生物の内なる海 27th April, 2015 「科学技術の世界(第3回)」 (27th April, 2015) 骨の構造長管骨皮質骨骨生物の内なる海平板骨先端生命科学研究院理学部生物科学科(高分子機能学) 組織構築科学研究室海綿骨海綿骨佐々木直樹皮質骨外骨格内骨格骨単位(オステオン) 陸棲水棲セメント線保護硬組織の機能体液の恒常性 100% 0 海水体液の恒常性骨小孔保護 0 Havers氏管 100% 硬組織は脊椎動物にとっては母なる海骨, Bones 0.1mm オステオン骨の組成コラーゲン線維 Bone ハイドロキシアパタイト m  骨の機能 D 2D 化学的－－無機イオンの貯蔵、血中イオンの調節ミネラルを含むコラーゲン線維線維を覆っているミネラル生体力学的－－臓器の保護、姿勢の維持、運動 (ナノレベルまで緻密に制御された空間構造) 科学技術の世界 (#3) m 骨細胞の入っている穴 (lacuna) 骨の中のコラーゲンとミネラル Sasaki et al. J. Mater Sci.Mater. Med.13, 333-337 (2002) 1 生物の内なる海 27th April, 2015 コラーゲン線維中のコラーゲン分子の配列コラーゲン分子弾性率 collagen 線維 1GPa 体積分率 ~ 0.6 D Bone 20GPa しなやかさしなやかさミネラル粒子ネ粒子 110GPa 体積分率 ~ 0.4 (強)靱性強さ Hodge-Petruska Model コラーゲン線維内でのミネラル Bone Hydroxyapatitelike Mineral Collagen 分子 Collagen Fibers の系統的変化の系統的変化 D周期 ~400Å JD Currey J. Biomech. 2, 1(1969) JL Katz J. Biomech. 4, 455(1971) S Leeds et al., J. Biomech. 10, 473(1977) N Sasaki et al., J. Theor. Biol. 122, 25(1986) N Sasaki et al., J. Biomech. 26, 77(1993) ………………….. Wynnyckyj et al. Bone, 44, 840 (2009) 靭性の増加 S. Lees Calcified Tissue International 27, 53-56 (1979) OBJECTIVE 骨の力学特性を決定しているのは? • 骨密度? collagen 相の変化 ? 骨の力学特性の変化? 老化により骨折しやすくなる理由 • コラーゲンの状態? 科学技術の世界 (#3) • 骨のコラーゲン相だけを処理. • その結果力学特性がどう変化するかを調べる. 2 生物の内なる海 27th April, 2015 1.4 1.2 A/A0 BA KOH 1 0.8 0 5 10 0.85M KOH, 37oC で 3, 6, 12, 18, 24時間処理. 15 20 25 30 reaction time (hours) 縦軸の値が1より大きくなればなるほどコラーゲンの分解が進んでいる。コラーゲンの分解は、試料の膨潤でモニター応力緩和実験について 0 hr (control) 1.4 0.3 3 hrs Bone 1.2 A/A0 6 hrs 0.2 forcee (N) ステンレス板(完全弾性体) 12 hrs 1 18 hrs 0.1 0.8 0 5 10 24 hrs 15 20 25 30 reaction time (hours) 0 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 time (sec) 初期弾性率 18 100 弾性率 (GPa) 弾ステンレス板 14 12 コラーゲン線維が完全に分解されず、何箇所かが切断されただけで弾性率が減少 E0 (GPa) 骨を構成している各成分が与えられた変位で安定の状態になるために不可逆的に動いている 16 100 10 10 Bone 10 0.1 1 10 100 1000 10000 100000 time (sec) 1 1 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 q 特にコラーゲン科学技術の世界 (#3) コラーゲンの分解の度合い 3 生物の内なる海 27th April, 2015 Relaxation Youngg's Modulus (GPa) 18 コラーゲンだけをほんのわずか切断するだけで緩和特性に不連続性が現れた。早い緩和遅い緩和 16 高次の組織構造の変化骨ミネラルをほんのわずか減らしても、こ骨ミネラルをほんのわずか減らしてもこのような不連続性は現れていない。 14 12 collagen fibrils の再配列 10 0.1 1 10 100 1000 10000 100000 time (sec) Biorheology 43, 117-132 (2006) 1.E+01 0 hr (control) 残留応力を内蔵したまま構造を保っている成分 3 hrs 1.E+00 H() (GPa) H 6 hrs 1.E-01 コラーゲンが部分的に切断されただけで応力緩和の様子が大きく変化 12 hrs 18 hrs 1.E-02 1.E-03 1.E+00 二つの緩和 1.E+01 1.E+02 一つの広がった緩和 1.E+03 1.E+04 1.E+05 1.E+06 24 hrs 1.E+07 collagen 1.E+08  何時どれだけの規模の緩和が起きているかを表す緩和時間  0  5105 sec 不連続性! 処理していない骨ではこの値が 107 sec 骨の力学特性を決定しているのは? • 骨密度? • コラーゲンの状態ゲ ! これを臨床的に調べること何時緩和が起きるかを表す量科学技術の世界 (#3) 4