2017 Fiscal Year Research-status Report

骨癒合性を付与したPEEK製脊椎インプラントの研究

Research Project

Project/Area Number	17K10936
Research Institution	Nara Medical University
Principal Investigator	古川彰奈良県立医科大学, 医学部, 研究員 (40607537)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	赤羽学奈良県立医科大学, 医学部, 准教授 (40326327) 田中康仁奈良県立医科大学, 医学部, 教授 (30316070)
Project Period (FY)	2017-04-01 – 2020-03-31
Keywords	アパタイト / PEEK / 骨癒合 / レーザー / ストロンチウム
Outline of Annual Research Achievements	PEEK製脊椎インプラントに骨癒合性を付与する検討として、PEEK表面に骨形成促進作用を有する機能性アパタイトを固定化するための検討を実施した。従来から行われているコーティング方法ではアパタイトとPEEK樹脂の界面接着が不十分で、機械的摩擦や体内への移植でアパタイトコーティングが脱落や溶解することが報告されているため、本研究では炭酸ガスレーザーを照射することでアパタイトとPEEK樹脂を熱融着し一体化する検討を行った。レーザー照射条件（エネルギー密度や走査速度等）を種々変化させ、照射表面の温度を高速放射温度計で計測することでPEEK樹脂表面の軟化点である300℃付近の温度でアパタイトのPEEK表面への熱融着とこれによる両者の複合一体化が達成された。アパタイトとして特にケイ素とストロンチウムイオンの両イオンを結晶中に含むケイ酸ストロンチウムアパタイト（SrSiP）を選び、生体不活性なPEEK樹脂表面に生体親和性と骨芽細胞に対する骨形成促進作用を付与する検討を行った。ラット骨髄から採取した骨髄間葉系幹細胞をPEEK樹脂表面で培養し、骨形成マーカーであるオステオカルシン（OC）やアルカリフォスファターゼ（ALP）の濃度を定量し、アパタイトの影響を調査した結果、アパタイト層の存在により骨形成が顕著に促進されることが判明した。培養でPEEK樹脂表面に形成されたリン酸カルシウムはアパタイト層の存在によりPEEK樹脂表面に強固に接着し良好な骨伝導性を示した。これによりPEEK樹脂に良好な骨癒合性を付与出来る可能性を示すことが出来た。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 1: Research has progressed more than it was originally planned. Reason PEEK製インプラントのモデルとして13mmφ×1mm厚PEEK製ディスクを利用し、その表面にケイ酸ストロンチウムアパタイト（SrSiP）やこれ以外の種々のアパタイトをレーザー溶着する検討を実施した。当初設定したレーザー照射条件ではパワー密度が高く、アブレーションが生じたが、エネルギー密度を低下させることで問題を回避することが出来た。また、当初はPMMAをバインダーに用いてアパタイト層をPEEK表面に接着し、PMMA/アパタイト複合体を溶着していたが、PMMAの存在は生体内で免疫反応を誘起することが判明した。そのためバインダーを使用せずアパタイトを直接PEEK表面に融着する技術を検討し、これに成功した。レーザー照射中の表面温度を高速放射温度計により直接計測することで、レーザー照射条件と表面温度との関係を明らかにし、レーザー溶着条件を精密に制御することが可能となった。これにより種々の厚みでアパタイト層をPEEK樹脂表面に直接溶着する技術を確立した。合成したSrSiPに関する詳細な解析評価を実施した。XRD、FT-IR、さらにSEM、TEMおよびEDSを利用して解析を行い、極めて結晶性の高い高純度なアパタイトが形成されていることを確認した。さらにアパタイトから溶出するストロンチウムイオンをICP発光分析装置により定量した。溶出イオン濃度はアパタイトのコーティング厚みと相関し、厚みを変化させることで溶出イオン濃度を制御できることを見出した。上記で作製したアパタイトをコーティングしたPEEK樹脂ディスクを用いて、その表面にラットの大腿骨より採取した骨髄間葉系細胞を培養することで、骨形成促進作用について検討した。培養中の分泌オステオカルシン濃度や骨芽細胞への分化とともにPEEKディスク表面に析出したカルシウムアパタイトの量もPEEK表面のアパタイトコーティングにより顕著に増加した。
Strategy for Future Research Activity	PEEK樹脂表面に導入したSrSiP溶着層からのストロンチウムイオンやケイ酸イオンによる骨形成促進作用について検討を進める。さらに他の金属イオンとして亜鉛（Zn）やマグネシウム（Mg）およびマンガン（Mn）についても先行文献から骨形成を促進する効果が報告されており、検討中のSrSiP結晶中にこれらのイオンを併せて導入する検討を実施し相乗的な効果が発現するか検証する。ラット或いはラビット脛骨に骨孔を形成し、棒状PEEK樹脂表面に上記のアパタイトをレーザー溶着して骨孔に移植する実験を実施する。移植後のPEEK樹脂表面近傍における新生骨の形成の様子をマイクロCTを利用して観察を行い、さらに摘出後の組織切片、断面観察等から移植後のPEEK表面のアパタイト層の状態や新生骨の状態などを直接観察する。既存の報告などによると、コーティングしたアパタイト層の溶解消失が懸念されるため生体吸収性に乏しい高結晶性アパタイトをレーザーによる熱溶着することで、恒久的なアパタイト層をPEEK製インプラント表面に形成することを目標に検討を進める。
Causes of Carryover	レーザー溶着による材料作製条件の最適化を優先的に実施したため、当初予定していた細胞培養実験の着手がやや遅れた。細胞培養実験に使用する薬品や資材の購入は次年度に合算して行い、次年度において集中して細胞培養実験を実施する計画でいる。