博 士 （ 工 学 ） 山 田 悟 史
学 位 論 文 題 名
生体骨組織の階層構造特性と応力検出に関する研究
学位論文内容の要旨
ヒ ト の骨 格 は ， 体 重や 運 動 橡 ど によ る 外 的 荷 重を 支持す るため 、強固 で最 適を骨 組織・ 構造を 有 す る ，て のよう 教骨組 織に は，外 的負荷 に応じ て内部 に応 カが生 じる． 骨組織 に大 き教応 カが作 用す る と 骨折 のりス クが高 まる ．高齢 者に多 い骨粗 鬆症で は， 骨強度 が低下 してい るた め日常 的款応 カで も 骨 折の りスク は高い ，骨 折の予 防や防 止には 骨組織 内部 の応カ を知る ことが 重要 である ．骨組 織に 作 用 する 応カに は，重 カに よる静 的応力 ，運動 等によ り繰 り返し 作用す る動的 応カ がある ．また ，生 体 組 織 特 有の 応 カ と し て， 骨 組 織 の り モデ リ ン グや 骨修 復時に 骨細胞 を活性 化さ せる内 在応カ が存 在 す る， これま でに無 負荷 時でも 骨組織 内部に 残留応 カが あるこ とが報 告され た． これは 骨構造 がカ 学 的 平 衡 を保 っ て い て も内 部 組 織 に 応 力分 布 が 生じ るこ とを示 してい る，骨 組織 に内在 するこ れら の 応 カ が 測定 で き れ ぱ ，骨 リ モ デ リ ン グや 骨 折 の治 癒過 程とい った骨 疾患の 診断 ・治療 に対し て有 益 教生体 内情報 が提供 され る．
骨 組織の 中で も岡す 陸の高 い皮質 骨は明 確教 階層構 造を有 する．マイクロメートル領域では，オステ オ ン が骨 軸方向 に配列 して いる， ナノメ ートル 領域で は， 繊維状 タンパ ク質の コラ ーゲン とハイ ドロ キ シ ア パ タイ ト(HAp)を 主 成 分と す る ミ ネ ラ ルの 分 子 複 合 体を 形 成 し て いる． これま でに， 皮質 骨 応 カ の 非 侵襲 計 測 の た め，HAp結 晶のX線 回 折 特性 が 着 目 さ れた ． 残 留 応 力検 出 に は ， 基 準と 教 る 無 ひ ず み 試料 が 必 要 で ある ， そ れ に は 骨粉 末 試 料 が 用い ら れ た が ，骨 粉 末の 粒子サ イズがHAp結 晶 の 無 ひ ず み状 態 に 影 響 を与 え る と い う 課題 が あ った ．本 研究で は，測 定回折 面を 順次傾 斜させ 残留 応 カ を 測 定す る 手 法(X線 回 折sin2サ 法 ） を皮 質 骨 計測に 応用 した． この手 法では ，無 ひずみ 試料の 測 定 を必 要とし 教い． 本手 法を用 いて， ウシ大 腿骨， 家兎 四肢の 骨幹皮 質骨の 残留 応力分 布を測 定し た.HAp結 晶 か ら オス テ オ ン 構 造 まで の 皮 質 骨 の階 層 構 造 特 性と ， 残 留 応 カお よ び 弾 性 率 との 関 係 に ついて 調査し た．
ウ シ 大腿 骨 骨 幹 皮 質骨 表 層 の 残 留応 カ を 測 定 した 結果， 骨軸方 向に引 張残 留応カ が存在 するこ と が 明 らか にをっ た，ま た， 大腿骨 の測定 部位に よりそ の大 きさが 異次る ことが わか った． 家兎四 肢骨 幹 皮 質骨 表層の 残留応 力分 布とオ ステオ ン密度 分布を 比較 した， その結 果，残 留応 カの大 きさと オス テ オ ン 密 度に 正 の 相 関 が認 め ら れ た ． オス テ オ ンは 皮質 骨の形 成過程 や生体 内力 学負荷 と密接 教関 わ り を持 つ，こ れより ，残 留応カ がオス テオン の形成 によ る皮質 骨内部 の不均 一構 造に起 因する こと を 確 認 し た， さ ら に ， シン ク ロトロ ンを用 いて ，超高 エネル ギ放射 光白 色X線 によ ルウシ 大腿骨 骨幹 皮 質 骨 の 深層 部 ま で の 残留 応 力 分 布 を 測定 し た ．そ の結 果，骨 幹皮質 骨の外 周表 層に骨 軸方向 の引 張 残 留 応 カが ， 皮 質 骨 深層 部 に 圧 縮 残 留応 カ が 認め られ た，皮 質骨階 層構造 特性 と組織 レベル の弾 性 率 の 関 係を 調 査 し た ．そ し て オ ス テ オン 領 域 は， 非オ ステオ ン領域 に比べ て骨 軸方向 弾性率 が低 く ，HAp結 晶c軸 の 骨 軸方 向 へ の 配 向 度が 低 い こ と がわ か っ た ． また ， 骨 軸 方 向弾 性 率 とHAp結 晶 の 骨 軸 方 向へ の 配 向 度 には 高 い 相 関 が ある こ と を 確 認し た ， こ の こと に より ，HAp結晶の 配向性 か ら 皮質骨 内部の 弾性率 分布 が非侵 襲に測 定でき る可 能性を 提案し た．
