4次元CT観察とマルチスケール力学・構造計測に基づく海綿骨圧縮破壊特性の発現機序

骨折や骨疾患の正確な診断と適切な治療には、海綿骨の強度と圧縮破壊挙動の正確な予測と制御が重要であり、その発現機序の解明が重要である。本研究は、海綿骨の強度を含む圧縮破壊特性の発現機序解明のため、海綿骨のマルチスケール構造に起因すると仮定し、これらの相互作用を4次元CT観察およびマルチスケール力学・構造計測により実験的に明らかにする。そのため、以下に取り組む。（１）4次元CT観察と骨梁ネットワーク構造解析の手法開発により、圧縮破壊特性に関わる骨梁と骨梁ネットワーク構造の構造的特性を解明、（２）骨梁の片持梁曲げ試験により骨梁力学特性と海綿骨圧縮破壊特性の関係を解明、Ｘ線回折・小角散乱計測によりこれらに及ぼす分子・結晶構造の寄与を解明、（３）以上により海綿骨の圧縮破壊特性の発現機序を解明する。3ヵ年計画のうち初年度に当たる今年度は、以下の成果を得た。（１）骨組織の有機相への影響が懸念される放射光は使用せずlab-scaleのX線源を用いた高速・高分解能マイクロCT装置を用いて、圧縮破壊試験中の海綿骨試験片の微視構造を逐次観察する海綿骨に特化した4次元CT観察手法を開発した。ウシ海綿骨試験片を4次元CT撮影し、応力－ひずみ関係と変形・破壊挙動との対応を観察し、本手法の有効性を実証した。（２）骨梁の力学特性に対する加齢の影響を調査した報告は数例に限られ、個体差や年齢幅に課題があった。そこで、骨梁の片持梁曲げ試験によりウシの成熟期と高齢期における骨梁弾性率を比較し、加齢に伴う材料特性の変化を調査した。黒毛和種ウシの大腿骨海綿骨において、高齢群と成熟群の間に骨梁弾性率の顕著な差が認められないことを示した。また、骨梁の動的破壊強度の評価方法を検討した。

骨折や骨疾患の正確な診断と適切な治療には、海綿骨の強度と圧縮破壊挙動の正確な予測と制御が重要であり、その発現機序の解明が重要である。本研究は、海綿骨の強度を含む圧縮破壊特性の発現機序解明のため、海綿骨のマルチスケール構造に起因すると仮定し、これらの相互作用を4次元CT観察およびマルチスケール力学・構造計測により実験的に明らかにする。そのため、以下に取り組む。（１）4次元CT観察と骨梁ネットワーク構造解析の手法開発により、圧縮破壊特性に関わる骨梁と骨梁ネットワーク構造の構造的特性を解明、（２）骨梁の片持梁曲げ試験により骨梁力学特性と海綿骨圧縮破壊特性の関係を解明、Ｘ線回折・小角散乱計測によりこれらに及ぼす分子・結晶構造の寄与を解明、（３）以上により海綿骨の圧縮破壊特性の発現機序を解明する。3ヵ年計画のうち初年度に当たる今年度は、以下の成果を得た。（１）骨組織の有機相への影響が懸念される放射光は使用せずlab-scaleのX線源を用いた高速・高分解能マイクロCT装置を用いて、圧縮破壊試験中の海綿骨試験片の微視構造を逐次観察する海綿骨に特化した4次元CT観察手法を開発した。ウシ海綿骨試験片を4次元CT撮影し、応力－ひずみ関係と変形・破壊挙動との対応を観察し、本手法の有効性を実証した。（２）骨梁の力学特性に対する加齢の影響を調査した報告は数例に限られ、個体差や年齢幅に課題があった。そこで、骨梁の片持梁曲げ試験によりウシの成熟期と高齢期における骨梁弾性率を比較し、加齢に伴う材料特性の変化を調査した。黒毛和種ウシの大腿骨海綿骨において、高齢群と成熟群の間に骨梁弾性率の顕著な差が認められないことを示した。また、骨梁の動的破壊強度の評価方法を検討した。