三重周期最小表面構造に基づく二重螺旋チタン合金スキャフォールドの骨修復への応用研究

学術的背景

骨欠損修復は、特に外傷、腫瘍、炎症などの疾患によって引き起こされる臨界サイズ骨欠損（critical-size bone defects）の場合、整形外科分野における重要な課題です。現在、臨床で一般的に使用されている骨修復方法には、自家骨移植と同種骨移植があります。しかし、自家骨移植にはドナー部位の損傷やドナー骨量の制限が問題となり、同種骨移植では免疫拒絶反応や疾患伝播のリスクが生じます。そのため、骨組織工学（bone tissue engineering, BTE）は、従来の治療法を代替する重要な戦略となっています。チタン合金は、その優れた機械的特性、生体適合性、耐食性から、臨床骨修復に広く使用されています。しかし、チタン合金の弾性率は天然骨よりも高く、直接使用すると応力遮蔽効果（stress shielding effect）を引き起こし、骨吸収やインプラントの緩みを引き起こす可能性があります。この問題を解決するために、研究者らは多孔質設計を導入し、インプラントの弾性率を低下させることで応力遮蔽効果を回避し、骨の内部成長のための有効な空間を提供しています。

近年、三重周期最小表面（triply periodic minimal surface, TPMS）構造に基づく多孔質スキャフォールドは、海綿骨構造との類似性から注目を集めています。TPMS構造は滑らかで連続した表面を持ち、細胞の接着と増殖を促進し、機械的特性と骨伝導性において優れた性能を示します。しかし、特定のTPMS構造に対する最適な孔隙率（porosity）に関する研究はまだ限られています。本研究は、TPMS構造に基づく二重螺旋（double gyroid, DG）チタン合金スキャフォールドを設計・製造し、異なる孔隙率が骨統合（osseointegration）と血管新生（angiogenesis）に及ぼす影響を探求し、骨欠損修復のための新しい設計指針と実験的根拠を提供することを目的としています。

論文の出典

本論文は、吉林大学第二医院骨科のHao Liu、Hao Chenらによる研究チームによって執筆され、2024年12月21日にBio-design and Manufacturing誌にオンライン掲載されました。この研究は、中国国家自然科学基金、吉林省科学技術庁など複数のプロジェクトから資金提供を受けています。

研究のプロセスと結果

1. 多孔質チタン合金スキャフォールドの設計と製造

研究チームは、コンピュータ支援設計ソフトウェアRhinoceros 6とプラグインGrasshopperを使用して、TPMS構造に基づく二重螺旋チタン合金スキャフォールドを設計しました。数学的関数パラメータを調整することで、4つの異なる孔隙率（40％、55％、70％、85％）のDGスキャフォールドを設計し、それぞれDG40、DG55、DG70、DG85と命名しました。対照群として、孔隙率70％の従来の立方体構造スキャフォールドを設計し、Cubeと命名しました。スキャフォールドは、電子ビーム溶解（electron beam melting, EBM）技術を使用して製造され、Ti6Al4V ELI粉末を原材料として使用しました。製造後、サンドブラストと超音波洗浄によりスキャフォールド内の残留粉末を除去し、滅菌処理を行いました。

2. スキャフォールドの特性評価と機械的性能テスト

走査型電子顕微鏡（SEM）とエネルギー分散型X線分光法（EDS）を使用して、スキャフォールドの表面形態と化学組成を分析しました。その結果、スキャフォールド表面にはTi6Al4V金属粒子が均一に分布しており、元素組成は標準的なTi6Al4Vと一致していることが確認されました。マイクロコンピュータ断層撮影（micro-CT）では、スキャフォールドの孔隙構造が良好で、明らかな亀裂や不純物がないことが示されました。圧縮試験の結果、DGスキャフォールドの弾性率と圧縮強度は孔隙率の増加に伴って低下し、DG55スキャフォールドの機械的性能が整形外科インプラントとして最も適していることが明らかになりました。

3. 体外細胞実験

研究チームは、体外細胞実験を通じて、スキャフォールドの生体適合性および血管新生と骨分化促進能力を評価しました。実験では、ウサギ骨髄間葉系幹細胞（bone marrow mesenchymal stem cells, BMSCs）とヒト臍帯静脈内皮細胞（human umbilical vein endothelial cells, HUVECs）を研究対象として使用しました。

• 細胞増殖実験：生細胞/死細胞染色とCCK-8アッセイを使用して、BMSCsのスキャフォールド上での増殖状況を評価しました。その結果、DG70スキャフォールド上の細胞増殖能力がCubeスキャフォールドよりも顕著に優れており、DG55スキャフォールドの細胞増殖能力が最も高いことが示されました。
• 血管新生実験：スクラッチ治癒実験、Transwell移行実験、チューブ形成実験を使用して、HUVECsの移行とチューブ形成能力を評価しました。その結果、DG70スキャフォールドがHUVECsの移行とチューブ形成を顕著に促進し、DG55スキャフォールドの効果が最も高いことが明らかになりました。
• 骨分化実験：アルカリホスファターゼ（ALP）染色とアリザリンレッドS（ARS）染色を使用して、BMSCsの骨分化能力を評価しました。その結果、DG55スキャフォールドが骨分化促進において最も優れた性能を示しました。

4. 体内動物実験

研究チームは、スキャフォールドをニュージーランドウサギの大腿骨顆部骨欠損モデルに移植し、体内での血管新生と骨再生能力を評価しました。マイクロCTと組織学的分析により、DG55スキャフォールドが新骨形成と血管新生を最も効果的に促進し、新骨組織の成熟度が高いことが確認されました。

結論と意義

本研究では、TPMS構造に基づく二重螺旋チタン合金スキャフォールドを設計・製造し、異なる孔隙率が骨統合と血管新生に及ぼす影響を系統的に探求しました。研究結果から、DG55スキャフォールドが細胞増殖、血管新生、骨分化の促進において最も優れた性能を示し、その機械的性能が整形外科インプラントとして適していることが明らかになりました。従来の立方体構造スキャフォールドと比較して、DGスキャフォールドはより大きな比表面積と均一な流体分布特性を持ち、細胞の接着と成長をより効果的に促進することができます。

本研究の科学的価値は、骨欠損修復のための新しいスキャフォールド設計指針を提供し、チタン合金スキャフォールドの孔隙構造設計を最適化することで、臨床骨修復応用のための重要な実験的根拠を提供した点にあります。さらに、TPMS構造が血管新生と骨再生を促進する独特の利点を明らかにし、将来の骨組織工学研究の新たな方向性を示しました。

研究のハイライト

1. 革新的なスキャフォールド設計：二重螺旋構造とTPMSを初めて組み合わせ、優れた生体適合性と機械的性能を持つ多孔質チタン合金スキャフォールドを設計しました。
2. 系統的な研究：体外細胞実験と体内動物実験を通じて、異なる孔隙率スキャフォールドの骨統合と血管新生能力を包括的に評価しました。
3. 最適な孔隙率の特定：55％の孔隙率を持つDGスキャフォールドが骨再生と血管新生を最も効果的に促進することが明らかになり、臨床骨修復の重要な指針となりました。
4. 流体特性の分析：計算流体力学解析を通じて、DGスキャフォールドが細胞接着と成長において優位性を持つことを明らかにしました。

その他の価値ある情報

研究チームは、従来の螺旋構造と二重螺旋構造の比表面積と流体分布特性を比較し、二重螺旋構造が細胞接着と成長においてより優れていることを発見しました。さらに、TPMS構造がYAP/TAZシグナル経路を活性化する役割についても探求し、将来の研究の新たな方向性を示しました。