骨の力学的再構築による機能的適応に関するバイオメカニクス的研究

通过机械骨重建进行功能适应的生物力学研究

基本信息

批准号：
07858101
负责人：
安達泰治
金额：
$ 0.58万
依托单位：
Kobe University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Encouragement of Young Scientists (A)
财政年份：
1995
资助国家：
日本
起止时间：
1995 至无数据
项目状态：
已结题

项目摘要

生体組織である骨が,絶えず自らを成長・吸収させることにより,機能を維持・回復し,力学的環境の変化に対して機能的に適応する能力を有していることは広く認められている.しかしながら,そのメカニズムについては未知な点が多く残されており,その詳細を解明し理解することは医学臨床分野のみならず工学分野への応用が期待されている.本研究では,まず組織の局所での挙動を駆動する組織間の相互作用や相対的力学因子を考慮し,組織内に分布する応力やひずみと骨の力学的再構築を関係付ける巨視的数理モデルの提案を行った.次に,骨梁構造やハバース管などの骨の微視構造レベルにおける骨芽細胞・破骨細胞等の活動に影響を及ぼす力学的因子として,微視構造内部あるいは表面における応力やひずみを取りあげ,微視構造レベルでの力学的再構築の微視的数理モデルの提案を行った.さらに,微視構造,階層構造を有する骨構造の力学のための連続体的取扱いの各種手法の検討により,微視的構造と巨視的構造とを関係付け,巨視的な力学的境界条件と微視構造レベルでの力学状態を対応づけることが可能なモデルの検討を行った.また,それを用いたシミュレーションにより再構築による微視構造変化と骨全体構造としての再構築との関連について検討を行った.得られた結果を実験・観察結果と比較することにより,提案した骨の力学的再構築モデルの妥当性が確認された.さらに,変動する力学的環境に対して時間的・空間的な最適性をもたらす自然状態分布を積極的に利用する最適残留応力配置決定問題や,物質の出入りをともなう物体の最適質量分布決定問題としての構造最適設計への応用について検討を行いその有効性を確認した.

人们普遍认为，骨骼作为活体组织，具有通过不断生长和吸收来维持和恢复其功能的能力，并且具有功能上适应机械环境变化的能力，但仍然存在许多未知数。这种机制，并阐明和理解其细节，预计不仅可以应用于医学和临床领域，还可以应用于驱动局部行为。考虑到运动组织和相关机械因素之间的相互作用，我们提出了一个宏观数学模型，将组织内分布的应力和应变与骨的机械重建联系起来，作为影响骨微观结构水平上成骨细胞和破骨细胞活动的机械因素，例如。采用哈弗管、微观结构内部或表面的应力和应变进行机械重建的微观数学模型。此外，通过研究对具有微观和分层结构的骨结构力学进行连续处理的各种方法，我们将微观和宏观结构联系起来，并研究了一种可以将力学边界条件与微观结构水平上的力学状态相关联的模型。我们还使用该模型进行了模拟，以确定由于重建而导致的微观结构的变化以及整个骨骼结构的重建与构造的关系。通过将获得的结果与实验和观察结果进行比较，证实了所提出的骨力学重建模型的有效性。此外，我们研究了确定最佳残余应力分布的问题，该模型积极利用了自然状态分布。空间优化及其在结构优化设计中的应用，例如确定涉及材料运动的物体的最佳质量分布的问题。