骨と軟骨の界面再建のための二重生体活性リチウムカルシウムケイ酸塩バイオスキャフォールドの 3D プリント

寄稿者: 孟子潔何建康

変性疾患によって引き起こされる骨軟骨欠損は、自然治癒が困難です。軟骨と軟骨下骨組織の同時再生は、骨軟骨欠損を治療する効果的な方法の 1 つです。しかし、骨軟骨欠損の再生のために、適切なイオン組成と骨/軟骨再生を刺激する能力を備えたバイオスキャフォールドを設計することは困難です。 Si は軟骨系で重要な役割を果たし、軟骨細胞外マトリックスの合成にプラスの効果をもたらします。Li 塩は Wnt シグナル伝達経路を活性化することで、マウスの軟骨下骨組織の形成を促進し、骨量を増加させることができます。 LiイオンとSiイオンの相乗効果を利用して、L2C4S4スキャフォールドは軟骨と軟骨下骨組織を同時に再生できると著者らは考えています。

レイ・チェンなどの研究者は、ゾルゲル法を使用して純粋相のケイ酸リチウムカルシウム（Li2Ca4Si4O13、L2C4S4）バイオセラミックを合成し、3Dプリントを使用してL2C4S4スキャフォールドを準備することに成功しました。気孔径が170～400μmの場合、L2C4S4スキャフォールドの圧縮強度は15～40MPaの範囲で制御できます。 L2C4S4 スキャフォールドは、制御可能な生分解性と優れたアパタイト鉱化能力を備えています。特定の濃度範囲内で、L2C4S4 のイオン生成物は、軟骨細胞の増殖と成熟、および rBMSC の骨形成分化を著しく促進しました。純粋なβ-TCPスキャフォールドと比較して、L2C4S4スキャフォールドはウサギの骨軟骨欠損部における軟骨と軟骨下骨組織の両方の再生を促進しました。これらの結果は、3D プリントされた L2C4S4 スキャフォールドが、特定のイオン結合、高い機械的強度、良好な分解性、および二重の生体活性により、骨軟骨界面の再構築に有望な生体材料であることを示しています。

図 1 骨軟骨再建における L2C4S4 スキャフォールドの応用の概略図。ゾルゲル法によって、純粋相のL2C4S4粉末の合成に成功しました。3DプリントされたL2C4S4スキャフォールドは、in vitroで軟骨の成熟と骨形成分化を促進します。また、L2C4S4スキャフォールドは、in vivoで軟骨再生を大幅に加速し、軟骨下骨組織の再構築を促進します。著者らは、XRDによってL2C4S4スキャフォールドの相組成を分析し、光学顕微鏡、走査型電子顕微鏡、マイクロCTによってスキャフォールドの形態、細孔構造、細孔サイズを観察し、XRD、SEM、EDSなどの手段によって、模擬体液に浸漬した後のスキャフォールド表面のアパタイト形成を観察しました。さらに、著者らは塩酸緩衝液中でのスキャフォールドの分解性能を試験し、時間の経過に伴うスキャフォールドの質量とイオン放出の変化を測定した。図2に示すように、著者らは細胞実験にウサギ骨髄幹細胞（rBMSCs）を使用し、アルカリホスファターゼ比色法（ALP）によってrBMSCsの骨形成分化の促進効果を検出し、アリザリンレッド染色キットを使用してrBMSCsの骨形成分化の最終段階を研究し、カルシウム沈着を計算しました。β-TCPと比較して、L2C4S4はrBMSCsの骨形成分化を著しく促進し、L2C4S4イオン生成物のin vitro骨形成および軟骨形成に対する促進効果を検証しました。

図 2 ハイドロゲル部分の直接書き込み図 2 rBMSCs の骨形成分化。 b-TCP および L2C4S4 抽出物で 14 日間培養した後の rBMSC の ALP 活性 (A) ALP 活性 (B) ALP 染色画像。rBMSC は b-TCP および L2C4S4 抽出物で 21 日間培養され、アリザリンレッドを使用して分析されました。(C) アリザリンレッド定量、(D) アリザリンレッド染色画像。著者らは、軟骨細胞と rBMSC を L2C4S4 スキャフォールド上で 24 時間培養し、SEM とスキャフォールド染色によって細胞の形態と接着を観察しました。次に、このスキャフォールドを骨軟骨欠損のウサギモデルに移植し、H&E染色とマイクロCT観察により、スキャフォールドの骨軟骨再生に対する生体内刺激効果を研究しました。図3に示すように、サフラニンO/ファストグリーン染色の結果、L2C4S4群は他の2つの群と比較して、12週目に大量の硝子軟骨様組織を有していたことが示されました。

