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抗菌元素―生体組織間相互作用に基づいたチタンインプラントの感染制御

Research Project

Project/Area Number 21K18057
Research Category

Grant-in-Aid for Early-Career Scientists

Allocation TypeMulti-year Fund
Review Section Basic Section 90110:Biomedical engineering-related
Research InstitutionTokyo Medical and Dental University (2022-2023)
Kyushu University (2021)

Principal Investigator

島袋 将弥  東京医科歯科大学, 生体材料工学研究所, 助教 (40883434)

Project Period (FY) 2021-04-01 – 2025-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
Fiscal Year 2023: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
Keywordsチタン / 銀 / 銅 / 亜鉛 / 抗菌元素 / 感染予防 / 骨形成 / 表面改質 / ポーラスチタン酸化物 / 抗菌性 / 生体内劣化 / 人工関節周囲感染 / バイオフィルム
Outline of Research at the Start

超高齢社会への突入を契機に運動器の退行性疾患が急増しており、チタン製人工関節を用いた外科的治療が積極的に行われている。これに伴い、合併症である人工関節周囲感染が深刻化しており、術中・術後の感染予防が益々重要視されている。銀・銅・亜鉛といった抗菌元素は細菌制御能に優れており、感染予防に有用である。そこで本研究では、生体内における抗菌元素の時間的変化の解明と、その知見に基づいたチタンの表面設計を行い、材料学的アプローチによる感染制御に取り組む。

Outline of Annual Research Achievements

超高齢社会への突入を契機に退行性変性疾患が急増しており、インプラントデバイスを用いた運動機能再建術が積極的に行われている。これに伴い、術後の細菌感染によって惹起される合併症“人工関節周囲感染(PJI)”が益々深刻化している。PJIは術後3か月以内に発症する早期感染と、術後3か月以上経過後に発症する晩期感染に分類されており、術者・患者によって発症時期が大きく異なる。このため、抗菌効果を経時的に制御することができれば、早期・晩期感染の防止が可能となり、運動機能再建術に伴うすべての細菌感染症を解決することができる。しかし、生体内に埋入したインプラント表面では、体液接触による表面変化、タンパク質・細胞接着による表面変化を伴うため、腐食・劣化等の生体内劣化によってインプラント表面に付与した抗菌効果が減弱・消失してしまうことが懸念される。本年度に実施した研究では、抗菌元素の分布制御に取り組み、火花放電を伴う陽極酸化処理により、チタン表面にポーラスチタン酸化物を形成し、当該酸化物の弁作用を活用することで銅粒子を電気化学的に担持した。形成した銅粒子担持ポーラス酸化物は、銅粒子の担持量を制御すると抗菌性と骨形成能を両立することが明らかとなった。また、当該酸化物は少なくとも1か月間は銅の放出を持続し、バイオフィルム形成に対しても優れた抑制効果を示すことが明らかとなった。さらにポーラス酸化物への銅粒子の担持量が至適量であると、細胞毒性は発現せず、酸化物の構造・組成により骨芽細胞の石灰化を促進することを明らかにした。また、酸化物層内に銅粒子を導入した場合よりも、酸化物層表面に銅粒子を担持した方が優れた抗菌性を示すことが明らかとなった。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本年度では、電気銅メッキによりポーラスチタン酸化物表面に銅粒子を担持し、細胞毒性を伴うことなく抗菌性を示す至適銅粒子担持量を探索することができた。またポーラス酸化物層への至適量の銅粒子担持によって、バイオフィルム形成の抑制と骨形成の促進を達成することを明らかにした。以上より、現在までの進捗状況はおおむね順調に進展しているといえる。

Strategy for Future Research Activity

今後の研究の推進方策としては、本表面処理技術を他の金属系バイオマテリアルへの応用に試みる。

Report

(3 results)
  • 2023 Research-status Report
  • 2022 Research-status Report
  • 2021 Research-status Report
  • Research Products

    (23 results)

All 2024 2023 2022 2021

All Journal Article (9 results) (of which Peer Reviewed: 8 results,  Open Access: 2 results) Presentation (12 results) (of which Int'l Joint Research: 5 results,  Invited: 1 results) Book (2 results)

  • [Journal Article] Antibacterial and osteogenic thin films on Ti-6Al-4V surface formed by passivation process in copper hydroxide solution2024

