生体必須金属イオンを生体内へ供給する高機能バイオマテリアルの創製

2018 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 18K04734
• Research Institution: Tokyo Denki University
• Principal Investigator: 平栗 健二 東京電機大学, 工学部, 教授 (60225505)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 馬目 佳信 東京慈恵会医科大学, 医学部, 教授 (30219539)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: DLCコーティング / 生体必須元素 / 生体親和性 / Zn溶出 / 骨芽細胞

Outline of Annual Research Achievements

平成30年度の研究成果である特殊ターゲットスパッタ（Enhancement Sputtering with Typical tArget : 以下ESTA法と略）法の装置を構築し、制御性良いZnを含むDLC（Diamond-like carbon）の作製を行った。外科学系バイオマテリアルとして利用されているSUS304L基板やTi基板上に作製した試料および細胞播種環境下でのZn量の溶出機序を分析するために、Zn溶出量を測定した。模擬生体内環境下で試料から溶出されたZn濃度の解析結果から作製条件を還元させ、バイオマテリアルへの応用に向けたZn-DLCの作製技術として条件の抽出をした。Zn溶出量の測定には、細胞培養液(MEM-α)を1wellあたり1mL加えて試料を浸漬させ、96時間留置した後、溶液を抽出しICP質量分析(ICP-MS)で評価した。Zn溶出量の機序を解明するために、pH値の異なる溶媒を用いて試料を留置し、その溶出量を検討した。生体におけるZn-DLCの効果を解明するために、細胞環境にZn-DLCを留置し、その影響を考察した。
また、試料内のZn濃度を同定するためにX-ray photoelectron spectroscopy（XPS）で試料の深さ方向の元素分析に関する解析を行った。平成30年度の成果については、「生体内におけるZn-DLCのZn溶出評価」および「生体実験によるZn-DLCの骨折治療効果の基礎的研究」に関して2件の国際学会（International Conference on Diamond and Carbon Materials、International Conference on Material and Chemical Engineering）、2件の国内学会（応用物理学会、日本生体医工学会）での公表を行った（研究発表参照）。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

平成30年度においては、申請時の研究計画に従った実験を実施し、概ね目標に設定していた成果が得られている。初年度は、特殊ターゲットスパッタ（Enhancement Sputtering with Typical tArget : 以下ESTA法と略）法の装置改良を実施し、亜鉛ドープダイヤモンド状炭素（Zn-DLC）膜の作製方法を検討した。そして、DLC内の含有Znを制御する手法の作製条件の調整を行った。Zn-DLCの作製条件を制御することで、DLC内に含まれるZn量を調整でき、培養液に浸漬した後の溶液からは溶出量の異なるZnが確認された。試料のXPS解析の結果からは、Zn-DLC内に存在するZnは、試料の深さ方向に対し、ほぼ均一に存在していることが解明できた。溶出するZnについては、溶媒の環境によって変化することが示唆されているが、詳細な分析は次年度以降の計画に従って実施する予定となっている。

Strategy for Future Research Activity

研究計画書に沿った研究を実施する計画である。また、平成30年度までに得られた成果に基づいた実験計画の一部追加を行う。特殊ターゲットスパッタ（Enhancement Sputtering with Typical tArget : 以下ESTA法と略）法および既存の作製方法で合成したZn-DLCのZn濃度の解析結果から、バイオマテリアルとして最適な濃度分布を持つZn-DLCを確立する。動物実験としてマウスに留置したZn-DLC試料から体内に吸収されるZnについて解析する。試料の作製および分析から得られた結果と細胞実験から取得する成果を総合的に検証し、令和2年度の研究計画に還元する。令和元年度後半より、実験結果を基にした骨折治療用固定具を模擬した動物実験を進める。このために動物実験用マウス（JclBDF1：♂）を用いたZn-DLCの骨折治療効果を検証し、（Computed Tomography：コンピュータ診断CT）による観察、血液中のZn濃度の解析等を実施する。

Causes of Carryover

平成30年度の装置改良計画は順調に進行したが、ターゲット材料の仕様について変更があったため一部の予算執行が次年度に繰り越しとなった。次年度の研究では、試料作製における条件の詳細制御のため装置ターゲット購入費用に繰り入れ実行できると考えている。

Research Products

• [Presentation] 生体内におけるZn-DLCのZn溶出評価 (2019)
  • Author(s): 4.齋藤一拓, 木寺俊太, 藤岡宏樹, 馬目佳信, 平塚傑工, 本田宏志, 大越康晴, 佐藤慶介,平栗健二
  • Organizer: 第66回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Time course of Zn release from Zn-containing DLC (2018)
  • Author(s): 1.Shunta Kidera, Kouki Fujioka, Yasuharu Ohgoe, Keisuke Sato, Masanori Hiratsuka, Hitomi Tsuboi, Hideki Nakamori, Hideki Masuda, Hiroshi Honda, Yoshinobu Manome, Kenji Hirakuri
  • Organizer: International Conference on Diamond and Carbon Materials,
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Evaluation of fracture treatment of Zn-DLC for biomaterial application (2018)
  • Author(s): 2.Shunta Kidera, Kouki Fujioka, Yasuharu Ohgoe, Keisuke Sato, Masanori Hiratsuka, Hitomi Tsuboi, Hideki Nakamori, Hideki Masuda, Hiroshi Honda, Yoshinobu Manome, Kenji Hirakuri
  • Organizer: International Conference on Material and Chemical Engineering
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Effect of Zn-release diamond-like carbon films on bone formation in vivo (2018)
  • Author(s): 3.Kidera Shunta, Katouno Junichi, Fujioka Kouki, Ohgoe Yasuharu, Sato Keisuke, Hiratsuka Masanori, Tsuboi Hitomi, Nakamori Hideki, Masuda Hideki, Honda Hiroshi, Manome Yoshinobu, Hirakuri Kenji
  • Organizer: 第57回日本生体医工学会大会
• [Book] 医用工学の基礎 (2020)
  • Author(s): 土肥健純、平栗健二
  • Total Pages: 240
  • Publisher: 東京電機大学出版
  • ISBN: 978-4-501-33320-1