3Dプリントバイオセラミックス足場の表面のマイクロナノ構造を用いた骨軟骨統合修復の制御に関する研究の進歩

骨軟骨欠損は一般的な臨床疾患です。軟骨と軟骨下骨は生理機能と微細構造が異なるため、骨軟骨とその境界面の統合修復は非常に困難です。これまでの研究で、中国科学院上海陶磁器研究所の研究者である呉成鉄氏と張江氏が率いる研究チームは、複数の無機活性イオンの複合作用を利用して骨軟骨の統合修復を誘導するというアイデアを提案しました。彼らは、異なる組成（Li、Mn、Sr、Siイオンなど）を持つ一連の3Dプリントバイオセラミックス足場を設計し、ウサギの骨軟骨の欠損を統合的に効果的に修復しました。

この研究に基づいて、研究チームは最近、3Dプリントされたバイオセラミックス足場の表面微細構造を利用して骨軟骨とその界面の統合修復を制御するというアイデアを提案し、新たな進歩を遂げました。この研究成果は、Advanced Functional Materials誌（201806068R1）に受理されました（論文の第一著者はDeng Cuijun氏、指導教員はWu Chengtie氏）。

表面微細構造を備えた 3D プリントされたバイオセラミックスキャフォールドは、インテグリンと RhoA シグナル伝達経路を活性化することで、骨軟骨とその界面の修復を促進します。研究チームは、3D プリントと in situ 成長を組み合わせて、整然としたマクロ多孔質バイオセラミックの足場を準備し、足場の表面にミクロン/ナノリン酸カルシウム結晶を in situ で成長させました。この調製方法により、異なる形態のリン酸カルシウム結晶がセラミックステントの表面で安定して成長し、ステント表面の微小亀裂が効果的に修復され、ステントの機械的強度が大幅に向上します。試験管内研究の結果、スキャフォールド表面のマイクロナノ構造によりフィブロネクチンの吸着が大幅に改善され、さらに軟骨細胞の接着、増殖、成熟が促進されることが示されました。
表面微細構造を備えたバイオセラミック多孔質足場の 3D プリント。純粋な BRT スキャフォールドと、さまざまな表面微細構造の改変を加えた複合スキャフォールド、ナノ粒子、ナノラメラ、マイクロロッドの形態。さらに、本研究では、バイオセラミックスの表面微細構造が軟骨細胞インテグリンα5β1およびαvβ1に対して活性化作用を有することを初めて発見しました。その潜在的な作用機序は次のとおりです。まず、バイオセラミックス足場の表面微細構造が周囲の環境からフィブロネクチンをリクルートし、次に足場表面のフィブロネクチンが細胞に取り込まれ、インテグリンαおよびβサブユニットに統合され、それによってインテグリンの発現と凝集が促進されます。その後、活性化されたインテグリンは F-アクチンの組み換えを誘導し、さらに軟骨特異的遺伝子（SOX9、アグリカン、COL2、N-cadh）の発現を促進し、それによって軟骨の成熟を促進します。バイオセラミックスの表面微細構造は、軟骨細胞の促進に加え、骨髄間葉系幹細胞 (rBMSC) の骨形成分化を誘導する効果もあります。

結果は、バイオセラミックス足場の表面微細構造がrBMSCの初期の接着および増殖挙動を大幅に強化したことを示しました。その後、セラミックス足場の表面微細構造は、rBMSCインテグリンα5β1およびRhoAシグナル伝達経路を活性化し、F-アクチンの秩序ある再編成を相乗的に誘導することにより、rBMSCの骨形成分化を促進しました。生体内研究の結果、スキャフォールド表面のマイクロナノ構造は骨軟骨組織の統合修復を効果的に促進できるだけでなく、極めて複雑な骨と軟骨の界面まで修復効果を拡張できることが示されました。この研究は、骨軟骨修復の分野における無機材料の応用の実現可能性の根拠を提供し、また、骨軟骨とその界面の修復におけるバイオセラミック表面微細構造の応用に関する新しい研究アイデアも提供します。

関連の研究活動は、科学技術部の重点研究開発プログラム、国家自然科学基金、中国科学院の若手エリート人材プログラムによって支援されています。

出典: 積層造形3Dプリンティング新材料研究所

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