3DプリントされたMg2+持続放出圧電スキャフォールドは、神経および血管新生の分化を促進して骨再生を促進します。

3DプリントされたMg2+持続放出圧電スキャフォールドは、神経および血管新生の分化を促進して骨再生を促進します。
寄稿者: 張一涵、王玲 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: 中国機械工学会付加製造技術 (3D プリント) 支部

天然の骨は、圧電性を示す有機成分と無機成分で構成された複合組織です。ホワイトリン酸塩(WH)は、マグネシウムを含む天然のリン酸カルシウムであり、その独特の圧電特性と焼結後のマグネシウムイオン(Mg 2+ )の持続的な放出により、近年骨形成において大きな注目を集めています。

持続的な Mg2+ 放出を備えた生体模倣圧電スキャフォールドの最初の例が、北京化学工学大学有機複合材料国家重点実験室の Cai Qing 教授のチームによって発表されました。図1に示すように、圧電WH(PWH)とポリカプロラクトン(PCL)からなる複合スキャフォールド(PWHスキャフォールドと表記)を溶融押し出し成形(FDM)によって作製した。このスキャフォールドは、神経血管骨組織の再生に必要な生理学的要件、すなわち欠損部位に内因性の電界を提供することを満たしています。同時に、WHスキャフォールドにおけるMg2+の持続放出は多様な生物学的活性を示し、破骨細胞の活性化を阻害し、骨髄間葉系幹細胞(BMSC)の神経、血管、骨形成方向への分化を促進する圧電効果との強い相乗効果を示しました。

図 1 骨特異的電気活性 PWH 含有有機無機複合スキャフォールドの設計の概略図。PWH NP と PWH 複合スキャフォールドの調製と特性は図 2 に示されています。比較のために、チームは非電気活性 PCL、PCL/WH (簡略化のため、WH スキャフォールド フォールドと表記)、および PCL/β-TCP (β-リン酸三カルシウム、簡略化のため、β-TCP スキャフォールドと表記) スキャフォールドを印刷しました。圧電性 PWH NP は、骨組織の再生において WH NP や β-TCP NP よりも優れていることが示され、両方の WH スキャフォールドは最大 21 日間にわたって Mg イオンと Ca イオンを持続的に放出しました。上記の結果は総合的に、PWH スキャフォールドが優れた圧電性と生体活性イオンの持続放出を備えており、骨再生に有益であると期待されることを示しています。

図 2 (A) PWH NP をベースにした 3D プリント複合スキャフォールドの製造プロセス (B) WH NP の代表的な SEM 画像 (C) さまざまな複合フィルムの CV 曲線 (D) AC インピーダンス曲線 (± はアニールの有無を示します)、(E) アニール前後の WH NP の XRD パターンと (F) FTIR スペクトル (650 °C、3 時間)、(G) さまざまなスキャフォールドの圧縮応力 - ひずみ曲線、(H) PWH および WH スキャフォールドの Mg 2+ および Ca 2+ 放出曲線、(I) 3D プリント PWH スキャフォールドの写真、(J) 代表的な SEM および P、Ca、Mg 元素マッピング画像。細胞実験と動物実験のプロセスと結果の一部を図 3 に示します。包括的な in vitro 実験の全体的な結果により、PWH スキャフォールドは神経分化を促進し、血管新生を強化し、破骨細胞を阻害して、骨再生を促進できることが十分に実証されました。さらに、これらの特性により、PWH スキャフォールドは、WH スキャフォールド (電気活性の欠如) や β-TCP スキャフォールド (電気活性と Mg2+ 供給の欠如) と比較して、ラットの頭蓋骨の欠損の修復において優れた性能を発揮することができました。 Mg2+ と PWH スキャフォールド由来の圧電性の相乗効果により、神経新生と血管新生が著しく促進され、骨形成が強化される可能性があります。したがって、この骨特異的生体模倣スキャフォールドは骨再生のための有望な戦略を提供し、再生医療におけるWH/PWHの応用を大幅に広げることができると期待しています。

図3 (A) RT-PCRによる骨髄間葉系幹細胞の神経分化および血管新生分化を評価する実験プロセスの模式図 (B) SDラット頭蓋骨欠損モデルの確立と神経新生および血管新生促進による骨再生促進メカニズム (C) CAMテスト実験の模式図 (D) スキャフォールドおよびスキャフォールド抽出物の注入によって刺激された血管新生の可視化画像 (E) ラット頭蓋骨の再構成3DマイクロCT画像 参考文献:
WANG LY、PANG YY、TANG YJ、et al. 持続的なMg放出を備えた生体模倣圧電スキャフォールドは、神経新生および血管新生の分化を促進し、骨再生を促進する[J]。Bioactive Materials、2023、25:399-414。

生物学的、電圧、ブラケット

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