    • Author(s)
      Shimabukuro Masaya、Morinobu Miki、Tsuchiya Akira、Kishida Ryo、Kawashita Masakazu、Ishikawa Kunio
    • Journal Title

      Science and Technology of Advanced Materials

      Volume: 25 Issue: 1 Pages: 2303327-2303327

    • DOI

      10.1080/14686996.2024.2303327

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Electrochemical Deposition of Copper on Bioactive Porous Titanium Dioxide Layer: Antibacterial and Pro-Osteogenic Activities2023

    • Author(s)
      Aoki Shun、Shimabukuro Masaya、Kishida Ryo、Kyuno Kentaro、Noda Kazuhiko、Yokoi Taishi、Kawashita Masakazu
    • Journal Title

      ACS Applied Bio Materials

      Volume: 6 Issue: 12 Pages: 5759-5767

    • DOI

      10.1021/acsabm.3c00860

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Ant‐nest type porous scaffold with micro‐struts consisting of carbonate apatite for promoting bone formation and scaffold resorption2023

    • Author(s)
      Tan Janice Lay Tin、Shimabukuro Masaya、Kobayashi Mamiko、Kishida Ryo、Kawashita Masakazu、Ishikawa Kunio
    • Journal Title

      Journal of Biomedical Materials Research Part A

      Volume: 112 Issue: 1 Pages: 31-43

    • DOI

      10.1002/jbm.a.37608

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Metallic Substrate Influences on the Osteogenic Cell Compatibility and Antibacterial Activity of Silver-Incorporated Porous Oxide Layers Formed by Micro-Arc Oxidation2023

    • Author(s)
      Shimabukuro Masaya、Kobayashi Mamiko、Kawashita Masakazu
    • Journal Title

      ACS Applied Engineering Materials

      Volume: 1 Issue: 8 Pages: 2288-2294

    • DOI

      10.1021/acsaenm.3c00332

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Fabrication and histological evaluation of ant‐nest type porous carbonate apatite artificial bone using polyurethane foam as a porogen2022

    • Author(s)
      Tan Janice Lay Tin、Shimabukuro Masaya、Kishida Ryo、Ishikawa Kunio
    • Journal Title

      Journal of Biomedical Materials Research Part B: Applied Biomaterials

      Volume: 111 Issue: 3 Pages: 560-567

    • DOI

      10.1002/jbm.b.35173

    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] 骨・関節感染症治療のための抗菌性バイオマテリアル2022

    • Author(s)
      島袋 将弥 , 横井 太史 , 川下 将一
    • Journal Title

      月刊細胞

      Volume: 54

    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Journal Article] Surface functionalization with copper endows carbonate apatite honeycomb scaffold with antibacterial, proangiogenic, and pro-osteogenic activities2022

    • Author(s)
      Shimabukuro Masaya、Hayashi Koichiro、Kishida Ryo、Tsuchiya Akira、Ishikawa Kunio
    • Journal Title

      Biomaterials Advances

      Volume: - Pages: 212751-212751

    • DOI

      10.1016/j.bioadv.2022.212751

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      2021 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Effects of carbonate ions in phosphate solution on the fabrication of carbonate apatite through a dissolution?precipitation reaction2022

    • Author(s)
      Shimabukuro Masaya、Hayashi Koichiro、Kishida Ryo、Tsuchiya Akira、Ishikawa Kunio
    • Journal Title

      Ceramics International

      Volume: 48 Issue: 1 Pages: 1032-1037

    • DOI

      10.1016/j.ceramint.2021.09.188

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      2021 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] No-Observed-Effect Level of Silver Phosphate in Carbonate Apatite Artificial Bone on Initial Bone Regeneration2021

    • Author(s)
      Shimabukuro Masaya、Hayashi Koichiro、Kishida Ryo、Tsuchiya Akira、Ishikawa Kunio
    • Journal Title

      ACS Infectious Diseases

      Volume: 8 Issue: 1 Pages: 159-169

    • DOI

      10.1021/acsinfecdis.1c00480

    • Related Report
      2021 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] Antibacterial Biomaterials for Tissue Regeneration and Infection Prevention2024

    • Author(s)
      Masaya Shimabukuro
    • Organizer
      10th Joint Symposium between Chulalongkorn University and IBB/TMDU
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      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Ti表面における光応答性炭酸アパタイトコーティングの形成2024

