骨軟骨組織工学のための 3D プリントされた勾配孔スキャフォールド

出典: 張衛東

米国では、成人の約 5 人に 1 人が、さまざまな程度の軟骨疾患や骨軟骨症に苦しんでいます。現在、主な臨床治療法は外科的修復または自家/同種軟骨移植です。しかし、これらの治療法には、移植後の変性、移植片と宿主組織の統合不良、十分な機械的強度の欠如など、一定の限界があります。軟骨には血液供給がなく、組織内の細胞含有量が少ないため、損傷後の軟骨の自己修復能力の低下が直接的に決定されます。 3Dプリント技術の発展に伴い、近年、骨軟骨組織工学の構築のためのさまざまな足場材料と技術的手段が開発されてきました。骨軟骨バイオニックスキャフォールドの構築には、優れた機械的支持力、応力分散、組織適合性を満たす必要があります。その中で、同じバイオニックス足場構造内で材料特性の勾配変化を通じて応力分散をどのように実現するかが大きな課題として残っています。最近、米国ライス大学のミークス教授のチームは、マルチマテリアル同期3Dプリントシステムを使用して、PCL-HA（ハイドロキシアパタイト）を使用して材料の孔サイズと組成が段階的に変化するスキャフォールドを構築し、天然の骨と軟骨組織の孔の形態と複雑な構成をシミュレートしました。

研究者らは、PCL、PCL-HA15（85% PCL & 15% HA）、PCL-HA30（70% PCL & 15% HA）を材料として使用し、単孔スキャフォールドを層ごとに印刷しました（図1a、b）。研究者らは、平行繊維の中心間隔を調整することで、0.2 mm（小孔サイズ）、0.5 mm（中孔サイズ）、0.9 mm（大孔サイズ）の3つの異なる孔サイズを持つスキャフォールドを構築しました（図1c）。同時に、材料組成と孔サイズが段階的に変化する勾配型スキャフォールドも設計されました（図1d）。

図 1. PCL および PCL-HA 構造物の製造のための 3 次元印刷の概略図。
3 つの材料グループの構造特性は、マイクロ CT を通じてさらに直感的に比較されました。図2A-C：3種類のスキャフォールドを上から見た図：PCL（小孔サイズ）、HA15（中孔サイズ）、HA30（大孔サイズ）。図2D-F：上記3種類のスキャフォールドの特性を側面から見た図。図2G-I：上記3種類のスキャフォールド材料の側面図。孔サイズは勾配変化を示し、図2Jは材料組成と孔サイズの両方が勾配変化を示していることを示しています。

図 2. 研究に含まれるすべての均一および勾配スキャフォールドの代表的なマイクロ CT 画像。
これを基に研究者らは、材料の細孔サイズと組成が変化したときの圧縮弾性率と降伏応力の変化を比較した。図 3A、B データは、小孔サイズ材料 (0.2 mm) の圧縮弾性率と降伏応力が、他の 2 つの孔サイズ材料のグループよりも高いことを示しています。しかし、中細孔材料と大細孔材料の圧縮弾性率と降伏応力には大きな差はありません。また、材料組成の変化は圧縮弾性率と降伏応力に大きな影響を与えないことも判明しました。

図 3. 調査したすべての組成（PCL のみ、HA15、HA30、デュアルグラジエント）の圧縮弾性率と降伏応力を細孔形態の関数として示します。
研究者らはさらに、足場材料の細孔サイズと圧縮弾性率/降伏応力の間の線形関係を比較した。図 4A、B のデータは、材料の細孔が減少するにつれて、材料の圧縮弾性率/降伏応力が増加し、変数間に逆線形関係があることを示しています。

図 4. 各組成のすべての均一な（0.2 mm、0.5 mm、0.9 mm）スキャフォールドの圧縮前多孔度の連続関数としての圧縮弾性率と降伏応力。
したがって、組織工学スキャフォールドを構築する上で最も重要な点は、その機械的特性が天然組織のレベルに達することです。本研究では、圧縮荷重下での材料張力の変化を評価した。図5は、20%の応力圧縮前（図5A）と圧縮後（図5B）のデュアルグラジエントステントのマイクロCT画像を示しています。上層は純粋な PCL/0.2 mm 孔のスキャフォールド、中間層は 15% HA/0.5 mm 孔のスキャフォールド、下層は 30% HA/0.9 mm 孔のスキャフォールドです。比較の結果、気孔が大きいほど、足場材料の張力と変形が大きくなることがわかりましたが、これは材料中の HA 含有量とは関係ありません。

図 5. デュアルグラジエントスキャフォールドの代表的なマイクロ CT 画像 (上部セクション – PCL/0.2 mm 孔、中央セクション – HA15/0.5 mm 孔、下部セクション – HA30/0.9 mm 孔) A) 20% ひずみまで圧縮して回復させる前、B) 圧縮して回復させた後。
一般的に、二重勾配（細孔と HA 含有量）勾配スキャフォールドの研究を通じて、研究者らは、3D プリントされたスキャフォールド材料の細孔サイズが圧縮係数を決定する鍵であり、スキャフォールド材料の HA 含有量とは有意な関係がないことを発見しました。

この研究は、米国ライス大学のミックス教授のチームによって完了し、2019年5月にActa Biomaterialia誌に発表されました。

校正者：袁章琴編集者：王嘉源

論文情報:
Sean M. Bittner、Brandon T. Smith、Luis Diaz-Gomez、Carrigan D. Hudgins、Anthony J. Melchiorri、David W. Scott、John P. Fisher、Antonios G. Mikos*。Acta Biomaterialia 2019、90: 37-48。

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