再生組織の力学的な物性評価について，次のようなテーマを軸に研究を行ってます．

　運動器系の組織再生においては，培養に伴う力学機能の獲得，すなわち力学特性の評価が重要となります．組織再生プロセスにおける力学特性の計測について，新しい計測デバイスを開発するとともに，実験のみでは直接得ることが困難な生体組織や再生組織内部の状態をイメージング技術やマルチスケール有限要素法により解明し，生体組織の新たな物性評価手法の提案を行っています．

 

心筋スフェロイド間の接触に伴う電気的・力学的拍動計測デバイスの開発

Keywords：ヒトiPS細胞，心筋スフェロイド，拍動力，組織間接触

心不全患者に対してiPS細胞由来の心筋組織を移植する手法が注目されていますが，移植時に心臓と移植片の拍動が十分に同期せず，不整脈を発症する可能性が報告されています．これは接触に伴い心筋組織が電気的・力学的に影響を受けるためだと考えられます．本研究では，ヒト iPS細胞の心筋スフェロイドを用いて，蛍光プローブによるイオン動態および拍動力を同時取得可能な装置を開発し，接触に伴う拍動変化を評価しています．

図1 心筋スフェロイドの拍動力測定装置

 

組織イメージングを用いた肝線維化過程におけるひずみ場及び分子局在の評価

Keywords：肝線維化，肝硬変，コラーゲン，微小変形，ひずみ分布

肝臓の線維化は重症化すると肝硬変や肝がんなどの発症に繋がるため，肝生検による病理組織やエラストグラフィーなどによる非侵襲物性計測による診断が行われています．本研究では，肝組織を化学的に固定したり凍結したりすることなく，微小変形に伴うコラーゲン構造変化を多光子励起顕微鏡により検出可能なシステムを開発しています．本システムでは硬さに関するひずみ分布と細胞活性状態を同一時空間内で取得可能であり，肝線維化の進展度評価やメカニズムの解明を目指しています．

 図1 無固定肝臓組織内のコラーゲンひずみ分布

 

有限要素解析を併用した培養軟骨の圧縮特性の同定

Keywords：培養軟骨，圧縮試験，応力－ひずみ関係，有限要素法，弾性・粘性

関節軟骨は優れた力学機能を有しており，培養軟骨がどのくらい生体軟骨に近い物性を獲得したかを把握する力学的評価が重要になります．ヒトiPS細胞由来軟骨組織塊のような球状組織塊には一般的な圧縮試験による物性評価が困難であり，移植前後で形状やサイズが異なる組織の力学特性の関係を検討するには，軟骨組織特有の粘弾性特性を考慮した新たな材料特性の同定手法が必要となります．これまで我々が提案してきた粘·超弾性材料構成式を用いた有限要素解析による関節軟骨の物性値同定手法をもとに，有限要素法併用により新たに開発した球状軟骨組織塊の力学特性同定手法により，再生軟骨組織の力学的評価を行っています．

   　　図1 モデル化による物性同定　　　　　　図2　球体組織の圧縮試験

 

電気インピーダンス法による再生軟骨の力学機能評価

Keywords：再生軟骨，力学機能，電気インピーダンス，粘弾性特性，酵素モデル

軟骨組織には，衝撃吸収や荷重支持などの力学的な機能が必要です．したがって再生医療においては，組織が本来もつ機能までも再生させることが不可欠です．生体外で再生させた組織は生体組織と比べて非常に柔らかいため，直接荷重が負荷されるような機械的試験方法は組織を破壊することが危惧されます．そこで電気インピーンダンスにより軟骨組織の力学特性を非破壊的に評価する手法の開発を目指しています．この手法を用いて，関節鏡下において関節軟骨の初期変性を評価するデバイスや，再生軟骨移植術に用いる培養軟骨の成熟度を評価する手法の開発を行っています．

　　　　　　　　

【研究テーマ】
1. 二電極電気インピーダンス法による軟骨細胞‐アガロースゲル複合体の力学特性評価
2. Evaluation of electrical impedance related to matrix composition of articular cartilage using the two-electrodes impedance measurement

 

再生軟骨の力学特性および組織形成に及ぼす培養環境の影響

Keywords：軟骨再生，培養環境設計，力学機能再生，パルス電界刺激，力学刺激，多光子励起顕微鏡（MPM），動的粘弾性特性，表面ゲル潤滑

関節軟骨は日常生活において常に力学的環境下にさらされています．したがって軟骨再生において，さまざまな力学（電気）的刺激が軟骨細胞の活性向上と組織構造構築に影響していると考えられます．早期により生体軟骨に近い力学特性の組織を作製することを目標に，培養過程において培養軟骨に力学（電気）的刺激を与え，どのように培養軟骨の組織構造が再生されていくかを多光子励起顕微鏡などを用いることにより評価しています．また，摩擦試験，動的粘弾性試験などを行い，組織構造の相違による力学的特性の違いを評価しています．

      
　　　図2　微小荷重摩擦試験装置　　　　　　　図3　関節軟骨のMPM観察像

【研究テーマ】
1. Effects of surface gel layer on adsorption of proteins and frictional properties of articular cartilagea

 

関節軟骨および再生軟骨の潤滑特性評価

Keywords：関節軟骨，表面ゲル潤滑，摩擦特性，コンドロイチン硫酸

再生軟骨には移植後に生体と同じ力学機能が再建されることが望まれます．関節軟骨には日常生活で我々の関節の滑らかな運動を可能とする優れた潤滑機能が備わっています．本テーマでは，関節軟骨の優れた潤滑機能の解明のためさまざまな条件下で摩擦試験を行い，特に表面層に注目して関節軟骨の潤滑機能の評価を行っています．また，得られた関節軟骨の潤滑特性をもとに培養軟骨の再建に伴う潤滑特性の評価も行っています．

 

有限要素解析による関節軟骨および半月板の微視・巨視機械特性評価

Keywords：有限要素法，関節軟骨，半月板，マルチスケール解析，マルチフィジックス解析

解析ソフトのPAM-CRASH用いて膝関節を対象とした有限要素解析を行っています．実験によって計測することが困難な膝関節の各部位やその内部の状態をマルチスケール解析やマルチフィジックス解析を行うことによって定量的に評価し，膝関節に生じる様々な現象のメカニズムを解明することを目指しています．観察画像を基にした組織のモデリングや生体材料の応力-ひずみ関係を示す構成式のプログラミングなどを行っています．

【研究テーマ】
1. Development of FEM-DEM analysis methodology to predict　the mechanical damage of articular cartilage caused by meniscal injury
2. Development of multi-scale and multi-physics finite element analysis for integrated functional evaluation of articular cartilage