骨のメカノセンサネットワークに基づくスマート材料へのアプローチ

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骨の再生過程におけるリモデリングによる構造変化は,力学的緩急の変化に対する機能的な適応現象であり,力学的な因子が重要な役割を担っている.微視的には骨を構成する各種細胞の活動の結果として捉えられ,さらには,細胞内分子システムが有する力学刺激感知機構に大きく依存している.この複雑なふるまいにおいて,細胞内分子構造,細胞活動,細胞間ネットワーク,骨の微視的構造,および巨視的な組織構造等からなる階層性が,骨の再生及び機能的適応のメカニズム解明のための一つの重要な鍵となる.本研究では,それら各階層における様々な力学現象を明らかにし,それらの相互作用から生み出される複雑系システムとしての多様なふるまいをマルチスケールメカニクスの観点から検討することを最終目的として,細胞レベルでのメカノセンサーネットワークのモデル化と巨視的な力学環境およびその構造変化の定量的関係を検討する.本年度は各種条件下での骨再生のシミュレーションを行なうことが中心であり,成果は次のように要約される.1)モデル化における実構造の異方性の検討骨細胞ネットワークの異方性に着目して,骨梁形態と骨細胞間の骨細管-骨小腔の形態の関係の観察を行なった.骨細管の配向は荷重方向に配向する骨梁の軸に垂直であることがわかった.2)間質液の流れにより細胞突起表面に作用するせん断応力を,骨細胞が感知する力学刺激とし,骨細胞による力学刺激の感知,情報伝達,および骨形成と吸収を表現した数理モデルを完成させた.3)リモデリングによる再生過程について,Z形状やX形状の比較的単純なモデルに対して負荷をかけ,骨梁が荷重方向に配向することを確認した.4)次に,単純形状の骨梁をモデルに,欠損が生じた場合のリモデリングによる修復過程をシミュレーションによって再現した.以上により第一段階でのリモデリングシミュレーション手法が確立した.