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): 2024-04-01 – 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: 細胞足場 / ハニカム / 骨髄 / 生体材料 / バイオセラミックス / スキャフォールド / 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

本研究では、新たに開発された炭酸アパタイト製のハニカム構造を有する細胞足場材を用いて、その造血幹細胞ニッチとしての応用可能性を総合的に評価することを目的とした。炭酸アパタイトハニカム細胞足場は、規則的に配列された多数の一軸性気孔を有しており、これらの気孔は材料全体を貫通しているという特徴を持つ。そして各気孔内には、骨髄に類似した構造と機能を備えた骨髄様組織が自発的に形成されることが確認されている。
このような構造的特性に着目し、我々は、各気孔がそれぞれ独立した造血幹細胞ニッチとして機能しうるという仮説を立てた。この仮説が正しければ、材料全体として極めて多数のニッチ機能を内包することになり、従来の天然骨髄組織を凌駕する造血幹細胞保持能を有する可能性がある。そこで本年度は、実際にこのハニカム足場材内部に保持されている造血幹細胞数を詳細に測定・定量化することに注力した。
その結果、炭酸アパタイトハニカム細胞足場は、造血幹細胞ニッチとして極めて優れた機能性を発揮することが明らかとなった。具体的には、実際の骨髄組織と比較して約80倍にも達する高濃度で造血幹細胞を保持・貯蔵する能力を有しており、人工的に構築された材料としては極めて画期的な成果であると評価できる。
本研究によって得られた知見と成果は、複数の国内外の学術会議において口頭発表を通じて広く共有され、専門家の間でも高い注目と関心を集めた。また、研究の独創性およびデータの信頼性が高く評価された結果、国際的な査読付き学術誌に原著論文として採択・掲載された。さらに、関連する分野の学会や研究機関からは多数の招待講演依頼や専門誌への解説記事執筆の打診が寄せられ、これらにも積極的に応じることで、研究成果の社会実装に向けた情報発信と理解促進に努めている。

Current Status of Research Progress

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

Reason

当初の計画通り研究を遂行することができているため。

Strategy for Future Research Activity

現在のところ当初の計画通り研究を遂行することができており、今後も計画に従い研究を遂行する。令和7年度は、動物実験により、炭酸アパタイトハニカムの造血機能について評価を行うことを計画している。

Research Products

• [Journal Article] Low‐crystalline magnesium‐doped carbonate apatite/β‐tricalcium phosphate granules from sea urchin spine (2025)
  • Author(s): Jamilludin Muhammad Amir、Hayashi Koichiro、Yusuf Yusril、Ishikawa Kunio
  • Journal Title: Journal of the American Ceramic Society Volume: - Issue: 7
  • DOI: 10.1111/jace.20498
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Controlling the pore size of carbonate apatite honeycomb scaffolds enhances orientation and strength of regenerated bone (2025)
  • Author(s): Shibahara Keigo、Hayashi Koichiro、Nakashima Yasuharu、Ishikawa Kunio
  • Journal Title: Biomaterials Advances Volume: 166 Pages: 214026-214026
  • DOI: 10.1016/j.bioadv.2024.214026
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Wood-Derived Hydrogels for Osteochondral Defect Repair (2024)
  • Author(s): Hayashi Koichiro、Tokumaru Tatsuya、Shibahara Keigo、Taleb Alashkar Ahmad Nazir、Zhang Cheng、Kishida Ryo、Nakashima Yasuharu、Ishikawa Kunio
  • Journal Title: ACS Nano Volume: 19 Issue: 1 Pages: 520-534
  • DOI: 10.1021/acsnano.4c10430
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Migration Prevention of Carbonate Apatite Granules Through Crystal Interlocking Driven by Bassanite-to-Gypsum Transformation on Granule Surface (2024)
  • Author(s): Torres Escalante Luis Miguel、Hayashi Koichiro、Ishikawa Kunio
  • Journal Title: Applied Sciences Volume: 14 Issue: 23 Pages: 11261-11261
  • DOI: 10.3390/app142311261
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Carbonate Apatite Honeycomb Scaffold-Based Drug Delivery System for Repairing Osteoporotic Bone Defects (2024)
  • Author(s): Hayashi Koichiro、Zhang Cheng、Taleb Alashkar Ahmad Nazir、Ishikawa Kunio
  • Journal Title: ACS Applied Materials & Interfaces Volume: 16 Issue: 35 Pages: 45956-45968
  • DOI: 10.1021/acsami.4c08047
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Silver phosphate-modified carbonate apatite honeycomb scaffolds for anti-infective and pigmentation-free bone tissue engineering (2024)
  • Author(s): Hayashi Koichiro、Shimabukuro Masaya、Zhang Cheng、Taleb Alashkar Ahmad Nazir、Kishida Ryo、Tsuchiya Akira、Ishikawa Kunio
  • Journal Title: Materials Today Bio Volume: 27 Pages: 101161-101161
  • DOI: 10.1016/j.mtbio.2024.101161
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Hematopoietic Function Restoration by Transplanting Bone Marrow Niches In Vivo Engineered Using Carbonate Apatite Honeycomb Bioreactors (2024)
  • Author(s): Hayashi Koichiro、Kishida Ryo、Tsuchiya Akira、Ishikawa Kunio
  • Journal Title: Small Structures Volume: 5 Issue: 10 Pages: 2400065-2400065
  • DOI: 10.1002/sstr.202400065
  • 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: 13 Issue: 12 Pages: 2303245-2303245
  • DOI: 10.1002/adhm.202303245
  • Peer Reviewed / Open Access
• [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] 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] 多様な医療用材料：基礎的知見と将来展望 (2025)
  • Author(s): 林 幸壱朗
  • Organizer: LBBセミナー
  • Invited
• [Presentation] 炭酸アパタイトハニカムを用いた造血機能回復 (2024)
  • Author(s): 林 幸壱朗
  • Organizer: 第57回九大医工学連携イニシアチブ
• [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