湘雅口腔科の劉欧生教授のチームが、付加製造誘導骨再生膜に関する新たな結果を発表した。

出典: 中国医療フォーラム

最近、芙蓉実験室の医療材料およびバイオシミュレーション研究部門の責任者、中南大学湘雅口腔病院の院長、湖南省口腔デジタル化および個別診断治療技術工学研究センターの所長である劉欧生氏と湘雅口腔バイオインテリジェント製造チームは、「誘導骨再生のための個別化された半透性および生分解性ポリマー/金属複合膜の付加製造」と題する研究論文を、古典的な材料科学ジャーナル「Materials Today」（IF=21.1）に掲載しました。

共同責任著者は、芙蓉研究所および湘雅口腔病院の劉欧生教授、程賢准教授、華南理工大学の韓長軍准教授、湖南大学の朱偉准教授です。湘雅口腔病院の劉延平准教授と2023年度卒業生の李英傑修士が共同筆頭著者です。湘雅口腔病院の陸延琴教授と周紅波准教授が本研究の指導に参加しました。

誘導性骨再生法（GBR）は現在、歯槽骨欠損の治療の主な方法です。 GBR は、GBR 膜を移植して上皮性および線維性結合組織をブロックし、これらが骨欠損部に早期に増殖するのを防ぎ、骨組織成分の優先的な増殖を選択的に保護します。高い機械的特性が求められるため、現在、チタンなどの金属ベースの材料で作られた GBR メンブレンは、大規模または複雑な歯槽骨欠損の治療に臨床現場で広く使用されています。従来の医療用金属であるチタンやマグネシウムと比較して、亜鉛は、大きくて複雑な欠損空間を維持でき、除去に二次手術を必要とせず、皮下気腫の合併症がなく、機械的特性が優れているため歯槽骨の再生を促進して術後感染を防止でき、水素を生成せずに分解され、分解中に放出されるZn2+が骨の成長を誘発し、抗菌性を発揮する新しいGBR膜材料であると考えられています。現在、臨床現場では金属シートや金属ストリップが一般的に使用されており、GBR手術中に歯槽骨の形状に合わせて医師が手作業で切断、曲げ、成形する必要があります。このプロセスは時間がかかるだけでなく、患者の感染リスクも高まります。不正確な形状は、膜が歯槽頂に完全にフィットしない結果となる可能性もあります。さらに、切断や曲げの際に生じる鋭いエッジが機械的刺激を引き起こし、粘膜破裂や金属膜の露出などの合併症を引き起こす可能性があります。 3D プリント技術で作成されたパーソナライズされた亜鉛ベースの GBR 膜により、手術時間が短縮され、手術の精度が向上し、合併症の発生率が低下します。

一方、GBR膜は本質的にはバリア膜であり、その中核機能は半透性であり、栄養素の交換に影響を与えることなく、骨欠損部位への線維芽細胞の移動と成長を阻害することを意味します。多孔質構造を導入することで、材料の透過性を調節することができます。しかし、3D プリントされた金属ベースの GBR 膜の複雑な曲面に多孔質構造を設計すると、応力分布が不均一になりやすく、亀裂の形成につながり、膜の機械的特性も低下します。さらに、線維芽細胞の大きさは数十から数百ミクロンであり、半透性を実現するためには、より小さな孔の設計が必要になります。レーザー粉末床融合は、ミクロンサイズの金属粉末をベースにした 3D 印刷技術です。細孔設計が小さすぎると、製造プロセス中に深刻な細孔閉塞が発生します。さらに、多孔質構造の設計により、亜鉛ベースの材料の比表面積が大幅に増加し、急速に劣化し、骨再生中の膜の機械的完全性に影響を与えます。

