低温印刷技術によるポリ(アリールエーテルケトン)-ヒドロキシアパタイト複合スキャフォールドの作製

低温印刷技術によるポリ(アリールエーテルケトン)-ヒドロキシアパタイト複合スキャフォールドの作製
寄稿者: 張 ベニン、李 迪塵 寄稿部署: 西安交通大学機械製造システム工学国家重点研究室

出典: 中国機械工学協会付加製造技術(3Dプリンティング)支部

ナノハイドロキシアパタイト粒子はポリマーに組み込むと骨形成プロセスを加速させることができますが、既存のハイドロキシアパタイト複合インプラントは満足できるものではありません。これは、ナノ粒子の表面エネルギーが高いことが一因で、粒子の凝集と不均一性を引き起こし、複合材料の特性が損なわれることになります。 Xinshuai Gao 氏のチームは、カルボキシル基含有ポリアリールエーテルケトン (PAEK-COOH) を合成し、それをナノヒドロキシアパタイト (nHA) と化学的に組み合わせて複合材料を作製しました。複合材料は、溶液中で均一かつ安定したバイオインクに配合することができ、バイオインクは低温印刷によって多孔質の足場にすることができるため、高温による化学統合および生物活性因子の破壊を回避できます。複合スキャフォールドの表面の要素は均一に分散されており、機械的特性は海綿骨のそれと一致します。試験管内実験では、nHA の添加が細胞増殖の促進と細胞骨形成分化の誘導に有益であることが示されました。この研究では、整形外科への応用が期待される均一に分散したナノ複合材料を調製する方法を開発しました。


a) カルボキシル基含有ポリ(アリールエーテルケトン) (PAEK-COOH) の合成スキーム b) 低温印刷による PAEK-COOH-nHA 骨修復スキャフォールドの調製 図 1 ポリ(アリールエーテルケトン)-ヒドロキシアパタイト複合材料の低温印刷による骨スキャフォールドの調製の模式図 チームの印刷模式図を図 1 に示します。カルボキシル基含有ポリアリールエーテルケトン(PAEK-COOH)を合成し、N-(3-ジメチルアミノプロピル)-N'-エチルカルボジイミド塩酸塩(EDC)/4-ジメチルアミノピリジン(DMAP)のエステル化反応によりnHAとの複合材料を調製した。複合材料は溶液中で均一かつ安定したバイオインクに配合することができ、バイオインクは低温印刷によって多孔質の足場を作ることができます。印刷後、サンプルは十分な凍結温度で凍結乾燥され、隙間の溶媒が氷の結晶に変換されます。特定の温度と圧力で、氷の結晶は昇華して蒸気になり、残留溶液を除去して多孔質の足場を準備します。


a) 低温印刷の概略図 b、c) 40% nHA スキャフォールドの走査型電子顕微鏡画像 d) 多孔質スキャフォールドの実際の画像 e、f) 元素エネルギースペクトルマッピング g) 水接触角測定 h) 異なる nHA 含有量での圧縮応力 (ひずみ = 10%) i) 異なる nHA 含有量での圧縮弾性率 図 2 チームが低温で印刷した PAEK-COOH-nHA スキャフォールドとその特性 スキャフォールドとその特性を図 2 に示します。 PAEK-COOH-nHA 多孔質スキャフォールドは、低温印刷技術を使用して作成されました。印刷されたスキャフォールドの形態を走査型電子顕微鏡 (SEM) で観察したところ、nHA 粒子がポリマー表面に均一に分散していることが分かりました。エネルギー分散スペクトル(EDS)図は、元素が均等に分布しており、nHA含有量の増加とともにP元素とCa元素の含有量が増加することを示しました。 nHA含有量が増加するにつれて、複合材料の水接触角は大幅に減少しました(図2g)。応力-ひずみ曲線は、nHA含有量が低い場合(5重量%)、nHA含有量の増加とともに圧縮応力が増加することを示していますが、これは複合材料の機械的特性では一般的ではありません(図2h)。圧縮弾性率の変化傾向は、応力の変化傾向と基本的に一致しています(図2i)。


a) 細胞挙動の模式図 b) CCK-8 を 24 時間インキュベートした後の 3D プリントされたスキャフォールド上の細胞生存率 c) 3 日後に DAPI/ファロイジン検出によって細胞分布を示す CLSM 画像 d) 数日以内に異なるプリントされたスキャフォールド上でのアルカリホスファターゼ (ALP) とアリザリンレッド S (ARS) の染色 図 3 PAEK-COOH-nHA スキャフォールド上での MC3T3-E1 細胞の増殖と骨形成能 チームの細胞実験の結果を図 3 に示します。細胞計数キット(CCK-8)分析の結果、複合スキャフォールド上のMC3T3-E1細胞の生存率は95%を超えており(図3b)、複合材料が骨芽細胞の播種と成長に適していることが示されました。 SEM 画像観察に基づいて、異なるスキャフォールド上で培養された MC3T3-E1 細胞の細胞接着と拡散形態に大きな違いがあることが確認されました。 3日後、DAPI/ファロイジン法を用いてスキャフォールド細胞の増殖能力を評価しました。他のスキャフォールドと比較して、PAEK-COOH-40% nHAスキャフォールドは細胞数が最も多く、nHA含有量が多いほどMC3T3-E1細胞の増殖が促進されることが示されました(図3c)。 ALP活性は14日後にALP染色により評価した(図3d)。 nHA含有量が増加するにつれて、複合スキャフォールドの色が徐々に濃くなり、ALP活性が徐々に増加したことを示しています。

研究チームはPAEK-COOHを合成し、nHAとの複合材料を作製した。化学結合により、nHA 粒子は樹脂マトリックス内に均一に分散されます。複合スキャフォールドの機械的特性は、海綿骨の機械的特性とよく一致しました。試験管内実験では、均一に分散した nHA 粒子が細胞接着、浸透、増殖、骨形成分化を促進できることが実証されました。

参考文献:
Xinshuai Gao、Honghua Wang、他「低温印刷によるポリ(アリールエーテルケトン)-ヒドロキシアパタイト複合スキャフォールドのバイオファブリケーション[J]」。Advanced Materials Technalogies.2023。

足場、生物学的

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