選択的レーザー溶融タンタル骨プレートの研究と臨床応用

学術的背景

整形外科インプラント分野では、チタン（Ti）ベース合金とタンタル（Ta）が高い生体適合性のために広く使用されています。チタンベース合金は通常、骨プレートや大腿骨ステムなどの荷重インプラントの製造に使用され、タンタルはその高密度と優れた骨組織親和性のため、多孔質形態やコーティング材料として使用されます。しかし、化学気相成長法（CVD）などの従来の製造方法では、多孔質構造のトポロジー特性を正確に制御することができず、整形外科インプラントにおけるタンタルの応用が制限されていました。近年、積層造形（AM）技術、特に選択的レーザー溶融（SLM）技術により、複雑な多孔質構造を持つ個別化インプラントの製造が可能になりました。本研究では、SLM技術を用いてタンタル骨プレートを製造し、骨折内固定材料としての性能を評価することを目的としています。

論文の出典

本論文は、大連大学附属中山医院整形外科の研究チームによって執筆され、主な著者にはDewei Zhao、Baoyi Liu、Feng Wang、Zhijie Ma、Junlei Liが含まれます。論文は2024年12月27日に『Bio-design and Manufacturing』誌にオンライン掲載され、DOIは10.1631/bdm.2300321です。

研究の流れ

1. サンプル調製

研究チームは、球形のTi6Al4V（超低不純物、ELI）と純度>99.95%のタンタル粉末を使用し、選択的レーザー溶融（SLM）技術を用いてTi6Al4Vとタンタルの円盤サンプル（直径20 mm、厚さ2 mm）を製造しました。製造プロセス中、Ti6Al4Vのパラメータは、層厚30 μm、レーザー出力150 W、露光時間40 μs、点間隔50 μm、走査間隔60 μmでした。タンタルのパラメータは、露光間隔100 μs、レーザー出力260 W、層厚30 μm、点間隔50 μm、走査間隔65 μmでした。サンプルは表面の金属粒子を除去するためにサンドブラスト処理され、SiCサンドペーパーで2000グリットまで研磨された後、超音波洗浄と乾燥が行われました。

2. 材料の特性評価

走査型電子顕微鏡（SEM）とエネルギー分散型X線分光法（EDS）を用いてサンプルの表面形態と元素組成を観察し、X線回折（XRD）により相組成を分析しました。接触角テストは表面エネルギーを評価するために使用され、表面粗さは共焦点レーザー走査顕微鏡（CLSM）で測定されました。引張試験は機械的特性を評価するために行われ、5つのサンプルの降伏強度、極限引張強度、破断伸びが測定されました。

3. 細胞培養

マウス頭蓋骨由来の骨芽細胞（MC3T3-E1細胞）を使用して、細胞増殖、形態、分化実験を行いました。細胞は10%ウシ胎児血清を含むα-MEM培地で培養され、CCK-8キットを使用して細胞増殖を測定し、生細胞/死細胞染色により細胞生存率を評価し、CLSMで細胞形態を観察しました。定量的リアルタイムPCR（qPCR）により、骨形成関連遺伝子（Runx2、ALP、OCN、OPN、Col-1）の発現レベルを測定しました。

4. 体外マクロファージ反応

RAW 264.7マクロファージを使用して、SLM Ti6Al4V、SLM Ti6Al4V with Taコーティング、SLM Taがマクロファージの極性化に及ぼす影響を評価しました。免疫蛍光染色によりiNOSとCD206の発現を検出し、フローサイトメトリーによりM1およびM2マクロファージの表面マーカー（CCR7とCD206）を分析し、マウスサイトカインアレイパネルにより炎症性因子の発現レベルを測定しました。

5. 動物実験

SLM Ti6Al4V、SLM Ti6Al4V with Taコーティング、SLM Taのロッドをニュージーランドウサギの大腿骨顆に移植し、6週間後に骨統合性能を評価しました。Van Gieson（VG）染色により骨-インプラント接触（BIC）と新骨形成を観察し、プッシュアウトテストによりインプラントの安定性を評価しました。

6. 臨床試験

2021年9月から2023年2月まで、20名の四肢骨折患者（男性14名、女性6名）を対象にSLM多孔質タンタル骨プレートを用いた内固定手術を行いました。術後はX線により骨折治癒状況を評価しました。

主な結果

1. 材料の特性評価

SLM Ti6Al4VとSLM Taの表面粗さは類似しており、それぞれ2.000 μmと2.046 μmでしたが、SLM Ti6Al4V with Taコーティングの表面粗さは2.208 μmでした。SLM Ti6Al4Vの表面エネルギーは最も高く（40.6 mN/m）、SLM Taがそれに続き（35.3 mN/m）、SLM Ti6Al4V with Taコーティングが最も低い（33.1 mN/m）結果となりました。引張試験では、SLM Taが最も高い塑性変形能力を示し、SLM Ti6Al4Vが最も高い引張強度を示しました。

2. 細胞培養

MC3T3-E1細胞は、SLM TaとSLM Ti6Al4V with Taコーティング表面上で、SLM Ti6Al4Vと比較して顕著に高い増殖、接着、骨分化能力を示しました。qPCRの結果、SLM TaとSLM Ti6Al4V with Taコーティング表面上での骨形成関連遺伝子の発現レベルは、SLM Ti6Al4Vよりも有意に高くなりました。

3. マクロファージ反応

SLM Taは、マクロファージのM2表現型への極性化を著しく促進し、炎症性因子の分泌を抑制しました。フローサイトメトリーの結果、SLM Ta群のM2マクロファージの割合は、SLM Ti6Al4V群よりも有意に高くなりました。

4. 動物実験

SLM Ta群では、骨-インプラント接触（BIC）と新骨形成面積が最も大きく、プッシュアウトテストではSLM Taインプラントの安定性がSLM Ti6Al4Vよりも顕著に優れていることが示されました。

5. 臨床試験

すべての患者の骨折は良好に治癒し、平均手術時間は56分、平均出血量は145.6 mlでした。X線画像では、術後3～6か月で骨折線が完全に消失しました。

結論

本研究では、SLM技術を用いて多孔質タンタル骨プレートを製造し、骨折内固定材料としての優れた性能を検証しました。SLM Taは優れた機械的特性、抗炎症活性、骨統合能力を有し、骨折治癒を促進し、二次手術を回避することができます。この研究は、整形外科インプラントの個別化設計と製造に新たな視点を提供し、科学的および応用的に重要な価値を持っています。

研究のハイライト

1. 革新的な製造技術：SLM技術を用いて初めて多孔質タンタル骨プレートを製造し、複雑な多孔質構造の正確な制御を実現しました。
2. 優れた生体適合性：SLM Taは優れた細胞親和性と骨形成活性を示し、従来のチタン合金を大幅に上回りました。
3. 臨床応用の可能性：SLM多孔質タンタル骨プレートは、臨床試験において良好な骨折治癒効果を示し、幅広い応用が期待されます。