2016 Fiscal Year Research-status Report
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16K04954
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| Research Institution | National Institute of Advanced Industrial Science and Technology |
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Principal Investigator |
小沼 一雄 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 健康工学研究部門, 上級主任研究員 (70356731)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
山越 康雄 鶴見大学, 歯学部, 教授 (20182470)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | アモルファスナノ粒子 / 相転移 / geometrical selection / アパタイト / ナノロッド型結晶 / 一方向配向 / 圧縮成形基板 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、人工エナメル質、すなわちc軸配向した高結晶性HAP（アパタイト）ナノロッド群の密充填構造を室温、擬似生理環境場で迅速に形成することである。これは、現在、貴金属あるいはコンポジットレジンを用いてしか治療できない虫歯欠損歯を、初めて自然歯と同等の材料で治療可能な道を開く極めて革新的な技術となる。当初の研究計画では、本年度は八リン酸カルシウム(OCP)の迅速作成方法を開発したのち、同結晶群を基板成形して、その上にOCP-HAPの仮像形成相転移反応を利用してHAPナノロッド構造の基礎となるアモルファスHAPを構築する研究を行う予定であった。
しかしOCP以外のリン酸カルシウム塩類も基板として試した実験の結果、アモルファスリン酸カルシウム(ACP)ナノ粒子を圧縮成形するとセラミックス様の硬質基板となり、この基板を37℃弱酸性リン酸カルシウム溶液（擬似生理環境）に浸漬するだけで、「OCP及びアモルファスHAPを経ずに基板上にエナメル質類似構造を直接形成できる」ことが判明した。形成したHAP層の成長速度は約1μm/hであり、この値は擬似生理環境場での過去のアパタイト形成速度の報告例中、最も速い。また成長層は高結晶性HAPであり、c軸配向度はほぼ100％である。更に、HAPナノロッド結晶群のCa/Pモル比は1.64でエナメル質のそれに非常に近い。このHAPナノロッド群は、ACPナノ粒子からHAPナノ粒子への直接相転移、及びそれに続くgeometrical selectionにより形成すると結論された。形成したHAP層の機械的強度（弾性率と硬度）は、いずれも自然歯エナメル質に近い値を呈する（報告値の下限程度）。
本年度の研究成果結論：本研究の最終目的であった、人工エナメル質作成技術開発の90％は既に達成した。論文2報投稿中、特許出願中、プレス発表準備中。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
最終目的であったエナメル質類似構造、すなわち高結晶性HAPナノロッド結晶群の一方向配列構造作成を、本年度で既に達成できたため。作成手法においても、当初予定していたOCPからの相転移を利用するより遥かに簡便で且つ迅速な手法（アモルファスナノ粒子の相転移）を活用する新たな手法を開発できた。また、作成した人工エナメル質構造の機械的強度測定からヒトエナメル質の強度に近い値が得られており、エナメルタンパク質の併用により、ヒトエナメル質に限りなく近い強度達成が現時的になったため。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後の研究は、形成したHAPナノロッド層の機械的強度を更に向上させ、自然歯エナメル質のそれと類似値まで近づけることである。現在のHAP層の機械的強度が自然歯エナメル質のそれに及ばない理由は、各ロッド結晶間の空隙を完全に排除できないためと思われる。そこで、ナノロッドの充填度を更に向上させるため、ナノロッドが成長するリン酸カルシウム溶液中に微量のエナメルタンパク質を混在させる。これらの添加物がナノロッド側面に吸着することで各ロッド結晶間を接着し、空隙を埋めることを期待している。特にエナメルタンパク質の一つであるエナメリンは、自然歯が形成する際にHAPナノロッドの配列を制御していると考えられているタンパク質であり、本目的に非常に合致する。
本年度の研究によって明らかになった興味深い点として、HAPナノロッドのサイズ変化（主に幅）を非常に簡便な方法で制御できる可能性が示されたことが挙げられる。本来、この課題は研究内容に含まれていなかったが、実験を遂行する過程で圧縮成形ACP基板を作成する際の圧力変化が最終的なHAPナノロッドのサイズ変化を誘発する現象に気がついた。一般には、ナノロッドのサイズ変化を起こすため成長条件を大きく変える方法が採択される（溶液系の場合だと、各成分濃度やpHの変化）。しかし、この手法は非常に煩雑で時間を要する。もし、基板調整時の圧力のみでHAPナノロッドのサイズをコントロールできるのならば画期的な手法となりうる。平成29年度は、この現象の詳細解明を課題に加える予定である。
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| Causes of Carryover |
研究の過程で、当初想定していたよりも遥かに簡便で且つ迅速に人工エナメル質構造（HAPのナノロッド密充填構造）を構築する手法を発見した（アモルファスナノ粒子の相転移を利用）。このため、予定を大きく上回る量のサンプル評価、特に透過電子顕微鏡を用いた評価を行う必要が生じ、そのための研究費として余裕を持って30万円を次年度分から前倒し請求した。最終的には、この前倒し予算に少額の残余が出たため、それを次年度使用分とした。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
前倒し請求分の残余として次年度へ持ち越した費用に関しては、当初の予定どおり2017年度役務分（その他に分類）に組み込み、X線回折測定や電子顕微鏡観察用費用、あるいは投稿論文の英文校正費用として使用する予定である。
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