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

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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.