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.

This study で は, リ モ デ リ ン グ に よ る bone beam の function optimum 応 phenomenon の メ カ ニ ズ ム の を cell mechanics 応 answer の レ ベ ル か ら Ming ら か に す る こ と を refers し, bone cells に give さ れ る interstitial fluid flow れ stimulus と bone beam リ モ デ リ ン グ と の masato even に つ い て, porous 弾 sex theory に よ る bone beam の mechanics analysis, お よ び, そ れ に base づ く bone Liang リモデリ, グシ, グシ, ュレ, ショ, を, を, tong じて検, tao じて検, た. に below, this year's の な Lord be studied content と, too ら れ た results を ま と め る. (1) the living environment in the body に お け る bone beam を し scenarios, Qiao return し の 単 axle load と qu げ モ ー メ ン ト が composite し て role す る two dimensional porous 弾 sex body internal 圧 の fluid distribution の time variations change に つ い て, transition 応 answer と constant 応 contains a を ん だ を theory solution Export し た. こ れ を bone beam mechanical analytic に の す る こ と に よ り, born in vivo に お い て bone beam リ モ デ リ ン グ を lead き up こ れ の す interstitial fluid flow dynamic を 挙 に of quantitative evaluation of 価 す る こ と が で き た thin tube (2) the bone shape の square difference を consider し た bone beam permeable coefficient の constructive technique proposed を し た. This technique を bone beam section に お け る bone tube shape の 観 examine portrait に applicable す る こ と に よ り, square difference を have す る bone beam の permeable coefficient テ ン ソ ル の quantitative evaluation 価 が may と な っ た. (3) the bone cells に よ る flow れ stimulus の perception か ら, osteoclasts, bone bud cells に よ 収 absorption, bone formation ま る bone で の bone beam リ モ デ リ ン グ process を mathematical モ デ ル と し て し, porous 弾 sex body と し て モ デ ル change さ れ た bone beam の リ モ デ リ ン グ シ ミ ュ レ ー シ ョ ン を line っ た. Interstitial fluid flow の れ に と も な い cells swelled に role す る せ ん 応 force を broken bone cells へ の mechanical stimulation と み な す こ と に よ り, 単 body bone beam レ ベ ル, お よ び, spongy bone レ ベ ル に お け の function of optimum 応 る bone beam form - the を performance す る こ と が で き た. (4) the bone cells ア ポ ト ー シ ス を have す る damage bone beam に し seaborne て リ モ デ リ ン グ シ ミ ュ レ ー シ ョ ン を い, そ の repair に お け る bone beam form - the に つ い て beg し 検 た. ア ポ ト ー シ ス field が に bone beam diameter than べ て small さ い occasions に は, bone beam は ほ ぼ yuan の form へ と repair さ れ た こ と か ら, this study proposed で し た mathematical モ デ ル は, リ モ デ リ ン グ process の み な ら ず, bone beam に accumulation さ れ た The process of microvisual injury repair を を performance confirmed る とが とが された.

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