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実験と計算科学との融合による生命機能を備えたテーラード人工骨の開発

通过实验与计算科学的融合，开发具有生命功能的定制人造骨骼

基本信息

批准号：
20H04538
负责人：
相澤守
金额：
$ 11.23万
依托单位：
Meiji University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
2020
资助国家：
日本
起止时间：
2020-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究では、バイオマテリアルのなかで「人工骨」などとして臨床応用されている「バイオセラミックス」をベースとし、生命現象に積極的に働きかける「生命機能マテリアル」を実験と計算科学の融合により開発する。ここでは、生体骨を直接結合する「水酸アパタイトHAp)」および生体内で吸収置換される「リン酸三カルシウム(TCP)」を対象とする。より具体的には、実験系研究者からの良質な実験データおよび機械学習などにより収集した情報をもとに「生命機能推定モデル」を構築する。そのモデルを逆解析することにより創り出される「設計図」をもとに生命機能を自在に制御した「革新的バイオマテリアル」を創出する。本研究で対象とする「生命機能」は、骨形成能・生体吸収性・耐感染性(抗菌性)・血管形成能の４つであり、材料単独での高いパフォーマンスを発揮しうる「テーラード型人工骨」を開発し、我が国の「健康寿命の延伸」に貢献する。これまでの取り組みにより、材料特性を十分に把握した人工骨材料の骨形成率を画像解析により定量化し、良質なデータを新たに収集した。それらのデータを特徴量Xおよび目的変数Yとして、骨形成能を予測する「テーラード人工骨創製に資する生命機能予測モデル（Y=F(X)）」の構築に成功した。2022年度には、このモデルの逆解析により提示された作製条件で材料合成を合成し、その推定値と実測値が概ね一致することを確認している。さらに、当該モデルの骨形成率の予測精度を検証するため、動物実験を実施し、現在、その結果を解析中である。2023年度はと実際の実験結果（材料特性や生物学的特性）との整合性を向上させる取り組みを推進し、骨形成予測モデルの逆解析による設計図を活用したテーラード型人工骨を創製し、その機能評価を実施する。

This study is aimed at exploring the integration of computational science with artificial bone, clinical application, and positive aspects of life phenomena. This is a direct combination of organic and biological bone, such as "water acid"(HAp), and in vivo absorption and replacement, such as "water acid"(TCP). For specific purposes, the researchers have developed a system of "life function estimation" based on good quality data and mechanical learning. "Design" and "Life Function" are created by the reverse analysis of "Innovation". This study aims at "life function", bone formation ability, biological absorption ability, infection resistance (antibacterial property), angiogenesis ability, material independence and high quality, and contributes to the development of "high-quality artificial bone" and "healthy life extension" in China. The bone formation rate of artificial bone material is analyzed quantitatively and collected with good quality. The construction of "Life Function Prediction Model (Y=F(X)) for Artificial Bone Creation" was successful. In 2022, the reverse analysis of the material was carried out to indicate the working conditions, the synthesis of the material, the estimation of the value, and the confirmation of the agreement. In addition, when the prediction accuracy of bone formation rate of this group is verified, the animal behavior is implemented, and the results are analyzed. In 2023, the results of practical implementation (material characteristics and biological characteristics), the integration of materials, the promotion of bone formation prediction, the inverse analysis of bone formation, the design of artificial bone, and the implementation of functional evaluation were reported.