ピエゾ電気により骨形成を促すバイオマテリアルの設計

2017 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 16K14403
• Research Institution: Nagoya Institute of Technology
• Principal Investigator: 春日 敏宏 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (30233729)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 平田 仁 名古屋大学, 予防早期医療創成センター(医), 教授 (80173243)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2019-03-31
• Keywords: バイオマテリアル / 骨形成 / ピエゾ電気 / 複合材料 / セラミック粒子

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、高い延伸性を示すポリマーに圧電性セラミック粒子を分散し、ピェソ電気を発生させることにより骨形成を促す、新しいバイオマテリアルの設計指針を提案することを目的とする。穏やかな生分解性を示すポリヒドロキシアルカノエートにニオブ酸ナトリウムカリウム（NKN）結晶粒子を複合し、通常の生活内での運動により生体内に埋入した材料に応力がかかることで帯電し骨形成を促すしくみを構築する。ポリマーとして高延伸性のP(3HB-co-4HB)にNKN粒子を埋め込んだ複合体を作製する。
本年度は、繊維状に加工する方法を中心に検討した。エレクトロスピニング法を用いてNKN/P(3HB-co-4HB)複合不織布を作製した。その圧電性をフィルム試料と比較し、効果的に圧電性を発現するための最適構造を検討した。
厚さ方向の荷重に対して、不織布ではフィルムよりも高い圧電性を示した。不織布の方が柔軟であるため、より大きく変位したことが考えられる。不織布試料は表面および繊維内部に均一にNKN粒子が分散しており、一方でフィルム試料はNKN粒子が底面側の表面に多く存在した構造となっていたため、より高い値が得られた。
不織布の長辺方向の荷重に対する発電量は、フィルムと比較して非常に低い値を示した。不織布は気孔率が高く、フィルムと比較して実質試料体積が小さいこと、および不織布のゆるみによって繊維が伸縮しなかった可能性が考えられた。また、不織布においては振動方向に配向した繊維のみが伸縮し、圧電性に寄与したことが予想される。その他の繊維は伸縮せずに振動方向に配向するのみであり、圧電性に寄与しなかったことで発電量はフィルムと比較して小さい値になったと考えられる。繊維のクロスリンク点を増加させるなど、より荷重の加わりやすい構造とすることで圧電性が向上すると考えられた。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

圧電性無機粒子NKNをPHAに複合し、さらにエレクトロスピニングにより不織布化する条件の設定に時間を要し、当初予定していた細胞培養試験による評価までに至らなかった。
ただし、おおむねの作製手法は把握できたと考えており、次年度（最終年度）については遅れを挽回できると考えている。

Strategy for Future Research Activity

本年度に見つかった新たな課題は、いかに繊維表面に多量のNKNを配置することができるかという点であった。本年度の試行錯誤の結果、表面のみに多量にNKN粒子を固定する方法を既に見いだしている。これを用いて発電量の大幅な改善を進める。なお、この作製方法については特許申請の準備を進めているところであり外部発表等を控えているが、完了次第、積極的に学会報告を開始する。
上記が達成できるメドが付いた時点で細胞培養試験を開始する。マウス骨芽細胞様細胞を用いて、上記複合体への初期接着性、増殖性について観察する。この際、試料はフィルムキャスト法により得た試料について分極を施し、これに引張応力を加えたものと加えていないものを比較することとする。

Causes of Carryover

（理由）
本年度は複合材料の繊維化に予算をほぼ使用したが、予定していた細胞培養試験を実施しなかったため。
（使用計画）
計画していた細胞培養試験内容について、試験内容との重複や新たなプロトコル設定などを精査して、効率よく使用する。