上海珪酸塩研究所 3Dプリントされたバイオニックレンコンセラミックス足場は組織再生を促進することができる

▲自然からヒントを得て、骨組織工学用のバイオニックレンコンスキャフォールドが準備されました。 (cg) 材料準備プロセス
大きな骨欠損の修復は、臨床現場では常に課題となっています。3D プリント技術は、形状制御された多孔質足場材料を簡単に作成できるため、生体材料や骨組織工学の分野で広く使用されています。従来の 3D プリントスキャフォールドは多孔質構造をしており、材料を欠損部位に移植すると、栄養素と細胞が穴に沿ってスキャフォールドに浸透し、骨組織の埋入を促進して、最終的に骨欠損の修復を促進します。しかし、従来の 3D プリントされたスキャフォールドは、大きな骨の欠損に対してはまだ不十分です。まず、従来の3Dプリントスキャフォールドは、積み重ねられた固体要素で作られているため、材料の多孔性が大幅に低下しています。次に、従来の3Dプリントスキャフォールドの気孔は、3次元的に階段状に拡張されており、直線的なチャネルを形成していません。そのため、流体力学において強い流体抵抗があり、栄養素や細胞がスキャフォールドに浸透しにくく、修復プロセス中の血管新生や骨形成を妨げます。

▲3Dプリントされたバイオニックレンコンスキャフォールドの物理的および化学的特性の制御（a）異なる材料（b）異なる形状（c）異なる孔サイズ　　
最近、中国科学院上海陶磁器研究所の呉成鉄研究員と張江研究員が率いる研究チームは、大きな血管骨欠損の修復を目的とした複雑構造バイオセラミックスの3Dプリントにおいて新たな進歩を遂げました。研究チームは、自然界のレンコン内部の並列多チャンネル構造にヒントを得て、3Dプリント技術を使ってバイオニックレンコンスキャフォールドを作製した。上海交通大学付属第九人民病院の江新全氏のチームと共同で、このタイプのスキャフォールドは従来の3Dプリントスキャフォールドに比べて大きな骨欠損を修復する能力が大幅に向上していることも発見した。研究結果はAdvanced Science （）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の学生である馮春氏であり、彼の指導教員は研究員の呉成鉄氏である。彼は特許も申請している。

▲バイオニックレンコンスキャフォールドの多孔性と機械的強度の制御 (a) 3つの異なるプリミティブスタッキング方法を使用したバイオニックレンコンスキャフォールド (b) 多孔性 (c) 機械的強度　　
研究チームは、従来の3Dプリントスキャフォールドの各要素の内部を並列マルチチャネル構造にし、新しい血管と骨組織の成長を大幅に促進し、骨欠損の修復を容易にすると期待されています。また、内部の同軸埋め込み押し出し3Dプリント針を再設計し、3Dプリントの準備方法を改善することで、バイオニックレンコンスキャフォールドのワンタイムプリントを実現しました。そして、この改良された 3D 印刷方法により、バイオニックレンコンスキャフォールドの物理的および化学的特性を便利に制御できます。この方法は、各種バイオセラミックス（アケルマナイト、Al2O3、ZrO2）、金属Fe、ポリマーアルギン酸ナトリウムなどのさまざまな材料を使用してバイオニックレンコンスキャフォールドを作製できるだけでなく、さまざまな形状、気孔数、気孔径を持つバイオニックレンコンスキャフォールドも作製できます。さらに、バイオニックレンコンスキャフォールドの多孔性と機械的強度は、3Dスキャフォールドの基本的な積み重ね方法とチャネルの数を調節することによって制御できます。バイオニックレンコンスキャフォールドの最大多孔率は80％に達し、機械的強度は40MPa以上に達し、骨欠損修復材料の要件を満たすことができます。

▲バイオニックレンコンスキャフォールドの生体内生物学的分析 (a) バイオニックレンコンスキャフォールド上のウサギ間葉系幹細胞 (BMSC) の SEM 画像、(ce) スキャフォールド上で培養した 3 日目の細胞の共焦点顕微鏡画像、(f) 細胞接着、および (g) バイオニックレンコンスキャフォールドの増殖結果
研究チームは、代表的マトリックス材料として優れた生物学的活性を持つアケルマナイトセラミックを選択し、このバイオニックレンコン材料の骨組織再生工学における性能と応用をさらに探求し、それぞれシングル、ダブル、3、4チャネルのバイオニックレンコンバイオセラミックススキャフォールドを準備しました。生体外生物学的分析の結果、従来の3Dスキャフォールドと比較して、バイオニックレンコンマグネシアカルセドニーバイオセラミックススキャフォールドは細胞接着と増殖を促進し、チャネル数の増加とともにその効果はより顕著に増加することが示されました。生体内動物実験では、バイオニックレンコンバイオスキャフォールドが骨組織再生能力と血管新生効果を大幅に改善し、骨欠損の修復に有益であることが示されました。従来の 3D 生体活性スキャフォールドと比較して、3D プリントされたバイオニックレンコンバイオスキャフォールドは、スキャフォールド内部への栄養素の伝達を促進し、細胞と組織の内側への成長を誘導し、それによって初期の血管新生とその後の骨形成を促進し、骨欠損の修復性能を向上させます。この材料は、マルチチャネルと高多孔性の構造特性により、薬物高分子の充填、表面機能改質、触媒、エネルギー、環境などの他の分野にも使用できます。

▲バイオニックレンコンスキャフォールドのin vitro生物学的分析。 4週間のラット筋肉バッグ移植実験では、(a)多数の細胞がレンコン形状のチャネルに成長し、(b、c)血管微小灌流実験の結果は血管がチャネルにうまく成長したことを示しました。12週間のウサギ頭蓋骨欠損実験では、(d、e)マイクロCTと(f)組織切片VG染色結果、および(g)骨欠損部位の新しい骨の統計分析結果はすべて、バイオニックレンコンスキャフォールドが優れた骨修復能力を持っていることを示しました。
関連する研究は、国家重点研究開発計画、国家自然科学基金、中国科学院先端科学研究計画などの基金によって資金提供されました。

さらに読む：「中国科学院の科学者による3Dバイオプリントセラミックス足場は骨腫瘍の治療に使用可能」

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出典：中国科学院上海陶磁器研究所

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