図3 手術後8週および12週における軟骨および軟骨下骨の再生品質。手術後 8 週間 (A1-C3) および 12 週間 (D1-F3) の Safranin-O/Fast Green 染色。 A1-3 および D1-3: CTR グループ、B1-3 および E1-3: b-TCP グループ、C1-3 および D1-3: L2C4S4 グループ。黒、青、赤はそれぞれ足場、骨、軟骨を表します。本研究では、ゾルゲル法を用いて純粋なL2C4S4結晶を合成することに成功し、3Dプリント技術を用いて均一性の高いマクロ多孔構造を持つL2C4S4足場材料を作製しました。 L2C4S4 スキャフォールドの細孔サイズ (170 ～ 400 ミクロン) を変更することで、その圧縮強度を 15 ～ 40 MPa に効果的に制御できます。これは、従来のバイオセラミックおよびポリマースキャフォールドよりも高い強度です。 3D プリントされた L2C4S4 スキャフォールドは明らかなアパタイト石化能力を持ち、軟骨細胞と rBMSC の付着に有益です。さらに、6.25～25 mg/mL の濃度の L2C4S4 抽出物は、in vitro で rBMSC の軟骨細胞の成熟と骨形成分化を著しく促進し、一方、L2C4S4 スキャフォールドは、in vivo で軟骨と軟骨下骨の再生も促進しました。

参考文献:
L. Chen、C. Deng、J. Li、Q. Yao、J. Chang、L. Wang、C. Wu、骨軟骨界面再建のための二重の生物活性を備えたリチウムカルシウムケイ酸塩結晶バイオスキャフォールドの3Dプリント、Biomaterials、(196) (2019) 138-150

寄稿者: 孟子潔何建康寄稿部署: 機械製造システム工学国家重点研究室

骨と軟骨の界面再建のための二重生体活性リチウムカルシウムケイ酸塩バイオスキャフォールドの 3D プリント

台湾、新たな金属粉末材料を国際市場に普及させるため医療用3Dプリント連合を設立

ファルスーンハイテックとドイツのAM-Rauchが協力し、超高温粉末床焼結技術の革新と新たな成果を達成

宋清輝：付加製造は中国経済の新たな成長点

壁が数秒で高精細スクリーンに、家が3Dプリントで建てられる…旧同牛工場の変貌

たったの200ドル！ 3DプリントされたPFIboxは新しい抗生物質の発見に役立つかもしれない

色褪せない色：研究者が蝶の羽にヒントを得たフルカラースペクトルを3Dプリント

目録: 2017 年の主要な軍事 3D プリントイベント

西中国口腔科学の Weihua Guo 氏: 押し出し 3D 印刷を使用して HERS-DPC/GelMA スキャフォールドを構築し、歯槽骨の再生を促進します。

中国付加製造会議・展示会の初のオンラインマイクロフォーラムと記者会見

英国デジタル製造センターが3Dプリントポリマーの後処理にDyeMansion機器を導入

推薦する

Yijia 3DとPWRは、次世代の3Dプリント熱交換器の開発で緊密に協力しています。

3Dプリンティング：人間の製造業の限界を広げる

3Dプリンターで開発された世界初の高解像度脳モデル

370台以上のEOS M400金属3Dプリンターが設置されており、これは世界の金属設置数の5%を占めています。

高エネルギーデジタルマニュファクチャリングは、マルチマテリアル全固体電池の完全ドライ製造プロセスの開発に成功しました。

5月16日 · 上海 · SAMPE China 2018 年次会議が間もなく始まります

ドイツの3Dプリント会社FIT AGがルーマニアに子会社を設立

3Dプリント業界イベント：CAD変換ツールCrossManagerが3MF形式の出力をサポート

VolkmannとEOSが3Dプリントの粉末処理で協力し、新しい機器が市場に登場

湖北省局、3Dプリント業界の知的財産権に関する特別研修を開催

3D プリント用に OBJ ファイルを STL ファイルに変換する方法

第7回中国（成都）国際3Dプリント会議が成都で開幕

バイデン政権は大統領執行免除命令に署名し、軍事3Dプリントアプリケーションの将来展望は広い

10月18日、南極熊ビデオライブ放送付加製造構造最適化設計に関するハイエンドフォーラム

3D プリントされた指紋や顔は認識システムを破ることができるのか?