研究者らは、圧電フレームワークと天然ミネラルの成長促進特性を組み合わせた自立型生体模倣足場を作成することにより、マウスの損傷した頭蓋骨を再生することに成功した。この新しいタイプの「骨包帯」は、骨の再生や再生医療において幅広い応用が期待されています。
圧電材料は機械的ストレスが加わると電荷を生成します。骨は圧電材料です。骨には電気的な微小環境があるため、電気信号は骨の修復プロセスで重要な役割を果たし、骨の再生を効果的に促進できます。ただし、骨の再生は、機械的、電気的、生物学的要素に依存する複雑なプロセスです。
成長因子を放出する移植片や足場などの現在の骨再生戦略には、ドナー部位の合併症、入手可能性の制限、高コストなどの限界があります。今回、韓国科学技術院（KAIST）の研究者は、圧電気と骨に自然に含まれるミネラルを組み合わせた画期的な骨再生方法を開発した。
ハイドロキシアパタイト (HAp) は、骨や歯に含まれるミネラルで、骨構造の強度と再生に役割を果たします。歯のエナメル質を再石灰化して歯を強化するために、歯磨き粉によく添加されます。研究では、HAp が骨形成 (骨形成) を促進し、新しい骨の成長のための足場を提供できることがわかっています。また、圧電特性と粗い表面も備えているため、骨成長の足場を作成するのに理想的な材料です。
したがって、研究者らは、ポリマーフィルム、ポリフッ化ビニリデン-トリフルオロエチレン（P(VDF-TrFE)）の圧電フレームワークにHApを組み込んだ自立型生体模倣足場を作製した。この独立したステントは、圧力が加えられると電気信号を生成するため、このアプローチは、金属プロテーゼ上のコーティングに限定されていた HAp と P(VDF-TrFE) を組み合わせた以前の研究とは異なります。研究者らの新しいアプローチは、表面に限定された応用を超えた、骨再生のための多用途のプラットフォームを提供する、と彼らは言う。
HAp を含む足場と HAp を持たない足場の in vitro 比較では、HAp 足場上の細胞接着率が 10% ～ 15% 高いことがわかりました。 5 日間の細胞培養後、HAp 足場上の細胞増殖率は 20% ～ 30% 増加し、骨形成レベルは約 30% ～ 40% 増加しました。この研究結果は、HApが足場の圧電特性を最大化し、基本的な物理的構造と組織再生に必要な重要な手がかりを提供するすべての組織の非細胞成分であるヒト細胞外マトリックスに似た環境を作り出すことを示している。
次に研究者らは、マウスで HAp/P(VDF-TrFE) 足場をテストし、動物の頭蓋骨 (下肢の骨) の欠損部にそれを配置しました。ステントは変形することなく 6 週間持続しました。すべてのマウスは生き残りました。感染症や炎症反応などの副作用は観察されませんでした。移植後 2 週間、4 週間、および 6 週間後、HAp 足場を備えたマウスの骨再生能力は、骨形成のない対照群と比較して有意に増強されました。
この研究の責任著者の一人であるスンボム・ホン氏は、「我々は『骨包帯』のように骨の再生を促進できるHApベースの圧電複合材料を開発した。この研究は生体材料の設計に新たな方向性を提案するだけでなく、骨の再生に対する圧電性と表面特性の影響を探る上でも非常に重要だ」と述べた。
この研究は、雑誌「ACS Applied Materials and Interfaces」に掲載されました。