Development of PLLA nanofiber scaffold with apatite precipitation ability for bone regeneration by electrospinning

• Project/Area Number: 17K06067
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Research Field: Materials/Mechanics of materials
• Research Institution: Doshisha University
• Principal Investigator: Katayama Tsutao 同志社大学, 生命医科学部, 教授 (70161065)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 森田 有亮 同志社大学, 生命医科学部, 教授 (80368141) ; 田中 和人 同志社大学, 生命医科学部, 教授 (50303855)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2020-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2019)
• Budget Amount: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000); Fiscal Year 2019: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2018: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2017: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
• Keywords: ポリ乳酸 / リン酸水素カルシウム / ファイバースキャホールド / アパタイト被覆 / 骨再生 / エレクトロスピニング / スキャホールド / マイクロファイバー / ナノファイバー

Outline of Final Research Achievements

We developed the dicalcium phosphate anhydrous (DCPA) particle-doped porous PLLA (PLLA/DCPA) fiber scaffold, which has DCPA as the nucleus for apatite precipitation to accelerate bone formation. The ratio of PLLA and DCPA was 5/1, and the porous PLLA/DCPA fiber scaffolds were fabricated by electrospinning. The developed fiber scaffolds were immersed in simulated body fluid (SBF) for 7 days to evaluate apatite precipitates. Fiber surface of the porous PLLA/DCPA fiber scaffolds were covered early and uniformly with apatite after SBF immersion. Apatite was precipitated inside porous fibers due to porous structure, and porous PLLA/DCPA fiber scaffolds had uniform apatite precipitation without crack and exfoliation due to anchor effect. These results showed that the porous PLLA/DCPA fiber scaffold was expected to promote bone formation.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

生体吸収性材料であるポリ乳酸ファイバースキャホールドが移植後にアパタイトで被覆されるようにすることで，骨組織内の細胞微小環境を模倣し骨細胞の接着・増殖を活性化する機能を付与することが本研究の主要課題である．アパタイト形成の核となる無水リン酸水素カルシウム粒子の添加と，多孔質ファイバーの高い比表面により，割れや剥離なくファイバーが早期かつ均一にアパタイトで被覆されることを可能とした．生体内でファイバー表面がアパタイトで覆われることで，スキャホールド内部への早期の細胞遊走と骨分化を促進させることを可能とする多孔質PLLA/DCPAファイバースキャホールドの開発は社会的意義が大きいと考えた．

Research Products

• [Presentation] Development of porous PLLA/DCPA microfiber scaffold to enhance bone formation (2019)
  • Author(s): Haruyuki Matsuo, Koji Yamamoto, Eiji Nakamachi, Kazuto Tanaka, Tsutao Katayama, Yusuke Morita
  • Organizer: 30th Annual Conference of the European Society for Biomaterial
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 生体内でのアパタイト析出に優れた多孔質PLLA/DCPAファイバースキャホールドの開発 (2019)
  • Author(s): 松尾 陽之，山本 浩司，仲町 英治，田中 和人，片山 傳生，森田 有亮
  • Organizer: 第18回日本再生医療学会総会
• [Presentation] 骨形成促進のための炭酸カルシウム粒子添加PLLAファイバースキャホールドの開発 (2018)
  • Author(s): 松尾 陽之，山本 浩司，仲町 英治，田中 和人，片山 傳生，森田 有亮
  • Organizer: 第22回生体関連セラミックス討論会
• [Presentation] 骨形成促進のためのアパタイト被覆PLLAファイバースキャホールドの開発 (2018)
  • Author(s): 松尾 陽之，山本 浩司，仲町 英治，秋澤 康雄，田中 和人，片山 傳生，森田 有亮
  • Organizer: 日本機械学会関西支部2017年度学生員卒業論文発表講演会
• [Patent(Industrial Property Rights)] 多孔質体 (2019)
  • Inventor(s): 森田 有亮，松尾 陽之
  • Industrial Property Rights Holder: 森田 有亮，松尾 陽之
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Filing Date: 2019