上記のニーズに対応するため、本研究では、電気化学的アセンブリとレーザー粉末床融合に基づく複合付加製造方法を検討し、パーソナライズされた半透性で生分解性のポリマー/金属 GBR 膜を製造しました。具体的には、まず、患者の歯槽骨欠損部の CBCT データに基づいて、リバースエンジニアリングにより、パーソナライズされた GBR 膜に必要な複雑な表面形状モデルを確立します。第二に、独自に開発した「表面適合単位充填アルゴリズム」を用いて、複雑な曲面膜の多孔質構造設計を実現します。従来のユニット充填設計と比較して、この新しい設計方法は、ユニット構造の完全性と複雑な表面上の均一な応力分布を確保できます。その後、レーザー粉末床融合技術を使用して、カスタマイズされた多孔性湾曲亜鉛膜基板を 3D プリントしました。電気化学アセンブリ技術を使用して、多孔性湾曲亜鉛膜を支持構造およびテンプレートとして使用し、キトサン/ゼラチンクライオゲルを亜鉛基板の表面で成長させ、マクロ多孔性金属膜と小孔ポリマー膜の「コンフォーマルインターカレーション」を実現して、GBR 膜の半透性要件を満たしました (図 1a)。研究により、複合膜は線維芽細胞の浸潤を 100% 阻害しながら栄養素を効果的に輸送できることが示されています。純粋な多孔性亜鉛膜と比較して、キトサン/ゼラチンクライオゲル膜の適合被覆により、GBR膜の機械的特性が向上し、劣化速度が低下し、60日以上構造的完全性を維持できるようになりました。これは、GBR手術後の早期骨形成に必要なスペースの維持に役立ちます。さらに、複合膜は分解速度を制御することで、純粋な多孔質亜鉛膜の初期分解中に Zn2+ が急速に放出されることによって引き起こされる細胞毒性を軽減しました。複合膜は、Zn2+ の持続放出を通じて、顕著な骨形成能と抗感染能も発揮します (図 1b)。これらの結果は、このパーソナライズされた半透性で分解可能な亜鉛/キトサン-ゼラチン膜を、大きなまたは複雑な歯槽骨欠損に対するGBR手術に応用できる可能性を示唆しており、パーソナライズされたポリマー/金属複合生体材料を構築するために電気化学的アセンブリ-レーザー粉末床溶融複合添加剤法を使用する方法の応用リファレンスを提供します。

図1 複合膜の動作原理の模式図。劉欧生教授が率いる湘雅口腔バイオインテリジェンス製造チームは、陸延琴教授、程賢准教授、劉延平准教授などの教員をチームの中核とし、芙蓉実験室の医療材料およびバイオシミュレーション研究部門と湖南省口腔デジタル化および個別診断治療技術工学研究センターの協力を得ています。チームは、「流動的で湿潤な口腔粘膜微小環境における薬剤（治療用イオンを含む）の制御放出の難しさ」などの臨床上の問題に焦点を当て、マイクロナノ電気化学アセンブリなどの高度な技術を使用して、新しい薬物送達システムをインテリジェントに作成します。近年では、Matter（2021、2019）、Materials Today（2025）、Progress in Materials Science（2023）、Bioactive Materials（2021）、Bone Research（2021）、International Journal of Oral Science（2024）、Journal of Dental Research（2022）などの高レベルジャーナルに筆頭著者/責任著者として25本の論文（IF>10が9本）を発表し、14件の国家発明特許を申請し、国家重点研究開発プロジェクトなどの国家レベルプロジェクト5件、省重点研究開発プロジェクトなどの省・省級プロジェクト9件の承認を獲得しました。チームメンバーは、省衛生計画出産委員会により「ハイレベル人材」、省科学技術協会により「優秀な若手・中年科学技術人材」、省科学技術部により「若手科学技術人材（ヤングタレント）」、省党委員会組織部により「湖南青年人材」、省教育部により「優秀青年」に選ばれた。同チームは省科学技術進歩賞一等賞と人力資源・社会保障省の全国博士研究員イノベーション・起業コンテスト金メダルを獲得した。

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