骨の圧電性を利用した非侵襲“骨質”センシング

本研究の目的は、音響誘起電磁法（ASEM法）を用いて、骨コラーゲンの結晶性（配向性）を非侵襲に評価する“骨質”センシングを実現することである。ASEM法は、対象物の圧電性を通して、超音波（音圧）によって誘起される電気分極（圧電分極）を検出し、超音波走査によりその分極の空間分布を画像化する手法である。骨の圧電性は一軸配向したコラーゲン線維に由来しているため、圧電性を利用することにより、非破壊・非脱灰に骨コラーゲン線維を評価できる。本研究では、骨粗鬆症に着目し、骨コラーゲンの健全性（線維構造と力学特性）と圧電性との相関を明らかにし、骨質のin-vivo評価に挑戦する。ASEM法は、非破壊・非脱灰での骨コラーゲン評価、さらには非侵襲ヒト診断につながる可能性を有しており、本研究手法の確立は、骨粗鬆症の学術研究・診断応用の両面において大きな変革をもたらすことが期待される。2022年度において、ラット骨粗鬆症モデル（膝関節不動化モデルおよび糖尿病モデル）を用いて、健全骨と疾患骨におけるASEM信号強度（圧電分極）を比較したところ、特に骨幹端部において有意差をもってASEM信号が減少することが見出された。また、骨の圧電分極の異方性を検出する手法を開発し、線維構造に起因する異方性を示すことが明らかにされた。このことは、ASEM信号の大きさや向きから骨コラーゲンの配向性を評価できることを示唆する。一方、動物in-vivo実験やヒト測定を可能とするアレイプローブを用いた測定系の開発に取り組み、ヒト体内における圧電分極の画像化に成功した。

本研究の目的は、音響誘起電磁法（ASEM法）を用いて、骨コラーゲンの結晶性（配向性）を非侵襲に評価する“骨質”センシングを実現することである。ASEM法は、対象物の圧電性を通して、超音波（音圧）によって誘起される電気分極（圧電分極）を検出し、超音波走査によりその分極の空間分布を画像化する手法である。骨の圧電性は一軸配向したコラーゲン線維に由来しているため、圧電性を利用することにより、非破壊・非脱灰に骨コラーゲン線維を評価できる。本研究では、骨粗鬆症に着目し、骨コラーゲンの健全性（線維構造と力学特性）と圧電性との相関を明らかにし、骨質のin-vivo評価に挑戦する。ASEM法は、非破壊・非脱灰での骨コラーゲン評価、さらには非侵襲ヒト診断につながる可能性を有しており、本研究手法の確立は、骨粗鬆症の学術研究・診断応用の両面において大きな変革をもたらすことが期待される。2022年度において、ラット骨粗鬆症モデル（膝関節不動化モデルおよび糖尿病モデル）を用いて、健全骨と疾患骨におけるASEM信号強度（圧電分極）を比較したところ、特に骨幹端部において有意差をもってASEM信号が減少することが見出された。また、骨の圧電分極の異方性を検出する手法を開発し、線維構造に起因する異方性を示すことが明らかにされた。このことは、ASEM信号の大きさや向きから骨コラーゲンの配向性を評価できることを示唆する。一方、動物in-vivo実験やヒト測定を可能とするアレイプローブを用いた測定系の開発に取り組み、ヒト体内における圧電分極の画像化に成功した。