Multi-scale mechano-structural relationships of mineralized bone matrix via the PILP process

通过 PILP 过程研究矿化骨基质的多尺度力学结构关系

基本信息

批准号：
17F17787
负责人：
東藤正浩
金额：
$ 1.41万
依托单位：
Hokkaido University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2017
资助国家：
日本
起止时间：
2017-11-10 至 2020-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-17F17787/
关键词：
骨組織石灰化 PILP法 X線回折力学特性

项目摘要

微視的には骨は無機成分のミネラル結晶と有機成分のコラーゲン分子からなる複合構造である．特に，剛性・強度の高いアパタイト結晶は骨密度と密接な関係があり，上述の従来の骨強度推定手法の根拠となっている．このような微視構成成分に関わる「骨質」の重要性が指摘されている．そのためこれらの微視複合構造を模倣した人工骨材料の開発も試みられてはいるが，ミネラル結晶およびコラーゲン分子の力学的役割，特にその力学的相互作用については複雑かつ微細であり，可視化等による解明も困難であり，その詳細が未だ不明のため，実現には至っていない．近年，このような高分子マトリックスの石灰化を目的として，高分子誘導液体前駆体（PILP）プロセスが注目されている．本手法によれば，高分子マトリックス構造に由来した石灰化組織を簡便に生成することが可能となり，より生体骨に近い階層構造性を持ち，力学的機能を併せ持つバイオマテリアル開発に寄与するものと考えられる．本研究では，PILPプロセスにより作製した石灰化骨様マテリアルについて，その構造特性と力学的特性の関係について明らかにすることを目的とした．ウシ皮質骨を脱灰することでコラーゲンマトリックスを作製し，PILP法により再石灰化を試みた．本試料に対し，まず受入研究員が考案しているＸ線回折手法によるアパタイト－コラーゲン複合構造の同時力学挙動解析を行う．骨組織は微視的にはアパタイトおよびコラーゲンから構成される複合材料である．そこでＸ線照射によりアパタイト結晶から得られる広角回折Ｘ線とコラーゲン分子鎖から得られる小角散乱Ｘ線を同時検出する測定系を考案する．また外的負荷時の両成分の力学挙動を測定することで，骨の微視構造特性とマクロな力学特性の関連性について調査した．

微观上，骨是由无机矿物晶体和有机胶原分子组成的复合结构。特别是具有高硬度和强度的磷灰石晶体与骨密度有着密切的关系，并且是上述传统骨强度估计方法的基础。人们已经指出了与这些微观成分相关的“骨质量”的重要性。因此，人们尝试开发模仿这些微观复合结构的人造骨材料，但矿物晶体和胶原蛋白分子的力学作用，特别是它们的机械相互作用复杂而微小，很难通过可视化等方式理解它们也很难说清楚，细节还不得而知，所以一直没有实现。近年来，聚合物诱导液体前驱体（PILP）工艺因矿化此类聚合物基质而引起了人们的关注。根据该方法，可以容易地生成源自聚合物基质结构的钙化组织，并且有望有助于开发具有更接近活骨的分级结构并具有机械功能的生物材料。可能的。本研究的目的是阐明通过 PILP 工艺制备的钙化类骨材料的结构和力学性能之间的关系。通过对牛皮质骨进行脱矿来制备胶原基质，并尝试使用 PILP 方法进行再矿化。对于该样品，我们将首先使用主办研究人员设计的 X 射线衍射方法对磷灰石-胶原复合结构进行同步机械行为分析。从微观上看，骨组织是由磷灰石和胶原蛋白组成的复合材料。因此，我们设计了一种测量系统，可同时检测从磷灰石晶体获得的广角衍射X射线和通过X射线照射从胶原分子链获得的小角散射X射线。此外，通过测量外部载荷期间两个部件的机械行为，我们研究了骨微观结构特性和宏观机械特性之间的关系。