バイオマテリアル材料の構成式とバイオメカニクスシミュレーションの基礎（膝関節と脳組織のマルチスケール・マルチフィジックス解析）

バイオリアクター開発の現状を紹介！
膝関節・軟骨および脳の材料構成式の同定、SPH法による
間質液の粘性・透水性の同定、粘・超弾性非線形有限要素法について概説

講師

同志社大学 生命医科学部 教授 仲町 英治 先生

講師紹介

■ご略歴：
1975年3月　大阪大学大学院工学研究科（修士課程）修了
1975年4月- 1989年3月　国立八代工業高等専門学校　助手、講師、助教授
                    その間、 1981年-1982年（１年間半）　カナダ・マクマスター大学（客員研究員）
1987年-1988年（１年間）　米国オハイオ州立大学（客員准教授）
1989年４月-1995年3月　 大阪大学工学部　助教授
1995年４月- 2007年3月　大阪工業大学工学部 教授
2007年４月- 現在　　　　　同志社大学生命医科学部　教授

受賞歴：日本機械学会計算力学部門業績賞、功績賞、日本機械学会フェロー

■ご専門および得意な分野・研究：
　非線形連続体力学、非線形有限要素法、動的陽解法有限要素法
バイオメカニクスシミュレーション、２次元・３次元細胞培養技術
バイオリアクター、細胞工場の設計のためのコンピュータシミュレーション技術開発、３次元培養

■本テーマ関連学協会でのご活動：
　○ 日本機械学会正会員、日本機械学会校閲委員、同学会計算力学部門委員、
　　同学会バイオエンジニアリング部門委員、日本機械学会関西支部商議員
　○　アメリカ機械学会正会員
　○　日本材料学会正会員、同学会理事（学会誌担当）、同学会評議員、同学会塑性工学部門委員等
　○ Archives of Computational Methods In Engineering, Editorial Board (1993-2018).

受講料

1名43,000円 + 税、(資料・昼食付) 　
＊1社2名以上同時申込の場合 、1名につき33,000円 + 税 　
※消費税につきましては講習会開催日の税率にて課税致します。 　　　　　
＊学校法人割引 ；学生、教員のご参加は受講料50％割引。

セミナーポイント

■はじめに
　現在、生体組織の再生においてはiPS細胞をはじめ細胞の効率的な培養による組織再生技術の開発が
重要な課題となっており、医工学の発展がその技術開発に貢献すると考える。
　なかでも、非線形有限要素法および粒子法を用いたコンピュータシミュレーションにより
生体組織および細胞の力学、電磁場解析が可能になっている。力学・電磁場刺激による組織の損傷と
修復・再生の促進メカニズムの解明と組織再生のための3次元細胞培養、つまりバイオリアクターの開発は
最新の研究課題である。コンピュータシミュレーションと細胞培養実験を融合することでより速く、
より信頼性の高い細胞培養と組織再生が可能となると考える。
　本講義では、膝関節・軟骨および脳の材料構成式の同定、SPH法による間質液の粘性・透水性の同定、
粘・超弾性非線形有限要素法について概説を行い、脳、膝関節、半月板、疑似神経細胞PC12による
バイオリアクター開発の現状を紹介する。

■受講対象者：
　・非線形有限要素法プログラムを用いた生体組織の力学解析とその応用としての
　　人工生体模倣材料、足場材料の開発を始めたばかりの方から、ある程度の研究経験を経た方。
　・再生用足場材料開発業務に活かすため、材料特性の同定およびバイオメカニクス解析についての
　　知見を得たいと考えている方
　・スポーツ障害などの生体組織の損傷と修復の基礎研究に取り組んでいるが、
　　原因解明のために多くの課題があり困っている方。コンピュータシミュレーションを適用したいと
　　考えている方。
　・ 本テーマに興味のある方なら、どなたでも受講可能です。

■必要な予備知識や事前に目を通しておくと理解が深まる文献、サイトなど：
・ 材料力学・弾性力学の基礎知識。有限要素法の基礎知識
　書籍「非線形有限要素法」（日本塑性加工学会編・コロナ社出版・1994）

