新しい3Dプリント足場PLA-CaPは血管形成を促進し、骨の治癒に新たな希望をもたらす可能性がある

はじめに: 骨は血管が豊富な組織であり、血管新生と骨治癒の関係は科学界で長い間議論されており、血管新生の欠如または減少により骨治癒が損なわれることを説明した研究がいくつかある。従来の移植方法では、インプラントへの血管供給が不十分なために合併症が発生することが多く、インプラントの統合不良や組織壊死につながります。
2024年12月26日、アンタークティックベアは、カタルーニャ生物工学研究所（IBEC）の研究者が、血管新生を促進することで骨の治癒を改善するように設計された新しい3Dプリントスキャフォールドを開発したことを知りました。
研究チームは、再生療法バイオマテリアルグループの上級研究員であるオスカーカスタニョ氏が率いており、関連する研究は「3次元性とCaPガラス-PLA複合材料の組み合わせ: 骨組織治癒における効率的な血管新生に向けて」と題する論文として、Advances in Biomaterials誌に掲載されました。彼らは、3Dバイオプリンティング技術を応用して、血管新生と血管成熟をサポートするポリ乳酸とリン酸カルシウムベースのガラス足場を開発しました。

論文リンク: https://doi.org/10.1016/j.bioadv.2024.213985
この研究では、3D プリント技術を使用して、形状、多孔性、表面特性が正確に制御された足場を製造しました。これらの構造は、栄養素の輸送と細胞の浸透に必要な多孔性を維持しながら、有機成分と無機成分の両方を含む天然の骨の組成を模倣するように設計されています。
△PLAG5*20% スキャフォールドのアリザリンレッド染色により、石灰化部位が強調表示され、3D マクロ多孔性と骨形成能の強化の証拠が示されました。画像提供: カタルーニャ生物工学研究所 (IBEC)
骨は、非ミネラル化有機部分（主にコラーゲン）とミネラル化された無機部分（主にハイドロキシアパタイト）で構成されています。このような構造では、栄養素と酸素の輸送を確実にし、血管新生、細胞浸潤、老廃物の除去を可能にするために 3D 多孔性が必要です。研究者らのアプローチは、リン酸カルシウム（CaP）ベースのガラス足場を使用してポリ乳酸（PLA）の特性を改善し、骨組織の化学的、機械的、生物学的ニーズに適合する材料を得ることに基づいています。
新しい PLA-CaP スキャフォールドは適切な血管新生を可能にし、組織の治癒を可能にするだけでなく、効果的な再生も可能にし、それによって骨の瘢痕化を軽減または除去します。これらの足場を作るために、研究者たちは 3D プリント技術を使用して、足場の形状、多孔性、表面特性を正確に制御しました。「この革新的なアプローチにより、自然の骨構造を模倣した足場をカスタマイズすることが可能になり、これは治癒過程における細胞浸潤と栄養交換を促進するために不可欠です」と研究の筆頭著者であるセリア・キシメネス・カルバロ氏は説明する。
△図：ブラケットの設計と形状の忠実度。 (a) 200 μm チップを使用して印刷するために計画されたスキャフォールド設計。 (b) 異なるスキャフォールドの印刷可能性指数（Pr）。右側は、印刷されたサポートの画像 (上) と Pr の解釈です。Pr 値 = 1 は形状の忠実度が高いことを定義し、Pr 値が 1 より大きいか小さい場合は、閉じたまたは不規則な細孔を定義します。 △図：スキャフォールドの微細多孔性は、3Dプリント中に溶媒を置換する方法によって異なります。 (a) 異なる溶媒置換法を用いたFE-SEMによるスキャフォールド表面画像（スケールバー、20 μm）。 (b) スキャフォールドの断面（スケールバー、20 μm）。
試験管内試験では、3Dプリントされた足場がヒト間葉系幹細胞の増殖をサポートし、血管形成を促進する重要な因子である血管内皮増殖因子の分泌を刺激することが示されました。さらに、このスキャフォールドは、血管新生をサポートするもう一つの重要な要素である生理的レベルでのカルシウムイオンの放出を維持しました。
一方、皮下マウスモデルを使用したスキャフォールドの生体内試験でも有望な結果が示されました。スキャフォールドは、移植後わずか 1 週間以内に良好な統合と顕著な血管浸潤を示しました。 PLA-CaP スキャフォールドは特に効果的で、4 週間後も血管退縮の兆候はなく、血管成熟の増加を示しました。血管の分析により、血管壁は最初は薄かったが、時間が経つにつれて厚くなり、安定するようになったことがわかった。この進歩は、スキャフォールドが血管の成長に対する初期のサポートを提供するだけでなく、骨の再生に必要な持続的な血管新生に好ましい環境を作り出すことも実証しています。
「当社の 3D プリントスキャフォールドは、骨再生へのアプローチに革命をもたらすことができると考えています。血管新生を強化することで、治癒結果を大幅に改善し、従来の移植方法に伴う合併症の可能性を減らすことができます。」 - IBEC の上級研究員、オスカーカスターニョ氏。
これらの高度な足場の開発は、3D 印刷技術とカルシウム放出粒子などの生体活性材料を組み合わせた相乗効果を強調しています。 PLA-CaP スキャフォールドの構造は、血管新生の改善を促進するだけでなく、骨形成もサポートし、より効果的な骨治癒戦略への道を開き、移植失敗率を低下させる可能性があります。

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