2019 Fiscal Year Annual Research Report
Study on self-forming and self-healing mechanism of natural superlubricity in articular cartilage surface
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17H01244
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
澤江 義則 九州大学, 工学研究院, 教授 (10284530)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
山口 哲生 九州大学, 工学研究院, 准教授 (20466783)
森田 健敬 九州大学, 工学研究院, 助教 (70175636)
中嶋 和弘 帝京大学, 公私立大学の部局等, 准教授 (70315109)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | トライボロジー / 関節潤滑 / 細胞・組織 / 生体分子 / 超潤滑 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
前年度までに行ったPVAハイドロゲルを関節軟骨組織のモデル材料として用いた実験の結果より，関節液に含まれる生体高分子成分のうち，ヒアルロン酸（HA）とリン脂質（DPPC）の協調効果により，摩擦が著しく低減されることを確認したものの，共存するタンパク質がゲル表面に吸着することで低摩擦状態が破綻してしまうことが明らかとなった．そこで本年度は，化学構造の異なる複数のハイドロゲルを軟骨組織モデル材として準備し，軟骨モデルの化学組成と関節液成分による潤滑効果との関係を評価した．新しいモデル材料は，親水性モノマーと疎水性モノマーを組み合わせた共重合ポリマーをゲル化したものであり，従来のPVAハイドロゲル同様，柔軟で含水性と透水性を備える．実験の結果，市販のコンタクトレンズ等に使用されるHEMAとブチルアクリレートからなるモデル材では，PVAと同様にタンパク質の吸着により摩擦が顕著に増加したのに対し，親水性モノマーをHEMAからGLMAに変更することによりタンパク質存在下においても低摩擦が維持された．これは，より多くの親水基を持つGLMAによりタンパク質の吸着が抑制され，HAとDPPCによる潤滑効果が顕在化されたものと考えられる．
軟骨組織から単離した初代軟骨細胞を播種した培養軟骨モデルを用い，軟骨細胞により産生された細胞外マトリックス（ECM）による潤滑効果を評価する試みも継続した．これまでの研究では，培養後の軟骨モデルの機械的強度が不足し，充分な摩擦測定の再現性が得られなかったことから，足場材料を再検討することした．ここでは，分子量と分子構造が異なる二種のアガロースゲルと，アテロコラーゲンゲルについて，ゲルの粘弾性特性および機械的強度を測定するとともに，培養後の培養細胞の生存率とECM産生量を評価した．ゲル濃度についても，細胞培養と摩擦測定の両者に適した至適濃度を探索した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
往復動摩擦試験による関節液由来生体高分子成分の潤滑効果評価については，概ね計画通りに進んでおり，個々の関節液成分の潤滑機能性について多くの知見が得られている．特に，HAにDPPCを潤滑液中に共存させることにより，柔軟で含水性と透水性を持つ軟骨組織モデル上で摩擦低減効果が発揮されること，タンパク質の吸着がその摩擦低減を阻害する事が明らかとなっている．また，これら関節液成分による摩擦への影響が，荷重，滑り速度および潤滑液粘度により規定される力学的な潤滑状態に大きく依存し，流体膜形成が期待される条件下においては，タンパク質も摩擦低減に貢献する事が示された．加えて，軟骨組織モデルの化学組成により，タンパク質の吸着と摩擦上昇が抑制可能であることも確認された．このように，軟骨組織モデル上における関節液成分による潤滑効果と，物理的パラメータ並びにモデル表面の化学的パレメータとの間の関係について，多くの実験事実が蓄積され，そのメカニズムについていくつかの考察が可能となっている．一方で，そのメカニズムを裏付けるため，新たな発想に基づく実験および分析が必要となっている．
軟骨細胞により産生されるECM成分の潤滑性評価については，ナノトライボメータにより高精度な摩擦評価を行うための培養軟骨モデルの最適化を進め，従来とは異なる分子量と構造を持つアガロースゲル並びにアテロコラーゲンゲルを足場材として導入した．また培養軟骨モデルの摩擦挙動に対する力学的パラメータの影響を論理的に理解するためには，足場材として用いる高含水ゲルの外力に対する力学的過渡応答をよく把握しなければならない事が示唆された．そのため，新たに用いるアガロースゲル並びにアテロコラーゲンゲルの粘弾性特性並びに固液二相特性について，非拘束圧縮条件下の応力緩和挙動を測定し，定量的に明らかにした．
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| Strategy for Future Research Activity |
蓄積された実験結果より，関節液成分による潤滑効果と，運動パラメータ，軟骨組織モデルの物性パラメータ，モデル表面の化学パラメータとの相関を抽出・整理し，そのメカニズムを検証する新たな実験を実施する．特に，これまでに得られた顕著な結果である1)滑り速度，荷重に依存したタンパク質による摩擦挙動制御、２）ヒアルロン酸とリン脂質の複合による極低摩擦発現，の2点を中心に，メカニズムの解明を進める．具体的には，１）については電気化学的手法を摩擦試験に取り入れ，非定常条件下での摩擦試験における固体表面へのタンパク質の脱着挙動と変性状態を逐次評価し，得られた摩擦挙動との相関を解析することでタンパク質分子による摩擦制御のメカニズムを検証する．２）については，ヒアルロン酸とリン脂質を蛍光標識し，摩擦試験後のモデル表面に形成された吸着膜の内部構造を共焦点蛍光顕微鏡により可視化することを試みる．その上で，吸着膜の形成と構造化に果たす，運動パラメータ，軟骨モデルの力学的，化学的パラメータの役割を検証する．
培養細胞により産生されたECM成分による潤滑効果については，高強度アガロースゲルを足場材とした培養軟骨モデルの摩擦評価に新たな手法を導入する．ここでは，Hirayama[1]らの研究を参考に，レオメータにより得られたリサージュ曲線から，培養後の軟骨モデル表面の摩擦特性と，関節液成分との相互作用を検証する．またBonnevie[2]らの手法を参考に，蛍光標識したヒアルロン酸，リン脂質と，軟骨モデル表面のECM成分との相互作用を可視化することを試みる．
[1] S. Hirayama, et al., Tribology International, 147 (2020) 106270. [2] E.D. Bonnevie, et al., PLOS ONE, 10(11), 2015, e0143415
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Research Products
(17 results)
