上海珪酸塩研究所：3Dプリント多機能足場材料の研究の進展

現在、固形腫瘍の臨床治療では、外科的切除を主とし、化学療法や放射線療法を補助的に行う総合的な治療法が採用されているのが一般的です。骨腫瘍組織の大部分を外科的に除去した後、原発部位に大きな組織欠損が生じ、それが身体の自己治癒範囲を超えるため、修復を誘導するために組織工学スキャフォールドを移植する必要があります。同時に、手術によって腫瘍細胞を完全に除去することは困難であるため、腫瘍の再発を防ぐために、臨床診療では通常、従来の化学療法と放射線療法に頼っていますが、これらは患者に大きな毒性の副作用を引き起こす可能性があります。 Antarctic Bearによると、この問題を解決するために、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、腫瘍治療と組織再生の二重の機能特性を備えた3Dプリント組織工学スキャフォールドの構築を提案し、最近一連の重要な進歩を遂げたという。

研究チームは、3D プリントと in situ 成長を組み合わせて、整列したマクロ多孔性バイオセラミックスの足場を準備し、足場の表面に二硫化モリブデンナノシートを in situ 成長させ (図 1)、近赤外線照射下での急速加熱の特性を足場に与えました。この調製方法により、二硫化モリブデンナノシートをセラミックス足場の外層に非常に安定して付着させることができるだけでなく、足場の光熱特性と骨形成活性を効果的に制御することもできます。ステントを腫瘍部位に埋め込み、近赤外線照射と組み合わせて治療すると、腫瘍の成長が効果的に抑制されましたが、他の対照群では腫瘍の成長は抑制されませんでした。同時に、生体内骨修復実験では、この複合スキャフォールドがバイオセラミックススキャフォールド本来の優れた骨形成活性を維持し、短期的なレーザー照射が長期的な新骨再生に影響を与えないことが確認され（図2）、骨腫瘍の治療と修復に大きな応用可能性を示しています。現在、この研究成果はネイチャー・パブリッシング・グループの学術誌「NPG Asia Materials」AM2016556Rに受理されています（論文の筆頭著者は博士課程学生の王暁成氏です）。
図 1. 3D プリントで作製された二硫化モリブデンナノシート層を備えたバイオセラミック多孔質足場。優れた光熱特性と骨形成活性を備えています。純粋セラミックス足場 AKT (a) と、異なる二硫化モリブデン含有量の 0.05MS-AKT (b)、0.1MS-AKT (c)、0.2MS-AKT (d) の複合足場の形態。

図 2. 3D プリントされた MoS2 改質バイオセラミックスキャフォールド (a、b) と純粋セラミックスキャフォールド (c、d) をウサギの大腿骨欠損部に移植してから 8 週間後、スキャフォールドの内側と周囲に大量の新しい骨組織が形成されました (e、f)。研究チームは、ドーパミンの原位置重合と 3D プリントされたバイオスキャフォールドの表面石灰化の特性を利用して、3D プリントされた Ca-P-Si バイオセラミックスキャフォールドの表面に自己均一に組み立てられたポリドーパミン/Ca-P ナノレイヤーを誘導し (図 3)、光熱抗腫瘍効果と大きな骨欠損の修復能力の両方を実現しました。誘導された足場の表面粗さと親水性の向上、およびナノ層に含まれる OH および NH2 生体活性基により、骨間葉系幹細胞の接着と増殖を促進できます。第二に、誘導されたナノ層はCa-Pのミネラル化を促進し、栄養素の吸着に有益であり、さらに生体内での間葉系幹細胞の分化と骨形成を促進します。同時に、誘導ステントは808nmの近赤外線照射下で急速な温度上昇を実現し、その優れた光熱効果を利用してヌードマウスの腫瘍細胞を効果的に殺し、腫瘍の成長を抑制します。この成果は特許申請されており、関連する研究成果はBiomaterials.2016; 111: 138-148に掲載されました。（論文の筆頭著者は在校生の馬宏士です。）この研究はMaterials Todayのニュースハイライトとして報道されました（図4）。最近、研究チームは活性栄養元素を利用して超微細かつ合成された超小型CuCoS2ナノ結晶（約10nm）を調製し、光熱変換効率は最大73％に達しました。これは非常に優れた光熱効果を持ち、腫瘍を効果的に殺すことができます。同時に、Cuなどの活性元素は血管新生を促進できるため、「骨の修復」と「腫瘍の治療」を組み合わせた新しいタイプの二重機能生体活性ナノ材料になる可能性があります（Adv Funct Mater 2017DOI：10.1002 / adfm.201606218）。
図 3. (a) 純粋バイオセラミックススキャフォールド、2 mg/mL、4 mg/mL、および 6 mg/mL ドーパミン誘導バイオセラミックススキャフォールドの写真。純粋バイオセラミックス (b) および 4 mg/mL ドーパミン誘導バイオセラミックススキャフォールド (c) の顕微鏡写真。純粋バイオセラミックススキャフォールド (d) および 4 mg/mL ドーパミン誘導バイオセラミックススキャフォールド (e) の SEM 結果。4 mg/mL ドーパミン誘導バイオセラミックススキャフォールドの断面の SEM (h) および断面エネルギースペクトル (i)。図4. Mater Today誌は「ムール貝にヒントを得た足場が骨がんの治療に役立つ」というニュースハイライトでチームの研究を報じた（Biomaterials. 2016; 111: 138-148）。

さらに、チームは同済大学と協力して細胞バイオプリンティングの研究も行いました。研究チームは、酵素開始重合を利用して、マイルドな高強度超分子ポリマー複合ハイドロゲルを幹細胞と組み合わせました。in situ 3Dプリンティングにより、酵素ヒンジの高強度ハイドロゲル足場内で幹細胞を効率的に生存させることに成功し、幹細胞のin situ 3Dプリンティングの新しい方法を開拓しました（Chem Sci 2016;7:2748-2752）。現在、関連研究は部分的な技術移転と転換を実現し、企業から300万元以上の水平的支援を獲得しています。関連の研究活動は、科学技術部の重点研究開発計画、中国科学院の若手人材育成計画、および国家自然科学基金によって支援されました。
出典：上海珪酸塩研究所

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