生体に学ぶ軽量・高強度新規素材の開発

开发源自生物体的新型轻质高强度材料

• 批准号: 12750799
• 负责人: 陣内 浩司
• 金额: $ 1.47万
• 依托单位: Kyoto Institute of Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Encouragement of Young Scientists (A)
• 财政年份: 2000
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2000 至 2001
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-12750799/
• 关键词: 海綿骨; ポリマーブレンド; 界面曲率測定; コンピュータートモグラフィ; 共焦点レーザスキャン顕微鏡; 三次元細線化

本年度は、研究計画に基づいて次の項目について検討を行った。・現象論的構造パラメータの微分幾何学的な再定義:本研究では、生体が作り出す軽量かつ高強度の構造のモデルとして、骨の内部構造(海面骨骨微細構造)の三次元構造を取り上げる。従来、医学分野では、平面が多い構造(プレート状構造)、あるいはシリンダーが多い構造(ロッド状構造)というモデルを仮定した上で海綿骨の骨形態計測が行われてきた。前年度は、微分幾何学に基づいて海綿骨・構造を解析し、骨梁表面がプレート状でもロッド状でもない馬の鞍のような双曲面から成ることを見いだした。本年度は、医学分野において、骨微細構造をプレート状・ロッド状に分類するために用いられ、力学強度ともよく相関するといわれているStructure Model Index(SMI)について、その現象論的な定義を見直して微分幾何学的に再定義することを試みた。その結果、SMIは、海綿骨表面の凹凸を表す平均曲率と簡単な解析的関係があることが明らかとなった。・海綿骨のオイラー数測定:本研究では、高分子系や海綿骨においてみられる三次元ネットワーク構造を解析するための方法として、局所的な構造に関しては、表面の曲率を測定することでキャラクタリゼーションを行ってきた。しかし、構造の大局的な(グローバルな)側面は曲率測定では明らかとはならない。幾何学によると、構造の形態はオイラー数を測定することにより定量化できることが分かっている。そこで、今年度は、前年度に開発した三次元細線化手法により得られる分岐点の数や分岐点での分岐数などからオイラー数を評価する方法を開発した。また、この新規の方法で求めたオイラー数の妥当性について、独立にGauss-Bonnetの定理より求めた結果と比較検討することで確認した。

今年，根据研究计划讨论了以下项目。 - 现象学结构参数的差异几何形状重新定义：本研究介绍了骨内部结构的三维结构（海面骨微结构），作为由生物体产生的轻质，高强度结构的模型。传统上，基于具有许多平面（板状结构）的结构模型或具有许多圆柱体（类似杆状结构）的结构的假设，在医疗领域已经测量了取消骨的骨形态。在上一年，我们基于差异几何形状分析了取消骨骼和结构，发现小梁骨的表面由双曲线表面组成，例如既不类似板状也不是杆状的马鞍。今年，我们试图重新定义结构模型指数（SMI），该指数在医学领域用于将骨微结构分类为板状和类似杆状的形状，并据说通过审查其现象学定义来与机械强度很好地相关。结果，据揭示了SMI与代表取消骨表面不平衡的平均曲率具有简单的分析关系。 - 测量Euler的取消骨骼数量：在这项研究中，作为分析聚合物系统和取消骨骼中看到的三维网络结构的方法，局部结构的特征是测量表面曲率。但是，结构的全球方面在曲率测量中并不明显。几何形状表明，可以通过测量欧拉数来量化结构形态。因此，今年，我们开发了一种根据使用上一年开发的三维稀薄方法获得的分支数量以及分支机构的分支数来评估欧拉数的方法。此外，使用这种新方法获得的Euler数量的有效性是通过独立比较和检查使用高斯 - 骨网定理获得的结果来确认的。

项目成果

陣内浩司: "幾何学からみた骨構造解析-THE BONE特集「骨梁測定の最近の進歩」"メディカルレビュー社. 6 (2000)

Koji Jinnai：“从几何角度进行骨结构分析 - THE BONE 专刊“小梁骨测量的最新进展”医学评论出版。6（2000）

Y.Nishikawa et al.: "Measurementa of Interfacial Curvatures of Bicontinuous Structure from Three-Dimensional Digital Images.2.Sectioning and Fitting Method"Langmuir. (in press). (2001)

Y.Nishikawa 等人：“通过三维数字图像测量双连续结构的界面曲率。2.剖面和拟合方法”Langmuir。

H.Jinnai et al.: "Surface Curvatures of Trabecular Bone Micro-Architecture"BONE. 30(1). 191-194 (2002)

H.Jinnai 等人：“小梁骨微结构的表面曲率”BONE。

H.Jinnai et al.: "Observation of Fine Structure in Bicontinuous Phase-Separated Domains of a Polymer Blend by Laser Scanning Confocal Microscopy"Macromolecules. 34. 5186-5191 (2001)

H.Jinnai 等人：“通过激光扫描共焦显微镜观察聚合物共混物双连续相分离域的精细结构”大分子。

陣内浩司: "「骨微細構造の幾何学的解析」 腎と骨代謝 特集「骨の構造と強度」"日本メディカルセンター. 7 (2001)

阵内浩司：“骨微结构的几何分析”肾脏和骨代谢专题“骨结构和强度”日本医疗中心7（2001）。