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以 上 より ，本 研 究で は骨 組 織皮 質骨 の 残留 応力 検 出法 を提案 し，ウシ大腿骨， 家兎四肢の骨幹皮質 骨 に 残留 応力 分 布が 存在 す るこ とを 示 した ．測 定 した 残留 応 力値 と皮 質 骨の オス テ オン 密度 に 正の 相 関 があ るこ と を確 認し た ．ま た。 皮 質骨 階層 構 造特 性と 組 織レ ベル の 弾性 率と の 関係 を明 ら かに した ，
本 論 文 は 全 7章 で 構 成 さ れ て お り ， 各 章 の 概 要 は 以 下 の と お り で あ る ， 第1章 で は ， 本 論 文 の 総 括 的 を 序 論 と し て ， 研 究 の 背 景 お よ び 目 的 に つ い て 述 べ た ． 第2章で は ，骨 組織 皮 質骨 にお け る階 層構 造 特性 につ い て概 説し た ．ま た，X線の発生原 理，X線回 折に つ いて 簡潔 に 述べ た．
第3章 で は ，X線 回 折sin2ゆ 法 に よ る 骨 組 織 皮 質 骨 の 残 留 応 力 検 出 法 を 提 案 し た ， 特 性X線 Mo‑Kdを 用 い て ウ シ 大 腿 骨 骨幹 皮質 骨 表層 の残 留 応力 分布 を 測定 した ． その 結果 ， 骨軸 方向 に 引張 残留 応 カが 内在 し ，大 腿骨 の 測定 部位 に よっ て残 留 応カ の大き さが異教ることを 確認した．また，円 周 方 向 の 残 留 応 カ は 骨 軸 方 向 に 比 べ て 小 さ く ， 測 定 点 の 多 く で 残 留 応 カ が 認 め ら れ を か っ た ． 第4章で は ，家 兎四 肢 骨幹 皮質 骨 表層 にお け る残 留応 力 分布 を測 定 した ．そ の 結果，残留応力分布 は大 腿 骨と 脛骨 と で異 教る こ とを 確認 し た． また ， 残留 応カの 大きさと測定部位 における皮質骨のオ ステ オ ン密 度を 比 較し た． 残 留応 カは オ ステ オン 密 度の 高い部 位で大きい傾向を 示し，残留応カの大 き さ とオ ステ オ ン密 度の 間 に正 の相 関 が認 めら れ た， オス テ オン は皮 質 骨の 形成 過 程や 生体 内 で曝 され る カ学 負荷 と 密接 を関 わ りを 持つ ． これ より ， 残留 応カが オステオンの形成 による皮質骨内部の 不均 一 構造 に起 因 する こと を 示し た． ま た， 残留 応 力分 布が生 体内のカ学負荷と 関係があることがわ かっ た ．
第5章 で は ， シ ン ク ロ ト ロ ン を 用 い て ， 超 高 エ ネ ル ギ放 射光 白 色X線 によ ルウ シ 大腿 骨骨 幹 皮質 骨深 層 部ま での 骨 軸方 向の 残 留応 力分 布を損4定した．その結果 ，骨幹皮質骨の外 周表層に引張残留応 カが ， 皮質 骨深 層 部に 圧縮 残 留応 カが 認 めら れた ．
第6章 で 絃 ， 皮 質 骨 の 階 層構 造特 性 と組 織レ ベ ルの 弾性 率 との 関係 を 調査 した ． ウシ 大腿 骨 骨幹 皮 質 骨 よ り 採 取 し た 短 冊 状試 験 片を 用い て ，弾 性率 とHAp結 晶配 向性 ， 皮質 骨横 断 面に 占め る オス テオ ン 面積 比を 測 定し た， そ の結 果， オ ステ オン 領 域は ，非オ ステオン領域に比 べて骨軸方向弾性率 が 低 く ，HAp結 晶c軸 の 骨 軸 方 向 へ の 配 向 度 が 低 い こ と が わ か っ た ． ま た ， 骨軸 方向 弾 性率 とHAp 結 晶c軸 の 骨軸 方向 へ の配 向度 に 高い 相関 が 認め られ た ．こ れよ り ，HAp結晶 の配 向 性測 定に よ り，
皮質 骨 内部 の弾 性 率分 布が 非 侵襲 に測 定 でき る可 能 性を 示し た ，
第7章 で は ， 結 諭 と し て 本研 究で 得 られ た結 果 を総 括し ， 今後 の課 題 や展 望に つ いて まと め た．
