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

基于4维CT观察及多尺度力学和结构测量的松质骨压缩性骨折特征表达机制

基本信息

批准号：
22K03803
负责人：
山田悟史
金额：
$ 2.75万
依托单位：
Hokkaido University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22K03803/
关键词：
バイオメカニクス骨組織強度海綿骨骨梁剛性破壊 4次元CT 骨

项目摘要

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。

准确预测和控制松质骨的强度和压缩性骨折行为对于骨折和骨疾病的准确诊断和适当治疗具有重要意义，并且阐明其发生机制具有重要意义。在本研究中，为了阐明包括松质骨强度在内的压缩性骨折特性的表达机制，我们假设这些特性是由松质骨的多尺度结构引起的，并利用四维CT观察和多尺度力学研究了这些相互作用。我们将通过实验来阐明这一点。为此，我们将做好以下工作。 (1)通过开发4维CT观察和小梁网络结构分析方法，明确了与压缩性骨折特性相关的骨小梁的结构特征和小梁网络结构；阐明了松质骨梁力学性能与压缩性骨折特性之间的关系；，利用 X 射线衍射和小角散射测量阐明分子和晶体结构对这些的贡献，以及 (3) 阐明松质骨压缩断裂特性的表达机制。本财年是三年计划的第一年，取得了以下成果。 (1) 使用高速、高分辨率微型 CT 设备进行压缩性骨折测试期间的松质骨测试，该设备使用实验室规模的 X 射线源，而不使用同步加速器辐射，这可能会影响骨组织的有机相。开发了一种专门针对松质骨的四维CT观察方法，可以顺序观察一块的微观结构。我们拍摄了牛松质骨标本的四维 CT 图像，观察了应力应变关系与变形/断裂行为之间的对应关系，并证明了该方法的有效性。 (2)目前研究衰老对骨小梁力学性能影响的报道较少，且存在个体差异和年龄范围的问题。因此，我们对骨小梁进行了悬臂弯曲试验，比较成熟牛和老年牛骨小梁的弹性模量，并研究材料性能随年龄的变化。我们发现日本黑牛股骨松质骨的老年组和成熟组之间的小梁弹性模量没有显着差异。我们还研究了一种评估骨小梁动态断裂强度的方法。