Honeycomb bone scaffolds for bone marrow regeneration

• Project/Area Number: 23K25208
• Project/Area Number (Other): 22H03954 (2022-2023)
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund (2024); Single-year Grants (2022-2023)
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 90120:Biomaterials-related
• Research Institution: Kyushu University
• Principal Investigator: 林 幸壱朗 九州大学, 歯学研究院, 准教授 (80580886)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥17,420,000 (Direct Cost: ¥13,400,000、Indirect Cost: ¥4,020,000); Fiscal Year 2025: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000); Fiscal Year 2024: ¥5,070,000 (Direct Cost: ¥3,900,000、Indirect Cost: ¥1,170,000); Fiscal Year 2023: ¥5,070,000 (Direct Cost: ¥3,900,000、Indirect Cost: ¥1,170,000); Fiscal Year 2022: ¥5,590,000 (Direct Cost: ¥4,300,000、Indirect Cost: ¥1,290,000)
• Keywords: スキャフォールド / ハニカム / 骨髄 / 生体材料 / バイオセラミックス / 造血幹細胞 / アパタイト / 骨 / ニッチ

Outline of Research at the Start

造血幹細胞の自己複製には造血幹細胞ニッチと呼ばれる微小空間が重要な役割を担っていること、造血幹細胞ニッチは骨内膜近傍に存在することが知られている。申請者は、造血幹細胞を自己複製している造血幹細胞ニッチに学び、骨内膜を裏打ちする骨の化学組成及び構造を模倣したスキャフォールドを作製した。ウサギ骨および筋肉内に移植したところ、骨内膜様組織が形成され、その中に骨髄様組織が維持されることを見出した。すなわち、スキャフォールド内に人工造血幹細胞ニッチが形成された。そこで本研究では、炭酸アパタイトハニカム材料が、造血幹細胞ニッチとして働き、造血機能を回復させることができるかを検証する。

Outline of Annual Research Achievements

血液のがん（例えば白血病）の治療では、造血幹細胞移植が選択されることがある。しかし、細胞数を十分に確保できない場合があり、造血幹細胞を増幅させることが求められている。造血幹細胞の増幅には、造血幹細胞ニッチと呼ばれる微小空間が重要な役割を担っていることが知られている。また、造血幹細胞ニッチは骨髄の中でも骨内膜近傍に存在することが知られている。
本研究では、造血幹細胞の増幅に重要な役割を果たす造血幹細胞ニッチに学び、材料設計を行うことで、造血幹細胞移植に有用な材料を開発することを目的としている。具体的には、骨の化学組成である炭酸アパタイトから成り、骨内膜を裏打ちする構造を模倣したハニカムスキャフォールドを作製した。この炭酸アパタイトハニカムスキャフォールドをウサギの大腿骨に埋植すると全ての気孔内において、気孔壁に沿って一軸に骨が形成し、太い血管が形成された骨の中心部に形成された。これと同様の骨・血管組織は、ウサギやラットの頭蓋部に埋植した際にも形成した。一般に、頭蓋部に多孔質材料を移植すると、軟組織が多孔質材料内に侵入し、骨形成が阻害されるが、炭酸アパタイトハニカムスキャフォールドは骨と血管の形成を著しく促進することから、軟組織の侵入を防ぐことができた。さらに、炭酸アパタイトハニカムスキャフォールド内には、骨だけでなく骨髄も形成することが確認された。形成した骨髄の中には造血幹細胞が存在することが明らかになり、時間経過とともに、造血幹細胞の数が増加した。炭酸アパタイトハニカムスキャフォールド内に形成する造血幹細胞の数は、生体内の骨髄よりも格段に多いことが明らかになった。さらに、炭酸アパタイトハニカムスキャフォールドを、造血機能を喪失した動物に移植したところ、造血機能が回復することが確認された。

