骨組織・細胞の力学的ストレス応答に関するバイオメカニクス的研究

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生体組織の再構築を組織の局所的な力学的刺激に対する局所的な平衡状態への適用過程として理解し,この過程における組織の力学的特性や自然状態変化がもたらす全体構造としての特性変化と微視的な細胞レベルでのふるまいとの関連について検討を行った.まず,再構築を駆動する局所の力学因子を考慮し,組織内の応力やひずみと力学的再構築を関係付ける現象論的数理モデルを構築し,有限要素法を用いたシミュレーションを行った.次に,骨の微視構造レベルにおける各種細胞活動を考慮した骨の再構築のモデル表現について検討し,そのシミュレーションにより局所的な再構築のもたらす全体構造としての最適性について検討した.さらに,組織に対する力学的刺激が,細胞レベルでの力学的再構築に及ぼす影響を実験的に検討するため,骨芽細胞を用いた基礎的な培養実験系を確立した.1.組織内に分布する応力と骨の力学的再構築を関係付ける基本的考え方を提案し,有限要素法を用いた力学適応シミュレーションを行った.2.基本的細胞単位の概念を導入する離散的な構造単位の再構築モデルとシミュレーション手法を提案した.3.再構築による微視的構造変化と全体構造との関連をシミュレーションにより明らかにした.4.骨の残留応力を脛骨・腓骨系や椎体の皮質骨・海綿骨系を用いた応力解放実験により確認し,提案したモデルによる残留応力形成のシミュレーション結果と比較,検討した.5.骨の力学的再構築に学ぶ構造最適設計手法への応用の可能性について検討を行い,変動する力学的環境に対して時間的・空間的な最適性をもたらす構造形成手法を提案した.6.培養細胞の力学的刺激に対する構造形成応答を観察するため,培養下における基礎的実験系を確立した.