    • Author(s)
      小林真美子, 島袋将弥, 横井太史, 川下将一
    • Organizer
      日本歯科理工学会 令和6(2024)年度第82回学術講演会
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      2023 Research-status Report
  • [Presentation] チタン表面に形成したマグネシウム薄膜の劣化挙動と生体機能変化2024

    • Author(s)
      三宅理沙, 島袋将弥, 下岸将博, 丸川恵理子, 川下将一
    • Organizer
      日本歯科理工学会 令和6(2024)年度第82回学術講演会
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      2023 Research-status Report
  • [Presentation] ANTIBACTERIAL CARBONATE APATITE ARTIFICIAL BONE FOR BONE REGENERATION AND INFECTION PREVENTION2023

    • Author(s)
      Masaya Shimabukuro, Masakazu Kawashita, Kunio Ishikawa
    • Organizer
      Biomaterial international 2023 (BMI2023)
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      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] PREPARATION OF BIOACTIVE TITANIUM WITH VISIBLE LIGHT- ENHANCED ANTIBACTERIAL ACTIVITY BY HYDROGEN PEROXIDE, COPPER ACETATE, AND HEAT TREATMENTS2023

    • Author(s)
      Po-Cheng Sung, Masaya Shimabukuro, Taishi Yokoi, Masakazu Kawashita
    • Organizer
      Biomaterial international 2023 (BMI2023)
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      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 細胞・組織応答に基づく抗菌性炭酸アパタイト骨補填材の創製2023

    • Author(s)
      島袋将弥, 川下将一, 石川邦夫
    • Organizer
      第45回日本バイオマテリアル学会大会
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      2023 Research-status Report
  • [Presentation] 結晶面を制御した水酸アパタイトに吸着した 血清タンパク質のプロテオーム解析2023

    • Author(s)
      江田悠月, 島袋将弥, 横井太史, 川下将一
    • Organizer
      第45回日本バイオマテリアル学会大会
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      2023 Research-status Report
  • [Presentation] 銀イオン含有電解浴中でのマイクロアーク酸化によるチタン表面上での多孔質酸化物層の形成2022

    • Author(s)
      島袋将弥, 塙隆夫, 横井太史, 川下将一
    • Organizer
      日本セラミックス協会 第35回秋期シンポジウム
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      2022 Research-status Report
  • [Presentation] Antibacterial and Pro-osteogenic Porous Titanium dioxide Layer Formed by Micro-arc Oxidation in the Electrolyte with Silver ion2022

    • Author(s)
      Masaya Shimabukuro, Takao Hanawa, Masakazu Kawashita
    • Organizer
      Interface Summer Seminar 2022 The 17th International Workshop on Biomaterials in Interface Science
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      2022 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Visible-light-enhanced Antibacterial and Bioactive Titanium Surface Prepared by H2O2 Heat Treatment and Copper Doping2022

    • Author(s)
      P-C.Sung, T.Yokoi, M.Shimabukuro, M.Kawashita
    • Organizer
      The 2nd International Symposium on Design & Engineering by Joint Inverse Innovation for Materials Architecture 2022年10月
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      2022 Research-status Report
  • [Presentation] Surface Functionalization of Honeycomb Scaffolds Consisting of Carbonate Apatite for Bone Regeneration and Infection Prevention2022

    • Author(s)
      Masaya Shimabukuro, Koichiro Hayashi, Taishi Yokoi, Masakazu Kawashita, Kunio Ishikawa
    • Organizer
      Visual-JW 2022 & DEJI2MA-2
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      2022 Research-status Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 骨再生における炭酸アパタイト骨補填材中のリン酸銀の無毒性量2022

    • Author(s)
      島袋将弥、塙隆夫、石川邦夫
    • Organizer
      日本金属学会 2022年春期 第170回講演大会
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      2021 Research-status Report
  • [Book] Biomedical Engineering Imaging Systems, Electric Devices, and Medical Materials2024

    • Author(s)
      Masaya Shimabukuro, Taishi Yokoi, Masakazu Kawashita (分担執筆)
    • Total Pages
      20
    • Publisher
      Jenny Stanford Publishing
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Book] Innovative Bioceramics in Translational Medicine I (Chapter 6 Surface Functionalization of Titanium for the Control and Treatment of Infections)2022

    • Author(s)
      Masaya Shimabukuro (分担執筆)
    • Total Pages
      18
    • Publisher
      Springer Series in Biomaterials Science and Engineering
    • Related Report
      2021 Research-status Report

URL: 

Published: 2021-04-28   Modified: 2024-12-25  

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