上海珪酸塩研究所、骨軟骨再生のためのバイオセラミックス足場の3Dプリントで進歩を遂げる

現在、3Dプリントされたバイオセラミックススキャフォールドは主に骨組織工学に使用されていますが、軟骨再生や腫瘍治療に関する研究はあまり行われていません。中国科学院によると、同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、骨軟骨再生と骨腫瘍治療のための3Dプリントバイオセラミックス足場の利用において一連の研究進歩を遂げた。最近、チームは以前の研究に基づいて、機能性バイオセラミックス足場の 3D プリントにおいて一連の新たな進歩を遂げました。

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、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、発明特許が申請されました。

関節における骨軟骨界面は極めて複雑で繊細な微細構造を有しています。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き、骨軟骨組織の修復だけでなく、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。

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。

彼の関連研究は、Biomaterials誌（2018年160号92-106頁）に掲載され、国際誌Materials Today（2018年3月5日付けの「Scaffold material sheds light on bone tumor therapy」）でも特集されました。

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。

関連する研究はNPG Asia Materials（2018; DOI: 10.1038/s41427-018-0015-8）に掲載されました。

関連の研究活動は、中国・ドイツ国際協力重点プロジェクトおよび国家重点研究開発計画の国家自然科学基金によって資金提供されました。

その他、関連論文として以下が発表されています: (Advanced Functional Materials 2017, 27:1703117-1703130; Advanced Science 2017, 4:1700401-1700409; Biomaterials 2017, 135:85-95; NPG Asia Materials 2017, 9:e376-e389; Advanced Functional Materials 2016, 26:1197-1208; Biomaterials, 2016, 111:138-148 など)

重度の外傷、感染症、または腫瘍によって引き起こされる大きな骨欠損や骨癒合不全は、整形外科の分野では常に世界的な問題となっており、安全で効果的な治療法が不足しているのが現状です。科学技術の発展と進歩により、3Dプリント技術によって構築されたバイオニックな物理的および化学的特性と外観構造を備えた人工骨修復材料が、この世界の問題に対する理想的な解決策を提供することが期待されています。

市場調査によると、バイオセラミックだけでなく、PLAやPEEKなどのプラスチック材料も世界中で骨修復の分野で使用されています。私の国は、生分解性整形外科材料の3Dプリントでも大きな成果を上げています。
2017年11月にBiomaterials誌に掲載された論文によると、中国科学院深圳先進技術研究所の秦玲教授チームの頼玉暁、王新洛らは、先進的な低温3Dプリント技術を使用して、骨欠損や骨折の修復用の多孔質スキャフォールド材料を開発した。骨形成活性のある天然植物活性小分子イカリインを多孔質スキャフォールドに均一に配合し、3Dプリントによってスキャフォールドに最も理想的な骨形成バイオニック構造（孔径300～500ミクロン）を与え、難治性骨欠損の骨修復治療を実現した。
西安ポイントクラウドバイオロジーが開発したセラミックプリンター（PCPrinter BR150）は、フィラメントレス印刷技術を採用しており、臨床患者の骨欠損のサイズ、形状、内部の気孔などのパラメータに応じて、生体模倣の物理的および化学的特性と外観構造を備えた生分解性人工骨を正確にカスタマイズできます。同時に、このプリンターは骨組織の再生、軟組織の生体構造、薬物の制御放出などの材料に広く使用されており、生命科学、材料科学、組織工学、薬物開発の分野の研究者に新しい研究ツールを提供しています。

西安ポイントクラウドのフィラメントレス3Dプリンターで製造された再生可能な人工骨は、常温または低温でバイオセラミック複合材料を点ごとに、層ごとに直接印刷できます。製造された人工骨は、2015年に西京病院で動物の骨欠損修復実験を無事に完了しました。一連のin vitroおよびin vivo実験により、人工骨はバイオニックな細孔構造、優れた機械的特性、生体適合性などの特性を備えていることが検証されました。
出典: サイエンスバレー

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