カーネギーメロン大学は3Dプリント技術を使用して骨再生のためのリン酸カルシウムグラフェン材料を開発しています

この投稿は Bingdunxiong によって 2022-5-8 07:25 に最後に編集されました

2022年5月8日、Antarctic Bearは、カーネギーメロン大学（CMU）とコネチカット大学（UConn）が3Dプリント技術を使用して、将来の骨再生用途に使用できる新しいリン酸カルシウムグラフェン（CaPG）材料を開発したことを知りました。

研究チームは、骨の欠損や損傷を簡単かつ迅速に治療できる、従来の自家骨移植に代わる治療法の開発を目指しました。これは、欠損部位の組織再生に適した 3D プリントされた生体代替材料であり、骨誘導性、生体安全性、長い保存期間、手頃な価格など、多くの医療用途があります。

△バイオニック3Dプリント用CaPGマトリックス設計。画像はNatureより
3D プリンティングとグラフェンの開発<br /> グラフェンは自然界に存在します。その軽量性、電気伝導性、熱伝導性、極めて高い機械的強度により、発見以来、バイオメディカル、エネルギー生産、マイクロエレクトロニクスの用途に最適な素材となっています。

グラフェン素材を得る上で難しいのは、単層構造を剥がすことです。グラフェンが一層ずつ積み重なったものがグラファイトで、厚さ1mmのグラファイトには約300万層のグラフェンが含まれています。鉛筆で紙の上を軽くなぞると、その跡はグラフェンの複数の層、あるいは 1 つの層だけになることもあります。したがって、これは 3D プリントにとっても大きな課題となります。

それにもかかわらず、3D プリントの発展に伴い、3D プリントとグラフェン材料の組み合わせの研究開発が続けられています。例えば、バージニア工科大学とローレンス・リバモア国立研究所（LLNL）は、ゲルにグラフェンを分散させて3Dプリント可能な樹脂を形成する高解像度の3Dプリント方法を開発しており、後者はカリフォルニア大学クルーズ校と共同でエネルギー貯蔵装置などに用いられるグラフェンエアロゲルを製造している。

△3DP-CaPGマトリックス上のhMSCの適合性と骨形成分化。画像はNatureより
3D プリント CaPG 機能性グラフェン材料<br /> グラフェンは、骨再生のためのマトリックスの骨形成特性を強化するために、付加製造プロセスに組み込まれています。しかし、機能化されていないグラフェン材料には骨誘導性がなく、ほとんどのマトリックスは生体内で研究されていません。

これまで、優れた骨誘導特性を持ちながら、生物学的安全性、長い保存期間、そして製造コスト効率に優れた合成マトリックスを作成する方法が研究されてきました。その中でも、グラフェンを含む材料は、その優れた化学的、機械的、生物学的特性により広く注目を集めています。

グラフェンを含む材料は細胞の接着と成長を促進し、骨形成能があることを示唆する証拠もあるため、これらの材料は骨再生工学にますます利用されるようになっています。しかし、酸化グラフェンだけでは、損傷部位で自然な骨再生を開始する能力がありません。さらに、研究チームは、酸化グラフェンの薄片は優れた機械的特性を備えているものの、そのバルク構造には骨の再生に安定性をもたらす機械的特性が欠けていることを観察しました。

その結果、骨再生に大きな可能性を秘めたリン酸グラフェンと呼ばれる機能化された改変グラフェンの作成に成功しました。骨を模倣したCaPG材料は、カルシウム（カルシウムは幹細胞から骨細胞への分化を促進する）を添加して3Dプリントされました。

△マウス頭蓋骨欠損モデルにおけるマトリックスの生体適合性。画像はNatureより
骨再生技術の進歩<br /> 研究チームは、バイオファブリケーション企業ディメンション・インクスの直接インク書き込み（DIW）3Dプリント法を使用して、インク中のグラファイト含有量が「非常に高い」（約90％）多孔質構造のCaPG材料を作成した。これにより、細胞が骨伝導骨格にアクセスし、カルシウムイオンとリン酸イオンを制御された状態で放出することが可能となり、マトリックスに対する宿主の反応は、生体不活性バインダーではなく、主にグラフェン含有量に依存することになります。

チームは、細胞や動物の研究で使用するために、特定の形状を持つ構造マトリックスを簡単に印刷できます。研究チームは、特定の骨の欠損に合わせて直接印刷することも可能だと指摘している。したがって、3D プリントは CaPG 材料と完璧に組み合わせることができ、骨再生工学のためのカスタマイズ可能な新技術を提供します。

Δ3DP-CaPG マトリックスの生分解と生体内分布。画像はNatureより。研究の詳細については、Nature誌に掲載された「超低結合剤含有量の3Dプリントリン酸カルシウムグラフェン足場は、生体内での骨形成をサポートする吸収性骨誘導マトリックスである」という論文をご覧ください。この研究は、L. Daneshmandi、B. Holt、A. Arnold、C. Laurencin、S. Sydlik が共同執筆しました (リンクはこちらをクリックしてください)。

生体内試験では、CaPG を骨髄間質細胞 (BMSC) と組み合わせて、マウスの皮下空間内での骨形成を促進しました。 CaPGマトリックスは生体内で吸収され、生分解できることがわかった。研究チームによれば、これは合成材料としては珍しく、吸収性、骨誘導性のマトリックスとして有望だという。

さらに、研究チームは研究中に重要な臓器への有害な影響は観察されなかった。今後、研究者らは、3DプリントされたCaPGマトリックスの機械的特性を強化し、生体内での長期的な安全性をテストするためのさらなる開発を行う予定です。

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