多孔質弾性論による間質液流れ解析とそれに基づく骨梁リモデリングシミュレーション

利用孔隙弹性理论进行间质液流动分析及基于该理论的骨小梁重塑模拟

• 批准号: 08J01475
• 负责人: 亀尾 佳貴
• 金额: $ 1.15万
• 依托单位: Kyoto University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2008
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2008 至 2010
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-08J01475/
• 关键词: リモデリング; 骨梁; 海綿骨; 間質液; 多孔質弾性論; 透水係数; 機能的適応; 計算バイオメカにクス; 力学的適応; 計算バイオメカニクス; 繰り返し荷重

本研究では,リモデリングによる骨梁の機能的適応現象のメカニズムを細胞の力学応答のレベルから明らかにすることを目指し,骨細胞に付与される間質液流れ刺激と骨梁リモデリングとの関連について,多孔質弾性論による骨梁の力学解析,および,それに基づく骨梁リモデリングシミュレーションを通じて検討した.以下に,本年度中の主な研究実施内容と,得られた成果をまとめる.(1)生体内環境下における骨梁を想定し,繰返しの単軸荷重と曲げモーメントが複合して作用する二次元多孔質弾性体内部の流体圧分布の時間変化について,過渡応答と定常応答を含んだ理論解を導出した.これを骨梁の力学解析に適用することにより,生体内において骨梁リモデリングを引き起こす間質液の流れ挙動を定量的に評価することができた(2)骨細管形態の異方性を考慮した骨梁透水係数の推定手法を提案した.本手法を骨梁断面における骨細管形態の観察画像に適用することにより,異方性を有する骨梁の透水係数テンソルの定量評価が可能となった.(3)骨細胞による流れ刺激の感知から,破骨細胞・骨芽細胞による骨吸収・骨形成までの骨梁リモデリング過程を数理モデルとして表現し,多孔質弾性体としてモデル化された骨梁のリモデリングシミュレーションを行った.間質液の流れにともない細胞突起に作用するせん断応力を骨細胞への力学刺激とみなすことにより,単体骨梁レベル,および,海綿骨レベルにおける骨梁形態の機能的適応変化を表現することができた.(4)骨細胞アポトーシスを有する損傷骨梁に対してリモデリングシミュレーションを行い,その修復過程における骨梁形態変化について検討した.アポトーシス領域が骨梁径に比べて小さい場合には,骨梁はほぼ元の形態へと修復されたことから,本研究で提案した数理モデルは,リモデリング過程のみならず,骨梁に蓄積された微視損傷の修復過程をも表現し得ることが確認された.

在这项研究中，我们旨在通过从细胞动态反应的水平进行重塑来阐明骨骼骨骼的功能适应现象的机制，以及使用孔隙弹性理论和基于小部分重构的骨骼骨骼理论的机械分析来检查应用于骨细胞的间质流体流动刺激与小梁重塑之间的关系。下面，我们总结了今年进行的主要研究以及获得的结果。 （1）假设小梁骨在体内环境中，我们将解释重复的小梁流动刺激之间的关系。我们得出了一种理论解决方案，包括瞬时和稳定的响应，内容涉及二维多孔弹性体内流体压力分布的时间变化，其中单轴载荷和弯曲力矩以合并的方式起作用。通过将其应用于小梁骨的机械分析，我们已经定量评估了间隙液的流动行为，从而在体内引起小梁骨重塑（2），我们提出了一种估计小梁渗透率的方法，考虑到骨管道形态的各向异性。通过将这种方法应用于小梁形态的小梁形态中骨骼管形态的观察图像，已经有可能定量评估各向异性小梁骨的渗透系数张量。 （3）通过破骨细胞的检测到骨吸收和骨骼形成骨骼和骨骼形成的骨骨骨骼重塑过程，以数学模型表达，并以数学模型表达了骨骼模型，并将骨骼骨头模拟的骨骼骨骼模拟模拟。通过将作用在细胞突起上的剪切应力作为间质液的流动，可以在单骨小梁和潜水骨水平上测量骨细胞的动态刺激。表达了小梁骨小梁形态的功能自适应变化。 （4）我们对骨细胞凋亡的受损小梁骨进行了重塑模拟，并检查了修复过程中小梁形态的变化。当凋亡区域小于小梁直径时，小梁骨几乎恢复为原始形式，并且已经证实，这项研究中提出的数学模型不仅可以代表重塑过程，而且可以代表小梁骨中积累的显微镜损伤。

项目成果

Effects of loading frequency on the functional adaptation of trabeculae predicted by bone remodeling

加载频率对骨重塑预测的小梁功能适应的影响

• 发表时间: 2011
• 期刊: Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials
• 影响因子: 3.9
• 作者: Yoshitaka Kameo;Taiji Adachi;Masaki Hojo
• 通讯作者: Masaki Hojo

Multiscale Simulation of Trabecular Bone Adaptation by Remodeling toward Understanding Wolff's Law

通过重塑来理解沃尔夫定律的小梁骨适应的多尺度模拟

• 发表时间: 2010
• 作者: Yoshitaka Kameo;Taiji Adachi;Masaki Hojo;菅原祥;Yoshitaka Kameo;菅原祥;Taiji Adachi;菅原祥;Yoshitaka Kameo;菅原祥;亀尾佳貴;菅原祥;Taiji Adachi;菅原祥;Yoshitaka Kameo;菅原祥;Taiji Adachi
• 通讯作者: Taiji Adachi

Estimation of Trabecular Bone Permeability Using Fluorescent Image of Lacuno-canalicular System

使用腔隙小管系统荧光图像估计小梁骨渗透性

• 发表时间: 2008
• 作者: 亀尾佳貴;安達泰治;北條正樹
• 通讯作者: 北條正樹

Trabecular bone remodeling simulation considering osteocytic response to fluid-induced shear stress

考虑骨细胞对流体诱导剪切应力的反应的骨小梁重塑模拟

• 发表时间: 2010
• 期刊: Philosophical Transactions of the Royal Society A (In Press)
• 作者: Yoshitaka Kameo;Taiji Adachi;Masaki Hojo;菅原祥;Yoshitaka Kameo;菅原祥;Taiji Adachi
• 通讯作者: Taiji Adachi

細胞間を伝播するシグナル分子の影響を考慮した骨梁リモデリングシミュレーション

考虑细胞间信号分子传播影响的小梁骨重塑模拟

• 发表时间: 2010
• 作者: Yoshitaka Kameo;Taiji Adachi;Masaki Hojo;菅原祥;Yoshitaka Kameo;菅原祥;Taiji Adachi;菅原祥;Yoshitaka Kameo;菅原祥;亀尾佳貴;菅原祥;Taiji Adachi;菅原祥;Yoshitaka Kameo;菅原祥;Taiji Adachi;Taiji Adachi;Yoshitaka Kameo;亀尾佳貴;石橋弘輝
• 通讯作者: 石橋弘輝