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学位論文審査の要旨 主査 副査
副査 副査 副査
教授 教授 教授 教授 准教授
但 野 佐々木 大 橋 古 坂 東 藤
学 位 論 文 題 名
茂 克彦 俊朗 道弘 正浩
生体骨組織の階層構造特性と応力検出に関する研究
ヒトの骨格は，体重や運動教どによる外的荷重を支持するため、強固で最適趣骨組織・構造を有 する，このよう教骨組織には．外的負荷に応じて内部に応カが生じる．骨組織に大き教応カが作用す ると骨折のりスクが高まる．高齢者に多い骨粗鬆症では，骨強度が低下しているため日常的数応カで も骨折のりスクは高い．骨折の予防や防止には骨組織内部の応カを知ることが重要である．骨組織に 作用する応カには，重カによる静的応力，運動等により繰り返し作用する動的応カがある．また，生 体組織特有の応カとして，骨組織のりモデリングや骨修復時に骨細胞を活性化させる内在応カが存 在する．これまでに無負荷時でも骨組織内部に残留応カがあることが報告された．これは骨構造がカ 学的平衡を保っていても内部組織に応力分布が生じることを示している．骨組織に内在するこれら の応カが測定できれば，骨リモデリングや骨折の治癒過程といった骨疾患の診断・治療に対して有 益教生体内情報が提供される，
骨組織の皮質骨は明確教階層構造を有する．マイクロメートル領域では，オステオンが骨軸方向に 配列している，ナノメートル領域ではっ繊維状タンパク質のコラーゲンとハイドロキシアパタイト (HAp)を主成分とするミネラルの分子複合体を形成している，これまでに，皮質骨応カの非侵襲計 測のため，HAp結晶のX線回折特性が着目された，残留応力検出には，基準とをる無ひずみ試料が必 要である．それには骨粉末試料が用いられたが，骨粉末の粒子サイズがHAp結晶の無ひずみ状態に 影響を与えるという課題があった，
そこで本研究では，測定回折面を順次傾斜させ残留応カを測定する手法(X線回折sin2サ法）を皮 質骨計測に適用した手法を提案している．この手法では，無ひずみ試料の測定を必要としをい，本手 法を用いて，ウシ大腿骨，家兎四肢の骨幹皮質骨の残留応力分布を損fJ定している.HAp結晶からオス テオン構造までの皮質骨の階層構造特性と。残留応カおよび弾性率との関係について調査している．
本手法をウシ大腿骨骨幹皮質骨表層の残留応力測定に適用し，骨軸方向に引張残留応カが存在し、
測定部位によりその大きさが異教ることを明らかにしている．また，家兎四肢骨幹皮質骨表層の残留 応力分布とオステオン密度分布を比較し、残留応カの大きさとオステオン密度に正の相関を認めて いる。オステオンは皮質骨の形成過程や生体内力学負荷と密接顔関わりを持つことにより，残留応 カがオステオンの形成による皮質骨内部の不均一構造に起因することを確認している．さらに，シン クロトロンを用いて。超高エネルギ放射光白色X線によルウシ大腿骨骨幹皮質骨の深層部までの残
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留 応力 分 布 を 測 定し 、 骨 幹 皮 質 骨の 外 周 表 層に 骨軸方 向の引 張残 留応カ を、皮 質骨深 層部 に圧縮 残 留 応カ を 認 め て いる 。 皮 質 骨 階 層構 造 特 性 と組 織レベ ルの弾 性率 の関係 を調査 し、オ ステ オン領 域 は ，非 オ ス テ オ ン領 域 に 比 べ て 骨軸 方 向 弾 性 率が 低 く ，HAp結 晶c軸の 骨 軸 方 向 へ の配 向 度が 低い こ と を 示 し て い る ， 骨 軸方 向 弾 性 率 とHAp結 晶の 骨 軸 方 向 へ の配 向 度 に は 高い 相 関 が あ るこ と を 確 認し て い る ． この こ と は ，HAp結 晶 の 配向 性 か ら 皮 質骨 内 部 の 弾 性率分 布が非 侵襲 に測定 できる こ とを 示 し て い る．
これ を要す るに， 著者は 、骨 組織皮 質骨の 残留応 力検 出法を 提案し ，ウシ 下肢や 家兎 四肢に は明瞭 款 残留 応 力 分 布 が存 在 す る こ と を明 ら か に した もので あり、 これ らの成 果は、 医療福 祉工 学や人 間 機械シ ステ ムデザ イン学 の発展 に寄 与する ところ 大であ る。よ って 、著者 は北海 道大学 博士 （工学 ） の 学位 を 授 与 さ れる 資 格 が あ る もの と 認 め る 。
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