
    • Organizer
      Thermec2013
    • Place of Presentation
      Rio Hotel (Las Vegas)
    • Year and Date
      20131202-20131206
    • Invited
  • [Presentation] Effect of phase stability on some physical properties including Young's modulus in beta-Ti biomaterials single crystal2013

    • Author(s)
      M. Todai, P. Wang, T. Nakano
    • Organizer
      Thermec2013
    • Place of Presentation
      Rio Hotel (Las Vegas)
    • Year and Date
      20131202-20131206
    • Invited
  • [Presentation] Oriented collagen scaffolds for anisotropic bone tissue construction in vitro2013

    • Author(s)
      A. Matsugaki, Y. Isobe, T. Saku, T. Nakano
    • Organizer
      Thermec2013
    • Place of Presentation
      Rio Hotel (Las Vegas)
    • Year and Date
      20131202-20131206
    • Invited
  • [Presentation] 応力感受に注目したオステオサイトの異方性形態と骨配向性2013

    • Author(s)
      石本卓也、王俊、川原啓太、中野貴由
    • Organizer
      日本金属学会2013年秋期講演大会
    • Place of Presentation
      金沢大学
    • Year and Date
      20130917-20130919
  • [Presentation] Bone adaptation to artificially-elevated strain through alteration of anisotropy in collagen and biological apatite micro-organization2013

    • Author(s)
      王俊、石本卓也、中野貴由
    • Organizer
      日本金属学会2013年秋期講演大会
    • Place of Presentation
      金沢大学
    • Year and Date
      20130917-20130919
  • [Presentation] Effect of Al element on Lattice Modulation and Omega Phase Transformation in Ternary Ti-Nb-Al Alloys2013

    • Author(s)
      Pan Wang、當代光陽、中野貴由
    • Organizer
      日本金属学会2013年秋期講演大会
    • Place of Presentation
      金沢大学
    • Year and Date
      20130917-20130919
  • [Presentation] 骨芽細胞の力学刺激感受による骨基質配向化機構2013

    • Author(s)
      藤原奈都子、松垣あいら、中野貴由
    • Organizer
      日本金属学会2013年秋期講演大会
    • Place of Presentation
      金沢大学
    • Year and Date
      20130917-20130919
  • [Presentation] Analysis and control of biological apatite orientation in various bones and the related biomaterials2013

    • Author(s)
      T. Nakano, T. Ishimoto, A. Matsugaki
    • Organizer
      PRICM-8
    • Place of Presentation
      Hilton Waikoloa Village (Hawaii)
    • Year and Date
      20130804-20130809
    • Invited
  • [Presentation] Deformation behavior of β-Ti alloy single crystals2013

    • Author(s)
      T. Nakano, K. Hagihara, M. Todai
    • Organizer
      PRICM-8
    • Place of Presentation
      Hilton Waikoloa Village (Hawaii)
    • Year and Date
      20130804-20130809
    • Invited
  • [Presentation] Formation and regeneration of preferential alignment of extra cellular matrix in calvaria analysed by microbeam X-ray2013

    • Author(s)
      T. Ishimoto, D. Taguchi, T. Nakano
    • Organizer
      PRICM-8
    • Place of Presentation
      Hilton Waikoloa Village (Hawaii)
    • Year and Date
      20130804-20130809
  • [Presentation] Control of anisotropic bone matrix formation by long-term mechanical stress to osteoblast2013

    • Author(s)
      A. Matsugaki, N. Fujiwara, T. Nakano
    • Organizer
      PRICM-8
    • Place of Presentation
      Hilton Waikoloa Village (Hawaii)
    • Year and Date
      20130804-20130809
  • [Presentation] 骨質指標としての骨基質配向性

    • Author(s)
      中野貴由
    • Organizer
      第5回骨形態フォーラム
    • Place of Presentation
      ホテルハワイアンズ
    • Invited
  • [Book] バイオマテリアル研究の最前線2014

    • Author(s)
      成島尚之、中野貴由(編集)
    • Total Pages
      未定
    • Publisher
      日本金属学会
  • [Book] 細胞の3次元組織化-その最先端技術と材料技術 再生医療とその支援分野(細胞研究、創薬研究)への応用と発展のために (編集:田畑泰彦)2014

    • Author(s)
      中野貴由(分担執筆)
    • Total Pages
      363
    • Publisher
      メディカル ドゥ
  • [Book] 骨代謝-そのメカニズムと最新治療(編集:田中栄)2014

    • Author(s)
      松垣あいら、中野貴由(分担執筆)
    • Total Pages
      215
    • Publisher
      羊土社
  • [Book] 未来型人工関節を目指して2013

    • Author(s)
      吉川秀樹、中野貴由、松岡厚子、中島義雄(編集)
    • Total Pages
      415
    • Publisher
      日本医学館
  • [Book] アンチ・エイジングシリーズ3 骨研究最前線~代謝・疾病のメカニズムから再生医療・創薬・リハビリ機器・機能性食品まで~2013

    • Author(s)
      中野貴由(分担執筆)
    • Total Pages
      430
    • Publisher
      NTS
  • [Remarks] 大阪大学中野研究室HP

    • URL

      http://www.mat.eng.osaka-u.ac.jp/msp6/nakano/

  • [Patent(Industrial Property Rights)] 単結晶の製造方法2014

    • Inventor(s)
      中野貴由、中本貴之、芹澤愛、井上暢、菅原貴広、白川信彦、山口勝巳
    • Industrial Property Rights Holder
      大阪大学、大阪府立産業技術総合研究所
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Industrial Property Number
      特願2014-067298
    • Filing Date
      2014-03-28

URL: 

Published: 2015-05-28  

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