脊髄組織のSwelling構成則と細胞自己損傷予測

本研究の目的は、申請者らが基礎的検討を進めてきた固体相、液体相、圧電位相の相互作用によるTriphasic Theoryを発展させて、脊髄組織特有のSwelling(組織膨潤による自己圧力誘起)挙動も組み込んだ構成法則を開発し、その結果を利用して生体脊柱管内力学環境を有限要素法で推定することである。まず、Swelling挙動の実験装置を考案する。実験結果と有限変形連続体理論のTriphasicモデルにより、脊髄各組織の構成則を定式化する。次に、組織別構成則を三次元有限要素法に組み込む。これによって脊柱管内の力学応答を高精度に予測する。様々な外的負荷による応力・圧力状態と臨床データ等と照合し、本手法の妥当性と精度化を計る。以上の計画を2年間で遂行する。2年計画の最終年度である今年度は、以下の検討を行った。1.脊髄組織のTriphasic実験:脊髄組織試験片には、牛脊髄の白質と灰白質を用い、実験方法を検討した。組織を直径5mm、厚さ2mm程度に切りだし、軸圧縮負荷した。実験項目は、圧縮負荷実験、クリープ実験、応力緩和実験とした。実験の雰囲気環境は、液相と同一の食塩濃度を持つ0.15M NaCl生理的食塩水で、35-37℃の体温環境で行った。2.Triphasic Theoryによる構成法則:有限変形連続体理論を用いた数学モデルにより、液相流動や固液相間相互作用を含めた固液混相状態の構成法則を定式化した。さらに、脊髄組織の特徴である外力によるSwelling現象も表現した。そして、実験により誘導可能な特性定数を整理した。3.Triphasic Theory有限要素法の定式化:以上得られた組織毎の構成則を三次元有限要素法に組み込んだ。これには、当然固液混相の特徴と材料異方性が考慮されている。4.損傷挙動のシミュレーション:上記で開発した有限要素法で、さまざまな損傷過程の解析を行った。得られた結果から、構成法則の各パラメータがどの程度巨視的挙動に関与するかを検討した。5.まとめと今後の研究展望:以上の結果をとりまとめ、脊髄バイオメカニクスの今後の展望を計った。

本研究の目的は、申請者らが基礎的検討を進めてきた固体相、液体相、圧電位相の相互作用によるTriphasic Theoryを発展させて、脊髄組織特有のSwelling(組織膨潤による自己圧力誘起)挙動も組み込んだ構成法則を開発し、その結果を利用して生体脊柱管内力学環境を有限要素法で推定することである。まず、Swelling挙動の実験装置を考案する。実験結果と有限変形連続体理論のTriphasicモデルにより、脊髄各組織の構成則を定式化する。次に、組織別構成則を三次元有限要素法に組み込む。これによって脊柱管内の力学応答を高精度に予測する。様々な外的負荷による応力・圧力状態と臨床データ等と照合し、本手法の妥当性と精度化を計る。以上の計画を2年間で遂行する。2年計画の最終年度である今年度は、以下の検討を行った。1.脊髄組織のTriphasic実験:脊髄組織試験片には、牛脊髄の白質と灰白質を用い、実験方法を検討した。組織を直径5mm、厚さ2mm程度に切りだし、軸圧縮負荷した。実験項目は、圧縮負荷実験、クリープ実験、応力緩和実験とした。実験の雰囲気環境は、液相と同一の食塩濃度を持つ0.15M NaCl生理的食塩水で、35-37℃の体温環境で行った。2.Triphasic Theoryによる構成法則:有限変形連続体理論を用いた数学モデルにより、液相流動や固液相間相互作用を含めた固液混相状態の構成法則を定式化した。さらに、脊髄組織の特徴である外力によるSwelling現象も表現した。そして、実験により誘導可能な特性定数を整理した。3.Triphasic Theory有限要素法の定式化:以上得られた組織毎の構成則を三次元有限要素法に組み込んだ。これには、当然固液混相の特徴と材料異方性が考慮されている。4.損傷挙動のシミュレーション:上記で開発した有限要素法で、さまざまな損傷過程の解析を行った。得られた結果から、構成法則の各パラメータがどの程度巨視的挙動に関与するかを検討した。5.まとめと今後の研究展望:以上の結果をとりまとめ、脊髄バイオメカニクスの今後の展望を計った。