骨と軟骨の修復研究のための3Dプリントバイオセラミックスは一連の進歩を遂げている

骨と軟骨の修復研究のための3Dプリントバイオセラミックスは一連の進歩を遂げている
最近、中国科学院上海陶磁器研究所の研究員である呉成鉄氏と張江氏が率いる研究チームは、骨と軟骨の修復のための3Dプリントバイオセラミックスの研究で一連の進歩を遂げました。規則的なマクロ多孔構造を持つリン酸マンガン三カルシウム(Mn-TCP)バイオセラミックス足場を3Dプリントで作製しました。関連する研究成果はAdvanced Functional Materials(adfm.201703117)に受理され、特許を申請しました。研究チームは上海交通大学付属第九人民病院の江新全教授チームと協力し、中空チューブ要素を積み重ねた3Dプリントバイオセラミックス足場を作製した。関連する研究成果は『バイオマテリアルズ』(Biomaterials, 2017; 135: 85-95)に掲載された。同時に、研究チームは3Dプリント技術を通じて、三カルシウムケイ酸塩骨セメントスキャフォールド(ACS Appl Mater Interfaces. 2017;9(7):5757-5767)と抗菌性と骨形成活性の両方を備えたバイオセラミックススキャフォールド(Biofabrication. 2017;9(2):025037)の作成にも成功し、骨組織工学分野での優れた応用見通しを示しました。


変形性関節症は、関節の赤み、腫れ、熱感、痛み、機能障害、変形などの臨床症状を伴う変性関節疾患です。重症の場合、関節障害を引き起こし、患者の生活の質に影響を及ぼす可能性があります。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。軟骨と軟骨下骨の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。研究チームは、軟骨と軟骨下骨を一体的に修復できる3Dプリントバイオセラミックス足場を構築する戦略を提案し、3Dプリント法によって秩序だったマクロ多孔性マンガンリン酸三カルシウム(Mn-TCP)バイオセラミックス足場を準備しました。 Mn の導入により、足場の密度と圧縮強度が大幅に向上します。 Mn-TCP バイオセラミックスは、HIF シグナル伝達経路を活性化することでウサギ軟骨細胞と骨髄間葉系幹細胞 (rBMSC) の増殖を促進し、軟骨細胞の成熟をサポートし、rBMSC の骨形成分化を促進するだけでなく、炎症モデルにおいて軟骨細胞内でオートファジーを誘導することで軟骨細胞を保護することもできます。同時に、生体内修復実験では、Mn-TCP スキャフォールドが軟骨下骨と軟骨組織の形成を大幅に促進し、骨軟骨統合修復の分野で幅広い応用の見通しがあることが示されました。関連論文(Advanced Functional Materials、adfm.201703117)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。

研究チームは、上海交通大学付属第九人民病院の江新全チームとの協力を通じて、大規模な血管新生骨欠損の修復を目的とした複雑なバイオニック構造の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た。臨床現場では、大きな骨欠損の修復が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スキャフォールド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。この従来の 3D プリント スキャフォールドは多孔質構造をしており、材料を欠損部に埋め込むと、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、最終的に骨欠損部の修復を促進します。しかし、従来の 3D プリント スキャフォールドは、大きな骨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ます。次に、従来の 3D プリント スキャフォールドの細孔は、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。研究グループは、中空のチューブ要素を積み重ねて作られた3Dプリントのバイオセラミックス足場を準備しました。この中空チューブ構造の 3D セラミック スキャフォールドは、従来の 3D プリント スキャフォールドよりも多孔性が高くなっています。血管の成長を促進するだけでなく、幹細胞や成長因子の送達も促進し、大きな骨欠損の修復に役立ちます(Biomaterials、2017; 135: 85-95)。

関連研究は、科学技術部の「863」プログラム、国家重点研究開発プログラム、および国家自然科学基金によって資金提供された。



Mn-TCP バイオセラミック スキャフォールドの形態学的特性、(AC) TCP、(DF) 2.5 Mn-TCP、(GI) 5 Mn-TCP、(JL) 10 Mn-TCP。 Mn含有量が増加するにつれて、スキャフォールドの色は徐々に淡いピンク色から濃いピンク色に変化し、スキャフォールドの表面形態もTCPの多孔質構造から高密度の液化形態に変化します。



Mn-TCP バイオセラミック スキャフォールドの生体内修復効果、A1-D4 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) 5 Mn-TCP グループ、(D1-4) 10 Mn-TCP グループ。E1-H4 材料は 12 週間移植され、(E1-4) ブランク コントロール グループ、(F1-4) TCP グループ、(G1-4) 5 Mn-TCP グループ、(H1-4) 10 Mn-TCP グループ。 Mn-TCP 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、軟骨 - 軟骨下骨の修復を有意に促進しました。



中空チューブの複雑な生体模倣構造を備えた 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、大きな骨の欠損を修復するために使用されます。



中空チューブの複雑な構造を持つ 3D プリントされたバイオセラミック スキャフォールド。



ウサギにおける大規模骨欠損の修復実験。実験過程(a)、血管新生能力を示すマイクロCT結果(b、c)、血管新生能力を示す組織学的結果(d、e)、骨形成能力を示すマイクロCT結果と組織学的結果(gi)。中空チューブバイオセラミックス足場は、血管新生と大きな骨欠損の修復を著しく誘導しました。

ダウンロードアドレス:
血管新生骨再生のための中空パイプ構造と生体活性イオンの相乗効果を持つ3Dプリント足場、Biomaterials(2017; 135: 85-95)

骨再生のためのナノ表面構造を備えた 3D プリント生体活性 Ca3SiO5 骨セメント スキャフォールド (ACS Appl Mater Interfaces. 2017;9(7):5757-5767)

抗菌性と骨形成活性を備えた3Dプリントバイオセラミックス足場(Biofabrication. 2017;9(2):025037)


出典:中国科学院上海陶磁器研究所

バイオセラミックス

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