理工学研究科応用化学専攻の生体関連材料研究室（相澤守教授）では、臨床の現場において人工骨材料として用いられている水酸アパタイト（HAp）やβ-リン酸三カルシウム（β-TCP）といったバイオセラミックスの研究開発に取り組んでおります。しかしながら、人工骨材料の開発にあたっては、生体内における安全性を確認するために動物実験が不可欠である一方、動物福祉の観点から、実験動物の使用数を削減することが強く求められております。そこで本研究では、人工骨材料の開発に機械学習を活用し、新たに創製する材料の安全性や性能をあらかじめ予測しうる「骨形成・吸収同時予測モデル」を構築することで、動物実験を低減できる「代替動物実験法」の確立を目指しております。
本発表では、骨形成予測モデルを用いた直接的逆解析により算出した材料作製条件に基づき、実際に材料を作製いたしました。その上で、材料特性の評価、ならびにラットの頭蓋欠損部への埋入による生体硬組織反応の検証を行なった結果、逆解析による予測値と実測値とが標準偏差の範囲内で概ね一致し、目標とする骨形成率および生体吸収率を達成する材料の作製に成功いたしました。この結果より、本研究にて構築したモデルは、大動物であるブタのみならず、小動物であるラットにおいても生体内硬組織反応を予測できることが実証され、異なる動物種間においても予測精度が一致することが確認されました。以上の知見により、機械学習を活用した新規人工骨材料の開発プロセスを構築し、動物実験数の削減に資する「代替動物実験法」の確立が期待されます。
上記の研究結果が認められ、8月26日 ～ 28日に明治大学の駿河台キャンパスにて開催されたThe 12th International Symposium on Inorganic Phosphate Materials (ISIPM-12)にて、「最優秀ポスター賞」を授与されました。本学会は、無機リン酸塩材料に関する基礎科学および応用技術について研究発表・討論を行う国際シンポジウムであり、今回で第12回の開催となります。なお、この研究は、本学応用化学科 データ化学工学研究室（金子弘昌教授）との共同研究であり、明治大学生命機能マテリアル国際インスティテュートの一環として実施されました。
受賞名：最優秀ポスター賞
学会名：The 12th International Symposium on Inorganic Phosphate Materials (ISIPM-12)
開催地：明治大学 駿河台キャンパス
開催日：8月26日 ～ 28日
発表者：〇Shoki Iwama・Shota Horikawa・Hiromasa Kaneko・Mamoru Aizawa
演題：Development of a machine learning model capable of simultaneously predicting bone formation and resorption in artificial bone, and validation of in vivo responses in different animal models
