頭蓋顎顔面領域における骨補填用途の3Dバイオプリンティングスキャフォールドの開発

• Project/Area Number: 20K18790
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 57070:Developmental dentistry-related
• Research Institution: Health Sciences University of Hokkaido
• Principal Investigator: 川村 尚彦 北海道医療大学, 歯学部, 助教 (30849336)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Discontinued (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000); Fiscal Year 2023: ¥390,000 (Direct Cost: ¥300,000、Indirect Cost: ¥90,000); Fiscal Year 2022: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2021: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000); Fiscal Year 2020: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
• Keywords: スキャフォールド / バイオインク / 3Dバイオプリンター / 3Dバイオプリンティング / マイクロX線CT / GelMA / 骨芽細胞 / MC3T3-E / 3Dプリンター / バイオプリンティング / マイクロCT

Outline of Research at the Start

先天的な骨形成不全や唇顎口蓋裂などでは骨欠損部位に、また顎変形症では顎矯正手術の際に生じる間隙部に骨移植が行われる。骨の主成分であるカルシウムやリンに加え、間葉系幹細胞と骨形成誘導活性を持つBMP-2を組み合わせたバイオインクを用いて、3Dバイオプリンティングで骨欠損部に高い精度で適合する骨補填用スキャフォールドを作製できれば、高い骨形成誘導能と生体親和性が得られると期待される。本研究の目的は、従来の骨補填材に代替しうる間葉系幹細胞とBMP-2が組み込まれた3Dバイオプリンティングスキャフォールドを開発することである。

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、間葉系幹細胞と骨形成誘導活性を持つBMP-2を組み合わせたバイオインクにより作製したスキャフォールドが、スキャフォールドとしての役割を果たす機械的特性を有しているか、細胞がスキャフォールド内で生存および増殖するポテンシャルを具備しているか、また、生体に応用するのに十分な親和性を有しているかを明らかにすることであった。
本年度は、スキャフォールド印刷して、実験動物内に留置するのに適した形状を模索した。3Dモデリングプログラムを用いて直径5.0mm、厚さ1.0mmのディスク状のSTLファイルを作製した。そのSTLデータファイルを印刷経路情報を含むG-codeファイルに変換し、３DバイオプリンターINKREDIBLEにて印刷を行った。ラットの大腿骨と頭蓋骨に歯科用ラウンドバーなどを用いて規格化した穴を開け、そこに事前に3Dバイオプリンターを用いて印刷しておいたスキャフォールドを埋入して縫合した。4週間の観察期間のちに摘出し、マイクロX線CTによる観察を行った(n＝3)。スキャフォールドの為害性を確認するため、バーなどで穴を開けるがスキャフォールドを埋入しない群も用意し、これをコントロール群とした。
マイクロX線CTにて撮像したコントロール群と実験群との比較を行ったところ有意差は認められず、当初の懸念事項であった手技自体にも、為害性はないと判断した。
なお、時間的制約のため達成はできなかったが、今回用いたバイオインクは基質となるGelMA単独のものであり、今後はここに細胞や成長因子などを添加していく予定であった。

Research Products

• [Journal Article] Characterization and application of bioactive glass and chitosan nanoparticles for tooth enamel remineralization (2021)
  • Author(s): Rina Ishikawa, Ryota Nagasaki, Naohiko Kawamura N, Enrique Ezra Zuniga Heredia, Takashi Nezu, Shuichi Ito, Hideki Aita, Masahiro Iijima
  • Journal Title: Journal of Biomaterials and Tissue Engineering Volume: 11(7) Issue: 7 Pages: 1236-1243
  • DOI: 10.1166/jbt.2021.2703
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Frictional Forces of Three Types of Lingual Appliance with Self-ligating Mechanisms (2021)
  • Author(s): Enrique E Zuniga-Heredia, Takeshi Muguruma, Naohiko Kawamura, Masahiro Iijima
  • Journal Title: The journal of contemporary dental practice Volume: 22 Pages: 605-609
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Recent progress in and future perspectives on orthodontic materials (2020)
  • Author(s): 飯嶋 雅弘、川村 尚彦、榎並 裕美子
  • Journal Title: THE JOURNAL OF JAPANESE SOCIETY FOR DENTAL MATERIALS AND DEVICES Volume: 39 Issue: 2 Pages: 155-161
  • DOI: 10.18939/jsdmd.39.2_155
  • NAID: 130007873345
  • ISSN: 1884-4421, 2188-417X
  • Year and Date: 2020-05-25
• [Journal Article] Degradation and Biocompatibility of AZ31 Magnesium Alloy Implants In Vitro and In Vivo: A Micro-Computed Tomography Study in Rats (2020)
  • Author(s): Kawamura Naohiko、Nakao Yuya、Ishikawa Rina、Tsuchida Dai、Iijima Masahiro
  • Journal Title: Materials Volume: 13 Issue: 2 Pages: 473-473
  • DOI: 10.3390/ma13020473
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Comparison of orthodontic force exerted by rapid maxillary expansion with built-in superelastic NiTi coil spring and conventional rapid maxillary expansion (2020)
  • Author(s): 石川 里奈、川村 尚彦、山崎 敦永、保田 好隆、溝口 到、飯嶋 雅弘
  • Journal Title: THE JOURNAL OF HOKKAIDO ORTHODONTIC SOCIETY Volume: 48 Issue: 1 Pages: 1-8
  • DOI: 10.20760/dokyo.48.1_1
  • NAID: 130008020226
  • ISSN: 0916-202X, 2432-6747
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] マイクロCTを用いた歯内歯の三次元形態解析 (2020)
  • Author(s): 建部 廣明、秋月 一城、藤田 景子、Shalehin Nazmus、川村 尚彦、細矢 明宏、中山 英二、入江 一元
  • Journal Title: 北海道医療大学歯学雑誌 Volume: 39 Pages: 11-15
  • NAID: 120006884793
  • Peer Reviewed
• [Presentation] AZ31生体吸収性マグネシウム合金インプラントの生体適合性と骨-インプラント間界面強度 (2021)
  • Author(s): 川村 尚彦、土田 大、中尾 友也、飯嶋 雅弘
  • Organizer: 第80回日本矯正歯科学会学術大会／第5回国際会議
• [Presentation] Effects of Mechanical properties on wear resistan of five composites resin used for attachments in aligner-type orthodontic appliance (2020)
  • Author(s): Enrique-Ezra Zuniga-Heredia, Naohiko Kawamura, Masahiro Iijima
  • Organizer: The 9th International Orthodontic Congress
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A study of remineralization of etched enamel using chitosan nanoparticle and bioactive glass (2020)
  • Author(s): Rina Ishikawa, Ryota Nagasaki, Naohiko Kawamura, Masahiro Iijima
  • Organizer: The 9th International Orthodontic Congress
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Naohiko Kawamura, Yuya Nakao, Rina Ishikawa, Dai Tsuchida, Masahiro Iijima (2020)
  • Author(s): Bone-Implant Interface Strength and Biocompatibility of the AZ31 Bioabsorbable Magnesium Alloy Implants
  • Organizer: The 9th International Orthodontic Congress
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 川村尚彦, 中尾友也, 上地潤, 飯嶋雅弘 (2020)
  • Author(s): 上顎両側側切歯の口蓋側転位を伴う歯槽性上顎前突症例
  • Organizer: 第61回北海道矯正歯科学会学術大会