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

• 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
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20H04538/
• 关键词: バイオセラミックス; アパタイト; テーラード人工骨; 生命機能予測; 計算科学; 骨形成率; 機能予測

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 で は, バ イ オ マ テ リ ア ル の な か で "artificial bone" な ど と し て clinical 応 さ れ て い る "バ イ オ セ ラ ミ ッ ク ス" を ベ ー ス と し, life phenomenon に positive に 働 き か け る "vital functions マ テ リ ア ル" を be 験 と の fusion computational science に よ り open 発 す る. こ こ で は, body bone を directly combined す る "water acid ア パ タ イ ト HAp)" お よ び raw で 収 absorption in vivo replacement さ れ る "リ ン acid three カ ル シ ウ ム (TCP)" を like と seaborne す る. よ り specific に は, be the 験 department か ら の good quality な be 験 デ ー タ お よ び rote learning な ど に よ り 収 set し た intelligence を も と に "presumption of vital functions モ デ ル" を build す る. そ の モ デ ル を inverse analytic す る こ と に よ り gen り the さ れ る "design 図" を も と に vital functions を comfortable に suppression し た "innovative バ イ オ マ テ リ ア ル" を hit す る. This study で like と seaborne す る は "vital functions", bone formation can be born body 収 absorption, resistance to infectious (antibacterial), vascular formation can be の 4 つ で あ り alone, material 単 で の high い パ フ ォ ー マ ン ス を 発 swing し う る "テ ー ラ ー ド type artificial bone" を open 発 し, I が の の "healthy life extension" に contribution す る. こ れ ま で の group take り み に よ り, material properties, を very に grasp し た を の bone formation rate of material of artificial bone portrait parsing に よ り quantitative し, good quality な デ ー タ を new た に 収 set し た. そ れ ら の デ ー タ を, 徴 quantity X お よ び purpose - count Y と し て, bone formation to を to measuring す る "テ ー ラ ー ド artificial bone created に endowment す る vital functions to measure モ デ ル (Y = F (X))" built の に success し た. 2022 annual に は, こ の モ デ ル の inverse analytic に よ り prompt さ れ た で materials synthesis を synthesis し system conditions, そ の presumption of numerical と be measured numerical が almost consistent ね す る こ と を confirm し て い る. さ ら に, when the モ デ ル の の bone formation rate to measure precision を 検 card す る た め, animal be 験 を be し, now, そ の results を parsing で あ る. 2023 annual は と be interstate の be 験 results や biology characteristics (materials) と の integrated を upward さ せ る group take り み を し, bone formation can be モ デ ル の inverse analytic に よ る design 図 を use し た テ ー ラ ー ド type artificial bone を created し, そ の function evaluation 価 を be applied す る.

项目成果

画像処理および機械学習におけるバイオマテリアルの高精度骨形成率予測のための特性設計

利用图像处理和机器学习进行生物材料高精度骨形成率预测的特征设计

• 发表时间: 2022
• 作者: 山本彩乃;堀川祥太;鈴木 来;相澤 守;金子弘昌
• 通讯作者: 金子弘昌

機械学習を活用した骨形成推定モデルの構築とその逆解析による材料特性の検証

使用机器学习构建骨形成估计模型并通过逆分析验证材料特性

• 发表时间: 2022
• 作者: 堀川祥汰，鈴木 来;本島康平;金子弘昌，相澤 守
• 通讯作者: 金子弘昌，相澤 守

計算科学を導入した骨形成推定モデルの構築とその逆解析による作製条件の提案

利用计算科学构建骨形成估计模型并通过其逆分析提出制造条件

• 发表时间: 2022
• 作者: 堀川祥汰;白土里奈;鈴木 来;本島康平;金子弘昌;相澤 守
• 通讯作者: 相澤 守

機械学習を活用したバイオセラミックスの骨形成推定モデルの構築と逆解析による実験条件の提案

利用机器学习构建生物陶瓷骨形成估计模型并通过逆分析提出实验条件

• 发表时间: 2022
• 作者: 堀川祥汰;白土里奈;鈴木 来;本島康平;金子弘昌;相澤 守
• 通讯作者: 相澤 守

計算科学を積極的に活用した骨形成推定モデルの構築

积极利用计算科学构建骨形成估计模型

• 发表时间: 2021
• 作者: 相澤 守;横田倫啓;井古田未来;鈴木 来;本島康平;金子弘昌
• 通讯作者: 金子弘昌