論文：
1. 仲町英治,下村信之,伊藤優一, “微視神経細胞モデルを用いた脳損傷マルチスケール有限要素
　解析手法の開発”日本機械学会論文集（A編）、73, 733, (2007-9), pp.1087-1094.
2. 仲町英治,古川一憲,中村英俊, “静水圧応力負荷による応力基準神経細胞損傷評価手法の開発、
　”日本機械学会論文集（A編）、73, 734 (2007-10), pp.1183-1188.
3. 倉前宏行, 伊藤優一, 上辻靖智, 仲町英治, 「微視血管有限要素モデルを用いた頭部損傷予測のための
　マルチスケール有限要素衝突解析」, 日本機械学会論文集(A編), 74, 741, (2008-5), pp. 749-756.
4. Nakamachi E, Noma T, Nakahara K, Tomita Y, Morita Y. Multiphoton microscope measurement?based biphasic multiscale analyses of knee joint articular cartilage and chondrocyte by using visco‐anisotropic hyperelastic finite element method and smoothed particle hydrodynamics method. Int J Numer Meth Biomed Engng. (2017-3), pp. 1-23; e2864. DOI: 10.1002/cnm.2864.
5. Tanaka, S., Sakiyama, R., Yamamoto, K., Morita, Y. and Nakamachi, E., Development of three-dimensional DC electric field stimulation Bio-Reactor for Axonal Outgrowth Enhancement, Proc. of ASME 2018 International Mechanical Engineering Congress & Exposition IMECE2018 (2018-11), IMECE2018-86637.
6. Haccho, T., Ichikawa, H., Yamamoto, K., Morita, Y. and Nakamachi, E., Development of chemotherapy system using plasma activated medium to enhance pc12 axonal extension, Proc. of ASME 2018 International Mechanical Engineering Congress & Exposition IMECE2018 (2018-11), IMECE2018-86630.

■本セミナーで習得できること：
・非線形有限要素解析の基礎知識：粘・超弾性構成式の材料特性値同定のノウハウ　
・膝関節の軟骨、半月板に生じる応力の求め方、衝突時の脳に生じる応力の求め方、
・神経ネットワーク再生のためのバイオリアクター開発の基礎知識、

セミナー内容

第1章　緒論
第2章　理論および数値解析手法
　2.1　緒言
　2.2　固相の解析法：非線形有限要素法
　　2.2.1　運動学的記述式
　　2.2.2　仮想仕事の原理式
　　2.2.3　粘・異方性超弾性材料構成式
　　2.2.4　一般化Kelvinモデルにおける変形勾配テンソルの更新
　　2.2.5　動的陽解法有限要法の定式化
　　2.2.6　中央差分法
　2.3　液相の解析法：粒子法
　　2.3.1　Smoothed Particle Hydrodynamics（SPH）法
　　2.3.2　SPH法の支配方程式
　　2.3.3　人工粘性
　　2.3.4　状態方程式
　　2.3.5　透水率
　2.4　マルチスケール解析手法
　2.5　結言

第3章　膝関節のマルチスケール・マルチフィジックスシミュレーション
　3.1　緒言
　3.2　膝関節の材料構成式と有限要素モデル
　　3.2.1　膝関節有限要素モデルの構築
　　3.2.2　半月板の粘・超弾性材料構成式
　　3.2.3　大腿骨および脛骨、関節軟骨の材料特性値
　　3.2.4　解析条件
　3.3　巨視半月板組織モデル
　3.4　微視半月板組織モデル
　　3.4.1　半月板組織代表体積要素の定義と導出
　　3.4.2　微視半月板組織モデルおよび解析条件
　3.5　膝関節マルチスケール・マルチフィジックス解析結果
　3.6　微視半月板マルチスケール・マルチフィジックス解析結果
　3.7　結言

第4章　頭部衝撃負荷応答のマルチスケールシミュレーション
　4.1　緒言
　4.2　頭部の材料構成式と有限要素モデル
　　4.2.1　頭蓋骨および脳の有限要素モデルの構築
　　4.2.2　脳の非線形弾性材料構成式
　　4.2.3　頭蓋骨および顔面骨の材料特性値
　　4.2.4　解析条件
　4.3　巨視頭部モデル
　4.4　微視脳組織モデル
　　4.4.1　脳・血管組織代表体積要素
　　4.4.2　脳・神経組織代表体積要素
　4.5　頭部衝突のマルチスケール解析結果
　4.6　静水圧負荷による神経損傷実権と損傷判定基準値の導出
　4.7 結言

第5章　結論