Current Status of Research Progress

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

Reason

現在のところ、計画通りに研究が進んでいるため、概ね順調に研究が進展していると判断した。

Strategy for Future Research Activity

当初の計画を変更することなく、研究を遂行する。また、概ね研究成果が得られた段階で、研究成果を学術論文として発表することを計画している。

Research Products

• [Journal Article] Lamellar Septa-like Structured Carbonate Apatite Scaffolds with Layer-by-Layer Fracture Behavior for Bone Regeneration (2024)
  • Author(s): Taleb Alashkar Ahmad Nazir、Hayashi Koichiro、Ishikawa Kunio
  • Journal Title: Biomimetics Volume: 9 Issue: 2 Pages: 112-112
  • DOI: 10.3390/biomimetics9020112
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Transformable Carbonate Apatite Chains as a Novel Type of Bone Graft (2024)
  • Author(s): Hayashi Koichiro、Kishida Ryo、Tsuchiya Akira、Ishikawa Kunio
  • Journal Title: Advanced Healthcare Materials Volume: － Issue: 12
  • DOI: 10.1002/adhm.202303245
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Roles of pore architecture of artificial bone grafts in invasion competition between bone and fibrous tissue and orientation of regenerated bone (2024)
  • Author(s): Shibahara Keigo、Hayashi Koichiro、Nakashima Yasuharu、Ishikawa Kunio
  • Journal Title: International Journal of Bioprinting Volume: - Pages: 2323-2323
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Effects of Space Dimensionality within Scaffold for Bone Regeneration with Large and Oriented Blood Vessels (2023)
  • Author(s): Hayashi Koichiro、Kishida Ryo、Tsuchiya Akira、Ishikawa Kunio
  • Journal Title: Materials Volume: 16 Issue: 24 Pages: 7518-7518
  • DOI: 10.3390/ma16247518
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Osseointegration enhancement by controlling dispersion state of carbonate apatite in polylactic acid implant (2023)
  • Author(s): Zhang Cheng、Hayashi Koichiro、Ishikawa Kunio
  • Journal Title: Colloids and Surfaces B: Biointerfaces Volume: 232 Pages: 113588-113588
  • DOI: 10.1016/j.colsurfb.2023.113588
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Superiority of Triply Periodic Minimal Surface Gyroid Structure to Strut-Based Grid Structure in Both Strength and Bone Regeneration (2023)
  • Author(s): Hayashi Koichiro、Kishida Ryo、Tsuchiya Akira、Ishikawa Kunio
  • Journal Title: ACS Applied Materials & Interfaces Volume: 15 Issue: 29 Pages: 34570-34577
  • DOI: 10.1021/acsami.3c06263
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Reconstruction of Load-Bearing Segmental Bone Defects Using Carbonate Apatite Honeycomb Blocks (2023)
  • Author(s): Shibahara Keigo、Hayashi Koichiro、Nakashima Yasuharu、Ishikawa Kunio
  • Journal Title: ACS Materials Au Volume: 3 Issue: 4 Pages: 321-336
  • DOI: 10.1021/acsmaterialsau.3c00008
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Gear-shaped carbonate apatite granules with a hexagonal macropore for rapid bone regeneration (2023)
  • Author(s): Hayashi Koichiro、Yanagisawa Toshiki、Kishida Ryo、Tsuchiya Akira、Ishikawa Kunio
  • Journal Title: Computational and Structural Biotechnology Journal Volume: 21 Pages: 2514-2523
  • DOI: 10.1016/j.csbj.2023.03.053
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Endowing osseointegration ability to bioinert alumina by carbonate apatite coating (2023)
  • Author(s): Hayashi Koichiro、Ishikawa Kunio
  • Journal Title: Surfaces and Interfaces Volume: 36 Pages: 102617-102617
