生体模倣構造を持つ 3 周期極小表面 (TPMS) ハイドロキシアパタイト骨修復スキャフォールドの 3D プリント

出典: 高分子科学の最前線

自然から学ぶことは、常に重要な設計思考です。自然界に広く見られる三周期極小面（TPMS）は、空間内で3次元的に周期的に繰り返され、平均曲率がゼロである特殊な面です。このタイプの構造は、滑らかな表面と高度に接続された細孔を備えています。全体の構造は、暗黙的な関数によって正確に制御できます。これは、多孔質構造の設計とモデリングのための優れたソリューションであり、建築に応用されています。

▲写真は中国台湾の台中にある台中国家歌劇院

最近、華南理工大学材料科学工学部の石雪涛教授の研究チームは、さまざまなタイプの3周期極小表面（TPMS）の研究と分析を行い、皮質骨と海綿骨の強度範囲に一致できる一連のハイドロキシアパタイト（HAp）セラミックススキャフォールドを設計し、3Dプリントしました。研究成果は、耐荷重骨修復および再生技術の進歩を促進しました。

デザインと3Dプリント

数学的には、TPMS 構造には多くの種類があり、研究者らは組織工学の足場に適した 6 つの TPMS を研究しました。三角方程式によれば、多項式係数はX、Y、Zの3次元で等しく取られ、孔サイズを制御し、不均一な孔サイズによって引き起こされる異方性の問題を軽減します。さまざまな極小表面構造が作成されます。すべての構造は3次元空間で完全な表面を形成できるため、構造単位のサイズを変更することで孔径を制御できます。

▲ 図: 6つのTPMSモデルとTPMS構造に基づいた3DプリントHapブラケット

彼らは TPMS 構造を使用して大腿骨のバイオニックスキャフォールドを作成し、TPMS 構造のバイオニック実現可能性を実証しました。バイオニック大腿骨修復スキャフォールドでは、外側の皮質骨と内側の海綿骨の独特な構造を模倣しており、非常に自然かつ強固に結合されています。

▲図：大腿骨修復ステントの設計と詳細のCBCT

TPMSブラケットの機械的特性に関する研究

HApスキャフォールドの機械的特性実験では、スキャフォールドの構造がスキャフォールドの全体的な機械的特性に影響を与える決定要因であることが判明しました。チームが準備したさまざまな構造に基づくHApスキャフォールドは、人間の海綿骨から皮質骨までのすべての圧縮強度範囲をカバーできます。

▲図：有限要素シミュレーションと圧縮試験によるステントの機械的強度の解析

TPMSスキャフォールドの細胞挙動に関する研究

骨修復足場における細胞増殖と接着は、その重要な生物学的機能です。異なる構造がヒト骨芽細胞（hFOB）の接着と増殖に及ぼす影響について研究した。その結果、TPMS構造はhFOB細胞の骨分化を促進する上でより顕著な役割を果たしていることがわかった。また、最小表面平均曲率が0であるという特徴により、構造全体が比較的平坦になった。比表面積が大きく表面の連続性が高いTMPSスキャフォールドは、細胞の接着と成長を大幅に促進した。そのため、培養プロセス中の細胞活性は、網状十字構造のより離散的な細胞よりも高く、その後の細胞培養プロセスで骨分化と関連タンパク質の発現レベルを促進する効果があった。

▲ 図：異なるスキャフォールド上での細胞増殖、接着、骨形成能の評価

TPMSスキャフォールドは大腿骨の再生と修復を促進する

骨修復プロセスにおける最も重要なパフォーマンス指標の1つは機械的特性です。研究チームは、TPMSスキャフォールドと対照群のスキャフォールドをウサギの大腿骨欠損部に移植し、それぞれ4、8、12週目に骨形成効果を比較しました。その結果、TPMS群は新しい骨の形成を促進する上で大きな効果があることがわかりました。また、さまざまな段階で大腿骨の圧縮強度をテストしたところ、TPMS移植群の大腿骨の圧縮強度は対照群よりも大幅に優れていることがわかりました。

▲ 図：TPMSスキャフォールド移植患者と対照群における大腿骨再生の生体内評価

TPMSスキャフォールドによる骨再生促進メカニズムの研究

組織サンプル中の差次的に発現した遺伝子は遺伝子チップ配列決定によって決定され、GOおよびKEGGエンリッチメント解析が行われた。4週間後、クロスハッチングスキャフォールドと比較して、TPMSスキャフォールドサンプルではサイトカイン-サイトカイン受容体、ケモカインシグナル伝達経路、PPARおよびAMPK経路がアップレギュレーションされていた。これらの経路は、骨再生の初期段階における細胞動員、代謝、骨形成および血管新生に関連している。8週間後、TPMSスキャフォールドはAMPKやグルコース代謝などの骨形成代謝関連経路をアップレギュレーションし、破骨細胞分化およびPPAR経路（脂肪形成を誘導）をダウンレギュレーションすることで骨再生を促進した。 12 週間後、TPMS スキャフォールドでは依然として骨形成が活発でしたが、HIF-1 シグナル伝達経路とカルシウムシグナル伝達経路の上方制御を含む血管新生と破骨細胞の活性が著しく促進されました。活性細胞接着分子（CAM）発現は強い骨代謝活性を示した。一方、破骨細胞の分化の増加は、骨のリモデリングプロセスが活発であることを示しています。破骨細胞分化、MAPK シグナル伝達、CAM、Pi3k/Akt、血小板活性化経路など、さまざまな骨形成、血管新生、破骨細胞分化経路は、骨修復プロセスのさまざまな段階で大きく異なります。

▲ 図: 差次的に発現する遺伝子の強化された遺伝子経路解析

石雪涛教授の研究グループと研究内容の簡単な紹介：

博士課程の指導教員であり、国家優秀若手科学者基金を受賞した石雪涛教授。研究グループは長年にわたり、バイオメディカルポリマー材料、組織工学および幹細胞療法、生物学的3Dプリンティングの研究開発と変革に取り組んでおり、特にバイオマテリアルに基づく生殖システムの修復と再建、および機械的に適応可能なバイオ接着剤の研究と応用に力を入れています。現在、彼はNature Communications、Advanced Materials、Angewandte Chemieなどのジャーナルに130本のSCI論文を発表しています。国内発明特許30件を出願し、10件が認可された。

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