小骨固定・骨移植・骨再生・エンテーシス再建のためのチタンペーパーの開発

2016 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 15K15547
• Research Institution: Shinshu University
• Principal Investigator: 齋藤 直人 信州大学, 学術研究院保健学系, 教授 (80283258)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 中山 昇 信州大学, 学術研究院工学系, 准教授 (80336445)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2018-03-31
• Keywords: 骨折 / 骨移植 / 骨再生 / エンテーシス

Outline of Annual Research Achievements

チタン繊維に圧縮荷重とせん断荷重を同時に負荷させることでチタンペーパーを試作した。アスペクト比（繊維の直径と長さの比）25のチタンペーパーについて、１．細胞培養実験、２．in vivo の異所性骨再生試験、３．骨欠損修復実験、４．骨折治癒実験を行い、チタン骨再生用足場材の有用性に関して検討を行った。これらの研究によって、新規チタンペーパーの整形外科治療における以下の４つの用途の有用性を探究した。１、in vitro でチタンペーパー上でのマウス骨芽細胞（MC3T3-E1）の細胞接着能と増殖能、ラット骨髄間葉系細胞での細胞接着能と接着遺伝子を評価し、従来のチタン圧延材と比較して細胞に対する影響を検討する。２、in vivo の骨再生医療において、多孔性足場材として骨形成タンパク(BMP)をチタンペーパーに複合し必要部位に添付する。３、チタンペーパー上で骨形成細胞を増殖し、骨再生部位に移植して骨欠損部を修復する。４、粉砕骨折や指骨等の骨折における微小な骨片を、チタンペーパーを用いて母床の骨に固定する。これらのチタンペーパーの用途は、全て現在の整形外科治療における重要な課題を解決する。in vitro での骨再生に対する足場材を用いた骨再生研究は新規性が高く、再生医療のイノベーションを生み出す可能性がある。in vivo の骨再生医療は現在一般臨床に普及していないが、本研究により高い有効性が認められれば、その普及に貢献する。粉砕骨折や骨欠損修復への応用は実現性が高く、早期に整形外科手術への導入が期待できる。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

１．細胞培養実験：MC3T3-E1細胞をチタンペーパー上とチタン圧延材上で培養した。両群で細胞形態に異常は認めず、細胞増殖能にも差は認めなかった。骨髄間葉系幹細胞をラット大腿骨より採取して、培養した細胞をrhBMP-2で分化させて両群に播種した。共焦点レーザー顕微鏡像及び電子顕微鏡像で、両群共に細胞の形態異常は認めなかった。細胞接着遺伝子では両群間に発現遺伝子の違いを認めた。
２．異所性骨再生試験：チタンペーパーとチタン圧延材にrhBMP-2を添加し、マウス背筋筋膜下に埋植して3週後の異所骨形成を評価した。骨形成体積および総骨質量は、両群でほぼ同等であった。両群ともプレートを取り囲むように異所性骨形成を認め、チタンペーパーでは繊維間の内部にも骨組織の形成が認められた。
３．骨欠損修復実験：ラット大腿骨から骨髄細胞を採取し、間葉系幹細胞を初代培養した後にrhBMP-2を用いて培養して骨芽細胞へ分化誘導した。骨芽細胞をチタンペーパーとチタン圧延材に播種後、ラット頭蓋骨欠損部に埋植した。8週後の組織像では、チタン圧延材ではインプラント表面よりも骨膜に沿った骨組織修復を認めたのに対し、チタンペーパーはインプラントに接触した修復を認めた。インプラントと再生骨組織の接触率において、チタンペーパーはチタン圧延材に比べて有意に高かった。
４．骨折治癒実験：ウサギの尺骨骨幹部中央に微小骨片を作製した。この微小骨片に対して長方形のチタンペーパーを圧着させて、ミニスクリュー2本を用いて尺骨に固定した。コントロール群は同様の粉砕骨片を作製して、固定を行わなかった。4週後に単純レントゲン像及びCT像を用いて評価した。コントロール群は骨修復が不十分で骨の連続性がない部分が認められたが、チタンペーパーで固定した群は充分な骨修復を認め全周性に骨癒合していた。

Strategy for Future Research Activity

チタンプレートは、骨親和性が高い材料であるため、広く骨疾患の臨床に普及している。しかし、弾性率が高いために長期間骨と接していると骨が脆弱化するストレスシールディングを生じることから、骨と密着させて骨修復に使用することには適していなかった。これに対して、チタン繊維を素材とし、常温で圧縮荷重とせん断荷重を同時に付加して繊維形状を残したまま板状に成形させたチタンペーパーは、弾性率を骨皮質と同等にすることができ、骨と密着して使用してもストレスシールディングを生じない。また、細胞の接着保持や骨修復の足場に適している多孔性構造を、チタン繊維が生み出すことができる。本研究において、骨と同等の弾性率と、骨形成に適している多孔性構造をもつチタンペーパーに、骨髄間葉系幹細胞から分化させた骨芽細胞を複合し、ラットの骨欠損部に留置すると、チタン圧延材を用いるより高い骨組織修復能を示すことを明らかにした。長期間骨と密着して使用することが可能で、更に骨修復を促進することができるチタンペーパーの用途は広く、骨折治療や骨再生医療など、今後ますます増加する骨疾患の臨床に大きく貢献することが期待できる。以上の研究の成果につき平成29年度に論文投稿する予定である。更にチタンペーパーの機械的特性と骨再生に対する高い有用性を生かして、臨床で遭遇する粉砕骨折治療や骨欠損修復に向けてより良いチタンペーパーの改良につき工学部にフィードバックすると共に臨床応用に向けて更なる研究計画を検討していく予定である。

Causes of Carryover

細胞実験、動物実験共に順調に進み、当初予定していた試薬・実験器具等を予算額より使用しなかったため。

Expenditure Plan for Carryover Budget

次年度使用額は平成29年度請求額と合わせて消耗品費として使用する予定である。

Research Products

• [Presentation] チタンペーパーの骨再生における足場材としての有用性の検討（その2） (2016)
  • Author(s): 滝沢崇, 齋藤直人, 中山昇, 羽二生久夫, 青木薫, 岡本正則, 田中学, 傍島淳, 吉田和薫, 大石歩, 安嶋久美子
  • Organizer: 第31回日本整形外科学会基礎学術集会
  • Place of Presentation: 福岡国際会議場、福岡
  • Year and Date: 2016-10-13 – 2016-10-14