  • DOI: 10.1016/j.surfin.2022.102617
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Structurally optimized honeycomb scaffolds with outstanding ability for vertical bone augmentation (2022)
  • Author(s): Hayashi Koichiro、Shimabukuro Masaya、Kishida Ryo、Tsuchiya Akira、Ishikawa Kunio
  • Journal Title: Journal of Advanced Research Volume: － Pages: 101-112
  • DOI: 10.1016/j.jare.2021.12.010
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Channel Aperture Characteristics of Carbonate Apatite Honeycomb Scaffolds Affect Ingrowths of Bone and Fibrous Tissues in Vertical Bone Augmentation (2022)
  • Author(s): Hayashi Koichiro、Kishida Ryo、Tsuchiya Akira、Ishikawa Kunio
  • Journal Title: Bioengineering Volume: 9 Issue: 11 Pages: 627-627
  • DOI: 10.3390/bioengineering9110627
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Effects of Scaffold Shape on Bone Regeneration: Tiny Shape Differences Affect the Entire System (2022)
  • Author(s): Hayashi Koichiro、Yanagisawa Toshiki、Kishida Ryo、Ishikawa Kunio
  • Journal Title: ACS Nano Volume: 16 Issue: 8 Pages: 11755-11768
  • DOI: 10.1021/acsnano.2c03776
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Feasibility study on surface morphology regulation of β-tricalcium phosphate bone graft for enhancing cellular response (2022)
  • Author(s): Putri Tansza Setiana、Sunarso、Hayashi Koichiro、Tsuru Kanji、Ishikawa Kunio
  • Journal Title: Ceramics International Volume: 48 Issue: 9 Pages: 13395-13399
  • DOI: 10.1016/j.ceramint.2022.02.200
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Reconstruction of rabbit mandibular bone defects using carbonate apatite honeycomb blocks with an interconnected porous structure. (2022)
  • Author(s): Kudoh K, Fukuda N, Akita K, Kudoh T, Takamaru N, Kurio N, Hayashi K, Ishikawa K, Miyamoto Y.
  • Journal Title: J Mater Sci Mater Med. Volume: 31 Issue: 1 Pages: 2-2
  • DOI: 10.1007/s10856-022-06710-2
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 抗菌性ハニカム人工骨の開発 (2023)
  • Author(s): 林 幸壱朗
  • Organizer: 第42回整形外科バイオマテリアル研究会
  • Invited
• [Presentation] 人工造血幹細胞ニッチとして働く炭酸アパタイトハニカム材料の開発と造血への応用 (2023)
  • Author(s): 林 幸壱朗
  • Organizer: MIMS 研究集会 「広い意味での防災にまつわる実験数理融合アプローチの新展開」
  • Invited
• [Presentation] 形状可変性炭酸アパタイトチェーンの創製と骨再生への応用 (2023)
  • Author(s): 林幸壱朗, 岸田良, 土谷享, 石川邦夫
  • Organizer: 日本セラミックス協会 第36回秋季シンポジウム
• [Presentation] 炭酸アパタイト人工骨の構造・形状制御による骨再生増強と新機能発現 (2023)
  • Author(s): 林幸壱朗
  • Organizer: 第41回日本骨代謝学会学術集会
  • Invited
• [Presentation] 炭酸アパタイトハニカム材料の人工造血幹細胞ニッチへの応用 (2023)
  • Author(s): 林幸壱朗 , 岸田良 , 土谷享 , 石川邦夫
  • Organizer: 公益社団法人日本セラミックス協会 2023年年会
• [Presentation] 炭酸アパタイトハニカムスキャフォールドの人工造血幹細胞ニッチとしての応用可能性（ハイライト講演） (2022)
  • Author(s): 林幸壱朗 , 岸田良 , 土谷享 , 石川邦夫
  • Organizer: 第44回日本バイオマテリアル学会大会
• [Presentation] Carbonate Apatite Honeycomb Scaffolds for Bone Regeneration (2022)
  • Author(s): Koichiro Hayashi
  • Organizer: Functional Inorganic Material
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Patent(Industrial Property Rights)] 医用材料及びその製造方法 (2024)
  • Inventor(s): 林幸壱朗
  • Industrial Property Rights Holder: 林幸壱朗
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2024-051980
  • Filing Date: 2024
• [Patent(Industrial Property Rights)] 医用可変性骨補填材及びその製造方法 (2024)
  • Inventor(s): 林幸壱朗
  • Industrial Property Rights Holder: 林幸壱朗
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Filing Date: 2024
  • Overseas