3Dプリントされたバイオセラミックス足場は、骨軟骨再生と骨腫瘍治療において一連の進歩を遂げてきました。

変形性関節症は関節の変性疾患です。関節炎の過程では、軟骨が最初に損傷を受け、軟骨損傷は通常、軟骨下骨にまで及び、骨軟骨欠損につながります。軟骨と軟骨下骨は生物学的特性が異なるため、骨軟骨の統合修復は非常に困難です。この目的のために、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、ゾルゲル法を用いて多塩基性ケイ酸リチウムカルシウム（Li4Ca4Si4O13）バイオセラミックを合成し、3Dプリントによってその多孔質バイオセラミックス足場を準備しました。得られたケイ酸リチウムカルシウム足場は、制御可能な形態と均一なサイズを持ち、気孔のサイズを制御することで圧縮強度を調整できます。リチウムカルシウムケイ酸塩バイオセラミックスのイオン生成物は、軟骨細胞の増殖と表現型の維持に積極的な役割を果たし、骨髄間葉系幹細胞の骨形成分化を大幅に促進します。同時に、生体内研究の結果、リチウムカルシウムケイ酸塩バイオセラミックススキャフォールドは骨軟骨欠損モデルにおいて骨軟骨の修復に成功し、多イオン複合作用による軟骨と軟骨下骨の修復促進効果を達成し、骨軟骨修復分野への応用の見通しが良好であることが示されました。当該研究成果は、学術誌「Biomaterials」（2018年；Doi.org/10.1016/j.biomaterials.2018.04.005）に掲載され（論文の第一著者は上級エンジニアのChen Lei）、発明特許を申請した。
図1. 骨軟骨修復用の3Dプリントリチウムカルシウムケイ酸塩（Li4Ca4Si4O13）バイオセラミックス足場の模式図。関節内の骨軟骨界面は極めて複雑で精巧な微細構造をしています。研究チームは、複数の無機イオンが骨軟骨欠損の修復を促進する役割に基づいて、骨軟骨組織を修復できるだけでなく、骨と軟骨の複雑な界面の複雑な微細構造をさらに修復できるバイオセラミックス足場を設計し、そのメカニズムについて詳細な研究を行いました。ストロンチウムケイ酸リン酸バイオセラミックス足場（Sr5(PO4)2SiO4、SPS）は、3Dプリント技術を使用して製造されました。 SPSバイオセラミックスから安定的に放出されるSrイオンとSiイオンは、低酸素誘導因子（HIF）シグナル伝達経路を相乗的に活性化することで、軟骨の増殖を誘導し、その表現型を維持します。関節炎モデル軟骨細胞では、SrイオンとSiイオンが軟骨細胞のオートファジーを相乗的に活性化し、細胞分解代謝活動とインドヘッジホッグ（IHH）シグナル伝達経路を阻害して軟骨細胞を保護します。生体内研究の結果、SPSスキャフォールドは、複数の無機イオンの複合作用によって骨軟骨組織の双方向修復を実現するだけでなく、非常に複雑な骨と軟骨の界面構造に修復効果を拡張することに成功しています。研究結果はTheranostics誌（2018;8:1940-1955.）に掲載されました（論文の第一著者は博士課程の学生Deng Cuijun氏、指導教員はWu Chengtie氏です）。

図 2 3D プリントされたストロンチウムケイ酸リン酸 (SPS) バイオセラミックスキャフォールドは、骨軟骨界面の修復効果が良好であることを示しました。A1-C4 材料は 8 週間移植され、(A1-4) ブランクコントロールグループ、(B1-4) TCP グループ、(C1-4) SPS グループでした。D1-F4 材料は 12 週間移植され、(D1-4) ブランクコントロールグループ、(E1-4) TCP グループ、(F1-4) SPS グループでした。 SPS バイオセラミックスキャフォールドグループは、ブランクコントロールグループおよび TCP グループと比較して、骨軟骨およびその界面の修復を著しく促進しました。
研究チームはまた、化学反応法を用いて、骨形成活性を持つバイオガラスセラミックス足場の表面に光熱効果を持つCuFeSe2ナノ結晶をその場で成長させ、最終的に骨腫瘍の除去と骨欠損の修復を備えた二重機能の足場を得た。 CuFeSe2 はカルコゲニド半導体材料の一種で、その有効光熱変換効率は 82% に達します。その構成元素である Fe と Cu は、血管新生と骨形成を促進する優れた活性があると報告されています。試験管内および生体内の実験により、この二重機能スキャフォールドは、光熱療法によって骨腫瘍細胞を効果的に殺し、骨腫瘍組織を切除すると同時に、骨間葉系幹細胞の接着と増殖を効果的にサポートおよび促進し、最終的に新しい骨の形成を促進することが実証されています。関連研究は、雑誌「Biomaterials」（2018、160：92-106）に掲載されました（論文の第一著者は上海陶磁器研究所の博士課程学生ダン・ウェンタオ、指導教員はウー・チェンティエです）。同時に、国際誌「Materials Today」（スキャフォールド材料が骨腫瘍治療に光を当てる、2018年3月5日）でも特集されました。

図 3 3D プリントされたバイオガラスセラミックススキャフォールドの表面でその場で成長した CuFeSe2 ナノ結晶の製造方法と、骨腫瘍の治療および修復への応用の概略図。
研究チームはまた、3Dプリント技術を使用して、荷重支持骨欠損の治療と修復に使用できる優れた機械的強度を備えたFe-CaSiO3複合スキャフォールドを準備しました。同時に、Fe の表面プラズモン共鳴効果により、複合スキャフォールドは優れた光熱特性を備えています。 Feイオンの放出により、腫瘍細胞内のH2O2と反応して活性酸素種（ROS）が生成され、光熱とROSの相乗的な抗腫瘍効果が得られ、骨腫瘍の治療効果が向上します。同時に、複合スキャフォールドは、生体活性ケイ酸カルシウムセラミック相により、良好な骨形成活性を維持します。したがって、Fe-CaSiO3 複合スキャフォールドは、荷重を支える骨腫瘍の欠損部の修復および治療において潜在的な応用価値を持っています。関連研究はNPG Asia Materials誌（2018年、DOI: 10.1038/s41427-018-0015-8）に掲載されました（論文の筆頭著者は上海陶磁器研究所の博士課程学生である馬紅石氏、指導教員は呉成鉄氏です）。

図 4 3D プリントされた Fe-CaSiO3 複合スキャフォールドは、優れた抗腫瘍および骨形成活性を示します。関連する研究作業は、中国とドイツとの国際協力重点プロジェクトおよび国家重点研究開発プログラムの国家自然科学基金によって資金提供されました。
論文リンク:
1. https://www.materialstoday.com/b ... 腫瘍治療におけるht
2. http://www.thno.org/v08p1940.htm
3. https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S0142961217307494
4. https://www.nature.com/articles/s41427-018-0015-8

著者：呉成鉄張江他表層物質循環と環境変化

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