3Dプリントされた骨の足場は、勾配密度で顎の機能再建を実現します

3Dプリントされた骨の足場は、勾配密度で顎の機能再建を実現します
出典: 新博生バイオ

最近、浙江大学医学部付属口腔病院の謝志堅教授のチームは、浙江大学化学部の唐瑞康教授のチームおよび機械工学部の何勇教授のチームと共同で、「機能的な頭蓋顔面骨の修復のためのナノインクで印刷された階層的3D移植片」と題する論文をAdvanced Functional Materials(IF=19)誌に発表しました。顎組織と長骨組織の構造の類似点と相違点を深く分析することで、顎の生理過程における特殊な解剖学的根拠が明らかになりました。既存の研究に基づいて、新しいタイプの機能性ナノインクが準備され、光硬化3Dプリント技術によって自然な顎の微細構造を持つバイオニック骨スキャフォールドが製造され、生理機能を備えた骨移植の将来の開発に新しいアイデアを提供しました。


文献で引用されている製品<br /> 本研究では、NeoBioscience Technology Co., Ltd.のQuantiCyto® Human BMP-2 ELISAキットおよびQuantiCyto® Rat VEGF ELISAキットを使用して、さまざまなGelMA-CPOグループにおけるBMP-2の放出挙動を評価し、骨髄間葉系幹細胞の培養上清中のVEGF濃度を検出しました。

研究の詳細<br /> 臨床的な頭蓋顔面骨欠損は、通常、骨移植で治療されます。自家移植や同種移植の多くの欠点を回避するために、骨芽同種移植(バイオオス)が徐々に普及してきました。より適切なバイオニック骨を設計するために、近年の生物学的 3D 印刷技術の台頭により、骨欠損の個別修復に好ましい条件が整いました。

しかし、3Dプリント技術に関する研究は主に長骨を対象としており、それに比べて、より複雑な咀嚼機能を持つ顎に関する研究はほとんどありません。下顎組織工学スキャフォールドの設計では、効率的な骨誘導特性を考慮するだけでなく、生理的な咬合負荷に適応するために自然な下顎微細構造を復元する必要があります。既存の骨組織工学スキャフォールドのほとんどは、機能関連の構造再構築を無視して骨量の再生を重視しています。


顎骨には典型的な皮質骨と海綿骨の構造があり、それぞれが特定の生理機能を持っています。そのため、研究チームは3Dプリントに使用するインクに骨形成タンパク質(BMP-2)と超小型リン酸カルシウムオリゴマー(CPO)を加え、静電作用と配位結合の組み合わせにより有機無機複合ナノインクの構築を実現しました。機械的特性と分解速度が最適化され、高精度投影光硬化3Dプリント技術を使用してバイオニック骨スキャフォールドが構築されました。このスキャフォールドの性能と精度は、従来の非晶質リン酸カルシウムインク印刷製品よりも優れていることが実証されています。


骨髄間葉系幹細胞培養システムのELISAの結果、細胞培養上清中に血管内皮増殖因子(VEGF)が高濃度に存在することが示されました。そのため、研究者らは上清とヒト臍帯静脈内皮細胞の共培養を試みました。結果は、上清が内皮細胞の血管新生を誘導できるだけでなく、誘導能力が濃度依存的であることを示しました。さらに、RNA-Seqの結果から、複合材料が複数の骨形成関連遺伝子の発現をアップレギュレーションできることがわかり、GO分析では複数の骨形成関連生物学的プロセスの活性化が示され、KEGGの結果ではECM受容体相互作用、PI3K-AKTシグナル伝達経路、焦点接着経路の強化が示され、有機無機複合材料が骨形成を誘発するメカニズムが探究されました。

ウサギの顎欠損モデルでは、3D プリントされたバイオニック骨スキャフォールドが新しい骨の生理学的再構築を効率的に誘導でき、分解速度が再生速度と一致することが確認されました。口腔臨床診療で最も主流の骨修復製品であるバイオオス骨粉末と比較すると、バイオオス骨粉末によって誘導される新しい骨組織は密度が高いものの、生理機能の遂行に役立たない典型的な皮質-海綿質密度勾配構造を欠いています。同様に、生体適合性に優れた層状バイオニック骨スキャフォールドは、複雑な咀嚼機能を伴う顎欠損の再生・修復の問題を理想的に解決し、正常な咀嚼機能を発揮し、長期的な治療効果を確保するための構造的基礎を提供します。この機能指向の組織工学戦略は、臨床応用においてより良い結果を生み出すことを目指して、機能的再生医療に新たなアイデアを提供します。


文献引用
Shi Y、Shi J、Sun Y、他「機能的頭蓋顔面骨修復のためのナノインクでプリントされた階層的3D移植片[J]」。Advanced Functional Materials、2023:2301099。

ステント、医療、手術

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